柔軟性のあるファンアセンブリを有する液体ループ

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【発明の名称】	柔軟性のあるファンアセンブリを有する液体ループ
【発明者】	【氏名】クリストファージー．マローン【氏名】ゲレンシー．シモン
【要約】	【課題】電子液体冷却システムの信頼性を向上させる。【解決手段】電子液体冷却システム用のアセンブリは、管１０６および管１０６に連結した複数のフィン１０８を備える熱交換器１０４と、熱交換器１０４に連結し、任意の数及び構成のファン１１２を熱交換器１０４に取り付けることが可能なマウント１１０とを備える。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
管および前記管に連結した複数のフィンを備える熱交換器と、
前記熱交換器に連結し、任意の数及び構成のファンを前記熱交換器に取り付けることが可能なマウントと、
を備えることを特徴とする電子液体冷却システム用のアセンブリ。
【請求項２】
冷却用流体が循環することができる内部通路を有する配管と、
前記配管に連結し、管および前記管に連結した複数のフィンを備える熱交換器と、
前記熱交換器に連結し、任意の数及び構成のファンを前記熱交換器に取り付けることが可能なマウントと、
を備えることを特徴とする電子液体冷却システム。
【請求項３】
前記配管に連結し、クイックディスコネクトコネクタを介して、追加および取り外しが可能な複数の冷却プレートをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
空気流入口および出口穴を含むシャシと、
前記シャシ内に搭載された熱発生部品を含む複数の部品と、
電子液体冷却システムと、
を備え、前記電子液体冷却システムが、
冷却用流体が循環することができる内部通路を有する配管と、
前記配管に連結し、管および前記管に連結した複数のフィンを備える熱交換器と、
システム冷却仕様を満たす最少限度より少なくとも１つ多い数で、前記熱交換器に関連付けられた複数のファンと、
を備えることを特徴とする電子システム。
【請求項５】
前記熱交換器に連結し、任意の数及び構成のファンを前記熱交換器に取り付けることが可能なマウントをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記配管に連結し、クイックディスコネクトコネクタを介して、追加および取り外しが可能な１つまたは複数の冷却プレートをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記マウントに取り付けられた複数のファンをさらに備え、前記複数のファンの個数は、システム冷却仕様を満たす最少限度より少なくとも１つ多いことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアセンブリまたはシステム。
【請求項８】
前記熱交換器の対向する面に連結するマウントであって、前記熱交換器に入る上流空気流および前記熱交換器から引き出される下流空気流を生成するファンを取り付けるマウントをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアセンブリまたはシステム。
【請求項９】
前記熱交換器に搭載され、高い信頼性を有しながら、高価でなく、かつ、信頼性が低いファンを使用できるよう、システム冷却仕様を超えるのに十分に多い数のファンをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアセンブリまたはシステム。
【請求項１０】
