(57)【要約】高出力密度デバイス（２２０）を冷却するためのターボ機械システム（２００）は、高フラックス冷却媒体を供給するように構成されたターボ機械（３００、４０５、５０５）と、ターボ機械（３００、４０５、５０５）と流体連通して配置された高出力密度デバイス（２２０）とを含み、ターボ機械（３００、４０５、５０５）は、電動機（３１０）と、電動機（３１０）によって駆動される圧縮機（３４０）を有する。
2006509370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力密度デバイス（２２０）を冷却するためのターボ機械システム（２００）であって、
高フラックス冷却媒体を供給するように構成された、電動機（３１０、３１２、３２５、５３５）と該電動機（３１０、５３５）によって駆動される圧縮機（３４０、５３０）とを有するターボ機械（３００、４０５、５０５）と、
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）と流体連通して配置された少なくとも１つの高出力密度デバイス（２２０）と、
を備えるターボ機械システム（２００）。
【請求項２】
前記高フラックス冷却媒体が空気である請求項１に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項３】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が、約１８ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ以上から１４４ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ以下の空気質量流量対流れ面積比を有する請求項２に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項４】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が、約５４．５ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ以上から９０．９ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ以下の空気質量流量対流れ面積比を有する請求項３に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項５】
前記高フラックス冷却媒体が冷媒である請求項１に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項６】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が更に、
前記電動機（３１０、３１２、３２５、５３５）及び前記圧縮機（３４０、５３０）の内の少なくとも１つを収容し且つ空気流用通路を提供するハウジング（３０５、５６０）と、
前記ハウジング（３０５、５６０）の第１の端部において空気流を受取るための入口（３４５）と、
前記ハウジング（３０５、５６０）の第２の端部において空気流を排出するための出口（３５５）と、
を備える請求項２に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの高出力密度デバイス（２２０）に熱的に結合された熱交換器（２３０）を更に備え、前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が前記熱交換器（２３０）から下流側にあることを特徴とする請求項６に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項８】
前記熱交換器（２３０）が、
前記熱交換器（２３０）を前記高出力密度デバイス（２２０）に熱的に結合するためのベース（７８０）と、
一方端（７９５）において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部（８００）において前記駆動された空気を排出するために前記ベース（７８０）に対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィン（７８５）と、
前記空気が前記冷却フィン（７８５）の間で駆動されて渦流チャンバ（８５０）を通るときに渦状空気流を生成するために前記冷却フィン（７８５）間に配置され、且つ前記複数の平行な冷却フィン（７８５）と一体化された側壁（８５２）を有する複数の前記渦流チャンバ（８５０）と、
を含む請求項７に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項９】
前記熱交換器（２３０）から前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）まで前記空気流を漏斗状に流すために、前記熱交換器（２３０）と前記入口（３４５）の中間に配置された移行ダクト（２４０）を更に備える請求項７に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１０】
前記移行ダクト（２４０）が、
複数の冷却フィン（７８５）を有する前記熱交換器（２３０）から駆動された空気を受け入れるために第１の流れ面積（９５６）を備える第１の端部（９５４）と、駆動された空気を前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）に排出するために第２の流れ面積（９６０）を備える第２の端部（９５８）とを有し、前記第１の流れ面積（９５６）から前記第２の流れ面積（９６０）に移行する内部キャビティ（９６２）を定めるダクトハウジング（９５２）と、
前記第１の流れ面積（９５６）から前記第２の流れ面積（９６０）までの流れ面積の変化を制御するための前記内部キャビティ（９６２）内の複数の流れ制御フィン（９６４）と、
を含む請求項９に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１１】
高フラックス空気流が前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）から排出されるときに該高フラックス空気流を膨張させるために、前記電動機（３２５）によって駆動され且つ前記出口（３５５）に近接して配置された膨張タービン（３５０）を更に備える請求項９に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１２】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）と平行な空気流で配置された第２のターボ機械（４１０）を更に備え、前記移行ダクト（４１５）が、前記空気流を前記熱交換器（２３０）から前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）及び前記第２のターボ機械（４１０）まで平行して漏斗状に流すように配置される請求項９に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１３】
前記熱交換器（２３０）から前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）及び前記第２のターボ機械（４１０）までの空気流が、前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）及び前記第２のターボ機械（４１０）を通過する均等な空気流を与える請求項１２に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの高出力密度デバイス（２２０）が集積回路を含む請求項９に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１５】
前記電動機（３１２）が磁気ベアリングを含む請求項６に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１６】
前記圧縮機（３４０）が軸流圧縮機（３４４）及び遠心圧縮機（３４１）の内の少なくとも１つを含む請求項１に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１７】
前記圧縮機（３４０）が単一ホイール圧縮機（３４０）及び多輪圧縮機（３４４）の内の少なくとも１つを含む請求項１６に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１８】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が１．７５インチより大きくない全体寸法を有する請求項１に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項１９】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が１Ｕ用途に適した全体寸法を有する請求項１に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２０】
前記熱交換器（２３０）及び前記移行ダクト（２４０）の内の少なくとも１つが、音響減衰特性を有する少なくとも１つの材料（９９０、９９２）から構成された音響減衰構造を有する請求項９に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２１】
前記音響減衰構造が、多孔性表面（９９０）及び音響減衰バルクアブソーバ（９９２）の内の少なくとも１つを含む請求項２０に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２２】
前記多孔性表面（９９０）が、セラミックス及び焼結金属の内の少なくとも１つを含み、前記音響減衰バルクアブソーバ（９９２）が、ポリマー及びガラス繊維材料の内の少なくとも１つを含む請求項２１に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２３】
前記出口（３５５）が、２次冷却空気流（４５０）を供給するために、周囲空気（４４５）を取り込む２次空気ダクト（４４０）を有するノズル出口（４３５）を更に含む請求項６に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２４】
起動時の前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）における電力サージを防止するために、前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）の起動を制御するソフトスタータ（３６５）を更に備える請求項１に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２５】
前記ターボ機械システム（２００）への微粒子ファウリングを防止するために、前記熱交換器（２３０）と前記ターボ機械（３００、４０５、４１０）とに流入する前に前記空気粒子をイオン化ため、前記熱交換器（２３０）の上流側に配置された空気粒子イオン化装置と、
前記排出する空気粒子の電荷を中和するために、前記出口（３５５）の下流側に配置された空気粒子脱イオン化装置と、
を更に備える請求項７に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの高出力密度デバイス（２２０）を冷却するように構成された閉ループ冷凍回路（５２５）を更に備え、
前記冷媒が前記閉ループ冷凍回路（５２５）内を流れ、前記閉ループ冷凍回路（５２５）が、
前記圧縮機（５３０）と、
コンデンサ（５１５）と、
膨張器（５２０）と、
前記少なくとも１つの高出力密度デバイス（２２０）に結合された蒸発器（５２０）と、
