(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部品により生成された熱を放熱する閉鎖型循環システムであって、
内部に冷却室を有するとともに、該冷却室の一部として、液体冷媒の貯蔵器を備えたハウジングと、
前記内部冷却室内において前記液体冷媒の貯蔵器近傍であって該貯蔵器に晒されて設置され、発熱部品を支持している、少なくとも一つの部品ボードと、
液体冷媒を噴霧し、噴霧された液体冷媒を、前記少なくとも一つの部品ボード上に搭載された発熱部品の表面上に分配する少なくとも１つの噴霧器と、
前記ハウジング内の前記冷却室内にあり、前記冷媒の貯蔵器に集められた液体冷媒を前記少なくとも１つの噴霧器に再循環させるため、前記少なくとも１つの噴霧器に接続されたポンプと、
対流により冷却するため、ハウジングの外面に付着された冷却用フィンと、
前記フィンを横切って空気を循環させるための手段と、を備えることを特徴とする放熱システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの噴霧器は、カスタマイズされたパターンに位置する複数の噴霧器を備え、
前記カスタマイズされたパターンは、噴霧された液体冷媒を、前記少なくとも１つの部品ボード上に搭載された各発熱部品の表面上に向けることを特徴とする請求項１に記載の放熱システム。
【請求項３】
液体冷媒を供給するために、前記ポンプに接続されるとともに、前記少なくとも１つの噴霧器を支持するに取り付けられた、スプレーチャンバを前記ハウジング内にさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の放熱システム。
【請求項４】
発熱部品により生成された熱を放熱する閉鎖型循環システムであって、
内部に冷却室を有するとともに、該冷却室の一部として、液体冷媒の貯蔵器を備えたシールされたハウジングと、
前記内部冷却室内において前記液体冷媒の貯蔵器近傍であって該貯蔵器に晒されて設置され、発熱部品を支持している、少なくとも一つの部品ボードと、
液体冷媒を噴霧し、噴霧された液体冷媒を少なくとも１つの部品ボードの表面上に分配する少なくとも１つの噴霧器と、
少なくとも１つの噴霧器を支持するスプレーチャンバと、
液体冷媒の貯蔵器から液体を前記スプレーチャンバに再循環させるための、前記冷却室内のポンプと、
前記シールされたハウジング内において前記冷媒の貯蔵器に全て集められた液体冷媒を再循環させるため、前記ポンプを前記スプレーチャンバに接続するチューブと、
対流により冷却するため、ハウジングの外面に付着された冷却用フィンと、
前記フィンを横切って空気を循環させるための手段と、を備えることを特徴とする放熱システム。
【請求項５】
発熱部品により生成された熱を放熱する閉鎖型循環システムであって、
内部に冷却室を有するとともに、該冷却室の一部として、液体冷媒の貯蔵器を備えたシールされたハウジングと、
前記内部冷却室内において前記液体冷媒の貯蔵器近傍であって該貯蔵器に晒されて設置され、発熱部品を支持している、少なくとも一つの部品ボードと、
冷媒の貯蔵器内にある誘電性の液体冷媒と、
誘電性の液体冷媒を噴霧し、噴霧された液体冷媒を前記少なくとも１つの部品ボードの表面上に分配する少なくとも１つの噴霧器と、
前記ハウジングの前記冷却室内にあり、冷媒の貯蔵器に集められた誘電性の液体冷媒を前記少なくとも１つの噴霧器に再循環させるため、前記少なくとも１つの噴霧器に接続されたポンプと、
前記ハウジングの外表面に付着されたフィンと、
前記フィンを囲む第２のハウジングと、
前記第２のハウジングを通し、前記フィンを横切って第２の冷媒を循環させるための手段と、を備えることを特徴とする放熱システム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの噴霧器は、超音波攪拌器を備えることを特徴とする請求項５に記載の放熱システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの噴霧器は、機械的攪拌器を備えることを特徴とする請求項５に記載の放熱システム。
