JP2019537152A - 流体冷却システム - Google Patents

Abstract

１つまたは複数の発熱部品を冷却するための装置は、第１の冷却材および１つまたは複数の発熱部品を含むための体積を規定する封止可能なエンクロージャと、前記体積によって囲まれる導管とを備え、前記導管は、第２の冷却材が前記エンクロージャを出入りすることを可能にし、前記体積内の前記第１の冷却材が前記導管を囲むときに前記導管は、前記第１の冷却材と前記第２の冷却材との間で液密封止を提供し、装置はさらに、熱が前記第１の冷却材と前記第２の冷却材との間で交換されるように、前記第１の冷却材を前記導管に向けるように構成される前記エンクロージャ内のポンプを備える。

Description

発明の技術分野
本発明は、冷却システムに関し、特に、電子デバイスおよびボードのための冷却システムに関する。冷却システムは、マザーボード、メモリモジュールまたはサーバといった能動または流体冷却を要する発熱部品を収容するための封止されたエンクロージャを提供し得る。

発明の背景
多くの種類の電子部品は、動作中に熱を発生する。特に、マザーボード、中央処理装置（ＣＰＵ）およびメモリモジュールといった電気的コンピュータ部品は、使用中に著しい量の熱を散逸し得る。高い温度への電子部品の加熱は、損傷を引き起こし、パフォーマンスに影響し得または安全上の問題を引き起こし得る。したがって、電子部品を効果的かつ安全に冷却するための効率的で、高パフォーマンスのシステムを見つけるために、著しい努力が行われてきた。

１つの種類の冷却システムは、液体冷却を使用する。異なる液体冷却アセンブリが実証されてきたが、熱発生電子部品と冷却材との間の熱交換のための大きな表面領域を提供するために、一般に電子部品は冷却液内に浸される。

米国特許第８，４６７，１８９号は、ラックシステムに接続された複数のケース内のいくつかの電子デバイスを冷却する液浸冷却システムを説明する。ハウジングは、誘電冷却液体で充填されるとともに、発熱電子部品は、誘電冷却液体内に浸される。ラックシステムは、複数のケースのための液体連通を可能とするマニホルドおよび誘電冷却液体をラックの中へおよびそこから外に圧送するためのポンプシステムを含む。外部熱交換器は、加熱された誘電冷却液体がラックに戻される前に冷却されることを可能とする。しかし、これは著しい量の誘電体冷却流体がラック内の各ケースの中へおよびそこから外に圧送されることを要する。さらに、各々がそれ自体の冷却必要条件を有する異なる発熱部品を含み得る各ケース内に冷却流体を効果的に向けるまたは集中させることは、困難である。

米国特許第８，０１４，１５０号は、電子モジュールの冷却を説明し、冷却装置はその内部で、電子デバイスの周りに封止された部品を形成するために基板に結合される。ポンプは、封止されたコンパートメント内に配置され、これにより誘電体流体は、電子デバイスに向かって圧送される。冷却は、誘電体流体の相を液体からの気体に変化させることによって起こり、そしてそれは、第２の流体で満たされた液体冷却された冷たいプレートに向かって持ち上がるにつれて凝縮される。しかし、この冷却システムは、ケース内の高い圧力封止および複数の冷却コンパートメントを要し、このため第２の冷却流体のための比較的複雑な配管構成を要する。

したがって、これらの問題を克服する方法およびシステムが必要とされる。

発明の概要
第１の局面に従い、１つまたは複数の発熱部品を冷却するための装置が提供される。１つまたは複数の発熱部品を冷却するための装置は、
第１の（または主要な）冷却材および１つまたは複数の発熱部品（たとえば電子部品）を含むための体積を規定する封止可能なエンクロージャ、タンクまたはケースと、
体積によって囲まれる導管または管とを備え、導管は、第２の（または補助的）冷却材がエンクロージャを出入りすることを可能にし、（特に）体積内の第１の冷却材が導管を囲むときに、導管は、第１の冷却材と第２の冷却材との間の液密封止を提供し、装置はさらに、
熱が第１の冷却材と第２の冷却材との間で交換されるように、第１の冷却材を導管に引き込み、圧送し、強制しまたは向けるように構成されるエンクロージャ内のポンプ（または少なくとも１つのポンプ）とを備える。エンクロージャ内のポンプが第１の冷却材をエンクロージャ内のホットスポットまたは特定の熱発生領域により効果的に向けることを可能とする。主要な冷却材手段を内部循環させることで、システムを封止することがより簡単になる。エンクロージャへと入る補助的冷却材は、主要な冷却材と補助的冷却材との間でより効率的な熱伝達を提供する。この特徴の組み合わせは、より確実に動作されることができるより効果的な冷却システムを提供する。封止可能なエンクロージャは、蓋またはハッチで封止され得る。これは、内部に配置される発熱部品またはボードにアクセス可能とするために、取り外し可能であり得る。エンクロージャの蓋およびその他の部分は、１つまたは複数のガスケットまたは封止を組み込み得、ヒンジされまたは完全に除去され得る。クランプ、ネジ、ラッチまたは留め金といった固定具は、エンクロージャをしっかりと閉じ得る。封止可能なまたは封止されたエンクロージャは、たとえばラック取り付けされ得る。エンクロージャは、プロセッサ、マザーボード、サーバ、メモリモジュールまたはコンピュータ装置といった電子部品を収容するためのモジュールであり得る。