前記電動機（５３５）によって駆動されるタービン（５４０）と、
を含む請求項５に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２７】
前記圧縮機（５３０）からの高圧の冷媒と前記タービン（５４０）からの低圧の冷媒とを受け入れて混合するように配置されたエジェクタ（５４５）を更に備え、
前記圧縮機（５３０）を通過する質量流量を増加させるために、前記混合された冷媒が前記圧縮機（５３０）に供給される請求項２６に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２８】
前記蒸発器（５２０）にわたって高フラックス空気を供給して冷却空気を前記少なくとも１つの高出力密度デバイス（２２０）に供給し、且つ前記コンデンサ（５１５）にわたって高フラックス空気を供給して加熱空気を周囲空気に移送するように構成された第２のターボ機械（５１０）を更に備え、
前記第２のターボ機械（５１０）が、第２の電動機（５５５）と、前記第２の電動機（５５５）によって駆動されるファン（５５０）と、高フラックス空気の流路を配向させるためのハウジング（５６０）とを含む請求項２７に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項２９】
前記冷媒が、前記蒸発器（５２０）から前記タービン（５４０）に流れ、次いで前記電動機（５５５）、更に前記圧縮機（５３０）まで流れる請求項２６に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項３０】
前記膨張器（５２０）が膨張バルブ（５７５）を含む請求項２６に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項３１】
前記膨張バルブ（５７５）が、能動型膨張バルブを含み、前記ターボ機械システム（２００）が更に、前記能動膨張バルブ（５７５）の前後の冷媒の圧力低下を制御するために膨張バルブ制御システム（５８０）を更に含む請求項３０に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項３２】
前記圧縮機（５３０）が可変速圧縮機である請求項２９に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項３３】
前記高フラックス冷却媒体をデバイスへ供給するためのターボ機械（３００、４０５、５０５）であって、
電動機（３１０）と、
前記高フラックス冷却媒体を圧縮するために前記電動機（３１０）によって駆動される圧縮機（３４０）と、
前記電動機（３１０）及び前記圧縮機（３４０）の内の少なくとも１つを収容し、且つ前記高フラックス冷却媒体用の通路を提供するハウジング（３０５）と、
前記ハウジング（３０５）の第１の端部において前記高フラックス冷却媒体を受け入れるための入口（３４５）と、
前記ハウジング（３０５）の第２の端部において前記高フラックス冷却媒体を排出するための出口（３５５）と、
を備えるターボ機械（３００、４０５、５０５）。
【請求項３４】
前記冷却媒体が空気及び冷媒の内の少なくとも１つである請求項３３に記載のターボ機械（３００、４０５、５０５）。
【請求項３５】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が１．７５インチより大きくない全体寸法を有する請求項３３に記載のターボ機械（３００、４０５、５０５）。
【請求項３６】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が１Ｕ用途に適した全体寸法を有する請求項３３に記載のターボ機械（３００、４０５、５０５）。
【請求項３７】
前記電動機（３１０）が磁気ベアリングを含む請求項３３に記載のターボ機械（３００、４０５、５０５）。
【請求項３８】
前記圧縮機（３４０）が軸流圧縮機（３４４）及び遠心圧縮機（３４１）の内の少なくとも１つを含む請求項３３に記載のターボ機械（３００、４０５、５０５）。
【請求項３９】
前記圧縮機（３４０）が単一ホイール圧縮機（３４０）及び多輪圧縮機（３４４）の内の少なくとも１つを含む請求項３８に記載のターボ機械（３００、４０５、５０５）。
【請求項４０】
取付具（１１０）と、
前記取付具（１１０）内に互いに近接して取り付けられた請求項９の複数のターボ機械システム（２００）と、
を備える組立体（１００）。
【請求項４１】
取付具（１１０）と、
前記取付具（１１０）内に互いに近接して取り付けられた請求項２６の複数のターボ機械システム（２００）と、
を備える組立体（１００）。
【請求項４２】
表面（２１０）へ取り付けて高出力密度デバイスを冷却するために使用されるターボ機械モジュール（６６５）であって、
モジュール表面（６５５）と、
高フラックス空気を供給するように構成され、且つ電動機（３１０）と高フラックス空気を圧縮するために前記電動機（３１０）によって駆動される圧縮機（３４０）とハウジング（３０５）とを含むターボ機械（３００、４０５、５０５）と、
を備え、
前記ハウジング（３０５）が前記電動機（３１０）及び前記圧縮機（３４０）の内の少なくとも１つを収容し、且つ空気流用通路を提供し、
前記ハウジング（３０５）が、第１の端部において空気流を受け入れるための入口（３４５）と、第２の端部において空気流を排出するための出口（３５５、６２０）とを含み、
前記モジュールには更に、
高出力密度デバイス（２２０）に熱的に結合して、前記高出力密度デバイス（２２０）を冷却し、且つ下流側に前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が存在する熱交換器（２３０）と、
前記空気流を前記熱交換器（２３０）から前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）まで漏斗状に流すために、前記熱交換器（２３０）と前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）との中間に配置された移行ダクト（２４０）と、
が設けられたことを特徴とするターボ機械モジュール（６６５）。
【請求項４３】
前記ターボ機械モジュール（６６５）が１．７５インチより大きくない全体寸法を有する請求項４２に記載のターボ機械モジュール（６６５）。
【請求項４４】
前記ターボ機械モジュール（６６５）が１Ｕ用途に適した全体寸法を有する請求項４２に記載のターボ機械モジュール（６６５）。
【請求項４５】
前記電動機（３１０、５３５）が磁気ベアリングを含む請求項４２に記載のターボ機械モジュール（６６５）。
【請求項４６】
前記圧縮機（３４０）が軸流圧縮機（３４４）及び遠心圧縮機（３４１）の内の少なくとも１つを含む請求項４２に記載のターボ機械モジュール（６６５）。
【請求項４７】
前記圧縮機（３４０）が単一ホイール圧縮機（３４０）及び多輪圧縮機（３４４）の内の少なくとも１つを含む請求項４６に記載のターボ機械モジュール（６６５）。
【請求項４８】
高出力密度デバイス（２２０）を冷却するための方法（７００、７０５、７２０）であって、
ターボ機械（３００、４０５、５０５）を用いて空気を前記高出力密度デバイス（２２０）に熱的に結合された熱交換器（２３０）を越えて引き込み、この結果前記空気が熱交換器（２３０）を越えて通過するときに空気温度が上昇することになる段階（７０５）と、
１．７５インチより大きくない全体寸法を有する前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）のターボ圧縮機において前記空気を圧縮する段階（７２５）と、
前記加熱された空気を周囲空気に排出する段階（７２５）と、
を含む方法（７００、７０５、７２０）。
【請求項４９】
前記空気を引き出す段階（７０５）が、前記高出力密度デバイス（２２０）を収容する構造体の外部にある外部周囲空気と前記高出力密度デバイス（２２０）を収容する前記構造体の内部にある内部周囲空気との内の少なくとも一方から空気を引き出す段階を含み、
前記加熱空気を排出する段階（７２５）が、前記高出力密度デバイス（２２０）を収容する前記構造の外部にある前記外部周囲空気と前記高出力密度デバイス（２２０）を収容する前記構造の内部にある前記内部周囲空気との内の少なくとも一方に前記加熱空気を排出する段階を含む、
請求項４８に記載の方法（７００）。
【請求項５０】
高出力密度デバイス（２２０）に高フラックス冷却媒体を供給するための方法（７００）であって、
１．７５インチより大きくない全体寸法を有するターボ圧縮機で冷媒を圧縮する段階（７３０）と、
前記冷媒から熱を除去することによって前記冷媒を凝縮する段階（７４０）と、
前記高出力密度デバイス（２２０）を冷却するために前記冷媒を膨張及び蒸発させて冷却表面を生成する段階（７４５）と、
前記膨張した冷媒を前記ターボ圧縮機に還流させて閉ループサイクルを繰り返す段階と、
を含む方法（７００）。
【請求項５１】
高温デバイスを冷却するために低温空気を供給する方法を更に含む請求項５０に記載の方法（７００）であって、該方法が、
ターボファン（５５０）を用いてコンデンサ（５１５）にわたる第１の空気流（５６５）を生成する段階（７５５）と、
熱交換器を用いて熱を前記冷媒から前記第１の空気流（５６５）へ伝達させる段階（７５５）と、
加熱された前記第１の空気流（６０２）を周囲空気に排出する段階（７５５）と、
前記ターボファン（５５０）を用いて蒸発器（５２０）の冷却表面にわたる第２の空気流を生成する段階（７６０）と、
熱交換器を用いて熱を前記第２の空気流から前記蒸発器（５２０）へ伝達させる段階（７６０）と、
前記高温デバイス（２２０）を冷却するために前記冷却された第２の空気（６０５）を排出する段階（７６０）と、
を含む方法。
【請求項５２】
前記圧縮機（５３０）からの前記冷媒の一部をコンデンサ（５１５）へ配向し、前記圧縮機（５３０）からの冷媒の残りの部分を前記圧縮機（５３０）の上流側に配置されたエジェクタ（５４５）へ配向する段階（７３５）と、
前記圧縮機（５３０）からの高圧の冷媒を蒸発器（５２０）からの低圧の冷媒とエジェクタ（５４５）において混合する段階（７５０）と、
前記混合された冷媒を前記圧縮機（５３０）へ供給する段階（７５０）と、
を更に含む請求項５１に記載の方法（７００）。
【請求項５３】
前記膨張した冷媒を前記ターボ圧縮機へ還流させる前記段階（７５０）が、電動機（３１２、５３５）を冷却するために前記電動機を介して前記膨張した冷媒を還流させる段階（７５０）を更に含む請求項５０に記載の方法（７００）。
【請求項５４】
高フラックス冷却媒体をデバイスへ供給するためのマイクロターボ圧縮機（３００）であって、
電動機（３１２）と、
前記電動機（３１２）の一方端に配置された第１段マイクロ圧縮機（３４２）と、
前記電動機（３１２）の他方端に配置された第２段マイクロ圧縮機（３４３）と、
を備えるマイクロターボ圧縮機（３００）。
【請求項５５】
前記第１段及び第２段マイクロ圧縮機（３４２、３４３）が前記電動機（３１２）と一体化されている請求項５４に記載のマイクロターボ圧縮機（３００）。
【請求項５６】
前記電動機（３１２）のステータの外面上に配置され且つ前記電動機（３１２）の一方端から前記電動機（３１２）の他方端まで延びる冷却フィン（３８０）を更に備え、前記第１段マイクロ圧縮機（３４２）が前記冷却フィン（３８０）の間に空気を駆動するように配置され、前記第２段マイクロ圧縮機（３４２）が前記冷却フィン（３８０）の間から空気を引き出すように配置された請求項５４に記載のマイクロターボ圧縮機（３００）。
【請求項５７】
前記冷却フィン（３８０）が、非線形構成で前記電動機（３１２）の一方端から前記電動機（３１２）の他方端まで延びる請求項５６に記載のマイクロターボ圧縮機（３００）。
【請求項５８】
高フラックス冷却媒体をデバイスへ供給するためのマイクロターボ圧縮機（３００）であって、
少なくとも１つの電動機と、
