CN101069284A - 带有喷射偏转的喷射冷却 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却元件(101)的冷却系统，包括构造成喷出冷却流体射流(105)的喷射器(102)和控制射流偏转的射流偏转器。喷射器可以是连续的或渐增式的。过量的喷射物可以偏转到构造成阻挡冷却流体撞击元件的槽(161)内。可以使用接触表面(241)、可控制的喷口加热器(131)和/或电极(341、343)进行操作的射流偏转器构造成以一个或多个自由度来偏转射流。多个喷射器可以具有用于冗余性的重叠喷射图案。

Description

带有喷射偏转的喷射冷却
本发明大体涉及用于产生热量的器件的冷却系统，更具体地说，涉及喷射冷却系统和使用喷射冷却系统来冷却一个或多个半导体器件(即芯片)的方法。
                      发明背景
随着具有日益增大元件密度的半导体器件的出现，消除由器件产生的热量已成为日益具有挑战性的技术问题。随着时间的过去，CMOS器件的工作频率已显著增加。由此引起的微处理器功耗同样成数量级地上升。尽管减小了器件的输入电压和容量，然而在追求处理效率时，在典型微处理器电路小片(die)上的器件数量持续快速增加。而且，器件微型化使器件设计者将先前单独的元件(诸如用于制作超高速缓冲存储器的那些元件)集成到微处理器电路小片中。
这种器件的合并已产生高的CPU芯功率密度，例如，20mm×20mm微处理器电路小片的50％可以包含CPU芯，其余的为超高速缓冲存储器。此外，典型处理器插接板在某些情况下可以包括多个CPU模块、专用集成电路(IC)和静态随机存储器(SRAM)以及DC-DC转换器，它们均具有渐增的功耗需求，从而增加计算机系统所需的整体功耗级别。
增加复杂性的是，使用这种高耗散电路小片的新式系统常常具有各种需要不同冷却级别的电路小片，仅其中一些是极端的。取决于电子系统的设计，包含这些芯片的元件可以设置在整个系统中，并且可能不容易使用简单的冷却设备或使用仅指向需要它们的性能的电路小片的有成本效益的高散热冷却设备进行处理。
散热器(heat sink)可以用于增加热生成器件的散热表面面积。然而，散热器典型地以机械对接于它们所冷却的器件为特征，这一般导致热流中的干涉，并且可以导致非常高的热阻。实际上，大半用于冷却的可用热预算，典型为在电路小片温度和周围温度之间的45℃温差，一般将为该对接界面所耗尽。机械界面还可以导致不均匀冷却。这进一步为在许多电路小片上的不均匀功率分布所复杂化，这经常产生在将不同元件集成在单一的芯片上时。
为了处理这些难题，已开发了创新的方法以减少电路小片对散热器的热阻。自由流动和强制通风对流、自由流动和强制液体对流、液池沸腾(就是使液体冷却流体沸腾而从浸没式器件上蒸发)和喷射冷却(就是使液体冷却流体沸腾而离开以液体进行喷射的器件)包括在半导体冷却方法中。因为液体典型地具有高汽化潜热，所以这些较后的两个方法提供了高的热传递效率，以恒定温度吸收大量的热。
这些沸腾/汽化方法的使用受限于最大功率密度，临界热通量(CHF)。在较高的密度，汽化的冷却流体形成将器件与液体冷却流体隔离的防汽层，因此使器件壁温极大地增加。此现象被称为蒸干(dry-out)。当适当喷射冷却剂时，冷却剂可以分散这种蒸汽层，并且其CHF可以大大超过高于液池沸腾系统的CHF的数量级。这种高CHF优选为均匀喷射，并且应匹配器件的功耗需求。因此，目前的喷射冷却为诸如半导体器件的产生热量的器件提供了最有效的冷却。
典型地，用于喷射冷却的冷却流体具有较低沸点(相对于器件的操作温度)，这是被喷射器件经冷却所希望的温度。最优选的是，冷却流体对于热源是惰性的。对于半导体器件，诸如3MFC-72，(FC-72，即FLUORINERT，由3M公司销售)，3M公司的流体Novecline(HFE7100等，由3M公司销售)或PF-5060的低沸点流体都是在多种公知的适当冷却液体之中的。
喷嘴设计是喷射冷却的关键元件。压力辅助的和气体辅助的喷嘴是公知的设计，其中冷却流体被连续喷射。然而，这些类型的喷嘴在它们的控制喷射速度的性能上是有限的。因此，它们可以造成″汇聚″(即由于过甚的喷射速度而在被冷却器件上的液体集结)。而且，喷射速度、方向和/或位置的细微局部控制通常是不能得到的。
对于压力辅助的喷射而言，一致且可控的喷射需要一个或多个即使是在变化流速下都可提供精确压力以泵送液体通过喷嘴的高压泵。所喷射液体的分布和流率可以随着驱动压力的变化和/或喷嘴结构的微小变化而改变。因此，冷却系统是灵敏且可能会昂贵的器件，其可能对控制而言是一项挑战。
对于气体射流，一致且可控的喷射需要以精确方式输送给喷头设计的加压气体。因为气体与冷却流体分开加压，所以，这种系统典型地不是封闭系统。气体必须从冷凝器排放出去以有效运行。此外，冷却流体的分布和流率可以随着气体压力变化而改变。因此，冷却系统是灵敏且可能会昂贵的器件，其可能是对控制的挑战。
压电式和热喷射式射流喷嘴也是公知的设计，其中冷却流体渐增式地进行喷射(即其按照请求以递增增量进行喷射)。尽管这些类型的喷嘴对喷射流速度典型地提供了优良控制，然而它们可能经受与它们的渐增式喷射机理相关的流动困难。压电式喷嘴由于腔室内的压力波而从腔室喷出液体滴。压力波通过施加于压电式器件的电荷而由腔室的收缩产生。喷射射流喷嘴使用加热器汽化腔室内少部分的流体。汽化的流体膨胀，致使其他流体从腔室喷出。
