(57)【要約】【課題】高さが減少した熱伝達装置を提供する。【解決手段】本装置は、実質的に垂直な内部冷却フィンを有する凝縮器を備えている。入口が、熱伝達流体を気体状態で冷却フィンの頂部まで導き、そこで、気体は凝縮してフィンを下って凝縮器の底部まで流れる。凝縮器の底部は、液体熱伝達流体を、流体を保持する貯蔵器まで導くように出口に向かって角度が付けられている。入口および出口はともに、貯蔵器内で液体状態の熱伝達流体の高さを超える高さに配置されている。本装置はまた、凝縮器の外側に、熱伝達流体と液体状態または気体状態のいずれでも接触しない冷却面を提供するフィンも備えることができる。【選択図】図４ａ
2016153720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝達装置で使用され、液体状態および気体状態のうちの少なくとも一方で熱伝達流体を保持する貯蔵器に結合されるように適合された凝縮器であって、
前記貯蔵器から前記熱伝達流体を気体状態で受け取る入口と、
前記熱伝達流体を液体状態で前記貯蔵器に戻す出口と、
第１ヘッダ空間および第２ヘッダ空間と、
を含み、
前記入口が、前記貯蔵器に対して前記出口の高さより大きい高さに配置されており、前記熱伝達流体を前記気体状態で前記第１ヘッダ空間に導入するように構成されており、
前記出口が、前記熱伝達流体を前記液体状態で前記第２ヘッダ空間に導くように構成されており、
前記入口および前記出口の各々が、前記貯蔵器内で前記熱伝達流体のその液体状態における高さを超える高さに配置されており、
前記凝縮器内に配置された実質的に垂直のフィンのアレイ
を含み、
前記フィンが内部を通る通路を画定し、前記通路が、前記第１ヘッダ空間および前記第２ヘッダ空間に通じ、かつ前記通路を通る前記熱伝達流体の流れを可能にし、前記フィンの各々が、その少なくとも一方の側部に複数の溝を有し、
前記溝が、前記伝達流体の重力方向に実質的に位置合せされている、凝縮器。
【請求項２】
前記第１ヘッダ空間および前記第２ヘッダ空間が互いから分離されている、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項３】
前記第１ヘッダ空間および前記第２ヘッダ空間が１つのヘッダ空間を構成している、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項４】
前記入口および前記出口が単一導管を形成している、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項５】
前記入口および前記出口が前記凝縮器の同じ側にある、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項６】
前記熱伝達流体がその液体状態にあるときに前記熱伝達流体の前記出口への流れを促進するように前記出口の方向に傾斜するように配置されている底面を有する、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項７】
前記溝が前記フィンの両側にある、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項８】
前記溝が、前記フィンの前記両側に一致した対で配置されている、請求項７に記載の凝縮器。
【請求項９】
前記溝が、前記フィンの前記両側に互い違いの関係で配置されている、請求項７に記載の凝縮器。
【請求項１０】
前記凝縮器の深さが前記高さより大きく、それにより前記熱伝達装置が減少した高さを有することができる、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項１１】
前記凝縮器の外側に複数の第２フィンをさらに含み、前記複数の第２フィンが、前記熱伝達流体とその液体状態または気体状態のいずれにおいても接触していない、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項１２】
前記チャンバと熱連通している前記凝縮器チャンバの上方または下方の少なくとも一方に液体冷却板をさらに含む、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項１３】
垂直方向のゆとりが小さい環境で使用される熱伝達装置であって、
熱伝達流体を液体状態で保持する貯蔵器と、
凝縮器であって、
前記貯蔵器から前記熱伝達流体を気体状態で受け取る入口、
前記熱伝達流体を液体状態で前記貯蔵器に戻す出口、ならびに
第１ヘッダ空間および第２ヘッダ空間、
を有し、
前記入口が、前記出口より上方に配置されており、前記熱伝達流体をその気体状態で前記第１ヘッダ空間に導入するように構成されており、
前記出口が、前記熱伝達流体をその液体状態で前記第２ヘッダ空間に導くように構成されており、
前記入口および前記出口の各々が、前記貯蔵器内で前記熱伝達流体のその液体状態における高さを超える高さに配置されており、
前記凝縮器内に配置された実質的に垂直のフィンのアレイ
