JP2016048154A - 受熱器とそれを用いた冷却装置、およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、受熱器と、それを用いた冷却装置と、それを用いた電子機器に関するもので、冷却効率を高めることすることを目的とする。
【解決手段】一面側に半導体素子７に当接する受熱部１５、他面側で、受熱部１５に対応する部分に、気化部１６を有する受熱板１７と、この受熱板１７の気化部１６側に配置された受熱カバー１８とを備え、受熱板１７と受熱カバー１８で受熱空間１９を形成し、受熱カバー１８は、受熱空間１９内に、受熱板１７側に突出する突出部２０を有し、突出部２０は、受熱板１７の複数の凹部１７ａ内に突出させて構成し、受熱空間１９の上部に冷媒入口２１、受熱空間１９の下部に冷媒出口２２を設け、突出部２０の受熱板１７への最接近部２０ａは、複数の凹部１７ａの底面１７ｂに平行な部分２０ｂを略垂直方向に有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、サーバなどの電子機器を冷却するための冷却装置と、この冷却装置を構成する受熱器に関するものである。

例えば、サーバは、その処理能力の向上（高速処理化）につれて、極めて大きな発熱を伴うようになっており、その半導体素子を冷却するために冷却装置を用いている。

この種の冷却装置は、以下のような構成となっていた。

すなわち、受熱部と、この受熱部の排出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と前記受熱部の流入口とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記流入口の上流側には、凝縮した前記冷媒を前記逆止弁の上流側に停留させる流入管を備え、前記受熱空間において、前記受熱板は、中心に冷媒流入部と、この冷媒流入部の外周に向けて放射状の溝を設けた拡散部を備え、前記流入口から前記冷媒流入部に向けて延設し、凝縮した冷媒を流入させる導入管を備え、前記受熱部の受熱板は、略鉛直方向に配置され、前記導入管は、前記受熱板に対して略垂直方向に配置される構成となっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−８８１２７号公報

上記従来例における課題は、冷却装置の冷却効率が低下することであった。

すなわち、上記従来例の冷却装置において、導入管から冷媒流入部に流れ込んだ冷媒は、一部が冷媒流入部に接触して受熱板より熱を受けて沸騰気化し、この際の急激な体積膨張によって、未沸騰の液相の冷媒とともに、拡散部上に高速な混相流（気相と液相）として拡散する。初期沸騰の後、未沸騰の液相の冷媒は、この拡散部の表面に薄い膜状で広がることになる。そして、発熱体からの継続的な加熱により、一瞬にして加熱され気化することによって、受熱板から継続的に気化熱を奪い冷却する。

しかし、略鉛直方向に配置された受熱板に対して、略鉛直方向に配置された導入管から、凝縮した冷媒を供給するため、前述の冷媒の混相流は、重力により下方向に流れやすくなる。そのため、拡散部の上側には冷媒の混相流が充分に供給されないこととなり、受熱板の上側の熱を奪うことができず、結果として、冷却効率が低下するという課題があった。

そこで本発明は、略鉛直方向に配置された受熱板を用いる冷却装置の冷却効率を上げることを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明の受熱器は、
一面側に受熱部、他面側で前記受熱部に対応する部分に気化部、を有する受熱板と、この受熱板の前記受熱部側に配置された受熱カバーとを備え、前記受熱板と前記受熱カバーで受熱空間を形成し、前記受熱空間の上面に冷媒入口、前記受熱空間の下面に冷媒出口を設け、前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液状冷媒が供給され、前記冷媒出口からは気体状冷媒が流出する構成にするとともに、前記受熱板の前記気化部側には上下方向に延設した複数の凹部を設け、前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部は前記受熱板の複数の凹部内に突出または前記突出部の前記受熱板への最接近部が前記複数の凹部の天面と面一に構成し、前記最接近部は、前記複数の凹部の底面に平行な部分を略垂直方向に有し、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明の受熱器は、
一面側に受熱部、他面側で前記受熱部に対応する部分に気化部、を有する受熱板と、この受熱板の前記受熱部側に配置された受熱カバーとを備え、前記受熱板と前記受熱カバーで受熱空間を形成し、前記受熱空間の上面に冷媒入口、前記受熱空間の下面に冷媒出口を設け、前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液状冷媒が供給され、前記冷媒出口からは気体状冷媒が流出する構成にするとともに、前記受熱板の前記気化部側には上下方向に延設した複数の凹部を設け、前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部は前記受熱板の複数の凹部内に突出または前記突出部の前記受熱板への最接近部が前記複数の凹部の天面と面一に構成し、前記最接近部は、前記複数の凹部の底面に平行な部分を略垂直方向に有したので、冷却効率を高めることができる。

