(57)【要約】      （修正有）【課題】複雑なシステム内の複数の場所に効率的かつ高い費用効果で確実に実装することができる噴霧冷却システムを提供する。【解決手段】噴霧した冷却流体１１９で部品を冷却するシステムは、密閉された噴霧室１０７と熱伝達壁１１７を形成する本体であって、前記壁１１７が、前記噴霧室１０７の境界をなす内側面を有し、前記壁１１７が、前記部品の一部分に対して保持されるように構成された外側面を有する本体と、前記冷却流体１１９を前記内側面に噴霧するように構成された噴霧器とを備える。【選択図】図２
2005086204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴霧した冷却流体で部品を冷却するシステムであって、
密閉された噴霧室と熱伝達壁を形成する本体であって、前記壁が、前記噴霧室の境界をなす内側面を有し、前記壁が、前記部品の一部分に対して保持されるように構成された外側面を有する本体と、
前記冷却流体を前記内側面に噴霧するように構成された噴霧器とを備えるシステム。
【請求項２】
前記噴霧器が、制御信号に応じて前記壁上に増分量の冷却流体を噴出するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記噴霧器が、熱方式の噴霧器であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記部品から放散された熱によって前記冷却流体が蒸発するような速度で前記噴霧器が増分量の冷却流体を噴出するように、前記噴霧器に制御信号を送るよう構成されたコントローラをさらに備える請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記噴霧された冷却流体を前記内側面から受け取るように構成されて前記受け取った冷却流体を前記噴霧器の入口に送るように構成されたリザーバを、前記本体がさらに形成することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記部品から放散された熱で蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成された凝縮器を、前記本体がさらに有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記噴霧室から冷却流体を送り出すように構成されたポンプをさらに備える請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記ポンプが、重力方向に関して上方に前記噴霧器に向かって延在する多孔質通路を形成する１つまたは複数の空洞を画定する部材を備え、
前記多孔質通路が、前記冷却流体の表面張力によって前記冷却流体が前記噴霧器の方に吸い上げられるように構成されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ポンプが、表面張力の作用下で前記噴霧器の方に冷却流体を吸い上げる手段を有する請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ポンプが、前記噴霧室の表面を加熱するように構成されたヒータを備えることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
蒸発した冷却流体を冷却し、前記噴霧室から前記噴霧器に送る装置であって、
蒸発した冷却流体を受け取り、冷却するように構成された凝縮器と、
前記凝縮器によって凝縮された前記蒸発した冷却流体が前記リザーバ内に通るように前記凝縮器と流体連通し、液状の冷却流体を前記噴霧器に送るように構成されたリザーバと、
前記噴霧室から前記凝縮器まで延在する開いた通路を画定する構造とを具備する装置をさらに備える請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記噴霧室の表面を加熱するように構成されたヒータをさらに備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
システムであって、
前記噴霧室の表面を加熱するように構成されたヒータと、
前記噴霧室の表面の温度を検出するように構成された温度センサと、
前記表面を所定の温度まで加熱するために、前記検出した温度に応じて前記ヒータに通電するように構成されたコントローラとを更に備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
システムであって、
前記噴霧室を介して前記壁に増分量の前記冷却流体を噴出するように構成された前記噴霧器を組み入れた熱方式のインクジェット型ヘッドと、
冷却流体を前記噴霧室から、前記本体によって画定されたリザーバに送るように構成されたポンプであって、前記リザーバが、前記熱方式のインクジェット型ヘッドに冷却流体を送る出口を具備するように構成されたポンプとを備え、
前記部品によって加熱された冷却流体から熱を除去するように構成された凝縮器をさらに前記本体が画定する請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記凝縮器が、前記リザーバと一体的であることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ポンプが、液状冷却流体を送るように構成されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記本体が、一体型ユニットであることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記噴霧室が、関係のないガスを少なくともある程度排気されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
半導体素子と、
前記半導体素子を支持する基板と、
噴霧室を画定する本体と、
熱伝達壁であって、前記噴霧室の境界をなす内側面を画定し、前記半導体素子の一部分と隣接する外側面を画定する前記壁と、
冷却流体と、
前記冷却流体を前記内側面に噴霧するように構成された噴霧器とを備える被冷却部品。
【請求項２０】
前記噴霧器が、制御信号に応じて、前記半導体素子と熱連通する増分量の冷却流体を噴出するように構成されることを特徴とする請求項１９に記載の被冷却部品。
【請求項２１】
前記噴霧器が、熱方式のインクジェット型ヘッドに組み込まれていることを特徴とする請求項２０に記載の被冷却部品。
【請求項２２】
前記半導体素子を十分に冷却しながら前記冷却流体を蒸発させるのに適した速度で前記噴霧器が冷却流体を噴出するように、前記噴霧器に制御信号を送るよう構成されたコントローラをさらに備える請求項２０に記載の被冷却部品。
【請求項２３】
前記内側面から前記噴霧された冷却流体を受け取るように構成されて前記噴霧器の入口に冷却流体を送るように構成されたリザーバを、前記本体が画定することを特徴とする請求項１９に記載の被冷却部品。
【請求項２４】
前記半導体素子からの熱によって蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成された凝縮器を、前記本体が画定することを特徴とする請求項１９に記載の被冷却部品。
【請求項２５】
前記噴霧室から冷却流体を送り出すように構成されたポンプをさらに備える請求項２４に記載の被冷却部品。
【請求項２６】
被冷却部品において、
前記噴霧器を組み入れた熱方式のインクジェット型ヘッドと、
冷却流体を前記噴霧室から、本体によって画定された凝縮器に送るように構成されたポンプであって、前記凝縮器が前記半導体素子からの熱によって蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成されたポンプとを備え、
前記噴霧された冷却流体を受け取るように構成されて前記噴霧器の入口に冷却流体を送るように構成されたリザーバを、前記本体がさらに画定することを特徴とする請求項１９に記載の被冷却部品。
