JP3163213U

JP3163213U - 液体浸漬冷却システム

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Publication number: JP3163213U
Application number: JP2010003139U
Authority: JP
Inventors: アトルジー、チャド、ダニエル; クルム、アール．、ダレン; バーニング、アレン、ジェイムズ
Original assignee: ハードコアコンピューター、インク．
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2017-05-14
Also published as: CN101443724A; US7911782B2; US20070267741A1; US8009419B2; US20110075353A1; KR101437702B1; US20080196870A1; JP2009537905A; EP2021898A4; CN101443724B; EP2021898A1; TWI468910B; KR20090029214A; TW200821809A; US7403392B2; WO2007137018A1

Abstract

【課題】コンピュータシステムおよび電子発熱部品を用いる他のシステムの発熱部品を冷却するなど、数多くの電子装置を冷却するのに適した携帯可能な内蔵型液体浸漬冷却システムを有する電子装置を提供する。【解決手段】電子装置は、内部空間を有するハウジングと、内部空間にある誘電性冷却液と、その内部空間内に配置され誘電性冷却液に浸漬された発熱電子部品と、冷却液を、内部空間に対して、及び、内部空間の外側のハウジングに固定された熱交換器に対して流出入させるためのポンプとを含む。熱交換器は、冷却液流入口と、冷却液流出口と、冷却液流入口から冷却液流出口へ冷却液を流すための流路とを含む。熱交換器全体中に空気を送り熱伝達を高めるのにファンなどの空気移動装置を用いることができる。【選択図】図３

Description

本願は、ハードコアコンピュータ株式会社（ＨａｒｄｃｏｒｅＣｏｍｐｕｔｅｒ，Ｉｎｃ．）の名義でＰＣＴ国際出願として出願されており、２００６年５月１６日に出願された米国特許仮出願第６０／８００，７１５号および２００７年４月１８日に出願された米国特許出願第１１／７３６，９４７号の利益を主張するものである。これに言及することにより、その全ての内容は本願に組み込まれるものとする。

本開示は、液体浸漬冷却システムに関し、特に、コンピュータシステムを含む電子装置を冷却するのに適した液体浸漬冷却システムに関する。

コンピュータ産業が直面する重大な問題は熱である。部品の動作温度が高くなるにつれ部品は故障しやすくなる。また、高温は壊損を引き起こすとは限らないものの、データ処理エラーを引き起こすおそれがある。高温動作により、中央処理装置（ＣＰＵ）内、マザーボード上またはその他データ管理処理が行われているところにおいて、これらエラーを引き起こす電力変動が発生するおそれがある。廃熱低減に向けての努力にもかかわらず、処理能力が上がる一方、市場で発売される新しいＣＰＵおよびグラフィックス処理装置（ＧＰＵ）の動作温度はそれぞれ前回のものよりも高くなっている。電力供給および信号処理を行うのに必要な電源およびマザーボード部品も、新世代に変わるたびにますます多くの熱を発生するようになっている。

コンピュータシステムを冷却するのに、冷却システムにおいて液体を使用することが知られている。コンピュータ部品を冷却する方法として、図１に示されているような閉ループ２フェーズシステム１０を用いることが知られている。この２フェーズシステム１０は、ノースブリッジチップ１２とサウスブリッジチップ１４とを受動的に冷却するのに使用される。水蒸気は、チューブ１６を介して冷却チャンバ１８に入り、液体に戻る。液体は、チューブ２０によってチップ１２、１４に戻され、さらに冷却する。別の公知の液体冷却システムでは、内部ポンプにより、液体はＣＰＵ上の高温プレートを通り、加熱された液体はフィンタワー内に移送され、受動的に冷却されてプレートに戻される。

大型の固定設置スーパーコンピュータの場合、スーパーコンピュータの稼動処理部品を不活性な誘電性流体に浸漬することが知られている。通常、流体は稼動部品を通って外部熱交換器へポンプで移送され、熱交換器で冷却された後にメインチャンバに戻される。

従来よりコンピュータ部品を冷却する試みがなされているにもかかわらず、冷却システムにはさらなる改善が必要とされている。

コンピュータシステムおよび電子発熱部品を用いる他のシステムの発熱部品を冷却するなど、数多くの電子装置を冷却するのに適した液体浸漬冷却システムについて説明する。本明細書に記載される概念が適用され得る電子装置としては、例えば、デスクトップコンピュータおよびラップトップコンピュータ、ゲームコンソール装置、ハンドヘルドデバイス（タブレットコンピュータおよび携帯情報端末（ＰＤＡ）など）を含むパーソナルコンピュータの他の形態、ブレードサーバを含むサーバ、ディスクアレイ／ストレージシステム、ストレージエリアネットワーク、ストレージ通信システム、ワークステーション、ルータ、電気通信インフラストラクチャー／スイッチ、有線、光および無線通信装置、セルプロセッサ装置、プリンタ、電源装置、ディスプレイ、光学装置、ハンドヘルドシステムを含む計装システム、軍用電子機器などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

電子装置は、携帯可能な内蔵型液体浸漬冷却システムを有する。電子装置は、内部空間を有するハウジングを含み得る。内部空間には誘電性冷却液が収容されており、１つまたは複数の発熱電子部品がその空間内に配置され、誘電性冷却液に浸漬される。稼動発熱電子部品は、誘電性冷却液に直接接触するか、あるいは、冷却液により間接的に冷却される。冷却液を、空間に対して、及び、ハウジングの外部に固定された熱交換器に対して流出入させるためのポンプが備えられている。熱交換器は、冷却液流入口と、冷却液流出口と、冷却液流入口から冷却液流出口へ冷却液を流すための流路とを含む。ポンプは、冷却液に浸漬するよう内部空間内に配置してもよく、または内部空間の外側に配置してもよい。

別の実施形態では、冷却液の対流を利用する電子装置が備えられる。これにより、ポンプは不要となる。この実施形態では、発熱電子部品は、誘電性冷却液を収容する内部空間内に配置される。対流により冷却流体は内部空間から熱交換器に流れ、さらに熱交換器から内部空間内に戻る。

