JP3231749B2 - 電子システム及び電子モジュールの冷却方法 - Google Patents
電子システム及び電子モジュールの冷却方法Info
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- H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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- F25B39/02—Evaporators
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に冷媒によっ
て冷却される電子モジュールにおける、可変熱負荷状態
に関する問題を解決するシステム及び方法に関する。よ
り詳細には、本発明は、冷媒に追加の熱を供給すること
により、可変熱負荷レベルの冷却機能を有する電子シス
テム及び冷却方法に関する。
て冷却される電子モジュールにおける、可変熱負荷状態
に関する問題を解決するシステム及び方法に関する。よ
り詳細には、本発明は、冷媒に追加の熱を供給すること
により、可変熱負荷レベルの冷却機能を有する電子シス
テム及び冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ハイエンドコンピュータ処理システムの
最近のモデルでは、コンピュータ・システムを構成する
チップ及びモジュール内部で起こる熱エネルギーの放散
に関連する諸問題を解決するために、冷却ユニットが組
み込まれている。このような冷却システムは、例えば、
米国特許５９５４１２７号等に記載されている。
最近のモデルでは、コンピュータ・システムを構成する
チップ及びモジュール内部で起こる熱エネルギーの放散
に関連する諸問題を解決するために、冷却ユニットが組
み込まれている。このような冷却システムは、例えば、
米国特許５９５４１２７号等に記載されている。
【０００３】通常の冷却システムは、比較的固定した熱
負荷を扱うように設計されている。しかし、冷却要件の
変動は、様々な方法である程度対処することができる。
具体的には、コンプレッサを駆動するモータの速度を変
化させることができる。加えて、熱負荷の変動に対応す
るために、温度自動膨張弁や熱ガス・バイパス弁を使用
することもできる。しかし、これらすべての方法の問題
点は、その制御機能に関連する時定数が、本発明の目的
とする、冷却されるモジュール内で比較的に速い電力変
動が生じ得る、コンピュータのプロセッサ・モジュール
の適切な冷却のためには長すぎることである。加えて、
このような様々な熱負荷を処理する機構に使われる制御
システムは、非常に複雑である。こうした条件の結果と
して、熱負荷調整機構と回路モジュール内で発生する熱
エネルギーの間の時定数の不一致により、回路温度が所
望の温度より高くなり、あるいは最低温度レベルより低
下することがある。さらに、プロセッサ・モジュール内
の電力放散レベルがある低レベルまで低下すると重大な
問題が生じる。その場合、冷却システムの容量を超える
と、コンプレッサが蒸気ではなく液状の媒体を吸い込む
ことがある。こうなるとコンプレッサの寿命は大幅に減
少する。
負荷を扱うように設計されている。しかし、冷却要件の
変動は、様々な方法である程度対処することができる。
具体的には、コンプレッサを駆動するモータの速度を変
化させることができる。加えて、熱負荷の変動に対応す
るために、温度自動膨張弁や熱ガス・バイパス弁を使用
することもできる。しかし、これらすべての方法の問題
点は、その制御機能に関連する時定数が、本発明の目的
とする、冷却されるモジュール内で比較的に速い電力変
動が生じ得る、コンピュータのプロセッサ・モジュール
の適切な冷却のためには長すぎることである。加えて、
このような様々な熱負荷を処理する機構に使われる制御
システムは、非常に複雑である。こうした条件の結果と
して、熱負荷調整機構と回路モジュール内で発生する熱
エネルギーの間の時定数の不一致により、回路温度が所
望の温度より高くなり、あるいは最低温度レベルより低
下することがある。さらに、プロセッサ・モジュール内
の電力放散レベルがある低レベルまで低下すると重大な
問題が生じる。その場合、冷却システムの容量を超える
と、コンプレッサが蒸気ではなく液状の媒体を吸い込む
ことがある。こうなるとコンプレッサの寿命は大幅に減
少する。
【０００４】例えば、１キロワットの熱出力向けに設計
され、１キロワットの熱出力を放散するコンピュータ・
プロセッサ・モジュールを使用する場合、及び電力変動
により放散電力レベルが８００ワットに下がる場合、こ
のモジュールを冷却するために設計された冷却システム
内に２００ワット分の余剰容量がある。このため、冷却
ループ中の冷媒は蒸発器／冷却板中で完全に蒸発しきら
ないことがある。その結果、液状の冷媒がコンプレッサ
に戻り、コンプレッサの寿命が短縮する可能性がある。
というのは、このようなコンプレッサは気体で最も良く
動作するように設計されているからである。
され、１キロワットの熱出力を放散するコンピュータ・
プロセッサ・モジュールを使用する場合、及び電力変動
により放散電力レベルが８００ワットに下がる場合、こ
のモジュールを冷却するために設計された冷却システム
内に２００ワット分の余剰容量がある。このため、冷却
ループ中の冷媒は蒸発器／冷却板中で完全に蒸発しきら
ないことがある。その結果、液状の冷媒がコンプレッサ
