JP4616888B2 - 噴霧偏向を使用する噴霧冷却 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には発熱素子の冷却システムに関し、特に、噴霧冷却システム、及び噴霧冷却システムを使用して１つ又は複数の半導体素子（すなわち、チップ）を冷却する方法に関する。

ますます高い部品密度を有する半導体素子の出現に伴い、素子が発生する熱の除去が技術的にますます難しい問題になっている。時間とともに、ＣＭＯＳ素子の動作周波数はかなり増大した。その結果としてのマイクロプロセッサの電力損失も同様に、大規模に増大した。素子の入力電圧及び静電容量が低減した一方で、処理効率が追求されるために、典型的なマイクロプロセッサダイ上の素子数が引き続き急増している。さらに、素子の微細化により、素子設計者は、キャッシュの製造に使用される部品のように、従来は別個であった部品をマイクロプロセッサダイに集積するようになっている。

素子のこの統合により、ＣＰＵコア出力密度が高くなり、たとえば、２０ｍｍ×２０ｍｍのマイクロプロセッサダイの５０％がＣＰＵコアを含み、残りがキャッシュであり得る。さらに、典型的なプロセッサ基板は、場合によっては、複数のＣＰＵモジュール、特定用途向け集積回路（ＩＣ）、及びスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）並びにＤＣ−ＤＣコンバータを含むことがあり、これらはすべて電力損失要件を増大させ、それによってコンピュータシステムが必要な総電力損失レベルが増大する。

複雑性に加えて、このような高消費チップを使用する最近のシステムは往々にして、異なる冷却レベルを要する種々のチップを有し、極端なのはそのうちのいくつかのみである。電子システムの設計に応じて、こういったチップを含む部品はシステム全体にわたって配置される可能性があり、単純な冷却手段を使用しても、又はその機能を要するチップだけに向けられた費用効率的な高消費冷却手段を使用しても容易に対処し得ない。

ヒートシンクを使用して、発熱素子の放熱表面面積を増大せることができる。しかし、ヒートシンクは通常、それらの冷却される素子に対する機械的なインタフェースによって特徴付けられ、これは一般に熱流の干渉に繋がり、非常に高い実効熱抵抗に繋がる事がある。実際に、冷却のための利用可能な熱収支の大半の、通常は摂氏４５度であるチップ温度と周囲温度との温度差は、このインタフェースで使い果たされてしまうであろう。機械的なインタフェースはまた、不均一な冷却にも繋がる可能性がある。これは多くのチップ上の非均等な配電によってさらに複雑化し、これは異なる部品が１つのチップに集積される場合に多く発生する。

こういった問題に対処するために、チップとヒートシンクとの間の熱抵抗を低減する革新的な方法が開発された。半導体用の冷却方法の中には、自由流空気対流、強制空気対流、自由流液体対流、強制液体対流、プール沸騰（すなわち、浸漬された素子から流体冷却液を沸騰させてとばす）、及び噴霧冷却（すなわち、液体が噴霧されている素子から流体冷却液を沸騰させてとばす）が含まれる。液体は通常、気化に高い潜熱を有するため、これら後者の２つの方法は高い熱伝導効率を提供し、一定温度で大量の熱を吸収する。

こういった沸騰／気化方法の使用は、最大出力密度である臨界熱流速（ＣＨＦ）までに制限される。より高い密度では、気化した冷却流体は液体冷却流体から素子を断熱する防湿材を形成してしまい、それによって素子の壁体温度が大幅に上昇する恐れがある。この現象はドライアウトと呼ばれる。冷却剤は、適宜噴霧された場合、そのような蒸気層を消散させることができ、そのＣＨＦは、プール沸騰システムのＣＨＦよりもはるかに上回る高いものであることができる。この高ＣＨＦは、好ましくは、均等な噴霧であり、素子の電力損失要件に合ったものであるべきである。したがって、噴霧冷却は現時点で、半導体素子等の発熱素子に最も効率的な冷却を提供する。

通常、噴霧冷却に使用される冷却流体は、比較的低い沸点（素子の動作温度に対して）を有し、これが噴霧された素子が冷却される温度である。最も好ましくは、冷却流体は熱源に対して不活性である。半導体素子の場合、３Ｍ（登録商標）ＦＣ−７２（ＦＣ−７２、すなわち、３Ｍ（登録商標）Corporation販売のＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ（登録商標））、３ＭのＮｏｖｅｃラインの流体（３Ｍ（登録商標）Corporation販売のＨＦＥ７１００等）又はＰＦ−５０６０等の低沸点流体が、いくつかの既知の適した冷却液である。

ノズル設計が、噴霧冷却の主要な要素である。圧力支援式ノズル及びガス支援式ノズルが、冷却流体が連続噴霧される既知の設計である。しかし、こういった種類のノズルでは、噴霧速度を制御する能力が制限されている。このため、「プール」（すなわち、過度の噴霧速度により冷却される素子上に流体が蓄積したもの）を発生させることがある。また、噴霧速度、噴霧方向、及び／又は噴霧位置の微細で局在制御は一般に利用できない。

圧力支援式噴霧の場合、噴霧を一貫して制御するには、正確な圧力を提供して様々な流速でノズルを通して液体を圧送する１つ又は複数の高圧ポンプが必要である。噴霧される液体の分散及び流速の両方が、駆動圧力のばらつき及び／又はノズル構造の小さなばらつきに伴って変化することがある。したがって、冷却システムはセンシティブで、制御が難しい可能性のある潜在的に高価な装置である。

ガス式噴霧の場合、噴霧を一貫して制御するには加圧ガスを、噴霧器ヘッド設計に正確に送出する必要がある。ガスは冷却流体と別個に加圧しなければならないため、このようなシステムは通常、閉じた系ではない。ガスは、効率的に流れるためにコンデンサに送られなければならない。さらに、冷却流体の分散及び流速の両方が、ガス圧のばらつきに伴って変化する恐れがある。したがって、冷却システムはセンシティブで、制御が難しい可能性のある潜在的に高価な装置である。

圧電式及びサーマル式ジェット噴霧ノズルも、冷却流体が増分的に噴霧される（すなわち、要求に応じて段階的に噴霧される）既知の設計である。こういった種類のノズルは通常、噴霧流速に優れた制御性を提供するが、増分噴霧機構に関連して流れの問題を受けることがある。圧電式ノズルは、チャンバ内の圧力波によりチャンバから液滴を噴射する。圧力波は、圧電素子に加えられる電荷からチャンバの収縮によって生じる。ジェット噴霧ノズルは、ヒータを使用して、チャンバ内の流体の小量を気化させる。気化した流体は膨張し、流体の残りをチャンバから噴射させる。

多くの要因が噴霧冷却の性能に影響し、ひいては熱伝達係数ｈ及び／又はＣＨＦに影響する。噴霧される部品の表面の粗さ及び湿潤性がこれら要因のうちの２つであると一般に理解されており、噴霧中の表面の向きが３番目であり得る。特に、加圧液体噴霧を使用する場合には荒い表面ほどｈが高く、気体噴霧を使用する場合には平滑な表面ほどｈが高いと信じられている。湿潤性の低い表面では、ほんの少しだけｈの増大があるように思われる。

