JP5681710B2 - 冷却装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、熱伝達メカニズムに関し、詳細には、１つまたは複数の電子デバイスによって発生された熱を除去するための冷却装置（cooling apparatus）、冷却電子モジュール（cooledelectronic module）、およびその製作方法に関する。さらに詳細には、本発明は、１つまたは複数の電子デバイスのポンプ強化型誘電流体浸漬冷却（pump-enhanced, dielectric fluid immersion-cooling）を備えた冷却装置および冷却電子モジュールに関する。
既知の通り、動作中の電子デバイスは熱を発生する。デバイス接合温度を望ましい限度内に維持するために、この熱はデバイスから除去しなければならず、熱を効果的に除去し損なうと、結果的にデバイス温度が上昇し、潜在的に熱暴走状態に至る。ＣＭＯＳなど、熱管理が伝統的にあまり関心事ではなかった技術を含み、電子デバイスのための熱除去を含む、熱管理の重要性を高めるために、電子工業におけるいくつかのトレンドが結集している。特に、より高速でより高密度にパックされた回路の必要性は、熱管理の重要性に直接的な影響を及ぼしている。第一に、デバイスの動作周波数が上昇するにつれて、ワット損、したがって、熱発生が増加する。第二に、動作周波数の上昇は低いデバイス接合温度でも発生する可能性がある。さらに、ますます多くのデバイスが単一チップ上にパックされるにつれて、熱流束（ワット／ｃｍ２）が増加し、その結果、所与のサイズのチップまたはモジュールからより多くの電力を除去する必要が発生する。このようなトレンドが結集して、ヒート・パイプまたは蒸気チャンバとともに空冷ヒート・シンクを使用することなど、伝統的な空冷方法のみによって最新のデバイスから熱を除去することがもはや望ましくないような適用例を作り出している。このような空冷技法は本質的に、高出力密度を備えた電子デバイスから熱を抽出する能力が限られている。
したがって、現在および将来の高熱負荷かつ高熱流束の電子デバイスを冷却する必要性により、液体冷却を使用する積極的な熱管理技法の開発が要求されている。様々なタイプの冷却液は異なる冷却性能を提供する。たとえば、冷却剤またはその他の誘電液体（たとえば、フルオロカーボン液）などの流体は、水またはその他の水性流体などの液体に比較して、低い熱伝導率および比熱特性を示す。しかし、誘電液体には、腐食または短絡などの悪影響なしに電子デバイスおよびその相互接続部に直接物理的に接触して配置できるという利点がある。水またはその他の水性流体などのその他の冷却液は、誘電流体に比較して、優れた熱伝導率および比熱を示す。しかし、そうでなければ結果的に腐食および短絡問題が発生する可能性があるので、水性冷却液は電子デバイスおよびその相互接続部に物理的に接触しないように保持しなければならない。
したがって、本発明は、第１の態様では、冷却すべき電子デバイスを少なくとも部分的に取り囲み、その電子デバイスの回りに密閉コンパートメントを形成するように構成されたハウジングと、密閉コンパートメント内に配置された誘電流体であって、冷却すべき電子デバイスが少なくとも部分的に誘電流体内に浸漬される誘電流体と、密閉コンパートメント内に配置された誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために密閉コンパートメント内に配置された少なくとも１つのポンプとを含む冷却装置を提供する。
この冷却装置は、密閉コンパートメントの上部部分内で密閉コンパートメント内に延びる複数のコンデンサ（condenser：凝縮器）・フィンをさらに含むことができ、その複数のコンデンサ・フィンは密閉コンパートメントの上部部分まで上昇する誘電流体蒸気の冷却を容易にする。好ましくは、複数のコンデンサ・フィンはハウジングの最上部壁から密閉コンパートメント内に下向きに延び、ハウジングの最上部壁は複数のコンデンサ・フィンを冷却するために液冷コールド・プレートまたは空冷ヒート・シンクのうちの一方に結合される。この冷却装置は、誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために密閉コンパートメント内に配置された２つのポンプをさらに含むことができ、２つのポンプはそれぞれ、密閉コンパートメント内に配置された衝突冷却型浸漬ポンプ（impingement-cooling, immersed pump）であり、それぞれの衝突冷却型浸漬ポンプは密閉コンパートメントの下部領域から抜き取られた誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出す。この冷却装置は、誘電流体蒸気を密閉コンパートメントの上部部分に向けることを容易にするために、冷却すべき電子デバイスの少なくとも一方の側に隣接して配置された、少なくとも部分的に浸漬したバッフルをさらに含むことができ、バッフルは密閉コンパートメントの下部部分内の誘電流体から離れたところでは、冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すための２つの衝突冷却型浸漬ポンプへ近づけられる。この冷却装置は、冷却すべき電子デバイスの上の密閉コンパートメント内に配置されたマニホルド構造体をさらに含むことができ、マニホルド構造体は冷却すべき電子デバイスに向かって誘電流体のジェットを向けるためのジェット・オリフィスを備えた浸漬ジェット衝突プレナム（submerged jet impingement plenum）を含み、少なくとも１つのポンプは、冷却すべき電子デバイスに向かって向けられた誘電流体ジェットとしてジェット・オリフィスを通って送出するために浸漬ジェット衝突プレナム内に圧力を受けて誘電流体を活発に汲み出す。この冷却装置は、密閉コンパートメント内に配置され、冷却すべき電子デバイスに熱によって結合された流体沸騰ヒート・シンク（fluid boiling heat sink）をさらに含むことができ、流体沸騰ヒート・シンクは、浸漬ジェット衝突プレナムから向けられた誘電流体ジェットが流体沸騰ヒート・シンクに衝突するように配置され、流体沸騰ヒート・シンクは冷却すべき電子デバイスから延びる複数のピン・フィンを含み、そのピン・フィンは部分的に誘電流体の蒸発を介して冷却すべき電子デバイスから誘電流体への熱伝達を容易にする。好ましくは、少なくとも１つのポンプは、マニホルド構造体と一体化され、密閉コンパートメント内に水平に配向され、浸漬ジェット衝突プレナムは、冷却すべき電子デバイスに結合された流体沸騰ヒート・シンクの上に配置される。好ましくは、冷却すべき電子デバイスは集積回路チップのスタックを含み、この冷却装置は、集積回路チップのスタックの冷却を容易にするために密閉コンパートメント内に配置された第１のポンプと第２のポンプとをさらに含み、第１のポンプは集積回路チップのスタックの最上部に向かって誘電流体を活発に汲み出すように構成され、第２のポンプは集積回路チップのスタックのうちの集積回路チップ間の間隙空間内に誘電流体を活発に汲み出すように構成される。
