JP5419000B2 - Cryogenic microslash ultra high heat flow cooling system - Google Patents

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Description

本発明は、極低温マイクロスラッシュ超高熱流速電子冷却システム及び電子機器冷却法に関する。   The present invention relates to a cryogenic microslash ultra-high heat flow rate electronic cooling system and an electronic device cooling method.

次世代の半導体部品やコンピューターチップに発生する局所熱流速(熱流束)は106W/m2を越え、総パワーは300Wに達し、原子炉炉心の発熱密度をも超えようとしている。この
レベルで発生した熱を効果的に管理することが可能な冷却装置は現在のところ存在しない。今後は半導体の設計ルールが微細化するのでCPUが低消費電力化すると期待されてはい
るが、一方、発熱密度は従来より高くなるため、近い将来には核融合炉並みの発熱密度に至るとさえ予測されている。特に、次世代高性能CPUなどの次世代の半導体部品やコンピ
ューターチップは、従来のCPUなどの半導体部品やLSIなどの半導体素子に比べ消費電力が高く、熱流速が106W/m2のレベルの放熱性能を有しなければ所定の性能を発揮出来ず、現
在の液冷法ならびに強制対流沸騰熱伝達を用いてももはや追従できないレベルにまで達するものと予測される。こうした理由から、システムの高速化、高密度化及び高信頼性化を実現させるための最も重要となる新型プロセッサ冷却法の開発が望まれている。
The local heat flow rate (heat flux) generated in next-generation semiconductor components and computer chips exceeds 10 6 W / m 2 , the total power reaches 300 W, and it is about to exceed the heat generation density of the reactor core. There are currently no cooling devices that can effectively manage the heat generated at this level. In the future, the semiconductor design rules will become finer, so it is expected that the CPU will consume less power. On the other hand, the heat generation density will be higher than before, so in the near future it will reach a heat generation density similar to that of a nuclear fusion reactor. Even predicted. In particular, next-generation semiconductor components such as next-generation high-performance CPUs and computer chips consume more power than conventional semiconductor components such as CPUs and semiconductor devices such as LSIs, and the heat flow rate is 10 6 W / m 2 . If it does not have the heat dissipation performance, it is predicted that the predetermined performance cannot be exhibited, and even if the current liquid cooling method and forced convection boiling heat transfer are used, the level can no longer be followed. For these reasons, it is desired to develop a new processor cooling method that is most important for realizing high speed, high density, and high reliability of the system.

さらに次世代のプロセッサは全体の発熱が大きいだけでなく、ナノオーダー配線も相俟って発熱密度が不均一となり複数の「ホットスポット」がプロセッサ上に現れることが予想されている〔Singhal, V. and Garimella, S. V., "A Novel Valveless Micropump With Electrohydrodynamic Enhancement for High Heat Flux Cooling", IEEE Trans. on Advanced Packaging, Vol.28, No.2 (2005), pp. 216-230(非特許文献1)〕。このホットスポットは特に演算量の多い場所であり、冷却システムで一定の温度以下に保つ必要があるが、従来のヒートシンク、ファンクーラー、ヒートパイプなど「Passive(受動的)」
に熱を吸収・発散する手法では大きな金属素材を必要とする上、効果的にホットスポットを冷却することができないという欠点を有している。
In addition, the next-generation processor not only generates a large amount of heat, but it is also expected that the heat density will be non-uniform due to the nano-order wiring and multiple “hot spots” will appear on the processor [Singhal, V and Garimella, SV, "A Novel Valveless Micropump With Electrohydrodynamic Enhancement for High Heat Flux Cooling", IEEE Trans. on Advanced Packaging, Vol.28, No.2 (2005), pp. 216-230 ]. This hot spot is particularly computationally intensive and needs to be kept below a certain temperature in the cooling system, but it is a "passive" such as a conventional heat sink, fan cooler, heat pipe, etc.
In addition, the method of absorbing and dissipating heat requires a large metal material and has the disadvantage that the hot spot cannot be cooled effectively.

プロセッサの液冷に関する代表的研究としては、LSIのダイやパッケージを液体で冷却
する技術「Micro-Fluidic Cooling」が挙げられる(非特許文献1)。この液冷システム
は冷却液を循環させる「Electrokinetic(電動力学的)ポンプ」を有する点に特徴がある。しかしながら、冷媒そのものに機能性を持たせるという発想には未だ至っておらず、PCレベルの冷却用であり高熱流速の冷却性能を有しているとは言えないと考えられる。
As a typical research on the liquid cooling of the processor, there is a technique “Micro-Fluidic Cooling” for cooling an LSI die or package with a liquid (Non-patent Document 1). This liquid cooling system is characterized in that it has an “electrokinetic pump” that circulates the coolant. However, the idea of imparting functionality to the refrigerant itself has not yet been reached, and it cannot be said that it is for PC level cooling and has high heat flow rate cooling performance.

スラッシュ水素は、液体水素と固体水素とを含有しており、水素の固液境界線上に存在している状態にある平衡混合物であり、宇宙などにおいて水素を燃料として使用する場合に、単なる液体状態の水素と比較して、様々な利点も認められて注目されており、その製造技術及び保存技術の開発が行われている。しかしながら、液体水素よりもさらに低温が要求される技術であり、さらに、固液状態という性状の異なった二相の物質を扱うことから、未だ、開発途上の技術である。同様に、スラッシュ窒素(slush nitrogen)も、液体窒素の中に固体の窒素粒子を含んでいる固液二相からなる極低温の液体であり、近年、超伝導技術の発展にともない、例えば、長距離超伝導ケーブルの次世代冷媒などとしてその適用が期待されている。スラッシュ窒素などのスラッシュ二相状態の液体を製造する技術としては、WO 2004/080892(国際公開日:2004年9月23日、特許文献1)、特願2006-170710
(特許文献2)などが挙げられる。
Slush hydrogen is an equilibrium mixture that contains liquid hydrogen and solid hydrogen, and exists on the solid-liquid boundary of hydrogen. When hydrogen is used as a fuel in space, it is simply in a liquid state. Compared with hydrogen, various advantages have been recognized and attention has been paid, and development of its production technology and storage technology has been conducted. However, it is a technology that requires a lower temperature than liquid hydrogen, and it is still a developing technology because it deals with two-phase substances with different properties such as a solid-liquid state. Similarly, slush nitrogen is a cryogenic liquid consisting of a solid-liquid two phase containing solid nitrogen particles in liquid nitrogen. Its application is expected as a next-generation refrigerant for distance superconducting cables. As a technology for producing a slush two-phase liquid such as slush nitrogen, WO 2004/080892 (International publication date: September 23, 2004, Patent Document 1), Japanese Patent Application No. 2006-170710
(Patent document 2) etc. are mentioned.

WO 2004/080892(国際公開日:2004年9月23日)WO 2004/080892 (International publication date: September 23, 2004) 特願2006-170710(出願日:平成18年7月4日)Japanese Patent Application 2006-170710 (Application date: July 4, 2006) Singhal, V. and Garimella, S. V., "A Novel Valveless Micropump With Electrohydrodynamic Enhancement for High Heat Flux Cooling", IEEE Trans. on Advanced Packaging, Vol.28, No.2 (2005), pp. 216-230Singhal, V. and Garimella, S. V., "A Novel Valveless Micropump With Electrohydrodynamic Enhancement for High Heat Flux Cooling", IEEE Trans. On Advanced Packaging, Vol.28, No.2 (2005), pp. 216-230

次世代の半導体素子などの半導体部品やコンピューターチップではその動作に伴う発熱の問題を解決することが大きな課題である。次世代CPUなどでは超高熱流速の冷却を達成
することが課題である。また、次世代のプロセッサは全体の発熱が大きいだけでなく、ナノオーダー配線も相俟って発熱密度が不均一となり複数のホットスポットがプロセッサ上に現れると予想され、こうしたホットスポットを効果的に冷却する技術の開発が求められている。
In semiconductor components such as next-generation semiconductor elements and computer chips, it is a big problem to solve the problem of heat generation due to the operation. For next-generation CPUs, it is a challenge to achieve ultra-high heat flow cooling. In addition, the next-generation processor not only generates a large amount of heat, but it is also expected that, due to the nano-order wiring, the heat generation density will be uneven and multiple hot spots will appear on the processor. Development of cooling technology is required.

本発明は、次世代の半導体部品やコンピューターチップに発生すると考えられる106W/m2レベルの超高熱流速の冷却性能を有する新型電子冷却システムを提供するにある。
本発明者は、次世代高性能CPUなどの次世代の半導体部品やコンピューターチップに適
用される超高熱流速電子冷却システムの開発研究を鋭意進めた結果、極低温マイクロスラッシュ二相流を機能性冷媒として用い、マイクロスラッシュ噴霧流の強制対流熱伝達による冷却法により、スラッシュ粒子の融解潜熱による相乗効果も付加され、水の強制対流沸騰熱伝達(105 W/m2 オーダ)による冷却法を用いる場合よりも数十倍(106オーダ)の熱伝達特性・冷却特性を得る超高熱流速混相冷却の創成が可能となることを見出し、次世代極低温マイクロスラッシュ二相流冷媒型超高熱流速電子冷却システムを提供するに至った。
An object of the present invention is to provide a new electronic cooling system having a cooling performance of an ultra-high heat flow rate of 10 6 W / m 2 which is considered to occur in next-generation semiconductor components and computer chips.
As a result of earnestly researching the development of an ultra-high heat flow rate electronic cooling system applied to next-generation semiconductor components such as next-generation high-performance CPUs and computer chips, the inventor has developed a cryogenic microslash two-phase flow as a functional refrigerant. As a cooling method by forced convection heat transfer of micro slush spray flow, a synergistic effect by melting latent heat of slush particles is also added, and cooling method by forced convection boiling heat transfer (10 5 W / m 2 order) of water is used We found that it is possible to create ultra-high heat flow mixed-phase cooling that achieves heat transfer characteristics and cooling characteristics several tens of times (10 6 orders) than the case, and next-generation cryogenic microslash two-phase refrigerant type ultra-high heat flow electrons It came to provide a cooling system.

