JP2009527897A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

１つ以上の発熱素子で発生した熱を、１つ以上の電子サーバから周囲の空気に消散させる液体冷却法を提供する。各電子サーバは、１つ以上の発熱素子を含んでいる。各電子サーバには、液体冷却装置が統合される。各液体冷却装置は、流体ラインによって相互に接続された、サーバポンプと、１つ以上のマイクロチャネル冷却板（ＭＣＰ）とを備える。各電子サーバ用の液体冷却装置は、マイクロチャネルが形成された除熱板を備える。ＭＣＰ、サーバポンプ及び除熱板は、第１の循環路を形成する。除熱板は、熱接触層材料を介してシャーシ冷却板に連結される。複数の電子サーバ構成において、各電子サーバのための除熱板は、流体チャネルが形成されたシャーシ冷却板に連結され、シャーシ冷却板は、流体ラインを介して、液体−空気熱交換装置に連結され、第２の循環路を形成する。

Description

関連出願

本出願は、本出願と同じ発明者らによって２００６年２月１６日に出願された、米国仮特許出願番号第６０／７７４，７６４号、発明の名称「熱相互接続（Thermal Interconnect）」の優先権を主張する。米国仮特許出願番号第６０／７７４，７６４号の全体は、引用によって本願に援用される。

本発明は、熱を発生するデバイスを冷却する冷却システムに関し、詳しくは、液体冷却装置を用いて、サーバアプリケーションを冷却する冷却システムに関する。

電子部品の冷却の分野において、効率的な放熱によって高性能集積回路を冷却することが重要な課題となっている。ヒートパイプ及びファンが取り付けられたヒートシンクによる従来の冷却法は、１００Ｗを超える、次第に消費電力要求が大きくなっているチップの冷却には適さない。

例えば、ブレードサーバ及びラックサーバ等の電子サーバは、１単位体積当たり、より高いプロセッサ性能が実現されているので、使用されることが多くなっている。しかしながら、これらの電子サーバは、集積回路の集積度が高いために、熱密度も高く、従来の空冷法の冷却能力では不十分である。

電子サーバ内の集積回路を冷却する際の特定の問題は、複数の電子サーバが、通常、サーバシャーシ内で、至近距離に配設されているという点である。このような構成では、電子サーバ間の間隔は狭く、このために、適切な冷却装置を配置できる空間も狭い。電子サーバのスタックでは、通常、大きいファン及びヒートシンクは、各電子サーバ毎には設けられていない。単一のサーバシャーシ内の電子サーバのスタックは、多くの場合、１つの大きいファン、ヒートシンク又はこれらの両方によって冷却される。この構成では、各電子サーバ内の集積回路は、ヒートシンク及びこのヒートシンクに空気を吹きつける大きいファンを用いて、又は単に電子サーバに空気を直接吹きつけることによって冷却される。しかしながら、サーバシャーシ内にスタックされた電子サーバの周りの空間は狭く、集積回路を冷却するために使用される空気の量は限定的である。

従来の冷却法の代替として、循環液体冷却法も提案されている。循環液体冷却法は、空冷法に比べて、より効率的に熱を消散させる。

そこで、本発明の目的は、電子サーバ内の集積回路を冷却する、より効率的な冷却システムを提供することである。更に、本発明の目的は、サーバシャーシ内に取り付けられた複数の電子サーバ内の集積回路を冷却する、より効率的な冷却システムを提供することである。

本発明の冷却システムは、例えば、マイクロプロセッサ又は他の集積回路等の１つ以上の発熱素子で発生した熱を、１つ以上の電子サーバから周囲の空気に消散させる冷却法を提供する。幾つかの実施の形態では、液体冷却装置を用いる。サーバシャーシは、複数の電子サーバを収容するように構成されている。電子サーバの具体例としては、以下に限定されるものではないが、ブレードサーバ及びラックサーバ等がある。各電子サーバは、サーバシャーシ内のバックプレーン又はミッドプレーンに接続される。本明細書では、用語「バックプレーン」及び「ミッドプレーン」は、交換可能な用語として用いる。各電子サーバは、１つ以上の発熱素子を含んでいる。各電子サーバには、液体冷却装置が統合される。各液体冷却装置は、サーバポンプと、１つ以上のマイクロチャネル冷却板（microchannel cold plate：ＭＣＰ）とを備える。流体ラインは、好ましくは、ＭＣＰとサーバポンプとを接続する。他の実施の形態では、液体冷却装置の代わりに、ヒートパイプ又は伝熱器を用いてもよい。

第１の実施の形態では、各電子サーバ用の液体冷却装置は、除熱板を備える。各除熱板は、好ましくは、マイクロチャネルである流体チャネルを有する。これに代えて、各除熱板にマクロチャネルを形成してもよい。流体チャネルは、流体ラインに接続され、これにより、ＭＣＰ、サーバポンプ及び除熱板を含む第１の循環路が形成される。除熱板は、熱接触層材料（thermal interface material）を介してシャーシ冷却板に連結され、これにより、熱接触層が形成される。熱接触層は、電子サーバがサーバラックシャーシに挿入される挿入ベクトルに垂直でない（non-perpendicular）平面に沿って配置される。幾つかの実施の形態では、熱接触層平面は、挿入ベクトルに平行である。各電子サーバ用の除熱板は、このようにして、シャーシ冷却板に連結される。シャーシ冷却板は、１つ以上の更なる熱交換要素を含む。

