(57)【要約】スプレー冷却システムの性能を改善する共沸混合冷媒を利用する共沸スプレー冷却システムを提供する。【解決手段】共沸混合冷媒は、一又は複数の発熱装置の熱管理を行うための二相熱管理システム内で利用される。共沸混合冷媒の特徴は、共沸混合冷媒の成分を変更することにより、様々な種類の熱管理アプリケーションに合わせて調節してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の熱管理を行うための共沸混合冷媒を利用する閉ループ二相熱管理システムであって、
前記閉ループ二相熱管理システムと、
ベース流体および少なくとも一つの付加成分を有する前記二相熱管理システム内の共沸冷媒と、を備える閉ループ二相熱管理システム。
【請求項２】
前記二相熱管理システムは、閉ループスプレー冷却システムで構成される、請求項１に記載の二相熱管理システム。
【請求項３】
前記二相熱管理システムは、
ポンプと、
前記ポンプの吸気口に流動可能に接続された冷媒容器と、
前記ポンプの排気口に流動可能に接続された熱管理ユニットと、
前記熱管理ユニットと冷媒容器との間に流動可能に位置する熱交換器と、を有する、請求項１に記載の二相熱管理システム。
【請求項４】
前記熱管理ユニットはスプレー冷却ユニットで構成される、請求項３に記載の二相熱管理システム。
【請求項５】
前記ベース流体は誘電性流体である、請求項１に記載の二相熱管理システム。
【請求項６】
前記ベース流体は、メチルシロキサンまたはメチルシロキサンの任意の組み合わせである、請求項５に記載の二相熱管理システム。 
【請求項７】
前記少なくとも一つの付加成分は、０．０５Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する、請求項１に記載の二相熱管理システム。
【請求項８】
前記少なくとも一つの付加成分はアルコールである、請求項７に記載の二相熱管理システム。
【請求項９】
前記熱管理ユニットは、スプレー冷却、プール沸騰、対流沸騰、ジェット衝突冷却システム、対流膜式冷却、平行力対流、曲線水路冷却またはキャピラリーポンプループ(capillary pumped loop)からなる二相熱管理技術を利用する、請求項３に記載の二相熱管理システム。
【請求項１０】
前記共沸混合冷媒は、ベース成分と、少なくとも一つの付加成分とで構成される、請求項１に記載の二相熱管理システム。
【請求項１１】
前記ベース成分は、メチルシロキサン、シロキサン、ハイドロフルオロカーボン、フルオロイオドカーボンまたは水で構成される、請求項１０に記載の二相熱管理システム。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの付加成分は、アルコール、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、トランス(trans)−１、２−ジクロロエチレンまたはベンゼンで構成される、請求項１０に記載の二相熱管理システム。
【請求項１３】
前記共沸混合冷媒はメチルシロキサンとアルコールとで構成される、請求項１に記載の二相熱管理システム。
【請求項１４】
前記閉ループ二相熱管理システムは、電気自動車の、一または複数の電気装置の熱管理を行う、請求項１に記載の二相熱管理システム。
【請求項１５】
前記共沸混合冷媒は、前記閉ループ二相熱管理システムの第１部分内で共沸状態(azeotrope state)となり、前記閉ループ二相熱管理システムの第２部分内で非共沸状態(zeotrope state)となる、請求項１に記載の二相熱管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に二相液体冷却システム用の冷媒に係り、より詳細には、スプレー冷却システムの性能を改善するために共沸混合冷媒を利用する共沸混合スプレー冷却システムに関する。 
【背景技術】
【０００２】
［関連出願の参照］
35 U.S.C. 119(e)に基づき、２００４年７月１５日付出願の米国仮特許出願第６０／５８８，８６２号の利益を得る。仮特許出願第６０／５８８，８６２は、本出願に組み込む。
【０００３】
現代の電子機器（例えば、マイクロプロセッサ、回路基板、電源装置及びその他の電子機器）に対する熱管理(thermal management)の要求が高まっている。従来の乾式温度熱管理技術（例えば、ファン、通気孔）だけでは、現代の高性能電子機器を効率的に冷却することはできない。
【０００４】
