JP2007116055A - 電子機器および冷却モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】冗長性を確保することができる電子機器および冷却モジュールを提供する。
【解決手段】液冷用吸熱部材２３は伝熱部材１８に取り付けられる。循環ポンプ２７の稼働中、循環ポンプ２７は液冷用吸熱部材２３の流通路に向かって冷媒を流通させる。このとき、発熱体１４の熱エネルギは伝熱部材１８から液冷用吸熱部材２３に受け渡される。発熱体の熱エネルギは流通路内の冷媒に受け渡される。冷媒の温度は上昇する。こうして発熱体１４は冷却される。その一方で、液冷用吸熱部材２３は伝熱部材１８に着脱自在に取り付けられる。液冷用吸熱部材１８は簡単に交換される。このとき、発熱体の熱エネルギは伝熱部材１８から空冷用放熱部材１９に受け渡される。空冷用放熱部材１９では、熱エネルギは大きな表面積から大気中に放出されることができる。こうして発熱体１４は冷却され、電子機器の冗長性を確保することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、プリント基板に実装される発熱体上に搭載されて発熱体を冷却する冷却モジュールに関する。

例えば特許文献１に開示されるように、ＣＰＵ（中央演算処理装置）上に搭載される冷却モジュールは広く知られる。この冷却モジュールは、伝熱板と、伝熱板に一体化される放熱フィンとを備える。伝熱板には冷媒の流通路が区画される。流通路を流通する冷媒に基づきＣＰＵの熱エネルギは奪われる。同時に、放熱フィンの働きでＣＰＵの熱エネルギは大気中に放出される。
特開２００３−０５０６４５号公報 特開平０８−０３２２６２号公報 特開２００２−１５１６３８号公報

こうした冷却モジュールは例えばサーバコンピュータ装置に組み込まれる。サーバコンピュータ装置ではＣＰＵは常に稼働する。前述の伝熱板はしばしば新しいものに交換される。交換にあたって放熱フィンは伝熱板とともにＣＰＵ上から取り外されてしまう。その結果、伝熱板の交換中、ＣＰＵの温度上昇は避けられない。こうした冷却モジュールでは冗長性は確保されることができない。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、冗長性を確保することができる電子機器および冷却モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、基板に実装される発熱体上に搭載され、熱伝導性を有する伝熱部材と、伝熱部材に取り付けられる空冷用放熱部材と、伝熱部材に着脱自在に取り付けられ、冷媒の流通路を区画する液冷用吸熱部材と、液冷用吸熱部材に接続されて、流通路に冷媒を流通させる循環ポンプとを備えることを特徴とする電子機器が提供される。

こうした電子機器では、液冷用吸熱部材は伝熱部材に取り付けられる。循環ポンプの稼働中、循環ポンプは液冷用吸熱部材の流通路に向かって冷媒を流通させる。このとき、発熱体の熱エネルギは伝熱部材から液冷用吸熱部材に受け渡される。発熱体の熱エネルギは流通路内の冷媒に受け渡される。冷媒の温度は上昇する。こうして発熱体は冷却されることができる。

その一方で、液冷用吸熱部材は伝熱部材に着脱自在に取り付けられる。液冷用吸熱部材は簡単に交換されることができる。このとき、発熱体の熱エネルギは伝熱部材から空冷用放熱部材に受け渡される。空冷用放熱部材の働きで熱エネルギは大きな表面積から大気中に放出される。こうして発熱体は冷却されることができる。電子機器では冗長性は確保されることができる。

こういった電子機器は、液冷用吸熱部材の流通路に接続される流通路を区画する熱交換器と、熱交換器に向かって第１風量の気流を送り込む第１送風機と、空冷用放熱部材に向かって第１風量より大きい第２風量の気流を送り込む第２送風機とをさらに備えてもよい。

