(57)【要約】　　　（修正有）【課題】高密度に複数の発熱性回路素子が実装された電子機器を効率よく冷却すると共に電子機器の小型化、信頼性、保守性及び経済性に優れた可能な冷却システムを提供する。【解決手段】複数の発熱性回路素子を有する電子機器１１０に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンク１１０と、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気を前記フィン型ヒートシンク１１０上に誘導する蒸発器１２０とを有することを特徴とする冷却システム。【選択図】　図１
2004063553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、
前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンクと、
前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気を前記フィン型ヒートシンク上に誘導する蒸発器とを有することを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記蒸発器は、前記空気が導入及び排気される方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有することを特徴とする請求項１記載の冷却システム
【請求項３】
前記空気の前記電子機器の筐体への導入と冷却システムのコンデンサの散熱を兼ねて、吸気方向とは異なる方向に排気するブロアを有することを特徴とする付記１記載の冷却システム。
【請求項４】
複数の発熱性回路素子と、当該発熱性回路素子を冷却するための冷却システムとを有する電子機器であって、
前記冷却システムは、
前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンクと、
前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、冷却された空気を前記フィン型ヒートシンクに誘導する蒸発器とを有することを特徴とする電子機器。
【請求項５】
複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、
前記複数の発熱性回路素子は前記空気の流れ方向に配置されており、
前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気により当該複数の発熱性回路素子を冷却する蒸発器からなる冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に冷却システムに係り、特に、発熱性回路素子（発熱素子）を有する電子機器を冷却する冷却システムに関する。本発明は、例えば、ＵＮＩＸサーバまたはラック状サーバに搭載されるトレイに実装される各種回路の発熱素子から発生する熱を放出する冷却システムに好適である。
【従来の技術】
近年の電子機器の発達により、サーバの高密度実装（特に、ボードピッチ）またはラックに複数段搭載されるトレイ状のサーバは高さが約４ｃｍにまで薄型化が進んでいる。一方、サーバの基板に搭載される各種回路素子の高速化と高機能化に伴って、ＣＰＵなどの発熱素子の数が増加すると共にかかる回路素子からの発熱量が増加する傾向にある。かかる発熱は放置しておくと回路素子の動作を不安定又は低下させるのみならず、最終的には熱破壊をもたらす。このため、従来から発熱性回路素子を冷却する冷却システムが提案されている。
以下、図９及び図１３を参照して、従来の冷却システムについて説明する。
図９及び図１０は、従来の空冷方式を採用する冷却システム１０及び１０Ａを示す概略ブロック図である。冷却システム１０は、筐体１１内部に図示しない複数の発熱性電子デバイスの各々の上にフィン型ヒートシンク１２を搭載し、強制的に導入した空気とヒートシンク１２の表面の対流熱交換によって図示しない電子デバイスを放熱するシステムである。内部の空気は最終的にはファン１４によって排気される。一方、冷却システム１０Ａは、下流にある発熱性電子デバイスへの冷却能力を高めるため、筐体１１上にエアダクト１６を設け、送風機１８を有するエアダクト１６に設けられた通気孔１７を介して新鮮な空気を各ヒートシンク１２に供給するによって冷却能力を高めている。即ち、冷却システム１０においては、下流の電子デバイスにはその上流のヒートシンク１２によって温められた空気が供給されるのに対して、冷却システム１０Ａにおいては、エアダクト１６が新鮮な空気を下流の電子デバイスに供給できるようにしている。冷却システム１０Ａにおいても筐体１１の内部の空気は最終的にはファン１４によって排気される。
図１１及び図１２は、従来のチルドエア冷却方式を採用する冷却システム２０及び２０Ａをそれぞれ示す概略ブロック図である。冷却システム２０は、エアダクト１６に蒸発器２４を配置している。また、エアチラー（又は「冷却サイクル」と呼ばれる。）２２を設置して送風機１８に接続し、温度の低下した空気を電子機器筐体に導入することによって冷却能力を高めている。即ち、冷却システム２０及び２０Ａでは、筐体１１内に供給される空気は冷却された空気である点が冷却システム１０及び１０Ａと相違する。
図１３は、従来の低温液冷方式を採用する冷却システム３０の概略ブロック図である。コンプレッサ２４により冷媒は分岐配管２５によって循環させ、各発熱体に搭載された冷却モジュール２６内で冷媒を蒸発させることにより、強制的に冷却を行う。ファン１４の後にはコンデンサ２８が配置されている。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の冷却システムは、電子機器の小型薄型化の要請と十分な冷却の両方を達成することができなかった。
例えば、冷却システム１０及び１０Ａは、導入される空気が動作環境の空気であり、温度が３５℃乃至４５℃であるため、冷却能力が低い。また、空気が流れる方向の下流では、ヒートシンク１２へ導入する空気の温度は徐々に高くなるため、下流側の発熱体への冷却は困難になる。冷却システム１０Ａは、エアダクト１６を設けているが、下流の電子デバイスに上流のヒートシンク１２によって温められた空気が供給される点は同様である。一方、筐体１１内の冷却能力を高めるために、ヒートシンク１２の搭載間隔やヒートシンク１２自体を大きくすれば、電子デバイスの高密度な実装と筐体１１の小型薄型化の要請に反することになる。
次に、冷却システム２０は、冷凍サイクルとエアダクトの設置により装置の大型化を招く。このため、冷却システム２０は高密度な実装には不向きである。また、冷却システム１０及び１０Ａと同様に、冷却システム２０は下流の電子デバイスへの冷却性能は低下する。一方、空気を冷却すると蒸発器２４の熱交換効率は低下する。また、冷却システム２０Ａは高発熱体への冷却には不適当である。
冷却システム３０は、各発熱体に対して冷媒配管を設けて冷却することは装置の大型化と冷却システムの複雑化を招くため困難である。特に、二相状態で各分岐に冷媒の分配を制御することは困難である。冷媒分岐配管２５の構造が複雑で冷却モジュール２６との接続数が多くなると信頼性と保守性が低下すると共にコストもアップする。
そこで、本発明は、高密度に複数の発熱性素子が実装された電子機器を効率よく冷却可能な冷却システム、それを有する電子機器及び当該電子機器を有するサーバを提供することを例示的な目的とする。
