JP2012222214A - 冷却器、電子機器及び冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】実際の使用条件下において、液漏れが発生する可能性の有無を判定できる冷却器、その冷却器を備えた電子機器及び冷却システムを提供する。
【解決手段】ＣＰＵ２３等の発熱部品に取り付けられる冷却器３３は、内部に冷却水２５が通流する空間が設けられた熱交換部２１と、熱交換部２１に接合されて熱交換部２１との間に空間を形成するハウジング部２２と、熱交換部２１とハウジング部２２との間の空間内に配置された漏洩検出剤２６とを有する。長期間の使用により熱交換部２１の天板部２１ｂに穴があくと、漏洩検出剤２６が冷却水２５に混入する。冷却水２５に漏洩検出剤２６が混入しているか否かを調べることにより、液漏れが発生する可能性の有無を判定することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷却器、その冷却器を備えた電子機器及び冷却システムに関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが扱われるようになり、データセンター等の施設において多数の計算機を同一室内に設置して一括管理することが多くなっている。例えば、データセンターでは、計算機室内に多数のラック（サーバラック）を設置し、各ラックにそれぞれ複数の計算機（サーバ）を収納している。そして、それらの計算機の稼動状態に応じて各計算機にジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。

ところで、計算機の稼動にともなって計算機から多量の熱が発生する。計算機内の温度が高くなると誤動作や故障の原因となるため、計算機を冷却する手段が必要となる。計算機を冷却する手段の一つとして、水冷式冷却システムが知られている。

水冷式冷却システムでは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の発熱量が大きい部品にクーリングプレートと呼ばれる部品を装着する。クーリングプレートの内部には冷却水が通流する空間が設けられており、ラックの外に配置された冷却水循環装置とクーリングプレートとの間で冷却水を循環させて、計算機内で発生した熱をラックの外に移送する。

通常、熱導電性が良好なことから、クーリングプレートや冷却水循環装置内の配管等には銅が使用されている。また、冷却水には、銅の腐食を防止するためにＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）等の腐食防止剤を添加している。ＢＴＡは、銅の表面に被膜を形成することにより、腐食を防止する。

ＷＯ８９／０９９５８号 特開平６−９３４７９号公報 特開昭６２−２０４５９８号公報

実際の使用条件下において、液漏れが発生する可能性の有無を判定できる冷却器、その冷却器を備えた電子機器及び冷却システムを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、発熱体に熱的に接続され、内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、前記熱交換部に接合されて前記熱交換部との間に空間を形成するハウジング部と、前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤とを有する冷却器が提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、電子部品と、前記電子部品に熱的に接続された冷却器とを有し、前記冷却器は、内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、前記熱交換部に接合されて前記熱交換部の間に空間を形成するハウジング部と、前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤とを有する電子機器が提供される。

開示の技術の更に他の一観点によれば、複数の電子機器と、前記電子機器内に搭載されて発熱部品を冷却する冷却器と、前記冷却器との間で冷媒を循環させる冷媒循環装置とを有し、前記冷却器が、前記発熱部品に熱的に接続され、内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、前記熱交換部に接合されて前記熱交換部との間に空間を形成するハウジング部と、前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤とを有する冷却システムが提供される。

上記の一観点によれば、腐食又は侵食により熱交換部に穴があくと、漏洩検出剤が冷媒に混入する。従って、冷媒に漏洩検出剤が混入しているか否かを調べることにより、液漏れが発生する可能性の有無を判定することができる。

図１は、第１の実施形態に係る冷却システムを表した図である。 図２は、ラック内に収納されたシステムボードを表した図である。 図３は、システムボードの上面図である。 図４は、ＣＰＵ上に取り付けられた冷却器の構造を表した断面図である。 図５は、ＢＴＡを添加した冷却水の光吸収ピーク測定結果を示す図である。 図６は、漏洩検出剤として使用可能な化合物及びその吸収波長の例を示す図である。 図７は、第２の実施形態に係る冷却システムを表した図である。 図８は、第２の実施形態において漏洩検出剤として使用した化合物の吸収波長を表した図である。 図９は、第３の実施形態に係る冷却システムを表した図である。 図１０は、第４の実施形態に係る冷却システムを表した図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

