(57)【要約】      （修正有）【課題】電気システムで熱を発生する部品を効果的に冷却し、部品の取扱容易な液体冷却装置を提供する。【解決手段】１実施態様による液体ループ冷却装置１００は、冷却用流体を循環させる内部ルーメンを有する配管１０２と、この配管１０２に固定的に連結された可動冷却板１０４と、配管１０２に連結され、可動冷却板１０４の柔軟な移動を可能にする少なくとも１つの柔軟なベローズ１０６とを備えている。【選択図】図１Ａ
2005327273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却用流体を循環させる内部ルーメンを有する配管と、
前記配管に固定的に連結された可動冷却板と、
前記配管に連結され、前記可動冷却板の柔軟な移動を可能にする少なくとも１つの柔軟なベローズとを備えることを特徴とする、液体ループ冷却装置。
【請求項２】
シャシと、
前記シャシ内に搭載され、少なくとも１つの放熱部品を含んでいる複数の部品と、
冷却用流体を循環させる内部ルーメンを有する配管と、
前記配管に固定的に連結された可動冷却板と、
前記配管に連結され、前記可動冷却板の柔軟な移動を可能にする少なくとも１つの柔軟なベローズとを備えることを特徴とする、コンピュータサーバ。
【請求項３】
前記シャシ内の空気流入口穴および空気流出口穴と、
前記入口穴から前記出口穴へ空気を循環させる少なくとも１つのファンとをさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載のコンピュータサーバ。
【請求項４】
放熱部品と前記放熱部品を折りたたんで囲むカバー板とをさらに備えた冷却板部品と、
前記冷却板部品に連結され、冷却用流体を循環させる内部ルーメンを有する配管と、
前記配管に連結され、前記カバー板の柔軟な折りたたみ移動を可能にする柔軟なベローズとを備えることを特徴とする、液体ループ冷却装置。
【請求項５】
前記可動冷却板に連結する放熱部品をさらに備え、前記冷却板は、前記放熱部品の追加、交換、または、取り外しができるように可動であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置またはサーバ。
【請求項６】
前記放熱部品にアクセスできるように、前記放熱部品に対して前記可動冷却板が回転して持ち上がり離れられることを特徴とする、請求項５に記載の装置またはサーバ。
【請求項７】
前記配管に連結されたポンプと、
前記配管に連結された液体−空気熱交換器とをさらに備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置またはサーバ。
【請求項８】
前記配管に連結され、前記冷却用流体を蓄積するリザーバをさらに備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置またはサーバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子システムなどを冷却する液体冷却装置に関し、特に柔軟なベローズを用いた液体ループ冷却装置に関する。
【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、その支持、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。
【０００３】
小型電子システムやデバイス、たとえば、小型コンピュータサーバは、冷却効果をもたらすのに利用可能な空間が非常に小さい場合が多い。従来の空冷ヒートシンクは一般に、熱源に直接接続しなければならない。アルミニウムまたは銅ヒートシンクの熱拡散固有抵抗を考慮すると、ヒートシンクの占有面積は、熱源より遥かに大きくすることはできない。フォームファクタ（形状因子)で決まるヒートシンクの高さに対する制約、およびヒートシンクの占有面積に対する実際的な限界を考慮すると、冷却能力は非常に制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、電子システムで熱を発生する部品を効果的に冷却し、部品の取扱が容易な液体冷却装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
