ホーム > 特許ランキング > ＡＣＣＥＬＳＩＵＳ，ＬＬＣ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-16
(54)【発明の名称】熱交換装置および熱交換装置を備えた冷却システム
(51)【国際特許分類】
F28D 15/02 20060101AFI20230609BHJP
H01L 23/427 20060101ALI20230609BHJP
F28D 15/04 20060101ALI20230609BHJP
【ＦＩ】
F28D15/02 101G
H01L23/46 A
F28D15/02 L
F28D15/02 E
F28D15/04 E
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022570289
(86)(22)【出願日】2021-05-19
(85)【翻訳文提出日】2023-01-06
(86)【国際出願番号】 EP2021063262
(87)【国際公開番号】W WO2021233983
(87)【国際公開日】2021-11-25
(31)【優先権主張番号】20175527.9
(32)【優先日】2020-05-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522448702
【氏名又は名称】アクセルシウス エルエルシー
【氏名又は名称原語表記】ＡＣＣＥＬＳＩＵＳ，ＬＬＣ
【住所又は居所原語表記】７８００ Ｓｈｏａｌ Ｃｒｅｅｋ Ｂｌｖｄ． Ｓｕｉｔｅ １２０Ｗ Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ７８７５７，ＵＳ
(74)【代理人】
【識別番号】110002181
【氏名又は名称】弁理士法人ＩＰ－ＦＯＣＵＳ
(72)【発明者】
【氏名】ライアン エンライト
(72)【発明者】
【氏名】ラファエル ルカ アマルフィ
【テーマコード（参考）】
5F136
【Ｆターム（参考）】
5F136CC34
5F136CC37
(57)【要約】
本出願は熱交換装置に関するものであって、入口と出口との間に延びる流体の流れのためのチャネルと、前記チャネルの第１部分と前記チャネルの第２部分とを仕切る多孔質層であって、流体が前記チャネルの前記第１部分から前記チャネルの前記第２部分に移動されることを可能にするように構成された複数の細孔を含む多孔質層と、前記チャネルの前記第２部分の中に位置する複数の蒸発器構造であって、前記蒸発器構造の表面からの流体の蒸発を可能にするように構成されたウィッキング層を含む蒸発器構造と、前記チャネルの前記第１部分からの流体を前記チャネルの前記第２部分からの流体と組み合わせ、組み合わされた流体を前記出口に提供するように構成された排出部とを含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入口と出口との間に延びる流体の流れのためのチャネルと、前記チャネルの第１部分と前記チャネルの第２部分とを仕切る多孔質層であって、流体が前記チャネルの前記第１部分から前記チャネルの前記第２部分に移動されることを可能にするように構成された複数の細孔を含む多孔質層と、
前記チャネルの前記第２部分の中に位置する複数の蒸発器構造であって、前記蒸発器構造の表面からの流体の蒸発を可能にするように構成されたウィッキング層を含む蒸発器構造と、
前記チャネルの前記第１部分からの流体を前記チャネルの前記第２部分からの流体と組み合わせ、組み合わされた流体を前記出口に提供するように構成された排出部とを含む熱交換装置。
【請求項2】
前記多孔質層は、前記蒸発器構造の少なくとも一部を覆うように設けられる請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項3】
前記多孔質層は、流体が毛細管現象によって前記チャネルの前記第１部分から前記チャネルの前記第２部分まで前記細孔を通って流れることを可能にするように構成される前述の何れか一項の請求項に記載の熱交換装置。
【請求項4】
前記多孔質層は、断熱材料を含む前述の何れか一項の請求項に記載の熱交換装置。
【請求項5】
前記多孔質層は、流体が前記多孔質層から前記ウィッキング構造に流れることができるように、前記蒸発器構造の前記ウィッキング層に結合される前述の何れか一項の請求項に記載の熱交換装置。
【請求項6】
前記ウィッキング層は、複数の毛細管構造を含み、前記毛細管構造は、前記多孔質層の細孔よりも小さい細孔サイズを有する前述の何れか一項の請求項に記載の熱交換装置。
【請求項7】
前記蒸発構造からの流体の蒸発は、前記チャネルの前記第２部分の流体に、前記チャネルの前記第１部分の流体よりも高い蒸気含有量を提供する前述の何れか一項の請求項に記載の熱交換装置。
【請求項8】
前記蒸発器構造を介して熱源から前記チャネルの前記第２部分の中の流体に熱を伝達できるように、前記チャネルの前記第２部分を熱源に近接して設けることができるように構成される前述の何れか一項の請求項に記載の熱交換装置。
【請求項9】
前記蒸発器構造は、前記チャネルの前記第２部分を通過する流路を少なくとも部分的に画定する複数のフィンを備える前述の何れか一項の請求項に記載の熱交換装置。
【請求項10】
前述の何れか一項の請求項に記載の前記熱交換装置を１つ以上含む冷却システム。
【請求項11】
１つ以上の熱サイフォンループを含む請求項１０に記載の冷却システム。
