JP2023504447A - 流体相変化熱管理装置および方法 - Google Patents

Abstract

熱源から熱を除去するための流体相変化熱管理冷却方法および装置：ここで上記方法は、流体相変化熱管理冷却装置の容積Ｖ１を有する冷却チャンバを液相の流体で充填すること、容積Ｖ２内に液相の流体および気相の流体のみが実質的に存在するように、冷却チャンバの容積を容積Ｖ２まで増大させて、流体の一部をその液相からその気相に気化させること、滞留時間を確保して、冷却チャンバの加熱された表面と接触する液相の流体の少なくとも一部を気化させること、上記ステップを繰り返し、ステップのタイミングおよびステップ間の滞留時間を選択して、設定された限度内で熱蓄積を制御することを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、目標加熱領域から離れて廃棄領域に向かう望ましくない熱の移転の改善された管理を提供するための流体相変化熱管理装置および方法またはデバイスに関する。

特に、本発明は、非常に低い圧力で気化する冷却流体の潜熱特性を使用することによる、加熱領域からの熱の迅速かつ効率的な除去に関する。

従来の冷却システムは、加熱された部材の周囲に冷却流体を循環させることによって、高温領域の冷却を容易にし、それによって、加熱された部材からの熱を冷却媒体に引き込み、それは、典型的には次いで、チャネルを通って熱源から離れて輸送される。従来のアプローチは、そのような冷却チャンバを直列または並列に接続することを伴うが、それぞれが、効率的でない熱除去、高い冷却流体流量の必要性、およびチャンバまたは空洞間の複雑な接続などの欠点を有する

冷却チャンバと、チャンバ内部の冷却液と、実質的に冷却液の蒸気のみを有する冷却液の上方の空間とが存在する冷却方法が知られている。このような配置の難点は、冷却チャンバの熱を受けた領域が蒸発によって乾燥し、冷却を継続するためには、さらなる湿潤が必要となることだが、これはしばしば達成するのが困難であることが多い。

プラスチック射出成形用のコンフォーマル冷却システムのような幾つかの冷却システムは、熱を成形部品の成形表面から効果的かつ効率的に遠ざける利点を提供し、次いで、これにより、射出成形機は、所定の期間においてより多くのサイクルを完了することを可能にし、その結果、成形部品の最適な生産速度が得られる。しかしながら、コンフォーマル冷却システムは、設計および製造が困難な複雑な鋳型チャネルの設計のために、射出鋳型の製造に複雑さおよびコストを増加させる。

水は優れた冷却媒体であるが、他の冷却媒体と比較して幾つかの欠点を有している。水は空気の存在下で鋳型または冷却システムの腐食を引き起こし、冷却チャンネル内部にスケールが蓄積する可能性がある。そのため、有向チャネル内を流れる水を使用する水冷式の鋳型では、鋳型の寿命を縮める原因となる腐食を防ぐために、冷却チャネルを使用可能な状態に保つことが有効である。しかしながら、必要とされる点検の増加は、これらの鋳型の使用に伴うコストを増加させ、および予防保守処置のための点検が高頻度となることによるそれらのダウンタイムを増加させる。コンピュータの冷却は、特に、大容量コンピュータが配置されている装置、例えば、各コンピュータが、コンピュータの集積回路およびコンピュータ中央処理装置（ＣＰＵ）の性能に影響を及ぼす可能性があるかなりの量の熱を生成する場合もあるデータセンタなど、においても望ましい。ＣＰＵ内の温度が高くなると、動的周波数スケーリングが起きることがあり、動作周波数の低下によって部品は強制的に減速させられ、その結果、性能が低下する。

一般的なデスクトップ・パーソナル・コンピュータおよびノートブックのような低容量コンピュータＣＰＵでは、一体型ヒートシンク上のファンおよび冷却フィンを使用したＣＰＵの空冷が適切である。ハイエンドＰＣのための一般的な冷却手段は、ＣＰＵおよび関連する電子機器のケーシングに密着して流体冷却ヒートシンクを使用することを含む。

コンピュータサーバ構成部品の液体浸漬式冷却はさらに進んだ技術であり、コンピュータチップ／マザーボード／ＣＰＵおよび関連する電子機器が熱伝導性の誘電性流体中に沈められ、流体が電子部材と直接接触し、次いで、それが回路の上および熱交換器を通って流れることによって熱は流体から除去される。

加熱された領域から伝達される熱に関して、冷却流体は、熱低減を必要とする場所に向けられ、そこでは、非常に低い圧力で冷却流体が気化し、熱は、加熱された領域から気相流体に潜熱として伝達され、次いで、熱交換器／凝縮器を介してその熱を伝達することができるようになることが知られている。

