JP2008502878A

JP2008502878A - 準大気冷却サイクル

Info

Publication number: JP2008502878A
Application number: JP2007527774A
Authority: JP
Inventors: ウイアット，ウィリアム，ジェラルド
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2008-01-31
Also published as: MXPA06014594A; WO2005124248A1; NZ552033A; AU2005255442A1; BRPI0512095A; US20050274139A1; EP1756488A1; CA2570038A1

Abstract

本発明の一の実施例に従うと、大気圧環境で設けられる発熱構造物の冷却方法は、流体冷媒を供する手順及び、冷媒の沸点が発熱構造物(2)の温度よりも低くなる第1準大気圧へ、冷媒圧力を減圧(22)する手順を有する。本方法はまた、冷媒が沸騰及び気化することで、発熱構造物からの熱を吸収するように、第1準大気圧での冷媒と発熱構造物(12)とで熱のやり取りをさせる手順を有する。本方法は、気化した冷媒を第1準大気圧より高い第2準大気圧へ昇圧する手順をさらに有する。

Description

本発明は一般に冷却技術に関し、より詳細には相当量の発熱を生じさせる系を冷却する方法及び装置に関する。

電子回路の中には比較的使用する電力が小さく、ほとんど発熱しないものがある。この型の回路は大抵の場合、対流冷却のような受動的方法によって十分な冷却が可能である。対照的に、大量の電力を消費し、大量の発熱を生じさせる回路もある。一例としては、フェーズドアレイアンテナで使用される回路がある。
米国特許出願公開第7000691明細書

比較的大きな発熱を生じさせる電子回路及び他の構造物は、周知の冷却システムによって冷却することが可能である。しかし適切な冷却ユニットは大きくて重く、適切な冷却を供するのに何キロワットもの電力を消費する。この理由の一には、これらの型の系の典型的な冷媒は、低い相変化エネルギーを有しがちなため除熱するために大きな流速を必要とすることである。高流速と高圧との組み合わせによって、コンプレッサの仕事は大きくなる。よって、たとえ上記型の冷却ユニットが一般的に、意図した目的に適しているとしても、これらの冷却ユニットがすべての点で満足行くものとはならない。

この点では、既知の冷却系の大きさ、重量及び電力消費特性はすべて、大量の発熱が生じる装置にとって望ましいとされる値よりもはるかに大きい。たとえばフェーズドアレイアンテナシステムのような型の電子機器での放熱において、より大きな電力を消費するのが業界の傾向だとすると、従来の冷却システムを引き続き使用することで、大きさ、重量及び消費電力はさらに大きくなり続けるだろう。これは望ましくないことである。

本発明の一の実施例に従うと、大気圧環境で設けられる発熱構造物の冷却方法は、流体冷媒を供する手順及び、冷媒圧力を、冷媒の沸点が発熱構造物の温度よりも低くなる第1準大気圧へ減圧する手順を有する。本方法はまた、冷媒が沸騰及び気化することで、発熱構造物からの熱を吸収するように、第1準大気圧での冷媒と、発熱構造物とを熱的にやり取りさせる手順を有する。本方法は、気化した冷媒を第1準大気圧より高圧の第2準大気圧へ昇圧する手順をさらに有する。

本発明の実施例は多数の技術的利点を供することが可能である。実施例の中には、次に述べる利点の一部又は全てを享受することが可能なものもあれば、全く享受できないものもある。一の実施例に従うと、効率的でかつ軽量の冷却システムが供される。この冷却システムは、大きな冷却能力を有するが、従来の冷却システムよりも電力消費が小さい。特に、冷却される発熱構造物よりも高い温度を有する大気環境で冷却することが可能である。実施例の中には、冷媒として水が用いられ、大きな熱輸送を供することで効率的な熱輸送を可能とするものがある。それに加えて、水は、多くの一般的な冷媒が使用される環境に対して有害な効果をもたらさない。そのようなシステムではまた、これまで必要とされてきたものよりも小さな熱交換機を使用することが可能となる。