を有し、
前記フィンが内部を通る通路を画定し、前記通路が、前記第１ヘッダ空間および前記第２ヘッダ空間に通じ、かつ前記通路を通る前記熱伝達流体の流れを可能にし、
前記フィンの各々が、その少なくとも一方の側部に複数の溝を有し、
前記溝が、前記伝達流体の重力方向に実質的に位置合せされている、
凝縮器と、
を含み、
前記熱伝達流体がその気体状態で、前記入口を通って前記凝縮器の前記第１ヘッダ空間に入ることができ、その後、前記熱伝達流体が前記通路の頂部を通って流れて前記フィンと接触し、そこで前記気体が凝縮し、その後、前記熱伝達流が、前記通路の底部を通って前記第２ヘッダ空間に、その後前記出口に戻るように流れて前記貯蔵器に戻る、熱伝達装置。
【請求項１４】
前記熱伝達流体を前記貯蔵器から前記入口に導く第１導管をさらに含む、請求項１３に記載の熱伝達装置。
【請求項１５】
前記第１導管が、前記熱伝達流体をその気体状態で前記貯蔵器から前記入口に導くように適合されている、請求項１４に記載の熱伝達装置。
【請求項１６】
前記凝縮した熱伝達流体をその液体状態で前記出口から前記貯蔵器まで導く第２導管をさらに含む、請求項１４に記載の熱伝達装置。
【請求項１７】
前記凝縮器が、前記熱伝達流体がその液体状態にあるときに、前記熱伝達流体の前記出口への流れを促進するように前記出口の方向に傾斜するように配置されている底面を有する、請求項１３に記載の熱伝達装置。
【請求項１８】
前記凝縮器の外側に複数の第２フィンをさらに含み、前記複数の第２フィンが、前記熱伝達流体とその液体状態または気体状態のいずれにおいても接触していない、請求項１３に記載の熱伝達装置。
【請求項１９】
前記凝縮器の深さがその高さより大きく、それにより前記熱伝達装置が減少した高さを有することができる、請求項１３に記載の熱伝達装置。
【請求項２０】
前記熱伝達装置に外部熱伝達機器を取り付けて、前記凝縮器との熱接触を提供し、かつ前記熱伝達装置にさらなる熱伝達能力を提供する手段をさらに含む、請求項１３に記載の熱伝達装置。
【請求項２１】
前記凝縮器の外側に施されて、前記熱伝達機器と前記凝縮器との間に熱伝導を提供する熱伝達媒体をさらに含む、請求項２０に記載の熱伝達装置。
【請求項２２】
前記熱伝達媒体が、熱伝導パッド、熱伝導ゲルおよび熱伝導グリースのうちの１つから選択される、請求項２１に記載の熱伝達装置。
【請求項２３】
前記取り付ける手段が、前記外部熱伝達機器を前記凝縮器に接触させるばねを含む、請求項２０に記載の熱伝達装置。
【請求項２４】
障壁構成要素をさらに含む、請求項２０に記載の熱伝達装置。
【請求項２５】
前記障壁構成要素が筐体の１つの壁である、請求項２４に記載の熱伝達装置。
【請求項２６】
前記筐体が、前記熱伝達装置を実質的に包囲している、請求項２５に記載の熱伝達装置。
【請求項２７】
前記筐体が、前記熱伝達装置の前記貯蔵器を実質的に包囲している、請求項２５に記載の熱伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．発明の分野
本発明は、少なくとも１つの蒸発器と、少なくとも１つの凝縮器と、冷却流体によって物体を間接的に冷却するのに用いるために蒸発器および凝縮器を接続する１つまたは複数の流体導管とを有する閉ループ流体冷却システム等の熱伝達装置と、より詳細には、冷却流体を、コンパクトな環境で冷却される物体と間接的に熱接触するように導く、高さが減少した熱伝達装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
受動閉ループ二相流体冷却システムは、限定なしにコンピュータチップ等、過度の熱を発生する物体を冷却するために使用される周知の熱伝達装置である。受動という用語は、冷却流体を循環させるためにいかなる機械化されたポンプも使用しないシステムを意味するように意図されている。流体を受動システムにおいて循環させる目的は、熱が加えられる際の流体の浮力変化および相変化に由来する。蒸発器は、通常、冷却される物体と熱接触するように配置され、液体形態の冷却流体は、液体を冷却される実際の物体から分離する面を通過する。このように、流体が決して物体と直接接触することなく、流体と物体との間で熱を伝達することができる。流体に熱を加えることにより、流体の少なくとも一部が気化する。その後、気体は凝縮器に運ばれる。気体が液体状態に再凝縮する際に熱が放出される。凝縮された液体は蒸発器に戻され、この気化−凝縮サイクルは繰り返す。図１ａは、こうした従来技術による凝縮器１００を示し、図１ｂはその詳細を示す。従来技術による凝縮器は、通常、円形断面のチューブ１０２かまたは楕円形あるいは矩形断面を近似する平坦チューブを使用して、凝縮面を提供する。これらのチューブは、通常、それらの長手方向軸を垂直にして配置される。これらのチューブの外周に適合するように寸法が決められた開口部を備える複数の冷却フィン１０４が、水平に配置されている。図１の従来技術による凝縮器１００では、空気冷却フィン１０４の間に凝縮器チューブが散在しており、したがって、空気冷却フィンおよび凝縮器チューブは液体ヘッダタンク１０６の上方かつ気体ヘッダタンク１０８の下方の同じ垂直領域を占有する。気体導管１１０が加熱気体を気体ヘッダタンク１０８に導き、凝縮物戻りライン１１２が凝縮液１１４を貯蔵器１１６に戻す。
