JP2009532871A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

マイクロスケール冷却装置は、第１の熱源に熱伝導可能に連結された第１の熱交換器を備える。また、冷却装置は、第２の熱源と熱伝導可能に連結された第２の熱交換器と、第１の熱交換器と第２の熱交換器との間の接続とを備える。流体は、第１及び第２の冷却板を流れる。冷却装置は、流体を流す第１のポンプを備える。冷却装置は、更に、第１のラジエータと、第１の熱交換器、第２の熱交換器、第１のポンプ及び第１のラジエータを相互接続するチューブとを備える。幾つかの実施の形態では、チューブは、流体損失を最小化するように設計されている。幾つかの実施の形態は、オプションとして、第１のラジエータから熱を放出する第１のファン及び／又は経時的な流体損失を補償する流体容積補償器を備える。幾つかの実施の形態では、少なくとも１つの熱交換器は、少なくとも１つのマイクロスケール構造を有する。幾つかの実施の形態では、このような冷却装置を用いてマルチデバイス構成の熱源を冷却する冷却方法を提供する。

Description

関連出願

本出願は、米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づき、引用によって本願に援用される、２００６年３月３０日に出願された係属中の米国仮特許出願第６０／７８８，５４５、発明の名称「Multi Chip Cooling」の優先権を主張する。

本発明は、液体冷却に関する。詳しくは、本発明は、マルチデバイス冷却のための方法及び装置に関する。

電子回路のための冷却装置の分野において、現在の半導体チップの冷却では、ファンが取り付けられたヒートシンクと、ヒートパイプとを含む周知の冷却法には、多くの課題がある。例えば、近年の高性能プロセッサは、非常に高い熱消散性能を要求する。しかしながら、従来の冷却法は、多くの制約を有する。ファンが取り付けられたヒートシンクでは、最新のプロセッサを冷却するために十分な速度で空気を移動させることができず、又は電子回路を収納する筐体から熱気を十分に取り除くことができない。一方、ヒートパイプは、消散できる熱量が限られており、更に、熱源から熱を輸送できる距離も限られている。したがって、熱パイプ又はファンが取り付けられたヒートシンクを用いる従来の冷却技術は、素子毎の熱消散要求が１００Ｗを超えることも多い高性能プロセッサ等の最新の電子回路を冷却するには適さない。

更に、マルチプロセッサ（マルチチップ）構成は、特に課題が多い属性を有している。例えば、マルチプロセッサ構成の各プロセッサは、全体としての構成の動作条件に対して、個別に影響を与える。すなわち、デュアルプロセッサ又はマルチプロセッサ構成の各プロセッサは、他のプロセッサが動作する「筐体内」を加熱する。更に、マルチプロセッサ構成は、既に、市場におけるコスト抑制の要求が高い。高価な冷却装置は、有効であったとしても、コストが高すぎたり、冷却されるハードウェアへの変更要求が多すぎたりすると、実用的ではなくなる。

冷却装置は、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、第１と第２の熱交換器との間の接続と、流体と第１のポンプと、第１のラジエータと、第１のファンとチューブとを備える。第１の熱交換器は、第１の熱源に熱伝導可能に連結され、第２の熱交換器は、第２の熱源に熱伝導可能に連結されている。流体は、第１及び第２の熱交換器を流れる。第１のポンプは、流体を流す。第１のファンは、第１のラジエータから熱を放出する。チューブは、第１の熱交換器、第２の熱交換器、第１のポンプ及び第１のラジエータを相互接続する。幾つかの実施の形態では、チューブは、流体損失を最小化するように設計されている。幾つかの実施の形態では、冷却装置は、更なる熱交換器、例えば、第３の熱交換器を備える。冷却装置は、シャーシの上面の内側に取り付けられる。こうして、第１のファンからの空気が、第１のラジエータ及びシャーシを吹き抜ける。冷却装置は、３５ｄＢ未満の雑音で、最大６００Ｗの熱をシャーシから除去する。

チューブは、好ましくは、冷却装置のための循環冷却ループを形成する。幾つかの実施の形態では、第１の熱交換器は、マイクロスケール冷却板を備え、幾つかの実施の形態では、第１の熱交換器は、マイクロチャネル等のマイクロスケール構造を備える。幾つかの実施の形態では、冷却装置は、流体を僅かな正圧に保ち、及び／又は経時的な流体損失を補う流体容積補償器（volume compensator）を備える。第１のポンプは、通常、機械的ポンプである。

幾つかの実施の形態では、第１の熱交換器及び第２の熱交換器は、直列に接続されるが、他の実施の形態では、第１の熱交換器及び第２の熱交換器は、並列に接続される。更なる実施の形態では、冷却装置は、第２のラジエータ、第２のポンプ及び第２のファンを更に備える。例えば、これらの幾つかの実施の形態では、第２のポンプは、第１のポンプと直列に接続され、及び／又は第２のラジエータは、第１のラジエータと直列に接続される。これに代えて、第２のポンプは、第１のポンプと並列に接続し、及び／又は第２のラジエータは、第１のラジエータと並列に接続してもよい。