冷却流体の作動供給を達成するために、ある場合には、そのような流体を高熱の場所に導く導管を通して移送することが望ましい。このことは、例えば、互いに種々の場所および高さに幾つかの冷却チャンバまたは空洞がある領域において、１つ以上のそのような導管が必要とされる場合に問題を生じ得る。冷却チャンバまたは空洞が様々な高さにある場合、冷却媒体の一貫した均一な供給を提供するように、それぞれへの流体の流れを制御できることが重要である。冷却チャンバがそれらの内部で流体を気化させるとき、チャンバまたは空洞からこの蒸気を除去し、表面上の流体の乾燥前に新しい冷却流体の挿入を可能にすることが重要である。

蒸気圧の低い他の冷却流体は水の欠点に対処することができるが、流体として、それらは、構成要素間または冷却流体経路内に小さな狭いチャネルまたは間隙が存在する問題に依然として直面する。それらのいずれも水ほど環境に優しいものではない。

本発明の一形態は、熱源を含む周囲構造体によって画定される空間と、蒸気凝縮を提供する熱交換器とが存在し、上記空間を実質的に液体で満たす程度まで液体を導入し、液体の蒸気、液体本体および上記構造体の濡れた内面のみが実質的に存在するように液体の一部を除去し、次いで、周囲構造体の加熱された表面と接触した液体の少なくとも一部が気化するまでの滞留時間を確保し、その後、上記ステップを繰り返すことを含み、上記ステップのタイミングおよびステップ間の滞留時間を選択して、設定された程度まで熱蓄積を制限する、流体相変化熱管理冷却方法である。

本発明のさらなる形態は、冷却流体の本体を含む冷却チャンバと、冷却チャンバ内の流体圧力を制御するための圧力コントローラと、蒸気を凝縮させる手段とを有する流体相変化熱管理装置またはシステムであり、この方法は、圧力コントローラでチャンバを液体冷却剤で満たし、次いで、熱伝達が実質的に等温プロセスとして生じるように、空間内の冷却液の蒸気のみを実質的に残すような方法で冷却液の一部を抽出し、次いで、滞留時間後に、冷却液を少なくともある程度まで気化させ、次いで、チャンバを液体冷却剤で再充填し、これらのステップを充分かつ迅速に繰り返して、チャンバ内の表面の温度変動を所定の程度に制限することを含む。

液体冷却剤で満たされた状態から、部分的に空にされるが実質的に冷却剤の蒸気のみを有する状態まで、チャンバ状態の制御されたサイクルは、チャンバが再充填されるときに、冷却を必要とする形状の特徴であり得る複雑な形状およびより小さい管におそらく閉じ込められた任意の残留蒸気が、充填を引き起こすために使用される圧力によって押し出されるか、または凝縮され得ることを意味する。

これは、冷却を必要とする表面に直接的に冷却液を適用することができ、実質的に等温熱伝達の疑いのない効率を達成できることを意味する。

チャンバは、結果として生じる圧力変動に耐えることができる周囲構造体によって画定され、これは、ポンプとチャンバとの間の閉鎖経路として作用する導管などの付随的な部材を含む。

好ましくは、冷却流体は、冷却チャンバの全てを占有する。

しかしながら、冷却チャンバが、機能的な意味で、閉路容積と、圧力制御手段のピストンまたは他の能動部品の相対位置によって変化する容積とを含む空間を規定する構造の一部である場合などには、別の方法で説明することができる。この結果、その空間は、冷却液が実質的にその空間を満たす第１のモードと、実質的に液体の蒸気のみで満たされた空間がある第１のモードよりも大きい第２のモードとを有するものとして説明することができ、本発明の方法は、その２つのモード間を繰り返しサイクルさせることである。

これによれば、本発明は、流体相変化熱管理冷却方法であって、周囲構造によって画定され、かつ冷却される熱源と、液体の本体と、蒸気凝縮を提供する熱交換器とを含む調整可能な空間が存在し、上記空間は、液体の本体で実質的に満たされた第１の調整モード、および液体の蒸気のみで実質的に満たされた余剰空間を有する第２の調整モードに調整可能である方法、と言うことができ、本発明の方法はその２つのモード間で繰り返し移行される。

好ましくは、圧力制御手段は、実質的に大気圧に対して、圧力を使用して空間の状態をより小さいサイズモードからより大きいサイズモードに変更するポンプ手段である。

好ましくは、冷却チャンバの容積は、システム容積と総称される圧力制御手段の容積を含む。

好ましくは、圧力制御手段は、冷却チャンバの容積またはシステム容積を容積１（Ｖ１）から容積２（Ｖ２）に変更する（ここで、Ｖ１＜Ｖ２である）。

好ましくは、圧力制御手段は圧力ポンプである。

好ましくは、圧力制御手段はピストンポンプであり、ピストンの運動は容積を変更させ、ピストンは２つの位置をとることができ、ここで、ピストンは、閉路および主チャンバと共に後退位置において、容積Ｖ２を有する第２のまたはより大きなサイズのモード状態を提供し、そして解放されるとそれは潰れ、容積Ｖ１を有する第１のモードまたはより小さなサイズの状態が画定される。