【０００３】
したがって、この従来技術による構成では、空気冷却フィン１０４のすべてが、凝縮流体（凝縮物１１４）用の収集箇所の上方、特に液体ヘッダタンク１０６の上方に位置していることが必要である。これは、従来技術による凝縮器の唯一最大の限界である。従来技術による凝縮器のこの限界を、図１を、本発明を示す図２と比較することによって最もよく示すことができる。図２では、空気冷却フィン１１８が凝縮器チャンバの領域の上方および下方に位置していることが分かる。図２は、凝縮器チャンバ１２０の領域の上方および下方の両方の空気冷却フィン１１８を示すが、空気冷却フィン１１８を、凝縮器チャンバ１２０の上方または下方のいずれかに配置することができることが理解されるべきである。空気冷却フィン１１８の間に凝縮器フィン（凝縮器１２０内、図２には示さず）が散在していない。これは、凝縮器フィンがそれらの間に冷却空気を通す必要がないため、凝縮器フィンを、従来技術の設計のように互いから水平に離れるように間隔を空ける必要がないことを意味する。これは、さらに、本発明の凝縮器フィンは、従来技術の設計よりそれらの垂直軸に沿ってより短いが、それらの水平方向の間隔がより近いことにより、より多くのフィンを使用することができ、したがって従来技術の設計と実質的に等しい総凝縮物表面積が可能になることを意味する。本発明を、従来技術の設計に実質的に等しい総空気冷却フィン領域を提供するように同様に構成することができる。本発明の重要な利点は、凝縮流体（凝縮液１１４）用の収集箇所が、従来技術による設計のものより実質的に高い位置にあるということである。本発明のこの重要な利点、すなわち凝縮物表面積および凝縮液用の収集箇所を利用可能な空間内で高くかつ蒸発器構成要素の高さより十分上方に配置することができることは、図４の実施形態において最も明らかである。再び図１を参照すると、貯蔵器内の液体の高さ（ＲＨ）と凝縮器内の流体の高さ（ＣＨ）との差は、重力水頭と呼ばれることもある重力高さ（ＧＨ）である。図に示すように、図２のＧＨ−２は、図１のＧＨ−１より実質的に大きい。各設計が凝縮物を凝縮器から貯蔵器に戻すことができることは、それらのそれぞれの重力高さＧＨ−１およびＧＨ−２に直接結び付いている。所与の利用可能な高さ（ＡＨ）に対して、従来技術による設計および本発明の両方を、空気冷却フィン面積および内部凝縮器表面積が実質的に等しいように構成することができる場合、本発明は、そのＧＨの方が高いためにより高い熱負荷で動作することができる。これは、凝縮物戻りの質量輸送速度が達成可能な熱伝達の最大量に直接関連しているためである。
【０００４】
従来技術の設計と比較して本発明の利点をさらに説明するために、再び図３を参照する。図３は、本発明と同じ重量高さ（ＧＨ−２）を提供するように構成された従来技術型の設計を示す。図３に示すように、この構成により、凝縮器の下方に使用することができない領域１２２があるため、空気冷却フィンおよび凝縮器チューブのための垂直方向の空間が実質的に小さくなる。空気冷却フィン面積および凝縮器チューブ面積の低減により、この構成は本発明より劣るものになる。
【０００５】
上述した理由により、本発明は、利用可能な高さ（ＡＨ）が比較的低いことを必要とする用途、すなわち「薄型」設計において、従来技術による設計の凝縮器と比較してより高い熱負荷を伝達することができる。
【０００６】
薄型を達成するように方向が変えられた従来技術型の凝縮器の例があるが、これらは、通常、別の著しい設計考慮事項を犠牲にして薄型を達成する。
【０００７】
たとえば、米国特許第７，４２２，０５２号は、実質的に水平に配置された凝縮器構成要素を備えた薄型冷却システムを開示している。この凝縮器は、従来技術による垂直の、すなわち直立した凝縮器に概して類似しているが、依然として浅く傾斜していながら水平面により近いように角度が付けられていることを除く。これにより、高さが減少する利益は、実質的に幅が増加することを犠牲にして得られる。
【０００８】
米国特許第７，２３１，９６１号もまた、薄型冷却システムを開示している。この参考文献は、凝縮器を「狭い内部チャネルを有する長いチャンバ」として明記している。このチャンバは、その「長い」寸法が水平面に対して実質的に平行に向けられるように向けられ、水平面は、冷却される装置が取り付けられる面、たとえば冷却されるチップ／プロセッサを支持する回路基板の面を意味するものと解釈される。このチャンバの１つの側面（実質的に垂直な外面）は、空気冷却フィンで埋められている。このチャンバの長さ、幅および高さを定義する、列挙されている寸法範囲に基づいて、チャンバを、単に、従来技術による凝縮器に関して上述した凝縮器チューブの多くに非常に類似する、単一凝縮器チューブと述べることができる。この場合、単一凝縮器チューブは、その長手方向軸を垂直ではなく水平にして配置される。したがって、この設計は、単に凝縮器チューブを水平構成で配置することにより、垂直方向の薄型を達成する。これは、明らかに重力高さを犠牲にして行われる。この限界は、第５段、第１２〜１９行に明示的に列挙されている。
