JP2002505033A - 発熱部品を冷却するための放熱システム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液体の冷却媒体（４０）を噴霧する噴霧器（５０）が、シールされたハウジング（２０）内に位置している。噴霧された液体の冷却媒体（４０）は、発熱部品（３０）の表面及びシールされたハウジング（２０）の壁の上に薄膜として分配される。薄膜の液体冷却媒体（４０）の少なくとも一部の気化により、発熱部品（３０）の表面から熱は移動する。冷却媒体の蒸気は、ハウジング（２０）及び他の冷たい表面上に凝縮し、液体に戻る。システムの熱は、従来の熱移動機構（２２）により、ハウジング（２０）の外表面から取り除かれる。

Description

【発明の詳細な説明】 発熱部品を冷却するための放熱システム及び方法 本願は、１９９６年５月１６日に出願された米国特許出願第０８／６４８，５ ４８号に基づく優先権を主張し、それは、１９９７年４月１８日に出願された、 米国特許法施行規則第1.53条(b)(2)(ii)に従って非仮出願を仮出願へ変更する申 立により仮出願へ変更されたものである。 技術分野 本発明は、効率的な冷却機能を必要とする装置のための冷却システムに関し、 特に、動作中に熱を発生する電気的なシステム、装置、ボード及びカードのため の冷却システムに関するものである。 発明の背景 マイクロチップ、回路基板、回路カード、マルチチップモジュール、電源／変 換器、パワー増幅器、及び他の発熱部品（以下、“部品”と称す）の使用におい て大きな問題の一つは、これらの電気部品により発生される熱を散逸させること である。部品を最も効率的に機能させ、動作不良 を低減させるためには、電気部品をある所望の温度範囲に維持する必要がある。 電気部品を冷却する多くの方法が現在使用されている。電気部品を備えるハウ ジングにファンを設けたり、部品を強制通気することは、最も一般的な冷却方法 である。しかしながら、異なる電気部品は、動作中に異なる量の熱を発生し、高 温点が作られる。ヒートシンクは、高温点の問題を解決するために使用される。 しかしながら、電気部品の出力ワット量は増加し続け、所望の冷却を得るために は、ヒートシンクは、過度に大きくなっている。外部のフィンが、内部で発生す る熱を散逸させるために、電気部品を備えるハウジングに設けられている。高機 能のシステムでは、冷却流体を含む冷却管が、外部の熱交換器へ熱を送るために 電気部品のまわりに配置される。しかしながら、冷却管及び熱交換器は、本発明 との関係では、空間が過密化され、高価である。 電気的なハードウエアの製造者は、直接回りを覆って電気部品と接触する部品 内でハウジング内を再循環される流体冷却材を循環させるための高機能システム を生産している。流体冷却材は、熱交換器／凝縮器へ集められ、案内される。こ のようなシステムは、かなり高価で空間が過密化されている。さらに、そのよう なシステムは、それらは単 相冷却である点で効率的でない。 電気部品及び他の発熱部品の流体冷却システムの多くの商業用の研究開発は、 高速で狭いジェット又は冷却すべき表面に導かれる流体のジェットからなる流体 冷却材のジェット衝突の関連分野内に集中している。ジェット衝突は、噴霧冷却 と混同され、特に、両冷却方法において、流体冷却材がオリフィスから放出され 、冷却面に導かれる点において混同されやすいが、液体ジェットの衝突と、より 大きな領域に対して液滴が十分に分散されて微粒子化された噴霧の衝突との間に 、流体力学及び熱伝導メカニズムにおいて、基本的且つ重大な差が多くある。ジ ェット衝突冷却には、噴霧冷却に劣るという制限がある。表面に対する冷却の均 一さをもたらさず、等価平均熱流量に対してより高い流量比を必要とし、噴霧冷 却より低い臨界熱流量（ＣＨＦ）で焼き尽くされる（表面温度で連続的に増加し て沸騰する蒸気薄膜への変化）。ジェットにより冷却されると、領域の外側の部 分は、より低い熱伝導係数のために、かなり低い熱流量で沸騰する（ここで、Ｃ ＨＦが起こる）薄膜へ変化する。これは、これらの領域での熱除去を低減し、部 分的な表面温度を増加させる。これは、熱伝達能力における対応した増加がない ため、適応されることができない内部領域におけるより大きな除去負担をすぐに 増加させる。 