JP2010079403A - 電子装置用冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードサーバなどの電子装置内におけるＣＰＵなどの発熱源からの熱を効率的に外部に輸送する電子装置用冷却システムを提供する。
【解決手段】筐体内に複数のブレードが着脱自在に装着され、その内部には発熱量の異なる複数のＣＰＵを含む半導体デバイスが搭載されたブレードサーバなど、電子装置用の冷却システムは、較的発熱量の大きなデバイスからの発熱を外部に輸送するサーモサイフォン６４と、較的発熱量の小さなデバイスからの発熱をサーモサイフォンへ輸送するヒートチューブ６５と、複数のサーモサイフォンと熱的に接続され、デバイスからの熱を外部に輸送するサーマルハイウェイ５１と、更に、ブレードの装置筐体内への挿入に伴って、サーモサイフォンとサーマルハイウェイとの間を熱的に結合するためのサーマルコネクタ７を備えている。
【選択図】図７

Description

本発明は、電子装置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装置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る飽和水ポンプに関する。

近年、ブレードサーバに代表される電子装置においては、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、サーバ等の電子装置においては、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、配置して電子装置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、サーバを含む電子装置内において、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。

加えて、以下の特許文献５によれば、作動流体の潜熱を利用して熱を搬送するヒートポンプであって、その一部に凝縮液を搬送するための容量式のポンプを備えた強制循環式ヒートパイプが、既に開示されている。

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 特開平７−２１８１６３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装置においては、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装置のための冷却方法・装置が強く求められている。

更に、上記特許文献５により開示される強制循環式ヒートパイプでは、ポンプの吸入工程と吐出工程におけるピストンの移動速度を変え、即ち、特に吸入速度を遅くすることによりキャビテーションの発生を防止することが提案されている。しかしながら、上述したようにピストンの移動速度を変えても、キャビテーションの発生を避けることは難しく、他方、当該文献では、発生するキャビテーションの処理方法や構造については考慮されていない。加えて、当該文献に開示されるヒートポンプは、冷暖房用の装置に適用されるものであり、本発明が関るブレードサーバに代表される電子装置における適用については、何らの示唆もされていない。即ち、ブレードサーバに代表される電子装置内における各種の発熱源からの熱を効率的に外部に輸送するための構造については、何ら示されていない。

本発明の目的は、上述したブレードサーバを含む電子装置において、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、その着脱に伴って、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備えた電子装置用冷却システムを提供することをその目的とする。

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、各素子からの発熱を効率よく集めて移送（熱輸送）することによれば、即ち、フリークーリングにより、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、本発明では、特に、上述した本発明の目的を達成するため、まず、電子装置に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装置用の冷却システムであって、前記電子回路基板は、複数、電子装置を構成する筐体内に着脱自在に装着されており、かつ、前記電子回路基板上には発熱量の異なる複数の半導体デバイスが搭載され、当該冷却システムは、前記電子回路基板上に取り付けられ、前記複数の半導体デバイスのうちの比較的発熱量の大きな第１の半導体デバイスからの発熱を輸送する第１の熱伝達部と、前記電子回路基板上に取り付けられると共に、前記第１の熱伝達部に熱的に着脱可能に接続され、前記複数の半導体デバイスのうちの前記第１の半導体デバイスより発熱の小さな第２の半導体デバイスからの発熱を輸送する第２の熱伝達部と、前記電子装置を構成する筐体内に取り付けられ、前記第１の熱伝達部と熱的に着脱可能に接続され、前記第１の熱伝達部と前記第２の熱伝達部からの熱を強制的に輸送する第３の熱伝達部と、そして、前記第３の熱伝達部と熱的及び流体的（即ち、配管で）に接続され、前記第３の熱伝達部から輸送される前記第１の熱伝達部からの熱と前記第２の熱伝達部からの熱とを、前記電子装置を構成する筐体の外部へ輸送するための凝縮部とから構成されており、更に、前記第１の熱伝達部と前記第３の熱伝達部とを、前記電子回路基板の装着により、熱的に結合するためのサーマルコネクタを備えている電子装置用冷却システムが提供される。

