JP2009507381A - ナローギャップ横気化噴霧冷却用噴霧冷却システム（関連出願の相互参照）本発明および特許出願は、２００４年８月５日に提出された同時係属米国特許出願第１０／９１３、２９９号の部分継続出願である。 - Google Patents

Abstract

通常、混合区域、集束区域、複数の冷却導管、および再循環導管を含むことのできる、ナローギャップでの横気化噴霧冷却のための噴霧冷却システム。いくつかの実施形態における噴霧冷却システムは、特に、ナローギャップ気化噴霧冷却用の供給システム、熱が移動される面全体で圧力勾配を低減する方法、および再循環導管から複数の冷却導管を分離し、気体を冷却導管の入口に再純化させるためにバッフルを利用するハウジングシステムを提供する。

Description

本発明は、電子部品の横気化薄膜噴霧冷却のための気化噴霧冷却システムに関する。

電子部品が進化を続け、より強力になるにつれ、好ましくは除去される望ましくない熱がますます多く生成される。このため、電子部品のすべてまたは一部から熱を除去するための高容量冷却システムの需要が高まっている。

電子部品をより強力にするのが趨勢であるため、電子部品のサイズとパッケージングを低減しようとする取り組みも増えている。部品とパッケージングが小さくなるほど、望ましくない熱の除去が困難になる。

十分な冷却を提供するために直接衝突薄膜気化噴霧冷却が好ましい用途もあれば、冷却能力がさほど高くなくても、全体のパッケージまたはハウジングのサイズを低減するために噴霧冷却が望ましい用途もある。このため、許容可能な効率レベルにまで実現可能であれば、横ナローギャップ気化噴霧冷却が有益である状況が生じる。

ナローギャップ気化噴霧冷却は好ましくは、冷却される表面（または熱が移動される表面）の側方から冷却剤を提供または噴霧する。適切な冷却は好ましくは、薄い液体膜が冷却される装置または電子部品上で保持されることによって、熱が電子部品から移動されるときの冷却材の気化を促進する場合に達成される。冷却剤の流量または到達範囲が少なすぎる場合、気体に強制される対流は通常十分な熱移動をもたらさないため、電子部品を覆う液体層は完全に乾ききり、部品を過熱させる。冷却剤の部品への流量が多すぎる場合、気化から生成される気体が過剰な液体と電子部品の衝突面間に閉じ込められるため、装置は浸水し、熱地点、不十分な冷却および／または故障を引き起こす場合がある。通常、これは冷却効率を低下させる。多すぎる冷却剤を受け取る部品面で生成される気体は有効に逃れることができず、熱焼損として一般的に称される沸騰熱移動故障モードを生じる可能性がある。

冷却剤の流量が装置の熱流と適切に一致されるときですら、隣接部品からの溢れが干渉し、氾濫型の故障状態を引き起こすことを回避するため、空隙内に噴霧される過剰な液体を米国特許第５、２２０、８０４号に記載の方法によって管理しなければならない。
したがって、本発明のいくつかの実施形態の目的は、ナローギャップ内の１つまたはそれ以上の電子部品を冷却するためのナローギャップ薄膜気化噴霧冷却システムを提供することである。

本発明のいくつかの実施形態の別の目的は、システム、特に冷却路または導管の入口端での冷却特性を向上し、および／または熱が移動させられる表面上の圧力勾配を低減するナローギャップ気化噴霧冷却システムを提供することである。

本発明のいくつかの実施形態の別の目的は、冷却導管に気体を再導入するために改良された上記の再循環を提供するハウジングシステムを提供することである。

本発明のいくつかの実施形態の別の目的は、冷却導管の出口端またはその近傍で冷却剤の液体部分の貯留の液体部分を低減させる再循環システムを提供することである。

本発明で利用される締結、接続、製造、およびその他の手段と部品の多くは記載される本発明の分野において広く既知であり使用されており、その正確な性質または種類は、当業者による本発明の理解と使用にとって必須ではないため、詳細には説明しない。さらに、本発明の任意の具体的な適用に関する、本明細書に示される、あるいは記載される部品は、本発明によって予測されるように変更あるいは変形させることができ、任意の構成要素の特定の適用または実施形態の実施は当該技術において、あるいは当業者によって既に広く既知である、あるいは使用されているため、いずれも詳細に説明しない。

本請求項で使用される用語「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は長く続いた請求項の作成慣習に従って使用されており、限定的ではない。本明細書で特段に説明されない限り、用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は上記構成要素のうちの１つに限定されるのではなく、「少なくとも１つ」を意味する。

出願人はここに以下の米国特許、１９９７年１０月７日に発行された米国特許第５、６７５、４７３号、「高熱流気化噴霧冷却システム」に関する米国特許第５、２２０、８０４号、および「圧力渦巻噴霧器の積層アレイ」に関する米国特許第５、８６０、６０２号および米国特許第６、０１６、９６９号を引用し、その引用によってそれらの特許を組み込む。上で引用された圧力渦巻噴霧器の積層アレイの特許は、噴霧を実行する一つの方法または機構として利用することができるが、引用により本明細書に組み込む「集積回路放熱システム」に関する２００２年１１月１２日付の米国特許出願第１０／２９２、０７３号に記載されるようなボタン型噴霧器等、利用可能で当該技術において既知な他の装置も多数存在する。

従来の設計では、薄膜噴霧モジュールは、特に第１の数センチのナローギャップ冷却路または冷却導管で最小化または除去されることが好ましい流の非均一性を被る。さらに、用途によっては、多くの構造でナローギャップ冷却路に噴霧する噴霧器は、逆流を引き起こす場合のある不都合な圧力勾配を招きがちである、あるいは実際に招く。逆流は結果的に熱が移動される面上またはその近傍での貯留につながる。冷却剤の貯留は通常、（薄膜気化状態の保持と比較して）システムの熱移動性能を低減させ、直接的または間接的に冷却される電子部品の過熱および／または故障を引き起こすことがある。

多くのまたは大半の従来の設計は、流路寸法を補完して幅広および幅狭の噴霧を生成し、大きく重複する噴霧を強調した噴霧器空間を利用した噴霧器設計に依存している。これらの構造は理想的な動作および設計条件で機能する一方、噴霧が入口の近傍の導管または流路の壁に衝突して、噴霧運動量を消散させ、結果的に特に冷却を低減させる。

これらの従来のシステムは、熱が移動される面からの所望の熱移動に必要な薄膜を保持するため、冷却プロセスにおける気体冷却剤の生成にも大いに依存する。薄膜気化噴霧冷却の閉ざされた商業用途、特にナローギャップ用途において、霧化噴霧の運動量は薄膜を実現あるいは保持するのに依存することが非常に困難で、実際問題として、ほとんどの用途でそれに依存すべきではない。その代わりに、特に比較的高速である場合、所望の薄膜を保持する際に十分な気体同伴の方がより信頼度が高いことが判明している。

気体の速度が速まるにつれ、冷却導管の入口に気体の少なくとも一部を再循環させる必要性または要望が高まっている。冷却剤気体、および比較的高速時の冷却剤気体はより良好な冷却結果を実現すると思われるため、気体の少なくとも一部を冷却導管の入口に再循環させることによって、従来のように、さらに下流での薄膜の維持を支援するあるいは向上させるため、入口でのまたはその近傍での気化プロセスに頼る代わりに、冷却チャンバの入口で改良された薄膜を保持するために気体を利用することができる。薄膜保持のため冷却導管への入口でのまたはその近傍での気化プロセスに主に依存していた従来のシステムは、入口でのまたはその近傍で所望の薄膜を保持することができず、その結果、熱が移動される面の入口側から出口側への熱移動勾配が生じていた。

本発明のような改良システムの実施形態は、再循環に含まれる液相冷却剤を減らした、再循環気体のための改良再循環機構を提供する本発明の一側面も利用することができる。望ましくない大量の液相冷却剤が冷却導管の入口端で再循環され導入される場合、冷却導管の入力の所望の質と構成に悪影響を及ぼす傾向がある。過剰な液体は、冷却剤導管の入口側に導入される霧化冷却剤の噴霧または噴霧パターンにも影響を及ぼすことがある。

本発明は、システムにおける複数の位置でのナローギャップ気化噴霧冷却の改良に対処しており、個別に、または本発明の一つまたはそれ以上の他の構成要素または側面と組み合わせて利用することができる。より具体的には、本発明は入口端での気体同伴、および気体再循環のための改良された気体／液体分離に関する改良された方法を提供し、他の側面は、気化導管中の気体の追加の気化を提供して、冷却剤導管で移動させられる熱を利用することができる。

気体同伴を向上させる本発明の側面は、「気体を噴出する」空気力学的抵抗によって生じる噴霧液滴の速度減少を利用することである。一方、取り込まれた「気体」の速度相変化に応じて上昇し、いくつかの下流地点では、気体の速度は液体または液滴の速度と等しくなることができる、あるいは等しくなる。その地点以後、気体と噴霧液滴の合成物の速度は断面領域に応じて増減する場合がある。

