JP2007010211A - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
1Ｕサーバなどの天井が低い横置きの筺体でも適用可能な、駆動源に稼動部を持たない自然循環方式の液冷システムを有する電子機器の冷却装置を提供する。
【解決手段】駆動源に稼動部を持たない自然循環方式の冷媒液流路において、ジャケットの冷媒液出口をジャケット上部に設け、ラジエタとジャケット間を結ぶ二つの配管間で熱交換させる構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器の冷却装置に関するものである。

従来の電子機器用液冷システムは、例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１に記載された従来技術は、液冷システムの液体冷却ヒートシンク（受熱部材）とポンプを一体構造として電子機器筐体内における液冷システムをコンパクトにしたものである。

特許文献２、３は受熱部で受けた熱で液体冷媒液が沸騰して発生した気泡の浮力で液体冷媒液を循環させる技術が開示されている。

特開2002−151638号公報 特開2001−77256号公報 特開2002−246782号公報

大型の電子機器筺体においては、冷却装置の実装スペースが十分に取れるが、パーソナルコンピュータやサーバなどの小型電子機器筺体においては、実装スペースが十分に取れないため冷却装置の小型化、特に高さを低く抑えることが必須となる。また、サーバにおいてはデータ保持に対する信頼性を確保するために、特に液冷システムの心臓部である液駆動部（ポンプ）の信頼性は重要である。

前記特許文献1では、ポンプと液体冷却ヒートシンク（受熱部）の一体構造を開示しており、液冷システム全体の小型化を図っているが、ポンプは垂直羽根車を用いた遠心ポンプを用いているので基板の面に対して垂直方向の高さが大きくなるとい問題がある。従って、例えば1Ｕサーバなどの天井が低い横置きの筺体ではその使用が困難である。また、外部駆動源として稼動部を有するポンプを用いることは、ポンプが故障した場合の液循環の継続性に関する信頼性が問題となる。

一方、特許文献2は液循環の駆動源となるポンプを持たないので信頼性は高いが、液を循環させるのに高低差を利用するため、このままでは例えば1Ｕサーバなどの天井が低い横置きの筺体ではその使用が困難である。

更に、特許文献3は、特許文献２同様に液循環の駆動源となるポンプを持たず、かつ少ない高低差で液を循環させる工夫がなされているが、ラジエタへの空気流の向きが垂直方向となるため、このままでは例えば1Ｕサーバなどの天井が低くかつ通風系が横置きの筺体ではその使用が困難である。

駆動源に稼動部を持たない自然循環方式の冷媒液流路では、1Ｕサーバなどの天井が低い横置きの筺体では、高低差が十分に取れないので駆動力が減少し、冷媒液の循環流量が少なくなる。

このように、天井が低い横置きの筺体に用いる液冷システムでは、ラジエタにおける管内側の熱伝達がネックとなる。

本発明の目的は、ポンプを使用することなく冷媒液を循環させる液冷システムを有する電子機器の冷却装置を提供することにある。

上記目的は、発熱素子と熱的に接続する受熱部と、この受熱部から連通する第1の配管と、この第1の配管に接続された放熱用熱交換器と、この放熱用熱交換器から連通し前記受熱部と連通する第２の配管とを備えた電子機器の冷却装置において、前記受熱部と前記第1と第２の配管と前記放熱用熱交換器の内部に沸騰冷媒液が封入され、前記第１と第２の配管が熱的に接続されていることにより達成される。

また、上記目的は、前記第１の配管と前記放熱用熱交換器との接続部は、前記第２の配管と前記放熱用熱交換器との接続部よりも上部に位置することにより達成される。

また、上記目的は、前記受熱部の上面に前記沸騰冷媒から発生する気泡を溜まる空間を設け、かつこの空間の高さは、前記第１の配管の前記放熱用熱交換器との接続部位置よりも高い位置にあることにより達成される。

また、上記目的は、前記第１の配管の径は前記第２の配管の径よりも大きいことにより達成される。

また、上記目的は、前記第２の配管の両端をバイパスする第３の配管を設け、この第３の配管中にポンプが設けたことにより達成される。

また、上記目的は、前記第３の配管の一端に三方弁を設け、前記受熱部の底面に設けられた温度センサ出力が所定値を超えたときに前記三方弁が切り替わって前記ポンプを起動させることにより達成される。