前記マウントは、システムの熱発生を増大させることができるよう十分に多い数のファンを収容することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアセンブリまたはシステム。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器の冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータシステム、ネットワークインタフェース、記憶システム、および電気通信機器などの電子システムおよび機器は一般に、支持、物理的なセキュリティ、および効率的な空間使用のために、シャシ、キャビネット、またはハウジング内に格納される。格納器内に収容された電子機器は、かなりの量の熱を発生する。熱を取り除かなければ、電子機器に対して熱損傷が生じる場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電子部品およびサブシステムが、サイズおよび形状因子を小さくしながら、機能の増加、性能の向上、および高出力へと発展するにつれて、効率的で、かつ、対費用効果がよい、過剰な熱の除去が望まれる。利用可能な熱管理ソリューションの中で、冷却プレート技術による液体冷却は、熱の阻止、および内部源から外部周辺空気への熱の移動について高い能力を提供する。液体冷却ループシステムは通常、冷媒を連続して繰り返し圧送し、熱発生デバイスから過剰の熱を運ぶ。熱は、熱交換器または他のデバイスを用いて周辺空気へ分散される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
電子液体冷却システムの１実施形態によると、アセンブリは、管および管に連結した複数のフィンを備える熱交換器と、熱交換器に連結し、任意の数及び構成のファンを熱交換器に取り付けることが可能なマウントとを備える。
【０００５】
構造と動作方法の両方に関連する本発明の実施形態は、以下の説明および添付図面を参照することによって最もよく理解されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
サーバアーキテクチャなどの小型電子デバイスおよびシステムは、マイクロプロセッサおよび関連する電子回路についての電力および電力密度レベルの増加に対処するために、液体ループ冷却ソリューションを使用する場合がある。液体ループは、ポンプを用いて、プロセッサおよび他の高出力部品に取り付けられた冷却プレートの高い圧力降下流路を通して、また、冷却プレート、凝縮器、およびポンプの間のループを完結させる、場合によっては、長く、小さい直径の管に沿って冷却流体を押し出すことができる。凝縮器における空気の強制対流によって、ループから熱が取り除かれる。
【０００７】
開示される電子液体冷却システムは、信頼性を向上させるために冗長ファン構成を含み、それによって、その装置の障害がシステム全体の障害になる装置(single point of failure implementation)の弱点をなくす。
【０００８】
図１Ａを参照すると、斜視図は、電子液体冷却システム１００で使用するためのアセンブリ１０２の１実施形態を示す。アセンブリ１０２は、管１０６および管１０６に連結した複数のフィン１０８を備える熱交換器１０４を含む。アセンブリ１０２はさらに、熱交換器１０４に連結し、任意の数及び構成のファンを熱交換器１０４に取り付けることができるマウント１１０を含む。フィンのサイズおよび配置は、所望の流量および熱伝達性能を得るように選択される。
【０００９】
図１Ｂを参照すると、斜視図は、マウント１１０に取り付けられた複数のファン１１２を含むアセンブリ１０２の１実施形態を示す。ファンの数は、システム冷却仕様を満たす最少限度より少なくとも１つ多くなるように選択される。マウント１１０は、システムの熱発生を増大させることができるよう十分に多い数のファン１１２を収容する。
【００１０】
図１Ｃを参照すると、斜視実体図は、熱交換器１０４の対向する面に連結し、熱交換器１０４に入る上流空気流および熱交換器１０４から引き出される下流空気流を生成するファン１１２を取り付けることが可能なマウント１１０を備える電子液体冷却システム１２０用のアセンブリ１２２の１実施形態を示す。
【００１１】
アセンブリ１０２、１２２の種々の実施形態では、十分に多い数のファン１１２が、システム冷却仕様を超えるために熱交換器１０４に搭載されて、高い信頼性を保持しながら、高価でなく、かつ、信頼性が低いファンを使用することを可能にする。
【００１２】
