JP4603783B2 - 液冷システムおよびラジエーター - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラックマウントサーバシステムのサーバモジュール等の薄型の情報処理装置の冷却に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーバ等の情報処理装置のシステム構成・収納および設置において、ラックマウント方式が主流となっている。ラックマウント方式とは、各々の機能を持った装置を特定の規格に基づき形成されたラックキャビネットに段積み搭載するもので、各装置の選択・配置を自由に行え、システム構成の柔軟性・拡張性に優れ、システム全体の占有面積も縮小できるという利点がある。
【０００３】
特に、ラックマウントサーバではＩＥＣ規格（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）／ＥＩＡ規格（Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）に規定された１９インチラックキャビネットが主流となっており、装置を搭載するための支柱の左右間口寸法を４５１ｍｍ、搭載における高さ寸法を１Ｕ（１ＥＩＡ）＝４４．４５ｍｍという単位で規定されている。
【０００４】
このラックマウントサーバのモジュールの実装例を図2にしめす。図2のモジュールは、１Ｕ（約45）の高さをもち、CPU（1）やメモリ2を実装したメインボード3、専用の冷却ファンを内蔵する電源ユニット4、HDDやCD−ROM等のストレージ5、拡張ボード6から構成される。さらに、主にCPUを冷却するために、モジュールの中央部に冷却ファン7を配置し、ファンの冷却風をCPUのヒートシンクに吹き付けて冷却をおこなっている。
【０００５】
また、図2の従来のラックマウントサーバのモジュールでは、モジュールの前面から吸気し、冷却風はモジュール後面から周囲に排気される。このとき、冷却ファン7による冷却風の流れにより、モジュールの前部に配置されたストレージやCPU以外のメモリ2等のメインボード3に実装されている電子部品（図示せず）も冷却される。このようなラックマウントサーバの冷却技術が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３６６２５８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ラックマウント方式では、ラックキャビネットにおけるサーバモジュールの高密度搭載や省スペース化のため、装置の薄型化が進み、装置内部に実装できる冷却ファンも小型で風量の少ないものしか実装できなくなっている。加えて、装置前面にはディスク等のデバイスが実装され、装置後面には外部との接続コネクタ等が配置されるため、吸排気面積が著しく小さくなってきている。
【０００８】
さらに、ラックマウント方式では、サーバモジュールの高性能化に伴い、ＣＰＵやＬＳＩ等の高速化、ＣＰＵのマルチ構成化、ディスクドライブ等のデバイスの高回転化やアレイ化などが進み、発熱量も増加している。このため、冷却風の流路の確保が難しくなり、冷却風による強制空冷が困難になっている。特に１UのサーバモジュールではCPUの発熱量の増加による影響が大きく、冷却フィンの大型化が必要となり、１Uの高さに実装することが困難になってきている。
【０００９】
本発明の目的は、ラックマウントサーバのモジュールにおいて、冷却システムの実装高さを増すことなく、CPUの発熱を周囲に放熱して冷却をおこなう冷却システムの高性能化をおこなう冷却技術を提供することにある。
【００１０】
特に１Uのサーバモジュールを構成するのに有用で、１Uの薄型を損なうことのない冷却システムや冷却デバイスを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、ラックマウントサーバのモジュールに、液冷システムを設けることにより解決する。詳しくは、冷却液をポンプにより循環させ、CPUに装着したジャケットでCPUの発生熱を冷却液に吸熱し、冷却ファンにより冷却されるラジエーターで冷却液を空冷するようにして、CPUの発生熱を放熱するようにした。
