(57)【要約】異なる出力密度及び干渉信号を用いる電子部品系を冷却するための３次元パッケージ冷却一体型装置である。
2007520089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる出力密度及び干渉信号を扱う、異なる電子部品系を冷却するための３次元パッケージ冷却一体型装置であって、
前記電子部品系には第一信号型を用いる第一電子部品及び第二信号型を用いる第二電子部品が含まれ、前記第一信号型と前記第二信号型は干渉し、
前記一体型装置には、装置入力接続部及び装置出力接続部を備える電子コネクタが少なくとも１個取り付けられた装置フレームが備えられ、
前記装置フレームには、
装置ハウジングと、
前記第一電子部品が取り付けられた第一回路カードを収容するように構成された第一回路カード空隙と、
前記第二電子部品が取り付けられた第二回路カードを収容するように構成された第二回路カード空隙と、
前記第一回路カード空隙と前記第二回路カード空隙との間に設けられ、前記第一電子部品が前記第二電子部品からの干渉性第一信号型を受け取ることを遮るように配置された第一信号シールドと、
前記第一回路カードへスプレー冷却を与えるように構成された第一スプレーモジュール及び前記第二回路カードへスプレー冷却を与えるように構成された第二スプレーモジュールを含む薄膜蒸発スプレー冷却系が備えられ、
前記第一及び第二スプレーモジュールのそれぞれには、液体受取り位置にあって装置冷却液供給部から冷却液を受け取る複数のアトマイザーが備えられ、前記複数のアトマイザーのそれぞれはそのスプレーモジュールに対応する回路カードに対して冷却液をスプレーするように向けられていることを特徴とする前記３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項２】
前記第一スプレーモジュールが前記第二スプレーモジュールと一体化され、さらに前記第一スプレーモジュールの前記複数のアトマイザーによって冷却液が前記第二スプレーモジュール中の前記複数のアトマイザーによってスプレーされる方向とは反対方向へスプレーされることを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項３】
前記一体化された第一及び第二スプレーモジュールがさらに前記第一信号シールドとしても働くことを特徴とする請求項２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項４】
前記第一スプレーモジュールが標準衝突型、アングル衝突型及び横方向スプレー型のいずれか一つであることを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項５】
前記第一スプレーモジュールが前記第二スプレーモジュールに類似しないことを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項６】
前記第二スプレーモジュールが標準衝突型、アングル衝突型及び横方向スプレー型のいずれかであることを特徴とする請求項５項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項７】
前記スプレーモジュールがさらに前記第一信号シールドとしても働くことを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項８】
前記第一信号型がデジタルであり、及び前記第二信号型がアナログであることを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項９】
前記第一信号型がデジタルであり、及び前記第二信号型が無線周波数であることを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１０】
前記第一信号型がアナログであり、及び前記第二信号型が無線周波数であることを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１１】
前記第一信号シールドが電磁的干渉減衰シールドであることを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１２】
第三電子部品が取り付けられた第三回路カードを前記第一回路カードに対してほぼ平行に収容するように構成され且つ方向付けられた第三回路カード空隙と、
前記第二回路カード空隙と前記第三回路カード空隙との間に、前記第二電子部品が前記第三電子部品からの干渉性第三信号型を受け取ることを遮るように配置された第二信号シールドがさらに含まれる３次元パッケージ冷却一体型装置であって、
前記薄膜蒸留スプレー冷却系に前記第三回路カードへスプレー冷却を与えるように構成された第三スプレーモジュールがさらに含まれ、及び前記第三スプレーモジュールに液体受取り配置状態にあって装置冷却液供給部から冷却液を受け取る複数のアトマイザーが含まれ、前記アトマイザーのそれぞれが前記第三回路カードに対して冷却液をスプレーするように向けられていることを特徴とする請求項１項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１３】
