(57)【要約】従来の冷却システムの沸騰伝熱面のフィン形状では、沸騰核がフィンで停滞する可能性を含む問題があった。これに対して、本発明は冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、種々の冷媒に対してフィン根元とベース部に冷媒液が薄膜を形成するように、フィン突起部をフィンベースから傾ける構成を備えたものである。またフィン根元でフィンベースに切欠きを設ける構成を備えたものである。また、フィンベース方向にフィン突起部を切断する構成を備えたものである。
2014049805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、前記沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、フィン自体をベースから傾けることを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、前記沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、フィン自体を先細りにすることを特徴とする冷却システム。
【請求項３】
冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、ベースに切欠きを設けることを特徴とする冷却システム。
【請求項４】
冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、フィン方向に複数の切断部を設けることを特徴とする冷却システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの請求項において、
沸騰部と凝縮部、前記沸騰部と前記凝縮部それらを繋ぐ蒸気パイプ、液パイプを備えた冷却システム。
【請求項６】
沸騰部と凝縮部、前記沸騰部と前記凝縮部を繋ぐ蒸気パイプ、液パイプを有する冷却システムを備えた電気機器において、
電気機器内の機器を冷却する複数個の冷却ファンを備え、
前記凝縮部を前記複数個の冷却ファンで冷却することを特徴とする電気機器。
【請求項７】
請求項６の電気機器において、
前記蒸気パイプの前記凝縮部への取り付け位置を、前記凝縮部に対向する面積の小さい冷却ファンの側に配置したことを特徴とする電気機器。
【請求項８】
請求項６又は請求項７の少なくとも１つの電気機器において、
複数の前記凝縮部を１つの冷却ファンで冷却することを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーバ等ＩＴ機器、インバータ用電源、モータ等で、その内部の発熱源を搭載する冷却システム、及びそれを用いた電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サーバ等ＩＴ機器、インバータ用電源、モータ等においては、性能向上などにより、筺体内の高密度実装が行われている。【０００３】
ところで、上述した半導体デバイスやモータは、一般に、所定の温度を超えると、その性能の維持を図れなくなるだけではなく、場合によっては、破損することもある。このため、冷却等による温度管理が必要とされ、発熱量の増大する半導体デバイスやモータを効率的に冷却する技術が強く求められている。【０００４】
このような技術背景において、発熱量の増大する半導体デバイスやモータを冷却するための冷却装置には、かかる半導体デバイスやモータを効率よく冷却することが出来る、高性能な冷却能力が要求されている。なお、従来、サーバ等ＩＴ機器、インバータ用電源、モータ等では、一般的に、空冷式の冷却装置が多く採用されていたが、しかしながら、上述した状況から、既に限界に近づいており、そのため、新たな方式の冷却システムが期待されており、その一つとして、例えば、水等の冷媒を利用した冷却システムに注目が集まっている。
なお、本発明に関連する従来技術としては、例えば、特許文献１には冷却用フィンの構成が示されており、低沸点冷媒を水と解釈すれば、フィン高さが０．１〜１．０ｍｍで、フィンピッチより換算するとフィン間隙間が０．０６〜０．６ｍｍとなる構成が示されている。
また、特許文献２では、パソコンのＣＰＵ冷却用ヒートパイプにおいて、フィン間隙間は０．１〜０．３５ｍｍで、フィン上部孔直径が０．０９〜０．３ｍｍ、フィン高さが０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍの構成が示されている。
また、特許文献３には、フィン上部孔直径が０．２ｍｍとなる構成が示されている。
さらに、特許文献４では、フィン間距離を離脱気泡径の２倍以上とし、フィン高さを離脱気泡径の１〜３．４倍の構成が示されている。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０-２１２４０３公報
