JP4812138B2 - 冷却装置及びそれを備えた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置及びそれを備えたブレードサーバ等の電子機器に関する。

近年、急速に需要が高まりつつあるブレードサーバにおいては、更なる情報処理能力の向上と省スペース化が求められている。情報処理能力は、ＣＰＵ単体性能の向上に伴い、年々飛躍的に向上している。また、１枚のブレードに搭載するＣＰＵの数を増やすことにより、ブレード１枚あたりの情報処理能力の向上も図られている。さらにブレードの厚さを薄くすることで、ラック１台あたりの搭載できるブレードの数を増加させている。

ＣＰＵの高性能化に伴う発熱量の増加と、ブレードの薄型化によって、ブレードサーバの発熱密度は飛躍的に上昇している。そのため、冷却効率の向上が望まれている。また、ブレードサーバは冗長設計と稼動時保守によって高い信頼性を実現している。稼動時保守の実現のために、ブレードサーバの稼動中に、ブレードや、電源ユニット，ファンユニット等のそれぞれのユニットがラックから着脱であることが必要とされる。これは、活線挿抜と呼ばれ、ブレードサーバの特徴である。そのため、ブレードに搭載される冷却装置も、着脱可能であることが必要である。

ここで、ブレードサーバの代表的な構成を説明すると、ブレードサーバは、ラックの中に何台かのシャーシを搭載する。シャーシには、ブレード，電源ユニット，ファンユニット，システムユニット，Ｉ／Ｏユニットをそれぞれ複数台搭載されている。ブレード，ファンユニット，Ｉ／Ｏユニットは、それぞれバックプレーンを介してシステムユニットと接続されている。情報処理装置であるブレードには、ＣＰＵ，メモリ，チップセット，ハードディスク（ＨＤＤ）などの電子部品が搭載されている。

現在、主流である冷却方法は、シャーシに搭載されたファンモジュールによりブレード内に空気を流し、各電子部品を冷却する方法である。電子部品の中でも、発熱量の大きなＣＰＵには銅やアルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で作られたヒートシンクが取り付けられている。ＣＰＵに取り付けられたヒートシンクは、ＣＰＵの発熱量の増加に伴って年々大型化してきており、またヒートパイプを内蔵するなどといった高性能化も図られてきている。

しかしながら、ＣＰＵの発熱量の増加とブレード薄型化の中にあっては、ＣＰＵにヒートシンクを取り付けてブレード内で空気冷却するのは限界になりつつある。

そこで、液循環型熱輸送デバイスや相変化型熱輸送デバイスを用いて、ＣＰＵの発熱をブレード外部まで輸送して放熱する冷却システムが考えられる。この冷却システムによれば、ブレード外部の放熱手段として大型のラジエータやチラーが適用できるために、ＣＰＵの高い発熱量に対応可能である。一方、この冷却システムにおいては活線挿抜の実現が課題となる。その解決手段として、ブレード内の熱輸送デバイスとブレード外の熱輸送デバイスをカプラを使用して接続する方法がある。しかしながら、カプラでの接続は液漏れの危険性がある。

そこで、液漏れが起こさないために、ブレード内とブレード外の熱輸送デバイスが完全に閉じている冷却システムを用いることが考えられる。この冷却システムにおいて、ブレード内の熱輸送デバイスとして最も有効であると考えられるのがヒートパイプである。

ヒートパイプは、非凝縮ガスが排除された完全密閉の管内において、ヒートパイプと発熱源が接する受熱側で作動流体が蒸発し、この蒸気が管内を流れ、熱交換装置と接する放熱側で凝縮することで熱を輸送する装置である。放熱側で凝縮された作動流体は、重力や毛細管力により受熱側へと輸送され、連続動作が可能となる。

従来からヒートパイプでは、熱抵抗の低減や最大熱輸送量の向上が図られてきた。ここで熱輸送量とは、ヒートパイプの受熱側から放熱側へ流れる熱量のことであり、熱抵抗とは単位熱輸送量あたりのヒートパイプの受熱側と放熱側の温度差のことである。熱抵抗が小さいということは、同じ熱量を小さな温度差で輸送できることを意味する。またヒートパイプは、ある一定の熱輸送量に達すると、例えば受熱側で発生した蒸気の勢いにより、放熱側で凝縮した作動流体の受熱側への輸送が阻害されて受熱側の沸騰面が液枯れ（ドライアウト）し性能が発揮できなくなる。熱輸送限界の原因は、このような蒸気と作動流体の干渉だけではないが、このヒートパイプの性能が発揮できなくなる、すなわち熱輸送限界に達する直前の最も大きい熱輸送量を最大熱輸送量という。

特許文献１および特許文献２では、管内溝付き管において高い最大熱輸送量を得る最適な溝深さ（フィン高さ）や溝間隔があるという旨が記載されている。

また特許文献３では、管内溝付き管において第一のフィン形状の間に第二のフィン形状を加えることにより、このフィン間の溝における毛細管力を高めることで最大熱輸送量の向上を図ったヒートパイプが記載されている。

特許文献４では、ヒートパイプ管内に受熱側から放熱側へ至る内管を設けることで、蒸気流れと凝縮液の戻り流れを分離し、最大熱輸送量の向上を図った構造が開示されている。

特許文献５では、熱抵抗低減のために内面溝付き管の内側に、リング状平板フィンを取り付けることで、蒸発面および凝縮面の表面積の拡大を図るとともに、管の内面溝を作動流体の輸送に利用することで、最大熱輸送量を維持しながら、熱抵抗を低減する構造の記述がなされている。

特許文献６では、内面溝付き管において、内部の溝構造の一部に溝なしの領域を作り、ここへ凝縮液を流すことで管の排水性を向上し、フィンとも言い換えられる溝が、過剰の凝縮液によって覆われることを防ぎ、熱抵抗を下げる構造が開示されている。

特開２００３−２２２４８０号公報 特開２００６−２７５３４６号公報 特開２００６−１８９２３２号公報 特開平３−１３４４９３号公報 特開昭６１−１２５５９０号公報 特開２０００−３５２９５号公報

