JP5137379B2 - 衝突冷却器 - Google Patents

Description

本発明は冷却装置に関し、特にマイクロプロセッサ・チップと接触する衝突冷却器（impingement cooler）に関する。

マイクロプロセッサ・チップ・パッケージの分野では、マイクロプロセッサ・チップの熱管理のために、マイクロプロセッサ・チップからヒート・シンクへの熱エネルギーの効果的な伝導が重要である。

既知のタイプのアクティブな冷却装置が衝突冷却器であり、ここでは、冷却剤が衝突冷却器内のチャネルを通って流れ、その後噴射口（jet）を介して送られ、マイクロプロセッサ・チップの背面に吹き付け（impinge）られる。熱が吸収されるマイクロプロセッサの背面とラジエータとの間で冷却剤を循環させるために、外部ポンプが使用される。その後、熱は、たとえばファンおよび空気熱交換器などを使用して、ラジエータから大気中へと放散される。

マイクロプロセッサ・チップを冷却するための他のタイプの知られた冷却装置は、Ｅ．Ｇ．コルガン等による「A Practical Implementation of Silicon MicrochannelCoolers for High Power Chips」21st IEEESEMI-THERM Symposium、１〜７（２００５年）に記載された、マイクロチャネル冷却器である。マニホルド（manifold）部分およびチャネル部分が接着されて、複数の熱交換器ゾーンおよび冷却器フィンを形成する。冷却剤は装置内の並列チャネルを通じて流れ、冷却剤の入口から冷却剤の出口までの間の流路の長さはおよそ３ｍｍである。

固体から液体への層対流性（convective）熱伝導（heattransfer）のための第３のタイプの知られた冷却装置は、ツリー状のマイクロチャネル網である。この構造は、従来のマイクロチャネル冷却器と同様に効率良く熱を除去するが、追加のマニホルドを必要としない（Senn and Poulikakos,J. Power Sources, 130, 178〜191(2004)）。

一般に、熱エネルギーの伝導は、マイクロプロセッサ・チップの熱交換表面の面積に比例し、熱交換表面に沿って移動する冷却剤の速度にほぼ比例して増加する。熱交換量を増加させる他の手段は、交換表面に冷却剤フローを衝突させる平面形状を採用することである。これには、表面に存在する温度境界層の厚さを減少させる効果があり、それによって、高温の固体からバルクの冷却剤フローへの熱移動が増大する。

単一の噴射口を有する衝突冷却器は、衝突噴射の流れ場（flow field）によってカバーされた局部的な領域に熱伝導を提供することができる。伝熱性能は、単一の噴射直径を小さくすることによって相対的に向上させることができる。しかしながら、これによって、衝突噴射の流れ場が狭くなるという問題が発生する。この問題を克服するために、噴射衝突配列（jet impingement array）を提供することが知られている。

衝突配列は、一般に、マニホルド内に複数の衝突噴射セットの２次元格子（グリッド）パターンを有する。配列内の各衝突噴射から噴出される冷却液は、マイクロプロセッサ・チップの背面に衝突した後、１つまたは配列状の出口を介して、衝突ギャップと呼ばれる、噴射衝突配列とマイクロプロセッサ・チップとの間の空間に出る。周辺の衝突噴射の偏向（deflection）により、排出流が衝突ギャップの縁部に蓄積する可能性があり、これによって伝熱性能が低下する可能性がある。さらに、近隣の衝突噴射からの噴射流が衝突する（collision）ことにより、流速が相互に打ち消しあう可能性もある。流れが遅いかまたはまったくないこれらの局部的な領域は、停滞ポイント（stagnation point）と呼ばれる。また、衝突噴射の直下にある噴射流が流れて行かない場合も、停滞ポイントが発生する。

こうした衝突噴射は、一般に不均一な流れ場を形成する。流れ場の速度は、中央の停滞ポイントから、停滞ポイントからの半径方向の距離が長くなるにつれて、衝突噴射の直径のおよそ２〜３倍の半径距離で最大速度に達するまで上昇していく。停滞ポイントからの半径方向の距離がさらに長くなると、流れ場の速度は、衝突噴射からの半径方向の距離の２乗で低下していく。

対流熱伝達係数として知られる係数ｈが、流体相への対流熱伝達率を特徴付けるために使用される。この係数は、Ｗ／ｃｍ^２−Ｋ、すなわち平方センチメートル・ケルビンあたりのワット数単位で測定される。流体が固体に接触している状況では、流体の温度境界層が形成される場合がある。その後、ｈは、固体流体接触面の局部熱流束を、流体全体または温度境界層を超えた流体の温度と、固体の表面温度との間の温度差で割った値に等しい。衝突噴射またはマイクロチャネル内では、ｈの値と流体全体の温度値は、どちらも場所に強く依存するため、形状間での熱効率の有意な比較のために、平均量に基づいて有効な熱伝達係数ｈ_ｅｆｆを定義しなければならない。

上式で、ｑ”は流体と固体の接触面全体で平均された熱流束であり、Ｔ_ｆｓｉは、冷却中の固体上（たとえば、マイクロプロセッサ・チップの接合側上）の場所で測定された１つまたはいくつかの温度に基づいて導出されるべき、流体と固体の接触面での有効温度であり、Ｔ_{ｉｎｌｅｔ}は、冷却剤が熱交換器内に入った時点の冷却剤の質量流（mass flow）の平均温度である。

流体が水であり、衝突噴射口の配列が円形ノズルを有する、噴射衝突冷却の平均対流熱伝達係数は、マーチンの相関（１９７７年、マーチン Ｈによる「Heat and Mass Transfer Between Impinging Gas Jets and Solid Surfaces」 Advances in Heat Transfer, Academic Press,vol.13、１〜６０ページ）を使用して推定されてきた。マーチンの相関は、標準的な無次元の形で、すべての重要な幾何学的パラメータの関数としての円形ノズルを有する衝突噴射口配列の予測される熱効率と、流体流れの条件との間に関係を与え、大量の実験データ・セットと対比して検証されてきた。マーチンの相関は、所与の噴射ノズルの直径に関して、衝突冷却器の幾何学的パラメータの最適化を可能にする情報を提供する。