また、図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃを参照すると、電子液体冷却システム１２４は、冷却用流体が循環することができる内部通路を有する配管１２６と、配管１２６に連結し、管１０６およびこの管１０６に連結した複数のフィン１０８を備える熱交換器１０４とを備える。電子液体冷却システム１２４はさらに、熱交換器１０４に連結し、任意の数及び構成のファン１１２を熱交換器１０４に取り付けることが可能なマウント１１０を備える。
【００１３】
電子液体冷却システム１２４はさらに、配管１２６に連結し、クイックディスコネクト（ＱＤ）コネクタ１３０を介して、追加および取り外しが可能な複数の冷却プレート１２８を備える。冷却プレート１２８の典型的な例は、片面または両面に一連の流路を有する平坦金属プレートである。液体冷媒流を収容する或る長さの蛇型配管を流路に設けても良い。配管の入口および出口では、管継手が配管１２６に連結される。一般的な配管材料は銅およびステンレス鋼である。部品は、冷却プレート１２８の片面または両面に搭載されてもよい。
【００１４】
図２を参照すると、斜視実体図は、空気流入口および出口穴２０４を含むシャシ２０２と、シャシ２０２内に搭載された熱発生部品を含む複数の部品２０６と、電子液体冷却システム２０８とを備える電子システム２００の１実施形態を示す。電子液体冷却システム２０８は、冷却用流体が循環することができる内部通路を有する配管２１０と、配管に連結し、管２１４および管２１４に連結した複数のフィン２１６をさらに備える熱交換器２１２とを備える。電子液体冷却システム２０８はさらに、システム冷却仕様を満たす最少限度より少なくとも１つ多い数で、熱交換器２１２に関連付けられた複数のファン２１８を備える。
【００１５】
熱源、たとえば、熱発生部品２０６の数および配置は、異なる電子システム構成では変わる場合がある。柔軟性のある電子液体冷却システム２０８は、凝縮器または熱交換器を冷却するための冷却ファン２１８の数を変えることを可能にする。例示的なシステムでは、様々な数のファン２１８を特定の熱交換器２１２と関連して割り当てることができる。
【００１６】
電子液体冷却システム２０８はさらに、熱交換器２１２に連結し、任意の数及び構成のファン２１８を熱交換器２１２に取り付けることができる、１つまたは複数のマウント２２０を備えてもよい。１つまたは複数の冷却プレート２２２が、クイックディスコネクトコネクタ２２４を介して追加および取り外しを容易にするように配管２１０に連結される。
【００１７】
例示的な電子システム２００および電子液体冷却システム２０８は、低コストを達成し、かつ／または、液体ループ冷却機能のアップグレードを可能にするために、複数の種々のファン構成によって配置される。電子システム２００および電子液体冷却システム２０８は、電子システム２００内の熱的状態を確定することによって設計される。シャシ２０２内の空気流パターンは、デバイスおよび部品２０６ならびに他の内部の障害物のサイズおよび配置に従って確定される。選択された流れが、電子部品２０６を搭載することができる冷却プレート２２２および任意のヒートシンクに送出されることを可能にするために、個々の部品２０６および冷却プレート２２２を大きさによって振り分けるという分析、検討によって、配管２１０内の冷媒の流れパターンも確定される。液体ループの分析、検討はまた、配管２１０および熱交換器２１２内の管２１４の配置、ならびに、配管２１０に連結した任意の接合部すなわちクイックディスコネクト部２２４における流れに対する影響を考慮してもよい。熱的状態もまた、特定の部品２０６によって生成され、冷却プレート２２２に伝達される熱に応じて変わる。
【００１８】
電子液体冷却システムを設計するための方法はさらに、複数のファン２１８と関連付けられた１つまたは複数の熱交換器２１２を有する液体ループ冷却システム２０８を構成することを含む。ファン２１８の数および配置は、熱的状態に基づいた冷却仕様を満たす最小限度より少なくとも１つ多いように選択される。
【００１９】
一部の用途では、液体ループ冷却システム２０８には、冷却システムの完全性を維持しながら、２つ以上のファンが故障してもよいほどに十分に多い数の、複数の低コストで、かつ、信頼性が低いファンが実装されてもよい。
