JP2005331233A - 隣接した管部分のフィン間に間隙を有する多経路熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】多経路構成の管を有する熱交換器において冷却用流体が適切に冷却されるようにする。
【解決手段】 熱交換器１００は、複数のほぼ平行な管部分１０４Ａ、１０４Ｂを含む多経路構成で配置された管１０２と、管部分１０４Ａ、１０４Ｂに連結した複数のフィン１０６とを備える。隣接した管部分１０４Ａ、１０４Ｂのフィン１０６は間隙１０８をおいて隔てられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器の冷却技術に関する。

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が生じる場合がある。

小型電子デバイス、たとえば、小型サーバでは、シャシまたはハウジング内部の空間は制限され、格納される熱交換器には厳しいサイズ制約が課される。多経路液体−空気熱交換器の場合、冷却用流体を運ぶ管は、非常に接近して配置される場合がある。一部の場所では、加熱された流体を運ぶ管は、冷却された流体を運ぶ管に隣接して通る場合があり、この場合、接続された金属プレートまたはフィンに沿って加熱流体から冷却流体に熱が伝達され、熱交換器を去る流体の冷却が適切に行われなくなる場合がある。

液体ループ冷却デバイスの一実施形態によると、熱交換器は、複数のほぼ平行な管部分を含む多経路構成で配置された管を備える。熱交換器は、管部分に連結した複数のフィンをさらに備える。隣接した管部分のフィンは間隙をおいて隔てられる。

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。

液体ループ冷却システムは、電子デバイスのシャシ内の使用可能な空いた空間を利用するように、ループ内で複数の熱交換器を使用する。

図１を参照すると、斜視図は、複数のほぼ平行な管部分１０４Ａ、１０４Ｂを含む多経路構成で配置された管１０２を含む熱交換器１００の一実施形態を示す。熱交換器１００はさらに、前記管部分１０４Ａ、１０４Ｂに連結した複数のフィン１０６を含む。フィン１０６は、冷却用空気を流し、冷却用液体から放熱させることが可能である。隣接した管部分１０４Ａおよび１０４Ｂ用のフィン１０６は間隙１０８をおいて隔てられている。

この例示的な実施形態では、管１０２は、長手方向軸１１０および円形断面１１４を有し、ほぼ平行な複数の管部分１０４Ａ、１０４Ｂを形成する。密接した間隔のプレート１１２の積重体は、長手方向軸１１０にほぼ垂直に配置されて、管部分１０４Ａ、１０４Ｂに連結したフィン１０６を形成する。

液体−空気熱交換器１００は、冷却用液体が通る管１０２に取り付けられたフィン１０６を含む。液体は、加熱状態で管に入り、熱交換器１００を通過する間に冷え、最終的に、管壁およびフィンを通して、対流および伝導によって熱を空気に伝達する。

簡単な形態の液体−空気熱交換器２００が図２に示されている。液体−空気熱交換器２００は、円形断面を有する管２０４に取り付けられた、フィンと呼ばれる密接した間隔のプレート２０２の積重体を含む。液体−空気熱交換器２００は、液体が熱交換器２００を１回通過するので、単経路交換器と呼ばれる。

たとえば、図３に示す多経路熱交換器３００では、単経路交換器より多くの熱を空気へ伝達することができる。多経路熱交換器３００では、液体は、熱交換器３００を複数回通過する。液体が熱交換器３００を通過するたびに、より多くの熱が空気に伝達される。２経路熱交換器３００では、液体は熱交換器を２回通過する。

コンピュータサーバなどの小型電子システムおよびデバイスでは、凝縮した内部寸法は、熱交換器などの冷却用部品のサイズを制約する。こうした内部空間がほとんどないシステムおよびデバイスでは、空気流に対する抵抗が小さいことが一般に望ましい。したがって、空気流の圧力降下が許容範囲内に抑えられ、かつ、最大限のフィン表面積を有する比較的小さな熱交換器が求められる。多経路熱交換器３００の場合、図３に示す管部分３０２Ａおよび３０２Ｂなどの、液体を運ぶ管は、非常に接近して最適の状態に配置される。加熱された液体が入り、冷却された液体が出る、熱交換器３００の端部では、熱がフィン３０４を通して伝導されて冷却された液体を再加熱し、出て行く冷却された液体の温度が、管部分３０２Ａおよび３０２Ｂがさらに離れている状態に比べて高くなる可能性がある。