最も有効な冷却または冷却される表面からの熱除去は、冷却導管を通過するより一貫し、かつ速い速度から得られる。本発明の側面は、図１８に示され、以下より詳細に説明されるように、所望のまたは最適な位置で噴霧と気体の混合流を「捕捉」することを利用する。

本発明の側面は、多数のパターンまたは構造のうちの任意の一つにおいて、霧化冷却剤液滴を提供する多数の様々な種類の噴霧ノズルまたは噴霧器のうちの任意の一つを利用することができるが、ナローギャップ気化噴霧冷却の従来の噴霧パターンが通常はより幅広の平坦な噴霧であったとしても、より円形に近い噴霧パターンの方が所望の結果を達成することが判明している。当業者であれば、既知のボタン型噴霧器がこの用途で良好に機能することを認識するであろう。図６を参照する以下の説明がこのことを最もよく示している。

本発明の一実施形態は、霧化された噴霧冷却剤と再循環された気体の混合物を回収して、入口または冷却導管への入口へと加速させる混合区域を利用する。混合区域は、気体同伴区域と称することもできる。流は冷却導管への入口で概して制限される。この側面または実施形態は、流の混合は入口または冷却剤チャンバへの入口の前、その地点、またはその近傍で達成されるため、冷却される表面が高温でない（たとえば、電子部品が電源が入っていない、あるいは最大に熱せられていない）とき、従来のシステムでは起こったであろう「氾濫」を低減あるいは回避するのに役立つ。氾濫状態は十分な熱移動性能を提供しないため、従来の装置での氾濫状態は、その後に電源を入れられたときに電子部品の故障を招き、最終的には本発明の一実施形態によって直接的または間接的に冷却される電子部品の熱故障を引き起こす。流は環状流または冷却導管または流路を通り散乱される環状流であってもよいが、必須ではない。

本発明の実施形態は、冷却剤噴霧液滴と再循環された気体との混合物が冷却導管の入口端に導入される前に、断面領域の寸法が低減された噴霧回収および気体加速区域も含むことができる。

２００３年９月１８日に公開された従来の係属共有特許出願番号１０／０９６、３４０号は、利用可能な狭い流路またはギャップ冷却および各種構造を示し、全文が記載されるかのように本明細書に組み込まれる。ただし、概して、冷却導管は均一、一定、または変動する断面を有することができ、本発明の実施形態の目的は、熱が移動される面全体で一定表面温度に近づけることである（冷却される表面またはその下の電子部品−実際に異なる場合−のいずれかの温度勾配の除去）。

ただし、当業者であれば、一定の表面温度に近づけること、あるいは一定の表面温度を達成することは、圧力低下または冷却導管の入口から出口への勾配（蒸発温度の変化）、領域（速度が熱係数に影響を及ぼす）、気体／液体比、膜厚、および基部または熱が移動される面の熱特性（裸のまたは未被覆の電子チップまたは部品、蓋付きのまたはパッケージされたチップであるかどうか、「冷却板」実施形態の底板であるかどうかにかかわらず）を制限なく含む複数の要因に依存することを認識するであろう。さらに、当業者であれば、復水器の性能、複数の噴霧モジュールの多様性など、他の変形および部品が一定表面温度の達成に影響を及ぼすことを認識するであろう。

上述したように、本発明の実施形態は、図面を参照して以下より詳細に説明されるように、改良された液体／気相分離器などの冷却導管の出口端での改良も含む。

従来のナローギャップ冷却システムでは、構造は、液相が冷却導管内を移動するのと同じ方向で移動し続けて、再循環導管に流入するのを回避する、あるいは少なくとも再循環導管に流入する液体の量を低減しようとする傾向に依存している。気体は液体よりもずっと低い慣性を有するため、再循環流路は、液相がさらなる処理のために直線的に移動し続ける間、できるだけ多くの気体を流路に再び振り向けるように異なる方向となる。

ただし、薄い液体膜は十分低い慣性を有するため、その方向を逆転させることもでき、その結果、再循環導管への液相の望ましくない流を引き起こすことが分かっている。気体の速度は、再循環されるのと同じ方向で液相に影響を及ぼす、あるいは液相を引き寄せる傾向もある。

本発明の一実施形態の再循環実施形態では、断面の２次元または３次元の面積または体積を気相の速度を低減するように増大させることによって、液相の引力または影響を低減し、その結果、再循環導管に流入する、あるいは再循環導管を通過する液相冷却剤を減らす。当業者であれば、液相からの分離と、本発明でその全てが意図されているリブ、仕切り板、および多孔性毛細プラグなどの再循環チャンバへの導入とによって、気相の速度を低減するために、他の手段および機構が利用できることを認識するであろう。

本発明の分離器と再循環側面のその他の実施形態は、個別にまたは他の側面と組み合わせることができる。たとえば、本発明の一実施形態は冷却導管と再循環導管間のバッフルを含み、再循環導管は冷却導管の縦方向に上にある。バッフルは、フィン、溝、または他の表面熱移動機構、手段またはエンハンサーからの熱、あるいは冷却導管からの熱を利用して、再循環導管を通過する、あるいは再循環導管内に配置される気体および／または液相の気化を促進する、あるいは起こさせることができる。これは図面に示され、図面と関連して以下より詳細に記載される。 本発明のいくつかの実施形態では、噴霧器に供給される冷却剤は、入口または冷却導管への入口での気体の量または割合の増大を促進するため、伝統的な従来のシステムよりも高い温度に余熱あるいは加熱することができる。さらに、当業者であれば、沸騰点の変更、改良されたまたはより適切に調整された熱特性（熱伝導率など）などの異なる液体特性を達成するため、冷却剤液体は多数の様々な種類の液体のうちの任意の一つでありうること、あるいは、液体が２種類以上の冷却剤液体の混合でありうることを認識するであろう。

他の本発明の実施形態では、強化された熱管理性能は、冷却チャンバ内での大型流路または小型流路の利用を通じて達成することができる。

電子業界では、一例として、ワット当たり０．２℃未満のケースから雰囲気への熱抵抗を有するプロセッサダイから１５０ワット（１５０Ｗ）超を有効に除去し、適用内の別の場所でのサイズおよび周囲温度を最小限にとどめつつ上記熱を除去する能力を有することが有益である。たとえば、空冷熱ソリューションが上記用途のために使用される場合、望ましくないほど大きくなる、あるいは望ましくないほど高い外気温度になることがある。

小型流路を利用する本発明の実施形態は、小型流路への冷却剤入口での噴霧および熱移動の質に特に焦点を当てる小型流路流動沸騰技術を追加で利用する。

本発明の実施形態の用途では、マクロ規模の相関を利用または開発することができ、その一例が「チェン相関」と称される。チェン相関は、流動沸騰熱移動係数が環状流状況での微視的熱移動係数と巨視的熱移動係数の総計であると推定する。（合計）＝ｈ（微視）＋ｈ（巨視）。

概して、これらの相関では、微視的な熱移動係数が核沸騰部品、部分または寄与部分の説明となり、巨視的な部分が対流沸騰の説明となる。冷却剤流の質が低いこれらの実施形態のうちのいくつかの用途では、質量流速、熱流束、および冷却剤の種類に応じて、微視的な部分が式を決定付け、巨視的な部分を上回る場合がある。ただし、冷却液体の質が単一体または１に近づくにつれ、図２３とそれに関連する説明から当業者によって少なくとも部分的に確認できるように、巨視的な部分が決定付ける傾向がある。

本発明のさらに別の実施形態では、強化された、またはより所望の熱管理および熱性能が、本明細書の別の部分で説明される理由により、気体再循環ループ内の液体と気体の分離を向上させることによって実現することができる。

図面を参照すると、図１は本発明の一実施形態の正面透視図であり、ハウジング１０２、第１のハウジング端１０２ｃ、および基部１０１を有する噴霧冷却システムモジュール１００（「噴霧モジュール」とも称される）を示す。基部は、具体的な用途および本発明の実施形態に応じて、噴霧モジュールの一部とみなしてもよいし、みなさなくてもよい。図１には示されないが、本発明のいくつかの用途は、基部がハウジングの一部として含まれる、あるいは含まれないとき異なる基盤または定義を有することがあり、集積回路チップの上面である熱が移動される面、集積回路チップのパッケージの上面、冷却板または熱スプレッダを含むことができ、これらはそれぞれ、表面での熱移動特性を変更するために熱スプレッダまたは他の拡張機能を表面を有して、あるいは有さず構成することができる。

