(57)【要約】  本発明は、表面に渡って様々な量の熱を作り出す電子部品を冷却する噴霧冷却熱管理システムである。冷却液が電子部品の表面上に分配される。大きな熱流を発生するチップの領域、典型的にコアといわれる領域では、冷却液は、継続的な噴霧液滴パターンとして分配される。この噴霧パターンは、１以上のコア領域上に高温流体蒸発冷却薄膜を形成する。完全な薄膜蒸発に基づいた噴霧パターンや流れの最適化よりも、本発明は最大の熱除去率を目指した噴霧パターンを最適化する。ホットスポットから外へ流れ出る蒸発しない余剰流体は、電子部品上に冷却厚膜を形成することで電子部品のより低い熱流（コアでない）領域を冷却するために用いられる。
2007538384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱流を発生するホットスポット領域を有する冷却面と、
前記ホットスポット領域と離間した関係であって、一般的に前記ホットスポット領域内で衝突し冷却薄膜を作成する継続的なパターンの液滴に冷却液の供給を変換することができる噴霧器と、
を含み、
前記冷却薄膜は、主に蒸発により前記ホットスポット領域を冷却する噴霧冷却システム。
【請求項２】
前記高熱流は１平方センチメータ当たり３００ワット以上である、請求項１に記載の噴霧冷却システム。
【請求項３】
前記ホットスポット領域は、エッチングされたマイクロチャネルのアレイを備える、請求項１に記載の噴霧冷却システム。
【請求項４】
前記噴霧器を取り囲む蒸気管理突起をさらに含む、請求項１に記載の噴霧冷却システム。
【請求項５】
前記噴霧器はアトマイザである、請求項１に記載の噴霧冷却システム。
【請求項６】
前記噴霧器は前記冷却面に対して垂直でない角度をなす、請求項１に記載の噴霧冷却システム。
【請求項７】
前記衝突液滴の質量流量は、前記冷却薄膜が蒸発される質量流量よりも大きい、請求項１に記載の噴霧冷却システム。
【請求項８】
高熱流を発生するホットスポット領域を有する冷却面と、
前記ホットスポット領域と離間した関係であって、主に前記ホットスポット領域内で衝突し冷却薄膜を作成する継続的なパターンの液滴に冷却液の供給を変換することができる噴霧器と、
を含み、
前記冷却薄膜は、主に蒸発により前記ホットスポット領域を冷却し、
前記ホットスポット領域内に分配される前記冷却薄膜のうち蒸発しない分が、前記冷却面の残りの領域上により厚い冷却膜を作成する噴霧冷却システム。
【請求項９】
前記冷却厚膜に前記冷却剤を加えるために少なくとも１つの二次的開口部をさらに含む、請求項８に記載の噴霧冷却システム。
【請求項１０】
前記二次的開口部は液滴吐出装置である、請求項９に記載の噴霧冷却システム。
【請求項１１】
前記噴霧器を取り囲む蒸気管理突起をさらに含む、請求項８に記載の噴霧冷却システム。
【請求項１２】
前記冷却面の少なくとも一部は複数のマイクロチャネルを備える、請求項８に記載の噴霧冷却システム。
【請求項１３】
前記噴霧器は前記部品と垂直でない角度をなす、請求項８に記載の噴霧冷却システム。
【請求項１４】
前記噴霧器はアトマイザである、請求項８に記載の噴霧冷却システム。
【請求項１５】
高熱流を発生するホットスポット領域を有する冷却面を備える電子部品と、
前記ホットスポット領域と離間した関係であって、前記高熱ホットスポット領域内で衝突し冷却薄膜を作成する継続的なパターンの液滴に冷却液の供給を変換することができる噴霧器と、
を含み、
前記冷却薄膜は、主に蒸発により前記ホットスポット領域を冷却し、
前記ホットスポット領域内に分配される前記冷却薄膜のうち蒸発しない分が、前記冷却面の残りの領域上により厚い冷却膜を作成する噴霧冷却システム。
【請求項１６】
前記冷却厚膜に前記冷却剤を加えるために少なくとも１つの二次的開口部をさらに含む、請求項１５に記載の噴霧冷却システム。
【請求項１７】
前記二次的開口部は付加的な液滴吐出装置である、請求項１６に記載の噴霧冷却システム。
【請求項１９】
前記噴霧器を取り囲む蒸気管理突起をさらに含む、請求項１５に記載の噴霧冷却システム。
【請求項２０】
前記冷却面の少なくとも一部は複数のマイクロチャネルを備える、請求項１５に記載の噴霧冷却システム。
【請求項２１】
前記噴霧器は前記部品と垂直でない角度をなす、請求項１５に記載の噴霧冷却システム。
【請求項２２】
前記噴霧器はアトマイザである、請求項１５に記載の噴霧冷却システム。
【請求項２３】
第１熱流を持つホットスポット領域を有する冷却面と、
前記ホットスポット領域と離間した関係であって、前記ホットスポット領域上で衝突し冷却薄膜を作成する継続的なパターンの液滴に冷却液の供給を変換することができる少なくとも１つの噴霧器と、
と含み、
