JP4056513B2 - 再循環した熱を用いて冷凍をもたらすための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、熱力学的過程の結果として生じる廃熱を使用するための装置および方法に関し、より具体的には、廃熱の少なくとも一部分を使用して、その廃熱を発生する同じシステムの一部分内で、ある程度の冷却を引き起こすための装置および方法に関する。

ガス吸収冷凍機により廃熱を使用して他の装置に冷却を施すという概念は、かねて、周知のものであった。しかし、従来の装置および方法は、必要な冷却を行うために、ある装置またはシステムの一部から発生された熱を同じ装置またはシステムの他のセクションに伝達（または使用）していなかった。

さらに、従来の技法では、急速膨張に基づく冷凍を導く吸収ガスを圧縮するために廃熱を使用する吸収ガス冷凍機を使用していなかった。通常の動作状態で熱を発生する装置の例は多数存在する。何らかの形の機械的エネルギーを発生するすべての機械は、どうしても熱力学の法則による熱も発生してしまう。多くの場合、この熱は、装置のあるセクションを冷却するために多大な努力を行わなければならず、さもなければ、その熱が装置の重要な機能を破壊するようなレベルであり得る。

大量の発熱の特定の例は、コンピュータの動作に見られる。

より具体的には、サーバなどの大型装置（unit）は、その動作の過程で、十分な熱除去を行うために多大な措置が必要になるような大量の電力を使用する。このような措置を行わないと、マイクロプロセッサなどのサーバ・コンポーネントは、過度の高温によって破壊されることになるであろう。

しかし、本発明者がこの問題を認識する前は、装置またはシステムからの廃熱の一部分の再循環（re-circulation）を行い、その熱を転送（redirect）して局部冷凍（local refrigeration）を引き起こし、冷凍装置の低温部分が冷却を必要とするシステムの異なる部分に向けられるような装置または方法はまったく存在しなかった。
米国特許出願第１０／６８０２３３号

従来の方法および構造の上記その他の例示的な問題、短所、欠点を考慮して、本発明の例示的な特徴は、ある装置またはシステム内で発生された熱の一部分を再循環し、それを転送して関心領域（region of interest）の局部冷凍を引き起こす方法および構造を提供することである。

本発明の第１の例示的な態様では、そこで熱を発生するシステム用の冷却装置は、ある装置またはシステムから使用可能な廃熱の少なくとも一部分を受け取るためのチャンバまたはジェネレータであって、内部に冷媒（refrigerant）を収容するチャンバまたはジェネレータと、チャンバ内で加熱された冷媒を受け取るためのコンデンサであって、冷媒がコンデンサ内部で加圧され冷却されるコンデンサと、コンデンサに結合され、冷却すべき領域に導く少なくとも１つのコイルとを含む。この少なくとも１つのコイルは、コンデンサに結合された第１の部分と、第１の部分の下流にある第２の部分と、第２の部分の下流にある第３の部分とを含む。第２の下流部分は自由膨張（free expansion）によってその領域の冷却を引き起こすためのオリフィス（orifice）を含み、第３の下流部分は冷却すべき領域からチャンバに導く。

本発明の第２の例示的な態様では、そこで熱を発生するシステム用の冷却装置は、その熱の少なくとも一部分を受け取り、冷媒を収容するためのチャンバと、冷却すべき装置の領域からある距離に位置するコンデンサ・コイルであって、加熱された冷媒をチャンバから受け取り、冷媒が加熱により加圧され、コンデンサ内部で冷却され液化されるコンデンサ・コイルと、コンデンサから冷却すべき領域に導く１つまたは複数のコイルであって、コンデンサに対向して端部が冷却すべき領域に取り付けられ、その反対側の端部が自由膨張によってその領域の冷却を引き起こすためのオリフィスを含み、冷却すべき領域からチャンバに続く１つまたは複数のコイルとを含む。

本発明の第３の例示的な態様では、そこで熱を発生する装置を冷却するための方法は、その熱の少なくとも一部分をチャンバ内で受け取るステップであって、そのチャンバがそこに冷媒を収容するステップと、チャンバ内で加熱された冷媒をコンデンサによって受け取るステップであって、冷媒がそのチャンバ内で加熱され、冷媒がそのコンデンサ内で加圧され冷却されるステップと、少なくとも１つのコイルをコンデンサに結合し、その少なくとも１つのコイルを冷却すべき領域に導くステップであって、この少なくとも１つのコイルが、コンデンサに結合された第１の部分と、第１の部分の下流にある第２の部分と、第２の部分の下流にある第３の部分とを含むステップとを含む。第２の下流部分は自由膨張によってその領域の冷却を引き起こすためのオリフィスを含み、第３の下流部分は冷却すべき領域からチャンバに導く。

