JP2005517288A - キャビネット冷却 - Google Patents

Abstract

新規の電子機器冷却方法とシステムが開示される。電子機器冷却システム（１０）の非常に柔軟で効率的な運用が、気化器（１３）、凝結器（１４）、排出器（１１）、及び制御バルブ（１５〜１８）を含む閉じた系（４０）における冷却媒体の循環を制御することにより達成される。即ち、そのシステムは、検出された熱による負荷と検出された熱伝達の条件との内の少なくともいずれかに基づいて、システム（１０）のバルブ（１５〜１８）を制御することにより、最適なモードで連続的に運用されることが可能になる。実際の優勢な条件に基づいてシステムの動作モードを自動的に適合することにより、ユニークな柔軟性が、システムが動作する冷却モードに関して得られる。このことは、冷却能力が常に最適化され、その投資コストとシステムを運用するコストとが、同じ最大冷却能力をもつ公知のシステムと比べて削減されることを意味する。

Description

本発明は一般には熱を発生する電子部品を含むキャビネットを冷却する方法及びシステムに関する。

ハードウェアの設計における重要な因子は、そこに採用される電子部品を適切に冷却する備えである。このことは特に、現代の通信及びデータ通信産業で用いられるハードウェアを設計する場合に重要である。この分野では、キャビネットに通常は集積された電子部品が常温に維持されることが絶対的な要件である。このことがうまくいかないと少なくとも部品の動作と機能の少なくともいずれかが損なわれ、それらを完全に故障させてしまうことの原因になる。

さらに、電子製品のライフサイクルの間のエネルギー消費は、環境的にも経済的にも最も重要なインパクトがある。より少ないエネルギー消費は強いセールスポイントになるし、将来的にはそれがもっと重要にさえなるであろう。１５年間その電子製品を冷却するエネルギーコストはそのユニットの購入価格に匹敵する。許容レベルにその部品温度を維持する能力は熱管理の主要な理由である。今まで、通信キャビネットは、強制空冷によりうまく冷却されてきた。その方法は実証され信頼のおける方法であり、受容温度を維持するために長年にわたり用いられてきた。しかしながら、強制空冷方法は本来的な制限に悩まされている。そのような制限の１つは、今日の強制空冷装置は、キャビネットのサイズと電力密度の内の少なくともいずれかに依存するのであるが、キャビネット当たり最大で約３〜５ｋＷ以上の電力散逸を通常は処理できないことである。新世代の通信、データ通信装置では、より高いレベルでの熱流量があり、それが従来の空冷方法を全く不適切なものにしており、より効率的な冷却方法による解決策を要求している。次世代のシステムはさらに小型化が図られるであろうし、これはより高い電力密度につながる。さらにその上、そのシステムはより多くの電力と能力／性能を備えたより高速なシステムであろう。これら全ては処理されることが必要な熱という形での電力の放散を増し加える。特に、屋外の無線基地局（ＲＢＳ）については、別の代替的な冷却システム、例えば、液冷ユニットが用いられねばならない。

キャビネット当たり３〜５ｋＷを超える熱を除去することができるために、例えば、相変化があってもなくても良いが液体による冷却、熱サイホン冷却、或いは圧縮冷却のような他の伝統的な冷却方法が通常は推奨される。従って、空気を冷却し、次に、それが屋内用の通信、データ通信システム用のような電子機器を冷却するために用いられる伝統的な圧縮冷却システムを用いることはこの技術分野の中では公知である。そのような電子機器冷却システムは本質的にはエアコンのコンプレッサシステムに基づいており、それはかなり高価であり、大量のエネルギーを必要とする。それはまた、環境という観点からすればよいものではない。別な方法で表現すれば、圧縮冷却システムは性能の点で全体的には効率が低いという問題がある。

熱を放散する電子機器を含むキャビネットを冷却するのに頻繁に用いられる他の方法の中で、熱サイホン冷却にも言及しなければならない。その方法はその動作に付加的なエネルギーを必要としないという利点がある。しかしながら、今日の熱サイホンシステムは、それがより高い熱による負荷とより高い周辺の温度との少なくともいずれかに出くわすときには、少なくともその限定的な能力との関連で、かなり高価である。熱を放散する、レーザや磁気カメラのような電子機器を含む機器を冷却するのに用いられる別の代替方法は、即ち、液体金属冷却と低温冷却である。

＜関連技術＞
伝統的なコンプレッサによる冷却システムに関係したシステムは、コンプレッサの代わりに排出器を用いたエジェクタタイプの冷却システムである。このシステムは、それが蒸気エンジンと結合して用いられた１９世紀にまではるばるその経緯が辿れるものである。なぜなら、このシステムはそのコストを低くするために、伝統的に駆動エネルギーとして廃熱を利用することができる。同じ理由で、それは太陽エネルギー施設との関連でヒートポンプとして頻繁に用いられるとともに、自動車のエアコンシステムのために用いられてきた。そのようなエジェクタ冷却システム全てに係わる共通の問題は、エジェクタヒートポンプの熱効率が悪く、同じように性能も悪いという結果になっていたことである。しかしながら、ビルディングのエアコンにヒートポンプとして用いられることが意図されたより効率的なエジェクタを設計する目的でごく最近の研究はなされている。今までに、本当のブレイクスルーはなく、多くの知られているエジェクタシステムは、太陽エネルギー施設からの過度の熱のように、廃熱により動作し、超音速で動作するように設計されている。そのような努力の一例は特許文献１として知られており、これは、従来の定常流エジェクタとは反対に、伝えられるところによれば明らかに性能が改善した圧力交換エジェクタとして言及されるものに関してである。この解決法の欠点は、実際の圧力交換を実行するために意図された小型ロータという可動部品をもつので、エジェクタの複雑さが増す点である。
米国特許第５，６４７，２２１号公報