前記冷却薄膜は前記第１熱流を吸収し、
前記冷却薄膜の放射状流は、前記電子部品の第２領域上により厚い冷却膜を作成し、前記第２領域は前記第１熱流の大きさの３分の１以下である第２熱流を発生し、
前記より厚い冷却膜は、前記第２熱流を吸収する熱管理システム。
【請求項２４】
前記より厚い冷却膜に前記冷却剤を加えるために少なくとも１つの二次的開口部をさらに含む、請求項２３に記載の熱管理システム。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの二次的開口部は液滴吐出装置である、請求項２４に記載の熱管理システム。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの噴霧器を取り囲む蒸気管理突起をさらに含む、請求項２３に記載の熱管理システム。
【請求項２７】
前記冷却面の少なくとも一部は複数のエッチングされたマイクロチャネルを備える、請求項２４に記載の熱管理システム。
【請求項２８】
前記噴霧器は前記部品と相当な角度をなす、請求項２４に記載の熱管理システム。
【請求項２９】
前記第２熱流は、１平方センチメートル当たり１００ワット以下である、請求項２４に記載の熱管理システム。
【請求項３０】
前記噴霧器はアトマイザである、請求項２４に記載の熱管理システム。
【請求項３１】
跳水現象が前記冷却薄膜と前記より厚い冷却膜との間に生じる、請求項２４に記載の熱管理システム。
【請求項３２】
少なくとも１つの高熱流ホットスポットを有する電子部品の冷却方法であって、
前記少なくとも１つのホットスポットの高熱流束蒸発冷却をもたらすために必要な運動量を有する少なくとも１つの液滴の流れを分配し、前記配分はまた、前記電子部品のホットスポットでない領域を冷却する厚膜をもたらすことを含む冷却方法。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの液滴の流れは、前記ホットスポットに垂直でない角度で分配される、請求項３２に記載の冷却方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つのホットスポットはエッチングされたマイクロチャネルのアレイを備える、請求項３２に記載の冷却方法。
【請求項３５】
第１熱流を発生するホットスポットを有する冷却面を備えており、前記冷却面のホットスポットでない部分は第２熱流を発生させ、冷却される電子部品と、
前記第１熱流は、前記第２熱流よりも大きさが少なくとも３倍以上であって、
前記ホットスポットと離間した関係であって、垂直でない角度をなし、前記ホットスポット上に冷却厚膜を、前記冷却面の前記ホットスポットでない部分に厚膜を作成する方法で液滴を前記ホットスポッ上に分配し、前記冷却薄膜は前記ホットスポットを冷却することができ、前記厚膜は前記冷却面の前記ホットスポットでない部分を冷却することができる、少なくとも１つの噴霧器と、
を備える液体冷却システム。
【請求項３６】
前記ホットスポットはエッチングされたマイクロチャネルのアレイを備える、請求項３５に記載の液体冷却システム。
【請求項３７】
前記第１熱流は前記第２熱流よりも大きさが少なくとも３倍以上である、請求項３５に記載の液体冷却システム。
【請求項３８】
前記厚膜に冷却液の供給を加えるための少なくとも１つの二次的ノズルをさらに含む、請求項３５に記載の液体冷却システム。
【請求項３９】
前記少なくとも１つの二次的ノズルは付加的液滴吐出装置である、請求項３８に記載の液体冷却システム。
【請求項４０】
冷却される表面上に作成される継続的補充蒸発冷却膜であり、
前記冷却面の高熱流束部分上に一般的に位置して冷却することができる薄膜領域と、
より厚い厚膜領域に放射状に流れ込み、前記冷却面の低熱流束部分上に位置して冷却することができる前記薄膜領域と、
を含む前記冷却膜。
【請求項４１】
前記より厚い厚膜領域は、跳水現象により前記薄膜領域から分けられる、請求項４０に記載の継続的補充蒸発冷却膜。
【請求項４２】
冷却される表面から継続的に熱を吸収するための冷却膜であって、前記表面は、第１熱流と有する第１領域と第２熱流を有する第２領域を備え、
前記第２領域よりも高い比率で前記第１領域から熱を吸収する前記冷却膜に関する手段を含む冷却膜。
【請求項４３】
電子部品の表面を継続的に冷却するための冷却膜であって、
前記電子部品は、第１熱流を生じる第１部品領域と第２熱流を生じる第２部品領域とを備え、
前記冷却膜は、前記第１部品領域上に位置する薄膜蒸発領域を備え、前記第１部品領域に一般的に近い前記第１熱流を吸収することができる厚さを備え、
前記冷却膜は、前記第２部品領域上に位置する厚膜冷却領域を備え、前記第２熱流を吸収できる厚さを備える冷却膜。