前述したように、計算機の冷却に使用される水冷式冷却システムでは、冷却水にＢＴＡ等の腐食防止剤を添加してクーリングプレート及び配管等の腐食を防止している。しかし、水冷式冷却システムを長期間使用すると、腐食や冷却水の浸食によってクーリングプレートや配管等に穴があき、冷却水が漏れることがある。

通常、クーリングプレートの肉厚は、電気化学試験や循環試験により見積もられた腐食速度や侵食速度を基に決定している。しかし、これらの試験は腐食や浸食を間接的に加速した測定方法であり、実際の使用条件とは異なる。そこで、実際の使用条件下において、液漏れの可能性の有無を判定する方法が要望される。

（第１の実施形態）
図１〜図４は、第１の実施形態に係る冷却システムを説明する図である。図１はラック及び冷却水循環装置を表した図、図２はラック内に収納されたシステムボードを表した図、図３は同じくそのシステムボードの上面図である。また、図４は、ＣＰＵ上に取り付けられた冷却器の構造を表した断面図である。

図１のように、計算機室には、複数のラック４１と冷却水循環装置４３とが設置されている。冷却水循環装置４３は、熱交換器とポンプとを内蔵し、熱交換器により冷却された冷却水（冷媒）を吐出する。

冷却水循環装置４３から吐出された冷却水は、配管４２を介して各ラック４１内を順番に通り、冷却水循環装置４３に戻る。冷却水循環装置４３に戻った冷却水は、再度熱交換器により冷却され、ポンプによりラック４１に向けて送り出される。

本実施形態においては、配管４２に三方弁４４が設けられており、配管４２を通る冷却水を随時採取（サンプリング）することができる。また、本実施形態では、冷却水に、腐食防止剤としてＢＴＡが１００ｐｐｍの濃度で添加されているものとする。

図２のように、各ラック４１内にはそれぞれ複数（図２の例では５台）のシステムボード（計算機）３５が高さ方向に並んで収納されている。図２，図３のように、各システムボード３５にはそれぞれ複数（図３の例では６個）のＣＰＵ２３が搭載されており、各ＣＰＵ２３の上には冷却器３３が取り付けられている。また、システムボード３５の端部には、冷却水供給口及び冷却水排出口となるカプラープラグ３４ａ及びカプラーソケット３４ｂが配置されている。各冷却器３３の間、冷却器３３とカプラープラグ３４ａとの間、及び冷却器３３とカプラーソケット３４ｂとの間は、それぞれ配管３２により接続されている。

ラック４１内には、高さ方向に延びる２本のラック内配管（往路配管及び復路配管）３６が相互に平行に配置されている。これらのラック内配管３６は、ラック４１間又はラック４１と冷却水循環装置４３との間を接続する配管４２に接続されている。

このラック内配管３６の所定の位置には、カプラーソケット３７ａ及びカプラープラグ３７ｂが取り付けられている。システムボード３５をラック４１内に配置するときには、システムボード３５側のカプラープラグ３４ａ及びカプラーソケット３４ｂを、ラック内配管３６側のカプラーソケット３７ａ及びカプラープラグ３７ｂに連結する。これにより、ラック内配管３６（往路配管）からシステムボード３５上の冷却器３３に冷却水が供給されて、ＣＰＵ２３が冷却される。また、ＣＰＵ２３を冷却した後の冷却水は、システムボード３５からラック内配管３６（復路配管）に排出される。

以下、図４を参照して冷却器３３の構造を説明する。冷却器３３は、熱交換部２１と、ハウジング部２２と、冷却水供給口２４ａ及び冷却水排出口２４ｂとを有する。

熱交換部２１は、板状のプレート部２１ａと、プレート部２１ａの一方の面側に接合されてプレート部２１ａとの間に冷却水２５が通流する空間を形成する天板部２１ｂとを有する。

プレート部２１ａの一方の面側には、プレート部２１ａと冷却水２５との間の熱交換効率を高くするために、複数の凹凸２１ｃが設けられている。また、プレート部２１ａの他方の面側（天板部２１ｂと反対の側）は平坦になっており、ＣＰＵ２３等の熱を発生する電子部品に熱的に接続される。

ハウジング部２２は、熱交換部２１の一方の面側に天板部２１ｂを覆うように配置され、熱交換部２１との間に漏洩検出剤２６を配置する空間を形成する。冷却水供給口２４ａ及び冷却水排出口２４ｂはその一端側が天板部２１ｂに接続され、他端側はハウジング部２２を貫通して配管３２に接続される。