シャーシ冷却板は、流体チャネルを含み、この流体チャネルは、流体ラインを介して液体−空気熱交換装置に接続される。液体−空気熱交換装置は、除熱器、１つ以上のファン及び外部ポンプを含む。シャーシ冷却板、除熱器、外部ポンプ、及びこれに接続された流体ラインは、第２の循環路を形成する。

流体は、電子サーバ内の各発熱素子が発生した熱が、発熱素子に連結された各ＭＣＰを介して流れる流体に伝導されるように、第１の循環路を介してポンピングされる。加熱された流体は、除熱板内の流体チャネルを流れる。第２の循環システム内では、流体は、外部ポンプによってシャーシ冷却板の流体チャネルを介してポンピングされる。各除熱板を介して流れる流体内の熱は、熱接触層を介して、シャーシ冷却板に、及びシャーシ冷却板を介して流れる流体に伝導される。シャーシ冷却板内の加熱された流体は、液体−空気熱交換装置内の除熱器にポンピングされ、ここで、熱は、流体から空気に伝導される。第１の循環路システムを流れる流体は、第２の循環システムを流れる流体から独立している。

第２の実施の形態では、第１の実施の形態の液体−空気熱交換装置は、外部給水器に置換される。実際の動作では、外部給水器からの新しい水は、シャーシ冷却板に流れる。シャーシ冷却板からの熱は、水に伝導される。加熱された水は、シャーシ冷却板から外部給水器に流れ、この加熱された水は、廃棄される。

第３の実施の形態では、シャーシ冷却板は、クイックコネクトを有するように変更され、除熱板は、各電子サーバから取り除かれ、各電子サーバの液体冷却装置内の流体ラインが、クイックコネクトによって、シャーシ冷却板内のマイクロチャネルに直接接続される。各液体冷却装置内の流体ラインは、シャーシ冷却板上のクイックコネクトに連結するための適切なフィッティングを有するように変更される。

本発明の他の特徴及び利点は、以下に示す本発明の実施の形態の詳細な説明によって明らかとなる。

幾つかの図面を参照して、本発明を説明する。適切であれば、同一の要素が２つ以上の図面に示されている場合に限り、このような同一の要素を指示するために、同じ参照符号を用いる。

本発明の実施の形態は、電子サーバ内の熱を発生するデバイス（以下、発熱素子という。）によって生成された熱を液体−空気熱交換装置に輸送する冷却システムを提供する。本明細書に開示する冷却システムは、以下に限定されるものではないが、ブレードサーバ及びラックサーバを含む、バックプレーンに取り付けられる如何なる電子サブシステムにも適用できる。サーバシャーシは、複数の電子サーバを収容するように構成されている。各電子サーバは、サーバシャーシ内のバックプレーン又はミッドプレーンに接続される。各電子サーバは、当該分野で周知の通り、１つ以上の発熱素子を含んでいる。各電子サーバには、冷却装置が統合されている。幾つかの実施の形態では、冷却装置は、液体冷却装置である。各液体冷却装置は、サーバポンプと、１つ以上のマイクロチャネル冷却板（microchannel cold plate：ＭＣＰ）とを備える。各液体冷却装置は、好ましくは、電子サーバ内の各発熱素子毎に１つのＭＣＰを配設する。ＭＣＰ及びサーバポンプは、好ましくは、電子サーバに取り付けられる。流体ラインは、ＭＣＰとサーバポンプとを接続する。これに代えて、密封された環境内で流体を輸送する如何なる手法を用いてもよい。サーバポンプは、以下に限定されるわけではないが、電気浸透流ポンプ及び機械的ポンプを含む周知のポンプであってもよい。他の実施の形態では、液体冷却装置の代わりに、ヒートパイプ又は伝熱器を用いる。

第１の実施の形態では、各電子サーバ用の液体冷却装置は、除熱板を備える。また、ＭＣＰとサーバポンプとを接続する流体ラインは、流体チャネルを介して除熱板にも接続される。ＭＣＰ、サーバポンプ、除熱板及びこれに接続された流体ラインは、第１の循環路を形成する。各サーバシャーシは、少なくとも１つのシャーシ冷却板を備える。除熱板は、熱接触層材料（thermal interface material）を介してシャーシ冷却板に連結される。各電子サーバ用の除熱板は、全ての除熱板、したがって、各電子サーバ用の液体冷却装置がシャーシ冷却板に連結されるように、シャーシ冷却板に連結される。各電子サーバは、挿入ベクトルに沿ったバックプレーンにインストールされる。電子サーバの除熱板と、シャーシ冷却板との間の熱接触層は、挿入ベクトルに垂直でない平面に沿って配置される。幾つかの実施の形態では、熱接触層の平面は、挿入ベクトルに平行である。除熱板をシャーシ冷却板に連結するために、取付機構を用いる。

シャーシ冷却板は、流体チャネルを有し、流体チャネルは、流体ラインを介して、液体−空気熱交換装置に接続される。液体−空気熱交換装置は、除熱器と、１つ以上のファンと、外部ポンプとを含む。流体ラインは、除熱器をシャーシ冷却板に、除熱器を外部ポンプに、及び外部ポンプをシャーシ冷却板に接続する。シャーシ冷却板、除熱器、外部ポンプ、及びこれに接続された流体ラインは、第２の循環路を形成する。除熱器の表面上に気流を生成するために、少なくとも１つの送風ファンを設けることが好ましい。除熱器は、好ましくは、カウンタフローラジエータ（counter flow radiator）である。幾つかの実施の形態では、全体のシャーシ冷却板及び液体−空気熱交換装置は、サーバハウジング等の単一の筐体内に収容される。他の実施の形態では、シャーシ冷却板の一部は、サーバハウジングの外部に延び、液体−空気熱交換装置は、サーバハウジング外に設置される。

