JP4838345B2 - 熱を発生するコンピュータ構成要素を冷却するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有する冷却装置に関し、各コンピュータ構成要素は少なくとも１つのヒートシンクと結合する。ヒートシンクは単一の平面上に、供給される冷却空気流の方向に関して順々に配置される。

コンピュータは数多くの様々な電気的、電子的および一体型の、機能するために電力を必要とする構成要素からなる。これらの電気的エネルギーの一部は不要な熱に変換される。この熱は、過熱による構成要素への損傷を避けるために、取り除かれなければならない。コンピュータのさらなる発展とともに、これらの電気的、電子的および一体型の構成要素、特に一体型の構成要素およびその回路は、性能が高まるとともに空間的範囲においてはより小さくなっている。これに伴い、失われるエネルギーの量はより狭い領域において増加している。それゆえ、取り除かなければならない不要な熱の量もまた必然的に増加する。熱を発生するコンピュータ構成要素のより効率的な冷却の重要性が、それゆえ増加している。

不要な熱を取り除くためのヒートシンクが知られている。ヒートシンクはアルミニウムなどの固体材料でつくられ、電気的、電子的および一体型の構成要素から不要な熱を外気へと追い出す。

熱を発生するコンピュータ構成要素を冷却するための冷却装置であって、第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有し、熱を発生する各コンピュータ構成要素が少なくとも１つのヒートシンクと結合する、冷却装置を提供することは、特許文献１公報から知られている。ヒートシンクは単一の平面上に、供給された冷却空気流の方向に関して順々に配置される。この装置は、上流ヒートシンクによって予熱された冷却空気のみが冷却空気の方向の下流に配置されたヒートシンクに到達することを示唆する。したがって、そのような装置において下流ヒートシンクにおいて達成されうる冷却能力は、上流ヒートシンクにおける冷却能力よりも常に低い。この影響を補うために、そしてそれでもなお下流ヒートシンクにおける十分な冷却を達成するために、第１のヒートシンクおよび第２のヒートシンクを通り、したがって２つのヒートシンクを順々に冷却する冷却空気流を形成することによって、下流ヒートシンクにおける冷却能力を向上させることが特許文献１公報において提案されている。加えて、特許文献１公報には、下流ヒートシンクのみを冷却する追加の冷却空気流を形成することが提案されている。そのほかにもこの手段に対しては、下流ヒートシンクが上流ヒートシンクよりも大きく形成されること、したがって、下流ヒートシンクの表面が上流ヒートシンクの表面に対して広いこと、そしてそのようにして、冷却空気に熱を放射する下流ヒートシンクの熱転移特性が上流ヒートシンクと比べて向上することが、特許文献１公報に提案されている。より大きい表面積を形成するために、上流ヒートシンクと比べて冷却フィンの間隔をより狭くしたり、あるいは冷却フィンをより高くしたりすることが提案されている。

米国特許公開第２００８／００４１５６２号明細書

この解決策は下流ヒートシンクの冷却特性を向上させるためには適切であるが、生産コストの増加につながる。というのは、冷却フィンの間の間隔がより狭いことによってより多くの数の冷却フィンがつくられるため、そして下流ヒートシンクの冷却フィン自身の寸法の増加のため、より多くの材料と、それゆえより高い生産コストが必要になるからである。

それゆえ、十分な冷却能力が両方のヒートシンクにおいて達成されることができ、加えて、知られている手段と比較して生産コストが低くなりうる、解決策を提案することが本発明の課題である。

この問題は、独立請求項に記載された特徴により解決される。第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を冷却するための冷却装置および冷却方法であって、各構成要素が少なくとも１つのヒートシンクと結合する、冷却装置および冷却方法が提案される。ヒートシンクは単一の平面上に、供給された冷却空気流の方向に関して順々に配置されている。知られている従来技術とは区別される解決策は、ヒートシンクが同一の構造であり、各ヒートシンクが、互いに異なる熱転移特性または流動抵抗を有する隣り合った少なくとも２つの領域を含み、そのうち１つの領域はより良い熱転移特性またはより高い流動抵抗を有する構造であり、もう１つの領域はより悪い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有する構造である。加えて、より悪い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有するヒートシンクの領域が冷却空気流の方向に順々に配置されるように、ヒートシンクは平面上の一点の周囲におけるその平面上での回転状態に配置される。あるいは、より良い熱転移特性またはより高い流動抵抗を有する下流ヒートシンクの領域が、本質的に、より悪い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有する上流ヒートシンクの領域のみの下流にあるように、ヒートシンクは回転状態にではなく、平面上に互いに対してずれた状態に配置される。

