JP4809184B2 - 電子システム内の部品の衝突冷却 - Google Patents

Description

本発明は、電子システム内の部品の冷却装置に関し、特に衝突冷却によって電子システム内の部品の冷却を行う冷却装置に関する。

マイクロプロセッサシステム等の高出力電子システムの冷却は、はるかに強力なプロセッサが望まれるとともにより小さなシステムフォームファクタが同様に強く望まれている結果、近年ではますます困難になってきている。したがって、より高速且つ高性能の半導体の導入に伴って、熱集中の問題が増えている。１００ワットを超える電力を消費する半導体チップが発生する熱エネルギーは非常に大きい。

種々の構造及び技法を用いて、適切な熱工学を実現することができる。熱は、マイクロ電子チップによって発生され、周囲の空気流へと除去される。流れる熱は、熱除去を妨げる熱抵抗に当たる。半導体及び集積回路の性能及び信頼性は、温度によって絶対的な制約を受ける。故障率は、接合部温度の上昇とともに急激に高まり、これに伴って、熱暴走、ゲート絶縁耐圧、エレクトロマイグレーション拡散（electro-migration diffusion）、接合部疲労、電気パラメータシフト等、いずれも半導体故障を引き起こし得る側面を含む、無数のデバイス温度関連故障モードが生じる。

熱工学手法は通常、処理システムキャビネットに単純な通気孔又は通気スロットを設けること及び電動ファンを設置することを含んだ、処理ユニットの周囲の空気を換気することを伴う。他の熱工学手法は、放熱する電子部品及び電子デバイス又はその付近に取り付けられたファン型アセンブリの使用を含む。これらの技法は一般的に、名目上の利益を実現するが、多くの場合、システム費用及び複雑性の不相応な増加を必然的に伴う。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、システム費用及び複雑性を増加させることなく高出力電子システムを効果的に冷却することのできる冷却装置を提供することを目的とする。

電子システム内の電子部品を衝突冷却するように構成された冷却装置の一実施形態によれば、大きな圧力勾配を与えるように構成されたエアムーバが、１つ又は複数の柔軟なチューブセグメントを介して１つ又は複数のヒートシンクに空気流を供給する。柔軟なチューブセグメントは、エアムーバに結合され、衝突冷却のためにヒートシンクに空気流を導くように構成される。

構造及び動作方法の両方に関する本発明の実施の形態は、以下の説明及び添付図面を参照することによって最もよく理解することができる。

例えばタービン型ブロワ、高出力ファン、又は他の適切なデバイス等の、比較的高出力のエアムーバは、非常に高い静圧で高い空気流量を可能にすることにより、伝熱係数を増加又は最大化させる。エアムーバは、高速空気流を発生させて小さな内径を有するチューブに高速空気流を送り込むことにより、大きな圧力降下を得る。圧力降下は、摩擦及び乱流により生じるエネルギー損失を反映する。エアムーバの１つの可能な使用法では、非常に小さな直径のチューブが高速空気流をヒートシンクに導いて、衝突冷却を可能にする。

比較的高出力のエアムーバと小さな断面の内腔を有する柔軟なチューブとが組み合わさって、非常に高速で且つできるだけ少ない空気量で空気を送る。エアムーバの高出力性能とチューブの内腔の小さな断面積が、圧力降下を大きくし、ヒートシンクの入口へ直接導かれる空気流によって効率的な衝突冷却に非常に適した状態が生み出される。

種々の構成では、空気流は、押し出し機構又は引き込み機構（push or pull arrangements）を用いてヒートシンクに吹き付けられる。例えば、空気は、ヒートシンクの入口側に直接吹き付けることによって供給することができる。別の例では、ヒートシンクの出口側から空気を引き込むようにエアムーバを接続することができる。