今日、電子システムの熱管理を行うための最も効率的な選択肢として、スプレー冷却技術が採用されている。米国特許第５，２２０，８０４号(High Heat Flux Evaporative Spray Cooling to Tilton et al）には、電子機器冷却に適用された旧バージョンのスプレー技術が記載されている。また、米国特許第６，１０８，２０１号(Fluid Control Apparatus and Method for Spray Cooling to Tilton et al）においても、プリント基板(printed circuit board)上の部品を冷却するスプレー技術の使用方法が記載されている。スプレー冷却では、一又は複数の電子装置の熱管理を行うために相の変化を利用する。ほとんどのスプレー冷却システムは、単一成分の冷媒を用いる。ここで用いられるスプレー冷却は、米国特許第５，２２０，８０４号（発明者：Tilton）に記載のスプレー冷却システム、すなわち冷媒が複数の発熱装置に熱的に取り付けられた複数のモジュール側に向けられたスポット式のスプレー冷却システム(spot spray cooling system)であってもよいし、あるいは例えば米国特許第５，８８０，９３１号に記載のスプレー冷却システム、すなわち冷却液が被冷却電子機器に直接供給されるグローバル式のスプレー冷却システム(global spray cooling system)であってもよい。
【０００５】
スプレー冷却は、熱管理システムでの使用上、最適とならない電気的に安全な液体(electronic safe fluids)を用いて、高熱流束を除去可能にする。スプレー冷却システム内部で一般的に用いられる冷媒は、標準大気圧で低い蒸発温度をもつ誘電性液体（例えば、ハイドロフルオロエーテル(hydrofluorethers)）である。二相熱管理システム用の誘電性冷媒の一般的なブランドの一つは、連邦登録されたフルオリナート(Fluorinert)（登録商標）として、ミネソタマイニング・アンド・マニファクチャリング社（Minnesota Mining and Manufacturing Company:３Ｍ）（登録商標）によって製造されている。誘電性液体は、グローバル式の冷却システムでの使用で必須となるが、ウォータ活用システム(water utilizing system)のケースでみられるように、液体であればシステム障害のリスクを生じないので、スポット式の冷却システムにも適している。フルオリナートは、電子装置の熱管理に有用であるが、残念ながら、この使用に際しては、比較的不十分な液体特性がいくらかある。。例えば、標準大気状態での熱伝導率（０．０５７Ｗｍ−１Ｋ−１）であれば、発熱装置の冷却面から熱を伝導する能力が制限される。ちなみに、空気は、０．０２６７Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率を有し、また、より高い熱伝導性を有する水は、０．６１１Ｗｍ−１Ｋ−１の標準値を有する。
【０００６】
最近、液体熱管理システムは、様々な種類のフルオリナート等２つの異なる第１および第２の成分からなる混合物を用いる。第１の成分は、第１の温度で蒸発し、第２の成分は、第２の温度で蒸発してもしなくてもよい。第１及び第２の温度は、互いに異なる温度である。当該混合物は、非共沸混合冷媒として言及されることがよくある。なお、様々な種類のフルオリナートの混合が共沸混合冷媒ではないということが重要である。共沸混合冷媒でないのは、それらの成分が異なる温度で沸点に達するからである。
【０００７】
共沸混合物は、略同一の圧力及び温度で相変化する２以上の成分からなる液体混合物である。また、共沸混合物は沸点に達した場合に同一成分になる（即ち、気体と液体の成分が同一にある）。したがって、共沸混合物の構成成分は、単なる蒸留ではほとんどの液体混合物、特にフルオリナート系（family）の液体内の混合成分で分離しない。一般的には、共沸混合物の大部分を構成する成分は、ベース成分といわれる。共沸混合物は、エタノール蒸留時の一般的な副産物であり、シロキサンやアルコールの混合物（例えば、ダウコーニング社（DOW CORNING CORPORATION）製のOS-120ブランド）などの洗剤液として広く使用されている。 
【０００８】
共沸混合物には感圧性のものと非感圧性のものがある。これは、共沸混合物が限られた圧力の範囲内でのみ共沸混合物となることを意味する。共沸混合物は、陽性(positiveまたは陰性(negative)となり得る。即ち、共沸混合物の構成成分の一温度より高いまたは当該温度より低い温度で沸点に達する。構成成分は完全に混合可能であってもよいし、全く混合不可能であってもよいし、あるいは、それらの間であればいずれの状態であってもよい。公知の非混合性共沸混合物は、すべて沸点がマイナスである。
【０００９】
共沸混合物の構成成分を分離する方法がいくつかある。その方法の一つは、感圧共沸混合物(pressure sensitive azeotropes）に用いられる圧力スイング蒸留(pressure swing azeotropes）といわれる。この方法では、共沸混合物の構成成分の活量係数が交差する（これにより、非共沸混合物となる）点から離れた値に圧力が変化するのが一般的である。また、共沸混合物は、一般的に物質分離剤（ＭＳＡs;Material Separating Agents）を当該混合物に添加することにより分離される。これは、圧力スイング蒸留が効果的とならないので、非感圧性共沸混合物に用いられるのが一般的である。初期の共沸混合物を最終的に分離する結果としてもたらす中間の共沸混合物を形成するために、ＭＳＡｓは、共沸混合物の構成成分の一つに結びつくことが多い。その後、構成成分は、一般的な蒸留技術を用いて分離することができるが、最終的にはＭＳＡを分離しなければならない。これは、ろ過を用いて行うのが一般的である。
