JP6578361B2 - サテライト型エバポレータ冷却二相ループ - Google Patents

Description

本発明は、熱伝達システム、特に冷却二相ループに関する。このタイプのシステムは、様々な装置、特に回路基板上の１つ以上のプロセッサを冷却するために用いられる。

当該分野においては、エバポレータおよびコンデンサを備えた二相流体（フルード）の循環を利用することが公知である。二相流体の循環における相の変化により、二点間で熱が効果的に伝達される。ループ内における作動流体の循環は、熱サイフォン効果またはキャピラリポンプを提供する多孔質体ウィックによって生じる。

このようなシステムは、回路基板、特にデータセンタのサーバーボードを冷却するために利用されている。

回路基板によっては、１つではなく複数のプロセッサあるいは電子部品を冷却する必要がある。米国特許出願公開第２０１２／０１３２４０２号公報に開示されているように、２つのプロセッサに対して、二相ループを追加する代わりに、１つの二相ループにおいて、２つのエバポレータと２つのコンデンサを直列に配置することが提案されている。しかしながら、この解決策は、熱負荷が均一でない場合には適当なものではなく、さらに、始動に問題を生じ、このようなループの動作が不安定になる可能性があることがわかっている。米国特許出願公開第２００２／０００７９３７号公報に開示されているように、二相ループにおいて、複数のエバポレータを並列に配置する解決策も提案されている。しかしながら、この構成では、それぞれのエバポレータは、ループ内における駆動効果を増加させることなく、ループ内における圧力損失を増加させてしまうため、その性能は限定的なものとなる。

米国特許出願公開第２０１２／０１３２４０２号公報 米国特許出願公開第２００２／０００７９３７号公報

そこで、１つ以上のプロセッサまたは放熱性の電子部品を冷却することに適用できる、より適応性のある解決策を提供することが求められている。

このため、熱伝達システムは、
フルードループを形成し、かつ、該フルードループの循環方向において、メカニカル、キャピラリあるいは重力ポンプ手段を備えていない、主回路と、
前記主回路から分岐するように配置され、
該主回路から液体のフルードを分取する、少なくも１つのインレットチャネル、
冷却される高熱源に接続された多孔質キャピラリポンプ部材を有するエバポレータ、および、
主として気相にある前記フルードを、前記主回路内に向けて少なくともループ循環方向に注入する噴射ノズルを有する、少なくとも１つのアウトレットチャネル、
を備える、少なくとも１つのエバポレータアッセンブリと、
前記主回路の一部に備えられ、低熱源に接続された熱交換器を有し、熱エネルギを除去する、少なくとも１つの冷却熱交換器と、
を備える。

このような構成により、前記アウトレットチャネルから前記主回路へ蒸気の注入がなされることで、所定量の運動の伝達による駆動効果が得られる。すなわち、蒸気の噴射により、ループ主回路における駆動効果が得られ、主ループにおいて作動流体が強制的に循環される。

本発明の装置の実施形態では、以下のいずれか、あるいは、両方の構成を採用することが可能である。

第１の態様においては、フルードは、ループ主回路において実質的に二相、すなわち、気相および液相からなる。この場合、前記冷却熱交換器は、従来のコンデンサアセンブリにより構成される。したがって、1つ以上のコンデンサにおいて過冷却は必要とされない。過冷却が不要であることから、1つ以上コンデンサにおいて必要とされるサイズを制限あるいは縮小することが可能である。過冷却液が、多孔質体ウィック、環境、キャピラリ漏出に由来するエバポレータにおける熱流の漏れを補償するために必要とされることは、公知である。第１の態様においては、この過冷却による制約が解消される。

第２の態様においては、フルードはループ主回路において実質的に液相である。この場合、前記冷却熱交換器は、過冷却熱交換器により構成される。したがって、ループ主回路において、低圧フルードの循環による蒸気圧力降下を最小限に抑えることが可能となる。エジェクタから排出された蒸気の濃縮は、前記主回路のうちの、蒸気注入ポイントの下流の隣接部において生じる。過冷却熱交換器は、漏れによる熱損失が生じた場合でも、主回路における液相が液体であり続けるのに十分な冷却を行う。主回路内を液体とすることの利点は、たとえば車両などの方向変更による加速や強度の著しい変化によるシステムの機能への影響がほとんどなく、かつ、許容できないレベルの圧力損失を生じることなく、低圧フルードを用いることができることである。

