JPH10213370A - 電子装置用の液体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発熱量の多い電子装置を効率よく冷却する。 【解決手段】 熱伝達構造体は、ポンプ３０と、ファン
に隣接して取り付けられた空気側熱交換機３２と、高熱
発生構成物であるチップＰに取り付けられて該構成物か
らの熱を消散させる熱伝達板３４とを含む。ポンプ３０
は冷却用の液体を配管を介してチップＰ側の熱伝達板３
４に連続的に供給すると、チップからの熱が液体に伝達
される。そして、熱を保持した液体が空気側熱交換機３
２に送られると、そこで熱を放熱する。液体冷却剤を用
い更に、熱を液体−空気をにより放熱するので、効率が
よい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータ用ハ
ウジング内に搭載されている特定のコンピュータ構成物
の伝導による液体冷却を行い、かかる構成物の動作温度
低下を図った液体冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マイクロプロセッサまたはハード・ディ
スク・ドライブのようなコンピュータのある種の構成要
素即ち構成物は、増々強力かつ複雑になりつつあり、そ
の一方で小型サイズを維持しているため、望ましい動作
温度を維持するためには一層有効な熱管理が必要となっ
ている。動作温度が徐々に増加する(incremental incre
ase)と、Arrheniusの式にしたがって故障率は指数的に
増大することはよく知られている。たとえば、１．０ｅ
Ｖの動作エネルギ(activation energy)を想定すると、
動作温度が１０度上昇する毎に、故障率は二倍に増加す
る。したがって、Pentium（登録商標）のようなコンピ
ュータ・チップのパワー増大は、望ましくない動作温度
の上昇を防止するために、一層有効な熱管理技術を必要
とする。

【０００３】電子構成物に空冷フィン・モジュールを直
接適用し、フィン付熱交換機を用いることによる伝導(c
onduction)、および空気流によってかかる熱交換機が冷
却されることによる対流(convection)によって、熱を消
散させることは公知である。例えば、Intelの４８６プ
ロセッサは、共形フィン付熱交換機(conformal finnedh
eat exchanger)によって冷却を行い、IntelのPentium
（登録商標）チップは、Pentium（登録商標）の実際の
接触表面領域を超えて延出するフィン付熱交換機によっ
て冷却している。このフィン付熱交換機は、時として延
出型表面熱交換機(extended surface heat exchanger)
としても知られている。Intelの更に新しいバージョン
のPentium（登録商標）のような、ある種の構成物の動
作電力は、発生する熱を消散するために大量の強制周囲
空気を必要とする水準に到達しているが、冷却空気の体
積流量はノイズまたは必要電力の増大のような他の要因
による上限があるので、強制空気によるフィン付モジュ
ールの冷却には限界がある。

【０００４】現在フィン付表面領域交換機以外の冷却シ
ステムも、従来技術では知られているものがある。例え
ば、ペルチェ・クーラ(Peltier cooler)およびヒート・
パイプ(heat pipe)が知られている。しかし、ペルチェ
・クーラは電位が高く、しかもその固有の非効率性のた
めに追加の冷却負荷を必要とするので、高熱負荷構成物
に適用して成功する確率は低い。また、ヒート・パイプ
は、主に高温および低温熱力学的リザーバ(hot and col
d termodynamic reservoir)への接続を実現する際の損
失のために、更に内部的な設計上の限界による熱輸送の
限界のために、熱伝達能力には限界がある。

【０００５】また、液体冷却材を循環させる冷却板の使
用も公知である。この冷却板は、トランジスタ、ダイオ
ード、および整流器のような種々の電力モジュールに接
触させた状態で装着する。例えば、マサチューセッツ州
WakefieldのWakefield EngineeringのEG&G Components
Divisionは、折り曲げて形状を一致させるシート板を製
造している。即ち、この冷却板は、装置当たり２ｋＷま
での電力を消費する、圧着状の整流器およびＳＣＲを冷
却するように設計された、冷却管および水冷式個体銅ブ
ロック(water-cooled solid copper block)に沿った形
状とする。Wakefieldの冷却板はいくつかの欠点があ
る。即ち、銅管およびアルミニウム板間の界面に大きな
熱抵抗があり、更に、このような管の整形(crimping)は
冷却の変動の原因となり、５０パーセントにまで達する
ことがわかっている。

【０００６】多数の従来技術の特許が、特に、大型のメ
イン・フレーム型コンピュータにおける電子構成物を冷
却するための液体冷却装置を対象としている。米国特許
第５，１５９，５２９号は、種々の電子構成物を受ける
１つ以上の銅製の冷却板が装着されている、プラスチッ
ク製の内部冷却コアを利用する。しかしながら、銅製の
冷却板をプラスチック製のコアに取り付けることは、物
質の適合性欠如によって生じ得る漏洩問題の原因となる
可能性がある。米国特許第５，１４４，５３２号は、２
つの対向配置された液体冷却板を用い、この液体冷却板
を多層プリント回路基板の対向する両側に配置したプリ
ント回路と接触させることを開示する。米国特許第４，
７４８，４９５号は、１群のヒート・シンクを通じて、
または多数のヒート・シンクの各々を通じて独立して冷
却流体を循環させる(route)ことにより、異なる高さに
配列した複数の集積回路チップを冷却する、液体冷却モ
ジュールを開示する。更に、米国特許第４，７５８，９
２６号は、チップを冷却するための冷却流体を受けるマ
イクロチャネルを有するヒート・シンクを利用すること
を開示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術は、電子構成
物を冷却するための冷却流体即ち冷却材の一般的な使用
を網羅するが、デスクトップおよびサーバ・サイズのコ
ンピュータのコンピュータ・ハウジング内に搭載し、最
新のPentium（登録商標）プロセッサやハード・ディス
ク・ドライブの一層強力なバージョンのような、最も強
力で最大の熱を発生する電子構成物に直接接触させる、
高容量の冷却システムを開発する必要性が残っている。
したがって、本発明の目的は、かかる構成物を特別に対
象とした冷却システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の種々の実施例に
よれば、最新の高電力消費コンピュータ・チップおよハ
ード・ディスク・ドライブのような、高熱発生電子構成
物からの熱を転移させる装置を提供する。一実施例で
は、かかる装置は、マザー・ボードを含む複数の構成物
を有する、概略的に矩形状のシャーシを含み、プロセッ
サ・チップが、プロセッサ・スロットの１つにおけるマ
ザー・ボード上に実装されている。熱交換構造体は、シ
ャーシの１カ所の角に取り付けられた電源を含み、この
電源に隣接してファンが取り付けられている。熱交換構
造体は、チップが発生した熱を消散させるために設けら
れ、シャーシ上でファンに隣接して取り付けられた空気
−液体熱交換機と、シャーシ上の都合の良い位置に取り
付けられたポンプと、高熱発生チップの底面と実質的に
同一の形状を有する熱伝達板とを含む。熱伝達板は、適
切な配管ラインによって、空気側熱交換機およびポンプ
に接続されているので、液体冷却材を熱伝達板に転送す
ることができ、高熱発生チップからの熱を除去し、加熱
された冷却材は、空気側熱交換機において冷却され、ポ
ンプによって連続的に熱伝達板に戻される。

