JP2014107425A - 液冷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品の上部に受熱ジャケットを搭載し、これとラジエータやポンプ等の放熱部に接続する一般的な液冷装置において、万が一、ポンプや監視系、冷却対象である電子部品の故障や不具合等により、冷媒液の温度が急激に上昇した場合、受熱ジャケット内の液の沸騰によりチューブの抜けや受熱ジャケット自身が破損し、周囲に冷媒液が飛散してしまい、周辺部品や、隣接基板、または、周囲に設置されている他装置を故障させてしまう。
【解決手段】密閉箱内に、水滴防止板、外部の検出回路に電気接続された漏洩センサ、圧抜き弁、チューブに接続された破裂体を有する飛散防止箱を、液冷システムの配管に対して直列に、望ましくは受熱ジャケットの近傍に設けておくことを特徴とする構造とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、液冷装置に係り、特に冷媒液の沸騰に対する安全対策を施した液冷装置に関する。

図１を参照して、背景技術の液冷システムの構成を説明する。図１において、液冷システム１００は、受熱ジャケット１０と、ポンプ１０１と、放熱部１０２と、リザーブタンク１０３と、液管１０４とから構成されている。受熱ジャケット１０は、発熱体１１０からの熱を吸熱する。放熱部１０２は、外気との熱交換を行うラジエータ１０２ａおよびファン１０２ｂにより、構成されている。ポンプ１０１は、冷媒液を循環させる。リザーブタンク１０３は、冷媒液を溜めておく。液管１０４は、各部品を接続する。

従来の液冷システムは、特許文献１にも記載されている。特許文献１の第１０図に記載された装置は、複数のカード基板を搭載することで、システムとして冗長構成を備え、プラグイン実装が可能な液冷装置である。この装置構成によれば、搭載している一部の部品の故障やシステム異常の際、対象のカード基板１２のみを引き抜き、保守することで、システム全体を停止することなく、サービスの提供が可能である。

液冷装置の安全性や保守性を考慮した際の冷却系における監視手段について説明する。液冷システムにおいて、その安全性や保守性の面から、稼働部品に対し、監視機能を設けることがある。具体的には、冷媒液が所定の流量で循環しているかどうかを確認する手段として、流量計や圧力計を搭載する場合がある。また、冷媒液や冷却対象である電子部品１１が正常な温度となっているか監視する目的で、液温監視や部品の温度監視機能を搭載する場合がある。さらに、ファンやポンプ自身に監視機能が搭載されている場合もある。液冷装置は、これらの監視機能により、異常が起きた際、システムの機能を縮退動作、停止処理、アラーム送出等を実施し、安全に運用する。

上述した液冷装置は以下に示す課題がある。その課題について図２を参照して、説明する。なお、図２において、液冷により冷却される対象は、基板に実装された電子部品である。図２（ａ）において、基板１２において、電子部品１１（発熱部品）の上部には受熱ジャケット１０が搭載されており、チューブ５により、ラジエータ、ポンプ等の放熱部に接続されている。

図２（ａ）の冷却系において、万が一、ポンプや監視系、冷却対象である電子部品１１の故障や不具合により、冷媒液６の温度が急激に上昇する。その結果、受熱ジャケット１０内の液が沸騰し、受熱ジャケット１０内の圧力が上昇する。このため、図２（ｂ）に示す様なチューブ５の抜けや図２（ｃ）に示す様な受熱ジャケット１０自身の破損により、周囲に冷媒液６が飛散してしまう。これにより、電子部品１１が搭載されている基板１２、隣接基板の電子部品、さらには、周囲に設置されている他装置を故障させてしまう可能性がある。

具体的には、冷媒液６の流れを監視する機器がコストまたは搭載領域の問題で搭載されてない場合、または搭載されているが故障したためポンプの停止が検出できない場合が考えられる。また、特許文献１に示す様な系において、冷却対象部品が搭載されているカード基板１２の液コネクタ１０４が、正規の位置まで挿入されておらず、カード基板１２の流量が極端に落ちている場合が考えられる。この場合、冷却性能も低下し、冷媒液６の温度が上昇、沸騰する可能性がある。なお、このとき、複数基板が搭載されているため、仮に、監視機器として流量計がポンプ付近に搭載されていても、カード基板１２の挿入前後で検出される流量変化は小さい。この結果、検出が難しいため、流量計が正常に稼働していても上述の事故が生じる恐れがある。

