(57)【要約】【課題】冷却装置の冷却性能の向上を図る。【解決手段】冷却装置１００は、水の蒸発潜熱によって熱源（ＣＰＵ１０）から熱を奪う蒸発器２２と、水の流れを利用して、蒸発器２２で発生した水蒸気を吸引し、蒸発器２２内部を減圧するアスピレータ２６と、アスピレータ２６と蒸発器２２に水を供給するＣＤＵ（Coolant Distribution Unit）３０と、ＣＤＵ３０から蒸発器２２に供給される水に対して外気を混入するリークバルブ４４と、を備えている。【選択図】図１
2017010408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の蒸発潜熱によって熱源から熱を奪う蒸発器と、
液体の流れを利用して、前記蒸発器で発生した蒸気を吸引し、前記蒸発器の内部を減圧するアスピレータと、
前記アスピレータと前記蒸発器に液体を供給する液体供給部と、
前記液体供給部から前記蒸発器に供給される液体に対して気体を混入する気体混入部と、を備える冷却装置。
【請求項２】
前記気体混入部は、
前記液体に対する前記気体の混入量を調整する調整弁と、
前記調整弁の開度を制御する制御部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記熱源の状態を検出する検出部を更に備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づいて、前記調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記液体供給部は、前記気体が混入された液体を回収し、該液体から前記気体を分離した後、該液体を前記アスピレータ及び前記蒸発器に再度供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却装置と、
前記冷却装置により冷却される電子機器と、
を備える電子機器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置及び電子機器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サーバなど情報機器の高性能化は加速する一方である。そのため情報機器に使用されるＣＰＵ(Central Processing Unit)やメモリ、電源モジュールなどの発熱量も増す傾向にある。その中でも、ＣＰＵの発熱量は特に大きく、最近では消費電力が数百Ｗを超えるような部品の開発が進み、世の中で使用され始めている。
【０００３】
最近では、サーバやスーパーコンピュータに代表されるハイエンド製品を設置する建屋に冷却水の供給設備(Coolant Distribution Unit：ＣＤＵ)を用意し、発熱する部品を水冷により冷却（顕熱による熱交換）する場合もある。しかし、単純な水冷方式では、将来の発熱量増加に対応するためには大きなヒートシンクが必要になるなど装置自体が大型化するおそれがある。
【０００４】
これに対し、本出願人は、蒸発器内の液体の蒸発潜熱を利用した冷却方式に関する技術を提案している（例えば、特許文献１等参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１８３１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、蒸発潜熱を利用した冷却方式では、熱源（ＣＰＵ等）の発熱量が小さいほど蒸発器内の液体が沸騰しにくいため、冷却性能が十分に発揮されないおそれがある。
【０００７】
本発明は、冷却装置の冷却性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一つの態様では、冷却装置は、液体の蒸発潜熱によって熱源から熱を奪う蒸発器と、液体の流れを利用して、前記蒸発器で発生した蒸気を吸引し、前記蒸発器の内部を減圧するアスピレータと、前記アスピレータと前記蒸発器に液体を供給する液体供給部と、前記液体供給部から前記蒸発器に供給される液体に対して気体を混入する気体混入部と、を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
一つの側面として、冷却装置の冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る電子機器システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】蒸発器の縦断面図である。
【図３】水の温度と蒸気圧との関係を示す蒸気圧曲線である。
【図４】沸騰冷却におけるＣＰＵの消費電力に応じた冷却性能の変化の一例を示すグラフである。