マーチンの相関を使用して、噴射ピッチおよび噴射ノズル・サイズの減少に伴う、噴射衝突冷却器の冷却性能の向上を計算することができる。噴射衝突配列のサイズを縮小することにより、衝突噴射ノズルの直径が減少するにつれて、噴射ピッチも減少するため、マニホルドからの圧力低下の割合が拡大される。実際の可能な最小噴射ノズル直径は、およそ８０μｍ（ミクロン）であり、衝突ギャップGはおよそ３２０μｍ、噴射ピッチPはおよそ３００μｍであって、これは噴射流速に応じて、１０〜１５Ｗ／ｃｍ^２―Ｋのｈ_ｅｆｆの値に対応する。したがって、噴射流速が上昇するにつれて、必要な流量および圧力低下も増加する。

前述の噴射衝突配列は、配列の中心から外側へ向かって放射状に配置された噴射口が、より中心部に配置された噴射口からの冷却剤の放射状の流れによって偏向されることから、個々の噴射間の距離の規模で局所的にというだけでなく、冷却されることになるより大きな表面領域にわたって大域的に、不均一な流れ場を生成するという点で問題である。したがって冷却率は、中央よりもチップ周囲の方が大幅に低い。同様に、マイクロチャネル冷却器は一般に、流体が比較的長いチャネルに沿って温かくなっていくため、長距離の冷却均一性に乏しい。

閉システム内の噴射配列の排出は、蓄積する交差流（crossflow）により調整が不十分であるという概念で、１つの出口ポートによって実行される。１９９２年のＳａａｄ等では、スロット・ノズル配列内での交差流の悪影響は、入口ポート配列と交互配置された出口ポートによる分散戻りを使用することによって緩和される。これにより、独立型ユニットを形成し、任意の大規模配列内で使用可能な、個々のセル（cell）の集合への衝突構成が減少し、すなわちこのシステムは、冷却されることになる表面のサイズに合わせて調整する。この手法の主要な問題の１つは、入口および出口配列への一方的なアクセスに適合する方法で、個々のセルに対して供給および戻り流れ（リターン・フロー）を提供し、小さい圧力低下を保持することである。

科学文献によれば、熱効率の観点から、衝突セルの物理的な寸法を縮小することが望ましい。したがって、望ましい熱伝導性能を達成するために、噴射ノズルは２０〜１００μｍの範囲で比較的小さいことが好ましい。

さらに、熱伝導が衝突表面を介してのみ可能であることも、噴射衝突冷却器に関連付けられた問題である。微細な構造体によって実行される表面の拡大は、それによって再循環および流れのないゾーンが作成されるため、噴射装置の全体性能をわずかに向上させるだけである。たとえば、１９９３年のＨａｎｓｅｎおよびＷｅｂｂでは、表面の拡大によって見られる向上は１．５から４倍である。

従来の噴射衝突冷却器に関連して、一般的に、熱は冷却剤流体と高温表面との間の接触を介してのみ除去可能であり、噴射板またはマニホルド構造も熱交換に寄与することが可能な冷却器の上部には、熱が伝導されないことも問題である。さらに、従来の噴射衝突冷却器内で並列のマニホルド構造を利用する場合、ノズル・ピッチが減少するにつれて、マニホルド内の圧力低下は著しく増加する。したがって、従来のマニホルド構造は、必要な物理的縮小では適切に機能しない。
Ｅ．Ｇ．コルガン等による「A Practical Implementation of Silicon MicrochannelCoolers for High Power Chips」21st IEEESEMI-THERM Symposium、１〜７（２００５年） Senn and Poulikakos,J. Power Sources, 130, 178〜191（２００４） １９７７年、マーチン Ｈによる「Heat and Mass Transfer Between Impinging Gas Jets and Solid Surfaces」 Advances in Heat Transfer, Academic Press,vol.13、１〜６０ページ

本発明の目的は、既知の技術の問題を軽減する、配列型冷却装置を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、衝突ギャップに隣接する第１のレベルを有し、この第１のレベルが、衝突ギャップに隣接する分散型配列のほぼ並列な入口および出口の層を備え、さらにこの第１のレベルが、入口から流体を供給し、出口から流体を排出するための、交互にかみ合った（interdigitated）分岐チャネルの層を備える、衝突冷却器が提供される。

好ましくは、第２のレベルは第１のレベルと接触し、第２のレベルの構造は実質的に第１のレベルの構造の複製であって、所定倍率で拡大されている。

好ましくは、他の階層レベルが第２のレベルと接触し、他の階層レベルの構造は実質的に第２のレベルの構造の複製であって、所定倍率で拡大されている。有利なことに、マニホルドとも呼ばれるこの並列レベルの階層構造は、縮小された衝突配列に冷却剤流体を供給する際の、圧力の蓄積および流れの分散の問題を最適に軽減することができる。

交互にかみ合った分岐チャネル（入力チャネルおよび出力チャネル）の層は、かみ合いディジット（ｄｉｇｉｔ）を形成する分離壁を有する。

好ましくは、所定の拡大倍率は５〜１５の範囲である。

少なくとも１つの層の入口および出口は、ほぼ円筒形またはほぼスロット形とすることができる。

好ましくは、分散型配列は入口および出口の面心正方形（face centred square）パターンを有する。

衝突冷却器は、第１のレベルおよび加熱された本体のうちの少なくとも１つに取り付けられた衝突ギャップ内に配置された、表面拡張構造体を有することが可能であり、この表面拡張構造体は複数の突起部を備える。有利なことに、表面拡張構造体は熱交換の機能を向上させる。表面拡張構造体が目標の表面と噴射板との間に延在する場合、噴射板またはマニホルド構造も熱交換に寄与することが可能な冷却器の上部まで延在する、伝導経路が形成される。

表面拡張構造体は、それぞれがダイヤモンド形を有し、第１のレベルの入口と出口の間に規則正しく配置された、複数の突起部を備えることが可能であり、この突起部の配置構成が流れを停滞ゾーンから実質上遠ざける。

