JP2009532868A - 冷却装置及び冷却装置製造方法 - Google Patents

Abstract

例えば、ラップトップコンピュータ又はサブシステム、例えば、グラフィックスカードを冷却する統合冷却装置を提供する。統合冷却装置は、熱源に接続される接触領域を有する第１の層を備え、第１の層は、接触領域に隣接する領域を通過する流体パスを有し、熱源は、第１の層と熱接触している。第１の層に連結された第２の層には、複数のエアフィンが取り付けられる。本発明は、流体パスに連結され、循環路を形成し、第１の層を介して流体を循環させるポンプを備える。第１の層内の流体パスは、流体パス内で流体のフローを制御する複数の流体フィンを備える。流体パス内には、１つ以上の電子素子に隣接する二重対向流を提供する構造を設ける。更に、流体パスは、マイクロチャネルプレート構造を備えていてもよい。冷却装置は、空気移動器及びポンプに連結されたプログラマブルコントローラと、温度センサとを備えていてもよい。流体パスにリザーバを接続してもよい。

Description

関連出願

本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００６年３月３０日に出願された係属中の米国仮特許出願番号６０／７８８，５４５、発明の名称「MULTI CHIP COOLING」の優先権を主張する。２００６年３月３０日に出願された係属中の米国仮特許出願番号６０／７８８，５４５、発明の名称「MULTI CHIP COOLING」は、引用によって本願に援用される。

本発明は、熱交換器に関する。詳しくは、本発明は、液冷構造及び空冷構造の組合せを用いて複数のチップを冷却する冷却装置及び冷却装置製造方法に関する。

例えば、ファンが取り付けられたヒートシンク及びヒートパイプ等の従来の冷却構造によって、最新の半導体構造を冷却するには、困難な課題がある。例えば、最新の高性能プロセッサは、非常に高い熱消散要求を有するが、従来の冷却構造では、これらの要求を満足させることができない。ファンが取り付けられたヒートシンクは、最新のプロセッサを冷却するために、十分な空気を速やかに移動させることができない場合が多い。一方、ヒートパイプは、消散できる熱量、及び熱源から熱を移動させることができる距離の両方に限界がある。したがって、ヒートパイプ又はファンが取り付けられたヒートシンクを用いる従来の冷却技術は、最新の電子回路を冷却するには適さない。

これらの制約は、それぞれが熱を発生する複数の電子素子が組み込まれたシステムにおいて、より顕著である。例えば、デスクトップコンピュータの代替として、高性能ラップトップコンピュータが多く使用されるようになっている。これらのラップトップコンピュータは、小さい設置面積にＣＰＵ、グラフィックプロセッサ、メモリハブコントローラ等の多くの電子素子を統合する。システムレベルの冷却法及び部品レベルの冷却法は、それぞれ短所がある。

あるシステムのために最適化された冷却法は、他のシステムにとっては必ずしも最適ではないので、システムレベルの冷却法は、最適ではない。個々の部品毎に冷却を行う冷却法では、重要な部品、接合及び接続を追加する必要があるため、これらのうちの１つに障害が発生すると、システム障害が引き起こるため、システムの信頼度が低下する。

本発明の実施の形態は、熱を発生する複数の電子素子を備えるシステムの効率的な冷却法を提供する。本発明の第１の側面として、統合冷却装置は、第２の冷却構造体の上に積み重ねられた第１の冷却構造体を備える。第１の冷却構造体は、第１の冷却媒体を循環させ、第２の冷却構造体は、第１のメディアとは異なる第２の冷却媒体を循環させる。一実施の形態においては、冷却装置は、第１の冷却構造体内に流体パスを備える。流体パスは、マイクロチャネル構造体を有する。好ましくは、第１の冷却媒体は、水であり、第２の冷却媒体は、空気である。

好ましくは、流体パスは、二重対向流構造体を有する。二重対向流構造体は、第２の媒体のフローの逆方向の主となる流体パスを有するマルチパスフロー構造体である。マルチパスフロー構造体の目的は、より広い領域に熱を拡散し、流体がエアフィンの下を流れ、熱を伝達する時間を最大にすることである。一実施の形態においては、冷却装置は、流体パスに連結されたポンプを備える。

本発明の第２の側面では、統合冷却装置は、第１の層、第２の層及びポンプを備える。第１の層は、第２の層に連結されている。第１の層は、熱源に接続し、隣接する流体パスを有する接触領域を有する。第２の層は、複数のエアフィンを備える。ポンプは、流体パスに連結され、第１の層に流体を循環させる循環路を形成する。

好ましくは、第２の層は、第１の層に密封され、流体パスの内表面を画定する。一実施の形態においては、流体パスは、第１の層の熱源との接触領域の２倍以上の第２の層との流体接触領域を備える。第１の層及び第２の層は、好ましくは、何れも少なくとも１５Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有する。

