JP2006099773A - 電子システムを冷却するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高電力密度デバイスを含んだ電子部品の効率的な熱管理システムを提供すること
【解決手段】複数の電子部品を冷却する冷却システムは、冷却媒体の流れを送り出すように構成された少なくとも１つの超小型冷却器（１３）を備える集中供給源（１２）と、冷却媒体を前記電子部品の上に新たに分配するように構成された複数の邪魔板とを備える。電子部品は、筐体（４）の中に位置している。そして、電子部品が、中央処理装置（ＣＰＵ）（２０）、ディスク駆動機構（２８）、メモリカード、グラフィックスカード、電源ユニット（３６）、およびこれらの組合せから成るグループから選ばれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に電子部品の冷却に関し、特に電子部品を冷却するファンの使用に関する。

例えば高電力密度集積回路（ＩＣ）および中央処理装置（ＣＰＵ）を含んだ高電力密度デバイス（ＨＰＤＤ）のような電子部品の冷却は、コンピュータサーバ、軍用エビオニクス機器、医療用撮像機器、および高電力密度電子デバイスを使用する他のシステムの設計において、重要な考慮すべき事項である。本明細書で使用する用語ＨＰＤＤは、１０Ｗ／平方センチメートルを超える熱流束を有する熱発生デバイスを意味する。ＨＰＤＤは、熱流束のばらつきを有するほかに、様々なピーク許容温度を有し、これらのピーク許容温度は、ますます大きな計算速度および電力に、およびますます小さな底面積に設計される電子システムの冷却条件にも影響を及ぼす。これらの設計目標で、結果として小さな面積／体積で多量の熱を発生するＨＰＤＤが生じる。ＩＣおよびＣＰＵの劣化を避けるために放熱は重要である。いくつかの電子システムの電力密度は、約２００ワット／平方センチメートル（Ｗ／ｃｍ^２）程度であり、傾向は上向きに動いているように思われる。熱発生に起因する放熱条件に加えて、筐体の大きさが現在の設計の挑戦を制約している。例えば、従来のコンピュータサーバでは一般に回路基板が使用され、この回路基板は、棚ケース中に互いに近接して積み重ねられている多数の回路基板と共に、１．７５インチの高さ制限（１Ｕ用途と呼ばれる）のある筐体中に収納されている。約１２０摂氏度（℃）を超えない周囲使用温度および約９０℃の接合温度制限を有する一般的な電子部品では、ＨＰＤＤの熱を周囲環境に伝達するために冷却システムが使用される。一般的な冷却システムは、ファン、送風器、ヒートシンク、および冷却システムを含み、これらは、熱伝達要求が増すにつれてサイズが増す傾向がある。
米国特許６，７４４，６３２号公報

したがって、高電力密度デバイスを含んだ電子部品の効率的な熱管理システムが必要とされている。

一態様では、複数の電子部品を冷却する冷却システムは、冷却媒体の流れを送り出すように構成された少なくとも１つの超小型冷却器を備える集中供給源と、冷却媒体を電子部品の上に新たに分配するように構成された複数の邪魔板と、を備える。電子部品は、筐体の中に位置している。

さらに他の態様では、少なくとも１つのＣＰＵおよび一組の残り電子部品を備える複数の電子部品を冷却する冷却システムは、冷却媒体の流れをＣＰＵに送り出しかつ冷却媒体の出口流れを発生させるように構成された集中供給源を備える。冷却システムは、さらに、一組の残り電子部品を冷却するために出口流れを新たに分配するように構成された複数の邪魔板を備え、ＣＰＵおよび一組の残り電子部品は、筐体の中に位置している。

他の態様では、複数の電子部品を冷却する方法は、少なくとも１つの超小型冷却器から冷却媒体を送り出すこと、および複数の邪魔板を使用して冷却媒体を複数の電子部品の上に新たに分配することを備える。

