JP5297353B2 - 電子機器装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源モジュールの小型、高密度化に対して最適な冷却を行う電源モジュールを搭載した電子機器装置に関する。

ブレードサーバ等の電子機器は、情報量や処理速度の増大に伴ってＣＰＵ等の半導体素子の消費電力増大による発熱していることから、所定の電気に変換する電源モジュールに搭載された半導体素子の熱影響が問題視されてきている。

電源モジュールを構成している半導体素子は高発熱で比較的耐熱温度が高いもの、低発熱であるが耐熱温度の低いものが共存している。後者の耐熱温度の低い半導体素子は、ブレードサーバからの高発熱な半導体素子の発熱の影響を大きく受けるため、電源本来の性能を発揮できないだけでなく、電源自身の破損を招くことさえある。

そのため、耐熱温度の低い半導体素子を備えた電源モジュール内には、種々の半導体素子を冷却して最適な温度範囲に管理するための冷却ファン、放熱フィン等の冷却装置を備えている。

冷却ファンの外形と装置枠体との寸法関係(冷却ファンの外形を大きめ)から、冷却ファン付きヒートシンクを搭載した電源装置の一例として例えば、特開２００５−０３３０８８号公報（特許文献１）がある。

また、電源に冷却ファンとヒートシンクを接続した電子装置の冷却構造に関する一例として、特開２００１−０１５９６８号公報（特許文献２）がある。

さらに、電源の発熱体にヒートシンクを加圧可能となる構造の一例として特開平１１−０９７８７２号公報（特許文献３）がある。

特開２００５−０３３０８８号公報 特開２００１−０１５９６８号公報 特開平１１−０９７８７２号公報

ブレードサーバを代表とするサーバ装置は、それを構成するＣＰＵ、Ｉ／Ｏ、電源等の各モジュールが、情報処理ユーザーのニーズに応じてサーバの筐体内に着脱自在に交換と装着ができるような構成となっている。

すなわち、例えば消費電力が増大したＣＰＵを搭載したサーバモジュールをユーザーが装着する場合には、消費電力の増大にＣＰＵに対応した電源モジュールが必要である。

この電源モジュールは、交流から直流に変換ロスしたとき熱が発生するため、高い冷却性能を備えた冷却装置を設ける必要がある。しかし、各モジュールは大きさが決まっているため大きさを容易に変更することができない。したがって、電源モジュールでは大きさを変更できない分高性能な冷却装置が必要となる。

電源モジュールの冷却装置として、冷却ファンとヒートシンクの組合せで、電源モジュール内で放熱する構造が検討されている。

上述の特許文献１に記載されている電源モジュールの半導体素子用冷却装置は、複数のフィンがベース上に並列された放熱フィンと、複数のフィンがそれぞれ挿通される開口を有するカバーとを備え、フィンの先端部はカバー外に、フィンの根元部はカバー内に位置し、自然空冷と強制空冷の両方を効率良く取り入れることが可能となっている。

しかし、特許文献１においては、電源モジュールが均一に発熱する場合に限定されることになるとともに、電源モジュール内に実装される各半導体素子の発熱量、耐熱許容温度の差異による冷却性能への影響等が懸念されるが、これの問題に関しては何ら配慮されていない。

また特許文献２に記載された技術においては、冷却用ファン付きヒートシンクの上下面に熱伝達媒体を介在させた熱伝導性基板が取り付けられた構成となっている。そしてこのヒートシンクは熱伝導性基板の面と平行方向へ送風される冷却ファンによって放熱される。これにより、ヒートシンクの通風距離を短くでき、通風抵抗が少なくなり、ヒートシンクと冷却ファンを小型なものにできる。

しかし、特許文献２においては、電源モジュール内の高発熱の半導体素子による風温上昇の発生により、低耐熱温度の半導体素子への影響等が問題となる可能性がある。

さらに特許文献３に記載されている電源モジュールの冷却構造は、ヒートシンク本体の発熱部品と対向する部分に冷却ファン側と発熱部品接触面側を連通する通風穴を設けている。これにより冷却ファンからの冷却風の流れを変え、発熱部品を冷却風で直接冷却できるので電源装置の組み立てが容易で、かつ冷却性能を向上できるとしている。