に戻り、コンプレッサの寿命が短縮する可能性がある。
というのは、このようなコンプレッサは気体で最も良く
動作するように設計されているからである。
【０００５】冷却ユニットは固定した熱負荷を扱うよう
に設計されているため、それはここで考察しているシス
テムでは問題である。さらに、本発明の冷却システム
は、連続的に動作するように設計されている点で特に独
特である。これは、冷却システムで通常見られる動作方
式とは異なる。さらに、本発明の様々な実施形態におけ
る好ましい蒸発式冷却板は、分離した別々の複数の冷媒
通路を含む点で、さらに複雑になっている。これらの複
数の通路は、冗長通路及び冗長冷却ループを有する結
果、連続的な動作を保証するために設けられた別々の冷
却ループの一部をなす。
に設計されているため、それはここで考察しているシス
テムでは問題である。さらに、本発明の冷却システム
は、連続的に動作するように設計されている点で特に独
特である。これは、冷却システムで通常見られる動作方
式とは異なる。さらに、本発明の様々な実施形態におけ
る好ましい蒸発式冷却板は、分離した別々の複数の冷媒
通路を含む点で、さらに複雑になっている。これらの複
数の通路は、冗長通路及び冗長冷却ループを有する結
果、連続的な動作を保証するために設けられた別々の冷
却ループの一部をなす。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
一目的は、放散電力が変動する電子モジュールを冷却す
るための冷却システムを提供することである。
一目的は、放散電力が変動する電子モジュールを冷却す
るための冷却システムを提供することである。
【０００７】本発明の他の目的は、冷却ループ内のコン
プレッサに液状の冷媒が戻るのを防止することである。
プレッサに液状の冷媒が戻るのを防止することである。
【０００８】本発明の他の目的は、冷却される電子シス
テムの熱負荷変動の問題に対処するための複雑な制御シ
ステムを回避することである。
テムの熱負荷変動の問題に対処するための複雑な制御シ
ステムを回避することである。
【０００９】本発明の他の目的は、冷媒で冷却される電
子システムから放散される電力の変動を補償するため
に、システムに追加の熱を提供することである。
子システムから放散される電力の変動を補償するため
に、システムに追加の熱を提供することである。
【００１０】本発明の他の目的は、熱負荷変動に対し
て、他の熱補償方法によるよりも有効な時定数で速く補
償を行うことである。
て、他の熱補償方法によるよりも有効な時定数で速く補
償を行うことである。
【００１１】本発明の他の目的は、冗長構成用の複式冷
却ループを使用して、蒸発式冷却板システムにおける熱
変動のバランスをとることである。
却ループを使用して、蒸発式冷却板システムにおける熱
変動のバランスをとることである。
【００１２】本発明の他の目的は、回路チップ接合温度
が最高信頼性温度条件より高くなり、または所望の最低
温度より低下するのを防止することである。
が最高信頼性温度条件より高くなり、または所望の最低
温度より低下するのを防止することである。
【００１３】本発明の他の目的は、指定の冷却システム
内のコンプレッサの寿命を延長することである。
内のコンプレッサの寿命を延長することである。
【００１４】最後に、それだけに限定されるのではない
が、本発明の一目的は、冷媒で冷却される電子システム
で生じる熱変動を制御することである。
が、本発明の一目的は、冷媒で冷却される電子システム
で生じる熱変動を制御することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の一実施形態によ
れば、可変熱負荷レベルの冷却能力を有する電子システ
ムは、電子回路モジュールと、そのモジュールに熱接触
する冷却板とを備える。冷却板は冷媒を搬送するための
少くとも１本の通路をその内部に備える。モジュールに
供給される電力レベルを感知する手段が設けられてい
る。加えて、本発明にとって最も重要なことであるが、
冷媒及び冷却システムが受ける冷却負荷を比較的一定に
維持するように、冷媒を加熱する手段とその加熱を制御
する手段とが設けられている。本発明の一実施形態で
は、加熱手段は、冷却板の上部に取り付けられた平坦な
電気抵抗ヒータを備える。本発明の他の実施形態によれ
ば、本明細書で提供される追加の冷媒加熱は、冷媒を蒸
発器／冷却板からそれぞれのコンプレッサに戻すための
一方または両方の管路の周りに露出しているヒータによ
って行われる。冷媒の追加加熱は、蒸発器／冷却板の上
流でも行うことができる。しかし、下流の位置の方が好
ましい。
れば、可変熱負荷レベルの冷却能力を有する電子システ
ムは、電子回路モジュールと、そのモジュールに熱接触
する冷却板とを備える。冷却板は冷媒を搬送するための
少くとも１本の通路をその内部に備える。モジュールに
供給される電力レベルを感知する手段が設けられてい
る。加えて、本発明にとって最も重要なことであるが、
冷媒及び冷却システムが受ける冷却負荷を比較的一定に
維持するように、冷媒を加熱する手段とその加熱を制御
する手段とが設けられている。本発明の一実施形態で
は、加熱手段は、冷却板の上部に取り付けられた平坦な
電気抵抗ヒータを備える。本発明の他の実施形態によれ
ば、本明細書で提供される追加の冷媒加熱は、冷媒を蒸
発器／冷却板からそれぞれのコンプレッサに戻すための
一方または両方の管路の周りに露出しているヒータによ