表面拡張構造体は、第１のレベルの入口および出口を結ぶ対角線に沿って規則正しく配置された、障壁（barrier）構造体をさらに備える。有利なことに、衝突ギャップ内の停滞ポイントはほぼ除去される。

表面拡張構造体は、第１のレベルの入口および出口が突起部間の線形ギャップ内に交互に配置されるように、対角線状に配置された複数の線形並列突起部を備えることができる。

好ましくは、線形並列突起部は、第１のレベルと加熱された本体との間に取り付けられ、それぞれが単一の入口と単一の出口を結ぶ複数のマイクロチャネルを形成するように変形される。有利なことに、この構造は、加熱された本体から噴射板への直接伝導経路を形成し、これによってさらに熱交換に寄与する。またこの実施形態は、入口と出口の比較的短い分離を可能にし、これによってチップ自体を熱拡散器として機能させることができる。

好ましくは、衝突冷却器は、１次チャネル・ループから供給および排出される第１のマイクロチャネル・グループと、２次チャネル・ループから供給および排出される第２のマイクロチャネル・グループとを有し、第１および第２のループの動作は互いに独立している。

好ましくは、第１のマイクロチャネル・グループおよび第２のマイクロチャネル・グループは、分散型配列内でほぼ交互に配置される。

表面拡張構造体は、線形ギャップ内の第１のレベルの入口と出口の間に規則正しく配置された障壁構造体をさらに備えることができる。

各障壁構造体は、ほぼ流れのラインに沿って配置された複数の障壁に細分することができる。表面拡張構造体は、第１のレベルの入口および出口が突起部の間の山形（chevron-form）ギャップ内に交互に位置するように配置された、複数の山形突起部を備えることができる。

本発明の第２の態様によれば、熱源から熱を伝導させるための方法が提供され、この方法は、衝突ギャップに隣接する第１のレベルを有する衝突冷却器を準備するステップであって、この第１のレベルは分散型配列の入口および出口の層を備え、この入口および出口は交互にかみ合った入力チャネルおよび出力チャネルの層から分岐しており、さらに衝突ギャップを介して衝突冷却器を熱源に接触させる、ステップと、冷却剤流体を、衝突冷却器を通じておよび衝突ギャップを介して熱源へと衝突させるステップであって、その結果として、衝突冷却器全体に最小限の圧力低下を生じさせる、ステップとを備える。有利なことに、マイクロプロセッサ・チップ上の目標の表面に冷却剤流れを供給するためのこの方法は、衝突冷却器全体の圧力低下を最小限にする。

次に、本発明の諸実施形態について、添付の図面を参照しながら単なる例として説明する。

図１は、本発明の衝突冷却器１０の一部を示す断面図である。インターフェース層とも呼ばれる衝突冷却器１０の第３のレベル１２は、第３レベルの入口１４および第３レベルの出口１６を備える。第３のレベル１２に隣接するのがマニホルド層とも呼ばれる第２のレベル１８であり、いくつかの第２レベルの入口２２に接続された第２レベルのマニホルド入力チャネル２０と、いくつかの第２レベルの出口２６に接続された第２レベルのマニホルド出力チャネル２４を備える。第２のレベル１８に隣接するのが噴出層または終端レベルとも呼ばれる第１のレベル２８であり、いくつかの噴出ノズルまたは第１レベルの入口３２に接続された第１レベルの入力チャネル３０と、いくつかの出力ノズルまたは第１レベルの出口３６に接続された第１レベルの出力チャネル３４とを備える。第１レベルの入口３２および第１レベルの出口３６は、噴出板３７が終端である。好ましくは、第１レベルの入口３２および第１レベルの出口３６は並列である。ターゲット表面４０とも呼ばれるマイクロプロセッサ・チップ３８の背面は、衝突ギャップ４２によって噴出板（ジェット・プレート）３７から分離されている。

図２は、図１の衝突冷却器１０の一部を示す立体図であるが、前述の第３のレベルは示されていない。蛇行した第２レベルの分離壁２１は、第２レベルのマニホルド出力チャネル２４と第２レベルのマニホルド入力チャネル２０とを分離し、その結果、交互にかみ合った形が生じる。第２レベルの出口２６および第２レベルの入口２２は、第２レベルのマニホルド出力チャネル２４および第２レベルのマニホルド入力チャネル２０の下にそれぞれ配置される。同様に、蛇行した第１レベルの分離壁３５は、第１レベルの出力チャネル３４と第１レベルの入力チャネル３０とを分離し、その結果、ここでも交互にかみ合った形が生じるが、第２レベルの構造体に比べてサイズは小さい。第１レベルの出口３６および第１レベルの入口３２が図示されており、第２のレベルと同様の配列で第１レベルの入力チャネル３０および第１レベルの出力チャネル３４を基準に配置されている。マイクロプロセッサ・チップ３８が図示されている。全体として、交互にかみ合った入力チャネルの階層および出力チャネルの階層が示されている。

後続レベルの入力チャネルの相対数は、換算係数（scale factor）ｓｆと呼ばれる。たとえば図１を参照すると、第２レベルの入口２２は、それぞれ、第１レベルの入力チャネル３０を介して５つの第１レベルの入口３２に供給しており、ｓｆは５である。

動作時に、冷却剤は第３レベルの入口１４から衝突冷却器１０に入り、第２レベルのマニホルド入力チャネル２０に供給するためにｓｆ＾２経路に分割される。その後、冷却剤は第２レベルの入口２２を介して第１レベルの入力チャネル３０に流れた後、複数の第１レベルの入口３２のうちの１つを介して排出され、ターゲット表面４０に衝突する。その後、冷却剤は、通常はマイクロプロセッサ・チップ３８である、加熱された本体によって生成された熱エネルギーを吸収し、複数の第１レベルの出口３６のうちの１つを介して、衝突ギャップ４２へと排出される。第１レベルの出力チャネル３４を通過した後、冷却剤は第２レベルの出口２６へ、その後第２レベルのマニホルド出力チャネル２４へと入り、最終的に第３レベルの出口１６へと流れ込む。