＜要約＞
本発明は上記問題点を効率的にかつ満足する方法で克服するものである。

本発明の全体的な目的は、熱を放散する電子部品を含むキャビネットを冷却する改善された方法を提供することである。特に、比較的に低コストで最小の電力消費で、非常に効率的に高い熱による負荷を扱うことが可能な冷却方法を提供することが本発明の目的である。

簡単に言えば、上記目的は、気化器、凝結器、排出器、及び制御バルブを含む閉じた系における冷却媒体の循環を制御することにより達成される。即ち、本発明のこの目的は、キャビネットの検出された熱による負荷と検出された熱伝達の条件との内、少なくともいずれかに基づいて、システムバルブを制御し、これにより連続的にそのシステムが最適なモードで動作できるようにすることにより成し遂げられる。別の方法で言うならば、本発明は、実際に有力な条件に基づいてシステムの動作モードを自動的に適合させ、その結果、システムが動作するであろう冷却モードに関してユニークな柔軟性を得ることができる。このことは、冷却能力を常に最適化し、システムの投資と運用の両面に関してのコストが、同じ最大冷却能力をもつ公知のシステムと比較して削減されることを意味する。

中程度の熱による負荷条件や正常な熱伝達条件にある間には、そのシステムはこれら検出条件下で最適な性能となるように自動的に制御される。即ち、この場合には、冷却媒体の強制冷却が中断され、複数の適当なバルブが夫々、閉じた状態、或いは開いた状態にセットされ、その冷却システムを“熱サイホン”冷却モードに置く。この熱サイホン冷却モードでは、冷却媒体が、凝結器から、その冷却媒体が気化する気化器へと流れるようにされ、その気化器からの気化した冷却媒体が排出器の二次側に流れ、自由に凝結器に戻ることができるようにされる。この冷却モードでは外部電力がシステムにより消費されることはない。

冷却システムの動作の別のモードは、検出された熱による負荷がより高い条件下で自動的に起動される。この場合、システムは、変化した条件下で最適な性能を維持するために相変化を伴う液体による冷却へと移行する。冷却媒体が凝結器から気化器に流れるようにされ、その冷却媒体の強制循環が今や始められて気化器から冷却媒体を排出器の一次側に吸い出し、そして、凝結器に戻るようにされる。その強制循環のための電力消費はこの場合には、全冷却負荷に相対的には非常に理にかなったものである。

熱による負荷条件が最大か或いは最大に近いことを検出したときには、制御ユニットはさらなる動作モードを開始する。そのような条件は、排出器による真空圧縮を含む排出器の冷却モードの自動起動の原因になる。もう一度、このことは変化した条件下での最適な性能を維持することになる。この冷却モードは冷却媒体の強制循環を含み、凝結器から冷却媒体が気化する気化器への冷却媒体の流れを制限することができる。この制限された流れは検出条件に基づいて制御され、その冷却媒体の流れの残りは小さな正圧下で排出器の一次側に循環させられる。負圧がその排出器の二次側で発生し気化器からの気化した冷却媒体を凝結のために吸い出す。このようにして、コスト的には非常に効果的な冷却システムの動作が、低いエネルギー消費により、また、システム性能の拡張した最適化により達成される。

排出器冷却モードのさらなる実施例に従えば、強制循環による圧力は検出条件に基づいて制御され、気化器と凝結器との間の圧力差と温度勾配とは、連続的に最適な循環条件を提供するために凝結器から気化器への制限された流れを提供する制限バルブを制御することにより規制される。

具体的な低圧の排出器を採用することにより、気化した冷却媒体は圧縮されて、それがさらなる凝結のために凝結器に帰還する前に一部は排出器で凝結する。

本発明の別の目的は、熱を放散する電子部品を含むキャビネットを冷却する改良したシステムを提供することにある。本発明に従えば、このさらなる目的は、凝結器、気化器、流体循環手段、及び低圧排出器を一連の制御バルブを介して接続する閉じた流体系を有するユニークな冷却システムにより達成される。このシステムはさらに、温度センサにより検出された優勢な動作条件に依存してバルブの位置を連続的に制御する制御ユニットを有している。

本発明のこれらの目的は添付した特許請求の範囲で定義されるような発明により対処され、その特許請求の範囲では本発明の異なる側面についてのさらなる好適な実施例も特定される。

本発明は冷却方法とシステムとを備えることにより従来技術を越える非常に重要な利点を提供する。即ち、
異なる複数の動作条件に対して最適化された複数の異なる冷却モード間での連続的自動的な変更を行なうことで非常に柔軟であり、
エネルギーの節約をし、例えば、水やアルコールなどを作用媒体として使用可能とすることでコスト的に非常に効果的であり、また、環境にも優しく、
簡単な制御を用いて完全に運用可能であり、
電子機器の冷却に最適であり、例えば備えにより、
冗長性に対しても良い見込みがある。

本発明による他の利点については、以下に記す本発明の実施例の詳細な説明を読むことにより容易に認識されるであろう。

本発明とその他の目的や利点については、添付図面とともにとられた次の説明を参照することにより最善の理解が得られるであろう。

本発明の基本的な原理について、熱を放散する電子部品を含むキャビネット５０を冷却する提案されている方法を実行する冷却システム１０の実施例により説明する。その電子部品はプリント基板アセンブリＰＢＡの形をしていても良い。図５Ａ、図５Ｂなどを参照されたい。この明細書の中では、“プリント基板アセンブリ”という表現は複数のモジュールを伴うプリント回路基板とその上に搭載される部品との内、少なくともいずれかに言及するものである。前記システムのレイアウト概要は図１に図形的に図示されている。冷却システム１０は閉じた或いは密閉されたものであり、冷却剤としても言及されるかもしれない液体の冷却媒体で満たされている。このシステムに使用する適切な冷却媒体は、大気圧より少し低い圧力か或いは大気圧で２５〜１００℃が気化温度となる、例えば、水、アルコール、アンモニア、ベンゾール、或いは、他の環境に優しい媒体などである。

