JP7398428B2 - 放熱システム - Google Patents

Description

本開示は、放熱のために冷却流体の２つの相の間の変化を使用する放熱システムに関する。

一般に、サーバ用の従来の液浸放熱システムは、基本的に浸漬槽本体、中間熱交換器、循環水ポンプおよび環境冷却装置から構成される。サーバホストは、絶縁された作動流体に直接浸漬される。マザーボード上のチップにより発生した熱は作動流体に伝導され、その後、作動流体により受け取られた熱は、冷却分配ユニットおよびポンプを介して外部の水冷装置に伝達され、次いで、その熱は外部の水冷装置により環境に放散される。

しかし、従来の液浸放熱システムは、冷却分配ユニットとポンプを含む必要があるため、システム全体の消費電力が増大し、システム全体の構造体がより複雑になる。

本開示は総電力使用量を低減することができ、かつ簡素化された構造体を有する放熱システムを提供する。

本開示の一実施形態は、少なくとも１つの熱源を冷却するように構成された放熱システムを提供する。放熱システムは、浸漬槽（immersion tank）およびラジエータ（radiator）を含む。浸漬槽には気密空間（airtight space）がある。気密空間の一部は冷却流体を貯蔵するように構成され、気密空間は液体貯蔵部（liquid storage part）と液気共存部（liquid-gas coexistence part）に分けられている。液体貯蔵部は冷却流体と少なくとも１つの熱源とを貯蔵するように構成され、液気共存部は冷却流体の自由面（free surface）の上方に位置するように構成されている。ラジエータは、少なくとも１つの伝達チャンバ（communication chamber）と、少なくとも１つの配管と、複数の内部フィンと、複数の外部フィンとを含む。少なくとも１つの配管は少なくとも１つの伝達チャンバに接続され、少なくとも１つの伝達チャンバおよび少なくとも１つの配管は共に循環チャンネル（circulation channel）を形成する。少なくとも１つの配管の一部は液気共存部に位置し、少なくとも１つの配管の他の一部は気密空間の外側に位置する。複数の内部フィンは液気体共存部に位置し、少なくとも１つの配管に熱的に結合され、複数の外部フィンは気密空間の外側に位置し、少なくとも１つの配管に熱的に結合される。さらに、少なくとも１つの伝達チャンバの配管径は、少なくとも１つの配管の配管径よりも大きい。

以上のような放熱システムによれば、浸漬槽内に伝達チャンバを有するラジエータの一部を設け、浸漬槽外にラジエータの他の一部を設けることで、放熱システムに冷却分配部やポンプを設ける必要がなくなる。そのため、電力使用量を削減でき、装置の構造体が簡単になる。さらに、放熱システムの電力使用有効性を１．３から１．１未満に最適化し、単位体積あたりの伝熱容量を４０％大幅に増加させることで、放熱システムのサイズと製造コストを低減している。

さらに、伝達チャンバの配管径は配管の配管径よりも大きく、熱は温度の変化を引き起こすので、水平に置いてもラジエータは依然として機能する。すなわち、ラジエータがマイナス９０度の位置に配置されていても（すなわち、熱吸収側が放熱側の上方に位置していても）、ラジエータは依然として動作し、それによって、より広範囲の用途を有する。

本開示は以下に与えられる詳細な説明および添付の図面からより完全に理解され、これらは、単に例示として与えられるものであり、したがって、本開示を限定するものではない。

本開示の第１の実施形態による放熱システムおよび熱源の概略図である。 図１の放熱システムのラジエータの斜視図である。 本開示の第２の実施形態による放熱システムおよび熱源の概略図である。 図３の放熱システムのラジエータの斜視図である。 本開示の第３の実施形態による放熱システムおよび熱源の概略図である。

図１および図２を参照されたい。図１は、本開示の第１の実施形態による放熱システム１０および熱源の概略図である。図２は、図１の放熱システム１０のラジエータ２００の斜視図である。

この実施形態において、放熱システム１０は、例えば、少なくとも１つの熱源を冷却するように構成された液浸放熱システムである。例えば、放熱システム１０に蓄えられた冷却流体Ｌ１がある。冷却流体Ｌ１は電気的に絶縁されており、熱源は冷却流体（cooling fluid）Ｌ１に浸漬されており、冷却流体Ｌ１の二相冷却循環（two-phase cooling circulation）によって熱源を冷却することができる。この実施形態では熱源は例えば、サーバであるが、これに限定されない。

放熱システム１０は、浸漬槽１００およびラジエータ２００を含む。浸漬槽１００は、底板１１０と、複数の側板１２０、１３０と、天板１４０とを含む。底板１１０と、側板１２０、１３０と、天板１４０とは互いに連結されて気密空間Ｓを取り囲んでおり、気密空間Ｓの一部は液体貯蔵部Ｓ１と液気共存部Ｓ２とに分けられて冷却流体Ｌ１を貯蔵するように構成されている。また、貯液部Ｓ１は冷却流体Ｌ１と熱源とを貯蔵する構成とされ、液気共存部Ｓ２は冷却流体Ｌ１の自由面Ｘよりも上方に位置する構成とされている。

