JP2009170877A

JP2009170877A - クラッキング防止装置、クラッキング防止方法及び耐凍結性熱交換装置

Info

Publication number: JP2009170877A
Application number: JP2008275611A
Authority: JP
Inventors: Girish Upadhya; ウパダヤ、ギリッシュ; Richard Grant Brewer; ブレワー、リチャード、グラント; Mark Mcmaster; マックマスターマーク
Original assignee: Cooligy Inc
Current assignee: Cooligy Inc
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2009-07-30
Also published as: US20090044928A1; TW200928279A; DE102008053020A1

Abstract

【課題】液体システムにおけるクラッキングを防止する。
【解決手段】クラッキング防止装置は、筐体と、筐体に浸された圧縮可能な物体とを備える。筐体は、凍結速度が異なる複数のゾーンを有し、凍結が高凍結速度ゾーンから開始され、凍結先頭部が高凍結度ゾーンから、次第に凍結速度が低くなる１つ以上のゾーンを介して、低凍結度ゾーンに向かって進むように構成されている。流体は高凍結度ゾーンから凍結を開始し、１つ以上の圧縮可能な物体に向かって進行するように構成される。
【選択図】図２

Description

関連出願

本出願は、米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づき２００４年６月４日に出願された米国仮特許出願番号６０／５７７，２６２、発明の名称「MULTIPLE COOLING TECHNIQUES」の優先権を主張して２００５年２月１日に出願された係属中の米国特許出願番号１１／０４９，２０２、発明の名称「METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING FREEZING NUCLEATION AND PROPAGATION」の一部継続出願であり、これらの特許文献は、引用によって本願に援用される。また、本出願は、米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づき２００３年１月３１日米国仮特許出願番号６０／４４４，２６９、発明の名称「REMEDIES FOR FREEZING IN CLOSED-LOOP LIQUID COOLING FOR ELECTRONIC DEVICES」の優先権を主張して２００５年２月１日に出願された係属中の米国特許出願番号１０／６４３，６４１、発明の名称「REMEDIES TO PREVENT CRACKING IN A LIQUID SYSTEM」の一部継続出願であり、これらの特許文献は、引用によって本願に援用される。

本発明は、例えば、電子素子及びその部品から熱を伝導するために有用な液体装置におていクラッキングを防止するためのクラッキング防止装置及びクラッキング防止方法に関する。詳しくは、本発明は、水を主体とする溶液の凍結による膨張から流体装置を保護する様々な手段及び物体を設けることによって、及び表面積対体積比が異なる複数のゾーンにおいて、徐々に表面積対体積比が減少する方向に向けて凍結する流体の膨張を開始することによって、冷凍による流体の膨張から流体装置を保護するクラッキング防止装置及びクラッキング防止方法に関する。

水又は他の多くの液体混合物が凝固点以下に冷却されると、これらの物質は、液体状態から固体状態に変化し、体積が著しく膨張する。パイプ又は他の閉じられた空間内で凍結した水は、パイプを詰まらせ、流れを阻害する以上の問題を引き起こす。スチールパイプ等の閉じられた空間内で冷凍が発生すると、氷が膨張し、強い圧力を生じ、これによって、パイプにクラッキングが生じ、重大な破損が引き起こる。この現象は、温水暖房装置及び自動車の冷却装置に共通する故障モードである。

パイプ内で氷が形成された場合、必ずしも、結氷によって詰まった部分にクラッキングが引き起こるわけではない。すなわち、パイプが氷で詰まった後、パイプ内で凍結及び膨張が継続することによって、下流側で水圧が上昇する。この水圧の上昇によって、パイプの故障及び／又はクラッキングが生じる。氷が詰まった部分の上流側では、水は、供給源側に逆流することができ、クラッキングを引き起こす程の圧力上昇は殆ど生じない。

電子機器用の液体冷却装置は、出荷時、保管時又は使用時に、準凍結環境に晒されることがある。このように、これらの液体冷却装置は、凍結の可能性があるため、凍結時に水の膨張に耐えることができるよう設計する必要がある。例えば、不凍液等の添加物は、潜在的に有毒であり、可燃性であり、機械的部品、破損しやすいセンサ及び電子部品を破損する可能性があり、このため、冷媒としては、純水又は略純粋な水が使用されることが多い。

そこで、本発明の目的は、電子部品を破損せず、又は装置性能に影響を与えることなく、所定のレベルの凍結及び膨張を許容し、液体冷却装置におけるクラッキングを防止するクラッキング防止装置、クラッキング防止方法を提供することである。