【請求項12】
複数の熱源を冷却するために直列に接続された複数の前記熱交換装置を含む１つ以上の前記熱サイフォンループを含む請求項１０から１１に記載の冷却システム。
【請求項13】
１つ以上の液体アキュムレータを含む請求項１０から１２のいずれかに記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明を開示する例示は熱交換装置および熱交換機装置を備えた冷却システムに関するものである。いくつかは、電子機器の冷却に使用するための熱交換装置および冷却システムに関する。
【背景技術】
【0002】
サーバーやデータセンターなどの電子機器を冷却する冷却システムが知られている。これらのシステムは、不要な熱を発生する装置の部品から熱を逃がすことができるように構成されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
必ずしもすべてではないが、本開示の様々な例によれば、提供される熱交換装置は、入口と出口との間に延びる流体の流れのためのチャネルと、チャネルの第１部分とチャネルの第２部分とを仕切る多孔質層であって、流体がチャネルの第１部分からチャネルの第２部分に移動されることを可能にするように構成された複数の細孔を含む多孔質層と、チャネルの第２部分の中に位置する複数の蒸発器構造であって、前記蒸発器構造の表面からの流体の蒸発を可能にするように構成されたウィッキング層を含む蒸発器構造と、チャネルの第１部分からの流体をチャネルの第２部分からの流体と組み合わせ、組み合わされた流体を出口に提供するように構成された排出部とを含む。
【0004】
前記多孔質層は、前記蒸発器構造の少なくとも一部を覆うように提供されてもよい。
【0005】
前記多孔質層は、流体が毛細管現象によってチャネルの第１部分からチャネルの第２部分まで細孔を通って流れることを可能にするように構成されてもよい。
【0006】
前記多孔質層は、断熱材料を含んでもよい。
【0007】
前記多孔質層は、流体が多孔質層からウィッキング構造に流れることができるように、前記蒸発器構造のウィッキング層に結合されてもよい。
【0008】
前記ウィッキング層は、複数の毛細管構造を含むことができ、毛細管構造は、前記多孔質層の細孔よりも小さい細孔サイズを有する。
【0009】
前記蒸発器構造からの流体の蒸発は、チャネルの第２部分の流体に、チャネルの第１部分の流体よりも高い蒸気含有量を提供することができる。
【0010】
当該熱交換装置は、前記蒸発器構造を介して熱源からチャネルの第２部分の中の流体に熱を伝達できるように、チャネルの第２部分を熱源に近接して設けることができるように構成することができる。
【0011】
前記蒸発器構造は、チャネルの第２部分を通過する流路を少なくとも部分的に画定する複数のフィンを備えてもよい。
【0012】
必ずしもすべてではないが、本開示のさまざまな例によれば、先行する請求項のいずれかに記載される１つ以上の熱交換装置を備える冷却システムが提供される。
【0013】
前記冷却システムは、１つ以上の熱サイフォンループを備えてもよい。
【0014】
前記冷却システムは、複数の熱源を冷却するために直列に接続された複数の熱交換装置を備える１つ以上の熱サイフォンループを備えてもよい。
【0015】
前記冷却システムは、１つ以上の液体アキュムレータを備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
詳細な説明に有用な様々な例をよりよく理解するために、添付の図面を一例としてのみ参照する。
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
本開示の例は、高い熱負荷の放散を可能にするために冷却システム３０１で使用できる熱交換装置１０１に関する。冷却システム３０１は、サーバー、データセンター、または使用中に望ましくない高熱負荷を発生する他のタイプの装置などの電子装置を冷却するために使用することができる。
【0019】
図１Ａから１Ｃは、本開示の一例による熱交換装置１０１を概略的に示す。
【0020】
熱交換装置１０１を図１Ａに示す。熱交換装置１０１は、チャネル１０３、多孔質層１０５、複数の蒸発器構造１０７、およびエジェクタ部１０９を備える。
【0021】
チャネル１０３は、入口１１１と出口１１３との間に延在する。チャネル１０３は、流体が入口１１１と出口１１３との間を流れることを可能にするように構成される。チャネル１０３のサイズは、数ｍｍから数ｃｍ程度であり得る。例えば、チャネル１０３は、４ｍｍまたは１０ｃｍの間の長さを有することができる。チャネル１０３のサイズは、熱交換装置１０１が使用される用途に依存し得る。チャネル１０３のサイズは、必要とされる電力散逸および必要とされる質量流量などの要因に依存する。
【0022】
入口１１１の直径は、チャネル１０３内の圧力降下のバランスを取り、流体が入口１１１から出口１１３に流れることができるように、出口１１３の直径よりも小さくすることができる。
【0023】
入口１１１に提供される流体は、熱交換装置１０１を通過する際に液体から気体への相変化を受けるように構成された任意の適切な作動流体を含むことができる。作動流体は、流体内のガスの量が入口１１１と出口１１３との間で増加するように、部分的な相変化を受けるように構成することができる。
【0024】