しかし、特許文献３においては、電源内の耐熱許容温度の低い半導体素子と発熱量の高い半導体素子への冷却風の分配や風温上昇等が問題となる可能性があるが、この問題については何らの配慮もされていない。

本発明の目的は、ブレードサーバに搭載される電源モジュールの半導体素子を効率的に冷却することが可能な電子機器装置を提供することにある。

上記目的は、冷却ファンと放熱部材を筐体内に収納したファンモジュールと、電子部品を搭載した基板と放熱フィンを筐体内に収納したサーバモジュールと、半導体素子を搭載した基板と冷却ファンを筐体に収納した電源モジュールとを備えたサーバ装置であって、前記電子部品の熱を前記ファンモジュールの冷却ファンと放熱部材で冷却する電子機器装置において、前記電源モジュールの前記半導体素子に接続された熱伝導部材と、この熱伝導部材の一端が前記電源モジュールの筺体と熱的に接続され、前記ファンモジュールの放熱部材はこのファンモジュールの筺体に熱的に接続されてなり、前記電源モジュールの前記筺体と前記ファンモジュールの前記筺体とは伝熱シートを介して熱的に接続されていることにより達成される。

また上記目的は、前記熱伝導部材はヒートパイプであることにより達成される。

また上記目的は、前記ファンモジュール内の放熱部材は液体を冷却媒体とする水冷装置のラジエータで構成してなり、このラジエータに接続された受熱ジャケットが前記ファンモジュールの筐体と熱的に接続されていることにより達成される。

また上記目的は、前記ファンモジュール内の放熱部材は液体を冷却媒体とする水冷装置の受熱ジャケットで構成してなり、この受熱ジャケットに接続されたラジエータを前記サーバ装置の背面を開閉する扉に熱的に接続したことにより達成される。

また上記目的は、前記ファンモジュールの放熱フィンのベースがこのファンモジュールを構成する筺体の一部を形成することにより達成される。

また上記目的は、前記電源モジュールの熱伝導部材がこの電源モジュールを構成する筺体の一部を形成することにより達成される。

本発明によれば、高性能なサーバモジュールにおける半導体素子の消費電力の増大に対応可能な電子機器装置を提供できる。

一般的なサーバ装置の構成を説明する斜視図である。 一般的なサーバ装置の正面と背面から見た概要構成図である。 図２の正面から見た図をＡ−ＡとＢ−Ｂで断面した図である。 本発明の一実施例を備えた各モジュール部分の上面と側面から見た図である。 本発明の他の実施例を備えたブレードサーバの構成を示す断面図である。 本発明の他の実施例を備えたブレードサーバの構成を示す断面図である。 本発明における冷却装置の構成を示す分解概略斜視図である。

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する前に、ブレードサーバの概略構成を図１〜図３で説明する。

図１は一般的なブレードサーバの斜視図である。

図２は一般的なブレードサーバの正面と背面を示す図である。

図３は図２の正面をＡ−Ａ線断面図とＢ−Ｂ線断面図である。

図１において、１はサーバ装置本体である。このサーバ装置本体１には図示しない他の機器とともにブレードサーバ２が設置されている。このブレードサーバ２には、詳細は後述するが複数個のサーバモジュール３が図１の矢印（前後方向）のように着脱自在に装着されている。

なお、図１〜図３の例ではブレードサーバ２の正面側にサーバモジュール３が６台挿入された状態の例を示した。

ブレードサーバ２の正面側には正面扉２ａが矢印のように開閉自在に取り付けられている。この正面扉２ａは図示していないが冷却空気を取り入れることができるように全面に渡って開口が形成されている。２ｂは背面扉である。この背面扉２ｂは前面扉２ａと同じように矢印のように回転し、図示していないが冷却空気を取り入れることができるように全面に渡って開口が形成されている。

図２において、サーバ本体１を正面から見ると、ブレードサーバ２にはザーバモジュール３が複数台幅方向に挿入されている。このサーバモジュール３はマネジメントモジュール７によって管理制御されるようになっている。背面側にはファンモジュール４と電源モジュール５が載置されている。