また、本発明によれば、前記に記載した冷却システムにおいて、前記各電子回路基板はそれぞれの筐体内に収納されており、かつ、前記第１の熱輸送部は、その一部を前記第１の半導体デバイスの表面に熱的に接続すると共に、他の一部を、当該筐体の上面に露出して配置されており、前記第３の熱輸送部は、その一部を、前記電子装置の筐体内において、前記第１の熱輸送部の露出面に対向するように配置されており、そして、前記サーマルコネクタを前記第１の熱輸送部の露出面と前記第３の熱輸送部の露出面との間に配置することが好ましく、更には、前記サーマルコネクタを、前記第１の熱輸送部の露出面上に固定したことが好ましい。

更に、本発明によれば、前記前記サーマルコネクタは、熱伝導材料からなるバルーンの内部に、熱伝導グリースを充填して構成され、更には、前記サーマルコネクタは、更に、前記バルーンの内部に、熱伝導材料からなる一対のくし歯状部材を、互いに噛み合うように配置して構成されていることが好ましい。また、本発明では、前記バルーンの一部にはシリンダが設けられ、他方、前記電子装置の筐体にはピストンが設けられており、前記電子回路基板の装着により、当該シリンダ内の熱伝導グリースを前記バルーン内に押圧して膨張させ、もって、前記第１の熱伝達部と前記第３の熱伝達部とを熱的に結合することが好ましい。

そして、本発明によれば、前記冷却システムにおいて、前記電子装置はラックマウント方式のブレードサーバであり、そして、前記電子回路基板は、それぞれ、当該ブレードサーバを構成するブレードであることが好ましい。

以上に述べた本発明になる電子装置用冷却システムによれば、電子装置の内部に着脱自在に装着される多数のブレード内に高密度で搭載される発熱体である、ＣＰＵを始めとする各種の半導体デバイスを、その着脱に伴って、低コストで、かつ、効率よく冷却することが出来、もって、より小型でかつ省電力化を図ることが可能となるという優れた効果を発揮する。

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装置の代表例として、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手段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（図３を参照）によって区画している。そして、当該電源室の更に背面側には、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、図中の符号５８は、後にも詳述するが、空冷凝縮器５５で生成される飽和水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、やはり上記の図２や図３からも明らかなように、ブレードシャーシ６１上に配線板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字状のサーモサイフォン６４（詳細は後に説明する）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上の発熱体である半導体デバイス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が複数本設けられている。また、図中の６６、６７は、後にも説明するが、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が、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られることが好ましい。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、板（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、本発明になる電子装置（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その断面を円形、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、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、垂直方向に伸びた沸騰部（又は、冷却部）６４１と、上記沸騰部の上方に位置し、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の上壁の下面（即ち、内壁上面）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が伸びた方向に直行して、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、上記の沸騰部（又は、冷却部）６４１においては、その内部の空間において、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の沸騰部（又は、冷却部）６４１を含む断面が示されており、図からの明らかなように、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、垂直方向に伸びた沸騰部（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の沸騰部（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、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ろう。

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、上記沸騰部（又は、冷却部）６４１の沸騰部分（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に伝達して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５８は、上述したように、上記凝縮器５５からの凝縮液を強制的に液散布管５１３へ送り込むためのポンプ（飽和水ポンプ）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（噴流ノズル）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、その下壁面（蒸発面）を通して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から滴下される凝縮液をその気化促進体５１４を介して効率的に気化（蒸発）し、当該気化した冷媒蒸気を、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、効率的に、凝縮器５５へ輸送することとなる。

なお、上述したサーマルハイウェイ５１は、その他、上記サーモサイフォン６４やヒートパイプ６５と同様に、そのチャンバ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、チャンバ内では、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。

＜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、即ち、その装着を行った際、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。

即ち、添付の図７には、本発明の電子装置用冷却システムを構成するサーマルハイウェイ５１、サーモサイフォン６４、凝縮器５５等と共に、サーマルコネクタ７が示されている。この図からも明らかなように、サーマルコネクタ７は、上述したブレード６を構成するブレードシャーシ６１の上面に、サーモサイフォン６４の上部を覆うように、取り付けられている。より具体的には、ブレードシャーシ６１内において配線板６２（ここでは図示せず）と共に設けられた上記サーモサイフォン６４の上部に「Ｔ」字状に形成された凝縮部（又は、熱的接続部）６４２の上面（即ち、ブレードシャーシの上面に露出したサーモサイフォンの外面）とほぼ同様の面積で、例えば、熱伝導性の接着剤により固定されている。

