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特開2024-177156冷却システム、およびアセンブリの冷却方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024177156

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】冷却システム、およびアセンブリの冷却方法

(51)【国際特許分類】

G06F 1/20 20060101AFI20241212BHJP

H05K 7/20 20060101ALI20241212BHJP

H01L 23/473 20060101ALI20241212BHJP

H01L 23/467 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

G06F1/20 C

G06F1/20 B

H05K7/20 N

H05K7/20 H

H01L23/46 Z

H01L23/46 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024093442

(22)【出願日】2024-06-10

(31)【優先権主張番号】63/507,228

(32)【優先日】2023-06-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】591003493

【氏名又は名称】キャリアコーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＣＡＲＲＩＥＲＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤英久

(74)【代理人】

【識別番号】100140361

【弁理士】

【氏名又は名称】山口幸二

(72)【発明者】

【氏名】アリンダムジョアーダー

(72)【発明者】

【氏名】ピーターブッシュネル

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA05

5E322AA11

5E322AB10

5E322BA05

5E322BB03

5E322DA01

5E322DA02

5E322DA04

5E322EA05

5E322FA01

5F136BC03

5F136CA01

5F136CB07

5F136CB08

(57)【要約】

【課題】改良された冷却システムおよび冷却方法を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの発熱電子デバイスを含むアセンブリを冷却するための冷却システムは、少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合されたヒートスプレッダ、及びヒートスプレッダを介して少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された表面を有する熱除去デバイスを含む。熱除去デバイスは、入口領域、及び入口領域に流体的に結合された少なくとも１つの噴流衝突機能を含む。少なくとも１つの噴流衝突機能は、少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された表面に向かって一次冷却流体を導くように配置されている。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの発熱電子デバイスを含むアセンブリを冷却するための冷却システムであって、
前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合されたヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダを介して前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された表面を含む熱除去デバイスであって、前記熱除去デバイスは入口領域及び前記入口領域に流体的に結合された少なくとも１つの噴流衝突機能を含み、前記少なくとも１つの噴流衝突機能は、前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された前記表面に向かって一次冷却流体を導くように配置される、前記熱除去デバイスと、
を備える前記冷却システム。

【請求項2】

前記熱除去デバイスは、出口ヘッダを有する熱交換器を含み、前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された前記表面は前記出口ヘッダ内に配置され、前記一次冷却流体及び二次冷却流体は、前記少なくとも１つの熱交換器内で熱伝達関係に配置される、請求項１に記載の冷却システム。

【請求項3】

前記熱交換器は、
入口ヘッダであって、前記入口領域は前記入口ヘッダによって画定される、前記入口ヘッダと、
前記入口ヘッダと前記出口ヘッダとの間に延在する複数の熱交換管であって、前記少なくとも１つの噴流衝突機能は、前記複数の熱交換管から分離され、流体的に結合されている、前記複数の熱交換管とをさらに備える、請求項２に記載の冷却システム。

【請求項4】

前記熱交換器は、
入口ヘッダであって、前記入口領域は前記入口ヘッダによって画定される、前記入口ヘッダと、
前記入口ヘッダと前記出口ヘッダとの間に延在する複数の熱交換管であって、前記少なくとも１つの噴流衝突機能は、前記複数の熱交換管の少なくとも１つと一体化されている、前記複数の熱交換管とをさらに備える、請求項２に記載の冷却システム。

【請求項5】

前記熱除去デバイスを通して前記二次冷却流体を移動させるように動作可能な流体移動デバイスをさらに備える、先行請求項のいずれか１項に記載の冷却システム。

【請求項6】

前記流体移動デバイスはファンであり、前記二次冷却流体は空気である、請求項５に記載の冷却システム。

【請求項7】

前記熱除去デバイスは、複数の熱交換器をさらに含み、前記複数の熱交換器のそれぞれは、それぞれの発熱電子デバイスに配置され、熱的に結合されている、先行請求項のいずれか１項に記載の冷却システム。

【請求項8】

前記複数の熱交換器の少なくともいくつかは、前記一次冷却流体の流れに対して直列に配置される、請求項７に記載の冷却システム。

【請求項9】

前記複数の熱交換器の少なくともいくつかは、前記一次冷却流体の流れに対して並列に配置される、請求項７に記載の冷却システム。

【請求項10】

前記一次冷却流体の流れに対して前記熱除去デバイスの上流に配置された二次熱交換器をさらに備える、先行請求項のいずれか１項に記載の冷却システム。

【請求項11】

前記二次熱交換器は、前記二次冷却流体の流れに対して前記熱除去デバイスの上流に配置される、請求項１０に記載の冷却システム。

【請求項12】

前記熱除去デバイスに供給される前記一次冷却流体は単相液体である、請求項１に記載の冷却システム。

【請求項13】

少なくとも１つの発熱電子デバイス及び少なくとも１つの周辺発熱デバイスを含むアセンブリの冷却方法であって、
一次冷却流体を介して二次冷却流体を冷却することと、
前記冷却された二次冷却流体を前記少なくとも１つの周辺発熱デバイス上に流すことと、
前記少なくとも１つの発熱電子デバイスを冷却するために、少なくとも１つの噴流衝突機能を介して、前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された熱除去デバイスの表面に前記一次冷却流体を放出することと、
を備える前記方法。