「通常、熱サイフォンの凝縮器は、重力を利用して凝縮器から蒸発器に液体を強制的に送るために、蒸発器の上にまたは蒸発器より高い位置に配置される。この配置は、利用可能な高さが厳しく制限される空間では不可能である。凝縮器の一部が蒸発器より高い位置であるかまたはその逆も可能であるが、凝縮器および蒸発器は、本発明では互いにおよそ水平である。」
【０００９】
この従来技術による設計では、凝縮器の内部容積の著しい部分が、流れない液体によって占有される必要がある、ということも示唆されるべきである。
【００１０】
これは、流れない液体の中に埋め込まれた凝縮器表面で凝縮が発生することができないという点で凝縮器の性能に対する周知の限界、すなわち多くの場合「凝縮器のフラッディング」と呼ばれる状況を表す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、凝縮器は一般に周知でありかつ広く使用されているが、凝縮器を、より効率的に、したがってより競争力があり、費用対効果が大きくかつ有用にすることが引き続き必要とされている。特に、凝縮物の移送のための適切な重力高さと結合された適切な内部凝縮器表面積を提供しながら、非常にコンパクトな環境で物体を冷却するために使用することができる凝縮器を提供することが有用である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、コンピュータチップ等、過熱する傾向がある場合がある物体の効率的かつ有効な冷却を可能にする熱伝達装置を提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、垂直方向のゆとりすなわち上部の余裕が限られている用途で使用される、高さが減少した改善された熱伝達装置を提供することである。
【００１４】
本発明のこれらの目的および他の目的にしたがって、加熱された熱伝達流体を気体から液体に凝縮する実質的に垂直な凝縮器フィンを有するチャンバを備える熱伝達装置が提供される。チャンバは、気体を受け取る入口と、凝縮流体をその液体状態で貯蔵器に戻す出口とを有している。入口および出口はともに、貯蔵器内の液体熱伝達流体の高さより高い高さに配置されている。凝縮面を提供する垂直凝縮器フィンは、入口と出口との間の垂直空間に実質的に配置されている。この配置の利点は、凝縮物が蒸発器に重力によって戻るために、利用可能な垂直高さのより広い部分が残される、ということである。この配置により、同様に、液体を凝縮器構成要素内に押し込む（それが発生した場合、凝縮器のいずれかの部分が動作不能になる）ことのマイナスの結果なしに、液体戻りラインにおいて液体の高さの大幅な変化が可能になる。この構造により、装置は、優れた凝縮性能を達成し、全体的に減少した高さを有することができる。さらに、この構造により、装置は、チャンバの深さがチャンバの内部の高さより大きい、全体的に減少した高さを有することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、チャンバ内の凝縮器フィンは、それらの表面に、チャンバ内の有効冷却面を増大させるように溝を有することができる。溝を、設計上の選択事項として、フィンの両側に、一致した対向する対で配置することができ、または両側に交互に互い違いに配置することができる。通常電気機器または電子機器の冷却に適用されるように、チャンバの外面のうちの１つまたは複数に、チャンバと熱連通する複数の空気冷却フィンが取り付けられている。採用される面は、最も典型的には頂面または底面である。最も一般的には複数のフィン（フィンのアレイと呼ばれる場合もある）が採用されるが、単一フィンを同様に使用することができる。空気が、自然対流手段によるかまたは強制対流手段によって１つまたは複数の空気冷却フィンを通過する。自然対流冷却または強制対流冷却に使用される空気冷却フィンを設計し、製造しかつ採用することは、冷却システム設計の技術分野において周知である。１つまたは複数の空気冷却フィンを使用する代りに、チャンバの頂面あるいは底面のいずれかまたは両方に液体冷却板を配置することができる。このように使用される場合、冷却板は、チャンバと熱連通するようにチャンバに固定される。冷却流体が冷却板内を循環する。冷却流体によって提供される冷却により、チャンバ内部の気体が凝縮する。「液体冷却板」という用語は、「液体冷却ヒートシンク」と同義であり、両用語は本技術分野において周知である。液体冷却ヒートシンクの例は、米国特許第５，８２９，５１６号に開示されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１６】
