説明

電子機器却装置

【課題】サーバおよび電子機器においては、冷却装置にも薄型化と小型化が求められている。薄型化したサーモサイフォンにおいては、プール沸騰によって発生する蒸気を気泡として放熱部へ流す流路も狭くなるため、液冷媒が気泡と共に、放熱部側へ流れてしまう。放熱部まで運ばれた気泡が凝縮により消滅する際に音を発生する。また一緒に流れてきた液冷媒が筐体にぶつかることで音を発生する。これらによって発生する音は非常に目立つ音となっている。サーバや電子機器では騒音の低減が求められており、サイフォンの薄型化,小型化にはこれらの沸騰による音の低減が課題である。
【解決手段】密閉された容器の下側に発熱体を冷却する沸騰部、上側に放熱部と熱的に接続された凝縮部を有し、容器内の沸騰面が浸かるように冷媒が内部に封入されているサーモサイフォンであって、冷媒の液面と凝縮部の間に、メッシュを配置する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子機器冷却装置に関し、例えば、サーバ機器などの電子機器に搭載されている半導体素子などの発熱体の冷却において使用される、ヒートパイプ等の冷媒の相変化を利用する冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
本技術分野の背景技術として、特開2010−79401号公報(特許文献1)がある。これは、ブレードサーバを含む電子機器において、着脱自在なCPUブレードの半導体デバイスを含む発熱体を最適に冷却することを可能にする、新規な冷却システムを提供する。その構成は、電子機器筺体内の各電子回路基板上に搭載された半導体デバイスの発生熱を集める複数の第1の熱輸送部材と、前記複数の第1の熱輸送部材からの熱を集めて当該筐体の外部に搬送する第2の熱輸送部材と、そして、前記第2の熱輸送部材と熱的に接続され、前記第2の熱輸送部材から搬送される、前記第1の熱輸送部材からの熱を、当該筐体の外部に放熱する放熱部材とからなる。また前記第2の熱輸送部材が、冷媒の気化により複数の第1の熱輸送部材からの熱を集める冷却技術が記載されている。また半導体デバイスを冷却するサーモサイフォンによる冷却技術が記載されている。
【0003】
また、特開2007−17038号公報(特許文献2)がある。これは、ヒートパイプの内面に作動液を還流させるために、焼結により多孔構造のウィックを設けた技術が記載されている。
【0004】
また、特開2002−25407号公報(特許文献3)がある。これは、ヒートパイプの内部の沸騰部と凝縮部との間の空間をヒートパイプ長手方向に、隔壁により複数の空間に分割し、分割する空間の少なくとも1つの空間には複数の線条体を入れず、蒸気が流れるようにする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2010−79401号公報
【特許文献2】特開2007−17038号公報
【特許文献3】特開2010−25407号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
背景技術のように、従来からサーバ内の主要発熱部品であるCPU(Central Processing Unit)やLSI(Large Scale Integrated circuit)の熱を冷媒の相変化を利用する熱輸送手段を用いて輸送し、サーバ外部に設けた熱交換器により放熱することで、サーバの高密度実装や高性能化が達成されることが知られている。
【0007】
また相変化を利用する熱輸送手段である一般的なヒートパイプにおいては、水を冷媒とし、外部に熱を放出する放熱部で凝縮する水を、水が蒸発する加熱部に戻すために、多孔質体、束にした線材、管の内面に作られた細かい溝を用いて、これらの毛細管力を利用している。しかし、凝縮した水を毛細管力のみで加熱側に戻す方式では、戻せる水量が少なく、大きな熱量を加えた際に加熱部がドライアウトし、熱輸送できない場合がある。したがって大きな熱量を輸送するには、封入する水量を多くし、重力の作用で水を戻すサーモサイフォンによる冷却が有効である。サーモサイフォンは、装置下方に設けた加熱部にて発熱部の熱を水の沸騰により奪う。このとき沸騰により発生する蒸気は装置上方に設けた放熱部にて凝縮することで熱を外部に伝える。凝縮した水は、重力の作用で下方の沸騰面に戻り、このサイクルが続くことにより加熱部で奪った熱を放熱部まで熱輸送する。封入水量を多くしたサーモサイフォンでは、加熱部は水で浸されており、プール沸騰により発熱部の熱を奪い蒸気を発生する。このため、限界熱流束を超えない範囲であれば、大きな熱量に対してもドライアウトすることなく伝熱性能を発揮することが可能である。