かくして、本発明では次のものが提供される。
〔1〕極低温マイクロスラッシュ固液二相流体を使用する電子機器の冷却法であって、マイクロスラッシュ生成微粒化ノズルで形成して噴出された極低温マイクロスラッシュ固液二相流体の噴霧流を、電子機器発熱体に高速衝突せしめて熱伝達を行うことを特徴とする電子機器の冷却法。
〔2〕前記噴霧流がマイクロスラッシュ窒素であることを特徴とする上記〔1〕に記載の電子機器の冷却法。
〕電子機器が、半導体部品、IC、LSIなどの半導体素子、コンピューターチップ、及び、CPU、GPUを含むマイクロプロセッサからなる群から選択されたものであることを特徴とする上記〔1〕又は〔2〕に記載の電子機器の冷却法。
〔4〕前記噴霧流中の極低温マイクロスラッシュ粒子の融解潜熱を電子機器発熱体からの熱伝達に利用するものであることを特徴とする上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一に記載の電子機器の冷却法。
Thus, the present invention provides the following.
[1] A cooling method for electronic equipment using a cryogenic microslash solid-liquid two-phase fluid, in which a spray flow of a cryogenic microslash solid-liquid two-phase fluid formed and ejected by a microslash- generating atomizing nozzle An electronic device cooling method characterized in that heat transfer is performed by colliding with an electronic device heating element at high speed.
[2] The method for cooling an electronic device according to the above [1], wherein the spray flow is microslush nitrogen.
[ 3 ] The above [1] or [ 3 ], wherein the electronic device is selected from the group consisting of semiconductor components, semiconductor elements such as IC and LSI, computer chips, and microprocessors including CPUs and GPUs [2] The method for cooling an electronic device according to [2].
[4] Any one of [1] to [3] above, wherein the latent heat of fusion of the cryogenic microslash particles in the spray flow is used for heat transfer from an electronic device heating element. Cooling method for electronic equipment.

本発明は、マイクロスラッシュ窒素二相噴霧流の強制対流熱伝達によるCPUなどの電子
機器の冷却法を提供しており、該冷却法では、スラッシュ融解潜熱による相乗効果も付加され、現在最高の冷却能を有する水の強制対流沸騰熱伝達による冷却法を用いる場合よりも数十倍の熱伝達特性・冷却特性を得ることのできるシステムを構築できる。本発明では、大型スーパコンピュータ用超小型噴霧クーリングユニットの構築も可能である。
本発明のその他の目的、特徴、優秀性及びその有する観点は、以下の記載より当業者にとっては明白であろう。しかしながら、以下の記載及び具体的な実施例等の記載を含めた本件明細書の記載は本発明の好ましい態様を示すものであり、説明のためにのみ示されているものであることを理解されたい。本明細書に開示した本発明の意図及び範囲内で、種々の変化及び/又は改変(あるいは修飾)をなすことは、以下の記載及び本明細書のその他の部分からの知識により、当業者には容易に明らかであろう。本明細書で引用されている全ての特許文献及び参考文献は、説明の目的で引用されているもので、それらは本明細書の一部としてその内容はここに含めて解釈されるべきものである。
The present invention provides a cooling method for electronic equipment such as a CPU by forced convection heat transfer of a microslush nitrogen two-phase spray flow, and in this cooling method, a synergistic effect by slush melting latent heat is also added, and the best cooling at present. It is possible to construct a system that can obtain heat transfer characteristics and cooling characteristics several tens of times higher than the cooling method using forced convection boiling heat transfer. In the present invention, it is possible to construct an ultra-compact spray cooling unit for a large supercomputer.
Other objects, features, excellence and aspects of the present invention will be apparent to those skilled in the art from the following description. However, it is understood that the description of the present specification, including the following description and the description of specific examples and the like, show preferred embodiments of the present invention and are presented only for explanation. I want. Various changes and / or modifications (or modifications) within the spirit and scope of the present invention disclosed herein will occur to those skilled in the art based on the following description and knowledge from other parts of the present specification. Will be readily apparent. All patent documents and references cited herein are cited for illustrative purposes and are not to be construed as a part of this specification. is there.

本発明は、マイクロスラッシュ二相流利用型超高熱流速電子冷却システムを提供する。本発明では、加熱基盤の冷却に関し,従来なしえなかった105 (W/m2)を超える冷却熱流速を短時間に実現可能にする新型超高熱流速冷却システムが開発されている。
本発明では、超高熱流速冷却を可能にする冷媒として新たに液化ガスから生成される微小固体粒子からなるマイクロ・ナノスラッシュの高速噴霧流と、高機能性を有する固液二相流体である液化ガスの極低温マイクロスラッシュ二相流を用いる。特に好適な具体例では、本発明で、超高熱流速冷却を可能にする冷媒として新たに微小固体窒素粒子からなるマイクロ・ナノスラッシュの高速噴霧流と、マイクロ・ナノスラッシュ−液体窒素固液二相流を用いる。本超高熱流速電子冷却システムは、スラッシュの有する高い寒冷保有量(エンタルピー)と、超高速噴霧流との活用をしているものを指していてよい。該超高熱流
速電子冷却システムは、現時点で最高性能を有する冷却法である水の強制対流沸騰熱伝達における限界熱流速の数十倍のオーダーまで熱伝達特性を向上させたものを包含していてよい。また、該超高熱流速電子冷却システムは、パッケージ接合部における接触熱抵抗の大幅な軽減化を図ったものを包含する。本発明の冷却法は、PC冷却用周辺機器のみの改良に主眼をおいたものでなく、冷媒そのものに高機能性を持たせる噴霧型と二相液冷却方式のActive coolingによる冷却法を用いるもので、超高熱流速冷却が可能で、スーパコンピュータ等の大規模計算システムにも適用可能な高機能次世代プロセッサ冷却システムを提供している。
The present invention provides an ultra-high heat flow rate electronic cooling system utilizing a microslash two-phase flow. In the present invention, a new ultra-high heat flow rate cooling system has been developed that can realize a cooling heat flow rate exceeding 10 5 (W / m 2 ), which could not be achieved in the past, with regard to cooling of the heating base.
In the present invention, high-speed spray flow of micro / nano slash composed of micro solid particles newly generated from liquefied gas as a refrigerant enabling ultra high heat flow rate cooling, and liquefaction that is a solid-liquid two-phase fluid having high functionality A cryogenic microslash two-phase flow of gas is used. In a particularly preferred embodiment, in the present invention, a micro-nano slash high-speed spray flow composed of micro solid nitrogen particles newly as a refrigerant enabling ultra high heat flow rate cooling, and a micro-nano slash-liquid nitrogen solid-liquid two-phase Use flow. This super-high heat flow rate electronic cooling system may refer to the one that utilizes the high cold holding amount (enthalpy) of the slash and the ultra-high-speed spray flow. The ultra-high heat flow rate electronic cooling system includes a heat transfer characteristic improved to an order of several tens of times the critical heat flow rate in forced convection boiling heat transfer of water, which is the cooling method having the highest performance at present. Good. The ultra-high heat flow rate electronic cooling system includes a system in which contact thermal resistance at the package joint is greatly reduced. The cooling method of the present invention does not focus on improving only the peripheral equipment for PC cooling, but uses a cooling method by active cooling of a spray type and a two-phase liquid cooling system that gives the refrigerant itself high functionality. Therefore, we offer a high-performance next-generation processor cooling system that can be cooled at ultra-high heat flow rates and can be applied to large-scale computing systems such as supercomputers.

本明細書で「スラッシュ」又は「スラッシュ粒子」とは、液体窒素、液体酸素、液体水素などの液化ガスを凍らせて、その結果、得られる固体窒素、固体酸素、固体水素などの固体粒子であって、液体窒素、液体酸素、液体水素などの液化ガスに懸濁あるいは分散化した状態で存在しているものあるいはそうした系を指す。本発明では、好ましいものとして、窒素スラッシュ(又は窒素スラッシュ粒子)が挙げられ、特に好ましいものとして、窒素のマイクロスラッシュが挙げられる。そして「マイクロスラッシュ」又は「マイクロスラッシュ粒子」と称した場合、その粒子径、すなわち、固体粒子の直径のサイズが、下記マイクロスラッシュ窒素について説明するように、比較的小さなものを指しており、ある場合には、その粒子の平均粒径が1.0 mm以下のもの、さらには、0.5 mm以下あるいは0.2 mm以下であるようなものを指している意味であってよい。本発明では、好ましいものとして、窒素のマイクロスラッシュ粒子が挙げられる。特に好適には、固体状の粒子のサイズが均一な分布を示すものが挙げられる。   As used herein, “slash” or “slash particle” refers to solid particles such as solid nitrogen, solid oxygen, and solid hydrogen obtained by freezing liquefied gas such as liquid nitrogen, liquid oxygen, and liquid hydrogen. It refers to a system that is suspended or dispersed in a liquefied gas such as liquid nitrogen, liquid oxygen, or liquid hydrogen, or such a system. In the present invention, nitrogen slush (or nitrogen slash particles) is preferable, and nitrogen microslash is particularly preferable. And when it is called “microslash” or “microslash particle”, the particle size, that is, the size of the diameter of the solid particle, refers to a relatively small one, as described for microslash nitrogen below. In this case, it may mean that the average particle size of the particles is 1.0 mm or less, and further 0.5 or less or 0.2 mm or less. In the present invention, preferred is a microslash particle of nitrogen. Particularly preferred are those in which the size of solid particles shows a uniform distribution.

本明細書で「マイクロスラッシュ窒素」とは、液体窒素と固体窒素とを含有しており、窒素の固液境界線上に存在している状態にある平衡混合物であって、固体窒素粒子として、微細な粒子であり、且つ、比較的均一なものを含んでいるものを意味する。ここで「微細な」及び/又は「均一な」粒子とは、電子機器、例えば、次世代半導体部品、IC、LSI
などの半導体素子、コンピューターチップ、CPU、GPUなどのマイクロプロセッサなどの高い発熱密度及び/又はホットスポットの生成を示すようなものを、効率的に冷却することを実質的に実施できるものを指していてよく、その実質的に実施できるとは、長期にわたり使用できることを含んでいたり、あるいは当業者が実用上満足できると判断する程度を意味してよい。
In the present specification, “microslash nitrogen” is an equilibrium mixture that contains liquid nitrogen and solid nitrogen, and exists on the solid-liquid boundary line of nitrogen. Mean particles and those containing relatively uniform particles. Here, “fine” and / or “uniform” particles refer to electronic devices such as next-generation semiconductor components, ICs, and LSIs.
Such as semiconductor devices such as semiconductor chips, microprocessors such as CPUs, GPUs, etc. that show high heat generation density and / or hot spot generation, refers to those that can be effectively cooled effectively The term “substantially practicable” may mean that it can be used over a long period of time, or to the extent that a person skilled in the art deems practically satisfactory.

