(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作のためにコンピュータシステムに電気的に接続可能であり、前記コンピュータシステムの現場で容易に現場交換可能なモジュールであって、プリント回路基板と、該プリント回路基板に電気的に接続された１つまたは複数の電子構成要素と、内部キャビティを有し、この内部キャビティ内に前記電子構成要素の少なくとも１つを封止する蓋であって、蓋の主面から縦方向に延びる複数の指状部材を有する蓋と、前記内部キャビティ内に封止された電子構成要素から蓋に熱を移動させる内蔵液体冷却システムとを含み、
内蔵液体冷却システムが、前記蓋の内部に形成された液体流路と、該液体流路と前記内部キャビティとの間に結合された少なくとも１つの噴霧ノズルと、前記液体流路内で循環する冷却液と、該冷却液を液体流路内に循環させ、それにより冷却液を、前記少なくとも１つの噴霧ノズルから前記内部キャビティ内に噴霧する噴霧ポンプとを備えている、現場交換可能なモジュール。
【請求項２】
シャーシと、バックプレーン電気コネクタを有する電力バックプレーンと、前記シャーシに固定的に搭載され、そこから縦方向に延びる指状部材を備えた主面を有するヒートシンクと、現場交換可能なモジュールとを含み、
該現場交換可能なモジュールが、前記バックプレーン電気コネクタに接続可能なモジュール電気コネクタと、該モジュール電気コネクタに電気的に接続されたプリント回路基板と、該プリント回路基板に電気的に接続された１つまたは複数の電子構成要素と、該電子構成要素の少なくとも１つの上に封止されたキャビティを形成する蓋と、前記少なくとも１つの電子構成要素から前記蓋に熱を移動させる内蔵された熱伝達機構とを備えており、
前記蓋が、そこから縦方向に延びる指状部材を備えた主面を有しており、前記現場交換可能なモジュールから前記ヒートシンクへ熱を移動させるために、前記ヒートシンクの指状部材と相互に嵌合し、かつ摺動自在に配置されている、コンピュータシステム。
【請求項３】
前記ヒートシンクが、そこから延びて冷却液を循環させるチャネルを有する冷却板を備えている、請求項２に記載のコンピュータシステム。
【請求項４】
前記熱伝達機構が、前記電子構成要素と前記蓋との間に導電接触で結合された境界改善材料を含む、請求項２に記載のコンピュータシステム。
【請求項５】
前記内蔵された熱伝達機構が、用いる液体が前記現場交換可能なモジュールの外に結合していない内蔵液体冷却システムを備えている、請求項２に記載のコンピュータシステム。
【請求項６】
前記内蔵液体冷却システムが、前記蓋の内部に形成された液体流路と、該液体流路と前記内部キャビティとの間に結合された少なくとも１つの噴霧ノズルと、前記液体流路内で循環する冷却液と、該冷却液を前記液体流路内に循環させ、それにより冷却液を、前記少なくとも１つの噴霧ノズルから内部キャビティ内に噴霧する噴霧ポンプとを備えている、請求項５に記載のコンピュータシステム。
【請求項７】
前記モジュール電気コネクタが、前記電力バックプレーンを遮断することなく前記電力バックプレーンの前記バックプレーン電気コネクタと電気的に接続または切断することができる、請求項２に記載のコンピュータシステム。
【請求項８】
前記蓋が、前記プリント回路基板上の１つまたは複数の電子構成要素のすべてを覆う、請求項１に記載の現場交換可能なモジュール。
【請求項９】
前記蓋が、前記プリント回路基板上の１つまたは複数の電子構成要素のすべてを覆う、請求項２に記載のコンピュータシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、電子構成要素の冷却に関し、より詳細には現場における交換（以下現場交換という）が可能なモジュールの温度インタフェースに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速電子構成要素の動作により望ましくない熱が発生する。たとえば、マイクロプロセッサ、グラフィックス・プロセッサなどの高速のコンピュータ・プロセッサ要素は、効率的な動作のために除去しなければならない望ましくない熱を生成する。熱を除去すると、動作温度が下がり、動作速度が速くなり、計算能力が向上する。また信頼性および使用可能性が向上する。
【０００３】
計算能力のさらに高い要求を満たすために、プロセッサの設計は進化し続け、より複雑になり、より高い速度で動作するようになってきている。設計が複雑になればなるほどトランジスタの数が多くなり、それぞれのトランジスタは、動作中に多くの熱の発生源になる。各トランジスタの動作が高速になればなるほど熱の発生が多くなる。
【０００４】
従来技術においてさまざまな冷却方式が知られている。一般に、冷却方式の熱を除去する効率が高くなるほど、その方式を実現する機構は、大きく、重く、かさばるようになり、コンピュータ・システム内に配置することが困難になる。