チャネル１０３は、多孔質層１０５によって第１部分１１５と第２部分１１７に仕切られる。第１部分１１５は、流体が入口１１１からチャネル１０３の第１部分１１５に流れることができるように、入口１１１に結合される。したがって、第１部分１１５内の流体は、より低温の液体リッチ流体である。
【0025】
第１部分１１５は、第２部分１１７の上方に設けられる。多孔質層１０５は、第１部分１１５と第２部分１１７との間に設けられる。多孔質層１０５は、流体が第１部分１１５から第２部分１１７に輸送されることを可能にするが、第２部分１１７から第１部分１１５に伝達される熱を制限するように構成される。多孔質層１０５は、断熱材料を含むことができる。いくつかの例では、多孔質層１０５は、断熱材料に加えて他の材料を含むことができる。多孔質層１０５は、熱が多孔質層１０５を介して第１部分１１５から第２部分１１７に伝導されないように、断熱材料を含むことができる。
【0026】
多孔質層１０５は、チャネル１０３の第１部分１１５からの流体がチャネル１０３の第２部分１１７に輸送されることを可能にする複数の細孔を含む。多孔質層１０５は、毛管作用によって流体がチャネル１０３の第２部分１１７に輸送されることを可能にするように構成される。多孔質層１０５内の細孔のサイズは、チャネル１０３の第２部分内のウィッキング構造１２１の細孔サイズによって決定され得る。多孔質層１０５の細孔のサイズは、流体が低い毛細管の圧力を生成する領域からより高い毛細管の圧力を生成する領域に流れることができるように、ウィッキング構造１２１の細孔サイズよりも大きいか、またはほぼ等しい。
【0027】
複数の蒸発器構造１０７は、チャネル１０３の第２部分１１７に設けられる。複数の蒸発器構造１０７は、チャネル１０３の壁１２３の外側に延びる。壁１２３は、熱負荷に結合することができる。図１Ａに示す例では、蒸発器構造１０７は長方形の断面を有する。本開示の他の例では、他の形状の蒸発器構造１０７を使用できることが理解される。
【0028】
図１Ａの例示的な熱交換装置１０１において、複数の蒸発器構造１０７は、表面にウィッキング構造１２１が設けられた複数のフィン１１９から構成される。ウィッキング構造１２１及びフィン１１９は、図１Ｃにおいてより詳細に示されている。
【0029】
蒸発器構造１０７は、少なくとも部分的に、チャネル１０３の第２部分１１７を通る流路を規定する。蒸発器構造１０７は、チャネル１０３の第２部分１１７を通過する流体に蒸発器構造１０７を通して熱を放散できるように、大きな表面積を有して構成される。
【0030】
熱交換装置１０１は、チャネル１０３の第１部分１１５からの流体をチャネル１０３の第２部分１１７からの流体と組み合わせ、組み合わされた流体を出口１１３に提供するように構成されたエジェクタ部１０９を備える。多孔質層１０５は、エジェクタ部１０９には設けられていない。これは、チャネル１０３の第２部分１１７からの蒸気に富む流体を、チャネル１０３の第１部分１１５からの液体に富む流体と巻き込むことを可能にする。エジェクタ部１０９は、チャネル１０３内の圧力を制御し、流体の流れを出口１１３に向けるためのノズルまたは任意の他の適切な手段を備えることができる。そして、組み合わされた流体は、出口１１３を介して熱交換装置１０１から除去することができる。
【0031】
図１Ａに示す例では、エジェクタ部１０９に蒸発器構造１０７が設けられていない。本開示の他の例では、エジェクタ部１０９内にいくつかの蒸発器構造１０７を設けることができることが理解される。
【0032】
【0033】
図１Ｂは、複数の蒸発器構造１０７がチャネル１０３の幅を横切って延在することを示している。流体がチャネル１０３の第２部分を通って流れることを可能にするために、蒸発器構造１０７の間に空間が設けられる。蒸発器構造１０７の任意の適切な形状を使用可能であることが理解される。いくつかの例では、蒸発器構造１０７は、作動流体の流れと平行に、または実質的に平行に延びる尾根を備えることができる。蒸発器構造１０７は、チャネル１０３内の流体のための出口経路が存在するように配置される。いくつかの例では、蒸発器構造１０７は、柱のアレイまたは他の同様の構造を含むことができる。
【0034】
多孔質層１０５は、蒸発器構造１０７を覆うように設けられ、また、チャネル１０３の幅を横切って延在する。多孔質層１０５は、蒸発器構造１０７の少なくとも一部とチャネル１０３の第１部分１１５との間に多孔質層１０５が提供されるように、蒸発器構造１０７を覆うように提供される。多孔質層１０５は、蒸発器構造１０７の上であるが、チャネル１０３の第１部分１１５の下に提供される。
【0035】
【0036】
この例では、蒸発器構造１０７は、チャネル１０３の壁１２３から延びる複数のフィン１１９を備える。フィン１１９は長方形の断面を有する。本開示の他の例では、フィン１１９の他の形状を提供することができる。
【0037】
フィン１１９は、任意の適切な熱伝導性材料を含むことができる。フィン１１９は、チャネル１０３の壁１２３と同じ材料を含むことができる。
【0038】
ウィッキング構造１２１は、フィン１１９の表面に設けられ、毛管作用によって蒸発器構造１０７から流体を除去できるように構成される。図１Ａに示される例では、ウィッキング構造１２１は、チャネル１０３の壁１２３にも設けられる。ウィッキング構造１２１は、毛管作用を可能にする細孔を設けるメッシュまたは他の適切な構造を含むことができる。
