JP2016525671A - 二相ループ簡易アセンブリ用エバポレータ - Google Patents

Abstract

本発明は、キャピラリポンプ付き二相熱搬送システム用のエバポレータ(10)に関する。エバポレータ(10)は、周縁部(14)と、発散エレメントからの熱を受領する授熱用外面(17)とを有するベースプレート(1)と、背部(21)と、側部(22)と、ベースプレートの周縁部(14)と隣接し、エバポレータの内部空間を画定する境界部(24)とを有する本体(2)と、キャピラリ構造の層を形成し、ベースプレート(1)と背部(21)との間に挿入され、ベースプレート(1)および側部(22)とともに第１気体チャンバ(11)を画定し、かつ、背部(21)および側部(22)とともに第２液体チャンバ(12)を画定する多孔質体(3)と、を備え、本体(2)は、圧着工程によりベースプレート(1)上に組み込まれており、かつ、接着、ネジ、リベット、溶接などによる接合作業を必要とせずに、封止構造を有する。

Description

本発明は、キャピラリポンプ付き二相熱搬送システム用エバポレータに関する。

より具体的には、本発明は、このようなエバポレータ、特に、電子プロセッサや電子スイッチ装置などの発散エレメント（発熱源）から発生した熱を除去するためのエバポレータの形成および組み立てに関する。

インターネット・ネットワーク上で交換されるデータの拡大により、利用者の要望に応えることを可能とするよう、サーバの計算能力や記憶能力の拡大の要求が非常に高まっており、特に、これらのサーバは「データセンタ」と呼ばれる施設に集められる場合が多い。

データセンタにおいてサーバを構成する電子ボードを冷却する必要性は、これら電子ボード内のプロセッサ密度が高まる一方であるため、とどまることはない。

サーバボードのプロセッサを冷却するために、気体や液体などの流体を循環させる方法が知られている。このような流体の循環には、１つ以上のファンまたは１つ以上のポンプが必要とされるが、これらのファンやポンプは故障する可能性があり、また、少なくとも定期的なメンテナンスを必要とする。

したがって、プロセッサから熱を除去するために能動的ポンプを使用することが必要とされない、受動的なシステムを採用することが望ましい。このような受動システムは、毛細管現象（キャピラリポンプ）を利用する。このようなシステムについては、米国特許出願公開第２００３／０５１８５９号公報に記載がある。しかしながら、その凝縮器の機能はファンを必要としており、さらに、それぞれのプロセッサの上に配されるエバポレータの製造過程は複雑なため、コスト高になる。さらに、こうしたエバポレータのサイズや動作の信頼性には、まだ改良の余地がある。

米国特許出願公開第２００３／０５１８５９号公報

本発明は、このようなエバポレータの性能を損なうことなく、その製造コストを削減することにより、さまざまな用途に利用可能、かつ、大量生産可能なキャピラリポンプ付き二相熱搬送システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、特にキャピラリポンプ付き二相熱搬送システム用のエバポレータを提供する。該エバポレータは、
周縁部と、発散エレメント（発熱源）に隣接するインターフェース面Ｐに沿って概ね伸長し、該発散エレメントからの熱を受領する授熱用外面とを有するベースプレートと、
背部と、側部と、前記ベースプレートの周縁部と隣接し、該エバポレータの内部空間を画定する境界部とを有する本体と、
キャピラリ構造の層を形成し、前記ベースプレートと前記背部との間に挿入され、前記ベースプレートおよび前記側部とともに第１チャンバを画定し、かつ、前記背部および前記側部とともに第２チャンバを画定する多孔質体と、
を備え、
第１のチャンバは、本質的に気相の作動流体を収容するよう意図されており、管状気体導管用のエバポレータ出口を備え、第２のチャンバは、本質的に液相の作動流体を収容するよう意図されており、管状液体導管用のエバポレータ入口を備え、
前記本体は、圧着工程により前記ベースプレート上に組み込まれており、かつ、該工程中の材料の流れ込みによって、前記ベースプレートと前記本体の間に、気密シールが形成されている。

