(57)【要約】【解決手段】超音速冷却システムは液体をポンピングすることにより動作する。超音速冷却システムは液体をポンプするので、圧縮システムは凝縮器の使用を要求しない。圧縮システムは圧縮波を用いる。圧縮システムの蒸発器は臨界流レジームにおいて動作し、蒸発器チューブ内の圧力はほぼ一定に維持され、そして周囲の圧力へと「ジャンプ」または「ショックアップ」する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を通じた循環流体流を維持するポンプと、
臨界流レジームで動作し、維持されている流体流に衝撃を与える圧縮波を生成することによって、維持されている流体流の圧力を変化させ、かつ、循環流体流へ導入された熱を交換する蒸発器と、を備え、
循環流体流が蒸発器を通過する前において、その循環流体流には熱は加えられない、超音速冷却システム。
【請求項２】
ポンプおよび蒸発器はハウジングの中に配置される、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項３】
ハウジングはカボチャ型に対応する、請求項２に記載の超音速冷却システム。
【請求項４】
ハウジングの外側の面は強制対流を生じさせ、圧縮システムに導入された熱をさらに交換する、請求項２に記載の超音速冷却システム。
【請求項５】
ポンプは、対応するベアリングおよびシールを有するロータ駆動シャフトを使用するモータにより駆動される、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項６】
ポンプは、ポンプおよび蒸発器を包むハウジングを貫通することを必要としない磁気誘導を使用するモータにより駆動される、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項７】
ポンプは、誘導モータ、ブラシＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータ、ステッパモータ、リニアモータ、ユニポーラモータ、リラクタンスモータ、ボールベアリングモータ、ホモポーラモータ、圧電モータ、超音速モータ、静電気モータからなるグループから選択されたひとつのモータにより駆動される、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項８】
ポンプは、渦流れリングを使用して循環流体を維持する、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項９】
ポンプは、散逸により失われたエネルギに対応するエネルギを渦流れリングに徐々に導入する、請求項８に記載の超音速冷却システム。
【請求項１０】
ポンプは、循環流体流の圧力を約２０ＰＳＩから約１００ＰＳＩへ上昇させる、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項１１】
ポンプは、循環流体流の圧力を１００ＰＳＩ以上に上昇させる、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項１２】
ハウジング内に維持されている冷却液をポンプへ導入するポンプインレットをさらに備え、
冷却液は循環流体流の一部である、請求項２に記載の超音速冷却システム。
【請求項１３】
蒸発器はさらに、約５．５ＰＳＩへの圧力降下を冷却液に引き起こし、冷却液を低温にする対応する相変化を引き起こす、請求項１２に記載の超音速冷却システム。
【請求項１４】
冷却液は水である、請求項１３に記載の超音速冷却システム。
【請求項１５】
圧縮可能流体を高圧領域から低圧領域へ通過させることによってその圧縮可能流体に圧縮波を確立することを含む冷却方法であって、
流体の速度は圧縮可能流体中の音速以上であり、圧縮可能流体が蒸発器を通過する前において圧縮可能流体には熱は加えられず、
本方法はさらに、
圧縮可能流体の流体流に導入された熱を、圧縮可能流体の相変化の間に交換することを含む方法。
【請求項１６】
圧縮可能流体の流れと接触するひとつ以上の面を経由する対流を通じて熱を交換することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
相変化は圧縮可能流体の圧力の変化に対応する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
圧縮可能液体の流体流内での圧力変化は、約２０ＰＳＩから約１００ＰＳＩの範囲内で生じる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
圧縮可能液体の流体流内での圧力変化は１００ＰＳＩ超への変化を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
圧縮可能液体の流体流内での圧力変化は２０ＰＳＩより下への変化を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
ポンプは、循環流体流の圧力を約２０ＰＳＩから約３００ＰＳＩへ上昇させる、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項２２】
