JP2017163065A

JP2017163065A - 電子機器

Info

Publication number: JP2017163065A
Application number: JP2016047796A
Authority: JP
Inventors: 祐太佐々木; Yuta Sasaki; 山本　岳; Takashi Yamamoto; 岳山本; 雄大鈴木; Yudai Suzuki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-09-14
Also published as: US20170265328A1

Abstract

【課題】高密度に配置された電子部品を十分に冷却できる液浸冷却方式の電子機器を提供する。【解決手段】電子機器２０は、冷媒２２を入れた冷媒槽２１と、冷媒槽２１内の冷媒２２中に浸漬された複数の電子部品２５と、冷媒入口を介して供給された冷媒２２を噴射して前記複数の電子部品２５の間に冷媒２２を流す複数の噴射口とが設けられた冷媒噴射部材２９と、を有する。冷媒噴射部材２９の噴射口２９ｂの開口面積は、冷媒入口から遠いものほど大きく設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、液浸冷却方式の電子機器に関する。

近年、データセンターにおいて、ストレージ等の電子部品を高密度に実装することが要求されている。一方、電子機器の高性能化に伴い、電子機器に用いられる電子部品の発熱量が増加している。

発熱量が大きい電子部品を高密度に実装すると、電子部品の温度が許容上限温度を超えてしまい、誤動作や故障の原因となる。そのため、発熱量が大きい電子部品を高密度に実装しても十分に冷却できる冷却方法が要求されている。

そのような冷却方法の一つとして、電子部品を冷媒中に浸漬して冷却することが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特表２０１１−５１８３９５号公報特開平５−２６７５１５号公報

しかしながら、電子部品を高密度に配置すると、電子部品間に冷媒が十分に流れず、各電子部品を十分に冷却することが困難になる。

開示の技術は、高密度に配置された電子部品を十分に冷却できる液浸冷却方式の電子機器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、冷媒を入れた冷媒槽と、前記冷媒槽内の冷媒中に浸漬された複数の電子部品と、冷媒入口を介して供給された冷媒を噴射して前記複数の電子部品の間に冷媒を流す複数の噴射口が設けられた冷媒噴射部材と、を有し、前記冷媒噴射部材の前記噴射口の開口面積が、前記冷媒入口から遠いものほど大きく設定されている電子機器が提供される。

上記の電子機器によれば、高密度に配置された電子部品を十分に冷却することができる。

図１は、液浸冷却方式の電子機器の一例を示す模式図である。図２は、第１の実施形態に係る電子機器の構成を示す模式図である。図３は、電子部品、回路基板及びディストリビュータを示す斜視図である。図４は、ディストリビュータを示す斜視図である。図５は、ディストリビュータの一部を拡大して示す図である。図６は、ディストリビュータの噴射口の位置と口径との関係を示す図である。図７は、変形例１のディストリビュータを示す斜視図である。図８（ａ），（ｂ）は、変形例２のダミーを示す模式図である。図９は、第２の実施形態に係る電子機器の構成を示す模式図である。図１０は、ディスクエンクロージャーの斜視図である。図１１は、噴射口の口径の決定方法の一例を示す図である。

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。

図１は、液浸冷却方式の電子機器の一例を示す模式図である。ここでは、電子部品がハードディスクの場合について説明している。

図１に示す電子機器１０は、冷媒１２を入れた冷媒槽１１と、冷媒１２を冷却する冷却装置１３と、冷媒槽１１と冷却装置１３との間で冷媒１２を循環させるポンプ１４とを有している。

冷媒槽１１内には複数の電子部品（ハードディスク）１５が、冷媒１２中に浸漬された状態で配置されている。それらの電子部品１５は、コネクタ１７を介して冷媒槽１１の底部に配置された回路基板（バックプレーン又はミッドプレーン）１６に電気的に接続されている。

冷媒槽１１の冷媒出口と冷却装置１３の冷媒入口との間は配管１８ａにより接続されている。また、冷却装置１３の冷媒出口とポンプ１４の吸引口（サクション）との間は配管１８ｂにより接続されており、ポンプ１４の吐出口（デリバリ）と冷媒槽１１の冷媒入口との間は配管１８ｃにより接続されている。図１中の矢印は、冷媒１２の移動方向を示している。

図１に示す電子機器１０では、冷媒１２が冷媒槽１１の一方の側から他方の側に流れるようになっている。しかし、電子部品１５が高密度に配置されていると、電子部品１５間に冷媒１２が十分に流れず、温度が高い部分が発生して故障や誤動作の原因となる。

以下の実施形態では、高密度に配置された電子部品を十分に冷却できる液浸冷却方式の電子機器について説明する。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係る電子機器の構成を示す模式図である。本実施形態においても、電子部品がハードディスクの場合について説明している。