【０００９】本発明の他の実施例では、動作中のハード
・ディスク・ドライブを冷却する装置が提供され、この
装置は、ハード・ディスク・ドライブの容器の側面上に
弾性的に装着するためのＵ字状熱交換クリップを含む。
Ｕ字状クリップは、クリップの外側に取り付けられ、ハ
ード・ディスク・ドライブからの熱を転移させるため
の、外部液体冷却材流ループを有する。個々のハード・
ディスク・ドライブを冷却するための他の実施例では、
装置は、ハード・ディスク・ドライブの容器の表面と実
質的に同一の寸法を有し、かかる容器からの熱を転移さ
せる、全体的に矩形状の熱伝達板を含む。

【００１０】ハード・ディスク・ドライブ・ユニットの
垂直アレイ即ちスタックからの熱を転移させる更に別の
装置も提供する。かかる装置は、垂直に配置された隣接
するハード・ディスク・ドライブ・ユニット間に装着さ
れ、隣接するユニットから同時に熱を除去する１枚以上
のパネルを含む。この本発明の概要は、本発明の属性の
概略的な説明として意図したものであり、本発明につい
ては発明の実施の形態において一層詳しく説明し、特許
請求の範囲において特許を請求しようとする主題につい
て記載する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１〜図３を参照すると、インテ
ル・コーポレーション（Intel Corporation）が製造す
るペンティアム（Pentium（登録商標））のように、そ
の電力の必要性により高熱を発生する、高熱発生構成物
Ｐを連続的に冷却するための装置が図示されており、全
体的にＡとして示されている。Intelによって最初にPen
tiumが開発されたとき、Intelは、ヒート・シンクのサ
イズおよび空気流の量を相互に関係付け、Pentiumの冷
却にはヒート・シンクおよび空気流の組み合わせを用い
ることを提案した。初期バージョンのPentium（登録商
標）チップの公開された仕様書には、PGAパッケージ・
タイプの６６MHZ Pentium（登録商標）プロセッサの最
大電力は１６Ｗであり、パッケージ・サイズは２．１
６”ｘ２．１６”、最大時の動作温度は７０℃であるこ
とが含まれていた。更に、Intelは、かかるPentium（登
録商標）プロセッサの最大素子接合温度(maximum devic
e junction temperature)は９０℃であることも、仕様
書として開示した。

【００１２】典型的なコンピュータのハウジング内で
は、周囲空気は４０℃〜４５℃の範囲とすべきことが知
られている。周囲空気とは、Pentiumパッケージ周囲の
分散されない周囲空気の温度として定義する。Intelで
は、周囲温度は、典型的に、システム環境にある調査対
象のパッケージから１２インチ上流のところで測定し、
周囲温度とは、パッケージに対して上流側で、それに近
接する空気の温度として定義した。

【００１３】新世代のPentiumプロセッサ、および特定
用途集積回路（ＡＳＩＣＳ:application specific inte
grated circuit）のようなその他の高動作温度チップま
たは高熱発生チップの出現により、ヒート・シンクまた
は空気流にさらす形態のフィン付熱交換機の組み合わせ
のみを利用して、かかるプロセッサを所望の動作温度制
限範囲内で動作させ続けることは、増々困難となりつつ
ある。尚、特定用途集積回路は、以降、総称的に「高熱
発生プロセッサ」または「高動作温度チップ」と呼ぶこ
とにする。本発明の装置Ａは、液体を冷却材として利用
し、高動作温度プロセッサまたはチップに特定して、製
造会社の指定する制限範囲内に維持する冷却システムを
対象とする。更に、チップ製造会社は、動作温度仕様を
超えたチップを、典型的に、廃棄するかあるいは割引価
格で販売していることは公知である。本発明の装置Ａを
利用することにより、以前は廃棄されていたチップを、
割引価格で購入し、使用することが可能となる。

【００１４】図１を参照すると、全体的に１０で示すコ
ンピュータ・ハウジングが図示されている。ハウジング
１０は、従来技術において公知のような、矩形の箱形で
ある。例示のハウジング１０は、底面１１、第１組の対
向側面１２ａ，１２ｂ、および第２組の対向側面１４
ａ，１４ｂを含み、これらは全て相互接続されている。
即ち、底面１１と一体的に形成されている。全体的に１
３で示すシャーシが、公知の方法でハウジング１０内に
搭載されている。シャーシ１３は概略的に矩形状である
ので、シャーシ１３はコンピュータ・ハウジングの底面
１１、ならびに側面１２ａ〜ｂおよび１４ａ〜ｂに沿っ
た形状の対向側面（図示せず。しかし、コンピュータ・
ハウジングの側面と平行で、寸法がわずかに小さい面で
ある）を有する。

【００１５】当技術では公知であるが、マザー・ボード
１５は、当技術では公知のように利用される種々のコン
ピュータ構成物を搭載するために、ハウジング１０の底
面１１に隣接して位置付けられている。コンピュータの
処理能力を最大にまで高めるのに必要な構成物全てにつ
いてここでは記載しないが、コンピュータの設計分野に
おける当業者は十分にわかっていることである。ここで
特定して識別する構成物は、本発明に特に関係が深いも
のである。

