JP5644767B2 - 電子機器装置の熱輸送構造 - Google Patents
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Description
第1の課題は、ヒートパイプのように蒸気のみを使った熱輸送では、その熱輸送量が限られてしまうことである。ヒートパイプは金属などに比べると等価熱伝導は2倍から3倍程度はあるが、液体に比べると蒸気は容積あたりの潜熱がきわめて小さい。このため、ヒートパイプにおいては、大きな発熱量になると作動液が蒸発部からなくなり、いわゆるドライアウトとよばれる現象を起こしてしまい、熱輸送できる発熱量は小さくなってしまう。
熱抵抗=1/(蒸発熱伝達率×蒸発部面積)+1/(凝縮熱伝達率×凝縮部面積)
パイプ形状の蒸発部と凝縮部の面積は、π×パイプ内径×蒸発部または沸騰部の接触長さで算出される。このため、パイプで熱輸送する場合、熱抵抗を下げるためには、パイプの径を太くするか、接触長さを長くするためにパイプ本数を増やすしかない。その結果、低背の電子機器装置の実装に対するパイプの占有体積が大きくなり、実装密度が上がらなくなってしまう。
また、本発明の目的は、LSIやICと接続している凝縮部が、装置外部に設けた放熱器と分離可能なように熱接続されることで、装置の増設や保守交換を容易にする電子機器装置の熱輸送構造を提供することにある。
前記第1及び第2のフィンはフィン間の隙間が1mm以上、2mm以下の範囲内となるプレートフィンであることが好ましい。
前記チャンバーには、重力方向と反対方向に蒸気口が設けられ、前記第1あるいは第2フィンを挟んで対向する位置に液口が設けられていること好ましい。
前記電子機器装置は、ラックに搭載されており、前記ラック内に冷水を流入、および流出させる冷水管が設けられ、前記冷水を循環させることで冷却を行うジャケットと前記冷水管とがチューブによって接続され、前記ジャケットに前記凝縮部をそれぞれの前記電子機器装置毎に接続していることが好ましい。
前記電子機器装置の熱輸送構造は、前記電子機器装置と前記電子機器装置の外部にある冷却器との間に設けられていることが好ましい。
前記電子機器装置はラックに搭載されており、前記電子機器装置の熱輸送構造は、前記電子機器装置と前記電子機器装置の外部にある冷却器との間に設けられており、前記凝縮部は前記ラックの外部にある冷却器に熱的に接続していることが好ましい。
また、本発明の電子機器装置の熱輸送構造によれば、電子機器装置の保守交換を容易にすることが可能になる。これは、LSIやICと接続される凝縮部には大きな放熱器を設けておらず、電子機器装置外部の放熱器と熱的に接続させ、凝縮部と放熱器は分離可能な構造とすることで、電子機器装置側の小さな開口部を大きな放熱器が通過することがないためである。
図1に本発明の第一の実施形態による電子機器装置の熱輸送構造を実装したブレードカードの一例の模式図である。
電子機器装置は一枚のカード11に機能を集約している。複数のカード11がバックプレーン17とコネクター等を介して接続される。カード11にはCPUなどの発熱量の大きなLSIやICが搭載されている。LSI直上には蒸発部21が実装される。凝縮部22は、カード11のバックプレーン17と接続していない空きエリアである開口部18に実装され、放熱部品25と熱的に接続される。放熱部25は複数枚のカード11と熱的に接続されて、ラックに実装されたファンによって集中的に冷却される。
図4は、第一の実施形態の電子機器装置の熱輸送構造を示す。図5は、図4の斜視図である。
蒸発部21と凝縮部22をそれぞれ、蒸気管23と液管24で接続した系には、低沸点の冷媒が封入される。冷媒としては、例えばフロロカーボンやハイドロフルオロエーテルのような絶縁不活性の冷媒が選定される。冷媒の沸点つまり飽和蒸気圧を下げた状態にするため、冷媒を入れた後に系を真空に減圧した状態で封入する。このため冷媒の沸点は常温環境下となり、蒸発部21に熱的に接続しているLSIやICが発熱すると、内部に設けたフィン202表面において、すぐに沸点を超えて、冷媒が液体から蒸気に相変化する。その際、冷媒である液体が蒸気となるためのエネルギーとして、LSIの発熱を潜熱として使う。
すなわち、本発明の第一の実施形態による電子機器装置12の熱輸送構造(熱輸送装置)は、蒸発部21と凝縮部22と蒸気管23と液管24とを備える。