许多因素影响了喷射冷却的性能，因此影响热传递系数h和/或CHF。通常所理解的是，被喷射的元件的表面粗糙度和可湿性是这些因素中的两个因素，而被喷射表面的方位可以是第三个因素。尤其是，应相信的是，当使用加压液体喷射时h对于粗糙表面是较高的，并且当使用气体射流时h对于光滑表面是较高的。具有较低可润湿性的表面看来似乎在h方面具有边际增加量。
一致、可控冷却的关键是，液体冷却流体以所希望的分布、流速和速率进行可控的应用。例如，在低质量的流速下，CHF和h随着质量流速而增加。然而，在临界的质量流速下，增加的质量流的优势由于汇聚和/或由于过渡到单相热传递的转变而减少。因此，喷射冷却系统优选在达到临界质量流量之前限定的质量流量而均匀操作。所有这些因素成为喷射器设计的关键，即喷嘴的设计及其相关喷射器件。
对冷却系统设计也是重要的是其操作温度。尤其是，希望对系统进行构造，以在高的h下操作，这将随着设计温度超出沸腾温度并且低于将蒸干所喷射的冷却剂的温度而出现。待要消散的热量必须比CHF小。
典型地，在实现喷射冷却系统时，喷射冷却喷射器安装在还包含载有一个或多个芯片的印刷电路板的容器内。印刷电路板具有通过气密式和不透水式连接而在容器外面电气式地连接于系统上的导线。这种系统可以是较大的，并且建造和维护起来可能是昂贵的。
因此，需要一种小型、精确、可靠且具成本效益的喷射冷却系统，其可以用于支承具有一个或多个高耗散器件的复杂处理系统。喷射冷却系统将优选以最大的可靠性来提供灵活和冗余的操作，并且将以精确流速操作以便精确控制。本发明优选的实施例满足了这些和其他需要，并且提供了更多的相关优势。
                      发明概述
在各种实施例中，本发明通过提供有效地操作以给元件提供精确冷却的组装级(package-level)的冷却系统，而解决了上述需要的其中一部分或全部。
本发明的用于冷却诸如具有冷却流体的半导体器件的元件的系统，其特征在于喷射器和射流偏转器，该喷射器具有构造成喷出冷却流体射流的喷口，该射流偏转器是可操作的，以选择性地控制在沿第一方向喷射和沿第二方向喷射之间的射流偏转。其中至少一个方向是朝向元件的不受阻的方向。该系统可以进一步以诸如槽(gutter)的阻碍件为特征，该阻碍件构造成用以阻挡在其中一个方向上喷射的冷却流体撞击元件。或者，该系统可以进一步渐增式喷射器为特征，以作为槽的替代的。系统可以选择性地以渐增式喷射器和槽为特征。
射流偏转器可以使用多种机构进行操作，诸如接触面、可控制的喷口加热器和/或构造成用于以一个或多个自由度偏转射流，而形成喷射图案的电极。多个喷射器可以具有重叠的喷射图案，以用于冗余性(redundancy)。
通过下文中对优选实施例的详细介绍并结合附图，本发明的其他特征和优势将变得明显，附图以示例的方法图解说明了本发明的原理。如以下为了使能够建造和使用本发明的实施例所陈述的那样，对特别优选实施例的详细说明不是用于限制所列的权利要求，而是旨在用作要求保护的发明的具体示例。
                       附图简介
图1是体现了本发明的第一冷却系统和被冷却元件的截面正视图。
图2是图1中所示的第一冷却系统的喷射器和槽的截面正视图。
图3是图2中所示的喷射器的喷口和相关联的加热器段的底视图。
图4是包括由图2所示喷射器产生的五个喷射印迹(footprint)的喷射图案的顶视图。
图5是体现了本发明第二冷却系统的喷射器的截面正视图。
图6是图5中所示冷却系统的控制环的顶视图。
图7是体现了本发明的第三冷却系统的喷射器的截面正视图。
图8是体现了本发明的第四冷却系统的喷射器的截面正视图。
图9是位于图8所示冷却系统的一种变型的控制面之下的导向面的底视图。
图10是用于本发明的第五、第六、第七和第八实施例的渐增式喷射器的截面图。
                优选实施例的详细说明
通过参考以下应结合附图阅读的详细说明，可以更好地理解以上概述并且通过所列举的权利要求所限定的本发明。在以下进行陈述以使能够建造和使用本发明特定实施例的对本发明特别优选实施例的详细说明，不是用于限制所列举的权利要求，而是旨在提供其具体示例。
汽化式喷射冷却有希望是可以输送高性能冷却的技术。喷射冷却的目标是使器件的壁温达到接近冷却剂饱和温度的值。例如，具有56℃沸点的、诸如3MFC-72的低沸点流体的汽化，可以达到接近70℃的芯片壁温。这种壁温可能是必要的，以保持器件的结温在85℃。这种将芯片壁温保持在70℃的需要源于功率在芯片上的典型的不规则分布。高功率密度，对于分布在0.5cm×0.5cm上的50W电源而言，达到200W/cm2的高功率密度，不能通过传统的机械界面手段容易地解决。
参见图1至图3，第一实施例的冷却系统用于冷却元件101，诸如产生热量的半导体器件，其他信息处理器件，光学元件等。系统通过以冷却流体喷射元件而使元件冷却。系统包括多个喷射器102，每个喷射器都具有构造成喷出冷却流体射流105的喷口103。系统还包括射流偏转器，其是可操作的，以选择性地控制在沿未偏转方向107的喷射与沿偏转方向109的喷射之间的射流偏转，其中未偏转方向优选是在朝向元件的不受阻的方向。偏转器优选地使用标准MEMs制造工艺集成在喷射器的硅内。
喷射器设有来自包含加压冷却流体的贮存器121的冷却流体。贮存器与冷却流体通道123流体相通。该通道设有形成了喷口的周期性开口103，一个喷口连接了各自的喷射器。为了制作喷射器，液体微通道使用标准晶片处理方法制造在硅晶片(wafer)内。在来自贮存器的压力作用下，冷却流体从贮存器流经通道并且经各个喷口流出，以形成冷却流体射流105。因此，通道使喷射器喷口与冷却流体源(贮存器)流体相通，该冷却流体源适于以足以连续喷出冷却流体射流的压力，而提供冷却流体给喷口。
