JP4907703B2 - マイクロチャネル熱交換器、熱源を冷却する方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱を発生するデバイスの冷却装置に関し、より詳しくは、大面積のコールドプレートに用いられる屈曲マイクロチャネルを有するマイクロチャネル熱交換器、熱源を冷却する方法に関するものである。

電子デバイスの領域を冷却するために熱交換器を用いることは、当該技術では知られている。一般に、液冷熱交換器は、チャネルの大きさにより、マクロチャネル、ミニチャネル、又はマイクロチャネルを有していることが特徴となっている。‘マイクロ’は、水力直径が最も小さい装置に適用し、普通十から数百マイクロメートルであり、‘ミニ’は一から数ミリメートルのオーダーの直径のものをいい、‘マクロ’チャネルはサイズが最も大きく、通常数ミリメートルを超える。典型的なマクロチャネルの構成の一例としては、図１ａに示す従来のスエージ加工管コールドプレートがある。

図１ａに示すように、従来技術のスエージ加工管コールドプレートは、アルミニウムプレート１３に機械加工された溝内にスエージされた銅管１１を含んでいる。特に、コストが要因となっている場合、冷却の必要条件として非常に低い熱抵抗を必要としない場合、あるいはコストが要因となっていてかつ非常に低い熱抵抗を必要としない場合には、一般に、スエージ加工管は大面積デバイスの冷却に適している。通例、従来のスエージ加工管コールドプレートで得ることが可能な最も低い熱抵抗は、約２℃／（Ｗ／ｃｍ^２）である。これらの制約があるので、より低い熱抵抗が必要な適用例では、図１ｂに示す従来技術のフィン付きコールドプレートのような、フィン付きコールドプレートがよく用いられる。

従来のフィン付きコールドプレートは、熱伝導面２３に取り付けられた、接近して配置された多数のフィン２１を有している。流体は、フィンの間の空間に形成されたチャネル２５を通って流れる。通常、チャネルの幅は、約１〜５ｍｍである。従来のフィン付きコールドプレートは、約１℃／（Ｗ／ｃｍ^２）もの低い熱抵抗が得られる。

流量が増えるに従ってマクロチャネル型のコールドプレートの熱抵抗は減少していき、漸近的に最小値に近づいて、流量が約０．１ＬＰＭ／ｃｍ^２の時に最小値となる。これ以上流量を増やしても、熱抵抗がさらに小さくなることはない。

５００〜１０００Ｗ／ｃｍ^２の割合で熱を放散する固体レーザダイオード等の、熱流束が高いデバイスを冷却するためには、スエージ加工管コールドプレート又は機械加工フィン付きコールドプレートよりも熱抵抗がかなり低いコールドプレートが必要になる。これらの適用例では、通例、マイクロチャネルコールドプレートが用いられる。

従来技術のマイクロチャネルコールドプレートには、主に２つのタイプがある。それは、並流式と直交流（ｎｏｒｍａｌ ｆｌｏｗ）式である。名称が示すように、並流式マイクロチャネルコールドプレートでは、冷却面に対して並行に流体が熱伝導路を流れる。これと対照的に、直交流式マイクロチャネルコールドプレート（ＮＣＰ：ｎｏｒｍａｌ ｆｌｏｗ ｍｉｃｒｏ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｌｄ ｐｌａｔｅ）では、冷却面に対して垂直に流体が熱伝導路を流れる。１桁小さい縮尺の寸法であることを除き、並流式コールドプレートは、図１ｂに示すフィン付きコールドプレートと同様の形状を有している。例えば、マイクロチャネルコールドプレートのチャネル幅は通常、５００ミクロンより小さい。マイクロチャネル内の圧力低下が大きいので、並流式マイクロチャネルコールドプレートのサイズは通常、１辺が約１〜２ｃｍよりも小さい。このようにサイズが小さくても、適用例によっては圧力低下が大きすぎることもある。例えば、ウパディヤ（Ｕｐａｄｈｙａ）によれば、マイクロチャネルをいくつかの部分に細分し、コールドプレートの縦方向に沿って交互に入口マニホルドと出口マニホルドとを備えることにより、圧力低下を減らすことが可能である（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第６，９８６，３８２号公報 米国特許第５，１４５，００１号公報 米国特許第６，９３５，４１１号公報 米国特許第６，２１３，１９４号公報

マイクロチャネルコールドプレートの設計における目的の１つは、目的とする熱性能が得られるように、圧力低下を最小限にすることである。多くの場合、流れの長さを最短にして、マイクロチャネルの流れの面積を最大にすることが、この目的を達成するために最もよく行われる。従来、マイクロチャネルの深さをその幅よりも大きくすることにより、流れの面積を最大にすると同時に、流れの軸を直線にすることにより、流れの長さを最短にしている。従って、従来技術の並流式マイクロチャネルの深さは、その幅より１桁大きい。

本発明の発明者であるハビエル・バレンズエラ（Ｊａｖｉｅｒ Ｖａｌｅｎｚｕｅｌａ）が発明した、直交流式コールドプレートは、特に熱流束が高い適用例において、優れた熱伝導効率を示している（例えば、特許文献２、３参照）。しかしながら、直交流式の設計による非常に効率的な冷却を必要としないシステムもあり、熱交換器のコストが認められない可能性がある。図２は、一例の従来技術の直交流式マイクロチャネルコールドプレートを示す断面図である。直交流式マイクロチャネルコールドプレートには、コールドプレートの作用領域にわたって流れを分配して回収する圧力低下が小さいマニホルド構造体２７が組み込まれている。マイクロチャネル２９は、マニホルド構造体と作用面３１との間の薄層に埋め込まれている。マイクロチャネルにより、流体が作用面におおむね垂直な方向に流れるようになっている。まず、マニホルド構造体から作用面に向かって流れ、そして作用面からマニホルド構造体に向かって流れる。マイクロチャネルの全長は非常に短く、熱伝導層の厚さのおよそ２倍なので、これらの熱流束が高い適用例で必要とする単位面積当たりの流量が高くても、直交流式マイクロチャネルコールドプレートの圧力低下は小さい。