【００２０】
電子液体冷却システム２０８は、冗長性、たとえば、Ｎ＋１個のファン用に設計されてもよく、この時、Ｎ個のファンは冷却仕様を満たすのに十分である。最小コストの点からシステムを構成し、冗長性について割増料金を支払いたくないと思う顧客または人々は、冗長ファンをなくした状態でシステムを配置し、システムコストの軽減をもたらす。顧客は、低いエントリ価格で、Ｎ個の冷却ファンを有するシステムを購入することができる。
【００２１】
柔軟性のあるファン構成は、液体ループ冷却ソリュ－ションの初期の設計をオーバサイズにすることを可能にする。初期の熱負荷を満たしながらコストを下げるために、より少ないファンまたはより性能の低いファンを最初に据え付けることができる。たとえば、その後の高出力プロセッサへのシステムのアップグレードは、ファンを追加するか、または、最初に据え付けた低コストファンを、より速く高性能のファンと交換することによって対処される。そのため、柔軟性のあるシステムは、初期コストを低くすることを可能にし、据え付けた冷却プレート２２２を変更することなく、実質的に、冷却性能を向上することができる、柔軟性のあるアップグレードを実現する。
【００２２】
オーバサイズの液体ループは、広範囲の数の冷却プレート２２２および熱源に対応し、クイックディスコネクト部の使用によって変更の高い柔軟性を実現し、熱源および冷却プレートの取り外しおよび追加を容易にする。
【００２３】
他の用途では、電子システム２００および／または電子液体冷却システム２０８は、冷却ソリューション全体に影響を与えることなく２つ以上のファンが故障してもよいように、低い信頼性を有する、多くの小さな低コストファンを収容するように設計されてもよい。構成は、より大きく、信頼性および価格が高いファンの使用に比べて、全体の材料コストを下げることを可能にする場合がある。熱交換器の幾何形状の柔軟性は、追加のファン配置を可能にするのに利用されてもよい。
【００２４】
柔軟性のあるファン配置は、サーバなどの特定の電子システムの最初の発売時に必要とされるよりも大きい追加の冷却能力を有する液体ループ構成を可能にする。熱交換器２１２に隣接するファンスロットは、初期コストの軽減を可能にするために、最初の発売時には全て装填されていなくてもよい。高性能プロセッサなどの高出力デバイスおよび部品へのアップグレードは、空いているスロットにファンを追加するか、または、既存のファンを高性能モデルと交換することによって対処される。開示された小型熱交換器の配置、液体冷却、およびファンの任意の配置によって可能になる柔軟性は、従来の空冷ヒートシンク設計では達成することが難しい。
【００２５】
電子システム２００は、電子部品の組み合わせを変更することによってアップグレードされるため、ファンの構成もまた、電子部品の組み合わせの変更による熱的状態の変化に基づいて変更されてもよい。
【００２６】
例示的な熱交換器２１２および配管２１０は、複数のプラットフォームでの使用のために、また、複数の熱源と共に構成されることができる。変動する数の熱源を、クイックディスコネクト部２２４を用いて追加するか、または、取り外すことができる。変動する冷却基準および形状因子は、広範囲の数およびサイズの冷却ファン２１８を使用することによって対処される。電子液体冷却システム２０８の基本部品は、複数のプラットフォームにわたって、種々の構成で、また、種々の数、サイズ、および性能特性で配置されることができ、多くの量による製造コストの軽減、現場において部品が少ないことなどをもたらす。
【００２７】
