JP2009520178A - 多流体冷媒システム - Google Patents

Abstract

多流体冷媒を使用するシステム。不混和性又は混和性の流体を、１本又は複数本の流路に通すことができる。冷却すべきデバイスを、流路に熱的に結合させることができる。１つの流体の沸点は、デバイス内で維持すべき動作温度よりも高くてよい。別の流体の沸点は、デバイスの動作温度未満とすべきである。

Description

本願は、２００５年１２月１９日出願の米国仮出願６０／７５１５０６の利益を主張する。２００５年１２月１９日出願の米国仮出願６０／７５１５０６は、ここに参照により組み込まれる。本発明は冷却に関し、詳細には、本発明は、電子デバイス用の冷却に関する。より詳細には、本発明は、マイクロプロセッサ及び他の高トランジスタ密度デバイス用の冷却に関する。本発明は、複数成分冷媒（several component coolant）を使用する冷却手法を提供する。

多くの電子デバイスは、摂氏１００度未満の動作温度を有し、特にシリコンベースのマイクロプロセッサは、約摂氏７５〜９５度の最高許容温度を有する。そのようなデバイスは、比較的低い動作温度を有するが、かなりの熱を発生させる傾向がある。従って、そうした部品の動作中に、そこから熱を除去する必要がある。そうしたデバイスの処理速度が増大するにつれて、その熱の発生も増大することが一般に認識されている。従って、電子回路から熱を除去又は放散する必要は、その処理速度が増大するにつれて、より決定的に重大になる。

電子回路の熱放散要件の増大により、能動的冷却方法（active cooling methods）が求められている。一能動的冷却方法が、液体冷却である。利用できるさまざまな液体冷媒のうち、熱伝達係数の点から、水が最良で最も好都合であると考えられる。更には、２相流（two-phase flow）熱伝達が、その高熱流束冷却のため良好であることが一般に認識されている。しかし、水は摂氏１００度未満で気化することができないため、２相流の達成は困難となり得る。ただし、水が低圧環境中にある場合は別である。しかし、低圧環境には気密パッケージングが必要であり、気密パッケージングは、非常に高価になる傾向がある。従って、常（大気）圧下及び摂氏１００度未満での２相冷却を促進する必要がある。本発明は、とりわけこうした必要を満たすものである。

本発明は、効果的な２相冷却手法を、２成分冷媒を使用することによって実現する。具体的には、一方の成分が他方の成分に比べて比較的低い沸点を有する、２成分冷媒を使用することによって、２相冷却を常圧下で容易に達成し、それによって、気密又は他の複雑なパッケージング技法の必要を回避することができる。例えば、水と（３Ｍから入手可能な）ＦＣ−７２などの低沸点冷媒との混合物を使用して、２相流熱処理を達成し、単相冷媒（例えば水）単独よりも良好な熱交換を促進することができる。冷媒中では、水が、その優れた熱伝達係数及び熱容量のため、主熱媒体として働く。

一方、低沸点冷媒は、冷却されるデバイスの最大安全動作温度未満の比較的低い温度で気化する。この気化過程、及びそれによって冷媒中に気泡が導入されることにより、冷媒への熱伝達を一般に促進させることができる。また、熱伝達が、単相水冷媒の熱伝達の２倍を上回って向上し得る。しかし、一部の試験では、向上はわずか５〜１０パーセントとなることがあった。「流体」は、「液体」又は「気体」を意味し得ると言うことができよう。

更に、例えば水とＦＣ−７２の場合のように、低沸点冷媒と水が不混和である場合、多孔質媒体を使用することによって、更なる熱伝達の促進を得ることができる。ついでながら、他の例では、他の流体、そのような混和性流体を使用することができる。疎水性多孔質媒体を流路の側壁内に使用して、ＦＣ−７２を吸収し、水を中に入れないことができる。多孔質媒体は、ＦＣ−７２がその沸点よりわずかに超過した温度で沸騰するのを容易にする。疎水性多孔質媒体を使用して、ＦＣ−７２を、ヒートパイプ内のような高温の沸騰領域に供給することもできる。小型デバイス又は高熱流束デバイスの冷却用途の場合、流路は、より大きな流路よりも高い熱伝達を一般にもたらすマイクロ流路又はミニ流路となり得る。

説明のための一例では、水が主熱媒体であるが、冷媒組成の本発明の主熱媒体は、水に限定されない。高い熱伝達係数を有するが、最大許容温度よりも高い沸点を有する他の冷媒を主媒体として使用して、高熱流束適用分野向けの２相流熱伝達を達成することができる。

本発明の一態様は、最大許容動作温度を有するデバイスを冷却するための、２成分２相冷媒組成である。説明のための一例では、冷媒は、常圧で前記最大許容動作温度を上回る沸点を有する第１の成分、及び常圧で前記最大許容動作温度未満の沸点を有する第２の成分を有することができる。第１の成分は、第２の成分の熱容量よりも大きな熱容量を有してよく、第２の成分は、第１の成分に不混和性でよい。とはいえ、いくつかの場合では、第２の成分が混和性でよい。

本発明の別の態様は、最大許容動作温度を有するデバイスを、２成分２相冷媒を使用して冷却する過程である。説明のための一例では、この方法は、常圧で前記最大許容動作温度を上回る沸点を有する第１の成分、及び常圧で前記最大許容動作温度未満の沸点を有する第２の成分を備える冷媒に、前記電子デバイスを効果的に接触させることを含む。第２の成分は、蒸気として第１の成分の流体流に注入することができる。

水及びＦＣ−７２を備える２成分冷媒を使用して、電子デバイスを冷却する実現性について示す説明が、本明細書に記載される。本発明の諸態様は、本説明に限定されず、本発明の更なる利点（ｂｅｎｅｆｉｔｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ）が、更なる調査を通じて理解される可能性があることを理解されたい。更に、水及びＦＣ−７２からなる有効部分を備える冷媒が本明細書で考慮されているが、他の２成分冷媒組成又は複数冷媒組成が、本発明の範囲内で企図できることを理解されたい。

単相及び２相の熱伝達及び流体流を調査するために、矩形の流路が設計及び構築された。作動流体は、水とフッ化物質であるＦＣ−７２の混合物である。ＦＣ−７２を水流に添加すると、水だけの流れに比べて熱伝達効果の促進をもたらすことができる。流れの視覚化及び熱伝達の実験を、水の沸点未満の温度で実施することができ、従って水は液相状態のままである。ＦＣ−７２は、液相及び蒸気相の両方の状態で存在することができる。

流路の側壁は、流れを視覚化するためにガラスで構築することができる。残りの側面は、アクリルから機械加工することができる。流路の屋根部は、略断熱境界をもたらすように、また流路のアスペクト比に対する将来的な変更に対応するために、取外し可能なように設計することができる。一定の熱流束境界をもたらすために、アルミニウムブロックにカートリッジヒーターを埋め込んで、そのアルミニウムブロックを流路ベースに嵌め込むことができる。

試験装置内では、水とＦＣ−７２の２流体冷却流を使用することにより、水だけの流れと比較して冷却の大きな利点がもたらされると結論付けることができる。ＦＣ−７２が注入される場合のヌッセルト数は、水だけの流れのヌッセルト数の約２倍となり得る。コンピュータ及び他の電子装置の従来の冷却は、将来の技術に不十分であると思われる。コンピュータチップの継続的な小型化、先進レーザの開発、及び技術の全般的な発展により、現在利用できると思われるものより優れた冷却をもたらす装置が必要となり得る。本発明は、２成分流の冷却潜在能力を調査するように設計された流路を含むことができる。具体的には、水がフッ化化学物質と混合され、熱伝達係数及びヌッセルト数を求めることができる。

プール沸騰を使用した冷却には、ＣＰＵを誘電性流体で満たされたチャンバ内に密閉する必要があり得る。チップからの熱が流体を沸騰させる。蒸気がチャンバの上面に上昇することができ、蒸気はそこで凝縮し、沈んで底面に戻る。プール沸騰は、誘電性流体が相変化することにより、大きな熱伝達率を達成する潜在能力を有するが、このタイプの冷却システムを実施する上での主要な問題は、冷却システムが向きの影響を受けやすいことである。例えば、誘電性流体の自然対流は重力及びコンピュータの向きに左右されるので、プール沸騰は、ラップトップコンピュータのようなものを冷却する効果的な手段となり得ない。

