JP2000504154A - 複数の電子モジュールを噴霧冷却するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 装置７０は、第１面７４と第２面７６とを有する実質的に平坦なプレート７２を備える。実質的に平坦な複数の流体分配多岐管８２がプレートの第１面に形成され、各流体分配多岐管はプレートの第１面の少なくとも一部に対して窪んでいる表面８４を有する。ノズル・ハウジング８６は、各流体分配多岐管の表面に位置する。ノズル・ハウジングはノズルを収納し、受入端８８と噴霧端７０とを有する。噴霧端は開口部９２を有し、プレートの第２面と連通する。受入端は複数の流体分配多岐管の１つの表面と連通する。

Description

【発明の詳細な説明】 複数の電子モジュールを噴霧冷却するための装置 技術分野 本発明は、一般に電子熱源の冷却に関し、さらに詳しくは、複数の電子モジュ ールを噴霧冷却する装置に関する。 発明の背景 プリント回路板 (ＰＣＢ：printed circuit board)，多重チップ・モジュール (ＭＣＭ：multi-tip module)，電力増幅器とフィルタなどの受動部品とを備え る電子ハイブリッド・アセンブリなどの発熱電子モジュールは、バーサ・モジュ ール・ヨーロッパ(ＶＭＥ：Versa Module Europe)ケージまたは電子工業会(ＥＩ Ａ：Electronic Industires Association)サブラックなどのラック型ハウジング に共に多く配置される。通常、共に収納された電子モジュールは、自然のあるい は強制的な空気の対流により冷却される。この場合、熱容量と熱伝達係数が相対 的に低いために、ハウジング内に大量の空気を移動させることが必要になり、ま た、モジュール間に広い間隔が必要になる。その結果、空冷工程そのものにより 、望ましくない音 響ノイズと、ダストなどの汚染源とをハウジング内に導入する。また、空冷ハウ ジングは、吸熱器など熱拡散装置のために重くなる。 Tilton他による米国特許第５，２２０，８０４号に開示される蒸発噴霧冷却は 、霧状になった液滴を電子モジュールルなど発熱装置の表面に直接的に噴霧する ことを特徴とする。液滴がモジュールの表面に衝突すると、液体の薄膜がモジュ ールを覆い、主として、モジュール表面からの液体の蒸発によって熱が除去され る。 多くの電子用途において、蒸発噴霧冷却は好適な熱除去方法であるが、既知の 噴霧冷却システムは、共に収納されるいくつかの電子モジュールを同時に冷却す るよう特別に設計されるわけではない。 従って、複数の電子モジュールを同時に噴霧冷却するための小型装置が必要で ある。 発明の概要 本発明のある局面により、複数の電子モジュールを噴霧冷却する装置であって 、チャンバを規定する筐体を備える装置により上記の問題は改善される。この筐 体は、第１壁と第１壁に対向する第２壁とを有する。第１および第２壁は、それ ぞれ内側と外側とを有する。第１群のガイドが、第１壁の内側に一体的に形成さ れ、第２群のガイドが第２ 壁の内側に一体的に形成される。第１群のガイドのそれぞれ１つずつは、第２群 のガイドのそれぞれと実質的に整合状態にあり、その間に電子モジュールを固定 する。複数の実質的に平担な流体分配多岐管が、第１壁に一体的に形成され、各 流体分配多岐管は、第１壁の外側の少なくとも一部分に対して窪む表面を有する 。各流体分布多岐管の表面内に、複数のノズルが一体的に形成される。各ノズル は、受入端と噴霧端とを有する。噴霧端には開口部があり、第１壁の内側と連通 する。受入端は、複数の流体分布多岐管の１つの表面と連通する。各ノズルの受 入端は、複数の流体分配多岐管の１つから流体を受け取り、各ノズルの噴霧端は その流体を霧化して、霧化された流体を開口部を通じて放出する。 本発明の別の局面により、複数の電子モジュールを噴霧冷却する装置は、第１ 側と第２側とを有する実質的に平担なプレートを備える。複数の実質的に平担な 流体分配多岐管がプレートの第１側に形成され、各流体分配多岐管は、プレート の第１側の少なくとも一部分に対して窪む表面を有する。ノズル・ハウジングが 、各流体分配多岐管の表面内に位置される。ノズル・ハウジングは、ノズルを収 納するもので、受入端と噴霧端とを有する。噴霧端は開口部を有し、受入端は複 数の流体分配多岐管の１つの表面と連通する。噴霧端は、プレートの第２側と連 通する。 本発明のさらに別の局面により、複数の電子モジュール を噴霧冷却する方法は、第１側と第２側とを有する実質的に平担なプレートを設 ける段階を備える。プレートの第２側は、その中に一体的に形成された複数のガ イドを有する。複数のガイドの各々は、電子モジュールを収納する寸法を有する 。