JP2009533764A - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

冷却装置は、パーソナルコンピュータ内で発熱素子を冷却するために使用される。冷却装置は、第１の流体ループ及び１つ以上の第２の流体ループの拡張可能なアレーを備える。第２の流体ループのそれぞれでは、発熱素子は、ループ内の対応する熱交換器に流れる流体に熱を伝導する。熱は、各第２の流体ループ内の流体から、サーマルインターフェースを介して、第１の流体ループの熱バスに伝導される。第２の流体ループは、ポンプ圧送流体ループであってもよく、又はヒートパイプを備えていてもよい。第１の流体ループ内では、流体は、熱バスから流体−空気熱交換装置に継続的にポンプで圧送され、熱バスに戻る。第１の流体ループから熱バスに伝導された熱は、熱バスを通過する第２の流体ループ内の流体に伝導される。加熱された流体は、流体−空気熱交換装置を介してポンプで圧送され、熱は、流体から周囲に伝導される。熱バスは、流体ラインを外すことなく、冷却能力を拡張できるモジュール性の拡張可能な冷却装置を提供する。

Description

関連出願
本出願は、同じ発明者等によって２００６年４月１１日に出願された米国仮特許出願番号６０／７９１，２４２、発明の名称「METHODOLOGY OF COOLING MULTIPLE HEAT SOURCES IN A PERSONAL COMPUTER THROUGH THE USE OF MULTIPLE FLUID-BASED HEAT EXCHANGING LOOPS COUPLED VIA MODULAR BUS-TYPE HEAT EXCHANGERS」の優先権を主張する。米国仮特許出願番号６０／７９１，２４２の全体は、引用によって本出願に援用される。
本発明は、発熱素子を冷却するための冷却装置に関し、詳しくは、パーソナルコンピュータ内で流体ベースの冷却装置を用いて発熱素子を冷却する冷却装置に関する。
電子部品の冷却の分野において、大き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単位体積あたり、より高いプロセッサ性能が実現されるため、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。
パーソナルコンピュータ内で集積回路を冷却する特定の問題は、より多くの強力な集積回路が同じサイズ又はより小さいパーソナルコンピュータシャーシ内に配設されるという点である。より多くの強力な集積回路が開発されており、熱を発生するトランジスタの密度も高くなっており、個々の集積回路が発生する熱も高くなり続けている。更に、例えば、グラフィックプロセッサ、マイクロプロセッサマルチチップセット等のより多くの集積回路がパーソナルコンピュータに追加されている。更に、より強力でより多くの集積回路が、同じサイズ又はより小さいパーソナルコンピュータシャーシに追加され、これらの素子が発生する単位面積あたりの熱も高くなっている。このような従来のパーソナルコンピュータシャーシの構成では、適切な冷却構造を設けることができる空間が限られている。従来より、パーソナルコンピュータ内の集積回路は、ヒートシンク及びヒートシンクに空気を吹きつける大きなファンを用いることによって、又は単に集積回路を備える回路基板に空気を直接吹きつけることによって冷却されている。しかしながら、パーソナルコンピュータシャーシ内の空間は限られているので、集積回路を冷却するために使用できる空気の量及び例えば、ヒートシンク及びファン等の従来の冷却装置のために使用できる空間は、限定的である。
従来の冷却法の代替となる手法として、循環液体冷却がある。循環冷却法は、空冷法より効率的に周囲に熱を放出することができる。
そこで、本発明の目的は、パーソナルコンピュータ内で集積回路を冷却するためのより効率的な冷却法を提供することである。また、本発明の目的は、パーソナルコンピュータシャーシ内に搭載された複数の回路基板上の集積回路を冷却するためのより効率的な冷却方法を提供することである。
本発明の冷却装置は、１つ以上の発熱素子、例えば、中央処理装置（central processing unit：ＣＰＵ）、チップセット、グラフィック処理装置（graphics processing unit：ＧＰＵ）、物理演算処理装置（physics processing unit：ＰＰＵ）又は他の集積回路が発生する熱を、パーソナルコンピュータシャーシ内の１つ以上の電子回路基板から、周囲に伝導する冷却ソリューションを提供する。幾つかの実施の形態では、ポンプ圧送流体ベースの冷却装置を用いる。冷却装置は、２つの種類の流体ループから構成されている。第１の流体ループは、１つ以上の回収ループの拡張可能なアレーであり、ここでは、１つ以上の発熱素子は、対応する１つ以上の熱交換器に熱を伝導する。熱は、１つ以上の発熱素子から、１つ以上の熱交換器を介して、回収ループを流れる流体に伝導される。流体は、フレキシブルな又は非フレキシブルな一連の配管を介して、伝熱冷却板に継続的にポンプで圧送される。
冷却装置の第２の流体ループは、除熱ループである。熱は、回収ループの流体から、サーマルインターフェースを介して、除熱ループの熱バスに伝導され、この結果、回収ループから熱が取り除かれる。回収ループの流体は、熱交換器に戻され、回収ループ内で循環し続ける。他の実施の形態では、ポンプ圧送流体ベースの回収ループの代わりに、ヒートパイプ又は伝熱板を用いる。除熱ループ内において、流体は、ポンプによって、熱バスから、例えば、ファン及び流体ラジエータ等の流体−空気熱交換装置に継続的に圧送され、熱バスに戻る。回収ループから熱バスに伝導された熱は、熱バスを流れる流体に伝導される。加熱された流体は、流体−空気熱交換装置を介してポンプで圧送され、ここで、熱は、流体から周囲に伝導される。アプリケーションの要求毎に冷却装置の熱性能を向上させるために、回収ループ又は除熱ループ内にＴＥＣベースのラジエータを設けてもよい。システム性能を最大化するためには、ＴＥＣユニットは、除熱ループ内の流体−空気熱交換装置から下流側に配置することが望ましいが、これ以外の構成を用いてもよい。
冷却装置のハブは、熱バスであり、これにより、回収ループから除熱ループに熱が伝導される。熱バスは、流体ラインを外すことなく、冷却能力を拡張できるモジュール性の拡張可能な冷却装置を提供する。回収ループは、ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット及び／又はＰＰＵに予め取り付けてもよく、熱バスレベルでの簡単なインストールのために後に取り付けてもよい。