このように、薄膜の沸騰現象は、急速に内側に伝えられる。 ジェット衝突でよりよい冷却を達成するために、ジェットの数を増加させ、各 ジェットにより冷却される領域を増加させる試みが行われている。しかしながら 、この効果は、幾何学的に増加する分配の困難さによりすぐに相殺され、流体の 連続的な大量のジェット衝突の除去は、大きな領域の噴霧には非現実的になる。 以下の説明によりより明らかになるように、本発明は、このような制限を受けな い。単相ジェット衝突冷却の分野で、米国特許第４，１０８，２４２号、第４， ９１２，６００号、第４，８３８，０４１号及び第３，８４４，３４３号を含む 多くの特許が発行されている。 より効率的な冷却を達成するため、噴霧冷却の能力に関して多くの調査及び試 みが行われている。噴霧冷却は、蒸発による相変化の付加的な利点を含む。米国 特許第４，６４３，２５０号、第４，７９０，３７０号、第４，６４３，２５０ 号、第４，３５２，３９２号及び第４，９６７，８２９号を含む多くの特許は、 蒸発による冷却の従来技術を洞察している。一般に、いずれの従来の噴霧器も実 行可能な噴霧冷却又は大きな噴霧距離に適さず、システムの大きさが非効率にな るため、従来の技術は成功していない。 米国特許第５，２２０，８０４号は、広範な分布に対し て、冷却される電気部品の表面に衝突する微粒子化された液体が噴霧されること を開示する。熱は、蒸発による相変化過程で冷却材に伝達される。蒸気及び液体 は、外部の凝縮器に集められ、取り除かれる。このようなシステムは、蒸発によ る相変化の冷却の利点を備え、蒸発及び凝縮の過程は、発熱部品のハウジングに それ自体含まれておらず、液体冷却材及び蒸気は、外部のポンプ及び凝縮器によ り集められ、再循環される。遠隔通信、航空電子工学、軍事を含む多くの応用に おいて、外部システムを用いないで内蔵型ユニットを有することは大変望ましい 。このような内蔵型システムは、凝縮システムのスペースにおいて有利であり、 潜在的なＥＭＩ問題を避ける。さらに、米国特許第５，２２０，８０４号の噴霧 器は、その性能において従来の噴霧器に対して多くの有利な点を有しているが、 米国特許第５，２２０，８０４号の噴霧器は、すべての応用に適用できるわけで はない。 発明の概要 本発明は、マイクロチップ、回路基板、回路カード、マルチチップモジュール 、パワーサプライ、パワーコンバータ、パワーアンプ及びその他の熱を発生する 部材（以後、部品と呼ぶ。）のための冷却システムの従来技術における発熱及び 冷却の重要な問題を解消する。本発明は、電子部 品の作動によって発生された点在する熱を奪い、本システムを通してその熱を逸 散させる等温システムであり、効果的に放熱がなされ得る。 本発明は、シールされたハウジング内におて部品によって発生させられた熱を 、噴霧液体冷媒を用いて放熱させる。本発明は、液体冷媒を噴霧し、ハウジング 内を冷媒の霧で満たすための噴霧器を有している。霧化された冷媒は、発熱部品 の表面を覆う薄膜として与えられる。熱は、液体冷媒の薄膜の少なくとも一部の 蒸発によって、発熱部品の表面から移動させられる。 図面の簡単な説明 本発明のより完全な理解は、添付図面と関連して以下の詳細な説明を参照すれ ば得られるだろう。 図１は、電子部品及び本発明に係る放熱システムを含むハウジングを分解して 示す斜視図である。 図２は、図１の電子部品及び放熱システムを含むハウジングの断面で示す側面 図である。 図３は、図１の電子部品及び放熱システムを含むハウジングを断面で示す正面 図である。 図３Ａは、図１の放熱システムのスプレーチャンバー及びスプレープレートを 部分的に断面で示す正面図である。 図４は、図１の放熱システムのスプレープレートを示す 側面図である。 図５は、図４のスプレープレートを部分的に示す平面図である。 図６は、本発明の放熱システムの第２実施形態である。 図７は、本発明の発熱システムの第３実施形態である。 図８は、本発明の発熱システムの第４実施形態である。 詳細な説明 図において、全図を通じ、類似の部品には同様の符号を付した。図１を参照す ると、部品カード３１に搭載された電子部品３０を閉じこめるためのシールされ たハウジング２０が図示されている。