幾つかの実施の形態では、冷却装置は、好ましくは、コンピュータシャーシを大幅に変更する必要なく、コンピュータシャーシの上部に配設される冷却装置を備える。これらの幾つかの実施の形態では、冷却装置は、第１のラジエータ、第１のファン及び第１のポンプを収容する。冷却装置は、通常、最大の高さが約１２０ｍｍ、長さ及び幅がコンピュータシャーシの寸法より小さい細くて薄いアセンブリ内に組み込まれる。

幾つかの実施の形態では、第１の熱源は、中央処理装置（central processing unit：ＣＰＵ）からなり、第２の熱源は、グラフィック処理装置（graphics processing unit：ＧＰＵ）からなる。これに代えて、第２の熱源がＣＰＵであってもよい。

幾つかの実施の形態では、冷却装置は、第１の冷却板、第２の冷却板、チューブ、流体、第１のラジエータ、第１のファン、ポンプ及びオプションとしてリザーバを備える。第１の冷却板は、第１のプロセッサ用であり、第２の冷却板は、第２のプロセッサ用である。チューブは、第１及び第２の冷却板を相互接続する。流体は、冷却板及びチューブを流れる。ラジエータは、流体から熱が伝導され、ファンは、第１のラジエータから熱を放出し、リザーバは、流体を保存し、第１のポンプは、チューブ及び冷却板を通して第１のラジエータに流体を流す。

幾つかの実施の形態では、冷却装置は、第３の熱源用の第３の冷却板を更に備える。好ましくは、第１のラジエータ、第１のポンプ及びリザーバは、コンピュータシャーシの上部に配設された冷却装置内に、諸条件を考慮して配置される。幾つかの実施の形態では、冷却装置は、上部排気口及び側部吸気口を備える。

第１及び第２のプロセッサ用の第１及び第２の冷却板は、直列に接続してもよく、これに代えて、第１及び第２のプロセッサ用の第１及び第２の冷却板は、並列に接続してもよい。冷却装置は、構成によって、様々な冷却効率を提供し、例えば、ある場合には、約５００〜６００Ｗの総熱量散逸を実現する。幾つかの実施の形態では、冷却装置の空気排気量は、約５０〜６０立方フィート毎分である。ファンは、通常４０ｄＢ未満、好ましくは、３５ｄＢ未満で動作する。

幾つかの実施の形態では、第１のプロセッサの接合部−周囲熱抵抗（Ｒ_ｊ−ａ）は、約０．３５℃／Ｗである。幾つかの実施の形態では、第２のプロセッサの接合部−周囲熱抵抗（Ｒ_ｊ−ａ）は、約０．３５℃／Ｗである。第２のプロセッサは、多くの場合、第１のプロセッサのダウンストリーム側にある。冷却装置は、幾つかの実施の形態では、第１のプロセッサから約１８５Ｗの熱を消散する。

特定の実施の形態では、第１及び第２のプロセッサは、ＧＰＵを備え、幾つかの実施の形態では、第３のプロセッサは、ＣＰＵである。これらの幾つかの実施の形態では、ＣＰＵ冷却板は、第１及び第２のプロセッサ用の冷却板と直列に接続され、幾つかの実施の形態では、ＣＰＵ冷却板は、第１及び第２のプロセッサ用の冷却板と並列に接続される。幾つかの実施の形態では、第３のプロセッサのケース−周囲熱抵抗は、約０．２０℃／Ｗであり、冷却装置は、これらの実施の形態の第３のプロセッサについて約１６５Ｗの熱を消散する。

幾つかの実施の形態では、第１、第２及び第３の冷却板は、直列に接続される。これに代えて、２つの冷却板を１つの冷却板と直並列に接続してもよい。更なる実施の形態では、冷却板の１つ以上のための第１の冷却ループ及び第２の冷却ループを設ける。幾つかの実施の形態では、第１の冷却板は、第１のＧＰＵのために設計され、第１の冷却板の取付構成は、第１のＧＰＵのためにカスタマイズされる。幾つかの実施の形態では、第３の冷却板は、ＣＰＵのために設計され、第３の冷却板の取付構成は、ＣＰＵのためにカスタマイズされる。

幾つかの実施の形態では、ラジエータは、マイクロチューブとエアフィンとを更に備える。ラジエータの設計は、好ましくは、冷却装置の用途に応じてカスタマイズされる。例えば、ラジエータの設計は、マイクロチューブを通る液体フローの最適化と、１つ以上のエアフィンに亘るエアフローの最適化とのうちの一方又は両方を含む。例えば、流体が液体を含む場合、これらの実施の形態では、液体のフローが最適化される。

本発明に基づく冷却法では、流体を含む熱交換器によって、第１の熱源から熱を回収する。この冷却法では、流体を用いてラジエータに熱を伝達し、ラジエータから熱を消散させ、オプションとして、流体をリザーバに保存する。熱交換器は、通常、第１の熱源に密接するように配置される。

以下では、説明の目的のために多くの詳細事項を開示する。しかしながら、これらの具体的な詳細事項を用いることなく、本発明を実施できることは、当業者にとって明らかである。また、本発明の説明を不要な詳細によって不明瞭にしないために、よく知られている構造及び素子は、ブロックとして示す。