システムは、キャビネット５０の外側に備えられた凝結器／熱交換器ユニット１４、キャビネット５０の内側に備えられた気化器１３、標準的な流体ポンプ１２、及び排出器１１を有しており、これらは互いに基本的な流体ラインシステム４０を介して接続されている。即ち、流体ラインシステム４０は、凝結器１４の流出側を気化器１３の流入側と流体ポンプ１２の流入或いは吸引側とに夫々、別々の流体ライン４１、及び４２、４５を介し、そして、第１の制御バルブ１８、及び第２の制御バルブ１７を介して夫々接続している。気化器１３の流出側は排出器１１の二次或いは媒体受動側２７と流体ポンプ１２の流入側とに夫々、別々の流体ライン４３、及び４４、４５を介し、そして、第３の制御バルブ１５、及び第４の制御バルブ１６を夫々介して接続されている。流体ポンプ１２の流出或いは加圧側は排出器１１の一次或いは媒体能動側２２に流体ライン４６により接続され、排出器１１の流出口２９は凝結器１４の流入側に流体ライン４７により接続されている。流体ライン４６は安全バルブ或いは膨張タンク９と連通している。

バルブ１８、１７、１５、１６は全て、各々が気化器の温度、凝結器の温度、周囲の温度を検出する温度センサ３０、３１、３２夫々から制御ユニット１９に供給される温度の示度Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃に基づいて、制御ユニット１９を介して制御される。制御ユニット１９とそこに用いられる具体的な制御機器について詳細には開示していない。なぜなら、本発明の目的にかなう適当な制御ユニットの設計は当業者の技術範囲の中にある事項であるからである。第２、第３、第４のバルブ１７、１５、１６は通常は完全に開いた位置と完全に閉じた位置との間で動作する指向性のバルブである。第１のバルブ１８は一方向制限器或いはスロットルバルブであり、凝結器１４から気化器１３への冷却媒体の流量を可変にできるが、気化器１３から凝結器１４への逆流をブロックするように制御される。

気化器１３或いは気化器チャンバの実施例についてさらに図５Ａ、図５Ｂ、及び図７を特に参照して以下さらに説明する。一方、システム１０で用いられる排出器１１の好適な実施例は図６を参照して詳細に説明する。凝結器１３と、不図示ではあるがそれに関連する熱交換器とは従来の技術に基づくことが好ましく、その具体的な設計については詳細には説明しない。

システム１０の動作概要について説明する。冷却媒体は密閉式流体ラインシステム４０内を循環し、まったく従来のように、気化器１３内の熱を吸収し、キャビネットからの吸収熱を伝達し、前記熱を凝結器／熱交換器１４で放出する。しかしながら、本発明は効率を向上させ、エネルギー消費を削減し、より高いレベルの機能性を備えた新しい電子機器の冷却を提供する。このことは、一方では熱発生部品にすぐ隣接したキャビネット５０の気化器１３のユニークな備えにより、他方ではそれ自体は公知の原理に従う別々の冷却方法に基づく複数の異なるモードの組み合わせに従って説明している冷却システム１０を動作させることにより達成される。即ち、このことは、システム１０への熱による負荷を決定するためにキャビネット５０内の気化器温度Ｔ₁を検出することにより、そしてまた、冷却媒体から周囲への、或いは不図示の熱交換器を介した熱伝達の条件を決定するために周囲の温度Ｔ₃と凝結器の温度Ｔ₂とを検出することにより達成される。冷却媒体の循環は、その検出された熱による負荷と検出された周囲の温度と熱伝達とに基づいて制御される。凝結器１４からキャビネット５０の気化器１３に戻る冷却媒体の流れは、その冷却媒体からの熱伝達、そして、排出器１１により実行される蒸気圧縮サイクルの起動と停止の後、同様に、その検出された熱による負荷と検出された周囲の温度と熱伝達とに基づいて制御される。この方法は、熱サイホン冷却モード、液体冷却モード、或いは排出器冷却或いはヒートポンプモードにおけるキャビネット冷却間での制御された移行のために備えられている。

３つの主要な動作モードのいずれかにおいてシステムを動作させる提案されている発明の方法を次に検討する。その３つのモードにおける動作、即ち、熱サイホン冷却モード（図２）、液体冷却モード（図３）、及び排出器冷却モード（図４）が図２〜図４に図示されている。ここで、矢印ＣＭＦは、異なるモードにおける冷却媒体の流れを示している。

キャビネットの熱による負荷条件が中程度（図２）であり、通常の熱伝達条件にある間は、気化器の温度センサ３０が第１のレベル未満の気化器温度Ｔ₁を検出し、周辺温度センサ３２が（例えば、約＋３０℃未満であるような）設定レベル未満にある温度Ｔ₃を検出するとき、制御ユニット１９は自動的にその検出条件下で最適な性能をだすようにシステム１０を制御する。即ち、この場合、制御ユニット１９は流体ポンプ１２を停止して冷却媒体の強制循環を中断する。同時に、バルブ１６、１７は閉じられて、一方、バルブ１５、１８は開いた状態に設定されてシステム１０を“熱サイホン”動作モードに置く。この熱サイホン動作モードでは、第１のバルブ１８はオープンされて冷却媒体を凝結器１４から気化器１３に移送するが、反対方向には閉じられる。