本発明は、液体冷却装置内の流体の凍結による体積の膨張に関連するクラッキングから液体冷却装置の部品及びパイプを保護する。具体的には、本発明の一側面は、複数の表面積対体積比によって特徴付けられる１つ以上の部品を有する液体システムにおける凍結の核及び伝播を制御し、凍結が生じた場合、流体の膨張が、最も高い表面積対体積比を有する最初のゾーンから、次第に表面積対体積比が減少する１つ以上のゾーンに向けて進むように構成されたクラッキング防止装置及びクラッキング防止方法を提供する。このように、本発明の一側面では、凍結が生じた場合、膨張した体積を受容できる方向に体積が膨張するように、熱交換器、流入ポート及び流出ポート、並びに管状部材を含む１つ以上の部品及び部品内の領域の表面積対体積比を管理し、設計する。更に、本発明の他の側面は、寸法及び容積低減手段、エアポケット、圧縮可能な物体及び柔軟な物体を用いて、凍結時に水を主体とする溶液の膨張から液体冷却装置を保護するクラッキング防止装置及びクラッキング防止方法を提供する。このような液体冷却装置では、パイプ、ポンプ及び熱交換器は、筐体及びチャンバのクラッキングを防止するように設計される。

本発明は、一側面として、液体システムにおけるクラッキングを防止するためのクラッキング防止装置を提供する。クラッキング防止装置は、筐体及び圧縮可能な物体を備える。筐体は、凍結速度（freeze susceptibility）が異なる複数のゾーンを有し、凍結が高凍結速度ゾーンから開始され、凍結先頭部が高凍結速度ゾーンから、次第に凍結速度が低くなる１つ以上のゾーンを介して、低凍結速度ゾーンに向かって進むように構成されている。圧縮可能な物体は、高凍結速度ゾーンより凍結速度が低いゾーンに浸される。

本発明は、他の側面として、液体システムにおけるクラッキングを防止するための他のクラッキング防止装置を提供する。クラッキング防止装置は、筐体及び圧力緩和領域を備える。筐体は、表面積対体積比が異なる複数のゾーンを有し、凍結が高表面積対体積比ゾーンから開始され、凍結先頭部が高表面積対体積比ゾーンから低表面積対体積比ゾーンに向かって進むように構成されている。圧力緩和領域は、筐体内において、高表面積対体積比ゾーン以外のゾーンに配設されている。圧力緩和領域は、圧縮可能な物体であってもよい。

本発明は、更に他の側面として、耐凍結性熱交換装置を提供する。耐凍結性熱交換装置は、第１の凍結速度を有するマイクロ構造熱交換領域と、マイクロ構造熱交換領域内より流体が遅く凍結する第２の凍結速度を有するマニホールド領域と、圧縮可能な物体を含みマニホールド領域内より流体が遅く凍結する第３の凍結速度を有する流体流入領域とを備え、凍結先頭部がマイクロ構造熱交換領域から圧縮可能な物体に向かって進むように構成されている。マイクロ構造領域は、マイクロチャネル、マイクロポーラス気孔及び擬似発泡体のうちの１つであってもよい。

本発明は、更に他の側面として、液体装置におけるクラッキングを防止するクラッキング防止方法を提供する。液体装置は、ポンプ及び熱交換器を含む。クラッキング防止方法は、液体装置を、表面積対体積比が異なる複数のゾーンを有し、凍結が高表面積対体積比ゾーンから開始され、凍結先頭部が高表面積対体積比ゾーンから低表面積対体積比ゾーンに向かって進むように構成するステップを有する。更に、クラッキング防止方法は、高表面積対体積比ゾーン以外のゾーンにおいて液体装置に流体的に接続された筐体を準備するステップと、筐体内に圧縮可能な物体を配置するステップとを有する。

以下、本発明の最良の実施の形態及び変形例を、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、本発明を最良の実施の形態を用いて説明するが、本発明は、ここで説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲によって定義される思想及び範囲内に含まれる変形例、変更例、等価物を包含する。更に、以下の本発明の詳細な説明では、本発明を明瞭に説明するために、多くの詳細事項に言及する。しかしながら、本発明がこれらの詳細事項によらずに実現できることは、当業者にとって明らかである。また、本発明の側面を不必要に曖昧にしないために、周知の方法、手続、コンポーネントについては、詳細には説明しない。

図１は、循環冷却装置１００の概略図を示している。循環冷却装置１００は、発熱素子５５（回路基板に取り付けられた集積回路として示しているが、回路基板本体であっても、他の発熱素子であってもよい。）に取り付けられた熱交換器２０と、流体を循環させるためのポンプ３０と、複数のフィン４６が任意に設けられ、循環冷却装置１００から更に熱を取り除く除熱器４０と、熱交換器２０において測定された温度に基づいて、ポンプ入力電圧を制御するコントローラ５０とを備える。流体は、流入口３２から流れ込み、ポンプ３０によって多孔質構造（図示せず）に引き込まれ、流出口３４から出る。好ましい実施の形態では、電気浸透流ポンプを用いるが他の種類のポンプを用いて本発明を実現してもよいことは明らかである。

更に図１に示すように、流体は、管１１４を介して熱交換器２０を流れ、続いて、管１１０を介して除熱器４０を流れ、更に他の管１１２を介して、ポンプ３０の流入口３２に戻る。コントローラ５０は、電子回路であり、熱交換器２０内の温度センサから又は冷却される発熱素子５５の温度センサからの信号が、信号線１２０を介して、このコントローラ５０に供給される。コントローラ５０は、この入力信号に基づいて、信号線１２２を介して、ポンプ３０に接続された電源（図示せず）に信号を供給することによって、所望の熱性能を達成するために、ポンプ３０による流体の流量を調整する。この実施の形態では、特定のフロー方向を示しているが、本発明では、このフロー方向を逆にしてもよい。

