JP2008503071A - 凍結制御装置及び凍結制御方法 - Google Patents

Abstract

循環冷却装置において凍結を制御する凍結制御装置及び凍結制御方法を開示する。凍結制御装置は、表面積対体積比によって特徴付けられる複数のゾーンを有する熱交換器を備える。更に、凍結制御装置は、最初のゾーンから流体の凍結を開始させ、流体の凍結時の膨張した体積を、最後の表面積対体積比によって特徴付けられる最後のゾーンの方向に収容する膨張開始手段を備える。凍結制御装置は、更に、最初のゾーンと最後のゾーンとの間に位置し、各ゾーンについて、表面積対体積比が計算された複数のゾーンを含んでいてもよい。各ゾーンの表面積対体積比は、最初のゾーンから最後のゾーンに向けて次第に減少することが好ましい。最後に凍結が到達する最後のゾーンは、表面積対体積比が最も低く、最初のゾーンから凍結が開始された全ての流体の膨張した体積を収容する。

Description

関連出願

この特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００４年６月４日に出願された係属中の米国仮特許出願第６０／５７７，２６２号、発明の名称「マルチプル冷却技術（MULTIPLE COOLING TECHNIQUES）」の優先権を主張する。２００４年６月４日に出願された係属中の米国仮特許出願第６０／５７７，２６２号、発明の名称「マルチプル冷却技術」は、引用により本願に援用される。

本発明は、例えば、電子デバイス及びそのコンポーネントから熱を伝達するために用いられる循環冷却装置において凍結を制御する凍結制御装置及び凍結制御方法に関する。特に本発明は、表面積対体積比が次第に減少するゾーンに向かう方向に、凍結する流体の膨張を開始することによって、流体の凍結による膨張を制御する凍結制御装置及び凍結制御方法に関する。

凍結は、過渡的な非平衡過程であり、この相変化では、周囲の冷却条件のために液体又は流体が凝固点以下の温度に冷却されると、潜熱が放出される。水又は多くの他の混合液は、凝固点以下に冷却されると、液相から固相に変化し、水又は水を主体とする混合物の場合、体積が最大１０％以上も膨張する。水は、パイプ又はこの他の制限された空間内で凍っても同様に膨張する。パイプ又は他の制限された空間内で水が凍結すると、パイプが詰まり、流れが遮られるだけではなく、他の問題も生じる。例えば、鋼管等の制限された空間内で凍結が起こると、氷は膨張し、大きな圧力を発生し、これにより、パイプにクラックを生じさせ、又は継手を分離させる等の重大な故障を引き起こすことがある。この現象は、温水暖房システム及び自動車の冷却装置にも共通する故障原因である。

パイプ内で氷が形成されても、必ずしも、氷によって封鎖された部分でクラッキングが生じるわけではない。例えば、パイプが氷によって完全に封鎖され、パイプ内で凍結及び膨張が継続すると、下流側の水圧が大きくなる。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こともある。氷によって封鎖された部分の上流側では、水は、インレットソース側に向かって逆流するが、クラッキングを引き起こす程の圧力の上昇が生じることは余りない。循環冷却装置では、熱特性に関する利点及び健康及び安全に関する性能から水を主体とする混合物が他の液体より好まれる。

電子デバイスのための循環冷却装置は、出荷、保管又は使用中に、凍結環境に晒されることがある。これらの装置は、このような凍結環境に晒される可能性を鑑み、凍結時の水の膨張を許容するように設計する必要がある。不凍液等の添加物は、潜在的に有毒で、可燃性を有し、機械部品、高感度センサ、電子部品等を破損する虞がある。

そこで、本発明の目的は、純水又は実質的な純水を用いる循環冷却装置における凍結核生成及び拡大を制御し、電子部品を破損せず、システム性能に影響を与えることなく、流体の凍結によって生じる体積の膨張を許容できる凍結制御装置及び凍結制御方法を提供することである。

本発明は、システム内の流体の凍結に起因する体積の膨張によって循環冷却装置の部品及びパイプがクラッキングすることを防止する。具体的には、本発明は、１つ以上の部品が連結された循環冷却装置における凍結核生成及び拡大を制御する凍結制御装置及び凍結制御方法を提供し、複数の表面積対体積比によって特徴付けられ、凍結が発生すると、流体は、最も高い表面積対体積比を有する最初のゾーンから、表面積対体積比が徐々に減少する１つ以上のゾーンに向けて膨張する。このように、本発明は、凍結が発生すると、膨張した体積を収容できる方向に凍結が進行するように、熱交換器、インレット及びアウトレットポート、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における表面積対体積比を管理及び設計する。