図１はさらに、第１のハウジング側面１０２ａおよび第２のハウジング側面１０２ｂを有するハウジング１０２、冷却剤入口１０４、および冷却剤入口１０４周囲の冷却剤入口継手１０３を示す。継手１０３は、継手が配置されるハウジング１０２の孔内に接着あるいは接合させることができる。以下より詳細に記載されるように、モジュールハウジング１０２は、１つまたはそれ以上のピースで製造され、組立間に相互接続され、別々のまたは一体化した第１の端部１０２ｃと第２の端部（図１には示されず）とともに組み立てられる。基部１０１は、ハウジング１０２またはハウジング１０２のピース全部に、多数の方法のうちの任意の１つを用いて装着することができ、本発明を実行するのに必要とされる特定の方法はない。たとえば、ハウジング１０２は基部１０１に接着あるいは接合させることができる。ハウジング１０２および図１に示される他の部品は、アルミニウムベースの材料および／または銅ベースの材料または合金などの様々な幅広い材料で製造することもできる。

図２は、図１に示される本発明の実施形態の後部透視図であり、噴霧モジュールまたは噴霧冷却システムモジュール１００、基部１０１、第１のハウジング側面１０２ａおよび第２のハウジング側面１０２ｂを有するハウジング１０２、冷却剤入口１０４、冷却剤入口１０４周囲の冷却剤入口継手１０３、および再処理または処分のために冷却剤液体と冷却剤気体をモジュール外に送る冷却剤出口１０５を示す。以下より詳細に説明するように、液相冷却剤をモジュール外に送り、所定量の気相冷却剤を冷却導管への再導入のために、以下より詳細に記載されるように液体／気体分離器を利用することのできる再循環導管に戻すことが好ましい。

図３は、図１に示される本発明の実施形態の後部側面図であり、噴霧モジュールまたは噴霧冷却システムモジュール１００、基部１０１、ハウジング１０２、冷却剤入口継手１０３、および冷却剤出口１０５を示す。当業者であれば、任意の所与の本発明の実施形態の具体的な寸法は、用途に応じて変動することを理解するであろう。ただし、大きさの１例を与えるため、以下の寸法を提示する。寸法１１３は２と４分の３インチ、寸法１１２は１０分の７インチ、寸法１１０は３．５１インチ、寸法１１１は４分の１インチ、入口半径１１４は０．１４インチとすることができる。

図４は、図１に示される本発明の実施形態の端面図であり、噴霧モジュールまたは噴霧冷却システムモジュール１００、基部１０１、ハウジング１０２、冷却剤入口継手１０３、第１のハウジング端１０２ｃ、および冷却剤入口１０４を示す。当業者であれば、任意の所与の本発明の実施形態の具体的な寸法は用途によって変動することを理解するであろう。ただし、大きさの一例を提示し、図３で与えられた寸法と一致させるため、寸法１１７は１．５７インチ、寸法１１８は２．５インチとすることができる。

図５は図１に示される本発明の基部１０１の正面透視図であり、熱が移動または除去される面と称することもできる冷却面１２１を示す。図５はハウジング１０２（図５には示されず）を収容するように構成された基部１０１の溝１２０を示しているが、当業者であれば、ハウジングを収容する、あるいは本発明を実施するのに溝は必要ないことを理解するであろう。

図６は、噴霧モジュールまたは噴霧冷却システムモジュール１００、基部１０１、ハウジング１０２、第１のハウジング側面１０２ａ、第１のハウジング端１０２ｃ、冷却面１２１、および冷却剤入口継手１０３を示す、図１に示される本発明の実施形態の正面部分切断透視図または部分分解図である。第２のハウジング側面１０２ｂ（に示される他の図面）は、噴霧モジュール１００の内部を示すために取り除かれる。

図６は、内部空隙ハウジング１０２、冷却導管への入口側で第１のバッフル端１２５ａと冷却導管の出口側または下流側で第２のバッフル端１２５ｂとを有するバッフル１２５を示す。バッフルはさらに、上面１２５ｃと下面１２５ｄを有し、本発明の本実施形態では、上面１２５ｃは再循環導管の下面であり、バッフル１２５の下面１２５ｄは冷却導管の上面である。

図６はさらに、冷却剤導管の入口側で冷却剤噴霧１２９を示し、ナローギャップの形状により一致する、通常さらに平坦で幅広い噴霧パターンである従来のナローギャップ噴霧パターンよりも円形に近い噴霧パターンを示す。ただし、当業者であれば、本発明は多数の様々な既知の噴霧パターンのうちの任意の１つまたは組み合わせを利用することができ、本発明を実行するのに必要な特定のパターンはないことを認識するであろう。

図６は、ハウジングが第１のハウジング側面１０２ａ、第２のハウジング側面１０２ｂ（図６には示されず）、第１のハウジング端１０２ｃ、および第２のハウジング端（図６には示されず）などの一つまたはそれ以上のピースで製造される本発明の別の側面または実施形態も示す。ハウジングは、バッフルが挿入されて、ＨＶＭで１個のピースで成形することもできる。入口部品は、多数の噴霧器を特定の用途に適合させることのできる第２のピースであってもよい。

バッフル１２５（仕切り板と称することもできる）は全体として、第１のハウジング側面１０２ａ、第２のハウジング側面１０２ｂと一体化させ、そのように製造または成形することができる。もしくは、バッフル１２５は、図６に示されるように、組立中に互いに接触するハウジング側面１０２ａおよび１０２ｂのような二つの側面に分割することができる。図６では、図示されるバッフル１２５は第１のバッフル側面で、第２のバッフル側面は第２の側面１０２ｂと同じまたは略同じであり、好ましくは第２の側面と一体化され、その後で、第１のハウジング側面１０２ｂの隣接するバッフル部分と組み立てられる。第一のハウジング側面１０２ａと第２のハウジング側面１０２ｂは、第１のハウジング端１０２ｃと第２の類似のハウジング端（第１のハウジング側面１０２ａおよび／または第２のハウジング側面１０２ｂ、あるいは噴霧モジュールを収容し内部空隙を確定するために基部１０１上に配置するため別個のピースと一体化させることができる）の周囲で組み立てることができる。

図６は液体／気体分離領域１２８を示し、他の図面を参照して以下より詳細に説明されるように、液体出口バッフル１３３は分離領域１２８内に示される。

図７は、噴霧モジュールまたは噴霧冷却システムモジュール１００、基部１０１、ハウジング１０２、第１のハウジング端１０２ｃ、第２のハウジング端１０２ｄ、冷却面１２１、冷却剤出口１０５、冷却剤入口１０４、および冷却剤入口継手１０３を示す、図１に示される本発明の実施形態の断面図である。

図７は、冷却導管１３０、再循環導管１２７、バッフル１２５、および分離領域１２８を含むハウジング１０２の内部空隙も示す。バッフルの上面１２５ｃは本発明の本実施形態では再循環導管の下面であり、バッフル１２５の下面１２５ｄは冷却導管の上面である。

冷却剤流および冷却の見地から、図７は霧化された冷却剤噴霧１２９を示し、冷却剤噴霧１２９は、入口端１３０ａで液体および気体冷却剤流の混合物を冷却導管１３０に提供するため、混合区域１４０（気体同伴区域とも称される）で再循環された冷却剤気体１４６に結合される。冷却剤噴霧１２９は概して、霧化冷却剤液滴から成る。その後、結合された気体冷却剤と液体冷却剤は集束区域１３９を通過し、そこで噴霧が回収され、気体と液体の混合した噴霧が通過する断面の面積または体積が減少する。この集束区域１３９は、冷却導管１３０の入口側に向けられる前に冷却剤流の速度を速める。

図７は、冷却導管１３０の第２の端部または出口端１３０ｂを通過し、冷却導管１３０を通って流れる冷却剤流１４１を示す。冷却導管１３０内の冷却剤流１４１は、熱が移動または除去される面と称することもできる冷却面１２１上を流れる。所望の流れ状態は、所望の熱移動特性と冷却面１２１上の薄膜に対する高度な制御とを実現するため、環状流あるいは散乱環状流と同じまたは類似していてもよいが、必須ではない。冷却導管１３０を通る流は通常２相流で、つまり、液体と気体の両方が流れ、液体は好ましくは熱が移動される面上の薄膜液体冷却剤で、バッフルの下側にある可能性が高いことを意味する。冷却面１２１から冷却導管１３０の中央に向かって移動すると、冷却剤はいくつかの実施形態において液体から気体に階層化することもできる。冷却導管中の冷却剤の気化または蒸発は、冷却面１２１から冷却空隙１３０を流れる冷却剤への熱移動によって引き起こされ、冷却導管を流れる気体の拡張も招く。

冷却導管１３０の出口端１３０ｂを流れる液相および気相冷却剤はモジュールハウジングの内部空隙内の分離領域１２８に入り、そこで、冷却剤流の第一の気体部分（図７の矢印１４３によって示される）は液体部分と第２の気体部分（図７の矢印１４２によって示される）の混合物と分離される。第２の気体部分１４２は後の図面に示されるように、処理または処分のために出口１０５を通って液体出口バッフル１３３と分離器１２８によって送られる。