ヒートパイプは、液体作動流体で満たされたコンテナから構成することができる。コンテナの内面は、多孔質材料の層に覆われる。毛細管力（capillary force）が、流体を材料の細孔に引き込む。ヒートパイプの表面に沿った任意の点に熱が印加されると、その点にある液体が沸騰して、蒸気状態に入る。気化液体は、そのより高い圧力により、コンテナ内のより低温の位置に押し流され、そこで凝縮する。このようにして、ヒートパイプは、熱をある位置から別の位置に急速に移動させることができる。ヒートパイプの有効熱伝導率は、銅の有効熱伝導率の何千倍にもなるが、外部熱交換器が必要である。更に、多孔質材料内に含むことができる作動流体の体積が限られており、従ってヒートパイプは、高電力適用分野には適していないと思われる。

冷却のより効果的な手段に、単相液冷ヒートシンクの使用によるものがあり得る。平行マイクロ流路のアレイをチップの上面上に取り付け、ポンプを使用して、冷却流体を流路に強制的に通過させることができる。このタイプの冷却は、空冷ヒートシンクを用いるよりも、気体の熱特性と比べた流体の熱特性により効果的となり得る。加熱された流体は、マイクロ流路から出た後、外部熱交換器を使用して冷却することができる。

本発明は、単相液体に比べて冷却の大きな利点をもたらす２相作動流体が関与し得るものであり、マイクロ流路内での相変化により、大きな熱伝達係数がもたらされる。マイクロ流路内で２相強制対流による冷却の可能性があるということは、大きな潜在能力があることを意味する。二次流体の特性が、水よりも低い温度で二次流体が相を変化させるようなものである場合、より低い温度での大きな熱伝達係数が可能になり得る。一手法は、水が過冷却温度でマイクロ流路を通って流れるというものである。水流に混入された二次流体の液滴も、マイクロ流路を通って流れる。二次流体は、マイクロ流路内の高温表面又はその表面付近の十分高温の水に接触するとすぐに沸騰して、蒸気に変化する。蒸気は、冷水と混ざると凝縮し、熱を水に伝達する。

この時点で液体の二次流体は、流路壁部又は壁部付近の十分高温の水に再度接触するまで下流に流れ、再度接触した場合にサイクルが繰り返す。このようにして、マイクロ流路壁部と水の間の熱伝達が促進される。この手法の場合、この特定の冷却適用分野では、コンピュータチップの表面が摂氏９５度以下に維持されなければならないことがあるので、水よりも低い沸点を有する流体が望ましい。このため、水だけを冷却流体として室圧で使用することが除外される。というのも、大気圧でのそのような低い温度では、２相流は不可能なためである。３Ｍから入手可能な、さまざまなフッ化化学物質（すなわちＦｌｕｏｉｎｅｔ（商標）液体）の物理的特性が、図２ａの表に列挙されている。

水、ＦＣ−７２、ＦＣ−８４、ＦＣ−７７、ＦＣ−４０及びＦＣ−４３に関する、沸点、密度、熱伝導率、及び誘電率の特性を、表中に見ることができる。表中の化学物質のうち、ＦＣ−７２は、最も低い沸点を有する。これらの化学物質を見て、ＦＣ−７２を説明のための一例として選択することができる。他の流体も、水又は本発明における別の流体と混合すべき二次流体として適切となり得る。他の流体には、他のフルオロカーボン冷媒、及び１気圧で約摂氏１５度の低沸点を有するＧｅｎｅｔｒｏｎ ２４５ＦＡがあり得る。

流体は、１気圧において、冷却の対象であるアイテムの最大温度である低温で沸騰が起こり得る限り、混和性でもよい。所望の冷却を目的として、少なくとも１つの流体が最大許容よりも低い沸点を有する限り、複数の流体（すなわち、混和性又は不混和性の３つ以上の流体を含む）があってもよい。これらの流体を用いた冷却動作には、２つ以上の相が関与し得る。

図１ａ及び１ｂは、本発明の説明のための例を示す。図１ａは、流体１を流体輸送構造体１０の入口４に供給することができる、第１の流体供給部を示す。第２の流体供給部が、流体２を流体輸送構造体１０に、入口４のところで供給することができる。これらの流体は、構造体１０を通って流れて、構造体１０に熱的に結合又は接続されたデバイス７を冷却することができる。流体１及び２は、構造体１０を出口６から、又は（図１ｂに示すように）別々の出口から出ることができる。流体１及び２は、液相状態でよく、入口４を経由して構造体１０に入るとき、一緒になることができる。そうではなく、流体２は、入口４から入るとき、蒸気でも気相状態でもよい。又は、流体１及び２は、さまざまな相の組合せの形で構造体１０に入ってもよい。異なる状態のさまざまな種類の流体用の、追加の投入口があってもよい。排出口についてのさまざまな他の構成があってもよい。図１ａ及び１ｂは、２つの構成についての説明のための例を示す。

図１ｂは、流体１を流体輸送構造体１０の入口４に供給する、第１の流体供給部を示す。第２の流体供給部は、流体２を構造体１０の別の入口５に供給することができる。入口５は、入口４よりも下流にあってよい。流体１は入口４から、液相状態で入ることができる。流体２は入口５から、蒸気として、又は気相状態で入ることができる。しかし、流体１及び２は、さまざまな相の組合せの形で構造体１０に入ることができる。流体１及び２は、構造体１０を出口６から一緒に出ても、それぞれ出口６及び３から別々に出てもよい。

図１ａ及び１ｂの流体輸送構造体１０は、入口及び出口に関して、示したものとは別に、異なる位置を有してよい。デバイス７は、図示していない形で、構造体１０に熱的に結合又は接続することができる。構造体１０は事実上、デバイス７用のヒートシンクとなり得る。

構造体１０は、１本又は複数本のマイクロ流路／ミニ流路を有することができる。図３ａ及び３ｂは、例示的パターンを示す。構造体１０は、何らかの多孔質材料、毛細管など、他の何らかの種類の輸送タイプの構造体でもよい。流体１及び２は、異なる特性を有してよい。これらの流体は、不混和性でも混和性でもよく、異なる沸点、異なる熱伝達係数、及び異なる熱容量を有することができる。

デバイス７の温度を、特定の動作温度未満に維持することが望ましい。デバイス７は、チップ上のプロセッサでも、他の何らかの機構体でもよい。デバイス７は、動作中に熱を発生することがある。デバイス７に何らかの冷却が設けられていない場合、デバイス７は過熱して、動作上機能しなくなる恐れがある。本発明は、デバイス７の効果的な冷却を、本明細書において提供される、２つ以上の流体又は成分流体による手法を用いてもたらすように設計される。

図１ａ及び１ｂの説明のための例、並びに本明細書の他の図面及び説明では、１つ又は複数の相の状態にある２つ以上の異なる流体があってよい。流体１及び２についての説明のための例として、デバイス７又は構造体１０に熱的に接続された他の発熱機構体の動作温度よりも高い沸点を有する流体１を選択することができる。その動作温度未満の沸点を有する流体２を選択することができる。流体１の一例に、水があり得る。流体２の一例に、ハロゲン化合物又はフッ素化合物があり得る。説明のために、図２ａの表中に示す特性を有するＦＣ−７２などのフッ素化合物を選択することができる。デバイス７とデバイスのヒートシンクとして作用する構造体１０の一部分の動作温度は、例えば高密度のトランジスタを有するシリコンプロセッサチップの動作温度である、摂氏７０〜９５度であると考えることができる。この例の場合、水の沸点は動作温度を上回り、ＦＣ−７２の沸点は動作温度未満であり、すなわち、それぞれ摂氏１００及び５６度であると言うことができる。個々の冷媒に応じて、被冷却温度（a cooled to temperature）は、摂氏４５度〜摂氏９５度の範囲にわたり得る。

本明細書に記載される更なる説明、モデリング、及び解析により、本発明の動作が実証される。ＦＣ−７２を水の主冷却流へ注入するかどうかが、流路の全体的な熱伝達能力及びその結果得られる冷却を促進することになると述べることができる。ＦＣ−７２と水の混合挙動を観測し、特徴付けることができる。マイクロ冷却器内の流れについて調査するために、単一のマイクロ流路の拡大版を使用することができる。この拡大された流路を使用して試験を実施し、熱伝達及び流体流の特性を求めることができる。この試験中に収集される情報により、２流体流（ＦＣ−７２と水）を冷却流体として使用する効果に対する見識がもたらされる。1つの目的は、いくつかの異なる混合条件を調査し、可能であれば、さまざまな流れの条件に関する熱伝達係数を得ることである。流路内での液体−液体流及び液体−蒸気流の混合について、調査することができる。