本発明によれば、ポンプを使用することなく冷媒液を循環させる液冷システムを有する電子機器の冷却装置を提供できる。

本発明の第一の実施例を図１〜図4に示す。

図１は本発明の一実施例を備えた液冷システムの斜視図である。
図１において、１は発熱する半導体素子（以下、ＣＰＵという）であり、このＣＰＵ１に受熱ジャケット２（以下、ジャケットという）が熱的に接続されている。９はジャケット２の上部に突出して設けられた突起部であり、ジャケット２の空洞と連続した空洞が設けられている。６はラジエタ（放熱部）であり、複数のフィンと配管（図示せず）によって形成されている。このラジエタ６とジャケット及び突起部９は低温側配管４と高温側配管５を介して熱的に接続されている。低温側配管４はジャケット２ラジエタ６とを接続するものであり、高温側配管５は突起部９とラジエタ６とを接続するものである。３は高温側配管５とラジエタ６の接続部であり、１５はラジエタ6からの低温側配管４の取り出し口である。７はラジエタ６の近傍側面にはそれを冷却するためにファンである。８は低温側配管４と高温側配管５との熱的接合部である。１６はジャケット2と低温側配管4の接続部である。これらの部品から本実施例の液冷システム１０は構成されている。この液冷システム１０の内部には沸騰冷媒液が封入されている。

本実施例においては、低温側配管４の径は高温側配管５に比べて小さくなっている。また、低温側配管４、高温側配管５との間で熱的接合部８が設けられている。高温側配管５には気泡１４（図１４に示しているので詳細は後述する）が含まれるため、管径が小さいと本実施例の場合のように高低差が少ない際には配管中が気泡１４で満たされてしまい、循環流の発生を阻害してしまう可能性がある。

図2は、本実施例の液冷システムをサーバ等のように厚みが薄い（天井の低い）電子機器筺体内に実装した状態を示した斜視図である。
図２において、筺体内には、ＣＰＵ1のほかにデバイス１2、電源１3等の発熱部品があり、液冷システム１０のほかにこれらの各部品を冷却するためのシステムファン１1が設けられている。図２に示した通風系は厚みが薄い（天井の低い）電子機器の筺体であって、液冷システム１０を含む横向きの通風系となっている。

図１に示した液冷システム１０内には例えばＲ134ａなどの沸騰冷媒液（以下、冷媒液という）が封入されており、ジャケット2は、配管４、５を通してラジエタ6に接続されている。すなわち配管４、５を通してジャケット2とラジエタ6との間で冷媒液回路が形成される。ジャケット２においては、冷媒液はＣＰＵ1からの熱により蒸発し、気泡１４が発生する。また、ラジエタ６においては、冷媒液は冷却されサブクール度の大きな過冷却状態となる。ラジエタ6と冷媒液回路内の冷媒液の蒸発・凝縮温度は、冷媒液の封入圧力により0℃以下から数10℃までの間で容易にコントロールすることができる。なお、本実施例においては、通常エアコン等の冷凍サイクルで用いられる圧縮機及び膨張弁を有していないため、冷媒液の蒸発温度と凝縮温度はほぼ同じである。

また、本実施例では図１に示すように、突起部9の高さが、ラジエタ6への高温側配管5の接続部3よりもΔｈ1だけ高くなるようしている。さらに、ラジエタ6からの低温側配管４の取り出し口15は、前記接続部3よりもΔｈ2だけ低くなっている。これに加え、ラジエタ6からの低温側配管４の取り出し口15は、ジャケット2への低温側配管4の接続部16よりもΔｈ3だけ低い。