【請求項14】

前記熱除去デバイスは熱交換器であり、前記一次冷却流体を介した前記二次冷却流体の冷却は、前記熱交換器の複数の熱交換管内で行われる、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

流体移動デバイスを介して前記熱交換器に前記二次冷却流体を供給することをさらに備える、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記一次冷却流体を二次熱交換器に供給することをさらに備え、前記二次熱交換器は、前記一次冷却流体の流れに対して前記熱交換器の上流に配置される、請求項１３～１５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項17】

前記二次熱交換器内で前記一次冷却流体を冷却することをさらに備える、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに配置され、熱的に結合された別の熱除去デバイスに前記一次冷却流体を供給することをさらに備え、前記別の熱除去デバイスは前記一次冷却流体の流れに対して前記熱除去デバイスの下流に直列に配置される、請求項１３～１７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項19】

前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに配置され、熱的に結合された別の熱除去デバイスに前記一次冷却流体を供給することをさらに備え、前記別の熱除去デバイスは前記一次冷却流体の流れに対して前記熱除去デバイスと並列に配置される、請求項１３～１８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項20】

少なくとも１つの発熱電子デバイスを含むアセンブリを冷却するための冷却システムであって、前記冷却システムは、
前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された表面を含む熱除去デバイスであって、前記熱除去デバイスは入口領域及び前記入口領域に流体的に結合された少なくとも１つの噴流衝突機能を含み、前記少なくとも１つの噴流衝突機能は、前記少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された前記表面に向かって一次冷却流体を導くように配置される、前記熱除去デバイスを備え、
前記一次冷却流体は、前記入口領域に供給されるときに単相である、前記冷却システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

例示的な実施形態は、熱管理の技術に関し、より詳細には、データセンタ内のサーバの熱管理に関する。

【背景技術】

【0002】

「データセンタ」は、１つまたは複数のサーバの物理的な場所を指す。データセンタ及びデータセンタ内に収容されたサーバは、通常、かなりの量の電力を消費する。既存のサーバは、空気の流れによって少なくとも部分的に冷却されるように設計されている。そのようなサーバは通常、複数の動作可能な発熱デバイスが取り付けられた１つまたは複数のプリント回路基板を含む。プリント回路基板は、通常、外気をデータセンタからエンクロージャ内へ、エンクロージャ内を通り抜けてエンクロージャ外へ導くように構成された通気口を有するエンクロージャ内に収容される。空気は、構成要素によって放散される熱を吸収し、エンクロージャから排出された後、周囲の空気と混合する。次いで、空気調節装置を使用してデータセンタの加熱された空気を冷却し、その空気を再循環させて、冷却プロセスを繰り返す。

【0003】

通常、より高性能のサーバ構成要素は、より多くの電力を消費する。しかし、従来の冷却システムがサーバから除去できる熱量は、データセンタで利用可能な空調の範囲によって部分的に制限される。一般に、データセンタ内の空気温度が低いほど、空気の流れによって冷却される各サーバ構成要素がより高い電力を消費でき、したがって、各サーバはそれに応じてより高いレベルの性能で動作できる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

したがって、本発明の目的は、改良された冷却システムおよび冷却方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態によれば、少なくとも１つの発熱電子デバイスを含むアセンブリを冷却するための冷却システムは、少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合されたヒートスプレッダ、及びヒートスプレッダを介して少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された表面を有する熱除去デバイスを含む。熱除去デバイスは、入口領域、及び入口領域に流体的に結合された少なくとも１つの噴流衝突機能を含む。少なくとも１つの噴流衝突機能は、少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された表面に向かって一次冷却流体を導くように配置されている。

【0006】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、出口ヘッダを有する熱交換器を含む熱除去装デバイスを含み得る。少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された表面は、出口ヘッダ内に配置される。一次冷却流体及び二次冷却流体は、少なくとも１つの熱交換器内で熱伝達関係に配置される。

【0007】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、入口ヘッダを有する熱交換器を含み得、入口領域は入口ヘッダによって画定される。複数の熱交換管が、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延在する。少なくとも１つの噴流衝突機能は、複数の熱交換管から分離され、流体的に結合されている。

【0008】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、入口ヘッダを有する熱交換器を含み得、入口領域は入口ヘッダによって画定される。複数の熱交換管が、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延在する。少なくとも１つの噴流衝突機能は、複数の熱交換管の少なくとも１つと一体化されている。

【0009】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、熱除去デバイスを通して二次冷却流体を移動させるように動作可能な流体移動デバイスを含み得る。

【0010】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、流体移動デバイスがファンであり、二次冷却流体が空気であることを含み得る。

【0011】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、熱除去デバイスが複数の熱交換器を含み、複数の熱交換器のそれぞれが、それぞれの発熱電子デバイスに配置され、熱的に結合されていることを含み得る。

【0012】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、複数の熱交換器の少なくともいくつかが一次冷却流体の流れに対して直列に配置されることを含み得る。

【0013】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、複数の熱交換器の少なくともいくつかが一次冷却流体の流れに対して並列に配置されることを含み得る。

【0014】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、一次冷却流体の流れに対して熱除去デバイスの上流に配置された二次熱交換器を含み得る。

【0015】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、二次冷却流体の流れに対して熱除去デバイスの上流に配置された二次熱交換器を含み得る。

【0016】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、熱除去デバイスに供給される一次冷却流体が単相液体であることを含み得る。