このため、接着、ネジ、リベット、溶接などによる接合作業を必要とせずに、封止構造を有するエバポレータ・アセンブリが得られる。

このような構成により、組み立てがきわめて簡易で、きわめて低コストのエバポレータが得られる。同様に、制御され、潜在的に自動化可能で、全面的に反復可能な組み立てプロセスが実現され、エバポレータを低コストで大量生産する可能性が開かれる。

本発明プロセスの実施形態において、必要に応じて、以下の１つ以上の構成を用いることができる。

好ましくは、前記本体と一体的に形成され、前記ベースプレートに向かって突出する結合突起部が備えられる。該結合突起部は、前記多孔質体に食い込み、第１チャンバと第２チャンバとの間にキャピラリシールを形成する。すなわち、該キャピラリシールによって、蒸気が前記多孔質体を短絡し、第２チャンバに入り込み、該システムの性能を損なう危険性が回避される。このように、単一の圧着工程によって、１つのチャンバが他方のチャンバから封止され、かつ、エバポレータ全体も外部環境から封止される。

好ましくは、前記結合突起部は、前記ベースプレートに向かう尖端を備えた断面を有するリップ部により形成され、このような形状により、該リップ部の前記多孔質体への食い込みが容易になり、かつ、該リップ部が前記多孔質体に深く食い込むことによって、第１チャンバと第２チャンバ間のシールが確実になされる。

好ましくは、前記ベースプレートの外面は、実質的に平坦で、発散エレメント（発熱源）である電子ボード上のプロセッサに押圧可能に構成されており、該エバポレータは、電子ボードの冷却システム、特に、該電子ボート上に取り付けられたプロセッサまたはＣＰＵの冷却に適している。

好ましくは、前記平面Ｐに垂直な方向に沿ったエバポレータの厚さＥは、３５ｍｍ未満であり、該エバポレータは、厚さが約４５ｍｍである、「１Ｕ」型サーバ・プロセッサ・カードと容易に集積化することができる。

好ましくは、前記エバポレータの入口と出口は、前記インターフェース面Ｐと平行に、前記側部の１つに配置される。これにより、該インターフェース面Ｐの垂直方向における占有体積が、流体の入口、出口および導管が存在することによって増加することはない。

好ましくは、前記ベースプレートは、内側に突出する突起部を備え、これらの突起部が、蒸気の回収経路を形成するともに、前記多孔質体を保持するためのスペーサを構成する。これにより、機械加工の必要ないシンプルな多孔質体層を使用し、前記ベースプレートの形状により蒸気の経路を構成することが可能となる。

前記多孔質体は、厚さが一定で、前記インターフェース面Ｐと平行な層として形成することができる。この場合、低価の多孔質エレメントを適切な長さと幅にカットするだけで、その他の作業を必要とすることなく、前記多孔質体を形成することができる。

好ましくは、前記ベースプレートは、長方形の形状を有し、前記本体は、前記側部を形成する四辺部を備えた、長方形の形状を有する。このような形状を備えることにより、前記ベースプレートは、該ベースプレートを設置するプロセッサまたはＣＰＵの外形に完璧に適合し、かつ、前記本体は、製造が容易な外形のパーツにより構成することができる。

好ましくは、前記ベースプレートは銅製であり、前記本体は、ステンレススチール製である。これにより、前記ベースプレートは、良好な熱伝導率と圧着作業に適した延性を有することになり、かつ、前記本体は、耐久性に優れ、流体との相性が良好となる。

好ましくは、前記本体は、該本体の前記背部の外面にフィンを備える。該フィンの冷却効果により、第２の流体チャンバで気泡が発生した場合でも、該気泡は再凝縮される。

前記ベースプレートは、前記インターフェース面Ｐと平行な側方伸長部などの、電子カードへの取り付け手段を備える。より具体的には、該側方伸長部は、ネジ孔を備える。これにより、電子ボードへのエバポレータの集積性が向上し、冷却機能にかかる総コストが低減される。