本発明の一側面として、本発明は、パーソナルコンピュータ内の１つ以上の発熱素子を冷却する冷却装置を提供する。冷却装置は、パーソナルコンピュータシャーシと、１つ以上の発熱素子を有し、パーソナルコンピュータシャーシ内に搭載された１つ以上の回路基板と、１つ以上の第１の熱交換器に熱接触する熱バス及び熱バスを流れる第１の流体を有する第１の熱交換器と、熱バスに熱的に接続される少なくとも１つの第１の熱交換器と、対応する１つ以上の回路基板に熱的に接続される少なくとも１つの第２の熱交換器と、対応する１つ以上の回路基板の各発熱素子から、第２の熱交換器を介して熱が伝導される第２の流体とを有する１つ以上の流体ベースの冷却装置と、熱バス及び各流体ベースの冷却装置の第１の熱交換器に接続され、第１の流体と第２の流体との間で熱を伝導するサーマルインターフェースとを備える。
本発明の他の側面として、本発明は、パーソナルコンピュータ内の１つ以上の発熱素子を冷却する他の冷却装置を提供する。冷却装置は、パーソナルコンピュータシャーシと、熱バス及び熱バスを流れる第１の流体を有し、最大熱容量を伝導する主熱交換装置と、パーソナルコンピュータシャーシ内に着脱自在に搭載され、熱を発生する１つ以上の発熱素子を有し、主熱交換装置に接続される最大数が、主熱交換装置の最大熱容量に基づいて決定される拡張可能な複数の回路基板と、熱バスに着脱自在に接続される少なくとも１つの第１の熱交換器及び少なくとも１つの第２の熱交換器を有し、第２の熱交換器が対応する１つ以上の回路基板上の発熱素子の１つに着脱自在に接続されるように、対応する１つ以上の回路基板に着脱自在に接続され、第２の流体が流される拡張可能な複数の流体ベースの冷却装置とを備える。
上述した各冷却装置について、以下の特徴を適用してもよい。幾つかの実施の形態では、各流体ベースの冷却装置は、ポンプ圧送流体ループである。他の実施の形態では、各流体ベースの冷却装置は、ヒートパイプを有する。更に他の実施の形態では、流体ベースの冷却装置の１つ以上は、ポンプ圧送流体ループであり、冷却ループの１つ以上は、ヒートパイプを有する。少なくとも１つの回路基板は、マザーボードであってもよい。少なくとも１つの回路基板は、パーソナルコンピュータシャーシ内に着脱自在に搭載してもよい。着脱自在な回路基板は、１つ以上の発熱素子を有するグラフィクスカード、物理演算処理カード又は他のアクセサリーカードであってもよい。主熱交換装置は、第１の流体ループを形成してもよい。主熱交換装置は、第１のポンプを有し、第１のポンプは、第１の流体ループに含まれていてもよい。主熱交換装置は、流体−空気熱交換装置からなり、流体−空気熱交換装置は、第１の流体ループに含まれていてもよい。各流体ベースの冷却装置は、第２の流体ループを形成する。幾つかの実施の形態では、各流体ベースの冷却装置は、第２のポンプを有し、第２のポンプは、第２の流体ループに含まれている。幾つかの実施の形態では、第２のポンプは、第１の熱交換器と一体に形成されている。第１の流体は、第２の流体から物理的に分離されている。熱バスは、第１の流体が流れる流体チャネルが形成されている。幾つかの実施の形態では、流体チャネルは、互いに平行なパスとして形成されている。他の実施の形態では、流体チャネルは、蛇行パスとして形成されている。幾つかの実施の形態では、各第２の熱交換器は、マイクロチャネルが形成されている。サーマルインターフェースは、各第１の熱交換器を熱バスに接続するサーマルインターフェースマテリアルを備える。各第１の熱交換器は、サーマルインターフェースに接触するサーマルインターフェース形状を有し、各第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、他の第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状から独立している。各特定の第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、特定の第１の熱交換器に対応する流体ベースの冷却装置に熱的に接続されている１つ以上の発熱素子が発生する熱量に基づいて、設定されている。各特定の第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、特定の第１の熱交換器に対応する流体ベースの冷却装置に熱的に接続されている１つ以上の発熱素子が発生する熱量に基づいて、拡張可能である。幾つかの実施の形態では、主熱交換装置は、パーソナルコンピュータシャーシ内の定位置に設置されている。各流体ベースの冷却装置の第１の熱交換器は、熱バスに取り付けられ、流体ベースの冷却装置の残りの部分は、パーソナルコンピュータシャーシ内で柔軟に配置される。各流体ベースの冷却装置の各第１の熱交換器は、対応する発熱素子に取り付けられ、流体ベースの冷却装置の残りの部分は、１つ以上の回路基板から独立している。幾つかの実施の形態では、熱バスは、分割されており、各部分は、流体ラインを介して連結されており、各部分は、パーソナルコンピュータシャーシ内で分散されている。幾つかの実施の形態では、主熱交換装置の最大熱容量を超えて１つ以上の発熱素子が発生する熱を除去する副熱交換装置を更に備える。
本発明の他の特徴及び利点は、以下に詳しく説明する実施の形態の詳細な記述によって明らかになる。
以下では、幾つかの図面を参照して本発明を説明する。同じ要素が複数の図面に示されている場合にのみ、適切であれば、これらの同じ要素に同じ参照符号を付している。
本発明の実施の形態は、パーソナルコンピュータ内の１つ以上の発熱素子から発生した熱を取り除く拡張可能なモジュール式の冷却装置を提供する。発熱素子には、以下に限定されるものではないが、マザーボード、ドータカード及び／又はＰＣ拡張カードに取り付けられた１つ以上の中央演算処理装置（central processing unit：ＣＰＵ）、１つ以上のＣＰＵの入出力を管理するために使用されるチップセット、１つ以上のグラフィック処理装置（graphics processing unit：ＧＰＵ）及び／又は１つ以上の物理演算処理装置（physics processing unit：ＰＰＵ）等が含まれる。また、冷却装置は、例えば、冷却が必要なＭＯＳＦＥＴ、スイッチ及び他の大電力電子部品等の電子部品を冷却するために用いることもできる。本明細書に開示する冷却装置は、包括的には、冷却する発熱素子を有する如何なる電子サブシステムにも適用できる。ここでは、説明を簡潔にするために、冷却する１つ以上の発熱素子を有し、パーソナルコンピュータ内にインストールされるあらゆるサブシステムをＰＣカードと呼ぶ。