【０００５】
高速コンピュータ・システムを動作させるために必要な大量の電力は、大量の熱放散をもたらす。したがって、冷却技術が必要となる。従来技術のいくつかの冷却方式において、その方式を機械的に実現するヒートシンク（冷却板を含む）などのかさばる機構は、プロセッサ・モジュール、基板モジュールまたはシステム・モジュールなどを含むモジュールの現場交換を妨げる。さらに、モジュールとヒートシンクとの間の熱境界抵抗の問題がある。
【０００６】
一般的に、熱境界抵抗は、対向する２つの面の間（すなわち、集積回路パッケージ（または、他の現場交換可能なモジュール）の蓋とヒートシンクとの間）の不完全な機械的接触によるものである。この不完全な機械的接触は、両方の面の不規則な「山と谷」の衝突によるものである。
【０００７】
山がぶつかる場所だけに存在する実質的な接触量により、谷の空間が空気または真空であるため、熱の流れを阻害する。空気の熱伝導率は低い。
【０００８】
不規則な表面欠陥により、単位面積あたりの熱境界抵抗は、６．４５平方センチメートル・℃／ワット（１平方インチ・℃／ワット）である。代表的なプロセッサ用途では、これが約２０℃ないし３０℃の上昇になる。境界抵抗が面積の関数であるため、境界面積が小さいほど抵抗は高くなる。したがって、熱流束が多くなると共に半導体パッケージの占有面積が小さくなってくると、この現象は、電子回路の冷却領域においてますます重要になる。熱抵抗の式は、次の式で表すことができる。
【０００９】
Ｒinterface＝Ｃ／Ａ
【００１０】
ここで、Ｃは単位面積当りの境界抵抗、Ａは境界の面積である。
【００１１】
従来技術では、そのような不規則な表面欠陥をなくしたり衝突の熱的影響を回避したりするいくつかの異なる方式が知られている。
【００１２】
１）ダイヤモンド旋削面
材料間の境界抵抗を改善する１つの方法は、結合面のでこぼこの表面を実質的に除去することである。ダイヤモンド旋削面は、一般に光学素子に使用される鏡状面を有する。境界性能はかなり高いが、きわめて高価であるためあまり一般的ではない。さらに、境界接触に高い圧力が必要である。この方法は、縦軸公差が厳密に制御される場合のみ使用される（ここで、縦軸は、集積回路パッケージ（または他の現場交換可能なモジュール）の蓋の主面と垂直であると理解されたい）。
【００１３】
２）耐熱グリース
耐熱性を高めたグリースは長年にわたり一般的に用いられていた。これは、でこぼこの表面欠陥の谷にできた隙間を満たす。導電率は、金属の導電率よりもかなり低いが、空気よりかなり高い。したがって、単位面積当りの熱抵抗Ｃは小さくなる。この方法は、縦軸公差が厳密に制御されている場合のみ使用する。
【００１４】
グリースと関連する問題は、次の通りである。
−グリースは流動し、汚れる。
−グリースは制御が難しく、実際、グリースが多すぎると、２つの面の山が接触しないことがあるため、熱抵抗を高める。このため、メーカは、グリースを使用するのを好まない。
−場合によっては、温度サイクルの結果、グリースが境界領域の外に流動することがある。この現象は、一般に、「ポンピング」として知られる。
−グリースは、経年変化し、分離して性能が低下することがある。
−接触を保証するために境界に適度な圧力が必要である。
【００１５】
３）耐熱パッド
パッドの使用は、現在、最も一般的な境界改良方法である。これは、一般に、厚さ７６ミクロンないし５０８ミクロン（３ミルないし２０ミル）の耐熱性を高めたシリコーンを主成分とするパッドである。この方法は、縦軸公差が適度に制御されている場合のみ使用する。このようなパッドの人気は、取付け方法が適切に制御された製造において使用しやすいため近年高まってきた。さらに、これは、境界にあらかじめ付着させることができる。この方法の問題点は、熱抵抗がグリースの約２倍高いことである。多くの用途で、これは、不十分である。さらに、そのようなパッドは、機能させるために、７０．３グラム／平方ミリメートル（１００ポンド／平方インチ（１００ｐｓｉ））を超える境界圧力を必要とする。
【００１６】
４）ギャップ・パッド
これは、厚さが１．５２ミリメートルないし５．０８ミリメートル（１０００分の６０インチないし１０００分の２００インチ（６０ミルないし２００ミル））のギャップを埋める境界パッドである。これは、ギャップの公差が適切に制御されていない境界において、ある程度制限された利点を提供する。しかし、大きな問題は、抵抗が一般に標準的な耐熱パッドの１０〜２０倍高いことである。したがって、一般に、これは、熱流束の多い用途には適さない。最適な性能を発揮させるためには適度な境界圧力が必要である。
【００１７】
５）相転移材料（ＰＣＭ）