一実施の形態においては、流体パスは、接触領域上に、略等間隔で配設された複数の流体フィンを備える。流体フィンは、好ましくは、１５Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有し、等間隔で配設される。

冷却装置は、好ましくは、接触領域に接続される熱源を備える。熱源は、１つ以上の電子素子を含むことができる。流体パスは、二重対向流構造体を有する。幾つかの実施の形態では、冷却装置は、流体パス内の測温体に接続されたプログラマブルコントローラを備える。プログラマブルコントローラは、流体パス内の測温体が温度の上昇を検出すると、流体流量を増加させるようにプログラミングされている。これに代えて又はこれに加えて、プログラマブルコントローラは、温度の上昇が検出されたときは、空気移動速度を増加させ、温度の低下が検出されたときは、空気移動速度を減少させるようにプログラミングしてもよい。

一実施の形態においては、流体は、流入チューブから排出チューブの方向にポンピングされ、ポンプに戻る前に、冷却される。この流体の流れの方向は、通常、ポンプに流体を戻すポートと、最も高い熱を発する熱源との間の流体パス距離が最も長くなるように構成される。

また、他の実施の形態においては、冷却装置は、流体パスに連結され又は流体パス内に配設され、好ましくは、ポンプに連結された流体リザーバを備える。

第１の層は、好ましくは、少なくとも１つのエアフローチャネルを形成する収納体と、少なくとも１つのエアフローチャネルに接続されている少なくとも１つの空気移動器とを備える。エアフローチャネル内のエアフィンの形状は、以下に限定されるものではないが、折り返し、ピン、六角形、翼形、波形、ヘリンボーン、ランス、ルーバー、又はこれらの任意の組合せを含む。

本発明の第３の側面である統合冷却装置は、第１の層と、複数の流体フィンと、第１の層に連結された第２の層と、複数のピンフィン及び折り曲げエアフィンと、空気移動器と、熱源と、ポンプと、プログラマブルコントローラとを備える。第１の層は、熱源に隣接して熱源に接続される接触領域を備える第１の側を有する。第１の層は、接触領域に隣接する流体パスと、第２の層に隣接し、接触領域の２倍以上大きい面積を有する伝熱領域を有する。流体パスは、熱源の少なくとも一部に隣接する二重対向流パス構造体を備える。第１の層は、少なくとも１５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。

二重対向流パスを含む流体パス内の熱源上には、複数の流体フィンが配設される。フィンは、等間隔で配設され、第１の層接触領域、流体パス内の流体及び第２の層と、熱伝導可能に連結される。流体フィンは、少なくとも１５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。

第２の層に連結されたエアフィンは、収納体で覆われる、１つ以上のエアフローチャネルが形成される。チャネル区切り、エアフィン形状及びエアフィンの配置によって、冷却エアフローの速度及び方向を制御することができる。

第２の層は、好ましくは、第１の層に密封され、流体パスの内表面を画定する。一実施の形態においては、流体パスは、各電子素子の冷却効率を最大にするように最適化されている。他の実施の形態においては、流体パスは、各電子素子の温度を最低にするように最適化されている。更に他の実施の形態においては、流体パスは、選択された１つの電子素子の冷却効率を最大にするように最適化されている。

プログラマブルコントローラは、空気移動器及びポンプに接続され、ポンプ及び空気移動器の速度を制御する。一実施の形態においては、プログラマブルコントローラは、ポンプ流量及び空気移動速度を制御する。プログラマブルコントローラは、第１の層又は第２の層上の所定の位置の温度を測定する機能を有する。コントローラをマザーボードに組み込み、チップによって提供される情報を用いて、空気移動器及びポンプを制御してもよい。コントローラは、温度情報を用いて、ポンプ及び空気移動器の状態を含むポンプ流量及び空気移動速度を制御する。

本発明の第４の側面として、本発明は、統合冷却装置を製造する冷却装置製造方法を提供する。冷却装置製造方法では、１つ以上の電子素子と接触する接触領域を有する第１の側と、第２の層によって密封される第２の側とを有する第１の層を準備する。第１の構造体は、流入チューブから排出チューブに流体を流す流体パスを備え、流体パスは、熱源との接触領域を通過する。流体パスは、好ましくは、電子素子との接触領域上に流体フィンを備える。他の実施の形態においては、流体パスは、接触領域上に二重対向流構造体を有する。他の実施の形態においては、流体パスは、マイクロチャネルプレートアセンブリを備える。

本発明の冷却装置製造方法の他の工程では、冷却媒体を循環させるための第２の層を準備し、第１の層に密封する。第２の層には、複数のエアフィンを取り付ける。更に、エアフィンの全て又は一部は、第２の層に取り付けてもよく、第２の層の統合された部分として一体に形成してもよい。