ラジエータ２００は、伝達チャンバ２１０と、複数の配管２２０と、複数の内部フィン２３０と、複数の外部フィン２４０とを含む。

配管２２０は、伝達チャンバ２１０と配管２２０が共に複数の循環チャネルを形成するように、伝達チャンバ２１０に接続される。循環チャネルは、冷却流体（図示せず）で少なくとも部分的に満たされる。なお、冷却流体の循環方向は時計回り、反時計回りであってもよく、本実施の形態では矢印Ａ、矢印Ｂで示しているが、これに限定されない。さらに、循環チャネル内の冷却流体は、例えば、気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１とは異なる。

一態様では、配管２２０の各々は、互いに接続された吸熱部２２１および放熱部２２２を含む。配管２２０の吸熱部２２１は液気共存部Ｓ２内に位置し、配管２２０の放熱部２２２は、気密空間Ｓの外部に位置している。配管２２０の吸熱部２２１は液気共存部Ｓ２内の冷却流体Ｌ１の熱を吸収するように構成されており、吸熱部２２１で吸収された熱は、配管２２０およびその内部の冷却流体を介して配管２２０の放熱部２２２に伝達される。そして、配管２２０の放熱部２２２は、浸漬槽１００の外部の環境に放熱する。

一態様では、伝達チャンバ２１０の配管径Ｄ１が配管２２０のそれぞれの配管径Ｄ２よりも大きい。伝達チャンバ２１０は、例えば筒状である。伝達チャンバ２１０の配管径Ｄ１は、配管２２０の各々の配管径Ｄ２よりも大きく、熱は温度の変化を引き起こすので、伝達チャンバ２１０と配管２２０との間に発生する圧力差が生じることになる。従って、ラジエータ２００は、垂直に配置することができるだけでなく、（図１に示すように）水平に配置することもでき、様々な用途に対応することができる。なお、ラジエータ２００が「垂直に配置される」とは、配管の延在方向が重力の方向Ｇに実質的に平行であることを指し、ある要素が別の要素に「実質的に平行」であるとは、１つの要素が別の要素に平行またはほぼ平行であることを指す。ラジエータ２００が「水平に配置される」とは、配管２２０の延在方向Ｅが重力の方向Ｇに実質的に垂直であることを意味し、ある要素が別の要素に「実質的に垂直」であることは１つの要素が別の要素に垂直またはほぼ垂直であることを意味する。なお、本実施形態において、ラジエータ２００は垂直または水平に配置されているが、これは例示に過ぎず、本開示はこれに限定されるものではない。ラジエータ２００は、任意の角度位置に配置されてもよい。

内部フィン２３０は、液気共存部Ｓ２内に位置し、配管２２０の吸熱部２２１と熱的に結合して、吸熱部２２１におけるラジエータ２００の熱交換面積を高めることにより、ラジエータ２００の吸熱効率を高めている。外部フィン２４０は気密空間のＳの外側に位置し、放熱部２２２におけるラジエータ２００の熱交換面積を高めるように配管２２０の放熱部２２２に熱的に結合されており、これによりラジエータ２００の放熱効率を高めている。

一態様では、ラジエータ２００の吸熱部２２１と放熱部２２２の両方を水平に配置できるので、吸熱部２２１に配置される内部フィン２３０は重力方向Ｇと略平行である。換言すれば、内部フィン２３０の法線方向Ｎは重力方向Ｇに対して実質的に垂直であり、隣接する２つの内部フィン２３０の間の隙間は、重力方向Ｇに延びている。これにより、液気共存部Ｓ２内の蒸気Ｌ２が重力方向Ｇに沿って隣り合う２つの内部フィン２３０間の隙間に流入できるため、液気共存部Ｓ２内の蒸気Ｌ２とラジエータ２００の吸熱部２２１との熱交換効率を高めることができる。この実施形態では内部フィン２３０が重力方向Ｇに実質的に平行であるが、これは例示に過ぎず、本開示はこれに限定されない。内部フィン２３０は蒸気Ｌ２が内部に流れて熱を吸収した後に出力することができればよく、任意の角度位置に配置することができる。

一態様では、隣接する２つの内部フィン２３０の間の間隔Ｇ１が隣接する２つの外部フィン２４０の間の間隔Ｇ１に等しいが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、任意の２つの隣接する内部フィン間の間隔が任意の２つの隣接する外部フィン間の間隔よりも大きくすることができ、その結果、蒸気は内部フィン間の隙間をより容易に流れることができる。

一態様では配管２２０の数量は複数であるが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、配管の数量は１つだけであってもよい。

一態様では、放熱システム１０がプレート３００をさらに含んでもよい。プレート３００は、例えば、第１傾斜部３１０と、第２傾斜部３２０と、第３傾斜部３３０とを含む。第２傾斜部３２０は第１傾斜部３１０と第３傾斜部３３０との間に連結され、第１傾斜部３１０と第３傾斜部３３０とは第２傾斜部３２０よりも傾斜している。プレート３００は液気共存部Ｓ２内に位置し、プレート３００は、液滴を受けるために内部フィン２３０に隣接して配置されている。