冷却装置は、発熱素子を有する新たなＰＣカードをパーソナルコンピュータに追加し、冷却装置に接続できるように、拡張可能なモジュール式の構成を有する。更に、既にインストールされているＰＣカードを新たな又はアップグレードされたＰＣカードに差し替えることもできる。冷却装置は、様々な冷却の必要性を有するＰＣカードに対応するように構成されている。すなわち、１つのＰＣカードの熱除去の要求は、他のＰＣカードの熱除去の要求とは異なっていてもよく、冷却装置は、このような場合にも対応できる。
冷却装置は、２つの基礎的部品を備える。まず、冷却装置は、流体−空気熱交換装置を備える除熱ループ（rejection loop）と、ポンプと、流体が形成された熱バスとを備える。流体−空気熱交換装置は、例えば、１つ以上のラジエータ及び１つ以上のファン等の除熱器を備える。１つ以上のファンは、除熱器の表面上に気流を生成する。除熱器は、好ましくは、対向流（counter flow）ラジエータである。熱バスは、１つ以上の伝熱冷却板を受け入れることができる。各伝熱冷却板は、取付機構を用いて熱バスに接続されている。これらの部品は、フレキシブル又は非フレキシブルな配管によって、密封された循環構成において、除熱ループ内で連結されている。
次に、冷却装置は、１つ以上の回収ループ（collection loop）を備え、各回収ループは、密封された循環構成内に、流体チャネルが形成された１つ以上の伝熱冷却板と、ポンプと、流体チャネルが形成された１つ以上の熱交換器、例えばマイクロチャネル冷却板（ＭＣＰ）とを備える。除熱ループ及び回収ループ内のポンプは、例えば、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る。各回収ループ内の部品は、フレキシブルな配管によって連結されている。これに代えて、密封された環境内で流体を輸送するための如何なる構成を用いてもよい。幾つかの実施の形態では、回収ループで非フレキシブルな配管を用いる。回収ループは、除熱ループの熱バスに係合する回収ループの伝熱冷却板によって、除熱ループに接続されている。回収ループの各熱交換器は、発熱素子に熱的に接続されている。幾つかの実施の形態では、１つの熱交換器が１つの発熱素子に接続されている。他の実施の形態では、一対多の関係があり、例えば、１つの熱交換器が複数の発熱素子に接続されており、又は複数の熱交換器が１つの発熱素子に接続されている。ある実施の形態では、各回収ループは、１つの熱交換器を備える。他の実施の形態では、１つ以上の回収ループが２つ以上の熱交換器を備える。この場合、１つの回収ループを１つ以上のＰＣボードに接続することができる。熱交換器を発熱素子に接続するために、取付機構を用いてもよい。他の実施の形態では、回収ループの１つ、幾つか又は全ては、１つ以上の発熱素子及び伝熱冷却板に連結されている熱パイプを用いて構成される。
二重ループ構成によって、永久的な冷却ループである除熱ループをコンピュータシャーシにインストールでき、複数のＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット及び／又はＰＰＵの１つが発生した熱を、伝熱冷却板を介して除熱ループに伝導する１つ以上の回収ループを使用することによって冷却装置を拡張することができる。幾つかの実施の形態では、除熱ループは、パーソナルコンピュータシャーシに対して所定の位置で固定され、各回収ループの位置は柔軟性を有する。これにより、冷却装置に新たに追加する場合も、既存の回収ループを用いてＰＣカードを置換する場合も、ＰＣシャーシ内で回収ループを容易に取り扱うことができ、インストールが容易になる。また、回収ループの位置の柔軟性によって、様々なサイズ及び構成を有するＰＣカードに対応することができる。
また、回収ループのモジュール性によって、冷却板及び／又は熱交換器を加えるために流体ループを途中で外すことなく、冷却装置の耐用年数に亘って、複数の発熱素子のための回収ループのインストールを、いつでも柔軟に行うことができる。また、このモジュール性によって、冷却装置の全体から流体を抜き、再充填する必要なく、欠陥がある回収ループ又は除熱ループを容易にメインテナンス又は置換することができる。
また、個別の冷却ループを設けることによって、耐食性、材料適合性、熱容量／熱伝達特性及び凍結保護の観点から各ループ内の流体を個別に最適化できる。
また、この設計自体は、大量生産に適している。モジュールの部品は、複数の冷却板と、ラジエータとを備える従来の密封された循環装置に比べて遙かに単純であり、コンピュータシャーシに適切に収容しなくてはならない液体冷却装置（liquid cooling system：ＬＣＳ）を構成する際の幾つかの部品に対する直接的又は間接的な作業に比べて、ユニットのインストールを容易に、直接的な作業で行うことができる。
幾つかの実施の形態では、インライン型ペルチエ冷却モジュール、すなわち電子冷却モジュール（thermo-electric cooling module：ＴＥＣ）を回収ループ、除熱ループ又はこれらの両方に追加する。ＴＥＣは、ＴＥＣの低温側に取り付けられた液体側ルーティングと、ＴＥＣの高温側に取り付けられた放熱フィンとを備える。
幾つかの実施の形態では、冷却装置は、配電盤（electrical distribution board）を備える。配電盤は、入力コンセント（receptacle）と、一連の出力コンセントと、一連のセンサコンセントとを備える。入力コンセントは、パーソナルコンピュータ電源から標準の入力電力が供給される。一連の出力コンセントは、冷却装置において用いられるポンプ及びファンに電力及び制御信号を供給する。これにより、ホストマシンへの１つの電気的接続によって、冷却装置内の全てのポンプへの配電が行われる。一連のセンサコンセントは、補足的な入力信号が供給され、動作の間、冷却装置の動作（behavior）を変更するために用いられる。補足的な入力信号の具体例としては、これらに限定されるわけではないが、ポンプ回転速度計信号、エアムーバ回転速度計信号、流体温度、素子温度（ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット及び／又はＰＰＵ）、周囲温度、及び冷却される発熱素子からの他の入力信号が含まれる。