【００１６】マザー・ボード１５は、一連のスロット搭
載部（図示しないが、当技術では公知である）を含み、
Pentium（登録商標）またはその他の高熱発生プロセッ
サを実際に実装する、マイクロプロセッサ基板１６のよ
うな基板を含む、一連の「ドーター」ボード(daughter
board)をここに搭載する。主要な高熱発生プロセッサＰ
を着脱可能な基板１６上に実装することの利点は、基板
１６を、新たな改良された高熱発生チップと交換するこ
とにより、コンピュータの高性能化が可能となることで
ある。周辺素子インターフェース基板またはビデオ・イ
ンターフェース基板のようなその他のドーター・ボード
も搭載されており、これらを１７および１８で識別す
る。また、プロセッサ・チップは、ゼロ挿入力（ＺＩ
Ｆ：zero insertion force）または低挿入力（ＬＩＦ：
low insertion force）ソケットに実装することも一般
的である。ハウジングの扉即ち開口１９には、当業者に
は公知のように、フロッピ・ディスク・ドライブまたは
コンパクト・ディスク・ドライブを受容する１つ以上の
ベイを取り付ける。全体的に２０で示す矩形状の構造
は、１つ以上のかかる周辺構成物ユニットのための搭載
位置である。

【００１７】電源２１は、側面１４ａおよび１２ｂ間に
形成されるハウジングの角に取り付けられ、空気流にお
ける重力や巻き込みによるいかなる動作状態の下におい
ても、漏れた冷却材は電源の主要側には流入できないよ
うになっている。コンピュータの冷却ファン２２が、電
源２１に隣接して取り付けられている。側面即ち面１４
ｂには、一連のスロット２３が形成されており、ハウジ
ングを通過して循環する空気の流入および流出が可能と
なっている。

【００１８】本発明の装置Ａは、液体冷却材を連続的に
高動作温度チップＰに供給し、全体的に３０で示すポン
プ、全体的に３２で示す空気側熱交換機、および熱伝達
板３４を含む。ポンプ３０は、シャーシ１３の枠内にお
けるいずれかの都合の良い位置に取り付ければよく、空
気側熱交換機３２および板熱交換機３４間に冷却材を注
入するための閉ループ液体冷却材循環システムを提供す
る。図３に空気側熱交換機３２を詳細に示す。空気側熱
交換機３２は、多数の商業的に入手可能な熱交換機のい
ずれでもよい。現好適実施例では、図３の熱交換機３２
は、マサチューセッツ州WakefieldのWakefield Enginee
ringのEGG&G Divisionが販売する、１８ｋｗまでの転移
容量を有する７２０シリーズ熱交換機と同様のものとす
ればよい。７２０シリーズ熱交換機３２は、入力口３２
ｃから延び、蛇行状をなし、出力口３２ｂにおいてユニ
ットから出る銅配管３２ａを用いる。銅配管３２ａを蛇
行状に装着するためのフレームは、全体的に矩形状をな
し、番号３３で示されており、アルミニウムで作られた
ものである。空気側フィン３２ｄは、アルミニウム・フ
レーム３３内部に装着され、公知の方法で蛇行状の銅配
管に取り付けられている。ユニットは、入手可能なRotr
on Muffin Fan tm XL 型番MX2A3に付属し、あるいは他
のファン・ユニット２２も、当技術では公知のように、
用いてもよい。いずれの場合でも、熱伝達効率を最大限
高めるために、空気側熱交換機３２はファン・ユニット
２２に直に隣接して取り付け、そこを通過する液体冷却
材の温度を低下させることが望ましい。使用するポンプ
３０は、直径が２．５インチ以下、長さが５．０インチ
以下とすべきである。ポンプ３０は、可燃度定格(flamm
ability rating)をJL94 94V-2、およびＵＬモータ過負
荷およびロック・ロータ定格(UL motor overload and l
ock rotor rating)をUL1950とすべきである。定義の目
的のために、ポンプ３０は、低圧入力口３０ａおよび高
圧出力口３０ｂを有する。

【００１９】冷却板３４を、図２に概略的に示す。冷却
板３４は、矩形状で中実の銅のブロックであり、その出
力口３４ｂにおいて真鍮配管３５，３６を受け、その入
力口３４ｃにおいて真鍮配管３６を受ける。ポンプはシ
ャーシ１３の枠内のいずれかの使用可能な場所であれば
どこに配置してもよいので、真鍮配管３５，３６は、図
１では破線で示されている。銅ブロック３４は、全体と
して３４ａで示す、Ｕ字状の孔部分を有する。孔部分３
４ａは、ブロックを貫通するように穿設するか、あるい
はその他の方法で形成する。しかしながら、熱伝達作用
を高めるために、ブロックの長手方向に延び多数の孔を
有する蛇行流路を含む、他の流路形状を用いてもよい。
銅ブロックの長さおよび幅についての全体的な寸法は、
Pentium（登録商標）チップの合金材の底面またはセラ
ミックの下面、あるいはその他の高動作温度チップの底
面の長さおよび幅に合わせるように設計する。高熱発生
チップの底面と接触するブロックの表面形状は、このチ
ップの底面に一致するように加工することができ、当技
術では公知のように、熱グリース(thermal grease)また
は同等物を隙間に注入することによってエア・ポケット
を回避する。中実の銅ブロックを用いる代わりに、銅ま
たは真鍮で形成し、底面、上面および４方向の側面を有
する中空のブロックを、冷却板３４として用いること
も、本発明の範囲内である。この場合、中空のブロック
は、ハウジングの長さの長さ方向部分に延びる１つ以上
の内部バッフルを有し、入力管３６および出力管３５と
の流体連通を与える目的のために、ハウジングを多数の
チェンバに分割する。配管は、真鍮または耐火性プラス
チックとし、要求される動作条件に適合するものとすべ
きであり、可燃度定格はUL61 VW-1とすべきである。

【００２０】液体冷却材は、水、または５０パーセント
のエチレン・グリコールおよび水に公知の腐食防止剤を
含ませた混合液とすればよい。液体系は、当技術では公
知のコネクタを用いて閉ループ冷却系を設ける。これ
は、永久的に封止され、外部で使用することはできな
い。