在离喷口某一距离处，在冷却流体射流内的表面张力使射流分离成微滴125，因此将射流从连续式射流变化为微滴式射流。这个分离距离可以受诸如流体性质(例如表面张力)的许多因素影响，并且可以用试验方法或经分析测定。
在喷口外围部分的形成了出口平面的表面处，该实施例包括四个加热器段131，包括第一加热器段133，这四个加热器段形成基本上围绕喷口出口的环。每个加热器段都围绕出口延伸了大致四分之一，并且是可以单独地通电的。控制器135配置成可控制地对其中任一加热器段通电(energize)，优选地为对四对相邻成对的加热器段中的任一对进行通电，包括第一对141、第二对143、第三对145和第四对147。
在喷射器的操作期间，如果没有对加热器段通电，那么射流以未偏转方向107喷射。此时，表面张力吸引排出喷口的冷却流体以延伸跨过喷口外围部分的表面。此表面的一部分包括加热器段的外缘149。
然而，当对其中一个或多个加热器段131通电时，冷却流体回退跨过通电的加热器段，只要被通电的加热器段保持通电，那么表面张力不再将冷却流体吸引退回来。当对不对称组的一个或多个加热器段通电时，射流被偏转。例如，图2显示了射流105从未偏转方向107偏转到偏转方向109，因为控制器135对第一加热器段133通电。因此，加热器段形成此实施例的射流偏转器，并且射流偏转器包括构造成不对称地加热喷口外围部分的加热器。
参见图3和图4，控制器可以选择性地对加热器段的第一对141通电，以便从未偏转方向107将射流偏转到形成了第一偏转喷射印迹151的第一偏转方向。同样，控制器可以选择性地对加热器段的第二对143通电，以便在形成了第二偏转喷射印迹153的第二偏转方向上偏转射流，加热器段的第三对145在形成了第三偏转喷射印迹155的第三偏转方向上偏转射流，而加热器段的第四对147沿着形成了第四偏转喷射印迹157的第四偏转方向偏转射流。
未偏转方向形成了在其他喷射印迹之间的中心的未偏转喷射印迹159。如图4中所示，使用了不同的重叠对的加热器段和/或个别的加热器段，和/或提供了构造成在两个自由度横向偏转射流的射流偏转器。应注意的是，对于个别的加热器段的喷射印迹(为显示)，将沿着离所示方向45度的方向偏转冷却流体，但是离未偏转射流的偏转距离将变小。对于每个喷射器，控制器配置成所产生的所有印迹的组合形成了喷射图案。
在备选实施例中，会有其他数量的加热器段(例如一个、二个、三个或五个或更多个加热器段)。而且，全套加热器段可以完全围绕喷射器开口，或可以仅延伸围绕一部分。此外，加热器段(或控制器)可以构造成仅在一维上偏转，并且此偏转可以从未偏转的射流开始来单向地或双向地摆动射流。
参见图2回到第一实施例，射流偏转器构造成使得偏转射流方向109将射流引向阻碍件，该阻碍件构造成可阻挡在偏转方向上喷射的冷却流体撞击元件。阻碍件优选为构造成引导冷却流体远离元件并且使冷却流体在通路上循环回到冷却流体贮存器的槽161，而不与元件接触。因此，通过可控制地偏转冷却流体，在元件上的连续射流105的流量能够以一定的精确度进行控制。
尽管本实施例提供了多个被偏转的冷却流体的喷射方向，其中一个或多个喷射方向导引到槽内，并且其中未偏转方向和一个或多个偏转方向被无阻碍地引向元件，但是，其他的组合也属于本发明的范围内。例如，一个备选实施例可以设有阻碍件，该阻碍件构造成阻挡在未偏转方向上喷射的冷却流体撞击元件。
如先前所指出的那样，冷却系统具有多个喷射器。该多个喷射器可选地包括第一喷射器和第二喷射器，其中每个喷射器都具有构造成喷出冷却流体射流的喷口。如以上所介绍的那样，每个喷射器都包括偏转器，其是可操作的，以选择性地控制其各自的喷射器射流在沿第一方向和沿第二方向的喷射之间产生偏转，其中至少一个方向为朝向元件的不受阻的方向，即，在元件上具有印迹。为了提供冗余性、操作灵活性、或另外的冷却性能，第一喷射器的第一方向和第二喷射器的第二方向均朝向在元件上的单个热位置。优选的是，每个喷射器都具有在元件上的至少两个不同的喷射位置，不是所有的所述喷射位置都与其他喷射器的位置重叠。控制器构造成控制第一喷射器和第二喷射器的射流偏转器的操作，以通过在特定元件位置上具有多个喷射器的印迹而提供冗余性、操作灵活性和/或另外的冷却性能。例如，每个喷射器都可以具有在元件上的两个印迹，其中每个印迹都与附近不同的喷射器的印迹是冗余的。为了提供另外的优势，喷射器与多个邻近喷射器可以具有重叠的喷射位置。
如以上所指出的那样，在离喷口的一段分离距离处，在冷却流体射流内的表面张力使射流分离成微滴125。此实施例(或功能上类似的实施例)的加热器段可能用于控制其中射流分离成微滴的距离。这种使用是通过具有加热器和通过具有控制器而提供的，该加热器(为一个或多个优选围绕开口的加热器段的组合)构造成对由喷口发射出的冷却流体进行加热，该控制器构造成周期性地对加热器通电，以便控制其中射流分离成微滴的离喷口的距离。
再参见图1，第一实施例优选地包括冷却罩171、喷射机构173、贮存器121、散热器175、冷却流体回收管线179和泵181。冷却罩、喷射机构和贮存器优选集成单个冷却组件，它们中的一些或全部可以为整体式的。冷却罩构造成用以形成喷射腔室，其中冷却流体可以喷射而与一个或多个元件101热接触，并且优选喷射在一个或多个元件101之上，所述一个或多个元件101安装并且被载带在元件衬底183上，而形成组合件，组合件再安装和承载在印刷电路板185上。