【0008】
一方、サーバおよび電子機器においては、薄型化や小型化が求められており、このため冷却装置であるサーモサイフォンにも薄型化と小型化が求められた。しかし、薄型化したサーモサイフォンにおいては、プール沸騰によって発生する蒸気が気泡として放熱部へ流れる際の流路が狭くなるため、加熱部の水が発生した気泡に巻き上げられやすくなる。ヒートパイプでは封入される液量が少なく、また加熱される熱量も小さいことなどから、加熱部の水が蒸気によって輸送されることは稀である。薄型の熱サイフォンでは気泡と共に水が放熱部側へ流れ込みやすくなるため、気泡により巻き上げられた水がサーモサイフォンの金属筐体にぶつかることで音を発生する。また気泡が放熱部で急速に凝縮し消滅する際に、この気泡の周囲にあった水が、凝縮面と衝突し音を発生する。これらの発生する音は、熱サイフォン内部にほぼ空気がない状態のため、金属と金属がぶつかったような高い音である。また不規則に発生する音のため、電子機器等で用いられる冷却ファンの定常音に比べて非常に耳につく騒音である。
【0009】
サーバや電子機器では小型化,薄型化と同時に低騒音も求められており、薄型化,小型化するサイフォンにとって、これらの沸騰にともなって発生する沸騰音の低減が課題である。また、放熱部である凝縮面に、気泡にともない水が運ばれることで、凝縮面表面の水の液膜厚さが厚くなり、凝縮の性能を低下させることも課題の一つである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【0011】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電子機器冷却装置において、密閉された容器内側の下側に発熱体を冷却する沸騰部、上側に放熱部と熱的に接続された凝縮部を有し、容器内の沸騰面が浸かるように冷媒が封入されているサーモサイフォンであって、冷媒の液面と凝縮部の間に、メッシュを配置することを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
沸騰部から上昇する気泡をメッシュにより小さくし、また気泡と共に流れる液冷媒をメッシュで止めることにより、凝縮側で発生する、気泡の破裂音や、液冷媒の衝突音を抑制する。また凝縮面に流入する液冷媒の量が抑制されるため、凝縮性能も向上する。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施例1のサーバ装置の構成図の例である。
【図2】実施例1のブレードサーバの構成図の例である。
【図3】実施例1のサーモサイフォンの内部構成図の例である。
【図4】実施例1のサーモサイフォンの断面構成図の例である。
【図5】実施例1のメッシュの例である。
【図6】実施例2のサーモサイフォンの内部構成図の例である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例1】
【0015】
まず、図1を用いてサーモサイフォンを搭載するサーバ装置の構成例を説明する。図1はブレードサーバに用いられる個々のサーバ装置(サーバブレード又はブレードとも言う。)の内部が分かるように側面板をはずしている。サーバ装置は、シャーシ11内部にメインボード12と呼ばれる電子回路基板を搭載しており、このメインボード12上に、CPU13やメモリ14,LSIなどを実装している。さらにブレードサーバ内部には、図示していないがHDD(Hard Disk Drive)を実装している。また、メインボード12に電源供給用端子16と信号接続用端子17を有する。
