JPH04225797A

JPH04225797A - 対流冷却システム

Info

Publication number: JPH04225797A
Application number: JP3055540A
Authority: JP
Inventors: Arthur R Zingher; アーサー・アール・ジンガー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1992-08-14
Anticipated expiration: 2015-10-10
Also published as: EP0453786A2; EP0453786A3; JP3097144B2; US5310440A; US5265670A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、平坦なコールドシー
トと液流との間の熱伝達を可能にするシステムに関する
。具体的には、冷却されるコールドシートと、多数の液
体供給／戻りノズルを持つフェイスシートとの間にギャ
ップが形成される。液体は供給ノズルに送られ、フェイ
スシートに隣接したギャップ内の短距離を流れてフェイ
スシートに届き、戻りノズルから排出される。液流の断
面と密度により、中程度のフローレートと低い液圧で伝
熱が促進される。この発明はまた、プリント回路基板の
エッチングやメッキなどの化学的伝導及び、半透過メン
ブレインを通した伝導にも適用できる。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】“高効率
熱伝達”という言葉は、コールドシートと流入する液体
の温度差、コールドシートの面積、液体の熱伝導率と比
熱、及び液圧の多少の低下を考慮すれば、最大熱の伝達
と定義される。

【０００３】従来の技術では、高効率熱伝達に関連し、
それに役立つ構造体が数多く見られる。たとえば、ＩＥ
ＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓに記載の、Ｄ．Ｂ．　Ｔｕｃｋｅｒｍａｎ　及びＲ
．Ｆ．　Ｐｅａｓｅによる記事”Ｈｉｇｈ　Ｐｅｒｆｏ
ｒｍａｎｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｓｉｎｋｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｖ
ＬＳＩ”、Ｖｏｌ．　ＥＤＬ−２、Ｎｏ．　５　（１９
８１年５月）は、冷却の問題を理論的に解説している。説明されている構造体では、高効率熱伝達を行うために
、熱伝導率の高い物質から形成されたコールドプレート
に多数の細かい溝とフィンが必要である。高効率熱伝達
を実現する上では細かいフィンと溝が重要な役割を果た
す。比較的大きいフィンや溝が代用されれば熱伝達は弱
くなる。

【０００４】Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｈｅａｔ　Ｔｒ
ａｎｓｆｅｒ、Ｖｏｌ．　１３　（１９７７）の、Ｈｏ
ｌｆｅｒ　Ｍａｒｔｉｎによる記事”Ｉｍｐｉｎｇｉｎ
ｇ　Ｊｅｔ　Ｆｌｏｗ　Ｈｅａｔ　ａｎｄ　Ｍａｓｓ　
Ｔｒａｎｓｆｅｒ”は、ジェット衝撃法についてのべて
いる。この方法では、コールドプレートに衝突する比較
的高速な複数のジェット流を放射するために複数のノズ
ルと比較的高い液圧が用いられる。圧力が比較的低いと
き、熱伝達は弱くなる。また、この記事に述べられてい
るとおり、ジェット列によって大きい領域を冷却すれば
、列の中央付近で熱伝達が弱くなる。

【０００５】従来の技術にはこのほか、表面と隣接する
液流との間の熱伝達を、境界層を乱すことによって増加
させる方法がある。たとえば、熱交換器内のチューブ内
側表面に沿ったワイヤのループがある。また、熱を液流
に伝える、表面に沿ったワイヤ・スクリーンがある。攪
拌器は、表面付近で機能するかまたは表面付近に位置し
、液流の攪拌、混合などを促進する構造体をいう。攪拌
器は、表面と一体化したものか隣接し独立した構造にで
きる。フィンは、一般には攪拌を起こさず、これは特に
レイノルズ数が小さいかまたは中間にある場合に顕著で
ある。タービュレイタは、特にレイノルズ数が大きい場
合に乱流を促進する。一般に攪拌器という言葉には“タ
ービュレイタ”の意味も含まれるが、フィンの意味は含
まれないのが普通である。通常、攪拌器では、強力な対
流を発生させるために圧力勾配が大きくとられる。

【０００６】従来の技術は、低い液圧と中程度の液流密
度によって、大きく平坦なシートから液流への、高効率
かつ均一な熱伝達を実現する方法には触れていない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明のメリットは、
従来の細かい溝による対流冷却と比較した場合、構造が
簡単で作製が容易であり、各種の材料が選択できるコー
ルドシートを使用して高効率な熱伝達を実現できること
にある。この発明のメリットは、マルチ・ジェット衝撃
冷却と比較した場合、低い液圧と少ない液流によって高
効率な熱伝達を実現でき、大きいコールドシートの全面
にわたって均一かつ高効率な熱伝達を実現できることに
ある。

【０００８】この発明はまず平坦なコールドシートから
始まる。間隔の狭い複数の液体供給ノズルと液体戻りノ
ズルを持つフェイスシートが提供される。ノズルとの間
で液体を導入するために、フェイスシートにマニフォー
ルドが接合される。マニフォールドとフェイスシートは
、フェイスシートとコールドシートの間にギャップが設
けられるように、コールドシートの間近に置かれる。供給ノズルと戻りノズルは、供給ノズルから付近の戻り
ノズル（トポロジが平行）に至る多数の短い流路に沿っ
たコールドシートに沿って液体が流れるように、間隔が
狭められる。フェイスシートとマニフォールドは、ある
程度の可撓性をもたせて作製できる。

【０００９】この発明は、冷却プロセスに追加され、強
制対流を伴うプロセスに適用できる。こうした用途では
、コールドシートを介した液流への熱伝達による集積回
路の間接冷却や、チップと直に接触する誘電液体による
チップの直接冷却が代表的である。

【００１０】熱の対流と化学物質の対流には類似性があ
る。この発明は両方の対流に適用される。たとえば対流
は、化学的あるいは電気化学的エッチングやメッキによ
るプリント回路基板の作製に有用である。

【００１１】この発明は、以下の説明と添付図からさら
に理解しやすくなろう。

【００１２】

【実施例】各図、特に図１を参照する。図１は、この発
明の原理を最も明確にあらわした、本発明の実施例の側
面断面図である。説明の便宜上、各図は、素子を実際よ
りも縦方向に拡大して示した。開口が形成されたコール
ドシート１０は、薄膜スペーサ（図示なし）によってフ
ェイスシート１２から離隔される。液流（矢印）は、コ
ールドシートとフェイスシートとの間のギャップ１６に
よって促進される。供給ノズル１８の列は低温の液体を
供給する。これはコールドシート１０の表面に沿ってギ
ャップ１６に流れ、ここで熱が吸収され、微温の液体が
戻りノズル２０に流れる。供給ノズル１８と戻りノズル
２０はフェイスプレート１２に沿って交互になっている
。ノズルの間隔は、コールドシートとの接触長さ、すな
わち液体の流路セグメントが最小になり、コールドシー
トからの放熱量が最大になるように選択される。低温の
液体を供給し、微温の液体を排出するポンプと導管は省
略した。液流の方向は破線つき矢印で示した。ノズルは
、四角形のスロット、円形、その他の形状が望ましい。

【００１３】図２は、スロットによる供給ノズルとスロ
ットによる戻りノズルの列の側面断面図である。図３は
、フェイスシート１２の上面図で、スロットによる供給
ノズル１８とスロットによる戻りノズル２０の列を示す
。またフェイスプレートとコールドシートを分けるスペ
ーサ１４も図３に示した。

【００１４】図５は、変更を加えたフェイスシートの上
面図で、円形供給ノズル１８’とスロットによる戻りノ
ズル２０’を示す。図４は、図５に示したフェイスシー
トの側面断面図である。図６、図７に示した別の例では
、供給ノズル１８’は、スロットによる戻りノズル２０
”のグリッド内に配置される。微温の戻り液体は、図の
面と平行な面で外側に流れる。