凝結器１４の流出側からの冷却媒体の流れは全て気化器１３に戻り、気化器でその冷却媒体は例えば、５０℃で気化し、そして、気化器１３からのその気化した冷却媒体の流れは全て、排出器１１の二次側２７に導かれ、その排出器を通し、そして、排出器の拡散器２９の流出口から凝結器１４に戻る。冷却媒体の強制循環は停止しているので、一次側から冷却媒体が排出器１１に入ることはなく、そこで蒸気の圧縮が実行されることはない。その代わり、気化器１３からの冷却媒体の蒸気／気体は排出器を通して自由に排出する。凝結器１４では、伝達された蒸気が大雑把には同じ温度（例えば、５０℃）で凝結し、その熱は周辺に（例えば、周囲の空気）に、図示していない熱交換器を介して伝達する。周辺／周囲の空気と凝結器１４との間の温度勾配はこの場合には約１５〜３０℃である。

環境温度と実質的に同じであるような場合で熱によるより高い負荷を検出すると、制御ユニット１９は第２の動作モード（図３）を開始する。この場合、気化器の温度センサ３０は所定の第１のレベルより高く、所定の第２のレベルより低い気化器温度Ｔ₁を検出し、周囲温度センサ３２が設定レベル未満の温度Ｔ₃を検出すると、相変化を伴う液体冷却が自動的に起動されて、変化した条件下でも最適な性能を維持する。強制循環の流体ポンプ１２が今や起動されて排出器１１の一次側２２への冷却媒体の吸い上げを開始する。この場合、ポンプ１２を動作させる電力消費は全冷却負荷の最大５％と見積もられている。

このモードでは、バルブ１５、１７は閉じられる一方で、バルブ１６、１８は開いた状態に設定されシステム１０を液体冷却モードに置く。このモードでは、凝結器１４の流出口からの冷却媒体の流れは全て気化器１３に戻る。気化器では、冷却剤或いは冷却媒体の一部が、例えば、約５０℃で気化する。ポンプ１２が起動されており、第４のバルブ１６が完全にオープンしているのであるから、気化器１３からの冷却媒体と蒸気とは排出器１１の一次側２２に吸い上げられ、排出器を通して凝結器１４に戻る。

冷却媒体の強制循環が起動され、排出器１１の二次側２７への入口が第３のバルブ１５の閉鎖によりブロックされているので、液相と気相にある冷却媒体の流れ全ては排出器の一次側２２を介して凝結器１４へと吸い上げられ、凝結器では伝達された蒸気が大雑把に同じ温度（例えば、５０℃）で凝結し、その熱は熱交換器を介して周囲へと放出される。周囲／周辺の空気と凝結器１４との間の温度勾配はこの場合、約１５〜３０℃である。

熱による最大の負荷条件と、例えば、３５〜５０℃のような設定限界より高い高温の周辺温度との少なくともいずれかを検出すると、第３の動作モード（図４）が開始される。この場面では、気化器温度センサ３０は所定の第２のレベルより高い気化器温度Ｔ₁を検出するか、周辺温度センサ３２が設定レベルを超える温度Ｔ₃を検出するかの内、少なくともいずれかの状態が発生している。これは、制御ユニット１９を通した、排出器或いはヒートポンプ冷却モードの自動開始の原因となる。そのモードでは、真空圧縮が排出器１１により行なわれる。もう一度、これにより変化した条件下でも最適な性能を維持する。強制循環の流体ポンプ１２が起動され、冷却媒体を排出器１１の一次側２２に吸い上げることを開始する。第４のバルブ１６が閉じられて、気化器の流出口とポンプとの間の直接の接続を遮断する。その一方で、第２のバルブ１７と第３のバルブ１５は夫々、完全にオープンされる。

第１のバルブ１８は一方向の制限バルブ或いはスロットルバルブとして動作し、凝結器１４の流出側から、冷却媒体が気化する気化器１３の流入側への冷却媒体の流量を制限する。制御ユニット１９を通して、第１のバルブ１８を通る制限された流れは、検出された気化器の温度Ｔ₁と検出された周辺の温度Ｔ₃との内の少なくともいずれかに基づいて制御される。

凝結器１４からの冷却媒体の流れの残りは、一定の正圧下で流体ポンプ１２により排出器１１の一次側２２に循環し、これにより、排出器の二次側２７に負圧を発生させる。第３のバルブ１５がオープンし、気化器と排出器の二次側との間を連通させているので、この発生した負圧により気化した冷却媒体が気化器１３から排出器１１の二次側２７に吸い出されることになる。冷却媒体の蒸気は排出器１１で、後でさらに説明するように、一次側からの冷却媒体の流れとの接触で圧縮される。圧縮蒸気の一部は排出器１１内の拡散器２９で凝結し、凝結器１４に直接移動する。その凝結器では残りの蒸気の凝結が生じる。

気化器１３と凝結器１４との間の圧力差Ｐ₁−Ｐ₂（図７を参照）と温度勾配Ｔ₁−Ｔ₂とは夫々、一方向制限器１８の制限の度合いを制御することにより規制され、それにより、検出された熱による負荷と周辺温度Ｔ₃に相対した最適なサイクル条件を提供する。冷却媒体の少ない方の一部は制限バルブ１８を通過し、それは気化した液体の量に等しい。冷却媒体の多い方の一部は凝結器１４から第２のバルブ１７、ポンプ１２、排出器１１を介して凝結器に戻るように循環し、ヒートポンプのそれと類似した蒸気圧縮サイクルを作り出している。