該マイクロスラッシュ窒素は、液体窒素の中に固体の窒素粒子を含んでいる固液二相からなる極低温の液体であり、且つ、固体窒素として存在しているものが少なくとも平均粒子径において2〜5 mmサイズより小さいものであるもの、例えば、固体窒素粒子あるいは
結晶状窒素粒子の粒子径についてその平均粒子径が1.5 mm以下であるもの、あるいは1.3 mm以下、好ましくは、1.0 mm以下、より好ましくは、0.8 mm以下あるいは0.6 mm以下、さらには0.5 mm以下あるいは0.3 mm以下、典型的な場合では、0.2 mm以下、さらには0.1 mm以下やミクロンオーダーのサイズであるものが挙げられる。さらに好ましい態様では、固体窒素として存在しているものが少なくとも平均粒子径において1〜100μmサイズより小
さいものであってよく、例えば、固体窒素粒子あるいは結晶状窒素粒子の粒子径についてその平均粒子径が50μm以下であるもの、あるいは10μm以下、好ましくは、1.0μm以下、より好ましくは、800nm以下あるいは500nm以下、さらには100nm以下あるいは50nm以下、
さらには10nm以下やナノメーターオーダーのサイズであるものが挙げられる。
本発明の一つの態様では、該微粒子状固体窒素(あるいは結晶状窒素)を含有する液体混合物は、粒子体積分率が0.05〜0.3であるもので、ある場合には、粒子体積分率が0.08
〜0.28であるもので、好適な場合、粒子体積分率が0.1〜0.26であるもので、より好まし
くは、0.125〜0.25であるもので、特定の場合には、粒子体積分率が0.15〜0.25であるも
のである。
The microslash nitrogen is a cryogenic liquid composed of a solid-liquid two-phase containing solid nitrogen particles in liquid nitrogen, and what is present as solid nitrogen is at least an average particle diameter of 2 to Those having a size smaller than 5 mm, for example, solid nitrogen particles or crystalline nitrogen particles having an average particle size of 1.5 mm or less, or 1.3 mm or less, preferably 1.0 mm or less, more preferably Is 0.8 mm or less or 0.6 mm or less, further 0.5 mm or less or 0.3 mm or less, and typically 0.2 mm or less, further 0.1 mm or less, or a micron order size. In a more preferred embodiment, what is present as solid nitrogen may be at least an average particle size smaller than 1 to 100 μm. For example, the average particle size of solid nitrogen particles or crystalline nitrogen particles is One that is 50 μm or less, or 10 μm or less, preferably 1.0 μm or less, more preferably 800 nm or less or 500 nm or less, further 100 nm or less or 50 nm or less,
Further, those having a size of 10 nm or less and a nanometer order are mentioned.
In one embodiment of the present invention, the liquid mixture containing the particulate solid nitrogen (or crystalline nitrogen) has a particle volume fraction of 0.05 to 0.3. In some cases, the particle volume fraction is 0.08.
In the preferred case, the particle volume fraction is 0.1 to 0.26, more preferably 0.125 to 0.25, and in certain cases the particle volume fraction is 0.15 to 0.25. It is what is.

本発明技術で利用する当該マイクロスラッシュ窒素の生成法としては、液体窒素の流れあるいは過冷却された液体窒素の流れ(過冷却液体窒素流)を極低温のヘリウムガスの流れの作用で微粒化噴霧冷却(atomization - cooling)に付すことにより行うことができる
。当該マイクロスラッシュ流体の生成法は、液化ガスのスラッシュ固液二相流体(特には、マイクロスラッシュ固液二相流体)を生成することのできるものであって、極低温液体の流れの中心部あるいはその近傍に、当該極低温液体の流れと同方向あるいはほぼ同方向に、当該極低温液体の温度と同程度あるいはそれよりは低い温度の気体又は液体の流れを導入せしめ、気体と液体とを衝突せしめて微粒子を形成せしめること、あるいは性質の異なった液体同士を衝突せしめて微粒子を形成せしめることで行われる。当該導入せしめられる気体又は液体の流れは、高圧及び/又は高速で導入され、一般的には高圧且つ高速の条件下に導入される。当該導入せしめられる流れは、その出口部では、噴出流あるいはジェット流となっており、液体を微粒子化する作用を有するものである(微粒化噴出流あるいは微粒化ジェット流であってよい)。該高圧とは、所要の微粒化目的が達成できる限り、いかなる圧力も採用できる、また射出される出口(噴出口)の口径によっても適宜のものとされるが、例えば、5〜10,000気圧とされることができ、ある場合には、10〜1,000気圧、別の場合には、10〜100気圧としたり、10〜50気圧とすることができる。また、該高
圧とは、噴出口からの所要の噴出流速が達成できるものであってもよい。該高速とは、噴出口からの噴出流速を指していてよく、例えば、5〜850 m/s、ある場合には、8〜540 m/s、別の場合には、10〜250 m/sあるいは12〜100 m/sとしたり、13〜50 m/sあるいは14
〜25 m/sとすることができる。
As a method for producing the microslash nitrogen used in the technology of the present invention, a liquid nitrogen flow or a supercooled liquid nitrogen flow (supercooled liquid nitrogen flow) is atomized by the action of a cryogenic helium gas flow. This can be done by subjecting it to atomization-cooling. The microslash fluid generation method is capable of generating a slush solid-liquid two-phase fluid (particularly, a microslash solid-liquid two-phase fluid) of a liquefied gas, In the vicinity, a gas or liquid flow at a temperature similar to or lower than the temperature of the cryogenic liquid is introduced in the same or almost the same direction as the flow of the cryogenic liquid, and the gas collides with the liquid. It is carried out by forming fine particles, or by causing liquids having different properties to collide with each other to form fine particles. The gas or liquid stream introduced is introduced at high pressure and / or high speed, and is generally introduced under high pressure and high speed conditions. The flow to be introduced is an ejected flow or a jet flow at the outlet, and has the effect of atomizing the liquid (may be an atomized jet flow or an atomized jet flow). As long as the desired atomization purpose can be achieved, any pressure can be adopted as the high pressure, and it is determined appropriately depending on the diameter of the outlet (jet outlet) to be injected. In some cases, it can be 10 to 1,000 atmospheres, and in other cases, it can be 10 to 100 atmospheres or 10 to 50 atmospheres. In addition, the high pressure may be a pressure that can achieve a required ejection flow rate from the ejection port. The high speed may refer to an ejection flow velocity from the ejection port, for example, 5 to 850 m / s, in some cases 8 to 540 m / s, and in other cases 10 to 250 m / s. Or 12-100 m / s, 13-50 m / s or 14
˜25 m / s.

該液化ガスとしては、代表的には、常圧で−190℃以下の融点を有している物質を指し
ていてよく、例えば、液体窒素、液体酸素、液体水素、液体アルゴンなどが挙げられてよく、液体窒素が好ましいものとして挙げられる。該液化ガスが、窒素である場合について、以下説明する。例えば、当該マイクロスラッシュ窒素は、液体窒素の流れあるいは過冷却液体窒素流をノズル(nozzle)から射出するに際して、該過冷却液体窒素流のおおよそ中心部又はその近傍に、該過冷却液体窒素流と同方向あるいはほぼ同方向に当該過冷却液体窒素の温度と同程度あるいはそれより低い温度の気体又は液体の流れ(極低温導入流又は極低温射出補助流)を導入することにより実現可能である。本発明の一つの態様では、当該極低温導入流は、窒素の融点−209.86℃より低い融点や沸点を有するものを使用できるが、例えば、水素は融点−259.14℃、沸点−252.87℃であり、ヘリウム(He)は融点−272.2℃、沸点−268.9℃であり使用することが可能である。特に、ヘリウムは、極低温ヘリウムガスを流すことができ、不活性であり好ましい。
The liquefied gas may typically refer to a substance having a melting point of −190 ° C. or lower at normal pressure, and examples thereof include liquid nitrogen, liquid oxygen, liquid hydrogen, and liquid argon. Often, liquid nitrogen is preferred. The case where the liquefied gas is nitrogen will be described below. For example, when the microslush nitrogen is ejected from a nozzle or a stream of liquid nitrogen or a supercooled liquid nitrogen stream, the microcooled nitrogen and the supercooled liquid nitrogen stream are located approximately at or near the center of the supercooled liquid nitrogen stream. This can be realized by introducing a gas or liquid flow (a cryogenic introduction flow or a cryogenic injection auxiliary flow) having a temperature equal to or lower than the temperature of the supercooled liquid nitrogen in the same direction or substantially the same direction. In one embodiment of the present invention, the cryogenic introduction stream may have a melting point or boiling point lower than the melting point of nitrogen -209.86 ° C, for example, hydrogen has a melting point of -259.14 ° C, a boiling point of -252.87 ° C, Helium (He) has a melting point of −272.2 ° C. and a boiling point of −268.9 ° C. and can be used. In particular, helium is preferable because it can flow a cryogenic helium gas and is inert.

スラッシュ窒素二相流(特には、マイクロスラッシュ窒素二相流、さらにはナノスラッシュ窒素二相流を包含する)を利用して、微小固体窒素粒子からなるマイクロスラッシュの高速噴霧流を形成して熱伝達効率(冷却能)を高めると共に、例えば、半導体素子パッケージ接合部における接触熱抵抗の大幅な軽減化をなすに際しては、スラッシュ粒子生成用微粒化ノズル、すなわち、可能な限り粒径が小さく均一なスラッシュ粒子を短時間・効率的に生成することが可能なスラッシュ微粒化ノズルが有利であり、そうしたものとしては極低温ヘリウムガスの高速流あるいはジェット流を用いたノズル、すなわち、二流体エジェクターノズルが有効である。該二流体エジェクターノズルは、ヘリウム冷凍機により冷却された極低温ヘリウムガスをエジェクター内に高圧・高速で注入することにより撹拌容器内の過冷却液体窒素はエジェクター内に吸い込まれ、ヘリウムガスの高速流と衝突混合することにより微細スラッシュ窒素粒子を形成しエジェクターノズル外部に噴出されるメカニズム(あるいはジェット噴射されるメカニズム)を有しているものが挙げられ、こうしたメカニズムを利用するものは本発明で利用可能としてよい。典型的な例では、液体窒素と極低温ヘリウムガスを流すことのできる同心混合型高速二流体ノズルが挙げられる。当該ノズルは、例えば、WO 2004/080892(国際公開日:2004年9月23日、特許文献1)、特願2006-170710(特許文献2)などに記載がある。当該同心混合型高速二流体ノズルで
は、高速且つ高圧で噴出口から射出されるヘリウムガスの流れにより液体窒素はラインを通って壁に囲まれているエジェクター内に吸い込まれ、高速なヘリウムガス流と衝突し、微粒化せしめられ、エジェクターの噴出口からスラッシュ窒素粒子が形成されて、液体窒素中(あるいは液体窒素流中)に供給され混入せしめられることとなる。
Using a slush nitrogen two-phase flow (especially including a micro-slash nitrogen two-phase flow and even a nano-slash nitrogen two-phase flow), a high-speed spray flow of micro slush composed of fine solid nitrogen particles is formed to generate heat. For example, in order to increase the transmission efficiency (cooling capacity) and significantly reduce the contact thermal resistance at the semiconductor element package junction, for example, a slash particle generation atomization nozzle, that is, a particle diameter that is as small and uniform as possible. A slush atomizing nozzle that can generate slush particles in a short time and efficiently is advantageous, such as a nozzle using a high-speed or jet flow of cryogenic helium gas, that is, a two-fluid ejector nozzle. It is valid. The two-fluid ejector nozzle injects cryogenic helium gas cooled by a helium refrigerator into the ejector at high pressure and high speed, whereby supercooled liquid nitrogen in the stirring vessel is sucked into the ejector, and high-speed flow of helium gas. That have a mechanism that forms fine slush nitrogen particles by collision and mixing and ejects them outside the ejector nozzle (or a mechanism that jets them). Those that use such mechanisms are used in the present invention. It may be possible. A typical example is a concentric mixed high-speed two-fluid nozzle capable of flowing liquid nitrogen and cryogenic helium gas. The nozzle is described in, for example, WO 2004/080892 (International Publication Date: September 23, 2004, Patent Document 1), Japanese Patent Application No. 2006-170710 (Patent Document 2), and the like. In the concentric mixing type high-speed two-fluid nozzle, liquid nitrogen is sucked into the ejector surrounded by the wall through the line by the flow of helium gas ejected from the jet outlet at high speed and high pressure, and the high-speed helium gas flow It collides and is atomized, and slush nitrogen particles are formed from the ejector outlet of the ejector, which is supplied into liquid nitrogen (or liquid nitrogen stream) and mixed.