漏洩検出剤２６は、冷却水２５の光吸収ピークと異なる光吸収ピークをもつ化合物を含む液であればよく、ここでは漏洩検出剤２６として、2-(5-メチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾール溶液を使用するものとする。漏洩検出剤２６の詳細は後述する。

プレート部２１ａは銅等の熱伝導性が良好な金属により形成されている。また、天板部２１ｂ、冷却水供給口２４ａ及び冷却水排水口２４ｂもプレート部２１ａと同一の金属により形成され、天板部２１ｂはプレート部２１ａに、冷却水供給口２４ａ及び冷却水排水口２４ｂは天板部２１ｂに溶接又はろう付けされている。更に、ハウジング部２２はステンレス等の耐食性が優れた金属により形成され、プレート部２１ａに溶接又はろう付けされている。

なお、プレート部２１ａは、ヒートスプレッダとしての機能を有するため、厚い金属板により形成される。これに対し、天板部２１ｂは、加工性を考慮して、薄い金属板により形成される。

上述の冷却システムにおいて、冷却水循環装置４３から吐出された冷却水は、配管４２を通って各ラック４１内に供給される。ラック４１内に入った冷却水は、一方のラック内配管３６（往路配管）を通って各システムボード３５に供給される。そして、システムボード３５に供給された冷却水は、各冷却器３３内を順番に通ってＣＰＵ２３を冷却する。このとき、ＣＰＵ２３の冷却にともなって冷却水の温度が上昇する。

システムボード３５から配管３６（復路配管）に排出された冷却水は、ラック４１間の配管４２を通って次のラック４１に入り、次のラック４１内のＣＰＵ２３を冷却する。

このようにして各ラック４１内のＣＰＵ２３を冷却して温度が上昇した冷却水は、配管４２を介して冷却水循環装置４３に戻る。そして、冷却水循環装置４３内の熱交換器により冷却され、再びラック４１に向けて送り出される。

ところで、上述の冷却システムを長期間使用すると、冷却器３３や配管に腐食や浸食が発生することが考えられる。本実施形態では、例えば定期的に三方弁４４を開いて冷却水を採取し、分光光度計等の装置を使用して、冷却水中に漏洩検出剤が混入しているか否かを調べる。

図５は、横軸に波長をとり、縦軸に吸光度をとって、ＢＴＡを添加した冷却水の光吸収ピーク測定結果を示す図である。この図５のように、純水のみの場合は波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍの光（紫外線）を殆ど吸収しないが、ＢＴＡを添加した冷却水では波長が２５９ｎｍのところに光吸収ピークが現れる。

本実施形態では、漏洩検出剤２６として、2-(5-メチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾール溶液を使用している。この場合、腐食又は浸食等により天板部２１ｂに穴があいて冷却水に漏洩検出剤２６が混入すると、波長が３４０ｎｍの位置に光吸収ピークが現れる。すなわち、分光分析により波長が３４０ｎｍの位置に吸収ピークが現れた場合は、腐食又は侵食が進行して天板部２１ｂに穴があいたと判定することができる。

なお、前述したように、天板部２１ｂは肉厚が薄く、ろう付け又は溶接箇所が多い。このため、天板部２１ｂは、システムの中で最も腐食が発生しやすい部位であるということができる。従って、天板部２１ｂに穴があいて漏洩検出剤２６が冷却水に混入した場合は、その他の部分でも腐食が進んでおり、そのまま使用するとやがて他の部分で液漏れが発生するおそれがある。このため、冷却水に漏洩検出剤２６の成分が混入した場合は、冷却器３３や銅配管部分の交換を行うことが好ましい。

図６に、漏洩検出剤２６に使用可能な化合物及びその吸収波長の例を示す。漏洩検出剤２６として、これらの化合物のうちの１種又は２種以上の化合物の溶液を冷却器３３内に密封しておけばよい。

なお、図６では紫外線波長域に吸収波長がある化合物や赤外線波長域に吸収波長がある化合物を示している。しかし、可視光域に吸収波長がある化合物を漏洩検出剤に使用してもよい。