第２の局面に従い、１つまたは複数の発熱部品（たとえばマザーボード）を冷却するために使用される冷却モジュールまたは装置が提供される。冷却モジュールは、封止されることが可能なまたは封止されたエンクロージャを備え、第１の冷却材または流体で充填され得または部分的に充填され得る体積またはボイドを含む。第１の冷却材は、体積（また冷却されるべき部品または部品を含む）内に留まり、１つまたは複数のポンプによって循環させられる。（第１の冷却材から分離されて維持される）第２の冷却材を組み込んでいる別の冷却回路は、モジュールから熱を除去することを可能とする。第２の冷却材は、モジュールに入り得、熱を第１の冷却材と交換し得、そしてモジュールを出得る。第２の冷却材は、モジュールに戻る前に、それ自体冷却され得る。

第３の局面に従い、１つまたは複数の発熱部品（たとえばマザーボード）を冷却するために使用される冷却モジュールまたは装置が提供される。冷却モジュールは、封止されることが可能なまたは封止されたエンクロージャを備え、冷却材または流体で充填され得るまたは部分的に充填され得る体積またはボイドを含む。冷却材は、体積（また冷却されるべき部品または部品を含む）内に留まり、１つまたは複数のポンプによって循環される。冷却材は、１つまたは複数の発熱部品からの形成する複数の熱い領域またはホットスポット（２つ以上）上に向けられる。好ましくは、別のポンプは、冷却材のストリームまたはジェットをモジュール内のホットスポット上に向ける。冷たい（または比較的冷たい）冷却材は、ホットスポット上に圧送され得る。冷却材は、冷却され、再循環のために引き込まれてポンプへと戻される。これは、補助的冷却材とともにまたはそれなしに使用され得る。

第３の局面に従い、第１の流体または冷却材を受けるための入口を有するチャネルまたはダクトから形成される熱交換器が提供され、これは、チャネルを出口によって出る。第２の流体または冷却材は、チャネル内のパイプ、チャネルまたは導管を通過する。第１の流体の流れの大部分ではないにしても少なくとも幾分かは、導管内の第２の流体の流れの大部分ではないにしても少なくとも幾分かと平行である。熱は、第１の流体と第２の流体と間で交換され得る。導管は、たとえばＵ字型であり得る。好ましくは、熱交換器は、発熱部品を収容するモジュール内で動作する。好ましくは、第１の流体は、モジュールのエンクロージャまたはハウジング内に留まり、第２の流体は、それが第１の流体と混合することを可能とすることなくモジュールを出入りする。

ここに開示されたすべてではないにしても多くの局面を参照して、いくつかの任意の、好ましいおよび／または有利な局面がここに記載される。好ましくは、ポンプは、第１の冷却材を１つまたは複数の発熱部品に向けるようにさらに構成され得る。これは、エンクロージャ内の第１の冷却材の流れの向き、速度、量、圧力、幅および／または高さを調整するための１つまたは複数のノズルまたは排気を含み得る。ポンプは、導管の場所から上流に提供され得る。そして、それは、第１の冷却材を導管に向かって引き込み得、熱は、第１の冷却材から離れて伝達され、冷却された第１の冷却材が１つまたは複数の発熱部品に（および好ましくはそれに向けられて）流れることをもたらす。

好ましくは、ポンプは、第１の冷却材に水平な流れを提供するように構成され得る。換言すると、第１の冷却材は、単一の平面においてエンクロージャ、タンクまたはケースの周りに向けられ得る。これは、エンクロージャのフロアまたは基部および／またはエンクロージャを出入りする第２の冷却材の流れの方向に平行であり得る。

実施形態では、装置は、導管の近位に、近くに、隣接して、同軸に、周囲に、取り囲んでまたは並んで配置された、チャネルをさらに備え得、チャネルは、第１の冷却材をチャネルへと受けるための入口と第２の冷却材と熱を交換した後に第１の冷却材をチャネルからの排出するための出口とを備える。これは、熱交換器内で第１の冷却材から第２の冷却材に熱のより効率的な交換を提供する。

好ましくは、導管は、チャネル内に配置される。このことは、第１の冷却材がサイクルにおいてその最高温度にあるときに、第１の冷却材が第２の冷却材と近く近接するように強制することを可能とする。これは、熱交換器の冷却効率性を増加させる。

任意に、チャネルは、箱状の輪郭を有し得る。チャネルは、たとえば金属から形成され得る。

好ましくは、ポンプは、チャネルへの入口またはチャネルの出口と流体連通し得る。これらの部品は、たとえば囲まれたパイプまたはチャネルによってつながれ得る。

任意に、ポンプは、第１の冷却材を導管内の第２の冷却材の流れに平行または実質的に平行に向けるように構成され得る。これは、第１の冷却材および第２の冷却材をより近くに近接して維持し、熱伝達を向上させる。

任意に、導管（またはパイプ）は、Ｕ字型であり得る（たとえば屈曲によってつながれる２つの真直の側を有する）。これは、中央で、たとえば１８０度曲げられるパイプまたは管であり得る。導管のその他の構成および大きさが、使用され得る。

好ましくは、エンクロージャは、第２の冷却材のための入口および出口をさらに備え得る。入口および出口は、第１の冷却材および第２の冷却材が混合するのを阻止するために、エンクロージャに対して封止される。入口および出口は、ケース、エンクロージャまたはタンクの壁または側を通過する。