【請求項８】
前記ハウジング内に位置し、液体冷媒に接触する熱交換チューブと、
前記熱交換チューブを通して第２の液体冷媒を循環させるための手段とをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の放熱システム。
【請求項９】
発熱電子部品によって生成された熱を放熱する方法であって、
冷媒貯蔵器を有するシールされたハウジング内に、発熱部品を搭載した複数の部品カードを離隔して配置し、
前記シールされたハウジング内において、霧をオーバーラップさせて噴霧するように、複数のノズルを２次元のパターンで配置し、
前記２次元配置のノズルによって、液体冷媒を前記オーバーラップする霧の噴霧に霧化し、
前記離隔された部品カード間において、該霧の噴霧を分散させ、前記シールされたハウジング内で前記発熱電子部品と直接接触した状態とし、
前記発熱電子部品に接触した前記霧の噴霧を蒸発させ、
前記シールされたハウジング内に、蒸発した霧の噴霧を保持し、
前記シールされたハウジングの外部に取り付けられた冷却フィンによって、蒸発した霧の噴霧の熱を放散させ、
シールされたハウジング内において、蒸発した霧の噴霧を前記ハウジングの冷媒貯蔵器内にあつめるために液体冷媒に凝縮させ、
集められた液体冷媒を、霧化のために、前記冷媒貯蔵器から少なくとも１つの噴霧器へ再循環させる、ことを特徴とする前記方法。
【請求項１０】
前記霧のスプレーを蒸発させることには、前記発熱電子部品から前記霧の噴霧に熱を移すことを更に含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記蒸発された霧の噴霧を凝縮することには、前記霧の蒸発させられた噴霧の熱を前記ハウジングの壁に放熱することを更に含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本願は、1996年５月16日に出願された米国特許出願第08/648,548号に基づく優先権を主張し、それは、1997年４月18日に出願された、米国特許法施行規則第1.53条（ｂ）（２）（ii）に従って非仮出願を仮出願へ変更する申立により仮出願へ変更されたものである。
技術分野
本発明は、効率的な冷却機能を必要とする装置のための冷却システムに関し、特に、動作中に熱を発生する電気的なシステム、装置、ボード及びカードのための冷却システムに関するものである。
発明の背景
マイクロチップ、回路基板、回路カード、マルチチップモジュール、電源／変換器、パワー増幅器、及び他の発熱部品（以下、“部品”と称す）の使用において大きな問題の一つは、これらの電気部品により発生される熱を散逸させることである。部品を最も効率的に機能させ、動作不良を低減させるためには、電気部品をある所望の温度範囲に維持する必要がある。
電気部品を冷却する多くの方法が現在使用されている。電気部品を備えるハウジングにファンを設けたり、部品を強制通気することは、最も一般的な冷却方法である。しかしながら、異なる電気部品は、動作中に異なる量の熱を発生し、高温点が作られる。ヒートシンクは、高温点の問題を解決するために使用される。しかしながら、電気部品の出力ワット量は増加し続け、所望の冷却を得るためには、ヒートシンクは、過度に大きくなっている。外部のフィンが、内部で発生する熱を散逸させるために、電気部品を備えるハウジングに設けられている。高機能のシステムでは、冷却流体を含む冷却管が、外部の熱交換器へ熱を送るために電気部品のまわりに配置される。しかしながら、冷却管及び熱交換器は、本発明との関係では、空間が過密化され、高価である。
電気的なハードウエアの製造者は、直接回りを覆って電気部品と接触する部品内でハウジング内を再循環される流体冷却材を循環させるための高機能システムを生産している。流体冷却材は、熱交換器／凝縮器へ集められ、案内される。このようなシステムは、かなり高価で空間が過密化されている。さらに、そのようなシステムは、それらは単相冷却である点で効率的でない。
