(57)【要約】この発明は、機械動力を有さず、低騒音で、１つまたはそれ以上の放熱エレメントを冷却する閉じられたシステムに関するものである。このシステムは、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って熱を吸収する冷却流体と、システム内で流体の流れを生成するためのバブルポンプを備え、そのバブルポンプは第１受熱部の下流に配置され、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の凝縮および凝縮による熱を放射するためのコンデンサに向かって冷却流体を移動させる。
2007513506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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（６）と、加熱および蒸発により熱を吸収する冷却流体（４）と、システム内で流体の流れを生成するバブルポンプ（１）を備え、
そのバブルポンプは第１受熱部（６）の下流に配置され、
液体状の冷却流体から熱を周囲に放射するラジエータ（２，９）および、蒸発した冷却流体（３）を凝縮し凝縮による熱を放射するコンデンサ（２，１０）の方に向けて冷却流体（４）を移動させる、
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（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項２】
バブルポンプは出口（５）を有し、出口（５）は冷却システムの稼働中にシステムの液体レベルよりも上に配置される、
請求項１に記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項３】
放熱エレメントに適応するための、第２受熱部（７）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（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項４】
複数のバブルポンプ（１ａ，１ｂ）をさらに備える、
請求項１〜３のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項５】
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（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項６】
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４または５に記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項７】
冷却流体（４）が少なくとも２つの異なる沸点の流体で構成されている、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項８】
冷却流体（４）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、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項９】
冷却流体（４）の第２流体が水である、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１０】
冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）の圧力が所望の圧力に調整される、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１１】
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圧力が調整される、
請求項１０に記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１２】
冷却システム内の圧力が大気圧よりも低い、
請求項１０または１１に記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１３】
放熱エレメントが受熱部（６，７）に統合され、冷却システム内の冷却流体（４）と直接に接触する、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１４】
受熱部が複数の分離した液体室で構成される、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）を備え、稼働中に冷却される１つまたはそれ以上の部品を有する電子装置。
【請求項１６】
電子部品を冷却するための、請求項１〜１４のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、１つまたはそれ以上の放熱エレメントを冷却するための閉じられたシステム、すなわち、放熱エレメントから熱を受ける受熱部と、熱を除去する冷却流体と、周囲に熱を放射するラジエータと、蒸発した冷却流体を凝縮するコンデンサからなり、放熱エレメントから放射された熱が冷却流体を循環させるように利用されるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
放熱エレメントを伴う多くのシステムには、放熱エレメントの破損につながる過熱を避けるための冷却システムがとりつけられている。そのようなシステムには、自動車のエンジン、冷蔵庫、電子装置や電子部品等がある。特に電子装置の半導体部品を冷却するための冷却システムに関しては、ＵＳ２００３／０  １８８  ８５８  Ａ１に、放熱エレメントから熱を受け止める受熱部と、熱を移動させる冷却液と、周囲に熱を放射するヒートラジエータで構成される冷却システムが記載されている。冷却液が循環して流れるのは、受熱部で受け取られた熱によって発生した蒸気の気泡が上に上がろうとする力により冷却液の密度が減少することによる。ＵＳ２００３／０  １８８  ８５８  Ａ１の冷却液は、電子装置の部品に適した最高温度であると考えられる、沸点が５６°のフッ素化合物により構成される。