任意に、第２の冷却材のための入口および出口は、隣接し得る。これは、入口および出口を、第２の冷却材を循環させるためのシステムに接続することをより容易にする。入口および出口は、取り外し可能なコネクタおよび／または可撓性のホースを含み得る。

任意に、第２の冷却材のための入口および出口は、ポンプに隣接して配置され得る。代替的に、第２の冷却材のための入口および出口は、導管に隣接して配置され得る。

任意に、装置は、１つまたは複数の発熱部品と熱伝達する１つまたは複数のヒートシンクをさらに備え得る。これは、発熱部品と第１の冷却材との間の熱伝導を向上させる。ヒートシンクは、たとえば金属であり得る。

エンクロージャは、たとえば長方形のまたは正方形の断面を有し得る。
好ましくは、１つまたは複数のヒートシンクは、第１の冷却材の流れに平行に配置されたフィンを有し得る。これは、エンクロージャ内の第１の冷却材の流れにおける乱れを減らし、熱が発熱部品から除去される速度を向上させる。

任意に、エンクロージャは、体積内に１つまたは複数の電源を収容するためにさらに配置され得る。したがって、電源はまた、第１の冷却材によって冷却され得る。電源は、エンクロージャを通過する外部電力コネクタを含み得る。電力コネクタは、冷却材の漏れに対して封止され得る。

任意に、装置は、第２のポンプをさらに備え得る。さらに他のポンプが含まれ得る。２つのポンプは、第１の冷却材が異なる向きに循環することを可能とし、さらに熱が除去される速度を向上させる。

任意に、第１のポンプおよび第２のポンプは、導管の両側に配置され得る。その他の構成が、使用され得る。ポンプは、同じ平面にあり得る。

いくつかの実施形態では、導管の一部は、熱交換器ユニットを形成する。そして、パイプは、第１の冷却材を熱交換器ユニットに向けるように構成され得る。熱交換器ユニットは、導管の近位、近くに、隣接して、同軸に、周囲に、取り囲んで、または並んで配置されたチャネルを備え得る。チャネル入口は、パイプに結合され得る。第２のパイプは、（冷却された）第１の冷却材を少なくとも１つの発熱部品に向けるためのチャネル出口に結合され得る。ポンプ（または複数のポンプ）は、好ましくは熱交換器ユニットから上流に提供される（しかしいくつかの実施形態では熱交換器ユニットから下流に提供され得る）。

任意に、熱交換器ユニットは、導管を囲むハウジングをさらに備える。そして、ハウジングは、第１の冷却材が熱交換器ユニットを通って流れる入口を有し得る。熱交換器ユニットは好ましくは、封止可能なエンクロージャ内の体積の縁に配置される。

好ましくは、少なくとも１つの発熱部品は、第１の冷却材内に浸される。第１の冷却材は、エンクロージャを空気間隙なしに充填することができる。

好ましくは、第１の冷却材は、（室温における）液体である。
好ましくは、第１の冷却材は、１相冷却材である。換言すると、第１の冷却材は、エンクロージャの周りのそのサイクルのすべての段階において、液体相のままであり得る。装置は有利には、第１の冷却材を１相において維持するように構成される。

任意に、第１の冷却材は、２相冷却材であり得る。そのような冷却材を用いて、液体は、発熱部品に接触すると気体またはガスになり得る。第１の冷却材はそして、チャネルまたは熱交換器内で冷却されるときに、凝縮し得る。

好ましくは、第２の冷却材は、水または水性である。これは、エンクロージャの外側を循環するより安全かつより効率的な冷却材を提供する。補助的冷却材は、水性であり得、水およびその他の添加物を含有する。これらは、１種以上の腐食防止剤および／または生物成長防止剤を含み得る。たとえばこれは、例えば、これは、脱塩水中の３３％（＋／−１０％）グリコール（体積基準）の混合物であり得る。

発熱部品は、任意の種類の電子部品であり得、特にコンピュータ部品であり得る。たとえば発熱電子部品は、ＣＰＵの一部を形成し得、またはデータストレージのために使用され得る。冷却モジュール内の取り付けられる複数の発熱電子部品が存在し得、本明細書における発熱電子部品への言及は、「少なくとも１つの」発熱電子部品を意味すると解釈されるべきである。

封止可能なエンクロージャの体積は、（タンクまたはトレイといった）コンテナによって規定され得る。コンテナは好ましくは、第１の冷却材および１つまたは複数の発熱部品を収容するために配置される。そして、封止可能なエンクロージャは、封止可能なエンクロージャが一度封止されると、第１の冷却材がコンテナを出るのを阻止するように配置され得る。換言すると、第１の冷却材は、コンテナ内で封止され得、これは、第１の冷却材がコンテナを出るための入口または出口を有さない。（体積内の）第１の冷却材と（導管内の）第２の冷却材との間熱交換は、封止可能なエンクロージャ（すなわち、コンテナ）の完全に内部で行われる。

