JP2005326141A - 配管とベローズを用いた液体冷却ループ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱発生部品を簡単な構成で効率的に冷却する冷却装置を提供する。
【解決手段】１実施形態による液体ループ冷却装置１００は、閉ループシステム内の少なくとも１つの熱発生部品に冷却用流体を循環させる内部ボアを有する剛性または半剛性な配管１０２と、この配管に連結され、配管の物理的応力を分散させる少なくとも１つの柔軟なベローズ１０６とを備えている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、熱発生部品を液体の閉ループで冷却する装置に関し、特に柔軟なベローズが取り付けられた液体冷却ループ装置に関する。

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ている。格納器内に収容されている電子機器は、かなりの量の熱を発生する。熱を取り除かなければ、電子機器に熱損傷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、小型コンピュータサーバは、冷却効果を得るために利用できる空間が非常に小さい場合が多い。従来の空冷ヒートシンクは一般に、熱源に直接接続しなければならない。アルミニウムまたは銅ヒートシンクの固有の熱拡散抵抗(heat spreading resistance)を考慮すると、ヒートシンクの占有面積は、熱源より遥かに大きくすることはできない。フォームファクタ(形状因子）によって決まるヒートシンクの高さの制限、およびヒートシンクの占有面積の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。

本発明は、熱発生部品を簡単な構成で効率的に冷却する冷却装置を提供することを目的としている。

冷却装置の一実施形態によれば、液体ループ冷却装置は、閉ループシステム内の少なくとも１つの熱発生部品に冷却用流体が循環できる内部ボアまたはルーメンを有する剛性または半剛性な配管を備えている。当該液体ループ冷却装置は、配管に連結されて、配管に沿って生じる物理的応力を分散させる少なくとも１つの柔軟なベローズも備える。

以下の説明および添付図面を参照することによって、本発明の構造と動作方法の両方を最もよく理解することができよう。

小型サーバアーキテクチャなどこれから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の電力および熱流束の増加に対処するために、液体ループ冷却ソリューションを使用する場合がある。液体ループシステムはポンプを有し、ポンプは、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板を通して冷却用流体を流し、冷却板、熱交換器、およびポンプ間でループを作る管に流体を流すことができる。熱交換器で空気を強制対流させて、ループから熱が取り除かれる。

冷却ループを構成する部品を柔軟に連結してシステムにかかる応力を減らすため、柔軟なベローズを液体ループに含めることができる。

単相ループなどの液体冷却ループに、いくつかの部品とデバイスの一部または全てを含めることができる。たとえば、ループは、１つまたは複数の冷却板、ポンプ、液体−空気熱交換器などの部品と、場合によってはアキュミュレータまたはリザーバを含めることができる。部品は、剛性または半剛性な配管で互いに接続され、閉ループシステムが作られる。部品を接続する配管が剛性を有するため、いくつかの困難、問題が生ずる可能性がある。ポンプからの振動が、放熱デバイスへの冷却板の取り付けを妨害する可能性がある。輸送中などに起きる他の衝撃および振動の発生源が、システム内の１つまたは複数の部品に損傷を引き起こす可能性がある。部品が固定的に取り付けられている場合、温度変化による膨張および収縮によって、大きな応力が生ずる可能性がある。同様に、製造公差による寸法変動は、嵌め合い問題を引き起こすとか、または、システムを組み立て中に過剰な応力をもたらす可能性がある。

図１Ａの斜視図は、液体ループ冷却装置１００の実施態様を示す。液体ループ冷却装置１００は、閉ループシステム内の少なくとも１つの熱発生部品１０４に循環冷却用流体を搬送させる内部ボアまたはルーメンを有した剛性または半剛性の配管１０２を含んでいる。液体ループ冷却装置１００はまた、配管１０２に連結され、配管に沿って生じる物理的応力を分散させる少なくとも１つの柔軟なベローズ１０６を含んでいる。

柔軟なベローズ１０６は、液体ループ冷却装置１００の種々の部品を接続する配管１０２に組み込まれて、液体ループシステムの各部分と他の部分を柔軟な機械的連結で分離させることができる。

液体ループ冷却装置１００は、流量制御、熱吸収、および熱除去のための部品およびデバイスを含んでいる閉ループに冷媒を循環させる。たとえば、種々のプラスチックまたは金属で作られた配管１０２は、種々の遮断要素、３方向Ｔ字接合部または４方向直交(cross)接合部を使って、一般的には複数の分岐が配置されている冷却ループを構成している。

