JP5742555B2 - 冷却システム、電子機器及びラック - Google Patents

Description

本発明は、冷却システム、電子機器及びラックに関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが扱われるようになり、データセンター等の施設において多数の計算機を同一室内に設置して一括管理することが多くなっている。例えば、データセンターでは、計算機室内に多数のラック（サーバラック）を設置し、各ラックにそれぞれ複数の計算機（サーバ）を収納している。そして、それらの計算機の稼動状態に応じて各計算機にジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。

計算機の稼動にともなって計算機から多量の熱が発生する。計算機内の温度が高くなると誤動作や故障の原因となるため、計算機を冷却することが重要になる。一般的に、計算機の冷却には空冷システム又は水冷システムが採用されるが、発熱量が多い計算機の場合は水冷システムが採用されることが多い。

水冷システムでは、クーリングプレートと呼ばれる中空の金属板と冷却水供給装置（Coolant Distribution Unit：ＣＤＵ）とが使用される。すなわち、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の発熱量が多い電子部品にクーリングプレートを取り付け、クーリングプレートと冷却水供給装置との間を配管（チューブ）で接続する。そして、冷却水供給装置とクーリングプレートとの間に冷却水を循環させて、電子部品で発生した熱をラックの外に排出する。

特開２００９−１０４３０６号公報

しかしながら、上述の水冷システムでは、低温の冷却水が通る配管やクーリングプレートの表面に結露が発生することがある。そして、結露した水分が基板表面の配線や電極に付着すると短絡につながり、電子機器に重大な損傷を与えることがある。

以上から、結露による電子機器の損傷を防止できる冷却システム、電子機器及びラック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、筺体と、クーリングプレートが取り付けられた電子部品が搭載され、前記筺体内に高さ方向に並んで配置された複数の基板と、前記複数の基板の各々の一方の端部側に配置された通気性を有する凝縮部と、前記複数の基板の各々の他方の端部側に配置された通気性を有する蒸発部と、前記凝縮部から前記蒸発部に向かう方向に空気の流れを発生して前記筺体内に空気を導入する送風機と、冷却媒体を前記凝縮部内を通って前記クーリングプレートに供給する配管とを有し、前記凝縮部及び前記蒸発部は、前記筺体の相互に対向する２つの面に沿って高さ方向に交互に配置されていることを特徴とする冷却システムが提供される。

上記の一観点によれば、基板に供給される空気中の水分が凝縮部を通過する際に除去されるので、結露による電子機器の損傷を防止することができる。

図１は、第１の実施形態に係る冷却システムを示す図（その１）である。 図２は、第１の実施形態に係る冷却システムを示す図（その２）である。 図３は、第１の実施形態に係る冷却システムを示す図（その３）である。 図４は、第１の実施形態に係る冷却システムを示す図（その４）である。 図５は、第１の実施形態に係る冷却システムを示す図（その５）である。 図６は、各システムボードの蒸発部側にダクトを接続した例を示す模式図である。 図７は、凝縮部及び蒸発部を網状の部材により形成した例を示す模式図である。 図８は、第１の実施形態のシステムボードの変形例１を示す上面図である。 図９は、第１の実施形態のシステムボードの変形例２を示す模式図である。 図１０は、第２の実施形態に係る冷却システムを示す図（その１）である。 図１１は、第２の実施形態に係る冷却システムを示す図（その２）である。

以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図５は、第１の実施形態に係る冷却システムを示す図である。図１は電子機器（システムボード）を収納したラックを示す模式図であり、図２は同じくその電子機器の模式的上面図である。また、図３は、ラック内の電子機器を図１中に白抜き矢印で示す方向から見た図である。更に、図４は冷却水供給装置を示す模式図であり、図５はラック内に設けられた冷却水供給配管及びドレイン配管を示す模式図である。

図４のように、計算機室には、複数のラック１０と冷却水供給装置（ＣＤＵ）３０とが設置されている。冷却水供給装置３０は、冷却器とポンプ（いずれも図示せず）とを内蔵し、室温よりも低い温度に冷却された冷却水を吐出する。なお、冷却水供給装置３０は冷却媒体供給装置の一例であり、冷却水は冷却媒体の一例である。

冷却水供給装置３０から吐出された冷却水は、配管３１を介して各ラック１０内を通り、冷却水供給装置３０に戻る。冷却水供給装置３０に戻った冷却水は、再度冷却器により冷却され、ポンプによりラック１０に向けて送り出される。ラック１０は、電子部品が搭載された基板を収納する筺体の一例である。