第１の冷却材が封止可能なエンクロージャ内に（完全に）含まれることに、いくつかの利益が存在する。第１に、第１の冷却材の圧力は、それがコンテナを出ないので（これは、装置の外側のランクまたはキャビネットのインフラストラクチャに向けるであろう）、削減され得る。第１の冷却材は、ループし得、これによってコンテナの完全に内部に提供され得る。これは、第１の冷却材ループを（第１の冷却材がコンテナ外側に向けられていた場合に）必要とされるよりも小さくし、より少ないバルブ、コネクタおよび第１の冷却材が流れるために必要とし得るその他の構成可能な部品を要する。これは、任意の圧力効果を削減し、その結果生じる動作圧力を削減する。

第２に、封止可能なエンクロージャ内に第１の冷却材ループおよびポンプを含むことは、流量が各コンテナ内で個々にコントロールされるということを意味する。ポンプが、封止可能なエンクロージャ（すなわちコンテナ）の外部、たとえばそのような封止可能なエンクロージャを複数有するラックまたはキャビネットインフラストラクチャにある場合、単一のポンプまたは主要な冷却材ループは、各封止可能なエンクロージャ上の流れを均衡することを要し得る。これは、制御が潜在的に非常に難しい。

第１の冷却材（および第１の冷却材ループの任意の部分）を封止可能なエンクロージャの外側（たとえばキャビネットインフラストラクチャ内）に提供することにおける第３の問題は、任意の故障（たとえば閉塞、ポンプ故障または漏れ）が個々の封止可能なエンクロージャのすべてに影響することである。封止可能なエンクロージャ（コンテナ）内に第１の冷却材を維持することは、これらの問題を回避し得る。

これらの局面のうちのいずれかまたはこれらの局面の個々の特徴は、一緒にまたは任意の組み合わせで使用され得る。例えば、熱交換器は、任意の冷却モジュールまたは装置と共に使用されることができる。

図面の簡単な説明
本発明は、いくつかの方法で実施されることができ、実施形態は、一例として、添付の図面を参照して説明される。

第１の実施形態に従う発熱部品のための例示的冷却システムの分解図を示し、冷却システムは、熱交換器システムを含む。 図１の冷却システムの斜視図を示す。 ９０度回転された図１の冷却システムのさらに他の斜視図を示す。 図１の冷却システムの熱交換器の斜視図を示す。 図１の冷却システムの平面図内の概略図を示す。 補助的冷却材の流れの表示を含む図１の冷却システムの平面図を示す。 主要な冷却材の流れの表示を含む図１の冷却システムの平面図を示す。 代替的な熱交換器システムを有するさらに他の例示的冷却システムの斜視図を示す。 さらに他の例示的冷却システムの異なる斜視図を示す。 図８Ａおよび図８Ｂの代替的な熱交換器システムの斜視図を示す。 主要な冷却材の流れの表示を含む図８Ａおよび図８Ｂのさらに他の例示的冷却システムの平面図を示す。 図８Ａおよび図８Ｂのさらに他の例示的冷却システムの平面図を示す。 第２の実施形態に従う発熱部品のための例示的冷却システムの分解図を示し、冷却システムは、熱交換器システムを含む。 図１２の冷却システムの斜視図を示す。 ９０度回転された図１２の冷却システムのさらに他の斜視図を示す。 図１２の冷却システムの熱交換器の斜視図を示す。 図１２の冷却システムの平面図内の概略図を示す。 補助的冷却材の流れの表示を含む図１２の冷却システムの平面図を示す。

図は、簡単にするために示されており、必ずしも一定の縮尺で描かれていないことに留意されたい。同様の特徴には、同じ参照番号が付される。

好ましい実施形態の詳細な説明
以下の図は、１つまたは複数の発熱部品とともに使用され得る冷却システム５の様々な局面および特徴を図示する。図１〜図７に示される冷却システム５は、ラックまたは棚付け取付システム内で使用され得るが、独立システムとしての使用を含むその他の構成は、使用され得る。冷却システム５は、たとえば１つのラックユニットの１９インチブレード（１９×１．７５インチまたは４８０ｍｍ×４４ｍｍ）、といったブレードサーバの形、または寸法を取り得る。その他の大きさおよびラックが使用され得る。

図１は、冷却システム５のいくつかの部品の分解図を示す。すべての部品がこの図に示されるわけではなく、これは、簡単のために一般的なレイアウトを示す概略図である。

長方形の冷却材エンクロージャ、タンク、ケースまたはトレイ１０は、好ましくは誘電体流体である第１のまたは主要な冷却材で充填され得る体積を規定する。この冷却材タンクは、水、気体および／または液体を密封しおよび漏れ防止である。点線２５は、第１の冷却材を増やすとともに循環させる部品の組を封入する。これらの部品は、熱交換器２０および１対のポンプ３０を含む。熱交換器２０は、主要な冷却材を第２のまたは補助的冷却材を使用して冷却する。ポンプ３０は、主要な冷却材を、熱交換器２０を通しておよびタンク１０の周りに引き込む。この例は、２つのポンプを示すが単一のポンプ（２つ以上のポンプ）もまた使用され得る。この１つまたは複数のポンプは、タンク１０内に配置される。

この構成では、２つのマザーボード４０が示される。このレイアウトは、１Ｕ１９”ブレードのフットプリントと合致し得る。マザーボード４０上の部品は、冷却を要する発熱部品を含む。その他の部品５０は、図１に概略的に示される。これらのその他の部品は、たとえば電源を含み得る。これらのその他の部品５０は、タンク１０の一方端（すなわち後方端部）において示される。後方端部は、電気的コネクタが取り付けられるトレイ１０の端部であり得る。これは、（この図では図示しない）コネクタがタンク１０の同じ端部において提供され得るので、これらのその他の部品５０に対する電気的および電力接続を設けることをより容易にする。

