KR20100111239A - 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20100111239A
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레비 에이 켐벨
마이클 제이 이세 엘스워스
프랍짓 싱
레베카 엔 와그너
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인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

본 발명의 장치 및 방법은 기계적 유에 기밀식 접속을 형성하기 위해 제공된다. 본 발명의 장치는 유체 기밀식 접속이 사이에 형성되는 배관 내에 피팅이 위치하는 것을 허용하는 치수로 되어 있는 외경을 구비하고, 외면 둘레에 원주방향 홈을 포함하며, 원주방향 홈 내에 하나 이상의 융기 형상부를 포함하는 홈형 피팅을 포함한다. 상기 장치는 또한 횡방향 열수축성 형상 기억 합금으로 형성된 링을 포함하고 있다. 홈형 피팅이 배관 내에 위치하고, 링이 배관 위에서 홈형 피팅의 원주방향 홈 위에 정렬되게 배치될 때, 링의 열수축으로 인하여 배관이 원주방향 홈 내로 원주방향 홈 내의 융기 형상부와 접촉하도록 변형되어, 기계적 유체 기밀식 접속을 형성한다.

Description

기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR FORMING A MECHANICAL, FLUID-TIGHT CONNECTION}
본 발명은 일반적으로 개별 컴퓨터 서버 유닛의 래크 장착 조립체와 같은 컴퓨팅 시스템의 냉각을 용이하게 하기 위한 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
집적 회로 칩과, 이 칩을 내장하고 있는 모듈의 전력 소산이 프로세서 성능의 향상을 달성하기 위해 계속 증가하고 있다. 이러한 경향은 모듈과 시스템 레벨 모두에서 냉각 문제를 갖고 있다. 효과적으로 하이 파워 모듈을 냉각시키고, 컴퓨터 센터로 배기된 공기의 온도를 제한하기 위해 증가된 공기 유량이 요구된다.
대부분의 대형 서버 용례에 있어서, 그 관련 전자 장치(예를 들어, 메모리, 디스크 드라이브, 파워 서플라이 등)와 함께 프로세서는 래크 또는 프레임 내에 적층된 제거가능한 서랍 구조로 패키지화되어 있다. 다른 경우에, 전자 장치는 래크 또는 프레임 내의 고정된 위치에 있을 수 있다. 일반적으로, 구성부품은 하나 이상의 공기 이송 장치(예를 들어, 팬 또는 송풍기)에 의해 대체로 전방으로부터 후방으로 추진되는 공기 유동 경로와 평행한 공기 이동에 의해 냉각된다. 어떤 경우에는, 더 강력한 공기 이송 장치의 사용을 통해 더 강한 공기 유동을 제공하거나 또는 기존의 공기 이송 장치의 회전 속도(즉, RPMs)를 증가시킴으로써, 단일 서랍형 장치 내에서 증가된 전력 소산을 처리하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 이러한 접근 방법에는 문제가 있다.
래크를 빠져나가는 공기에 의해 운반되는 현저한 열부하가 효과적으로 부하를 처리하기 위한 실내 공기 조화 능력을 강조하고 있다. 이것은 "서버 팜(server farms)" 또는 함께 인접해 있는 컴퓨터 래크의 대형 뱅크를 가진 대형 설비에 있어서 특히 그러하다. 이러한 설비에 있어서, 실내 공기 조화가 어려울 뿐 아니라, 그 환경은 하나의 래크 유닛을 빠져나가는 "고온" 공기 중 일부가 동일한 래크 또는 인접 래크의 공기 입구로 흡인되는 것으로 인한 재순환 문제를 일으킬 수도 있다.
이러한 재순환 유동은 종종 특성이 극도로 복잡하고, 래크 입구 온도를 예상보다 매우 높아지게 할 수 있다. 이러한 설비에 있어서, 액체 냉각법(예를 들어, 수냉법)이 더 높은 열 플럭스를 관리하는 데에 도움을 주는 매력적인 기술이다. 액체는 구성부품/모듈에 의해 방산된 열을 효과적인 방법으로 흡수하고, 열은 최종적으로 액체로부터 외부 환경, 즉, 공기 또는 다른 액체 냉각제로 전달될 수 있다.
하나 이상의 컴퓨터 서버 유닛에 액체 냉각을 도입하기 위해서는, 배관 및 피팅이 기존의 가연성 규정을 충족시켜야 할 뿐 아니라, 서버 캐비넷과 같은 일반적인 전자장치 래크의 제한된 체적 환경에 수용가능하여야 한다.
본 발명의 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치의 일 태양의 제공을 통해, 종래 기술의 단점이 극복되고, 추가의 이점이 제공된다.
본 발명의 장치는 홈형 피팅과 링을 포함하고 있다. 홈형 피팅은 홈형 피팅의 일부가 기계적 유체 기밀식 접속이 사이에 형성되는 배관 내에 위치할 수 있게 하는 외경을 갖고 있다. 홈형 피팅은 피팅의 외면 주위에 원주방향 홈과 이 원주방향 홈 내의 적어도 하나의 융기 형상부를 포함하고 있다. 원주방향 홈은 배관 내에 위치하는 홈형 피팅의 일부에 배치된다. 링은 횡방향으로 열수축성이며, 축방향으로 향하는 표면을 가진 형상 기억 합금으로 형성되어 있다. 축방향으로 향하는 표면에서 링의 내경은 링이 배관 위에 위치하는 것을 허용하는 치수로 되어 있다. 홈형 피팅의 일부가 배관 내에 위치하고, 링이 배관 위에서 홈형 피팅의 외면의 원주방향 홈 위에 적어도 부분적으로 정렬되게 위치할 때, 링의 열수축으로 인하여 배관이 원주방향 홈 내로 변형되어 원주방향 홈 내의 적어도 하나의 융기 형상부와 접촉함으로써, 기계적 유체 기밀식 접속을 형성한다.
다른 태양에 있어서, 전자장치 시스템의 냉각을 촉진하기 위한 조립체가 제공된다. 상기 조립체는 변형가능한 배관과, 그 변형가능한 배관의 적어도 일단부에서의 기계적 유체 기밀식 접속부를 포함하고 있다. 상기 변형가능한 배관은 냉각될 전자장치 시스템의 적어도 하나의 발열 구성부품을 향하여 또는 그 반대방향으로 냉각제를 이송하도록 구성되어 있다. 상기 기계적 유체 기밀식 접속부는 조립체의 홈형 피팅과 변형가능한 배관 사이에 형성된다. 상기 홈형 피팅은 상기 홈형 피팅의 적어도 일부가 배관 내에 위치하는 치수로 되는 외경을 갖고, 홈형 피팅은 그 외면 둘레에 원주방향 홈을 포함하고, 상기 원주방향 홈 내에 적어도 하나의 융기 형상부를 포함하고 있다. 상기 원주방향 홈은 상기 변형가능한 배관 내에 위치하는 상기 홈형 피팅의 일부에 배치된다. 상기 기계적 유체 기밀식 접속부는 횡방향으로 열수축성이며, 축방향으로 향하는 표면을 구비하는 형상 기억 합금으로 형성된 링을 더 포함하고, 상기 축방향으로 향하는 표면에서 링의 내경은 링의 열수축 이전에 링이 상기 변형가능한 배관 위에 위치하는 것을 허용하는 치수로 되어 있으며, 상기 링의 열수축이 상기 변형가능한 배관을 상기 원주방향 홈 내로, 상기 원주방향 홈 내의 상기 적어도 하나의 융기 형상부와 접촉하도록 변형함으로써, 상기 냉각 조립체의 상기 변형가능한 배관의 적어도 일단부에서 기계적 유체 기밀식 접속을 형성한다.
다른 태양에 있어서, 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 홈형 피팅을 제공하는 단계로서, 상기 홈형 피팅은 상기 홈형 피팅의 적어도 일부가 배관 내에 위치하도록 허용하는 외경을 갖고, 상기 배관과의 사이에서 기계적 유체 기밀식 접속이 형성되며, 그 외면 둘레에 원주방향 홈과, 상기 원주방향 홈 내의 적어도 하나의 융기 형상부를 포함하며, 상기 원주방향 홈은 상기 배관 내에 위치하는 홈형 피팅의 적어도 일부에 배치되는, 상기 홈형 피팅을 제공하는 단계와; 횡방향으로 열수축성이며, 축방향으로 향하는 표면을 구비하는 형상 기억 합금으로 형성된 링을 제공하는 단계로서, 상기 축방향으로 향하는 표면에서 링의 내경은 상기 링이 상기 배관 위에 위치하는 것을 허용하는 치수로 되어 있는, 상기 링을 제공하는 단계와; 상기 홈형 피팅의 적어도 일부를 배관 내에 배치하고, 상기 링을 상기 배관 위에서 홈형 피팅의 외면의 원주방향 홈 위에 적어도 부분적으로 정렬되게 배치하는 단계와; 상기 배관을 적어도 하나의 원주방향 홈 내로 상기 원주방향 홈 내의 상기 적어도 하나의 융기 형상부와 접촉하도록 변형하여, 상기 기계적 유체 기밀식 접속을 형성할 수 있도록 상기 링을 열수축하는 단계를 포함하고 있다.