この冷却装置は、集積回路チップのスタックの最上部に結合された流体沸騰ヒート・シンクをさらに含むことができ、第１のポンプは集積回路チップのスタックの最上部に結合された流体沸騰ヒート・シンクに向かって誘電流体を活発に汲み出し、流体沸騰ヒート・シンクは集積回路チップのスタックから延びる複数のピン・フィンを含み、そのピン・フィンは部分的に誘電流体の蒸発を介して集積回路チップのスタックから誘電流体への熱伝達を容易にする。この冷却装置は、密閉コンパートメントの上部部分内で密閉コンパートメント内に延びる複数のコンデンサ・フィンをさらに含むことができ、その複数のコンデンサ・フィンは密閉コンパートメントの上部部分まで上昇する誘電流体蒸気の冷却を容易にし、複数のコンデンサ・フィンはハウジングの最上部壁から密閉コンパートメント内に下向きに延び、ハウジングの最上部壁は複数のコンデンサ・フィンを冷却するために液冷コールド・プレートまたは空冷ヒート・シンクのうちの一方に結合される。この冷却装置は、誘電流体蒸気を密閉コンパートメントの上部部分に向けることを容易にするために、集積回路チップのスタックの少なくとも一方の側に隣接する密閉コンパートメント内に配置された、少なくとも部分的に浸漬したバッフルをさらに含むことができ、バッフルは密閉コンパートメントの下部部分内の誘電流体から離れたところでは、集積回路チップのスタックを活発に冷却するための第１のポンプおよび第２のポンプへ近づけられる。この冷却装置は、第２のポンプが集積回路チップのスタックのうちの集積回路チップ間の間隙空間内に誘電流体を活発に汲み出すのを容易にするために、集積回路チップのスタックの１つまたは複数の側に隣接して配置されたマニホルド構造体をさらに含むことができる。好ましくは、集積回路チップのスタック内の少なくとも１つの集積回路チップの裏面は、集積回路チップのスタックのうちの集積回路チップの冷却を容易にするために誘電流体流路として機能するように構成されたチャネルを含み、この冷却装置は、集積回路チップのスタック内の間隙空間内に誘電流体を直接送出するために、第２のポンプのポンプ排出管に結合され、集積回路チップ間の間隙空間内に延びる少なくとも１つのノズルをさらに含む。
一実施形態では、基板と冷却すべき電子デバイスとを含む冷却電子モジュールであって、電子デバイスが基板の上に配置される冷却電子モジュールと、電子デバイスを冷却するための冷却装置であって、電子デバイスを少なくとも部分的に取り囲み、その電子デバイスの回りに密閉コンパートメントを形成するように構成されたハウジングであって、密閉コンパートメントが液密であるハウジングと、密閉コンパートメント内に配置された誘電流体であって、冷却すべき電子デバイスが少なくとも部分的に誘電流体内に浸漬される誘電流体と、密閉コンパートメント内に配置された誘電流体を電子デバイスに向かって活発に汲み出すために密閉コンパートメント内に配置された少なくとも１つのポンプとを含む冷却装置とを提供することができる。好ましくは、ハウジングは、密閉コンパートメントを形成するために、基板または基板に結合された構造体のうちの一方に対して密閉され、密閉コンパートメントは誘電流体で部分的に充填され、その誘電流体は二相誘電流体であり、この冷却装置は、密閉コンパートメントの上部部分内で密閉コンパートメント内に延びる複数のコンデンサ・フィンをさらに含み、その複数のコンデンサ・フィンは密閉コンパートメントの上部部分まで上昇する誘電流体蒸気の冷却を容易にし、複数のコンデンサ・フィンはハウジングの最上部壁から密閉コンパートメント内に下向きに延び、ハウジングの最上部壁は複数のコンデンサ・フィンを冷却するために液冷コールド・プレートまたは空冷ヒート・シンクのうちの一方に結合され、少なくとも１つのポンプは、密閉コンパートメントの下部領域から抜き取られた誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために密閉コンパートメント内に配置された少なくとも１つの衝突冷却型浸漬ポンプをさらに含む。好ましくは、この冷却装置は、冷却すべき電子デバイスの上の密閉コンパートメント内に配置されたマニホルド構造体をさらに含み、マニホルド構造体は冷却すべき電子デバイスに向かって誘電流体ジェットを向けるためのジェット・オリフィスを備えた浸漬ジェット衝突プレナムを含み、少なくとも１つのポンプは、冷却すべき電子デバイスに向かって向けられた誘電流体ジェットとしてジェット・オリフィスを通って送出するために浸漬ジェット衝突プレナム内に圧力を受けて誘電流体を活発に汲み出し、この冷却装置は、密閉コンパートメント内に配置され、冷却すべき電子デバイスに結合された流体沸騰ヒート・シンクをさらに含み、流体沸騰ヒート・シンクは、浸漬ジェット衝突プレナムから向けられた誘電流体ジェットが流体沸騰ヒート・シンクに衝突するように配置され、流体沸騰ヒート・シンクは冷却すべき電子デバイスから延びる複数のピン・フィンを含み、そのピン・フィンは部分的に誘電流体の蒸発を介して電子デバイスから誘電流体への熱伝達を容易にする。好ましくは、冷却すべき電子デバイスは集積回路チップのスタックを含み、この冷却装置は、集積回路チップのスタックの冷却を容易にするために密閉コンパートメント内に配置された第１のポンプと第２のポンプとをさらに含み、第１のポンプは集積回路チップのスタックの最上部に向かって誘電流体を活発に汲み出すように構成され、第２のポンプは集積回路チップのスタックのうちの集積回路チップ間の間隙空間内に誘電流体を活発に汲み出すように構成され、この冷却装置は、集積回路チップのスタックの最上部に結合された流体沸騰ヒート・シンクをさらに含み、第１のポンプは集積回路チップのスタックの最上部に結合された流体沸騰ヒート・シンクに向かって誘電流体を活発に汲み出すように構成され、この冷却装置は、密閉コンパートメントの上部部分内で密閉コンパートメント内に延びる複数のコンデンサ・フィンをさらに含み、その複数のコンデンサ・フィンは密閉コンパートメントの上部部分まで上昇する誘電流体蒸気の冷却を容易にし、複数のコンデンサ・フィンはハウジングの最上部壁から密閉コンパートメント内に延び、ハウジングの最上部壁は複数のコンデンサ・フィンを冷却するために液冷コールド・プレートまたは空冷ヒート・シンクのうちの一方に結合される。好ましくは、冷却すべき電子デバイスは集積回路チップのスタックを含み、この冷却装置は、集積回路チップのスタックの冷却を容易にするために密閉コンパートメント内に配置された第１のポンプと第２のポンプとをさらに含み、第１のポンプは集積回路チップのスタックの最上部に向かって誘電流体を活発に汲み出すように構成され、第２のポンプは集積回路チップのスタックのうちの集積回路チップ間の間隙空間内に誘電流体を活発に汲み出すように構成され、集積回路チップのスタック内の少なくとも１つの集積回路チップの裏面は、集積回路チップのスタックのうちの集積回路チップの冷却を容易にするために誘電流体流路として機能するように構成されたチャネルを含み、この冷却装置は、集積回路チップのスタック内の間隙空間内に誘電流体を直接送出するために、第２のポンプのポンプ排出管に結合され、集積回路チップ間の間隙空間内に延びる少なくとも１つのノズルをさらに含む。
第２の態様では、冷却すべき電子デバイスを少なくとも部分的に取り囲み、その電子デバイスの回りに密閉コンパートメントを形成するようにハウジングを構成するステップと、密閉コンパートメント内に誘電流体を配置するステップであって、冷却すべき電子デバイスが少なくとも部分的に誘電流体内に浸漬されるステップと、密閉コンパートメント内に配置された誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために密閉コンパートメント内に少なくとも１つのポンプを配置するステップとを含む、冷却装置の製造の方法が提供される。
第２の態様の方法は、冷却すべき電子デバイスの回りにハウジングを固定するステップであって、ハウジングが冷却すべき電子デバイスを少なくとも部分的に取り囲み、その電子デバイスの回りに密閉コンパートメントを形成するように構成されるステップと、密閉コンパートメント内に誘電流体を配置するステップであって、冷却すべき電子デバイスが少なくとも部分的に誘電流体内に浸漬されるステップと、密閉コンパートメント内に配置された誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために密閉コンパートメント内に少なくとも１つのポンプを配置するステップであって、少なくとも１つのポンプが、密閉コンパートメント内に配置され、密閉コンパートメントの下部領域から抜き取られた誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すように構成された少なくとも１つの衝突冷却型浸漬ポンプを含むステップと、密閉コンパートメントの上部部分内で密閉コンパートメント内に延びる複数のコンデンサ・フィンを設けるステップであって、複数のコンデンサ・フィンが密閉コンパートメントの上部部分まで上昇する誘電流体蒸気の冷却を容易にし、複数のコンデンサ・フィンを冷却するために複数のコンデンサ・フィンと熱接触しているハウジングの最上部壁に結合された液冷コールド・プレートまたは空冷ヒート・シンクのうちの一方を提供するステップとを含む、冷却電子モジュールを製作する方法で実施することができる。