流体温度が凝固点以下に低下すると、氷による詰まりが生じる。氷が形成される速度は、流体が冷却される速度に依存し、この速度は、少なくとも部分的に、表面積対体積比に依存する。循環冷却装置１００内の一部の領域で氷が成長し続けると、過度の流体圧が生じることがある。これにより生じる圧力は、例えば、管１１０、１１２、１１４、熱交換器２０、４０のチャネル及び／又はポンプ３０内のチャンバといった個々の要素を破裂又は破損する虞がある。後に詳細に説明するように、個々の要素は、流体又は水の凍結時の膨張を許容するように設計する必要がある。

図２は、それぞれが表面積対体積比によって特徴付けられるゾーン１、２、３Ａ、３Ｂに分割される熱交換器２００の一実施の形態を示している。熱交換器２００は、それぞれゾーン４Ａ、４Ｂに配設され、表面積対体積比によって特徴付けられる管状部材２１０、２６０に連結されている。この実施の形態では、ゾーン１は、最初のゾーンであり、管状部材は、１又は複数の最後のゾーンである。ゾーン１は、好ましくは、１つ以上のマイクロチャネル（図示せず）又は多孔質構造（図示せず）、例えば、マイクロポーラス気孔（microporous foam）又は擬似発泡体（pseudo-foam）である。これに代えて、ゾーン１は、１つ以上のマイクロピン（図示せず）であってもよい。各ゾーンについては、好ましくは、モデル形状に直接基づいて、表面積が算出される。ゾーンは、熱交換器２００内で所望の表面積対体積比を実現するように、例えば、発泡銅（copper foam）等の１つ以上の構造で構成することができる。また、各ゾーンについては、好ましくは、モデル形状に直接基づいて、体積が算出される。各ゾーンの表面積対体積比は、各ゾーンの表面積を各ゾーンの体積で除算することによって算出できる。そして、このようにして算出された隣接するゾーンの表面積対体積比値を比較する。凍結の開始時において、外側に向けて、すなわち、ゾーン１から管状部材に向けて、熱交換器２００の表面積対体積比が次第に減少するように構成すれば、凍結が望ましい方向に進む。具体的には、ゾーン１の表面積対体積比は、比較的高く、管状部材（ゾーン４Ａ、４Ｂ）の表面積対体積比は、比較的低い。

凍結の間、流体は、表面積対体積比が最も高いゾーンから、表面積対体積比が次第に減少していく１つ以上のゾーンの向きに膨張する。なお、管状部材２１０、２６０を含む熱交換器２００は、それぞれが異なる表面積対体積比を有する多くのゾーンを備えることができる。熱交換器２００における隣接するゾーンの表面積対体積比は、管状部材２１０、２６０に向かって減少し、すなわち、ゾーン表面積対体積比は、ゾーン１＞ゾーン２＞ゾーン３Ｂ＞ゾーン４Ｂ及びゾーン１＞ゾーン２＞ゾーン３Ａ＞ゾーン４Ａの順で次第に減少する。この実施の形態では、管状部材２１０、２６０は、必要な体積膨張を受容するように設計される。

管状部材２１０、２６０は、好ましくは、少なくとも、循環冷却装置内の凍結する液体の体積の累積的な変化に等しい、膨張する体積を受容する適応性がある材料を備える。管状部材２１０、２６０は、好ましくは、外側に広がって、流体の凍結によって引き起こされる体積膨張を受容するために十分な弾性を有する。これに代えて、１つ以上の圧縮可能な物体（図示せず）を管状部材２１０、２６０に連結してもよく、この場合、凍結した流体によって、圧縮可能な物体に圧力が加わると、管状部材２１０、２６０の容積が増加する。圧縮可能な物体（図示せず）は、好ましくは、管状部材内に閉じ込められ、独立気泡スポンジ（closed cell sponge）、独立気泡発泡体（closed cell foam）、空気が満たされた泡、密封された管、バルーンから形成してもよく、及び／又は密封されたパッケージ内にカプセル化してもよい。パッケージは、金属材料、金属メッキされたプラスチックシート材料又はプラスチック材料から形成することができる。プラスチック材料は、テフロン（登録商標）、マイラ（mylar）、ナイロン、ＣＴＦＥ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＶＣ、ＰＥＮのラミネート又は他の任意の適切なパッケージから選択してもよい。他の種類の圧縮可能な物体を用いてもよい。スポンジ及び発泡体は、疎水性であってもよい。