喷射机构173包括入口187，用于接受以液体状态的冷却流体进入通道。用于液态和气态冷却流体回收的出口189优选地从喷射腔室延伸到冷却流体回收管线。该冷却组件优选地提供了完全集成的、模块级的喷射冷却系统，喷射冷却系统存在于单独或多个未覆盖的半导体元件101上，并且在单独或多个未覆盖的半导体元件101上局部地操作。
优选的是，冷却罩171包括具有表面193的凹入部分，该凹入部分形成了构造成形状相符地邻接在元件衬底183一个或多个表面上的空腔。当冷却罩的空腔形状相符地邻接元件衬底时，就形成了喷射腔室，喷射腔室至少包含(或邻接)待要进行喷射冷却的元件的部分。冷却罩优选由具有与元件衬底的热膨胀系数基本上匹配的热膨胀系数的材料制成。优选的是，冷却罩通过粘合剂、夹持机构、紧固件或其他配件型机构保持靠在元件衬底上，并且形成密封，使得液体和蒸汽冷却流体除了通过所设计的喷口之外不能逸出喷射腔室。
冷却流体的流动典型地响应于控制信号进行控制，控制信号由控制器135送给喷射器。该计算机化的控制器通过多个触点195电气式地连接于加热器上，优选关于重力而安装在冷却罩的侧部上，以留下为贮存器所用的顶部开口。触点优选地集成在冷却罩内，并且其外部暴露。
如先前所指出的那样，该实施例典型地包括多个喷射器，所述多个喷射器中的每一个都可以根据其所喷射元件的一部分的散热需求而以不同的速度运行。冷却罩还可以用于承载多种不同元件的元件衬底。一个或多个喷射器可以与每个芯片相关联，并且可以个别地控制，以便以取决于各单个芯片的每部分所产生热量的速度来操作。
贮存器121是邻接冷却罩171和/或喷头173的容器，并且优选地与冷却罩171和/或喷头173形成一体。贮存器优选地包括压力控制促动器197，以维持在贮存器内的压力高于在喷射腔室内的压力，并且优选高于大气压力。从喷射器流出的一般流率可以通过改变贮存器内的压力而变化。为此目的，控制器优选控制压力控制促动器的操作。压力控制促动器可以使用机械器件(例如弹簧和/或柱塞)，压力驱动器件(例如空气压缩机)，电气器件(例如压电式器件)等进行操作。贮存器优选地关于重力设置在处于或高于喷射器的高度处，以便避免重力削弱喷射器的流体压力供给。然而，其他方位也属于本发明的范围内。
贮存器121优选地还用作冷凝器。从冷凝器到环境、周围条件的热传递优选地通过散热器175发生，散热器175是空气冷却式的散热器，并且安装于冷凝器(贮存器)。散热器还可以为液体冷却板或冷冻式冷却板。本发明的实施例优选地提供了完全包含的封装件，其具有可以利用任何可任意使用的散热器的高性能喷射冷却系统。
贮存器在内部是粗糙化的，或包括散热片199，以增加其内表面面积，并且因此而改进其将热从冷却流体引导到散热器的性能。在备选实施例中，可以使用单独的冷凝器，其中，散热器邻接冷凝器，并且存在将冷却流体从冷凝器传递到贮存器的通道。
用于冷却流体回收的出口189关于重力在喷射腔室优选地是低的，以便回收液体冷却流体，并且将其导入冷却流体回收管线179中。冷却流体回收管线经过泵181，泵181构造成用于以与压力控制促动器197所维持的压力相等的压力，在液体回收管线向上泵送液体和蒸汽冷却流体进入贮存器/冷凝器121。为此目的，控制器优选地控制泵的操作。泵优选地为低压头、低流动性泵的微型泵。对于至少一些应用，泵的优良选项可能是可泵送液体和蒸汽的压电式膜式泵。液体回收管线优选地在高于液体冷却流体预定液位的位置将液体冷却流体排到贮存器中，从而使其穿过贮存器内的蒸汽而倾倒或喷射。
参见图5和图6，冷却系统的第二实施例类似于图1的第一实施例，除了射流偏转器构造成用以在不同原理下操作。类似于第一实施例，第二实施例构造成用于冷却诸如产生热量的半导体器件，其他信息处理器件，光学元件等的元件。该系统通过用冷却流体喷射元件，这样来冷却元件。该系统包括多个喷射器，每个喷射器都具有构造成用于喷射冷却流体射流205的喷口203。系统还包括射流偏转器，其是可操作的，以选择性地控制在沿第一偏转方向207的喷射与沿第二偏转方向209的喷射之间的射流偏转，其中，两个偏转方向中的至少一个方向是朝向元件的不受阻的方向。
类似于第一实施例，该喷射器设有来自包含加压冷却流体的贮存器的冷却流体。贮存器与冷却流体通道223流体相通。通道设有形成喷口203的周期性开口，一个喷口与各个喷射器相关联。在来自贮存器的压力下，冷却流体从贮存器流过通道，并且通过每个喷口流出，以形成冷却流体射流205。因此，通道使喷射器喷口与冷却流体源(贮存器)流体相通，该冷却流体源适于以足以连续喷出冷却流体射流的压力，来提供冷却流体给喷口。
在离喷口一段距离处，在冷却流体内的射流的表面张力促使射流分离成微滴225。该分离距离可以用试验方法或经分析测定。由一个或多个加热器段制成的加热器231可以可选择性地用于控制其中射流分离成微滴的距离。类似于第一实施例中的相应使用，这种使用是通过具有加热器和具有控制器而提供的，该加热器(为一个或多个优选地围绕开口的加热器段的组合)构造成对由喷口发射的冷却流体进行加热，该控制器构造成可控制地和周期性地对加热器通电，以控制其中射流分离成微滴的离喷口的距离。
射流偏转使用控制面进行控制，控制面定位成可在射流尚为连续射流(即其还没有转变为微滴的射流)的位置处与射流形成优选连续的接触。控制面关于射流的自然(未偏转)方向引起射流的偏转。与因接触引起的自由能的增加相关的这种偏转，可以通过控制控制面关于射流的位置(即关于在控制面上游的射流的部分)进行控制。这种控制面位置可以沿着射流流动方向纵向地调整，和/或横向于射流流动方向来调整。射流偏转器因此包括可移动的构造成用以接触射流的控制面。