さらに他の態様では、少なくとも１つのＣＰＵおよび一組の残り電子部品を備える複数の電子部品を冷却する方法は、集中供給源から冷却媒体を送り出すこと、および冷却媒体をＣＰＵの上に分配しかつ出口流れを発生させることを備える。本方法は、さらに、複数の邪魔板を使用して出口流れを一組の残り電子部品の上に新たに分配することを備える。

添付の図において、同様な要素は同様に番号を付けられている例示の図面を参照する。

本明細書で、複数の電子部品を冷却する冷却システムが開示される。冷却システムは、冷却媒体の流れを送り出すように構成された集中供給源、および冷却媒体を電子部品の上に新たに分配するように構成された複数の邪魔板を備える。電子部品は、筐体中にある。図１は、電子部品を冷却するための例示の冷却システム２を図示する。電子部品は、筐体４で囲まれている。冷却システム２は、筐体４の中にある電子部品の上に冷却媒体の流れを送り出すように構成された集中供給源１２を備える。

いくつかの実施形態では、電子部品は、以下で超小型冷却器および高流束熱交換器と呼ばれる、超小型圧縮器のような、少なくとも１つのファンを使用するサーバコンピュータシステムで使用される高級集積回路（ＩＣ）の様な高電力密度デバイスを備える。ファンは、１．７５インチの寸法制限を有する用途（「１Ｕ」用途）に適した大きさに作られる。いくつかの実施形態では、ファンは、２Ｕ用途に適した大きさに作ることができる。いくつかの用途では、集中供給源１２は少なくとも１つの超小型冷却器を備える。図１に示すように、集中供給源１２は、超小型冷却器１３および１４のような２個のファンを備える。超小型冷却器１３および１４は、空気のような冷却媒体の高流束をシステムの圧力開放に打ち勝つのに十分な十分に高い圧力で送り出すように設計されている。本明細書で使用される高流速空気という用語は、少なくとも約２５ＣＦＭ（立方フィート／分）のオーダの空気流を意味する。

本明細書で説明する例示の実施形態では、電子部品が位置している筐体４は、コンピュータサーバボックスである。筐体４は、底面６、上面（図示しない）および２つの側壁８および１０を有するように構成されている。本明細書で説明する実施形態は、例示の高電力密度デバイスとしてコンピュータサーバボックスを示すが、開示された冷却システムは、例えば軍用エビオニクス機器および医療用撮像部品および機器のような他の高電力密度デバイスにも応用可能なことがあることは理解されるであろう。本明細書で説明する電子部品は、熱発生デバイスである。この部品は、高寿命のために、および性能を高めるために、ある特定の温度に冷却する必要がある。

電子部品は、一般に、例えば複数の中央処理装置（ＣＰＵ）２０および２２、ディスク駆動機構２８、電源ユニット３６を含む。筐体４は、グラフィックスカードを含むがこれに限定されない他の部品を備えることもできる。動作中に、超小型冷却器１３および１４からの空気のような冷却媒体は、最初にＣＰＵ２０および２２の上を吹き、そして出口流れ２４を発生させる。冷却システムは、収束チャネル１６および１８をさらに備えることができ、垂直に配置されたべたの収束チャネル１６および１８によって形成された収束ダクト１７の中にＣＰＵ２０および２２が（集中供給源１２に対して）連続して配置されている。代替えの実施形態（図示しない）では、ＣＰＵ２０および２２は、集中供給源１２に対して並行に位置している。

収束ダクト１７によって、超小型冷却器のうちの１つが故障したときでも、ＣＰＵは冷却媒体の少なくとも多少の流れを受け取ることが保証される。ＣＰＵは、サーバボックスの中で最も高電力密度のデバイスであり、ＣＰＵ２０および２２の寿命をより長くするために効率のよい冷却システムが必要である。したがって、冷却システム２では、図１に示すように、冷却媒体は最初にＣＰＵ２０および２２の上を吹く。冷却媒体の温度は、超小型冷却器１３および１４の入口で最も低い。