一貫して制御される冷却にとって重要なのは、液体冷却流体が所望の分布、流速、及び速度で制御されて塗布されることである。たとえば、低質量流量の場合、ＣＨＦ及びｈは質量流量と共に増大する。しかし、臨界質量流量では、質量の流れを増大させる利点は、プーリングにより、及び／又は単相熱伝達への遷移によって低減する。したがって、噴霧冷却システムは好ましくは、臨界質量流量に達する前のポイントに定義される質量流量で一様に動作する。これら要因はすべて噴霧器の設計すなわちノズル及び関連する噴霧装置の設計を重大なものにする。

また、冷却システム設計に重要なのは動作温度である。特に、高いｈで動作するようにシステムを構成することが望ましく、これは、沸点温度よりも上且つ噴霧された冷媒がドライアウトする温度よりも下の設計温度で発生する。放散すべき熱の量はＣＨＦ未満でなければならない。

通常、噴霧冷却システムを実施する際、噴霧冷却噴霧器が、１つ又は複数のチップを載せたプリント回路基板も収容する容器内に搭載される。プリント回路基板は、気密且つ防水の接続を介して容器外のシステムに電気的に接続するリードを有する。このようなシステムは大型である場合があり、構築及び保守が高価である可能性がある。

したがって、１つ又は複数の高放散素子を有する複雑な処理システムのサポートに使用できる小型で正確、高信頼性且つ費用効率的な噴霧冷却システムが必要とされている。噴霧冷却システムは好ましくは、最大の信頼性のために柔軟且つ冗長性のある動作を提供し、正確な制御のために厳密な流速で動作する。本発明の好ましい実施形態はこれら及び他の必要性を満たすとともに、さらなる関連の利点を提供する。

各種実施形態において、本発明は、効率的に動作して正確な冷却を部品に提供するパッケージレベル冷却システムを提供することによって、上述した必要性のうちのいくつか又はすべてを解決する。

本発明の、冷却流体を使用して半導体素子等の部品を冷却するシステムは、冷却流体を次々と噴射するように構成されるオリフィスを有する噴霧器、及び第１の方向での噴霧と第２の方向での噴霧との間でストリームの偏向を選択的に制御するように動作可能なストリーム偏向器を特徴とする。方向のうちの少なくとも１つは、部品に向かう非遮断方向である。システムは、方向のうちの１つに噴霧された冷却流体が部品に当たらないようにするように構成される、ガター等の遮断物をさらに特徴とすることができる。別法として、システムは、ガターに代えて増分式噴霧器をさらに特徴とすることができる。任意選択的に、システムは増分式噴霧器及びガターの両方を特徴とすることができる。

ストリーム偏向器は、１以上の自由度でストリームを偏向させて噴霧パターンを形成するように構成される接触表面、制御可能なオリフィスヒータ、及び／又は電極等の種々の機構を使用して動作することができる。冗長性のために、複数の噴霧器が重複する噴霧パターンを有することができる。

本発明の他の特徴及び利点が、本発明の原理を例として示す添付図面と併せて解釈される、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになろう。本発明の実施形態を構築し使用できるようにするために後述する特定の好ましい実施形態の詳細な説明は、列挙される請求項を制限せず、むしろ、特許請求される発明の具体例としての役割を果たすものである。

上で要約され、列挙される請求項によって規定される本発明は、添付図面と併せて読まれるべきである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。本発明の特定の実施態様を構築し使用できるようにするために後述する本発明の特定の好ましい実施形態のこの詳細な説明は、列挙した請求項を制限することを意図せず、むしろ、その具体例を提供することを意図する。

噴霧蒸発冷却は、高性能冷却を提供することができる技術であることを約束する。噴霧冷却の目的は、素子の壁体温度が冷媒の飽和温度に近い値を実現することである。たとえば、摂氏５６度という沸点を有する３Ｍ（登録商標）ＦＣ−７２等の低沸点流体の気化により、摂氏７０度に近いチップ壁体温度を実現することができる。このような壁体温度が、素子の接合部温度を摂氏８５度に保つために必要であり得る。チップ壁体温度を摂氏７０度に保つこの必要性は、チップ上の典型的な不規則電力配分に起因する。０．５ｃｍ×０．５ｃｍにわたって分散した５０Ｗ源の、２００Ｗ／ｃｍ²に達する高出力密度は、従来の機械的なインタフェース手段では容易に対処することができない。

図１〜図３を参照すると、冷却システムの第１の実施形態は、発熱する半導体素子、他の情報処理素子、光学部品等の部品１０１を冷却するためのものである。このシステムは、部品に冷却流体を噴霧することによって部品を冷却する。システムは複数の噴霧器１０２を備え、各噴霧器は、冷却流体ストリーム１０５を噴射するように構成されるオリフィス１０３を有する。システムは、非偏向方向１０７での噴霧と偏向方向１０９での噴霧との間でストリームの偏向を選択的に制御するように動作可能なストリーム偏向器も備え、非偏向方向は好ましくは、部品に向かう非遮断方向である。偏向器は好ましくは、標準のＭＥＭ製造プロセスを使用して噴霧器のシリコンに一体化される。

噴霧器には、加圧冷却流体を収容した槽１２１から冷却流体が提供される。槽は冷却流体チャネル１２３と流通する。チャネルには、オリフィス１０３を形成する周期的な開口が設けられ、１つのオリフィスが各噴霧器に関連づけられる。噴霧器を作るために、液体マイクロチャネルが、標準のウエハ加工法を使用してシリコンウエハに作られる。槽からの圧力下で、冷却流体は槽からチャネルを通って流れ、各オリフィスを通って出て冷却流体のストリーム１０５を形成する。したがって、チャネルは、噴霧器オリフィスを、冷却流体のストリームを連続噴射するのに適した圧力で冷却流体をオリフィスに提供するようになっている冷却流体源（槽）と流通させる。

オリフィスから或る距離のところで、冷却流体のストリーム内の表面張力が、ストリームを液滴１２５に分離させ、それによりストリームが連続ストリームから液滴のストリームに変わる。この分離距離は流体の性質（たとえば、表面張力）等のいくつかの要因による影響を受ける可能性があり、実験的又は解析的に求めることができる。

オリフィスの周縁部の流出板を形成する表面に、本実施形態は第１のヒータセグメント１３３を含む４つのヒータセグメント１３１を備え、４つのヒータセグメントは、オリフィスの流出口をほぼ取り巻くリングを形成する。各ヒータセグメントは流出口のほぼ１／４にわたって延在し、個々に電圧印加される。コントローラ１３５が、任意のヒータセグメント、好ましくは第１の対１４１、第２の対１４３、第３の対１４５、及び第４の対１４７を含む４つの隣接するヒータセグメント対のうちのいずれかに制御可能に電圧印加するように構成される。

噴霧器の動作中、ヒータセグメントが電圧印加されていない場合、ストリームは非偏向方向１０７に噴霧される。このようなとき、表面張力は、オリフィスから出ている冷却流体を、オリフィスの周縁部の表面にわたって広がるように引っ張る。その表面の一部は、ヒータセグメントの外縁１４９を含む。