前記少なくとも１つの電動機（３１２）の両端に配置され、前記少なくとも１つの電動機（３１２）の少なくとも１つのステータの外面にわたって空気を駆動するように配置された複数のマイクロ圧縮機（３４２、３４３）と、
を備えるマイクロターボ圧縮機（３００）。
【請求項５９】
前記少なくとも１つの電動機（３１２）が、該少なくとも１つの電動機（３１２）の少なくとも１つのステータの外面上に配置され、且つ前記少なくとも１つの電動機（３１２）の一方端から前記少なくとも１つの電動機（３１２）の他方端まで非線形構成で延びる冷却フィン（３８０）を更に備える請求項５８に記載のマイクロターボ圧縮機（３００）。
【請求項６０】
高出力密度デバイス（２２０）を冷却するための熱交換器（２３０）であって、
前記熱交換器（２３０）を前記高出力密度デバイス（２２０）に熱的に結合するためのベース（７０８）と、
一方の端部（７９５）において駆動された空気を受け入れ、且つ反対側の端部（８００）において前記駆動された空気を排出するために、前記ベース（７８０）に対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィン（７８５）と、
を備え、
前記冷却フィン（７８５）が複数の凹面（８０５）を有することを特徴とする熱交換器（２３０）。
【請求項６１】
高出力密度デバイス（２２０）を冷却するための熱交換器（２３０）であって、
前記熱交換器（２３０）を前記高出力密度デバイス（２２０）に熱的に結合するためのベース（７０８）と、
一方の端部（７９５）において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部（８００）において前記駆動された空気を排出するために、前記ベース（７８０）に対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィン（７８５）と、
増加した表面積の局所領域を提供して熱伝達を強化するために、前記ベース（７８０）位置にあり且つ前記冷却フィン（７８５）の間の局所冷却領域（８１０）と、を備える熱交換器（２３０）。
【請求項６２】
高出力密度デバイス（２２０）を冷却するための熱交換器（２３０）であって、
前記熱交換器（２３０）を前記高出力密度デバイス（２２０）に熱的に結合するためのベース（７０８）と、
一方の端部（７９５）において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部（８００）において前記駆動された空気を排出するために、前記ベース（７８０）に対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィン（７８５）と、
前記空気が前記冷却フィン（７８５）の間で駆動されて通るときに渦状の空気流を生成するために、前記冷却フィン（７８５）間に配置された渦流チャンバ（８５０）と、
を備える熱交換器（２３０）。
【請求項６３】
前記渦流チャンバ（８５０）が、
空気流を受け入れ且つ排出するための第１及び第２の端部（８５４、８５６）を有する第１及び第２の側面部（８５８、８６０）を備え、
前記第１の側面部（８５８）が前記空気流（７９０）に対して斜めに配置された内側リブ（８６２）を有し、前記第１の側面部（８５８）の内側リブ（８６２）の一部が空気流の方向に対して正のベータ角度にあり、
前記第２の側面部（８６０）が前記空気流（７９０）に対して斜めに配置された内側リブ（８６４）を有し、前記第２の側面部（８６０）の内側リブ（８６４）の一部が空気流の方向に対して負のベータ角度にある請求項６２に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項６４】
前記第１の側面部（８５８）の内側リブ（８６２）及び前記第２の側面部（８６０）の内側リブ（８６４）が、前記空気流（７９０）に対して対角線をなすように配置される請求項６３に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項６５】
前記第１及び第２の側面部（８５８、８６０）の第１の端部（８５４）が、前記渦流チャンバ（８５０）において入口圧力損失を低減させるような丸みを付けられた縁部（８７２）を有する請求項６３に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項６６】
前記第１及び第２の側面部（８５８、８６０）が更に、第１及び第２の縁部（８６６、８６８）を含み、前記第１及び第２の縁部（８６６、８６８）が閉鎖されており、前記第１の縁部（８６６）が前記ベース（７８０）に熱的に結合される請求項６３に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項６７】
前記第１及び第２の側面部（８５８、８６０）が更に、第１及び第２の縁部（８６６、８６８）を含み、前記第１の縁部（８６６）が開放され、前記第２の縁部（８６８）が閉鎖されており、前記第１の縁部（８６６）が前記ベース（７８０）に近接して配置される請求項６３に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項６８】
前記第１及び第２の側面部（８５８、８６０）が、前記複数の平行な冷却フィン（７８５）と一体化されており、且つこれらの側壁において凹面（８０５）を更に含む請求項６３に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項６９】
前記第１の側面部（８５８）の内側リブ（８６２）が、前記第２の側面部（８６０）の内側リブ（８６４）に対して約３０度以上から約１２０度以下の角度で配置される請求項６３に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項７０】
前記ベータ角が約２０度以上から約６０度以下の角度である請求項６３に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項７１】
前記ベータ角が約４０度以上から約６０度以下の角度である請求項７０に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項７２】
前記ベータ角が約４５度である請求項７１に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項７３】
高出力密度デバイス（２２０）を冷却するための熱交換器（２３０）であって、
前記熱交換器（２３０）を前記高出力密度デバイス（２２０）に熱的に結合するためのベース（７０８）と、
一方の端部（７９５）において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部（８００）において前記駆動された空気を排出するために、前記ベース（７８０）に対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィン（７８５）と、
一方の端部（７９５）において前記駆動された空気を受け入れ且つ前記反対側の端部（８００）において前記駆動された空気を排出するために、前記複数の平行な冷却フィン（７８５）の間に配置され、且つ前記空気が前記一方の端部（７９５）から前記反対側の端部（８００）まで駆動されるときに渦状の空気流を生成するように構成された複数の渦流チャンバ（８７４）と、
を備え、
前記複数の渦流チャンバ（８７４）が前記複数の第１の側面部（８５８）を有し、前記複数の第１の側面部（８５８）が前記空気流に対して斜めに配置された内側リブ（８６２）を有し、前記複数の第１の側面部（８５８）の内側リブ（８６２）の一部が、前記空気流の方向に対して正のベータ角度であり、
前記複数の第２の側面部（８６０）が複数の第２の側面部（８６０）を有し、前記複数の第２の側面部（８６０）が前記空気流に対して斜めに配置された内側リブ（８６４）を有し、前記複数の第２の側面部（８６０）の内側リブ（８６４）の一部が空気流の方向に対して負のベータ角度であり、
前記複数の第１及び第２の側面部（８５８、８６０）が複数の第１及び第２の縁部（８６６、８６８）を更に含み、前記複数の第１の縁部（８６６）が開放されており、前記複数の第２の縁部（８６８）が閉鎖されており、前記複数の第１の縁部（８６６）が前記ベース（７８０）に近接して配置され、
前記熱交換機には更に、
増加した表面積の局所領域を提供して熱伝達を強化するために、前記複数の第１の縁部（８６６）に近接した前記ベース（７８０）位置にある局所冷却領域（８１０）が設けられたことを特徴とする熱交換器（２３０）。
【請求項７４】
前記複数の平行な冷却フィン（７８５）が、前記複数の渦流チャンバ（８７４）の前記複数の第１及び第２の側面部（８５８、８６０）と一体化された請求項７３に記載の熱交換器（２３０）。
【請求項７５】
高出力密度デバイス（２２０）を冷却する熱交換器（２３０）の熱伝達特性を強化するための方法であって、
前記熱交換器の複数の冷却フィン（７８５）の第１の端部（７９５）において駆動された空気を受け入れる段階と、
前記複数の冷却フィン（７８５）にわたって前記空気を駆動して熱を前記高出力密度デバイス（２２０）から周囲空気に伝達させる段階と、
前記複数の冷却フィン（７８５）における複数の凹面（８０５）、前記複数の冷却フィン（７８５）の間の前記熱交換器（２３０）のベース（７８０）位置にある複数の局所化された冷却領域、及び複数の冷却フィン（７８５）の間の複数の渦流チャンバ（８５０、８７４）の内の少なくとも１つを使用することによって、空気流が前記複数の冷却フィン（７８５）にわたって駆動されたときに前記空気流を乱流させて複数の冷却フィン（７８５）間に渦流を生成する段階と、
前記複数の冷却フィン（７８５）の第２の端部（８００）において加熱された空気を排出する段階と、
を含む方法。
【請求項７６】
前記渦流を生成する段階が、複数の渦流チャンバ（８５０、８７４）と一体化された複数の冷却フィン（７８５）の間で渦流を生成する段階を更に含む請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記複数の冷却フィン（７８５）間に前記複数の渦流チャンバ（８５０、８７４）のない同じ熱交換器（２３０）と比較して前記熱交換器（２３０）の熱伝達特性を少なくとも２倍だけ強化して前記複数の冷却フィン（７８５）の間で渦流を生成する段階を更に含む請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
ターボ機械システム（２００）用の移行ダクト（９５０）であって、
複数の冷却フィン（７８５）のある熱交換器（２３０）から駆動された空気を受け入れるための第１の流れ面積（９５６）を備える第１の端部（９５４）と、前記駆動された空気をターボ機械（３００、４０５、５０５）に排出するための第２の流れ面積（９６０）を備える第２の端部（９５８）とを有し、前記第１の流れ面積（９５６）から前記第２の流れ面積（９６０）まで移行する内部キャビティ（９６２）を定めるダクトハウジング（９５２）と、
前記内部キャビティ（９６２）の内側において、前記第１の流れ面積（９５６）から前記第２の流れ面積（９６０）までの流れ面積の変化を制御するように構成された複数の流れ制御フィン（９６４）と、
を含む移行ダクト（９５０）。
【請求項７９】
前記複数の流れ制御フィン（９６４）が、
前記熱交換器（２３０）の複数の冷却フィン（７８５）に近接して配置された複数の第１の端部（９６６）と、
前記移行ダクト（９５０）の第２の端部（９５８）へ向って延びるが、少なくとも１つは前記移行ダクト（９５０）の第２の端部（９５８）までは延びない複数の第２の端部（９６８）と、
を更に含む請求項７８の移行ダクト（９５０）。
【請求項８０】
前記複数の流れ制御フィン（９６４）の数が、前記熱交換器（２３０）の冷却フィン（７８５）の数と等しい請求項７９の移行ダクト（９５０）。
【請求項８１】