流体ポンプ１２により伝えられる圧力はまた、検出された気化器の温度Ｔ₁と検出された周囲の温度Ｔ₃との内、少なくともいずれかに基づいて制御される。ポンプの水圧を増加させることで、蒸気を吸出し凝結させる排出器の能力は増加する。一例としては、気化器の温度Ｔ₁が５０℃であり、凝結器の温度Ｔ₂が５５℃〜１００℃である。温度差Ｔ₁−Ｔ₂が大きくなればなるほど、より大きな動作電力が必要となる。熱による負荷がより少なく、環境温度がより低ければ、システムは自動的に既に説明した熱サイホンモード或いは液体冷却モードでの動作に復帰する。

上述した本発明により、システムの動作を連続的に優勢な条件に適合させることが可能になる。本発明に従えば、１つの、また、同じ冷却ユニット或いはシステムでこのことが可能であろう。そのシステムは３つの異なる冷却システムとして動作しても良い。最適であり最低のエネルギー消費で電子機器を冷却する動作のタイプを選択することが可能になる。言い換えると、本発明の開示した特徴を適用すると、非常に柔軟で適合性のある冷却の解決策を提供するのみならず、熱サイホン冷却、液体冷却、排出器冷却の最良の特性を１つの、同じユニットに組み合わせて利用することができる。提案された冷却方法とシステムの効率は、存在する条件下で最も効率的に動作する冷却モードを連続的かつ自動的に選択することにより達成される。このことを明瞭にするために、異なる複数の冷却モードの特性の要約を以下に、即ち、表１に示す。比較のため、従来のコンプレッサ冷却サイクルの特性も対応して表１には与えられている。

表１において、
１）は冷却媒体の最大温度と最低温度の差であり、
２）は冷却媒体の最大温度と周辺温度との差である。

排出器冷却システムは新しいものではなく、それなりのものであるが、廃熱或いは他のエネルギー源によって電力が供給される高圧の排出器を主として採用している。そのようなシステムは特に、車両のエアコンユニットに用いられている。電子機器冷却のための低圧排出器システムを提案のように導入することにより、１つのそして同じシステムにおいて、冷却要求に依存して、熱サイホン冷却システムとして、液体冷却システムとして、或いはヒートポンプ冷却システムとして動作可能な冷却システムに対して新たな機能性が備えられる。屋外の無線基地局（ＲＢＳ）やまた、屋内の通信、データ通信システムのような異なる電子機器の応用分野に対して、優勢な環境に最も適した動作モードが選択されるであろう。例えば、液体と排出器冷却システムの組み合わせ、或いは、熱サイホンと排出器冷却システムの組み合わせ、或いは排出器システムのみが選択されても良い。最終的な選択の基準は冷却システムについての全体的なコストであるべきであろう。

そのシステムは流体ポンプと全てのバルブの自動制御により非常に柔軟な制御を提供する。図６に図示した設計の低圧排出器の真空ポンプ１１の使用によりさらに、より高いヒートポンプのヒートファクタを達成することで冷却能力を増加させる可能性が備えられる。予備的な計算では、従来のコンプレッサ駆動型の冷却器と比較して、低圧排出器を備えた本発明のシステムは、気化器と凝結器との間で温度勾配がより小さいために、エネルギーをより節約する解決策となるであろうことも示している。また、回転部品がそこでは使用されないという事実のため、それはより廉価で信頼性がより高いであろう。提案されたタイプの排出器を用いるそのようなシステムにより、作用媒体として水やアルコールの使用が可能になる。この使用は環境保護という観点からは非常に重要である。上述のように、そのような排出器システムの使用により、気化器と凝結器チャンバーとの間の温度勾配を少なくし、冷却システム全体についてのエネルギーと投資コストを削減する。

本発明の１つの側面からすれば、高能率の低圧排出器１１が従来の真空ポンプ／コンプレッサの機能を実行する。排出器の一般的な設計の例は、ソビエト連邦ＳＵ１７１４２１６Ａ１公報で知られている。使用される排出器１１は、一次側の低い正圧で動作し、図６に図形的に示されている。排出器１１は、一次側の冷却媒体供給スリーブ２２を通してそこに導入される一次側からの或いは能動的に冷却媒体を受け入れる主分配チャンバー２１を有している。その分配チャンバーにはマルチチャネル一次側媒体ノズル２３が備えられ、それは放射状のチャネル或いはノズル穴２３Ａをもつ球状の形をしている。これらのノズル穴２３Ａは、ネック或いはのど２８を介して拡散器２９に接続連通している混合チャンバー２４へ開口している。混合チャンバー２４は、供給スリーブ２７を介して気化器１３と連通している二次側或いは受動的な媒体供給チャンバー２６により囲まれている。これに対して、二次側或いは受動的媒体供給チャンバー２６は、混合チャンバー２４の壁２４Ａに備えられた複数の二次側媒体穴２５を通して混合チャンバー２４と連通し、二次側から或いは受動的に媒体を導入する。排出器デバイス１１の主要な特徴は、拡散器２９に冷却媒体を導き入れるネック２８の内側の断面積が実質的に複数のノズル穴２３Ａの全ての断面積に等しい点である。ノズル２３の球状部分の幾何学中心Ｃは混合チャンバーの中心軸ＣＡ上で、くび或いはネック２８の直後、或いは別の言い方をすると、くび或いはネック２８のすぐ下流にある。排出器は一次側から或いは能動的な液体の媒体と気化した二次的な或いは受動的な媒体を用いることを意図している。ここで記載の実施例では、水のような同じ媒体が液体状態と気化状態との両方で用いられる。

