JP2010079401A - 冷却システム及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードサーバを含む電子機器において、着脱自在なＣＰＵブレードの半導体デバイスを含む発熱体を最適に冷却することを可能にする、新規な冷却システムを提供する。
【解決手段】電子機器匡体内の各電子回路基板上に搭載された半導体デバイスの発生熱を集める複数の第１の熱輸送部材と、前記複数の第１の熱輸送部材からの熱を集めて当該筐体の外部に搬送する第２の熱輸送部材と、そして、前記第２の熱輸送部材と熱的に接続され、前記第２の熱輸送部材から搬送される、前記第１の熱輸送部材からの熱を、当該筐体の外部に放熱する放熱部材とから構成され、前記第２の熱輸送部材は冷媒の気化により複数の第１の熱輸送部材からの熱を集める。
【選択図】図９

Description

本発明は、電子機器の冷却システムに関し、特に、ブレードサーバに代表される電子機器において使用するに好適な冷却システム、更には、かかる冷却システムを用いた電子機器に関する。

近年、ブレードサーバに代表される電子機器においては、ブレードと呼ばれる板状の筐体内の回路基板上に中央処理装置（ＣＰＵ）等の半導体デバイスをメモリや電子部品と共に搭載し、これら複数のブレードを箱状のラック内に高密度で搭載する。なお、近年においては、当該ブレードに搭載される中央処理装置（ＣＰＵ）等の半導体デバイスは、その高集積化、処理能力の高速化、更には、高機能化によって、発熱量を増大している。

一方、半導体デバイスは、一般に、所定の温度を超えると、その性能の維持を図れなくなるだけではなく、場合によっては、破損することもある。このため、冷却等による温度管理が必要とされ、発熱量の増大する半導体デバイスを効率的に冷却する技術が強く求められている。

なお、サーバ等の電子機器においては、メンテナンスや、ユーザのニーズに合わせたシステムを柔軟に構築でき、かつ、ユーザ側のニーズの変化に対応して拡張できることなどを理由として、所謂、ラックマウント方式が広く普及している。さらに、ラックマウント方式では、種々の機能、性能を持った個別の装置を着脱自在に選択、配置して電子機器を構成するものであり、システムの小形化を図りやすい利点を有している。

このような技術背景において、発熱量の増大する半導体デバイス（ＣＰＵ等）を搭載した電子回路基板（所謂、ブレード）には、ラック内に自在に装着できる機能を有することが求められ、かつ、その冷却装置には、かかるブレードを効率よく冷却することが出来る、高性能な冷却能力が期待されている。なお、従来、空冷式の冷却装置が多く採用されていたが、しかしながら、上述した状況から、既に限界に近づいており、そのため、新たな方式の冷却システムが期待されており、例えば、水等の冷媒を利用した冷却システムに注目が集まっている。

本発明に関連する従来技術としては、例えば、以下の特許文献１によれば、上述したラックマウント方式において、ラック内に着脱自在に装着されたＣＰＵブレードの半導体デバイスの熱を、受熱ジャケットを介して、直接、冷却媒体で冷却する技術が、より具体的には、当該受熱ジャケットを、自動開閉バルブを介して、ブレードサーバ内の液冷冷却システムに対して取り外し可能に接続する技術が開示されている。

また、以下の特許文献２には、やはり、サーバを含む電子機器内において、液冷システムを搭載する際のスペースの占有や専用筐体の設置等の問題に対応するための技術が開示されている。

さらに、以下の特許文献３によれば、ＣＰＵブレードの取り外しを容易にするため、外部の冷却システムとＣＰＵブレード上の半導体デバイスとの熱的な接続を、ソケット構成のエキスパンダにより実現する技術が開示されて、また、以下の特許文献４には、超大型コンピュータ及びスーパーコンピュータに好適な半導体装置であって、冷却水を供給する配管により、外部の冷却システムと熱的に接続するための技術が開示されている。

特開２００２−３７４０８６号公報 特開２００７−７２６３５号公報 特開平７−１２２８６９号公報 特開平６−４１７９号公報

しかしながら、上述した従来技術では、半導体デバイスの高集積化、処理能力の高速化、更には、高機能化によって、その発熱量の増大が著しいブレードサーバに代表される電子機器においては、必ずしも、必要な冷却能力を得ることは難しかった。なお、特に、近年のブレードサーバでは、メンテナンス等のためにラック内に着脱自在に装着される複数のＣＰＵブレードは、装置の小型・軽量化の要求と共に、その容量も更に限られてきており、かかる狭小な空間内においても当該半導体デバイスなどを確実に冷却すると共に、更には、エコロジー対策からも、より効率的で効果的な電子機器のための冷却方法・装置が強く求められている。

なお、ＣＰＵブレードは動作中と停止中では発熱が大きく異なり、また、ラック内のＣＰＵブレードが挿入されてない部分は発熱がない等、ラック内の温度にも大きな差があるため、発熱量に応じた最適な冷却が望まれる。