マイクロチャネルを用いることにより得られる熱抵抗の桁が小さいにもかかわらず、大面積のコールドプレートに用いられることは滅多にない。大面積のコールドプレートにマイクロチャネルを用いることに対する主な障害は、次の２点である。（１）距離が長く、水力直径が小さい流路に付随する大きな圧力低下と、（２）このように小さい寸法の流路を製造するコストが割高なことである。

デバイスを冷却するためにチャネルを流れる流体を利用する冷却方法は、他にもある。例えば、冷凍冷却コールドプレートと補助空冷ヒートシンクとを備える、電子モジュール用のハイブリッド冷却システムが開示されている（例えば、特許文献４参照）。同特許には、同じコールドプレートに２つの独立した流体流路を埋め込んで、冗長部分を形成して用いることも開示されている。冗長系それぞれに、スエージ加工管コールドプレートの流路と類似した１つのサーペンタイン流路、又はフィン付きコールドプレートの流路と類似した、ヘッダ供給の複数の直線流路を用いている。

本発明の課題は、大面積のコールドプレートに用いるのに適したマイクロチャネル熱交換器を提供することである。

本適用例の熱交換器は、屈曲マイクロチャネルを有する熱伝導部材と、マニホルドと、カバープレートとを含む。

一実施の形態ではマイクロチャネルの屈曲設計について、流れの方向を変える、ピッチが短く幅が小さい複数のうねりとともに、流れを逆方向にする２つ以上の幅が大きい湾曲部とを含む非直線的な流れの軸により定義する。単位面積当たりの流れが小さい適用例では、気体による閉塞が性能を著しく損ねることがわかった。単位面積当たりの流れが小さい適用例では、屈曲マイクロチャネルにより、ユーザが圧力低下をカスタマイズして流れを良好に分配することを容易にし、熱伝導均一性を向上させ、熱伝導構造体のバブルポイント以上で圧力低下を維持して気体による閉塞を防ぐことができるようにする。屈曲マイクロチャネルにより、熱伝導係数も増加する。

熱伝導部材は１つ以上の熱伝導層を含み、それぞれ複数の入口開口部と対応する出口開口部とを有している。各屈曲マイクロチャネルは、少なくとも１つの入口開口部とともに少なくとも１つの対応する出口開口部とで流体連通しており、冷却流体が入口開口部に流入し、マイクロチャネルに沿って流れ、出口開口部を通って流出する。一実施の形態では、開口部は、各層を貫通して列を形成するように配列されており、各開口部は各熱伝導層の第１の面から第２の面にかけて延びている。

マニホルドは、熱伝導部材の入口開口部それぞれに流体を供給し、熱伝導部材の出口開口部それぞれから流体を受け取る。作用領域の全域にわたって熱伝導が均一になるようにするために、マニホルドは、熱伝導作用領域全域にわたって流体を分配し、回収する。一実施の形態では、マニホルドのＹ軸に沿って流体を分配する入口ヘッダと流体的に接続している入口を通って、熱交換器に流体が流入する。次に、入口チャネルマニホルドのＸ軸に沿って流体を分配するように、入口ヘッダと流体的に接続している入口チャネルに流体を供給する。入口チャネルと互いに入り込んだ複数の出口チャネルがマニホルドのＸ軸に沿って出口の流体を回収し、出口ヘッダへ運び、ここでマニホルドのＹ軸に沿って流体を回収し、出口へ運ぶ。

本発明では、流体を熱伝導面に分配し回収する機能と、流体と熱伝導面との間で熱を伝導する機能とを、２つの別々の構成部品により達成する。それぞれマニホルドと熱伝導部材とである。機能をこのように分けることにより、各構成部品それぞれの機能にとって有利となるように各構成部品内の流路の形状を選択することが可能になる。別の実施の形態では、ここで開示する屈曲マイクロチャネルの構成を個別の適用例により変更するが、すべての実施の形態で、マイクロチャネルの軸は非直線的なままである。

本発明によれば、大面積のコールドプレートに用いるのに適したマイクロチャネル熱交換器を提供することができる。また、ユーザが圧力低下をカスタマイズして流れを良好に分配することを容易にし、熱伝導均一性を向上させ、熱伝導構造体のバブルポイント以上で圧力低下を維持して気体による閉塞を防ぐことができる。さらに、屈曲マイクロチャネルにより、熱伝導係数も改善する。

図１ａは従来技術のスエージ加工管コールドプレートを示す斜視図である。 図１ｂはカバーを持ち上げた状態の従来技術のフィン付きコールドプレートを示す斜視図である。 従来技術の直交流式熱交換器を示す断面図である。 図３ａは本発明の第１の実施の形態によるマイクロチャネル熱交換器を示す分解斜視図である。 図３ｂは図３ａの屈曲マイクロチャネルを示す拡大図である。 図４ａはカバーを外した状態の図３ａの熱交換器を示す上面平面図である。 図４ｂは図４ａの線４ｂ−４ｂに沿った断面図である。 図５は本発明の屈曲マイクロチャネルの設計と従来技術の直線的な設計とを比較して示す図である。５ａは図３ｂの屈曲マイクロチャネルを示す概略図であり、数字の０〜５は、本発明のマイクロチャネルのセグメント内の平均流体温度を表す。５ｂは従来技術の直線的なマイクロチャネルを示す概略図であり、数字の０〜５は、マイクロチャネルのセグメント内の平均流体温度を表す。 図６は本発明の屈曲マイクロチャネルの設計と従来技術の直線的な設計とを比較して示す図である。６ａは、図３ｂの本発明の屈曲マイクロチャネルを示す概略図である。６ｂは、第２の従来技術の直線的なマイクロチャネルの構成を示す概略図である。入口開口部と出口開口部との間の距離は、６ａの屈曲マイクロチャネルの構成と同じままである。 図７ａは、屈曲マイクロチャネルの形状によって大きくなった熱伝導及び圧力低下を示すグラフである。 図７ｂは、従来技術のスエージ加工管の図３の性能を屈曲マイクロチャネル熱交換器と比較したテストデータを示すグラフである。 図８は流動制限板を含む図３ａのマイクロチャネル熱交換器を示す分解斜視図である。 図９ａは、本発明の別のマイクロチャネル設計を示す概略図である。 図９ｂは、本発明の別のマイクロチャネル設計を示す概略図である。 図９ｃは、本発明の別のマイクロチャネル設計を示す概略図である。 図９ｄは、本発明の別のマイクロチャネル設計を示す概略図である。 図９ｅは、本発明の別のマイクロチャネル設計を示す概略図である。 本発明の屈曲マイクロチャネルを含む熱伝導部材の別の実施の形態を示す上面平面図である。

