JP2000508473A - 電子モジュールを噴霧冷却するための装置および方法 - Google Patents

電子モジュールを噴霧冷却するための装置および方法

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JP2000508473A JP9536174A JP53617497A JP2000508473A JP 2000508473 A JP2000508473 A JP 2000508473A JP 9536174 A JP9536174 A JP 9536174A JP 53617497 A JP53617497 A JP 53617497A JP 2000508473 A JP2000508473 A JP 2000508473A
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ジェイ マックダン・ケビン
リンパー―ブレナー・リンダ
ディー プレス・ミヌー
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Abstract

(57)【要約】 本装置は第1の層(12)および該第1の層(12)に対向する第2の層(14)を有する板状部材(10)を含む。第1の流体分配導管(28)が前記第1の層(12)に配置されかつ第2の流体分配導管(28)が前記第2の層(14)に配置される。第1の開口(36)を有する第1のノズルハウジングが前記第1の流体分配導管(28)に配置されかつ第2の開口(36)を有する第2のノズルハウジング(30)が前記第2の流体分配導管(28)に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】 電子モジュールを噴霧冷却するための 装置および方法 この出願は、本発明と同じ譲渡人に譲渡された、1996年4月10日出願の 、同時係属の米国特許出願シリアル番号TBA、代理人整理番号CE03015 R、に関連している。 発明の分野 この発明は一般的には電子モジュールの冷却に関し、かつ、より特定的には、 電子モジュールを噴霧冷却する(spray−cooling)ための装置およ び方法に関する。 発明の背景 マルチチップモジュールのような電子モジュール、電力増幅器のような電子ハ イブリッドアセンブリ、およびフィルタのような受動部品は通常の動作の間に冷 却を必要とする熱源を含んでいる可能性がある。しばしば、電子モジュールはプ リント回路基板のような基板上に配置され、かつバーサ・モジュール・ヨーロッ パ(Versa Module Europe:VME)ケージまたは電子工業 会 (EIA)のサブラックのようなラック型ハウジングで動作する。 一般に、電子モジュールおよびそれらの関連する部品は自然のまたは強制的な 空気対流によって冷却され、これは空気の比較的貧弱な熱容量および熱伝達係数 のため、電子モジュールを通って、あるいは該モジュールに取り付けられた重い ヒートシンクを通って大きな容積の空気を移動させることを必要とする。ラック 型ハウジングにおいては、空気冷却は電子モジュールの間に広い空間を生じる結 果となり、これはハウジングが非常に大きくなるようにする。さらに、空気冷却 プロセスは望ましくない音響的ノイズまたは、ほこりのような、他の汚染物を電 子モジュール内に導入することがある。 蒸発噴霧冷却(evaporative spray cooling)は霧 状にした流体の飛沫を直接電子モジュールのような熱源の表面上に噴霧すること を特徴とする。液体の飛沫がモジュールの表面上に衝突したとき、液体の薄膜が モジュールを覆い、かつ熱は主としてモジュールの表面からの液体の蒸発によっ て除去される。 蒸発噴霧冷却は数多くの電子製品の熱除去の好ましい方法であるが、電子モジ ュールのためのハウジングは電子モジュールを噴霧冷却する目的のためにしばし ば再設計されなければならない。 したがって、伝統的なラック型のハウジング内に統合で きる電子モジュールを噴霧冷却するための装置および方法が必要である。 発明の概要 本発明の一態様によれば、前述の必要性は第1の層および該第1の層に対向す る第2の層を有するプレートまたは板状部材(plate)を含む電子モジュー ルを噴霧冷却するための装置によって対処される。