概観
本発明の幾つかの実施の形態は、従来の冷却装置に対して特定の利点を有する循環液体冷却装置を提供する。これらの実施の形態では、熱い半導体素子又は素子の組から、熱を外気に、より効率的に消散させることができる。これらの新規な液体冷却装置の設計は、かなり複雑であり、例えば、空気流量、液体流量、エアフローのための特別なフィンの設計、流体フロー及び／又は熱交換を最適化するカスタム構造の設計等、様々な要素に関して注意する必要がある。ここでは、カスタム構造を、包括的に熱交換器と呼ぶ。幾つかの熱交換器は、例えば、半導体素子及び／又はプロセッサチップ等の特定の熱源に連結されるように設計された冷却板の形式を有する。冷却板は、好ましくは、例えば、熱源上又は熱源を介して流体を流すチャネル等のマイクロスケール及び／又はマクロスケールの部品を備える。幾つかの実施の形態の冷却装置は、一組の熱交換器と連携して複数の熱源を冷却する１つ以上の液体冷却モジュールを更に備える。

例えば、図１は、本発明の幾つかの実施の形態に基づく冷却装置１００を示している。図１に示すように、冷却モジュール１０５は、コンピュータシャーシ１１０の上部に取り付けられている。コンピュータシャーシ１１０には、３つの熱源がある。この具体例では、例示的な熱源は、１つの中央処理装置（central processing unit：ＣＰＵ）１１５及び２つのグラフィック処理装置（graphic processing unit：ＧＰＵ）１２５、１３５を含む半導体素子である。各プロセッサ１１５、１２５、１３５には、それぞれ対応する熱交換器１２０、１３０、１４０が設けられており、熱交換器１２０、１３０、１４０は、好ましくは、プロセッサの上面に連結されている冷却板の形状を有する。なお、例示的な熱交換器１２０、１３０、１４０は、例えば、コンピュータシャーシ内の典型的な熱源である処理ユニット、電圧レギュレータモジュール、コンデンサ、抵抗器、及び他のトランジスタ、容量性及び／又は誘導性電子部品を始めとする他の半導体及び非半導体素子に連結してもよいことは、当業者にとって明らかである。これらの実施の形態では、熱交換器は、好ましくは、特定のアプリケーションにとって、より適切な設計、形状及び／又は形式を有する。

図１に示すようなプロセッサを冷却する用途では、熱交換器（冷却板）１２０、１３０、１４０は、通常、チューブ（図示せず）を用いて、循環路内の冷却モジュール１０５に連結される。冷却用流体は、循環路を通って流れ、加熱された流体を熱交換器１２０、１３０、１４０から搬送し、熱を流体から冷却モジュール１０５に伝達する。冷却モジュール１０５は、通常、コンピュータシャーシ１１０の外の空気に熱を消散する。

冷却モジュール１０５は、吸気及び排気のための通気口と、１つ以上のポンプと、１つ以上のラジエータと、１つ以上のファンとを備える。例えば、図１に示す冷却モジュール１０５は、２つの側部吸気口１４５と、上部排気口１７０と、２つのポンプ１５０、１５５と、２つのラジエータ１６０、１６５とを備える。ポンプ１５０、１５５は、好ましくは、加熱された流体を熱交換器１２０、１３０、１４０からラジエータ１６０、１６５に流す。ポンプ１５０、１５５は、通常、約０．２５〜５．０リットル／分の液体流量を提供する機械的ポンプである。なお、幾つかの実施の形態では、例えば、電気運動ポンプ及び／又は電気浸透流ポンプ等の異なる種類のポンプを用いてもよい。引用によって本願に援用される、２００５年４月１９日に発行された米国特許第６，８８１，０３９Ｂ２号、発明の名称「Micro-Fabricated Electrokinetic Pump」には、異なる種類のポンプがより詳細に開示されている。幾つかの実施の形態では、流体が循環冷却ループを流れると、液圧は、約０．５〜５．０ポンド／平方インチ（pounds per square inch：ＰＳＩ）に低下する。

吸気口１４５及び／又は排気口１７０は、通常、ラジエータから冷却モジュール１０５及びシャーシ１１０の外の空気に熱を放出する１つ以上のファン（図示せず）を備える。ファンは、例えば、直径１２０ｍｍのファン等、直径が大きい低速ファンであることが望ましい。より大きい、低速ファンは、コスト及び／又は性能面で様々な利点があり、例えば、より少ないファンの使用で、より多くの空気を移動させることができ、コストを抑え、消費電力を小さくし、より静かな動作を実現することができる。幾つかの実施の形態では、消費電力が約１３０〜１４０Ｗ未満の１つ又は２つの低コストファンを用いて、約２５〜７５立方フィート／分（cubic feet per minute：ＣＦＭ）の空気流量で、約４０ｄＢ未満、好ましくは、３５ｄＢ未満の騒音で、コンピュータシャーシ内の加熱された空気を換気することができる。