前記第一信号シールドが電磁的干渉減衰シールドであることを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１４】
前記第二スプレーモジュールが前記第三スプレーモジュールと一体化され、前記第二スプレーモジュールの前記複数のアトマイザーによって前記第三スプレーモジュール中の前記複数のアトマイザーによってスプレーされる冷却液の方向と反対方向へ冷却液がスプレーされることを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１５】
前記一体化された第一及び第二スプレーモジュールが前記第一信号シールド及び前記第二信号シールドのいずれか一方としても働くことを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１６】
前記第三スプレーモジュールが標準衝突型、アングル衝突型及び横方向スプレー型のいずれかであることを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１７】
前記第一スプレーモジュールが前記第三スプレーモジュールに類似しないことを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１８】
前記第二スプレーモジュールがさらに前記第二信号シールドとしても働くことを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項１９】
前記第一信号型がデジタルであり、及び前記第三信号型がアナログであることを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項２０】
前記第二信号型がデジタルであり、及び前記第三信号型が無線周波数であることを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【請求項２１】
前記第一及び第二信号シールドの一方が電磁的干渉減衰シールドであることを特徴とする請求項１２項記載の３次元パッケージ冷却一体型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はミックスト信号電子モジュール及びミックスト出力密度電子モジュール用の３次元パッケージ冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日多くの一般的エレクトロニクス分野においては、単一機能ボードあるいはモジュール上に備えられたデジタル、アナログ及び無線周波数装置、及び回路を用いるミックスト信号電子装置が利用されている。これら電子装置をうまく動作させるためには、過熱を防止するため各種部品を適切に冷却すると同時に、電磁的干渉あるいは無線周波数干渉（ＥＭＩ／ＲＦＩ）を防止するため適切なシールドを設けることが必要である。
【０００３】
これら２つの要件は、モジュール中の個々の構成部品の周波数及び出力密度が混成される場合に重大な難題となる。多くの場合、装置のいくつかは、他の装置の周波数と桁（オーダー）の異なる周波数において好ましく作動することもある。例えば、今日のコンピュータは１ＧＨｚを越えるクロック周波数において動作するのに対して、バス速度及びメモリ速度は１００ＭＨｚのオーダーであり、またローカルスイッチモードパワーコンバータまたはレギュレータはＫＨｚあるいは低域ＭＨｚの範囲内で動作する。また、各種構成部品の出力密度も異なるオーダーで変動するものであり、高出力ＲＦ増幅器あるいは先進マイクロプロセッサは１００Ｗ／ｃｍ２の範囲内において作動し、他方他の装置では１Ｗ／ｃｍ２のオーダーにおいて作動する。
【０００４】
上述したモジュールをパッケージ及び冷却する従来方法では、強制空気対流及び伝導冷却法を用いる２次元方式の平面パッケージ方法が用いられてきた。低出力密度回路は典型的には強制空気対流によって冷却され、この場合、熱通路が構部品パッケージ上部中を通るように設けられる。高出力装置では典型的にはヒートシンクが取り付けられる。ミックスト信号を用いる場合、電磁的干渉（ＥＭＩ）あるいは無線周波数干渉（ＲＦＩ）によって回路性能に悪影響が及ばないように、回路の異なる部分は相互に隔離されていなければならない。このような隔離を成し遂げるための従来からの取り組み法として、回路カードをアース片で縁取られた部分に分け、回路板の上部に多数の空洞を含むカバーを被せてアース片とかみ合わせ、多数の空洞が隔離された回路板を作製する方法がある。この方法によれば、シールドの有効性を損なうことなく隣接空洞中へ空気を循環させることができないため、前記した強制空気冷却を用いることが回避される。従って、殆どのミックスト信号モジュールは装置から熱を、回路板を通してそしてフィン状の金属ヒートシンクの中に伝導させることによって冷却される。高出力装置は、典型例として、回路板を貫通する矩形の孔を作製することによりヒートシンクへ直接取り付けられる。
【０００５】