しかし、１つ又は複数のヒータセグメント１３１が電圧印加されている場合、冷却流体は、電圧印加されたヒータセグメントから離れ、電圧印加されるヒータセグメントが電圧印加されている限り、表面張力は冷却流体を引き寄せない。１つ又は複数のヒータセグメントの非対称群が電圧印加される場合、ストリームは偏向する。たとえば、図２は、非偏向方向１０７から偏向方向１０９に偏向しているストリーム１０５を示し、これは、コントローラ１３５が第１のヒータセグメント１３３に電圧印加したためである。こうしてヒータ部はこの実施形態のストリーム偏向器を形成し、ストリーム偏向器は、オリフィスの周縁部を非対称に加熱するように構成されるヒータを含む。

図３及び図４を参照すると、コントローラは、ヒータセグメントの第１の対１４１を選択的に電圧印加して、ストリームを非偏向方向１０７から、第１の偏向噴霧フットプリント１５１を形成する第１の偏向方向に偏向させることができる。同様に、コントローラは、ヒータセグメントの第２の対１４３を選択的に電圧印加して、ストリームを第２の偏向噴霧フットプリント１５３を形成する第２の偏向方向に偏向させることができ、ヒータセグメントの第３の対１４５を選択的に電圧印加して、ストリームを第３の偏向噴霧フットプリント１５５を形成する第３の偏向方向に偏向させることができ、ヒータセグメントの第４の対１４７を選択的に電圧印加して、ストリームを第４の偏向噴霧フットプリント１５７を形成する第４の偏向方向に偏向させることができる。

非偏向方向は、その他の噴霧フットプリント同士の中央にある非偏向の噴霧フットプリント１５９を形成する。図４に示すように、ヒータセグメントの異なる重複対及び／又は個々のヒータセグメントを使用することで、且つ／又はストリームを側方に２つの自由度で偏向させるように構成されるストリーム偏向器が設けられる。図示されていない、個々のヒータセグメントの噴霧フットプリントは、冷却流体を図示のフットプリントから４５度の方向に偏向させるが、偏向なしストリームからの偏向距離は小さいことに留意されたい。噴霧器毎に、コントローラが生成するように構成される、すべてのフットプリントの組み合わせが噴霧パターンを形成する。

代替の実施形態では、別の数のヒータセグメント（たとえば、１つ、２つ、３つ、又は５つ以上のセグメント）があってもよい。また、全組のセグメントが噴霧器の開口を完全に取り囲んでもよく、又は一部のみに延在してもよい。さらに、セグメント（又はコントローラ）は、１次元の偏向のみをするように構成してもよく、また偏向はストリームを偏向なしストリームから一方向又は両方向のいずれかで揺動させてもよい。

図２を参照して第１の実施形態に戻ると、ストリーム偏向器は、偏向ストリーム方向１０９がストリームを、偏向方向に噴霧された冷却流体が部品に当たらないようにするように構成される遮断物に向けるように構成される。遮断物は好ましくは、冷却流体を部品から離れて運び、部品に接触することなく、冷却流体槽へのパスに冷却流体を戻すように循環させるように構成されるガター１６１である。したがって、冷却流体を制御可能に偏向させることにより、連続ストリーム１０５の部品への流れを或る程度の精度で制御することができる。

本実施形態は複数の偏向冷却流体噴霧方向を提供し、噴霧方向のうちの１つ又は複数がガターに向けられ、非偏向方向及び１つ又は複数の偏向方向が遮断物なしで部品に向けられるが、他の組み合わせも本発明の範囲内である。たとえば、遮断物が、非偏向方向で噴霧された冷却流体が部品に当たらないようにするように構成される代替の実施形態を提供することができる。

上述したように、冷却システムは複数の噴霧器を有する。任意選択的に、複数の噴霧器は第１の噴霧器及び第２の噴霧器を含み、これらの各々は、冷却流体ストリームを噴射するように構成されるオリフィスを有する。上述したように、各噴霧器は、第１の方向と第２の方向との間での噴霧でその各噴霧器ストリームの偏向を選択的に制御するように動作可能な偏向器を備え、方向のうちの少なくとも一方は部品に向かう非遮断方向であり、すなわち、部品上のフットプリントを有する。冗長性、動作の柔軟性、又はさらなる冷却能力を提供するために、第１の噴霧器の第１の方向及び第２の噴霧器の第２の方向が両方とも、部品上の単一の熱位置に向けられる。好ましくは、各噴霧器は、部品上での少なくとも２つの異なる噴霧位置を有し、そのうちのすべてがその他の噴霧器の位置に重なるわけではない。コントローラは、複数の噴霧器フットプリントを所与の部品位置上に有することにより、冗長性、動作の柔軟性、及び／又はさらなる冷却能力を提供するように第１の噴霧器のストリーム偏向器及び第２の噴霧器のストリーム偏向器の動作を制御するように構成される。たとえば、各噴霧器は、別の近傍の噴霧器のフットプリントにそれぞれ重複する部品上の２つのフットプリントを有してもよい。さらなる利点を提供するために、噴霧器は、複数の近傍の噴霧器と重複する噴霧位置を有してもよい。

上述したように、オリフィスからの分離距離のところで、冷却流体ストリーム内の表面張力がストリームを液滴１２５に分離させた。この実施形態（又は機能的に同様の実施形態）のヒータセグメントを使用して、ストリームが液滴に分離する距離を制御することができる。このような使用は、オリフィスから放射されている冷却流体を加熱するように構成されるヒータ（好ましくは開口を取り巻く１つ又は複数のヒータセグメントの組み合わせ）を有し、ストリームが液滴に分離するオリフィスからの距離を制御するようにヒータに循環して電圧印加するように構成されるコントローラを有することによって提供される。

再び図１を参照すると、第１の実施形態は、冷却キャップ１７１、噴霧機構１７３、槽１２１、ヒートシンク１７５、冷却流体回収ライン１７９、及びポンプ１８１を備えることが好ましい。キャップ、噴霧機構、及び槽は好ましくは単体の冷却組立体に一体化され、これらのうちのいくつか又はすべてが一体であることが可能である。キャップは、冷却流体を１つ又は複数の部品１０１に熱接触するように、好ましくは部品１０１上に噴霧できる噴霧チャンバを形成するように構成され、１つ又は複数の部品１０１は、部品基板１８３上に搭載されて運ばれてパッケージを形成し、その結果パッケージはプリント回路基板１８５上に搭載されて運ばれる。

噴霧機構１７３は、冷却流体を液体の状態でチャネルに受けるための流入口１８７を備える。液体及び気体の冷却流体回収のための流出口１８９が好ましくは、噴霧チャンバから冷却流体回収ラインに延びる。この冷却組立体は好ましくは、１つ又は複数の覆いのない半導体部品１０１上に局所的に配置されて動作する完全に一体化されたモジュールレベルの噴霧冷却システムを提供する。

好ましくは、キャップ１７１は、部品基板１８３の１つ又は複数の表面に適合して隣接するように構成されるキャビティを形成する表面１９３を有する凹部を備える。キャップのキャビティが部品基板に適合して隣接されると、噴霧冷却される部品の少なくとも部分を収容する（に接する）噴霧チャンバが形成される。キャップは好ましくは、部品基板の熱膨張係数にほぼ合致する熱膨張係数を有する材料で作られる。好ましくは、キャップは、接着剤、クランプ機構、締結具、又は他の取り付け型機構によって部品基板に対して保持され、液体及び気体の冷却流体が所望のオリフィスを通る以外で噴霧チャンバから漏出しないようにシールが形成される。