【発明の開示】
【０００３】
放熱エレメントの冷却性能を向上させるために、冷却システムは必要とされる。
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。
【０００４】
冷却システムが、動力部分を伴うポンプのような機械的な動力部分を含まないことが、この発明の重要な利点である。これによりコストを減少でき、システムの信頼性が増す。
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。
【０００５】
バブルポンプはシステム内の流体の逆流を十分に防止するように、システム内の液体レベルよりも上に出口を有することが望ましい。
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。
【０００６】
この発明の好ましい実施例において、冷却流体は２つの流体、すなわち、少なくとも１つの放熱エレメントの稼働温度以内で沸騰する低い沸点温度の第１流体と、これらの温度以内に沸点に到達しないような、より高い沸点の第２流体から構成される。第１流体の沸騰により形成された気泡は、バブルポンプ内で第２流体を動かし、それによってシステム内で冷却流体の循環が生ずる。第２流体は、主に液体状で、熱容量が大きく、受熱部からの大量の熱を吸収し、ラジエータに運ぶことによってシステムの冷却能力を向上させる。
【０００７】
冷却流体は２つ以上の流体で構成されてもよい。これらの冷却流体は互いに溶け合ってもよいし、溶け合わなくてもよい。
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。
【０００８】
このようにして、バブルポンプと、少なくとも２種類の異なる沸点の冷却流体を備えることにより、冷却システムの効率は向上する。最も低い沸点の流体は、放熱エレメントの稼動温度以内で沸騰するようなものが選択される。より高い沸点の流体は、実質的に液体の状態を保ち、放熱エレメントの予定稼動温度以内で沸点に達することのないようなものが選択される。バブルポンプにおいて、当初受熱部で生じた気泡は、より高い沸点の液体を動かし、そのようにして受熱部を通る流体の流れが生ずる。流体の流れは、高い沸点の流体の優れた熱容量のため、受熱部の除熱を向上させる。
【０００９】
さらに、流体の流れは受熱部で発生した気泡を、まだ小さい間に除去することにより、気泡が冷却流体の液体部分と受熱部を分離させ、放熱エレメントから冷却流体への熱伝導を低下させることを防止する。
【００１０】
このようにして、単一の冷却流体を備える類似した冷却システムと比較して、制御され、冷却能力が向上した冷却を実現できる。最も沸点の低い流体が全部または一部が蒸発することにより、および、１つのあるいはそれ以上のより高い沸点の流体が主に蒸発することなく加熱することで除熱する、熱吸収の組み合わせにより、結果的に冷却効果が得られる。より高い沸点の流体は、概して限られた範囲で蒸発するが、流体の流れは受熱部から熱を除去する。
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。
【００１１】
蒸発した流体は凝縮するので、凝縮液と冷却流体の混合物が連続的に混合されるよう、コンデンサおよびラジエータが１つのまとまった装置であってもよい。もしコンデンサとラジエータが別々の装置であるならば、凝縮した流体は、凝縮後他の流体と混合する。このようにして、コンデンサおよびラジエータの設計によらず、もとの濃度は実質的に回復する。ラジエータおよび／またはコンデンサは、自然の対流や強制的な対流を利用して、または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。例えば、動力供給による送風機も冷却システムの強制的な対流に用いられてもよい。
【００１２】
この発明の好ましい実施例において、冷却流体は低い沸点を有する第１流体と、高い沸点を有する第２流体で構成される。
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。
【００１３】
第２流体は水であることが好ましい。水は安価で、入手しやすく、漏れても汚染につながらないという利点がある。
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。
【００１４】
好ましい実施例によると、第１冷却流体の沸点が冷却システムの所望の稼動温度の範囲内に存するように、冷却システムの圧力が調整される。システム内の圧力は、実際の温度における冷却流体の飽和圧力と実質的に等しいことが好ましい。
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。
【００１５】
この発明の好ましい実施例において、冷却システムの内部容積は実質的に、液体状の冷却流体と気体状の冷却流体を併せたもので満たされ、すなわち、Ｎ2，Ｏ2，ＣＯ2，Ｈ2等の凝縮できない気体、または、他の汚染物質の含有量は最小限とされ、例えば、その含有量は内部容積に対する容積比で１０％以下、５％以下、３％以下、または１％以下となっている。
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。
【００１６】
冷却流体の充填後に凝縮できない気体の組成を防止するために、冷却流体は腐食抑制剤を含んでいてもよい。
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。
【００１７】
バブルポンプは実質的に筒形状部で構成されていてもよい。