近年、ＣＰＵやメモリ、ＨＤＤなどのコンピュータとして必要な要素を一枚の薄い形状のブレードに搭載し、シャーシ等と呼ばれる筐体にこれらのブレードを複数枚収め、シャーシ内で電源や冷却ファン、あるいはＬＡＮ等の情報の入出力を共通化することで物理スペースの縮小を実現したブレードサーバと呼ばれる製品が普及している。１枚のブレードはサーバ１台と同じ機能を有しており、このブレードを複数枚シャーシに搭載することで、ブレードサーバは、シャーシと同程度の体積を有する他のサーバ機器に比べて、サーバの実装密度が高いことが特徴となっている。

ところで一般に、ＣＰＵは高性能なほど発熱量が多く、そして動作保証温度以上の温度になると性能が発揮されないことは知られている。このため、ＣＰＵを搭載する電子機器には、その発熱量に見合った何かしらの放熱構造が必要となる。従来、ブレードではＣＰＵの冷却のためにＣＰＵに放熱フィンをとりつけ、ここへシャーシに取り付けられたファンユニットから空気を流すことで放熱する構造をとっている。しかし特徴の一つである高密度実装製を実現するために、ブレードに取り付けられるＣＰＵ用の放熱フィンの大きさと、また取り付ける場所には、大きな制約がある。このため、発熱量の大きい高性能ＣＰＵをブレードへ搭載することが難しくなりつつある。

そこで、ブレードの実装密度を維持しながら高性能なＣＰＵを搭載する方法として、例えば、ＣＰＵの熱をヒートパイプ等の熱輸送手段を用いて、空間的に余裕のあるシャーシ側へ輸送し、輸送先に大きな放熱フィンを取り付けて放熱を行う構造が一例として考えられる。

この、ＣＰＵの熱をシャーシ側に設けた放熱フィンで放熱する方式は、従来のＣＰＵの真上に放熱フィンをつける方式に比べ、放熱フィンそのものの熱抵抗を大きく低減することができる。しかしＣＰＵと放熱フィンの間に新た設けられるヒートパイプ等の熱輸送手段分の熱抵抗が増えることとなる。このためヒートパイプには、熱抵抗を極力小さくすることが求められる。

また、実装密度が高いというブレードサーバの特徴を損ねないブレードサイズ（特に厚さ）を維持するためには、ヒートパイプに許容される管の太さが制限される。管の太さは受熱側の蒸気が放熱側へ移動する際の流動抵抗に大きく影響する。この流動抵抗が大きければ受熱側と放熱側の圧力差（受熱側が高圧、放熱側が低圧となる）が大きくなるため、凝縮液の戻りが抑制され最大熱輸送量が低下する。管の太さを同じにして、この流動抵抗を下げる方法としては、蒸気の単位体積あたりの蒸発潜熱が大きい作動流体を選択し、同じ発熱に対して流れる蒸気の量を少なくすることが有効である。

材質を銅とするヒートパイプにおいて、空調機などで多く使用される冷媒に比べて蒸発潜熱や比熱が高く、熱抵抗を下げるのに有効な作動流体として水が考えられる。ただし、空調用の冷媒と比べて水は表面張力が高いため、特に間隔の狭いフィンを有する管においては、凝縮した水が毛細管力によりフィンに吸い上げられ、フィン間に保持されてしまう場合がある。蒸気凝縮管でのフィンの熱伝達率特性は、フィン表面の液膜厚さに依存し、液膜が厚くなるほど性能が低くなることは知られているが、フィン間に凝縮した液が保持されると、その分フィン表面の液膜厚さが増え、フィンの熱抵抗を上げることとなる。

フィンの面積を拡大して有効な放熱面積を増大させ、フィンの熱抵抗を低減するためにはフィン間隔を狭めることが有効な手段の一つである。しかし、このフィン間隔は、毛細管力の影響を大きくする因子であり、作動流体の表面張力などを考慮してフィン間隔を決めなくては、作動流体がフィン間に保持されフィンを面積拡大した性能が発揮できなくなってしまうという課題が存在する。

次に、本発明で主に対象とするブレードサーバの構造上の特徴として、ブレードサーバは、その動作中に一部のブレードだけをシャーシから着脱することが可能となっていることが挙げられる。この特徴のため、ブレードサーバのメリットとして、メンテナンス性が良いことが挙げられる。また、ブレードは床などの水平な設置面に対して水平な方向（重力方向に対して垂直な方向）に着脱される設計となっていることが多い。この着脱性を維持するため、シャーシへの熱輸送を考えたブレードにおいては、ブレードから飛び出るヒートパイプ部分を、ブレード着脱方向（水平方向）に設置する必要がある。このことから、本発明では、特に放熱側がほぼ水平に配置されるヒートパイプにおいて、熱抵抗を低減すると同時に、ブレードに搭載されるＣＰＵの総発熱量を放熱フィンに輸送できる最大熱輸送量を確保することが課題の一つとなる。

さらには、ブレードの着脱を考慮した場合、ブレードからシャーシ側へ飛び出すヒートパイプの放熱側は、極力ヒートパイプ外側表面に出っ張りがないことが必要である。これに伴い、ヒートパイプの放熱側として、ブレードからシャーシ側へ飛び出している蒸気凝縮管において、ブレード側の端から蒸気を流し入れ、ブレードから飛び出しているシャーシ側の端に凝縮液戻り管をとりつけ、ブレード側まで配管するような構造をとることは望ましくない。

また発熱量の大きいＣＰＵを冷却するヒートシンクは、発熱量の小さいＣＰＵを冷却するヒートシンクと比べて、当然流体抵抗は大きくなる。このため、同じファン回転数の条件において、発熱量の大きいＣＰＵを冷却するためにシャーシ側に大きなヒートシンクを設けた場合、ブレード上を流れる風の流量は、従来の発熱量のＣＰＵを冷却していたときの流量に比べて確実に小さくなる。これに伴い、従来では特に問題とならなかった発熱量がＣＰＵと比べて小さいメモリなどの半導体デバイスの温度が、問題となる可能性がある。

特許文献１および特許文献２に示されるフィン形状は、同じ内径の溝なし管の面積と比べた場合の面積拡大率が、大きくても２.５倍程度である。つまり、この面積拡大分が全て有効に利用できたとしても放熱性能は２.５倍が上限となる。しかし管内面に塑性加工などすることで２.５倍以上の面積拡大は可能であり、本発明の実施例では３.８倍もの面積拡大となる管内溝付き管を利用している。また特許文献１および特許文献２では、内面溝そのものを、放熱側で凝縮した作動流体を受熱側へ戻すための流路である、液戻り流路として使用しているが、これはすなわち全てのフィンの根元が、必ず液戻り流路として水没することを意味する。水没によりフィンの有効熱伝達率は低下するため、凝縮部の熱抵抗が悪化する要因となる。