紫外線波長域から可視光波長域までの吸収波長の測定には、例えば日立ハイテクノロジーズ社製分光光度計U-2900等を使用することができる。また、可視光波長域から赤外線波長域までの吸収波長の測定には、例えば島津製作所社製赤外分光光度計IRAffinity-1等を使用することができる。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る冷却システムを表した図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、同一システムボード上の複数の冷却器がそれぞれ異なる漏洩検出剤を密封していることにある。そのため、ここでは、第１の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態においては、システムボート３５上の６個のＣＰＵ２３に、それぞれ異なる冷却器３３ａ〜３３ｆが取り付けられている。これらの冷却器３３ａ〜３３ｆは、熱交換部２１とハウジング部２２との間に配置された漏洩検出剤が異なっている。

すなわち、冷却器３３ａには、漏洩検出剤としてベンゾエート系吸収剤を含む液体が密封されている。また、冷却器３３ｂには、漏洩検出剤としてトリアジン系吸収剤を含む液体が密封されている。更に、冷却器３３ｃには、漏洩検出剤としてベンソフェノン系吸収剤を含む液体が密封されている。更にまた、冷却器３３ｄには、漏洩検出剤として2-(5-メチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾールを含む液体が密封されている。更にまた、冷却器３３ｅには、漏洩検出剤として、2-[2-ヒドロキシ-3,5-ビス(α, α-ジメチルベンジル)フェニル]-2H-ベンゾトリアゾールを含む液体が密封されている。更にまた、冷却器３３ｆには、漏洩検出剤として、2-(3-t-ブチル-5-メチル-2-ヒドロキシフェニル)-5-クロロベンゾトリアゾールを含む液体が密封されている。これらの化合物の吸収波長を、図８にまとめて示す。

上述したように、本実施形態では、同一のシステムボード３５上に搭載された複数の冷却器３３ａ〜３３ｆにそれぞれ別の漏洩検出剤が密封されている。従って、分光分析装置を使用して吸収ピークの波長を調べることにより、冷却器３３ａ〜３３ｆのうちのどの冷却器から冷却水に漏洩検出剤が混入したのかを容易に特定することができる。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る冷却システムを表した図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、同一ラック内に収納されたシステムボード毎に冷却器内の漏洩検出剤が異なることにある。そのため、ここでは、第１の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、システムボード３５ａ〜３５ｅ毎に、冷却器３３に密封された漏洩検出剤が異なっている。すなわち、１番上に配置されたシステムボード３５ａの冷却器３３には、漏洩検出剤としてベンゾエート系吸収剤を含む液体が密封されている。また、上から２番目に配置されたシステムボード３５ｂの冷却器３３には、漏洩検出剤としてトリアジン系吸収剤を含む液体が密封されている。更に、上から３番目に配置されたシステムボード３５ｃの冷却器３３には、漏洩検出剤としてベンソフェノン系吸収剤を含む液体が密封されている。更にまた、上から４番目に配置されたシステムボード３５ｃの冷却器３３には、漏洩検出剤として2-(5-メチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾールを含む液体が密封されている。更にまた、上から５番目に配置されたシステムボード３５ｅの冷却器３３には、漏洩検出剤として、2-[2-ヒドロキシ-3,5-ビス(α, α-ジメチルベンジル)フェニル]-2H-ベンゾトリアゾールを含む液体が密封されている。

上述したように、本実施形態では、同一のラック４１内に収納されたシステムボード３５ａ〜３５ｅの冷却器３３にそれぞれ別の漏洩検出剤が密封されている。従って、分光分析装置を使用して吸収ピークの波長を調べることにより、システムボード３５ａ〜３５ｅのうちのどのシステムボードの冷却器３３から冷却水に漏洩検出剤が混入したのかを容易に特定することができる。

（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態に係る冷却システムを表した図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、各ラック毎に冷却器内の漏洩検出剤が異なることにある。そのため、ここでは、第１の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、ラック４１ａ〜４１ｅ毎に冷却器３３に密封された漏洩検出剤が異なっている。すなわち、１番目のラック４１ａ内の冷却器３３には、漏洩検出剤としてベンゾエート系吸収剤を含む液体が密封されている。また、２番目のラック４１ｂの冷却器３３には、漏洩検出剤としてトリアジン系吸収剤を含む液体が密封されている。更に、３番目のラック４１ｃの冷却器３３には、漏洩検出剤としてベンソフェノン系吸収剤を含む液体が密封されている。更にまた、４番目のラック４１ｄの冷却器３３には、漏洩検出剤として2-(5-メチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾールを含む液体が密封されている。更にまた、５番目のラック４１ｅの冷却器３３には、漏洩検出剤として、2-[2-ヒドロキシ-3,5-ビス(α, α-ジメチルベンジル)フェニル]-2H-ベンゾトリアゾールを含む液体が密封されている。