一つの好ましい具体例では、スパイラル型ノズルを使用して、マイクロスラッシュ窒素二相流体が生成される。本スパイラル型ノズルは、特願2006-170710(特許文献2)など
に記載がある。当該スパイラル型ノズルにより、効率よく、均一粒径を有するマイクロスラッシュ窒素粒子の連続生成が可能となっている。当該二流体スパイラル型エジェクターノズルは、極低温ヘリウムガスの高速流を用いるもので、例えば、ヘリウム冷凍機により冷却された極低温ヘリウムガスをエジェクター内に高圧・高速で注入することにより撹拌容器内の過冷却液体窒素はエジェクター内に吸い込まれ、ヘリウムガスの高速流と衝突混合することによりマイクロスラッシュ窒素粒子を形成し、スパイラルノズル部を通過する際にマイクロオーダー粒子径までの微粒化が促進されノズル外部に噴出されるメカニズムを有している。こうしたメカニズムを利用するものは本発明に含まれるとしてよい。マイクロスラッシュの生成法としては、メカニカルな回転部を有しないスパイラル型ノズルを用いることにより、マイクロスラッシュの連続生成が可能であり、それは高性能微粒化ノズルとして機能しており優れている。
In one preferred embodiment, a microslash nitrogen two-phase fluid is generated using a spiral nozzle. This spiral type nozzle is described in Japanese Patent Application No. 2006-170710 (Patent Document 2). The spiral nozzle can efficiently produce microslash nitrogen particles having a uniform particle diameter. The two-fluid spiral ejector nozzle uses a high-speed flow of a cryogenic helium gas. For example, a cryogenic helium gas cooled by a helium refrigerator is injected into the ejector at a high pressure and at a high speed. Supercooled liquid nitrogen is sucked into the ejector and forms microslash nitrogen particles by collision and mixing with a high-speed flow of helium gas, and when passing through the spiral nozzle part, atomization to the micro-order particle size is promoted and the nozzle It has a mechanism to be ejected to the outside. Those utilizing such a mechanism may be included in the present invention. As a method for producing microslashes, it is possible to continuously produce microslashes by using a spiral type nozzle having no mechanical rotating part, which functions as a high performance atomizing nozzle and is excellent.

代表的な場合、極低温ヘリウムガスの高速流の噴出口の口径と、微粒化したスラッシュ粒子の放出口(射出口)の口径とは、同一あるいはほぼ同程度であってよく、射出ヘリウムガスにかけられる圧力や目的とするヘリウムガスの流速によっても適宜適切なものとできるが、例えば、0.05〜5.0 mm、ある場合には、0.1〜3.0 mm、別の場合には、0.2〜3.0 mmあるいは0.3〜2.0 mmとしたり、0.4〜1.5 mmあるいは0.5〜1.2 mmとすることができる。
本発明では、さらに、当該スパイラル型ノズルを改良したもので、ノズルによる生成粒子をさらに均一で且つより微細な粒子とすることを可能とする超音波振動子装着型部スパイラル型ノズルを好適に利用できる。典型的な超音波振動子装着型部スパイラル型ノズルの一例を、図1に示す。当該超音波振動子装着型部スパイラル型ノズルでは、超音波振動子がエジェクターノズルの噴出口部に設置され、超音波微粒化促進作用と超音波キャビテーションの相乗効果により、均一で微細なスラッシュ窒素粒子を形成し、スパイラルノズル部を通過する際にマイクロオーダー粒子径までの微粒化が促進され、ノズル外部に噴出されるといったメカニズムで、優れた性状のマイクロスラッシュが得られる。
かくして、本発明では、超音波キャビテーション利用型マイクロスラッシュ生成ノズルを提供している。本ノズルは、メカニカルな回転部を極力排除してあり、極低温下の粒子連続生成が可能なものである。
In a typical case, the diameter of the jet outlet of the high-speed flow of the cryogenic helium gas and the diameter of the outlet (injection outlet) of the atomized slash particles may be the same or approximately the same, and Depending on the pressure to be applied and the flow rate of the target helium gas, it can be appropriately determined, for example, 0.05 to 5.0 mm, in some cases 0.1 to 3.0 mm, in other cases 0.2 to 3.0 mm or 0.3 to It can be set to 2.0 mm, 0.4 to 1.5 mm, or 0.5 to 1.2 mm.
In the present invention, the spiral type nozzle is further improved, and an ultrasonic transducer mounting type part spiral type nozzle that can make particles generated by the nozzle more uniform and finer is preferably used. it can. An example of a typical ultrasonic transducer mounting type part spiral type nozzle is shown in FIG. In the ultrasonic vibrator mounting type part spiral type nozzle, the ultrasonic vibrator is installed at the jet nozzle part of the ejector nozzle, and the fine and fine slush nitrogen particles are produced by the synergistic effect of ultrasonic atomization promoting action and ultrasonic cavitation. The microslash having excellent properties can be obtained by the mechanism that the atomization to the micro order particle diameter is promoted when passing through the spiral nozzle portion and the particles are ejected to the outside of the nozzle.
Thus, the present invention provides a micro slash generation nozzle utilizing ultrasonic cavitation. This nozzle eliminates a mechanical rotating part as much as possible, and can continuously generate particles at extremely low temperatures.

該マイクロスラッシュ生成装置(マイクロスラッシュ窒素生成装置を含む)は、液体とガスとが衝突して微粒子(マイクロ粒子)が生成する構造を備えているもので、例えば、液体窒素供給ラインにより供給された液体窒素の流れのほぼ中心の位置に、極低温のヘリウムガスを射出する(あるいはジェット噴射する)ノズル(極低温ヘリウムガス射出口)を配置して、当該極低温ヘリウムガス射出口より射出されるヘリウムガス流により、当該液体窒素供給ラインより液体窒素が吸入されることになると共に、当該極低温ヘリウムガス流の周辺部に沿って流れることとなる液体窒素の流れは、例えば、断面形状が漏斗型(ロート型)の狭隘部(筒口)に向かって流れて、極低温ヘリウムガス流と衝突して、霧状に微細な粒子を形成することとなり、当該断面形状漏斗型部の筒口より射出されてマイクロスラッシュ窒素などのマイクロスラッシュの微細粒子を生成することとなる。該筒口の部分又はその近傍には、超音波振動子が装備されており、超音波によるキャビテーションでより微細で且つ均一な微粒子の形成がなされる。
超音波を液体や溶液に照射した場合、局所的な圧力変動により気泡が発生する。超音波により発生した気泡は,断熱圧縮過程で短時間にエネルギーが集中し、その崩壊時には、
局所場を形成すると考えられている。つまり、超音波を液体や溶液に照射するとキャビテーションが発生する。キャビテーションとは、液体の流れの中で圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きる物理現象である。キャビテーションによる気泡の崩壊時には、短寿命の高温・高圧の局所場(ホットスポット)が形成されることが知られており、これを利用することで、生成粒子を超微粉末化することができるのである。
The micro slash generation device (including the micro slash nitrogen generation device) has a structure in which a liquid and a gas collide to generate fine particles (micro particles), and is supplied by, for example, a liquid nitrogen supply line A nozzle (a cryogenic helium gas injection port) that injects (or jets) a cryogenic helium gas is disposed at a substantially central position in the flow of liquid nitrogen, and is injected from the cryogenic helium gas injection port. The liquid nitrogen is sucked from the liquid nitrogen supply line by the helium gas flow, and the liquid nitrogen flow that flows along the periphery of the cryogenic helium gas flow has, for example, a funnel having a cross-sectional shape. Flow toward the narrow part (cylinder opening) of the mold (roof type), collide with the cryogenic helium gas flow, and form fine particles in the form of mist Ri, and thus to generate a micro-slush fine particles such as micro slush nitrogen is emitted from the snout of the cross-sectional shape funnel portion. An ultrasonic vibrator is provided at or near the tube opening, and finer and more uniform fine particles are formed by cavitation using ultrasonic waves.
When ultrasonic waves are applied to a liquid or solution, bubbles are generated due to local pressure fluctuations. Bubbles generated by ultrasonic waves concentrate in a short time during the adiabatic compression process.
It is thought to form a local field. That is, cavitation occurs when a liquid or solution is irradiated with ultrasonic waves. Cavitation is a physical phenomenon in which bubbles are generated and disappeared in a short time due to a pressure difference in a liquid flow. When bubbles collapse due to cavitation, it is known that a short-lived high-temperature, high-pressure local field (hot spot) is formed. By using this, the generated particles can be micronized. is there.

