JP2004537166A - 集積回路デバイスの温度を制御する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

冷媒を収容する冷媒用ループ（３０）、蒸発器（４０）、圧縮機（６０）、及び凝縮器（７０）を有する冷凍システム（２０）を含んでいる集積回路デバイスの温度を制御する装置及び方法。凝縮器は、冷媒の温度を所定値に維持するため制御される可変速度ファン（７８）を有する。集積回路デバイスを冷却するために使用される冷凍システムにおいて、所定の場所における冷媒温度を所定値と比較し、凝縮器に適用される冷却を変えることにより冷媒圧力を制御する方法。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね、コンピュータのマイクロプロセッサのような集積回路デバイス、より詳細には、改善された効率及び向上された作動速度でそのような装置を周囲温度以下に冷却することに関する。
【背景技術】
【０００２】
周囲温度以下に集積回路デバイスを冷却することが効率及びそのようなデバイスが作動し得る速度を実質的に改善することは、電子機器工業界では周知である。そのような冷却は、今日のコンピュータの心臓部を形成するマイクロプロセッサにおいて特に有益である。例えば、デスクトップ型のコンピュータの性能は、マイクロプロセッサを−４０度又はそれ以下の温度に冷却することにより、かなり改善され得ることが見出されている。
【０００３】
集積回路デバイスにより発生される熱を取り除く技術に関し、いろいろな方法及び装置が知られている。例えば、本発明の譲受人であるクリョテック（KryoTech）・インコーポレイテッドは、デスクトップ型のコンピュータにおける集積回路デバイスを冷却する冷凍システムを既に開発してきた。この冷凍システムは、マイクロプロセッサに嵌合する熱ヘッドに冷媒流体を循環させることにより作動する。
【０００４】
熱ヘッドは、冷媒流体が冷凍システムの閉ループを循環するように、該冷媒流体が通過する流路を画定した。設計上、熱ヘッドは、冷媒流体が液体から気体の形に変えられる蒸発器として機能した。かくして、既知の熱力学の法則に従って、熱エネルギが、マイクロプロセッサの領域から取り除かれた。圧縮機により蒸発器から吸引される気体状の冷媒は、次に、熱エネルギが取り除かれる凝縮器に戻された。
【０００５】
当業者が理解するように、大きさの制限としては、冷凍システムは、比較的少量の冷媒を使用する比較的小型であることが要求される。結果として、周囲の空気温度のわずかな変化が、システムの性能に直接影響を及ぼす。例えば、周囲温度の低下は、凝縮器において気体状の冷媒からより多くの熱を連続運転ファンに取り除かせる。このことは、結果として、液体冷媒をより低い温度及び圧力で凝縮器を出るようにする。少量の冷媒を使用できるものとすると、周囲温度のわずかな低下でさえも、液体冷媒圧を過度に下げ、冷媒システムの冷却能力をかなり下げ得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの形態において、本発明は、冷凍システムにより冷却される集積回路デバイスを提供する。この実施態様においては、冷凍システムは、冷媒を含む冷媒用ループ、蒸発器、圧縮機及び凝縮器を備えている。
【０００７】
蒸発器は、集積回路デバイスに熱接触状態にあり、冷媒の通過が集積回路デバイスから熱エネルギを取り除くべく流路を画定している。圧縮機は、蒸発器を出る冷媒の圧力を増大させる。凝縮器は、圧縮機と蒸発器との間に配置され、凝縮器を横切って空気を強制的に送る可変速度ファンを含んでいる。冷媒と熱接触状態にある温度センサが、冷媒を所定の温度に維持すべく、ファンの速度を変えるための制御器に信号を供給する。