したがって、一態様では、発熱電子デバイスの冷却を容易にするための冷却装置を提供することにより、従来技術の短所が克服され、追加の利点が提供される。この冷却装置は、冷却すべき電子デバイスを少なくとも部分的に取り囲み、その電子デバイスの回りに密閉コンパートメントを形成するように構成されたハウジングを含む。さらに、誘電流体が密閉コンパートメント内に配置され、冷却すべき電子デバイスが少なくとも部分的に誘電流体内に浸漬される。その冷却を容易にするために密閉コンパートメント内に配置された誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために、少なくとも１つのポンプも密閉コンパートメント内に配置される。
一実施形態では、基板と、基板の上に配置された冷却すべき電子デバイスとを含む冷却電子モジュールが提供される。このモジュールは、電子デバイスを冷却するための冷却装置をさらに含む。この冷却装置は、電子デバイスを少なくとも部分的に取り囲み、その電子デバイスの回りに密閉コンパートメントを形成するように構成されたハウジングと、密閉コンパートメント内に配置された誘電流体であって、電子デバイスが少なくとも部分的に誘電流体内に浸漬される誘電流体とを含む。その冷却を容易にするために密閉コンパートメント内に配置された誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために、少なくとも１つのポンプも密閉コンパートメント内に配置される。
他の一実施形態では、冷却電子モジュールを製作する方法が提供される。この方法は、冷却すべき電子デバイスの回りにハウジングを固定するステップであって、ハウジングが冷却すべき電子デバイスを少なくとも部分的に取り囲み、その電子デバイスの回りに密閉コンパートメントを形成するように構成されるステップと、密閉コンパートメント内に誘電流体を配置するステップであって、冷却すべき電子デバイスが少なくとも部分的に誘電流体内に浸漬されるステップと、その冷却を容易にするために密閉コンパートメント内に配置された誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために密閉コンパートメント内に少なくとも１つのポンプを配置するステップであって、少なくとも１つのポンプが、密閉コンパートメント内に配置され、密閉コンパートメントの下部領域から抜き取られた誘電流体を冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すように構成された少なくとも１つの衝突冷却型浸漬ポンプを含むステップと、密閉コンパートメントの上部部分内で密閉コンパートメント内に延びる複数のコンデンサ・フィンを設けるステップであって、複数のコンデンサ・フィンが密閉コンパートメントの上部部分まで上昇する誘電流体蒸気の冷却を容易にし、複数のコンデンサ・フィンを冷却するために複数のコンデンサ・フィンと熱接触しているハウジングの最上部壁に結合された液冷コールド・プレートまたは空冷ヒート・シンクのうちの一方を提供するステップとを含む。
さらに、本発明の技法により追加の特徴および利点が実現される。本発明のその他の実施形態および態様については本明細書に詳細に記載されている。
次に、添付図面に関連して、一例としてのみ、本発明の好ましい一実施形態について説明する。
本明細書で使用する「電子機器ラック」、「ラック・マウント電子機器」、および「ラック・ユニット」という用語は、区別なく使用され、他の指定がない限り、コンピュータ・システムまたは電子システムの１つまたは複数の発熱コンポーネントを有する任意のハウジング、フレーム、ラック、コンパートメント、ブレード・サーバ・システムなどを含み、たとえば、ハイエンド、中間、またはローエンドの処理能力を有するスタンドアロン・コンピュータ・プロセッサにすることができる。一実施形態では、電子機器ラックは、複数の電子サブシステムまたはドロワを含むことができ、それぞれは、冷却を必要とし、そこに配置された１つまたは複数の発熱コンポーネントを有する。「電子サブシステム」は、そこに配置された１つまたは複数の発熱電子デバイスを有する任意のサブハウジング、ブレード、ブック、ドロワ、ノード、コンパートメントなどを指す。電子機器ラックの各電子サブシステムは電子機器ラックに対して移動可能なものまたは固定されたものにすることができ、ブレード・センタ・システムのラック・マウント電子機器ドロワおよびブレードは冷却すべき電子機器ラックのサブシステムの２つの例である。
「電子デバイス」は、たとえば、冷却を必要とするコンピュータ・システムまたはその他の電子装置の任意の発熱電子デバイスを指す。一例として、電子デバイスは、１つまたは複数のプロセッサ・チップ、メモリ・チップ、およびメモリ・サポート・チップを含む、冷却すべき１つまたは複数の集積回路ダイ（またはチップ）あるいはその他の電子デバイスまたはその両方を含むことができる。他の一例として、電子デバイスは、共通キャリア上に配置された１つまたは複数のベア・ダイあるいは１つまたは複数のパッケージ化されたダイを含むことができる。本明細書で使用する「１次発熱コンポーネント」は電子サブシステム内の１次発熱電子デバイスを指し、「２次発熱コンポーネント」は冷却すべき１次発熱コンポーネントより熱を発生しない、電子サブシステムの電子デバイスを指す。「１次発熱ダイ」は、たとえば、１次および２次発熱ダイを含む発熱電子デバイス内の１次発熱ダイまたはチップを指す（プロセッサ・ダイが一例である）。「２次発熱ダイ」は、その１次発熱ダイより熱を発生しない、マルチダイ電子デバイスのダイを指す（メモリ・ダイおよびメモリ・サポート・ダイが冷却すべき２次ダイの例である）。一例として、発熱電子デバイスは、共通キャリア上の複数の１次発熱ベア・ダイと複数の２次発熱ダイを含むことができるであろう。さらに、「コールド・プレート」という用語は、それを通って冷却液を流すためにそこに形成された１つまたは複数のチャネルまたは通路を有する任意の熱伝導構造体を指す。加えて、「冶金接合」は、本明細書では一般に、２つのコンポーネントが何らかの手段によってまとめて溶接、蝋付け、または半田付けされることを指す。
本明細書で使用する「液冷式液体熱交換器（liquid-to-liquidheat exchanger）」は、たとえば、相互に熱的または機械的に接触している熱伝導チューブ（銅またはその他のチューブなど）から形成された２つまたはそれ以上の冷却液流路を含むことができる。液冷式液体熱交換器のサイズ、構成、および構造は、本明細書に開示された本発明の範囲から逸脱せずに様々になる可能性がある。さらに、「データ・センタ」は、冷却すべき１つまたは複数の電子機器ラックを含むコンピュータ設備を指す。特定の一例として、データ・センタは、サーバ・ユニットなど、１列または複数列のラック・マウント演算装置を含むことができる。
ファシリティ冷却液とシステム冷却液の一例は水である。しかし、本明細書に開示された冷却概念は、容易にファシリティ側あるいはシステム側またはその両方でその他のタイプの冷却液とともに使用するようになっている。たとえば、冷却液のうちの１つまたは複数は、依然として本発明の利点および固有の特徴を維持しながら、ブライン、フルオロカーボン液、液体金属、またはその他の同様の冷却液あるいは冷却剤を含むことができる。
以下で図面を参照するが、図面はその理解を容易にするために一定の縮尺で描かれているわけではなく、異なる図面全体を通して使用する同じ参照番号は同じかまたは同様の構成要素を示している。