一方、上記シャーシ５のブレード収納空間５２の上部には、上述した大量の熱を輸送する手段であるサーマルハイウェイ５１が配置されており、当該ブレード収納空間５２の内部は、サーマルハイウェイの下壁面（蒸発面）に対向して、上記ブレード６を構成するサーモサイフォン６４の上部が配列されるようになっている。即ち、各ブレードの露出したサーモサイフォン６４の上面とサーマルハイウェイの下壁面（蒸発面）とは、互いに平行に配置されるように構成されている。

更に、上述したブレード収納空間５２内には、当該収納空間を区切るバックボード５４上に細長い板状の部材（加圧ピストン）７０２が植立されている。そして、上記ブレード６をシャーシ５の前面（図の左側）からその内部の所定の空間内に挿入することにより、上述したように、上記コネクタ６６、６７による電気的な接続と共に、上記サーマルコネクタ７の働きにより、サーマルハイウェイ５１とサーモサイフォン６４との間が熱的に結合されることとなる。

続いて、添付の図８を参照しながら、上記に本発明の冷却システム内における構成を説明したサーマルコネクタ７の詳細な構造や動作について説明する。

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からなる加圧ピストン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。

そして、上述したサーマルコネクタ７によれば、図８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、上記板状部材である加圧ピストン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（図の矢印を参照）し、即ち、上述したブレード６のシャーシ５内への装着に伴って、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。

更に、添付の図９には、上記サーマルコネクタ７の変形例が示されており、図からも明らかなように、この変形例になるサーマルコネクタ７では、そのバルーン７０１の内部に熱伝導グリース７０３を充填すると共に、更に、熱伝導材料からなる一対のくし歯状部材７０７、７０７を、互いに噛み合うように配置して構成されている。加えて、上記Ｏリング７０４とバルーン７０１との間には、その内部に７０３を充填したシリンダ７０８を設けている。

かかる変形例になるサーマルコネクタ７によっても、上記と同様に、ブレード６の挿入に伴って、上記シリンダ７０８内の熱伝導グリース７０３がバルーン７０１の内部に移動し、その圧力により当該バルーン７０１が膨張し、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との間を熱的に良好に接続することとなる。なお、バルーン７０１内部の一対のくし歯状部材７０７、７０７は、上記サーモサイフォン６４からサーマルハイウェイ５１への熱抵抗を低減するため、熱伝導材料から形成されており、そして、図にも明らかなように、熱伝導グリース７０３のバルーン７０１内部への移動に伴って当該バルーンが膨張すると、互いに噛み合い部が上下に移動することとなる。即ち、サーマルコネクタ７は、その接触面をサーマルハイウェイの下面と水平に保ったまま上昇して熱的に接合し、もって、その間の熱抵抗を低く確保することが可能となる。

＜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、当該サーバの外部へ輸送するための手段を構成しており、その方式としては、例えば、添付の図１０（Ａ）に示す空冷式のもの（空冷凝縮器）や図１０（Ｂ）に示す水冷式のもの（水冷凝縮器）が採用される。

まず、図１０（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の熱へ輸送する。

他方、図１０（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、上記フリークーリング放熱器からの液状冷媒を水冷凝縮器５５へ供給するためのポンプである。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などに設けられる。

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、電子装置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１１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基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に熱的に接続した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。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。

なお、以下には、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フリークーリングシステムの概略について、添付の図１２を参照しながら説明する。なお、上述したように、サーバ室２００内に設置されたブレードサーバからの熱は、上記図１０（Ａ）又は図１０（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に配置された配管内の冷媒（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、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。ここで、フリークーリングシステムとは、外気温度が低い場合は、クーリングタワーの水で、従って、外気冷熱を利用して、他方、外気温が高い場合には、冷凍機によって作られる冷水によって二次冷媒が冷やされるシステムを言う。

本発明の電子装置用冷却システムを採用したラックマウント方式のブレードサーバの外観斜視図である。 上記ブレードサーバのラック内に設けられるシャーシの一つを、その内部に挿抜可能なブレードと共に示す外観斜視図である。 上記シャーシ内に挿入されるブレードの一つを取り出して、その内部詳細を示す図である。 本発明の電子装置用冷却システムを構成するヒートパイプの構造の一例を示す断面図である。 本発明の電子装置用冷却システムを構成するサーモサイフォンの構造の一例を示す断面図である。 本発明の電子装置用冷却システムを構成するサーマルハイウェイの構造の一例を示す断面図である。 本発明の電子装置用冷却システムを構成するサーマルコネクタの配置を示す斜視図である。 上記サーマルコネクタの構造の一例を示す断面図である。 上記サーマルコネクタの変形例の構造を示す断面図である。 本発明の電子装置用冷却システムを構成する凝縮器の構造の例を示す断面図である。 本発明になる冷却システムの、電子装置の代表例であるブレードサーバにおける動作を示す説明図である。 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フリークーリングシステムの概略を示す説明図である。