図２は、図１において示される冷却システム５の同じであるがタンク１０内で組み立てられた形で配置される部品の概略図を示す。部品は、実質的に同じ平面に配置される。図３は、９０度回転された冷却システム５を示す。入口ポート７０および出口ポート７５は、タンク１０の中央線（すなわち長軸）の両側に示される。これらポート７０、７５は、補助的冷却材がタンク１０を出入りすることを可能とする。補助的冷却材がタンク内にある間、それは、（図示しない）パイプまたは管といった導管内を、熱交換器を通して流れる。好ましくは、導管は、金属等の良好な熱伝導体から形成され、これにより、熱は、主要な冷却材と熱交換器へと引き込まれる主要な冷却材の温度よりも低い温度に維持されたまたは冷却された補助的冷却材との間で容易に交換され得る。この冷却された主要な冷却材は、マザーボード４０上の１つまたは複数の温度発生部品６０に向けられる。高温部品の例は、プロセッサおよびメモリであるが、その他の部品はまた、マザーボード４０上に置かれ、冷却され得る。

主要な冷却材の流れは、異なる高い温度部品配置および構成に合うように、カスタマイズされ得る。ヒートシンク（この図では図示しない）はまた、発熱部品６０上にまたはその近くに配置され得る。発熱部品上のヒートシンクは、循環を向上させるために主要な冷却材の流れに平行に置かれたフィンまたはバッフルを有し得る。

図４は、第１の冷却材を冷却するとともに循環させる部品の組または熱交換器システム２５を詳細に示す。ポンプ３０（たとえばインペラポンプ）は、主要な冷却材を熱交換器２０へと１つの端部においてボイド１２０を通して引き込み、向けまたは吸い上げる。主要な冷却材は、チャネルまたはダクトに沿って強制されまたは流れ、そこでそれは、より冷たい補助的冷却材を含む導管を囲む。主要な冷却材は、チャネルをポンプ３０に接続するコネクタまたはポンプパイプ１１０に沿って流れる。

コネクタパイプ１１０は、主要な冷却材を熱交換器２０からポンプ３０に取り込む。ポンプは、各側上で同量の冷却材を引き込むように構成される。コネクタパイプ１１０内で隙間がないので、主要な冷却材は、コネクタパイプ１１０および熱交換器２０を通してポンプ３０によって引かれる。この例では、２つのポンプ３０が使用されるが、異なる数のポンプは、また使用され得る。

主要な冷却材は、ノズル１００から発熱部品（この図では図示しない）に向かって圧送される。主要な冷却材がチャネルを通って移動するにつれて、より冷たい補助的冷却材を運ぶ導管または管と接触するようになる。これは、主要な冷却材を冷却する。チャネルは、主要な冷却材を補助的冷却材導管に対して強制し、より多くの冷却材が接触するようになることを確実にし、主要な冷却材が冷却される速さ（および効率性）を増加させる。

熱交換器システム２５は、熱を主要な冷却材と補助的冷却材との間で交換する。追加の部品（この図では図示しない）は、ヒートシンク、冷たいプレートおよび／または熱パイプを含み得る。

ポンプ３０は、主要な冷却材を高い温度または発熱部品６０上に配置され得または向けるように構成され得る。この構成は、異なるマザーボード４０または発熱部品６０に対してカスタマイズされ得る。異なるポンプ構成、大きさおよび数量が、使用され得る。

主要な冷却材は、熱交換器２０へとそのアパーチャ１２０から吸引されまたは引き込まれる。主要な冷却材は、この点でその最高温度にある。主要な冷却材は、それが熱交換器チャネルへと吸引されまたは流れるときに冷却する。

図５は、冷却システム５のさまざまな部品の概略形態の平面図を示す。この図は、タンク１０の中央線を下って延在する熱交換器２０のチャネルを示し、アパーチャがその後方端部の遠位のタンク１０の端部に向かって配置されるがそこには達しない。ポンプ３０およびノズル１００は、ヒートシンクの両側上に配置される。この例では、冷却システム５は、その中央線または長軸に沿って実質的に対称的である。

図６は、熱交換器２０内の導管を通る補助的冷却材の流れ２００を概略的に図示する。導管は、（たとえば円状プロファイルまたは断面の）Ｕ字型の形態または管を取り得、これにより、入口７０からチャネルのアパーチャ１２０に向かって熱交換器２０のチャネルと実質的に平行に流れ、そこで鋭く曲がって出口７５に向かって戻る。この通過の間に、補助的冷却材は、温まり熱を主要な冷却材から除去する。したがって、補助的冷却材は、出口７５から入口７０に入ったときよりも高い温度において現れる。補助的冷却材それ自体は、熱交換器、熱ポンプまたはクーラといった受動的または能動的冷却を使用して冷却され得る。好ましくは、補助的冷却材の体積、流れおよび外部放射が補助的冷却材を冷却システム５に十分に低い温度において戻し、主要な冷却材を十分に冷却する（すなわち発熱部品６０への熱損傷を回避する）ように構成されることができるので、能動的冷却器が必要とされない。補助的冷却材は、補助的冷却材の流れに対して並列に、平行にまたはそれらの組合せにおいて構成され得る複数のタンク１０間で共有され得る。追加のポンプおよびコントローラ（または複数のポンプおよび／またはコントローラ）は、図示されないが、補助的冷却材の流れのために提供され得る。

