JP2005310152A - 効率的に空間を利用するための、複数の熱交換器を有する液体ループ - Google Patents

Abstract

【課題】 電子システム筐体内の空きスペースを有効に活用して冷却性能に優れた冷却システムを実現する。
【解決手段】 小型電子システム３３０のシャシ３３２内に存在する空きスペースの形状・寸法に合わせて複数の熱交換器３０４が配設される。これらの熱交換器３０４は、管３０２で接続される。管３０２の内部には、流路が形成されており、冷却用流体が管３０２内をポンプ３１４によって循環する。熱交換器３０４の近傍には冷却ファン３１６が設置され、熱交換器３０４で暖められた空気はシャシ３３２の外部に排出される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ハウジングに内部に収容された電子機器等を冷却するための冷却システムに関する。

コンピュータシステム、ネットワークインタフェース、記憶システム、および電気通信機器などの電子システムおよび機器は一般に、支持、物理的なセキュリティ、および効率的な空間使用のために、シャシ、キャビネット、またはハウジング内に格納される。格納器内に収容された電子機器は、かなりの量の熱を発生する。熱を取り除かなければ、電子機器に対して熱損傷（熱による障害）が生じる場合がある。

小型電子システムおよびデバイス、たとえば、小型コンピュータは、ラックマウント型の１Ｕのフォームファクタを備えているので、通常、冷却ソリューションを実装するのに利用可能な空間が非常に小さい。従来の空冷ヒートシンクは一般に、熱源に直接接続されなければならない。アルミニウムまたは銅ヒートシンクの熱拡散固有抵抗を考慮すると、ヒートシンクの占有面積（フットプリント）は、熱源より遥かに大きくする、ということはできない。フォームファクタによって指示される（決まってしまう）、ヒートシンクの高さに対する制約、およびヒートシンクの占有面積に対する実際的な限界を考慮すると、冷却能力は非常に制限される。

液体循環式冷却システムの１実施形態によると、管は、冷却用流体が循環することができる内部ボアまたはルーメン（管孔）を内部に有する。複数の熱交換器が管に連結され、利用可能な空間に合わせて、制約された空間内で構成される。

構造と動作方法の両方に関連する本発明の実施形態は、以下の説明および添付図面を参照することによって最もよく理解されることができる。

液体ループ（循環式）冷却システムは、ループ内で複数の熱交換器を使用して、電子デバイスのシャシ内の使用可能な開放空間を利用する。

図１を参照すると、真上から見たこの図は、冷却用流体が循環することができる内部ボアまたはルーメン（管孔、流路、あるいは管路）を格納する管１０２を備える液体循環式冷却システム１００を示す。複数の熱交換器１０４が、管１０２に連結され、制約された空間内で使用可能な空間に対応して構成される。一部の実施形態では、種々の熱交換器１０６、１０８は、格納器内のシステムデバイスと部品の間に形成された局所的空洞に合うように選択された、異なる形状を有する。同様に、一部の実施形態では、種々の熱交換器１０６、１０８は、使用可能な局所的空洞に合うように選択された、異なるサイズを有する。さらに、種々の形状およびサイズを有する熱交換器１０４を選択的に配置して、使用可能な内部空間に合うようにするために、管１０２は、熱交換器１０４を適切に設置するための、複数のベンドおよび／またはアングル部（曲げ部、エルボ）１１０を有することができる。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、および図２Ｅを参照すると、いくつかの概略図で、種々のサイズおよび形状を有する熱交換器の例を示される。図２Ａは、長手方向の軸および円形断面を有する管または管セグメント（部分ごとに分けられて形成された管）２０４に取り付けられた、間隔を詰めて配設された、プレートまたはフィン２０２の積重体として構築された単一パス（流路）の液体−空気熱交換器２００を示す。一部の実施形態では、密接して積み重ねられたプレート２０２は、管セグメント２０４の長手方向軸にほぼ直交する向きに配置されてもよい。単一パス熱交換器２００は、シャシまたはハウジング内の部品とデバイスの間の長く狭い空間内に設置するために、比較的長くて薄い可能性がある。たとえば、単一パスの液体−空気熱交換器２００は、１つまたは複数の入力／出力デバイスに隣接する空間内に挿入されてもよい。