上述した従来のパッケージ冷却方法は、相対的に高価であり、確実性が低く、また周波数及び出力密度が増大していくと、将来装置における有効利用はますます困難になると考えられる。この方法が高価となる理由は３つある。その第一は、単一カード上へ多数の回路タイプ／機能を収容するために用いる回路板サイズが大きいと製作が複雑化してよりコスト高となることである。次に、カードを通る際の、あるいはヒートシンク中への熱抵抗を減ずるために装置と同一レベルにパッケージを用いる方法には、適合する熱膨張係数をもつ高伝導性材料を用いる必要があることから高価となることである。最後に、機械部品が複雑であるため、高い製造上の公差及び複雑な組立が要求されることである。使用される装置の多くは、装置パッケージ及び回路板を通してではなく、実際にはその上方側から冷却されるように設計されている。カード中を通る熱通路の熱抵抗は高いため、接合温度が高くなり、確実性が乏しくなる。これら装置に高性能デジタル電子装置が益々使用されるようになれば、部品レベルでの出力密度が増大する傾向にあることから、確実性に関する問題点をさらに悪化させることなく前記パッケージ冷却方法を提供することがさらに困難になると考えられる。
【０００６】
これらの問題点を解消するため、電子装置へ絶縁性流体を与える新規な冷却技術が提案され、いくつかの特許において開示されている。米国特許Ｎｏ．５，６７５，４７３に記載されている装置及び方法では、前述した従来の多数の空洞をもつ２次元回路板タイプのパッケージ方式にスプレー冷却が導入されている。このパッケージ冷却方式では実際にシールドが設けられ、また前述したような低温動作による確実性の改善が得られる一方において、実用化には困難性が伴いコスト高となる問題点がある。
【０００７】
この方法がコスト高となる理由は、スプレー冷却を行うためには、電子部品へ処理されるスプレー容積流量を該部品の熱流量分布と適合させなければならないためである。かかる適合が得られなければ、冷却性能及び装置確実性の低下をきたすことになる。適切な冷却は、装置上へ薄い液膜が保持されている場合のみ達成可能である。もし僅かでも流れが存在すると、電子部品を被覆している液層が完全に乾いて該部品の過熱がひき起こされる。逆に前記部品への前記流れが多過ぎると、装置は液で溢れ、冷却効率の低下をきたすことになる。前記部品表面上に生ずる蒸気が効率よく流出しないため、バーンアウトと呼ばれる沸騰熱伝達不能状態をひき起こす可能性がある。
【０００８】
たとえ冷却剤の容積流量が装置の熱流量と適切に適合されていても、空洞内にスプレーされた過剰の液体は、例えば隣接部品からのオーバーフローによって浸水型欠陥状態が引き起こされること及び干渉されることを防止あるいは減ずる米国特許Ｎｏ．５，２２０，８０４に記載の方法を用いて処理されなければならない。
【０００９】
従って、流体分布及び帰還通路のすべてを合一化する単一マニホールドプレート及びスプレー機器について記載している米国特許Ｎｏ．５，６７５，４７３において提案された方法は相対的に高価であり、また所望の収率を得るには不十分である。回路設計のいかなる部分のいかなる変更であっても、新たなプレート組立体を用いてアトマイザー配列及び流体帰還通路設計へ必要な変更を加えることが要求される。同様に、カード上あるいは流体分布プレート中において前記設計のいかなる部分に欠陥があっても、組立体全体を置換えることが必要とされる。この種の流体系を効率的に作動させるように設計することは、主として適切にバランスのとれた２相流体分布系を設計する必要性から極めて困難であると考えられる。同一マニホールドを介して異なるすべてのセグメントに供給される場合、一定部分への流速のいかなる変化によっても分布マニホールド内における圧力降下が変化し、その結果として隣接アトマイザーグループにおいて放出圧が変わる可能性がある。また、前記流速変化によってスプレー特性及び流速も変わる。さらにより深刻な問題が流体帰還マニホールド側で起こる可能性もある。流速がより速く、高蒸気質量をもつ画分を伴う高出力密度空洞によって出口流路に高運動量流が生ずる。もしこの出口流路が低出力密度かつ低流速空洞と直接連絡していると、低出力空洞から出る流れが妨げられ、また逆流さえして、浸水作動状態をきたす可能性もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、その目的の一つとして、ミックスト信号電子モジュール及びミックスト出力密度電子モジュール用のより改良された３次元パッケージ冷却装置及び方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下において添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様について説明する。
本発明において用いられる締付、接続、製造、その他手段及び部品は周知であり、本発明分野において使用されているものである。これら手段及び部品の正確な性質及びタイプについて知ることは当業者が本発明を理解及び利用する上で必要とされないため、それらの詳細についての説明は行わない。さらに、本願において本発明の具体的適用のために示され記載されている種々構成部品は本発明から予測される範囲において取り換えあるいは変更可能であり、またいずれの構成要素の具体的適用あるいは実施態様の実施も当該技術分野及び当業者によって広く知られあるいは行われていることから、各構成部品の詳細についての説明は行わない。
