JP2000502516A - 均一な圧力降下および均一な流量を有するコールド・プレート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子部品の冷却システムは流体冷却剤を搬送するチャネルを有するコールド・プレートと、各々が電子部品、光学部品、またはその他の発熱部品を受ける複数のボスと、少なくとも３つがコールド・プレート上に順次隣接配置されている複数のフィン構造とを含んでいる。各フィン構造はボスに接触し、ボスの周囲の領域に冷却剤を供給し、ボスに載置された部品を冷却するためにチャネルの一部と流体連通したフィン入口およびフィン出口を有している。チャネルの一部が流体冷却剤を少なくとも３つの連続したフィン構造へ非順次的な順序で搬送する屈曲路を画定している。屈曲路内のチャネルの部分は冷却剤を反対方向へ更に搬送し、それ故コールド・プレート両側での伝熱および温度平衡を向上させる。システムはさらに垂直スタックに配置された複数のこのような冷却プレートと、冷却剤を冷却プレートへ送るマニフォルドを含んでいる。冷却プレートをスタックした場合、各プレート両側での流量および圧力降下はほぼ等しくなり、それ故、コールド・プレートの部分の両側でほぼ等温な表面を有するコールド・プレートが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 均一な圧力降下および均一な流量を有する コールド・プレート 産業上の利用分野 本発明は電子部品を冷却して、部品がサービスを中断することなく効率的に動 作するようにするコールド・プレートに関する。詳細にいうと、本発明はコール ド・プレートのアレイと並列に動作している場合に、圧力降下および流量がほぼ 均一であるコールド・プレートに関する。 発明の背景 電子産業界では、動作中に電子部品が発生する熱を効果的に放散させるシステ ムを作成する作業が常に課題となっている。電子部品は使用時に通常、大量の熱 を発生し、この熱は冷却しない限り、部品自体への損傷、ならびに隣接する構成 要素への損傷を生じる。部品がセル電話や航空管制システムなどの複雑な電子シ ステムの一部である場合、このような損傷は動作上の問題および／またはシステ ムの誤作動を生じることになる。さらに、このような電子システムは通常、比較 的狭く、混み合った領域で動作しなければならないため、空冷システムに必要な 空間が得られなかったり、実際的ではないことになる。ほとんどの都市部におい て、たとえば、ファン動作の空冷システムに必要な空間はきわめて費用がかさむ ものであり、このようなシステムはファンやその他の空調ユニットを収納するた めに大きく見苦しい容器を必要とすることになる。 一段と狭い領域での動作中に電子部品を冷却する手段の１つ はコールド・プレートを使用することであり、コールド・プレートは本質的に密 閉容器であり、これを通って流体冷却剤が流れて、コールド・プレートと接触し ている電子部品を冷却する。従来のコールド・プレートが第１図に示されており 、これは電子部品が載置される複数のボス４、６と、液体冷却剤や空気が貫通し て、ボス４、６の周囲を流れる流体路２とを含んでいる。流体源７は通常、液体 冷却剤や空気をコールド・プレート１に送るためのコールド・プレート１の入口 ３に結合されており、ソケット９は通常、液体冷却剤や空気を再冷却および／ま たは循環させるための出口５に結合されている。この図にさらに示されているよ うに、従来のコールド・プレート１と関連付けられている流体路２は連続してい るので、第１のボス４に取り付けられた電子部品が冷却され、第２のボス６に取 り付けられている電子部品が冷却され、以下同様となる。各ボス４、６を包囲し ているフィン領域８は冷却すべき電子部品が発生した熱を吸収する。 冷却すべき電子部品の数または構成が２つ以上のコールド・プレートを使用す ることを必要としている場合、コールド・プレートを垂直なスタックで配置でき る。このようなシステムにおいて、単一の液体冷却剤源または空気源が通常、流 体をマニフォルドから各コールド・プレートの入口へ送る。各コールド・プレー トの圧力および流量をほぼ等しくなるようにするために、入口のオリフィスの直 径は各プレートに合わせて調節される。連続したコールド・プレートのオリフィ スの直径が大きくなっていくことにより、流体がスタックを上方へ、連続したコ ールド・プレートを通って移動させられる。しかしながら、入 口オリフィスの適切な直径を得ることは困難であることがしばしばあり、通常、 広範囲にわたるテストと頻繁な調節を必要とする。結果として、冷却システムを 製作し、保守するのに必要な時間と経費が増加する。このような調節が行われな いと、流体源から送られる流体は通常、大きい比率で第１のコールド・プレート へ入ってから、第１のプレートの上に配置されているコールド・プレートへ流れ 、最上部のコールド・プレートでは流体が不足することになる。 