次に、流体が、プレートの第１側に形成され、それぞれがプレートの第１側の 少なくとも一部分に対して窪む表面を有する、実質的に平担な流体分配多岐管に 供給される。この流体は、次に、各流体分配多岐管の凹面に位置するノズルによ り受け取られる。ノズルは噴霧端と開口部とを有する。最後に、流体はノズルの 噴霧端により霧化され、霧化された流体は、ノズルの開口部を通じて放出される 。 本発明の利点は、例解のために図示および説明される本発明の好適な実施例の 下記の説明により、当業者には容易に明らかになろう。認識頂けようが、本発明 には他の異なる実施例も可能であり、その詳細は種々の点において改良が可能で ある。従って、図面および説明は、本来、例解として見なされるべきものであり 、制限を加えるためのものではない。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明の第１実施例による複数の電子モジュールを噴霧冷却する装 置の等角図である。 第２図は、第１図に図示される複数の電子モジュールを噴霧冷却するノズルの 側面図である。 第３図は、通常の動作中の、第１図に図示される装置の前面図である。 第４図は、本発明の第２実施例による複数の電子モジュールを噴霧冷却する装 置の等角図である。 第５図は、第４図に図示される複数の電子モジュールを噴霧冷却する装置の前 面図である。 第６図は、第４図に図示される装置の底面図である。 好適な実施例の詳細説明 図面を参照して、ここでは、同様の番号は同様の部品を指すものとするが、第 １図は本発明の第１実施例による複数の電子モジュールを噴霧冷却する装置の等 角図である。図示されるように、筐体１０は、４つの壁１４，１６，１８，２０ を有する所望の寸法の矩形のチャンバ１２を規定する。しかし、筐体１０は、所 望の形状とすることができ、たとえばプラスチックやアルミニウムなどの金属な ど適切な材料により構築される。筐体１０を仕切って、複数のチャンバを作成し てもよい。 上壁１４は、２つの側面、内面２２と外面２４とを有する。上壁は底壁１６と 対向し、これも２つの側面、内面２６と外面２８とを有する。複数の開孔３１が 底壁１６内に 配置される。 複数のガイド３０が、上壁１４の内面２２と、底壁１６の内面２６とに一体的 に形成される。上壁１４の各ガイド３０は、底壁１６のガイド３０と実質的に整 合状態にあるので、電子モジュール（第３図に図示）をガイド３０の対の間に固 定することができる。たとえば、プリント回路板（ＰＣＢ），フィルタなどの受 動部品，多重チップ・モジュール（ＭＣＭ）および電力増幅器などの電子ハイブ リッド・アセンブリなどの電子部品を、ガイド３０の対に収納することができる 。ガイド３０は、電子モジュールのための電気的相互接続も行う。 流体分配多岐管３２は、ガイド３０同士のほぼ中間に、上壁１４と一体的に形 成される。各流体分配多岐管３２は、上壁１４の外面２４上に凹面３４を備える 。凹面３４は、たとえば溝である。流体分配多岐管３２は、任意の断面形状を有 する。円錐形，矩形または円形の断面形状が好適である。 複数のノズル３６が、各流体分配多岐管３２の凹面３４内に一体的に形成され る。例として、１つの流体分配多岐管３２につき２０個のノズルを設ける。ノズ ル３６は、凹面３４に対して垂直であっても、あるいは凹面３４にたいして多少 の角度をつけてもよい。 第２図に示されるように、ノズル３６は、受入端３８と噴霧端４０とを有する 。噴霧端４０は、開口部４２を有す る。第１図に示されるように、ノズル３６の受入端３８は、１つの流体分配多岐 管３２の凹面３４と連通しており、ノズル３６の噴霧端４０は上壁１４の内面２ ２と連通する。 ノズル３６は、好ましくは、約０．３ミリの高さを有する単式圧力渦噴霧器な どの小型噴霧器である。開口部４２は、約０．１５ミリの直径である。単式圧力 渦噴霧器は、Tilton他による米国特許５，２２０，８０４号に詳細に開示され、 ワシントン州コルトンのIsothermal Systems Research社から市販される。 再び第１図および第２図を参照して、流体分配多岐管３２は、冷却剤（第３図 に説明）をノズル３６の受入端３８に供給する。ノズル３６の噴霧端４０は、こ の冷却剤を霧化して、霧化された流体を開口部４２を通じて放出する。冷却流体 は、好ましくは３Ｍ社から市販されるFluorinert（発注番号ＦＣ-７２)であるが 、周知のもので、広く普及する液体などその他の適切な誘電性冷却剤でもよい。 たとえば、Fluorinertと同様の過フッ化炭化水素液がAusimont Galdenから入手 可能である。 第３図は、第１図に示される噴霧冷却システムの実施例の通常の動作を示す。 