【特許文献２】特開２００３-２４０４８５公報
【特許文献３】特開２０１０-２５６０００公報
【特許文献４】特表２００５-５２３４１４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の従来技術において、特許文献１はフィンベースが鉛直に伸びた構成でフィンの突起の向きが水平方向であり、沸騰核の浮力で上昇する沸騰核がフィンを斜めにすることで上方に上がる構成であり、沸騰核がフィンで停滞する可能性を含んでいる。
特許文献２は窪み(切欠)がフィン根元に形成されているが、フィンの突起の箇所であり、熱流束の高いフィンベースに設けられていない。
特許文献３はフィンに切欠があるが、根元でないため、上記と同様、熱流束の高いフィンベースに設けられていない。
更に、特許文献４は熱伝達管のフィンの根元に空洞を形成しているが、熱流束の高いフィンベースに設けられていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、前記沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、フィン自体をベースから傾けることを特徴とするものである。【０００８】
また、上記課題を解決するために、本発明は冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、前記沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、フィン自体を先細りにすることを特徴とするものである。【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明は冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、前記沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、ベースに切欠きを設けることを特徴とするものである。【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明は冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、前記沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、フィン方向に複数の切断部を設けることを特徴とするものである。【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明は沸騰部と凝縮部、前記沸騰部と前記凝縮部を繋ぐ蒸気パイプ、液パイプを有する冷却システムを備えた電気機器において、電気機器内の機器を冷却する複数個の冷却ファンを備え、前記凝縮部を前記複数個の冷却ファンで冷却することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の構成によれば、冷媒に対する沸騰核の早期生成と、液流入のスムーズな流れができる。
また、発熱量が比較的大きく、冷媒液の封入量を多くし、伝熱面が冷媒液に十分に浸かるプール沸騰でも、沸騰核の早期生成と液流入のスムーズな流れが達成でき、伝熱性能を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態によるサーモサイフォンを利用した冷却システムの全体概略構成を示す断面図。
【図２】本発明の一実施の形態によるサーモサイフォンを利用した冷却システムを構成する受熱ジャケットの詳細構造を示すための一部断面を含む拡大斜視図。
【図３】本発明における受熱ジャケットの気化促進板のフィン部がベースに対し傾斜した際のフィン根元での拡大図。
【図４】本発明における受熱ジャケットの気化促進板のフィン部がベースで、先細りした際のフィン根元での拡大図。
【図５】本発明における受熱ジャケットの気化促進板のフィン根元でベースに切り欠きを設けた際のフィン根元での拡大図。
【図６】本発明における受熱ジャケットの気化促進板のフィン方向に対して切断部を設けた際のフィン根元付近で上面図。
【図７】本発明の沸騰伝熱面を搭載した熱サイフォンを利用した冷却システムを適用する電気機器の一例として、ラックに搭載されたサーバの全体構造を示す斜視図。
【図８】本発明の実施例のサーバ筐体内の内部構造の一例を示すため、その蓋体を外した状態を示す斜視図。
【図９】本発明における沸騰伝熱面を搭載した熱サイフォンをインバータ用電源の分解した斜視図。