【0039】
いくつかの例では、ウィッキング構造１２１は、三次元印刷、電着プロセス、焼結プロセス、または任意の他の適切なプロセスを使用して形成することができる。ウィッキング構造１２１を形成するために使用されるプロセスは、ウィッキング構造１２１内の細孔のサイズを制御することを可能にする。ウィッキング構造１２１内の細孔のサイズは、ウィッキング構造１２１の空隙率、およびウィッキング構造１２１が蒸発器構造１０７から流体をいかに効率的に除去するかに影響を与える。
【0040】
フィン１１９およびウィッキング構造１２１は、任意の適切な材料で作ることができる。フィンおよびウィッキング構造１２１は、同じ材料または異なる材料で作ることができる。フィン１１９およびウィッキング構造１２１は、蒸発器構造１０７からウィッキング構造１２１を通過する流体に熱を伝えられるようにするために、結晶性セラミックまたは銅などの金属などの熱伝導性材料で作製することができる。
【0041】
図１Ｃに示される例では、多孔質層１０５は、異なるサイズの細孔を含む不均一な多孔質層１０５である。図１Ｃでは、多孔質層１０５は、より小さな細孔サイズを有する第１の副層１２５と、より大きな細孔サイズを有する第２の副層１２７とを含む。第１の副層１２５は、第２の副層１２７の下に提供される。第２の副層１２７は、チャネル１０３の第１部分１１５の境界の少なくとも一部を提供し、流体がチャネル１０３の第１部分１１５から多孔質層１０５に流れることを可能にする。第１の副層１２５は、チャネル１０３の第２部分１１７の境界の少なくとも一部を設け、流体が多孔質層１０５からチャネル１０３の第２部分１１７に流れることを可能にするが、流体がチャネル１０３の第２部分１１７からチャネル１０３の第１部分１１５に戻る逆方向に流れることを制限する。
【0042】
多孔質層１０５は、多孔質層１０５がウィッキング構造１２１に流体結合されるように、蒸発器構造１０７を覆って設けられる。矢印１３１によって示されるように、これにより、チャネル１０３の第１部分１１５からの流体が、多孔質層１０５を通ってウィッキング構造１２１に流れることが可能になる。これにより、チャネル１０３の第１部分１１５からのより低温の流体が、フィン１１９からの熱によって流体が蒸発するウィッキング構造１２１に流入することが可能になる。流体がウィッキング構造１２１から蒸発するにつれて、より多くの流体が多孔質層１０５から吸い上げられ、毛細管現象によってウィッキング構造１２１を通過する。
【0043】
ウィッキング構造１２１は、ウィッキング構造１２１内の細孔のサイズが多孔質層１０５内の細孔のサイズよりも小さくなるように構成することができる。これにより、ウィッキング構造１２１内の毛細管圧が高くなり、流体が多孔質層１０５に戻るのを防ぐことができる。
【0044】
ウィッキング構造１２１からの流体の蒸発は、チャネル１０３の第２部分に蒸気に富む流体を作り出す。
【0045】
熱交換装置１０１が使用されているとき、熱は、矢印１２９によって示されるように、チャネル１０３の壁１２３を通って熱源から熱交換装置１０１に伝達される。熱は、蒸発器構造１０７の熱伝導性材料を通って、フィン１１９の表面上のウィッキング構造１２１に伝達される。この熱は、ウィッキング構造１２１からチャネル１０３の第２部分１１７内で流れる流体中で、流体の蒸発を引き起こす。これにより、チャネル１０３の第２部分１１７に、チャネル１０３の第１部分１１５内の液体に富む流れよりも高温の蒸気に富む流れが生じる。
【0046】
【0047】
図２Ａおよび２Ｂの例では、ウィッキング構造１２１は、ウィッキング構造１２１内に２つの異なる細孔サイズを有する異種構造を含む。ウィッキング構造１２１は、第１の細孔サイズを有する第１の副層２０１と、第２の細孔サイズが第１の細孔サイズよりも小さい第２の細孔サイズを有する第２の副層２０３とを含む。いくつかの例では、第２の細孔サイズは、第１の細孔サイズよりも約４倍小さくすることができる。いくつかの例では、第１の副層２０１の孔は直径４０μｍであり、第２の副層２０３の孔は直径１０μｍである。本開示の他の例では、異なる細孔サイズおよび細孔サイズの比率を使用できることが理解される。
【0048】
第２の副層２０３は、より小さな細孔サイズを有し、ウィッキング構造１２１の外面を形成する。これにより、蒸発した流体がウィッキング構造１２１から熱交換装置１０１のチャネル１０３の第２部分１１７に確実に流れる。
【0049】
この例では、第１の副層２０１は、第２の副層２０３の厚さよりも数倍大きい厚さを有する。図２Ａに示される例では、第１の副層２０１はｔ１＝０．２ｍｍの厚さを有し、第２の副層はｔ２＝０．０５ｍｍの厚さを有する。本開示の他の例では、他の厚さおよび厚さの比率を使用できることが理解される。
【0050】
【0051】
多孔質層１０５は、流体が多孔質層１０５からウィッキング構造１２１に流れることができるように、蒸発器構造１０７を覆って設けられる。図２Ｂに示される例では、多孔質層１０５は、ウィッキング構造１２１内の細孔よりも大きなサイズを有する細孔を有する。これにより、流体がチャネル１０３の第１部分１１５から多孔質層１０５を通ってウィッキング構造１２１に流れ込み、流体が他の方向に流れるのを制限することを確実にする。
【0052】
図２Ａの例では、多孔質層１０５は均一な多孔質層１０５であり、単一の細孔サイズを有する単一のセクションを含む。本開示のいくつかの例では、異なる細孔サイズを持つ異なるセクションを有する異種多孔質層１０５を使用できることが理解される。