図3はこのような液冷システムの構成を、図4は稼動時に於ける液冷システム内部の状態を模式的に示した図である。
図４は液冷システム内の気泡の動きを示す図である。
図３において、ジャケット２はＣＰＵ１と熱的に接続されており、ジャケット２内の冷媒液が沸騰して高温側配管５を通ってラジエタ６に流れる。ラジエタ６はファン７によって放熱されるので内部の冷媒液は冷却されて低温側配管４を経由してジャケット２に戻る。この時、高温側配管５と低温側配管４とは熱的接合部８（蛇行した線で描いた部分によって接触しているので配管５，４どうしの熱交換が行われる。

図４において、稼動時は、ＣＰＵ1の熱によってジャケット2内で冷媒液に気泡14が発生する。この気泡14は、浮力によりジャケット2の上部にある突起部9上部内部で塊となって集まる。本実施例では、低温側配管４、高温側配管５との間に設けられた熱的接合部８（太い線部分）により、高温側配管5中の気泡14は低温側配管４との熱交換により冷却されるため、次第に消滅する。そして、高温側配管5内の冷媒液温度は相変化温度よりも低下するようになる。高温側配管５中の冷媒液は、温度低下に伴う密度上昇により重力を増しながら高温側配管５中を斜め下方へ流れ（矢印５ａ方向）、ラジエタ6（図４では省略）に流入する。逆に、低温側配管４中の冷媒液は、熱交換により浮力を増しながら高温側配管とは逆方向の斜め上方に流れ（矢印４ａ、４ｂ方向）、ジャケット２に流入する。このように、本実施例においては熱的接合部８を介して、高温側配管5中を流れる下降流と、低温側配管４中を流れる上昇流による循環流が生じる。

本実施例では、ジャケット２は気泡１４を含むものの基本的に冷媒液で満たされているため、ジャケット２内の冷媒液が全て蒸発することはなく、十分な冷却を確保することが出来る。また、ヒートパイプなどと異なり、例え配管に幾つかの曲がりが存在したとしても冷却能力が低下することがない。さらに、気泡１４がラジエタ６内に流入しないため、ラジエタ６内の冷媒液分配を常に良好に保つことができ、ラジエタ６の性能を十分に引き出すことが出来る。

以上の如く、冷媒液はジャケット2の側面上部から流入し、ジャケット2内でＣＰＵ1からの熱を吸収し、ジャケット2上部の突起部９より流出するが熱的接合部８によって高温側配管５内の冷媒液は低温側配管４との熱交換によって重力が発生するので、ラジエタ6においては、冷媒液は凝縮温度よりも大幅に低い過冷却状態まで冷却されるため、冷媒液は重力の作用によりラジエタ6の下側に集まる。そして、低温側配管４中の冷媒液は高温側配管５との間の熱交換により暖められるため、浮力を生じさせながら流れて再びジャケット2へ流入する。

なお、液冷システム１０の配管４，５に例えば銅のような熱伝導性の良い材質を用いると、ラジエタ６での低温とジャケット２での高温がそれぞれ配管４，５の途中まで伝わるため、配管４，５自体が一種の熱的接合部8の効果を出すことができる。

また、熱的接合部8が設けてあれば、仮に高低差Δｈ1、Δｈ2が取れない場合であってもΔｈ3が取れれば気泡１４が高温側配管５中に滞留することがなく、冷媒液に循環流を発生させることが出来る。

上述のように、本実施例の液冷システムでは、ラジエタ6とジャケット2の間を結ぶ配管4，5における熱的接合部8が一種の熱交換器として作用する。このため、従来の駆動源に稼動部を持たない自然循環方式の冷媒液流路で高低差が十分に取れない場合に対して起こるような管内側の熱伝達がネックとなる現象を解消できる。

以上説明したように、本発明においては駆動源に稼動部を持たない自然循環方式の冷媒液流路において、高低差が十分に取れない場合に対しても、冷却に必要な冷媒液の循環流量が確保できる。

本発明の第二の実施例を図5で説明する。
図5は本実施例を備えた液冷システムの構成図である。
図５において、液冷システム１０は、ＣＰＵ１の上に設けその徐熱を行なうジャケット２とラジエタ６およびそれらの間を接続する低温側配管４、高温側配管５を主な構成要素とし、ジャケット2の上部には突起部９（図５では図示していないが図４の突起部９と全く同じものである）が、ラジエタ６の近傍側面にはそれを冷却するためにファン7が設けられている点、低温側配管４の径が高温側配管５に比べて小さくなっている点、低温側配管４と高温側配管５との間で熱的接合部８が設けられている点は前述の第一の実施例と同様である。