図１のように、ラック１０内には複数のシステムボード１１が上下方向に並んで配置される。

ラック１０内には、図５のように、冷却水供給装置３０から供給される冷却水が通る冷却水供給配管３２と、システムボード１１から排出される冷却水が通るドレイン配管３５とが設けられている。冷却水供給配管３２は冷却水流れ方向上流側の配管３１に接続され、ドレイン配管３５は冷却水流れ方向下流側の配管３１に接続される。

冷却水供給配管３２の各システムボード１０に対応する位置にはカプラプラグ３４ａが配置されている。また、ドレイン配管３５の各システムボード１０に対応する位置にはカプラソケット３４ｂが配置されている。

システムボード１１は、図２のように、配線基板１２と、配線基板１２に搭載されたＣＰＵ等の電子部品１３と、電子部品１３の上に装着されたクーリングプレート１４とを有する。電子部品１３は稼動にともなって熱を発生する部品である。なお、図２には図示していないが、配線基板１２にはクーリングプレートを装着していない部品も多数搭載されている。わずかではあるものの、これらの部品からも稼動にともなって熱が発生する。

また、システムボード１１の長手方向の一方の端部には凝縮部１６と送風ファン（送風機）１７とが配置されており、他方の端部には蒸発部１８が配置されている。凝縮部１６及び蒸発部１８はいずれも通気性を有する物質により形成されている。そして、図１のように、システムボード１１は、凝縮部１６と蒸発部１８とが接触するように、交互に逆向きに配置される。

凝縮部１６及び蒸発部１８は、熱伝導性が高く３次元網目構造を有する多孔質体により形成されている。本実施形態では、凝縮部１６及び蒸発部１８が、いずれもアルミニウム又はニッケル等の発泡金属により形成されているものとする。また、凝縮部１６を形成する多孔質体の孔径は、蒸発部１８を形成する多孔質体の孔径よりも大きいものとする。

クーリングプレート１４内には冷却水が通る空間が設けられており、各クーリングプレート１４内の空間は配管（チューブ）１５を介して直列接続されている。冷却水供給装置３０から供給される冷却水が配管１５を介して各クーリングプレート１４内を順番に通ることにより、電子部品１３が冷却される。

冷却水入口側の配管１５は、図２，図３のように凝縮部１６内を蛇行して配線基板１２の外に伸び出している。そして、その配管１５の冷却水入口側先端部に取り付けられたカプラソケット１９ｂが、冷却水供給配管３２に設けられたカプラプラグ３４ａ（図５参照）に着脱自在に接続される。

また、冷却水出口側の配管１５も、配線基板１２の外に伸び出している。そして、その出口側先端部に取り付けられたカプラプラグ１９ａが、ドレイン配管３５に設けられたカプラソケット３４ｂ（図５参照）に着脱自在に接続される。

以下、上述したシステムボード１１の冷却方法について説明する。

電子部品１３の上に搭載されたクーリングプレート１４には、冷却水供給装置３０から供給される室温よりも低い温度の冷却水が通流する。このクーリングプレート１４内を通る冷却水により電子部品１３が冷却される。また、凝縮部１６内を冷却水が通るので、凝縮部１６の温度は室温よりも低くなる。

一方、送風ファン１７により、室内の空気がラック１０内に導入される。この空気は、凝縮部１６を通過する際に凝縮部１６によって冷却されて凝縮部１６の温度に近付く。従って、凝縮部１６の温度が室内の空気の露点温度よりも低い場合には、冷却された空気中の水分が凝縮部１６内で凝縮する。

凝縮部１６内で凝縮した水分は、凝縮部１６が多孔質体により形成されているため、毛細管力により凝縮部１６内を上下方向に移動して、上側又は下側の蒸発部１８内に進入する。本実施形態では、前述したように、蒸発部１８を形成する多孔質体の孔径が凝縮部１６を形成する多孔質体の孔径よりも小さいため、蒸発部１８側により強い毛細管力が発生する。このため、凝縮部１６から蒸発部１８に水分が容易に移動する。

凝縮部１６を通過した空気は、凝縮部１６で水分が除去されるため、湿度が低下している。このため、この空気がクーリングプレート１４に接触しても、結露は発生しにくい。また、凝縮部１６を通過した空気は、システムボード１１の上を通過する際に、システムボード１１から発生する熱により暖められて温度が上昇する。このため、空気中の湿度はより一層低下し、システムボード１１上での結露をより確実に防止することができる。