第１の流れ面積（９５６）を有する領域から前記第１の流れ面積（９５６）よりも小さい第２の流れ面積（９６０）を有する領域まで高フラックス空気を移行させる方法であって、
前記高フラックス空気を前記第１の流れ面積（９５６）を有する移行ダクト（９５０）の第１の端部（９５４）において受け入れる段階と、
前記高フラックス空気を複数の流れ制御フィン（９６４）の間で個別の空気流路に分割する段階と、
前記高フラックス空気を前記第１の流れ面積（９５６）から前記第２の流れ面積（９６０）へ向って前記制御フィン（９６４）の間で漏斗状に流す段階と、
前記高フラックス空気を前記第２の流れ面積（９６０）を有する前記移行ダクト（９５０）の第２の端部（９５８）において排出させる段階と、
を含む方法。
【請求項８２】
高出力密度デバイス（２２０）を冷却するためのターボ機械システム（２００）であって、
前記高出力密度デバイス（２２０）に接続可能な表面（２１０）と、
前記表面（２２０）と流体連通し、高フラックス冷却媒体を供給するように構成されたターボ機械（３００、４０５、５０５）と、
を備え、
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が、電動機（３１０）と、前記電動機（３１０）によって駆動される圧縮機（３４０）とを有することを特徴とするターボ機械システム（２００）。
【請求項８３】
前記表面（２１０）が、熱交換器（２３０）と冷却プレート（６１０）との内の少なくとも１つを含む請求項８２に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項８４】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）及び前記熱交換器（２３０）と流体連通した移行ダクト（２４０）を更に備える請求項８３に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項８５】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が、空気及び冷媒の内の少なくとも１つを供給するように更に構成されている請求項８４に記載のターボ機械システム（２００）。
【請求項８６】
前記ターボ機械（３００、４０５、５０５）が１．７５インチより大きくない全体寸法を有する請求項８５に記載のターボ機械システム（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の開示は、一般的には高出力密度デバイスの冷却に関し、具体的には、高出力密度デバイスを冷却するためのターボ機械の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、高出力密度集積回路（ＩＣ）及び中央処理装置（ＣＰＵ）のような高出力密度デバイス（ＨＰＤＤ）の冷却は、コンピュータサーバ、軍用航空電子工学装置、医療用イメージング装置、及び高出力密度電子デバイスを使用する他のシステムの設計における重要な考慮事項である。本明細書で使用する用語ＨＰＤＤは、平方センチメータ当たり１００ワットを超える熱流束を有する発熱デバイスを意味する。今日の傾向は、益々増大する計算速度及び能力を備える電子システムを設計するだけでなく、専有面積が益々小型化された電子システムを設計することであり、結果として大量の熱が小面積内で発生するＨＰＤＤとなり、これはＩＣ及びＣＰＵの劣化を防止するために放散させる必要がある。今日の電子システムの出力密度は、平方センチメータ当たり２００ワット（Ｗ／ｓｑ−ｃｍ）の大きさとなる可能性があるが、この傾向は、今後数年にわたり８００Ｗ／ｓｑ−ｃｍ又はそれ以上に向けたものとなる。熱の発生に加えて、筺体寸法の制約も考慮されなければならない。例えば、今日のコンピュータサーバは通常、多層回路基板がラックシャーシの状態で互いに近接してスタックされた、１Ｕ用途と呼ばれる１．７５インチの高さ制限を有する筺体内に収容された回路基板を使用する。１２０度摂氏（℃）を超えない周囲使用温度及び９０℃の接合部温度規制を有する通常の電子部品では、冷却システムが、ＨＰＤＤの熱を周囲空気へ伝達させるために使用される。今日使用される代表的な冷却システムは、ファン、ブロア、ヒートシンク、及び冷却システムを含み、該冷却システムは熱伝達需要の増大とともに寸法が増大する傾向にある。しかしながら、この寸法の増大は、１Ｕ用途の設計目標に反するものである。
【特許文献１】特開２００２−０２６５６０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
１つの実施形態では、高出力密度デバイスを冷却するためのターボ機械システムは、高フラックス冷却媒体を供給するように構成されたターボ機械と、ターボ機械と流体連通して配置された高出力密度デバイスとを含み、該ターボ機械は、電動機と、該電動機によって駆動される圧縮機とを有する。
【０００４】
別の実施形態では、デバイスへ高フラックス冷却媒体を供給するためのターボ機械は、電動機と、高フラックス冷却媒体を圧縮するために電動機によって駆動される圧縮機と、電動機、圧縮機又はこの両方を収容するハウジングとを含み、該ハウジングは、高フラックス冷却媒体のための通路を提供する。ハウジングの第１の端部にある入口は高フラックス冷却媒体を受け入れ、ハウジングの第２の端部にある出口は高フラックス冷却媒体を排出する。
【０００５】
別の実施形態では、表面へ取り付けて高出力密度デバイスを冷却するために使用されるターボ機械モジュールは、モジュール表面と、高フラックス空気を供給するためのターボ機械と、熱的に高出力密度デバイスに結合し且つ高出力密度デバイスを冷却するための熱交換器と、熱交換器からターボ機械まで空気流を漏斗状に流すために熱交換器とターボ機械との中間に配置された移行ダクトとを含み、ターボ機械は熱交換器の下流側にある。ターボ機械は、電動機と、高フラックス空気を圧縮するために電動機によって駆動される圧縮機と、ハウジングとを含む。ハウジングは、電動機、圧縮機又はこの両方を収容し、空気流の通路を提供する。ハウジングは、第１の端部において空気流を受け入れるための入口と、第２の端部において空気流を排出するための出口とを含む。
【０００６】
更に別の実施形態では、高出力密度デバイスを冷却するための方法は、空気を熱交換器を越えて高質量流量で引き込む段階と、空気をターボ圧縮機において圧縮する段階と、加熱空気を周囲空気に排出する段階とを含む。熱交換器は、空気が熱交換器を越えて通過するときに空気温度が上昇することになる高出力密度デバイスに熱的に結合される。ターボ圧縮機は、１．７５インチより大きくない全体寸法を有する。
【０００７】
更に別の実施形態では、高出力密度デバイスへ高フラックス冷却媒体を供給するための方法は、１．７５インチより大きくない全体寸法を有するターボ圧縮機において冷媒を圧縮する段階と、冷媒から熱を除去することによって冷媒を凝縮する段階と、高出力密度デバイスを冷却するために冷媒を膨張させ且つ蒸発させて冷却表面を生成する段階と、膨張した冷媒をターボ圧縮機へ還流させて閉ループサイクルを繰り返す段階とを含む。
【０００８】
別の実施形態では、高フラックス冷却媒体をデバイスへ供給するためのマイクロターボ圧縮機は、電動機と、該電動機の一方端に配置された第１段のマイクロ圧縮機と、電動機の他方端に配置された第２段のマイクロ圧縮機とを含む。
【０００９】
別の実施形態では、高フラックス冷却媒体をデバイスへ供給するためのマイクロターボ圧縮機は、１つ又はそれ以上の電動機と、電動機の両端に配置された複数のマイクロ圧縮機とを備え、複数のマイクロ圧縮機は、電動機のステータの外面にわたって空気を駆動するように配置される。
【００１０】
更に別の実施形態では、高出力密度デバイスを冷却するための熱交換器は、熱交換器を高出力密度デバイスに熱的に結合するためのベースと、一方の端部において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部において駆動された空気を排出するためにベースに対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィンとを含み、該冷却フィンは複数の凹面を有する。
【００１１】
更に別の実施形態では、高出力密度デバイスを冷却するための熱交換器は、熱交換器を高出力密度デバイスに熱的に結合するためのベースと、一方の端部において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部において駆動された空気を排出するためにベースに対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィンと、増加した表面積の局所領域を提供して熱伝達を強化するために冷却フィンの間にあるベース位置の局所冷却領域とを含む。
【００１２】
別の実施形態では、高出力密度デバイスを冷却するための熱交換器は、熱交換器を高出力密度デバイスに熱的に結合するためのベースと、一方の端部において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部において駆動された空気を排出するためにベースに対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィンと、空気が冷却フィンの間で駆動されて通るときに渦状の空気流を生成するために冷却フィン間に配置された渦流チャンバとを含む。
【００１３】
更なる実施形態では、高出力密度デバイスを冷却するための熱交換器は、熱交換器を高出力密度デバイスに熱的に結合するためのベースと、一方の端部において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部において駆動された空気を排出するためにベースに対して垂直に配置された複数の平行な冷却フィンと、一方の端部において駆動された空気を受け入れ且つ反対側の端部において駆動された空気を排出するために複数の平行な冷却フィンの間に配置され、空気が一方の端部から他方の端部まで駆動される時に渦状の空気流を生成する複数の渦流チャンバとを含む。複数の渦流チャンバは、空気流に対して斜めに配置された内側リブを有し且つ該リブの一部が空気流の方向に対して正のベータ角度をなすようにされが複数の第１の側面部と、空気流に対して斜めに配置された内側リブを有し且つ該リブの一部が空気流の方向に対して負のベータ角度をなすようにされた複数の第２の側面部とを含む。複数の第１及び第２の側面部は更に、複数の第１及び第２の縁部を含み、複数の第１の縁部は開放され、複数の第２の縁部は閉鎖されている。複数の第１の縁部はベースに近接して配置される。複数の第１の縁部に近接したベースにおいて局所冷却領域は、熱伝達を強化させるために局所領域の表面積の増加をもたらす。
【００１４】
更に別の実施形態では、高出力密度デバイスを冷却する熱交換器の熱伝達特性を強化するための方法は、熱交換器の複数の冷却フィンの第１の端部において駆動された空気を受け入れる段階と、複数の冷却フィンにわたって空気を駆動して高出力密度デバイスから熱を周囲空気へ伝達させる段階と、空気流が複数の冷却フィンにわたって駆動されるときに、複数の冷却フィンの中の複数の凹面、複数の冷却フィンの間の熱交換器のベース位置にある複数の局所冷却領域、又は複数の冷却フィンの間の複数の渦流チャンバの少なくとも１つを使用することによって、空気流を乱流させて複数の冷却フィン間に渦流を生成する段階と、複数の冷却フィンの第２の端部において加熱空気を排出する段階とを含む。
【００１５】
更に別の実施形態では、ターボ機械システムのための移行ダクトは、複数の冷却フィンを有する熱交換器から駆動された空気を受け入れるための第１の流れ面積を備える第１の端部と、駆動される空気をターボ機械に排出するための第２の流れ面積を備える第２の端部とを有し、第１の流れ面積から第２の流れ面積まで移行する内部キャビティを定めるダクトハウジングと、第１の流れ面積から第２の流れ面積までの流れ面積の変化を制御するように構成された複数の流れ制御フィンとを含む。