熱交換機からの熱を増やすため、熱交換器を通過した熱を移動させるファンなどの空気移動装置を用いることができる。加えて、空気を濾過するフィルタ（例えば、ＨＥＰＡフィルタ）を空気移動装置の隣接位置に配置することもできる。

電子装置がコンピュータ（例えば、パーソナルコンピュータ）である場合、内部空間内にマザーボードが配置される。マザーボードは、数多くの発熱電子部品を含む。コンピュータの発熱部品は、１つまたはそれ以上のＣＰＵ、１つまたはそれ以上のＧＰＵ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの１つまたはそれ以上のメモリモジュール、１つまたはそれ以上の電源装置、ハードドライブなどの１つまたはそれ以上の機械式ストレージ装置、固体メモリストレージユニットを含む他のストレージ装置であり得る。これら部品はすべて冷却液に浸漬され得る。

図１は、ノースブリッジチップおよびサウスブリッジチップを受動的に冷却する２フェーズシステム１０を用いた冷却システムを示す。図２は、パーソナルコンピュータ上の携帯可能な内蔵型液体浸漬冷却システムの一実施形態の図である。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ図２の液体浸漬冷却システムの部品を示す斜視図および端面図である。図４は、コンピュータ筐体の斜視図である。図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、それぞれパススルーコネクタを示すコンピュータ筐体の蓋部の斜視図、上面図および側面図である。図６は、パススルーコネクタの詳細図である。図７は、コンピュータのマザーボード、即ちメインボードの斜視図である。図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれマザーボード上のドータカードおよび蓋部との係合を示す斜視図および側面図である。図９は、筐体、筐体内にあるマザーボードとドータカード、および蓋部を含むサブアセンブリを示す。図１０は、筐体内にポンプを備えた状態の図９のサブアセンブリを示す。図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ筐体内にハードドライブを含むサブアセンブリの斜視図および端面図である。図１２Ａおよび図１２Ｂは、それぞれ熱交換器を複数含むサブアセンブリの斜視図および端面図である。図１３Ａおよび図１３Ｂは、それぞれ熱交換器を１つ含むサブアセンブリの斜視図および端面図である。図１４は、対流冷却の仕組みを示す図１２Ｂと同様の端面図である。図１５は、液体浸漬冷却システムを内蔵する試作コンピュータの説明図であり、筐体内にビデオボードおよびポンプが見えており、筐体側面に実装されたラジエータが見えている。図１６は、筐体の正面および上面を示す図１５の試作コンピュータの説明図である。図１７は、パーソナルコンピュータに備えられた携帯可能な内蔵型液体浸漬冷却システムの別の実施形態の斜視図である。図１８は、図１７に示したコンピュータの側面図である。図１９は、図１７に示したコンピュータの端面図である。図２０は、図１７と同様の斜視図であるが、マザーボードアセンブリを内部空間から部分的に持ち上げた状態を示す。図２１は、コンピュータから外したマザーボードアセンブリの端面図である。図２２は、マザーボードアセンブリの斜視図である。図２３は、マザーボードアセンブリの側面図である。図２４は、上昇位置にあるマザーボードアセンブリを示す。図２５は、マザーボードアセンブリと蓋部とを取り外した状態のコンピュータ筐体の斜視図である。図２６は、熱交換器の側面図である。図２７は、熱交換器を形成するのに用いられる一対の熱交換器プレートを示す。図２８は、熱交換器およびファンの斜視図である。図２９は、ハードドライブで使用するためのスノーケル接続部を示す。図３０Ａ、図３０Ｂおよび図３０Ｃは、ハードドライブ上におけるスノーケル接続部の使用を示す。図３１Ａ、図３１Ｂおよび図３１Ｃは、蓋部に実装された交流遮断機構の詳細を示す。

コンピュータシステムおよび電子発熱部品を用いる他のシステムの発熱部品を冷却するなど、数多くの電子装置を冷却するのに適した液体浸漬冷却システムについて説明する。コンピュータシステムの場合、液体浸漬冷却システムにより、例えば、３２〜６４、またはそれ以上のプロセッサコアシステム（８ソケット×８コア＝６４プロセッサ）の生成が可能なスケーラブルアーキテクチャを備えたデスクトップサイズのコンピュータを作ることが出来る。これらデスクトップサイズのコンピュータシステムの処理能力は、これまで広大な床面積を必要としていたスーパーコンピュータシステムと同レベルまたはそれ以上となっている。

本明細書に記載される概念が適用され得る電子装置としては、例えば、デスクトップコンピュータおよび、ラップトップコンピュータ、ゲームコンソール装置、ハンドヘルドデバイス（タブレットコンピュータ、ウエアラブルコンピュータおよび携帯情報端末（ＰＤＡ）など）を含むパーソナルコンピュータの他の形態、ブレードサーバを含むサーバ、ディスクアレイ／ストレージシステム、ストレージエリアネットワーク、ストレージ通信システム、ワークステーション、ルータ、電気通信インフラストラクチャー／スイッチ、有線、光および無線通信装置、セルプロセッサ装置、プリンタ、電源装置、ディスプレイ、光学装置、ハンドヘルドシステムを含む計装システム、軍用電子機器などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。ここで、上記概念について、デスクトップサイズのコンピュータに適用した場合について説明および図解する。ただし、上記概念は他の電子装置にも同様に適用されるものとする。

図２、図３Ａおよび図３Ｂは、液体浸漬冷却システム２２を用いたデスクトップサイズコンピュータ２０の一実施形態を示す。すべての稼動部品は誘電性液のタンクに浸漬された状態で示されている。このシステムでは、コンピュータシステムの電子的および熱的に稼動する部品に直接接触させて誘電性冷却液を使用する。このタイプの浸漬冷却システムに使用できる誘電性液としては、
・人工流体（３Ｍ（登録商標）ノベック（登録商標）（３Ｍ（登録商標）Ｎｏｖｅｃ（登録商標））など）
・鉱油、
・シリコーン油、
・天然エステル系油（大豆系油を含む）、
・合成エステル系油
が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これら誘電性流体の多くは、コンピュータ部品の火災を消火する能力も有する。コンピュータ部品を誘電性の消火流体に浸漬することにより、コンピュータ部品の故障に起因する火災の可能性が最小限に抑えられる。