【請求項２７】
回路基板システムであって、回路基板と、請求項１９に記載されたような複数の被冷却部品とを具備し、
各被冷却部品が前記回路基板に取り付けられる回路基板システム。
【請求項２８】
被冷却部品が、さらに、冷却流体を前記内側面から、前記被冷却部品の前記本体によって画定された凝縮器に送るように構成されたポンプをさらに備え、
前記凝縮器が、前記被冷却部品の前記半導体素子からの熱によって蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成されており、
各被冷却部品の前記噴霧器が、増分量の冷却流体を前記半導体上に噴出するように構成された熱方式の噴霧器であり、
前記内側面から冷却流体を受け取るように構成されて各被冷却部品の前記噴霧器の入口に冷却流体を送るように構成されたリザーバを、各被冷却部品の前記本体が画定することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
回路基板システムであって、
複数の回路基板と、請求項１９の複数の前記被冷却部品とを具備し、
前記複数の被冷却部品が、前記複数の回路基板に取り付けられており、
前記複数の被冷却部品が、前記複数の回路基板によって電気的に相互接続されている回路基板システム。
【請求項３０】
被冷却部品が、さらに、冷却流体を前記内側面から、前記本体によって画定された前記凝縮器まで送るように構成されたポンプを備え、
前記凝縮器が、前記半導体素子からの熱によって蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成されており、
各被冷却部品の前記噴霧器が、前記半導体上に増分量の冷却流体を噴出するように構成された熱方式の噴霧器であり、
前記内側面から冷却流体を受け取るように構成されて各被冷却部品の前記噴霧器の入口に冷却流体を送るように構成されたリザーバを、各被冷却部品の前記本体が画定することを特徴とする請求項２９に記載の回路基板システム。
【請求項３１】
噴霧した冷却流体で部品を冷却する方法であって、
本体の外側面を前記部品の一部分と隣接させる段階であって、前記本体が、密閉された噴霧室と熱伝達壁とを画定し、前記壁が、前記噴霧室の境界をなす内側面を画定し、前記壁が、前記部品の前記一部分に対して保持された外側面を画定するような段階と、
冷却流体を前記壁の前記内側面上に噴霧する段階とを有する方法。
【請求項３２】
前記噴霧する段階が、前記壁の前記内側面に増分量の冷却流体を所定の頻度で噴出するように噴霧器に信号を送る段階をさらに有することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記噴霧器が、多量の冷却流体を保持するように構成された噴射室を画定する本体を備え、前記本体が、さらに、前記噴射室と連通するオリフィスを画定し、
前記噴霧器が、さらに、前記噴射室と熱連通する発熱体を備え、前記発熱体が、前記噴射室内に保持された前記冷却流体の一部分を蒸発させるように構成されており、前記発熱体が前記噴射室内に保持された前記冷却流体の一部分を蒸発させたときに、前記オリフィスが前記噴射室から前記熱源に冷却流体を導くように構成され、
前記噴霧する段階において、前記噴霧器に信号が送られたときに、前記噴射室内に保持された前記冷却流体の一部分を前記発熱体が蒸発させ、それにより、冷却流体が前記噴射室から前記半導体素子に導かれることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記内側面に噴霧された冷却流体を受け取るように構成されて前記噴霧する段階で使用される前記噴霧器に前記噴霧冷却流体を送るように構成されたリザーバを、前記本体がさらに画定し、
前記噴霧室から前記リザーバに流れるように前記冷却流体を送る段階をさらに有することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、半導体素子（半導体デバイス）、チップ、医療用電子機器、発光ダイオード、レーザ、その他の光学装置（光学素子）などの高温となる装置用の冷却システムに関し、より詳細には、そのような発熱装置（発熱する装置）の１つまたは複数を冷却するための自立型冷却システムおよび関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
素子密度が加速的に高くなる半導体素子の登場によって、そのような装置または素子によって生成される熱の除去が、ますます困難な技術的問題になってきた。さらに、装置の小型化によって、装置設計者は、マイクロプロセッサ用のキャッシュを作成するために使用される素子のようなこれまで個別だった素子を、マイクロプロセッサ・チップに組み込むようになった。このような装置の統合によって、ＣＰＵコア出力密度が高くなり、電力損失要件が極めて大きくなった。
【０００３】
不活性冷却流体による沸騰／蒸発方法を使用すると、きわめて高い冷却要件を満たすことができる冷却レベルが実現される。プール沸騰（すなわち、チップを冷却流体に沈める）は、従来の空気冷却よりもかなり高い効率を提供するが、噴霧冷却（すなわち、チップに冷却流体を噴霧する）は、現在、半導体チップなどの発熱装置の最も高いレベルの熱放散を可能にする。最良の結果は、均一な損失要件を有する各領域に冷却流体が均一に噴霧されたときに得られる。噴霧する冷却流体の質量流量は、噴霧された冷却流体を蒸発させるのに必要なエネルギーが装置の電力損失要件と一致するようなレベルでなければならない。
【０００４】
図１を参照すると、１つの高損失噴霧冷却システムにおいて、リザーバ（流体貯蔵槽）１１からの不活性噴霧冷却流体は、１組の１つまたは複数の噴霧器１３によって、プリント回路基板１７上に取り付けられ位置合わせされた１組の１つまたは複数のチップ１５に噴霧されることが好ましい。冷却流体が蒸発し、チップ内からの熱を放散することが好ましい。噴霧器、チップ、および基板は、コンピュータ・システム内に固定された排気され封止されたケース１９内に取り付けられている。噴霧された冷却流体は、一般に、回収され凝縮器２１内で冷却され、次にポンプ２３によってリザーバに戻される。半導体素子の場合は、いくつかの既知の適切な冷却流体の中には、３Ｍ（登録商標）ＦＣ−７２（ＦＥＤ．ＣＩＲ．−７２、すなわち３Ｍ（登録商標）社から販売されているＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ（登録商標））、３ＭのＮｏｖｅｃ系列の流体（３Ｍ（登録商標）社から販売されているＨＦＥ７１００など）、ＰＦ−５０６０などの低沸点流体がある。これらの流体は、適切な範囲の蒸発温度を提供し、また関連する材料に腐食作用がなく、有意レベル（すなわち、浸漬されたチップの動作に影響を及ぼさないレベル）で電気を通さない。
【０００５】
高損失チップを使用する最新のシステムは、様々なレベルの冷却を必要とする様々なチップを有する場合が多く、一部のチップの冷却レベルだけがきわめて高い。電子システムの設計によっては、そのようなチップを含む構成部品（電子部品）は、システム全体に配置されることがある。チップは、高損失特性を有するので、従来の空気冷却を使用して冷却するのは容易ではない。チップは分散されているため、チップを、一般に複雑な高損失噴霧冷却システムで冷却するのは容易ではない。そのような冷却システムは、一般に、個々の冷却システムごとに別々の構成要素を提供する費用かまたは１組の冷却システムを１つまたは複数の共用構成要素（例えば、共用ポンプ、凝縮器および／またはリザーバ）に相互接続する費用を必要とする。したがって、高損失冷却システムは、多数の高温構成要素を有する複雑なシステムにおいて実施するには高価で複雑なことがある。
【０００６】
