(57)【要約】電子機器の液体冷却用のシステムにおいて、電子機器は、空間上で回転され、液体冷却貯蔵タンクは、気泡がタンク内部の液体の表面へ浮遊できるようにし、かつ、渦がタンクからの出口付近に形成されないようにするための脱ガスおよび渦防止構造を含む。本構造は、入れ子状のチューブまたは導管を含む。内部導管は、入口からタンク内部へと伸び、その開口端は、その端部を横断するバッフルを有する第２の導管によって覆われており、流れは、内部導管の外部および外部導管の内部に沿って戻って流れるようにバッフルによって導かれる。特に入口において、大きな孔を有する第３の導管が、外部導管の開口端を囲んでいる。出口側の内部導管上にあるより小さな孔によって、どんな渦でもそこで生じないようになる。液体の流れの逆流と、流れの断面の漸増とによって、タンク内部での大渦が回避される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子機器冷却システム用の冷却液タンク装置であって、入口ポートおよび出口ポートを有するタンク壁と、
脱ガスおよび渦防止構造とを備え、前記構造は、
前記タンク壁の前記ポートのうちの１つに取り付けられた第１の端部および前記タンクの内部に位置する第２の端部を有する内部導管と、
第１の端部および第２の端部を有し、前記内部導管の前記第２の端部を囲む外部導管と、
前記外部導管の前記第１の端部を覆うバッフルとを含み、
それにより、前記ポートのうちの１つに流入または流出する流体の流れは、前記内部導管を通って前記第２の端部を通過し、前記外部導管と、前記外部導管に囲まれた前記内部導管の部分との間を通る、装置。
【請求項２】
前記タンクは、対称軸に対して対称であり、前記対称軸は、回転軸に平行であり、前記内部導管および前記外部導管は、回転軸に平行に伸びている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記タンクは、回転軸に平行な円筒の対称軸を有する円筒対称性を有し、それにより、前記タンクを通る流体の流れは、前記回転軸周りの前記タンクの向き角度に依存しない、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記脱ガスおよび渦防止構造は、前記外部導管の部分を囲む第３の導管をさらに備え、
それにより、前記ポートへ流れ込むまたは流れ出る流体の流れは、前記第３の導管と、前記第３の導管に囲まれた前記外部導管の当該部分との間を通る、請求項１、２、または３に記載の装置。
【請求項５】
前記タンク壁は、前記第３の導管の一端を閉じる、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第３の導管は孔を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの導管が孔を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
孔の密度は、平均的な孔のサイズおよび平均的な孔の間隔のうちの少なくとも１つを変化させることによって、前記導管の長さに沿って変化し、オプションとして、前記孔の前記密度は、前記タンク壁から離れる方向へ、前記導管の前記長さに沿って増加する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記バッフルは、前記内部導管の前記第２の端部に取り付けられる、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの回転軸の周りを回転可能な台上に取り付けられた電子機器を冷却するための方法であって、
ポンプおよび冷却液用のタンクを含む冷却システムを前記台上に取り付けるステップを含み、前記タンクは、タンク壁と、入口ポートおよび出口ポートをさらに備える前記タンク壁を通るポートと、脱ガスおよび渦防止構造とを含み、
前記脱ガスおよび渦防止構造は、
第１の端部および第２の端部を含む内部導管であって、前記第１の端部において前記タンク壁に取り付けられ、かつ前記第２の端部は前記タンクの前記内部に位置する、内部導管と、
前記内部導管の部分を囲む外部導管であって、前記部分は、前記内部導管の前記第２の端部を含む、外部導管と、