他の利点は、当業者にはすぐに明らかとなるであろう。

図1は、本発明の記載内容に従った冷却システム10のブロック図である。図示されているように、システム10は熱発生構造物12を有する。この例では、発熱構造物12は電子回路で、特にフェーズドアレイアンテナである。たとえ電子回路が発熱構造物12の例として使用されているとしても、システム10は、家庭用冷却システムを含む他の如何なる発熱構造物をも冷却することが可能である。後述するように、その例では、冷却ループ17内で電子冷却板がフェーズドアレイアンテナ及び冷媒と両方と熱のやりとりをして良い。システム10はまた、冷却ループ17内に含まれるコンプレッサ14及び熱交換機16をも有する。

冷却ループ17内の冷媒は、参照番号29で表される大気環境の圧力よりも低い、準大気圧で保持される。ループ17内の冷媒圧力を準大気圧に保持することによって、冷媒として使用するには温度が高すぎる、水のような物質を冷媒として利用することが可能になる。水を冷媒として利用することには複数の利点がある。特に水を沸騰させることで、熱輸送が大きくなり、効率的な熱輸送システムが可能となる。それに加えて、水は、多くの一般的な冷媒が使用される環境に対して有害な効果をもたらさない。エチレングリコールを水に加えることも可能で、その混合物は冷媒として用いられる。従来の冷媒を含む他の冷媒を使用することも可能で、冷媒の選択は冷媒の飽和圧力及び、所望の冷却温度に依存する。一般には、冷媒は、業界で使用されている標準的な選択基準によって選択されて良い。

発熱構造物12とコンプレッサ14との間での冷媒の圧力は、ほぼ第1準大気圧に保持される。コンプレッサ14を用いることなく、そのような第1準大気圧の冷媒は、良好な冷却システムを供することが可能である。その冷却システムでは、発熱構造物12は、液体冷媒と熱的なやり取りをすることで冷却され、その冷媒は飽和温度で沸騰し、蒸気に変化する。蒸気となった冷媒に蓄積された熱は、熱交換機16によって外部環境へ移送される。しかし実際には、そのようなシステムは、熱交換機16が熱を交換するときの大気環境29の周囲温度を、発熱構造物12の温度よりも高くできないという問題がある。これで満足できる場合もあるが、発熱構造物12が大気環境29の温度付近又はそれよりも低温であるような場合はいくらでもある。

この問題を解決するため、本発明の記載内容に従って、コンプレッサ14をループ17内の発熱構造物12と熱交換機16との間に供する。そのようにコンプレッサ14を供することで、コンプレッサ14の低圧側の飽和温度が下がるため、熱が発熱構造物12で交換される際の温度を下げることができる。そのようにして、温度が下がることで、熱が熱交換機16によって外部環境と交換されるときに、発熱構造物12の温度よりも高温で熱の交換が可能となる。しかし、コンプレッサ14の高圧側の圧力は準大気圧レベルのままである。従来の冷却システムとは対照的に、コンプレッサ14は大きな圧力差を生じさせず、多くの用途においてわずか数[psi]増加するのみである。このことは大抵の場合において、コンプレッサ14を使わずに可能な温度よりも高温であっても、熱交換機16によって、外部環境との熱の交換が可能な程度に大きい。

単なる一例として、発熱構造物12が発熱する温度は50℃で、ループ17内部での発熱構造物12の圧力は1.8[psia]である。しかし、コンプレッサ14の高圧側の圧力は、70℃で4.54[psia]である。一の実施例に従うと、ループ17は、適切な量の冷媒で満たされ、ループ17は、所望の飽和圧力（大気圧よりも低い）が実現されるまで真空引きされる。これは、真空ポンプ（明確には図示されていない）を含む如何なる適切な構造物で実行することが可能である。

よって、準大気圧が保持されている冷媒を、入力する電力が比較的小さいコンプレッサと併せて利用することで、高い冷却能力を有する効率的な冷却システムを供することが可能となる。特に、冷却される発熱構造物よりも高い温度を有する大気環境での冷却が可能となる。

そのようなシステムはまた、たとえば熱交換機16のような、従来必要とされてきたものよりも小さな熱交換機の利用を可能にする。そのようなシステムは、高圧コンプレッサを利用する如何なる適切な場合でも使用可能である。使用可能な場合には、軍事用途のみならず、商用空調システムの代替手法も含まれる。さらに、準大気冷却システムの利用によって、水を冷媒として使用することが可能となる。水は相変化エネルギーの値が大きく、従来の冷媒よりも環境に優しい。