実際の動作では、液体冷却装置内で、各電子サーバのために、サーバポンプによって、流体ライン及びＭＣＰを介して流体がポンピングされ、これにより、電子サーバ内の各発熱素子によって生成された熱が流体に伝導し、発熱素子に連結された各ＭＣＰを介して流される。熱は、発熱素子から、ＭＣＰを介して流れる流体に伝導し、加熱された流体は、除熱板内の流体チャネルに流れる。第２の循環システム内では、流体は、外部ポンプによってシャーシ冷却板の流体チャネルを介してポンピングされる。除熱板、シャーシ冷却板、及び除熱板とシャーシ冷却板との間の熱接触層材料の熱特性は、各除熱板を介して流れる流体内の熱が、シャーシ冷却板を介して流れる流体に伝導するように選択される。シャーシ冷却板内の加熱された流体は、液体−空気熱交換装置内の除熱器にポンピングされ、ここで、熱は、流体から空気に伝導される。冷却された流体は、ポンピングによって、液体−空気熱交換装置を出て、シャーシ冷却板に戻される。

図１は、本発明の第１の実施の形態に基づく例示的な冷却システム１０の斜視図である。冷却システム１０は、バックプレーン２０、シャーシ冷却板６０及び液体−空気熱交換装置７０を収容するシャーシハウジング１２を備える。冷却システム１０は、最大Ｎ個の電子サーバを冷却するように構成されている。第１の電子サーバ３０、第２の電子サーバ３２及び第ｎの電子サーバ３４は、それぞれ、バックプレーン２０に取り付けられ、電気的に接続されている。ここでは、説明のために、各電子サーバ３０、３２、３４が、それぞれ２つのプロセッサを有するものとする。なお、実際には、各電子サーバは、それぞれ別個の構成を有することができ、したがって、各電子サーバが有するプロセッサは、２個より多くても少なくてもよい。各電子サーバ３０、３２、３４には、液体冷却装置が連結されており、液体冷却装置は、少なくとも１つのサーバポンプ４０と、ＭＣＰ４２と、ＭＣＰ４４と、除熱板５０とを含む。液体冷却装置は、好ましくは、対応する電子サーバ内の各プロセッサ毎に１つのＭＣＰを有する。この具体例では、各電子サーバ３０、３２、３４は、２個のプロセッサを有し、各液体冷却装置は、好ましくは、各プロセッサ毎に１つ、すなわち、２個の対応するＭＣＰを備える。

サーバポンプ４０は、好ましくは、機械的ポンプである。これに代えて、サーバポンプ４０は、電気浸透流ポンプであってもよい。なお、ここで、如何なる種類のポンプを用いてもよいことは当業者にとって明らかである。各ＭＣＰ４２、４４は、好ましくは、引用によって本願に援用される米国特許第７，０００，６８４号に開示されている流体マイクロチャネル熱交換器である。なお、ここで、如何なる種類の流体熱交換器を用いてもよいことは当業者にとって明らかである。除熱板５０は、好ましくは、そこを流れる流体に晒される表面積を最大にするマイクロチャネルを有する。

除熱板５０の底面は、シャーシ冷却板６０の上面に熱伝導可能に連結されている。このようにして、各電子サーバ３０、３２、３４の除熱板５０は、シャーシ冷却板６０に熱伝導可能に連結されている。シャーシ冷却板６０は、好ましくは、そこを流れる流体に晒される表面積を最大にするマイクロチャネルを有する。

電子サーバ３０、３２、３４のそれぞれは、挿入ベクトルに沿って、バックプレーン２０に接続される。挿入ベクトルは、バックプレーン２０に対して垂直である。除熱板５０とシャーシ冷却板６０との間の熱接触層は、挿入ベクトルに垂直でない平面に沿って配置される。幾つかの実施の形態では、熱接触層の平面は、挿入ベクトルに平行である。

液体−空気熱交換装置７０は、外部ポンプ７２、除熱器７４及びファン７６を備える。外部ポンプ７２及び除熱器７４は、シャーシ冷却板６０に連結されている。好ましくは、外部ポンプ７２は、機械的ポンプである。これに代えて、外部ポンプ７２は、電気浸透流ポンプであってもよい。なお、ここで、如何なる種類のポンプを用いてもよいことは当業者にとって明らかである。除熱器７４は、好ましくは、互いに密接に配置されたマイクロチャネル及びフィンを有するラジエータである。より好ましくは、除熱器７４は、米国特許第６，９８８，５３５号に開示されているカウンタフローラジエータ（counter flow radiator）と同様の種類のラジエータである。なお、ここで、如何なる種類の除熱器を用いてもよいことは当業者にとって明らかである。ファン７６は、除熱器７４に亘って及び／又は除熱器７４を介して気流を生成する１つ以上の送風ファンを備える。

液体−空気熱交換装置７０に連結される第ｎの電子サーバ３４の側面図を図２に示す。図２に示すように、サーバポンプ４０は、１つ以上の流体ライン４６によって、ＭＣＰ４２に接続されている。ＭＣＰ４２は、１つ以上の流体ライン４６によって、ＭＣＰ４４に接続されている。ＭＣＰ４４は、１つ以上の流体ライン４６によって、除熱板５０に接続されている。除熱板５０は、１つ以上の流体ライン４６によって、サーバポンプ４０に接続されている。流体ライン４６は、金属によって形成しても、非金属によって形成してもよい。