収束チャネル１６および１８のある実施形態では、冷却媒体が最初のＣＰＵ２０の上を通過するとき速度の増加が実現される。速度の増加によって、熱伝達係数が増大する。冷却媒体が収束チャネル１６および１８を通って流れるときに冷却媒体の温度は上がるが、特に熱伝達係数の増大のために第２のＣＰＵ２２の冷却は依然として有利である。この設計では、ＣＰＵ２０および２２に対する収束チャネル１６および１８の角度は同じである。いくつかの他の実施形態では、図２に示すように、超小型冷却器が両方とも動作中であり、超小型冷却器のうちの１つからの冷却器流の一部が、一般に収束板の１つで逸らされた後で、ＣＰＵ２２に向けて直接流れるように角度を修正することができる。図２は、第２の例示の冷却システム４６を示し、収束チャネル１８が（ＣＰＵ２０および２２に対して）成す角度に比べて、収束チャネル１６は、より広い角度を成している。動作中に、超小型冷却器１３からの流れ１９は、ＣＰＵ２０に流れる。超小型冷却器１４からの流れ２１の一部は、収束チャネル１６に当たり、ＣＰＵ２２の方に向けられる。当業者は当然理解することであろうが、冷却システムの同じ構成を、１つ、２つ、または３以上のＣＰＵのために組み込むことができる。いくつかの実施形態では、ＣＰＵを一直線に並べて連続して配置しないで、ＣＰＵを直線のまわりに連続して、しかし千鳥配列に配置することができる。

図１の冷却システム２は、さらに、（例えばディスク駆動機構２８および電源ユニット３６として示す）一組の残り電子部品に出口流れ２４を新たに分配するために複数の邪魔板３０および３２を備える。一実施形態では、邪魔板３０および３２は、１つの一体化構造を備える。邪魔板３０および３２は、両方とも垂直に配置され、筐体４の厚さ２６全体を通して延びている。図１の特定の実施形態では、邪魔板３０は孔が開いた板または網を備え、この板または網は実質的に中空である。実質的な中空は、本明細書では、冷却媒体のいくらかの流れが筐体４の下流領域３４に移動していくつかの他の電子部品（図示しない）を冷却することができるように最適化された孔面積を有することとして定義される。下流領域３４での流れが筐体の他の領域の流れほど重要でないいくつかの他の実施形態では、邪魔板３０はべたの薄板であってもよい。図１の実施形態では、邪魔板３２は、べたの金属板であり、邪魔板３０に対してある角度で配置されている。邪魔板３０は、電源ユニット３６およびディスク駆動機構２８のような記憶ユニットなどの冷却を必要とする領域に冷却流体を移動させる逸らせ板として作用する。

出口流れ２４の一部３８は、孔の開いた邪魔板３０によって逸らされ、そして残りの部分は邪魔板３０を通過し、下流領域３４に流れて、存在すればいくつかの他の電子部品を冷却する。逸れた冷却媒体３８の一部はディスク駆動機構２８の上を吹き、そして冷却媒体がディスク駆動機構２８の上を流れたらすぐに、流れ４２は電源ユニット３６の方に流れる。

図３は、第３の例示の冷却システム５０を示し、ここでは筐体４は図１に示すのと同様な電子部品を備える。図３に示すような例示の冷却システムでは、邪魔板３０は筐体４の側壁８に取り付けられていない。邪魔板３２および３０は、筐体４の側壁８から離れて配置され、冷却媒体が流れるためのギャップ５２を作っている。邪魔板３２は、筐体４の厚さ２６全体に垂直方向に配置され、逸らせ板として作用する。邪魔板３０は、先行する節で言及したような孔の開いた板または網であってもよい。この例示の実施形態では、邪魔板３０は、代わりに、筐体４の下流領域３４の冷却条件に依存して、べたの板であってもよい。１つのべたの板の例は、下流領域３４の冷却条件がギャップ５２を通過する冷却媒体の量で適切に処理される実施形態である。動作中に、出口流れ２４の一部は下流領域３４に流れる。図２に示すように、出口流れ２４の残り部分は、べたの邪魔板３２によって逸らされ、ディスク駆動機構２８および電源ユニット３６の上を流れる。ギャップ５２を通って流れるバイパス流れ５４は、いくつかの小さな邪魔板５６、５８および６０によってさらに逸らせることができ、これらの小さな邪魔板によって、下流領域３４へのバイパス流れ５４のより効率的な配分が保証される。