好ましくは、ピストンポンプ構成は、冷却チャンバと流体連通する主ピストンポンプハウジングを含む。

好ましくは、主ピストンポンプハウジングは、閉路内でそれらの間に流体を流す導管によって冷却チャンバに流体的に接続される。

好ましくは、導管は可撓性導管である。

好ましくは、ピストンポンプは、作動デバイス、例えば、空気シリンダであってもよい線形作動デバイスによって移動可能に作動されるプランジャ／ピストンヘッドを有する。

好ましくは、付勢手段が圧力制御手段に動作可能に取り付けられ、冷却流体に下向きの力（圧力Ｐ１）が加えられる。

好ましくは、圧力制御手段は容積式ポンプ（positive displacement pump）である。

好ましくは、容積式ポンプは往復式容積式ポンプである。

好ましくは、圧力制御手段の動作は、冷却チャンバの容積を増加させて、冷却流体の圧力をＰ２に低下させる。

好ましくは、冷却チャンバは、閉路およびポンプチャンバと共に、密封システムを形成する。

本発明のさらに別の実施形態は、下記ステップＡ～Ｄを含む、熱源から熱を除去するための流体相変化熱管理冷却方法である：
Ａ 流体相変化熱管理冷却装置の容積Ｖ１を有する冷却チャンバを液相の流体で充填すること、
Ｂ 容積Ｖ２内に液相の流体および気相の流体のみが実質的に存在するように、冷却チャンバの容積を容積Ｖ２まで増大させて、流体の一部をその液相からその気相に気化させること、
Ｃ 滞留時間を確保して、冷却チャンバの加熱された表面と接触する液相の流体の少なくとも一部を気化させること、および
Ｄ ステップＡ～Ｃを繰り返し、ステップのタイミングおよびステップ間の滞留時間を選択して、設定された限度内で熱蓄積を制御すること。

本発明のさらなる実施形態は、物品から熱を除去するための方法であって、閉路を通って冷却チャンバに冷却剤を供給し、圧力制御手段によって閉路内の圧力を低下させて、冷却剤の少なくとも一部を気化させながら、冷却剤の蒸気のみを実質的に含む空間を冷却剤の上方に形成し、次いで、気化した冷却剤を凝縮領域／ゾーンに流し、次いで、圧力制御手段を作動させて、閉路内の圧力を少なくとも充分に増加させて、任意の残りの気相の冷却剤を押し出しまたは凝縮させ、それによって、冷却チャンバ内のすべての空間をその液相の冷却剤で満たすことを含む方法である。

本発明のさらなる形態は、圧力制御手段と、凝縮器と、圧力制御手段および凝縮器に流体連通する冷却チャンバと、実質的に冷却チャンバを満たす液体冷却剤と、冷却チャンバ内の液体冷却流体に第１の圧力Ｐ１から第２の圧力Ｐ２への圧力変化をもたらし、液体冷却剤の一部を気化させるように動作可能である圧力制御手段とを含む流体相変化熱管理装置である。

本発明のさらなる形態は、閉じ込め構造によって画定され、冷却される熱源と、液体化チャンバの本体と、それによって蒸気凝縮を提供する熱交換器とを含む調整可能な空間が存在し、その空間は、液体の本体で実質的に満たされる第１の調整モードと、液体の蒸気のみで実質的に満たされた余剰空間を有する第２の調整モードとで調整可能である、流体相変化熱管理冷却方法であって、２つのモード間で繰り返し移行するステップを実施する方法である。

圧力制御部は、閉路内の圧力を部分的に減少させるステップと、閉路内の圧力を少なくとも部分的に増加させるステップとの間で交互に選択するよう作動されて、所定程度の温度変動を維持するのに充分な時間の湿潤の保持を、冷却を必要とする表面に提供する。

本発明の特定の実施形態では、冷却チャンバのセクションまたは部分は、スチール、銅もしくはアルミニウムまたは他の適切な材料を含むことができる、高い熱伝導率を有する材料組成から構築されまたは作製される。

他の特定の実施形態では、冷却剤材料は、熱管理または冷却システムでの使用に適した流体材料である。

好ましくは、冷却剤は、水、炭化水素ベースの冷却剤、および電子部品に直接使用するのに安全な特殊流体などの冷却剤のグループのうちの少なくとも１つから選択される。

熱管理装置、システムまたは方法のある実施形態では、複数の冷却チャンバがある。

好ましくは、圧力制御手段は、外部電源に接続可能である。

好ましくは凝縮領域／ゾーンは、冷却剤を凝縮させるのに適している凝縮器装置を含む。

好ましくは、凝縮器装置は、冷却チャンバの一部として組み込まれる。

本発明の特定の実施形態では、冷却される物品は、コンピュータチップ、マザーボード、ＣＰＵまたは他の関連するコンピュータ電子物品、発熱エンジン、プラスチック成形装置、特に、サイクル時間を低減するためにシステムから熱を除去する必要がある射出成形システムで使用される鋳型であってもよい。