当業者は、図１に示す実施の形態の更なる変形例を想到することができ、例えば、他の種類及び数のポンプを採用した変形例を想到することができる。例えば、ポンプ１５０、１５５は、幾つかの実施の形態では、直列に接続されているが、これらを並列に接続してもよい。図１Ａは、幾つかの実施の形態における２つ以上のポンプ（１５０、１５１、１５５）の直列、並列、直列−並列構成を示している。これらのポンプは、通常、ポンプの直列及び／又は並列構成を用いて特定の体積及び圧力特性について較正された単一のポンピング機構として動作する。これに代えて、幾つかの実施の形態では、単に単一のポンプを使用してもよい。後述するように、図１Ａに示すポンプの直列及び／又は並列構成は、冷却装置の他の部品について採用してもよい。すなわち、幾つかの実施の形態では、熱交換器及び／又はラジエータを直列及び／又は並列に接続する。

例えば、図１Ｂは、幾つかの実施の形態に基づくラジエータの代替の構成を示している。図１Ｂに示すように、幾つかの実施の形態では、ラジエータは、並列に接続された２つ以上のラジエータ要素１６０、１６５を実際に備える。ラジエータ要素１６０、１６５は、通常、個別のフィン及び流体チャネルを有するが、単一のケーシング内に収容される。この特定の構成によって、高い効率性が実現され、例えば、形状要素を小さくでき、コストを廉価にでき、共通の位置による熱放出を行うことができ、更に、これによって、ファンのサイズ及び数を減少させ、及びラジエータから熱を放出するために必要な空気移動の量を低減させることができる。構成にかかわらず、ラジエータ１６０、１６５は、通常、小さく形成することができる。図１Ｃは、例示的なラジエータ１６０を更に詳細に示している。図１Ｃに示すように、ラジエータ１６０は、一組のエアフィン１６１、ポート１６２及びチューブ１６３を備える。これらの要素には、それぞれの寸法の組を有する。本発明に基づく幾つかのラジエータの寸法を以下の表に例示する。

幾つかの実施の形態では、ラジエータ１６０、１６５は、単一のユニットとして、ラジエータにファンを取り付けたファンラジエータである。加熱された流体は、通常、ラジエータ部分のフィンに沿って流れる。そして熱は、ファンによって、フィンの周りに生成されるエアフローによって流体から放出される。ラジエータ及び熱放出については、引用により本願に援用される、２００６年１０月１７日に出願された米国特許出願番号１１／５８２，６５７、発明の名称「Cooling Systems Incorporating Microstructured Heat Exchangers」に詳細に説明されている。

冷却装置１００は、流体容積補償器及び／又はリザーバを備えていてもよい。流体容積補償器は、流体を僅かな正圧に保ち、経時的な流体損失を補う。同様に、幾つかの実施の形態では、チューブは、循環システムからの流体損失を最小化する特徴を有する。流体損失を最小化する例示的なチューブは、引用によって本願に援用される、２００６年１月３０日に出願された米国仮特許出願番号６０／７６３，５６６、発明の名称「TAPED-WRAPED MULTILAYER TUBING AND METHODS MAKING THE SAME」及び２００７年１月２９日に出願された米国特許出願番号１１／６９９，７９５、発明の名称「TAPE-WRAPPED MULTILAYER TUBING AND METHODS MAKING THE SAME」に開示されている。

幾つかの実施の形態では、冷却モジュール１０５は、細く低い輪郭を有するアセンブリに組み込まれる。具体的には、冷却モジュール１０５は、通常、最大の高さが約１２０ｍｍであり、長さ及び幅は、取り付けられるコンピュータシャーシの寸法より小さい。これらの実施の形態における冷却モジュールは、小型に設計されているので、ポンプ、ファン、ラジエータ、流体容積補償器及び／又はリザーバは、通常、冷却モジュール内で空間の節約及び冷却効能に関して効率を最適化するように諸条件を考慮して配置される。

例えば、図１は、冷却モジュール１０５の部品の１つの構成例を示し、図２は、冷却モジュール２０５の部品の他の構成例を示している。詳しくは、図１は、冷気が側部吸気口１４５を介して冷却モジュール１０５に吸気され、横断的に配置されたファン及び／又はラジエータを通るように構成された部品を示す。ファンは、ラジエータの加熱されたフィンに冷気を吹きつけ、冷却モジュール１０５の上部に設けられた排気口１７０を介して外気に排気する。上述のように、加熱された流体は、通常、冷却板１２０、１３０、１４０を流れ、フィンを介して循環し、流体からの熱は、フィンから消散する。

図２は、ファン及びラジエータの代替の構成例を示している。図２に示す構成では、ファンは、単一の大きいラジエータ２６０に対して垂直に取り付けられ、これにより、ファンは、加熱された空気をコンピュータシャーシ２１０から直接排気する。

上述した幾つかの図に示すように、幾つかの実施の形態では、冷却板の形式の複数の熱交換器を有する。図３Ａは、幾つかの実施の形態における熱交換器の詳細を概念的に示している。図３Ａに示すように、冷却板３２０は、熱源、特に熱くなったプロセッサ３１５の表面に直接連結される。冷却板３２０は、冷却用流体を目的位置に送達し、ホットスポットから及び／又は熱源内から熱を取り除くための１つ以上のマイクロスケール及び／又はマクロスケール構造を有する。冷却用流体は、通常、素子の動作中に熱源から熱を除去する。これによって、素子の高速動作及び／又は高消費電力にもかかわらず、素子の温度は、適切な動作範囲内に留まる。