또한, 추가의 특징 및 이점이 본 발명의 기술을 통해 실현된다. 본 발명의 다른 실시예 및 태양이 본 명세서에서 더 자세히 설명되고, 청구된 발명의 일부로서 간주된다.
도 1은 공냉식 데이터 센터의 통상적인 융기된 플로어 레이아웃의 일 실시예가 도시되어 있는 도면,
도 2는 본 발명의 일 태양에 따른 액체 냉각 시스템의 일 실시형태에서 지정되는 재순환 공기유동 패턴이 도시되어 있는 도면,
도 3은 본 발명의 일 태양에 따른 데이터 센터의 하나 이상의 전자장치 래크의 액체 냉각용 냉각제 분배 유닛에 대한 일 실시예가 도시되어 있는 도면,
도 4는 본 발명의 일 태양에 따른 전자장치 서브시스템의 구성부품을 혼성 냉각하기 위한 공냉식 및 수냉식 시스템이 도시되어 있는 전자장치 서브시스템 레이아웃의 일 실시예에 대한 평면도,
도 5는 부분적으로 조립된 전자장치 서브시스템 레이아웃의 구체적인 일 실시형태가 도시되어 있는 도면으로서, 상기 전자장치 서브시스템은 능동적으로 냉각되는 8개의 발열 전자장치 구성부품을 포함하고, 본 발명의 일 태양에 따라 이들 각각에는 액체계 냉각 시스템의 각각의 액체 냉각 저온 플레이트가 결합되어 있는, 도면.
도 6은 피팅과 배관 사이의 통상적인 호스-바브 접속에 대한 단면 직립도.
도 7은 본 발명의 일 태양에 따라 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하는 장치에 대한 단면 직립도.
도 8은 본 발명의 일 태양에 따라 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하는 도 7에 도시되어 있는 것과 같은 장치의 더 구체적인 실시예에 대한 단면 직립도.
도 9는 본 발명의 일 태양에 따라 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하는 장치의 변형 실시예에 대한 단면 직립도.
도 10는 본 발명의 일 태양에 따라 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하는 도 9에 도시되어 있는 것과 같은 장치의 더 구체적인 실시예에 대한 단면 직립도.
도 11a는 본 발명의 일 태양에 따라 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치의 일 실시예에 대한 등척도.
도 11b는 본 발명의 일 태양에 따라 기계적 유체 기밀식 접속이 도시되어 있는 도 11a의 조립된 장치에 대한 단면 직립도.
도 12a는 본 발명의 일 태양에 따라 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치에 대한 변형 실시예에 대한 등척도.
도 12b는 본 발명의 일 태양에 따른 기계적 유체 기밀식 접속이 도시되어 있는 도 12a의 조립 장치에 대한 단면 직립도.
도 12c는 본 발명의 일 태양에 따라 기계적 유체 기밀식 접속 형성을 용이하게 하는 도 12a 및 12b의 장치의 보유 클립의 일 실시예에 대한 등척도.
본 발명으로서 간주되는 주제어가 명세서의 말미의 특허청구범위에 구체적으로 지시되고 명백하게 청구되어 있다. 본 발명의 전술한 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 연관하여 설명한 아래의 발명의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
일반적으로 말하면, 본 명세서에는 예를 들어 전자장치 래크 내의 하나 이상의 전자장치 서브시스템의 액체 냉각을 용이하게 하기 위한 기계적 유체 기밀식 접속부를 형성하기 위한 신규한 방법 및 장치가 제공되어 있다. 이 기계적 유체 기밀식 접속부는 형상 기억 합금으로 형성된 링을 사용하는 변형가능한 배관과 홈형 피팅 사이에 형성된다. 홈형 피팅은 그 외면 주위에 원주방향 홈을 포함하고 있고, 원주방향 홈 내에 하나 이상의 융기 형상부를 갖고 있다. 배관 내에 홈형 피팅을 배치하고, 홈형 피팅 내의 원주방향 홈 위에 적어도 부분적으로 정렬되게 배관 위에 링을 배치하면, 링의 열수축으로 인해 원주방향 홈 내의 배관이 변형되어, 홈 내의 융기 형상부와 접촉하게 되어, 기계적 유체 기밀식 접속을 형성한다.
본 발명의 장치 및 방법을 추가로 기술하기에 앞서, 아래에서 도 1 내지 도 5를 참고하여 액체 냉각 시스템을 설명한다. 데이터 센터 내의 하나 이상의 전자장치 래크를 용이하게 냉각하게 하는 이 액체 냉각 시스템은 본 명세서에 제공된 장치 및 방법과 조합하여 사용될 수 있다. 도 1 내지 도 5는 오직 예로서 제공되고, 본 명세서에 제공된 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 방법 및 장치는 다수의 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 그 전체가 참고로 통합되는 "고성능 듀얼-인라인 메모리(DIMM) 어레이 액체 냉각 조립체 및 방법"라는 발명의 명칭으로 공동 출원 및 공동 양수된 미국 특허 출원의 다른 실시형태를 참고하라.
본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같은, 용어 "전자장치 래크"와, "래크 장착형 전자 장비" 및 "래크 유닛"은 상호 교환가능하게 사용되고 있고, 다른 특별한 지시가 없다면 컴퓨터 시스템 또는 전자장치 시스템의 하나 이상의 발열 구성부품을 구비하는 임의의 하우징, 프레임, 래크, 격실(compartment), 블레이드 서버 시스템 등을 포함하고 있고, 예를 들어, 고급, 중급, 또는 저급 프로세싱 능력을 가진 독립형 컴퓨터일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전자장치 래크가 다중 전자장치 시스템 또는 서브시스템을 포함할 수 있는데, 이들 각각에는 냉각이 필요한 하나 이상의 발열 구성부품이 그 내부에 배치되어 있다. "전자장치 시스템" 또는 "전자장치 서브시스템"은 그 내부에 하나 이상의 발열 전자 구성부품이 배치되어 있는 임의의 서브-하우징, 블레이드, 북(book), 드로워(drawer), 노드(node), 격실 등을 가리킨다. 전자 장치 래크의 각 전자장치 시스템 또는 서브시스템은 전자장치 래크에 대해 이동가능하거나 고정될 수 있고, 멀티-서랍형 래크 유닛의 래크 장착식 서랍형 전자장치와 블레이드 센터 시스템의 블레이드는 냉각될 전자장치 래크의 서브시스템의 2가지 예이다.
"전자 구성부품"은 예를 들어 냉각이 필요한 컴퓨터 시스템 또는 다른 전자장치 유닛의 임의의 발열 전자 구성부품을 가리킨다. 예로서, 전자 구성부품이 하나 이상의 프로세서 다이와, 메모리 다이와, 메모리 지지 다이를 비롯한 하나 이상의 집적 회로 다이 및/또는 냉각될 다른 전자 장치를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 전자 구성부품은 공통 캐리어 상에 배치되는 하나 이상의 패키지 다이 또는 하나 이상의 베어 다이(bare die)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같은, "1차 발열 구성부품"은 전자장치 서브시스템 내의 1차 발열 전자 구성부품을 의미하는 한편, "2차 발열 구성부품"은 냉각될 1차 발열 구성부품보다 덜 열을 발생시키는 전자장치 서브시스템의 전자 구성부품을 가리킨다. "1차 발열 다이"는 예를 들어 1차 및 2차 발열 다이(프로세서 다이가 하나의 예이다)를 포함하는 발열 전자 구성부품 내의 1차 발열 다이 또는 칩을 가리킨다. "2차 발열 다이"는 1차 발열 다이보다 열을 적게 발생시키는 다중-다이 전자 구성부품의 다이를 가리킨다(메모리 다이 및 메모리 지지 다이가 냉각될 2차 다이의 예이다). 예로서, 발열 전자 구성부품은 공통 캐리어 상의 다중 1차 발열 베어 다이와 다중 2차 발열 다이를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 다른 특별한 지시가 없다면, 용어 "액체 냉각 저온 플레이트"는 액체 냉각제를 관통 유동시키기 위해 그 내부에 복수 개의 채널 또는 통로가 형성되어 있는 임의의 통상적인 열전도 구조체를 가리킨다. 또한, "야금학적으로 접합된"이라는 것은 일반적으로 본 명세서에서는 2 개의 구성부품이 임의의 수단에 의해 용접되거나, 경납땜(brazing)되거나, 연납땜(soldering)되는 것을 가리킨다.