特許文献３で開示された発明も、やはり全ての内面溝を液戻り流路として使用することを前提としているため、液戻りが促進されることで最大熱輸送量は増加することは考えられるが、熱抵抗の大幅な低減にはつながらない。

ところで、ヒートパイプにおける最大熱輸送量の悪化要因の一つとして、受熱側で発生した蒸気が放熱側へ流れる蒸気流れと、放熱側で凝縮した作動流体が受熱側へ戻る流れである液戻り流れが対向している場合に、流速の速い蒸気によって作動液が押し流され受熱側が液枯れすることは技術背景に述べた。この悪化を防ぐ構造として、蒸気流れを流す蒸気管と、液戻り流れを流す凝縮液戻り管が、別々になっているループ型ヒートパイプと言われるものがある。このようなループ型ヒートパイプでは液戻り流れが、蒸気の流れと干渉しないため最大熱輸送量が向上する。

特許文献４では、管内に受熱側から放熱側に至る内部管を追加することで、単一のパイプのみで形成されるヒートパイプとしての外形を変えることなく最大熱輸送量の高いループ型ヒートパイプの構成とする発明が記載されている。

しかし、ヒートパイプにおける最大熱輸送量の悪化要因には、先に述べた蒸気流れと液戻り流れとが対向することに起因する他に、受熱側と放熱側の間の圧力差により、凝縮した作動流体が圧力の高い受熱側へ戻りにくくなることも挙げられる。一般に蒸気流れの流量は、液戻り流れの流量と比べて遥かに多く、これにより、流速も蒸気の方が遥かに速い。このため受熱側と放熱側の間の圧力差が発生する最大の要因は、蒸気流れの圧力損失によるところが支配的である。

これを考えると特許文献４に示される構造は、この一般的なループ型ヒートパイプの構成を１本のヒートパイプ内に集約するがゆえに、蒸気管の流路断面積を制約してしまい、蒸気の圧力損失が大きくなりやすい。

また、ドライアウトを抑制するために受熱側に作動流体の液だまりを設け、プール沸騰による冷却を行った場合、蒸気管には、蒸気以外にも沸騰によって巻き上げられた作動流体の液滴も流れこむ事がある。このため、細い内管の断面を液滴がふさいでしまうことが考えられる。

これを解消するには、蒸気が流れる内管を太くする必要があるが、このためには、同時に外側の管も太くする必要がある。よって本発明の対象として検討しているブレードサーバでは、管の外形寸法についての制約が大きいため、この構造は不向きである。

また、このようなループ型ヒートパイプにおいて、凝縮液戻り管の流路が長く、かつ高低差が小さい場合には、液戻り流れが途中で途切れてしまう場合が考えられる。この場合、途切れた部分による液界面の表面張力が発生するため、流れが悪くなり、最大熱輸送量の低下原因となり得る。流れが途中で途切れることへの対処として、ウィックや管の溝などによる毛細管力で液を保持し続けることが挙げられる。しかし、これらの構造は大きな流動抵抗の要因となり、流路が長い場合には、作動流体が流れなくなることも考えられる。

特許文献５では、内面に管軸方向の溝を有する管を用い、この溝の上にリングフィンを追加することで、大きな面積拡大を得ている。しかも、管内面溝には、その溝の毛細管力によって、リングフィン根元から、凝縮した作動流体を吸い込む機能と、液戻り流路としての機能を持たせている。

しかし、水平に近い姿勢で使用することを考えると、重力の作用により凝縮した作動流体の多くは管内下側に溜まってしまう。特に背の高いリングフィンを使用しているため、凝縮した作動流体は、管下面から、このリングフィン高さまで溜まることになり、この水没してしまった管内の下側のフィンは、まったく性能が出ないことが考えられる。また、凝縮した作動流体の多くが、管内下側へ流れてしまうということは、管内上側の管内面溝は作動流体を受熱側へ戻す、液戻り流路として機能を発揮しないことが考えられる。このように機能を生かせない溝やフィン部分があることは、ヒートパイプの外形寸法に制約のある条件においては不利である。また背の高すぎるフィンの利用そのものも、蒸気流路を確保するために、管の外形寸法を太くする要因となりうる。

特許文献６では、内面溝付き伝熱管において、溝（フィン）がない領域を設け、さらに、このフィンが中心から左右対称で、管軸方向に対して角度を持っている構造が示されている。この発明では、蒸気凝縮側において、蒸気流れにより、フィン間に凝縮した作動流体を溝なし領域に集めるとともに、溝に集まった凝縮液を蒸気の流れ方向に流すことが示されている。溝なし領域は、管の軸方向に伸びているので、液戻り流路としては最適である。しかし一般的なヒートパイプは、蒸気の流れと、液戻り流れは対向しており、この方法は不向きである。

本発明の目的は、ブレードサイズに合わせた外形寸法内で最大熱輸送量性能を損なうことなく、熱抵抗を極力低減することが可能な冷却装置及びそれを備えた電子機器を提供することにある。

上記目的は、複数の半導体デバイスを有する電子回路基板を内蔵したブレードと、このブレードの挿抜による電気的及び機械的な着脱を許容するシャーシと、前記ブレード内に実装されたＣＰＵの熱を受熱する受熱部と放熱とを行う蒸気管と蒸気凝縮管と凝縮液戻り管を有するヒートパイプとを備え、この蒸気凝縮管を円管として前記ブレードの挿抜方向に伸ばした形状とし、前記蒸気凝縮管の内壁に螺旋状のフィンを設け、このフィンを分断するように前記蒸気凝縮管の長手方向に溝を設け、当該溝は前記蒸気凝縮管の管中心の下側に配置し、上記溝にフィン間隔よりも素線間隔が小さいウィックを充填して、当該ウィックにより前記蒸気凝縮管を流れる凝縮液のうちの前記フィン間に保持される凝縮液を吸収することにより達成される。