他の実施形態では、本発明は２つ以上のポンプを含むことができ、例えば、必要な圧力差および／または圧力差の頻度を生成するために、いくつかのポンプは直列に動作することができる。

本発明をより良く理解するために、添付の図面を参照して、非限定的な例としてのみ、特定の実施形態を説明する。
図１は、システム内の圧力が第１の圧力である第１の位置における相変化熱管理装置の基本構成の断面図を示す。 図２は、図１と同じ図であり、作動位置にある圧力制御手段は、システム内の圧力を、第１の圧力よりも小さい第２の圧力に低下させている。 図３は、図２中のセクションＡにおけるバルブの拡大図である。図３は、図２中のセクションＢにおけるバルブの拡大図である。 図４は、本体に対する別個のモジュールとしての凝縮器セクションの拡大図である。

「圧力制御手段」、「ポンプ手段」、「真空手段」、および「圧力差手段」という用語は、本出願全体を通して使用される場合、システム内の圧力を制御または変更することができる機構または手段を指す。そのような機構は、限定されるものではないが、容積式ポンプ、ピストンポンプ、または、規定された容積または領域／ゾーンを満たす冷却流体に圧力差を生成することができる他のそのような好適なポンプ機構などのポンプ手段を含むことができる。

本明細書を通して使用される用語「第１の圧力」、「第１レベルの圧力」、「Ｐ１」は、第２の圧力よりも大きい圧力レベルを指す。

本明細書を通して使用される用語「第２の圧力」、「第２レベルの圧力」、「Ｐ２」は、第１の圧力または初期圧力未満の圧力レベルを指す。

用語「気化潜熱」または「気化熱」は、ある量の流体物質を気体に変換するために流体物質に加えなければならない熱の量である。

本明細書全体を通して使用される「容積１」、「Ｖ１」、「容積２」、「Ｖ２」という用語は、冷却チャンバおよびピストンチャンバの容積ならびに任意の他の流体接続容積の合計を含むことができる容積を指し、「容積１」および「Ｖ１」は、「容積２」および「Ｖ２」未満である。

まず図１を参照すると、これは、外面２６および内面２７を有する頂板２５を有する本体２０と、ベース３０と、例えば、プラスチックの成形に適用されるエアシリンダポンプであってもよい線形作動デバイスである圧力制御手段３７とを含む、本発明の相変化熱処理装置１０の一実施形態の断面側面図を示す。

この実施形態では、本体２０は、冷却チャンバの全高を垂直に向けて横断する主チャネルを組み込んだ、圧力変動に耐えることができる周囲構造体によって画定され得る冷却チャンバ３５を含む。冷却チャンバ３５は、頂板２５の内面２７とベース３０の内面３１とによって画定され、液体冷却剤によって可能な限り完全に充填される。ベース３０の外面３２上には冷却チャンバへの多数の延長部があり、これは、典型的には熱を除去することが望まれるゾーンに最も近接してまたはそのゾーン内に位置しまたは配置される冷却ゾーン／領域を表す。図１において、コア４０はベース３０に取り外し可能に固定され、各コア４０は冷却チャンバへの延長部として作用する内部空洞領域５０を有する。コア４１は、内部空洞５０と外側の隙間部分４２とを有し、その内部空洞は非常に狭く、内部空洞５０に流体的に接続されている。

それぞれのコア（４０または４１）の各内部空洞５０は、角度の付いた二次チャネル７０を介して、冷却チャンバ３５に流体的に接続されている。上記チャネルは、上方に傾斜した角度で浅く、内部空洞５０から離れるように上方に延びているが、他の角度の二次チャネルも本発明の範囲内にあると考慮される。ただし、いくつかの実施形態では、上方に延び角度のある二次チャネル７０が有利である。

冷却チャンバ３５の流路には、圧力制御手段３７が流体的に接続されている。

圧力制御手段３７は、本実施形態では往復容積式ポンプであり、往復容積式ポンプはシャフト８２に動作可能に接続されたピストンヘッド８０を含み、シャフトは次に、面９１に取り付けられたアクチュエータ機構９０に動作可能に接続される。圧力制御手段３７は、主ハウジング８５を含み、その中にピストンヘッド８０が近接して固定され、ピストンヘッド８０の側部がハウジング８５の内部側壁に対してしっかりと密封するようになっている。導管９０は、ハウジング８５のチャンバ８７を冷却チャンバ３５と流体的に接続する。