図４は、電子部品を冷却するための第４の例示の冷却システム７０を示す。図４に示すような冷却システムは３個の邪魔板を備え、第１の邪魔板７２は、冷却媒体の流れに対して並行に水平の姿勢で配置されている。この水平邪魔板７２は、また、水平スプリッタと呼ぶことができ、これは筐体４の高さ２６の半分のところに配置されている。邪魔板７２は、一般に、超小型冷却器１３および１４からの出口流れ２４を、上部流れ７１と下部流れ７８との２つの流れに分ける。水平邪魔板７２は第２の邪魔板７０に固定され、この第２の邪魔板７０は垂直に配置されている。垂直邪魔板７０は、筐体４の上面（図示しない）および側壁８に固定され、さらに垂直邪魔板７０に固定されている。水平邪魔板７２および第２の邪魔板７０は、第３の邪魔板７４および第４の邪魔板７６に接続されている。第３の邪魔板７４は、垂直に配置され、底面６に固定されている。第３の邪魔板７４の高さは、水平邪魔板７２が配置されている高さとほぼ同じである。動作中に、上部流れ７１は逸らされて、ディスク駆動機構２８および電源ユニット３６の上を流れる。下部流れ７８は、下流領域３４に流れてその領域にある電子部品を冷やし続ける。

図４に示すような構成の邪魔板の各々が、ＣＰＵ２０および２２からの出口流れ２４の効率のよい再配分に寄与する。上部流れ７１は邪魔板７０に当たり、この邪魔板７０は、水平邪魔板７２より上の筐体４の上半分を塞いでいる。当たったあとで、流れは矢印７５で示すように逸らされる。第４の邪魔板７６は逸らせ板であり、この邪魔板７６は、また、電源ユニット３６の方に動いている流れを逸らす。第４の邪魔板７６は、水平邪魔板７２と結合する垂直壁であってもよく、筐体４の底面６に固定される。邪魔板のこの例示の配列は、下部流れ７８の全てが下流領域３４に移動することを保証し、さらに電源ユニット３６またはディスク駆動機構２８の方に向かって流れ７８が戻り混合するのを妨げる。

図１〜４に示す全ての例示の実施形態において、ＣＰＵは連続して配置されている。代わりに、ＣＰＵは、下流領域３４に並行に配置することができる。この構成では、下部流れ７８は、下流領域３４に配置されたＣＰＵを冷却するために使用される。ＣＰＵが並行に配置されたとき、ＣＰＵの上流の収束部そして次に発散部（図示しない）によって、超小型冷却器の１つが故障したときでもＣＰＵは一様に冷却されることが保証される。この収束（または収束‐発散）部は、邪魔板に対して任意の関連した位置であってもよいが、必ずＣＰＵの上流に配置される。

図５は、電子部品を冷却するための第５の例示の冷却システム８０を示す。図１に示す構成と同様に、電子部品は、複数の中央処理装置（ＣＰＵ）２０および２２、ディスク駆動機構２８および電源ユニット３６を含む。冷却システム８０は、さらに、ＣＰＵおよびディスク駆動機構２８に対して並行な２個の邪魔板８３および８１を備え、それによって、空気流のチャネルを作っている。この例示の実施形態では、超小型冷却器１３および１４は筐体４の中にある。空気吸込みのために、超小型冷却器１３および１４の吸込み側は周囲圧力よりも低圧になっている。ディスク駆動機構２８に近接した壁１１は、周囲空気８６が筐体４の内側に流れ込むための複数の開口を有するように構成されている。ディスク駆動機構２８全体にわたった圧力は超小型冷却器の吸込みの圧力よりも低いので、壁１１の開口を通して空気は吸い込まれ、そして邪魔板８５によって逸らされる。邪魔板８５、８３および８１は、超小型冷却器１３および１４の吸込みに戻る空気流８６の再循環のための流路８８を作っている。図５に示すように、再循環流２は、流れ８２および８４によってそれぞれ超小型冷却器１３および１４の吸込みに戻って再利用される。理解すべきことであるが、例示の実施形態８０に示すような筐体４の長方形の形は、図１〜４および６〜８に示すような他の邪魔板配列に使用することもできる。