本明細書に開示される熱技術及び構造は、冷却効果を高めるために高速空気流を発生させる。高速空気流を送るための柔軟なチューブの使用により、正確な空気流制御が可能になる。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、それぞれの概略図が、電子システム１０４内の電子部品１０２を衝突冷却するようになっている冷却装置１００の一実施形態の分解図及び組立図を示す。冷却装置１００は、エアムーバ１０６と、複数のフィン１１０を有して構成される１つ又は複数のヒートシンク１０８と、１つ又は複数の柔軟なチューブセグメント１１２とを備える。柔軟なチューブセグメント１１２は、エアムーバ１０６に結合され、電子部品１０２の衝突冷却のためにヒートシンク１０８に空気流を直接導くように構成される。

エアムーバ１０６は、システムハウジング又はシャーシの外部の環境から入力空気を引き込み、高速空気流をチューブセグメント１１２に入れて、ヒートシンク１０８に直接供給させる。

例示的な冷却装置１００を用いて、ヒートシンク１０８を電子部品１０２に隣接して又は電子部品１０２の近くに位置決めすること、及び電子部品１０２の衝突冷却をもたらすのに十分なほど高い空気流速度でヒートシンク１０８に空気流を吹き付けることにより、１つ又は複数の電子部品１０２が冷却される。柔軟なチューブセグメント１１２は、エアムーバ１０６に結合され、高速空気流をヒートシンク１０８に直接吹き付けるためヒートシンク１０８まで延びるように配置される。エアムーバ１０６と組み合わさることで電子部品１０２の衝突冷却のための高速が得られるような小さな直径を有する、柔軟なチューブセグメント１１２が用いられる。

衝突冷却は、衝突による伝熱のための熱プロセス又は熱現象である。空気のジェット（噴流）を、任意の適当な吹き付け角度（angle of application）でピンフィンヒートシンクのベースに吹き付けることができる。流体が表面に当たると熱が伝達される。衝撃領域又はその周りでは、非常に薄い境界層が形成されて伝熱を可能にする。高速冷風ジェットが、部品の表面に対してほぼ垂直な角度でチューブセグメント１１２の孔から導かれる。冷却風ジェットは、この表面に当たり、衝突面と平行な方向に逸れて、衝突点からの距離に比例して徐々に弱まる実質的な冷却効果をもたらす。冷却ジェットが表面に衝突すると、空気ジェットの減速及び圧力上昇の結果として、衝突領域に非常に薄い流体境界層及び温度境界層が形成される。極めて高い伝熱係数により、よどみ域と呼ばれる領域が生じる。ピーク伝熱はよどみ域でのみ生じる。

単一のジェット衝突は、非常に局所的な冷却を事実上もたらす。大きな表面積の用途では、一列の丸形ジェット又はスロットジェットを用いて複数のジェット衝突を適用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、多数の孔が一列又は複数列に配置されたチューブセグメント１１２を形成することにより、大きな表面積の効率的な衝突冷却を保証することができる。

柔軟なチューブ又はチューブセグメント１１２は、エアムーバ１０６に実質的に気密接続されて、エアムーバ１０６の出口側がチューブ１１２に空気を送り込む、すなわち押し進めるように制限する。チューブセグメント１１２は、空気流に対して高い抵抗を有し、図８で後述するように、これがエアムーバ１０６のもたらす空気流の高速度及び高圧と組み合わさることで、高効率のファンシステム動作点が得られる。柔軟なチューブセグメント１１２は、従来のファン構成で典型的であると思われる無秩序な空気流を許すのではなく、選択された場所及び位置に空気流を正確に送り込むように配置される。エアムーバ１０６及び柔軟なチューブセグメント１１２は、柔軟なチューブセグメント１１２の断面積及び／又はエアムーバ１０６のパワーが増大するにつれて徐々に高い空気流速度を生じて、システム冷却効率を高める。

図２Ａ、図２Ｂ（ｉ）、図２Ｂ（ｉｉ）、及び図２Ｃを参照すると、複数の図が、種々の衝突冷却装置の実施形態で用いるのに適した種々のエアムーバの例を示している。衝突冷却は、小型であり比較的大量の空気流を送り込んで高い冷却能力を与えるようになっているエアムーバを用いて実施されるのが最も適当である。