霧化された流体４３は、ノズル３６（第１図および第２図に図示）により電子モ ジュール４５に対して平行に噴霧される。平方センチあたり最大３０ワットの電 力密度を有するモジュールは、この噴霧冷却システムにより有効に冷却される。 個々の部品から直接的に熱 を除去することにより、モジュール４５とその関連部品の動作温度を下げること ができ、熱変動とそれに伴う熱応力とを除去することで、信頼性が増大する。さ らに、電子モジュール４５間の間隔制限が排除されるので、モジュールを、モジ ュールに付属される部品（図示せず）の高さに近づけて共に配置することができ る。 再び第１図を参照して、液漕４６を規定する流体供給多岐管４４を上壁１４の 外面２４に付けて封着することができる。液体供給多岐管４４は、流体分配多岐 管３２に冷却剤を供給する。 同様に、流体放出多岐管４８を底壁１６の外面２８に付けて、封着することが できる。流体放出多岐管４８は、開孔３１を介して筐体１０から除去された冷却 剤を収集する。 封着が必要な場合にいつでも、多くの方法および材料を用いることができる。 たとえば、適合するガスケットおよびファスナの代わりに、あるいはそれに加え て、超音波接合，鑞付，ハンダ付またはタップ加工などを利用することができる 。 第１図に示されるように、配管５２を介して液体供給多岐管４４に接続される 流体ポンプ５０が、液体供給多岐管４４に冷却剤を供給する。配管５４によりポ ンプ５０に接続され、配管５６により流体放出多岐管４８に接続されるコンデン サ５３が流体放出多岐管４８から流体を受け取り、流体の熱を排除し、任意でフ ァン５８を介して冷却を行い、 冷却された流体を液体供給多岐管４４に供給する。かくして、冷却剤の閉ループ 流が形成される。ある特定の時刻に冷却剤を蒸気，液体または蒸気と液体の混合 体にすることができることを理解頂きたい。 本発明の説明された実施例と共に、冷却剤流を提供する従来の手段を用いるこ と、また、１つの冷却剤源に２つ以上の筐体１０を接続すること、あるいは１つ 以上の冷却剤源を１つの筐体１０に接続することもできる。あるいは、１つ以上 の閉ループ流体流システムを筐体１０内の、たとえば仕切られたチャンバ内に収 納することもできる。 流体ポンプ５０，コンデンサ５２およびファン５８の寸法は、熱除去と流速の 条件に基づいて選択すべきである。たとえば、通常の閉ループ流体流速は、毎分 ５００ないし１０００ミリリットルで、５００ないし１０００ワットの熱放散率 である。Isothermal Systems Research社からは種々の寸法のポンプとコンデン サのアセンブリが市販されており、許容範囲内の配管および継手は、イリノイ州 バーノンヒルズのCole-Parmer社から入手することができる。 片方または両方で、電子モジュール４５（第３図に図示）の電気接続を行うバ ックプレーンを形成するエンド・プレート６０を、任意の適切な手段により筐体 １０に封止することができる。図示されるように、エンド・プレート６０と筐体 １０との間に締められるガスケット６２が封緘剤と して働く。少なくとも１つのエンド・プレート６０も、筐体１０と一体的に形成 される。 ここで開示される閉ループ流体流システムには多くの利点がある。たとえば、 大量の流体供給放出導管を配管し管理する必要がなく、異なる種類のモジュール を冷却するために噴霧ノズルを配置および再配置することもない。その結果、回 路がさらに集積され、ラック型ハウジング内の電子モジュール上または電子モジ ュール間の物理的空間が小さくなっても、ここで開示される噴霧冷却アセンブリ の寸法，重量または複雑性が増大することがない。 システムが簡単であるために、その機能性も高められる。たとえば、噴霧冷却 アセンブリの修理の際に、数多くの流体導管を外して再配置する必要がなく、シ ステムが漏洩する可能性が減る。同様に、このシステムの設計は、個別の電子モ ジュールに対してアクセスする場合の障害をなくし、モジュールの取り外しが容 易になる。 第４図は、本発明の第２実施例による複数の電子モジュールを噴霧冷却する装 置７０の等角図である。装置７０は、アルミニウムなどの金属またはその他の適 切な材料で構築されるプレート７２を備える。プレート７２は、上面７４と底面 ７６とを有する。図では、プレート７２は長さが約２２０ミリ，幅が約１２７ミ リ，厚みが約６．５ミリである。 複数のガイド７８がプレート７２の底面７６に一体的に 形成される。ガイド７８は、電子モジュール（図示せず）を配置するために用い られ、図では約３． ５ミリの幅を持つ。 液体供給多岐管８０が、プレート７２の上面７４と封止連通状態にある。図で は、液体供給多岐管８０は、深さが約１３．