蒸発部21は、内部にフィン202が立てられたチャンバー構造を有し、電子機器装置12と熱的に接続し、フィン202の表面上の液体の冷媒を蒸発させて蒸気の冷媒に変化させるとともに、フィン202の付近の液体の冷媒を蒸気の冷媒とともに気液二相流の冷媒として送り出す。
凝縮部22は、内部にフィン202が立てられたチャンバー構造を有し、電子機器装置12の外部に設けられた放熱部品25と熱的に接続し、フィン202と接触している気液二相流の冷媒を液体の冷媒に変化させる。
蒸気管23は、蒸発部23と凝縮部22とを接続し、蒸発部23から送り出された気液二相流の冷媒を凝縮部22に移動させる。
液管24は、蒸発部23と凝縮部22とを接続し、凝縮部2から液体の冷媒を蒸発部23に移動させる。
本実施形態では、LSIやICの発熱量が大きな場合でも、LSIやICの直上に大きなヒートシンクなどの放熱器を実装せず、蒸発部21を実装することにより熱輸送することができるため、冷却部品が占めるフットプリントを小さくすることができる。このため、例えばCPUとメモリー間の配線長の短縮が可能となり、コンピュータを高速動作させることができる。
また本実施の形態では、さらにポンプなどの外部駆動源を使わずに、液体を循環させるよりも大きな熱伝達が得られる潜熱を使うことに加え、電子機器装置の外部に放熱面積を拡大した放熱部品25を設置している。このため、ファンの駆動電力自体も低減することができ、電子機器装置を冷却するのに必要な冷却電力を小さくすることができる。
図6に本発明の第2の実施形態を示す。
凝縮部22は、電子機器装置12に設けられた開口部18から引き出された状態で、ラック15の内部に設けられたコールドプレートなどの放熱器31と熱的に接続される。コールドプレートなどの放熱器31は、例えば内部に流路が設けられ、その流路に水などの液体を流すことで、凝縮部22を液冷しても良いし、放熱フィンを設けたヒートシンクで空冷しても良い。
図7に本発明の第3の実施形態を示す。
ラック15には、ラックに冷却水が流入するイン側冷水管41と、流出するアウト側冷水管42が設けられている。それぞれの冷水管41,42には流路を設けた水冷ジャケット43がチューブなどによって個々に接続される。水冷ジャケット43は、複数個の電子機器装置12の凝縮部22とそれぞれ接続する。
この第3の実施形態のように、水冷ジャケット43と凝縮部22とが一対一で熱接続することによって、電子機器装置12の増設、保守交換などの際に、その仕様に見合ったラック15内の放熱器を用意する必要がなくなり、作業が簡単にできるようになる。
図8に本発明の第4の実施形態を示す。
電子機器装置12とコールドプレートなどの放熱器31との間に、外部蒸発部51と外部凝縮部52からなる蒸発−凝縮の熱輸送サイクルの系を構成する。この場合、電子機器装置12の内部に別の蒸発−凝縮の熱輸送サイクルの系を設けても良いし、電子機器装置12の内部は他の手段で熱輸送しても良い。電子機器装置12の内部に別の蒸発−凝縮サイクルの系がある場合は、この内部の凝縮部と外部の蒸発部が熱接続されることになり、多段の蒸発−凝縮サイクルとなる。この蒸発-凝縮サイクルの系を電子機器装置12の外部で行うことにより、電子機器装置12とコールドプレートなどの放熱器31の実装距離が離れていても熱輸送を行うことができるようになる。
図9に本発明の第5の実施形態を示す。
外部の蒸発−凝縮の熱輸送サイクルの外部凝縮部52は、ラック15の外にある、例えばラックが設置されている部屋の空調設備などの外部冷却器61と熱接続される。この外部凝縮部52をラック外の冷却器61と直接に熱接続することによって、ラック15内のファンが削除、もしくはより駆動電力を低減することができる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
12 電子機器装置
13 基板
14 LSI
15 ラック
16 ファン
17 バックプレーン
18 開口部
21 蒸発部
22 凝縮部
23 蒸気管
24 液管
25 熱部品
26 熱伝導部材
31 コールドプレート
41 イン側冷水管
42 アウト側冷水管
43 冷ジャケット
51 部蒸発部
52 部凝縮部
61 部冷却器
201 チャンバー
202 フィン
203 蒸気口
204 液口
205 ベース
Claims (8)
- 電子機器装置の熱輸送構造であって、
内部に第1のフィンが立てられたチャンバー構造を有し、前記電子機器装置と熱的に接続し、前記第1のフィンの表面上の液体の冷媒を蒸発させて蒸気の冷媒に変化させるとともに、前記第1のフィンの付近の液体の冷媒を前記蒸気の冷媒とともに気液二相流の冷媒として送り出す蒸発部と、