したがって、本発明の目的は、各コールド・プレートへの入口オリフィスの直 径を調節することなく、各コールド・プレートの端から端までの圧力降下をほぼ 均一とする、電子部品を冷却するためのコールド・プレートおよびシステムを提 供することである、 本発明の他の目的は、スタック・システム内でのコールド・プレートの位置に かかわりなく、各コールド・プレートの端から端までの流れがほぼ均一であるシ ステムを提供することである。 本発明の他の目的は、電子部品を冷却し、ほぼ等温の表面を達成するコールド ・プレート冷却システムを提供することである。 本発明のさらに他の目的は、最少量の冷却剤を使用するコールド・プレート冷 却システムを提供することである。 発明の概要 実施の形態の１つにおいて、本発明は流体冷却剤を搬送するチャネルを有する コールド・プレートと、各々が電子部品を受 ける複数のボスと、少なくとも３つがコールド・プレート上に順次隣接配置され ている複数のフィン構造とを備えている電子部品の冷却システムを提供する。各 フィン構造はボスを包囲しており、ボスの周囲の領域に冷却剤を供給するために チャネルの一部と流体連通したフィン入口およびフィン出口を有している。チャ ネルの一部が流体冷却剤を少なくとも３つの連続したフィン構造へ非順次な順序 で搬送する屈曲路を画定している。屈曲路内のチャネルの部分はさらに冷却剤を 反対方向へ搬送し、それ故、熱伝達を増加させ、コールド・プレートの温度をほ ぼ均一とする。 さらに他の実施の形態において、本発明はコールド・プレートの対向側面にお いて互いに隣接配置された一対の屈曲路を有する、電子部品の冷却システムを提 供する。 さらに他の実施の形態において、本発明は垂直スタックで配置された複数のコ ールド・プレートの入口へ流体冷却材を送るため、マニフォルドへ流体冷却剤を 送るポンプと、冷却剤を各コールド・プレート外へ搬送するマニフォルドとを備 えている電子部品の冷却システムを提供する。垂直スタックに配置された各コー ルド・プレートは同一の流れの長さで各マニフォルドへ結合されている。すなわ ち、各プレートは一定の長さのチューブによって各マニフォルドへ結合されてい る。パイプは入口からチャネルへ冷却剤を送り、このチャネルと通して流体冷却 剤がコールド・プレートの端から端まで搬送される。各コールド・プレートは各 々が電子部品を受ける複数のボスと、少なくとも３つがコールド・プレート上に 順次隣接配置されている複数のフィン構造とを有している。各フィン構造はボス を包囲し ており、かつチャネル部分と流体連通したフィン入口とフィン出口を備えている 。少なくとも３つのフィン構造の周囲に配置されたチャネルの部分は屈曲路を備 えており、冷却剤が非順次な順序でフィン構造へ送られるようにする。屈曲路お よびフィン構造はマニフォルドによって送られる冷却剤に入力抵抗を与え、各プ レートが受ける冷却剤がある量となるようにする。スタック内の各コールド・プ レートはそれ故、プレートの端から端までほぼ均一な流量とほほ均一な圧力降下 を有する。ほぼ均一な流量と圧力降下は、各ボスの周囲により低いほぼ均一な温 度を生じ、また屈曲流路の領域の端から端まで等温な表面を生じる。 さらに他の実施の形態において、少なくとも３つのフィン構造は、第１のフィ ン構造が第２のフィン構造に隣接して配置され、第２のフィン構造が第３のフィ ン構造に隣接して配置されるように順次配置されている。チャネルはさらに流体 冷却剤を屈曲路に沿って、第１のフィン構造から第３のフィン構造へ、次いで第 ２のフィン構造へと搬送する。 さらに他の実施の形態において、チャネルはさらに流体冷却剤を第３のフィン 構造からコールド・プレート上の他のフィン構造へ順次搬送する。 本発明のさらにまた他の実施の形態において、電子部品を冷却する方法はスタ ック構成で配置された複数のコールド・プレートを設け、マニフォルドを介して コールド・プレートの各々のチャネルへ流体冷却剤を送り、流体冷却剤がボスを 包囲するフィン構造へ非順次に送られるように、流体冷却剤を各チャネルを介し て搬送することを含んでいる。この冷却方法によって、 流体冷却剤の圧力降下と流量が各コールド・プレートの端から端までほぼ等しく なり、ほぼ均一な温度が各ボスの周囲に存在することとなり、かつコールド・プ レートの少なくとも一部の端から端までに等温な表面が存在することとなる。 本発明のこれらおよびその他の目的は以下の説明および請求の範囲から明らか となろう。 図面の簡単な説明 本発明は特に添付の請求の範囲によって示されるものである。本発明の上記お よびその他の利点は添付図面に即して行われる以下の説明を参照することにより よりよく理解できよう。 第１図は連続流路を有する従来の技術のコールド・プレートの平面図である。 第２図は非連続流路を有する、本発明のコールド・プレートの実施の形態の１ つの平面図である。 第３図は第２図のコールド・プレートで使用されるフィン構造の透視図である 。 第４図は非連続流路を有する、本発明のコールド・プレートの他の実施の形態 の平面図である。 第５図は垂直スタックに配置された複数のコールド・プレートを有する、本発 明の冷却システムの側面図である。 第６図は本発明のシステムの望ましい動作点を示すグラフである。 