【００１２】
本願特許請求の範囲において用いられている用語「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は長年のクレーム草稿実務に適合するように用いたもので限定のために用いる意図ではない。本願において特に明記がない限り、用語「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」によってその構成要素の一つに限定されることはないが、「少なくとも一つ」の意味では用いられる。
【００１３】
図１は本発明の一実施態様を示す部分カッタウェイ断面透視図であり、図には横方向狭間隙スプレー冷却モジュール１０３、アングルスプレー冷却モジュール１０２及び直接衝突スプレー冷却モジュール１０１が示されている。図１に示された３次元冷却パッケージは、回路板上のすべての電子部品が１枚の回路カード上にあり且つ封止のための多数のポケットが設けられている従来技術におけるパッケージよりもさらに小型化されかつ効率的であるパッケージの一例である。図示された実施態様においては、一電子部品からの信号が他からの信号と干渉するのを防止するための、ＥＭＦ又は他の信号シールドが、モジュール中の材料、典型例として金属によって与えられている。多くの適用においては、妨害信号タグあるいは潜在性妨害信号タグが非類似となるが、第一信号型が第二信号型と同一であっても、猶干渉が生じる場合がある。
【００１４】
直接衝突モジュール１０１には、入口１３２、フレーム１１２、及び内部に第一回路カード１１１を備えた第一回路カード空隙１１４が含まれる。第一回路カード１１１上には電子モジュール１２３が設けられる。第二回路カード１１９には、該カード上へ取り付けられた電子モジュール１２５が含まれ、この電子モジュールを備える第二回路カードは直接衝突モジュール１０１内の第二回路カード空隙１１３内に取り付けられる。直接衝突モジュール１０１は２つの回路カード空隙を伴って示されているが、本発明によって企図されるところにより１または２以上のいかなる個数の回路カード空隙を用いることも可能である。
【００１５】
直接衝突モジュール１０１において、第二回路カード空隙１１３中にはアトマイザーノズル１２１を備える複数のアトマイザー列１２０が含まれている。第一回路カード空隙１１４中のアトマイザー列１２２は反対方向へ向けられ、第一回路カード空隙１１４内の第一回路カード１１１上へ取り付けられた電子モジュール１２３に対してスプレーが行われる。このような構成は２面あるいは両面直接衝突スプレーモジュールと呼ばれるものである。
【００１６】
電子部品が干渉性信号型を発する場合、第一回路カード１１１あるいは第二回路カード１１９上には、別の回路カード上の電子部品に対して潜在的に干渉する１または２以上の電子部品があってもよい。本発明の実施態様の一例では、１つの回路板上の電子部品から第一信号型が発せられ、及び第二の回路板上の電子部品から第二信号型が発せられ、この第一信号型は前記第二信号型に対して干渉し、あるいは潜在的に干渉する。
【００１７】
限定的ではない一例として、前記第一信号型をデジタル信号型、及び前記第二信号型をアナログ信号型とし、あるいは前記第一信号型をアナログ信号型、及び前記第二信号型を無線周波数信号型としてもよい。本発明のいくつかの実施態様あるいは観点において、多数の異なる信号型及び信号型の組合せを用いることができることは当業者によって認識かつ知得されるところである。
【００１８】
前述したように、２つの同様なあるいは類似の信号型間にも防止されることが望ましい干渉が起こる可能性がある。多くの場合、これら信号型はスプレーモジュール及びその間にあるアトマイザーによって互いに減衰あるいは遮られ、関与される信号型の性質及びタイプによっては付加的シールドは必要とされない。もし付加的シールドが必要とされる場合、付加的シールドを２面直接衝突モジュールの両面間にあるモジュールの外部上へ挿入可能である。多くの場合、金属シールドで十分であるが、金属を必要とせず、他材料の方がより効率的に機能する特別な適用場面もあり得る。本発明の実施に必要とされる特定のシールド材料あるいはタイプがあるわけではない。
【００１９】
シールドによっては２つの回路カードあるいは電子部品間部分が完全に被覆されず、状況によっては部分的遮蔽だけで第一信号型と第二信号型間の干渉の防止に有効であることは当業者がまた認識するところである。例えば図１に示したパッケージは、カッタウェイ部分だけが図示されているが、全体が完全に包囲された閉鎖系であることも当業者の認識するところである。
【００２０】
図１にはさらに、冷却液を受け入れるためのモジュール口１３１、フレーム１４０及びアトマイザーノズル１５１を中に備える複数のアングルスプレーヘッド１５０を備えるアングルスプレーモジュール１０２が示されている。アングルスプレーヘッド１５０は第三回路カード１２９上の電子部品１２６に相対して配置される。第三回路カード１２９は第三回路カード空隙１１５内に取り付けられる。