好ましくは、前記本体の境界部は溝を備え、圧着工程に際して、前記ベースプレート周縁部の変形により生じた材料が、該溝内に入り込むように構成される。これにより、前記ベースプレートと前記本体の相補的形状が最適化され、エバポレータの内部空間を確実に封止する、質の高い圧着が得られる。

本発明の目的には、前記エバポレータの組立方法を提供することが含まれ、該組立方法は、
（ａ）ベースプレートを提供し、
（ｂ）カバーを提供し、
（ｃ）前記ベースプレートの上面に多孔質材料を配置し、
（ｄ）前記ベースプレートの上に前記カバーを圧着して、材料の流れ込みにより、前記ベースプレートと前記本体の間に気密シールを形成する、
という工程を含む。

好ましくは、前記結合突起部を前記多孔質体へ食い込ませることにより、前記２つのチャンバの間にキャピラリシールを形成することが好ましい。

最後になるが、本発明の目的は、このようなエバポレータを備えたキャピラリポンプ付き二相熱搬送システムを提供することである。

図１は、本発明のエバポレータが組み込まれた二相ループ冷却システムの一例の概略図である。 図２は、本発明のエバポレータが組み込まれた冷却装置の一例の斜視図である。 図３は、本発明のエバポレータの一例の横断面図である。 図４は、図３のエバポレータの本体の一例の上面図である。 図５は、圧着により前記エバポレータを得る工程の一部を示す。 図６は、圧着により前記エバポレータを得る工程の別の一部を示す。 図７は、本体とベースプレートとの境界部の変形例を示す。

すべての図面を通して、同一または同様の要素には、同じ参照番号が付される。

図１は、エバポレータ１０と、凝縮器モジュール８と、エバポレータ１０の出口を凝縮器モジュール８の入口に連結する第１の流体導管（蒸気導管）４０と、凝縮器モジュール８の出口をエバポレータ１０の入口に連結する第２の流体導管（液体導管）５０とを備えた、閉回路二相ループ冷却装置の一例を示す。

二相作動流体の循環は、エバポレータ１０内に配置された多孔質体３内で生じるキャピラリ（毛細管）効果により実現される。多孔質体３は、熱源と熱接触する主として気相の作動流体を含んだ第１チャンバ１１と、熱源と反対側のエバポレータ１０内に配置され、主として液相の作動流体を含んだ第２チャンバ１２とを仕切っている。

周知のように、エバポレータ１０付近に供給された熱エネルギは、液体を蒸気へと変化させるが、これにより作動流体の気化潜熱に等しいエネルギが吸熱される。こうして生成した蒸気は、加圧状態で第１の導管４０に送られ、凝縮器モジュールの入口８ａへと向かう。ここで、作動流体は、直接周囲環境に、あるいは、強制循環（入口１８ａ、出口１８ｂとして図示される）される別の液相流体１８に、放熱することにより、前記潜熱に相当するエネルギを放出した後、液相に戻る。

凝縮器８の出口８ｂにある液相流体は、多孔質体３のキャピラリ構造によるポンプ作用により吸引されるため、第２チャンパ１２および導管５０は、液相にある作動流体で満たされる。

このようなキャピラリポンプシステムは、ループヒートパイプ（ＬＨＰ）またはキャピラリポンプループ（ＣＰＬ）として知られ、無重力環境（宇宙）および地上の重力下環境の双方で使用可能である。

図１には、垂直方向についての記述がない。すなわち、使用する流体濃度を考慮した場合に、キャピラリポンプ効果が、重力による効果を上回っている限りにおいて、エバポレータ１０および凝縮器モジュール８の方向や両者の位置関係については、特に制約はない。

本発明は、主として、大容量化または大量生産可能な地上使用のシステム、すなわち製造部品の数がきわめて多いシステムを対象とする。この文脈において、本発明の目的は、システムを構成する部品（特に、キャピラリエバポレータ１０）の材料費および製造費を削減することである。