他の実施の形態においては、管状部材２１０、２６０内に少なくとも１つのエアポケット（図示せず）を配置してもよく、このエアポケット（図示せず）は、流体の凍結による膨張を受容する。これに代えて、少なくとも１つの柔軟な物体（図示せず）を管状部材２１０、２６０に連結してもよく、この場合、凍結した流体によって、柔軟な物体（図示せず）に圧力が加わると、管状部材２１０、２６０の容積が増加する。柔軟な物体（図示せず）は、好ましくは、ゴム、プラスチック及び発泡体のうちの１つから形成され、管状部材内に取り付けられる。なお、流体の凍結による膨張に耐えるために、更なる適応性がある材料を使用してもよい。

図３に示す一実施の形態においては、装置又はポンプ６０は、流入チャンバ６２及び流出チャンバ６４を有するハウジング６８を備える。ポンピング機構又は構造６９は、ハウジング６８の底面側と、ハウジング６８の上面側とに流入チャンバ６２及び流出チャンバ６４を分離している。ポンピング構造６９は、ポンプ流入口６１からポンプ流出口６６に液体を流す。流入チャンバ６２及び流出チャンバ６４は、流体で満たされる。ポンプ６０で使用される液体は、好ましくは、水である。なお、本発明では、他の如何なる適切な液体を用いてもよい。

更に図３に示すように、ポンプ６０は、流入チャンバ６２及び流出チャンバ６４の何れにも、水が入り込む大きなポケットがないように設計されている。水が凍結すると、氷は、液体である水より体積が大きくなる。例えば、流入チャンバ６２、流出チャンバ６４等の閉じられた空間で凍結が生じた場合、流体の膨張によって生じる押しのけ容積は、流入チャンバ６２、流出チャンバ６４内の流体の体積に比例する。流入チャンバ６２、流出チャンバ６４が占めるサイズ及び容積を最小化することによって、押しのけ容積を低減することができ、したがって、凍結によって、流入チャンバ６２、流出チャンバ６４内で押しのけられる液体の量を最小化することができる。

図４に示す構成では、図３の流入チャンバ６２及び流出チャンバ６４に対して、流入チャンバ７２及び流出チャンバ７４の体積を大幅に減少させている。これにより、ポンプ７０内に存在する水の量は、大幅に減少する。流入チャンバ７２、流出チャンバ７４については、詳細な機械的解析を行う必要があるが、流入チャンバ７２、流出チャンバ７４は、凍結した水によって加えられる力に耐えるように設計することができる。流入チャンバ７２及び流出チャンバ７４は、最小のサイズ及び容積状態と、最大のサイズ及び容積状態との間で収縮及び膨張できる。なお、図１に示す管１１０、１１２、１１４のサイズ及び容積を低減することによって、循環冷却装置１００（図１）内の流体の膨張によって生じる押しのけ容積を低減することができる。

他の実施の形態においては、図５に示すように、装置又はポンプ８０は、流入チャンバ８２及び流出チャンバ８４を有するハウジング８８を備える。ポンピング構造８９は、ハウジング８８の底面側と、ハウジング８８の上面側とに流入チャンバ８２及び流出チャンバ８４を分離している。ポンピング構造８９は、ポンプ流入口８１からポンプ流出口８６に液体を流す。流入チャンバ８２、流出チャンバ８４は、流体で略満たされる。ポンプ８０で使用される液体は、好ましくは、水である。なお、本発明では、他の如何なる適切な液体を用いてもよい。

更に図５に示すように、流入チャンバ８２及び流出チャンバ８４内には、エアポケット８５、８７が設けられている。エアポケット８５、８７は、好ましくは、流入チャンバ８２、流出チャンバ８４内で流体が凍結しはじめる位置から最も遠くに配設される。流入チャンバ８２、流出チャンバ８４内における凍結によって膨張した氷は、エアポケット８５、８７によって占められている空間に侵入し、流入チャンバ８２、流出チャンバ８４内の圧力は、僅かに上昇する。しかしながら、空気は、十分な圧縮性を有し、比較的小さい力で大きく圧縮できるため、氷の膨張は、容易に受容される。エアポケット８５、８７は、好ましくは、流入チャンバ８２、流出チャンバ８４内の流体の量に比例する体積を有する。エアポケット８５、８７は、好ましくは、５〜２５％の間の所定のレベルの流体の膨張を受容できる。

上述したように、閉じられた空間で形成される氷は、必ずしも、氷による詰まりが最初に生じた場所において、障害を引き起こすわけではない。すなわち、閉じられた空間が氷で詰まった後、閉じられた空間内で凍結及び膨張が継続することによって、下流側で水圧が上昇する。密封された装置内では、流体圧は、凍結の最後の位置で極限に達する。膨張する流体を受容するエアポケットがなければ、圧力は、非常に大きくなる虞がある。流入チャンバ８２、流出チャンバ８４の熱設計は、流体が凍結を開始する位置を選択し、１つの位置から開始された凍結が他の位置のエアポケットに向かって継続的に進行するように変更できる。例えば、エアポケットがチャンバの上面側にある場合、流体の凍結の核は、チャンバの底面側にあるべきである。チャンバの底面側で流体の凍結が開始されると、氷の膨張が水を押しのけ、エアポケットを圧縮する。空気は、容易に圧縮されるので、チャンバ内の流体が完全に凍結しても、チャンバの如何なる位置にも大きな圧力が生じない。

