JP3950302B2 - 相変化冷却剤を用いた汲出し液体冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気要素および電子要素の冷却に関し、さらに詳しく言えば、冷却剤を冷却されるべき電気要素または電子要素と熱接触状態で多数の冷板／蒸発器へ循環させる液体冷却剤ポンプに関するものである。
【０００２】
本願は、２０００年４月４日に出願された予備出願第６０／１９４，３８１号にもとづく正規の出願である。
【０００３】
【従来の技術】
電気要素および電子要素(例えば、マイクロプロセッサ、ＩＧＢＴ、出力半導体等)は、冷却されるべき表面に直接に取り付けられた伸展表面をもつ空冷ヒートシンクによって最もしばしば冷却される。ファンまたはブロワは、ヒートシンク・フィンを横切って空気を移動させ、それらの要素によって発生された熱を取り除いている。増大する電力密度、要素の小型化、包装の収縮のために、ヒートシンクおよび強制空気流によっては電気要素および電子要素を十分に冷却することは、ときには困難になる。これが起きると、その他の方法が要素から熱を除去するように採用されなければならない。
【０００４】
直接空冷が可能でない場合、要素から熱を除去する一方法は、冷板へ汲み出される単相流体を使用する。冷板は、平らな金属板に取り付けられた蛇行管を有する。冷却されるべき要素平板に熱的に取り付けられ、また、蛇行管を流れる汲出し単相流体が要素によって発生された熱を除去する。
【０００５】
多くの形式の冷板設計がある。そのうちのいくつかは、流体を運ぶ管に代えて機械加工溝を取り入れている。しかし、すべての冷板設計は、熱を除去すべき流体の感知可能加熱を用いることによって同様に動作する。加熱流体は、周囲の空気がポンプまで戻り、再びサイクルを開始する前に、周囲の空気が流体を冷却する場合には、遠隔に配置された空冷コイルまで流れる。電気要素および電子要素から熱を除去するように流体の感知可能加熱を用いるこの方法は、単相流動流の熱容量によって制限される。より多くの熱を除去する所定の流体については、その温度が増加しなければならないか、あるいはより多くの流体が汲み出されなければならない。これは、高出力超小型電子技術装置を冷却するように高温および/または大流量を発生する。高温は電気装置または電子素子を破損し、一方、大流量は大型モータを備えたポンプを必要とする。大型モータは、渦流電力を消費し、冷却装置の適用を制限する。大流量は、高流体速度による冷板内の金属の腐食を発生することもある。
【０００６】
空冷が実施できない場合に要素から熱を除去する別の方法は、熱がより容易に放散される箇所まで熱源から熱を伝達するヒートパイプを使用する。ヒートパイプは、ある箇所から別の箇所へ熱を移動させるように凝縮可能流体を使用する密封装置である。流体搬送は、芯構造を用いる液体の毛細管汲出しによって達成される。ヒートパイプの一端(蒸発器)は熱が要素に発生される箇所に配置され、また、ヒートパイプの他端(凝縮器)は熱が放散される箇所に配置される。凝縮器端は、熱を周囲の空気へ取り去ることを助けるようにフィンのような伸展表面にしばしば接触する。熱を除去するこの方法は、流体を蒸発器へ搬送する芯構造の能力によって制限される。高温流動においては、芯構造が十分な流体を蒸発器へ搬送できない場合には、「完全乾燥（ｄｒｙ ｏｕｔ）」として知られる状態が起こり、装置の温度が増加し、装置に損害を多分与える。ヒートパイプは、重力に関して向きに敏感でもある。すなわち、上向きに設けられた蒸発器は、流体搬送が芯構造の毛細管作用に加えて重力によって補助される場合に、下向きに設けられた蒸発器よりも熱を除去する能力が小さい。最後に、ヒートパイプは、毛細管汲出し制限のために遠隔放散器まで長距離にわたって熱を搬送できない。
【０００７】
