JP2007529790A - 可逆的な二相及び冷凍式ループ - Google Patents

Abstract

本発明は、ノート型コンピュータ等のための可逆冷却ループを提供することを目的とする。可逆冷却ループにおいて、電力レベルが低いときには電池寿命を保持するために二相冷却ループが実行される。電力レベルが高いときには冷凍式ループが実行される。

Description

本発明は、コンピュータシステム設計の分野に関し、より具体的には、ノート型コンピュータ等の熱管理技術に関する。

コンピュータシステムは、一般に、複数の電子部品を有する。該部品には、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、チップセット及び記憶装置が含まれる。動作中、部品は熱を放散する。加えて、特定のデバイスのために交流入力電圧を直流又は逓増若しくは逓減する電圧に変換する際に、コンピュータシステム内で熱が発生する。もし、ＣＰＵ又はその他の電子部品が過熱されると、性能が劣化し、部品の寿命が縮まるおそれがある。

熱管理システムが、一般に、コンピュータシステムから熱を放出するために用いられる。熱管理システムの一例は冷凍式（refrigeration）ループである。冷凍式ループは、典型的に、システム部品を冷却するためにフロン等の作動流体を使用する。蒸発器が部品から熱を受け取る。この熱により、作動流体は液体から、液体と気体との混合体、又は純粋な気体へと相変化する。ポンプが圧縮器として機能し、作動流体を熱交換器へと輸送する。圧縮器は気体を圧縮又は加圧し、その結果、流体の温度が上昇する。熱交換器は、典型的に、熱を作動流体から外気へと排出するファンに結合され、作動流体は液体へと逆戻りする。しかしながら、液体は依然として高圧である。膨張弁が作動流体の圧力を低下させ、作動流体を蒸発器へと戻し、ループが完成する。

熱管理システムの別の例は二相冷却（two-phase cooling）ループである。冷凍式ループと同様に、二相冷却ループもまた、システム部品を冷却するために、作動流体を循環させるポンプを使用する。２層冷却ループは、典型的に、水などの作動流体を用いる。蒸発器が部品から熱を受け取る。この熱により、作動流体は蒸発器内にて気体を形成する。作動流体は蒸発器から熱交換器、凝縮器、又はヒートシンクへと出力される。熱交換器は、典型的に、熱を作動流体から外気へと排出するファンに結合される。気体は熱交換器内で凝縮し、作動流体を元の液体へと変化させる。ポンプは作動流体を蒸発器へと追いやり、ループが完成する。冷凍式ループと二相ループとの間の基本的な差は、典型的に、冷凍式ループの熱交換器は二相ループの熱交換器より高い温度を有することである。

本発明は、二相及び冷凍式の可逆ループを用いる方法及び熱管理システムを提供することを目的とする。

以下の詳細な説明では、発明のより完全な理解のため、多くの具体的詳細事項が説明される。しかしながら、本発明がこのような具体的詳細事項をなくしても実行可能であることは当業者に認識されるところである。その他に、周知の方法、手順、部品及び回路については、本発明を不明瞭としないために詳細には説明しないこととする。

冷凍式ループは二相ループより大きな冷却能力をもたらす。その一方、二相ループにおけるポンプは液相にある作動流体のみをポンプするため、二相ループの方が電力消費が小さい。対照的に、冷凍式ループにおけるポンプは液相と気相、又は完全に気相にある作動流体をポンプする。さらに、蒸発器での温度をかなり高くするために、冷凍式ループにおけるポンプは作動流体を圧縮する。冷凍式ループにおいて温度を高める理由については、より詳しく後述する。

熱管理システムは、熱を熱源から抽出し、作動流体を介して熱を熱交換器に輸送し、さらに、熱交換器内で熱を除去するように設計される。熱交換器での作動流体の温度が高いほど、熱交換器が熱を排斥するのが容易になる。本発明の一実施形態において、作動流体が熱交換器を通り抜ける際に当該作動流体を冷却するために、ファンが熱交換器に結合される。しかしながら、熱を熱源から抽出し、熱を熱交換器に輸送するプロセス中に、作動流体はしばしばエネルギーの一部を失う。この熱の損失は熱抵抗として説明される。

熱抵抗は公式：θ＝ΔＴ／Ｐで定義される。ここで、θは熱抵抗、ΔＴは起点と行き先との間の温度差、Ｐは熱管理システムによって排斥される電力である。理想的には、熱交換器での作動流体の温度は熱源の温度に等しい。しかし、伝導及び対流のような物理法則のため、これを実際に達成するのは困難である。熱を輸送するために温度差が必要である。さらに、熱は蒸発器から熱交換器への輸送中に失われる場合がある。従って、熱源の温度が100℃だとしても、熱交換器での作動流体はたったの50℃になり得る。作動流体の冷却を助けるために熱交換器は外気を利用するので、熱交換器での温度が外気の温度以下である場合には、熱交換器は如何なる熱をも排斥しない。