该控制面可以构造成用于仅仅围绕式地接触射流圆周的一部分，或者，该控制面可以延伸围绕并接触射流的整个圆周，如图5中所示。更具体地说，控制面可以是控制环243的优选为圆形的内表面241。内表面可以为圆柱形的，沿着轴向方向弯曲的，或者另外成形为圆环的内部部分。该环的位置可以通过一个或多个控制臂245进行控制，一个或多个控制臂245由其中任一个多种一个或多个促动器促动，促动器是可控制的，诸如通过来自控制器的信号来促动。
在喷射器的操作期间，射流以各种偏转方向喷射，它可以包括多种不同的方向。所选的方向由控制器通过促动促动器而实现。所选的方向可以提供大量的喷射印迹，其中至少一个喷射印迹优选地朝向构造成用以阻挡冷却流体撞击元件的阻碍件。该阻碍件优选为构造成引导冷却流体远离元件并且使冷却流体在通路上循环回到冷却流体贮存器的槽。
类似于第一实施例，第二实施例的冷却系统具有多个喷射器。多个喷射器可选地包括第一喷射器和第二喷射器，第一喷射器和第二喷射器通过各自都具有在元件的单个发热部位(thermal location)上形成印迹的喷射方向，而构造成用以提供冗余性、操作灵活性和/或另外的冷却性能。优选的是，每个喷射器都具有至少两个在元件上的不同喷射位置，不是所有的喷射位置都与其他喷射器的位置重叠。控制器构造成用以控制第一喷射器和第二喷射器的射流偏转器的操作，以提供冗余性、操作灵活性和/或另外的冷却性能。如同第一实施例的情况一样，喷射器可以具有与多个邻近喷射器重叠的喷射位置，以提供另外的优势。
参见图7，冷却系统的第三实施例类似于第一实施例和第二实施例，除了射流偏转器构造成用以在不同原理下操作之外。如同前面两个实施例的情况一样，第三实施例构造成用于冷却诸如产生热量的半导体器件，其他信息处理器件，光学元件等的元件。该系统通过以冷却流体喷射元件冷却元件。该系统包括多个喷射器，每个喷射器都具有构造成用以喷出冷却流体射流305的喷口303。该系统还包括射流偏转器，其是可操作的，以选择性地控制在以未偏转方向307的喷射和以偏转方向309的喷射之间的射流偏转，其中，这两个方向中的至少一个方向是朝向元件的不受阻的方向。
类似于前面两个实施例，喷射器设有来自包含加压冷却流体的贮存器的冷却流体。贮存器与冷却流体通道323流体相通。通道设有形成喷口303的周期性开口，一个喷口相关联于各个喷射器。在来自贮存器的压力下，冷却流体从贮存器流过通道，并且通过每个喷口流出，以形成冷却流体射流305。因此，通道使喷射器喷口与冷却流体源(贮存器)流体相通，该冷却流体源适于以足以连续喷出冷却流体射流的压力，而提供冷却流体给喷口。
在离喷口分开一段距离处，在冷却流体射流内的表面张力将自然地使射流从连续射流分离成射流微滴325。这个自然的分离距离可以受到诸如流体性质(例如表面张力)等多种因素的影响，并且对于以特定压力操作的特定喷口，可以用试验方法或经分析测定。可由一个或多个加热器段制成的加热器331用于控制其中射流分离成微滴的分离距离。类似于用在前面两个实施例中的相应加热器的是，该加热器构造成用以加热由喷口发射的冷却流体，并且通过具有构造成用以可控制地和周期性地对加热器通电的控制器，以便控制和缩短离喷口的其中射流分离成微滴的分离距离。如图7中虚线所示，该加热器的这种使用就导致在缩短的分离距离处发生微滴分离。缩短的分离距离对于特定的加热器和控制器构造而言，可以用试验方法确定。
射流偏转使用加热器33并使用两个或多个电极进行控制。第一电极341与冷却流体通道323内的冷却流体电气相通。在此实施例中，冷却流体导引电流，并且因此第一电极与射流305电气相通。应注意的是，导电性冷却流体在冷却应用中可能是无用的，其中导电性冷却流体可能干涉被冷却元件的电子操作。为了避免这种干涉，导热性盖子或其他这种导热性阻挡层可以用于电气式地对元件绝缘。高导电性盖子例如可以由镶金刚石的材料制成，并且用作冷却流体喷射到其上的导热板。
两个或多个电极中的第二电极343在接近未偏转射流路线的位置定位在偏位构件345上。该偏位构件在沿着未偏转纵向射流路线(即离喷口一段轴向射流距离)离开一段纵向隔开距离并且离未偏转射流一段横向隔开距离(即径向距离)处保持第二电极。
提供电路，以在第一电极和第二电极之间建立电势，所述电势优选地在控制器的控制下。在适于提供射流偏转器起作用的水平高度处，确定该纵向隔开距离和横向隔开距离。
更具体地说，射流的自然的分离距离优选等于或大于该纵向隔开距离，并且缩短的分离距离优选比纵向隔开距离小。而且，该横向隔开距离足够小，以便当射流未被偏转并且没有被加热器缩短时，在射流和第二电极之间的电势在功能上用于偏转射流(例如为了此处介绍的功能充分地偏转射流)。优选的是，横向隔开距离足够大，以便当电极处于控制器的控制下所提供的全电势时，防止偏转射流接触第二电极。
为了控制偏转，加热器331用于控制分离距离。当不希望偏转时，对加热器通电，以便将连续射流缩短至缩短的分离距离。在此分离距离，在第二电极和未偏转的连续射流之间的距离充分地大于横向隔开距离，并且足够大，使得在连续射流和第二电极之间的电势差不足以在功能上偏转射流。在相关微滴射流中的有限电荷对于电势差而言优选不足以在功能上偏转射流。
当希望偏转时，不对加热器通电，并且将连续射流延长至自然的分离距离。在此分离距离处，在第二电极和未偏转的连续射流之间的距离基本上等于横向隔开距离，并且足够小，使得在连续射流和第二电极之间的电势差足够大，从而在功能上用于偏转射流。对于备选形式的控制，控制器可以控制在电极之间的电势差，而让连续射流处于恒定的长度(优选为自然的分离距离)。
在一个或多个偏位构件上可以任选地设有多个偏位电极，其中，每个(或其中每组)偏位电极都构造成用于起到第二电极的作用，而以不同方向来偏转射流。使用第一电极和这些偏位电极，控制器就可以选择性地对偏位电极通电，以便以多个方向控制射流的偏转。