本発明の実施形態では、液相が再循環導管を介して最小化されるあるいは除去されるのが望ましいとしても、第１の気体部分１４３は最少量の液相冷却剤を含むことができる。冷却システムの実施形態は、冷却導管１３０からバッフル１２５を通って再循環導管１２７熱を伝送するように構成することができる（熱は矢印１６０によって示される）。熱１６０は、当業者によって認識されるように、再循環導管１２７内の液相冷却剤を部分的または完全に気化させるのを手助けする、あるいはその中の気相冷却剤を乾燥させるのを手助けすることができる。再循環導管１２７を通る冷却剤流は矢印１４４によって示され、矢印１４６は、冷却剤噴霧１２９と結合あるいは混合され、その後で冷却導管に再導入されるように混合区域１４０に送られる冷却剤流１４６を示す。

再循環された冷却剤（好ましくはすべて気相である）の混合または化合は、理論上だけでは完全であるが、完全でも部分的であってもよいことは本発明の意図に含まれる。

図７は、混合区域内に第１の端部１２５ａを含むバッフル１２５も示し、第１の端部は、冷却導管１３０に入る液相冷却剤と気相冷却剤の混合物または化合物の断面領域を低減するように、約２２度の角度を持つ、あるいは傾斜される。これにより、上記の理由で、冷却導管に入る冷却剤の速度を上昇させる。ただし、当業者であれば、断面領域の減少が本発明のいくつかの実施形態では好ましいが、本発明を実施するのに必須ではないことを認識するであろう。

再循環導管内での冷却剤への熱移動を促進するため、フィンまたは他の熱移動拡張機能を、冷却剤導管１３０中、再循環導管１２７中、またはその両方中のバッフルに追加することができる。

ナローギャップ気化噴霧冷却におけるいくつかの従来の横噴霧用途では、熱流束は１平方センチ当たり１５〜３０ワットの範囲であったが、本発明は１平方センチ当たり１００〜２００ワットの範囲の熱流束速度を達成することができると考えられる。

当業者であれば、ナローギャップという用語は、業界内の所与の適用または実施形態に関する一連の意味と数値を有することを理解するであろう。本明細書に記載のいくつかの実施形態では、ギャップは約０．０３０インチであると予想される。

図８は、冷却導管の入口端とそこに噴霧される噴霧冷却剤とを有する、図１に示される本発明の実施形態の噴霧モジュール１００の詳細切断断面図であり、基部１０１、第１のハウジング端１０２ｃを有するハウジング１０２、冷却剤噴霧１２９、冷却面１２１、バッフル第１の端部１２５ａを有するバッフル１２５、再循環導管１２７、冷却剤流１４６を示す。図８は、冷却剤導管１３０内の冷却剤導管熱移動フィン１６０と、再循環導管１２７内の再循環導管熱移動フィン１６１も示す。当業者であれば、フィンが冷却面と熱接触できることに注目するであろう。

図８に示されるような代表的な実施形態は、０．００８３インチの中心ジェットノズルと０．００８３インチの渦巻ポートとを有する標準押込ボタン型の噴霧器である４つの噴霧器を利用できる。これらの噴霧器は、約１２５ミクロンのザウター平均直径の液滴を生成することができる。液滴のサイズは気体を主流に再び取り込む能力において重要であり、液滴が小さいほどこの機能は有効性が高まると予測される。

図９は、冷却導管１６９内の出口区域１７５を含む本発明の一実施形態の側面図であり、バッフルは冷却導管１６９の出口区域１７５または出口端で冷却面から離れて上方に傾斜する。図９は、本発明の範囲内の多数の別の実施形態または構造のうちの１つを示し、本発明を実行するのに必要な特定の実施形態または構造はない。

図９は、基部１０１、ハウジング１０２、および第１のバッフル端１７０ａと第２のバッフル端１７０ｂとを有するバッフル１７０を示し、第１のバッフル端１７０ａと第２のバッフル端１７０ｂの両方ともが上方に傾斜している。第２のバッフル端１７０ｂ（冷却チャンバ１６９の出口端にある）を上方に傾斜させると、出口およびその近傍の冷却導管１６９の断面領域が増大し、気相冷却剤の速度も上昇することによって、気相冷却剤の所望の部分と冷却導管から流出する液相冷却剤（気相冷却剤の第２の部分はそれとともに流出する）とが分離する。

図９は、冷却導管１６９のほぼ中間部分にある距離１７２を有する冷却導管１６９、第１のバッフル端１７０ａと冷却面１７６との間の距離１７１、第２のバッフル端１７０ｂと冷却面１７６との間の距離１７３、および混合区域集束区域１７４を示す。

流の見地からは、図９は、出口１８５を通って排出される液相冷却剤と気相冷却剤の混合物を示す（矢印１８０によって示される）。矢印１８１は、再循環導管への再循環のために送られる気相冷却剤の所望の部分を表す。矢印１８２は、再循環導管１８６を通る気相冷却剤の流を表し、矢印１８３は、冷却導管１６９の入口端に噴霧される霧化された液体冷却剤（他の図面に示される）と混合させるために、（混合区域の）冷却導管の入口端近傍に提供あるいは導入される気相冷却剤を表す。

図１０は、熱が移動される面の別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、噴霧モジュール２００、ハウジング２０１、噴霧モジュール放出口または出口２０２、内部空隙２１２、バッフル２１０、冷却剤噴霧２１４、混合区域２１３、および冷却導管２１１を示す。図１０は、噴霧モジュールまたはハウジングの外に置くことのできる噴霧冷却システムの他の部品、すなわち、復水器２０４への放出導管２０３、および復水器２０４からポンプ２０６への導管２０５も示す。この図面には、先に詳述したように、本発明のいくつかの実施形態で利用可能だが、本発明を実施するのに特定の種類が必要とされない任意の冷却剤加熱器または予熱器２１５も示される。

当業者であれば、この図面に概略的に示される他の部品を認識し理解するであろう。したがって、さらに詳細に説明しない。

図１０は、直接接触冷却実施形態とも称される、ベアダイが冷却される構造を概略的に示す。

図１１は、熱が移動される面の別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、噴霧モジュール２００、ハウジング２０１、噴霧モジュール放出口または出口２０２、内部空隙２１２、バッフル２１０、冷却剤噴霧２１４、混合区域２１３、および冷却導管２１１を示す。図１１は、噴霧モジュールまたはハウジングの外に置くことのできる噴霧冷却システムの他の部品、すなわち、復水器２０４への放出導管２０３、および復水器２０４からポンプ２０６への導管２０５も示す。

先に詳述されるように、本発明のいくつかの実施形態で利用可能だが、本発明を実行するのに特定の種類を必要としない任意の冷却剤加熱器または予熱器２１５も、図１１に示される。

図１１は、図１０に示されるシステムと類似し、熱が移動される面に対する強化あるいは変更された熱移動特性のために、冷却面上に表面凹凸２３０または構造をさらに含むシステムを示す。

図１２は、熱が移動される面の別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、噴霧モジュール２００、ハウジング２０１、噴霧モジュール放出口または出口２０２、内部空隙２１２、バッフル２１０、冷却剤噴霧２１４、混合区域２１３、および冷却導管２１１を示す。図１２は、噴霧モジュールまたはハウジングの外に置くことのできる噴霧冷却システムの他の部品、すなわち、復水器２０４への放出導管２０３、および復水器２０４からポンプ２０６への導管２０５も示す。

この図には、先に詳述されるように、本発明のいくつかの実施形態で利用可能だが、本発明を実行するのに特定の種類を必要としない任意の冷却剤加熱器または予熱器２１５も示される。図１２は、図１０に示されるシステムと類似のシステムを示すが、集積回路チップなどの熱源と結合し、そこから熱を移動させる冷却板２４５である冷却板実施形態を概略的に示す。本実施形態では、冷却板の表面が、冷却面または熱が移動あるいは除去される面となる。

図１３は、熱が移動される面に対する別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、噴霧モジュール２００、ハウジング２０１、噴霧モジュール放出口または出口２０２、内部空隙２１２、バッフル２１０、冷却剤噴霧２１４、混合区域２１３、および冷却導管２１１を示す。図１３は、噴霧モジュールまたはハウジングの外に置くことのできる噴霧冷却システムの他の部品、すなわち、復水器２０４への放出導管２０３、および復水器２０４からポンプ２０６への導管２０５も示す。

この図面には、先に詳細に記載され、本発明のいくつかの実施形態で利用可能な任意の冷却剤加熱器または予熱器２１５も示されるが、本発明を実行するのに必要な特定の種類はない。図１３は、図１２に示されるシステムと類似の冷却板２４５のシステムを示すが、熱が移動される面への熱移動特性の強化または変更のために、冷却面上の表面凹凸２４６または構造をさらに含む。

図１４は、熱が移動される面の別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、噴霧モジュール２００、ハウジング２０１、噴霧モジュール放出口または出口２０２、内部空隙２１２、バッフル２１０、冷却剤噴霧２１４、混合区域２１３、および冷却導管２１１を示す。図１４は、噴霧モジュールまたはハウジングの外に置くことのできる噴霧冷却システムの他の部品、すなわち、復水器２０４への放出導管２０３、および復水器２０４からポンプ２０６への導管２０５も示す。