図３は、衝突冷却器１０の好ましい実施形態の第２のレベル１８を示す平面概略図である。

それぞれの形に関して図２を参照しながら説明した、複数の第２レベルの分離壁２１が列を成して配置されている。隣接する列の分離壁２１は、鏡像レイアウトを有する。第２レベルのマニホルド出口２６と、屈曲する分離壁２１の間にある第２レベルの入口の位置が示されている。第２レベルのマニホルド出口２６と第２レベルの入口２２との関係は、面心正方形レイアウトである。たとえば、第２レベルの入口のおよその直径が２８ミクロンである場合、第２レベルのマニホルド出口のおよその直径は４０ミクロンである。

衝突冷却器の好ましい諸実施形態は、図１に示された３つのレベルに制限されるものではない。より多いかまたはより少ない数のレベルが利用可能である。本明細書では、噴射板３７に隣接するレベルを終端レベルと呼ぶことができる。

衝突冷却器１０内のレベルの設計全体が、装置内で経験する圧力低下、すなわち装置の性能を決定する。ｓｆに加えて決定可能な他の係数は、ノズル・ピッチｐｉｔと、噴出ノズル直径ｒｉと、出力ノズル直径ｒｏと、チャネル深さ、すなわちチャネル層の厚さｂと、入力チャネルの階層と出力チャネルの階層との間の壁の厚さｗａｌｌである。第１レベルの入口チャネル３２の有効流体力学半径は、幅２．０^＊ｒｉおよび深さｂで計算される。

第１レベルの入口３２内を所与の容積量で流れる流体における理論上の圧力低下は、粘性、流れ、長さ、およびチャネル有効流体力学半径の逆４乗（inverse fourth power）に対応する。衝突冷却器全体にわたって経験される理論上の圧力低下は、以下のプロトコルを使用して計算することができる。具体的に言えば、衝突冷却器の第１から第３までの層の全体抵抗ｐは、すべての部分的な入力または出力チャネルのそれぞれの流れとの抵抗の合計として、以下のように計算される。

このプロトコルでは、Ｎは終端レベルの出口の合計数であり、ηは動粘性率（kinematicviscosity）である。

このプロトコルは、噴射チャネルとも呼ばれる終端レベルの入口の幅と、そこから供給される噴射ノズルの幅とが、同一であることを想定しているが、こうした噴射チャネルの端部では、複数の噴射ノズルからの冷却剤流れが蓄積されるにつれて、その幅が相対的に広くなることがさらに想定される点を除く。全体の性能は、２５％大きいチャネル幅およびｓｆ／２〜１の平均チャネル長さを使用することによって近似される。この数式は圧力低下を正確に計算できない場合があるが、好ましいレイアウト、適切な換算係数、および終端レベルの入口および出口の寸法を選択する際に役立つ。

このように、出力ノズルおよび終端レベルの入口のサイズを、噴射ノズル直径を基準にして３０％大きくすることによって、理論上の衝突冷却器全体の圧力低下を減少させることができる。したがって、出力チャネルの圧力低下は、入力チャネルに比べて２．８倍減じられる。

チャネル内の流れ抵抗に加えて、９０度の屈曲に対する圧力を考慮に入れることができる。この圧力は、流体の減速および加速によるものであるため、流体の平均の速度および密度の平方に依存する。急カーブの場合、管の直径よりも半径が大きい屈曲の２〜３倍の圧力低下が生まれる。

衝突冷却器全体の抵抗は、衝突冷却器の各レベルの抵抗の合計によって計算される。

図４は、ｓｆが５である衝突冷却器１０の、２つのレベルの好ましい実施形態を示す図である。図３に示されたレベルと同様のレイアウトを有するように単一のレベルが示される一方で、他のレベルの構造が重ね合わされている。具体的に言えば、最大の屈曲が第３レベルの出口１６および第３レベルの入口１４に関連して形成されるように、２列の第３レベルの分離壁４４が示されている。第２レベルの分離壁２１の多数の列が、第２レベルの入口２２および第２レベルの出口２６に関連して重ね合わされる。第３のレベルは図示されていない。この実施形態では、第３レベルの入口１４は、第２レベルの入口２２より５倍大きい直径を有する。たとえば、第２レベルの入口は２８ミクロンの直径を有し、第３レベルの入口は３６ミクロンの直径を有することができる。このノズル直径の組み合わせにより、相対的に向上した噴射衝突性能を維持しながら、冷却器内の全体の圧力低下を減少させることができる。

第３レベルの入口１４が第２レベルの入口２２と同軸である場合、第３レベルの入口１４は相対的に乏しい排出特性を経験し、相対的に圧力低下は小さいことに留意されたい。このような圧力低下の減少は、冷却剤が、第３レベルの入口１４が第２レベルの入口２２と同軸でない、角度が９０度の３つの屈曲を有する間接経路に沿って移動するのに対して、直接経路を移動することによって説明することができる。具体的に言えば、間接経路は第３レベルの入口１４から、第２レベルのマニホルド入力チャネル２０へと垂直に流れ、さらに９０度の屈曲と、その後の第３の９０度の屈曲を経て、第２レベルの入口２２へと流れる。たとえば、こうした間接冷却剤経路が採用される場合、第３レベルの入口１４内の圧力低下は２００パスカルであり、第２レベルの入口２２では、圧力低下は１１０００パスカルである可能性がある。

衝突冷却器１０の好ましい実施形態では、入力チャネルの階層および出力チャネルの階層全体を通じた９０度の曲がり角は、チャネル直径のほぼ２倍のカーブ半径を有するカーブ輪郭を有することができる。この方法で、屈曲の背圧（back-pressure）を減じることができる。

図５は、衝突冷却器１０の２つのレベルの代替実施形態を示す図である。第２のレベル１８は、図３に示されたレベルと同様のレイアウトを有するように示され、第３のレベル１２の構造が重ね合わされている。具体的に言えば、第１レベルの入口および出口は、円筒形チャネルの配列ではなく、スロット４６の配列からなる。スロット４６のハイドロリック（水圧）半径を大きくすると、ポワズイユ（Poiseuille）の流れに関する圧力低下を減じることができる。スロット４６の配列は、何らかの流れ経路において２つの直角の曲がり角も除去することが可能であり、それによって圧力低下のさらなる削減に寄与する。例示された好ましい実施形態では、第３のレベル１２は、第２レベルの列に垂直に配置された２列の第１レベルの分離壁４４を有するため、隣接レベル間の交互にかみ合わされた構造が９０度回転する。