本発明の特徴の固有かつ自明ではない組み合わせにより、熱力学的過程の結果として生じる廃熱を使用するための装置および方法が提供される。

この装置（および方法）は有利なことに、その熱の少なくとも一部分を使用して、その廃熱を発生する同じ装置またはシステムの一部分内で、ある程度の冷却を引き起こす。

したがって、廃熱の一部分はその装置またはシステムから再循環（リサイクル）され、冷却を必要とする同じ装置またはシステムのセクションに転送される。

本発明のこのような概念は、多くの適用例を有し、コンピュータ・サーバ・ユニットなどの大型コンピュータ・システムが発生する熱に対処する例示的な実施形態および適用例に限定されない。この適用例では、マイクロプロセッサの冷却を行うことが重要であり、チップ回路密度の増大によってチップ温度の継続的上昇を引き起こすにつれて、追加のマイクロプロセッサ冷却の必要性が増大し続けている。しかし、本出願を全体として考慮すると当業者には明らかになると思われるように、本発明は間違いなくこの適用例に限定されない。本方法の基本的な利点の１つは、装置またはシステムを冷却するための冷凍装置の一部になるように廃熱を統合することにより、そうでなければ過熱によって使用不能になる装置またはシステムを使用可能にできるように、他の方法では有用な熱にならないと思われる廃熱を使用することである。

上記その他の目的、態様、および利点は、添付図面に関連して以下に示す本発明の例示的な一実施形態の詳細な説明からより適切に理解されるであろう。

次に添付図面、より具体的には図１〜４を参照すると、本発明による方法および構造の例示的な諸実施形態が示されている。

本発明は、装置またはシステム内で発生する熱力学的過程の結果として生じる廃熱を使用するための装置および手段について記載し、具体的には、この装置は、その装置またはシステムからの熱の少なくとも一部分を使用して、その廃熱を発生する同じ装置またはシステムの一部分内で、ある程度の冷却を引き起こす。このように、廃熱の一部分は再循環され、冷却を必要とする装置またはシステムのセクションに転送される。

前述の通り、本発明は多くの適用例を有するが、いずれにしても本発明を制限するためではなく、読者の明瞭性および理解のみのために、本出願では、コンピュータ・サーバ・ユニットなどの大型コンピュータ・システムが発生する熱の例示的な一実施形態について記載する。実際に、本発明者は、マイクロプロセッサ・システムの冷却を行うことが極めて重要であり、チップ回路密度の増大によってチップ温度の継続的上昇を引き起こすにつれて、安価な追加のマイクロプロセッサ冷却の必要性が増大し続けることを認識している。熱力学において周知の通り、低温から比較的高温へ熱を移動するにはエネルギーを要する。効率面から見ると、低温領域から高温領域へ除去されるエネルギーの量は１より大きくなる可能性がある。実際に、実験的には、従来の冷凍機など、典型的な逆カルノー・サイクル・エンジン（reversed Carnot cycle engine）の場合、３〜４程度になることが分かっている。このような冷凍機の理想的な性能係数（coefficient of performance：ＣＯＰ）は以下のようになる。
ＣＯＰ＝Ｑ_H／Ｗ （１）
ここで、Ｑ_Hはカルノー・サイクル・エンジンの高温リザーバ（hot reservoir）に伝達される熱であり、Ｗはこの伝達を達成するための機械仕事（mechanical work）である。この式は２つの絶対温度に関して以下のように書き表すことができる。
ＣＯＰ＝Ｔ_H／（Ｔ_H−Ｔ_C） （２）
ここで、Ｔ_Cは比較的低い温度（たとえば、この例示的なケースでは、冷却すべきコンピュータ・チップ）である。明らかに、この状況のＣＯＰは必ず１より大きくなる（すなわち、それを除去するために費やされる作業量より多くの熱が除去される）。

この場合、本発明では、ある装置またはシステムの特定の部分、たとえば、１つまたは複数のサーバ電源またはコンピュータ・チップからの熱を使用し、作業ではなくその熱を吸収ガス冷凍機に供給して、冷凍に使用する熱の発生源に必ずしも直接接続されていない加熱隣接領域から熱を除去する。コンピュータの場合、熱源とジェネレータとの直接接触はジェネレータに熱を適切に伝達しない可能性があるので、この熱は強制エアー対流（convection）によって吸収ガス冷凍機のジェネレータに最もよく伝達することができる。しかし、一般に、熱源から供給される熱より低温でジェネレータが動作している条件の場合、これは当てはまらない。その場合、熱源からガス冷凍機のジェネレータへの伝導によって熱を伝達することができる。

たとえば、冷却ファンまたは電源のモータからの熱は、吸収ガス冷凍機と同等のものを動かすために転送することができる。吸収ガス冷凍機（動作のための電気発生源の必要性またはモータがなくても完全なものである可能性がある）は、周知のものであり、溶液（たとえば、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）／水、アンモニア／水、塩化リチウム／水、アンモニア／水／水素など）に熱を供給することによって動作する。ＬｉＢｒ／水（または塩化リチウム／水）を使用する場合、冷凍動作では水が気化し、冷却を行うが、アンモニア／水冷媒では、冷却を行うために気化し、圧縮および液化状態になるのはアンモニアであることは留意すべきである。小型の電力効率の良いモータを使用してアンモニアと水を再結合するか、あるいは第３のガスである水素を使用することができる。