この図面には、先に詳細に記載され、本発明のいくつかの実施形態で利用可能な任意の冷却剤加熱器または予熱器２１５も示されるが、本発明を実行するのに必要な特定の種類はない。図１４は、図１０に示されるシステムと類似のシステムを示し、チップ２５０上の直接冷却を示す直接接触実施形態を概略的に示し、それは熱がそこから移動される多数の様々な種類の装置のうちの１つであってもよい。

図１５は、本発明の一実施形態の様々な可能な区域、部分または相における質と気体速度の概略的な表またはグラフである。図１５は、気体同伴区域と称することもできる混合区域２９９を概略的に示す。この区域、相または領域では、再循環された気相冷却剤は、冷却導管３０３の方に霧化または噴霧された液体冷却剤３０１と混合される、あるいは液体冷却剤３０１に取り込まれる。冷却導管３０３は、ナローギャップ冷却区域３０５と称することもできる。

次に、再循環された気体と霧化された液体冷却剤の混合物は、混合物の通過する断面領域が減少する、噴霧回収および気体加速区域またはセクションを通過する。参照のため、これが集束区域３００とも称される。集束区域３００は、集束区域入口３００ａと集束区域出口３００ｂを含み、それぞれが断面領域を有し、集束区域入口３００ａの断面領域は集束区域出口３００ｂの断面領域よりも大きい。この結果、気体と液体の混合物が冷却導管３０３部分または区域に入る前に、該混合物の速度が上昇し、流の性質が変化する。冷却導管３０３への入口側３０３ａと出口側３０３ｂとがある。

図１５の中間部分で参照された流の質は、気体質量と液体質量の合計に対する質量のパーセントとして測定される。

図１５の下部分に示される、様々な区域または位置での気体速度は、一般的なグラフを反映しており、任意の所与の本発明の実施形態に特有のものではなく、算出された気体速度は、一定断面バージョンの場合、３００ａでは１秒当たり約７メートル、３００ｂでは１秒当たり１２メートル以上、３０３ｂでは１秒当たり約１５メートルである。ただし、本発明はこれらの計算値に限定されず、代表的な算出値として提示される。

図１６は、冷却導管および１つまたはそれ以上の再循環導管を通る流の概略的な図示または例であり、２つの霧化噴霧コーン３５１を有する冷却導管３５０と、結果として生じる、冷却導管３５０を通過する液体および気体とを示す。冷却導管の縦方向に上方の流路または導管は、図示されるように、好ましくは冷却導管３５０の入口側に戻すようにのみ気体を振り向ける、あるいは送ることを目的とする再循環導管３５２である。ただし、本明細書でより詳細に説明されるように、液体の一部は再循環流路に流れ込む。

図１７は、導管内の環状流の形を示す該略図で、冷却される表面の中心またはそこから離れた液相および気相を示す。図１７は、冷却面３６３または熱が移動される面を有する冷却剤導管３６０、冷却面３６３上の冷却剤の薄膜３６２、および矢印３６６の方向の流を示す。バッフルのまたはその近傍に液体冷却剤の薄膜を有するバッフルの上面３６４も示され、中心の気体３６１は上部と下部の両方での薄膜の保持を補助する。

図１７に示される流は、「環状流」と通常称されるものに近い、あるいはその環状流である。本発明を実行するのに必要な特定の種類の流はない。

図１８は、テストされた本発明の一実施形態における、冷却導管の入口から下流の様々な距離での相対熱移動係数の比較を示すグラフまたは表である。改良された分離器なし、再循環導管あり、混合区域なし、および集束区域なし（これは陰線または太破線によって示される）の従来の一定断面と比較された。

図１８に示される値は、流速、液体特性、幾何学形状、および３００ｂ（他の図面に示される）での入口の質に基づく計算値である。「旧」線は従来の横噴霧冷却用途からのもので計算値に一致する傾向にある。「新」線またはグラフは本発明による改良を示す。

第２のシナリオは、混合または気体同伴区域はあるが、集束区域がない（断面領域での縮小がない）新たな分離器（本明細書で開示される）を用いてテストされた。

断面領域の縮小する集束区域または領域が第２のシナリオの構造に追加される第３のシナリオが算出され、その結果が図１８に示される。これらの各種実施形態に関するこれらの測定値において、再循環導管を有する新たに集束する導管が、最も所望される結果を示した。示される集束区域の縮小は、７：１の縮小比のように、本発明の意図に含まれる多数の様々な比のうち任意の１つであってよく、本発明を実行するのに特定の比は必要とされない。

分岐区域が入口から冷却導管へ上流で使用されるときの熱移動係数は、測定される冷却導管の全長にわたり比較的一定な熱移動係数を示す。当業者によって認識されるように、この結果、熱が移動される面に沿っての温度勾配が大幅に低減または除去され、特に電子部品の冷却にとって望ましい。実験上示されたのは、運動量の変化と圧力低下の変化の速度間の微妙なバランスである（すなわち、ギャップが一定に保持されるかどうかにかかわらず、分岐または集束は、圧力低下の変化に対する運動量の変化に依存する）。

図１９は、本発明によって利用可能な再循環分離器の１実施形態の概略図である。図１９は、噴霧モジュール４３０、冷却導管４３４を有するハウジング４３１、冷却剤出口または出口ポート４２８、再循環導管４３６、および分離領域４２９を示す。矢印４３９は、冷却導管４３４を通過する冷却剤の流、冷却面４２８上の薄膜４３３、および冷却導管４３４の中心部分の気体冷却剤４３５を示す。分離領域４２９では、気体部分は、新たに霧化された噴霧冷却剤と混合させるために冷却導管４３４の入口側に気体を送る再循環導管４３６に振り向けられる。再循環導管４３６は、ほとんどが気体４３７を含むが、いくらかの液体膜４３８を含むこともある。

バッフル４２７を介した十分な熱移動が得られる程度まで、バッフル４２７を通って再循環導管４３６間で移動される熱によって、薄液体膜４３８（もしあれば）を気化させ、その結果、再循環チャンバ内の気体４３７を乾燥させることができる。

図２０は、本発明で利用可能なシステムレベルの液体流の一実施形態の一例を示す概略図５００である。図２０には、当業者によって高く評価されている冷却剤タンク５０４、熱交換器５０５、冷却剤ポンプ５０３、噴霧モジュール５０１、および可能な印加された熱５０２を示す。冷却剤または液体流出モジュールは、冷却剤の凝縮が発生する熱交換器５０５に、次にタンク５０４に、そして噴霧モジュール５０１に再導入されるためにポンプ５０３に進む。

図２１は、本発明で利用可能な噴霧モジュール５１０の実施形態の一例の第一の側面透視図であり、ハウジング５１１、放熱板５０９、気体再循環ポート５１２または領域を示す。図２２は、図２１に示される噴霧モジュール５１０の一例の第２の側面透視図であり、ハウジング５１１、液体または冷却剤入口５２０、噴霧器空隙５１２の領域、および液体または冷却剤出口５２１または吐出口を示す。非常に一般的に、液体は噴霧器空隙内で加圧され、わずかに冷却されたあるいは飽和された液体状態で、圧力渦巻噴霧器を介して膨張される。気体は霧化液体流に取り込まれ、本実施形態では小型流路（他の図面に示される）に振り向けられる。

図２３は、均一分布される２００ワットの負荷で、３０℃の飽和温度で、異なる液体種類に対して変動する質量流を示す直径１センチ、１０センチ長の管に対して、チェン相関によって定義される流動沸騰熱移動係数を示す図である。示される３種類の液体は図２３のキャプションで示されるように、５０５０−ｈ、Ｒ−１３４ａ−ｈ、およびＲ１２−ｈである。当業者は図２３を見て、Ｒ−１３４ａおよびＲ１２の液体が強力な核沸騰特性を有し、ＰＦ５０５０の液体の結果が、本発明の実施形態での利用に適する液体へと変える対流流動沸騰への迅速かつ支配的な移行を示唆することを理解するであろう。当業者であれば、ＰＦ５０５０の液体が本発明の実施形態での適用に適し、多数の液体のうちの任意の一つが本発明の意図に含まれ、本発明を実行するのに必要な特定の液体はないことを認識するであろう。

質量流速が熱流束に対して最適化可能で、最初の表面質を課すことができる場合、熱移動係数を管の特定長によって増大することができ、本発明の種類の管と噴霧モジュールとを関連付けることができると推定および確信される。初期のまたは表面の質は、本発明の実施形態では、液体噴霧プロセスを通じて生成することができる。

この技術を用いて設計された噴霧モジュールの実験結果が示すように、２５０ワット以上が、１５０ワットで１ワット当たり０．２℃未満のケース−雰囲気熱抵抗で、一体型放熱板（ＩＨＳ）を取り除かずに、約１．２４センチのダイから１．２４センチを除去することができる。調査された実施形態のパッケージサイズは長さ５．６センチ、幅３．１センチ、高さ１．６センチで（図２１および２２に示されるモジュールの寸法であってもよい）、ブレード型または１Ｕ型サーバ（または、他の類似の標準型要因）での適用に適する示度を与える。