直接空冷が実用的ではない場合に採られるさらに別の方法は、周知の蒸気圧縮冷却サイクルを使用する。この場合、冷板はサイクルの蒸発器となる。コンプレッサが蒸気の温度および圧力を上昇し、空冷凝縮器が蒸気を液体状態に凝縮し、かつ、さらに蒸発および冷却のために冷板へ戻されるように用いられるようなレベルに蒸発器を維持する。この方法は、高等温熱伝達率および熱を相当な距離動かす能力の利点を有する。しかし、この方法は、電気要素および電子要素を冷却するさいにその実際的用途を制限するいくつかの主要な欠点を受ける。第一に、コンプレッサの電力消費がある。高熱付加用途においては、コンプレッサによって要求される電力は重要になり、用途のために入手できる電力を超える。別の問題は、周囲温度以下の蒸発器（冷板）の作動に関することである。この場合、適正に絶縁された表面は、周囲温度の露点以下になることがあり、水の凝縮を生じ、短絡および人間へ危険を及ぼす機械をつくる。蒸気圧縮冷却サイクルは、潤滑油を希釈することによってコンプレッサに物理的損害を与えかつその寿命を縮めるコンプレッサへのいかなる液体冷却剤をも戻さないように設計されている。電気要素および電子要素を冷却するさいに、熱負荷は高度に変化し、非蒸発冷却剤を冷板から出し、コンプレッサに入れる。これは、コンプレッサに損害を与え、その寿命を縮める。これは、要素にとって蒸気圧縮冷却の別の欠点でもある。
【０００８】
空冷が実施できないとき、要素から熱を除去する改良された方法についての連続した要求があることがわかる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、電気要素および電子要素に冷却を与えることにある。本発明の別の目的は、非常に低い渦流電力消費および要素表面から離れた非常に高い熱伝達率で要素に冷却を与えることにある。本発明のさらに別の目的は、要素から周囲ヒートシンクへ熱を移動するのに要する温度低下を減じることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の要求は、本発明の汲出し液体冷却装置によって満たされる。その装置においては、非常に低い実用電力消費および要素表面からの非常に高い熱伝達率で電気要素および電子要素に冷却が与えられる。本発明は、熱を要素から周囲ヒートシンクまで移動させるように要求された温度低下を減じる。
【００１１】
本発明の一観点によれば、液体冷却剤ポンプが冷却剤を冷却されるべき電気要素または電子要素と熱接触する冷板／蒸発器へ循環させる。液体冷却剤は、要素によって発生された熱によって部分的にまたは完全に蒸発される。蒸気は慣用の凝縮器によって凝縮され、また、任意の非蒸発液体と共に凝縮された液体がポンプに戻される。本発明の装置は、蒸発および凝縮においてほぼ等温に動作する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１において、作業流体として冷却剤を循環する冷却装置１０が示されている。冷却剤は、Ｒ−１３４ａのような任意の蒸発可能冷却剤でもよい。冷却サイクルは、密封液体ポンプとして知られている液体ポンプ１２において開始する。ポンプ１２は、液相冷却剤を液体マニフォルド１４へ汲み出す。そこで、冷却剤は複数の支流またはライン１６へ分配される。多くの支流（ライン）が取り付けられている場合を示すために、追加の液体マニフォルド１４ａ、１４ｂ、１４ｎが示される。支流の実際の数は装置によって冷却されるべき要素の数によって決まる。マニフォルド１４から、各支流またはライン１６が液体冷却剤を冷板１８に送給する。
【００１３】
図２に示すように、各冷板１８は冷却されるべき電気要素または電子要素２０と熱接触して、液体冷却剤を装置圧力で蒸発させる。液体冷却剤が皆無、いくらか、またはすべてが、いかに多くの熱を要素２０によって発生しつつあるかにもとづいて、冷板１８において蒸発することもある。最も多くの場合には、いくらかの冷却剤が蒸発され、また、液体および蒸気冷却剤の二相混合体が矢印２２で示すように、各冷板１８に残る。
【００１４】
本発明の好適実施例においては、この点において装置の運転のさいに、図１に示すように、各冷板１８が二相冷却剤の混合体を蒸気／液体分離器２４へ放出する。最も多くの用途については、蒸気／液体分離器２４は、軽い蒸気が管の頂部へ上昇する間に、重い冷却剤が重力によって管の底部へ降下させるのに十分な直径の垂直管である。このようにして、いかなる非蒸発冷却剤も蒸気から分離され、各相が装置内で別個に処理される。
【００１５】