第７図は本発明のコールド・プレートの実施の形態における温度分布を示すプ ロットである。詳細な説明 第２図を参照すると、本発明のコールド・プレートの実施の形態の１つの平面 図が示されている。コールド・プレート１０は、通常は１つまたは複数の熱発生 部品を冷却する流体冷却剤である流体を受け入れる入口１２を有している。流体 冷却剤は空気、液体または気体でよく、この実施の形態において、流体冷却剤は エチレン・グリコールなどの液体冷却剤であることが好ましい。各コールド・プ レートはさらに、流体冷却剤を流体が循環および／または再冷却されるソケット （図示せず）へ排出する流体出口１４を含んでいる。コールド・プレート１０は 通常、約０．１２インチないし約１インチの範囲の厚さを有していることができ 、かつベース・プレート１１およびカバー・プレート（図示せず）をさらに有し ている。コールド・プレート１０の厚さは通常、軍用よりも民生用の方が厚くな っている。たとえば、コールド・プレートを軍用機に使用されている部品を冷却 するために使用する場合、航空用では重量と大きさの重要性が高くなるため、コ ールド・プレート１０は通常より薄いものとなる（すなわち、０．１２インチ） 。 流体入口１２と流体出口１４の間には、流体チャネル２０が延びている。流体 チャネル２０は流体がこれを通って移動する任意の形状のチューブまたは同様な 流体通路であり、ベース・プレート１１に機械加工などによって形成された壁に よって形成される。ベース・プレート１１には、１つまたは複数のボス２４も形 成されており、これらのボスの各々は冷却すべき電子部品、光学部品またはその 他の熱を発生する部品（図示せず）などの構成要素を受けるか、あるいはこれら に接触する。説明 のためのみに、構成要素を電子部品と呼ぶ。この実施の形態においては、ボス２ ４はベース・プレート１１に形成された中実な円形突起であり、一般に、プレー ト１０に沿ってユーザの仕様によって画定される位置に配置される。例えば、第 ２図のコールド・プレートにおいて、複数の電子部品がボス２４ａ、２４ｂ、２ ４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆおよび２４ｇによって示されるように、プレート １０の後端１６に互いに近接しておかれる。ボス２４に穿孔するか、タッピング するかし、かつ部品を通してねじその他の締付け部材（図示せず）を設けること により、電子部品（図示せず）を各ボス２４に固定することができる。他の実施 の形態においては、ボス２４は部品がおかれるベース・プレート１１上に単に位 置していてもよい。 ボス２４の周囲に、あるいはこれと接触して、複数のフィン構造２６が配置さ れており、これらのフィン構造は伝熱および流体の分布を制御するのに通常使用 されるタイプの波形アルミニウム・フィン・ストックからなることが好ましい。 各フィン構造２６はチャネル２２の部分と流体連通するように配置されている。 第３図を少し参照すると、各フィン構造２６はチャネル（図示せず）から流体を 受け取り、流体をボス（図示せず）の周りに流すための流体入口２８と流体出口 ３０とを有している。図示されていないが、他の実施の形態においては、複数の 流体入口および流体出口を有する単一のフィン構造を使用することができる。 第３図に示すように、フィン構造２６のさまざまな特性を変更して、各コール ド・プレートで希望する流量を達成することができる。このようなパラメータと しては、１インチあたりの フィンの数であるフィン・ピッチ、フィンのオフセットまたは断続長さ、フィン のオフセットまたは断続長さの総計である流れの長さ、フィンの高さ、行内のフ ァン構造の幅を組み合わせたものである流れの幅、およびフィンの厚さである。 これらのパラメータの各々を別々に変更して、以下で説明するように、希望する 流量および圧力降下を達成することができる。 第２図を再度参照すると、各フィン構造２６はボス２４の周りに配置され、チ ャネル２０から流体を受け取る。流体はチャネル２０を通って、フィン構造２６ へ移動し、フィン構造は流体をボス２４の周辺２５へ送って、ボス２４に載置さ れている電子部品を冷却する。流体チャネル２０の一部は３つ以上の隣接配置さ れたフィン構造２６の周囲に屈曲路３２を形成する。屈曲路３２はコールド・プ レート１０の任意の個所におくことができるが、第２図の実施の形態においては 、屈曲路３２はコールド・プレート１０の入口１２の近くに配置される。屈曲路 ３２を使用して、最も温度が高く、最も敏感な電子部品を冷却するのが最も有利 であるが、これは屈曲路が従来のコールド・プレートの設計よりも均一な冷却を 行うからである。屈曲路３２はしたがって、コンピュータ・チップなどの類似し た電子部品が不均一に冷却され、その結果異なる温度で作動して、冷却されてい る電子システムの不釣合や故障を引き起こすという問題を回避するものである。 