【００２１】シャーシ上に搭載される電子構成物は、典
型的に、コンピュータ・ハウジング１０内部の周囲温度
を約１０℃上昇させることがわかっている。更に、Pent
ium（登録商標）のような高熱発生チップは、約６０な
いし７０℃の動作温度範囲を有することもかわってい
る。本発明の装置Ａは、チップＰを、約５５℃の範囲内
の動作温度に冷却するように設計され、現在チップ製造
会社によっては仕様から外れているチップの使用を可能
にしようとするものである。これを達成するために、冷
却板３４の有効熱伝達を考慮に入れて熱交換機３２のサ
イズおよびポンプ３０の流速を設計し、十分な熱が動作
中のチップＰから転移し、最悪の動作状態でも動作温度
を約５５℃まで低下させる、即ち、チップの温度動作範
囲の下端よりも約５℃低下させるようにした。５５℃
は、室内の周囲温度を４０℃と仮定した場合の数値であ
る。必要な流速は、個々のプロセッサ、ＡＳＩＣ、およ
び／または冷却対象のハード・ディスク・ドライブによ
って異なるが、従来技術で使用している液体冷却の場合
よりも流速は低いと考えられる。

【００２２】図４〜図６を参照すると、装置Ｂ−１，Ｂ
−２が示されている。これらは、ハード・ディスク・ド
ライブの動作温度を低下させる冷却材を供給する。図４
に示すドライブＤ−１、および図６に示すドライブＤ−
２のようなハード・ディスク・ドライブは、それらの搭
載パターンおよび外囲器(envelope)が、市販の標準構成
物となっている。ドライブＤ−１，Ｄ−２は、コンピュ
ータ・ハウジング内部に、単体で、または密接に積載し
た配列（図７に関して論ずる）のいずれかで搭載され
る。典型的に、ハード・ディスク・ドライブは空気流に
よって冷却され、ヒート・シンクは、そのパッケージの
形式のため設けることができない。Ｄ−１，Ｄ−２のよ
うなハード・ディスク・ドライブは、「ハーフ・ハイト
(half height)」および「フル・ハイト(full height)」
という２つの基本的なサイズのものがある。唯一の違い
は、ハーフ・ハイト・ハード・ディスク・ドライブは高
さが約１インチであり、フル・ハイト・ハード・ディス
ク・ドライブは高さが約１．６３インチであることであ
る。ハード・ディスク・ドライブ構造体は、基本的に、
金属製容器と、全体的に５１で示すハード・ディスク・
ドライブ・ハウジングの底面５１ａに密接に螺着され
た、図４および図６において５０で示すような単一のプ
リント配線基板（ＰＷＢ：printed wiring board）とに
よって構成されている。ハード・ディスク・ドライブ・
ハウジング５１の他の表面には、上面５１ｂ、前側面５
１ｃおよび後側面５１ｄ、ならびに対向側面５１ｅ，５
１ｆが含まれる。当技術では公知のように、ハード・デ
ィスク・ドライブ容器５１は、数千ｒｐｍで回転するス
ピンドル上に装着された、１組のハード・ドライブ・デ
ィスクを内蔵する。この回転動作により、ハード・ドラ
イブ容器内部の環境を一定温度とし、「撹拌良好ベッセ
ル(well-stirred vessel)」とも言うべきものが得られ
る。Ｄ−１，Ｄ−２のようなハード・ディスク・ドライ
ブは、モータ・ベアリングを含む、数個の温度に敏感な
装置を内蔵する。尚、温度に敏感な装置は、モータ・ベ
アリングに限定される訳ではない。

【００２３】伝導冷却によって、ハード・ディスク・ド
ライブの搭載用レールを介してそれらを部分的に冷却す
ることは公知である。この技法は、レールによる界面の
コンダクタンス損失(conductance loss)、およびレール
の長さ全域の伝導による損失のために、効率には限度が
ある。

【００２４】図４を参照すると、装置Ｂ−１は、ハード
・ディスク・ドライブＤ−１ユニットのハウジング５１
の対向面上での弾性装着(resilient mounting)が可能
な、クリップ・オン熱交換機(clip-on heat exchanger)
である。クリップ・オン熱交換機６０は、ベリリウム
銅、燐青銅、またはその他の適した金属で作られた、全
体的にＵ字状のスプリング・クリップ６０で形成されて
いる。Ｕ字状スプリング・クリップ６０は、第１および
第２クリップ・アーム６０ａ，６０ｂで形成され、これ
らが、２カ所の湾曲した即ち円弧状の一体形成された降
伏可能部分(yieldable section)６０ｄ，６０ｅを介し
て、クリップのベース即ち背部６０ｃに一体的に接合さ
れている。したがって、Ｕ字状熱交換クリップ６０に
は、側板６０ａ，６０ｂが形成されており、これらは容
易にかつ弾性的に広がりディスク・ドライブ・ハウジン
グの側面５１ｅ，５１ｆ上に挿入し、その後クリップ自
体のバネ作用の弾性圧縮によって、適所に保持される。

【００２５】図４および図５を参照すると、Ｕ字状スプ
リング・クリップは、円弧状部分６０ｄ，６０ｅに位置
する開口６０ｆ，６０ｇを含む。配管入力口６２および
配管流出口６３が、熱交換クリップの背部６０ｃおよび
側板６０ａ，６０ｂに取り付けられており、熱交換クリ
ップ自体を冷却し、それにより伝導によってディスクド
ライブ・ハウジング５１から熱を吸収する。配管入力ラ
イン６２は、入力ラインを第１および第２入力ライン部
分６２ａ，６２ｂに分割する、Ｙ字状接続部（図示せ
ず）を有する接合部６４を通過する。配管出力ライン６
３は、Ｙ字状接続部によって、配管出力ライン部分６３
ａ，６３ｂに分割される。入力ライン６２ａ，６２ｂ
は、それぞれ熱交換クリップの開口６０ｆ，６０ｇを貫
通し、側板６０ｂ，６０ａの外表面の各々の長さに沿っ
て、長手方向に延びる。配管部分６２ａ，６２ｂは、点
６５において鑞付けすることにより、側板６０ａ，６０
ｂに接着されている。６２ａのような配管入力ライン
は、部分６２ｃにおいてＵターンし、戻り冷却材ライン
６３ａと合流し、冷却材出力ライン６３に戻る。熱交換
クリップの冷却材入力ライン６２は、図１のポンプ３０
のようなポンプのポンプ出力まで達し、熱交換クリップ
の冷却出力ライン６３は、３２のような空気側熱交換機
の入力まで達しているので、ポンプ３０内の熱交換機３
２は、動作中のハード・ディスク・ドライブからの熱を
連続的に除去する、図４および図５のハード・ドライブ
冷却システム全体の一部を形成する。