第1の流体分配導管(flu id distributing conduit)が前記第1の層に配置され かつ第2の流体分配導管が前記第2の層に配置される。第1の開口を有する第1 のノズルハウジングが前記第1の流体分配導管に配置されかつ第2の開口を有す る第2のノズルハウジングが前記第2の流体分配導管に配置される。 本発明の他の態様によれば、電子モジュールを噴霧冷却するための装置は第1 の層および第2の層を有するプレートを含み、前記第1の層は第1の内部面およ び第1の外部面を有しかつ前記第2の層は第2の内部面および第2の外部面を有 する。第1の流体分配導管が前記第1の内部面に形成されかつ第2の流体分配導 管が前記第2の内部面に形成されかつ実質的に前記第1の流体分配導管と整列さ れてマニホルドまたは多岐管(manifold)を形成する。第1のノズルが 前記第1の流体分配導管に配置される。第1のノズルは第1のリセプタクル端部 および第1の噴霧端 部を有する。第1の噴霧端部は第1の開口を有する。第1のリセプタクル端部は 前記第1の流体分配導管と連通しかつ前記第1の噴霧端部は前記第1の外部面と 連通している。第2のノズルが前記第2の流体分配導管に配置される。第2のノ ズルは第2のリセプタクル端部および第2の噴霧端部を有する。第2の噴霧端部 は第2の開口を有する。第2のリセプタクル端部は前記第2の流体分配導管と連 通しかつ前記第2の噴霧端部は前記第2の外部面と連通している。第1のリセプ タクル端部は前記第1の流体分配導管から流体を受け、前記第1の噴霧端部は該 流体を霧状にしかつ霧状にされた流体を前記第1の開口を通して放出する。第2 のリセプタクル端部は前記第2の流体分配導管から流体を受け、かつ前記第2の 噴霧端部は該流体を霧状にしかつ前記第2の開口を通して霧状にされた流体を放 出する。 本発明のさらに別の態様によれば、電子モジュールを噴霧冷却するための方法 は第1の層および第2の層を有するプレートを提供する段階を含み、前記第1の 層は第1の流体分配導管を有しかつ前記第2の層は第2の流体分配導管を有し、 前記方法はさらに前記第1の流体分配導管に配置された第1のノズルによって流 体を受ける段階を含み、前記第1のノズルは第1の開口を有し、前記方法はさら に前記流体を前記第2の流体分配導管に配置された第2のノズルによって受ける 段階を有し、前記第2のノズルは第2の開口を有し、前記方法はさらに前記第1 の開口を介して前 記流体を放出する段階、および前記第2の開口を介して前記流体を放出する段階 を備えている。 本発明の利点は実例によって示されかつ述べられた本発明の好ましい実施形態 の以下の説明から当業者に容易に明かになるであろう。理解されるように、本発 明は他のおよび異なる実施形態をとることが可能であり、かつその細部は種々の 点において変更または修正可能である。したがって、図面および説明は例示的な 性質のものと考えられるべきであり、かつ制限的なものと考えられるべきではな い。 図面の簡単な説明 図1は、本発明の好ましい実施形態に係わる電子モジュールを噴霧冷却するた めの装置の部分的斜視図である。 図2は、図1に示された装置の展開斜視図である。 図3は、本発明の好ましい実施形態に係わるノズルハウジングを図解する、図 2における線3−3に沿って描かれた装置の断面図である。 図4は、2つのプリント回路基板上の電子モジュールを同時に冷却するための 動作方法を示す、図1および図2に示された装置の斜視図である。 図5は、図1〜図4に示された装置のためのラック型ハウジングおよび閉ルー プ流体流れを示す。 好ましい実施形態の詳細な説明 次に図面に移ると、同じ参照数字は同じ要素を示しており、図1は本発明の好 ましい実施形態に係わる電子モジュールを噴霧冷却するための装置の部分的斜視 図である。図示の如く、該装置は実質的に方形であるプレートまたは板状部材1 0を含む。しかしながら、プレート10は任意の所望の形状にすることができ、 かつ任意の適切な材料、例えば、プラスチックまたはアルミニウムのような金属 で構成することができる。 プレート10は第1の層12および第2の層14を有する。図2に示されるよ うに、第1の層12および第2の層14は別個の部品(pieces)とするこ とができ、これらは種々の方法および材料を使用していっしょに固定することが できる。