前述の、そして他の目的、特徴及び利点について、以下に説明する本発明の個々の実施の形態から明らかになるであろう。添付の図面に示すように、それぞれの図面全体を通じて、同じ参照符号は同じ構成要素を意味する。図面の縮尺は必ずしも一定ではないが、種々の本発明の実施の形態の原理の説明に重点が置かれている。

なお、本発明について、米国政府は一括払い特許実施権を有し、かつ、特許権者に対し、限定的な状況において、米国海軍が与えた契約番号第Ｎ６５５４０〜０６−Ｃ−００１５号の条件に規定の妥当な条件に基づいて、特許権者は他のものにライセンス供与を行わねばならないという権利を有するものである。

ここに開示する実施の形態は、大面積のコールドプレートに用いられる屈曲マイクロチャネルを有する熱交換器に関する。ここで使われる“大面積のコールドプレート”とは、面と流体との間で熱を伝達するために用いられる熱交換器をいう。コールドプレートの面の寸法は、約２×２センチメートルよりも大きい。本適用例は、大面積の適用例について述べるものであるが、マイクロチャネルの設計を他の適用例に用いることもできる。特に、単位面積当たりの流れが極めて小さい適用例で、圧力低下を大きくして流れの分配を容易にし、気体による閉塞を回避することが望まれる場合である。また、ここで使われる“屈曲”とは、ねじれ状（ｔｗｉｓｔｉｎｇ）、サーペンタイン（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）、又は波状（ｓｉｎｕｏｕｓ）の通路等を意味し、湾曲があったり角があったりしてもよく、入口と出口との間に非直線的な通路が形成されているものである。

はじめに図３ａ〜４ｂを参照すると、マニホルド１２と、屈曲マイクロチャネル３０を有する熱伝導部材１４と、カバープレート１５とを含む屈曲マイクロチャネル熱交換器１０が図示されている。使用の際は、破線で囲んだカバープレート部分（熱伝導作用領域）にわたって、屈曲マイクロチャネル熱交換器１０に熱を伝導したり、屈曲マイクロチャネル熱交換器１０から熱を伝導したり、屈曲マイクロチャネル熱交換器１０に熱を伝導しかつ屈曲マイクロチャネル熱交換器１０から熱を伝導したりする。カバープレート部分は、以下により詳細に説明する屈曲マイクロチャネル３０を含む屈曲マイクロチャネル熱交換器１０部分に対応する。本実施の形態の屈曲マイクロチャネル熱交換器１０では、熱伝導作用領域１７を介して流体を分配して回収する機能と、流体と熱伝導作用領域１７との間で熱を伝達する機能とを、２つの別々の構成部品により実現する。それぞれ、マニホルド１２及び熱伝導部材１４である。機能を分離することにより、各構成部品それぞれの機能にとって有利となるように各構成部品内の流路の形状を選択することが可能になる。

熱伝導部材１４は、それぞれ複数の屈曲マイクロチャネル３０が形成された、１つ以上の熱伝導層２８を含んでいる。ここでは、一例の屈曲マイクロチャネル３０について説明する。本実施の形態のように、この一例のマイクロチャネルと全く同じチャネルをさらに備えることもできるし、あるいは変更したものであってもよい。例えば、チャネルは鏡像であってもよいし、以下でさらに詳細に説明するように、異なる形状であってもよい。

本実施の形態では、３つの熱伝導層２８を接着して積層したものについて説明しているが、当業者ならばわかるように、個別の適用例での必要により変更することもできる。通例、各熱伝導層２８は平面で、第１の面１０ａと第１の面の反対側の第２の面１０ｂとを含んでいる。マイクロチャネルの深さが対応する層の厚さ“ｔ”よりも小さくなるように、屈曲マイクロチャネル３０を第２の面に、例えばエッチングにより形成することもできる。当業者ならばわかるように、マイクロチャネルを別の方法で形成することもでき、実施の形態のあるものでは、深さが対応する層と同じであってもよい。並流式マイクロチャネルのような従来技術とは異なり、本発明の屈曲マイクロチャネル３０の特徴は、アスペクト比が１に近いことである（すなわち、マイクロチャネルの深さが幅と同等である）。