【００２６】次に図６を参照すると、ハード・ディスク
・ドライブＤ−２が示されている。ドライブＤ−２は、
ドライブＤ−１のハウジング５１と同じハウジングを有
するが、ドライブＤ−２は、５１ｅのようなその１カ所
以上の側面が、コンピュータ・ハウジング内の搭載部(m
ounting)に取り付けられているため、ハード・ディスク
・ドライブを冷却する装置Ｂ−２を備える必要がある。
装置Ｂ−２は、矩形状で、ハード・ドライブＤ−２の上
面と一致する長さおよび幅を有する銅板７０を含む。冷
却材入力ライン部分７１ａは、ポンプ３０（図１）また
はその他の適したポンプからの出力ラインから延出し、
図６に示すように種々の点６５において鑞付けすること
によって、冷却板７０の上面上に装着され、概略的に矩
形パターンをなして冷却板７０周囲に沿って延び、入力
部分と一体的に形成されている、全体的に７１ｂで示す
出力部分において終端する。かかる出力部分７１ｂは、
空気側熱交換機３２またはその他の適した空気側熱交換
機への入力まで達するので、ポンプ３０および図１の空
気側熱交換機は、図６の熱交換システムＢ−２の一部を
形成する。全体的に７２で示す１つ以上の保持用クリッ
プが、ハード・ディスク・ドライブＤ−２の５１ｃ，５
１ｅおよび／または５１ｆのような１カ所以上の側面上
に装着され、ディスク・ドライブ・ハウジング５１の上
面５１ｂ上の適所に冷却板７０を保持する。

【００２７】図７を参照すると、ハード・ディスク・ド
ライブＤ−３，Ｄ−４，Ｄ−５，Ｄ−６の垂直アレイを
冷却するための装置Ｂ−３が設けられている。これらの
ハード・ディスク・ドライブは、互いに垂直方向に積載
され、公知のレール型取付具（図示せず）のような、適
したコンピュータ搭載具にネジ孔８０によって取り付け
られている。ハード・ディスク・ドライブＤ−３〜Ｄ−
６の垂直アレイは大量の熱を発生するので、従来のヒー
ト・シンクおよび空冷の使用では、所望の動作温度に適
切に冷却することは不可能である。ハード・ディスク・
ドライブＤ−３〜Ｄ−６の各々は、上面、底面および対
向側面を有する、全体的に矩形の箱型ハウジング即ち容
器を含むため、ドライブ・ユニットＤ−３ないしＤ−６
の各ハウジング即ち容器には、同じ番号を用いてもよい
であろう。空冷は、冷却のために大量の空気が必要とな
り、ファンの故障の可能性による望ましくない信頼性の
低下や、騒音問題も発生するので、技術的に望ましくな
い。冷却システムＢ−３は、Ｄ−３，Ｄ−４のような隣
接するハード・ディスク・ドライブ間に介在即ち挟持さ
せ、隣接するディスク・ドライブからの熱を、伝導熱伝
達によって、一連の可撓性熱交換構造、即ち、パネル８
１に伝達させるために設けられている。

【００２８】可撓性熱交換構造８１の各々は、中空で比
較的薄い矩形状の、シート状パネルで作られており、水
５０％およびエチレン・グリコール５０％の混合液のよ
うな冷却液で満たされている。可撓性熱交換構造８１
は、矩形状の周辺に沿って延びる周辺封止部８１ａを有
し、その中に空洞即ちチェンバを形成する。可撓性熱交
換構造の内部は、５つの可撓体層で形成されており、こ
れらは、上から下に、"KAPTON"という名称でDupon Comp
anyが製造している物質である、ポリイミド膜物質の最
上層、中間層、および最下層、ならびに"TEFLON"という
商標でDupon Companyが製造している物質である、ＦＥ
Ｐフッ化炭化水素膜物質の仲介層を含む。互いに離間し
た位置に円形の相互接合部８１ｂを設けることにより、
２枚のフッ化炭化水素膜物質シート間には、通路がその
中央領域を貫通しており、可撓性熱交換パネル即ち構造
８１を通過する全体的にＵ字状の流路８２を設ける。膜
の取り付け点８１ｂは、ドライブのプリント配線基板５
０側に対抗する望ましくない力を発生する、望ましくな
い膨張即ち膨れに対抗して外側のシートを保持する機能
も果たす。代わりに、この力を制御し、有効な熱伝達圧
力のみを与え、ハード・ディスク・ドライブの表面との
熱伝達面を拡張することができる。円形相互接続部の位
置を変化させて、異なる流路を設けることも可能である
が、図示の実施例では、相互接合部８１ｂは、パッド８
１の長手方向に延びる３本の線に沿った線上の４点に配
置されている。

【００２９】かかる可撓性熱交換パネルの製造に関する
更に詳細な説明について、本出願人は、１９９６年７月
１７日に出願され、本願と同一譲受人であるコンパック
・コンピュータ・コーポレーション（Compaq Computer
Corporation）に譲渡された、発明者Messrs. Daniel N.
DonahoeおよびMichael T. Gillによる米国特許出願連
番第０８／６７４，０８１号に言及することにより、こ
の内容が本願にも含まれるものとする。尚、記載を可能
とする目的および特許請求に対する支持のために、開
示、明細書、特許請求の範囲および図面の全体が、この
言及によって本願にも含まれるものとするが、出願人
は、特に、図３ないし図７に関係する開示、および第９
ないし１２頁に見られる流路の断面の記載に注意を促
し、特に図３および図４を引用する。尚、適切な可撓性
プラスチック物質で作り周囲を封止した２つの隣接する
層を有し、封止したリムの内側でこれらの層を共に熱溶
接する多数の点を有する、更に単純化したパネル構造を
使用することも実現可能である。