【００１６】
別の実施形態では、高フラックス空気を第１の流れ面積を有する領域から第２の流れ面積を有する領域まで移行させるための方法は、第１の流れ面積を有する移行ダクトの第１の端部において高フラックス空気を受け入れる段階と、高フラックス空気流を複数の流れ制御フィンの間の個別の空気流路に分割する段階と、高フラックス空気を第１の流れ面積から第２の流れ面積へ向けて流れ制御フィンの間で漏斗状に流す段階と、高フラックス空気を第２の流れ面積を有する移行ダクトの第２の端部において排出する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
添付図において同じ構成要素には同じ符号が付けられた例示的な図面を参照する。
【００１８】
本発明の１つの実施形態は、マイクロターボ圧縮機及び高フラックス熱交換器などの小型ターボ機械を用いて、サーバコンピュータシステムで使用するためのハイエンド集積回路（ＩＣ）のような高出力密度デバイスを冷却するための装置及び方法を提供する。ターボ機械のサイズは、１．７５インチ（「１Ｕ」用途）の寸法規制を有する用途向けのものである。本明細書で説明する実施形態は、集積回路を例示的な高出力密度デバイスとして示すが、開示する発明が、例えば軍用航空電子工学及び医療用イメージング構成部品及び機器などの他の高出力密度デバイスにも適用可能であることは理解されるであろう。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態を使用したコンピュータサーバシステム１００の例示的な実施形態であり、該システム１００は、取付具１１０と複数のシステム回路基板１２０とを含み、各回路基板１２０は、以下で図２を参照すると良く理解されるターボ機械システム２００を有する。
【００２０】
図２にはターボ機械システム２００の実施形態が示されており、回路基板１２０の一部、すなわち別個のモジュール式支持構造とすることができる取付表面２１０と、該表面２１０に結合された高出力密度デバイス（ＨＰＤＤ）（例えば集積回路）２２０（図３に示す）と、高フラックス空気（冷却媒体の第１の形式）を供給するために表面２１０に結合されたターボ機械３００と、ＨＰＤＤ２２０に熱的に結合された熱交換器２３０と、熱交換器２３０とターボ機械３００との間に配置されて空気流を熱交換器２３０からターボ機械３００まで漏斗状に流す移行ダクト２４０とを有する。本明細書で使用する高フラックス空気という用語は、以下に詳細に説明するように、１時間当たり１５０ポンド以上のオーダーの空気流を意味する。ターボ機械システム２００は、１．７５インチより大きくない全体寸法「Ｄ」を有し、これによりターボ機械システムが１Ｕ用途に好適なものとなる。移行ダクト２４の代替的な実施形態を図２２、２３を参照して以下で説明する。
【００２１】
熱交換器２３０は、本用途の冷却要件に好適な任意の熱交換器とすることができるが、図１５−図１９を参照して以下により詳細に説明するように、ファウリングを受けにくく、これにより熱交換器２３０の前後での過大な圧力低下に由来するターボ機械３００の失速を防止する熱交換器が好ましい。代替的な実施形態では、熱交換器２３０は材料選択、材料堆積又は幾何学的設計により達成可能な音響減衰特性を有し、これは図２５を参照して以下により詳細に説明される。
【００２２】
ターボ機械３００は、次いで図４を参照すると最も良く分かるように、ハウジング３０５と、第１のロータ３１５及び第１のステータ３２０を有する第１の電動機３１０と、第２のロータ３３０及び第２のステータ３３５を有する任意選択的な第２の電動機３２５と、入口３４５においてターボ機械３００に流入するときに高フラックス空気を圧縮するよう電動機３１０、３２５によって駆動される圧縮機３４０と、出口３５５においてターボ機械３００から排出されるときに高フラックス空気を膨張させるよう電動機３１０、３２５によって駆動される任意選択の膨張タービン３５０とを含む。ターボ機械３００の入口端部における任意選択のエジェクタ３６０は、入口３４５において空気流を制御する目的で含むことができる。
【００２３】
電動機３１０、３２５は、好ましくは磁気ベアリング又は他の非接触軸受解決手段を有し、これにより摩擦作用を低減して、全体的な効率を改善し、熱発生を減少させ、磨耗を低減し、更に寿命を延長させる。
【００２４】
圧縮機３４０は、軸流圧縮機又は遠心圧縮機のいずれであっても良く、単一ホイール圧縮機又は多ホイール圧縮機として配置することができる。図４は、単一ホイール軸流圧縮機３４０を示し、図５及び図６はそれぞれ遠心圧縮機３４１及び多ホイール軸流圧縮機３４２を示す。
【００２５】
運転状態においては、ターボ機械３００は、ワイヤ３６５から電力を受け取り、電動機３１０、３２５を通電する。ワイヤ３６５は、適切なワイヤ接続手段（図示せず）を用いてシステム１００内の電源１３０に接続される。電動機３１０、３２５は、例えば毎分５０，０００回転（ＲＰＭ）のオーダーの高速度で圧縮機３４０及び任意選択の膨張タービン３５０を駆動して、これにより空気を入口３４５へ引き込み、圧縮機３４０で空気を圧縮し、空気をハウジング３０５の長手方向に沿って駆動して、膨張タービン３５０及び出口３５５で任意選択的に空気を膨張させて排出する。また、高フラックス空気がターボ機械３００を通って引き込まれるときには、移行ダクト２４０を通り、及び熱交換器２３０にわたって引き込まれ（図２を参照）、その結果、熱交換器２３０を介してＨＰＤＤ２２０から周囲へ熱が伝達される（図３を参照）。図２に示す入口流及び排出流矢印Ｆｉ、Ｆｅは空気流の方向を表し、ターボ機械３００がＨＰＤＤ２２０及び熱交換器２３０の下流側にあることを示しており、これにより電動機３１０、３２５の熱が熱交換器２３０の冷却性能に悪影響を及ぼすのを防止する。しかしながら、適切な状況下では、ターボ機械３００は、ＨＰＤＤ２２０及び熱交換器２３０の上流側に配置してもよく、これはターボ機械３００を通る空気流を反転させることによって達成することができる。ハウジング３０５は、圧縮機３４０、電動機３１０、３２５、及び任意選択の膨張タービン３５０を収容するように配置することができるが、或いは、以下により詳細に説明するように圧縮機３４０だけを収容するように配置してもよい。表面２１０は、１つより多いＨＰＤＤ２２０を含むことができ、典型的には高出力密度デバイスと低出力密度デバイスの両方を含む多数の回路構成要素を含むことができる。
【００２６】
ターボ機械３００によって熱交換器２３０にわたり引き込まれ、出口３５５を通って排出される空気は、システムの冷却ニーズに応じて、取付具１１０の内部周囲空気又は取付具１１０の外部の周囲空気から引き込むことができ、取付具１１０の内部周囲空気又は取付具１１０の外部の周囲空気に排出することができる。代替的な空気流を達成するダクト作業は、空気ダクトを任意選択のファントレイ１４０の構造体内に組み込むことにより、或いは、任意選択のファントレイ１４０を適切な空気ダクトと交換することによって達成することができる。
【００２７】
図７に示す平行システム４００を使用する代替的な実施形態では、ターボ機械３００は、平行に配置された２つのターボ機械４０５、４１０と置き換えられ、移行ダクト２４０は、高フラックス空気流をターボ機械４０５、４１０に供給するための２つの出口ポート４２０、４２５を有する移行ダクト４１５と置き換えられる。移行ダクト４１５の代替的な実施形態に関する図２２及び図２３を参照して以下の説明を理解されたい。熱交換器２３０にわたる高フラックス空気流は、上記に説明したものと同様である。ターボ機械４０５、４１０の運転及び出口ポート４２０、４２５の幾何形状により、各ターボ機械４０５、４１０を通る等価な空気流が与えられる。図２の単一のターボ機械構成に関して、毎秒０．１ポンド（ｌｂ／ｓｅｃ）の空気を毎分５０，０００回転（ＲＰＭ）の電動機速度、圧縮比１．０４、圧縮機効率０．６、及び電動機効率０．８で供給するためには、直径１．５インチ及び長さ１インチのターボ機械３００において３２０ワットの電動機が必要となり、一方、図７のデュアルターボ機械構成では、同じ総空気流特性は、２つのターボ機械４０５、４１０の各々で１６０ワットの電動機を使用することで達成されることが推定された。２つの構成の総出力要件は同じであるが、２つの構成での所与のターボ機械に対する出力要件は、２：１だけ異なり、これは、１．７５インチより大きくないように制限された全体寸法を有するターボ機械においては重要である。
【００２８】
図２のターボ機械システム２００のような単一のターボ機械３００、又は、図７の平行システム４００のような平行ターボ機械４０５、４１０のいずれかを使用する他の代替的な実施形態では、熱交換器２３０の上流側に配置された空気粒子イオン化装置、及びターボ機械３００、４０５、４１０の出口の下流側に配置された空気粒子脱イオン化装置は、空気粒子をイオン化及び脱イオン化して微粒子ファウリングを防止し、システム寿命を改善する役割を果たす。空気粒子は、熱交換器２３０及びターボ機械３００、４０５、４１０へ流入する前に、微粒子のファウリングを防止するためにイオン化される。ターボ機械３００、４０５、４１０からの排出時に、空気粒子は、空気粒子の電荷を中和してシステム１００内の電気構成要素上への帯電を防止するために脱イオン化される。
【００２９】
ターボ機械システム２００を使用する代替的な実施形態では、ハウジング３０５の出口３５５は、図８に示すように、２次冷却空気流４５０を供給するために、周囲空気４４５を取り込む２次空気ダクト４４０を有する取り込みノズル４３５を含む。取り込みノズル４３５の断面図を示す図８を参照すると、取り込みノズル４３５の入口４５５は、ターボ機械３００の出口３５５に取り付けられ、この結果、ターボ機械３００を通過する空気流は、出口３５５を通って取り込みノズル４３５の入口４５５に流入し、排出流の矢印Ｆｅで示されるように排出ポート４６０の外に出るようになる。排出空気流Ｆｅは、周囲空気４４５を２次空気ダクト４４０に引き込む取り込みポート４６５において負圧を生成する。２次空気流４７０は内壁セクション４７５において２つに分かれ、排出流Ｆｅと混合して排出流Ｆｅと共に排出される２次排出空気流４８０と、追加冷却の必要に応じて配向される２次冷却空気流４５０とを生じる。取り込みノズル４３５は、ターボ機械３００の出口３５５と一体化することができ、或いは、例えばボルト、ネジ又は溶接などの公知の手段を用いて別個に取り付けられてもよい。
【００３０】
ターボ機械システム２００の別の実施形態を図９に示し、該システムは、回路基板１２０の一部又は別個のモジュラー支持構造体であってもよい取付面２１０と、表面２１０に結合された高出力密度デバイス（ＨＰＤＤ）（例えば集積回路）２２０と、図２のターボ機械３００、熱交換器２３０、及び移行ダクト２４０に代わるターボ機械５００とを有する。ターボ機械５００は、表面２１０に結合され、ＨＰＤＤ２２０を冷却するために高フラックス冷却空気（冷却媒体の第１のタイプ）と高フラックス冷媒（冷却媒体の第２のタイプ）とを供給する。或いは、ターボ機械５００は、以下により詳細に説明するように、高フラックス冷却空気又は高フラックス冷媒のいずれかのみを供給してもよい。ターボ機械システム２００は、１．７５インチよりも大きくない全体寸法「Ｄ」を有し、これにより１Ｕ用途に好適なものとなる。１つの実施形態では、ターボ機械システム２００は、図１に示すシステム１００の内部取付具１１０と内部適合する回路基板１２０と一体化される。
【００３１】
図１０を参照すると最も良く分かるターボ機械５００は、第１のターボ機械５０５と、第２のターボ機械５１０と、コンデンサ５１５と、膨張器／蒸発器５２０とを含む。第１のターボ機械５０５、コンデンサ５１５、及び膨張器／蒸発器５２０は、閉ループ冷凍サイクル（ＣＬＲＣ）５２５の一部である。第１のターボ機械５０５は、圧縮機５３０と、好ましくは磁気ベアリングを備える電動機５３５と、タービン５４０と、任意選択のエジェクタ５４５とを含む。電動機５３５は、圧縮機５３０とタービン５４０の両方を駆動する。膨張器／蒸発器５２０は、冷却プレート、熱交換器、又は両方からなることができる。第２のターボ機械５１０は、ターボファン５５０と好ましくは磁気ベアリングを有する電動機５５５とを含む。ターボ機械５００を取り巻くのは、以下により詳細に説明するように、コンデンサ５１５と膨張器／蒸発器５２０にわたる高フラックス空気流を配向させるための空気流通路を備えるハウジング５６０である。