チャンバで凍結の開始位置を決めるためには、凍結の開始位置から周囲への熱経路（themal path）を提供することが必要となる場合がある。流体又はチャンバが凝固点より高い温度から冷却されると、熱経路は、開始位置に保存されている熱エネルギを効率的に放出するのに役立つ。例えば、チャンバ内の凍結の開始位置からチャンバの上面にオプションの金属インサート（metallic insert）２８８を取り付けてもよい。金属インサート２８８は、好ましくは、銅等の流体を汚染しない材料から形成される。これに代えて、チャンバの表面積対体積比を局所的に増加させ、又はチャンバ内のパッケージ絶縁を低減しても、金属インサート２８８と同様の効果を得ることができる。ここで重要な点は、特定の位置が最も速く冷たくなり、これにより、凍結の進行が、この特定の位置から図５のエアポケット８５、８７に向かって継続的に進行するような何らかの材料又は構造を用いることである。

幾つかの場合、流入チャンバ８２、流出チャンバ８４内でエアポケット８５、８７の位置及び場所を制御することが困難なこともある。更に、循環冷却装置１００（図１）の各チャンバ内にエアポケットを配設することが困難な場合もある。更なる実施の形態では、図６に示すように、１つ以上の圧縮可能な物体９５、９７をポンプ９０内に浸している。ポンプ９０は、流入チャンバ９２及び流出チャンバ９４を有するハウジング９８を備える。ポンピング構造９９は、ハウジング９８の底面側と、ハウジング９８の上面側とに流入チャンバ９２及び流出チャンバ９４を分離している。ポンピング構造９９は、ポンプ流入口９１からポンプ流出口９６に液体を流す。流入チャンバ９２、流出チャンバ９４は、流体で略満たされる。ポンプ９０で使用される液体は、好ましくは、水である。なお、本発明では、他の如何なる適切な液体を用いてもよい。

更に図６に示すように、流入チャンバ９２及び流出チャンバ９４には、１つ以上の圧縮可能な物体９５、９７が浸され、連結されている。物体９５、９７は、独立気泡疎水性発泡体（closed cell hydrophobic foam）又は独立気泡スポンジ（closed cell sponge）であってもよい。好ましくは、物体９５、９７は、５〜２５％の間の所定のレベルの流体の膨張を受容できる。物体９５、９７は、流体の膨張を受容するために、好ましくは、流入チャンバ９２、流出チャンバ９４内の流体の量に比例する体積を有する。

物体９５、９７は、例えば、連続気泡発泡体又は独立気泡発泡体、ゴム、スポンジ、空気が満たされた泡、エラストマ、又は関連するあらゆる材料等、圧縮可能な材料から構成してもよく、圧縮可能な材料の全ての表面を覆う保護層を備えていてもよい。保護層を設ける目的は、圧縮可能な材料と周囲の流体とが接触することを防止するためである。保護層は、ラッピング、シーリング、浸漬塗装、吹付け塗装及びこれらに類する手法等、様々な手法で形成できる。保護層は、真空積層されたカバーであってもよく、例えば、吹付け層、堆積膜、圧縮可能な材料の表面を反応させ又は加熱することによって形成された層であってもよい。更に、表面における熱融合、溶融、化学修飾によって、圧縮可能な材料の表面に保護層を形成することもできる。保護層は、圧力によって圧縮可能な材料の体積を減少させることができるように、十分な柔軟性を有する。このような柔軟性を実現するために、保護層は、圧縮可能な材料より遙かに薄く形成してもよい。更に、保護層は、冷却装置では用いられる流体によって化学的な反応を起こさず、凝固点を上下する温度サイクルによって劣化しない材料から形成してもよい。保護層から気体が出入りして、体積が変化しないように、保護層を密封してもよい。保護層は、テフロン、マイラ（mylar）、ポリエチレン、ナイロン、ＰＥＴ、ＰＶＣ、ＰＥＮ又は他の適切な何らかのプラスチックを始めとする様々な材料から形成でき、更に、気密性を高めるために、内表面又は外表面に金属膜を備えていてもよい。更に、保護層は、ポテトチップスの包装に用いられるようなメッキプラスチックシート材であってもよく、全ての気体及び液体の拡散をブロックする不浸透層として機能できる。更に、冷却装置を気泡が動くような場合、例えば、電気浸透流ポンプが水素気泡及び酸素気泡を発生させるような場合、気泡が表面に付く可能性を低減するために、保護層は、親水性の性質を有していてもよい。

他の実施の形態においては、図７Ａに示すように、装置又はポンプ１０３は、流入チャンバ１０２及び流出チャンバ１０４を有するハウジング１０８を備える。ポンピング構造１０９は、ハウジング１０８の底面側と、ハウジング１０８の上面側とに流入チャンバ１０２及び流出チャンバ１０４を分離している。ポンピング構造１０９は、ポンプ流入口１０１からポンプ流出口１０６に液体を流す。流入チャンバ１０２、流出チャンバ１０４は、流体で略満たされる。ポンプ１０３で使用される液体は、好ましくは、水である。なお、本発明では、他の如何なる適切な液体を用いてもよい。