また、本発明は、冷却能力と電子機器の薄型・小型化を両立し、信頼性、保守性及び経済性に優れた冷却システム、それを有する電子機器及び当該電子機器を有するサーバを提供することを別の目的とする。
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の一側面としての冷却システムは、複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンクと、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気を前記フィン型ヒートシンク上に誘導する蒸発器とを有することを特徴とする。かかる冷却システムは、蒸発器が冷却機能を有して、外部から供給される空気とフィン型ヒートシンクによって温められた空気の両方を冷却する。蒸発器は、フィン型ヒートシンクによって温められた空気を冷却することができるので冷却能力と冷却効率も高い。また、蒸発器は冷却された空気をヒートシンクに誘導する機能を有する。更に、蒸発器が多機能化されていること、及び、蒸発器が発熱性回路素子の上部に搭載されているので蒸発器が装置の入口に設けられるよりも空気との熱交換効率を高くすることができるため薄型化及び小型化を実現できることから、冷却システムを小型にすることができる。
前記蒸発器は、前記空気が導入及び排気される方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有してもよい。かかる冷却システムによれば、従来のように、下流側の冷却効率が低下することを改善するために、下流に行くほど冷却された空気の導入を調整する蒸発器フィンの形状を変化させ、下流に行くほど冷媒による冷却能力と各電子素子への冷却の均一性を高めている。また、前記蒸発器は、前記空気を前記方向の下流側でより冷却するように配置され、下流側の冷却効率が低下することを改善することができる。
また、前記蒸発器は、前記方向に略垂直に配置され、前記空気を誘導するための複数のエアプレートを更に有してもよい。かかる冷却システムによれば、蒸発器は空気を冷却と誘導及び配給する機能を備えて多機能化を実現することができる。「略垂直」としたのは、エアプレートが空気の流れ方向に対して成立していない場合（即ち、完全に垂直ではない場合）も含む趣旨である。
前記空気の前記電子機器の筐体への導入と前記筐体からの排気を行い、吸気方向とは異なる方向に排気するブロアを設けるより冷却システムの小型化、特に薄型化に資する。ブロアは空気の導入とコンデンサの散熱を兼ねており、多機能化されているので冷却システムの小型化に資する。前記ブロアと前記筐体との間には冷媒用配管が設けられていてもよい。これにより、コンデンサの散熱能力とシステム冷却効率を向上することができる。
前記蒸発器が前記空気を冷却する温度は露点（通常、約２２℃）以上であることが好ましい。これは、露点以下の場合は結露を生じて除湿処理などが必要となるためである。
上記冷却システムを有する電子機器、一又は複数段のトレイ状の前記電子機器を引き出し可能に搭載するラック状サーバも本発明の別の側面を構成する。かかる電子機器やサーバは冷却システムにより、小型薄型化を維持したまま、内部回路が熱破壊することを防止することができる。
本発明の別の側面としての冷却システムは、複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子は前記空気の流れ方向に配置されており、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気により当該複数の発熱性回路素子を冷却する蒸発器からなることを特徴とする。前記複数の発熱性回路素子の上部にはフィン型ヒートシンクが搭載され、前記蒸発部は前記冷却された空気を前記フィン型ヒートシンクに誘導してもよい。前記蒸発器は、前記空気の流れ方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有してもよい。前記蒸発器は、前記空気の導入方向に対して略垂直に配置され、前記空気を誘導するための複数のエアプレートを更に有してもよい。これらの冷却システムも上述の冷却システムと同様の作用を奏することができる。
本発明の他の目的と更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施例において明らかになるであろう。
【発明の実施形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態の冷却システム１０５及び当該冷却システム１０５を有する電子機器１００について説明する。ここで、図１は、冷却システム１０５の概略断面図である。冷却システム１０５は、複数の発熱素子を有する電子機器１００の筐体１０１内に、外部から空気を導入及び排気することによって発熱素子を冷却する機能を有し、フィン型ヒートシンク１１０と、空気冷却部とを有する。
フィン型ヒートシンク１１０は、冷却フィン１１２と、当該冷却フィンの底面を形成して発熱素子から冷却フィン１１２への熱伝達を可能にするベース１１４とを一体的に形成している。
本実施形態のヒートシンク１１０は、ベース１１４の下に配置された図１には省略されているＣＰＵ等の発熱素子を冷却するために発熱素子上に熱的に接触している。
冷却フィン１１２は整列した多数の板状フィンからなる。冷却フィン１１２は、凸形状を有して表面積を増加させているので放熱効果が増加している。もっともフィン１１２の形状は板状に限定されず、ピン状、湾曲形状など任意の配置形状を採用することができる。また、フィン１１２は、一定間隔で横に整列する必要はなく、放射状に配置されたり、ベース１１４に対して傾斜して配置されたりしてもよい。フィン１１２の数も任意に設定することができる。フィン１１２はアルミニウム、銅、窒化アルミニウム、人工ダイヤモンドなどの高熱伝導性材料で形成されることが好ましい。フィン１１２は、金型成形、圧入、ロウ付け、溶接、射出成形などによって形成される。
ベース１１４は、例えば、アルミニウム、銅、窒化アルミニウム、人工ダイヤモンド等の高熱導電性材料から構成される。ベース１１４の底面は、発熱素子との接触熱抵抗を減少させるため平坦に形成されることが望ましい。ヒートシンク１１０は板金加工、アルミダイキャストその他の方法によって製造される。
必要があれば、ベース１１４は、例えば、図１の紙面に垂直に中空部を形成して冷却水（水その他の冷媒（例えば、フレオン、アルコール、アンモニア、ガルデン、フロン等））を収容してヒートパイプ板を構成してもよい。また、中空部にメッシュ（又はウイック）を挿入して毛細管現象により冷却水を還流させると更に効果的である。また、ベース１１４は、必要があれば、外部のヒートパイプなどと接続されてもよい。ここで、ヒートパイプは、アルミニウム、ステンレス、銅などで形成された高低差のあるパイプを有する。パイプは、その内側にガラス繊維や網状の細い銅線などで形成したウイック材を張り、内部を減圧にして水などの冷却水を収納する。低位置にある発熱体から熱を得ると冷却水が気化して高位置に移動し、高位置において自然又は強制冷却されて再び液化して低位置に戻るサイクルを繰り返して発熱体を冷却する。