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。
【００１８】
バブルポンプの出口は、例えば、面取りをして、バブルポンプから液体の流出が促進されるように形成されてもよい。
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。
【００１９】
この発明の好ましい実施例において、およそ２５０Ｗの熱量を除去するために、バブルポンプは３〜２０ｍｍ、６〜１５ｍｍ、８〜１２ｍｍの範囲の内直径を有していてもよく、例えば装置と等しい１０ｍｍでもよい。
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。
【００２０】
バブルポンプの長さは、所望の流量を得るために調整されてもよい。長さはバブルポンプの内直径よりも大きい方が好ましい。
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。
【００２１】
一般的に、冷却される放熱エレメントを備えた静止した装置は、実質的に向きを変化させることなく操作される。携帯用のコンピュータ、または、他の携帯用の電子装置において、冷却システムの向きは、携帯用装置が運ばれると一般的に変化する。しかし、一般的に装置は一定の向きによって操作される。
【００２２】
冷却システムは１つ以上の放熱エレメントを冷却するために適合したものであってもよい。例えば、受熱部は１つ以上の放熱エレメントからの熱を受けるのに十分なサイズであってもよく、および／または、冷却システムは１つ以上の受熱部を備えていてもよい。この場合において、受熱部はそれぞれ、１つまたはそれ以上の放熱エレメントからの熱を受けてもよい。１つ以上の放熱エレメントが冷却システムの受熱部に沿って配置される場合があるという事実は、空間の節約という点において、および／または冷却流体の循環を高めるという点において有利な場合がある。
【００２３】
受熱部は、放熱エレメントとの熱接触に適合するように、熱交換表面部を備えていてもよい。これによって冷却システムは、熱交換表面部における熱接触によって放熱エレメントからの受熱に適合する。熱交換表面部は冷却される（１つ以上の）放熱エレメントの形態に対応するような一般的な形態をしている。冷却システムの（１つ以上の）受熱部の熱交換表面部は、アルミニウム、銅、銀、金またはこれらの物質の１つまたはそれ以上から構成される合金といった熱伝導性の物質であることが好ましい。
【００２４】
放熱エレメントは、冷却システムの冷却流体と直接的に接触するために、有利なように、受熱部と統合されてもよい。これによって、冷却される放熱エレメントと受熱部の間の熱交換は最も効果的となる。冷却される放熱エレメントと冷却システムの受熱部との統合は、有利なように、冷却システムを製造する間に行われてもよく、それにより冷却システムは冷却される放熱エレメントに適応し、他の部分への電気的接続が可能になる。
【００２５】
冷却システムの受熱部は、複数の分離した液体室で構成されていてもよい。受熱部は例えば、閉じられた、側面を押し出し成型された単室または分かれた複数の室として作られてもよく、側面の端はマニホルドにより冷却システムの他の部分に接続されてもよい。１つの実施例において、押し出し成型された側面はパイプ部として、および／または、バブルポンプとして、全体的にまたは部分的に機能してもよい。この実施例において、１つのまたはそれ以上の受熱部は押し出し成型された側面の統合部をさらに形成してもよい。
【００２６】
冷却システムは非拡散材料で作られていることが好ましい。
「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。
【００２７】
さらに、冷却システムの１つあるいはそれ以上の部品は、前記の語句の定義による、非拡散にするために、プラスチック材料で作られてもよい。例えばプラスチック材料の上に金属層を蒸着するといった具合に、プラスチック材料の部品に金属層を形成することによってこれが確実になる。
【００２８】
冷却システムは、望まぬ気体に対して、冷却システム内の残りの（１つ以上の）部分の物質よりも大きな透過性を有する、物質の窓をさらに含んでいてもよい。例えば窓は、水素透過性があってもよく、例えばニッケルや、その合金の鉄ニッケル合金、または、パラジウムや、その合金の銀パラジウム合金で作られていてもよい。これによって、窓を通した拡散により、望まぬ気体は大気中に排出される。窓は、冷却流体を冷却システムに入れるための接続部分に近接して配置されてもよい。望まぬ気体の拡散は、冷却システムに充填した後に行われてもよく、その終了後、最終的に冷却システムを閉じる間に、窓は接続部分とともに取り去られてもよい。
【００２９】
この発明は、この発明による冷却システムを備え、稼動中に冷却される１つまたはそれ以上の部品を有する電子装置とさらに関係がある。
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。
【００３０】
なお、「冷却流体」とは、冷却のために用いられる流体を示し、１つの流体、あるいは、２つまたはそれ以上の流体の混合物で構成される。
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下の図面を参照のうえ、この発明のさらなる詳細について記載する。
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。
【００３２】
図１は、循環する冷却流体４を有する冷却システム１００を示す。第１の受熱部６により受けられた熱により作られた、蒸発した冷却流体の気泡３の上昇力を発生させるバブルポンプ１により、冷却流体４の循環の流れが作られるので、冷却システム１００は自己で循環している。冷却流体は、異なる沸点の２つまたはそれ以上の流体の混合物である。第１流体は最も低い沸点を有する。第１流体は、放熱エレメントを冷却するのに適した沸点を有するように選択される。冷却システムは、低い沸点を有する第１流体が所望の温度で沸騰するようにさせる、特定の圧力を有する閉じられた装置である。水平方向の破線は、液体の状態にある冷却流体４を示しており、円や長円３は気泡、すなわち液体の冷却流体４内で気体の状態にある冷却流体を示している。