図２に示すように、本実施形態に係る電子機器２０は、冷媒２２を入れた冷媒槽２１と、冷媒２２を冷却する冷却装置２３と、冷媒槽２１と冷却装置２３との間で冷媒２２を循環させるポンプ２４とを有している。図２中の矢印は、冷媒２２の移動方向を示している。冷却装置２３として、例えば空冷式又は水冷式のチラーを使用することができる。

冷媒槽２１には複数の電子部品（ハードディスク）２５が、冷媒２２中に浸漬された状態で配置されている。それらの電子部品２５は、コネクタ２７を介して冷媒槽２１の底部に配置された回路基板（バックプレーン又はミッドプレーン）２６に電気的に接続されている。また、回路基板２６と電子部品２５との間には、板状のディストリビュータ２９が配置されている。

冷媒槽２１の冷媒出口と冷却装置２３の冷媒入口との間は配管２８ａにより接続されている。また、冷却装置２３の冷媒出口とポンプ２４の吸引口（サクション）との間は配管２８ｂにより接続され、ポンプ１４の吐出口（デリバリ）と冷媒槽２１の冷媒入口との間は配管２８ｃにより接続されている。更に、配管２８ｄは配管２８ｃから分岐され、冷媒槽２１内のディストリビュータ２９に接続されている。ディストリビュータ２９は、冷媒噴射部材の一例である。

冷媒２２として、例えばハイドロフルオロエーテル等の絶縁性不活性液が使用される。この種の不活性液は絶縁性であるため、回路基板２６やコネクタ２７の導電体が冷媒２２に接触していても、短絡等の不具合は発生しない。なお、冷媒１２として使用可能な絶縁性不活性液はフッ素系に限定されない。

図３は、電子部品２５、回路基板２６及びディストリビュータ２９を示す斜視図である。また、図４は、ディストリビュータ２９を示す斜視図である。更に、図５はディストリビュータ２９の一部を拡大して示す図である。

図３に示すように、回路基板２６には、電子部品２５と接続するためのコネクタ２７が、回路基板２６の幅方向及び長さ方向に一定の間隔で配置されている。ディストリビュータ２９には、それらのコネクタ２７に対応する部分に、コネクタ２７が挿通するための穴２９ａが設けられている。また、ディストリビュータ２９には、配管２８ｄを介して冷媒が供給される。

ディストリビュータ２９の内部は空洞であり、ディストリビュータ２９の上側の面には冷媒入口（図４，図５にＡで示す）から入った冷媒２２が噴出する多数の噴射口２９ｂが設けられている。それらの噴射口２９ｂから、電子部品２５間に冷媒２２が噴射される。

ここで、各噴射口２９ｂの口径（開口面積）が全て同じであるとすると、冷媒２２がディストリビュータ２９内の空間を通る際の圧力損失により、冷媒入口から遠い噴射口２９ｂほど冷媒２２の吹き出し量が少なくなる。そこで、本実施形態では、図６に示すように、ディストリビュータ２９の冷媒入口から遠い噴射口２９ｂほど口径ｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，…を大きくして、各噴射口２９ｂから噴出する冷媒２２の吹き出し量の均一化を図っている。

上述したように、本実施形態においては、冷媒槽２１内の冷媒２２中に浸漬された電子部品２５と回路基板２６との間にディストリビュータ２９を配置し、ディストリビュータ２９の噴射口２９ｂから電子部品２５間に冷媒２２を噴射する。従って、電子部品２５が高密度に配置されている場合であっても、電子部品２５間に冷媒２２を確実に流すことができる。

また、本実施形態では、冷媒入口からの距離に応じてディストリビュータ２９の噴射口２９ｂの口径を変えている。これにより、各噴射口２９ｂから噴射される冷媒２２の量が均一化される。

これらのことが相俟って、本実施形態では、電子部品２５が高密度に配置されている場合であっても、各電子部品２５を適切に冷却することができる。

（変形例１）
上述の第１の実施形態ではディストリビュータ２９を、内部が空洞の板状の部材としている。しかし、図７に示すように、ディストリビュータ２９は、冷媒入口を有する主管３１と、主管３１から分岐されて噴射口３２ｂが設けられた枝管３２とを有する構造としてもよい。

当該変形例１においても、ディストリビュータ２９の冷媒入口（図７中にＡで示す）からの距離が遠い噴射口３２ｂほど口径（開口面積）を大きくしている。当該変形例１においても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（変形例２）
第１の実施形態では、回路基板２６の全てのコネクタ２７に電子部品（ハードディスク）２５を接続しているが、回路基板２６の全てのコネクタ２７に電子部品２５を接続する必要はない。そのような場合、一般的に、電子部品２５を接続しないコネクタ２７には、電子部品２５とほぼ同形状のダミーを接続する。