【００１５】図８、図９は、スロットによる戻りノズル
２０”のグリッド内に配置された円形供給ノズル１８’
の列と、小型の戻り導管または毛細管を示す。戻りノズ
ルとこれに伴う導管は、コールドプレートに対向したフ
ェイスシートの底面に凹部を持ち、戻り液体は、図６、
図７の構成と同じく、水平方向の外側に流れる。微温の
液体は小型戻り毛細管２２を通り、フェイスシート表面
に平行に流れる。毛細管の数を考慮して流れの断面を適
切なものにするためには、各毛細管２２は、細長のスロ
ットによる戻りノズル２０”と比べて比較的広く深くす
る必要がある。

【００１６】図１０、図１１は、円形戻りノズル２０と
円形供給ノズル１８の列について別の実施例を示す。

【００１７】上記の図は、説明の便宜上、ギャップとノ
ズルを拡大しているが、代表的な寸法は以下に記すとお
りである。図３ないし図１１では、コールドシートとフ
ェイスシートのギャップすなわちスペーサ１４の厚みは
約０．０５ｍｍが望ましい。平面図に示すとおり、これ
らのスペーサは、流れの干渉がない遮断スポットを覆う
。ギャップの寸法によって他のすべての寸法が決まる。ノズルと導管の幅は、スロットによる供給ノズルでギャ
ップ寸法の約２倍、約０．１０ｍｍになるように決めら
れる。円形供給ノズルの直径は、ギャップ寸法の約４倍
、約０．２０ｍｍである。スロットによる戻りノズルは
各々、ギャップ寸法０．０５ｍｍに等しくされる。戻り毛細管２２の幅は、ギャップ寸法の４倍、０．２０
ｍｍ、深さはギャップ寸法の約８倍以上、最小０．４０
ｍｍである。円形戻りノズルは各々、直径がギャップ幅
の約４倍、約０．２０ｍｍである。隣接した供給ノズル
と戻りノズルの中心から測ったセグメント距離２４は、
ギャップ寸法の８倍、０．４０ｍｍである。ノズル中心
間のピッチは、セグメント距離の約２倍で、以下のよう
に測定される。図２ないし図７では、連続した２つのス
ロットによる戻りノズル間を、図２では連続した２つの
スロットによる供給ノズル間を、そして図４ないし図９
では、連続した２つの円形供給ノズル間を測る。

【００１８】実施例では、液体は、密度４ｃｍ／秒で流
れる水である。いいかえると、水の流れは、コールドシ
ート面積ｃｍ２当たり４ｃｍ３／秒である。

【００１９】熱伝達を最大にするには、冷却構造の設計
パラメータを最適にするとともに、有効かつ実用的なも
のにする必要がある。たとえば、最も狭い空間、最も細
い供給ノズル、最も短いセグメント距離、及び最大密度
（すなわち流量／対応するコールドシート面積）が望ま
しい設計である。コールドシート付近の熱伝達とフロー
は、コールドシート付近の腐食、閉塞など劣化の影響を
受けやすい。逆に、使用される材料とシステムの化学特
性により、熱伝達効率が制限されることがあり、その場
合、最適な設計パラメータの効果はなくなる。実際のポ
ンプ、ホール、冷却器は、フローの実効密度を制限する
。

【００２０】液体とフロー密度の関係は、ギャップ、ピ
ッチ、及びセグメント幅に大きく左右される。フロー密
度の関数としての圧力を最小にするには、各ステージに
充分なフロー断面がなくてはならない。実施例では、こ
の面積は通常、対応するコールドシート面積の約１／２
０である。

【００２１】用途によっては、熱伝達効率が低くても、
フロー密度が低くても、あるいは圧力が高くても間に合
う。このような用途では、面積比を小さくできる（１／
５０、１／１００など）。面積比を小さくすれば、圧力
の関数としてのフロー密度は下がり、熱伝達効率が制限
される。

【００２２】この発明は、各ステージにおいて中程度の
液体フロー・レート（速度）を採用する。典型的なフロ
ー・レートは約１Ｍ／Ｓである。したがって“ノズル”
は、この発明では高速流を暗示しない。これはジェット
衝撃冷却と対比される。ジェット衝撃冷却では通常、面
積比をかなり小さくし、圧力を大きくすることで高速ジ
ェット流が作られ、熱伝達が促進される。

【００２３】ギャップ、フロー密度、及びピッチについ
てパラメータが与えられているとすると、スロットによ
るノズルを用いた場合は、円形ノズルの場合とは性能が
違ってくる。フロー密度によるが、スロットによるノズ
ルでは、冷却が多少とも均一になる。ただし円形ノズル
では、冷却効果が多少とも上がる（コールドシート全体
の面積について平均をとった場合）。どれを実現するか
は用途によって異なる。一方、供給ノズル幅をわずかに
狭くすれば、上流圧力は、予測可能な範囲でさらに低下
する。その結果、製造許容差及び他のシステムの摂動が
あるときに、フローと熱伝達を予測しやすくなる。

【００２４】最適パラメータ値すなわち最も実用的なパ
ラメータ値は冷却用途によって決まる。実用限度内に収
まり、外部パラメータを制限する値も冷却用途によって
異なる。この発明の説明では次の符号を用いる。Ｇは、
コールドシートとフェイスシートのギャップ、Ｗはスロ
ット幅、Ｄはノズル直径、Ｓは隣接ノズルの中心間のセ
グメント距離、及びＦＤはフロー密度である。

【００２５】表に、異なる設計条件（緻密、緩和、緩慢
）に対する各寸法の代表値を示す。

【００２６】設計／　　　　　　　　Ｇ　　　　　　Ｗ　　　　　　
Ｄ　　　　　　Ｓ　　　　　　ＦＤパラメータ緻密　　　　　　　　０．０５　　　　０．１０　　　
　０．２０　　　　０．４０（ｍｍ）　　４　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（コー
ルドシート面積ｃｍ２当たりのｃｍ３／秒）緩和　　　
　　　　　０．２０　　　　０．４０　　　　０．８０
　　　　１．６０（ｍｍ）　　１　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　（コールドシート
面積ｃｍ２当たりのｃｍ３／秒）緩慢　　　　　　　　
０．８０　　　　１．６０　　　　３．２０　　　　６
．４０（ｍｍ）　　０．２５　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　（コールドシート面積
ｃｍ２当たりのｃｍ３／秒）

【００２７】論理的に独立
した２つのメカニズム（ギャップ幅とギャップ内側の熱
境界層）は各々独立に高効率の熱伝達を促進する。ギャ
ップが狭く、熱境界層（ＴＢＬ）がギャップの内側にあ
ると、ＴＢＬを薄くする必要がある。この状態は、“完
全対流”との関連性が最も高い。液体が細い供給ノズル
を通ると、中速度の細い流れが生じる。これはコールド
シートの表面に沿った短いセグメント距離に沿って流れ
る。熱境界層が厚くなるのは短い間隔だけである。した
がって熱境界層は薄い。この状態は、“部分対流”との
関連性が最も高い。

【００２８】いずれの状態においても、熱境界層は薄い
ので、熱はコールドシートから、ＴＢＬを経て、液流に
容易に流れる。また、“熱伝達係数”は、ＴＢＬの厚み
と逆比例する。したがって、ＴＢＬが薄いと熱伝達効率
は高い。

【００２９】いわゆる“緻密な”例は図１２に示した。 “半緩和”の例は緻密な例と似ているが、あるパラメー
タは緩和され、あるパラメータは緻密である。正しく機
能すれば、上述のメカニズムの１つは、他のメカニズム
が緩和されても適用できる。半緩和の例は図１３ないし
図１９に示した。メカニズムは、一部は半緩和の例の各
々に適用される。したがって緻密な例の目標と性能の大
部分は、半緩和の例によって達成できる。

【００３０】“全緩和”の例は、緻密な例とはさらに異
なり、両方のメカニズムを緩和する。したがって、完全
緩和の例では、他の実施例のタイプよりも熱伝達効率が
低い。