【０００８】
本発明の別の形態は、集積回路デバイスを冷却する冷凍システムを提供する。冷凍システムは、冷媒を含む冷媒用ループ、蒸発器、圧縮機及び凝縮器を備えている。
【０００９】
蒸発器は、集積回路デバイスに熱的に接触状態にあり、入口プレナム（plenum）及び排気プレナムを有する。蒸発器は、入口プレナムと排気プレナムとの間の流路をさらに画定している。冷媒は、集積回路デバイスから熱エネルギを吸収すべく該流路を通過し、冷媒を気体状態に変える。圧縮機は、吸入部及び排出部を有し、冷媒用ループが、蒸発器の排気プレナムを圧縮機の吸入部に接続する。気体状の冷媒が、圧縮機を通過し、より高い圧力で排出される。凝縮器は、圧縮機排出部と蒸発器入口プレナムとの間を接続する。凝縮器は、該凝縮器を通過する気体状冷媒から熱エネルギを取り除き、気体状冷媒を液体状態に変える可変速度ファンを含んでいる。冷媒と熱的に接触状態にある温度センサが、冷媒を所定の温度に維持すべく、ファンの速度を変えるための制御器に信号を供給する。
【００１０】
いくつかの代表的な実施態様において、温度センサは、凝縮器と蒸発器の間の冷媒の温度を計測する。別の代表的な実施態様においては、冷媒用ループは、凝縮器から蒸発器への冷媒の流れを制限するために、凝縮器と蒸発器との間にキャピラリ・チューブを含んでいる。キャピラリ・チューブは、該キャピラリ・チューブに入る２２５［ｐｓｉ］（約１．５５［ＭＰａ］）以上の冷媒圧を生成することが多くの場合好ましい。
【００１１】
本発明のさらに別の形態は、集積回路デバイスを冷却することに使用される方法によって提供される。該方法は、圧縮機、凝縮器及び蒸発器を含む冷媒用ループの全体にわたって冷媒を循環させる冷凍システムを使用する。該方法は、冷媒から熱エネルギを取り除くために、凝縮器全体に使用できる速度可変のファンを提供することにより冷媒圧を制御する。該方法は、所定の場所における冷媒の温度を検出し、該温度を所定値と比較する。仮に、該温度が所定値を超えている場合、冷媒圧が高すぎることを指示しつつ、方法は、温度を下げるためにファンの可変速度を増大させる。仮に、所定値の方が該温度以上である場合、冷媒圧が低すぎることを指示しながら、方法は、温度を上昇させるために、ファンの可変速度を減少させる。代表的な実施態様において、所定の場所は、凝縮器と蒸発器との間にある。
【００１２】
本発明のその他の目的、特徴及び形態は、以下により詳細に論じられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
当業者にとってその最良の形態を含む本発明の十分且つ実現可能な開示が、添付図面を参照しつつ、明細書の以下の残りの部分に詳細に示される。
【００１４】
本明細書及び図面における参照文字の繰り返しの使用は、発明の同じ又は類似した特徴又は要素を表すことを意図している。
【００１５】
さて、発明の現在のところ好ましい実施態様、添付図面に例示されている１以上の実施例への言及が詳細になされるであろう。各実施例は、本発明の限定のためでなく、発明を説明するために提供されている。実際に、変更及び変形がその範囲又は精神から離れることなくなされ得ることは当業者にとって明らかである。例えば、ある実施態様の部分として例示又は記載されている特徴が、別の実施態様に使用され、さらに別の実施態様を生じ得る。したがって、本発明が添付のクレーム及びこれと等価のものの範囲内に入るような変更及び変形を含むことを意図している。
【００１６】
図１は、本発明に従って構成されている冷凍システム２０を含むコンピュータ１０を示している。冷凍システム２０は、コンピュータのマイクロプロセッサ１２のような集積回路デバイスを冷却するように動作する（図２）。しかしながら、本発明は、マイクロプロセッサ１２を冷却することに限られるのではなく、より低い動作温度から恩恵を受け得るどのような集積回路デバイスをも冷却するのに同様に適用できることが理解されるべきである。