【００３０】可撓性熱交換パネル８１の各々は、冷却材
入力即ち入力口８１ｃ、および冷却材出力口８１ｄを含
む。Ｄ−３およびＤ−４のように隣接して積載されてい
るハード・ディスク・ドライブの間に配置された即ち挟
持されたパネル８１において、各パネル８１の冷却材流
出口８１ｄが、接続部８５ａ，８５ｂ，８５ｃを通じ
て、中央の戻りマニフォルド８５に接続されている。同
様の入力マニフォルド８７が、介装された即ち挟持され
た可撓性冷却パネル８１の各の入力口８１ｃを共に接続
する。そして、入力マニフォルド８７は、図１のポンプ
３０のような適切なポンプへの出力口に取り付けられ
る。出力マニフォルド８５は、図１および図３に開示し
た空気側熱交換機３２のような、空気側熱交換機の入力
口に適切に接続される。

【００３１】流体圧力の結果として、動作中のパネルの
膨張によって、ドライブが動作の間一層強く適所に保持
されるという、別の有利な特徴が得られ、パネルを収縮
させると、ドライブは一層容易に除去することができ
る。

【００３２】これまでの本発明の開示および記載はその
例示および説明のためのものであり、図示した装置およ
び構造ならびに動作方法の詳細において、本発明の精神
から逸脱することなく、種々の変更が可能である。例え
ば、本発明の種々の熱伝達の実施例を組み合わせ、単一
のコンピュータ内で使用することも、本発明の範囲内で
ある。図１ないし図３の装置Ａは、ポンプ３０、ファン
２２、および空気側熱交換機３２を適切なサイズとし、
適切に冷却された液体冷却材を１枚以上の熱伝達板３４
に同時に供給することによって、多数のチップを冷却す
るために使用することが可能である。更に、ポンプ３
０、ファン２２、および空気側熱交換機３２は、そのサ
イズを適切に決めることにより、図１ないし図３のシス
テムと共に、図４および図５の装置Ｂ−１のＵ字状クリ
ップ６１を用いて、または図６の装置Ｂ−２の熱伝達板
７０を用いて、ハード・ディスク・ドライブ・ハウジン
グ５１を冷却することも可能である。あるいは、図７の
ディスク・ドライブＤ−３ないしＤ−６の垂直アレイを
冷却するためのシステムＢ−３は、図１〜図３の冷却シ
ステムＡと組み合わせることが可能である。更に、ディ
スク冷却装置Ｂ−１，Ｂ−２は、図１および図２の空気
側熱交換機３２およびポンプ３０と共に使用することも
可能である。更にまた、Ａ，Ｂ−１，Ｂ−２およびＢ−
３のいずれか及びその組み合わせを、単一のポンプ、空
気側熱交換構造体と共に用いることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】高熱発生プロセッサに液体冷却媒体を供給する
本発明の好適実施例を示すコンピュータの概略図であ
る。

【図２】高熱発生プロセッサ上に装着する熱交換板を示
す概略図である。

【図３】図２の熱交換板から流れる液体を冷却する空気
−液体熱交換機を示す側面図である。

【図４】ハード・ディスク・ドライブに熱交換液体冷却
材を供給するチップ上熱交換機の斜視図である。

【図５】図４のチップ上ハード・ディスク・ドライブ用
熱交換機の背面側からの斜視図である。

【図６】ハード・ディスク・ドライブの表面上に装着す
る熱伝達板の斜視図である。

【図７】隣接する垂直方向に積載されたハード・ディス
ク・ドライブ・ユニット間に挿入する熱交換パネルの使
用を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０ コンピュータ・ハウジング １１ 底面 １２ａ，１２ｂ 第１組の対向側面 １３ シャーシ １４ａ，１４ｂ 第２組の対向側面 １５ マザー・ボード １６ マイクロプロセッサ基板 １９ 開口 ２１ 電源 ２２ 冷却ファン ２３ スロット ３０ ポンプ ３２ 空気側熱交換機 ３２ａ 銅配管 ３２ｄ 空気側フィン ３３ フレーム ３４ 熱伝達板 ３４ａ 孔部分 ３５，３６ 真鍮配管 ５０ プリント配線基板 ５１ ハード・ディスク・ドライブ・ハウジング ６０ クリップ・オン熱交換機 ６０ａ，６０ｂ 第１および第２クリップ・アーム ６０ｃ 背部 ６０ｄ，６０ｅ 円弧状部分 ６０ｆ，６０ｇ 開口 ６２ 配管入力口 ６３ 配管流出口 ７０ 冷却板 ８１ 可撓性熱交換構造 ８１ａ 周辺封止部 ８１ｂ 相互接合部 ８１ｃ 冷却材入力口 ８１ｄ 冷却材出力口 ８２ Ｕ字状流路 ８５ 戻りマニフォルド ８７ 入力マニフォルド Ａ，Ｂ−１，Ｂ−２，Ｂ−３ 装置 Ｄ−１，Ｄ−２ ハード・ディスク・ドライブ Ｄ−３，Ｄ−４，Ｄ−５，Ｄ−６ ハード・ディスク
・ドライブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591030868 20555 Ｓｔａｔｅ Ｈｉｇｈｗａｙ 249，Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ 77070，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏ ｆ Ａｍｅｒｉｃａ (72)発明者 マイケル・ティー・ジル アメリカ合衆国テキサス州77379，スプリ ング，キング・アーサ・コート 7826