【００３１】変形例は、図２ないし図１１に示したよう
に様々な水平構造で具体化できる。ここでは、図２、図
３に示したスロットによるノズルのパラレル構造を代表
例とする。セグメント距離のパラメータ値を緩和し、ギ
ャップを小さくしておくために、次の寸法が用いられる
。ギャップ１６は小さい値Ｇ＝０．０５ｍｍに設定され
る。先にも触れたように、ギャップ寸法は、他の冷却シ
ステム・パラメータを決定し、熱伝達効率のスケーリン
グを行うために用いられる。同時に、セグメント距離２
４は、１．６０ｍｍまで長くされる。ノズル幅すなわち
スロット幅はこの例では重要ではない。幅Ｗは、スロッ
トによる供給ノズルでは０．１０ないし０．４０ｍｍの
範囲にできる。Ｄは、円形供給ノズルで０．２０ないし
０．８０ｍｍの範囲にできる。戻りノズルは、少なくと
も供給ノズルと同じ面積にする必要がある。水平構造は
、図３、図５、図７、図９のうちのいずれの構造でもよ
い。重要パラメータは小さいギャップであり、ギャップ
内の薄い熱境界層が適用され、熱伝達効率は高い。

【００３２】セグメントを長くすれば、圧力とフロー密
度のプロファイルが問題になる。長いセグメントに及ぶ
フロー密度を同一にするためには、液流を速くしなけれ
ばならない。これにより圧力勾配が大きくなる。圧力勾
配は、距離の関数として増加し、圧力低下は同時に平方
倍に大きくなる。圧力低下が大きくなってもこれが許容
できる場合は、先に示した実施例は好適である。圧力と
フロー・レートが増加した結果として、長いセグメント
に及ぶ流れは、圧力とフロー・レートが低い場合とほぼ
同じになる。熱境界層の厚みは、フロー密度によって異
なるが、概してギャップによって決まり、供給ノズル幅
には左右されない。

【００３３】セグメントが漸進的に長くなると、長いセ
グメント、圧力制限、充分なフロー密度、及び高効率熱
伝達の設計がぶつかり合う。したがって、あるセグメン
ト長さを超えると性能が落ちる。

【００３４】変形例の１つは、ギャップ厚のパラメータ
は緩和するが、供給ノズル幅とピッチのパラメータは緻
密にすることである。ギャップ１６は重要でなく、緻密
な設計から緩和設計まで任意の値をとれる。この値は、
他の寸法を決定するものではなく、ギャップ値も冷却に
直接影響を与えることはない。たとえば、ギャップ距離
はＧ＝０．４０ｍｍに設定できる。供給ノズル１８の幅
（直径）は緻密である（たとえばスロットによる供給ノ
ズルではＷ＝０．１０ｍｍ、円形供給ノズルではＤ＝０
．２０ｍｍ）。他のパラメータ値のスケールを設定し、
相互的に熱伝達効率のスケールを決定するのはスロット
値または直径である。ピッチは、ギャップ距離（０．４
０ｍｍ）の２倍に等しくされる。ギャップ距離はスロッ
ト幅の８倍に等しい。ピッチはまた、供給ノズルの直径
の２倍に等しくされる。セグメント距離２４も緻密にな
るように選択される。セグメント距離は、スロット幅の
４倍または供給ノズル径の２倍に等しい。戻りノズルの
幅は、供給ノズル幅より大きいかまたは等しいが、他の
場合には設計パラメータとして重要ではない。フロー密度は、ＦＤ＝４ｃｍ／秒＝コールドプレート面
積ｃｍ２当たり４ｃｍ３／秒など、緻密にされる。水平
構造は、図３、図５、図７、図９、図１１に示したいず
れかの実施例のとおりである。ここではギャップを緻密
にしたメカニズムは有効ではない。ただし、薄い熱境界
層のメカニズムは有効であり、結果的に熱伝達効率はよ
くなる。ここに示した実施例では、ギャップ幅は熱伝達
に影響を与えない。しかし、ギャップ距離が長すぎると
、熱伝達効率はかなり落ちる。

【００３５】変形例の１つでは、ギャップ距離と戻りピ
ッチの値は緩和され、供給ノズル幅と供給ピッチは緻密
な状態に保たれる。代表的な寸法を以下に示す。供給ノ
ズル幅は緻密である。たとえばスロットによる供給ノズ
ルではＷ＝０．１０ｍｍ、円形供給ノズルではＤ＝０．
２０である。これらのパラメータ値により、他のパラメ
ータの値が設定され、相互的に熱伝達効率のスケールが
決定される。供給ノズルのピッチは緻密である。たとえ
ばこのピッチはスロット幅の８倍または直径の４倍であ
る。戻りノズルのピッチは緩和される。戻りノズルのピ
ッチは、スロット幅の３２倍または円形供給ノズルの直
径の１６倍である。複数の供給ノズルを使って液体を１
つの戻りノズルに供給することも可能である。図１６、
図１７では、３つの供給スロット１８が各戻りスロット
２０に設けられる。図５、図７、図９では、スロットに
よる戻りノズル２０’、２０”、２２の各々に複数の円
形供給ノズル１８’が用いられる。この発明の構成の場
合、ギャップ１６の厚さは重要ではない。たとえばギャ
ップは０．２０ｍｍの厚みで、フロー密度は緻密すなわ
ちＦＤ＝４ｃｍ／秒＝コールドシート面積ｃｍ２当たり
４ｃｍ３／秒に選択される。

【００３６】図１５を参照する。液流はコールドシート
に隣接し、これに平行する。ギャップ領域２６では、液
流は重ね合わされ、熱伝達は局所的に低下する。図の設
計は、ギャップと戻りピッチのパラメータは緩和してい
るが、それでも中程度の熱伝達効率を得るための妥協案
である。この程度の熱伝達効率で動作させる用途の場合
、ここで示した構成は許容できる例である。ただし一般
には、これよりも緻密な例によって熱伝達率を上げる方
が望ましい。

【００３７】別の例では、すべてのパラメータを緩和す
ることができる。流体メカニズムと熱伝達の一般原理か
ら言えば、このような例では、熱伝達効率が落ちること
になる。したがって、この例はあまり望ましくないが、
条件の緩やかな用途では有益であろう。代表的なパラメ
ータ寸法を記す。ギャップは０．２０ｍｍである。ノズ
ル幅は、スロットによる供給ノズルで０．２０ｍｍ、円
形供給ノズルで１．６０ｍｍ、ピッチはセグメント距離
の２倍である。セグメント距離は１．６０ｍｍである。流体のフロー密度は１．０ｃｍ／秒である。したがって
、冷却効率は、最適構成の１／４である。これと同様の
寸法のスケーリングは、図２ないし図９の例に適用でき
、冷却効率も同じように減少する。図１３に示した構成
の場合、ギャップ１６が広いため、長くなったピッチに
よる圧力の増加が相殺される。

【００３８】パラメータが緻密から緩和、緩慢へと変化
すると、冷却効率はそれに応じて低下する。冷却区分の
境界は滑らかであって急峻ではなく、実施例や用途によ
って異なるが、緩慢すぎる冷却システムはこの発明の意
図するものではない。しかしその場合もこの発明の対象
には含まれる。

【００３９】ここで示した実施例はどれも同じような特
徴を示す。液流、冷却対象の加熱されたコールドシート
、間隔の狭い複数の供給ノズルと戻りノズルを持つフェ
イスシート、及びコールドシートとフェイスシートのギ
ャップである。低温流体は、供給ノズルを通って、コー
ルドシートから熱を逃がすとともに、ギャップを通過し
て、戻りノズルから微温流体が排出される。一般的な設
計パラメータには、細いギャップ、細いスロットによる
供給ノズル、間隔の狭い供給ノズルと戻りノズル、及び
中程度のフロー密度がある。