【0016】
従来のサーバ装置において、CPU13,メモリ14,LSIなどの発熱体の冷却は、空気をメインボード12上に流すことで行われてきた。特に比較的発熱量の大きいCPU13,LSIについては拡大伝熱面として空冷フィン15が取り付けられてきた。本実施例のサーバ装置においても空冷フィン15を有し、メモリ14,LSIには空気を流すことによって冷却する。しかしサーバ内で最も発熱量の大きいCPU13においては、CPU13の表面に熱伝導グリースを介して取り付けたサーモサイフォン1によって冷却している。サーモサイフォン1の一端は、ブレード外部の冷却源と接触し冷却される構造となっており、これによってCPU13を冷却するものである。ここでは、2つのCPU13を1つのサーモサイフォン1で冷却する例を説明する。
【0017】
本実施例で示すサーバ装置はブレードサーバと呼ばれるものであり、特に図1で示すサーバ装置はブレードと呼ばれる薄型のサーバ装置となっている。このためサーモサイフォン1を厚くすると、サーバ装置内部の流路を塞いでしまい、空気による冷却を阻害してしまう。そこでサーモサイフォン1は極力薄い構成が必要であり、本実施例では厚さをおよそ10mm程度としている。
【0018】
次に図2を用いて本実施例のブレードサーバの構成について説明する。ブレードサーバは、ブレードサーバシャーシの内部に、個々に所定の機能を備えたブレード(図1のサーバ装置)が、複数並べられて挿入されており、図2では、10個のブレードが一つのシステムユニット21を構成している。さらに、複数のブレード間で共用されるファンユニット24,I/O(Input/Output)ユニット23,電源ユニット22,システムユニット21等が含まれている。図2では、ブレードサーバシャーシ内部構造が分かるように、ブレードサーバシャーシ表面の筐体部分を表示していない。また、ブレードに関しても内部が分かるように側面板を省略している。ブレードや各ユニットは、上記ブレードサーバ筐体内に自在に挿抜が可能であり、自由に配置して搭載することが可能であり、そのことから、システム構成の柔軟性と拡張性とを併せ持つものである。ブレードは、メインボード12に電源供給用端子16と信号接続用端子17を有しており、これらの端子により、ブレードサーバ筐体側に設けられた電源装置や通信装置と接続される。特に他の複数のブレードが稼動している中でも、一部のブレードの挿抜が可能となっており、メンテナンス性に優れる点も特徴となっている。
【0019】
またブレードサーバは、他に一般的な1Uサーバや2Uサーバといわれるラックマウント型サーバよりも、同じ体積に占めるCPU13の数が多い等、いわゆるサーバの中でも実装密度が高いことが知られている。ここで、上記ファンユニット24内には一つ又は複数の冷却ファン241が搭載されており、この冷却ファン241によりブレードおよびブレードサーバ内部に空気を流している。またこの冷却ファン241の一般的な回転数は10Hzから200Hz程度である。上記I/Oユニット23は例えば通信ネットワーク用のケーブルを接続するための端子や、キーボードやディスプレイへ接続するための端子等を有し、外部との情報の入出力を行うユニットである。電源ユニット22は外部から供給される交流電力をブレードサーバ筐体内で使用する直流電力に変換するユニットであり、この電源ユニット22内部にも電源ユニット内部を冷却するためにファンが搭載されている。またシステムユニット21は、ブレードや各ユニットを管理するシステムを有するユニットであり例えばブレードの起動や終了、サーバ内蔵ファンの回転数制御等を行うシステムが組み込まれている。各ブレードのCPU13から熱移動するサーモサイフォン1が複数の冷却ジャケット26を介して、分配用ヘッダ25へ熱的に接続される。図2の符号201は、後述する図4に示すサーモサイフォン1の断面の位置を指示する点線を示している。
【0020】
次に図3を用いてサーモサイフォン1の内部構成例を説明する。図3は、サーモサイフォン1の内部を示すために、サーモサイフォン筐体7を構成する側面板をはずした状態で示されている。サーモサイフォン1には、真空に減圧した内部の空洞に水が封入されており、CPU13と熱的に接触する沸騰面2において水が沸騰し、これに伴って発生する蒸気が放熱部分である凝縮面3で凝縮することで熱を沸騰面2から凝縮面3に輸送する。