【００１７】
示されるように、コンピュータ１０は、一般的には、マザー・ボード１４、種々のその他のデバイス、電源供給部１６、及びハウジング１８を含んでいる。マザー・ボード１４は、マイクロプロセッサ１２を含む、いろいろな電子部品を配置する中央プラットフォームを提供している。
【００１８】
図１及び２を参照すると、冷凍システム２０の一般的部品は、冷媒用ループ３０、蒸発器４０、圧縮機６０、及び凝縮器７０を含んでいる。
【００１９】
冷媒用ループ３０は、銅、ステンレス鋼又は合成物質から作られている可撓性チューブ３２を備え、冷凍システム２０のいろいろな部品を直列に接続している。可撓性チューブ３２には、冷凍システム２０全体にわたって循環する、Ｒ４０４ａ、Ｒ５０７ａ、Ｒ１３４ａ、又はその他の適切な代替物のような冷媒３４が入っている。循環する間に、冷媒３４は、気体状態と液体状態の間を変化し、熱エネルギを交互に吸収及び放出する。絶縁材３６が、局部的周囲の露点以下の冷媒３４が入っている冷媒用ループ３０の部分を覆って可撓性チューブを取り囲んでおり、凝縮が形成されることを妨げている。
【００２０】
冷媒用ループ３０の長さ及び内径は、冷凍システム２０の所在位置に依存する。例えば、凝縮器７０と蒸発器４０との間では、冷媒用ループ３０は、下流に向かって狭まり、キャピラリ・チューブ３８を形成する。現在のところ好ましい実施態様において、キャピラリ・チューブ３８は、約１０［ｆｔ］（約３．０［ｍ］）の長さであり、約０．０２６［ｉｎ］（約０．６６［ｍｍ］）の内径を有する。この構成においては、キャピラリ・チューブ３８は、その入り口において、１１０［ｐｓｉ］（約０．７６［ＭＰａ］）以上、好ましくは、２２５［ｐｓｉ］（約１．５５［ＭＰａ］）から２５０［ｐｓｉ］（約１．７２［ＭＰａ］）の間の冷媒圧を確保する。異なる熱需要を有する集積回路デバイスが可撓性チューブ３２の長さ及び内径の変化を要求されること、及びこれらの変化が本発明の範囲内にあることは、当業者により理解されるところである。
【００２１】
蒸発器４０は、集積回路デバイス、この図においては、コンピュータ１０のマイクロプロセッサ１２、上に直接取り付けられる。蒸発器４０は、黄銅又は銅のような高熱伝導性材料から形成され、マイクロプロセッサ１２からの熱移動を最大にしている。蒸発器４０は、冷媒３４を受け入れる入口プレナム４２を含んでいる。入口プレナム４２は、蒸発器４０の内部をジグザグに進み、冷媒３４に対し最大表面積を提供する流路４４に対して開口している。流路４４は、蒸発器４０から冷媒３４を排気する排気プレナム４６において終結している。
【００２２】
取付けアセンブリ５０は、蒸発器４０をマイクロプロセッサ１２に固定して取り付ける。一般に、取付けアセンブリ５０は、合わせフランジを貫通して延在するボルトのような締結具５４により取り付ける上部分５２と下部分５３を含んでいる。その他の締結方法が技術的に知られており、本発明の範囲内にある。このように、取付けアセンブリ５０は、蒸発器４０及びマイクロプロセッサ１２の周りに気密室５６を画定し、冷却される部品を外気から隔離する。上部分５２及び下部分５３に埋め込まれている加熱要素５８は、取付けアセンブリ５０の外面を局部的周囲の露点以上に維持し、その結果、凝縮が形成されることを妨げている。
【００２３】
