JPH06501819A

JPH06501819A - 空気パージ機構を使用した液体冷却システム

Info

Publication number: JPH06501819A
Application number: JP3517309A
Authority: JP
Inventors: ツスタニワキジュ，ジェリー・イホー; バッカー，ヨハン・ピーター
Original assignee: ユニシス・コーポレイション
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1991-10-10
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: DE69109687D1; DE69109687T2; US5048599A; WO1992007454A1; JP2933718B2; EP0552258B1; EP0552258A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】空気パージ機構を使用した液体冷却システム発明の背景この発明は電気部品のための漏れ耐性液体冷却システムに関する。

先行技術において、そのような液体冷却システムの１つか本論受入に譲渡された米国特許第４，６９８．７２８号に記載される。そこでは、液体冷却剤か大気圧以下で成る導管を経て電気部品を通り過ぎて導かれる。導管の内側の液体の圧力は導管の外側の大気圧より低いため、もし漏れが発生すると空気は導管に吸い上げられる。その結果、いかなる液体冷却剤も漏らされない。

しかしながら、空気か導管内に入った後、そこから空気はなんとかしてパージされなければならない。さもなければ、もし空気か冷却剤に混入されたままにされると、冷却剤かシステムを介して移動する速度か減じられ、ゆえにシステムの冷却能力を減する。さらに、空気は、電気部品の周りの冷却ジャケットにおける通路のような、冷却システムの成る臨界通路に閉じ込められ得、それは冷却システムにおけるホットスポットの原因となる。

上に言及された特許第′　７２８号において、空気かそれによって冷却剤から除去される好ましい機構か、図２ａ−図２ｄとともに例示されかつ説明される。しかしながら、その機構では、液体冷却剤を導管を介して循環させるポンプは一時的にオフにされ、それから空気パージ動作を実行するために再びオンにされなければならない。

そのようなポンプの動作における中断は望ましくない、なぜならばそれはシステムを介して冷却剤が流れる速度を一時的に低下させ、かつゆえに電気部品か冷却される速度を低下させるからである。さらに、ポンプをオフからオンに切換えることは冷却回路全体に圧力サージを生み出し、ゆえにそれは冷却回路部品およびそれらのジヨイントに応力を加える。さらに、ポンプをオフからオンに切換えることは、冷却システムの電源から引き出される電力における段階的増加を生み出し、したがって、電源は冷却されている電気部品に対するいかなる供給電圧においても有害な過渡現象か発生しないことを保証するための補償を含まなければならない。

したかって、この発明の主な目的は、上に説明された欠陥か排除される改良された漏れ耐性冷却システムを提供すこの発明に従って、電気部品のための漏れ耐性液体冷却システムは、冷却回路を含み、それは液体冷却剤を電気部品を通ってかつパージタンクの底部チャンバを介して循環させるポンプおよび導管を含む。このパージタンクは通路を介して底部チャンバに接続される頂部チャンバも有し、底部チャンバは、液体冷却剤か冷却剤中のいかなる気泡も浮力によって通路を介して頂部チャンバに上昇かつ移動するのに十分に低い速度でそれを介して通過するような大きさにされる。さらに、頂部チャンバはそれぞれのバルブに関して入口ポートおよび出口ポートを有し、空気は液体冷却剤を入口ボートを介して押し込むことによって出口ポートを介して頂部チャンバからパージされる。これか発生すると、冷却剤は電気部品を通って冷却剤回路を介してポンプて送り出され続ける。したかって、冷却回路全体にわたる圧力は一定にととまり、電気部品に対する供給電圧も一定にととまる。さらに、頂部チャンバから空気をすばやくパージするために、パージタンクチャンバの間の通路は頂部チャンバから底部チャンバへの冷却剤の流れを妨げるように締め付けられ、一方で冷却剤は頂部チャンバに押し込この発明の種々の特徴および利点は添付の図面とともにここに説明され、図１はこの発明の好ましい実施例の構造を詳細に例示し、図２へ−図２Ｄはいかに図１の実施例か液体冷却剤から空気をパージする動作をするかを例示し、さらに図３へ−図３Ｂは図１の実施例の変形例の構造および動作を例示する。