冷却装置の一実施形態によれば、液体ループ冷却装置は、冷却用流体が循環できる内部ボアまたは内部ルーメン（内腔）を有する配管と、配管にしっかりと固定的に連結された可動冷却板と、配管に連結され、可動冷却板を柔軟に移動できるようにさせる少なくとも１つの柔軟なベローズとを備えている。
【０００６】
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構造と動作方法の両方がよく理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
小型サーバアーキテクチャなどのこれからの電子システムアーキテクチャは、マイクロプロセッサおよび関連する電子回路の電力の増加および密集に対処するために、液体ループ冷却により解決しようとする場合がある。液体ループシステムは、ポンプを有し、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板を通して冷却用流体を流し、冷却板、熱交換器、およびポンプ間でループを作る管に流体を流すことができる。熱源を直接冷却することで、システムの冷却が容易になるように、液体ループ配管に１つまたは複数の放熱部品を接続することができる。熱交換器で空気を強制対流させることによって、熱がループから取り除かれる。
【０００８】
連結されている複数の放熱部品およびデバイスの保守が可能、かつ容易になるように、柔軟なベローズを液体ループ内に備えることができる。
【０００９】
伝導および対流により、放熱部品から液体に熱を伝達する冷却板は、液体冷却ループの熱交換器である。多くの液体ループシステムでは、冷却板は、液体冷却ループ配管に固定的に、または、ほぼ固定的に（semi-rigidly）取り付けられているため、放熱部品の追加、取り外し、および／または、交換が難しくなっている。１つの例示的なシステムでは、柔軟なベローズを液体冷却ループの配管に据え付けることで、放熱デバイス、部品、および関連するシステム部品が、容易に追加、取り外し、または交換できるようになる。ベローズは配管の柔軟性を高めるもので、冷却板を回転させて持ち上げ、邪魔にならない所へ離し、放熱部品へのアクセスを可能にさせる。
【００１０】
図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃの斜視図は、液体ループ冷却装置１００の実施形態を示している。液体ループ冷却装置１００は、冷却用流体が循環できる内部ボアまたはルーメンを有する配管１０２と、配管１０２に固定的に連結した可動冷却板１０４と、配管１０２に連結されて、可動冷却板１０４が柔軟に移動できるようにする少なくとも１つの柔軟なベローズ１０６とを含んでいる。
【００１１】
図１Ａは、冷却板１０４が閉じた位置にある液体ループ冷却装置１００を示す。図１Ｂは、冷却板１０４の一方が開いた位置にある液体ループ冷却装置１００を示す。液体ループ冷却装置１００は、放熱電気部品またはデバイス１１０、たとえば、高性能プロセッサを冷却するために、可動冷却板１０４をさらに含んでいる。機能するときの副産物として熱を生成する部品など、複数の電子デバイスまたは部品１１０を含んだ電子システムで、通常、液体ループ冷却装置１００が使用される。冷却板１０４は通常、放熱部品１１０の冷却を容易にするために、放熱部品１１０と接触するように設置されるか、または、放熱部品１１０に取り付けられる。冷却板１０４は、連結している放熱部品１１０の追加、交換、または、取り外しができるように可動である。図１Ｃは、冷却板１０４を開いた状態にした液体ループ冷却装置１００の拡大図で、連結した放熱デバイスまたは部品１１０をさらに良く示している。
【００１２】
放熱デバイスまたは部品１１０へアクセスできるように、冷却板１０４を放熱デバイスまたは部品１１０から回転させて持ち上げ、離れさせるのが、柔軟なベローズ１０６によって容易になる。
【００１３】
液体ループ冷却装置１００は、流量制御、熱吸収、および熱除去用の部品およびデバイスを含んでいる閉ループに冷媒を循環させている。たとえば、種々のプラスチックまたは金属で作られた配管１０２は、種々の遮断要素、および、３方向Ｔ字接合部または４方向直交(cross)接合部を使って、一般に複数の分岐が配置されている冷却ループを構成している。