본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, "공기-액체 열교환기"는 본 명세서에 기재되어 있는 것과 같은 임의의 열교환 기구를 의미하는데, 이 열교환 기구를 통해 액체 냉각제가 순환될 수 있고, 공기와 순환 액체 사이에서 열을 전달하고, 직렬 또는 병렬로 결합된 하나 이상의 별개의 공기-액체 열교환기를 포함하고 있다. 공기-액체 열교환기는 예를 들어, 복수 개의 공냉식 냉각 핀(fin)과 열적으로 연통하는 열전도성 배관(예를 들어, 구리 또는 다른 배관)으로 형성된 하나 이상의 냉각제 유동 경로를 포함할 수 있다. 공기-액체 열교환기의 크기, 구성 및 구조는 본 명세서에 기재되어 있는 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한 변경될 수 있다. "액체-액체 열교환기"는 예를 들어 서로 열적으로 연통하는 열전도성 배관(예를 들어, 구리 또는 다른 배관)으로 형성된 2 이상의 냉각제 유동 경로를 포함할 수 있다. 액체-액체 열교환기의 크기, 구성 및 구조는 본 명세서에 기재되어 있는 발명의 보호범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 또한, "데이터 센터"는 냉각될 하나 이상의 전자장치 래크가 내장되어 있는 컴퓨터 설비를 가리킨다. 구체적인 예로서, 데이터 센터는 서버 유닛과 같은 하나 이상의 열(row)의 래크 장착형 컴퓨팅 유닛을 포함할 수 있다.
설비 냉각제 및 시스템 냉각제의 하나의 예로는 물이 있다. 그러나, 본 명세서에 기재되어 있는 개념은 설비측 및/또는 시스템측에 다른 유형의 냉매를 사용하도록 용이하게 개조된다. 예를 들어, 하나 이상의 냉각제는 식염수, 플루오르화 카본 액체, 액체 금속, 또는 다른 유사한 냉각제, 또는 냉매를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재되어 있는 다른 예에 있어서, 설비 냉각제는 냉매인 반면, 시스템 냉각제는 물이다. 본 발명의 특유한 특징 및 이점을 유지하면서, 이러한 모든 변형이 가능하다.
이하, 도면을 참고하는데, 이 도면은 이해의 목적으로 축적에 따라 도시하지는 않았고, 상이한 도면에 걸쳐 사용된 동일한 도면부호는 동일 또는 유사 구성부품을 지시하고 있다.
도 1에는 종래 기술에서 전형적인 공냉식 데이터 센터(100)의 융기 플로어(raised floor) 레이아웃이 도시되어 있는데, 여기에는 다중 전자장치 래크(110)가 하나 이상의 열로 배치되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 것과 같은 데이터 센터에는 수백 또는 심지어 수천 개의 마이크로프로세서가 수용되어 있을 수 있다. 도시되어 있는 구성에 있어서, 냉각 공기가 컴퓨터실의 서브 플로어(165) 또는 베이스와 융기 플로어(140) 사이에 구획된 공급 공기 플레넘(145)으로부터 천공된 플로어 타일(160)을 통해 컴퓨터실로 유입된다. 냉각 공기는 전자장치 래크의 공기 입구측(120)의 루버형 커버(louvered cover)를 통해 취입되고, 전자장치 래크의 배면{즉, 공기 출구측(130)}을 통해 취출된다. 각 전자장치 래크(110)는 하나 이상의 공기 이송 장치(예를 들어, 팬 또는 송풍기)를 구비하여 래크의 서랍부 내의 전자장치 구성부품을 냉각시키도록 강제 입구-출구 공기유동을 제공할 수 있다. 공급 공기 플레넘(145)은 컴퓨터 설비의 "저온" 통로 내에 배치된 천공된 플로어 타일(160)을 통해 전자장치 래크의 공기 유입측으로 공조 및 냉각된 공기를 제공한다. 공조 및 냉각된 공기는 또한 데이터 센터(100) 내에 배치된 하나 이상의 공조 유닛(150)에 의해 플레넘(145)에 공급된다. 실내 공기가 그 상부 부근에서 각각의 공기 조화 유닛(150)으로 취입된다. 이 실내 공기는 전자장치 래크(110)의 대향 공기 출구측(130)에 의해 규정된 컴퓨터 설비의 "고온" 통로로부터의 배기된 공기를 부분적으로 포함하고 있다.
전자장치 래크를 관통하고 증가하는 공기유동 요구와, 전형적인 데이터 센터 설비 내의 공기 분포 제한으로 인하여, 실내의 재순환 문제가 생길 수 있다. 이것이 융기 플로어 레이아웃에 대한 도 2에 도시되어 있는데, 여기서 전자장치 래크(110)의 공기 출구측(130)으로부터 전자장치 래크의 대향 공기 입구측(120)에 의해 규정되는 저온 공기 통로로 복귀하는 고온 공기 재순환(200)이 발생된다. 이 재순환은 타일(160)을 통해 공급된 공조 공기는 일반적으로 그 내부에 배치된 공기 이송 장치에 의해 전자장치 래크를 거쳐 강제되는 공기유량의 오직 일부이기 때문에 발생될 수 있다. 이것은 예를 들어 타일 크기(또는 디퓨져 유량)의 제한으로 인한 것일 수 있다. 입구측 공기 공급의 잔여 부분은 재순환(200)을 통한 주변 실내 공기에 의해 보충된다. 이 재순환 유동은 본래 매우 복잡하고, 원하는 것보다 상당히 더 높은 래크 유닛 입구 온도를 초래할 수 있다.
컴퓨터실 설비의 고온 통로로부터 저온 통로로의 고온 배기 공기의 재순환은 래크 내의 전자 시스템(들) 또는 컴퓨터 시스템(들)의 신뢰도 및 성능에 악영향을 줄 수 있다. 데이터 센터 장비는 일반적으로 18℃ 내지 35℃ 범위의 래크 공기 입구 온도에서 작동하도록 설계되어 있다. 그러나, 도 1에 도시되어 있는 것과 같은 융기 플로어 레이아웃에 있어서, 온도는 냉각된 공기 입력 플로어 통기공에 가까운 래크의 하부에서의 15 내지 20℃로부터, 고온 공기가 자체 지속 재순환 루프를 형성할 수 있는 전자장치 래크의 상부에서의 45 내지 50℃ 만큼까지의 범위에 있을 수 있다. 허용가능한 래크 열부하가 "고온" 부분에서의 래크 입구 공기 온도에 의해 제한되기 때문에, 이 온도 분포는 이용가능한 냉각된 공기의 비효율적인 이용과 상호관련이 있다. 또한, 컴퓨터 설치 장비는 대개 언제나 소비자에게 높은 자본 투자를 의미하게 된다. 이에 따라, 제품 신뢰도 및 성능 관점에서, 그리고 소비자 만족도 및 비지니스 관점에서, 래크 유닛으로의 입구 공기의 온도를 실질적으로 균일하게 제한하는 것은 매우 중요하다. 이러한 컴퓨터 및 전자 시스템의 효과적인 냉각과, 기류의 재순환으로 인한 하나 이상의 래크 유닛으로의 국부적인 고온 공기 입구 온도의 개선은, 본 명세서에 기재되어 있는 장치 및 방법에 의해 해결되고, 이에 따라 데이터 센터 내의 음향 소음이 감소된다(예를 들어, 소정의 열부하를 제거하기 위해 데이터 센터 내에서 덜 냉각된 공기와 전자장치 래크를 통해 덜 냉각된 공기유동을 필요로 함으로써, 공기 이송 장치 요건을 감소시키고, 이에 따라 데이터 센터 내의 음향 소음을 감소시킨다).
도 3에는 데이터 센터의 냉각제 분배 유닛(300)에 대한 일 실시예가 도시되어 있다. 냉각제 분배 유닛은 통상적으로 전체 전자장치 프레임으로 고려되는 것을 차지하는 대형 유닛이다. 냉각제 분배 유닛(300) 내에는 파워/제어 요소(312)와, 저장소/팽창 탱크(313)와, 열 교환기(314)와, 펌프(315)(종종 나머지 제 2 펌프가 수반됨)와, 시설수 입구(316) 및 출구(317) 공급 파이프와, 커플링(320)과 라인(322)을 통해 전자장치 래크(110)에 물 또는 시스템 냉각제를 공급하는 공급 매니폴드(318)와, 그리고 라인(323)과 커플링(321)을 통해 전자장치 래크(110)로부터 물을 수용하는 복귀 매니폴드(319)가 있다. 각 전자장치 래크는 전자장치 래크용 파워/제어 유닛(330)과, 다중 전자장치 서브시스템(340)과, 시스템 냉각제 공급 매니폴드(350)와, 시스템 냉각제 복귀 매니폴드(360)를 일 예로서 포함하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 각 전자장치 래크(110)는 데이터 센터의 융기 플로어(140) 상에 배치되어 있고, 시스템 냉각제를 시스템 냉각제 공급 매니폴드(350)에 공급하는 라인(323)과, 시스템 냉각제 복귀 매니폴드(360)로부터의 시스템 냉각제의 복귀를 용이하게 하는 라인(322)이 융기 플로어 하부의 공급 공기 플레넘에 배치되어 있다.