複数のエバポレータアッセンブリが提供され、それぞれが主回路から分岐するように（主回路のバイパスに）配置される。これにより、回路基板の２つ以上のプロセッサ、および／または、複数の高熱源を冷却することが可能となる。また、それぞれのエバポレータアッセンブリからの蒸気の注入による、追加的な駆動効果による利点も得られる。

システムが重力加速度の下にある場合には、ループ主回路は、重力に対して実質的に水平な面に設けられ、フルードは熱サイフォン効果を利用することなく主ループを循環することが好ましく、主回路における駆動力は、エバポレータからの蒸気の注入によって得られることが好ましい。

前記エバポレータを、主回路よりも下方に配置することができる。

この場合、局所的なサイフォン効果により、主導管から多孔質部材に液体を供給するとともに、さらに、主導管に向けた、蒸気泡および／または非凝縮性ガスの上方への移動も促進される。

前記エバポレータを、主回路の上方に配置して、始動時に、エバポレータの多孔質部材と接触する蒸気が極力少くなるようにできる。

多孔質部材（第１ウィックともいう）と主導管との間に介在する、第２ウィックを、１つ以上のエバポレータに設けることもできる。これにより、無重力下においてでも、キャピラリ・リンクを通じて、蒸気泡および／または非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を効果的に補給でき、かつ、第１ウィックへの液体の供給を確保することができる。

噴射ノズルは、主回路の導管内、すなわちチャネルの内側に、設けられる。これにより、駆動効果および運動量移行を最適化する。

前記噴射ノズルは、主導管の壁内に配置されることができる。なお、気密性の観点から、容易に組み込み可能なＹ字型のコネクタを用いることも可能である。

上記システムは、主ループに連結した共通のリザーバをさらに備える。これにより、飽和温度Ｔｓａｔを制御しながら、ループの作動条件を制御することが可能となる。前記リザーバは、膨張タンクとしても機能するため、それぞれのエバポレータアッセンブリにリザーバ機能をもたせる必要性がなくなる。

コンデンサ（あるいは過冷却）ユニットの１つにおいて、主導管は、平行に配置された複数のサブチャネルにより構成される部分を、コンデンサアッセンブリに属するこの部分を通過することによる水頭損失を制限する目的で、備えることができる。

該システムは、さらに、主導管を１つ以上の追加的な高熱源に対して熱的に連結する、１つ以上のヒートブリッジを備えることができる。これにより、プロセッサよりは放熱性の度合いは確実に低いが、やはり冷却する必要のあるメモリなどの追加的な高熱源を取り扱うことが可能となる。

本発明の他の態様、目的、および利点は、本発明の非限定的かつ例示的である実施形態についての以下の説明によって、明らかにされる。本発明は、添付の図面を参照することにより、さらによく理解される。

図１は、本発明の第１の実施態様に基づく、エバポレータアッセンブリを１つ備えるシステムについての概略図である。 図２は、本発明に基づく、複数のエバポレータアッセンブリを備えるシステムnについての概略図である。 図３は、第１の構成のエバポレータの断面図である。 図４は、図３のエバポレータのより詳細な部分断面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、ループ主回路を結合するインジェクタを形成するアウトレットチャネルの断面図である。 図６は、第２の構成のエバポレータの断面図である。 図７は、マルチプロセッササーバにおける本発明の熱伝達システムの使用を示した図である。 図８は、コンデンサにおける主チャネルの構成例を示す。 図９は、フルードが主ループにおいて実質的に液相である変形例である、第２の実施態様についての、図１と同様の図である。 図１０は、フルードが主ループにおいて実質的に液相である、第２の実施態様についての、図２と同様の図である。 図１１は、質量流量を求める方程式を示す。 図１２は、フルードごとの結果を示すチャートである。

それぞれの図面において、同一の参照符号は、同一または同様の要素を示す。

図１は、二相作動流体７を利用して、熱源９から熱を回収し、熱源から離れたところで熱を排出するように構成されている、熱伝達システム１０を示している。より具体的には、熱伝達システム１０は、ループ主回路１を備える。熱伝達システム１０の内部容積は、密閉され外部環境から遮断された所定量の作動流体７により満たされている。