【0053】
フィン１１９はＨｆの高さを有する。Ｈｆは数ｍｍになることもある。いくつかの例では、Ｈｆは２．５ｍｍである。本開示の他の例では、他のフィン１１９の高さを使用することができる。
【0054】
図２Ｂに示す例では、隣接するフィン１１９のウィッキング構造１２１間の幅はＷｃ＝０．６ｍｍであり、チャネル１０３の壁上のウィッキング構造１２１と多孔質層との間のギャップの高さは２．２５ｍｍである。他のフィン１１９の寸法およびフィン１１９間の間隔は、本開示の他の例で使用できることが理解される。
【0055】
図２Ｂに示すように、複数の蒸発器構造１０７がチャネル１０３全体に分配されることが理解される。蒸発器構造１０７が互いに等間隔になるように、蒸発器構造１０７はチャネル１０３全体に均等に分配され得る。
【0056】
【0057】
ここで、ｈｗｉｃｋはウィッキング構造１２１の熱伝達係数であり、ｔｗａｌｌはチャネル１０３の壁１２３の厚さであり、ｋｗａｌｌは壁１２３の熱伝導率であり、ＬｃおよびＷｃはチャネル１０３の長さと幅である。
【0058】
ウィッキング構造１２１は、６０Ｗ／ｃｍ２を超える熱流束を取り扱うことができるので、図２Ｂに示されるような蒸発器構造１０７を含む幅４０ｍｍおよび長さ４０ｍｍのチャネル１０３について、熱交換装置１０１の熱抵抗はＲＨＥＸ＝０．０１Ｋ／Ｗのオーダーとすることができる。熱抵抗の値は、チャネル１０３の壁および蒸発器構造１０７に使用される材料ならびに蒸発器構造１０７およびウィッキング構造１２１の寸法および作動流体などの要因に依存する。
【0059】
図３は、冷却システム３０１の概略図を示す。図３は、熱交換装置１０１を冷却システム３０１に一体化する方法を示す。図３の例では、冷却システム３０１は、熱サイフォンループまたは受動二相重力駆動システムを備える。冷却システム３０１は、熱交換装置１０１、上昇器３０３、凝縮器３０５、および下降器３０７を備える。
【0060】
熱交換装置１０１は、図１Ａから２Ｂに示されるようなものとすることができ、対応する特徴には対応する参照番号が使用される。冷却システム３０１は、矢印３１７によって示されるように、熱源３１３からの熱が熱交換装置１０１に伝達され、熱交換装置１０１が熱インターフェース材を介して熱源３１３に熱的に結合されるように構成される。熱源３１３は、使用中に望ましくない熱を発生するサーバーなどの電子装置であり得る。
【0061】
熱は、熱交換装置１０１内の流体の蒸発を発生させ、流体を液相３１１から二相流体３０９に変換する。二相流体３０９は、液体と蒸気の混合物を含む。
【0062】
熱交換装置１０１の出口１１３は、熱交換装置１０１のエジェクタ部１０９からの流体が上昇器３０３に供給されるように、上昇器３０３に結合される。熱交換装置１０１から排出される流体は、熱交換装置１０１からの液体と蒸気との混合物を含むので、二相流体３０９を含む。蒸気は、蒸発器構造１０７からの蒸発ガスを含む。
【0063】
二相流体３０９は、矢印３１９によって示されるように、上昇器３０３を上昇して凝縮器３０５に上昇する。凝縮器３０５は、矢印３２１によって示されるように、熱が凝縮器３０５内の流体から冷却剤３１５に伝達されるように、冷却剤３１５に結合される。これは、蒸気が凝縮して液相３１１に戻るように、蒸気相３０９内の流体を冷却する。凝縮器３０５は、水冷凝縮器、空冷凝縮器、または任意の他の適切なタイプの凝縮器３０５でも可能である。
【0064】
液相３１１の流体は、次に下降器３０７に供給され、そこで熱交換装置１０１の入口１１１に戻される。下降器３０７の高さは、下降器３０７内の流体の静止する先頭部分で流体が熱交換装置１０１を通って流れを生じるように選択することができる。
【0065】
いくつかの例では、冷却システム３０１はリザーバも備えることができる。リザーバは、下降器３０７に設けることができる。リザーバは、液体を貯蔵し、液相３１１の流体が凝縮器３０５に入るのを防ぎ、熱性能の低下をもたらす凝縮器３０５からあふれ出すのを回避するように構成することができる。
【0066】
図４Ａから４Ｃは、熱交換装置１０１を例示的な冷却システム３０１に一体化する方法を示す。図４Ａは、図１Ａに示して上述した熱交換装置１０１を示す。対応する特徴には、対応する参照番号が使用されている。熱交換装置１０１は、図４Ｂおよび４Ｃに示す冷却システム３０１に設けることができる。
【0067】
図４Ｂは、熱交換装置１０１を含む例示的な冷却システム３０１を示す。図４Ｂの冷却システム３０１では、凝縮器３０５は液体冷却凝縮器４０１を含む。液体冷却凝縮器４０１は、図３に示されるように、下降器３０７および上昇器３０３によって熱交換装置１０１に結合される。
【0068】
図４Ｃは、熱交換装置１０１を備える冷却システム３０１の別の例を示す。図４Ｃの冷却システム３０１では、凝縮器３０５は空冷凝縮器４０３を含む。空冷凝縮器４０３は、図３に示されるように、下降器３０７および上昇器３０３によって熱交換装置１０１に結合される。
【0069】
図５は、複数の熱源を冷却するために直列に接続された複数の熱交換装置１０１を有する図３に示されるような熱サイフォンループ３０１を備える冷却システム５１７の別の例を示す。図５の冷却システム５１７は、サーバー、データセンター、または他の同様のタイプの装置などの電子装置を冷却するために使用可能である。