図２では、ＭＣＰ４２及びＭＣＰ４４は、直列に接続されているように示しているが、これに代わる構成を用いてもよい。例えば、液体冷却装置内の各ＭＣＰは、並列に接続してもよく、すなわち、各ＭＣＰに流れ込む流体が、他のＭＣＰによって加熱されないように、他のＭＣＰを通過しない構成にしてもよい。このように、並列に接続された各ＭＣＰに流れ込む流体は、直列に接続されたＭＣＰを流れる流体に比べて、より低温に保つことができる。このような代替の構成では、サーバポンプ４０は、１つ以上の流体ライン４６によって、ＭＣＰ４２に接続され、個別の流体ラインが、サーバポンプ４０をＭＣＰ４４に接続する。この変形例では、１つ以上の流体ラインが、ＭＣＰ４２を除熱板５０に接続し、１つ以上の流体ラインがＭＣＰ４４を除熱板５０に接続する。これに代えて、ＭＣＰ４２を出る１つ以上の流体ラインとＭＣＰ４４を出る１つ以上の流体ラインとを、除熱板５０に接続する前に、合流させてもよい。更に他の代替の構成として、複数のＭＣＰを、直列の構成と、並列の構成とを任意に組み合わせて構成してもよい。

ＭＣＰ４２、ＭＣＰ４４、除熱板５０、サーバポンプ４０及び流体ライン４６は、流体が流れる第１の循環路を形成する。第１の循環路を含む図２に示す液体冷却装置の機能は、電子サーバ３４内の２つのプロセッサ（図示せず）によって生成された熱を捕捉することである。ＭＣＰ４２は、電子サーバ３４内の第１のプロセッサに熱伝導可能に連結される。同様に、ＭＣＰ４４は、電子サーバ３４内の第２のプロセッサに熱伝導可能に連結される。流体がＭＣＰ４２を介して流れると、第１のプロセッサからの熱は、流体に伝導される。流体がＭＣＰ４４を介して流れると、第２のプロセッサからの熱は、流体に伝導される。

液体冷却装置で用いられる流体の種類は、好ましくは、水を基体とする流体である。これに代えて、液体冷却装置内の流体は、以下に限定されるものではないが、プロピレングリコール、エタノール及びイソプロパノール（ＩＰＡ）を含む有機溶液の組合せを基体としてもよい。更にこれに代えて、液体冷却装置内の流体は、ポンプで送られる冷媒であってもよい。また、液体冷却装置で用いられる流体は、凍結温度が低く、防錆特性を有することが望ましい。液体冷却装置及び電子サーバプロセッサの動作特性に応じて、一実施の形態では、流体は、液体冷却装置内を循環している間、単相流として存在する。他の実施の形態においては、流体は、二相流となる温度に加熱され、流体は、液体から、蒸気又は液体／蒸気混合体に相転移する。

加熱された流体は、ＭＣＰ４２、４４から除熱板５０内のマイクロチャネルに流れ込む。熱は、マイクロチャネル内の加熱された流体から除熱板５０の材料に伝導される。熱接触層材料６２は、除熱板５０からの熱がシャーシ冷却板６０の材料に伝達されるように、除熱板５０とシャーシ冷却板６０との間で効率的な熱輸送を提供する。熱接触層材料６２は、好ましくは、適切な材料、例えばサーマルグリース、半田、又は間隙を埋める熱伝導性の材料である。

図２に示すように、シャーシ冷却板６０は、１つ以上の流体ライン６４によって、外部ポンプ７２と、除熱器７４に連結されている。除熱器７４は、１つ以上の流体ライン６４によって、外部ポンプ７２に連結されている。流体ライン６４は、金属によって形成しても、非金属によって形成してもよい。シャーシ冷却板６０、除熱器７４、外部ポンプ７２及び流体ライン６４は、流体が流れる第２の循環路を形成する。第２の循環路に用いられる流体は、好ましくは、第１の循環路に関して説明した流体と同じ種類の流体である。第２の循環路の流体は、第１の循環路の流体から独立している。

第２の循環路及び液体−空気熱交換装置７０の機能は、シャーシ冷却板６０から周囲の空気に熱を伝導することである。流体がシャーシ冷却板６０内のマイクロチャネルを介して流れると、シャーシ冷却板６０の材料からの熱は、流体に伝導される。そして、加熱された流体は、除熱器７４に流れ込む。

加熱された流体が除熱器７４を介して流れると、熱は、流体から除熱器７４の材料に伝導される。ファン７６は、除熱器７４の表面に空気を吹きつけ、これにより、熱は、除熱器７４から周囲の空気に伝導される。シャーシ１２（図１）は、好ましくは、冷却システム１０（図１）に／から空気を出入りさせるための吸気口及び排気口を備える。冷却された流体は、除熱器７４を出て、シャーシ冷却板６０に戻る。

