JP4524289B2 - バブルポンプを有する冷却システム - Google Patents
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Description
上記および他の目的は、少なくとも1つの放熱エレメントを冷却するための冷却システム、すなわち、少なくとも1つの放熱エレメントからの熱を受けるのに適合した第1受熱部と、加熱および蒸発により熱を吸収する冷却流体と、システム内で流体の流れを生じさせるバブルポンプ、すなわち、第1の受熱部の下流に位置し、液体状態の冷却流体から熱を周囲に放射するラジエータ、および、蒸発した冷却流体を凝縮し、凝縮による熱を放射するコンデンサの方に向かって冷却流体を動かすバブルポンプを備える冷却システムにより実現される。
冷却システムが実質的に無音であることであることは、この発明のさらに有利な点である。
40℃未満の温度の上昇を引き起こす、15W/cm2以上、20W/cm2以上、例えば30W/cm2以上、40W/cm2以上など、例えば50W/cm2以上、約75W/cm2といった、単位面積当たりで発生した多量の熱を、冷却システムが除去できることは、この発明のさらに加えて有利な点である。
バブルポンプ内では、受熱部で液体状の冷却流体が加熱される間に発生する気泡は統合してさらに大きな気泡となり、バブルポンプ内で気泡の上にある液体を上方に移動させるので、流体の流れは気泡の動力により生ずることになる。
システム内の液体レベルよりも上に出口を配置することは、バブルポンプ内の気泡による液体の流れに対する抵抗を低下させると信じられている。
このようにして、冷却システムの液体レベルよりも上に出口のあるバブルポンプを備えることにより、冷却流体の循環は増加し、冷却システムの冷却能力が向上する。
冷却流体は1種類の流体でもよいし、2種類またはそれ以上の流体で構成されてもよい。
液体の状態において、第2流体は、受熱部およびラジエータのそれぞれの内部表面と接触する適切な表面を維持する。
このようにして、バブルポンプにおいて、最も低い沸点の第1流体は、受熱部からラジエータに熱を運ぶために、より高い沸点を備えている第2流体を冷却システム内で循環させるようポンピングするために用いられる。
最も高い沸点の流体は限られた範囲のみで蒸発するので、想定する操作状況下において装置が空焚きされることは回避される。
好ましくは、第1流体はエタノール、メタノール、アセトン、エーテル、プロパン等で構成されてもよく、また、他の流体も適当な熱特性及び物理的特性を備えていてもよい。
この好ましい実施例において、第1流体はエタノールであり、冷却流体は、15%から45%、30%から40%、好ましくは約37%という、4%から96%の量のエタノールで構成される。
第1流体は、蒸発しやすく、水と混和性がありまたは水溶性であれば、どのような液体でもよい。他の選択肢としては、アンモニアや、3MのFC72および3MのFC82といったフッ素化合物や他のものが挙げられる。
好ましい実施例によると、特定の圧力は冷却システムに適用される。それによって、第1流体の沸点温度は単純な方法により調整されてもよい。これは、広い範囲の異なる冷却流体が与えられた最高温度を冷却するために用いられる可能性があるという効果を有する。システムに適用される特定の圧力とは、システムが稼動していないときの圧力、すなわち、システムのすべての構成部品が、例えば室温のように、実質的に同一の温度であるときの圧力であると理解される。この特定の圧力は冷却システムの製造の間に、有利に調整されてもよい。冷却システムが稼動しているとき、冷却流体は加熱され、概してシステム内の圧力は変化する。
冷却流体を冷却システム内に入れる前に、空気や他の望まぬ気体が冷却システム内に存在しないようにするため、冷却システムを空にしておくことが好ましい。空気や望まぬ気体は選択された冷却流体と反応するかも知れず、望まぬ気体の存在は冷却システム内の容積を占有することでシステムの効率を下げるかもしれない。空になったら、冷却流体は冷却システムに入れられ、システムは密閉される。