発明の詳細な説明ここで図Ｉを参照すると、この発明に従って構成される液体冷却システムの好ましい実施例が説明される。図１において、冷却システムか冷却する電気部品か参照数字１０で示される。それらはたとえばハイパワーランプまたはトラ〉ジスタのような、いかなる熱発生電気部品でもあり得る。これらの部品を冷却するために、液体冷却剤ＬＣは構成要素ｚｍ２ｏからなる回路を経てそれらを通って循環される。

構成要素１１は大気圧で冷却剤を保持するリザーバである。構成要素１２はリザーバ１１から電気部品１０を保持する冷却ジャケット１３へ冷却剤を運ぶ導管である。構成要素Ｉ４は冷却ジャケットからパージタンク１５へ冷却剤を運ぶ導管である。このタンクは頂部チャンバ１５ａおよび底部チャンバ１５ｂを存する。

チャンバ１５ｂは液体冷却剤を導管１４から受け取り、導管１６を介してポンプ１７の入口に冷却剤を送る。ポンプ１７の出口からの冷却剤は導管１８、熱交換器１９、および導管２０を経てリザーバ１２に再び送られる。

パージタンク１５において、分割部材１５ｃがチャンバ１５ａおよび１５ｂを分離する。しかしながら、部材１５Ｃは通路１５ｄを存し、それは冷却剤に混入されたいかなる気泡も底部チャンバ１５ｂから頂部チャンバ１５ａに浮力によって通過させることが可能にされる。気泡を通路に方向づけるために、分割部材１５ｃは通路に向かって上方向に先細にされる。

さらに頂部チャンバ１５ａにはセンサ２１が含まれ、それは成る量の空気か頂部チャンバに蓄積されたときを検出する。それが発生すると、蓄積された空気は頂部チャンバ１５ａから幾らかの追加的な構成要素２２−２５を経てパージされる。構成要素２２は導管であり、構成要素２３はセンサ２１からの制御信号に応答して開く電気−機械的制御バルブであり、構成要素２４はチャンバ１５ａの入口ボートへの導管であり、構成要素２５は大気に開放された、頂部チャンバ１５ａの出口ポート上のワンウェイバルブである。

ここで図２ａ−図２ｄを考察すると、それらは上に説明されたシステムの構成要素がいかに相互作用するかということの詳細をすへて示す。図２ａにおいて、いかなる気泡も液体冷却剤に混入されない。したがって、冷却剤かパージタンクの底部チャンバ＋５ｂを介して通過するとき、いかなる泡も通路１５ｄを通って上昇せず、頂部チャンバ１５ａにおける空気の量は一定のままである。

次に構成要素＋２−１４の１つに漏れが発生すると仮定する。それか発生すると、空気は漏れ構成要素に吸い込まれる、なせなら構成要素１２−１４における冷却剤は大気圧以下であるからである。リザーバ１１における冷却剤は大気圧であり、その基準点からの圧力降下か構成要素１２−１４において、冷却剤かそれらを介してポンプ１７によって吸い込まれる際に発生する。その結果、いかなる冷却剤も漏れか発現したとき構成要素１２−１４から漏らされない。

混入された空気を伴う冷却剤かパージタンクの底部チャンバ１５ｂを介して通過すると、冷却剤の速度は遅くなる。

この底部チャンバ１５ｂは冷却剤に混入されたいかなる気泡も浮力によって通路１５ｄを介して上昇しかつ移動するようにさせるのに十分に低い速度で冷却剤がそれを通過するような大きさにされる。これらの気泡およびその通路を介しての動きは参照数字３０によって図２ｂに示される。

パージタンクにおける気泡か頂部チャンバ１５ａに入ると、そのチャンバにおける圧力は底部チャンバ１５ｂにおける圧力を僅かに超えて上昇する。この圧力差のため、頂部チャンバ１５ａにおける液体冷却剤の少量が通路１５ｄを介して底部チャンバに押し込まれる。液体のこの流れは２つのチャンバ１５ａおよび１５ｂにおける圧力を再度等しくする。