更に、熱交換器３２０の構成及び設計によって、ホットスポットが生じる可能性が低減される。図３Ｂは、特徴形状３２１及び幾つかの寸法を有する熱交換器３２０のための冷却板の設計を示している。この実施の形態では、特徴形状３２１は、高さ（ｈ）、幅（ｗ）及び壁厚（ｔ_ｗａｌｌ）を有する内部のチューブ又はチャネルの形式を有する。更に、図３Ｂに示すように、冷却板は、基板厚さ（ｔ）と全体的な設置面積を有する。上述のように、幾つかの実施の形態は、熱交換器内に流体を流すためのマイクロスケール特徴形状を有し、幾つかの実施の形態は、マクロスケール特徴形状を有し、及び／又は幾つかの実施の形態は、マイクロスケール特徴形状及びマクロスケール特徴形状の組合せを有する。例えば、幾つかの実施の形態は、流体フローの方向、圧力及び／又は量に影響する特徴形状を有する。本明細書では、マイクロスケール特徴形状は、マクロスケール特徴形状より小さい要素を意味する。幾つかの実施の形態において、マクロスケール特徴形状からマイクロスケール特徴形状を区別する寸法は、以下の通りである。

更に、幾つかの実施の形態では、熱源を収容するシャーシ内の動作温度を有利に維持及び／又は低減する。これらの実施の形態は、通常、熱源の数にかかわらず動作し、熱源を収容するシャーシを大幅に変更する必要もない。各熱源及びシャーシの内部を効率的に冷却するために、これらの実施の形態では、冷却モジュールを含む冷却装置の様々な要素を様々な循環流れネットワークに接続する。図４、図５、図６及び図７は、マルチチップ及び／又はマルチデバイス冷却のための幾つかの循環流れネットワークの幾つかの具体例を示している。これらの図に示すように、複数の熱源を冷却するために、第１の熱交換器と第２の熱交換器との間の接続は、第１の熱交換器が第２の熱交換器に直列又は並列に接続されるように組織化される。接続は、チューブを用いて実現される。例えば、図４〜図７は、様々な直列及び／又は並列構成に接続された３個の冷却板タイプの熱交換器を示している。熱交換器は、チューブに接続され、様々な構成を形成し、各種の熱源、例えば、特定の半導体素子である熱源に取り付けられるように特別に適応化されている。

詳しくは、図４は、３つの熱交換器４２０、４３０、４４０がポンプ４５０及びラジエータ４６０と直列に接続されている循環冷却ループを概念的に示している。図４に示すように、ラジエータ４６０は、上述のように、単一のラジエータハウジング内の個別のラジエータ要素の組のための平行な流入ポート及び排出ポートを備える。好ましくは、ラジエータ４６０は、少なくとも５０〜６０立方フィート／分の速度で空気を移動させることができる個別の又は統合されたファンを実装する。図４に示すように、各熱交換器は、特定の熱源、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）及び２つのグラフィック処理装置（ＧＰＵ）に連結され、連結された熱源素子に最適化された冷却を提供する。図４に示す直列型の実施の形態は、フローのバランスをとる必要がないという利点を有する。しかしながら、第１及び第２の熱交換器からダウンストリーム側の熱交換器には、加熱された流体が流されるという短所もある。したがって、ダウンストリーム側の素子に関する冷却性能は、アップストリーム側の素子の影響を受ける。

したがって、幾つかの実施の形態では、連続する熱交換器の各熱源及び／又は各熱源から除去される熱について、典型的な最大の動作温度に基づいて、好ましい順序を判定する。例えばＣＰＵ、ＧＰＵ、電圧レギュレータモジュール（voltage regulator module：ＶＲＭ）の３つの熱源を有するシステム構成の幾つかの実施の形態では、以下のような順序を優先的に選択する。

この表に示すように、最も高い熱で動作できる（耐熱性がある）熱源、この場合、ＶＲＭを、熱回収のための連続した順序の最後に配置し、耐熱性が最も低い熱源であるＣＰＵを最初に配置する。幾つかの実施の形態における熱交換器の好適な順序は、これらの実施の形態の循環冷却ループの冷却効率を最適化する傾向がある。何を最適と考えるかは、通常、構成によって異なる。例えば、この具体例では、最も多くの量のパワーを消費及び／又は消散するＧＰＵは、好ましくは、耐熱性がより低いＣＰＵの後であって、耐熱性がより高いＶＲＭより前の順序の中央に配置する。更に、より高い耐熱性を有し、熱吸収のシーケンスのダウンストリーム側に配置される熱源は、必ずしも、熱回収能力を精密に調整する必要はない。これに代えて、ダウンストリーム側の熱交換器は、耐熱性がより低いアップストリーム側の熱源及び／又はこれらに関連する精密に調整された熱交換器と比べて、より「概略的」又は「マクロ的」冷却構造を有する。