屈曲路３２を構成する流体チャネル２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、隣接 配置されているフィン構造２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄへ、フィン構造２６ ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを配置している順次的順序に従わない順序で流体を 送るため、 屈曲路３２は非順次の流れをボス２４の周囲に起こす。流体チャネル部２２ａ、 ２２ｂ、２２ｃ、および２２ｄの矢印の方向は、屈曲路３２によって送られる流 体の経路をさらに示すものである。入口１２からチャネル２０へと、チャネル２ ０がまず流体をチャネル部分２２ａへ送り、フィン構造２６を通過させ、次いで チャネル部分２２ｃへと進めることに留意されたい。チャネル部分２２ｃは次い で流体をフィン構造２６ｃへ送り、チャネル部分２２ｂへ進める。チャネル部分 ２２ｂは次いで流体をフィン構造２６ｂへ送り、チャネル部分２２ｄへ進める。 チャネル部分２２ｄは次いで、流体をフィン構造２６ｄへ送る。流体がフィン構 造２６ａから２６ｂ、２６ｃ、そして２６ｄと順次送られるものではないため、 屈曲路３２はしたがって非順次的なものである。フィン構造２６ｄから、チャネ ル２０は図示のように順次的な経路２９を取るようになるか、あるいは非順次的 経路をたどりつづけるかすることができる。 流体がチャネル部分２２ｃ内で搬送される方向が、流体がチャネル部分２２ｂ 内で搬送される方向と逆であることに留意されたい。本発明のチャネル部分２２ ｃ、２２ｂにおける逆流流体路は効果的な伝熱をもたらし、次いで、各チャネル 部分２２ｃ、２２ｂ、ならびにその他のチャネル部分における温度を均等化する 。従来のコールド・プレートにおいて、流れは通常、逆流なしで順次的に進むも のであり、逆流はコールド・プレート入口からの流体（したがって、温度が高い ）をコールド・プレート入口に近い隣接する逆流流体（したがって、温度が低い ）によって冷却することを可能とするものである。このような対向する流体路は さらに、フィン構造２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、 ２６ｄ内に配置されたボス２４中の電子部品、ならびにコールド・プレート１０ 全体にわたって配置されたボス２４のほぼ均一な冷却を行う。温度の均等化およ び冷却の均一性については、第７図の温度プロットで詳細に示す。 長い屈曲路を希望する場合、すなわちある温度まで冷却する電子部品の数が、 たとえば、第２図に示した４個の電子部品よりも多い場合、あるいは高い入力圧 力を希望する場合には、４つ以下の部品を包囲する複数の屈曲路を使用すること ができる。 第４図を参照すると、一対の屈曲路６２、６３を用いた本発明のコールド・プ レート４０の他の実施の形態の平面図が示されている。上記と同様に、コールド ・プレート４０は流体を受け入れる流体入口４２、液体冷却剤を排出する流体出 口４４、および流体入口４２と流体出口４４の間のプレートに画定された流体チ ャネル５０を含んでいる。プレート４０には、各々が冷却すべき電子部品（図示 せず）を受ける１つまたは複数のボス５４と、各々がチャネル５０の１つまたは 複数の部分と流体連通して配置されている複数のフィン構造５６ａ、５６ｂ、５ ６ｃ、５６ｄ、５６ｅ、５６ｆ、５６ｇが形成されている。上述したように、複 数のフィン構造５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅ、５６ｆ、５６ｇの各 々はボス５４を包囲している。 この図にさらに示すように、流体チャネル５０は一対の平行な屈曲路６２およ び６３を形成している。屈曲路６２は３つの隣接配置されたフィン構造５６ｂ、 ５６ｃ、および５６ｄと流体連通しているチャネル部分５２ｂ、５２ｃおよび５ ２ｄによって画定される。屈曲路６３は３つの隣接配置されたフィン構 造５６ｅ、５６ｆ、５６ｇと流体連通しているチャネル部分５２ｅ、５２ｆ、５ ２ｇによって画定される。第２図について上述したように、各屈曲路６２、６３ は非順次的なものであるから、流体チャネル部分５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ ｅ、５２ｆおよび５２ｇは流体を隣接配置されたフィン構造５６ｂ、５６ｃ、５ ６ｄ、５６ｅ、５６ｆ、５６ｇへ、このようなフィン構造５６ｂ、５６ｃ、５６ ｄ、５６ｅ、５６ｆ、５６ｇの順次配置に従わない順序で送る。 流体チャネル部５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆおよび５２ ｇの矢印の方向は、各屈曲路６２、６３によって送られる流体の経路をさらに示 すものである。入口４２からチャネル５０へと始まり、チャネル４０がまず流体 をチャネル部分５２ａへ送り、フィン構造５６ａを通過させ、次いでチャネル部 分５２ｃおよび５２ｆに分ける。チャネル部分５２ｃは流体をフィン構造５６ｃ へ送り、チャネル部分５２ｆは流体をフィン構造５６ｆへ送る。フィン構造５６ ｃから、流体はチャネル部分５２ｂへ、フィン構造５６ｂを通って送られる。