JP2008287733A - 液冷システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ラックマウントサーバでの、ＣＰＵの高発熱化や実装密度の向上要求に対して、空冷システムが大型化し、１Ｕサイズのサーバモジュールを構成できなくなってきた。
【解決手段】 サーバモジュールのＣＰＵ冷却を、発生熱を冷却液の吸熱するジャケットをＣＰＵに装着し、前記冷却液をポンプにより循環させて、ラジエーターで外気に放熱する液冷システムとした。この液冷システムにおいて、前記ラジエーターを、ＣＰＵの発熱量に応じて、複数の放熱フィンユニットを冷却ファンの冷却風の流れ方向に配置し、該放熱フィンユニットの冷却液循環路を直列接続する構成とした。さらに、液冷システムの冷却ファンをサーバモジュールの中央部に配置し、ラジエーターの空冷と、他のデバイスの空冷で共用した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラックマウントサーバシステムのサーバモジュール等の薄型の情報処理装置の冷却に適用して有効な技術に関する。

サーバ等の情報処理装置のシステム構成・収納および設置において、ラックマウント方式が主流となっている。ラックマウント方式とは、各々の機能を持った装置を特定の規格に基づき形成されたラックキャビネットに段積み搭載するもので、各装置の選択・配置を自由に行え、システム構成の柔軟性・拡張性に優れ、システム全体の占有面積も縮小できるという利点がある。

特に、ラックマウントサーバではＩＥＣ規格（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）／ＥＩＡ規格（Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）に規定された１９インチラックキャビネットが主流となっており、装置を搭載するための支柱の左右間口寸法を４５１ｍｍ、搭載における高さ寸法を１Ｕ（１ＥＩＡ）＝４４．４５ｍｍという単位で規定されている。
このラックマウントサーバのモジュールの実装例を図２にしめす。図２のモジュールは、１Ｕ（約４５）の高さをもち、ＣＰＵ（１）やメモリ２を実装したメインボード３、専用の冷却ファンを内蔵する電源ユニット４、ＨＤＤやＣＤ−ＲＯＭ等のストレージ５、拡張ボード６から構成される。さらに、主にＣＰＵを冷却するために、モジュールの中央部に冷却ファン７を配置し、ファンの冷却風をＣＰＵのヒートシンクに吹き付けて冷却をおこなっている。

また、図２の従来のラックマウントサーバのモジュールでは、モジュールの前面から吸気し、冷却風はモジュール後面から周囲に排気される。このとき、冷却ファン７による冷却風の流れにより、モジュールの前部に配置されたストレージやＣＰＵ以外のメモリ２等のメインボード３に実装されている電子部品（図示せず）も冷却される。このようなラックマウントサーバの冷却技術が、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００２−３６６２５８号公報

さらに、ラックマウント方式では、サーバモジュールの高性能化に伴い、ＣＰＵやＬＳＩ等の高速化、ＣＰＵのマルチ構成化、ディスクドライブ等のデバイスの高回転化やアレイ化などが進み、発熱量も増加している。このため、冷却風の流路の確保が難しくなり、冷却風による強制空冷が困難になっている。特に１ＵのサーバモジュールではＣＰＵの発熱量の増加による影響が大きく、冷却フィンの大型化が必要となり、１Ｕの高さに実装することが困難になってきている。

本発明の目的は、ラックマウントサーバのモジュールにおいて、冷却システムの実装高さを増すことなく、ＣＰＵの発熱を周囲に放熱して冷却をおこなう冷却システムの高性能化をおこなう冷却技術を提供することにある。

特に１Ｕのサーバモジュールを構成するのに有用で、１Ｕの薄型を損なうことのない冷却システムや冷却デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、ラックマウントサーバのモジュールに、液冷システムを設けることにより解決する。詳しくは、冷却液をポンプにより循環させ、ＣＰＵに装着したジャケットでＣＰＵの発生熱を冷却液に吸熱し、冷却ファンにより冷却されるラジエーターで冷却液を空冷するようにして、ＣＰＵの発生熱を放熱するようにした。