初期の試験では３Ｍ（登録商標）ノベック（登録商標）（３Ｍ（登録商標）Ｎｏｖｅｃ（登録商標））誘電性液を用いていたが、鉱油やエステル系油のような他の誘電性液を用い得る。より高い沸点と熱伝達能力とを併せ持つ他の誘電性液を用いることも可能である。システムに含まれる部品が発生する熱量を処理できるだけの高い熱伝達能力があれば、これら冷却液は状態を変える必要はない。

図７、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、筐体１の蓋部２は、コンピュータマザーボード３０のコネクタ側に取り付けられ、マザーボードの入出力（ＩＯ）接続、ドータカード４のＩＯおよび電力のシステムに対する授受を可能にする。タンク蓋部２を開けて取り付けてある電子機器を持ち上げて筐体１から取り出すことにより、ドータカード４、増設プロセッサ６、電源カード５およびメモリカード８などの部品をシステムに追加することができる。加えて、ハードドライブ通気口に接続されハードドライブから筐体１の外部に延びる送気管１０と共にハードドライブ１１を筐体１に配置することができる。

少なくとも１つのポンプ１３が筐体１の上部から温かい液を移送し、周囲の熱交換器３に流す。図３Ｂおよび図１０に示すように、ポンプ１３は液体中に浸漬しても、または筐体１の外部に設置してもよい。クイックリリースホース接続部を備えた外部ポンプ１３を２つ用いると、一方のポンプでシステム循環を維持した状態のまま、故障したポンプのホットスワップを行うことができる。クイックリリースホース接続部を備えた外部ポンプ１３を１つ用いると、短いシステム停止時間で故障したポンプを交換することができる。

熱交換器３は、コンピュータ筐体１の外面および支持構造として機能し得る。筐体壁の大部分は、ラジエータ表面として機能し得る。空気を筐体の前から後ろへファンで押し出す現在のＡＴＸ（ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｘｔｅｎｄｅｄ）またはＢＴＸ（ＢａｌａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｘｔｅｎｄｅｄ）規格とは異なり、ここで開示するシステムは、筐体の下部から空気を取り込み、自然対流を利用して、取り込んだ空気の加熱上昇と共により多くの空気を上昇させる。熱交換器３の壁は、ボイラの冷却塔のように、上方に向かってテーパ状に形成され得る。このテーパ形状により対流が促進され、ファンなどの空気移動装置を使用せずにシステムを冷却することが可能となる。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、筐体１は冷却を必要とする稼動コンピュータ部品すべてを内蔵するのに十分な大きさである。また、冷却を必要とする必要不可欠な部品の上にノズルを備えた冷却液戻り配管４８のための空間を残すことが必要となる場合がある。ＣＰＵのような特定の高温領域に、戻り冷却液流を誘導するためのノズルを含めてもよい。

図５Ａ〜図５Ｃ、図６及び図９に示すように、蓋部２により筐体１の液密性および気密性が得られるだけでなく、蓋部２は、筐体１に対して、及び、コンピュータマザーボード３０とその中の部品に対して、外部部品のＩＯ、ストレージのＩＯおよび電力の授受を可能にするパススルーコネクタ７も含む。蓋部２は筐体１を封止するガスケットを有する。また、蓋部２は冷却材で筐体１を充填するための充填口３２を含み得る。

図７、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、マザーボード３０は、基本的には、現在のＡＴＸまたはＢＴＸ仕様のボードと機能的に同じである。但し、マザーボード３０は同じＩＯおよび電源コネクタを有さず、代わりに、ボードの上端に沿って、蓋部２の一部であるパススルーコネクタ７を係合するための接触部である連続した導電性パッド３４が並べられている。さらなるコンピュータ処理能力のための追加のプロセッサ６または他の部品を積み重ねたり、１つのタンクに複数のコンピュータを封入したりできるように、複数のマザーボードまたは他の回路基板を用い得る。この冷却システムにより、１つのタンクまたは相互接続してサーバまたはワークステーションラックシステムを構成し得る個々のタンクにおいて多くのコンピュータシステムを冷却することが可能となる。

図８Ａおよび図８Ｂに示すように、ドータカード４は、現在のＡＴＸまたはＢＴＸ仕様のボードと同じように、マザーボード３０に接続する。ドータカード４は、筐体１の外部へのＩＯパススルーを必要とするビデオカードおよびその他ＰＣＩまたはＰＣＩＥカードを含み得る。これらドータカード４には、外部ＩＯ接続を可能にするため液密性および気密性を有するガスケットが必要となる。

ＡＴＸまたはＢＴＸ設計とは異なり、電源５は、マザーボード配線への電力供給が不要なドータカード４であり得る。また、電源は、マザーボードと直接一体化し得る。外部ＡＣ接続が、パススルーコネクタを経て液体と液密性および気密性を有するガスケットとを備えた液体充填されたタンクへなされ得る。

図９に示すように、パススルーコネクタ７は、ＩＯおよび電力接続性のための液密性および気密性を有する電気導管を形成するように蓋部２に一体化される。パススルーコネクタ７は、筐体１の内部にあるマザーボード３０に取り付けられ、タンク１の外側にあるコネクタブレークアウト３６につながる。

（１つまたは複数の）ポンプ１３は、筐体１内に内部実装されて図１０に示すように液体に浸漬されるか、外部実装されるかのいずれかである。ポンプは、熱交換器３内でタンク１の内部から外部へ温かい冷却材を循環させるのに用いられる。同様に、液体は外部のハードドライブ冷却プレートを通じて循環させてもよい。ポンプ１３は、コンピュータの電源が入っていない場合にもスイッチが入り液体が循環できるように配線され得る。または、ポンプ１３は、コンピュータの電源が入っているときにのみスイッチが入るように配線され得る。コンピュータの電源が切られた後、筐体１内の液体には、浸漬部品から残留熱を除去するのに十二分な熱容量があるので、電源切断後の熱による損傷を確実になくすことができる。また、流量センサまたはポンプモニタが、冷却材の流れが停止または必要最小限の流速を下回ったことを示すので、浸漬部品が損傷する前にコンピュータのシャットダウン制御が完了できる。この実施形態により、空冷に依拠するコンピュータの突発的な故障の原因となるファンの故障の可能性を避けることができる。