システムボード１１上を通過した空気は、蒸発部１８を通ってラック１０の外に排出される。蒸発部１８には上下の凝縮部１６から移動してきた水分が含まれるが、システムボード１１上を通過した低湿度の空気が蒸発部１８内を通る際に、蒸発部１８に含まれる水分が蒸発して空気とともにラック１０の外に排出される。

本実施形態では、上述したように、空気が凝縮部１６を通過する際に空気中の水分が除去されるので、システムボード１１上には乾燥した空気が供給される。これにより、システムボード１１上での結露を回避でき、水分の付着による短絡等の不具合の発生を防止できる。

また、本実施形態では、クーリングプレート１４に供給する冷却水を利用して凝縮部１６を冷却し空気中の水分を除去するので、水分の除去に電力を使用しないという利点もある。

なお、本実施形態では蒸発部１８を通過した空気が室内に排出されるものとしているが、例えば図６のように各システムボード１１の蒸発部１８側にダクト３９を接続し、蒸発部１８を通過した空気がダクト３９を介して屋外に排出されるようにしてもよい。図６中実線の矢印は凝縮部１６で結露した水分の移動を表しており、破線の矢印は空気の流れ方向を表している。

また、凝縮部１６に撥水加工を施してもよい。凝縮部１６に撥水加工を施すことにより、凝縮部１６で結露した水分の移動が容易になる。撥水加工方法として、例えば凝縮部１６にフッ素樹脂又はシリコン樹脂等を塗布する方法がある。

更に、蒸発部１８に親水加工を施してもよい。蒸発部１８に親水加工を施すことにより、凝縮部１６から蒸発部１６に水分が移動しやすくなる。親水加工方法としては、例えば蒸発部１８にアクリルアミド系ポリマー又はポリビニルアルコール等の樹脂を塗布する方法がある。

更にまた、本実施形態では凝縮部１６及び蒸発部１８がいずれも発泡金属により形成されているものとしているが、凝縮部１６及び蒸発部１８を例えば図７のように網状の部材により形成してもよい。この場合、毛細管力は殆ど発生しないが、凝縮部１６で結露した水分は重力により下側の蒸発部１８に移動して、蒸発部１８内で気化する。

（変形例１）
図８は、第１の実施形態に係るシステムボードの変形例１を示す上面図である。図８中において、図２と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図８に示すように、変形例１のシステムボード４１では、冷却水入口側の配管１５が凝縮部１６内を蛇行して配線基板１２の外に伸び出しているのと同様に、冷却水出口側の配管１５が蒸発部１８内を蛇行して配線基板１２の外に伸び出している。

電子部品１３の発熱量が大きい場合、システムボード４１に供給された冷却水は、各クーリングプレート１４を通る間に電子部品１３が発生する熱を受けて温度が上昇し、室温よりも高い温度の温水となる。変形例１のシステムボード４１では、この温水が蒸発部１８内を通るので、蒸発部１８と配管１５内を通る温水とが熱交換し、蒸発部１８の温度が室温よりも高くなる。

これにより、変形例１のシステムボード４１では、図２に示す第１の実施形態のシステムボード１１に比べて、蒸発部１８で水分が蒸発しやすくなる。

また、変形例１では、蒸発部１８内で温水と蒸発部１８との間で熱交換が行われる分だけシステムボード４１から排出される温水（冷却水）の温度が低下する。これにより、冷却水供給装置３０（図４参照）の負荷が軽減され、冷却水供給装置３０で消費する電力が削減されるという利点もある。

（変形例２）
図９は、第１の実施形態に係るシステムボードの変形例２を示す模式図である。

図２に示すシステムボード１１では、凝縮部１６及び蒸発部１８の下面及び上面がいずれも基板面に対し水平であるので、ラック１０内に収納したときに凝縮部１６と蒸発部１８との間に隙間が生じることがある。蒸発部１６と凝縮部１８との間に隙間が生じると、凝縮部１６から蒸発部１８への水分の移動が困難になり、凝縮部１６内で結露した水分がシステムボード１１上に飛散して、短絡等の不具合が発生することがある。

そこで、変形例２のシステムボード４２では、図９に示すように凝縮部１６及び蒸発部１８の上面又は下面に傾斜面を形成し、凝縮部１６と蒸発部１８との間に断面が楔状の多孔質体からなる接続部材４３を挿入する。これにより、凝縮部１６の傾斜面と接続部材４３の傾斜面、及び接続部材４３の傾斜面と蒸発部１８の傾斜面とを確実に接触させることができ、凝縮部１６で結露した水分を接続部材４３を介して蒸発部１８に移動させることができる。