図２Ｂは、単一パスの熱交換器に比べて、より多くの熱を空気に伝達することができる２重パス（２流路）の液体−空気熱交換器２１０の１実施形態を示す。２重パス交換器２１０は、シャシ内の使用可能な空間に合うように配置されることができる。たとえば、部品とデバイスの間に存在するような長く狭い堀（溝状の空間）に対しては、垂直に積み重ねた、管２０４の平行セグメントを有する２重パス交換器２１０を、この堀内に挿入してもよい。他の例では、部品とデバイスの間のより広い空間に対して、２重パス熱交換器２１０の平行セグメントを水平に組み合わせることが可能になり、プロセッサなどの、低い位置にある部品に対して熱の除去を増やす。

図２Ｃは、複数パス（流路）の液体−空気熱交換器２２０、より具体的には、４パス（４流路の）熱交換器の１実施形態を示すが、使用可能な間隔およびフォームファクタを考慮して、任意の数の管セグメント２０４を用いてもよい。管２０４は、複数回で、かつ、種々の方向に、フィン２０２のバンク（集合体）を通過して、改善された、または、最適化された冷却性能が得られる場合がある。複数パス熱交換器２２０は、さらに一層の冷却能力を提供するために、部品とデバイスの間に比較的大きな空間を有するシステムにおいて使用されてもよい。例示的な実施形態では、それぞれの管セグメント２０４に連結するフィン２０２は、フィン２０２に沿った熱の伝導による、冷却液の再加熱を減らすか、または、なくすような間隙で分離される。

図２Ｄは、管２３２にはんだ付けされるか、または、ろう付けされたつづら折り形状のフィン２３４を有する、冷却液を搬送するための平坦管２３２の形態の、２重パス（２流路）の液体−空気熱交換器２３０の１実施形態を示す。例示的な実施形態では、２セットの独立したつづら折り形状のフィンが使用され、１つのセットは第１管セグメントに、第２のセットは第２管セグメントに取り付けられる。平坦管熱交換器２３０によって、折り重ねフィン２３４および管２３２のサイズおよびトポロジ（形状）を選択するだけで、多くの種類の配置、サイズおよび構成が可能になる。

図２Ｅは、複数の管セグメント２０４がフィン２０２の単一積重体を通過する、比較的短くて平坦な、複数パスの熱交換器２４０の一例を示す。熱交換器２４０は、システム内で、比較的広くて長いが、高さの低い空間で使用される場合がある。他の例では、熱交換器２４０は、プリント回路カード上のプロセッサおよびメモリなどの複数の部品等、低い位置にある部品のグループを覆うように設置されてもよい。

図２Ｆは、１つまたは複数の管セグメント２０４がフィンまたはプレート２０２を通過する、複数の楕円または円ディスクの形態のフィンまたはプレート２０２を有する単一または複数パスの熱交換器２５０の一例を示す。一部の実施形態では、楕円または円熱交換器２５０はまた、高さの低い空間で使用されてもよい。

図３を参照すると、この斜視図は、冷却用流体が循環することができる内部ルーメン（管腔）を格納する管３０２と、管３０２に連結した複数の熱交換器３０４とを含む液体循環式冷却システム３００の１実施形態を示す。個々の熱交換器３０４は、管セグメント３０６と複数のフィン３０８とを有し、管セグメント３０６は、第１端部から第２端部に延びて冷却用流体を通過させるセグメント内部ルーメンを格納し、複数のフィン３０８は、管セグメント３０６に連結される。熱交換器３０４はまた、第１および第２端部にそれぞれ連結された第１コネクタ３１０および第２コネクタ３１２を含み、これらのコネクタによって熱交換器３０４を管３０２に連結することが可能である。

ある実施形態においては、冷却システム３００は、システム筐体内部の局所的な空洞のサイズおよび形状に合うように構成された、異なる形状および／またはサイズを有する複数の熱交換器３０４を有する。複数の熱交換器３０４が利用可能な空間に合わせて設置可能とするため、複数のアングル部および／またはベンド（曲げ部、エルボ）を用いて管３０２が形成されるように構成される。たとえば、熱交換器３０４は、デバイスと部品の間の内部空洞の配置に従って、シャシ内部に分散されることができる。内部熱交換器３０４は、シャシの下流部分を加圧することにより、暖められた空気を空気抜きを通してシャシから外に押し出すようにする、近傍に併設されるファン３１６と共に配置されることができる。

管３０２にポンプ３１４を連結することができ、管３０２を通して冷却用流体を圧送することが可能である。一部の冷却システム３００、たとえば、流体が重力駆動されるシステムでは、ポンプ３１４を省略することができる。冷却システム３００はまた、冷却用流体、或る例では、エチレングリコールベ−スの流体を含むが、別途、他の適当な流体を使用してもよい。冷却用流体は、複数の熱交換器３０４の管３０２および管セグメント３０６内に収容される。

