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JP2920116B2 - エンクロージャーを冷却するための受動冷却システム - Google Patents

エンクロージャーを冷却するための受動冷却システム

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Publication number
JP2920116B2
JP2920116B2 JP8300800A JP30080096A JP2920116B2 JP 2920116 B2 JP2920116 B2 JP 2920116B2 JP 8300800 A JP8300800 A JP 8300800A JP 30080096 A JP30080096 A JP 30080096A JP 2920116 B2 JP2920116 B2 JP 2920116B2
Authority
JP
Japan
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heat
heat pipe
cooling system
enclosure
passive cooling
Prior art date
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JP8300800A
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Inventor
ロバート・ジョーゼフ・ジャーマルティー
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Hudson Products Corp
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Hudson Products Corp
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20536—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for racks or cabinets of standardised dimensions, e.g. electronic racks for aircraft or telecommunication equipment
    • H05K7/20609—Air circulating in closed loop within cabinets wherein heat is removed through air-to-liquid heat-exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に熱交換に関
し、詳しくは複数のヒートパイプを使用してエンクロー
ジャーを受動的に冷却するための手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子通信装置及び計算装置を含む装置
は、一般にビル或は包囲体に格納することにより四元
素、即ち土、気、火、水から守られる。しかしながらこ
れら装置は多くの場合、発熱を伴うことからその作動は
限られた温度範囲内でのみ行うのが好ましく、発生した
熱は包囲体或はエンクロージャーから取り除いて冷却
し、装置の作動に悪影響が及ばないようにする必要があ
る。エンクロージャーを冷却する必要性は装置のための
みのものではない。と言うのは、人間や動物のいるビル
或は包囲体もまた、高温にならないように冷却する必要
があるからである。そうした冷却を実施するために使用
される一つの方法（そして長年使用されて来たやり方）
では、例えば空気のような流体を熱源上を押し流し、こ
の熱源を冷却する。エンクロージャー或は設備を周囲環
境から隔絶し続けておくのが望ましい時には、エンクロ
ージャー内に生じた熱をエンクロージャー外の冷却用流
体（空気）に移行させるための熱交換器を熱源に設ける
必要が有る。従来、シェル及び管、プレート、熱パイプ
等の如き形式の熱交換器を別個に使用することにより、
エンクロージャー内の熱源とエンクロージャー外の冷却
用媒体との間で熱を移行させている。しかし、こうした
形式の熱交換器では、適正な運転上、冷却用流体である
空気を熱交換器の表面を横断して押し流すための１つ以
上のファンが使用される。ファンのみによるそうした単
純な冷却を受け付けない厳しいケース、例えば周囲温度
が高い場所内では、熱は、伝統的な冷却サイクルにより
除去される。しかしながら、説明した冷却サイクル法や