このとき、モジュール内のディスクやＣＰＵ以外の電子部品の冷却もおこなうため、冷却ファンをモジュールの中央部に配置し、この冷却ファンによりモジュールの前面から吸気された外気により、ディスク等のストレージ部品を冷却する。さらに、冷却ファンの空気の吐出し側にラジエーターを配置して、吐出した冷却風をラジエーターに当ててＣＰＵの発生熱を吸熱した冷却液を冷やすとともに、ラジエーターを通過した冷却風で、モジュール内の他のデバイスやメインボード上の電子部品を冷却するようにした。

また、上記ラジエーターは、冷却液が流れるＵ字管の管の円周方向に薄板の放熱フィンを設けて放熱面積を大きくしたフィンモジュールを、冷却風の流れ方向であって、Ｕ字管が流れ方向に垂直になるように複数の個数設ける構成とした。このフィンモジュールのＵ字管を、冷却風の流れ方向に順次接続し、冷却液が冷却風の流れの上流から下流の順に、フィンモジュールを流れるようにした。冷却液が複数のフィンモジュールを順に流れ、このフィンモジュールのフィンの間を冷却風がとおることで、冷却液に吸熱された熱は放熱フィンから冷却風に放熱され、冷却液は冷却される。

本発明によれば、高発熱量の高速ＣＰＵや高発熱デバイスを使用する場合でも、高効率にＣＰＵやデバイスの発生熱を放熱できるので、モジュールサイズを増加させることなく、１ＵサイズのサーバーモジュールでもこのようなＣＰＵやデバイスを搭載できる。

また、ラジエーターを必要な放熱容量に応じて、放熱フィンユニットを組合せて構成できるので、安価にラジエーターを製造できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明の一例として、１Ｕサイズ（約４５ｍｍ高さ）の２ＣＰＵ構成のモジュールの液冷システムの概要をしめす図である。液冷システムは、２つの冷却液を循環させるポンプ１０と、ＣＰＵの発生熱を冷却液に吸熱するジャケット１１と、冷却液を冷やすラジエーター１２と、ラジエーター１２に冷却風を吹き付けラジエーターを冷やす冷却ファン１３とから構成される。

冷却液は、プロピレングリコールを希釈した不凍液を使用し、さらに銅やアルミニュウムの腐食防止剤を含有させる。

冷却液が循環するジャケット１１やラジエーター１２は、熱伝導性のよい銅あるいはアルミニュウムで作られ、これらはブチルゴム等のフレキシブルチューブで接続される。

冷却液の循環路の途中には、冷却液のエア抜きをおこなうタンク１４を設けている。フレキシブルチューブやジョイント部から浸透したエアは、ポンプ１０の性能を低下させたり、ジャケット１１やラジエーター１２の熱伝達効率を低下させるため、タンク１４で冷却液から除去する。

また、冷却液の循環路の途中に、逆止弁つきのユニバーサルジョイントを設け、ジャケットをフィールドで増設・交換できる構成にするとよい。これにより、ＣＰＵのフィールド増設や故障等によるＣＰＵ交換を容易におこなうことができる。

図１にしめす液冷システムを、１Ｕサイズ（約４５ｍｍ）に収めるために、冷却ファン１３は、４０ｍｍ角のものを複数個使用する構成とし、ポンプ１０も外形寸法４０ｍｍのものを選択する。また、ラジエーター１２の高さを４０ｍｍ以下にする。

図３は、図１にしめした液冷システムを搭載したラックマウントサーバのサーバモジュール概要図をしめす図であり、図４は、その上面をしめす図である。図では、上部面が開放された図になっているが、これは内容物をしめすためであり、実機では、天板でカバーされている。ラックマウントサーバでは、このような１Ｕサイズのモジュールを複数積層してラックにマウントしている。このため、上部面からの換気はおこなわれず、冷却風は、モジュール前面から吸気され、モジュール後面から排気する。

液冷システムをモジュールの中央部に配置し、冷却ファン１３によりモジュールの前面から吸気された外気により、ディスク等のストレージ部品５を冷却する。さらに、冷却ファンの空気の吐出し側にラジエーター１２を配置して、吐出した冷却風をラジエーターに当ててＣＰＵ（１１）の発生熱を吸熱した冷却液を冷やすとともに、ラジエーターを通過した冷却風で、モジュール内の他のデバイスやメインボード上の電子部品を冷却するようにした。