ヒートシンク１１０は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、発熱素子の配置に応じて、任意の位置に配置可能である。ここで、図７（ａ）は、２×４のマトリックス状に配列された８個の発熱素子上に配置された８個のヒートシンク１１０とその上に配置された蒸発器１２０を示す平面図である。図７（ｂ）は１×２、２×２、１×２のマトリックス状に配置された８個の発熱素子上に配置された８個のヒートシンク１１０とその上に配置された蒸発器１２０を示す平面図である。
空気冷却部は、空気の導入、冷却、分配と排気を行い、蒸発器１２０と、コンプレッサ（圧縮機）１３０と、ブロア１４０と、コンデンサ１５０とを有する。蒸発器１２０は、空気の冷却と誘導を行う、フィンチューブ型又はフィンプレート型空気冷却器である。また、蒸発器１２０は、フィン型ヒートシンク１１０により大気に伝導される熱を冷却することで、結果的に発熱素子を冷却している。更に、蒸発器１２０による冷気がフィン型ヒートシンク１１０に直接当たることでも発熱素子を冷却している。蒸発器１２０は、複数の蒸発器フィン１２２と、冷媒用配管１２４と、複数のエアプレートとを有する。蒸発器１２０も、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、発熱素子の位置に応じて任意の配置を採ることができる。
蒸発器フィン１２２は、表面で空気を冷やすと共に導入される空気の流路を形成するフィンである。図２に示すように、蒸発器フィン１２２は、複数の薄板から構成されている。ここで、図２は、図１に示す蒸発器１２０とフィン型ヒートシンク１１０を示すの概略側面図である。Ｅは発熱素子、Ｓは基板である。
複数の蒸発器フィン１２２は所定の間隔で配置され、空気が筐体に導入され排気されるＭ方向の下流に向かって面積が減少する。図１及び図３においては、蒸発器フィン１２２は、長方形に三角形を合わせた同一のスロープ形状を有している。ここで、図３は、図１に示す蒸発器１２０の概略斜視図である。蒸発器フィン１２２の形状をどのように変化させるか及び蒸発器フィン１２２の輪郭は、Ｍ方向の下流の冷却能力を高めるように、シミュレーションによって決定される。シミュレーションにおいては、例えば、発熱素子がＣＰＵの場合、全ての発熱素子は同一の発熱量を有すると仮定することができるので、下流の冷却能力は、最終的に全ての発熱素子が同様の冷却効果で冷却されるように決定される。
冷媒用配管１２４は、蒸発器１２０に冷却機能を与える。冷媒用配管１２４は、下流部蒸発器フィンの面積が少なくなるため、同じ冷却能力を有するように配管の配置が密になる。本実施形態では間隔は一定で多段式に構成されているが、Ｍ方向の下流に行くほど間隔が狭まっていてもよい。図４に示すように、配管は波形状に延びている。ここで、図４は、冷媒用配管１２４の平面図である。但し、配管１２４の断面形状は、円、その他の形状でもよいし、場所によって断面形状が異なっていてもよい。例えば、Ｍ方向の下流側では太くするなどである。また、図４においては、配管１２４は、折り返し間隔が規則的に並んでいるが、不規則な任意の間隔としてもよい。例えば、Ｍ方向の下流側では間隔を密にするなどである。配管１２４の、断面形状、寸法、折り返し間隔は、必要な冷却効率に基づいてシミュレーションにより、自由に設定することができる。
冷媒には、例えば、フレオン、アンモニア、フロン等を使用することができる。冷媒によって冷却された空気の温度は露点以上であることが好ましい。これは、露点以下の場合は結露を生じて除湿処理などが必要となるためである。冷媒用配管１２４は、従来の冷却システム３０のように分岐していないので、経済性、信頼性及び保守性が高い。
エアプレート１２６は、Ｍ方向に垂直に、本実施形態では４枚配置され、空気をフィン型ヒートシンク１１２に誘導する薄板である。エアプレート１２６の間隔や数は、必要な冷却要求に基づいてシミュレーションにより、自由に設定することができる。
コンプレッサ１３０は、配管１２４内の冷媒の循環を制御する。冷媒は、コンプレッサより加圧させ、コンデンサで高温高圧の気相冷媒を冷やした熱を外部に放熱し、その後図示しない膨張機構によって減圧されて低温低圧になり、蒸発器で熱を吸収して気化されてコンプレッサ１３０に戻る。
ブロア１４０は、Ｍ方向の下流の出口付近に配置されている。ブロア１４０は、軸流ファンと異なり、吸気方向とは異なる方向に排気する。本実施形態では、図１及び図６（ａ）に示すように、ブロア１４０は、下から上に空気を吸い込んで右に、即ち、給気方向とは垂直な方向に、排気している。これに対して、図６（ｂ）に示すように、軸流ファンは給気方向と排気方向が一致している。ここで、図６（ａ）は、図１に示すブロア１４０近傍の概略拡大断面図であり、図６（ｂ）は、冷却システム３０のファン１４近傍の概略拡大断面図である。
ある程度の排気能力を維持するためにはファンでは、所定の径を確保しなければならない。軸流ファンにおいては、径方向が電子機器の高さ方向であるから、図６（ｂ）に示すように、電子機器の薄型化を制限することになる。これに対して、ブロア１４０では、図６（ａ）に示すように、径方向はＭ方向であり、電子機器の高さ方向ではないから電子機器の薄型化を妨げない。ブロア１４０の回転速度は、図示しない制御部によって制御可能である。
ブロア１４０は、図１に示すように、空気を装置入口から内部に導入すると共にコンデンサを冷却する機能を有する。このため、冷却システム１０Ａのように２箇所の送風機１８及び１４を設ける必要がないので小型化に貢献すると共に経済性に優れている。ブロア１４０の下には過熱器１４２が配置されている。過熱器１４２は、冷媒用配管１２４と同様のダクトを有し、コンデンサへの排気を冷却する。これにより、コンデンサ１５０の散熱能力とシステム冷却効率を向上することができる。
コンデンサ（凝縮器）１５０は、ブロア１４０から排気された空気と冷媒の熱交換を行う。コンデンサ１５０は、コンプレッサより高温高圧気相の冷媒を冷やして液化させる。
このように、本実施形態は、従来は電子機器の筐体の入口にあった蒸発器をヒートシンク１１０の真上に配置すると共に蒸発器１２０を多機能化して冷却機能を持たせているので、図５に示すように、装置入口から導入される新鮮な空気とヒートシンク１１０によって暖められて上昇する空気の両方を冷却することができる。ここで、図５は、蒸発器１２０による空気の流れを説明するための図である。蒸発器１２０と各ヒートシンク１１０を組み合わせることによって、各ヒートシンク１１０には高い熱交換能力と効率を得ることができる。
本実施形態では、ヒートシンクへ導入する空気の温度は、例えば、約３５℃〜４５℃の環境温度ではなく、配管１２４によって冷却された、例えば、約２５℃の温度である。また、ヒートシンク１１０によって暖められて上昇する空気を冷却するという、従来の冷却システム２０や２０Ａの蒸発器にはない効果を有する。更に、蒸発器１２０は、冷却機能を内蔵して発熱素子上に配置されて装置の薄型化に寄与する。即ち、蒸発器１２０が冷却システム２０及び２０Ａに示すように筐体の入口に設けられる場合は、Ｍ方向の一番下流の発熱素子を冷却できるように大型にする必要があるが、本実施形態では、発熱素子と蒸発器１２０との距離を近づけているために蒸発器１２０を小型にすることができる。
更に、Ｍ方向の下流の冷却効率を高めているので、従来のように、下流側の発熱素子の冷却が不十分になることを防止している。
また、エアプレート１２６は、各ヒートシンク１１０が結果として均一に冷却されるように冷却された空気の誘導と配給を制御する。エアプレート１２６冷却された空気が幾つかの発熱体のみに集中して供給されることのないように誘導するので、各発熱体に対する、特に、下流側の発熱体への冷却能力を従来の空冷方式よりも２倍以上高めることができる。