他の製造工程では、流体パスにポンプを接続し、循環流体パスを形成する。他の製造工程では、ポンプにプログラマブルコントローラを接続する。

第２の層と第１の層との間の密封は、好ましくは、循環流体パスの内表面を画定する。一実施の形態においては、第１の層と第２の層との間の流体パス接触領域は、電子素子との接触領域より大きい。第１及び第２の層の材料は、好ましくは、１５Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有する。幾つかの実施の形態では、プログラマブルコントローラは、ポンプの流体流量を制御するための温度を測定する測定手段を備える。好ましくは、プログラマブルコントローラは、温度が上昇すると、流体流量を増加させ、温度が低下すると、流体流量を減少させる。他の実施の形態においては、温度が特定の閾値を超えると、ポンプをオンにし、温度が特定の閾値以下になると、ポンプをオフにする。

他の実施の形態では、ポンプ流入チューブは、最も高い熱を発する熱源との間の流体パス距離が最も長いポートに連結されている。

他の実施の形態においては、流体パスにリザーバを接続する。

本発明の実施の形態は、液体ベースの冷却板アセンブリと、空気ベースの熱交換器（除熱器アセンブリ）とが統合されたユニットとして構成された統合冷却装置を提供する。本発明に基づく統合冷却装置によって、システム信頼度を高め、１つの装置で複数の電子素子を冷却する能力を向上させ、コストを削減することができる。
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本発明の一実施の形態においては、発熱素子上に流体冷却熱交換器及び空気冷却熱交換器を積層し、これにより、発熱素子をより効率的に冷却する。

他の実施の形態においては、冷却用流体パスは、二重対向流構造体（double-counter flow structure）を備える。この構造においては、流体パスは、「二重に折り返された」、すなわち、隣接する第２のセグメントに沿って方向を１８０度変化させた第１のセグメントを含む。流体パスは、この折り返しのパターンを任意の回数繰り返して形成される。これにより、流体フローが熱源に隣接した部分を通過する回数を最大化し、熱の伝達の効率を高める。更に、第１の流体の主となるフロー方向は、第２の流体のフロー方向の逆になる。

更に他の実施の形態で冷却装置は、熱源に接続される第１の接触領域と、熱を消散させる第２の接触領域とを備える。第２の接触領域は、好ましくは、第１の接触領域より大きい。

図１は、本発明の第１の実施の形態に基づく、ラップトップコンピュータを冷却するための統合冷却装置１００の好ましい実施の形態の斜視図である。冷却装置１００は、冷却板アセンブリ１３０を備え、冷却板アセンブリ１３０は、除熱器アセンブリ１２０に連結され、これにより、統合された冷却板除熱器アセンブリが形成されている。除熱器アセンブリ１２０の１つの表面は、冷却板アセンブリ１３０に隣接し、冷却板アセンブリ１３０に上板及びシールを形成する。統合された冷却板除熱器アセンブリは、第１の電子素子１４０、第２の電子素子１４１及び第３の電子素子１４２を覆い、これらを冷却する。

除熱器アセンブリ１２０は、全てが冷却ファン１１０に流体的に連結された通気口（吸気口及び排気口）１２５〜１２７を備える。冷却板アセンブリ１３０は、流体パス３１５に流体的に連結された流入チューブ１７０及び排出チューブ１８０を備える。流入チューブ１７０及び排出チューブ１８０には、ポンプ１５０が連結されている。このように、ポンプ１５０、冷却板１３０と除熱器１２０とが統合されたアセンブリ及びリザーバ１６０は、循環流体パスを形成する。

冷却ファン１１０は、吸気口１２７に入り、除熱器アセンブリ１２０内を通過するエアフロー１１５を生成する。吸気口１２８を介して更なるエアフローを生成する更なるファン（図示せず）を除熱器アセンブリ１２０に取り付けてもよい。エアフロー１１５は、加熱された排気１１６として、排気口１２５、１２６から除熱器アセンブリ１２０を出る。通気口１２５、１２６、１２７は、好ましくは、除熱器カバー２６０内に形成され、除熱器アセンブリ１２０を介する１つ以上の空気チャネルを画定する。
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流体パス３１５は、ポンプ１５０の排出口から開始され、流入チューブ１７０から冷却板アセンブリ１３０に入る。流体パス３１５は、第１の電子素子１４０に隣接する領域を通過し、ここで、流体パス３１５は、好ましくは、実質的に電子素子１４０との接触領域に等しい電子素子１４０上の領域を有する。そして、流体パス３１５は、二重対向流構造体３４０に入る。二重対向流構造体３４０は、電子素子１４１を覆い、好ましくは、基底にある電子素子１４１との接触領域より実質的に大きい領域を有する。そして、流体パス３１５は、第３の電子素子１４１に隣接する領域を通過し、ここで、流体パス３１５は、電子素子１４１との接触領域より大きい領域を有する。流体パス３１５は、排出チューブ１８０を介して、冷却板アセンブリ１３０から排出される。排出チューブ１８０は、リザーバ１６０に接続されており、リザーバ１６０は、ポンプ１５０の流入口に連結されている。図１は、冷却板アセンブリ１３０に接続された流入チューブ１７０及び排出チューブ１８０を示しているが、流入チューブ１７０及び排出チューブ１８０は、除熱器アセンブリ１２０に接続してもよく、これらの構成を組み合わせてもよいことは明らかである。