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装置１０の構成を示す図である。冷却装置１０は、除熱ループ１６及び回収ループ２６、３６、４６、５６を収容するパーソナルコンピュータシャーシ１２を備える。図面を簡潔にするために、図１では、パーソナルコンピュータの他の標準的な部品、例えば、ハードディスクドライブ、電源、マザーボード及び他の従来の回路を示しておらず、これらの部品は当分野で周知であるので、ここでは説明しない。各回収ループ２６、３６、４６、５６は、ＰＰＵ６５、チップセット６６、ＧＰＵ６８、ＣＰＵ７０等の発熱素子に接続されている。各発熱素子は、例えば、マザーボード、ドータカード又はＰＣ拡張カード等のプリント基板（図示せず）に接続されている。ここでは、説明のために、各プリント基板は、単一の発熱素子を有し、各回収ループは、単一の発熱素子に接続されているとする。なお、各プリント基板は、２つ以上の発熱素子を有していてもよく、各回収ループは、２つ以上の熱交換器を備えていてもよい。図１では、４個の回収ループを示しているが、冷却装置１０の回収ループは、４個より多くても少なくてもよい。一般化して言えば、最大Ｎ個の回収ループを除熱ループ１６に接続でき、除熱ループ１６によって効果的に冷却することができる。この最大数Ｎは、以下で更に詳細に説明するように、除熱ループ１６の放熱能力及び回収ループに接続されている発熱素子が発生する熱量によって決まる。
除熱ループ１６は、熱バス２４と、流体−空気熱交換装置８と、ポンプ２０とを備える。流体−空気熱交換装置８は、除熱器１８と、ファン１４とを備える。ポンプ２０及び除熱器１８は、熱バス２４に連結されている。ポンプ２０は、好ましくは、機械的ポンプである。これに代えて、ポンプ２０は、電気浸透流ポンプであってもよい。なお、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１８は、好ましくは、互いに近接して配設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１８は、米国特許第６，９８８，５３５号に開示されている種類の対向流ラジエータであり、この特許文献は、引用によって本願に援用される。なお、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１４は、除熱器１８に亘る及び／又は除熱器１８を通る気流を生成する１つ以上の送風ファンを備える。
なお、除熱ループ１６の流体フローの方向は、図１に示す方向とは逆であってもよい。また、除熱ループ１６内の各部品の相対的位置は、例示的に示しているに過ぎない。例えば、ポンプ２０は、熱バス２４の出力とラジエータ１８の入力との間に配設してもよい。
第１の回収ループ２６、第２の回収ループ３６、第３の回収ループ４６及び第４の回収ループ５６は、それぞれ、除熱ループ１６の熱バス２４に取り付けられ、熱的に接続されている。回収ループ２６は、熱交換器３２と、ポンプ３０と、伝熱冷却板２８とを備え、これらは、それぞれ流体ライン３４によって連結されている。回収ループ３６は、熱交換器４２と、ポンプ４０と、伝熱冷却板３８とを備え、これらは、それぞれ流体ライン４４によって連結されている。回収ループ４６は、熱交換器５２と、ポンプ５０と、伝熱冷却板４８とを備え、これらは、それぞれ流体ライン５４によって連結されている。回収ループ５６は、熱交換器６２と、ポンプ６０と、伝熱冷却板５８とを備え、これらは、それぞれ流体ライン６４によって連結されている。以下では、回収ループ２６の構成及び動作のみを説明する。他の回収ループ３６、４６、５６は、それぞれ、回収ループ２６と同様に構成され、動作する。なお、各回収ループを独自に構成してもよく、例えば、発熱素子を冷却する包括的な機能を実質的に同じに維持したまま熱交換器の数が異なっていてもよい。
回収ループ２６は、ポンプ圧送流体ループの冷却ループである。回収ループ２６は、対応するＰＣカード上の各発熱素子６５毎に１つの熱交換器３２を備える。この具体例では、回収ループ２６は、単一の発熱素子を冷却するように構成されている。
ポンプ３０は、好ましくは、機械的ポンプである。これに代えて、ポンプ３０は、電気浸透流ポンプであってもよい。なお、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。各熱交換器３２は、好ましくは、米国特許第７，０００，６８４号に開示されている種類の流体ベースのマイクロチャネル熱交換器であり、この特許文献は、引用によって本願に援用される。なお、如何なる種類の流体ベースのマイクロチャネル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。伝熱冷却板２８には、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形成することが好ましい。
図１に示すように、伝熱冷却板２８は、ポンプ３０に直接連結されている。この構成では、１つ以上の流体ライン３４が伝熱冷却板２８に流体を流し、流体は、伝熱冷却板２８内で冷却され、伝熱冷却板２８からポンプ３０に流れ、ポンプ３０から出て１つ以上の流体ライン３４に流れる。これに代えて、流体は、ポンプ３０に入り、伝熱冷却板２８から出てもよい。このような例示的な構成については、２００７年３月３０日に出願された、本願と同じ譲受人に譲渡されている係属中の米国特許出願、代理人整理番号（Cool 06000）、発明の名称「INTEGRATED FLUID PUMP AND RADIATOR RESERVOIR」に説明されており、この特許文献は引用によって本願に援用される。他の実施の形態では、伝熱冷却板２８とポンプ３０を直接連結せず、１つ以上の流体ラインによって連結してもよい。他の実施の形態として、ポンプ３０を熱交換器３２に直接連結してもよい。一般化して言えば、アプリケーション毎に独自に構成できる完全な設計の柔軟性がある。
伝熱冷却板２８の底面は、サーマルインターフェースマテリアル（図示せず）を介して熱バス２４の上面に熱的に接続されている。サーマルインターフェースマテリアルは、好ましくは、例えば、熱グリース、熱パッド、半田又は何らかの種類の熱伝導性間隙充填材料等の適応性がある材料である。伝熱冷却板２８を熱バス２４に取り付けるために、取付機構（図示せず）を用いる。ここでは、周知の如何なる取付機構も用いてもよく、以下に限定されるわけではないが、１個以上のクランプ、１個以上のねじ、１個以上のスプリングクリップ、ジンバル機構、取付タブ及び他の何らかの従来の保持機構又はこれらの１つ以上の組合せを用いてもよい。このようにして、伝熱冷却板２８は、熱バス２４に熱的に接続されている。熱バス２４には、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形成することが好ましい。