構成要素１２−１４における漏れか続くならば、頂部チャンバ１５ａにおける液体冷却剤のレベルは成るレベルまで結局は降下し、それはセンサ２１のプローブ２１ａによって検出される。それが発生すると、センサは導体２１ｂでの制御信号をバルブ２３に送り、それはバルブを開放させる。これは図２０において発生するように示される。

バルブ２３か開放されると、液体冷却剤はリザーバ１１からバルブ２３を介して頂部チャンバ１５ａに通過する。

これは頂部チャンバ１５ａにおける圧力か上昇することを引き起こす。頂部チャンバ＋５ａにおける圧力か大気圧に達すると、ワンウェイバルブ２５か開き、空気は頂部チャンバ１５ａから大気へ流出する。これは図２Ｄに例示される。センサ２１かプローブ２１ｃによって、頂部チャンバ１５ａにおける液体冷却剤か予め定められた高レベルに復帰したということを検出すると、バルブ２３は閉じられる。

バルブ２３か開かれるとき、液体冷却剤のレベルを頂部チャンバ１５ａにおいて上昇させるために、バルブ２３を介しての冷却剤の流れの速度は通路１５ｄを介しての冷却剤の流れの速度よりも速いことか必要である。この制約は通路１５ｄをバルブ２３よりも実質的に小さい大きさにすることによって満たされる。

しかしなから同時に、通路１５ｄは、通路を介して通過する気泡における浮力か、通路か気泡に及はす表面張力を超過するように、十分に大きく保たれなければならない。

もし通路１５ｄか円形であるならば、気泡に対する表面張力はＦ、＝２πｒδと表示され得、かつ気泡の浮力はＦ。

＝　（４／３）０ｇ７ｒｒ’　と表わされ得る。これらの方程式において、ｒは通路＋５ｄの半径であり、ρは液体冷却剤の濃度であり、δは液体冷却剤の単位長さ当りの表面張力である。もし冷却剤か水であるならば、δは０．０７２６ニユ一トン／メートルに等しく、かつρは９９８ｋｇ／ｍ３に等しい。これらの値を上の方程式のＦ、およびＦ８に代入すると、ｒは０．１３１インチよりも大きくなければならないという制約をもたらす。

上に説明された冷却システムの主な特徴は、図２へ−図２Ｄの気泡除去動作全体にわたって、冷却剤か本質的に定常速度および圧力で回路構成要素１１−２０を介して動くということである。このように、電気部品１０は一定の予め定められた速度で冷却される。さらに、いかなる圧力過渡現象もないということは構成要素１１−２０における応力を減する。さらに、ポンプ１７はオフおよびオンに切換えられないため、ポンプ１７および電気部品ＩＯに電力供給する電源（図示されず）からの電力サージまたは電圧過渡現象は避けられる。

図３ａおよび図３ｂをここて参照すると、それらは先に説明された実施例に２つの変形を組み入れたこの発明の別の実施例の構造および動作を例示する。これらの変形の１つは、通路１５ｄか異なった通路１５ｅに置換えられることである。

通路１５ｅはバルブのない小さな開口１５ｆおよびパージタンクの頂部チャンバに開放されたワンウェイバルブ１５ｈによって締め付けられる大きい開口１５ｇとからなる。第２の変形は、構成要素２２．２３、および２４は構成要素２２ａ、２３ａ、および２４ａによって置換えられ、それらは液体冷却剤をポンプ１７の正圧出口ポートからパージタンクの頂部チャンバ１５ａの入口ボートへ渡す。

すへての他の構成要素は先に説明された実施例から変更されないままである。

動作において、気泡３０が底部チャンバ１５ｂに発生すると、それらはワンウェイバルブ１５ｈを開き大きな開口１５ｇを通過する。同時に、液体冷却剤は頂部チャンバ１５ａから底部チャンバ１５ｂへ小さな開口１５ｆを介して通過し、ゆえに２つのチャンバの間の圧力は等しくされる。

