(57)【要約】【課題】電子機器から発生する熱の一部または全部を室内空気に放熱せずに屋外に導き、空調動力および空調，機器冷却に消費される総エネルギーを削減する。【解決手段】電子装置の冷却システムとして、ＣＰＵ４２などの発熱の多い箇所からの熱を液／蒸気へ変換する第一の伝熱手段と、この第一の伝熱手段とサーマルコネクションを介して熱を液／蒸気へ変換する第二の伝熱手段と、この第二の伝熱手段からの熱を冷媒と熱交換し、屋外へ伝熱するための第三の伝熱手段を有する。【選択図】  図１
2012252429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の着脱可能なサーバーモジュールをサーバーラック内に架列して構成される電子装置において、
前記サーバーモジュールに設けられ、前記サーバーモジュールの発熱体で発生した排熱を気化冷却，凝縮放熱によってサーバーモジュール外に排出する第一の熱移動手段と、
前記サーバーラックに設けられ、前記第一の熱移動手段から排出される排熱を、気化冷却，凝縮放熱によって前記サーバーラックの上部の冷媒ボックス内の熱交換器に移動させる第二の熱移動手段と、
前記熱交換器で熱交換された排熱を前記サーバーラック外へ移動させる第三の熱移動手段と、を有することを特徴とする電子装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電子装置において、
前記サーバーモジュールを水平方向に設置するとともに、前記第一の熱移動手段の放熱部を前記サーバーモジュールの側面に設け、前記第二の熱移動手段の受熱部および受熱部と放熱部を結ぶ配管を前記サーバーラックの側面近傍に設けたことを特徴とする電子装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電子装置において、
ラック上方に設けられた冷媒ボックスからの冷媒用パイプをサーバーラックの側面近傍に設け、該冷媒用パイプと、屋外に設けた放熱手段とを結ぶ配管との接続継手を各サーバーモジュールよりも低い位置に設けたことを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却システムを有する電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のモジュールをラック内に設置して構成される電子装置は、モジュール内で発生した熱を各モジュールに設けたファンにより冷却し、室内空気に熱を放出している。
【０００３】
例えば下記特許文献１では、ＣＰＵ等を搭載した配線基板（電子モジュール）を液冷式とし、冷却液に回収した熱を、熱交換器を介して冷却風に伝えて室内に放出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４６６１５号公報（請求項１，図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
サーバその他の電子機器を搭載したラックを多数設置した計算機システムおよびデータセンタなどの電子装置では、電子機器の省エネルギーとともに空調機器の省エネルギーが課題となっている。ここで、電子機器類の放熱温度は空調機器が冷却する室内空気の冷却温度に対して高いため冷却に要するエネルギーが小さくて済む。従って、室内空気の冷却と電子機器類の冷却を分離して、それぞれに適合した温度で冷却することにより、冷却に用いられるエネルギーの削減が図られる。
【０００６】
上記特許文献１に記載の従来技術では、電子モジュールから発生した熱を冷却液，冷却風を介して室内に放出しているため、この機器放熱を含む室内空気の冷却に多大なエネルギーを要するという課題があった。
【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、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【０００８】