更に図７Ａに示すように、流入チャンバ１０２及び流出チャンバ１０４には、離間して配置された複数の柔軟な物体１０５、１０７が連結されている。この実施の形態では、柔軟な物体１０５、１０７は、好ましくは、ゴム又はプラスチック等の柔軟性を有する材料から形成されている。柔軟性を有する材料は、好ましくは、自ら、並びに流入チャンバ１０２及び流出チャンバ１０４の他の剛性を有する要素にクラッキングを生じさせることなく、氷の膨張を受容するため、例えば、図７Ｂに示すように、部分的に変形するように設計及び配置される。柔軟な物体１０５、１０７は、好ましくは、５〜２５％の間の所定のレベルの流体の膨張を受容できる。柔軟な物体は、所定の距離だけ互いに離間するように配置してもよい。柔軟な物体１０５、１０７は、好ましくは、最小の容積状態と最大の容積状態との間で収縮及び膨張できる。

図８Ａは、熱交換器１３０内で流入ポート１３１及び流出ポート１３５に連結されている圧縮可能な物体１３２、１３４の概略図を示している。流体は、矢印で示すように、通常、１つ以上の流入ポート１３１から流れ込み、何らかの構成のマイクロチャネル１３８を介して、底面１３７に沿って流れ、１つ以上の流出ポート１３５から流れ出る。圧縮可能な物体１３２、１３４は、好ましくは、物体自体又は図８Ａに示す流入ポート１３１及び流出ポート１３５の他の剛性を有する要素にクラッキングを生じさせることなく、氷の膨張を受容するために、部分的に変形するように設計及び配置される。

図８Ｂは、マイクロチャネル１４８内で、熱交換器１４０の底面１４７に沿って配置された圧縮可能な物体１４５の概略図を示している。図８Ｂに示すように、マイクロチャネル１４８内では、圧縮可能な物体１４５が上面１４９から底面１４７へのシールの一部を形成するように、圧縮可能な物体１４５を構成してもよい。図８Ａ及び図８Ｂの両方に示すように、圧縮可能な物体は、熱交換器内での凍結保護体として機能する。圧縮可能な物体１４５は、流体抵抗を最小化し、及び底面１４７から流体への熱伝導効率が低下することを回避するように意図して位置決めされている。圧縮可能な物体１４５は、図８Ｂに示す位置の方が有利ではあるが、マイクロチャネルの側部に配置してもよい。圧縮可能な物体１４５を底面１４７に配設すると、圧縮可能な物体１４５の高い熱抵抗のために、熱交換器１４０の性能が著しく低下する虞がある。

図９Ａは、除熱器内で流体が満たされた管１５０の壁１５１、１５５に連結されている圧縮可能な物体１５２、１５４の概略図を示している。管１５０は、装置の他の部分より実質的に長い場合があり、例えば、循環冷却装置１００（図１）のある部分における長さが数センチであり、他の部分における長さが数メートルにも及ぶことがある。管１５０の壁１５１、１５５に配設された細長い圧縮可能な物体１５２、１５４は、除熱器内で凍結保護体として機能する。これに代えて、図９Ｂに示すように、例えば、圧縮可能な気泡構造である圧縮可能な要素１６５を管１６０の内部に通してもよい。圧縮可能な要素１６５は、管１６０内で自由に浮遊することができる。圧縮可能な要素１６５は、管１６０より薄いので、管１６０を詰まらせることなく、管１６０に簡単に通すことができる。圧縮可能な要素１６５の長さは管１６０の長さに基づいて変化する。

図１０は、除熱器内のプレート１８０の流体が満たされたチャネル１７０内に配設された圧縮可能な物体１７１、１７３、１７５、１７７の様々な可能な構成の概略図を示している。図１０に示すように、流体は、プレート１８０内に配置された、流体流入口１７２と流体流出口１７４との間に流体を流すチャネル１７０を介してルーティングすることができる。除熱器は、プレート１８０に取り付けられ、プレート１８０に熱接触するフィン１９０を備えていてもよい。チャネル１７０内に配設された圧縮可能な物体１７１、１７３、１７５、１７７は、凍結保護を提供し、これにより、装置全体の性能を向上させている。

上述したサイズ及び容積の低減、エアポケット、圧縮可能な物体及び柔軟な物体の使用に加えて、液体冷却装置におけるクラッキングを防止するために他の技術を用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。例えば、図１１に示すように、圧縮可能な要素１８２は、冷却ループの流体セグメントの全長に亘って、流体セグメントの一部を占めている。これらの全ての手法において、通常の機械設計分析を用いて、以下に限定されるものではないが、エアポケット又は圧縮可能な物体の何れかを備えるチャンバ、管及び他の筐体を含む冷却装置内の応力を計算し、筐体の破損が生じるような大きな応力が如何なる部分にも加わらない冷却装置を設計することができることは、当業者にとって明らかである。電子機器用の循環冷却装置では、流体が比較的多く収容される部分は、ポンプ内のチャンバ又は熱交換器の管であることが多い。装置設計では、このような流体の体積を最小化し、これによって、使用される圧縮可能な材料の体積を減少させるべきである。このような設計ができない場合、すなわち、拡張された使用のために十分な流体を保証するために、大きな体積の流体が必要である場合でも、上述した実施の形態によって、凍結の際に生成される力を、制御可能なレベルに低減することができる。

