JP2005195226A - ポンプレス水冷システム - Google Patents

Abstract

【課題】 外部動力を必要とせず、任意方向への熱輸送が可能であり、かつ高信頼性・低熱抵抗のポンプレス水冷システムを提供する
【解決手段】 熱交換用循環溶液１と循環溶液の蒸気１２とが収容された熱交換循環溶液収納容器４、この収納容器外壁に設けられた放熱器２、収納容器内の熱交換用循環溶液１を収納容器外に送出する溶液送出口５、高温の熱交換用循環溶液１と循環溶液の蒸気泡１３とからなる気液二相流体を収納容器内に送入する気液二相流体送入口８、並びに溶液送出口５と連接すると共に、顕熱放出熱交換器１０が設けられる第１輸送路６と、内部の熱交換用循環溶液と収納容器内の熱交換用循環溶液および蒸気とが熱交換する第２輸送路７と、気液二相流体送入口８と連接すると共に、加熱熱交換器１１が設けられる第３輸送路９とを有し、第１〜３輸送路を連接した循環溶液輸送路Ａを備えたポンプレス水冷システムとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は熱輸送機器に関するものであり、特に機械式ポンプ等の外部動力を必要としないポンプレス水冷システムに関するものである。

近年、電子機器の発熱量が急激に増大しており、より高効率な放熱手段が必要とされている。また、電子機器の寿命も増大しており、より高信頼性である放熱手段が必要とされている。このような背景のもと、可動部を持たないヒートパイプ（例えば、特許文献１参照。）が再注目されている。ヒートパイプは、重力式ヒートパイプ（熱サイフォン）と毛細管力式ヒートパイプとの二つに大別される。重力式ヒートパイプとは、密閉容器の中に作動流体を適量封入したものであり、下方を発熱体と接合し、上方を放熱部と接合または直接冷却流体中に設けたものである。一方、毛細管力式ヒートパイプとは、内壁に溝を有する密閉容器の中、または内壁に多孔質物質が内張りされた密閉容器の中に作動流体を適量封入したものであり、一方の端を発熱体と接合し、もう一方の端を放熱部と接合または直接冷却流体中に設けたものである。

特開２００３−１４８８８２号公報（第３頁、図１）

上記のような構成の毛細管力式ヒートパイプは、毛細管力という極めて小さな駆動力により作動流体を加熱部（発熱体が設けられた部分）に還流させるために、最大熱輸送能力が小さく、また重力方向とは逆方向へ作動流体を還流させることが難しく、熱輸送が困難であるという問題があった。一方、重力式ヒートパイプは、重力を利用して作動流体を加熱部に還流させるために、必ず発熱体より放熱部が上方にならなければならないという姿勢制限があり、その設置姿勢に関する自由度がないという問題があった。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、外部動力を必要とせず、任意方向への熱輸送が可能であり、かつ熱輸送量が大きく、より熱抵抗の小さな、高信頼性・低熱抵抗のポンプレス水冷システムを提供することを目的とする。

本発明のポンプレス水冷システムは、熱交換用循環溶液と上記循環溶液の蒸気とが収容された熱交換循環溶液収納容器、この収納容器外壁に設けられた放熱器、上記収納容器内の熱交換用循環溶液を収納容器外に送出する溶液送出口、高温の熱交換用循環溶液と上記循環溶液の蒸気泡とからなる気液二相流体を上記収納容器内に送入する気液二相流体送入口、並びに上記溶液送出口と連接すると共に、顕熱放出熱交換器が設けられる第１輸送路と、内部の熱交換用循環溶液と上記収納容器内の熱交換用循環溶液、または内部の熱交換用循環溶液と上記収納容器内の熱交換用循環溶液および上記収納容器内の熱交換用循環溶液の蒸気とが熱交換する第２輸送路と、上記気液二相流体送入口と連接すると共に、加熱熱交換器が設けられる第３輸送路とを有し、上記第１輸送路ないし上記第３輸送路を連接した循環溶液輸送路を備えたものである。