コントローラ１５５は、ファン１１０、ポンプ１５０及び測温体１５６に接続されている。測温体１５６は、冷却板１３０に接続され、冷却板１３０の温度を監視する。実際の動作では、コントローラ１５５は、測温体１５６が感知した冷却板１３０の温度を検出し、これに応じて、ポンプ１５０、ファン１１０又はこれらの両方を制御するようにプログラミングされている。一具体例として、冷却板１３０の温度が所定の閾値を超えると、コントローラ１５５は、ポンプ１５０をオンにし、これにより冷却板１３０を冷却し、ファン１１０をオンにし、これにより排気口１２５、１２６から熱を排出し、又は、ポンプ１５０及びファン１１０の両方をオンにする。冷却板１３０の温度が閾値以下になると、コントローラ１５５は、ポンプ１５０、ファン１１０又はこれらの両方をオフにする。図１では、測温体１５６は、冷却板アセンブリ１３０に接続されているが、これに代えて、測温体１５６は、除熱器アセンブリ１２０に接続してもよく、電子素子１４０〜１４２の１つ以上の一部として一体に形成してもよい。

実際の動作では、熱源である電子素子１４０〜１４２のそれぞれは、熱を発生させ、冷却板１３０に熱を伝導する。ポンプ１５０は、リザーバ１６０から、流入チューブ１７０を介して、二重対向流構造体３４０を備える流体パス３１５を経由して、排出チューブ１８０に流体をポンピングする。流体は、熱源１４０〜１４２に接する領域を流れる間、熱源１４０〜１４２から冷却板１３０に伝導された熱を吸収する。加熱された流体は、冷却板１３０を廻って熱を移動させ、熱は、除熱器アセンブリ１２０に伝導される。そして、除熱器アセンブリ１２０は、吸気口１２７、１２８から排気口１２５、１２６に流れる空気に熱を伝導する。冷却板１３０内の温度は、測温体１５６によって監視され、コントローラ１５５は、この温度に基づいて、ポンプ１５０、ファン１１０又はこれらの両方を制御する。
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後に詳細に説明するように、（ａ）熱源である電子素子１４０〜１４２を流体パス３１５に隣接させて配設し、（ｂ）電子素子１４０〜１４２をそれぞれの接触領域に熱伝導可能に連結し、（ｃ）熱源の接触領域に応じて流体パスのサイズを選択し、又は（ｃ）これらの組合せを選択することによって、熱を効率的に除去することができる。

図２は、除熱器アセンブリ１２０（図１）を拡大して示す透視図である。除熱器アセンブリ１２０の基部は、除熱板２０１、折り曲げエアフィン２３０及びピンエアフィン２３１から構成され、これらは、除熱板２０１、エアフローチャネル区切り２５０、及び吸気口１２７、１２８及び排気口１２５、１２６を有するカバー２６０に連結されている。

除熱板２０１は、冷却板アセンブリ１３０（図１）と共に、流体を密封する。折り曲げエアフィン２３０及びピンエアフィン２３１は、除熱板２０１に取り付けられ、又は除熱板２０１の一部として一体に形成される。

実際の動作では、カバー２６０は、好ましくは、エアフィンを通る２つのエアフローチャネルを形成する。空気は、ファン１１０（図１）によって、吸気口１２７、１２８から流し込まれ、排気口１２５、１２６から排出される。折り曲げエアフィン２３０及びピンエアフィン２３１は、除熱板２０１から、外気、この場合、エアフローチャネル内の空気に熱を伝導する。ここで、エアフィンは、エアフロー１１５（図１）を妨害する背圧を引き起こす。折り曲げエアフィン２３０では、より高い背圧が生じるので、除熱板２０１の全体には設けられていない。除熱板２０１の表面の一部には、ピンエアフィン２３１が取り付けられている。これらのピンエアフィン２３１は、折り曲げエアフィン２３０と同じ目的で使用されるが、効率が低い反面、背圧が小さいという利点を有する。ピンエアフィン２３１は、除熱板２０１から外気に熱を伝導し、及びエアフローチャネル内のエアフロー１１５（図１）を制御する。

図３は、冷却板アセンブリ１３０の好ましい実施の形態の平面図である。冷却板アセンブリ１３０は、底面側で、破線で示す熱源に接続されている。ここでは、典型的なラップトップコンピュータの設計に従い、熱源として、ＣＰＵ１４０、メモリハブコントローラ１４１及びＧＰＵ１４２を示している。