【0070】
図５の冷却システム５１７は、複数のサーバー５０３を備えるサーバーラック５０１を冷却するように構成される。サーバー５０３の各々は、使用中に望ましくない熱を発生する中央処理装置（ＣＰＵ）５０５を備える。図５に示す例では、サーバーラック５０１は６台のサーバー５０３を含む。これは例示的な例であり、本開示の他の例では他の数のサーバー５０３を提供できることが理解される。
【0071】
冷却システム５１７は、複数の熱交換装置１０１を備える。熱交換装置１０１のそれぞれは、図３に示すように熱サイフォンループ３０１内に設けることができる。図５の例では、冷却システム５１７は、サーバーラック５０１内のサーバー５０３のそれぞれに対して少なくとも１つの熱交換装置１０１を備える。図５の例では、冷却システム３０１は、サーバー５０３のそれぞれに対して１つの熱交換装置１０１があるように、６つの熱交換装置１０１を備える。
【0072】
熱交換装置１０１は、ＣＰＵからの熱が熱交換装置１０１に伝達されるように、熱界インターフェース材料を介してサーバー５０３のＣＰＵ５０５に熱的に結合される。
【0073】
冷却システム３０１が使用されているとき、冷水５０７または他の適切な流体が冷却システム３０１に供給されて、熱交換装置１０１内の二相流体を凝縮して入口チャネル５１３内で液体に戻す。図５の例では、リザーバ５０９が凝縮器３０５の出口に設けられている。リザーバ５０９は、液体を貯蔵し、入口チャネル５１３内の液相の流体が凝縮器３０５に入ることを防止して、熱性能の低下をもたらすようなあふれだすことを回避するように構成することができる。
【0074】
複数の熱交換装置１０１は、熱サイフォンループ３０１の作動流体が、ＣＰＵ５０５および任意の他の適切な熱源からの熱を使用して加熱されることを可能にするように構成される。これにより、下降器５１３内の液相から出口チャネル５１５内の液体と蒸気の混合物への作動流体の蒸発が引き起こされる。二相流体は、凝縮器３０５の水側に熱を排出することによって凝縮されて液体に戻る。
【0075】
出口チャネル５１５は、二相流体が凝縮器３０５によって凝縮されて液相に戻るように、凝縮器３０５に結合される。凝縮された出口水５１１は、熱サイフォン作動流体と熱交換されるため、入口水５０７よりも高い温度を有する。凝縮器３０５は、空冷凝縮器、水冷凝縮器、または任意の他の適切なタイプの凝縮器とすることができる。
【0076】
図６は、図５に示される冷却システム５１７内に設けられ得る熱サイフォンループ３０１を示す。熱サイフォンループ３０１は、図３に示され得る熱交換装置１０１、上昇器３０３、凝縮器３０５、および下降器３０７を含む。
【0077】
熱交換装置１０１は、多孔質層１０５と、上述のような複数の蒸発器構造１０７とを備える。熱交換装置１０１は、サーバー５０３のＣＰＵ５０５に結合される。熱交換装置１０１は、熱インターフェース材６０３を介してＣＰＵ５０５に結合される。熱インターフェース材６０３は、ＣＰＵ５０５から熱交換装置１０１への効率的な熱伝達を可能にするように、高い熱伝導率を有する材料を含む。
【0078】
熱サイフォンループ３０１の凝縮器３０５は、図５に示されるように、冷却システムの出口チャネル５１５に結合される。凝縮器３０５は、熱インターフェース材６０１を介して出口チャネルに結合される。熱インターフェース材６０１は、凝縮器３０５から出口チャネル５１５内の流体への効率的な熱伝達を可能にするように、高い熱伝導率を有する再加工可能な材料を含む。この例では、熱インターフェース材６０１は、出口チャネルに結合された凝縮器３０５の側にのみに設けられる。これにより、ホットスワップ可能なシステムを設けるために、冷却システム３０１の使用中に熱交換装置１０１を冷却システム３０１から取り外すことが可能になる。
【0079】
熱サイフォンループ３０１が使用されているとき、ＣＰＵ５０５からの熱は、熱サイフォンループ３０１の熱交換装置１０１内の流体の相変化を引き起こす。次いで、二相混合物中の流体は凝縮器３０５に供給され、そこで矢印６０９によって示されるように、出口チャネル５１５を通過する水または他の流体によって冷却される。
【0080】
サーバーＣＰＵ５０５は、図５に示すように、複数のサーバーＣＰＵ５０５のうちの１つとすることができることが理解される。サーバーＣＰＵ５０５のそれぞれは、異なる熱サイフォンループ３０１に熱的に結合することができる。出口チャネル５１５内の流体は、複数の熱サイフォンループ３０１の凝縮器３０５内の流体を順次冷却するために使用することができる。
【0081】
図６の例では、熱サイフォンループ３０１および熱インターフェース材６０３、６０１が閉ループを提供する。これにより、冷却システム５１７内の熱サイフォンループ３０１のそれぞれが、冷却システム５１７内の他の熱サイフォンループ３０１から独立することが可能になる。これにより、サーバーラックおよび冷却システム５１７が使用されている間に、熱サイフォンループ３０１を取り外して交換することが可能になり、それによって、ホットスワップ可能なモジュラー冷却システム５１７が提供される。これにより、独立した熱サイフォンループ３０１のいずれかの故障によって引き起こされる可能性のある損傷のリスクも軽減される。
【0082】
いくつかの例では、複数の熱サイフォンループ３０１によって加熱される凝縮器の出口の水または他の流体を、冷却システム５１７から抽出し、加熱ネットワークに熱を提供するためにまたは電源のエネルギー効率を改善するために使用することができる。