熱交換器の流通路には液冷用吸熱部材の流通路から冷媒が送り込まれる。熱交換器には第１送風機から第１風量の気流が送り込まれる。こうして熱交換器では冷媒の熱エネルギは大気中に放出されることができる。その一方で、空冷用放熱部材には第２送風機から第１風量より大きい第２風量の気流が送り込まれる。その結果、発熱体の冷却にあたって小型の空冷用放熱部材で十分に冷却性能は確保されることができる。こうして空冷用放熱部材が小型化されれば、電子機器内で空冷用放熱部材の配置スペースは縮小されることができる。

こうした電子機器は、循環ポンプ並びに第１および第２送風機に接続される制御回路をさらに備えてもよい。この制御回路は、循環ポンプの故障時に循環ポンプから信号を受け取ると、第１送風機を停止させる一方で第２送風機を稼働させればよい。

循環ポンプの稼働時に第１送風機は稼働する。第１送風機では第２風量よりも小さい第１風量の気流が生成される。このとき、第２送風機は停止する。気流の生成に基づく騒音の発生はできる限り回避される。その一方で、循環ポンプの故障時、液冷用吸熱部材では流通路で冷媒の流通は停止する。第１送風機の稼働は停止する。第２送風機は第１風量より大きい第２風量で気流を生成する。空冷用放熱部材の働きで発熱体は十分に冷却されることができる。

電子機器は、循環ポンプに形成されて、循環ポンプの吸い込み口を区画する第１ニップルと、第１ニップルに結合される第１弾性管と、循環ポンプに接続されて、循環ポンプの吐き出し口を区画する第２ニップルと、第２ニップルに結合される第２弾性管とをさらに備えてもよい。

前述されるように、液冷用吸熱部材は伝熱部材に着脱自在に取り付けられる。循環ポンプおよび液冷用吸熱部材の間は第１および第２弾性管で接続される。第１および第２弾性管は第１および第２ニップルにそれぞれ結合される。こうして循環ポンプおよび液冷用吸熱部材の間に確立される冷媒の循環経路は密閉される。冷媒の循環経路には高価なカプラといった継ぎ手は必要とされない。例えば循環ポンプおよび液冷用吸熱部材が一体で交換されても、第１および第２弾性管や第１および第２ニップルの働きで冷媒の漏れは回避されることができる。しかも、電子機器の製品コストは抑えられるとともに、冷媒の循環経路で圧力損失の低下は回避されることができる。循環経路で冷媒の流通は効率的に実現されることができる。

以上のような電子機器の実現にあたって冷却モジュールが提供されればよい。この冷却モジュールは、熱伝導性を有する伝熱部材と、伝熱部材に取り付けられる空冷用放熱部材と、空冷用放熱部材に着脱自在に取り付けられ、冷媒の流通路を区画する液冷用吸熱部材と、液冷用吸熱部材に接続されて、流通路に冷媒を流通させる循環ポンプとを備えればよい。

以上のように本発明によれば、冗長性を確保することができる電子機器および冷却モジュールは提供される。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明に係る電子機器の一具体例すなわちサーバコンピュータ装置１１の外観を概略的に示す。このサーバコンピュータ装置１１は例えばラックに搭載される。サーバコンピュータ装置１１は、例えばメインボードといった基板を収容する筐体１２を備える。

図２に示されるように、メインボード１３上には制御回路すなわちＣＰＵ１４が実装される。その他、メインボード１３上には例えばメモリ（図示されず）といった電子回路素子が搭載される。ＣＰＵ１４は、例えばメモリに一時的に格納されるソフトウェアプログラムやデータに基づき処理動作を実行する。

サーバコンピュータ装置１１は、筐体１２内に収容される冷却モジュール１５を備える。冷却モジュール１５は、ＣＰＵ１４上に搭載される空冷ユニット１６と、空冷ユニット１６に着脱自在に取り付けられる液冷ユニット１７とから構成される。空冷ユニット１６および液冷ユニット１７はともに筐体１２の収容空間内に配置される。

空冷ユニット１６は、ＣＰＵ１４上に搭載される伝熱部材１８を備える。伝熱部材１８は、ＣＰＵ１４の表面に受け止められる平板状の伝熱板１８ａと、伝熱板１８ａの表面から立ち上がる例えば円柱形のヒートパイプ１８ｂとから構成される。伝熱板１８ａはメインボード１３上でＣＰＵ１４の表面よりも大きく広がる。