また上記目的は、前記ヒートパイプは前記受熱部が熱源と接する部分に作動流体の液たまり部を有し、この液たまり部内の作動流体液面は前記蒸気凝縮管の前記溝の底面よりも鉛直方向下側に位置し、前記液たまり部の作動流体液面よりも上部で前記蒸気凝縮管を接続し、前記液たまり部の作動流体液面よりも下部で前記凝縮液戻り管を接続したことにより達成される。

また、上記目的は、前記ヒートパイプの前記蒸気凝縮管の下側に前記凝縮液戻り管を鉛直方向に接続したことにより達成される。

また上記目的は、複数の半導体デバイスを有する電子回路基板を内蔵したブレードと、このブレードの挿抜による電気的及び機械的な着脱を許容するシャーシと、前記ブレード内に実装されたＣＰＵの熱を受熱する受熱部と放熱とを行う蒸気管と蒸気凝縮管と凝縮液戻り管を有するヒートパイプとを備え、この蒸気凝縮管を円管として前記ブレードの挿抜方向に伸ばした形状とし、前記蒸気凝縮管の内壁に螺旋方向のフィンを設け、このフィンを分断するように前記蒸気凝縮管の長手方向に溝を設け、当該溝は前記蒸気凝縮管の管中心の下側に配置し、上記溝にフィン間隔よりも素線間隔が小さいウィックを充填して、当該ウィックにより前記蒸気凝縮管を流れる凝縮液のうちの前記フィン間に保持される凝縮液を吸収することにより達成される。

また上記目的は、前記ヒートパイプの受熱面の熱源と接する部分はフィン若しくはポーラス状の面を有することにより達成される。

また上記目的は、前記ヒートパイプは前記受熱部が熱源と接する部分に作動流体の液たまり部を有し、この液たまり部内の作動流体液面は前記蒸気凝縮管の前記溝の底面よりも鉛直方向下側に位置し、前記液たまり部の作動流体液面よりも上部で前記蒸気凝縮管を接続し、前記液たまり部の作動流体液面よりも下部で前記凝縮液戻り管を接続し、前記ヒートパイプでＣＰＵを冷却すると同時にＣＰＵ以外の半導体デバイスの一部を前記凝縮液戻り管で熱伝導部材を介して冷却することにより達成される。
また上記目的は、前記溝に充填した前記ウィックの上面に開口部を有する仕切り板を設けたことにより達成される。
また上記目的は、前記蒸気凝縮管の内部にスペーサを介して内側蒸気管を設けて、前記蒸気管を流れる蒸気が、前記内側蒸気管を通り前記蒸気凝縮管の端より、前記蒸気凝縮管内に開放され、前記凝縮液戻り管へ流れるようにするとともに、前記蒸気管と前記凝縮液戻り管を結ぶ配水流路を設けたことにより達成される。

本発明よれば、ブレードサイズに合わせた外形寸法内で最大熱輸送量性能を損なうことなく、熱抵抗を極力低減することが可能な冷却装置及びそれを備えた電子機器を提供できる。

以下、本発明の一実施例を図にしたがって説明する。

図１は、一般的なブレードサーバの概略構成を説明するための斜視図である。
図１において、ブレードサーバはＣＰＵ３やメモリ１９，ＨＤＤなどコンピュータとして必要な要素からなる薄型のブレード１と呼ばれるサーバ装置と、ブレードを複数枚搭載し、ブレードへの電力供給とＬＡＮ等の外部との情報の入出力を行う装置などからなるシャーシ２と呼ばれるものから構成される。詳細を図示してないが、シャーシ２内には、ブレードサーバ全体を冷却するためのファンを搭載するファンユニット４，ＬＡＮなど情報の外部との入出力を行うインターフェースとなるＩ／Ｏユニット５，電源供給を行う電源ユニット６、さらにはブレードの管理をおこなうシステムユニット７等がブレードと共にバックプレーン８によって電気的に接続されている。これらの構成をとることにより、ブレードサーバは、サーバを高密度に実装できる点や各ユニットごとに着脱が可能で、メンテナンス性に優れることなどが特徴となっている。

図１０は、一般的なブレードサーバの概略構成を説明するための斜視図である。
図１０において、一般に、ブレードサーバにおいて最も発熱量が大きく、放熱が必要となるのはＣＰＵ３である。ＣＰＵ３は、プログラムによって様々な数値計算や情報処理，機器制御などを行うコンピュータにおいて重要な半導体デバイスである。このＣＰＵ３の動作保証温度は多くの場合、ＣＰＵ３の表面温度で規定されている。この動作保証温度はＣＰＵにより異なるが、７０〜８０℃前後の温度である場合が多い。

ブレードサーバは、ブレードを抜き差しする側が、利用者がアクセスしやすく設置されることが多い。このことから、比較的空調された空気を取り込みやすいことと、利用者側へファンの騒音が伝わることを抑制するため、ブレードサーバ内を冷却するファンユニット４による風は、シャーシのブレードを抜き差しする側（空気流入方向３１）からファンユニット４側（排気方向３３）へ流すことが多い。

従来の冷却構造では、ブレード内においてＣＰＵ３に取り付けたＣＰＵ冷却用ヒートシンク３０と、ファンユニット４内のファン２２による風の流れ（ブレードサーバ内空気流動矢印３２参照）を利用して放熱している。しかしブレードの電子回路基板にはＣＰＵ３以外の部品が搭載されていることや、ブレードの厚さ制限があることから、ＣＰＵ３に取り付けられるヒートシンクの大きさは制限されている。

またサーバ機器では、その性能を向上するために複数のＣＰＵ３を搭載することが多いが、このブレードサーバにおいても１枚のブレードに複数のＣＰＵ３を搭載することが多い。これに伴い、ブレード上でＣＰＵ冷却用ヒートシンク１つあたりの利用できる空間も限られたものとなる。

ＣＰＵ３の発熱量は一般に高性能であるほど大きい傾向がある。しかし上記のような条件により大きさの制限されているヒートシンクでは、放熱可能な熱の量が限られてしまうため、搭載できるＣＰＵ３の性能も限られてしまう。

この問題を解決するために、ＣＰＵ３の熱をブレード内のヒートシンクで放熱するのではなく、ブレードの外へ輸送し、空間的冗長性の高いシャーシ内にヒートシンクを設ける構造を検討した。