これは図３ａにおいて例示される。

続いて、液体冷却剤か頂部チャンバ１５ａに送りこまれ、そのチャンバからの空気を除去するとき、バルブ１５ｈは閉じられる。これは図３ｂに例示される。結果として、液体冷却剤は構成要素２２ａ−２４ａを経て、小さな開口１５ｆを経てよりもよりすばやく頂部チャンバに入り、ゆえに、頂部チャンバにおける冷却剤は急速に上昇する。その結果、バルブ２３ａは閉じ、冷却剤は頂部チャンバ１５ａから底部チャンバ１５ｂへ小さな開口１５ｆを介して、これらの２つのチャンバにおける圧力が等しくなるまで通過する。それか発生すると、底部チャンバ１５ｂにおけるいかなる気泡も再びワンウェイバルブ１５ｈを介して頂部チャンバへ上昇かつ通過し得る。

この発明の種々の好ましい実施例かここで詳細に説明されてきた。しかしなからさらに、この発明の本質および精神から逸脱することなく多くの変更および変形はこれらの実施例に加えられ得る。

たとえば、図３ａおよび図３ｂの実施例の上の説明から、バルブ１５ｈは小さな開口１５ｆとともに、漏れる単一のバルブとして本質的に動作するということがわかる。その結果、別の変形として、開口１５ｆは排除されかつノくルブ１５ｈか漏れがちなバルブまたは完全には締まらないノくルブで置換えられ得る。

したがって、この発明は説明された好ましい実施例に限定されるのではなく、添付の請求の範囲によって規定されるということが理解されるべきである。

ＦＩＧ、１ＦＩＧ、２ＤＦＩＧ、３Ａ１、事件の表示国際出願番号：　ＰＣＴ／ＵＳ９１１０７４７９２、発明の名称空気パージ機構を使用した液体冷却システム３、特許出願人住　所　アメリカ合衆国、１９４２４　ペンシルバニア州、ブルー・ベル、ビイ・オウ・ボックス・５００、タウンシップ・ライン・アンド・ユニオン・ミーティング・ローズ　（番地なし）名　称　ユニシスφコーポレイション代表者　ジョーンズ、ポペット国　籍　アメリカ合衆国４、代理人住　所　大阪市北区南森町２丁目１番２９号　住友銀行南森町ビル５、補正嘗の提出年月日１９９２年　５月　８日６、添付書類の目録補正書の写しく窮民り　１通請求の範囲１、電気部品を冷却するためのシステムであって、通路を介して相互接続される頂部チャンバおよび底部チャンバを育するパージタンクと、前記電気部品を通って前記底部チャンバを介して液体冷却剤を循環させるポンプおよび導管を含む冷却回路とを含み、前記底部チャンバは前記冷却剤におけるいかなる気泡も浮力によって前記通路を経て前記頂部チャンバへ上昇しかつ動くようにさせるのに十分に低い速度で前記冷却剤がそれを介して通過するような大きさにされ、前記頂部チャンバは入口ボートおよび出口ポートを有し、前記冷却剤を前記入口ボートを介して高速度で押し込み、一方で同時に前記冷却剤を前記冷却回路を介して送り出すことによって前記頂部チャンバから前記出口ポートを介して、空気を除去する制御手段をさらに含み、前記通路は前記頂部チャンバから前記底部チャンバへの前記冷却剤のいかなる流れも低速度に制限し、一方で前記２、前記通路はバルブのないかつ前記冷却剤の流れを前記低速度に制限する大きさの単一の開口からなる、請求項１に記載のシステム。

３、前記通路は２つの開口からなり、一方はバルブかなくかつ他方は前記頂部チャンバに開放されたワンウェイバルブによって締め付けられる、請求項１に記載のシステム。

４、前記通路は前記頂部チャンバに開放され、かつ完全には締まらないワンウェイバルブによって締め付けられる単一の開口からなる、請求項１に記載のシステム。

５、前記冷却回路は大気圧で前記冷却剤の供給を保持するりサーバと、前記冷却剤を負圧て前記リザーバから前記電気部品を通ってかつ前記底部チャンバを介して吸い上げる前記ポンプにおける入口と、正圧で前記冷却剤を前記リサーバヘ復帰させる前記ポンプにおける出口とを含む、請求項１に記載のシステム。