図１を参照すると、例示的な適用例における本発明による冷凍構造１００が示されており、より具体的には、放熱装置またはシステム（たとえば、サーバ・ラックおよびその関連電子コンポーネントであり、本発明は多くの放熱装置に適用可能であるが、以下の一貫性および読者の明瞭性のために、サーバ・ラックについて記載する）１１０が吸収ガス冷凍機１２０によって冷却される。

ガス冷凍機１２０は好ましくは、サーバ・ラック１１０に隣接して（たとえば、より好ましくはその上に）取り付けられる。

ガス冷凍機１２０は、サーバ・ラック１１０のある部分から放射または強制エアー廃熱１２１ａを捕捉する加熱チャンバ１２１を含む。この場合も、廃熱は、増幅器、コンピュータ・チップ、電流源などのチップを駆動するために使用する補助コンポーネントなど、プロセッサ・チップに電力を供給する電子機器から発生する可能性がある。これは、望ましくは再循環されるように使用され、冷却に使用される廃熱であり、一般に強制エアー対流によりジェネレータに伝達される。

吸収ガス冷凍機の技術では周知の通り、比較的高温の加熱チャンバ１２１にはコンデンサ１２２が結合されている。コンデンサ１２２は、チューブ、コイルなどにすることができ、その中に加圧および冷却された液体（冷媒）を含む。

コンデンサ１２２は膨張（expansion）段階（たとえば、冷却コイル１２４）に結合されている。いくつかのガス冷凍機では、膨張（またはスロットル）弁１２３を使用する場合がある。任意選択の膨張弁１２３に隣接する冷却コイル１２４の一部分では、気体蒸気（たとえば、臭化リチウムと水、アンモニアと水、アンモニアと水と水素など）が提供され、それにより冷却を行う。したがって、すべてのガス冷凍機がこのような膨張／スロットル弁を使用するかまたはそれとともに動作するわけではないことは留意すべきである。より一般的には、蒸発器セクションでは、冷媒が蒸発して冷却を引き起こす。場合によっては、これは、スロットル弁を使用する急速膨張を伴うが、すべてのタイプのガス冷凍機で必要になるわけではない。

冷却コイル１２４は好ましくは関心領域（たとえば、プロセッサ・チップ）内にあり、それによりそれを冷却する。

プロセッサ・チップを横切った後、冷却コイル１２４は元の加熱チャンバ１２１に結合される。

図２に関して以下にさらに詳述する通り、加熱器ベースの吸収ガス冷凍機の基本原理は、加熱コンパートメント（compartment；区画）内のガスとして溶液から冷媒が追い出される吸収サイクルを含み、次に冷媒から水を分離するためのセパレータ・ユニットの通過（図面には詳細に示していない）が続き、さらに次に冷媒が液体に戻る凝縮（condensation）サイクルが続く。

したがって、図１に示す通り、本発明では、コンデンサ１２２は好ましくは、サーバから熱を放射し、冷却過程を介してガスを液体に変えるためにサーバ・ユニット１１０の外側に位置する。

この動作の次に、膨張（たとえば、場合によってはスロットル／膨張弁１２３によって可能になる急速膨張）および場合によっては水素との相互作用によって行われる蒸発サイクルが続く。この過程では、冷却すべき本体（たとえば、例示的な非制限的適用例の場合、一連のプロセッサ・チップ）から発生する冷媒に気化熱を供給する必要がある。ガス冷凍機（すべての冷凍機と同様）のこの部分は蒸発器セクション（たとえば、参照番号１２４に隣接して示されており、冷却が望ましい領域に隣接している）である。

例示的な一実施形態では、コンデンサ１２２は、冷却すべき領域から離れた任意の場所に（たとえば、冷却ファン１１０ａとともにサーバ・ラック１１０の上に）位置することができる。

コンデンサ１２２は、液体冷媒を圧力下に放置するが、冷媒に対して相当な冷却を施す。膨張（この場合もおそらく膨張またはスロットル弁１２３による）により加圧液体を蒸発器（たとえば、低圧領域）内に解放すると、気化熱が周囲から取られるにつれて冷却を引き起こす。

本発明では、任意選択で使用される場合、膨張弁１２３はプロセッサ・チップ１２５付近に配置することができ、そこで膨張が発生する管状部（たとえば、チューブ、コイルなど）は好ましくはチップに直接接触しているか、または標準的な銅冷却ハット（copper cooling hat）はインターフェースを介してチップに接触している。

次に図２を参照し、本発明によるガス冷凍機サイクル２００（およびその構造）について、より詳細に記載する。

図２では、電力増幅器２５１（図４に示す）（およびプロセッサ・チップ２２７）を含むサーバ・ラック２５０（図４に示す）によって放射される廃熱２２１ａは、一般に強制エアー対流により、加熱チャンバであるジェネレータ２２１に収集される。加熱チャンバ２２１内の参照番号２２１ｂには、前のサイクルからの水および冷媒（たとえば、一実施形態では熱水（Ｈ₂Ｏ）およびアンモニア（ＮＨ₃））が存在する。