図１０に示すように、ポンプ１３は、筐体１の左下端に示される。温かい冷却材は、タンク１の上部からタンク１の外側を経て熱交換器３へポンプで移送される。あるいは、ポンプ１３は、コンピュータの蓋部２に取り付けられてもよい。これにより、タンク１の最も暖かい領域から流体を直接取り入れることができ、古くなったポンプのメンテナンスおよび取替えをかなり容易に行うことが可能となる。

図１１Ａと図１１Ｂに示すように、ハードドライブまたはその他内部ストレージシステム１１も浸漬し得る。通気口を必要とする現在のプラッタ型の機械的ストレージシステムの筐体では、送気管１０を通気口の上に固定し、タンク１の外側への外気接続を可能にする。ドライブ１１の残りは、気体および液体が浸透しないように封止する。

プロセッサ６は、通常のベンダ指定ソケットを介してマザーボード３０に実装される。プロセッサ６を通常のベンダ指定温度に十分冷却するのに放熱器やその他器具をプロセッサ６に取り付ける必要のないことが試験で確認されているが、プロセッサ６のクロックアップのためにより低い動作温度やより高い熱伝達が必要な場合には、プロセッサ６からの熱伝導の露出表面積を大幅に増やす放熱器を用いてもよい。

図１２Ａと図１２Ｂに示すように、熱交換器３または熱交換器表面は、コンピュータ２０の外部シェルまたは筐体として機能し得る。温かい冷却液が筐体１内から熱交換器３にポンプで移送されると、液体は周囲温度にまで冷却される。熱交換器３を用いた液体の冷却は幾つかの手段の１つにより達成され得る。

・代表的な冷却システムと同様のコンプレッサ
・ペルチェ効果冷却
・ファンまたは他の空気移動機構を用いたラジエータ表面のアクティブ空冷
・周囲温度をできるだけ下げるように、熱伝導性を有する熱交換表面をできるだけ露出することによるパッシブ冷却。

図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、熱交換器３は内側および上方に向かって傾斜し、産業ボイラに見られるような冷却塔効果が得られるように設計される。このテーパ形状により、筐体１の底部付近からより多くの冷気を取り込み、冷気を自然上昇させて熱交換器３上部から排出させる熱伝導が生じる。熱交換器の底にある冷気流入ポート（図示せず）は、空気を通しながら熱交換器の外からのほこりや異物の混入を防止するためフィルタ材料で被覆し得る。空気を上昇させて冷却システムから排出するのを促すため、１つまたは複数のファンを用い得る。

冷却された液体がポンプで筐体１に戻されると、チューブまたは他の偏向／ルート手段を経て、最も熱的に稼動する部品全体に冷却材を加速流入させるインジェクタヘッドアセンブリに送られ得る。この加速流入された液体により、加熱された表面全体において冷却材の乱流の発生が促進される。この乱流により、実際には、加熱された表面に接触する液体の最初のいくつかの分子しか熱エネルギーを加熱表面から除去することができないために液体に対する熱の伝導が低い自然層流が壊される。

コンピュータ２０は、ＣＤ、ＤＶＤ、フロッピーおよびフラッシュドライブ（図示せず）などの外部リムーバブルストレージ装置も含み得る。加えて、外部ＩＯ、電源ボタンおよびその他ヒューマンインターフェース制御（図示せず）をパススルーコネクタ７に取り付けたり、硬質回路基板またはフレックス回路に搭載される。

図１２Ｂは、複数の熱交換器３を通る１つの可能な液体流路を示す。

１．ポンプ１３により、液体が筐体１の温い上部領域から、流入パイプ４０および排出パイプ４２を通って筐体１の外へ移送される（図１０参照）。排出パイプ４２は、熱交換器３の流入口４４に接続されている。

２．液体は、コンピュータ筐体の１つの側壁でもある熱交換器３へ流れて冷却される。

３．連結部４６により、液体は、筐体１の一方の側にある熱交換器３からコンピュータ筐体１の他方の側にある熱交換器３へ流れる。

４．冷却材は、筐体１の上記他方の側にある熱交換器３を流れる。

５．冷却液は、熱交換器から通路４８を通って筐体１の底部付近に戻り、そこで発熱電子機器および部品により温められ、また筐体１の上部に上昇してサイクルが再度始まる。

あるいは、冷却システムにおいて、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すような１つの熱交換器３を用いて以下の工程を行うことができる。

１．図１２Ｂの実施形態と同様に、液体がタンクの暖かい上部領域から筐体１の外へポンプで移送される。

３．冷却液は、通路５０を通ってタンク１の底部に戻り、そこで温められて筐体１の上部に上昇してサイクルが再度始まる。

図１４に示すように、コンピュータシステムは、アクティブまたはパッシブ対流冷却により冷却することができる。従来の設計において見られるように筐体の前部から後部へ空気を押し出すのではなく、空気は垂直方向に流れ、熱は上昇する。以下の工程で説明するように、冷却システム２２の設計はこれを活用する。

１．コンピュータ下からの冷気が、矢印５２で示すように上方に向かう。

２．熱交換器３は、その冷気が熱交換器と筐体１の外側との間で上方に流れるように設計されている。熱交換器３内部にある冷却材から熱が放出されるに従い、熱交換器３周囲の冷たい空気が加熱されて上昇する。

３．その空気は熱交換器３を流れ、システムの側面と上部とから排出される。ボイラ用冷却塔と全く同様に、この上昇空気によってより多くの冷気がシステム内に流れ込む。

冷却積層体の上部または下部に実装される１つまたはそれ以上のファンなどの空気移動装置を用いて空気流を促進し得る。しかし、用途によっては、パッシブな対流による空気流のみが必要とされ得る。

図１５〜図１６は、液体浸漬冷却システム２２を内蔵した試作コンピュータ８０を示す。筐体が透明であるため、筐体においてビデオボードおよびポンプが実装されているのが筐体側面から見えている。