ファン冷却法では、それらを作動させるための多数の可
動パーツやモーターを伴う電力の接続が要求される。或
る場合にはエンクロージャー位置で電力を入手し得ない
ことで、或は交換部品へのアクセスを得られないことか
ら、そうした冷却方法を採用することが出来ない。この
場合、可動部品を含まず従って外部電源を必要としない
受動冷却システムを使用して最適エンクロージャー温度
を維持するのが望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】運転のための外部電源
を必要としない受動冷却システムを提供することであ
り、ルーチンメンテナンスや保守を要する可動機械部品
を含まない受動冷却システムを提供することであり、オ
ペレーターの介在無しにエンクロージャーから自動的に
熱を吸収するように自己調節する冷却システムを提供す
ることであり、エンクロージャーからの熱の放出のみを
可能とし、エンクロージャーへの熱の侵入を許容しない
（若干の例外あり）、エンクロージャー冷却手段を提供
することであり、自己再生的であり且つ貴重な床空間を
塞ぐことの無い冷却システムを提供することであり、エ
ンクロージャーが周囲環境と接触するのを回避しそれに
より、清潔で且つ比較的ダストの無いエンクロージャー
を実現可能とする冷却システムを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明はエンクロージャ
ーを冷却するための受動冷却システムに関する。本発明
は、エンクロージャー内を伸延するエバポレーター側
と、エンクロージャーの外側を伸延し周囲環境と接触す
る、前記エバポレーター側と反対側の凝縮器側とを有す
る少なくとも１本の細長のヒートパイプから成り立って
いる。ヒートパイプのエバポレーター側内には作用流体
が収納され、この作用流体が、熱の吸収に際して液相か
ら気相に変化する。本システムには、ヒートパイプのエ
バポレーター側に隣り合ってこのエバポレーター側の外
側を伸延する部分を具備し、残余部分がヒートパイプの
エバポレーター側に沿ってこのエバポレーター側の内部
を伸延してなる蓄熱装置も組み込まれる。この蓄熱装置
には固相から液相に変化する物質が収納され、この物質
が、熱の吸収に際して液相に変化する。蓄熱装置は厳密
に言えばヒートパイプそのものではない。と言うのは、
この蓄熱装置は相変化する物質で完全に充填されている
からである。結局、この蓄熱装置からは、通常のヒート
パイプ内部に通常生じるところの蒸気は発生しない。最
後に、ヒートパイプのエバポレーター側を凝縮器側から
絶縁するための構造を組み付け、これらエバポレーター
側と凝縮器側との間での伝熱を減少させるようする。
【０００５】
【発明の実施の形態】先ず図１を参照するに、本発明の
受動冷却システム１０が示される。受動冷却システム１
０は、シールされた蓄熱装置１２を有する。蓄熱装置１
２は、エンクロージャー１８の内部環境１６と直接接触
する第１部分１４を具備している。蓄熱装置１２の第２
部分２０が、上方に傾斜されたヒートパイプ２４のエバ
ポレーター側の内部を伸延する。一般に、蓄熱装置１２
はヒートパイプ２４と同心であり、比較的低い室内温度
で固相から液相に変化することの出来る市販入手可能な
水和塩２６を収納する。
【０００６】想像し得るように、ヒートパイプ２４のエ
バポレーター側２２はエンクロージャー１８の内部に位
置付けられ、これに対応する（且つ高い位置にある）凝
縮器側２８は周囲環境３０と接触する状態でエンクロー
ジャー１８の外側に位置付けられる。ヒートパイプ２４
をエバポレーター側２２から凝縮器側２８に向けて傾斜
させることはヒートパイプ２４の運転上の臨界的事項で
ある。蓄熱装置１２を、この蓄熱装置に収納した水和塩
２６が、ヒートパイプ２４内に収納した（一般的には
水、メタノール、或はアンモニアであるところの）作用
流体３２と混合しないようにすることも臨界的事項であ
る。ヒートパイプ２４の下方のエバポレーター側は作用
流体３２で部分的に充填するが、この作用流体３２の充
填高さは蓄熱装置１２の第２部分２０の容積を完全にカ
バー或はカバーするに十分なものとする。ヒートパイプ
２４のエバポレーター側２２を前述の如く部分的に充填
することにより、ヒートパイプを適正に運転させる（即
ち、作用流体を蒸発及び凝縮させて夫々吸熱及び放熱す
る）ことが出来るようになる。
【０００７】運転中、蓄熱装置１２内の水和塩２６が内
部環境１６から、第１部分１４を通して熱Ｑ（矢印３４
参照）を吸収する。熱Ｑはエンクロージャー１８に収納
した装置或は設備（図示せず）から発生されたものであ
り得る。熱Ｑを吸収すると、水和塩２６は蓄熱装置１２