もう１つの一般的な境界材料はＰＣＭである。最も一般的なものは、アルミニウムやスクリーンなどの薄い担体５１ミクロン（２ミル）ないし１２７ミクロン（５ミル）上にあるパラフィンである。そのようなＰＣＭは、５１℃などの一定温度よりも高い温度で還流して境界の隙間を埋めるという原理で機能する。性能は、グリースと同等である。担体により、ＰＣＭは、製造の際に実装し易くなり、使用し易くなる。境界には適度な圧力が必要である。この方法は、縦軸公差が厳密に制御される場合のみ使用される。
【００１８】
６）金属ペースト
金属ペーストは、電気的に導電性で有毒であるため商業的に使用されない。
【００１９】
以上ここで検討したすべてのケースにおいて、境界問題を解決するためにある程度の圧力が必要である。それぞれのケースにおいて、熱抵抗を下げるには境界材料を最小にすることが有益である。さらに、前述の解決策のいずれも、スライド接触にはあまり適していない。
【００２０】
プロセッサ・モジュール、基板モジュール、システム・モジュールのような大きいモジュールには、一体化したフィン付きヒートシンクに結合された冷却板に液体を通す液体冷却法が一般的になってきている。液体導管は、一般に、モジュール自体に結合され、そのためモジュールの現場交換を機械的に妨げる。特に、モジュールとシャーシとの間の液体結合のため、モジュールを交換する前にモジュールに結合されている液体導管を切断しなければならない。これにより、現場交換可能なモジュールの交換方法の効率が低下し、切断された導管から液体が漏れる傾向がある。さらに、これにより、「常時動作」サービスを提供する必要性のために冗長を必要とする大きいシステムまたは基幹システムで重要になってきているモジュールの「ホットスワップ」が不可能になる。「ホットスワップ」という用語は、本明細書で使用されるとき、コンピュータ・システムが動作中に、コンピュータ・システムの中断操作を行わずに現場交換可能なモジュールをコンピュータ・システムに接続したり切り離したりする能力のことを指す。換言すると、電源がオンでシステムが悪影響なしで稼働している間にモジュールを交換する能力である。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、低い熱抵抗でかつスライド可能にヒートシンクと接触するように適合され、接触を確実にするための境界圧力を必要とせず、位置ずれを許容することができる、製造、保守および交換が容易な現場交換可能なモジュールと冷却技術が必要となる。また、モジュールとシャーシとの間で液体導管を結合せず、したがって現場交換可能なモジュールを交換する際に切断を必要とせず、または交換の際の液体漏れの危険のない液体冷却方法が必要である。
【００２２】
【課題解決するための手段】
本発明は、低い熱抵抗でかつスライド可能にヒートシンクと接触するように適合され、接触を保証するために境界圧力を必要とせず、位置ずれを許容することができる現場における交換（以下現場交換という）が可能なモジュールにおける、製造し易さ、保守し易さ、および交換し易さを提供する。すべての液体冷却面が、シャーシおよび／またはモジュール内に別々に組み込まれ、モジュールとシャーシとの間に液体結合がない。したがって、現場交換可能なモジュールを交換するときに液体導管の切断は不要である。さらに、代替不能な計算の際、システムが動作中にモジュールをホットスワップすることができる。
【００２３】
独立型の現場交換可能なモジュールは、モジュールのプリント回路基板上の少なくとも１つの電子構成要素のまわりに封止キャビティを形成する蓋を備えている。この蓋は、封止された電子構成要素に対して独立型の噴霧冷却または伝導冷却手段を提供する。
【００２４】
簡潔かつ一般的な観点において、本発明は、ヒートシンクと現場交換可能なモジュールとの相互嵌合構造を含む。ヒートシンクは、ヒートシンクの水平な主面に対して縦方向に延びる指状部材(digit member)を有する主面を含む。現場交換可能なモジュールは、モジュールからヒートシンクに熱を移すために、モジュールの水平な主面に対して縦方向に延び、ヒートシンクの指状部材と相互嵌合接触して配置された指状部材を有する。
【００２５】
現場交換可能なモジュールの指状部材は、特に、現場交換可能なモジュールの保守し易さと交換し易さを提供するために、ヒートシンクの指状部材とスライド接触するように適合され配置される。たとえば、本発明によれば、第１の現場交換可能なモジュールをスライドさせてヒートシンクとの相互嵌合接触から外し、次に第２の現場交換可能なモジュールをスライドさせてヒートシンクと相互嵌合接触させることによって、第２の現場交換可能なモジュールを第１の現場交換可能なモジュールと交換することができる。本明細書で詳細に説明するように、相互嵌合接触は、ヒートシンクと現場交換可能なモジュールの指状部材の実質的な縦方向の位置ずれを許容しながら約０．０６５平方センチメートル・℃／ワット（約１００分の１平方インチ・℃／ワット）ないし約１．３平方センチメートル・℃／ワット（約１０分の２平方インチ・℃／ワット）の範囲の実質的に低い熱抵抗を有する。さらに、低い熱抵抗は、接触を確実にするために加えられる境界圧力の要件と関係なく有利に提供される。