従来からの冷凍式ループは、蒸発器と熱交換器との間のポンプ又は圧縮器によって、熱抵抗の影響を緩和する手助けをしている。熱抵抗は温度変化を排斥された電力又はエネルギーで割ったものに等しい。故に、電力排斥は熱抵抗を温度変化で割ったものに等しい。従って、蒸発器と熱交換器との間での作動流体の温度を高くすることによって、電力排斥は増加され得ることになる。ポンプは作動流体の圧力を高めるのに役立つ。作動流体の熱力学的特性に従って、この圧力の増加は作動流体の温度上昇をもたらすことになる。

図１は、従来からの冷凍式ループ及び二相ループの特質を利用する２つの動作モードを有する、可逆ループのフローチャートである。第１の動作モードは従来からの冷凍式ループに機能的に類似する冷凍式サイクルである。第２の動作モードは従来からの二相ループに機能的に類似する二相サイクルである。本発明のこの実施形態では、冷凍式動作及び二相動作が同一のループの一部を成しており、故に、同一部品及び同一作動流体を共有する。作動流体は水、アルコールと水との混合物、フロン、超臨界二酸化炭素、又はその他の任意の冷媒とし得る。

しかし、冷凍式サイクルは二相サイクルとは逆方向のループで動作される。二相サイクルは節電が望ましいときに使用可能にされる。他方、冷凍式サイクルはコンピュータシステムの冷却能力を最大化するために使用可能にされる。可逆ループの冷凍式動作、二相動作については、それぞれ図２、図３にて詳細に後述する。

動作110にて、コンピュータシステムに電力が供給される。コンピュータシステムは電池又はＡＣ電源の何れかから電力を供給される。電池の放電サイクルを延ばすために、コンピュータシステムは電力消費を削減するように低めの周波数で動作し得る。電池又はＡＣ電源の何れによってコンピュータシステムが電力供給されているかを、動作120にて、ハードウェア検知回路が割り出す。ハードウェア検知回路は通常の組み合わせ論理を有する。あるいは、コンピュータシステムは動作120にて、コンピュータシステムの電源を割り出すソフトウェアを用いてもよい。

本発明の一実施形態では、コンピュータシステムがＡＣ電源によって電力供給されている場合、動作130にて、冷凍式サイクルが実行されてシステムを冷却する。そうでなく、コンピュータシステムが電池によって電力供給されている場合、動作140にて、二相サイクルが動作されて電力を節約する。

もし、検知回路が、動作145にて、コンピュータシステムが電池電力からＡＣライン電力に切り替わったことを割り出すと、システムは二相サイクルから冷凍式サイクルに切り替わる。同様に、検知回路が、動作135にて、コンピュータシステムがＡＣライン電力から電池電力に切り替えられたことを割り出すと、システムは冷凍式サイクルから二相サイクルに切り替わる。この切り替えは単にポンプの回転を変えることによって行われる。例えば、ポンプは時計回りの回転から反時計回りの回転に変わる。ポンプの回転速度は、毎分回転数で計測されるが、冷凍式モードでは二相モードと比較して遙かに大きい。

本発明の他の実施形態では、動作120にて、コンピュータシステムの全電力消費量が導出される。全電力消費量はハードウェア又はソフトウェアの何れにより導出されてもよい。システムの電力消費量が所定の閾値以上である場合、冷凍式サイクル130が稼働される。そうでなく、システムの電力消費量が所定の閾値より小さい場合、二相サイクル140が稼働される。

本発明のさらに他の実施形態では、検知回路がコンピュータシステム又はその部品の温度を監視する。温度が所定の閾値より高い場合、冷凍式サイクル130が稼働される。他方、温度が所定の閾値より低い場合、二相サイクル140が稼働される。

本発明のさらに他の実施形態では、動作120にて、コンピュータシステムが当該システムの稼働中のアプリケーションを監視する。もし、コンピュータシステムが所定のアプリケーションが実行されていることを検出すると、冷凍式サイクル130が稼働される。さもなければ、二相サイクル140が稼働される。

本発明のさらに他の実施形態では、コンピュータシステムが最高性能モードにあると、冷凍式サイクル130が稼働される。コンピュータシステムは、ＣＰＵ能力を完全に利用するために、ユーザによって最高性能モードに置かれ得る。

冷凍式サイクル及び二相サイクルを実施するために、可逆ループは同一部品を利用する。冷凍式動作及び二相動作の部品は、図２及び３に示されるように、蒸発器210、ポンプ220、熱交換器230、ファン235、及び膨張弁240を有する。蒸発器210はポンプ230及び膨張弁240に結合されている。ポンプ220は熱交換器230にも結合されている。熱交換器230はファン235及び膨張弁240に結合されている。