本発明の用途の一つとしては、電子ボードの冷却、特に、コンピュータ、従来型サーバ、あるいはサーバボードラックにおける電子ボードに取り付けられたプロセッサまたはＣＰＵの冷却が挙げられる。ただし、本発明の用途はこれらに限定されることはない。図２は、少なくとも１つのプロセッサ９を備えた電子ボード１９を簡易的に表している。ここに示す構成では、電子ボード１９は水平配置で示されているが、垂直配置とすることも可能である。

プロセッサ９の上には、既述したキャピラリポンプ付き二相ループプロセスにより、プロセッサ９が発散する熱を除去すべく、本発明によるキャピラリエバポレータ１０が設置されている。

凝縮器モジュール８は、好ましくは交流式の液−液型熱交換器で形成されるが、こうした装置は周知なため、ここでは詳述を省く。冷却流体１８は、典型的に、その建物内で達成可能な温度、具体的には周囲温度程度の水、あるいはこれらの温度から若干冷却された水である。

図３に示すように、エバポレータ１０は、インターフェース面Ｐに沿ってプロセッサ９と物理的および熱的に接触するベースプレート１と、ベースプレート１を補完して内部空間２０に相当する包囲空間を形成する本体２とを備え、この内部空間２０内に、エバポレータ１０のエレメントが配置されるが、これらについは後述する。

ベースプレート１は、周縁部１４と、プロセッサ９などの発散エレメント（発熱源）から熱を受け取る授熱用外面１７とを備える。外面１７の反対側、すなわち内面には、リブ形状をした複数の突起部１３が配置される。突起部１３は、連続的または非連続的に、好ましくは互いに平行して伸長し、その溝の間に通路４１が形成され、発生した蒸気を蒸気出口４まで搬送する。突起部１３は、マトリックス状あるいは互い違いに分離して配置されたピンにより構成することもできる。銅は、良好な熱伝導率に加えて良好な延性を有する物質であるため、ベースプレート１は銅で形成されていることが好ましいが、その利点については後述する。

突起部１３の上には、多孔質体３を形成するキャピラリ構造の層が配置される。図示の例においては、この層は一定の厚さを有し、特定の二次的形状を有していない。したがって、多孔質体層を適切なサイズの長さと幅にカットさえすれば、多孔質体３が得られる。また、多孔質体３の内部に蒸気通路を加工する必要もない。

このような多孔質体３の構造や製造工程は周知であるから、ここではその説明を省略する。

エバポレータ１０の本体２は、ステンレススチール製であることが好ましく、ベースプレート１および多孔質体３の上側に配置される。本体２は、インターフェース面Ｐと平行な壁を形成する背部２１と、エバポレータ１０の全周にわたって、背部２１から（インターフェース面Ｐにおいて本体２を区切る）境界部２４の方向へ伸長する側壁２２とを備える。

境界部２４とベースプレート１の周縁部１４は、気密に接合されるが、これについては後述する。

このように、第１のいわゆる「気体」チャンバ１１は、ベースプレート１、側壁２２、および多孔質体３により区切られて、エバポレータ１０内に形成される。第２のいわゆる「液体」チャンバは、本体２の背部２１、側壁２２、および多孔質体３に区切られて、エバポレータ１０内に形成される。

第１チャンバ１１と第２チャンバ１２は、本体２と一体形成された結合突起部２５によって気密に分離される。結合突起部２５は、ベースプレート１に向かって突出し、多孔質体３内に食い込んでおり、エバポレータ１０内における作動流体の密閉バリアを形成する。

このようにして、液体チャンバ１２と蒸気チャンバ１１との間にはキャピラリシールが形成される。より詳細には、多孔質体３の厚みを通過する以外には、２つのチャンバ１１、１２間には通路がないということである。これにより、蒸発した熱い液体（蒸気）が液体チャンバ１２内に入り込む危険性を回避することができる。蒸気が液体チャンバ１２に入ると、その温度を上昇させるという好ましくない結果を招き、この蒸気を冷却して液体に再凝縮する必要が生じてしまう。多孔質体３に食い込んだ結合突起部２５が形成する気密閉鎖により、蒸気チャンバ１１と液体チャンバ１２間を直接的に結ぶ通路はブロックされる。