アクチュエータ９０の作動は、シャフト８２およびピストンヘッド８０をハウジング８５のベース８９から上方にかつ離れるように付勢し、システムの容積をＶ１からＶ２に増加させ、従って、冷却チャンバ３５内の冷却流体に対し、ならびにコア４０および４１の流体的に接続された内部空洞５０上に対し、圧力減少を発生させる。冷却流体が相変化熱管理装置１０のチャンバの内部容積を実質的に完全に満たすと、圧力の低下がすべての表面に適用される。アクチュエータ９０が作動すると、シャフト８２、ひいてはピストンヘッド８０が往復運動で作動され、ピストンヘッド８０が、冷却流体に力を加え、それをチャンバ８７から押し出しまたはチャンバ８７内の流体の表面に静止させる第１の位置と、チャンバ８７内に冷却流体を引き込む第２の位置との間で交互に移動する。

第１の位置では、容積Ｖ１において、システム内の圧力はＰ１であるとする。ピストンヘッド８０が、Ｖ１より大きい容積Ｖ２まで第２の位置に向かって主ポンプハウジング８５内に引き上げられると、これは、次いで、システム内の圧力を低下させるように作用し、システム内の冷却流体を主ポンプハウジング８５内に引き込み、したがって、システム内の圧力の低下が生じ、これをＰ２とする。本発明では、Ｐ１＞Ｐ２である。

例えば水のような冷却流体がシステム１０内に配置されるが、他の冷却媒体も本発明の範囲に含まれると考えられる。冷却流体は、コア４０および４１の内部空洞５０を含む冷却チャンバ３５全体を満たす。

図１において、冷却チャンバ３５、コア（４０および４１）の内部空洞およびハウジング８５のチャンバ８７を含むシステムの内部圧力は、第１の圧力Ｐ１である。この圧力は、ピストン８０が下方位置にあるときに発生し、チャンバ８７内の任意の気体／液体を外側に向け、導管９０を通して冷却チャンバ３５内に押し込み、および、圧力は、安全かつ効果的な作動のために必要な限り高くすることができる。

図２に示されるように、作動中、システムは、アクチュエータ９０を作動させ、ピストンヘッド８０を主ピストンポンプハウジング８５内に引き込んで、したがって、冷却チャンバ３５およびピストンポンプチャンバ８７を含むシステムの内部容積（システム容積とも呼ばれる）を増大させる。閉鎖経路システムであるため、第１の容積Ｖ１から第２の容積Ｖ２へのシステム容積の増大によって、冷却流体の圧力は、二次接続チャネル７０を通ってコア４０の内部空洞５０の全内部表面にわたってかつ本体チャンバ３５内において、初期開始圧力であるＰ１からより低い圧力Ｐ２へ直ちに低下する。

物品が加熱されると、例えば、作動中の射出成形装置において、熱が成形サイクルを通して鋳型本体および成形表面１００内に発生し、熱エネルギーが冷却コア４０を通して内部空洞５０内の冷却流体中に伝達される。圧力の低下は、全ての接続された内部表面に影響を及ぼし、したがって、熱が発生している表面の冷却流体は減圧されて、冷却流体中の熱エネルギーが直ちに気化潜熱に変換され、その空洞内の冷却流体は「沸騰」し、その結果としての蒸気は凝縮器１１０に向かって上昇し、そこで、その液相に戻される。

冷却剤の蒸気が凝縮器１１０によって凝縮されると、帰還導管（図示せず）を通過して、冷却チャンバ３５の下端で再導入される。システム内の圧力がＰ２まで低下し、冷却流体が気化し始めると、この効力は、冷却剤の温度に影響を与えずに、気化する冷却剤が冷却チャンバから熱を除去する等温過程である。次いで、得られた気化された冷却剤は、冷却チャンバ３５の角度をつけた二次接続チャネル７０を通ってコア４０の内部空洞５０から引き出され、それによって凝縮器に移動して液相冷却剤に改質し戻すことができる。

いくつかの実施形態では、例えば冷却チャンバ３５の１０５の上端に位置する凝縮セクション１２０に凝縮器１１０が存在し、冷却流体の凝縮を促進することができる。

ピストンヘッド８０が主ピストンポンプハウジング内に引き出される期間の終わりに、アクチュエータ９０は再び起動され、ピストンヘッド８０を端部８９に向けるように力を加え、かくしてシステム内の全容積を減少させ、それによって、気相から凝縮して液相へ戻るのに充分な程度にシステム内および気化した冷却流体の圧力を増加させる。

ピストンヘッド８０の図１に示す第１の位置から図２に示す第２の位置への変更を単一サイクルとして、アクチュエータ９０はコンピュータによって制御されて、単位時間当たりの所望のサイクル時間数で起動することができる。例えば、特定の状況では、アクチュエータのサイクル時間は、ある期間（例えば５秒）を有するその第１の位置と第２の位置との間のピストンヘッド８０の移動に影響を及ぼし得る：
冷却流体Ｐ１にかかる圧力；
システム容積をＶ１からＶ２に変更し、圧力を低下させること（ポンプをオンにして冷却流体に引っ張り力を加えること）；
冷却流体膨張時間１秒で、冷却流体の圧力がＰ２に低下；
滞留時間３秒で、冷却流体の圧力はＰ２；
圧力が正常に戻り、システム容量がＶ２からＶ１に変わり、冷却流体の圧力がＰ１まで１秒間で上昇する。