このように、冷却風はモジュールの前面から後面に向かって流れるので、拡張ボード６やメモリモジュール２や電源ユニット４は、冷却風の流れに沿って配置するとよい。このような配置により、冷却風の流れが良くなり、ＣＰＵの冷却効率の増加や、冷却ファンの小容量化をおこなうことができる。

図５は、図１にしめした液冷システムの模式図であり、この図を使用して冷却動作を詳細に説明する。符号は図１と同様に付してあり、内容の説明は省略する。冷却液は、ポンプ１０により循環され、ジャケット１１でＣＰＵの発生熱を吸熱し、ラジエーター１２で冷却風により冷却される。冷却された冷却液は、タンク１４でエア抜きされて、ポンプ１０に戻ってくる。このように、冷却液の循環の過程で熱の授受をおこない、ＣＰＵの発生熱を外気に放熱して、ＣＰＵを冷却する。

本実施例の２ＣＰＵ構成のモジュールでは、ラジエーター１２は共用とし、ＣＰＵごとにポンプ１０とジャケット１１を設けてユニット化し、冷却液の循環路に並列に接続するようにした。さらに、ポンプ１０とジャケット１１をユニット化して、ユニバーサルジョイント１６で、冷却液の循環路に接続するようにしてもよい。これにより、２ＣＰＵ構成以外の４ＣＰＵ構成の場合でもこのユニットを４つ並列に接続することで構成できる。

液冷システムの冷却性能は、ジャケット１１の受熱性能や冷却液の流量やラジエーター１２の放熱性能、冷却風量により決まってくるが、特にラジエーター１２の性能が重要となる。また、上記のようにポンプ１０とジャケット１１をユニット化した場合には、ユニット数により求められるラジエーターの放熱性能がことなるため、調整が必要となる。このため、複数の放熱容量の異なるラジエーターを用意する必要がある。

本発明では、詳細は後述するが、冷却風の流れ方向にラジエーターを複数配置し、それぞれのラジエーターをシリーズに接続して冷却液の循環路を形成するようにした。これにより、放熱容量の増大に対しては、接続するラジエーターの個数を増すことにより対応する。この方法によれば、ラジエーターの高さは変わらないので、１Ｕサイズのモジュール内で放熱容量の調整が可能となる。このとき、冷却風は、放熱量が増すこととラジエーター部の流路抵抗が増すため、流量増加等をおこなう。

図６は、ＣＰＵの発生熱を冷却液に受熱するジャケット１１の構造を示す図である。ジャケットは銅あるいはアルミニュウムで形成される。ジャケット１１は、ＣＰＵの上面に熱接続するように、受熱板２０を介して、ネジ固定される。ＣＰＵの発生熱は、受熱板２０からフィン１８に熱伝導し、導入管１７から流入した冷却液に熱伝達される。ＣＰＵの発生熱を吸熱した冷却液は、吐出管１９からラジエーターに流出する。フィン１８は、冷却液の流れに平行に設置して流路抵抗を小さくするともに、放熱面積を大きくして熱伝達量を大きくしている。なお、ジャケットの内部構造は、これに限られたものでないことはいうまでもない。

図７は、ラジエーターの構造図であり、 （ａ）はモジュールの上部からみた上面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は左側面図をしめしている。図７（ａ）で、複数の冷却液の流路管２１が、冷却ファン１３の冷却風の方向（図では下から上の方向）に直角方向に平行に配置されている。流路管２１は、その円周方向に放熱フィン２２を有し、冷却液の熱が流路管を介して放熱フィン２２に熱伝導している。冷却風は、この放熱フィン２２の隙間を流れ、このとき、放熱フィンの表面から熱をうばう。このようにしてＣＰＵの発生熱を吸熱した冷却液は、ラジエーターから外気に放熱して冷却される。

放熱フィン２２は、２本の流路管２１ごとに分割され、（ｂ）図のように、ユニット２３化されている。それぞれのユニット２３は、冷却風の流れの方向に、配置する。また、（ｃ）図のように、ユニット２３の他端部で、流路管は他のユニットと接続され（図の２４部）、１本の流路を形成している。