可逆ループは、ポンプ220の回転方向を変えることによって、冷凍式サイクルと二相サイクルとの間で切り替わる。ポンプ220が第１の方向に回転されると、熱管理システムは冷凍式サイクルで動作する。ポンプ220が第２の方向に回転されると、熱管理システムは二相サイクルで動作する。冷凍式サイクルで動作するとき、ポンプ220はより高い毎分回転数（ＲＰＭ）で動作してもよい。

図２の冷凍式動作において、蒸発器210は熱源に熱的に結合されている。一例として、蒸発器210は熱源の頂部に接するように置かる。熱源はコンピュータシステムのＣＰＵであってもよい。蒸発器210は熱源から熱を受け取って作動流体を温める。

作動流体は蒸発器210内で相変化する。蒸発器210に到達する以前は、作動流体は液相から成る。作動流体は蒸発器210にて熱を受け取るので、作動流体は沸点に達して気体を形成する。このようにして、熱源から熱を受け取った以降は、作動流体は液相及び気相から成る。ポンプ220は蒸発器210に結合され、作動流体を蒸発器210から熱交換器230へとポンプする。

ポンプ220は歯車式ポンプ、ベーンポンプ、渦流ポンプ、ゲロトール（Gerotor）ポンプ、又は、回転方向の切り替え操作が可能なその他の如何なるポンプでもよい。回転方向の変化は注入口及び排出口の向きを変化させる。冷凍式モードでは、ポンプの速度は二相モードと比較して遙かに高くしてもよい。ポンプ220は液体と気体の混合体である作動流体を圧縮する。これは作動流体の圧力を高くする効果を有する。作動流体の圧力が大きくなるので、作動流体の温度も飽和するまで高くなる。

熱交換器230又は凝縮器の内部にて、作動流体の熱がファン235によって外気に排斥され、それに伴って気体が凝縮する。凝縮の際、気体は液体に変換される。そして、膨張弁240が作動流体の圧力を低下させ、冷凍式サイクルを完成させる。

本発明の一実施形態では、膨張弁240は、作動流体を何れの方向にも流すことが可能な、逆止弁のような装置とし得る。膨張弁240は、作動流体が第１の方向に流れるとき大きな流体抵抗を与えることによって、作動流体の圧力を低下させる。作動流体が逆方向に流れる場合には、膨張弁240は作動流体の圧力に影響を及ぼさない。

本発明の他の実施形態では、膨張弁240はアクチュエータ等の能動デバイスとしてもよい。検知回路がアクチュエータに、熱管理システムの動作モードに関する情報を提供する。可逆ループが冷凍式モードにある場合、作動流体が通り抜ける際に、アクチュエータは作動流体の圧力を低下させる。

図３に二相サイクルが示されている。二相サイクルは冷凍式サイクルとは逆方向に動作する。従って、蒸発器210が熱源から熱を受け取った後、作動流体はポンプ220の代わりに膨張弁240に向かって移動する。膨張弁240は、作動流体が有意な圧力低下なく膨張弁240を通り抜けることを可能にしている。故に、膨張弁240は、可逆ループが冷凍式サイクルにあるときに、これとは逆の方向に流れている作動流体についてのみ、その圧力を低下させる。

そして、熱交換器230は作動流体内の気体を凝縮し、ファン235を介して作動流体から外気へと熱を排斥する。最後に、ポンプ220が作動流体を蒸発器へとポンプし、サイクルを完成させる。コンピュータシステムが二相サイクルにある限り、このループがいつまでも継続する。

以上、本発明について、その具体的で模範的な実施形態を参照して説明した。しかしながら、添付の請求項に示される本発明のより広い意図及び範囲を逸れることなく、これら実施形態に様々な変更及び変形が為され得ることは明らかなところである。従って、明細書及び図面は本発明を例示するものであり限定するものではない。

可逆冷却ループのフローチャートである。 冷却動作モードでの可逆冷却ループの実施形態を示す図である。 二相動作モードでの可逆冷却ループの実施形態を示す図である。

Claims (30)