加えて、少なくとも１つの第１の冷却空気部分流が生成され、その冷却空気部分流は、より悪い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有する上流のヒートシンクの領域を本質的に冷却し、冷却空気流の方向に関して下流のヒートシンクの領域の１つを冷却する。第１の冷却空気部分流は、熱転移特性がより悪いか流動抵抗がより低いため、より良い熱転移特性またはより高い流動抵抗を有する領域を冷却する隣接の第２の冷却空気部分流よりも、熱エネルギーを吸収する量が少ない。その結果として、上流ヒートシンクを離れた時点の第１の冷却空気部分流の温度レベルは、第２の冷却空気部分流の温度レベルよりも低い。それゆえ、十分に冷たい冷却空気流が、下流ヒートシンクにおける第１の冷却空気部分流において得られ、下流ヒートシンクにおいて十分な冷却効果をなおも達成することが可能となる。このことは、第２の冷却空気部分流と共に、より良い熱転移特性またはより高い流動抵抗を有する上流ヒートシンクの領域のみを本質的に冷却する冷却空気部分流が生成されるという、追加の効果を有する。

この装置においてはさらに有利なことに、ヒートシンクの構造が同一であることによって２つの点で生産コストの削減が行われる。１つ目は、今や下流ヒートシンクはもはや上流ヒートシンクより多くの材料を必要としないことである。２つ目は、構造が同一であることによって生産コストをさらに削減できることである。というのは、同一のヒートシンクを生産するためには機械を２回同じように用いればよいためである。

個々のヒートシンクの効果が２つの物理的パラメータにより基本的に表現されうる。これらの物理的パラメータのうち１つは、固体、液体または気体の熱伝導率、および熱伝導による熱エネルギー運搬の能力である。比熱伝導率は、温度依存の物質定数として絶対熱伝導率からは区別される。絶対熱伝導率は構成要素の次元に依存した固有値である。比熱伝導率は構成要素の次元と独立しており、ヒートシンクを構成する材料の材料定数である。したがって熱伝導率は、ヒートシンクに関して、第１の転移面、例えば、電気的、電子的または一体型構成要素と結合している転移面から、第２の転移面への熱伝導におけるヒートシンクの特性を表す。

ヒートシンクの効率を表す追加の物理的パラメータは、固体からそれと接する気体または液体への熱転移である。熱転移は２つの物体の間の転移面の寸法および温度差の大きさに正比例する。したがって熱転移は、ヒートシンクに関して、第１に、第１の転移面においてヒートシンクと結合した電気的、電子的または一体型構成要素から熱を吸収するためのヒートシンクの特性を表し、第２に、第２の転移面において周囲の媒体、例えば空気へと熱を放出する特性を表す。熱転移は２つの物体の間の温度差にも直接依存するため、冷却空気の温度レベルを可能な限り低く保つように、新しい冷却空気が冷却空気流によって絶えずもたらされる。したがって、より悪い熱転移特性を有するヒートシンクの領域は、より良い熱転移特性を有する領域と比べて、ヒートシンクを取り囲む空気への熱エネルギーの転移量が少ない。

提案された装置においては有利なことに、下流ヒートシンクにおける熱転移の向上が、２つのヒートシンクを通り過ぎる空気の流速、ひいては空気の量を増加させることなく、同一の構造のヒートシンクにより達成される。

ひれ（ｆｉｎ）のような構造のためにその名前がついた冷却フィンにより、物体の表面領域は平坦な表面と比較して容易に拡大されうる。それによって、第２の面における空気への熱転移は向上する。冷却フィンは、ヒートシンクの金属などの熱伝導性材料からつくられた構造をしている。

本発明の有利な実施形態では、それゆえ、長手方向が供給される冷却空気流に対して平行であるように配置された冷却フィンと共に、ヒートシンクが構成されることをもたらす。このことは、ヒートシンクの第２の表面が平らな表面と比較して拡大されるだけでなく、冷却フィンに起因してヒートシンクにおける流動特性が向上するという利点をもたらす。このことはヒートシンクに絶え間なく供給される冷却空気をもたらす。