【００２６】
本発明は、同じ参照番号を使用して同じ要素を示す図面を参照しながら行なう以下の詳細な説明によってより良く理解されるであろう。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の現場で交換が可能（以下、現場交換可能という）なモジュール１００の好ましい実施形態である。この実施形態において、モジュール１００は、蓋１０２によって封止された１つまたは複数のベア・ダイまたはパッケージ化電子構成要素１０１を含む（図５参照）。蓋１０２の主面から規則的な指状部材１０３が、横方向に延びている。
【００２８】
図２は、本発明による現場交換可能なモジュール（以下、モジュールともいう）１００の第１の実施形態の断面図であり、図３はその平面図であり、図４はその分解斜視図である。この実施形態において、モジュール１００は、噴霧冷却モジュールであり、蓋１０２は、これを電子構成要素１０１の上に配置したときに電子構成要素１０１を完全に覆う内部（封止）キャビティ１１０を有する。蓋１０２のキャビティ１１０は、その上に１つまたは複数の電子構成要素１０１を位置決めしたプリント回路基板１０４によって封止される。これによって、一般に大きいモジュールでは閉じこめることが難しい電磁障害雑音（ＥＭＩ）の閉込めを実現するという利点を有する。シーラントは、エポキシまたはハンダであることが好ましく、Ｏリングまたはガスケットによる機械的なものでもよい。
【００２９】
図２、図３および図４の実施形態において、蓋１０２は液体冷却される。特に、蓋１０２は、冷却液（たとえば、不活性フッ素化合物(fluorinert)やその他の既知の冷却液）を循環させる流路１２５を有する冷却板１０２ａを備えている。流路１２５は、図４に示したようなマニホールドであることが好ましい。噴霧ポンプ１２２は、流体導管１２３によって流路１２５に結合され、流路１２５内に冷却液を送る。流路１２５は、キャビティ１１０内に液体を噴霧する内側蓋プレート１０２ｂ上の複数の噴霧ノズル１０５（図４参照）に結合される。噴霧ノズル１０５は、各電子構成要素１０１の上に液体を噴霧するように位置決めされることが好ましい。
【００３０】
図４は、冷却液を分配するマニホールド１２５を表す蓋１０２の分解斜視図である。マニホールド１２５は、分配チャネル１１６（図１１参照）を介して各噴霧ノズル１０５と連通する。マニホールド１２５と分配チャネルは、プレート（冷却板）１０２ａ、１０２ｂ内に延びるように機械加工され、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、その他の材料で製造することができる。腐食に強い銅が好ましい。プレート１０２ａ、１０２ｂは、流体漏れがないように蓋１０２にろう付けされる。
【００３１】
流路１２５に代わる機構を作成することができる。この実施形態では、流体を循環させるために、分配チャネルの代わりに折返しフィンストックを使用する。折返しフィンストックは、流体の漏れがないように蓋１０２の２つのプレート１０２ａ、１０２ｂの間にろう付けされる。
【００３２】
図２、図３および図４の実施形態において、モジュール１００は、ポンプ１２２を備えた独立型モジュールである。ポンプ１２２は、導管１２４を通って流路と噴霧ノズル１０５を介して封止キャビティ１１０内に冷却液を循環させる。電子構成要素１０１からの熱が液体を蒸発させ、蒸気になる。内側蓋プレート１０２ｂは、後で検討するようにプレート１０２ａによって冷却され、内側蓋プレート１０２ｂの内側面１０７に蒸気が凝縮する。凝縮する際、蒸気の熱は、蒸気から内側蓋プレート１０２ｂに移動し、次に、後で考察するように、プレート１０２ａと縦方向の指状部材１０３に移動する。凝縮した液体は、導管１２３を介して封止キャビティ１１０からポンプ１２２に戻され、それにより連続した液体ループが形成される。
【００３３】
図５は、本発明による現場交換可能なモジュール１００の第２の実施形態の断面図であり、図６はその平面図である。この実施形態において、モジュール１００は、伝導モジュールであり、蓋１０２は、蓋１０２が電子構成要素１０１の上に配置されたときに電子構成要素１０１を完全に覆う内部キャビティ１１０を備える。また、蓋１０２は、蓋１０２の内側面１０７がキャビティ１１０内の電子構成要素１０１とできるだけ多く接触するように１つまたは複数の電子構成要素１０１の上に位置決めされる。蓋１０２の内側面１０７と電子構成要素１０１の上面との間の境界抵抗を改善するために、耐熱グリース、耐熱パッド、ギャップ・パッド、相転移材料又はエポキシなどの境界改善材料１３０を使用する。境界改善材料１３０は、電子構成要素１０１の最上部と蓋１０２の内側面１０７との間に、境界抵抗を改善するのに十分な圧力で伝導接触させる。好ましくは、蓋１０２は、電子構成要素１０１を収容した封止キャビティ１１０を構成するようにプリント回路基板１０４によって封止される。これは、一般に大きいモジュールに収容するのが難しい電磁障害（ＥＭＩ）の閉込めを実現するという追加の利点を有する。シーラントは、エポキシまたはハンダであることが好ましいが、Ｏリングまたはガスケットによる機械的なものでもよい。
