JP2005012212A - 電子部品から熱を除去するフィン付き装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冗長ファンのいずれかが故障によって停止しても、電子部品を効率よく冷却する。
【解決手段】
電子機器から熱を取り除く装置（２００）は、電子機器に連結されてそこから熱を伝達するヒートシンク（２１４）によって構成される。ヒートシンク（２１４）に連結されたフィン付き付属品（２１５）は、熱を流体媒体に伝達することができる。フィンは、フィンに流入するいくつかの流体媒体のフローストリームに対して一定の角度を持っている。フローストリームは各々固有の方向に沿って流れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器を冷却する分野に関する。具体的には、本発明は、電子部品から熱を除去するフィン付き装置に関する。

マイクロプロセッサ、集積回路、および電子部品などの電子機器は作動中に熱を生じる。電子機器の特性および／または生じた熱の量によっては、この熱を機器から除去しなければならないことがある。このような機器から熱を除去しなければ、動作特性が悪化する可能性がある。動作特性が悪化すると、これらの電子機器を組み込むシステムに障害を引き起こす可能性がある。場合によっては、熱を十分に除去しないと、機器の故障につながる可能性がある。このような問題は、厄介であり、かつコストがかかる。

上記のような問題が生じないようにするために、電子部品には、冷却機能を設けることができる。電子部品を冷却するための１つの手段として、ヒートシンクが挙げられる。ヒートシンクは、電子機器から熱を除去するために長年電子機器に取り付けられてきた。ヒートシンクは、銅またはアルミニウムのような金属などの熱伝導性物質の塊から構成されている。ヒートシンクは、冷却される電子機器の上部またはその他の表面に取り付けられる。電子機器の内部で生じた熱は、熱伝導によってヒートシンクに伝達される。その後、熱は、主に対流によってヒートシンクから放出される。熱のいくらかは、自然放熱によって除去することもできる。

ヒートシンクからの対流熱伝達を促進させるために、ヒートシンクによっては、上面に複数のフィンを含むように設計されているものもある。熱は、ヒートシンクを通してフィンまで伝導される。この場合、熱はヒートシンクから放熱によって除去される。フィンもまた放熱する。図１の従来技術に示されるように、フィンは、多数の平面形状の付属物によって構成されており、この付属物はヒートシンクの表面にわたって互いに平行で、かつヒートシンクの表面を横断する空気の流れに対して平行に延びている。フィンはまた、ピン、杭またはヒートシンクの表面から隆起して同様に構成された付属物を含むことができる。フィンを介したヒートシンクからの熱放出は、フィンの表面積に比例する。

冷却されている電子機器を一部に含む部品またはシステムのハウジングの内部を充填する空気（または別のガス）は、フィンからの対流熱伝達用の媒体として機能するので、機器の冷却を促進させるのに役立つ。対流は、通常、機器の冷却のかなりの部分を担っている。対流熱放出は、加熱された表面にわたる冷却媒体の質量流量に比例する。したがって、対流冷却は、フィンにわたって流体の流れを供給あるいは増加させることによってより効果的になされることができる。流量は、ファンなどの機械式換気部品を用いることによって増加されることができる。

電子機器によっては、ピン状のフィンを有するヒートシンクと一体的に取り付けられた専用の冷却ファンが取り付けられているものもある。熱を発生する多数の電子部品を組み込む可能性のあるコンピュータおよびサーバなどの電子システムは、ファンで空気を送り込むことによって冷却媒体を供給している。システムの内部に空気を吹き込むことによって、その中の部品から生じた熱が除去される。この熱によって暖められた空気がシステムから離れるとき、その空気は、システムが作動している部屋または他の環境にその熱を運ぶ。この熱は、外部ファンによってさらに放散されるか、または空調および換気などによって除去されることもある。

エンタープライズサーバおよび他のビジネスに不可欠なシステムなどのいくつかの電子システムでは、運用上の信頼性は、決定的な条件ではないが、重要な条件である。運用上の信頼性が必要な場合、電子装置の冷却は、重要な機能であるので、複数のファンが冗長性のために用いられる。従来技術の図１に示されるように、冗長ファン１１および１２は、従来より、通常の動作中第１のファン１１がその空気を第２のファン１２の吸込み部に噴射するように、同軸上に取り付けられている。この構成によって、一方向からヒートシンク１４に対してフィン１５に平行に、強制対流によって電子装置を冷却するのに十分な空気流１６が供給される。