本明細書においては、「ループ主回路１」という用語は、作動流体７のための閉鎖回路を形成するようにループを構成する導管またはチャネル１１を意味する。したがって、「主導管」は、平行に配置されたエバポレータを連結するために利用される他のチャネルと区別するために使用される。主回路は、「サーマルバス」および／または「集熱装置本体」とも呼ばれる。

なお、主回路は、一般的には、作動流体の自由な循環を妨げる妨害要素を含まない。作動流体の循環は、主として、参照符号「Ｆ」によって示されたフローの方向に発生する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態では、主回路を循環する作動流体は、概して液相および気相の二相からなる。主回路は、フルードが実質的に液体７Ｌである場所や、フルードが実質的に気体７Ｖである他の場所を含む。

なお、後述する第２の実施形態では、主回路を循環する作動流体は、実質的に液相７Ｌからなる。

本発明では、主回路自体は、メカニカルポンプ、キャピラリポンプ、重力ポンプといった手段を備えていない。主回路は、通常、円形、長方形、正方形、あるいは、その他の形状を有するループを形成する。同様に、主回路は、実質的に平面的な二次元的構成、あるいは、平面状ではない三次元的な構成を採ることができる。チャネルの断面は、実質的に一定であるが、チャネルの断面が主回路に沿って変化していてもよい。

熱源９から熱を引き出すためのエバポレータアッセンブリ２が、主回路から分岐するように（主回路のバイパスに）配置されている。エバポレータアッセンブリ２は、
主回路から液体のフルードを分取する少なくとも１つのインレットチャネル、
冷却される高熱源に接続され、かつ、キャピラリポンプを構成する多孔質部材３を有するエバポレータ４、および、
主として気相にあるフルードを、主回路内に向けてループ循環方向Ｆに注入する、少なくとも１つの噴射ノズルを有する、少なくとも１つのアウトレットチャネル２２、
を備える。

主回路１に対するエバポレータアッセンブリ２の液圧的な接点は、一方の液体フルード回収接続部と、他方の蒸気注入アウトレットとに限定される。主導管への蒸気の注入部は、図５Ｂに示すように、壁内に配置されるか、あるいは、図５Ａに示すように、完全に主導管の内側に配置される。蒸気の注入は、主導管における周囲の作動流体に対して運動量移行を生じさせる速さで行われるが、この点については後述する。

図示した実施例においては、インレットチャネル２１は、アウトレットチャネル２２から離間されており、この分野における分類では、エバポレータアッセンブリは、ＣＰＬ（キャピラリポンプループ）と呼ばれるループに類似している。しかしながら、インレットチャネル２１およびアウトレットチャネル２２は、連続ないしは隣接している。また、それぞれのインレットチャネル２１およびアウトレットチャネル２２は、管状導管あるいはこれに類似する構造である必要はなく、単なる通路により構成することができる。図３において、点線部分は、主導管１１′がエバポレータに隣接する場合を示しており、この場合には、インレットチャネル２１およびアウトレットチャネル２２の一方あるいは両方を、単なる通路により構成することが可能である。

インレットチャネル２１を介した液体回収ポイント２５は、フローＦの方向に関して、主導管１１内のアウトレットチャネルからの蒸気排出ポイント２６よりも、上流側に位置する。

さらに、このシステムは、熱源から離れた場所で、主導管１１を介して輸送された熱を排出するコンデンサアッセンブリ５を備える。コンデンサアッセンブリ５は、冷熱源（ヒートシンク）に接続された、主導管１１自体の一部あるいは熱交換器によって構成される。この熱交換器については、この分野では公知であるため、その説明は省略する。熱交換器としては、たとえば、選択的にファンによる強制対流がなされる、フィンタイプの空冷熱交換器や、水などの他の液体を備えた向流式の水冷熱交換器などがある。

サーバーボードの典型例においては、プロセッサからの熱は、主回路を介してサーバーボードから離れた場所で、公知の水循環式回路に排出される（図７）。

熱伝達システム内における作動流体の量は、システムが全体的に環境に対して密閉状態にあるため、一定である。この回路およびエバポレータ内における利用可能な容積や、初期充填量に応じて、主導管内の二相流の流動状態は、薄層状、環状、層状、乱流状などとなり、また、様々なサイズの蒸気ポケットを有する。流動状態および注入ゾーンの設計は、所望の温度範囲および熱出力範囲に応じて、最も効果的な駆動効果を得つつ、粘性損失が最小限となるように選択される。