예시되어 있는 실시예에 있어서, 시스템 냉각제 공급 매니폴드(350)는 시스템 냉각제를 전자장치 서브시스템(더 구체적으로는 그것의 액체 냉각 저온 플레이트)에 가요성 호스 접속부(351)를 통해 공급하고, 상기 가요성 호스 접속부는 래크 내의 각 전자장치 서브시스템과 공급 매니폴드 사이에 배치되어 있다. 유사하게, 시스템 냉각제 복귀 매니폴드(360)는 가요성 호스 접속부(361)를 통해 전자장치 서브시스템에 결합되어 있다. 신속 연결형 커플링이 가요성 호스(351, 361)와 개별적인 전자장치 서브시스템 사이의 인터페이스에 채택될 수 있다. 예로서, 이러한 신속 연결형 커플링은 미국 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 콜더 프러덕츠 컴퍼니(Colder Products Company), 또는 미국 오하이오주 클리블랜드에 소재하는 파커 하니핀(Parker Hannifin)으로부터 입수가능한 것과 같은 다양한 상업적으로 입수가능한 형태의 커플링을 포함하고 있을 수 있다.
도시되어 있지는 않지만, 전자장치 래크(110)는 또한 그 공급 출구측에 배치된 공기-액체 열교환기를 포함할 수 있는데, 이것은 또한 시스템 냉각제 공급 매니폴드(350)로부터 시스템 냉각제를 받아서, 시스템 냉각제 복귀 매니폴드(360)로 시스템 냉각제를 복귀시킨다.
도 4에는 전자장치 서브시스템(340) 구성부품 레이아웃에 대한 일 실시예가 도시되어 있는데, 여기서 하나이상의 공기 이송 장치(411)가 전자장치 서브시스템(340) 내의 다중 구성부품(412)를 냉각하기 위해 강제 공기 유동(415)을 제공한다. 저온 공기가 전방부(431)을 통해 취입되고, 서랍부의 배면부(433)로 배기된다. 냉각되는 다중 구성부품은, (액체계 냉각 시스템의) 액체 냉각 저온 플레이트(420)가 결합되어 있는 다중 프로세서 모듈 뿐 아니라, 공냉식 히트 싱크가 결합되어 있는 다중 열 메모리 지지 모듈(432)(예를 들어, DIMM 제어 모듈)과 다중 어레이 메모리 모듈(430){예를 들어, 듀얼 인-라인 메모리 모듈(DIMMs)}을 포함하고 있다. 예시되어 있는 일 실시예에 있어서, 메모리 모듈(430)과 메모리 지지 모듈(432)은 일부는 전자장치 서브시스템(340)의 전방부(431) 부근에 배열되어 있고, 일부는 전자장치 서브시스템(340)의 배면부(433) 부근에 배열되어 있다. 또한, 도 4의 실시예에 있어서, 메모리 모듈(430)과 메모리 지지 모듈(432)은 전자장치 서브시스템을 가로지르는 공기 유동(415)에 의해 냉각된다.
도시되어 있는 액체계 냉각 시스템은 액체 냉각 저온 플레이트(420)와 접속 및 유체 연통되어 있는 다중 냉각제 이송 배관을 더 포함하고 있다. 냉각제 이송 배관은 냉각제 이송 배관 세트를 포함하고 있고, 상기 이송 배관 세트 각각은 예를 들어 냉각제 공급 배관(440), 브릿지 배관(441) 및 냉각제 복귀 배관(442)을 포함하고 있다. 이 예에 있어서, 각 세트의 배관은 액체 냉각제를 직렬 연결된(series-connected) 저온 플레이트(420) 쌍(한 쌍의 프로세서 모듈과 결합되어 있음)에 공급한다. 냉각제는 냉각제 공급 배관(440)을 통해 각 쌍의 제 1 저온 플레이트로 흐르고, 상기 제 1 저온 플레이트로부터 열전도성이 있거나 그렇지 않을 수 있는 브릿지 배관 또는 라인(441)을 통해 제 2 저온 플레이트 쌍으로 흐른다. 제 2 저온 플레이트 쌍으로부터, 냉각제가 각각의 냉각제 복귀 배관(442)을 통해 복귀된다.
도 5에는 8개의 프로세서 모듈을 포함하는 변형 전자장치 서랍형 레이아웃이 더 자세하게 도시되어 있는데, 각각은 그것에 결합된 액체계 냉각 시스템의 각각의 액체 냉각 저온 플레이트를 구비하고 있다. 액체계 냉각 시스템은 액체 냉각 저온 플레이트를 통해 액체 냉각제의 통과를 용이하게 하기 위한 관련 냉각제 이송 배관과, 액체 냉각 저온 플레이트로의 액체 냉각제의 분배와 액체 냉각 저온 플레이트로부터의 액체 냉각제의 복귀를 용이하게 하기 위한 헤더 서브조립체를 더 포함하고 있는 것으로 도시되어 있다. 특정예로서, 액체계 냉각 서브시스템을 통과하는 액체 냉각제는 냉각수이다.
언급한 바와 같이, 다양한 액체 냉각제가 전자장치 시스템의 발열 전자 구성부품으로부터 열을 제거하는 작업에 있어서 공기보다 성능이 상당히 낫고, 이에 의해 개선된 신뢰도와 최고 성능을 위한 바람직한 온도로 구성부품을 더 효과적으로 유지시킬 수 있다. 액체계 냉각 시스템이 설계 및 배치됨에 따라, 소정의 전자장치 시스템 실시형태의 다른 모든 기계적, 전기적 및 화학적 요건을 충족시키면서, 신뢰도를 최대화하고 누설에 대한 잠재적 가능성을 최소화하는 시스템을 구성하는 것이 유리하다. 이러한 더 견고한 냉각 시스템은 그 조립 및 실행에 있어서 특유한 문제점을 갖고 있다. 예를 들어, 하나의 조립 문제 해결방안은 전자장치 시스템 내에 다중 피팅을 활용하고, 헤더, 저온 플레이트, 펌프 및 다른 구성부품을 접속하기 위해 가요성 플라스틱 또는 고무 배관을 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 해결방안이 소정의 소비자의 신뢰도에 대한 요구 및 사양을 충족시킬 수는 없다.
이에 따라, 특정 서랍형 전자장치 내에 배치하기 위한 모놀리식 구조체(monolithic structure)로서 특히 미리 구성 및 제조되는 견고하고 신뢰성 있는 액체계 냉각 시스템이 본 명세서에 일 태양으로서 제공된다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 모노리식 냉각 장치 및 서랍형 전자장치의 일 실시형태에 대한 등척도이다. 도시되어 있는 평면형 서버 조립체는 다중층 프린팅 회로 보드를 포함하고 있는데, 이 다중층 프린팅 회로 보드에는 메모리 DIMM 소켓 및 냉각될 다양한 전자 구성부품이 물리적 및 전기적으로 부착되어 있다. 도시되어 있는 냉각 시스템에 있어서, 공급 헤더가 단일 입구로부터 다중 병렬 냉각제 유동 경로로 액체 냉각제를 분배하도록 제공되고, 복귀 헤더가 다중 병렬 냉각제 유동 경로로부터 단일 출구로의 배기된 냉각제를 수집한다. 각 병렬 냉각제 유동 경로는 하나 이상의 전자 구성부품을 냉각하기 위한 하나 이상의 저온 플레이트 직렬 유동 구성을 포함하고 있는데, 상기 전자 구성부품에는 저온 플레이트가 기계적 및 열적으로 결합되어 있다. 병렬 경로 개수와 직렬 접속된 액체 냉각 저온 플레이트의 개수는, 예를 들어, 원하는 장치 온도와, 가용 냉각제 온도 및 냉각제 유량과, 각 전자 구성부품으로부터 소산되는 총 열부하에 의존한다.
더 구체적으로, 도 5에는 냉각될 1차 발열 구성부품(예를 들어, 프로세서 다이를 포함함)에 결합된 조립된 액체계 냉각 시스템(515)과 부분적으로 조립된 전자장치 시스템(513)이 도시되어 있다. 이 실시예에 있어서, 전자장치 시스템은 전자장치 래크의 서랍형 전자장치로 구성되어 있고, 예로서 지지 기판 또는 평면형 보드(505)와, 복수의 메모리 모듈 소켓(510){메모리 모듈(예를 들어, 듀얼 인-라인 메모리 모듈)은 도시되어 있지 않음}과, 다중 열의 메모리 지지 모듈(532){각각 그것에 접속된 공냉식 히트 싱크(534)를 구비하고 있음}과, 액체계 냉각 시스템(515)의 액체계 저온 플레이트(520) 아래에 배치된 다중 프로세서 모듈(도시되어 있지 않음)을 포함하고 있다.