ノズル設計は、噴霧冷却の重要な要素である。既知の設計は、圧力式ノズル（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｎｏｚｚｌｅ）とガス式ノズル（ｇａｓ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｎｏｚｚｌｅ）である。しかしながら、これらのタイプのノズルは、噴霧する質量流量を制御する能力が限られている。したがって、これらのノズルは、噴霧冷却効果を低下させる「プーリング」（すなわち、過度の噴霧量により被冷却装置上に液体が溜まること）を引き起こすことがある。
【０００７】
さらに、圧力式噴霧には、流量が変化したときでも液体をノズルから送り出す正確な圧力を提供する１つまたは複数の高圧ポンプが必要である。噴霧される液体の分布と流量は両方とも、駆動圧力の変動および／またはノズル構造のわずかな相違によって変化することがある。したがって、この冷却システムは、制御が難しい敏感で潜在的に高価な装置である。
【０００８】
ガスで霧化して噴霧するには、冷却流体と加圧ガスの両方を噴霧ヘッドに正確に送らなければらない。このシステムは、冷却流体と別にガスを加圧しなければならないので、一般に閉じたシステムではなく、汚染物質を招く。したがって、両方のタイプの噴霧冷却システムは、制御が難しい敏感で潜在的に高価な装置である。
【０００９】
さらに、噴霧冷却システムは、一般に、動作するために能動的な噴霧システムと能動的な凝縮システム（すなわち、噴霧システムと凝縮システムが可動部品に依存している）の両方を含む。どちらかのシステムが故障すると、冷却システムが動作しなくなる可能性があり、被冷却構成部品の故障や破壊を引き起こす可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、複雑なシステム内の複数の場所に効率的かつ高い費用効果で確実に実装することができる噴霧冷却システムが必要とされていた。本発明の様々な実施形態は、以上および／またはその他の必要性を満たし、さらに関連する利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
様々な実施形態において、本発明は、一般に高損失装置上で動作するモジュール式冷却モジュールの提供によって前述の必要性の一部またはすべてを解決する。
【００１２】
本発明は、噴霧した冷却流体によって構成部品を冷却するシステムを提供し、密閉された噴霧室を画定する本体と、冷却流体を噴霧するように構成された噴霧器とを含む。本発明は、一般に、噴霧室の境界をなす内側面を備えた熱伝達壁と、構成部品の一部分に対して保持されるように構成された外側面とを特徴とする。噴霧器は、熱伝達壁の内側面に噴霧するように構成され、それにより、冷却流体が、構成部品から熱を吸収し、好ましくはその熱から蒸発することができる。
【００１３】
この特徴は、様々な位置および／または向きにある１つまたは複数の高温の構成部品を冷却するために使用できるという点で、フレキシブルなモジュール式自立型システムである冷却システムを提供するので有利である。冷却流体は、一般に構成部品と接触しないので、冷却システムは、冷却流体の接触が構成部品にどのように影響を及ぼすか（あるいはこの逆）を心配せずに使用することができる。さらに、冷却システムは、モジュール式なので、一般に迅速に取り付け、取り外しかつ／または修理することができる。
【００１４】
本発明は、また、一般に、制御信号に応じて壁上に必要な増分量の冷却流体を放出するように構成された噴霧器を特徴とし、さらに、この噴霧器が、コントローラによって制御される熱方式の噴霧器であることを特徴とする。そのような噴霧器は、関連した情報によるコントローラの制御下で、冷却流体を、構成部品の冷却需要に適した正確な量で送ることができるので有利である。
【００１５】
蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成された一体型凝縮器、噴霧室から液状冷却流体を汲み上げるように構成された一体型ポンプ、および／または噴霧器の入口に液状冷却流体を送るように構成された一体型リザーバなどの一体型冷却システム要素も、本発明のいくつかの実施形態の特徴である。一体型要素は、著しい適応性を有する機器なしに様々な機器に使用される冷却システムを提供する。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態は、また、能動的ではなく受動的なポンプを特徴とする。そのようなポンプは、毛管力などにより、可動部品なしに動作する。これは、噴霧器の方に、重力方向（または鉛直方向）に関して上方に延在する多孔質通路を形成する１つまたは複数の空洞を画定する部材によって達成することができる。可動部品がないので、冷却システムの所要電力を普通必要になるよりも低くし、システムの信頼性を高める。
【００１７】
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を例として示す添付図面と関連して行われる好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。特定の好ましい実施形態の詳細な説明は、本発明の実施形態を構成し使用できるように後で説明され、列挙した特許請求の範囲を限定するものではなく、むしろ特許請求した発明の特定の例として役立つものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以上に要約され特許請求の範囲によって定義された本発明は、添付図面と共に読まれるべき以下の詳細な説明を参照することによって、よりよく理解することができる。この本発明の特定の好ましい実施形態の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を構成し使用できるように後で説明され、列挙した特許請求の範囲を限定せず、その特定の例を提供するものである。
【００１９】
蒸発による噴霧冷却は、高性能な冷却能力を提供できる技術であることが見込まれている。噴霧冷却の目的は、装置の壁面温度を冷却流体の飽和温度に近い値にすることである。例えば、５６℃の沸点を有する３Ｍ（登録商標）ＦＣ−７２などの低沸点流体の蒸発により、７０℃に近いチップ壁面温度を達成することができる。そのような壁面温度は、装置の接合部温度を８５℃に維持するために必要とされる。このチップ壁面温度を７０℃で維持する必要性は、チップ上の一般に不規則な電力分布によるものである。５０Ｗ電源が０．５ｃｍ×０．５ｃｍに分散された２００Ｗ／ｃｍ2に達する高い電力密度は、従来の機械的接触手段では容易には対処できない。
【００２０】
取り付けコストと運転コストを最小にし同時に信頼性を最大にするには、冷却装置内で能動的システムではなく受動的システムを使用することが好ましい。本発明は、好ましくは熱方式のインクジェット型ヘッド、凝縮器、リザーバ、および受動的冷却流体ポンプを含む閉ループ式の一体化されたシングル・チップまたはマルチ・チップ・モジュール・レベルの噴霧冷却システムに適応することが好ましい。設計としては、噴霧冷却する必要のある装置に取り付けることができる独特なアセンブリであることが好ましい。
【００２１】
図２を参照すると、発熱半導体素子を含むチップ１０１などの１つまたは複数の発熱する装置又は素子を含む構成部品を冷却する冷却システムの第１の実施形態が提供される。チップは、カバーを含むことがあり、あるいは半導体素子は、カバーが外されていてもよい。冷却システムは、冷却キャップ（又は蓋部材）１０３を構成する本体と、噴霧器ヘッド１０５上の１つまたは複数の噴霧器とを含む。キャップと噴霧器ヘッドは、単一の冷却アセンブリに組み込まれることが好ましい。キャップは、冷却流体を噴霧することができチップと熱的に連通する噴霧室１０７を画定するように構成される。噴霧器ヘッドは、リザーバ１１１から冷却流体を液体状態で受け取るマニホルド入口１０９を含む。部材１１３は、重力方向に関して噴霧器ヘッドのマニホルド入口から底まで延在する。この部材は、噴霧室内のプール（又は流体溜まり）１１５をなした液状冷却流体を噴霧器ヘッドまでくみ上げる受動的な毛管作用を有する冷却流体ポンプとして構成される。
【００２２】