【００１４】
ベローズは、液体ループの構成上の特性に応じて、種々のプラスチック、種々のゴム、種々の金属などで作ることができる。
【００１５】
部品１０４、特に放熱部品、の一部または全てと連結されるのは、熱を配管１０２内の冷媒に伝達して熱源を局所的に冷却する、１つまたは複数の冷却板１０４またはヒートシンクであってもよい。冷却板１０４は通常、放熱部品を覆うように作られる。冷却板１０４は、循環する冷媒流体を搬送する埋め込み流路を備えた金属板を含んでいる。流路の流れを分配して、冷却板表面を均一に冷却することができる。
【００１６】
冷却板内の冷却構造の例として、冷却液体搬送細管が蛇行パターンを有する冷却要素、または、狭い液体搬送流路を有する多岐管が含まれる。冷却構造を通って循環する液体は、部品１１０によって生成された熱を散逸させる冷却作用を生じる。冷却構造は、単相液体強制対流冷却や、蒸発冷却などの相変化によって熱エネルギーを効率的に伝達することができる。
【００１７】
適した冷却板１０４の一例は、プレス加工で流路付きのアルミニウム押し出し成形品（extrusion）に銅またはステンレス鋼の管を使用した、一般的な軸流（tubed-flow）冷却板である。冷却板流路のループ数を増加することで、冷却板の性能を強化できる。別の冷却板の例は、液体の流れが、冷却板１０４内で分配される流れ分配式(distributed-flow)冷却板である。流れ分配式冷却板は、冷却板の立体(solid)ブロックに埋め込んだ直交流(cross-flow)管を含んでもよい。直交流（cross-flow）管は、主管に接合されて、ＵまたはＺ流路構成を形成する。別法として、直交流の流路は、押し出し成形されたアルミニウムブロックを、集熱パイプに連結された微小流路に接合することで作ることができる。一部の冷却板は、冷却板内の空洞内に蝋付けされたフィンを含んでもよい。流れ分配式冷却板の性能は、板内の流れ分布の不均一性によって変わる。
【００１８】
図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、一つの実施形態では、液体ループ冷却装置１００に、配管１０２に連結されたポンプ１１２、および、液体−空気熱交換器１１４をさらに含めることができる。ポンプ１１２は、ループを通して冷却用流体を配管１０２内部へ流すのに適した圧力ヘッドを生成することができる。他の実施形態ではポンプ１１２を省略してもよい。たとえば、流体を動かすのに、重力を利用したり、配管をウィッキング(wick)構造にして表面張力を利用してもよい。配管１０２に連結した１つまたは複数の冷却板１０４は通常、局所的に冷却するために、放熱部品１０４の近く、または、密着して配置される。
【００１９】
液体ループ冷却装置１００でオプションとして選択できる他の要素は、流体が冷媒ループ内を循環する時に冷媒によって吸収された熱を除去できるように、配管１０２に連結できる液体−空気熱交換器１１４である。
【００２０】
図１Ｄの斜視図は、配管１０２に連結されたリザーバ１２２をさらに含んだ液体ループ冷却装置１２０の他の実施形態を示すものである。リザーバ１２２では冷却用流体を蓄積することができる。
【００２１】
液体ループ冷却装置１２０は、ループに流れを生じさせるために、リザーバ１２２に１つまたは複数のポンプ１１２を組み合わせて使用している。液体リザーバ１２２は、システムの圧力を維持し、漏れを補償する。冷媒ループはさらに、循環している冷媒から粒子を除去するフィルタを含んでもよい。リザーバ１２２は、システムの流体源となるように、ポンプ１１２の低圧／吸い込み側で使用することができる。
【００２２】
図２Ａ〜図２Ｅのいくつかの斜視図は、液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの実施形態を示している。
【００２３】
図２Ａは、２つの剛性部材間で使用される柔軟なベローズコネクタ２００を示している。ベローズ２００は、減衰デバイス、伸縮継手、シールドデバイスなどとして使用することができる。例示的なベローズ２００は、横方向、軸方向、および／または、角度方向などに変位している種々の変形が可能である。ベローズ２００は、それぞれ折り重なるセクションが比較的平坦になっている複数のウェブ部分２０２、および、複数のウェブ２０２間にあってベローズ２００が、折り重なったり伸びたりできる、ヒンジ２０４を含んでいる。ベローズ２００は、動きが一部制限されながら撓んでいるとき、全体が一定の形状を維持するように、比較的多数の比較的短いウェブ部分２０２を備えている。