【００４０】当業者には明らかなように、流体工学の分
野では、次式で定義される“レイノルズ数”が測定に用
いられる。

【００４１】

【数１】

【００４２】ここでＬは固有距離、Ｖは固有流速、ｎｕ
は流体の動粘度である。フローが循環する場合、Ｌは直
径と定義される。スロットが狭い場合または四角形のギ
ャップが狭い場合、Ｌは幅の２倍と定義される。他の流
形では、Ｌは湿潤周囲で割ったフロー断面積の４倍と定
義される。この値Ｌは“動水径（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　
ｄｉａｍｅｔｅｒ）”とも呼ばれる。したがって、この
発明の原理は、当業者が、基準としてレイノルズ・スケ
ーリングとレイノルズ数を考慮すれば、上述以外の実施
例にも適用できる。先に示した緻密な例の場合、下記の
状態が当てはまる。

【００４３】ギャップが与えられているとき、Ｌをギャ
ップの２倍とする。

【００４４】

【数２】

【００４５】スロットによる供給ノズルの場合、Ｌをス
ロット幅の２倍とする。

【００４６】

【数３】

【００４７】円形供給ノズルの場合、Ｌを直径とする。

【００４８】

【数４】

【００４９】ノズル・ピッチは、ギャップ幅かノズル・
サイズのいずれか小さい方と比較する。

【００５０】

【数５】

【００５１】この発明の特徴は明確であり、さらに一般
化して表現できる。ギャップのレイノルズ数は、この発
明に従って小さくされる。したがって、　ＲｅＧａｐ＝
１０００よりも３００、３００よりも１００が望ましく
、これ以上小さい数が最適である。ノズルのレイノルズ
数も小さい。したがって、Ｒｅｎｏｚｚｌｅ＝１０００
よりも３００、３００よりも１００が望ましく、これ以
上小さい数が最適である。ピッチ比もできるだけ小さく
される。したがって、比＝８０よりも２５、２５よりも
８が望ましく、これ以上小さい数が最適である。

【００５２】高効率熱伝達の実現に加えて、この発明で
は、平坦なオブジェクト（コールドシートなど）と隣接
する液流との間の物質や他の量の高効率伝達を実現でき
る。フィンのない局所面のジオメトリは、大きいフィン
などのように、ほぼ平坦か、曲がりがあるか、大きい構
造体を伴うなど、レンジの広いほとんどのジオメトリに
重ね合わせることができる。

【００５３】この発明の実施例によっては、浅い攪拌器
または他の数多い（すべてではない）浅い構造体で、コ
ールドシートから高効率の熱伝達を実現できる。したが
ってこの発明は、様々なコールドシート構造体に採用で
き、しかも、これまでは細かい溝や高速ジェット流を要
した高効率の熱伝達を実現できる。“平坦”とは、ここ
で用いているように、先に述べた種類の表面のほか、真
に平坦な面をいうのに用いる。

【００５４】この発明は、冷却以外の分野にも適用でき
る。たとえば、重要プロセスの多くは、平坦な表面と、
表面に及ぶ液流との間の拡散と強制対流によって制御さ
れる。流体と表面との間の伝達のほかに、質量と熱の両
方の伝達が含まれる。

【００５５】“対流伝達”は、ここで用いているとおり
、こうしたプロセスのすべてをいう。“ワーク”は、対
流伝達に関与するコールドシートや他の表面をいう。

【００５６】以下はこの発明の特定用途である。シート
に接続された発熱する電子素子からの伝導によって加熱
されるシートを流体が通過する間接冷却、または流体が
発熱する素子に直に触れる直接冷却によって、発熱する
電子素子を冷却するシステム、流体が、液体かガスか、
浮遊する液滴、粒子、各種混合物などを含んだ流体であ
るシステム、流体が、液相から固相へ変化し、ミストの
沸騰または形成によって蒸気を発するシステム、及び、
流体が液体窒素、低温ヘリウム・ガス、液体ヘリウムな
どである低温冷却システムである。低温冷却は、一般的
には、流体として液体やガスを含み、中間低温（窒素の
沸騰など）や極低温（ヘリウムの沸騰など）を伴う。こ
の発明は、高温流体から低温のワークへ熱を伝達する加
熱システムにも適用できる。

【００５７】他のプロセス・クラスに、サブトラクティ
ブまたはアディティブ、化学的または電気化学的プロセ
スを含む、ワークの化学的加工や化学的形成がある。用
途としては、大きいフィーチャのマクロ生産や、プリン
ト回路基板（ＰＣＢ）などの微細なフィーチャのマイク
ロ生産がある。また、ウェット・ペーパや他のシート製
品を乾燥させるときのワークからガスへの蒸発、エロー
ジョンによるワークの洗浄、ガスまたは液体中のデポジ
ションを含めた流体からワークへのデポジションなど、
化学反応を伴わない物質伝達を扱うプロセス・クラスが
ある。また、ワークとの間で微粒子を機械的に被着・除
去するプロセス・クラスがある。また、ワークの燃焼加
熱など、流体中の化学反応と対流を組み合わせたプロセ
ス・クラスがある。このほか化学産業では多数の例があ
る。

【００５８】さらに、ワークが非固体オブジェクトであ
って、流体が両側を流れるメンブレイン（膜）を含むプ
ロセス・クラスがある。この発明は、メンブレインを通
して、トランスポートが極めて容易に進行し、隣接する
流体における対流と拡散によって総効率が決定される用
途にも有益である。たとえば、淡水化プラント、腎臓透
析装置、電気化学的燃料電池などが挙げられる。ただし
この発明は、トランスポート効率がメンブレイン自体に
よって大きく制限される用途にはあまり適さない。

【００５９】図２０は、プリント回路基板の作製時にパ
ターン・エッチングにこの方法を採用する方法をあらわ
す。熱伝達流体はエッチング液と置き換えられる。コー
ルドシートは、レジスト・パターン３０が形成されたプ
リント回路基板２８の基板と置き換えられる。フェイス
シート１２や他の項目は上述のものと同じである。スペ
ーサ（図示なし）は、所望のパターンから物質を除去す
る必要のない部分に置かれる。これに関連した概念では
、レジスト・パターンのないブランク・プリント回路基
板２８をエッチングできる。

【００６０】図２１では、専用フェイスシート３２がフ
ェイスシート１２に置き換えられる。図２２では専用上
部バリヤ３４がフェイスシート１２と併用される。図２
３では、プリント回路基板のジオメトリを定義するため
に専用下部バリヤ３６とフェイスシート１２が用いられ
る。これと同じ例は、金属がプリント前の状態の基板に
メッキされるプリント回路基板の“アディティブ生産”
に適用される。

【００６１】図２０ないし図２３の例では、特にエッチ
ングが速められ、生産性が向上する。図２１ないし図２
３の例では、連続したプリント回路基板に対するレジス
トの塗布をなくすことでコスト・メリットが期待できる
。

【００６２】流体を各供給ノズル、各戻りノズルに導入
するために、マニフォールドと導管がある。ここで用い
ているとおり、“導管”、“チャネル”、または“毛細
管”は、直径が各々１０ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍの範
囲の導管をいう。導管は、場合によってはフェイスシー
トに組み込まれる。導管がマニフォールドの一部を成す
場合もある。

【００６３】図２４は、この発明の実施例の側面図であ
る。フェイスシート１２は、小さいギャップで離隔され
たマニフォールド・シート３８と向き合わせに配置され
る。マニフォールド・シートは供給導管４０と戻り導管
４２を含む。このフェイスシート１２とマニフォールド
・シート３８は、数枚のシートを積層するかまたは１枚
の複合シートとして作製できる。

【００６４】図２５は、供給導管４４をシート４６上の
マニフォールドの上に配置し、戻り導管４８をシート４
６の下に配置した例を示す。各供給ノズル１８は円形開
口またはスロットであり、各戻りノズルは、戻り導管４
８の開口面が作るスロットである。