【００３３】
冷却システムは、第１受熱部６に与えられた熱エネルギーＱ1を受ける。この結果、第１流体は沸点まで熱せられ、そのうち一部は蒸発する。バブルポンプ１において、蒸発した冷却流体は気泡の形態となって浮かび上がる。気泡の間で、熱せられた液体の冷却流体が、浮かび上がる気泡によってバブルポンプを通って上方に運ばれることにより、冷却流体の循環が発生する。
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。
【００３４】
流体は、蒸発した（すなわち気体の）冷却流体と熱せられた液体の冷却流体からなり、バブルポンプ１を通り過ぎて出口５に至る。蒸発した冷却流体は、蒸発の熱Ｑevaporationを周囲に伝導するように適合したコンデンサ１０に流入し、それによって蒸発した冷却流体は液化した流体８になる。凝縮された液体はさらに冷却されてもよい。加熱された、液体の冷却流体はラジエータ９に流れ、そこで冷却されて熱エネルギーＱfluidを周囲に放射する。このようにして、コンデンサとラジエータから併せて周囲に放射される熱Ｑ2は、Ｑ2＝Ｑevaporation＋Ｑfluidである。
【００３５】
冷却システムの均衡状態において、システムが受ける熱Ｑ1は、コンデンサとラジエータが併せて周囲に放射する熱Ｑ2と等しい。
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。
【００３６】
第１受熱部６は、異なる適当な方法で設計されていてもよく、第１受熱部６は放熱エレメントからの熱を運ぶための接触面を有しており、接触面は放熱エレメントと適合するように設計されていてもよい。もし放熱エレメントが平らな表面を有しているならば、受熱部もまた放熱エレメントに適合するように平らに設計される。
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）。
【００３７】
コンデンサ１０とラジエータ９で、凝縮された冷却流体と冷却された冷却流体は統合後、パイプ部１１を通過して第１受熱部６に戻るよう導かれるので、冷却流体は閉じられた冷却システム内で継続的に循環する。パイプ部に沿った矢印は稼働中のシステムにおける冷却流体の流れの方向を示す。
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。
【００３８】
図１では、第１受熱部６は垂直方向にあるパイプ部に配置されているが、水平方向にあるパイプ部に配置することも可能である。バブルポンプはシステムの液体レベルよりも上に出口５を有しているため、第１受熱部６が水平方向にあるパイプ部にあっても、循環は図１の矢印の方向に向かって行われる。
【００３９】
図２は、この発明におけるもう一つの冷却システム１１０を示す。この冷却システム１１０も、第１受熱部６と、出口５を有するバブルポンプ１およびパイプ部１１で構成される。冷却システム１１０もまた冷却流体を含んでおり、稼働中にその一部が（蒸発した）気体３であり、また一部が液体４の状態であってもよい。図２において、気体３が液化した凝縮液と冷却流体は絶え間なく混合されるので、ラジエータとコンデンサは１つの装置２として統合されている。蒸気の凝縮および流体の冷却から発生した熱エネルギーは、周囲に放射される熱エネルギーＱ2となる。
【００４０】
図３および図４は、２つの受熱部６および７を有している冷却システム１２０および１３０についてそれぞれ示している。図３において、第１受熱部６は垂直方向にあるパイプ部に配置されている。図３および図４の双方において、冷却流体は矢印の方向に循環する。受熱部６と７は、パイプ部の任意の部分に配置可能である。なお、図３および図４におけるバブルポンプとは、第１受熱部６とパイプの出口５の間のパイプ部の部分である。
【００４１】
図３および図４において、蒸発した冷却流体の気泡のサイズは、第２受熱部７から第１受熱部６へ、そしてバブルポンプの出口５へと、循環する方向につれて大きくなるが、一方、第２受熱部７へ向かう流れの中には気泡はない。これは、第２受熱部７の上流の冷却流体は液体の状態であり、実質的に、第２受熱部７を通過する際に冷却流体の一部が蒸発し、そして第１受熱部６を通過する際に冷却流体の一部がさらに蒸発することを示す。
【００４２】
第２受熱部７は放熱エレメントからの熱Ｑ1bを受け、第１受熱部６は放熱エレメントからの熱Ｑ1aを受けるが、放熱エレメントは第２受熱部７に熱を放射するものと同じでもよく、また異なる放熱エレメントでもよい。冷却システムは、水平方向の、および／または垂直方向のパイプ部に沿って配置された２つ以上の受熱部を備えていてもよい。
【００４３】
図５および図６は、並列に配置された複数の部品を備える冷却システム１４０および１５０をそれぞれ概略的に示したものである。図５において冷却システムは、熱Ｑ1を受ける受熱部６を備えている。バブルポンプ１は２つのパイプ１ａと１ｂに分かれており、それぞれがラジエータとコンデンサの統合２に注ぐようになっている。図６において冷却システム１５０は、並列に配置された２つのバブルポンプ１ａと１ｂ、および、第１のバブルポンプ１ａの上流で、熱Ｑ1aとＱ1bをそれぞれ受ける２つの受熱部６と７を備えている。熱Ｑ1cとＱ1dをそれぞれ受ける２つの受熱部１２と１３は、それぞれ第２のバブルポンプ１ｂの上流に直列に配置されており、バブルポンプ１ａおよび受熱部６、７と並列に配置されている。均衡という点においては、冷却システムにより受けられる熱Ｑ1＝Ｑ1a＋Ｑ1b＋Ｑ1c＋Ｑ1dは、ラジエータとコンデンサの統合により放射される熱Ｑ2と等しい。
【００４４】