액체 냉각 저온 플레이트(520)에 추가하여, 액체계 냉각 시스템(515)은 각각의 액체 냉각 저온 플레이트(520)와 유체 연통하는 냉각제 복귀 배관(542)과 냉각제 공급 배관(540)을 비롯한 다중 냉각제 이송 배관을 포함하고 있다. 냉각제 이송 배관(540, 542)은 또한 냉각제 공급 배관로의 액체 냉각제의 분배와, 냉각제 복귀 배관(542)으로부터의 액체 냉각제의 복귀를 용이하게 하는 헤더(또는 매니폴드) 서브 어셈블리(550)에 접속되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 서랍형 전자장치(513)의 전방부(531)에 인접한 메모리 지지 모듈(532)에 결합된 공냉식 히트 싱크(534)는, 서랍형 전자장치(513)의 배면부(533) 부근의 메모리 지지 모듈(532)에 결합된 공냉식 히트 싱크(534')보다 높이가 짧다. 이러한 실시예에 있어서, 헤더 서브어셈블리(550)가 서랍형 전자장치의 전방부(531)에 있고, 다중 액체 냉각 저온 플레이트(520)가 서랍형 전자장치의 중앙에 있기 때문에, 이러한 크기 차이는 냉각제 이송 배관(540, 542)을 수용하기 위한 것이다.
액체계 냉각 시스템(515)은 미리 구성된 모놀리식 구조체를 포함하는데, 상기 모놀리식 구조체는 각각의 발열 전자 구성부품과 결합하도록 이격된 관계로 구성 및 배치된 다중(미리 조립된) 액체 냉각 저온 플레이트(520)를 포함하고 있다. 각 액체 냉각 저온 플레이트(520)는 이러한 실시예에 있어서 액체 냉각제 입구 및 액체 냉각제 출구 뿐 아니라, 부착 서브어셈블리(즉, 저온 플레이트/부하 아암 조립체)를 포함하고 있다. 각 부착 서브어셈블리를 사용함으로써, 그 각각의 액체 냉각 저온 플레이트(520)를 관련 전자 구성부품에 결합하여 저온 플레이트 및 전자 구성부품 조립체를 형성한다. 정렬 개구(즉, 관통공)가 조립 공정 동안에 정렬 핀(alignment pin) 또는 위치설정 다웰(dowel)을 수용하도록 저온 플레이트의 측부 상에 마련된다.
도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 헤더 서브어셈블리(550)는 2개의 액체 매니폴드 즉, 냉각제 공급 헤더(552)와 냉각제 복귀 헤더(554)를 포함하고 있는데, 이들은 일 실시예에 있어서 지지 브래킷을 통해 함께 결합된다. 도 5의 모놀리식 냉각 구조체에 있어서, 냉각제 공급 헤더(552)는 각 냉각제 공급 배관(540)과 유체 연통가능하게 야금학적으로 접합되어 있는 한편, 냉각제 복귀 헤더(554)는 각 냉각제 복귀 배관(542)에 유체 연통가능하게 야금학적으로 접합되어 있다. 단일 냉각제 입구(551)와 단일 냉각제 출구(553)는 전자장치 래크의 냉각제 공급 및 복귀 매니폴드(도시되어 있지 않음)로의 결합을 위해 헤더 서브어셈블리로부터 연장되어 있다.
도 5에는 또한 미리구성된 냉각제 이송 배관의 일 실시예가 도시되어 있다. 냉각제 공급 배관(540) 및 냉각제 복귀 배관(542)에 추가하여, 브릿지 배관 또는 라인(541)이 예를 들어, 하나의 액체 냉각 저온 플레이트의 액체 냉각제 출구를 다른 액체 냉각 저온 플레이트의 액체 냉각제 입구에 결합하여 저온 플레이트들을 직렬 유체 유동으로 연결하도록 제공되고, 저온 플레이트의 쌍이 각 세트의 냉각제 공급 및 복귀 배관을 통해 액체 냉각제를 수용 및 복귀시킨다. 일 실시예에 있어서, 냉각제 공급 배관(540), 브릿지 배관(541) 및 냉각제 복귀 배관(542)은 구리 또는 알루미늄과 같은 열전도성 재료로 형성되는 반강성(semi-rigid) 배관으로 각각 미리구성되고, 배관은 각각 헤더 서브어셈블리 및/또는 액체 냉각 저온 플레이트에 유체 기밀식으로 각각 경납땜(brazing), 연납땜(soldering) 또는 용접된다. 도 5의 실시예에서, 배관은 특정 전자장치 시스템이 전자장치 시스템과 결합 관계인 모놀리식 구조체의 설치를 용이하게 하도록 미리구성되어 있다.
용례에 따라, 이러한 미리구성된 금속 배관은 불리할 수 있다. 예를 들어, 가령 금속으로 제작된 전술한 냉각제 이송 배관은 기계적 순응성이 부족하고, 플라스틱 또는 고무(EPDM) 배관와 비교하여 제작 비용이 높다. 이에 따라, 전자장치 시스템 또는 서브시스템을 냉각하기 위한 액체계 냉각 시스템을 구현하기 위한 대안적인 접근이 바람직할 것으로 생각된다.
컴퓨터 서버 유닛과 같은 냉각 시스템에 액체 냉각제를 도입하는 것은, 배관와 모든 피팅이 가연성에 대한 보험업자 연구소(UL) 규정을 충족시키는 것이 필요하다. 금속 배관은 이러한 요건을 충족시키지만, 언급한 바와 같이 기계적 순응성이 부족하고, 에틸렌 프로필렌 다이엔 모노머(ehylene propylene diene monomer; EPDM) 호스와 같은 다른 옵션에 비해 고가이다. 불행하게도, EPDM 호스 벽 두께는 너무 두꺼워서, 일반적으로 본 명세서에 기재되어 있는 시스템과 같은 오늘날의 전자 시스템의 가용 체적 내에 맞지 않는 외경이 된다. 다른 선택으로는 폴리테트라프루오로에틸렌(PTTE), 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy; PFA), 플루오리네이티드 에틸렌-프로필렌(fluorinated ethylene-propylene; FEP), 또는 다른 폴리머 배관과 같은 변형가능한 플라스틱으로 제조된 배관이 있다. 이러한 배관은 UL 규격 요건을 충족시키지만, 피팅에 밀봉시키기 어렵다. 통상적으로, 이러한 플라스틱 배관은 배관의 외측에 밀봉되는 압축 어댑터 또는 클램프를 통해 피팅에 부착된다. 이것은 또한 제한된 가용 체적으로 인하여 본 명세서에서 설명한 실시형태에 수용될 수 없다. 현재 입수가능한 압축 어댑터는 다중의 이러한 접속부를 가진 실시예와 병렬로 사용되는 경우 과도한 접속 체적을 만들어낸다.
다른 접근방안이 도 6에 도시되어 있는데, 여기서 외부 바브 피팅(barb fitting)이 사용되고 있다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 피팅(600)은 가요성 호스(620) 내에 위치할 수 있는 크기로 되어 있는데, 상기 호스는 상기 피팅을 호스 내로 배치함에 따라 피팅(600)의 외부 바브(610) 부근이 변형된다. 이러한 바브의 직경은 호스(620)의 내경보다 커서, 호스가 동심적으로 외측으로 변형되어야 한다는 것에 유의하라. 이것은 매우 순응성 있는 고무 및 유사한 재료에 대해 유효하게 된다(그러나, 전술한 플라스틱 배관 및 다른 폴리머는 순응성이 덜하고, 바브 위로 쉽게 변형될 수 없다). 압축 클램프(625)가 또한 일반적으로 제공되고, 클램핑력을 발생시키기 위해 변형되는 탭 형태의 다른 하드웨어 또는 추가로 이러한 조립에 요구되는 체적을 증가시키는 작동 기구(예를 들어, 웜 기어 및 클램프 바디 내의 슬롯)를 포함하고 있다. 언급한 바와 같이, 도 6에 도시되어 있는 바와 같은 외부 바브 피팅은 일반적으로 고무 호스보다 단단한 전술한 PTFE, PFA, FEP 또는 다른 폴리머 배관과 같은 플라스틱 배관과 함께 실시할 수 없고, 따라서 통상적인 호스 클램프가 적용될지라도 의도된 형상에 합치하지 않게 된다.
이러한 배관을 이용하여 기계적 유체 기밀식 접속부를 형성하는 것에 대한 변형 접근방안의 일 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 이 도면에서, 홈형 피팅(700)(예를 들어, 금속으로 제조됨)이 배관(720)의 내경 내에 미끄럼 또는 마찰 끼춰맞춤되는 크기의 외경을 갖도록 제공된다. 예시되어 있는 바와 같이, 피팅(700)은 피팅과 배관 사이의 중첩 영역 내에 피팅의 외면 주위에 배치된 하나 이상의 원주방향 홈(710)을 갖는 홈형 피팅이다. 배관이 예를 들어 형상 기억 합금 링(또는 클램프)를 통해 원주방향 홈 내로 변형될 때, 배관(720)을 피팅(700)에 파지 및 밀봉하는 기능을 하는 바브와 같은 하나 이상의 융기 형상부(711)가 각 원주방향 홈(710) 내에 형성되어 있다.