【００６５】図２６は、この発明の別の実施例を示す。供給導管５０と戻り導管５２は両方ともマニフォールド
・シート５４の下側に位置する。フェイスシート１２は
、ギャップで離隔されたマニフォールド・シート５４と
向き合わせに配置され、供給ノズル５６と戻りノズル５
８はスロットがつけられ、各々、開口導管５０、５２と
同一空間を占める。図８、図９の例は図２５の例と同様
である。供給ノズル１８’（図９）は一部、フェイスシ
ート１２を貫き、戻り毛細管２０”（図９）と４８（図
２５）はフェイスシート１２の下側にある。

【００６６】図２７は、フェイスシート１２と、独立し
たマニフォールド６０に、供給チャネル、戻りチャネル
、供給ダクト、戻りダクト、供給ポート、及び戻りポー
ト用の導管を加えた例の拡大図である。導管は、フェイ
スシート１２内で間隔を狭めた多数の供給／戻りノズル
６４を供給ポート６６と戻りポート６８につなぐ。ここ
で明らかなように、図１に示したような細かいジオメト
リを持つフェイスシートでは、流体を、センチメートル
・スケールのダクト、ミリメートル・スケールのチャネ
ル、サブ・ミリメートル・スケールの毛細管など、導管
サイズが様々なマニフォールドによって供給し、戻すこ
とができる。

【００６７】図２８は、システム・フローのトポロジ階
層を簡略化した図である。供給流体または冷却剤は、供
給ポート７０に入り、複数（図では２個）の供給ダクト
・セグメント７２に流れ、複数の供給チャネル・セグメ
ント７４を通って供給毛細管セグメント７６へ、最後に
供給ノズル７８に届く。流体は次に、コールドシートに
隣接したギャップを通って、戻りノズルへ、複数の戻り
毛細管セグメント８２を通って、戻りチャネル・セグメ
ント８４へ、戻りダクト・セグメント８６を通って、最
後に戻りポート８８へ流れる。閉システムでは、熱は流
体から逃がされ、流体は供給ポートへ戻り、この流路を
循環する。この階層の層数は用途によって増減する。

【００６８】異なる摂動があるとき、ギャップ寸法の制
御性をよくするために、コールドシート１０とフェイス
シート２０を分離するスペーサ１４が用いられる。また
、可撓性コールドシート１０、可撓性フェイスシート１
２、可撓性マニフォールド６０などを圧縮力と組み合わ
せて使用できる。

【００６９】スペーサは、アセンブリの個別層または個
別構造体としてフェイスシートと一体にするか、コール
ドシートとフェイスシートを接合するアタッチメントと
してコールドシートと一体にすることができる。最初に
取り上げた３つのスペーサ構造では、ギャップ幅は、剛
性と柔軟性が中間値のコールドシート１０、スペーサ１
４、及びフェイスシート１２によって制御される。すな
わち、弾性係数、厚み、及び全体のジオメトリは、垂直
方向に対して適合性があり、スプリングの圧縮力と静水
圧力によってスペーサ間の領域に破壊や湾曲が生じない
ほど充分な剛性のものでなければならない。フェイスシ
ート１２は、中程度の薄さの金属または中程度の厚みの
剛性プラスチックが望ましい。フェイスシートとコール
ドシートの接合や接着にスペーサを用いる場合は、剛性
や柔軟性を重視する必要はない。

【００７０】フェイスシート構造としては、化学的加工
、メッキ、モールディング、デポジション、スパッタリ
ング、ダイ・スタンピングなどのプロセスを含めた、マ
スタ・パターンからの成形によるものが望ましい。アデ
ィティブ・プロセスとサブトラクティブ・プロセスは両
方とも、金属またはプラスチックのフェイスシートと併
用できる。たとえば中程度の薄さの金属シートでは、シ
ートを通してノズルのエッチングを行い、スペーサをこ
のシートにスパッタ蒸着させる。このほか、フォト・エ
ッチング、プラスチック・モールディング、ダイ・スタ
ンピングなどによってフェイスシートを作製する方法も
ある。

【００７１】システム寿命の間、腐食や汚染を防ぐには
、エッチングやスパッタリングによって作製できるセル
フ・パシベイション金属が望ましい。メッキによる作製
は、このような金属では困難なことが多い。

【００７２】用途によっては、大きいコールドシート面
積または他のワーク面積にわたって均一な対流伝達が望
ましい。こうしたプロセスをここでは“シート回り”対
流と呼び、図２９、図３０に示した。たとえば、基板上
に極端に近づけて装着されたチップを冷却するにはシー
ト回り冷却が望ましい。また、シート回り冷却では、標
準的な冷却ハットで、サイズ、位置の異なるチップを含
むモジュールを冷却できる。大きいプリント回路基板の
エッチングでも均一なシート回り対流が必要である。他
の場合、特に局所加熱密度が不均一なときに、均一な温
度を得るには不均一な（すなわち専用）冷却が必要であ
る。図２９の平面図では、フェイスシート９２は、不均
一な加熱密度に対応する不均一な供給ノズル密度によっ
て専用化される。供給ノズルの密度は領域９４で最大、
領域９６ではこれより低く、領域９８で最小である。

【００７３】不均一性は、たとえば、間隔を比較的大き
くして装着された小型チップを冷却するときなどにはバ
イナリである。こうした構成は（図３１ないし図３６に
示した）“チップ回り”対流という。供給ノズル１００
は“専用化”され、冷却の必要な箇所でのみフェイスシ
ート１０２上に配置される。図３３では、専用化された
フェイスシート１０２は、プリント回路基板１０６に接
続された集積回路チップ１０４に対して正しい空間位置
関係で配置される。図３４では、専用化されたフェイス
シート１０２は、コールドシート１０の上に直に配置さ
れる。図３５は、供給ノズルと戻りノズルを均一に配置
したフェイスシート１２と、バリヤに届く前の冷却液の
通路に位置する専用化されたバリヤ１０８を示す。バリ
ヤ１０８は、フェイスシートの真上の流れを制限する。図３６は、図３５の構成に、フェイスシートとコールド
シートの間に位置し、フェイスシートの真下の流れを制
限する専用化されたバリヤ１０８を加えたものである。

【００７４】専用化された個別バリヤ１０８を用いるこ
とにはいくつかメリットがある。たとえば、バリヤは、
フェイスシートの表面を覆うテープでよい。このテープ
は、レーザなどによって切断される。この構成では、従
来の冷却ハットを使いやすく、生産プロセスのかなり遅
い段階で冷却システムを専用化しやすい。最悪の場合は
、アセンブリと、特定のモジュール上の特定のチップの
実際の放熱の測定が終わった後、対応する専用バリヤを
作製して冷却システムに追加できる。

【００７５】別のケースでは、単一プリント回路基板上
のチップによって加熱が大幅に異なる。各チップに隣接
した大きい領域または小さい領域の冷却を促進するバリ
ヤを用いれば、全チップで実質上均一な温度が得られる
。図３１は、不均一な加熱の問題を解決するもう１つの
方法を示している。フェイスシート１０２は、供給ノズ
ル１００の数と密度の異なる領域１１０、１１２、１１
４において専用化される。

【００７６】チップ回り対流の用途としてもう１つ重要
なのは直接冷却である。直接冷却では、図３３に示すよ
うに、流体はＰＣＢ基板に装着された各チップと直に接
してこれを直に冷却し、コールドシートの冷却に干渉し
ない。こうした例における冷却効果は、化学的に不活性
な流体（３Ｍ社の過フッ化炭素“Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ
”　など）を使用することで最大になる。水を使用する
と電子系の腐食につながることがある。

【００７７】図３７ないし図４０は、スロットによる供
給ノズルによる専用化を示す。図３７は、均一な冷却が
できるように均等な間隔で交互に配した供給スロット１
１６と戻りスロット１１８を示す。図３８は、不均一な
冷却バンドが得られるように、供給スロット１１６と戻
りスロット１１８を並列に不均等な間隔で交互に配した
状態を示す。図３９は、シート中心部で冷却効率を高め
るために、放射状に交互に配した供給スロット１２０と
戻りスロット１２２を示す。図４０は、シート中心部付
近で冷却効率を高めるために、交互に同心に配した供給
スロット１２４と戻りスロット１２６を示す。これと類
似の概念は、図２ないし図１１に示したような、他のノ
ズル形態にも適用できる。