図１は、従来技術で典型的な空冷データ・センタ１００の上げ床レイアウトを描写しており、複数の電子機器ラック１１０が１列または複数列に配置されている。図１に描写されているようなデータ・センタは、数百または数千ものマイクロプロセッサを収容することができる。図示の配置では、冷却した空気は、コンピュータ・ルームの上げ床１４０と基礎または下張り床１６５との間に画定された給気プレナム１４５から穴あき床タイル１６０を介してコンピュータ・ルームに入る。冷却した空気は、電子機器ラックの吸気口側１２０のルーバ・カバーから取り込まれ、電子機器ラックの背面（すなわち、吹き出し口側１３０）から排出される。各電子機器ラック１１０は、ラックのサブシステム（複数も可）内の電子デバイスを冷却するために強制的な吸入口から排出口への空気流を提供するために、１つまたは複数の空気移動装置（air moving device）（たとえば、ファンまたはブロワ）を有することができる。給気プレナム１４５は、コンピュータ設備の「冷たい」アイル内に配置された穴あき床タイル１６０を介して電子機器ラックの吸気口側に調節し冷却した空気を提供する。調節し冷却した空気は、同じくデータ・センタ１００内に配置された１つまたは複数の空調ユニット１５０によってプレナム１４５に供給される。大気は、その上部部分付近で各空調ユニット１５０に取り込まれる。この大気は、部分的に、たとえば、電子機器ラック１１０の対向する吹き出し口側１３０によって画定されたコンピュータ設備の「熱い」アイルから排出された空気を含む可能性もある。
電子機器ラックを通る必要な空気流が絶えず増加し、典型的なデータ・センタ設備内の空気分配が制限されることにより、液体ベースの冷却が従来の空冷と組み合わされている。図２〜図４は、電子機器ラック内に配置された高熱発生電子デバイスに結合された１つまたは複数のコールド・プレートを備えた液体ベースの冷却システムを使用するデータ・センタ実装例の一実施形態を示している。
図２は、データ・センタ用の冷却水配分装置２００の一実施形態を描写している。この冷却水配分装置は、伝統的に、完全なエレクトロニクス・フレームと見なされるものを占める大型ユニットである。冷却水配分装置２００内には、電源／制御エレメント２１２、リザーバ／膨張タンク２１３、熱交換器２１４、ポンプ２１５（しばしば余分な第２のポンプが付随する）、ファシリティ用吸水口２１６および排水口２１７の供給管、カップリング２２０およびライン２２２を介して電子機器ラック１１０に水またはシステム冷却液を供給する供給マニホルド２１８、ライン２２３およびカップリング２２１を介して電子機器ラック１１０から水を受け取る戻りマニホルド２１９が存在する。各電子機器ラックは（一例では）、その電子機器ラック用の電源／制御ユニット２３０と、複数の電子サブシステム２４０と、システム冷却液供給マニホルド２５０と、システム冷却液戻りマニホルド２６０とを含む。図示の通り、各電子機器ラック１１０は、データ・センタの上げ床１４０上に配置されており、システム冷却液供給マニホルド２５０にシステム冷却液を提供するライン２２２と、システム冷却液戻りマニホルド２６０からシステム冷却液の戻りを容易にするライン２２３は上げ床の下の給気プレナム内に配置されている。
図示の実施形態では、システム冷却液供給マニホルド２５０は、ラック内の供給マニホルドとそれぞれの電子サブシステムとの間に配置されているフレキシブル・ホース接続部２５１を介して電子サブシステムの冷却システムに（詳細には、その液冷コールド・プレートに）システム冷却液を提供する。同様に、システム冷却液戻りマニホルド２６０はフレキシブル・ホース接続部２６１を介して電子サブシステムに結合される。フレキシブル・ホース２５１、２６１と個々の電子サブシステムとの間の境界ではクイック・コネクト・カップリング（quick connect coupling）を使用することができる。一例として、これらのクイック・コネクト・カップリングは、米国ミネソタ州セントポールのコールダー・プロダクツ社または米国オハイオ州クリーブランドのパーカー・ハニフィン社から入手可能なものなど、様々なタイプの市販のカップリングを含むことができる。
図示されていないが、電子機器ラック１１０は、その吹き出し口側に配置された空冷式液体熱交換器（air-to-liquid heat exchanger）も含むことができ、これもシステム冷却液供給マニホルド２５０からシステム冷却液を受け取り、システム冷却液戻りマニホルド２６０にシステム冷却液を返す。
図３は、電子サブシステム３１３のコンポーネント・レイアウトの一実施形態を描写しており、１つまたは複数の空気移動装置３１１が強制的な空気流３１５を提供して電子サブシステム３１３内の複数のコンポーネント３１２を冷却する。冷気はサブシステムの前面３３１から取り込まれ、背面３３３から排出される。冷却すべき複数のコンポーネントとしては、（液体ベースの冷却システムの）液冷コールド・プレート３２０が結合された複数のプロセッサ・モジュール、ならびに空冷ヒート・シンクが結合された複数アレイのメモリ・モジュール３３０（たとえば、デュアル・インライン・メモリ・モジュール（ＤＩＭＭ））および複数列のメモリ・サポート・モジュール３３２（たとえば、ＤＩＭＭ制御モジュール）を含む。図示の実施形態では、メモリ・モジュール３３０およびメモリ・サポート・モジュール３３２は、電子・サブシステム３１３の前面３３１付近で部分的に整列し、電子サブシステム３１３の背面３３３付近で部分的に整列している。また、図３の実施形態では、メモリ・モジュール３３０およびメモリ・サポート・モジュール３３２は電子サブシステムを横切る空気流３１５によって冷却される。
図示の液体ベースの冷却システムは、液冷コールド・プレート３２０に接続され、それと流体で連絡している複数の冷却液キャリング・チューブをさらに含む。冷却液キャリング・チューブは複数組の冷却液キャリング・チューブを含み、それぞれの組は（たとえば）冷却液供給チューブ３４０と、ブリッジ・チューブ３４１と、冷却液戻りチューブ３４２とを含む。この例では、各組のチューブは直列接続の１対のコールド・プレート３２０（１対のプロセッサ・モジュールに結合される）に冷却液を提供する。冷却液は、冷却液供給チューブ３４０を介して各対の第１のコールド・プレート内に流れ、ブリッジ・チューブまたはライン３４１を介してその対の第１のコールド・プレートから第２のコールド・プレートに流れ、そのラインは熱伝導性である場合もあれば、そうではない場合もある。その対の第２のコールド・プレートからそれぞれの冷却液戻りチューブ３４２を介して冷却液が戻される。
図４は、それぞれに液体ベースの冷却システムのそれぞれの液冷コールド・プレートが結合されている、８つのプロセッサ・モジュールを含む、代替の電子サブシステム・レイアウトをより詳細に描写している。液体ベースの冷却システムは、液冷コールド・プレートによる冷却液の通過を容易にするための関連の冷却液キャリング・チューブと、液冷コールド・プレートへの冷却液の配分および液冷コールド・プレートからの冷却液の戻りを容易にするためのヘッダ・サブアセンブリとをさらに含むように示されている。特定の例として、液体ベースの冷却サブシステムを通過する冷却液は冷却し調節した水である。
図４は、電子サブシステムまたはドロワおよびモノリシック冷却システムの一実施形態の等角図である。描写されているプレーナ・サーバ・アセンブリは、冷却すべきメモリＤＩＭＭソケットおよび様々な電子デバイスが物理的かつ電気的に取り付けられた多層プリント回路基板を含む。描写されている冷却システムでは、供給ヘッダは単一の吸水口から複数の並列冷却液通路に冷却液を配分するために設けられ、戻りヘッダは排出された冷却液を複数の並列冷却液流路から単一の排出口内に収集する。各並列冷却液流路は、コールド・プレートが機械的かつ熱的に結合される１つまたは複数の電子デバイスの冷却を容易にするために直列の流れ配置として１つまたは複数のコールド・プレートを含む。並列流路の数および直列接続の液冷コールド・プレートの数は、たとえば、所望のデバイス温度、使用可能な冷却液の温度と冷却液の流量、ならびに各電子デバイスから放散されている全熱負荷によって決まる。