冷却板アセンブリは、流入チューブ１７０から流体パス内の３つのフィン構造体３３０、３４０、３５０を介して排出チューブ１８０に至る流体パス３１５を備える。流入チューブ１７０及び排出チューブ１８０は、ポンプ１５０（図１）及びリザーバ１６０（図１）に連結されており、流体パス３１５を通る流体の流れは、図１を用いて上述した通りである。以下、フィン構造体３３０、３４０、３５０をより詳細に説明する。
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流体パスは、３個のフィン構造体３３０、３４０、３５０を備える。フィン構造体３３０、３４０、３５０は、それぞれ、流体チャネルを形成する一組の流体フィン３７０を備える。フィン構造体３３０、３４０、３５０内では、フィンは、略平行に略等間隔で配設されている。なお、この他の向き及び間隔を用いてもよいことは明らかである。流体フィン３７０は、熱源から流体に及び直接除熱器１２０（図１）に熱を伝導する。流体フィン３７０は、幾つかの機能を提供する。第１に、流体フィン３７０は、熱源に隣接した領域に亘って、流体を均等に流す役割を果たす。第２に、流体フィン３７０は、熱源１４０、１４１、１４２から流体パス３１５内の流体に熱を伝導する。第３に、流体フィン３７０は、除熱器アセンブリ１２０（図１）と熱接触し、除熱器アセンブリ１３０（図１）に熱を直接伝導する。

図３では、電子素子１４１上に１つの二重対向流パスだけを示しているが、本発明の変形例では、他の熱源上に更なる二重対向流パスを組み込むことができる。更に、直列に接続された二重対向流パス、並列に接続された複数の二重対向流パス、又は異なる向きに配置された複数の二重対向流パスも本発明の範囲に含まれる。変形例として、流体フィン構造体３３０は、マイクロチャネルプレート（microchannel plate：ＭＣＰ）アセンブリであってもよい。

更なる変形例として、熱源に隣接する領域を通る流体パスは、上述の具体例より多くても少なくてもよい。

図４は、本発明の第２の実施の形態に基づく統合冷却装置４００の斜視図である。統合冷却装置４００は、冷却板アセンブリ４１０と、これに連結された除熱器アセンブリ４２０と、ポンプ４３０及びファン４４０とを備える。除熱器アセンブリ４２０には、エアフィン４２１が取り付けられている。
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冷却板アセンブリ４１０は、流体パスを備え、流体パスには、冷却板アセンブリ４２０を通して流体がポンピングされ、熱源４６０から発生した熱が分散される。除熱器４２０は、冷却板を密封し、流体パスの内表面を画定する。ポンプ４３０は、流入チューブ４３１及び排出チューブ４３２を介して、流体パスに連結されている。熱は、除熱器アセンブリ４２０、エアフィン４２１、そして、ファン４４０によって生成された周囲のエアフローに伝導される。好ましくは、収納体４５０は、除熱器アセンブリ４２０を覆い、エアフローチャネルを形成する。エアフローチャネルの一方の端には、エアフィン４２１を介して空気を流し又は引き込むためのファン４４０が取り付けられている。

ポンプ４３０は、以下に限定されるものではないが、電気浸透流ポンプ及び機械的ポンプを含む周知の如何なるポンプであってもよい。エアフィン４２１は、まっすぐなエアフィンとして示しているが、本発明では、以下に限定されるものではないが、折り曲げエアフィンを含む他のエアフィン設計を用いてもよい。

図５は、図４に示す本発明の第２の実施の形態の冷却板アセンブリ４１０の平面図である。冷却板アセンブリ４１０は、マクロチャネル５４０及びＭＰＣアセンブリを備える。流体は、流入チューブ４３１に流れ込み、ＭＣＰアセンブリ５３０に入る。ＭＣＰアセンブリ５３０は、グラフィックプロセッサ５１０に隣接するように配置され、冷却板アセンブリ４１０の反対側と熱伝導可能に連結されている。流体は、マイクロチャネル５２０を介してマクロチャネル５４０に均等に流れるようにされている。マクロチャネル５４０は、電子部品であるグラフィックスメモリ５５０に隣接し又は部分的に隣接するような経路を有する。グラフィックスメモリ５５０は、冷却板アセンブリ４１０に物理的に接していてもよく、冷却板アセンブリ４１０に熱伝導可能に連結されていてもよい。

実際の動作では、流体は、伝導された熱を、外気への伝導のために、より広い領域、ここでは、除熱器アセンブリ４２０（図４）の領域に消散させる。流体は、ポート５７０を介して冷却板アセンブリ４２０を出る。

なお、この具体例では、グラフィックプロセッサを示しているが、本発明は、他のコンピュータカード、例えば、以下に限定されるわけではないが、ネットワークプロセッサ、コプロセッサ及び高い熱を発する様々な電子素子に適用可能である。