図２ｂの表は、実験１〜９の一覧を示し、そのうちいくつかが、本明細書で述べられる。水の質量流量がｍ_１であり、ＦＣ−７２の質量流量がｍ_２である。ＦＣ−７２の蒸気注入を必要とする実験は、ＦＣ−７２の飽和温度より上のバルク（bulk）流体温度を用いて実施することができる。液体ＦＣ−７２を用いた実験は、ＦＣ−７２の飽和温度未満の入口温度を使用することができる。流れの視覚化データが調査され、温度データがＦＣ−７２と水のさまざまな比に関して得られる。

ＦＣ−７２を注入する２つの方法について調査される。第１の方法では、ＦＣ−７２が気化され、次いで角度のついた矩形入口ノズルを通じて注入される（実験４〜６）。第２の方法では、液体ＦＣ−７２と水が、流路入口の上流の単純なＴ字型管継手内で混合される（実験７〜９）。

流路のアスペクト比（高さに対する幅）を変化させることができる。均一な熱流束に加えて、ホットスポット試験も重要となり得る。加熱は、単一のヒーター要素を使用して、流路の長さに沿って伝導することなく行うことができる。この試験流路の設計及び構造は、主要な目的を損なわずに、これらの要求を満足させようとするものである。

試験流路は、例えば０．０４×０．０５×１ｃｍの、単一のマイクロ又はミニ流路の特性を模倣することができる。マイクロ流路は、２００×２００ミクロンの断面、及び２００ミクロンの間隔を有することができる。こうした流路は、ＭＥＭＳサイズの装置であり得る。ナノ範囲の流路などのより小さな流路を、冷却用に実装することができ、本明細書の記載は、それに関連し得る。より大きな流路は、マイクロ流路より３〜１００倍、又はそれよりも大きい場合がある。

ミニ流路は、マイクロ流路よりもほんの数倍大きいものとすることができる。一設計例は、最大２２流路、５００×４００ミクロン、２００ミクロン間隔（流路領域として約１．５ｃｍの合計幅）の設計を有することができる。マイクロ熱交換器１０（マイクロ冷却器１０の図及び冷却器の端面図については、図３ａ及び３ｂを参照されたい）について、さまざまな流れの条件に対して無次元パラメータが求められており、それらのパラメータを模倣するように大規模試験流路を構築することができる。マイクロ冷却器１０は、平行流路１２が中にエッチングされたシリコンウェーハ１１、及びシリコンプレートカバー１３を有し、従って一連の囲まれた矩形ダクトを形成することができる。例えばシリコンウェーハ１１の下のＣＰＵチップ１４を冷却するために、冷媒が流路１２を通過することができる。マイクロ熱交換器１０を通る流れに関する詳細は、大規模装置の設計過程の一環として調査することができる。マイクロ熱交換器を通る全体の体積流量（全てのマイクロ流路１２を合わせて通る流れ）を、２００ｍＬ／分に設定することができる。この情報に加えて、流路１２の高さ、幅、及び長さを使用して、流れパラメータを求めることができる。

大規模試験流路が構築されると、実際のマイクロ冷却装置１０に関するいくつかの流れパラメータを計算することができる。全体の体積流量は、２００ｍＬ／分として特定されている。この流れは、全ての流路１２間で均一に分割されると仮定することができる。平均流体速度は、

であり、上式で、Ｖはマイクロ冷却器１０を通る平均流体速度であり、Ｑ_ｖは、全体の体積流量であり、ｎは流路本数であり、Ａは各マイクロ流路１２の断面積である。
レイノルズ数は、流体要素に作用する慣性力と粘性力との比の大きさを表すことができる。大規模装置は、より小さなマイクロ流路１２と同じレイノルズ数を有するように設計することができる。レイノルズ数（Ｒｅ）は、

であり、上式で、Ｄ_Ｈは水力直径であり、ρは流体の密度であり、μは流体の動的粘度である。マイクロ流路１２の水力直径は、

であり、上式でＰは濡れ縁である。流路１２の本数の関数としてのレイノルズ数が、図４のグラフに示されている。流れは、全ての流路間で等しく分配されると仮定することができる。Ｑ_ｖ＝２００ｍＬ／分であり、Ｄ_Ｈ＝５００μｍである。

試験装置は、マイクロ／ミニ冷却器１０のパラメータを模倣することができる。マイクロ冷却装置１０内の流路１２の本数は、５００μｍの水力直径で１０〜３０とすることができる。図４のグラフでは、５００〜１３００までのレイノルズ数を調査するように大規模装置を設計することができる。

マイクロ規模寸法から大規模寸法（１００倍の水力直径の増大）へ移行しようとする際の別の考慮事項は、グラスホフ数Ｇｒである。グラスホフ数は、流体に作用する浮力と粘性力との比を示す。グラスホフ数及びレイノルズ数を調査することによって、流路内の熱伝達の優勢なメカニズムを求めることができる。比Ｇｒ／Ｒｅ^２を使用して、強制対流が熱伝達の優勢な形態か、それとも自然対流（free convection）が熱伝達の優勢な形態かを求めることができる。実際のマイクロ流路１２の場合、強制対流が優勢となるようであるが、大規模流路では、強制対流と自然対流のどちらも考えられる。グラスホフ数は、

と定義され、上式で、ｇは重力定数（gravisional constant）であり、νは動粘度であり、Ｔ_Ｗは流路壁部での温度であり、Ｔ_Ｂは流体の平均温度であり、βは等圧熱膨張係数である。等圧熱膨張係数は、定圧において温度変化に応答して密度が変化する量の大きさを表す。この熱膨張係数βは、

と定義され、上式で、ρ及びＴはそれぞれ、流体の密度及び温度である。式（５）は、

によって近似することができ、上式で、ρ_Ｂはバルク流体密度であり、ρ_Ｗは壁部での流体密度である。グラスホフ数は、水力直径の３乗に左右されるので、大規模試験流路と実際の規模のマイクロ熱交換器１０との間には、幾らか差がある可能性がある。Ｇｒ／Ｒｅ^２＜＜１の場合、自然対流の影響を無視することができる。反対に、Ｇｒ／Ｒｅ^２＞＞１の場合、強制対流の影響を無視することができる。マイクロ流路１２に関するグラスホフ数は、マイクロ流路の水力直径が５００μｍ程度であり、それによりグラスホフ数が確実に小さくなるので、強制対流が優勢になるものである。このことは、大規模装置には必ずしも当てはまらない。拡大された水力直径は、実際のマイクロ流路１２の水力直径よりも約１００倍大きい場合がある。この寸法が３乗されると、大規模装置に関するグラスホフ数は、実際のマイクロ流路のグラスホフ数よりも１００万倍大きくなると分かる。従って、大規模装置では、自然対流と強制対流のどちらも考慮しなければならない。

マイクロ流路１２及び大規模流路に関する熱伝達の予測される形が、図５のグラフに示されている。Ｇｒ／Ｒｅ^２対Ｒｅが示されているこのグラフでは、Ｇｒ／Ｒｅ^２の比により、熱伝達の優勢なメカニズムが決まり得る。Ｇｒ／Ｒｅ^２＜＜１の場合、強制対流の影響が優勢なようである。Ｇｒ／Ｒｅ^２＞＞１の場合、自然対流が優勢なようである。Ｇｒ／Ｒｅ^２≒１の場合、強制対流と自然対流のどちらも考慮すべきである。このグラフを作成する際には、Ｔ_Ｗ−Ｔ_Ｂ＝摂氏３０度の温度差を仮定することができる。

マイクロ流路１２を通じた圧力損失を予測することができ、大規模装置を通じた圧力降下を推定することができる。マイクロ冷却器１０を通じた圧力降下は、３つの原因に由来し得る。流体が流路１２の壁部に沿って通過するときの摩擦損失、流体が流路１２に入口１５から入るときの急激な収縮による小損失、流体が流路出口１６で急激な膨張を受けるときの小損失があり得る。全体の圧力降下は、この３つの和、
Δｐ_{ｔｏｔａｌ}＝Δｐ_ｗａｌｌ＋Δｐ_{ｅｎｔｒａｎｃｅ}＋Δｐ_ｅｘｉｔ （７）
となり得る。

