JP6744719B2 - 冗長性を備える冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置または冷却システムと、このような冷却装置または冷却システムの操作または製造方法に関する。

電子部品および、特にコンピュータプロセッサは動作中に発熱し、これがシステムの構成部品やその他の部品の過熱およびそれに起因する損傷の原因になりうる。したがって、構成部品を冷却するか、または熱をそこから遠ざけ、構成部品の温度を、その構成部品の正確で確実な動作のために指定されている動作温度上限以下に保つことが望ましい。

このことは特に、多くのコンピュータプロセッサが一カ所に配置され、長期間にわたり高い信頼性で連続的に動作することが意図されるコンピュータサーバセンタのデータ処理に関して言える。一般にこれらのセンタには多数のサーバユニットがあり、多くの機器ラックを占め、１部屋またはいくつかの部屋が満杯になる。各サーバユニットには１つまたは複数のサーバボードが含まれる。１つのサーバボードが何百ワットもの電力を消費する可能性があり、その多くが熱として放散される。

国際公開第２０１０／１３０９９３号と米国特許出願公開第２０１０／０２９０１９０号（どちらも本発明と同じ発明者による）に、発熱電子部品（複数の場合もある）を収容するための密閉可能モジュールを使用する冷却装置が記載されている。図１を参照すると、これらの文献に記載されているような発熱電子部品を含む密閉可能モジュールの分解断面図が示されている。

密閉可能モジュールは、ハウジング８１と、コールドプレート６０の一部を形成する、フィン付の伝導面７１（ピンフィン突起６５を有する）と、構成部品の組立後にハウジング８１と伝導面７１により画定され、第一の冷却水（図示せず）が充填される容器空間と、伝導面７１に隣接する液体流路６１と、小型電子部品６８と、大型電子部品６９と、メモリモジュール７６と、を含む。

密閉可能モジュールは、電子回路基板７５と、電子回路基板７５のための取付ピラー６３と、大型電子部品６９に取り付けられた部品用ヒートシンク７０と、取付ピラー６３を伝導面７１に取り付けるねじ８０と、コールドプレートの、フィン付伝導面とは反対側の面のためのカバープレート７８と、ハウジング８１のための断熱材７３と、第一のシーリングガスケット６２と、第二のシーリングガスケット６４と、コールドプレートアセンブリの構成部品を一体に保持するねじ７９と、をさらに含む。断熱材７３は、ハウジング８１と回路基板７５との間の保護膜としての役割も果たせる。

ねじのすべてが所定の位置に留められ、各種の構成部品が図のように固定されると、伝導面７１とハウジング８１により画定される内部空間にクーラント液が充填される。動作中、回路基板７５上の構成部品６８、６９とメモリモジュール７６が発熱する。この熱は、当初は局所的伝導によって冷却液に移動し、その後は、加熱された液体が膨張して、浮揚し、対流によって移動する。対流する液体はすぐにフィン６５および伝導面７１のその他の表面と接触する。

伝導面７１のフィン６５からの熱は、流路６１を通って流れる、循環する第二の液体（図示せず）へと伝えられ、伝導面７１と、ひいては冷却液を冷却する。この構成において、流路６１内の第二のクーラント液の流れを制御して、伝導面７１とハウジング８１によって画定される空間内のクーラント液が確実に所望の温度範囲内に保たれるようにすることができる。特に、第一のクーラント液の沸騰を回避できる。

これは、電子部品のための効率がよく、堅牢で、柔軟な冷却形態である。電子部品冷却のそれまでの設計と異なり、システム内の圧力と温度を容易に制御でき、高価で複雑な冷却技術は不要である。

国際公開第２０１０／１３０９９３号 米国特許出願公開第２０１０／０２９０１９０号明細書

この構成を、より複雑な冷却システムのために改良することが課題である。特に、データ処理またはコンピュータサーバセンタが使用する電子部品は、以前より発熱量がますます増大し、より強力な冷却を必要としている。それと同時に、特定の構成部品またはプロセスが故障し、その結果、システムの一部または全体が機能停止するのを避けるために、冷却システムに冗長性が追加される。このような冗長性を追加すると、コストが増し、全体的な効率が下がる可能性がある。

この背景に照らして、本発明が提供する冷却装置は、電子機器を収容するように構成され、かつ熱伝導部を画定する熱伝導部品と、熱伝導部に結合された熱交装置と、を含む。熱伝導部は、自身を通じて、電子機器により生成された熱を電子機器から取り去るように伝達でき、熱交換器は、電子機器により生成された熱を、熱伝導部を介して第一のヒートシンクと第二のヒートシンクに伝達するように構成される。第一と第二のヒートシンクは、（好ましくは、熱交換装置内で）互いに隔離される。理想的には、熱伝導部は対流式である。有利な点として、それによって電子機器により生成された熱を、内部クーラントを介して電子機器から取り去る方向に伝達できる。以下、クーラントへの言及はこの内部クーラントを指す場合がある。それゆえ、冗長性はモジュールのレベルで提供され、モジュールは、１つまたは複数の構成部品を冷却するために使用される単独の容器または土台であってもよい。各構成部品は単独の電子部品であってもよく、または複数の電子部品（例えば、回路基板）を含む機器もしくは複数のこのような機器であってもよい。

有利な点として、熱交換装置は、熱交換装置の一部が熱を第一のヒートシンクに伝達できない場合に、第一のヒートシンクに伝達されていたはずの熱の少なくとも一部（全部ではない）を第二のヒートシンクに伝達するように構成されている。それゆえ、熱交換装置は、熱交換装置のうち、一方のヒートシンクに熱を伝達する部分が故障したときに、より多くの割合の熱をもう一方のヒートシンクに伝達するように構成されていてもよい。これは、冗長性を提供する役割を果たすことができる。