【００１０】
以上がすべての共沸混合物の包括的な記述またはそれらの特徴ではないが、これらの属性のすべてが二相液体冷却システムの使用上、潜在的な利点をもたらす。 
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、一般的なスプレー冷却システムの性能を改善する共沸混合冷媒を利用するために導入可能な新規な共沸二相液体冷却システム構造を提供する。
【００１２】
本発明の目的は、以下で詳述するが、新規な共沸液体冷却システムを提供することにある。新規な共沸液体冷却システムは、従来技術であるスプレー冷却システムの利点を多数もち、かつ、どんな従来技術のスプレー冷却システムを単独あるいはそれらをいかに組み合わせても、結果的に想到、自明、提案または暗示されることのない新規なものとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記を実現するため、本発明は、一又は複数の発熱装置の熱管理を行う二相熱管理システムと、当該二相熱管理システム内の共沸混合冷媒とを含む。共沸混合冷媒の特性は、純粋な構成成分の液体の特性を最適なものとしてもよいし、および／あるいは、共沸混合物の構成成分を変更することにより、様々なタイプの熱管理アプリケーション（thermal management application）に合わせて調節してもよい。さらに、共沸混合物は、閉ループシステム内の様々なポイントで液体特性を調整して導入するようにしてもよい。
【００１４】
このように、後述する詳細な説明の理解を容易にし、かつ、この技術に対する本発明の寄与を認識するために、本発明のより重要な特徴を広範に概説した。本発明には、明細書および特許請求の範囲に関するさらなる主題をなすさらなる特徴がある。
【００１５】
この点に関し、本発明は、少なくとも本発明の一実施形態の詳細説明の前に、明細書または図面に示された構成および配置に限定されないことを理解すべきである。本発明は、他の実施形態でも実現可能であり、また、様々な方法で具現及び実施可能である。さらに、ここで用いられる語句及び用語は、本発明の説明目的で使用されるものであり、限定する意図ではないことを理解すべきである。
【００１６】
本発明の第１の目的は、従来技術の装置の欠点に対処する共沸混合物スプレー冷却システムを提供することにある。
【００１７】
本発明の第２の目的は、スプレー冷却システムの性能を改善する共沸混合冷媒を用いた共沸混合物スプレー冷却システムを提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は、沸点（boiling point）、沸点の蒸発熱（heat of vaporization at boiling point）、熱伝導率（thermal conductivity）、可燃性（flammability）、比重（specific gravity）、粘性（viscosity）、密度（density）、気化熱（latent heat of vaporization）、比熱（specific heat）、表面張力（surface tension）及びその他の特性等の液体冷媒の特性についての変更及び改善を可能にする共沸混合物スプレー冷却システムを提供することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、様々な共沸混合物及び／又はＭＳＡを利用することが可能な共沸混合物スプレー冷却システムを提供することにある。
【００２０】
また、本発明の目的は、周辺大気圧(surrounding atmospheric pressure)に内圧を調整することが可能な共沸混合物スプレー冷却システムを提供することにある。
【００２１】
また、本発明の目的は、閉ループシステム内部の特定領域で共沸混合物とし、また、他の領域で非共沸混合物とするように調整された液体特性をもつ共沸混合物を導入する共沸混合物スプレー冷却システムを提供することにある。
【００２２】
さらに、本発明の目的は、閉ループシステム内部の局所領域に、特定の特性の共沸混合物を動的に調整することが可能な共沸混合物スプレー冷却システムを提供することにある。
【００２３】
本発明の他の目的及び利点は、明らかになり、それらの目的及び利点は本発明の範囲内にあることが意図される。
【００２４】
上記及び関連目的を達成するため、本発明は、図面に例示された形態で具現化してもよいが、当該図面は一例に過ぎず、図示され、特許請求の範囲の範囲内に記載された特定の構造において変更を加えても良いという事実に留意すべきである。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
Ａ．概略説明 