必要に応じて、サイクル時間は、操作的に制御して、用途によって必要とされる設定回数に増減させてもよい。圧力制御手段３７のそれぞれの周期において、システム内の圧力が低下すると、コア４０の内部空洞５０内のまたはシステム内の他の場所の、熱を吸収した冷却剤が気化し、それによって熱が除去される。

いくつかの実施形態では、チャネル４７を介して冷却チャンバ３５と連通する本体２０上に弁機構１６０を配置することができ、弁機構１６０は、チャンバ１８０内のフロート弁１７０を含み、フロート弁１７０は、ニードル弁座１９２および１９３内にそれぞれ適合するように軸方向に整列されかつ成形されたニードル突出部１９０および１９１を有する。フロート弁体１７０がチャンバ１８０内で上方に上昇すると、上方のニードル１９０がニードル弁座１９２に嵌まり、フロート弁体１７０がチャンバ１８０内を下降すると、下方のニードル１９１がニードル弁座１９３に嵌まる。この弁機構は、エアロックアセンブリとしても作用し得る抽気点を提供し、その結果、システム内の圧力が増加すると、弁は、ニードル１９０をニードルシート１９２内に着座させるために上方に移動される。これは、冷却チャンバ内の空気および周囲構造内の関連する空間の放出を提供するように働く。単純な空気漏れや液体冷却剤内の溶解した空気の放出によって、空気がシステムに入ることがある。ほとんどの状況において、このサイクル動作は、通気口からのあらゆる空気汚染物質を除去するのに充分であることが見出されている。このようにして、この方法は、加熱源の全ての部分へのアクセスを維持し、熱を除去するのに有効である。

ピストンヘッド８０上には、流路２１３、下方ニードル２１５および下方ニードルシート２２０によってピストンチャンバ８７と流体連通する内部チャンバ２１２を有するフロート弁２１０を有するピストンヘッド弁２００が存在する。フロート弁２１０上のニードル２３０は、アパーチャ２４０を通って延在する。側部ポート２３０は、ピストンヘッド弁２００の壁を通って延在し、チャンバ２１２に入る任意の流体がピストンヘッド８０の上の空間に逃げることを可能にする。これにより、流体レベルが維持され、エアロックが提供される。

いくつかの実施形態では図４に示されるように、凝縮器セクション２６０は本体１０から分離され、導管２６５によって本体チャンバ３５のチャネルに流体接続されるか、または代替的に本体１０に直接結合され、その結果、メインテナンスのために必要に応じた取り付けおよび取り外しが可能である。

エアストラットまたはこれに類似の付勢手段をピストンのヘッド８０またはシャフト８２に取り付けて、ヘッド８０をその元の開始位置に付勢し、システム内の冷却流体に力を加えることができる。

流体相変化熱管理冷却方法は、以下のステップを含む：
－ 流体相変化熱管理冷却装置１００の冷却チャンバ３５内に、冷却チャンバ３５を液体で実質的に満たす程度まで液体を導入すること、
－ 冷却チャンバおよび任意の流体接続されたチャンバ（例えば、ピストンチャンバおよび任意の接続導管）の容積を増加させること、
－ 滞留時間を確保し、冷却チャンバの加熱された表面と接触した液体の少なくとも一部を気化させること、および、次いで
－ 上記ステップを繰り返し、ステップのタイミングおよびステップ間の滞留時間を選択して、設定された程度まで熱蓄積を低減すること。

冷却チャンバ３５の加熱された表面は、流体相変化熱管理冷却装置１００の外面３２のコア４０および４１であり、それは、露出され、加熱された成形材料と接触する。冷却チャンバ３５に液体を充填する方法は、コア４０および４１の内部空洞５０を含む冷却チャンバ３５の内面が少なくとも実質的に濡れるように実施される。

システム内の任意の不要なガスは、チャンバ容積がＶ１に減少された状態でピストンがＰ１に移動するとき、大気へのガスの放出を可能にする最上部の通気口によってパージされてもよい。

ここで分かるように、本発明は、冷却流体またはその一部を低温で気化させるように、冷却チャンバ内の圧力を低下させることによって効率的な方法で熱源を冷却するための熱管理方法および装置を提供する。

この熱管理方法および装置は、熱を除去することが望ましく、比較的簡単な構造および構成を使用する多くの状況で使用することができる。

閉じ込め構造によって画定され、冷却される熱源と、液体化チャンバの本体と、それによって蒸気凝縮を提供する熱交換器とを含む調整可能な空間が存在し、その空間は、液体の本体で実質的に満たされる第１の調整モードと、液体の蒸気のみで実質的に満たされた余剰空間を有する第２の調整モードとで調整可能である、流体相変化熱管理冷却方法であって、２つのモード間で繰り返し移行するステップを実施する方法。