蒸発器４０及び取付けアセンブリ５０についての上記説明は、単に例示を目的としており、本発明の範囲を限定するものではない。蒸発器及び取付けアセンブリの好ましい構成についてのより詳細な説明は、発明の名称が「集積回路冷却装置」である、２００１年７月２４日付けで、ルイス・エス・ウエイバーン、デレク・イー・ゲージ、アンドリュー・エム・ヘイス、及びアール・ウォルトン・バーカー等により出願され、本発明の譲受人であるクリョテック・インコーポレイテッドに譲渡された係属中の特許出願に記載されており、ここに参照により組み込まれている。
【００２４】
圧縮機６０は、吸引部６２及び排出部６４を含み、蒸発器の排気プレナム４６の下流に接続している。当業者により理解されるように、圧縮機６０は、気体状の冷媒３４の圧力を増大させるように機能する。圧縮機６０は、定電圧の電源供給部（不図示）から一定の速度で動作する。とはいえ、いくつかの実施態様において速度可変の圧縮機もまた使用されてもよい。
【００２５】
凝縮器７０は、圧縮機６０と蒸発器４０との間を直列に接続している。凝縮器７０は、冷却コイル７２、温度センサ７４、制御器７６、及び可変速度ファン７８を含んでいる。冷却コイル７２は、黄銅、アルミニウム、ステンレス鋼、又は銅のような高熱伝導性材料から形成され、凝縮器７０から周囲環境への熱移動を最大にしている。温度センサ７４は、所定の場所における冷媒温度を測定するために、熱電対又はその他の適切な代替物であってもよい。１つの実施態様にあっては、温度センサ７４は、凝縮器７０と蒸発器４０との間の冷媒用ループ３０と熱接触状態にある。温度センサ７４の周りの絶縁材７５は、温度センサ７４が冷媒用ループ３０を貫通することなく冷媒用ループ３０の内側の冷媒温度を正確に測定することを可能にする。温度センサ７４は、凝縮器７０を去る冷媒の温度に応答して、電気信号８２（図３に図示）を制御器７６に供給する。
【００２６】
１つの実施態様において、制御器は、パルス幅変調回路８０（図３）を含み、温度センサ７４からの電気信号８２に基づいてファン７８の動作速度を比例制御する。可変速度ファン７８は、冷却コイル７２全体に外気を強制通風し、熱エネルギを凝縮器７０から周囲環境へ移動させる。
【００２７】
冷凍システム２０は、集積回路デバイスに最小限の変更で取付け可能なアフター・マーケット部品であってもよい。例えば、再度図１を参照すると、冷凍システム２０は、コンピュータ・ハウジング１８の近くに装着することができる。冷媒用ループ３０は、コンピュータ・ハウジング１８の切抜き部９４を貫通して延びるサーマル・バス（thermal bus）９２を介して冷媒３４をマイクロプロセッサ１２に供給、帰還し得る。同時に、取付けアセンブリ５０は、マイクロプロセッサ１２を覆って付着し、マイクロプロセッサ１２を冷却する位置に蒸発器４０を固定する。
【００２８】
さて、図２及び３を参照して、冷凍システム２０の動作についてより詳細に説明する。蒸発器４０から始めると、液体冷媒３４が、該冷媒３４が流路４４内へ膨張する入口プレナム４２を通って蒸発器４０に入る。液体冷媒３４の膨張は、冷媒の圧力を減じ、液体冷媒３４を気体状態に変化させる。気体状冷媒３４は、流路４４を通ってジグザグに進み、蒸発器４０を、ある実施態様では、約摂氏−４０度にまで、すばやく冷却する。蒸発器４０の熱伝導表面は、熱エネルギをマイクロプロセッサ１２から気体状冷媒３４に移動させる。同時に、取付けアセンブリ５０の外側表面に埋め込まれている加熱要素５８は、取付けアセンブリ５０の外側が局部的露点以上のままとし、凝縮の形成を防止することを確実にする。
【００２９】
気体状冷媒３４は、排気プレナム４６において流路４４を出、圧縮機６０に向けて冷媒用ループ３０を通り抜ける。圧縮機６０は、ガス状冷媒３４の圧力を増大させ、該ガス状冷媒３４は、はるかに高温高圧の状態で圧縮機排出部６４を出る。
【００３０】