共沸混合冷媒は、一又は複数の発熱装置の熱管理を行うための二相熱管理システム１０内で利用される。共沸混合冷媒の特性は、純性の液体で得られるものの特性を最適化し、及び／又は、共沸混合冷媒の構成成分を変更することにより様々な種類の熱管理アプリケーションに合わせて調節してもよい。これは、例えばＭＳＡの注入及び抽出を通じて、閉ループシステム内で能動的に（actively）行ってもよい。最適化、及び／又は、調節可能な共沸混合冷媒の特性及び性質は、沸点、熱伝導率、可燃性、引火点、比重、粘性、密度、気化熱、比熱、表面張力、絶縁耐力及びその他の特性を含むが、これに限定されない。
【００２６】
Ｂ．二相熱管理システム 
図1は一般的な閉ループスプレー冷却システムで構成される二相熱管理システム１０を示す図である。二相熱管理システム１０は、一または複数の発熱装置の熱管理を行うために相変化を利用する様々な液体熱管理システムで構成してもよい。本発明に好適な二相熱管理システム１０の例として、スプレー式冷却システム（spray cooling system）、プール式沸騰システム（pool boiling system）、対流式沸騰システム（flow boiling system）、ジェット衝突式冷却システム（jet impingement cooling system）、対流膜式冷却システム（falling-film cooling system）、平行力式対流システム（parallel forced convention system）、マイクロチャネル（microchannel）、ミニチャネル（mini-channel）及び曲線水路式冷却システム（curved channel cooling system）、及び、キャピラリーポンプループ（Capillary Pumped Loop）システムがあるが、これに限定されない。
【００２７】
例示の目的のみで、本発明の設計、製造、構造、機能、動作及び利点を議論するために二相熱管理システム１０を用いる。しかし、本発明は二相熱管理システム１０に範囲を限定せず、同議論が請求の範囲を何ら制限すべきではない。
【００２８】
二相熱管理システム１０は、一般的には、少なくとも一のポンプ２０と、ポンプ２０の吸込側に流動可能に接続された少なくとも一の冷媒容器５０と、ポンプ２０の圧力側に流動可能に接続された少なくとも一の熱管理ユニット３０と、熱管理ユニット３０と冷媒容器５０との間に流動可能に接続された少なくとも一の熱交換器４０とで構成される。また、リターンマニホールドは、一または複数の熱管理ユニット３０から冷媒を集結するように用いてもよい。熱管理ユニット３０は、発熱装置１２（例えば、電子装置）と熱伝達する少なくとも一のスプレーモジュールで構成されてもよい。米国特許第６，８５７，２８３号は、閉ループスプレー冷却システムの典型例を図示しており、この文献を明細書に組み込む。
【００２９】
公知のシステムの１種類が、グローバル冷却システムといわれ、これは、例えば米国特許第５，８８０，９３１号に詳述され、グローバルレベルで電子機器のすべてを冷却するシステムである。この種のシステムでは、電子部品プロセッサ、メモリチップ、レジスタ、キャパシタ及び電子回路を構成する他の電子部品はもちろんのこと、これらを備えそれらが通信する回路カードは、二相冷却システム内にすべて主に含まれており、冷却液によって湿っている（湿り状態を防がれない）。
【００３０】
Ｃ．共沸混合物冷媒 
本発明において用いられる冷媒は、ベース成分と少なくとも一の付加成分とを有する共沸混合物で構成される。さらに詳述すると、共沸混合冷媒は、略同一の温度及び圧力で相変化する２またはそれ以上の成分で構成される。相変化は、蒸発または凝縮の何れかであり得る。
【００３１】
ベース成分に対して的確な付加成分を導入することによって、ユーザは、さらに効果的な冷却液で結果的に得られるベース成分の特性に比べて、その特性を改良した共沸混合冷媒を形成することができる。例えば、沸点、熱伝導率、可燃性、引火点、比重、粘性、密度、気化熱、比熱、表面張力及びその他の性質は、共沸混合冷媒が用いられる特定の熱管理アプリケーションに応じて変更することができる。流体特性のほとんどは、圧力や温度等の液体の状態で変化するので、上記性質は、システム動作条件の特定の範囲に応じて、最適化および／あるいは調節をすることが可能である。
【００３２】
例えば、液体の相変化を表す圧力−温度曲線の勾配は、共沸混合物を用いて、平坦化またはより急勾配にすることが可能である。上記共沸混合物は、システム動作条件の範囲全体を通じてシステム性能を改善することが可能である。図２に示されているように、一般的な単一成分の液体は、点線で表された飽和曲線をもつ。図２に示されているように、同一のベース流体で形成された共沸混合物は、実線で表されているように反応する。実線は冷却システムの動作範囲においてより急な勾配のところを示している。この種のシナリオでは、二相液体冷却システム（熱管理ユニット３０及び熱交換器４０間の）のリターン側において、例えば圧力降下による熱効果を最小化するためにシステム改良を提供することができる。熱交換器４０では、液体温度が内部（Ａ点）の圧力を規定する。冷却システムを通じて熱管理ユニット３０側に逆行するので、液圧は、管表面の不規則性、マニホールド構造、急速着脱式接続部、バルブおよび、その類すなわち圧力増加のすべてのため、降下する。その結果、熱管理ユニット３０で沸点が上昇（Ｂ点）し、その後、被冷却構成要素の温度が上昇する。所定のスポット式の冷却システムに対してシステムの圧力降下が２ポンド／平方インチである場合、図２の点線で示された純流体の温度上昇によって、成分温度が摂氏５〜１０度上昇する可能性がある。例えば、図２にさらに示されている仮想の共沸混合物に関する急勾配の曲線では、被冷却構成要素が摂氏２〜３度だけ温度上昇する可能性がある。一般に、周囲の温度（例えば砂漠）が高温であっても電子部品が継続して機能できるように、所定の周囲熱遮断温度に準拠して、被冷却構成要素の温度を低減することが実用的である。演算性能／電気性能が一定となる一方で、電子機器の信頼性は動作温度の低下に伴い上昇し、電子部品の消費電力は温度に伴い低下する。