また、冷却対象である電子部品１１の温度監視機能を考えると、電子部品１１自身が温度監視機能を備えている場合および周囲に温度監視部品が搭載されている場合において、それらの監視部品が故障しているまたは電子部品１１の温度上昇が急激であるため、検出する前に、冷媒液６が沸騰してしまうことが考えられる。加えて、温度監視部品を搭載する実装領域が確保できない場合、低コスト化のため温度監視部品を搭載できない場合も同様の危険性がある。

特開２００９−０１５８６９号公報

従来技術には以下の様な課題があった。液冷装置において、ポンプや監視系、冷却対象である電子部品の故障や不具合により、冷媒液の温度が急激に上昇すると、受熱ジャケット内の液が沸騰し、受熱ジャケット内の圧力が上昇し、チューブの抜けまたは受熱ジャケット自身の破損により、周囲に冷媒液が飛散し、電子部品が搭載されている基板、隣接基板の電子部品または周囲に設置されている他装置を故障させてしまう。

上述した課題は、ポンプと、受熱ジャケットと、放熱部とを配管で接続し、受熱ジャケットと放熱部とに間に飛散防止箱を設け、飛散防止箱の内部に配管の耐圧より低い耐圧の変形部を設け、飛散防止箱の内部に更に変形部の変形または破損を検出するセンサを設け、センサが、変形部の変形または破損を検出したとき、ポンプおよび被冷却部の運転を停止する液冷装置により、達成できる。

監視系統やポンプが故障し、受熱ジャケット内の冷媒液が沸騰した場合において、カード基板周辺に対して、冷媒液が飛散することなく、安全に装置を停止させることができる。

液冷システムのブロック図である。 冷媒液の沸騰による液漏れを説明する斜視図である。 冷媒液の液漏れ防止機構を有する電子部品冷却システムの斜視図である。 密閉箱の断面図（１）である。 漏洩検出回路のブロック図である。 冷媒液の液漏れ防止機構を有する他の電子部品冷却システムの斜視図である。 密閉箱の断面図（２）である。 密閉箱の断面図（３）である。 押しボタンスイッチを用いた電子部品とポンプの停止方法を説明するブロック図である。 密閉箱の断面図（４）である。 密閉箱の断面図（５）である。 漏洩検出部の断面図である。 他の漏洩検出部の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

実施例１について、図３ないし図５を用いて説明する。
図３を参照して、カード基板の液却システム２００を説明する。図３において、カード基板１２には複数の電子部品が搭載されており、冷却対象である電子部品１１（発熱部品）の上部には、その冷却のため、受熱ジャケット１０が取り付けられている。受熱ジャケット１０には、チューブ５および飛散防止箱９が取り付けられている。この飛散防止箱９は、液冷システムの配管に対して直列に、望ましくは、感度良く沸騰を検出するため、極力、受熱ジャケット１０の近傍に配置する。なお、チューブ５は、図示しないポンプと、ラジエータ等の放熱部位と接続されており、冷媒液が循環している。

飛散防止箱９は、受熱ジャケット１０内に冷媒液６が入力される側、出力される側にそれぞれ１個設けられているが、一体とし、一つの飛散防止箱９内に、２本のチューブ５を配置しておいても良い。また、飛散防止箱９は、必ずしも２個用いる必要はなく、片側のみに配置しておいても良い。但し、冷媒液が流れている方向を考慮し、より確実に冷媒液の飛散を防止するため、受熱ジャケット１０から放熱ユニットへ向うチューブ側に配置するのが望ましい。

なお、図３については、カード基板上１２の受熱ジャケット１０と飛散防止箱９とチューブ５しか図示していないが、液冷システム２００として、ポンプ１０１と、リザーブタンク１０３と、放熱部１０２とを含むことは、当業者の周知事項である。