図６は、衝突冷却器の他の実施形態の、第２のレベル１８を示す平面概略図である。たとえば、ｓｆが３でＰが１５０ミクロンの場合、第２レベルの入口のおよその直径は４０ミクロン、第２レベルの出口のおよその直径は５２ミクロンとすることができる。

図７は、衝突冷却器の第１のレベルの代替形状を示す図であり、すなわち、第１レベルの入口３２および第１レベルの出口３６が六角形のレイアウトである。第１レベルの分離壁の屈曲構造が、中央幹線および規則正しい分岐セクションを有するツリー形構造４８に置き換えられる。六角格子の入口の並列供給および排出が達成可能である。好ましいレイアウトでは、終端レベルの出口の数は終端レベルの入口の数の２分の１より少なく、これによって、流れが衝突することのない２つの交互にかみ合わされた供給および排出網の設計が可能になる。

有利なことに、相互に混交された（interwoven）入力チャネルの階層および出力チャネルの階層を利用することによって、前述の衝突冷却器の諸実施形態にわたる圧力低下全体が減じられる。効率の良い熱伝導を提供する他の手段は、衝突冷却器の衝突ギャップ内に配置される表面拡張構造体を追加することである。

図８は、噴射板３７を示す平面図、ならびに、線Ａ〜Ａ’に沿ったチップ３８および冷却剤流れの分散戻りを示す横断面図である。

図９は、線矢印によって示された冷却剤流れと、べた塗りの（ｓｏｌｉｄ）矢印によって示された熱伝導とを伴う、個々の衝突セル５０を示す横断面図である。終端レベルの入口に近い流れの方が、終端レベルの出口よりも熱伝導が大きい。さらに、十字で示された終端レベルの入口、およびべた塗りの丸で示された終端レベルの出口の、平面図も示されている。流れの線は、個々の衝突セルの対称面によって境界が定められた領域内に示される。

同様に、図１０も、線矢印によって示された冷却剤流れと、べた塗りの矢印によって示された熱伝導とを伴う、個々の衝突セル５０を示す横断面図である。表面拡張構造体５２がターゲット表面４０に取り付けられる。ここでも、終端レベルの入口に近い流れの方が、終端レベルの出口よりも熱伝導が大きい。さらに、終端レベルの入口および終端レベルの出口、ならびに、べた塗りの矢印によって示された表面拡張構造体５２から冷却剤への熱伝導も示される。

図１１も、線矢印によって示された冷却剤流れと、べた塗りの矢印によって示された熱伝導とを伴う、個々の衝突セル５０を示す横断面図である。チップ３８の表面と噴射板３７の表面との間に表面拡張構造体５２が取り付けられ、それら２つの構造体の間に熱結合を提供する。ここでは、噴射板３７から冷却剤への熱伝導も発生する。さらに、終端レベルの入口および終端レベルの出口、ならびに、べた塗りの矢印によって示された表面拡張構造体５２から冷却剤への熱伝導も示される。

図１２は、終端レベルの入口３２と出口３６との間の、規則正しいパターンでチップ４０のターゲット表面上に配置されたダイヤモンド形の表面拡張構造体５２を示す平面概略図である。

動作時に、冷却剤は終端レベルの入口３２から、線矢印によって示された流れ経路に沿って流れ、終端レベルの出口３６から出る。流れ経路は一般に、ターゲット表面４０または表面拡張構造体５２の近傍であるため、ターゲット表面４０から冷却剤への熱伝導は、冷却剤が接触している表面領域が拡大されることによって相対的に向上する。たとえば、図１２に示された表面拡張構造体が５０ミクロンの衝突ギャップ内に配置された場合、熱交換用の表面領域は、平坦なターゲット表面の場合のおよそ４倍になる。ターゲット表面４０と噴射板３７との間に直接的な熱接触を形成する表面拡張構造体を有する諸実施形態では、加熱されたチップから冷却器ノズル板およびチャネル層への熱伝導用の経路が提供される。これによって固体表面から流体への熱伝導用の追加の経路が開かれ、多くの表面拡張構造体形状を使用すると、終端レベル内で伝導される熱量が、噴射衝突および表面拡張構造体自体によって伝導される熱量を上回る。

表面拡張構造体は、流れの停滞ポイントおよびラインが形成されるのを避けるように、流れの方向を変えるためにも機能する。また、表面拡張構造体がターゲット表面４０と噴射板３７との間に延在する場合、均一の衝突ギャップ４２を維持するための機械的役割も有することができる。

表面拡張構造体は、好ましくは、相対的に小さな流れ抵抗を衝突冷却剤に与え、徐々に加速することによって停滞ラインから流れをそらすような形状である。たとえば、図１２に示された実施形態では、表面拡張構造体の高さは５０ミクロン、すなわちノズル・ピッチの半分であり、１つの入口によって供給され、ダイヤモンド形パターンによって輪郭が描かれた、４つの出口のハイドロリック半径は、およそ４０ミクロンである。こうしたケースでは、いわゆる「表面拡張係数」は５である。ノズル・ピッチとは、終端レベルでの隣接する入口と出口の隔たりのことである。

他の好ましい実施形態では、入力チャネルの階層および出力チャネルの階層はそれぞれ長さ５０〜１００ミクロンであり、ハイドロリック直径は約１０ミクロンであるものとすることができる。

図１３は、表面拡張構造体の好ましい実施形態を示す概略平面図である。表面拡張構造体５２はダイヤモンド形であり、入口３２と出口３６との間に規則正しく配置することができる。他の表面拡張構造体、具体的に言えば障壁構造体５３は、楕円形であり、個々の衝突セル内の入口と出口を結ぶ線に沿って中心軸を有する。

動作時に、ダイヤモンド形構造体５２は停滞ラインを避けるために流れの向きを変更するように再度配置され、細長い楕円形の構造体５３は、２本のほぼ均一な狭く曲がった流れ経路を形成するように機能し、これによって、相対的に熱伝導に乏しい直線的な中央の流れ経路が除去される。これにより、熱交換用の表面全体が５倍から８〜９倍に拡大され、入口によって供給される出口の数が倍増し、ハイドロリック直径は２８ミクロンまで減じられる。