そこで、本発明は、上述したブレードサーバを含む電子機器において、特に、着脱自在なＣＰＵブレードの半導体デバイスを含む発熱体を最適に冷却することを可能にする、新規な冷却システムを提供し、更には、かかる冷却システムを用いた電子機器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、特に、上述したブレードサーバのように、狭小な空間内に多数の発熱体である半導体デバイスを高集積化して配置した電子装置においては、発熱を効率よく集めて装置の外部に移動し（熱輸送）、もって、放熱する外部との温度差をより大きくすることにより、従来の液送ポンプを用いることなく、即ち、フリークーリングによる省電力で安価な冷却が可能であるとの発明者らの認識に基づいて達成されたものである。

そして、上述した本発明の目的を達成するため、本発明は、電子機器内に複数搭載される電子回路基板上の半導体デバイスを冷却する電子機器用の冷却システムであって、前記電子回路基板は、前記電子機器を構成する筐体内に着脱自在に装着され、かつ、前記電子回路基板上には発熱する半導体デバイスが搭載されており、当該冷却システムは、
前記各電子回路基板上に取り付けられ、当該各電子回路基板上に搭載された半導体デバイスの発生熱を集めて外部に輸送する複数の第１の熱輸送部材と、
前記電子機器を構成する筐体内に取り付けられ、前記複数の第１の熱輸送部材と熱的に着脱可能に接続され、前記各第１の熱輸送部材からの熱を集めて当該筐体の外部に搬送する第２の熱輸送部材と、そして、
前記第２の熱輸送部材と熱的に接続され、前記第２の熱輸送部材から搬送される、前記第１の熱輸送部材からの熱を、当該筐体の外部に放熱する放熱部材とから構成されており、
前記第２の熱輸送部材による熱輸送量は、前記複数の第１の熱輸送部材の合計の熱輸送量よりも大きく、かつ、前記放熱部材の熱輸送量よりも小さいことを特徴とする。

また、前記第２の熱輸送部材は、前記各第１の熱輸送部材からの熱により液状冷媒を気化する気化促進体を備えたことを特徴とする。また、前記気化促進体は、前記第２の熱輸送部材の前記各第１の熱輸送部材からの熱を受ける熱伝達部分に配置されたことを特徴とする。また、前記気化促進体は、滴下により液状冷媒が供給され、前記各第１の熱輸送部材からの熱により液状冷媒が気化されることを特徴とする。また、前記第２の熱輸送部材は、前記第１の熱輸送部材からの熱を強制的に輸送するためのポンプをその一部に備える、強制的熱輸送部材であることを特徴とする。また、前記放熱部材は、前記第２の熱輸送部材から搬送される、前記第１の熱輸送部材からの熱を当該筐体の外部への熱輸送に伴って、前記気化促進体で気化された蒸気冷媒を液化する凝縮器を備えたことを特徴とする。

以上に述べた本発明によれば、電子機器に着脱自在なＣＰＵブレードからの大量の熱を、低コストで効率的に、外部へ輸送することができ、電子機器のシステム構成の柔軟性と拡張性を図ることができる。さらにこのシステムを用いた電子機器について小型化と省電力も図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。

まず、添付の図１には、本発明になる冷却システムが適用される電子機器の代表例として、ブレードサーバ、特に、ラックマウント方式のブレードサーバが、その外観斜視図により示されている。図において、ラック１は、筐体２と蓋体３、４（３は表扉、４は裏扉）とを含んでおり、その内部には、例えば、ＩＥＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）規格／ＥＩＡ（Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）規格などの特定の規格に基づいて、所定の形状・寸法で形成された、複数（本例では３個）のシャーシ５が設けられており、そして、これら複数のシャーシ５の内部には、それぞれ、以下にその詳細を説明するが、個々に所定の機能を備えたブレードが、複数、縦方向に並べられて挿入されている。なお、これらのブレードは、上記シャーシ５内に自在に挿抜が可能であり、そして、選択により、自由に配置して搭載することが可能であり、そのことから、システム構成の柔軟性と拡張性とを併せ持つものである。

次に、添付の図２には、上述したラック１内に設けられるシャーシ５の一つが、その内部に挿抜が可能な複数のブレード６と共に示されている。即ち、図において、符号５１は、上記シャーシ５の上面に取り付けられたヒートシンクであり、その詳細は後にも説明するが、以後、「サーマルハイウェイ」と呼ばれる、大量の熱を輸送する第２の熱輸送部材５１を構成するものである。

また、図にも示すように、上記各シャーシ５は、その正面側（図２の左側）には、その内部に外形略板状の複数（例えば、１０枚前後）のブレード６が挿抜可能な、所謂、ブレード収納空間５２を形成すると共に、その背面側（図２の右側）には、その内部に電源等を含む装置を内蔵するための空間５３（例えば、電源室と言う）を、バックボード５４によって区画している。そして、当該電源室５３の更に背面側には、以下に詳細に説明する凝縮器５５（本例では、空冷凝縮器５５とそのファン５６）が、２組、取り付けられている。なお、図において、符号５７は、上記サーマルハイウェイ５１と空冷凝縮器５５との間に接続された配管であり、また、図中のファン５６の下部に示される符号５８は、後にも詳述するが、空冷凝縮器５５で凝縮して生成される飽和水（純水の液冷媒）を強制的にサーマルハイウェイ５１へ戻すための飽和水戻しポンプを示している。