図４を参照して、飛散防止箱９の構成を説明する。図４（ａ）において、飛散防止箱９は、密閉箱１により密閉されており、その内部には、破裂体２を介してチューブ５が接続されている。また、密閉箱１内部に、水滴遮蔽板３、漏洩センサ７が配置されている。この破裂体２の素材強度は、チューブ５よりも弱いが、液冷システムが通常稼働している状態においては、十分な強さを持つゴム材である。また、破裂体２の両端はチューブ５に対し、金属クリップを用いて、強固に固定している。水滴遮蔽板３は、破裂体２を覆う様に配置されており、密閉箱１との間には、冷媒液沸騰時に蒸気を通すが、破裂による水滴の侵入を防止できるようわずかな隙間が設けられている。漏洩センサ７は、破裂体２の直下（重力方向）の密閉箱１内に配置されている。密閉箱１の上部（重力方向とは逆方向）の外周部には、圧抜き弁４が設けられている。また、漏洩センサ７は飛散防止箱９の外部の検出回路８と電気的に接続されている。

図５を参照して、図４の検出回路８の接続先について補足する。図５において、検出回路８は、電源回路２２と接続されており、温度センサ、ポンプ等の監視機能を備えた制御回路２１とは、直接、接続されていない。このように、検出回路８を制御回路２１と独立させておくことで、万が一、制御回路２１が故障した場合でも、検出回路８がその影響を受けることはない。また、制御回路２１内にも温度センサ、ポンプ等の監視機能を設けておけば、万が一、片側が故障した場合においても、もう一方の回路による監視により、より安全性を高めることが可能である。

なお、電源回路２２は、カード基板１２の電源でもある。電源回路２２は、検出回路８の検出結果に基づき、カード基板１２への電源供給を停止する。しかし、検出回路８および漏洩センサ７の電源回路２２は、カード基板１２内の電源故障に備え、カード基板１２の電源とは独立させておいてもよい。具体的には、別のカード基板からの電源を用いる等してもよい。

図４にもどって、監視系統、ポンプが故障した場合において、受熱ジャケット１０内の冷媒液６が沸騰した際の飛散防止箱９内の挙動について説明する。図４（ｂ）は、冷媒液６が沸騰した直後における飛散防止箱９内の様子である。受熱ジャケット１０内で沸騰が起こると、冷媒液６が蒸発し、受熱ジャケット１０内および周辺水管内の圧力が外気圧に対し、高圧となるため、外気に蒸気を放出しようとする力が働く。この時、通常、受熱ジャケット１０付近の最も圧力に弱い箇所から漏れが生じる。密閉箱１内には、破裂体２が設けられており、この破裂体２が破裂する。また、破裂と同時に、密閉箱１内に冷媒液６が飛散するとともに、蒸気圧により、圧抜き弁４が開き、密閉箱１の破損を防止する。これにより、水管内の圧力上昇を抑え、チューブの抜けや、液漏れを防ぐことができる。なお、水滴遮蔽板３により、飛散した水滴が圧抜き弁４側に到達することはない。また、破裂体２が破裂した後、冷媒液６は密閉箱１下部の漏洩センサ７に到達し、検出回路８へ信号が伝送され、電子部品１１（発熱体）およびポンプの稼働を停止すると共に、装置管理者に異常を知らせる。

密閉箱１は、破裂体２が破裂後、ポンプが停止されるまでのわずかな間、冷媒液６を溜めておけるよう一定の容量が必要である。その容量は、液冷システムの流量により異なるため、予め必要な容量を求めておく必要がある。水滴遮蔽板３は、破裂体２が破裂した際、圧抜き弁４への冷媒液６の侵入を防止するものであり、破裂体２を覆う形でなくてもよい。具体的には、圧抜き弁４を覆う形、なおかつ、わずかな隙間を設けたものや、圧抜き弁４と破裂体２の間に、ラビリンス構造（断面が２枚の櫛をつきあわせたような防水構造）を形成しておいても良い。

以上で説明した様に、本実施例によれば、監視系統、ポンプが故障し、受熱ジャケット１０内の冷媒液６が沸騰した場合において、カード基板１２の周辺に対して、チューブ５の抜けや受熱ジャケット１０の破損による冷媒液６の飛散がなく、安全に装置を停止させることができる。また、故障したカード基板１２のみを保守することにより、再度、装置運用が可能となる。

以降、実施例１の変形実施例について説明する。
図６において、飛散防止箱９の位置は、受熱ジャケット１０の上部に取り付けても良い。受熱ジャケット１０内で沸騰した蒸気は、重力方向と逆に移動し易いため、上部に取り付けることで破裂体２が、感度良く反応、破裂する。この結果、図４の構造と比較し、早くアラームを出力することが可能である。