冷却流体の流れは通常、コントローラ１３５によって噴霧器に送られる制御信号に応答して制御される。このコンピュータ化されたコントローラは、好ましくは重力を基準にしてキャップの側面に取り付けられて、槽が使用するために上を開いた状態に保つ複数の接点１９５を介してヒータに電気的に接続される。この接点は好ましくはキャップに一体化され、キャップの外部に露出する。

上述したように、この実施形態は通常、噴霧される部品の部分の放熱要件に応じてそれぞれが異なる速度で実行可能な複数の噴霧器を備える。冷却キャップは、種々の異なる部品を載せた部品基板と併せて使用することもできる。１つ又は複数の噴霧器を各チップに関連付けてもよく、個々の各チップの各部分の発熱に応じた速度で動作するように個々に制御可能である。

槽１２１は、キャップ１７１及び／又は噴霧器ヘッド１７３に隣接し、好ましくは一体化する容器である。槽は好ましくは、槽内の圧力を噴霧チャンバ内の圧力よりも高く、好ましくは大気圧よりも高く維持する圧力制御アクチュエータ１９７を備える。噴霧器からの全体の流速は、槽内の圧力の変更によって変更することができる。コントローラは好ましくは、このために圧力制御アクチュエータの動作を制御する。圧力制御アクチュエータは、機械的な装置（たとえば、バネ及び／又はプランジャ）、圧力駆動式装置（たとえば、エアーコンプレッサ）、電気的な装置（たとえば、圧電装置）等を使用して動作することができる。槽は好ましくは、重力を基準にして噴霧器の高さに、又はそれよりも上に配置されて、重力によって噴霧器の流体圧力供給が下がらないようにする。しかし、他の向きも本発明の範囲内である。

槽１２１は好ましくは、冷却器としても機能する。冷却器から取り巻く周囲条件への熱伝導が、好ましくは、空冷ヒートシンクであり、冷却器（槽）に取り付けられるヒートシンク１７５を通して行われる。ヒートシンクはまた、液体冷板又は冷蔵冷却板であってもよい。本発明の実施形態は好ましくは、利用可能な任意のヒートシンク選択肢を利用できる、高性能噴霧冷却システムを有する完全収容されたパッケージを提供する。

槽は内部を粗面とするか、又はフィン１９９を備えて、内表面面積を増やして、それによって冷却流体からヒートシンクに熱を伝達する能力を向上させる。代替の実施形態では、別個の冷却器を使用することができ、ヒートシンクが冷却器に隣接し、冷却流体を冷却器から槽に移動する通路が存在する。

冷却流体回収１８９の流出口は好ましくは、液体冷却流体を回収するために重力を基準にして噴霧チャンバよりも低く、冷却流体回収ライン１７９に通じる。冷却流体回収ラインは、圧力制御アクチュエータ１９７によって維持される圧力に等しい圧力で、液体及び気体の冷却流体を液体回収ラインを通して槽／冷却器１２１までくみ上げるように構成されるポンプ１８１を通過する。コントローラは好ましくは、このためにポンプの動作を制御する。ポンプは好ましくは、ローヘッドでローフローなマイクロポンプである。少なくともいくつかの用途では、ポンプの良好な選択は、液体及び蒸気の両方をポンピングできる圧電ダイアフラムポンプであり得る。液体回収ラインは、好ましくは、液体冷却流体を液体冷却流体の予想レベルよりも上の位置で槽に流入させ、それによって液体冷却流体を注がせるか、又は槽内の蒸気を通して噴霧させる。

図５及び図６を参照すると、冷却システムの第２の実施形態は図１の第１の実施形態と同様であるが、ストリーム偏向器は異なる原理下で動作するように構成される。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態も、発熱する半導体素子、他の情報処理素子、光学部品等の部品を冷却するように構成される。システムは、部品に冷却流体を噴霧することによって部品を冷却する。システムは複数の噴霧器を備え、各噴霧器は、冷却流体のストリーム２０５を噴射するように構成されるオリフィス２０３を有する。システムは、第１の偏向方向２０７での噴霧と第２の偏向方向２０９での噴霧との間でストリームの偏向を選択的に制御するように動作可能なストリーム偏向器も備え、２つの偏向方向のうちの少なくとも一方が部品に向かう非遮断方向である。

第１の実施形態と同様に、噴霧器には、加圧冷却流体を収容する槽から冷却流体が提供される。槽は冷却流体チャネル２２３と流通する。チャネルにはオリフィス２０３を形成する周期的な開口が設けられ、１つのオリフィスが各噴霧器に関連づけられる。槽からの圧力下で、冷却流体は槽からチャネルを通って流れ、各オリフィスを通って出て冷却流体のストリーム２０５を形成する。したがって、チャネルは、噴霧器オリフィスを、冷却流体のストリームを連続噴射するのに適した圧力で冷却流体をオリフィスに提供するようになっている冷却流体源（槽）と流通させる。

オリフィスから或る距離のところで、冷却流体のストリーム内の表面張力が、ストリームを液滴２２５に分離させた。この分離距離は実験的又は解析的に求めることができる。任意選択的に、１つ又は複数のヒータセグメントで構成することができるヒータ２３１を使用して、ストリームが液滴に分離する距離を制御することができる。第１の実施形態での対応する使用と同様に、このような使用は、オリフィスから放射されている冷却流体を加熱するように構成されるヒータ（好ましくは開口を取り巻く１つ又は複数のヒータセグメントの組み合わせ）を有し、ストリームが液滴に分離するオリフィスからの距離を制御するようにヒータに制御可能に循環して電圧印加するように構成されるコントローラを有することによって設けられる。

ストリーム偏向は、好ましくは、連続ストリームである位置、すなわちまだ液滴ストリームに変形されていない位置で、ストリームに連続的に接触するように配置される制御表面を使用して制御される。この制御表面は、ストリームの自然な（偏向なし）方向に対してストリームを偏向させる。この偏向は、接触によって生じる自由エネルギーの利得に関連し、ストリームに対して（すなわち、制御表面から上流にあるストリームの部分に対して）制御表面の位置を制御することによって制御することができる。この制御表面位置は、ストリームの流れの方向に沿って縦方向に、且つ／又はそのストリームの流れの方向を横切って横方向に調整することができる。したがって、ストリーム偏向器はストリームに接するように構成される可動制御表面を含む。

制御表面は、ストリームの円周の一部のみの辺りでストリームに接するように構成してもよく、又は制御表面は、図５に示すようにストリームの全周に延在して接してもよい。より具体的には、制御表面は好ましくは、制御リング２４３の円形内表面２４１であることができる。内表面は、円筒形であってもよく、軸方向に沿って湾曲してもよく、又は円環の内部として他の形状を有してもよい。リングの位置は、任意の種々の１つ又は複数のアクチュエータによって作動する１つ又は複数の制御アーム２４５によって制御することができ、このアクチュエータは、コントローラからの信号等によって制御可能である。