そして、上記シャーシ５内に挿入される各ブレード６は、上記図２からも明らかなように、ブレードシャーシ６１上に配線板（電子回路基板）６２を取り付けており、その表面には、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）や各種のＬＳＩ、又はメモリなど、ブレードの機能を達成するために必要であり、かつ、発熱源でもある複数の半導体デバイス（図には、その一部を６３により示す）を搭載している。そして、この図には示さないが、主要な発熱源であるＣＰＵに熱的に接続された状態で（具体的には、この図では、ＣＰＵの表面に接続した状態で）外形略Ｔ字状の第１の熱輸送部材６４（以後サーモサイフォンと称し、後述する。）が設けられると共に、更には、上記サーモサイフォン６４と熱的に接続され、もって、配線板６２上の半導体デバイス６３の熱を効率的に上記サーモサイフォン６４に輸送するためのヒートパイプ６５（上記サーモサイフォン６４と共に第１の熱輸送部材を構成する。）が複数本設けられている。また、図中の６６、６７は、後述するが、上記ブレード６をシャーシ５内に挿入することにより、シャーシ５との間に、自動的に、必要な電気的な接続を得るために、ブレード側に設けたコネクタ（信号コネクタ６６、給電コネクタ６７）を示している。

更に、添付の図３には、上記シャーシ５内に挿入されるブレード６の一つを取り出して、その内部詳細を示している。即ち、各ブレード６は、上記配線板６２を搭載するブレードシャーシ６１を含んでおり、そして、当該ブレードを構成する上記配線板６２上に搭載された各種のＬＳＩやメモリなどの半導体デバイスの内、特に、上記ブレードでの主な発熱源となる単数又は複数（本例では２個）のＣＰＵ（中央演算部）６８は、上記サーモサイフォン６４の一方の側面に、例えば、熱伝導グリース又は熱伝導シートなどの伝熱部材６９を介して、熱的に接続されている。

また、本例では、上記サーモサイフォン６４の他方の側面には、複数のヒートパイプ６５、６５…が取り付けられ、かつ、各ヒートパイプ６５の一端は、上記ＣＰＵ６８よりもその発熱量の小さな素子、例えば、ＭＣＨやその他のＬＳＩやメモリ（図では、一括して、符号６３で示す）の表面に取り付けられている。なお、このヒートパイプ６５と上記サーモサイフォン６４又は素子６３との取付方法としては、例えば、熱伝導の接着剤や接着テープを利用することが考えられ、即ち、この接合手段としては、ブレードのメンテナンスを考慮し、後に、当該ヒートパイプ６５を、サーモサイフォン６４や素子６３から、比較的容易に、取り外すことが出来るものであることが好ましい。

また、図にも示すように、各ヒートパイプ６５は、その内部の冷媒の循環が促進されることから、上記サーモサイフォン６４との接続部を傾斜して取り付けることが好ましい。なお、この図において、符号５４（図２を参照）は、上述した電源等を含む装置を内蔵するための空間５３（例えば、電源室と言う）を区画するバックボードであり、図からも明らかなように、当該バックボードには、上記ブレード６側のコネクタ６６、６７に対応する位置に、コネクタ６６’、６７’（信号コネクタ６６’、給電コネクタ６７’）が設けられており、もって、上記ブレード６をシャーシ５内に挿入することにより、シャーシ５との間には、自動的に、必要な電気的な接続が得られるようになっている。

また、この図３には、上記サーモサイフォンの断面が示されており、この断面からも明らかなように、当該サーモサイフォン６４は、垂直方向に伸び、その両壁面に上記ＣＰＵ６８とヒートパイプ６５が熱的に接続される、箱状の沸騰部（又は、冷却部）６４１と共に、当該沸騰部の上方に配置されて上記大量の熱を輸送する手段であるサーマルハイウェイ５１に熱的に接続するための凝縮部（又は、熱的接続部）６４２とから構成されている。なお、図の符号７は、上記サーモサイフォン６４の凝縮部（又は、熱的接続部）６４２を、上記大量の熱を輸送する手段であるサーマルハイウェイ５１に対し、熱的に良好に接続するための手段である、所謂、熱伝導接触子（サーマルコネクタ）であり、その詳細については、後に説明する。

続いて、上記にはその全体概略を説明したが、本発明になる電子機器（特に、サーバ）に適用される冷却システムを構成する各要素について、以下に、個別に説明する。
＜ヒートパイプ＞
添付の図４にも示すように、各ヒートパイプ６５の断面を円形、楕円、又は、矩形に形成した、例えば、銅等の熱伝導率に優れた（高い）金属材料などのチューブ（中空体）の内部空間に、例えば、純水などの冷媒を、減（低）圧下で封入（封止）したものであり、その一端を、上記各種のＬＳＩやメモリ等、比較的発熱量の小さい素子６３（図３を参照）に熱的に接続し、他端を上記サーモサイフォン６４に熱的に接続することにより、当該比較的発熱量の小さい素子６３の熱を効果的にサーモサイフォン６４へ輸送する。なお、ここでは図示はしないが、各ヒートパイプ６５は、上記素子６３及びサーモサイフォン６４との接続において、内部に封入された冷媒の蒸発（沸騰）及び凝縮を促進するため、その内部壁面を、例えば、内面溝付管やメッシュウィックなどとすることが好ましい。
＜サーモサイフォン＞
添付の図５（Ａ）及び（Ｂ）には、上記サーモサイフォン６４の内部詳細を示す。即ち、サーモサイフォン６４は、上記ヒートパイプと同様、例えば、銅等の熱伝導率に優れた（高い）金属材料などから形成され、垂直方向に伸びた蒸発部（又は、冷却部）６４１と、上記蒸発部の上方に位置し、以下にも説明するサーマルハイウェイ５１の下面（熱伝達面）に沿って伸びた凝縮部（又は、熱的接続部）６４２とから構成されている。