【請求項４４】
前記第１熱流は前記第２熱流よりも大きさが３倍以上である、 請求項４３に記載の冷却膜。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は概して、スプレー冷却熱管理システムに関し、より詳細には電子部品のホットスポットにおける高熱流蒸発冷却を提供するスプレー冷却システムに関する。
（従来技術）
液体冷却は、電子部品を冷却する技術分野において周知である。空気冷却ヒートシンクは、新しい性能レベルへと推し進められ続けているが、そのコスト、複雑さ、重さも同様に上がっている。ここしばらくの間、液体冷却剤が開発、検証されているが、専門的な応用が進んだ以外、いまだに幅広い商用的な採用には至っていない。コンピュータの電力消費が増え続けているなか、液体冷却は、その使用を余儀なくされるコンピュータメーカーに大きな利益をもたらすであろう。本発明は、空気冷却や従来の液体冷却剤の双方を超えて意味のある利点をもたらす。
【０００２】
液体冷却技術は、電子部品から熱を取り除くために冷却流体を用いる。液体は、空気に比べて何倍もの率で熱を保持し運ぶことが出来る。単相の液体冷却システムでは、冷却する電子部品と熱的に接触するように純粋液体を配置する。このシステムでは、冷却流体は顕著なエネルギーとして熱を吸収する。噴霧冷却のような他の液体冷却システムは、二相処理である。このシステムでは、潜在エネルギーの獲得として熱は冷却液によって吸収される。二相冷却、または通常称されている蒸発冷却は、単相システムよりもより効率的で小型で高い実行能力のある液体冷却システムを供給する能力を提供する。
【０００３】
代表的な二相冷却方法は、噴霧冷却である。噴霧冷却は、冷却供給物を液滴に変換する１または複数のノズルへ流体を供給するためにポンプを使う。これらの液滴は、電子部品の表面に衝突して冷却され、冷却薄膜を生成する。エネルギーは、電子部品の表面からその薄膜に移動する。流体は、飽和点若しくはそれに近い状態で分配されるので、吸収された熱により薄膜は蒸気に変わる。この蒸気は、その後多くの場合熱交換器もしくはコンデンサを用いて凝縮され、ポンプに戻る。
【０００４】
噴霧冷却の開発及び最適化のために、著しい努力がなされている。ケンタッキー州立大学の図書館システムで入手可能な、「噴霧冷却（Ｓｐｒａｙ  Ｃｏｏｌｉｎｇ）」（１９８９）というタイトルのティルトンの博士論文では、液滴のサイズや分布、運動量のような噴霧冷却システムのパラメータをどのように最適化するかにより、高熱流を吸収可能な冷却薄膜を作成できるかについて記載されている。ティルトン論文に記載されているように、１平方センチメートル当たり８００ワット以上の高熱流束を吸収できる冷却薄膜のような、高熱流束を吸収できる冷却薄膜の開発では、噴霧が重要な役割を果たす。アイソサーマルシステムリサーチ（Ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  （ＩＳＲ））による研究開発では、１平方センチメートル当たり数千ワットの程度で高熱流を吸収できる噴霧冷却を示している。
【０００５】
ティルトン論文に記載されたシステムパラメータに加えて、米国特許第５，２２０，８０４号は、噴霧冷却システムにおける熱の除去能力を増やす方法について記載している。この‘８０４特許は、蒸発を増やし対流熱伝達や液体と気体の再生を改良する冷却膜をさらに薄くするシステム蒸気管理方法について記載している。
従来、多くの電子部品の冷却剤は、冷却表面の広い領域を処理するように供給されている。電子部品は、アルミニウム、銅、又はダイヤモンドの熱スプレッダによって冷却流体（空気若しくは液体であってもよい）に拡散される全ワット量で定格される。いくつかの応用例では、この冷却面における広領域の平均的な熱流体処理は、空気冷却に比べて液体冷却のメリットをわずかに利用しているにすぎない。
【０００６】
電子部品は、その表面にわたって変化する熱量を生成し、また時間関数として変化する熱量を生成する。今日のマイクロプロセッサは、例えば約１ｃｍ×１ｃｍのシリコンダイの上に構築することができる。このダイは、様々な機能のために多数の領域を有するように構成できる。これらの領域は、入出力用、レベル１キャッシュ、レベル２キャッシュ用及びコア用に構成することができる。コアは、約０．５ｃｍ×０．５ｃｍの大きさであってもよく、そこで主要なコンピュータ処理が行われる。コアは、ダイの全領域のわずか２５％だけを占めるように構成でき、コアはチップで発生する熱のほぼ全体の熱を生成し、チップの「ホットスポット」とみなすことができる。ここで平均１１０ワットの熱負荷で定格されるチップが、１平方センチメートルにつき平均１１０ワットの熱流を持つ場合、コアは、その熱の１００ワットを発生し、１平方センチメートルにつき４００ワットの熱流を有すると考えられる。チップ全体をほぼ同じ動作温度に保つことが望まれるので、この不規則な熱流の分布は、冷却システムに重大な課題をもたらす。熱拡散を利用する冷却システムは、伝導拡散に頼っているのでこの能力を備えることが出来ず、チップ全体に大きな温度勾配を招く。