図７は、主要な冷却材の流れ３１０がタンク１０を循環する様子を示す。ポンプ（またはポンプ）３０は、主要な冷却材を熱交換器チャネルへと引き込み、そこでそれを冷却する。これは、各ポンプ３０から主要な冷却材を押し込むまたは強制することで達成される。主要な冷却材は、アパーチャ１２０において最も熱い。それが熱交換器２０を通過するときに、主要な冷却材は、冷却し、３２０と付された点で最も冷たい。熱は、補助的冷却材に熱交換器２５内で伝達される。主要な冷却材は、ノズル１００からマザーボード４０上の発熱部品６０の方向に向けられる。矢印３１０は、発熱部品６０を通過しその周囲にありまたはその上に広がる主要な冷却材を示し、そこでこの熱は、主要な冷却材によって取り上げられ、除去される。ヒートシンクまたはフィンが発熱部品６０上にまたはその近くに（またはエンクロージャ１０内のその他の場所に）取り付けられる場合、ノズル１００からの主要な冷却材の流れは、ヒートシンク上の任意のフィンに平行に配置され得る。主要な冷却材がアパーチャ１２０に再び入ることで、サイクルは、繰り返される。

システムは、電子部品の単一の相（すなわち液体）液浸冷却を可能とするように構成され得、任意の部品がエンクロージャ内に取り付けられる。熱は、発熱電子部品の近傍から一般に伝導によってしかしまた対流によって除去される。いくつかの状況では、冷却モジュールは、２相冷却を可能とするように構成され得る。２相冷却では、電子部品によって発生される熱は、冷却液を気体またはガスへと沸騰させ、蒸発させ、これはそして（すなわち熱交換器において）凝縮し、これにより熱を冷却モジュールから除去する。

さまざまな電気的および電力コネクタがエンクロージャの体積内の部品またはマザーボードまたはマザーボードと結合するために提供され得る。これらは、電力プラグ、ソケットまたはその他のコネクタを含み得る。電力および／またはデータ入力は、冷却モジュールの壁において配置され得る、冷却モジュールへの外部電力またはデータソースからの電気的および／またはデータ接続の入力を可能とする。いくつかの場合、これらの入力は、冷却モジュールのリアプレートまたは背面プレートにおいて、たとえば任意のデータ接続およびまたは補助的冷却材の入口および出口と同じ面上に配置され得る。

１つまたは複数のポンプは代替的に、より冷たい端部よりもむしろチャネルのアパーチャ１２０（またはより熱い端部）に、またはその近くに配置され得る。図８Ａ、図８Ｂ、図９、図１０および図１１は、この代替的な構成をより詳細に図示する。図８Ａおよび図８Ｂは、この構成の異なる斜視図を示し、１つまたは複数のポンプは、熱い主要な冷却材を（すなわち熱を発熱部品から取り込んだ後）熱交換器へと引き込むまたは吸い上げる。これは、冷却された主要な冷却材を熱交換器から取り出し発熱部品上に向けることの代替であり、より熱いまたは最も熱い主要な冷却材が熱交換器のアパーチャへと引き込まれるまたは吸い上げられることをもたらす。

図９は、代替的な冷却システム５’内に見られる代替的な熱交換器システム２５’の斜視図を示す。その他の部品は、上述のものと実質的に同じである。一般に、１つまたは複数のポンプ３０’各々は、主要な冷却材を熱交換器チャネル２０へと引き込むように構成されるポンプ入口４００を有する。この構成では、主要な冷却材を保持する体積に対して開いたアパーチャよりもむしろ、チャネル２０は、１つまたは複数のポンプ３０’の出口または複数の出口に取り付けられ、封止された結合４１０を形成する。図９は、この封止された結合４１０が２つのパイプまたは管の形態であることを示すが、単一の管（またはその他の構成）が代わりに使用され得る。ポンプ入口４００は、チャネル２０に対して直角に示されるがその他の角度（平行を含む）が使用され得る。

ノズル１００’は、主要な冷却材をマザーボード４０上に向け、この構成では、任意の発熱部品６０が提供される。しかし、これらノズル１００’は、１つまたは複数のポンプ３０’に直接的に取り付けられることをもはや必要としない。これらのノズル１００’は、コネクタパイプ１１０’を介して熱交換器のより冷たい端部（使用中に）に接続される。

図１０は、この代替的な構成冷却システム２５’内の主要な冷却材の流れを概略的に図示する。冷却材の流れは、その他の構成（上述）の冷却システム２５のものと実質的に同様である。違いは、主要な冷却材は、システム５’の周りに１つまたは複数のポンプ３０’によってサイクルにおける異なる点または流れにおいて押されることである。図１１は、冷却システム２５’のａ上面図を示す。この構成は、第１の構成で上述されたものと同様の流れ、コントロールおよび補助的冷却材のための部品の組を使用する。

この構成では、１つまたは複数のポンプ３０’は背面壁とは、反対のタンク１０遠位端において配置される。主要な冷却材はそのため、熱交換器２０を通して吸い上げられまたは引き込まれるよりむしろ、それを通して押される。これは、より効果的な機構を提供することができる。したがって、ポンプ３０’は、主要な冷却材の流れをマザーボード４０または発熱部品６０上に向けず、これは、ノズル１００’によって間接的に行われるためである。