凝縮できない気体は受熱部からコンデンサおよび/またはラジエータに熱を運ぶのに役立たないため、冷却システムの効率は、凝縮できない気体の含有量の高低によるものであると信じられている。
凝縮できない気体という用語は、冷却システムの稼動温度および稼動圧力の範囲内で凝縮することができない気体のことを示す。
なお、選択された冷却流体および放熱エレメントの所望の最大稼動温度によって、特定の圧力は、大気圧と等しくても、大気圧より高くても、また大気圧より低くてもよい。
所望の沸点を有する冷却流体を見つけることが困難なため、圧力を柔軟的に調整できることは有利である。そのような冷却流体が存在することが確かな場合においても、高コストであったり、毒性があったりするなど、他の不利な点があるかもしれない。
筒形状部は、その長さ方向に実質的に直線状に伸びていることが好ましい。
この発明の1つの実施例では、冷却システムが稼働している間、バブルポンプの出口がラジエータの液体レベルよりも上になるように、バブルポンプの出口はラジエータの中に配置されている。
すでに述べたように、これにより、バブルポンプに戻ろうとする流体の逆流が回避されるので、バブルポンプの効率が向上する。さらに、この出口の位置決めによって、バブルポンプ内の気泡による液体の流れに対する抵抗が低くなると信じられている。
そのようにしてシステム内を循環する流れは増し、熱の移動を向上させ、こうして冷却性能が向上する。
バブルポンプの筒形状部は、横断面が実質的に円形あるいは長円形をしていることが好ましい。バブルポンプの効率、すなわちバブルポンプを通って運ばれる時間あたりの液体の総量は、とりわけ、バブルポンプの実質的な筒形状部の内直径および、蒸発による気泡の量と大きさ、流体の粘度等といったポンピングされる流体の特性により決定される。
バブルポンプの内直径は、適当な流量を供給するために十分に大きくなければならない。液体がバブルポンプを通り抜けるように適当なポンピングを供給するため、バブルポンプ内の蒸発による気泡はバブルポンプの内直径と実質的に等しい横断面のサイズに到達することが好ましい。
バブルポンプの長さは0.5〜20cm、1〜15cm、2〜10cm、3〜8cmといった範囲内、または、およそ5cmが好ましい。
「非拡散材料」とは、システムの全予定寿命期間、予定されたものとしてシステムが稼動することができる予定寿命の期間、冷却システムと周囲との間に、大きな拡散を伴わない材料として理解される。
もし冷却システムがコンピュータで使用されるのであれば、予定寿命は通常4〜5年、特殊な場合において2年に下降し、あるいは10年に上昇する。もし冷却システムの異なる部品が異なる材料で作られているのであれば、接合される全ての材料は非拡散でなければならない。適当な材料は、銅、銀、アルミニウム、鉄またはこれらの物質のうち1つあるいはそれ以上を含む合金であってもよい。
この発明は、電子部品の冷却のために閉じられた冷却システムを使用することとも関係がある。そのような部品は、例えば、コンピュータや他の電子装置のマイクロチップ、CPU、半導体装置等であってもよい。特に電子部品の冷却という分野において、低騒音で、機械的な駆動部分を有さず、電子部品が発する熱により自動的に稼動し始めるので、この発明による冷却システムは有効である。
この説明を通して、1つの流体は、その容積全体に対する容積比で96%以上の純度を有することを示す。
なお、さらに、この冷却システムは1つ以上のコンデンサ、および/または1つ以上のラジエータを含んでいてもよい。このような場合において、コンデンサとラジエータは、それぞれ直列に、または並列に、またはそれを組み合わせて配置されてもよい。
図1は、この発明の好ましい実施例による冷却システムを示した概略図である。
図2は、この発明の第2の実施例を示した概略図である。