図２Ａは、フレーム２０６に取り付けられたロータ２０２及び付属ブレード２０４を含むチューブ軸流ファン２００の一例を示す。チューブ軸流ファン２００は、金属又は耐久性プラスチック等の適した材料で形成されている。適したチューブ軸流ファン２００は、非常に高い静圧で非常に高い流量を可能にする高出力ファンである。

図２Ｂ（ｉ）及び図２Ｂ（ｉｉ）は、空力ロータ（aerodynamic rotor）２１２と、例えばロータの長手方向軸に沿った複数の位置に配置される複数のブレード２１４とを有する、高流量エアムーバ２１０の側面図及び透視斜視図を示す。ロータ２１２及びブレード２１４は、空気力学的形状のほぼ円筒形のハウジング２１６内に収容される。

図２Ｃは、衝突冷却に有用であり非常に高い静圧で非常に高い流量を可能にするタービン型ブロワ２２０の形態の、エアムーバの例示的な一実施形態を示す。ブロワ２２０は、プラスチックから作られるインペラ２２２及びフレーム２２６を備え、回転を促す軸受を含む。

特定の一例では、エアムーバは、１４１５８５２．３２９６立方センチメートル／分を超える非常に高い流量で、且つ４９８．１７９８パスカルを超える非常に高い静圧で機能するようになっていてもよい。種々の構成で、発生する熱の量及び集中度、システムの換気、システムの空間的配慮、柔軟なチューブの長さ及び直径等を含む、多様な条件に基づいて、流量及び静圧基準の様々な選択を行うことができる。例えば、より高い静圧又はより低い静圧が適している場合がある。同様に、より高い流量又はより低い流量が適している場合がある。

概して、衝突冷却用のエアムーバは、非常に高い静圧且つ非常に高い流量で動作するため、圧力降下は、一般的なファン技術で得られる圧力降下を実質的に上回る。

小型のサーバ、ブレード、及びコンピュータの空間的配慮により、通常は、より小さなフォームファクタを有するファンが適切に利用される。例示的な一実施形態では、エアムーバは、約２５０立方センチメートル未満の、例えば高さ４０ｍｍ、幅５０ｍｍ、及び奥行き８０ｍｍの小さなパッケージサイズを有し得る。他の実施態様及び用法では、より大きなエアムーバを用いることができる。同様に、特定の用途の熱要件及びエアムーバ技術の進歩に従って、通常はより小さなエアムーバが求められる。

小型のブレードサーバ、コンピュータシステム、又は同様の電子デバイス等の電子システム用途では、熱管理のために伝熱係数を増加又は最大化させるようになっているエアムーバは、概して、冷却能力及び小型性に基づいて選択される。適した冷却能力は、非常に高い空気流速度をもたらすのに十分なものである。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、斜視図が、衝突冷却用途で用いるのに適したヒートシンク３０８Ａ及び３０８Ｂの実施形態を示す。種々のサイズ、形状、構造、材料、及び技術のヒートシンクを用いることができる。ヒートシンクは通常、複数の付属フィン３１０Ａ及び３１０Ｂを有する。例えばプレートフィン、円形ピンフィン、正方形ピンフィン、楕円形ピンフィン、六角形ピンフィン、多角形ピンフィン、ホイルフィン、スタンピング、ワイヤフィン、ルーバ、シート、金属発泡体、及び冷却効果をもたらすことができる他の材料を含む、任意の適当なタイプのフィンを、衝突冷却用途に用いることができる。フィンは、平行、千鳥形、直列、及び他の幾何学的配置を含む、任意の適当な構成で配置させることができる。図３Ａは、プレートフィン３１０Ａが平行に構成されたヒートシンク３０８Ａの一実施形態を示す。図３Ｂは、六角形ピンフィン３１０Ｂを有するヒートシンク３０８Ｂの一実施形態を示す。