ポンプは、循環流体流の圧力を約２０ＰＳＩから約５００ＰＳＩへ上昇させる、請求項１に記載の超音速冷却システム。
【請求項２３】
圧縮可能液体の流体流内での圧力変化は、約２０ＰＳＩから約３００ＰＳＩの範囲内で生じる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
圧縮可能液体の流体流内での圧力変化は、約２０ＰＳＩから約５００ＰＳＩの範囲内で生じる、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願へのクロスリファレンス］
本願は、２００９年３月２５日に出願された米国仮出願（番号６１／１６３，４３８）および２００９年７月２５日に出願された米国仮出願（番号６１／２２８，５５７）の優先権の利益を享受する。上述の各出願の開示は参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本発明は、主に冷却システムに関し、特に超音速冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来知られている蒸気圧縮システムは一般に圧縮器と凝縮器と蒸発器とを含む。これらのシステムは膨張デバイスも含む。従来の蒸気圧縮システムでは、ガスが圧縮され、それによってそのガスの温度は周囲の温度を超えて増大する。圧縮ガスは次に凝縮器を通過し、そこで液体となる。凝縮され液化されたガスは次に膨張デバイスを通過する。その膨張デバイスは圧力および対応する温度を低下させる。その結果得られる冷媒は、蒸発器において沸騰する。この蒸気圧縮サイクルは当業者に広く知られている。
【０００４】
図１は、従来技術のなかに見出されうる蒸気圧縮システム１００を示す。図１に示される従来の蒸気圧縮システム１００では、圧縮器１１０がガスを（約）２３８ポンド／平方インチ（ＰＳＩ）まで圧縮し、温度を１９０Ｆとする。凝縮器１２０は、熱せられ圧縮されたガスを（約）２２０ＰＳＩおよび１１７Ｆにして液化する。凝縮器（１２０）によって液化されたガスは、図１の膨張バルブ１３０を通過する。液化されたガスが膨張バルブ１３０を通過することによって、圧力は（約）２０ＰＳＩまで低下する。圧力降下に伴って対応する温度降下も生じ、図１においては（約）３４Ｆへの温度降下として反映されている。膨張バルブ１３０での圧力および温度降下により生じた冷媒は、蒸発器１４０において沸騰する。蒸発器１４０によって冷媒が沸騰されることによって、低温蒸気が生じ、図１においては（約）３９Ｆの温度と対応する２０ＰＳＩの圧力とを有するものとして示されている。
【０００５】
図１のシステム１００に関連するサイクルはしばしば蒸気圧縮サイクルと呼ばれる。そのようなサイクルの性能係数（ＣＯＰ）は一般に２．４から３．５の間となる。図１に反映されているように、性能係数は、蒸発器の冷却パワーまたは容量を圧縮器のパワーで除したものである。図１に反映されている温度の参照およびＰＳＩの参照は例示であり説明のためのものであることは注意されるべきである。
【０００６】
図１に示されるような蒸気圧縮システム１００は一般に効率的である。図２は、図１に示されるような蒸気圧縮システムの性能を示す。図２に示されるＣＯＰは、周囲の温度が（約）９０Ｆであるときの典型的な家庭用または自動車用蒸気圧縮システム（図１に示されるようなもの）に対応する。図２に示されるＣＯＰはさらに、固定されたオリフィスチューブシステムを用いた蒸気圧縮システムに対応する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、そのようなシステム１００は、システムの性能限界よりもはるか下の効率（例えば、性能係数）で動作する。図１に示されるような従来の蒸気圧縮システム（１００）においてガスを圧縮するためには、典型的には、５キロワットの冷却パワーごとに１．７５−２．５キロワットが必要となる。この交換レートは最適値よりも低いものであり、圧力上昇と体積流量との積と直接相関がある。同様にかつ最終的には、低下した性能は圧縮器（１１０）の性能（またはそれがないこと）に関連する。
【０００８】
テトラフルオロエタン（ＣＨ２ＦＣＦ３）などのハロアルカン冷媒は希ガスであり、冷蔵庫や車両の空調において高温冷媒として広く使用されている。テトラフルオロエタンはオーバークロックのコンピュータを冷却するためにも使用されている。これらの冷媒希ガスはより一般にはＲ−１３４ガスと呼ばれている。Ｒ−１３４ガスの体積は対応する液体の６００−１０００倍程度になりうる。したがって、システムの潜在能力をより十分に認識し、圧縮器の性能に関連する技術的障壁を乗り越えることができるよう改善された冷却システムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１のクレームされた態様において、超音速冷却システムが開示される。その超音速冷却システムは、流路を通じた循環流体流を維持するポンプと、蒸発器と、を備える。蒸発器は、臨界流レジームで動作し、圧縮波を生成する。圧縮波は、維持されている流体流に衝撃を与えることによって、維持されている流体流のＰＳＩを変化させ、かつ、流体流へ導入された熱を交換する。