６、前記通路はバルブのない１つの開口と、前記頂部チャンバに開放されるワンウェイバルブによって締め付けられる別の開口とからなる、請求項５に記載のシステム。

７、前記底部チャンバは前記頂部チャンバに向かって上方向に先細にされ、前記泡を前記通路に向ける、請求項６に記載のシステム。

８　前記回路は前記液体のためのリザーバを含み、前記リザーバおよび前記パージタンクは単一の閉鎖ユニットに統合され、そこでは１つの分割部材か前記リザーバを前記頂部チャンバから分離し、別の分割部材か前記頂部チャンバを前記底部チャンバから分離する、請求項７に記載のシステム。

９　前記制御手段は成る量の空気か前記頂部チャンバに蓄積されたときを示す制御信号を発生するためのセンサと、前記リザーバから前記入口ボートへのパイプと、前記制御信号に応答して開く前記パイプにおけるバルブとを含む、請求項８に記載のシステム。

１０、前記制御手段は前記頂部チャンバに成る量の空気か蓄積されたときを示す制御信号を発生するセンサと、大気圧での前記冷却剤のリザーバと、前記リザーバから前記入口ボートへのパイプと、前記制御信号に応答して開く前記パイプにおけるバルブとを含む、請求項１に記載のシステム。

１１、前記制御手段は前記頂部チャンバに成る量の空気か蓄積されたときを示す制御信号を発生するセンサと、前記ポンプにおける正圧出口から前記入口ボートへのパイプと、前記制御信号に応答して開く前記パイプにおけるバルブとを含む、請求項１に記載のシステム。

１２、前記底部チャンバは前記頂部チャンバに向かって上方向に先細にされ、前記泡を前記通路に向ける、請求項１に記載のシステム。

１３、前記冷却剤のための前記パージタンクおよびリザーバは単一の閉鎖ユニットに統合され、そこでは１つの分割部材が前記リザーバを前記頂部チャンバから分離し、別の分割部材が前記頂部チャンバを前記底部チャンバから分離する、請求項１に記載のシステム。

国際調査報告１ｍ０７１６６１１１１＾５ｅｌｉ＋ａ−Ｈ・Ｍ〒／＋ｌＱＱ＋／ｌ’＋７４７０−―−轡−−−−−−―――−−−誇−−―！―−−−−−−呻−−琴器一− −−―・−−―−−−−―・−―−−罹−−−―――・−■−|−−轡−――− −−−− ＤＥ−ＡＩ−２ｂ：Ｆ１７０２　０２−０！−７８０Ｅ−Ｅ１２−　２６！８７０２　ニア−１：＋７−７日Ｄε−Ｃニー　２６３日７０２　リ５−９４−７９・−一時−−−−−−−−―−１−−−−−中−−一一岬−−−―！轡−−―− −リ−・−一一尋−−峻−・鹸Ｗ―−・−一一−−・−呻−\―−――−−−− 御啼一〇ε−ＡＩ−２９４６２：６　２７−１．’５−８１　ＤＥ−Ｃ：：−’：：９４６２：６　：ｏ−ｏｔ−Ｃ６−―−−−−−−−−−−−−−−−−−・轡− −−Ｉ−−――−−−―・―−−晴一――−一・−―−―−−−酔−−−−―− ・−−−一■|−卿一暢−−−−―− ＤＥＡＩ−ｍ２０６＋）＋５９　１）９−Ｑ９−８Ｉ　ＤＥ−Ｃ２−！２０６０５９　二９−１ｌ−１ｉ１４―！−−一一―――−一一――――−鹸−−響−− 轡−・−■−−轡−−−−−嗜−―――・−−一−・−−一−―−−−―−−― −一−―E−一雫−−―−−−陽一フロントページの続き（７２）発明者　バッカー、ヨハン・ビータ−アメリカ合衆国、４８３８７　ミシガン州、ユニオン・レイク、バーレイ・ストリート、