特に、第１の実施態様によれば、主導管のいくつかの部分では、その断面において、重力の作用または遠心力の作用により自然に、あるいは、重力場または無重力場における周囲条件および流動特性に応じて実行される分離装置により、気相および液相が分離して層を形成している。この相分離による利点は、二相伝達システムで一般的に求められる液体の低い体積流量と比較して、蒸気の大きな体積流量を、速い蒸気速度で、搬送することが可能になることである。この相分離は、主導管における圧力損失を大幅に低減させる。蒸気流量／液体流量の理論比は、液体と蒸気との密度比に比例する。この相分離の利点は、高圧フルードの密度比が１０である一方、低圧フルードの密度比が１００〜１０００となり得る点にある。二相ループにおいて顕著なことは、蒸気圧損失が起きることである。インジェクタは気相に配置されることが好ましく、気相が、直接効果もしくは駆動効果により、運動量の一部を液相に伝達する。二相チャネルは、この相分離を可能できれば、任意の形状を採ることができる。卵形の形状とすることにより、蒸気をチャネル上部の幅広部に位置させ、液体部分をチャネルの下部の幅狭部に位置させるようにすることができる。主チャネルを、複数の平行な部分により構成することも可能である。蒸気用チャネルと液体用チャネルとを備えることもできる。この特定の場合においては、蒸気圧損失は、主導管と平行になるよう配置されたライン部分に対してポンプ効果を及ぼす。１以上の平行な二次ラインは、低い循環速度であるが、これらを液体が占領しつつ、蒸気泡による駆動を可能とするように、配置される。

図２に示したより完全な例では、熱伝達システムは、それぞれ原理が同一あるいは同様である、複数のエバポレータアッセンブリ２、２’によって、複数の熱源９からの熱の回収を可能にしている。これらのエバポレータアッセンブリはすべて、主回路に沿って、連続する異なる位置において、主導管に対するバイパスとして配置されている。このような構成では、エバポレータが並列に配置されていた従来の構成とは異なり、エバポレータが主回路に沿って直列に配置されており、このように配置されたエバポレータからの高速の蒸気注入によって、相乗的な駆動効果が得られる。

さらに、本発明においては、作動流体として、冷媒などの従来の誘電性流体を、従来の二相ループに使用されていた可燃性あるいは環境に有害なフルードに代替して使用することができる。これらのフルードの低潜熱により、ノズルにおいて高い蒸気速度に達するという利点がもたらされ、同一のエバポレータにおいて複数のノズルを使用することも可能となる。さらに、所定の操作温度の範囲にわたって、より広範な種類の二相フルードを使用することが可能となる。

また、主回路に複数のエバポレータアッセンブリ４を備えることも可能である。一例では、エバポレータとコンデンサは交互に配置される。図２から明らかであるが、エバポレータの数に対するコンデンサの数は任意である。同様に、個々のエバポレータおよびコンデンサの順番と位置は任意であり、これらを隔てる間隔についても任意である。

図３に示すように、エバポレータ４は、熱源９から熱を受領するホットプレート４０を備え、ホットプレート４０は、蒸気用の溝３１またはチャネルを備えており、その位置で気化により発生した蒸気７Ｖの退避が促進される。

多孔質部材３は、第１ウィックとも呼ばれるが、ホットプレート４０に対して溝がある側で接している。公知であるが、液相のフルードが多孔質構造３の間隙を充填することにより、ポンプ効果がもたらされる。多孔質部材３は、ステンレス、ニッケル、セラミック、または銅により構成することが可能である（下記参照）。

液体到着ゾーン３０においては、液相のフルードがインレットチャネル２１から流入する。従来からの懸念事項は、蒸気あるいは非凝縮性ガスがストッパとなって液体の流入をブロックし、蒸発エリアにおける液相の供給を断って、キャピラリポンプを停止させてしまうことである。実際、蒸気泡は、キャピラリの低い気密度（タイトネス）あるいは標遊熱流（液体側における逸脱した過熱）により、液体到着ゾーンにおいて発生する。標遊熱流は、公知の装置において、停止または飽和温度の上昇を避けるために、過冷却用の液体流を必要とする、追加的な熱源であるとみなされている。よって、公知の装置においては、装置の総コンダクタンスを悪化させることになる。本発明においては、蒸気および／または非凝縮性ガスは、過冷却を必要とすることなく、二次キャピラリリンクの蒸気コアを通って、主回路に自然に放出される。装置の総コンダクタンスは、エバポレータが標遊漏れや非凝縮性ガスを含む場合でも、本発明によって維持される。このシステムは、公知のキャピラリ装置（ＣＰＬおよびＬＨＰ）よりも強固である。