本明細書で呈示される圧力降下の計算では、流体流が全てのマイクロ流路１２に均一に分配されると仮定することができる。更に、流体が入口１５プレナムからマイクロ流路１２を通って出口１６プレナムを通るときに、平均流体速度が一定であると仮定される。図６は、マイクロ流路１２の入口１５及び出口１６のところの流路幾何形状を示す。流路１２の入口及び出口のところの高さがＤである。Ｄ_Ｈは、流路水力直径である。流体速度は、入口プレナム及び出口プレナムのより広い領域内の方が、より小さくなり得る。しかし、これらの区画の幾何形状に関するどんな具体的な数値もない場合、保守的な推定を行うことができる。入口プレナム及び出口プレナムにおいてより大きな速度を仮定することによって、計算の結果、より大きな圧力降下を得ることができ、誤差が保守的になるはずである。

全体の体積流量は、Ｑ_ｖ＝２００ｍＬ／分と特定することができるが、流路１２の本数はまだ決定されていない。このため、ここで呈示される圧力降下推定は、流路本数の関数として与えられる。流路１２の本数が増大するにつれて、それぞれを通る流れが減少し、各流路を通る平均流体速度も減少する。同じ流れがより少ない流路を通るように強制すると、より大きな平均速度となり、より大きな圧力降下が発生する。

任意の断面積のダクトを通じた摩擦損失及び小損失に関する式は、

であり、上式で、Δｐは摩擦損失及び小損失による圧力降下であり、Ｌはマイクロ流路長であり、

は、全ての小損失係数の和であり、Ｖは、流れの平均速度であり、ｆはダルシーの摩擦係数である。密度ｐは、平均流体条件において求められる。式（８）は、任意の断面積のダクト流、並びに層流及び乱流に当てはまると思われる。十分に発達した層流に関するダルシーの摩擦係数の相関関係は、

である。式（９）は、ファニングの摩擦係数と混同すべきではない。ダルシーの摩擦係数は、ファニングの摩擦係数の４倍である。流れがｎ本の流路全体にわたって均等に分配されると仮定することによって、圧力降下推定を行うことができる。平均流体速度は、式（１）から求めることができる。

流体は、入口のところのプレナムからより狭い直径のマイクロ流路に移動するとき（図６）、マイクロ流路１２の各入口１５で急激な収縮を受けることがある。これらの急激な収縮それぞれに関連する損失係数は、

であり、上式で、Ｄは流路の入口のところのプレナムの高さである。式（１０）は実験式であり、Ｄ_Ｈ／Ｄ＜０．７６の場合に当てはまり得る。
流体は、各マイクロ流路１２から出るとき、急激な膨張を受けることがある。これらの急激な膨張に関する損失係数は、

である。式（１１）は、検査体積（control volume）解析（ここでは呈示せず）に基づく理論式であり、この式は、実験データと十分に合致するようである。
話を簡単にするために、マイクロ冷却器１０を通る流れは、十分に発達し、層流であると仮定される。単一のマイクロ流路１２を通じた全ての損失に関する完全な式は、

であり、この式では、１０〜３０本の流路の場合、マイクロ冷却装置１０を通じた圧力降下は、１〜３ｋＰａになると予想することができる。図７のグラフは、圧力降下（ｋＰａ）対マイクロ流路１２の本数について示す。このグラフは、マイクロ冷却器１０を通じた合計圧力降下２１を示す。入口１５の損失１７、出口１６の損失１８、及び壁部摩擦による損失１９も示されている。全体の体積流量は、２００ｍＬ／分である。図７から分かるように、摩擦損失１９がマイクロ流路１２内の圧力降下の主原因として現れている。流路の入口１５及び出口１６での小損失は、合計圧力降下の約２５％を占める。マイクロ流路１２内の圧力降下をこのように推定することにより、寸法が拡大される際に予想すべきことが分かる。

式（１２）から分かるように、摩擦損失は流体速度に左右される。大規模装置内の速度の方が、同じＲｅではマイクロ流路１２内よりもずっと小さく、従って、大規模流路内の圧力降下は、２ｋＰａ未満になる。これは小さな圧力降下であり、従って、大規模装置内の圧力損失は無視することができる。

大規模加熱流路３０のベース３３の断面が、図８に示されている。流体は、一方の端部３１から入り、加熱ベース３３の上を通過して、他方の端部３２から出ることができる。加熱流路ベース３３は、９つのカートリッジヒーター３５をそれぞれが備える、３つの個別のヒーターブロック３４で構成することができる。より多くの、又はより少ないブロック及びカートリッジヒーターがあってよい。各ヒーターブロックは、異なる回路から給電及び制御される。このように設計すると、各ヒーターブロック３４からもたらされる電力に幾らかのばらつきが生じることがあるが、各回路から利用できる電圧は、互いに３パーセント以内に収まることができる。

各ヒーターブロックへの理想的な電力入力を、ブロック３４あたりのカートリッジヒーター３５の数、及び電力設定に基づいて計算することができる。損失がないならば、この電力は全て流路３０に入るはずである。一般にはそうならない。実際の電力入力を理想的な電力入力と比較することにより、この損失の推定を行うことができる。３つのヒーターブロック３４それぞれからの電力入力は、システムに対してエネルギー収支を実施することにより求めることができる。水及びＦＣ−７２イン、並びに水及びＦＣ−７２アウト、並びに熱の添加を有する検査体積レイアウト３７が、図９に示されている。イン部３８での水中及びＦＣ−７２中の熱と、アウト部３９での水中及びＦＣ−７２中の熱との差を測定することができ、その差を熱添加４１と比較して、流路による熱損失を求めることができる。

システム３７に関するエネルギー収支は、

であり、上式で、Ｑは境界を横切る熱伝達率であり、Ｗは境界を横切る仕事伝達率であり、Ｕは内部エネルギーであり、ｈはエンタルピーであり、ｚは高さである。定常流、定常状態条件が仮定される。仕事が行われず、バルク運動エネルギー及び位置エネルギーの変化が無視できるとも仮定される。

これらの仮定を用いると、式（１３）は、

又は

に変わる。図１０のグラフは、水及びＦＣ−７２の比熱（ｋＪ／ｋｇ Ｃ）を、温度（Ｃ）の関数として示す。水及びＦＣ−７２に関する相変化を見ることができる。グラフから分かるように、水の比熱は、これらの温度（摂氏４０度〜摂氏６０度）の間一定であるが、この範囲を通じて、ＦＣ−７２の比熱は、流体が相を変化させるので低下する。

水の入口３８の温度及び出口３９の温度は、レイアウト３７から測定することができる。ＦＣ−７２の入口温度及び出口温度は、水の入口温度及び出口温度と同じであると考えられる。というのも、この２つの流体は密接に接触しているためである。損失は、ヒーターブロック３４から供給される印加電力入力４１を、エネルギー収支によって求められる、計算されるエネルギーの実際の増加量と比較することにより推定することができる。供給される電力は、実験の実施に応じて４００Ｗ〜８００Ｗの範囲となり得る。

話を簡単にするために、流路３０への実際の電力入力は、３つのヒーターブロック３４に均等に分散されると仮定される。換言すれば、３つのヒーターブロックそれぞれから流路への電力入力は、

であり、上式で、Ｑ_{ａｃｔｕａｌ}は、式（１５）で求められる、流路３０に入る実際の電力である。各ヒーターブロック３４に関する損失は、

で求められ、上式で、Ｑ_ｌｏｓｓは電力損失である。各ヒーターブロックに関する印加電力入力がＱ_ｅである。各回路からの電圧が既知であり、各ヒーター３５の抵抗が既知であり、従って、各ヒーターブロック３４についてＱ_ｅを求めることができる。流路３０内に実際に伝達された電力を求めるために、修正された熱入力推定を行うことができる。

Ｑ_{ｒｅｖｉｓｅｄ}＝Ｑ_ｅ−Ｑ_ｌｏｓｓ （１８）
これまで述べた実験の実施では、損失は印加電力の約５０パーセントであり、従って流路ベース内への熱入力４１は、２００Ｗ〜４００Ｗである。断熱を向上させることにより、うまくいけば、将来的な実施において損失が制限されるはずである。