因此，在喷射器的操作期间，射流以各种偏转方向喷射，所述偏转方向可以包括多种不同方向。所选的方向由控制器通过选择性地对偏位电极与第一电极(即射流电极)一起通电而实现。所选的方向可以提供大量的喷射印迹，其中至少一个喷射印迹优选地朝向阻碍件，该阻碍件构造成用以阻挡冷却流体撞击元件。阻碍件优选为构造成引导冷却流体远离元件并且使冷却流体在通路上循环回到冷却流体贮存器的槽。
类似于前面两个实施例，冷却系统的第三实施例优选具有多个喷射器。多个喷射器可选地包括第一喷射器和第二喷射器，第一喷射器和第二喷射器通过每个都具有朝向在元件的单个发热部位上的喷射方向，而构造成用以提供冗余性、操作灵活性和/或另外的冷却性能。优选的是，每个喷射器都具有至少两个在元件上的不同喷射位置，不是其中所有的喷射位置都与其他喷射器的位置重叠。控制器构造成用以控制第一喷射器和第二喷射器的射流偏转器的操作，以提供冗余性、操作灵活性和/或另外的冷却性能。如同前面两个实施例的情况一样，喷射器可以具有与多个邻近喷射器重叠的喷射位置，以提供另外的冗余性。
参见图8，冷却系统的第四实施例类似于第一至第三实施例，但射流偏转器构造成用以在类似于第二和第三实施例之组合的原理下操作。如同前面三个实施例的情况一样，第四实施例构造成用于冷却诸如产生热量的半导体器件，其他信息处理器件，光学元件等的元件。系统通过以冷却流体喷射元件冷却元件。系统包括多个喷射器，每个喷射器都具有构造成用以喷出冷却流体射流405的喷口403。系统还包括射流偏转器，其是可操作的，以选择性地控制在以第一偏转方向407的喷射和以第二偏转方向409的喷射之间的射流的偏转，其中，这两个方向中的至少一个方向是朝向元件的不受阻的方向。
如同前面三个实施例中所述的那样，喷射器设有来自包含加压冷却流体的贮存器的冷却流体。贮存器与冷却流体通道423流体相通。该通道设有形成喷口403的周期性开口，一个喷口与各个喷射器相关联。在来自贮存器的压力下，冷却流体从贮存器流过通道，并且通过每个喷口流出以形成冷却流体射流405。因此，该通道使喷射器喷口与冷却流体源(贮存器)流体相通，该冷却流体源适于以足以连续喷出冷却流体射流的压力，而提供冷却流体给喷口。
在离喷口一段分离距离处，在冷却流体射流内的表面张力将自然地使射流从连续射流分离成射流微滴。这种自然的分离距离可以为诸如流体性质(例如表面张力)的许多因素影响，并且对于以特定压力操作的特定喷口，可以用试验方法或经分析测定。可由一个或多个加热器段制成的加热器431用于控制其中射流分离成微滴的分离距离。类似于用在前面三个实施例中的相应加热器，该加热器构造成用以加热由喷口发射的冷却流体，并且通过设有构造成用以可控制地和周期性地对加热器通电的控制器，以便控制和缩短离喷口的其中射流分离成微滴的分离距离。加热器的这种使用导致在缩短的分离距离处发生微滴分离。对于特定的加热器和控制器构造，可以用试验方法确定该缩短的分离距离。
射流偏转使用控制面和两个或多个电极进行控制。第一电极441与冷却流体通道423内的冷却流体电气相通。在此实施例中，冷却流体导引电流，并且因此第一电极与射流405电气相通。如同第三实施例的情形一样，应注意的是，导电性冷却流体在冷却应用中可能是无用的，其中导电性冷却流体可能干涉被冷却元件的电子操作。为了避免这种干涉，导热性盖子或其他这种导热性阻挡层可以用于电气式地对元件绝缘。高导电性盖子例如可以由镶金刚石的材料制成，并且用作冷却流体喷射到其上的导热板。
两个或多个电极中的第二电极443紧接于喷口403定位。第二电极的导向面445为形成了控制面449的覆盖层447所覆盖。射流405优选在与射流排出喷口处相邻接的位置处接触控制面。控制面优选与射流连续接触地设置，并且优选成形为具有沿着纵向流动方向的凸曲率。
控制面449导致射流相对于自然(未偏转)的射流方向产生偏转。与因接触引起的自由能的增加相关并且还可能受到与射流流动的干涉影响的这种偏转，可以通过控制控制面相对于射流的位置进行控制。这种控制面位置可以选择性地沿着射流流动方向纵向地调整，和/或横向于射流流动方向而横向地调整。射流偏转器因此可选地包括可移动的构造成用以接触射流的控制面，该控制面在原理上类似于第二实施例的控制面。
覆盖层447由防止电流在射流405和第二电极443之间流动的电绝缘材料构成。覆盖层优选为薄的(例如薄涂层)，以允许在射流和第二电极之间的电势足以改变表面自由能并且因此而使射流转向，同时使用较低水平的电势。
为了控制偏转，调整在射流和第二电极之间的电势。当希望最小的偏转时，电势减小为零或低水平。当希望较大的偏转时，增加电势。
参见图9，可以任选地具有多个电极461，每个电极都通过绝缘体463彼此隔开，并且每个电极都构造成用以如同第二电极进行操作。这些电极和绝缘体可以配置在围绕喷口的旋转对称位置，以便形成旋转对称的导向面。在这种装置中，控制面覆盖多个电极和绝缘体，使得接触面优选为三维的、旋转对称的、弯曲的、锥形的表面。通过控制选择其中哪个电极用作第二电极以及控制第二电极的电势，就能够在多个方向中的任一方向上以可控的量可控地偏转射流。
所选的方向可以提供大量的喷射印迹，其中至少一个喷射印迹优选朝向阻碍件，该阻碍件构造成用以阻挡冷却流体撞击元件。该阻碍件优选为构造成引导冷却流体远离元件并且使冷却流体在通路上循环回到冷却流体贮存器的槽。