유리하게도, 도 7의 장치는 비교적 단단하지만 소성적으로 변형가능한 배관을 홈형 피팅 위에 배치하고, 홈형 피팅(700)의 원주방향 홈(710) 위에 적어도 부분적으로 정렬되게 배관(720) 위에 형상 기억 합금(SMA) 링(730)을 배치하는 것에 의해, 용이하게 조립된다. 형상 기억 합금 링(730)의 열수축은 배관(720)을 원주방향 홈(710) 내로 소성 변형시켜서 원주방향 홈 내의 융기 형상부(711)와 접촉하게 하는 필요한 영구 클램핑력을 제공하여, 배관을 바브 상에 유지시키고 이에 의해 기계적 유체 기밀식 밀봉을 조성한다. 접속부를 조성하는 이러한 접근방안은 그 소형의 크기와 조립의 용이성의 관점에서 전술한 해결방안보다 우수하다. 배관은 본 명세서에서 설명한 바와 같이 열수축 클램핑될 때 원주방향 홈 내로 변형되도록 선택되어야 한다. 하나 이상의 융기 형상부는 원주방향 홈 내에 제공될 수 있고, 원한다면 다중 원주방향 홈도 제공될 수 있다(예를 들어, 다중 형상 기억 합금 링을 사용함). 각 융기 형상부는 일 실시예에 있어서 원부방향 홈 내의 연속적인 원주방향 바브일 수 있는 바브를 포함하고 있다. 예시되어 있는 바와 같이, 바브는 홈형 피팅의 외면을 넘어 연장되지 않고, 이로 인하여 홈형 피팅의 배관 내로의 미끄럼 끼워맞춤이 용이하게 된다.
일 실시예에 있어서, 홈형 피팅은 스테인레스강, 구리 또는 알루미늄과 같은 금속으로 제조되는 한편, 형상 기억 합금 링(또는 링)은 캘리포니아 샌프란시스코주에 소재하는 인트린시크 디바이시즈 인크(Intrinsic Devices Inc.)에 의해 제공되는 열수축성 링과 같은 임의의 상업적으로 입수가능한 형상 기억 합금 클램프일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 직사각형 단면 형상 기억 합금 클램프는 본 명세서에 제공된 것과 같은 장치에 사용하기 위해 선택될 수 있다. 원주방향 홈의 깊이와 형상 기억 합금 클램프의 열수축 특성은 본 명세서에 제공된 설명에 기초한 특정 실시형태를 위해 당업자에 의해 선택될 수 있다.
형상 기억 합금 클램프의 열수축은 165℃ 내지 200℃로 설정된 오븐 온도를 가진 통상적인 오븐 또는 벨트 오븐을 통해 할 수 있다. 더 높은 온도는, 주변 구조체에 허용가능하다면, 더 신속한 가열을 제공하게 된다. 또한, 대류 오븐을 사용하면 가열 시간을 감소시킬 수 있다. 형상 기억 합금 링(또는 클램프)는 45℃를 넘는 지점에서 수축하기 시작하고, 100℃에서 거의 완전히 수축되지만, 그 최대 클램핑력을 조성하기 위해 165℃까지 가열될 필요가 있다. 형상 기억 합금 링이 원하는 온도에 도달하는 것을 보장하기 위해 제어된 가열 방법이 사용된다. 원한다면, 일단 링이 165℃ 온도에 도달하면 색깔이 변하는 페인트 스팟(paint spot)을 가진 링을 얻을 수 있다. 의도한 목적을 위한 공칭 반경방향 클램핑력이 링 대 기판 접촉 면적% 접촉 압력에 상당한다. 열수축 후에 형상 기억 합금 링에 의해 가해진 실제 힘은 설치 방법, 기판 재료와 기하학적 형상 및 작동 온도의 함수이다. 힘은 가해진 온도가 낮아지고 기판 직경이 작아짐에 따라 감소하게 된다. 특정 기계적 유체 기밀식 접속부 용례를 위한 성능을 제한할 것이 테스트에 요구될 수 있다.
도 8에는 도 7의 장치를 이용한 기계적 유체 기밀식 접속의 더 자세한 실시형태가 도시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 홈형 피팅(800)은 피팅이 변형가능한 배관(820)(예를 들어, 전술한 PTTE, PFA, FEP 또는 다른 폴리머 재료로 제조됨)으로 삽입되는 것을 용이하게 하는 테이퍼 말단부(801)를 포함하고 있다. 원주방향 홈(810)이 홈형 피팅(800) 내에 형성되어 있고, 하나 이상의 융기 형상부(811)가 홈 내에 제공되어 있으며, 이것은 홈 내에서 원주방향으로 연속적으로 연장되어 있다. 형상 기억 합금 링(830)이 원주방향 홈(810) 위에 정렬 배치되어 있고, 열수축 후에 배관(820)의 일부가 원주방향 홈(810) 내로 소성 변형하여 융기 형상부(811)와 접촉하는 것으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 형상 기억 합금 링(830)의 단면 구조는 변할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 형상 기억 합금 링(830)의 폭(Wr)은 링이 위에 정렬되어 있는 원주방향 홈(810)의 폭(Wg)과 동일하거나 더 작다. 이로 인하여 형상 기억 합금 링의 열 수축에 따른 원주방향 홈으로의 배관의 변형이 용이하게 된다.
도 7 및 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 링의 축방향으로 향하는 표면(또는 내면)은 형상 기억 합금 링의 가열로 인해 수축되는 내경을 갖고 있다. 이 내경의 수축으로 인해 힘이 가해져 배관(820)을 소성 변형시키고, 배관의 일부를 원주방향 홈(810)으로 강제하여 홈 내의 융기 형상부와 접촉하게 된다. 형상 기억 합금 링은 최종(작동된) 치수로 제조되고, 이어서 배관의 외경에 걸쳐 쉽게 슬라이딩하게 되는 더 큰 개구 직경으로 기계적으로 신장된다. 형상 기억 합금 링이 홈형 피팅 내의 원주방향 홈의 적어도 일부 위에 정렬되게 배관 위에 적소에 배치된 후에, 조립체가 가열되어 배관을 연화시키고 형상 기억 합금 링을 그 원래 형상으로 복귀시키며, 이것은 형상 기억 합금 재료의 잘 알려진 특성이다. 결과적인 접속 구성이 도 7 및 도 8에 예시되어 있다. 유리하게도, 예시되어 있는 기계적 유체 기밀식 접속은 전술한 바와 같은 냉각 시스템 내에 사용될 수 있다. 접속은 최소 추가 체적을 필요로 하고, 도 5의 예의 전술한 금속 배관보다 더 가요성 있는 PTFE, PFA, FEP 또는 다른 폴리머 배관의 사용을 가능하게 한다.
도 9 및 도 10에는 변형 장치의 실시예가 도시되어 있는데, 여기서 융기 형상부는 도 7 및 도 8의 대칭형 바브와 달리 비대칭형 바브이다. 특히, 도 9를 참조하면, 홈형 피팅(900)이 배관(920)의 내경 내에 미끄럼 또는 마찰 끼워맞춤되는 크기의 외경이 제공된다. 홈형 피팅(900)은 그 단부 부근에 배관 내에 배치된 원주방향 홈(910)을 포함하고 있다. 이러한 구성에 있어서, 비대칭형 바브(911)가 제공되고, 예를 들어, 홈형 피팅(900)의 원주방향 홈(910) 내에 원주방향으로 연장되는 연속적인 바브를 포함할 수 있다. 비대칭형 바브(911)는 피팅이 배관으로 삽입되는 것을 간섭하지 않도록 바람직하게는 홈형 피팅의 외경 너머로 연장되지 않는다. 전술한 바와 같은 형상 기억 합금 링(930)이 배관(920) 위에 그리고 원주방향 홈(910) 위에 배치되는 것으로 도시되어 있다. 예시되어 있는 바와 같이, 열수축이 발생되었고, 형상 기억 합금 클램프(930)가 변형가능한 배관(920)의 일부를 원주방향 홈 내로 강제하여 비대칭형 바브(911)과 맞물림 결합되어, 이에 의해 기계적 유체 기밀식 접속을 형성한다.
도 10에는 이 실시예의 더 자세한 실시형태가 도시되어 있는데, 여기서 홈형 피팅(1000)은 피팅 위로의 배관의 삽입을 용이하게 하기 위해 테이퍼진 말단부(1001)를 갖고 있다. 홈형 피팅(1000)은 배관(1020) 내에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있는 그 돌출부 내에 원주방향 홈(1010)을 포함하고 있다. 도 9에 도시되어 있는 것과 같은 비대칭형 바브(1011)는 원주방향 홈 내에 위치하고 있다. 형상 기억 합금 링(1030)은 원주방향 홈(1010)과 정렬되어 배관(1020) 위에 배치되는 것으로 도시되어 있고, 형상 기억 합금 링의 열수축으로 원주방향 홈(1010) 내로 배관(1020)이 소성 변형되어, 비대칭형 바브(1011)와 맞물림 결합된다.