他の具体例として、図５は、２つの直列に接続された熱交換器５３０、５４０を第３の熱交換器５２０に並列に接続した構成を概念的に示している。図５に示すように、２つの直列に接続された熱交換器５３０、５４０は、２つのグラフィックプロセッサに連結され、第３の熱交換器５２０は、中央処理装置に連結される。当分野で周知のように、グラフィックプロセッサ（ＧＰＵ）は、通常、動作時の温度がＣＰＵより高い。したがって、図５に示す実施の形態では、ＧＰＵ冷却パスからＣＰＵ冷却パスを分離し、これにより、ＣＰＵを冷却する流体の温度がＧＰＵを冷却する流体の温度に直接影響しないようにし、及びＧＰＵを冷却する流体の温度がＣＰＵを冷却する流体の温度に直接影響しないようにする。なお、図５に示す構成においても、一方のＧＰＵ熱交換器５４０は、他方のＧＰＵ熱交換器５３０のダウンストリーム側にある。したがって、幾つかの実施の形態では、更に異なる手法で、冷却パスを構成する。

図６は、２つの並列に接続された熱交換器６３０、６４０に熱交換器６２０を直列に接続した循環冷却ループを示す。図６に示すように、直列に接続された熱交換器６２０は、ＣＰＵに連結され、並列に接続された熱交換器６３０、６４０は、ＧＰＵに連結されている。図６に示す実施の形態では、ＣＰＵ熱交換器６２０は、ＧＰＵ熱交換器６３０、６４０のアップストリーム側にある。ＣＰＵは、通常、動作時の温度がＧＰＵより低いため、ＣＰＵ熱交換器６２０を出る流体によって、更にダウンストリーム側のＧＰＵ熱交換器６３０、６４０を冷却することができる。なお、これらの実施の形態においても、上述したように、ダウンストリーム側の熱交換器の冷却特性は、アップストリーム側の熱交換器の影響を受ける。したがって、幾つかの実施の形態では、熱交換器毎に個別の冷却ループを提供する。これらの実施の形態では、更に同様の熱交換器にも並列の構成を提供する。

具体的には、図７は、一方がＧＰＵ冷却のため、他方がＣＰＵ冷却のための２つの個別の循環冷却ループを概念的に示している。図７に示すように、各循環冷却ループは、ポンプ７５０、７５５、ラジエータ７６０、７６５、リザーバ７９０、７９５を備える。（冷却板の形式の）２つの熱交換器７３０、７４０は、第１のループに連結され、１つの熱交換器７２０は、第２のループに連結され、これにより、熱交換器７２０、７３０、７４０は、各ループにおいて個別の冷却を提供する。更に、２つのＧＰＵを含む幾つかの実施の形態では、熱交換器７３０、７４０は、並列に接続され（図示する構成とは異なる。）、２つのＧＰＵに、略等しい温度の冷却された流体を供給する。

幾つかの実施の形態では、マルチデバイスアーキテクチャを冷却する冷却方法を提供する。図８は、これらの幾つかの実施の形態の処理フロー８００の各ステップを示している。図８に示すように、プロセス８００は、ステップ８０５から開始され、ここで、第１の熱源からの熱を第１の熱交換器によって回収する。上述したように、第１の熱交換器は、通常、流体を含み、第１の熱源に密着するように配設されている。好ましくは、第１の熱交換器は、例えば、第１の熱源からの熱伝導を最大化するように流体フローを最適化することによって、第１の熱源のためにカスタマイズされている。このカスタマイズは、例えば、高性能プロセッサ等の特定の素子の熱伝導及び／又は取付構成の最適化を含む。ステップ８０５において、一旦、素子から熱を回収すると、プロセス８００は、ステップ８１０に移行し、熱が流体に伝導される。そしてプロセス８００は、ステップ８１５に移行する。

ステップ８１５では、流体によって熱がラジエータに伝達され、プロセス８００は、ステップ８２０に移行する。ステップ８２０では、ラジエータから熱が消散又は放出され、次に、ステップ８２５において、冷却された流体がシステムを通って循環及び／又は再循環する。プロセス８００は、ステップ８２５の後に終了する。流体の（再）循環は、通常、ポンプを用いて実行される。任意ではあるが、予備の流体をリザーバに保存し、経時的に失われる流体を補償することが好ましい。

動作及び性能
上述した幾つかのプロセッサ構成について、冷却効果のデータを取るために幾つかの実験を行った。例えば、２つのＧＰＵ及び１つのＣＰＵを備える例示的なシステムでは、約５０〜６０立方フィート／分で空気を移動させながら、合計で約５３５Ｗの冷却を達成できた。この実験では、それぞれが、動作時に約１８５Ｗの熱を発生するアップストリーム側及びダウンストリーム側のＧＰＵでは、接合部−周囲熱抵抗（Ｒ_ｊ−ａ）は、約０．３５℃／Ｗであった。また、この実験において、約１６５ＷのＣＰＵでは、ケース−周囲熱抵抗（Ｒ_ｃ−ａ）は、約０．２０〜０．２５℃／Ｗであった。