【００２１】
図１には猶さらに、冷却剤注入口１３０、フレーム１４１、スプレーヘッド１６０、及び第三回路カード１２９の第二側面上へ取り付けられた電子モジュール１２４に対して横方向へ取り付けられたスプレーノズル１６１を備える、横方向または狭間隙スプレーモジュール１０３が示されている。第４回路カード１２７には、該カード上へ取り付けられ、さらにアトマイザーノズル１６１からのスプレー冷却及び電子部品１２８の薄膜蒸発スプレー冷却のための横方向スプレー冷却を受ける電子部品１２８が含まれている。
【００２２】
図１にはさらに、第４回路カード１２７へ取り付けられた外側ハウジング１１０及び回路カードと電気的に接続連絡されて一定方式で該回路カードへの入力及びそれからの出力を与える電子コネクタ１４０が示されている。前記電子コネクタのタイプはその用途によって多数の異なるタイプのいずれか１種であればよく、本発明の実施に特定のタイプは必要とされない。前記アトマイザーノズル１６１はアトマイザープレート１６０内に位置しているが、多数の異なるタイプのアトマイザーのうちの１種を横方向へ取り付けて本願において企図されるスプレー冷却を成し遂げることが可能であり、本発明の実施に特定タイプのアトマイザーが必要とされるわけではないことを理解されたい。ボタン型アトマイザー、積層板、あるいはその他のものであってもよい。
【００２３】
本発明の目的のため、前記ハウジングは可能な多数の実施態様から一例だけが示されているが、本発明が図示された一実施態様に限定されないことは当業者によって理解されるところである。例えば、本発明装置は、用途によっては、その一観点あるいは一実施態様において大きなハウジングの小部分であってもよい。別の態様において、冷却が要求される場合、エッヂカードコネクタによる等の交換可能方式で冷却されるエレクトロニクスを受け入れられるように構成された装置として提供することも可能である。
【００２４】
図２は本発明において利用可能な直接衝突スプレーモジュールの一実施態様の底面透視部分カッタウェイ図である。図中、アトマイザーは全体的に、図１に示された直接衝突スプレーモジュール１０１において示された方向とは反対方向に同一方向へ向けられている。図２には、ハウジング２１０、冷却剤注入口２１２、底部冷却剤出口２１３、及び第一レベル上の複数のアトマイザープレート２０３を備える直接衝突スプレーモジュール２００が図示されている。図示された（必ずしも必要ではないが好ましくは積層された）アトマイザープレート２０３のそれぞれには、それに隣接する回路カード上の電子モジュールに対してスプレーが行われる９つのスプレーパターン２０４が設けられている。
【００２５】
図２にはアトマイザーノズル２０２が設けられたアトマイザープレート２０１の第二の対または層も示されており、これらプレートによって該プレートに隣接する空隙中に取り付けられた第二回路カードが直接衝突方式でスプレー冷却される。直接衝突アトマイザーノズルによるスプレーは通常電子部品からほぼ垂直方向に行われ、冷却剤は、アトマイザーノズルが衝突面に対して通常横方向に取り付けられ通常一方向のみである横方向スプレー冷却と異なり、電子部品から離れるあらゆる方向へと流れる。
【００２６】
図３はアングルスプレー冷却モジュール３００の一実施態様の底面透視図である。この図には、冷却剤注入口３０３、冷却剤出口３０２、フレーム３０１、及びアトマイザー導管３１１へ連結されかつ冷却剤を第一のアングルアトマイザープレート３０４、第二のアングルアトマイザープレート３０６及び第三のアングルアトマイザープレート３０８へ供給する冷却剤注入管３１２が示されている。スプレーパターン３０５は第一アングルアトマイザープレート３０４から作製され、第二スプレーパターン３０７は第二アングルアトマイザープレート３０６から作製され、また第三スプレーパターン３０９は第三アングルアトマイザープレート３０８作製されている。
【００２７】
各プレートについての特定のスプレーパターンは状況に依存して決まり、回路カード空隙の形状及び冷却される回路カード上の電子部品の寸法、位置及び性質に依存して多数のスプレーパターンの中からいずれか一つを用いて成果を得ることができる。回路カード取付け面３１３は、冷却される電子部品を含む回路カードへの取付けに利用できる面を示し、他方部材３１４は説明目的で示したフレーム３０１内部の部分カッタウェイ断面を表している。
【００２８】
図３にはさらに、図示されたようなスプレー冷却モジュール３００の側面上へ取り付け可能なプレート形状の信号シールド３２０が示されている。この信号シールドを用いて、アングルスプレーモジュール冷却空隙内の回路カード上の電子部品から発せられる第一信号型を隣接回路カード空隙中に取り付けられた電子部品からの第二信号型から遮ることが可能である。上述したように、前記信号シールド材料としては、金属あるいは遮蔽信号の遮断に有効あるいは望ましい多数の異なる材料種のうちのいずれか１種を用いることができる。他の実施態様において、スプレーモジュール自体が信号シールドとして働くため、別個に層、シールドあるいはプレートを設けることは不要である。