詳細には、図４は、冷却すべき１次発熱コンポーネント（たとえば、プロセッサ・ダイを含む）に結合された、部分的に組み立てられた電子サブシステム４１３および組み立てられた液体ベースの冷却システム４１５を描写している。この実施形態では、電子システムは、電子機器ラックの電子機器ドロワのために（または、電子機器ドロワとして）構成され、一例として、サポート基板またはプレーナ・ボード４０５と、複数のメモリ・モジュール・ソケット４１０（メモリ・モジュール（たとえば、デュアル・インライン・メモリ・モジュール）は図示せず）と、複数列のメモリ・サポート・モジュール４３２（それぞれに空冷ヒート・シンク４３４が結合されている）と、液体ベースの冷却システム４１５の液冷コールド・プレート４２０の下に配置された複数のプロセッサ・モジュール（図示せず）とを含む。
液冷コールド・プレート４２０に加えて、液体ベースの冷却システム４１５は、それぞれの液冷コールド・プレート４２０と流体で連絡している冷却液供給チューブ４４０および冷却液戻りチューブ４４２を含む、複数の冷却液キャリング・チューブを含む。また、冷却液キャリング・チューブ４４０、４４２は、冷却液供給チューブへの冷却液の配分および冷却液戻りチューブ４４２からの冷却液の戻りを容易にするヘッダ（またはマニホルド）サブアセンブリ４５０にも接続されている。この実施形態では、電子サブシステム４１３の前面４３１により近いメモリ・サポート・モジュール４３２に結合された空冷ヒート・シンク４３４は、電子サブシステム４１３の背面４３３付近でメモリ・サポート・モジュール４３２に結合された空冷ヒート・シンク４３４’より高さが低い。この実施形態では、ヘッダ・サブアセンブリ４５０が電子機器ドロワの前面４３１にあり、複数の液冷コールド・プレート４２０がドロワの中間にあるので、このサイズ差は冷却液キャリング・チューブ４４０、４４２を収容するためのものである。
液体ベースの冷却システム４１５は、それぞれの発熱電子デバイスとかみ合うための間隔関係に配置され構成された複数の（組み立て済み）液冷コールド・プレート４２０を含む、事前構成されたモノリシック構造体を含む。各液冷コールド・プレート４２０は、この実施形態では、冷却液吸入口および冷却液排出口、ならびに取り付けサブアセンブリ（すなわち、コールド・プレート／ロード・アーム・アセンブリ）を含む。各取り付けサブアセンブリは、そのそれぞれの液冷コールド・プレート４２０を関連の電子デバイスに結合して、コールド・プレートと電子デバイスのアセンブリを形成するために使用される。組み立てプロセス中に位置合わせピンまたは位置決めドエルを受け入れるために、コールド・プレートの両側に位置合わせ開口部（すなわち、貫通孔）が設けられている。さらに、取り付けアセンブリの使用を容易にするコネクタ（またはガイド・ピン）が取り付けサブアセンブリ内に含まれている。
図４に示されている通り、ヘッダ・サブアセンブリ４５０は、２つの液体マニホルド、すなわち、冷却液供給ヘッダ４５２と冷却液戻りヘッダ４５４とを含み、これらは一実施形態では支持ブラケットを介してまとめて結合されている。図４のモノリシック冷却構造体では、冷却液供給ヘッダ４５２は各冷却液供給チューブ４４０と流体で連絡して冶金接合され、冷却液戻りヘッダ４５４は各冷却液戻りチューブ４４２と流体で連絡して冶金接合されている。単一の冷却液吸入口４５１と単一の冷却液排出口４５３は、電子機器ラックの冷却液供給マニホルドおよび冷却液戻りマニホルド（図示せず）に結合するためにヘッダ・サブアセンブリから延びている。
図４は、事前構成された冷却液キャリング・チューブの一実施形態も描写している。冷却液供給チューブ４４０および冷却液戻りチューブ４４２に加えて、たとえば、１つの液冷コールド・プレートの冷却液排出口を他の液冷コールド・プレートの冷却液吸入口に結合して連続した流体の流れでコールド・プレート同士を接続するために、ブリッジ・チューブまたはライン４４１が設けられ、この１対のコールド・プレートはそれぞれ１組の冷却液供給チューブおよび冷却液戻りチューブを介して冷却液を受け取り、返す。一実施形態では、冷却液供給チューブ４４０、ブリッジ・チューブ４４１、および冷却液戻りチューブ４４２はそれぞれ、銅またはアルミニウムなどの熱伝導材料で形成された事前構成半硬質チューブであり、これらのチューブはそれぞれ、ヘッダ・サブアセンブリあるいは液冷コールド・プレートまたはその両方に対して液密状に蝋付け、半田付け、または溶接されている。これらのチューブは、特定の電子システムとのかみ合い関係にあるモノリシック構造体の設置を容易にするためにその電子システム向けに事前構成される。
図５は、ポンプ強化型浸漬冷却電子モジュール５００の一実施形態を描写しており、このモジュールは、プロセッサまたはその他の集積回路ダイなどの発熱電子デバイス５１０と、図４の電子サブシステムの上述の液冷コールド・プレート４２０などの液冷コールド・プレート５２０との間の熱構造インターフェース（structural and thermal interface）である。冷却電子モジュール５００は、冷却すべき電子デバイス５１０を少なくとも部分的に取り囲み、その電子デバイス５１０の回りに密閉液密コンパートメント５３１を形成するように構成されたハウジングの一部を形成するモジュール・ケーシング５３０を含む。図示の通り、誘電冷却液５３２は、２つの衝突冷却型浸漬ポンプ５３５、５３６のように、密閉コンパートメント５３１内に配置されている。各衝突冷却型浸漬ポンプ５３５、５３６は、ポンプ内に液体誘電流体を引き込むために密閉コンパートメントの下部部分内に吸入口が配置された吸入ポンプ・チューブ５３７と、冷却すべき電子デバイスに向かって加圧された誘電流体を向けてその冷却を容易にするためのそれぞれのポンプ・ジェット・ノズル５３８とを含む。特定の例として、衝突冷却型浸漬ポンプはそれぞれ、米国バージニア州ハンプトンのＡｄａｐｔｉｖＥｎｅｒｇｙ，ＬＬＣによって提供されるＬＰＤ−１２５液体ポンプにすることができる。
ハウジングは、たとえば、ボルトまたはねじ５４１とシーリング・ガスケット（またはＯリング）５４２を使用してプリント回路基板５４０に取り付けられたシェル状コンポーネントであり、このシーリング・ガスケットは、ハウジングの下面と回路基板の上面との間、代わって、ハウジングの下面と電子デバイス５１０が直接結合する基板５５０の上面との間で圧縮される。図示の通り、Ｃ４接続など、複数の電気接続が電子デバイスを基板５５０に電気的に結合し、この基板５５０は、この実施形態では、もう１組の電気接続を介してそれ自体がプリント回路基板５４０に電気的に結合される。
本明細書で使用する「基板」という用語は、電子デバイスが結合され、電子デバイスの回りに密閉コンパートメント５３１を形成するためにハウジングを密閉することができる、基板５５０またはプリント回路基板５４０などの任意の下にある支持構造体を指す。シーリング・ガスケット５４２は、ハウジングの内部コンパートメントを封鎖し、密閉コンパートメント内の誘電流体を保持するのを支援する。２つの衝突冷却型浸漬ポンプ５３５、５３６は、この実施形態では、ハウジングの対向する側壁に結合され、発熱電子デバイスの裏面など、冷却すべき発熱電子デバイスに向かって加圧された誘電冷却液を強制的に向けるように位置決めされ、サイズ調整され、構成されている。これは、（一実施形態では）冷却すべき電子デバイスの裏面のすぐ上に位置決めされた複式独立型ジェット・ノズル５３８を介して達成される。動作中に、誘電流体は熱を吸収するので、液相から気相への相変化を経験し、その結果、冷却のためにその蒸発潜熱を利用する。結果として生ずる誘電流体蒸気は、密閉コンパートメントの上部部分まで上昇し、密閉コンパートメントの上部部分内に誘電蒸気層（dielectric vapor layer）５６０を形成する。蒸気は、周囲の誘電液体に比較してかなり低い密度を有するので上昇する。浸漬したバッフル（または防湿層）５８０は、誘電流体蒸気を上向きに密閉コンパートメントの上部部分に向けることを容易にする。密閉コンパートメントの一番上の部分には、空気などのガスを含む薄い非凝縮性ガス層５９０が示されており、このガスも液体を離れて上向きに移動するものである。このようなガスは、誘電流体内に溶解状態で存在することができるが、沸騰プロセスにより脱ガスされると、冷却液凝縮プロセスを介して溶液に戻すことはできない。