【図１０】本発明における沸騰伝熱面を搭載した熱サイフォンをモータに適用した際の側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明における実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、沸騰伝熱面を搭載した冷却システムの全体構造を示しており、図において、回路基板１００の表面には、例えば、ＣＰＵなど、発熱源として半導体デバイス２００、を搭載している。そして、当該半導体デバイス２００の表面には、本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システム３００の一部を構成する受熱ジャケット３１０が取り付けられている。より具体的には、半導体デバイス２００の表面には、受熱ジャケット３１０との良好な熱的接合を確保するため、所謂、熱伝導グリース２１０を塗布すると共に、その表面には、上記受熱ジャケット３１０の底面を接触させ、ネジ(図示なし)などの固定具により固定されている。なお、冷却システム３００は、以下にその詳細構造を説明するが、上記受熱ジャケット３１０と共に、ラジエータを備えた凝縮
器３２０を備えており、かつ、これらの間には、一対の配管３３１、３３２が取り付けられると共に、その内部を大気圧の略１／１０程度の減（低）圧状態に保たれている。【００１６】
上記受熱ジャケット３１０が沸騰部を、上記凝縮器３２０が凝縮部を、それぞれ、構成しており、もって、以下にも説明するように、液体冷媒である水の相変化により、電動ポンプなどの外部動力なしで、当該冷媒液を循環することの出来る、所謂、サーモサイフォンを構成している。【００１７】
即ち、上記のサーモサイフォンを利用した冷却システムでは、発熱源である半導体デバイス２００で発生した熱は、熱伝導グリース２１０を介して沸騰部である受熱ジャケット３１０へ伝達される。その結果、当該沸騰部では、伝達された熱により液体冷媒である水（Ｗａ）が減圧下で沸騰して蒸発し、発生した蒸気（ＳＴ）は、受熱ジャケット３１０から一方の配管３３１を通って凝縮器３２０へ導かれる。そして、この凝縮部では、冷媒蒸気が、例えば、図にも示すように、冷却ファン４００などによって送風される空気（ＡＩＲ）により冷却され、もって、液体（水）となり、その後、重力により、他方の配管３３２を通って再び上記受熱ジャケット３１０へ戻る。【００１８】
ここで、添付の図２には、上記受熱ジャケット３１０の詳細な構造が示されており、図にも示すように、この受熱ジャケット３１０は、例えば、銅など、熱伝導率に優れた金属板からなる矩形の底板３１１の上部に、銅又はステンレスなどの金属を椀状に絞って形成した蓋体３１２を載せ、その周辺部を、例えば、加圧溶接などにより接合する。そして、図にも明らかなように、上記底板３１１の上面には、矩形板状の気化促進板３１３を取り付ける共に、蓋体３１２の上部と側壁面には、それぞれ、貫通穴が形成されており、上記一対の配管３３１、３３２が、それぞれ、接続されている。【００１９】
また、この多孔構造面を備えた気化促進板３１３は、液状冷媒が枯渇しない限り安定した蒸発性能（気化性能）を発揮し、そして入力熱量が少ないときは液状冷媒が含浸して多孔質の孔を埋めているが、入力熱量が大きいときは孔を埋めている液状冷媒が蒸発して少なくなるので、多孔質内部に冷媒液膜の薄い部分が増えるため蒸発がより促進され、放熱性能が増加した状態となり熱輸送量が増大する。すなわち、入力熱量の増大により温度に依存して蒸発が促進されるのに加え、蒸気量の増加に依存して蒸発が促進されるため、入力熱量が大きいほど熱輸送量が大幅に増加し効率が向上する。【００２０】
なお、かかる気化促進板３１３は、上記受熱ジャケット３１０を構成する底板３１１の内壁側に溶接などにより取り付けられるが、しかしながら、本発明では、これのみに限定されることなく、上述した多孔構造面を、上記底板３１１を構成する銅板の内壁面に直接、形成してもよい。【００２１】
図３に受熱ジャケットの気化促進板３１３のフィン部がベース２２に対し傾斜した際のフィン根元２０での拡大図を示す。例えば、フィンベースに対して、サイドから刃を入れ込み、フィンを鋤け起こしする際に、ベース２２に対しフィン根元２０でフィンが傾斜させることができるが、大量生産時の引き抜き・押し出し製法でもフィンをベースに対して傾けることは可能である。フィン根元２０で、フィンとベース２２の間で冷媒が入り込む領域（スペース）が狭いところ、広いところが存在する。これにより、冷媒の薄膜領域と厚膜領域が生じ、特に冷媒の薄膜領域では熱流束が上がり、沸騰核２１がこのフィン根元２０の薄膜領域で早期に生成する。よって、沸騰性能の早期安定性を確保できる。
【実施例２】
【００２２】
図４に他の実施例として、受熱ジャケットの気化促進板３１３のフィン部がベース２２で、先細りした際のフィン根元２０での拡大図を示す。例えば、大量生産時の引き抜き・押し出し製法で、フィン部がベース２２で、先細りする金型を使用することで、加工は可能である。フィン根元２０で、フィンの両サイドともに冷媒が入り込む領域（スペース）が狭くなる。これにより、フィン根元２０で冷媒の薄膜領域が生じ、沸騰核２１がこのフィン根元２０の薄膜領域で早期に生成する。よって、沸騰性能の早期安定性を確保できる。