内部に第2のフィンが立てられたチャンバー構造を有し、前記電子機器装置の外部に設けられた放熱器と熱的に接続し、前記第2のフィンと接触している前記気液二相流の冷媒を液体の冷媒に変化させる凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、前記蒸発部から送り出された前記気液二相流の冷媒を前記凝縮部に移動させる蒸気管と、
前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、前記凝縮部から前記液体の冷媒を前記蒸発部に移動させる液管とを備え、
前記蒸発部は、重力方向と反対方向に第1の蒸気口が設けられ、前記第1のフィンを挟んで対向する位置に第1の液口が設けられ、
前記第1のフィンは、前記第1の蒸気口と前記第1の液口との間にあって、前記冷媒の移動方向に沿って延びる隙間が形成されるように立設され、
前記凝縮部は、第2の蒸気口と第2の液口が設けられ、前記第2の蒸気口と前記第2の液口の間に前記第2のフィンが立てられ、前記第2のフィンは前記冷媒の移動方向に沿って延びる隙間を形成する電子機器装置の熱輸送構造。 - 前記チャンバーは、ベースと、該ベースに対向する天板と、前記ベースの周縁および前記天板の周縁とを結ぶように広がる側壁と、から構成され、
前記第1のフィンおよび前記第2のフィンは、前記ベース上に並列して立設され、
前記第1の液口および前記第2の液口は、前記側壁のうち、前記フィンの一端側に臨む領域に形成され、
前記第2の蒸気口および前記第2の液口は、前記天板のうち、前記フィンの他端側に臨む領域に形成されている請求項1に記載の電子機器装置の熱輸送構造。 - 前記第1のフィンおよび前記第2のフィンは、同一の形状を成している請求項1または2に記載の電子機器装置の熱輸送構造。
- 前記凝縮部は前記電子機器装置の外部に引き出され、前記放熱器と、熱伝導部材を介してネジ機構またはバネ機構によって接続されている請求項1ないし3いずれか一項に記載の電子機器装置の熱輸送構造。
- 前記電子機器装置は、ラックに搭載されており、前記ラック内に冷水を流入、および流出させる冷水管が設けられ、前記冷水を循環させることで冷却を行うジャケットと前記冷水管とがチューブによって接続され、前記ジャケットに前記凝縮部をそれぞれの前記電子機器装置毎に接続している請求項1ないし4いずれか一項に記載の電子機器装置の熱輸送構造。
- 前記電子機器装置の熱輸送構造は、前記電子機器装置と前記電子機器装置の外部にある冷却器との間に設けられている請求項1ないし5いずれか一項に記載の電子機器装置の熱輸送構造。
- 前記電子機器装置はラックに搭載されており、前記電子機器装置の熱輸送構造は、前記電子機器装置と前記電子機器装置の外部にある冷却器との間に設けられており、前記凝縮部は前記ラックの外部にある冷却器に熱的に接続している請求項5に記載の電子機器装置の熱輸送構造。
- 電子機器装置の熱輸送構造であって、
内部に第1のフィンが立てられたチャンバー構造を有し、前記電子機器装置と熱的に接続し、前記第1のフィンの表面上の液体の冷媒を蒸発させて蒸気の冷媒に変化させるとともに、前記第1のフィンの付近の液体の冷媒を前記蒸気の冷媒とともに気液二相流の冷媒として送り出す蒸発部と、
内部に第2のフィンが立てられたチャンバー構造を有し、前記電子機器装置の外部に設けられた放熱器と熱的に接続し、前記第2のフィンと接触している前記気液二相流の冷媒を液体の冷媒に変化させる凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、前記蒸発部から送り出された前記気液二相流の冷媒を前記凝縮部に移動させる蒸気管と、
前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、前記凝縮部から前記液体の冷媒を前記蒸発部に移動させる液管とを備え、
前記チャンバーは、ベースと、該ベースに対向する天板と、前記ベースの周縁および前記天板の周縁とを結ぶように広がる側壁と、から構成され、
前記第1のフィンおよび前記第2のフィンは、前記ベース上に並列して立設され、
前記液口は、前記側壁のうち、前記フィンの一端側に臨む領域に形成され、
前記蒸気口は、前記天板のうち、前記フィンの他端側に臨む領域に形成されている電子機器装置の熱輸送構造。
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