って行われる。冷媒の追加加熱は、蒸発器／冷却板の上
流でも行うことができる。しかし、下流の位置の方が好
ましい。
【００１６】本発明の他の実施形態では、液状の冷媒が
コンプレッサに戻るのを防止する方法が提供される。こ
れは、冷媒が冷却板を出る時の状態を決定し、次にその
状態が液状かそれに近い状態にある条件で、冷媒に熱を
加えることによって達成される。本発明の好ましい実施
形態によれば、冷媒の状態はその圧力と温度を測定する
ことによって決定される。本発明のさらに他の実施形態
では、冷媒の状態がある時間にわたって監視され、シス
テムが冷却している電子モジュール中で生じる予想され
る温度低下の条件に応じて追加の熱が加えられる。
コンプレッサに戻るのを防止する方法が提供される。こ
れは、冷媒が冷却板を出る時の状態を決定し、次にその
状態が液状かそれに近い状態にある条件で、冷媒に熱を
加えることによって達成される。本発明の好ましい実施
形態によれば、冷媒の状態はその圧力と温度を測定する
ことによって決定される。本発明のさらに他の実施形態
では、冷媒の状態がある時間にわたって監視され、シス
テムが冷却している電子モジュール中で生じる予想され
る温度低下の条件に応じて追加の熱が加えられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の一実施形態を示
す。この実施形態では、電気ヒータ２０が冷却板１０の
上面に配置されている。冷却板１０の底部は冷却される
モジュールに熱接触している（図４参照）。具体的に
は、蒸発式冷却板１０は冷媒ループ１の入口ポート１３
と、同じく冷媒ループ１の出口ポート１１を備える。ル
ープ２中の冷媒は、入口ポート１２からプレート１０を
通って出口ポート１４へ逆方向に流れることが好まし
い。こうしたループの実施形態の隠れた部分は、図３に
破線でより詳細に示されている。ここに掲げた例は特
に、冷却板が２つの独立した冷却流体通路を含む場合を
対象とするものであるが、本発明は２つの通路に限定さ
れるものではない。冷却板は単一または複数の通路を含
むことが可能である。
す。この実施形態では、電気ヒータ２０が冷却板１０の
上面に配置されている。冷却板１０の底部は冷却される
モジュールに熱接触している（図４参照）。具体的に
は、蒸発式冷却板１０は冷媒ループ１の入口ポート１３
と、同じく冷媒ループ１の出口ポート１１を備える。ル
ープ２中の冷媒は、入口ポート１２からプレート１０を
通って出口ポート１４へ逆方向に流れることが好まし
い。こうしたループの実施形態の隠れた部分は、図３に
破線でより詳細に示されている。ここに掲げた例は特
に、冷却板が２つの独立した冷却流体通路を含む場合を
対象とするものであるが、本発明は２つの通路に限定さ
れるものではない。冷却板は単一または複数の通路を含
むことが可能である。
【００１８】図１に示す本発明の実施形態では、補助ヒ
ータ２０は電気絶縁性基板材料２４上に配置された抵抗
加熱素子２１を備える。追加加熱用の電力は、接触パッ
ド２２及び２３によって供給される。ヒータ２０と冷却
板１０の相対的な高さを図２に示す。加熱素子２１は、
好都合などんなパターンで配置することもできる。図の
パターンは特に、接触パッドの端部２２及び２３が隣接
した位置にあり、接続しやすいという利点がある。
ータ２０は電気絶縁性基板材料２４上に配置された抵抗
加熱素子２１を備える。追加加熱用の電力は、接触パッ
ド２２及び２３によって供給される。ヒータ２０と冷却
板１０の相対的な高さを図２に示す。加熱素子２１は、
好都合などんなパターンで配置することもできる。図の
パターンは特に、接触パッドの端部２２及び２３が隣接
した位置にあり、接続しやすいという利点がある。
【００１９】図３は本発明の代替実施形態を示し、それ
ぞれコンプレッサ９１及び９２への帰還管路１５及び１
６がそれぞれインライン・ヒータ３０及び３１を備え
る。これらのヒータは冷却されるモジュール内（図４の
４０番参照）での電力放散が低下した時に始動する。図
３はまた、冷却板１０中に複式通路セット１８及び１９
があることを破線で示す。この複式通路セットは、入口
ポート１３から出口ポート１１へ延びる通路１９と、入
口ポート１２から出口ポート１４へ延びる通路１８を含
む。
ぞれコンプレッサ９１及び９２への帰還管路１５及び１
６がそれぞれインライン・ヒータ３０及び３１を備え
る。これらのヒータは冷却されるモジュール内（図４の
４０番参照）での電力放散が低下した時に始動する。図
３はまた、冷却板１０中に複式通路セット１８及び１９
があることを破線で示す。この複式通路セットは、入口
ポート１３から出口ポート１１へ延びる通路１９と、入
口ポート１２から出口ポート１４へ延びる通路１８を含
む。
【００２０】図４に、それぞれのコンプレッサに戻る帰
還経路中の冷媒の状態を監視するために使用される制御
変数を示す。図４はまた、本発明を使用する環境の側面
図を示している。詳細には、電子（回路チップ）モジュ
ール４０上に位置するトランジスタ及びその他のデバイ
スの接合部の温度を維持するために冷却板１０が使用さ
れ、モジュール４０は、その中の回路が動作するための
接続配線（見えない）を含む下の基板５０上に配設され
ていることに留意されたい。
還経路中の冷媒の状態を監視するために使用される制御
変数を示す。図４はまた、本発明を使用する環境の側面
図を示している。詳細には、電子（回路チップ）モジュ
ール４０上に位置するトランジスタ及びその他のデバイ
スの接合部の温度を維持するために冷却板１０が使用さ