５ミリで、毎分約１０００ミリリッ トルの流速で装置７０に対し冷却剤（図示せず）を供給する。装置７０を任意の 適切な方法で筐体に付着させ、電子モジュールを収納すること、また冷却剤の閉 ループ流を提供する同一または同様の手段を、第１実施例に関して説明されたよ うに本発明の第２実施例と連係して用いることもできる。 第４図の装置７０の前面図である第５図に示されるように、プレート７２は、 プレート７２の上面７４と一体的に形成された実質的に平坦な流体分配多岐管８ ２を備える。各流体分配多岐管８２は、プレート７２の上面７４内に凹面８４を 有する。 各流体分配多岐管８２の凹面８４内に、１つ以上のノズル・ハウジング８６が 形成される。ノズル・ハウジング８６は、受入端８８を有し、これは流体分配多 岐管８２の凹面８４内に位置する。ノズル・ハウジング８６の噴霧端９０は、プ レート７２の底面７６と連通し、直径で０．１５ミリ程度の開口部９２を備える 。各ノズル・ハウジング８６は、任意の適切な材料で作成されるノズル（第２図 に図示）を収納する。適切な材料の一例に、真鍮などの金属材 料がある。ノズルを、たとえば、圧入，ハンダ付または接着などによりノズル・ ハウジング８６に固定してもよい。あるいは、ノズルを各流体分配多岐管８２内 に一体的に形成することもできる。 第６図は、第４図に示される装置の底面図である。図示されるように、装置９ ２はプレート７２（第４図および第５図に図示）の底面７６と連通する。流体分 配多岐管８２の底表面８３も、プレート７２の底面７６上にある。図示されるよ うに、１００個のノズル（第２図に図示）に対応する１００個の開口部９２は、 ５つの流体分配多岐管８２（第５図に図示）の間で等分に分割されるので、各多 岐管８２は２０個のノズルを有する。第４図および第５図に示されるように、こ のノズル配置は、ガイド７８で固定される４つの電子モジュールを冷却する。 第４図ないし第６図に説明される噴霧冷却システムの実施例は、第１図に説明 される噴霧冷却装置により実現される熱除去と実装上の利点を共有する。そのた め、電気部品間の間隔は、冷却システムの要件ではなく、部品の最大高により決 まる。さらに、プレート７２は小型で携帯型である。かくして、組立が効率的に なり、機能性と交換が簡素化され、熱源とノズルとの精密な位置合わせが可能に なる。 説明された実施例は通常動作中に冷却される電子モジュールを示すが、本発明 は、電子モジュールの通常の動作中の冷却だけに限らず、たとえば電子モジュー ルまたはモジ ュールに含まれる電子回路素子の試験および評価の間にも適応されることは言う までもない。 また、本発明の他の形態および更に別の形態を、添付の請求項およびその等価 物の精神と範囲から逸脱せずに考案できることも明らかであり、いかなる場合に も本発明が上記の特定の実施例に限定されず、添付の請求項およびその等価物に よってのみ支配されることは言うまでもない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数の電子モジュールを噴霧冷却する装置であって： 第１面と第２面とを有する実質的に平坦なプレート； 前記プレートの前記第ｌ面内に形成され、各々が前記プレートの前記第１面の 少なくとも一部分に対して窪んだ表面を有する、複数の実質的に平坦な流体分配 多岐管；および 各流体分配多岐管の前記表面内のノズル・ハウジングであって、ノズルを収納 し受入端と噴霧端とを有し、前記噴霧端は開口部を有して、前記受入端が前記複 数の流体分配多岐管の１つの表面と連通し、前記噴霧端が前記プレートの前記第 ２面と連通する、ノズル・ハウジング； によって構成されることを特徴とする装置。 ２．前記ノズルが前記ノズル・ハウジングに圧入されることを特徴とする請求 項１記載の装置。 ３．前記ノズルが前記ノズル・ハウジング内にハンダ付けされることを特徴と する請求項１記載の装置。 ４．前記プレートが真鍮によって構成されることを特徴とする請求項１記載の 装置。 ５．前記プレートがアルミニウムによって構成されることを特徴とする請求項 １記載の装置。 ６．前記複数の流体分配多岐管の各々の前記表面が溝によって構成されること を特徴とする請求項１記載の装置。 ７．前記複数の流体分配多岐管の各々が実質的に円錐形の断面部を有すること を特徴とする請求項１記載の装置。 ８．前記複数の流体分配多岐管の各々が実質的に矩形の断面部を有することを 特徴とする請求項１記載の装置。 ９．前記複数の流体分配多岐管の各々が実質的に円形の断面部を有することを 特徴とする請求項１記載の装置。 １０．前記プレートの前記第１面と封止連通状態にあり、前記複数の流体分配 多岐管に流体を供給する液体供給多岐管によってさらに構成されることを特徴と する請求項１記載の装置。