図3および図4は、この発明の第3および第4の実施例である。
図5および図6は、並列に配置された複数の部品を含む冷却システムの実施例を示した概略図である。
図7および図8は、この発明による冷却システム内のバブルポンプの出口の異なる実施例を示した概略図である。
図9は、並列に配置された2つの受熱部と1つのバブルポンプ等を含むこの発明の実施例を示した概略図である。
図10a〜dは、冷却システムの受熱部の異なる実施例を示した概略図である。
図11は、この発明の実施例のためのテスト結果のグラフである。
図面の異なる実施例中の同じ部品には同じ参照番号で表示してあり、1つの図面に関連して説明されている部品については、他の図面で関連して説明しない。
バブルポンプ内で、冷却流体が受熱部で液体の状態で熱せられる間に作られる気泡は、結合してより大きな気泡となり、実質的にバブルポンプの横断面に達し、その結果バブルポンプ内の気泡の上にある液体を上方に押し上げる。この実施例において、気泡と液体はバブルポンプ内を実質的に同じ速度で移動する。
ラジエータ9とコンデンサ10は、熱の放射後、互いに下流においてつながっているので、液化した流体8と冷却された冷却流体4は熱放射の後、統合される。
なお、バブルポンプの出口5は、図1に示されるように、稼働中のシステムの液体のレベルより上に配置される。これがシステム内の冷却流体の循環を増加させる。なお、さらに、バブルポンプは、第1受熱部6と出口5の間にある冷却システムの部分である。
ラジエータ9とコンデンサ10は、自然の対流によっても、例えばファンなどによる強制的な対流によっても、または、代わりにコンプレッサクーラのような能動的な冷却システムによって冷却されてもよい。
その他に、受熱部の内側表面は、例えばフィンやロッドなどのように、冷却流体とよく熱接触ができるように適切な形状をしている。第1受熱部6は、放熱エレメントが冷却流体と直接に接触するように設計されてもよい(図示せず)。
コンデンサ10とラジエータ9の外部には、周囲との熱交換を向上させるように、リブ15が設けられている。さらに、コンデンサ10および/またはラジエータ9の内部は、第1受熱部6の内部と同様に、熱交換を向上させるために、リブやフィン等といったものが設けられてもよい。
したがって、この発明による冷却システムは、従来型の冷却システムの効果が蓄積した温度を示すものではない。
稼動によって、蒸発した冷却流体の気泡が自然に出口方向に移動する間、冷却システムの受熱部からの出口は、入口と同じレベルまたは入口よりも高いレベルに配置されることが、システムが機能するために望ましいが不可欠という訳ではない。なお、さらに、冷却システムの受熱部への入口および受熱部からの出口の異なる実施例は、冷却システムが1つより多くの受熱部を含むときは、望むように任意に組み合わされてもよい。
温度の数値と発生した加熱パワーとが一致する測定値はデータポイントAとして示されている。冷却システムが、10〜170Wの効果における73℃のインテルの熱設計電力を下回る温度に、放熱エレメントを冷却可能であることが分かる。67℃の温度で75W/cm2の熱密度に一致する、1.50cm2の表面から110Wの加熱パワーが取り去られたことがグラフに示されている。低騒音の強制的冷却が適用された。冷却システムから発生する騒音は30dB(A)よりも少ない。
なお、さらに、冷却システムのパイプが硬いパイプ、または、設計によりまたは材質により柔軟なパイプで作られてもよい。
そのうえ、冷却システムのパイプおよびコンデンサ/ラジエータのパイプは、適当な任意の側面、例えば、円形、長円形、矩形、正方形またはこれらの統合であってもよく、そして、側面の内側容積は単室で構成されても、複数室に分割されてもよい。さらに、冷却システムのパイプの向きは、図中ですべて垂直方向または水平方向で示されているが、斜め向きであってもよい。