そして、図５（Ａ）にも示すように、凝縮部（又は、熱的接続部）６４２の内壁の上面には、その一方向（例えば、長手方向）に沿って、凝縮フィン６４３が、例えば、サーモエクセルＣ（登録商標：日立電線）などにより、形成されており、更に、これら凝縮フィン６４３が伸びた方向に直交して、複数の凝縮液排除／案内フィン６４４が、等間隔（間隔＝Ｐ）で、取り付けられている。また、上記の凝縮液排除／案内フィン６４４は、上記の蒸発部（又は、冷却部）６４１の内部空間において、更に下方まで延びており、かつ、その中央部は「Ｕ」字形に切り欠かれて蒸気流路６４５が形成されている。

図５（Ｂ）には、上記サーモサイフォン６４の蒸発部（又は、冷却部）６４１を含む断面が示されており、図から明らかなように、断面形状が略「Ｔ」字状の上述したサーモサイフォンにおいて、上記凝縮部（又は、熱的接続部）６４２から下方に、即ち、垂直方向に伸びた蒸発部（又は、冷却部）６４１は、その内壁面には、上述したサーモエクセルＥ（登録商標：日立電線）などにより、多孔質の伝熱面６４６が形成されている。なお、この図には、サーモサイフォン６４の蒸発部（又は、冷却部）６４１が、その一方の壁面（図の左側）において、配線板６２上に搭載され、かつ、ブレードの主な発熱源となる２個のＣＰＵ６８の表面に、熱伝導グリース又は熱伝導シートなどの伝熱部材６９を介して接続されており、加えて、その他方の壁面（図の右側）には、上記各種のＬＳＩやメモリなどの比較的発熱量の小さい素子６３からの熱を輸送するヒートパイプ６５が取り付けられた状態が示されている。

なお、図の符号６５１は、これらヒートパイプ６５を上記サーモサイフォン６４上に取り付けるための接合部材であり、例えば、熱伝導の接着剤や接着テープを利用することが可能である。また、ここでは図示しないが、上記サーモサイフォン６４の一部に溝部などを予め形成しておき、当該溝部にヒートパイプを挿入して固定することも可能である。

そして、上述したサーモサイフォン６４の内部には、例えば、水などの冷媒が、減（低）圧下で封入（封止）されており、これにより、その内部の冷媒は、主な発熱源であるＣＰＵ６８からの熱、更には、各種のＬＳＩやメモリなどの素子６３からの熱により、上記蒸発部（又は、冷却部）６４１の沸騰部（上記伝熱面６４６により取り囲まれた部分）において沸騰（蒸発）して気相となって上昇し、上記凝縮部（又は、熱的接続部）６４２に移動し、そこで熱をサーマルハイウェイ５１に伝達することにより凝縮されて再び液体に戻り、上記凝縮液排除／案内フィン６４４に沿って沸騰部へ戻ることとなる。これを繰り返すことにより、ブレードの主な発熱部であるＣＰＵ６８を含めた配線板６２上の各種素子６３からの熱は、効率的に集められて、上記のサーマルハイウェイ５１へ輸送されることとなる。
＜サーマルハイウェイ＞
次に、添付の図６により、上記サーマルハイウェイ５１内部の詳細な構造について説明する。このサーマルハイウェイ５１も、上記サーモサイフォンと同様に、銅等の熱伝導率に優れた（高い）金属材料などから形成された板状のチャンバ（筐体）５１２を備えると共に、その内部空間には、液散布管（又は、液分配供給管）５１３を配置し、更に、その底面には、当該液散布管に沿って、多孔質体からなる気化促進体５１４が複数設けられている。そして、上記チャンバ（筐体）５１２の一部には、その内部で発生した冷媒の蒸気を以下にも説明する凝縮器５５へ導くための配管５１５が取り付けられ、また、上記液散布管（又は、液分配供給管）５１３の一端には、上記凝縮器５５から凝縮された液状冷媒を矢印方向に導くための配管５１６が取り付けられている。

また、図における符号５１７は、図２に示される符号５８とは位置が異なるが、上記凝縮器５５からの液状冷媒を強制的に液散布管５１３へ送り込むためのポンプ（飽和水戻しポンプ）を、そして、符号５１８は、上記液散布管５１３の下面側に形成されたノズル（滴下ノズル）を示しており、そして、この図からは、これらのノズル５１８が上記気化促進体５１４の位置に対応して形成されていることが分かる。