【００１２】
このとき、モジュール内のディスクやCPU以外の電子部品の冷却もおこなうため、冷却ファンをモジュールの中央部に配置し、この冷却ファンによりモジュールの前面から吸気された外気により、ディスク等のストレージ部品を冷却する。
さらに、冷却ファンの空気の吐出し側にラジエーターを配置して、吐出した冷却風をラジエーターに当ててCPUの発生熱を吸熱した冷却液を冷やすとともに、ラジエーターを通過した冷却風で、モジュール内の他のデバイスやメインボード上の電子部品を冷却するようにした。
【００１３】
また、上記ラジエーターは、冷却液が流れるU字管の管の円周方向に薄板の放熱フィンを設けて放熱面積を大きくしたフィンモジュールを、冷却風の流れ方向であって、U字管が流れ方向に垂直になるように複数の個数設ける構成とした。このフィンモジュールのU字管を、冷却風の流れ方向に順次接続し、冷却液が冷却風の流れの上流から下流の順に、フィンモジュールを流れるようにした。冷却液が複数のフィンモジュールを順に流れ、このフィンモジュールのフィンの間を冷却風がとおることで、冷却液に吸熱された熱は放熱フィンから冷却風に放熱され、冷却液は冷却される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の一例として、１Uサイズ（約４５ｍｍ高さ）の２CPU構成のモジュールの液冷システムの概要をしめす図である。液冷システムは、２つの冷却液を循環させるポンプ10と、CPUの発生熱を冷却液に吸熱するジャケット11と、冷却液を冷やすラジエーター12と、ラジエーター12に冷却風を吹き付けラジエーターを冷やす冷却ファン13とから構成される。
【００１６】
冷却液は、プロピレングリコールを希釈した不凍液を使用し、さらに銅やアルミニュウムの腐食防止剤を含有させる。
【００１７】
冷却液が循環するジャケット11やラジエーター12は、熱伝導性のよい銅あるいはアルミニュウムで作られ、これらはブチルゴム等のフレキシブルチューブで接続される。
【００１８】
冷却液の循環路の途中には、冷却液のエア抜きをおこなうタンク14を設けている。フレキシブルチューブやジョイント部から浸透したエアは、ポンプ10の性能を低下させたり、ジャケット11やラジエーター12の熱伝達効率を低下させるため、タンク14で冷却液から除去する。
【００１９】
また、冷却液の循環路の途中に、逆止弁つきのユニバーサルジョイントを設け、ジャケットをフィールドで増設・交換できる構成にするとよい。これにより、CPUのフィールド増設や故障等によるCPU交換を容易におこなうことができる。
【００２０】
図1にしめす液冷システムを、１Uサイズ（約45ｍｍ）に収めるために、冷却ファン13は、４０ｍｍ角のものを複数個使用する構成とし、ポンプ10も外形寸法40ｍｍのものを選択する。また、ラジエーター12の高さを４０ｍｍ以下にする。
【００２１】
図3は、図1にしめした液冷システムを搭載したラックマウントサーバのサーバモジュール概要図をしめす図であり、図4は、その上面をしめす図である。図では、上部面が開放された図になっているが、これは内容物をしめすためであり、実機では、天板でカバーされている。ラックマウントサーバでは、このような１Uサイズのモジュールを複数積層してラックにマウントしている。このため、上部面からの換気はおこなわれず、冷却風は、モジュール前面から吸気され、モジュール後面から排気する。
【００２２】
液冷システムをモジュールの中央部に配置し、冷却ファン13によりモジュールの前面から吸気された外気により、ディスク等のストレージ部品5を冷却する。さらに、冷却ファンの空気の吐出し側にラジエーター12を配置して、吐出した冷却風をラジエーターに当ててCPU（11）の発生熱を吸熱した冷却液を冷やすとともに、ラジエーターを通過した冷却風で、モジュール内の他のデバイスやメインボード上の電子部品を冷却するようにした。
【００２３】