【００３４】
指状部材１０３は、蓋表面に機械加工または冷間鍛造することによって作成されることが好ましい。蓋１０２は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼又はその他の材料で製造することができる。
【００３５】
好ましくは、各指状部の縦方向の寸法は、約６．４ミリメートル（約４分の１インチ）ないし約２５．４ミリメートル（約１インチ）の範囲の寸法である。各指状部（および、対応する隣りの各切り溝）の横方向の寸法は、約０．５ミリメートル（約２０ミル）ないし約１．３ミリメートル（約５０ミル）の範囲の寸法である。それによって、蓋１０２の主面の横方向に約２５．４ミリメートル（１インチ）あたり約１０ないし２０の好ましい数の指状部を提供する。
【００３６】
好ましい実施形態において、モジュール１００は、プリント回路基板１０４を含む。追加の集積回路パッケージ（たとえば、メモリ・モジュール１２１）と１つまたは複数の電子構成要素１０１（たとえば、パッケージ化マイクロプロセッサ）はそれぞれ、ハンダ付けされ、あるいはプリント回路基板１０４の導電トレースと電気結合され、メモリ１２１とマイクロプロセッサ１０１との間を電気結合し、両者間に電気信号を導く。
【００３７】
現場交換可能なモジュール１００は、プリント回路基板１０４と、蓋１０２によって封止されたベア・ダイまたはパッケージ化電子構成要素１０１を含み、図１に示すように形成されることが好ましい。しかし、本発明のモジュール１００を、プリント回路基板１０４上の電子構成要素のどれか、すべて、あるいは任意のものとの組合せを封止する蓋１０２を使用して形成することができるので、上述のような実施形態に厳密に制限されないことを理解されたい。
【００３８】
図７および図８は、ヒートシンク１１１に対してスライド可能な態様を示し、本発明のモジュール１００の製造し易さ、保守し易さおよび交換し易さをどのように実現するかを示す好ましい実施形態の斜視図である。図７および図８に示したように、ヒートシンク１１１と現場交換可能なモジュール１００は相互に嵌合している。ヒートシンク１１１は、縦方向に延びる規則的な指状部材１１４を有する冷却板１１２内に形成されることが好ましい。指状部材１１４は、前述したモジュール１００の蓋１０２の指状部材１０３と類似の方法で寸法が決められ製造される。ヒートシンク１１１が冷却板１１２内に形成されることが好ましいが、本発明は、そのような実施形態に制限されず、縦方向に延びる規則的な指状部材１１４を含むヒートシンクであれば、他の実施形態を有利に使用できることを理解されたい。
【００３９】
図示したように、モジュール１００の蓋１０２の指状部材１０３は、モジュール１００からヒートシンク１１１に熱を移すためにヒートシンク１１１の指状部材１１４と相互に嵌合して配置される。蓋１０２の指状部材１０３は、特に、モジュール１００の保守し易さと交換し易さを実現するために、ヒートシンク１１１の指状部材１１４とスライド可能に接触するように適合され配置されることが好ましい。図７は、モジュール１００を、適所にスライドするプロセスを示す。図８は、このプロセスが完了し、モジュール１００が適所へ嵌め込まれた状態を示す。
【００４０】
図８において、プリント回路基板１０４に対して蓋１０２が占有する面積から見ると、相互に嵌合された接点は、ヒートシンクの指状部材１１４とモジュール１００の指状部材１０３の実質的な長さ方向のずれを許容しながら約０．０６５平方センチメートル・℃／ワット（約０．０１平方インチ・℃／ワット）ないし約１．２９平方センチメートル・℃／ワット（約０．２平方インチ・℃／ワット）の範囲の実質的に低い熱抵抗を有する。本発明の場合、そのような低い熱抵抗は、耐熱グリースまたは耐熱パッドの使用およびそれに付随する困難さの負担をなくする。さらに、上記の低い熱抵抗は、接触を保証するために加えられる境界圧力の要件に依存せずに提供される。
【００４１】
低い熱抵抗により、冷却板１１２の動作温度を約６０℃ないし７０℃の範囲に維持する。代表的な３５℃の周囲温度にするために、冷却液を冷却板１１２内に循環させるときに、冷却板は、モジュール１００の蓋１０２から１３０ワット以上の熱を取り出す。冷却板１１２が、流体流量を多くしたり、使用する熱交換器を大きくしたりすることにより、より多くの熱を処理することができることを理解されたい。好ましい流量は、各集積回路パッケージごとに毎分約０．３８リットル（約１０分の１ガロン）ないし約０．７６リットル（１０分の２ガロン）であるが、本発明は、その好ましい流量に制限されないことを理解されたい。
【００４２】