すなわち、本発明においては逆止弁を介して冷媒入口側から受熱空間へ供給された液状冷媒は、受熱カバーの突出部により受熱板側へ導かれ受熱板に接触して気化しながら下方へ移動する。さらに突出部の先端は受熱板に少なくとも接することにより、突出部の先端における液状冷媒および気化冷媒の通過面積は小さく、受熱板に接触して気化しながら下方へ移動する速度は速くなる。その結果として、本発明の受熱器は、冷却効率を高めることができるのである。

本発明の実施の形態１の電子機器の斜視図 （ａ）同電子機器の冷却部分を示す正面図、（ｂ）同電子機器の冷却部分を示す側面図 （ａ）同電子機器の冷却装置を示す側面図、（ｂ）同電子機器の冷却装置を示す平面図 （ａ）同電子機器の受熱器部分の内部を透視した平面図、（ｂ）同受熱器部分を示すＡ‐Ａ断面図 同電子機器の受熱器部分の両面冷却時の内部を透視した平面図 （ａ）本発明の実施の形態２の電子機器の受熱器部分の内部を透視した平面図、（ｂ）同受熱器部分を示すＡ‐Ａ断面図、（ｃ）同受熱器部分を示すＢ‐Ｂ断面図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すのは、ラック型ユニットとしサーバ２を複数台納めたデータセンター１の概略図である。データセンター１内には、複数のサーバ２が設置されている。

サーバ２は、前面側と背面側に開口を設けた筐体を有し、その筐体内部にラック状に複数の電子機器３を、前面側に操作パネルや表示部を向けて備えられている。そして、背面側に電子機器３同士、あるいは、外部機器との接続を行う配線類、電源線類が設けられている。

なお、全ての電子機器３に操作パネルまたは表示部が備わっているとは限らない。このサーバ２は、データセンター１内に複数台設置されて、全体として電子計算機室、サーバールームなどと呼ばれている。

サーバ２は、図２に示すようにラック４の各段に、複数のボード５が垂直に立てた状態で、横方向に所定間隔で配置された状態となっている。

そして、各ボード５には、それぞれ、図３に示す冷却装置６が配置されている。

つまり、各ボード５には、図３に示すごとく、複数の半導体素子７（発熱体の一例）が実装されており、これを冷却装置６で冷却する構成となっているのである。

具体的には、各冷却装置６は図３に示すごとく、半導体素子７に当接させた受熱器８と、受熱器８に、管路９を介して接続した放熱器１０と、この放熱器１０に管路１１を介して接続した逆止弁１２とを備えている。

そして、逆止弁１２を受熱器８に接続することで、受熱器８、管路９、放熱器１０、管路１１、逆止弁１２、受熱器８となる循環経路を形成し、この循環経路内を減圧状態とし、冷媒の一例として水を封入した構成となっている。

また、複数の冷却装置６の放熱器１０は、図２に示すように熱交換器１３に対して、熱交換可能な状態で設置され、この熱交換器１３にポンプ１４を介して冷却水を循環させることで、各放熱器１０を冷却している。

さて、本実施形態で使用する受熱器８は、図４に示すように、一面側に半導体素子７に当接する受熱部１５、他面側で、受熱部１５に対応する部分に、気化部１６を有する受熱板１７と、この受熱板１７の気化部１６側に配置された受熱カバー１８とを備え、受熱板１７と受熱カバー１８で受熱空間１９を形成している。

また、受熱カバー１８は、受熱空間１９内に、受熱板１７側に突出する突出部２０を有し、突出部２０は、受熱板１７の複数の凹部１７ａ内に突出させて構成し、受熱空間１９の上部に冷媒入口２１、受熱空間１９の下部に冷媒出口２２を設けている。