前記外部導管の内部端を横断するバッフルとを備え、
それにより、前記ポートに流れ込むまたは流れ出る流体の流れは、前記内部導管を通って前記第２の端部を通過し、前記バッフルに導かれて、前記外部導管と、前記外部導管に囲まれた前記内部導管の前記部分との間を通る、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコンピュータ冷却に関する
【背景技術】
【０００２】
これまで以上に多くのトランジスタがこれまで以上の高速度で動作するといった、コンピューティング能力の需要と供給における継続的な加速化によって、コンピュータ・チップを液体冷却する必要性が生じてきた。今日のチップは、非常に多くのトランジスタを含んでおり、２００ワットの熱エネルギー（１００ワットの白熱電球の熱出力の２倍であって、遥かに小さい表面積から放出される）を放出する場合があり、チップは強力な冷却を必要とする。チップが複雑な装置において連結および集約される場合、放出される熱量は、電子機器満載の部屋が居心地が悪いほど暖かくなって空気調節が困難になるほど非常に大きくなることがある。ときには、特別の空気調節を手配しなければならない。例えば、これまでは、床の広範囲な部分を何らかの電気設備における空気調節用通気孔に改造してきた。
【０００３】
最近まで、多くのコンピュータ機器を含む多くの電子機器は、空冷式であった。空気は無料であり、空気漏れは重要でない。しかしながら、空気は気体であるために密度が低いので、冷却能力には限界がある。液体は、気体よりも遥かに高密度であり、熱を除去するのにより効率的である。冷たい風呂に入ったことのある人なら誰でも知っていることだが、水は、心地よい冷たさの空気とたとえ同じ温度でも非常に冷たく感じられ、水は、空気よりも３６００倍冷たく感じられるといわれている。より大きな熱容量を単位体積毎に処理することに加えて、液体は、沸騰して伝導によって熱を液体へ除去できるよりもずっと高速に熱を除去することができる。
【０００４】
電子システムは、冷水によって冷却されてきたが、選ばれる液体は、冷却材であるフレオン（ＦＲＥＯＮ）と同様のフッ素を主成分とした液体であってもよい。そのような液体は、電気絶縁体であるという利点を有する（水は絶縁体ではなく、回路に到達すると回路短絡を生じさせることになる）。フッ素を主成分とした液体は、３Ｍ社から入手可能であり、様々な物理特性を有する互いに異なる種類がある。これらのフッ素を主成分とした液体は、沸点が低く、システムから漏れ出しても、水のようにいずれかの電子機器の構成要素上に滴り落ちたりせずに、即座に蒸発することになる。また、このような液体は氷点も低く、このような液体を搭載するシステムは、例えば輸送中に凍結から保護する必要はない。水は、多くの液体とは異なり、凍結の際に多くの液体で生じるような収縮ではなく膨張が生じ、冬季にパイプが破裂する原因となる。
【０００５】
冷却用のフッ素を主成分とした液体の他の利点は、比例関係である。このような液体は、当該液体を使用するシステムをより小さなサイズに小型化することができる物理特性を有する。水冷システムのサイズを小型化する場合には、水の表面張力がシステムの機能を阻害することがある。粘性は、装置を異なるサイズにする場合に多かれ少なかれ影響を与えうる液体の物理特性である。
【０００６】
従来の電子冷却システムは、コンピュータまたは空冷すべき他の電子機器あるいはその両方を含む台と、電子機器によって加熱された後の液体から熱を除去するための熱交換器と、ポンプと、貯蔵タンクとを含む。熱交換器、ポンプ、タンク、およびそれらの接続は、冷却分配ユニットまたはＣＤＵと称される。
【０００７】
ＣＤＵシステムにおいてはタンクが必要である。なぜなら、冷却液は、欠陥部を通じてか、または結合および非結合要素によって、システム外に漏れ出すことがあるからである。このため、いくらかの予備の液体量を供給しなければならず、タンクはこの追加の液体量を保持する。液体が漏れ出すにつれて、空気または気体蒸気あるいはその両方によって交換される。
【０００８】
タンクが必要な他の理由は、温度膨張および収縮である。液体が漏れ出さず空気が入り込まない場合でも、液体量は変化することになる。この変化に対応する１つの方法は、液体で完全に満杯ではないがその代わりに何らかの気体が入っているタンクを有することである。当該気体は圧縮可能で、液体量の変化に対処できることになる。