れ、モジュール４０は、その中の回路が動作するための
接続配線（見えない）を含む下の基板５０上に配設され
ていることに留意されたい。
【００２１】さらに、それぞれのコンプレッサに戻る帰
還経路中の冷媒の圧力を測定するための、圧力センサ６
３及び６４が配設されている。同様に、図の２本のルー
プを通る冷媒の温度を測定するための、温度センサ６１
及び６２も配設されている。これらの測定値は補助ヒー
タ２０への電力を制御する制御ユニット６０に供給され
る。図３のようにインライン・ヒータを使用する場合、
制御ユニット６０は、例えば温度センサ６５によって感
知されたモジュール４０内の電力レベルの低下を補償す
るために追加の熱入力を与えるように、これらの加熱ユ
ニットに供給される電力を制御する。尚、温度センサ６
５によって、モジュール４０内の電力レベルを測定せず
モジュールの素子に供給される。電力を電気的に測定す
ることも可能である。
還経路中の冷媒の圧力を測定するための、圧力センサ６
３及び６４が配設されている。同様に、図の２本のルー
プを通る冷媒の温度を測定するための、温度センサ６１
及び６２も配設されている。これらの測定値は補助ヒー
タ２０への電力を制御する制御ユニット６０に供給され
る。図３のようにインライン・ヒータを使用する場合、
制御ユニット６０は、例えば温度センサ６５によって感
知されたモジュール４０内の電力レベルの低下を補償す
るために追加の熱入力を与えるように、これらの加熱ユ
ニットに供給される電力を制御する。尚、温度センサ６
５によって、モジュール４０内の電力レベルを測定せず
モジュールの素子に供給される。電力を電気的に測定す
ることも可能である。
【００２２】本発明の代替実施形態では、図３に示すよ
うに別々の２つのインライン・ヒータを使用するのでは
なく、図５の示すように単一のインライン・ヒータ３２
を使用することも可能である。ただし、それぞれのコン
プレッサに戻る帰還管路１５及び１６が単一のインライ
ン・ヒータ・ユニット３２を通る間、この２本の管路中
の冷媒の間で液体の交換がないことに留意されたい。信
頼性を保つために２本の冷媒ループは常に独立して維持
され、両者の間に液体の交換はない。また、図の実施形
態は２本の独立した冷媒ループしか含まないが、このよ
うなループは何本でも使用可能であることにも留意され
たい。ループの本数は冷却板内にある管路のサイズの実
質的な制限によってのみ制約される。
うに別々の２つのインライン・ヒータを使用するのでは
なく、図５の示すように単一のインライン・ヒータ３２
を使用することも可能である。ただし、それぞれのコン
プレッサに戻る帰還管路１５及び１６が単一のインライ
ン・ヒータ・ユニット３２を通る間、この２本の管路中
の冷媒の間で液体の交換がないことに留意されたい。信
頼性を保つために２本の冷媒ループは常に独立して維持
され、両者の間に液体の交換はない。また、図の実施形
態は２本の独立した冷媒ループしか含まないが、このよ
うなループは何本でも使用可能であることにも留意され
たい。ループの本数は冷却板内にある管路のサイズの実
質的な制限によってのみ制約される。
【００２３】図６に、本発明で適用できる制御方法の原
理を示す。詳細には、制御ユニット６０は、圧力、温
度、及び測定値によって、それぞれのコンプレッサに戻
る冷媒の相を決定する。液相の冷媒が戻りつつあると判
定された場合、またはコンプレッサに戻っている冷媒の
相が図６に示すようなガード帯相の範囲内にあると判定
された場合、制御ユニット６０は補助ヒータ２０、３０
または３０'に電力を供給して追加の熱を加える。図６
に示されるガード帯は、プラス／マイナス約１．７℃
（華氏３度）の温度範囲に相当する。
理を示す。詳細には、制御ユニット６０は、圧力、温
度、及び測定値によって、それぞれのコンプレッサに戻
る冷媒の相を決定する。液相の冷媒が戻りつつあると判
定された場合、またはコンプレッサに戻っている冷媒の
相が図６に示すようなガード帯相の範囲内にあると判定
された場合、制御ユニット６０は補助ヒータ２０、３０
または３０'に電力を供給して追加の熱を加える。図６
に示されるガード帯は、プラス／マイナス約１．７℃
（華氏３度）の温度範囲に相当する。
【００２４】使用するそれぞれの補助ヒータの容量を確
定するには、２つのオプションがある。一実施形態で
は、補助ヒータは、冷却される電子モジュール内で発生
する全電力を提供するのに十分なサイズとする。この場
合、モジュールの電源が切断されても、冷却ユニットは
そのまま稼働することができ、補助ヒータが本質的に全
熱負荷を構成する。例えば、電子モジュールが１キロワ
ットの電力を発生するように設計されている場合、補助
ヒータもまた、１キロワットの電力を発生させるサイズ
となる。しかし、もう１つのより望ましいオプション
は、補助ヒータをモジュール内で生じる通常の電力変動
に対応するサイズにするというものである。このオプシ
ョンは、ヒータがより小さく、より扱いやすくなる。例
えば、この場合にモジュールがやはり１キロワットの電
力を発生するように設計され、通常のシステム使用にお
ける変動が２００ワットであるとすると、補助ヒータは
丸々１キロワットではなく２００ワットの変動に応じた
サイズで済む。ただし、補助ヒータが電子モジュール内
で発生する全熱負荷を補償するように設計されている場
合、このインライン・ヒータのオプションは望ましくな
いことに留意されたい。というのは、このようなインラ