本発明の他の目的および特徴は、添付の図面とともに考慮される以下の詳細な説明から明らかとなろう。しかしながら、図面は、単に例示の目的で設計されており本発明の範囲を定義するものとして設計されておらず、本発明の範囲については、添付の特許請求の範囲を参照するべきであることが理解されるべきである。図面は必ずしも正確な縮尺で描かれておらず、特に示さない限り、図面は単に、本明細書に記載する構造および手続きを概念的に例示するように意図されていることがさらに理解されるべきである。
【００１７】
本発明をさらに説明するために、同様の数字が同様の部分を指す図面に示されている例示的な実施形態について言及する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１ａ】従来技術による熱伝達装置の概略図である。
【図１ｂ】従来技術による熱伝達装置の概略図である。
【図２ａ】本発明による熱伝達装置の概略図である。
【図２ｂ】本発明による熱伝達装置の概略図である。
【図３ａ】凝縮器が、蒸発器が位置する面より高いように構成されている、従来技術による熱伝達装置の概略図である。
【図３ｂ】凝縮器が、蒸発器が位置する面より高いように構成されている、従来技術による熱伝達装置の概略図である。
【図４ａ】垂直方向薄型の用途で動作するように構成された本発明による熱伝達装置の好ましい実施形態の概略図である。
【図４ｂ】垂直方向薄型の用途で動作するように構成された本発明による熱伝達装置の好ましい実施形態の概略図である。
【図５】本発明による熱伝達装置の第１実施形態で使用されるチャンバの概略図である。
【図６ａ】本発明による熱伝達装置で使用されるチャンバの第２実施形態の概略図である。
【図６ｂ】本発明による熱伝達装置で使用されるチャンバの第３実施形態の概略図である。
【図７】凝縮器チャンバの底部に取り付けられた複数の空冷式フィンを示す図４の熱伝達装置の斜視図であり、矢印が空冷式フィンを横切る冷却空気を示す。
【図８】内部構造を見ることができるようにチャンバの頂部に切取図がある、図４の熱伝達装置の凝縮器構成要素の斜視図である。
【図９ａ】本発明による熱伝達装置で使用されるフィンおよび溝の異なる実施形態の断面図である。
【図９ｂ】本発明による熱伝達装置で使用されるフィンおよび溝の異なる実施形態の断面図である。
【図１０】本発明による熱伝達装置の単一チューブ実施形態の概略断面である。
【図１１】液体冷却板としても知られる液体冷却ヒートシンクが凝縮器チャンバの下方の外面と熱連通して配置されている、本発明による熱伝達装置のさらなる実施形態の斜視図であり、矢印が液体冷却板に入りかつそこから出る冷却流体を示す。
【図１２ａ】回路基板に取り付けられ、かつ回路基板の領域を凝縮器構成要素の領域から分離する隔壁をさらに備えている、本発明の好ましい実施形態の概略図である。
【図１２ｂ】回路基板に取り付けられ、かつ回路基板の領域を凝縮器構成要素の領域から分離する隔壁をさらに備えている、本発明の好ましい実施形態の概略図である。
【図１２ｃ】回路基板に取り付けられ、かつ回路基板の領域を凝縮器構成要素の領域から分離する隔壁をさらに備えている、本発明の好ましい実施形態の概略図である。
【図１３ａ】凝縮器チャンバが断面で示されており、凝縮器チャンバが、空気冷却フィンの１つのアレイが位置する垂直領域Ａの完全に上方の垂直領域Ｂに位置する、本発明による熱伝達装置の凝縮器構成要素の概略図である。
【図１３ｂ】凝縮器チャンバが断面で示されており、凝縮器チャンバが、空気冷却フィンの１つのアレイが位置する垂直領域Ａの実質的に上方の垂直領域Ｂに位置する、本発明による熱伝達装置の凝縮器構成要素の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、図４において全体として１０で、本発明による熱伝達装置または「閉ループ流体冷却システム」が示されている。熱伝達装置１０は、熱伝達流体１４を保持する、蒸発器として作用する貯蔵器１２と、熱伝達流体が気体状態にあるときに熱伝達流体１４を貯蔵器１２から出るように導く第１導管１６と、熱伝達流体１４がその気体状態から液体状態に凝縮されると、熱伝達流体１４を貯蔵器１２に戻るように導く第２導管１８とを備えている。熱伝達流体の液体部分が、凝縮面をあふれさせる前に上昇することができる最大高さを、図４においてｈとして表示する。
【００２０】
好ましい実施形態では、熱伝達流体１４は水または脱イオン水である。設計により、冷却流体に対する所定の要件、たとえば耐凍性、耐食性または冷却流体が非導電性であることが課される場合、アルコール等の有機冷却流体、Ｒ１３４Ａ等の冷媒、または3M FluorinertあるいはNovec Liquids等の工学（engineered）流体を使用することができる。
【００２１】
熱伝達装置１０はまた、凝縮器として作用するチャンバ２０も備え、チャンバ２０は、第１導管１６に結合された入口２２（図７）と、第２導管１８に結合された出口２４とを有している。好ましい実施形態では、チャンバ２０は、気密であり、アルミニウムまたは銅等の金属製である。
【００２２】