フ ィン構造５６ｆから、流体はチャネル部分５２ｅへ、フィン構造５６ｅを通って 送られる。フィン構造５６ｂから、流体はチャネル部分５２ｄへ、フィン構造５ ６ｄを通って送られる。フィン構造５６ｅから、流体はチャネル部分５２ｇへ、 フィン構造５６ｇを通って送られる。フィン構造５６ｄおよび５６ｇから、流体 はチャネル部分５２ｈおよび５２ｉを通って流れ、出口４４で合流する。この図 には示されていないが、チャネル部分５２ｈおよび５２ｉを、第２図に示すよう に他のチャネル部分に接合し、他のフィン構造へ順次的に、あるいは非順次的に 流れるようにしてもよい。第４図に示した屈曲路の対は、５２ｂ、５２ｄおよび ５２ｅ、５２ｇなどの連続したチャネルの数を少なくするため、コンパクトな設 計のコールド・プレートを達成するのに役立つ。 本発明のコールド・プレートを電子部品の複数レベルのラックを冷却するシス テムに使用することができる。第５図を参照すると、本発明による冷却システム ７０の実施の形態の１つの平面図が示されている。冷却システム７０は垂直スタ ックに配置された複数のコールド・プレート１０ａ−１０ｇを含んでいる。検討 のためのみに、コールド・プレート１０ａ−１０ｇは第２図および第４図の実施 の形態で説明したコールド・プレート１０、４０と同様なものである。ただし、 コールド・プレート１０ａ−１０ｇがユーザが希望する任意のチャネルおよびフ ィン構造を有することができるが、各コールド・プレート１０ａ−１０ｇが流体 を非順次的に少なくとも３つの隣接配置されたフィン構造へ送るための少なくと も１つの屈曲路を画定するチャネルを有することが条件であるということに留意 するのが重要である。流体源７２が流体をマニフォルド７６へ圧送するためのポ ンプ７４に結合されている。マニフォルド７６は各コールド・プレート１０の同 じオリフィス１３へ流体結合されている。 この図に示すように、各コールド・プレート１０ａ−１０ｇはその入口に同一 のオリフィス１３を有している。各コールド・プレート１０ａ−１０ｇのオリフ ィス１３の直径はほぼ同じであり、直径のこのような均一性は、従来のシステム において均一な直径を使用することで生じるような、垂直スタックの各 プレートでの流量または圧力降下の変動を引き起こすものではない。各コールド ・プレート１０ａ−１０ｇは出口を有しており、これを通って流体が流れ、他の 流体と一緒になり、再冷却および／または再循環装置（図示せず）へ流れる。マ ニフォルドから各コールド・プレート１０ａ−１０ｇへのパイプ７８の長さがほ ぼ等しく、また各コールド・プレート１０ａ−１０ｇの出口から出口マニフォル ド７９へ広がっているパイプ８０の長さがほぼ等しいことに留意するのが重要で ある。さらに、パイプ７８の長さはパイプ８０の長さとほぼ等しい。他の実施の 形態においては、ポンプ７４からマニフォルド７６へつながっているパイプ７５ の長さは、再冷却または再循環装置（図示せず）へつながっているパイプ８２の 長さとほぼ等しい。等しい長さのパイプを使用することにより、各コールド・プ レートとの間の流体流に関連した摩擦損失をほぼ等しいものとすることができる 。それ故、各プレート１０ａ−１０ｇの端から端までほぼ均一な圧力降下および 流量を生じさせる場合、摩擦損失を同等なものと考えることができる。 動作時には、ポンプ７４を作動させ、流体を流体源７２からマニフォルド７６ へ送る。マニフォルド７６は各コールド・プレート１０ａ−１０ｇのオリフィス １３を通して流体を送る。流体を送った場合、各コールド・プレート１０ａ−１ ０ｇの屈曲構造が高い入力抵抗を生じ、流体が下方のコールド・プレート１０ａ 、１０ｂなどへ大量に流れるのを阻止するため、流体は各コールド・プレート１ ０ａ−１０ｇへ均等に分配される。その結果、流量および圧力降下が各コールド ・プレート１０ａ−１０ｇの端から端までほぼ均一となり、屈曲流路の領域に置 かれた電子部品（図示せず）はほぼ均一な動作温度へ冷却される。 一般に、流体がコールド・プレート１０ａ−１０ｇへ送られると、通常、大量 な流体が最下段のコールド・プレート１０ａに流れ込もうとする。換言すれば、 流体は最も抵抗が少ない経路を取ろうとし、第１のプレートへ流れることによっ て、流体は上方のコールド・プレート１０ｂ−１０ｇへ流れることに付随する重 力の引力および摩擦力を回避する。第２図を再度参照すると、チャネル２０の流 体がいくつかの屈曲部およびフィン構造２６ａ−２６ｄを通って流れ、コールド ・プレート１０の長さを横切って流れる前に付随する圧力損失を受けなければな らないため、屈曲路３２および各コールド・プレート１０ａ−１０ｇ内に屈曲経 路３２に隣接して配置されたフィン構造２６ａ−２６ｄは各プレート１０ａ−１ ０ｇにおいて高い入力抵抗を生じる。このような高い入力抵抗により、決まった 流量で決まった量の流体のみがコールド・プレート１０ａに流れ込み、残りの流 体がスタック内の後続のコールド・プレート１０ｂ−１０ｇへ均等に流れること になる。各コールド・プレート１０ａ−１０ｇに付加的なフィン構造２６を配置 すると、プレートの抵抗がさらに高くなる。