図１７〜図１９は、別の液体浸漬冷却システム１０２を用いたパーソナルコンピュータ１００の別の実施形態を示す。コンピュータ１００は、液漏れ防止設計された液密な内部空間１０６（図２０）を有する筐体１０４を含むため、冷却液を充填することができる。ここで用いられる「筐体」とは、ハウジング、エンクロージャ部などを含むものとする。例示の実施形態では、筐体の側壁１０７は、内部空間１０６の少なくとも１つの側面を規定し、側壁１０７の一部１０９は、空間１０６の内部が見えるように半透明、好ましくは透明な材料で構成される。一部１０９に用いられる材料は、液漏れ防止容器を形成するのに適した材料であればどのような材料であってもよい。内部のコンピュータ部品を見えるようにする必要がある場合、半透明または透明な材料にする必要がある。好適な材料としては、ポリカーボネートが挙げられる。

また、筐体１０４は、液密な内部空間１０６の隣に非液密性空間１１１を含み、この非液密性空間には、コンピュータ１００の部品と冷却システム１０２とが以下のように配置される。

図１７および図２０を参照すると、筐体１０４は、その上部を閉じる蓋部１０８を含むが、蓋部１０８は空間１０６、１１１へのアクセスの際、取り外すことができる。蓋部１０８は、筐体を閉じる位置にあるときに筐体の内部空間１０６と共に液密シールを形成する封止材１１３（図２１および図２２に図示）を含む。加えて、蓋部１０８は、蓋部１０８を握りやすくし、接続されている内部コンピュータ部品を内部空間１０６から持ち上げやすくするハンドル１１０を含む。また、蓋部１０８は、パススルーコネクタ７と機能的に同様であるパススルーコネクタ１１２（図２２において一部見えている）を含み、パススルーコネクタ１１２にはマザーボードアセンブリ１１４が接続され、ＵＳＢポート、ビデオカード接続などの、蓋部１０８を介した空間１０６の内部および空間１０６の外部へのパススルー接続を可能にする。

図３１Ａ〜図３１Ｃに示すように、安全のため、蓋部１０８を開けた時に、コンピュータの電力を遮断して電気部品の動作を停止する交流遮断機構１１５も備えられる。例えば、機構１１５は、蓋部１０８に含まれるか、そうでなければ蓋部１０８に接続されるブリッジボード４００に交流電力を通すことにより達成され得る。ボード４００は、マザーボード３０２と支持部材３００とで構成されるマザーボードアセンブリ１１４に接続される。

ボード４００は、交流電力を受けるための交流電力ソケット４０２を含む。中性線４０４と接地線４０６は、電力ソケット４０２から、内部空間１０６につながるパススルーコネクタ１１２につながっている。加えて、熱線または送電線４０８は、ソケット４０２から、空間１１１につながる別のパススルーコネクタ１１２につながり、ボード４００の下を通って、ボード４００上部の戻り部４１０に戻っている。戻り部４１０は、交流電力を内部空間１０６内に送るパススルーコネクタ１１２に接続する。

図３１Ｃに図示さる外部ボード４１２は、空間１１１に固定されている。ボード４０２は、上部にＵ字型コネクタ４１４を含み、コネクタの一端は熱線４０８に接続し、他端は、蓋部１０８が所定の位置に設置されたときに戻り部４１０に接続する。

蓋部１０８を取り外して筐体を開けると、熱線４０８は外部ボード４１２上のコネクタ４１４から離れ、電気回路を開き、内部空間から交流電力を切断する。電流遮断機構１１５は、交流電力をブリッジボード４００上の２つのピンに通すことによっても実現され得る。これらピンを短絡させて電流を外部ボード４１２に戻す。筐体を開けると、ブリッジボード４００は、外部ボード４１２上のコネクタ４１４から離れる。

また、蓋部１０８は、空間１０６に冷却液を入れる開口部１１６も含む。開口部１１６は、取り外し可能なキャップでふさがれるが、冷却液を入れるときにはキャップは外される。さらに、蓋部１０８を所定の位置にロックするロック機構（図示せず）も含まれ得る。

図２０を参照すると、筐体１０４は、冷却液を筐体から排出するために開かれ得るドレインバルブ１１８（概略的に図示）を含み得る。バルブ１１８は、筐体の排水を行うための開閉可能なバルブであればどのようなタイプであってもよく、好ましくは手動のものが使用される。バルブ１１８は筐体１０４の底部にある内部空間の底部に配置して図示されているが、筐体上の他の適当な位置に配置し得る。筐体１０４の正面部は、ユーザが、モニタにつなげずに、そこからコンピュータ１００を操作できるタッチスクリーンディスプレイを有し得る。

マザーボードアセンブリ１１４は、コンピュータ１００の内部部品の多くを支持する支持体として機能する。マザーボードアセンブリ１１４は取り外し可能であり、蓋部１０８が上に持ち上げられたときにマザーボードアセンブリが筐体から持ち上げられるように内部空間１０６に配置される。図２０〜図２２を参照すると、マザーボードアセンブリ１１４は、浸漬された部品を支持するマザーボード３０２が配置された支持部材３００を含む。

図２４に示すように、マザーボードアセンブリ１１４は、その上端部で、パススルーコネクタ１１２に接続するフランジ１２２を介して蓋部１０８に固定される。加えて、支持部材３００に固定された一対のタブ１２３は、蓋部１０８に接続される。

マザーボードの部品の配置例を図２３に示す。この配置は、マザーボード３０２がほぼまたは完全ワイヤフリーになり、内部空間１０６の冷却液の移動を促進するように設計されている。図示のマザーボード３０２には、４つのＣＰＵおよび／またはＧＰＵ１２４と、ビデオ／マザーボードメモリカード１２６と、メモリカード１２７と、電源１２８と、制御チップ１３０とが実装されている。これら部品は、冷却液の流れを促進する冷却液流路が縦横に数多く規定されるよう互いに相関して配置される。例えば、縦流路は、ＣＰＵ／ＧＰＵ１２４間の流路１３２Ａと、制御チップ１３０間の流路１３２Ｂと、ＣＰＵ／ＧＰＵとメモリカード１２６、１２７との間の流路１３２Ｃとを含む。横流路は、例えば、ＣＰＵ／ＧＰＵ間の流路１３４Ａと、ＣＰＵ／ＧＰＵと制御チップ１３０との間の流路１３４Ｂと、ＣＰＵ／ＧＰＵと電源１２８との間の流路１３４Ｃとを含む。マザーボード１１４には、紫外線など、所望の光色／波長の生成が可能な複数セットの発光ダイオード（ＬＥＤ）１３６を分散した位置に実装することも可能である。ＬＥＤ１３６は、点灯されると、内部空間１０６の冷却液を蛍光にする。