当分野で周知のように、ＣＰＵは、通常、製造時に半導体ダイの上部に配設されたヒート「スプレッダ」とも呼ばれるケースを備える。したがって、ケース−周囲熱抵抗（Ｒ_ｃ−ａ）は、システムが許容する、ＣＰＵ素子の外の空気に対して、ＣＰＵのケースから測定された熱の最大量を示す。図９は、上述した実験に用いた、冷却のために熱交換器９２０に連結されているこのようなＣＰＵ９１５を示している。図９に示すように、ＣＰＵ９１５は、ダイ及びヒートスプレッダを備え、通常、例えば、プリント基板である基板９１４上に載置されている。ＣＰＵ９１５のヒートスプレッダは、熱伝導材料（Thermal Interface Material：ＴＩＭ）９１６を用いて、熱交換器９２０に熱結合されている。ＴＩＭ９１６は、通常、例えば、イリジウム又は金属コーティング等の無機材料、及び／又は例えば、熱グリース、熱パッドや相変化物質等の有機材料から形成される。

ＧＰＵは、通常、「剥き出し」のダイを有し、接合部−周囲熱抵抗（Ｒ_ｊ−ａ）は、システムが許容する、ダイの表面に隣接する外気（空気）に対して、ダイの表面（半導体接合部）から測定された熱の最大量を示す。図１０は、上述した実験で用いた、熱交換器１０３０に連結されている例示的なＧＰＵ１０２５を示している。図１０に示すように、ＧＰＵ１０２５は、通常、回路板１０１４に取り付けられた、ヒートスプレッダなしの剥き出しのダイを有する。したがって、ＴＩＭ１０１６は、熱交換器１０３０をダイの表面コーティングに直接接合する。

このように、図９及び図１０に示す実施の形態では、冷却装置は、マルチプロセッサ構成の各プロセッサについて、従来の構造より優れた性能を実現する。例えば、各プロセッサの動作温度が高められ、これは、各プロセッサが、全てのプロセッサに関する総合的な動作環境に貢献するマルチプロセッサ構成には特に有用である。通常、マルチプロセッサアーキテクチャの動作仕様は、プロセッサ及び／又は半導体素子の動作温度を、周囲温度が約３５℃の環境に制限する。

一方、上述した実施の形態に関する実験的な検査では、動作限界は、ＣＰＵの周囲温度の約＋３３℃にまで高められた。したがって典型的な仕様上の最高許容温度である約３５℃の周囲温度について、ＣＰＵの動作限界は、約６８℃又は特定の最高周囲温度の３３℃上にまで引き上げられた。上述した実施の形態について実験によって得られたデータを以下の表に示す。

利点
好ましくは、上述した冷却装置の各部品は、例えば、カリフォルニア州マウンテンビューのCooligy Inc.社から市販されている部品の専用設計に基づいている。例えば、冷却板の設計及び関連するマイクロ及び／又はマクロスケール構造（特徴形状）は、冷却されるチップ及び／又は半導体素子に固有である。詳しくは、図１に示す各ＧＰＵ１２５、１３５は、それぞれ独自の冷却板設計及び取付構成を有する。同様に、図１のＣＰＵ１１５は、独自の冷却板設計及び取付構成を有する。

当分野で周知のように、グラフィックプロセッサは、ＣＰＵ及び他のＡＳＩＣより大きく、動作時に熱くなりやすい。したがってＧＰＵのための熱交換器設計は、ＣＰＵのための熱交換器の設計程精密に調整する必要はなく、必ずしも、マイクロ冷却構造（マイクロチャネル等）を必要としない。幾つかの実施の形態では、熱交換器は、より「マクロ的」又は概略的な冷却設計で十分である。これらの実施の形態では、第１の熱交換器の冷却は、第２の熱交換器の冷却とは必然的に異なる。したがって、更なる構成として、例えば、上述したＣＰＵ−ＧＰＵの直列接続等の形態が好ましい場合もある。これは、非プロセッサ及び／又は非半導体熱源を含む構成にも当て嵌まる。例えば、上述のように、ＣＰＵ、ＧＰＵ及びＶＲＭを備える構成の場合、幾つかの実施の形態におけるＶＲＭは、順次的により粗く調整され、又はより「マクロ的な」冷却構造設計を有する。

また、他の具体例としてラジエータは、各特定の実施の形態毎にカスタム設計される。ある実施の形態では、ラジエータのマイクロスケールチューブを流れる液体のフローを最適化し、幾つかの実施の形態では、フィンに流れるエアフローを最適化する。

本発明の構成及び動作原理を明瞭に説明するために、様々な詳細を含む特定の実施の形態を用いて本発明を説明した。このような特定の実施の形態の説明及びその詳細は、特許請求の範囲を制限するものではない。例えば、図面及び説明では、３つの熱源と、各熱源に対応する３つの熱交換器を示した。しかしながら、他の実施の形態として、異なる数及び種類の熱源を様々な順列で用いてもよい。すなわち、幾つかの実施の形態では、１つ又は２つの熱源だけが存在し及び／又は冷却のための熱交換器を必要としてもよく、他の実施の形態では、冷却する必要がある４つ以上の熱源が単一のシャーシ内に収容されていてもよい。更に、上述の実施の形態では、例示的な半導体素子及び／又はプロセッサチップである熱源について説明したが、例えば、非半導体型熱源を含む他の種類及び形式の熱源も想定される。したがって、本発明は、上述した詳細事項には制限されず、添付の特許請求の範囲によってのみ定義されることは、当業者にとって明らかである。