有益な点として、熱交換装置は、第一のヒートシンクの一部として第一の外部クーラントを受けるための第一のクーラントコネクタ（またはポート）を含む。有利な点として、熱交換装置は、第二のヒートシンクの一部として第二の外部クーラントを受けるための第二のクーラントコネクタ（またはポート）をさらに含む。それゆえ、熱交換装置は、冷却システムの一部として、装置（特にモジュールの形態）と接合するためのコネクタを提供する。これによって、複数の装置が第一および／または第二の外部クーラントを共有できることになりうる。このことから、各モジュールが冗長性を持ちながら、複数のモジュールが外部クーラントを共有し、それによって効率が向上するモジュール式システムを構築できる。また、このようなモジュールは、様々な異なる環境内で使用可能である。第一のクーラントコネクタは、第一の外部クーラントを受けるための第一のクーラント入口コネクタと、熱が電子機器から第一の外部クーラントに伝達された後に、この第一の外部クーラントを搬送するための第一のクーラント出口コネクタと、を含んでいてもよい。同様に、第二のクーラントコネクタは、第二の外部クーラントを受けるための第二のクーラント入口コネクタと、熱が電子機器から第二の外部クーラントに伝達された後に、この第二の外部クーラントを搬送するための第二のクーラント出口コネクタと、を含んでいてもよい。

いくつかの実施形態において、熱交換装置は、電子機器から受け取った熱を、第二のヒートシンクと略等しい割合で第一のヒートシンクに伝達するように構成される。換言すれば、熱交換装置は、熱出力を２つのヒートシンクの間で略半分に分けることができ、これらの２つが負荷を分担する。しかしながら、熱伝達の比率は制御されても、または異なるように設定されてもよい（例えば、４５％：５５％、４０％：６０％、３５％：６５％、３０％：７０％、２５％：７５％、２０％：８０％、１０％：９０％、５％：９５％）。多くの実施形態において、第一のヒートシンクと第二のヒートシンクの能力は同じであってよい。

好ましくは、熱交換装置または熱伝導部品は少なくとも１つの伝導面を含み、これは、電子機器により生成された熱を、対流式熱伝導部を通じて第一のヒートシンクと第二のヒートシンクに伝達するように構成される。伝導面（複数の場合もある）（これらはコールドプレートと呼んでもよい）の使用によって、熱は表面を伝わることができ、これは他の形態の熱交換より効率的でありうる。

いくつかの実施形態において、熱伝導部品は、電子機器の少なくとも一部とクーラントを中に配置できる空間の少なくとも一部（好ましくは、例えばこの空間を密閉することによって限定される）を画定するハウジングを含み、このクーラントは対流式熱伝導部を提供できる。すると熱交換装置は、一部が前記空間の第一の部分の中にあり、クーラントの第一の部分からの熱を第一のヒートシンクに伝達するように構成された第一の熱交換器と、一部が前記空間の第二の部分の中にあり、第一の熱交換器と並列に配置された第二の熱交換器と、を含んでいてもよく、第二の熱交換器は、クーラントの第二の部分からの熱を第二のヒートシンクに伝達するように構成される。

それゆえ、図１に示されるモジュールと同様であるが、第二の並列の熱交換器を備える密閉可能モジュールが提供されてもよい。この並列の熱交換器は冗長性を提供し、第一の熱交換器が何らかの理由で故障したとしても、冷却を継続できる。さらに、これによって冷却効率が向上する。

好ましくは、第一の熱交換器は、ハウジングと協働して前記空間の少なくとも一部を画定する第一の伝導面を含む。換言すれば、密閉可能モジュールは容器として形成されてもよく、容器の壁の一部がハウジングにより画定され、容器の壁の別の一部が第一の伝導面により画定される。

好ましい実施形態において、第一の熱交換器は、第一の外部（液体）クーラント（これは、好ましくは第一のクーラントコネクタからの第一の外部クーラントである）を受けるための第一の流路をさらに画定する。すると、第一の伝導面は空間と第一の流路を分離してもよく、それによって熱は空間と第一の流路との間で第一の伝導面を介して伝導される。それゆえ、第一のヒートシンクは、空間内の内部（液体）クーラントからの熱を、第一の伝導面を通じた伝導を介して密閉可能モジュールから取り去るように搬送する第一の外部クーラントによって提供される。

有利な点として、冷却装置は電子機器をさらに含む。すると、第一の伝導面またはハウジングの少なくとも一部は、電子機器の形状と適合した形状であってもよい。この形状適合は、効率をさらに向上しうる。

第二の熱交換器は、第一の熱交換器と同様にして形成されてもよい。それゆえ、第二の熱交換器は第二の伝導面を含んでいてもよく、これはハウジング（および任意選択により、第一の伝導面）と協働して前記空間の少なくとも一部を画定する。すると、第二の熱交換器は、第二の外部（液体）クーラント（これは、第二のクーラントコネクタからの第二の外部クーラントであってもよい）を受けるための第二の流路をさらに画定してもよい。この場合、第二の伝導面は前記空間と第二の流路を分離してもよく、それによって熱は前記空間と第二の流路との間で第二の伝導面を介して伝導される。このようにして、第一と第二の外部液体クーラントは相互に隔離されてもよい。その結果、第一と第二のヒートシンクを隔離できる。有利な点として、これは、第一と第二の熱交換器の運用上の柔軟性、効率、および堅牢性も改善できる。

冷却装置が電子機器を含む場合、第二の伝導面またハウジングの少なくとも一部は、任意選択により、電子機器の形状と適合した形状であってもよい。このことは、構成部品（複数の場合もある）の構成だけでなく、第一と第二の熱交換器、および特に第一と第二の伝導面の構成によって決められてよい。

電子機器は、様々な形態をとることができる。好ましい実施形態において、電子機器は回路基板を含む。すると、これは電子機器のための実質的に平坦な形態を呈することができる。

電子機器は、平坦であるか否かを問わず、長軸を有しうる。これは特に、電子機器が回路基板を含む場合に当てはまるが、これはまた、電子機器が回路基板上に実装されない個別のパッケージ、または複数の個別のパッケージの組み合わせである場合にも当てはまる。電子機器は長軸を有し、その一方で、第一の伝導面は、少なくとも１つの電子部品の長軸に対して実質的に平行なそれぞれの長軸を有していてもよい。それに加えて、またはその代わりに、第二の伝導面は少なくとも１つの電子部品の長軸に対して実質的に平行な長軸を有していてもよい。好ましい実施形態において、第一と第二の伝導面の両方の長軸が平行である。