ある実施例では、ポンプ18によってループ17内で冷媒を循環させることが求められるだろう。特に、ポンプ18は、オリフィス22と併せて利用することが可能である。オリフィス22は、電子機器12の様々な部分の冷却を選択的に制御することを可能にするように供されることが可能である。上述のように、電子機器12は、フェーズドアレイアンテナであって良い。このアンテナでは、アンテナシステムの様々な部分の選択的冷却が求められると思われる（個々の部分は明示的に図示していない）。そのようなフェーズドアレイアンテナの詳細については同時係属する特許文献1で説明されている。そのような冷却は、ループ17内で冷媒の選択された量を、オリフィス22を介して電子機器12の選択部分へ送り込むことで実現可能となる。ポンプ18は、オリフィス制御の液状冷媒圧力を押し上げる。

オリフィス22と併せて、温度センサ及びフィードバックシステム24が電子機器12の出力部に供されることで、電子機器12の様々な場所を流れる冷媒の温度を測定することが可能となる。この温度がオリフィス流量制御装置25へフィードバックされることで、オリフィス22を介し、発熱構造物12の様々な部分へ流れる冷媒流の量を調節が可能となる。

発熱構造物12との熱的なやり取りの後であっても、ループ17内の冷媒の一部は液体のままである。アキュムレータ20が一の実施例では供され、気化していない冷媒の一部を蓄積し、コンプレッサ14への液体の流れを最小にする。しかし、液体流の中にはそのようなアキュムレータを通過してコンプレッサ14へ流れることが望ましいこともありうる。冷媒が水とエチレングリコールとを組み合わせたものであるような例では、アキュムレータ20は、液体のままであると思われるエチレングリコールを蓄積する。この実施例では、第2ポンプ26が供されることで、蓄積された液体の圧力を上昇させて良い。それによって、蓄積された液体をループ17へ再導入し、発熱構造物12をさらに冷却するために供することが可能となる。

本発明の別な態様に従うと、本発明の記載内容から、準大気圧冷却システムを利用することで、非圧縮外気がループ17へ漏れ入る恐れがあることが分かる。システムへ漏れ入る可能性があるわけだから、準大気システムというのは直感的におかしい。しかし、本発明の記載内容から、そのような漏れを解決する、そのようなシステム及び方法の利点が理解できる。本発明の記載内容から、そのような空気が熱交換機16の高温側で捕らえられ、内部熱輸送係数を小さくできることが分かるだろう。

この問題を解決するため、一の実施例ではガス除去システム28が供される。あるいはその代わりに、ガス除去システム28は、真空ポンプによる周期的放出を可能とするポート又は、周期的動作に基づく他の適切な装置に置き換えることが可能である。ガス除去システム28が供される実施例では、ガス除去システム28は、容積は小さいが大きな圧力差を有するコンプレッサ30を有して良い。コンプレッサ30は、環境との通気を行うため、捕らえられた空気の圧力を大気圧より高くする。別な実施例では、蒸気となるように昇圧された空気が熱交換機32へ供され、混合物中の熱の一部が大気環境へ移送される。これにより、蒸気の一部が液化される。その結果生じた混合物は分離器34へ供される。制限バルブ36によって、液化された液体を分離器34からループ17へ戻すことが可能となる。その一方でベント38は、空気及び蒸気が大気と通気できる。上述のように、コンプレッサ30は、捕らえられた空気の圧力を大気より高くする。それによってその捕らえられた空気が、システム10の外側で外部環境と通気できるようになる。ガス除去システム28は必要に応じて周期的に動作しても良いし、又は連続的に動作しても良い。

図2は、本発明の記載内容に従った熱冷却循環を図示するグラフである。このグラフを参照すると、R22を冷媒として使用する従来の冷却システムに対して、水を冷媒として使用する上述の準大気冷却システムを使用する方が有利なのかを示している。次に示す、水を冷媒として使用する本発明の記載内容に従った冷却システム及び、R22を使用した従来の冷却システムに関する計算結果は、従来のシステムと比較して本発明の冷却システムの成績係数が50%改善されていることを示している。図2はまた、点3’及び点4’を利用する別な熱冷却サイクルを図示している。このサイクルでは、圧縮過程で液体が高温にならないように輸送され、処理がより効率的になるだろう。