図１４は、表面拡張構造体の好ましい代替実施形態を示す概略平面図である。表面拡張構造体は、入口３２と出口３６との間に規則正しく配置されたダイヤモンド形の突起部５２であるが、入口または出口と接触するように延在していない。２つの細長く曲がった狭い突起部５４が、個々の衝突セルの入口と出口の間の流れラインに沿うように配置される。

動作時に、２つの細長く曲がった狭い突起部５４は、熱伝導用の表面領域をさらに与えるように、および、１つの入口によって供給される１２の出口のハイドロリック直径を、このような実施形態では１５ミクロン未満の値まで減じるように、機能する。たとえば、Ｐがおよそ１５０ミクロンの実施形態では、細長く曲がった狭い突起部の幅はおよそ１０ミクロンとすることができる。

図１５は、表面拡張構造体の他の好ましい実施形態を示す概略平面図である。ダイヤモンド形の表面拡張構造体５２に加えて、多数の楕円形の表面拡張構造体が、入口３２と出口３６との間の流れラインに沿って規則正しく配置される。

図１６は、ユニット・セルの１本の対角線に沿って１つの入口３２から２つの隣接する出口３６へ、線形ギャップとも呼ばれる２本の並列経路を作成する、線形突起部とも呼ばれる線形フィン５８を有する、いくつかの衝突セルにわたる表面拡張構造体を示す平面図である。

図１７は、線形フィン５８と、１つの入口３２から２つの隣接する出口３６へ４本の経路を形成するように配置された、障壁構造体６０とも呼ばれる追加の短い楕円形フィンとを有する、いくつかの衝突セルにわたる表面拡張構造体を示す平面図である。

図１８は、線形フィン５８と、１つの入口３２から２つの隣接する出口３６へ６本の経路を形成するように配置された、１対の追加の短い楕円形フィン６２とを有する、いくつかの衝突セルにわたる表面拡張構造体を示す平面図である。

図１９は、線形フィン５８と、１つの入口３２から２つの隣接する出口３６へ８本の経路を形成するように配置された、３つの追加の短い楕円形フィン６４とを有する、いくつかの衝突セルにわたる表面拡張構造体を示す平面図である。

図２０は、１つの入口３２から２つの隣接する出口３６へ、ユニット・セルの斜めの対角線に沿って２つの相対的に長い並列経路を生成する、相対的に狭い線形フィン６６を有する、いくつかの衝突セルにわたる表面拡張構造体を示す平面図である。

図２１は、複数の衝突セルにわたる山形の表面拡張構造体６８を示す平面図である。第２レベル分離壁の例示的な列が図に重ね合わされている。

衝突セルの寸法および表面拡張方式に依存した冷却性能を示す一例として、図２２および図２３は、冷却剤としての水に関する噴射ノズル・ピッチＰと、噴射板の１ｃｍ^２領域につき０．３７５ｌ／分の一定の冷却剤体積流量と、３の入口噴射ノズル直径に対する入口ジェット・ノズル・ピッチの割合と、２の衝突空間（噴射板と冷却されるチップとの間の距離）に対する噴射ノズル・ピッチの割合との関数として、衝突装置の噴射板セクションにおける、算出された熱伝導係数および算出された圧力低下の記録を示すグラフである。ｂおよびｃのケースでは、表面拡張構造は図１３のレイアウトを有する。すべての部品はシリコンで作られる。データは、市販の計算流体力学ソフトウェア・パッケージを使用して取得される。ケースａの表面拡張なしの単純な噴射衝突セルの場合、熱除去率に関して、セル・サイズ、すなわちピッチおよび入口ノズル直径を減じることが好ましい。これが減少することにより、噴射板の圧力低下の増加につながるが、これはシステム内の他の場所での追加の圧力低下と複合されて、前述の関連条件で説明したように、実際には使用可能な外部ポンプの性能によって課せられた制限を超えてはならない。また部品の構成は、ある寸法より下の実際の制限に達するものと予測することができる。したがって、これまでに説明した熱交換器の好ましい諸実施形態では、入口噴射口の直径は、通常、１０から２００ミクロンの範囲内にあり、入口噴射口のピッチは、通常、噴射口直径の３から５倍となる。表面拡張構造体を使用することにより、追加の圧力低下を発生させることなく、単純な衝突セル全体にわたって熱伝導係数が向上する。

図２４は、本発明の衝突冷却器１０の一部分の代替実施形態を示す図である。冷却器の第１のレベルに入る入口チャネル７０は、チップ３８の背部に衝突するいくつかの第１レベルの入力チャネルに分岐し、この入口チャネル７０の各分岐が、図２０に示されたものと同様の線形フィン６６で形成された衝突ギャップ４２を通る経路を介して、出口チャネル７２の分岐に供給される。線形フィン６６は、図１１の上部に示されるように、チップ３８の背面と噴射板３７の表面との間に取り付けられた表面拡張構造体である。したがって、この配置構成は、チップの背面に衝突するＵ字型「マイクロチャネル」とみなすことが可能であり、このようなケースでは、前述の入口と出口のノズル直径の差を小さくするかまたはなくすことができる。入口チャネル７０および出口チャネル７２をまとめて、第１のループが形成される。冷却器の第１のレベルに入る他の入口チャネル７４は、チップ３８の背部に衝突し、線形フィン６６で形成された経路を介して他の出口チャネル７６の分岐に供給される、いくつかの第１レベルの入力チャネルに分岐する。他の入口チャネル７４および他の出口チャネル７６をまとめて、第２のループが形成される。

図２５は、理解しやすいように図示された線形フィン６６を備えた図２４の第１および第２のループを示す概略平面図であるが、これらは必ずしも噴射板３７を介して見えるとは限らない。