噴霧器の動作中、ストリームは、種々の異なる方向を含むことができる各種偏向方向に噴霧される。選択された方向は、コントローラがアクチュエータを作動させることによって実施される。選択された方向は多数の噴霧フットプリントを提供することができ、フットプリントの少なくとも１つは好ましくは、部品に当たらないように冷却流体を遮断するように構成される遮断物に向けられる。遮断物は好ましくは、冷却流体を部品から離れて運び、冷却流体を冷却流体槽に戻るパスで循環させるように構成されるガターである。

第１の実施形態と同様に、第２の実施形態の冷却システムは複数の噴霧器を有する。任意選択的に、複数の噴霧器は、部品の単一の熱位置にフットプリントを形成する噴霧方向をそれぞれ有することにより、冗長性、動作の柔軟性、及び／又はさらなる冷却能力を提供するように構成される第１の噴霧器及び第２の噴霧器を含む。好ましくは、各噴霧器は、部品上での少なくとも２つの異なる噴霧位置を有し、それらのすべてがその他の噴霧器の位置に重なるわけではない。コントローラは、冗長性、動作の柔軟性、及び／又はさらなる冷却能力を提供するように第１及び第２の噴霧器のストリーム偏向器の動作を制御するように構成される。第１の実施形態と同様に、さらなる利点を提供するために、噴霧器は、複数の近傍の噴霧器と重複する噴霧位置を有してもよい。

図７を参照すると、冷却システムの第３の実施形態は第１の実施形態及び第２の実施形態と同様であるが、ストリーム偏向器は異なる原理下で動作するように構成される。最初の２つの実施形態と同様に、第３の実施形態も、発熱する半導体素子、他の情報処理素子、光学部品等の部品を冷却するように構成される。システムは、部品に冷却流体を噴霧することによって部品を冷却する。システムは複数の噴霧器を備え、各噴霧器は、冷却流体のストリーム３０５を噴射するように構成されるオリフィス３０３を有する。システムは、非偏向方向３０７での噴霧と偏向方向３０９での噴霧との間でストリームの偏向を選択的に制御するように動作可能なストリーム偏向器も備え、これら２つの方向のうちの少なくとも一方は、部品に向かう非遮断方向である。

最初の２つの実施形態と同様に、噴霧器には、加圧冷却流体を収容する槽から冷却流体が提供される。槽は冷却流体チャネル３２３と流通する。チャネルにはオリフィス３０３を形成する周期的な開口が設けられ、１つのオリフィスが各噴霧器に関連づけられる。槽からの圧力下で、冷却流体は槽からチャネルを通って流れ、各オリフィスを通って出て冷却流体のストリーム３０５を形成する。したがって、チャネルは、噴霧器オリフィスを、冷却流体のストリームを連続噴射するのに適した圧力で冷却流体をオリフィスに提供するように構成されている冷却流体源（槽）と流通させる。

オリフィスからの分離距離のところで、冷却流体ストリーム内の表面張力が自然に、ストリームを連続ストリームから液滴３２５のストリームに分離させる。この自然な分離距離は流体の性質（たとえば、表面張力）等のいくつかの要因による影響を受ける可能性があり、所与の圧力で動作する所与のオリフィスに対して実験的又は解析的に求めることができる。１つ又は複数のヒータセグメントで構成することができるヒータ３３１を使用して、ストリームが液滴に分離する分離距離を制御する。最初の２つの実施形態での対応するヒータの使用と同様に、ヒータは、オリフィスによって、そして、ストリームが液滴に分離するまでのオリフィスからの分離距離を制御して短縮するようにヒータを制御可能且つ循環して電圧印加するように構成されるコントローラを有することによって、放射されている冷却流体を加熱するように構成される。このヒータの使用により、図７に点線で示すように、短縮された分離距離での液滴の分離が生じる。短縮された分離距離は、ヒータ及びコントローラの所与の構成に対して実験的に確立することができる。

ストリームの偏向は、ヒータ３３１及び２つ以上の電極を使用して制御される。第１の電極３４１は、冷却流体チャネル３２３中の冷却流体と電気通信する。この実施形態では、冷却流体は電気を通すため、第１の電極はストリーム３０５と電気通信する。導電性冷却流体は、冷却される部品の電子動作に干渉することがある冷却用途において有用ではない場合があることに留意されたい。このような干渉を回避するために、熱伝導性の蓋又は他のこのような熱伝導性の障壁を使用して、部品を電気的に絶縁することができる。伝導性の高い蓋は、たとえば、ダイアモンド含浸材料から作ることができ、冷却流体がその上に噴霧される熱伝導性板として機能する。

２つ以上の電極のうちの第２の電極３４３は、ストリームの偏向なしパス近傍の位置にあるスタンドオフ部材３４５に位置決めされる。スタンドオフ部材は第２の電極を、ストリームの偏向なし縦方向パス（すなわち、オリフィスからの軸方向ストリーム距離）に沿って縦方向スタンドオフ距離に、且つ偏向なしストリームから横方向スタンドオフ距離（すなわち、半径方向距離）に保持する。

回路が設けられて、第１と第２の電極との間に、好ましくはコントローラの制御下で電位を発生させる。縦方向及び横方向のスタンドオフ距離は、ストリーム偏向器が機能するのに適当なレベルに確立される。

より具体的には、ストリームの自然な分離距離は好ましくは、縦方向スタンドオフ距離以上であり、短縮された分離距離は好ましくは縦方向スタンドオフ距離より短い。また、横方向スタンドオフ距離は、ストリームがヒータによって偏向されず短縮されない場合に、ストリームと第２の電極との間の電位がストリームを機能的に偏向させる（たとえば、本明細書に述べる機能のためにストリームを適宜偏向させる）のに十分小さい。好ましくは、横方向スタンドオフ距離は、電極が、コントローラの制御下で提供される最高電位にあるときに偏向ストリームの第２の電極への接触を回避するのに十分大きい。

偏向を制御するために、ヒータ３３１を使用して分離距離を制御する。偏向が望まれない場合、ヒータに電圧印加して、連続ストリームを短縮された分離距離に短縮する。その分離距離では、第２の電極と偏向なし連続ストリームとの間の距離は、横方向スタンドオフ距離よりも実質的に大きく、且つ連続ストリームと第２の電極との電位差がストリームを機能的に偏向させるほど十分でないようにするのに十分大きい。関連する液滴ストリームの限られた変更は好ましくは、電位差がストリームを機能的に偏向させるのに適切ではない。

偏向が望まれる場合、ヒータに電圧印加されず、連続ストリームは自然な分離距離まで延びる。その分離距離において、第２の電極と偏向なし連続ストリームとの間の距離は、横方向スタンドオフ距離にほぼ等しく、且つ連続ストリームと第２の電極との間の電位差がストリームを機能的に偏向させるほど大きいようにするのに十分小さい。代替の制御形態では、コントローラは、連続ストリームを一定長（好ましくは自然な分離距離）に保ちながら電極間の電位差を制御することができる。

任意選択的に、複数のスタンドオフ電極が１つ又は複数のスタンドオフにあってもよく、各スタンドオフ電極（又はその群）は、ストリームを異なる方向に偏向させる第２の電極として機能するように構成される。第１の電極及びこれらスタンドオフ電極を使用して、コントローラはスタンドオフ電極に選択的に電圧印加して、ストリームの偏向を複数の方向に制御することができる。