図６は第６の例示の冷却システム８９を示し、ＣＰＵ２０および２２は集中供給源１２に対して並行構成に配置されている。超小型冷却器１３および１４からの空気は、図６に示すようにＣＰＵ２０および２２の上を吹く。

図７は、電子部品を冷却するための第７の例示の冷却システム９０を示す。電子部品は、複数の中央処理装置（ＣＰＵ）２０および２２、ディスク駆動機構２８、および電源ユニット３６を含む。筐体４は、また、グラフィックカードを含むがこれに限定されない他の部品を備えることもできる。冷却システムは、２個の超小型冷却器１３および１４を含んだ集中供給源１２を備える。冷却システムは、さらに、複数の邪魔板９２、９４、９６および９８を備える。邪魔板は、別個のユニットを備えることができ、若しくは、邪魔板は１つの一体型構造を備えることができる。ＣＰＵ２０および２２は、筐体４の下流領域３４に連続して配置されている。邪魔板９２および９４は、各超小型冷却器１３および１４からの流れを仕切って垂直に配置されている。超小型冷却器１４からの流れ１０６は、図７に示すようにＣＰＵ２０および２２の上を直接吹く。超小型冷却器１３からの流れ１０８は、邪魔板９６および９８によって逸らされて、ディスク駆動機構２８および電源ユニット３６の上を流れる。邪魔板９６は、ＣＰＵ２０および２２を冷却するために必要な冷却媒体量の条件に依存して、べたの板か、孔の開いた板か、または網であることができる。邪魔板９４および９２は、超小型冷却器の１つが万一動作中に故障した場合に９４および９２の位置を調節することができるように、接続箇所１００、１０２、および１０４のまわりに動かすことができてもよい。

図８は、第８の例示の冷却システムを示し、邪魔板の設計は、より多くの流れをＣＰＵ２０および２２を通して送るように構成されている。邪魔板１１２、９６および９８は、超小型冷却器１３の出口１１６の中間に位置付けされている。この配列によって、超小型冷却器１３からの流れの半分および超小型冷却器１４からの流れの全てがＣＰＵ２０および２２に流れるようになる。接続箇所１００に、１つの追加の邪魔板１１４が超小型冷却器１３からの流れに対して垂直に配置されている。追加の邪魔板１１４は、超小型冷却器１３からの流れをＣＰＵ２０および２２の方に逸らす。邪魔板１１２は、接続箇所１００および１１６、および超小型冷却器１４の出口の中心である１１８に動かすことができる。例示の実施形態では、超小型冷却器１３および１４のどちらかが万一故障した場合に、冷却システムは効率よく動作する。動作中に、万一超小型冷却器１３が故障した場合、邪魔板１１２を位置１１８に動かすことができ、これによって、動作している超小型冷却器１４の一部は、邪魔板９６および９８を使用して、冷却媒体をディスク駆動機構２８および電源ユニット３６の上に送ることができるようになる。動作中に、万一超小型冷却器１４が故障した場合には、図８に示すような邪魔板の設計によって、動作している超小型冷却器１３からの流れの一部が追加の邪魔板１１４を使用してＣＰＵ２０および２２の上を流れるようになる。本明細書で説明した全ての実施形態において、筐体４には冷却媒体のよどんだ再循環ポケットが実質的になく、それによって、冷却効率が増している。