図３ｂの記載からよくわかるように、屈曲マイクロチャネル３０はそれぞれ、非直線的な流れの軸３６を含んでいる。非直線的な流れの軸３６は、流れの方向を変える１つ以上のうねり３８とともに、流れの方向を逆方向にする１つ以上の対の湾曲部、すなわち、第１の湾曲部４０ａ、第２の湾曲部４０ｂを含んでもよい。基準線“ＣＬ”が、入口開口部３２と出口開口部３４との間のおよそ中央で屈曲マイクロチャネル３０の長さを二分している。以下の説明では、基準線“ＣＬ”と入口開口部３２との間の屈曲マイクロチャネル３０部分について入口側（Ｉｓ）と呼び、基準線“ＣＬ”と出口開口部３４との間のチャネル部分を出口側（Ｏｓ）と呼ぶ。基準線“ＣＬ”は基準に用いるためだけに設けてあって、熱交換器の設計の一部ではないことが理解できるであろう。第１の湾曲部４０ａが、矢印Ａで示すような入口側（Ｉｓ）から出口側に向かって移動する流体の流れの方向を、矢印Ｂで示すような出口側（Ｏｓ）からチャネルの入口側に移動する方向へと逆にすることにより、流体の流れは、逆にさせられる。同様に、第２の湾曲部４０ｂが、今入口側（矢印Ｂ）に向かって流れている流体の方向を逆にし、流体の流れをチャネルの出口側（矢印Ｃ）に戻る方向に向け直す。流体の流れは最終的に出口側に達して出口開口部３４まで行くので、チャネルの入口側Ｉｓに向かうように流れの方向を変える湾曲部それぞれについて、チャネルの出口側（Ｏｓ）に向かうよう流れを逆にする、対応する湾曲部が設けられている。１つ以上の対の流れを逆にする第１の湾曲部４０ａ、第２の湾曲部４０ｂの他に、屈曲マイクロチャネル３０は、流体の流れの方向を変える１つ以上のうねり３８を含んでいてもよい。うねり３８は流体の流れの方向を逆にするものではない。本実施の形態では、うねり３８の幅は第１の湾曲部４０ａ、第２の湾曲部４０ｂよりも小さい。全体として、うねりに達する前に流体が流れていた方向と同じ方向で流れ続けるように、これらの幅が小さいうねり３８は、方向を全体的に逆にするのではなく、流体の流れの方向を局所的に変えるものである。湾曲部及びうねりの数やサイズは、個別の適用例によって変更可能であり、マイクロチャネルは、湾曲部とうねりの両方を含んでもよいし、又は湾曲部だけもしくはうねりだけを含んでいてもよいことが理解できるであろう。

図４ａからよくわかるように、熱伝導層２８はそれぞれ、各層におおむね並行な列ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆで配置されている複数の入口開口部３２と、対応する出口開口部３４とを有している。各開口部は、第１の面１０ａから第２の面１０ｂにかけて延設されている。各屈曲マイクロチャネル３０は、少なくとも１つの入口開口部３２と少なくとも１つの対応する出口開口部３４とにおいて流体連通している。各入口開口部３２及び出口開口部３４は交互に、マニホルド１２の対応する入口チャネル２２及び出口チャネル２４で流体連通している。本実施の形態では、マイクロチャネルは独立した入口開口部と出口開口部とを交互に有することもできるが、各屈曲マイクロチャネル３０は、その入口開口部、出口開口部、又はその両方を共有していてもよい。使用中は、マニホルド１２から流体を供給し、流体が入口開口部３２と各屈曲マイクロチャネル３０とに流体が流入する。次に、屈曲マイクロチャネル３０を流体が流れて、各出口開口部３４から流出して、そこからマニホルド１２に戻る。

面での均一な熱伝導を促進するために、マニホルド１２は好ましくは、熱伝導作用領域（熱伝導面）１７全面に流体を分配して回収する。図３ａの記載からよくわかるように、マニホルド１２の第１の端部付近に配置することも可能なマニホルドの入口１６から、屈曲マイクロチャネル熱交換器１０に流体が流入する。入口１６からヘッダ２０へ流体を供給するように、入口１６は流体的にヘッダ２０に接続している。マニホルドのＸ軸に沿って流体を分配する入口チャネル２２にヘッダ２０から流体を供給するように、ヘッダ２０は入口の流体をマニホルドのＹ軸に沿って分配し、ヘッダ２０は流体的に入口チャネル２２に接続している。次に、流体は、熱伝導部材１４向けられ、ここで入口開口部３２に入った流体は、流体的に接続している屈曲マイクロチャネル３０に向けられ、対応する出口開口部３４を通ってマイクロチャネルから流出する。次に、流体が、マニホルド１２のＸ軸に沿って互いに入り込んだ、すなわち、入口チャネル２２と互い違いになっている複数の出口チャネル２４に流入する。出口ヘッダ２６は順に、マニホルドのＹ軸に沿って、出口チャネル２４から流出している流体を回収する。本実施の形態ではマニホルドの反対側の端部付近に配置されている出口１８から、流体が屈曲マイクロチャネル熱交換器１０から流出する。

流体は、分配及び回収されているので、流れを良好に分配することを促進するためにマニホルド内の圧力低下を最小限にすることが望ましい。以下により詳細に説明するように、熱伝導作用領域１７全体での均一な熱伝導を促進するために、熱伝導部材の入口開口部３２とそれぞれの出口開口部３４との間の短い距離を適切に保つこともまた望ましい。小さな圧力低下にとっては、寸法が大きい入口チャネル２２及び出口チャネル２４が好ましいが、熱伝導部材入口と出口開口部との間の距離が小さいことにとっては、寸法が小さいチャネルの方が好ましいので、これらの必要条件は相反する。

熱伝導部材１４の入口開口部３２と出口開口部３４との間の距離により、最短の長さが決まり、よって、マイクロチャネル流路の最小圧力低下が決まり、この距離により、熱伝導部材全体にわたって得られる温度均一性（又は、熱伝導均一性）の度合いも決まる。流れの熱輸送能力を最適に利用し、それによって任意の適用例の流れの必要条件と圧力低下の必要条件とを最小にするためには、流体流出温度が熱伝導部材の表面温度と近いこと（すなわち高い熱交換器効率）が望ましい。流体とマイクロチャネル壁との間の温度差は出口開口部３４よりも入口開口部３２付近で大きいので、出口開口部付近よりも入口開口部付近に大きな熱伝導能力を備えるようにする。熱伝導能力の変化を、熱伝導面と平行な平面に沿った熱伝導部材１４内の熱伝導により軽減する。銅等の熱伝導が高い材料には、入口開口部と出口開口部との間の距離がせいぜい熱伝導部材１４の厚さの５〜１０倍の場合に、この軽減が最も効果的である。従って、厚さが０．５ｍｍの部材では、入口と出口との間の距離は、約２．５〜５ｍｍとなる必要がある。