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子装置において、 第１および第２組の対向側面を有する、全体的に矩形状
   のシャーシと、 前記シャーシと共に搭載された複数の電子構成物と、 前記複数の電子構成物の一部をなし、複数の拡張スロッ
   トと、前記プロセッサ・スロットの１つに搭載され高熱
   発生チップが実装されているプロセッサ基板とを有する
   マザー・ボードと、 前記シャーシの前記第１組の側面の一方および前記第２
   組の側面の一方の接合部に取り付けられた電源であっ
   て、隣接してファンが取り付けられている電源と、 前記高熱発生チップによって発生される動作熱を消散さ
   せる熱交換構造体であって、 前記シャーシ上において前記ファンに隣接して取り付け
   られた空気−液体熱交換機であって、ファンが発生する
   空気流を受け取るように離間して配置された複数の液体
   冷却材通路と流体連通する入力ポートおよび出力ポート
   とを有し、前記入力ポートから前記出力ポートまで前記
   経路を通過する冷却材の温度を低下させる空気−液体熱
   交換機と、 前記シャーシ上に取り付けられ、低圧入力ポートと、高
   圧出力ポートとを有するポンプと、 前記高熱発生チップの底面と実質的に同一の形状を有
   し、かつ該底面に動作的に取り付けられた熱伝達板であ
   って、液体冷却材入力口および出力口を有すると共に、
   その内部に通路を有し、前記入力口から前記出力口まで
   冷却材を通過させる熱伝達板と、 前記熱伝達板の前記出力ポートおよび前記空気−液体熱
   交換機の前記入力ポート間に延びる配管、および前記熱
   伝達板の前記入力ポートおよび前記ポンプの前記出力ポ
   ート間に延びる配管とを含む熱交換構造体とから成るこ
   とを特徴とする電子装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電子装置において、前記
   ポンプ、熱伝達板、配管、および空気側熱交換機は、液
   体冷却材を循環させる閉システムを形成することを特徴
   とする電子装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の電子装置において、前記
   冷却材は、約５０パーセントの水および約５０パーセン
   トのエチレン・グリコールの混合液であることを特徴と
   する電子装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の電子装置において、前記
   ファンは矩形形状を有し、前記空気側熱交換機は、ほぼ
   同様の矩形形状を有することを特徴とする電子装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の電子装置において、前記
   電子シャーシは、コンピュータ用ハウジング内に搭載さ
   れている場合、周囲の空気温度を１０℃上昇させ、前記
   高熱発生チップは、６０ないし７０℃の範囲の設計動作
   温度を有し、前記空気−液体熱交換機は、前記入力ポー
   トから前記出力ポートまでに十分な温度変化を与え、前
   記高熱発生チップの動作温度を約５５℃に維持すること
   を特徴とする電子装置。
6. 【請求項６】 コンピュータにおいて、 全体的に箱形の矩形状外部ハウジングであって、該外部
   ハウジング内に搭載するための第１および第２組の対向
   する側面を有する全体的に矩形状のシャーシを有する外
   部ハウジングと、 マザー・ボードを含み、前記シャーシと共に搭載される
   複数の電子構成物であって、前記マザー・ボードが複数
   の拡張スロットを有する、電子構成物と、 前記プロセッサ・スロットの１つに搭載され、高熱発生
   チップが実装されているプロセッサ基板と、 前記シャーシの前記第１組の側面の一方と前記第２組の
   側面の一方との接合部に配置され、隣接して取り付けら
   れたファンを有する電源と、 前記高熱発生チップによって発生される熱を消散させる
   熱交換構造体であって、 前記シャーシ上において前記ファンに隣接して取り付け
   られた空気−液体熱交換機であって、ファンが発生する
   空気流を受け取るように離間して配置された複数の液体
   冷却材通路と流体連通する入力ポートおよび出力ポート
   とを有し、前記入力ポートから前記出力ポートまで前記
   経路を通過する冷却材の温度を低下させる空気−液体熱
   交換機と、 前記シャーシ上に取り付けられたポンプであって、低圧
   ポートと、高圧ポートとを有する前記ポンプと、 前記高熱発生チップの底面と実質的に同一の形状を有
   し、それに動作的に取り付けられた熱伝達板であって、
   液体冷却材入力口および出力口を有すると共に、その内
   部に通路を有し、前記入力口から前記出力口まで冷却材
   を通過させる前記熱伝達板と、 前記熱伝達板の前記出力ポートおよび前記空気−液体熱
   交換機の前記入力ポート間に延びる配管、および前記熱
   伝達板の前記入力ポートおよび前記ポンプの前記出力ポ
   ート間に延びる配管とを含む熱交換構造体とから成るこ
   とを特徴とするコンピュータ。
7. 【請求項７】 請求項６記載のコンピュータにおいて、
   前記ポンプ、熱伝達板、配管、および空気側熱交換機
   は、液体冷却材を循環させる閉システムを形成すること
   を特徴とするコンピュータ。
8. 【請求項８】 請求項７記載のコンピュータにおいて、
   前記冷却材は、約５０パーセントの水および約５０パー
   セントのエチレン・グリコールの混合液であることを特
   徴とするコンピュータ。
9. 【請求項９】 請求項６記載のコンピュータにおいて、
   前記ファンは矩形形状を有し、前記空気側熱交換機は、
   ほぼ同様の矩形形状を有することを特徴とするコンピュ
   ータ。
10. 【請求項１０】 請求項６記載のコンピュータにおい
    て、前記コンピュータの外部ハウジングは、周囲の空気
    温度を１０℃上昇させ、前記高熱発生チップは、６０な
    いし７０℃の範囲の設計動作温度を有し、前記空気−液
    体熱交換機は、前記入力ポートから前記出力ポートまで
    に十分な温度変化を与え、前記高熱発生チップの動作温
    度を約５５℃に維持することを特徴とする電子装置。
11. 【請求項１１】 電子装置において、 第１および第２組の対向側面を有する、全体的に矩形状
    のシャーシと、 前記シャーシ上に搭載された、ハード・ディスク・ドラ
    イブを含む複数の電子構成物であって、前記ハード・デ
    ィスク・ドライブが全体的に矩形の箱形容器を有する、
    電子構成物と、 前記ハード・ディスク・ドライブ用の熱交換システムで
    あって、 ベースと一体的に形成された第１および第２アームを含
    む、全体的にＵ字状の熱交換クリップであって、前記Ｕ
    字状クリップの前記アームは、前記ベースと弾性的に形
    成され、前記ハード・ディスク・ドライブ容器上に挿入
    され、弾性的にこれと係合する熱交換クリップと、 前記Ｕ字状熱交換クリップと共に装着される冷却材ルー