【0083】
この説明において、結合という用語は、操作上結合されて、介在要素の任意の数または組み合わせを、介在要素を含まない結合構成要素間に設けることができることを意味する。
【0084】
「含む」という用語は、このドキュメントでは排他的ではなく包含的な意味で使用される。つまり、Ｙを含むＸに対する言及は、Ｘが１つだけのＹを含むか、または２つ以上のＹを含むことができることを示す。「含む」を排他的な意味で使用することを意図している場合は、「１つだけを含む…」または「からなる」を使用することにより文脈上明確になる。
【0085】
この説明では、様々な例を参照してきた。一例に関する特徴または機能の説明は、それらの特徴または機能がその一例の中に存在することを示す。文中の「例」または「たとえば」または「でき得る」または「してもよい」という用語の使用は、明示的に述べられているかどうかにかかわらず、そのような特徴または機能が、一例として記述されているかどうかにかかわらず、少なくとも記述された例に存在することを示し、また、必ずしもそうではないが、それらは他の例の一部またはすべてに存在する可能性がある。したがって、「例」、「例えば」、「でき得る」または「してもよい」は、一例の種類において、特定の実例を示す。その実例の特性は、その実例のみの特性、その種類における特性、またはその種類中のすべての実例ではなく一部を含むその種類の下位の種類（ｓｕｂ－ｃｌａｓｓ）の特性のいずれかとなりえる。したがって、ある例を参照して説明され別の例を参照せずに説明された機能は、可能な場合、その他の例で有効な組み合わせの一部として使用できるが、必ずしもその他の例で使用する必要はないことを黙示的に開示する。
【0086】
例示は、様々な例を参照してこれまでの段落で説明されてきたが、特許請求の範囲から逸脱することなく、与えられた例示に対する修正がなされ得ることが理解されるべきである。例えば、図３は、受動的冷却システム３０１内の熱交換装置１０１を示す。熱交換装置１０１は、１つ以上のポンプを備える冷却システムにも実装できることが理解される。このような例では、１つ以上のポンプと凝縮器を、冷却を必要とするサーバーラックまたはその他の電子デバイスの下部にある専用スペースに配置できる。
【0087】
前述の説明で説明した特徴は、上で明示的に説明した組み合わせ以外の組み合わせで使用してもよい。
【0088】
特定の機能を参照して機能を説明してきたが、それらの機能は、説明されているかどうかにかかわらず、他の機能によって実行可能となるかもしれない。
【0089】
特定の例を参照して特徴を説明してきたが、それらの特徴は、説明されているかどうかにかかわらず、他の例にも存在してもよい。
【0090】
「ａ」または「ｔｈｅ」という用語は、この書面では排他的ではなく包括的な意味で使用される。すなわち、「ａ／ｔｈｅ Ｙ」を含むＸへの言及は、文脈が明らかに逆の意味を示さない限り、Ｘが１つだけのＹを含むか、または２つ以上のＹを含むことができることを示す。「ａ」または「ｔｈｅ」を排他的な意味で使用することを意図している場合は、文脈で明確にする。状況によっては、「少なくとも１つ」または「１つ以上」の使用が包括的な意味を強調するために使用される場合があるが、これらの用語が存在しないからといって、排他的な意味を推測することはでない。
【0091】
請求項における特徴（または特徴の組み合わせ）の存在は、その特徴または（特徴の組み合わせ）自体への文言であり、実質的に同じ技術的効果を達成する特徴（均等の特徴）への文言でもある。均等の特徴には、例えば、変形であり実質的に同じ方法で実質的に同じ結果を達成する特徴が含まれる。均等の特徴には、例えば、実質的に同じ結果を達成するために実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行する特徴が含まれる。
【0092】
この説明では、一例の特徴を説明するために形容詞または形容詞句を使用してさまざまな例を参照してきた。一例に関する特性のそのような説明は、その特性がいくつかの例では正確に説明されているとおりに存在し、他の例では実質的に説明されているとおりに存在することを示す。
【0093】
前述の明細書において、重要であると考えられる特徴に注意を引くように努める一方で、強調されているかどうかにかかわらず、出願人は、特許可能な特徴または特徴の組み合わせについて、特許可能な特徴または特徴の組み合わせについて、クレームによる保護を求めることができることを理解されることが、了解されるべきである。
【符号の説明】
【0094】
１０１：熱交換装置
１０３：チャネル
１０５：多孔質層
１０７：蒸発器構造
１０９：エジェクタ部
１１１：入口
１１３：出口
１１５：第１部分
１１７：第２部分
１１９：フィン
１２１：ウィッキング構造
１２３：壁
１２５：第１の副層
１２７：第２の副層
１２９：矢印
１３１：矢印
２０１：第１の副層
２０３：第２の副層
３０１：冷却システム／熱サイフォンループ
３０３：上昇器
３０５：凝縮器
３０７：下降器
３０９：二相流体／蒸気相
３１１：液相
３１３：熱源
３１５：冷却剤
３１７：矢印
３１９：矢印
３２１：矢印
４０１：液体冷却凝縮器
４０３：空冷凝縮器
５０１：サーバーラック
５０３：サーバー
５０５：ＣＰＵ／サーバーＣＰＵ
５０７：冷水／入口水