水：
h₁=h₂=125.89[Btu/Lb](P₁=4.54[psia]、P₂=1.8[psia])
h₃=1114.5[Btu/Lb]、v₃=194.1[Ft³/Lb]
s₃=s₄=1.9294[Btu/Lb-R]、h₄=1180.0[Btu/Lb]

（成績係数）=（有効に除去された熱）/（必要な仕事）=(h₃-h₂)/(h₄-h₃)
=(1114.5-125.89)/(1180.0-1114.5)=15.1

R22：
h₁=h₂=59.2[Btu/Lb](P₁=434.75[psia]、P₂=281.84[psia])
h₃=112.45[Btu/Lb]、s₃=0.20517[Btu/Lb-R]
h₄=117.5[Btu/Lb]、v₃=0.18573[Lb/Ft³]

（成績係数）=(112.45-59.2)/(117.5-112.45)=10.54

理想状態での水とR22との比較：
熱の流入：50℃、熱の除去：70℃、3トンの冷媒(10.55kW)

よって、より軽量でかつ、より環境に優しいシステムを供することに加え、本発明の一の実施例に従うと、より効率的な冷却システムが供される。

たとえ本発明及びその利点が詳細に説明されたとしても、「特許請求の範囲」の請求項によって定義される、本発明の技術的思想及び技術範囲から逸脱することなく、様々な変化、置換及び代替が可能であることを理解すべきである。