図１に示す熱交換器１００は、隣接した管部分１０４Ａおよび１０４Ｂに接続したフィン１０６を、間隙１０８をおいて隔てることによって、隣接した管部分間の熱伝達の問題を解決する。間隙１０８は、加熱された液体の流れを運ぶ管部分１０４Ａに接続したフィン１０６から、冷却された液体の流れを運ぶ管部分１０４Ｂ上のフィン１０６を分離し、冷却された液体が加熱された流れによって加熱されることを防ぐ。種々の実施形態では、Ｙ方向の空気流によって、空気流が、２つの管部分１０４Ａおよび１０４Ｂを順次通過するか、または、Ｘ方向の空気流によって、空気流が、２つの管部分１０４Ａおよび１０４Ｂの面に垂直に通過するように、熱交換器１００を整列することができる。

図４Ａを参照すると、斜視図は、長手方向軸４１０および平坦断面４１４を有し、ほぼ平行な複数の管部分４０４Ａ、４０４Ｂを形成する管４０２を含む多経路熱交換器４００の別の実施形態を示す。熱交換器４００は、平坦断面の管部分４０４Ａ、４０４Ｂに連結した複数の折り重ねフィン４０６を有する。隣接した平坦断面の管部分の折り重ねフィン４０４Ａおよび４０４Ｂは間隙４０８によって分離される。同様に、この例示的な実施形態では、平坦断面の管端部接合部４１６は約１８０°折り曲げられ、２つの隣接した平坦断面の管部分４０４Ａ、４０４Ｂを連結する。

この例示的な２経路液体−空気熱交換器４００は、管４０２にはんだ付けされるか、または、蝋付けされた（brazed）折り重ねフィン４０６を有する、冷却用液体を運ぶための平坦管４０２の形態を有する。この例示的な実施形態では、２つの独立した折り重ねフィンのセットが使用され、１つのセットは第１の管部分に、第２のセットは第２の管部分に取り付けられる。平坦管熱交換器４００によって、折り重ねフィン４０６および管４０２のサイズおよび位置関係を選択するだけで、多くの種類の配置、サイズ、および構成が可能になる。

平坦断面の管部分およびフィンを構築する技法は、折り重ねフィンが、管の間の空間全体にわたり、管を効率的に接続し、熱的に結合する、自動車のラジエターを製造する技法と同様である。例示的な熱交換器４００では、２つの独立した折り重ねフィンのセットが使用され、１つのセットは１つの管４０４Ａに、第２のセットは第２の管４０４Ｂに取り付けられ、２つのフィン構造の間に間隙４０８が作られる。よく発達した自動車分野に共通の材料およびプロセスの使用は、効率的かつ経済的な生産および開発を容易にすることができる。

一部の実施形態では、熱交換器４００は、平坦断面の管部分４０４Ａ、４０４Ｂを円形断面の取り付け具に連結させるように構成された少なくとも１つの端部移行キャップ４１８を有する。

管部分４０４Ａ、４０４Ｂの平坦構造は、内部通路の断面積をより大きくすることができ、液体がループを通過する時の圧力降下を少なくする。長いループの場合、圧力降下が低減されることで、液体が流れやすくなり、冷却を促進することができる。

同様に、平坦な管は一般に、円形断面の管より空気流に対する抵抗が少なく、制約された空間を有するシステムにおける流体の流れを補助する。

平坦な管は、液体の熱交換およびフィンの取り付けのために大きな表面積を有し、熱抵抗を最少にするか、または、減らす。平坦な管は、対応する熱インタフェースパッドを用いて、電子システム内のシャシまたはハウジングの表面に熱的に接続することができる。

図４Ｂを参照すると、斜視図は、複数の折り重ねフィン４２６が、管４０２に沿って異なる位置において可変のピッチを有するが、平坦な断面管４０２を同様に有する熱交換器４２０の代替の実施形態を示す。

図５は、多経路液体−空気熱交換器５００、より具体的には、４経路交換器の一実施形態を示すが、使用可能な間隔および形状因子を考慮して、任意の数の配管部分５０４を用いてもよい。管５０４は、複数回、かつ、種々の方向にフィン列５０２を通過し、より優れた、または、最適化された冷却性能を得ることができる。多経路熱交換器５００は、さらに優れた冷却能力を供給するために、部品やデバイスの間に比較的大きな空間を有するシステムに使用することができる。この例示的な実施形態では、種々の配管部分５０４に連結したフィン５０２は、フィン５０２に沿った熱の伝導による、冷却用液体の再加熱を減らすか、または、なくすための間隙によって隔てられている。