ベローズは、液体ループの構成上の特徴に応じて、種々のプラスチック、種々のゴム、種々の金属などから作ることができる。

冷却板１０８の下に破線で収容していることを示した、少なくとも１つの部品１０４が、配管１０２にしっかり固定的に連結されている。剛性または半剛性な液体ループ冷却装置１００の所定の部分を他の部分から分離させ柔軟で機械的に連結する、柔軟なベローズ１０６が剛性連結部に接続されている。

熱を配管１０２内の冷媒に伝達させて、熱源の局所的冷却を促す１つまたは複数の冷却板１０８またはヒートシンク１１０と、一部または全ての部品１０４、特に熱発生部品を連結することができる。冷却板１０８は通常、放熱部品を覆うように装着される。冷却板１０８は、循環する冷媒流体を搬送する埋め込み流路を備えた金属板を含んでいる。流路の流れを分配して、冷却板表面を均一に冷却することができる。

冷却板１０８内の冷却要素の例には、液体搬送細管の蛇行パターンを有する冷却要素、または、狭い液体搬送流路を有する多岐管が含まれる。冷却板１０８を通って循環する液体は、部品１０４によって生成された熱を散逸させる冷却作用を生じる。冷却板１０８は、単相液体強制対流冷却、蒸発冷却などの相変化などで熱エネルギーを効率的に伝達させることができる。

適した冷却板１０８の一例は、流路付きのアルミニウム押出材に圧入されている銅またはステンレス鋼の管を使用した一般的な軸流（tubed-flow）冷却板である。冷却板流路のループ数を増加することで、冷却板性能を強化できる。別の冷却板の例は、液体の流れが、冷却板１０８内で分配される流れ分配式(distributed-flow)冷却板である。流れ分配式冷却板は、冷却板の立体ブロックに埋め込まれた直交流（cross-flow）管を含んでもよい。直交流管は、主管に接合されて、ＵまたはＺ流路構成を形成する。別法として、直交流の流路は、押し出し成形されたアルミニウムブロックを、集熱パイプ(collector tube)に連結された微小流路に接合することで作ることができる。一部の冷却板は、冷却板内の空洞に蝋付けされたフィンを含んでもよい。流れ分配式冷却板の性能は、板内の流れの分布の不均一性によって変わる。

一部の実施形態では、液体ループ冷却装置１００がさらに、ループを通して冷却用流体を配管１０２内部へ流すのに適した圧力ヘッドを生成可能で、配管１０２に連結されているポンプ１１２を含んでもよい。一部の実施形態ではポンプ１１２を省略してもよい。たとえば、流体を動かすのに、重力を利用したり、配管内をウィッキング(wick)構造にして表面張力を利用してもよい。配管１０２に連結した１つまたは複数の冷却板１０８は通常、局所的に冷却するために、熱発生部品１０４の近くに配置される。

液体ループ冷却装置１００でオプションとして選択できる他の要素として、流体が冷媒ループ内を循環する時に冷媒が吸収した熱を除去できる、配管１０２に連結された液体−空気熱交換器１１４がある。

図１Ｂの斜視図は、配管１０２に連結されたリザーバ１２２をさらに含んだ液体ループ冷却装置１２０の別な実施形態を示している。リザーバ１２２は冷却用流体を蓄積できる。

液体ループ冷却装置１２０は、ループに流れを生じさせるために、リザーバ１２２に１つまたは複数のポンプ１１２を組み合わせて使用している。液体リザーバ１２２は、システムの圧力を維持し、漏れを補償する。冷媒ループはさらに、循環している冷媒から粒子を除去するフィルタを含んでもよい。リザーバ１２２は、システムの流体源となるように、ポンプ１１２の低圧／吸い込み側で使用することができる。

図２Ａ〜図２Ｅのいくつかの斜視図は、液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの実施形態を示している。

図２Ａは、２つの剛性部材の間で使用される柔軟なベローズコネクタ２００を示している。ベローズ２００は、減衰デバイス、伸縮継手、シールドデバイスなどとして使用することができる。例示的なベローズ２００は、横方向、軸方向、および／または、角度方向などに変位している種々の変形が可能である。ベローズ２００は、それぞれ折り重なるセクションが比較的平坦になっている複数のウェブ部分２０２、および、複数のウェブ２０２間にあってベローズ２００が折り重なったり伸びたりできる、ヒンジ２０４を含んでいる。ベローズ２００は、動きが一部制限されて、撓んでいる間、全体が一定の形状を維持するように、比較的多数の短いウェブ部分２０２を備えている。