冷却風の流れ方向に配置するユニット２３の個数を増減することにより、放熱フィンの放熱面積が増減し、ラジエーター１２の放熱容量を調整することができる。

図８は、冷却液の流路の一部に設けるタンクの概略構造をしめす図である。このタンクは、冷却液のエア抜きのために設けられており、上部より流入した冷却液がタンクに一旦溜まるようになっている。このとき、冷却液の気泡がタンク上部に溜まるようになっている。冷却液は、タンクの下部から吐出されて、循環する。また、このタンクは、冷却液のチューブ等から浸透や接続部からの漏れによる減少分を補充するリザーブタンクとして使ってもよい。この場合には、補充量以上の容量のタンクを設ける必要がある。

図９は、本発明のラジエーターの製造手順をしめす図である。（ａ）から（ｄ）は製造手順の概略をしめしている。まず、放熱フィンのユニットを形成する。（ａ）にしめすように、銅あるいはアルミニュームのＵ字管にアルミニュームの薄板を圧入する。Ｕ字管の管径は、冷却液の流量により決まるが、本実施例では、外径５ｍｍ・肉厚０．４ｍｍのパイプを使用した。Ｕ字管の曲げＲは、管の材質と管径により決まるが、本実施例では、１０ｍｍとして。これらの寸法は、１Ｕサイズであれば、ラジエーター高さが４０ｍｍ程度になるように適宜決めることができる。このＵ字管にアルミニュームの薄板を、１．５ｍｍのピッチで複数枚圧入し、（ｂ）の放熱フィンのユニットを形成する。このとき、理由は後述するが、Ｕ字管の圧入位置を中央から所定の高さ方向のオフセットを設けるようにする。つぎに、放熱フィンのユニットを、Ｕ字管に平行であって、交互に上下反転するように組み立てる（（ｃ）図）。その後、Ｕ字管の開放端を、隣のユニットと接続する（（ｄ）図）。このようにして、流路が一本のラジエーターを形成する。

図１０により、Ｕ字管をフィンに薄板にオフセットを設けて取り付ける理由を説明する。（ａ）図は、本発明のラジエーターの冷却液の流路管の配置をしめす図であり、放熱フィンユニットを上下反転させて組立てたことにより、流路管が冷却風の流れ方向に対して千鳥配置になっている。これに対して、放熱フィンユニットを全て同じ方向に組立て場合には、（ｂ）図のようになる。この場合には、流路管は、冷却風の流れ方向に対して平行に配置される。両者を比較すると、（ｂ）図の方が、隣のユニットとの冷却管の接続距離がながく、Ｕ字管で接続したときに、曲げＲが大きくなり加工性・組立て性がよくなる特徴がある。しかし、放熱フィンの間の冷却風の流れの点で考えると、（ｂ）より（ａ）の方が、冷却風の流れを阻害する流路管の距離が大きくなるため、ラジエーターの平均的な冷却風の流れが安定する特徴がある。冷却風の流れが安定することにより、熱伝達が安定するため、（ａ）図の構成の方がよい。

図１１は、ラジエーターの他の実施例をしめした図である。この例では、図３にしめしたモジュール構成図で、ラジエーター１２の放熱容量を大きくする例を説明する。上述のようにラジエーターの放熱容量は、放熱フィン等の放熱面積に依存する。ここで、メインボードの電子部品の配置を考えると、電子部品の高集積化に伴い、部品高さは小さくなってきている。また、面実装部品が多数となり、部品高さの大きな部品は限られた部品となってきている。この点に着目し、本実施例のラジエーターは、冷却風の吐出し側（メインボード３側）に、冷却風の吸入側の放熱フィン高さよりちいさな高さの放熱フィンを取り付けるようにし、メインボード３にオーバーハングして設置するようにした。オーバーハングする部分の放熱フィン高さは、当該メインボードの部品に接触しない高さにすればよい。これにより、ラジエーターの高さを大きくすることなく、また、冷却風の流れる奥行方向の設置長を増加させることなく、放熱容量を増加させることができる。