描写されている通り、冷却電子モジュール５００は、ハウジングの最上部壁５７１から密閉コンパートメント内に延びる複数のコンデンサ・フィン５７０をさらに含む。一実施形態では、これらのコンデンサ・フィンは、発熱電子デバイスの動作により密閉コンパートメントの上部部分内に形成するように、予想される誘電蒸気層５６０用に適切にサイズ調整される。密閉コンパートメントの上部部分に達すると、誘電流体蒸気はコンデンサ・フィンの冷たい表面に接触し、コンデンサ・フィンは、たとえば、液冷コールド・プレート５２０、および詳細には、吸入口５２１および排出口５２２を介して液冷コールド・プレートを通過するシステム冷却液への熱伝導結合により冷却される。冷たい垂直に配向されたコンデンサ・フィン表面と接触することにより、誘電流体蒸気は蒸気から液体状態への第２の相変化プロセスを経験し、重力ならびに隣接した蒸気領域に比較してその密度が高いために、液体の飛沫が下向きに戻る。一例として、垂直に配向されたコンデンサ・フィンはピン・フィンまたはプレート・フィン構造体を含むことができるであろう。図５に示されている実施形態では、コンデンサ・フィン５７０の縦の長さは様々であり、より中心に配置されたコンデンサ・フィンの方が外辺部のコンデンサ・フィンより長い。この構成は多数の利点を提供する。たとえば、より長いフィンによって凝縮伝熱面積の増加がもたらされ、沸騰熱伝達を増大させるために凝縮液をサブクーリングすることができる。加えて、モジュールの上部部分における蒸気収集の量は、上部部分に達する前に水中の気泡が凝縮する程度まで低減される。この構成は、冷却プロセスを容易にするために使用可能な方形のモジュール・ボリュームの使用を強化するものである。
密閉コンパートメントの下部部分内の誘電液体は同時に吸入ポンプ・チューブ５３７を介して浸漬ポンプ５３５、５３６の低圧側に引き込まれる。浸漬したバッフルは、電子デバイス付近の蒸気が豊富な領域をポンプ吸入管開口部付近の液体（凝縮液）が豊富な領域から部分的に分離する働きをするように構成されることに留意されたい。バッフル５８０は、その下部部分内に開口部を含み、誘電流体が密閉コンパートメント内でそれ自体の一般的なレベルを見つけられるようにすることができる。沸騰プロセスと凝縮冷却プロセスが平衡状態にあり、冷却すべき電子デバイスによって発生された熱と釣り合っている限り、電子モジュールは正常に電子デバイスからコールド・プレートに熱を輸送することになる。
この電子モジュール内で使用される冷却液は、電子デバイスおよび基板の様々な露出部分で電流の短絡を引き起こさないように誘電流体である。多くの誘電流体が市販されており、本明細書に記載した冷却電子モジュール構成で使用することができる。例としては、３Ｍ社製造のＮｏｖｅｃ液（たとえば、ＦＣ−７２、ＦＣ−８６、ＨＦＥ−７０００、およびＨＦＥ−７２００）を含む。当業者であれば、衝突する誘電流体により電子デバイスから行われる冷却に加えて、熱を発生するエンクロージャ内の基板および任意のその他のコンポーネントから熱伝達が発生することにも留意されたい。また、図５の冷却電子モジュールの実施形態では、単一ポンプで故障が発生した場合の余剰分として２つの浸漬ポンプを使用することにも留意されたい。その他の構成では、１つのポンプのみ、あるいは必要であれば３つ以上のポンプを使用することができる。
図６Ａおよび図６Ｂは、ポンプ支持構造体６２０に取り付けられた水中小型ポンプ６１０を含む、ポンプ・サブアセンブリ６００の一実施形態を描写している。水中小型ポンプは、図５に描写されている衝突冷却型浸漬ポンプ５３５、５３６の一実施形態を表しており、図示の通り、ポンプ・ハウジング６１３に接続されたポンプ吸入管６１１とポンプ排出管６１２とを含む。この実施形態では、ジェット・ノズル６３０は、ノズル支持台６３１を介してポンプ支持構造体６２０と一体化されている。ポンプ支持構造体６２０は、冷却装置のハウジング内の所定の位置でのポンプ支持構造体の圧入を容易にする折り返し面６２１をさらに含む。代わって、この支持構造体は、ボルト締め、半田付け、蝋付け、溶接、糊付けなどによりハウジングに取り付けることができるであろう。
図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれポンプ構造体側および支持構造体側を強調するために２通りの角度からの斜視図を示している。図６Ａの矢印は、たとえば、冷却すべき電子デバイスの裏面に衝突するために高圧でノズルを出る誘電流体を描写している。図６Ｂの矢印は、ポンプ吸入管６１１を介してポンプ吸入側に入る凝縮された誘電液体を描写している。これらの図には、一実施形態で、支持構造体、ならびに支持構造体と一体化され、一方の側でジェット・ノズル６３０に取り付けられ（またはそれと一体化され）、もう一方の側でポンプ排出管６１２に取り付けられた支持台にポンプ・ハウジングを取り付けるために使用される様々な付着点も示されている。
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の一実施形態により、ハウジングのモジュール・ケーシング７００の部分の一実施形態を描写している。モジュール・ケーシング７００に加えて、冷却電子モジュールのハウジングは、モジュール・ケーシング７００の大きい方の方形の開口部を端から端まで密閉する最上部壁を含む。図７Ａおよび図７Ｂに示されている通り、冷却すべき電子デバイスが密閉コンパートメント（上述の通り）内に常駐するように、冷却すべき電子デバイスを収容するようにサイズ調整されたより小さい開口部７０１が設けられている。冷却すべき電子デバイスを支持する基板にハウジングを密閉するためにＯリング（図９Ａを参照）を受け入れるように位置決めされ、サイズ調整された溝付きくぼみ７０２が設けられている。ハウジングと基板との間に位置決めされたときにＯリングの所定のクラッシュ深さを保証するために、モジュール・ケーシング７００の隅に隔離碍子７０３が配置される。図７Ｂに示されている通り、ハウジングのモジュール・ケーシングと最上部壁（図８Ａおよび図８Ｂ）との間の液密接合を保証するために、最上部密閉Ｏリング（図９Ａを参照）のためのくぼみ７１０も設けられている。穴７１１は、たとえば、冷却すべき発熱電子デバイスを支持する基板へのハウジングの取り付けを容易にするために、モジュール・ケーシングから延びている。また、図７Ａには、誘電流体による密閉コンパートメントの充填（および排出）を可能にする穴（またはポート）７２０、ならびに密閉コンパートメント内のポンプに電力を供給して制御するためのワイヤのための液密電気フィードスルー用にサイズ調整された穴（またはポート）７２１も示されている。留意されるように、小さい方の方形のくぼみまたは開口部は密閉コンパートメント内に挿入するための電子デバイスを収容し、大きい方の方形のくぼみは、密閉コンパートメント内に延びるコンデンサ・フィンとともに最上部壁コンデンサ・プレートを受け入れるようにサイズ調整される。