の内部で固相から液相に変化する。蓄熱装置に吸収され
た熱Ｑは、この蓄熱装置１２の第２部分２０を経て（矢
印３６参照）ヒートパイプ２４のエバポレーター側２２
内の作用流体３２に移行する。作用流体３２に移行した
熱Ｑは、エバポレーター側２２内で作用流体３２を蒸発
せしめる。次いで、蒸発した作用流体３２は上昇して凝
縮器側２８に達し、この凝縮器側２８の内壁面に凝縮す
る。この凝縮が生じた時点に於て、熱Ｑは周囲環境３０
に放出される。
【０００８】凝縮器側２８の温度がエバポレーター側２
２の温度よりも高い場合には熱Ｑが凝縮器側２８に移行
することは無く、従って、周囲環境３０に放出されるこ
とも無いのは勿論である。しかしながら、蓄熱装置１２
内の水和塩２６は尚、熱Ｑを吸収しそして吸収した熱Ｑ
を、この熱Ｑが凝縮器側２８に移行され得るような時間
まで保持することが出来る。凝縮器側２８の温度がエバ
ポレーター側２２の温度よりも高くなる状況は昼間の時
間帯に起こり得る。しかし、凝縮器側２８の温度がその
ように高くなっても、蓄熱装置１２がその間、エンクロ
ージャー１８内部の熱Ｑを吸収し続ける能力が影響を受
けることは無い。凝縮器側２８の温度がエバポレーター
側の温度よりもずっと低くなると熱Ｑは凝縮器側２８へ
と再度自動的に移行され、結局、周囲環境３０へと放出
される。
【０００９】蓄熱装置１２が熱Ｑをエバポレーター側２
２のみに移行させることから、ヒートパイプ２４は熱Ｑ
がエンクロージャー１８外だけに移行出来るようにする
熱的なダイオードとして作用する。ここで使用するヒー
トパイプ２４の形式上、熱Ｑは作用流体３２が連続的に
蒸発しそして凝縮することを介し、エバポレーター側２
２から凝縮器側２８に移行する。このサイクルは、エバ
ポレーター側２２或は内部環境１６の温度が凝縮器側２
８或は周囲環境３０の温度よりも高い限りに於て連続的
に反復される。凝縮器側２８或は周囲環境３０の温度が
エバポレーター側２２或は内部環境１６の温度よりも高
い時にはヒートパイプ２４は平衡状況となる。この平衡
状況に於ては熱Ｑはエンクロージャー１８の内外への移
行が出来なくなる。しかしながら、無視し得る量の熱が
尚、ヒートパイプ２４の壁を通してエンクロージャー１
８に入り込む。
【００１０】 しかし、凝縮器側２８をエバポレーター
側２２から熱的に更に絶縁させるために、この目的に相
応しい任意の絶縁材料から作製した絶縁リング３８を、
凝縮器側２８とエバポレーター側２２との間に追加する
ことが出来る。絶縁リング３８は、ヒートパイプ２４を
通してエンクロージャー１８に入る熱伝導を介しての熱
流れを減少させる（別言すれば、絶縁リング３８がヒー
トパイプ２４の壁を通しての熱流れを防止する）。
【００１１】従って、ヒートパイプ２４が、毛管現象を
介して重力に抗して作用流体３２をポンピングする吸い
口を含まないことから、重力支援式の熱サイフォン形式
のものであることが明らかである。何れにせよ、運転
上、ヒートパイプ２４のエバポレーター側２２の温度は
凝縮器側２８の温度以上であるべきなのでありそれによ
り、作用流体３２はエバポレーター側２２内で蒸発し、
凝縮器側２８へと上昇してそこで凝縮し、吸収した熱Ｑ
を周囲環境３０に放出することが出来るのである。作用
流体３２は、凝縮すると液体となって凝縮器側２８に戻
り、サイクル再開のための準備状態となる。
【００１２】図２及び３には別の実施例に於ける受動冷
却システム１０が示される。これらの実施例では、単純
に傾斜するのでは無く、折り曲げたヒートパイプ２４が
使用されている。図示されるように、この折り曲げたヒ
ートパイプ２４のエバポレーター側２２はエンクロージ
ャー１８の内部に位置決めされ、一方、凝縮器側２８
は、エンクロージャー１８の屋根４０に沿って傾斜され
ることにより、周囲環境３０と接触する状態とされる。
この実施例では床空間は使用せず、エバポレーター側２
２は内部空間１６の、一段と暖かい、或は高温の領域に
位置付けられる（熱源４２からの熱Ｑが上昇するか
ら）。所望であれば屋根４０に沿って複数のヒートパイ
プ２４を配設し、貴重な床空間を占有すること無く、エ
ンクロージャー１８内部から出来る限り多くの熱を吸収
するようにすることも勿論可能である。
【００１３】 図４及び５には更に別の実施例に於ける
受動冷却システムが示される。図４及び５に示すシステ
ムは図２及び３に示した実施例にも使用することが出来
るものである。この実施例ではヒートパイプ２４の凝縮
器側２８の外側に沿って、また蓄熱装置１２の第１部分
１４に沿って、フィン形態の延長表面４４が配設され
る。これらの延長表面４４は、受動冷却システム１０か
らの熱の捕捉と放散とを助成する。また、所望であれ