【0017】

一実施形態によれば、少なくとも１つの発熱電子デバイス及び少なくとも１つの周辺発熱デバイスを含むアセンブリを冷却する方法は、一次冷却流体を介して二次冷却流体を冷却すること、冷却された二次冷却流体を少なくとも１つの周辺発熱デバイス上に流すこと、及び少なくとも１つの噴流衝突機能を介して少なくとも１つの発熱電子デバイスに熱的に結合された熱除去デバイスの表面に一次冷却流体を放出し、少なくとも１つの発熱電子デバイスを冷却することを含む。

【0018】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、熱除去デバイスが熱交換器であり、一次冷却流体を介した二次冷却流体の冷却が熱交換器の複数の熱交換管内で行われることを含み得る。

【0019】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、流体移動デバイスを介して熱交換器に二次冷却流体を供給することを含み得る。

【0020】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、一次冷却流体を二次熱交換器に供給することを含み得、二次熱交換器は一次冷却流体の流れに対して熱交換器の上流に配置される。

【0021】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、二次熱交換器内で一次冷却流体を冷却することを含み得る。

【0022】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、少なくとも１つの発熱電子デバイスに配置され、熱的に結合された別の熱除去デバイスに一次冷却流体を供給することを含み得る。別の熱除去デバイスは、一次冷却流体の流れに対して、熱除去デバイスの下流に直列に配置される。

【0023】

本明細書に記載の機能の１つまたは複数に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、少なくとも１つの発熱電子デバイスに配置され、熱的に結合された別の熱除去デバイスに一次冷却流体を供給することを含み得る。別の熱除去デバイスは、一次冷却流体の流れに対して熱除去デバイスと並列に配置される。

【0024】

次の説明は、いかなる意味でも限定的であると解釈されるべきではない。添付の図面を参照すると、同様の要素には同じ番号が付けられている。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】複数のサーバが搭載されたデータセンタラックの正面図である。

【図2】一実施形態による、サーバの斜視図である。

【図3A】一実施形態による、サーバの上面図である。

【図3B】一実施形態による、図３Ａのサーバの断面側面図である。

【図4】一実施形態による、サーバに使用するのに適した冷却システムの熱交換器の断面図である。

【図5】一実施形態による、一体化された流体回路を有するヒートスプレッダの断面図である。

【図6A】一実施形態による、冷却システムの一次冷却流体の回路の概略図である。

【図6B】一実施形態による、冷却システムの一次冷却流体の回路の概略図である。

【図7】一実施形態による、冷却システムの一次冷却流体の回路の一部を示す概略図である。

【図8】別の実施形態による、冷却システムの一次冷却流体の回路の一部を示す概略図である。

【図9】さらに別の実施形態による、冷却システムの一次冷却流体の回路の一部を示す概略図である。

【図10】一実施形態による、サーバに使用するのに適した冷却システムの熱除去デバイスの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

開示される装置及び方法の１つまたは複数の実施形態の詳細な説明が、図面を参照して、限定ではなく、例証として本明細書に提示される。

【0027】

ここで図１を参照すると、データセンタ２０の例が示されている。図示のように、データセンタ２０には、少なくとも１つのスロット、いくつかの実施形態では、複数のスロット（図示せず）が形成されたキャビネット２２が含まれる。本明細書ではサーバ３０とも呼ばれる、１つまたは複数のサーバラックサブアセンブリは、キャビネット２２内に形成された１つまたは複数のスロット内など、キャビネット２２内に恒久的にまたは取り外し可能に取り付けられ得る。複数のスロット、及びその中に受入可能な少なくとも１台のサーバ３０は、概ね垂直方向（図示）に配置され得るか、または、その代わりに、水平方向に配置され得る。いくつかの実施形態では、データセンタ２０には、水平方向のスロットと垂直方向のスロットの両方の組み合わせが含まれ得る。さらに、図には単一のキャビネット２２のみが示されているが、データセンタ２０には複数のキャビネット２２が含まれ得ることを理解されたい。複数のキャビネット２２を含む実施形態では、複数のキャビネット２２が、建物内の同じ場所に配置され得るか、または、その代わりに、キャビネット２２の１つまたは複数が、単一の建物内または複数の建物内の異なる場所に配置され得る。

【0028】

ここで、図２及び図３Ａを参照すると、キャビネット２２のスロット内に受入可能なサーバ３０の例が示されている。図に示すように、サーバ３０は、フレームに取り付けられた少なくとも１つのプリント回路基板３４を有するフレームまたはシャーシ３２を含み得る。図には単一のプリント回路基板３４のみが示されているが、いくつかの実施形態では、シャーシ３２に複数のプリント回路基板が取り付けられ得ることを理解されたい。シャーシ３２は、サーバラックのスロットに挿入可能、例えば、摺動自在に挿入可能であり、キャビネット２２で、またはキャビネット２２によって提供される電源ケーブル、データケーブル、及び／またはその他の接続ケーブルに接続できるように設計されている。