【００３３】
上記では、共沸混合物により二相熱管理システムを最適化する潜在的な一方法が記載されているが、本発明は当該方法に限定されない。個々の流体によるスプレー冷却システムの性能への効果は完全に知られていないが、流体特性が個別のサブシステム及び構成要素の性能に影響を与えることは知られている。例えば、スプレー冷却を使用する場合、液滴のサイズ及びモーメント（momentum）がシステム性能に影響を与える。投与された液滴が液滴の微少なサイズまたはモーメントによって、冷却面の逃散蒸気に取り込まれる可能性があり、これにより冷却面に到達することができない。冷却面での飛沫に起因するシステムの非効率性及び冷却性能不足は、液滴の過大なサイズまたはモーメントによって引き起こされる可能性がある。
【００３４】
流体特性は、ノズルの配置と共にスプレー冷却面の冷却面に衝突する液滴のサイズ及びモーメントに強い影響を与える。液滴形成に関する情報源としての典型例は、書籍「Atomization and Sprays by Lefebvre (December 1988)」から入手可能である。この場合、共沸混合物は、スプレー冷却システムでの使用及び所定のノズルの配置において、純ベース流体よりも大きな溶滴サイズ及びモーメントに対して最適化してもよい。スプレーに影響を与える流体特性は、少なくとも、表面張力、密度及び粘性である。本発明に係る本実施形態によれば、共沸混合冷却液はスプレーを最適化する手段及び熱管理システム性能を得られる手段を提供する。
【００３５】
また、液滴のサイズ及びモーメントは、例えば、参照により組み込む米国特許出願第１０／０９６，３４０号に記載のサイドスプレー微小ギャップスプレー（side spray-narrow gap spray）の構成のメインフローに蒸気を取り込む能力に影響を与える。この構成において、特に略２０〜３０μｍの液滴サイズが蒸気の再取り込みに効果的であることが示されている。微少ギャップへの入口で流体の特性（quality）（即ち、液体に対する蒸気の比率）が向上するにつれて、熱伝達係数も増加することが発見された。共沸混合物が提供する一つの利点は、所定の噴霧器の配置を通じてより微小な液滴を潜在的に形成する能力だけでなく、圧力依存性共沸混合物の場合では、コンデンサ内で測定される圧力（図３のＡ点）で流体が共沸混合物になるように調整し、同一システムにおいて顕著な圧力上昇が実現される場合（図３のＢ点）に、流体がスプレーモジュールに循環される際に非共沸性混合物になるように調整する能力である。その後、スプレーモジュール圧力（図３のＢ点）で得られた非共沸混合物によって、蒸気を容易に取り込むことが可能になる。初期の流体特性（quality）を高めるもう一つの方法は、スプレーの膨張に伴い勢いよく流れる一つの成分を共沸混合物に組み込むことである。スプレーされた蒸気の特性（quality）を高めるもう一つの方法は、スプレー時に溶解ガス（例えば、空気、二酸化炭素、窒素、ヘリウムなど）を放出する共沸混合物を利用することである。本発明に係る本実施形態によれば、共沸混合冷却液は熱管理システム内で蒸気及びガスを用いてスプレーの相互作用を最適化する手段を提供する。
【００３６】
共沸混合物の流体特性のすべてが二相冷却に対してプラスの効果を及ぼす訳ではない。得られる流体を最終的に好ましく最適化するという目的では、各流体特性が極めて肯定的にも否定的にも寄与し得る。例えば、成分の表面に対する流体の相互作用は、流体の流体特性と表面物質の表面特性の作用であることが知られている。冷却面の表面エネルギーが流体の表面張力よりも大きい場合、流体は表面上でウェットアウト（wet out）する（薄膜形成のために広がる）。流体の表面張力が冷却面の物質の表面エネルギーよりも大きい場合、流体は接触角を有することになり、冷却面上に滴を形成する。公知のように、冷却液とコンデンサの壁部との間に非湿潤状態を作り出すことにより、コンデンサの有効性を改善することができる。特定の流体特性がシステムの一領域においてプラスの効果を有し、他の領域でマイナスの効果を有する場合（例えば、スプレーモジュールの噴霧器における流体の表面張力に対するコンデンサにおける流体の表面張力）、システムレベルの最適化が困難になり得る。最適な二相液体冷却液の目的は、所定のシステムに対するパフォーマンスが最も良い流体特性を最適化することにある。共沸混合物の使用により特定のシステムに対して最適な流体を作り出すことができる。例えば、高熱流束除去能力が、使用されるコンデンサのサイズよりも重要で有る場合、即ち、空間(space)がパフォーマンスに比べてそれ程要因(driver)にはならない場合、流体の表面張力を凝縮に対してではなく、スプレーに対して最適化することができる。コンデンサのサイズが要因（driver）である場合には、公知のコンデンサの法則及び公式を利用して流体の表面張力を最適化することができる。本発明に係る本実施形態によれば、共沸混合冷却液は、それぞれの構成要素、サブシステム、及び、熱管理システムの領域を最適化する手段を提供する。