本発明の記載内容に従った装置のブロック図である。本発明の記載内容に従った熱冷却サイクルを図示するグラフである。

Claims

大気圧を有する環境中に設けられた発熱構造物の冷却方法であって：
流体冷媒を供する手順；
前記冷媒の圧力を、前記冷媒の沸点が前記発熱構造物の温度より低くなる第1準大気圧へ減圧する手順；
前記冷媒が沸騰及び気化することで前記発熱構造物から熱を吸収するように、前記第1準大気圧での前記冷媒と前記発熱構造物とで熱のやり取りを行わせる手順；及び、
前記第1準大気圧より高い前記気化した冷媒の圧力を、第2準大気圧へ昇圧する手順；
を有する方法。
前記冷媒として利用するために、水及び水とエチレングリコールとの混合物のうちの一を選択する手順をさらに有する、請求項1に記載の方法。
前記冷媒の圧力を、前記大気圧より低い圧力を上限とする範囲内で保持したまま、流れのループを介して前記冷媒を循環させる手順をさらに有する、請求項1に記載の方法。
前記冷媒を液化するために、前記冷媒から熱を除去する熱交換機を有するように前記ループを構成する手順をさらに有する、請求項3に記載の方法。
前記熱交換機によって、前記冷媒からの熱を前記第2準大気圧での前記冷媒の沸点よりも低い周囲温度を有する別な媒体へ移送する手順をさらに有する、請求項4に記載の方法。
前記媒体として利用するために、外気及び周囲水のうちの一を選択する手順をさらに有する、請求項5に記載の方法。
前記ループを介して前記冷媒を循環させるための第1ポンプを有するように前記ループを構成する手順をさらに有することを特徴とする、請求項3に記載の方法。
前記ループ内での漏れから前記熱交換機に蓄積される空気を除去する手順をさらに有する、請求項4に記載の方法。
前記の空気を除去する手順が、少なくとも一部の蒸気を液化する手順を有することを特徴とする、請求項8に記載の方法。
前記の空気を除去する手順が、
前記空気の圧力を、前記大気圧よりも高い圧力へ昇圧する手順及び、
前記昇圧された圧力を有する前記空気と前記環境とを通気する手順、
を有することを特徴とする、請求項8に記載の方法。
前記発熱構造物によって気化されることなく前記ループ内に存在する液体を蓄積する手順をさらに有する、請求項3に記載の方法。
前記蓄積された液体を前記ループへ戻すことで、前記発熱構造物とさらに熱のやり取りをさせる手順を有する、請求項11に記載の方法。
各々が発熱する複数の部分を有するように前記発熱構造物を構成する手順を有し、
前記冷媒と前記発熱構造物とで熱のやり取りをさせる手順が、前記冷媒の各部と前記発熱構造物の前記各部との熱のやり取りをさせる手順を有する、
ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
複数のオリフィスを供する手順；及び、
前記冷媒の前記各部が前記発熱構造物の前記各部と熱のやり取りをする前に、前記各オリフィスを通過する手順；
をさらに有する、請求項13に記載の方法。
前記オリフィスの各々が異なる大きさを有するように、又は前記の冷媒の一部がそれぞれ異なる体積流速を有するように前記オリフィスを構成する手順をさらに有する、請求項14に記載の方法。
大気圧を有する環境中に設けられている発熱構造物及び、前記発熱構造物から熱を除去する冷却システムを有する装置であって、
前記冷却システムが：
前記冷媒の沸点が前記発熱構造物の温度よりも低くなる前記大気圧よりも低い圧力で保持されている流体冷媒；
前記発熱構造物と熱のやり取りをするように、前記準大気圧において液体状態である前記冷媒流を導き、前記冷媒が状態を変化させながら前記発熱構造物からの熱を吸収するように、前記の発熱構造物からの熱が前記液状冷媒を沸騰及び気化させることを特徴とする構造；及び、
前記の気化した圧力を第2準大気圧力まで昇圧させるコンプレッサ；
を有する、
ことを特徴とする装置。
前記冷媒が、水及び水とエチレングリコールの混合物のうちの一であることを特徴とする、請求項16に記載の装置。
前記の冷媒圧力を前記準大気圧力未満の圧力を上限とする範囲内に保持しながら、前記冷媒がフローループを介して循環するように、前記冷媒流を導く前記構造が構成されていることを特徴とする、請求項16に記載の装置。
前記第2準大気圧で前記ループを流れる前記冷媒から熱を除去することで前記冷媒を液化するための熱交換機をさらに有する、請求項18に記載の装置。
前記熱交換機が、前記第2準大気圧の前記冷媒からの熱を、前記発熱構造物の温度よりも高い周辺温度を有する別な媒質へ移送することを特徴とする、請求項19に記載の装置。
前記媒質が外気及び周囲水のうちの一であることを特徴とする、請求項20に記載の装置。
前記ループを介して前記冷媒を循環させる前記構造が、前記の冷媒循環を実現するポンプを有することを特徴とする、請求項19に記載の装置。
前記発熱構造物によって凝結されない液体を蓄積するためのアキュムレータをさらに有する、請求項16に記載の装置。
前記蓄積された液体を前記発熱構造物へ戻すためのポンプをさらに有する、請求項23に記載の装置。
前記冷却構造での漏れから前記熱交換機に捕らえられた空気を除去するために、前記熱交換機に取り付けられた空気除去構造物をさらに有する、請求項19に記載の装置。
前記空気除去構造物が：
前記の空気圧力を昇圧させる第2コンプレッサ；
前記空気から熱を除去する第2熱交換機；
前記空気を液体と気体成分とに分離する分離器；及び、
前記気体成分と前記環境との通気を可能にするベント；
を有する、
ことを特徴とする、請求項25に記載の装置。
前記熱交換機が前記発熱構造物の温度よりも高い温度を有する環境と熱を交換することを特徴とする、請求項19に記載の装置。
前記発熱構造物が、各々が発熱する複数の部分を有する；及び、
前記の冷媒流を導く構造が、前記冷媒の各部分と前記の発熱構造物の各部分とで熱のやり取りをさせる；
ことを特徴とする、請求項16に記載の装置。
前記の流体流を導く構造が複数のオリフィスを有し、
前記の冷媒の各部分が前記発熱構造物の前記各部分と熱のやり取りを行う前に、前記各オリフィスを通過するようにする、
ことを特徴とする、請求項16に記載の装置。
前記オリフィスが各異なる大きさを有することで、前記の冷媒部分が各異なる体積流速を有することを特徴とする、請求項29に記載の装置。