より詳細には、噴霧室１０７は、冷却キャップ１０３に囲まれていることが好ましく、冷却キャップ内で閉ループ冷却システムの一部を構成することが好ましい。蒸発温度を低くするために、噴霧室のような冷却キャップの開いた内部は、無関係のガス（すなわち、ガス状の冷却流体以外のガスの）が部分的または完全に排気されることが好ましい。熱伝達壁１１７（すなわち、チップから噴霧室内の冷却流体に熱を伝達するように構成された壁）が、冷却流体１１９がチップ１０１と熱連通することができる本体の部分を画定する。冷却流体は、熱伝達壁の内側蒸発面（すなわち、噴霧室の境界をなす面）に直接噴霧される。熱伝達壁の外側面は、チップの一部分と適合して保持されるように構成されることが好ましい。このように、冷却流体は、熱伝達壁を介してチップと熱連通し、熱を吸収しかつチップから放散された熱によって蒸発することができる。加熱された冷却流体は、蒸発し、再凝縮し、あるいは噴霧室の熱伝達壁と合致する重力方向下部に溜まることができる。
【００２３】
熱伝達壁１１７は、チップ１０１から冷却キャップ１０３内に放散された熱に熱抵抗をほとんど提供しないような材料からなり、好ましくは薄い厚さに構成される。必要に応じて、隙間充填サーマル・フォームや他の伝熱材料からなる界面材料のような熱接続部材を、熱伝達壁とチップが合わされたときにその間に入れることができ、それにより、チップと冷却キャップ内の冷却流体の間の界面の熱伝導性を高めることができる。
【００２４】
冷却キャップ１０３が、半導体素子またはそのカバーと適合するように隣接するとき、噴霧室の熱伝達壁１１７の内側面が、チップ１０１と熱的に連通する。冷却キャップは、構成部品（すなわち、半導体素子またはそのカバー）の隣接部分の熱膨張率と実質的に同じ熱膨張率を有する材料からなることが好ましい。キャップは、接着剤、締付け機構、留金具、または他の取り付け機構によって構成部品と隣接して保持され、本体は、液体と気体の冷却流体が、意図した穴以外から噴霧室に漏れないように構成されることが好ましい。キャップは、パッケージに取り付けられそれにより冷却パッケージを構成するパッケージ・レベルの冷却システムを構成する。
【００２５】
前述のように、噴霧器ヘッド１０５は、熱伝達壁１１７の内側面に冷却流体１１９を噴霧するように構成され、冷却流体を加熱し好ましくは蒸発させて、チップからの熱の少なくとも一部分を吸収する。冷却プロセス中にできる冷却流体の蒸気は、噴霧室１０７内に保持され、その熱を噴霧室の壁面（蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成された凝縮器１２０の一部分として働く）に放散し、その後でプールに凝縮する。次に、噴霧室の壁面は、様々な標準ヒートシンク技術のどれかによって熱を放散する。キャップが、プールが熱伝達壁の内側面全体を覆うように適応されている場合は、一般にプールの沸騰が起こる。
【００２６】
噴霧冷却システムが最適な効率で機能する場合、以下の噴霧器の質量流量
【００２７】
【数１】
2005086204.tif 000003
【００２８】
は、半導体素子が乾燥するか浸漬するのを回避するように調整されることが好ましい。この量は、サーマル・ジェットを発射する速度（ペース）をコントローラに調整させることによって制御される。最適な質量流量は、半導体素子の熱流束が変化するときに変化することができる。したがって、コントローラが質量流量を正確に制御するためには、半導体素子および／または冷却システムのパラメータを検出する必要がある。
【００２９】
質量流量が最適レベルかどうかを判定するために、センサを使用して１つまたは複数のシステム・パラメータを追跡することができる。使用できるパラメータのタイプは、利用されるシステムのタイプによって異なる。例えば、液体と蒸気の独立した除去系統を使用する場合は、以下の蒸気の質量流量
【００３０】
【数２】
2005086204.tif 000004
【００３１】
および／または以下の液体の質量流量
【００３２】
【数３】
2005086204.tif 000005
【００３３】
を検出することができる。もう１つの例として、噴霧室内の蒸気圧（Ｐv）と半導体素子の接合部温度を検出することができる。センサの必要な場所によって、センサは、冷却キャップ、チップ、またはシステム内のどこか他の場所にあってもよい。
【００３４】
噴霧器ヘッド１０５内の噴霧器は増分噴霧器（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ  ｓｐｒａｙｅｒ）であり、すなわち、噴霧器は、連続的な流れではなく必要な増分量の冷却流体を段階的に熱伝達壁上に噴出するように構成されることが好ましい。冷却流体は、一般に、通電制御信号に応じて噴霧され、コンピュータ化されたコントローラ１２１によって噴霧器に送られることが好ましい。増分噴霧器から噴霧される液体の量は、増分量の冷却流体を噴出させる速度（つまり噴射時間間隔）を制御するか、それぞれの増分（または噴射段階）で噴出させる量を制御することによって、正確に制御可能である。
【００３５】
例えば、増分噴霧器に通電する頻度（または周波数）を増減することによって、流量（すなわち、液状冷却流体を噴出される平均量）を正確に調整することができる。さらに、きわめて少ない量の冷却流体を送るように噴霧器を構成することができ、また多数の噴霧器を小さな領域に収めることができるので、その領域上の熱分布は、他の噴霧器の比率よりも高い比率で噴霧器のいくつかに通電することによって正確に制御することができる。このような特徴によって、冷却流体を正確かつ制御可能な量または速度で正確に送出することができる。増分噴霧器のもう１つの利点は、増分噴霧器が、迅速かつ容易に交換可能なユニットを提供するモジュールでよいことである。
【００３６】
噴霧器ヘッド１０５の好ましいタイプの増分噴霧器は、インクジェット型噴霧器である。詳細には、図２と図３を参照すると、この図は、２つの熱方式の噴霧器（すなわち、例えば熱方式のインクジェット型噴霧器など、熱による流体の蒸発によって生成された圧力波により流体を噴出させる噴霧器）を示し、各熱方式の噴霧器は、冷却流体の所定部分を受け取る噴射室２０１と、冷却流体の所定部分のさらに一部分を蒸発させて、噴出した冷却流体をチップ１０１の方に導くオリフィス２０５に増分量の冷却流体を通す圧力を生成するヒータ２０３とを画定する構造を含む。オリフィスは、例えば商標ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）で販売されているようなポリイミド・テープのような可撓性の重合体テープ２０７内に形成されることが好ましい。
【００３７】
テープ２０７の裏面２０９には、個別に通電可能な薄膜抵抗体の形のヒータ２０３を含むシリコン基板２１１が取り付けられる。各ヒータは、噴射室のオリフィス２０５と真向かいの噴射室２０１の側面に配置されることが好ましい。冷却流体は、インクジェット型装置に代表的なように、毛管作用によってマニホルド通路２１３から噴射室に引き込まれ装填されることが好ましい。コンピュータ化されたコントローラ１２１は、ヒータに通電し、冷却流体のヒータに隣接している部分を蒸発させる。蒸発した冷却流体は膨張して、蒸発していないほとんどの冷却流体を、一般に１つまたは複数の液滴の形でオリフィスから出す。
【００３８】
噴霧器１０５の構成により、噴霧器から噴霧される流体の増分量は、単一の液滴の形でもよく、複数の液滴の形でもよい。複数の液滴は、単一のヒータと関連付けられたオリフィスによって、あるいは増分量の流体を液滴に分割する大きな噴射室２０１および／または適切に形成されたオリフィス・ノズルを有する噴霧器によって作成することができる。噴射室２０１がヒータ２０３によって加熱された後、再び毛管作用によって、噴射室の次の加熱のために、噴射室が充填される。
【００３９】