【００３７】
しかし、特定のアプリケーションに対して流体を調整する他の方法は、所定の環境動作温度及び圧力下でのシステム圧力に関係している。システムは自身に陽圧（positive pressure）と陰圧（negative pressure）のいずれかを有することになるので、標準大気圧と比較した場合、システムからの流体漏れや浸透を有する可能性、または、空気などの外部流体が閉ループ冷却システム内に入る可能性がある。両方の可能性は好ましいものではない。共沸混合物及び飽和曲線の最適化を用いた場合、冷却システムのパーツと当該システムの環境間の圧力差を結果的に低減させる流体を作り出すことが可能である。結果として、リーク速度と浸透が低減される。例えば、標準大気圧（１４．６ｐｓｉａ）において流体温度摂氏５０度で動作するシステムに対して、純流体は１８ｐｓｉａにおいて摂氏５０度で相変化を引き起こす可能性がある。結果として、システムと３．６ｐｓｉａの環境間で圧力差が生じる。混合物を使用した場合、同一のベース流体は自身の沸点を変更することができ、その結果、新たな流体が１４．６ｐｓｉａにおいて摂氏５０度で相変化を引き起こす。システムと環境間の新たな圧力差はごく僅かであり、結果的に流体損失及び浸透はほとんど生じない。低減されたシステム圧力差とともに、システム構成要素の低減された構造要件に起因する軽量化等、他の利点も生じる可能性がある。最適な流体特性を有する流体混合物を作りだすことは、単一成分の流体の設計を模索するよりも実用的である。本発明に係る本実施形態によれば、共沸混合冷却液は熱管理システムの一または複数の領域内における圧力を最適化する手段を提供する。
【００３８】
スプレー冷却などの二相冷却システムの主要な利点は、エネルギー効率に関し、米国特許第5,731,954号などに記載の単一相冷却システムの主要な利点に勝る。単一相水性システムは、１リットル／分を超える流量の１００ワットプロセッサを必要とする可能性があるが、アイソサーマル・システムズ・リサーチ社（Isothermal Systems Research, Inc.）によるスプレー冷却システムは、８０ミリリットル／分より少ない流量の１００ワットプロセッサと同一またはそれを超えるレベルのプロセッサを提供することができる。当該スプレー冷却システムは、必要なエネルギーがはるかに少なく、データセンター等のアプリケーションに対してシステム上重要な利点を提供する。２つの異なる沸点を有する混合物、即ち、非共沸混合物を使用して本発明の幾つかの及び特定の利点を達成することは可能であるが、共沸混合物は、非共沸混合物のシステム効率上の利点よりも優れた利点を提供する。２つの異なる沸点を有する混合物を導入した場合、蒸発する状態に達しない、または、達したとしても高温で達するので、結果的には蒸発によって熱を取り除く(即ち、冷却の効率的な二相モード)第１成分と、より効率的ではない単一相冷却によって冷却を提供する他の成分と、が得られる。共沸混合物は殆どのアプリケーションにとって理想的である。また、アプリケーションによっては非共沸混合物が適するもの場合もあるが、他のアプリケーションには適さない。これは単一システム内のアプリケーションにおいても該当する。即ち、共沸混合物は、殆どの冷却システムの構成要素（ポンプ、コンデンサ、噴霧器、熱除去器など）にとって理想的であり、非共沸混合物は構成要素によっては適する場合もあるかもしれないが、他の構成要素、特にシステムコンデンサにとって理想的なものではない。本発明に係る本実施形態によれば、共沸混合冷却液は熱管理システムの効率性を最適化する手段を提供する。  
【００３９】
共沸混合冷媒に使用される適切なベース成分には、メチルシロキサン(methylsiloxane）、シロキサン（siloxane）（例えば、ダウコーニング社（DOW CORNING CORPORATION）製造のOS-10ブランド）、ハイドロフルオロカーボン（hydrofluorocarbon）、水が含まれるが、これらに限定されない。共沸混合冷媒に使用される適切な付加成分には、アルコール、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、トランス−１，２ジクロロエチレン（trans-1,2-dichloroethylene）、またはベンゼンが含まれるが、これらに限定されない。
【００４０】
