(57)【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、
前記沸騰面の側面は複数の前記電子機器の発熱体と熱的に接続され、
前記沸騰面と前記凝縮面とを結ぶ鉛直方向の流路に、この流路を塞ぐようにメッシュを配置し、
前記メッシュを金属製の金網を巻いて構成し、かつ、前記メッシュの上下にメッシュを支持するメッシュ支持用支柱を配置し、前記メッシュが前記メッシュ支持用支柱の間で可動でき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。
【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５.１×１０-4ｍ3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３.８×１０-5ｍ3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
【図１】
0005723708.tif 000002
【図２】
0005723708.tif 000003
【図３】
0005723708.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005723708.tif 000006
【図６】
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