蒸気／液体分離器２４は、凝縮コイル３０およびファン３２からなる凝縮器２８に繋がる蒸気ライン２６に取り付けられる。追加の蒸気／液体分離器２４ａ、２４ｂ、２４ｎは、装置の冷却容量が増加されるように、蒸気マニフォルドの使用をかいして接続される。蒸気ライン２６に取り付けられた凝縮器コイル３０は、液相へ戻る蒸気相を凝縮し、そして電子要素２０によって発生された熱を除去する。空冷凝縮器、水もしくは液体冷却凝縮器または蒸発凝縮器のような熱拒絶の任意の適切な形体は、本発明の範囲から逸脱せずに用いられることは当該技術において起こりうるが、ファン３２を用いる周囲空冷凝縮器２８が図１に示されている。
【００１６】
凝縮器２８は、周囲空気の温度よりもいくぶん高い温度に対応する圧力で動作する。このようにして、装置温度が周囲露点温度以下にならないので、凝縮が発生することは不可能である。凝縮動作点が、熱を凝縮器から除去するように到来冷却剤温度およびその能力によって全体の装置の圧力を設定し、凝縮温度および圧力を固定する。また、蒸発された冷却剤が液相に凝縮されつつあるので、凝縮器２８は、蒸気を冷板―蒸発器１８から凝縮器２８まで移動させるいかなるコンプレッサの必要もなしに、蒸気／液体分離器２４から凝縮器２８へ蒸発された冷却剤の流れをつくる。液体冷却剤は矢印３４で示すように凝縮器２８を出て、重力によって液体受容器３６まで動き、そこである量の液体凝縮を保持する。
【００１７】
本発明の一実施例においては、蒸気／液体分離器２４からの第２選択液体戻りライン３８が液体受容器３６に接続される。代案として、すべての液体はライン２６をかいしてポンプ１２へ戻され、蒸気を液体に戻すように凝縮器２８を通過する。液体戻しライン３８の追加によって、液体冷却剤の２つの源がある。液体冷却剤の一方の源は、凝縮器からのものであり、他方の源は分離器からのものである。ライン２６もしくはライン３８またはその両者が、分離器２４から液体受容器３６までいかなる非蒸発液体冷却剤をも運ぶように使用されうる。そこでは、非蒸発液体冷却剤が再びサイクル内で使用される。したがって、液体受容器は凝縮器からまたは分離器から液体を受ける。液体受容器３６に保持されたある量の液体冷却剤は、ポンプ１２の入口の上に液頭（圧）を与えるので、ポンプは信頼性をもって運転する。液体受容器３６は、液溜を貯蔵冷却剤に与えることによって装置１０内の液体冷却剤量の変化をも取り扱う。液溜の出口は、液体冷却剤ポンプ１２の入口に接続される。ポンプ１２において、冷却剤の圧力は装置内の摩擦損失に打ち克つのに十分に上昇され、そして、冷却サイクルが再度開始する。ポンプ１２は、その圧力上昇が設計流量において装置内の摩擦損失に等しいかまたは超えるように、選定される。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は液体冷却剤の感知できる熱容量よりもむしろ熱を除去するように相変化を使用するので、汲出し液体単相装置とは相違して、本発明は等温で動作する。これは、単相液体装置よりも蒸発器において低い温度でかつ低温要素について許す。低い液体流量が、熱を除去するように作業流体の蒸発器をかいして達成され、流体速度を低く、ポンプ電力を除去される熱に対して非常に低く維持する。渦流電力が汲出し液体単相装置および蒸気圧縮冷却剤装置に対して低減される。
【００１９】
ヒートパイプ装置による利点は、液体流量がヒートパイプにおけるように毛細管作用に依存しないので、本発明の装置１０によって得られ、液体ポンプの流量を設定することによって独立して設定されうる。したがって、完全乾燥が回避される。本発明の冷板／蒸発器装置は、重力に関する向きに敏感ではない。ヒートパイプ装置とは相違して、本発明の蒸発器１８の熱容量は特定の向きにおいては減少しない。
【００２０】
ヒートパイプおよび蒸気圧縮系装置に優る本発明の別の利点は、大きな距離にわたって蒸発器および凝縮器を分離する能力である。これは、装置の小型化および設計構造により多くの融通性を許す。本発明によれば、液体および蒸気が独立して搬送され、液体および蒸気ラインのサイズの最少化を許す。本発明は、冷却されるべき要素２０の熱負荷の変動を容易に取り扱う。いかなる非蒸発液体冷却剤もポンプに戻されないので、変動負荷における多冷板はコンプレッサを故障させずに容易に達成される。本発明は周囲露点温度以下の温度では装置１０内の任意の点で動作しないので、水蒸気凝縮および水の生成の可能性がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にもとづく汲出し液体冷却装置を示す概略構成線図である。