通常、マイクロチャネルコールドプレートの設計では、小規模の並流式マイクロチャネルコールドプレートと同様に、密接して配置され、入口マニホルドと出口マニホルドとの間に延設されている直線的なマイクロチャネルを有する熱伝導部材を利用することにより、マイクロチャネル内の圧力低下を最小限にすることが望まれるが、このような設計が、大面積マイクロチャネルコールドプレートに対して最適とはいえないことが、出願人により明らかにされた。特に、マイクロチャネルを、１０×１０ｃｍの熱伝導領域を有する大面積のコールドプレートに利用する場合に、圧力低下を１ｋＰａの数分の一まで下げることで、熱伝導能力が熱伝導面にわたって大幅に変化してしまうという予期しない結果になり、いくつかの領域では、冷却能力が全くなく、結果として予期しないホットスポットとなることが明らかになった。結果を分析しコールドプレートを調査した後、出願人は、予期しない結果になるのは、マイクロチャネルの何本かを閉塞している気泡が原因であるという結論に達した。これは、従来の設計では遭遇することのなかった現象である。目的とする水の流量でのマイクロチャネルの熱伝導部材を介した圧力低下は、マイクロチャネルのバブルポイントより低いので、気泡をマイクロチャネルから除去するには不十分であり、直線的なマイクロチャネルを大面積適用例に用いると予期しない結果を招くことがわかった。従って、システムに何らかの気体が存在すると、熱交換器の領域を閉塞することになり、不要なホットスポットとなってしまう。さらに、流れを良好に分配するには、マニホルド内の圧力低下を熱伝導部材内での圧力低下より１桁小さくする必要があるので、熱伝導部材内の圧力低下がこのように低いと、マニホルド内の圧力低下に関し必要以上の制約がかかることになり、さらに大型のマニホルドの使用が必要になる。従って、予測と、圧力低下が大きいのでマイクロチャネルは望ましくないという共通認識とは逆に、出願人は、出願人の適用例では、実際には逆のことが正しいということを突き止めた。所望の入口から出口までのチャネル間隔では、大面積のコールドプレートに用いられる典型的な流量で許容可能な性能を得るには、従来のマイクロチャネルの圧力低下が低すぎてしまう。

以下により詳細に説明するように、ここで開示する屈曲マイクロチャネルの構成により、熱伝導部材での圧力低下を任意の所望の値まで好都合に大きくし、同時に、熱交換器の熱伝導能力と熱伝導均一性とをともに向上させる手段を提供する。大面積のコールドプレートで典型的な単位面積当たりの流量では、マイクロチャネル内の流れは層状で（通常、約５００よりも少ないレイノルズ数）、マイクロチャネル内の圧力低下は速度とマイクロチャネルの長さとの積に比例し、マイクロチャネルの水力直径と反比例する。従って、長さが長くなると、速度が早くなると、又は直径が小さくなると、すべて圧力低下が大きくなる。マイクロチャネルの直径が小さくなるに従って、マイクロチャネル熱交換器の性能が向上する。従って、多くの場合、製造の容易さ、又は濾過レベルの必要条件等の、他の考慮すべき点と合致した最小直径として直径を選択する。従って、別のマイクロチャネルの構成と比較する目的で、直径を設計変数とは考えない。

図５及び図６では、コールドプレートが同じ単位面積当たりの流れで動作する場合に、名目上同じ圧力低下となるよう設計した、２つのマイクロチャネルの構成を比較している。５ａ及び６ａは、本発明の屈曲マイクロチャネルを含む概略図である。５ｂは、第１の、これまでの従来技術の直線的なマイクロチャネルの構成を示し、直線的なマイクロチャネルの全長を屈曲マイクロチャネルの長さと同じにすることにより、所望の圧力低下を得たものである。入口開口部と出口開口部との間の距離を長くすることにより、等しい長さが得られる。６ｂは、第２の、これまでの直線的なマイクロチャネルの構成を示し、入口開口部と出口開口部との間の距離が屈曲マイクロチャネルの構成と同じままで、直線的なマイクロチャネル内の流れの速度をあげることにより、所望の圧力低下を得たものである。コールドプレートの単位面積当たりのマイクロチャネルの数を減らすことにより、速度を増加している。以下に述べるように、屈曲マイクロチャネルの構成は、真っ直ぐな（すなわち直線の）マイクロチャネルの構成と比較して２つの点で利点がある。（１）向上した熱伝導均一性と、（２）大きい平均熱伝導能力である。この２点を説明するために、図５及び図６に示す各マイクロチャネルの全長を、等しい長さの６セグメントに分割した。数字の０〜５を各セグメントに割り当てて、そのセグメンのト平均流体温度を表している。最も小さい番号の“０”は、入口開口部付近の温度が最も低いことを表し、最も高い番号の“５”は、出口開口部付近の温度が最も高いことを表している。図５の熱伝導面を破線で６つの縦の列、すなわち帯状に分割してある場合は、Ａ−Ｆと表示している。同様に、６ａ及び６ｂの熱伝導面を破線で２つの縦の列、すなわち帯状に分割し、Ａ−Ｂ及びＡ’−Ｂ’と表示している。図５及び図６の各マイクロチャネルの構成では、次に、各帯の平均流体温度をその帯内の流体温度の数値平均として計算する。平均帯温度を下線で表示している。