圧縮され、加熱されたガス状冷媒３４は、凝縮器７０の冷却コイル７２（図１に図示）に向けて冷媒ループ３０を通り抜ける。加熱されたガス状冷媒３４が冷却コイル７２を通り抜けるとき、可変速度ファン７８は、冷却コイル７２全体に外気を強制通風し、外気は、気体状冷媒３４から周囲環境へ熱を移す。気体状冷媒３４が冷えるとき、冷媒３４は、液体状態に凝縮する。
【００３１】
液体状冷媒３４は、凝縮器７０を出、冷媒用ループ３０を通り抜ける。断熱されている温度センサ７４は、冷媒用ループの温度、したがって液体状冷媒の温度を測定し、凝縮器７０を去る液体状冷媒３４の温度を示す制御器７６に電気信号８２を供給する。
【００３２】
図３を参照すると、制御器電子回路８０は、温度センサ７４からの電気信号８２をユーザーにより選択されている所定温度と比較し、可変速度ファン７８の速度を変更する。演算増幅器８４は、温度センサからの電気信号８２を増幅し、増幅された信号をパルス幅変調器８６の入力側に送る。現在のところ好ましい実施態様において、演算増幅器８４は、約０［Ｖ］から５［Ｖ］の比例信号を生成する。パルス幅変調器８６は、演算増幅器８４からの出力を受け取り、入力の大きさに直接比例するデューティ・サイクルを有する方形波を生成する。
【００３３】
パルス幅変調器８６の出力は、デューティ・サイクルが「オン」であるとき導電性とされる電界効果トランジスタ８８のゲートに進む。ファン７８の速度を調整することで、制御器７６は、ファンにより冷却コイル７２全体にわたって強制通風される外気の量を規制し、それによって、凝縮器７０を去る液体状冷媒３４の温度及び圧力を制御する。
【００３４】
再度、図２を参照すると、液体状冷媒３４は、冷媒用ループ３０を通り抜け、キャピラリ・チューブ３８に入る。キャピラリ・チューブ３８の相対的に長い長さ及び縮小された内径は、液体状冷媒３４の流れを制限し、キャピラリ・チューブを通って冷媒が冷凍サイクルを繰り返す蒸発器に向けて進むキャピラリ・チューブ３８の入り口において、所望のより高い圧力を生成する。
【００３５】
以上の記載において本発明の１以上の好ましい実施態様が提供されたことが理解され得る。本発明と等価の具現化されたものは、いかなるものであっても全て、本発明の範囲及び精神内にあることが理解されるであろう。示された実施態様は、単なる一例として提示されたものであり、本発明を限定することを意図するものではない。したがって、変更がなされ得るのであるから、本発明がこれらの実施態様に限定されるものではないことは、当業者により理解されるところである。よって、そのような実施態様のありとあらゆるものが、添付クレームの字義通り及び等価の範囲内に収まるかもしれない場合、本発明に含まれることが予想される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に従って構成されている冷凍システムを有するコンピュータの斜視図である。
【図２】図１のコンピュータに装着される冷凍システムの図表示である。
【図３】図２の冷凍システムに使用される好ましい制御器の回路配線の概略図である。

Claims (10)

1. 集積回路デバイスの温度を制御する装置であって、
   冷媒を収容する冷媒用ループ、
   前記冷媒用ループにある蒸発器であって、前記蒸発器は、前記集積回路デバイスと熱接触状態にあり、そして、前記蒸発器は、前記集積回路デバイスにおいて熱エネルギを取り除くべく前記冷媒の通路のための流路を画定している、蒸発器、
   前記蒸発器を出る前記冷媒の圧力を増大させる、前記冷媒用ループにある圧縮機、
   前記圧縮機と前記蒸発器との間の前記冷媒用ループにある凝縮器であって、前記凝縮器から周囲環境に熱エネルギを移動させるべく前記凝縮器全体に空気を強制通風するように動作し得る可変速度ファンを有する、凝縮器、
   前記冷媒と熱接触状態にある温度センサ、及び