図６は、複数の配管部分６０４がフィン６０２の複数の積重体を通過し、個々の積重体は、隣接した配管部分に接続されたフィン間での熱伝導を回避するための間隙をおいて隔てられた、比較的短くて平坦な、多経路熱交換器６００の一例を示す。この熱交換器６００は、システム内の、比較的広くて長いが、高さの低い空間で使用することができる。他の例では、熱交換器６００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などの、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７を参照すると、斜視図は、管部分７０６Ａ、７０６Ｂが間隙によって隔てられた液体−空気熱交換器７０４を含む電子システム７００、たとえば、コンピュータサーバの一実施形態を示す。電子システム７００は、空気流入口および出口穴７３４と、入口穴から出口穴へ空気を循環させることが可能なファン７１６とを有するシャシ７３２を含む。電子システム７００は通常、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、シャシ７３２内に搭載された複数の部品７２０を有する。

液体−空気熱交換器７０４は、複数の管部分７０６Ａ、７０６Ｂを含む多経路構成で配置された配管を含む。この例示的な実施形態では、管部分７０６Ａ、７０６Ｂは、複数のフィン７０８が管部分に連結した、ほぼ平行な構成で配置される。フィン７０８は、管部分７０６Ａ、７０６Ｂに連結した長手方向軸にほぼ垂直に配置された密接した間隔のプレートの積重体として構成される。プレートは、隣接した管部分間の熱伝達を実質的に減らすか、または、なくすのに十分な間隙７０９を隣接した部分のプレート間に残すような距離だけ、隣接した管部分の方に延びている。

同様に、図７を参照すると、電子システム７００で使用することができる液体ループ冷却システム７３０の一実施形態は、循環する冷却用流体を内部に流通させることが可能な内部通路を有する配管７０２と、ポンプ７１４と、熱交換器７０４とを含む。ポンプ７１４は一般に、配管７０２に連結し、配管７０２を通して冷却用流体を圧送することができる。冷却システム７００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、他の適当な流体を使用してもよい。冷却用流体は、配管７０２および複数の熱交換器７０４の管部分７０６内を流通する。

熱交換器７０４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７１６が、冷却システム７００に含まれる。さらに、１つまたは複数の冷却プレート７１８が配管７０２に連結される。冷却プレート７１８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部品７２０に取り付けられる。

液体ループ冷却システム７３０では、ポンプ７１４は、１つまたは複数の冷却プレート７１８、配管７０２、および熱交換器７０４を通して冷却用流体を押し出す。熱交換器７０４における空気の強制対流によって、ループから熱が取り除かれる。熱交換器７０４は、異なる管部分に接続したフィン７０８間が隔てられている多経路熱交換機能により、より優れた熱的性能を有している。

図８を参照すると、斜視図は、長手方向軸および平坦断面を有し、密な間隔で、かつ、ほぼ平行な複数の管部分８０６Ａ、８０６Ｂを形成する管８０２の形態の熱交換器８０４を含む電子システム８００の一実施形態を示す。

同様に、図８を参照すると、液体ループ冷却システム８３０の一実施形態は、循環する冷却用流体を流通させることが可能な内部通路を有する配管７０２と、ポンプ７１４と、平坦断面の管部分８０６Ａ、８０６Ｂを有する熱交換器８０４とを含む電子システム８００で使用することができる。

熱交換器８０４はまた、平坦断面の管部分８０６Ａ、８０６Ｂに取り付けられた複数の折り重ねフィン８０８を含む。隣接した平坦断面の管部分８０６Ａ、８０６Ｂの折り重ねフィン８０８は間隙８０９をおいて隔てられている。折り重ねフィン８０８は、隣接した管部分８０６Ａ、８０６Ｂの間の熱伝達をほぼなくすのに十分な間隙８０９が隣接した部分のフィン間に残されるように、所定の距離だけ隣接した管部分の方に延びている。

一部の実施形態では、複数の折り重ねフィン８０８は、管の長手方向軸に沿い、かつ、シャシ８３２内の空気流経路における冷却性能を最適化するように、管８０２に沿って異なる位置において可変のピッチを有する。

一部の実施形態では、熱交換器８０４は、２つの隣接した平坦断面の管部分８０６Ａ、８０６Ｂを連結し、熱交換器８０４が薄いシャシ内のサイズに収まることを可能にするコンパクトな曲線で約１８０°折り曲がる平坦断面の管端部接合部８１２を含む。

熱交換器８０４はまた、平坦断面の管部分８０６Ａ、８０６Ｂを、閉ループ冷却システム８３０の円形断面の取り付け具に連結させるように構成された端部移行キャップ８１４を含んでもよい。