この発明のポンプレス水冷システムにおいては、第３輸送路で熱交換用循環溶液が加熱熱交換器からの熱を受け取ると、熱交換用循環溶液は昇温し、第３輸送路の内部で沸騰が生じて蒸気泡が発生し、該蒸気泡に働く浮力により熱交換用循環溶液と上記蒸気泡とが循環溶液輸送路内を移動する。上記蒸気泡の移動により、加熱熱交換器から受け取る熱の一部は熱交換循環溶液収納容器外壁に設けた放熱器から放出する。また、上記熱交換用循環溶液の移動により、加熱熱交換器から受け取る残りの熱は高温に昇温した顕熱放出熱交換器から放熱する。従来の重力式ヒートパイプでは、本発明における蒸気泡による熱輸送だけであるのに対して、本発明では蒸気泡と循環溶液との両方による熱輸送が行われるため、大量の熱を輸送することができる。また、顕熱放出熱交換器への熱輸送は液体のみによる輸送であることから、加熱熱交換器より上方に顕熱放出熱交換器を設ける必要がなく、顕熱放出熱交換器を任意の位置に設けることができ、放熱位置の自由度が増す。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態１によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。また、図２は本発明の実施の形態１による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。図１において、熱交換循環溶液収納容器４は高温度に昇温した熱交換用循環溶液１と該溶液１が相変化して潜熱を保有する高温度の蒸気１２とを収容する。また、この熱交換循環溶液収納容器４の外壁には放熱器２が設けられており、上記熱交換用循環溶液１と蒸気１２の保有する熱を放熱器２へ放出する。その際、上記蒸気１２の一部が凝縮し、熱交換用循環溶液１になる。なお、本実施の形態において、熱交換循環溶液収納容器４の壁面は放熱器と熱交換を行う伝熱壁の役割を有しており、内外壁面にフィンなどを設けても良い。また、放熱器２は図２に示すような構成、即ち、熱交換循環溶液収納容器４の外壁の一部を周囲へ突き出し、突き出した外壁にフィンを設けた構成とし、さらにファン３を用いて放熱するようにしても良い。

熱交換循環溶液収納容器４には容器４内の熱交換循環溶液１を送出する溶液送出口５と気液二相流体送入口８とが設けられている。二相流体送入口８からは、高温に昇温された熱交換用循環溶液１と高温度に昇温されて沸騰した熱交換用循環溶液１の蒸気泡１３との気液二相流体が流入する。また、この気液二相流体の流入により、熱交換循環溶液収納容器４内の熱交換循環溶液１と蒸気１２が凝縮して生成される凝縮液とが攪拌される。

熱交換用循環溶液１は、熱特性が高く（例えば熱伝導率が高い、比熱が大きい）、流動特性が良く（例えば粘性係数が小さい）、気体に対する液体の密度比が大きな流体が好ましく、蒸留水、アルコール、液体金属などの単一成分よりなる液体、不凍液、アルコール水溶液等の水溶液、あるいは磁性流体などの混合液体であって、気液の相変化を生ずる流体が使用される。蒸気１２は、該熱交換用循環溶液１またはその一部が気化したものであるが、空気などの不凝縮ガスを混入させても良い。

熱交換循環溶液収納容器４に設けられた上記溶液送出口５と上記気液二相流体送入口８との間には循環溶液輸送パイプＡが連接しており、熱交換用循環溶液１が循環する循環溶液輸送路を構成している。
循環溶液輸送パイプＡは、上記溶液送出口５に接続する溶液送出パイプ（第１輸送路）６と、熱交換循環溶液収納容器４内を通過する容器内パイプ（第２輸送路）７と、上記気液二相流体送入口８に接続する気液二相流体送入パイプ（第３輸送路）９とを含み、熱交換循環溶液収納容器４に収容された熱交換用循環溶液１は、該容器４を出て、溶液送出パイプ６から容器内パイプ７を経、さらに気液二相流体送入パイプ９を経て該容器４に戻る。

なお、溶液送出口５は高温度の熱交換用循環溶液１を送出するためのものであり、熱交換用循環溶液１と共に蒸気泡１３が流入すると、熱交換用循環溶液１の循環方向と逆向きに浮力が働き、熱交換用循環溶液１の循環流量を減少させるので、蒸気泡１３流入防止のために溶液送出口５に、蒸気泡１３と同じ又は蒸気泡１３より小さい径の金網またはじゃま板を設置すると良い。

また、気液二相流体送入パイプ９は、熱交換循環溶液収納容器４内に突き出しても良い。このようにすることにより、より大きな浮力が発生し、熱交換用循環溶液１の循環流量が増大し、熱輸送能力が向上する。

循環溶液輸送パイプＡのうち、上記溶液送出パイプ６には顕熱放出熱交換器１０が設けられ、溶液送出パイプ６内を循環する循環溶液はパイプ壁より熱を放出する。また、上記気液二相流体送入パイプ９には加熱熱交換器１１が設けられ、溶液送出パイプ６内を循環する循環溶液はパイプ壁より熱を吸熱し加熱される。
加熱熱交換器１１は、電子機器等の発熱体の放熱部、または上記発熱体から熱を輸送する機器の放熱部であり、放熱器２および顕熱放出熱交換器１０は、冷凍サイクルおよびヒートパイプ等の熱輸送機器の受熱部、または自然・強制対流熱伝達、輻射等を利用する放熱壁である。また、加熱熱交換器１１、顕熱放出熱交換器１０、放熱器２を設ける替りに、加熱熱交換器１１が設けられる気液二相流体送入パイプ９、顕熱放出熱交換器１０が設けられる溶液送出パイプ６、および放熱器２が設けられる熱交換循環溶液収納容器４を、直接任意空間（空気中、水中、土壌など）に剥き出しに設置し、熱伝導、自然・強制対流熱伝達、輻射等を利用して加熱もしくは放熱しても良い。その際、さらにフィン等を放熱壁または該剥き出し部外表面に設けても良い。また、放熱器２および顕熱放出熱交換器１０の冷却手法として走行風を利用しても良い。
また、加熱熱交換器１１、および顕熱放出熱交換器１０は流路沿いに複数設置しても良い。