전술한 장치의 다양한 견본을 테스트하였다. 일 실시예에 있어서, 도 7 내지 도 10의 피팅과 바브 구성은 스테인레스강으로 제작되었고, 형상 기억 합금 클램프를 이용하여 FEP 배관으로 조립되었다. 수조 내의 공기로 정수압 50 psig까지 배관 접속부를 가압함으로써 바브 구성 양자 모두를 누설 테스트하였다. 양 구성은 어떠한 가시적인 누설없이 압력을 유지하였다. 물과 핸드 펌프를 이용하여 조립체 및 파열 압력(burst pressure)을 보여주는 다른 테스트를 수행하였다. 도 7 내지 도 10에 도시되어 있는 구성은 약 600 psig에서 배관 파괴를 경험하였다.
도 11a 내지 도 11b에는 본 발명의 일 태양에 따른 장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 장치는 오직 예로서 도 7 및 도 8의 접속 실시예에 기초하고 있다. 다른 융기 형상부 실시예가 도 11a 및 11b에 도시되어 있는 것과 같은 장치에 사용될 수 있다.
예시되어 있는 바와 같이, 전술한 PTFE, PFA, PEP 또는 다른 폴리머 배관과 같은 배관(120)으로 피팅 돌출부가 용이하게 삽입되게 하는 테이퍼진 단부(1101)를 구비하는 피팅 돌출부(1105)를 포함하는 피팅(1100)이 제공된다. 피팅 돌출부(1105)에는 도 7 내지 도 10과 관련하여 전술한 바와 같이, 홈 내에 배치된 하나 이상의 융기 형상부(1111)를 구비하는 하나 이상의 원주방향 홈(1110)이 마련되어 있다. 이 실시예에 있어서, 정렬 돌출부(1115)가 또한 피팅(1110)으로부터 연장되고 피팅 돌출부(1105)를 포위하도록 마련되어 있다. 이 정렬 돌출부(도시되어 있는 실시예에서는 원통형임)는 예를 들어 피팅 돌출부(1105) 내의 원주방향 홈의 기단 에지에 정렬되어 있는 시트 표면(1116)을 포함하고 있다. 이에 따라, 시트 표면(1116)은 본 명세서에 기재되어 있는 바와 같이 본 발명의 장치가 조립될 때 원주방향 홈 위에의 형상 기억 합금 링(1130)의 정렬을 용이하게 하도록 배치된다.
도 11a에 도시되어 있는 바와 같이, 장치는 배관(1120)과 나사식 보유 캡(1140) 위에, 또한 배관(1120) 위에 형상 기억 합금 링(1130)으로 조립하기 위해 준비되어 있다. 나사식 보유 캡(1140)은 정렬 돌출부(115) 외면 상의 나사부와 나사결합되는 크기로 구성되어 있다. 결과적인 조립체가 도 11b에 도시되어 있는데, 여기서 나사식 보유 캡(1140)의 내면이 형상 기억 합금 링(1130)의 일측부와 결합되고, 정렬 돌출부(1115)의 노출 단부를 포함하는 시트 표면(1116)이 형상 기억 합금 링의 대향 측부와 결합되며, 피팅(1100) 내의 원주방향 홈(1110) 위에 원하는 위치에 링을 배치한다. 도 11b에 있어서, 형상 기억 합금 링(1130)은 열수축을 겪고, 배관(1120)의 일부가 원주방향 홈(1110) 내부로 변형되어, 융기 형상부(1111)와 접촉하게 된다. 유리하게도, 시트 표면은 피팅의 원주방향 홈 위에 형상 기억 합금 링을 적절하게 배치하기 쉽게 하고, 나사식 보유 캡(정렬 돌출부와 나사 결합될 때)은 장치에 의해 형성된 기계적 유체 기밀식 접속에 대한 추가의 기계적 강도를 제공하는 기능을 하고, 형상 기억 합금 링의 열수축 이전 및 이후 모두에 원주방향 홈 내로 배관을 소성 변형시켜 홈 내의 하나 이상의 융기 형상부와 접촉하게 한다.
도 12a 내지 12c에는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 비록 도 7 및 도 8의 구성에 기초하고 있지만, 상기 장치는, 융기 형상부가 맞물리기에 충분하다면, 임의의 원하는 구성의 원주방향 홈 내에 융기 형상부를 사용할 수 있고, 이에 의해 형상 기억 합금 링의 열수축에 의해 원주방향 홈 내로 소성 변형될 때 배관을 유지시킨다.
도 12 및 12b에 도시되어 있는 바와 같이, 장치는 전술한 PTFE, PFA, FEP 또는 다른 폴리머 배관과 같은 배관(1220) 내로 피팅 돌출부의 삽입을 용이하게 하기 위한 테이퍼진 말단부(1201)을 가진 피팅 돌출부(1205)를 구비하는 피팅(1200)을 포함하고 있다. 원주방향 홈(1210)은 전술한 바와 같은 피팅 돌출부 내에 마련되어 있고, 예를 들어 도 7 및 도 8의 실시예의 대칭형 바브와 같이 구성된 융기 형상부(1211)를 포함하고 있다. 그러나, 다른 융기 형상부 구성이 사용될 수도 있다. 도 12a에는 형상 기억 합금 링(1230)이 배관(1220) 위에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있고, 보유 클립(1240)도 도시되어 있다. 보유 슬롯(1215)이 피팅(1200)의 일부에 마련되어 보유 클립(1240)의 제 1 아암(1241)에 의해 결합된다. 도 12c에는 보유 클립(1240)이 제 1 아암(1241)에 추가하여 제 2 아암(1242)와 제 3 아암(1243)을 포함하는 것이 도시되어 있다. 제 2 아암(1242) 및 제 3 아암(1243)은 그 사이에 형상 기억 합금 링(1230)(도 12b 참조)을 수용하기에 충분한 거리만큼 이격되어 대향하는 관계로 배치되어 있다. 도 12b에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 아암(1241)은 작동 위치에 있을 때 피팅(1200)의 보유 슬롯(1215)과 결합되고, 보유 클립은 제 2 아암(1242)와 제 3 아암(1243) 사이에 유지되어 있는 형상 기억 합금 링(1230)이 피팅(1200) 내의 원주방향 홈(1210) 위에 정렬 배치되는 크기로 되어 있다. 도 12c에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 아암, 제 2 아암 및 제 3 아암의 돌출부는 변화될 수 있다. 또한, 도 12a 내지 12c에 도시되어 있는 C자형 보유 클립예의 개구는 보유 클립이 배관(1220)의 외경 위에서 쉽게 미끄러지는 것을 허용하기에 충분하다.
도 12a 내지 12c에 도시되어 있는 장치를 조립하기 위해, 비작동된 형상 기억 합금 링이 배관 위에 배치되고, 배관 및 형상 기억 합금 링 조립체가 피팅 돌출부(1205) 상에 가압되며, 형상 기억 합금 링은 피팅 돌출부 내의 원주방향 홈 위에 대략 정렬 배치된다. 이 후, 형상 기억 합금 링이 제 2 아암과 제 3 아암 사이에서 유지되고, 제 1 아암이 피팅의 보유 슬롯 내에 유지된 상태로, 보유 클립이 조립체 위에 배치된다. 따라서, 보유 클립의 적절한 크기 및 구성으로 인하여, 형상 기억 합금 링이 피팅 돌출부의 원주방향 홈 위에 정렬 배치되는 것이 보장될 수 있다. 그 후, 결과적인 조립체의 온도가 상승되어 형상 기억 합금 링을 열수축시킴으로써, 배관을 소성 변형시켜서 배관이 원주방향 홈 내의 융기 형상부와 접촉하게 하고 기계적 유체 기밀식 밀봉을 형성한다. 보유 클립은 원주방향 홈 위에서 형상 기억 합금 링의 적절한 위치를 보장하는 것에 의해, 그리고 형상 기억 합금 링의 열수축 이전에 조립체에 기계적 강도를 제공하는 것 뿐 아니라 열수축에 후속하여 접속부에 추가의 기계적 강도를 제공하는 것에 의해, 조립체 공정을 용이하게 한다.