当該マイクロスラッシュ生成装置は、マイクロスラッシュ窒素などのマイクロスラッシュ生成を可能にするエジェクターノズルを備えているもので、当該エジェクターノズルは、液体窒素供給ラインを有し、該エジェクター内を流れる液体窒素流のほぼ中心部又はその近傍に配置された極低温のヘリウムガス射出口を有しており、当該ヘリウムガス射出口より射出されたガス流の流れる方向側に、液体と気体との混合物が射出する出口(好ましくは、断面形状が漏斗型の狭隘部開口)を有している。当該マイクロスラッシュ生成装置は、間歇的に作動せしめて固体窒素粒子を生成してもよいし、ある程度の時間の間連続的に固体窒素粒子を生成してもよい。好ましい場合には、エジェクターノズルは、加温装置を備えており、万一、固体窒素粒子による目詰まりあるいはノズルへの付着が生じてもそれを除去可能とされている。より好適な例では、エジェクターノズルは、吐出口がスパイラル形状のノズルとなり循環する液体に突き出た状態とされているものであってよい。該スパイラル形状の吐出口を有するエジェクターノズルは、スパイラル部を高速ジェット流が通過することにより、適度な乱流を生起せしめ、より微粉化に貢献すると共に、生成マイクロスラッシュがノズルに付着するのを防止して、連続的なマイクロスラッシュの形成を可能にしている。   The micro slash generator includes an ejector nozzle that enables generation of micro slash such as micro slash nitrogen, and the ejector nozzle has a liquid nitrogen supply line for the flow of liquid nitrogen flowing through the ejector. An outlet that has a cryogenic helium gas injection port disposed substantially at or near the center, and in which a mixture of liquid and gas is injected in the direction of flow of the gas flow injected from the helium gas injection port (Preferably, the cross-sectional shape has a funnel-shaped narrow opening). The microslash generator may operate intermittently to generate solid nitrogen particles, or may generate solid nitrogen particles continuously for a certain period of time. In a preferred case, the ejector nozzle is equipped with a heating device, and should be able to remove any clogging due to solid nitrogen particles or adhesion to the nozzle. In a more preferred example, the ejector nozzle may be a state in which the discharge port is a spiral nozzle and protrudes from the circulating liquid. The ejector nozzle having the spiral-shaped discharge port causes moderate turbulence by passing a high-speed jet flow through the spiral portion, contributing to more fine pulverization, and prevents the generated microslash from adhering to the nozzle. Preventing the formation of continuous microslashes.

マイクロスラッシュ微粒化過程並びに粒径分布に関しては、粒子の撮影画像の解析、例えば、直接撮影法(Direct-Imaging Techniques)による粒径分布・数密度分布計測を行う
二色レーザーPIA光学計測システムを使用した二次元化可視化画像計測などにより解析で
きる。二色レーザーPIA光学計測システムでは、二色レーザー、例えば、デュアルパルスYAGレーザー、被写界深度チェック用色素レーザーなど、PIA用高解像度カラーカメラ、PIA画像解析ソフトウェアなどを使用できる。また、数値解析などの解析に、クラスタ型高速ワークステーションを使用した超並列計算による高負荷分散型コンピューティング(Grid Computing)手法を使用することが好ましく、ノズルの微粒化特性、例えば、粒径分布、数密度分布、流速・温度分布等を適切に定量的に評価することができる。LES-VOF法を用い
た微粒化二相熱伝達数値計算とPIA計測を融合して解析することもできる。
For the microslash atomization process and particle size distribution, a two-color laser PIA optical measurement system is used to analyze the particle image, for example, particle size distribution and number density distribution measurement by direct imaging method (Direct-Imaging Techniques). Can be analyzed by the two-dimensional visualization image measurement. In the two-color laser PIA optical measurement system, a two-color laser, for example, a dual-pulse YAG laser, a dye laser for depth of field check, a high-resolution color camera for PIA, and PIA image analysis software can be used. In addition, it is preferable to use a high-load distributed computing (Grid Computing) technique based on massively parallel computation using a cluster type high-speed workstation for analysis such as numerical analysis, and the atomization characteristics of the nozzle, for example, the particle size distribution The number density distribution, flow velocity / temperature distribution, etc. can be appropriately and quantitatively evaluated. It is possible to analyze by combining the atomized two-phase heat transfer numerical calculation and PIA measurement using LES-VOF method.

本発明では、マイクロ粒径を有する固体窒素(あるいは固体水素)マイクロスラッシュ二相流を用いたプロセッサ超高熱流速噴霧冷却法が提供されている。本発明では、マイクロスラッシュ窒素及び/又は固体水素粒子が懸濁したマイクロスラッシュ二相流を冷媒として使用するマイクロチャンネル超高熱流速液冷法が提供される。本冷却法では、マイクロスラッシュがホットスポットをアクティブに検知して、一様冷却を可能にしている。本発明の超高熱流速電子冷却システムは、最適な混相冷却性能を発揮するシステムである。
液体窒素(温度77K)より温度が低いスラッシュ窒素(温度63K)を冷媒とし、向上された冷却能を示すものである。さらに、固体質量分率50%のスラッシュ窒素においては密度が16%、寒冷保有量(エンタルピー)が22%上昇することから、スラッシュ窒素二相噴霧流及び/又はスラッシュ窒素固液二相流の強制対流熱伝達による冷却法で、スラッシュ融解潜熱による相乗作用の付加された技術である。
In the present invention, a processor ultra-high heat flow rate spray cooling method using solid nitrogen (or solid hydrogen) microslash two-phase flow having a micro particle size is provided. In the present invention, there is provided a microchannel super high heat flow liquid cooling method using a microslash two-phase flow in which microslush nitrogen and / or solid hydrogen particles are suspended as a refrigerant. In this cooling method, the micro slash actively detects a hot spot and enables uniform cooling. The ultra-high heat flow rate electronic cooling system of the present invention is a system that exhibits optimum mixed-phase cooling performance.
Slush nitrogen (temperature 63K), which is lower in temperature than liquid nitrogen (temperature 77K), is used as a refrigerant to show improved cooling capacity. Furthermore, for slush nitrogen with a solid mass fraction of 50%, the density increases by 16% and the cold retention (enthalpy) increases by 22%, so forced slush nitrogen two-phase spray flow and / or slush nitrogen solid-liquid two-phase flow It is a cooling method using convective heat transfer, and is a technology with a synergistic effect due to latent heat of slush melting.

マイクロスラッシュ直接噴霧冷却とは、マイクロスラッシュ粒子の高速衝突を使用するもので、スラッシュをミクロンオーダーのパッケージ接合部空隙に侵入させることを含むもので、強制対流と融解潜熱を相乗的に利用して、熱伝達を図る技術である。該接合部における接触熱抵抗を大幅に軽減化する技術である。マイクロスラッシュ能動二相液冷却システムとは、スラッシュ窒素の融解潜熱を利用するもので、過冷却液体窒素単相流を利用
する場合より、高い効率の液冷却効果を達成する技術である。当該システムでは、マイクロスラッシュがホットスポットを能動的に検知して、不均一性の存在する発熱体(発熱源)に対しても全体にわたり比較的一様な冷却を果たすものである。本発明では、マイクロチャンネルを使用して、冷却部の接触熱抵抗を大幅に軽減させることができ、二相冷却とマイクロ冷却の相乗効果を利用する技術でもある。マイクロチャンネルについては、当該分野で知られたものを利用できるが、例えば、Singhal, V. and Garimella, S. V., "A Novel Valveless Micropump With Electrohydrodynamic Enhancement for High Heat Flux
Cooling", IEEE Trans. on Advanced Packaging, Vol.28, No.2 (2005), pp. 216-230(非特許文献1)などに開示の構造又はその改変構造物などが挙げられる。
Microslash direct spray cooling uses high-velocity impact of microslash particles, including the intrusion of slush into the micron-order package joint gap, and synergistic use of forced convection and latent heat of fusion. This is a technology for heat transfer. This is a technique for greatly reducing the contact thermal resistance at the joint. The micro-slash active two-phase liquid cooling system uses the latent heat of fusion of slush nitrogen, and is a technique that achieves a liquid cooling effect with higher efficiency than when using a supercooled liquid nitrogen single-phase flow. In this system, the micro slash actively detects a hot spot, and achieves relatively uniform cooling over a heating element (heating source) in which nonuniformity exists. In the present invention, the contact heat resistance of the cooling part can be greatly reduced by using the microchannel, and this is also a technique that utilizes the synergistic effect of the two-phase cooling and the microcooling. For the microchannel, those known in the art can be used. For example, Singhal, V. and Garimella, SV, "A Novel Valveless Micropump With Electrohydrodynamic Enhancement for High Heat Flux
Cooling ", IEEE Trans. On Advanced Packaging, Vol. 28, No. 2 (2005), pp. 216-230 (Non-Patent Document 1), and the like, or modified structures thereof.

本発明は、電子機器発熱体の冷却装置を提供している。また、本発明は、極低温マイクロスラッシュ超高熱流速電子冷却システムを提供している。典型的な場合、該電子機器発熱体の冷却装置は、個々の発熱体を冷却する液冷媒を当該発熱体と接触せしめて伝熱せしめる冷却モジュールと、液冷媒をこの発熱体に供給する液冷媒供給回路と、当該液冷媒供給回路を通して液冷媒を循環せしめるように働く液冷媒駆動手段とを備えている。該冷却装置では、該液冷媒が液化ガスのマイクロスラッシュ固液二相流体であり、当該冷却装置に極低温マイクロスラッシュ微粒化ノズルを備えたマイクロスラッシュ生成システムが備えられている。当該極低温マイクロスラッシュ微粒化ノズルは、好ましくは、スパイラルノズルを備えているものである。さらに好ましい態様では、当該極低温マイクロスラッシュ微粒化ノズルは、超音波振動子をノズル噴出口部に設置してあるものである。冷却モジュールは、電子機器発熱体のパッケージ接合部空隙を有するもの、又は、電子機器発熱体の発熱部に隣接するマイクロチャンネルを有するものであってよい。そして、通常、電子機器発熱体のパッケージ接合部空隙又は電子機器発熱体の発熱部に隣接するマイクロチャンネルに、極低温マイクロスラッシュ固液二相流体を流して熱伝達を行う。本極低温マイクロスラッシュ超高熱流速電子冷却システムは、電子機器発熱体の冷却を、液化ガスの極低温マイクロスラッシュ固液二相流体を冷媒として使用して行うものであり、この原理を利用したものは全て包含されてよい。典型的には、本システムの液化ガスの極低温マイクロスラッシュ固液二相流体としては、マイクロスラッシュ窒素が挙げられる。   The present invention provides a cooling device for an electronic device heating element. The present invention also provides a cryogenic microslash ultra high heat flow rate electronic cooling system. In a typical case, the cooling device for an electronic device heating element includes a cooling module for bringing a liquid refrigerant that cools each heating element into contact with the heating element to transfer heat, and a liquid refrigerant that supplies the liquid refrigerant to the heating element. A supply circuit and a liquid refrigerant driving means that operates to circulate the liquid refrigerant through the liquid refrigerant supply circuit are provided. In the cooling device, the liquid refrigerant is a microslash solid-liquid two-phase fluid of liquefied gas, and the cooling device is provided with a microslash generation system including a cryogenic microslash atomization nozzle. The cryogenic micro slash atomization nozzle preferably includes a spiral nozzle. In a more preferred embodiment, the cryogenic microslash atomization nozzle has an ultrasonic vibrator installed at the nozzle outlet. The cooling module may have a package joint gap of the electronic device heating element, or may have a microchannel adjacent to the heating unit of the electronic device heating element. In general, heat transfer is performed by flowing a cryogenic microslash solid-liquid two-phase fluid through the microchannel adjacent to the package joint gap of the electronic device heating element or the heating portion of the electronic device heating element. This cryogenic microslash ultra-high heat flow electronic cooling system uses the principle of cooling an electronic device heating element using a cryogenic microslash solid-liquid two-phase fluid of liquefied gas as a refrigerant. May all be included. Typically, the liquefied gas cryogenic microslash solid-liquid two-phase fluid of the system includes microslush nitrogen.