本発明の一実施の形態として、本発明は、循環冷却装置における凍結核生成及び拡大を制御する凍結制御装置を提供する。凍結制御装置は、表面積対体積比によって特徴付けられる複数のゾーンを有する熱交換器を備える。更に、凍結制御装置は、最初のゾーンから流体の凍結を開始させ、凍結時に、それぞれが計算された表面積対体積比によって特徴付けられる一連のゾーンを介して、最後の表面積対体積比によって特徴付けられる最後のゾーンに進む方向への膨張を補助する凍結開始手段を備える。これに代えて、熱交換器は、循環冷却装置の如何なる部材に置き換えてもよい。

本発明の好ましい実施の形態では、最後の表面積対体積比は、最初の表面積対体積比より低い。水を主体とするシステムでは、最後のゾーンは、液体が凍結した際に、最後のゾーンを含む各ゾーンに存在する全ての液体体積の少なくとも１０％の膨張体積を収容できる。最後のゾーンは、例えば、管状部材であってもよい。一実施の形態においては、管状部材は、流体の凍結によって膨張する体積を収容するために外側に膨張する十分な弾性を有していてもよい。

好ましい実施の形態では、最初のゾーンは、熱交換器の内部にある。熱交換器は、熱交換器の第１の開口を介して延び、複数のチャネル及び流路に流体を輸送するインレットポートと、第２の開口を介して延び、複数のチャネル及び流路から流体を排出する少なくとも１つのアウトレットポートとを備えていてもよい。複数のチャネル及び流路は、多孔性の銅発泡体（porous copper foam）として形成してもよい。これに代えて、複数のチャネル及び流路は、マイクロチャネルとして形成してもよい。これに代えて、複数のチャネル及び流路は、マイクロピン又は積層されたメッシュ構造体として形成してもよい。

最初のゾーンから延びる複数の流路は、幾つかのゾーンに区別される。一実施の形態においては、凍結制御装置は、最初のゾーンと最後のゾーンとの間に位置する複数のゾーンを含み、各の表面積対体積比が計算される。各ゾーンの表面積対体積比は、最初のゾーンから最後のゾーンに向けて次第に減少することが好ましい。

凍結制御装置は、好ましくは、最後のゾーンに連結された１つ以上の収縮可能な物体を更に備え、凍結する流体によって収縮可能な物体に加えられる圧力により最後のゾーンの体積が増加する。この収縮可能な物体は、最後のゾーン内に収容されていることが好ましい。収縮可能な物体は、スポンジ、発泡体、空気が満たされた泡、密閉された管、バルーンのうちの何れかから構成することができる。スポンジは、疎水性であることが好ましい。

また、凍結制御装置は、最後のゾーン内に配設された少なくとも１つのエアポケットを更に備えていてもよく、エアポケットは、凍結する流体の膨張した体積を収容する。これに代えて、凍結制御装置は、最後のゾーンに連結された少なくとも１つの柔軟な物体を含んでいてもよく、流体が柔軟な物体に圧力を加えると、最後のゾーンの容積が増加する。柔軟な物体は、最後のゾーン内で固定されていることが好ましい。柔軟な物体は、ゴム、プラスチック及び発泡体のうちの何れか１つから形成してもよい。

本発明の他の実施の形態として、本発明は、循環冷却装置における凍結核生成及び拡大を制御する凍結制御方法を提供する。凍結制御方法は、最初の表面積対体積比によって特徴付けられる熱交換器の最初のゾーンから流体の凍結を開始させる工程と、凍結した流体を最初の表面積対体積比より低い最後の表面積対体積比によって特徴付けられた最後のゾーンに向ける工程とを有する。

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、回路については、詳細には説明しない。

図１は、本発明の実施の形態に基づく循環冷却装置１００の概略図を示している。循環冷却装置１００は、発熱デバイス５５（回路板に取り付けられた集積回路として示しているが、これは、回路板であってもよく、又は他の発熱デバイスであってもよい。）に取り付けられた熱交換器２０と、循環流体のポンプ３０と、循環冷却装置１００から熱を除去するのに役立つ複数のフィン４６を有する除熱器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３０の圧力を制御するコントローラ５０とを備える。