電気部品及び他の発熱部品の流体冷却システムの多くの商業用の研究開発は、高速で狭いジェット又は冷却すべき表面に導かれる流体のジェットからなる流体冷却材のジェット衝突の関連分野内に集中している。ジェット衝突は、噴霧冷却と混同され、特に、両冷却方法において、流体冷却材がオリフィスから放出され、冷却面に導かれる点において混同されやすいが、液体ジェットの衝突と、より大きな領域に対して液滴が十分に分散されて微粒子化された噴霧の衝突との間に、流体力学及び熱伝導メカニズムにおいて、基本的且つ重大な差が多くある。ジェット衝突冷却には、噴霧冷却に劣るという制限がある。表面に対する冷却の均一さをもたらさず、等価平均熱流量に対してより高い流量比を必要とし、噴霧冷却より低い臨界熱流量（CHF）で焼き尽くされる（表面温度で連続的に増加して沸騰する蒸気薄膜への変化）。ジェットにより冷却されると、領域の外側の部分は、より低い熱伝導係数のために、かなり低い熱流量で沸騰する（ここで、CHFが起こる）薄膜へ変化する。これは、これらの領域での熱除去を低減し、部分的な表面温度を増加させる。これは、熱伝達能力における対応した増加がないため、適応されることができない内部領域におけるより大きな除去負担をすぐに増加させる。このように、薄膜の沸騰現象は、急速に内側に伝えられる。
ジェット衝突でよりよい冷却を達成するために、ジェットの数を増加させ、各ジェットにより冷却される領域を増加させる試みが行われている。しかしながら、この効果は、幾何学的に増加する分配の困難さによりすぐに相殺され、流体の連続的な大量のジェット衝突の除去は、大きな領域の噴霧には非現実的になる。以下の説明によりより明らかになるように、本発明は、このような制限を受けない。単相ジェット衝突冷却の分野で、米国特許第4,108,242号、第4,912,600号、第4,838,041号及び第3,844,343号を含む多くの特許が発行されている。
より効率的な冷却を達成するため、噴霧冷却の能力に関して多くの調査及び試みが行われている。噴霧冷却は、蒸発による相変化の付加的な利点を含む。米国特許第4,643,250号、第4,790,370号、第4,643,250号、第4,352,392号及び第4,967,829号を含む多くの特許は、蒸発による冷却の従来技術を洞察している。一般に、いずれの従来の噴霧器も実行可能な噴霧冷却又は大きな噴霧距離に適さず、システムの大きさが非効率になるため、従来の技術は成功していない。
米国特許第5,220,804号は、広範な分布に対して、冷却される電気部品の表面に衝突する微粒子化された液体が噴霧されることを開示する。熱は、蒸発による相変化過程で冷却材に伝達される。蒸気及び液体は、外部の凝縮器に集められ、取り除かれる。このようなシステムは、蒸発による相変化の冷却の利点を備え、蒸発及び凝縮の過程は、発熱部品のハウジングにそれ自体含まれておらず、液体冷却材及び蒸気は、外部のポンプ及び凝縮器により集められ、再循環される。遠隔通信、航空電子工学、軍事を含む多くの応用において、外部システムを用いないで内蔵型ユニットを有することは大変望ましい。このような内蔵型システムは、凝縮システムのスペースにおいて有利であり、潜在的なEMI問題を避ける。さらに、米国特許第5,220,804号の噴霧器は、その性能において従来の噴霧器に対して多くの有利な点を有しているが、米国特許第5,220,804号の噴霧器は、すべての応用に適用できるわけではない。
発明の概要
本発明は、マイクロチップ、回路基板、回路カード、マルチチップモジュール、パワーサプライ、パワーコンバータ、パワーアンプ及びその他の熱を発生する部材（以後、部品と呼ぶ。）のための冷却システムの従来技術における発熱及び冷却の重要な問題を解消する。本発明は、電子部品の作動によって発生された点在する熱を奪い、本システムを通してその熱を逸散させる等温システムであり、効果的に放熱がなされ得る。