例えば、ねじのような留め金具、柔軟なまたはよくなじむガスケット( compliant gaskets)、接合(bouding)、超音波溶接 、はんだ付けまたはろう付け(brazing)を使用することができる。ある いは、プレート10は単一の部品として形成することができ、例えば気体幇助射 出成形(gas−assist injection molding)を使用 して、例えば、モールドプロセスの間に内部ボイドまたは欠如部(後に説明する )を形成することができる。 図2に示されるように、第1の層12が第2の層14から分離されたとき、第 1の層12は内側面または内部面16および外側面または外部面18を有するこ とが分かる。 同様に、第2の層14は内側面または内部面20および外側面または外部面22 を有する。 少なくとも1つの流体分配導管28が第1の層12の内部面16にかつ第2の 層14の内部面20に配置されている。第1および第2の層12,14の外部面 18,22上に突出部29を生じる結果となる、数多くの流体分配導管28が、 それぞれ、図2に示されている。第1の層12の内側面16における流体分配導 管28はみぞ(grooves)とすることができ、該みぞは図示の如く、これ もまたみぞとすることができる、第2の層14の内側面20における流体分配導 管と実質的に整列されており、それによってプレート10内で多岐管またはマニ ホルドが形成されるようになる。しかしながら、内側面16における特定の流体 分配導管28は内側面20における対応する流体分配導管28と整列される必要 はない。流体分配導管28は任意の断面形状とすることができる。円錐形、方形 または円形の断面形状が好ましい。 流体入口ポート23は、図2に示されるように、層12,14と一体的に形成 することができる。あるいは、流体入口ポート23は、例えばバーブを有する取 付部品(barbed fitting)を使用して、プレート10に別個に結 合することができる。 少なくとも1つのノズルハウジング30が少なくとも1つの流体分配導管28 に配置される。図3は図2の線3− 3に沿った断面図であり、第1の層12における1つのノズルハウジング30を 示している。ノズルハウジング30は流体分配導管28と連通するリセプタクル 端または端部(receptacle end)32を有する。ノズルハウジン グ30の噴霧端または端部(spray end)34は少なくとも部分的に第 1の層12の外部面18と連通しており、かつ開口36を含む。開口36は好ま しくは直径で0.15mmのオーダである。 各々のノズルハウジング30はノズル26を受けるような寸法とされ、該ノズ ル26は、図3に示されるように、旋回形または渦巻形プレート(スワールプレ ート:swirl plate)またはインサート(insert)とすること ができる。ノズル26は、例えば、圧入(press−fitting)、はん だ付け(soldering)あるいは接着または接合(bonding)によ ってノズルハウジング30に固定することができる。あるいは、ノズル26は流 体分配導管28に一体的に形成することができる。 ノズル26は好ましくはシンプレクスまたは単一圧力旋回噴霧器(simpl ex pressure−swirl atomizers)のような小型噴霧 器であり、これらはほぼ0.3mmの高さであり、かつ任意の適切な材料で製作 することができる。適切な材料の例は真鍮またはステンレススチールのような金 属材料である。単一圧力旋 回噴霧器は、ここに参照のため導入される、ティルトン(Tilton)他への 米国特許第5,220,804号に詳細に述べられており、かつアメリカ合衆国 、ワシントン、コルトン、に位置するイソサーマル・システムズ・リサーチ・イ ンコーポレイテッド(Isothermal Systems Researc h,Inc.)から商業的に入手可能である。 図4は、2つのプリント回路基板45上の電子モジュールを同時に冷却するた めの、プレート10の動作の様式を示す。図1〜図4を総合的に参照すると、プ レート10の第1の層12および第2の層14における流体分配導管28は流体 入口ポート23を介して冷却剤流体を受け、かつ該流体を流体分配導管28に配 置された数多くのノズル26のリセプタクル端部32へと供給する。