【００２９】
図４は本発明によって利用可能な横方向スプレーモジュール４００の一実施態様を示した図である。本図には、フレーム４０１、回路カードインタフェース面４１０、流動性冷却剤注入口４０３、冷却剤出口４０２、及び平らな面４０５を設けて狭間隙４０７冷却空隙へのスプレー特性を改善したスプレーパターン４０４が示されている。
【００３０】
本発明の実施態様においては、冷却される電子部品上へ冷却剤がより均質あるいは可能な限り均質に被覆されることがしばしば望まれる。他に設計上の特徴のない通常の冷却過程において、冷却処理中に蒸発あるいは他の要因によって発生するすべての蒸気及び未使用の液体は通常装置から排出されなければならない。多くの場合及び配置において、アトマイザーからの冷却剤のスプレーは効率的な蒸気ポンプによって行われ、このスプレーによって出口部分の圧域に比べると低圧な領域が注入口あるいはその付近に生ずる。このような領域は逆圧勾配と呼べるものである。蒸気を含む流体は高圧から低圧へと流れ、また高圧は出口部分の方へと拡がり、蒸気は、回路カード、あるいは電子部品が収容あるいは含まれる空隙のスプレー側または入口側にあるアトマイザーあるいはスプレー冷却剤注入口あるいはその付近の低圧部分または領域の方へと戻る傾向があるため、注入口あるいはスプレーアトマイザー付近の角部分において衝突が生じ、かつ渦が発生し易い。蒸気及び／または液体、及び薄い液体の界面抵抗によって、衝突面あるいは電子部品表面上にある液体に対する抵抗あるいは引張り力が生ずる。
【００３１】
前記渦が生じてしばしばその強度を増す場合、これら渦によって当初得られた所望のスプレーパターンが遮断されあるいは変えられる可能性がある。これによって熱移動、薄膜蒸発、及びスプレー冷却装置の冷却能力が変化を起こす可能性がある。その結果、スプレー側付近の電子部品へより多量のスプレー冷却剤が供給され、出口側付近の電子部品へより少量あるいは不十分な冷却剤が供給され、また場合によっては目に見えるほどの冷却剤が供給されないことが起こり得る。
【００３２】
かかる難点を減じあるいは取り除くため、本発明では「蒸気再循環」と呼ぶことができる技術が利用される。本発明によって利用可能な多数の蒸気再循環の実施態様のいずれかであればよい。例えば一例として、回路カードあるいは冷却空隙の出口側付近に１または複数の開口を設け、それら孔または開口を、液体の流れを妨げると同時に、蒸気がそれらを通って流れるように構成する実施態様がある。蒸気開口出口において渦をなしている液体を締め出しあるいは減ずる一方法として、流入する蒸気が低速で液体を伴わずあるいは液体を開口中へ引き入れない程度の十分に大きな断面積を該開口へ与える方法がある。必ずしも必要ではないが、前記液体が流れている時に蒸気のように容易に向きを変えないよう、前記開口は、少なくとも当初において、好ましくは前記液体の移動方向に対してほぼ垂直あるいはより垂直に、あるいは前記液体の反対方向にさえ設けられる。僅かな量のスプレー冷却剤液が運ばれることを防止することは極めて困難であるが、さらに予防措置を採って霧状化されていない液体の再導入を防止することは可能である。
【００３３】
次いで蒸気はスプレーあるいは注入口側へ一定経路を通して戻され、該蒸気はそこで１または２以上の孔あるいは開口を通して導入され、渦流あるいは逆流効果を部分的あるいは完全に止める蒸気速度を与える。蒸気再循環導管の断面が十分大きければ、前記蒸気速度は減少し、該導管によって蒸気が向きを変える注入口部分の方へ大量の蒸気が流されあるいは運ばれなくなる。この場合、前記流体の制御にシュラウドは用いられず、それに代わって装置中の蒸気は部分的に集められ、冷却空隙あるいは回路カードの入口側あるいはスプレー側へあるいはそれらへ向けて一定経路を通して戻される。
【００３４】
また蒸気再循環系の代替例において、蒸気が広い空隙の遠方側において側路内を十分低速で再循環できるために液体が運ばれず、また渦も生じないように、冷却空隙を広く作ることも可能である。しかしながら、このように構成することは、当然サイズによる制約を受けるため、サイズがより重要である用途においては好ましくなく、またこのようなタイプの蒸気再循環系では熱伝達係数が低くなりがちである。蒸気再循環系に狭いチャネルを用いる場合、蒸気速度がより速くなるため、冷却液あるいは冷却剤の拡散及び電子部品上の液膜深度が薄くあるいは減少することが助長される。
【００３５】
蒸発する冷却剤あるいは液体の速度及び厚さは用途によって異なり、本発明の実施に特定の前記速度及び厚さが要求されないことは当業者の認識するところである。
【００３６】
別の使用可能な蒸気再循環系においては、スプレーされる冷却剤量が著しく増加され、冷却空隙へ霧状化された冷却剤を与えるアトマイザー列が広げられる。かかる構成とすることにより、チャネル面すべてに対する強い衝突効果が得られ、結果的に逆流あるいは渦巻こうとする蒸気に打ち勝つようになる。しかしながら、かかる実施態様ではかなり速い冷却剤の流速が必要とされ、また１台のアトマイザーが弱まりあるいは無効になると装置に欠陥が生じ、その欠陥部分に超低圧領域が生ずることから、多くの用途において好ましいものではない。