別の有利な実施形態は、相互に異なる熱転移特性の領域が、冷却フィンの間隔が異なることによって形成されることをもたらす。隣接する領域より良い熱転移特性を有するヒートシンクの領域が、したがって、ヒートシンクの間の間隔をより小さくするような構造により形成される。したがって、より多数の冷却フィンと、それゆえ、より大きな第２の表面とが、ヒートシンクの設置面積（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）において可能である。このようにして、生産時の材料が節約される。というのは、より低い熱転移の領域はより高い熱転移の領域に対して冷却フィンの数が少ないためである。加えてまた、異なる間隔で設計された領域においては、冷却フィンによって生じる流動抵抗は異なるものが形成されうる。冷却フィンの間の距離が小さい領域では、冷却フィンの間の距離が大きい領域よりも、それゆえ流動抵抗が大きい。このことはまた、それぞれの領域における熱放出に影響を与える。より高い流動抵抗を有する領域は、それゆえ、冷却空気への熱放出をより良くする。

別の有利な実施形態によれば、冷却空気流がファンによって生成されることがもたらされる。例えば自然対流によって生成される冷却空気流と比較して、ファンによる冷却空気流は著しく急速に変化しうる。したがって、環境条件の変化への素早い反応が可能である。というのは、自然対流によって形成された空気流の流速はあまり素早く影響を受け得ないのに対し、ファンからの流速は急速に増加し得るからである。上記法則によって構成された装置は下流ヒートシンクにおいてと同様に上流ヒートシンクにおいても十分な冷却能力を可能にする。知られている従来技術とは対照的に、十分な冷却空気を下流ヒートシンクに供給することのみを目的にファンの輸送能力を増加させる必要はない。したがって、熱を運び出すために必要な電力消費およびエネルギー投入は比較的小さい。上記法則の別の利点は、より良い冷却特性で、例えばファンのノイズ発生が増加しないことである。このことは、本質的に、両方のヒートシンク上の熱転移の低い領域が１つの空気流によって冷却され、加えて、熱せられていない冷却空気によって冷却される領域が下流ヒートシンク上に形成されることが達成される。

本願発明はその法則的諸特性およびそれらの各利点に関して上記に示される。本願発明は図面と共に実施形態に基づいて以下に詳細に記載される。

同一の部品は異なる図において同一の参照符号により示される。

互いに対して回転状態に配置された２つのヒートシンクを備えた実施形態を示す図である。 互いに対してずれた状態に配置された２つのヒートシンクを備えた実施形態を示す図である。

図１は平面１０上に配置された２つのヒートシンクの概略的な表現を示している。平面１０は、図示された実施形態ではコンピュータ中央処理装置ＣＰＵなどである２つの集積構成要素（ＩＣ）が配置される、例えばコンピュータのメインボードを表している。

コンピュータ中央処理装置ＣＰＵはコンピュータの中央処理ユニットであり、熱発生が大きい。コンピュータ中央演算装置ＣＰＵは一般にブロック状のハウジング内に組み込まれている。これらのブロック状のハウジングはヒートシンクに熱的に結合されている。すなわち、ブロック状のハウジングはヒートシンクに熱の形態で熱エネルギーを放出する。

平面１０上を流れる冷却空気流３０はファン２０によって生成される。冷却空気流３０の方向に関して上流のヒートシンク４０は、冷却空気流３０の方向に関して下流のヒートシンク５０と同様、平面１０上に配置されている。上流ヒートシンク４０は下流ヒートシンク５０と構造は同一である。２つのヒートシンク４０、５０が、隣り合った２つの領域４１、４２および５１、５２をそれぞれ有し、該隣り合った２つの領域は互いに異なる熱転移特性を有する。上流ヒートシンク４０の領域４１はより悪い熱転移特性を有する領域である。上流ヒートシンク４０の領域４２はより良い熱転移特性を有する領域である。状況はヒートシンク５０に関しても同様である。すなわち、領域５１はより悪い熱転移特性を有する領域であり、領域５２はより良い熱転移特性を有する領域である。

平面１０上で、より悪い熱転移特性を有するヒートシンク４０、５０の領域４１、５１が供給される冷却空気流３０の方向に関して順々に配置されるように、ヒートシンク４０、５０は平面１０上で点６０の周囲における回転状態に配置される。