ポンプ３０のインレットから流入する流体は、電気浸透力（electroosmotic force）によって、ポンプ３０内の多孔質構造（図示せず）に吸い込まれ、ポンプ３０のアウトレットを介して流出する。好ましい実施の形態では、電気浸透流ポンプを用いるが、本発明は、例えば機械ポンプ等の他の種類のポンプを用いるシステムにおいても同様に実施できる。流体は、熱交換器２０のマイクロチャネル２４を介して除熱器４０及び管１１４、１１２、１１０を流通し、ポンプ３０のインレットに戻る。発熱デバイス５５とマイクロチャネル２４との間には、好ましくは、スプレッダ（図示せず）を接続する。コントローラ５０は、熱交換器２０内の温度計から又は冷却される発熱デバイス５５の温度計から、信号線１２０を介して入力信号を受信する電子回路である。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の電源（図示せず）に適切な信号を送ることによって、ポンプ３０を用いて流れを調整し、必要な熱性能を実現する。この実施の形態では、流れの方向を指定しているが、本発明は、これとは逆の方向の流れにも適用できることは明らかである。

流体温度が凝固点以下になると、氷が形成される。氷が形成される速度は、流体が冷却される速度に依存し、流体が冷却される速度は、表面積対体積比に依存する。循環冷却装置１００の領域内で氷が継続的に成長すると、過度の流体圧が生じる。この圧力により、例えば、熱交換器２０、管状部材１１０、１１２、１１４内のマイクロチャネル２４を含むマイクロチャネル２４のチャネル壁２２等の個々の要素が破裂又は破損することがある。後に更に詳細に説明し、理解されるように、凍結時の流体又は水の膨張を許容するように個々の要素を設計する必要がある。

図２は、熱交換器２００の一実施の形態を示しており、熱交換器２００は、それぞれが表面積対体積比によって特徴付けられたゾーン１、ゾーン２、ゾーン３Ａ、ゾーン３Ｂに区分される。熱交換器２００は、それぞれゾーン４Ａ、４Ｂに配置され、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が最初のゾーンであり、管状部材は、最後のゾーン又は複数のゾーンである。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）又は多孔構造（図示せず）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であってもよい（図示せず）。各ゾーンの表面積は、好ましくは、モデル形状に基づいて直接算出される。ゾーンは、例えば、銅発泡体等の１つ以上の構造体から、熱交換器２００内に亘って所望の表面積対体積比を有するように構成することができる。各ゾーンの体積は、好ましくは、モデル形状に基づいて直接算出される。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によって除算することによって算出される。そして、隣接するゾーンの算出された表面積対体積比を比較する。凍結の進行については、凍結が開始するゾーン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していることが望ましい。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する１つ以上のゾーンに向かって膨張する。なお、管状部材２１０、２６０を含む熱交換器２００は、それぞれ異なる表面積対体積比を有する複数のゾーンを含んでいてもよい。隣接するゾーンの表面積対体積比は、熱交換器２００から管状部材２１０、２６０に向かって次第に減少し、すなわち、ゾーンの表面積対体積比は、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の順で減少する。この実施の形態では、管状部材２１０、２６０は、膨張した体積を収容するように設計されている。

管状部材２１０、２６０は、好ましくは、流体が凍結した際、少なくとも１０％の膨張体積を収容するコンプライアンス性を有する材料を含む。管状部材２１０、２６０は、好ましくは、流体の凍結によって膨張する体積を収容するために外側に膨張する十分な弾性を有する。これに代えて、管状部材２１０、２６０に１つ以上の収縮可能な物体（図示せず）を連結し、凍結する流体によって収縮可能な物体に加えられる圧力により管状部材２１０、２６０の体積が増加するようにしてもよい。収縮可能な物体は、好ましくは、スポンジ、発泡体、空気が満たされた泡、密閉された管、バルーンのうちの何れかから構成され、管状部材２１０、２６０の内部に収容される。他の種類の収縮可能な物体を用いてもよい。スポンジ及び発泡体は、疎水性を有していてもよい。

他の実施の形態においては、管状部材２１０、２６０に少なくとも１つのエアポケット（図示せず）を配設してもよく、このエアポケット（図示せず）は、凍結する流体の膨張した体積を収容する。これに代えて、管状部材２１０、２６０に１つ以上の収縮可能な物体（図示せず）を連結してもよく、この場合、凍結する流体によって収縮可能な物体（図示せず）に加えられる圧力により最後のゾーンの体積が増加する。柔軟な物体は、ゴム、プラスチック及び発泡体のうちの何れか１つから形成してもよく、最後のゾーン内で固定することが好ましい。なお、また、凍結する流体の膨張を収容するために、更に他のコンプライアンス性を有する材料を使用してもよい。

本発明の構成及び動作原理を明瞭に説明するために、様々な詳細を含む特定の実施例を用いて本発明を説明した。このような特定の実施例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例を変更できることは、当業者にとって明らかである。特に、本発明に基づく装置は、幾通りかの異なる手法で実現でき、上に開示した装置は、本発明の実施の形態を例示的に説明するものであり、本発明を限定するものではない。