本明細書で説明した冷却システムは、電子部品の温度を十分に制限の範囲内に効率よく保ち、それによって、動作中の部品の寿命が増す。本明細書で説明した冷却システムは、ＣＰＵの温度を約７８℃より下に、ディスク駆動機構２８の温度を約５５℃より下に、さらに電源ユニットの温度を約５０℃より下に保つ。

先行する節で説明したように、電子部品を冷却する方法が本明細書で開示された。複数の電子部品を冷却する方法は、集中供給源から冷却媒体を送り出すこと、および複数の邪魔板を使用して冷却媒体を電子部品の上に新たに分配することを備える。

少なくとも１つのＣＰＵおよび一組の残り電子部品を備える複数の電子部品を冷却するさらに他の例示の方法では、冷却媒体は集中供給源で発生される。冷却媒体は、最初に、ＣＰＵの上に分配され、それによって出口流れを発生させる。出口流れは、複数の邪魔板を使用して一組の残り電子部品の上に実質的に新たに分配される。

本発明は例示の実施形態を参照して説明したが、当業者は理解することであろうが、本発明の範囲から逸脱することなしに、様々な変更を加えることができ、また同等物を発明の要素の変わりに用いることができる。さらに、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況および材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を行なうことができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。さらに、第１、第２などの用語の使用は、どんな順序または重要さも示さず、むしろ第１、第２などの用語は要素を互いに区別するために使用される。

電子部品用の例示の冷却システムを示す図である。 電子部品用の第２の例示の冷却システムを示す図である。 電子部品用の第３の例示の冷却システムを示す図である。 電子部品用の第４の例示の冷却システムを示す図である。 電子部品用の第５の例示の冷却システムを示す図である。 電子部品用の第６の例示の冷却システムを示す図である。 電子部品用の第７の例示の冷却システムを示す図である。 電子部品用の第８の例示の冷却システムを示す図である。

符号の説明

４ 筐体
１２ 集中供給源
１３、１４ 超小型冷却器
２０、２２ ＣＰＵ
２８ ディスク駆動機構
３６ 電源ユニット
３０、３２、５６、５８、６０、７０、７４、７６、８１、８３、８５、９２、９４、９６、９８、１１２、１１４ 邪魔板
７２ 水平邪魔板

Claims (10)

1. 複数の電子部品を冷却する冷却システムであって、
   冷却媒体の流れを送り出すように構成された少なくとも１つの超小型冷却器（１３）を備える集中供給源（１２）と、
   前記冷却媒体を前記電子部品の上に新たに分配するように構成された複数の邪魔板と、を備え、前記電子部品が筐体（４）の中に位置している冷却システム。
2. 前記電子部品が、中央処理装置（ＣＰＵ）（２０）、ディスク駆動機構（２８）、メモリカード、グラフィックスカード、電源ユニット（３６）、およびこれらの組合せから成るグループから選ばれる、請求項１記載のシステム。
3. 前記集中供給源が、少なくとも２個の超小型冷却器を備える、請求項１記載のシステム。
4. 前記筐体が、コンピュータサーバボックスを備える、請求項１記載のシステム。
5. 前記電子部品が、少なくとも１つの中央処理装置（ＣＰＵ）を備える、請求項１記載のシステム。
6. 前記電子部品が、少なくとも２個の中央処理装置（ＣＰＵ）を備える、請求項１記載のシステム。
7. さらに、前記冷却媒体の前記流れを前記中央処理装置（ＣＰＵ）の上に誘導するように構成された少なくとも２つの収束チャネルを備える、請求項６記載のシステム。
8. 前記邪魔板は、前記冷却媒体の前記流れの一部が前記邪魔板を通過するようにし、かつ残り部分を逸らすように構成されている、請求項１記載のシステム。
9. 前記邪魔板の少なくとも１つが、前記冷却媒体の流れに対して並行に位置している、請求項１記載のシステム。
10. 前記邪魔板の少なくとも１つが、前記冷却媒体の前記流れを水平方向で上部流れと下部流れに分ける、請求項９記載のシステム。
    

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