【図５】リーク量と蒸発器熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図６】制御装置の処理を示すフローチャートである。
【図７】蒸発器に供給する水に外気を混入した場合の効果を説明するための図である。
【図８】図８（ａ）は、一実施形態に係る電子機器システムを示す斜視図であり、図８（ｂ）は、電子機器システムの変形例を示す斜視図である。
【図９】リークバルブが設けられていない冷却装置を備える電子機器システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、冷却装置を備える電子機器システムの一実施形態について、図１〜図９に基づいて詳細に説明する。本実施形態の電子機器システム１０００は、図１に示すように、電子機器１６０と、冷却装置１００と、を備える。電子機器１６０は、サーバなどの機器であり、例えば、システムボード６０と、システムボード６０上に搭載されたＣＰＵ（Central Processing Unit）１０と、を有している。なお、電子機器１６０は、図８（ａ）に示すように、ラック１６２内に収納されているものとする。
【００１２】
冷却装置１００は、電子機器１６０に搭載された熱源を冷却する装置である。本実施形態では、冷却装置１００が冷却する熱源は、ＣＰＵ１０である。冷却装置１００は、図１に示すように、蒸発器２２と、アスピレータ２６と、液体供給部としてのＣＤＵ（Coolant Distribution Unit）３０と、水量調整器４２と、リークバルブ４４と、制御装置５０と、を備える。なお、冷却装置１００は、ＣＰＵ１０以外の熱源（メモリやハードディスク（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）、電源モジュールなど）を冷却することとしてもよい。
【００１３】
蒸発器２２の内部空間には冷却用の媒体（本実施形態では、水）が収容されている。なお、本実施形態では、性能、安全性、低環境負荷の観点から冷却用の媒体として水を用いることとしている。蒸発器２２内の水は、発熱したＣＰＵ１０によって熱せられて核沸騰し、水蒸気となり、このときの水の相変化（液体から気体への変化）による潜熱により、ＣＰＵ１０が冷却される。蒸発器２２には、蒸気管２４の一端及び液管４０の一端が接続されている。なお、潜熱による冷却は、空冷や液冷より効率がよいため、大きな発熱量に対応することが可能である。
【００１４】
図２には、蒸発器２２の縦断面図が示されている。蒸発器２２は、一例として、厚さ３ｍｍで、大きさが縦４０ｍｍ、横４０ｍｍの銅板３８と、銅板３８の中央部の縦２５ｍｍ、横２５ｍｍのエリアに設けられた沸騰促進構造３９と、銅板３８の上面を覆う蒸発器カバー３６と、を有する。沸騰促進構造３９としては、例えば、高さ２ｍｍで、縦１ｍｍ、横１ｍｍの柱が１．５ｍｍピッチで配列された構造などを採用することができる。
【００１５】
蒸発器カバー３６には、蒸気管２４の一端と液管４０の一端とが取り付けられている。銅板３８と蒸発器カバー３６との間の接続方法としては、ロウ付け、溶接、接着剤、Ｏリングを用いた機械的接続などから冷却装置１００の使用環境等に応じて適切な方法を選択することができる。
【００１６】
なお、蒸発器２２とＣＰＵ１０は直接接触していてもよいし、蒸発器２２とＣＰＵ１０との間に所定の材料が介在していてもよい。後者の場合、例えば、蒸発器２２とＣＰＵ１０の間に熱伝導性が良好なグリースやシート（熱伝導体）を挟み、ネジやバネなどを用いて蒸発器２２とＣＰＵ１０の間に圧力を加え、両者を密着させるようにしてもよい。
【００１７】
図３には、水の温度と蒸気圧（大気圧を基準としたゲージ圧）との関係を示す蒸気圧曲線が示されている。図３の横軸は水の温度、縦軸はゲージ圧を示し、水の沸点と圧力の関係を示している。図３によれば、圧力が下がると水の沸点も下がることが分かる。例えば、０ｋＰａＧで沸点が１００℃であるのに対し、−９０ｋＰａＧでは沸点が４０〜５０℃程度となる。したがって、本実施形態では、蒸発器２２内の水の沸点が低くなるように、蒸発器２２の内部が後述するアスピレータ２６により減圧される。
【００１８】
図１に戻り、アスピレータ２６は、液体循環路２８の一部に設けられ、その一部が絞られた形状を有する管路を有している。アスピレータ２６では、図１に矢印にて示すように、管路の内部に水が供給されると、絞られた部分近傍において水の流速が増すため、ベンチュリ効果によって水の圧力が低下するようになっている。そして、この水の圧力の低下により、アスピレータ２６に接続された蒸気管２４内部の蒸気が水流に流れ込み、結果として、蒸気管２４及び蒸発器２２内が減圧になる。これにより、蒸発器２２で発生した水蒸気が蒸気管２４を介してアスピレータ２６内に流れ込むようになっている。
【００１９】