Claims

【特許請求の範囲】１．電気部品を冷却するためのシステムであって、通路を介して相互接続される頂部チャンバおよび底部チャンバを有するパージタンクと、前記電気部品を通って前記底部チャンバを介して液体冷却剤を循環させるポンプおよび導管を含む冷却回路とを含み、前記底部チャンバは前記冷却剤におけるいかなる気泡も浮力によって前記通路を経て前記頂部チャンバへ上昇しかつ動くようにさせるのに十分に低い速度で前記冷却剤がそれを介して通過するような大きさにされ、前記頂部チャンバは入口ポートおよび出口ポートを有し、前記冷却剤を前記入口ポートを介して高速度で押し込み、一方で同時に前記冷却剤を前記冷却回路を介して送り出すことによって前記頂部チャンバから前記出口ポートを介して、空気を除去する制御手段をさらに含み、前記通路は前記頂部チャンバから前記底部チャンバヘの前記冷却剤のいかなる流れも低速度に制限し、一方で前記冷却剤は前記頂部チャンバに押し込まれるように適応される、システム。２．前記通路はパルプのないかつ前記冷却剤の流れを前記低速度に制限する大きさの単一の開口からなる、請求項１に記載のシステム。３．前記通路は２つの開口からなり、一方はパルプがなくかつ他方は前記頂部チャンバに開放されたワンウェイパルプによって締め付けられる、請求項１に記載のシステム。４．前記通路は前記頂部チャンバに開放され、かつ完全には締まらないワンウェイパルプによって締め付けられる単一の開口からなる、請求項１に記載のシステム。５，前記冷却回路は大気圧で前記冷却剤の供給を保持するリザーバと、前記冷却剤を負圧で前記リザーバから前記電気部品を通ってかつ前記底部チャンバを介して吸い上げる前記ポンプにおける入口と、正正で前記冷却剤を前記リザーバへ復帰させる前記ポンプにおける出口とを含む、請求項１に記載のシステム。６．前記制御手段は前記頂部チャンバに或る量の空気が蓄積されたときを示す制御信号を発生するセンサと、大気圧での前記冷却剤のリザーバと、前記リザーバから前記入口ポートヘのパイプと、前記制御信号に応答して開く前記パイプにおけるバルブとを含む、請求項１に記載のシステム。７．前記制御手段は前記頂部チャンバに或る量の空気が蓄積されたときを示す制御信号を発生するセンサと、前記ポンプにおける正正出口から前記入口ポートヘのパイプと、前記制御信号に応答して開く前記パイプにおけるパルプとを含む、請求項１に記載のシステム。８．前記底部チャンバは前記頂部チャンバに向かって上方向に先細にされ、前記泡を前記通路に向ける、請求項１に記載のシステム。９．前記冷却剤のための前記パージタンクおよびリザーバは単一の閉鎖ユニットに統合され、そこでは１つの分割部材が前記リザーバを前記頂部チャンバから分離し、別の分割部材が前記頂部チャンバを前記底部チャンバから分離する、請求項１に記載のシステム。１０．前記通路はパルプのない１つの開口と、前記頂部チャンバに開放されるワンウェイパルプによって締め付けられる別の開口とからなる、請求項５に記載のシステム。１１．前記底部チャンバは前記頂部チャンバに向かって上方向に先細にされ、前記泡を前記通路に向ける、請求項１０に記載のシステム。１２．前記回路は前記液体のためのリザーバを含み、前記リザーバおよび前記バージタンクは単一の閉鎖ユニットに統合され、そこでは１つの分割部材が前記リザーバを前記頂部チャンバから分離し、別の分割部材が前記頂部チャンバを前記底部チャンバから分離する、請求項１１に記載のシステム。１３．前記制御手段は或る量の空気か前記頂部チャンバに蓄積されたときを示す制御信号を発生するためのセンサと、前記リザーバから前記入口ポートヘのパイプと、前記制御信号に応答して開く前記パイプにおけるパルプとを含む、請求項１２に記載のシステム。