イン・ヒータは通常こうした電力レベルでは使用できな
いからである。ただし、インライン補助ヒータに関して
は、それらは蒸発板の上流に配設することが可能である
ことにも留意されたい。
定するには、２つのオプションがある。一実施形態で
は、補助ヒータは、冷却される電子モジュール内で発生
する全電力を提供するのに十分なサイズとする。この場
合、モジュールの電源が切断されても、冷却ユニットは
そのまま稼働することができ、補助ヒータが本質的に全
熱負荷を構成する。例えば、電子モジュールが１キロワ
ットの電力を発生するように設計されている場合、補助
ヒータもまた、１キロワットの電力を発生させるサイズ
となる。しかし、もう１つのより望ましいオプション
は、補助ヒータをモジュール内で生じる通常の電力変動
に対応するサイズにするというものである。このオプシ
ョンは、ヒータがより小さく、より扱いやすくなる。例
えば、この場合にモジュールがやはり１キロワットの電
力を発生するように設計され、通常のシステム使用にお
ける変動が２００ワットであるとすると、補助ヒータは
丸々１キロワットではなく２００ワットの変動に応じた
サイズで済む。ただし、補助ヒータが電子モジュール内
で発生する全熱負荷を補償するように設計されている場
合、このインライン・ヒータのオプションは望ましくな
いことに留意されたい。というのは、このようなインラ
イン・ヒータは通常こうした電力レベルでは使用できな
いからである。ただし、インライン補助ヒータに関して
は、それらは蒸発板の上流に配設することが可能である
ことにも留意されたい。
【００２５】しかし、本発明の好ましい実施形態では、
補助ヒータの設計は図１及び図２に示すとおりである。
この補助ヒータの形態では、この装置は蒸発式冷却板の
上面に取り付けた箔、フィルム、またはマット製のヒー
タである。この構成を図１及び図２に示す。ヒータは電
源に接続され、図４に示すようにセンサによって制御さ
れる。こうした補助ヒータ設計の利点の一つは、冷却板
に複式ループ冷媒通路がある場合でも、ヒータは１つし
か必要でないことである。また、これに関して、本発明
の使用は複式冷媒ループを備える冷却板だけに限定され
るものではないことにも留意されたい。
補助ヒータの設計は図１及び図２に示すとおりである。
この補助ヒータの形態では、この装置は蒸発式冷却板の
上面に取り付けた箔、フィルム、またはマット製のヒー
タである。この構成を図１及び図２に示す。ヒータは電
源に接続され、図４に示すようにセンサによって制御さ
れる。こうした補助ヒータ設計の利点の一つは、冷却板
に複式ループ冷媒通路がある場合でも、ヒータは１つし
か必要でないことである。また、これに関して、本発明
の使用は複式冷媒ループを備える冷却板だけに限定され
るものではないことにも留意されたい。
【００２６】補助ヒータの制御は、図６に示す状態図を
検討することにより最もよく理解される。補助ヒータの
制御は、蒸発式冷却板のすぐ下流の温度と圧力を監視す
ることにより最も容易かつ正確に行われる。しかし、他
のセンサや他の感知位置も使用できる。温度特性と圧力
特性が分かれば、コンプレッサに戻る帰還経路中の冷媒
の流れの中に、液体が存在する可能性があるか否かに関
する、ほぼ即時的なリアルタイムの判定が可能となる。
さらに、実際の制御方式には、追加電力の増減が必要か
どうかを判定するために、これらの特性の変化率を監視
することを含むことが好ましい。これにより、まもなく
生じる熱負荷と冷媒の相状態を予期して制御することが
できるシステムが得られる。
検討することにより最もよく理解される。補助ヒータの
制御は、蒸発式冷却板のすぐ下流の温度と圧力を監視す
ることにより最も容易かつ正確に行われる。しかし、他
のセンサや他の感知位置も使用できる。温度特性と圧力
特性が分かれば、コンプレッサに戻る帰還経路中の冷媒
の流れの中に、液体が存在する可能性があるか否かに関
する、ほぼ即時的なリアルタイムの判定が可能となる。
さらに、実際の制御方式には、追加電力の増減が必要か
どうかを判定するために、これらの特性の変化率を監視
することを含むことが好ましい。これにより、まもなく
生じる熱負荷と冷媒の相状態を予期して制御することが
できるシステムが得られる。
【００２７】インライン・ヒータを使用した実施形態を
図３に示す。この図では、図１及び図２の単一の補助ヒ
ータ２０が、各冷媒帰還管路ごとのインライン・ヒータ
３０、３１で置き換えられている。したがって、複式通
路蒸発式冷却板では２つのインライン・ヒータが必要と
なる。実際のヒータは、カートリッジ・ヒータや、１本
または複数の帰還管路を含むフォイル・ヒータなど、適
切などんな設計を備えることもできる。この第２の手段
は通常、十分な表面積がないため、モジュール設計の負
荷に匹敵する追加の熱負荷を供給できるとは考えられに
くい。しかし、この方法を使用してモジュール内の通常
の変動を緩和することができ、したがって冷却システム
の全熱負荷が比較的一定になり、コンプレッサが液状の
冷媒を吸い込むことがなくなる。図３の実施形態はま
た、蒸発式冷却板を出てコンプレッサに入る冷媒が必ず
完全に蒸気となるようにするためにも補充的な目的で使
用される。しかし、電子モジュールの電力レベルは変動
するため、この下流位置には実際の回路温度を調整する
効果はない。しかし、先に指摘したように、蒸発式冷却
板の上流に位置するインライン補助ヒータを使用すると
いうもう１つのオプションがある。この位置では、それ
らのヒータを使用してモジュールの電力が低下した時に