図4には第 1の層12の内部面16に形成された流体分配導管28(図では見えない)によ って生じる第1の層12の外部面18の上の突出部29が見られる。 ノズル26の噴霧端部34は前記流体を霧状にしかつ霧状にした流体43を、 好ましくは外部面18および22に対して垂直の角度で、開口36を通して放出 する。あるいは、霧状にされた流体43は外部面18および22に対して小さな 角度で放出することもできる。霧状にされた流体43は、とりわけ、マルチチッ プモジュール、電子ハイブリッドアセンブリまたは受動部品のような電子モジュ ール を含むことができる、2つのプリント回路基板45上に実質的に同時に噴霧され る。 前記冷却剤流体は好ましくは3M社のフルオリナート(FluorinertTM )誘電体流体、オーダ番号FC−72、のような誘電体流体とすることができ るが、他の適切な誘電体流体とすることもでき、そのような流体はよく知られか つ広く入手可能である。例えば、3M社のフルオリナート(Fluoriner tTM)誘電体流体と同様のパーフルオロカーボン(perfluorocarb on)流体はオーシモン・ガルデン(Ausimont Galden(R))か ら入手可能である。 毎平方センチメートルあたり300ワットまでの電力密度を有する電子モジュ ールはプレート10の一方の側12,14によって効果的に冷却される。電子モ ジュールから直接熱を除去することは該モジュールおよびそれらに関連する部品 の動作温度を低下させることを助け、熱変動および関連する熱応力の大幅な低減 により信頼性を増大する。 図5は、図1〜図4に示された装置のためのラック型ハウジングおよび閉ルー プ流体流れを示す。任意の所望の寸法の実質的に方形のチェンバを規定する、シ ャシー60は、例えば、バーサ・モジュール・ヨーロッパ(VME)ラック型ハ ウジングとすることができる。シャシー60は任意の適切な材料、例えばプラス チックまたはアルミニュームのような金属、で構成できかつ複数のチェンバを生 成する ために仕切ることができる。 シャシー60の1つの可能な構成においては、2つの側部、内側側部61およ び外側側部63、を有する頭部壁62は、これもまた内側側部65および外側側 部67を有する底部壁66に対向している。数多くのガイド68が頭部壁62の 内側側部61にかつ底部壁66の内側側部65に形成されている。頭部壁62上 のガイド68は底部壁66上のガイド68と実質的に整列している。ガイド68 は任意選択的に電子モジュールのための電気的相互接続を提供する。 本発明の好ましい実施形態においては、電子モジュールを支持するプリント回 路基板45のような装置は対のガイド68の間に固定される。プレート10もま たガイド68によって位置決めされ、好ましくはプリント回路基板45の間に挟 まれ、それによって2つのプリント回路基板45上の電子モジュールがプレート 10の両方の層12,14から放出された霧状の流体43によって同時に冷却さ れるようになる。 図5に示されるように、霧状にされた流体43は2つのプリント回路基板45 上に実質的に同様の方法で衝突する。しかしながら、内側面16に配置された流 体分配導管28におけるノズル26の配置は内側面20に形成された流体分配導 管28におけるノズル26の配置と異ならせて、噴霧冷却される特定の回路基板 45の特定の冷却要件に対処 するようにすることができる。したがって、例えば、プレート10の第1の層1 2は第1の回路基板の頭部領域に噴霧し、一方プレート10の第2の層14は第 2の回路基板の底部領域に噴霧することができる。 空気冷却されるラック型のハウジングに存在する可能性のある電子モジュール の間の大きなスペースの制約はここで説明された噴霧冷却ブレート10を使用す る場合には本質的に存在しないものとすることができる。プレート10は事実上 モジュールに取り付けられた部品(図示せず)の高さが許容するのと同じだけ電 子モジュールの表面に近く配置することができ、結果として小型のモジュールパ ッケージングを可能にし、それはシャシー60内の間隔は主として、空気の容積 の要件ではなく、部品の高さによって決定できるからである。