熱交換器１１３は、熱を取り出すために冷却板１１２とを流体が連通して熱的に結合される。熱交換器１１３の設計は、チューブ・イン・フィン、プレート冷却板、またはその他の適切な設計でよい。熱交換器１１３は、好ましくは銅、またはアルミニウム、ステンレス鋼または複合物から製造することができる。冷却板１１２と熱交換器１１３にはそれぞれ、たとえば水、水と混合したエチレングリコール、不活性フッ素化合物または、当業者に既知の他の適切な冷却液を循環させるための流路１１６、１１８をそれぞれ含む。流路１１６、１１８は、液体が通される蛇行した液体導管またはフィンストックのどちらでもよい。
【００４３】
図８に示したように、本発明は、流体を循環させるために冷却板１１２の流路１１６および熱交換器１１３の流路１１８と結合された一対の流路１１５、１１７を備える。好ましい実施形態において、流体導管１１５、１１７は、約６．４ミリメートル（４分の１インチ）（または約１２．７ミリメートル（２分の１インチ））の直径の中空銅管または別の適切な材料からなる。
【００４４】
好ましい実施形態において、流体の循環を促進するために、流体導管１１７のうちの１つと直列に電動ポンプ１１９を結合する。様々な電動ポンプが望ましい結果を提供する。流体循環を完全に封止するために、磁気的に結合されたポンプを使用することが好ましい。そのようなポンプは、一般に、Ｉｗａｋｉ  ＷｅｌｃｈｅｍやＧｏｒｍａｎ  Ｒｕｐｐなどのメーカから入手可能である。
【００４５】
図７および図８はに示すスライド式の態様において、図に示したような工程が、可逆的かつ再現可能であることを理解されたい。第１のモジュールをスライドさせて冷却板１１２と相互嵌合接触した状態から外し、第２のモジュールをスライドさせて冷却板１１２と交互嵌合接触させることによって、第２のモジュールを第１のモジュールと容易に交換できる。この交換は、冷却板１１２と関連した流路１１５、１１７、熱交換器１１３、およびポンプ１１９の機構を邪魔することなく達成できる。本発明のこの態様は、特に、モジュール１００の交換し易さを犠牲にすることなく剛性導管の耐久性を必要とするときに有利である。
【００４６】
図９ないし図１１は、図７ないし図８の詳細な図であり、図７に示したヒートシンク１１１とモジュールの蓋１０２の機構および交互嵌合接触を示す。冷却板１１２は、熱伝達用の冷却液を循環させる蛇行チャネルまたはキャビティを有するさらに薄い２つの構成プレート１１２ａ、１１２ｂのクラムシェル機構から製造される。これは、流体に効率的に熱伝達するために発明者によって理論化されたもので、蛇行チャネル１１６は、直径約４．１ミリメートル（約０．１６インチ）ないし約５．１ミリメートル（約０．２インチ）の範囲の好ましい直径でなければならない。それよりも小さいチャネル直径で有益な結果が得られることもあるが、好ましいチャネル直径は、構成プレートの構造的整合性と構成プレートからの効率的な熱伝達を維持するのに十分な厚さを必要とする。
【００４７】
冷却板１１２は、モジュール１００の蓋１０２と熱結合するのに十分な大きさでなければならず、さらに、流体導管を提供したりそれに結合したりするのに十分な大きさでなければならない。たとえば、横と縦が約７．６２センチメートル（約３インチ）×１２．７センチメートル（約５インチ）の寸法を有する蓋１０２の場合、冷却板の反対側の主面がそれぞれ、横と縦が約９．５３センチメートル（約３．７５インチ）×約１４．６センチメートル（約５．７５インチ）の寸法を有することが好ましい。当然ながら、本発明の原理からみて、冷却板１１２のサイズは蓋１０２のサイズによって変化することを理解されたい。
【００４８】
図１０は、プリント回路基板１０４に対して、ヒートトシンク１１１に横方向の位置ずれが生じた後の図９の詳細図である。ヒートシンク１１１とモジュール１００の蓋１０２のそれぞれの指状部材１１４、１０３の横方向の位置ずれを許容しながら熱抵抗を小さくするために、ヒートシンク１１１とモジュール１００の相互嵌合接触が利用される。たとえば、好ましい実施形態において、プリント回路基板１０４に投影された蓋１０２の占有面積の視点からみて、相互嵌合接触は、図１０において、たとえば約２．５ミリメートル（約０．１インチ）の横方向の位置ずれがあるときでも、約０．０６５平方センチメートル・℃／ワット（約０．０１平方インチ・℃／ワット）の範囲内の低い熱抵抗を有する。
【００４９】
図１１は、図９の分解斜視図である。冷却板１１２に封止された、２つのより薄い構成プレート１１２ａ、１１２ｂのクラムシェル機構が、分解された部品として示されており、図中１１６は、冷却液の循環用として延びる蛇行チャネルである。蛇行チャネル１１６は、構成プレート１１２ａ、１１２ｂ内に延びるように機械加工され、銅、アルミニウムまたはステンレス鋼で製造することができる。腐食に耐えるために銅が好ましい。チャネルの好ましい長さは、約５０．８センチメートル（約２０インチ）である。構成プレート１１２ａ、１１２ｂは、流体が漏れないように封止するため冷却板１１２にろう付けされる。