凝縮器は通常、冷却流体を含む管２１４に取り付けられたフィン２１６から構築された小型熱交換器２１２である。管２１４は、最適化された冷却性能を達成するために、多数回で、かつ、種々の方向にフィン列２１６を通過する。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ、および図３Ｆは、種々のサイズおよび形状を有する熱交換器の例を示すいくつかの概略斜視図である。図３Ａは、長手方向軸および円形断面を有する配管または管部３０４に取り付けられた、密接した間隔のプレートまたはフィン３０２の積重体として構築された単一経路液体－空気熱交換器３００を示す。一部の実施形態では、密接して積み重ねられたプレート３０２は、管部３０４の長手方向軸にほぼ垂直に配置される。単一経路熱交換器３００は、シャシまたはハウジング内の部品やデバイスの間の長く狭い空間内に設置するために、比較的長く薄くすることができる。たとえば、単一経路液体－空気熱交換器３００は、１つまたは複数の入力／出力デバイスに隣接する空間内に挿入されてもよい。
【００２８】
図３Ｂは、単一経路交換器に比べて、より多くの熱を空気に伝達することができる２重経路液体－空気熱交換器３１０の１実施形態を示す。２重経路交換器３１０は、シャシ内の使用可能な空間に合うように配置されることができる。たとえば、部品やデバイスの間の長く狭い溝の場合、垂直に積み重ねた、配管３１４およびフィン３１２の平行部分を有する、２重経路交換器３１０を溝内に挿入してもよい。他の例では、部品やデバイスの間のより広い空間によって、２重経路熱交換器３１０の平行部分を水平に積み重ねることができ、プロセッサなどの、低い位置にある部品についての熱の除去を増やすことができる。
【００２９】
図３Ｃは、多経路液体－空気熱交換器３２０、より具体的には、４経路交換器の１実施形態を示すが、使用可能な間隔およびフォームファクタを考慮して、任意の数の配管部分３２４を用いてもよい。管３２４は、より優れた、または、最適化された冷却性能を達成するために、複数回、かつ、種々の方向に、フィン列３２２を通過する。多経路熱交換器３２０は、さらに一層の冷却能力を供給するために、部品やデバイスの間に比較的大きな空間を有するシステムで使用されてもよい。この例示的な実施形態では、種々の配管部分３２４に連結するフィン３２２は間隙をおいて隔てられ、フィン３２２に沿った熱の伝導による冷却用液体の再加熱を減らすか、または、なくす。
【００３０】
図３Ｄは、管３２２にはんだ付けされるか、または、蝋付けされた（brazed）折り重ねフィン３３４を有する、冷却用液体を運ぶための平坦管３３２の形態の、２重経路液体－空気熱交換器３３０の１実施形態を示す。この例示的な実施形態では、折り重ねフィンの２つの別々のセットが使用され、１つのセットは第１の管部分に、第２のセットは第２の管部分に取り付けられる。平坦管熱交換器３３０によって、折り重ねフィン３３４および管３３２のサイズおよびトポロジを選択するだけで、多くの種類の配置、サイズ、および構成が可能になる。
【００３１】
図３Ｅは、複数の配管部分３４４がフィン３４２の単一積重体を通過する、比較的短くて平坦な、多経路熱交換器３４０の一例を示す。この熱交換器３４０は、システム内の、比較的広くて長いが、高さの低い空間で使用することができる。他の例では、熱交換器３４０は、プリント回路カード上のプロセッサおよびメモリなどの複数の部品などの、低い位置にある部品のグループを覆うように配置されてもよい。
【００３２】
図３Ｆは、１つまたは複数の管部分３５４が通過する、複数の楕円または円形ディスクの形態の、フィンまたはプレート３５２を有する単一または多経路熱交換器３５０の一例を示す。一部の実施形態では、楕円または円熱交換器３５０はまた、高さの低い空間で使用されてもよい。
【００３３】
複数のファン構成は、柔軟性のある冷却機能を可能にするために、異なる熱交換器構成と関連付けされる。
【００３４】
小型サーバでは、共通の軸流または送風機ファンを用いて、冷却用空気が熱交換器を横切って押し出される。液体ループは、熱交換器の寸法に関して高い柔軟性を実現する。熱交換器は、単一のファンの幅に合うように、または、並んで配置された、いくつかのファンの幅にまたがる大きさに作られてもよい。複数のファンを収容する熱交換器の設計により、冗長ファン冷却ソリューションを可能にすることができる。たとえば、ファンの１つが故障しても、残りのファンが、十分な冷却用空気流を供給して、部品の温度要求を満たす。
【００３５】