【0021】
本実施例ではサーモサイフォン1の材質に銅を用い、冷媒として溶存空気を排除した純水を使用している。冷媒封入管5からサーモサイフォン1の容器内部の空気を真空ポンプにより排除した後、真空を維持したまま、そこへ冷媒封入管5を通して水を封入する。最後に空気が入らないように冷媒封入管5の先端を密閉することで完成する。これによりサーモサイフォン1の内部は、大気圧よりも低い圧力である水の飽和蒸気圧に保たれ、加熱する際に100℃よりも低い温度で沸騰や蒸発が行われる。この他に冷媒としては、アルコールや代替フロン等があり、サーモサイフォン1の材質や、強度などによって冷媒を決定する。
【0022】
また本実施例では、冷媒に水を使用するため、100℃以下の条件で内部は大気圧と比べて低い状態に保たれる。また沸騰面2は、CPU13とサーモサイフォン1の熱的な接触を良好に保つため、サーバ装置実装時にはCPU13に押し付けられる。このため内部に支柱6を設けてサーモサイフォン1の変形、特に沸騰面2がへこむ事を抑制している。
【0023】
また本実施例のサーモサイフォン1の熱輸送性能を向上させる、つまり沸騰面2と凝縮面3の温度差を小さくしつつ、多くの熱を輸送できるように、沸騰面2には多孔質構造を有する沸騰面を使用し、凝縮面3にはフィン構造を使用している。詳細は後述するが、本実施例では沸騰面2と凝縮面3の間を塞ぐように、銅のワイヤーを編んだメッシュ4が配置されている。
【0024】
さらに図4を用いて、実際の熱輸送時のサーモサイフォン1の内部の状態を説明する。図4は図2中に示すサーモサイフォン断面の位置を指示する点線201部分の断面図である。サーモサイフォン1の沸騰面2は熱伝導グリース層31を介して、シャーシ11に内包されたメインボード12上に設けられたCPU13と熱的に接続されている。沸騰面2では封入冷媒液相34である水が沸騰し、発生する蒸気気泡である封入冷媒気相35は上昇して、凝縮面3へ向かう。
【0025】
凝縮面3は熱伝導シート32を介して冷却ジャケット26と熱的に接続されており冷却されている。冷却ジャケット26内には流路が形成されており、ここに冷却用冷媒33を流すことで凝縮面3を冷却している。
【0026】
CPU13の発熱量は10Wから200W程度を想定している。冷媒を水として蒸気温度50℃時には、例えばCPU発熱量100Wにより発生する蒸気体積は1秒間あたり、およそ5.1×10-43である。これに対してサーモサイフォン1の内部の沸騰面2が面する空間のサイズは、厚さ方向5mm,幅50mm,高さ150mm程度の空間となっている。また、この沸騰面2が面する空間が満たされる程度の水が封入されている。ここで封入された水を無視して、沸騰面部分の断面を通過する蒸気流速を見積もると2.0m/sであり、同じCPU13が2個発熱する場合には蒸気流速は2倍の4.0m/sとなると見積もれる。実際には封入された水が蒸気の通過する断面積を狭くするため、蒸気流速はより早くなると考えられる。本実施例のサーモサイフォン1の沸騰面2が面する容積は、およそ3.8×10-53であり、CPU発熱量100Wで発生する蒸気の体積に比べて小さい。
【0027】
また冷媒である水の封入量は、沸騰が発生せず液面が安定するCPU非発熱時に、液面が上側に配置されたCPUを冷却する面にかかるような量である。具体的には30cc以上の水を封入しており、この封入水量は先に述べた沸騰面2が面する空間の8割以上を占める量となる。
【0028】
このような状況において、封入された水は、蒸気または気泡に巻き上げられ、サーモサイフォン1の凝縮面3および天井部に衝突し音を発生する。もしくは、気泡が凝縮面3で急速に凝縮することで、水が凝縮面3に衝突しているとも考えられる。このとき発生する音は、水がサーモサイフォン筐体7を叩くことで発生すると考えられる金属音であり、また発生のタイミングも不規則であるため、従来サーバ装置の主な音源であった冷却ファンの音に比べて非常に目立つ音であり、この音を小さくする必要がある。