类似于前面三个实施例，冷却系统的第四实施例具有多个喷射器。多个喷射器可选地包括第一喷射器和第二喷射器，第一喷射器和第二喷射器通过每个都具有朝向在元件的单个发热部位上的喷射方向，而构造成用以提供冗余性、操作灵活性和/或另外的冷却性能。优选的是，每个喷射器都具有在元件上的至少两个不同的喷射位置，不是其中所有的喷射位置都与其他喷射器的位置重叠。控制器构造成用以控制第一喷射器和第二喷射器的射流偏转器的操作，以提供冗余性、操作灵活性和/或另外的冷却性能。如同前面两个实施例的情况一样，喷射器可以具有与多个邻近喷射器重叠的喷射位置，以提供另外的冗余性。
本发明第五、第六、第七和第八实施例中的每一个实施例都分别类似于第一实施例至第四实施例，但使用了渐增式喷射器。参见图10，这种渐增式喷射器501构造成用于将来自贮存器的渐增量的液体冷却流体喷射到元件上，以便汽化式地冷却元件。更具体地说，图10显示了两个简化的、示范性的渐增式喷射器，每个喷射器都包括限定了用于接收预定量的冷却流体的腔室503和用于汽化冷却一部分流体的加热器505的结构。汽化的冷却流体产生压力，以便通过喷口507喷出渐增式的冷却流体射流，喷口507将被喷出的冷却流体引向元件。喷口优选在柔性聚合物带509中形成，例如，可买到的、来自3M公司的KaptonTM带。
包含加热器505的硅衬底513固定于带509的背面511，加热器505是能够被单个地供能的薄膜电阻器的形式。每个加热器都优选设置在腔室503的一侧并且在腔室喷口507的对面。冷却流体优选通过毛细作用而被吸入并载入腔室中，这对于喷墨型器件是常见的。计算机化的控制器(未示出)发送对加热器通电的控制信号，汽化相邻于加热器的那部分冷却流体。汽化的冷却流体膨胀，促使大多数未汽化的冷却流体以射流的形式排出喷口。在腔室已经由加热器发射之后，通过毛细作用再次装填腔室，以便随后的发射。
从渐增式喷射器501的液体喷射物的流量是高度可控的，并且因此无需槽来收集被转向的过量喷射物。例如，通过增加或降低喷射器被通电的频率，可以精确地调整流率。因为无需槽，所以，射流偏转器可以更完全地用于以多种方向进行偏转。此外，因为喷射器可以构造成用以输送非常少量的冷却流体，并且因为大量地喷射器可以装配在小面积上，所以，可以通过对其中一些喷射器以大于其他喷射器的速度而通电，来精确控制在此面积上的热量分布。
尽管可以用作本发明的部分的渐增式喷射器可以基于诸如压电式技术(即压电式喷嘴)的其他类型的喷射射流微滴驱逐技术，但是，它们优选基于热喷射射流技术。这种技术的示例在许多美国专利中有论述，包括No.5,924,198、4,500,895和4,683,481，美国专利通过引用结合于本文中。其他热喷射射流技术同样可以适用于本发明。用于热渐增式喷射器的非常优选的冷却流体为3M Fluorinert，它容易适用于现有的热喷射射流技术，因为它具有类似于典型地用于喷墨打印机的墨水那样的粘性和沸点。
在第五实施例中，在形成了位于喷口外围部分的出口平面的表面处，该实施例包括四个形成基本上围绕喷口出口的环的加热器段。每个加热器段都围绕出口的大致四分之一而延伸，并且是可以个别地通电的。控制器构造成用以可控地对加热器段中的任一个通电，并且优选对四个相邻对的加热器段中的任一个通电。类似于第一实施例，如果在喷射器的操作期间没有加热器段被通电，那么射流就以未偏转的方向喷射。然而，类似于第一实施例，当不对称组的一个或多个加热器段被通电时，射流被偏转。加热器段因此形成本实施例的射流偏转器，并且射流偏转器包括构造成用以不对称地加热喷口外围部分的加热器。
在第六实施例中，射流偏转使用控制面进行控制，该控制面定位成以在其中射流是连续射流(即在它还没有转变为微滴的射流的地方)的位置处与射流连续接触。控制面导致射流相对于自然(未偏转)的射流方向而产生偏转。与因接触引起的自由能的增加相关的这种偏转，可以通过控制控制面相对于射流的位置(即相对于在控制面上游的那部分射流)进行控制。这种控制面位置可以沿着射流流动方向进行纵向调整，和/或横向于射流流动方向进行调整。射流偏转器因此包括可移动的构造成用以接触射流的控制面。该控制面可以为多种构造，并且可以是定位成相邻于未偏转的渐增射流的环形控制面。
在第七实施例中，冷却流体导引电流，并且使用两个或多个电极来控制射流偏转。第一电极与排出喷口的冷却流体电气相通。这可以使用在喷口自身处的电极来实现。两个或多个电极中的第二电极在接近未偏转的射流路线的位置定位在偏位构件上。偏位构件在沿着未偏转纵向射流路线的纵向隔开距离(即离喷口一段纵向距离)并且在离未偏转射流一段横向隔开距离(即径向距离)处保持第二电极。提供电路，以在第一电极和第二电极之间建立电势，电势优选地在控制器的控制下。在适于提供射流偏转器起作用的水平高度处确定纵向隔开距离和横向隔开距离。
如先前所指出的那样，导电性的冷却流体在冷却应用中可能是无用的，其中导电性冷却流体可能干涉被冷却元件的电子操作。为了避免这种干涉，导热性盖子或其他这种导热性阻挡层可以用于电气式地对元件绝缘。高导电性盖子例如可以由镶金刚石的材料制成，并且用作冷却流体喷射到其上的导热板。
在第八实施例中，冷却流体引导电流，并且使用控制面和两个或多个电极控制射流偏转。第一电极与排出喷口的冷却流体电气相通，或使用控制面的导电部分。两个或多个电极中的第二电极紧接于喷口定位。第二电极的导向面为形成控制面的覆盖层所覆盖。排出喷口的射流优选在邻接射流排出喷口的地方的位置处接触控制面。控制面优选与射流连续接触地设置，并且优选成形为具有沿着纵向流动方向的凸曲率。
控制面导致射流相对于自然(未偏转)的射流方向而发生偏转。与因接触引起的自由能的增加相关并且还可受到射流流动的干涉影响的这种偏转，可以通过控制控制面相对于射流的位置，来进行控制。这种控制面位置可以选择性地沿着射流流动方向进行纵向调整，和/或横向于射流流动方向进行调整。射流偏转器因此可选地包括可移动的构造成用以接触射流的控制面，该控制面在原理上类似于第二实施例的控制面。