コントローラ１２１は、回路基板上の別の場所に取り付けられ、キャップ１０３に取り付けられた複数の接点１２３によってヒータに電気接続される。この接点は、冷却キャップに電力を送ることもでき、キャップに一体化されており、外部に露出していることが好ましい。これは、フレックス回路接続を使用して行うことができ、あるいはセラミックス・キャップの場合には、電気接続がセラミックス内で引き回されてもよい。
【００４０】
必要に応じて、コントローラは、冷却するチップ内に設けられ、直接コネクタ（図示せず）によって構成部品とキャップ内に信号が送られる。同様に、コントローラが、キャップ自体の中にあってもよい。また、コントローラは、装置全体の中の独立した部品（例えば、コンピュータの独立部分）上にあってもよく、あるいは本質的に機械的なものでもよい。コントローラは、必要に応じて、様々な場所にある複数のそのような冷却キャップの動作を制御することができる。
【００４１】
受動的毛管作用ポンプを形成するために、部材１１３は、プール１１５から、重力方向に関して上方に、噴霧器ヘッド１０５のマニホルド入口１０９の方（したがって、噴霧器の方）に延びる通路を形成することが好ましい。この部材は、冷却流体の表面張力によって冷却流体がプールからマニホルド入口まで上方に流れるうに構成される。詳細には、部材は、プール１１５からマニホルド入口１０９まで延在し、通路の外側を形成する管状部分１３１と、管状部分に収容された多孔質材料１３３とを含むことが好ましい。管状部分は、必要に応じて、全体的に冷却キャップ１０３の壁内に形成されてもよく、あるいは冷却キャップの外側に延在してもよい。管状部分の上端は、リザーバ（流体貯蔵槽）１１１を形成し、噴霧された冷却流体を受けて、その冷却流体を噴霧器のマニホルド入口に送るまでそれを保持する。
【００４２】
管状部分１３１内の多孔質材料１３３の孔隙内に形成された通路は、断面が鉛直軸に沿って連続的に変化するという特徴を持つことが好ましい。多孔質材料は、スポンジ、焼結銅、ファイバーバンドル、溝付き金属、ワイヤーメッシュなどでよい。ヒート・パイプの技術分野では、いくつかの使用可能な多孔質材料が使用される。
【００４３】
多孔質材料の孔径は、毛細作用／表面張力が液状冷却流体を管状部分１３１の最上部まで引き上げてリザーバ１１１の多孔質材料に入れるのに十分なほど小さい。孔径は、冷却流体をリザーバの少なくとも途中レベル１３５まで上昇させるほど小さいことが好ましい。より好ましくは、冷却流体がリザーバを満たし、流体がリザーバの上部と熱連通し、それによりパッケージを載せるヒートシンクとの熱連通が向上する。さらに好ましくは、リザーバが上方に拡張された場合には、孔径は、表面張力が流体をさらに上昇させるのに十分なほど強くなるようなものである。これにより、管状部分が流体をさらに高速で引き上げることができ、さらに多量の噴霧が可能になる。
【００４４】
リザーバは、噴霧器ヘッドのマニホルド入口１０９よりも上に延在しており、多孔質材料の孔径は、マニホルド入口１０９から噴射室２０１に至る噴霧器ヘッドのマニホルドが、毛管力および／または重力によって多孔質材料から冷却流体を取り出すことを十分に可能にする大きさになるように選択される。
【００４５】
必要に応じて、管状部分内の一部分またはすべてに多孔質材料がなくてもよい。その場合、管状部分のその部分は、管状部分内の冷却流体の毛管力が冷却流体を多孔質材料またはマニホルド入口まで引き上げることができるような断面積で構成されることが好ましい。詳細には、管状部分の下側部分には多孔質材料がなくてもよく、その場合は、限られた距離だけ流体上昇させるのにもっと幅広い通路サイズで十分なことがある。代替として、システムが、プールが管状部分の端部を浸漬したままにするように冷却流体を含む場合は、多孔質材料内の毛管力が、管状部分の下側部分までサイホンで吸い上げることができるように、場合によってはリザーバまで完全に延在するもっと長い管状部分に多孔質材料がないままでもよい。
【００４６】
冷却システムのこの実施形態は、部材１１３全体にわたって連続的に液体のラインを維持するために、液体の連続するプール１１５を保持するように設計されていることが好ましい。リザーバの液体内容物全体は、多孔質材料１３３内に収容されていることが好ましい。プールは、必要に応じて、内側面の一部分と接触するように設計されてもよいが、噴霧部分が完全に浸漬しないことが好ましい。さらに、部材１１３は、噴霧室の様々な部分と接触する複数の分岐を有するように設計されてもよく、装置を重力に対する様々な向きで使用することができる。実際には、向きと関係なくキャップの周りから過剰な流体を流すのを支援するために、噴霧室全体（熱伝達壁以外）を多孔質材料で内張り（ライニング）することができる。
【００４７】
増分噴霧器は、代替として、圧電技術（すなわち、圧電ノズル）などの他の種類のインクジェット液滴噴射技術を利用していもよい。この技術の例は、第５，９２４，１９８号、第４，５００，８９５号および第４，６８３，４８１号を含む多数の米国特許に開示されており、これらは、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。他の熱方式のインクジェット技術も同様に、インクジェット噴霧冷却に使用するのに適していることがある。熱方式の増分噴霧器と共に使用するのにきわめて好ましい冷却流体は、３Ｍ（登録商標）のＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ（登録商標）であり、これは、既存の熱方式のインクジェット技術に利用可能である。しかしながら、電子回路に水の潜在的腐食作用あるいは水に何か不純物が入った場合の潜在的導電性が生じないように、実施形態は、（好ましくは）蒸留水と共に使用することができる。
【００４８】
図４を参照して、また、発熱する半導体素子を含むチップ３０１などの１つまたは複数の発熱する装置を含む構成部品を冷却する本発明の第２の実施形態を提供する。第１の実施形態と同じように、冷却システムは、冷却キャップ３０３を構成する本体と、噴霧器ヘッド３０５内の１つまたは複数の噴霧器とを含む。キャップと噴霧器ヘッドは、単一の冷却アセンブリに組み込まれることが好ましい。キャップは、冷却流体を噴霧することができチップと熱連通する噴霧室３０７を画定するように構成される。噴霧器ヘッドは、リザーバ３１１から液体状態の冷却流体を受け取るマニホルド入口３０９を含む。リザーバは、流体連通しており、凝縮器３２０と一体の単一チャンバを構成することが好ましい。
【００４９】
第１の実施形態と同じように、チャンバ３０７は、冷却キャップ３０３内に取り囲まれることが好ましく、冷却キャップ内の閉ループ冷却システムの一部を構成することが好ましい。熱伝達壁３１７は、冷却流体３１９がチップ３０１と熱連通できる本体の一部分を画定することが好ましい。冷却流体は、噴霧室の境界を形成する熱伝達壁の内側面３２５に直接噴霧される。壁の外側面３２７は、チップの一部分に適合して保持されるように構成されることが好ましい。これにより、冷却流体は、熱伝達壁を介してチップと熱連通し、熱を吸収し、チップから放散された熱により蒸発することができる。
【００５０】
前と同じように、熱伝達壁３１７は、チップ３０１から冷却キャップ３０３内に放散される熱に熱抵抗をほとんど提供しないような材料からなり、好ましくは薄い厚さで構成される。必要に応じて、ギャップ充填サーマル・フォームや他の熱伝導材料の境界材料などの熱接続材（サーマル・コネクタ）が、合わされたときに熱伝達壁とチップの間に入れられてもよく、したがって、チップと冷却キャップ内の冷却流体の間の界面の熱伝導性が高くなる。
【００５１】
冷却流体蒸気は、蒸気を運ぶように構成された１つまたは複数の蒸気パイプを介して、凝縮器３２０まで導かれるかまたは送られる。詳細には、蒸気パイプは、噴霧室から凝縮器まで好ましくは障害物のない通路を構成し、冷却キャップの外部を通る外部構造３２９Ａ、あるいは噴霧室から凝縮器まで好ましくは障害物のない通路を構成する冷却キャップの内部構造３２９Ｂから形成することができる。蒸発した冷却液は、重力（すなわち、浮力）および／または噴霧室内に生じた蒸気静圧によって凝縮器に流れる。リザーバと凝縮器が一体的に形成されている場合（図示したように）、パイプは、リザーバ内の流体レベル３１５より高いレベル（重力方向に関して）で凝縮器内に開いている。代替として、パイプの端部に逆止め弁を取り付けることができる。