屈曲構成５ａ及び６ａでは、平均流体温度は、帯間で２．３〜２．７の値で交互になっている。入口と出口との間の距離が長くなっている直線的なマイクロチャネルの構成５ｂでは、平均流体温度は、入口付近では０から出口付近では５の範囲である。マイクロチャネル内の速度が上がっている直線的なマイクロチャネルの構成６ｂでは、平均流体温度が１から４の間で順になっている。本発明で開示の屈曲の構成には流体温度の均一性をさらに高くすることを補助するので、熱伝導面にわたって熱伝導の均一性がさらに高くなることが、容易に理解することができるであろう。

５ａ及び６ａの屈曲マイクロチャネルでは、平均熱伝導能力がさらに高くなることからも、従来技術の直線的なマイクロチャネルよりも利点がある。熱伝導部材の平均熱伝導能力は、マイクロチャネルの全壁面積とマイクロチャネルの熱伝導係数の積の関数である。この積が大きくなるほど、熱交換器の平均熱伝導能力が高くなる。層流領域で動作する従来の直線的なマイクロチャネルでは、熱伝導係数はマイクロチャネルの形状及び流体特性のみに依存し、流体速度には依存しない。これと対照的に、屈曲マイクロチャネルでは、流れの方向が頻繁に変化することにより、同じ断面で直線的なマイクロチャネルよりも熱伝導係数が大きくなり、速度が上がって、増加の度合いが大きくなる。従って、マイクロチャネル壁面積が同等であっても、屈曲マイクロチャネルの構成５ａの平均熱伝導能力は、直線的なマイクロチャネルの構成５ｂよりも高いことになる。熱伝導係数が大きい上に、屈曲マイクロチャネルの壁面積は直線的なマイクロチャネルの約３倍なので、屈曲マイクロチャネルの構成６ａの平均熱伝導能力は、直線的なマイクロチャネルの構成６ｂよりも相当高い。従って、本発明に開示の屈曲マイクロチャネルの構成には平均熱伝導能力を高くすることを補助することが、容易に理解することができるであろう。

次の実施例は比較例であって、特徴の説明のためのものであり、発明の範囲を限定するものとして考える必要はない。

熱伝導係数増大の度合いと圧力低下の増大とを説明するために、長さ及び断面が等しい、図３ｂに図示したものと同様の形状の屈曲マイクロチャネルと、直線マイクロチャネルの、熱伝導係数と圧力低下との割合を、ＡＮＳＹＳという市販の数値流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェアを用いて計算した。この計算結果を図７ａに示す。レイノルズ数は３００で、屈曲マイクロチャネルの熱伝導係数は直線的なマイクロチャネルの約３倍大きく、圧力低下は約１．５倍大きい。

上述の第１の実施の形態の熱交換器を作製し、テストを行った。この熱交換器は６０×６０ｍｍ熱伝導面積を有し、０．２５ｍｍ厚の銅箔から作成した３層の熱伝導層を積層したものから成る熱伝導部材を有していた。幅０．２５ｍｍ、深さ０．１７ｍｍの屈曲マイクロチャネルを、熱伝導層の一表面に化学的にエッチングした。直径０．７５ｍｍの入口開口部及び出口開口部を、熱伝導層を介してエッチングした。入口開口部と出口開口部との間の距離は４．８ｍｍであった。屈曲マイクロチャネル形状は、図３ｂに図示のものと同様であった。これは、ピッチが２．４ｍｍで幅が０．７５ｍｍの６つの小規模のうねりと、入口開口部と出口開口部との間の距離にわたる３つの大規模の湾曲部とを有していた。

屈曲マイクロチャネルコールドプレートの熱抵抗を、水の単位面積当たりの流量の関数で測定した。測定した抵抗を図７ｂに示す。また、メーカーが提供した市販のスエージ加工管コールドプレートの性能（リトロン社（Ｌｙｔｒｏｎ Ｉｎｃ．）製品番号ＣＰ１５）と、与えられた単位面積当たりの流量で得られる理論的最小抵抗を図７ｂに示す。理論的最小抵抗は、その表面温度が流体流出温度と等しい理想的なコールドプレートのものに対応する。これらの測定値からわかるように、屈曲マイクロチャネルコールドプレートは、一例のスエージ加工管コールドプレート等の、従来技術のものより１桁小さい熱抵抗が得られる。大面積のコールドプレートで典型的な流量では、屈曲マイクロチャネルコールドプレートの熱抵抗は理論的下限に迫っている。

上述の、熱交換器性能を向上させる潜在能力に加えて、本発明の開示では、幅広い適用例にみあう大面積マイクロチャネル熱交換器を製造する安価なアプローチを提供する。例えば、熱伝導層２８内の屈曲マイクロチャネル３０を、化学的切削加工により安価に作製することができる。このプロセスでは、感光性レジスト層を金属箔の両面に積層し、フォトマスクを用いてマイクロチャネルの形状をレジストにパターニングする。現像後、エッチングを行う領域からこのレジストを除去する。金属を一面のみからエッチングすることでマイクロチャネルを形成することにより、熱伝導層２８の厚みを貫通しない、部分的にエッチングした形態を得ることが可能である。金属をすべて溶解して第１の面１０ａを第２の面１０ｂと接続する貫通形態を得るまで金属を両面からエッチングすることにより、入口開口部３２及び出口開口部３４を形成することが可能である。