キャピラリシールが不十分であると、蒸気チャンバ１１から液体チャンバ１２への漏出が生じ、熱的性能の低下（最大流量密度および最大伝達能力の減少）を招く。より詳細には、図示の例において、結合突起部２５は、先の鋭いリップ形状、すなわち断面が概三角形で、尖端を有するリップ形状をしている。

さらに、本体２は、本体２と一体形成された側方伸長部１６を備える。側方伸長部１６は、インターフェース面Ｐと平行に伸長することが好ましく、孔６６を備えることが好ましい。周知の手段である、スプリングネジ（図示せず）を用いて、エバポレータ１０をプロセッサ９に向けて押圧する。

任意的に、複数のフィン２８を本体背部２１の外面に設けることもできる。これらのフィン２８により、第２チャンバ１２内の液体が加熱されることが制限され、また、気泡が多孔質体３付近で発生して背部２１へと上昇した場合でも、このような気泡を再凝縮させることができる。

図５および図６に示すように、エバポレータ１０を組み立てるには、ベースプレート１をプレス台６０の上に置き、続いて、ベースプレート１の上（必要に応じて、ベースプレート１上に配された突起部１３の上）に、多孔質体３の層を置き、その後、ベースプレート１および多孔質体３の上に本体２を置くが、このとき本体２の境界部２４は、ベースプレート１の周縁部１４を非常に少ない遊び幅で取り囲む。結合リップ２５の端部が、多孔質体３上に接触する。

続いて、プレスパンチ６１を本体２の上に置き、プレスパンチ６１に下方の圧力をかけて、本体２とベースプレート１とを圧着する。

プレスパンチ６１が移動する間に、好ましくは銅製のベースプレート１の周縁部１４は延性変形し、同時に結合リップ２５の端部が多孔質体３に突き刺さる。

プレスパンチ６１によってかけられる圧力により、ベースプレート１の周縁部１４は、本体２の境界部２４付近に設けられた溝２７内に流入し、相補的な形状によりシールが確実に形成される。

このような配置により、厚みの少ない組み立て式キャピラリエバポレータを得ることができる。図示の例において、エバポレータ１０の厚さＥは３５ｍｍ未満、より適切には３０ｍｍであり、ラック内に上下に配置されたサーバボードに容易に統合することが可能である。

図７に示すように、本体２の境界部２４とベースプレート１の周縁部１４は、別の形状とすることも可能であり、具体的には、本体２の溝を下向きに開口するように形成し、２つの部品の接合領域が、インターフェース面Ｐから離れた位置にくるようにすることもできる。

好ましくは、インターフェース面Ｐに垂直な方向に関するエバポレータ１０の厚さＥは、３５ｍｍ未満であり、より適切には３０ｍｍ未満であり、これにより、エバポレータ１０は、非常に限定的な空間にも適用可能となり、さまざまな環境への統合が可能となるため、特に電子ボードの冷却に有益な解決法を提供することができる。

この観点から、液体導管５０および気体導管４０への出口５、４は、インターフェース面Ｐと平行に配置することが好ましい。このような構成を採用することにより、エバポレータ１０全体の厚みが増加することがなくなる。

キャピラリポンプ付き二相流体ループは、受動システムを形成するため、メンテナンスの必要はなく、ファンやポンプの騒音も発生しない。

また、熱接触グリーズをベースプレート１とプロセッサ９の間に入れることも可能である。

ベースプレート１と本体２との封止シール性能を高めるため、本体２に設けた溝２７のＲ部に、糊または接着剤のリボン（図示せず）を挿入することも有益である。

二相流体ループの起動時の信頼性を高めるため、液体流入口の開口部付近に逆流防止装置を設け、液体が液体導管５０を通って凝縮器８に逆流することを防止することも可能である。

本発明の圧着型キャピラリエバポレータは、単に電子プロセッサからだけでなく、装置のあらゆるエレメントからの熱を除去するために使用することができる。

Claims (17)