詳細には、プレート３００の第１傾斜部３１０は、液気共存部Ｓ２をラジエータ２００が位置しない高温領域とラジエータ２００が位置する低温領域とに分割するように、内部フィン２３０に隣接して配置されている。さらに、プレート３００の第１傾斜部３１０と天板１４０との間に入口Ｏ１が設けられており、この入口Ｏ１を介して高温領域が低温領域と流体連通している。プレート３００の第２傾斜部３２０および第３傾斜部３３０は、液体貯蔵部Ｓ１に近接する位置にある内部フィン２３０の片側に位置し、プレート３００の第３傾斜部３３０と側板１２０との間に出口Ｏ２が設けられている。低温領域は、出口Ｏ２を介して液体貯蔵部Ｓ１と連通している。熱源が動作すると、熱源から発生した熱が冷却流体Ｌ１を蒸発させて高温の蒸気Ｌ２にすることができ、高温の蒸気Ｌ２が液体貯蔵部Ｓ１から液気共存部Ｓ２に向かってＦ１方向に上昇する。そして、高温の蒸気Ｌ２は、方向Ｆ２に沿って入口Ｏ１に流入した後、ラジエータ２００の吸熱部２２１で冷却され、低温の凝縮された液滴Ｌ３に凝縮される。そして、凝縮された液滴Ｌ３は、プレート３００上を方向Ｆ３に落下した後、プレート３００に沿って液体貯蔵部Ｓ１に戻るか、又は出口Ｏ２を通って直接液体貯蔵部Ｓ１に流れる。さらに、プレート３００の第２傾斜部３２０および第３傾斜部３３０は排水勾配として機能し、凝縮された液滴Ｌ３は第２傾斜部３２０および第３傾斜部３３０に沿って液体貯蔵部Ｓ１に逆流する。そして、低温の凝縮液滴は、冷却される熱源に向かって方向Ｆ４に流れる。以上の循環流路によれば、気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１の温度変化により自然対流が形成され、放熱システム１０の放熱性能を高めることができる。

一態様ではプレート３００が３つの傾斜部分からなるが、本開示はそれに限定されない。他の実施形態では、プレートが単一の傾斜部分からなるプレートまたは円弧状プレートなど、様々な構成で形成することができる。

一態様では、気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１が自然対流によって冷却循環を行うが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、放熱システムが気密空間内で冷却流体を駆動して移動させるために、ファンまたはポンプなどの流体ドライバをさらに含んでもよい。その結果、気密空間内の冷却流体は、強制対流による冷却循環を行うことができる。

一態様では、放熱システム１０が、例えば、気密空間Ｓの外側に位置し、配管２２０の放熱部２２２上に配置された気流生成装置４００をさらに含んでもよい。気流生成装置４００は、例えば軸流ファンであり、気流生成装置４００が動作すると、気流生成装置４００は外部フィン２４０と共に、配管２２０の放熱部２２２の熱を外部に逃がす。その結果、気流生成装置４００によって生成され外部気流は、配管２２０および外部フィン２４０の放熱部２２２の放熱効率を高めることができる。

一態様では配管２２０の直径は同じであるが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、配管の少なくとも２つの直径が互いに異なっていてもよい。

図３および図４を参照されたい。図３は、開示の第２の実施形態による放熱システム１０Ａおよび熱源の概略図である。図４は、図３の放熱システム１０Ａのラジエータ２００Ａの斜視図である。

この実施形態では、放熱システム１０Ａは浸漬槽１００Ａとラジエータ２００Ａとを備えている。浸漬槽１００Ａは、底板１１０Ａと、複数の側板１２０Ａ、１３０Ａと、天板１４０Ａとを備えている。底板１１０Ａ、側板１２０Ａ、１３０Ａおよび天板１４０Ａは互いに連結されて気密空間Ｓを取り囲んでおり、気密空間Ｓの一部は、冷却流体Ｌ１を貯蔵するように構成されており、気密空間Ｓが液体貯蔵部Ｓ１と液気共存部Ｓ２とに分けられている。また、液体貯液部Ｓ１は冷却流体Ｌ１と熱源とを貯蔵するように構成され、液気共存部Ｓ２は冷却流体Ｌ１の自由面Ｘよりも上方に位置するように構成される。

ラジエータ２００Ａは、第１の伝達チャンバ２１１Ａ、第２の伝達チャンバ２１３Ａ、第３の伝達チャンバ２１５Ａ、第４の伝達チャンバ２１７Ａ、第１の配管２１２Ａ、複数の第２の配管２１４Ａ、第３の配管２１６Ａ、複数の第４の配管２１８Ａ、複数の内部フィン２３０Ａおよび複数の外部フィン２４０Ａを備えている。第１配管２１２Ａは、第１伝達チャンバ２１１Ａおよび第２伝達チャンバ２１３Ａに接続されている。第２の配管２１４Ａの数量は、例えば３つであり、第２の伝達チャンバ２１３Ａおよび第３の伝達チャンバ２１５Ａには、第２の配管２１４Ａが接続されている。第３の配管２１６Ａは、第３伝達チャンバ２１５Ａおよび第４伝達チャンバ２１７Ａに接続されている。第４の配管２１８Ａの数量は、例えば３つであり、第４の伝達チャンバ２１７Ａおよび第１の伝達チャンバ２１１Ａには、第４の配管２１８Ａが接続されている。したがって、伝達チャンバおよび配管は、共に、循環流路を形成する。循環流路は、少なくとも部分的に冷却流体（図示せず）で満たされる。冷却流体の循環方向は時計回りであっても反時計回りであってもよく、本実施形態では冷却流体が、例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ方向に循環するが、本開示はこれに限定されない。さらに、循環流路内の冷却流体は、例えば、気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１とは異なる。