ＣＤＵ３０は、凝縮器、気液分離器、ポンプ等を有する。凝縮器は、液体循環路２８内を流れる水と大気との熱交換を行う凝縮器であり、水蒸気を凝縮させて水に戻す機能を有する。気液分離器は、冷却装置１００内を動作の最初に減圧する際に用いられる装置であり、液体循環路２８内を流れる水に混入している気体を分離して、外部（大気）に放出する。ポンプは、液体循環路２８内に水の流れを作り出すための装置である。例えば、ＣＤＵ３０からは、水が５Ｌ／ｍｉｎ程度の流量でアスピレータ２６に供給される。
【００２０】
水量調整器４２は、液体循環路２８から分岐した液管４０に設けられた、液管４０を流れる水の量を調整するバルブである。本実施形態では、電子機器システム１０００に冷却装置１００を設置する際に、電子機器１６０の種別等に合わせて水量調整器４２を調整した後は、液管４０を流れる水の量は一定に維持される。例えば、水量調整器４２は、ＣＤＵ３０から５Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で供給される水の一部（２００ｍＬ／ｍｉｎ程度の流量）を液管４０に供給する。このとき、蒸発器２２の内部の圧力はゲージ圧で約−９０ｋＰａＧとなる。
【００２１】
リークバルブ４４は、液管４０の水量調整器４２の下流側に設けられている。リークバルブ４４は、低発熱時において、液管４０を流れる水に外気を混入させるためのバルブである。リークバルブ４４が開放されると、蒸発器２２の内部は減圧状態になっているため、自然に外気が液管４０内に浸入する。液管４０に浸入した外気は液管４０内を流れる水に混入するため、気泡が混ざった状態の水が蒸発器２２に供給されるようになっている。このため、蒸発器２２内で気泡により水が撹拌され、少ない水（冷媒）でも流動性が増すことで、熱交換効率が上がり、低発熱時の冷却性能を改善させることが可能となる。蒸発器２２内に混入した外気は蒸発器２２から蒸気管２４に流れ込み、アスピレータ２６に吸い込まれてＣＤＵ３０に入る。このため、ＣＤＵ３０内の気液分離器において外気は水から分離され、外部（大気）へと開放される。なお、リークバルブ４４の開度は、制御装置５０の制御の下、ステッピングモータ４３により調整される。
【００２２】
制御装置５０は、ＣＰＵ１０の消費電力を検出する検出部としての検出器１８の検出結果を取得して、該検出結果に基づいてステッピングモータ４３を制御し、リークバルブ４４の開度を調整する。
【００２３】
ここで、図４には、水に外気を混入しない場合におけるＣＰＵ１０の消費電力に応じた沸騰冷却性能の変化の一例がグラフにて示されている。図４において、横軸はＣＰＵ１０の消費電力を示し、縦軸は蒸発器熱抵抗を示している。なお、蒸発器熱抵抗は値が小さいほど沸騰冷却性能が高いことを意味する。図４に示すように、ＣＰＵ１０の発熱量が数百Ｗ以上の高発熱状態であれば蒸発器２２内での沸騰が活発に行われるため、冷却性能は高いが、数十Ｗ〜百Ｗ程度では、沸騰が弱く冷却性能が悪いことがわかる。
【００２４】
このため、本実施形態では、数十Ｗ〜百Ｗ程度の範囲において、消費電力ごとに、図５に示すようなリーク量と蒸発器熱抵抗との関係を導き出し、各消費電力に対するリーク量の最適値（蒸発器熱抵抗が最も小さくなるリーク量）を求める。そして、消費電力とリーク量の最適値（目標リーク量とも呼ぶ）を関連付けた目標リーク量テーブルを事前に作成しておく。制御装置５０は、目標リーク量テーブルに基づいて、リーク量が検出器１８から取得したＣＰＵ１０の消費電力に対応する目標リーク量と一致するようにステッピングモータ４３を制御し、リークバルブ４４の開度を調整する。
【００２５】
なお、本実施形態の冷却装置１００では、図８（ａ）に示すように、ＣＤＵ３０と制御装置５０がラック１６２の外部に設けられ、アスピレータ２６、水量調整器４２、リークバルブ４４、ステッピングモータ４３、蒸発器２２等がラック１６２の内側に設けられている。なお、液体循環路２８の一部は、ラック１６２に設けられた接続コネクタ２９ａ，２９ｂを介して、ラック１６２内に入り込んだ状態となっている。
【００２６】
（制御装置５０の処理について）
次に、制御装置５０の処理について、図６に基づいて説明する。図６は、制御装置５０の具体的な処理を示すフローチャートである。図６の処理は、電子機器１６０が動作している間に実行される処理である。
【００２７】
図６の処理において、制御装置５０は、まず、ステップＳ１０において、検出器１８を用いてＣＰＵ１０の消費電力をモニタ（取得）する。
【００２８】