【００３２】
運転状態下では、第１のターボ機械５０５は、ＣＬＲＣ５２５を介して冷媒を駆動するように作動し、第２のターボ機械５１０は、コンデンサ５１５及び膨張器／蒸発器５２０にわたる高フラックス空気を駆動するように作動する。
【００３３】
ＣＬＲＣ５２５では、圧縮機５３０は、冷媒ガスを圧縮して冷媒の温度及び圧力を上昇させる。圧縮機５３０は、符号５２５に全体的に示される供給ラインを介してコンデンサ５１５に結合され、該コンデンサは、高温の冷媒ガスから熱を放散させるコイル５７０（図１１を参照）を含む。コイル５７０は、第２のターボ機械５１０のターボファン５５０によって生成されてコンデンサ５１５にわたって流れる高フラックス空気（符号５６５によって全体的に示される）によって冷却される。コンデンサ５１５はまた、熱伝達を高めるためにコイル５７０に結合された熱交換器２３０を含むことができる。流路５６５に続く周囲空気６００は、コンデンサ５１５の熱交換器２３０を越えて通過し、これにより熱が空気に伝達されて冷媒ガスが冷却される。加熱空気６０２は、ハウジング５６０の出口６２０を通じて排出される。冷媒ガスを冷却すると、該冷媒ガスは、高圧において凝縮して冷媒液となり、膨張器／蒸発器５２０へ流入する。膨張器／蒸発器５２０は、通常はニードルバルブのような膨張バルブ５７５である膨張装置を含む。膨張バルブは、制御システム５８０によって制御され、膨張バルブの前後で冷媒の圧力低下を制御し、これによりＣＬＲＣ５２５内での圧力低下の制御を可能にし、第１のターボ機械５０５の起動時の失速を防止することができる。冷媒液が膨張バルブ５７５を通って流れると、冷媒液は高圧域から低圧域へ移動し、これにより膨張器／蒸発器５２０内部での冷媒の膨張及び蒸発が可能となり、結果として冷媒温度の低下が生じる。低温となった冷媒は、以下により詳細に説明するように、ＨＰＤＤ２２０を冷却するのに使用される。次に冷媒ガスは、タービン５４０及び任意選択のエジェクタ５４５を介して圧縮機５３０へ戻され、ＣＬＲＣ５２５が繰り返される。タービン５４０からエジェクタ５４５までの低圧／低温冷媒ガスに対する代替的流路は、符号５９０によって全体的に示される電動機５３５を経由するものであり、電動機５３５の冷却が可能となる。
【００３４】
任意選択のエジェクタ５４５は、圧縮機５３０からの高圧の冷媒をタービン５４０からの低圧の冷媒と混合するのに使用され、これにより、圧縮機５３０を通過する質量流量を増大させて圧縮機の失速を防止する。圧縮機５３０からエジェクタ５４５までの高圧流路を符号５８５で全体的に示す。圧縮機の失速を防止する代替的構成は、可変速圧縮機及び可変速圧縮機を制御するための制御システム（図４のワイヤ３６５を参照）を含む。
【００３５】
１つの実施形態では、膨張器／蒸発器５２０は、低温冷媒によって冷却される熱交換器２３０（図２、図１１を参照）を含む。第２のターボ機械５１０によって駆動され膨張器／蒸発器５２０を越えて通過する周囲空気６００は、熱交換器２３０によって冷却される。膨張器／蒸発器５２０の下流側の冷却空気６０５は、ハウジング５６０内の通路を介してターボ機械５００の外に配向され、図９及び図１０に示すようにＨＰＤＤ２２０へ向けて配向される。
【００３６】
別の実施形態では、膨張器／蒸発器５２０は、低温冷媒によって冷却される冷却プレート６１０を含む。ＨＰＤＤ２２０に熱的に結合された冷却プレート６１０は、高温のＨＰＤＤ２２０が熱を冷却プレート６１０へ渡すときにＨＰＤＤ２２０を冷却する。冷却プレート６１０は、図１０に示すようにターボ機械５００のハウジング５６０内に配置することができ、或いは、図９に示すようにターボ機械５００からある距離を置いた位置で供給ライン６１５を介してターボ機械システム２００の表面２１０上に配置してもよい。
【００３７】
更に別の実施形態では、膨張器／蒸発器５２０は、熱交換器２３０と冷却プレート６１０の両方を含み、熱交換器２３０はターボ機械５００のハウジング５６０内に配置され、冷却プレート６１０はターボ機械５００からある距離を置いた位置でハウジング５６０の外に配置される。膨張器／蒸発器５２０を１つが冷却プレート６１０構成要素を有し、２つ目が熱交換器２３０構成要素を有するように２つの別個の構成要素に分割して、ターボ機械５００を適切な大きさにすることにより、冷却プレート６１０によりＨＰＤＤ２２０の冷却を達成することができ、且つ回路基板１２０上の２次構成要素の冷却は、当該目的のために配向される熱交換器２３０からの冷却空気６０５によって達成することができる。ＨＰＤＤ２２０の冷却が目的であるので、ＣＬＲＣ５２５が最初に低温冷媒を冷却プレート６１０に、次いで熱交換器２３０に供給するのが好ましいが、しかしながら、この構成は限定的なものではなく、別の冷媒流路を使用してもよい。本明細書で説明される冷却プレート６１０及び熱交換器２３０の相対的配置は、限定を意図するものではなく、特定の冷却作業に好適な任意の構成が依然として本発明の教示に従うことになる点は理解されるであろう。
【００３８】
ここで図２及び図９の両方を参照すると、ターボ機械システム２００のモジュールの実施形態が示され、表面２１０は線６５０で第１の表面６５５と第２の表面６６０とに分割される。第１のモジュールの実施形態では、第１の表面６５５は、図２を参照して上記に説明したように、ターボ機械３００と、熱交換器２３０と、移行ダクト２４０とを含むターボ機械モジュール６６５を提供する。第２のモジュールの実施形態では、第１の表面６５５は、図９を参照して上記に説明したように、ターボ機械５００と、冷却プレート６１０と、供給ライン６１５とを含むターボ機械モジュール６６５を提供する。第２の表面６６０は、冷却されるべきＨＰＤＤ２２０を全体的に又は部分的に含む回路基板１２０を示す。図２の第１のターボ機械モジュール６６５では、熱交換器２３０は第１の表面６５５の縁部６５０に突出し、これにより熱交換器２３０が第２の表面６６０上でＨＰＤＤ２２０に熱的に結合することができる。代替的に、熱交換器２３０は、最初にＨＰＤＤ２２０に熱的に結合され、次いで第１の表面６５５が第２の表面６６０に固定され、移行ダクト２４０が熱交換器２３０と当接して上記で説明した方法で機能するようになる独立型の構成要素とすることができる。図９の第２のターボ機械モジュール６６５では、冷却プレート６１０は、フレキシブル供給ライン６１５を介して第１の表面６５５の縁部６５０を越えて延び、これにより冷却プレート６１０が第２の表面６６０上でＨＰＤＤ２２０に熱的に結合することが可能になる。或いは、冷却プレート６１０は、最初に第２の表面６６０上又はその内部に組み込まれ、ＨＰＤＤ２２０に熱的に結合することができ、次いで、第１の表面６５５が第２の表面６６０に固定され、供給ライン６１５が分割線６５０において、ソケット又ははんだ接続といった適切なコネクタにより一体的に接続される。第１及び第２の表面６５５、６６０は、限定ではないが、スナップ式コネクタ、プラグインコネクタ、ネジ又はボルトを用いて各表面６５５、６６０に固定されるブリッジストラップ、又は接着手段などの任意の適切な固定手段によって一体的に固定される。図２又は図９のいずれかのターボ機械モジュール６６５はまた、寸法「Ｄ」が１．７５インチよりも大きくない１Ｕ用途に好適である。
【００３９】
ターボ機械システム２００は、限定ではないが、電動機３１０、３２５、可変速圧縮機５３０、膨張バルブ５７５などの、こうしたシステムを含むターボ機械３００、５００を制御する種々の制御電子機器（図４のワイヤ３６５、及び図１０の制御システム５８０を参照）を含むことができる。制御電子機器は、限定ではないが、表面実装技術、接着剤及び熱接合（溶接、はんだ付け、熱接着、熱可塑性溶融）を含む任意の適切な手段によって表面２１０に結合することができる。制御電子機器はまた、ターボ機械システム２００の起動を制御するためにソフトスタータを含むことができ、これにより起動時の電力サージ又は失速を防止する。
【００４０】
ターボ機械システム２００によって使用される冷却方法の１つの実施形態を図１２に示し、該冷却方法は集積回路のようなＨＰＤＤ２２０を冷却するのに使用される。ここで図１２を参照すると、方法７００は、高フラックス空気（高質量流量）がマイクロターボ圧縮機３４０、５３０を使用するターボ機械３００、５００内に引き込まれるステップ７０５で始まる。冷却方法７００が冷却媒体として空気を用いる場合には、経路７１０に続く。冷却方法７００が冷却媒体として冷媒を用いる場合には、経路７１５に続く。
【００４１】
次に処理経路７１０を参照すると、高フラックス空気は、ＨＰＤＤ２２０に熱的に結合された熱交換器２３０を越えて引き込まれ７２０、これにより、空気が熱交換器２３０を越えて通過して熱がＨＰＤＤ２２０から熱交換器２３０に伝達され、次いで高フラックス空気に伝達されると、空気温度が上昇することになる。次に、熱交換器２３０からの高フラックス空気は、圧縮機３４０において圧縮され７２５、ターボ機械３００の出口３５５において排出される７２５。
【００４２】
次に処理経路７１５を参照すると、冷媒は最初にターボ圧縮機５３０において圧縮される７３０。圧縮機５３０を出ると、冷媒はコンデンサ５１５に流れる７３５か、又は任意選択的に、１つの経路がコンデンサ５１５に流れ、他の経路がエジェクタ５４５に還流する２つの流れ経路に分割される７３５。エジェクタ５４５に戻る任意選択的な流路を含む決定は、システム設計、及びターボ機械５００の失速が設計の考慮事項であるか否かによって決定され、圧縮機５３０からの高圧冷媒の付加は、エジェクタ５４５を介した圧縮機５３０への質量流量の増加をもたらす。コンデンサ５１５では、冷媒から熱が奪われることによって冷媒が凝縮され７４０、この熱は以下に説明する高フラックス空気によって奪われる。冷媒の凝縮後、冷媒は、膨張器／蒸発器５２０を通って流れて、そこで低温／低圧ガスに膨張して蒸発７４５し、低温／低圧の冷媒ガスは上記に説明した冷却プレートを介して、或いは以下に説明する高フラックス空気流を介してＨＰＤＤ２２０を冷却するのに使用される。次に、低圧の冷媒ガスは圧縮機５３０に還流し７５０、サイクルを繰り返す。低圧の冷媒ガスの圧縮機５３０への還流経路は、ターボ機械５０５の電動機５３５経由であっても良く、これにより電動機５３５が冷却される。エジェクタ５４５が使用される場合には、低圧の冷媒ガスはエジェクタ５４５に還流し７５０、そこで、サイクルの繰り返しを開始する前に、圧縮機５３０からの高圧冷媒ガスと混合される。冷媒サイクルと並行して、第２のターボ機械５１０は、コンデンサ５１５にわたる第１の高フラックス空気流と、膨張器／蒸発器５２０にわたる第２の高フラックス空気流とを生成する７５５、７６０。熱交換器２３０と同様の熱交換器を含むことができるコンデンサ５１５では、熱は冷媒から熱交換器を介して第１の高フラックス空気流に伝達される７５５。次いで、加熱空気は、ハウジング５６０の出口６２０を通って排出される７５５。コイル５７０を含み且つ熱交換器２３０を含むことができる膨張器／蒸発器５２０において、熱は第２の高フラックス空気流からコイル５７０及び熱交換器２３０を介して冷媒に伝達される７６０。次に、冷却空気は、ＨＰＤＤ２２０又は、図９に示すように回路基板１２０上の他の低出力密度デバイスを冷却するために排出される７６０。
【００４３】