図２には、本発明の一実施例を備えたブレードサーバの側面図である。
図２において、サーマルコネクタ２０は、ブレード１挿入時にヒートパイプ１２との熱的接続を可能としながら、ブレード１の着脱性を阻害しないものである。具体的な一例としては、ブレード１差し込み時に熱伝導性の良いシートを挟んでヒートパイプ１２を締め付け、ブレード１抜き取り時には、この締め付け力が緩和するような機構が考えられる。

ＣＰＵ３にはヒートパイプ１２を取り付け、ＣＰＵ３の熱をブレード１からシャーシ２側へ輸送する。このヒートパイプ１２の端は、ブレード１をシャーシ２に搭載する時に、サーマルコネクタ２０に接続され、さらにサーマルコネクタ２０自身はラジエータ２１と配管により接続されており、この配管内部を流れる流体によって、熱はサーマルコネクタ２０からラジエータ２１へ熱伝達される。そしてラジエータ２１より、ファン２２による風によって装置外へ熱を排出する。作動流体の沸騰により発生した蒸気は蒸気管１３を通り、放熱側である蒸気凝縮管１４内で冷却され凝縮する。凝縮した液は凝縮液戻り管１５を流れ、作動流体チャンバ（後述する）へ戻ることでヒートパイプ１２は動作し続けられる。

蒸気の流れに伴い、受熱側の圧力は放熱側の圧力よりも高い状態になっている。作動流体チャンバ（後述する）内の作動流体液面（後述する）と蒸気凝縮管１４との高低差は蒸気管１３を流れる蒸気の流動抵抗と凝縮液戻り管１５を流れる凝縮液の流動抵抗の和を上回るだけのヘッド差を有するように配置されている。

サーマルコネクタ２０およびラジエータ２１はファンユニット４内に搭載しているので、ブレードサーバの全体の体積を大きく変更することはない。またファン２２によって発生する風の一部は、一般的な構造と同様にブレード１前面から取り込まれ、ブレードに搭載されるＣＰＵ３以外の半導体デバイスや発熱体の冷却を行う。また、この風によりＣＰＵ３の熱の一部をヒートパイプ１２表面から放熱することが可能であり、ブレード１の放熱性能の向上につながる。

図３はシャーシから取り外したブレードの内部構造を示す側面図である。
図３において、ヒートパイプ１２はＣＰＵ３に作動流体チャンバ３５が取り付けられており、この作動流体チャンバ３５内部では作動流体が沸騰することでＣＰＵ３の温度を動作保証温度以下に保つ。また、ブレード１のＣＰＵ実装面方向に、この作動流体チャンバ３５のサイズを大きくすることで、ここでは２つのＣＰＵ３を同時に冷却できる構造となっている。なお、本実施例では作動流体として水を用いた。ここではＣＰＵ３の熱を受ける受熱面１７に、沸騰を促進するポーラス状の構造を採用した。一般に、ポーラス状の面は、平滑面に比べて沸騰が開始する過熱面温度と作動流体の液温との差が小さくてすむことが知られている。２つのＣＰＵ３を同時に冷却するために、作動流体液面１６は２つの受熱面１７に作動流体が浸される高さにしておく必要がある。

受熱側である作動流体チャンバ３５内の作動流体の沸騰により発生した蒸気は蒸気管１３を通り、放熱側である蒸気凝縮管１４内で冷却され凝縮する。凝縮した液は、凝縮液戻り管１５を流れ、作動流体チャンバ３５へ戻ることでヒートパイプ１２は動作し続ける。

蒸気の流れに伴い、受熱側の圧力は放熱側の圧力よりも高い状態になっている。作動流体チャンバ３５内の作動流体液面１６と蒸気凝縮管１４との高低差は、蒸気管１３を流れる蒸気の流動抵抗と、凝縮液戻り管１５を流れる凝縮液の流動抵抗の和を上回るだけのヘッド差を有するように配置する。図３中において、作動流体液面１６は、上側の受熱面１７よりも高い位置にあるが、ポーラス状の面の表面張力により作動流体が受熱面１７内に吸収されることや、沸騰によって発生した気泡によって液面が上下するので、実際には作動流体液面１６は、受熱面１７が完全に作動流体で浸される高さまで必要なく、ヘッド差を確保するために液量を少なめに調整すると良い。

ブレード１はシャーシ２挿入時にコネクタ２３によりバックプレーン８（図１に示す）と電気的に接続される。また他のシャーシ２内のユニット（ファンユニット４，Ｉ／Ｏユニット５，電源ユニット６，システムユニット７等）も同様にコネクタでバックプレーン８と電気的に接続されている。

ところで、ブレード１に搭載されるヒートパイプ１２の蒸気凝縮管１４は、サーマルコネクタ２０と接続するために、ラジエータ２１の設置されたファンユニット４内にまで延びている必要がある。そしてバックプレーン８のヒートパイプ１２が通過する部分には開口部を用意する必要がある。しかしながら、バックプレーン８には、さまざまなコネクタの接続部があるため開口部の大きさが制限される。

そこでブレード１の挿抜性と、バックプレーン８の開口部が大きくできないことを考慮しながら、サーマルコネクタ２０との接触面積を大きくとるために、本発明では蒸気凝縮管１４を円管を挿抜方向に伸ばした形状とした。

ヒートパイプ１２の熱抵抗を下げるためには、受熱側と放熱側それぞれの熱伝達特性の向上が必要となる。すでに述べたように、本実施例においては、受熱面にポーラス形状を適用することで沸騰性能を向上し、受熱側での熱抵抗の低減を図った。これに対して放熱側の熱抵抗の低減には、熱交換を行う表面の拡大が有効となる。

図４は、本実施例を備えた蒸気凝縮管内部のフィン形状を示す部分断面図である。
図４において、凝縮管内面の面積拡大を図るには、フィン高さＨを高くし、フィンピッチｐを狭める必要がある。しかしフィン高さＨを高くしすぎると、蒸気凝縮管１４内の蒸気の流路を狭めることとなり、受熱側から放熱側への圧力損失を大きくし、これにより凝縮液の戻りを悪化させる要因ともなる。そこでフィンピッチｐを狭めることが有効で、また本実施例ではフィンピッチｐが１mm未満、フィン高さが１mm程度のフィンを使用し、面積拡大率は３.８倍程度とした。しかし、これは同様な微細フィンであれば良く、上記のものに限定されるものではない。またフィン先端２７を尖らせることでこの液膜厚さを薄くできることも知られている。