従来技術においては、蒸気ロックの形成によりエバポレータの第１ウィックへの液体の供給が妨げられることを防ぐために、多孔質部材のインレット側における蒸気泡の発生を最大限にまで防ぐように試みられていた。しかしながら、ループ主回路を伴った構成を考慮して、そのような蒸気泡および非凝縮性ガスの発生は、インレットチャネル２１から主導管１１へと上流に戻ることが可能である限り、許容される。

このため、装置の適用場所において重力が支配している場合には、図３に示したように、気泡が浮上し液体が下降する局所的なサイフォンを形成することによって、重力を利用することが可能である。

追加的または代替的に、ホットプレート４０に関して、第１ウィックの反対側に任意の第２ウィック３２を備えてもよい。第２ウィック３２は、エバポレータの本体に伸長するとともに、少なくとも部分的にインレットチャネル２１にも伸長する。実際には、第２ウィック３２は、第１ウィック３と、主回路の導管１１との間に介在する。

第２ウィック３２は、この位置、すなわち第１ウィック３の裏側に形成された気泡を逃すチャネルを形成する。このようにして、主導管からエバポレータ４の第１ウィック３への液体フルードの連続的な供給を蒸気ロックが阻害してしまうことが防止される。

第２ウィック３２は、図４に示したように、ワイヤメッシュによって構成することもできる。第２ウィック３２を構成するメッシュのワイヤの角または交差部においては、液体のメニスカス３９が形成されて、第１ウィック３への良好な液体の供給が確保される。

多孔質部材のインレット（液体）側における蒸気泡の形成は容認されるため、多孔質部材３の両側の空間を分離するために完璧なキャピラリシールを備えることは不要である。これにより、エバポレータを製造する際の制約およびコストが低減される。

標遊熱流は、エバポレータの方向に関係なく、多孔質部材のインレット側に形成された蒸気泡の除去を管理することによって補償されるため、過冷却用の液体流は必要とされない。

同様に、起動時に、蒸気泡がエバポレータの多孔質部材の裏側で生じたとしても、主回路を加圧する必要はなく、これらの気泡は主回路に戻ったあと主回路内で凝縮される。

図３に示した構成においては、ホットプレート４０は冷却される熱源９の上方に位置し、多孔質部材３はホットプレート４０の上方に位置し、任意の第２ウィックを含む液体到着ゾーン３０は、多孔質部材３の上方に位置する。

図６は、図４の構成から反転したエバポレータの他の配置を示し、このエバポレータは、エバポレータの最上部に配置されたホットプレート４０、ホットプレート４０の下側に設けられた溝３１、その下に設けられ、ホットプレート４０と接触する多孔質部材３、および、さらにその下に設けられた第２ウィック３２を備える。

多孔質部材への液体の到着は、矢印３８ａ、３８ｂで示され、蒸気および／または非凝縮性ガスの気泡は、矢印３７ｂ、３７ａで示すように、蒸気１２のポケットに合流する。

上述したように、従来の構成とは異なり、標遊熱流は、システムによって許容されるが、システムの性能には何ら影響を与えない。図示のように、重力方向に対するエバポレータの向きは任意である。いずれの場合でも、第２ウィック３２が存在することにより、上述したように、キャピラリポンプによる液体の供給、さらには蒸気の排出が確保される。同様に、多孔質ウィック３からの標遊熱流への熱伝導特性への影響がないため、多孔質部材として、熱伝導率が高すぎるため、従来技術においては推奨されていなかった、銅の使用が可能となり、気化ゾーンの性能を飛躍的に向上させることができる。

本発明によれば、エバポレータアッセンブリ２および主導管１１の相対的な位置関係から、起動時には、図６に示すようには、エバポレータの溝は液体によって満たされていない。その後、溝における蒸気の存在によって起動が促進される。第２ウィックは、液体到着ゾーンへの液体の適切な供給と、蒸気泡の主導管へのリターンに貢献する。