第一の伝導面は実質的に平坦な形態を有していてもよい。それに加えて、またはその代わりに、第二の伝導面は実質的に平坦な形態を有していてもよい。電子機器と第一の伝導面の両方が実質的に平坦な形態を有する場合、第一の伝導面の平面は電子機器の平面に対して実質的に平行であってもよい。それに加えて、またはその代わりに、電子機器と第二の伝導面の両方が実質的に平坦な形態を有していてもよく、第二の伝導面の平面は電子機器の平面に対して実質的に平行であってもよい。

いくつかの実施形態において、ハウジングおよび第一と第二の伝導面は前記空間を画定する。それゆえ、熱交換器を内蔵する容器を提供できる。任意選択により、ハウジング、第一と第二の伝導面、および電子機器が前記空間を画定する。すると、電子機器そのものがモジュール外部容器の一体部分を形成する。特に、前記空間は、ベーパチャンバが形成されるようにウィッキング材をさらに含んでいてもよい。

クーラントは好ましくは、流体を含む。多くの実施形態において、（内部）クーラントは液体（標準または動作温度と圧力での定義）を含む。実施形態において、冷却装置は（内部）クーラントをさらに含む。有利な点として、第一の外部クーラントは液体を含む。それに加えて、またはその代わりに、第二の外部クーラントは液体を含む。

熱交換装置または熱伝導部品が伝導面を含む場合、熱交換装置は、第一のクーラント（好ましくは、第一のクーラントコネクタからの第一の外部クーラント）を搬送し、熱を伝導面から直接受け取り、伝導面を通じて熱を第一の（外部）クーラントに伝えるように配置された第一の配管系と、第一の配管系と並列で、第二のクーラント（好ましくは、第二のクーラントコネクタからの第二の外部クーラント）を搬送し、熱を伝導面から直接受け取り、伝導面を通じて熱を第二の（外部）クーラントに伝えるように配置された第二の配管系と、をさらに含んでいてもよい。第一と第二の（外部）クーラントは好ましくは、少なくとも熱交換装置内で相互に隔離される。これらの実施形態において、熱交換装置には、単独のコールドプレートによって、各々が相互に隔離される複数のクーラント流路が提供されてもよい。これは、単独の熱交換器（コールドプレート）の使用による冗長性を提供し、その一方で、依然として２つの別々のヒートシンクを提供する。

好ましい実施形態において、第一の配管系と第二の配管系は、らせん配置等、立体交差構成で並行配置される。換言すれば、２つの流路は交差して（または渦巻き状になり）、通常の動作では、熱を略等しい割合で受け取り、一方のヒートシンクに大きな負荷がかかりすぎることが回避される。次に好ましい実施形態において、熱伝導部品は、電子機器に取り付けるように構成された伝導面を含み、伝導により熱伝導部が提供されるようになっている。それゆえ、コールドプレートを電子機器（例えば回路基板）の表面に直接取り付けてもよい。何れかの熱伝導材料が電子機器と伝導面との間に介在してもよいが、それでもなお、伝導面はこの材料を通じて電子機器に物理的に取り付けられる。

好ましい実施形態において、熱伝導部品はハウジングを含み、これは空間の少なくとも一部を画定し、その中に第三のクーラントと、電子機器の少なくとも一部を配置できる。これは、第三のクーラントが、熱交換装置の一部を形成する伝導面に対する対流式熱伝導部を提供できることを意味する。すると、第三のクーラントは、第一と第二のクーラントから隔離されてもよい。

他の態様において、本明細書に記載されているような少なくとも１つの冷却装置を含む冷却システムが提供されてもよい。冷却システムは配管系をさらに含んでいてもよく、これは、それぞれの第一の外部クーラントを第一の熱交換装置の第一のヒートシンクとして機能させるために、少なくとも１つの冷却装置のそれぞれ（第一のクーラントコネクタ）へと搬送し、それぞれの第二の外部クーラントをその熱交換装置の第二のヒートシンクとして機能させるために、少なくとも１つの冷却装置のそれぞれ（第二のクーラントコネクタ）に搬送するように構成される。すると、少なくとも１つの冷却装置のそれぞれについて、それぞれ第一と第二の外部クーラントは互いに隔離されうる。第一と第二の外部クーラントのそれぞれのために別々のポンプを設置してもよい。実施形態において、少なくとも１つの冷却装置のそれぞれについて、第一と第二の外部クーラントを合流させるように配管系を構成してもよい。この場合、冗長性のために複数のポンプを設置してもよい。いくつかの実施形態において、冷却システムは、少なくとも１つの冷却装置を受け、配管系と接合するための取り付け部をさらに含む。冷却システムは、ユニット、ラック、キャビット、または他の何れかのハウジング構造の形態であってもよい。

配管系は、複数のモジュールを直列または並列（またはそれら２つの組み合わせ）に接続して、第一の外部クーラント、第二の外部クーラント、またはそれらの両方を共有するように構成されてもよい。これは、第一と第二のクーラントコネクタを有利な方法で使用できる。例えば、少なくとも１つの冷却装置は複数の冷却装置を含んでいてもよく、各冷却装置は本明細書で説明されているとおりである。すると、第一と第二の外部クーラントは、複数の冷却装置のそれぞれの間で共有されてもよい。このような場合のいくつかの実施形態において、配管系は、第一の外部クーラントを直列接続された各冷却装置のそれぞれの第一のクーラントコネクタに搬送するように構成されてもよい。それに加えて、またはその代わりに、配管系は、第二の外部クーラントを直列接続された各冷却装置のそれぞれの第二のクーラントコネクタに搬送するように構成されてもよい。このような場合のいくつかの実施形態において、配管系は、第一の外部クーラントを並列接続された各冷却装置のそれぞれの第一のクーラントコネクタに搬送するように構成されてもよい。それに加えて、またはその代わりに、配管系は、第二の外部クーラントを並列接続された各冷却装置のそれぞれの第二のクーラントコネクタに搬送するように構成されてもよい。