図５および図８は、複数の実質的に垂直な凝縮器フィン２６のうちの１つを示し、それらは、チャンバ２０内に配置されて、熱伝達流体１４が、チャンバ２０内に導入されるときのその気体状態から貯蔵器１２に戻るためのその液体状態まで凝縮するための冷却面を提供する。フィン２６は、互いに間隔が空けられて間に通路を形成し、その通路を熱伝達流体１４が流れ、冷却フィン２６の表面のより多くの部分と接触することができる。気体のすべての通路に沿った分散を促進するために、チャンバ２０の頂部に第１開放ヘッダ空間３２（図５および図６ａ）が設けられている。第１開放ヘッダ空間３２は、実質的にチャンバ２０の全幅にわたっており、それにより、気体状態の熱伝達流体１４がチャンバ２０の全幅にわたりその後通路に沿ってチャンバ２０の全深さまで妨げられずに流れることができる（深さ、幅および高さの向きは図８に示す）。気体が２０の全深さおよび全幅に平滑に分散するのを可能にすることにより、冷却フィン２６の最大冷却表面積が最も効率的に露出する。
【００２３】
熱伝達流体１４の貯蔵器１２への戻り流を促進するために、第２開放ヘッダ空間３４が設けられている。第２開放ヘッダ空間は、実質的にチャンバ２０の全幅にわたって延在し、出口２４に通じている。本発明の好ましい実施形態では２つの開放ヘッダ空間が設けられているが、設計上の選択事項として、単一の連続したヘッダ空間（図６ｂにおいて３３として示す）を使用することができ、それは、（気体に比較して）凝縮物の濃度が高いことにより、凝縮物が、単一ヘッダ空間の上方部分を気体に利用可能のままであるようにして、下方部分に自然に集まるためである。
【００２４】
入口２２は、図５および図６ｂに示すようにチャンバ２０の頂部に配置することも、図６ａに示すようにチャンバ２０の側部に配置することもできる。いずれの構成においても、熱伝達流体１４の気体は、第１ヘッダ空間３２に入り、上述したようにフィン２６で凝縮する。構成の選択は、単なる設計上の選択事項であり、用途の要件によって決まり、入口２２に対する適切な位置の選択は、十分に当業者の技能の範囲内にある。
【００２５】
本発明の構造的配置により、凝縮面のすべてを、貯蔵器および液体戻り導管の両方において液体高さの重力的に上方に配置することができる。この構造により、凝縮面が、それらを収容するチャンバとともに、熱伝達装置全体に対して利用可能な垂直高さの比較的小さい部分を占有するというさらなる利点が提供される。
【００２６】
図７は、空冷式フィン３０’が凝縮器チャンバの底部外面に取り付けられている本発明の実施形態を示す。別法として、空冷式フィンの代りに、図１１に示すような液冷式冷却板３０または凝縮器に冷却を提供する任意の他の既知の方法を使用することができる。
【００２７】
熱伝達装置１０の性能を向上させるさらなる可能性は、図９ａおよび図９ｂに示すように、フィン２６に溝４０を設けることである。溝４０を、設計上の選択事項として、フィン２６の両側に、一致した対として配置するか（図９ａ）、または図９ｂに示すように互い違い配置で配置することができる。
【００２８】
設計上の選択事項として、図１０に示すように、入口および出口両方として単一ポート３６を使用することにより、本発明によって提供される利益を具現化することも可能である。単一ポート３６では、気体４２が上方に流れることができる一方で、液体４４が下方に流れることができる。
【００２９】
図１２に示す本発明の別の実施形態では、熱伝達装置４０は、冷却されているマイクロプロセッサとともに、回路基板に取り付けられている。周縁のうちの１つの近くに電気コネクタ４２が配置されている回路基板を、コンピュータシャーシ内のスロット等の別の構造内に挿入することができる。熱伝達装置４０は、凝縮器２０用の冷却手段を提供する液体冷却板４４とともに、回路基板上の電気コネクタ４２と嵌合するように寸法が決められた電気コネクタ４６を支持している。そのように配置される場合、回路基板がシャーシに挿入されたとき、電気コネクタ４２、４６は互いに嵌合し、凝縮器２０は液体冷却板４４と嵌合する。凝縮器２０と液体冷却板４４との間の嵌合は、熱を効率的に伝達するために２つの構成要素間に優れた熱連通を提供しなければならず、この理由で、熱グリースあるいはゲル等、熱伝達を促進するインタフェース材料４８または熱インタフェースパッドが、嵌合面の間に配置される。典型的な実施では、グラファイト系パッド等、固体／非グリースインタフェース材料が、接着剤によって一方の構成要素の面に永久的に固定される。接着剤のない面は他方の構成要素と接触する。これにより、２つの構成要素を、インタフェース材料に損傷を与えることなく繰返し組み立てるかまたは「嵌合させ」かつ分解することができる。液体冷却板４４内を循環する冷却流体を、サーバ、メインフレームコンピュータおよび電気通信機器の冷却の技術分野において周知である複数の手段によって提供することができる。２つの具体的な例は以下の通りである。（１）専用の独立型冷却器が、冷却流体、通常脱イオン水を所定温度でかつ所定体積流量で提供することができる。冷却板に入る液体の温度は、冷却されているマイクロプロセッサの所望の最大動作温度に従って設定される。