このように、冷却風はモジュールの前面から後面に向かって流れるので、拡張ボード6やメモリモジュール2や電源ユニット4は、冷却風の流れに沿って配置するとよい。このような配置により、冷却風の流れが良くなり、CPUの冷却効率の増加や、冷却ファンの小容量化をおこなうことができる。
【００２４】
図5は、図1にしめした液冷システムの模式図であり、この図を使用して冷却動作を詳細に説明する。符号は図１と同様に付してあり、内容の説明は省略する。
冷却液は、ポンプ１０により循環され、ジャケット１１でCPUの発生熱を吸熱し、ラジエーター１２で冷却風により冷却される。冷却された冷却液は、タンク１４でエア抜きされて、ポンプ１０に戻ってくる。このように、冷却液の循環の過程で熱の授受をおこない、CPUの発生熱を外気に放熱して、CPUを冷却する。
【００２５】
本実施例の２CPU構成のモジュールでは、ラジエーター１２は共用とし、CPUごとにポンプ１０とジャケット１１を設けてユニット化し、冷却液の循環路に並列に接続するようにした。さらに、ポンプ１０とジャケット１１をユニット化して、ユニバーサルジョイント１６で、冷却液の循環路に接続するようにしてもよい。これにより、２CPU構成以外の４CPU構成の場合でもこのユニットを４つ並列に接続することで構成できる。
【００２６】
液冷システムの冷却性能は、ジャケット１１の受熱性能や冷却液の流量やラジエーター１２の放熱性能、冷却風量により決まってくるが、特にラジエーター１２の性能が重要となる。また、上記のようにポンプ１０とジャケット１１をユニット化した場合には、ユニット数により求められるラジエーターの放熱性能がことなるため、調整が必要となる。このため、複数の放熱容量の異なるラジエーターを用意する必要がある。
【００２７】
本発明では、詳細は後述するが、冷却風の流れ方向にラジエーターを複数配置し、それぞれのラジエーターをシリーズに接続して冷却液の循環路を形成するようにした。これにより、放熱容量の増大に対しては、接続するラジエーターの個数を増すことにより対応する。この方法によれば、ラジエーターの高さは変わらないので、１Uサイズのモジュール内で放熱容量の調整が可能となる。このとき、冷却風は、放熱量が増すこととラジエーター部の流路抵抗が増すため、流量増加等をおこなう。
【００２８】
図６は、CPUの発生熱を冷却液に受熱するジャケット１１の構造を示す図である。ジャケットは銅あるいはアルミニュウムで形成される。ジャケット１１は、CPUの上面に熱接続するように、受熱板２０を介して、ネジ固定される。CPUの発生熱は、受熱板２０からフィン１８に熱伝導し、導入管１７から流入した冷却液に熱伝達される。CPUの発生熱を吸熱した冷却液は、吐出管１９からラジエーターに流出する。フィン１８は、冷却液の流れに平行に設置して流路抵抗を小さくするともに、放熱面積を大きくして熱伝達量を大きくしている。なお、ジャケットの内部構造は、これに限られたものでないことはいうまでもない。
【００２９】
図７は、ラジエーターの構造図であり、 (a)はモジュールの上部からみた上面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は左側面図をしめしている。図７（a）で、複数の冷却液の流路管２１が、冷却ファン１３の冷却風の方向（図では下から上の方向）に直角方向に平行に配置されている。流路管２１は、その円周方向に放熱フィン２２を有し、冷却液の熱が流路管を介して放熱フィン２２に熱伝導している。冷却風は、この放熱フィン２２の隙間を流れ、このとき、放熱フィンの表面から熱をうばう。このようにしてCPUの発生熱を吸熱した冷却液は、ラジエーターから外気に放熱して冷却される。
【００３０】
放熱フィン２２は、２本の流路管２１ごとに分割され、（b）図のように、ユニット２３化されている。それぞれのユニット２３は、冷却風の流れの方向に、配置する。また、（ｃ）図のように、ユニット２３の他端部で、流路管は他のユニットと接続され（図の２４部）、１本の流路を形成している。
【００３１】