該冷却モジュールは、電子機器発熱体の発熱部に直接マイクロスラッシュ噴霧流が高速衝突できるように構成されていてもよいし、及び/又は、例えば、LSIを構築したシリコ
ンウェファの基盤に一つ又は複数の(通常は複数の)マイクロチャンネル(微小通路)を設けてある構成などであるものも包含される。該冷却モジュールは、例えば、CPUなどの
プロセッサのパッケージ固体表面間に生じる接触熱抵抗ができるだけ軽減化されるように設計されたものが好適である。該設計は、当該分野で知られている解析手法を応用して行ったものが包含される。
The cooling module may be configured so that the microslash spray flow can directly collide with the heat generating portion of the electronic device heating element at high speed, and / or, for example, one or the base of the silicon wafer on which the LSI is built or A configuration in which a plurality (usually a plurality) of microchannels (microchannels) is provided is also included. The cooling module is preferably designed so that the contact thermal resistance generated between the package solid surfaces of a processor such as a CPU is reduced as much as possible. The design includes those made by applying analysis methods known in the art.

液冷媒供給回路は、通常は、導管などが挙げられ、好適には断熱導管やフレキシブルな導管、更にはコルゲート管又はそれに類似の極低温で耐久性のあるものを使用できる。該回路は、少なくとも、冷却モジュールの冷媒入口に接続せしめられており、また、冷却モジュールの冷媒出口にも接続せしめられ、典型的な場合では、閉回路が形成できるようになっている。当該液冷媒供給回路中には、マイクロスラッシュ生成システムにより生成されたマイクロスラッシュ粒子、例えば、固体窒素微粒子が、液冷媒に供給されるようになっている。マイクロスラッシュ生成システムは、当該液冷媒供給回路中に設けられていてもよいし、導管などを介した側導管部に設けられていてもよい。また、マイクロスラッシュ生成システムは、冷却モジュールにマイクロスラッシュ噴霧流を直接高速衝突せしめることができるように配置しておくこともできる。マイクロスラッシュ生成システムは、系内に一つ又は複数を配置できる。   The liquid refrigerant supply circuit usually includes a conduit and the like, and preferably, a heat insulating conduit, a flexible conduit, a corrugated tube or the like that is durable at a cryogenic temperature can be used. The circuit is connected at least to the refrigerant inlet of the cooling module and also connected to the refrigerant outlet of the cooling module so that in a typical case a closed circuit can be formed. In the liquid refrigerant supply circuit, microslash particles generated by the microslash generation system, for example, solid nitrogen fine particles are supplied to the liquid refrigerant. The micro slash generation system may be provided in the liquid refrigerant supply circuit, or may be provided in a side conduit portion through a conduit or the like. The microslash generation system can also be arranged so that the microslash spray stream can be directly impinged on the cooling module at high speed. One or more microslash generation systems can be arranged in the system.

液冷媒駆動手段は、当該液冷媒供給回路を通して液冷媒を循環せしめるように働くもの
であり、例えば、ポンプ、アクチュエーターなどが挙げられる。典型的な場合、ポンプは、脈動の極力ないものが好まれ、例えば、マイクロポンプとして知られたものを使用してよい。マイクロポンプとしては、例えば、Singhal, V. and Garimella, S. V., "A Novel
Valveless Micropump With Electrohydrodynamic Enhancement for High Heat Flux Cooling", IEEE Trans. on Advanced Packaging, Vol.28, No.2 (2005), pp. 216-230(非特許文献1)などに開示のもの又はその改変構造物などが挙げられる。該液冷媒駆動手段としては、マイクロスラッシュ生成システムは高速マイクロスラッシュ噴霧流を生み出せるので、当該マイクロスラッシュ生成システムを利用したものであってよい。
The liquid refrigerant driving means functions to circulate the liquid refrigerant through the liquid refrigerant supply circuit, and examples thereof include a pump and an actuator. In a typical case, the pump is preferably one with as little pulsation as possible, for example, what is known as a micropump may be used. For example, Singhal, V. and Garimella, SV, "A Novel"
Valveless Micropump With Electrohydrodynamic Enhancement for High Heat Flux Cooling ", IEEE Trans. On Advanced Packaging, Vol.28, No.2 (2005), pp. 216-230 (Non-patent Document 1) As the liquid refrigerant driving means, the micro slush generation system can generate a high-speed micro slash spray flow, and therefore, the liquid slash driving system may utilize the micro slash generation system.

本発明の電子機器発熱体の冷却装置や極低温マイクロスラッシュ超高熱流速電子冷却システムは、上記で説明した構成に加えて、マイクロスラッシュ生成システムでマイクロスラッシュを生成させるための冷却装置、加圧装置、冷媒などを貯蔵するタンク、配管系などの設備、装置、機械などを、適宜且つ任意に、備えているものであってよい。また、装置の稼動状態を監視したり、制御するため、センサー、制御装置、制御ポンプ、流量計などが設けられていることができるし、コンピューターとの間で集められたデータや信号を交換可能にしてあってよい。当該冷却システムはコンピューター制御が可能としてあることが好ましい。図13には、本発明のマイクロスラッシュ噴霧流と二相液冷方式を利用した超高熱流速電子冷却システムの装置が模式的に示されている。
本発明では、マイクロスラッシュ窒素二相噴霧流の強制対流熱伝達による冷却法を採用することによりスラッシュ粒子の融解潜熱による相乗効果も付加され、現在最高の冷却能を有する水の強制対流沸騰熱伝達(105 W/m2オーダー)による冷却法を用いる場合より数十倍(106 W/m2オーダー)の熱伝達特性・冷却特性を得ることが可能であると考えられる。
また,マイクロスラッシュ直接噴霧冷却はマイクロスラッシュ粒子の高速衝突を使用し、スラッシュをミクロンオーダのパッケージ接合部空隙に侵入させ、強制対流と融解潜熱の相乗効果による熱伝達を実現させることにより、接合部における接触熱抵抗の大幅な軽減化が可能になるという点で、新規性・優位性を有する。
以下に実施例を掲げ、本発明を具体的に説明するが、この実施例は単に本発明の説明のため、その具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の具体的な態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。本発明では、本明細書の思想に基づく様々な実施形態が可能であることは理解されるべきである。
全ての実施例は、他に詳細に記載するもの以外は、標準的な技術を用いて実施したもの、又は実施することのできるものであり、これは当業者にとり周知で慣用的なものである。
In addition to the configuration described above, the electronic device heating device cooling device and the cryogenic microslash super high heat flow electronic cooling system of the present invention include a cooling device and a pressurizing device for generating a microslash in the microslash generation system. In addition, a tank for storing a refrigerant, a facility such as a piping system, a device, a machine, and the like may be appropriately and arbitrarily provided. Also, sensors, control devices, control pumps, flow meters, etc. can be installed to monitor and control the operating status of the device, and data and signals collected with the computer can be exchanged It may be. The cooling system is preferably capable of computer control. FIG. 13 schematically shows an apparatus for an ultra-high heat flow rate electronic cooling system using the microslush spray flow and the two-phase liquid cooling method of the present invention.
In the present invention, by adopting a cooling method by forced convection heat transfer of a microslash nitrogen two-phase spray flow, a synergistic effect due to latent heat of fusion of slush particles is also added, and forced convection boiling heat transfer of water having the highest cooling capacity at present. It is considered that heat transfer characteristics and cooling characteristics several tens of times (10 6 W / m 2 order) can be obtained compared to the case of using the cooling method (10 5 W / m 2 order).
Microslash direct spray cooling uses high-velocity impact of microslash particles, allowing slashes to enter micron-order package joint gaps and realizing heat transfer by the synergistic effect of forced convection and latent heat of fusion. It has novelty and superiority in that it can greatly reduce the contact thermal resistance.
The present invention will be described in detail with reference to the following examples, which are provided merely for the purpose of illustrating the present invention and for reference to specific embodiments thereof. These exemplifications are for explaining specific specific embodiments of the present invention, but are not intended to limit or limit the scope of the invention disclosed in the present application. In the present invention, it should be understood that various embodiments based on the idea of the present specification are possible.
All examples were performed or can be performed using standard techniques, except as otherwise described in detail, and are well known and routine to those skilled in the art. .

〔微粒化ノズルによるマイクロスラッシュ窒素固液二相噴霧流の生成〕
図1にスパイラル型ノズルを示す。スパイラル型ノズルは、極低温ヘリウムガスの高速流を用いるもので、ヘリウム冷凍機により冷却された極低温ヘリウムガスをエジェクター内に高圧・高速で注入することにより、撹拌容器内の過冷却液体窒素はエジェクター内に吸い込まれ、ヘリウムガスの高速流と衝突混合することによりスラッシュ窒素粒子を形成し、スパイラルノズル部を通過する際にマイクロオーダー粒子径までの微粒化が促進されてノズル外部に噴出される。均一な粒子径のスラッシュ窒素粒子を生成することが可能となっている。実験に使用したマイクロスラッシュ噴霧流生成用断熱二流体スパイラル型ノズルの写真を図2に示す。
[Generation of microslush nitrogen solid-liquid two-phase spray flow by atomization nozzle]
FIG. 1 shows a spiral type nozzle. The spiral type nozzle uses a high-speed flow of cryogenic helium gas. By injecting cryogenic helium gas cooled by a helium refrigerator into the ejector at high pressure and high speed, the supercooled liquid nitrogen in the stirring vessel is Slush nitrogen particles are formed by being sucked into the ejector and colliding with a high-speed flow of helium gas. When passing through the spiral nozzle, atomization to the micro-order particle size is promoted and ejected outside the nozzle. . It is possible to generate slush nitrogen particles having a uniform particle size. A photograph of an adiabatic two-fluid spiral type nozzle for generating a microslash spray flow used in the experiment is shown in FIG.