熱交換器３０４を通して空気を押し出すように構成された１つまたは複数のファン３１６を、冷却システム３００に含めることができる。さらに、１つまたは複数の冷却プレート３１８が管３０２に連結されてもよい。冷却プレート３１８は一般に、局所的な熱源の冷却を可能にするために、プロセッサおよび他の高出力の部品３２０に取り付けられる。

図２Ａ〜図２Ｆの１つまたは複数と共に図３を参照すると、空気流入口および出口穴３３４を含むシャシ３３２、および、空気を入口穴から出口穴へ循環させることが可能なファン３１６を含む、コンピュータサーバ３３０が示される。コンピュータサーバ３３０はさらに、シャシ内に搭載した複数の部品３２０、冷却用流体が循環することができる内部ルーメンを格納する管３０２、および、管３０２に連結した複数の熱交換器３０４を含む。個々の熱交換器３０４は、冷却用流体を通過させ、第１端部から第２端部に延びるセグメント内部ルーメンを格納する管セグメント３０６と、管セグメントに連結する複数のフィン３０８と、第１および第２端部にそれぞれ連結し、熱交換器３０４を管３０２に連結することが可能な第１コネクタ３１０および第２コネクタ３１２を含む。

種々の熱交換器３０４は、シャシ３３２内部の容積使用法を改善するか、または最適化する配置において、異なる形状および／またはサイズを有してもよい。熱交換器３０４は、電子シャシ３３２内の、普通なら使用されない容積を利用するように液体ループに付加されてもよく、異なる形状を有する熱交換器３０４について異なるサイズのファン３１６の使用を可能にする。

小型のフォームファクタを有する、サーバアーキテクチャなどの電子システムアーキテクチャは、マイクロプロセッサおよび関連する電子回路を含む部品の電力および電力密度レベルの増加に対処するために、液体循環式冷却装置３００を含んでもよい。ある実施形態では、液体循環式冷却システム３００は、ポンプ３１４を用いて、プロセッサおよび他の高出力部品に取り付けられた冷却プレート３１８の高い圧力降下チャネル（減圧チャネル）を通して冷却用流体を押し出してもよい。冷却システムの実施形態にポンプ３１４が含まれている場合、このポンプ３１４はまた、冷却プレート３１８、熱交換器３０４、およびポンプ３１４の間のループを完結させる、おそらくは、長く、小さい直径の管に沿って冷却用流体を押し出す。熱交換器３０４における空気の強制対流は、ループから熱を取り除く。

小型電子システム３３０、たとえば、小型サーバまたはコンピュータシステムでは、熱交換器フィンに非常に接近したチューブ軸流またはブロワファン３１６を用いて、冷却用空気が熱交換器３０４を横切って押し出される。電子システム３３０のために、冗長ファン３１６が通常使用される。

液体循環式冷却システム３００およびコンピュータサーバ３３０は、コンピュータサーバ３３０の部品３２０を収容するシャシ３３２内の利用可能な空間を確定し、シャシ３３２内の局所的空洞に合うように複数の熱交換器３０４のサイズおよび形状を配置することによって構成することができる。使用可能な空間的配置で熱交換器３０４を設置するように形成され、構成された管３０２を用いて複数の熱交換器３０４が接続される。

ある実施形態では、電子システム３３０の部品３２０を収容するシャシ３３２内の熱分布を求めることができ、複数の熱交換器３０４のサイズおよび形状を、熱分布および使用可能な空間双方の組み合わせに基づいて選択することができる。複数の熱交換器３０４は、その後、熱分布および使用可能な空間配置に従って熱交換器３０４を設置する構成の管３０２を用いて接続することができる。

ファン３１６のサイズおよび形状もまた、シャシ３３２内における、熱交換器３０４の構成に基づいて、かつ／または、熱分布に基づいて選択することができる。選択されたファン３１６は、複数の熱交換器３０４を通して空気を適切に押し出すように設置される。