また、本構成により、熱伝導能力に幅のある熱交換器の製造を簡素化する。熱交換器の熱伝導能力は流量と比例し、同じ熱効率を維持するために、マイクロチャネルの壁面積とマイクロチャネルの熱伝導係数との積は、流量と比例しなければならない。本発明で開示の熱交換器では、目的とする適用例で必要とする流れに比例して熱伝導部材の層の数を増やすことにより、このことを容易に達成することができる。また、本実施の形態は、熱交換器の面にわたって熱伝導能力を安価に調整することが可能である。適用例によっては、熱交換器のある領域にはより大きな熱伝導能力（より小さな熱抵抗）を備え、別の領域にはより小さな熱伝導能力（より大きな熱抵抗）を備えることが望ましい場合もある。例えば、ある領域にホットスポットが配置されると、その領域でより高い熱伝導能力が望まれる。本発明で開示の熱交換器を用いることにより、このことを容易に達成することが可能である。例えば、マニホルド１２と熱伝導部材１４との間に流動制限板４４を挿入することが可能である。図８に示すように、この流動制限板４４は、最大熱伝導能力を必要とする領域の屈曲マイクロチャネル３０を流体が通過するようにさせる開口部４６を含み、流動制限板４４の本体４８は小さな熱伝導能力を必要とする領域の屈曲マイクロチャネル３０のいくつかからの流れを選択的に閉塞するようになっている。熱伝導部材１４のマイクロチャネルの設計は同じままで、開口部４６のパターン、大きさ及び形状を、個別の適用例より調整することが可能である。このように、同じマイクロチャネルの構成を、熱伝導パターンが異なる熱交換器に用いることが可能である。

本発明で開示の熱交換器のさらに別の製造上の利点は、流れの分配機能と熱伝導機能とを、別々の構成部品に限定していることである。熱伝導能力は熱伝導部材の形状と材料特性とに主として依存しており、銅又はアルミニウム等の高熱伝導材料は、熱伝導部材の製造に用いられる際にのみ必要である。マニホルドを、耐熱ポリマー等の低コストの材料で作成することも可能である。マニホルドを、低コストの金属で形成した打ち抜き加工品とすることも可能である。従って、本発明は、安価で、容易に実施可能なやり方で、様々な必要に合わせて容易に調整可能なデバイスを提供する。

異なる適用例の必要条件にあわせて利用できる有益な屈曲マイクロチャネルの形状には様々な変形例があることを、当業者ならば理解できるであろう。図９ａ〜図９ｅ及び図１０に示すように、別の屈曲マイクロチャネル３０の設計の様々な実施の形態について説明する。例えば、図９ｂ及び図９ｃは、弓形ではない実施の形態を示している。図９ａでは、流体の流れの方向を変えるうねり３８を含んでいるが、流体の流れの方向を逆にする湾曲部は含まれない。図９ｄは、１つの弓形のうねりを含み、図９ｅでは、熱伝導層２８の両面に屈曲マイクロチャネル３０をエッチングして、マイクロチャネルの密度を高くしている。図１０では、各屈曲マイクロチャネル３０を他のすべての屈曲マイクロチャネル３０と分離している。これらの設計はすべて、第１の実施の形態の変形例であって、同じように動作する。

ここで開示する実施の形態について、様々な変更例が可能であることが理解できるであろう。例えば、当業者ならばわかるように、寸法及び幾何学的形状を変更してもよい。また、直交流式コールドプレートとともに並流式コールドプレートにも、マイクロチャネルの用途を見つけることも可能であり、このような場合に、方向的な事例を変更がされる。また、小さな幅のうねり及び逆湾曲部の数や大きさは、適用例によって変更することが可能である。流体の流れの方向を逆にする湾曲部だけを有する適用例もあれば、流体の流れの方向を変えるうねりだけを有するものもあれば、両方を有するものがあってもよい。同様に、記載した例を限定的なものとして解釈する必要はなく、例示的な実施の形態を考案した結果として解釈するべきものである。従って、上記の説明を限定的なものとして解釈するべきではなく、単に好ましい実施の形態の例証として解釈するべきものである。当業者ならば、発明の範囲、精神及び意図の範囲内で変更例を考えられるであろう。

１０ 屈曲マイクロチャネル熱交換器
１０ａ 第１の面
１０ｂ 第２の面
１２ マニホルド
１４ 熱伝導部材
１５ カバープレート
１６ 入口
１７ 熱伝導作用領域
１８ 出口
２０ 入口ヘッダ
２２ 入口チャネル
２４ 出口チャネル
２８ 熱伝導層
３０ 屈曲マイクロチャネル

Claims (14)