熱伝達係数は、
Ｑ_{ｒｅｖｉｓｅｄ}＝ｈＡ（Ｔ_ｗ−Ｔ_ｂ） （１９）
によって与えられ、上式で、ｈは熱伝達係数であり、Ａは加熱区画の面積であり、Ｔ_ｗは流路３０の壁部温度であり、Ｔ_ｂは流体のバルク温度である。各ヒーターブロック３４について、平均の壁部温度及びバルク温度をとることができ、熱伝達係数を、それらの平均に基づいて計算することができる。ヌッセルト数は、

であり、上式で、ｋは流体の伝導率である。ヌッセルト数は一般に、１／Ｇｚの関数としてプロットされ、ただしグレーツ数は、

である。式（２１）において、ｘは流路３０に沿った距離であり、Ｐｒはプランドルト数ν／αであり、ただし、νは動粘度であり、αは流体の熱拡散率である）。ここで、Ｒｅ及びＰｒを、流体の平均バルク温度、

において求めることができる。
流路３０は、流体混合の写真を撮影することが可能になるように、透明な壁を用いて構築することができる。高温のコンピュータチップを擬似するために、流路床部を通じて熱流束４１をもたらすことができる。液体の水が、一方の端部３１から入って、下方から加熱される矩形流路３０を通って流れることができる。リザーバ４７からの二次流体を、水流に添加することができる。これら２つは、流路３０の上流で混合して、弁４８を経由して同じ入口３１を通って入っても、ＦＣ−７２をまず気化して、水入口３１の下流で弁４９を経由して流路に注入してもよい。装置及び流体流設定の概略図が、図１１に示されている。

水は、ポンプ４４によって加熱リザーバ４２からポンプ揚水し、恒温水浴５３を介して試験流路３０内に入れることができる。水の体積流量を、水が流路に入る前にロータメータ４３を通過するときに、測定することができる。ＦＣ−７２ポンプ４５を、所定量の流体を実験開始前に供給するように設定することができる。ＦＣ−７２の流量を確認するために、体積流量を実験の前後に測定することができる。ＦＣ−７２を注入するための２つのシナリオを使用することができる。

第１の方法では、液体ＦＣ−７２を、流路３０に入る直前に水と混合することができ、２つの流体が一緒に入口３１から入る。第２の方法では、気化されたＦＣ−７２が、水入口３１の下流の別の開口４６を通って入ることができる。熱を流路３０の床部に印加することができる。ＦＣ−７２は、注入の方法に関わらず、流路３０の端部に到達する時点までに気化すべきである。２つの流体は、別々の流れとして流路の端部３２から出ることができる。水は、液体として、流路３０の床部に開いた開口を通って排出し、排出タンク５１に向かうことができ、ＦＣ−７２は、蒸気として、流路３０の屋根部を通って流路から去ることができる。ＦＣ−７２は、凝縮タンク５２に向かい、次いで凝縮及び再循環することができる。

この装置は、長い矩形流路３０とすることができる。壁部は、流れ及び混合のデジタル写真を撮影することができるように、厚さ０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）の窓ガラスから構成される。水は主流体であり、制御された体積流量で入る。ＦＣ−７２は二次流体である。ＦＣ−７２は、蒸気相及び液相状態で注入することができる。現在の手法では、均一な熱流束が望ましいが、加熱要素３５が区画化されており、ホットスポットシミュレーションを行うことができる。定常熱流束が、流路３０の底面に印加され、入口温度及び出口温度、並びに流路３０の長さに沿った平均壁部温度が測定される。

試験流路の構造構成要素は、アクリルから機械加工することができる。この材料が選択されるのは、それが機械加工可能であり、低コストであるためである。構成要素は、厚さ１．２７ｃｍ（０．５インチ）のアクリルのストック材料から形成することができる。矩形流路３０の底面部６２に開いた開口６１が、ヒーターブロックを受け入れる。流路へのアクセスを可能にし、流路のアスペクト比に対する変更を可能にするために、もう１つの開口６３が流路の上面部６４に開いている。取外し可能カバー６７（図１４）が、上面に開いた開口を密閉する。流路の入口３１及び出口３２のところに、穴がドリルで開けられ、管継手を収容するようにねじ山を立てることができる。

図１２は、流路３０の基本的な構造構成要素を示す。アクリル構成要素内に、溝６５を機械切削することができる。各溝は、幅１．２７ｃｍ（０．５インチ）である。溝６５は、２枚の窓ガラス６６（図１３ａ）を受け入れることができる。この２枚の窓ガラスは、Ｓｃｏｔｃｈ（商標）ブランドの耐久性両面テープを用いて一緒に保持することができる。各窓ガラスは、１５２×７．６２×０．６３５ｃｍ（６０×３×０．２５インチ）である。ガラス壁６６は、高温シリコーンシーラントを使用して溝６５内に接着することができる。ガラス壁６６が定位置にある流路３０の、基本的な流路寸法を添えたイメージが、図１３ａ、１３ｂ及び１３ｃに示されている。ガラス壁が見えるように、流路端部７０（図１２）は省略されている。寸法はインチ単位である。

カバー６７と流路上面の間に、ガスケットを嵌めることができる。カバーは、１．２７ｃｍ（０．５インチ）のアクリルから機械加工され、流路上面上にボルト固定されるフラットプレート６８、及び３つのより細いスペーサ６９から構成される（図１５ａ）。スペーサは、流路３０の中に下降して、適切な高さ対幅アスペクト比をもたらす。各スペーサ６９は、０．０４１×１．０１６×０．０１３ｃｍ（１．６×４０×０．５インチ）である。スペーサ６９の数は、異なるアスペクト比を可能にするように変更することができる。流路上面のイメージが、図１４、１５ａ及び１５ｂ、並びに１６ａ及び１６ｂに示されている。

図１４は、取外し可能カバー６７をどのように流路屋根部６４に嵌め込んで、定位置にボルト固定することができるかを示す。図１５ａ及び１５ｂはそれぞれ、取外し可能カバー６７の長さ方向の図及び断面図である。図１６ａ及び１６ｂ及び１６ｃはそれぞれ、取外し可能カバー６７なしの、また取外し可能カバー６７のある流路３０の断面を示す。寸法はインチ単位である。

多数のシリコンビーズで形成される流れ調整又は拡散ブロックが、流路カバーの直前に配置される。図１７は、アクリルのフレーム及びプラスチックメッシュ内に保持された多数のシリコンビーズから構成される拡散ブロック７１を示す。拡散ブロック７１の目的は、水入口からのどんな乱流の影響も、沈静又は打ち消すことである。アイテム８０は、断熱材とすることができる。

注入の２つの形態について述べることができる。第１の形態では、ＦＣ−７２を流路３０に蒸気の形で、投入口４６（図１１）のところの、水平位置から６０度に向けられた小さな矩形ダクト７２を経由して供給することができる。第２の形態では、液体ＦＣ−７２を水と、流路の上流の、投入口３１のところの単純なＴ字型管継手内で混合することができる。ＦＣ−７２蒸気供給システムの設計が、図１８、１９、２０及び２１に示されている。図１８は、アクリル構成要素間に嵌められた２枚のアルミニウムプレート７３から構成される、ＦＣ−７２気化器を示す。組み立てられると、矩形の３４．２９×６．９８５×０．９５２５ｃｍ（１３．５０×２．７５×０．３７５インチ）のチャンバが形成される。

図１９は、組立体７２の端部上に配置されたアクリル蓋７５、及び取り付け済みのＳｗａｇｅｌｏｋ（商標）管継手７６を示す。液体ＦＣ−７２を、この管継手７６を通じて、ダクト７２内の矩形中空内に供給することができる。図２０は、組立体７２のどちらか一方の側のアルミニウムプレート７３に押し付けられる、Ｗａｔｌｏｗ（商標）ストリップヒーター７７を示す。ＦＣ−７２は、ヒーター７７によって熱が印加されると、気化することができる。次いで、蒸気を矩形出口７８から強制的に外に出すことができる。

図２１ａ及び２１ｂはそれぞれ、ＦＣ−７２気化器７２を受け入れるように流路３０のカバー内に機械加工された開口４６、及び流路３０の定位置にある気化器を示す。さまざまな位置で注入が行われるのを可能にするために、流路３０のカバーに追加の開口を開けることができる。現在の手法では、１つの注入ポート４６だけが形成されればよい。