図３において、Ａ−Ａ断面に示すようにサーバモジュール３の背面側にはファンモジュール４が位置する構成となっている。またＢ−Ｂ断面に示すようにマネジメントモジュール７の背面側には電源モジュール５が位置する構成となっている。ブレードサーバ２ではデータを通信するためのI/０モジュール６が搭載されており、これらの電子部品も発熱するため図示しないファンによって冷却されるようになっている。

さて、上述したように一般的なサーバモジュール３は専用のファンモジュール４によって冷却されているが、電源モジュール５の内部に搭載された半導体素子の冷却には配慮されていなかった。

そこで本発明の発明者らはファンモジュール４を構成する金属製の筐体と電源モジュール５を構成する筐体を一種の熱伝導部材として兼用することを考えたものである。つまり、ファンモジュール４の筐体と電源モジュールの筐体を熱的に接続することにより熱伝導部材（放熱部材）の共用化によって電源モジュールの冷却を図ることを考えたものである。

以下、本発明の一実施例を図を使って説明する。

図４はブレードサーバを部分的に断面して上から見た図と側面から見た図であり、図１（１）はファンモジュール部分を上面から見た図である。図１（２）は電源モジュール部分を上面から見た図である。図１（３）は側面から見た図である。

図４において、ブレードサーバ２は前述したようにサーバモジュール３、ファンモジュール４、電源モジュール５を載置している。電源モジュール５は高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１とレギュレータ５２を収納している。さらに低発熱であるが耐熱許容温度が低いコンデンサ５３と電流を整流化するフィルタコイル５７等を搭載した電源基板５４と冷却ファン５５を載置している。これらは筺体板金５６等で覆われている。

サーバモジュール３はＣＰＵ３１、メモリ３２、半導体素子によるチップセット３３等を搭載したマザーボード３４を載置している。また、ＣＰＵ３１の発熱を冷却するための放熱フィン３５を設置している。この放熱フィン３５は冷媒の相変化を利用した沸騰型冷却装置であっても良い。これらは筺体板金３６等で覆われている。５８はヒートパイプ等の熱伝導部材である。

ファンモジュール４は比較的大形の冷却ファン４１と、放熱部材となる放熱フィン４２とが筺体板金４３等で覆われている。この放熱フィン４２は筺体板金４３に熱的にサーバモジュール３と電源モジュール５の高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１、レギュレータ５２を冷却するため、各々のサーバモジュール３、電源モジュール５と隣接して配置するよう記載した。しかし図１、図２に示したように複数のサーバモジュール３ごと、電源モジュールごとに対向させて大形のファンモジュールとして載置されても良い。また、電子装置で搭載する冷却ファン４１はプロペラファンが一般的である。

このプロペラファンを複数台並列に実装する場合、上流側ファンからの旋回流を打ち消して整流化する必要があるため、放熱フィン４２はこの旋回流を打ち消し、整流化するための役目を持たせた形状のものでもよい。

電源モジュール５において、低発熱であるものの耐熱許容温度の低いコンデンサ５３や電流を整流化するフィルタコイル５７の熱は、電源モジュール５の冷却ファン５５からの冷却風でブレードサーバ２外へ放出されるようになっている。一方、高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１やレギュレータ５２の熱は、ヒートパイプ等の熱伝導部材５８を経由して電源モジュール５の筺体板金５６へ伝わるようになっている。

この熱伝導部材５８が電源モジュール５の筺体板金５６の一部分を兼ねた構成にしていてもよい。さらに、電源モジュール５とファンモジュール４間には設けられた伝熱シート８により、電源モジュール５の高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１、レギュレータ５２の熱は、ファンモジュール４の筺体板金４３、放熱フィン４２に伝わり、比較的大形の冷却ファン４１によりブレードサーバ２外へ放出される。この放熱フィン４２のベース部４２１（詳細は後述する）はファンモジュール４の筺体板金４３の一部分を構成していてもよい。