ば、蓄熱装置１２の第２部分２０の内側にもフィン４６
を設け、この第２部分２０から、ヒートパイプ２４のエ
バポレーター側２２の内部の作用流体３２への熱Ｑの移
行を助成させても良い。更に、こうした延長表面４４及
び或いはフィン４６を使用することにより、図２及び３
の実施例でのヒートパイプ２４の数を少なくすることも
出来る。図示されるように、全ての実施例には、ヒート
パイプ２４の内部に過剰の圧力が蓄積された場合にこの
圧力を爆発の恐れなく安全に解放させるための圧力リリ
ーフバルブ４８を組み込んでいる。
【００１４】 以上説明した受動冷却システム１０の利
益には、可動の機械的部品が不要であると言うことが含
まれる。かくして、メンテナンスは最小或は不要とな
る。また、受動的であることによって、運転のための電
気的接続或は電源も不要であるから、受動冷却システム
１０は、そうした電力を入手し得ない遠隔な場所或は電
力供給が極めてコスト高となる場所でも使用することが
出来る。更には、作用流体３２及び水和塩２６を配設
し、これら作用流体３２及び水和塩２６が熱含有量に応
じて固相／液相（水和塩２６の場合）或は液相／気相
（作用流体３２の場合）間で単に相変化するのみである
ことから、受動冷却システム１０は自己再生的である。
本発明の受動冷却システム１０はまた、運転のためのい
かなる床空間をも必要とすることが無くそれにより、そ
うした床空間が追加の設備或は熱源４２のための自由空
間となる。先に説明したように、受動冷却システム１０
は壁付け或は屋根付けすることが出来る。また、受動冷
却システム１０はその構成上、熱的なダイオード或は逆
止弁として作用し、エンクロージャー１８への熱の侵入
を許容することなく（或は無視し得る量に於てのみ許容
する状態に於て）、エンクロージャー１８から放熱或は
熱除去することのみを可能とする。また、受動冷却シス
テム１０はその構成上、エンクロージャー１８を周囲環
境３０に対して開放状態或は接触状態とする必要なく、
エンクロージャー１８を冷却させることが出来る。
【００１５】 運転のための外部電源を必要としない受
動冷却システムが提供され、ルーチンメンテナンスや保
守を要する可動機械部品を含まない受動冷却システムが
提供され、オペレーターの介在無しにエンクロージャー
から自動的に熱を吸収するように自己調節する冷却シス
テムが提供され、エンクロージャーからの熱の出力のみ
を可能とし、エンクロージャーへの熱の入力を、若干の
例外を除き許容しないエンクロージャー冷却手段が提供
され、自己再生的であり且つ貴重な床空間を塞ぐことの
無い冷却システムが提供され、エンクロージャーが周囲
環境と接触するのを回避しそれにより、清潔で且つ比較
的ダストの無いエンクロージャーを実現可能とする冷却
システムが提供される。更に重要なことには、エンクロ
ージャー内部に伸延される分のヒートパイプの長さを、
例えば蓄熱装置をヒートパイプの外側に取り付ける方式
の同種の冷却システムと比べて短くすることができるよ
うになり、受動冷却システムを従来のものよりも小型化
し、エンクロージャー内の熱源などのための自由空間を
増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の部分断面正面図である。
【図２】エンクロージャーの屋根或は天井に沿って組み
付けてなる本発明の概略斜視図である。
【図３】図２を線３−３方向から見た、部分断面側面図
である。
【図４】熱の収集及び放出を助長するための多くのフィ
ンを取り付けてなる、別態様での本発明の部分断面正面
図である。
【図５】図４を線５−５で切断した断面図である。
【符号の説明】
１０ 受動冷却システム １２ 蓄熱装置 １４ 第１部分 １６ 内部環境 １８ エンクロージャー ２０ 第２部分 ２２ エバポレーター側 ２４ ヒートパイプ ２６ 水和塩 ２８ 凝縮器側 ３０ 周囲環境 ３２ 作用流体 ３８ 絶縁リング ４０ 屋根
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−91698（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−223493（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−103752（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−17268（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−56975（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−64367（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F28D 15/02