変形例２では、図８（ａ），（ｂ）に示すように、ダミー３５に、ディストリビュータ２９の噴射口２９ｂを塞ぐ閉塞部３５ａを設けている。これにより、電子部品２５が搭載されていない部分に冷媒を供給する無駄をなくすことができる。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る電子機器の構成を示す模式図である。また、図１０は、ディスクエンクロージャーの斜視図である。

図９に示すように、本実施形態に係る電子機器４０は、冷媒４２を入れた冷媒槽４１と、冷媒４２を冷却する冷却装置４３と、冷媒槽４１と冷却装置４３との間で冷媒４２を循環させるポンプ４４とを有している。また、冷媒槽４１内には、複数のディスクエンクロージャー５０と、サーバ５１と、ネットワークスイッチ５２とが配置されている。

冷媒槽４１の冷媒出口と冷却装置４３の冷媒入口との間は配管４８ａで接続されている。また、冷却装置４３の冷媒出口とポンプ４４の吸引口との間は配管４８ｂで接続されている。冷媒槽４１の冷媒入口には流量調整用のバルブ４５ａが接続されており、バルブ４５ａとポンプ４４の吐出口との間は配管４８ｃで接続されている。

各ディスクエンクロージャー５０には、図１０に示すように、複数の電子部品（ハードディスク）２５が、冷媒４２に浸漬された状態で配置されている。それらの電子部品２５は、図３に示すようにコネクタ２７を介して回路基板２６に電気的に接続されている。また、電子部品２５と回路基板２６との間には、噴射口２９ｂが設けられたディストリビュータ２９が配置されている。

各ディスクエンクロージャー５０にはそれぞれ流量調整用のバルブ４８ｂが設けられている。それらのバルブ４８ｂの一端は配管４８ｃから分岐された配管４８ｄに接続されており、他端はそれぞれディスクエンクロージャー５０内のディストリビュータ２９（図３参照）に接続されている。

なお、サーバ５１と回路基板２６との間、及びサーバ５１とネットワークスイッチ５２との間は、それぞれ所定のケーブル（図示せず）により電気的に接続されている。また、図１０中に矢印Ｂで示す部分の内側には、電子部品（ハードディスク）２５を駆動するための電源及び制御回路が配置されている。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ディストリビュータ２９には多数の噴射口２９ｂが設けられており、それらの噴射口２９ｂの口径は冷媒入口から遠いものほど大きく設定されている。

第１の実施形態では、電子部品（ハードディスク）２５のみを冷媒２２中に浸漬している。これに対し、第２の実施形態では、サーバ５１及びネットワークスイッチ５２等も冷媒４２中に浸漬して、電子部品（ハードディスク）２５と同時にそれらのサーバ５１及びネットワークスイッチ５２等を冷却する。

本実施形態においても、電子部品２５と回路基板２６との間にディストリビュータ２９を配置し、ディストリビュータ２９の噴射口２９ｂから電子部品２５間に冷媒２２を噴射する。また、各噴射口２９ｂから噴射される冷媒２２の量が均一化されるように、ディストリビュータ２９の冷媒入口からの距離に応じてディストリビュータ２９の噴射口２９ｂの口径を変えている。

これらのことが相俟って、本実施形態においても、高密度に配置された電子部品２５を適切に冷却することができるという効果を奏する。

（噴射口の口径の決定方法の一例）
ここで、噴射口の口径の決定方法の一例について説明する。ここでは、説明を簡単にするために、噴射口の数を４としている。

例えば、図１１に示すように、管６１の直径をｄ₁とし、各噴射口の直径を、冷媒の入口側から順にｄ₂，ｄ₄，ｄ₆．ｄ₈とする。また、管６１の入口における冷媒の流速をＶ₁とし、各噴射口から噴射される冷媒の流速を、入口に近いものから順に、Ｖ₂，Ｖ₄，Ｖ₆，Ｖ₈とする。更に、管６１内における各噴射口間の冷媒の流速を、図１１のようにＶ₃、Ｖ₅、Ｖ₇とする。

このとき、管６１の入口から流入する冷媒の流量は、各噴射口から噴射される冷媒の流量の和に等しいので、下記（１）式が成り立つ。

ｄ₁ ²Ｖ₁＝ｄ₂ ²Ｖ₂＋ｄ₄ ²Ｖ₄＋ｄ₆ ²Ｖ₆＋ｄ₈ ²Ｖ₈ …（１）
また、各噴射口２９ｂから噴射する冷媒の流量は等しいので、下記（２）式が成り立つ。

（ｄ₁ ²Ｖ₁）／４＝ｄ₂ ²Ｖ₂＝ｄ₄ ²Ｖ₄＝ｄ₆ ²Ｖ₆＝ｄ₈ ²Ｖ₈＝ｄ₇ ²Ｖ₇ …（２）
各分岐点の前後で冷媒の流量は保存されるから、下記（３）式が成り立つ。