マイクロスラッシュ窒素生成ノズルにより形成される粒子の粒径分布の解析を粒子画像追跡流速計測法(particle imaging velocimetry: PIV)にて行った。画像処理による粒径
分布(統計量)の算出を行った。スラッシュ粒径分布は、絶対値ではなく統計量としてCFD(Computational Fluid Dynamics)計算条件にフィードバックされる。
図2のスパイラル型ノズルを使用し、次なる条件でマイクロスラッシュ窒素を形成させ
たところ、次のような粒子を得ることが確認された。該ノズルからのマイクロスラッシュ噴霧の様子が、図3に示されている。
The particle size distribution of the particles formed by the microslash nitrogen generation nozzle was analyzed by particle imaging velocimetry (PIV). The particle size distribution (statistics) was calculated by image processing. The slash particle size distribution is fed back to CFD (Computational Fluid Dynamics) calculation conditions as a statistic rather than an absolute value.
When microslash nitrogen was formed under the following conditions using the spiral type nozzle of FIG. 2, it was confirmed that the following particles were obtained. The state of the micro slash spray from the nozzle is shown in FIG.

マイクロスラッシュ生成系の条件:
〔ヘリウム〕 ゲージ圧(MPa)
液体ヘリウムタンクの加圧量:圧(GHe) 0.157
ノズル部圧力(GHe) 0.107
〔液体窒素〕 ゲージ圧(MPa)
過冷却液体窒素タンク加圧量:圧(N2) 0.18
〔スラッシュ粒子〕 m/s
噴霧平均流速 14
得られた結果の一例を示すと、生成マイクロスラッシュ窒素粒子の粒径分布(統計量)は、図4に示すようなものであった。生成スラッシュ窒素粒子は、ほとんどが0.2mm以下の
粒径であった。
Conditions for microslash generation system:
[Helium] Gauge pressure (MPa)
Pressure of liquid helium tank: Pressure (GHe) 0.157
Nozzle pressure (GHe) 0.107
[Liquid nitrogen] Gauge pressure (MPa)
Pressure amount of supercooled liquid nitrogen tank: Pressure (N 2 ) 0.18
[Slash particles] m / s
Average spray velocity 14
As an example of the obtained results, the particle size distribution (statistics) of the generated microslash nitrogen particles was as shown in FIG. Most of the produced slush nitrogen particles had a particle size of 0.2 mm or less.

〔マイクロスラッシュ利用型超高熱流速固液二相冷却試験〕
マイクロスラッシュ超高熱流速噴霧冷却実験の模式図を図5に示す。マイクロスラッシュ超高熱流速実験装置を作成し、熱流速の計測を行った。本冷却実験でのマイクロスラッシュ超高熱流速実験装置の配管系を図6に示す。図6において、冷却された冷温の液体窒素は、液体窒素タンク(11)より液体窒素導管(13)を通ってマイクロスラッシュ窒素生成ノズル(1)に供給される。一方、過冷却された極低温ヘリウムガスは、液体ヘリウムタンク(12)より液体ヘリウム導管(14)を通ってマイクロスラッシュ窒素生成ノズル(1)に供給される。該ノズルへ注入されるヘリウムガスの量は、入り口のバルブ(15)により調節できる。
次世代プロセッサを模擬するホットスポットを生成可能な不均一過熱基盤を設計製作した。図6において、熱流速センサユニット(5)が、マイクロスラッシュ窒素生成ノズル(1)より出る高速噴霧流の当たる位置に配置されており、該熱流速センサユニット(5)はステ
ッピングモータ(10)により角ネジ(8)を介してノズル(1)の噴射口からの距離を変えることが可能にされている。該熱流速センサユニット(5)は、4面アクリル板(7)の取り付けられた縦型可視化容器(6)の内部に配置され、目視観察可能となっており、該容器(6)の底面の所には窒素ガス出口(9)が設けられ、該容器(6)全体はキャスタ付きの架台(16)に載荷せしめられて、自由に移動できるようになっている。図6のAには、熱流速センサユニット(5)をマイクロスラッシュ窒素生成ノズル(1)側から眺めた状態を示してあり、熱絶縁板(21)及びヒータ(2)を備えていることが示してある。図7は、図6における縦型可視化容器(6)とそれを載荷している架台(16)の部分を示すものである。図8は、本冷却実験における実験装置〔縦型可視化容器(6)とそれを載荷している架台(16)の部分〕の外観写真を示す。
図9は、熱流速センサユニット(5)部の側面図を示すもので、図10は、該熱流速センサ
ユニット(5)をマイクロスラッシュ窒素生成ノズル(1)側から眺めたものを示している。図9において、熱絶縁板(21)の上にはセラミックヒータ(2)が置かれており、該ヒータ(2)にはヒータリード線(4)が結線されており、通電によりセラミックヒータ(2)が発熱部となるようになっている。また、押さえ板(3)によりヒータ部(2)は、高速噴霧流に当たっても移動しないように固定されている。図11には、マイクロスラッシュ超高熱流速計測用熱流速センサとプロセッサ模擬基盤の実験装置装着部の外観写真、すなわち、熱流速センサユニット(5)部の外観写真が示してある。
スパイラル型超高熱流速ノズルにより生成されたマイクロスラッシュ固液二相流体の高速噴霧流を基盤に衝突させる実験を行い、マイクロスラッシュ噴霧流の超高熱流速熱伝達特性及び冷却特性を計測した。計測は液体窒素噴霧流とマイクロスラッシュ窒素(固液二相流体)噴霧流とで行った。パッケージ接合部におけるマイクロスラッシュ強制対流と融解潜熱による熱伝達特性に関し詳細に計測した。パッケージ接合部は微小空間であるため接合部と基盤内部には高精度マイクロ熱電対を内蔵せしめ、微小空間接合部熱流速に関する高精度計測を行った。温度場の計測に関しては、サーモグラフィーを併用して行った。
[Microslash-based ultra-high heat flow rate solid-liquid two-phase cooling test]
FIG. 5 shows a schematic diagram of a microslash ultra high heat flow rate spray cooling experiment. A micro slash ultra high heat flow rate experimental device was created and the heat flow rate was measured. FIG. 6 shows a piping system of the micro slash ultra high heat flow rate experimental apparatus in this cooling experiment. In FIG. 6, the cooled and cool liquid nitrogen is supplied from the liquid nitrogen tank (11) through the liquid nitrogen conduit (13) to the microslash nitrogen generation nozzle (1). On the other hand, the supercooled cryogenic helium gas is supplied from the liquid helium tank (12) to the microslash nitrogen generation nozzle (1) through the liquid helium conduit (14). The amount of helium gas injected into the nozzle can be adjusted by an inlet valve (15).
A non-uniform superheat base that can generate hot spots to simulate next-generation processors was designed and manufactured. In FIG. 6, the heat flow rate sensor unit (5) is arranged at a position where a high-speed spray flow coming out of the microslash nitrogen generation nozzle (1) is hit, and the heat flow rate sensor unit (5) is moved by a stepping motor (10). It is possible to change the distance of the nozzle (1) from the nozzle through the square screw (8). The heat flow rate sensor unit (5) is arranged inside a vertical visualization container (6) to which a four-sided acrylic plate (7) is attached, and is visually observable. A nitrogen gas outlet (9) is provided at the place, and the entire container (6) is loaded on a gantry (16) with casters so that it can move freely. FIG. 6A shows a state in which the thermal flow rate sensor unit (5) is viewed from the microslash nitrogen generation nozzle (1) side, and includes a heat insulating plate (21) and a heater (2). It is shown. FIG. 7 shows a portion of the vertical visualization container (6) and the gantry (16) on which it is loaded in FIG. FIG. 8 shows a photograph of the appearance of the experimental device (vertical visualization container (6) and the stage (16) on which it is loaded) in this cooling experiment.
FIG. 9 shows a side view of the heat flow rate sensor unit (5), and FIG. 10 shows the heat flow rate sensor unit (5) viewed from the microslash nitrogen generation nozzle (1) side. . In FIG. 9, a ceramic heater (2) is placed on a heat insulating plate (21), and a heater lead wire (4) is connected to the heater (2). ) Is a heat generating part. Further, the heater section (2) is fixed by the press plate (3) so as not to move even when it hits the high-speed spray flow. FIG. 11 shows a photograph of the appearance of the heat flow sensor for measuring the microslash ultra-high heat flow rate and the experimental apparatus mounting portion of the processor simulation base, that is, a photograph of the heat flow sensor unit (5).
An experiment was conducted in which a high-speed spray flow of a microslash solid-liquid two-phase fluid generated by a spiral type ultra-high heat flow rate nozzle was collided with the base, and the ultra-high heat flow rate heat transfer characteristics and cooling characteristics of the microslash spray flow were measured. The measurement was performed with a liquid nitrogen spray flow and a microslash nitrogen (solid-liquid two-phase fluid) spray flow. The heat transfer characteristics due to microslash forced convection and latent heat of fusion at the package joint were measured in detail. Since the package joint is a minute space, a high-precision micro thermocouple was built in the joint and the base, and a high-precision measurement of the heat flow rate in the minute space joint was performed. Regarding the measurement of the temperature field, thermography was used in combination.