【０００７】
コンピュータチップのコアを冷却する１つの方法として、チップを熱領域に分け、それぞれのチップ領域を異なる比率で冷却する方法がある。米国特許第６，４４３，３２３号では、付加的な噴霧器の使用によりコンピュータ部品を可変的に冷却する方法が記載されている。付加的な噴霧器は、完全な相変化に必要とされる質量流量で各領域上に流体を位置させる。液滴は、オリフィスから連続して吐出される。この方法はシステムの効率性を向上させるが、すべての分配された流体の完全な相変化を達成する際に、ホットスポットの高熱流薄膜蒸発冷却と高性能冷却を作り出すのに必要な分配特性をこの付加的な分配方法は提供していない。ダン  ティルトン及びジェイ  アンブローズによる、「閉鎖システム高熱流蒸発スプレー冷却（Ｃｌｏｓｅｄ−Ｓｙｓｔｅｍ，  Ｈｉｇｈ−Ｆｌｕｘ  Ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ  Ｓｐｒａｙ  Ｃｏｏｌｉｎｇ）」（１９８９）をいうタイトルの研究論文では、付加的な噴霧器の初期の開発及び分析が記載されており、水を用いた１平方センチメートル当たり約３００ワット性能の最大熱流を予測している。バッシュ、パテール、シャルマによって出版された「電子機器のインクジェット補助噴霧冷却（Ｉｎｋｊｅｔ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｐｒａｙ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」（２００３）というタイトルの米国機械学会（ＡＳＭＥ）の論文では、１平方センチメートル当たり約２７０ワットの臨界熱流とともに水を用いるインクジェット分配システムを記載している。
【０００８】
コアを冷却する他の方法が、米国特許第６，６５０，５４２号に記載されている。この方法は、チップのホットスポット上の単相流体を管理及び制御するが、この開示された方法は相変化処理ではないので、高熱流薄膜蒸発冷却の能力を有しない。
さらにコアを冷却する他の方法として、二相マイクロチャネルがあり、例えば米国特許第４，４５０，４７２号に記載されている。この方法は噴霧冷却を使用しないが、この設計では水を用いて１センチメートル平方につき４００〜１０００ワットの範囲で熱を取り除くことができる。このシステムは、電子部品上に非常に小さなマイクロチャネルアレイを設置する方法を開示する。マイクロチャネル冷却方法は、効果的にコアの温度を低くすることができるが、大きな圧力降下や結果として生じる大きさの制限のために、ダイのホットスポットでない領域への必要性については効果的に取り組んでいない。
【０００９】
以上の理由から、コンピュータ部品にある１以上のホットスポットを効果的に冷却する液体冷却剤の必要性がある。従って、大量の熱流を吸収することができる局所的な冷却剤の必要性がある。また高熱流冷却システムは、効率的でかつ確実に、チップの他の高熱流でない領域を冷却しなければならない。本発明によりもたらされる冷却剤により、プロセッサ処理を著しく改良することができるだろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来技術のこのような問題を解決するために、またコアの熱制限を著しく変える噴霧冷却剤を提供するために、ホットスポット噴霧冷却剤が開発されている。
本発明は、噴霧冷却熱管理装置であり、その表面に渡って変動する熱量を生成する電子部品を冷却する。冷却液は、その部品の表面に分配される。大量の熱流が発生するチップの領域、主にコアといわれる領域では、冷却液は連続的に噴霧される液滴パターンとして分配される。噴霧パターンは、１以上のコア領域上に、高熱流蒸発冷却薄膜を作成する。完全な薄膜蒸発に基づく噴霧パターンや流れの最適化というよりは、本発明は、最大の熱除去率を目指して噴霧パターンを最適化する。ホットスポットから外へ流れる蒸発しない余剰流体は、電子部品の低熱流（コアでない）領域の上に冷却厚膜を作成することによって冷却するために用いられる。
【００１１】
本発明の他の実施形態では、冷却流体を厚膜に分配する補足ノズルを有する。この実施形態では、重要でないシステム領域上の冷却率を制御するという効率的で容易な方法を提供し、またさらに、高熱流領域への噴霧を柔軟に最適化する。