高流量及び高静圧のエアムーバを用いる冷却は、多くの方法で実施することができる。例えば、図４Ａを参照すると、概略図が、ヒートシンク４０８と、隣接して一列で構成されてヒートシンク４０８に空気流を直接導く複数の柔軟な細管４２０を有する柔軟なチューブセグメント４１２とを備える、冷却装置の実施態様の側面図を示す。複数の細管４２０は、ヒートシンク４０８の上部に配列されて、ヒートシンク表面の実質的に全体に空気を吹き付けることができる。いくつかの実施形態では、例えば図４Ｂに示すように、マニホルド４１４をヒートシンク４０８又は冷却される他の物体の上に配置して、チューブセグメント４１２の小さな断面積に対してヒートシンク４０８の面積全体にわたる冷却流体の分布を促すことができる。図４Ｃに示すような別の例では、比較的均一な分布が得られるように、複数のチューブセグメント４１２Ａ、４１２Ｂ、４１２Ｃをヒートシンク４０８にわたって流体流を導くように配置することができる。

図５を参照すると、概略図が、ヒートシンク５０８に隣接するプレナム空間５２２を備える冷却装置の一実施形態を示す斜視図を示す。チューブセグメント５１２が、ヒートシンク５０８にわたって空気流を広げる配置で、プレナム空間５２２への供給を行う。

図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、それぞれの概略図が、電子部品６０２の衝突冷却を実施する電子システム６０４の一実施形態の分解図及び組立図を示す。電子システム６０４は、シャーシ６１４と、シャーシ６１４に分布する１つ又は複数の電子部品６０２と、電子システム６０４で用いられるように構成された冷却装置６００とを備える。冷却装置６００は、エアムーバ６０６と、複数のフィン６１０を有して構成されるとともに選択された電子部品６０２に結合する１つ又は複数のヒートシンク６０８と、１つ又は複数の柔軟なチューブセグメント６１２とを備える。柔軟なチューブセグメント６１２は、エアムーバ６０６に接続され、衝突冷却のためにヒートシンク６０８に空気流を導くように構成される。例示的な実施形態では、エアムーバ６０６は、シャーシ６１４内に配置される。

特定の用途では、この例示的な構成は、コンピュータシャーシ６１４内で衝突冷却を行って、高出力エアムーバ６０６と柔軟な小径のチューブセグメント６１２とを組み合わせて協調させた機能により高圧且つ高速の空気流の生成を可能にする。チューブセグメント６１２は、コンピュータシャーシ６１４内で、選択されたヒートシンク６０８と、それと結合する高出力で放熱性の高いプロセッサ等の電子部品６０２とに容易に引き回す(routed)ことができる。衝突冷却は、電子デバイス内の空気冷却に非常に効果的な技法である。衝突冷却は、高温の部品６０２に向けて高速で空気を送り込むことで、通常は伝熱係数を増加又は最大化させる。

電子システム６０４は、シャーシ６１４内に位置する選択された電子部品６０２を冷却するように構成された配置で１つ又は複数のヒートシンク６０８を設けることにより、熱管理を行うように構成される。

衝突冷却で用いられるのに適したエアムーバ６０６は、適切な空気流速度を与える能力に従って選択される。柔軟なチューブセグメント６１２が選択されて、エアムーバ６０６に取り付けられる。選択される柔軟なチューブセグメント６１２は、エアムーバ６０６から該当する１つ又は複数のヒートシンク６０８まで延びるのに十分な長さを有し、エアムーバと組み合わせて所定の高い空気流速度を生み出すのに適した小さな直径で特徴付けられる内腔を有するものである。チューブセグメント６１２は、エアムーバ６０６から選択されたヒートシンク６０８まで延びるとともにヒートシンク６０８に空気流を直接吹き付けることができる構成で配置される。

エアムーバは、シャーシ内又はシャーシの外側に配置することができる。図７を参照すると、エアムーバ７０６がシャーシ７１４の外側に選択的に配置された電子システム７０４の一実施形態が示されている。

例示的な技法及び／又は構造を用いて、複数のヒートシンク及びそれに結合するする電子部品を冷却することができる。システムに対するヒートシンクの取り外し又は取り付けは、直接的且つ比較的単純であり、柔軟なチューブの移動によって行われる。種々の構成では、電子システムの動作中に冷却システムの変更を行うことができる。例示的な熱管理及び制御技法及び構造は通常、冷却空気路が制御されるため、エアムーバにより形成される空気流通路を用いる従来の熱管理の実施態様よりもシャーシカバーが開いた状態の影響を受けにくい。