【００７８】チップまわり対流をあらわす別の例を、図
４１ないし図４７に示す。一般的な構造は、冷却用のマ
ニフォールド・シート１２８とフェイスチップ１３０を
含む図４１及び図４６に示した。フェイスチップの詳細
については後述する。マニフォールド・シート１２８は
、フェイスチップ１３０につながる流体導管１３２を持
ち、フェイスチップ１３０はコールドシート１０と向き
合わせにこれに近接して配置される。スペーサ１４（図
示なし）によって狭いギャップ１６が定義される。マニフォールド・シート１２８の上は供給ダクト１３４
、下は戻りダクト１３６である。マニフォールド・シー
ト１２８の形状は、ダクト１３４、１３６が、流体が適
度に流れるのに充分な断面を持ち、各フェイスチップ１
３０がコールドシート１０に隣接するように決められる
。

【００７９】ギャップのジオメトリは次のように調整で
きる。たとえば、矢印１３８（図４１ないし図４４）に
示すように、各マニフォールド・シート１２８をスペー
サ１４に押しつける力があり、スペーサ１４はコールド
シート１０に押しつけられる。この力は、液圧、スプリ
ング、マニフォールド・シート１２８または流体導管１
３２に潜在する剛性や弾力、あるいはフェイスチップ１
３０とコールドシート１０をつなぐスペーサ１４によっ
て与えられる。

【００８０】ダクトのジオメトリは次のように定義でき
る。マニフォールド・シート１３８や流体導管１３２は
可撓性である（薄膜による場合など）。その場合、形状
全体を定義しやすいようにフレームが置かれる。場合に
よっては、液圧が、正しいダクト形状を定義する上で役
立つ。マニフォールド・シート１２８や導管１３２は半
可撓性または半剛性にされる。この程度の剛性であれば
、ダクトのジオメトリを定義しやすい。しかし半可撓性
では、シートの曲がりによってギャップが定義される。同様の結果は、剛性マニフォールド・シート１３８と軟
性導管１３２でも得られる。マニフォールド・シート１
２８と導管１３２が緻密であれば、冷却システム全体は
正確に調整され、ギャップ１６に正しい寸法がとれる。図４１では、フェイスチップ１３０の構造は、図１０、
１１と同様の緻密な冷却システムのそれである。供給ノ
ズル１４０はフェイスチップ１３０を貫通する。細いギ
ャップ１６は薄膜スペーサ１１４で定義される。各フェ
イスチップ１３０の下部には、小さいスロットがあり、
これはフェイスチップを貫通しない。流体を水平に（図
の向きに）戻りダクトへ運ぶために戻りノズルと戻り毛
細管１４２がある。

【００８１】対照的に図４２では、チップ１３０は半緩
和構造であり、図１８、図１９の実施例と同様である。ただし、フェイスチップが浅いため、フェイスチップ下
部に戻り毛細管または戻りノズルを形成する必要はない
。この方法は、大きいフェイスチップと併用する場合に
は好ましくない。

【００８２】一般的に、フェイスチップ構造は、図１な
いし図１９など、ここで示したいずれの例も採用できる
。各フェイスチップ１３０は、場合によっては、供給ダ
クト１３４から流体を（図のように）垂直に受け、戻り
ダクト１３６に水平に供給するために、フェイスチップ
の真上にチップ程度のサイズのマニフォールドが追加さ
れる。図４３はこれとわずかに異なる構造を示す。図４
７のマニフォールド・シート１２８は、フェイスチップ
１３０を担持するネック１４４を持つ。シートは半可撓
性なので、ネック１４４は剛性である。図４４は、少し
異なる構造で、フェイスチップ１３０を担持するベロー
１４６を含む。ベローは可撓性なのでシートは剛性にで
きる。

【００８３】図４５ないし図４７は、図４１の構造の作
製方法を示す。対応する作製方法は、図４２ないし図４
４に適用できる。マニフォールド・シート１２８とフェ
イスチップ１３０は、（適当なパターン化とともに）単
一または複数の物質層から形成するか、あるいは複数の
個別素子からアセンブルできる。作製プロセスとしては
、アディティブ、サブトラクティブ、非弾性フォーミン
グなどがある。たとえば、エッチング、サーフェス・モ
ールディング、メッキ、フォーミング、ベンディング、
スパッタリング、デポジションなどである。材料は金属
、プラスチック、各種の積層や複合体などが使用できる
。

【００８４】図４５は単層の形成を示す。たとえば、マ
ニフォールド・シート１２８と一体型フェイスチップ１
３０は、金属や剛性ポリマ（Ｋａｐｔｏｎなど）の薄膜
から形成される。フェイスチップの構造（ノズル、スペ
ーサ、毛細管など）はシート上に形成される。材料を、
必要な３次元ジオメトリをすべて備えたマンドレルに付
加する方法がある。また、まず平坦なシートから始め、
材料を除去してからシートを形成して（弾性をもたせず
に曲げ）ダクトを定義する方法もある。さらに、フェイ
スチップ構造を持つ平坦なシートをアディティブに形成
してから、シートを形成してダクトを定義する方法もあ
る。

【００８５】図４６は２層の形成を示す。たとえば、金
属フェイスチップ１３０とプラスチックのマニフォール
ド・シート１２８は、プリント回路基板と同じように、
まず金属／プラスチック積層から始め、フェイスチップ
構造をエッチングして形成される。これは、まずプラス
チック・シートから始め、フェイスチップ構造をシート
にメッキするのと同等である。いずれの場合も、積層を
形成して（弾性をもたせずに曲げ）ダクトを定義する。

【００８６】これと同様の概念は３層以上の形成にも応
用できる。たとえば、層を追加することで、各フェイス
チップにチップ程度のサイズのマニフォールドを追加し
やすくなる。

【００８７】図４７は複数の素子を含むアセンブリを示
す。フェイスチップ１３０は個別に形成され、マニフォ
ールド・シート１２８に接合される。シートの開口は、
エッチングやモールディングで形成され、フォーミング
やモールディングによって曲げられる。

【００８８】また、作製と組立を組み合わせた中間的な
ケースがある。たとえば、ベローとフェイスチップを一
体成形するためにアモーファス・ニッケルの無電解被着
が用いられる。このアセンブリが数個組み付けられてマ
ニフォールド・シートが形成される。

【００８９】これまでに作製・検査された例には、６×
６アレイのチップを含み、チップ・ピッチが８．５ｍｍ
、チップ・サイズが４．５ｍｍの基板がある。各チップ
の隣は、厚みが２５ないし５０μｍの範囲のサーマル・
ジョイントである。サーマル・ジョイントは熱をコール
ドシートへ伝える。コールドシートは０．１２５ｍｍ厚
の“Ａｒｔ−Ｃａｓｔ”モリブデンから形成される。場
合によっては、両面テープからスペーサが切り出され、
フェイスシートとコールドシートの間に配置される。他
の場合、スペーサはコールドシートにエッチングされる
。スペーサとギャップの公称厚みは通常０．０３８ｍｍ
である。

【００９０】フェイスシートは次のように作製された。供給ノズルと戻りノズルは供給スロットと戻りスロット
が並列に交互に並んだもので、幅は各々１．０６３ｍｍ
＝８．５ｍｍ／８、深さは１．５ｍｍである。セグメン
ト長は、隣接した供給ノズルと戻りノズルの間で２．１
２５ｍｍ＝８．５ｍｍ／４である。