熱が大きな面積に わたり、例えば、大きなヒートシンクにわたり拡散される場合に最も効率的であ る、空気冷却と異なり、噴霧冷却は熱集中を可能にしまたは助長し、これは低減 されたパッケージ容積および重量に寄与する他の要因である。 再び図5を参照すると、シャシー60のための閉ループ流体流れの1つの例が 示されている。流体供給菅52が流体入口ポート23に取り付けられ、プレート 10内の流体分配導管28によって形成される導管(conduits)への冷 却剤流体の流れを提供する。あるいは、流体供給用の貯蔵器(図示せず)が頭部 壁62の外側側部63の周辺 または外辺部に取り付けられかつ密閉されて冷却剤流体をプレート10に提供す ることができる。さらに別の方法として、流体の後部面またはバックプレーン( fluid backplane)(図示せず)がシャシー60に結合されて冷 却剤をプレート10に供給することができる。 流体放出貯蔵器48が底部壁66の外側側部67に取り付けられかつ密閉され る。流体放出貯蔵器48はシャシー60から除去された流体を集めかつ排出する 。流体は好ましくは底部壁66における開口(図示せず)を介してシャシー60 から、重力によって助けられて、シャシー60を退出する。もちろん、さらにシ ャシー60を密閉して冷却剤流体のリークを低減することが望ましい。 流体供給菅52に結合された、流体ポンプ50が流体流を提供する。チューブ 54によってポンプ50に接続されかつチューブ56によって流体放出貯蔵器4 8に接続された、凝縮器(condenser)53は流体放出貯蔵器48から 流体を受けとる。凝縮器53は該流体から熱を排除し、それを主として液相に戻 す。ファン58が使用されて凝縮器53の冷却容量または能力を拡張する。冷却 された液体は凝縮器53から流体ポンプ50に供給される。したがって、冷却剤 流体の閉ループ流れが形成される。システムの任意のポイントにおいて前記冷却 剤流体は蒸気、液体、または蒸気と液体の混合物であってよいことが理解される であろう。 冷却剤の流れを提供するための任意の伝統的な手段を本発明の説明した実施形 態と組み合わせて使用できることが考えられる。さらに、1つより多くのシャシ ー60を冷却剤の単一の供給源に接続できること、および、例えば冗長性のため に、1つまたはそれ以上の冷却剤の供給源を単一のシャシー60に接続できるこ とが考えられる。 流体ポンプ50、凝縮器53およびファン58の寸法は熱除去および流量(f low−rate)の要件に基づき選択されるべきである。例えば、典型的な閉 ループ流体流れは500〜1,000ワットの熱放散に対して毎分500〜1, 000ミリリットルである。種々の寸法のポンプおよび凝縮器アセンブリは前述 のイソサーマル・システムズ・リサーチ・インコーポレイテッドから入手可能で あり、かつ受入れ可能な配管(tubing)および付属品(fittings )はアメリカ合衆国、イリノイ州、バーノン・ヒルズのコール−パーマー(Co le−Parmer)から入手することができる。 ここで説明された閉ループ流体流システムは数多くの利点を有する。例えば、 それは現存するラック型のハウジングに容易に改装することができる。また、前 記システムは多数の流体配管の管理または個々の噴霧ノズルの配置を必要としな い。その結果、回路がさらに集積されかつプリント回路基板上の電子モジュール の上のおよび間の物理的スペースが低減されて熱密度(heat densit y) が増大しても、上で説明された装置に関連する流体伝達および放出システムは複 雑さが増大することはない。 前記システムはまた好適なサービス可能性を備えて設計されている。例えば、 噴霧冷却システムの修復はシャシー60からプレート10を除去するのと同様に 簡単であり、かつ典型的には数多くの流体ラインを切断しかつ再配置することを 必要としない。同様に、前記システム設計は個々の噴霧冷却される電子モジュー ルへの妨げられることのないアクセスを可能にし、モジュールの点検および修復 をさらに容易にする。 説明された実施形態は通常動作の間に冷却される電子モジュールを示している が、本発明は電子モジュールの通常動作の間の冷却に限定されるものではなく、 例えば、電子モジュールまたは該モジュールに含まれる電子回路装置の試験およ び評価に適用することも可能なことが理解される。 