有利な点として、冷却システムは第二の熱交換装置をさらに含み、これは、第一の外部クーラント（好ましくは、少なくとも１つの冷却装置の各々からのそれぞれの第一の外部クーラント）と、第二の外部クーラント（好ましくは、少なくとも１つの冷却装置の各々からのそれぞれの第二の外部クーラント）を受けるように構成される。すると、第二の熱交換装置は、第一と第二の外部クーラントからの熱を共通の出力ヒートシンクに伝達するように構成されてもよい。これは、各冷却装置からの外部クーラントのために個別に使用されてもよく、または複数の冷却装置が互いに接続されて、外部クーラントを共有する場合に応用されてもよい。第二の熱交換装置は、１つまたは複数の熱交換器を含んでいてもよい。したがって、当然のことながら、第一と第二の熱交換器の第一と第二のヒートシンクが、（少なくとも各冷却装置の熱交換装置内で）互いに隔離されるが、これら２つのヒートシンクは独自のヒートシンクを有していてもよく、これらのヒートシンクは互いに隔離されていなくてもよい。

他の態様において、本発明は、冷却システムの操作方法に見ることができ、これは、電子機器を、熱伝導部を画定する熱伝導部品に結合するステップであって、熱伝導部は、自身を通じて、電子機器により生成された熱を電子機器から取り去るように伝達できる、ステップと、電子機器を作動させて、熱伝導部に伝達される熱を発生させるステップと、電子機器により生成された熱を、熱伝導部を介して熱交換装置において受け取るステップと、熱交換装置で受け取られた熱を第一のヒートシンクと第二のヒートシンクに伝達するステップと、を含む。第一と第二のヒートシンクは（少なくとも熱交換装置内で）互いに隔離される。好ましくは、熱伝導部は対流式である。この場合、対流式熱伝導部により、電子機器によって生成された熱を、内部クーラントを介してそこから取り去るように伝達することができる。有益な点として、前記方法は、第一の外部クーラントを第一のヒートシンクの一部として第一のクーラントコネクタで受け取るステップをさらに含む。有利な点として、前記方法は、第二の外部クーラントを第二のヒートシンクの一部として第二のクーラントコネクタで受け取るステップをさらに含む。

当然のことながら、本明細書に記載されている構造的な装置の特徴に対応する方法の特徴が、任意選択により、その方法に関連して提供されてもよい。そのいくつかを以下に明記する。

前記方法は、熱交換装置の一部が熱を第一のヒートシンクに伝達できない場合に、第一のヒートシンクに伝達されたはずの熱の少なくとも一部を第二のヒートシンクに伝達するステップをさらに含んでいてもよい。任意選択により、熱を伝達するステップは、電子機器から受け取った熱を、第二のヒートシンクと略等しい割合で第一のヒートシンクに伝達するステップを含む。

任意選択により、熱伝導部品は、空間の少なくとも一部を画定するハウジングを含む。すると、結合するステップは、電子部品の少なくとも一部をクーラント（内部クーラント）と共に前記空間内に位置付け、クーラントが対流式熱伝導部を提供できるようにすることを含んでいてもよい。ここで、熱を受け取るステップは、（内部および／または液体）クーラントの第一の部分を、前記空間の第一の部分の中にある第一の熱交換器で受け取り、クーラントの第一の部分からの熱を第一のヒートシンクに伝達するステップと、（内部および／または液体）クーラントの第二の、別の部分を、第一の熱交換器と並列に配置された、前記空間の第二の部分の中にある第二の熱交換器で受け取り、クーラントの第二の部分からの熱を第二のヒートシンクに伝達するステップと、をさらに含んでいてもよい。

クーラントの第一の部分を第一の熱交換器で受け取るステップは、クーラントの第一の部分から受け取った熱を第一の外部クーラントに伝達するステップを含んでいてもよい。それに加えて、またはその代わりに、液体クーラントの第二の部分を第二の熱交換器で受け取るステップは、液体クーラントの第二の部分から受け取った熱を第二の外部クーラントに伝達するステップを含んでいてもよい。第一と第二の外部クーラントが使用される場合、これらは、少なくとも熱交換装置内で互いに隔離されてもよい。有利な態様として、第一と第二の外部クーラントは液体である。

いくつかの実施形態において、方法は、第一と第二の外部クーラントを熱交換装置の外で合流させるステップをさらに含んでいてもよい。あるいは、第一と第二の外部クーラントは、熱交換装置の外でも隔離されたままであってよい。

方法は、熱交換装置からの第一と第二の外部クーラントを第二の熱交換装置で受け取るステップと、第一と第二の外部クーラントからの熱を、第二の熱交換装置を使って共通の出力ヒートシンクに伝達するステップと、をさらに含んでいてもよい。

また別の態様において、冷却システムの製造方法があってもよく、これは、電子機器を、熱伝導部を画定する熱伝導部品に結合するステップであって、熱伝導部は、自身を通じて電子機器が発生した熱を電子機器から取り去るように伝達できる、ステップと、熱交換装置を熱伝導部品の上に取り付けて、電子機器からの熱を、熱伝導部を介して熱交換装置に伝達するステップと、熱交換装置を、電子機器から受け取った熱を第一のヒートシンクと第二のヒートシンクに伝達するように構成するステップと、を含む。第一と第二のヒートシンクは互いに隔離される。任意選択により、方法は、空間に冷却水を充填するステップをさらに含んでいてもよい。

再び、当然のことながら、この方法は、本明細書で定義されている装置の特徴の何れか１つまたは複数に対応する、任意選択による方法ステップを含んでいてもよい。

連結するステップは、密閉可能モジュールにより画定される空間内に電子機器を格納し、液体クーラントを空間に追加することにより、電子機器により発生された熱を除去できるようにするステップを含んでいてもよい。すると、熱交換装置を取り付けるステップは、第一の熱交換器を空間の第一の部分に取り付けて、それが液体クーラントの第一の部分を受け取り、液体クーラントの第一の部分からの熱を第一のヒートシンクに伝達できるようにするステップと、第二の熱交換機を第一の熱交換機と並列に前記空間の第二の部分に取り付けて、それが液体クーラントの第二の別の部分を受け取り、液体クーラントの第二の部分からの熱を第二のヒートシンクに伝達できるようにするステップと、を含んでいてもよい。任意選択により、方法は、前記空間に冷却液を充填するステップをさらに含んでいてもよい。