空冷ユニット１６は複数の空冷用放熱部材すなわち放熱フィン１９をさらに備える。放熱フィン１９はヒートパイプ１８ｂから例えば伝熱板１８ａの表面に平行に広がる。隣接する放熱フィン１９同士の間には同一方向に延びる通気路２１が区画される。伝熱板１８ａ、ヒートパイプ１８ｂおよび放熱フィン１９は例えばＡｌやＣｕといった熱伝導性の金属材料から一体に形成されればいよい。伝熱板１８ａ、ヒートパイプ１８ｂおよび放熱フィン１９はヒートシンクを構成する。

放熱フィン１９には送風機すなわち送風ファン２２が向き合わせられる。ＣＰＵ１４の熱は伝熱板１８ａおよびヒートパイプ１８ｂから放熱フィン１９に受け渡される。送風ファン２２の働きで通気路２１を通過する気流が生み出されると、放熱フィン１９の熱は大気中に放出されることができる。

こうした送風ファン２２はＣＰＵ１４に接続される。ＣＰＵ１４は送風ファン２２に向かって制御信号を送り出す。制御信号に基づき送風ファン２２の稼働、停止は制御される。同時に、制御信号に基づき放熱フィン１９に向かって送り込まれる気流の風量は制御されることができる。

その一方で、液冷ユニット１７は、伝熱部材１８に着脱自在に取り付けられる例えば平板状の液冷用吸熱部材すなわち液冷ジャケット２３を備える。液冷ジャケット２３の底面は例えばヒートパイプ１８ｂの頂上面に受け止められる。液冷ジャケット２３は例えばＡｌやＣｕといった熱伝導性の金属材料から形成されればよい。

液冷ジャケット２３内には冷媒の流通路（図示されず）が区画される。流通路は、冷媒の流入口から流出口に向かって蛇行しつつ１筋に延びる。流通路は液冷ジャケット２３の底面に沿って形成される。こうして流通路内の冷媒は液冷ジャケット２３の底面に大きな面積で接触することができる。冷媒には例えば不凍液が用いられればよい。なお、液冷ジャケット２３内では流入口および流出口は、並列に延びる複数の流通路で接続されてもよい。

液冷ユニット１７は、液冷ジャケット２３に接続される熱交換器２４を備える。熱交換器２４には液冷ジャケット２３から送り出される冷媒が流れ込む。熱交換器２４は、蛇行しつつ延びる１本の流通パイプ（図示されず）を備える。流通パイプ内には冷媒の流通路が区画される。流通パイプにはフィンが取り付けられる。流通パイプは例えばＡｌやＣｕといった熱伝導性の金属材料から形成されればよい。なお、熱交換器２４では、冷媒の流通路は、並列に延びる複数の流通パイプから構成されてもよい。

熱交換器２４には送風機すなわち送風ファン２５が向き合わせられる。流通パイプには液冷ジャケット２３の流通路から送り出される冷媒が流れ込む。送風ファン２５の働きで流通パイプに沿って気流が生み出されると、流通パイプ内の流通路を流れる冷媒の熱は大気中に放出されることができる。

前述と同様に、送風ファン２５はＣＰＵ１４に接続される。ＣＰＵ１４は送風ファン２５に向かって制御信号を送り出す。制御信号に基づき送風ファン２５の稼働、停止は制御される。同時に、制御信号に基づき熱交換機２４に向かって送り込まれる気流の風量は制御されることができる。

液冷ユニット１７は、熱交換器２４に接続される冷媒タンク２６を備える。冷媒タンク２６には熱交換器２４の流通パイプから送り出される冷媒が流れ込む。こうして冷媒タンク２６には冷媒が溜め込まれる。

液冷ユニット１７は、冷媒タンク２６に接続される循環ポンプ２７をさらに備える。循環ポンプ２７は液冷ジャケット２３に接続される。循環ポンプ２７は、冷媒タンク２６から吸い込む冷媒を液冷ジャケット２３の流通路に向かって送り込むことができる。