したがって、各コールド・プレート １０ａ−１０ｇが決まった量の流体のみを受け入れ、それ故、最上位のコールド ・プレート１０ｇにさえ十分な容積の流体を十分な流量で与えるため、各コール ド・プレート１０ａ−１０ｇは自動制限装置に類似した働きをする。 従来の設計を有するコールド・プレートの垂直スタックでは、重力および摩擦 の効果が各コールド・プレートにおける流量を 違ったものとするため、各コールド・プレートの入口において圧力の不均一が生 じる。最下位のコールド・プレート１０ａへの入口は通常最も高い入口圧力と最 も高い流量を有しているのに対し、最上位のコールド・プレート１０ｇへの入口 は最も低い入口圧力と最も低い流量を有している。出口側において、これらのパ ラメータは逆になる。すなわち、最下位のコールド・プレート１０ａの流量が最 も低くなり、出口圧力が最も低くなるのに対し、最上位のコールド・プレート１ ０ｇは最も高い出口圧力と最も高い流量を有することとなる。その結果、コール ド・プレート１０ａ−１０ｇの各入口にカスタム化されたオリフィスを費用をか け、時間をかけて設置し、テストしなければ、各プレートにおける流量と圧力効 果は変動することとなる。しかしながら、第２図および第４図で説明した本発明 は、その設計により、決まった量の流体だけしか受け入れず、カスタム化したオ リフィスのテストおよび設置を必要としないコールド・プレート１０、４０を作 り上げたものである。 本発明のコールド・プレート１０、４０は、まずユーザが希望するコールド・ プレートの数、およびコールド・プレートあたりの電力量を決定することにより 、ユーザのニーズに合うように設計できる。電力量は放散させなければならない 熱の量を示す。この決定から、各コールド・プレートにおいて熱を放散させるの に必要な流量を決定できる。コールド・プレートあたりの流量に希望するコール ド・プレートの数を乗じることにより、全流量を計算できる。全流量がわかると 、この流量を送ると思われるポンプを選択し、システムが必要とする所望の入力 圧力、すなわちポンプが流体を送ることができなければならな い圧力を決定できる。 第６図のグラフを参照すると、必要な圧力は選択したポンプの圧力曲線に希望 する全流量Ｑをプロットすることによって決定できる。このグラフはポンプの流 量が通常、圧力に逆比例することを示している。ポンプの全流量はｘ軸に示され 、ポンプの圧力はｙ軸に示されている。全流量がポンプの曲線と合致する曲線状 の点を決定すると、希望するポンプ圧力を得ることができる。動作曲線における この点はシステムに望まれる動作点である。動作点はシステムが必要とするポン プ圧力を表す。さらに説明すると、動作点を知ることによって、各プレートの両 側に存在しなければならない希望する圧力差を決定できる。 システムの動作点ＯＰは他の効果によって引き起こされる圧力の変化を含む、 各プレートにおける圧力降下である圧力降下ΔＰ_i （ｉは１からｎまでのコール ド・プレートを表す）ということができるこれを数学的に示すと次のようになる 。 ＯＰ＝ΔＰ_i 圧力降下ΔＰ_iはコールド・プレート両側における圧力降下、ならびに重力損 失、コールド・プレートとの間で流体を送るパイプに付随する摩擦損失、このよ うなパイプの屈曲部による損失、冷却システムによって引き起こされる損失、お よびさまざまな流れチャネルの断面積の変化によって生じる損失に応じて発生す る圧力の変化を考慮したものである。圧力降下ΔＰ_iはそれ故、数学的に次のよ うに表すことができる。 ΔＰ_i＝ΔＰ_{cold p1ate}＋ΔＰ_gravity＋ΔＰ_{pipe friction} ＋ΔＰ_{pipe bends}＋ΔＰ_{cooilng system} ＋ΔＰ_{cross section} 重力、摩擦、屈曲部、冷却システムのこのような影響、および流れチャネルの断 面積の変化がわかるか、簡単に得られるため、この等式をΔＰ_{cold plate}につい て解いて、各コールド・プレートの両側で存在していなければならない圧力降下 を決定することができる。圧力降下ΔＰ_iに寄与する他の圧力損失を受けること もあることに留意されたい。 コールド・プレート両側における圧力損失Δ_{Pcold plate}がフィン構造損失、 プレートに存在している摩擦損失、および各プレート上のチャネル内の屈曲部に よる損失に応じて発生する圧力変化に帰することができるのであるから、ΔＰ_{co ld plate} の値を使用して、コールド・プレートのこのような特徴を設計すること ができる。各コールド・プレートの両側における圧力降下ΔＰ_{cold plate}は数学 的に次のように表すことができる。 ΔＰ_{cold plate}＝ΔＰ_{fin structure}＋ΔＰ_{p1ate friction} ＋ΔＰ_{plate bends} この関係が与えられると、各コールド・プレートの両側において希望する圧力降 下を使用して、以下で説明するように、フィン構造およびコールド・プレート上 のチャネル屈曲部の設計を容易とすることができる。 