もう１つの注入手法は、流路入口３１の上流でＦＣ−７２と水を混合するものでよい。この混合手法は実施されたが、ＦＣ−７２が入口プレナムの底面にまっすぐに落下して、流れ調整ブロック７１を通過しなかった。これを矯正するために、水とＦＣ−７２の混合物を誘導して流れ調整ブロックに直接入れるための注入管が実施された。

流路３０の底面に開いた穴６１は、厚さ０．１５９ｃｍ（０．０６２５インチ）のステンレス鋼プレート８３で覆うことができる。このプレートは、高温シリコーンシーラントを用いて定位置に接着することができる。ベースプレート８３には、１６個の均等に離隔された穴（図２２）を穿孔することができる。各穴の中に熱電対８６を、熱伝導性エポキシを用いて接着することができる。熱電対接合部８６がプレート８３の表面と同一平面にあり、十分な電気絶縁を保証するために熱電対接合部８６がエポキシで十分に被覆されることが確実になるように注意することができよう。熱電対は、３０ゲージのクロメルとコンスタンタンのワイヤ（タイプＥ）から形成することができる。このタイプの熱電対が選択され得るのは、それが同じ温度について最も高い電圧をもたらすと思われるためである。更に、タイプＥワイヤの熱伝導率は、一般に入手可能な任意の熱電対タイプのうちで最も低いようであり、従ってフィン効果が低減する。

図２２及び２３は、ステンレス鋼ベースプレート８３内での熱電対８６の位置決め、及びそのプレートの流路３０内での配置を示す。図２２は、ステンレス鋼ベースプレートに開いた穴に埋め込まれた、１６個のタイプＥ熱電対を示す。穴の位置及び対応する熱電対は、プレート８３の左端から測定することができる。プレート８３は、長さ１０６．６８ｃｍ（４２インチ）、及び幅３．８１ｃｍ（１．５インチ）とすることができる。左端から始まる熱電対８６の配置例は、５．９６９ｃｍ（２．３５インチ）のところから始まり、その後、１６番目の熱電対まで６．３５ｃｍ（２．５インチ）ごととすることができる。寸法はインチ単位である。図２３は、流路３０に嵌め込まれたベースプレート８３を示す。熱電対リード線が、流路３０の底面から延びる。寸法はインチ単位である。

ステンレス鋼ベースプレート８３の下に、ヒーターブロックを取り付けることができる。図２４は、２７個のカートリッジヒーター８５が取り付けられた、５つの個別のヒーターブロック８４の図である。熱伝導性グリースの層が、各ヒーターブロック８４の上面に塗布され、その層が、流路３０の床部内のステンレス鋼プレート８３にぴったりと押し付けられる。各熱電対８６用の隙間を設けるために、溝８８をヒーターブロック８４内に機械加工することができる。各ブロック８４は、カートリッジヒーター８５を収容するように穴が機械切削されたアルミニウムの棒から機械加工することができる。５つの別々のヒーターブロック８４は、高温ＲＴＶシリコンの層を用いて一緒に固定される。こうすることにより、各ブロック８４が個別にオン又はオフされることが可能になり、隣接するブロック８４への熱伝導が制限される。このように設計することで、流路３０内でのホットスポット試験の実現性をもたらすことができる。

熱伝導性グリースを穴の表面に塗布することができ、カートリッジヒーター８５が、ヒーターブロック８４の各穴又は開口８７（図２５）に挿入される。図２６ａ及び２６ｂは、熱電対８６用の隙間を設けるために各ヒーターブロック８４の上面内に機械切削された溝８８を示す。ヒーターブロック８４は、ステンレス鋼流路床部プレート８３に押し付けることができる。図２７ａ及び２７ｂは、ヒーターブロック８４を定位置に押圧するために使用される、セラミックディスク８９及びＵｎｉｓｔｒｕｔ（商標）のフレーム構造９１についてのいくつかの図である。

全てのヒーター８５が取り付けられた後、ハンマー及びねじ回しを使用して、ヒーターブロック８４の底面の各開口８７付近に強打を加えることができる。こうすることにより、ヒーターブロック８４のアルミニウムが、わずかに変形して、各ヒーター８５を定位置に圧着する働きをすることができる。ヒーターブロック８４をステンレス鋼流路底面プレート８３に押し付けて留めるために、Ｕｎｉｓｔｒｕｔ（商標）のフレーム構造９１が使用される。伝導を制限するために、ヒーターブロック８４とフレーム９１の間にセラミックディスク８９を配置することができる。ヒーターブロック８４とステンレス鋼プレート８３の間に、熱伝導性グリースの薄い層が塗布される。流路３０の両端部に、ポリスチレン断熱材９２を取り付けることができる。ヒーターブロック８４は、熱損失を最小限に抑えるために、高温ガラス繊維断熱材で覆うことができる。図２８は、この最終組立体の図である。ガラス繊維断熱材は図示されていない。

結果を述べることができる。装置３０は、矩形流路内の熱的及び流体力学的発達流を調査するためのものである。この問題の解析解を、文献（例えばＳｐｉｇａ、Ｍ．、等、「Ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｔｒａｎｃｅ Ｌｅｎｇｔｈ Ｐｒｏｂｌｅｍ ｆｏｒ Ｓｌｕｇ Ｆｌｏｗ ｉｎ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｄｕｃｔｓ」、ＡＳＭＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ、１９９６、ｖ．１１８、ｎ．４、１１月、９７９〜９８２ページ）から得ることができ、比較として使用することができる。起こり得る従来の結果と類似した結果を得ることができるかどうかについて判断するために、水だけの実験が実施される。図２９は、水だけの流れの実験１、２及び３（図２ｂを参照されたい）のグラフを示す。曲線は、Ｓｐｉｇａ等によって提供された解析解であり、これは、矩形ダクト内の熱的及び流体力学的発達流に当てはまると見なすことができる。このグラフは、Ｎｕ対（ＬＤｈ）（１／ＲｅＰｒ）に関するデータを示す。

水だけの流れに関する結果によれば、この装置は、解析解によって予測されるよりも高いヌッセルト数（Nusselt Numbers）をもたらす。これは、（図２２に示す）水入口条件に対して変更を行った結果、不均一な流れが生じたためである。試験流路内の流体流条件は、比較としての役割を果たすためのものである解析事例における流体流条件と同じではない。それでも、ヌッセルト数の結果は、従来の形で予測することができる傾向と同じ傾向を示す。流路３０の入口３１で混合した効果が、より高いヌッセルト数の原因であると思われる。

図３０ａは、流路を通る左から右への流れの図であり、２液体「３相」流の中の気化されたＦＣ−７２アイテム９３及び凝縮された気泡９４を示す。ここで「３相」とは、流れの中に一緒に混ざっているＦＣ−７２気泡、ＦＣ−７２液滴、及び水を意味する。図３０ｂは、図３０ａの流れの別の図である。これらの図面に示されている活動について、本明細書で説明される。

矩形注入ノズル７２を任意の幾何形状にすると、あまりにも大きすぎる開口が形成される可能性がある。より小さな開口にすると、より集中したＦＣ−７２蒸気流をもたらすことができる。

ＦＣ−７２と水が、例えば流路３０の上流の投入口３１のところのＴ字型管継手内で混合される場合の結果が、図３１の表に要約されている。ＦＣ−７２は、調整ブロック７１を通過した後、流路３０の底面に急速に沈殿し得る。ＦＣ−７２は、高温の流路床部と接触するとすぐに沸騰し、蒸気気泡が水流中に上昇する。気化されたＦＣ−７２は、ＦＣ ７２の飽和温度未満の温度にある水中で凝縮する。凝縮されたＦＣ−７２は、流路３０の床部に再度沈み、この過程が繰り返す。流路出口３２の水温は、ＦＣ−７２の沸点を上回る。ＦＣ−７２は、流路３０の出口３２付近で上昇し、蒸気層を形成する。これは、ｍ_２／ｍ_１＝０．２１であり、且つ水流Ｒｅ＝３１０である実験７の過程と言えよう。