【００５０】
冷却板の望ましい温度により、チャネル１１６の別の構成を作ることができる。この実施形態において、流体を循環させるために、蛇行チャネル１１６の代わりに折返しフィンストックを使用する。折返しフィンストックは、漏れがないように冷却板を封止するために、冷却板の２つの構成プレート１１２ａ、１１２ｂの間にろう付けされる。
【００５１】
図１２は、本発明の別の実施形態を示す。図１２において、モジュール１００は、ヒートシンク１１１との相互嵌合接触をするために、それぞれ１つまたは複数の電子構成要素（図示せず）を覆い、縦方向に延びる各指状部材を有する３つの蓋２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃを備えている。
【００５２】
図１３、図１４、図１５および図１６はともに、本発明の好ましい実施形態を示す。図１３は、独立型のモジュールであり、プリント回路基板２０４の全体とすべての電子構成要素を封止する蓋２０２を備えた現場交換可能なモジュール２００の好ましい実施形態の斜視図である。
【００５３】
図１４は、図５と図６の伝導モジュールと同様な現場交換可能なモジュール２００の断面図である。図１４に示したように、サブシステムを構成する電気的に相互接続された多数の集積回路や他の電子構成要素２０１はすべて、モジュール２００の１つの蓋２０２の封止キャビティ２１０内にあるプリント回路基板２０４上に実装されている。蓋２０２は、プリント回路基板２０４に封止され、前述のようなＥＭＩ閉込めができるように封止キャビティ２１０を形成する。プリント回路基板２０４の集積回路とその他の電子構成要素２０１はすべて、蓋２０２の主面２０７と境界改善材料２３０によって熱結合され、指状部材２０３は、そこから縦方向に延びている。また、モジュール２００は、前に説明し、図２、図３および図４に示したように、噴霧冷却モジュールとして構成してもよい。
【００５４】
図１５は、ヒートシンク２１１を備えたスライド機構における独立型の現場交換可能なモジュール２００の斜視図である。ヒートシンク２１１は、シャーシ（図１５に示していないが、図１６では３００）に組み込まれ、導管を介してポンプと熱交換器３０２（図１６）に液体結合される。ヒートシンク２１１は、モジュール２００全体を冷却できるだけの大きさをもつか、ヒートシンク２１１は、横方向に延びる指状部材２１４を有する。ヒートシンク２１１の指状部材２１４は、モジュール２００の蓋２０２とスライド可能な相互嵌合接触の状態で配置される。現場交換可能なモジュール２００は、電力接続とバス接続および／または任意の他の電気接続を提供するために、バックプレーン３０５のコネクタ３０８および３０９にそれぞれ結合するバックプレーン・コネクタ２０８および２０９を備えている。
【００５５】
図１６は、バックプレーン３０５（バスと電力接続用）に接続可能であり、各ヒートシンク２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃと相互嵌合接触して配置された現場交換可能なモジュール２００ａ、２００ｂ、２００ｃをそれぞれ保持する複数のスロット３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃを備えたコンピュータ・システムのシステム・シャーシ３００の斜視図である。ヒートシンク２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃは、モジュール２００ａ、２００ｂ、２００ｃの指状部材２０３と相互嵌合する指状部材２１４を備え、シャーシ３０５と一体に構成されている。
【００５６】
熱交換器／ポンプ３０２は、ヒートシンク２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃを冷却するために必要な機器を備える。好ましい実施形態において、熱交換器／ポンプ３０２は、熱を取り出すためにヒートシンク２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃと流体で連通して熱結合され、冷却液を冷却し、シャーシ３００内のヒートシンク２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃのそれぞれに同時に循環させる冷却通気システムと電動ポンプ（図示せず）を備える。熱交換器３０２の設計は、チューブ・イン・フィン、プレート冷却板またはその他の適切な設計でよく、図７および図８に関して前に説明した。
【００５７】