循環ポンプ２７はＣＰＵ１４に接続される。ＣＰＵ１４は循環ポンプ２７に向かって制御信号を送り出す。制御信号に基づき循環ポンプ２７で冷媒の流速が制御される。同時に、循環ポンプ２７から送り出される故障信号に基づきＣＰＵ１４は循環ポンプ２７の故障を検出することができる。故障信号は、循環ポンプ２７に組み込まれるセンサ（図示されず）から送り出されればよい。センサは循環ポンプ２７の故障を検知する。

図２から明らかなように、液冷ジャケット２３および熱交換器２４の間、熱交換器２４および冷媒タンク２６の間、冷媒タンク２６および循環ポンプ２７の間、循環ポンプ２７および液冷ジャケット２３の間はそれぞれ１本の弾性管すなわちホース２８で接続される。ホース２８は、例えばゴムといった可撓性の弾性樹脂材料から形成されればよい。

液冷ジャケット２３、熱交換器２４、冷媒タンク２６および循環ポンプ２７にはそれぞれ１対のニップル２９が一体に形成されればよい。このニップル２９にホース２８は結合される。例えば循環ポンプ２７では、一方のニップル２９は吸い込み口を区画し、他方のニップル２９は吐き出し口を区画する。ニップル２９との結合にあたってホース２８には留め具（図示されず）が取り付けられればよい。

こういったホース２８およびニップル２９に基づき循環ポンプ２７、液冷ジャケット２３、熱交換器２４、冷媒タンク２６および循環ポンプ２７で冷媒の循環経路が確立される。循環経路は密閉される。こうして密閉された循環経路では循環ポンプ２７の働きで冷媒は流通する。

図３に示されるように、液冷ジャケット２３は例えば４本のねじ３１、３１…でヒートパイプ１８ｂに取り付けられればよい。ヒートパイプ１８ｂや最上段の放熱フィン１９にはねじ孔（図示されず）が形成されればよい。こうして液冷ジャケット２３はヒートパイプ１８ｂから簡単に取り外されることができる。同様に、液冷ジャケット２３はヒートパイプ１８ｂに簡単に取り付けられることができる。

以上のようなサーバコンピュータ装置１１では、通常動作時、図４に示されるように、ＣＰＵ１４は送風ファン２５のみを稼働させる。送風ファン２５の風量は比較的に小さい第１風量に設定される。こうして送風ファン２５から熱交換器２４に向かって気流は送り込まれる。

同時に、ＣＰＵ１４は循環ポンプ２７を稼働させる。循環ポンプ２７は冷媒タンク２６から循環ポンプ２７に冷媒を導入する。循環ポンプ２７の働きで液冷ジャケット２３の流通路に向けて冷媒の流れは作り出される。液冷ジャケット２３の流通路には冷媒が流通する。

ＣＰＵ１４の処理動作中にＣＰＵ１４は発熱する。ＣＰＵ１４の熱エネルギは伝熱板１８ａに受け渡される。熱エネルギは伝熱板１８ａからヒートパイプ１８ｂを介して液冷ジャケット２３に受け渡される。こうしてＣＰＵ１４の熱エネルギは流通路内の冷媒に受け渡される。冷媒の温度は上昇する。

温度上昇後の冷媒は液冷ジャケット２３から熱交換器２４に導入される。送風ファン２５の働きで流通パイプに沿って気流は生み出される。こうして冷媒の熱エネルギは流通パイプのフィンの表面から大気中に放出される。冷媒は冷却される。冷却後の冷媒は冷媒タンク２６に導入される。こうして循環経路内で冷媒は流通する。

いま、冷却モジュール１５で循環ポンプ２７が故障する場面を想定する。循環経路では冷媒の流通は停止する。ＣＰＵ１４は、循環ポンプ２７のセンサから送り出される故障信号に基づき循環ポンプ２７の故障を検知する。