システム内の同じ流路、すなわち同じバブルポンプに対して上流にある複数の受熱部の配置により、加熱と蒸発に貢献する熱の分配は、それぞれの構成部分間で異なったものとなる。放熱エレメントが冷却システムに沿って連続して配置される、強制的な液体の流れを伴う従来型の冷却システムが、流れの方向に向かって温度が上昇すると稼動することに比べて、この発明による冷却システムで連続して配置される受熱部は、最も低い沸点を有する流体の沸点温度と等しい最高温度において稼動する。
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。
【００４５】
さらに、システム内の流路において、バブルポンプの上流でもっとも離れて配置された受熱部は、下流の（１つ以上の）受熱部よりも低い温度、すなわち、最も低い沸点温度を有する流体の沸点よりも低い温度に冷却されてもよい。なお、冷却システム内を循環する流れの速度は、複数の受熱部を用いることにより一般的に増加する。
【００４６】
図７および図８は、稼働中の冷却システム内のバブルポンプ１の出口５の２つの設計を概略的に示したものである。図７において、バブルポンプ１の出口５は、水平方向で、ラジエータとコンデンサの統合２の液体レベルよりも上にある。図８において、出口５は、垂直方向で、ラジエータとコンデンサの統合２の液体レベルよりも上にある。バブルポンプ１の出口５の向きは任意ではあるものの、出口５はラジエータとコンデンサの統合２の液体レベルよりも上に有利なように配置される。さらに、バブルポンプ１の出口５は、任意に所望の角度になるよう面取りが施されていてもよい。
【００４７】
図９は、この発明の実施例の一部であり、１つのバブルポンプに注ぎ込む、並列に配置された２つの受熱部６ａおよび６ｂを概略的に示したものである。
【００４８】
図１０ａ〜ｄは、冷却システムの受熱部の入口と出口の異なる実施例を概略的に示したものである。図の上方は、稼働中のシステムの上方に一致する。図１０ａ〜ｄは受熱部６または７を示しており、これらのそれぞれが入口パイプ１１ａおよび出口パイプ１１ｂと接続されている。図１０ａ〜ｄのすべてにおいて、冷却流体は冷却システムの稼働中、受熱部６、７を通って矢印の方向に流れる。
【００４９】
図１０ａにおいて、入口パイプ１１ａと出口パイプ１１ｂは水平方向に伸びている。入口パイプ１１ａは受熱部７の左側に接続されており、出口パイプ１１ｂは受熱部７の右側に接続されている。入口パイプ１１ａは出口パイプ１１ｂの下に配置されている。図１０ｂにおいても、入口パイプ１１ａは水平方向に伸びており、受熱部６の左側に配置されている。出口パイプ１１ｂは垂直方向に伸びており、受熱部の上端に接続されている。図１０ｃにおいては、入口パイプ１１ａは垂直方向に伸び、受熱部７の底部に接続されており、出口パイプ１１ｂは水平方向に伸び、受熱部の右側上部に接続されている。最後に、図１１ｄにおいては、入口パイプ１１ａおよび出口パイプ１１ｂの両方とも水平方向に伸びており、受熱部６の左側に図示したように取り付けられている。図１１ｄでは出口パイプ１１ｂは入口パイプ１１ａの上方に配置されている。なお、図１０ａ〜ｄは、冷却システムの受熱部への、入口パイプおよび出口パイプの位置付けおよび方向付けの実施例を例示したものである。例示した入口パイプと出口パイプは垂直方向か水平方向であるが、斜め向きであってもよい。
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。
【００５０】
図１１は図２に示された実施例から得られたテスト結果を示す。１．５０ｃｍ2の受熱部の表面に１０〜１７０Ｗの加熱パワーを発生する放熱エレメントは、この発明による冷却システムにより冷却された。
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。
【００５１】
なお、異なる図に示された異なる実施例の任意の特徴は、望まれるなら併用されてもよい。
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。
【００５２】
図中の受熱部は、どの受熱部もすべての方向から見て四角形で示されているが、円形、長円形、矩形、正方形またはこれらの統合といった異なる形状で作られてもよい。しかしながら、受熱部が、放熱エレメントの形状に適合するような、一般的に平らな、接触面を有していることが好ましい。なお、受熱部の接触面は、（複数の）放熱エレメントと接する、受熱部の熱変換面の部分である。
【００５３】
受熱部の内側は、冷却流体と受熱部との接触面積を増すために、リブやロッドなどが設けられていてもよい。これらの面積拡張部品は、例えば、蝋付けされた部品でもよく、焼結、鋳造、プレス、押し出し、またはチップカッティングによって製造されてもよい。
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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】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】この発明の第２の実施例を示した概略図である。
【図３】この発明の第３の実施例を示した概略図である。
【図４】この発明の第４の実施例を示した概略図である。
【図５】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６】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】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８】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】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】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】この発明の実施例のためのテスト結果のグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・・・・・バブルポンプ