補助電気ヒータ２２６は好ましくは、加熱チャンバ２２１の上に設けることができる。このようなヒータ２２６は、直ちに「瞬間」加熱を可能にし、したがって、冷却を行えるようにするために重要なものである。

すなわち、サーバ装置がまず動作可能になると、本発明の装置を加熱し、それを動作可能にするためにある程度時間がかかる可能性がある。したがって、様々なコンポーネントからの熱が蓄積するためにある程度時間がかかる可能性があるので、冷凍機は動作するのに時間を要する可能性がある。このような場合、電気ヒータ２２６をオンにしてジェネレータ領域を急速に加熱し、それによりサーバ・ラックが熱を供給するのを待たずに装置が動作可能になるようにすることができる。このために、瞬間加熱は、ガスに対してより急速な圧縮（したがって、より急速な冷却機能も）もたらすことになるであろう。

このような補助電気ヒータ２２６は好ましくは、サーバ・ラック／コンポーネントが加熱するにつれて補助電気ヒータ２２６から放出される熱を好ましくは減少させるようにサーボ・ユニットを有する温度センサ２２６ａに結合される。したがって、ガスの温度を感知する温度センサ２２６ａは、電気ヒータ２２６を最適値まで（またはゼロまで）下げる（または上げる）ようにサーボ・メカニズムを操作する。

サーバ・ユニットからのガスがどの程度の高温になるかに応じて、補助電気ヒータ２２６からの何らかの熱が必ず必要になる可能性があることは留意すべきである。すなわち、サーバ・ユニットによって熱が発生される可能性があるが、それは、いくつかの環境要因に応じて、本発明の装置およびシステムが効率よくまたは最適に動作するのに十分な温度、数量、または持続時間ではない可能性がある。したがって、補助電気ヒータ２２６は、サーバ・ユニットからの熱を補うために有利になるであろう。

コンデンサ２２２は、加熱チャンバ２２１の側面または好ましくはその上で加熱チャンバ２２１に結合される。

コンデンサ２２２内の参照番号２２２ａには、加圧および冷却されたアンモニア（たとえば、ＮＨ₃または他の冷媒）が存在する。

任意選択の膨張弁２２３（たとえば、「スロットル弁」としても知られる）はコンデンサ２２２の下流に設けることができる。使用される場合、膨張弁２２３は、加圧および冷却されたアンモニアが弁２２３の下流で（たとえば、蒸発器／冷却コイル内で）膨張し、それにより参照番号２２５ａでガス状ＮＨ₃を形成することができる。この場合も、弁を使用しない場合もある。重要な態様は、蒸発器セクションにおいて、冷却を引き起こすために液体冷媒が少なくともある程度、蒸発されることである。

膨張弁２２３の下流にある冷却コイル２２５は、それによりそれを冷却するために、プロセッサ・チップ２２７の近接領域２２５ｂ内に配置される。コイルのこの部分は、冷却すべきコンピュータ・チップと接触することができ（たとえば、例示的な図６に示す通り）、チップ冷却ハットと接触するかまたはそれを通り抜けることができ（たとえば、図７に示す通り）、あるいは図８に示すように、コンピュータ・チップ付近を通るかまたはそれに接触する水を冷蔵する（chill）ために使用することができる。

次に冷却コイル２２５は加熱チャンバ２２１に戻る。

このため、ヒータ・ベースの冷凍機では、ヒータまたはジェネレータ・セクション内のガスとして溶液から熱的に追い出される冷媒を含む吸収サイクルを使用する。

本発明では、溶液から冷媒を追い出すためのこの熱は、装置の一部分（たとえば、サーバ・ユニットのファンまたは電源）から得られる廃熱２２１ａによって提供される。

このガスは、加熱した後、コンデンサ・ユニット２２２内で液体に凝縮され、次にすべての冷凍ユニットに共通のユニットである蒸発器ユニット（たとえば、冷却すべき関心領域内で任意選択の膨張弁／スロットルの下流にあるコイリング）内で蒸発してガスに戻る。最後に冷媒は、吸収ユニット内で（たとえば、アンモニア（または臭化リチウム／水および塩化リチウム／水の冷媒の場合は水）が再吸収される蒸発器ユニットの下流で）溶液に戻る。

液体をガスに転化させるには、この場合、蒸発器を取り囲む部分から抽出される熱である潜熱（latent heat）が必要になるので、冷却効果は蒸発器ユニット内での蒸発中に現れる。

典型的に、吸収サイクル・ガス冷凍機（たとえば、図２に示す概略図などであるが、同図は吸収部分の詳細を示しておらず、その詳細は既知のものであって、ガス混合物に応じて変化する）では、水中臭化リチウム（ＬｉＢｒ）の溶液、水中塩化リチウムの溶液、または場合によっては水素を伴う水中アンモニアの混合物を使用する。アンモニア冷媒と水の場合、アンモニアはジェネレータまたは加熱チャンバ内で加熱状態になり、加圧蒸気に変わる。