【００９１】フェイスシートの上にダクト・ブロックが
置かれ、供給ダクトと戻りダクトのピッチは８．５ｍｍ
である。冷却液は純水であり、フロー密度ＦＤ＝５ｃｍ
／秒である。いいかえると、フローは５．１ｃｍ２にわ
たって０．１３リットル／秒（２．０ＧＰＭ）均一であ
る。総圧力低下は０．１０Ｅ５パスカル（１．４５ＰＳ
Ｉ）である。排水温度は２２．５℃であった。電力５３
．９Ｗ／チップのとき、チップ中央の温度は８５℃であ
った。したがって温度低下はΔＴ＝６２．５℃＝８５−
２２．５℃である。

【００９２】他のケースについて推定する際、未処理デ
ータはいくつかの方法で正規化できる。標準温度低下Δ
Ｔ＝６０℃に正規化すると、電力は５１．７／Ｗになる
。チップ面積を０．２０２ｃｍ２に正規化すると、平均
電力面積密度は２５６Ｗ／ｃｍ２になる。また、チップ
周囲を１．８ｃｍに正規化すると、平均電力線形密度は
２８．７Ｗ／ｃｍになる。

【００９３】冷却効率を挙げるには、図１ないし図１１
に示したような、ギャップが細い例、セグメントが短い
例、円形供給ノズルを用いた例などのいずれかを適用す
る。また、局所密度を上げるには、フローを各チップ付
近に集中させる（チップ回り冷却）か、フロー全体を増
加させる。結果的には、サーマル・ジョイントの組成に
よる異質な熱抵抗が生じる。

【００９４】次に、このほかの本発明の変形例を示す。従来の技術では周知のとおり、熱伝達効率を上げるため
に、境界層を攪拌する構造が用いられる。このような手
法はこの発明と併用できる。たとえば、コールドシート
とフェイスシートの間に、非常に目の細かいワイヤ・ス
クリーンなど、かなり浅い攪拌器を配置できる。この部
分はスペーサ層としても働く。結果的には、低圧攪拌に
よって対流が増加し均一になる。

【００９５】熱伝達効率は、従来の大型フィンを用いた
構造の中で、この発明の構造を各大型フィンの表面に重
ね合わせることによって、大幅に高められる。

【００９６】実施例は用途によって異なる。共通の基板
に多数のチップが装着された代表的なマルチチップ・モ
ジュールの場合、チップ間ピッチは、チップ・サイズよ
りもかなり大きい。こうした構造ではチップ回り方式が
望ましい。

【００９７】プリント回路基板を作製（エッチングまた
はメッキ）する場合、通常は均一な作製レートが重要に
なる。したがってシート回り方式が望ましい。この用途
では、組織を調製したワークや、このワーク上で攪拌や
熱伝達を促進する構造は関係しない。ただし、隣接する
フェイスシートにこのような組織や構造をもたせること
もできる。真に平坦なワークが必要である。

【００９８】先にも触れたとおり、実施例は用途に依存
する。シート回り冷却については、図４８、図４９に例
を示した。これは上述の概念をいくつか組み合わせたも
のである。

【００９９】図１は、細いギャップ１６を挟み、セグメ
ント距離を短くしたフェイスシート１２とコールドシー
ト１０を示す。図４、図５は、円形供給ノズル１８’と
スロットによる戻りノズル２０’を含むフェイスシート
１２を示す。図２５は、供給導管４４と戻り導管４８を
含むフェイスシート１０を示す。図２７は、チャネル６
２を含むマニフォールド６０を示す。図２８は、毛細管
セグメント（小型導管）７６とチャネル・セグメント（
中型導管）７４を示す。図４８は、この発明の実施例の
垂直断面、図４９は部分平面図である。Ａ１−Ａ２はこ
の図の垂直断面の位置を示す。

【０１００】液流は次のようになる。マニフォールド６
０の一部に配置された供給チャネル１４８を通して低温
流体が供給される。低温流体はフェイスシート１２にあ
る小型供給毛細管１５０を通り、フェイスシート１２を
貫通する多数の円形供給ノズル１５２を通る。次にスペ
ーサ１４によって定義される細いギャップ１６を流れる
。このように、流体は短いセグメント１５４に沿って流
れ、隣接するコールドシート１０から熱を吸収する。次に微温流体が、戻り毛細管１５８とマニフォールド６
０の一部にある戻りチャネル１６０を通して戻る。上述
のような他のノズル構造も使用できる。

【０１０１】

【発明の効果】この発明によれば、従来の細かい溝によ
る対流冷却と比較した場合、構造が簡単で且つ高効率な
熱伝達を実現することができる。また、マルチ・ジェッ
ト衝撃冷却と比較した場合、低い液圧と少ない液流によ
って、高効率な熱伝達を実現することができる。また、
この発明はエッチング、メッキ等といった分野にも応用
することができ、種々の分野において流体の対流による
改善を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の原理を最もよくあらわす、本発明の
実施例の側面断面図である。