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、複数の着脱可能なサーバーモジュールをサーバーラック内に架列して構成される電子装置において、前記サーバーモジュールに設けられ、前記サーバーモジュールの発熱体で発生した排熱を気化冷却，凝縮放熱によってサーバーモジュール外に排出する第一の熱移動手段と、前記サーバーラックに設けられ、前記第一の熱移動手段から排出される排熱を、気化冷却，凝縮放熱によって前記サーバーラックの上部の冷媒ボックス内の熱交換器に移動させる第二の熱移動手段と、前記熱交換器で熱交換された排熱を前記サーバーラック外へ移動させる第三の熱移動手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、従来、室内空気を介して空調機で冷却していた電子機器の排熱の一部または全部を、直接屋外に導いて冷却できるため、屋外の放熱手段による冷却温度が室内空調の冷却温度に対して高くて済み、電子装置の冷却に要するエネルギーが削減され、メンテナンス性が高くスペースを有効活用できる電子装置の冷却システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例に係る冷却システムを備えたサーバーラックを示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る電子装置用冷却システムを示す図である。
【図３】本発明の実施例に係るサーマルハイウエイの断面構造及び伝熱原理を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る電子装置用冷却システムと比較例との対比を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る電子装置用冷却システムと比較例との効果の対比を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明における実施形態について図面を用いて説明する。各図面において、同一の符号を付された構成は、同一の機能を有するため、それらの説明は一部省略する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の実施例１の冷却システムを有する電子装置であるサーバーラックを正面から見た図である。図１に示すようにサーバーラックは、サーバーラック本体１００，サーバーモジュール１，第一の熱移動手段２，第二の熱移動手段３，第三の熱移動手段４から構成されている。
【００１３】
図１に示すようにサーバーモジュール１は水平方向に２個設置され、さらに垂直方向へサーバーラック本体１００正面からみて左右２列になるように複数個設置されている。なお、本実施例では、複数のサーバーモジュール１はそれぞれＣＰＵボード４１とＣＰＵ４２を有し、略同一構成であり、サーバーラック本体１００正面中心からみてから左右対称の構成である。符号は代表的な部分に付与しており、残りは省略されている。サーバーモジュール１の内部に、サーバーモジュール１内のＣＰＵ４２で発生した熱を、気化冷却，凝縮放熱によってサーバーモジュール１外に排出する第一の熱移動手段２が設置されている。サーバーモジュール１の発熱体（特に多くの発熱のあるＣＰＵやＧＰＵなど）で発生した排熱を気化冷却，凝縮放熱によってサーバーモジュール外に排出する第一の熱移動手段２と、前記サーバーラックに設けられ、前記第一の熱移動手段から排出される排熱を、気化冷却，凝縮放熱によって前記サーバーラックの上部の冷媒ボックス内の熱交換器に移動させる第二の熱移動手段３と、前記熱交換器で熱交換された排熱を前記サーバーラック外（最終的には室外さらには屋外）へ移動させる第三の熱移動手段４とを有する。
【００１４】
第三の熱移動手段４は、図示しない室外のチラー／送風機５０からの冷媒となる冷却水を冷却水入口１１から取り入れる配管と、サーバーラック本体１００の最も高い位置に設けられた冷媒ボックス１２（図１のサーバーラック本体１００のうち、熱交換器１３下近傍の横点線より上部の部分の呼称）と、冷媒ボックス１２内の熱交換器１３とを有し、熱交換部分を冷却水が十分浸すように熱交換器１３の容器下部から冷却水が流れ込む。熱交換器１３において、第二の熱移動手段３と熱交換し、温度上昇した冷却水を、熱交換器１３の容器上部に設けられた配管を経由して冷却水出口１０から、図示しない室外のチラー／送風機５０へ循環することにより室外に放熱する。第三の熱移動手段は冷媒ボックス１２内の熱交換器１３から冷却水出口１０，冷却水入口１１までと考えてもよいし、室外（屋外）のチラー／送風機５０まで含めた部分と考えても良い。
【００１５】
図１に示すように、サーバーモジュール１は、水平に並列に搭載され、さらに上下に重なるように配置される。そして、それぞれに搭載されるＣＰＵは、上下のサーバーモジュール１の間で位置の差がなく、ＣＰＵボード４１内の略同位置に配置される。また並列するモジュール間では、ＣＰＵの上下の高さに差がでない。そのため、ＣＰＵから熱伝達を受け、蒸発部と凝集部とを有し凝集部の高さを蒸発部より高くすることが望ましいサーマルサイフォン（第一の熱移動手段２）がより配置しやすくなるという効果がある。