本実施形態では第２配管２１４Ａの数量は３であり、第４配管２１８Ａの数量は３であるが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、第２の配管および第４の配管のそれぞれの数量が１つ、２つ、または３つ以上であってもよい。

一態様では第１の伝達チャンバ２１１Ａ、第４の伝達チャンバ２１７Ａ、第１の配管２１２Ａの一部、第３の配管２１６Ａの一部および第４の配管２１８Ａは液気共存部Ｓ２内に位置している。第２の伝達チャンバ２１３Ａ、第３の伝達チャンバ２１５Ａ、第２の配管２１４Ａ、第１の配管２１２Ａの他の部分、および第３の配管２１６Ａの他の部分は気密空間Ｓの外側に位置しており、液気共存部Ｓ２内に位置するラジエータ２００Ａの一方の側は吸熱側である。気密空間Ｓの外側に位置するラジエータ２００Ａの他方の側は放熱側である。また、吸熱側は液気共存部Ｓ２内の冷却流体Ｌ１の熱を吸収するように構成されており、吸熱側で吸収された熱は、配管内の配管と冷却流体とによって放熱側に伝達される。そして、放熱側が浸漬槽１００Ａの外部の環境に放熱する。

一態様では空気を導くための第１の配管２１２Ａの配管径が、液を導くための第３の配管２１６Ａの配管径に等しいが、本開示はこれに限定されない。また、他の実施形態では、冷却循環の円滑性を向上させるように、空気を導くための第１の配管の配管径を、液を導くための第３の配管の配管径よりも大きくしてもよい。

一態様では、それぞれの伝達チャンバの配管径Ｄ１がそれぞれの配管のＤ２の配管径よりも大きい。例えば、各々の伝達チャンバ２１１Ａ、２１３Ａ、２１５Ａおよび２１７Ａの配管径Ｄ１が、配管２１２Ａ、２１４Ａ、２１６Ａおよび２１８Ａそれぞれの配管径Ｄ２よりも大きく、熱により温度変化が生じ、伝達チャンバ２１１Ａ、２１３Ａ、２１５Ａおよび２１７Ａと配管２１２Ａ、２１４Ａ、２１６Ａおよび２１８Ａとの間に発生する圧力差が生じることになるので、ラジエータ２００Ａの吸熱側を垂直に配置できるだけでなく、水平に配置することができ（図３に示すように）、より広範囲の用途に用いることができる。ラジエータ２００Ａの吸熱面が「垂直に配置される」とは、配管の延在方向が重力の方向Ｇに実質的に平行であることを意味し、ある要素が別の要素に「実質的に平行」であるとは、１つの要素が他の要素に平行またはほぼ平行であることを意味する。ラジエータの吸熱面が「水平に配置されている」とは、配管の延在方向が重力の方向Ｇに実質的に垂直であることを指し、ある要素が別の要素に「実質的に垂直」であることは１つの要素が別の要素に垂直またはほぼ垂直であることを指す。なお、本実施形態において、ラジエータの吸熱側が垂直または水平に配置されていることは例示に過ぎず、本開示はこれに限定されるものではない。ラジエータ２００Ａは、任意の角度位置に配置することができる。

内部フィン２３０Ａは、液気共存部Ｓ２内に位置し、熱吸収側でラジエータ２００Ａの熱交換面積を高めるように熱吸収側と熱的に結合しており、ラジエータ２００Ａの吸熱効率を高めている。また、外部フィン２４０Ａは気密空間Ｓの外側に位置し、放熱側でラジエータ２００Ａの熱交換面積を高めるように放熱側に熱的に結合されており、ラジエータ２００Ａの放熱効率を高めている。

一態様では、第１の伝達チャンバ２１１Ａ、第４の配管２１８Ａおよび第４の伝達チャンバ２１７Ａは、ラジエータ２００Ａの吸熱側に水平に配置できるため、吸熱側に配置される内部フィン２３０Ａは重力の向きＧと略平行である。換言すれば、内部フィン２３０Ａの法線方向は重力方向Ｇに対して実質的に垂直であり、隣接する２つの内部フィン２３０Ａの間の隙間は、重力方向Ｇに延在する。これにより、液気共存部Ｓ２内の蒸気Ｌ２が重力方向Ｇに沿って隣り合う２つの内部フィン２３０Ａ間の隙間に流入できるため、液気共存部Ｓ２内の蒸気Ｌ２とラジエータ２００Ａの吸熱側との熱交換効率を高めることができる。この実施形態では内部フィン２３０Ａが重力方向Ｇに実質的に平行であるが、これは例示に過ぎず、本開示はこれに限定されない。内部フィン２３０Ａは蒸気Ｌ２が内部に流れて熱を吸収した後に出力することができればよく、任意の角度位置に配置することができる。

一態様では、隣接する２つの内部フィン２３０Ａの間の間隔が隣接する２つの外部フィン２４０Ａの間の間隔に等しいが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、任意の２つの隣接する内部フィン間の間隔が任意の２つの隣接する外部フィン間の間隔よりも大きくすることができ、その結果、蒸気は内部フィン間の隙間をより容易に流れることができる。