● 下記ステップＡ～Ｄを含む、熱源から熱を除去するための流体相変化熱管理冷却方法：
Ａ 流体相変化熱管理冷却装置の容積Ｖ１を有する冷却チャンバを液相の流体で充填すること、
Ｂ 容積Ｖ２内に液相の流体および気相の流体のみが実質的に存在するように、冷却チャンバの容積を容積Ｖ２まで増大させて、流体の一部をその液相からその気相に気化させること、
Ｃ 滞留時間を確保して、冷却チャンバの加熱された表面と接触する液相の流体の少なくとも一部を気化させること、および
Ｄ ステップＡ～Ｃを繰り返し、ステップのタイミングおよびステップ間の滞留時間を選択して、設定された限度内で熱蓄積を制御すること。

● 物品から熱を除去するための流体相変化熱管理方法であって、閉路を通って冷却チャンバに冷却剤を供給すること、圧力制御手段を使用して閉路内の容積をＶ１からＶ２に増大させて、冷却流体の一部をその液相からその気相に気化させ、これにより液相の流体および気相の流体のみを実質的に容積Ｖ２内に存在させ、その液相からその気相への冷却流体の少なくとも部分的な気化を可能にし、そのように生成された冷却剤蒸気を凝縮ゾーンに流し、次いで、圧力制御手段を作動させて、冷却チャンバの容積をＶ２からＶ１に減少させ、これにより、閉路内の圧力を少なくとも部分的に増大させ、それによって、気相状態の任意の残りの冷却剤を押し出しまたは凝縮させて、冷却チャンバ内のすべての空間をその液相の冷却剤で満たし、閉路内の圧力を部分的に増大させることと、閉路内の圧力を少なくとも部分的に減少させることとを交互に行うように圧力制御手段を操作し、このようにして、冷却剤の少なくとも一部を、冷却チャンバの凝縮ゾーンにおいてその液相から気相に変換する、流体相変化熱管理方法。

● 圧力ポンプがピストンポンプである、上記のいずれか１つに記載の流体相変化熱管理方法。

● ピストンポンプが、冷却チャンバと流体連通する主ピストンポンプハウジングを含む、上記流体相変化熱管理方法。

● 主ピストンポンプハウジングが、導管によって冷却チャンバに流体的に接続されている、上記流体相変化熱管理方法。

● 上記導管が可撓性導管である、上記流体相変化熱管理方法。

● ピストンポンプが、作動デバイス、例えば、線形作動デバイスによって移動可能に作動される、上記流体相変化熱管理方法。

● 圧力制御手段に付勢手段が動作可能に取り付けられて、冷却流体に下向きの力（圧力Ｐ１）を加える、上記のいずれか１つに記載の流体相変化熱管理方法。

● 圧力制御手段の動作によって冷却チャンバの容積を増加させて、冷却流体への圧力をＰ２まで下げる、上記のいずれか１つに記載の流体相変化熱管理方法。

● 冷却チャンバが密閉システムを形成する、上記のいずれか１つに記載の流体相変化熱管理方法。

● 冷却剤が、水、炭化水素系冷却剤、またはそれらの混合物、または電子回路で使用するのに安全な特殊流体などの冷却剤のグループの少なくとも１つから選択される、上記のいずれか１つに記載の流体相変化熱管理方法。

● 圧力制御手段が外部電源に接続可能である、上記のいずれか１つに記載の流体相変化熱管理装置。

● 凝縮ゾーンが、冷却剤蒸気を凝縮させるのに適した凝縮器を含む、上記のいずれか１つに記載の流体相変化熱管理方法。

● 凝縮器が、冷却チャンバと別個であり、かつ冷却チャンバと流体接続している、上記流体相変化熱管理方法。

● 物品が、コンピュータチップ、マザーボード、ＣＰＵまたは他の関連するコンピュータ電子物品、発熱エンジン、成形装置であり得る、上記のいずれか１つに記載の流体相変化熱管理方法。

● 圧力制御手段と、凝縮器と、圧力制御手段および凝縮器と流体連通する冷却チャンバと、冷却チャンバを実質的に満たす液体冷却剤とを含み、圧力制御手段が、冷却チャンバ内の液体冷却流体に第１の圧力Ｐ１から第２の圧力Ｐ２への圧力変化をもたらし、液体冷却剤の一部を気化させるように動作可能である、流体相変化熱管理装置。

● 圧力制御手段が圧力ポンプである、上記流体相変化熱管理装置。

● 圧力ポンプがピストンポンプである、上記流体相変化熱管理装置。

● ピストンポンプが、作動デバイス、例えば線形作動デバイスによって移動可能に作動されるピストンヘッドを有する、上記流体相変化熱管理装置。

● 上記方法で使用する上記流体相変化熱管理装置。

Claims (20)