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
【図１】
2007513506.tif 000003
【図２】
2007513506.tif 000004
【図３】
2007513506.tif 000005
【図４】
2007513506.tif 000006
【図５】
2007513506.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007513506.tif 000009
【図８】
2007513506.tif 000010
【図９】
2007513506.tif 000011
【図１０ａ】
2007513506.tif 000012
【図１０ｂ】
2007513506.tif 000013
【図１０ｃ】
2007513506.tif 000014
【図１０ｄ】
2007513506.tif 000015
【図１１】
2007513506.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月29日(2005.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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（６）と、加熱および蒸発により熱を吸収する冷却流体（４）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（１）を備え、
筒形状部は第１受熱部（６）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（２，９）および、蒸発した冷却流体（３）を凝縮し凝縮による熱を放射するコンデンサ（２，１０）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（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項２】
バブルポンプは出口（５）を有し、出口（５）は冷却システムの稼働中にシステムの液体レベルよりも上に配置される、
請求項１に記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項３】
放熱エレメントに適応するための、第２受熱部（７）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（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項４】
複数のバブルポンプ（１ａ，１ｂ）をさらに備える、
請求項１〜３のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項５】
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（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項６】
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４または５に記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項７】
冷却流体（４）が少なくとも２つの異なる沸点の流体で構成されている、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項８】
冷却流体（４）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、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項９】
冷却流体（４）の第２流体が水である、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１０】
冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）の圧力が所望の圧力に調整される、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１１】
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圧力が調整される、
請求項１０に記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１２】
冷却システム内の圧力が大気圧よりも低い、
請求項１０または１１に記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１３】
放熱エレメントが受熱部（６，７）に統合され、冷却システム内の冷却流体（４）と直接に接触する、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１４】
受熱部が複数の分離した液体室で構成される、
前述の請求項のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）を備え、稼働中に冷却される１つまたはそれ以上の部品を有する電子装置。
【請求項１６】
電子部品を冷却するための、請求項１〜１４のいずれかに記載の冷却システム（１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０）の使用方法。
【国際調査報告】
2007513506.tif 000017
2007513506.tif 000018
2007513506.tif 000019