一態様では、放熱システム１０Ａがプレート３００Ａをさらに含んでもよい。プレート３００Ａは例えば、第１傾斜部３１０Ａと、第２傾斜部３２０Ａと、第３傾斜部３３０Ａとを含む。第２傾斜部３２０Ａは第１傾斜部３１０Ａと第３傾斜部３３０Ａとの間に連結されており、第１傾斜部３１０Ａと第３傾斜部３３０Ａとは、第２傾斜部３２０Ａよりも傾斜している。プレート３００Ａは液気共存部Ｓ２内に位置し、プレート３００Ａは、液滴を受けるために内部フィン２３０Ａに隣接して配置されている。

詳細には、プレート３００Ａの第１傾斜部３１０Ａは、液気共存部Ｓ２をラジエータ２００Ａが位置しない高温領域とラジエータ２００Ａが位置する低温領域とに分割するように、内部フィン２３０Ａに隣接して配置されている。さらに、プレート３００Ａの第１傾斜部３１０Ａと天板１４０Ａとの間に入口Ｏ１が設けられており、この入口Ｏ１を介して高温領域が低温領域と流体連通している。プレート３００Ａの第２傾斜部３２０Ａおよび第３傾斜部３３０Ａは液体貯蔵部Ｓ１に近接する位置にある内部フィン２３０Ａの片側に位置し、プレート３００Ａの第３傾斜部３３０Ａと側板１２０Ａとの間に出口Ｏ２が設けられている。低温領域は、出口Ｏ２を介して液体貯蔵部Ｓ１と連通している。熱源が動作すると、熱源から発生した熱が冷却流体Ｌ１を蒸発させて高温の蒸気Ｌ２にすることができ、高温の蒸気Ｌ２が液体貯蔵部Ｓ１から液気共存部Ｓ２に向かってＦ１方向に上昇する。そして、高温の蒸気Ｌ２は、入口Ｏ１に向かって方向Ｆ２に沿って流入し、その後、ラジエータ２００Ａの吸熱側で冷却され、低温の凝縮された液滴Ｌ３に凝縮される。そして、凝縮された液滴Ｌ３は、プレート３００Ａ上を方向Ｆ３に落下した後、プレート３００Ａに沿って液体貯蔵部Ｓ１に戻るか、又は出口Ｏ２を通って直接液体貯蔵部Ｓ１に流れる。さらに、プレート３００Ａの第２傾斜部３２０Ａおよび第３傾斜部３３０Ａは排水勾配として機能し、凝縮された液滴Ｌ３は第２傾斜部３２０Ａおよび第３傾斜部３３０Ａに沿って液体貯蔵部Ｓ１に逆流する。そして、低温の凝縮液滴は、冷却される熱源に向かって方向Ｆ４に流れる。以上の循環流路によれば、気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１の温度変化により自然対流が形成され、放熱システム１０Ａの放熱性能を高めることができる。

一態様ではプレート３００Ａが３つの傾斜部分からなるが、本開示はそれに限定されない。他の実施形態では、プレートが単一の傾斜部分からなるプレートまたは円弧状プレートなど、様々な構成で形成することができる。

一態様では気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１が自然対流によって冷却循環を行うが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、放熱システムが気密空間内で冷却流体を駆動して移動させるために、ファンまたはポンプなどの流体ドライバをさらに含んでもよい。その結果、気密空間内の冷却流体は、強制対流による冷却循環を行うことができる。

一態様では、放熱システム１０Ａが、例えば、気密空間Ｓの外側に位置し、放熱側に配置された気流生成装置４００Ａをさらに含んでもよい。気流生成装置４００Ａは、例えば軸流ファンであり、気流生成装置４００Ａが動作すると、気流生成装置４００Ａは外部フィン２４０Ａと共に、外部に熱を逃がす。その結果、気流生成装置４００Ａによって生成される外部気流は、放熱側および外部フィン２４０Ａの放熱効率を高めることができる。

図５を参照されたい。図５は、開示の第３の実施形態による放熱システム１０Ｂおよび熱源の概略図である。

この実施形態では、放熱システム１０Ｂは浸漬槽１００Ｂとラジエータ２００Ｂとを備えている。浸漬槽１００Ｂは、底板１１０Ｂと、複数の側板１２０Ｂ、１３０Ｂと、天板１４０Ｂとを備えている。底板１１０Ｂ、側板１２０Ｂ、１３０Ｂおよび天板１４０Ｂは互いに連結されて気密空間Ｓを取り囲んでおり、気密空間Ｓの一部は、冷却流体Ｌ１を貯蔵するように構成されており、液体貯蔵部Ｓ１と液気共存部Ｓ２とに分けられている。また、液体貯液部Ｓ１は冷却流体Ｌ１と熱源とを貯蔵するように構成され、液気共存部Ｓ２は冷却流体Ｌ１の自由面Ｘよりも上方に位置するように構成される。