図５は他の実施例を備えたブレードサーバを説明するための側面断面図である。

図５において、本実施例は実施例１で説明したファンモジュール４内の放熱部材である放熱フィン４２に代えて、ポンプ４４の駆動による水冷ラジエータ４５を設けたものである。

電源モジュール５の高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１とレギュレータ５２の熱はファンモジュール４の筺体板金４３に伝わるようになっている。この筺体板金４３に伝わった熱は熱的に接続ざれた水冷ラジエータ４５へ伝わり、ブレードサーバ２外へ放出される。これは実施例１の場合と同様に、この水冷ラジエータ４５の受熱ジャケット部４５１はファンモジュール４の筺体板金４３の一部分を構成していてもよい。この水冷ラジエータ４５は受熱ジャケット４５１と水タンク（図示せず）とポンプ４４を柔軟性のあるホースで接続された一般的な水冷装置である。

図６は他の実施例を備えたブレードサーバを説明するための側面断面図である。

図６において、本実施例は実施例１で説明したファンモジュール４内の放熱部材である放熱フィン４２と実施例２で説明した水冷ラジエータ４５に代えて、実施例２の受熱ジャケット部４５１とは異なる受熱ジャケット４６をファンモジュール４の筺体板金４３に取り付けたものである。

この受熱ジャケット４６からは配管がサーバ装置１の背面扉２ｂまで延出され、背面ドア２ｂに取り付けられた水冷ラジエータ９１が接続されている。この水冷ラジエータ９１は放熱面積をできるだけ大きく確保するために背面扉２ｂに配管したものである。ただし、水冷ラジエータ９１を大きくした場合にはその大きさに見合った性能を備えた受熱ジャケットが必要であることは言うまでもない。

ポンプ（図示せず）によって循環する液体によって受熱ジャケット４６で集熱した熱は、水冷配管９２から水冷ラジエータ９１へ伝わり、サーバ装置１外へ放出される。なお、受熱ジャケット４６はファンモジュール４の筺体板金４３の一部分を構成していてもよい。

ここで、本発明の電源モジュールに搭載される冷却装置を図７で説明する。

図７は本発明の一実施例を備えた電源モジュールの冷却装置を分解した概略斜視図である（なお、冷却ファンを省略している）。

図７において、電源基板５４には高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１、レギュレータ５２、低発熱であるが耐熱許容温度の低いコンデンサ５３が実装されている。さらに、トランス５１、レギュレータ５２にはそれぞれ偏平ヒートパイプ５１１、５２１の熱伝導部材が取り付けられている。この偏平ヒートパイプ５１１、５２１はその一端（図示せず）はグリースや伝熱シート等を介して電源モジュールの筺体板金５６に熱的に接続されている。

この電源モジュールの筺体板金５６とファンモジュールの筺体板金４３との間には伝熱シート８が設けられ、伝熱シート８の接触熱抵抗を低減するためにモジュールに取り付けられたバネ等（図示せず）で荷重保持されている。また、ファンモジュールの筺体板金４３には放熱フィン４２がグリース、伝熱シート等を介して取り付けられている。この放熱フィン４２のベース４２１がファンモジュールの筺体板金４３の一部を兼ねていてもよい。また、この放熱フィン４３は図５の水冷ラジエータ９１、図６の高性能受熱ジャケット４６等でもよい。

ここで、高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１、レギュレータ５２の温度に関して説明する。

ファンモジュール内の冷却風量は図４で説明したようにＣＰＵ、メモリ等のサーバモジュールから発生する熱を冷却するために、電源モジュールに比べると高風量である。また、放熱フィン４３の流入空気温度はサーバモジュール出口空気温度であり、ここでの風量が大きいため空気温度は電源モジュール内の空気温度より比較的低い。

以上のことから、高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１、レギュレータ５２の熱はファンモジュール内の放熱フィン４２へ伝わり、トランス５１、レギュレータ５２を良好に冷却できる。さらに、高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１、レギュレータ５２の熱がファンモジュールの放熱フィン４２へ伝わり、電源モジュールから放出されないため、電源モジュール内の空気の温度上昇を低減できる。