循環溶液輸送パイプＡは、熱交換用循環溶液１を移送する円管、楕円管、矩形管、コルゲート管（フレキシブルパイプ）等からなる通路である。また、循環溶液輸送パイプＡのうち、加熱熱交換器１１が設けられる気液二相流体送入パイプ９壁面、顕熱放出熱交換器１０が設けられる溶液送出パイプ６壁面、および容器内パイプ７壁面は熱交換を行う伝熱壁の役割を有し、各パイプ壁面の内部に伝熱促進用の乱流促進体、または旋回流促進体（例えば、ねじりテープ）、またはフィンなどを設けても良く、また単位体積当たりの伝熱面積を増大させるためにらせん管または蛇行管としても良い。さらに、容器内パイプ７は、容器内パイプ７内の熱交換用循環溶液１と、容器内パイプ７外の熱交換用循環溶液１および蒸気１２との熱交換を行うものであり、容器内パイプ７の外壁面にフィン等を設けても良い。
一方、上記各壁面以外の循環溶液輸送パイプＡ外壁面に断熱材を設けても良い。

次に、本実施の形態１による熱輸送機器の動作を説明する。熱交換循環溶液収納容器４内に収容された高温度の熱を保有する熱交換用循環溶液１は、循環溶液輸送パイプＡを流動しながら機器内を循環するが、高温度の上記熱交換用循環溶液１は、循環溶液輸送パイプＡの溶液送出パイプ６を通過する際に、顕熱放出熱交換器１０で顕熱を放出し、熱交換して低温度に冷却される。冷却後、容器内パイプ７を通過する際に、熱交換循環溶液収納容器４内に収容された高温の熱交換用循環溶液１、または高温の熱交換用循環溶液１と上記循環溶液の蒸気１２とで予熱されて昇温する。昇温された熱交換用循環溶液１は、気液二相流体送入パイプ９に設けられた加熱熱交換器１１によってさらに高温度に昇温されて沸騰し、蒸気泡１３を発生させながら熱交換循環溶液収納容器４に戻る。熱交換循環溶液収納容器４内に戻った熱交換用循環溶液１と蒸気泡１３（蒸気１２となる）とは、熱交換循環溶液収納容器４外壁に設けられた放熱器２に熱を放出し、蒸気１２の一部は凝縮し、熱交換用循環溶液１になる。また、上記熱交換循環溶液収納容器４に戻った熱交換用循環溶液１は、再度、循環溶液輸送パイプＡを流動し、冷却、予熱、沸騰温度への昇温を繰り返す。

本実施の形態の熱輸送機器においては、熱交換用循環溶液１の相変化により生じる循環溶液輸送パイプＡ内の密度差（密度差により生じる浮力）を利用して、機器内を熱交換用循環溶液１が循環するようにしている。即ち、加熱熱交換器１１から気液二相流体送入口８までの気液二相流体送入パイプ９内の気液二相流体の見かけの密度と、該区間高さと同じ高さ区間における循環溶液輸送パイプＡ内の熱交換用循環溶液１の密度との密度差を利用して熱交換用循環溶液１を循環させている。また、この循環を繰り返すことにより、加熱熱交換器１１から伝達された高温度の熱を顕熱放出熱交換器１０と放熱器２とへ輸送し、顕熱放出熱交換器１０と放熱器２とから熱を必要とする別の機器または低熱源に熱を輸送するようにしている。

なお、上記実施の形態において、熱交換循環溶液収納容器４、顕熱放出熱交換器１０、および加熱熱交換器１１の位置関係は、加熱熱交換器１１が熱交換循環溶液収納容器４より下方にあればよく、加熱熱交換器１１と熱交換循環溶液収納容器４以外は本実施の形態とは異なる位置関係にあっても良い。例えば顕熱放出熱交換器１０が加熱熱交換器１１および熱交換循環溶液収納容器４より上方にあっても良い。

また、加熱熱交換器１１と熱交換循環溶液収納容器４の二相流体送入口８との間の距離が十分に長い場合は、この部分のパイプ９ａ内の熱交換循環溶液１に働く浮力により熱交換循環溶液１が循環することができるため、加熱熱交換器１１を水平姿勢に設けることができる。図３は加熱熱交換器１１を水平にしたポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。このようにすることにより、水平面からの熱輸送が可能になる。
なお、この場合、加熱熱交換器１１は出口側が水平より少し上に傾いている方がより好ましい。
なお、図３では、加熱熱交換器１１の設置部分から沸騰し始めているが、加熱熱交換器１１の設置部分では沸騰せず、パイプ９ａ内で沸騰することがある。このような沸騰はフラッシュ蒸発と呼ばれるもので、下方では水頭圧が大きく高圧であるため沸騰しないが、上方になるほど水頭圧が小さくなり、より低圧（液体の飽和圧力以下）になり沸騰し始めるためである。このような状態であっても、パイプ９ａ内の熱交換循環溶液１に働く浮力により熱交換循環溶液１が循環することができるため、加熱熱交換器１１を水平姿勢に設けることができる。