図４を参照すると、斜視図は、液体冷却ループシステムにおいて、冷却プレートを配管に連結するのに用いることができるクイックディスコネクト（ＤＣ）コネクタ４００の一例を示す。この例示的なクイックディスコネクトコネクタ４００は、漏れ止め式雄インサート４０２および雌本体カプラ４０４で構成される。コネクタ４００は、片側、両側、および漏れ止め特性を含む、種々の遮断特性を実現するために、自動または一体型の遮断弁を含むことができる。コネクタ４００を、ホースバーブ(hose barb)、圧縮管継手、押し込み接続などを含む種々の知られている技法によって配管に連結することができる。
【００３６】
本開示は種々の実施形態を述べているが、これらの実施形態は、例示的であるとして理解されるべきであり、特許請求の範囲を制限しない。述べた実施形態の、多くの変形、変更、付加、および改良が可能である。たとえば、当業者は、本明細書で開示した構造および方法を提供するのに必要なステップを容易に実施し、プロセスパラメータ、材料、および寸法が単に例として挙げられていることを理解するであろう。パラメータ、材料、および寸法は、特許請求の範囲内にある、所望の構造、ならびに、変更を達成するために変わる可能性がある。本明細書で開示した実施形態の変形および変更を、添付特許請求の範囲内にあるままで行ってもよい。たとえば、冗長ファンおよび熱交換器の配置の特定の幾何形状を示したが、追加のファン、熱交換器の幾何形状、および熱交換器部分が付加される追加の多経路配置を含む、他の配置が可能である。同様に、特定の電子システムの実施形態、たとえば、コンピュータサーバが示される。他の実施形態では、通信システム、記憶システム、娯楽システム、および同様なものなどの、他のタイプの電子システムにおいて、外部熱交換器を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】冗長ファン構成を実現する、電子液体冷却システムおよびアセンブリの実施形態の１つを示す斜視図である。
【図１Ｂ】冗長ファン構成を実現する、電子液体冷却システムおよびアセンブリの実施形態の１つを示す斜視図である。
【図１Ｃ】冗長ファン構成を実現する、電子液体冷却システムおよびアセンブリの実施形態の１つを示す斜視図である。
【図２】冗長ファン配置および柔軟性のある冷却機能を実現する電子システムの１実施形態を示す斜視図である。
【図３Ａ】種々のサイズおよび形状、ならびに、冗長ファン配置を実現する熱交換器の例を示す概略斜視図である。
【図３Ｂ】種々のサイズおよび形状、ならびに、冗長ファン配置を実現する熱交換器の例を示す概略斜視図である。
【図３Ｃ】種々のサイズおよび形状、ならびに、冗長ファン配置を実現する熱交換器の例を示す概略斜視図である。
【図３Ｄ】種々のサイズおよび形状、ならびに、冗長ファン配置を実現する熱交換器の例を示す概略斜視図である。
【図３Ｅ】種々のサイズおよび形状、ならびに、冗長ファン配置を実現する熱交換器の例を示す概略斜視図である。
【図３Ｆ】種々のサイズおよび形状、ならびに、冗長ファン配置を実現する熱交換器の例を示す概略斜視図である。
【図４】液体冷却ループシステムにおいて、冷却プレートを配管に連結するのに用いることができるクイックディスコネクトコネクタの１実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０４熱交換器
１０８フィン
１１２ファン
１３０クイックディスコネクト（ＱＤ）コネクタ
２１２熱交換器
２１６フィン
２１８ファン
２２０マウント
２２２冷却プレート

【出願人】	【識別番号】５０３００３８５４【氏名又は名称】ヒューレット－パッカードデベロップメントカンパニーエル．ピー．
【出願日】	平成１７年４月２７日（２００５．４．２７）
【代理人】	【識別番号】１０００７５５１３【弁理士】【氏名又は名称】後藤政喜【識別番号】１０００８４５３７【弁理士】【氏名又は名称】松田嘉夫【識別番号】１０００７８０５３【弁理士】【氏名又は名称】上野英夫【識別番号】１００１２０２６０【弁理士】【氏名又は名称】飯田雅昭
【公開番号】	特開２００５－３１７９６９（Ｐ２００５－３１７９６９Ａ）
【公開日】	平成１７年１１月１０日（２００５．１１．１０）
【出願番号】	特願２００５－１２９１８６（Ｐ２００５－１２９１８６）