冷媒を予熱することができ、それによって、回路の温度
安定性を高めることができる。
図３に示す。この図では、図１及び図２の単一の補助ヒ
ータ２０が、各冷媒帰還管路ごとのインライン・ヒータ
３０、３１で置き換えられている。したがって、複式通
路蒸発式冷却板では２つのインライン・ヒータが必要と
なる。実際のヒータは、カートリッジ・ヒータや、１本
または複数の帰還管路を含むフォイル・ヒータなど、適
切などんな設計を備えることもできる。この第２の手段
は通常、十分な表面積がないため、モジュール設計の負
荷に匹敵する追加の熱負荷を供給できるとは考えられに
くい。しかし、この方法を使用してモジュール内の通常
の変動を緩和することができ、したがって冷却システム
の全熱負荷が比較的一定になり、コンプレッサが液状の
冷媒を吸い込むことがなくなる。図３の実施形態はま
た、蒸発式冷却板を出てコンプレッサに入る冷媒が必ず
完全に蒸気となるようにするためにも補充的な目的で使
用される。しかし、電子モジュールの電力レベルは変動
するため、この下流位置には実際の回路温度を調整する
効果はない。しかし、先に指摘したように、蒸発式冷却
板の上流に位置するインライン補助ヒータを使用すると
いうもう１つのオプションがある。この位置では、それ
らのヒータを使用してモジュールの電力が低下した時に
冷媒を予熱することができ、それによって、回路の温度
安定性を高めることができる。
【００２８】以上のことから、本明細書で述べた目的は
すべて上に説明された方法及びシステムによって満たさ
れたことを理解されたい。具体的には、電子モジュール
の電力変動を補償するために、冷媒で冷却される電子モ
ジュールと蒸発式冷却板に追加の熱を供給する方法及び
システムが提供されることがわかる。
すべて上に説明された方法及びシステムによって満たさ
れたことを理解されたい。具体的には、電子モジュール
の電力変動を補償するために、冷媒で冷却される電子モ
ジュールと蒸発式冷却板に追加の熱を供給する方法及び
システムが提供されることがわかる。
【００２９】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００３０】（１）可変熱負荷レベルの冷却機能を有す
る電子システムであって、電子回路モジュールと、前記
モジュールに熱接触し、冷媒を移送するための１本また
は複数の通路を備えた冷却板と、前記モジュールに供給
される電力を感知する手段と、前記冷媒を加熱する手段
と、前記冷媒に対してほぼ一定の冷却負荷を維持するよ
うに前記加熱手段を制御する手段とを含む電子システ
ム。 （２）前記冷却板が別々の冷媒ループ用の２つの通路を
備える、上記（１）に記載のシステム。 （３）前記感知手段が前記モジュールに熱接触して配設
された温度センサを備える、上記（１）に記載のシステ
ム。 （４）前記感知手段が前記冷媒の圧力センサ及び温度セ
ンサを備える、上記（１）に記載のシステム。 （５）前記圧力及び温度感知手段が前記冷却板のほぼす
ぐ下流に位置する、上記（４）に記載のシステム。 （６）前記加熱手段が前記冷却板上に電気抵抗加熱素子
を備える、上記（１）に記載のシステム。 （７）前記加熱手段が、前記冷媒を搬送するための１本
または複数の管路を囲むインライン・ヒータを備える、
上記（１）に記載のシステム。 （８）前記冷却板が複数の冷媒通路を備える、上記
（１）に記載のシステム。 （９）冷媒が通る冷却板に熱接触する電子モジュールを
冷却するための冷却システムのコンプレッサに前記冷媒
が戻るのを防止する方法であって、前記冷媒がコンプレ
ッサに戻る前にその状態を決定するステップと、前記冷
媒が液状またはそれに近い状態にある場合に、前記冷媒
に熱を加えるステップとを含む方法。 （１０）前記冷媒の状態が圧力及び温度を測定すること
によって決定される、上記（９）に記載の方法。 （１１）一定期間にわたって前記冷媒の状態を監視する
ステップをさらに含み、前記加熱が、予想される相の状
態に応じて行われる、上記（９）に記載の方法。 （１２）前記冷媒が前記冷却板から出る時に前記冷媒状
態の決定が行われる、上記（９）に記載の方法。
る電子システムであって、電子回路モジュールと、前記
モジュールに熱接触し、冷媒を移送するための１本また
は複数の通路を備えた冷却板と、前記モジュールに供給
される電力を感知する手段と、前記冷媒を加熱する手段
と、前記冷媒に対してほぼ一定の冷却負荷を維持するよ
うに前記加熱手段を制御する手段とを含む電子システ
ム。 （２）前記冷却板が別々の冷媒ループ用の２つの通路を
備える、上記（１）に記載のシステム。 （３）前記感知手段が前記モジュールに熱接触して配設
された温度センサを備える、上記（１）に記載のシステ
ム。 （４）前記感知手段が前記冷媒の圧力センサ及び温度セ
ンサを備える、上記（１）に記載のシステム。 （５）前記圧力及び温度感知手段が前記冷却板のほぼす
ぐ下流に位置する、上記（４）に記載のシステム。 （６）前記加熱手段が前記冷却板上に電気抵抗加熱素子
を備える、上記（１）に記載のシステム。 （７）前記加熱手段が、前記冷媒を搬送するための１本
または複数の管路を囲むインライン・ヒータを備える、
上記（１）に記載のシステム。 （８）前記冷却板が複数の冷媒通路を備える、上記
（１）に記載のシステム。 （９）冷媒が通る冷却板に熱接触する電子モジュールを
冷却するための冷却システムのコンプレッサに前記冷媒
が戻るのを防止する方法であって、前記冷媒がコンプレ
ッサに戻る前にその状態を決定するステップと、前記冷