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、特許請求項の範囲を制限しない。述べた実施形態の、多くの変形、変更、付加、および改良が可能である。たとえば、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、特許請求項の範囲内にある、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形態の変形および変更を、添付特許請求項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、追加の管部分が付加される追加の多経路配置を含む、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る。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の一実施形態を示す斜視図である。 単経路熱交換器を示す斜視図である。 ２経路熱交換器を示す斜視図である。 多経路熱交換器の実施形態を示す斜視図である。 多経路熱交換器の実施形態を示す斜視図である。 例示的な冷却および電子デバイスならびにシステムで使用することができる多経路熱交換器の種々の実施形態の例の１つを示す概略図である。 例示的な冷却および電子デバイスならびにシステムで使用することができる多経路熱交換器の種々の実施形態の例の１つを示す概略図である。 コンピュータサーバなどの電子システム、および、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。 共に平坦管熱交換器を用いる、コンピュータサーバなどの電子システム、および、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。

符号の説明

１００ 熱交換器
１０２ 管
１０４Ａ、１０４Ｂ 管部分
１０６ フィン
１０８ 間隙
４０２ 管
４０４Ａ、４０４Ｂ 管部分
４０６ 折り重ねフィン
４１８ 端部移行キャップ
４２６ 折り重ねフィン
７００ 電子システム
７０２ 配管
７０４ 熱交換器
７３０ 液体ループ冷却システム

Claims (10)

1. 複数のほぼ平行な管部分を含む多経路構成で配置された管と、
   前記管部分に連結した複数のフィンと、
   を備え、隣接した管部分の前記フィンは間隙をおいて隔てられていることを特徴とする熱交換器。
2. 空気流入口および出口穴と、前記入口穴から前記出口穴へ空気を循環させることが可能なファンとを含むシャシと、
   前記シャシ内に搭載された複数の部品と、
   液体−空気熱交換器と、
   を備え、前記液体−空気熱交換器は、複数のほぼ平行な管部分を含む多経路構成で配置された管と、前記管部分に連結した複数のフィンとを備え、隣接した管部分の前記フィンは間隙をおいて隔てられていることを特徴とする電子システム。
3. 冷却用流体が循環することができる内部通路を有する配管と、
   前記配管に連結し、前記配管を通して前記冷却用流体を圧送することが可能なポンプと、
   前記配管に連結した熱交換器と、
   を備え、前記熱交換器は、複数のほぼ平行な管部分を含む多経路構成で配置された管と、前記管部分に連結した複数のフィンとを備え、隣接した管部分の前記フィンは間隙をおいて隔てられている特徴とする液体ループ冷却システム。
4. 前記配管および前記管内に含まれる前記冷却用流体と、
   前記熱交換器に空気を送り込むように構成されたファンと、
   前記熱交換器に連結した冷却プレートと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記熱交換器は、
   長手方向軸および円形断面を有し、密な間隔で、かつ、ほぼ平行な複数の管部分を形成する管と、
   前記長手方向軸にほぼ垂直に配置され、前記管部分に連結した前記フィンを形成する密接した間隔のプレートの積重体と、
   をさらに備え、前記プレートは、前記隣接した管部分の間の熱伝達をほぼなくすのに十分な間隙が隣接した部分のプレート間に残されるような距離だけ、前記隣接した管部分の方に延びていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱交換器またはシステム。
6. 前記熱交換器は、
   長手方向軸および平坦断面を有し、密な間隔で、かつ、ほぼ平行な複数の管部分を形成する管をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱交換器またはシステム。
7. 前記熱交換器は、
   前記平坦断面の管部分に連結した複数の折り重ねフィンをさらに備え、隣接した平坦断面の管部分の前記折り重ねフィンは前記間隙をおいて隔てられており、前記折り重ねフィンは、前記隣接した管部分の間の熱伝達をほぼなくすのに十分な前記間隙が隣接した部分のフィン間に残されるような距離だけ、前記隣接した管部分の方に延びることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器またはシステム。
8. 前記熱交換器は、
   前記平坦断面の管部分に連結し、前記管の前記長手方向軸に沿って、かつ、前記シャシ内の空気流経路における冷却性能を最適化するために、前記管に沿った異なる位置において可変のピッチを有する複数の折り重ねフィンをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器またはシステム。
9. 前記熱交換器は、
   ２つの隣接した平坦断面の管を連結し、前記熱交換器が薄いシャシの内部に収まることを可能にするコンパクトな曲線で約１８０°折り曲がる平坦断面の管端部接合部をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器またはシステム。
10. 前記熱交換器は、
    平坦断面の管部分を、閉ループ冷却システムの円形断面の取り付け具に連結させるように構成された端部移行キャップをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器またはシステム。

Images