第６図をさらに参照すると、例示のためにのみに、希望する全流量が１２ＧＰ Ｍ（すなわち、コールド・プレート当たり１ＧＰＭとして、コールド・プレート １２枚）であると想定し、線を流量から動作曲線へ向かって上に延ばすことによ って、ΔＰ_iを決定することができる。対応する圧力値、たとえば、この図面で ２５ＰＳＩで示されている値はポンプがシステムの圧力降下ΔＰ_iを供給しなけ ればならない最低圧力である。した がって、選択したポンプはシステムへ２５ＰＳＩという圧力ΔＰ_{i minimum}で流 体を送ることができなければならない。選択したポンプの仕様をチェックするこ とにより、ポンプが所望の圧力で流体を送ることが可能なことを確認できる。ポ ンプの圧力がΔＰ_{i minimum}未満である場合には、そのポンプを使用することは できず、異なる出力特性を有するポンプを選択しなければならない。このプロセ スは適切なポンプが選択されるまで繰り返される。 上述の屈曲路は、フィン構造のパラメータに対する変更を行うことによって、 各部レートの端から端までの希望する圧力降下を生じさせるために使用すること ができる。たとえば、希望する圧力降下を達成するためには、チャネル内の屈曲 部の長さおよび角度を変更し、かつフィン構造に関係する、第３図で説明したパ ラメータを変更することができる。たとえば、フィンの高さ、流れの長さ、オフ セットまたは断続長さ、フィン・ピッチ、フィンの厚さおよび流れチャネルの断 面を変更して、希望する圧力降下を達成することができる。このような変更が各 コールド・プレート中でほぼ等しい圧力降下ΔＰ_{cold plate}を生じるものである が、各コールド・プレートの入口圧力および出口圧力が変動できることに留意す るのが重要である。 屈曲路３２およびフィン構造２６の結果として、流体の流量および圧力降下が 各コールド・プレート１０ａ−１０ｇの両側でほぼ等しい場合、冷却システム７ ０はシステム内でスタックされたプレート１０ａ−１０ｇの数にも、各プレート １０ａ−１０ｇのオリフィス１３の直径にも関わりなく、自動調整システムとな る。さらに、流体をマニフォルド７６へ送るために使 用されるポンプ７４の大きさを大幅に減らすことができる。 第７図を参照すると、本発明のコールド・プレートの実施の形態を通しての温 度の変動を示す温度プロットが示されている。グラフの右側の温度表に示されて いるように、グラフの白および縞模様の領域はコールド・プレートの最も温度の 高い部分（約１８８゜Ｆ）を表しており、グラフの点の部分は最も温度の低い部 分（約ｌ１０°Ｆ）を表している。グリッド座標７５、１０はコールド・プレー トの入口を表しており、グリッド座標２５、１０はコールド・プレートの出口を 表している。 座標１０、２２ないし８０、２２を参照した場合、これらの座標が第２図の屈 曲構造のチャネル部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、および２２ｄに対応しているこ とに留意されたい。これらのチャネル部分、特に対向したチャネル部分２２ｃ、 ２２ｂは伝熱を改善し、屈曲構造の経路全体にわたってほぼ等温な表面を作り出 す。このことは、４つの電子部品が近傍に存在しているにもかかわらず約１６０ °Ｆであるこの領域の温度によって実証されている。さらに重要な留意すべき事 項は、屈曲構造を画定するチャネル部分に対応した上記の座標（０、２２ないし ７５、２２）はコールド・プレートの出口（座標１００、１００）よりも若干温 度が低いものであるが、温度プロットが白で示されている各ボスの周囲はほぼ同 一の温度になっていることを示していることである。温度表を参照すると、各ボ ス周囲の領域における温度が約１６９゜Ｆであることが明らかである。 それゆえ、本発明のシステムは冷却プレート上のボスに載置された電子部品を ほぼ均一に冷却するものである。このような冷却は、屈曲路および付随するフィ ン構造を使用することによ って生じる、各プレート中でのほぼ均一な流量および圧力降下によって達成され る。本発明は低く、均一な温度まで冷却された場合により効率よく動作する冷却 対象の電子部品の信頼性を改善する。 上記で説明したものの変形、改変形およびその他の実施態様が、請求の範囲に 記載の本発明の精神および範囲を逸脱することなく、当分野の技術者に思い浮か ぶであろう。したがって、本発明は上記の例示的な説明によってではなく、以下 の請求の範囲の精神および範囲によって画定されるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流体冷却剤を搬送するチャネルを画定するチャネル部分を有し、かつ各々が 発熱部品を受ける複数のボスを有するコールド・プレートと、 コールド・プレート上に順次的な順序で隣接配置された複数のフィン構造であ って、各々がボスに接触し、流体冷却剤を非順次的な順序でフィン構造に搬送す るチャネルの部分と流体連通しているフィン入口およびフィン出口を含んでいる フィン構造と を備えている電子部品の冷却システム。 ２．