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンクロージャーを冷却するための受動
    冷却システムであって、 （ａ）エンクロージャー内部を伸延するエバポレーター
    側と、エンクロージャーの外側へと伸延して周囲環境と
    接触する、前記エバポレーター側とは反対側の凝縮器側
    とを具備する少なくとも１つの細長のヒートパイプと、 （ｂ）該ヒートパイプのエバポレーター側に収納された
    作用流体にして、熱を吸収すると液相から気相に変化す
    る作用流体と、 （ｃ）前記ヒートパイプのエバポレーター側の外側に伸
    延し且つエバポレーター側と隣り合う第１部分と、前記
    ヒートパイプのエバポレーター側の内部に伸延し且つエ
    バポレーター側と隣り合う第２部分とを有する蓄熱装置
    と、 （ｄ）前記蓄熱装置内部に収納され、熱を吸収すると固
    相から液相に相変化する物質と、 （ｅ）前記ヒートパイプのエバポレーター側と凝縮器側
    との中間に位置付けられ、ヒートパイプに沿っての熱の
    伝導量を低減させるための絶縁手段と、 により構成される受動冷却システム。
  2. 【請求項２】 ヒートパイプのエバポレーター側の内部
    の作用流体が、蓄熱装置の第２部分の全て或は主要部分
    を覆っている請求項１の受動冷却システム。
  3. 【請求項３】 固相から液相に変化する物質が作用流体
    と混合しないように蓄熱装置がシールされている請求項
    ２の受動冷却システム。
  4. 【請求項４】 ヒートパイプがエバポレーター側から凝
    縮器側に向けて上方に傾斜されている請求項３の受動冷
    却システム。
  5. 【請求項５】 蓄熱装置の第２部分がヒートパイプのエ
    バポレーター側と同心である請求項４の受動冷却システ
    ム。
  6. 【請求項６】 蓄熱装置の第１部分には複数の外側フィ
    ンが固定され、複数の同様のフィンがヒートパイプの凝
    縮器側に固定されている請求項５の受動冷却システム。
  7. 【請求項７】 蓄熱装置の第２部分には複数の内側フィ
    ンが固定され、該複数の内側フィンはヒートパイプのエ
    バポレーター側の内部の作用流体の内部に没入されてい
    る請求項６の受動冷却システム。
  8. 【請求項８】 ヒートパイプがその長さの中間部分で折
    り曲げられている請求項５の受動冷却システム。
  9. 【請求項９】 圧力リリーフバルブがヒートパイプの凝
    縮器側に固定されている請求項７の受動冷却システム。
JP8300800A 1995-11-28 1996-10-28 エンクロージャーを冷却するための受動冷却システム Expired - Lifetime JP2920116B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/563,872 US5579830A (en) 1995-11-28 1995-11-28 Passive cooling of enclosures using heat pipes
US563872 1995-11-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH09184695A JPH09184695A (ja) 1997-07-15
JP2920116B2 true JP2920116B2 (ja) 1999-07-19

Family

ID=24252228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8300800A Expired - Lifetime JP2920116B2 (ja) 1995-11-28 1996-10-28 エンクロージャーを冷却するための受動冷却システム

Country Status (6)

Country Link
US (1) US5579830A (ja)
EP (1) EP0777095A2 (ja)
JP (1) JP2920116B2 (ja)
AU (1) AU696194B2 (ja)
CA (1) CA2191398A1 (ja)
ZA (1) ZA969910B (ja)

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