他の実施の形態においては、図１２に示すように、装置又はポンプ２００は、流入チャンバ２０２及び流出チャンバ２０４を有するハウジング２０８を備える。ポンピング構造２０９は、ハウジング２０８の底面側と、ハウジング２０８の上面側とに流入チャンバ２０２及び流出チャンバ２０４を分離している。ポンピング構造２０９は、ポンプ流入口２０１からポンプ流出口２０６に液体を流す。流入チャンバ２０２、流出チャンバ２０４は、流体で満たされる。ポンプ２００で使用される液体は、好ましくは、水である。なお、本発明では、他の如何なる適切な液体を用いてもよい。

図１２に示すハウジング２０８は、凍結の発生時に流体の膨張に耐えるように設計することができる。ハウジング２０８の少なくとも１つの壁には、複数の柔軟な物体２０７が連結されている。ハウジング２０８は、流入チャンバ２０２及び流出チャンバ２０４を支持する堅いプレートから形成されている。プレートは、流入チャンバ２０２及び流出チャンバ２０４の複数の側面を構成し柔軟な物体２０７を介して連結されている。柔軟な物体２０７は、プレートに取り付けてもよい。柔軟な物体２０７は、コーナとなる端部を含む、流入チャンバ２０２及び流出チャンバ２０４の複数の側面の幾つか又は全部に形成してもよく、これにより、力が加わると、プレートは、図１３に示すように、外側に膨らむことができる。柔軟な物体は、力によって形状を変化させることができる限り、エラストマヒンジ又は適切な何らかのポリマヒンジであってもよい。

他の実施の形態として、図１４は、ステップ３００から開始される、ポンプのクラッキングを防止するクラッキング防止方法の手順を示している。ステップ３１０では、ポンピング構造によって分離された流入チャンバ及び流出チャンバを有するハウジングを準備する。ステップ３２０では、離間して配置された複数の柔軟な物体に圧力が加わるとハウジングの容積が増加するように、複数の柔軟な物体がハウジングの少なくとも１つの壁を形成するように配設する。柔軟な物体は、好ましくは、所定のレベルの流体の膨張を受容できる。

流体の膨張の所定のレベルとは、例えば、５〜２５％の膨張であってもよい。柔軟な物体は、好ましくは、所定の距離だけ離間して配置される。更に、柔軟な物体は、好ましくは、最小の容積状態と最大の容積状態との間で収縮及び膨張できる。ポンプは、電気浸透流ポンプであってもよい。ハウジングは、堅いプレートを有していてもよい。更に、堅いプレートに柔軟な物体を固定できる。柔軟な物体は、ゴム、プラスチック又は発泡体から形成してもよい。

図１５に示す他の実施の形態においては、装置又はポンプ４００は、砂時計状の形状を有する流入チャンバ及び流出チャンバを有するハウジング４１０を備える。砂時計状のチャンバは、比較的狭くされた中央又は中央部分４０５と、実質的に同様に拡大された上下の端部４０７とを備える。ポンピング構造４２０は、ハウジング４１０の底面側と、ハウジング４１０の上面側とに流入チャンバ及び流出チャンバを分離している。この装置は、凍結の開始位置から周囲への熱経路を備えていてもよい。

流体又はチャンバが凝固点より高い温度から冷却されると、熱経路は、開始位置に保存されている熱エネルギを効率的に放出するのに役立つ。例えば、チャンバ内の凍結の開始位置からチャンバの上面にオプションの金属インサート４３０を取り付けてもよい。金属インサート４３０は、好ましくは、銅等の流体を汚染しない材料から形成される。ここで重要な点は、特定の位置が最も速く冷たくなり、これにより、凍結の進行が、この特定の位置からチャンバの拡大された端部４０７に向かって継続的に進行するような何らかの材料又は構造を用いることである。砂時計状のチャンバと、金属インサート４３０との組合せによって、砂時計状のチャンバの狭くされた中央又は中央部分４０５で凍結が開始され、拡大された端部４０７に向かって外側に凍結が進行し、ここで、液体は、流入口、流出口又は両方に逃げ、又は、拡大された端部４０７は、上述のような、膨張した体積を受容する構造として機能する。

上述の実施の形態では、流入チャンバ及び流出チャンバを有するポンプ又はハウジングに本発明を適用している。これに代えて、本発明は、液体冷却装置の如何なる筐体に適用してもよい。液体冷却装置は、好ましくは、電気浸透流ポンプ及び熱交換器を備える。したがって、サイズ及び容積の低減、エアポケット、圧縮可能な物体及び柔軟な物体は、液体冷却装置の管を含む液体冷却装置の何れの又は全ての筐体に適用してもよい。