すなわち、上記サーマルハイウェイ５１は、上述した複数のサーモサイフォン６４から輸送される熱により、上記液散布管５１３のノズル５１８から滴下される液状冷媒をその気化促進体５１４を介して効率的に気化（蒸発）し、当該気化した蒸気冷媒を、配管５１５を介して、凝縮器５５へ輸送する。即ち、この動作を繰り返すことにより、上記複数のサーモサイフォン６４から輸送されたブレードからの大量の熱を、上記サーマルハイウェイ５１によって効率的に、凝縮器５５へ輸送することとなる。
＜サーマルコネクタ＞
サーマルコネクタ（熱伝導接触子）７（図３を参照）は、上述したブレード６をシャーシ５内に挿入してその取付けを行った際、ブレード側に設けられた上記サーモサイフォン６４、特に、その凝縮部（又は、熱的接続部）６４２の上面と、上記サーマルハイウェイ５１の底面との間を、熱的に良好に接続するために用いられる手段である。

例えば、添付の図７の上方にも示すように、このサーマルコネクタ７は、上記サーモサイフォン６４の凝縮部６４２の上面に取り付けられた、例えば、銅、アルミニウム、カーボングラファイトなど、熱伝導率に優れた材料からなるバルーン７０１と、やはり、熱伝導率に優れた材料からなる板状部材７０２とから構成されている。上記バルーン７０１の内部には、熱伝導性のグリース７０３が充填されており、かつ、その一端（図の右端）には、Ｏリング７０４が設けられている。更に、バルーン７０１の下面とサーモサイフォン６４の凝縮部６４２の上面との間には、熱伝導性の接着剤７０５が施されていると共に、その上面のサーマルハイウェイ５１との接触面には、熱伝導性のグリース又はシート７０６が設けられている。

上述したサーマルコネクタ７によれば、図７の下方にも示すように、ブレード６をシャーシ５内に挿入することにより、Ｏリング７０４を介して、上記板状部材７０２がバルーン７０１の内部に挿入され、バルーン内部のグリースが加圧されてバルーン７０１が膨張（図の上下方向の矢印を参照）し、もって、上記サーモサイフォン６４と上記サーマルハイウェイ５１との間に、熱的に良好に接続状態を確保することが可能になる。
＜凝縮器＞
凝縮器５５は、ブレードサーバ内において、各ブレード６のＣＰＵや各種のＬＳＩを含めた、多数の発熱源からの熱を集めて輸送する上記サーマルハイウェイ５１の熱を、更に、当該サーバ筐体の外部へ輸送するための放熱部材を構成しており、その方式としては、例えば、添付の図８（Ａ）に示す空冷式のもの（空冷凝縮器）や図８（Ｂ）に示す水冷式のもの（水冷凝縮器）が採用される。

まず、図８（Ａ）に示す空冷凝縮器５５は、図にも明らかなように、配管の間に多数のフィンを設けた凝縮器と、それに空気を供給するファン５６とから構成されており、もって、後にも説明する外部の冷却システムである、例えば、フリークーリングシステムを構成するフリークーリング放熱器１００（空冷式）へ、上記サーマルハイウェイ５１の熱を輸送する。

他方、図８（Ｂ）に示す水冷凝縮器５５は、図にも明らかなように、その凝縮器内において、供給される液状冷媒に熱を伝達し、もって、後にも説明する外部の冷却システムであるフリークーリングシステムを構成するフリークーリング放熱器１００（水冷式）へ、上記サーマルハイウェイ５１からの熱へ輸送する。なお、図中の符号５９は、上記サーマルハイウェイ５１からの熱を上記フリークーリング放熱器へと輸送するポンプである。なお、上述したフリークーリング放熱器は、例えば、上記ブレードサーバを構成する裏扉４に設けられる。

続いて、上記に構成を説明した要素により構成される、本発明になる冷却システムの、電子機器の代表例であるブレードサーバにおける動作を、添付の図９を参照しながら説明する。

即ち、この図からも明らかなように、本発明の実施形態によれば、各ブレード内では、ブレードサーバを構成する配線板上に搭載された各種の発熱素子のうち、その主な発熱源であるＣＰＵ６８、即ち、その発熱量が大きな素子は、各ブレード内に設けられたサーモサイフォン６４に、直接、熱的に接続する。即ち、発熱量の大きい半導体デバイスであるＣＰＵ６８は、上記サーモサイフォン６４の冷却面に接触し、もって、その熱を、上記サーモサイフォンに、直接、輸送している。

他方、冷却の不必要な素子を除いて、上述した各種のＬＳＩやメモリ素子などの発熱量の小さい半導体デバイスには、その一端がサーモサイフォン６４に熱的に接続して設けられたヒートパイプ６５の他端が接触して設けられており、もって、発熱量の小さい半導体デバイス６３からの熱は、上記ヒートパイプ６５を介して、やはり、サーモサイフォン６４に輸送される。

そして、上記複数のヒートパイプ６５からの熱と共に、その冷却面から輸送された熱を集めたサーモサイフォン６４は、更に、その上部において熱的に接続されたサーマルハイウェイ（気化式熱輸送デバイス）５１へ、その熱を輸送する。即ち、サーモサイフォン６４は、その凝縮部（または熱的接続部）６４２を形成する上壁の上面をブレードシャーシ６１上部に露出しており、他方、サーマルハイウェイ５１は、その下面を上記サーモサイフォン６４の露出面に対向するように配置されており、その間の熱的接続を良好に確保している。更には、各ブレード６をシャーシ５内に挿入した際、各サーモサイフォン６４をサーマルハイウェイ５１へ熱的に接続するためのサーマルコネクタ（熱伝導接触子）７を設けることにすれば、より良好な熱的接続を確保することが可能となる。