噴霧器５０及び冷却フィン２２を有する液 体冷媒スプレープレート１００も図示されている。 図２，３及び３Ａを参照すると、部品カード３１に搭載された電子部品３０及 び本発明の放熱システム１０を有するシールされたハウジング２０の断面図が図 示されている。本発明は、閉鎖された環境内での等温平衡を確立したシステムで あり、電子部品３０の作動により発生した点在する熱を奪い取り、ハウジング２ ０内の液体及び気体の冷媒４０を通じて熱を放散させ、ハウジング２０及び外部 冷却フィン２２を通じて効果的に放熱し得る。 第１実施形態では、放熱システム１０は、冷却されるべき電子部品３０の表面 に、スプレーされた冷媒４０の霧化 された液体の水滴を作り出す。作動中、液体冷媒４０の霧化された霧は、シール されたハウジング２０内に収容された電子部品３０に適合し直接接触する。ここ で使用される“霧化する”及び“霧化された”の語は、微粒及び／又は粗粒の霧 滴の霧を包含することが分かる。更に、ここで“噴霧器”と使用される語は、微 粒及び／又は粗粒の霧滴を作り出すための装置を包含する。熱は、薄膜が蒸気へ 層転移する過程において冷媒４０に移される。霧化された液体４０は、３Ｍカン パニーによって製造された誘電性冷却液体、フロリナート（Fluorinert：商標名 ）のような“ＦＣ７２”冷媒とすることができる。 本発明は、ヒートシンクを使用する必要、及び、所望の冷却を達成するための 複雑で高価なチューブ冷却システムを、減らし又な無くす。第１実施形態（図１ ，２及び３参照）では、本発明は、内蔵型である。遠距離通話機器、アビオニク ス、及び軍事機器を含む多くの分野では、外部冷却装置を備えない内蔵型ユニッ トが要望されている。そのようなシールされた装置は、電磁波障害（EMI）の問 題を最小化させる。本発明は、ヒートシンクの空間的な強制的使用を軽減し、本 システム回りの高温部に生じた熱を放散させるので、より多くの電子部品が、同 じ大きさのハウジング内に組み込まれ得る。これは、軍事機器、アビオニク ス及び長距離通話機器の分野において際だって有利である。 液体冷媒４０は、ハウジング２０内の霧内で消散させられるので、本発明は、 液体冷媒４０の容積を最小化させる要求に応え得るという利点を更に有している 。このようなシステムにおける液体冷媒は、本発明の霧状態に対して純粋な液体 状態を維持されるから、循環する液体システムは、従来の技術で述べたように、 冷却システムにかなりの重量を付加する。そのようなシステムにおける冷媒の密 度は、一般に水よりも大きく、システム全体にかなりの重量を付加する。この付 加的な重量は、アビオニクス及び多くの軍事機器では特に望ましくない。 図２，３，３Ａ及び５を参照すれば、カスタマイズされたパターンの複数の噴 霧器５０が、スプレープレート１００に配置されている。スプレープレート１０ ０は、ハウジング２０の第１端部に設置され、その噴霧器５０の列が、冷却され るべき電子部品３０を支持している部品カード３０の列の間に配置されてえる。 図３Ａに図示されているように、スプレープレート１００は、バッキング部品８ １を含むスプレーチャンバー８０の第１の部品である。 図２及び３を参照すれば、霧化された液体冷媒４０及び蒸発熱移動過程の後に 蓄えられた液体は、ハウジング２０の第２端部に配置された貯蔵器６０内に集め られる。ポン プ７０は、供給管７２を介し、スプレーチャンバー８０に集められた冷媒４０を 再循環させる。ポンプ７０は、好ましくは、典型的なブラシレス自動車燃料ポン プに類似の、出力圧力が少なくとも２０ｐｓｉの内蔵型ＤＣブラシレスポンプで ある。そのようなポンプは、市場で入手可能である。好ましい実施形態では、ポ ンプ７０、ポンプモータ、及びポンプコントローラは、ハウジング２０内に内蔵 されている。 スプレープレート１００は、本発明の範囲から逸脱することなしに、多くの変 更部品及び代替部品があり得る。更に、制限されることなく、発熱部品（図２） の配列と同様な種々のパターンの配置が為され得る。 再び、図２及び図３を参照すれば、作動時に、スプレーチャンバー８０に供給 された液体冷媒４０は、各噴霧器５０に供給され、渦巻きチャンバー内で冷媒４ ０の渦を発生させられ、噴霧器５０を出るときに霧化される。 本発明の放熱システムの第２実施形態は、図６に示されている。