図１２は、ラジエーター１２の放熱容量を調整する他の実施例を説明する図である。本発明の上記実施例では、冷却風の流れ方向に組み付ける放熱フィンユニットの個数で、ラジエーターの放熱容量を調整する例について説明した。図１２にしめす実施例では、放熱フィンの枚数を調整してラジエーターの放熱容量を調整する例についてしめす。

標準的なサーバーモジュールが２ＣＰＵ構成のとき、ラジエーターの幅がＬで、組み立てる放熱フィンユニットの個数が４ユニットだったとする。このラジエーターを１ＣＰＵ構成で使用した場合には、ラジエーターの放熱容量に余裕がでる。性能的には問題にならないが、ラジエーターの製造コストは有効に使われない。上記実施では、放熱ユニットの個数を２ユニットで構成するが、本実施例では、放熱フィンの薄板をＬ／２の幅分の個数とし、ラジエーター１２を構成した。これは、ラジエーターの放熱容量は、放熱フィンの放熱面積に比例することに起因する。

本実施例は、特に、標準構成に対して、ＣＰＵ構成が少ないモジュールを構成する場合に有効な実施例である。ここで、他のデバイスの冷却のため、冷却ファンは半分にすることなく、同一個数とすることが望ましい。

本実施例では、液冷システムで冷却するデバイスをＣＰＵとして説明したが、メモリモジュールやチップセット、ＨＤＤ等のストレージデバイスをこのような液冷システムで冷却するようにしてもよい。この場合、冷却するデバイスにジャケットを熱接続し、冷却液の循環路にＣＰＵの冷却と並列に接続するようにしてもいいし、ＣＰＵの冷却ジャケットとは、直列に接続するようにしてもいい。直列に接続する場合には、ＣＰＵの発熱量に比べて小さいので、ラジエーター直後に接続し、その後でＣＰＵの冷却ジャケットを接続することが望ましい。

本発明の２ＣＰＵ冷却システムの概略図である。 ラックマウントサーバのモジュールの従来技術による実装例である。 本発明を適用したラックマウントサーバモジュールの概略図である。 モジュールの上面図である。 本発明の液冷システムを模式図である。 ジャケットの構造図である。 ラジエーターの構造図である。 タンクの構造図である。 ラジエーターの製造手順をしめす図である。 ラジエーターの流路管の構成図である。 ラジエーターの他の実施例の図である。 ラジエーターの他の実施例の図である。

符号の説明

１０…ポンプ、１１…ＣＰＵジャケット、１２…ラジエータ、１３…放熱ファン、２１…Ｕ字管、２２…放熱フィン、２２…放熱フィンユニット

Claims (3)

1. 情報処理装置内に搭載された発熱部の発生熱を冷却液を通流して吸熱するジャケットと、
   冷却液に吸熱された熱を外気に放熱するラジエータと、
   前記冷却液を前記ジャケットと前記ラジエータとの間で循環するポンプと、
   前記ラジエータを冷却するファンとを備えた液冷システムであって、
   前記ラジエータを構成する放熱フィンユニットは、冷却液が流れる流路と、前記流路に熱的に接触した放熱フィンとを有し、
   前記情報処理装置に搭載される前記ラジエータは、発熱量に応じて１つあるいは複数の前記放熱フィンユニットによって形成され、
   複数の放熱フィンユニットの各々の流入口と流出口との間の各流路は、前記冷却ファンによる冷却風の流れ方向に対して略垂直な平面上に構成され、
   前記、複数の放熱ユニットを前記冷却ファンの冷却風の流れ方向に積層して配置され、
   隣接する前記放熱ユニットの一方の流路の流出口と他方の流路の流入口とを遠い側で接続して直列の通流路として構成された、ことを特徴とする液冷システム。
2. 請求項１に記載の液冷システムにおいて、
   前記隣接する放熱ユニットの各々の流路は、前記流入口を上部とし、流出口を下部として、交互に直列に接続して構成されていることを特徴とする液冷システム。
3. 請求項１、乃至２に記載の冷却システムにおいて、
   前記放熱ユニットは、隣接する放熱ユニットの放熱フィン同士が熱的に接続しないように積層して配置されたことを特徴とする液冷システム。

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