【００３７】
本発明におけるスプレーに用いられる典型的かつ好ましい冷却剤は３Ｍから入手可能なフルオリナート（登録商標）である。しかしながら、適する絶縁性冷却剤として当該技術分野で既知かつ入手可能なものは他にも多数あるため、本発明に用いる冷却剤は特定の１種に限定されない。
【００３８】
本発明は特定の冷却分野に限定されないが、現在の実際の冷却技術の下で、下記方法を用いて本発明に従った装置が設計される。最初に、個々の回路カードが個々の装置サイズ、出力分布及びレイアウトに従って解析され、最も望ましいスプレー構成が決定される。個々の部品についての最大装置熱流量、外形的制約及び全パネル出力レベル及びサイズに基づいて、狭または横方向スプレー、アングル衝突スプレーあるいは標準衝突スプレーのいずれの構成を採るかが選定される。下記表はパーフロロカーボンを用いるスプレー冷却の場合の一般的ガイドライン（非限定例）を示したものである。
【００３９】
構成              最大装置流量      平均パネル流量          ｚ軸空間
狭間隙型          ２０Ｗ／ｃｍ２    ２０Ｗ／ｃｍ２          0.02"-0.25"
アングル衝突型    ４０Ｗ／ｃｍ２    ３０Ｗ／ｃｍ２          0.25"-0.375"
標準衝突型        １５０Ｗ／ｃｍ２  ５０Ｗ／ｃｍ２          0.25"-0.75"
高質面型    １．５-１０．０×標準  １．５-１０．０×標準    0.25"-1.0"
【００４０】
低コスト化、ダイアモンド加工の除外、及び性能潜在能力の向上等の利点を有する本発明の可能な実施態様は他にもある。但し、これらの利点は本願において開示された本発明の主構成の実施に必要とされるものではない。狭間隙中のスプレー冷却に関する最近の研究において、エッヂ部への熱伝導を果たすために高価な厚いダイアモンドを用いるのではなく、コンピュータを介して実際にスプレーを行うことによって高性能化が可能であることが示唆されている。必要なパネルピッチを与えると同時にパネル当り５００ワットを除去する性能が試験において示されている。
【００４１】
また、金属その他等の単一シールドとして利用可能な多重電磁的干渉（ＥＭＩ）減衰性材料もある。これら材料は当該技術分野において公知であり、前記シールドの具体的組成または性質を用途及び信号型によって大幅に変えることが可能である。例えば、炭素、鉄、その他をＥＭＩ減衰性材料として用いることが可能である。シールドされる２つの電子部品間部分の１００％が被覆される必要はなく、特定の用途にとっては部分的シーリングで十分であることは当業者の理解するところである。本発明によって企図される装置は好ましくは密閉型装置であり、当該技術分野においてはこれに関する多数の方法、材料及びその他構成部品が公知であるため、これらに関する詳細な説明は行わない。
【００４２】
ここで関連技術として、本願に参考として引用される１９９７年１０月７日付発行の米国特許Ｎｏ．５，６７５，４７３、高熱流量蒸発スプレー冷却装置に関する米国特許Ｎｏ．５，２２０，８０４、積層配列型圧力渦巻アトマイザーに関する米国特許Ｎｏ．５，８６０，６０２及び米国特許Ｎｏ．６，０１６，９６９について言及する。当該技術分野において公知かつ利用可能な多数の他の方法及び装置があるが、上記積層配列型圧力渦巻アトマイザーに関する特許を一方法あるいは装置として用いて霧状処理を実施することが可能である。
【００４３】
本発明は、その発明範囲内において種々実施態様を採ることができ、また構成要素及び部品の変形を用いることが可能なことは当業者によって認識されるところである。
【００４４】
例えば、本発明の一実施態様として、異なる出力密度及び干渉信号をもつ電子部品系冷却用の３次元パッケージ冷却一体型装置が提供される。この電子部品系には、第一信号型を用いる第一電子部品と第二信号型を用いる第二電子部品が含まれ、前記第一信号型によって前記第二信号型が干渉される。本発明に従った前記パッケージ冷却装置には、装置入力接続部及び装置出力接続部を備える電子コネクタが少なくとも１個取り付けられた装置フレームが含まれ、
この装置フレームには、
装置ハウジング、
第一回路カードを、その上へ取り付けられた電子部品と共に収容するように形状化された第一回路カード空隙、
第二回路カードを、その上に取り付けられた電子部品と共に収容するように形状化された第二回路カード空隙、
第一回路カード空隙と第二回路カード空隙との間にあり、かつ第一電子部品の第二電子部品からの干渉性第二信号型の受取りを遮るように配置された第一信号シールド、及び
薄膜蒸発スプレー冷却系が含まれ、
この薄膜蒸発スプレー冷却系には、第一回路カードへスプレー冷却を与えるように構成された第一スプレーモジュール、第二回路カードへスプレー冷却を与えるように構成された第二スプレーモジュールが含まれ、前記第一及び第二スプレーモジュールのそれぞれには複数のアトマイザーが装置冷却液供給部から冷却液を受け取るように液体受取り配置状態で含まれ、及び