図５に示されるように、ＣＰＵ１４は送風ファン２５を停止させる一方で、送風ファン２２を稼働させる。送風ファン２２の風量は送風ファン２５の第１風量よりも大きい第２風量に設定される。第２風量は比較的に大きな風量に設定される。

このとき、液冷ジャケット２３はヒートパイプ１８ｂから取り外される。液冷ジャケット２３は熱交換器２４、冷媒タンク２６および循環ポンプ２７とともに筐体１２から取り出される。こうして液冷ユニット１７は新しいものと交換される。ヒートパイプ１８ｂには新しい液冷ユニット１７の液冷ジャケット２３が取り付けられる。

こうして液冷ユニット１７が交換される間、放熱フィン１９同士の間の通気路２１には第２風量の気流が通過する。送風ファン２２の働きで放熱フィン１９の熱エネルギは大気中に効率的に放出されることができる。液冷ユニット１７が装着されていないにも拘わらずＣＰＵ１４は十分に冷却されることができる。

以上のようなサーバコンピュータ装置１１では、液冷ジャケット２３の底面はヒートパイプ１８ｂの頂上面に接触する。循環ポンプ２７の稼働中、ＣＰＵ１４の熱エネルギは、液冷ジャケット２３に接続される熱交換器２４の働きで効率的に大気中に放出される。その一方で、循環ポンプ２７の故障時、ＣＰＵ１４の熱エネルギは放熱フィン１９から効率的に大気中に放出される。ＣＰＵ１４は冷却されることができる。サーバコンピュータ装置１１では冗長性は確保されることができる。

しかも、循環ポンプ２７の稼働時、送風ファン２５の風量は比較的に小さい第１風量に設定される。気流の生成に基づく騒音の発生はできる限り防止されることができる。その一方で、循環ポンプ２７の故障時、送風ファン２２の風量は第１風量よりも大きい第２風量に設定される。その結果、ＣＰＵ１４の冷却にあたって小型の放熱フィン１９で十分に冷却性能は確保されることができる。こうして放熱フィン１９が小型化されれば、筐体１２内で放熱フィン１９の配置スペースは縮小されることができる。

さらにまた、液冷ジャケット２３はヒートパイプ１８ｂに着脱自在に取り付けられる。冷媒の循環経路はホース２８およびニップル２９で密閉される。液冷ユニット１７の交換時に液冷ユニット１７から冷媒の漏れは回避されることができる。液冷ユニット１７の交換は極めて簡単に実施されることができる。加えて、液冷ユニット１７全体が交換されることから、循環経路に高価なカプラといった継ぎ手は必要とされない。こうして液冷ユニット１７の製品コストは抑えられる。同時に、循環経路で圧力損失の低下は回避されることができる。循環経路で冷媒の流通は効率的に実現されることができる。

その一方で、従来では、例えば循環ポンプの故障時、循環ポンプのみが交換される。循環ポンプのみの交換にあたってホースにはカプラが接続される。カプラに基づき液冷ユニットから循環ポンプのみ取り外されることができる。こうして循環ポンプは交換される。しかしながら、カプラの接続に基づき液冷ユニット１７の製品コストはかさんでしまう。しかも、循環経路では圧力損失は低下してしまう。

その他、図６に示されるように、サーバコンピュータ装置１１では、前述の２台の送風ファン２２、２５に代えて、放熱フィン１９および熱交換器２４には共通に１台の送風ファン３５が用いられてもよい。熱交換器２４は例えば放熱フィン１９および送風ファン３５の間に配置されればよい。その他、前述の実施形態と均等な構成や構造には同一の参照符号が付される。

通常動作時、前述と同様に、ＣＰＵ１４は循環ポンプ２７を稼働させる。循環経路内で冷媒は流通する。同時に、ＣＰＵ１４は送風ファン３５を稼働させる。こうして送風ファン３５では比較的に小さい第１風量の気流が生成される。熱交換器２４では大気中に熱エネルギは放出される。

その一方で、液冷ユニット１７の交換時、図７に示されるように、ＣＰＵ１４の制御に基づき送風ファン３５の風量は第１風量より大きい第２風量に設定される。送風ファン３５および放熱フィン１９の間には熱交換器２４は配置されないことから、放熱フィン１９の通気路２１には大きい風量の気流が通過する。