様々な冷却材流体または液体は、主要なおよび／または補助的冷却材として使用され得る。冷却液は、室温において液体であろう。単一相液浸冷却のための冷却液は、発熱電子部品のための通常動作温度の下で液体であろう。しかし、エンクロージャ内で使用され、または封止される２相液浸冷却のためのこれらの冷却材は、発熱電子部品の通常動作温度においてガスへと蒸発するはずであるが（すなわち沸点を有するが）、わずかにより低い温度において液体である。適した冷却液（好ましくは、主要な冷却材のための）の例は、天然油、合成油、フルオロオクタン（例えば、Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（登録商標））、ヒドロフルオロエーテル、ＨＦＥ（例えば、Ｎｏｖｅｃ（登録商標））、ヒドロフルオロオレフィン、ＨＦＯ（例えばＶｅｒｔｒｅｌ Ｓｉｎａｒａ（登録商標））、ペルフルオロケトン、ＰＦＫ（例えばＮｏｖｅｃ（登録商標））、またはペルフルオロポリエーテル、ＰＦＰＥ（例えばＳｏｌｖａｙ Ｇａｌｄｅｎ（登録商標））などを含む。しかし、この一覧は、網羅的ではなく、その他の冷却液が本発明の範囲において使用され得る。

エンクロージャは、限定しない一例として、金属、スチールおよび／またはアルミニウムを含む任意の適した材料から形成され得る。

当業者によって理解されるように、上記の実施形態の詳細は、添付の特許請求の範囲によって規定されるように、本発明の範囲から逸脱することなく変更され得る。

たとえば異なる数のポンプが使用され得る。使用中にエンクロージャは、水平に動作するものと説明されたが、その他の構成（たとえば垂直）が使用され得る。補助的冷却材が流れる導管は、Ｕ字型管として説明されたが、その他の構成および流れが使用され得る。さらに、異なる熱交換器システム構成が使用され得る。

さらに後述のように図面は、第２の実施形態に従い１つまたは複数の発熱部品とともに使用され得る冷却システム５’‘の様々な局面および特徴を図示する。図１２〜図１７に示される冷却システム５’‘の詳細は、図１〜図１１に示される冷却システム５および冷却システム５’を参照して示されるものと同様であるが、わずかに変化する。第１の実施形態において使用されるものと同じ部品が示される場合、同じ参照番号が表示される。部品の配置および／または構成における変形は、たとえば冷却システム５’‘のように、参照符号の後の記号によって表される。この実施形態の大部分の理解は、図１から図１１を参照して上述した説明から得ることができる。当業者であれば、互換性がある場合、他の実施形態に関して説明した特徴が図１２〜１７に示す冷却システム５’‘にも適用され得る。

図１２は、冷却システム５’‘のいくつかの部品の分解図を示す。これは、図１において示されるものと一般に同様であるが、熱交換器２０’‘および１対のポンプ３０’‘のレイアウトにいくつかの変更を有する。点線２５’‘は、この第２の実施形態において第１の冷却材を冷却しかつ循環させる部品の組を囲む。熱交換器２０’‘は、タンク１０の縁において配置され、補助的冷却材が流れるように構成される導管（それが熱交換器２０’‘内にあるので、図示しない）を提供する。ポンプ３０’‘は、主要な冷却材を熱交換器２０’‘を通して、特に補助的冷却材が流れるように構成される導管に対して近位にある熱交換器２０’‘内のチャネルを通してタンク１０の周りに引き込むように構成され、これにより熱は、チャネルから導管に伝達される。補助的冷却材導管はそのため、主要な冷却材と補助的冷却材との間の液密封止を提供する。これは、主要な冷却材が熱交換器２０’‘に入り、補助的冷却材導管を囲むときに、特に効果的である。

図１３は、冷却システム５’‘の図１２において示されるものと同じ部品であるがタンク１０内で組み立てられた形で配置される概略図を示す。この図面から、その他の部品５０（典型的に電源）の場所が第１の実施形態と比較して調整され得ることがレイアウトの変更を参照して見られる。図１４は、９０度回転された冷却システム５’‘を示す。

図１５は、この実施形態において第１の冷却材を冷却するとともに循環する部品または熱交換器システム２５’‘の組を詳細に示す（これは、実際には、図４において示されるものよりも図９において示される変形例により類似する）。ポンプ３０’‘は、主要な冷却材を熱交換器２０’‘へと各ポンプ３０’‘においてそれぞれのポンプ入口４００を通して引き込み、向けまたは吸い上げる。主要な冷却材は、この点でその最高温度にある。主要な冷却材は、パイプまたはダクト４２０に沿って熱交換器２０’‘に入口４１０を通って流れる。主要な冷却材は、熱交換器２０’‘内で冷却され、そしてコネクタまたはポンプパイプ１１０’‘に沿って流れ、主要な冷却材をノズル１００’‘を通して解放する。主要な冷却材は、ノズル１００’‘から発熱部品（この図では図示しない）に向かって圧送される。図１６は、冷却システム５’‘のさまざまな部品の概略形態における平面図を示す。ポンプ３０’‘、ダクト４２０、熱交換器２０’‘および出口１００’‘のその他の構成が、可能である。