図６は、本発明の第２の実施の形態に基づく冷却板アセンブリ４１０及び除熱器アセンブリ４２０の側面図である。除熱器アセンブリ４２０は、冷却板アセンブリ４１０に連結されており、これにより、冷却板４１０及び除熱器４２０からなる統合されたアセンブリ６００が形成されている。冷却板アセンブリ４２０は、ＭＣＰアセンブリ６３０を備える。このＭＣＰアセンブリ６３０は、冷却板アセンブリ４２０に連結され、流体パスの一部を構成し、流体は、ポンプ４３０（図４）から、流入チューブ４３１を介して、マイクロチャネル６３０を流れ、排出チューブ４３２から出て、ポンプ４３０（図４）に戻る。

図７は、統合冷却装置を組み立てる手順を示すフローチャート７００を示している。ステップ７１０では、第１の層を準備する。第１の層は、１又は複数の熱源が第１の層に熱伝導可能に連結され、接触領域を形成する第１の側を有する。
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ここで準備される第１の層は、好ましくは、１５Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有する。第１の層には、流体パスを形成する。流体パスは、以下に限定されるわけではないが、スタンピング、キャスティング、ミリング又は化学エッチングを含む如何なる手法で形成してもよい。流体パスは、好ましくは、熱源に隣接して通り、熱源との接触領域を実質的に覆う十分な寸法を有する。更に、流体パスの一部として二重対向流パスを設ける。他の実施の形態においては、流体パス内に二重対向流パターンを設けなくてもよい。

ステップ７１０の一部として、流体パス３１５（図１）内に流体フィンを設ける。流体フィン３７０（図２）は、熱源に隣接する領域において、一様な流体のフローを提供する。流体フィン３７０（図２）は、熱源接触領域に隣接した領域上であって、二重対向流領域内に設けることが好ましい。フィンは、好ましくは、互いに平行に、等間隔に配置され、熱源接触領域から流体に熱を伝導するために、熱伝導材料から形成される。流体フィンは、好ましくは、第２の層が第１の層に密封されると、第２の層に熱伝導可能に連結される。流体フィンは、機械加工、例えば、以下に限定されるものではないが、キャスティング、スタンピング、ミリング、化学エッチング又はこれらの如何なる組合せによって形成してもよい。一実施の形態においては、流体パスは、ＭＣＰアセンブリを含んでいてもよい。ＭＣＰ構造は、好ましくは、独立した構造として形成され、冷却板アセンブリ４１０（図５）内の開口を介して流体パスに挿入される。ＭＰＣは、以下に限定されるわけではないが、ブレーズ溶接、溶接、接着又はガスケット及び取付機構等の手法によって、第１の層に密封される。

ステップ７２０では、第１の層に第２の層を連結する。第２の層は、好ましくは、第１の層に密封され、循環流体パスを形成するプレートを備える。また、第２の層の一部として、エアフィン２３０、２３１（図２）を設ける。エアフィンは、第２の層に取り付けてもよく、第１の層に密封されるプレート２０１（図２）と一体に形成してもよい。エアフィン２３０、２３１（図２）は、以下に限定されるものではないが、六角形、翼形、波形、ヘリンボーン、ランス、ルーバー又はこれらの任意の組合せを含む如何なる形状に形成してもよい。エアフィン２３０、２３１（図２）及びプレート２０１（図２）の熱伝導率は、好ましくは、１５Ｗ／（ｍＫ）以上である。冷却板１２０（図１）と除熱器１３０（図１）との間の密封は、以下に限定されるわけではないが、ブレーズ溶接、溶接、接着又はガスケットを用いて行ってもよい。エアフィン２３０、２３１（図２）は、以下に限定されるわけではないが、はんだ付け、溶接、接着及びこれらの任意の組合せによって取り付けられる。
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ステップ７３０では、ポンプ１５０（図１）を準備し、第１の層１３０（図１）、４１０（図４）内の流体パス３１５（図１）に接続する。ポンプ１５０（図１）は、第１の層１３０（図１）、４１０（図４）に直接接続してもよく、チューブを介して接続してもよい。幾つかの実施の形態では、ポンプ１５０（図１）の接続は、第１の層に密封された第２の層のプレート２０１（図２）を介して行われる。ここで準備するポンプ１５０（図１）は、以下に限定されるものではないが、電気浸透流ポンプ及び機械的ポンプであってもよい。

一実施の形態では、ステップ７４０において、プログラマブルコントローラを設ける。コントローラは、第１の層及び第２の層の何れかの温度を測定する機能を有する。プログラマブルコントローラは、ファン１１０（図１）及びポンプ１５０（図１）に電気的に接続する。

本発明の全ての実施の形態において、統合された液体冷却装置で用いられる流体の種類は、好ましくは、水性である。これに代えて、液体冷却装置内の流体は、以下に限定されるものではないが、プロピレングリコール、エタノール、エチレングリコール及びイソプロパノール（ＩＰＡ）を含む有機溶液の組合せを基体としてもよい。また、液体冷却装置で用いられる流体は、凍結温度が低く、防錆特性を有することが望ましい。