本発明の他の実施形態では、１以上の部品のホットスポットに、垂直でない角度で冷却液を分配する噴霧器を使用する。この実施形態では、ホットスポットの余剰流体の方向制御を行う。厚膜は、予め決められた方向に流入するように促される。
【００１２】
本発明の他の実施形態では、蒸気を凝縮する前にスプレーモジュールの出口流から液体と蒸気とを分ける液体気体セパレータを使用する。その結果、注入口で実質的な二相流を有するコンデンサより、潜在的により効率的であり、より再現可能な性能を有するほぼ純粋な蒸気がコンデンサの注入口で得られる。
さらに本発明の他の実施形態では、エッチングされた開放マイクロチャネルの使用を通してチップの表面の噴霧冷却を向上させる。これらのマイクロチャネルは、チップの上面中に直接形成されるか、またはチップの上面に接合される二次的なエッチングされたマイクロチャネル板を用いて形成される。
【００１３】
本発明のこれら及び他の特徴、様態及び利点は、下記の記載及び添付の図面に関連してより理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明で利用される様々な締結手段、接続手段、製造手段及びその他の手段、構成要素は、周知であり発明の属する技術分野で用いられていると記載されており、そしてこれらの正確な性質若しくは形式は当業者が本発明を理解するのに必要ではない。よってこれらを詳細には議論しない。
出願人は、以下の米国特許を参照し本願の一部を構成する。高熱流蒸発冷却システムに関する米国特許第５，２２０，８０４号、積層配列の圧力渦巻き噴霧器（ｌａｍｉｎａｔｅｄ  ａｒｒａｙ  ｏｆ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｒｌ  ａｔｏｍｉｚｅｒｓ）に関する米国特許第５，８６０，６０２号及び米国特許第６，０１６，９６９号、及び噴霧冷却の流体制御装置及び方法に関する米国特許第６，１０８，２０１号、作動噴霧器（ａｃｔｕａｔｅｄ  ａｔｏｍｉｚｅｒ）に関する米国出願番号第１０／２８１，３９１号。積層圧力渦巻き噴霧器アレイは、明細書に組み込まれ添付図面に示されている通りであるが、本発明は、このような装置に限定されず、実際には多数の分配手段が本発明に適用でき、挿入アトマイザ、ジェットオリフィス及び駆動型アトマイザを含むがこれに限定されるものではない。出願人は、「ホットスポット冷却板噴霧冷却システム（Ｈｏｔｓｐｏｔ  Ｃｏｌｄｐｌａｔｅ  Ｓｐｒａｙ  ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）」というタイトルであり、また２００４年２月２４日に出願された同時継続米国特許出願を参照し本願の一部を構成する。この出願は、「エッチングされた開放マイクロチャネル噴霧冷却（Ｅｔｃｈｅｄ  Ｏｐｅｎ  Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ  Ｓｐｒａｙ  Ｃｏｏｌｉｎｇ）」というタイトルであり、また２００４年２月２４日に出願された同時継続米国特許出願と関連する。
【００１５】
さて、図１は、コンピュータアプリケーションでよく見られる、基板４に実装されたコンピュータチップ２を示している。コンピュータチップ２は、マイクロプロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、若しくは一般的に使用される他のいずれの電子部品であってもよい。
チップ２は、ボール・グリッド・アレイ、ピン・グリッド・アレイ、ランド・グリッド・アレイ、及びワイヤボンドなど、一般に知られている広範囲なパッケージング技術（図示せず)のいずれか１つを使って、基板４に取り付けられる。本発明は、１つの特定の相互接続又はパッケージング方法のいずれにも制限されない。
【００１６】
図２は、チップ２の典型的なマイクロプロセッサを示している。チップ２の上面にはいくつかの領域があり、それぞれ独自の機能と独自の電力消費と、独自の発熱率を有する。図２により多数の領域が特定されるが、これらは高熱流領域及び低熱流領域にまとめることができる。低熱流領域は、メモリ(Ｌ１及びＬ２キャッシュ)、入出力部、及び制御部とすることができるが、しかしこれらに制限されない。コア３は、重要な演算処理が行われるところで、低熱流領域よりもかなりの比率で熱を発生する。チップは、ダイ上の別々の位置に配置される処理部および浮動小数点演算処理部などの領域として多数のホットスポットを有しており、各ホットスポットはコア上に位置する。
【００１７】