このため、受熱器８の冷媒入口２１には、逆止弁１２を介して液状冷媒が供給され、冷媒出口２２からは液状冷媒と気体状冷媒が管路９へ流出する構成になっている。

また、突出部２０の受熱板１７への最接近部２０ａは、複数の凹部１７ａの底面１７ｂに平行な部分２０ｂを略垂直方向に有し、底面１７ｂと平行な部分２０ｂは例えば約１ミリの間隙で離間され、この間隙が液状冷媒の通路となっている。

さらに、突出部２０の平行な部分２０ｂの両端から、冷媒入口２１側、冷媒出口２２側へ広がる角度をそれぞれθ、αとすると、θ＞αが好ましく、αは液状冷媒が受熱板１７に接触して移動するためには小さい方が好ましいが、気体状冷媒のある程度の通過空間も必要で、例えば図に示すように２０〜３０度ぐらいである。

また、図４（ａ）に示すように、受熱空間１９は、その冷媒入口２１側から、この冷媒入口２１と冷媒出口２２間の中部までの間は、受熱板１７に平行な水平方向に徐々に広がり、この中部から冷媒出口２２までの間は、受熱板１７に平行な水平方向に徐々に狭まる構成となっている。

ここで、受熱板１７と受熱カバー１８はともに、金属、例えば銅によって形成されている。

以上の構成において、逆止弁１２を介して液状冷媒が受熱器８の冷媒入口２１から供給され、受熱板１７の複数の凹部１７ａに流入すると、半導体素子７からの熱を受けて直ちに気化が始まる。

この時、受熱器８の受熱カバー１８の突出部２０により液状冷媒の通路が例えば約１ミリの間隙に構成されているので、この突出部２０よりも冷媒入口２１側で発生した膨張圧力で、液状冷媒と気体状冷媒が受熱板１７の複数の凹部１７ａ内を勢いよく気化部１６へと流れ込むとともに、液状冷媒の気化が進む。

ここで、大部分の液状冷媒は気化し、冷媒出口２２から管路９を介して放熱器１０で、冷却されて液化し、管路１１を介して逆止弁１２の上流側へと戻る。

以上の状況において、本実施形態では、突出部２０の受熱板１７への最接近部２０ａが複数の凹部１７ａの底面１７ｂに平行な部分２０ｂを略垂直方向に有していることにより、複数の凹部１７ａの底面１７ｂと平行な部分２０ｂの間隙を通った液状冷媒は、平行な部分２０ｂがない場合に比べ下向きのベクトルが大きくなり、受熱板１７の複数の凹部１７ａ内を通過して冷媒出口２２側へ向かい易くなる。

さらに、受熱器８の突出部２０の形状が、突出部２０の平行な部分２０ｂの両端から、冷媒入口２１側へ広がる角度θより冷媒出口２２側へ広がる角度αを小さくしていることにより、受熱板１７で加熱された液状冷媒と気体状冷媒は受熱板１７の複数の凹部１７ａ内をより通過し易くなる。

すなわち、液状冷媒が、半導体素子７の発熱により加熱された受熱板１７に接触しながら下方へ移動することにより、液状冷媒の大部分は吸熱して気体状冷媒になり、半導体素子７を効率よく冷却できる。

また、突出部２０の平行な部分２０ｂの上端を半導体素子７の上端より下方に位置させることにより、突出部２０の冷媒入口２１側で複数の凹部１７ａ内へ流れ込んだ液状冷媒が半導体素子７の発熱により加熱された受熱板１７から吸熱して気体状冷媒に変化し易くなり冷媒の蒸発により膨張圧力を発生させ、液状と気体状が混合した冷媒が底面１７ｂと平行な部分２０ｂの間隙をより勢いよく下方へ移動する。

また、その冷媒入口２１側から、この冷媒入口２１と冷媒出口２２間の中部までの間は、図４（ａ）から理解されるように、冷媒の流れと垂直方向に徐々に広がる空間を有し、この中部から前記冷媒出口２２までの間は、冷媒の流れと垂直方向に徐々に狭まる空間を有する構成となっているため、液状冷媒は逆止弁１２を介して冷媒入口２１側から、気化部１６へとスムーズに供給され、またこの気化部１６で気化した気体状冷媒と液状冷媒は気化部１６から冷媒出口２２へとスムーズに進むことになり、その結果として、気化部１６を流れる冷媒のスピードが速くなり、冷却効率を高めることができるのである。