図８を参照すると、概略グラフが、差圧（ΔＰ）対空気流（Ｑ）のプロットによってファン及びシステムの性能を表すファン特性曲線及びシステム曲線を示す。ファン特性曲線８１０は、ファンによってシステム内に送り込まれる空気流を示す。ファン特性曲線８１０は、システム特性曲線８２０及び８２２と交差して示される。システム特性曲線８２０は、ハウジング内の空洞内に空気を導くファンの空気流抵抗の一例を示す。システム特性曲線８２２は、例えば柔軟で内腔内径の小さなチューブに接続される高静圧且つ高速のエアムーバの構成で得られる、より高い流れ抵抗物体の空気流抵抗の一例を示す。システム特性曲線８２０及び８２２は、流れゼロで最大圧力降下を、また圧力降下ゼロで最大空気流を有する。

ファン特性曲線８１０とシステム特性曲線との交点は、動作点である。したがって、動作点８３０は、ハウジングの空洞内へ空気を送り込むためのファン特性曲線８１０とシステム特性曲線８２０との交点である。動作点８３２は、チューブの実施態様におけるファン特性曲線８１０とシステム特性曲線８２２との交点である。高速の空気を送るための小径のチューブの使用は、ファンの動作点を左側にシフトさせ、比較的小さなモータサイズを有する比較的小さなファンで衝突冷却を効率的に行うことを可能にする。

本開示は種々の実施形態を説明しているが、これらの実施形態は、例示として理解されるべきであり、特許請求の範囲を制限するものではない。記載されている実施形態の多くの変形、変更、付加、及び改良が可能である。例えば、当業者であれば、本明細書に開示されている構造及び方法を提供するのに必要なステップを実施することは容易であろうし、プロセスパラメータ、材料、及び寸法は単なる例として与えられているだけであることを理解するであろう。パラメータ、材料、及び寸法は、特許請求の範囲内にある所望の構造及び変更を達成するために変えることができる。本明細書に開示されている実施形態の変形及び変更はまた、添付の特許請求の範囲内に留めたまま行うことができる。例えば、エアムーバ又はファンの構造、ヒートシンクの構成、エアムーバの配置、並びにエアムーバ及びチューブセグメントの数の、いくつかの特定の例が図示されている。エアムーバ、ヒートシンク、及びチューブセグメントの構成の任意の適した配置を実施することができる。例示的な冷却デバイスは、適したサーバ、コンピュータ、家庭用電子機器、通信システム及びデバイス、記憶システム等、任意の適当な電子システム又はデバイスで用いることができる。

電子システム内の電子部品を衝突冷却するようになっている冷却装置の一実施形態の分解図を示す概略図である。 電子システム内の電子部品を衝突冷却するようになっている冷却装置の一実施形態の組立図を示す概略図である。 衝突冷却装置で用いるのに適したチューブ軸流ファンの一実施形態を示す斜視図である。 衝突冷却装置で用いることのできる高流量エアムーバの一例を示す側面図である。 衝突冷却装置で用いることのできる高流量エアムーバの一例を示す透視斜視図である。 例示的な冷却装置で用いるのに適したエアムーバであるブロワを示す斜視図である。 衝突冷却用途で用いるのに適したヒートシンクの一実施形態を示す斜視図である。 衝突冷却用途で用いるのに適したヒートシンクの一実施形態を示す斜視図である。 ヒートシンクと、一列に構成されてヒートシンクに空気流を直接吹き付ける複数の柔軟な細管を有する柔軟なチューブセグメントとを備える、冷却装置の実施態様の側面図を示す概略図である。 ヒートシンクと、一列に構成されてヒートシンクに空気流を直接吹き付ける複数の柔軟な細管を有する柔軟なチューブセグメントとを備える、冷却装置の実施態様の側面図を示す概略図である。 ヒートシンクと、一列に構成されてヒートシンクに空気流を直接吹き付ける複数の柔軟な細管を有する柔軟なチューブセグメントとを備える、冷却装置の実施態様の側面図を示す概略図である。 ヒートシンクに隣接するプレナム空間を備える冷却装置の一実施形態の斜視図を示す概略図である。 電子部品の衝突冷却を実施する電子システムの一実施形態の分解図を示す概略図である。 電子部品の衝突冷却を実施する電子システムの一実施形態の組立図を示す概略図である。 エアムーバがシャーシの外側に選択的に位置付けられた電子システムの一実施形態を示す図である。 標準的な冷却動作、及び衝突冷却の実施態様の例示的な一実施形態との比較を示す、ファン特性曲線及び比較システム曲線を示す概略グラフである。