次いで、図１３及び図１４を参照すると、ターボ機械３００は、電動機３１２と、第１段圧縮機ベーン３７０を有し且つ電動機３１２の一方端に配置された第１段マイクロ圧縮機３４２と、第２段圧縮機ベーン３７５を有し且つ電動機３１２の他方端に配置された第２のマイクロ圧縮機３４３とを含む、マイクロターボ圧縮機として示される。第１及び第２段マイクロ圧縮機３４２、３４３は、電動機３１２と一体的に構成することができ、これによりコンパクトなマイクロターボ圧縮機システムが提供される。電動機３１２の冷却を強化するために、冷却フィン３８０を電動機３１２のステータの外面上に機械加工することができ、該冷却フィン３８０は、電動機３１２の一方端から他方端に延びる。第１及び第２段マイクロ圧縮機３４２、３４３は、冷却フィン３８０の間の空気をそれぞれ駆動し且つ引き出すように適切な直径及び空気流プロフィールを備えて配置される。冷却フィン３８０は通常、冷却を強化するために非線形な幾何学的形状であり、一般的には曲線的プロフィールを有する。図１３及び図１４は、ただ１つの電動機３１２と２つのマイクロ圧縮機３４２、３４３とを示しているが、代替的な構成では、図４に示すような複数の電動機と複数のマイクロ圧縮機とからなることができる。
【００４４】
次に図１５−図１７を参照すると、種々の熱交換強化機能を有する高フラックス／低圧力低下熱交換器２３０が示されている。熱交換器２３０は、図３に示すように熱交換器２３０をＨＰＤＤ２２０に熱的に結合するためのベース７８０と、熱交換器２３０の一方端７９５においてターボ機械３００によって駆動される矢印７９０で示す空気を受け入れるためにベース７８０に対して直角に配置された複数の平行な冷却フィン７８５とを含み、該空気は熱交換器２３０の反対側の端部８００において排出される。
【００４５】
第１の熱交換強化機能は、冷却フィン７８５上に配置された複数の凹面８０５又はベース７８０上の凹面８０６によって与えられ、冷却フィン７８５の効率を高める。用語凹面８０５、８０６は、凹部、凹み、ディンプル、孔又は同様のものを意味し、熱混合と熱伝達を高める渦流を生成するのに役立つ。１つの実施形態において、凹面は貫通孔からなることができるが、例えばディンプルと比較して有効熱伝達は低下することになる。凹面８０５の形状は通常、半球形又は逆切頭円錐形状である。別の実施形態では、凹面８０５の形状は、全半球形の任意の扇形である。幾つかの実施形態では、凹面８０５は、上述の冷却フィン７８５の全体又は一部上に配置される。凹面８０５は、冷却フィン７８５からの熱伝達を強化するのに役立つパターンで上述の表面上に形成される。凹面８０５、８０６の動作の様態は、空気流と冷却フィン７８５との間の相互作用の増大として一般に説明され、これにより結果として凹面８０５の無い冷却フィン７８５と比較して熱伝達が改善されることになる。加えて、空気流と各個々の凹面との間の熱的相互作用は、凹面の無い表面に対して表面積が増大したことに起因して大きくなり、この表面積の増大は各個々の孔の形状の結果である。従って、空気流は、増加した表面積と相互作用し、これにより冷却フィン７８５からの熱エネルギーの除去が強化される。
【００４６】
所与の１つの凹面８０５に対する深さ「Ｙ」（図１７、図１８を参照）は通常、必須ではないが、冷却フィン７８５の全長「Ｌ」を通じて一定のままである。深さ「Ｙ」（図１７、図１８を参照）は、一般に孔の表面直径「ｄ」の約０．１０から約０．５０倍の間の範囲内にある。更に、凹面８０５の深さ「Ｙ」は、約０．００２インチから約０．１２５インチの間の範囲内にある。凹面８０５の中心間間隔「Ｘ」（図１７、図１８を参照）は、一般に、凹面８０５の表面直径「ｄ」の約１．１から約２倍の間の範囲内にある。１つの実施形態では、凹面８０５は通常、パルス電解加工（ＰＥＣＭ）法を用いて形成される。代替的な実施形態では、凹面８０５は通常、放電加工（ＥＤＭ）法を用いて形成される。
【００４７】
第２の熱交換強化機能は、ベース７８０上に配置された局所冷却領域８１０によって提供され、該領域は、表面積の熱伝達を強化するために、ベース７８０に（例えば、ろう付け又は接着を用いて）接着され且つ局所的に表面積を増大させる離散的な粗さ要素によって提供することができ、又は、表面テクスチャ（例えば、粗度）を増大させる機械的処理（例えば、エッチング、機械加工、パルス放電加工、又はマスク電極）を用いて提供することができる。局所冷却領域８１０は、ベース７８０上の所定の場所において使用することができ、ここではベース７８０は、ベース７８０上で過剰な熱を生成してホットスポットを発生させる個々の回路構成要素と当接する。図１５では、冷却フィン７８５上に数個の凹面８０５だけが示され、更に図１５では、ベース７８０上にただ１つの局所冷却領域８１０が示されているが、図１５に示す図は単に例証に過ぎず、任意の構成での任意の数の凹面８０５、又はベース７８０上の任意の場所における任意の数の局所冷却領域８１０は本発明の範囲に含まれることを理解されたい。
【００４８】
図１５−図１７に示す第３の熱交換強化機能は、熱交換器２３０を通り横断する渦空気流であり、該渦空気流は熱をベース及び冷却フィン７８０、７８５から周囲空気により効果的に伝達する旋回流技術を利用し、該ベースはＨＰＤＤ２２０に熱的に結合されている。図１５は、図１９を参照して以下により詳細に説明されることになる、冷却フィン７８５間に配置され且つベース７８０に熱的に結合された渦流チャンバ８５０を示す。図１６は、互いに平行に配置され且つ各々がベース７８０に熱的に結合された複数の渦流チャンバ８５０を示す。図１６では、渦流チャンバ８５０の側壁８５２及び冷却フィン７８５は、お互いに一体化されており、側壁８５２は冷却フィン７８５として機能する。渦流チャンバ８５０の側壁８５２は、凹面８０５を含むことができ、上記に説明したように熱伝達を強化する。空気流７９０は、渦流チャンバ８５０に第１の端部８５４で流入し、該渦流チャンバ８５０の第２の端部８５６で排出される。渦流チャンバ８５０は、例えば、アルミニウム、亜鉛合金、銅合金、又は熱伝達性添加物を有する成形プラスチックといった適切な熱伝達特性を有する任意の材料から機械加工、キャスト、又は成形することができる。
【００４９】
次に図１９を参照すると、第１及び第２の端部８５４、８５６と、第１及び第２の側面部８５８、８６０と、それぞれ第１及び第２の側面部８５８、８６０上の内側リブ８６２、８６４と、第１及び第２の縁部８６６、８６８と、凹面８０５（第１の側面部８５８上にだけ示されているが、第２の側面部８６０上にも凹面８０５が存在することができることは理解されるであろう）とを有する、渦流チャンバ８５０の実施形態の組立分解等角図が示されている。空気流７９０は、第１の端部８５４において受け入れられ第２の端部８５６で排出される。内側リブ８６２は傾斜して配置され、即ち、所与の直線から衝突空気流７９０（ｘ−方向８７０）に逸れて、ｘ−方向８７０に対して正のベータ角度で示される。内側リブ８６４はまた、ｘ−方向８７０に対して斜めに配置されるが、これはｘ−方向８７０に対して負のベータ角度で配置される。よって、リブ８６２と８６４との間に含まれる角度はベータ角の２倍（２ベータ）である。内側リブ８６２、８６４は通常、それぞれ正のベータ角度と負のベータ角度の直線リブであるが、曲線状のリブはまた、それぞれ正及び負のベータ角度で配置される場所で内側リブ８６２、８６４の一部だけを使用してもよい点を理解されたい。内側リブ８６２、８６４は、必ずしもそれぞれ正及び負の同じベータ角度である必要はない点も理解されたい。リブ８６２、８６４の主な機能は、空気流を転向領域８１５において１組のチャネル（リブ８６２、８６４の間）から他のチャネルに再配向することであり、その際に熱伝達の強化をもたらす。これを達成するためには、幾何学的形状は、リブ８６２、８６４間のチャネルが転向領域８１５（図２０を参照）において空きスペースを備えて重なり合うように配置される。
【００５０】
転向領域８１５は、転向領域のない従来型の熱交換器と比較して、熱交換器２３０のベース７８０からの熱伝達を局所的に強化する役割を果たす。熱伝達を強化させるための転向領域８１５の数は、例えば、ベース７８０に熱的に結合されたＨＰＤＤ２２０の位置に依存する熱伝達速度及び熱勾配の均一性などの、所定の設計要件に基づいて決定するよう技術者に任されている点を理解されたい。また、技術者に任されているものは、第１及び第２の側面部８５８、８６０の第１の縁部８６６（図示されないが、及び第２の縁部８６８）における転向流域８１５の全体的な幅及び長さ、並びにチャネルの寸法、及び同様にリブ８６２、８６４の寸法及び形状がある。
【００５１】
組み立てられた状態では、第１及び第２の側面部８５８、８６０は、内側リブ８６２、８６４が互いに近接するように互いに当接する。第１及び第２の側面部８５８、８６０は、例えばファスナ、機械式又はスナップ嵌合、又は、熱的又は化学的接合のような公知の手段を用いて結合することができる。或いは、熱交換器２３０内での第１及び第２の側面部８５８、８６０の配置は、ベース７８０、冷却フィン７８５、又は両方のオフセット（図示せず）によって保持することができる。第１及び第２の側面部８５８、８６０の第１の端部８５４は、入口圧力損失を低減するために丸みを帯びた端部８７２を含むことができ、これは、ノイズを低減し、圧力低下の損失のために空気流を改善する。内側リブ８６２、８６４の端部は、熱交換器２３０の所望の冷却特性に応じて、整列されてもよいし又は整列されなくてもよい。
【００５２】
空気流７９０が第１の端部８５４に衝突すると、空気流７９０は、対向する斜めの角度を有する内側リブ８６２、８６４に突き当たる。内側リブ８６２によって影響を受けた空気流は、正のベータ方向へ配向され、内側リブ８６４によって影響を受けた空気流は、負のベータ方向へ配向される。第１の側面部８５８から第２の側面部８６０へ、及びその逆の空気の通過は、渦流チャンバ８５０内で空気流に方向転換をもたらし、これにより渦流が発生する。
【００５３】
次に図２０を参照すると、第１の縁部８６６が開放され第２の縁部８６８閉じている渦流チャンバの別の実施形態８７４が示される。組立状態では、第１の縁部８６６は、ベース７８０に近接して配置され、第２の縁部８６８はベース７８０から離れて向かい合う。図２０の構成では、渦流チャンバ８７４を通過する渦空気流は、ベース７８０に衝突することが可能とされ、これによりベース７８０から周囲空気への熱伝達が強化される。渦流チャンバ８７４はまた、上記に説明したように第２の側面部８６０上に凹面８０５を示す。
【００５４】
図１７及び図１８に示す渦流チャンバ８５０、８７４は、正及び負のベータ角度をそれぞれ有する内側リブ８６２、８６４を含み、該ベータ角は、図２１に示すグラフ９００を参照することによって最も良く分かるように、約１５度以上ｋら約６０度以下の値まで変化することができる。約１５度から約６０度までにわたるベータ角によって、結果として第１の側面の内側リブ８６２が、第２の側面の内側リブ８６４に対して約３０度から約１２０度の間の範囲の角度で配置されるようになる。ベータ角は、本特許の範囲を逸脱することなく許容範囲に対応するために、規定の寸法から幾分変えることができる。グラフ９００は、平均熱伝達係数（ＨＴＣ）の増大９０５と渦角度（ベータ）９１０との間の関係を、狭渦チャネル９１５及び広渦チャネル９２０、及び異なるレイノルズ数（Ｒｅ＝３３，０００（数字９２５）、Ｒｅ＝７７，０００（数字９３０））に対して示す。グラフから分かるように、ベータ角９１０の増加は、一般に平均熱伝達係数（ＨＴＣ）の増大９０５をもたらす。しかしながら、Ｒｅ＝３３，０００（９２５）での広い渦流チャンバ９２０では、乱流が増大した。狭い渦流チャンバ９１５すなわちＲｅ＝７７，０００（９３０）の場合、平均熱伝達係数（ＨＴＣ）の増大９０５は、ベータ角９１０の増加と共に一貫して増大した。狭い渦流チャンバ９１５は、多数の冷却フィンが使用される場合のヒートシンク形状及び寸法に十分適合するので、広い渦流チャンバ９２０より優れている。約３０度以上から約５０度以下の渦ベータ角を有する渦流チャンバ（狭いチャンバ及び広いチャンバ）の使用は、渦流チャンバの無い同一の熱交換器と比較すると、２−３．５倍の間の平均ＨＴＣの増大をもたらすことが分かった。好ましいベータ角は約４５度である。例えば約５０度のような約４５度より大きいベータ角は、図２１で分かるように平均熱伝達係数を増大させることはできるが、渦流チャンバ８５０は、より大きな圧力損失を生じることになる、これにより技術者の設計上のトレードオフが定められる。例えば、７２０ｌｂｓ／ｈｒのオーダーの大規模空気流量では、渦流チャンバ８５０を備える熱交換器２３０の実施形態は、１０％の圧力低下を生じる可能性がる。従って、７２０ｌｂｓ／ｈｒの流量に起因する圧力低下を相殺するためには、場合によっては渦流チャンバ８５０のベータ角を小さくする必要がある。