また、図５に示すように図４に示した受熱器８は、両面冷却にも容易に対応できる。

なお、本実施形態では、受熱カバー１８をブロック形状で説明したが、図４（ｂ）の破線で示すような板状で形成してもよい。板の加工は複雑になるが、ブロック形状に比べ軽量化が図れる。

また、本実施形態では、突出部２０の受熱板１７への最接近部２０ａを複数の凹部１７ａ内へ突出させた構成で説明したが、複数の凹部１７ａの深さを小さくしても伝熱面積として問題なければ突出させず、最接近部２０ａを複数の凹部１７ａの天面と面一としてもよい。この場合、受熱カバー１８の突出部２０の先端の凹凸加工が不要となり、製造時のメリットを有する。

（実施の形態２）
本実施形態は、実施の形態１の受熱器８を箱型形状とし、突出部２０を受熱カバー１８とは別部材で構成し、複数の凹部１７ａの代わりに複数の凸部３３ａとしたものである。実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、受熱器３０は、一面側に半導体素子７に当接する受熱部３１、他面側で、受熱部３１に対応する部分に、気化部３２を有する受熱板３３と、この受熱板３３の気化部３２側に配置された受熱カバー３４とを備えている。

また、受熱カバー３４には、受熱空間３５内に、受熱板３３側に突出する断面くの字形状の突出部３６を取付け、受熱板３３には複数の凸部３３ａ、受熱空間３５の上部に冷媒入口３７、受熱空間の下部に冷媒出口３８を設けている。

また、突出部３６の最接近部３６ａは、実施の形態１と同様、複数の凸部３３ａ内に入り込むとともに、受熱板３３と平行な部分３６ｂを略垂直方向に有し、受熱板３３と平行な部分３６ｂは例えば約１ミリの間隙で離間され、この間隙が液状冷媒の通路となっている。

このため、受熱器３０の冷媒入口３７には、逆止弁１２を介して液状冷媒が供給され、冷媒出口３８からは液状冷媒と気体状冷媒が管路９へ流出する構成になっている。

上記構成において、受熱器３０が箱型形状で、受熱カバー３４も単純な蓋形状であるため、実施の形態１の図４に比べ、製造し易い構成になっている。

また、突出部３６が受熱カバー３４側から受熱板３３側へ下向きに傾斜していることにより、逆止弁１２を介して冷媒入口３７から受熱空間３５内に供給された液状冷媒は、受熱板３３側へ流れ落ち、複数の凸部３３ａおよび受熱板３３に接触することになる。

その後の液状冷媒の動作は実施の形態１と同様であるので詳細な説明は省略する。

一点、図４と図６を比べて分かる、実施の形態１との違いである、突出部３６の下方の受熱空間３５の広さについては、突出部３６の受熱板３３と平行な部分３６ｂの長さを調整することで、図６の図４に比べて広い受熱空間３５のデメリットは解消できる。

なお、本実施形態では、突出部３６の受熱カバー３４の最接近部３６ａを複数の凸部３３ａ内に入り込ませたが、複数の凸部３３ａの深さを小さくしても伝熱面積として問題なければ入り込ませず、最接近部３６ａを複数の凸部３３ａの天面と面一としてもよい。この場合、突出部３６の先端の凹凸加工が不要となり、製造時のメリットを有する。

また、実施の形態１では受熱カバー１８と突出部２０が一体で受熱板１７に凹部１７ａを設けた場合、実施の形態２で受熱カバー３４と突出部３６が別部材で受熱板３３に凸部３３ａを設けた場合を説明したが、受熱カバー１８と突出部２０が一体で受熱板３３に凸部３３ａを設けた場合や受熱カバー３４と突出部３６が別部材で受熱板１７に凹部１７ａを設けた場合も、実施の形態１で説明した作用効果を有する。

以上のように本発明の受熱器は、一面側に受熱部、他面側で前記受熱部に対応する部分に気化部、を有する受熱板と、この受熱板の前記受熱部側に配置された受熱カバーとを備え、前記受熱板と前記受熱カバーで受熱空間を形成し、前記受熱部空間の上面に冷媒入口、前記受熱部空間の下面に冷媒出口を設け、前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液状冷媒が供給され、前記突出部の冷媒出口からは気体状冷媒が流出する構成にするとともに、前記受熱板の前記気化部側には上下方向に延設した複数の凹部を設け、前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部は前記受熱板の複数の凹部内に突出または前記突出部の前記受熱板への最接近部が前記複数の凹部の天面と面一に構成し、前記最接近部は、前記複数の凹部の底面に平行な部分を略垂直方向に有したので、冷却効率を高めることができる。