【００１０】
第１のクレームされた態様の特定の実施においては、ポンプおよび蒸発器はハウジング内に配置される。ハウジングはカボチャ型に対応してもよい。ハウジングの外側の面は、強制対流および圧縮システムに導入された熱のさらなる交換を生じさせてもよい。
【００１１】
第１のクレームされた態様のポンプは、渦流れリングを使用することによって循環流体流を維持してもよい。ポンプは、渦流れリングに徐々にエネルギを導入し、導入されたエネルギは散逸により失われたエネルギに対応してもよい。
【００１２】
本発明の第２のクレームされた態様は冷却方法である。第２のクレームされた態様の冷却方法を通じて、圧縮可能流体に圧縮波が確立される。圧縮可能液体は高圧領域から低圧領域へ輸送され、対応する流体の速度は圧縮可能流体中の音速以上である。流体流中に導入された熱は圧縮可能流体の相変化の一部として交換される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術のなかに見出されうる蒸気圧縮システムを示す図である。
【００１４】
【図２】図１に示されるような蒸気圧縮システムの性能を示す図である。
【００１５】
【図３】本発明の実施の形態に係る例示的な超音速冷却システムを示す図である。
【００１６】
【図４】図３に示されるような超音速冷却システムの性能を示す図である。
【００１７】
【図５】図３の超音速冷却システムにおける動作方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図３は、本発明の実施の形態に係る例示的な超音速冷却システム３００を示す。超音速冷却システム３００ではガスを圧縮する必要はない。図１に示されるような従来の蒸気圧縮システム１００では、そのような圧縮が圧縮器（１１０）において生じていた。超音速冷却システム３００は、液体をポンピングすることによって動作する。超音速冷却システム３００は液体をポンプするので、圧縮システム３００は凝縮器（１２０）の使用を必要としない。これに対して図１の従来の圧縮システム１００では凝縮器（１２０）の使用が必要とされていた。代わりに圧縮システム３００は圧縮波を用いる。圧縮システム３００の蒸発器は臨界流レジームで動作する。そこでは蒸発器チューブ内の圧力はほぼ一定に維持され、次に周囲の圧力へと「ジャンプ（jump）」または「ショックアップ（shock up）」する。
【００１９】
図３の超音速冷却システム３００は、システム３００のポンプ（３２０）が図１に示されるような従来の圧縮システム１００の圧縮器（１１０）ほどは電力を消費しない（または必要としない）という点で、ある程度の効率を示す。ここに開示される発明の実施の形態にしたがって設計された圧縮システムは、指数関数的なポンプ効率を示してもよい。例えば、従来の圧縮システム（１００）が５キロワットの冷却パワーごとに１．７５−２．５キロワットを必要としうるのに対し、図３に示されるようなシステム（３００）は１４．７ＰＳＩから１２０ＰＳＩへの液体のポンピングを、ポンプに約５００Ｗの電力を消費させることによって行いうる。これらの効率の結果として、システム３００は水を含むがそれに限定されない多くの動作流体を用いることができる。
【００２０】
図３の超音速冷却システム３００はハウジング３１０を含む。図３のハウジング３１０はカボチャのそれと同種である。ハウジング３１０の特定形状または他のデザインは、設備や結合装置や機械装置などシステム３００がどこにまたはどのように取り付けられるかに関し美的感覚の問題でありうる。機能的には、ハウジング３１０は、ポンプ３３０と、蒸発器３５０と、それらに対応するアクセサリ装置または流路（例えば、ポンプインレット３４０および蒸発器チューブ３６０）と、を包む。ハウジング３１０は、システム３００によって使用されるべき冷却液を（内的に）維持する。
【００２１】
代替的な実施の形態では、ハウジング３１０は二次的熱交換機（不図示）を包んでもよい。二次的熱交換機はハウジング３１０およびシステム３００内に含まれることから排除されてもよい。そのような実施の形態では、システム３００の表面領域すなわちハウジング３１０は、ハウジング３１０の外側の面での強制対流を通じた冷却プロセスにおいて使用されてもよい。
【００２２】
ポンプ３３０はモータ３２０によって駆動されてもよい。モータ３２０は図３においてはシステム３００の外部にあり、ハウジング３１０の外側に配置されている。あるいはまた、モータ３２０はシステム３００のハウジング３１０内に含まれてもよい。モータ３２０は図３のポンプ３３０を、対応するベアリングおよびシールを伴うロータ駆動シャフトを通じて、または、磁気誘導を通じて、駆動してもよい。磁気誘導の場合、ハウジング３１０を貫通することは必要とされない。モータ３２０および対応するポンプ３３０に関し、他のモータ設計が使用されてもよく、そのような設計は例えば同期式モータや交流（ＡＣ）モータや直流（ＤＣ）モータを含む。システム３００と共に使用されうる他の電気モータは、誘導モータ、ブラシＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータ、ステッパモータ、リニアモータ、ユニポーラモータ、リラクタンスモータ、ボールベアリングモータ、ホモポーラモータ、圧電モータ、超音速モータ、静電気モータを含む。