本発明は、シールされたハウジング内におて部品によって発生させられた熱を、噴霧液体冷媒を用いて放熱させる。本発明は、液体冷媒を噴霧し、ハウジング内を冷媒の霧で満たすための噴霧器を有している。霧化された冷媒は、発熱部品の表面を覆う薄膜として与えられる。熱は、液体冷媒の薄膜の少なくとも一部の蒸発によって、発熱部品の表面から移動させられる。
【図面の簡単な説明】
本発明のより完全な理解は、添付図面と関連して以下の詳細な説明を参照すれば得られるだろう。
図１は、電子部品及び本発明に係る放熱システムを含むハウジングを分解して示す斜視図である。
図２は、図１の電子部品及び放熱システムを含むハウジングの断面で示す側面図である。
図３は、図１の電子部品及び放熱システムを含むハウジングを断面で示す正面図である。
図3Aは、図１の放熱システムのスプレーチャンバー及びスプレープレートを部分的に断面で示す正面図である。
図４は、図１の放熱システムのスプレープレートを示す側面図である。
図５は、図４のスプレープレートを部分的に示す平面図である。
図６は、本発明の放熱システムの第２実施形態である。
図７は、本発明の発熱システムの第３実施形態である。
図８は、本発明の発熱システムの第４実施形態である。
詳細な説明
図において、全図を通じ、類似の部品には同様の符号を付した。図１を参照すると、部品カード31に搭載された電子部品30を閉じこめるためのシールされたハウジング20が図示されている。噴霧器50及び冷却フィン22を有する液体冷媒スプレープレート100も図示されている。
図2,3及び3Aを参照すると、部品カード31に搭載された電子部品30及び本発明の放熱システム10を有するシールされたハウジング20の断面図が図示されている。本発明は、閉鎖された環境内での等温平衡を確立したシステムであり、電子部品30の作動により発生した点在する熱を奪い取り、ハウジング20内の液体及び気体の冷媒40を通じて熱を放散させ、ハウジング20及び外部冷却フィン22を通じて効果的に放熱し得る。
第１実施形態では、放熱システム10は、冷却されるべき電子部品30の表面に、スプレーされた冷媒40の霧化された液体の水滴を作り出す。作動中、液体冷媒40の霧化された霧は、シールされたハウジング20内に収容された電子部品30に適合し直接接触する。ここで使用される“霧化する”及び“霧化された”の語は、微粒及び／又は粗粒の霧滴の霧を包含することが分かる。更に、ここで“噴霧器”と使用される語は、微粒及び／又は粗粒の霧滴を作り出すための装置を包含する。熱は、薄膜が蒸気へ層転移する過程において冷媒40に移される。霧化された液体40は、3Mカンパニーによって製造された誘電性冷却液体、フロリナート（Fluorinert:商標名）のような“FC72"冷媒とすることができる。
本発明は、ヒートシンクを使用する必要、及び、所望の冷却を達成するための複雑で高価なチューブ冷却システムを、減らし又は無くす。第１実施形態（図1,2及び３参照）では、本発明は、内蔵型である。遠距離通話機器、アビオニクス、及び軍事機器を含む多くの分野では、外部冷却装置を備えない内蔵型ユニットが要望されている。そのようなシールされた装置は、電磁波障害（EMI）の問題を最小化させる。本発明は、ヒートシンクの空間的な強制的使用を軽減し、本システム回りの高温部に生じた熱を放散させるので、より多くの電子部品が、同じ大きさのハウジング内に組み込まれ得る。これは、軍事機器、アビオニクス及び長距離通話機器の分野において際だって有利である。
液体冷媒40は、ハウジング20内の霧内で消散させられるので、本発明は、液体冷媒40の容積を最小化させる要求に応え得るという利点を更に有している。このようなシステムにおける液体冷媒は、本発明の霧状態に対して純粋な液体状態を維持されるから、循環する液体システムは、従来の技術で述べたように、冷却システムにかなりの重量を付加する。そのようなシステムにおける冷媒の密度は、一般に水よりも大きく、システム全体にかなりの重量を付加する。この付加的な重量は、アビオニクス及び多くの軍事機器では特に望ましくない。