1. 下記ステップＡ～Ｄを含む、熱源から熱を除去するための流体相変化熱管理冷却方法：
   Ａ 流体相変化熱管理冷却装置の容積Ｖ１を有する冷却チャンバを液相の流体で充填すること、
   Ｂ 容積Ｖ２内に液相の流体および気相の流体のみが実質的に存在するように、冷却チャンバの容積を容積Ｖ２まで増大させて、流体の一部をその液相からその気相に気化させること、
   Ｃ 滞留時間を確保して、冷却チャンバの加熱された表面と接触する液相の流体の少なくとも一部を気化させること、および
   Ｄ ステップＡ～Ｃを繰り返し、ステップのタイミングおよびステップ間の滞留時間を選択して、設定された限度内で熱蓄積を制御すること。
2. 物品から熱を除去するための流体相変化熱管理方法であって、閉路を通って冷却チャンバに冷却剤を供給すること、圧力制御手段を使用して閉路内の容積をＶ１からＶ２に増大させて、冷却流体の一部をその液相からその気相に気化させ、これにより液相の流体および気相の流体のみを実質的に容積Ｖ２内に存在させ、その液相からその気相への冷却流体の少なくとも部分的な気化を可能にし、そのように生成された冷却剤蒸気を凝縮ゾーンに流し、次いで、圧力制御手段を作動させて、冷却チャンバの容積をＶ２からＶ１に減少させ、これにより、閉路内の圧力を少なくとも部分的に増大させ、それによって、気相状態の任意の残りの冷却剤を押し出しまたは凝縮させて、冷却チャンバ内のすべての空間をその液相の冷却剤で満たし、閉路内の圧力を部分的に増大させることと、閉路内の圧力を少なくとも部分的に減少させることとを交互に行うように圧力制御手段を操作し、このようにして、冷却剤の少なくとも一部を、冷却チャンバの凝縮ゾーンにおいてその液相から気相に変換する、流体相変化熱管理方法。
3. 圧力ポンプがピストンポンプである、請求項１または２に記載の流体相変化熱管理方法。
4. ピストンポンプが、冷却チャンバと流体連通する主ピストンポンプハウジングを含む、請求項３に記載の流体相変化熱管理方法。
5. 主ピストンポンプハウジングが、導管によって冷却チャンバに流体的に接続されている、請求項４に記載の流体相変化熱管理方法。
6. 前記導管が可撓性導管である、請求項５に記載の流体相変化熱管理方法。
7. ピストンポンプが、作動デバイス、例えば、線形作動デバイスによって移動可能に作動される、請求項４に記載の流体相変化熱管理方法。
8. 圧力制御手段に付勢手段が動作可能に取り付けられて、冷却流体に下向きの力（圧力Ｐ１）を加える、請求項１～７のいずれか１項に記載の流体相変化熱管理方法。
9. 圧力制御手段の動作によって冷却チャンバの容積を増加させて、冷却流体への圧力をＰ２まで下げる、請求項１～８のいずれか１項に記載の流体相変化熱管理方法。
10. 冷却チャンバが密閉システムを形成する、請求項１～９のいずれか１項に記載の流体相変化熱管理方法。
11. 冷却剤が、水、炭化水素系冷却剤、またはそれらの混合物、または電子回路で使用するのに安全な特殊流体などの冷却剤のグループの少なくとも１つから選択される、請求項１～１０のいずれか１項に記載の流体相変化熱管理方法。
12. 圧力制御手段が外部電源に接続可能である、請求項１～１１のいずれか１項に記載の流体相変化熱管理装置。
13. 凝縮ゾーンが、冷却剤蒸気を凝縮させるのに適した凝縮器を含む、請求項２～１２のいずれか１項に記載の流体相変化熱管理方法。
14. 凝縮器が、冷却チャンバと別個であり、かつ冷却チャンバと流体接続している、請求項１３に記載の流体相変化熱管理方法。
15. 物品が、コンピュータチップ、マザーボード、ＣＰＵまたは他の関連するコンピュータ電子物品、発熱エンジン、成形装置であり得る、請求項１～１４のいずれか１項に記載の流体相変化熱管理方法。
16. 圧力制御手段と、
    凝縮器と、
    圧力制御手段および凝縮器と流体連通する冷却チャンバと、
    冷却チャンバを実質的に満たす液体冷却剤とを含み、
    圧力制御手段が、冷却チャンバ内の液体冷却流体に第１の圧力Ｐ１から第２の圧力Ｐ２への圧力変化をもたらし、液体冷却剤の一部を気化させるように動作可能である、流体相変化熱管理装置。
17. 圧力制御手段が圧力ポンプである、請求項１６に記載の流体相変化熱管理装置。
18. 圧力ポンプがピストンポンプである、請求項１７に記載の流体相変化熱管理装置。
19. ピストンポンプが、作動デバイス、例えば線形作動デバイスによって移動可能に作動されるピストンヘッドを有する、請求項１８に記載の流体相変化熱管理装置。
20. 請求項１～１８のいずれか１項に記載の方法で使用する、請求項１６に記載の流体相変化熱管理装置。

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