説明の目的で、本実施形態の冷却空気流３０は３つの冷却空気部分流２１、２２、２３に分割されている。第１の冷却空気部分流２１は上流ヒートシンク４０の領域４１と下流ヒートシンク５０の領域５１を冷却する。上流ヒートシンク４０の領域４１は上流ヒートシンクの領域４２に比較してより悪い熱転移特性を有して構成されている。図１の実施形態において、このことは冷却フィン７０の密度が低いことによって達成される。領域４１、４２の設置面積が大体等しいため、領域４１の冷却フィン７０の間の第１の間隔寸法８０を、領域４２の冷却フィンの間にもたらされる第２の間隔寸法９０よりも大きくすることによって、より低い密度の冷却フィン７０が形成される。同様のことが、下流ヒートシンク５０の領域５１および５２にもあてはまる。したがって、上流ヒートシンク４０の領域４２は、下流ヒートシンク５０の領域５２と同様に、２つのヒートシンク４０および５０の領域４１および５１と比較して向上した熱転移特性を有する。加えて、領域４１、４２、５１、５２の流動抵抗が異なる。冷却フィン７０の間の距離がより大きいために、領域４１、５１は領域４２および５２よりも冷却空気流に対する流動抵抗が低い。２つのヒートシンクの領域４２および５２の熱転移特性を向上させることにより、十分な冷却効果が冷却空気部分流２１内の両方のヒートシンクに対して達成される。加えて、２つのヒートシンクの各領域４１および５１において、冷却空気部分流２２および２３は上流ヒートシンクによって予熱されたり遮られたりすることがなく、よって良い流動状態が、より良い熱転移特性を有する領域において達成されうる。

この実施形態において、冷却フィン７０は間隔を開けて、長手方向を冷却空気流３０の流れの方向として延伸している。それによって、ヒートシンクにおける流動状態はさらに向上し、それによって冷却の効率はさらに向上する。

図２は平面１０に配置された２つのヒートシンクを有する実施形態を概略的に表している。この実施形態においても同様に、平面１０上を流れる冷却空気流３０がファン２０によって生成される。冷却空気流３０の方向における上流ヒートシンク４０は、冷却空気流３０の方向における下流ヒートシンク５０と同様に、平面１０上に配置されている。上流ヒートシンク４０は下流ヒートシンク５０と構造的に同一である。この実施形態においても同様に、２つのヒートシンク４０および５０が、隣り合った２つの領域４１、４２および５１、５２をそれぞれ有し、該隣り合った２つの領域は互いに異なる熱転移特性を有する。上流ヒートシンク４０の領域４１はより悪い熱転移特性を有する領域であり、上流ヒートシンク４０の領域４２はより良い熱転移特性を有する領域である。状況はヒートシンク５０に関しても同様である。領域５１はより悪い熱転移特性を有する領域であり、領域５２はより良い熱転移特性を有する領域である。

ヒートシンク４０および５０は冷却空気流３０の方向に対して互いにずれた状態で平面１０上に配置されている。ずれた状態の配置は、冷却空気部分流２１が本質的にまず上流ヒートシンク４０の領域４１上を流れ、それから下流ヒートシンク５０の領域５２上を流れるように選択される。

したがって、第１の冷却空気部分流２１は上流ヒートシンク４０の領域４１を冷却し、下流ヒートシンク５０の領域５２を冷却する。上流ヒートシンク４０の領域４１は上流ヒートシンク４０の領域４２と比較してより悪い熱転移特性を有するように構成されている。図２の実施形態において、これは冷却フィン７０の密度がより低く、もたらされる流量抵抗がより低いことによって達成される。この方法が達成することのひとつは、冷却空気部分流２１が上流ヒートシンクの領域４１において吸収する熱エネルギーをより少なくし、したがって、下流ヒートシンク５０の領域５２上を通る際に十分な熱エネルギーをさらに吸収することができ、この領域における冷却効果を同様に達成することができる。さらに、冷却空気部分流２２は、この領域における熱転移特性がより良いかまたは流動抵抗がより高いために、上流ヒートシンク４０の領域４２をより強く冷却する。２つのヒートシンクの領域４２および５２の向上した熱転移特性、またはより高い流動抵抗によって、十分な冷却効果が各冷却空気部分流２１および２２内のこれらのヒートシンクにおいて達成される。したがって、冷却空気部分流２２は上流ヒートシンク４０の領域４２のみを冷却し、したがって冷却空気部分流２２の加熱は下流ヒートシンクに不利な影響を全く与えない。加えて、冷却空気部分流２１は上流ヒートシンク４０の領域４１を弱く冷却し、下流ヒートシンク５０の領域５２を強く冷却する。冷却空気部分流２３は事前の加熱なしに下流ヒートシンク５０の領域５１を冷却し、したがって、この領域５１の冷却に関して最大の温度差を達成する。それゆえ、ヒートシンク４０と５０の両方に対して最適な冷却性能をもたらす。