ベローズ２００は、ネオプレンなどのエラストマー、または、他のプラスチックを含む種々の材料で作ることができる。他の適した材料として、ネオプレンまたはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）をコーティングした織物、アルミニウムまたはシリコーンゴムをコーティングしたガラス布などがある。

図２Ｂは、適しているベローズ２１０の別な例を示す。適していれば、いずれのベローズでも液体ループ冷却システムに使用できる。ベローズ２１０のウェブ２０２は、平坦形状を有し、長いストローク機能、圧力に対するストロークの線形性、および適した耐圧性をもたらす。広い範囲の動きを可能にする様々な材料を使えば、ベローズ２１０のウェブ部分２０２が、図２Ａに示すベローズ２００用のウェブより更に長くできる。

図２Ｃは、一定の有効面積を与え、圧力に対し線形な力を出力する平坦な片持ち梁形状を備えたベローズ２２０の例を示している。

一層および多層ベローズを含んだ、種々のタイプのベローズを使用することができる。場合によっては、ベローズのばね定数が、壁厚の３乗に比例するため、多層ベローズが望ましい。したがって、多層構成は、等しい総壁厚を有する単相形態より柔軟性が高くなるため、高圧状態に有用である。

ベローズのばね定数は、直径、壁厚、渦巻数、および構成材料によって変わる。柔軟性は、圧力変化当たりの各渦巻きの変位である。ベローズのばね定数より大きいばね定数を有するばねと組み合わせてベローズを使用することで、弾性であることの欠陥を減少、又は最少にできる。

一部の用途では、柔軟性の高いベローズが望まれるが、これはより深い渦巻きを有するベローズによって得られる。その場合、ばね定数および最大作動圧力が比較的小さくなり、撓みの量が大きくなる。

一部のベローズは、応力除去焼きなましのために、低い温度で熱処理されて、クリープ、ドリフト、およびヒステリシスを減らし、材料を安定させ、ばね定数を増加させている。

永久的な歪および／または構造的特性変化を防止するために、ベローズは一般に、適切に制限された最大圧力で圧縮されるように使われる。機械的な停止部、または、ばね保持器を使って、過剰圧縮を回避することができる。軸方向外径より実質的に大きいベローズは、最大定格値より低い圧力でも軸方向に歪む危険がある場合がある。

図２Ｄおよび図２Ｅは、トロイダルベローズの形態で、それぞれ、ベローズ２３０および２４０の他の例を示す。トロイダルベローズは、高い圧力に非常に有用であって、一定の有効面積および大きいばね定数を維持する。

へり溶接、成形、および堆積によって、種々のタイプのベローズを作ることができる。へり溶接された金属ベローズには、スタンピングされた環状ダイアフラムを、内側へりおよび外側へりで個々に溶接することで形成された渦巻きが含まれている。

図３Ａおよび図３Ｂの斜視図および上面図は、シャシ３０２や、シャシ３０２内に搭載されて少なくとも１つの熱発生部品を含んだ複数の部品３０４を備えた、コンピュータサーバなどの電子システム３００の実施形態を示している。内部ボアを囲む剛性または半剛性の配管３０６は、閉ループシステムにある部品３０４間を循環する冷却用流体を含んでいる。１つまたは複数の柔軟なベローズ３０８は、配管に連結され、配管の物理的応力を取り除いている。

ベローズ３０８を、液体ループの１つの管に装着することができる。ベローズ３０８は、機械的に分離する必要性を考慮して、１つまたは複数の他の配管脚部上に取付けることができる。

通常、１つまたは複数の部品３０４は、配管３０６にしっかりと固定的に連結されており、１つまたは複数の柔軟なベローズ３０８が、配管３０２の選択された場所に挿入されて、剛性または半剛性な液体ループ冷却装置のある部分と他の部分を、柔軟な機械的な連結にしている。

一部の実施形態では、電子システム３００は、たとえば、小型フォームファクタシャシとして構成されるシャシ３０２のように、効率的に作られて、比較的小さなパッケージにされる。一般的に小型とされるサイズは、ほぼ１Ｕまたは２Ｕフォームファクタのものである。

一部の実施形態では、電子システム３００は、シャシ３０２内の空気流入口穴および空気流出口穴３１０、入口穴から出口穴３１０に空気を循環させる少なくとも１つのファン３１２を有する。