【0029】

シャーシ３２には、プリント回路基板３４に対してある角度で配向され、プリント回路基板３４の周辺の全部または少なくとも一部の周囲に延在する複数の壁３６、３８、３９、及び４０が含まれ得る。一実施形態では、シャーシ３２は、シャーシ３２の周壁３６、３８、４０の１つまたは複数に接続された少なくとも１つの平坦な、概ね平面状のパネルを含む。少なくとも１つのフラットパネル４２は、プリント回路基板３４の第１の側または第２の側のいずれかに配置され得る。図に示すように、サーバ３０が水平方向にある場合、そのようなフラットパネル４２は、プリント回路基板３４の上または下のいずれかに、プリント回路基板３４から垂直にオフセットされ得る。いくつかの実施形態では、図３Ｂに最もよく示されているように、フラットパネル４２はプリント回路基板の上及び下の両方に配置される。一実施形態では、シャーシ３２はフラットパネル４２と組み合わせて、サーバ３０を囲む気密容器を形成する。しかし、サーバ３０の周囲に別個のジャケットまたはコンテナを配置して気密アセンブリを形成する実施形態も本明細書で考慮されている。さらに、周囲との空気交換を伴う実施形態も、周囲の空気がサーバに吸い込まれ、発熱部品から熱が抽出され、次いで、熱管理の有無にかかわらず排出される範囲内である。

【0030】

少なくとも１つの発熱電子デバイス５０がプリント回路基板３４に取り付けられ得るか、または電気的に接続され得る。発熱電子デバイス５０の例には、限定されないが、中央処理装置及び／またはグラフィックス処理装置などのプロセッサ、メモリ、ハードドライブ、及び電源モジュールなどが含まれる。サーバ３０には、プリント回路基板３４に取り付けられていない、または電気的に接続されていない１つまたは複数の構成要素も含まれ得る。サーバ３０に、例えば、中央処理装置などの同じタイプの構成要素が２つ以上含まれる実施形態では、構成要素は、シャーシ３２の側面３６、３８の間に延在する軸に沿って整列され得るか、シャーシ３２の前面と背面との間に延在する軸に沿って整列され得るか、または１つまたは複数の方向に互いにオフセットされ得る。任意の発熱電子デバイス５０は、シャーシ３２内または回路基板３４の周囲の任意の位置に配置され得ることを理解されたい。

【0031】

一実施形態では、１つまたは複数の流体移動デバイス５２がプリント回路基板３４に取り付けられ、発熱電子デバイス５０上に空気などの流体の流れを移動させるように動作可能である。図示の非限定的な実施形態では、少なくとも１つの流体移動デバイスは、サーバ３０がキャビネット２２内に設置されたときに、少なくとも１つのファン５２が、発熱電子デバイス５０よりもキャビネット２２の前面に近い位置に配置されるように、プリント回路基板３４の第１の端部５４の近くに配置されたファン５２である。しかし、１つまたは複数の流体移動デバイス５２が、例えば、プリント回路基板３４またはキャビネット２２の背面に関連付けられたシャーシ３２の第２の端部５６の近くなどの別の適切な位置に配置される実施形態も、本開示の範囲内である。全幅または半幅またはスレッド構成を有するサーバを含む、任意の適切な構成のサーバ３０が本開示の範囲内にあることを理解されたい。

【0032】

一実施形態では、少なくとも１つの流体移動デバイス５２によって移動される流体は、発熱電子デバイス５０上を１回通過するように構成される。例えば、シャーシ３２の前面に隣接する位置からファン５２に冷気が吸い込まれ、発熱電子デバイス５０から熱を除去した後、シャーシ３２の背面から排出され得る。キャビネット２２の背面から排出される空気は、周囲の環境と同じ温度、周囲の環境よりも暖かい、または周囲の環境よりも冷たい場合があることを理解されたい。例えば、シャーシ３２に少なくとも１つのフラットパネル４２が含まれる場合などの他の実施形態では、流体はサーバ３０内で連続的に循環するように構成され得る。例えば、図３Ｂに最もよく示されているように、流体移動デバイス５２は、プリント回路基板３４の第１の表面５８に配置された発熱電子デバイス５０にわたって流体の流れを押し出し得る。プリント回路基板３４の第２の端部５６に到達すると、流体は１つまたは複数の開口部を通過して方向を変え、プリント回路基板３４の第２の反対側の表面６０に沿って２回目の通過を行い得る。プリント回路基板３４の第１の端部５４に到達すると、流体は再び方向を変え、少なくとも１つの流体移動デバイス５２の入口に引き戻され得る。

【0033】

サーバ３０は、発熱電子デバイス５０の１つまたは複数から熱を除去するための冷却システム１００を含み得る。一実施形態では、冷却システム１００は、一次冷却流体Ｃ１を使用して少なくとも１つの発熱電子デバイス５０を冷却するように動作可能である。プリント回路基板３４に搭載され、一次冷却流体Ｃ１を介して直接冷却されないその他の発熱電子デバイス５０は、「周辺」発熱デバイスとみなされ得る。図示の非限定的な実施形態では、選択された発熱電子デバイスは中央処理装置またはグラフィックス処理装置として説明され、少なくとも１つの周辺発熱デバイスはメモリ、ハードドライブ、または電源モジュールなどの他の構成要素を含むものとして説明されているが、サーバ３０の任意の構成要素は、一次冷却流体Ｃ１によって直接冷却される少なくとも１つの選択された発熱電子デバイスとして設計され得、サーバ３０の任意の構成要素は、周辺発熱デバイスとして設計され得ることを理解されたい。