図３は、基板４に取り付けられチップ２を取り囲んでいる本発明に係るスプレーモジュール１０を示している。スプレーモジュール１０は、例えば接着剤の使用、はんだ付け又は機械的な締結によって基板４に取り付けることができるが、この明細書に組み込まれて本願の一部を構成する米国特許第６，１０８，２０１号に記載された方法に限定されない。スプレーモジュール１０は、チップ２の表面に冷却液の供給を分配するために用いられる。流体は、注入口１４を通してモジュール１０に入り、出口１６を通って出る。出口１６は、ただ１つしか示されていないが、複数設けることも可能である。実際には、コンピュータデスクトップといえば、ほとんどの場合デスクトップ型若しくはタワー型の２つのうちいずれかに適応するので、お互い９０度の角度をなす複数の出口１６を有するように構成することが好ましい。
【００１８】
スプレーモジュール１０は周知の部分であり、文脈から自明であるように二相冷却サイクルである（図１０に図示）。ポンプ５は、最適な噴霧冷却流速及び圧力レベルで冷却流体を供給するために用いられる。その冷却流体は、周知の噴霧冷却流体のうちいずれか１つであればよく、ＦＣ−７２、Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（３Ｍの登録商標)、水及び水混合物を含むが、これらに限定されるものではない。ポンプ５より高圧の冷却流体がスプレーモジュール１０に入り、そこでチップ２から熱を吸収する。コンデンサ８はその流体を冷却し、液体をポンプ５に戻す。噴霧冷却システムのシステム及び構成は、この分野では周知であり理解されているので、より詳細には議論しない。
【００１９】
本発明によると、スプレーモジュール１０は、モジュール全体に構造的な剛性をもたらす外側ハウジング１２を有している。外側ハウジング１２は、アルミニウムやプラスチック等といった多数の物質より構成することができる。理想的には、外側ハウジング１２はモールドやダイキャストで成型できるように設計されていて（図４に示されているように)、よって製造費を安くできる。
【００２０】
また図４に示されているように、流体供給は、供給チューブ（図示せず）を介して外側ハウジング１２の上部に設置された注入口１４に注入される。注入口１４と供給チューブの間の接続は、共通の急速着脱式の附属品の使用によって取り外し可能であることが好ましい。注入口１４を通った冷却剤は、その後外側ハウジング１２と噴霧プレート３０の間に作成されたマニホールド領域に入る。
【００２１】
噴霧プレート３０は、チップ２の上に冷却流体を分配する手段を提供する。噴霧プレート３０は、外側ハウジング１２の内側のポケット領域に挿入された形で示されているが、そこでは所定の位置に接着剤で取り付ける、締結する、成形加工することができる。外側ハウジング１２の１つの部分設計によって、噴霧プレート３０と外側ハウジング１２の間に流体密封を設ける必要はないが、ぴったりとはめ込ませることで圧力損失を最小にすることが望ましい。噴霧プレート３０は、冷却供給を１以上の継続的な液滴の流れに変換する手段を提供する１以上のノズルを含む。図４では、コア３の上に位置するアトマイザ３２が示されている。ここでは１つのアトマイザ３２が示されているが、用いられる流体の種類、コア３の大きさ、及びアトマイザ３２が噴射する円錐角に対応して、コア３上に１以上のアトマイザを配置することができる。隣接するアトマイザによる混合を最小にするために、ホットスポット当たり１つのアトマイザを用いるのが好ましい。噴霧プレート３０を作成する方法は、積層圧力渦巻き噴霧器（ｌａｍｉｎａｔｅｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｒｌ  ａｔｏｍｉｚｅｒ）に関する米国特許第５，８６０，６０２号及び同第６，０１６，９６９号に記載されている。他の方法は、ボタンスタイルのアトマイザを噴霧プレート３０に挿入するものである。チップ２が、時間の関数として非常に変化する熱流を発生させるという場合には、つまり最高のパフォーマンスから「スリープ」モードまでをサイクルする場合には、米国出願番号第１０／２８１，３９１号に記載されているように、アトマイザ３２を可変的でかつ制御可能にすることが好ましい。電子制御システムと連結する可変的なアトマイザは、直接的な部品温度フィードバックと全体的な熱性能制御を実現することができる。
【００２２】
前述のように、チップ２の残りの部分に拡散する前に、コア３から直接熱を除去することが非常に望ましい。アトマイザ３２は、コア３から直接的に大量の熱を除去する手段を提供する。図５に示すように、噴霧器３２の使用により、液滴の大きさ、配分及び運動量をコア３上に薄膜４０を形成する方法ですべて制御し最適化することができる。ティルトン論文に記載されているように、薄膜４０の厚さは熱を除去する冷却剤の力に大きな影響を及ぼす。一般的に、薄膜４０が薄くなればなるほど、より多くの熱を除去することが出来る。