本実施形態では、従来の空冷方式よりも冷却効率が改善されているので、電子機器の筐体内により多くの電子デバイス搭載することができ、装置の性能の向上と高密度実装を実現することができる。また、各ヒートシンクを従来の空冷方式よりも小型軽量にしても同等以上の冷却効率が得られる。
以下、冷却システム１０５の動作について説明する。ＣＰＵ等の発熱素子が稼動すると、図１に示すブロア１４０の回転を制御する図示しない回転制御部に図示しない制御部から駆動命令が供給され、回転制御部はブロア１４０を命令された回転速度で回転する。これにより、筐体内に外部から空気が供給されると同時にコンデンサへ空気が排気される。また、図示しない制御部がコンプレッサ１３０を制御して、配管１２４内の冷媒を制御して冷媒を循環させる。この結果、外部から導入される空気及びヒートシンク１２０によって温められた空気が配管１２４によって冷却される。発熱素子は熱的に結合しているヒートシンク１２０によって放熱されると共に冷却された空気によっても冷却される。また、冷却された空気はヒートシンク１２０を冷却するのでヒートシンク１２０の冷却性能は高められる。
必要があれば、各発熱素子又はその近傍に温度検出器を配置して制御部は温度検出器が検出した検出結果に応じてブロア１４０の回転数やコンプレッサ１３０による出力動作を制御してもよい。このような温度検出器には、感熱ダイオード、熱電対、サーミスタなどを利用することができる。また、温度検出器は、配管１２４付近にも配置されてもよい。配管１２４は筐体内で最も温度が低いため、制御部は配管１２４付近の温度が露点を超えるようにブロア１４０及びコンプレッサ１３０の動作を制御することによって結露の発生を防止することができる。蒸発器１２０は、エアプレート１２６を利用して冷却された空気を各発熱素子に誘導配分する。本冷却システム１０５によれば、Ｍ方向の下流の発熱素子にも十分冷却された空気が供給されるので、当該発熱素子の熱破壊を防止することができる。
次に、図８を参照して、本実施形態の電子機器を適用した薄型ラック状サーバ２００について説明する。図８（ａ）はラックマウントサーバ２００の外観図である。サーバ２００は、ラック形状を有し、図８（ｂ）に示すようなトレイ２１０を引き出し可能に複数段有している。各トレイ２１０がサーバとして機能し、各トレイ２１０に、図１乃至図７に示す冷却システム１０５を有する電子機器が配置される。
本実施形態によれば、冷却システム１０５によって各トレイ２１０の高さを薄くできるのでサーバ２００全体の高さも低くして小型薄型化を図ることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本実施形態では、サーバを例に説明したが、本発明の冷却システムが適用される電子機器はサーバに限定されず、大型コンピュータ、電子交換機のマルチチップモジュールや並列プロセッサ等に適用することができる。
本出願は更に以下の事項を開示する。
（付記１）　複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンクと、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気を前記フィン型ヒートシンク上に誘導する蒸発器とを有することを特徴とする冷却システム。（１）
（付記２）　前記蒸発器は、前記空気が導入及び排気される方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有することを特徴とする請求項１記載の冷却システム。（２）
（付記３）　前記蒸発器は、前記空気を前記方向の下流側でより冷却するように配置され、前記蒸発器フィンを貫通する冷媒用配管を有することを特徴とする付記２記載の冷却システム。
（付記４）　前記蒸発器は、前記方向に対して略垂直に配置され、前記空気を誘導するための複数のエアプレートを更に有することを特徴とする付記１又は２記載の冷却システム。
（付記５）　前記空気の前記電子機器の筐体への導入と冷却システムのコンデンサの散熱を兼ねて、吸気方向とは異なる方向に排気するブロアを有することを特徴とする付記１記載の冷却システム。（３）
（付記６）　前記ブロアから排気された前記空気の熱交換を行うコンデンサとを更に有することを特徴とする付記５記載の冷却システム。
（付記７）　前記ブロアと前記筐体との間には冷媒用配管が設けられていることを特徴とする付記５記載の冷却システム。
（付記８）　前記蒸発器が前記空気を冷却する温度は露点以上であることを特徴とする付記１記載の冷却システム。
（付記９）　複数の発熱性回路素子と、当該発熱性回路素子を冷却するための冷却システムとを有する電子機器であって、前記冷却システムは、前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンクと、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、冷却された空気を前記フィン型ヒートシンクに誘導する蒸発器とを有することを特徴とする電子機器。（４）
（付記１０）　一又は複数段のトレイ状電子機器を引き出し可能に搭載するラック状サーバであって、各トレイ状電子機器は付記９記載の電子機器であることを特徴とするラック状サーバ。
（付記１１）　複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子は前記空気の流れ方向に配置されており、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気により当該複数の発熱性回路素子を冷却する蒸発器からなる冷却システム。（５）
（付記１２）　前記複数の発熱性回路素子の上部にはフィン型ヒートシンクが搭載され、前記蒸発部は前記冷却された空気を前記フィン型ヒートシンクに誘導することを特徴とする付記１１記載の冷却システム。
（付記１３）　前記蒸発器は、前記空気の流れ方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有することを特徴とする請求項１１記載の冷却システム。
（付記１４）　前記蒸発器は、前記空気の導入方向に対して略垂直に配置され、前記空気を誘導するための複数のエアプレートを更に有することを特徴とする付記１２記載の冷却システム。
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高密度に複数の発熱性回路素子が実装された電子機器を効率よく冷却すると共に電子機器の小型化、信頼性、保守性及び経済性に優れた可能な冷却システム、それを有する電子機器及び当該電子機器を有するサーバを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の冷却システムの概略断面図である。
【図２】図１に示す冷却システムの蒸発器とフィン型ヒートシンクの概略側面図である。
【図３】図１に示す蒸発器の概略斜視図である。
【図４】図１に示す蒸発器の平面図である。
【図５】図１に示す蒸発器とフィン型ヒートシンクによる空気の流れを説明するための図である。
【図６】図６（ａ）は図１に示すブロア近傍の概略拡大断面図であり、図６（ｂ）は従来の冷却システムのファン近傍の概略拡大断面図である。
【図７】図７（ａ）は、２×４のマトリックス状に配列された８個の発熱素子上に配置された８個のヒートシンク１１０とその上に配置された蒸発器１２０を示す平面図である。図７（ｂ）は１×２、２×２、１×２のマトリックス状に配置された８個の発熱素子上に配置された８個のヒートシンク１１０とその上に配置された蒸発器１２０を示す平面図である。