以上のように本実施の形態による熱輸送機器においては、外部動力を用いることなく、熱交換循環溶液の密度差を利用して機器内を熱交換循環溶液が連続的に循環するようにしたので、あらゆる方向（水平、下部から上方、上方から下方など）へ大量の熱を輸送することができる。また、長距離熱輸送も可能となる。また、可動部を有するポンプ等を有さないために、耐久性・信頼性に富み、コンパクトで軽量である。
さらに、二種類の放熱部から放熱するので、熱輸送能力が向上し、熱抵抗が小さくなる。また、加熱熱交換器から供給される熱負荷が小さい場合でも、放熱器により蒸気１２が凝縮されることから、第３輸送路内の気液二相流体の移動が生じやすく、安定した熱交換循環溶液の循環が引き起こされ、この溶液循環の脈動など不安定な動作が生じ難い。さらに、連続した循環が生じ、また熱交換循環溶液収納容器内に流入する蒸気泡が、熱交換循環溶液と蒸気が凝縮して生成される凝縮液とを攪拌するため、多成分流体を熱交換循環溶液として用いても、局所的に濃度が高くなり、沸点上昇などの動作不良を起こすことがない。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。本実施の形態２によるポンプレス水冷システムは、図４に示すように、熱交換循環溶液収納容器４に該容器４と連結された熱交換循環溶液収納補助容器１４を設け、熱交換循環溶液収納補助容器１４内または該容器１４外壁にヒータなどの加熱器１５を設置している。
熱交換循環溶液収納補助容器１４の設置場所は、容器４と加熱熱交換器１１との間の気液二相流体送入パイプ９以外の部分が好ましく、容器４と連通するように設置すればよい。図４においては、容器４の下部と連通しているが、このような構成に限らない。

本実施の形態２では熱交換循環溶液収納補助容器１４を設け、加熱器１５により該容器１４内温度を制御することにより、熱交換循環溶液収納容器４内圧力を調節することができ、加熱熱交換器１１内の沸騰温度を制御することができる。その結果、加熱熱交換器１１の温度を調節することができる。
また、加熱器１５により容器１４内温度を制御することにより、該容器１４内熱交換循環溶液１の収容量を調節することができ、その結果、熱交換循環溶液収納容器４内熱交換循環溶液１の収容量、引いては容器内パイプ７外壁の蒸気１２と接する面積（凝縮が生じる面積）を変えることができ、この凝縮面積の変化により容器内パイプ７壁を介した熱抵抗を制御することができるので、結果として本発明の全熱抵抗を制御することができる。

なお、本実施の形態においては、容器１４内に空気等の不凝縮性ガスを封入し、不凝縮性ガスの膨張、収縮を利用して容器４内の圧力を調整すると良い場合がある。
また、該容器１４外壁に加熱器１５を設置した場合、該容器１４内壁に金網などの多孔質物質を内張りすると、常に該容器１４内壁が熱交換循環溶液１で濡らされ、該容器１４壁が乾くことによる温度上昇を防止することができる。

なお、放熱器２としてペルチェ素子を設けると、ペルチェ素子に通電する電流の大きさおよび電流の向きを変えることにより、放熱または加熱ができるので、熱交換循環溶液収納容器４内の温度を制御することができる。その結果、上記実施の形態と同様、熱交換循環溶液収納容器４内の圧力を調節することができ、同様の効果が得られる。また、熱交換溶液収納容器４外壁にヒータを設けると、該ヒータによる加熱により熱交換循環溶液収納容器内４内の温度を制御することができ、同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。本実施の形態においては、図５に示すように、熱交換循環溶液収納容器４に、循環溶液輸送パイプＡが２本設置されている。循環溶液輸送パイプＡを２本以上設置することにより、伝熱面積が増大し、熱抵抗が小さくなる。また、分散する高熱源から、または分散する低熱源への熱輸送が容易になる。また、熱交換循環溶液収納容器４を複数の循環溶液輸送パイプＡに対し共有化できることから、複数の熱輸送機器を設ける場合よりもコンパクトになる。

実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。本実施の形態においては、図６に示すように、気液二相流体送入パイプ９の加熱熱交換器１１が設けられた部分、溶液送出パイプ６の顕熱放出熱交換器１０が設けられた部分、および容器内パイプ７を、それぞれ分配容器１６ａと集合容器１６ｂとを介して複数に分割された循環溶液輸送パイプとする。
このようにすることにより、各部の伝熱面積が増大し、熱抵抗および摩擦圧力損失が小さくなる。また平面、曲面および無形の流体中からの熱回収および放熱が容易になる。さらに、分配容器１６ａと集合容器１６ｂとの間の、上記複数に分割された循環溶液輸送パイプを細管とすることにより、熱伝達を向上させることができ、さらに伝熱特性を向上させることができる。