【００５２】
第１の実施形態で説明したようなコントローラ（図示せず）は、噴霧した冷却流体を蒸発させる熱がチップから放散される熱と等しくなるように噴霧器の噴霧量を制御することが好ましい。そのような場合に、実質的にすべての冷却流体が蒸発する。
【００５３】
さらに他の実施形態は、ＭＩＮＣＯ（登録商標）によって作成されたタイプのＫＡＰＴＯＮ（商標）パッチ・ヒータなど、１つまたは複数の薄膜抵抗ヒータ３３７（見やすいように図４ではかなり大きく示した）を含む。そのようなヒータは、噴霧室の各内側壁に配置されることが好ましい。さらに、噴霧室の各内側壁に温度センサが配置されることが好ましい。コントローラの制御下で、また温度センサによる測定値に従って、噴霧室が規定の温度に維持されるように、ヒータに通電して、噴霧室の各壁を加熱することができる。規定の温度は、噴霧室内の圧力と関連した冷却流体の沸点に近いことが好ましい。その結果、ヒータと温度センサは、噴霧室の壁面の著しい凝結を防ぐ。
【００５４】
また、ヒータ３３７を使用して、構成部品の熱によって蒸発していない残留流体を蒸発させることができる。さらに、ヒータを使用して、構成部品の電源が断たれた後で（すなわち、多量の熱を発生していない）、すべての流体をリザーバまで汲み上げることができる。必要に応じて、噴霧室の重力方向の底にあるヒータだけに通電して、プールされた冷却流体を蒸発させることができる。
【００５５】
ヒータと温度センサは、冷却流体をリザーバまで汲み上げるポンプとして動作する。また、ポンプの代替の形態を使用して、過剰な液状冷却流体をリザーバ３１１まで汲み上げることができる。好ましい代替のポンプは、機械的な信頼性問題が起こる可能性のある能動的な機械ポンプではなく、前述のような受動的な毛管作用ポンプ（すなわち、毛管力によって流体を上方に移動させる装置）である。これは、後で第３の実施形態においてさらに詳しく説明する。第１の実施形態と同じように、噴霧器ヘッド３０５は、増分噴霧器を含むことが好ましく、増分熱方式噴霧器を含むことがさらに好ましい。
【００５６】
凝縮器３２０は、様々なヒートシンク技術を使用する異なる設計のいずれでもよい。凝縮器内に凝縮した蒸気は、重力で流れてリザーバ３１１内の液体と合わさる。リザーバは、噴霧器ヘッドよりも上にあることが好ましく、その結果、重力（および／または毛管力）によって、液体がリザーバから噴霧器マニホルド３０９に流れて噴霧ノズルに供給する。このように、受動的な熱サイホン・ポンプが作成され、冷却流体を閉ループ・システム内に通すために能動的なポンプを必要としない。
【００５７】
図５を参照すると、発熱する半導体素子を含むチップ４０１などの１つまたは複数の発熱する装置を含む構成部品を冷却する冷却システムの第３の実施形態が提供される。第３の実施形態は、最初の２つの実施形態の特徴が組み合わされている。以上のコメントは、適切な場合には第３の実施形態に当てはまるように理解され、また以下のコメントは、適切な場合には第１および／または第２の実施形態に当てはまるように理解されるべきである。
【００５８】
冷却システムは、冷却キャップ４０３を構成する本体と、２つの各噴霧器ヘッド４０５内の少なくとも１つの噴霧器（または、好ましくは複数の噴霧器）を含む。また、本発明の範囲内で、１つの噴霧器ヘッドまたは３つ以上の噴霧器ヘッドが想起される。キャップと噴霧器ヘッドは、単一の冷却アセンブリに組み込まれることが好ましい。キャップは、冷却流体を噴霧することができチップ４０１と熱連通するる１つまたは複数の噴霧室４０７を構成するように構成される。噴霧器ヘッドはそれぞれ、リザーバ４１１から液体状態の冷却流体を受け取るマニホルド入口４０９を含む。
【００５９】
より詳細には、各噴霧室４０７は、冷却キャップ４０３内に密閉されていることが好ましく、冷却キャップ内で閉ループ冷却システムの一部分を構成することが好ましい。熱伝達壁４１７は、冷却流体がチップ４０１と熱連通することができる本体の一部分を画定することが好ましい。冷却流体は、熱伝達壁の内側面４２５（すなわち、噴霧室の境界を構成する面）上に直接噴霧される。壁の外側面４２７は、チップ（すなわち、半導体素子またはそのカバー）の一部分に対して適合して保持されように構成されることが好ましい。したがって、冷却流体は、熱伝達壁を介してチップと熱連通し、熱を吸収し、場合によってはチップから放散された熱により蒸発することができる。
【００６０】
加熱された冷却流体は、蒸発し、再凝縮し、あるいは熱伝達壁と少なくとも部分的に合致することがある噴霧室の重力方向下部に溜まる。１つまたは複数の部材、およびより好ましくは大きい多面部材４１３が、噴霧器ヘッド４０５から重力方向に関して噴霧室４０７の底まで延在する。部材は、噴霧室内にプールを形成したすべての液状冷却流体を噴霧器ヘッドまで汲み上げる受動的毛管作用ポンプとして構成される。部材は、閉じ込め部分と、管状部分内に収容されている多孔質材料とを含むことがあり、あるいは多孔質材料だけからなってもよい。部材は、必要に応じて、噴霧室内の熱伝達壁の内側面４２５以外の表面の一部またはすべてを覆ってもよい。
【００６１】
第１の実施形態と同じように、多孔質材料の孔径は、液状冷却流体を閉じ込め部分まで引き上げてリザーバ４１１内の多孔質材料内に入れるのに十分な小ささである。好ましくは、孔径は、冷却流体をリザーバの途中レベルまで上昇させるのに十分なほど小さいが、多孔質材料の最上部に達しないか最上部にかろうじて達するように十分なほど大きい。リザーバは、噴霧器ヘッドのマニホルド入口４０９よりも上に延在し、また、多孔質材料の孔径は、マニホルド入口から噴射室に至る噴霧器ヘッドのマニホルドが、毛管力および／または重力によって多孔質材料から冷却流体を取り出すことができるほど大きくなるように選択される。
【００６２】
噴霧室４０７内で再凝結しない冷却流体蒸気は、蒸気を噴霧室から凝縮器まで運ぶ比較的妨げのない通路を画定する１つまたは複数の内部または外部蒸気パイプを形成する構造４２９を通って、凝縮器４２０まで導かれるかまたは送られる。蒸発した冷却液は、重力によって（すなわち、高温ガスが上昇する）かつ／または噴霧室内に生じた蒸気静圧によって、凝縮器に流れる。リザーバと凝縮器は、凝縮器内に凝縮する冷却流体がリザーバ内に流れて（例えば、滴って）、最も好ましくは毛管ポンプの多孔質材料内に流れるように構成される。
【００６３】
噴霧器ヘッドの噴霧器は、増分量の冷却流体を熱伝達壁の内側面上に噴出するように構成された増分噴霧器であることが好ましい。好ましいタイプの増分噴霧器は、熱方式の噴霧器である。
【００６４】
コンピュータ化されたコントローラ（図示せず）が、キャップに取り付けられた電力および信号ケーブル４４１によって、キャップ４０３に電気接続される。第１の実施形態に示したように、コントローラの場所と形態には多数の他の選択肢が存在する。また、第２の実施形態を参照して説明したヒータは、第３の実施形態に組み込まれてもよい。
【００６５】
この冷却システムが最適な効率で機能するには、以下の噴霧器の質量流量
【００６６】
【数４】
2005086204.tif 000006
【００６７】
が、内側面が乾燥したり浸漬したりしないように調整されることが好ましい。しかしながら、前述のように、本発明のいくつかの実施形態の下で、噴霧室から過剰な噴霧を効率的に除去することができる。
【００６８】
以上説明した凝縮器に使用されるヒートシンクは、空冷式、液冷式、冷凍式などの幅広い多数の既知のタイプのいずれでもよい。図５に示したように、１つの好ましいタイプは、羽根を横切る空気流を増大させるように構成されたファン４４３を備えた羽根付きヒートシンクである。
【００６９】