本発明の構成及び動作原理を明瞭に説明するために、様々な詳細を含む特定の実施の形態を用いて本発明を説明したが、このような特定の実施の形態の説明及びその詳細は、特許請求の範囲を制限するものではないことは、当業者にとって明らかである。例えば、図面及び説明では、マイクロチャネルが流体フィンによって置換された一実施の形態を示した。流体フィンだけを有する他の実施の形態についても説明した。ここで、更なる実施の形態では、異なる数及び種類の半導体素子が様々な順序で配置される。すなわち、幾つかの実施の形態では、１つ又は２つの半導体素子だけが存在し及び／又は冷却のための熱交換器を必要としてもよく、他の実施の形態では、冷却する必要がある４つ以上の熱源が単一のシャーシ内に収容されていてもよい。したがって、本発明は、上述した詳細事項には制限されず、添付の特許請求の範囲によってのみ定義されることは、当業者にとって明らかである。

本発明の第１の実施の形態に基づく除熱器アセンブリを備える統合冷却装置を示す斜視図である。 図１の除熱器アセンブリを拡大して示す透視図である。 複数の熱源上の流路を示す図１の冷却板アセンブリの上面断面図である。 本発明の第２の実施の形態に基づくコンピュータカードのための統合冷却装置の斜視図である。 プロセッサ及びメモリチップの冷却のためのマクロチャネル及びマイクロチャネルを示す図４の冷却板アセンブリの上面断面図である。 冷却板の孔を介してマクロチャネル基体に連結されたマイクロチャネルサブアセンブリを示す図４の冷却板アセンブリ及び除熱器アセンブリの側断面図である。 本発明に基づく統合冷却装置を製造する手順を示すフローチャートである。

Claims (39)