本発明に基づく循環冷却装置の一実施の形態を示す図である。 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な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。

Claims (50)

1. 循環冷却装置における凍結核生成及び拡大を制御する凍結制御装置において、
   最初の表面積対体積比によって特徴付けられる最初のゾーンを有する部材と、
   上記最初のゾーンから流体の凍結を開始させ、凍結時に、それぞれが計算された表面積対体積比によって特徴付けられる一連のサブゾーンを介して、最後の表面積対体積比によって特徴付けられる最後のゾーンに進む方向への膨張を補助する凍結開始手段とを備える凍結制御装置。
2. 上記部材は、熱交換器を含むことを特徴とする請求項１記載の凍結制御装置。
3. 上記最後の表面積対体積比は、最初の表面積対体積比より低いことを特徴とする請求項１記載の凍結制御装置。
4. 上記最後のゾーンは、上記流体が凍結した際に膨張した体積を収容することを特徴とする請求項１記載の凍結制御装置。
5. 上記最後のゾーンは、弾性的に拡張することを特徴とする請求項４記載の凍結制御装置。
6. 上記少なくとも１つのサブゾーンは、所定の表面積対体積比を得るための構造体から構成されることを特徴とする請求項１記載の凍結制御装置。
7. 上記構造体は、銅発泡体であることを特徴とする請求項６記載の凍結制御装置。
8. 上記少なくとも１つのゾーンは、所定の表面積対体積比を得るための構造体から構成されることを特徴とする請求項１記載の凍結制御装置。
9. 上記構造体は、銅発泡体であることを特徴とする請求項８記載の凍結制御装置。
10. 上記熱交換器は、該熱交換器の第１の開口を介して延び、複数のチャネル及び流路に流体を輸送するインレットポートと、第２の開口を介して延び、上記複数のチャネル及び流路から流体を排出する少なくとも１つのアウトレットポートとを備えることを特徴とする請求項２記載の凍結制御装置。
11. 上記熱交換器は、複数のインレットポート及び複数のアウトレットポートを備えることを特徴とする請求項１０記載の凍結制御装置。
12. 上記各サブゾーンの計算された表面積対体積比は、上記最初のゾーンから上記最後のゾーンに向けて次第に減少することを特徴とする請求項１記載の凍結制御装置。
13. 上記最後のゾーンに連結された１つ以上の収縮可能な物体を更に備え、上記凍結する流体によって該収縮可能な物体に加えられる圧力により上記最後のゾーンの体積が増加することを特徴とする請求項１記載の凍結制御装置。
14. 上記収縮可能な物体は、最後のゾーン内に収容されていることを特徴とする請求項１３記載の凍結制御装置。
15. 上記収縮可能な物体は、スポンジ、発泡体、空気が満たされた泡、密閉された管、バルーンのうちの何れかから構成されることを特徴とする請求項１３記載の凍結制御装置。
16. 上記スポンジは、疎水性であることを特徴とする請求項１５記載の凍結制御装置。
17. 上記発泡体は、疎水性であることを特徴とする請求項１５記載の凍結制御装置。
18. 上記最後のゾーン内に配設された少なくとも１つのエアポケットを更に備え、該エアポケットは、上記凍結する流体の膨張した体積を収容することを特徴とする請求項１記載の凍結制御装置。
19. 上記少なくとも１つのゾーン及びサブゾーンの凍結パスに沿って配設された少なくとも１つのエアポケットを更に備える請求項１記載の凍結制御装置。
20. 最初の表面積対体積比によって特徴付けられる最初のゾーンと、
    上記最初のゾーンから流体の凍結を開始させ、該流体の凍結時の膨張した体積を、最後の表面積対体積比によって特徴付けられる最後のゾーンの方向に収容する膨張開始手段とを備える熱交換器。
21. 上記最後の表面積対体積比は、最初の表面積対体積比より低いことを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
22. 上記最後のゾーンは、上記流体が凍結した際に膨張した体積を収容することを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
23. 当該熱交換器の第１の開口を介して延び、複数のチャネル及び流路に流体を輸送するインレットポートと、第２の開口を介して延び、上記複数のチャネル及び流路から流体を排出する少なくとも１つのアウトレットポートとを更に備える請求項２０記載の熱交換器。
24. 複数のインレットポート及び複数のアウトレットポートを更に備える請求項２３記載の熱交換器。
25. 上記最後のゾーンは、上記流体の凍結によって膨張する体積を収容するために外側に膨張する十分な弾性を有することを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
26. 上記最初のゾーンと最後のゾーンとの間に位置する複数のサブゾーンを更に備え、該各サブゾーンの表面積対体積比は、上記最初のゾーンから上記最後のゾーンに向けて次第に減少することを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