実施形態の代替の変形は、圧電噴霧器のような他のタイプの増分噴霧機構や、や、非増分噴霧器を含む他の噴霧機構などを含むことができる。要するに、以上開示した特徴は、本発明の意図した範囲内にある様々な構成で組み合わせることができる。さらに、本発明の実施形態は、米国特許第６，２０５，７９９号に記載された噴霧冷却装置の様々な組み合せを含むことができ、この特許は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【００７０】
一般的に言うと、本発明の多くの実施形態は、図２、図４および図５に示したような構成部品に押圧されるように構成することができる。構成部品は、カバーを含む通常のチップまたはカバーを外した半導体素子でよい。構成部品は、他のタイプの電子機器、光学装置（例えば、レーザ）、電子機械装置、その他のそのような発熱する装置でもよい。クランプや接着剤の使用など、様々な取付手段の使用は、本発明の範囲内である。
【００７１】
多くの実施形態は、向きに依存せず、かつ／または構成部品を任意の所定の向きに配置するように構成することができる。詳細には、毛管力ポンプは、一般に任意の向きで動作することができ、冷却装置の任意の部分に冷却流体と接触するように構成することができる。同様に、受動的な蒸気回収システムは、一般に、ほとんど任意の向きで動作し、熱交換器は、液状冷却流体を直接リザーバに、あるいは毛管ポンプの任意の機能部分に送るように構成することができる。
【００７２】
一体型ポンプ、リザーバおよび／または熱交換器で構成された冷却システムの代替として、これらの装置の１つまたは複数の組み合せを外部に配置した冷却システムが、本発明の範囲内で想起される。さらに、これらの外部装置を複数の個別の冷却システムによって共用することができる。
【００７３】
本発明は、冷却システムを設計し冷却システムを作成するための装置および方法、ならびに冷却システム自体を装置および方法を含むことを理解されたい。さらに、本発明の様々な実施形態は、インクジェット噴霧冷却システムの一般的な考察において以上開示した特徴の様々な組み合わせを含むことができ、インクジェット噴霧冷却システムに関して以上に示したように関連した方法（または、その一部分）を使用して設計、作成、操作することができる。
【００７４】
各冷却キャップは、同等のサイズの１つの構成部品あるいは熱伝達壁の外側面と適合する複数の構成部品と共に使用することができる。場合によっては、わずかに異なる高さの複数の構成部品に対応するために、熱接続材料（サーマル・インタフェース材料）を使用することができる。同様に、大きな構成部品に複数の冷却キャップを使用することができる。
【００７５】
さらに、前述のように単独またはグループで冷却された被冷却構成部品を、回路基板を介して電子的に相互結合された１つまたは複数の被冷却構成部品を支持する１つまたは複数の被冷却回路基板を含む回路基板に取り付けて被冷却システムを構成できることを理解されたい。そのような被冷却システムも本発明の範囲内である。さらに、１つまたは複数の共通の外部冷却流体凝縮器と共に使用することによって組み合わされた被冷却構成部品のグループも本発明の範囲内である。
【００７６】
同様に、本発明により構成部品を噴霧冷却流体で冷却する関連した方法は、前述の冷却キャップの外側面を構成部品の一部分と隣接させる段階と、冷却流体を熱伝達壁の内側面に噴霧する段階とを含むことができる。噴霧する段階は、噴霧器に信号を送って増分量の冷却流体を所定の頻度で熱伝達壁の内側面に噴出する段階を含むことができる。方法の他の態様は、前述の冷却システムの作成と使用において明らかである。
【００７７】
本発明の特定の形態を示し説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な修正を行えることは明らかであろう。したがって、本発明は、好ましい実施形態だけを詳細に説明したが、当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく様々な修正を行うことができることを理解されよう。したがって、本発明は、以上の考察により限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲を基準として定義される。
【００７８】
本発明は、以下の実施態様を含む。
【００７９】
＜１＞噴霧した冷却流体で部品を冷却するシステムであって、
密閉された噴霧室と熱伝達壁を形成する本体であって、前記壁が、前記噴霧室の境界をなす内側面を有し、前記壁が、前記部品の一部分に対して保持されるように構成された外側面を有する本体と、
前記冷却流体を前記内側面に噴霧するように構成された噴霧器とを備えるシステム。
【００８０】
＜２＞前記噴霧器が、制御信号に応じて前記壁上に増分量の冷却流体を噴出するように構成されたことを特徴とする上記＜１＞に記載のシステム。
【００８１】
＜３＞前記噴霧器が、熱方式の噴霧器であることを特徴とする上記＜２＞に記載のシステム。
【００８２】
＜４＞前記部品から放散された熱によって前記冷却流体が蒸発するような速度で前記噴霧器が増分量の冷却流体を噴出するように、前記噴霧器に制御信号を送るよう構成されたコントローラをさらに備える上記＜２＞に記載のシステム。
【００８３】
＜５＞前記噴霧された冷却流体を前記内側面から受け取るように構成されて前記受け取った冷却流体を前記噴霧器の入口に送るように構成されたリザーバを、前記本体がさらに形成することを特徴とする上記＜１＞に記載のシステム。
【００８４】
＜６＞前記部品から放散された熱で蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成された凝縮器を、前記本体がさらに有することを特徴とする上記＜１＞に記載のシステム。
【００８５】
＜７＞前記噴霧室から冷却流体を送り出すように構成されたポンプをさらに備える上記＜６＞に記載のシステム。
【００８６】
＜８＞前記ポンプが、重力方向に関して上方に前記噴霧器に向かって延在する多孔質通路を形成する１つまたは複数の空洞を画定する部材を備え、
前記多孔質通路が、前記冷却流体の表面張力によって前記冷却流体が前記噴霧器の方に吸い上げられるように構成されることを特徴とする上記＜７＞に記載のシステム。
【００８７】
＜９＞前記ポンプが、表面張力の作用下で前記噴霧器の方に冷却流体を吸い上げる手段を有する上記＜７＞に記載のシステム。
【００８８】
＜１０＞前記ポンプが、前記噴霧室の表面を加熱するように構成されたヒータを備えることを特徴とする上記＜７＞に記載のシステム。
【００８９】
＜１１＞蒸発した冷却流体を冷却し、前記噴霧室から前記噴霧器に送る装置であって、蒸発した冷却流体を受け取り、冷却するように構成された凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された前記蒸発した冷却流体が前記リザーバ内に通るように前記凝縮器と流体連通し、液状の冷却流体を前記噴霧器に送るように構成されたリザーバと、前記噴霧室から前記凝縮器まで延在する開いた通路を画定する構造とを具備する装置をさらに備える上記＜６＞に記載のシステム。
【００９０】
＜１２＞前記噴霧室の表面を加熱するように構成されたヒータをさらに備える上記＜１１＞に記載のシステム。
【００９１】
＜１３＞システムであって、
前記噴霧室の表面を加熱するように構成されたヒータと、
前記噴霧室の表面の温度を検出するように構成された温度センサと、
前記表面を所定の温度まで加熱するために、前記検出した温度に応じて前記ヒータに通電するように構成されたコントローラとを更に備える上記＜１１＞に記載のシステム。
【００９２】
＜１４＞システムであって、
前記噴霧室を介して前記壁に増分量の前記冷却流体を噴出するように構成された前記噴霧器を組み入れた熱方式のインクジェット型ヘッドと、
冷却流体を前記噴霧室から、前記本体によって画定されたリザーバに送るように構成されたポンプであって、前記リザーバが、前記熱方式のインクジェット型ヘッドに冷却流体を送る出口を具備するように構成されたポンプとを備え、
前記部品によって加熱された冷却流体から熱を除去するように構成された凝縮器をさらに前記本体が画定する上記＜１＞に記載のシステム。