本発明の第２の実施の形態に基づく例示的な冷却システムの側面図を図３に示す。冷却システム１１０は、冷却システム１０の液体−空気熱交換装置７０（図１）が外部給水器１７０によって置換されている点を除けば、図１の冷却システム１０と同様である。外部給水器１７０は、例えば、殆どの商業施設及び住居に水を提供する公共の上水道等、連続的な給水を行う給水源である。これに代えて、外部給水器１７０は、熱が伝導される如何なる種類の流体の外部流体源であってもよい。冷却システム１１０の実際の動作では、外部給水器１７０からの新しい水が、シャーシ冷却板６０に流れ込む。シャーシ冷却板６０からの熱は、冷却システム１０（図１）に説明した原理と同様の原理によって、水に伝導される。加熱された水は、シャーシ冷却板６０から外部給水器１７０に流れ、加熱された水は、廃棄される。外部給水器１７０から流体ライン６４に流れ込む水の水圧は、シャーシ冷却板６０を介して、廃棄のために外部給水器に水が戻るように水を循環させるために十分な水圧とする。これに代えて、外部給水器１７０とシャーシ冷却板６０との間で、外部ポンプを流体ライン６４に接続し、シャーシ冷却板６０に水をポンピングしてもよい。

冷却システム１０（図１）及び冷却システム１１０（図３）の両方において、第１の循環路（電子サーバループ）と第２の循環路（外部冷却ループ）との間の熱伝導は、冷却システムの総合的な熱特性を決定する。図４は、熱接触層材料６２によって連結される除熱板５０の接合面と、シャーシ冷却板６０の接合面との間での熱輸送構成の例示的な実施の形態を示している。図４に示す構成では、除熱板５０及びシャーシ冷却板６０の２つの接合面は、ウェッジ（くさび）として構成されている。除熱板ウェッジ５０の厚い部分は、シャーシ冷却板ウェッジ６０の薄い部分に当接している。除熱板ウェッジ５０の薄い部分は、シャーシ冷却板ウェッジ６０の厚い部分に当接している。電子サーバをバックプレーンに挿入することによって、ウェッジ形状は、除熱板ウェッジ５０とシャーシ冷却板６０との間に圧力を生じさせる。この圧力は、良好な熱接触層を形成するのに役立つ。第１の循環路では、ＭＣＰ４２、４４（図２及び図３）からの加熱された流体は、除熱板ウェッジ５０の厚い部分を流れる。冷却された流体は、除熱板ウェッジ５０の薄い部分からサーバポンプ４０（図２及び図３）に流れる。第２の循環路では、流体は、液体−空気熱交換装置７０（図２）又は外部給水器１７０（図３）からシャーシ冷却板ウェッジ６０の厚い部分に流れる。シャーシ冷却板６０の薄い部分からの加熱された流体は、液体−空気熱交換装置７０（図２）又は外部給水器１７０（図３）に流れる。除熱板ウェッジ５０及びシャーシ冷却板ウェッジ６０は、それぞれ、第１の循環路を流れる流体からウェッジ界面を介して第２の循環路を流れる流体に効率的な熱輸送を可能にするチャネル構造を有する。変形例として、ウェッジとは異なる寸法及び形状を用いて、除熱板５０及びシャーシ冷却板６０を構成してもよい。

取付機構６６は、除熱板ウェッジ５０をシャーシ冷却板６０に固定する。取付機構６６は、クリップ、ネジ、又は他の周知の如何なる保持機構であってもよい。

第３の実施の形態では、シャーシ冷却板は、クイックコネクト（quick connect）を有するように変更され、除熱板は、各電子サーバから取り除かれ、各電子サーバの液体冷却装置内の流体ラインが、クイックコネクトによって、シャーシ冷却板内のマイクロチャネルに直接接続される。各液体冷却装置内の流体ラインは、シャーシ冷却板上のクイックコネクトに連結するための適切なフィッティングを有するように変更される。第３の実施の形態の代替の構成では、クイックコネクトは、液体冷却装置の流体ライン上に構成され、シャーシ冷却板は、各電子サーバにおいて、クイックコネクトに結合する適切なフィッティングを有するように構成される。

図５は、本発明の第３の実施の形態に基づく例示的な冷却システム２１０の側面図である。図５では、冷却システム２１０は、単一の電子サーバ１３４のみを備えているように示しているが、実際には、図１の冷却システム１０に関して説明した構成と同様に、冷却システム２１０は、シャーシハウジング（図示せず）と、最大Ｎ個の電子サーバが接続されるバックプレーン（図示せず）とを備える。ここでは、説明のために、冷却システム２１０内の各電子サーバが、それぞれ２つのプロセッサを有していると仮定する。なお、実際には、各電子サーバは、それぞれ別個の構成を有することができ、したがって、各電子サーバが有する発熱素子、例えばプロセッサは、２個より多くても少なくてもよい。

液体冷却装置は、電子サーバ１３４に連結される。液体冷却装置は、１つ以上の流体ライン１４６を介して互いに連結されたＭＣＰ１４２及びＭＣＰ１４４を含む。液体冷却装置は、電子サーバ１３４内の各プロセッサに連結された１つのＭＣＰを含む。各ＭＣＰ１４２、１４４は、ＭＣＰ４２、４４（図１〜図３）と機能的に同じものである。

冷却システム２１０は、１つ以上の流体ライン１６４を介してシャーシ冷却板１６０に連結された液体−空気熱交換装置７０を備える。シャーシ冷却板１６０には、ここを流れる流体に触れる表面積が大きくなるように、マイクロチャネルが形成されている。また、シャーシ冷却板１６０には、クイックコネクト１７０、１７２が設けられている。流体ライン１４６は、クイックコネクト１７０、１７２に結合される適切なフィッティングを備える。冷却システム２１０では、流体ライン１４６は、クイックコネクト１７０、１７２によって、シャーシ冷却板１６０のマイクロチャネルに直接接続されている。このようにして、電子サーバ１３４、シャーシ冷却板１６０、除熱器７４、外部ポンプ７２及び流体ライン１６４に連結された液体冷却装置は、単一の循環路を形成する。この循環路内で流体は、外部ポンプ７２によってポンピングされる。第３の実施の形態の冷却システムで用いられる流体の種類は、第１の実施の形態の冷却システム１０で用いられる流体と同じ種類であってもよい。