配管３０６およびベローズ３０８は、種々の形態をとり、種々のタイプのデバイスおよび部品を含むことができる液体ループ冷却システム３１４の一部を形成している。液体ループ冷却システム３１４は、配管３０６に連結され、部品３０４のうちの熱発生部品からの熱を散逸させるように配置された少なくとも１つの冷却板３１６を有してもよい。

一部の実施形態では、ポンプ３１８を配管３０６に連結して、液体ループ３１４を流れる冷却用流体の循環を補助させることができる。他の実施形態では、重力を利用して、または流体の流れをつくる配管内のウィッキング構造を使って、ポンプを省略してもよい。たとえば、ポンピング作用は、加熱下で微細孔ウィックに誘起される表面張力を利用して、作動流体を押し出す、２相熱搬送デバイスを使って得ることができる。

液体ループ冷却システム３１４の他のオプション部品は、配管３０６に連結できる液体−空気熱交換器３２０である。さらに別なオプション部品は、冷却用流体を蓄積する、配管に連結されたリザーバ３２２である。

液体ループ冷却３１４は、パワーエレクトロニクス、防衛、医療、およびコンピュータの応用形態で電力密度が増加していることから生ずる、電子機器の熱管理のために使用できる。液体ループ冷却３１４は、電力密度の向上およびパッケージングサイズの縮小の結果、ハイエンドサーバ、記憶システム、電気通信機器、自動試験機器などでますます有用となっている。

液体ループ冷却システムは、冷媒を閉ループ循環させ、管およびポンプなど流れ分配部品、弁およびオリフィスを含む流れ制御デバイス、および冷却板および熱交換器など熱伝達デバイスを含んでもよい。液体ループ冷却システムの構造は一般に、電子部品の温度を適したレベルに維持するのに必要な流れと分配を作るように構成される。

液体ループ冷却システム３１４は、電子デバイスおよび部品が搭載される冷却板３１６および／またはヒートシンクへ望まれる冷媒が到達するように、個々の部品のサイズを設計する。冷却板３１６および／またはヒートシンクは、効率的で、かつ、均一な冷却を達成するように選択される。

設計者は、少なくとも１つの熱発生部品を含んだ１つまたは複数の電子システム部品３０４をシャシ３０２内に配置して、電子システム３００に液体ループ冷却システム３１４を構成することができる。内部ボアを囲む剛性または半剛性の配管３０６は、閉ループシステムの１つまたは複数の熱発生部品間に冷却用流体を循環させる。少なくとも１つの柔軟なベローズ３０８は、配管３０６に取り付けられ、それによって、配管３０６の物理的応力を分散させる。

柔軟なベローズ３０８は、２つの部品３０４間を連結して、配管３０６の物理的応力を減らすことができる。たとえば、柔軟なベローズ３０８は、部品３０４と、ラインに連結した重いデバイスなど衝撃や振動を生じる可能性のある発生源との間で、配管３０６に配置できる。１つの例では、ポンプ３１８、熱交換器３２０、または、リザーバ３２２は、比較的重く、かさばる可能性がある。落としたり、振ったりすると、重くかさばる要素を収容しているボードは、配管３０６に応力を生成する可能性があり、それによって壊れやすい部品に損傷を与える可能性がある。柔軟なベローズ３０８は、力を吸収し、部品およびシステムを容易に保護する。

柔軟なベローズ３０８を、温度の変化による膨張および収縮に対処させるため、しっかりと固定的に取り付けられた部品３０４間の配管３０６に配置することができる。同様に、柔軟なベローズ３０８で、製造公差による寸法の変動を吸収させるため、固定的に取り付けられた部品３０４間の配管３０６に配置することもできる。

本開示では種々の実施形態を述べてきたが、これらの実施形態は、例示的なものとして理解されるべきであり、説明した実施形態の、多くの変形、変更、付加、および改良が可能である。たとえば、ベローズの特定の形状、大きさ、および幾何形状を示したが、他の変形が可能である。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。他の実施形態として、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、ベローズを採用することができる。

応力分離および公差変動のためのベローズを含む液体ループ冷却システムの実施形態を示す斜視図である。 応力分離および公差変動のためのベローズを含む液体ループ冷却システムの実施形態を示す斜視図である。 液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。 液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。 液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。 液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。 液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。 応力分離および公差変動のための柔軟なベローズを用いた液体ループ冷却システムを有する電子システムの実施形態を示す斜視図である。 応力分離および公差変動のための柔軟なベローズを用いた液体ループ冷却システムを有する電子システムの実施形態を示す上面図である。