付加的な冷却 を得るため、外部冷却器１０００が、ポンプ７０とスプレーチャンバー８０との 間に、冷媒供給管７０に介在されて配置され得る。電子部品のワット数の増加に より、熱的付加が増加し続けた時に、ハウジング２０の外側及び／又は外部冷却 フィン２２を横切る風を強制 送風するファン９３を使用することにより、本発明の放熱システムを用いて付加 的な冷却が得られ得る。 本発明の放熱システムの第３実施形態は、図７に図示されている。図７は、液 体冷媒の霧の製造に他の方法を用いた本発明を示している。ハウジング２０内に 配置された機械的な撹拌器又はパドル９０が、貯蔵器６０内に集められた液体冷 媒４０を撹拌し、該液体冷媒を発熱部品３０に散布する。もし、付加的な冷却が 必要なら、付加的なハウジング２９が、冷却フィン２２を閉じこめるために使用 される。液体冷媒４００は、冷却フィン２２を横切って循環する。熱は、冷媒４ ００に移され、発熱部品のハウジングから取り去られる。 図８を参照すれば、本発明の第４実施形態が図示されている。超音波撹拌器９ ２が、前記発熱部品を横切って散布させられる液体冷媒の霧を作る出すために用 いられる。もし、付加的な冷却が要望される場合は、熱交換チューブ２００が、 シールされたハウジング２０内に設けられる。第２の液体冷媒又は気体冷媒３０ ０が、熱交換チューブ２００を通じて循環される。熱は、冷媒３００に移され、 前記発熱部品のハウジングから取り去られる。熱交換チューブ２００は、蒸発さ せられた冷媒４０が凝縮させられ再循環されるような付加的な冷却表面を提供す るという付加的な 利点を有している。 本発明の好ましい実施形態は、添付図面に図示され及び前述の詳細な説明にお いて説明したが、本発明は、記述された実施形態に制限されるものではなく、本 発明の範囲から逸脱することなく様々な変更態様が為され得ることが理解される だろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０８／８４８，９９８ (32)優先日 平成９年５月２日(1997．5．2) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＢＲ，ＣＡ，Ｃ Ｎ，ＩＬ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＲＵ，ＴＲ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．発熱部品により生成された熱を放熱するシステムであって、 少なくとも１つの発熱部品を包含し、液体冷媒の貯蔵器を備えたハウジングと 、 液体冷媒を噴霧し、噴霧された液体冷媒を発熱部品の表面上に分配する少なく とも１つの噴霧器と、 前記ハウジング内にあり、前記冷媒の貯蔵器に集められた液体冷媒を再循環さ せるため、前記少なくとも１つの噴霧器に接続されたポンプとを備えることを特 徴とする放熱システム。 ２．前記少なくとも１つの噴霧器は、カスタマイズされたパターンに位置する 複数の噴霧器を備え、 前記カスタマイズされたパターンは、噴霧された液体冷媒を、各発熱部品の表 面上に向けることを特徴とする請求項１に記載の放熱システム。 ３．対流により冷却するため、ハウジングの外面に付着された冷却用フィンを さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の放熱システム。 ４．前記フィンを横切って空気を循環させるための手段をさらに備えることを 特徴とする請求項３に記載の放熱シ ステム。 ５．液体冷媒を供給するために、前記少なくとも１つの噴霧器に取り付けられ たスプレーチャンバをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の放熱シス テム。 ６．ポンプとスプレーチャンバとを接続するチューブをさらに備えることを特 徴とする請求項５に記載の放熱システム。 ７．発熱部品により生成された熱を放熱するシステムであって、 少なくとも１つの発熱部品を包含し、液体冷媒の貯蔵器を備えたシールされた ハウジングと、 液体冷媒を噴霧し、噴霧された液体冷媒を少なくとも１つの発熱部品の表面上 に分配する少なくとも１つの噴霧器と、 少なくとも１つの噴霧器を支持するスプレーチャンバと、 液体冷媒の貯蔵器から液体を再循環させるためのポンプと、 シールされたハウジングの完全に内部にある冷媒の貯蔵器に集められた液体冷 媒を再循環させるため、ポンプをスプレーチャンバに接続するチューブとを備え ることを特徴とする放熱システム。 ８．発熱部品により生成された熱を放熱するシステムで あって、 少なくとも１つの発熱部品を包含し、液体冷媒の貯蔵器を備えたハウジングと 、 冷媒の貯蔵器にある誘電性の液体冷媒と、 誘電性の液体冷媒を噴霧し、噴霧された液体冷媒を発熱部品の表面上に分配す る少なくとも１つの噴霧器と、 前記ハウジング内にあり、冷媒の貯蔵器に集められた誘電性の液体冷媒を再循 環させるため、前記少なくとも１つの噴霧器に接続されたポンプとを備えること を特徴とする放熱システム。 ９．発熱部品により生成された熱を放熱するシステムであって、 少なくとも１つの発熱部品及び液体冷媒の貯蔵器を包含するハウジングと、 液体冷媒を噴霧し、噴霧された液体冷媒を発熱部品の表面上に分配するため、 前記ハウジング内に封入された手段とを備えることを特徴とする放熱システム。 10．噴霧する手段は、超音波攪拌器を備えることを特徴とする請求項９に記載 の放熱システム。 11．噴霧する手段は、機械的攪拌器を備えることを特徴とする請求項９に記載 の放熱システム。 12．ハウジングの外表面に付着された冷却用フィンと、 前記フィンを横切って空気を循環させるための手段とをさらに備えることを特 徴とする請求項９に記載の放熱システム。 13．ハウジングの外表面に付着されたフィンと、 前記フィンを囲む第２のハウジングと、 前記第２のハウジングを通し、前記フィンを横切って第２の液体冷媒を循環さ せるための手段とをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の放熱システ ム。 14．ハウジング内に位置し、液体冷媒に接触する熱交換チューブと、 前記熱交換チューブを通して第２の液体冷媒を循環させるための手段とをさら に備えることを特徴とする請求項９に記載の放熱システム。 15．冷媒の貯蔵器を有するハウジング内に包含された発熱部品により生成され た熱を放熱する方法であって、 少なくとも１つの噴霧器によって、冷媒の貯蔵器から液体冷媒を噴霧するステ ップと、 冷媒の貯蔵器から少なくとも１つの噴霧器へ、液体冷媒をハウジング内で再循 環させるステップと、 噴霧された液体冷媒を発熱部品の表面を横切って分配するステップとを備える ことを特徴とする放熱方法。 16．ハウジングをシールするステップと、 冷媒の貯蔵器から少なくとも１つの噴霧器へ、誘電性の液体冷媒をシールされ たハウジング内で再循環させるステップとをさらに備えることを特徴とする請求 項１５に記載の放熱方法。 17．冷媒の貯蔵器を有するハウジング内に包含された発熱部品により生成され た熱を放熱する方法であって、 前記冷媒を少なくとも１つの噴霧器に強制的に通すことにより、液体冷媒を噴 霧するステップと、 前記噴霧された液体冷媒を発熱廓品の表面上に分配するステップと、 集められた液体冷媒を、冷媒の貯蔵器から少なくとも１つの噴霧器へ再循環さ せるステップを備えることを特徴とする放熱方法。 18．ハウジングをシールするステップと、 集められた液体冷媒をシールされたハウジング内で再循環させるステップとを さらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の放熱方法。 19．発熱部品により生成された熱を放熱するシステムであって、 少なくとも１つの発熱部品を包含し、液体冷媒の貯蔵器を備えたシールされた ハウジングと、 液体冷媒を噴霧し、噴霧された液体冷媒を発熱部品の表 面上に分配する少なくとも１つの噴霧器と、 前記ハウジング内にあり、冷媒の貯蔵器に集められた液体冷媒を再循環させる ため、前記少なくとも１つの噴霧器に接続されたポンプと、 ポンプを少なくとも１つの噴霧器に接続するチューブと、 再循環された液体冷媒を冷却するための手段とを備え、 前記冷却用手段は、発熱部品を包含するシールされたハウジングの外部に位置 し、 前記チューブは、前記冷却用手段に接続された少なくとも１つの噴霧器にポン プを接続することを特徴とする放熱システム。