媒が液状またはそれに近い状態にある場合に、前記冷媒
に熱を加えるステップとを含む方法。 （１０）前記冷媒の状態が圧力及び温度を測定すること
によって決定される、上記（９）に記載の方法。 （１１）一定期間にわたって前記冷媒の状態を監視する
ステップをさらに含み、前記加熱が、予想される相の状
態に応じて行われる、上記（９）に記載の方法。 （１２）前記冷媒が前記冷却板から出る時に前記冷媒状
態の決定が行われる、上記（９）に記載の方法。
【図１】本発明の一実施形態に基づく蒸発式冷却板と電
気抵抗加熱素子を表す上面図である。
気抵抗加熱素子を表す上面図である。
【図２】図１の冷却板の側面図である。
【図３】コンプレッサに戻る別々の帰還経路にそれぞれ
インライン・ヒータが使用されている、本発明の代替実
施形態を示す上面図である。
インライン・ヒータが使用されている、本発明の代替実
施形態を示す上面図である。
【図４】本発明に使用される制御機構の側面図である。
【図５】コンプレッサの導入口に接続された２本の管路
の周りに単一のインライン・ヒータが配置されている、
本発明の他の実施形態を表す側面図である。
の周りに単一のインライン・ヒータが配置されている、
本発明の他の実施形態を表す側面図である。
【図６】典型的な冷媒の液相及び気相の領域を追加の熱
レベルを制御するための所望のガード帯と共に示す、圧
力と温度の関係を示したグラフである。
レベルを制御するための所望のガード帯と共に示す、圧
力と温度の関係を示したグラフである。
１ 冷媒ループ ２ ループ １０ 冷却板 １０ プレート １１ 出口ポート １２ 入口ポート １３ 入口ポート １４ 入口ポート １５ 帰還管路 １６ 帰還管路 １８ 通路 １９ 通路 ２０ 補助ヒータ ２１ 抵抗加熱素子 ２２ 接触パッド ２３ 接触パッド ２４ 電気絶縁性基板材料 ３０ 補助ヒータ ３１ インライン・ヒータ ３２ インライン・ヒータ ４０ 電子（回路チップ）モジュール ６０ 制御ユニット ６１ 温度センサ ６２ 温度センサ ６３ 圧力センサ ６４ 圧力センサ ６５ 温度センサ ９１ コンプレッサ ９２ コンプレッサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレゴリー・エム・クライスラー アメリカ合衆国85226 アリゾナ州チャ ンドラー ノース・ダイアン・コート 411 (56)参考文献 特開 昭62−79655（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−221233（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−127144（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−53154（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭54−135167（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473
Claims (12)
- 【請求項１】可変熱負荷レベルの冷却機能を有する電子
システムであって、 電子回路モジュールと、 前記モジュールに熱接触し、冷媒を移送するための１本
または複数の通路を備えた冷却板と、 前記モジュールに供給される電力を感知する感知手段
と、 前記冷媒を加熱する加熱手段と、 前記冷媒に対してほぼ一定の冷却負荷を維持するように
前記加熱手段を制御する制御手段とを含む電子システ
ム。 - 【請求項２】前記冷却板が別々の冷媒ループ用の２つの
通路を備える、請求項１に記載のシステム。 - 【請求項３】前記感知手段が前記モジュールに熱接触し
て配設された温度センサを備える、請求項１に記載のシ
ステム。 - 【請求項４】前記感知手段が前記冷媒の圧力センサ及び
温度センサを備える、請求項１に記載のシステム。 - 【請求項５】前記圧力センサ及び温度センサが前記冷却
板のほぼすぐ下流に位置する、請求項４に記載のシステ
ム。 - 【請求項６】前記加熱手段が前記冷却板上に電気抵抗加
熱素子を備える、請求項１に記載のシステム。 - 【請求項７】前記加熱手段が、前記冷媒を搬送するため
の１本または複数の管路を囲むインライン・ヒータを備
える、請求項１に記載のシステム。 - 【請求項８】冷媒が通る冷却板に熱接触する電子モジュ
ールを冷却するための冷却システムのコンプレッサに、
液相状態で前記冷媒が戻るのを防止する方法であって、 前記冷媒がコンプレッサに戻る前にその状態を決定する
ステップと、 前記冷媒が液相状態で前記コンプレッサに戻る可能性が
ある場合に、前記冷媒に熱を加えるステップとを含む方
法。 - 【請求項９】冷媒が通る冷却板に熱接触する電子モジュ
ールを冷却するための冷却システムのコンプレッサに、
所定の相状態で前記冷媒が戻るのを防止する方法であっ
て、 前記冷媒がコンプレッサに戻る前にその状態を決定する
ステップと、 前記冷媒が予め定められた状態にある場合に、前記冷媒
に熱を加えるステップとを含む方法。 - 【請求項１０】前記冷媒の状態が圧力及び温度を測定す
ることによって決定される、請求項９に記載の方法。 - 【請求項１１】一定期間にわたって前記冷媒の状態を監
視するステップをさらに含み、前記加熱が、予想される
相の状態に応じて行われる、請求項９に記載の方法。 - 【請求項１２】前記冷媒が前記冷却板から出る時に前記