【実施例３】
【００２３】
図５に他の実施例として、受熱ジャケットの気化促進板３１３のフィン根元２０でベース２２に切り欠き２３を設けた際のフィン根元２０での拡大図を示す。例えば、大量生産時の引き抜き・押し出し製法で、フィン部がベース２２に、切り欠き２３を形成する金型を使用することで、加工は可能である。また、従来から用いられている引き抜き・押し出し製法でフィンを加工した後に、ベース２２に切り欠き２３の溝を設けることで、同様な構成を達成できる。これにより、ベース２２の切り欠き２３では、発熱体が接するベース２２の裏面からの距離が短くなるため、熱流束が上がり、この切り欠き２３では冷媒の薄膜領域が生じる。沸騰核２１がこの切り欠き２３の薄膜領域で早期に生成する。よって、沸騰性能の早期安定性を確保できる。
【実施例４】
【００２４】
図６に他の実施例として、受熱ジャケットの気化促進板３１３のフィン方向２４に対して切断部２５を設けた際のフィン根元２０付近で上面図を示す。前述の図３〜５で説明した製法のうち、鋤け起こしの場合はあらかじめ、ベースに切断部２５となる溝を設けておくことで対応できる。また、引き抜き・押し出し製法では図３〜５で説明したフィンを加工後、切断部２５となる溝を設ける。これにより、沸騰核２１が生成したフィン方向２４のみでなく、沸騰核２１が生成していないフィン間にも移動することができ、気化促進板３１３全面で沸騰を生じやすくなり、沸騰伝熱面を高伝熱性能にできる。
【実施例５】
【００２５】
続いて、図７、図８に上述した沸騰伝熱面を用いたサーモサイフォン冷却システムを搭載した電気機器の詳細な実施例を示す。【００２６】
サーバ筐体５の各々の内部には、例えば、添付の図７、図８に示すように、そのメンテナンス性を考慮して、一方の面（本例では図の右側に示す前面側）に複数（本例では３個）の大容量の記録装置であるハードディスクドライブ５１が設けられており、その後方には、やはり筐体内で発熱源となるこれらのハードディスクドライブを空冷するための複数（本例では４個）の冷却ファン５２が取り付けられている。そして、サーバ筐体５の他方の面との間（即ち、後方の空間)には、やはり冷却ファン５３と共に、電源や通信手段のインターフェイスであるＬＡＮ等を収納したブロック５４が設けられており、更に、その残りの空間には、その表面に複数（本例では２個）の発熱源であるＣＰＵ２００を搭載した上記回路基板１００が配置されている。なお、この図７の斜視図は、その蓋体を外した状態を示している。【００２７】
そして、この図にも明らかなように、各ＣＰＵ２００には、それぞれ、上述した本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システム３００が設けられている。即ち、ＣＰＵ２００の表面には、その間に塗布した熱伝導グリースを介して上記受熱ジャケット３１０の底面を接触させており、もって、良好な熱的接合を確保している。そして、本発明によれば、冷却システム３００を構成するオフセットフィンを備えた凝縮器３２０が、上記ハードディスクドライブを空冷するための４個の冷却ファン５２の背後に配置されている。即ち、冷却システムを構成する凝縮器３２０が、冷却ファン５２によって外部から供給される空気（冷却風）の通路に沿って並んで配置されている。即ち、オフセットフィンを備えた凝縮器３２０が、上記冷却ファン５２の列に平行に並んで取り付けられている。【００２８】
このように、上述した電気機器の構造では、その筐体５内に組み込まれる他の装置の冷却手段である冷却ファン５２を、本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システム３００を構成する凝縮器３２０の冷却手段（ラジエータ）として利用（又は、共用）している。この構成によれば、筐体内の発熱源であるＣＰＵ２００を、専用の冷却ファンを持つことなく、換言すれば、比較的簡単で安価であり、かつ、液駆動のためのポンプ動力も不要で省エネにも優れた冷却システムによって、効率的かつ確実に冷却することが可能となる。また、本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システム３００を利用することによれば、熱交換効率が比較的高く、かつ、その比較的簡単な構造によって、高密度実装が要求されるサーバなどの電気機器においても、自由度の高い配置が可能となる。【００２９】