図２４は図２６に示されるモジュールの２４−２４切断面で得られる上断面図であり、液体路と気体再循環ポートを示す。図２４は、噴霧モジュール５１０、噴霧器位置５２９、液体／気体流５３０、気体再循環流域５３４またはポート、気体再循環ポートハウジング領域５１２、および再循環気体５３１を示す。図２４はさらに、冷却剤入口５２０、冷却剤出口５２１、液体／気体分離領域または分離器５３２、および好ましくは流を促進するアーチ型の分離領域の端部５３３を示す。本発明の本実施形態では、気体再循環領域５３４は、液体と気体の混合物の気体部分のより多くのまたはより所望の部分の再循環を促進するため、分離器または液体／気体分離領域でまたはその近傍で拡張された断面領域である。

当業者であれば、気体再循環領域５３４は、液体／気体冷却剤混合物の気体部分、または気体部分の多くが、（本明細書の他の部分で説明されるように）霧化冷却剤との再同伴のために冷却剤導管に戻るように通過する導管、通路、またはポートを提供する。

図２５は図２６に示されるモジュール５１０の２５−２５切断面で得られる下断面図であり、フィン５４１（流路仕切り板、流路壁、または隔壁）、冷却剤流路５４０、混合区域５３９、入口マニホルド５２０内のモジュール５１０に流入する冷却剤５４７、および出口マニホルド５２１を通って流出する冷却剤５４６を示す。さらに本明細書の他の部分で説明され、当業者によって既知なように、冷却剤流路５４０は小型流路と称することもできる。複数の小型冷却導管５４０、または冷却剤流路を有する本実施形態の構造は、１つのより幅広の冷却導管（たとえば、図７を参照）を開示する本明細書に開示された他の実施形態と区別される。小型冷却導管５４０の断面領域は、小型冷却導管５４０の長さの１部または全部に沿って、入口領域から出口領域へと狭まっていく。

これらの本発明の実施形態において断面領域が狭まっていく複数の小型冷却導管５４０は、冷却される表面領域を強化し、上述の流動沸騰現象に寄与する。噴霧された冷却剤は、再循環された気体の領域の捕集器を通る流路の入口で、通常まだ非常に高速な液滴であり、その高速液滴または霧化冷却剤によって、周囲の気体は噴霧コーン内に閉じ込められ、同伴区域での表層質を生成する。２相混合物は、環状流が最初に存在し、流路全体を通じて維持されるようなサイズの小型流路に強制的に流入される初期の質を有する。テストされた上述の例では、各小型流路は入口水力直径が１．５５ミリ、出口水力直径が１．１８ミリ、流路長が３５．８ミリのサイズにすることができる（が必須ではない）。
本発明のいくつかの実施形態では、本明細書に記載される小型流路を使用することによって、強化された冷却能力に基づき、全体のサイズを総体積のほぼ半分に低減することができる。

当業者であれば、上述の他の本発明の実施形態の冷却導管がいかにして、本発明の本実施形態では複数の隔壁または流路隔壁によって画定される複数の小型流路によって構成されるかを認識するであろう。流路隔壁の一例は熱移送フィンである。

図２６は、図２１および２２に示されるモジュール５１０の実施形態の断面図である。図２６は、噴霧器空隙領域６０３、気体同伴領域６０２、バッフル６０９、霧化冷却剤６０１、および印加された熱負荷６００を示す。図２６はさらに、液体／気体分離区域６０４、戻り気体６１０、冷却空隙６０６または流路、下ハウジング部品５０９、分離器６０７、および気体流６０８を示す。

図２６は、液体がいかにして表面から熱を得て、質を変化させるかを示す。その後、液体は液体−気体分離区域または分離器６０７の方に振り向けられ、そこで液体と気体の一部が噴霧モジュールから出て、熱交換器の方に移動し、気体の異なる部分が再同伴のために主流経路に再び送られる（矢印６１０によって示される）。液体流出モジュール５１０は図２０により詳細に示されるように、熱交換器へと移動する。

図２６に示される本発明の実施形態の別の側面は、液体／気体分離器が、再循環された液体の量または部分を低減することによって、特定の用途に望ましい強化されたまたはより望ましい特性を有することである。再循環された液相冷却剤の低減は、本発明のいくつかの実施形態では、一般的には涙型幾何学形状と称することのできる、分離器のアーチ型幾何学形状によって達成することができる。この幾何学形状は、液相と気相を互いに分離させるより大きな渦巻を形成することによって気体速度、ひいては、再同伴のための気体運動量を保持する傾向があり、高い運動量の液体は出口を通り噴霧モジュールから直接出る最も容易な経路をたどり、低い運動量の気体は再循環ポート領域内へ移動する。

図２６にも見られるように、高品質の２相気体／液体混合物は小型流路を出ると、流領域のわずかな増大のために速度が減少し、分離器内の分離領域の流路のアーチ型端部状を移動すると渦巻き始める。渦巻運動または状態では、気体冷却剤対液体冷却剤の相対運動量のため、液体は壁に沿って移動しがちで、気体は中央または中央領域にとどまりがちである。その後、気体は再循環ポートを通って送られて、主流を供給し、噴霧領域に取り込まれる。

気体再循環ポートは最初の噴霧と直接液体接触し、液体の移動のために、気体再循環チャンバまたは領域内でわずかな負圧を引き起こす。気体がこのポートに入ると、運動量が保持されて、液体の主流に再同伴される。液体部分またはこの流の一部は、より大きな質量、ひいてはより大きな運動量を有し、他の図面に関して記載されるように、出口ポートを通って熱交換器に送られる。

図２６に示される本発明の実施形態では、気体／液体分離領域、分離器は、螺旋状である、略螺旋状である、あるいは螺旋状的特性を有することができる（が、必須ではない）。
さらに、当業者であれば、本明細書に記載されるような流路または液体流路の断面形状は、多数の様々な形状または構造のうちの任意の一つであってよく、本発明を実行するのに必要な特定の形状はないことを認識するであろう。

図２７は、本発明を実行する際に利用可能なモジュール６２０の底部の一実施形態の上面内部図である。図２７は、ハウジング６２１、混合区域６２２、複数の流路または小型流路６２３、およびフィンまたは隔壁と称することもできる流路壁６２４の先端６２６を有する流路壁６２４を示す。

図２８は図２７の２８−２８切断面で得られる断面図で、モジュール基部６３０、混合区域のまたはその近傍のアーチ型領域６５２、流路側壁６２４、流路壁６２４の先端６２６を示す。図２８は、流路壁６２４のテーパ勾配を含む一実施形態も示し、テーパ勾配は、入口のまたはその近傍の距離６５４と出口のまたはその近傍の距離６５３との間の差として示される。

図２９は、モジュール基部６３０、流路側壁６２４、および流路側壁６２４の先端６２６を示す、図２７に示されるモジュールの実施形態の立面図である。

図３０は図２７に示されるモジュールの実施形態の第１の側面図であり、モジュール基部６３０と、流路壁６２４によって分離される複数の小型流路６２３を示す。当業者であれば、小型流路６２３の多数の様々な具体的形状および構造のうちの任意の１つを本発明を実行する際に利用可能であり、特定の形状および構造は必要とされないことを認識するであろう。

図３１は、図２７に示されるモジュールの実施形態の第２の側面図であり、モジュール基部６３０、流路壁６２４によって分離される複数の小型流路６２３、および基部６３０内の入口溝６４２を示す。

図３２は、図２７に示されるモジュールの実施形態の透視図であり、モジュール６２０、先端６２６を有する流路壁６２４によって分離される複数の小型流路６２３、混合区域のまたはその近傍のアーチ型領域６２２、小型流路への入口溝６４２、およびモジュール基部６３０を示す。

図３３は、本発明を実行する際に利用可能なモジュールの一実施形態の透視分解図である。図３３は概して、噴霧キャップモジュール６５０、出口スイープ６５４、モジュールハウジングの側板６５７、中心ジェット噴霧器６５３、噴霧器ノズル体６５１、キャップ蓋６５２、および基部６３０または冷却板を示す。

当業者によって認識されるように、本発明の実施形態は無数にあり、素子および部品の変形を使用可能で、それらはすべて本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態は、たとえば、霧化液体冷却剤の流と気化冷却剤の流が結合される混合区域と、冷却導管と、を備えるナローギャップ気化噴霧冷却システムであって、冷却導管は、混合区域から霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を受け取るように配置された集束区域であって、集束区域入口断面領域および集束区域出口断面領域を有し、集束区域入口断面領域が集束区域出口断面領域より大きい集束区域と、集束区域出口から霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を受け取るように配置され、熱が移動される面を含むナローギャップ冷却区域とを備えるナローギャップ気化噴霧冷却システムである。