次いで、ステップＳ１２では、制御装置５０は、取得した消費電力に対応する目標リーク量を目標リーク量テーブルから取得する。次いで、ステップＳ１４では、制御装置５０は、現在のリーク量が目標リーク量と一致するか否かを判断する。すなわち、制御装置５０は、現在のリークバルブ４４の開度が、目標リーク量に対応する開度と一致しているか否かを判断する。このステップＳ１４の判断が肯定された場合、その時点ではリークバルブ４４を調整する必要がないので、制御装置５０は、ステップＳ１０に戻り、ステップＳ１０〜Ｓ１４の処理・判断を繰り返す。一方、ステップＳ１４の判断が否定された場合には、制御装置５０は、ステップＳ１６に移行する。
【００２９】
ステップＳ１６に移行すると、制御装置５０は、ステッピングモータ４３を制御して、リークバルブ４４を調整する。この場合、制御装置５０は、予め定められた一定量だけ開く方向又は閉じる方向に、リークバルブ４４を調整する。次いで、ステップＳ１８では、制御装置５０は、目標リーク量になったか否かを判断する。ここでの判断が否定された場合、ステップＳ１６に戻り、制御装置５０は、目標リーク量になるまで、ステップＳ１６、Ｓ１８を繰り返す。
【００３０】
一方、ステップＳ１８の判断が肯定された場合には、ステップＳ１０に戻り、上述したステップＳ１０〜Ｓ１８の処理・判断を繰り返し実行する。
【００３１】
本実施形態では、以上の処理を実行することにより、ＣＰＵ１０の消費電力が低い場合（数十Ｗ〜百数十Ｗ程度）において、蒸発器２２に供給する水に外気を混入させることで、蒸発器２２の性能を向上させることができる。ここで、図７には、本実施形態の冷却装置１００を用い、蒸発器２２に供給する水に外気を混入させた場合と、図９に示すようなリークバルブを有さない冷却装置を用いた場合（水に外気を混入させない場合）との蒸発器熱抵抗の違いが示されている。図７からは、特に低消費電力の場合（消費電力が１００Ｗ近傍の場合）に、水に外気を混入させたことで、冷却性能が大幅に改善したことが分かる。
【００３２】
これまでの説明から分かるように、本実施形態では、リークバルブ４４、ステッピングモータ４３、及び制御装置５０を含んで、ＣＤＵ３０から蒸発器２２に供給される水に対して外気を混入する気体混入部としての機能が実現されている。
【００３３】
以上、詳細に説明したように、本実施形態によると、冷却装置１００は、水の蒸発潜熱によって熱源（ＣＰＵ１０）から熱を奪う蒸発器２２と、水の流れを利用して、蒸発器２２で発生した水蒸気を吸引し、蒸発器２２内部を減圧するアスピレータ２６と、アスピレータ２６と蒸発器２２に水を供給するＣＤＵ３０と、ＣＤＵ３０から蒸発器２２に供給される水に対して外気を混入するリークバルブ４４と、を備えている。これにより、蒸発器２２に供給される水に外気を混入させることで、蒸発器２２内の水が撹拌され、少ない水でも流動性が増し、熱交換効率が向上し、蒸発器２２の冷却性能を改善させることが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態では、冷却装置１００は、リークバルブ４４の開度をステッピングモータ４３を介して調整する制御装置５０を備えている。これにより、リークバルブ４４の開度を適切な開度に自動的に調整することができる。
【００３５】
また、本実施形態では、ＣＰＵ１０の状態（上記実施形態では消費電力）を検出する検出器１８を備えており、制御装置５０は、検出器１８の検出結果に基づいて、リークバルブ４４の開度を調整する。これにより、ＣＰＵ１０の状態に基づいて、適切な開度にリークバルブ４４を調整することができるので、ＣＰＵ１０の状態にかかわらず、蒸発器２２の冷却性能を高く維持することが可能となる。
【００３６】
また、本実施形態では、ＣＰＵ１０の消費電力が低いほど、蒸発器２２に供給される水に混入する外気の量を多くすることにより、低消費電力時の蒸発器２２の冷却性能を適切に改善することが可能である。
【００３７】
また、本実施形態では、ＣＤＵ３０は、水に混入した外気を分離して大気に開放する気液分離器を有するので、外気が混入した水が冷却装置１００内を循環し続けるのを防止することができる。これにより、リークバルブ４４の開度調整により、蒸発器２２に供給される水への外気の混入量を適切な値に制御することが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態の電子機器システム１０００では、冷却装置１００により、電子機器１６０のＣＰＵ１０が冷却されるので、ＣＰＵ１０の発熱によるＣＰＵ１０自体及び／又は周辺の機器への熱的影響を抑制することができる。
【００３９】
なお、上記実施形態では、検出器１８は、ＣＰＵ１０の消費電力を検出する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、検出器１８は、ＣＰＵ１０の温度を検出することとしてもよい。この場合、制御装置５０は、ＣＰＵ１０の温度と目標リーク量との関係を示すテーブルに基づいて、ステッピングモータ４３を制御し、リークバルブ４４の開度を調整するようにすればよい。