単一のファン１１または１２の噴射の出力量、圧力、および質量流量は、装置を十分に冷却するように設計されている。したがって、ファン１１および１２は、冗長化されており、ファン１１が故障した場合には、ファン１２で十分であり、ファン１２が故障した場合には、ファン１１で十分である。しかし、電子機器の冷却において用いられるファンにとっての頻繁な故障は、軸受の故障である。通常、このような軸受の故障は、軸受が急に動かなくなったときに発生し、これにより、ファンの回転が停止する可能性がある（またはまず遅くなってから停止する）。ファン１１および１２のブレード２０は、フェザリングすることなくピッチを保持する。したがって、いずれかのファンが、軸受が急に動かなくなって停止する場合、停止したファンのブレード２０は、気流内で静止し、冗長ファンからの空気流を空気力学的に妨げる可能性がある。

このような場合、冗長ファンは、空気の噴射量が設計された空気の噴射量よりも少なくなる可能性があり、それにより空気流１５は、両作動ファンの設計噴射量の半分未満に減る可能性がある。したがって、空気流１５が減ると、電子装置に対して十分な冷却を行うことができず、冗長ファンを設ける目的は妨げられるかまたは無効となり得る。

ピンフィン付きヒートシンクなどの他のヒートシンクの設計により、任意の方向から、または複数の方法からの冷却が可能になる。しかし、ピンフィン付きヒートシンクなどの他のヒートシンクは、熱伝達および圧力損失の両方において、平面形状のフィン付きヒートシンクよりも効率が低い。これらの欠点を避けるために、ヒートシンク以外の電子装置の冷却方法が実施されている。これらの解決策としては、ヒートパイプおよび蒸気チャンバが挙げられる。しかし、ヒートパイプおよび蒸気チャンバは、通常、ヒートシンクに対して高価であり、漏れ障害などの信頼性の問題を有する。

さらに、（冗長ファンを含む）ファンは、熱を除去するためにヒートパイプおよび蒸気チャンバとともに用いられることもあり、これらの代替手段を用いても、冷却の信頼性は問題となったままである場合がある。ヒートシンクまたは代替手段によって部品が冷却されるシステムにさらなるファンを加えると、費用がかかり、システム内に空間および物理的構成の問題が生じる場合がある。これは、電源および回路基板などの部品の配置によって悪化する可能性がある。これら部品は、空気流を制限または阻止し、さらなる熱を加える。したがって、熱を電子装置から除去する従来の解決策は、適用の仕方によっては全く十分というわけではない。

電子部品から熱を除去するための装置が開示されている。この装置は、電子部品に連結し、そこから熱を伝導させるようになっているヒートシンクを備える。フィン付き付属品は、ヒートシンクに連結され、熱を流体媒体に伝達するようになっている。フィンは、フィンに流入する流体媒体の複数のフローストリーム（ｆｌｏｗ ｓｔｒｅａｍ；流れ）に対して一定の角度を持っている。各フローストリームは、各々固有の方向に流れる。

電子部品から熱を除去するためのフィン付き装置が開示される。以下、本発明の実施形態について詳細に言及する。その実施例は添付図面において例示される。本発明はこれらの実施形態に関連して説明されるが、本発明をこれらの実施形態に限定するものではない。逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲内に含まれ得る代替、変更、および等価物を網羅するものとする。さらに、本発明の以下の詳細な説明では、いくつかの具体的な詳細が、本発明を理解するために提示される。しかし、当業者には明白なように、本発明は、これらの具体的な詳細がなくても実施され得る。他の例では、既知の方法、手法、および部品は、本発明の態様を不必要に曖昧にしない程度に説明されている。

電子部品から熱を除去するための装置が開示される。この装置は、電子部品に連結し、そこから熱を伝導させるようになっているヒートシンクを備える。フィン付き付属品は、ヒートシンクに連結され、熱を流体媒体に伝達するようになっている。フィンは、フィンにわたって流体媒体の複数のフローストリームに対して一定の角度を持っている。各フローストリームは、各々固有の方向に流れる。１つの実施形態では、フィン付き付属品を含むフィンは、形状が平面（ｐｌａｎｏ−ｌｅｎｅａｒ）形状であり、互いに平行であるが、冷却流体媒体のいくつかのフローストリームに対して一定の角度を持っている。