【００２４】
ベローズ２００は、ネオプレンなどのエラストマー、または、他のプラスチックを含む種々の材料で作ることができる。他の適した材料は、ネオプレンまたはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）をコーティングした織物、アルミニウムまたはシリコーンゴムをコーティングしたガラス布などである。
【００２５】
図２Ｂは、適しているベローズ２１０の別な例を示す。任意の適したベローズが液体ループ冷却システムに使用できる。ベローズ２１０のウェブ２０２は、平坦形状を有し、長いストローク機能、圧力に対するストロークの線形性、および適した耐圧性をもたらす。広い範囲の動きを可能にする様々な材料を使えば、ベローズ２１０のウェブ部分２０２が、図２Ａに示すベローズ２００のウェブより更に長くできる。
【００２６】
図２Ｃは、一定の有効面積を与え、圧力に対し線形な力を出力する平坦な片持ち梁形状を備えたベローズ２２０の例を示している。
【００２７】
一層および多層ベローズを含んだ、種々のタイプのベローズを使用することができる。場合によっては、ベローズのばね定数が、壁厚の３乗に比例するため、多層ベローズが望ましい。したがって、多層構成は、等しい総壁厚を有する単相形態より柔軟性が高くなるため、高圧状態に有用である。
【００２８】
ベローズのばね定数は、直径、壁厚、渦巻数、および構成材料によって変わる。柔軟性は、圧力変化当たりの渦巻きの変位である。ベローズのばね定数より大きいばね定数を有するばねと組み合わせてベローズを使用することで、弾性であることの欠陥を減少、または、最少にできる。
【００２９】
一部の用途では、柔軟性の高いベローズが望まれるが、これはより深い渦巻きを有するベローズによって得られる。その場合、ばね定数および最大作動圧力が比較的小さくなり、撓みの量が大きくなる。
【００３０】
一部のベローズは、応力除去焼きなましのために、低い温度で熱処理されて、クリープ、ドリフト、およびヒステリシスを減らし、材料を安定させ、ばね定数を増加させている。
【００３１】
永久的な歪および／または構造的特性変化を防止するために、ベローズは一般に、適切に制限された最大圧力で圧縮されるように使われる。機械的な停止部、または、ばね保持器を用いて、過剰圧縮を回避することができる。軸方向外径より実質的に大きいベローズは、最大定格圧力より低い圧力でも軸方向に歪む危険がある場合がある。
【００３２】
図２Ｄおよび図２Ｅは、トロイダルベローズの形態で、それぞれ、ベローズ２３０および２４０の他の例を示す。トロイダルベローズは、高い圧力に非常に有用であり、一方、一定の有効面積および大きいばね定数を維持する。
【００３３】
へり溶接、成形、および堆積によって、種々のタイプのベローズを作ることができる。へり溶接された金属ベローズは、内側へりおよび外側へりにおいて、スタンピングされた環状ダイアフラムを個々に溶接することによって形成された渦巻きを含む。
【００３４】
図３Ａおよび図３Ｂの斜視図および上面図は、シャシ３０２や、少なくとも１つの熱発生部品を含んだシャシ３０２内に搭載されている複数の部品３０４を備えた、コンピュータサーバなどの電子システム３００の実施形態を示している。内部ボアを有する配管３０６には、閉ループシステムにある部品３０４間を循環する冷却用流体がある。可動冷却板３０８は、配管３０６に固定的に連結されている。１つまたは複数の柔軟なベローズ３０８は、配管に連結され、可動冷却板３０８が柔軟に移動できるようにしている。
【００３５】
ベローズ３１０を、液体ループの１つの管に装着することができる。ベローズ３１０は、機械的な分離を考えて、１つまたは複数の他の配管脚部上に取付けることができる。
【００３６】