そして、このサーマルハイウェイ５１は、上述した動作により、ブレードサーバの内部、特に、ラック１内に設けられた各シャーシ５内の複数のブレード６０からの熱を集め、そして、当該熱を装置の外部へ輸送するための凝縮器５５へ輸送することとなる。

即ち、図にも示したように、その発熱量が比較的に小さい素子等からの熱は、ヒートパイプ６５を利用することにより、一旦、サーモサイフォン６４に集めると共に、発熱量が大きなＣＰＵについては、冷却能力のより大きな当該サーモサイフォン６４に、直接、接続することにより、その発熱を集め、もって、これら多数のヒートパイプや熱サイフォンからの熱を、更に、強制的熱輸送の採用により大きな熱輸送能力を備えたサーマルハイウェイ５１により、凝縮機５５を介して、外部へ熱を効率的に輸送するものである。即ち、本発明の冷却システムでは、従来のブレード表面に空気を流して空冷でＣＰＵ等の発熱体の冷却を行うことに代え、ヒートパイプやサーマルサイフォンによりその発熱を回収することから、冷却ファンの回転数を大幅に低減することが可能となり、省エネにもつながり、エコロジーの観点からも望ましい。

ここで、前記サーマルハイウェイ５１（第２の熱輸送部材）は、その熱輸送量が、前記複数のサーモサイフォン６４（第１の熱輸送部材）の合計の熱輸送量よりも大きく、かつ、前記凝縮機５５（放熱部材）への熱輸送量よりも小さくなるように、熱輸送能力が設定され、各サーモサイフォン６４の輸送熱量を越える熱量を外部へ輸送して、半導体デバイスおよび配線板を確実に冷却することができる。

また、上述したように、発熱量が大きなＣＰＵが、冷却能力のより大きなサーモサイフォン６４に直接接続されて冷却されることから、従来のように、配線板６２に搭載されるＣＰＵの配置を決定する際、ブレード内での空気の流れを確保するなどの制限を必要とせず、そのため、配線板６２上に搭載する素子の密度を高めることが可能となり（高密度化）、もって、ラックマウント方式のブレードサーバなどの電子装置の全体の小型化を可能とする。加えて、上記説明から明らかなように、電子装置を構成する各素子の冷却には、フリークーリングを利用することから、より省電力で安価な冷却を実現できる。

以下に、上記に詳細を説明した本発明になる冷却システムからの熱を外気へ放熱するためのシステムである、所謂、フリークーリングシステムの概略について、添付の図１０を参照しながら説明する。上述したように、サーバ室２００内に設置され、上述した本発明の実施形態の冷却システムを内部に搭載した単数又は複数のブレードサーバ３００からの熱は、上記図８（Ａ）または８（Ｂ）に示した空冷又は水冷の凝縮器５５から、当該サーバ室の床面２１０に配置された配管２２０内の冷媒（二次冷媒）を介して、例えば、屋外に配置されたフリークーリングシステムへ輸送される。

なお、このフリークーリングシステムは、本例では、例えば、図にも示すように、外気に熱を放出する外気冷却ユニットと共に、冷水−冷媒熱交換器を介して高効率熱源を含んだターボ冷凍器とを備えて構成されている。

フリークーリングシステムとは、外気温度が低い場合には、クーリングタワーの水そのまま、すなわち外気冷熱を利用し、また、外気温度が高い場合には、冷凍機によって作られる冷水を利用して二次冷媒が冷やされるシステムである。

ところで、ブレードは動作中と停止中では特にＣＰＵでの発熱が大きく異なるため、各サーモサイフォン６４への熱輸送量が異なり、また、ラック内のブレードが挿入されてない部分はサーモサイフォン６４がないので、ラック内で各ブレード位置に対応するサーマルハイウェイ５１の底面の熱伝達部分５２５には異なる熱量（熱輸送量が異なる）が供給される。本発明の実施態様による上記サーマルハイウェイ５１は、このような異なる熱輸送量をうけても、この熱輸送量に応じて吸熱量を制御して効率的に後段に熱輸送するものである。

以下、添付図１１〜図１４により、上記サーマルハイウェイ５１内部の詳細な構造について説明する。図１１（Ａ）はサーマルハイウェイ５１の縦断面図、図１１（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿った断面図、図１２（Ａ）はサーマルハイウェイ５１の縦断面図、図１１（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ´線に沿った断面図、図１３はサーマルハイウェイ５１から放熱部材の凝縮器５５への配管の接続構造を説明する断面図。図１４はサーマルハイウェイ５１内の底面に配置される気化促進体５１４の構造を説明する斜視図である。

図１１、図１２において、図６に示される符号と同一符号は同一部分を示す。チャンバ５１２の側面（図で右側面）には、上方に凝縮器５５から液状冷媒が供給される配管５１６が設けられ、同側面中央に内部で気化された蒸気を凝縮器５５に導く配管５１５が設けられ、同側面下方に液状冷媒の溢れた分を凝縮器５５の液貯めタンク５２０（凝縮器の下ヘッダ）に戻す配管５１９が設けられている。