ＦＣ−７２水は、流れ調整ブロックの直後にあってよい。ＦＣ−７２は、流路床部に沈殿する。ＦＣ−７２が高温表面と接触すると、沸騰が生じる。水のレイノルズ数は３００であり、ｍ^２／ｍ^１＝０．２１である。流水が、ＦＣ−７２蒸気気泡を下流に運ぶことができる。気泡は、過冷却水流中で凝縮し、流路３０の床部に再度沈む。大きな方の気泡は、流路内を上昇しつつある気化されたＦＣ−７２であり、小さな気泡は、底面に沈みつつある凝縮されたＦＣ−７２である。更に下流で、ＦＣ−７２は、流路３０の床部上にプールを形成する。この気化／凝縮サイクルは、継続することができる。流体が流路３０の出口３２に向かって移動すると、水温がＦＣ−７２の沸点に近づく。流路出口付近で、気化されたＦＣ−７２の明確な層を、流路３０の上面のところに見ることができる。

図３２、３３及び３４のグラフはそれぞれ、ｍｄｏｔ２／ｍｄｏｔ１の比が０．２１、０．０８、及び０．０１３に等しい実験７、８及び９の、Ｎｕ対（ＬＤｈ）（１／ＲｅＰｒ）に関するデータを示す。図３２は、実験７の結果を伴うグラフを示す。流路に入る熱流束は、７７７４Ｗ／ｍ^２であり、水流に関するレイノルズ数は３１０である。水及びＦＣ−７２の体積流量はそれぞれ、４６８ｍＬ／分及び６０ｍＬ／分である。この図面は、この実験に関するヌッセルト数の結果（先の図面と同じもの）を示す。ＦＣ−７２の高注入速度と水の低レイノルズ数との組合せにより、水だけの流れの２０７パーセントというヌッセルト数がもたらされた。

図３３は、実験８からもたらされるヌッセルト数を、水だけの流れと比較して示すグラフである。流路に入る熱流束は７３９６Ｗ／ｍ^２であり、水流に関するレイノルズ数は４６８である。この場合もやはり、先の図面と同じ注入方法が使用される。ＦＣ−７２を添加することにより、水だけの流れのヌッセルト数の１６７パーセントというヌッセルト数がもたらされた。

図３４は、実験９からもたらされるヌッセルト数を、水だけの流れと比較して示すグラフである。流路に入る熱流束は３９９６Ｗ／ｍ^２であり、水流に関するレイノルズ数は１０００である。水及びＦＣ−７２の体積流量はそれぞれ、１４０８ｍＬ／分及び１０ｍＬ／分である。この実験では、先の図面と同じ注入方法を用いているが、ＦＣ−７２をそのような少量で添加すると、水だけの流れと比べてヌッセルト数の増大を全く引き起こさない。

マイクロ流路１２（図３ｂ）内の流れを模倣するために、大規模試験流路３０装置が構築された。論じた実験によれば、ＦＣ−７２を冷媒流に導入すると、冷却が促進される。水だけの流れ、及び水／ＦＣ−７２の流れに関する全体の熱伝達係数が求められ、比較される。

試験流路３０装置内の流れ条件は、マイクロ流路１２に見られる流れ条件を正確に模倣していない可能性がある。マイクロ流路１２内では、強制対流が優勢となる可能性があり、大規模流路３０内では、自然対流が熱伝達のメカニズムとして現れる。更に、水と液体ＦＣ−７２の混合物を流路３０に注入する方法により、非プラグ流をもたらすことができる。

流路３０の入口３１の上流でＦＣ−７２と水を混合し、それらを流路３０に一緒に注入すると、熱伝達の利得がもたらされる。ＦＣ−７２／水の比が高い方が、水だけの流れに比べて増大したヌッセルト数をもたらす。実験から、流路３０試験装置内では、２流体冷却流（水及びＦＣ−７２）を使用すると、水だけの流れと比べて冷却の大きな利点がもたらされると結論付けることができる。ＦＣ−７２を注入する場合のヌッセルト数は、類似の注入条件の場合の水だけの流れのヌッセルト数と比較して、最大約２０７パーセントになるようである。

本明細書で述べた１００倍規模装置試験と同様に、３倍規模装置及び１倍規模装置を用いた試験が実施され、類似の結果が得られた。１倍規模装置とは、チップ規模のものであり、ＩＣチップ又はＭＥＭＳ装置のサイズとサイズ面で類似する。１００倍及び３倍の拡大された装置の試験により、１倍規模装置が検証された。それらの試験は、ナノ規模装置などのより小さな規模の装置の拡大した検証と見なすこともできる。

２液体混合物を使用すると、単相発達水流に比べて約３５〜１０７パーセントの熱伝達促進を達成できることが、試験によって示されている。試験を個別に見ると、１００倍規模装置の場合、約１０７パーセントが達成され、３倍規模装置の場合、４０〜８３パーセントが達成され、１倍、すなわち実際の規模の装置の場合、３５パーセントが達成されている。これらの装置の試験は、広範なものではなかった。これらの差がある理由には、一般的な熱方程式に含まれていない、異なる規模における異なる気泡、表面張力、及び浮力の影響があり得る。これらの試験装置は、最適な条件及び設計、例えば最適な混合、最適な注入促進などを使用していないという点で、簡略化されている。２液体混合物中のＦＣの質量比は、熱伝達促進に対して大きな影響を及ぼす。本明細書で使用されるこの比は、大幅に改善することができる。

アルミニウム３倍規模流路の場合、水だけの結果は、層流単相対流に関する従来の結果と合致するようである。当初、液体ＦＣ７２と水が流路入口の上流で混合されると、局所的な熱伝達係数が単相水流に勝る向上を示した。アルミニウムの表面は、２週間の初期試験の間に著しく劣化した。この表面劣化により、対応するＲｅに対して、論理値よりも低いＮｕという結果になった。しかし、水と、水及びＦＣ７２の混合物との関係の結果は、それでもなお同じ実験の実施について比較することができ、熱伝達の促進が示された。表面安定性を得るために、銅の装置への切換えが行われた。

空気が上方から１５個の穴を通ってアルミニウム装置の各流路に沿って注入されると、熱伝達が促進され、壁部温度降下が流路に沿って見られた。上方から低Ｒｅで蒸気を注入しても、促進が見られた。全体的に、最良ケースでは、約４０及び８３パーセントの増大が見られた。最悪ケースでは、あまりにも多すぎるＦＣ７２による熱伝達のわずかな低減が見られたようであった。全体的に、１０パーセントを上回る促進が見られた。

銅の流路（３倍又は１倍規模）の場合、単相の水の結果は、従来の結果と合致したようであった。３倍規模装置については、ＦＣ７２と水が流路区画の上流で混合される流れの場合、熱伝達促進が観測された。図３７に示すように、ＦＣ７２が、単一流路の側壁に開いた４５度のスロットを通じて添加される場合、単相の水の結果全体にわたって促進が見られた。液体ＦＣ７２が、上方から小開口を通じて添加される場合、熱伝達促進が達成された。試験から、銅の流路を用いて、高ＲｅにおいてＮｕ＝１５を達成できることが示された。

図３６に示す１倍規模装置では、水とＦＣ７２が流路の上流で混合される場合、熱伝達促進が達成されたようであった。差分計算法であれば、単相の水に勝る促進を示すと思われる。

図３５及び３６はそれぞれ、３倍規模銅装置９５及び１倍規模銅装置９６の例を示す。図３７は、４５度の側面注入を伴う３倍規模銅装置９７を示す。
本明細書で述べた試験は、予備的な性質のものである。広範な試験は、この時点では行われていなかった。

本明細書では、内容の一部は、別の形又は時制で述べられてはいるが、仮説的又は予言的な性質のものである場合がある。
以上、本発明を、少なくとも１つの説明のための例に関して説明してきたが、多くの変形形態及び変更形態が、本明細書を読めばすぐに当業者には明らかになるであろう。従って、添付の特許請求の範囲が、かかる全ての変形形態及び変更形態を含むように、従来技術に鑑みてできるだけ広義に解釈されることが意図される。