回収ループ２６は、図１では、単一の熱交換器３２を備えているが、回収ループが２つ以上の熱交換器を備える様々な代替の構成を想到することができる。例えば、２つ以上の熱交換器を直列に連結してもよい。この場合、流体は、まず、第１の熱交換器に流れ、次に、第１の熱交換器を出た流体が第２の熱交換器に入る。これに代えて、２つ以上の熱交換器を並列に連結してもよく、この場合、何れの熱交換器に入る流体も、先に他の熱交換器を通らず、他の熱交換器によって加熱されることはない。このように、並列に連結された熱交換器に入る流体は、直列に連結された熱交換器の第１の熱交換を通過した後の流体よりも低い温度を保つことができる。このような代替の構成では、ポンプ３０は、１つ以上の流体ラインによって第１の熱交換器に連結され、個別の流体ラインがポンプ３０を第２の熱交換器等に連結する。更に他の変形例として、直列連結及び並列連結の任意の組合せを含む構成によって複数の熱交換器を構成してもよい。
伝熱冷却板２８、ポンプ３０、熱交換器３２及び流体ライン３４は、流体が流れる第１のループを形成する。回収ループ２６の機能は、発熱素子６５によって生成された熱を捕捉することである。熱交換器３２は、発熱素子６５に熱的に接続されている。流体が第１のループを介して熱交換器３２に流れると、発熱素子６５からの熱は、流体に伝導される。
熱交換器３２の底面は、サーマルインターフェースマテリアル（図示せず）を介して、発熱素子６５の上面に熱的に接続されている。サーマルインターフェースマテリアルは、好ましくは、例えば、熱グリース、熱パッド、半田又は何らかの種類の熱伝導性間隙充填材料等の適応性がある材料である。熱交換器３２を発熱素子６５に取り付けるために、取付機構（図示せず）を用いる。ここでは、周知の如何なる取付機構も用いてもよく、以下に限定されるわけではないが、１個以上のクランプ、１個以上のねじ、１個以上のスプリングクリップ、ジンバル機構、取付タブ及び他の何らかの従来の保持機構又はこれらの１つ以上の組合せを用いてもよい。
各回収ループ２６、３６、４６、５６及び除熱ループ１６で用いられる流体の種類は、水をベースとするものである。これに代えて、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（isopropanol：ＩＰＡ）等、有機溶液の組合せをベースとしてもよい。更にこれに代えて、流体は、ポンプで圧送される冷媒であってもよい。また、使用される流体は、凍結温度が低く、防錆性を有することが望ましい。冷却装置及び発熱素子の動作特性に応じて、一実施の形態では、流体は、冷却ループ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、熱交換器３２から伝熱冷却板２８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伝熱冷却板２８の材料に伝導される。サーマルインターフェースマテリアル（図示せず）は、伝熱冷却板２８からの熱が熱バス２４の材料に伝導されるように、伝熱冷却板２８と熱バス２４との間に効率的な熱伝達（heat transfer）を提供する。
熱バスの物理的な寸法及び各回収ループのための伝熱冷却板は、これらの２つの間の熱伝導を最大化するように設計されている。熱バスは、パーソナルコンピュータシャーシ内に固定されているので、熱バスの物理的な寸法もまた固定され、特に、伝熱冷却板に係合する上面の接触面の幅及び長さが固定されている。熱バスの長さに沿って複数の伝熱冷却板を揃えることができる。それぞれの伝熱冷却板の幅は、熱バスの幅と実質的に同じであり、伝熱冷却板間でも実質的に同じである。一方、各伝熱冷却板の長さは、伝熱冷却板毎に異なっていてもよい。各伝熱冷却板の特定の長さは、回収ループ及び回収ループが接続されている対応する１つ以上の発熱素子の放熱要求に基づいて設計することができる。
具体的には、１つ以上の発熱素子が発生する熱量が多い程、回収ループに伝導された熱も多くなる。したがって、回収ループに伝導される熱量が多い程、伝熱冷却板から熱バスに熱を伝導する必要性も高くなる。比較的多くの熱量を放熱するように構成された回収ループでは、伝熱冷却板の長さが長く設計され、この結果、伝熱冷却板と熱バスとの間でより大きいサーマルインターフェース形状を提供する。一方、比較的少ない熱量を消散するように構成された回収ループでは、伝熱冷却板の長さは短く設計される。通常、放熱率として測定される、熱バスに伝導される熱量は、各伝熱冷却板のサーマルインターフェース形状によって決まる。熱バスに接続されている全ての伝熱冷却板の総放熱率は、熱バスの最大放熱率を超えることはできない。幾つかの実施の形態では、熱バスの最大放熱率は、冷却装置の固定特性である。他の実施の形態では、除熱ループは、最大放熱率を増加させるように拡張可能であり、例えば、１つ以上のラジエータ及び／又はファンを加えることによって流体−空気熱交換装置の熱散逸能力を向上させることができる。
更に他の実施の形態として、ＰＣシャーシ内に補助的な従来の冷却装置を設けてもよく、例えば、熱バス２４の最大放熱率を超える熱負荷の一部又は全部を冷却する標準的な空気冷却装置を設けてもよい。また、このような補助的な冷却装置は、冷却装置１０に接続されていない１つ以上の発熱素子を冷却するために使用してもよい。
図１に示すように、熱バス２４、除熱器１８、ポンプ２０及び流体ライン２２は、流体が流れる第２のループを形成する。第２のループの流体は、好ましくは、第１のループに関連して先に説明した流体と同種の流体である。第２のループの流体は、第１のループの流体から独立している。
第２のループ及び液体−空気熱交換装置８の機能は、熱バス２４から周囲に熱を伝導することである。流体が熱バス２４内の流体チャネルを介して流れると、熱バス２４の材料からの熱は、流体に伝導される。
熱バス内の加熱された流体は、除熱器１８に流れる。加熱された流体が除熱器１８を流れると、熱は、流体から除熱器１８の材料に伝導される。ファン１４は、除熱器１８の表面に空気を吹きつけ、これにより、熱は、除熱器１８から周囲に伝導される。好ましくは、ＰＣシャーシ１２は、空気が冷却装置１０を出入りす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１８を出て、熱バス２４に戻る。