【図８】本発明の電子機器が適用可能なラック状のサーバ及びラックから引き出されたトレイ状のサーバの斜視図である。
【図９】従来の空冷方式を採用する冷却システムを示す概略ブロック図である。
【図１０】従来の空冷方式を採用する別の冷却システムを示す概略ブロック図である。
【図１１】従来のチルドエア冷却方式を採用する冷却システムを示す概略ブロック図である。
【図１２】従来のチルドエア冷却方式を採用する別の冷却システムを示す概略ブロック図である。
【図１３】従来の低温液冷方式を採用する冷却システムの概略ブロック図である。
【符号の説明】
１００　　　　　　　　　電子機器
１０１　　　　　　　　　筐体
１０５　　　　　　　　　冷却システム
１１０　　　　　　　　　フィン型ヒートシンク
１２０　　　　　　　　　蒸発器
１２２　　　　　　　　　蒸発器フィン
１３０　　　　　　　　　コンプレッサ
１４０　　　　　　　　　ブロア
１５０　　　　　　　　　コンデンサ
【図１】
2004063553.tif 000003
【図２】
2004063553.tif 000004
【図３】
2004063553.tif 000005
【図４】
2004063553.tif 000006
【図５】
2004063553.tif 000007
【図６】
2004063553.tif 000008
【図７】
2004063553.tif 000009
【図８】
2004063553.tif 000010
【図９】
2004063553.tif 000011
【図１０】
2004063553.tif 000012
【図１１】
2004063553.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2004063553.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月1日(2002.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に冷却システムに係り、特に、発熱性回路素子（発熱素子）を有する電子機器を冷却する冷却システムに関する。本発明は、例えば、ＵＮＩＸサーバまたはラック状サーバに搭載されるトレイに実装される各種回路の発熱素子から発生する熱を放出する冷却システムに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の発達により、サーバの高密度実装（特に、ボードピッチ）またはラックに複数段搭載されるトレイ状のサーバは高さが約４ｃｍにまで薄型化が進んでいる。一方、サーバの基板に搭載される各種回路素子の高速化と高機能化に伴って、ＣＰＵなどの発熱素子の数が増加すると共にかかる回路素子からの発熱量が増加する傾向にある。かかる発熱は放置しておくと回路素子の動作を不安定又は低下させるのみならず、最終的には熱破壊をもたらす。このため、従来から発熱性回路素子を冷却する冷却システムが提案されている。
【０００３】
以下、図９及び図１３を参照して、従来の冷却システムについて説明する。
【０００４】
図９及び図１０は、従来の空冷方式を採用する冷却システム１０及び１０Ａを示す概略ブロック図である。冷却システム１０は、筐体１１内部に図示しない複数の発熱性電子デバイスの各々の上にフィン型ヒートシンク１２を搭載し、強制的に導入した空気とヒートシンク１２の表面の対流熱交換によって図示しない電子デバイスを放熱するシステムである。内部の空気は最終的にはファン１４によって排気される。一方、冷却システム１０Ａは、下流にある発熱性電子デバイスへの冷却能力を高めるため、筐体１１上にエアダクト１６を設け、送風機１８を有するエアダクト１６に設けられた通気孔１７を介して新鮮な空気を各ヒートシンク１２に供給することによって冷却能力を高めている。即ち、冷却システム１０においては、下流の電子デバイスにはその上流のヒートシンク１２によって温められた空気が供給されるのに対して、冷却システム１０Ａにおいては、エアダクト１６が新鮮な空気を下流の電子デバイスに供給できるようにしている。冷却システム１０Ａにおいても筐体１１の内部の空気は最終的にはファン１４によって排気される。
【０００５】
図１１及び図１２は、従来のチルドエア冷却方式を採用する冷却システム２０及び２０Ａをそれぞれ示す概略ブロック図である。冷却システム２０は、エアダクト１６に蒸発器２４を配置している。また、エアチラー（又は「冷却サイクル」と呼ばれる。）２２を設置して送風機１８に接続し、温度の低下した空気を電子機器筐体に導入することによって冷却能力を高めている。即ち、冷却システム２０及び２０Ａでは、筐体１１内に供給される空気は冷却された空気である点が冷却システム１０及び１０Ａと相違する。
【０００６】
図１３は、従来の低温液冷方式を採用する冷却システム３０の概略ブロック図である。コンプレッサー２４により冷媒は分岐配管２５によって循環させ、各発熱体に搭載された冷却モジュール２６内で冷媒を蒸発させることにより、強制的に冷却を行う。ファン１４の後にはコンデンサ２８が配置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の冷却システムは、電子機器の小型薄型化の要請と十分な冷却の両方を達成することができなかった。
【０００８】
例えば、冷却システム１０及び１０Ａは、導入される空気が動作環境の空気であり、温度が３５℃乃至４５℃であるため、冷却能力が低い。また、空気が流れる方向の下流では、ヒートシンク１２へ導入する空気の温度は徐々に高くなるため、下流側の発熱体への冷却は困難になる。冷却システム１０Ａは、エアダクト１６を設けているが、下流の電子デバイスに上流のヒートシンク１２によって温められた空気が供給される点は同様である。一方、筐体１１内の冷却能力を高めるために、ヒートシンク１２の搭載間隔やヒートシンク１２自体を大きくすれば、電子デバイスの高密度な実装と筐体１１の小型薄型化の要請に反することになる。
【０００９】
次に、冷却システム２０は、冷凍サイクルとエアダクト１６の設置により装置の大型化を招く。このため、冷却システム２０は高密度な実装には不向きである。また、冷却システム１０及び１０Ａと同様に、冷却システム２０は下流の電子デバイスへの冷却性能は低下する。一方、空気を冷却すると蒸発器２４の熱交換効率は低下する。また、冷却システム２０Ａは高発熱体への冷却には不適当である。
【００１０】
冷却システム３０は、各発熱体に対して冷媒配管を設けて冷却することは装置の大型化と冷却システムの複雑化を招くため困難である。特に、二相状態で各分岐に冷媒の分配を制御することは困難である。冷媒分岐配管２７の構造が複雑で冷却モジュール２６との接続数が多くなると信頼性と保守性が低下すると共にコストもアップする。
【００１１】
そこで、本発明は、高密度に複数の発熱性素子が実装された電子機器を効率よく冷却可能な冷却システム、それを有する電子機器及び当該電子機器を有するサーバを提供することを例示的な目的とする。
【００１２】