【００４０】
なお、上記実施形態では、冷却装置１００とラック１６２との関係が、図８（ａ）に示すような関係にある場合（アスピレータ２６がラック１６２内に存在する場合）について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図８（ｂ）に示すように、アスピレータ２６がラック１６２の外側に存在していてもよい。なお、図８（ｂ）のうち、リークバルブ４４、ステッピングモータ４３、及び水量調整器４２の少なくとも１つをラック１６２の外側に設定することとしてもよい。
【００４１】
なお、上記実施形態では、ＣＰＵ１０の状態を、ＣＰＵ１０に設けた検出器１８で直接的に検出する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、蒸気管２４の温度を検出することにより、ＣＰＵ１０の状態を間接的に検出することとしてもよい。
【００４２】
なお、上記実施形態では、リークバルブ４４の開度を制御装置５０が調整する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、検出器１８の検出結果に基づいて、人がリークバルブ４４の開度を調整することとしてもよい。
【００４３】
なお、上記実施形態では、蒸発器２２に供給する冷媒として水を用いる場合について説明したが、これに限らず、その他の冷媒（例えば、エチルアルコールやフロン、代替フロンなど）を用いることとしてもよい。
【００４４】
なお、上記実施形態の冷却装置１００は、ＣＰＵを複数有するサーバの各ＣＰＵを冷却することもできる。この場合、例えば、蒸発器２２、アスピレータ２６等をＣＰＵの数に応じた数だけ用意し、その他共用できる構成（ＣＤＵ３０など）をＣＰＵの数よりも少ない数（たとえば１つ）だけ用意するようにしてもよい。
【００４５】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【００４６】
なお、以上の実施形態の説明に関して、更に以下の付記を開示する。
（付記１）  液体の蒸発潜熱によって熱源から熱を奪う蒸発器と、
液体の流れを利用して、前記蒸発器で発生した蒸気を吸引し、前記蒸発器の内部を減圧するアスピレータと、
前記アスピレータと前記蒸発器に液体を供給する液体供給部と、
前記液体供給部から前記蒸発器に供給される液体に対して気体を混入する気体混入部と、を備える冷却装置。
（付記２）  前記気体混入部は、
前記液体に対する前記気体の混入量を調整する調整弁と、
前記調整弁の開度を制御する制御部と、
を有することを特徴とする付記１に記載の冷却装置。
（付記３）  前記熱源の状態を検出する検出部を更に備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づいて、前記調整弁の開度を制御することを特徴とする付記２に記載の冷却装置。
（付記４）  前記検出部は、前記熱源の消費電力又は前記熱源の温度を検出することを特徴とする付記３に記載の冷却装置。
（付記５）  前記制御部は、前記検出部により検出される前記熱源の消費電力が小さいほど又は前記熱源の温度が低いほど、前記調整弁の開度を大きくすることを特徴とする付記４に記載の冷却装置。
（付記６）  前記液体供給部は、前記気体が混入された液体を回収し、該液体から前記気体を分離した後、該液体を前記アスピレータ及び前記蒸発器に再度供給することを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の冷却装置。
（付記７）  付記１〜６のいずれかに記載の冷却装置と、
前記冷却装置により冷却される電子機器と、
を備える電子機器システム。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ＣＰＵ（熱源）
１８  検出器（検出部）
２２  蒸発器
２６  アスピレータ
３０  ＣＤＵ（液体供給部）
４３  ステッピングモータ（気体混入部の一部）
４４  リークバルブ（気体混入部の一部、調整弁）
５０  制御装置（気体混入部の一部、制御部）
１００  冷却装置
１６０  電子機器
１０００  電子機器システム
【図１】
2017010408.tif 000003
【図２】
2017010408.tif 000004
【図３】
2017010408.tif 000005
【図４】
2017010408.tif 000006
【図５】
2017010408.tif 000007
【図６】
2017010408.tif 000008
【図７】
2017010408.tif 000009
【図８】
2017010408.tif 000010
【図９】
2017010408.tif 000011