図１ａは、多流体冷却システムの図。 図１ｂは、多流体冷却システムの図。 図２ａは、冷却流体及びその物理的特性を列挙する表。 図２ｂは、説明においてそのいくつかが論じられる実験を列挙する表。 図３ａは、マイクロ冷却器の図。 図３ｂは、マイクロ冷却器の図である。 マイクロ流路におけるレイノルズ数対マイクロ流路本数のグラフである。 Ｇｒ／Ｒｅ^２対Ｒｅの比のグラフである。 マイクロ流路の入口及び出口のところの流路幾何形状を示す図である。 ミニ冷却器を通じた圧力降下を、圧力降下対マイクロ流路本数によって表すグラフである。 加熱流路ベースの図である。 エネルギー収支解析用の検査体積レイアウトの図である。 水及び冷媒の比熱対温度のグラフである。 装置及びその流体流の概略図である。 流路の構造構成要素を示す図である。 図１３ａは、流路を、その壁部を示すようにその端部なしで示す図。 図１３ｂは、流路を、その壁部を示すようにその端部なしで示す図。 図１３ｃは、流路を、その壁部を示すようにその端部なしで示す図。 取外し可能カバーを有する流路を示す図である。 図１５ａは、取外し可能カバーの長さ方向の図である。 図１５ｂは、取外し可能カバーの断面図である。 図１６ａは、取外し可能カバーなしの流路の断面図である。 図１６ｂは、取外し可能カバーのある流路の断面図である。 水入口の乱流の影響を軽減するためのビーズを有する、拡散ブロックを示す図である。 アクリル構成要素間に嵌められたいくつかのプレートを有する、冷媒気化器組立体を示す図である。 図１８の組立体に蓋及び管継手が付いた様子を示す図である。 図１８の組立体のいずれか一方の側のプレートに押し付けられるストリップヒーターを示す図である。 図２１ａは、冷媒気化器組立体を受け入れるように流路カバー内に機械加工された開口を示す図である。 図２１ｂは、冷媒気化器組立体を受け入れるように流路カバー内に機械加工された開口を示す図である。 ベースプレート内での熱電対用の穴の配置を示す図である。 流路に嵌め込まれたベースプレートを示す図である。 ２７個のカートリッジヒーターが取り付けられた、５つの個別のヒーターブロックを示す図である。 カートリッジヒーターの概略、及びヒーターブロックの開口へ挿入する様子を示す図である。 図２６ａは、熱電対用の隙間を設けるために、ヒーターブロックの上面内に機械切削された溝を示す図である。 図２６ｂは、熱電対用の隙間を設けるために、ヒーターブロックの上面内に機械切削された溝を示す図である。 図２７ａは、ヒーターブロックを流路底面に押し付けて留めるためのフレーム構造を示す図である。 図２７ｂは、ヒーターブロックを流路底面に押し付けて留めるためのフレーム構造を示す図である。 さまざまな構成要素を備えた流路組立体の図である。 流路組立体内での水だけの流れの実験についてのグラフである。 流路を通る流れの図であって、気化されたＦＣ７２及び凝縮された気泡を示す図である。 図３０ａの流れの別の図である。 水及び冷媒の、それらが例えば流路の上流のＴ字型管継手内で混合される場合の特性についての表である。 Ｔ字型管継手注入及び流路内に液相の冷媒を入れた場合の、あるレイノルズ数及び流路内に入る熱流束に関する、ヌッセルト数の結果についてのグラフである。 Ｔ字型管継手注入及び流路内に液相の冷媒を入れた場合の、図３２とは異なるレイノルズ数及び流路内に入る熱流束に関する、ヌッセルト数の結果についてのグラフである。 Ｔ字型管継手注入及び流路内に液相の冷媒を入れた場合の、図３３とは異なるレイノルズ数及び流路内に入る熱流束に関する、ヌッセルト数の結果についてのグラフである。 ３倍規模銅装置の例を示す図である。 １倍規模銅装置を示す図である。 ポンプ揚水式手法及びポンプなし手法のための、４５度の側面注入を伴う３倍規模銅装置を示す図である。

Claims (32)

1. 少なくとも１本の流路と、
   複数の流体と
   を備える冷却用システムであって、
   前記少なくとも１本の流路が、冷却用の前記複数の流体の移動を収容するためのものであるシステム。
2. 少なくとも１つの流体が、少なくとも１つの別の流体に対して不混和性であり、少なくとも１つの流体が、設定最大温度よりも低い沸点を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 少なくとも１つの流体が、少なくとも１つの別の流体に対して混和性であり、少なくとも１つの流体が、１気圧で設定最大温度よりも低い沸点を有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数の流体のうち第１の流体が、第１の沸点を有し、前記複数の流体のうち第２の流体が、第２の沸点を有し、前記第１の沸点が、前記第２の沸点よりも高く、前記少なくとも１本の流路の動作温度が、前記第１の沸点と前記第２の沸点の間である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１の流体が、前記少なくとも１本の流路に入る時点で液相状態であり、前記第２の流体が、前記少なくとも１本の流路に入る時点で気相状態である、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１の流体が水であり、第２の流体がハロゲン化合物である、請求項４に記載のシステム。
7. 前記第１の流体が水であり、前記第２の流体がフッ素化合物である、請求項４に記載のシステム。
8. 前記第２の流体が、少なくともＦＣ−７２、ＦＣ−８４、ＦＣ−７７、ＦＣ−４０、ＦＣ−４３、Ｇｅｎｅｔｒｏｎ ２４５ＦＡ、及び他のフルオロカーボン冷媒からなる群の少なくとも１つである、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第２の流体がＦＣ−７２である、請求項８に記載のシステム。
10. デバイスと熱接触するためのヒートシンクを備える、デバイス冷却用システムであって、
    前記ヒートシンクが、
    少なくとも１本の流路と、
    前記流路を通って流れるための第１の流体と、
    前記流路を通って流れるための第２の流体と、を備え、
    前記第１の流体が、前記デバイスの所望の被冷却最大許容温度よりも高い沸点を有し、
    前記第２の流体が、前記デバイスの所望の被冷却温度よりも低い沸点を有するシステム。
11. 前記所望の被冷却温度が、摂氏４５度〜摂氏９５度の範囲を有する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１及び第２の流体が不混和性である、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記少なくとも１本の流路が、少なくとも１つの入口を有し、前記少なくとも１つの入口が、流体が入るためのものである、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記流体が、１つ又は複数の混合された液体、混合された液体と蒸気でよい、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記１つ又は複数の入口が複数の入口であり、前記複数の入口が、第１の流体用の１つの主入口と、第２の流体用の複数の小入口とを備える、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記第１の流体が水であり、前記第２の流体が冷却流体である、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記少なくとも１本の流路が入口を有し、前記入口が、前記第１及び第２の流体が入るためのものである、請求項１０に記載のシステム。
18. 第１の沸点を有する第１の成分と、
    第２の沸点を有する第２の成分と
    を備える、冷却用流体であって、
    前記第１の沸点が、前記第２の沸点よりも高い
    流体。
19. 前記第１の成分及び前記第２の成分が混和性である、請求項１８に記載の流体。
20. 前記第１の成分及び前記第２の成分が不混和性である、請求項１８に記載の流体。
21. 前記第１の成分が水であり、前記第２の成分が、摂氏９５度未満の沸点を有する流体である、請求項２０に記載の流体。
22. 前記冷却用流体が、輸送構造体の中を移動させられ、前記第１及び第２の成分が移動させられて、前記輸送構造体の中に液体又は液体−蒸気混合物として入り、前記輸送構造体が、前記第１及び第２の流体が前記輸送構造体の中を移動させられる冷却器になる請求項２１に記載の流体。
23. 前記輸送構造体が、複数本のマイクロ／ミニ流路である、請求項２２に記載の流体。
24. 前記輸送構造体が、複数本のメゾスケール又は大規模の流路である、請求項２２に記載の流体。
25. 前記輸送構造体が複数本のナノ流路である、請求項２２に記載の流体。
26. 前記輸送構造体が多孔質材料である、請求項２２に記載の流体。
27. 前記輸送構造体の少なくとも１つの壁部が多孔質材料である、請求項２２に記載の流体。
28. 第１及び第２の成分を有する冷媒を提供するステップと、
    冷却すべき機構体を前記冷媒に、動作温度において接触させるステップと
    を含む、冷却方法であって、
    前記第１の成分が、前記動作温度を上回る沸点を有し、
    前記第２の成分が、前記動作温度未満の沸点を有する方法。
29. 前記成分が不混和性である、請求項２８に記載の方法。
30. 前記成分が混和性である、請求項２８に記載の方法。
31. 前記第２の成分を蒸気として前記第１の成分の流体流に注入するステップを更に含む、請求項２９に記載の方法。
32. 前記第２の成分の気化を向上させるために、前記冷媒を多孔質材料又は毛細管流路に接触させるステップを更に含む、請求項３１に記載の方法。