また、本発明は、冷却能力と電子機器の薄型・小型化を両立し、信頼性、保守性及び経済性に優れた冷却システム、それを有する電子機器及び当該電子機器を有するサーバを提供することを別の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の一側面としての冷却システムは、複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンクと、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気を前記フィン型ヒートシンク上に誘導する蒸発器とを有することを特徴とする。かかる冷却システムは、蒸発器が冷却機能を有して、外部から供給される空気とフィン型ヒートシンクによって温められた空気の両方を冷却する。蒸発器は、フィン型ヒートシンクによって温められた空気を冷却することができるので冷却能力と冷却効率も高い。また、蒸発器は冷却された空気をヒートシンクに誘導する機能を有する。更に、蒸発器が多機能化されていること、及び、蒸発器が発熱性回路素子の上部に搭載されているので蒸発器が装置の入口に設けられるよりも空気との熱交換効率を高くすることができるため薄型化及び小型化を実現できることから、冷却システムを小型にすることができる。
【００１４】
前記蒸発器は、前記空気が導入及び排気される方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有してもよい。かかる冷却システムによれば、従来のように、下流側の冷却効率が低下することを改善するために、下流に行くほど冷却された空気の導入を調整する蒸発器フィンの形状を変化させ、下流に行くほど冷媒による冷却能力と各電子素子への冷却の均一性を高めている。また、前記蒸発器は、前記空気を前記方向の下流側で冷却するように配置され、下流側の冷却効率が低下することを改善することができる。
【００１５】
また、前記蒸発器は、前記方向に略垂直に配置され、前記空気を誘導するための複数のエアプレートを更に有してもよい。かかる冷却システムによれば、蒸発器は空気を冷却と誘導及び配給する機能を備えて多機能化を実現することができる。「略垂直」としたのは、エアプレートが空気の流れ方向に対して成立していない場合（即ち、完全に垂直ではない場合）も含む趣旨である。
【００１６】
前記空気の前記電子機器の筐体への導入と前記筐体からの排気を行い、吸気方向とは異なる方向に排気するブロアを設けるより冷却システムの小型化、特に薄型化に資する。ブロアは空気の導入とコンデンサの散熱を兼ねており、多機能化されているので冷却システムの小型化に資する。前記ブロアと前記筐体との間には冷媒用配管が設けられていてもよい。これにより、コンデンサの散熱能力とシステム冷却効率を向上することができる。
【００１７】
前記蒸発器が前記空気を冷却する温度は露点（通常、約２２℃）以上であることが好ましい。これは、露点以下の場合は結露を生じて除湿処理などが必要となるためである。
【００１８】
上記冷却システムを有する電子機器、一又は複数段のトレイ状の前記電子機器を引き出し可能に搭載するラック状サーバも本発明の別の側面を構成する。かかる電子機器やサーバは冷却システムにより、小型薄型化を維持したまま、内部回路が熱破壊することを防止することができる。
【００１９】
本発明の別の側面としての冷却システムは、複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子は前記空気の流れ方向に配置されており、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気により当該複数の発熱性回路素子を冷却する蒸発器からなることを特徴とする。前記複数の発熱性回路素子の上部にはフィン型ヒートシンクが搭載され、前記蒸発部は前記冷却された空気を前記フィン型ヒートシンクに誘導してもよい。前記蒸発器は、前記空気の流れ方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有してもよい。前記蒸発器は、前記空気の導入方向に対して略垂直に配置され、前記空気を誘導するための複数のエアプレートを更に有してもよい。これらの冷却システムも上述の冷却システムと同様の作用を奏することができる。
【００２０】
本発明の他の目的と更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施例において明らかになるであろう。
【００２１】
【発明の実施形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態の冷却システム１０５及び当該冷却システム１０５を有する電子機器１００について説明する。ここで、図１は、冷却システム１０５の概略断面図である。冷却システム１０５は、複数の発熱素子を有する電子機器１００の筐体１０１内に、外部から空気を導入及び排気することによって発熱素子を冷却する機能を有し、フィン型ヒートシンク１１０と、空気冷却部とを有する。
【００２２】
フィン型ヒートシンク１１０は、冷却フィン１１２と、当該冷却フィンの底面を形成して発熱素子から冷却フィン１１２への熱伝達を可能にするベース１１４とを一体的に形成している。
【００２３】
本実施形態のヒートシンク１１０は、ベース１１４の下に配置された図１には省略されているＣＰＵ等の発熱素子を冷却するために発熱素子上に熱的に接触している。
【００２４】
冷却フィン１１２は整列した多数の板状フィンからなる。冷却フィン１１２は、凸形状を有して表面積を増加させているので放熱効果が増加している。もっともフィン１１２の形状は板状に限定されず、ピン状、湾曲形状など任意の配置形状を採用することができる。また、フィン１１２は、一定間隔で横に整列する必要はなく、放射状に配置されたり、ベース１１４に対して傾斜して配置されたりしてもよい。フィン１１２の数も任意に設定することができる。フィン１１２はアルミニウム、銅、窒化アルミニウム、人工ダイヤモンドなどの高熱伝導性材料で形成されることが好ましい。フィン１１２は、金型成形、圧入、ロウ付け、溶接、射出成形などによって形成される。
【００２５】
ベース１１４は、例えば、アルミニウム、銅、窒化アルミニウム、人工ダイヤモンド等の高熱導電性材料から構成される。ベース１１４の底面は、発熱素子との接触熱抵抗を減少させるため平坦に形成されることが望ましい。ヒートシンク１１０は板金加工、アルミダイキャストその他の方法によって製造される。
【００２６】
必要があれば、ベース１１４は、例えば、図１の紙面に垂直に中空部を形成して冷却水（水その他の冷媒（例えば、フレオン、アルコール、アンモニア、ガルデン、フロン等））を収容してヒートパイプ板を構成してもよい。また、中空部にメッシュ（又はウイック）を挿入して毛細管現象により冷却水を還流させると更に効果的である。また、ベース１１４は、必要があれば、外部のヒートパイプなどと接続されてもよい。ここで、ヒートパイプは、アルミニウム、ステンレス、銅などで形成された高低差のあるパイプを有する。パイプは、その内側にガラス繊維や網状の細い銅線などで形成したウイック材を張り、内部を減圧にして水などの冷却水を収納する。低位置にある発熱体から熱を得ると冷却水が気化して高位置に移動し、高位置において自然又は強制冷却されて再び液化して低位置に戻るサイクルを繰り返して発熱体を冷却する。
【００２７】
ヒートシンク１１０は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、発熱素子の配置に応じて、任意の位置に配置可能である。ここで、図７（ａ）は、２×４のマトリックス状に配列された８個の発熱素子上に配置された８個のヒートシンク１１０とその上に配置された蒸発器１２０を示す平面図である。図７（ｂ）は１×２、２×２、１×２のマトリックス状に配置された８個の発熱素子上に配置された８個のヒートシンク１１０とその上に配置された蒸発器１２０を示す平面図である。