冷媒蒸気は、冷媒から水を分離するためのセパレータ２４０（たとえば、図２）に入る。すなわち、アップ・サイクル（up cycle）では、この熱によって水とアンモニアが高温になり、セパレータ２４０は、アンモニアがコンデンサ・ユニット２２２まで下流に進む間に水が加熱チャンバ２２１に戻るように機能する。したがって、セパレータはアップ・サイクルで使用され、蒸発（冷却）段階後にアンモニアと水の混合が行われる。

このため、分離後に、アンモニアは、それが周囲に熱を放出するコンデンサ・ユニット２２２を通過し、次にコンデンサ内の冷却により加圧液体に戻る。

この液体冷媒は、蒸発器に入り、その際に、周囲から気化熱を取る自由膨張を受け（たとえば、いくつかの例示的なケースでは任意選択の膨張弁２２３を介して）、それにより結果的に周囲の冷却が行われる。次に、この比較的低温の蒸気はジェネレータ（たとえば、加熱チャンバ）に再び入り、循環し続ける。

水中液体臭化物が冷媒として使用される他の例示的な非制限的実施形態では、このサイクルはいくらかより複雑なものになるが、水蒸気がＬｉＢｒから分離されることを除いて、基本的にはアンモニア・サイクル中に発生するものと同様であり、コンデンサ２２２および蒸発器段階を通過し、最終的に冷却を引き起こすのはこの水蒸気である。

本発明のシステムの場合、性能係数（ＣＯＰ）を記述する理想的な式は以下のように示される。
ＣＯＰ＝［Ｔ_L／（Ｔ_M−Ｔ_L）］［（Ｔ_H−Ｔ_M）／Ｔ_H］ （３）
ここで、Ｔ_Mは、主としてコンデンサ２２２から熱を受け取るヒート・シンクの温度である。
Ｔ_Hは、通常、必ずしも冷却すべきチップ以外の部分からではなく、サーバ・ユニットの加熱部分によって本発明で提供される廃熱が入ることによる冷媒用のジェネレータまたは加熱チャンバ２２１の温度である。これは、冷凍サイクルを駆動する熱である。
Ｔ_Lは、蒸発器段階（たとえば、冷却領域）内の自由膨張による低温であり、本発明の例示的な実施形態では、蒸発器ユニット内のガス膨張に熱を提供する冷却したコンピュータ・プロセッサ・チップの温度である。

図３〜５は、上述の吸収ガス冷凍サイクルをより詳細に示している。より具体的には、図３は、圧縮のために熱を抽出するためのメカニズムを示し、特に、電力増幅器（廃熱源の少なくとも一部分を表す）によって流れる低温ガス（冷媒）を示している。チューブを通って流れる低温ガスは、電力増幅器を通過し、その後、コンデンサ２２２に入るために圧縮ガスとしてジェネレータに伝達される熱の一部として機能する。

図４は、ジェネレータ内をコンデンサまで流れる圧縮ガスを示し、具体的には、たとえば、サーバ・ユニットからファン・ブローオフ（fan blow-off）により熱を受け取るジェネレータを示している。

図５は、吸収ガス冷凍機によってすでに冷蔵されている媒体（たとえば、水）の本発明による使用法を示している。図示の通り、水タンク２９０は水ポンプ２２３を含む管状部とともに示されており、冷水は冷却のためにチップと任意選択の冷却ハットを通過する。温水の戻り（たとえば、水はチップ／任意選択の冷却ハットの冷却後に温められる）が示されている。この時点で加熱された水は、吸収ガス冷凍機の蒸発器に戻され、次に冷却後にタンクに戻り、加熱／冷却サイクルを完了する。

図６は、プロセッサ・チップ３１０を冷却するための例示的な構成３００を示し、具体的には、チップ３１０がどのように冷却媒体と接触できるかを示している。明らかに、チップがどのように冷却コイル３３０と接触することになるかに関し、本発明で使用するのが可能と思われる数多くの実施形態および構成が存在する。

実際に、ガス冷凍機からの冷却を使用すると、直接接触（たとえば、図７に示すように）によるか、またはジェネレータ温度の関数としてガス冷凍機の蒸発器の冷却温度の実験データが図８に示されているチップと接触するコンジット（conduit）内を流れる水を冷却することにより、チップを冷却することができる。上昇したジェネレータ温度は、ホット・エア・ガンからの強制熱風を使用することによって得られる。代わって、図６に示すように、冷却した水が冷却ハットを通って流れることができる他の構成については本明細書を読んだ後、当業者にとって自明のことである。

図６では、チップ３１０は、その上に冷却ハット３２０（たとえば、典型的に、銅などの伝導部材で作られる）を有するものとして示されており、それを通って（またはそれに隣接して）膨張冷却コイル３３０が横切っている。銅冷却ハット３２０はその上にフィンを有することができ、フィンをブローして熱を放散させるためにファン（たとえば、図１に示すファン１１０ａと同様のもの）を有利に使用することができる。