【0034】

一実施形態では、冷却システム１００は、例えば、少なくとも１つの発熱電子デバイスと軸方向に重なり合う関係で取り付けられ、熱的に結合された、熱交換器などの熱除去デバイス１０２を含む。図４に示す冷却システム１００の断面図を参照すると、熱交換器１０２は、入口ヘッダ１０６と出口ヘッダ１０８との間に延在する複数のほぼ平行なマイクロチャネル熱交換器管１０４を有するマイクロチャネル熱交換器などの熱交換器であり得、複数の熱交換器管１０４のそれぞれが複数の流体流路（図示せず）を画定する。しかし、使用可能な他のタイプの熱交換器の例には、限定されないが、マイクロチューブ、二重管、シェルアンドチューブ、チューブアンドフィン、プレート、プレートアンドシェル、断熱シェル、プレートフィン、ピロープレート、及び流体熱交換器が含まれ得る。選択される熱交換器１０２のタイプは、少なくとも部分的には、そこに供給される流体のタイプに基づいて決まり得る。

【0035】

一次冷却流体Ｃ１及び二次冷却流体Ｃ２は、熱交換器１０２において熱伝達関係に配置される。図４に示す非限定的な実施形態では、熱交換器１０２は、一次冷却流体Ｃ１及び二次冷却流体Ｃ２の両方のための単一の経路構成を有する。しかし、他の実施形態では、一次冷却流体Ｃ１及び二次冷却流体Ｃ２の少なくとも１つが熱交換器１０２を複数回通過し得る。さらに、一次冷却流体Ｃ１及び二次冷却流体Ｃ２は、熱交換器において、クロスフロー、パラレルフロー、カウンターフロー、またはそれらの任意の組み合わせなど、任意の適切なフロー構成で配置され得る。

【0036】

一実施形態では、ノズル、噴出口、または口、穴、または開口部などの少なくとも１つの噴流衝突機能がプレート１１０に形成され、いくつかの実施形態では、複数の噴流衝突機能１１０が出口ヘッダ１０８内に配置され、各ノズル１１０が、１つまたは複数の熱交換器管１０４の少なくとも１つの流体流路に流体結合される。噴流衝突機能１１０の出口端は、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０に熱的に結合された出口ヘッダ１０８の表面、例えば、出口ヘッダ１０８の底面に向けられる。１つまたは複数の噴流衝突機能１１０は、本明細書では熱交換管１０４とは別個のものとして図示され説明されているが、一実施形態では、熱交換管１０４の出口端は、１つまたは複数の噴流衝突機能１１０がそれと一体となるように輪郭が付けられ得る。噴流衝突構成は、自由表面タイプ、または浸漬タイプ、または限定浸漬タイプであり得る。さらに、噴流衝突機能１１０から放出される噴出は、円形、多角形、星形などの断面の任意の幾何学的形状であり得る。

【0037】

いくつかの実施形態では、熱交換器１０２は、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０の表面に直接結合される。しかし、他の実施形態では、図４に示すように、熱交換器１０２は、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０に間接的に結合される。サーバアプリケーションでは、利用可能な発熱電子デバイス（すなわち、ＣＰＵ、ＧＰＵなど）の表面積は非常に小さい。そのような発熱デバイス５０から放散される熱量は通常非常に大きいため、熱除去デバイスとの界面を形成するために利用可能な表面積は、発熱電子デバイスの冷却需要を満たすのに十分ではない。したがって、図示の非限定的な実施形態では、例えば、金属薄板のような導電性材料から形成されるようなヒートスプレッダ１２０が、選択された発熱電子デバイス５０に隣接するプリント回路基板３４に取り付けられる。ヒートスプレッダ１２０は、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０及びプリント回路基板３４の両方に軸方向に重なり合うように示されているが、ヒートスプレッダ１２０が少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０に対して別の位置に配置される実施形態も本明細書で考慮されている。

【0038】

少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０からヒートスプレッダ１２０への熱の伝達を容易にするために、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイスの表面１２４とヒートスプレッダ１２０の隣接する表面１２６との間に熱界面材料１２２を配置し得る。少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０に面するヒートスプレッダ１２０の表面１２６の表面積は、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０の表面１２４の表面積よりも大きくても、等しくてもよいし、または、実施形態によっては、それよりも小さくてもよい。

【0039】

熱交換器１０２は、ヒートスプレッダ１２０の第２の反対側の表面１２８に熱的に結合されている。一実施形態では、ヒートスプレッダ１２０の第２の反対側の表面１２８は、ヒートスプレッダ１２０から、例えば、一次冷却流体Ｃ１などの熱交換器１０２内の流体への熱の伝達を容易にするために、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０の表面１２４よりも大きい。例えば、ヒートスプレッダ１２０の表面１２８の表面積は、少なくとも１つの選択された発熱性電子デバイス５０の表面１２４の表面積よりも少なくとも３０％大きく、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの選択された発熱性電子デバイス５０の表面１２４よりも少なくとも４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％、または１００％以上大きい。しかし、他の実施形態では、ヒートスプレッダ１２０の第２の表面１２８の表面積は、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０の表面積と同じか、またはそれよりも小さくてもよい。図示の非限定的な実施形態では、出口ヘッダ１０８はヒートスプレッダ１２０に直接隣接して配置され、熱界面材料１３０を介してヒートスプレッダ１２０に熱的に結合され得る。