さらに、密閉および/または固定が必要とされる場合は、数多くの方法および 材料を使用できることが理解されるであろう。例えば、ねじのような留め具、柔 軟なまたはよくなじむガスケット、超音波溶接、ろう付け、半田付け、またはス ェージング(swaging)を使用することができる。 さらに、本発明の他のおよびさらに他の形式も添付の請求の範囲およびそれら の等価物の精神および範囲から離れることなく考案することが可能なことが理解 され、かつこ の発明はどのような形式であっても上で説明された特定の実施形態に限定される ものではなく、以下の請求の範囲およびそれらの等価物によってのみ支配される ことが理解されるであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プレス・ミヌー ディー アメリカ合衆国イリノイ州 60173、シャ ンバーグ、オークモント・レーン 402

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.電子モジュールを噴霧冷却するための装置であって、 第1の層および該第1の層に対向する第2の層を有する板状部材、 前記第1の層に配置された第1の流体分配導管、 前記第2の層に配置された第2の流体分配導管、 第1の開口を有する第1のノズルハウジングであって、該第1のノズルハウジ ングは前記第1の流体分配導管に配置されているもの、そして 第2の開口を有する第2のノズルハウジングであって、該第2のノズルハウジ ングは前記第2の流体分配導管に配置されているもの、 を具備する電子モジュールを噴霧冷却するための装置。 2.さらに、前記板状部材に配置された流体入口ポートを具備する、請求項1 に記載の装置。 3.前記流体入口ポートは流体を前記第1および第2の導管に供給する、請求 項2に記載の装置。 4.前記板状部材は第1の回路基板および第2の回路基板の間に配置されてい る、請求項3に記載の装置。 5.前記板状部材はバーサ・モジュール・ヨーロッパ(VME)ケージである 、請求項4に記載の装置。 6.前記第1のノズルハウジングに第1のノズルが配置されている、請求項4 に記載の装置。 7.前記第1のノズルはステンレス・スチールから成る、請求項6に記載の装 置。 8.前記第1のノズルは前記流体を霧状にしかつ該霧状にされた流体を前記第 1の開口を通して放出する、請求項6に記載の装置。 9.前記霧状にされた流体は前記第1の層に対し実質的に垂直の角度でかつ前 記第1の回路基板へと放出される、請求項8に記載の装置。 10.電子モジュールを噴霧冷却するための装置であって、 第1の層および第2の層を有する板状部材であって、前記第1の層は第1の内 側面および第1の外側面を有しかつ前記第2の層は第2の内側面および第2の外 側面を有するもの、 前記第1の内側面に形成された第1の流体分配導管、 前記第2の内側面に形成されかつ実質的に前記第1の流体分配導管に整列され てマニホルドを形成する第2の流体分配導管、 前記第1の流体分配導管(28)に配置された第1のノズルであって、該第1 のノズルは第1のリセプタクル端部および第1の噴霧端部を有し、前記第1の噴 霧端部は第1の開口を有し、前記第1のリセプタクル端部は前記第1の流体分配 導管と連通しかつ前記第1の噴霧端部は前記第1の外部面と連通しているもの、 そして 前記第2の流体分配導管(28)に配置された第2のノズルであって、該第2 のノズルは第2のリセプタクル端部および第2の噴霧端部を有し、該第2の噴霧 端部は第2の開口を有し、前記第2のリセプタクル端部は前記第2の流体分配導 管と連通しかつ前記第2の噴霧端部は前記第2の外部面と連通しているもの、 を具備し、前記第1のリセプタクル端部は前記第1の流体分配導管から流体を 受け、前記第1の噴霧端部は前記流体を霧状にしかつ霧状にした流体を前記第1 の開口を通して放出し、そして前記第2のリセプタクル端部は前記第2の流体分 配導管から流体を受け、前記第2のスプレー端部は流体を霧状にしかつ霧状にし た流体を前記第2の開口を通して放出する、 電子モジュールを噴霧冷却するための装置。
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