    プであって、前記熱交換クリップの前記第１アームに取
    り付けられた第１ループ部分と、前記熱交換クリップの
    前記第２アームに取り付けられた第２ループ部分とを含
    み、液体冷却材を循環させて、前記ハード・ディスク・
    ドライブ容器から前記熱交換クリップの前記第１および
    第２アームに伝達される熱を吸収する冷却材ループと、 前記Ｕ字状クリップ上に装着された前記冷却ループに液
    体冷却材を循環させ、前記冷却材を前記冷却ループに循
    環させる前に、前記冷却ループから循環する前記冷却材
    の温度を低下させる閉循環システムとを含む熱交換シス
    テムとから成ることを特徴とする電子装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の電子装置において、
    前記冷却材ループは、液体冷却材の流れを方向付ける配
    管で形成された第１および第２部分を含み、前記冷却材
    ループは、前記Ｕ字状クリップの前記ベースならびに前
    記第１および第２アームにそれぞれ取り付けられた第１
    および第２入力配管部分と、前記Ｕ字状クリップの前記
    ベースならびに前記第１および第２アームに取り付けら
    れた第１および第２出力配管部分とを含み、前記入力お
    よび出力部分は、前記アームの各々上で相互接続され、
    液体冷却材が前記第１および第２入力部分から前記第１
    および第２出力部分に流入可能とし、前記ハード・ディ
    スク・ドライブの前記容器から熱を吸収することを特徴
    とする電子装置。
13. 【請求項１３】 請求項１１記載の電子装置において、
    前記Ｕ字状クリップの前記第１および第２アームの各々
    は、内部に開口を有し、前記第１ループ部分および前記
    第２ループ部分は、前記第１アームおよび前記第２アー
    ムの前記開口を貫通し、各アームの外側表面に取り付け
    られるようにしたことを特徴とする電子装置。
14. 【請求項１４】 電子装置において、 第１および第２組の対向する側面を有する、全体的に矩
    形状のシャーシと、 前記シャーシ上に搭載された、ハード・ディスク・ドラ
    イブを含む複数の電子構成物であって、前記ハード・デ
    ィスク・ドライブが、上面、底面、および２組の対向側
    面を有する、全体的に矩形状の箱形容器を有する、電子
    構成物と、 前記ハード・ディスク・ドライブの動作温度を制御する
    熱交換装置であって、 前記ハード・ディスク・ドライブの全体的に矩形状の箱
    形容器の表面と実質的に同一寸法を有する矩形状の熱伝
    達板であって、前記ハード・ドライブの全体的に矩形状
    の箱形容器の前記表面の前記１つの上に装着された熱伝
    達板と、 前記熱伝達板上に装着され、全体的に矩形状の前記板を
    横切って延び、出力部分および入力部分を有する冷却配
    管部分と、 前記熱伝達板上に装着された前記冷却配管部分に動作的
    に接続され、前記冷却配管部分の前記出力部分から出る
    前記冷却材の温度を低下させると共に、前記温度を低下
    させた前記冷却材を、前記熱伝達板上に装着された前記
    冷却配管部分の前記入力部分に循環させる循環手段とを
    含む前記熱交換装置とから成ることを特徴とする電子装
    置。
15. 【請求項１５】 電子装置において、 電子構成物を搭載するための、全体的に矩形状のシャー
    シと、 垂直アレイ状に搭載された複数のハード・ディスク・ド
    ライブであって、各々、矩形状の上面と矩形状の底面と
    を含む、全体的に矩形状の箱形ハウジングを有するハー
    ド・ディスク・ドライブと、 前記垂直アレイ状のハード・ディスク・ドライブのため
    の熱消散構造体であって、 １つのハード・ディスク・ドライブのハウジングの前記
    底面と、他のハード・ディスク・ドライブのハウジング
    の前記上面との間に装着された熱伝達パネルであって、
    液体冷却材を循環させ、前記ハード・ディスク・ドライ
    ブ・ユニットの動作の間に発生する熱を吸収する熱伝達
    パネルと、 前記ハード・ディスク・ドライブ・ユニットによって加
    熱された冷却材を前記パネルから連続的に除去すると共
    に、前記加熱された冷却材の温度を低下させ、前記冷却
    材を前記パネルに戻し、前記ハード・ディスク・ドライ
    ブ・ユニットによって発生した熱を消散させる冷却材循
    環構造体とを含む熱消散構造体とから成ることを特徴と
    する電子装置。
16. 【請求項１６】 請求項１５記載の電子装置において、
    前記熱伝達パネルは可撓性であることを特徴とする電子
    装置。
17. 【請求項１７】 請求項１５記載の電子装置において、
    前記熱伝達パネルは中空であり、互いに平行で対向する
    関係で配置された少なくとも２枚の可撓性物質のシート
    で形成されていることを特徴とする電子装置。
18. 【請求項１８】 請求項１７記載の電子装置において、 前記中空の熱伝達パネルは、入力開口と、出力開口とを
    有し、 前記冷却材循環構造体は、前記入力開口と連通するポン
    プと、前記出力開口と連通する空気側熱交換機とを含む
    ことを特徴とする電子装置。
19. 【請求項１９】 請求項１５記載の電子装置において、
    前記冷却材は、水とエチレン・グリコールとの混合液で
    あることを特徴とする電子装置。
20. 【請求項２０】 請求項１９記載の電子装置において、
    前記液体は、重量百分率が約５０パーセントの水と、重
    量百分率が約５０パーセントのエチレン・グリコールと
    の混合液であることを特徴とする電子装置。
21. 【請求項２１】 請求項１５記載の電子装置において、 前記熱交換パネルは、対向する可撓性物質のシートで形
    成され、 前記熱伝達パネルは、周囲が封止された縁を有し、内部
    に中空の空洞を形成して前記冷却材を受容することを特
    徴とする電子装置。
22. 【請求項２２】 請求項２１記載の電子装置において、
    該装置はさらに、前記中空の空洞内に、複数の相互接合
    点を含み、前記対向する可撓性シートを共に接合するこ
    とを特徴とする電子装置。
23. 【請求項２３】 請求項１８記載の電子装置において、 前記熱消散構造体は、２枚以上の前記熱伝達パネルを含
    み、 前記２枚以上の熱伝達パネルの入力開口と流体結合する
    入力流マニフォルドと、前記２枚以上の熱伝達パネルの
    前記出力開口の各々と流体結合する出力流マニフォルド
    とを含み、 前記入力流マニフォルドおよび出力流マニフォルドは、
    前記冷却材循環構造体と流体連通することを特徴とする
    電子装置。
24. 【請求項２４】 請求項１６記載の電子装置において、
    前記熱伝達パネルは、液体冷却材がそれを通過する間膨
    張可能であり、前記ディスク・ドライブ・ユニットの取
    り外しを一層容易にするために収縮可能であることを特
    徴とする電子装置。