【0040】

熱交換器１０２の入口ヘッダ１０６は第１の流体入口１３２に流体接続され得、出口ヘッダ１０８は第１の流体出口１３４に流体接続されて、一次冷却流体Ｃ１の第１の流路を形成し得る。動作中、例えば、冷媒などの一次冷却流体Ｃ１は、第１の流体入口１３２から熱交換器１０２の入口ヘッダ１０６に供給される。入口ヘッダ１０６に供給される一次冷却流体Ｃ１は、例えば、低温液体または冷却液体などの単相であり得る。一次冷却流体Ｃ１は、入口ヘッダ１０６から、熱交換器１０２の複数の熱交換管１０４を通って出口ヘッダ１０８に向かって流れる。

【0041】

二次冷却流体Ｃ２は、隣接する熱交換器管１０４の間に画定された隙間１３６を通って流れるように構成されている。図示の非限定的な実施形態では、二次冷却流体Ｃ２は、サーバ３０に関連付けられた少なくとも１つの流体移動デバイス５２によって（ページの平面に延在する方向に）移動される空気の流れである。しかし、液体を含む任意の流体は、二次冷却流体として使用され得ることを理解されたい。図示の非限定的な実施形態では、隣接する熱交換器管１０４の間に画定された隙間１３６内に複数のフィンが配置されているが、このようなフィンを含まない実施形態も本明細書で考慮されている。熱交換管１０４の複数の通路内では、二次冷却流体Ｃ２からの熱が一次冷却流体Ｃ１に伝達される。その結果、熱交換器１０２の出口に供給される冷却された二次冷却流体Ｃ２は、サーバ３０の周辺の発熱デバイスの上を流れるように構成され得る。

【0042】

ここで、わずかに温かくなった一次冷却流体Ｃ１の少なくとも一部は、複数の熱交換管１０４から、出口ヘッダ１０８内に配置された１つまたは複数の噴流衝突機能１１０に出力される。一実施形態では、一次冷却流体Ｃ１は、１つまたは複数の噴流衝突機能１１０に供給されるときに単相であり得る。噴流衝突機能１１０内では、一次冷却流体Ｃ１の流量が増加し、その結果、一次冷却流体Ｃ１が、選択された発熱電子デバイス５０と垂直に整列した出口ヘッダ１０８の表面にある噴流衝突機能の出口から排出される。少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０からヒートスプレッダ１２０の第１の表面１２６に伝達された熱の少なくとも一部は、ヒートスプレッダ１２０の第２の表面１２８から一次冷却流体Ｃ１に伝達される。一次冷却流体Ｃ１が出口ヘッダ１０８の表面に連続的に衝突することにより、出口ヘッダ１０８の表面から一次冷却流体Ｃ１に熱が伝達され、それによって、選択された少なくとも１つの発熱電子デバイス５０が冷却される。出口マニホールドの表面と接触した後、結果として生じたより温かい一次冷却流体Ｃ１は、熱交換器１０２の出口ヘッダ１０８から出て、第１の流体出口１３４に向かって流れる。

【0043】

図４に最もよく示されているように、熱交換器１０２との間の一次冷却流体Ｃ１の流れを制御するために、少なくとも１つの弁が第１の流体入口１３２及び／または第１の流体出口１３４内に配置され得る。一実施形態では、弁（複数可）Ｖの位置、したがって、熱交換器１０２を通る流量は、熱交換器１０２における熱負荷に基づいて能動的に管理される。図示の非限定的な実施形態では、第１のセンサはヒートスプレッダ１２０の温度を監視するように動作可能であり、第２のセンサは出口ヘッダ１０８における一次冷却流体Ｃ１の温度を監視するように動作可能である。少なくとも１つのセンサＴは、温度を直接測定するように動作可能であり得るか、または温度と相関する、またはそこから温度を導出するために使用できる別のパラメータを監視するように構成され得る。

【0044】

一実施形態では、冷却システム１００のヒートスプレッダ１２０は、内部流体回路を有する冷却プレートである。ヒートスプレッダ１２０の内部流体回路２００の一例が、図５に示すヒートスプレッダの断面図に示されている。図示のように、流体回路２００には、ヒートスプレッダ１２０の本体に形成された流体入口２０２及び流体出口２０４が含まれている。流体入口２０２及び流体出口２０４は、深さ方向（例えば、添付の図のＺ－Ｘ平面）での、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、または任意の単純な多角形またはその一部の形状などを含む、任意の形状にできる。また、一実施形態では、流体出口２０４は流体入口２０２に比べてはるかに大きな直径を有し得、それによって、流体出口２０４を通過する冷却媒体の圧力降下を低減するのに役立つ。

【0045】

一実施形態では、流体回路は、流体入口２０２と流体出口２０４との間に延在する単一の連続流路を含む。しかし、他の実施形態では、流体回路２００は、第１のマニホールドまたは入口マニホールド２０６、第２のマニホールドまたは出口マニホールド２０８、及び第１のマニホールド２０６と第２のマニホールド２０８を接続する少なくとも１つの流体通路２１０を含む。一実施形態では、少なくとも１つの流体通路２１０は複数の流体通路２１０を含む。流体入口２０２は、任意の適切な機械的接続を使用して、第３の冷却媒体Ｃ３の供給源を入口マニホールド２０６に接続するように構成され得る。第３の冷却媒体Ｃ３は、一次冷却流体Ｃ１または二次冷却流体Ｃ２のいずれかと同じであってもよく、あるいはそれらとは別個であっても異なっていてもよい。