【００２８】
空気冷却部は、空気の導入、冷却、分配と排気を行い、蒸発器１２０と、コンプレッサ（圧縮機）１３０と、ブロア１４０と、コンデンサ１５０とを有する。
【００２９】
蒸発器１２０は、空気の冷却と誘導を行う、フィンチューブ型又はフィンプレート型空気冷却器である。また、蒸発器１２０は、フィン型ヒートシンク１１０により大気に伝導される熱を冷却することで、結果的に発熱素子を冷却している。更に、蒸発器１２０による冷気がフィン型ヒートシンク１１０に直接当たることでも発熱素子を冷却している。蒸発器１２０は、複数の蒸発器フィン１２２と、冷媒用配管１２４と、複数のエアプレートとを有する。蒸発器１２０も、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、発熱素子の位置に応じて任意の配置を採ることができる。
【００３０】
蒸発器フィン１２２は、表面で空気を冷やすと共に導入される空気の流路を形成するフィンである。図２に示すように、蒸発器フィン１２２は、複数の薄板から構成されている。ここで、図２は、図１に示す蒸発器１２０とフィン型ヒートシンク１１０を示すの概略側面図である。Ｅは発熱素子、Ｓは基板である。
【００３１】
複数の蒸発器フィン１２２は所定の間隔で配置され、空気が筐体に導入され排気されるＭ方向の下流に向かって面積が減少する。図１及び図３においては、蒸発器フィン１２２は、長方形に三角形を合わせた同一のスロープ形状を有している。ここで、図３は、図１に示す蒸発器１２０の概略斜視図である。蒸発器フィン１２２の形状をどのように変化させるか及び蒸発器フィン１２２の輪郭は、Ｍ方向の下流の冷却能力を高めるように、シミュレーションによって決定される。シミュレーションにおいては、例えば、発熱素子がＣＰＵの場合、全ての発熱素子は同一の発熱量を有すると仮定することができるので、下流の冷却能力は、最終的に全ての発熱素子が同様の冷却効果で冷却されるように決定される。
【００３２】
冷媒用配管１２４は、蒸発器１２０に冷却機能を与える。冷媒用配管１２４は、下流部蒸発器フィンの面積が少なくなるため、同じ冷却能力を有するように配管の配置が密になる。本実施形態では間隔は一定で多段式に構成されているが、Ｍ方向の下流に行くほど間隔が狭まっていてもよい。図４に示すように、配管は波形状に延びている。ここで、図４は、冷媒用配管１２４の平面図である。但し、配管１２４の断面形状は、円、その他の形状でもよいし、場所によって断面形状が異なっていてもよい。例えば、Ｍ方向の下流側では太くするなどである。また、図４においては、配管１２４は、折り返し間隔が規則的に並んでいるが、不規則な任意の間隔としてもよい。例えば、Ｍ方向の下流側では間隔を密にするなどである。配管１２４の、断面形状、寸法、折り返し間隔は、必要な冷却効率に基づいてシミュレーションにより、自由に設定することができる。
【００３３】
冷媒には、例えば、フレオン、アンモニア、フロン等を使用することができる。冷媒によって冷却された空気の温度は露点以上であることが好ましい。これは、露点以下の場合は結露を生じて除湿処理などが必要となるためである。冷媒用配管１２４は、従来の冷却システム３０のように分岐していないので、経済性、信頼性及び保守性が高い。
【００３４】
エアプレート１２６は、Ｍ方向に垂直に、本実施形態では４枚配置され、空気をフィン型ヒートシンク１１２に誘導する薄板である。エアプレート１２６の間隔や数は、必要な冷却要求に基づいてシミュレーションにより、自由に設定することができる。
【００３５】
コンプレッサ１３０は、配管１２４内の冷媒の循環を制御する。冷媒は、コンプレッサ１３０より加圧させ、コンデンサ１５０で高温高圧の気相冷媒を冷やした熱を外部に放熱し、その後図示しない膨張機構によって減圧されて低温低圧になり、蒸発器で熱を吸収して気化されてコンプレッサ１３０に戻る。
【００３６】
ブロア１４０は、Ｍ方向の下流の出口付近に配置されている。ブロア１４０は、軸流ファンと異なり、吸気方向とは異なる方向に排気する。本実施形態では、図１及び図６（ａ）に示すように、ブロア１４０は、下から上に空気を吸い込んで右に、即ち、給気方向とは垂直な方向に、排気している。これに対して、図６（ｂ）に示すように、軸流ファンは給気方向と排気方向が一致している。ここで、図６（ａ）は、図１に示すブロア１４０近傍の概略拡大断面図であり、図６（ｂ）は、冷却システム３０のファン１４近傍の概略拡大断面図である。
【００３７】
ある程度の排気能力を維持するためにはファンでは、所定の径を確保しなければならない。軸流ファンにおいては、径方向が電子機器の高さ方向であるから、図６（ｂ）に示すように、電子機器の薄型化を制限することになる。これに対して、ブロア１４０では、図６（ａ）に示すように、径方向はＭ方向であり、電子機器の高さ方向ではないから電子機器の薄型化を妨げない。ブロア１４０の回転速度は、図示しない制御部によって制御可能である。
【００３８】
ブロア１４０は、図１に示すように、空気を装置入口から内部に導入すると共にコンデンサ１５０を冷却する機能を有する。このため、冷却システム１０Ａのように２箇所の送風機１８及び１４を設ける必要がないので小型化に貢献すると共に経済性に優れている。ブロア１４０の下には過熱器１４２が配置されている。過熱器１４２は、冷媒用配管１２４と同様のダクトを有し、コンデンサ１５０への排気を冷却する。これにより、コンデンサ１５０の散熱能力とシステム冷却効率を向上することができる。
【００３９】
コンデンサ（凝縮器）１５０は、ブロア１４０から排気された空気と冷媒の熱交換を行う。コンデンサ１５０は、コンプレッサ１３０より高温高圧気相の冷媒を冷やして液化させる。
【００４０】
このように、本実施形態は、従来は電子機器の筐体の入口にあった蒸発器をヒートシンク１１０の真上に配置すると共に蒸発器１２０を多機能化して冷却機能を持たせているので、図５に示すように、装置入口から導入される新鮮な空気とヒートシンク１１０によって暖められて上昇する空気の両方を冷却することができる。ここで、図５は、蒸発器１２０による空気の流れを説明するための図である。蒸発器１２０と各ヒートシンク１１０を組み合わせることによって、各ヒートシンク１１０には高い熱交換能力と効率を得ることができる。
【００４１】
本実施形態では、ヒートシンクへ導入する空気の温度は、例えば、約３５℃〜４５℃の環境温度ではなく、配管１２４によって冷却された、例えば、約２５℃の温度である。また、ヒートシンク１１０によって暖められて上昇する空気を冷却するという、従来の冷却システム２０や２０Ａの蒸発器にはない効果を有する。更に、蒸発器１２０は、冷却機能を内蔵して発熱素子上に配置されて装置の薄型化に寄与する。即ち、蒸発器１２０が冷却システム２０及び２０Ａに示すように筐体の入口に設けられる場合は、Ｍ方向の一番下流の発熱素子を冷却できるように大型にする必要があるが、本実施形態では、発熱素子と蒸発器１２０との距離を近づけているために蒸発器１２０を小型にすることができる。
【００４２】
更に、Ｍ方向の下流の冷却効率を高めているので、従来のように、下流側の発熱素子の冷却が不十分になることを防止している。
【００４３】