課題の欄で述べたが、このようなフィンピッチｐが狭く、それに伴いフィン間隔ｄが狭いフィンを用いるには、フィン間に保持される液の排水性能を向上する構造が必要である。

図５は、本実施例を備えた蒸気凝縮管の内部構造を示す斜視図である。
図５において、蒸気凝縮管１４は水平に挿抜するブレードに合わせて、水平に配置する事が必要である。この水平に置かれた蒸気凝縮管１４においてフィン１０間に毛細管力で保持された液の排水性を向上させるため、フィン１０には管軸方向に対して垂直に近い角度を持たせることで、重力により液が管下側へ流れるようにした。さらに、この管中心の下側にフィン断面が露出するように、管軸方向にほぼ平行な溝１１を設け、この溝１１に管内面のフィン１０間隔よりも素線間隔が小さいウィック９を充填した。

本実施例では、ヒートパイプの材質に銅を使用し、作動流体に水を使用していることから、ウィック９は銅の細線を束ねたものを使用した。しかし、これは毛細管力で凝縮液をフィン１０間から吸い取れるもので、ヒートパイプ１２の材質や作動流体との関係を鑑みた上で、腐食などが発生しにくく信頼性の保てるものであれば何でもよい。

フィンの断面を露出させることで、フィン１０間に保持される凝縮液とウィック９が接することになるため、ウィック９の毛細管力による吸水性能を引き出しやすい。これらの構造を採用することで、重力とウィック９の毛細管力の両方によりフィン１０間の凝縮液の排水性を向上でき、フィンピッチ間隔を狭めても熱伝達率が低下することなく面積拡大の効果を得られることになり、さらには蒸気凝縮管１４の熱抵抗の低減を実現できる。またこのウィック９の毛細管力は、蒸気の流れ方向に逆らって液を凝縮液戻り管１５へ流すことにも役立ち、最大熱輸送量の維持にも効果を発揮する。

図６は本実施例を備えたヒートパイプの断面図である。
図６において、蒸気凝縮管の下側に設置したウィック９は、凝縮液の戻すための凝縮液戻り管１５まで伸ばすことで、ウィック９に吸水された作動流体が凝縮液戻り管１５へ流れるようにしている。

また凝縮液戻り管１５を蒸気凝縮管１４に対して直交するように接続することによってウィック９と作動流体液面１６との距離を最短とした。これにより凝縮した液がウィック９を伝い確実に作動流体液面１６まで到達するだけでなく、ウィック９による凝縮した作動流体の流動損失を小さくすることができる。したがって、その分ヒートパイプを駆動させるために必要なヘッド差は小さくてすむので、作動流体液面１６を高くでき、受熱側での安定した放熱性能が得られる。また、ウィック９による凝縮した作動流体の流動損失を、小さくすることができるので最大熱輸送量の向上にもつながる。

図７は他の実施例を備えた蒸気凝縮管の部分斜視図である。
図７において、実施例１の構造では蒸気の流れと、ウィック９を流れる凝縮液の流れは対向することになる。蒸気の流れの影響下にあってもウィック９の毛細管力により凝縮液は作動流体チャンバ３５（図３に示す）へ戻るが、より最大熱輸送量を向上するためには、この影響を極力小さくすることが望まれる。そこで本実施例では実施例１に示した蒸気凝縮管１４において、蒸気凝縮管１４内部構造のウィック９上面に仕切り板開口部２５を有する仕切り板２４を設け、蒸気の流れの影響がウィック９内の凝縮液の流れへ影響しないようにした。

本実施例の構造では、フィンで凝縮した液は、フィン断面からウィック９へ流れるので、仕切り板２４でウィック９上面を完全に覆っても排水性に影響ない。一方、管内の上側に位置するフィン１０で凝縮した液は、フィン１０先端から管下側へ滴り落ちることも考えられる。この滴り落ちた液が仕切り板２４の上面で水滴を作ると蒸気の流れを阻害する恐れがあるので、仕切り板２４に部分的に仕切板開口部２５を設けることが有効である。

これらの構造をとることで、実施例１と同様の熱抵抗の低いヒートパイプを実現しながら、蒸気凝縮管１４から凝縮液戻り管１５への液戻りを促進し、最大熱輸送量の向上につなげることができる。

図８はさらに他の実施例を備えたヒートパイプの断面図である。
図８において、実施例１に示した蒸気凝縮管１４の構造では、蒸気の流れとウィック９を流れる凝縮液の流れは対向することになる。そこで、蒸気凝縮管１４の内部にスペーサ３４を介して内側蒸気管２８を設け、蒸気管１３からの蒸気が、この内側蒸気管２８を通り、蒸気凝縮管１４の端に開放される構造としたものである。これにより内側蒸気管２８から開放された蒸気はヒートパイプの先端から、凝縮液戻り管１５の方へ流れることとなり、ウィック９を流れる凝縮液の流れと並行となる。このためウィック９を流れる凝縮液の流れは、蒸気の流れにより促進され、凝縮液戻り管１５への排水性能が向上し、最大熱輸送量の向上にもつながる。また、これによりフィン間の排水性も向上するので蒸気凝縮管の熱抵抗も低減する。

図９は、図８で説明した実施例のヒートパイプ部分拡大断面図である。
図９において、内側蒸気管２８は、蒸気凝縮管１４のフィン先端とは距離を持って配置されており、蒸気はこのフィンと内側蒸気管２８との隙間を流れることとなる。作動流体チャンバ３５（図３に示す）で沸騰した作動流体の一部は、蒸気ではなく液滴の状態で蒸気管１３（図６に示す）を流れることがある。実施例１および実施例２に示す蒸気凝縮管１４では、これらの液滴は蒸気凝縮管１４へ流れ込むところで、凝縮液戻り管１５に落ちるようになっている。しかし課題でも述べたが、内側蒸気管２８のような内管を取り付けた構造では、内側蒸気管２８と蒸気管１３との段差により、蒸気管１３を流れてきた液が、この段差に溜まってしまうことや、内側蒸気管２８が蒸気管１３よりも細い。そのため、この内部に液滴が入った場合には蒸気流れの流動抵抗が著しく大きくなり、受熱側と放熱側の圧力差を大きくし、凝縮液戻りの悪化と最大熱輸送量の低下を招く恐れがある。