１つの実施形態では、フィン付き付属品を含むフィンは、湾曲し、冷却媒体のフローストリームの方向を段階的に変更する。１つの実施形態は、噴射によってフローストリームを発生させる一対のファンを用い、そのファンは、その噴射がフィン付き付属品に接近して、互いに直交するように取り付けられている。他の実施形態は、その噴射が、フィン付き付属品に接近して、互いに鋭角を形成するように取り付けられたファンを用いる。平面形状のフィンを用いる１つのこのような実施形態では、フィンは、フィン付き付属品に接近するフローストリームに対して鈍角に向いている。

本発明の実施形態は、電子部品を複数の方向から冷却する。たとえば、ファンで吹き込まれた空気などの冷却媒体の２つのフローストリームは、それぞれ、異なる角度から、フィン付き付属品を有する電子部品のヒートシンクに導かれる。したがって、さらなる冗長化が可能である。なぜなら、２つのファンは、部品を効率的に冷却するように用いることができるからである。すなわち、１つのファンが故障しても、他のファンは、フィン付き付属品にわたって依然として適切な冷却媒体流を供給し、部品から熱を除去する。従来の典型的な同軸に配置された冷却ファンは、非同軸上に取り付けられたファンのために不要になる可能性がある。これにより、従来のように、１つのファンが、急に動かなくなったファンの空気力学抵抗を克服する必要性を有利に排除しならが、さらに効率的なＮ＋１冷却が可能になり、冗長性を促進して、単一のファンが急に動かなくなった場合の冷却障害を防止する。

以下に示される本発明の実施形態の詳細な説明の特定の部分は、プロセス（たとえば、図５のプロセス５００などの方法）に関して提示されている。具体的なステップは、これらのプロセスおよび方法の動作を記載する本明細書中の図面に開示されているが、このようなステップは例示的である。すなわち、本発明の実施形態は、本明細書中の図面のフローチャートに記載されている他の様々なステップまたはステップの変形を実施するのに十分適している。

本発明の実施形態は、主として電子部品から熱を除去するためのフィン付き装置について論じられる。図２に示すように、本発明の１つの実施形態によるフィン付き付属品２１５を有するヒートシンクに連結された電子デバイスのための冷却構成２００が示される。図２に示されるように、ヒートシンク２１４のフィン２１５は、形状がほぼ平面形状であり、互いに平行である。図２は、フィン２１５を真上から見た様子を示しているが、冷却構成２００は、システム、筐体、または回路基板もしくは他の構造に任意の向きで取り付けられ、それによりフィン２１５の上面は、システムなどに対して任意の位置（たとえば、上、下、横向き等）で方向付けされることが理解できる。

ファン２１１および２１２は、空気などの任意の気体流体である冷却媒体を移動させる。本実施形態では、ファン２１１および２１２は、その噴射が、冷却媒体の流れ２１６および２１８を形成するように取り付けられており、その流れ２１６および２１８は互いにほぼ直交する方向からフィン２１５にそれぞれ接近する。フローストリーム２１６および２１８が、冷却フィン２１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、フローストリームを構成する空気は暖められ、強制対流によって熱をヒートシンク２１４から除去する。

フローストリーム２１６がフィン２１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、その方向は機械的に変更される。このようにして、暖められたフローストリーム２１７は、フローストリーム２１６の元の流れ方向とは異なる方向にフィン２１５から出る。同様に、フローストリーム２１８がフィン２１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、その方向も機械的に変更される。このようにして、暖められたフローストリーム２１９は、フローストリーム２１８の元の接近方向とは異なる方向にフィン２１５から出る。

ヒートシンク２１４およびフィン付き付属品２１５は、本明細書で論じられる（たとえば、それぞれ図３および図４に示される冷却構成３００、４００を含む）他のヒートシンクおよびフィン付き付属品と同様に、銅またはアルミニウムのような金属、または炭素のような非金属材料などの熱伝導材料の一体化したユニットを構成してもよい。このような一体化したユニットは、押出し、鍛造、打ち抜き等の当該技術分野で既知の任意の技術によって形成され得る。本明細書で論じられる（たとえば、図３および図４に示される冷却構成３００および４００を含む）他の冷却構成のように、冷却構成２００は、運用上の信頼性が決定的な条件ではないが重要な条件である、エンタープライズサーバおよび他のビジネスに不可欠なシステムなどの電子システムに効果的に適用されうる。しかし、これらの冷却構成は、任意の電子サーバにおける電子部品を冷却するために経済的に適用されることができる。その部品のコストは、従来の部品を用いる冷却構成のコストと同様である可能性がある。