符号の説明

１００ 液体ループ冷却装置
１０２ 配管
１０４ 部品
１０６ ベローズ
１０８ 冷却版
１１２ ポンプ
１２２ レザーバ
３０２ シャシ

Claims (20)

1. 閉ループシステム内の少なくとも１つの熱発生部品に冷却用流体を循環させる内部ボアを有する剛性または半剛性な配管と、
   前記配管に連結され、前記配管の物理的応力を分散させる少なくとも１つの柔軟なベローズとを備えることを特徴とする、液体ループ冷却装置。
2. 前記配管に連結された少なくとも１つの冷却板をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の液体ループ冷却装置。
3. 前記配管に連結され、前記閉ループシステムに前記冷却用流体を循環させるポンプをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の液体ループ冷却装置。
4. 前記配管に連結された液体−空気熱交換器をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の液体ループ冷却装置。
5. 前記配管に連結され、前記冷却用流体を蓄積するリザーバをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の液体ループ冷却装置。
6. 少なくとも１つの部品が、前記配管に固定的に連結され、
   前記少なくとも１つの柔軟なベローズが、剛性または半剛性な前記液体ループ冷却装置のある部分と他の部分を柔軟で機械的な連結にすることを特徴とする、請求項１に記載の液体ループ冷却装置。
7. シャシと、
   少なくとも１つの熱発生部品を含んでいる前記シャシ内に搭載された複数の部品と、
   閉ループシステム内の前記少なくとも１つの熱発生部品に冷却用流体を循環させる内部ボアを有する剛性または半剛性な配管と、
   前記配管に連結され、前記配管の物理的応力を分散させる少なくとも１つの柔軟なベローズとを備えることを特徴とする、コンピュータサーバ。
8. 前記シャシ内の空気流入口穴と、空気流出口穴と、前記入口穴から前記出口穴へ空気を循環させる少なくとも１つのファンをさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載のコンピュータサーバ。
9. 前記配管に連結され、前記熱発生部品を放熱させる少なくとも１つの冷却板をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載のコンピュータサーバ。
10. 前記配管に連結され、前記液体ループに前記冷却用流体を循環させるポンプをさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載のコンピュータサーバ。
11. 前記配管に連結された液体−空気熱交換器をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載のコンピュータサーバ。
12. 前記配管に連結され、前記冷却用流体を蓄積するリザーバをさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載のコンピュータサーバ。
13. 少なくとも１つの部品が、前記配管に固定的に連結され、
    前記少なくとも１つの柔軟なベローズが、剛性または半剛性な前記液体ループ冷却装置のある部分と他の部分を柔軟で機械的な連結にすることを特徴とする、請求項７に記載のコンピュータサーバ。
14. 前記シャシは小型フォームファクタのシャシであることを特徴とする、請求項７に記載のコンピュータサーバ。
15. 少なくとも１つの熱発生部品を含んでいる複数の電子システム部品をシャシ内に配置するステップと、
    閉ループシステム内の前記少なくとも１つの熱発生部品に冷却用流体を循環させる内部ボアを有する剛性または半剛性な配管を配置するステップと、
    前記配管の物理的応力を分散するため、少なくとも１つの柔軟なベローズを前記配管に接続するステップとを含むことを特徴とする、液体ループ冷却システムを電子システムに配置する方法。
16. 衝撃と振動を生じる可能性のある発生源と部品との間の前記配管に柔軟なベローズを配置するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の液体ループ冷却システムを電子システム内に配置する方法。
17. 温度変化による膨張および収縮を吸収するため、固定的に取り付けた部品の間の前記配管に柔軟なベローズを配置するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の液体ループ冷却システムを電子システム内に配置する方法。
18. 製造公差による寸法変動を吸収するため、固定的に取り付けた部品の間の前記配管に柔軟なベローズを配置するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の液体ループ冷却システムを電子システム内に配置する方法。
19. 前記配管の物理的応力を減らすため、２つの部品間に柔軟なベローズを連結するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の液体ループ冷却システムを電子システム内に配置する方法。
20. 閉ループシステム内の少なくとも１つの熱発生部品に循環冷却用流体を搬送させるための搬送手段と、
    前記搬送手段の物理的応力を分散させる手段とを備えることを特徴とする、液体ループ冷却装置。

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