   前記可変速度ファンを制御し、前記冷媒を所定の温度に維持すべく、前記温度センサと機能的に連通している制御器、
   を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記温度センサは、前記凝縮器と前記蒸発器との間で前記冷媒と熱接触状態にあることを特徴とする請求項１に記載される装置。
3. 前記冷媒用ループは、前記凝縮器から前記蒸発器への前記冷媒の流れを制限するために、前記蒸発器に連結されるキャピラリ・チューブを含んでいることを特徴とする請求項１に記載される装置。
4. 前記圧縮機は、２２５［ｐｓｉ］以上の前記キャピラリ・チューブに入る前記冷媒の圧力を生成することを特徴とする請求項３に記載される装置。
5. 集積回路デバイスを冷却する冷凍システムであって、
   冷媒を収容する冷媒用ループ、
   前記集積回路デバイスと熱接触状態にある蒸発器であって、前記蒸発器は、入口プレナムと排気プレナムとを有し、前記入口プレナムと前記排気プレナムとの間に流路を画定し、前記冷媒が前記流路を通り抜け、熱エネルギを前記集積回路デバイスから吸収し、それにより、前記冷媒を気体状態に変える、蒸発器、
   吸引部と排出部を有する圧縮機であって、前記冷媒用ループが前記蒸発器の排気プレナムを前記圧縮機の吸引部に流体的に連結し、前記気体状冷媒が前記圧縮機を通り抜け、より高い圧力で排出される、圧縮機、
   前記圧縮機の排出部と前記蒸発器の入口プレナムとの間の冷媒用ループの流体的に連結されている凝縮器であって、前記凝縮器は、前記凝縮器全体に動作し得る可変速度ファンを含み、前記凝縮器を通り抜ける前記気体状冷媒から熱エネルギを取り除き、それにより、前記気体状冷媒を液体状態に変える、凝縮器、
   前記冷媒と熱接触状態にある温度センサ、
   前記可変速度ファンを制御し、前記冷媒を所定の温度に維持すべく、前記温度センサと機能的に連通している制御器、
   を備えていることを特徴とする冷凍システム。
6. 前記温度センサは、前記凝縮器と前記蒸発器との間で前記冷媒と熱接触状態にあることを特徴とする請求項５に記載される装置。
7. 前記冷媒用ループは、前記凝縮器から前記蒸発器の入口プレナムへの前記冷媒の流れを制限するために、前記蒸発器の入口プレナムに連結されるキャピラリ・チューブを含んでいることを特徴とする請求項５に記載される装置。
8. 前記圧縮機は、２２５［ｐｓｉ］以上の前記キャピラリ・チューブに入る前記冷媒の圧力を生成することを特徴とする請求項７に記載される装置。
9. 集積回路デバイスを冷却するのに使用される冷凍システム、すなわち、冷媒用ループ全体にわたって冷媒を循環させるのに有効な前記冷凍システムが圧縮機、凝縮器、及び蒸発器を含んでいる該冷凍システムにおいて、冷媒圧力を制御する方法であって、
   （ａ）熱エネルギを前記冷媒から取り除くために、前記凝縮器全体に動作可能なファンであって、前記ファンは、可変速度で動作することが可能である、ファンを提供するステップ；
   （ｂ）所定の場所で前記冷媒の温度を検出するステップ；
   （ｃ）前記冷媒の前記温度を所定値と比較するステップ；
   （ｄ）仮に、前記温度が、前記所定値より大きい場合、前記冷媒の圧力が高すぎることを指示し、前記ファンの前記可変速度を増大させ、前記温度を下げるステップ；及び
   （ｅ）仮に、前記所定値が前記温度より大きい場合、前記冷媒圧力が低すぎることを指示し、前記ファンの前記可変速度を減少させ、前記温度を上昇させるステップ；
   を備えていることを特徴とする方法。
10. 前記所定の場所は、前記凝縮器と前記蒸発器との間であることを特徴とする請求項９に記載される方法。

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