先の段落に記載された本発明の実施形態ではさらに、気体が混合区域で霧化された液体冷却剤とともに取り込まれ、集束区域がナローギャップ冷却区域への再導入のために環状流を提供するように構成されることによって、熱が移動される面の全長に沿ってより一貫した熱移動を促進し、集束区域はさらにナローギャップ冷却区域への再導入のために環状流を提供するように構成されることによって、熱が移動される面の全長に沿ってより一貫した流圧を促進し、および／または、霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を受け取るように構成される分離区域と、気化冷却剤の少なくとも一部を再循環導管を送るためにナローギャップ冷却区域から新たに気化された冷却剤流とを備える。

先の段落で記載されたもののさらに別の実施形態では、バッフルが第１のバッフル端と第２のバッフル端を備え、第１のバッフル端は、第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して入口断面領域を画定し、バッフル端の下面の中間位置は、第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して中間断面領域を画定し、入口断面領域は中間断面領域より大きい。

本発明の別の実施形態では、ナローギャップ気化噴霧冷却システム用の供給システムが提供され、該システムは、内部空隙を有する供給システム枠組みと、内部空隙内で、霧化液体冷却剤流と気化冷却剤流を受け取り結合するように構成された混合区域と、枠組み内で、霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を混合区域から受け取るように配置された集束区域であって、冷却導管の集束区域が集束区域入口断面領域と集束区域出口断面領域を有し、集束区域入口断面領域が集束区域出口断面領域より大きい集束区域と、を備え、集束区域はさらに、霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流をナローギャップ気化噴霧冷却導管に提供するように構成される。本実施形態ではさらに、気体が混合区域で霧化液体冷却剤とともに取り込まれ、および／または、集束区域が、霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を環状流内のナローギャップ気化噴霧冷却導管に提供するように構成される。

本発明の別の実施形態では、ナローギャップ気化噴霧冷却ハウジングシステムが提供される。該システムは、上面と、熱が移動される下面と、第１の端壁および第２の端壁と、第１の側壁および第２の側壁とを有し、上面、下面、第１の端壁、第２の端壁、第１の側壁および第２の側壁によってほぼ画定されるハウジングと、上面および下面を有し、第１の側壁または第２の側壁のうち少なくとも１つに装着され、ハウジングの上面と下面間に水平に配置されるバッフルとを備え、下バッフル面はハウジングの下面と結合してナローギャップ冷却導管を画定し、上バッフル面はハウジングの上面と結合して再循環導管を画定し、少なくとも１つの噴霧器は、ハウジングの第１の端部で、噴霧冷却剤をナローギャップ冷却導管の方向に送るように構成される。

先の段落に記載された本発明の実施形態ではさらに、バッフルは冷却導管から再循環導管へ受け取られた熱を伝送し、バッフルはさらに第１のバッフル端と第２のバッフル端を備え、第１のバッフル端はハウジングの下面からの入口距離にあり、入口距離はバッフルの下面とハウジングの下面間の中間距離より大きく、および／または、バッフルはさらに第１のバッフル端と第２のバッフル端を備え、第１のバッフル端は第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して入口断面領域を画定し、第２のバッフル端は第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して出口断面領域を画定し、入口断面領域は出口断面領域より大きい。先の段落に記載された実施形態とはさらに別の実施形態では、バッフルは第１のバッフル端と第２のバッフル端を備え、第１のバッフル端は第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して入口断面領域を画定し、バッフル端の下面の中間位置は第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して中間断面領域を画定し、入口断面領域は中間断面領域より大きい。

本発明のさらに別の実施形態では、ナローギャップ気化噴霧冷却用のハウジングシステムが提供され、該システムは、内部空隙を有するハウジングと、ハウジングの内部空隙内の中間に位置するようにハウジングに装着されるバッフルとを備え、バッフルの上面はハウジングの内部空隙と結合して気体再循環導管をほぼ画定し、バッフルの下面はハウジングの内部空隙と結合してナローギャップ冷却導管をほぼ画定し、バッフルは伝熱性で、熱を気体再循環導管に提供するように配置される。

先の段落で記載した実施形態に加えて、ハウジングシステムではさらに、バッフルはナローギャップ冷却導管から熱を受け取り、その熱を気体再循環導管に提供するように配置され、バッフルはハウジングから熱を伝導的に受け取り、その熱を気体再循環導管に提供するように配置され、および／または、バッフルはナローギャップ冷却導管から熱を受け取り、ナローギャップ冷却導管から熱を伝導的に受け取り、その熱を気体再循環導管に提供するように配置される。

本発明の別の実施形態では、ナローギャップ気化噴霧冷却用のハウジングシステムが提供され、該システムは、内部空隙を有するハウジングと、ハウジングの内部空隙内で中間に配置されるようにハウジングに装着されるバッフルであって、バッフルの下面はハウジングの内部空隙と結合してナローギャップ冷却導管をほぼ画定し、バッフルの上面はハウジングの内部空隙と結合して気体再循環導管をほぼ画定するバッフルと、ナローギャップ冷却導管と気体再循環導管との間に、ナローギャップ冷却導管から液体と気体を受け取り、気体の少なくとも一部を気体再循環導管に提供するように構成される気体分離空隙と、
を備え、気体再循環導管はさらに、ナローギャップ冷却導管への再導入のために気体を提供するように構成され、さらに気体再循環導管は複数のナローギャップ冷却導管の縦方向に上に略配置される。

本発明のさらに別の実施形態では、ナローギャップ気化噴霧冷却用のハウジングシステムが提供され、該システムは、内部空隙を有するハウジングと、ハウジングの内部空隙内で中間に配置されるようにハウジングに装着されるバッフルであって、バッフルの下面はハウジングの内部空隙と結合してナローギャップ冷却導管をほぼ画定し、バッフルの上面はハウジングの内部空隙と結合して気体再循環導管をほぼ画定するバッフルと、ナローギャップ冷却導管と気体再循環導管との間に、ナローギャップ冷却導管から液体と気体を受け取り、気体の少なくとも一部を気体再循環導管に提供するように構成される気体分離空隙と、を備え、気体再循環導管はさらに、ナローギャップ冷却導管への再導入のために気体を提供するように構成される。

本発明のさらに別の実施形態では、ナローギャップエンクロージャ内で冷却される気化噴霧とするために、表面全体の温度勾配を低減する方法が提供され、該方法は、内部空隙を有し、ハウジングの内部空隙内の中間に位置するようにハウジングに装着されるバッフルと、ハウジングの内部空隙と結合されて気体再循環導管をほぼ画定するバッフルの上面と、ハウジングの内部空隙と結合されてナローギャップ冷却導管をほぼ画定するバッフルの下面とを含むハウジングを提供することと、冷却剤を冷却導管の入口に噴霧することと、気体再循環導管を通って冷却導管を流出し冷却導管の入口へと戻る気化冷却剤の少なくとも一部を再循環させて、冷却導管の入口側の方に噴霧冷却される表面上での熱移動を増大させることとを備える。

本発明のさらに別の実施形態では、ナローギャップエンクロージャ内で冷却される気化噴霧とするために、表面全体の温度勾配を低減する方法が提供され、該方法は、内部空隙を有し、ハウジングの内部空隙内の中間に位置するようにハウジングに装着されるバッフルと、ハウジングの内部空隙と結合されて気体再循環導管をほぼ画定するバッフルの上面と、ハウジングの内部空隙と結合されてナローギャップ冷却導管をほぼ画定するバッフルの下面とを含むハウジングを提供することと、冷却剤を冷却導管の入口に噴霧することと、気体再循環導管を通って冷却導管を流出し冷却導管の入口へと戻る気化冷却剤の少なくとも一部を再循環させて、冷却の入口での圧力を増大させることによって、冷却剤導管を通る圧力購買を低減することとを備える。

本発明のさらに別の実施形態では、ナローギャップ気化噴霧冷却用のハウジングシステムが提供され、該システムは、内部空隙を有するハウジング手段と、ハウジング手段の内部空隙内で中間に配置されるようにハウジング手段に装着されるバッフル手段であって、バッフル手段の上面はハウジングの内部空隙と結合して気体再循環導管を画定し、バッフル手段の上面はハウジングの内部空隙と結合してナローギャップ冷却導管をほぼ画定するバッフルと、を備え、バッフル手段は伝熱性で、気体再循環導管に熱を提供するように配置される。

法律を遵守し、本発明は構造上および方法上の特徴をほぼ明確に限定するような文言で記載されている。ただし、本明細書に開示される手段は本発明を実行に移す好適な形を備えるため、本発明は図示または説明される具体的な特徴に限定されないと理解すべきである。したがって、本発明は、均等論にしたがい適切に解釈される添付の請求項の範囲に含まれる形式または変形のいずれかで請求される。