冷却システム内の流れが一方向のみに安定するように、システムにはパイプ部に逆流防止弁(図示せず)が設けられていてもよい。このような逆流防止弁は、冷却システムの(第1の)受熱部の上流の適当な箇所に設置される。
この発明による冷却システムは、例えば、ポータブルまたは据え付けのコンピュータ、電子装置、オーバーヘッドプロジェクタ、縦巻機(beamers)、空調装置等、低騒音の冷却が望まれるところにおいて有利になるように用いられてもよい。
2・・・・・・・ラジエータとコンデンサの統合
3・・・・・・・蒸発した冷却流体の気泡
4・・・・・・・冷却流体
5・・・・・・・バブルポンプの出口
6・・・・・・・第1受熱部
7・・・・・・・第2受熱部
8・・・・・・・液化した流体
9・・・・・・・ラジエータ
10・・・・・・コンデンサ
11・・・・・・パイプ部
15・・・・・・リブ
100,110,120,130,140,150・・・・冷却システム
Q1・・・・・・第1の受熱部6に与えられる熱エネルギー
Q2・・・・・・コンデンサとラジエータから周囲へ放射される熱エネルギー
Qevaporation・・蒸発の熱
Qfluid・・・・・熱せられた液体の冷却用流体から放射する熱エネルギー
Claims (15)
- 少なくとも1つの放熱エレメントからの熱を受けるのに適合した第1受熱部と、加熱および蒸発により熱を吸収する冷却流体を備えた冷却システムにおいて、
そのシステムが密閉されており、さらに、冷却流体を筒形状部内で気泡と実質的に同じ速度で移動させる気泡の原動力によりシステム内で流体の流れを生成する筒形状部を有するバブルポンプを備え、
バブルポンプは出口を有し、
バブルポンプの出口は、冷却システムの稼動中にシステムの液体レベルよりも上に配置され、
筒形状部は第1受熱部の下流に配置されており、
液体状の冷却流体から熱を周囲に放射するラジエータおよび、蒸発した冷却流体を凝縮し凝縮による熱を放射するコンデンサの方に向けて冷却流体を移動させることを特徴とする、
少なくとも1つの放熱エレメントを冷却するための冷却システム。 - 放熱エレメントに適応するための、第2受熱部をさらに備える、
請求項1に記載の冷却システム。 - 複数のバブルポンプをさらに備える、
請求項1または2に記載の冷却システム。 - 少なくともバブルポンプのいくつかが直列に接続されている、
請求項3に記載の冷却システム。 - 少なくともバブルポンプのいくつかが並列に接続されている、
請求項3または4に記載の冷却システム。 - 冷却流体が少なくとも2つの異なる沸点を有する第1流体と第2流体で構成されている、
請求項1〜5のいずれか1つに記載の冷却システム。 - 冷却流体の第1流体がエタノール、メタノール、アセトン、エーテルおよびプロパンのグループから選択される、
請求項6に記載の冷却システム。 - 冷却流体の第2流体が水である、
請求項6または7に記載の冷却システム。 - 冷却システム内の圧力が所望の圧力に調整される、
請求項1〜8のいずれか1つに記載の冷却システム。 - 冷却システム内の冷却流体の最も低い沸点温度が、少なくとも1つの放熱エレメントの所望の稼動温度と実質的に等しくなるように冷却システム内の圧力が調整される、
請求項9に記載の冷却システム。 - 冷却システム内の圧力が大気圧よりも低い、
請求項9または10に記載の冷却システム。 - 第1受熱部は、放熱エレメントが第1受熱部内の冷却流体と直接に接触するように構成されている、
請求項1〜11のいずれか1つに記載の冷却システム。 - 第1受熱部が複数の分離した液体室で構成される、
請求項1〜12のいずれか1つに記載の冷却システム。 - 1つ以上の電子部品と、請求項1〜13のいずれかに記載の冷却システムとを備え、稼働中に電子部品が冷却システムによって冷却される電子装置。
- 電子部品を冷却するための、請求項1〜13のいずれかに記載の冷却システムの使用方法。
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