本実施例においては、低温側配管４にバイパス配管１６を設け、このバイパス配管１６の流路中には冷媒液ポンプ１５と、バイパス配管１６の一方の端部には三方弁１７が接続されている。さらに、ジャケット２の底面には温度センサ１８が取り付けられており、さらに温度センサ１８はコントローラ１９を介して冷媒液ポンプ１５、三方弁17と接続されている。冷媒液ポンプ１５は通常停止しており、ジャケット２に設けた温度センサ１８の出力がある温度を超えた場合のみコントローラ19からの指令に基づき稼動する。この際同時に、コントローラ１９は三方弁17に対しても流路を低温側配管４側からバイパス配管16に切り替えるよう指令を出す。

このような構成においては、ＣＰＵ1の発熱が大きくないときには、ジャケット２の底面に設けた温度センサ18出力が小さいため、第一実施例で述べたのと同じ要領で自然循環により冷却が行なわれる。ＣＰＵ1の発熱が著しく大きな状態になると、ジャケット２の底面に設けた温度センサ18出力が増大し、コントローラ１９からの指令に基づき、三方弁17が切り替わると同時に冷媒液ポンプ15が起動する。このため、ＣＰＵ1の発熱が極めて大きな場合に対しても、安定した冷却を行なうことが出来る。なお、冷媒液ポンプ15は通常休止しているため、ポンプ寿命が問題となることはない。

本発明の第一実施例での液冷システムの斜視図 本発明の第一実施例での液冷システムを実装した電子機器の斜視図 本発明の第一実施例での液冷システムの構成図 本発明の第一実施例での液冷システムの部分詳細図 本発明の第二実施例での液冷システムの構成図

符号の説明

１…ＣＰＵ、２…ジャケット、４…低温側配管、５…高温側配管、６…ラジエタ、７…ファン、８…熱的接合部、９…突起部、１０…液冷システム、１1…システムファン、１2…デバイス、１3…電源、１4…気泡、１５…冷媒液ポンプ、１６…バイパス管、１７…三方弁、１８…センサ、１９…コントローラ。

Claims (6)

1. 発熱素子と熱的に接続する受熱部と、この受熱部から連通する第1の配管と、この第1の配管に接続された放熱用熱交換器と、この放熱用熱交換器から連通し前記受熱部と連通する第２の配管とを備えた電子機器の冷却装置において、
   前記受熱部と前記第1と第２の配管と前記放熱用熱交換器の内部に沸騰冷媒液が封入され、前記第１と第２の配管が熱的に接続されていることを特徴とする電子機器の冷却装置。
2. 請求項１記載の電子機器の冷却装置において、
   前記第１の配管と前記放熱用熱交換器との接続部は、前記第２の配管と前記放熱用熱交換器との接続部よりも上部に位置することを特徴とする電子機器の冷却装置。
3. 請求項１記載の電子機器の冷却装置において、
   前記受熱部の上面に前記沸騰冷媒から発生する気泡を溜まる空間を設け、かつこの空間の高さは、前記第１の配管の前記放熱用熱交換器との接続部位置よりも高い位置にあることを特徴とする電子機器の冷却装置。
4. 請求項１記載の電子機器の冷却装置において、
   前記第１の配管の径は前記第２の配管の径よりも大きいことを特徴とする電子機器の冷却装置。
5. 請求項１記載の電子機器の冷却装置において、
   前記第２の配管の両端をバイパスする第３の配管を設け、この第３の配管中にポンプが設けたことを特徴とする電子機器の冷却装置。
6. 請求項５記載の電子機器の冷却装置において、
   前記第３の配管の一端に三方弁を設け、前記受熱部の底面に設けられた温度センサ出力が所定値を超えたときに前記三方弁が切り替わって前記ポンプを起動させることを特徴とする電子機器の冷却装置。
   

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