５０９：リザーバ
５１１：出口水
５１３：入口チャネル／下降器
５１５：出口チャネル
５１７：冷却システム
６０１：熱インターフェース材
６０３：熱インターフェース材
６０９：矢印
１０３：チャネル
１０５：多孔質層
１０７：蒸発器構造
１０９：エジェクタ部
１１１：入口
１１３：出口
１１５：第１部分
１１７：第２部分
１１９：フィン
１２１：ウィッキング構造
１２３：壁
１２５：第１の副層
１２７：第２の副層
１２９：矢印
１３１：矢印
２０１：第１の副層
２０３：第２の副層
３０１：冷却システム／熱サイフォンループ
３０３：上昇器
３０５：凝縮器
３０７：下降器
３０９：二相流体／蒸気相
３１１：液相
３１３：熱源
３１５：冷却剤
３１７：矢印
３１９：矢印
３２１：矢印
４０１：液体冷却凝縮器
４０３：空冷凝縮器
５０１：サーバーラック
５０３：サーバー
５０５：ＣＰＵ／サーバーＣＰＵ
５０７：冷水／入口水
５０９：リザーバ
５１１：出口水
５１３：入口チャネル／下降器
５１５：出口チャネル
５１７：冷却システム
６０１：熱インターフェース材
６０３：熱インターフェース材
６０９：矢印
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【手続補正書】
【提出日】2023-06-08
【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】
入口と出口との間に延びる流体の流れのためのチャネルと、前記チャネルの第１部分と前記チャネルの第２部分とを仕切る多孔質層であって、流体が前記チャネルの前記第１部分から前記チャネルの前記第２部分に移動されることを可能にするように構成された複数の細孔を含む多孔質層と、
前記チャネルの前記第２部分の中に位置する複数の蒸発器構造であって、前記蒸発器構造の表面からの流体の蒸発を可能にするように構成されたウィッキング層を含む蒸発器構造と、
前記チャネルの前記第１部分からの流体を前記チャネルの前記第２部分からの流体と組み合わせ、組み合わされた流体を前記出口に提供するように構成された排出部とを含む熱交換装置。
【請求項2】
前記多孔質層は、前記蒸発器構造の少なくとも一部を覆うように設けられる請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項3】
前記多孔質層は、流体が毛細管現象によって前記チャネルの前記第１部分から前記チャネルの前記第２部分まで前記細孔を通って流れることを可能にするように構成される請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項4】
前記多孔質層は、断熱材料を含む請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項5】
前記多孔質層は、流体が前記多孔質層から前記ウィッキング構造に流れることができるように、前記蒸発器構造の前記ウィッキング層に結合される請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項6】
前記ウィッキング層は、複数の毛細管構造を含み、前記毛細管構造は、前記多孔質層の細孔よりも小さい細孔サイズを有する請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項7】
前記蒸発構造からの流体の蒸発は、前記チャネルの前記第２部分の流体に、前記チャネルの前記第１部分の流体よりも高い蒸気含有量を提供する請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項8】
前記蒸発器構造を介して熱源から前記チャネルの前記第２部分の中の流体に熱を伝達できるように、前記チャネルの前記第２部分を熱源に近接して設けることができるように構成される請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項9】
前記蒸発器構造は、前記チャネルの前記第２部分を通過する流路を少なくとも部分的に画定する複数のフィンを備える請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項10】
１つ以上の熱交換装置を含む冷却システムであって、前記熱交換装置は、
入口と出口との間に延びる流体の流れのためのチャネルと、
前記チャネルの第１部分を前記チャネルの第２部分から分割する多孔質層であって、流体が前記チャネルの前記第１部分から前記チャネルの前記第２部分に移動されることを可能にするように構成された複数の細孔を含む多孔質層と、
前記チャネルの前記第２部分の中に位置する複数の蒸発器構造であって、前記蒸発器構造の表面からの流体の蒸発を可能にするように構成されたウィッキング層を含む蒸発器構造と、
前記チャネルの前記第１部分からの流体を前記チャネルの前記第２部分からの流体と組み合わせ、組み合わされた流体を前記出口に提供するように構成された排出部とを含む、冷却システム。
【請求項11】
１つ以上の熱サイフォンループを含む請求項１０に記載の冷却システム。
【請求項12】
複数の熱源を冷却するために直列に接続された複数の前記熱交換装置を含む１つ以上の前記熱サイフォンループを含む請求項１１に記載の冷却システム。
【請求項13】
１つ以上の液体アキュムレータを含む請求項１２に記載の冷却システム。
【国際調査報告】