本明細書に記載されている装置または方法の特徴の何れかを組み合わせたものもまた、たとえ明瞭に開示されていなくても、提供される。

本発明は、様々な方法で実施されてもよく、ここで、その中の１つをあくまでも例として、以下のような添付の図面を参照しながら説明する。

既存の構成による発熱電子部品を含む密閉可能モジュールの分解断面図である。 本発明の第一の実施形態による冷却装置の概略図である。 図２の概略図による発熱電子部品を含む密閉可能モジュールのある実施形態の分解断面図である。 本発明の第二の実施形態による冷却装置の概略図である。 本発明の第三の実施形態による冷却装置の概略図である。 本発明を補足できる、第四の実施形態による冷却装置の概略図である。

図２を参照すると、冷却装置１００が示されており、これはハウジング１０１と、発熱電子部品１０５と、第一の熱交換器１１０と、第二の熱交換器１２０と、を含む。ハウジング１０１は（任意選択により、第一の熱交換器１１０、第二の熱交換器１２０、またはそれらの両方と共に）空間１０２を画定し、その中に発熱電子部品１０５が配置される。

動作の前に、空間１０２には液体クーラントが充填される。国際特許出願第２０１０／１３０９９３号と米国特許出願公開第２０１０／０２９０１９０号に、特に動作中の圧力変化を考慮して空間１０２等の空間に液体クーラントを充填する方法が記載されている。密閉可能モジュール１００は、液体クーラントが漏れないように密閉される。

動作中、発熱電子部品１０５が空間１０２内の液体クーラントを加熱し、熱が液体クーラントから第一の熱交換器１１０と第二の熱交換器１２０を介して密閉可能モジュール１００の外部のヒートシンクへと伝えられる。第一と第二の熱交換器のためのそれぞれのヒートシンクは相互に隔離される。これに関して、ヒートシンクという用語は単に、そこを通じて熱を密閉可能モジュール１００から取り去る方向に伝達する機器または装置の簡単な表現として使用される。

次に、図２による１つの実施形態を実施する際の詳細を説明する。これに関して、図３を参照すると、図２による発熱電子部品を含む密閉可能モジュールのある実施形態の分解断面図が示されている。この実施形態はほとんど、図１に示される既存の設計に基づいている。図１に示されるものと同じ構成部品または部品を使用する場合は、同じ参照番号を使用している。

密閉可能モジュール１４１は、発熱電子部品１６９を含む。これは、第一のコールドプレート６０の一部を形成する第一のフィン付伝導面７１と、伝導面７１に隣接する第一の液体流路６１と、第二のコールドプレート１６０の一部を形成する第二のフィン付伝導面１７１と、第二の伝導面１７１に隣接する第二の液体流路１６１と、をさらに含む。明瞭さを期し、この図面では固定具が省略されている。

図１のように、発熱電子部品１６９は、第一の回路基板７５と、小型電子部品６８と、大型電子部品７６と、裏面取付型電子部品１６８と、を含む。

密閉可能モジュール１４１は、第一のシーリングガスケット６４と、第二のシーリングガスケット１６４と、第三のシーリングガスケット１８４と、第一の伝導面７１上のピンフィン突起６５と、第二の伝導面１７１上のピンフィン突起１６５と、第一のコールドプレート６０の、第一の伝導面７１上のフィンと反対側の第一のカバープレート７８と、第二のプレート１６０の、第二の伝導面１７１上のフィンと反対側の第二のカバープレート１７８と、をさらに含む。

第一のコールドプレート６０と第二のコールドプレート１６０のそれぞれは、２つの面を有するように作製され、これらの面は別の機能を有する。第一の伝導面７１と第二の伝導面１７１は、ピンフィン型プレートであり、それぞれのコールドプレートの片面を形成する。２つのコールドプレートは、図に示されるように互いに取り付けられて、密閉された空間が作られてよく、その中に発熱電子部品１６９を格納できる。シーリングガスケットにより、組み立てられたカプセルが実質的に密閉され、液体の損失または空気の進入が防止される。発熱電子部品１６９のための取付固定具（図示せず）が提供される。第一の伝導面７１のフィン６５と第二の伝導面１７１のフィン１６５は、回路基板７５と対面する。ある場合には、サイズの大きい構成部品が図のように回路基板の両側に存在するかもしれない。あるいは（図示されていないが）、サイズの大きい構成部品は回路基板の片側にのみ存在するかもしない。フィン６５の端およびフィン１６５の端と構成部品との間に小さいギャップが設けられる。フィンは、長い断面を有し、その高さが異なり、それによって、電子回路基板上の大きさの異なる構成部品とフィンの上面との間に小さいギャップが保たれる。これは、図３において、フィン６５とフィン１６５の両方について示されている。

第一のコールドプレート６０に関して、第一のカバープレート７８により、第一の流路６１が画定される。これらによって、熱を密閉可能モジュール１４１から取り去る方向に伝達するために使用される第二の液体クーラント（密閉されたモジュールにより画定される空間内の液体クーラントとは異なる）のための液体が流れることができる。同様に、第二のカバープレート１７８により、第三の液体クーラントが流れるための第二の流路１６１が形成され、それによって熱は独立した経路を通って密閉モジュール１４１から取り去られる。第二と第三の液体クーラントは独立して制御されて、密閉可能モジュール１４１のための２つの隔離されたヒートシンクが提供される。

この実施形態の他の設計と実施に関する特徴が、先に公開された国際公開第２０１０／１３０９９３号と米国特許出願公開第２０１０／０２９０１９０号明細書において開示されている詳細に従って追加または調整されてもよい。

以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、各種の変更や改良を加えることができると理解するであろう。例えば、図３に示される実施形態では２つの別々のコールドプレートが使用されているが、他の種類の熱交換器を使用することもできる。同様に、２つの熱交換器が密閉可能モジュールの対向する壁に設置される図３の構成には理解可能な利点があるが、当然のことながら、熱交換器はあるいは、同じ壁または隣接する壁に形成されてもよい。このような実施形態を後述する。同じく、当然のことながら、各熱交換器が密閉可能モジュールの壁全体を占めていなくてもよく、壁の一部を構成していてもよい。実際、いくつかの実施形態においては、３つ以上の熱交換器が設けられてもよい。