冷却流体の体積流量は、伝達される必要がある総ワット数に従って、かつ液体冷却板内の冷却流体の所望の最大温度上昇によって設定される。これらのパラメータ、すなわち冷却板に入る冷却流体温度および冷却流体の体積流量の両方に対して設定値を求めることは、周知でありかつ長年にわたる工学的方法によって達成することができ、それには、過度の実験は不要である。別法として、（２）冷却されている機器を収容する建築施設、たとえば多くのサーバを収容しサポートするデータセンタが、冷却水を、所定温度および圧力で十分な体積流量で提供することができる。これを、「ユーティリティ水」と呼ぶ場合がある。必要な熱伝達を達成するようにこれらの値に基づいて液体冷却板を設計することを、先の例におけるように、周知のかつ長年にわたる工学的方法で達成することができる。
【００３０】
この実施形態の利点は、チップまたはマイクロプロセッサ等の流体冷却される電子コンポーネントを、それが実装されている回路基板とともに、液体冷却板構成要素に冷却流体を提供するかまたはそれから冷却流体を除去する配管を妨げることなく、修理または交換のために取り外すことができる、ということである。これにより、電子コンポーネントを間接的に冷却するために水を使用する危険が低下し、それは、点検および保守を含む通常運転時に、冷却水が漏出し電子コンポーネントに損傷を与える危険が低下するためである。この利益を、物理的障壁、たとえば、回路基板領域を液体冷却板領域から分離する隔壁または壁５０を設けることによってさらに強化することができる。極端に言うと、物理的障壁を、回路基板を収容する（点線５２によって示唆するような）筐体の形態とすることができ、そこでは、凝縮器構成要素および電気コネクタは筐体の１つの壁を通って突出する。図１２ｃに示すように、構造は、インタフェース材料４８を筐体５２’の外側に残して、凝縮器２０を完全に封入することさえも可能である。
【００３１】
図１２では、液体冷却板は、凝縮器２０の傾斜した底面と嵌合している。液体冷却板４４には、対応して角度が付けられた上面が設けられている。回路基板は水平に移動して、電気コネクタ４６および液体冷却板４４両方と係合する。ばね５４が、液体冷却板の上面を凝縮器構成要素の下面に向かって付勢して、インタフェースに優れた熱連通を提供する。空冷式フィンと同様に、液体冷却板を、凝縮器の下面、上面または両方で使用することができる。図１２では、液体冷却板は傾斜面を有しているが、これは単に設計上の選択を表すものである。（最も一般的であるように）上面および下面が平行である冷却板を、凝縮器構成要素の傾斜面と嵌合する必要に応じて冷却板全体を傾斜させることによって使用することができる。
【００３２】
いずれの実施形態または構成においても、本発明による熱伝達装置は、特に、本発明の構成のために垂直空間が限られている用途に対して、既知の従来技術による装置と比較した場合、高さ減少し、改善されかつ効率的な熱伝達を可能にする。
【００３３】
したがって、本発明の基本的な新規の特徴を、その好ましい実施形態に適用されるものとして図示し記載し指摘してきたが、例示した装置の形態および詳細ならびにそれらの動作のさまざまな省略および置換および変更を、本発明の趣旨から逸脱することなく当業者によって行うことができる。たとえば、同じ結果を達成するために実質的に同じ機能を実質的に同様に行うそれらの要素のすべての組合せは、本発明の範囲内にあることが明示的に意図されている。さらに、本発明の実施形態の任意の開示された形態に関連して示し、ならびに／もしくは記載した構造および／または要素を、一般的な設計上の選択事項として、任意の他の開示されたもしくは記載されたもしくは示唆された形態または実施形態に組み込むことができる。したがって、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲の範囲によって示されているようにのみ限定されるべきである。
【図１ａ】
2016153720.tif 000003
【図１ｂ】
2016153720.tif 000004
【図２ａ】
2016153720.tif 000005
【図２ｂ】
2016153720.tif 000006
【図３ａ】
2016153720.tif 000007
【図３ｂ】
2016153720.tif 000008
【図４ａ】
2016153720.tif 000009
【図４ｂ】
2016153720.tif 000010
【図５】
2016153720.tif 000011
【図６ａ】
2016153720.tif 000012
【図６ｂ】
2016153720.tif 000013
【図７】
2016153720.tif 000014
【図８】
2016153720.tif 000015
【図９ａ】
2016153720.tif 000016
【図９ｂ】
2016153720.tif 000017
【図１０】
2016153720.tif 000018
【図１１】
2016153720.tif 000019
【図１２ａ】
2016153720.tif 000020