そこで本実施例では、蒸気管１３（図６に示す）と内側蒸気管２８のスペーサ３４部分の特に液滴が滞留する下側に排水流路２９を設けた。これにより蒸気管１３内を流れてきた水滴を内側蒸気管２８を通すことなく凝縮液戻り管１５へ流せることが可能となり、受熱側と放熱側の圧力差が大きくなることを防ぎ、最大熱輸送量の向上を図ることができる。

図１１は、さらに他の実施例を備えたヒートパイプの断面図である。
図１１において、本実施例においては、実施例３で示したような排水流路２９をスペーサ３４内に設けるのではなく、蒸気管１３と凝縮液戻り管１５とを接続する新たな配管による排水流路２９として設けたものである。

図１２には、さらに他の実施例を説明するもので、シャーシ２から取り外されたブレードの内部構造を示す断面図である。
図１２において、凝縮液戻り管１５には、蒸気凝縮管１４で凝縮した作動流体が流れるため、凝縮液戻り管１５はヒートパイプ全体の中では比較的温度が低くなる。また近年では、メモリ１９の高速化や集積化が進み、それに伴いメモリ１９の発熱密度も大きくなっており、放熱性の確保がコンピュータの信頼性確保のためにも必要となっている。本実施例では、この凝縮液戻り管１５とメモリ１９を、一般の樹脂材よりも熱伝導率が高く、柔軟性があるゴムなどである熱伝導シート（図示せず）を挟んで接続し、メモリ１９の熱を凝縮戻り管１５へ放熱している。本実施例ではメモリ冷却部１８として図示した。このメモリ冷却部１８では、柔軟性のある接続部材により、凝縮液戻り管１５やメモリ１９の寸法誤差や設置誤差などを吸収するものである。

熱伝導シートの代わりとしてグリス状の熱伝導材を凝縮液戻り管１５とメモリ１９の間に充填することも考えられる。また、あらかじめメモリ１９と熱伝導シートなどで熱的に接続された金属製の冷却ジャケットとなどを用意し、この冷却ジャケットと凝縮液戻り管１５を直接若しくは熱伝導シートなどを介して接続し、メモリ１９を冷却する手段も考えられる。本実施例では、メモリ１９の冷却しか言及していないが、このメモリ１９の代わりに他のブレード上の半導体デバイスに置き換えても同様の冷却効果が得られる。

この凝縮液戻り管１５との熱的な接続により冷却可能な半導体デバイスの対象は、凝縮液戻り管１５内で作動流体が沸騰しないような発熱量の発熱体に限定される。これは、凝縮液戻り管１５内で発生した気泡が蒸気凝縮管側へ流れ、凝縮した作動液の受熱面への戻りを阻害してしまうためである。

図１３は、さらに他の実施例を説明するもので、シャーシから取り外したブレードの内部構造を示す断面図である。
図１３において、実施例５で示した構造では、凝縮液戻り管１５を用いて冷却される半導体デバイスの発熱量は、凝縮液戻り管１５で作動流体を沸騰させない条件とする必要があった。そこで本実施例では、メモリ冷却部１８で沸騰した蒸気の気泡が、その浮力により、確実に作動流体チャンバ３５に流れるようにしたものである。

すなわち、沸騰による凝縮した作動液の受熱面への戻りを阻害することを防ぐため、凝縮液戻り管１５のメモリ冷却部１８と、凝縮液戻り管１５と作動流体チャンバ３５の接続部において、凝縮液戻り管１５と作動流体チャンバ３５の接続部の方が高い位置になるように高低差を設けた。具体的には、図１３に示すように、凝縮液戻り管１５のメモリ冷却部１８から作動流体チャンバ３５の接続部に至る配管に水平面から傾斜角を傾けたものである。

図１４は、他の実施例を備えたブレードの断面図である。
図１４において、蒸気凝縮管１４の表面に風が流れる空隙を持った金属板等で構成された、蒸気凝縮管放熱フィン３７を設けた。この上記蒸気凝縮管放熱フィン３７の材質は熱伝導性の高い材料であれば良く、例えばアルミニウム，銅，グラファイトシート又はこれらと同等の熱伝導率を有する材料であればよい。また形状も板に限らず、上記蒸気凝縮管１４よりも放熱面積を拡大できる形状または機構であれば良く、例えばダイカストなどで作られたフィンを有するブロックを用いる方法や、金属製のブロック内に液を循環させる方法や、相変化型の熱拡散デバイスであるヒートパイプやベーパチャンバを用いる方法などが挙げられる。

また上記作動流体チャンバ３５の外側にも、チャンバ放熱フィン３６を設けた。この構造をよれば、ファンユニット４（図１に示す）よりブレード１へ風を流すことで、ＣＰＵ３の熱はヒートパイプ１２により、上記チャンバ放熱フィン３６と上記蒸気凝縮管放熱フィン３７の２箇所で放熱されることになる。

図１５は、図１４で説明したブレードをシャーシに差し込んだ状態を示す図である。 図１５において、ブレードサーバ全体の構成を示す。これまでの実施例と同様に、ファンユニット４内に設置されたファン２２により、シャーシ２のブレード１差込側からファンユニット側へシャーシ２内に風を流し、ブレード上の半導体デバイスを冷却している。

本実施例では、ヒートパイプ１２の特に作動液チャンバ３５での放熱性を向上させるためにチャンバ放熱フィン３６を設けたものである。

また本実施例では、ブレード１をシャーシ２に差し込んだ時、上記蒸気凝縮管１４表面に取り付けた上記蒸気凝縮管放熱フィン３７が、ファンユニット４内に位置することになり、ファン２２の風で上記蒸気凝縮管を冷却できるようになっている。これにより、ファンユニット４内にサーマルコネクタ２０（図２に示す）、ラジエータ２１の構成を含まずにヒートパイプ１２により輸送されたＣＰＵ３の熱をファン２２による風でブレードサーバ外へ排出できる。ただし、この構成にサーマルコネクタ２０，ラジエータ２１を加えても問題は無く、その場合は上記蒸気凝縮管１４表面のサーマルコネクタ２０と接続される部分には、上記蒸気凝縮管放熱フィン３７は取り付けられないことは言うまでもない。