1. 第１の面と第２の面とを有する少なくとも１つの熱伝導層を含む熱伝導部材と、
   前記熱伝導部材の作用領域の全域にわたって流体を分配するため及び流体を回収するための入口と出口とを含むマニホルドと、
   前記熱伝導部材に配置され、前記マニホルドと流体連通している複数の入口開口部と、
   前記熱伝導部材に配置され、前記マニホルドと流体連通している複数の出口開口部と、
   を含むマイクロチャネル熱交換器であって、
   前記少なくとも１つの熱伝導層毎に複数の屈曲マイクロチャネルが配置され、前記屈曲マイクロチャネルのそれぞれが非直線的な流れの軸を有し、前記屈曲マイクロチャネルは、前記熱伝導部材の作用領域を規定し、
   前記複数の屈曲マイクロチャネルのそれぞれの前記非直線的な流れの軸が、対応する前記入口開口部と対応する前記出口開口部との間の非直線的な流路を規定するように、前記複数の屈曲マイクロチャネルのそれぞれは、前記複数の入口開口部の少なくとも１つ、及び、前記複数の出口開口部の少なくとも１つと流体連通するように配置されており、
   前記非直線的な流路が、対応する前記入口開口部の近傍の入口側と対応する前記出口開口部の近傍の出口側とを含み、前記非直線的な流路がさらに少なくとも１対の湾曲部を含み、前記少なくとも１対の湾曲部は、
   ａ．流体が対応する前記入口開口部と対応する前記出口開口部との間を移動する際に、流体が通過した後に前記入口側に向かって流れるように、流体の流れの方向を逆にするために形成され配置された第１の湾曲部と、
   ｂ．流体が対応する前記入口開口部と対応する前記出口開口部との間を移動する際に、流体が通過した後に前記出口側に向かって流れるように、流体の流れの方向を逆にするために形成され配置された第２の湾曲部と、
   を備え、
   流体が前記マニホルドから対応する前記入口開口部を通り、前記複数の屈曲マイクロチャネルのうちの少なくとも１つに流入し、前記非直線的な流路に沿って対応する前記出口開口部に移動し、前記複数の屈曲マイクロチャネルのうちの１つ以上の屈曲マイクロチャネル又は複数の屈曲マイクロチャネルに存在して屈曲マイクロチャネルを閉塞している気泡を除去するように、流体が前記非直線的な流路に沿って移動して、非直線的な流路により前記複数の屈曲マイクロチャネル内の圧力低下が大きくなること、
   を特徴とするマイクロチャネル熱交換器。
2. 前記出口開口部のそれぞれが、前記複数のマイクロチャネルのうちの少なくとも２つと流体連通していること、
   を特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器。
3. 前記入口開口部のそれぞれが、１つのマイクロチャネルと流体連通していること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロチャネル熱交換器。
4. 前記入口開口部のそれぞれが、前記複数のマイクロチャネルのうちの少なくとも２つと流体連通していること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロチャネル熱交換器。
5. 流体の流れの方向を入口側に向かって逆にして、前記非直線的な流路の出口側に向かって再度逆にすることにより、前記熱伝導部材の前記作用領域の全域にわたっておおむね均一な熱伝導が得られること、
   を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器。
6. 流体が前記非直線的な流路に沿って移動する際に、流体の流れの方向を逆にすることなく、流体の流れの方向を変更するために形成され配置された少なくとも１つのうねりをさらに備え、
   前記少なくとも１つのうねりを通過する前に出口側に向かって流体が移動する場合は、前記少なくとも１つのうねりを通過した後に出口側に向かって流体が移動を続け、
   前記少なくとも１つのうねりを通過する前に入口側に向かって流体が移動する場合は、前記少なくとも１つのうねりを通過した後で入口側に向かって流体が移動を続けること、
   を特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器。
7. 前記第１の湾曲部、前記第２の湾曲部及び前記少なくとも１つのうねりは、いずれも弓形の形状を有すること、
   を特徴とする請求項６に記載のマイクロチャネル熱交換器。
8. 使用中は流体が前記マニホルドから対応する前記入口開口部を通り、前記複数の屈曲マイクロチャネルのうちの少なくとも１つに流入し、前記非直線的な流路に沿って前記屈曲マイクロチャネルの出口側に向かって移動し、前記屈曲マイクロチャネルの入口側に向かって流体の流れの方向を逆にする第１の湾曲部に流入し、流体が前記屈曲マイクロチャネルの出口側に向かって流体の流れの方向を逆にする第２の湾曲部に流入し、前記非直線的な流路に沿って前記出口開口部に移動し、流体の流れが少なくとも２回非直線的な流路に沿って方向が逆になること、
   を特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器。
9. 前記少なくとも１つの熱伝導層の厚さは第１の面及び第２の面との間にわたり、前記複数のマイクロチャネルの深さは、前記複数のマイクロチャネルが配置されている熱伝導層の厚さよりも小さいこと、
   を特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器。
10. 前記マイクロチャネルの深さが、前記マイクロチャネルの幅とおおむね等しいことを特徴とする請求項９に記載のマイクロチャネル熱交換器。
11. 前記マニホルドと前記熱伝導部材との間に配置された流動制限板をさらに備え、
    前記流動制限板は、本体を含み、
    前記本体は、熱伝導必要条件に基づいて、作用領域の全域にわたって前記屈曲マイクロチャネルへの流れを変えるために構成され、配列され、配置され、当該本体を貫通する複数の開口部を有すること、
    を特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器。
12. 前記流動制限板の前記本体が、前記作用領域の部分の前記屈曲マイクロチャネルへの流体の流れを選択的に閉塞するために形成され配置されていること、
    を特徴とする請求項１１に記載のマイクロチャネル熱交換器。
13. 複数のマイクロチャネルを有する熱伝導部材と、
    前記熱伝導部材の作用領域の全域にわたって流体を分配するため及び流体を回収するための入口と出口とを含むマニホルドと、
    前記熱伝導部材に配置され、前記マニホルドと流体連通している複数の入口開口部と、
    前記熱伝導部材に配置され、前記マニホルドと流体連通している複数の出口開口部と、
    を含むタイプの熱交換器で熱源を冷却する方法であって、
    前記複数の屈曲マイクロチャネルのそれぞれに、非直線的な流路のおよそ中央に対して入口開口部の近傍に入口側を有し、前記非直線的な流路のおよそ中央に対して出口開口部の近傍に出口側を有し、前記複数の入口開口部と前記複数の出口開口部との間の非直線的な流路を規定する非直線的な流れの軸を形成し、
    前記非直線的な流路の出口側に向かって流体を向かわせ、
    流体の流れが前記非直線的な流路の入口側に向かうように、第１回目の流体の流れの方向を逆にし、
    前記非直線的な流路の出口側向かって流体の流れが再度逆になるように、第２回目の流体の流れの方向を逆にし、
    流体の流れの方向を入口側に向かって逆にして、前記非直線的な流路の出口側に向かって再度逆にすることにより、前記熱伝導部材の作用領域の全域にわたっておおむね均一な熱伝導能力を得ること、
    を特徴とする熱源を冷却する方法。
14. 非直線的な流路に沿って存在する気泡を除去するために、流体の流れの方向を入口側に向かって逆にして、前記非直線的な流路の出口側に向かって再度逆にすることにより、前記非直線的な流路に沿って流体の圧力低下を大きくすること、
    を特徴とする請求項１３に記載の熱源を冷却する方法。

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