本明細書に記載した発明は、微少重力場（つまり宇宙）において使用することが可能であるが、重力場においても使用すること（地上での適用）が可能である。本発明は、１つ以上の方向における加速を経験する道路輸送、線路輸送、空輸などの輸送車両において使用することが可能であり、この場合、第２ウィック３２は、液体フルードの供給および蒸気泡のリターンを管理する。

図５Ｂに示すように、アウトレットチャネルを、Ｙ字型のコネクタ６３によって連結することができる。あるいは、図５Ａに示すように、アウトレットチャネルを、垂直ヘッド部６１および屈曲部６２を用いて連結することもできる。

なお、所望の駆動効果を達成するためには、蒸気Ｇの注入方向は、図５Ｂに示すように、主として循環方向Ｆを向いていれば十分であり、径方向の要素を含んでいても問題はない。

蒸気の注入は、円筒形または円錐形を有する噴射ノズル６０によって行われる。

エバポレータアウトレットのノズル６０は、好ましくは、断面積を自動調節可能なオリフィスを備え、エバポレータからの流量や熱負荷が低い場合には、推進力が最大化される一方、高流量下では、その圧力損失をエバポレータのキャピラリポンプ圧以下に抑えることを可能にする。

この自己調整機能は、ノズルを閉鎖するブレードのスプリング効果、バイメタルストリップの熱膨張、あるいは、同様の効果を生ずる他の手段により有効に得られる。

また、複数の注入ノズルを備えることも可能である。図示しない別例においては、注入ノズルは、エバポレータの蒸気回収機構である溝３１の端部によって構成され、溝３１の端部は、主導管に斜めに直接開口する。回収溝３１の回収部と同数の注入ノズルを備えることが可能である。

１つの特定の構成においては、主導管に流体接続したリザーバ６（図２を参照）が備えられる。この任意のリザーバ６は、操作温度に応じて、過剰作動フルードのための膨張容器として機能する。このリザーバ６は、必要に応じて、このリザーバ６内の気体−液体インターフェースにおいて支配的である飽和温度Ｔｓａｔを積極的に制御するように機能することもでき、システム全体における、温度および平衡圧力に対して作用することができる。

追加的なより小さな熱源９８については、キャピラリエバポレータを追加するのではなく、良好な熱伝導率を有する部品、公知のヒートブリッジ、あるいは、公知のヒートパイプを用いた、ヒートパイプ８を用いことができる。熱は、ヒートブリッジ８および主導管１１との接触部分において、主に対流沸騰によって作動流体７に輸送される。この対流沸騰は、良好な熱伝導率をもって行われる。

図７は、上述した熱伝達システムの使用例を示す。この例では、システムは、キャピラリエバポレータおよび選択的な二次部品により冷却されるマルチプロセッサ９と、ヒートパイプ８により冷却されるメモリ９８などを備えたマルチプロセッササーバボード９０に適用されている。

図７に示すように、それぞれのプロセッサ９上にはエバポレータ２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃが取り付けられており、主回路１１は、ボード９０に沿って伸長し、それぞれのエバポレータの近くを、エバポレータの側面に沿ってまたはエバポレータの上方を通過する。ヒートブリッジ８は、メモリースティック９８を主回路１１に熱的に接続する。コンデンサ５は、ボード９０の一端に配置され、主回路の作動流体７と、たとえば、複数のサーバボードに共通である一般的な水冷回路９５との間の熱交換を可能にしている。

しかしながら、本発明は、電子機器のみならず、静止したシステムあるいは移動するシステムに拘わらず、あらゆる技術分野における任意のシステムに適用可能である。

また、本発明によれば、冷却されるサーバボードの形状に応じて個数が可変であるエバポレータを並列に追加可能な、標準化された主回路からなるモジュラーシステムが提案される。図１および図２に示すように、システムの他の部分についてのコンセプトや設計を変更することなく、エバポレータアッセンブリを、追加あるいは除去することが可能である。

可能性のあるいくつかの実施形態によれば、主導管の横寸法は、２ｍｍ〜２５ｍｍの範囲であり、断面は３ｍｍ^２〜１０ｃｍ^２である。注入ノズルの横寸法は、主導管と同一の寸法か、より小さい寸法か、あるいは、非常に小さい寸法である。ノズル断面と主導管断面との比は、１〜１／３０の範囲である。

可能性のあるいくつかの実施形態によれば、一般的なチャネルにおける二相フローの速さは、１ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓの範囲である。