コンピュータシャーシの上に取り付けられた冷却モジュールを示す図である。 本発明の幾つかの実施の形態における幾つかのポンプ構成を示す図である。 幾つかの実施の形態のラジエータを示す図である。 幾つかの実施の形態に基づくラジエータの寸法要素を示す図である。 コンピュータシャーシの上に取り付けられた冷却モジュールを示す図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく熱交換器を示す図である。 幾つかの実施の形態に基づく冷却板熱交換器の寸法要素を示す図である。 ３つのプロセッサデバイスのための熱交換器が直列接続された循環冷却ループを概念的に示す図である。 ２つの直列接続された熱交換器が、第３の熱交換器に並列接続された循環冷却ループを概念的に示す図である。 熱交換器が、２つの並列接続された熱交換器に直列接続された循環冷却ループを概念的に示す図である。 一方がＧＰＵ冷却、他方がＣＰＵ冷却用の２つの循環冷却ループを概念的に示す図である。 幾つかの実施の形態における冷却手順を示すフローチャートである。 筐体から外気への熱抵抗を有するＣＰＵタイプの半導体素子を示す図である。 接合部−周囲熱抵抗を有するＧＰＵタイプの半導体素子を示す図である。

Claims (20)

1. シャーシ内の電子装置を冷却する冷却装置において、
   ａ．第１の熱源に熱伝導可能に連結された第１の熱交換器と、
   ｂ．第２の熱源に熱伝導可能に連結された第２の熱交換器と、
   ｃ．上記第１及び第２の熱交換器を流れる流体と、
   ｄ．上記流体を流す第１のポンプと、
   ｅ．第１のラジエータと、該第１のラジエータから熱を放出する第１のファンと、
   ｆ．上記第１の熱交換器、上記第２の熱交換器、上記第１のポンプ及び上記第１のラジエータを相互接続するチューブとを備え、
   当該冷却装置は、上記第１のファンからの空気が、上記第１のラジエータ及び上記シャーシを吹き抜けることにより、最大６００Ｗの熱が、３５ｄＢ未満の雑音で、該シャーシから除去されるように、該シャーシの上面の内側に取り付けられることを特徴とする冷却装置。
2. 第３の熱源に連結された第３の熱交換器を更に備える請求項１記載の冷却装置。
3. 上記第１の熱交換器は、マイクロスケール冷却板を備えることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
4. 上記第１の熱交換器は、マイクロチャネルを備えることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
5. 上記チューブは、流体損失を最小化するように設計されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
6. 上記第１の熱交換器と上記第２の熱交換器は、直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
7. 上記第１の熱交換器と上記第２の熱交換器は、並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
8. 第２のラジエータと、第２のポンプと、第２のファンとを更に備え、
   当該冷却装置は、上記第２のファンからの空気が、上記第２のラジエータ及び上記シャーシを吹き抜けるように、取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
9. 上記第２の熱源は、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）からなることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
10. 上記第１の熱源は、中央処理装置（ＣＰＵ）からなることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
11. 当該冷却装置は、最大の高さが約１２０ｍｍ、長さ及び幅がコンピュータシャーシの寸法より小さい細くて薄いアセンブリ内に組み込まれていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
12. シャーシ内の電子装置を冷却する冷却装置において、
    第１のプロセッサ用の第１の冷却板と、
    第２のプロセッサ用の第２の冷却板と、
    上記第１及び第２の冷却板を相互接続するチューブと、
    上記第１及び第２の冷却板及びチューブを流れる流体と、
    上記流体から熱が伝導されるラジエータと、
    上記チューブ及び上記第１及び第２の冷却板を通して上記ラジエータに流体を流す第１のポンプとを備え、
    当該冷却装置は、上記第１のファンからの空気が、上記ラジエータ及び上記シャーシを吹き抜けることにより、最大６００Ｗの熱が、３５ｄＢ未満の雑音で、該シャーシから除去されるように、該シャーシの上面の内側に取り付けられることを特徴とする冷却装置。
13. 上記流体を保存するリザーバを更に備える請求項１２記載の冷却装置。
14. 第３の熱源用の第３の冷却板を更に備える請求項１２記載の冷却装置。
15. 当該冷却装置は、
    上部排気口と、
    側部吸気口とを備えることを特徴とする請求項１２記載の冷却装置。
16. 当該冷却装置の空気排気量は、約５０〜６０立方フィート毎分であることを特徴とする請求項１２記載の冷却装置。
17. 上記第１及び第２のプロセッサの接合部−周囲熱抵抗（Ｒ_ｊ−ａ）は、０．３℃／Ｗであることを特徴とする請求項１２記載の冷却装置。
18. 当該冷却装置は、
    第１の冷却ループと、
    第２の冷却ループとを備えることを特徴とする請求項１２記載の冷却装置。
19. 上記ラジエータは、
    マイクロチューブと、
    エアフィンとを備えることを特徴とする請求項１２記載の冷却装置。
20. 上記ラジエータの設計は、当該冷却装置の用途に応じて設計され、
    上記設計は、
    マイクロチューブを通る液体フローの最適化と、
    １つ以上のエアフィンに亘るエアフローの最適化とのうちの一方又は両方を含むことを特徴とする請求項１２記載の冷却装置。

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