したがって、噴霧器の動作中、ストリームは、種々の異なる方向を含むことができる各種偏向方向に噴霧される。選択された方向は、コントローラが第１の電極（すなわち、ストリーム電極）と共にスタンドオフ電極に選択的に電圧印加することによって実施される。選択された方向は多数の噴霧フットプリントを提供することができ、フットプリントの少なくとも１つは好ましくは、部品に当たらないように冷却流体を遮断するように構成される遮断物に向けられる。遮断物は好ましくは、冷却流体を部品から離れて運び、冷却流体を冷却流体槽に戻るパスで循環させるように構成されるガターである。

最初の２つの実施形態と同様に、冷却システムの第３の実施形態は好ましくは、複数の噴霧器を有する。任意選択的に、複数の噴霧器は、部品上の単一の熱位置に向かう噴霧方向をそれぞれ有することにより、冗長性、動作の柔軟性、及び／又はさらなる冷却能力を提供するように構成される第１の噴霧器及び第２の噴霧器を含む。好ましくは、各噴霧器は、部品上での少なくとも２つの異なる噴霧位置を有し、それらのすべてがその他の噴霧器の位置に重なるわけではない。コントローラは、冗長性、動作の柔軟性、及び／又はさらなる冷却能力を提供するように第１及び第２の噴霧器のストリームの偏向動作を制御するように構成される。最初の２つの実施形態と同様に、さらなる冗長性を提供するために、噴霧器は、複数の近傍の噴霧器と重複する噴霧位置を有してもよい。

図８を参照すると、冷却システムの第４の実施形態は第１の実施形態ないし第３の実施形態と同様であるが、ストリーム偏向器は第２の実施形態と第３の実施形態を組み合わせたものに似た原理下で動作するように構成される。最初の３つの実施形態と同様に、第４の実施形態も、発熱する半導体素子、他の情報処理素子、光学部品等の部品を冷却するように構成される。システムは、部品に冷却流体を噴霧することによって部品を冷却する。システムは複数の噴霧器を備え、各噴霧器は、冷却流体のストリーム４０５を噴射するように構成されるオリフィス４０３を有する。システムは、第１の偏向方向４０７での噴霧と第２の偏向方向４０９での噴霧との間でストリームの偏向を選択的に制御するように動作可能なストリーム偏向器も備え、これら２つの方向のうちの少なくとも一方は、部品に向かう非遮断方向である。

最初の３つの実施形態と同様に、噴霧器には、加圧冷却流体を収容した槽から冷却流体が提供される。槽は冷却流体チャネル４２３と流通する。チャネルには、オリフィス４０３を形成する周期的な開口が設けられ、１つのオリフィスが各噴霧器に関連づけられる。槽からの圧力下で、冷却流体は槽からチャネルを通って流れ、各オリフィスを通って出て冷却流体のストリーム４０５を形成する。したがって、チャネルは、噴霧器オリフィスを、冷却流体のストリームを連続噴射するのに適した圧力で冷却流体をオリフィスに提供するように構成されている冷却流体源（槽）と流通させる。

オリフィスからの或る分離距離のところで、冷却流体のストリーム内の表面張力が自然に、ストリームを連続ストリームから液滴ストリームに分離させる。この自然な分離距離は流体の性質（たとえば、表面張力）等のいくつかの要因による影響を受ける可能性があり、所与の圧力で動作する所与のオリフィスに対して実験的又は解析的で求めることができる。１つ又は複数のヒータセグメントで構成することができるヒータ４３１を使用して、ストリームが液滴に分離する分離距離を制御する。最初の３つの実施形態での対応するヒータの使用と同様に、ヒータは、オリフィスによって、そして、ストリームが、液滴に分離するオリフィスからの分離距離を制御して短縮するようにヒータを制御可能且つ循環して電圧印加するように構成されるコントローラを有することによって、放射されている冷却流体を加熱するように構成される。このヒータの使用により、短縮された分離距離で液滴分離が生じる。短縮された分離距離は、ヒータ及びコントローラの所与の構成に対して実験的に確立することができる。

ストリームの偏向は、制御表面及び２つ以上の電極を使用して制御される。第１の電極４４１は、冷却流体チャネル４２３内の冷却流体と電気通信する。この実施形態では、冷却流体は電気を通すため、第１の電極はストリーム４０５と電気通信する。第３の実施形態の場合でのように、導電性冷却流体は、冷却される部品の電子動作に干渉することがある冷却用途において有用ではない場合があることに留意されたい。このような干渉を回避するために、熱伝導性の蓋又は他のこのような熱伝導性の障壁を使用して、部品を電気的に絶縁することができる。伝導性の高い蓋は、たとえば、ダイアモンド含浸材料から作ることができ、冷却流体がその上に噴霧される熱伝導性板として機能する。

２つ以上の電極のうちの第２の電極４４３は、オリフィス４０３の隣に位置決めされる。第２の電極のガイド表面４４５が、制御表面４４９を形成するカバー層４４７で覆われる。ストリーム４０５は、好ましくは、ストリームがオリフィスを出る位置の隣接位置で制御表面に接触する。制御表面は好ましくは、ストリームに連続して接触して配置され、好ましくは、縦方向の流れ方向に沿って凸状に湾曲する形状を有する。

制御表面４４９は、ストリームの自然な（偏向なし）方向に対してストリームを偏向させる。接触によって生じる自由エネルギーの利得に関連し、ストリームの流れへの干渉によっても影響を受ける場合があるこの偏向は、ストリームに対する制御表面の位置を制御することによって制御されることが可能である。任意選択的に、この制御表面位置は、ストリームの流れる方向に沿って縦方向に、且つ／又はストリームの流れる方向を横切って横方向に調整することができる。したがって、ストリーム偏向器は任意選択的に、概念的に第２の実施形態と同様に、ストリームに接するように構成される可動制御表面を含む。

カバー層４４７は、ストリーム４０５と第２の電極４４３との間の電流を防ぐ電気絶縁材料で構成される。カバー層は好ましくは、比較的低い電位レベルを使用しながら、ストリームと第２の電極との間の電位が表面自由エネルギーを十分に変更でき、それによってストリームの方向を変更できるようにするのに薄い（たとえば、薄膜）。

偏向を制御するために、ストリームと第２の電極との間の電位が調整される。最小の偏向が望まれる場合、電位はゼロ又は低レベルに低減される。より大きな偏向が望まれる場合、電位が増大される。

図９を参照すると、任意選択的に複数の電極４６１があってもよく、各々は絶縁体４６３によって互いに隔てられ、第２の電極として動作するように構成される。これら電極及び絶縁体はオリフィスの周辺に回転対称位置に構成され、回転対称ガイド表面を作ることができる。この構成では、制御表面は、複数の電極及び絶縁体の両方を覆うため、接触表面が好ましくは三次元回転対称の湾曲円錐表面になる。どの電極が第２の電極として動作するかの選択及び第２の電極の電位の選択の両方を制御することにより、ストリームを、複数の方向のうちのいずれの方向にも制御された量だけ制御可能に方向変更することができる。

選択された方向は複数の噴霧フットプリントを提供することができ、それらの少なくとも１つは好ましくは、冷却流体が部品に当たらないようにするように構成される遮断物に向かう。遮断物は好ましくは、冷却流体を部品から離れて運ぶと共に、冷却流体槽へのパスに冷却流体を戻して循環させるように構成されるガターである。