様々な流体ファミリ（family）を生成及び使用することが可能である。例えば、ベース成分が水である共沸混合物のファミリ、可燃性成分を非可燃性ベース成分に混合するファミリ、ペルフルオロベース流体（perfluorinated base fluid）と非ペルフルオロ流体（non-perfluorinated fluid）の混合物、非誘電体を誘電体ベースに混合した混合物、アルコール、エーテル、または、溶剤（例えば、アセトン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、キシレン等）のベースを含む混合物、フルオロイオドカーボン流体（fluoroiodocarbon fluid）、ハロン等である。当該リストは完全なものではないが、流体の多くの組み合わせが可能であり、そのほとんどが二相液体冷却に対して特定の利点を呈する。  
【００４１】
公知の適切な共沸混合物の例は、６０％を超えるヘキサメチルシロキサン（hexamethylsiloxane）と１０〜３０％のアルコールで構成された共沸混合物である。当該共沸混合物は、ダウコーニング社からOS-120（登録商標）として商業的に入手可能である。OS-120の共沸混合物においては、ベース成分がヘキサメチルシロキサンであり、ヘキサメチルシロキサンは二相熱管理システム１０において冷媒として直接利用することができる。しかし、ヘキサメチルシロキサンと結合したアルコールで構成された付加成分は、蒸発潜熱が改善された新たな流体を生み出す。当該新たな流体は、特定の二相熱管理システム１０に好ましい流体として知られている。蒸発潜熱の正味の効果は、所定量の熱を取り除くために必要な液体がより少なくて済むということである。
【００４２】
ＯＳ−１２０は、ハイブリッド車及び電気自動車に搭載された電子システムの冷却用などの熱管理システムと共に使用する場合に適している。米国特許公報第２００２／０１３０５６５号（また、本出願人に譲渡されている）に記載されているように、電気自動車に搭載されたモーター電子機器及び電力変換／制御電子機器には、熱に関する重大な課題を有している。閉ループ二相熱管理システム１０は、電気自動車の一または複数の電気装置の熱管理を行うように設定されても良い。スプレー冷却により冷却される電力電子機器は、より小型で、より安価で、必要な材料をより少なくすることができ、効率性を改善し、より長寿命にすることができる。自動車用アプリケーションは、データセンター等、演算型アプリケーションで使用される流体とは異なり、複数の引火点を有する流体に対してより耐性がある。メチルシロキサンの熱に関する利点は、引火点が摂氏マイナス３０度の流体を使用することに勝る。共沸混合物を形成するためのアルコールの追加は、流体の熱性能を高め、一方で、流体の引火点を摂氏１度下げるだけである。図１には電力電子機器で使用される一般的な液体冷却システムが図示されている。本発明の本実施形態においては、グローバル式スプレー冷却（例えば、米国特許第５，８８０，９３１号で例示された種類）が好ましいが、これは、極端に高い熱流束が複雑な形状の材料全体にわたって吸収される可能性があるからである。当該流体の可燃性の性質を考慮し、電子機器の不具合が生じた場合に流体の引火を防止する非酸化ガス、例えば、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、アルゴン等をスプレーチャンバーに導入する。引火点を有さないのでスプレーチャンバー内に空気を含有可能なフルオリナートシステム（Fluorinert system）においては、流体及び共沸混合物によっては、非酸化置換ガスを使用して特定のアプリケーションに対して使用可能となる場合もある。ガスによっては冷却液に溶けやすく、これによりシステム圧力を増加させるので、スプレー冷却システムでの利用に先立ち、冷却液から空気および／あるいはガスを取り除くことが好ましい場合もある。その後、例えば乾燥窒素を、単数（または複数）のポンプでのキャビテーション防止に十分なシステム安全性及び増加するシステム圧力の両方を提供するスプレーチャンバーに導入することができる。
【００４３】
他の適切な共沸混合物を、他の成分、例えば、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、トランス−１，２ジクロロエチレン（trans-1,2-dichloroethylene）に加えて、ハイドロフルオロカーボン流体（htdrofluorocarbon fluid）で構成してもよい。適切なハイドロフルオロカーボン流体は、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー社（E.I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY, INC.）のバートレル（VERTREL）（登録商標）として製造及び販売されている。バートレルはOS-10及びOS-120に非常に類似しており、主として回路基板洗浄溶剤として使用される溶剤として販売及び使用されている。
【００４４】
また、非誘電体ベース成分を共沸冷媒内で利用してもよい。例えば、沸点低下を目的として付加されるベンゼンと共に水をベース成分として利用してもよく、また、他の例としては、エタノールを水と混合し、冷媒として使用してもよい。