【0046】

一実施形態では、流体回路２００の１つまたは複数の流体通路２１０は、発熱電子モジュールと直接整列するか、または重なり合う配置になっているヒートスプレッダの領域においてなど、熱流束が最も大きいヒートスプレッダの領域で局所的な冷却を実行するように配置され得る。したがって、少なくとも１つの流体通路２１０は、発熱電子モジュール５０と関連付けられ得る。ヒートスプレッダが複数の発熱電子モジュールに関連付けられている実施形態では、１つまたは複数の流体通路２１０が、それぞれの発熱電子モジュールに関連付けられ、それぞれの発熱電子モジュールから熱を除去するように構成され得る。より具体的には、それぞれの発熱電子モジュール５０に関連付けられた少なくとも１つの流体通路２１０は、発熱電子モジュール５０と整列してヒートスプレッダ１２０内に物理的に配置され得る。ヒートスプレッダ１２０内に流体回路２００を含めると、冷却システム１００の熱除去デバイス１０２のサイズを縮小し得る。

【0047】

ここで図６Ａを参照すると、冷却システム１００の一次冷却流体Ｃ１の回路１５０の例が示されている。図示の非限定的な実施形態では、冷却システム１００の一次冷却流体Ｃ１の回路１５０は閉ループであり、それを通して一次冷却流体Ｃ１を移動させるためのポンプ１５２を含む。フィルタ１５４は、対応する発熱電子デバイス５０を直接冷却するように配置された少なくとも１つの熱除去デバイス１０２の上流に配置され得る。１つまたは複数の熱除去デバイス１０２の下流には、一次冷却流体Ｃ１から熱を除去するように構成された冷却熱交換器１５６がある。回路１５０には、さらに、余剰の一次冷却流体Ｃ１が貯蔵されるリザーバまたはアキュムレータ１５８が含まれ得る。図示のように、回路１５０は、熱除去デバイス１０２（ＶＣ１）のすぐ上流、熱交換器１０２（ＶＣ２）のすぐ下流に配置され、冷却熱交換器１５６（ＶＣ３）をバイパスするためのバイパス導管１６０と関連付けられ、熱除去デバイス１０２及び冷却熱交換器１５６（ＶＣ４）の両方をバイパスするための別のバイパス導管１６２と関連付けられるような複数の弁を含み得る。

【0048】

ここで図６Ｂを参照すると、図６Ａの回路に類似した別の回路が示されている。しかし、図６Ｂに示す回路は、一次冷却流体Ｃ１の流れに対して直列に配置された複数の熱交換器１０２を含む。流体移動デバイス５２は、それぞれの熱除去デバイス１０２に関連付けられているように図式的に示されている。一実施形態では、各熱除去デバイス１０２は、すべての流体移動デバイス５２から二次冷却流体Ｃ２の流れを受け入れるように構成されていることを理解されたい。しかし、各熱除去デバイス１０２が流体的に結合され、それぞれの流体移動デバイス５２から二次冷却流体Ｃ２の流れを受け入れるように構成されている実施形態も本明細書で考慮されている。

【0049】

図７～図９を参照すると、いくつかの実施形態では、冷却システム１００は、各々がそれぞれの発熱電子デバイス５０を直接冷却するように配置した複数の熱除去デバイス１０２を含み得ることが理解されよう。そのような実施形態では、一次冷却流体Ｃ１は、任意の適切な方法で複数の熱除去デバイス１０２に流れ得る。例えば、図７に示すように、複数の熱交換器１０２のそれぞれは、第１の流体入口１３２と第１の流体出口１３４との間の一次冷却流体Ｃ１の流れに対して並列に流体接続され得る。図８に示す別の実施形態では、複数の熱除去デバイス１０２は、第１の流体入口１３２と第１の流体出口１３４との間の一次冷却流体Ｃ１の流れに対して直列に流体接続され得る。さらに別の実施形態では、複数の熱除去デバイス１０２は、第１の流体入口１３２と第１の流体出口１３４との間の一次冷却流体Ｃ１の流れに対して並列及び直列の両方で流体接続され得る。図示のように、第１の流体入口１３２と第１の流体出口１３４との間には複数の流路が延在しており、流路の少なくとも１つ、いくつかの実施形態では、各流路は、複数の熱交換器１０２を含む。

【0050】

図７～図９に示すように、一実施形態では、冷却システム１００は、例えば、二次冷却流体Ｃ２などの別の媒体を調整または冷却するために使用される二次熱交換器１７０をさらに含む。二次熱交換器１７０は、シャーシ３２及び／またはプリント回路基板３４に取り付けられ得、選択された１つまたは複数の発熱電子デバイス５０及び１つまたは複数の周辺発熱デバイスの両方から離れた場所に配置される。図示の非限定的な実施形態では、二次熱交換器１７０は、一次冷却流体Ｃ１の流れに対して、いくつかの実施形態では、二次冷却流体Ｃ２の流れに対して、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０と重なり合う配置で取り付けられた少なくとも１つの熱除去デバイス１０２の上流に配置される。例えば、二次熱交換器１７０は、プリント回路基板３４の第１の端５４の近く、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０と少なくとも１つのファン５２との間の位置に取り付けられ得る。しかし、二次熱交換器１７０が別の場所に配置される実施形態も本明細書で考慮されている。