【図１２ｂ】
2016153720.tif 000021
【図１２ｃ】
2016153720.tif 000022
【図１３ａ】
2016153720.tif 000023
【図１３ｂ】
2016153720.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月22日(2016.3.22)
【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】
熱伝達装置で使用され、液体状態および気体状態のうちの少なくとも一方で熱伝達流体を保持する貯蔵器に結合されるように適合された凝縮器であって、
頂壁および底壁を有するチャンバと、前記貯蔵器から前記熱伝達流体を気体状態で受け取る入口と、前記熱伝達流体を液体状態で前記貯蔵器に戻す出口と、前記チャンバ内の第１ヘッダ空間および第２ヘッダ空間と、を含み、
前記入口が、前記貯蔵器に対して前記出口の高さより大きい高さに配置されており、前記熱伝達流体を前記気体状態で前記第１ヘッダ空間に導入するように構成されており、
前記出口が、前記熱伝達流体を前記液体状態で前記第２ヘッダ空間に導くように構成されており、
前記入口および前記出口の各々が、前記貯蔵器内で前記熱伝達流体のその液体状態における高さを超える高さに配置されており、
前記チャンバ内に前記頂壁から前記底壁に延びるように配置された、実質的に垂直のフィンのアレイを含み、
前記フィンが内部を通る通路を画定し、前記通路が、前記第１ヘッダ空間および前記第２ヘッダ空間に通じ、かつ前記通路を通る前記熱伝達流体の流れを可能にする、凝縮器。
【請求項２】
前記熱伝達流体がその液体状態にあるときに前記熱伝達流体の前記出口への流れを促進するように前記出口の方向に傾斜するように配置されている底面を有する、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項３】
前記フィンの各々は、複数の溝を有しており、
前記複数の溝は、前記熱伝達流体の重力方向に実質的に位置合せされている、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項４】
前記溝が、前記フィンの両側に一致した対で配置されている、請求項３に記載の凝縮器。
【請求項５】
前記溝が、前記フィンの前記両側に互い違いの関係で配置されている、請求項３に記載の凝縮器。
【請求項６】
前記凝縮器の深さが前記凝縮器の高さより大きく、それにより前記熱伝達装置が減少した高さを有することができる、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項７】
前記凝縮器の外側に複数の第２フィンをさらに含み、前記複数の第２フィンが、前記熱伝達流体とその液体状態または気体状態のいずれにおいても接触していない、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項８】
前記チャンバの上方または下方の少なくとも一方に、前記チャンバと熱連通している液体冷却板をさらに含む、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項９】
垂直方向のゆとりが小さい環境で使用される熱伝達装置であって、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の凝縮器と、熱伝達流体を液体状態で保持する貯蔵器と、を含み、
前記熱伝達流体がその気体状態で、前記入口を通って前記凝縮器の前記第１ヘッダ空間に入ることができ、その後、前記熱伝達流体が前記通路の頂部を通って流れて前記フィンと接触し、そこで前記気体が凝縮し、その後、前記熱伝達流が、前記通路の底部を通って前記第２ヘッダ空間に、その後前記出口に戻るように流れて前記貯蔵器に戻る、熱伝達装置。
【請求項１０】
前記熱伝達流体を前記貯蔵器から前記入口に導く第１導管をさらに含む、請求項９に記載の熱伝達装置。
【請求項１１】
前記凝縮した熱伝達流体をその液体状態で前記出口から前記貯蔵器まで導く第２導管をさらに含む、請求項１０に記載の熱伝達装置。
【請求項１２】
前記熱伝達装置に外部熱伝達機器を取り付けて、前記凝縮器との熱接触を提供し、かつ前記熱伝達装置にさらなる熱伝達能力を提供する手段をさらに含む、請求項９に記載の熱伝達装置。
【請求項１３】
前記凝縮器の外側に施されて、前記熱伝達機器と前記凝縮器との間に熱伝導を提供する熱伝達媒体をさらに含む、請求項１２に記載の熱伝達装置。
【請求項１４】
前記取り付ける手段が、前記外部熱伝達機器を前記凝縮器に接触させるばねを含む、請求項１２に記載の熱伝達装置。
【請求項１５】
障壁構成要素をさらに含む、請求項１２に記載の熱伝達装置。
【請求項１６】
前記障壁構成要素が筐体の１つの壁である、請求項１５に記載の熱伝達装置。
【請求項１７】
前記筐体が、前記熱伝達装置を実質的に包囲している、請求項１６に記載の熱伝達装置。
【外国語明細書】
2016153720000001.pdf