1. ａ．第１の冷却媒体を循環させる第１の冷却構造体と、
   ｂ．上記第１の冷却構造体の上に積み重ねられ、上記第１の冷却媒体とは異なる第２の冷却媒体を循環させる第２の冷却構造体とを備える統合冷却装置。
2. 流体パスと、
   上記流体パス内の高面積対体積比構造体とを更に備え、
   上記第１の冷却媒体は、流体であり、上記流体パスは、上記第１の冷却構造体内にあることを特徴とする請求項１記載の統合冷却装置。
3. 上記流体パス内に二重対向流構造体を更に備える請求項２記載の統合冷却装置。
4. 上記流体パスに連結され、循環流体パスを形成するポンプを更に備える請求項３記載の統合冷却装置。
5. 上記第１の冷却媒体は、液体であり、上記第２の冷却媒体は、空気であることを特徴とする請求項４記載の統合冷却装置。
6. ａ．熱源に接続する接触領域を有し、該接触領域に隣接する流体パスを備える第１の層と、
   ｂ．上記第１の層に連結され、空気が通される複数のエアフィンを有する第２の層と、
   ｃ．上記流体パスに連結されたポンプとを備える統合冷却装置。
7. 上記第２の層は、上記第１の層を密封し、上記流体パスの内表面を画定することを特徴とする請求項６記載の統合冷却装置。
8. 上記流体パスは、上記第１の層の熱源との接触領域より大きい第２の層との接触領域を有することを特徴とする請求項７記載の統合冷却装置。
9. 上記第１の層及び第２の層は、１５Ｗ／（ｍＫ）より大きい熱伝導率を有することを特徴とする請求項６記載の統合冷却装置。
10. 上記第１の層は、上記流体パス内の流体の流量を制御する複数の流体フィンを備え、該流体フィンは、熱源に隣接した領域上に、略等間隔で配置されていることを特徴とする請求項６記載の統合冷却装置。
11. 上記流体フィンは、１５Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項６記載の統合冷却装置。
12. 上記第１の層に接続される熱源を更に備える請求項６記載の統合冷却装置。
13. 上記熱源は、１つ以上の電子素子を備えることを特徴とする請求項１２記載の統合冷却装置。
14. 上記流体パスは、上記１つ以上の電子素子の少なくとも１つに隣接する二重対向流構造体を備えることを特徴とする請求項１３記載の統合冷却装置。
15. プログラマブルコントローラを更に備える請求項６記載の統合冷却装置。
16. 温度を検出し、該温度を上記プログラマブルコントローラに通信する検出手段を更に備える請求項１５記載の統合冷却装置。
17. 上記プログラマブルコントローラは、上記温度に応じて、上記流体の流量を調整するようにプログラミングされていることを特徴とする請求項１６記載の統合冷却装置。
18. 上記プログラマブルコントローラは、上記温度に応じて、空気移動速度を調整するようにプログラミングされていることを特徴とする請求項１５記載の統合冷却装置。
19. 上記流体パスは、各電子素子の冷却効率を最大にするように最適化されていることを特徴とする請求項１３記載の統合冷却装置。
20. 上記流体パスは、各電子素子の温度を最低にするように最適化されていることを特徴とする請求項１３記載の統合冷却装置。
21. 上記流体パスは、選択された１つの電子素子の冷却効率を最大にするように最適化されていることを特徴とする請求項１３記載の統合冷却装置。
22. 上記ポンプに連結された流体リザーバを更に備えることを特徴とする請求項６記載の統合冷却装置。
23. 上記第２の層には、少なくとも１つのエアフローチャネルが形成されていることを特徴とする請求項６記載の統合冷却装置。
24. 上記少なくとも１つのエアフローチャネルに連結された少なくとも１つの空気移動器を更に備える請求項２３記載の統合冷却装置。
25. 上記エアフィンは、上記エアフローチャネル内のエアフローパス及びエアフローの速度を制御することを特徴とする請求項６記載の統合冷却装置。
26. 上記エアフィンの形状は、折り返し、ピン、六角形、翼形、波形、ヘリンボーン、ランス、ルーバー、又はこれらの任意の組合せであることを特徴とする請求項６記載の統合冷却装置。
27. ａ．接触領域に隣接する熱源に接続される第１の側を有し、該接触領域に隣接し、該接触領域より大きい第２の層に隣接する伝熱領域を有し、少なくとも１つの電子素子に隣接する二重対向流構造体を有する流体パスに連結された第１のポート及び第２のポートを備え、１５Ｗ／（ｍＫ）以上の伝導率を有する第１の層と、
    ｂ．上記第１の層の流体パス内に、上記接触領域上に、略等間隔で配置され、１５Ｗ／（ｍＫ）以上の伝導率を有する複数の流体フィンと、
    ｃ．上記第１の層を密封し、流入チューブ及び排出チューブを有し、流体をポンピングするのに適切な流体パスを画定し、少なくとも１つのエアフローチャネルを構成する第２の層と、
    ｄ．上記エアフローチャネルの少なくとも１つ内で、上記第１の層の反対側に連結された複数のピンフィン及び折り曲げフィンと、
    ｅ．上記エアフローチャネルの少なくとも１つに連結された空気移動器と、
    ｆ．少なくとも１つの電子素子を含む熱源と、
    ｇ．上記流体パスに連結され、最大の熱源から最大の流体パス距離にある流体パスポートから流体を戻すポンプと、
    ｈ．温度を測定する測定手段を有し、温度上昇の関数として流体フローを増加させ、及び温度上昇の関数として上記空気移動器からのエアフローを増加させるようにプログラミングされたプログラマブルコントローラとを備える統合冷却装置。
28. 統合冷却装置を製造する冷却装置製造方法において、
    ａ．熱源に接続される接触領域に隣接する流体パスを有する第１の層を準備する工程と、
    ｂ．上記接触領域の少なくとも一部を覆う複数のエアフィンを有する第２の層を準備する工程と、
    ｃ．上記流体パスにポンプを連結する工程とを有する冷却装置製造方法。
29. 上記第１の層及び第２の層の界面は、上記接触領域より大きい領域を有することを特徴とする請求項２８記載の冷却装置製造方法。
30. 上記第１及び第２の層は、１５Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項２９記載の冷却装置製造方法。
31. 上記流体パス内に、少なくとも１つの熱源に隣接させて、複数の流体フィンを配設する工程を更に有する請求項２８記載の冷却装置製造方法。
32. 上記流体パスに高面積対体積比構造体を連結する工程を更に有する請求項２８記載の冷却装置製造方法。
33. 上記接触領域に１つ以上の電子素子を接続する工程を更に有する請求項２８記載の冷却装置製造方法。
34. 上記流体パスは、上記少なくとも１つの電子素子に隣接する二重対向流構造体を備えることを特徴とする請求項３３記載の冷却装置製造方法。
35. 上記ポンプ及び空気移動器にプログラマブルコントローラを接続する工程を更に有し、
    上記プログラマブルコントローラは、温度を測定する測定手段を有し、温度上昇の関数として流体フローを増加させ、及び温度上昇の関数として上記空気移動器からのエアフローを増加させるようにプログラミングされていることを特徴とする請求項３４記載の冷却装置製造方法。
36. 上記流体パスは、各電子素子の冷却効率を最大にするように最適化されていることを特徴とする請求項３５記載の冷却装置製造方法。
37. 上記流体パスは、各電子素子の温度を最低にするように最適化されていることを特徴とする請求項３５記載の冷却装置製造方法。
38. 上記流体パスは、選択された１つの電子素子の冷却効率を最大にするように最適化されていることを特徴とする請求項３５記載の冷却装置製造方法。
39. 上記ポンプにリザーバを連結する工程を更に有する請求項３５記載の冷却装置製造方法。

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