排出器１１は次のように作用する。一次側の冷却媒体供給スリーブ２２を通して、水がある正圧で分配チャンバー２１に供給される。一般には丸い形をし、放射状の小さなノズル穴２３Ａが備えられたマルチチャネルノズル２３は、分配チャンバー２１に導入された水がノズル２３を通過し混合チャンバー２４に入るとき、円錐状の収束ジェットＣＭＪを形成する。水蒸気は二次側の媒体供給スリーブ２７と供給チャンバー２６と複数の二次側の媒体穴２５とを通って混合チャンバー２４へと吸い込まれる。水蒸気分子と水のジェットＣＭＪとの間の相互作用を通して、水蒸気分子は水のジェットＣＭＪと平行に流出口のくび２８に向かって移動し始める。水のジェットＣＭＪは収束し最終的には併合するので、水蒸気は圧縮され凝結する。これは、水のジェットＣＭＪの運動エネルギーの一部が消費されてその水蒸気を圧縮して凝結させることを意味する。排出器の主要な特徴は、それが蒸気圧縮器と凝結器の両方として動作可能である点である。本発明に従えば、この特徴は説明した電子機器の冷却システムにおいて用いられるのが好ましい。一般に、本発明の排出器冷却モードは気化器チャンバーにおいてより高い温度（最大６５℃）になる電子機器の冷却にうまく適合する。それは、凝結器においてより高い温度での可能性を提供している（もし必要であれば、最大１１０〜１３０℃であるが、周辺温度が約５０℃であるときには、たいていは７５〜８０℃で十分であろう）。

さて、システムの異なる応用で好適に用いられ、図形的に実際の気化器による解決策の２つの実施例を図示している図５Ａと図５Ｂとを参照する。図５Ａは、いくつかの気化器のヒートシンク１３Ａから成り立っている“直接冷却”気化器１３として言及されるものを図示している。複数のヒートシンク１３Ａは夫々、１つ以上の電子部品ＰＢＡに直接接触しており、それは好適には垂直に置かれた、例えば、アルミニウムの複数の薄い金属板から成り立っており、それは図示していないが、冷却媒体のための複数の組み込み流路がある。この実施例では、その流路の冷却媒体が直接電子部品ＰＢＡからの熱を輸送する。

図５Ｂは、“冷却壁”気化器ユニット１１３を図形的に図示したものである。ここで、気化器１１３は冷却媒体を含み、いくつかの電子部品ＰＢＡの一端と接している冷却壁１１４を有している。電子部品ＰＢＡからその冷却壁１１４の冷却媒体への熱伝達は、特に図示はしていないがヒートライン、ヒートパイプ、或いはアルミニウム板１１５を介して実行される。そのような設計において、気化は“冷却壁”で発生する。

最後に、図７は、本発明に従うシステムのさらに実際的な実施例を非常に図式的に図示したものである。この実施例に従えば、気化器２１３は気化器のチャンバー２１４を有しており、そのシステムの排出器１１は前記気化器のチャンバー２１４と一体化している。図示はしていないが、さらに進歩した形として、排出器１１の拡散器２９はまた、物理的に凝結器１４に接続されて、排出器、凝結器、及び気化器チャンバーが１つの一体化したユニットとなる。

本発明の排出器冷却システムによる理論的な熱と質量伝達平衡の表現を提供するために、システムの動作について図７を参照して説明する。熱い電子部品が冷却されるとき、それらは熱Ｑ₁を気化器２１４に与える。例示的な例では、沸騰が７０℃で発生し、凝結は８０℃で発生する。理論的には、気化器のチャンバー２１４での７０℃という温度（Ｔ₁）は、部品のピンでの温度限界７５〜８０℃を保証すべきであり、８０℃という温度は凝結器１４で冷却媒体を（５０℃の周囲温度で空気の熱交換器により）冷却するまともな条件を創り出すべきである。もし、ある蓄熱ユニット（水のヒータや地下の空洞など）に熱を溜めることが可能であるなら、凝結器の温度を７０〜７２℃に低下させることが可能である。その全体システムは水で満たされており、Ｐ＝０．３１バール（bar）の圧力になる。

第１のステップでは、水が加熱され、温度７０℃、圧力がＰ₂＝０．３１バール（bar）で、気化器チャンバー２１４で沸騰を開始する。熱量Ｑ₁＝２０００Ｗを伝達するために、毎秒約０．９ｇの水量Ｍ₁が気化器チャンバー２１４内で沸騰される必要がある。第２のステップにおいて、気化器チャンバー２１４からの蒸気（Ｍ₁＝０．９ｇ／秒）を移送するために、ウォーターポンプ１２は排出器１１を介して水を吸い上げる。第３のステップでは、気化器チャンバー２１４からの発生した蒸気が吸い出され、拡散器２９における圧縮の後、凝結器１４において圧力Ｐ₂＝０．４７バール（bar）、温度（Ｔ₂）８０℃で凝結する。第４のステップでは、水が凝結器１４から制限バルブ１８を介して気化器チャンバー２１４に排出されて戻り（Ｍ₁＝０．９ｇ／秒で）、そして、そのステップは排出器冷却サイクルを終了する。