ラジエータ２００Ｂは、伝達チャンバ２１０Ｂ、複数の第１配管２２０Ｂ、複数の第２配管２３０Ｂ、複数の内部フィン２４０Ｂおよび複数の外部フィン２５０Ｂとを有している。第１の配管２２０Ｂは液気共存部Ｓ２内に位置し、伝達チャンバ２１０Ｂに接続されており、第１の配管２２０Ｂと伝達チャンバ２１０Ｂとが、共に少なくとも部分的に冷却流体（図示せず）で満たされた循環流路を形成する。冷却流体の循環方向は時計回りであっても反時計回りであってもよく、例えば、本実施形態では冷却流体が方向Ａおよび方向Ｂに循環するが、本開示はこれに限定されない。第２配管２３０Ｂの一部は、液気共存部Ｓ２内に位置している。第２の配管２３０Ｂの他の一部は気密空間Ｓの外部に位置し、第２の配管２３０Ｂは伝達チャンバ２１０Ｂに接続され、第２の配管２３０Ｂと伝達チャンバ２１０Ｂとは、互いに少なくとも部分的に冷却流体（図示せず）で満たされる別の循環流路を形成する。冷却流体の循環方向は時計回りであっても反時計回りであってもよく、本実施形態では冷却流体が例えば、方向ＣおよびＤに循環するが、本開示はこれに限定されない。さらに、循環流路内の冷却流体は例えば、気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１とは異なる。

一態様では、液気共存部Ｓ２に位置するラジエータ２００Ｂの第１の配管２２０Ｂが吸熱側である。また、気密空間Ｓの外側に位置するラジエータ２００Ｂの第２配管２３０Ｂは放熱側である。また、吸熱側は液気共存部Ｓ２内の冷却流体Ｌ１の熱を吸収するように構成されており、吸熱側で吸収された熱は、配管内の配管と冷却流体Ｌ１とによって放熱側に伝達される。そして、放熱側が浸漬槽１００Ｂの外部の環境に放熱する。

一態様では、伝達チャンバ２１０Ｂの配管径Ｄ１が配管の配管径Ｄ２よりも大きい。例えば、伝達チャンバ２１０Ｂの配管径Ｄ１は配管２２０Ｂおよび２３０Ｂのそれぞれの配管径Ｄ２よりも大きいので、伝達チャンバ２１０Ｂと配管２２０Ｂ、２３０Ｂとの間に生じる圧力差が生じ、これにより、ラジエータ２００Ｂの第１の配管２２０Ｂを垂直に配置できるだけでなく、水平に配置することもでき（図５に示すように）、より広範囲の用途に用いることができる。ラジエータ２００Ｂの前記第１の配管２２０Ｂが「垂直に配置される」とは、第１の配管の延在方向が重力の方向Ｇに実質的に平行であることを指し、ある要素が別の要素に「実質的に平行」であるとは、１つの要素が別の要素に平行またはほぼ平行であることを指す。ラジエータ２００Ｂの前記第１の配管２２０Ｂが「水平に配置される」とは、第１の配管２２０Ｂの延在方向Ｅ１が重力の方向Ｇに実質的に垂直であることを指し、ある要素が別の要素に「実質的に垂直」であることは１つの要素が別の要素に垂直またはほぼ垂直であることを指す。なお、本実施形態において、ラジエータ２００Ｂの第１配管２２０Ｂを縦置きまたは横置きにしているが、これは例示にすぎず、これに限定されるものではない。ラジエータ２００Ｂは、任意の角度位置に配置することができる。

内部フィン２４０Ｂは、液気共存部Ｓ２内に位置し、第１配管２２０Ｂと熱的に結合することで、吸熱側のラジエータ２００Ｂの熱交換面積を高めることにより、ラジエータ２００Ｂの吸熱効率を高めている。また、外部フィン２５０Ｂは気密空間Ｓの外側に位置し、放熱側でラジエータ２００Ｂの熱交換面積を高めるように放熱側に熱的に結合されており、ラジエータ２００Ｂの放熱効率を高めている。

一態様では、ラジエータ２００Ｂの吸熱側を水平に配置できるので、吸熱側に配置される内部フィン２４０Ｂは重力方向Ｇと略平行である。換言すれば、内部フィン２４０Ｂの法線方向は重力方向Ｇに対して実質的に垂直であり、隣接する２つの内部フィン２４０Ｂの間の隙間は、重力方向Ｇに延びている。これにより、液気共存部Ｓ２内の蒸気Ｌ２が重力方向Ｇに沿って隣り合う２つの内部フィン２４０Ｂ間の隙間に流入できるため、液気共存部Ｓ２内の蒸気Ｌ２とラジエータ２００Ｂの吸熱側との熱交換効率を高めることができる。この実施形態では内部フィン２４０Ｂが重力方向Ｇに実質的に平行であるが、これは例示に過ぎず、本開示はこれに限定されない。内部フィン２４０Ｂは蒸気Ｌ２が内部に流れて熱を吸収した後に出力することができればよく、任意の角度位置に配置することができる。

一態様では、隣接する２つの内部フィン２４０Ｂの間の間隔Ｇ１が隣接する２つの外部フィン２５０Ｂの間の間隔Ｇ２よりも大きいが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では任意の２つの隣接する内部フィン間の間隔が任意の２つの隣接する外部フィン間の間隔に等しくすることができ、その結果、蒸気は内部フィン間の隙間をより容易に流れることができる。

一態様では第１の配管２２０Ｂの数量は複数であり、第２の配管２３０Ｂの数量は複数であるが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、第１の配管の数量は１つだけであってもよく、第２の配管の数量は１つだけであってもよい。