前記複数のアトマイザーのそれぞれはそのスプレーモジュールに対応する回路カードに対して冷却液をスプレーするように向けられている。
【００４５】
先のパラグラフにおいて述べた装置の別の可能な実施態様においては、前記一体型装置は、第一スプレーモジュールが第二スプレーモジュールと一体化され、第二スプレーモジュール中の複数のアトマイザーによってスプレーされる冷却液とは反対方向へ第一スプレーモジュールの複数のアトマイザーによって冷却液がスプレーされ、前記一体化された第一及び第二スプレーモジュールにも第一信号シールドが含まれ、前記第一スプレーモジュールは標準衝突型、アングル衝突型及び横方向スプレー型のいずれか一つであり、及び／または前記第一スプレーモジュールは前記第二スプレーモジュールに類似していないことを特徴として構成される。但し、前記第二スプレーモジュールが同様に標準衝突型、アングル衝突型及び横方向スプレー型のいずれかである必要はない。
【００４６】
さらに別の実施態様においては、（先の第二パラグラフで述べた）前記一体型装置をさらに、前記第一スプレーモジュールが前記第一信号シールドとしても働き、前記信号型をデジタルかつ前記第二信号型をアナログとし、前記第一信号型をデジタルかつ前記第二信号型を無線周波数とし、あるいは前記第一信号型をアナログかつ前記第二信号型を無線周波数とし、及び／または前記第一信号シールドを電磁的干渉減衰シールドとするように特徴付けることも可能である。
【００４７】
さらに別の実施態様においては、３次元パッケージ冷却一体型装置を前述したように構成し、この装置にはさらに、第三回路カード上へ取り付けられた第三電子部品と共に該第三回路カードを収容するように形状化され、かつ第三回路カードを第一回路カードに対してほぼ平行に収容するように方向付けられた第三回路カード空隙と、
第二回路カード空隙と第三回路カード空隙との間に、第二電子部品による第三電子部品からの干渉性第三信号型の受取りが遮られるように配置された第二信号シールドが含まれ、
薄膜蒸発型スプレー冷却系に第三回路カードへスプレー冷却を与えるように構成された第三スプレーモジュールがさらに含まれ、及び
第三スプレーモジュールに、液体受取り位置にあって装置冷却液供給部から冷却液を受け取る複数のアトマイザーであって、それらアトマイザーのそれぞれが第三回路カードに対して冷却液をスプレーするように向けられている該複数のアトマイザーがさらに含まれことを特徴とする３次元パッケージ冷却一体化装置が提供される。
【００４８】
上記パラグラフにおいて述べた実施態様のさらに別の例においては、前記一体型装置はさらに、第二スプレーモジュールが第一スプレーモジュールと一体化され、第三スプレーモジュール中の複数のアトマイザーによってスプレーされる冷却液の反対方向へ第二スプレーモジュールの複数のアトマイザーによって冷却液がスプレーされ、前記一体化された第二及び第三スプレーモジュールにも第二信号シールドが含まれ、前記第二スプレーモジュールは標準衝突型、アングル衝突型及び横方向スプレー型のいずれか一つであり、及び／または前記第二スプレーモジュールは前記第三スプレーモジュールに非類似となるように構成される。但し、前記第三スプレーモジュールが同様に標準衝突型、アングル衝突型及び横方向スプレー型のいずれかである必要はない。
【００４９】
前記第二パラグラフに述べた実施態様のさらに別の例においては、前記一体型装置にはさらに、第二スプレーモジュールが第二信号シールドとしても働き、第二信号型はデジタル及び第三信号型は無線周波数であるか、または第二信号型はアナログ及び第三信号型は無線周波数であり、及び／または第二信号シールドは電磁的干渉減衰シールドである特徴が加えられて構成される。
【００５０】
本発明においては、法令に従い、その構造及び方法に関する特徴について特定用語を用いて説明してきた。しかしながら、本願において開示された手段は本発明を実施するために好ましい形態として示されたものであり、従って本発明は図示及び説明された特定の特徴へ限定されるものではないことが理解されるべきである。従って、本発明は、均等論の原理に従った適切な解釈に基づいて、添付の特許請求の範囲の記載に含まれると正当に判断されるあらゆる態様及び変形をも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】横方向スプレーモジュール、アングルスプレーモジュール及び直接衝突スプレーモジュールが組み合わされた本発明の一実施態様を示す透視カッタウェイ図である。
【図２】本発明の一部として用いられる直接衝突スプレー冷却モジュールの一実施態様を示す底面透視部分カッタウェイ図である。
【図３】本発明において使用可能なアングルスプレー冷却モジュールの一実施態様を示す底面透視部分カッタウェイ図である。
【図４】本発明の一部として使用可能な横方向あるいは狭間隙蒸発型スプレー冷却装置の一実施態様を示す透視断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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