図８Ａおよび図８Ｂは、密閉コンパートメントの上部部分における誘電流体蒸気の冷却を容易にするように構成された最上部壁コンデンサ構造体８００の一実施形態を描写している。例示されている通り、コンデンサ構造体は、液冷コールド・プレートまたは空冷ヒート・シンクを取り付けることができる上面を有するプレートまたは最上部壁８１０を含む。最上部壁８１０の下面は、複数の正方形の垂直に配向されたピン・フィン、またはより一般的に、コンデンサ・フィン８２０を含む。一実施形態では、上述のポンプ・チューブを収容するために、最上部壁８１０の下面に１つまたは複数のくぼみ８３０が設けられている。隅の穴８４０は、冷却すべき電子デバイスを支持する基板に対する組み立てられたハウジング（最上部壁およびモジュール・ケーシングを含む）の取り付けを容易にするものである。コンデンサ・フィンは任意の所望の形を取ることができ、描写されている正方形のピン・フィンは熱伝達のための表面積の増強を可能にすることに留意されたい。
図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ、本発明の一実施形態により、冷却電子モジュールの一実施形態の分解組み立て斜視図を描写している。例示されている通り、冷却電子モジュールは（一実施形態では）、ボード５４０に搭載され、そのボードはそれに対して電気的かつ機械的に結合された基板５５０を含み、その基板の上に集積回路ダイ５１０などの電子デバイスが存在する。第１のＯリング９００は基板５５０とモジュール・ケーシング７００との間に存在する。図示の通り、内部チャンバは、上述のものなどの２つのポンプ・サブアセンブリ６００を収容するようにサイズ調整されたモジュール・ケーシング７００内に画定される。第２のＯリング９０１は、図９Ｂに例示されている通り、モジュール・ケーシング７００への最上部壁コンデンサ構造体８００の密閉を容易にする。
図１０は、図５の冷却電子モジュールの変更版を描写している。この実施形態では、マニホルド構造体１０００は、冷却すべき電子デバイスの上の密閉コンパートメント内に位置決めされる。マニホルド構造体１０００は、浸漬ジェット衝突プレナムとして機能し、電子デバイスに熱によって結合された沸騰ヒート・シンク１０２０への誘電流体のジェット衝突のためのジェット・オリフィス１０１０を含む。ポンプ・サブアセンブリは、ポンプ排出管５３８が圧力を受けてマニホルド構造体１０００内に誘電流体を供給するように変更される。次に誘電流体は、流体沸騰ヒート・シンク構造体を打つ誘電流体ジェットとして複数のジェット・オリフィス１０１０を強制的に通過させられる。その結果、二相対流熱伝達による熱除去が行われる。誘電流体は熱を吸収するので、液相から気相への相変化を経験し、その結果、冷却のためにその蒸発潜熱を利用する。上述の実施形態のように、発生した蒸気は密閉コンパートメントの上部部分まで上昇し、そこでコンデンサ・フィン５７０の冷たい表面に遭遇する。図１０の実施形態では、コンデンサ・フィン５７０は水冷コールド・プレートなどの液冷コールド・プレート５２０によって冷却され、図１１の実施形態では、コンデンサ・フィン５７０は空冷ヒート・シンク１１００によって冷却される。図１１に例示されている通り、空冷ヒート・シンク１１００は、進入してきた空気１１０１がそれを通過し、加熱空気１１０２としてそれを出て行く、複数の上向きに突出しているフィン１１１０を含む。
図１２は、図５、図１０、および図１１の冷却電子モジュール構造体の他の変形例を描写しており、単一の水平配置の衝突冷却型浸漬ポンプ１２００が使用され、それにより冷却電子モジュールが著しく小さい垂直高を使用することができ、その結果、低いプロファイルのサーバ・ノードに関するサーバ・パッケージ化の観点からそのモジュールがより小型になる。単一の浸漬ポンプ１２００は、密閉コンパートメント内で水平に配向され、一方の側でポンプ取り付けブラケット１２１０を介してモジュール・ケーシング５３０の内壁に取り付けられた状態で示されている。ポンプ吸入管１２０１は誘電液体を吸い込むように密閉コンパートメントの下部部分内にある吸入口開口部とともに位置決めされ、ポンプ排出管１２０２は単一の浸漬ポンプ１２００と一体化して示されているジェット衝突マニホルド１２２０に結合されている。浸漬ポンプの高圧側はジェット衝突マニホルド内に誘電液体を放出し、この実施形態では、冷却すべき電子デバイス５１０の裏面に衝突するように、そのマニホルドから液体がジェット・オリフィス１２２１を通って出力される。浸漬ポンプ１２００を水平に配置し、そのポンプをジェット衝突マニホルド１２２０と一体化することにより、小型設計が得られる。さらに、水平のポンプ配向は、吸入管および排出管に関する水頭損失が図５、図１０、および図１１に関連して説明した諸実施形態に比較して低くなることを意味する。
図１３〜図１６Ｂは、本発明の一実施形態により、冷却電子モジュールに関する追加の変形例を描写している。例示されている通り、これらの実施形態のそれぞれでは、電子デバイスは集積回路チップのスタックを含む。
まず図１３を参照すると、集積回路チップ１３０１のスタック１３００を含む電子デバイスと液冷コールド・プレート５２０との間の熱構造インターフェースとして構成されたポンプ強化型浸漬冷却電子モジュールの一実施形態が描写されている。他の記述がない限り、図１３の冷却電子モジュールは、たとえば、図５に関連して上述したものと同様である。
構造上の違いとしては、集積回路チップのスタックを設けたことに加えて、集積回路チップのスタックの上面に熱によって結合された流体沸騰ヒート・シンク１３２０と、浸漬したバッフル５８０とともに浸漬ポンプ５３６のポンプ排出管１３１１と流体で連絡している吸入マニホルドを形成するマニホルド構造体１３３０を使用することを含む。集積回路チップのスタックからの誘電流体および誘電流体蒸気の上向きの流れを描写する矢印によって示されているように、ポンプ排出管１３１１からの誘電流体の流れは、たとえば、集積回路チップのスタックの反対側から出る前に、このインレット・プレナムから集積回路チップ１３０１間の間隙空間に流れ込む。
浸漬ポンプ５３５は、上述の通り、部分的に、誘電流体の沸騰により集積回路チップのスタックを冷却するために流体沸騰ヒート・シンク１３２０上に誘電流体の流れを向けるように位置決めされたポンプ排出管１３１０を含む。浸漬ポンプ５３５、５３６はそれぞれ、液体の誘電流体を吸い込むために密閉コンパートメントの下部部分に吸入口がある吸入ポンプ・チューブ１３１２を含み、（この実施形態では）それぞれ、ブラケット１３４０を介してモジュール・ケーシング５３０の内壁に据え付けられている。
図１４は、図１３の液冷コールド・プレート５２０が図１１の実施形態に関連して上述したような空冷ヒート・シンク１１００で置き換えられることを除いて、図１３に関連して上述したものと同様の液冷モジュール実施形態を描写している。代替一実施形態では、空冷ヒート・シンクは、下にあるモジュール・ケーシングの設置面積に対応する設置面積を有するように変更することができるであろう。また、モジュール・ケーシングは、外側に広げて、たとえば、図１４に示されている空冷ヒート・シンクの設置面積と同様の拡大した設置面積を有するコンデンサ・セクションに対応するために、その上部部分を変更することができるだろう。
図１５Ａおよび図１５Ｂは、図１３および図１４に関連して上記で注目した間隙誘電流体送出手法についてさらに詳細に描写している。図１５Ｂの矢印は、集積回路チップ１３０１のスタック１３００の第１の側１５０１と第２の側１５０２を包含するインレット・プレナム１５００から、スタックの第３の側１５１１と第４の側１５１２を包含するアウトレット・プレナム１５１０への誘電流体の流れの方向を示している。誘電流体はポンプ排出管１３１１を介してインレット・プレナム１５００に送出され、ポンプ排出管１３１０は上述の流体沸騰ヒート・シンクに流体を送出する。図示の通り、インレット・プレナムは、マニホルド構造体１３３０と、ポンプ排出管１３１１が通過する浸漬したバッフル５８０の一部分によって画定される。当業者であれば、間隙空間は、それらを電気的に接続する相互接続構造体のアレイ（複数も可）を利用して集積回路チップを順にスタックにしたときに作り出される自由体積で構成されることに留意するであろう。相互接続部はチップ間の体積の一部分のみを占めるので、集積回路チップのスタックを冷却するために活用できる流体通路をもたらす開放された体積が存在する。さらに、当業者であれば、アウトレット・プレナム１５１０は、一実施形態では、浸漬したバッフル５８０の下部部分によって画定され、ハウジングの密閉コンパートメントの上部領域に対して開放されていることに留意するであろう。したがって、間隙空間を出る誘電流体蒸気は、ハウジングのコンデンサ領域に向かって上向きに自由に移動する。コンデンサ・フィン５７０’の一実施形態は図１５Ｂに描写されており、そのコンデンサ・フィンは、ハウジングの最上部壁から下向きに下がるプレート・フィンを含む。