図７において、圧抜き弁４を用いる代わりに、防水透湿性素材１３を用いても良い。防水透湿性素材１３は、液体の透過を防止し、気体を透過する素材である。防水透湿性素材１３を用いることで、破裂時における密閉箱１の密閉性を向上することができる。防水透湿性素材１３の使用は、より外部への飛散リスク軽減することができる。なお、この場合、水滴遮蔽板３は取りつけていなくても良い。

図８において、漏洩センサ７を用いる代わりに、押しボタン式スイッチ１４を配置しておいても良い。押しボタン式スイッチ１４は、自己保持型スイッチを用いる。また、押しボタン式スイッチ１４は、スイッチオフの状態で、電子部品１１およびポンプに電源が供給されている。逆に、押しボタン式スイッチ１４は、スイッチオンで、電子部品１１およびポンプへの電源が供給を停止する。

図９を参照して、押しボタン式スイッチを用いた場合における検出方法について、説明する。図９において、押しボタン式スイッチ１４は、他の回路より、Ｖｃｃ（Ｓ）が供給されている。また、電子部品１１とポンプは、各々、電源２３に接続されている。これらの電源２３は、それぞれ出力判定ポート（Ｄ）、出力判定ポート（Ｐ）を備えている。これらの用電源２３に備えられた電源出力判定ポートにＶｃｃ（Ｓ）（信号レベルＨｉ）が入力されると、Ｖｏｕｔの出力が停止される。

冷媒液が沸騰していない通常状態においては、押しボタン式スイッチ１４がオフの状態、かつ電子部品およびポンプ用電源２３の出力判定ポートが信号レベルＬｏの状態となっており、電子部品１１およびポンプ１０１にそれぞれ、Ｖｃｃ（Ｄ）、Ｖｃｃ（Ｐ）が供給されている。一方、冷媒液が沸騰した場合、破裂体２が膨張し、押しボタン式スイッチ１４がオンなると、電子部品用電源２３−Ｄおよびポンプ用電源２３−Ｐの出力判定ポートが信号レベルＨｉとなり、それぞれへの電源Ｖｃｃ（Ｄ）、Ｖｃｃ（Ｐ）が停止される。

冷媒液の沸騰を検出すると、ポンプ等への電源を遮断し、液漏れの防止がはかれる。これは、ＣＰＵやソフトウェア障害による制御系の異常を被らず、機械的に電源出力を遮断できるというものである。結果的には、図４と比較し、検出回路８が簡略化されることで、部品数が軽減できるほか、故障率を下げることが可能である。

電源２３は、電源出力判定ポートにＶｃｃ（Ｓ）（信号レベルＨｉ）入力で、Ｖｏｕｔの出力を停止するもので説明したが、電源出力判定ポートにＧＮＤ（信号レベルＬｏ）入力でＶｏｕｔの出力を停止する回路としてもよい。

また、漏洩センサ７を用いる代わりに、バイメタル式のサーモスタットを用いても良い。このサーモスタットは、温度低下による自動復帰がされないタイプを用いる。また、このサーモスタットは、押しボタン式スイッチ１４の場合と同様に、通常時はスイッチオフの状態で、電子部品１１およびポンプ１０１に電源が供給されている状態とする。沸騰後、破裂体２が破裂すると、高温状態となった冷媒液６がサーモスタットに接触することで、その熱を検知し、スイッチがオンになり、電子部品１１およびポンプ１０１への電源供給がオフされる。サーモスタットも、押しボタン式スイッチ１４と同様の検出方法としておくことで、同等の効果が得られる。

図１０において、漏洩センサ７を用いる代わりに、歪みセンサ１５を破裂体２に取り付けておいても良い。歪みセンサ１５は、沸騰後、破裂体２が膨張すると、破裂体２表面での歪みを検出する。検出された信号の流れについては図４の場合と同様である。但し、歪みセンサ１５を用いる場合は、予め、ポンプやファンなどの周辺部品からの振動により、センサが反応しないようなセンサの閾値を決定しておく必要がある。また、歪センサ１５用の検出回路８Ａは、歪増大信号を自己保持する。歪みセンサ１５を用いることで、破裂体２が破裂した後に検知する図４の構造と比較し、素早くアラームを出力することが可能である。