図５は、シャーシ冷却板１６０から流体ライン１４６に流体を流す単一のクイックコネクト１７０を示しているが、クイックコネクト１７０は、シャーシ冷却板１６０のマイクロチャネルから１つ以上の流体ライン１４６に流体を流す１つ以上の物理的なクイックコネクトを代表している。同様に、図５は、流体ライン１４６からシャーシ冷却板１６０に流体を流す単一のクイックコネクト１７２を示しているが、クイックコネクト１７２は、１つ以上の流体ライン１４６からシャーシ冷却板１６０内のマイクロチャネルに流体を流す１つ以上の物理的なクイックコネクトを代表している。

また、図５では、ＭＣＰ１４２及びＭＣＰ１４４は、直列的に接続されているように示しているが、これに代わる構成を用いてもよい。例えば、所定の液体冷却装置内の各ＭＣＰは、並列に接続してもよい。このような変形例では、クイックコネクト１７０は、１つ以上の流体ライン１４６によってＭＣＰ１４２に接続され、異なる流体ラインが、クイックコネクト１７０をＭＣＰ１４４に接続する。この変形例では、１つ以上の流体ラインがＭＣＰ１４２をクイックコネクト１７２に接続し、１つ以上の流体ラインがＭＣＰ１４４をクイックコネクト１７２に接続する。これに代えて、クイックコネクト１７０の数と、液体冷却装置のＭＣＰの数との間には、一対一の関係がなく、ＭＣＰの数と、クイックコネクト１７２の数との間にも一対一の関係がなくてもよい。更に他の代替の構成では、複数のＭＣＰを直列及び並列の如何なる組合せによって構成してもよい。

ＭＣＰ１４２、１４４及び流体ライン１４６を含む図５の液体冷却装置は、電子サーバ１３４内の２つのプロセッサ（図示せず）が発生した熱を捕捉する。ＭＣＰ１４２は、電子サーバ１３４内の第１のプロセッサに熱伝導可能に連結される。同様に、ＭＣＰ１４４は、電子サーバ１３４内の第２のプロセッサに熱伝導可能に連結される。流体がＭＣＰ１４２を介して流れると、第１のプロセッサからの熱は、流体に伝導される。流体がＭＣＰ１４４を介して流れると、第２のプロセッサからの熱は、流体に伝導される。

流体ライン１４６からの加熱された流体は、クイックコネクト１７２を介してシャーシ冷却板１６０内のマイクロチャネルに流れる。図５に示すように、シャーシ冷却板１６０は、１つ以上の流体ライン１６４によって、外部ポンプ７２に連結されている。更に、シャーシ冷却板１６０は、１つ以上の流体ライン１６４によって、除熱器７４に連結されている。シャーシ冷却板１６０のマイクロチャネル内の加熱された流体は、流体ライン１６４を介して除熱器７４に流れる。流体ライン１６４は、金属によって形成しても、非金属によって形成してもよい。

上述のように、液体−空気熱交換装置７０は、流体から周囲の空気に熱を伝導する。加熱された流体が除熱器７４を流れると、熱は、流体から除熱器７４の材料に伝導される。ファン７６は、除熱器の外表面に空気を吹きつけ、これにより、熱は、除熱器７４から周囲の空気に伝導される。冷却された流体は、除熱器７４を出て、流体ライン１６４を介して、シャーシ冷却板１６０に戻る。冷却された流体は、シャーシ冷却板１６０から、クイックコネクト１７０を介して、流体ライン１４６に流れる。そして、冷却された流体は、ＭＣＰ１４２、１４４に流れ込む。

この冷却システムは、図１〜図５に示す部品に制限されず、他の部品及び機器を備えていてもよいことは当業者にとって明らかである。例えば、図１には示していないが、冷却システム１０は、液体冷却装置の循環路と、シャーシ冷却板６０、除熱器７４、外部ポンプ７２及び流体ライン６４の循環路との一方又は両方に接続された流体タンクを備えていてもよい。流体タンクは、時間の経過と共に、浸透のために失われた流体を補うために使用される。

クイックコネクトによって、電子サーバをラックシステムに接続する場合、更に検討しなくてはならない問題がある。１つの検討事項は、このような液体接続がデータルーム内で行われるということである。接続が行われ、又は接続部分が故障したとき、液体が漏出する虞がある。また、この接続は、通常、電子サーバをラックに挿入し、ロックする際の電気的接続とは、別の工程として行われる。このような接続は、異なる接続であるので、フェイルセーフではない。例えば、冷却循環路に接続されていないプロセッサが動作すると、過熱が生じ、又はＣＰＵが破損する虞がある。他の検討事項として、冷却循環路が正しく接続された場合、電子サーバの冷却循環路は、ラックシステム全体で、同じ流体を共有するという点がある。ラックシステムで流体を共有することによって、信頼性に関する問題、特に「詰まり（clogging）」に関する問題が生じやすい。プロセッサから熱を伝導するために用いられる効率的な熱交換器内の要素は、ミクロン単位で寸法決めされる。冷却水ラインの寸法及び細部の設計は、ラックレベルの冷却においては、問題にならないかもしれないが、基板レベルでは、熱交換器の動作に影響する。他の検討事項として、より大きな寸法の冷却システムに用いられる材料と、電子サーバの冷却循環路に用いられる材料とでは、制御のレベルが異なり、腐食が問題になることもある。図２及び図３を参照して上述した、独立した循環冷却システムでは、これらの問題が解決されている。