一態様では、放熱システム１０Ｂがプレート３００Ｂをさらに含んでもよい。プレート３００Ｂは例えば、第１傾斜部３１０Ｂと、第２傾斜部３２０Ｂと、第３傾斜部３３０Ｂとを含む。第２傾斜部３２０Ｂは第１傾斜部３１０Ｂと第３傾斜部３３０Ｂとの間に連結され、第１傾斜部３１０Ｂおよび第３傾斜部３３０Ｂは第２傾斜部３２０Ｂよりも傾斜している。プレート３００Ｂは液気共存部Ｓ２内に位置し、プレート３００Ｂは、液滴を受けるために内部フィン２４０Ｂに隣接して配置されている。

詳細には、プレート３００Ｂの第１傾斜部３１０Ｂは、液気共存部Ｓ２をラジエータ２００Ｂが位置しない高温領域とラジエータ２００Ｂが位置する低温領域とに分割するように、内部フィン２４０Ｂに隣接して配置されている。さらに、プレート３００Ｂの第１傾斜部３１０Ｂと天板１４０Ｂとの間に入口Ｏ１が設けられており、この入口Ｏ１を介して高温領域が低温領域と流体連通している。プレート３００Ｂの第２傾斜部３２０Ｂおよび第３傾斜部３３０Ｂは、液体貯蔵部Ｓ１により近接する位置にある内部フィン２４０Ｂの片側に位置し、プレート３００Ｂの第３傾斜部３３０Ｂと側板１２０Ｂとの間に出口Ｏ２が設けられている。低温領域は、出口Ｏ２を介して液体貯蔵部Ｓ１と連通している。熱源が動作すると、熱源から発生した熱が冷却流体Ｌ１を蒸発させて高温の蒸気Ｌ２にすることができ、高温の蒸気Ｌ２が液体貯蔵部Ｓ１から液気共存部Ｓ２に向かってＦ１方向に上昇する。そして、高温の蒸気Ｌ２は、方向Ｆ２に沿って入口Ｏ１に流入した後、ラジエータ２００Ｂの吸熱側で冷却されて低温の凝縮された液滴Ｌ３に凝縮される。そして、凝縮された液滴Ｌ３は、プレート３００Ｂ上を方向Ｆ３に落下した後、プレート３００Ｂに沿って液体貯蔵部Ｓ１に戻るか、又は直接出口Ｏ２を通って液体貯蔵部Ｓ１に流れる。また、プレート３００Ｂの第２傾斜部３２０Ｂおよび第３傾斜部３３０Ｂは排水勾配として機能し、凝縮された液滴Ｌ３は第２傾斜部３２０Ｂおよび第３傾斜部３３０Ｂに沿って液体貯蔵部Ｓ１に逆流することができる。そして、低温の凝縮液滴は、冷却される熱源に向かって方向Ｆ４に流れる。以上の循環流路によれば、気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１の温度変化により自然対流が形成され、放熱システム１０Ｂの放熱性能を高めることができる。

一態様ではプレート３００Ｂが３つの傾斜部分からなるが、本開示はそれに限定されない。他の実施形態では、プレートが単一の傾斜部分からなるプレートまたは円弧状プレートなど、様々な構成で形成することができる。

一態様では気密空間Ｓ内の冷却流体Ｌ１が自然対流によって冷却循環を行うが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、放熱システムが気密空間内で冷却流体を駆動して移動させるために、ファンまたはポンプなどの流体ドライバをさらに含んでもよい。その結果、気密空間内の冷却流体は、強制対流による冷却循環を行うことができる。

一態様では、放熱システム１０Ｂが、例えば、気密空間Ｓの外側に位置し、放熱側に配置された、気流生成装置４００Ｂをさらに含んでもよい。気流生成装置４００Ｂは、例えば軸流ファンであり、気流生成装置４００Ｂが動作すると、気流生成装置４００Ｂは外部フィン２５０Ｂと共に、外部に熱を逃がす。その結果、気流生成装置４００Ｂで発生する外部の気流は、放熱側および外部フィン２５０Ｂの放熱効率を高めることができる。

本願明細書は上記記載に鑑み、浸漬槽内に伝達チャンバを有するラジエータの一部を設け、浸漬槽外にラジエータの他の一部を設けることにより、放熱システムに冷却分配部およびポンプを設ける必要がない。そのため、電力使用量を削減でき、装置の構造体が簡単になる。さらに、放熱システムの電力使用有効性を１．３から１．１未満に最適化し、単位体積あたりの伝熱容量を４０％大幅に増加させることで、放熱システムのサイズと製造コストを低減している。

さらに、伝達チャンバの配管径は配管の配管径よりも大きく、熱は温度の変化を引き起こすので、水平に置くとラジエータは依然として機能することができる。すなわち、ラジエータがマイナス９０度の位置に配置されていても（すなわち、熱吸収側が放熱側の上方に位置していても）、ラジエータは依然として動作し、それによって、より広範囲の用途を有する。

さらに、プレートは液気共存部を高温領域と低温領域に分けるため、気密空間内の冷却流体は流体温度変化により自然対流を形成し、放熱システムの放熱性能を高めている。

さらに、ラジエータの配管の吸熱部および放熱部は動作時に水平に配置することができるため、吸熱部に配置される内装フィンを重力方向に略平行に配置することができ、液気共存部の蒸気が重力方向の内装フィン間の隙間に流入することができ、液気共存部の蒸気とラジエータの配管の吸熱部との熱交換効率を高めることができる。

さらに、任意の２つの隣接する内部フィン間の間隔は任意の２つの隣接する外部フィン間の間隔よりも大きく、その結果、蒸気は内部フィン間の隙間をより容易に流れることができる。