図７は本発明の実施の形態４による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。図７においては、気液二相流体送入パイプ９の加熱熱交換器１１が設けられた部分を、２つの分配容器１６ａと２つの集合容器１６ｂとを介して２つの気液二相流体送入パイプ群に分割し、分割された２つの気液二相流体送入パイプ群にそれぞれ加熱熱交換器１１を並列に設置した。２つの集合容器１６ｂは直接、循環溶液収納容器４に接続されており、循環溶液収納容器４がさらなる集合容器の機能を有している。このような構成の場合、熱交換循環溶液１が熱交換循環溶液収納容器４から溶液送出口５を経ないで、任意の加熱熱交換器を経て別の加熱熱交換器に流入することがある。特に、非加熱熱交換器を伴う場合、熱交換循環溶液１が熱交換循環溶液収納容器４から該非加熱加熱熱交換器を経て別の加熱している加熱熱交換器を通過し、再び熱交換循環溶液収納容器４へ還流することがある。これを防ぐためには、図７に示すように、分割された気液二相流体送入パイプ群のそれぞれの上流側に逆支弁３３を設けると良い。
なお、図７では上流側に逆支弁３３を設けたが、下流側に設けても良い。

また、図６、図７において、分配容器１６ａにより複数に分割された気液二相流体送入パイプ（または、複数の気液二相流体送入パイプ群）にそれぞれ加熱熱交換器１１を並列に設置し、複数に分割された気液二相流体送入パイプ（または、複数の気液二相流体送入パイプ群）を集合容器１６ｂを用いず、直接、熱交換循環溶液収納容器４に接続する構成とした場合においても（循環溶液収納容器４が集合容器の機能を有している。）、分割された複数の気液二相流体送入パイプ（または、複数の気液二相流体送入パイプ群）のそれぞれの上流側または下流側に逆支弁３３を設けると良い。

また、図８は本発明の実施の形態４による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。図８（ｂ）は図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図８のように、熱交換循環溶液収納容器４を横長にし、両端に容器内パイプ７の分配容器１６ａと集合容器１６ｂを設けた一体構造にすることにより、構造および製作が簡略化し、低コスト化できる。また、熱交換循環溶液収納容器４を横長にしたことから、容器内パイプ７中の水頭圧の変化が小さくなり、この水頭圧の変化により生ずる容器内パイプ７中での蒸気泡１３の発生が起こり難くなり、蒸気泡１３が発生することにより引き起こされる熱交換循環溶液１循環流量の脈動が生じ難くなり、安定した熱輸送ができる。

さらに、図９は本発明の実施の形態４による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。図９に示すように、分配容器１６ａと集合容器１６ｂとにそれぞれ開閉可能な接続口（例えば、ワンタッチ式コネクタ）１７を多数設けることにより、加熱熱交換器１１が設けられた第３輸送路部分を加熱熱交換器１１と共に脱着することができ、目的に応じてポンプレス水冷システムの構成を変更することができる。また、本システムが動作中であっても、これらの構成変更ができる。同様に、図６に示す構成のものにおいても、分配容器１６ａと集合容器１６ｂとにそれぞれ開閉可能な接続口（例えば、ワンタッチ式コネクタ）１７を多数設けることにより、顕熱放熱熱交換器１０が設けられた第１輸送路部分と顕熱放熱熱交換器１０とを、あるいは容器内パイプ７の分岐部分を、あるいは加熱熱交換器１１が設けられた第３輸送路部分と加熱熱交換器１１とを脱着することができ、目的に応じてポンプレス水冷システムの構成を変更することができる。また、本システムが動作中であっても、これらの構成変更ができる。

なお、図９に示すように、熱交換循環溶液収納容器４上部にガス抜き口１８を設けると、これらの変更時に流入する不凝縮ガス、または初期に含まれる不凝縮ガスを周囲に放出することができ、熱特性の劣化を防止することができる。

実施の形態５．
図１０は本発明の実施の形態５によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。本実施の形態においては、図５に示すように、循環溶液輸送パイプＡが、１本の気液二相流体送入パイプ９と、１本の溶液送出パイプ６と、２本の容器内パイプ７，７ａと、２本の容器内パイプ７，７ａ間に設けられた１本の第１容器外パイプ（第４輸送路）６ａとで構成されている。容器外パイプ６ａには、溶液送出パイプ６に設けたものと同様の顕熱放出熱交換器１０が設けられている。
このようにすることにより、容器４内および顕熱放出熱交換器１０部分の伝熱面積が増大し、熱抵抗が小さくなる。