【００４５】
Ｄ．発明の実施 
共沸混合冷媒は、特定の二相熱管理アプリケーションにとって好ましい冷媒特性に応じて、使用時に調整される。例えば、OS-120の共沸混合物は第１のアプリケーションに適するかもしれないが、沸点上昇または沸点下降を余儀なくされる第２のアプリケーションには適さないかもしれない。したがって、好ましい冷媒特性を実現する濃度を得るために、付加成分の一または複数を調整する。他の冷媒特性、例えば、熱伝導率、可燃性、比重、粘性、密度、気化熱、比熱、表面張力、電気伝導率、及び、その他の特徴を変更及び改善してもよい。なお、他の冷媒特性はこれらに限定されない。
【００４６】
所望の仕様に対して共沸混合冷媒を形成した後、当該共沸混合冷媒は、例えば図１に示されている二相熱管理システム１０に加えられる。図１は一般的な二相熱管理ユニットを示しており、当該二相熱管理ユニットは、閉ループを形成するために熱管理ユニット３０と冷却容器５０との間に流動可能に設置された熱交換器４０に加えて、冷却容器５０と熱管理ユニット３０との間に流動可能に接続されたポンプ２０を有する。熱管理ユニット３０は、例えば、スプレー冷却（spray cooling）、プール沸騰（pool boiling）、対流沸騰（flow boiling）、ジェット衝突冷却（jet impingement cooling）、対流膜式冷却（falling-film cooling）、平行力対流（parallel force convention）、曲線水路冷却（curved channel cooling）、及び、キャピラリーポンプループ（capillary pumped loop）の二相熱管理技術を利用してもよい。なお、二相熱管理技術はこれらに限定されない。さらに図１に示されているように、熱管理ユニット３０は発熱装置１２の熱管理を行うために、当該装置と熱伝達を行う。
【００４７】
共沸混合冷媒を使用した二相熱管理システム１０の動作中に、共沸混合冷媒の一部が熱管理ユニット３０内で気体に相変化する。共沸混合冷媒内のベース成分及び単数（又は複数）の付加成分は、略同一温度で蒸発するので、ベース成分内の単数（又は複数）の付加成分の濃度が同一に保持される。蒸発した共沸混合冷媒はベース成分と単数（又は複数）の付加成分で構成されており、その濃度は液体状態における共沸混合冷媒と略同一である。蒸発した共沸混合冷媒は、当該蒸発した共沸混合冷媒の相を液体状態に変化させる熱交換器４０に入る。共沸混合冷媒は冷媒容器５０に入る、または、ポンプ２０に直接汲み上げられ、引き続き閉ループ内に戻る。
【００４８】
熱管理システムのユーザは、二相熱管理システム１０に流体成分を追加するフィールド（field）により、共沸混合物の濃度を最適化することが可能であるが、共沸混合物は所定のアプリケーション（application）に対して混合され、その後、当該フィールドに供給されることが予想される。また、ＭＳＡは付加または分離されるフィールド（field）になることが可能であり、これにより、システムで設計及び使用される共沸混合物を変更することも可能である。これは、エンドユーザによって実行されてもよいし、二相熱管理システム１０内で能動的に実行するように設計してもよい。いずれにせよ、流体がＭＳＡを取り除くためにフィルタシステム（図示せず）を介して投与されてもよいし、ＭＳＡが既存の共沸混合物を分離または変化させるために容器（図示せず）から二相熱管理システム１０の流体ループに注入されてもよい。
【００４９】
以上の記載及び図示は、本発明に係る好ましい実施形態の一つと、その変形例の幾つかである。以上で使用された用語、説明、及び、図面は、一例を表す手段として説明されたものに過ぎず、限定をする意図はない。当業者であれば、すべての用語を最も広く合理的な意味で特許請求の範囲（及びそれらの等価物）によって定義することを意図した本発明の精神及び範囲内において、多くの変形が可能であることを認識するであろう。当該記載内で利用した見出しはどれも便宜上使用されたものに過ぎず、法的効果または限定的な効果を有していない。
【００５０】
本発明に関する種種の他の目的、特徴、及び、付随する利点は、図面とともに考慮した際に一層理解が深まり、十分認識されるようになる。なお、図面における参照符号は、様々な図面を通じて同一または同様の部分を指定するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る二相熱管理システムの典型例を示す図。
【図２】２つの異なる液体についての各飽和曲線を示すグラフ。
【図３】典型的な圧力依存性共沸混合物の２成分についての活量係数の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５２】
１０  二相熱管理システム
２０  ポンプ
３０  熱管理ユニット
４０  熱交換器
５０  冷媒容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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