図2,3,3A及び５を参照すれば、カスタマイズされたパターンの複数の噴霧器50が、スプレープレート100に配置されている。スプレープレート100は、ハウジング20の第１端部に設置され、その噴霧器50の列が、冷却されるべき電子部品30を支持している部品カード31の列の間に配置されている。図3Aに図示されているように、スプレープレート100は、バッキング部品81を含むスプレーチャンバー80の第１の部品である。
図２及び３を参照すれば、霧化された液体冷媒40及び蒸発熱移動過程の後に蓄えられた液体は、ハウジング20の第２端部に配置された貯蔵器60内に集められる。ポンプ70は、供給管72を介し、スプレーチャンバー80に集められた冷媒40を再循環させる。ポンプ70は、好ましくは、典型的なブラシレス自動車燃料ポンプに類似の、出力圧力が少なくとも20psiの内蔵型DCブラシレスポンプである。そのようなポンプは、市場で入手可能である。好ましい実施形態では、ポンプ70、ポンプモータ、及びポンプコントローラは、ハウジング20内に内蔵されている。
スプレープレート100は、本発明の範囲から逸脱することなしに、多くの変更部品及び代替部品があり得る。更に、制限されることなく、発熱部品（図２）の配列と同様な種々のパターンの配置が為され得る。
再び、図２及び図３を参照すれば、作動時に、スプレーチャンバー80に供給された液体冷媒40は、各噴霧器50に供給され、渦巻きチャンバー内で冷媒40の渦を発生させられ、噴霧器50を出るときに霧化される。
本発明の放熱システムの第２実施形態は、図６に示されている。付加的な冷却を得るため、外部冷却器1000が、ポンプ70とスプレーチャンバー80との間に、冷媒供給管70に介在されて配置され得る。電子部品のワット数の増加により、熱的付加が増加し続けた時に、ハウジング20の外側及び／又は外部冷却フィン22を横切る風を強制送風するファン93を使用することにより、本発明の放熱システムを用いて付加的な冷却が得られ得る。
本発明の放熱システムの第３実施形態は、図７に図示されている。図７は、液体冷媒の霧の製造に他の方法を用いた本発明を示している。ハウジング20内に配置された機械的な撹拌器又はパドル90が、貯蔵器60内に集められた液体冷媒40を撹拌し、該液体冷媒を発熱部品30に散布する。もし、付加的な冷却が必要なら、付加的なハウジング29が、冷却フィン22を閉じこめるために使用される。液体冷媒400は、冷却フィン22を横切って循環する。熱は、冷媒400に移され、発熱部品のハウジングから取り去られる。
図８を参照すれば、本発明の第４実施形態が図示されている。超音波撹拌器92が、前記発熱部品を横切って散布させられる液体冷媒の霧を作る出すために用いられる。もし、付加的な冷却が要望される場合は、熱交換チューブ300が、シールされたハウジング200内に設けられる。第２の液体冷媒又は気体冷媒310が、熱交換チューブ300を通じて循環される。熱は、冷媒310に移され、前記発熱部品のハウジングから取り去られる。熱交換チューブ300は、蒸発させられた冷媒40が凝縮させられ再循環されるような付加的な冷却表面を提供するという付加的な利点を有している。
本発明の好ましい実施形態は、添付図面に図示され及び前述の詳細な説明において説明したが、本発明は、記述された実施形態に制限されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更態様が為され得ることが理解されるだろう。
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図５】
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【図８】
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【図６】
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【図７】
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