可能性のあるいくつかの実施形態によれば、使用されるフルードは、メタノール、エタノール、アセトン、Ｒ２４５ｆａ、ＨＦＥ−７２００、Ｒ１３４Ａ、またはこれらと同等のものである。

図８は、コンデンサアッセンブリ５の一部を構成する主回路１１の一部を示す。この部分においては、主導管はいくつかのサブチャネル５０に分かれており、これによってこのエリアを通過する際に、水頭損失を抑えつつ、熱交換を促進させることができる。主導管からの二相フローの分配は、それぞれのブランチ５０において、液相と気相と（蒸気の割合）を最も均一に分配できる、公知のマニフォールド５１によって達成される。

［第２の実施形態］
図９および図１０は、本発明の第２の実施形態を示し、メインループにおけるフルードの循環は、飽和温度Ｔｓａｔに関して、通常、過冷却されており、噴射ノズル２２、２６のアウトレットとなるゾーンを除いては、フルードは実質的には液相である。

エバポレータアッセンブリ２およびエバポレータ４自体の配置および操作については、第１の実施形態において示したものと同様あるいは同一であるため、ここでは再度説明しない。第１の実施形態とは異なる特徴についてのみ、以下に記載する。

第１の実施形態の従来のコンデンサアッセンブリの代わりに、このシステムでは、外部に熱を排出するための冷却熱交換器５’は、「過冷却」タイプの交換器であり、液体７Ｌ−ＳＣを飽和温度Ｔｓａｔ以下まで過冷却する。

気相から液相への状態変化は、エバポレータ４のアウトレットを構成する噴射ノズルの下流にある、主回路のパイプの部分１５において生じる。

この凝縮は、循環方向Ｆに上流から到達した過冷却された液体との接触により生じ、さらに潜在的には、過冷却された液体７Ｌ−ＳＣのＴｃｏｎｄＯＵＴ付近の温度を有するチャネルの壁との接触により生ずる。

蒸気は、噴射ノズルのアウトレットからジェットとして排出され、所定の場合には、乱流状態に推進された蒸気泡として排出される。気泡のサイズおよび数は、凝縮プロセスにより、噴射ノズルから離れるに従って徐々に減少する。

したがって、導管のうちの参照符号１５で示す部分が、このシステムにおけるコンデンサ（「凝縮ゾーン」）として機能する。

図９は、単一のエバポレータアッセンブリ２および単一の過冷却熱交換器５’を備えた構成を示す。

図１０は、４つのエバポレータアッセンブリ２、２’、および、２つの過冷却熱交換器５’を備えた構成を示し、他の要素は図２で既に示したものと同様である。凝縮ゾーン１５は、それぞれのエバポレータアッセンブリからの蒸気のアウトレットの下流に存在する。

図１１を参照しつつ、定常状態における、１つのエバポレータアッセンブリと１つの過冷却熱交換器を備えた構成における質量流量を分析する。

エバポレータから排出される蒸気の質量流量は、

であり、

とも表される。

とは、エバポレータアッセンブリから排出される蒸気質量流量であり、Ｑ_ｖａｐとは蒸気熱であり、

とは蒸気潜熱である。

主回路における質量流量は、以下のとおり定義される。

冷却熱交換器における質量流量は、以下のとおり定義される。

ここで、ｎ_ｔｕｂｅとは平行フローの数である。

エバポレータの平行な質量流量は、以下のとおり定義される。

γ係数は、主回路への高速注入によってもたらされた質量増幅効果を特徴づける。

主回路における質量流量は、エバポレータにおける質量流量よりもγ倍大きい。

したがって、過冷却機能としてのγ係数を表す以下の方程式が導かれる。

Ｑ_ｓｕｂは、過冷却熱交換器５’に輸送された熱を表す。

よって、

である。

図１２は、過冷却

の必要性とγ係数の関係を特徴づける結果を示す。液体水（ＷＦ１と表示）、メタノール（ＷＦ２）、アセトン（ＷＦ３）、ＨＦＥ２００（ＷＲ４）、および、Ｒ２４５ｆａ（ＷＦ５）に対して曲線が付与されている。

いくつかのフルードにおいては、γ係数は５〜５０の間で変動し、他のフルードでは１０〜５０の間で変動する。本発明においては、過冷却の必要性を低減するためだけではなく、ノズルによるより大きなポンプ効果を得るために、蒸気潜熱が低いフルードを用いることがより優位であることは明らかである。