【０００９】
少量の気体をタンクに入れるのが好ましく、空気または他の気体は好ましい量以上の量がシステムに入ることになることが多いので、タンクは、タンク内に大量の気体があっても液体を供給することができるべきである。タンクからの液体の供給は、なんら中断なく気泡がタンクに残らないように安定して行われるべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
最新の電子機器からは大量の熱を除去しなければならないので、冷却システムにおける流量は、分速１０ガロン（約３７．８５リットル）にもなることがある。そのような高い流量において、冷却液の蒸気に含まれることになるどのような空気または蒸気の泡でも、タンクを通じて出口ポートへ、そしてポンプへ運ばれることになる。ポンプ内の泡は、蒸気ロックによってポンプを動作停止にする場合がある。小さな泡でも、冷却すべき機器内の温度の急激な上昇を生じさせることがある。なぜならば、泡に接触する小さな高温領域は、冷却液に浸かった隣接領域と共に、熱を除去することができないからである。
【００１１】
泡は、タンクの入力ポートにおいて液体と共に入る場合があり、または、タンクおよびポンプ内部の液体の速度が高いために生じる乱流によってタンク内部で生成される場合がある。泡の形成は、タンク内の液体のレベルが低いことによって悪化し、大波または渦を巻く液体に空気が閉じ込められる可能性が増加する。出口速度が速い場合、渦（渦巻きまたは小型の竜巻）が出口ポートにおいて形成されやすい。渦は、気体の中心を有し、タンクから出口の流れへ直接気体を吸引しうる。
【００１２】
キャビテーションも懸念材料の１つである。キャビテーションは、真空の泡、または（システムに入った空気または他の気体に対して）液体自体の減衰された蒸気の形成である。キャビテーションは、渦の形成と同様に、液体の流量が高いことに関連している（ボートを漕ぐときに、櫓を高速で無理に水を通すと、櫓板の近傍に櫓の近くの空間としてキャビテーションが見受けられるが、低速の場合にはキャビテーションは生じない）。キャビテーションの泡は形成後すぐに潰れてしまい、この急激な崩壊によってポンプまたは他の機器を破損しうる衝撃波が液体内に形成されるので、キャビテーションは有害である。
【００１３】
よって、タンク内の液体のレベルが低下しても、泡を生成しないか、または泡をタンク出口パイプに通さないタンクが必要とされてきた。
【００１４】
加えて、取り付けられる電子機器が様々な位置へ移動するので（例えば、コンピュータは、実行中に側面を下にしておく場合がある）、様々な位置で動作可能な冷却分配ユニットが必要とされてきた。ある状況において、電子機器およびそれに取り付けられる冷却システムは、揺れ動くが著しくは縦揺れしないボートの上のように、常に回転するか、または断続的に揺れ動く場合もある。
【００１５】
液体槽内の泡が循環システムへと通過することができるのは、向きの変化によって泡が槽の出口へ伸びる場合であって、そこからシステムに入ることができる。流体循環システムに泡を導かず、かつその動作を変化させないで動作中に回転可能な電子機器冷却システムの液体槽が必要とされてきた。この必要性は、入り口と出口とがランダムな位置に配置された従来の矩形タンクによっては満たされてこなかった。
【００１６】
単純な入口開口部と単純な出口開口部とを有する従来のタンクは、これらの必要性を満たさない。出口がふさがれていない場合には、気体は直接システムに吸引されることになり、高流量の渦が形成されるのは明らかであり、出口孔がタンクの底部にあったとしても、泡が出口孔へ吸引される場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、いくつかの目的を有し、当該目的は（特に）、電子機器を冷却するための液体冷却システムのタンクに入るどの泡も除去することと、特にタンクの出口付近に形成される孔を通じて液体の流れにさらなる泡を含ませないことと、キャビテーションを回避することと、どの向きの角度でもシステムが動作可能であることとを含む。
【００１８】