1. コンピュータシステムの電力消費レベルを導出する工程；
   前記電力消費レベルが所定の閾値より大きい場合に、前記コンピュータシステムを第１冷却サイクルで冷却する工程；及び
   前記電力消費レベルが所定の閾値より小さい場合に、前記コンピュータシステムを第２冷却サイクルで冷却する工程；
   を有する方法であって、前記第１の冷却サイクルと前記第２の冷却サイクルとが冷却ループを逆方向に動作するところの方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、ポンプの回転方向を変えることによって、前記コンピュータシステムを前記第１冷却サイクルから前記第２冷却サイクルへと切り替えるところの方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記ポンプは前記第２冷却サイクルにおいての方がより小さい動作電力を必要とするところの方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、前記ポンプは作動流体を輸送するところの方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、前記第１冷却サイクルにおいて前記ポンプは液相及び気相から成る作動流体を輸送するところの方法。
6. 請求項４に記載の方法であって、前記第２冷却サイクルにおいて前記ポンプは液相から成る作動流体を輸送するところの方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、前記コンピュータシステムはノート型コンピュータであるところの方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、前記コンピュータシステムは、交流電源によって電力供給されるとき、前記所定の閾値より大きい電力消費レベルを有するところの方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、前記コンピュータシステムは、電池によって電力供給されるとき、前記所定の閾値より小さい電力消費レベルを有するところの方法。
10. 交流電源によって電力供給されるコンピュータシステムを冷凍式動作で冷却する工程；及び
    前記交流電源が電池に替えられた場合に、二相動作に切り替えて前記コンピュータシステムを冷却する工程；
    を有する方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記冷凍式動作が前記二相動作より大きな冷却をもたらすところの方法。
12. 請求項１０に記載の方法であって、前記二相動作は前記冷凍式動作より小さい動作電力を必要とするところの方法。
13. ノート型コンピュータシステムの熱管理システムであって：
    熱を発生する部品；
    該部品に結合され該部品から熱を除去する蒸発器であり、熱が作動流体を介して移送される蒸発器；及び
    該蒸発器に結合され該蒸発器から熱交換器へ前記作動流体を輸送するポンプであり、第１動作モードと第２動作モードとでポンプの回転方向が逆であるところの第１動作モードにおいて前記作動流体の温度を上昇させるポンプ；
    を有する熱管理システム。
14. 請求項１３に記載の熱管理システムであって：
    前記熱交換器に結合され前記作動流体から外気へ熱を排斥するファン
    をさらに有する熱管理システム。
15. 請求項１４に記載の熱管理システムであって、前記作動流体が水を含むところの熱管理システム。
16. 請求項１４に記載の熱管理システムであって、前記作動流体が前記蒸発器内で相変化して水と気体との混合体になるところの熱管理システム。
17. 請求項１５に記載の熱管理システムであって、前記作動流体がさらにアルコールを含むところの熱管理システム。
18. 請求項１６に記載の熱管理システムであって、前記気体が前記熱交換器にて液化するところの熱管理システム。
19. 請求項１３に記載の熱管理システムであって：
    前記熱交換器に結合され、前記第１動作モードにおいて前記作動流体の圧力を低下させる膨張弁
    をさらに有する熱管理システム。
20. 請求項１９に記載の熱管理システムであって、前記第２動作モードにおいて前記膨張弁が、前記作動流体が前記蒸発器から前記熱交換器に通ることを可能にし、そのとき、前記蒸発器での前記作動流体の圧力が前記熱交換器での前記作動流体の圧力とほぼ等しいところの熱管理システム。
21. 請求項１３に記載の熱管理システムであって、前記ポンプが歯車式ポンプであるところの熱管理システム。
22. 請求項１３に記載の熱管理システムであって、前記ポンプがベーンポンプであるところの熱管理システム。
23. 請求項１３に記載の熱管理システムであって、前記ポンプが渦流ポンプであるところの熱管理システム。
24. 請求項１３に記載の熱管理システムであって、前記ノート型コンピュータシステムが交流電源によって電力供給される場合に、前記第１動作モードに設定される熱管理システム。
25. 請求項１３に記載の熱管理システムであって、前記ノート型コンピュータシステムが電池によって電力供給される場合に、前記第２動作モードに設定される熱管理システム。
26. 請求項１３に記載の熱管理システムであって、前記ノート型コンピュータシステムの部品が所定の閾値より高い温度を有する場合に、前記第１動作モードに設定される熱管理システム。
27. 請求項１３に記載の熱管理システムであって、所定のアプリケーションが前記ノート型コンピュータシステムで実行されている場合に、前記第１動作モードに設定される熱管理システム。
28. 請求項１３に記載の熱管理システムであって、前記部品がプロセッサであるところの熱管理システム。
29. 熱管理システムであって：
    ノート型コンピュータシステムを第１動作及び第２動作を有する冷却ループによって冷却する手段；及び
    当該熱管理システムを動作させるために使用される電力を低減するために、前記冷却ループ内の作動流体の方向を逆にする手段；
    を有する熱管理システム。
30. 請求項２９に記載の熱管理システムであって：
    前記ノート型コンピュータシステムの電源を導出する手段
    をさらに有する熱管理システム。

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