【００２３】
薄膜４０の作成及び最適化は、アプリケーション特有である。もし衝突液滴がほとんど勢いなしに薄膜４０に衝突する場合、液滴は、離脱する蒸気に取り込まれ冷却表面に到達しない。もし衝突液滴に勢いがありすぎる場合には、液滴は表面からはね返って冷却に貢献しない。双方の状況とも完全に回避することはできないが、最小限に抑えるべきである。上記の最適化に加え、理想的には、衝突液滴は、泡核を破壊する方法で薄膜４０に衝突するべきである。泡核は、冷却液が好ましく蒸発するのを助けるが、より高い導電性の液体とより低い導電性の蒸気との間の接触領域を縮小する。理想的には、泡核は大きなサイズになる前に破壊される。
【００２４】
冷却分配特性の最適化は、液滴が平坦な表面に衝突したときに発生する跳水現象と呼ばれる独特な事象をまた生じてもよい。この跳水作用は、薄膜流体が放射状に流れ、その後超臨界（薄膜）から未臨界（厚膜）へ進むフルード数に基づいて高く跳ね上がる時に生じる。ティルトン論文によって立証されているように、超臨界薄膜は、１００マイクロメータから４００マイクロメータ程度の厚さであってもよいがそれには限定されず、また跳ね上げられた厚膜は、水を用いて３０００マイクロメータから４０００マイクロメータの範囲であってもよいがそれに限定されない。跳水現象は、薄膜４０と厚膜４２を作り出す手段と、チップ２のコア３をチップ２のコアでない領域よりも高い比率で冷却する能力を提供する。跳水現象は、噴霧が一瞬中断される場合に熱バッファをまた提供してもよい。
【００２５】
図５に示されているように、上述された方法において、噴霧器３２は、薄膜４０がコア３上に直接的に作られるように一般的にはコア３上に位置する。チップ２表面全体に薄膜４０を拡散しようと試みるのではなく、従来技術で試みられているように、本発明はまさにコア３上への噴射特性を最適化する。これは、チップ２のコアでない領域上に跳ね上げられた厚膜４２をもたらす可能性が高い。ここで薄膜４０は、コア３の小さな領域上で１センチメートル当たり千以上のワットまで熱流を吸収できてもよく、厚膜４２は、効率的にかつ確実に、チップ２の広域低熱流領域上で一般的に１平方センチメートル当たり１００ワット未満の熱除去率をもたらすことができてもよい。
【００２６】
薄膜４０と厚膜４２の両領域の熱除去率は、表面改良により向上してもよい。改良の一例は、チップ２の上面にあるエッチングされたマイクロチャネルである。マイクロチャネルのエッチングプロセスは、米国特許第４，４５０，４７２号及び米国出願番号第１０／０５２，８５９号に記載されており、双方は参照することにより本明細書に含まれている。これらの方法は、閉鎖流路マイクロチャネル冷却システムの一部として開示されているが、エッチングされた開放マイクロチャネルは、本願における噴霧冷却の発明の実効性を著しく増やすことができる。解放チャネル噴霧により冷却されたマイクロチャネルは、閉鎖マイクロチャネルシステムの場合のように、水圧直径を小さくする必要性のために、この水圧直径で生成される圧力液滴によって制限されない。開放マイクロチャネル噴霧冷却はまた、流体マニホールドの使用の必要性によって制限されない。よって、開放マイクロチャネル噴霧冷却は、水圧直径をより小さくすることができ、閉鎖マイクロチャネル冷却システムよりも高い熱移動係数を結果としてもたらすことができる。他の表面改良の実施形態として、図１３に示されているように、二次的にエッチングされたマイクロチャネルプレート４４がチップ２に熱によって取り付けられてもよく、表面改良の利益と誘電体でない流体の利用可能性をもたらす。２つの開放チャネル噴霧冷却マイクロチャネル方法は、核生成部位を増やし蒸発状態を改良し表面領域を増やすが、これら全ては噴霧冷却に有益であるとして知られている。
【００２７】
本発明の他の実施形態として図４及び図６に示されているように、ホットスポット蒸気管理突起３４が、噴霧プレート３０からチップ２の方向に、チップ２と離間された関係を持って伸びている。米国特許第５，２２０，８０４号及び米国特許第６，１０８，２０１号に記載されているように、蒸気管理突起３４は、システム中の蒸気と特に噴霧領域に近い蒸気に、薄膜４０にそって下外側方へ流れることを強制する。その結果として、薄膜４０はさらに薄くなり熱除去率が増える。チップ２と蒸気管理突起３４との間の隙間は、設計により変化し実験を通してしばしば最適化されるが、ＩＳＲでは、１／２ｍｍと３／４ｍｍの間の隙間を典型的に用いている。多数のホットスポットがあるチップ上に存在する場合、多数のアトマイザ３２と多数の蒸気管理突起３４を有することが望ましいかもしれない。また図９に示されているように、スプレーモジュール１０内で蒸気の再循環を可能にする複数の蒸気返却開口部３７が、蒸気管理突起３４にある。