図３に関して、第一の伝導面７１、第二の伝導面１７１、またはその両方にフィン６５またはフィン１６５が設けられていなくてもよく、当業者の間で広く知られている代替案もまた可能である。さらに、一方または両方の伝導面上のフィンは、電子部品の形状に合わせて適応された形状、大きさ、またはその両方を有していなくてもよい。

図３には、第一のコールドプレート６０および第二のプレート１６０と別のハウジングが示されていないが、当然のことながら、これもまた、コールドプレートおよび一体的または別のハウジングを含む各種のその他の構造的構成と同様に可能である。第一の熱交換器のためのヒートシンクと第二の熱交換器のためのヒートシンクは、図３に示される実施形態では液体クーラントの形態をとるが、当然のことながら、他の種類のヒートシンクを使用してもよい。

次に、他の代替的な実施形態を概略的に簡単に説明する。当業者であればわかるように、このような実施形態の実施に関するその他の詳細は、上記の実施形態と同様であっても、他の既存の構成と同様であってもよい。

図４を参照すると、本発明の第二の実施形態による冷却装置の概略図が示されている。他の図面と同じ特徴物が示される場合は、同じ参照番号が使用されている。冷却装置２００は、ハウジング２０１と、発熱電子部品１０５と、第一の熱交換器２１０と、第二の熱交換器２２０と、を含む。ハウジング２０１と第一の熱交換器２１０と第二の熱交換器２２０により画定される空間２０２には、液体クーラントが充填される。第一の熱交換器２１０は、クーラント入口２１１とクーラント出口２１２を有し、第二の熱交換器２２０は、第一の熱交換２１０のそれらとは別のクーラント入口２２１とクーラント出口２２２を有する。

この冷却装置２００は、図２に示される冷却装置１００と同様の方法で動作する。動作中、発熱電子部品１０５は空間２０２内の液体クーラントを加熱し、熱は液体クーラントから密閉可能モジュール２００の外のヒートシンクに、第一の熱交換器２１０と第二の熱交換器２２０を介して伝達される。第一と第二の熱交換器のためのそれぞれのヒートシンクは、相互に隔離される。第一の熱交換器２１０と第二の熱交換器２２０は、発熱電子部品１０５の同じ側に配置され、ハウジングと共に画定する空間の同じ壁の一部を占める。

次に図５を参照すると、本発明の第三の実施形態による冷却装置の概略図が示されている。再び、他の図面に示されているものと同じ特徴は、同じ参照番号で示されている。冷却装置３００は、発熱電子部品１０５と、第一の熱交換器３１０と、第二の熱交換器３２０と、ハウジング３０１と、ウィッキング材（毛細管構造体）３０５と、を含む。ハウジング３０１とウィッキング材３０５とが、発熱電子部品１０５に取り付けられるベーパチャンバ（平板状薄型ヒートシンク）を形成する。

第一の熱交換器３１０は、クーラント入口３１１とクーラント出口３１２を有し、第二の熱交換器３２０は、第一の熱交換器３１０のそれらとは別のクーラント入口３２１とクーラント出口３２２を有する。それゆえ、第一の熱交換器３１０と第二の熱交換器３２０（これらは一般に別々のコールドプレートである）は並列に動作し、各々が、他方が故障した時の冗長性を提供できる。

ここで、図６を参照すると、第四の実施形態による冷却装置の概略図が示されており、これは本発明を補足できる。繰り返すが、他の図面と同じ特徴が示される場合、これらは同じ参照番号で示されている。冷却装置４００は、発熱電子部品１０５と、伝導性固定材料４０５と、熱交換器４１０と、を含む。発熱電子部品１０５は、***部分（例えば、発熱電子部品１０５が回路基板である場合、この基板上に実装される部品）を有し、これは第一の部品１０６と、第二の部品１０７と、を含む。伝導性固定材料４０５は結合材料であり、これは、発熱電子部品１０５からの熱を熱交換器４１０へと伝達するための熱伝導部としても機能する。

熱交換器４１０は、前述の熱交換器とは異なる。これは、２つの別々のクーラント入口、すなわち第一の入口４１１と第二の入口４１２を備えるコールドプレートである。これはまた、２つの別々のクーラント出口、すなわち第一の出口４２１と第二の出口４２２を有する。熱交換器４１０の中には、２つの別々の隔離された流路があり、その中にクーラントの２つの別々の流れが画定され、第一の流れは第一の入口４１１から第一の出口４２１まで、第二の流れは第二の入口４１２から第二の出口４２２までである。これらの２つの流れは互いに隔離され、したがって、熱交換器４１０のための２つの並列のヒートシンクとして機能する。これは冗長性を提供し、一方の流れの故障を他方により補償できる。発熱電子部品１０５からの熱の２つのクーラント流路への伝達のバランスをとるために（また、一方の流路に他方より大きな負荷がかかりすぎないようにするために）、２つの流路は、らせん（または渦巻き）の形態を利用して、三次元で相互に交差するように提供されてもよい。２つの流路は、それによって発熱電子部品１０５に隣接する熱交換器４１０の表面全体（前述の説明中では伝導面と呼ばれている）を覆ってもよい。このような調整を行わない場合、一方の流路が故障した場合に、他方の流路の熱容量では、伝熱面全体に必要な熱伝達に十分に対応できないという状況が起こりうる。

この実施形態は発熱電子部品１０５と熱交換器４１０との間の伝導性の熱伝導部を有するものとして説明したが、対流式の熱伝導部でも同様にこれを実現できることがわかるであろう。これは、図２〜４に関連して説明したように、クーラントを充填した空間を使って実施されてもよい。また、当然のことながら、異なる実施形態からの個々の特徴を適切に組み合わせても、上述の具体的な利益を享受できる。

Claims (35)