発熱部品が電子部品である、請求の範囲第１項に記載のシステム。 ３．第１のフィン構造と流体連通しており、第２のフィン構造と流体連通した第 ２のチャネル部分に隣接配置された第１のチャネル部分を更に含んでおり、第１ のチャネル部分が流体冷却剤を第１の方向へ搬送し、第２のチャネル部分が流体 冷却剤を第１の方向と逆の方向へ搬送する、請求の範囲第１項に記載のシステム 。 ４．各ボスがチャネルに隣接配置されている、請求の範囲第１項に記載のシステ ム。 ５．順次的な順序で隣接配置された複数のフィン構造が整合して配置されている 、請求の範囲第１項に記載のシステム。 ６．流体冷却剤をコールド・プレートへ送るマニフォルドを更に含んでいる、請 求の範囲第１項に記載のシステム。 ７．チャネルが屈曲路をさらに画定している、請求の範囲第１ 項に記載のシステム。 ８．前記複数のフィン構造が少なくとも３つのフィン構造を含んでいる、請求の 範囲第１項に記載のシステム。 ９．少なくとも３つのフィン構造が、第１のフィン構造が第２のフィン構造に隣 接して配置され、第２のフィン構造が第３のフィン構造に隣接して配置されるよ うに順次配置されている、請求の範囲第８項に記載のシステム。 １０．チャネルが流体冷却剤を第１のフィン構造から第３のフィン構造へ、次い で第２のフィン構造へさらに搬送する、請求の範囲第９項に記載のシステム。 １１．流体冷却剤を送るマニフォルドと、 垂直スタックに配置された複数のコールド・プレートであって、各コールド・ プレートが流体冷却剤をマニフォルドから受け取り、搬送するチャネルを画定す るチャネル部分を有しており、かつ各々が電子部品を受け、各々がチャネルに隣 接して配置されている複数のボスを有しているコールド・プレートと、 コールド・プレート上に順次的な順序で隣接配置された複数のフィン構造であ って、各々のフィン構造がボスを包囲し、流体冷却剤を非順次的な順序でフィン 構造に搬送するチャネルの部分と流体連通しているフィン入口およびフィン出口 を含んでいるフィン構造とを備えており、 第１のチャネル部分が第１のフィン構造と流体連通しており、第２のフィン構 造と流体連通した第２のチャネル部分に隣接配置されており、第１のチャネル部 分が流体冷却剤を第１の方向へ搬送し、第２のチャネル部分が流体冷却剤を第１ の方向と逆の方向へ搬送する 電子部品の冷却システム。 １２．コールド・プレートの各々がオリフィスを有する流体入口を更に含んでお り、各オリフィスの直径がほぼ等しい、請求の範囲第１１項に記載のシステム。 １３．チャネルが屈曲路を画定している、請求の範囲第１１項に記載のシステム 。 １４．複数のフィン構造が少なくとも３つのフィン構造を含んでいる、請求の範 囲第１１項に記載のシステム。 １５．少なくとも３つのフィン構造が、第１のフィン構造が第２のフィン構造に 隣接して配置され、第２のフィン構造が第３のフィン構造に隣接して配置される ように順次配置されている、請求の範囲第１４項に記載のシステム。 １６．チャネルが流体冷却剤を第１のフィン構造から第３のフィン構造へ、次い で第２のフィン構造へさらに搬送する、請求の範囲第１５項に記載のシステム。 １７．マニフォルドによって複数のコールド・プレートへ送られる流体冷却剤の 流量が各コールド・プレートの両側でほぼ等しい、請求の範囲第１６項に記載の システム。 １８．各コールド・プレートの両側での圧力降下がほぼ等しい、請求の範囲第１ ７項に記載のシステム。 １９．スタック構成で配置された複数のコールド・プレートであって、各コール ド・プレートが流体冷却剤を受け取り、搬送するチャネルを画定しているコール ド・プレートと、各々が電子部品を受け、各々がチャネルに隣接して配置されて いる複数のボスと、コールド・プレート上に順次的な順序で隣接配置された複数 のフィン構造であって、各々のフィン構造がボスを包 囲し、チャネルの部分と流体連通しているフィン入口およびフィン出口を含んで いるフィン構造とを設け、 流体冷却剤をマニフォルドを介してコールド・プレートの各々のチャネルに送 り、 各チャネルを通して流体冷却剤を送って、流体冷却剤を非順次的順序でフィン 構造に送り、流体冷却剤の流量を各コールド・プレートの両側でほぼ等しくする ようにする 電子部品の冷却方法。 ２０．各コールド・プレートの両側での圧力降下がほぼ等しい、請求の範囲第１ ９項に記載の方法。 ２１．流体冷却剤が屈曲路内のチャネルを通って流れる、請求の範囲第１９項に 記載の方法。 ２２．各コールド・プレート上に順次的に隣接配置された少なくとも３つのフィ ン構造を設け、第１のフィン構造が第２のフィン構造に隣接配置され、第２のフ ィン構造が第３のフィン構造に隣接配置されようにし、 流体冷却剤をチャネルを通して非順次的に送り、流体冷却剤が第１のフィン構 造へ、次いで第３のフィン構造へ送られ、次いで第２のフィン構造へ戻されるよ うにする ことをさらに含んでいる請求の範囲第１９項に記載の方法。 ２３．流体冷却剤を第３のフィン構造から複数のフィン構造の他のものへ順次的 に送る ことをさらに含んでいる請求の範囲第２２項に記載の方法。