したがって、図６では、冷却液（coolant）は膨張冷却コイル３３０を通過し、チップ３１０（たとえば、アレイを形成するチップ）に接触している銅冷却ハット３２０を直接通過し、それによりチップ３１０を冷却する。チップ３１０は、典型的に、ボード（board）に挿入され、再びチューブが冷却ハット３２０内にある場合もあれば、チップが膨張冷却コイル３３０に直接接触させられる場合もある。

チップ３１０に接触する銅冷却ハット３２０の使用により、典型的に、銅冷却ハットとチップとの間に粘性グリース（viscous grease）が配置され、比較的高い圧力（たとえば、８０ｌｂ／ｉｎ²（５６２４５．６ｋｇｆ／ｍ²））により冷却ハットがチップ上に押しつけられる。したがって、典型的に、圧力が加えられた後、冷却ハットとチップとを接触させるグリース膜は約５０〜１００ミクロンの厚さになる。この膜は放散される熱の量を低減する際の難題（great challenge）を表し、したがって、本発明では、冷却効率を高めるチップと冷却コイルとの直接接触を使用することができる。

すなわち、図７は、関心領域（たとえば、コンピュータ・チップ３１０）の冷却の配置３５０の他の実施形態を示しており、コイル・ユニットとコンピュータ・チップ３１０との間に直接接触が存在する。したがって、冷水３３０が用意され、チップ３１０の表面のすぐ上を流れ、それによりチップを冷却し、熱水として関心領域をぬける。

すでに前述した図８および図９はそれぞれ、冷凍機の冷却曲線のグラフと、時間の関数として同じグラフ上にプロットされた圧縮を発生する冷凍機温度とジェネレータ温度の両方を示す１組の曲線を示すグラフとを示している。

したがって、図８は、ジェネレータが「廃熱」によって駆動される時間の関数として冷凍機およびジェネレータ温度を含む冷凍機の冷却曲線を示している。この実験では、電気ヒータの使用をしてシステムを始動した。

図９は、時間の関数として同じグラフ上にプロットされた圧縮を発生する冷凍機温度とジェネレータ温度の両方を示す第２の関係を示している。図９の場合、温度の変動は、ジェネレータとヒート・ガンとの距離を変化させることにより発生させたジェネレータ温度の意図的な変化によるものである。

前述の通り、この実験のために、冷凍機メカニズムの任意選択の部分である電気ヒータを使用して、冷凍冷却サイクルを開始した。ジェネレータの必須の上昇温度に達すると、電気ヒータを切り、ヒート・ガンを使用し、ジェネレータからの様々な距離（このため、温度が変動する）に位置決めして冷却サイクルを維持した。ヒート・ガンは、通常、サーバの廃熱から発生すると思われる再循環廃熱をシミュレートする働きをした。ヒート・ガンを使用して達成された最低蒸発器温度は−５．５℃であったが、それよりわずかに低い温度も可能である。したがって、電気加熱でサイクルを開始し、次にシミュレートした廃熱への切換えが続いた。

図１０は、そこに熱を発生する装置を冷却する本発明の方法４００を示している。

方法４００は、ステップ４１０で、主としてチャンバ（冷凍機ジェネレータ）による熱対流によりシステム内に発生された熱の少なくとも一部分を受け取ることを含み、そのチャンバはそこに冷媒を含む。

ステップ４２０では、コンデンサはチャンバ内で加熱された冷媒を受け取り、その冷媒はコンデンサ内で加圧され、その後、冷却されている。

ステップ４３０では、少なくとも１つのコイルがコンデンサに結合され、そのコイルが冷却すべき領域に至り、少なくとも１つのコイルはコンデンサに結合された第１の部分と、第１の部分の下流にある第２の部分と、第２の部分の下流にある第３の部分とを有する。

ステップ４４０では、自由膨張のためのオリフィスを含む第２の下流部分により、アンモニアは自由膨張を受け（任意選択でスロットルまたは膨張弁による）、関心領域の冷却を引き起こす。

ステップ４５０では、冷却すべき領域からチャンバに戻るように導かれる第３の下流部分により、次の冷却サイクルを開始することができる。

したがって、上述の通り、本発明は、装置またはシステム内で発生する熱力学的過程の結果として生じる廃熱を使用するための装置および方法を提供し、このシステムは装置または同じシステムの少なくとも一部から発生された廃熱によりその装置またはシステムの一部に対して冷却を施すための装置を含む。

本発明によれば、この装置および方法は、熱の少なくとも一部分を有利に使用して、その廃熱を発生する同じ装置の一部分内で、ある程度の冷却を引き起こす。

さらに、廃熱の少なくとも一部分は再循環され、冷却を必要とする装置のセクション（たとえば、例示的な非制限的実施形態ではプロセッサ・チップ）に転送される。

本発明のこのような概念は、多くの適用例を有し、コンピュータ・サーバ・ユニットなどの大型コンピュータ・システムが発生する熱に対処する例示的な実施形態および適用例に限定されない。