本開示は種々の実施形態を述べているが、これらの実施形態は、例示的であるとして理解されるべきであり、特許請求の範囲を制限しない。記載された実施の形態の、多くの変形、変更、付加、および改良が可能である。たとえば、当業者は、本明細書で開示した構造および方法を提供するのに必要なステップを容易に実施し、プロセスパラメータ、材料、および寸法が単に例として挙げられていることを理解するであろう。パラメータ、材料、および寸法は、特許請求の範囲内にある、所望の構造、ならびに、変更を達成するために変わる可能性がある。本明細書で開示した実施の形態の変形および変更を、添付特許請求の範囲内にあるままで行ってもよい。たとえば、熱交換器の特定の幾何形状を示したが、追加の管セグメントが付加される複数のパスの配置を含む、他の配置が可能である。同様に、特定の電子システムの実施形態、たとえば、コンピュータサーバが示されている（が、本発明はその用途だけに限定されるものではない）。他の実施形態では、通信システム、記憶システム、娯楽システム、および同様なものなどの、他のタイプの電子システムにおいて、外部熱交換器を採用することができる。

電子システムで使用するための冷却装置を示す上面図である。 種々のサイズおよび形状を有する熱交換器の例の１つを示す概略図である。 種々のサイズおよび形状を有する熱交換器の例の１つを示す概略図である。 種々のサイズおよび形状を有する熱交換器の例の１つを示す概略図である。 種々のサイズおよび形状を有する熱交換器の例の１つを示す概略図である。 種々のサイズおよび形状を有する熱交換器の例の１つを示す概略図である。 種々のサイズおよび形状を有する熱交換器の例の１つを示す概略図である。 液体循環式冷却システムの１実施の形態を示す斜視図である。

符号の説明

１００、３００ 液体ループ（循環式）冷却システム
１０２、２０４、３０２ 管
１０６、１０８、３０４ 熱交換機
２０２ プレート（フィン）
３１４ ポンプ
３１６ ファン
３１８ 冷却プレート
３２０ 部品
３３２ シャシ

Claims (10)

1. 超小型電子システムシャシ内で使用するための液体循環式冷却システムであって、
   冷却用流体が循環することができる内部ボアまたは管孔を囲う管と、
   前記管に連結され、使用可能な空間に合わせて、前記シャシ内の制約された空間に分散された複数の熱交換器と、
   を備えることを特徴とする液体循環式冷却システム。
2. 液体循環式冷却システムであって、
   冷却用流体が循環することができる内部管孔を格納する管と、
   前記管に連結された複数の熱交換器とを備え、
   前記複数の熱交換器のそれぞれが、
   前記冷却用流体を通過させ、第１端部から第２端部まで延在する、内部管孔のセグメントを格納する管セグメントと、
   前記管セグメントに連結された複数のフィンと、
   前記第１および第２端部にそれぞれ連結され、前記熱交換器を前記管に連結することが可能な第１および第２コネクタと、
   を備えることを特徴とする液体循環式冷却システム。
3. 電子システムであって、
   空気流の入口穴および出口穴と、前記入口穴から前記出口穴へ空気を移動させることが可能なファンとを含むシャシと、
   少なくとも１つのプロセッサおよび少なくとも１つの記憶デバイスを含む、前記シャシ内に搭載された複数の部品と、
   冷却用流体が循環することができる内部管孔を格納する管と、
   前記管に連結された複数の熱交換器とを備え、
   前記複数の熱交換器のそれぞれは、
   前記冷却用流体を通過させ、第１端部から第２端部に延在する内部管孔のセグメントを格納する管セグメントと、
   前記管セグメントに連結された複数のフィンと、
   前記第１および第２端部にそれぞれ連結され、前記熱交換器を前記管に連結することが可能な第１および第２のコネクタと、
   を備えることを特徴とする電子システム。
4. システムであって、
   異なる形状および／またはサイズを有し、前記シャシ内の局所的な空間に合うように構成された複数の熱交換器をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
5. システムであって、
   前記シャシ内の局所的な空間に合わせて、前記複数の熱交換器を設置するようにするため、前記管に形成される複数のアングル部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
6. システムであって、
   前記管に連結され、前記冷却用流体を、前記管を通して圧送することが可能なポンプをさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
7. システムあって、
   前記管内および前記複数の熱交換器の前記管セグメント内に収容される前記冷却用流体をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
8. システムであって、
   前記熱交換器を通過して空気が流れるように構成された少なくとも１つのファンをさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
9. システムであって、
   前記管に連結された少なくとも１つの冷却プレートをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
10. システムであって、
    前記複数の熱交換器のそれぞれは、
    長手方向の軸および円形断面を有する管セグメントと、
    前記長手方向の軸に沿って間隔を詰めて分散配置され、前記管セグメントに連結した前記フィンを形成する、プレートの集合体とをさらに備える
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。

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