本発明は、部分的には、より小さな内部導管の端部をより大きな外部導管の開放端内に配置し、当該外部導管の他端はバッフルまたはタンクの壁で閉じられているという、入れ子状の導管またはチューブを使用することによって、泡を除去するものである。本構造は、液体がタンクに入るまたは出る際に、その流れの方向を強制的に反転するものである。２つ、３つ、またはそれ以上の入れ子状導管があってもよい。
【００１９】
好ましくは、導管のうちの少なくともいくつかは、孔（小さな貫通孔）を壁に有する。孔は、導管の内部と外部との間の圧力差によって漏れを生じさせ、流れは、タンクに流れ込むに従って徐々にゆっくりとなって、流れ出る際に加速される。タンク内の液体は泡が表面に上昇できる点までゆっくり出なくてはならないので有用である。内部導管内の孔は、好ましくは、液体がもれ出ることができるほど小さいのが好ましい。
【００２０】
外部導管は、小さな孔よりも容易に泡を通過させる大きな孔を有してもよい。タンクに入った液体が小さな孔の端部から通り抜け、向きが変わって、大きな孔を通り抜けるにつれて、小さな泡が孔を通り抜けるのに充分にゆっくりと移動している。
【００２１】
渦は、出口孔において形成されやすい。浴槽から水が排水されるのを見たことがある人は誰でも、渦が隅を回って移動できることを知っている。しかしながら、孔の開いた表面を渦が通過するのは困難となる。孔の開いた表面に接した渦は、流れの遮断とエネルギー吸収に遭遇し、これらは共に渦を破壊する傾向があろう。
【００２２】
本発明は、流れに垂直な断面領域での漸増を、導管の直径を正しく選ぶことによって提供可能とするものであり、これは、当該導管を円錐状またはそうでなければ形状が拡散するように形成し、かつ孔を含めることによって行うものである。
【００２３】
本発明では、ポンプと冷却液用のタンクとを含む電子機器冷却システムのための冷却液タンクにおける方法およびシステムを検討している、本システムは、少なくとも１つの回転軸の周りを回転可能であり、タンクは、タンク壁（入口ポートおよび出口ポートを含む、タンク壁を通るポートを有する）と、脱ガスおよび渦防止構造とを含む。脱ガスおよび渦防止構造は、第１の端部および第２の端部を含む内部導管を含み、内部導管は、第１の端部においてタンク壁に取り付けられ、第２の端部は、タンクの内部に位置する。外部導管が内部導管の部分を囲んでおり、囲まれた部分は、内部導管の第２の端部を含む。バッフルが外部導管の内部端を横断しており、ポートに流れ込むまたは流れ出る流体の流れは、内部導管を通って第２の端部を通過して通り、バッフルに導かれて、外部導管と、外部導管に囲まれた内部導管の部分との間を通る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のシステムを図１に示す。台１０は、熱を生じさせかつ冷却液体Ｌによって冷却される電子機器２０を含む。本システムは、ポンプ３０と、熱交換器４０と、これらの要素間を導く様々なホースＨとを含む。タンク１０００は、冷却液Ｌを収容する。タンク１０００には、一端に入口ポート、他端に出口ポートという、２つのポートがある。タンク１０００内部には、後述の脱ガスおよび渦防止構造がある。膨張槽またはフィルタなどの他の要素も使用することができる。図１におけるホースの接続は一例に過ぎず、システムを通過する任意の種類の流路が使用されてもよい。
【００２５】
図１に示すシステムは、回転を受けて動作するように設計される。回転軸ＡＲを図１に示す。
【００２６】
図２は、一部断面図で脱ガスおよび渦防止構造を最もよく示しており、タンク１０００は、後述のバッフル３００が斜視図になっている以外は、円筒の対称軸ＡＳ（軸ＡＳは後述する）で切ったようになっている。明確にするために、ホースＨおよび液体Ｌは、図２からは省略されている。図２に示す円筒状のタンク１０００の直径は、１０インチ（約２５．４ｃｍ）が可能であり、容量の例としては、４〜５米ガロン（約１５．１４〜１８．９２５リットル）である。
【００２７】