1. モジュールの形態である冷却装置であって、
   電子機器を収容するように構成され、対流式熱伝導部を画定する熱伝導部品を備え、
   対流式熱伝導部は、自身を通じて電子機器により生成された熱を内部クーラントを介して電子機器から取り去るように伝達でき、内部クーラントは液体を含み、熱伝導部品は、電子機器の少なくとも一部を中に配置でき内部クーラントで充填される単一の空間の少なくとも一部を画定するハウジングを含み、内部クーラントによって対流式熱伝導部が提供され、
   冷却装置はさらに、
   対流式熱伝導部に結合され、電子機器により生成された熱を、共通の内部クーラントによって提供された対流式熱伝導部を介して第一のヒートシンクと第二のヒートシンクに伝達するように構成された熱交換装置であって、第一と第二のヒートシンクは熱交換装置内で互いに隔離され、熱交換装置の一部が熱を第一のヒートシンクに伝達できない場合に、第一のヒートシンクに伝達されていたはずの熱の少なくとも一部を第二のヒートシンクに伝達するように構成されている熱交換装置を備え、
   熱交換装置は、第一のヒートシンクの一部として第一の外部クーラントを受けるための第一のクーラントコネクタと、第二のヒートシンクの一部として第二の外部クーラントを受けるための第二のクーラントコネクタを含み、第一および第二のクーラントコネクタは、冷却システムの一部として当該モジュールに接続するように構成されていることを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、
   熱交換装置または熱伝導部品は、電子機器により生成された熱を、対流式熱伝導部を介して第一のヒートシンクと第二のヒートシンクに伝達するように構成された少なくとも１つの伝導面を含むことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の冷却装置において、
   熱交換装置は、
   一部が前記空間の第一の部分の中にあり、内部クーラントからの熱を第一のヒートシンクに伝達するように構成された第一の熱交換器と、
   一部が前記空間の第二の部分の中にあり、第一の熱交換器と並列に配置された第二の熱交換器であって、内部クーラントからの熱を第二のヒートシンクに伝達するように構成された第二の熱交換器と、
   を含むことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項３に記載の冷却装置において、
   第一の熱交換器は、ハウジングと協働して前記空間の少なくとも一部を画定する第一の伝導面を含むことを特徴とする冷却装置。
5. 請求項４に記載の冷却装置において、
   第一の熱交換器は、第一のクーラントコネクタからの第一の外部クーラントを受けるための第一の流路をさらに画定し、第一の伝導面は、前記空間と第一の流路を分離して、熱が前記空間と第一の流路との間で第一の伝導面を介して伝導されるようにすることを特徴とする冷却装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の冷却装置において、
   電子機器をさらに含み、第一の伝導面またはハウジングの少なくとも一部は、電子機器の形状と適合した形状であることを特徴とする冷却装置。
7. 請求項４〜６の何れか１項に記載の冷却装置において、
   第二の熱交換器は、ハウジングと協働して前記空間の少なくとも一部を画定する第二の伝導面を含むことを特徴とする冷却装置。
8. 請求項７に記載の冷却装置において、
   第二の熱交換器は、第二のクーラントコネクタからの第二の外部クーラントを受けるための第二の流路をさらに画定し、第二の伝導面は、前記空間と第二の流路を分離して、熱が前記空間と第二の流路との間で第二の伝導面を介して伝導されるようにすることを特徴とする冷却装置。
9. 請求項７または請求項８に記載の冷却装置において、
   電子機器をさらに含み、第二の伝導面またはハウジングの少なくとも一部は、電子機器の形状と適合した形状であることを特徴とする冷却装置。
10. 請求項７〜９の何れか１項に記載の冷却装置において、
    ハウジングと第一および第二の伝導面が前記空間を画定することを特徴とする冷却装置。
11. 請求項１０に記載の冷却装置において、
    ハウジングと第一および第二の伝導面と電子機器が前記空間を画定することを特徴とする冷却装置。
12. 請求項１１に記載の冷却装置において、
    前記空間は、ベーパチャンバが形成されるようにウィッキング材をさらに含むことを特徴とする冷却装置。
13. 請求項１０〜１２の何れか１項に記載の冷却装置において、
    長軸を有する電子機器をさらに含み、第一と第二の伝導面の各々は、電子機器の長軸に対して実質的に平行なそれぞれの長軸を有することを特徴とする冷却装置。
14. 請求項１３に記載の冷却装置において、
    電子機器と第一および第二の伝導面のそれぞれは実質的に平坦な形態を有し、第一と第二の伝導面の平面が電子機器の平面に対して略平行であることを特徴とする冷却装置。
15. 請求項１〜１４の何れか１項に記載の冷却装置において、
    電子機器は電子基板を含み、実質的に平坦な形態を呈することを特徴とする冷却装置。
16. 請求項１３〜１５の何れか１項に記載の冷却装置において、
    第一と第二の伝導面は電子機器の同じ側に配置されることを特徴とする冷却装置。
17. 請求項１３〜１５の何れか１項に記載の冷却装置において、
    第一と第二の伝導面はそれぞれ電子機器の反対側に配置されることを特徴とする冷却装置。
18. 請求項１〜１７の何れか１項に記載の冷却装置において、
    第一の外部クーラントは液体を含み、第二の外部クーラントは液体を含むことを特徴とする冷却装置。
19. 請求項２に記載の冷却装置において、
    熱交換装置は、
    第一のクーラントコネクタからの第一の外部クーラントを搬送し、熱を伝導面から直接受け取り、伝導面を通じて熱を第一の外部クーラントに伝えるように配置された第一の配管系と、
    第一の配管系と並列で、第二のクーラントコネクタからの第二の外部クーラントを搬送し、熱を伝導面から直接受け取り、伝導面を通じて熱を第二の外部クーラントに伝えるように配置された第二の配管系と、
    をさらに含み、
    第一と第二の外部クーラントは熱交換装置内で互いに隔離されることを特徴とする冷却装置。
20. 請求項１９に記載の冷却装置において、
    第一の配管系と第二の配管系は、らせん配置で並列に配置されることを特徴とする冷却装置。
21. 請求項１９または２０に記載の冷却装置において、