【図２】冷却されるべき要素にそれぞれ熱接触した状態にある複数の冷板蒸発器装置の斜視図である。
【符号の説明】
１０：冷却装置、１２：液体ポンプ、１４：液体マニフォルド、１６：支流（ライン）、１８：冷板、２０：要素、２４蒸気／液体分離器：、２６：蒸気ライン、２８：凝縮器、３０：凝縮器コイル、３２：ファン、３６：液体受容器、３８：液体戻りライン。

Claims (7)

1. 熱を発生しかつ冷却されることを要求された少なくとも１つの要素（２０）と、
   前記少なくとも１つの要素（２０）に熱接触する少なくとも１つの冷板蒸発器装置（１８）と、
   液体冷却剤ポンプ（１２）と、
   該ポンプによって前記少なくとも１つの冷板蒸発器装置（１８）へ循環される蒸発可能冷却剤であって、それにより、その蒸発可能冷却剤の少なくとも一部が前記少なくとも１つの要素（２０）によって発生された熱によって蒸発されて蒸気を発生する、蒸発可能冷却剤と、
   前記蒸気を凝縮して凝縮液体を発生する空冷凝縮器（２８）と、
   前記蒸発可能冷却剤を受けいれるための液体受容器（３６）と、
   前記冷却剤を前記ポンプへ戻すための、非蒸発液体冷却剤戻りライン（３８）及び前記空冷凝縮器からの液体戻りライン（２６）とを備えている、改良冷却装置であって、
   前記改良冷却装置が、周囲空気の露点温度よりも高い前記改良冷却装置の温度に対応する前記冷却剤の圧力で作動するように、前記空冷凝縮器（２８）を制御することができることを特徴とする、改良冷却装置。
2. 前記蒸気から非蒸発液体冷却剤を分離する分離器手段（２４）をさらに備える、請求項１に記載の改良冷却装置。
3. 前記液体冷却剤ポンプ（１２）からの冷却剤を受ける少なくとも１つの液体マニフォルド（１４）をさらに備える、請求項１又は２に記載の改良冷却装置。
4. 熱を発生しかつ冷却される必要がある１またはそれを超える電気要素または電子要素（２０）を冷却する方法であって、
   少なくとも１つの冷板蒸発器装置を１またはそれを超える電気要素または電子要素（２０）に熱接触状態に配置することと、
   液体冷却剤ポンプ（１２）を設けることと、
   冷却剤を設けることと、
   液体の前記冷却剤を受けいれるための液体受容器（３６）を設けることと、
   前記液体冷却剤を前記液体冷却剤ポンプ（１２）へ戻すことと、
   前記液体冷却剤ポンプ（１２）を用いて、前記少なくとも１つの冷板蒸発器装置（１８）に前記冷却剤を循環させ、それによって、前記冷却剤の少なくとも一部が前記１またはそれを超える電気要素または電子要素（２０）によって発生された熱によって蒸発されて、蒸気を発生することと、
   空冷凝縮器（２８）を用いて、前記蒸気を凝縮して、凝縮された液体を発生することと、
   非蒸発液体戻りライン（３８）を設けることと、
   前記空冷凝縮器からの液体戻りライン（２６）を設けることとを備え、
   前記蒸気を凝縮する工程は、周囲空気の露点温度よりも高い前記改良冷却装置の温度に対応する前記冷却剤の圧力で作動する前記空冷凝縮器（２８）によって、おこなわれることを特徴とする、冷却方法。
5. 前記蒸気から非蒸発液体冷却剤を分離する分離器手段（２４）を設けることをさらに備える、請求項４に記載の冷却方法。
6. 前記液体受容器（３６）が、前記非蒸発液体戻りライン（３８）からの非蒸発液体を受け、かつ、前記空冷凝縮器からの液体戻りライン（２６）からの凝縮液体を受ける、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記冷却剤ポンプ（１２）からの冷却剤を受ける少なくとも１つの液体マニフォルド（１４）を設けることをさらに備える、請求項４乃至６の何れか１項に記載の方法。

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