【００２３】
ポンプ３３０はシステム３００の内部流体流路を通じての液体の循環を確立する。内部流体流路はそうでなければハウジング３１０内に含まれている。ポンプ３３０は、渦流れリングの使用を通じて、システム３００全体に亘って流体を循環させてもよい。渦リングはエネルギ浴として機能し、それによって、渦リングに追加エネルギが蓄えられる。ポンプ３３０を介して渦リングにエネルギを徐々に導入することにより、散逸を通じて失われたエネルギが入力されたエネルギに対応するようなレベルで、対応するリング渦を機能させることができる。
【００２４】
ポンプ３３０は、システム３００によって使用されている液体の圧力を例えば２０ＰＳＩから１００ＰＳＩまたはそれ以上へと高めるよう動作する。ポンプインレット３４０は、冷却に使用されるべき液体であってそうでなければシステム３００内に常在する（およびハウジング３１０内に含まれる）液体を、ポンプ３３０へ導く。システム３００のこのポイントでは、流体温度は約９５Ｆであってもよい。
【００２５】
インレット３４０によってポンプ３３０へと導かれた流体は、主流路を通過してノズル／蒸発器３５０へと至る。蒸発器３５０は（例えば約５．５ＰＳＩへの）圧力降下および相変化を誘起し、その相変化により低温が生成される。冷却流体はさらに蒸発器３５０において「沸騰」し、それによって常在する液体が冷却剤として使用されてもよい。例えば、液体冷却剤は３５−４５Ｆ（図３に示されるものでは約３７Ｆ）へと水冷されてもよい。上述のように、システム３００（特に蒸発器３５０）は臨界流レジームにおいて動作し、圧縮波の確立を可能とする。冷却流体は蒸発器チューブ３６０を介して蒸発器３５０から出るのであるが、蒸発器チューブ３６０内の流れは臨界レジームにあるので、流体は約２０ＰＳＩまで「ショックアップ（shocked up）」される。システム３００のある実施の形態では、ノズル／蒸発器３５０および蒸発器チューブ３６０は一体化されていてもよく、および／または蒸発器と総称されてもよい。
【００２６】
（散逸のための熱を吸収した）システム３００の冷却流体を熱交換機で冷却し、それによって、冷却剤が熱を吸収した場合（蒸発器３５０を出た後に約９０−１００Ｆとなる）のその熱を散逸させることを助けてもよい。しかしながら、実際の熱交換機の代わりに、（上述のように）システム３００のハウジング３１０を使用し、強制対流によって冷却してもよい。図４は、図３に示されるような超音速冷却システムの性能を示す。
【００２７】
図５は、図３の超音速冷却システム３００についての動作方法５００を示す。ステップ５１０において、ギアポンプ３３０は液体の圧力を上昇させる。圧力は例えば２０ＰＳＩから１００ＰＳＩを超えるところまで上昇してもよい。ステップ５２０において、ノズル／蒸発器３５０を通じて流体が流れる。圧力降下および相変化はチューブ内のより低い温度をもたらす。ステップ５３０において流体が沸騰する。
【００２８】
臨界流量は、圧縮可能流体が高圧領域から低圧領域へ通過する際（すなわち、臨界流レジーム）に圧縮可能流体によって達成されうる最大の流量であり、臨界流レジームにおいて圧縮波を確立し、使用することを可能とする。臨界流は、流体の速度が流体中の音速以上となったときに生じる。臨界流では、チャネル内の圧力は出口の圧力によっては影響を受けず、チャネルの出口においては流体は周囲の条件へと「ショックアップ（shock up）」するであろう。臨界流では、流体は低圧および飽和圧力に対応する温度に維持されるであろう。ステップ５４０において、蒸発器チューブ３６０を出た後、流体は２０ＰＳＩまで「ショック」アップする。ステップ５５０において二次的熱交換機が使用されてもよい。システム３００ハウジング３１０の表面での対流を介して二次的冷却が生じてもよい。
【００２９】
種々の実施の形態が上で説明されたが、それらは例示のみを目的とし限定を目的とせずに示されていることは理解されるべきである。説明は本発明の範囲を本明細書で設定されている特定の形態に限定するよう意図されたものではない。したがって、好適な実施の形態の幅および範囲は上述の例示的な実施の形態によって限定されるべきではない。上の説明は例示であって制限的ではないことは理解されるべきである。反対に、本説明は、添付の請求の範囲によって定義され且つそうでなければ当業者によって理解される本発明の範囲に含まれてもよいような代替例、変形例および均等物をカバーするよう意図されたものである。したがって、本発明の範囲は上記説明を参照するのではなく添付の請求の範囲を参照して、均等物の十分な範囲と共に決定されるべきである。
【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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【国際調査報告】
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