実際に、他の例示的な実施形態としては、乗車コンパートメントを冷却するために自動車からの熱を再循環することを含むことができる。この場合も本発明はシステム自体から（たとえば、その場で）熱を得る。このため、本発明は内部からの熱を使用し、内部からの熱を再配分する。

いくつかの例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲の精神および範囲内の修正により本発明を実施できることを認識するであろう。

システム全体を換気または冷却するために使用し、熱風から熱を受け取る吸収ガス冷凍機を備えたサーバ・ラックを含む構造１００の概略図である。 吸収ガス冷凍サイクル２００の概略を示す図である。 吸収ガス冷凍サイクルをより詳細に示す図であり、圧縮用の熱を抽出するためのメカニズムを示す図である。 吸収ガス冷凍サイクルをより詳細に示す図であり、サーバ・ユニットからファン・ブローオフにより熱を受け取るジェネレータを示す図である。 吸収ガス冷凍サイクルをより詳細に示す図であり、吸収ガス冷凍機によって冷蔵され、コンピュータ・チップを冷却するために使用される媒体の使用を示す図である。 関心領域（たとえば、コンピュータ・チップ３１０）の冷却の配置３００をより詳細に示す図である。 コイル・ユニットとコンピュータ・チップ３１０との間に直接接触が存在する、関心領域（たとえば、コンピュータ・チップ３１０）の冷却の配置３００の他の実施形態をより詳細に示す図である。 冷凍機の冷却曲線のグラフを示す図であり、時間の関数として同じグラフ上に表示された圧縮を発生する冷凍機温度とジェネレータ／ボイラ温度の両方を示す１組の曲線を示すグラフである。 冷凍機冷却曲線のグラフを示す図であり、時間の関数として同じグラフ上に表示された圧縮を発生する冷凍機温度とジェネレータ／ボイラ温度の両方を示す１組の曲線を示すグラフである。 本発明による例示的な方法４００の流れ図である。

符号の説明

１００ 冷凍構造
１１０ サーバ・ラック
１１０ａ 冷却ファン
１２０ 吸収ガス冷凍機
１２１ 加熱チャンバ
１２２ コンデンサ
１２３ 膨張（またはスロットル）弁
１２４ 冷却コイル
１２５ プロセッサ・チップ

Claims (29)