【００５５】
渦流チャンバ８５０の１つの実施形態は、各側面部８５８、８６０にリブ８６２、８６４の間に少なくとも３つの別個の角度付流路８７６を与えるが、その全てが縁部８６６、８６８で転向して流れを別の壁に再配向する１０個の流路を有してもよい。図２０に示す転向領域８１５は第１の縁部８６６においてのみ示されているが、第２の縁部８６８においても適用できることを理解されたい。各個々の流路８７６の好ましい高さ対幅（図１６での「Ｈ」及び「Ｗ」）のアスペクト比は１．０であるが、該アスペクト比は０．５から２までの範囲とすることができる。従って、各流路８７６の寸法は、渦流チャンバ８５０のチャネル数、冷却フィン７８５の数（渦流チャンバ８５０の壁を分離する）、及び全熱交換器２３０の全体寸法と釣り合いが取れたものである。例示の目的であって限定の目的ではないが、５つの冷却プレート７８５を有する熱交換器２３０は４つの渦流チャンバ８５０を収容することができ、各渦流チャンバは流路８７６を有する２つの対向する側面部８５８、８６０から構成される。冷却フィン７８５間の距離が１インチであれば、各流路８７６の高さは約０．５インチとなる。熱交換器２３０の全体高さが１．７５インチであり且つ流路８７６の数が４である場合には、各流路の幅はその入口平面において約０．４インチとなる。流路の角度（ベータ）が約３０度であれば、流れによって見える流路幅は約０．３５インチとなり、流路のアスペクト比は約１．４となる。
【００５６】
次に図２２及び図２３を参照すると、移行ダクト２４０、４１５の別の実施形態が示される。代替的な実施形態の移行ダクト９５０は移行ダクト２４０と極めてよく類似するが、以下で開示する本発明の原理は、移行ダクト４１５にも適用可能である点を理解されたい。
【００５７】
移行ダクト９５０は、複数の冷却フィン７８５を有する熱交換器２３０から駆動された空気を受け入れるために第１の流れ面積９５６を備える第１の端部９５４と、駆動された空気をターボ機械３００（図２−図４を参照）に排出するために第２の流れ面積９６０を備える第２の端部９５８とを有するダクトハウジング９５２を含む。第１の流れ面積９５６の１つの例は、２．７５平方インチであり、第１の流れ面積９５６は、冷却フィン７８５の厚さに相当する投影面積４平方インチより小さい。第２の流れ面積９６０の１つの例は、１平方インチである。１Ｕ用途に好適な限りは他の流れ面積を用いてもよい。ダクトハウジング９５２の内部は、第１の流れ面積９５６を有する幾何学的形状から第２の流れ面積９６０を有する幾何学的形状に移行するキャビティ９６２である。キャビティ９６２内には、第１の流れ面積９５６から第２の流れ面積９６０への流れ面積の変化を制御するための複数の流れ制御フィン９６４がある。流れ制御フィン９６４は、熱交換器２３０の冷却フィン９６４に近接して配置された第１の端部９６６と、移行ダクト９５０の第２の端部９５８に向って延びる第２の端部９６８とを有する。幾つかの流れ制御フィン９６４は、第２の端部９５８まで全体に延びることができるが、少なくとも幾つかの流れ制御フィン９６４は、第２の端部９５８まで全体に延びないことが好ましく、これは、移行ダクト９５０にわたる流れの狭窄を低下し且つ圧力低下を少なくする。移行ダクト９５０内の流れ制御フィン９６４の数は、熱交換器２３０の冷却フィン７８５の数以下とすることができ、実際の流れ制御フィン９６４の数は、ターボ機械システム２００の所望の熱伝達特性及び所望の圧力低下特性によって決定される。
【００５８】
高フラックス空気流７９０が移行ダクト９５０の第１の端部９５４で受け入れられると、該高フラックス空気流７９０は、流れ制御フィン９６４の第１の端部９６６によって別個の流路に分割される。次に、分割された空気流は第１の流れ面積９５６から第２の流れ面積９６０に向って漏斗状に流れ、そこで、流れ制御フィン９６４の第２の端部９６８において近接する流路内で近接する空気流によって結合される。次いで、再結合された空気流は、移行ダクト９５０の第２の端部９５８においてターボ機械３００への入口へ向って排出される。
【００５９】
例示的な実施形態では、ターボ機械３００によって駆動されて熱交換器２３０を通過する空気の質量流量は、毎時１５０−３６０ポンド（ｌｂ／ｈｒ）のオーダー、熱交換器２３０を通過する流れ面積は２．７５平方インチ（ｓｑ−ｉｎ）（上述済み）であり、これにより、５４．５ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎから１３０．９ｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎの間の質量流量対流れ面積比が得られる。他の例示的な実施形態では、質量流量対流れ面積比は、５４．５ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ（上述済み）から９０．９ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ（流れ面積２．７５平方インチを通る２５０ポンド／時間空気質量流量）までの間にある。例示的な質量流量対流れ面積比は、前述の移行ダクト２４０、４１５、９５０のいずれにも適用可能である。次に、図２４を参照すると最も良く分かるように、上記に説明した流れ面積２．７５平方インチは例証に過ぎず、どのようにも限定するものではない点を理解されたい。図２４のグラフ８２０は、１平方インチから４平方インチまでの８３０−８３６の範囲にわたる平方インチ（ｉｎ＾２）単位の異なる流れ面積８２６に対して、ｌｂｓ／ｓｅｃ単位の空気質量流量８２４の関数としてｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ単位の質量流量対流れ面積比（質量流量−面積比）８２２を表わしたものである。図示のように、質量流量対流れ面積比は、流れ面積４平方インチで０．００５ｌｂｓ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ（１８ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ）から流れ面積１平方インチで０．０４ｌｂｓ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ（１４４ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎ）までの範囲に及ぶ。従って、本発明の実施形態に適用可能な質量流量対流れ面積比の範囲は、１８から１４４ｌｂ／ｈｒ／ｓｑ−ｉｎであることを示す。
【００６０】
本発明の実施形態では、移行ダクト２４０、４１４、９５０、並びに出口３５５及び取り込みノズル４３５などの排出ダクトの内面、或いは冷却フィン７８５の露出面は、図２５に示すように、音響減衰特性を与えるために音響吸収材料で処理することができる。図２５は、流れダクト９８０の一部分を示しているが、図２５に関係する教示は、同様に音響減衰を望ましいとすることができる、例えば熱交換器の冷却フィンのような他の表面にも等しく適用可能であることを理解されたい。流れダクト９８０は、壁厚「ｄｒ」で、図２６の断面図の壁部分９８５として示される。壁部分９８５は、内壁９９０、バルクアブソーバ９９２、及び外壁９９４から構成され、バルクアブソーバ９９２は、内壁と外壁９９０、９９４の間に挟まれている。外壁９９４は、機能的構造体であり、通常、金属のような固体材料から構成され、内壁９９０は、セラミックス、又は例えば約２０％から約６０％までの空隙率を有する焼結金属のような多孔性材料であり、バルクアブソーバ９９２は、例えば、ポリパラフェニレン  テレフタルアミド（ＤｕＰｏｎｔ社が提供しているＫｅｖｌａｒ（登録商標））又はガラス繊維のような音響減衰材料から構成される。或いは、バルクアブソーバ９９２は、特定の周波数を吸収するために調整されたセル寸法を有するハニカム構造から構成することができる。乱流成分を含むことができる空気流９８２が、流れダクト９８０を通って内壁９９０の表面にわたって通りするときに、空気流は、空気流が内壁９９０の多孔表面と衝突する音波を生成する。これらの音波の一部は後方に反射することができ、一部は内壁９９０の多孔表面を通過し、バルクアブソーバ９９２によって吸収されて、これによりターボ機械システム２００の作動ノイズが低減される。
【００６１】
本発明を例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ均等物を本発明の構成要素と置き換え得ることを当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく本発明の教示に対して特定の状況又は材料に適合させるために多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施することが企図された最良の形態として開示される実施形態に限定されず、本発明は、添付の請求項の範囲に包含される全ての実施形態を含むであろうことが意図される。更に、第１の、第２のなどの用語の使用は、任意の順序又は重要度を意味するものではなく、第１の、第２のなどの用語は１つの要素を他と区別するために使用される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態を使用するコンピュータサーバシステム。
【図２】本発明の実施形態によるターボ機械システムの等角図。
【図３】図２のシステムの側面図。
【図４】本発明の実施形態によるターボ機械。
【図５】本発明の実施形態で使用される遠心圧縮機。
【図６】本発明の実施形態で使用される多ホイール軸流圧縮機。
【図７】図２及び図３のターボ機械システムに対する代替的な実施形態。
【図８】図４のターボ機械に対する代替的な実施形態。
【図９】図２のターボ機械システムに対する代替的な実施形態の等角図。
【図１０】図４のターボ機械に対する代替的な実施形態。
【図１１】本発明の実施形態で使用されるコンデンサの概略断面図。
【図１２】本発明の実施形態を使用するためのプロセス。
【図１３】多段マイクロ圧縮機を有する本発明の実施形態。
【図１４】多段マイクロ圧縮機を有する本発明の実施形態。
【図１５】本発明の実施形態で使用する熱交換機。
【図１６】本発明の実施形態で使用する熱交換機。
【図１７】図１５のヒートシンクの一部の詳細図。
【図１８】図１７の詳細図の更なる詳細図。
【図１９】本発明の実施形態で使用する渦流チャンバの組立分解等角図。
【図２０】本発明の実施形態で使用する渦流チャンバの組立分解等角図。
【図２１】本発明の実施形態による平均熱伝達係数の増大を渦角度の関数として示すグラフ。
【図２２】本発明の実施形態で使用する熱交換器と移行ダクトの等角図。
【図２３】図２２の熱交換器と移行ダクトの平面図。
【図２４】本発明の１つより多い実施形態に対する質量流量比を空気質量流量の関数として図示するグラフ。
【図２５】本発明の実施形態で使用する流れダクトの一部分。
【図２６】図２５の流れダクトの壁厚の断面図。
【符号の説明】
【００６３】
２１０  取付表面
２２０  高出力密度デバイス（ＨＰＤＤ）
２３０  熱交換器
２４０  移行ダクト
３００  ターボ機械
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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