【0051】

二次熱交換器１７０は、任意の適切なタイプの熱交換器であり得る。一実施形態では、二次熱交換器１７０は、それぞれが複数の流体流路（図示せず）を画定する、複数の実質的に平行なマイクロチャネル熱交換管を有するマイクロチャネル熱交換器である。しかし、使用可能な他のタイプの熱交換器の例には、限定されないが、マイクロチューブ、二重管、シェルアンドチューブ、チューブアンドフィン、プレート、プレートアンドシェル、断熱シェル、プレートフィン、ピロープレート、及び流体熱交換器が含まれ得る。

【0052】

図示の非限定的な実施形態では、二次熱交換器１７０は、一次冷却流体Ｃ１の流路を画定する一次入口１７２及び一次出口１７４、及び二次冷却流体Ｃ２の流路を画定する二次入口１７６及び二次出口１７８を有する。一次冷却流体Ｃ１及び二次冷却流体Ｃ２は、それぞれ二次熱交換器１７０を１回通過し得る。しかし、他の実施形態では、一次冷却流体Ｃ１及び二次冷却流体Ｃ２の少なくとも１つが熱交換器１０２を複数回通過し得る。さらに、一次冷却流体Ｃ１及び二次冷却流体Ｃ２は、熱交換器において、クロスフロー、パラレルフロー、カウンターフロー、またはそれらの任意の組み合わせなど、任意の適切なフロー構成で配置され得る。

【0053】

一実施形態では、二次熱交換器１７０は冷却コイルとして構成され、二次熱交換器１７０に供給される一次冷却流体Ｃ１は二次冷却流体Ｃ２から熱を吸収するように構成される。動作中、少なくとも１つのファン５２は、例えば周囲の空気などの二次冷却流体Ｃ２の流れを二次熱交換器１７０に供給する。二次熱交換器１７０内では、低温または冷却一次冷却流体Ｃ１が二次冷却流体Ｃ２から熱を吸収する。一次入口１７２及び一次出口１７４の両方における一次冷却流体Ｃ１は、例えば、液体などの単相であり得、その結果、熱交換器１０２に供給される一次冷却流体Ｃ１は、単相であり、選択された１つまたは複数の発熱電子デバイス５０から熱を吸収できる温度である。二次熱交換器１７０の出口１７８から出力される二次冷却流体Ｃ２は、熱除去デバイス１０２に到達する前に、１つまたは複数の周辺の発熱電子デバイス５０を通過し、したがって、そこから熱を吸収し得ることを理解されたい。

【0054】

複数の発熱デバイスの上流に取り付けられた二次熱交換器１７０を含む冷却システム１００の実施形態では、二次冷却流体Ｃ２の冷却は、熱除去デバイス１０２で実行する必要はない。したがって、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０と重なり合う配置で取り付けられる熱除去デバイス１０２は、熱交換器である必要はない。そのような実施形態では、選択された発熱デバイス５０の冷却は、主に、熱除去デバイス１０２を通る一次冷却流体Ｃ１の流れによって実行され得る。

【0055】

図１０を参照すると、二次熱交換器１７０と組み合わせて冷却システム１００で使用するのに適した別の熱除去デバイス１０２の例が示されている。図示のように、熱除去デバイス１０２は、入口領域３００、及び少なくとも１つの噴流衝突機能３１０、及び、いくつかの実施形態では、入口領域３００に流体結合された複数の噴流衝突機能３１０を含む。本明細書で前述した熱交換器１０２と同様に、噴流衝突機能３１０の出口端は、例えば、熱除去デバイス１０２の底面３１２など、少なくとも１つの選択された発熱電子デバイス５０に熱的に結合された熱除去デバイス１０２の表面に向けられる。噴流衝突構成は、自由表面タイプ、または浸漬タイプ、または限定浸漬タイプであり得る。さらに、噴流衝突機能３１０から放出される噴出流は、円形、多角形、星形などの断面の任意の幾何学的形状であり得る。

【0056】

本明細書に図示及び説明されている冷却システム１００は、発熱部品を冷却するための容易にスケーラブルな解決策を提供する。そのような冷却解決策は、発熱部品から吸収された熱を下流の加熱用途に排出することで、発熱部品の持続可能性及び効率を向上させることができる。さらに、データセンタを含む領域を冷却するための空調負荷も軽減される。冷却システム１００は、既存の単相液体冷却システムに比べてコストが削減され得る。

【0057】

「約」という用語は、出願時に利用可能である器具による特定の量の測定に関連付けられた誤差の程度を含むことが意図されている。

【0058】

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明する目的のみであり、本開示を限定するようには意図されていない。本明細書で使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が別途明らかに示さない限り、複数形も含むことを意図する。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用されるとき、述べられる特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素及び／またはそれらのグループの存在または追加を排除する訳ではないことがさらに理解されよう。

【0059】

本開示は例示の１つまたは複数の実施形態を参照して説明されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の変更が行われてもよく、また均等物がその要素の代わりをする場合もあることは当業者によって理解されるであろう。加えて、本開示の必須の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本開示の教示に適合させるために多くの修正が行われる場合もある。したがって、本開示は、本開示を実施するために企図された最適な態様として開示される特定の実施形態に限定されるのではなく、本開示は、添付の特許請求の範囲内に収まるすべての実施形態を含むことが意図されている。

【図1】