図２に示された実施形態においても同様に、冷却フィン７０は間隔を開けて、長手方向を冷却空気流３０の流れの方向として延伸している。それによって、ヒートシンクにおける流動状態はさらに向上し、それによって冷却の効率はさらに向上する。

どちらの実施形態においても、２つのヒートシンク４０および５０が互いに対して回転状態またはずれた状態に配置されることにより重なり合う領域が形成されることが意図されている。これは、冷却空気流３０がまず上流ヒートシンク４０上を、次に下流ヒートシンク５０上を流れる領域である。上流ヒートシンク４０の領域４２の冷却フィン７０の間隔がより大きいために、より多くの冷却空気が下流ヒートシンクにおいて重なり合う領域において利用可能となる。領域４２または５２の流動抵抗が領域４１または５１の流動抵抗のそれぞれ半分の流動抵抗値を有する場合、ヒートシンクにおける適切な流動状態が形成される。

１０ 平面
２０ ファン
２１、２２、２３ 冷却空気部分流
３０ 冷却空気流
４０ 上流ヒートシンク
５０ 下流ヒートシンク
４１／４２ 上流ヒートシンクの隣り合った領域
５１／５２ 下流ヒートシンクの隣り合った領域
６０ 点
７０ 冷却フィン
８０ 第１の間隔寸法
９０ 第２の間隔寸法

Claims (8)

1. 第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有し、各コンピュータ構成要素が少なくとも１つのヒートシンク（４０、５０）と結合し、ヒートシンク（４０、５０）が供給される冷却空気流（３０）の方向に関して平面（１０）上に順々に配置される、冷却装置であって、ヒートシンク（４０、５０）が同一の構造であり、各ヒートシンク（４０、５０）が互いに異なった熱転移特性および流動抵抗を有する隣り合った少なくとも２つの領域（４１、４２、５１、５２）を含み、下流ヒートシンク（５０）のより悪い熱転移特性およびより低い流動抵抗を有する領域（５１）が、冷却空気流（３０）の方向に関して、上流ヒートシンク（４０）のより悪い熱転移特性およびより低い流動抵抗を有する領域（４１）の下流にあるように、ヒートシンク（４０、５０）が平面（１０）上で互いに配置される、冷却装置。
2. ヒートシンク（４０、５０）が冷却フィン（７０）を有し、該冷却フィン（７０）が、その長手方向が供給される冷却空気流（３０）に対して平行であるように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
3. 互いに異なる熱転移特性および流動抵抗を有する領域（４１、４２、５１、５２）が、冷却フィン（７０）の間隔（９０）が異なることによって形成されることを特徴とする、請求項２に記載の冷却装置。
4. 冷却空気流（３０）がファン（２０）によって生成されることを特徴とする、請求項３に記載の冷却装置。
5. 第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有し、各コンピュータ構成要素が１つのヒートシンク（４０、５０）と結合し、第１のおよび第２のヒートシンク（４０、５０）を冷却する冷却空気流（３０）が供給され、ヒートシンク（４０、５０）が供給される冷却空気流（３０）の方向に関して平面（１０）上に順々に配置される、方法であって、２つのヒートシンク（４０、５０）が同一の構造であり、各ヒートシンクが、互いに異なる熱転移特性および流動抵抗を有する隣り合った領域（４１、４２、５１、５２）を含み、冷却空気流（３０）の流れ方向に関して、下流ヒートシンク（５０）のより悪い熱転移特性およびより低い流動抵抗を有する領域（５１）が、上流ヒートシンク（４０）のより悪い熱転移特性およびより低い流動抵抗を有する領域（４１）の下流にあるように、ヒートシンクが順々に配置されることを特徴とする、方法。
6. ヒートシンク（４０、５０）が冷却フィン（７０）を有し、該冷却フィン（７０）が、その長手方向が供給される冷却空気流（３０）に対して平行であるように配置されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 互いに異なる熱転移特性および流動抵抗を有する領域（４１、４２、５１、５２）が、冷却フィンの間隔（８０、９０）が異なることによって形成されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 冷却空気流（３０）がファン（２０）によって生成されることを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。

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