冷却風の流れ方向に配置するユニット２３の個数を増減することにより、放熱フィンの放熱面積が増減し、ラジエーター１２の放熱容量を調整することができる。
【００３２】
図８は、冷却液の流路の一部に設けるタンクの概略構造をしめす図である。このタンクは、冷却液のエア抜きのために設けられており、上部より流入した冷却液がタンクに一旦溜まるようになっている。このとき、冷却液の気泡がタンク上部に溜まるようになっている。冷却液は、タンクの下部から吐出されて、循環する。また、このタンクは、冷却液のチューブ等から浸透や接続部からの漏れによる減少分を補充するリザーブタンクとして使ってもよい。この場合には、補充量以上の容量のタンクを設ける必要がある。
【００３３】
図９は、本発明のラジエーターの製造手順をしめす図である。（a）から（ｄ）は製造手順の概略をしめしている。まず、放熱フィンのユニットを形成する。（a）にしめすように、銅あるいはアルミニュームのU字管にアルミニュームの薄板を圧入する。U字管の管径は、冷却液の流量により決まるが、本実施例では、外径５ｍｍ・肉厚０．４ｍｍのパイプを使用した。U字管の曲げRは、管の材質と管径により決まるが、本実施例では、１０ｍｍとして。これらの寸法は、１Uサイズであれば、ラジエーター高さが４０ｍｍ程度になるように適宜決めることができる。このU字管にアルミニュームの薄板を、１．５ｍｍのピッチで複数枚圧入し、（ｂ）の放熱フィンのユニットを形成する。このとき、理由は後述するが、U字管の圧入位置を中央から所定の高さ方向のオフセットを設けるようにする。つぎに、放熱フィンのユニットを、U字管に平行であって、交互に上下反転するように組み立てる（（ｃ）図）。その後、U字管の開放端を、隣のユニットと接続する（（ｄ）図）。このようにして、流路が一本のラジエーターを形成する。
【００３４】
図１０により、U字管をフィンに薄板にオフセットを設けて取り付ける理由を説明する。（a）図は、本発明のラジエーターの冷却液の流路管の配置をしめす図であり、放熱フィンユニットを上下反転させて組立てたことにより、流路管が冷却風の流れ方向に対して千鳥配置になっている。これに対して、放熱フィンユニットを全て同じ方向に組立て場合には、（ｂ）図のようになる。この場合には、流路管は、冷却風の流れ方向に対して平行に配置される。両者を比較すると、（ｂ）図の方が、隣のユニットとの冷却管の接続距離がながく、U字管で接続したときに、曲げRが大きくなり加工性・組立て性がよくなる特徴がある。しかし、放熱フィンの間の冷却風の流れの点で考えると、（ｂ）より（a）の方が、冷却風の流れを阻害する流路管の距離が大きくなるため、ラジエーターの平均的な冷却風の流れが安定する特徴がある。冷却風の流れが安定することにより、熱伝達が安定するため、（ａ）図の構成の方がよい。
【００３５】
図11は、ラジエーターの他の実施例をしめした図である。この例では、図3にしめしたモジュール構成図で、ラジエーター12の放熱容量を大きくする例を説明する。上述のようにラジエーターの放熱容量は、放熱フィン等の放熱面積に依存する。ここで、メインボードの電子部品の配置を考えると、電子部品の高集積化に伴い、部品高さは小さくなってきている。また、面実装部品が多数となり、部品高さの大きな部品は限られた部品となってきている。この点に着目し、本実施例のラジエーターは、冷却風の吐出し側（メインボード3側）に、冷却風の吸入側の放熱フィン高さよりちいさな高さの放熱フィンを取り付けるようにし、メインボード3にオーバーハングして設置するようにした。オーバーハングする部分の放熱フィン高さは、当該メインボードの部品に接触しない高さにすればよい。これにより、ラジエーターの高さを大きくすることなく、また、冷却風の流れる奥行方向の設置長を増加させることなく、放熱容量を増加させることができる。
【００３６】
図12は、ラジエーター12の放熱容量を調整する他の実施例を説明する図である。本発明の上記実施例では、冷却風の流れ方向に組み付ける放熱フィンユニットの個数で、ラジエーターの放熱容量を調整する例について説明した。図12にしめす実施例では、放熱フィンの枚数を調整してラジエーターの放熱容量を調整する例についてしめす。