最も重要なパラメータの１つは、冷却性能係数Ｋ＝Ｑ₁／Ｐ_elである。ここで、Ｐ_elは消費電力である。ウォーターポンプ１２にパワーを供給するのに必要なエネルギーは、排出器のノズル２３の球状のセグメントが３５０個の放射状のノズル穴をもつ、各々が直径１ｍｍであるとすれば、準備的に見積もることができる。その球状セグメント後の水の速度が最大２ｍ／秒に達するために、ウォーターポンプ１２は約０．５ｋｇ／秒、或いは２ｍ³／時を処理しなければならない。このシステムの圧力降下はΔＰ_tot＝（Ｐ₂−Ｐ₁）＋ΔＰ_hyd＝２〜３バール（bar）であり、ΔＰ_hydはパイプラインシステム４０と排出器１１における水圧抵抗である。それを処理するために、約５００Ｗの効果をもつウォーターポンプ１２が必要とされる。性能係数はＫ＝Ｑ₁／Ｐ_el＝２０００／５００＝４である。

当業者には種々の変形例や変更が本発明に対して、添付した請求の範囲によって定義される本発明の範囲を逸脱することなくなされるものであることが理解されよう。

本発明に従う冷却システムの実施例を図形的に図示したものである。 熱サイホンモードで動作している図１に従う冷却システムの実施例を図形的に図示したものである。 液体冷却モードで動作している図１に従う冷却システムの実施例を図形的に図示したものである。 排出器冷却モードで動作している図１に従う冷却システムの実施例を図形的に図示したものである。 図４の排出器冷却モードに示される、本発明の冷却システムの実際的な実施例を図形的に図示したものである。 図４の排出器冷却モードに示される、本発明の冷却システムのさらなる実際的な実施例を図形的に図示したものである。 本発明に従う冷却システムに使用される排出器の実施例を示す図である。 排出器冷却モードでの動作時、本発明に従う冷却システムのさらなる実施例による理論的な熱と質量伝達平衡を図形的に図示したものである。

Claims (21)