放熱を促すため、マザーボード３０２上の発熱部品の一部またはすべてに放熱器が取り付けられ得る。放熱器の使用は、特定の部品が発生する熱量、および冷却液との直接接触による放熱に対してさらなる放熱が特定の部品に対して必要であるかどうかの判定によって決まる。

図２０〜図２３に示すように、放熱器１４０が、ＣＰＵ／ＧＰＵ１２４と制御チップ１３０に取り付けられて示されている。各放熱器１４０は、部品に固定された基板１４４から延びる複数の長いフィン１４２を含む。フィン１４２および基板１４４は、熱を伝導して部品から熱を除去する。加えて、フィン１４２は、冷却液が複数のフィンを流れて熱を冷却液に伝達可能にする流路を規定する。

放熱器１５０が、メモリカード１２６、１２７と電源１２８に同様に取り付けられる。放熱器１５０は、放熱器１４０と同様に、部品に固定された基板１５４に接続されたフィン１５２を含む。しかし、フィン１５２は短く、その軸長はフィン１４２よりもかなり小さい。それにもかかわらず、フィン１５２は、冷却液が複数のフィンを流れて熱を冷却液に伝達可能にする流路を規定する。

上述したように、マザーボードアセンブリ１１４は取り外し可能であり、蓋部１０８が上に持ち上げられたときにマザーボードアセンブリが内部空間１０６から持ち上げられるように内部空間１０６に配置される。図２４を参照すると、筐体１０４の内部空間１０６は、内部空間を規定する壁の対向端部に一対の溝１６０を含む。各溝１６０は、壁の上部から下部に延び、上部から下部まで連続している。図２２および図２４に示すように、マザーボードアセンブリの側端部には、溝１６０内でスライドする大きさに構成されたスライド１６２が備えられる。溝１６０およびスライド１６２は、マザーボードアセンブリ１１４が筐体から上方に持ち上げられたときや内部空間内に戻されるときにマザーボードアセンブリ１１４を導くようになっている。

図２１〜図２４を参照すると、内部空間１０６の外で上昇位置にあるマザーボードアセンブリ１１４を保持するため、１つまたはそれ以上のスライドロック機構１７０が備えられ得る。２つのスライドロック機構１７０が図示されているが、上昇位置にあるマザーボードアセンブリを保持するのに十分であると考えられる場合にはスライドロック機構は１つであってもよい。マザーボードアセンブリを上昇位置で保持することにより、マザーボード部品のメンテナンスおよび／または取替えがしやすくなる一方、アセンブリ１１４を上に持ち上げたときに冷却液が内部空間１０６に流れ落ちる。

スライドロック機構１７０は多くの構成を有し得る。例示の実施形態は、スライド１６２の一部を形成するストップ部材１７２を含んで示されている。ストップ部材１７２はマザーボードアセンブリに枢動可能に接続されているので、図２１〜図２３に示す位置と図２４に示す位置との間で回転できる。ストップ部材１７２は、バネ（図示せず）により（図２１において）反時計方向に付勢されるので、マザーボードアセンブリを持ち上げたとき、ストップ部材１７２は、溝１６０を離れると図２４に示す位置にまで自動的に回転する。

図２４に示す位置では、ストップ部材１７２は反時計方向への回転ができないので、ストップ部材１７２と溝１６０を形成する構造との抵触により、マザーボードアセンブリが内部空間１０６内に落ちるのを防ぐことができる。スライドロック機構１７０を解除するためには、マザーボードアセンブリをさらに上方に持ち上げ、ストップ部材を図２１〜図２３に示す位置まで時計方向に手で回す。その後、アセンブリを筐体内に戻す。

図１７および図２０を参照すると、浸漬冷却システム１０２は、筐体１０４内にある空間１１１に実装された熱交換器１８０と、内部空間１０６内部のマザーボード３０２に実装されたポンプ２１０と、内部空間１０６内にある誘電性冷却液とを含む。内部空間には、浸漬したい部品を浸漬するのに十分な誘電性冷却液を含むとよい。例えば、冷却液で内部空間１０６を実質的に充填し得ることにより、マザーボード上のすべての発熱部品が浸漬される。冷却システム１０２は、加熱された誘電性液を空間１０６内部から、空間１０６の外側にある、その液体が冷却される熱交換器１８０に導くよう設計されている。冷却された液体はその後、空間１０６に戻される。

熱交換器１８０は空間の外に位置し、図１８に示すようにコンピュータ１００の外壁を実質的に形成する。熱交換器１８０は、冷却用液が通過できるように構成される。例示の実施形態では、熱交換器１８０は、筐体１０４の実質的に１つの壁を形成する大きさである。図２６を参照すると、熱交換器１８０は、冷却液が入る流入口１８２と、冷却液が出る流出口１８４と、流入口１８２から流出口１８４へ延びる冷却液を熱交換器に流す少なくとも１つの流路とを含む。

熱交換器１８０は、冷却液が空間１０６へ戻される前に冷却液を許容温度にまで冷却できるのであれば、数多くの異なる構成を採り得る。熱交換器１８０の構成例を図２６と図２７に示す。この実施形態では、熱交換器１８０は、互いに連結された複数の同じプレート１８６を含む。各プレート１８６は各端部に穴１８８、１９０を含み、これら穴１８８、１９０は、使用時に誘電性液を収容する空間を形成する。プレート１８６はまた、一方向に延びるボスにより規定される複数の第１穴１９２と、反対方向に延びるボスにより規定される複数の第２穴１９４も含む。穴１８８、１９０も、穴１９２を規定するボスと同じ方向に延びるボスにより規定される。加えて、プレート１８６の中央部１９６は、穴１８８、１９０、１９２のボスの方向に突出しているので、プレート１８６の反対側は、周囲の縁部２００よりも下側に窪んでいる１９８。