27. 上記少なくとも１つのサブゾーンは、所定の表面積対体積比を得るための構造体から構成されることを特徴とする請求項２６記載の熱交換器。
28. 上記構造体は、銅発泡体であることを特徴とする請求項２７記載の熱交換器。
29. 上記少なくとも１つのゾーンは、所定の表面積対体積比を得るための構造体から構成されることを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
30. 上記構造体は、銅発泡体であることを特徴とする請求項２９記載の熱交換器。
31. 管状部材に連結された１つ以上の収縮可能な物体を更に備え、上記凍結する流体によって該収縮可能な物体に加えられる圧力により上記最後のゾーンの体積が増加することを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
32. 上記収縮可能な物体は、スポンジ、発泡体、空気が満たされた泡、密閉された管、バルーンのうちの何れかから構成されることを特徴とする請求項３１記載の熱交換器。
33. 上記スポンジは、疎水性であることを特徴とする請求項３２記載の熱交換器。
34. 上記発泡体は、疎水性であることを特徴とする請求項３２記載の熱交換器。
35. 上記最後のゾーン内に配設された少なくとも１つのエアポケットを更に備え、該エアポケットは、上記凍結する流体の膨張した体積を収容することを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
36. 上記少なくとも１つのゾーン及びサブゾーンの凍結パスに沿って配設された少なくとも１つのエアポケットを更に備える請求項２０記載の熱交換器。
37. 第１の開口を介して延び、複数のチャネル及び流路に流体を輸送するインレットポートと、
    第２の開口を介して延び、上記複数のチャネル及び流路から流体を排出する少なくとも１つのアウトレットポートと、
    ｃ．最初のゾーンの表面積対体積比によって特徴付けられる最初のゾーンから凍結を開始させ、凍結時に、上記インレット及びアウトレットポートから、上記最初のゾーンの表面積対体積比より低い最後の表面積対体積比によって特徴付けられる最後のゾーンを有する管状部材に進む方向への膨張を補助する凍結開始手段とを備える熱交換器。
38. 上記最後のゾーンは、上記流体の凍結によって膨張する体積を収容するために外側に膨張する十分な弾性を有することを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
39. 上記最初のゾーンと最後のゾーンとの間に位置する複数のサブゾーンを更に備え、該各サブゾーンの表面積対体積比は、上記最初のゾーンから上記最後のゾーンに向けて次第に減少することを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
40. 上記少なくとも１つのサブゾーンは、所定の表面積対体積比を得るための構造体から構成されることを特徴とする請求項３９記載の熱交換器。
41. 上記構造体は、銅発泡体であることを特徴とする請求項４０記載の熱交換器。
42. 上記少なくとも１つのゾーンは、所定の表面積対体積比を得るための構造体から構成されることを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
43. 上記構造体は、銅発泡体であることを特徴とする請求項４２記載の熱交換器。
44. 複数のインレットポート及び複数のアウトレットポートを更に備える請求項３７記載の熱交換器。
45. 循環冷却装置における凍結核生成及び拡大を制御する凍結制御方法において、
    最初の表面積対体積比によって特徴付けられる熱交換器の最初のゾーンから流体の凍結を開始させる工程と、
    上記凍結した流体を上記最初の表面積対体積比より低い最後の表面積対体積比によって特徴付けられた最後のゾーンに向ける工程とを有する凍結制御方法。
46. 上記最後のゾーンは、上記流体が凍結した際に膨張した体積を収容することを特徴とする請求項４５記載の凍結制御方法。
47. 上記熱交換器は、該熱交換器の第１の開口を介して延び、複数のチャネル及び流路に流体を輸送するインレットポートと、第２の開口を介して延び、上記複数のチャネル及び流路から流体を排出する少なくとも１つのアウトレットポートとを備えることを特徴とする請求項４５記載の凍結制御方法。
48. 上記熱交換器は、複数のインレットポート及び複数のアウトレットポートを備えることを特徴とする請求項４７記載の凍結制御方法。
49. 上記最後のゾーンは、上記流体の凍結によって膨張する体積を収容するために外側に膨張する十分な弾性を有することを特徴とする請求項４５記載の凍結制御方法。
50. 上記最初のゾーンと最後のゾーンとの間に複数のサブゾーンが設けられ、上記各サブゾーンの表面積対体積比は、上記最初のゾーンから上記最後のゾーンに向けて次第に減少することを特徴とする請求項４５記載の凍結制御方法。

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