符号の説明

１…ラック、２…筐体、３、４…蓋体、５…シャーシ、６…ブレード、５１…サーマルハイウェイ、５４…凝縮器、５８…飽和水（戻し）ポンプ、６１…ブレードシャーシ、６２…配線板、６３…発熱源、６４…サーモサイフォン、６５…ヒートパイプ、６８…ＣＰＵ（中央演算部）、７０１…バルーン、７０２…加圧ピストン、７０３…熱伝導性のグリース、７０７…歯状部材。

Claims (7)

1. 電子装置に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装置用の冷却システムであって、前記電子回路基板は、複数、電子装置を構成する筐体内に着脱自在に装着されており、かつ、前記電子回路基板上には発熱量の異なる複数の半導体デバイスが搭載され、当該冷却システムは、
   前記電子回路基板上に取り付けられ、前記複数の半導体デバイスのうちの比較的発熱量の大きな第１の半導体デバイスからの発熱を輸送する第１の熱伝達部と、
   前記電子回路基板上に取り付けられると共に、前記第１の熱伝達部に熱的に着脱可能に接続され、前記複数の半導体デバイスのうちの前記第１の半導体デバイスより発熱の小さな第２の半導体デバイスからの発熱を輸送する第２の熱伝達部と、
   前記電子装置を構成する筐体内に取り付けられ、前記第１の熱伝達部と熱的に着脱可能に接続され、前記第１の熱伝達部と前記第２の熱伝達部からの熱を強制的に輸送する第３の熱伝達部と、そして、
   前記第３の熱伝達部と熱的及び流体的に接続され、前記第３の熱伝達部から輸送される前記第１の熱伝達部からの熱と前記第２の熱伝達部からの熱とを、前記電子装置を構成する筐体の外部へ輸送するための凝縮部とから構成されており、
   更に、前記第１の熱伝達部と前記第３の熱伝達部とを、前記電子回路基板の装着により、熱的に結合するためのサーマルコネクタを備えていることを特徴とする電子装置用冷却システム。
2. 前記請求項１に記載した冷却システムにおいて、前記各電子回路基板はそれぞれの筐体内に収納されており、かつ、前記第１の熱輸送部は、その一部を前記第１の半導体デバイスの表面に熱的に接続すると共に、他の一部を、当該筐体の上面に露出して配置されており、前記第３の熱輸送部は、その一部を、前記電子装置の筐体内において、前記第１の熱輸送部の露出面に対向するように配置されており、そして、前記サーマルコネクタを前記第１の熱輸送部の露出面と前記第３の熱輸送部の露出面との間に配置したことを特徴とする電子装置用冷却システム。
3. 前記請求項２に記載した冷却システムにおいて、前記サーマルコネクタを、前記第１の熱輸送部の露出面上に固定したことを特徴とする電子装置用冷却システム。
4. 前記請求項３に記載した冷却システムにおいて、前記前記サーマルコネクタは、熱伝導材料からなるバルーンの内部に、熱伝導グリースを充填して構成されていることを特徴とする電子装置用冷却システム。
5. 前記請求項４に記載した冷却システムにおいて、前記サーマルコネクタは、更に、前記バルーンの内部に、熱伝導材料からなる一対のくし歯状部材を、互いに噛み合うように配置して構成されていることを特徴とする電子装置用冷却システム。
6. 前記請求項５に記載した冷却システムにおいて、前記バルーンの一部にはシリンダが設けられ、他方、前記電子装置の筐体にはピストンが設けられており、前記電子回路基板の装着により、当該シリンダ内の熱伝導グリースを前記バルーン内に押圧して膨張させ、もって、前記第１の熱伝達部と前記第３の熱伝達部とを熱的に結合することを特徴とする電子装置用冷却システム。
7. 前記請求項１〜６の何れか一に記載した冷却システムにおいて、前記電子装置はラックマウント方式のブレードサーバであり、そして、前記電子回路基板は、それぞれ、当該ブレードサーバを構成するブレードであることを特徴とする電子装置用冷却システム。

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