熱交換器１８０を形成するため、第１のプレート１８６Ａを図２７に示すように裏返し、それから、例えば、縁部２００に沿って半田付けすることにより、２つのプレート１８６Ａ、１８６Ｂを一緒に固定する。２つの穴１８８は上部で位置合わせされ、２つの穴１９０は下部で位置合わせされる。加えて、穴１９４を規定するボスは互いに係合して２つのプレート１８６Ａ、１８６Ｂ間で多くの空気路を形成する。凹部１９８により、液体は、穴１８８から下方に流れ、穴１９４の係合ボスを通過して穴１９０に流れる。

そして、第３のプレート１８６は、接続されるプレートに対して裏返した状態でプレート１８６Ａ、１８６Ｂの１つに接続される。穴１８８、１９０を規定するボスは、穴１９２を規定するボスと同じように、互いに係合する。これにより、図２６に示すように、熱交換器の外側に連続した空気流路２０２を形成することができる。このプレート１８６を付加するプロセスは、必要な熱交換器の大きさになるまで繰り返される。熱交換器１８０の反対側端部にある２つのプレートでは、液体の漏出を防ぐために穴１９２、１９４は閉鎖される。加えて、流入口１８２を規定する流入口継手２０４は、開口部１８８を規定するボスに接続され、流出口１８４を規定する流出口継手２０６は、開口部１９０を形成するボスに接続される。熱交換器の他方の反対側端部では、開口部１８８、１９０は適当なキャップ２０８により閉鎖される。

熱交換器１８０の使用時には、冷却される液体は、流入口１８２から穴１８８により規定される熱交換器の上部にある空間に流れる。この液体は、凹部１９８において下方に流れ、穴１９４のボスを通過することができる。通過の際、液体は熱をボスに伝達する。同時に、空気が穴１９４の配列したボスに流れて熱を吸収できる。空気は流路２０２にも流れ、突出した中央部１９６とさらなる熱交換を行う。冷却された液体は、配列した穴１９０により規定される空間に集まり、ポンプ２１０により流出口１８４から送られ空間１０６に戻される。

図２０、図２２および図２３を参照すると、ポンプ２１０はマザーボード３０２上に実装され、使用時に誘電性液に浸漬される。ポンプ２１０は、液体を、空間の外へ送り、熱交換器を介して空間へ戻す循環を行える大きさに形成される。ポンプ２１０は、流入口２１２と流出口２１４とを有する遠心ポンプとして図示されている。流入口２１２は、その中を流れる冷却液を空間１０６から受け取り、蓋部１０８上に形成された流出ポート２１８に接続された流出口２１４にポンプで移送する。流出ポート２１８は蓋部１０８を通って延び、適当な配管により熱交換器流入口１８２に流動可能に接続されている。熱交換器流出口１８４は、適当な配管により、液体を空間１０６に戻せるよう蓋部を通り抜けて形成された流入ポート２２２に流動可能に接続されている。

熱が大量にある場所では、直接インピンジ冷却（direct impingement cooling）を用いて局所冷却を行うことができる。特に、図２０、図２２および図２３に示すように、スプレーバーアセンブリ２３０は、流入ポート２２２に接続されている。スプレーバーアセンブリ２３０は、縦流路１３２Ａに沿って延びる中央通路２３１と、横流路１３４Ａ〜１３４Ｃ（および空間１０６の底部）に沿って伸びる複数の分岐またはベント２３２とを含む。分岐２３２は、冷却された液体を部品１２４、１２６、１２７、１２８、１３０に直接導く穴２３４（図２０）を含む。穴２３４は液体を上方に導くため分岐２３２の上部にあるが、液体を部品に下方に導くため分岐の底部に備えてもよい。

熱交換器を通る空気流を発生させるため空気移動装置が備えられ得る。多くの異なる空気移動装置を用いることが可能で、例えば、ファンまたはイオン化装置を用いることができる。図面では、熱交換器１８０を通る空気の動きを発生させるためファン２４０を用いている。ファン２４０は、図２０、図２５および図２８において最も明瞭に図示されている。ファン２４０はコンピュータ１００の下部、熱交換器１８０の底面に位置する。例示の実施形態では、ファンは、熱交換器全体を通過する空気流を発生させるため熱交換器の実質的に全長に延びる空気流出口２４１を備えたリスかご型ファン（a squirrel-cage type fan）である。空気を濾過するためエアフィルタ２４２がファン２４０の流入口の前に配置されている。エアフィルタ２４２は、適当なエアフィルタであり得、例えば、高性能微粒子エアフィルタエア（ＨＥＰＡ）フィルタであり得る。フィルタ２４２は、スライド可能かつハンドル２４３を引っ張ることにより筐体１０４から取り外し可能に実装される。これにより、フィルタ２４２の掃除や取替フィルタの交換が可能となる。空気は、コンピュータの側面にある一連の空気穴２４４（図１８）を介してフィルタとファンに導入される。

コンピュータ１００は、筐体１０４の外側にあるドライブ機構２５０などの追加の特徴も含み得る。ドライブ機構２５０は、ＤＶＤドライブ、フロッピドライブ、ＣＤドライブ、ブルーレイドライブ、ＨＤドライブなどであり得る。加えて、１つまたはそれ以上のハードドライブ２５２は、筐体１０４の反対側からアクセス可能である。ハードドライブ２５２は、取替用ハードドライブと容易に取り替えられるように実装され得る。