図１７は、ポンプ３０’‘、ダクト４２０、熱交換器２０’‘を通るタンク１０内の主要な冷却材の流れ４５０を概略的に図示する。これは、図６からわずかに異なり、補助的冷却材の流れを示す。主要な冷却材は、ポンプ３０’‘を通してダクト４２０’‘へと、それが熱交換器２０’‘に到達するまで引き込まれる。そこで、主要な冷却材によって運ばれる熱は、補助的冷却材に伝達される。冷却された主要な冷却材は、圧送されて発熱部品を通過し、再びポンプ３０’‘を通して引き込まれるまでさらに熱を受ける。

上記の実施形態の特徴に対する多くの組み合わせ、修正、または変更は、当業者には容易に明らかとなり、本発明の一部を形成することを意図される。１つの実施形態または例に関して具体的に説明された特徴のいずれも、適切な変更を加えることによって他の任意の実施形態において使用され得る。

Claims (28)

1. １つまたは複数の発熱部品を冷却するための装置であって、前記装置は、
   第１の冷却材および１つまたは複数の発熱部品を含むための体積を規定する封止可能なエンクロージャと、
   前記体積によって囲まれた導管とを備え、前記導管は、第２の冷却材が前記エンクロージャを出入りすることを可能とし、前記体積内の第１の冷却材が前記導管を囲むときに、前記導管は、前記第１の冷却材と前記第２の冷却材との間液密封止を提供し、前記装置はさらに、
   第１の冷却材と前記第２の冷却材との間で熱が交換されるように、前記第１の冷却材を前記導管に向けるように構成される前記エンクロージャ内のポンプを備える、装置。
2. 前記ポンプは、前記第１の冷却材を前記１つまたは複数の発熱部品に向けるようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記ポンプは、前記第１の冷却材に水平な流れを提供するように構成される、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記導管の近位に配置されたチャネルをさらに備え、前記チャネルは、前記第１の冷却材を前記チャネルへと受けるための入口と前記第２の冷却材と熱を交換した後に前記第１の冷却材を前記チャネルからの排出するための出口とを備える、上述の請求項に記載の装置。
5. 前記導管は、前記チャネル内に配置される、請求項４に記載の装置。
6. 前記チャネルは、箱状の輪郭を有する、請求項４または請求項５に記載の装置。
7. 前記ポンプは、前記チャネルへの前記入口または前記チャネルの前記出口と流体連通する、請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記ポンプは、前記第１の冷却材を前記導管内の前記第２の冷却材の前記流れに平行に向けるように構成される、上述の請求項に記載の装置。
9. 前記導管は、Ｕ字型である、上述の請求項に記載の装置。
10. 前記エンクロージャは、前記第２の冷却材のための入口および出口をさらに備える、上述の請求項に記載の装置。
11. 前記第２の冷却材のための前記入口および前記出口は、隣接する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記第２の冷却材のための前記入口および前記出口は、前記ポンプに隣接して配置される、請求項１０または請求項１１に記載の装置。
13. 前記第２の冷却材のための前記入口および前記出口は、前記導管に隣接して配置される、請求項１０または請求項１１に記載の装置。
14. 前記１つまたは複数の発熱部品と熱伝達する１つまたは複数のヒートシンクをさらに備える、上述の請求項に記載の装置。
15. 前記１つまたは複数のヒートシンクは、前記第１の冷却材の前記流れに平行に配置されたフィンを有する、請求項１４に記載の装置。
16. 前記エンクロージャは、１つまたは複数の電源を前記体積内に収容するようにさらに配置される、上述の請求項に記載の装置。
17. 第２のポンプをさらに備える、上述の請求項に記載の装置。
18. 前記第１のポンプおよび前記第２のポンプは、前記導管の両側に配置される、請求項１６に記載の装置。
19. 前記導管は、熱交換器ユニットの一部を形成し、パイプは、前記第１の冷却材を前記熱交換器ユニットに向けるように構成される、上述の請求項に記載の装置。
20. 前記熱交換器ユニットは、前記導管を囲むハウジングをさらに備え、前記ハウジングは、第１の冷却材が前記熱交換器ユニットを通って流れるための入口を有する、請求項１９に記載の装置。
21. 前記熱交換器ユニットは、前記封止可能なエンクロージャ内の前記体積の縁に置かれる、請求項１９または請求項２０に記載の装置。
22. 前記少なくとも１つの発熱部品は、前記第１の冷却材内に浸される、上述の請求項に記載の装置。
23. 前記第１の冷却材は、液体である、上述の請求項に記載の装置。
24. 前記第１の冷却材は、１相冷却材である、上述の請求項に記載の装置。
25. 前記装置は、前記第１の冷却材を前記１相に維持するように構成される、請求項２４に記載の装置。
26. 前記第１の冷却材は、２相冷却材である、請求項１〜請求項２３のいずれか１項に記載の装置。
27. 前記第２の冷却材は、水または水性である、上述の請求項に記載の装置。
28. 前記封止可能なエンクロージャの前記体積は、前記第１の冷却材および１つまたは複数の発熱部品を収容するように配置されるコンテナによって規定され、前記封止可能なエンクロージャが一度封止されると、前記封止可能なエンクロージャは、前記第１の冷却材が前記コンテナを出るのを阻止するように配置される、上述の請求項に記載の装置。

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