【００９３】
＜１５＞前記凝縮器が、前記リザーバと一体的であることを特徴とする上記＜１４＞に記載のシステム。
【００９４】
＜１６＞前記ポンプが、液状冷却流体を送るように構成されることを特徴とする上記＜１４＞に記載のシステム。
【００９５】
＜１７＞前記本体が、一体型ユニットであることを特徴とする上記＜１４＞に記載のシステム。
【００９６】
＜１８＞前記噴霧室が、関係のないガスを少なくともある程度排気されることを特徴とする上記＜１＞に記載のシステム。
【００９７】
＜１９＞半導体素子と、
前記半導体素子を支持する基板と、
噴霧室を画定する本体と、
熱伝達壁であって、前記噴霧室の境界をなす内側面を画定し、前記半導体素子の一部分と隣接する外側面を画定する前記壁と、
冷却流体と、
前記冷却流体を前記内側面に噴霧するように構成された噴霧器とを備える被冷却部品。
【００９８】
＜２０＞前記噴霧器が、制御信号に応じて、前記半導体素子と熱連通する増分量の冷却流体を噴出するように構成されることを特徴とする上記＜１９＞に記載の被冷却部品。
【００９９】
＜２１＞前記噴霧器が、熱方式のインクジェット型ヘッドに組み込まれていることを特徴とする上記＜２０＞に記載の被冷却部品。
【０１００】
＜２２＞前記半導体素子を十分に冷却しながら前記冷却流体を蒸発させるのに適した速度で前記噴霧器が冷却流体を噴出するように、前記噴霧器に制御信号を送るよう構成されたコントローラをさらに備える上記＜２０＞に記載の被冷却部品。
【０１０１】
＜２３＞前記内側面から前記噴霧された冷却流体を受け取るように構成されて前記噴霧器の入口に冷却流体を送るように構成されたリザーバを、前記本体が画定することを特徴とする上記＜１９＞に記載の被冷却部品。
【０１０２】
＜２４＞前記半導体素子からの熱によって蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成された凝縮器を、前記本体が画定することを特徴とする上記＜１９＞に記載の被冷却部品。
【０１０３】
＜２５＞前記噴霧室から冷却流体を送り出すように構成されたポンプをさらに備える上記＜２４＞に記載の被冷却部品。
【０１０４】
＜２６＞被冷却部品において、
前記噴霧器を組み入れた熱方式のインクジェット型ヘッドと、
冷却流体を前記噴霧室から、本体によって画定された凝縮器に送るように構成されたポンプであって、前記凝縮器が前記半導体素子からの熱によって蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成されたポンプとを備え、
前記噴霧された冷却流体を受け取るように構成されて前記噴霧器の入口に冷却流体を送るように構成されたリザーバを、前記本体がさらに画定することを特徴とする上記＜１９＞に記載の被冷却部品。
【０１０５】
＜２７＞回路基板システムであって、回路基板と、上記＜１９＞に記載されたような複数の被冷却部品とを具備し、
各被冷却部品が前記回路基板に取り付けられる回路基板システム。
【０１０６】
＜２８＞被冷却部品が、さらに、冷却流体を前記内側面から、前記被冷却部品の前記本体によって画定された凝縮器に送るように構成されたポンプをさらに備え、
前記凝縮器が、前記被冷却部品の前記半導体素子からの熱によって蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成されており、
各被冷却部品の前記噴霧器が、増分量の冷却流体を前記半導体上に噴出するように構成された熱方式の噴霧器であり、
前記内側面から冷却流体を受け取るように構成されて各被冷却部品の前記噴霧器の入口に冷却流体を送るように構成されたリザーバを、各被冷却部品の前記本体が画定することを特徴とする上記＜２７＞に記載のシステム。
【０１０７】
＜２９＞回路基板システムであって、
複数の回路基板と、上記＜１９＞の複数の前記被冷却部品とを具備し、
前記複数の被冷却部品が、前記複数の回路基板に取り付けられており、
前記複数の被冷却部品が、前記複数の回路基板によって電気的に相互接続されている回路基板システム。
【０１０８】
＜３０＞  被冷却部品が、さらに、冷却流体を前記内側面から、前記本体によって画定された前記凝縮器まで送るように構成されたポンプを備え、
前記凝縮器が、前記半導体素子からの熱によって蒸発した冷却流体から熱を除去するように構成されており、
各被冷却部品の前記噴霧器が、前記半導体上に増分量の冷却流体を噴出するように構成された熱方式の噴霧器であり、
前記内側面から冷却流体を受け取るように構成されて各被冷却部品の前記噴霧器の入口に冷却流体を送るように構成されたリザーバを、各被冷却部品の前記本体が画定することを特徴とする上記＜２９＞に記載の回路基板システム。
【０１０９】
＜３１＞噴霧した冷却流体で部品を冷却する方法であって、
本体の外側面を前記部品の一部分と隣接させる段階であって、前記本体が、密閉された噴霧室と熱伝達壁とを画定し、前記壁が、前記噴霧室の境界をなす内側面を画定し、前記壁が、前記部品の前記一部分に対して保持された外側面を画定するような段階と、
冷却流体を前記壁の前記内側面上に噴霧する段階とを有する方法。
【０１１０】
＜３２＞前記噴霧する段階が、前記壁の前記内側面に増分量の冷却流体を所定の頻度で噴出するように噴霧器に信号を送る段階をさらに有することを特徴とする上記＜３１＞に記載の方法。
【０１１１】
＜３３＞前記噴霧器が、多量の冷却流体を保持するように構成された噴射室を画定する本体を備え、前記本体が、さらに、前記噴射室と連通するオリフィスを画定し、
前記噴霧器が、さらに、前記噴射室と熱連通する発熱体を備え、前記発熱体が、前記噴射室内に保持された前記冷却流体の一部分を蒸発させるように構成されており、前記発熱体が前記噴射室内に保持された前記冷却流体の一部分を蒸発させたときに、前記オリフィスが前記噴射室から前記熱源に冷却流体を導くように構成され、
前記噴霧する段階において、前記噴霧器に信号が送られたときに、前記噴射室内に保持された前記冷却流体の一部分を前記発熱体が蒸発させ、それにより、冷却流体が前記噴射室から前記半導体素子に導かれることを特徴とする上記＜３２＞に記載の方法。
【０１１２】
＜３４＞前記内側面に噴霧された冷却流体を受け取るように構成されて前記噴霧する段階で使用される前記噴霧器に前記噴霧冷却流体を送るように構成されたリザーバを、前記本体がさらに画定し、
前記噴霧室から前記リザーバに流れるように前記冷却流体を送る段階をさらに有することを特徴とする上記＜３１＞に記載の方法。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明は、半導体素子、チップ、医療用電子機器、発光ダイオード、レーザ、その他の光学装置（光学素子）などの発熱する装置用の冷却システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】従来技術の噴霧冷却システムのシステム配置の図である。
【図２】プリント回路基板上の構成部品を冷却するように構成された、本発明の冷却システムの第１の実施形態の断面図である。
【図３】図２に示した冷却システムに使用されるような１対の増分噴霧器の断面図である。
【図４】プリント回路基板上の構成部品を冷却するように構成された、本発明の冷却システムの第２の実施形態の断面で図である。
【図５】プリント回路基板上の構成部品を冷却するように構成された、本発明の冷却システムの第３の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０１  チップ
１０３  冷却キャップ
１０５  噴霧器ヘッド
１０７  噴霧室
１０９  マニホルド入口
１１１  リザーバ
１１３  部材
１１５  プール
１１７  熱伝達壁
１１９  冷却流体
【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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