1. 内部で熱を発生するシステム用の冷却装置であって、
   熱伝導および強制エアーのうちの少なくとも一方により、熱の少なくとも一部分を受け取るためのチャンバであって、その内部に冷媒を収容するチャンバと、
   前記チャンバ内で加熱された前記冷媒を受け取るためのコンデンサであって、前記冷媒が加熱により加圧され、さらに前記コンデンサ内で冷却される、コンデンサと、
   前記コンデンサに結合され、冷却すべき領域に導かれる少なくとも１つのコイルであって、前記コンデンサに結合された第１の部分と、前記第１の部分の下流にある第２の部分と、前記第２の部分の下流にある第３の部分とを有する少なくとも１つのコイルとを備え、
   前記第２の下流部分が前記冷媒の自由膨張によって前記冷却すべき領域の冷却を引き起こすためのオリフィスを含み、
   前記第３の下流部分が前記冷却すべき領域から前記チャンバに戻るように導かれ、
   前記システムから発生する前記熱の少なくとも一部分が再循環されて、前記冷却すべき領域が冷却される、
   冷却装置。
2. 前記冷媒が、アンモニアと水、臭化リチウムと水の溶液、および塩化リチウムと水の溶液のうちのいずれかを有する、請求項１に記載の冷却装置。
3. 熱の発生源には、前記システムに動力が供給されたときに加熱状態になる前記システム内のコンポーネントからの熱が含まれる、請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記冷却すべき領域内の構造が、ファンおよびファン・モータと、少なくとも１つのコンピュータ・チップと、コンピュータ回路と、回路基板のうちの少なくとも１つを有し、前記構造に電気的に動力が供給されて熱を発生する、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記冷却すべき領域内の構造がコンピュータ・サーバ・ユニットを構成する、請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記熱を受け取る前記チャンバに隣接して配置される補助電気ヒータ・コイルをさらに有する、請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記補助電気ヒータ・コイルが冷凍サイクルを開始する、請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記チャンバに提供される前記熱を増大させるために熱を発生する構造の動作中に、前記補助電気ヒータ・コイルが作動状態のままになる、請求項６に記載の冷却装置。
9. 前記少なくとも１つのコイルの前記第２の下流部分が、冷却すべき構造に直接接触している、請求項１に記載の冷却装置。
10. 固体伝導部材をさらに有し、
    前記少なくとも１つのコイルの前記第２の下流部分が、前記固体伝導部材を介して、冷却すべき構造に間接的に接触している、請求項１に記載の冷却装置。
11. 内部で熱を発生するシステム用の冷却装置であって、
    システム内で発生された熱を受け取り、冷媒を収容するためのチャンバと、
    冷却すべき装置の領域からある距離に位置するコンデンサであって、
    加熱された前記冷媒を前記チャンバから受け取り、前記冷媒が加熱により加圧され、さらに前記コンデンサ内で冷却され液化される、コンデンサと、
    前記コンデンサから冷却すべき領域に導かれる少なくとも１つのコイルであって、
    前記１つ以上のコイルの一方の端部が前記冷媒の自由膨張によって前記冷却すべき領域の冷却を引き起こすためのオリフィスを含み、
    前記冷却すべき領域から前記チャンバに戻るように導かれる前記少なくとも１つのコイルとを有し、
    前記システムから発生する前記熱の少なくとも一部分が再循環されて、前記冷却すべき領域が冷却される、
    冷却装置。
12. 前記冷媒が、アンモニアと水、臭化リチウムと水の溶液、および塩化リチウムと水の溶液のうちのいずれかを有する、請求項１１に記載の冷却装置。
13. 前記熱が、前記システムに動力が供給されたときに加熱状態になる前記システム内のコンポーネントによって発生する、請求項１１に記載の冷却装置。
14. 前記冷却すべき領域内の構造が、ファンおよびファン・モータと、コンピュータ・チップと、コンピュータ回路と、回路基板のうちの少なくとも１つを有し、前記構造に電気的に動力が供給されて熱を発生する、請求項１１に記載の冷却装置。
15. 前記熱を受け取る前記チャンバに隣接して配置される補助電気ヒータ・コイルをさらに有する、請求項１１に記載の冷却装置。
16. 前記補助電気ヒータ・コイルが冷凍サイクルを開始する、請求項１５に記載の冷却装置。
17. 前記チャンバに供給される前記熱を増大させるために前記熱が前記システム内で発生される間に、前記補助電気ヒータ・コイルが作動状態のままになる、請求項１５に記載の冷却装置。
18. 前記少なくとも１つのコイルの下流部分が、冷却すべき構造に直接接触している、請求項１１に記載の冷却装置。
19. 固体伝導部材をさらに有し、
    前記少なくとも１つのコイルの下流部分が、前記固体伝導部材を介して、冷却すべき構造に間接的に接触している、請求項１１に記載の冷却装置。
20. 内部で熱を発生するシステムの一部を冷却する方法であって、
    システム内で発生した熱の少なくとも一部分を加熱チャンバ内で受け取るステップであって、前記加熱チャンバが内部に冷媒を収容するステップと、
    前記チャンバ内で加熱された前記冷媒をコンデンサによって受け取るステップであって、
    前記冷媒が加熱により加圧され、さらに前記コンデンサ内で冷却される、ステップと、
    少なくとも１つのコイルを前記コンデンサに結合し、前記少なくとも１つのコイルを冷却すべき領域に導くステップであって、前記少なくとも１つのコイルが、前記コンデンサに結合された第１の部分と、前記第１の部分の下流にある第２の部分と、前記第２の部分の下流にある第３の部分とを含むステップと、
    前記冷媒を自由膨張させて前記冷却すべき領域の冷却を引き起こすために、前記第２の下流部分にオリフィスを設けるステップと、
    前記第３の下流部分を前記冷却すべき領域から前記チャンバに戻るように導くステップと、
    を有し、
    前記システムから発生する前記熱の少なくとも一部分が再循環されて、前記冷却すべき領域が冷却される、
    方法。
21. 前記冷媒が、アンモニアと水、臭化リチウムと水の溶液、および塩化リチウムと水のうちのいずれかを有する、請求項２０に記載の方法。
22. 熱の発生源を設けるステップであって、前記熱の発生源が、前記システムに動力が供給されたときに加熱状態になる前記システム内のコンポーネントを含むステップをさらに有する、請求項２０に記載の方法。
23. 前記冷却すべき領域内の構造が、ファンおよびファン・モータと、コンピュータ・チップと、コンピュータ回路と、回路基板のうちの少なくとも１つを有し、前記構造に電気的に動力が供給されて熱を発生する、請求項２０に記載の方法。
24. 前記冷却すべき領域内の構造がコンピュータ・サーバ・ユニットを構成する、請求項２０に記載の方法。
25. 前記熱を受け取る前記チャンバに隣接して補助電気ヒータ・コイルを配置するステップをさらに有する、請求項２０に記載の方法。
26. 前記補助電気ヒータ・コイルが冷凍サイクルを開始する、請求項２５に記載の方法。
27. 前記チャンバに供給される前記熱を増大させるために前記システムの動作中に、前記補助電気ヒータ・コイルを作動状態に維持するステップをさらに有する、請求項２５に記載の方法。
28. 前記少なくとも１つのコイルの前記第２の下流部分が、冷却すべき構造に直接接触している、請求項２０に記載の方法。
29. 固体伝導部材を設けるステップであって、前記少なくとも１つのコイルの前記第２の下流部分が、前記固体伝導部材を介して、冷却すべき構造に間接的に接触しているステップをさらに有する、請求項２０に記載の方法。

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