本発明の構成及び動作原理を明瞭に説明するために、様々な詳細を備える特定の実施の形態を用いて本発明を説明したこのような特定の実施の形態の説明及びその詳細は、特許請求の範囲を制限するものではない。本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、例示的に選択された実施の形態を変更できることは、当業者にとって明らかである。

ポンプ及び熱交換器を含む従来の循環冷却装置の概略図である。本発明に基づく、表面積対体積比によって特徴付けられる論理的ゾーンに分割される熱交換器の一実施の形態を示す図である。流入チャンバ及び流出チャンバを有するハウジングの概略図である。本発明に基づく、サイズ及び容量が低減された流入チャンバ及び流出チャンバを有するハウジングの概略図である。本発明に基づく、ハウジングの流入チャンバ及び流出チャンバ内に配設される、エアポケットの概略図である。本発明に基づく、ハウジングの流入チャンバ及び流出チャンバ内に配設される圧縮可能な物体の概略図である。（Ａ）は、流入チャンバ及び流出チャンバを有するハウジング、並びにチャンバに連結された、離間して配置された複数の柔軟な物体の概略図であり、（Ｂ）は、流入チャンバ及び流出チャンバを有するハウジング、並びにチャンバに連結され、流体の膨張の際にクラッキングを防止するように変形する複数の離間された柔軟な物体の概略図である。（Ａ）は、熱交換器内で流入ポート及び流出ポートに連結されている圧縮可能な物体の概略図であり、（Ｂ）は、隣接するマイクロチャネル内で熱交換器の底面に沿って配置されている圧縮可能な物体の概略図である。（Ａ）は、除熱器内の流体が満たされた管の壁に連結されている圧縮可能な物体の概略図であり、（Ｂ）は、除熱器内の流体が満たされた管の全長に亘って配置されている圧縮可能な物体の概略図である。除熱器内のプレートの流体が満たされたチャネル内に配設された圧縮可能な物体の概略図である。冷却ループの流体セグメント内に配設された圧縮可能な物体の概略図である。流入チャンバ及び流出チャンバを有するハウジング、並びにチャンバに連結された、離間して配置された複数の柔軟な物体の概略図である。流入チャンバ及び流出チャンバを有するハウジング、並びにチャンバに連結され、流体の膨張の際にクラッキングを防止するように変形する複数の離間された柔軟な物体の概略図である。本発明の一実施の形態に基づく方法のステップを示すフローチャートである。流入チャンバ及び流出チャンバと、比較的狭くされた中央部分及び実質的に同様に拡大された上下の端部とを備えるハウジングの概略図である。

Claims

液体システムにおけるクラッキングを防止するためのクラッキング防止装置において、
ａ．凍結速度が異なる複数のゾーンを有し、凍結が高凍結速度ゾーンから開始され、凍結先頭部が該高凍結速度ゾーンから、次第に凍結速度が低くなる１つ以上のゾーンを介して、低凍結速度ゾーンに向かって進むように構成された筐体と、
ｂ．上記高凍結速度ゾーンより凍結速度が低いゾーンに浸された圧縮可能な物体とを備えるクラッキング防止装置。
液体システムにおけるクラッキングを防止するためのクラッキング防止装置において、
ａ．表面積対体積比が異なる複数のゾーンを有し、凍結が高表面積対体積比ゾーンから開始され、凍結先頭部が該高表面積対体積比ゾーンから低表面積対体積比ゾーンに向かって進むように構成された筐体と、
ｂ．上記筐体内において、上記高表面積対体積比ゾーン以外のゾーンに配設された圧力緩和領域とを備えるクラッキング防止装置。
上記圧力緩和領域は、圧縮可能な物体であることを特徴とする請求項２記載のクラッキング防止装置。
ａ．第１の凍結速度を有するマイクロ構造熱交換領域と、
ｂ．上記マイクロ構造熱交換領域内より流体が遅く凍結する第２の凍結速度を有するマニホールド領域と、
ｃ．圧縮可能な物体を含み上記マニホールド領域内より流体が遅く凍結する第３の凍結速度を有する流体流入領域とを備え、
凍結先頭部が上記マイクロ構造熱交換領域から上記圧縮可能な物体に向かって進むことを特徴とする耐凍結性熱交換装置。
上記マイクロ構造領域は、マイクロチャネル、マイクロポーラス気孔及び擬似発泡体のうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項４記載の耐凍結性熱交換装置。
ポンプ及び熱交換器を含む液体装置におけるクラッキングを防止するクラッキング防止方法において、
ａ．上記液体装置を、表面積対体積比が異なる複数のゾーンを有し、凍結が高表面積対体積比ゾーンから開始され、凍結先頭部が高表面積対体積比ゾーンから低表面積対体積比ゾーンに向かって進むように構成するステップと、
ｂ．上記高表面積対体積比ゾーン以外のゾーンにおいて、上記液体装置を筐体に連結するステップと、
ｃ．上記筐体内に圧縮可能な物体を配置するステップとを有するクラッキング防止方法。