【００１６】
サーマルサイフォン（第一の熱移動手段２）は、第二の熱移動手段３に、図示しないサーマルコネクタで接続される。サーマルコネクタは熱伝導しやすい材質、例えば、銅などの金属が望ましい。
【００１７】
第二の熱移動手段３の一例について説明する。図１では、冷媒ボックス１２から近い４段のＣＰＵボード４１からの４本のパイプが、２つの熱交換器１３のそれぞれ中央側へ接続される。図１では、パイプ断面の４つの円形が縦に配置されている。また、冷媒ボックス１２から遠い４段のＣＰＵボード４１からの４本のパイプが、２つの熱交換器１３それぞれ外側へ接続される。図１では、パイプ断面の４つの円形が縦に配置されている。これら片側８本のパイプは、後述する図２のパイプのように、１本１本が独立して冷媒ボックス１２へ導入されてもよいし、途中で集合されより少ない本数のパイプによって冷媒ボックス１２へ導入されてもよい。後者の場合には、空間の利用効率がより高まる利点がある。具体的には、例えば内部に水平な伝熱管群（パイプ）を有する流下液膜式の熱交換器（１３）を構成する容器の壁に、伝熱管群の軸方向に１列または複数列の分配穴を開口している。容器外部の壁にはこのパイプの列に対応した液体分配ダクトを配設し、容器内部の上壁内面には前記分配穴に対応した複数の液体滴下トレーを前記伝熱管群の軸方向に並べて設けている。また、前記液体分配ダクトに液体を供給する供給ダクトを設け、これらのダクト群が複数列となる場合は上下方向に重なることなく同一高さ内に平面的に設置している。
【００１８】
第三の熱移動手段４に関して、冷却水配管としての冷水パイプは、冷却水入口１１からサーバーラック本体１００のトップボックスである冷媒ボックス１２へ接続される。また、冷媒ボックス１２からは、熱交換後の冷却水が、冷却水配管としての冷水パイプをとおり、冷却水出口１０へ排出される。冷却水出口１０及び冷却水入口１１は、さらに別の冷却水配管としての冷水パイプによって、外気中に設置されているチラー／送風機５０へ接続され、外気と熱交換される。
【００１９】
サーバーモジュール１の内部に、サーバーモジュール１内のＣＰＵ４２で発生した熱を、気化冷却，凝縮放熱によってサーバーモジュール１外に排出する第一の熱移動手段２は、図示しないサーマルコネクタにより、第二の熱移動手段３、へ熱が移動する。各サーマルコネクタは、サーバーラック本体１００のシャーシ両側面に配置されるので、サーバーラック本体１００の空きスペースを有効活用できる。
【００２０】
冷水パイプはサーバーラック本体１００のトップボックスである冷媒ボックス１２へ接続されるので、集合的に複数のサーバーモジュール１からの熱を除去（移動）できる。さらに、冷水パイプの漏れに対して、冷媒ボックス１２部分の修理により対応できるので、メンテナンス性が高い。冷水パイプが、サーバーモジュール１の個別に設けられる構造と比較して、冷水分配と水漏れの対策がサーバーモジュール１の個別に行う必要がなくなるという効果がある。
【００２１】
また、サーバーモジュール１を水平方向に設置するとともに、第一の熱移動手段２の放熱部をサーバーモジュール１の側面に設け、第二の熱移動手段３の受熱部および受熱部と放熱部を結ぶ配管をサーバーラック本体１００の側面近傍に設けている。これにより、サーバーラック本体１００の両方の側面を使用することで、サーバーモジュール１の実装密度を損なうことがないため、ラックの有効利用が可能になる。
【００２２】
また、サーバーラック本体１００上方に設けられた冷媒ボックス１２内の熱交換器１３からの熱を屋外に設けた放熱手段へ冷媒である水で運ぶための第三の熱移動手段４を、サーバーラック本体１００の側面近傍に設け、接続継手（冷却水出口１０，冷却水入口１１）を各サーバーモジュール１よりも低い位置に設けている。これにより、配管を下に設けることでメンテナンス時に配管取り付けや、外し作業を簡単に行うことができる。さらに、配管内にエアが溜まることがないため、エア抜きを必要としないという効果がある。本実施例は、サーバーラック内に水平設置型の着脱可能なサーバーモジュール１を複数個設置して構成される電子装置に対し、ラック骨組みデッドスペースを活用して、サーマルサイフォン（第一の熱移動手段２）からの熱をラックトップの冷媒ボックスへ伝えるためのサーマルハイウエイ（第二の熱移動手段３）をラックの両側に配置しているために、サーバーラック内空間の効率的な利用ができ、さらに、この電子機器が設置された室内の空調負荷を削減し、メンテナンスも容易な電子装置を提供することができる。