【００２８】
上述の流体分配処理による冷却チップ２に加えて、図７は、厚膜４２の作成と性能を補助するために用いられる二次的ノズル３６を示している。重要なメモリ領域等の中程度の熱流の領域では、厚膜４２内に局所的により薄い領域を形成することにより、厚膜領域の冷却を強化することが望ましいかもしれない。また二次的ノズル３６は、噴霧器３２がチップ２の低熱流領域上の厚膜４２を維持するために十分な余剰流体を発生させることが出来ない場合に、単に厚膜４２に流体を加えてもよい。アトマイザ３２への必要条件とは違って、二次的ノズル３６は、非常に大きな熱流に対応できる蒸発薄膜を作成することは必要とされない。この場合二次的ノズル３６は、付加的噴霧器、ドロップ・オン・デマンドのオリフィス、ジェットオリフィス、圧電駆動ジェット衝突オリフィス、若しくは駆動アトマイザであってもよいが、これらに限定されない。すべての方法は、冷却流体を厚膜４２に補足する手段を提供する。
【００２９】
図８は、本発明の他の実施形態を示している。本実施形態において、噴霧器３２は、コア３に対して一般的に垂直でない角度で流体を分配する。コア３に対して垂直でない角度で噴霧することにより、厚膜４２は、チップ２のホットスポットでない領域上を流れて覆うようさらに促される。本実施形態はまた、二次的ノズル３６又は蒸気管理突起３４を追加することにより利点を得てもよい。角度のある噴霧冷却はまた、噴霧の方向と平行であるエッチングされたマイクロチャネルを加えることで利点を得てもよい。
【００３０】
スプレーモジュール１０から出る冷却流体は、サイクル効率の観点における理想として純粋な蒸気である可能性は高くない。従来技術のシステムは、モジュール１０中の完全な流体蒸発に関する噴霧システムを最適化しようとしているが、本発明は、チップのコアの冷却性能を高めることを目的として最適化される。本発明におけるより高い性能は、コンデンサ８内における複雑な二相流を犠牲にするが、図１２は、この設計と使用を単純化するシステムへの追加部分を示している。セパレータ７は、コンデンサ８とスプレーモジュール１０との間に配置されてもよい。セパレータ７は、液体を蒸気から分けて、より高いエネルギーの蒸気をコンデンサ８へ移動させ、より低いエネルシーの液体をポンプ５に移動させる（図１３）。また蒸気と液体は、米国特許第５，３１４，５２９号に記載されているように、らせん形のセパレータの使用によって分けられてもよい。液体と蒸気を分けることにより、コンデンサ８のサイズを最小化することが出来る。
【００３１】
本願明細書で記載されているホットスポット冷却システムは、本発明の好適な実施形態を構成するが、当然のことながら本発明はこれらの正確な形態の組み合わせに限定されず、また本発明の要旨と精神から逸脱することなく変更されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
詳細な説明において、添付の図面が参照される。これらの図面は、本発明の異なる態様を示し、ここで異なる図における構造、構成、及び／若しくは要素示す適切な参照番号が同様に付されている。これら具体的に示された以外の構造、構成、及び／若しくは要素の様々な組み合わせが考慮され、本発明の範囲内であることは当然のことである。
【図１】基板上に実装されたコンピュータチップの斜視図である。
【図２】多数の領域を有するコンピュータチップの上面図である。
【図３】基板上に実装されチップを取り囲んでいる、図１のスプレーモジュールの斜視図である。
【図４】本発明によるスプレーモジュールの内部を示す、図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図５】冷却されるチップ上に位置する噴霧プレートを示す、本発明による図４の部分図である。
【図６】ホットスポット蒸気管理突起のある噴霧プレートの側面図である。
【図７】厚膜上に噴霧する二次的ノズルを示す本発明の他の実施形態である。
【図８】角度のある噴霧器を示す本発明の他の実施形態である。
【図９】ホットスポット蒸気管理突起を有する噴霧プレートの底面斜視図である。
【図１０】簡易な噴霧冷却システムのブロック図である。
【図１１】液体蒸気セパレータを用いた噴霧冷却システムのブロック図である。
【図１２】図１１のセパレータの側面断面図である。
【図１３】明確にするために拡大されたマイクロチャネルを有し、噴霧冷却され二次的にエッチングされるマイクロチャネル板の側面部分図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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