図２は、平行パス構成に基づく熱バス２４の平面断面図である。平行パス構成の熱バス２４の流体チャネルは、熱バス２４内の入口点から出口点に延びる平行パスとして形成される。図３は、図２に示す線Ａ−Ａに沿った熱バス２４の側面断面図である。図２及び図３では、５個の流体チャネルを示しているが、熱バスが備える流体チャネルの数は、５個より多くても少なくてもよい。図２に示すように、単一の流体ライン２２は、複数の流体ラインに分岐した後、熱バス２４に入り、複数の流体ラインは、熱バス２４を出て、単一の流体ライン２２を形成するように再び合流する。この構成では、熱バス２４は、複数の入力流体ライン及び出力流体ラインが連結されている複数の流体チャネル流入ポートを備えている。代替の構成では、単一の流体ライン２２が熱バス２４に入り、及び熱バス２４から出て、この単一の流体ラインは、熱バス２４内で複数の流体チャネルに分岐する。他の構成では、複数の流体ライン２２が熱バス２４に入る。これらの流体ライン２２は、何れも複数のチャネルに連結してもよく、又は単一の流体チャネルに連結してもよい。熱バス２４に連結され、又は熱バス２４内で複数の流体チャネルに分岐する複数の流体ラインの他の如何なる構成を用いてもよい。
図４は、蛇行パス構成（serpentine path configuration）に基づく熱バス２４の平面断面図である。蛇行パス構成では、熱バス２４の流体チャネルは、熱バス２４内の入口点から出口点に延びる曲がった蛇行パスとして形成される。図４では、単一の入口点及び単一の出口点を示しているが、このような入口点及び出口点を複数個設けてもよい。更に、同様の効果を達成するために、並列ではない如何なる構成の流体チャネルを用いてもよい。具体的には、蛇行パス構成は、各伝熱冷却板が熱バスに接続されている相対的位置にかかわらず、熱バスに接続されている全ての伝熱冷却板に亘って、熱勾配を略等しく分布させる。これにより、伝熱冷却板を熱バス上に配置する順序の影響を排除できる。また、これに代わる流体チャネルパス構成を想到することもできる。
図５は、本発明の第２の実施の形態に基づく例示的な冷却装置１００の構成を示す図である。冷却装置１００は、冷却装置１０の熱バス２４が分散型の熱バス１２４によって置換され、熱バス１２４の各部分が１つ以上の流体ライン１２２によって連結され、回収ループ５６が回収ループ１５６によって置換されている点を除いて、図１の冷却装置１０と同じである。回収ループ１５６は、１つ以上の流体ライン１６４によって相互に連結された、伝熱冷却板１５８と、ポンプ１６０と、熱交換器１６２とを備える。伝熱冷却板１５８は、熱バスの部分１２４に熱的に接続されており、熱交換器１６２は、パーソナルコンピュータのＣＰＵ等の発熱素子１７０に接続されている。回収ループ１５６は、回収ループ５６（図１）と同様に構成され、同様に動作する。冷却装置１００の分散型の構成は、例えば、システムマザーボードの位置対ＰＣ拡張カードの位置等、パーソナルコンピュータシャーシ１２内で分散されている発熱素子に冷却装置を接続するための代替的手法を示している。図１の冷却装置１０は、様々に分散する発熱素子の位置に対応できる様々な回収ループの適応型の構成によって、設計の柔軟性を提供している。一方、図５の冷却装置１００は、様々に分散する発熱素子に近接して部分が配置された熱バスの適応型の構成によって、設計の柔軟性を提供している。
本発明に基づく冷却装置は、図１〜図５に示す部品に限定されず、他の部品及び素子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、冷却装置１０は、回収ループ又は除熱ループの一方又は両方の１つ以上に連結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。
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、他の冷却装置を用いてもよい。ヒートパイプは、図５の分割された熱バス実施の形態と共に用いることが特に効果的である。この場合、熱バスの部分は、発熱素子と比較的近接して配置され、ヒートパイプは、発熱素子及び熱バスの部分に接続される。また、１つ以上のポンプで圧送される回収ループ及び１つ以上の熱のパイプベースの回収ループを備える単一の冷却装置を構成してもよい。
幾つかの実施の形態では、冷却装置は、ＰＣシャーシ内に含まれている各発熱素子を冷却するように構成される。他の実施の形態では、冷却装置は、選択された発熱素子のみ、又は単一の発熱素子のみを冷却するように構成され、他の発熱素子は、他の又は補助的な冷却機構によって冷却する。
幾つかの実施の形態では、冷却装置のモジュール性によって、回収ループをパーソナルコンピュータシャーシ内の空間に収容することができ、回収ループから、熱バスを介して、この空間の外部又はこの空間の他の区画内の除熱ループに熱を取り除くことができる。
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装置の構成を示す図である。 平行パス構成に基づく熱バスの平面断面図である。 図２に示す熱バスの側面断面図である。 蛇行パス構成に基づく熱バスの平面断面図である。 本発明の第２の実施の形態に基づく例示的な冷却装置の構成を示す図である。

Claims (55)

  1. パーソナルコンピュータ内の１つ以上の発熱素子を冷却する冷却装置において、
    ａ．パーソナルコンピュータシャーシと、
    ｂ．１つ以上の発熱素子を有し、上記パーソナルコンピュータシャーシ内に搭載された１つ以上の回路基板と、
    ｃ．１つ以上の第１の熱交換器に熱接触する熱バス及び該熱バスを流れる第１の流体を有する主熱交換装置と、
    ｄ．上記熱バスに熱的に接続される少なくとも１つの上記第１の熱交換器と、対応する１つ以上の回路基板に熱的に接続される少なくとも１つの第２の熱交換器と、該対応する１つ以上の回路基板の各発熱素子から、該第２の熱交換器を介して熱が伝導される第２の流体とを有する１つ以上の流体ベースの冷却装置と、
    ｅ．上記熱バス及び上記各流体ベースの冷却装置の第１の熱交換器に接続され、上記第１の流体と上記第２の流体との間で熱を伝導するサーマルインターフェースとを備える冷却装置。