【実施例２】
【００２３】
図２を用いて、本発明の実施例２に係る冷却システムを有する電子装置をさらに説明する。実施例２は、サーマルコネクタ２１をサーバーモジュール１の同じ側に設けている。
すなわち、サーマルコネクタ２１がサーバーラック本体１００の側面近傍と、サーバーラック本体１００の中央部に設けている。これにより、熱サイフォン４８の配置が各サーバーモジュール１において同じとなり、同一形状の部品を使用することができるので、部品種類の低減につながる。また、サーバーラック本体１００の側面の一方において、サーマルコネクタ２１以外の部品を配置できるので、設計の自由度が上がる。
【００２４】
ＣＰＵ４２を搭載するＣＰＵボード４１において、前述の第一の熱移動手段２は、例えば熱サイフォン４８を有している。ＣＰＵボード４１は、サーバーラック本体１００の正面方向から図の矢印方向へ挿入２４され、または反対方向に挿抜される。これにより、ＣＰＵボード４１の交換または増設が可能とされる。また、前述の第二の熱移動手段３は、例えばサーマルハイウエイ５１を有している。ＣＰＵボード４１上のＣＰＵ４２等で発生した熱は、気化冷却，凝縮放熱を行う熱サイフォン４８上を移動する。さらに、サーマルコネクタ２１を介して、気化冷却，凝縮放熱を行うサーマルハイウエイ５１を通り、冷媒ボックス２２へ到達する。熱の流れ２３が示すように、冷媒ボックス２２内の冷媒に熱が移動し、第三の熱移動手段４を介して、チラー／送風機５０へ移動する。チラー／送風機５０にて排熱した冷媒は、第三の熱移動手段４を介して、冷媒ボックス２２へ戻る。
【００２５】
図３は、本発明の実施例に係るサーマルハイウエイの断面構造の一例及び伝熱原理を示す図である。まず、前述した気化冷却，凝縮放熱の原理を図３（ｂ）で説明する。図示しない発熱物または伝熱手段からの熱は、伝熱面３５に伝わり、液３１を気化して蒸気３２にすることにより、熱が蒸気３２に伝わる。蒸気３２は別の伝熱面３５へ熱を伝えると液化し、再び液３１となる。図３（ｂ）で説明される気化冷却，凝縮放熱を行うサーマルハイウエイ５１の断面構造を図３（ａ）で説明する。サーマルハイウエイ５１は、内側にベア管３４と外周側に溝付管３３の二重構造となっている。蒸気３２は、ベア管３４内を通り、液３１は、ベア管３４の外側かつ溝付管３３の内側を移動する。図２の例で言えば、サーマルハイウエイ５１内を、伝熱され液から蒸気になった蒸気３２がベア管３４内側を上昇し、放熱して蒸気から液化した液３１がベア管３４外側かつ溝付管３３内側を下降する。溝付管３３の溝は、液体である液３１の移動を容易にするために設けてある。
【００２６】
図４は、本発明の実施例に係る冷却システムを有する電子装置と従来技術による比較例との対比を示す図である。図４（ａ）に、比較例を示す。この比較例は、ＣＰＵボード４１上のＣＰＵ４２及びＣＰＵ以外４３の発熱部品からの熱を、冷却ファン４４によっておこされた空気４５の流れ（図中の矢印参照）により、空調機４６へ運び、排熱する。
【００２７】
図４（ｂ）に、本発明の実施例に係る冷却システムを有する電子装置を示す。このシステムは、ＣＰＵボード４１上のＣＰＵ４２からの熱を、熱サイフォン４８により、液を蒸気へ気化させることによりおこされた液／蒸気４９の流れ（図中の矢印参照）により、サーマルハイウエイ５１へ運ぶ。サーマルハイウエイ５１では、熱サイフォン４８と同様に、液を蒸気へ気化させることによりおこされた液／蒸気４９の流れ（図中の矢印参照）により、前述のサーバーラック本体１００の上部へ熱を運ぶ。次に、各サーバユニット上部からチラー／送風機５０へは、熱サイフォン４８及びサーマルハイウエイ５１と同様に、液を蒸気へ気化させることによりおこされた液／蒸気の流れにより、熱を運んでもよいが、サーバ全体の多量の熱を伝熱するため、実施例に示すように、熱交換された冷媒（冷却水）により、熱移動（伝熱）される。
【００２８】
図４（ｂ）では、ＣＰＵボード４１上のＣＰＵ４２より発熱の小さいＣＰＵ以外４３の発熱部品からの熱は、冷却ファン４４によっておこされた空気４５の流れ（図中の矢印参照）により、空調機４６へ運ばれ、排熱している。なお、ＣＰＵ以外４３の発熱部品からの熱を、ＣＰＵ４２からの熱と同様に、排出しても良い。発熱の大きさにより、より発熱の小さい発熱部品の熱の排熱は、より簡略な空気４５の流れを用いることが全体の効率を考えると望ましい場合もある。
【００２９】