【００３７】
標準的なサーバーモジュールが２CPU構成のとき、ラジエーターの幅がLで、組み立てる放熱フィンユニットの個数が４ユニットだったとする。このラジエーターを１CPU構成で使用した場合には、ラジエーターの放熱容量に余裕がでる。性能的には問題にならないが、ラジエーターの製造コストは有効に使われない。上記実施では、放熱ユニットの個数を２ユニットで構成するが、本実施例では、放熱フィンの薄板をL／２の幅分の個数とし、ラジエーター12を構成した。これは、ラジエーターの放熱容量は、放熱フィンの放熱面積に比例することに起因する。
【００３８】
本実施例は、特に、標準構成に対して、CPU構成が少ないモジュールを構成する場合に有効な実施例である。ここで、他のデバイスの冷却のため、冷却ファンは半分にすることなく、同一個数とすることが望ましい。
【００３９】
本実施例では、液冷システムで冷却するデバイスをCPUとして説明したが、メモリモジュールやチップセット、HDD等のストレージデバイスをこのような液冷システムで冷却するようにしてもよい。この場合、冷却するデバイスにジャケットを熱接続し、冷却液の循環路にCPUの冷却と並列に接続するようにしてもいいし、CPUの冷却ジャケットとは、直列に接続するようにしてもいい。直列に接続する場合には、CPUの発熱量に比べて小さいので、ラジエーター直後に接続し、その後でCPUの冷却ジャケットを接続することが望ましい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、高発熱量の高速CPUや高発熱デバイスを使用する場合でも、高効率にCPUやデバイスの発生熱を放熱できるので、モジュールサイズを増加させることなく、１UサイズのサーバーモジュールでもこのようなCPUやデバイスを搭載できる。
【００４１】
また、ラジエーターを必要な放熱容量に応じて、放熱フィンユニットを組合せて構成できるので、安価にラジエーターを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の２CPU冷却システムの概略図。
【図２】 ラックマウントサーバのモジュールの従来技術による実装例。
【図３】 本発明を適用したラックマウントサーバモジュールの概略図。
【図４】 モジュールの上面図。
【図５】 本発明の液冷システムを模式図。
【図６】 ジャケットの構造図。
【図７】 ラジエーターの構造図。
【図８】 タンクの構造図。
【図９】 ラジエーターの製造手順をしめす図。
【図１０】 ラジエーターの流路管の構成図。
【図１１】 ラジエーターの他の実施例の図。
【図１２】 ラジエーターの他の実施例の図。
【符号の説明】
10…ポンプ、11…CPUジャケット、12…ラジエータ、13…放熱ファン、
21…U字管、22…放熱フィン、22…放熱フィンユニット

Claims (1)

1. 発熱部の発生熱を冷却液に吸熱するジャケットと、冷却液の蓄熱を外気に放熱するラジエーターと、冷却液を循環するポンプと、前記ラジエーターを冷却する冷却ファンを備えた情報処理装置の液冷システムであって、
   前記ラジエーターは、冷却液が流れるひとつのＵ字管の円周方向に薄板が一定間隔で設けられた放熱フィンユニットを単位として、前記放熱フィンユニットが、冷却風の流れ方向に対して、前記Ｕ字管が垂直になるように流れ方向に複数個配置されて構成され、前記複数の放熱フィンユニットが前記冷却ファンの冷却風の流れ方向に配置されるとともに、前記冷却液が複数の放熱フィンユニットを直列に流れるように隣り合う放熱フィンユニットのＵ字管を直列に接続して冷却液が流動するように接続して形成され、
   前記ジャケットは、少なくとも前記ジャケットを単位に、該液冷システムの循環路に他のジャケットと並列接続可能な結合部を有し、
   前記ジャケットの個数に応じて前記放熱フィンユニットの接続個数を変えてラジエーターの放熱量を変えることを特徴とする液冷システム。

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