  2. 上記各流体ベースの冷却装置は、ポンプ圧送流体ループを有することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  3. 上記各流体ベースの冷却装置は、ヒートパイプを有することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  4. 上記流体ベースの冷却装置の１つ以上は、ポンプ圧送流体ループを有し、上記流体ベースの冷却装置の１つ以上は、ヒートパイプを有することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  5. 上記少なくとも１つの回路基板は、マザーボードであることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  6. 上記少なくとも１つの回路基板は、上記パーソナルコンピュータシャーシ内に着脱自在に搭載されることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  7. 上記着脱自在な回路基板は、１つ以上の発熱素子を有するグラフィクスカード、物理演算処理カード又は他のアクセサリーカードであることを特徴とする請求項６記載の冷却装置。
  8. 上記主熱交換装置は、第１の流体ループを形成することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  9. 上記主熱交換装置は、第１のポンプを有し、該第１のポンプは、上記第１の流体ループに含まれていることを特徴とする請求項８記載の冷却装置。
  10. 上記主熱交換装置は、流体−空気熱交換装置からなり、該流体−空気熱交換装置は、上記第１の流体ループに含まれていることを特徴とする請求項９記載の冷却装置。
  11. 上記各流体ベースの冷却装置は、第２の流体ループを形成することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  12. 上記各流体ベースの冷却装置は、第２のポンプを有し、該第２のポンプは、上記第２の流体ループに含まれていることを特徴とする請求項１１記載の冷却装置。
  13. 上記第２のポンプは、上記第１の熱交換器と一体に形成されていることを特徴とする請求項１２記載の冷却装置。
  14. 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記載の冷却装置。
  15. 上記熱バスは、上記第１の流体が流れる流体チャネルが形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  16. 上記流体チャネルは、互いに平行なパスとして形成されていることを特徴とする請求項１５記載の冷却装置。
  17. 上記流体チャネルは、蛇行パスとして形成されていることを特徴とする請求項１５記載の冷却装置。
  18. 上記各第２の熱交換器は、マイクロチャネルが形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  19. 上記サーマルインターフェースは、上記各第１の熱交換器を上記熱バスに接続するサーマルインターフェースマテリアルを備えることを特徴とする請求項１８記載の冷却装置。
  20. 上記各第１の熱交換器は、上記サーマルインターフェースに接触するサーマルインターフェース形状を有し、該各第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、他の第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状から独立していることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  21. 上記各特定の第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、該特定の第１の熱交換器に対応する流体ベースの冷却装置に熱的に接続されている１つ以上の発熱素子が発生する熱量に基づいて、設定されていることを特徴とする請求項２０記載の冷却装置。
  22. 上記各特定の第１の熱交換器は、上記サーマルインターフェースに接触するサーマルインターフェース形状を有し、該各第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、該特定の第１の熱交換器に対応する流体ベースの冷却装置に熱的に接続されている１つ以上の発熱素子が発生する熱量に基づいて、拡大縮小可能であることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  23. 上記主熱交換装置は、パーソナルコンピュータシャーシ内の定位置に設置されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  24. 上記各流体ベースの冷却装置の第１の熱交換器は、上記熱バスに取り付けられ、該流体ベースの冷却装置の残りの部分は、上記パーソナルコンピュータシャーシ内で柔軟に配置されることを特徴とする請求項２３記載の冷却装置。
  25. 上記各流体ベースの冷却装置の各第１の熱交換器は、対応する発熱素子に取り付けられ、該流体ベースの冷却装置の残りの部分は、上記１つ以上の回路基板から独立していることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  26. 上記熱バスは、分割されており、各部分は、流体ラインを介して連結されており、該各部分は、パーソナルコンピュータシャーシ内で分散されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  27. パーソナルコンピュータ内の１つ以上の発熱素子を冷却する冷却装置において、
    ａ．パーソナルコンピュータシャーシと、
    ｂ．熱バス及び該熱バスを流れる第１の流体を有し、最大熱容量を伝導する主熱交換装置と、
    ｃ．上記パーソナルコンピュータシャーシ内に着脱自在に搭載され、熱を発生する１つ以上の発熱素子を有し、上記主熱交換装置に接続される最大数が、該主熱交換装置の最大熱容量に基づいて決定される拡張可能な複数の回路基板と、
    ｄ．上記熱バスに着脱自在に接続される少なくとも１つの第１の熱交換器及び少なくとも１つの第２の熱交換器を有し、該第２の熱交換器が対応する１つ以上の回路基板上の発熱素子の１つに着脱自在に接続されるように、該対応する１つ以上の回路基板に着脱自在に接続され、第２の流体が流される拡張可能な複数の流体ベースの冷却装置とを備える冷却装置。