配管５１６はチャンバ５１２内の液散布管５１３に接続されて、液状冷媒が矢印方向に流れてノズル５１８から滴下され、その下に配置された気化促進体５１４に供給される。この液状冷媒の滴下の際し、液状冷媒は、液枯れを防止するため多めに滴下され、また気化された蒸気が矢印方向に流れているため、この流れに引かれて（吸引されて）ノズル５１８から斜め方向（図で右斜め下方向）にスムーズに滴下する。

チャンバ５１２内の圧力は、液状冷媒である純水のほぼ飽和蒸気圧力に保たれる。即ち、純水の飽和蒸気圧力は、１００℃で１０１０００Ｐａ、６０℃で１９９００Ｐａ、５０℃で１２３００Ｐａ、４０℃で７３８０Ｐａであるので、チャンバ使用時の温度を４０〜６０℃とすると、チャンバ内は大気圧（１００℃の飽和蒸気圧）の約１／１０程度に保たれることとなる。

気化促進体５１４は、図１４に示すように熱伝導性に優れた例えば、縦横高さがＬ、Ｎ、Ｌの金属材料に、縦横寸法がａ、ｈの角孔５２４を、距離ｔを隔ててピッチｄで縦方向と直交する横２方向（図１４では１方向のみ示す）に多数開けた多孔質体からなる。この気化促進体５１４は、滴下された液状冷媒を毛細管現象により内部に含浸し、加熱されて温度が４０〜６０℃を超えると、含浸した液状冷媒が沸騰して蒸発を始め、温度が高い（入力熱量が大きい）程、多量に蒸発して周囲から熱を奪う。

この多孔質からなる気化促進体５１４は、液状冷媒が液枯れしない限り安定した蒸発性能（気化性能）を発揮し、そして入力熱量が少ないときは液状冷媒が含浸して多孔質の孔を埋めているが、入力熱量が大きいときは孔を埋めている液状冷媒が蒸発して少なくなるので、放熱面積が増加した状態となり、この状態での液滴による蒸発がより促進され、熱輸送量が増大する。すなわち、入力熱量の増大により温度に依存して蒸発が促進されるのに加え、放熱面積の増加に依存して蒸発が促進されるため、入力熱量が大きいほど熱輸送量が大幅に増加し効率が向上する。

なお気化促進体５１４の液枯れを防止するために、プール方式で液状冷媒を確保する方法もあるが、これによると十分な液状冷媒を溜めるプール容積が必要となり薄型化が困難である。本発明では、気化促進体５１４の沿って設けたノズル５１８から多めの液滴により気化促進体５１４に液状冷媒を供給する。気化促進体５１４で蒸発しなかった余剰の液状冷媒は、気化促進体５１４下側に、ある程度の水位で溜まる構造となっている。多孔質からなる気化促進体５１４を用いることで、毛細管力により気化促進体５１４は、下側から液を吸い上げることも可能であるため、水位はプール方式のものに比べてはるかに低いものですみ、薄型化が可能となると共に、プール方式同等の液枯れにたいする耐性を有する。

図１１、図１２で破線で示される６（６４）は、６個並べて設けられたブレードとそのサーモサイフォンを示す。そして、気化促進体５１４は、上記６個のブレード６のサーモサイフォン６４に沿ってその真上に位置するように、チャンバ５１２の底面の熱伝達部分５２５に複数配置されている。このため、各サーモサイフォン６４の供給熱は、対応する気化促進体５１４に個別に熱輸送され、気化促進体５１４は、熱輸送量の大きなサーモサイフォン６４に対しては気化が促進されて熱輸送量が増加し、熱輸送量の小さなサーモサイフォン６４に対してはこれに応じた気化による小さな熱輸送量を有し、また、ブレードの挿入されてない部分に対しては全く気化が起らない。このように、気化促進体５１４は、各サーモサイフォンの供給熱に応じて個別に熱輸送量を変える。

本発明構造では、複数の気化促進体５１４をチャンバ５１２の底面の熱伝達部分５２５に配置しているため、サーモサイフォンの熱輸送量の小さい部分の気化促進体５１４で蒸発しなかった液状冷媒は、サーモサイフォンの熱輸送量の大きい部分の気化促進体５１４に供給され、液枯れに対して強い構造となっている。

しかしブレードサーバのシャーシは精度高く水平に設置されるわけではなく、±１゜程度の傾きは当然許容されなければいけない。このように傾いた設置状態では、チャンバ５１２の底面の熱伝達部分５２５に溜まっている液状冷媒の水位には、高いところと低いところが生じ、水位の高いところでは気化促進体５１４が水没し性能が発揮しにくくなり、水位の低いところでは液枯れの可能性が発生する。そこで対策としては、図示のように気化促進体５１４を囲んで堰５２１を設け、堰５２１の外側に樋５２２を設けている。気化促進体５１４から流出した液状冷媒は、上記樋５２２を超えて樋２２に溢れ出し、樋２２から配管５１９に集められて凝縮器５５の液貯めタンク５２０に流れるように構成される。

この堰５２１を設けることで、シャーシが傾いた際にも、一定の水位を気化促進体５１４周りに維持することができ、ブレードサーバの安定した稼動を保証することが可能となる。