また、エアプレート１２６は、各ヒートシンク１１０が結果として均一に冷却されるように冷却された空気の誘導と配給を制御する。エアプレート１２６冷却された空気が幾つかの発熱体のみに集中して供給されることのないように誘導するので、各発熱体に対する、特に、下流側の発熱体への冷却能力を従来の空冷方式よりも２倍以上高めることができる。
【００４４】
本実施形態では、従来の空冷方式よりも冷却効率が改善されているので、電子機器の筐体内により多くの電子デバイス搭載することができ、装置の性能の向上と高密度実装を実現することができる。また、各ヒートシンクを従来の空冷方式よりも小型軽量にしても同等以上の冷却効率が得られる。
【００４５】
以下、冷却システム１０５の動作について説明する。ＣＰＵ等の発熱素子が稼動すると、図１に示すブロア１４０の回転を制御する図示しない回転制御部に図示しない制御部から駆動命令が供給され、回転制御部はブロア１４０を命令された回転速度で回転する。これにより、筐体内に外部から空気が供給されると同時にコンデンサ１５０へ空気が排気される。また、図示しない制御部がコンプレッサ１３０を制御して、配管１２４内の冷媒を制御して冷媒を循環させる。この結果、外部から導入される空気及びヒートシンク１２０によって温められた空気が配管１２４によって冷却される。発熱素子は熱的に結合しているヒートシンク１２０によって放熱されると共に冷却された空気によっても冷却される。また、冷却された空気はヒートシンク１２０を冷却するのでヒートシンク１２０の冷却性能は高められる。
【００４６】
必要があれば、各発熱素子又はその近傍に温度検出器を配置して制御部は温度検出器が検出した検出結果に応じてブロア１４０の回転数やコンプレッサ１３０による出力動作を制御してもよい。このような温度検出器には、感熱ダイオード、熱電対、サーミスタなどを利用することができる。また、温度検出器は、配管１２４付近にも配置されてもよい。配管１２４は筐体内で最も温度が低いため、制御部は配管１２４付近の温度が露点を超えるようにブロア１４０及びコンプレッサ１３０の動作を制御することによって結露の発生を防止することができる。
【００４７】
蒸発器１２０は、エアプレート１２６を利用して冷却された空気を各発熱素子に誘導配分する。本冷却システム１０５によれば、Ｍ方向の下流の発熱素子にも十分冷却された空気が供給されるので、当該発熱素子の熱破壊を防止することができる。
【００４８】
次に、図８を参照して、本実施形態の電子機器を適用した薄型ラック状サーバ２００について説明する。図８（ａ）はラックマウントサーバ２００の外観図である。サーバ２００は、ラック形状を有し、図８（ｂ）に示すようなトレイ２１０を引き出し可能に複数段有している。各トレイ２１０がサーバとして機能し、各トレイ２１０に、図１乃至図７に示す冷却システム１０５を有する電子機器が配置される。
【００４９】
本実施形態によれば、冷却システム１０５によって各トレイ２１０の高さを薄くできるのでサーバ２００全体の高さも低くして小型薄型化を図ることができる。
【００５０】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本実施形態では、サーバを例に説明したが、本発明の冷却システムが適用される電子機器はサーバに限定されず、大型コンピュータ、電子交換機のマルチチップモジュールや並列プロセッサ等に適用することができる。
【００５１】
本出願は更に以下の事項を開示する。
【００５２】
（付記１）　複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンクと、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気を前記フィン型ヒートシンク上に誘導する蒸発器とを有することを特徴とする冷却システム。（１）
【００５３】
（付記２）　前記蒸発器は、前記空気が導入及び排気される方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有することを特徴とする請求項１記載の冷却システム。（２）
【００５４】
（付記３）　前記蒸発器は、前記空気を前記方向の下流側でより冷却するように配置され、前記蒸発器フィンを貫通する冷媒用配管を有することを特徴とする付記２記載の冷却システム。
【００５５】
（付記４）　前記蒸発器は、前記方向に対して略垂直に配置され、前記空気を誘導するための複数のエアプレートを更に有することを特徴とする付記１又は２記載の冷却システム。
【００５６】
（付記５）　前記空気の前記電子機器の筐体への導入と冷却システムのコンデンサの散熱を兼ねて、吸気方向とは異なる方向に排気するブロアを有することを特徴とする付記１記載の冷却システム。（３）
【００５７】
（付記６）　前記ブロアから排気された前記空気の熱交換を行うコンデンサとを更に有することを特徴とする付記５記載の冷却システム。
【００５８】
（付記７）　前記ブロアと前記筐体との間には冷媒用配管が設けられていることを特徴とする付記５記載の冷却システム。
【００５９】
（付記８）　前記蒸発器が前記空気を冷却する温度は露点以上であることを特徴とする付記１記載の冷却システム。
【００６０】
（付記９）　複数の発熱性回路素子と、当該発熱性回路素子を冷却するための冷却システムとを有する電子機器であって、前記冷却システムは、前記複数の発熱性回路素子の上部に搭載されたフィン型ヒートシンクと、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、冷却された空気を前記フィン型ヒートシンクに誘導する蒸発器とを有することを特徴とする電子機器。（４）
【００６１】
（付記１０）　一又は複数段のトレイ状電子機器を引き出し可能に搭載するラック状サーバであって、各トレイ状電子機器は付記９記載の電子機器であることを特徴とするラック状サーバ。
【００６２】
（付記１１）　複数の発熱性回路素子を有する電子機器に適用され、外部からの空気によって前記発熱性回路素子を冷却する冷却システムであって、前記複数の発熱性回路素子は前記空気の流れ方向に配置されており、前記複数の発熱性回路素子の上に配置され、前記空気を冷却し、当該冷却された空気により当該複数の発熱性回路素子を冷却する蒸発器からなる冷却システム。（５）
【００６３】
（付記１２）　前記複数の発熱性回路素子の上部にはフィン型ヒートシンクが搭載され、前記蒸発部は前記冷却された空気を前記フィン型ヒートシンクに誘導することを特徴とする付記１１記載の冷却システム。
【００６４】
（付記１３）　前記蒸発器は、前記空気の流れ方向の上流から下流に向かって空気流動圧損を調整する形状の蒸発器フィンを有することを特徴とする請求項１１記載の冷却システム。
【００６５】
（付記１４）　前記蒸発器は、前記空気の導入方向に対して略垂直に配置され、前記空気を誘導するための複数のエアプレートを更に有することを特徴とする付記１２記載の冷却システム。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高密度に複数の発熱性回路素子が実装された電子機器を効率よく冷却すると共に電子機器の小型化、信頼性、保守性及び経済性に優れた可能な冷却システム、それを有する電子機器及び当該電子機器を有するサーバを提供することができる。


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004063553.tif 000016
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2004063553.tif 000017