図１６Ａおよび図１６Ｂは、本発明の一実施形態により、冷却電子モジュールの他の変形例を描写している。例示されている通り、この冷却電子モジュールは、その上面に結合された沸騰ヒート・シンクを有する、集積回路チップ１６０１のスタック１６００を含む。また、チャネル１６０２は、隣接する集積回路チップ間の間隙空間を通る誘電流体の流路を強化するために、スタック内の集積回路チップのうちの１つまたは複数の裏面に切削される。この実施形態では、埋め込みノズル１６１０は、ポンプ排出管１３１１からスタック内の集積回路チップ間の間隙空間内に延びている。図１６Ｂに例示されている通り、１つまたは複数の埋め込みノズルは、圧力を受けて誘電流体の流れを間隙空間内に送出するために隣接するチップ間の間隙空間の中間まで延びている。誘電流体がすべての方向に実質的に均一に分散することを保証するために、埋め込みノズルは、９０°で供給する誘電流体の液体をスタック内の隣接チップの裏面内に刻まれた十字模様のチャネル内に強制的に衝突させるように、それぞれの端部に直角の曲がりを付けて構成されている。このチャネルは、隣接集積回路チップ同士を結合する任意の相互接続構造体によって接触されない自由表面積に対応するように位置決めされる。このチャネルは、チップとスタックとの間の通路を通る冷却液の流れのために実質的に増強された自由体積をもたらす。集積回路チップの裏面内に画定されたチャネルは、スタックのサイド・エッジのいずれか１つへの誘電流体の外向きの流れを容易にし、図１６Ａに矢印によって例示されているように、その流れは最終的にそのエッジから密閉コンパートメントの上部部分に戻される。
諸実施形態について本明細書で詳細に描写し説明してきたが、本発明の範囲を逸脱せずに様々な変更、追加、代用などが可能であることは当業者にとって明らかになるであろう。
Claims (10)
- 冷却すべき電子デバイスを少なくとも部分的に取り囲み、前記電子デバイスの回りに密閉コンパートメントを形成するように構成されたハウジングと、
前記密閉コンパートメント内に配置された誘電流体であって、前記冷却すべき電子デバイスが少なくとも部分的に前記誘電流体内に浸漬される誘電流体と、
前記密閉コンパートメント内に配置された誘電流体を前記冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために前記密閉コンパートメント内に配置された少なくとも１つのポンプと、
を含み、
前記少なくとも１つのポンプは、前記密閉コンパートメント内で前記ハウジングの側壁付近に配置された衝突冷却型浸漬ポンプであり、当該衝突冷却型浸漬ポンプは、前記密閉コンパートメントの下部部分から吸入口を介して抜き取られた誘電流体を前記冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出し、
誘電流体蒸気を前記密閉コンパートメントの上部部分に向けることを容易にするために、前記冷却すべき電子デバイスの少なくとも一方の側に隣接して前記衝突冷却型浸漬ポンプと前記冷却すべき電子デバイスとの間に配置された、少なくとも部分的に浸漬したバッフルをさらに含み、当該バッフルは、前記冷却すべき電子デバイスに向かって排出口を介して活発に汲み出すために、前記衝突冷却型浸漬ポンプへ引き込まれている前記密閉コンパートメントの下部部分内の誘電流体から離れて配置され、
前記衝突冷却型浸漬ポンプの前記吸入口は、前記少なくとも部分的に浸漬したバッフルの前記衝突冷却型浸漬ポンプ側に配置され、前記衝突冷却型浸漬ポンプの前記排出口は、前記少なくとも部分的に浸漬したバッフルの前記冷却すべき電子デバイス側に配置される、
冷却装置。 - 前記密閉コンパートメントの上部部分内で前記密閉コンパートメント内に延びる複数のコンデンサ・フィンをさらに含み、前記複数のコンデンサ・フィンが前記密閉コンパートメントの前記上部部分まで上昇する誘電流体蒸気の冷却を容易にする、請求項１記載の冷却装置。
- 前記複数のコンデンサ・フィンが前記ハウジングの最上部壁から前記密閉コンパートメント内に下向きに延び、前記ハウジングの前記最上部壁が前記複数のコンデンサ・フィンを冷却するために液冷コールド・プレートまたは空冷ヒート・シンクのうちの一方に結合される、請求項２記載の冷却装置。
- 誘電流体を前記冷却すべき電子デバイスに向かって活発に汲み出すために前記衝突冷却型浸漬ポンプを２つ含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の冷却装置。
- 前記冷却すべき電子デバイスの上の前記密閉コンパートメント内に配置されたマニホルド構造体をさらに含み、前記マニホルド構造体が前記冷却すべき電子デバイスに向かって誘電流体のジェットを向けるためのジェット・オリフィスを備えた浸漬ジェット衝突プレナムを含み、前記衝突冷却型浸漬ポンプが、前記冷却すべき電子デバイスに向かって向けられた誘電流体ジェットとして前記ジェット・オリフィスを通って送出するために前記浸漬ジェット衝突プレナム内に圧力を受けて誘電流体を活発に汲み出す、請求項１ないし４のいずれかに記載の冷却装置。
- 前記密閉コンパートメント内に配置され、前記冷却すべき電子デバイスに熱によって結合された流体沸騰ヒート・シンクをさらに含み、前記流体沸騰ヒート・シンクが、前記浸漬ジェット衝突プレナムから向けられた誘電流体ジェットが前記流体沸騰ヒート・シンクに衝突するように配置され、前記流体沸騰ヒート・シンクが前記冷却すべき電子デバイスから延びる複数のピン・フィンを含み、前記ピン・フィンが部分的に前記誘電流体の蒸発を介して前記冷却すべき電子デバイスから前記誘電流体への熱伝達を容易にする、請求項５記載の冷却装置。
- 前記冷却すべき電子デバイスが集積回路チップのスタックを含み、前記２つの衝突冷却型浸漬ポンプのうち、第１のポンプが前記集積回路チップのスタックの最上部に向かって誘電流体を活発に汲み出すように構成され、第２のポンプが前記集積回路チップのスタックのうちの集積回路チップ間の間隙空間内に誘電流体を活発に汲み出すように構成される、請求項４に記載の冷却装置。
- 前記集積回路チップのスタックの前記最上部に結合された流体沸騰ヒート・シンクをさらに含み、前記第１のポンプが前記集積回路チップのスタックの前記最上部に結合された前記流体沸騰ヒート・シンクに向かって誘電流体を活発に汲み出し、前記流体沸騰ヒート・シンクが前記集積回路チップのスタックから延びる複数のピン・フィンを含み、前記ピン・フィンが部分的に前記誘電流体の蒸発を介して前記集積回路チップのスタックから前記誘電流体への熱伝達を容易にする、請求項７記載の冷却装置。
- 前記第２のポンプが前記集積回路チップのスタックのうちの集積回路チップ間の前記間隙空間内に誘電流体を活発に汲み出すのを容易にするために、前記集積回路チップのスタックの１つまたは複数の側に隣接して配置されたマニホルド構造体をさらに含む、請求項７記載の冷却装置。
- 前記集積回路チップのスタック内の少なくとも１つの集積回路チップの裏面が、前記集積回路チップのスタックのうちの前記集積回路チップの冷却を容易にするために誘電流体流路として機能するように構成されたチャネルを含み、前記冷却装置が、前記集積回路チップのスタック内の間隙空間内に誘電流体を直接送出するために、前記第２のポンプのポンプ排出管に結合され、前記集積回路チップ間の間隙空間内に延びる少なくとも１つのノズルをさらに含む、請求項７記載の冷却装置。
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