図12に超高熱流速電子冷却システムを用いて加熱平板における冷却熱流速を測定した結果を示す。図12中、縦軸は熱流速、横軸は噴霧時間を表し、実線はマイクロスラッシュ噴霧流を用いた場合、破線は液体窒素のみの噴霧流を用いた場合の熱流速qに関する計測結
果である。マイクロスラッシュ噴霧を用いた場合、噴霧開始からわずか4秒程度の短い噴霧時間で105 W/m2レベルの超高熱流速を達成し、これは液体窒素噴霧の2倍以上の冷却熱
流速を有することから、非常に高い冷却性能を有していることが分かる。これに対し、液体窒素のみの噴霧流では104 W/m2レベルの熱流速が限界であり、液体窒素のみでは超高熱流速のブレークスルーは望めないことが分かる。
マイクロスラッシュ噴霧流に関し、直接接触による壁面熱伝達量、高速衝突による強制対流熱伝達、融解潜熱に基づく熱伝達量を検討したり、マイクロスラッシュの融解潜熱に基づく超高熱流速熱伝達特性に関する検討をしたり、マイクロスラッシュ噴霧冷却に及ぼす粒径・粒子相体積分率の影響に関する数値予測と、超高熱流速熱伝達を可能とする最適粒径分布制御法を確立するための解析を行うことが可能である。
FIG. 12 shows the results of measuring the cooling heat flow rate on the heating plate using an ultra-high heat flow rate electronic cooling system. In FIG. 12, the vertical axis represents the heat flow rate, the horizontal axis represents the spraying time, the solid line represents the measurement result regarding the heat flow rate q when the microslash spray flow is used, and the broken line represents the liquid flow rate when only the liquid nitrogen spray flow is used. . When using a microslash spray, a super high heat flow rate of 10 5 W / m 2 is achieved with a spray time as short as 4 seconds from the start of spraying, which has a cooling heat flow rate more than twice that of liquid nitrogen spray. Therefore, it can be seen that the cooling performance is very high. In contrast, the spray flow with only liquid nitrogen has a limit of 10 4 W / m 2 , and it can be seen that breakthrough with ultra-high heat flow cannot be expected with liquid nitrogen alone.
Regarding microslash spray flow, we investigated the amount of wall heat transfer by direct contact, forced convection heat transfer by high-speed collision, and heat transfer amount based on latent heat of fusion, and investigation on ultra-high heat flow rate heat transfer characteristics based on the latent heat of fusion of microslash. And numerical predictions on the effect of particle size and particle phase volume fraction on microslash spray cooling and analysis to establish an optimal particle size distribution control method that enables ultra-high heat flow rate heat transfer It is.

本発明のマイクロスラッシュ固液二相流体によるLSIといった半導体素子などの電子機
器の冷却技術(極低温マイクロスラッシュ超高熱流速電子冷却システム及びマイクロスラッシュ二相流冷却式電子機器を包含する)では、次世代の超高熱流速冷却の求められる、半導体部品、IC、LSIなどの半導体素子、コンピューターチップ、CPU、GPUなどのマイク
ロプロセッサなどを有効に冷却することが可能であり、さらには、ホットスポットも効率的に冷却できる。よって、次世代コンピューターに必須の冷却機構開発問題を解決する。本冷却技術で、次世代コンピューターのシステムの高速化、高密度化及び高信頼性化を実現させることが可能となる。
本発明は、前述の説明及び実施例に特に記載した以外も、実行できることは明らかである。上述の教示に鑑みて、本発明の多くの改変及び変形が可能であり、従ってそれらも本件添付の請求の範囲の範囲内のものである。
The cooling technology for electronic devices such as semiconductor elements such as LSIs using the microslash solid-liquid two-phase fluid of the present invention (including a cryogenic microslash ultra-high heat flow electronic cooling system and a microslash two-phase flow cooling electronic device) It is possible to effectively cool semiconductor elements such as semiconductor components, ICs, LSIs, etc., microprocessors such as computer chips, CPUs, GPUs, etc., which require the next generation of ultra-high heat flow cooling, and even hot spots are efficient Can be cooled. Therefore, it solves the cooling mechanism development problem essential for the next generation computer. With this cooling technology, it is possible to realize higher speed, higher density and higher reliability of the next generation computer system.
It will be apparent that the invention may be practiced otherwise than as particularly described in the foregoing description and examples. Many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings, and thus are within the scope of the claims appended hereto.

本発明で利用のマイクロスラッシュ固液二相流体の生成に適したスパイラル型エジェクターノズルの断面模式図であり、超音波振動子を備えており、超音波キャビテーション利用型マイクロスラッシュ超高熱流速微粒化ノズルである。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a spiral ejector nozzle suitable for generating a microslash solid-liquid two-phase fluid used in the present invention, equipped with an ultrasonic vibrator, and using an ultrasonic cavitation type microslash super high heat flow atomization nozzle It is. 本発明で利用のスパイラル型マイクロスラッシュ窒素生成微粒化ノズルを示す図面代用写真である。本図では、実施例1のマイクロスラッシュ利用型超高熱流速固液二相冷却試験に使用したスパイラルノズルとマイクロシュラッシュ生成装置のノズル装着部も示されている。It is a drawing substitute photograph which shows the spiral type | mold microslash nitrogen production | generation atomization nozzle utilized by this invention. This figure also shows the spiral nozzle used in the microslash-utilizing super high heat flow rate solid-liquid two-phase cooling test of Example 1 and the nozzle mounting part of the micro-shrush generator. 本発明で利用のスパイラル型マイクロスラッシュ窒素生成微粒化ノズルからマイクロスラッシュ噴霧流が射出される様子を示す図面代用写真である。本マイクロスラッシュ噴霧流を、実施例1のマイクロスラッシュ利用型超高熱流速固液二相冷却試験において使用した。It is a drawing substitute photograph which shows a mode that a micro slash spray flow is inject | emitted from the spiral type micro slash nitrogen production | generation atomization nozzle utilized by this invention. This micro slash spray flow was used in the micro slush utilization type super high heat flow rate solid-liquid two-phase cooling test of Example 1. スパイラル型マイクロスラッシュ窒素生成微粒化ノズルを使用し、実施例1に示された条件でマイクロスラッシュ窒素を生成せしめ、得られた窒素マイクロスラッシュ粒子の粒径分布(統計量)を解析した結果を示す。粒径分布の解析は、PIV法にて行った。The result of analyzing the particle size distribution (statistics) of nitrogen microslash particles obtained by generating microslash nitrogen under the conditions shown in Example 1 using a spiral type microslash nitrogen generation atomizing nozzle is shown. . The particle size distribution was analyzed by the PIV method. 次世代プロセッサを模擬した加熱基盤を使用してのマイクロスラッシュ超高熱流速噴霧冷却実験の様子を模式的に示す。A state of a micro slash super high heat flow spray cooling experiment using a heating base simulating a next generation processor is schematically shown. 実施例1のマイクロスラッシュ利用型超高熱流速固液二相冷却試験で使用したマイクロスラッシュ超高熱流速実験装置を示す。The micro slash super high heat flow rate experimental apparatus used in the micro slash utilization type | mold super high heat flow rate solid-liquid two-phase cooling test of Example 1 is shown. 図6の実験装置における縦型可視化容器とそれを載荷している架台の部分を拡大して示す。The vertical visualization container in the experimental apparatus of FIG. 6 and the part of the gantry on which it is loaded are shown enlarged. 実施例1の冷却実験における実験装置〔縦型可視化容器とそれを載荷している架台の部分〕の外観を示す図面代用写真である。。It is a drawing substitute photograph which shows the external appearance of the experimental apparatus [the vertical visualization container and the frame part which has loaded it] in the cooling experiment of Example 1. . 実施例1の冷却実験における実験装置の熱流速センサユニット部の側面図を示す。The side view of the heat flow rate sensor unit part of the experimental apparatus in the cooling experiment of Example 1 is shown. 実施例1の冷却実験における実験装置の、マイクロスラッシュ窒素生成ノズル(1)側から眺めた、熱流速センサユニット部を示す。The heat flow rate sensor unit part seen from the micro slash nitrogen production | generation nozzle (1) side of the experimental apparatus in the cooling experiment of Example 1 is shown. 実施例1の冷却試験に使用したマイクロスラッシュ超高熱流速計測用熱熱流速センサーを示す図面代用写真である。2 is a drawing-substituting photograph showing a thermal slew rate sensor for measuring a microslash ultra-high thermal velocities used in the cooling test of Example 1. 実施例1の冷却試験で得られた、マイクロスラッシュ噴霧流と液体窒素噴霧流の冷却熱流速計測の結果を比較して示すグラフである。It is a graph which compares and shows the result of the cooling heat flow rate measurement of the micro slash spray flow obtained by the cooling test of Example 1, and a liquid nitrogen spray flow. 本発明のマイクロスラッシュ噴霧流と二相液冷方式を利用した超高熱流速電子冷却システムを模式的に示すものである。1 schematically illustrates an ultra-high heat flow rate electronic cooling system using a microslash spray flow and a two-phase liquid cooling system of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:マイクロスラッシュ窒素生成ノズル
2:セラミックヒータ
3:押さえ板
4:ヒータリード線
5:熱流速センサユニット
6:縦型可視化容器
7:4面アクリル板
8:角ネジ
9:窒素ガス出口
10:ステッピングモータ
11:液体窒素タンク
12:液体ヘリウムタンク
13:液体窒素導管
14:液体ヘリウム導管
15:ヘリウムガス入り口バルブ
16:キャスタ付き架台
21:熱絶縁板
1: Microslash nitrogen generation nozzle 2: Ceramic heater 3: Holding plate 4: Heater lead wire 5: Heat flow rate sensor unit 6: Vertical visualization container 7: 4-side acrylic plate 8: Square screw 9: Nitrogen gas outlet
10: Stepping motor
11: Liquid nitrogen tank
12: Liquid helium tank
13: Liquid nitrogen conduit
14: Liquid helium conduit
15: Helium gas inlet valve
16: Mount with casters
21: Thermal insulation plate

Claims (4)

極低温マイクロスラッシュ固液二相流体を使用する電子機器の冷却法であって、マイクロスラッシュ生成微粒化ノズルで形成して噴出された極低温マイクロスラッシュ固液二相流体の噴霧流を、電子機器発熱体に高速衝突せしめて熱伝達を行うことを特徴とする電子機器の冷却法。 A cooling method for electronic equipment that uses a cryogenic microslash solid-liquid two-phase fluid, and the spray flow of the cryogenic microslash solid-liquid two-phase fluid formed and ejected by a microslash- generating atomizing nozzle A method for cooling electronic equipment, wherein heat is transferred by high-speed collision with a heating element. 前記噴霧流がマイクロスラッシュ窒素であることを特徴とする請求項1に記載の電子機器の冷却法。 The method for cooling an electronic device according to claim 1, wherein the spray flow is microslash nitrogen. 電子機器が、半導体部品、IC、LSIなどの半導体素子、コンピューターチップ、及び、CPU、GPUを含むマイクロプロセッサからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子機器の冷却法。   3. The electronic device according to claim 1, wherein the electronic device is selected from the group consisting of a semiconductor component, a semiconductor element such as an IC and an LSI, a computer chip, and a microprocessor including a CPU and a GPU. Cooling method for electronic equipment. 前記噴霧流中の極低温マイクロスラッシュ粒子の融解潜熱を電子機器発熱体からの熱伝達に利用するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一に記載の電子機器の冷却法。 The method for cooling an electronic device according to any one of claims 1 to 3, wherein the latent heat of fusion of the cryogenic microslash particles in the spray flow is utilized for heat transfer from the electronic device heating element. .
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