図１６において、モジュール２００ａおよび２００ｂは、シャーシ３００内に取り付けられ、バックプレーン３０５に接続されているように示してある。モジュール２００ｃは、モジュール交換の工程において、図７に示す態様と類似の形で示される。当然ながら、この交換工程は、モジュール２００ｃが図１５に示すようにバックプレーン・コネクタ２０８および２０９によってバックプレーン３０５のバックプレーン・コネクタ３０８および３０９（図１５）にはめ込まれ電気接続したときに完了する。したがって、図１６において、モジュール２００ｃは、スロット３０４ｃ内にスライドしてそのスロットを占有していた前の現場交換可能なモジュールと置き換わるか、スロット３０４ｃからスライドして出て別の現場交換可能なモジュールと取り替えられる。スライド動作の間、モジュール２００ｃは、シャーシ内に取り付けられず、したがってバックプレーン３０５に接続されない。
【００５８】
前述の説明および例示的な図から、図１３、図１４、図１５および図１６に示した実施形態は、次の利点を提供することを理解されよう。第１に、現場交換可能なモジュール２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃが、完全に独立型である。モジュールとシャーシの間に液体結合がなく、したがって、モジュール交換の際に、液体導管を切り離す必要はない。これは、大きいシステムあるいは「常時」稼働を実現するために冗長性を必要とするシステムにおいて重要なモジュールの「ホット・スワップ」（すなわち、電力がオンでシステムが動作中のモジュールの交換）を容易にする。第２に、蓋２０２は、プリント回路基板２０４全体を封止し、それによりＥＭＩをモジュール自体に閉じ込め、スロット間（またはモジュール間）のＥＭＩを防ぐ。従来、これは、シャーシ・レベルでのみ達成されていた。
【００５９】
以上のように、本発明のモジュールは、ヒートシンクと低い熱抵抗で接触するように適合され、接触を確実にするために境界圧力を必要とせず、位置ずれを許容することができる。また製造しやすさ、保守しやすさ、および現場での交換しやすさを提供する。本発明は、特許請求の範囲内で、実施形態において具体的に示し例示したものと異なる状況で実施することができる。
【００６０】
本発明を例示的な実施形態に関して説明したが、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく例示的な実施形態に対して様々な変更および修正を行うことができることを当業者は理解されよう。本発明の範囲が、例示的な実施形態にいかなる形でも制限されず、本発明が、併記の特許請求の範囲によってのみ制限されることを了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の現場交換可能なモジュールの斜視図である。
【図２】  本発明による現場交換可能なモジュールの第１の実施形態の断面を示し、図１のＩ−Ｉ線による断面に相当する拡大図である。
【図３】  本発明による現場交換可能なモジュールの第１の実施形態の平面図である。
【図４】  本発明による現場交換可能なモジュールの第１の実施形態の分解斜視図である。
【図５】  本発明による現場交換可能なモジュールの第２の実施形態の図２と同様の断面図である。
【図６】  本発明による現場交換可能なモジュールの第２の実施形態の平面図である。
【図７】  本発明のスライド式構造の態様を示す実施形態の斜視図である。
【図８】  本発明のスライド式構造の態様を示す実施形態の斜視図である。
【図９】  図８の部分的拡大図である。
【図１０】  蓋に対して冷却板の位置ずれが生じた後の、図９に対応する部分的拡大図である。
【図１１】  図９の分解斜視図である。
【図１２】  本発明のモジュールの別の実施形態を示す斜視図である。
【図１３】  本発明の蓋の別の実施形態の斜視図である。
【図１４】  図１３に示した実施形態の断面図である。
【図１５】  バックプレーンに本発明のスライド式構造のモジュールを取付けた態様を示す斜視図である。
【図１６】  本発明の複数の現場交換可能なモジュールを収容した独立型でホットスワップ可能な態様を示す本発明のシャーシの斜視図である。
【符号の説明】
１００，２００  現場交換可能なモジュール
１０１，２０１  電子構成要素
１０２，２０２  蓋
１０２ａ，１１２  冷却板
１０３，１１４，２０３，２１４  指状部材
１０４，２０４  プリント回路基板
１０５  噴霧ノズル
１１０，２１０  キャビティ
１１１，１１２，２１１  ヒートシンク
１２２  噴霧ポンプ
１２３，１２４  流体導管
１２５  流路（液体流路）
１３０，２３０  境界改善材料（熱伝達機構）
２０８，２０９  コネクタ（モジュール電気コネクタ）
３００  シャーシ
３０５  バックプレーン（電気バックプレーン）
３０８，３０９  コネクタ（バックプレーン電気コネクタ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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