1. キャピラリポンプ付き二相熱搬送システム用のエバポレータであって、
   周縁部と、発散エレメントに隣接するインターフェース面に沿って概ね伸長し、該発散エレメントからの熱を受領する授熱用外面とを有するベースプレートと、
   背部と、側部と、前記ベースプレートの周縁部と隣接し、該エバポレータの内部空間を画定する境界部とを有する本体と、
   キャピラリ構造の層を形成し、前記ベースプレートと前記背部との間に挿入され、前記ベースプレートおよび前記側部とともに第１チャンバを画定し、かつ、前記背部および前記側部とともに第２チャンバを画定する多孔質体と、
   を備え、
   第１のチャンバは、本質的に気相の作動流体を収容するようになっており、管状気体導管用のエバポレータ出口を備え、第２のチャンバは、本質的に液相の作動流体を収容するようになっており、管状液体導管用のエバポレータ入口を備え、
   前記本体は、圧着工程により前記ベースプレート上に組み込まれており、かつ、該工程中の材料の流れ込みにより、前記ベースプレートと前記本体の間に、形成された気密シールによる封止構造を備える、
   エバポレータ。
2. 前記本体と一体的に形成され、前記ベースプレートに向かって突出し、前記多孔質体に食い込み、第１チャンバと第２チャンバとの間にキャピラリシールを形成する結合突起部を備える、請求項１に記載のエバポレータ。
3. 前記結合突起部は、前記ベースプレートに向かう尖端を備えた断面を有するリップ部により形成されている、請求項２に記載のエバポレータ。
4. 前記ベースプレートの外面は、実質的に平坦で、前記発散エレメントに押圧可能に構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のエバポレータ。
5. 前記インターフェース面と垂直方向に関する前記エバポレータの厚さは、３５ｍｍ未満である、請求項４に記載のエバポレータ。
6. 前記エバポレータの入口と出口は、前記インターフェース面と平行に、前記側部の１つに設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載のエバポレータ。
7. 前記ベースプレートは、内側に突出する突起部を備え、該突起部が、蒸気の回収経路を形成するともに、前記多孔質体を保持するためのスペーサを構成する、請求項１〜６のいずれかに記載のエバポレータ。
8. 前記多孔質体は、厚さが一定で、前記インターフェース面と平行な層を形成している、請求項１〜７のいずれかに記載のエバポレータ。
9. 前記ベースプレートは長方形の形状を有し、前記本体は前記側部を形成する四辺部を備えた長方形の形状を有する、請求項１〜８のいずれかに記載のエバポレータ。
10. 前記ベースプレートは銅製であり、前記本体はステンレススチール製である、請求項１〜９のいずれかに記載のエバポレータ。
11. 前記本体は、該本体の前記背部の外面にフィンを備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のエバポレータ。
12. 前記ベースプレートは、前記発散エレメントへの取り付け手段を備える、請求項１〜５のいずれかに記載のエバポレータ。
13. 前記取り付け手段は、ネジ孔を備え、前記インターフェース面と平行な側方伸長部により構成される、請求項１２に記載のエバポレータ。
14. 前記本体の境界部は溝を備え、圧着工程の際に前記ベースプレート周縁部の変形により生じた材料が、該溝内に入り込んでいる、請求項１〜１２のいずれかに記載のエバポレータ。
15. （ａ）ベースプレートを提供し、
    （ｂ）カバーを提供し、
    （ｃ）前記ベースプレートの上面に多孔質材料を配置し、
    （ｄ）前記ベースプレートの上に前記カバーを圧着して、材料の流れ込みにより、前記ベースプレートと前記本体の間に気密シールを形成する、
    という工程を含む、請求項１〜１２のいずれかに記載のエバポレータの組立方法。
16. 前記ステップ（ｄ）において、前記結合突起部を前記多孔質体へ食い込ませることにより、前記２つのチャンバの間にキャピラリシールを形成する、請求項１５に記載のプロセス。
17. 請求項１〜１３のいずれかに記載のエバポレータを備えた、キャピラリポンプ付き二相熱搬送システム。
    
    

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