従来、高発熱で比較的耐熱許容温度が高いトランス５１、レギュレータ５２には放熱のために大形放熱フィンが搭載され、コンデンサ５３はその大形放熱フィンの影となり、冷却風の不足や風温上昇の問題があった。

しかしながら本発明によれば、低発熱であるが耐熱許容温度の低いコンデンサ５３の温度上昇の主要因であった、トランス５１、レギュレータ５２からの熱かぶり（対流、ふく射）の影響がなくなる。このため、コンデンサ５３を良好に冷却でき、電源モジュールの冷却ファンを小型化できる。さらに電源モジュールの実装レイアウトの自由度を増すことができ、高密度実装、高出力化を達成できる。

本発明は以上のような構成とすることによって、小型、高密度化なサーバ用電源モジュールを提供でき、高性能なサーバモジュールにおける半導体素子の消費電力の増大に対応可能なサーバ装置を提供できる。

形状の限定されるブレードサーバにおいても、高出力な電源モジュールを冷却可能とし、多彩な高密度なサーバモジュールを搭載可能とする電子機器を提供できるものである。

１・・・サーバ装置本体、２・・・ブレードサーバ、２ａ・・・正面扉、２ｂ・・・背面扉、３・・・サーバモジュール、４・・・ファンモジュール、５・・・電源モジュール、６・・・I/０モジュール、７・・・マネジメントモジュール、３１・・・ＣＰＵ、３２・・・メモリ、３３・・・チップセット、３４・・・マザーボード、３５・・・放熱フィン、３６・・・筺体板金、４１・・・冷却ファン４１、４２・・・放熱フィン、４３・・・筺体板金、４４・・・ポンプ、４５・・・水冷ラジエータ、４６・・・受熱ジャケット、５１・・・トランス、５２・・・レギュレータ、５３・・・コンデンサ、５５・・・冷却ファン、５６・・・筺体板金、５７・・・フィルタコイル、５８・・・熱伝導部材、９１・・・水冷ラジエータ、４２１・・・ベース部、４５１・・・受熱ジャケット部、５１１、５２１・・・偏平ヒートパイプ。

Claims (6)

1. 冷却ファンと放熱部材を筐体内に収納したファンモジュールと、電子部品を搭載した基板と放熱フィンを筐体内に収納したサーバモジュールと、半導体素子を搭載した基板と冷却ファンを筐体に収納した電源モジュールとを備えたサーバ装置であって、前記電子部品の熱を前記ファンモジュールの冷却ファンと放熱部材で冷却する電子機器装置において、
   前記電源モジュールの前記半導体素子に接続された熱伝導部材と、この熱伝導部材の一端が前記電源モジュールの筺体と熱的に接続され、前記ファンモジュールの放熱部材はこのファンモジュールの筺体に熱的に接続されてなり、
   前記電源モジュールの前記筺体と前記ファンモジュールの前記筺体とは伝熱シートを介して熱的に接続されていることを特徴とする電子機器装置。
2. 請求項１記載の電子機器装置において、
   前記熱伝導部材はヒートパイプであることを特徴とする電子機器装置。
3. 請求項１記載の電子機器装置において、
   前記ファンモジュール内の放熱部材は液体を冷却媒体とする水冷装置のラジエータで構成してなり、このラジエータに接続された受熱ジャケットが前記ファンモジュールの筐体と熱的に接続されていることを特徴とする電子機器装置。
4. 請求項１記載の電子機器装置において、
   前記ファンモジュール内の放熱部材は液体を冷却媒体とする水冷装置の受熱ジャケットで構成してなり、この受熱ジャケットに接続されたラジエータを前記サーバ装置の背面を開閉する扉に熱的に接続したことを特徴とする電子機器装置。
5. 請求項１記載の電子機器装置において、
   前記ファンモジュールの放熱フィンのベースがこのファンモジュールを構成する筺体の一部を形成することを特徴とする電子機器装置。
6. 請求項１に記載の電子機器装置において、
   前記電源モジュールの熱伝導部材がこの電源モジュールを構成する筺体の一部を形成することを特徴とする電子機器装置。

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