    熱伝導部品は、電子機器の少なくとも一部と内部クーラントを中に配置できる空間の少なくとも一部を画定するハウジングを含み、内部クーラントが、熱交換装置の一部を形成する伝導面に対する対流式熱伝導部を提供でき、内部クーラントは第一と第二の外部クーラントから隔離されることを特徴とする冷却装置。
22. 請求項１〜２１の何れか１項に記載の冷却装置を少なくとも１つ含む冷却システムにおいて、
    それぞれの第一の外部クーラントを、それぞれの熱交換装置の第一のヒートシンクとして機能させるために、少なくとも１つの冷却装置の各第一のクーラントコネクタへと搬送し、それぞれの第二の外部クーラントを、それぞれの熱交換装置の第二のヒートシンクとして機能させるために、少なくとも１つの冷却装置の各第二のクーラントコネクタに搬送するように構成される配管系をさらに含むことを特徴とする冷却システム。
23. 請求項２２に記載の冷却システムにおいて、
    少なくとも１つの冷却装置のそれぞれについて、それぞれの第一と第二の外部クーラントは配管系内で互いに隔離されることを特徴とする冷却システム。
24. 請求項２２に記載の冷却システムにおいて、
    少なくとも１つの冷却装置のそれぞれについて、配管系は、それぞれの第一と第二の外部クーラントを合流させるように構成されることを特徴とする冷却システム。
25. 請求項２２〜２４の何れか１項に記載の冷却システムにおいて、
    少なくとも１つの冷却装置は、複数の冷却装置を含み、各冷却装置は請求項１〜２０の何れか１項によるものであり、第一と第二の外部クーラントは、複数の冷却装置の各々間で共有されることを特徴とする冷却システム。
26. 請求項２５に記載の冷却システムにおいて、
    配管系は、第一の外部クーラントを、直列接続された各冷却装置のそれぞれの第一のクーラントコネクタに搬送するように構成され、配管系は、第二の外部クーラントを、直列接続された各冷却装置のそれぞれの第二のクーラントコネクタに搬送するように構成されることを特徴とする冷却システム。
27. 請求項２５に記載の冷却システムにおいて、
    配管系は、第一の外部クーラントを、並列接続された各冷却装置のそれぞれの第一のクーラントコネクタに搬送するように構成され、配管系は、第二の外部クーラントを、並列接続された各冷却装置のそれぞれの第二のクーラントコネクタに搬送するように構成されることを特徴とする冷却システム。
28. 請求項２２〜２７の何れか１項に記載の冷却システムにおいて、
    少なくとも１つの冷却装置を受け、配管系と接合させるための取付部分をさらに含むことを特徴とする冷却システム。
29. 請求項２２〜２８の何れか１項に記載の冷却システムにおいて、
    少なくとも１つの冷却装置の各々からのそれぞれの第一の外部クーラントとそれぞれの第二の外部クーラントを受けて、第一と第二の外部クーラントからの熱を共通の出力ヒートシンクに伝達するように構成された第二の熱交換装置をさらに含むことを特徴とする冷却システム。
30. 冷却システムの操作方法において、
    電子機器を、モジュールの形態の冷却装置の熱伝導部品に結合するステップを含み、
    熱伝導部品は対流式熱伝導部を画定し、対流式熱伝導部は、自身を通じて、電子機器により生成された熱を内部クーラントを介して電子機器から取り去るように伝達でき、内部クーラントは液体を含み、熱伝導部品は、電子機器の少なくとも一部を中に配置でき内部クーラントで充填される単一の空間の少なくとも一部を画定するハウジングを含み、内部クーラントによって対流式熱伝導部が提供され、
    操作方法はさらに、
    電子機器を作動させて、対流式熱伝導部に伝達される熱を発生させるステップと、
    電子機器により生成された熱を、共通の内部クーラントによって提供された対流式熱伝導部を介して冷却装置の熱交換装置で受け取るステップと、
    第一の外部クーラントを第一のヒートシンクの一部として第一のクーラントコネクタで受け取るステップと、
    第二の外部クーラントを第二のヒートシンクの一部として第二のクーラントコネクタで受け取るステップと、を含み、
    第一および第二のクーラントコネクタは、冷却システムの一部として当該モジュールに接続するように構成されており、
    操作方法はさらに、
    熱交換装置で受け取った熱を第一のヒートシンクと第二のヒートシンクに伝達するステップであって、第一と第二のヒートシンクは熱交換装置内で互いに隔離されている、ステップと、
    熱交換装置の一部が熱を第一のヒートシンクに伝達できない場合に、第一のヒートシンクに伝達されたはずの熱の少なくとも一部を第二のヒートシンクに伝達するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
31. 請求項３０に記載の方法において、
    熱を受け取るステップは、
    内部クーラントを、前記空間の第一の部分の中にある第一の熱交換器で受け取り、内部クーラントからの熱を第一のヒートシンクに伝達するステップと、
    内部クーラントを、第一の熱交換器と並列に配置された、前記空間の第二の部分の中にある第二の熱交換器で受け取り、内部クーラントからの熱を第二のヒートシンクに伝達するステップと、
    をさらに含むことを特徴とする方法。
32. 請求項３１に記載の方法において、
    内部クーラントを第一の熱交換器で受け取るステップは、内部クーラントから受け取った熱を第一の外部クーラントに伝達するステップを含み、
    内部クーラントを第二の熱交換器で受け取るステップは、内部クーラントから受け取った熱を第二の外部クーラントに伝達するステップを含み、
    第一と第二の外部クーラントは熱交換装置内で互いに隔離されることを特徴とする方法。
33. 請求項３０〜３２の何れか１項に記載の方法において、
    第一と第二の外部クーラントは液体であることを特徴とする方法。
34. 請求項３０〜３３の何れか１項に記載の方法において、
    第一と第二の外部クーラントを熱交換装置の外で合流させるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
35. 請求項３０〜３４の何れか１項に記載の方法において、
    熱交換装置からの第一と第二の外部クーラントを第二の熱交換装置で受け取るステップと、第一と第二の外部クーラントからの熱を、第二の熱交換装置を使って共通の出力ヒートシンクに伝達するステップと、
    をさらに含むことを特徴とする方法。

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