冷却媒体を移動させるファンは、図２に示されるように互いに直交する必要はない。図３を参照すると、本発明の１つの実施形態にしたがって、冷却構成３００が示される。有利なことに、このような構成により、より内部の設計および空間的な柔軟性が可能になる。冷却構成３００では、ファン３１１および３１２の噴射によって、互いに鋭角から、冷却される電子部品のヒートシンク３１４に接近する冷却空気３１６および３１７のフローストリームがそれぞれ供給される。フローストリーム３１６および３１７が冷却フィン３１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、フローストリームを構成する空気は暖められ、強制対流によってヒートシンク３１４から熱を除去する。

フローストリーム３１６が、フィン３１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、その方向は機械的に変更される。このように、暖められたフローストリーム３１９は、フローストリーム３１６の元の流れ方向とは異なる方向に、フィン３１５から出る。同様に、フローストリーム３１８がフィン３１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、その方向も機械的に変更される。このように、暖められたフローストリーム３１８は、フローストリーム３１８の元の接近方向とは異なる方向に、フィン３１５から出る。

本発明の１つの実施形態では、フィンは、形状が平面形状ではなく、フィン付き付属品上では互いに平行に固定されていない。これにより、空気流の方向は有利に利用され、ヒートシンクにわたってさらなる空気流を通して、所定の電子部品を冷却することができる。たとえば、図４は冷却構成４００を示す。

冷却構成４００は、本発明の１つの実施形態による、フィン４１５が湾曲したフィン付き付属品を有するヒートシンク４１４を有する。フィン４１５は、２つのセット４２０および４３０にグループ分けされる。各セットでは、フィン４１５が同心円状に配置される。しかし、セット４２０および４３０の湾曲は、互いに対向するような同心円状にある。

ファン４１１および４１２は、空気などの任意の気体流体である冷却媒体を移動させる。本実施形態では、ファン４１１および４１２は、その噴射が、冷却媒体のフローストリーム４１６および４１８をそれぞれ形成するように取り付けられており、その流れは互いにほぼ直交する方向からフィン４１５に接近する。別の実施形態では、ファンは、互いに直交以外の角度に配置されている。有利なことに、このような構成により、より内部の設計および空間的な柔軟性が可能になる。フローストリーム４１６および４１８が冷却フィン４１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、フローストリームを含む空気は、暖められ、強制対流によって熱をヒートシンク４１４から除去する。

フローストリーム４１６がセット４３０を含むフィン４１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、その方向は機械的に変更される。但し、その変更は、平面形状のフィンを有する本明細書に記載される実施形態と比較して段階的に行われる。このように、暖められたフローストリーム４１７は、フローストリーム４１６の元の流れ方向とは異なる方向に、セット４３０を含むフィン４１５から出る。同様に、フローストリーム４１８がセット４２０を含むフィン４１５に衝突し、その間の空間を通って流れると、その方向もまた段階的に機械的に変更される。このように、暖められたフローストリーム４１９は、フローストリーム４１８の元の接近方向とは異なる方向にフィン４１５から出る。

冷却媒体を移動させるファンは、図４に示されるように互いに直交する必要はない。別の実施形態では、ファンは、互いにほぼ直角以外の角度であってよい。有利なことに、このような構成により、より内部的な設計および空間的な柔軟性が可能になる。

図５は、本発明の実施形態による、ヒートシンクのフィン付き付属品を用いる電子部品から熱を除去するためのプロセス５００を示す。プロセス５００は、ステップ５０１で開始し、熱は、電子部品からヒートシンクに伝導される。ステップ５０２では、熱は、ヒートシンクを経てフィン付き付属品に伝導される。

ステップ５０３では、冷却流体（たとえば、空気などのガス）を構成する媒体の複数のフローストリームは、互いに、異なる方向からフィンに導かれる。

ステップ５０４では、各フローストリームの方向は、フィン間のスペース内で変更される。このように、フィンを介してヒートシンクから熱を除去することによって暖められた各フローストリームは、入った方向とは異なる方向へフィンから出て行く。