放熱部品３０４は、可動な冷却板３０８と連結されている。冷却板３０８は、部品３０４の追加、交換、または、取り外しができるように動くことができる。冷却板３０８は、放熱部品３０４にアクセスができるように、回転して持ち上げ、離すことができる。一般に、冷却板３０８は、放熱部品３０４と連結され、たとえば、放熱部品３０４を覆うように配置、または、取付けられる。したがって、可動冷却板３０８は、放熱部品３０４を囲むことが多い。
【００３７】
１つの実施形態では、電子システム３００は、シャシ３０２内の空気流入口穴および空気流出口穴３１４と、入口穴から出口穴１４へ空気を循環させる１つまたは複数のファン３１６をさらに含むことができる。
【００３８】
１つの実施形態では、電子システム３００は、たとえば、小型フォームファクタシャシとして構成されるシャシ３０２によって、効率的な大きさに作られて、比較的小さなパッケージにされる。一般的な小型のサイズは、ほぼ１Ｕまたは２Ｕフォームファクタである。
【００３９】
１つの実施形態では、ポンプ３１８を配管３０６に連結して、液体ループを通る冷却用流体が循環するのを補助することができる。他の実施形態では、重力を利用して、または流体の流れをつくる配管内のウィッキング構造を使って、ポンプを省略してもよい。たとえば、ポンピング作用は、加熱下で微細孔ウィックに誘起される表面張力を利用して、作動流体を流す、２相熱搬送デバイスを使って得ることができる。
【００４０】
液体ループ冷却システムの他のオプション部品は、配管３０６に連結できる液体−空気熱交換器３２０である。さらに別なオプション部品は、冷却用流体を蓄積する、配管に連結されたリザーバ３２２である。
【００４１】
液体ループ冷却は、パワーエレクトロニクス、防衛、医療、およびコンピュータの応用形態で出力密度が増加していることから生じる、電子回路の熱管理のため使用できる。液体ループ冷却は、出力密度の向上およびパッケージングサイズの縮小の結果、ハイエンドサーバ、記憶システム、電気通信機器、自動試験機器などでますます有用となっている。
【００４２】
液体ループ冷却システムは、冷媒を閉ループ循環させ、管およびポンプなど流れ分配部品、弁およびオリフィスを含む流れ制御デバイス、ならびに、冷却板および熱交換器などの熱伝達デバイスを含めることができる。液体ループ冷却システムの構造は一般に、電子部品の温度を適したレベルに維持するのに必要な流れと分配を作るように構成される。
【００４３】
液体ループ冷却システム３１４は、電子デバイスおよび部品が搭載される冷却板３０８および／またはヒートシンクへ、望まれる冷媒が到達するように、個々の部品のサイズを設計する。冷却板３０８および／またはヒートシンクは、効率的で、かつ、均一な冷却を達成するように選択される。
【００４４】
設計者は、少なくとも１つの熱発生部品を含んだ１つまたは複数の電子システム部品を、シャシ３０２内に配置して、電子システム３００に液体ループ冷却システム３１４を構成することができる。内部ボアを有する剛性または半剛性の配管３０６は、閉ループシステムの１つまたは複数の熱発生部品間に冷却用流体を循環させる。少なくとも１つの柔軟なベローズ３１０は、可動冷却板３０８に隣接するかまたは可動冷却板３０８の付近で配管３０６に取付けられ、冷却板３０８内の部品３０４へのアクセスを可能にする。
【００４５】
再び、図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、液体ループ冷却装置３２４の別の実施形態によれば、冷却板部品３２６は、折りたたんで放熱部品３０４を囲むカバー板３２８を含んでいる。液体ループ冷却装置３２４は、冷却用流体が循環できる内部ボアまたはルーメンを有し、冷却板部品３２６に連結されている配管３０６を含んでいる。柔軟なベローズ３１０は配管３０６に連結されていて、カバー板３２８が柔軟に折りたたみ運動できるようにしている。
【００４６】
１つの実施形態では、液体ループ冷却装置３２４は、配管３０６に連結されたポンプ３１８、および、同様に配管３０６に連結された液体−空気熱交換器３２０を含んでいる。同様に、他の実施形態では、液体ループ冷却装置３２４が、配管３０６に連結され、冷却用流体を蓄積できるリザーバ３２２を有するものであってもよい。
【００４７】