1. 熱を放散する電子部品（ＰＢＡ）を含むキャビネット（５０）の冷却方法であって、
   前記キャビネットの気化器（１３、１１３、２１３）で熱を吸収し、前記キャビネットからの吸収された熱を伝達し、前記熱を凝結器／熱交換器（１４）で前記キャビネットの外に放出するために閉じた流体系に冷却媒体を循環させる工程と、
   前記キャビネットの内部で気化温度（Ｔ₁）を検出し前記システムの熱による負荷を判定する工程と、
   周囲の温度（Ｔ₃）と凝結器の温度（Ｔ₂）を検出し前記冷却媒体からの前記熱伝達の条件を決定する工程と、
   前記検出された熱による負荷と熱伝達の条件とに基づいて、前記冷却媒体の強制循環を制御する工程と、
   前記検出された熱による負荷と熱伝達の条件とに基づいて、前記キャビネットの気化器に戻る前記冷却媒体の流れの強制循環を制御する工程と、
   前記検出された熱による負荷と熱伝達の条件とに基づいて、蒸気の圧縮サイクルの起動／停止を制御する工程とを有し、これにより、
   複数の異なる熱による負荷と熱伝達の条件について最適化された、複数の異なる冷却モードでの前記キャビネットの冷却の間で制御された変更を可能にすることを特徴とする方法。
2. 前記キャビネット（５０）の内部における前記検出された熱による負荷が所定の第１のレベルより小さいか、或いは前記検出された周囲の温度（Ｔ₃）が所定のレベルより低いかの内、少なくともいずれかであるとき、
   流体ポンプ（１２）が停止されて前記冷却媒体の強制循環を中断し、
   前記凝結器（１４）からの冷却媒体の流れの全てが、冷却媒体が気化する前記気化器（１３、１１３、２１３）に戻り、
   前記気化器（１３、１１３、２１３）からの気化した冷却媒体の流れの全てが排出器（１１）の二次側（２６、２７）に導かれ、前記排出器を介し、前記排出器からの流出口（２８、２９）から前記凝結器に戻り、
   これにより、前記キャビネットの冷却が熱サイホン冷却モードで実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記周囲の温度（Ｔ₃）のレベルが約３０℃であり、冷却媒体が前記気化器（１３、１１３、２１３）で約５０℃で気化し、前記冷却媒体の蒸気は前記凝結器（１４）と実質的に同じ温度で凝結し、熱を放出し、これにより、前記周囲と前記凝結器との間の温度勾配は１５〜３０℃の範囲となることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記気化器（１３、１１３、２１３）からの前記冷却媒体の蒸気は、前記排出器（１１）より自由に流出し、前記凝結器（１４）で凝結することを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記キャビネット（５０）の内部の前記検出された熱による負荷が所定の第１のレベルより高いが、所定の第２のレベルより低く、そして、前記検出された周囲の温度（Ｔ₃）が所定のレベルより低いとき、
   流体ポンプ（１２）が起動されて前記冷却媒体の強制冷却を実行し、
   前記凝結器（１４）からの冷却媒体の流れの全てが前記気化器（１３）に戻り、
   前記気化器（１３、１１３、２１３）からの冷却媒体が排出器（１１）の一次側（２１、２２）に吸い出され、前記排出器を介して前記凝結器に向かい、
   これにより、前記キャビネットの冷却が液体冷却モードで実行されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記周囲の温度（Ｔ₃）のレベルが約３０℃であり、前記冷却媒体の一部が前記気化器（１３、１１３、２１３）で約５０℃で気化し、冷却媒体の蒸気は前記凝結器（１４）と実質的に同じ温度で凝結し、熱を放出し、これにより、前記周囲と前記凝結器との間の温度勾配は１５〜３０℃の範囲となることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記排出器（１１）の二次側への入口はブロックされており、液相と気相における冷却媒体の流れの全てが前記排出器の一次側（２１、２２）を介して前記凝結器（１４）に
   吸い上げれることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記キャビネット（５０）の内部における前記検出された熱による負荷が所定の第２のレベルを越えるか、或いは前記検出された周囲の温度（Ｔ₃）が所定のレベルより高いかの内、少なくともいずれかであるとき、
   流体ポンプ（１２）が起動されて前記冷却媒体の強制循環を実行し、
   冷却媒体の制限された流れが、前記凝結器（１４）から前記冷却媒体が気化する前記気化器（１３、１１３、２１３）に導き入れられ、前記制限された流れが前記検出された気化温度（Ｔ₁）と前記検出された周囲の温度（Ｔ₃）の内の少なくともいずれかに基づいており、
   前記凝結器からの冷却媒体の流れの残りが、排出器（１１）の２次側（２６、２７）において負圧を発生する前記液体ポンプにより前記排出器の１次側に循環されられ、
   前記気化した冷却媒体が、前記発生した負圧により、前記気化器（１３、１１３、２１３）からの前記排出器の二次側（２６、２７）に吸い出され、前記凝結器に戻り、
   これにより、前記キャビネットの冷却が排出器冷却モードで実行されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 前記流体ポンプ（１２）により伝えられる圧力は、前記検出された気化温度（Ｔ₁）と前記検出された周囲の温度（Ｔ₃）の内の少なくともいずれかに基づいて制御されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記気化した冷却媒体は圧縮され、その一部が前記吸い出された一次側からの冷却媒体により前記排出器（１１）で凝結し、前記凝結器（１４）にさらなる凝結のために導かれることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
11. 気化器（１３、１１３、２１３）と凝結器（１４）との間の圧力差（Ｐ₁−Ｐ₂）と温度勾配（Ｔ₁−Ｔ₂）は夫々、制限バルブ（１８）を制御することで規制され、前記検出された熱による負荷と周囲の温度（Ｔ₃）に相対的に最適なサイクル条件を提供することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 熱を放散する電子部品（ＰＢＡ）を含むキャビネット（５０）を冷却する冷却システムであって、
    閉じた流体系における冷却媒体を凝結器／熱交換器（１４）から前記キャビネット内の気化器（１３、１１３、２１３）に循環させ、前記凝結器／熱交換器（１４）に戻す手段（１２）と、
    前記凝結器と前記気化器との間の冷却媒体の流れを制御する少なくとも１つのバルブ（１５〜１７）と、
    一次側（２１、２２）と二次側（２６、２７）とをもつ排出器（１１）と、
    前記凝結器（１４）を前記気化器（１３、１１３、２１３）と前記液体ポンプとに夫々、第１と第２の制御されたバルブ（夫々、１８、１７）を介して接続し、前記気化器を前記液体ポンプと前記排出器の二次側とに夫々、第３と第４の制御されたバルブ（夫々、１５、１６）を介して接続する流体ラインシステム（４０）と、
    夫々が前記気化器の温度（Ｔ₁）を検出し、前記凝結器の温度（Ｔ₂）を検出し、前記周囲の温度（Ｔ₃）を検出する複数の温度センサ（３０、３１、３２）と、
    前記検出された温度に依存して、前記バルブの位置を制御する制御ユニット（１９）とを有することを特徴とする冷却システム（１０）。
13. 前記第１のバルブ（１８）は前記気化器（１３、１１３、２１３）から凝結器（１４）への逆流をブロックする１方向制限バルブであり、それは前記凝結器から前記気化器への冷却媒体の流れを規制するために前記制御ユニット（１９）により制御されることを特徴とする請求項１２に記載の冷却システム（１０）。
14. 前記排出器（１１）は、一次側の小さな正圧で動作し、一次側からの冷却媒体を受ける一次側分配チャンバ（２１）と混合チャンバ（２４）へと導き入れる放射状のノズル穴（２３Ａ）が備えられ球状セグメントの形をしたマルチチャネルノズル（２３）とを有した低圧排出器であり、前記混合チャンバは、該チャンバと複数の供給穴（２５）を介して連通している二次側の冷却媒体供給チャンバ（２６）により囲まれ、ネック（２８）を介して拡散器（２９）に接続されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の冷却システム（１０）。
15. 前記冷却媒体が伝わる前記ネック（２８）の内部断面領域は前記ノズル穴（２４）の全断面領域と実質的に等しく、前記ノズル（２３）の前記球状セグメントの幾何学的中心（Ｃ）は前記ネック（２８）の直ぐ下流の混合チャンバの中心軸（ＣＡ）上にあることを特徴とする請求項１４に記載の冷却システム（１０）。
16. 前記気化器（１３）は複数の気化熱シンク（１３Ａ）から成り立っており、夫々は直接１つ以上の前記電子部品（ＰＢＡ）と接触していることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の冷却システム（１０）。
17. 前記気化器（１３）は、前記電子部品（ＰＢＡ）からの熱を直接伝達する組み込み型水路を備えた複数の薄い金属板（１３Ａ）から成り立っていることを特徴とする請求項１６に記載の冷却システム（１０）。
18. 前記気化器（１３）は、冷却媒体を含み複数の電子部品（ＰＢＡ）の一端と接している冷たい壁（１１４）を有し、前記電子部品から前記冷たい壁の冷却媒体への熱伝達がヒートライン、ヒートパイプ、或いはアルミニウム板（１１５）を通して実行されることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の冷却システム（１０）。
19. 前記気化器（２１３）は気化チャンバー（２１４）を有し、
    前記排出器（１１）は前記気化チャンバー（２１４）とともに１つのユニットとして一体化されることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の冷却システム（１０）。
20. 前記排出器（１１）の前記拡散器（２９）は物理的に前記凝結器（１４）に接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の冷却システム（１０）。
21. 排出器、凝結器、及び気化器のチャンバーは１つの一体化したユニットであることを特徴とする請求項２０に記載の冷却システム（１０）。
    

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