最初の３つの実施形態と同様に、第４の実施形態の冷却システムも複数の噴霧器を有する。任意選択的に、複数の噴霧器は、部品上の単一の熱位置に向かう噴霧方向をそれぞれ有することにより、冗長性、動作の柔軟性、及び／又はさらなる冷却能力を提供するように構成される第１の噴霧器及び第２の噴霧器を含む。好ましくは、各噴霧器は、部品上での少なくとも２つの異なる噴霧位置を有し、それらのすべてがその他の噴霧器の位置に重なるわけではない。コントローラは、冗長性、動作の柔軟性、及び／又はさらなる冷却能力を提供するように第１及び第２の噴霧器のストリーム偏向器の動作を制御するように構成される。最初の２つの実施形態と同様に、さらなる冗長性を提供するために、噴霧器は、複数の近傍の噴霧器と重複する噴霧位置を有してもよい。

本発明の第５、第６、第７、及び第８の実施形態のそれぞれは、第１の実施形態ないし第４の実施形態とそれぞれ同様であるが、増分式噴霧器を使用する。図１０を参照すると、このような増分式噴霧器５０１は、増分量の液体冷却流体を槽から部品上に噴霧して部品を蒸発冷却するように構成される。より具体的には、図１０は２つの簡易化された例示的な増分式噴霧器を示し、各噴霧器は、所定量の冷却流体を受けるためのチャンバ５０３及び冷却流体の一部を気化させるためのヒータ５０５を画定する構造を備える。気化した冷却流体は、噴射された冷却流体を部品に向けるオリフィス５０７を通して、冷却流体の増分ストリームを噴射する圧力を生み出す。オリフィスは好ましくは、可撓性ポリマーテープ５０９、たとえば3M CorporationからのＫａｐｔｏｎ（商標）テープとして市販のテープに形成される。

テープ５０９の裏表面５１１には、個々に電圧印加可能な薄膜抵抗の形態のヒータ５０５を含むシリコン基板５１３が固定される。各ヒータは好ましくは、チャンバのオリフィス５０７の真向かいのチャンバ５０３の片側に配置される。冷却流体は好ましくは、インクジェット型装置に典型的なように、毛細管作用によってチャンバに引き込まれてチャンバを充填する。コンピュータ化されたコントローラ（図示せず）がヒータに電圧印加する制御信号を送り、ヒータに隣接した冷却流体の部分を気化させる。気化した冷却流体は膨張し、ストリームの気化していない冷却流体の大半をオリフィスから外に吐出させる。チャンバがヒータによって噴射した後、毛細管作用によって、次の噴射に向けてチャンバが再び充填される。

増分式噴霧器５０１からの液体噴霧の流量は高度に制御可能であるため、方向変更された余剰噴霧を受けるためのガターは必要ない。たとえば、噴霧器に電圧印加する周波数を増減することにより、流速を正確に調整することができる。ガターが必要ないため、ストリーム偏向器を、種々の方向への偏向に向けてより完全に使用することができる。さらに、噴霧器は、非常に小量の冷却流体を送出するように構成することができるため、また多数の噴霧器を小面積にはめ込むことができるため、その面積にわたる放熱を、いくつかの噴霧器を他の噴霧器よりも高速で電圧印加することによって正確に制御することができる。

本発明の一部として使用することができる増分式噴霧器は、圧電技術（すなわち、圧電ノズル）等の他の種類のジェット噴霧液滴吐出技術に基づいて使用することができるが、好ましくはサーマルジェット噴霧技術に基づく。この技術の例は、米国特許第５，９２４,１９８号、同第４，５００，８９５号、及び同第４，６８３，４８１号（参照により本明細書に援用する）を含む多くの米国特許に記載されている。他のサーマルジェット噴霧技術も同様に、本発明との併用に適することができる。インクジェットプリンタに通常使用されるインクと同様の粘度及び沸点を有するため、サーマル増分式噴霧器と使用するのに非常に好ましい冷却流体は、既存のサーマルジェット噴霧技術に容易に適合可能な３Ｍ Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（登録商標）である。

第５の実施形態では、実施形態が、流出平面をオリフィスの周縁部に形成する表面に、オリフィスの流出口をほぼ取り囲むリングを形成する４つのヒータセグメントを備える。各ヒータセグメントは流出口のほぼ１／４にわたって延在し、個々に電圧印加される。コントローラが、任意のヒータセグメント、好ましくはヒータセグメントの４つの隣接する対のうちのいずれかに制御可能に電圧印加するように構成される。第１の実施形態と同様に、噴霧器の動作中にヒータセグメントに電圧印加されない場合、ストリームは非偏向方向に噴霧される。しかし、第１の実施形態と同様に、１つ又は複数のヒータセグメントの非対称群に電圧印加される場合、ストリームは偏向される。こうして、ヒータ部はこの実施形態のストリーム偏向器を形成し、ストリーム偏向器は、オリフィスの周縁部を非対称に加熱するように構成されるヒータを含む。

第６の実施形態では、ストリーム偏向器は、連続ストリームである位置、すなわちまだ液滴ストリームに変形されていない位置でストリームに接触するように配置される制御表面を使用して制御される。この制御表面は、ストリームの自然な（偏向なし）方向に対してストリームを偏向させる。この偏向は、接触によって生じる自由エネルギーの利得に関連し、ストリームに対して（すなわち、制御表面から上流にあるストリームの部分に対して）制御表面の位置を制御することによって制御することができる。この制御表面位置は、ストリームの流れる方向に沿って縦方向に、且つ／又はストリームの流れる方向を横切って横方向に調整することができる。したがって、ストリーム偏向器はストリームに接するように構成される可動制御表面を含む。制御表面は種々の構成であることができ、偏向されていない増分ストリームに隣接して位置決めされる円環形状の制御表面であってもよい。

第７の実施形態では、冷却流体は電気を通し、ストリームの偏向は２つ以上の電極を使用して制御される。第１の電極は、オリフィスから流出している冷却流体と電気通信する。これは、オリフィス自体の電極を使用して実現することができる。２つ以上の電極のうちの第２の電極は、ストリームの偏向なしパスの近傍位置のスタンドオフ部材に位置決めされる。スタンドオフ部材は第２の電極を、ストリームの偏向なし縦方向パス（すなわち、オリフィスからの縦方向距離）に沿って縦方向スタンドオフ距離に、且つ偏向なしストリームから横方向スタンドオフ距離に保持する。回路が設けられて、第１の電極と第２の電極との間に、好ましくはコントローラの制御下で電位を発生させる。縦方向及び横方向のスタンドオフ距離は、ストリーム偏向器が機能するのに適当なレベルに確立される。

上述したように、導電性冷却流体は、導電性冷却流体が冷却される部品の電子動作に干渉することがある冷却用途において有用ではない場合がある。このような干渉を回避するために、熱伝導性の蓋又は他のこのような熱伝導性の障壁を使用して、部品を電気的に絶縁することができる。伝導性の高い蓋は、たとえば、ダイアモンド含浸材料から作ることができ、冷却流体がその上に噴霧される熱伝導性板として機能する。