電子システム３００で使用される液体ループ冷却システムは、冷却板３０８内に放熱部品３０４を折りたたんで収容し、冷却板３０８を液体ループ配管３０６に固定的に連結し、少なくとも１つの柔軟なベローズ３１０を液体ループ配管３０６に連結することで、冷却板３０８が折りたたみ運動で放熱部品３０４から離れるように移動するように構成することができる。
【００４８】
少なくとも１つの放熱部品を含んでいる複数の電子システム部品３０４は、シャシ３０２内に配置され、剛性または半剛性の配管３０６で部品３０４を連結している。配管３０６は、閉ループシステム内の１つまたは複数の放熱部品３０４に冷却用流体を循環させる内部ボアまたはルーメンを有する。
【００４９】
１つまたは複数の冷却板３０８は、放熱部品の放熱が容易な場所で配管３０６に固定的に接続される。
【００５０】
１つの実施形態では、ポンプ３１８および１つまたは複数の液体−空気熱交換器３２０が、配管３０６に固定的に接続されている。カバー板３０８が開くのを容易にするとともに、柔軟なベローズ３１０はまた、剛性または半剛性な配管３０６への物理的応力および衝撃を分散させ、液体ループ冷却システムの損傷を減らすことができる。
【００５１】
本開示では種々の実施形態を述べたが、これらの実施形態は、例示的であり、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。本明細書で開示した実施形態を変形または変更してもよい。たとえば、ベローズの特定の形状、大きさ、および幾何形状を示したが、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ている。他に、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、ベローズを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１Ａ】運用性に役立つベローズを含む液体ループ冷却システムの種々の図および実施形態の１つを示す斜視図である。
【図１Ｂ】運用性に役立つベローズを含む液体ループ冷却システムの種々の図および実施形態の１つを示す斜視図である。
【図１Ｃ】運用性に役立つベローズを含む液体ループ冷却システムの種々の図および実施形態の１つを示す斜視図である。
【図１Ｄ】運用性に役立つベローズを含む液体ループ冷却システムの種々の図および実施形態の１つを示す斜視図である。
【図２Ａ】液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。
【図２Ｂ】液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。
【図２Ｃ】液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。
【図２Ｄ】液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。
【図２Ｅ】液体ループ冷却装置で使用するのに適したベローズの種々の実施形態の１つを示す斜視図である。
【図３Ａ】運用性に役立つ柔軟なベローズを用いた液体ループ冷却システムを有する電子システムの実施形態を示す斜視図である。
【図３Ｂ】運用性に役立つ柔軟なベローズを用いた液体ループ冷却システムを有する電子システムの実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１００  液体ループ冷却装置
１０２  配管
１０４  可動冷却板
１１２、３１８  ポンプ
１１４、３２０  液体ー空気熱交換器
３００  サーバ
３０４  加熱部品
３２６  冷却板部品
３２８  カバー板
【図１Ａ】
2005327273.tif 000003
【図１Ｂ】
2005327273.tif 000004
【図１Ｃ】
2005327273.tif 000005
【図１Ｄ】
2005327273.tif 000006
【図２Ａ】
2005327273.tif 000007
【図２Ｂ】
2005327273.tif 000008
【図２Ｃ】
2005327273.tif 000009
【図２Ｄ】
2005327273.tif 000010
【図２Ｅ】
2005327273.tif 000011
【図３Ａ】
2005327273.tif 000012
【図３Ｂ】
2005327273.tif 000013