바람직한 실시예를 본 명세서에 기재 및 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한 다양한 변형, 추가 및 대체 등이 있을 수 있고, 이것이 이하의 특허청구범위에 규정된 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치에 있어서,
    홈형 피팅으로서, 상기 홈형 피팅의 적어도 일부가 배관 내에 위치하도록 허용하는 외경을 갖고, 상기 배관과의 사이에서 기계적 유체 기밀식 접속이 형성되며, 그 외면 둘레에 원주방향 홈과, 상기 원주방향 홈 내의 적어도 하나의 융기 형상부를 포함하며, 상기 원주방향 홈은 상기 배관 내에 위치하는 상기 홈형 피팅의 적어도 일부에 배치되는, 상기 홈형 피팅과,
    횡방향으로 열수축성이며, 축방향으로 향하는 표면을 구비하는 형상 기억 합금으로 형성된 링으로서, 상기 축방향으로 향하는 표면에서 상기 링의 내경이 상기 링이 배관 위에 위치하는 것을 허용하는 치수로 되어 있는, 상기 링을 포함하고,
    상기 홈형 피팅의 적어도 일부가 상기 배관 내에 위치하고, 상기 링이 상기 배관 위에서 상기 홈형 피팅의 외면의 원주방향 홈 위에 적어도 부분적으로 정렬되게 위치할 때, 상기 링의 열수축으로 인하여 상기 배관이 상기 원주방향 홈 내로 변형되어 원주방향 홈 내의 상기 적어도 하나의 융기 형상부와 접촉하게 됨으로써, 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하는
    기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원주방향 홈 내의 상기 적어도 하나의 융기 형상부는 상기 원주방향 홈에 인접한 상기 홈형 피팅의 외경을 넘어서 연장되지 않는
    기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈형 피팅은 피팅 돌출부를 포함하고, 상기 배관 내에 위치하는 상기 홈형 피팅의 적어도 일부는 상기 피팅 돌출부의 적어도 일부를 포함하며, 상기 피팅 돌출부는 상기 원주방향 홈을 포함하고, 상기 홈형 피팅은 적어도 부분적으로 상기 피팅 돌출부를 둘러싸고 시트 표면을 구비하는 정렬 돌출부를 더 포함하고, 상기 시트 표면은 링이 시트 표면과 맞닿게 배치되면 상기 홈형 피팅의 상기 원주방향 홈 위에 상기 링이 자동으로 적어도 부분적으로 정렬되도록 배치되는
    기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 정렬 돌출부는 원통형이고, 그 외면 상에 적어도 부분적으로 나사부가 형성되어 있으며, 상기 정렬 돌출부의 외면 상의 적어도 부분적인 나사부와 나사 결합되는 치수로 되어 있는 나사식 보유 캡을 더 포함하며, 상기 정렬 돌출부의 나사부 상으로의 상기 나사식 보유 캡의 나사 결합은 기계 유체 기밀식 접속부의 기계적 강도를 증가시키며, 나사식 보유 캡은 상기 정렬 돌출부의 나사부 상으로 나사 결합될 때, 상기 링이 정렬 돌출부의 상기 시트 표면과 상기 나사식 보유 캡의 내면 사이에 위치하는
    기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈형 피팅에 대해 보유 클립을 위치설정하기 위해 상기 홈형 피팅의 보유 슬롯에 맞물림 결합되는 치수와 구조를 갖는 제 1 아암과, 상기 링이 배관 위에서 원주방향 홈과 적어도 부분적으로 정렬되게 위치하고 제 1 아암이 상기 홈형 피팅의 상기 보유 슬롯에 맞물림 결합될 때, 대향 관계로 이격되어 사이에 상기 링을 보유하는 치수로 되어 있는 제 2 및 제 3 아암을 더 포함하는 보유 클립을 더 포함하고, 상기 보유 클립은 상기 링의 열수축으로 인하여 상기 배관이 상기 적어도 하나의 원주방향 홈 내로 변형될 때까지 상기 링을 적소에 보유하고, 결과적인 기계적 유체 기밀식 접속부에 추가의 기계적 강도를 제공하는
    기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 장치.
  6. 전자장치 시스템의 냉각을 촉진하기 위한 조립체로서,
    냉각될 전자장치 시스템의 적어도 하나의 발열 구성부품을 향하여 또는 그 반대방향으로 냉각제를 이송하기 위한 변형가능한 배관과,
    상기 변형가능한 배관의 적어도 일단부에서의 기계적 유체 기밀식 접속부를 포함하고,
    상기 기계적 유체 기밀식 접속부는 상기 조립체의 홈형 피팅과 상기 변형가능한 배관 사이에 형성되고, 상기 홈형 피팅은 상기 홈형 피팅의 적어도 일부가 배관 내에 위치하는 치수로 되어 있는 외경을 갖고, 상기 홈형 피팅은 그 외면 둘레에 원주방향 홈과, 상기 원주방향 홈 내의 적어도 하나의 융기 형상부를 포함하며, 상기 원주방향 홈은 상기 변형가능한 배관 내에 위치하는 상기 홈형 피팅의 적어도 일부에 배치되며,
    상기 기계적 유체 기밀식 접속부는 횡방향 열수축성이며, 축방향으로 향하는 표면을 구비하는 형상 기억 합금으로 형성된 링을 더 포함하고, 상기 축방향으로 향하는 표면에서 상기 링의 내경이 상기 링이 상기 링의 열수축 이전에 상기 변형가능한 배관 위에 위치하는 것을 허용하는 치수로 되어 있고,
    상기 링의 열수축이 상기 변형가능한 배관을 상기 원주방향 홈 내로, 상기 원주방향 홈 내의 상기 적어도 하나의 융기 형상부와 접촉하도록 변형함으로써, 상기 냉각 조립체의 상기 변형가능한 배관의 적어도 일단부에서 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하는
    전자장치 시스템의 냉각을 촉진하기 위한 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 홈형 피팅은 피팅 돌출부를 포함하고, 상기 배관 내에 위치하는 상기 홈형 피팅의 적어도 일부는 상기 피팅 돌출부의 적어도 일부를 포함하며, 상기 피팅 돌출부는 상기 원주방향 홈을 포함하고, 상기 홈형 피팅은, 적어도 부분적으로 상기 피팅 돌출부를 둘러싸고, 시트 표면을 구비하는 정렬 돌출부를 더 포함하고, 상기 시트 표면은 링이 시트 표면과 맞닿게 배치되면 상기 홈형 피팅의 상기 원주방향 홈 위에 상기 링이 자동으로 적어도 부분적으로 정렬되도록 배치되는
    전자장치 시스템의 냉각을 촉진하기 위한 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 정렬 돌출부는 원통형이고, 그 외면 상에 적어도 부분적으로 나사부가 형성되어 있으며, 상기 정렬 돌출부의 외면 상의 적어도 부분적인 나사부와 나사 결합되는 치수로 되어 있는 나사식 보유 캡을 더 포함하며, 상기 정렬 돌출부의 나사부 상으로의 나사식 보유 캡의 나사 결합은 기계 유체 기밀식 접속부의 기계적 강도를 증가시키며, 나사식 보유 캡은 정렬 돌출부의 나사부 상으로 나사 결합될 때, 상기 링이 정렬 돌출부의 상기 시트 표면과 상기 나사식 보유 캡의 내면 사이에 위치하는
    전자장치 시스템의 냉각을 촉진하기 위한 조립체.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 홈형 피팅에 대해 보유 클립을 위치설정하기 위해 상기 홈형 피팅의 보유 슬롯에 맞물림 결합되는 치수와 구조를 갖는 제 1 아암과, 상기 링이 배관 위에서 원주방향 홈과 적어도 부분적으로 정렬되게 위치하고 제 1 아암이 상기 홈형 피팅의 상기 보유 슬롯에 맞물림 결합될 때, 대향 관계로 이격되어 사이에 상기 링을 보유하는 치수로 되어 있는 제 2 및 제 3 아암을 포함하는 보유 클립을 더 포함하고, 상기 보유 클립은 상기 링의 열수축으로 인하여 상기 배관이 상기 적어도 하나의 원주방향 홈 내로 변형될 때까지 링을 적소에 보유하고, 결과적인 기계적 유체 기밀식 접속부에 추가의 기계적 강도를 제공하는
    전자장치 시스템의 냉각을 촉진하기 위한 조립체.
  10. 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 방법에 있어서,
    홈형 피팅을 제공하는 단계로서, 상기 홈형 피팅은 상기 홈형 피팅의 적어도 일부가 배관 내에 위치하도록 허용하는 외경을 갖고, 상기 배관과의 사이에서 기계적 유체 기밀식 접속이 형성되며, 그 외면 둘레에 원주방향 홈과, 상기 원주방향 홈 내의 적어도 하나의 융기 형상부를 포함하며, 상기 원주방향 홈은 상기 배관 내에 위치하는 홈형 피팅의 적어도 일부에 배치되는, 상기 홈형 피팅을 제공하는 단계와,
    횡방향으로 열수축성이며, 축방향으로 향하는 표면을 구비하는 형상 기억 합금으로 형성된 링을 제공하는 단계로서, 상기 축방향으로 향하는 표면에서 상기 링의 내경은 상기 링이 상기 배관 위에 위치하는 것을 허용하는 치수로 되어 있는, 상기 링을 제공하는 단계와,
    상기 홈형 피팅의 적어도 일부를 상기 배관 내에 배치하고, 상기 링을 상기 배관 위에서 상기 홈형 피팅의 외면의 원주방향 홈 위에 적어도 부분적으로 정렬되게 배치하는 단계와,
    상기 배관을 상기 적어도 하나의 원주방향 홈 내로 상기 원주방향 홈 내의 상기 적어도 하나의 융기 형상부와 접촉하도록 변형하여, 기계적 유체 기밀식 접속을 형성할 수 있도록 상기 링을 열수축하는 단계를 포함하는
    기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 방법.
KR1020100025428A 2009-04-06 2010-03-22 기계적 유체 기밀식 접속을 형성하기 위한 방법 및 장치 KR20100111239A (ko)

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