ステップ５０５では、フローストリームは、冷却されている電子部品を導入しているシステムまたは筐体から外に導かれ、プロセス５００を完了する。空気は、排気ファン、メイン吸気ファンによって供給される正圧、それらの組み合わせ、または当該技術分野で既知の任意の技術によってシステムから外に導かれ得る。有利なことに、本明細書で論じられる他の実施形態（たとえば、図２、図３、および図４にそれぞれ示される冷却構成２００、３００、４００）において説明されるファンによって導かれるフローストリームとともに、システム内の空気流は、前後方向の空気流を促進させることで、効率的な冷却を行うことができる。

このように、本発明の実施形態である電子部品から熱を除去するためのフィン付き装置が説明される。本発明は特定の実施形態において説明されているが、本発明は、このような実施形態によって限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、特許請求の範囲およびその等価物に従って解釈されることを理解すべきである。

二重同軸ファンによって冷却される従来の平面形状のヒートシンクフィン付き付属品を示す図である。 本発明の実施形態による、互いに直角に配置された２つのファンからの直交する空気ストリームによって冷却される角度を有するヒートシンクフィン付き付属品を示す図である。 本発明の実施形態による、互いに直角でない角度に配置された２つのファンからの空気ストリームによって冷却される角度を有するヒートシンクフィン付き付属品を示す図である。 本発明の実施形態による、互いに直角に配置された２つのファンによって冷却される湾曲したヒートシンクフィン付き付属品を示す図である。 本発明の実施形態による、ヒートシンクフィン付き付属品を用いて電子部品から熱を除去するための方法を記載するフローチャートである。

符号の説明

１１、１２ ファン
１４ ヒートシンク
１５ フィン
１６ 空気流
２０ ブレード
２００ 冷却構成
２１１、２１２ ファン
２１４ ヒートシンク
２１５ フィン
２１６〜２１９ フローストリーム
３００ 冷却構成
３１１、３１２ ファン
３１４ ヒートシンク
３１５ フィン
３１６〜３１９ フローストリーム
４００ 冷却構成
４１１、４１２ ファン
４１４ ヒートシンク
４１５ フィン
４１６〜４１９ フローストリーム
４２０、４３０ フィンのセット

Claims (10)

1. 電子部品から熱を除去する装置であって、
   前記電子部品に連結し、前記電子部品から熱を伝導するように構成されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに連結し、熱を流体媒体に伝達するように構成されたフィンを有する付属品とを備え、
   前記フィンは、前記フィンに流入する前記流体媒体の複数のフローストリームに対して一定の角度を持っており、前記複数のフローストリームが各々固有の方向に流れる、
   ことを特徴とする電子部品から熱を除去する装置。
2. 前記フィンは略平面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の電子部品から熱を除去する装置。
3. 前記付属品は、前記ヒートシンクと一体化していることを特徴とする請求項１に記載の電子部品から熱を除去する装置。
4. 前記複数のフローストリームの一部は、その他のフローストリームと略直角をなしていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品から熱を除去する装置。
5. 前記フィンは、前記各フローストリームと略１３５度の角度をなしていることを特徴とする請求項４に記載の電子部品から熱を除去する装置。
6. 前記複数のフローストリームの一部は、その他のフローストリームと鋭角をなしていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品から熱を除去する装置。
7. 前記フィンは、前記各フローストリームと鈍角をなしていることを特徴とする請求項６に記載の電子部品から熱を除去する装置。
8. 前記フィンは、前記固有の方向を変えるように作用することを特徴とする請求項１に記載の電子部品から熱を除去する装置。
9. 電子部品から熱を除去するための装置であって、
   前記電子部品に連結し、前記電子部品から熱を伝導するように構成されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに連結し、熱を流体媒体に伝達するように構成されたフィンを有する付属品とを備え、
   前記フィンは、湾曲しており、前記付属品に向けられる複数のフローストリームのそれぞれのフローストリームの流れの方向を段階的に変えるように働き、前記複数のフローストリームは各々固有の方向に流れる、
   ことを特徴とする電子部品から熱を除去する装置。
10. 前記付属品は、前記ヒートシンクと一体化していることを特徴とする請求項９に記載の電子部品から熱を除去する装置。

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