ｄ₁ ²Ｖ₁＝ｄ₁ ²Ｖ₃＋ｄ₂ ²Ｖ₂ …（３）
この（３）式に（２）式を適用すると、下記（４）式が成り立つ。

ｄ₁ ²Ｖ₃＝（３／４）×ｄ₁ ²Ｖ₁ …（４）
同様にして、下記式が成り立つ。

ｄ₁ ²Ｖ₅＝（１／２）×ｄ₁ ²Ｖ₁
ｄ₁ ²Ｖ₇＝（３／４）×ｄ₁ ²Ｖ₁
ここで、ｍ_xを、流速Ｖ_xの管断面を単位時間に流れる流体の質量とすると、下記（５）式が成り立つ。

ｍ₁＝π（ｄ₁／２）²Ｖ₁、
ｍ₂＝π（ｄ₂／２）²Ｖ₂、
…、
ｍ_x＝π（ｄ_x／２）²Ｖ_x …（５）
ここで、入口に最も近い分岐点でのエネルギーの関係を考えると、下記（６）式に示す関係が成り立つ。

（１／２）ｍ₁Ｖ₁ ²−（１／４）ｍ₂Ｖ₂ ²−（１／２）ｍ₃Ｖ₃ ²＝ｍｇΔｈ …（６）
ここで、Δｈはこの分岐点での損失ヘッドとする。また、ｄ₁＝０．０１５（ｍ）、Ｖ₁＝１（ｍ／ｓ）、分岐点で直角に曲がる流路の相当管長をＬ₁＝０．９（ｍ）、分岐点で直進する流路の相当管長をＬ₂＝０．１８（ｍ）とする。

ダルシー・ワイスバッハ（Darcy-Weisbach）の式より、
Δｈ＝（λＬ／ｄ）Ｖ²／（２ｇ） …（７）
ここで、ｇは重力加速度である。管摩擦係数λ＝０．０３とし、（２），（５），（６），（７）式を整理すると、下記（８）式のようになる。

Ｖ₁＝０．６２１（ｍ／ｓ）
ｄ₂＝０．００９５２（ｍ） …（８）
同様に、各分岐点に対してエネルギー関係式を立てて整理すると、下記（９）式のようになる。

Ｖ₄＝０．６００…（ｍ／ｓ）
ｄ₄＝０．００９６８…（ｍ）
Ｖ₆＝０．２８６…（ｍ／ｓ）
ｄ₆＝０．０１４０…（ｍ）
Ｖ₈＝０．１６９…（ｍ／ｓ）
ｄ₈＝０．０１８３…（ｍ） …（９）
但し、Ｖ₈、ｄ₈については分岐管ではなく９０°エルボとみなし、相当管長はＬ₃＝０．６（ｍ）とした。

これらのことから、ｄ₁＝９．５ｍｍ、ｄ₂＝９．７ｍｍ、ｄ₃＝１４．０ｍｍ、ｄ₄＝１８．３ｍｍとすれば、各噴射口から噴射する冷媒の流量は等しくなる。なお、ここでは入口における冷媒の流速をＶ₁＝１（ｍ／ｓ）としたが、噴射口の口径はＶ₁に因らず一定となる。

１０，２０，４０…電子機器、１１，２２，４１…冷媒槽、１２，２２，４２…冷媒、１３，２３，４３…冷却装置、１４，２４…ポンプ、１５，２５…電子部品、１６，２６…回路基板、１７，２７…コネクタ、２９…ディストリビュータ、２９ｂ…噴射口、３５…ダミー、３５ａ…閉側部、５０…ディスクエンクロージャー、５１…サーバ、５２…ネットワークスイッチ。

Claims

冷媒を入れた冷媒槽と、
前記冷媒槽内の冷媒中に浸漬された複数の電子部品と、
冷媒入口を介して供給された冷媒を噴射して前記複数の電子部品の間に冷媒を流す複数の噴射口が設けられた冷媒噴射部材と、
を有し、前記冷媒噴射部材の前記噴射口の開口面積が、前記冷媒入口から遠いものほど大きく設定されていることを特徴とする電子機器。
前記冷媒槽内に配置されて前記電子部品と電気的に接続される回路基板を有し、
前記冷媒噴射部材は、前記回路基板と前記電子部品との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
前記電子部品が、記憶装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器。
前記冷媒が、絶縁性不活性液であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器。
前記冷媒中に前記電子部品とともに、前記噴射口を塞ぐ閉塞部が設けられたダミーが配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子機器。