  28. 上記着脱自在な回路基板上の各発熱素子は、上記第２の熱交換器の１つに熱的に接続されていることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  29. 上記熱バスは、上記各第１の熱交換器に熱的に接続されていることを特徴とする請求項２８記載の冷却装置。
  30. 上記各流体ベースの冷却装置の第２の流体は、対応する１つ以上の回路基板の各発熱素子から、上記第２の熱交換器を介して熱が伝導されることを特徴とする請求項２９記載の冷却装置。
  31. 上記熱バス及び上記各流体ベースの冷却装置の第１の熱交換器に接続され、上記第１の流体と上記第２の流体との間で熱を伝導するサーマルインターフェースを更に備える請求項３０記載の冷却装置。
  32. 上記各流体ベースの冷却装置は、ポンプ圧送流体ループを有することを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  33. 上記各流体ベースの冷却装置は、ヒートパイプを有することを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  34. 上記流体ベースの冷却装置の１つ以上は、ポンプ圧送流体ループを有し、上記流体ベースの冷却装置の１つ以上は、ヒートパイプを有することを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  35. 上記少なくとも１つの回路基板は、マザーボードであることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  36. 上記パーソナルコンピュータシャーシ内に搭載され、上記流体ベースの冷却装置の１つに熱的に接続される固定された回路基板を更に備える請求項２７記載の冷却装置。
  37. 上記回路基板は、１つ以上の発熱素子を有するグラフィクスカード、物理演算処理カード又は他のアクセサリーカードである１つ以上の着脱自在な回路基板であることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  38. 上記主熱交換装置は、第１の流体ループを形成することを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  39. 上記主熱交換装置は、第１のポンプを有し、該第１のポンプは、上記第１の流体ループに含まれていることを特徴とする請求項３８記載の冷却装置。
  40. 上記主熱交換装置は、流体−空気熱交換装置からなり、該流体−空気熱交換装置は、上記第１の流体ループに含まれていることを特徴とする請求項３９記載の冷却装置。
  41. 上記各流体ベースの冷却装置は、第２の流体ループを形成することを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  42. 上記各流体ベースの冷却装置は、第２のポンプを有し、該第２のポンプは、上記第２の流体ループに含まれていることを特徴とする請求項４１記載の冷却装置。
  43. 上記第２のポンプは、上記第１の熱交換器と一体に形成されていることを特徴とする請求項４２記載の冷却装置。
  44. 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２７記載の冷却装置。
  45. 上記熱バスは、上記第１の流体が流れる流体チャネルが形成されていることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  46. 上記流体チャネルは、互いに平行なパスとして形成されていることを特徴とする請求項４５記載の冷却装置。
  47. 上記流体チャネルは、蛇行パスとして形成されていることを特徴とする請求項４５記載の冷却装置。
  48. 上記各第２の熱交換器は、マイクロチャネルが形成されていることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  49. 上記各第１の熱交換器は、上記サーマルインターフェースに接触するサーマルインターフェース形状を有し、該各第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、他の第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状から独立していることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  50. 上記各特定の第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、該特定の第１の熱交換器に対応する流体ベースの冷却装置に熱的に接続されている１つ以上の発熱素子が発生する熱量に基づいて、設定されていることを特徴とする請求項４９記載の冷却装置。
  51. 上記各特定の第１の熱交換器は、上記熱バスに接触するサーマルインターフェース形状を有し、該各第１の熱交換器のサーマルインターフェース形状は、該特定の第１の熱交換器に対応する流体ベースの冷却装置に熱的に接続されている１つ以上の発熱素子が発生する熱量に基づいて、拡張可能であることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  52. 上記主熱交換装置は、パーソナルコンピュータシャーシ内の定位置に設置されていることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  53. 上記各流体ベースの冷却装置の第１の熱交換器は、熱バスに取り付けられ、該流体ベースの冷却装置の残りの部分は、上記パーソナルコンピュータシャーシ内で柔軟に配置されることを特徴とする請求項５２記載の冷却装置。
  54. 上記熱バスは、分割されており、各部分は、流体ラインを介して連結されており、該各部分は、パーソナルコンピュータシャーシ内で分散されていることを特徴とする請求項２７記載の冷却装置。
  55. 上記主熱交換装置の最大熱容量を超えて１つ以上の発熱素子が発生する熱を除去する副熱交換装置を更に備える請求項２７記載の冷却装置。
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