覆盖层由防止电流在射流和第二电极之间流动的电绝缘材料构成。覆盖层优选为薄的(例如薄涂层)，以允许在射流和第二电极之间的电势足以改变表面自由能并因而使射流转向，同时使用较低水平的电势。为了控制偏转，调整在射流和第二电极之间的电势。当希望最小的偏转时，电势减小为零或低水平。当希望较大的偏转时，增加电势。
如先前所指出的那样，导电性的冷却流体在冷却应用中可能是无用的，其中导电性冷却流体可能干涉被冷却元件的电子操作。为了避免这种干涉，导热性盖子或其他这种导热性阻挡层可以用于电气式地对元件绝缘。高导电性盖子例如可以由镶金刚石的材料制成，并且用作冷却流体喷射到其上的导热板。
如同前面四个实施例的情况一样，第五至第八实施例的渐增式喷射冷却器可以包括构造成用以控制离开喷口的距离的控制器，其中渐增式射流通过周期性地对加热器通电而分离成微滴。这些实施例还优选配置成具有多个这种喷射器，其中这些邻近的喷射器具有喷射图案，其允许来自每个喷射器的一个或多个喷射印迹在元件的单个发热部位上重叠。
应该明白的是，本发明包括用于设计冷却系统并且用于制造冷却系统的器件和方法，以及冷却系统自己的器件和方法。另外，本发明的各种实施例可以将以上公开的特征的各种组合结合在一般地论述的喷射射流式喷射冷却系统中，并且可以采用如以上对于喷射射流式喷射冷却系统所介绍的相关方法(或它们中的部分)进行设计，制造和操作。简而言之，以上公开的特征可以在本发明的预期范围内以多种构造进行组合。
此外，应该明白的是，如以上所介绍的单个地或成组地冷却的被冷却元件可以安装在电路板上，以形成包括一个或多个电路板的系统，电路板载带有通过电路板而电子式互联起来的一个或多个被冷却元件。这种系统也属于本发明的范围内。另外，与一个或多个用于冷却来自许多被冷却元件的流体的冷却流体冷凝器组合起来的被冷却元件的组合也属于本发明的范围内。
尽管已经图解说明和介绍了本发明的特别形式，但显而易见的是，可以在不背离本发明的精神和范围前提下进行各种更改。因此，尽管本发明已经仅参照优选的实施例进行了详细介绍，但是本领域普通技术人员将明白，在不背离本发明范围的前提下，可以进行各种更改。因此，本发明不应被以上的论述所限制，而是参考所附权利要求进行限定。

Claims (10)

1.一种用于以冷却流体来冷却元件(101)的系统，包括：
喷射器(102)，其具有构造成用以喷出所述冷却流体的射流(105)的喷口；和
射流偏转器，其是可操作的，以便选择性地控制所述射流在沿第一方向喷射和沿第二方向喷射之间的偏转；
其中，所述第一方向是朝向所述元件的不受阻的方向。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括构造成用以阻挡沿所述第二方向喷射的冷却流体撞击所述元件的阻碍件(161)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射流偏转器构造成用于以两个自由度来偏转所述射流。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
第二喷射器，其具有构造成用以喷出所述冷却流体射流的喷口；
第二射流偏转器，其是可操作的，以便选择性地控制所述第二喷射器的射流在沿第二喷射器的第一方向喷射和沿第二喷射器的第二方向喷射之间的偏转；和
控制器(135)，其配置成用以控制所述第一射流偏转器和第二射流偏转器的操作；
其中，所述第二喷射器的第一方向和第二方向是朝向所述元件的不受阻的方向；并且
其中，所述第一喷射器的第一方向和所述第二喷射器的第二方向均朝向在所述元件上的单个发热部位。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
加热器(131)，其构造成用以加热由所述喷口发射的冷却流体；和
控制器(135)，其配置成用以通过对所述加热器周期性地通电，来控制其中所述射流分离成微滴的离所述喷口的距离。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷射器喷口与冷却流体源流体相通，所述冷却流体源适于在足以连续地喷出所述冷却流体射流的压力下为所述喷口提供冷却流体。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述射流偏转器包括构造成用以不对称地加热所述喷口外围部分的加热器(131)。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述射流偏转器包括构造成用以接触所述射流的可移动的控制面(241)。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述射流偏转器包括与形成所述射流的所述冷却流体相接触的第一电极(341)，以及定位成当在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压时用于偏转所述射流的第二电极(343)。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷射器包括配置成用以响应于控制信号而喷射渐增式冷却流体射流的喷射促动器。
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