実施形態は、本開示の原理およびその実用的な応用を最もよく説明し、それによって、他の当業者が意図される特定の使用に適した様々な修正を伴って本開示および様々な実施形態を最もよく利用することを可能にするために選択され、説明されている。本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義されることが意図される。

１０、１０Ａ、１０Ｂ：放熱システム
１００、１００Ａ、１００Ｂ：浸漬槽
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ：底板
１２０、１３０、１２０Ａ、１３０Ａ、１２０Ｂ、１３０Ｂ：側板
１４０、１４０Ａ、１４０Ｂ：天板
２００、２００Ａ、２００Ｂ：ラジエータ
２１０：伝達チャンバ
２２０：配管
２２１：吸熱部
２２２：放熱部
２３０：内部フィン
２４０：外部フィン
２１１Ａ：第１伝達チャンバ
２１２Ａ：第１配管
２１３Ａ：第２伝達チャンバ
２１４Ａ：第２配管
２１５Ａ：第３伝達チャンバ
２１６Ａ：第３配管
２１７Ａ：第４伝達チャンバ
２１８Ａ：第４配管
２３０Ａ：内部フィン
２４０Ａ：外部フィン
２１０Ｂ：伝達チャンバ
２２０Ｂ：第１配管
２３０Ｂ：第２配管
２４０Ｂ：内部フィン
２５０Ｂ：外部フィン
３００、３００Ａ、３００Ｂ：プレート
３１０、３１０Ａ、３１０Ｂ：第１傾斜部
３２０、３２０Ａ、３２０Ｂ：第２傾斜部
３３０、３３０Ａ、３３０Ｂ：第３傾斜部
４００、４００Ａ、４００Ｂ：気流生成装置
Ｄ１、Ｄ２：配管径
Ｓ：気密空間
Ｓ１：液体貯蔵部
Ｓ２：液気共存部
Ｌ１：冷却流体
Ｌ２：蒸気
Ｌ３：液滴
Ｘ：自由面
Ｇ：重力の方向
Ｅ、Ｅ１、Ｅ２：延在方向
Ｎ：法線方向
Ｆ１～Ｆ４、Ａ～Ｄ：方向
Ｇ１、Ｇ２：間隔
Ｏ１：入口
Ｏ２：出口

Claims (9)

1. 少なくとも１つの熱源を冷却するように構成された放熱システムであって、
   気密空間を有する浸漬槽を有し、前記気密空間の一部が液体貯蔵部と液気共存部とに分割されて冷却流体を貯蔵するように構成され、前記液体貯蔵部は前記冷却流体と前記少なくとも１つの熱源とを貯蔵するように構成され、前記液気共存部は前記冷却流体の自由面の上方に位置するように構成され、
   少なくとも１つの伝達チャンバと、少なくとも１つの配管と、複数の内部フィンと、複数の外部フィンとを備えるラジエータを有し、前記少なくとも１つの配管は、前記少なくとも１つの伝達チャンバと前記少なくとも１つの配管が循環流路を形成するように、前記少なくとも１つの伝達チャンバに接続され、前記少なくとも１つの配管の一部が前記液気共存部に位置し、前記少なくとも１つの配管の他の一部が前記気密空間の外側に位置し、前記複数の内部フィンは液気共存部に位置し、前記少なくとも１つの配管に熱的に結合され、前記複数の外部フィンは前記気密空間の外側に位置し、前記少なくとも１つの配管に熱的に結合され、
   前記少なくとも１つの伝達チャンバの配管径は、前記少なくとも１つの配管の配管径よりも大きいことを特徴とする放熱システム。
2. 前記複数の内部フィンのうちの任意の隣接する２つの内部フィン間の間隔は前記複数の外部フィンのうちの任意の隣接する２つの外部フィン間の間隔よりも大きい、請求項１に記載の放熱システム。
3. 前記液気共存部に位置するプレートを更に備え、前記プレートは前記複数の内部フィンに隣接して配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の放熱システム。
4. 前記少なくとも１つの伝達チャンバは、第１の伝達チャンバ、第２の伝達チャンバ、第３の伝達チャンバおよび第４の伝達チャンバを備え、前記少なくとも１つの配管は第１の配管、第２の配管、第３の配管および第４の配管を備え、前記第１の配管は前記第１の伝達チャンバおよび前記第２の伝達チャンバに接続され、前記第２の配管は前記第２の伝達チャンバおよび前記第３の伝達チャンバに接続され、前記第３の配管は前記第３の伝達チャンバおよび前記第４の伝達チャンバに接続され、前記第４の配管は前記第４の伝達チャンバおよび前記第１の伝達チャンバに接続される、請求項１に記載の放熱システム。
5. 前記第１の配管の配管径は、前記第３の配管の配管径よりも大きい、請求項４に記載の放熱システム。
6. 前記気密空間の外側に位置し、前記少なくとも１つの配管上に配置される気流生成装置をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の放熱システム。
7. 前記少なくとも１つの配管の数量は複数であり、前記配管は前記少なくとも１つの伝達チャンバに接続される、請求項１に記載の放熱システム。
8. 前記配管の少なくとも２つの配管の配管径は互いに異なっている、請求項７に記載の放熱システム。
9. 前記配管の配管径は同じである、請求項７に記載の放熱システム。

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