また、２本以上の第１容器外パイプ６ａと３本以上の容器内パイプ７，７ａにより循環溶液輸送パイプＡをさらに並列流路にすることにより、循環溶液輸送パイプＡを一巡する間の摩擦圧力損失を小さくすることができ、より熱交換用循環溶液１の循環流量を増大させることができる（顕熱輸送量が増大する）。結果として、全体の熱抵抗が小さくなり、加熱熱交換器１１と顕熱放出熱交換器１０との間の温度差が小さくても大量の熱を輸送することができる。さらに固体平面および曲面や無形の流体中などからの熱回収あるいは放熱が容易になる。

なお、上記実施の形態において、溶液送出パイプ６及び容器外パイプ６ａに設けられる顕熱放出熱交換器１０は、それぞれ異なる顕熱放出熱交換器１０、１０ａが設けられても良い。

本実施の形態において、加熱熱交換器１１に最も近い容器内パイプ７以外の容器内パイプ７ａが、熱交換循環収納容器４内を通過せず、この容器内パイプ７ａに別の加熱熱交換器１１ａを設けても良い。即ち、図１１に示すように、容器内パイプ（第２輸送路）７と溶液送出パイプ（第１輸送路）６との間に、加熱熱交換器１１ａと顕熱放出熱交換器１０ａとが設けられた第２容器外パイプ（第５輸送路）７ｂを備えるようにしてもよい。また、第２容器外パイプ（第５輸送路）７ｂを複数設けても良い。
このようにすることにより、１つの熱交換溶液収納容器４で、点在する熱源からの熱回収および熱輸送を容易に行うことができる。またコンパクトになる。

さらに、加熱熱交換器１１で熱交換する熱量より加熱熱交換器１１ａで熱交換する熱量が小さく、かつ加熱熱交換器１１aが設けられた第２容器外パイプ内の熱交換循環溶液１が沸騰しなければ、加熱熱交換器１１ａは熱交換溶液収納容器４より上方にも設置することができ、さらに加熱熱交換器設置位置の自由度が向上する。

また、加熱熱交換器１１を制御することにより（例えば、加熱熱交換器１１としてヒータを取付け、このヒータへ供給する電力を外部から制御する）、熱交換用循環溶液１の循環流量を調節することができ、他の加熱熱交換器１１ａから熱を輸送することができると共に、加熱熱交換器１１ａの温度を調節することができる。

さらに、上記のように加熱熱交換器１１としてヒータを取付けることにより、熱を輸送する対象物（例えば電子機器）と該加熱熱交換器１１との位置に関する制約がなくなることから、該加熱熱交換器１１をより下方に設置することさえできる。このようにすることにより、熱交換循環溶液を駆動する浮力をより効果的に得ることができ、熱特性が向上する。

また、図１２に示すように、熱交換溶液収納容器４、放熱器２、溶液送出口５、容器内パイプ７、気液二相流体送入パイプ９、気液二相流体送入口８、およびヒータを取付けた加熱熱交換器１１を一つの気泡ポンプモジュール２７（該モジュール２７内では加熱熱交換器１１が下方で熱交換溶液収納容器４が上方に位置する）とすることにより、該モジュール２７の設置位置の制約が無くなり、さらに自由な配置ができる。さらに、該モジュール２７を汎用品として用いることにより低コスト化することができる。
図１２においては、筐体２９の内部に設置された電子部品の近傍に加熱熱交換器１１ａを設置し、筐体２９の外部に上記モジュール２７と複数の顕熱放出熱交換器１０、１０ａとを設置している。電子部品の設置位置に係わらず上記電子部品の近傍に加熱熱交換器１１ａが設置でき、筐体内の電子部品から発熱する熱を筐体外部に容易に熱輸送することができる。

実施の形態６．
図１３は本発明の実施の形態６によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。本実施の形態においては、図１３に示すように、気液二相流体送入パイプ９の途中路に補助ヒータ２１を設けている。
このようにすることにより、加熱熱交換器１０と顕熱放出熱交換器１１との間の温度差が小さく、加熱熱交換器１０内の熱交換用循環溶液１が沸騰しない場合でも、補助ヒータ２１に通電し加熱することにより、加熱熱交換器１０内で沸騰を生じさせることができる。これにより、熱交換用循環溶液１が溶液循環パイプＡ内を循環できるようになり、温度差が小さい場合でも、熱を輸送することができる。

加熱熱交換器１１を水平にした場合、熱交換循環溶液１の逆流または脈動を生じることがあるが、気液二相流体送入パイプ９の上昇部にこの補助ヒータ２１を設け動作させることにより、熱交換循環溶液１の正常な循環を生じさせ、安定した起動および熱輸送ができる。なお、この場合は、起動時のみ補助ヒータ２１を動作させても良い。