次に図５を用いて、図４で説明した本発明の実施例に係る冷却システムを有する電子装置と比較例との効果の対比を行う。図４（ａ）で説明した比較例における冷却に必要な電力（必要電力）を１００％とすると、図４（ｂ）で説明した本発明の実施例に係る冷却システムを有する電子装置では、冷却のために必要な電力（必要電力）は、約４０％減の約６０％となり省エネルギーとなる。
【００３０】
すなわち、従来、室内空気を介して空調機で冷却していた電子機器の排熱の大部分を占めるＣＰＵ等の大きな発熱素子からの排熱を直接屋外に導いて冷却するため、屋外の放熱手段による冷却温度が室内空調の冷却温度に対して高くて済み、冷却に要するエネルギーが大幅に削減できる。
【００３１】
実施例２は、サーバーラック内に水平設置型の着脱可能なサーバーモジュールを複数個設置して構成される電子装置において、ラック骨組みデッドスペースを活用して、サーマルサイフォンからの熱をラックトップの冷媒ボックスへ伝えるためのサーマルハイウエイをラックの片側に配置している。そのために、両側に配置した実施例１ほどではないが、サーバーラック内空間の効率的な利用ができ、さらに、サーバーモジュールに対するサーマルサイフォン及びサーマルハイウエイの配置を統一できる。このため、部品の種類の低減，組み立ての容易さなどの利点がある。
【００３２】
以上の実施例では、サーバが水平置きとなっており、サーバ基板上の２個のＣＰＵは上下の位置の差がない構成である。そのため、サーバが垂直置き、２個のＣＰＵに上下の位置の差ある従来技術と比較して、よりＣＰＵ間において均等な冷却が可能となり、ＣＰＵの能力を発揮させやすい。また、冷媒の冷水を流す冷水パイプはサーバーラックのトップボックスの位置の冷媒ボックスにある。また、図１の場合は、サーマルコネクタ２１はサーバーラック本体１００のシャーシ（モジュール）の両側面にあり、シャーシ（モジュール）側方の空き空間を有効活用して配置できる。さらに、冷水パイプがラックトップの冷媒ボックス１２に接続されているので、集合的に熱を除去できる。さらに、冷水などの冷媒の漏れに対して、ラックトップのトップボックス（冷媒ボックス１２）のみの修理で対応が可能となる。
【００３３】
一方、冷水パイプが各シャーシ（モジュール）の上部あり、サーマルコネクタも各シャーシ（モジュール）の上部にあり、各シャーシ（モジュール）ごとに個別に冷却する従来技術では、冷水分配と水漏れの対策がシャーシ毎に必要となる。
【００３４】
図１の第二の熱移動手段（サーマルハイウェイ）３と、サーバーラック本体１００との位置関係から言えるように、サーバーラック本体１００の側面空間を使用することで、サーバの実装密度を損なうことなく、第二の熱移動手段（サーマルハイウェイ）３が配置できるので、サーバーラック本体１００の空間の有効利用が可能である。
【００３５】
図１の冷却水出口１０と冷却水入口１１から理解されるように、冷水パイプは、ラックトップの冷媒ボックスに接続されている。さらに、冷水パイプ配管の接続部をサーバーラック本体１００の下部または床下に設けることで、冷水パイプ配管のメンテナンス時に配管取り付け、外し作業が容易となる。そして、接続継手を各サーバーモジュールよりも低い位置に設けたことにより、配管内エアが溜まることがないため、エア抜きを必要としないという利点がある。
【００３６】
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。
【００３７】
また、上記の各構成，機能，処理部，処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。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。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１  サーバーモジュール
２  第一の熱移動手段
３  第二の熱移動手段
４  第三の熱移動手段
１０  冷却水出口
１１  冷却水入口
２１  サーマルコネクタ
２２  冷媒ボックス
２３  熱の流れ
２４  挿入
３１  液
３２  蒸気
４１  ＣＰＵボード
４２  ＣＰＵ
４３  ＣＰＵ以外
４４  冷却ファン
４５  空気
４６  空調機
４８  熱サイフォン
４９  液／蒸気
５０  チラー／送風機
５１  サーマルハイウエイ
１００  サーバーラック本体
【図１】
2012252429.tif 000003
【図２】
2012252429.tif 000004
【図３】
2012252429.tif 000005
【図４】
2012252429.tif 000006
【図５】
2012252429.tif 000007