上述したように、本実施形態では、ラック４１ａ〜４１ｅ毎に冷却器３３に密封された漏洩検出剤の種類が異なる。従って、分光分析装置を使用して吸収ピークの波長を調べることにより、ラック４１ａ〜４１ｅのうちのどのラックの冷却器３３から冷却水に漏洩検出剤が混入したのかを容易に特定することができる。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）発熱体に熱的に接続され、内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、
前記熱交換部に接合されて前記熱交換部との間に空間を形成するハウジング部と、
前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤と
を有することを特徴とする冷却器。

（付記２）前記漏洩検出剤は、光吸収ピークが前記冷媒と異なることを特徴とする付記１に記載の冷却器。

（付記３）前記漏洩検出剤が液体であることを特徴とする付記１又は２に記載の冷却器。

（付記４）電子部品と、
前記電子部品に熱的に接続された冷却器とを有し、
前記冷却器は、
内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、
前記熱交換部に接合されて前記熱交換部との間に空間を形成するハウジング部と、
前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤とを有する
ことを特徴とする電子機器。

（付記５）前記電子部品と前記冷却器とを複数組備え、それらの冷却器内の漏洩検出剤がそれぞれ異なることを特徴とする付記４に記載の電子機器。

（付記６）前記漏洩検出剤は、光吸収ピークが前記冷媒と異なることを特徴とする付記５又は６に記載の電子機器。

（付記７）複数の電子機器と、
前記電子機器内に搭載されて発熱部品を冷却する冷却器と、
前記冷却器との間で冷媒を循環させる冷媒循環装置とを有し、
前記冷却器が、
前記発熱部品に熱的に接続され、内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、
前記熱交換部に接合されて前記熱交換部との間に空間を形成するハウジング部と、
前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤と
を有することを特徴とする冷却システム。

（付記８）前記漏洩検出剤は、光吸収ピークが前記冷媒と異なることを特徴とする付記７に記載の冷却システム。

（付記９）前記電子機器毎に、前記漏洩検出剤が異なることを特徴とする付記７又は８に記載の冷却システム。

２１…熱交換部、２１ａ…プレート部、２１ｂ…天板部、２１ｃ…凹凸、２２…ハウジング部、２３…ＣＰＵ、２４ａ…冷却水供給口、２４ｂ…冷却水排出口、２５…冷却水、２６…漏洩検出剤、３２…配管、３３，３３ａ〜３３ｆ…冷却器、３４ａ，３７ｂ…カプラープラグ、３４ｂ，３７ａ…カプラーソケット、３５，３５ａ〜３５ｅ…システムボード（計算機）、３６…配管、４１，４１ａ〜４１ｅ…ラック、４２…配管、４３…冷却水循環装置、４４…三方弁。

Claims (5)

1. 発熱体に熱的に接続され、内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、
   前記熱交換部に接合されて前記熱交換部との間に空間を形成するハウジング部と、
   前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤と
   を有することを特徴とする冷却器。
2. 前記漏洩検出剤は、光吸収ピークが前記冷媒と異なることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 電子部品と、
   前記電子部品に熱的に接続された冷却器とを有し、
   前記冷却器は、
   内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、
   前記熱交換部に接合されて前記熱交換部との間に空間を形成するハウジング部と、
   前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤とを有する
   ことを特徴とする電子機器。
4. 前記電子部品と前記冷却器とを複数組備え、それらの冷却器内の漏洩検出剤がそれぞれ異なることを特徴とする請求項３に記載の電子機器。
5. 複数の電子機器と、
   前記電子機器内に搭載されて発熱部品を冷却する冷却器と、
   前記冷却器との間で冷媒を循環させる冷媒循環装置とを有し、
   前記冷却器が、
   前記発熱部品に熱的に接続され、内部に冷媒が通流する空間が設けられた熱交換部と、
   前記熱交換部に接合されて前記熱交換部との間に空間を形成するハウジング部と、
   前記熱交換部と前記ハウジング部との間の空間内に配置された漏洩検出剤と
   を有することを特徴とする冷却システム。

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