実施形態によっては、ハードドライブ２５２は、誘電性液に浸漬された状態で筐体の内部空間１０６内に配置され得る。このような実施形態では、ハードドライブ内の空気圧と空間１０６の外部の空気圧を均等にする必要がある。図２９および図３０Ａ〜図３０Ｃは、圧力平衡を実現を支援する、ハードドライブ上の通気口２６１（図３０Ａ参照）に接続され得るスノーケル接続部２６０を示す。スノーケル接続部２６０は、通気口２６１（図３０Ｂ参照）の周りに嵌合しハードドライブ２５２と共に液密シールを形成して液体の流入を防止するように設計された環状キャップ２６２を含む。キャップ２６２から継手２６４が延出し、この継手２６４に通気管２６６が接続する。通気管２６６は空間１０６の外側に向けられるか、蓋部１０８を通って延びる継手に接続され得る。スノーケル接続部２６０により、ハードドライブと外気圧との間の圧力平衡が実現され、ハードドライブは誘電性液に浸漬された状態のまま適切に機能することが可能となる。

コンピュータ１００で用いられる誘電性液としては、上述した誘電性液であればどれでもよい。加えて、大豆系誘電性液を用いることができる。必要であれば、誘電性液に着色剤を添加して冷却液を特定の色にすることができる。側壁１０７の一部１０９は透明であるため、着色剤を誘電性液に添加することによりコンピュータの視覚な効果を変えられる。

Claims

コンピュータであって、
液密な内部空間を規定するハウジングと、前記内部空間の外部から前記内部空間への液体流入口と、前記内部空間からその外部への液体流出口と、
前記内部空間内に配置される前記コンピュータの完全な演算システムを形成し、演算プロセッサおよび電源を含む複数の電子的および熱的に稼動する部品と、
前記内部空間内にある誘電性冷却液であって、前記演算プロセッサおよび前記電源を含む前記稼動部品が前記冷却液に直接接触した状態で浸漬される誘電性冷却液と、
前記内部空間の外側で前記ハウジングに固定された熱交換器であって、前記内部空間の外部にある冷却液流入口と、前記内部空間の外部にある冷却液流出口と、前記冷却液流入口から前記冷却液流出口へ冷却液を流すための流路とを含む熱交換器と、
前記冷却液流出口を前記冷却液流入口に接続する第１の流体路と、前記冷却液流入口を前記冷却液流出口に接続する第２の流体路と
を含むコンピュータ。
前記部品は、メモリを含み、前記内部空間内にあるマザーボード上に配置されている、請求項１に記載のコンピュータ。
前記内部空間に配置され、前記誘電性冷却液に浸漬されるハードドライブ機構と、前記ハードドライブ機構に接続され、前記ハードドライブと外気圧との間の圧力平衡を実現するよう前記内部空間の外部と連通させたスノーケルとをさらに含む、請求項１に記載のコンピュータ。
冷却液を前記内部空間に対して流出入させるための流入口と流出口とを含むポンプをさらに含む、請求項１に記載のコンピュータ。
前記内部空間の上部を閉鎖するために前記ハウジングに取り外し可能に接続された蓋部であって、少なくとも１つのパススルーコネクタと、前記内部空間に配置され、かつ前記蓋部に取り付けられたマザーボードであって、入出力および／または電力を前記マザーボードに渡すことを可能にする前記パススルーコネクタに係合された電気的コンタクトを備えた上端部を有するマザーボードとを含む蓋部をさらに含む、請求項１に記載のコンピュータ。
前記誘電性冷却液の流れを前記演算プロセッサまたは前記電源上に直接導くための複数の管を含むインピンジ冷却システムをさらに含む、請求項１に記載のコンピュータ。
少なくとも部分的に前記内部空間の外において上昇位置にある前記マザーボードを保持するように構成された機構をさらに含み、前記マザーボードは、スライドをそれぞれ備えた側端部を含み、前記ハウジングは、互いに対向する壁のうちの２つの内面にそれぞれ配置されたマザーボードガイド溝を含み、前記スライドは前記マザーボードガイド溝内に位置しており、前記マザーボードを前記上昇位置で保持するように構成されたストップ部材が前記スライドの１つに設けられている、請求項５に記載のコンピュータ。
コンピュータの演算システムを冷却する方法であって、
前記演算システムは、複数の電子的および熱的に稼動する部品を含み、前記複数の電子的および熱的に稼動する部品は、完全な演算システムを形成し、演算プロセッサおよび電源を含み、
前記方法は、
前記完全な演算システムの前記稼動部品を前記コンピュータ内の内部空間にある誘電性冷却液に浸漬して前記稼動部品を前記冷却液に直接接触させるステップと、
前記誘電性冷却液を冷却するため前記コンピュータに実装された外部熱交換器に前記誘電性冷却液を循環させるステップと
を含む方法。
液体浸漬冷却されたコンピュータ用マザーボードアセンブリであって、
第１の表面および第１の軸を有するマザーボードと、
前記第１の表面に実装された前記コンピュータの完全な演算システムを形成し、演算プロセッサおよび電源を含む複数の電子的および熱的に稼動する部品とを含み、
前記部品は、前記第１の軸に平行な複数の第１液体流路と、前記第１の軸に垂直な複数の第２液体流路とを形成するよう前記第１の表面に互いに対して並べられ、前記マザーボードが液体に浸漬されたときに、前記複数の第１および第２流路が液体の流れを促進し、
前記マザーボードに接続されたインピンジ冷却システムは、前記誘電性冷却液の流れを前記演算プロセッサまたは前記電源上に直接導くための複数の管を含み、
前記マザーボードは、入出力および／または電力を前記マザーボードに渡すことを可能にするパススルーコネクタと係合するための電気的コンタクトを備えた上端部を有する
マザーボードアセンブリ。
液体浸漬冷却されたコンピュータ用のハウジングであって、
液密な内部空間を規定する複数の壁であって、前記壁の１つの一部が前記コンピュータの外部から見え、前記内部空間内にある物体を見えるようにする材料からなり、互いに対向する前記壁のうちの２つの内面にマザーボードガイド溝がそれぞれ配置されている壁と、
前記内部空間の上部を閉鎖する取り外し可能な蓋部であって、前記複数の壁と共に液密シールを形成し、前記内部空間に配置されるマザーボードに取り付けられるとともに前記内部空間と前記筐体の外部との間で電気的接続が得られるよう構成された、前記蓋部に固定された密封電気コネクタを含む蓋部と
を含むハウジング。
前記蓋部は、前記蓋部が開けられたときに前記内部空間への電力を遮断する電力遮断機構を含む、請求項１０に記載のハウジング。