符号の説明

１００ 冷却装置
１０２ 電子部品
１０４ 電子システム
１０６ エアムーバ
１０８ ヒートシンク
１１０ フィン
１１２ チューブセグメント

Claims (6)

1. 電子システムで用いるように構成された冷却装置であって、
   高速空気流エアムーバと、
   複数のフィンを有して構成される少なくとも１つのヒートシンクと、
   前記エアムーバに結合され、衝突冷却のために前記少なくとも１つのヒートシンクに空気流を導くように配置され、小さな内径を有する少なくとも１つの柔軟なチューブセグメントと、
   を備え、
   前記チューブセグメントは、前記少なくとも１つのヒートシンクに向けて空気流を直接導く複数の柔軟な細管を有し、
   前記少なくとも１つのヒートシンクの衝突冷却のために、前記エアムーバは、高速空気流を発生し、前記少なくとも１つの柔軟なチューブセグメントの前記小さな内径により、圧力降下が生じ、空気の減速及び圧力上昇の結果として、衝突冷却を決定する流体境界層及び温度境界層が衝突領域に形成され、よどみ域において伝熱係数が高くなり、ピーク伝熱が生じることを特徴とする冷却装置。
2. 電子システムであって、
   シャーシと、
   前記シャーシ内に分布する少なくとも１つの電子部品と、
   前記電子システムで用いられるように構成された冷却装置であって、高速空気流エアムーバと、複数のフィンを有して構成され、前記少なくとも１つの電子部品のうちの選択された１つと結合する、少なくとも１つのヒートシンクと、前記エアムーバに結合され、衝突冷却のために前記少なくとも１つのヒートシンクに空気流を導くように配置され、小さな内径を有する少なくとも１つの柔軟なチューブセグメントであって、前記少なくとも１つのヒートシンクに向けて空気流を直接導く複数の柔軟な細管を有するチューブセグメントを有する冷却装置と、
   を備え、
   前記少なくとも１つのヒートシンクの衝突冷却のために、前記エアムーバは、高速空気流を発生し、前記少なくとも１つの柔軟なチューブセグメントの前記小さな内径により、圧力降下が起こり、空気の減速及び圧力上昇の結果として、衝突冷却を決定する流体境界層及び温度境界層が衝突領域に形成され、よどみ域において伝熱係数が高くなり、ピーク伝熱が生じることを特徴とする電子システム。
3. 前記エアムーバは、１４１５８５２．３２９６立方センチメートル／分を超える流量及び４９８．１７９８パスカルを超える静圧で機能するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記エアムーバは、約２５０立方センチメートル未満のパッケージサイズを有することを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記少なくとも１つのヒートシンクのそれぞれに結合される複数のフィンをさらに備え、前記複数のフィンは、プレートフィン、円形ピンフィン、正方形ピンフィン、楕円形ピンフィン、六角形ピンフィン、多角形ピンフィン、ホイルフィン、スタンピングフィン、ワイヤフィン、ルーバ、金属発泡体、及びシートから成る群から選択され、平行、千鳥形、直列、及び他の幾何学的配置から成る構成で配置させることができることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記エアムーバは、１４１５８５２．３２９６立方センチメートル／分を超える流量及び４９８．１７９８パスカルを超える静圧で機能するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。

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