第８の実施形態では、冷却流体は電気を通し、ストリームの偏向は制御表面及び２つ以上の電極を使用して制御される。第１の電極は、オリフィスから流出しているか、又は制御表面の導電部を使用して冷却流体と電気通信する。２つ以上の電極のうちの第２の電極は、オリフィスの隣に位置決めされる。第２の電極のガイド表面が、制御表面を形成するカバー層で覆われる。オリフィスから流出しているストリームは、好ましくは、ストリームがオリフィスから流出する位置に隣接する位置で制御表面に接触する。制御表面は好ましくは、ストリームに連続して接触して配置され、好ましくは、縦方向の流れ方向に沿って凸状に湾曲する形状を有する。

制御表面は、ストリームの自然な（偏向なし）方向に対してストリームを偏向させる。この偏向は、接触によって生じる自由エネルギーの利得に関連し、ストリームの流れへの干渉によっても影響を受ける場合があり、ストリームに対する制御表面の位置を制御することによって制御することができる。任意選択的に、この制御表面位置は、ストリームの流れる方向に沿って縦方向に、且つ／又はストリームの流れる方向を横切って横方向に調整することができる。したがって、ストリーム偏向器は任意選択的に、概念的に第２の実施形態と同様に、ストリームに接するように構成される可動制御表面を含む。

カバー層は、ストリームと第２の電極との間の電流を防ぐ電気絶縁材料で構成される。カバー層は好ましくは薄く（たとえば、薄膜）、そのため比較的低い電位レベルを使用しながら、ストリームと第２の電極との間の電位が表面自由エネルギーを十分に変更でき、それによってストリームの方向を変更できる。偏向を制御するために、ストリームと第２の電極との間の電位が調整される。最小の偏向が望まれる場合、電位はゼロ又は低レベルに低減される。より大きな偏向が望まれる場合、電位が増大される。

上述したように、導電性冷却流体は、導電性冷却流体が冷却される部品の電子動作に干渉する事がある冷却用途において有用ではない場合がある。このような干渉を回避するために、熱伝導性の蓋又は他のこのような熱伝導性の障壁を使用して、部品を電気的に絶縁することができる。伝導性の高い蓋は、たとえば、ダイアモンド含浸材料から作ることができ、冷却流体がその上に噴霧される熱伝導性板として機能することができる。

最初の４つの実施形態と同様に、第５の実施形態ないし第８の実施形態の増分式噴霧冷却器は、ヒータに循環して電圧印加することにより、増分ストリームが液滴に分離する、オリフィスからの距離を制御するように構成されるコントローラを備えることができる。好ましくは、複数のこのような噴霧器も構成され、近傍の噴霧器が、各噴霧器からの１つ又は複数の噴霧フットプリントが部品の単一の熱位置に重複できる噴霧パターンを有する。

本発明が冷却システムを設計する装置及び方法、冷却システムを製造する装置及び方法、並びに冷却システム自体の装置及び方法を含むことを理解されたい。さらに、本発明の各種実施形態は、ジェット噴霧冷却システムを概説する際に上で開示した特徴の各種の組み合わせを組み込むことができ、ジェット噴霧式噴霧冷却システムについて上述した関連方法（又はその部分）を使用して設計し、製造し、動作することができる。手短に言えば、上に開示した特徴は、本発明の予期される範囲内で広範囲の構成で組み合わせることができる。

さらに、冷却される部品は、上述したように単独で冷却されるか又は群で冷却され、回路基板上に搭載することができ、それによって回路基板を介して電気的に連結される１つ又は複数の冷却される部品を載せた１つ又は複数の回路基板を含むシステムを形成できることを理解されたい。このようなシステムも本発明の範囲内にある。さらに、複数の冷却される部品からの流体を冷却する１つ又は複数の冷却流体冷却器と組み合わせられた冷却される部品群も、本発明の範囲内にある。

本発明の特定の形態を示し説明したが、各種の変更を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行えることが明らかであろう。したがって，本発明について好ましい実施形態のみを参照して詳細に説明したが、各種の変更を本発明の範囲から逸脱することなく行えることを当業者は認めよう。したがって、本発明は上記考察によって限定されることを意図されず、添付の特許請求の範囲を参照して規定される。

本発明を包含する第１の冷却システム及び冷却される部品の断面正面図である。 図１に示す第１の冷却システムの噴霧器及びガターの断面正面図である。 図２に示す噴霧器のオリフィス及び関連するヒータセグメントの底面図である。 図２に示す噴霧器により生成される５つの噴霧フットプリントを含む噴霧パターンの上面図である。 本発明を包含する第２の冷却システムの噴霧器の断面正面図である。 図５に示す冷却システムの制御リングの上面図である。 本発明を包含する第３の冷却システムの噴霧器の断面正面図である。 本発明を包含する第４の冷却システムの噴霧器の断面正面図である。 図８に示す冷却システムの変形の制御表面の下にあるガイド表面の底面図である。 本発明の第５、第６、第７、及び第８の実施形態において使用される増分式噴霧器の断面図である。

Claims (10)

1. 冷却流体のストリームを噴射するように構成されるオリフィスを有する噴霧器と、
   第１の方向での噴霧と第２の方向での噴霧との間で前記ストリームの偏向を選択的に制御するように動作可能なストリーム偏向器とを備え、
   前記第１の方向は部品に向かう非遮断方向であることを特徴とする、冷却流体を使用して部品を冷却するシステム。
2. 前記第２の方向で噴霧された冷却流体が前記部品に当たるのを遮るように構成される遮断物をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ストリーム偏向器は前記ストリームを２つの自由度で偏向するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記冷却流体のストリームを噴射するように構成されるオリフィスを有する第２の噴霧器と、
   第２のストリーム偏向器であって、第２の噴霧器の第１の方向、及び第２の噴霧器の第２の方向での噴霧の間で、前記第２の噴霧器のストリームの偏向を選択的に制御するように動作可能な第２のストリーム偏向器と、
   前記第１及び前記第２のストリーム偏向器の動作を制御するように構成されるコントローラとをさらに備え、
   前記第２の噴霧器の前記第１及び前記第２の方向は、前記部品に向かう非遮断方向であり、
   前記第１の噴霧器の前記第１の方向及び前記第２の噴霧器の前記第２の方向は両方とも、前記部品上の単一の熱位置に向かうことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記オリフィスによって放射されている冷却流体を加熱するように構成されるヒータと、
   前記ヒータを電圧印加することにより、前記ストリームが液滴に分離する前記オリフィスからの距離を制御するように構成されるコントローラとをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記噴霧器のオリフィスは、冷却流体の前記ストリームを連続噴射するのに適した圧力で、冷却流体を前記オリフィスに提供するように構成されている冷却流体源と流通することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記ストリーム偏向器は、前記オリフィスの周縁部を非対称に加熱するように構成されるヒータを含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記ストリーム偏向器は、前記ストリームに接触するように構成される円形内表面を含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
9. 前記ストリーム偏向器は、前記ストリームを形成する前記冷却流体に接触する第１の電極と、
   第２の電極であって、前記オリフィスの軸方向で前記オリフィスからスタンドオフ距離に、且つ前記オリフィスの半径方向で前記オリフィスからスタンドオフ距離に保持される第２の電極とを含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
10. 前記噴霧器は、制御信号に応答して冷却流体の増分ストリームを噴霧するように構成されるコントローラを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。

Images