脱ガスおよび渦防止構造は、入れ子状の導管１１２，１１４，１１６，２１２，および２１４を含む。１つの内部導管１１２は、入口ポート１１０においてタンク壁１００１に固定される第１の端部を有し（図２の図の左側）、タンクに入ってきた液体が内部導管１１２を通過して、タンクの内部にある第２の端部を通過して出て行くようになっている。出口ポートには、別の内部導管２１２があって、好ましくは数多くの小さな孔Ｐを有する。これらの孔Ｐは、１０分の１インチ（約０．２５４ｃｍ）の幅程度であってもよく、状況によってそれより大きくても、または小さくてもよい。孔は、導管のどの部分を覆っていてもよく、図２において、導管２１２の代表的な部分は、孔Ｐで覆われているように示されているが、図示の部分は、ある部分が覆われてもよいことを示すに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００２８】
各入口および出口には、別の外部導管１１４および２１４が、タンクから突出する内部導管１１２および２１２の部分をそれぞれ囲んでいる。好ましくは、内部導管１１２または２１２の第２の端部が外部導管１１４、２１４の長さ内にある。入口１１０から吐き出されて出口１２０へ導かれている液体Ｌ（液体は図２には図示されていない）は、ある導管から他の導管へ、多かれ少なかれ直接進んでいくようになり、障害物がなければ、出口１２０に泡を運ぶ。そのような短絡な流れを防止するために、脱ガスおよび渦防止構造は、好ましくは、外部導管１１４および２１４の最も内側の端部を横断するバッフル３００を含む。このバッフル３００の存在によって、液体は、波状路を強制的に進むことになり、内部導管１１２または２１２の開口された第２の端部において方向を変える。
【００２９】
図示の実施の形態において、バッフル３００は、タンク１０００内部の低位置にバッフルを保持するスパイダ３１０によってタンク壁１００１に取り付けられているように示されている。スパイダ３１０は、２つ以上のアーム（図２では２つのみを示す）を有してもよい。好ましくは、外部導管１１４および２１４は、バッフル３００上に取り付けられる。代替の構成も可能である。例えば、導管／バッフル／導管という構造は、（開いたブリキ缶のような）端部が閉じられた２つの別個の外部導管に取って代わられてもよく、所望であれば、それぞれを別個にタンク壁１００１、内部導管１１２および１１４、または他のものに取り付けられることもできよう。
【００３０】
タンク１０００の入口側において、第３の導管１１６が示されており、外部導管１１４の部分を囲んでいる。図２において、第３の導管は、液体が波状路を流れるように導いている。この第３の導管１１６は、図示のように、好ましくは、０．４インチ（約１．０１６ｃｍ）の幅あるいはそれより小さいかまたは大きくてもよい、より大きな直径の孔Ｐを含む。この第３の導管１１６は、好ましくは、タンク１０００の壁１００１上に直接取り付けることができる。第３の導管１１６は、出口１２０ではなく、入口１１６に取り付けられるように示されている（これが好ましい構成である）が、入れ子状の導管の数は、入口１１０および出口１２０のいずれかまたはその両方において限定されない。
【００３１】
好ましくは、外部導管２１２上の孔は、出口１２０からの距離と共にサイズまたは密度（導管の単位領域毎の孔の数）あるいはその両方が異なる。最も好ましくは、導体の単位領域壁を通過する液体の流れが通過可能な総領域（流れ領域密度）が出口１２０からの距離と共に増大するように、孔の直径は、出口１２０からの距離と共に増大する。このような移行を行うと、渦が形成されなくなることがわかった。孔Ｐは、導管上の小さな領域内においても均一である必要はない。
【００３２】
孔の平均的な中心間の間隔は、孔の密度、したがって流体の流れ領域密度に影響を与えるが、出口１２０からの距離と共に減少してもよいし、または増大してもよい。流体の流れ領域密度は、出口１２０からの距離と共に一定であっても、増大しても、減少してもよい。また、孔は、好ましくは、出口１２０近傍においては全くなくてもよい（流体の流れ領域密度はゼロに等しい）。
【００３３】
図２は、作図の都合上、孔の部分図を示す（すなわち、いくつかは図から省略されている）が、出口１２０に近いほど導管２１２の端部で孔が小さく、かつ（端間または中心間の距離のいずれかで）間隔が離れていてもよいという一例を示している。また、図２は、出口１２０近くの外周帯には孔がないことを例示しており、出口１２０からの距離と共に流体の流れ領域密度が増大していることを示している。