冷媒状態の決定が行われる、請求項９に記載の方法。
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000075052A Expired - Fee Related JP3231749B2 (ja) | 1999-03-29 | 2000-03-17 | 電子システム及び電子モジュールの冷却方法 |
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| US8790089B2 (en) * | 2008-06-29 | 2014-07-29 | Bristol Compressors International, Inc. | Compressor speed control system for bearing reliability |
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| US8783052B2 (en) | 2010-11-04 | 2014-07-22 | International Business Machines Corporation | Coolant-buffered, vapor-compression refrigeration with thermal storage and compressor cycling |
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| US20120111038A1 (en) | 2010-11-04 | 2012-05-10 | International Business Machines Corporation | Vapor-compression refrigeration apparatus with backup air-cooled heat sink and auxiliary refrigerant heater |
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| US9027360B2 (en) * | 2011-05-06 | 2015-05-12 | International Business Machines Corporation | Thermoelectric-enhanced, liquid-based cooling of a multi-component electronic system |
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| US9207002B2 (en) | 2011-10-12 | 2015-12-08 | International Business Machines Corporation | Contaminant separator for a vapor-compression refrigeration apparatus |
| US8687364B2 (en) | 2011-10-28 | 2014-04-01 | International Business Machines Corporation | Directly connected heat exchanger tube section and coolant-cooled structure |
| US9043035B2 (en) | 2011-11-29 | 2015-05-26 | International Business Machines Corporation | Dynamically limiting energy consumed by cooling apparatus |
| US8913384B2 (en) | 2012-06-20 | 2014-12-16 | International Business Machines Corporation | Thermal transfer structures coupling electronics card(s) to coolant-cooled structure(s) |
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| CN109104840A (zh) * | 2017-06-20 | 2018-12-28 | 昆山研达电脑科技有限公司 | 行车记录仪散热方法 |
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| CN210242511U (zh) * | 2018-07-26 | 2020-04-03 | 达纳加拿大公司 | 具有平行流动特征以增强热传导的热交换器 |
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2000
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- 2000-12-19 US US09/740,456 patent/US20010000880A1/en not_active Abandoned
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|---|---|
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