更に、図１〜図５を用いて上述した実施の形態は、液体冷却装置に関するものであるが、例えば、ヒートパイプ、熱伝導材料等、他の冷却システムを用いてもよい。

本発明の構成及び動作原理を明瞭に説明するために、様々な詳細を含む特定の実施の形態を用いて本発明を説明した。このような特定の実施例の説明及びその詳細は、特許請求の範囲を制限するものではない。本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、例示的に選択された実施の形態を変更できることは、当業者にとって明らかである。

本発明の第１の実施の形態に基づく例示的な冷却システムの斜視図である。 液体−空気熱交換装置に接続された第ｎの電子サーバの側面図である。 本発明の第２の実施の形態に基づく例示的な冷却システムの側面図である。 熱接触層材料を介して連結される除熱板の接合面と、シャーシ冷却板の接合面との間での熱輸送構成例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に基づく例示的な冷却システムの側面図である。

Claims (54)

1. 複数の電子サーバを冷却する冷却システムにおいて、
   ａ．１つ以上の発熱素子をそれぞれ有する複数の電子サーバと、
   ｂ．対応する電子サーバに熱伝導可能に連結され、該対応する電子サーバの１つ以上の発熱素子から伝導された熱を受け取る第１の流体をそれぞれ有する複数の液体冷却装置と、
   ｃ．第２の流体及び除熱器を有する第２の熱交換装置と、
   ｄ．上記複数の液体冷却装置及び上記第２の熱交換装置に連結され、上記第１の流体から上記第２の流体に熱を伝導する熱接触層とを備え、
   上記複数の電子サーバのそれぞれは、挿入ベクトルに沿って、電子シャーシに挿入され、上記熱接触層は、該挿入ベクトルに垂直でない熱接触層平面に沿って配置されることを特徴とする冷却システム。
2. 上記各液体冷却装置は、第１の流体循環路を形成することを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
3. 上記第１の流体は、上記第２の流体から物理的に分離されていることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
4. 上記熱接触層は、流体チャネルが形成されたシャーシ冷却板を備えることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
5. 上記除熱器及び熱接触層は、第２の流体循環路を形成することを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
6. 上記第２の熱交換装置は、上記第２の流体循環路内に含まれる第１のポンプを更に備えることを特徴とする請求項５記載の冷却システム。
7. 上記各液体冷却装置は、マイクロチャネルが形成された除熱板を更に備えることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
8. 上記熱接触層は、上記各除熱板を上記シャーシ冷却板に連結する熱接触層材料を更に備えることを特徴とする請求項７記載の冷却システム。
9. 上記除熱器は、ラジエータであることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
10. 上記各液体冷却装置は、上記第１の流体が流れる１つ以上のマイクロチャネル冷却板を更に備えることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
11. 上記１つのマイクロチャネル冷却板は、上記電子サーバ上の各発熱素子に連結されることを特徴とする請求項１０記載の冷却システム。
12. 上記各液体冷却装置は、第２のポンプを更に備えることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
13. 上記各電子サーバは、ブレードサーバであることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
14. 上記各電子サーバは、ラックサーバであり、上記電子シャーシは、電子ラックであることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
15. 電子サーバを冷却する冷却システムにおいて、
    ａ．１つ以上の発熱素子を有する電子サーバと、
    ｂ．上記電子サーバに熱伝導可能に連結され、上記１つ以上の発熱素子から伝導された熱を受け取る第１の流体を有する液体冷却装置と、
    ｃ．第２の流体及び除熱器を有する第２の熱交換装置と、
    ｄ．上記液体冷却装置及び上記第２の熱交換装置に連結され、上記第１の流体から上記第２の流体に熱を伝導する熱接触層とを備え、
    上記電子サーバは、挿入ベクトルに沿って、電子シャーシに挿入され、上記熱接触層は、該挿入ベクトルに垂直でない熱接触層平面に沿って配置されることを特徴とする冷却システム。
16. 上記各液体冷却装置は、第１の流体循環路を形成することを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
17. 上記第１の流体は、上記第２の流体から物理的に分離されていることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
18. 上記熱接触層は、流体チャネルが形成された冷却板を備えることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
19. 上記除熱器及び熱接触層は、第２の流体循環路を形成することを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
20. 上記第２の熱交換装置は、上記第２の流体循環路内に含まれる第１のポンプを更に備えることを特徴とする請求項１９記載の冷却システム。
21. 上記液体冷却装置は、マイクロチャネルが形成された除熱板を更に備えることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
22. 上記熱接触層は、上記各除熱板を上記シャーシ冷却板に連結する熱接触層材料を更に備えることを特徴とする請求項２１記載の冷却システム。
23. 上記除熱器は、ラジエータであることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
24. 上記各液体冷却装置は、上記第１の流体が流れる１つ以上のマイクロチャネル冷却板を更に備えることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