図１１において、破裂体２を用いる代わりに、チューブ５材をそのまま用いても良い。チューブ５の材質は、ゴム材である。チューブ５の形状は、図４の破裂体２と同位置に対して、スリット１６または薄肉部１７を設ける。スリット１６または薄肉部１７の圧力に対する強度は、それらがないチューブ５部位と比較して弱いが、液冷システムが通常稼働している状態において、十分な強度とする。チューブ５にスリット１６または薄肉部１７を設けることで、図４の構造と比較し、容易に破裂部位を形成することが可能である。

図１２において、ゴム材１８を用いても良い。このゴム材１８は、沸騰時の一時的な蒸気圧の上昇に耐えうる伸縮性を持つ。この場合、水滴遮蔽板４、圧抜き弁３、漏洩センサ７は取りつけておらず、押しボタン式スイッチ１４を取り付けている。この時、密閉箱１は、ゴム材１８の膨張を考慮し、開口部２０を設けている。

または、ゴム材１８の表面に、歪みセンサ１５を取り付けておき、密閉箱１を無くしておいても良い。仮に、ポンプが動作している状態で沸騰が起きた場合、ゴム材１８が膨らむと同時に、押しボタン式スイッチ１４、または歪みセンサ１５が反応し、電子部品１１のみを停止することで、ポンプが稼働した状態でも装置運用を継続できる。具体的には、特許文献１が開示する複数のカード基板を１つの放熱部（ポンプ、ラジエータ、ファン）で冷却する様なシステムの場合、他のカード基板への冷媒液６の供給を停止することが無いため、好適である。

図１３において、密閉箱１の代わりに、ゴム材１９を用いてもよい。図１３（ａ）において、ゴム材１９は、沸騰時の一時的な蒸気圧の上昇に耐えうる伸縮性を持つ。なお、ゴム材Ｂ１９の一部に防水透湿性素材１３を取り付けており、沸騰後の蒸気が抜ける仕組みとなっている。仮に、図１３（ｂ）に示す様に、ポンプが動作している状態で沸騰が起こり、破裂体２が破裂した場合においてもゴム材Ｂ１９内部に冷媒液６を留めておけるため、電子部品１１のみを停止することで、ポンプが稼働した状態でも装置運用を継続できる。

１…密閉箱、２…破裂体、３…水滴遮蔽板、４…圧抜き弁、５…チューブ、６…冷媒液、７…漏洩センサ、８…検出回路、９…飛散防止箱、１０…受熱ジャケット、１１…電子部品（発熱部品）、１２…基板（カード基板）、１３…防水透湿性素材、１４…押しボタン式スイッチ、１５…歪みセンサ、１６…スリット、１７…薄肉部、１８…ゴム材、１９…ゴム材、２０…開口部、２１…制御回路、２２…電源回路、２３…電源、１００…液冷システム、１０１…ポンプ、１０２…放熱部、１０３…リザーブタンク、１０４…液管、２００…液冷システム。

Claims (5)

1. ポンプと、受熱ジャケットと、放熱部とを配管で接続し、
   前記受熱ジャケットと前記放熱部とに間に飛散防止箱を設け、
   前記飛散防止箱の内部に前記配管の耐圧より低い耐圧の変形部を設け、
   前記飛散防止箱の内部に更に前記変形部の変形または破損を検出するセンサを設け、
   前記センサが、前記変形部の変形または破損を検出したとき、前記ポンプおよび被冷却部の運転を停止することを特徴とする液冷装置。
2. 請求項１に記載の液冷装置であって、
   前記センサは、漏洩センサ、押しボタンスイッチ、サーモスタット、歪センサのいずれかであることを特徴とする液冷装置。
3. 請求項１に記載の液冷装置であって、
   前記飛散防止箱は、前記変形部を覆い、かつ気体を透過し液体を透過させないガス抜き部を備えることを特徴とする液冷装置。
4. 請求項３に記載の液冷装置であって、
   前記ガス抜き部は、遮蔽板と圧抜き弁との組み合わせ、または防水透過性素材であることを特徴とする液冷装置。
5. 請求項１に記載の液冷装置であって、
   前記飛散防止箱は、前記変形部を覆い、かつ伸縮性に優れたゴム材で形成されていることを特徴とする液冷装置。

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