【図２】この発明を適用する際に役立つフェイスシート
の一例の側面断面図である。

【図３】図２に示したフェイスシートの上面図である。

【図４】この発明を適用する際に役立つフェイスシート
の一例の側面断面図である。

【図５】図４に示したフェイスシートの上面図である。

【図６】この発明を適用する際に役立つフェイスシート
の一例の側面断面図である。

【図７】図６に示したフェイスシートの上面図である。

【図８】この発明を適用する際に役立つフェイスシート
の一例の側面断面図である。

【図９】図８に示したフェイスシートの上面図である。

【図１０】この発明を適用する際に役立つフェイスシー
トの一例の側面断面図である。

【図１１】図１０に示したフェイスシートの上面図であ
る。

【図１２】フェイスシートとコールドシートの間にギャ
ップを設けるために、コールドシートと向き合わせに配
置されたフェイスシートの側面断面図である。

【図１３】フェイスシートとコールドシートの間にギャ
ップを設けるために、コールドシートと向き合わせに配
置されたフェイスシートの側面断面図である。

【図１４】フェイスシートとコールドシートの間にギャ
ップを設けるために、コールドシートと向き合わせに配
置されたフェイスシートの側面断面図である。

【図１５】フェイスシートとコールドシートの間にギャ
ップを設けるために、コールドシートと向き合わせに配
置されたフェイスシートの側面断面図である。

【図１６】この発明を適用するためのフェイスシートの
実施例を示す側面断面図である。

【図１７】図１６に示したフェイスシートの上面図であ
る。

【図１８】この発明を適用するためのフェイスシートの
実施例を示す側面断面図である。

【図１９】図１８に示したフェイスシートの上面図であ
る。

【図２０】プリント回路基板のパターンのエッチングに
用いられる本発明の概念図である。

【図２１】プリント回路基板のパターンのエッチングに
用いられる本発明の概念図である。

【図２２】プリント回路基板のパターンのエッチングに
用いられる本発明の概念図である。

【図２３】プリント回路基板のパターンのエッチングに
用いられる本発明の概念図である。

【図２４】導管とフェイスプレートの関係をあらわす本
発明の実施例の側面図である。

【図２５】導管とフェイスプレートの関係をあらわす本
発明の実施例の側面図である。

【図２６】導管とフェイスプレートの関係をあらわす本
発明の実施例の側面図である。

【図２７】この発明の実施例の拡大図である。

【図２８】システム・フローのトポグラフィをあらわす
概念図である。

【図２９】この発明を適用する際に役立つフェイスシー
トの上面図である。

【図３０】図２９に示したフェイスシートの側面図であ
る。

【図３１】この発明を適用する際に役立つフェイスシー
トの上面図である。

【図３２】図３１に示したフェイスシートの側面図であ
る。

【図３３】この発明を適用する際に役立つ専用構造の側
面図である。

【図３４】この発明を適用する際に役立つ専用構造の側
面図である。

【図３５】この発明を適用する際に役立つ専用構造の側
面図である。

【図３６】この発明を適用する際に役立つ専用構造の側
面図である。

【図３７】専用化の方法をあらわす平面図である。

【図３８】専用化の方法をあらわす平面図である。

【図３９】専用化の方法をあらわす平面図である。

【図４０】専用化の方法をあらわす平面図である。

【図４１】チップ回り対流冷却用マニフォールド・シー
トの側面図である。

【図４２】チップ回り対流冷却用マニフォールド・シー
トの側面図である。

【図４３】チップ回り対流冷却用マニフォールド・シー
トの側面図である。

【図４４】チップ回り対流冷却用マニフォールド・シー
トの側面図である。

【図４５】マニフォールド・シートの作製方法を示す側
面図である。

【図４６】マニフォールド・シートの作製方法を示す側
面図である。

【図４７】マニフォールド・シートの作製方法を示す側
面図である。

【図４８】大きいシートを冷却するための、本発明の実
施例の側面断面図である。

【図４９】図４８に示した実施例の上面断面図である。

【符号の説明】

１０・・・コールドシート１２・・・フェイスシート１６・・・ギャップ１８・・・供給ノズル２０・・・戻りノズル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の供給ノズルを含む流体供給手段と、
複数の戻りノズルを含む流体戻り手段と、上記流体供給
手段と上記流体戻り手段を接続し、上記ワークと向き合
わせに配置されたフェイスシートとを含み、該フェイス
シートと該ワークとの間にギャップが形成されて、流体
が、該流体供給手段と上記複数の供給ノズル、短いセグ
メントに沿って、該ギャップ、及び上記複数の戻りノズ
ルと該流体戻り手段を通過する、ワークによる対流伝達
システム。
【請求項２】請求項１に記載のシステムであって、ギャ
ップのレイノルズ数が３００未満である、ワークによる
対流伝達システム。
【請求項３】請求項１に記載のシステムであって、ギャ
ップ厚みが０．５ｍｍ未満、各セグメントの長さが１０
ｍｍ未満である、ワークによる対流伝達システム。
【請求項４】請求項１に記載のシステムであって、ギャ
ップのレイノルズ数が１００未満、セグメント長が該ギ
ャップの動水径または供給手段の動水径のいずれか小さ
い方の８倍未満である、ワークによる対流伝達システム
。
【請求項５】請求項１に記載のシステムであって、ギャ
ップのレイノルズ数が１００未満、セグメントがギャッ
プの動水径の８倍未満である、ワークによる対流伝達シ
ステム。
【請求項６】請求項１に記載のシステムであって、流体
供給手段と流体戻り手段が導管を含む、ワークによる対
流伝達システム。
【請求項７】請求項６に記載のシステムであって、ノズ
ルと導管がスロットである、ワークによる対流伝達シス
テム。
【請求項８】請求項６に記載のシステムであって、ノズ
ルが丸型である、ワークによる対流伝達システム。
【請求項９】請求項６に記載のシステムであって、ノズ
ルがグリッド状である、ワークによる対流伝達システム
。
【請求項１０】請求項６に記載のシステムであって、導
管がグリッド状である、ワークによる対流伝達システム
。
【請求項１１】請求項１に記載のシステムであって、ワ
ーク専用冷却を行うために、流体供給手段、流体戻り手
段、及びフェイスシートが接続された、ワークによる対
流伝達システム。
【請求項１２】請求項１１に記載のシステムであって、
専用バリヤを含む、ワークによる対流伝達システム。
【請求項１３】請求項１に記載のシステムであって、対
応するマニフォールドを含み、該マニフォールドに流体
供給手段と流体戻り手段が配置された、ワークによる対
流伝達システム。
【請求項１４】基板上に一定パターンで配置された複数
のチップとの間で対流熱伝達を行うシステムであって、
複数の供給ノズルを含む流体供給手段と、複数の戻りノ
ズルを含む流体戻り手段と、チップ・パターンに対応し
た所定の空間位置関係にて配置された複数のフェイスチ
ップを含むマニフォールド・シートとを含み、該複数の
フェイスチップが上記複数のチップと向き合わせに配置
されるとき、両者の間にギャップが形成され、該マニフ
ォールド・シートによって上記流体供給手段と上記流体
戻り手段が離隔される、対流伝達システム。
【請求項１５】請求項１４に記載のシステムであって、
複数のフェイスチップをマニフォールド・シートに接続
するハイドロリック手段を含む、対流伝達システム。
【請求項１６】請求項１５に記載のシステムであって、
マニフォールド・シートが１層である、対流伝達システ
ム。
【請求項１７】請求項１５に記載のシステムであって、
マニフォールド・シートが複数の層より成る、対流伝達
システム。
【請求項１８】請求項１５に記載のシステムであって、
マニフォールド・シートが複数の部分より成る、対流伝
達システム。
【請求項１９】請求項１４に記載のシステムであって、
流体が、供給手段と複数の供給ノズルを流れ、ワークに
沿って短距離を進み、ギャップを経て、複数の戻りノズ
ルと流体戻り手段を通過する、対流伝達システム。
【請求項２０】対流によってワークを伴う物質を伝達す
るシステムであって、複数の供給ノズルを含む供給手段
と、複数の戻りノズルを含む戻り手段と、上記供給手段
と上記戻り手段に接続され、ギャップを形成するために
上記ワークと向き合わせて配置されたフェイスシートと
を含む、対流伝達システム。
【請求項２１】請求項２０に記載のシステムであって、
物質がワークから除去されて、供給手段、ギャップ、及
び戻り手段を流れる流体に伝達される、対流伝達システ
ム。
【請求項２２】請求項２０に記載のシステムであって、
物質が、供給手段、ギャップ、及び戻り手段を流れる流
体からワークに追加される、対流伝達システム。
【請求項２３】請求項２０に記載のシステムであって、
供給手段、ギャップ、及び戻り手段を流れる流体とワー
クの間に化学反応が引き起こされる、対流伝達システム
。
【請求項２４】複数の流体供給手段と、複数の流体戻り
手段と、上記複数の流体供給手段と上記複数の流体戻り
手段に接続されたフェイスシートとを含み、該フェイス
シートがワークと向き合わせに配置されたときに、両者
の間に複数のギャップが形成され、流体が、該複数の流
体供給手段、トポロジが平行な複数のフロー・セグメン
ト、該複数のギャップ、及び該複数の流体戻り手段を通
過する、対流伝達システム。
【請求項２５】請求項２４に記載のシステムであって、
複数の流体供給手段の動水径が小さい、対流伝達システ
ム。
【請求項２６】請求項２４に記載のシステムであって、
複数のギャップの動水径が小さい、対流伝達システム。
【請求項２７】請求項２４に記載のシステムであって、
セグメントが短い、対流伝達システム。
【請求項２８】プリント回路基板状にパターンを形成す
る装置であって、複数の供給ノズルを含む流体供給手段
と、複数の戻りノズルを含む流体戻り手段と、上記流体
供給手段と上記流体戻り手段に接続され、プリント回路
基板と向き合わせに配置されたフェイスシートとを含み
、該フェイスシートと該プリント回路基板との間にギャ
ップが形成されて、流体が、該流体供給手段と上記供給
ノズル、短いセグメント、該ギャップ、及び上記流体戻
りノズルと該流体戻り手段を通過するときに、該プリン
ト回路基板上にパターンが形成される、パターン形成装
置。
【請求項２９】請求項２８に記載の装置であって、液流
が接するプリント回路基板の領域を専用化するために配
置された手段を含む、パターン形成装置。
【請求項３０】半透過性メンブレインを介した伝達シス
テムであって、複数の供給ノズルを含む流体供給手段と
、複数の戻りノズルを含む流体戻り手段と、半透過性メ
ンブレインと、上記流体供給手段と上記流体戻り手段に
接続され、上記半透過性メンブレインと向き合わせに配
置されたフェイスシートとを含み、該フェイスシートと
該メンブレインとの間にギャップが形成されて、該流体
供給手段と上記供給ノズル、該ギャップの短いセグメン
ト、及び上記戻りノズルと該戻り手段を通過する流体が
、該半透過性メンブレインを介して物質を伝達する、伝
達システム。
【請求項３１】請求項３０に記載の装置であって、ギャ
ップ内の流体を攪拌する手段を含む、伝達システム。