また、これらの図からも明らかなように、冷却システム３００を構成する凝縮器３２０は、それぞれ、複数（本例では２個）の冷却ファンの排気面を覆うように配置されている。なお、本発明の構成によれば、何れかの冷却ファンが故障により停止しても、残りの冷却ファンにより生ずる冷却風により凝縮器３２０の冷却が継続され、即ち、冗長性を確保することが出来ることから、電気機器の冷却システムの構造として好適である。また、特に、図８において丸で囲った中に示すように、受熱ジャケット３１０内で発生する冷媒蒸気を凝縮器３２０へ導くための蒸気管３３１のヘッドへの取り付け位置を、ラジエータである凝縮器に対向する面積小さい冷却ファン(図中での４台縦に並んだ冷却ファン５２の下から２台目)の側に寄せることによれば、何れかの冷却ファンの故障による停止に対し、更に、その冗長性を向上することが出来る。【００３０】
本例では２個のサーモサイフォンの凝縮部に対して冷却ファンを３個使用しており１個の凝縮部に対して1.5個の冷却ファンを対応させている。このとき冷却ファン1個が停止した場合には、残りの０．５個分のファンだけで冷却されることになり、サーモサイフォン凝縮部のラジエータの２/３の部分で放熱ができなくなるに等しい状況となる。サーバシステムにおいては緊急時のシステム正常終了までにある程度時間が必要であるため、その間冷却性能を確保しなければならない。従来の水冷方式のラジエータではラジエータ全体に均等に冷媒が流れるため、有効な放熱面積が２/３減ったとすれば、その分冷媒の冷却性能が落ちることとなり、この冷却性能が落ちた分がＣＰＵの温度上昇に直接寄与することとなる。しかし、サーモサイフォンのシステムにおいては、ラジエータの放熱されていない部分では蒸気が凝縮できないため、結果的に冷却されている残りの部分に蒸気が集中することとなる。一部に集中した蒸気は流速が高いため扁平管内の液膜を押し流すために凝縮性能の向上に寄与する。また、本例のサーモサイフォンにおいては、凝縮部へ蒸気を供給する配管３３１に近い扁平管３２３に蒸気が多く流れやすい性質があり、この特徴を生かし蒸気管３３１のヘッドへの取り付け位置を、ラジエータである凝縮器に対向する面積の小さい冷却ファンの側に寄せることで、冷却ファンが１台停止した際の放熱性能の低下をより抑えることができる。このためサーモサイフォンを利用することで、より少ないファン台数で冗長性を確保することが可能である。
【実施例６】
【００３１】
図９に本発明の他の実施例であるインバータ用電源モジュールの冷却装置の詳細を示す。本発明における電源モジュール５００の冷却装置の構成を示す分解概略斜視図である。図９に示すように、電源基板５４０には高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１０、レギュレータ５２０、低発熱であるが耐熱許容温度の低いコンデンサ５３０が実装され、さらに、トランス５１０、レギュレータ５２０にはそれぞれ偏平ヒートパイプ５１１、５２１の熱伝導部材が取り付けられ、図示していないがその一端はグリース、伝熱シート等を介して筺体板金５６０に取りつく。この電源モジュールの筺体板金５６０と受熱ジャケット３１０の間には伝熱シート８０が設けられ、伝熱シート８０の接触熱抵抗を低減するために、図示していないが、モジュールに取り付けられたバネ等で荷重保持されている。また、受熱ジャケット３１０内部には本特許の気化促進板である沸騰伝熱面がグリース、伝熱シート８０等を介して取り付けられている。上記のような構成とすることによって、小型、高密度化なインバータ用電源モジュールを提供でき、高性能なインバータにより消費電力の増大に対応可能な冷却装置を提供できる。
【実施例７】
【００３２】
図１０に本発明の他の実施例であるモータの冷却装置の詳細を示す。モータ６００はロータ６０１、ステータ６０２、ケース６０３で構成される。モータ６００のケース６０３は動力伝達部のケースと一体構成となっていてもよい。ステータ６０２で発生する熱はケース６０３を経由して、受熱ジャケット３１０が取り付いている。受熱ジャケット３１０内部には本特許の気化促進板である沸騰伝熱面がグリース、伝熱シート等を介して取り付けられている。上記のような構成とすることによって、高出力のモータを提供でき、高性能なモータにより生ずる消費電力の増大に対応可能な冷却装置を提供できる。
【図１】
2014049805.tif 000003
【図２】
2014049805.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月4日(2016.1.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液を気化させる沸騰伝熱面を備えた冷却システムであって、沸騰伝熱面のフィン根元とベースで、ベースに薄膜領域が生じる切欠きを設けることを特徴とする冷却システム。
【国際調査報告】
2014049805.tif 000013
2014049805.tif 000014
2014049805.tif 000015
2014049805.tif 000016
2014049805.tif 000017
2014049805.tif 000018