ループ主回路アッセンブリにおいて、液体が支配的に存在することの重要な利点は、加速（特に可変する加速）状態における、システムの性能である。すなわち、システムが、地下鉄あるいはトラムなどの都市交通システム、あるいは、飛行機やドローンなどの航空システムを含む、陸、海、または空の車両に搭載される事例において有利となる。逆に、公知のキャピラリループのように、主回路のかなりの部分に気相を備える場合、加速下の静水圧は、より密度の高い液相を加速の方向、すなわち、ループ内における作動流体の通常の循環方向とは逆の方向に、移動させる。このような不安定さは、ループ全体が主として液体を含むようにすれば、排除される。

加速のコンセプトは、重力の加速、すなわち、エバポレータに対する熱交換器の相対的な位置にも関係する。主回路が主に液体によって占められている場合には、この位置関係によるシステムの性能に対する影響が限定されることになる。

第１の実施形態については、γ係数は５〜５０の間、好ましくは１０〜２５の間で変動し、かつ、通常、第２の実施形態のγ係数よりも低くなるように定義される。

Claims (14)

1. フルードループを形成し、かつ、該フルードループの循環方向において、メカニカル、キャピラリあるいは重力ポンプ手段を備えていない、主回路と、
   前記主回路から分岐するように配置され、
   該主回路から液体のフルードを分取する、少なくも１つのインレットチャネル、
   冷却される高熱源に接続された多孔質キャピラリポンプ部材を有するエバポレータ、および、
   主として気相にある前記フルードを、前記主回路内に向けて少なくともループ循環方向に注入する噴射ノズルを有する、少なくとも１つのアウトレットチャネル、
   を備える、少なくとも１つのエバポレータアッセンブリと、
   前記主回路の一部に備えられ、低熱源に接続された熱交換器を有し、熱エネルギを除去する、少なくとも１つの冷却熱交換器と、
   を備える、熱伝達システム。
2. 前記フルードは、前記主回路において、気相および液相の実質的に二相からなり、前記冷却熱交換器は、コンデンサアッセンブリからなる、請求項１に記載の熱伝達システム。
3. 前記フルードは、前記主回路において実質的に液相であり、前記冷却熱交換器は、過冷却熱交換器からなる、請求項１に記載の熱伝達システム。
4. 前記気相から前記液相への状態変化は、前記主回路を構成する導管の前記噴射ノズルのすぐ下流の部分で生じる、請求項３に記載の熱伝達システム。
5. 前記エバポレータアッセンブリを複数備え、それぞれが前記主回路から分離するように配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の熱伝達システム。
6. 前記主回路は、重力下において、該重力に対して実質的に水平面に配置される、請求項１〜５のいずれかに記載の熱伝達システム。
7. 前記少なくとも１つのエバポレータアッセンブリを構成する前記エバポレータの少なくとも１つが、前記主回路の下方に配置されている、請求項６に記載の熱伝達システム。
8. 前記少なくとも１つのエバポレータアッセンブリを構成する前記エバポレータの少なくとも１つが、前記主回路の上方に配置されている、請求項６に記載の熱伝達システム。
9. 前記少なくとも１つのエバポレータアッセンブリを構成する前記エバポレータの少なくとも１つにおいて、前記多孔質キャピラリポンプ部材と前記主回路を構成する導管との間に介在する第２ウィックが設けられている、請求項１〜８のいずれかに記載の熱伝達システム。
10. 前記噴射ノズルは、前記主回路を構成する導管の内側に配置されている、請求項１〜９のいずれかに記載の熱伝達システム。
11. 前記噴射ノズルは、前記主回路を構成する導管の壁内に配置されている、請求項１〜９のいずれかに記載の熱伝達システム。
12. 前記主回路を構成するループに接続された、共通リザーバをさらに備える、請求項１〜１１のいずれかに記載の熱伝達システム。
13. 前記少なくとも１つの冷却熱交換器の１つは、前記主回路を構成する導管が、並列に配置された複数のサブチャネルによって形成されることにより、構成されている、請求項１〜１２のいずれかに記載の熱伝達システム。
14. 前記主回路を構成する導管に対して、１つ以上の追加的な熱源で接続する、１つ以上のヒートブリッジをさらに備える、請求項１〜１３のいずれかに記載の熱伝達システム。

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