有利なことに、この実施形態は、チップの背面に衝突する入口および出口チャネルの隔たりを相対的に短くすることができる。この隔たりはピッチとも呼ばれ、好ましい実施形態では１００ミクロンとすることができる。こうした相対的に短い隔たりは、いくつかのチップおよび冷却器システムがチップそれ自体を熱拡散器として機能させる必要がある場合があるために、有用である。他の利点は、第１のループおよび第２のループが、必要であればそれぞれが独立して動作できるように分離しているという点にある。たとえば、１つのループをバックアップとして指定し、動作ループに障害が発生した場合に、このバックアップ・ループのスイッチをオンにすることができる。あるいは、チップの通常の動作に両方のループの機能が必要な場合、一方のループの障害または保守の際には、他方のループは単独で機能することになる。この冷却機能の損失を補償するために、動作可能なループを介した冷却剤の流速を上げるか、別の方法として、チップによって生成される熱エネルギーを少なくするためにチップのクロック周波数を下げることができる。

衝突冷却器の前述の諸実施形態の様々な態様の代替形態が想定される。たとえば、相互に混交された入力チャネルの階層および出力チャネルの階層の代替パターンが利用可能であることも想定される。例示された諸実施形態のダイヤモンド形、細長い楕円形、および柱形に加えて、表面拡張構造体の代替のパターンおよび形式が使用可能であることも想定される。様々な好適な材料を使用して、こうした衝突冷却器を製造することが可能であり、冷却剤の流体は気体または液体とすることができる。気体が利用される場合、好ましいピッチの寸法、層厚さ、入口／出口／チャネルのハイドロリック直径は、前述の説明で示されたような水の場合に使用される寸法に比べて、２分の１に減らすことができる。冷却剤の流体は、それらの熱容量またはそれらの温度境界層を貫通する機能によって、熱伝導を相対的に向上させるために、ナノ流体と呼ばれる追加の固体粒子を含むことも可能である。

例示された諸実施形態の構造は、加熱された表面と接触すると液体が蒸発して気体を形成する、２相冷却器に使用することもできる。より多量の気体を収容するために、低流速を維持する一方で、出力を入力より３０％を上回って多くしなければならない可能性がある。

表面拡張構造体の使用範囲は、１つまたは複数の衝突噴射からの流体の流れ制御技術が必要な、任意の方法で拡張することができる。

冷却性能を発熱部分に合わせるために、入口および出口ノズルの直径は、ターゲット表面のある領域に近接して変更することができる。

本概念の衝突冷却器は、たとえば高出力レーザおよび光学コンポーネントまたはパワー・エレクトロニクスなどの、任意の複数の高パワー密度装置と接触可能であることを理解されよう。また、衝突冷却器を様々な装置に直接組み込むことも実現可能である。

本発明の範囲を逸脱することなく、前述の内容への改良および修正を実行することができる。

本発明の衝突冷却器１０の一部を示す断面図である。 図１の衝突冷却器１０の一部を示す立体図であるが、前述の第３のレベルは示されていない。 衝突冷却器１０の好ましい実施形態の第２のレベル１８を示す平面概略図である。 ｓｆが５である衝突冷却器１０の、２つのレベルの好ましい実施形態を示す図である。 衝突冷却器１０の２つのレベルの代替実施形態を示す図である。 衝突冷却器の他の実施形態の、第２のレベル１８を示す平面概略図である。 衝突冷却器の第１のレベルの代替形状を示す図であり、すなわち、第１レベルの入口３２および第１レベルの出口３６が六角形のレイアウトである。 噴射板３７を示す平面図、および線Ａ〜Ａ’に沿ったチップ３８を示す横断面図である。 個々の衝突セル５０を示す横断面図である。 ターゲット表面に取り付けられた表面拡張構造体を有する、個々の衝突セルを示す横断面図である。 ターゲット表面と噴射板との間に取り付けられた表面拡張構造体を有する、個々の衝突セルを示す横断面図である。 終端レベルの入口３２と出口３６との間の、規則正しいパターンでチップ４０のターゲット表面上に配置されたダイヤモンド形の表面拡張構造体５２を示す平面概略図である。 表面拡張構造体の好ましい実施形態を示す概略平面図である。 表面拡張構造体の好ましい代替実施形態を示す概略平面図である。 表面拡張構造体の他の好ましい実施形態を示す概略平面図である。 表面拡張構造体の代替実施形態を示す平面図である。 表面拡張構造体の他の代替実施形態を示す平面図である。 表面拡張構造体の他の実施形態を示す平面図である。 表面拡張構造体の好ましい実施形態を示す平面図である。 表面拡張構造体の他の好ましい実施形態を示す平面図である。 山形の表面拡張構造体を示す平面図である。 ａ：表面拡張なしの衝突、ｂ：表面拡張構造体有りの衝突、ｃ：チップを噴射板に熱結合する表面拡張構造体有りの衝突、のケースを比較する、衝突セル入口ピッチの関数として算出された熱伝導係数を示す図である。 ａ：表面拡張なしの衝突、ｂ：表面拡張構造体有りの衝突、ｃ：チップを噴射板に熱結合する表面拡張構造体有りの衝突、のケースを比較する、衝突セル入口ピッチの関数として噴射板の圧力低下を示す図である。 衝突冷却器の一部の代替実施形態を示す、概略断面図である。 衝突冷却器の一部の代替実施形態を示す、概略平面図である。

符号の説明

１０ 衝突冷却器
１２ 第３のレベル
１４ 第３レベルの入口
１６ 第３レベルの出口
１８ 第２のレベル
２０ 第２レベルのマニホルド入力チャネル
２２ 第２レベルの入口
２４ 第２レベルのマニホルド出力チャネル
２６ 第２レベルの出口
２８ 第１のレベル
３０ 第１レベルの入力チャネル
３２ 第１レベルの入口
３４ 第１レベルの出力チャネル
３６ 第１レベルの出口
３７ 噴出板
３８ マイクロプロセッサ・チップ
４０ ターゲット表面
４２ 衝突ギャップ

Claims (15)