【００３４】
本発明において、周囲孔の変形が、上述の軸の変形に加えてまたはその代わりに使用されてもよい。例えば、入口側の導管１１６上では、孔Ｐは、上部側より底部側のほうが直径が大きく（図示せず）、泡が流れから逃れることができるようにするために有用であろう。この変形は、軸ＡＲを回る回転量が角度の範囲において限定されている場合には、特に有用である。
【００３５】
上述のような孔の特性の変形を、所望の場合には入口導管１１２，１１４，または１１６あるいはそのすべてにおいて使用してもよい（図示せず）。
【００３６】
すべての導管は、好ましくは円筒状であるが、断面が任意の他の形状であってもよい。また、導管は、円錐状であってもよく、特に表面張力の低い液体で泡を分離する場合の助けとなるだろう。
【００３７】
図２は、好ましい形状、すなわち円筒状のタンク１０００を示す。また、本図は、図１に示す回転軸ＡＲと一般的には平行な対称軸ＡＳに対して構造全体が対称的であることを示している。導管は対称軸ＡＳから外れた位置に取り付けて傾けることもできるが、脱ガスおよび渦防止構造は、軸に沿って配置して対象軸（したがって、回転軸ＡＲ）に平行に伸びるように向けられるのが好ましい。これは、以下のような理由がある。冷却分配ユニットが向きを変えるにつれて、液体のレベルは脱ガスおよび渦防止構造に対して変化しないので、ユニットが回転されても性能は一定である。
【００３８】
本発明は、図１の全システムと共に、図２のタンクと、冷却分配ユニット（タンク、ポンプ、熱交換器、および関連機器）を使用して電子機器を冷却するための方法とを含む。
【００３９】
上述の円錐状の導管など、図２に示していない他の構造を本発明に組み込むこともできる。このような導管を、大きい端部を周囲の導管に差し込むようにして入れ子にすると、発散が生じて徐々に回転が遅くなることになる。また、半円筒形を追加してもよい。
【００４０】
孔Ｐは、シート内の孔として形成される必要はない。導管は、電線を編み込んだ構造、フェルト、粗面、および流れる液体からエネルギーを吸収するための他の構造を使用することもできる。
【００４１】
本発明では、２つの異なる軸を回る回転（例えば、タンブリング）を検討している。２つの平行でない回転軸がある場合（すなわち、冷却分配ユニットは、軸ＡＲを回り、また、軸ＡＲに対して傾斜しているかまたはある角度で横断している別の軸（図示せず）を回る）、タンクは、好ましくは球形である。この場合、入口および出口は、天底および天頂で終端する球の逆同士の極にそれぞれまたは逆に配置される。天頂のポートが出口の場合、導管が気体に対して開いている場合には、気体がシステム内に入ってくる可能性がある。しかしながら、本発明の構造は、入れ子状の円筒を使用することによって、この問題を克服可能である。球形のタンクにおいて、液体表面の角度が変化している間、中心点より上の液体のレベルは一定であることが理解されるだろう。脱ガスおよび渦防止構造のある部分を水中に入れたまま適切に修正することによって、渦の形成を減少することができ、閉じ込められた泡は、液体表面に上昇することができる。
【００４２】
平方縦横比（直径と等しい長さ）の円筒状のタンクは、中心点より上の液体のレベルはタンクの軸が水平であろうと垂直であろうと同一であるという意味において、球の近似物であり、液体のレベルは、中間角度では明確には変わらないことになる。したがって、上述のと同様の構造を平方縦横比の円筒形のタンクに組み込んで、同一の脱ガスおよび渦防止構造を有する球形のタンクの性能を近似することができる。
【００４３】
上述の利点により、フッ素を主成分とした液体が本発明には好ましく、特に本発明を小型化するのに好ましい。しかしながら、本発明においては、全く任意の液体を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のシステムの半模式概観である。
【図２】本発明のタンクのほぼ横断面の図である。
【図１】
2009512044.tif 000003
【図２】
2009512044.tif 000004
【国際調査報告】
2009512044.tif 000005
2009512044.tif 000006