図１３に示される放熱部材は、上下にヘッダ５２３と５２０（液貯めタンク）を有する空冷の凝縮器５５と、凝縮された液状冷媒をサーマルハイウェイ５１に送り込むポンプ５１７（図９のポンプ５１７とは位置が異なる。）と、凝縮器５５内に風の流れを起こすファン５６を備えている。凝縮器５５は、上下ヘッダ間に複数のパイプが連通して配置され、この複数のパイプには空冷用のフィンが設けられ、これらの複数のパイプと空冷用のフィンの間を、上記ファン５６による風が流れる。

配管５１５は、サーマルハイウェイ５１で気化された蒸気冷媒を凝縮器５５の上ヘッダ５２３に供給し、配管５１６は、凝縮器５５内で蒸気が冷却凝縮されて液状になった冷媒をポンプ５１７を介してサーマルハイウェイ５１に戻し、そして、配管５１９は、サーマルハイウェイ５１内で溢れた液状冷媒を直接、凝縮器５５の液貯めタンク５２０（下ヘッダ）に導く。

上記のように本発明の実施態様によれば、複数ブレードからの大量の熱を、サーマルハイウェイ５１での冷媒の気化により効率的に集めて、凝縮器５５へ熱輸送することができ、しかも、挿入されるブレードの数および発熱量により自動的に熱輸送量が変わるので、電子機器のシステム構成の柔軟性と拡張性を高めることができる。

本発明実施態様の冷却システムを適用した電子機器であるブレードサーバの外観斜視図。 上記ブレードサーバのシャーシの一つをブレードと共に示す斜視図。 上記シャーシ内のブレードの内部構成を示す一部切欠き斜視図。 本発明実施態様のヒートパイプの断面の説明図。 同じくサーモサイフォンの内部構造の説明図。 同じくサーマルハイウェイの内部構造の説明図。 同じくサーマルコネクタの動作の説明図。 同じく凝縮器とフリークーリング放熱器の接続状況の説明図。 同じく冷却システムの熱輸送系統の説明図。 同じく冷却システムの熱を外部へ放熱するシステム説明図。 同じくサーマルハイウェイの液状冷媒の供給系統の説明図。 同じくサーマルハイウェイの気化促進体の配置状況の説明図。 同じく放熱部材の構造説明図。 同じくサーマルハイウェイの気化促進体の詳細構造図。

符号の説明

１…ラック、２…筐体、５…シャーシ、６…ブレード、７…サーマルコネクタ、５１…第２の熱輸送部材（サーマルハイウェイ）、５５…放熱部材（凝縮器）、５６…放熱部材（ファン）、５８、５１７…第２の熱輸送部材（ポンプ）、６２…電子回路基板、６４…第１の熱輸送部材（サーモサイフォン）、６５…第１の熱輸送部材（ヒートパイプ）、６３，６８…半導体デバイス、５１４…気化促進体、５２５…熱伝達部分。

Claims (7)

1. 電子機器内に複数搭載される電子回路基板上の半導体デバイスを冷却する電子機器用の冷却システムであって、前記電子回路基板は、前記電子機器を構成する筐体内に着脱自在に装着され、かつ、前記電子回路基板上には発熱する半導体デバイスが搭載されており、当該冷却システムは、
   前記各電子回路基板上に取り付けられ、当該各電子回路基板上に搭載された半導体デバイスの発生熱を集めて外部に輸送する複数の第１の熱輸送部材と、
   前記電子機器を構成する筐体内に取り付けられ、前記複数の第１の熱輸送部材と熱的に着脱可能に接続され、前記各第１の熱輸送部材からの熱を集めて当該筐体の外部に搬送する第２の熱輸送部材と、そして、
   前記第２の熱輸送部材と熱的に接続され、前記第２の熱輸送部材から搬送される、前記第１の熱輸送部材からの熱を、当該筐体の外部に放熱する放熱部材とから構成されており、
   前記第２の熱輸送部材による熱輸送量は、前記複数の第１の熱輸送部材の合計の熱輸送量よりも大きく、かつ、前記放熱部材の熱輸送量よりも小さいことを特徴とする冷却システム。
2. 前記請求項１に記載した冷却システムにおいて、前記第２の熱輸送部材は、前記各第１の熱輸送部材からの熱により液状冷媒を気化する気化促進体を備えたことを特徴とする冷却システム。
3. 前記請求項２に記載した冷却システムにおいて、前記気化促進体は、前記第２の熱輸送部材の前記各第１の熱輸送部材からの熱を受ける熱伝達部分に配置されたことを特徴とする冷却システム。
4. 前記請求項２または３に記載した冷却システムにおいて、前記気化促進体は、滴下により液状冷媒が供給され、前記各第１の熱輸送部材からの熱により液状冷媒が気化されることを特徴とする冷却システム。
5. 前記請求項１〜４の何れかに記載した冷却システムにおいて、前記第２の熱輸送部材は、前記第１の熱輸送部材からの熱を強制的に輸送するためのポンプをその一部に備える、強制的熱輸送部材であることを特徴とする冷却システム。
6. 前記請求項２〜５の何れかに記載した冷却システムにおいて、前記放熱部材は、前記第２の熱輸送部材から搬送される、前記第１の熱輸送部材からの熱を当該筐体の外部への熱輸送に伴って、前記気化促進体で気化された蒸気冷媒を液化する凝縮器を備えたことを特徴とする冷却システム。
7. 前記請求項１〜６の何れかに記載した冷却システムを用いたことを特徴とする電子機器。

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