25. 上記１つのマイクロチャネル冷却板は、上記電子サーバ上の各発熱素子に連結されることを特徴とする請求項２４記載の冷却システム。
26. 上記各液体冷却装置は、第２のポンプを更に備えることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
27. １つ以上の発熱素子をそれぞれ有する複数の電子サーバと、
    対応する電子サーバに熱伝導可能にそれぞれ連結された複数の液体冷却装置とを更に備え、
    上記複数の液体冷却装置のそれぞれは、上記熱接触層に熱伝導可能に連結されていることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
28. 上記各電子サーバは、ブレードサーバであることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
29. 上記各電子サーバは、ラックサーバであり、上記電子シャーシは、電子ラックであることを特徴とする請求項１５記載の冷却システム。
30. 電子サーバを冷却する冷却システムにおいて、
    ａ．１つ以上の発熱素子を有する電子サーバと、
    ｂ．上記電子サーバに熱伝導可能に連結され、上記１つ以上の発熱素子から伝導された熱を受け取る第１の流体を有する液体冷却装置と、
    ｃ．第２の流体を新たに供給する外部流体供給源と、
    ｄ．上記液体冷却装置及び上記外部流体供給源に連結され、上記第２の流体が新たに供給され、上記第１の流体から該第２の流体に熱を伝導する熱接触層とを備え、
    上記電子サーバは、挿入ベクトルに沿って、電子シャーシに挿入され、上記熱接触層は、該挿入ベクトルに垂直でない熱接触層平面に沿って配置されることを特徴とする冷却システム。
31. 上記各液体冷却装置は、第１の流体循環路を形成することを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
32. 上記第１の流体は、上記第２の流体から物理的に分離されていることを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
33. 上記熱接触層は、流体チャネルが形成されたシャーシ冷却板を備えることを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
34. 上記外部流体供給源と上記熱接触層との間に連結された第１のポンプを更に備える請求項３０記載の冷却システム。
35. 上記液体冷却装置は、マイクロチャネルが形成された除熱板を更に備えることを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
36. 上記熱接触層は、上記各除熱板を上記シャーシ冷却板に連結する熱接触層材料を更に備えることを特徴とする請求項３５記載の冷却システム。
37. 上記各液体冷却装置は、上記第１の流体が流れる１つ以上のマイクロチャネル冷却板を更に備えることを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
38. 上記１つのマイクロチャネル冷却板は、上記電子サーバ上の各発熱素子に連結されることを特徴とする請求項３７記載の冷却システム。
39. 上記各液体冷却装置は、第２のポンプを更に備える請求項３０記載の冷却システム。
40. １つ以上の発熱素子をそれぞれ有する複数の電子サーバと、
    対応する電子サーバに熱伝導可能にそれぞれ連結された複数の液体冷却装置とを更に備え、
    上記複数の液体冷却装置のそれぞれは、上記熱接触層に熱伝導可能に連結されていることを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
41. 上記外部流体供給源は、水を新たに供給する外部給水器であることを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
42. 上記各電子サーバは、ブレードサーバであることを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
43. 上記各電子サーバは、ラックサーバであり、上記電子シャーシは、電子ラックであることを特徴とする請求項３０記載の冷却システム。
44. 電子サーバを冷却する冷却システムにおいて、
    ａ．１つ以上の発熱素子を有する電子サーバと、
    ｂ．上記電子サーバに熱伝導可能に連結され、上記１つ以上の発熱素子から伝導された熱を受け取る流体を有する液体冷却装置と、
    ｃ．除熱器を有する第２の熱交換装置と、
    ｄ．上記液体冷却装置及び上記第２の熱交換装置に連結され、上記除熱器に流体を流し、該流体から空気に熱を伝導させる熱接触層とを備え、
    上記電子サーバは、挿入ベクトルに沿って、電子シャーシに挿入され、上記熱接触層は、該挿入ベクトルに垂直でない熱接触層平面に沿って配置されることを特徴とする冷却システム。
45. 上記液体冷却装置、熱接触層及び除熱器は、流体循環路を形成することを特徴とする請求項４４記載の冷却システム。
46. 上記熱接触層は、流体チャネルが形成された冷却板を備えることを特徴とする請求項４４記載の冷却システム。
47. 上記第２の熱交換装置は、上記流体循環路に含まれるポンプを更に備えることを特徴とする請求項４４記載の冷却システム。
48. 上記除熱器は、ラジエータであることを特徴とする請求項４４記載の冷却システム。
49. 上記各液体冷却装置は、上記流体が流れる１つ以上のマイクロチャネル冷却板を更に備えることを特徴とする請求項４４記載の冷却システム。
50. 上記１つのマイクロチャネル冷却板は、上記電子サーバ上の各発熱素子に連結されることを特徴とする請求項４９記載の冷却システム。
51. １つ以上の発熱素子をそれぞれ有する複数の電子サーバと、
    対応する電子サーバに熱伝導可能にそれぞれ連結された複数の液体冷却装置とを更に備え、
    上記複数の液体冷却装置のそれぞれは、該複数の液体冷却装置のそれぞれから上記熱接触層へ流体が流れるように、該熱接触層に熱伝導可能に連結されていることを特徴とする請求項４４記載の冷却システム。
52. 上記複数の液体冷却装置のそれぞれは、複数のクイックコネクトによって熱接触層に連結されていることを特徴とする請求項５１記載の冷却システム。
53. 上記各電子サーバは、ブレードサーバであることを特徴とする請求項４４記載の冷却システム。
54. 上記各電子サーバは、ラックサーバであり、上記電子シャーシは、電子ラックであることを特徴とする請求項４４記載の冷却システム。

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