本発明の好適な実施形態は、以下の添付図面を参照して以下説明する。
本発明の１実施形態の正面透視図である。 図１に示される本発明の実施形態の後部透視図である。 図１に示される本発明の実施形態の後部側面図である。 図１に示される本発明の実施形態の端面図である。 図１に示される本発明の基部の正面透視図である。 図１に示される本発明の実施形態の正面部分透視切断図である。 図１に示される本発明の実施形態の断面図である。 バッフルに追加された代表的なフィンのみを有し、図１に示される本発明の実施形態の冷却導管の入口端とそこに噴霧される噴霧冷却剤を示す詳細切断断面図である。 冷却導管の出口端のまたはその近傍の断面領域が増大された別のバッフル構造の側面図である。 熱が移動される面に対する別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、ベアダイまたは直接接触実施形態を概略的に示す。 熱が移動される面に対する別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、図１０に示されるように、異なる表面凹凸または構造でのみベアダイまたは直接接触実施形態を概略的に示す。 熱が移動される面に対する別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、冷却板実施形態を概略的に示す。 熱が移動される面に対する別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、異なる表面凹凸または構造を含む冷却板実施形態での冷却板構造を概略的に示す。 熱が移動される面に対する別の構造を示す本発明の一実施形態の概略側面図であり、直接接触実施形態を概略的に示す。 本発明の一実施形態の様々な可能な区域、部分または相における質と気体速度の概略的な表またはグラフである。 冷却導管と１つまたはそれ以上の再循環導管を通過する流の概略的な図示または例である。 冷却される表面の中心またはそこから離れる液相および気相を示す、導管中の環状流の形の概略図である。 熱移動比較を示すグラフまたは表である。 本発明によって利用可能な 再循環分離器の一実施形態の概略図である。 本発明において利用可能なシステムレベルの液体流の一実施形態の一例を示す概略図である。 本発明で利用可能な噴霧モジュール実施形態の一例の第１の側面透視図である。 本発明で利用可能な噴霧モジュール実施形態の一例の第１の側面透視図である。 チェン相関によって定義される流動沸騰熱移動係数を示す図である。 図２６に示されるモジュールの上断面図である。 図２６に示されるモジュールの下断面図である。 図２１および２２に示されるモジュールの実施形態の断面図である。 本発明を実行する際に利用可能なモジュールの一実施形態の上面内部図である。 図２７の２８−２８切断面で得られる断面図である。 図２７に示されるモジュールの実施形態の立面図である。 図２７に示されるモジュールの実施形態の第１の側面図である。 図２７に示されるモジュールの実施形態の第２の側面図である。 図２７に示されるモジュールの実施形態の透視図である。 本発明を実行する際に利用可能なモジュールの一実施形態の透視分解図である。

Claims (22)

1. 霧化液体冷却剤の流と気化冷却剤の流が結合される混合区域と、
   冷却導管と、
   を備えるナローギャップ気化噴霧冷却システムであって、
   冷却導管は
   混合区域から霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を受け取るように配置された集束区域であって、集束区域入口断面領域および集束区域出口断面領域を有し、集束区域入口断面領域が集束区域出口断面領域より大きい集束区域と、
   集束区域出口から霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を受け取るように配置され、熱が移動される面を含むナローギャップ冷却区域とを備え、
   冷却導管はさらに複数の流路隔壁によって画定される複数の小型流路を備えることを特徴とするナローギャップ気化噴霧冷却システム。
2. さらに気体は混合区域に霧化液体冷却剤とともに取り込まれることを特徴とする、請求項１に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム。
3. 集束区域は環状流をナローギャップ冷却区域の入口に提供するように構成されることによって、熱が移動される面の全長に沿って熱のさらなる一貫した移動を促進することを特徴とする、請求項１に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム。
4. 集束区域は環状流をナローギャップ冷却区域の入口に提供するように構成されることによって、熱が移動される面の全長に沿って熱のさらなる一貫した流圧を促進することを特徴とする、請求項１に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム。
5. 霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を受け取るように構成される分離区域と、気化冷却剤の少なくとも一部を再循環導管に向けるため、ナローギャップ冷却区域から新たに気化された冷却剤流とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム。
6. 再循環導管は気化冷却剤を混合区域に提供するように構成されることを特徴とする、請求項５に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム。
7. 隔壁はフィンであることを特徴とする、請求項１に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム。
8. 分離器のまたはその近傍の気体再循環領域をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム。
9. 気体再循環領域は分離器のまたはその近傍の断面が増大した領域であることを特徴とする、請求項８に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム。
10. 内部空隙を有する供給システム枠組みと、
    内部空隙内で、霧化液体冷却剤流と気化冷却剤流を受け取り結合するように構成された混合区域と、
    枠組み内で、霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を混合区域から受け取るように配置された集束区域であって、冷却導管の集束区域が集束区域入口断面領域と集束区域出口断面領域を有し、集束区域入口断面領域が集束区域出口断面領域より大きい集束区域と、
    を備えるナローギャップ気化噴霧冷却システム用の供給システムであって、
    集束区域はさらに、霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を複数のナローギャップ気化噴霧冷却導管に提供するように構成されることを特徴とする供給システム。
11. 複数のナローギャップ気化冷却導管は小型流路であることを特徴とする、請求項１０に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム用の供給システム。
12. 複数の小型流路が複数の流路隔壁によって画定されることを特徴とする、請求項１１に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム用の供給システム。
13. 気体は混合区域に霧化液体冷却剤とともに取り込まれることを特徴とする、請求項１０に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム用の供給システム。
14. 集束区域は、霧化液体冷却剤と気化冷却剤の結合流を環状流内のナローギャップ気化噴霧冷却導管に提供するように構成されることを特徴とする、請求項１０に記載のナローギャップ気化噴霧冷却システム用の供給システム。
15. 上面と、
    熱が移動される下面と、
    第１の端壁および第２の端壁と、
    第１の側壁および第２の側壁と、
    を備えるハウジングであって、
    上面、下面、第１の端壁、第２の端壁、第１の側壁、および第２の側壁がハウジングをほぼ画定し、上面と下面を有するバッフルが第１の側壁または第２の側壁のうち少なくとも１つに装着され、ハウジングの上面と下面の間に水平に配置され、
    下バッフル面はハウジングの下面と結合してナローギャップ冷却導管を画定し、
    上バッフル面はハウジングの上面と結合して再循環導管を画定するハウジングと、
    複数のナローギャップ気化噴霧冷却導管を画定する複数の略垂直な隔壁と、
    ハウジングの第１の端部で、複数のナローギャップ冷却導管の方に冷却剤を噴霧するように構成される少なくとも１つの噴霧器と、
    を備えることを特徴とする、ナローギャップ気化噴霧冷却ハウジングシステム。
16. 複数のナローギャップ気化冷却導管は小型流路であることを特徴とする、請求項１５に記載のナローギャップ気化噴霧冷却ハウジングシステム。
17. バッフルは冷却導管から受け取った熱を再循環導管を熱伝導することを特徴とする、請求項１５に記載のナローギャップ気化噴霧冷却ハウジングシステム。
18. バッフルはさらに第１のバッフル端と第２のバッフル端を備え、第１のバッフル端はハウジングの下面からの入口距離であり、入口距離はバッフルの下面とハウジングの下面との間の中間距離より大きいことを特徴とする、請求項１５に記載のナローギャップ気化噴霧冷却ハウジングシステム。
19. バッフルはさらに第１のバッフル端と第２のバッフル端を備え、
    第１のバッフル端は、第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して入口断面領域を画定し、
    第２のバッフル端は、第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して出口断面領域を画定し、
    入口断面領域は出口断面領域より大きい
    ことを特徴とする、請求項１５に記載のナローギャップ気化噴霧冷却ハウジングシステム。
20. バッフルはさらに第１のバッフル端と第２のバッフル端を備え、
    第１のバッフル端は、第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して、入口断面領域を画定し、
    バッフル端の下面の中間位置は、第１の側壁、第２の側壁、およびハウジングの下面と結合して中間断面領域を画定し、
    入口断面領域は中間断面領域より大きい、
    ことを特徴とする、請求項１５に記載のナローギャップ気化噴霧冷却ハウジングシステム。
21. 内部空隙を有するハウジングと、
    ハウジングの内部空隙内で中間に配置されるようにハウジングに装着されるバッフルであって、
    バッフルの下面はハウジングの内部空隙と結合して複数のナローギャップ冷却導管をほぼ画定し、
    バッフルの上面はハウジングの内部空隙と結合して気体再循環導管をほぼ画定するバッフルと、
    複数のナローギャップ冷却導管と気体再循環導管との間に、複数のナローギャップ冷却導管から液体と気体を受け取り、気体の少なくとも一部を気体再循環導管に提供するように構成される気体分離空隙と、
    を備えるナローギャップ気化噴霧冷却用のハウジングシステムであって、
    気体再循環導管はさらに、ナローギャップ冷却導管への再導入のために気体を提供するように構成され、
    さらに気体再循環導管は複数のナローギャップ冷却導管の縦方向に上に略配置される
    ことを特徴とするハウジングシステム。
22. 気体分離空隙は略渦巻状であることを特徴とする、請求項２１に記載のナローギャップ気化噴霧冷却用のハウジングシステム。

Images