こういったサーバコンピュータ装置１１では、液冷ユニット１７の交換時、送風ファン３５の風量は第１風量よりも大きい第２風量に設定される。放熱フィン１９では大気中に効率的に熱エネルギは放出されることができる。空冷ユニット１６単体の働きでＣＰＵ１４は十分に冷却されることができる。サーバコンピュータ装置１１では冗長性は確保されることができる。その他、前述の実施形態と同様の作用効果は達成されることができる。

その他、図８に示されるように、伝熱部材１８ではヒートパイプ１８ｂは省略されてもよい。放熱フィン１９は伝熱部材１８すなわち伝熱板１８ａの表面から垂直方向に立ち上がればよい。液冷ジャケット２３の底面は伝熱板１８ａの表面に直接に接触すればよい。液冷ジャケット２３の取り付けにあたって、前述と同様に、例えば４本のねじ３１が用いられればよい。こうした冷却モジュール１５によれば、前述の実施形態と同様の作用効果は達成されることができる。

本発明に係る電子機器の一具体例すなわちサーバコンピュータ装置の外観を概略的に示す斜視図である。 一具体例に係る冷却モジュールの構成を概念的に示す図である。 冷却モジュールの構造を概略的に示す斜視図である。 通常動作時の冷却モジュールの様子を概略的に示す図である。 液冷ユニットの交換時の様子を概略的に示す図である。 他の具体例に係る冷却モジュールの構成を概念的に示す図である。 液冷ユニットの交換時の様子を概略的に示す図である。 他の具体例に係る冷却モジュールの構造を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

１１ 電子機器としてのサーバコンピュータ装置、１３ 基板としてのメインボード、１４ 発熱体および制御回路としてのＣＰＵ（中央演算処理回路）、１８ 伝熱部材、１９ 空冷用放熱部材としての放熱フィン、２２ 第２送風機としての送風ファン、２３ 液冷用吸熱部材としての液冷ジャケット、２４ 熱交換器、２５ 第１送風機としての送風ファン、２７ 循環ポンプ、２８ 第１および第２弾性管としてのホース、２９ 第１および第２ニップルとしてのニップル。

Claims (5)

1. 基板に実装される発熱体上に搭載され、熱伝導性を有する伝熱部材と、伝熱部材に取り付けられる空冷用放熱部材と、伝熱部材に着脱自在に取り付けられ、冷媒の流通路を区画する液冷用吸熱部材と、液冷用吸熱部材に接続されて、流通路に冷媒を流通させる循環ポンプとを備えることを特徴とする電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器において、前記流通路に接続される流通路を区画する熱交換器と、前記熱交換器に向かって第１風量の気流を送り込む第１送風機と、前記空冷用放熱部材に向かって第１風量より大きい第２風量の気流を送り込む第２送風機とをさらに備えることを特徴とする電子機器。
3. 請求項２に記載の電子機器において、前記循環ポンプ並びに第１および第２送風機に接続される制御回路をさらに備え、制御回路は、前記循環ポンプの故障時に前記循環ポンプから信号を受け取ると、前記第１送風機を停止させる一方で前記第２送風機を稼働させることを特徴とする電子機器。
4. 請求項１に記載の電子機器において、前記循環ポンプに形成されて、前記循環ポンプの吸い込み口を区画する第１ニップルと、第１ニップルに結合される第１弾性管と、前記循環ポンプに接続されて、前記循環ポンプの吐き出し口を区画する第２ニップルと、第２ニップルに結合される第２弾性管とをさらに備えることを特徴とする電子機器。
5. 熱伝導性を有する伝熱部材と、伝熱部材に取り付けられる空冷用放熱部材と、空冷用放熱部材に着脱自在に取り付けられ、冷媒の流通路を区画する液冷用吸熱部材と、液冷用吸熱部材に接続されて、流通路に冷媒を流通させる循環ポンプとを備えることを特徴とする冷却モジュール。

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