【0029】
この音の発生を抑制するために、本実施例では沸騰面2と凝縮面3の間を塞ぐように、銅のワイヤーを編んだメッシュ4を配置する。これにより、気泡に伴って上昇する水をメッシュ4が遮るため、サーモサイフォン1の天井および凝縮面3に衝突する水の量と速度を大きく抑えることができ、音の抑制に効果を発揮する。また、沸騰面2から発生し、上昇しながら他の気泡と合体することで大きく成長する気泡を、メッシュ4により、より小さい気泡に分けることで、凝縮により凝縮面3に衝突する水のエネルギーを小さくできると考えられる。結果として、上記金属音を目立たぬ程度に小さくすることができる。
【0030】
また、このメッシュ4の効果として凝縮面3に巻き上げられる水の量を抑制できるため、凝縮面3での液膜厚さが必要以上に厚くならず、これに伴いメッシュ4が無い条件と比べて凝縮熱伝達率が向上し、サーモサイフォン1の熱輸送性能が向上する。
【0031】
図5を用いて実施例で使用するメッシュ4の例を説明する。本実施例では、銅のワイヤーを編んだメッシュ4を図5のように巻いて使用する。このようにメッシュ4を巻いて使用することで、目の開きが1〜2mm程度の目の荒いメッシュ4でも重ねて使うのと同じこととなり効果が得られる。目の開きが細かいものは、目に液が保持されることで蒸気の通過を大きく阻害し性能低下につながることが考えられる。この性能低下の一例として、蒸気がメッシュを通過する際の圧力損失が大きくなることで沸騰側の蒸気圧力が高くなり、これに伴い凝縮側で凝縮した液が沸騰部へ戻り難くなり、凝縮側に液が溜まることが考えられる。
【0032】
また巻いたメッシュが膨らもうとするバネ性を利用しサイフォンの壁とメッシュ4間の適度な密着性を保つ。これにより流路全体をメッシュ4で塞ぐことが可能となる。さらに沸騰面にメッシュ4の目の開きよりも微細な開口を有する多孔質面を使用すれば、メッシュ4に保持された冷媒の液を、多孔質面の表面張力で吸うことが可能となり、沸騰面上側のドライアウトの抑制が可能となる。
【0033】
実施例ではサーモサイフォン筐体7に窪みを設け、また巻いた金網のバネ性を利用し、位置がずれないようにする。またメッシュ4の一部をサーモサイフォン筐体7もしくは沸騰面2と半田もしくはロウ付けするのも有効である。このようにメッシュ4自体および固定方法に柔軟性を持たせることで、メッシュ4に水が衝突する際に発生する音を小さく抑えている。
【0034】
またメッシュ4の配置としては、沸騰面から凝縮面へ蒸気が流れる流路の途中であって、サーモサイフォン1の初期の水面より上部で、凝縮面3の手前に配置することが望ましい。例えばメッシュを封入冷媒の液面直上にくるよう配置する。封入冷媒である水の水面よりもメッシュ4の位置を下にしてしまうと、メッシュ4より上に存在する水を気泡が巻き上げることや、メッシュ4より上の水中で気泡が成長することで音の抑制効果が薄れることが考えられるためである。サーモサイフォン1の内部の水面は、発生する蒸気の体積だけ非加熱状態時の液面よりも上に存在する。しかしメッシュ4を少なくともサーモサイフォン1の初期の水面より上部に配置することで、十分な音の抑制効果が得られる。
【0035】
また、メッシュ4の配置として、サーモサイフォン1の断面が広がるように拡大する凝縮面3の手前に配置することにより、メッシュ4部材の使用量を少なくすることができる。
【実施例2】
【0036】
本実施例では、別な形状のサーモサイフォンについて図6を用いて、実施例1のサーモサイフォンとの差違に関して説明する。
【0037】
実施例2のサーモサイフォンでは、沸騰面2で発生する蒸気はメッシュ4を通過し凝縮面3で凝縮した後、この凝縮した水が、サーモサイフォン筐体7の図6中右下がりに傾斜した内壁面を介して、液冷媒戻り管42を通り、沸騰面2へ戻る構造となっている。このようなループ型の構造をとることで、蒸気と液戻りの対向流をなくし凝縮面3の排水性を高め、その凝縮熱伝達率を向上させることが狙いである。
【0038】
しかしこのような形状においても、沸騰面2の面する空間が広くない条件においては、水が気泡により巻き上げられ、サーモサイフォン筐体7との衝突に伴う音が発生すると考えられる。そこで、蒸気が凝縮面3に流入する流路を塞ぐようにメッシュ4を配置することで、この音を抑制する。