なお、補助ヒータ２１の位置は、気液二相流体送入パイプ９の内部の溶液が上昇する部分であれば、図１３に示すように加熱熱交換器１０の下部であってもよいし、加熱熱交換器１０の上部であってもよい。
また、補助ヒータ２１を加熱熱交換器１０下部に設けた場合、加熱熱交換器１０が設けられた気液二相流体送入パイプ９に流入する熱交換循環溶液１が予熱されるので、循環溶液輸送パイプ内圧力が低い場合に生じるサブクール沸騰、およびこれに起因する循環流量の脈動及び振動・騒音を防止することができる。この場合、補助ヒータ２１が設けられる流路に沿って、下流になるほど熱流束が大きくなるように、補助ヒータ２１を設ける方が好ましい。

また、補助ヒータ２１を設けた部分のパイプ内壁または加熱熱交換器１１を設けた部分の内壁に気泡核を設けても良い。気泡核は、流体の流動・攪拌、流体および通路壁の温度変化等によらず、安定して上記内壁面または流体通路中に気体を残留させる役割を有しており、図１４（ａ）に示すようなパイプ内壁面Ａ₁上に設けた引っかき傷２２、あるいは図１４（ｂ）に示すような小さな導管２３により流体（熱交換用循環溶液）１の流路と連結された空間（リエントラント型キャビティ）２４のことである。図１４のような窪みは機械的または化学的加工により形成してもよく、また、金網を内壁に内張りして形成しても良い。あるいは、図１５に示すように金属粒子２５をパイプ内壁面Ａ₁上に焼結、または接合させて気泡核２６を形成しても良い。

この構造によれば、低温度で内部圧力が低い場合においても、気泡核内に存在する残留気体が蒸気泡１３の発生の起点となり、蒸気泡１３を容易に発生させることができ、熱輸送の起動が起こりやすく、また熱特性も向上する。また、パイプ内部の流体と加熱熱交換器部分のパイプ内壁との間の温度差が小さい場合でも沸騰が容易に起こり、熱特性が向上する。

実施の形態７．
図１６は本発明の実施の形態７によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。本実施の形態においては、図１６に示すように、熱交換循環溶液収納容器４の左右両端に溶液送出口５，５ａが設けられており、溶液送出パイプ６はこれら溶液送出口５，５ａの両方に連接し、途中で合流して容器内パイプ７に接続されている。

ポンプレス水冷システムを車載した場合、傾斜および重力の影響により、熱交換循環溶液収納容器４内の熱交換用循環溶液１の気液界面が変動して、溶液送出口５が蒸気空間に剥き出しになることがある。その場合、溶液送出パイプ６内に蒸気を引き込むため、熱交換用循環溶液１の循環が悪くなり、熱輸送特性が悪くなってしまう。これに対し、本実施の形態のように、熱交換循環溶液収納容器４に複数の溶液送出口５，５ａを設け、溶液送出パイプ６はこれら複数の溶液送出口と連接すると共に、連接部分が合流して容器内パイプ７と連接するように構成することにより、左右、前後への傾斜の影響、および体積力（例えば重力）の方向の影響を受け難くなる。

実施の形態８．
図１７は本発明の実施の形態８によるポンプレス水冷システムを示す斜視図である。また、図１８は本発明の実施の形態８に係わる加熱熱交換器１１およびラック壁１９を示す断面構成図である。本実施の形態８は、本発明のポンプレス水冷システムを電子機器（例えば、ボード型サーバーなど）２０を収納するラックに適用したものであり、加熱熱交換器１１が電子機器の装着部壁になるように設置したものである。このようにすることにより、電子機器２０から発生する熱を輸送し放熱することができ、電子機器２０の許容温度以下に保持することができる。

なお、加熱熱交換器１１と電子機器２０との接触面には、接触熱抵抗を小さくするために、サーマルシートの装着またはサーマルグリースの塗布を施した方が良い。
また、図１８に示すように加熱熱交換器１１及び電子機器２０の接触部をテーパー状に成形することにより、接触圧力が得られ、固定しやすくなる。また、接触熱抵抗を低減することができる。
また、加熱熱交換器１１は側壁ではなく、棚部に設けても良い。

実施の形態９．
図１９は本発明の実施の形態９によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。本実施の形態においては、図１９に示すように、筐体２９等の天井に放熱器２及び顕熱放出熱交換器１０を設けたものである。一般に、筐体２９上部に放熱器２を設ける場合、筐体２９上部空間高さが制限されることが多い。それゆえ、潜熱輸送システムにおいて、効率の良い凝縮部を設置することが難しい。即ち、凝縮液を還流するために循環溶液の通路は垂直でなければならないので、筐体上部空間高さが制限されると通路長さが取れず、結果として伝熱面積が小さくなる。しかし、本発明では任意の場所に設置できる顕熱放熱熱交換器１０を備えているので、この顕熱放熱熱交換器１０により放熱することができ、筐体２９上部の、空間高さは低いが利用可能な広い設置スペースを有効に使用することができる。その結果、より効果的に放熱することができる。