すなわち、逆止弁を介して冷媒入口側から受熱空間へ供給された液状冷媒は、受熱カバーの突出部により受熱板側へ導かれ受熱板に接触して気化しながら下方へ移動する。さらに突出部の先端は受熱板に少なくとも接することにより、突出部の先端における液状冷媒および気化冷媒の通過面積は小さく、受熱板に接触して気化しながら下方へ移動する速度は速くなる。その結果として、本発明の受熱器は、冷却効率を高めることができるのである。

したがって、各種電子機器の冷却に活用することができる。

１ データセンター
２ サーバ
３ 電子機器
４ ラック
５ ボード
６ 冷却装置
７ 半導体素子
８ 受熱器
９ 管路
１０ 放熱器
１１ 管路
１２ 逆止弁
１３ 熱交換器
１４ ポンプ
１５ 受熱部
１６ 気化部
１７ 受熱板
１７ａ 凹部
１７ｂ 底面
１８ 受熱カバー
１９ 受熱空間
２０ 突出部
２０ａ 最接近部
２０ｂ 平行な部分
２１ 冷媒入口
２２ 冷媒出口
３０ 受熱器
３１ 受熱部
３２ 気化部
３３ 受熱板
３３ａ 凸部
３４ 受熱カバー
３５ 受熱空間
３６ 突出部
３６ａ 最接近部
３６ｂ 平行な部分
３７ 冷媒入口
３８ 冷媒出口

Claims (7)

1. 一面側に受熱部、他面側で前記受熱部に対応する部分に気化部、を有する受熱板と、この受熱板の前記受熱部側に配置された受熱カバーとを備え、
   前記受熱板と前記受熱カバーで受熱空間を形成し、
   前記受熱空間の上面に冷媒入口、前記受熱部空間の下面に冷媒出口を設け、
   前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液状冷媒が供給され、前記冷媒出口からは気体状冷媒が流出する構成にするとともに、
   前記受熱板の前記気化部側には上下方向に延設した複数の凹部を設け、
   前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部は前記受熱板の複数の凹部内に突出または前記突出部の前記受熱板への最接近部が前記複数の凹部の天面と面一に構成し、
   前記最接近部は、前記複数の凹部の底面に平行な部分を略垂直方向に有したことを特徴とする受熱器。
2. 一面側に受熱部、他面側で前記受熱部に対応する部分に気化部、を有する受熱板と、この受熱板の前記受熱部側に配置された受熱カバーとを備え、
   前記受熱板と前記受熱カバーで受熱空間を形成し、
   前記受熱部空間の上面に冷媒入口、前記受熱部空間の下面に冷媒出口を設け、
   前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液状冷媒が供給され、前記冷媒出口の冷媒出口からは気体状冷媒が流出する構成にするとともに、
   前記受熱板の前記気化部側には上下方向に延設した複数の凸部を設け、
   前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部は前記受熱板の複数の凸部内に突出または前記突出部の前記受熱板への最接近部が前記複数の凸部の天面と面一に構成し、
   前記最接近部は、前記複数の凸部の天面に平行な部分を略垂直方向に有したことを特徴とする受熱器。
3. 受熱カバーの突出部は別部材で構成した請求項１または２に記載の受熱器。
4. 受熱空間は、冷媒入口と前記冷媒出口間の中部までの間は、受熱板と平行方向に徐々に広がる形状となり、この中部から前記冷媒出口までの間は、前記受熱板と平行方向に徐々に狭まる形状となった請求項１から３いずれか一つに記載の受熱器。
5. 請求項１から４いずれか一つに記載の受熱器における気化部の冷媒出口に、第１の管路を介して放熱器を接続し、この放熱器に第２の管路を介して逆止弁を接続し、この逆止弁に前記受熱器における気化部の冷媒入口を順に接続して循環経路を構成するとともに、この循環経路内を減圧状態として冷媒を封入した冷却装置。
6. 請求項５に記載の受熱器を構成する受熱板の受熱部に、発熱体を当接させた電子機器。
7. 発熱体は、半導体素子とした請求項６に記載の電子機器。

Images