【0039】
またメッシュ4の固定方法として、メッシュ4を挟んで上下2本ずつのメッシュ支持用支柱41を用いる。これにより、メッシュ4はメッシュ支持用支柱41の間で動くことが可能であり、気泡に巻き上げられた水の衝突を緩和できる。またメッシュ支持用支柱41は、サーモサイフォンの凹みを防止する構造材としても利用できる。
【0040】
また、メッシュ4については、金属製の金網を例として挙げたが、沸騰部から上昇する気泡をメッシュにより小さくし、また気泡と共に流れる液冷媒をメッシュで止めることができる部材であれば良いので、材質は金属製でなくとも腐食に強い樹脂材料でもよく、机上は網状でなくても、弾性を有する有穴の板を積層しても良い。
【0041】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【0042】
また、上記の各構成,機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム,テーブル,ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク,SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード,SDカード,DVD等の記録媒体に置くことができる。
【符号の説明】
【0043】
1 サーモサイフォン
2 沸騰面
3 凝縮面
4 メッシュ
5 冷媒封入管
6 支柱
7 サーモサイフォン筐体
11 シャーシ
12 メインボード
13 CPU
14 メモリ
15 空冷フィン
16 電源供給用端子
17 信号接続用端子
21 システムユニット
22 電源ユニット
23 I/Oユニット
24 ファンユニット
25 分配用ヘッダ
26 冷却ジャケット
31 熱伝導グリース層
32 熱伝導シート
33 冷却用冷媒
34 封入冷媒液相
35 封入冷媒気相(気泡)
41 メッシュ支持用支柱
42 液冷媒戻り管
201 サーモサイフォン断面の位置を指示する点線
241 冷却ファン

【特許請求の範囲】
【請求項1】
密閉された筐体に電子機器の発熱体と熱的に接続される沸騰面を有し、沸騰面よりも上部に凝縮面と、沸騰面より上方でかつ凝縮面へ伸びる流路からなり、内部には液冷媒が沸騰面を浸すように封入されているサーモサイフォンを用いた電子機器冷却装置であって、沸騰面と凝縮面とを結ぶ流路に、この流路を塞ぐようにメッシュを配置することを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項2】
請求項1の電子機器冷却装置において、
メッシュを封入冷媒の液面直上にくるよう配置することを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項3】
請求項1の電子機器冷却装置において、
メッシュに金属製の金網を巻いたものを使用することを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項4】
請求項1の電子機器冷却装置において、メッシュが、その上下に配置されたメッシュ支持用支柱の間で可動できるようにサーモサイフォン内部にメッシュ支持用支柱を有することを特徴とする電子機器冷却装置。

【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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【公開番号】特開2013−26362(P2013−26362A)
【公開日】平成25年2月4日(2013.2.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−158543(P2011−158543)
【出願日】平成23年7月20日(2011.7.20)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】