実施の形態１０．
図２０は本発明の実施の形態１０によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図であり、パソコン等の電子機器の冷却に応用したものである。現在使用されているパソコンは発熱量が大きく、ファンを用いた強制空冷放熱が行われている。ファンの静音性能は日々向上しているものの、さらなる静音性が求められている。
本実施の形態では図２０に示すように、パソコン筐体３２壁または内底部などの広い空間に顕熱放出熱交換器１０を設け、一方発熱するマザーボード３０またはＣＰＵ３１またはメモリーなどを気液二相流体送入パイプ９に取付けている。
このようにすることにより、ファンを必要とせず、有効に放熱することができる。その結果、ファンレス放熱システムを構築することができ、低騒音のパソコンを提供することができる。

本発明の実施の形態１によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態１による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態１による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態２によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態３によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態４によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態４による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態４による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態４による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態５によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態５による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態５による他のポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態６によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態６に係わる気泡核を示す図である。 本発明の実施の形態６に係わる他の気泡核を示す図である。 本発明の実施の形態７によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態８によるポンプレス水冷システムを示す斜視図である。 本発明の実施の形態８に係る加熱熱交換器およびラック壁を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態９によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。 本発明の実施の形態１０によるポンプレス水冷システムを示す断面構成図である。

符号の説明

１ 熱交換用循環溶液、２ 放熱器、３ ファン、４ 熱交換循環溶液収納容器、５，５ａ 溶液送出口、６ 溶液送出パイプ、６ａ 第１容器外パイプ、７，７ａ 容器内パイプ、７ｂ 第２容器外パイプ、８ 気液二相流体送入口、９ 気液二相流体送入パイプ、１０，１０ａ 顕熱放出熱交換器、１１，１１ａ 加熱熱交換器、１２ 蒸気、１３ 蒸気泡、１４ 熱交換循環溶液収納補助容器、１５ 加熱器、１６ａ 分配容器、１６ｂ 集合容器、１７ 接続口、１８ ガス抜き口、１９ ラック壁、２０ 電子機器、２１ 補助ヒータ、２２ 引っかき傷、２３ 導管、２４ 空間、２５ 金属粒子、２６ 気泡核、２７ 気泡ポンプモジュール、２９ 筐体、３０ マザーボード、３１ ＣＰＵ、３２ パソコン筐体、３３ 逆支弁。

Claims (9)

1. 熱交換用循環溶液と上記循環溶液の蒸気とが収容された熱交換循環溶液収納容器、
   この収納容器外壁に設けられた放熱器、
   上記収納容器内の熱交換用循環溶液を収納容器外に送出する溶液送出口、
   高温の熱交換用循環溶液と上記循環溶液の蒸気泡とからなる気液二相流体を上記収納容器内に送入する気液二相流体送入口、
   並びに上記溶液送出口と連接すると共に、顕熱放出熱交換器が設けられる第１輸送路と、内部の熱交換用循環溶液と上記収納容器内の熱交換用循環溶液、または内部の熱交換用循環溶液と上記収納容器内の熱交換用循環溶液および上記収納容器内の熱交換用循環溶液の蒸気とが熱交換する第２輸送路と、上記気液二相流体送入口と連接すると共に、加熱熱交換器が設けられる第３輸送路とを有し、上記第１輸送路ないし上記第３輸送路を連接した循環溶液輸送路
   を備えたことを特徴とするポンプレス水冷システム。
2. 熱交換循環溶液収納容器と連通する熱交換循環溶液収納補助容器を備え、上記補助容器に、上記補助容器内の温度を制御する加熱器を設けたことを特徴とする請求項１記載のポンプレス水冷システム。
3. 熱交換循環溶液収納容器に複数の溶液送出口と複数の気液二相流体送入口とを設け、複数の循環溶液輸送路により上記溶液送出口と上記気液二相流体送入口とを連接したことを特徴とする請求項１または２記載のポンプレス水冷システム。
4. 第１の輸送路ないし第３の輸送路のうちの少なくとも１つの輸送路は、分配容器と集合容器を介して複数に分割された輸送路で構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のポンプレス水冷システム。
5. 循環溶液輸送路は、複数の第２輸送路を有し、第２輸送路間に、顕熱放出熱交換器が設けられた第４輸送路を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のポンプレス水冷システム。
6. 第２輸送路と第１輸送路との間に加熱熱交換器と顕熱放出熱交換器とが設けられた、１つまたは複数の第５輸送路を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のポンプレス水冷システム。
7. 第３の輸送路に設けた加熱熱交換器は外部から制御可能なヒータであることを特徴とする請求項６記載のポンプレス水冷システム。
8. 第３の輸送路は補助ヒータを備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のポンプレス水冷システム。
9. 熱交換循環溶液収納容器に複数の溶液送出口を設け、第１輸送路は、上記複数の溶液送出口と連接すると共に、上記複数の溶液送出口と連接した連接部分が合流して第２輸送路と連接することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のポンプレス水冷システム。

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