本発明が適用されるブレードサーバの簡略的な構成を示した図である。 本発明に関わる実施例のブレードサーバ全体の構成を示す図である。 本発明に関わる実施例のシャーシから取り外したブレード部分の内部構造を示す図である。 本発明に関わる実施例の蒸気凝縮管のフィン断面形状を示す図である。 本発明に関わる実施例の蒸気凝縮管の内部構造を示す図である。 本発明に関わる実施例のヒートパイプ全体の断面図を示す図である。 本発明に関わる実施例の蒸気凝縮管の構造断面を示す図である。 本発明に関わる実施例のヒートパイプの構造断面を示す図である。 本発明に関わる実施例のヒートパイプ構造断面について、内側蒸気管と蒸気凝縮管部分について拡大した図である。 従来のブレードサーバの冷却方法について示す図である。 本発明に関わる実施例のヒートパイプの構造断面を示す図である。 本発明に関わる実施例のシャーシから取り外したブレード部分の内部構造を示す図である。 本発明に関わる実施例のシャーシから取り外したブレード部分の内部構造を示す図である。 本発明に関わる実施例のシャーシから取り外したブレード部分の内部構造を示す図である。 本発明に関わる実施例のブレードサーバ全体の構成を示す図である。

符号の説明

１…ブレード、２…シャーシ、３…ＣＰＵ、４…ファンユニット、５…Ｉ／Ｏユニット、６…電源ユニット、７…システムユニット、８…バックプレーン、９…ウィック、１０…フィン、１１…溝、１２…ヒートパイプ、１３…蒸気管、１４…蒸気凝縮管、１５…凝縮液戻り管、１６…作動流体液面、１７…受熱面、１８…メモリ冷却部、１９…メモリ、２０…サーマルコネクタ、２１…ラジエータ、２２…ファン、２３…コネクタ、２４…仕切り板、２５…仕切り板開口部、２６…ブレード挿抜方向、２７…フィン先端、２８…内側蒸気管、２９…排水流路、３０…ＣＰＵ冷却用ヒートシンク、３１…空気流入方向、３２…ブレードサーバ内の空気流動方向イメージ、３３…排気方向、３４…スペーサ、３５…作動流体チャンバ、３６…チャンバ放熱フィン、３７…蒸気凝縮管放熱フィン、Ｈ…フィン高さ、ｐ…フィンピッチ、ｄ…フィン間隔。

Claims (8)

1. 複数の半導体デバイスを有する電子回路基板を内蔵したブレードと、このブレードの挿抜による電気的及び機械的な着脱を許容するシャーシと、前記ブレード内に実装されたＣＰＵの熱を受熱する受熱部と放熱とを行う蒸気管と蒸気凝縮管と凝縮液戻り管を有するヒートパイプとを備え、
   この蒸気凝縮管を円管として前記ブレードの挿抜方向に伸ばした形状とし、
   前記蒸気凝縮管の内壁に螺旋状のフィンを設け、このフィンを分断するように前記蒸気凝縮管の長手方向に溝を設け、当該溝は前記蒸気凝縮管の管中心の下側に配置し、上記溝にフィン間隔よりも素線間隔が小さいウィックを充填して、当該ウィックにより前記蒸気凝縮管を流れる凝縮液のうちの前記フィン間に保持される凝縮液を吸収することを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１記載の冷却装置において、
   前記ヒートパイプは前記受熱部が熱源と接する部分に作動流体の液たまり部を有し、この液たまり部内の作動流体液面は前記蒸気凝縮管の前記溝の底面よりも鉛直方向下側に位置し、前記液たまり部の作動流体液面よりも上部で前記蒸気凝縮管を接続し、前記液たまり部の作動流体液面よりも下部で前記凝縮液戻り管を接続したことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項２記載の冷却装置において、
   前記ヒートパイプの前記蒸気凝縮管の下側に前記凝縮液戻り管を鉛直方向に接続したことを特徴とする冷却装置。
4. 複数の半導体デバイスを有する電子回路基板を内蔵したブレードと、このブレードの挿抜による電気的及び機械的な着脱を許容するシャーシと、前記ブレード内に実装されたＣＰＵの熱を受熱する受熱部と放熱とを行う蒸気管と蒸気凝縮管と凝縮液戻り管を有するヒートパイプとを備え、
   この蒸気凝縮管を円管として前記ブレードの挿抜方向に伸ばした形状とし、
   前記蒸気凝縮管の内壁に螺旋方向のフィンを設け、このフィンを分断するように前記蒸気凝縮管の長手方向に溝を設け、当該溝は前記蒸気凝縮管の管中心の下側に配置し、上記溝にフィン間隔よりも素線間隔が小さいウィックを充填して、当該ウィックにより前記蒸気凝縮管を流れる凝縮液のうちの前記フィン間に保持される凝縮液を吸収することを特徴とする電子機器。
5. 請求項４記載の電子機器において、
   前記ヒートパイプの受熱面の熱源と接する部分はフィン若しくはポーラス状の面を有することを特徴とする電子機器。
6. 請求項４記載の電子機器において、
   前記ヒートパイプは前記受熱部が熱源と接する部分に作動流体の液たまり部を有し、この液たまり部内の作動流体液面は前記蒸気凝縮管の前記溝の底面よりも鉛直方向下側に位置し、前記液たまり部の作動流体液面よりも上部で前記蒸気凝縮管を接続し、前記液たまり部の作動流体液面よりも下部で前記凝縮液戻り管を接続し、
   前記ヒートパイプでＣＰＵを冷却すると同時にＣＰＵ以外の半導体デバイスの一部を前記凝縮液戻り管で熱伝導部材を介して冷却することを特徴とする電子機器。
7. 請求項１記載の冷却装置において、
   前記溝に充填した前記ウィックの上面に開口部を有する仕切り板を設けたことを特徴とする冷却装置。
8. 請求項２記載の冷却装置において、
   前記蒸気凝縮管の内部にスペーサを介して内側蒸気管を設けて、前記蒸気管を流れる蒸気が、前記内側蒸気管を通り前記蒸気凝縮管の端より、前記蒸気凝縮管内に開放され、前記凝縮液戻り管へ流れるようにするとともに、前記蒸気管と前記凝縮液戻り管を結ぶ配水流路を設けたことを特徴とする冷却装置。

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