1. 衝突ギャップ（４２）を介して熱源（３８）から熱を除去する衝突冷却器（１０）であって、
   前記衝突ギャップ（４２）に隣接する第１のレベルの構造（２８）と、
   前記第１のレベルの構造（２８）の上に設けられた第２のレベルの構造（１８）とを備え、
   前記第１のレベルの構造（２８）は、
   前記衝突ギャップ（４２）に冷却剤の流体を供給するための入口（３２）と、前記衝突ギャップ（４２）から冷却剤の流体を排出するための出口（３６）とが分散して配置された第１の層と、
   前記第１の層に隣接し、前記入口（３２）に前記流体を供給するための入力チャネル（３０）及び前記出口（３６）から前記流体を排出するための出力チャネル（３４）を有し、前記入力チャネル（３０）及び前記出力チャネル（３４）が交互にかみ合った形状で配列されている、第２の層とを備え、
   前記第２のレベルの構造（１８）は、
   前記第１のレベルの構造（２８）の前記入力チャネル（３０）に前記流体を供給するための入口（２２）と、前記第１のレベルの構造（２８）の前記出力チャネル（３４）から前記流体を排出するための出口（２６）とが分散して配置された第３の層と、
   前記第２のレベルの構造（１８）の前記第３の層に隣接し、
   前記入口（２２）に前記流体を供給するための入力チャネル（２０）及び前記出口（２６）から前記流体を排出するための出力チャネル（２４）を有し、前記入力チャネル（２０）及び前記出力チャネル（２４）が交互にかみ合った形状で配列されている、第４の層とを備え、
   前記第２のレベルの構造（１８）の前記入口（２２）及び前記出口（２６）の直径が、前記第１のレベルの構造（２８）の前記入口（３２）及び前記出口（３６）の直径よりも所定倍率だけ大きく、
   前記第２のレベル（１８）の前記入力チャネル（２０）及び前記出力チャネル（２４）が、前記第１のレベルの構造（２８）の前記入力チャネル（３０）及び前記出力チャネル（３４）よりも所定倍率だけ大きい、衝突冷却器。
2. 前記第２のレベルの構造（１８）の上に設けられた第３のレベルの構造（１２）とを備え、
   前記第３のレベルの構造（１２）は、
   前記第２のレベルの構造（１８）の前記入力チャネル（２０）に前記流体を供給するための入口（１４）と、前記第２のレベルの構造（１８）の前記出力チャネル（２４）から前記流体を排出するための出口（１６）とが分散して配置された第５の層と、
   前記第３のレベルの構造（１２）の前記第５の層に隣接し、
   前記入口（１４）に前記流体を供給するための入力チャネル及び前記出口（１６）から前記流体を排出するための出力チャネルを有し、前記第３のレベルの構造（１２）の前記入力チャネル及び前記出力チャネルが交互にかみ合った形状で配列されている、第６の層とを備え、
   前記第３のレベルの構造（１２）の前記入口（１４）及び前記出口（１６）の直径が、前記第２のレベルの構造（１８）の前記入口（２２）及び前記出口（２６）の直径よりも所定倍率だけ大きく、
   前記第３のレベルの構造（１２）の前記入力チャネル及び前記出力チャネルが、前記第２のレベルの構造（１８）の前記入力チャネル（２０）及び前記出力チャネル（２４）よりも所定倍率だけ大きい、請求項１に記載の衝突冷却器。
3. 前記第１のレベルの構造（２８）の前記入力チャネル（３０）及び前記出力チャネル（３４）が、蛇行する分離壁（３５）により前記交互にかみ合った形状で配列されており、
   前記第２のレベルの構造（１８）の前記入力チャネル（２０）及び前記出力チャネル（２４）が、蛇行する分離壁（２１）により前記交互にかみ合った形状で配列されている、請求項１に記載の衝突冷却器。
4. 前記所定倍率が５〜１５の範囲である、請求項１及び２のいずれかに記載の衝突冷却器。
5. 前記入口および出口が円筒形またはスロット形を有する、請求項１に記載の衝突冷却器。
6. 前記入口および前記出口は面心正方形パターンで配置されている、請求項１に記載の衝突冷却器。
7. 前記第１のレベルの構造および前記熱源のうちの少なくとも１つに取り付けられ、前記衝突ギャップ内に配置された表面拡張構造体を有し、前記表面拡張構造体は複数の突起部を備える、請求項１に記載の衝突冷却器。
8. 前記表面拡張構造体は、前記第１のレベルの構造の前記入口と前記出口との間に規則正しく配置されている、請求項７に記載の衝突冷却器。
9. 前記表面拡張構造体が、前記第１のレベルの構造の前記入口および前記出口を結ぶ対角線に沿って規則正しく配置された、障壁構造体をさらに備える、請求項７に記載の衝突冷却器。
10. 前記表面拡張構造体が、互いに平行な複数の線形突起部を備え、前記第１のレベルの構造の前記入口および前記出口が前記線形突起部相互間のギャップ内に交互に配置されている、請求項７に記載の衝突冷却器。
11. それぞれが前記第１のレベルの構造の前記入口と前記出口とを結ぶ複数のマイクロチャネルが前記第１のレベルの構造と前記熱源との間に形成され、
    前記複数のマイクロチャネルは、
    第１の入口チャネル（７０）から前記入口および前記出口を介して第１の出口チャネル（７２）へ至る第１のループにより前記流体が供給および排出される第１のマイクロチャネル・グループと、第２の入口チャネル（７４）から前記入口および前記出口を介して第２の出口チャネル（７６）へ至る第２のループにより前記流体が供給および排出される第２のマイクロチャネル・グループとに分けられており、
    前記第１のループおよび前記第２のループの動作は互いに独立している、請求項１０に記載の衝突冷却器。
12. 前記第１のマイクロチャネル・グループのマイクロチャネルおよび前記第２のマイクロチャネル・グループのマイクロチャネルが、交互に配置される、請求項１１に記載の衝突冷却器。
13. 前記表面拡張構造体が、前記ギャップ内の前記第１のレベルの前記入口と出口の間に規則正しく配置された障壁構造体をさらに備える、請求項１０に記載の衝突冷却器。
14. 各障壁構造体が、前記流体の流れのラインに沿って配置された複数の障壁に細分される、請求項９または１３に記載の衝突冷却器。
15. 前記熱源は、マイクロプロセッサ・チップである、請求項１に記載の衝突冷却器。

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