なお、接続部材４３を形成する多孔質体の孔径は、凝縮部１６を形成する多孔質体の孔径と蒸発部１８を形成する多孔質体の孔径との中間とすることが好ましい。これにより、多孔質体の毛細管力が蒸発部１８、接続部材４３、凝縮部１６の順に大きくなり、凝縮部１６から蒸発部１８により一層確実に水分を移動させることができる。

（第２の実施形態）
図１０，図１１は、第２の実施形態に係る冷却システムを示す図である。図１０はラック内に配置された送風ファン、凝縮部及び蒸発部を示しており、図１１はラック内に収納されるシステムボードを示している。

図１０のように、本実施形態においては、ラック５０内に、送風ファン５７、凝縮部５６及び蒸発部５８が配置されている。凝縮部５６及び蒸発部５８は、ラック５０内の相互に対向する２つの面に沿って、凝縮部５６と蒸発部５８とが交互に重なって配置されている。また、送風ファン５７は、凝縮部５６とラック５０の内壁面との間に配置されている。

そして、水平方向に離隔する凝縮部５６と蒸発部５８との間に、システムボード５１を挿入する空間（スペース）が設けられている。また、ラック５０内には、冷却水供給配管に接続されたカプラプラグ３４ａと、ドレイン配管に接続されたカプラソケット３４ｂとが設けられている（図５参照）。

図１０，図１１のように、凝縮部５６内には冷却水が通る配管６１が設けられている。そして、その配管６１の冷却水流れ方向の上流側には、カプラプラグ３４ａに脱着可能なカプラソケット６２ｂが設けられており、冷却水流れ方向の下流側にはカプラプラグ６２ａが設けられている。

システムボード５１は、図１１のように、配線基板５２と、配線基板５２に搭載されたＣＰＵ等の電子部品５３と、電子部品５３の上に装着されたクーリングプレート５４とを有する。

クーリングプレート５４内には冷却水が通る空間が設けられており、各クーリングプレート５４内の空間は配管５５を介して直列接続されている。そして、冷却水入口側の配管５５の先端部にはカプラプラグ５９ｂが設けられており、冷却水出口側の先端部には、ドレイン配管に接続されたカプラソケット３４ｂに脱着可能なカプラプラグ５９ａが設けられている。

本実施形態においては、システムボード５１をラック５０内の各段の凝縮部５６と蒸発部５８との間のスペースに水平に配置する。そして、図１１のように、凝縮部５６内を通る配管６１の冷却水出口側のカプラプラグ６２ａとシステムボード５１から延び出した配管５５の冷却水入口側のカプラソケット５９ｂとの間を、両端にカプラプラグ６５ａ及びカプラソケット６５ｂを有する配管６４で接続する。

また、凝縮部５６内を通る配管６１の冷却水入口側のカプラプラグ６２ｂを、冷却水供給配管に接続したカプラプラグ３４ａに接続する。更に、配管５５の冷却水出口側のカプラプラグ５９ａと、ドレイン配管に接続したカプラソケット３４ｂとを接続する。

ラック５０内に収納されたシステムボード５１の冷却方法は、基本的に第１の実施形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。

第１の実施形態ではシステムボード１１に凝縮部１６及び蒸発部１８が設けられているのに対し、本実施形態においてはラック５０に凝縮部５６及び蒸発部５８が設けられている。そのため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるのに加えて、システムボード５１のラック５０への着脱が容易であるという利点がある。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）筺体と、
クーリングプレートが取り付けられた電子部品が搭載され、前記筺体内に高さ方向に並んで配置された複数の基板と、
前記複数の基板の各々の一方の端部側に配置された通気性を有する凝縮部と、
前記複数の基板の各々の他方の端部側に配置された通気性を有する蒸発部と、
前記凝縮部から前記蒸発部に向かう方向に空気の流れを発生して前記筺体内に空気を導入する送風機と、
冷却媒体を前記凝縮部内を通って前記クーリングプレートに供給する配管とを有し、
前記凝縮部及び前記蒸発部は、前記筺体の相互に対向する２つの面に沿って高さ方向に交互に配置されていることを特徴とする冷却システム。

（付記２）前記冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、前記クーリングプレートから排出される前記冷却媒体を前記蒸発部内を通って前記冷却媒体供給装置に戻す配管とを有することを特徴とする付記１に記載の冷却システム。

（付記３）前記凝縮部及び前記蒸発部が多孔質体により形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の冷却システム。

（付記４）前記凝縮部を形成する多孔質体の孔径が、前記蒸発部を形成する多孔質体の孔径よりも大きいことを特徴とする付記３に記載の冷却システム。

（付記５）前記高さ方向に交互に配置された前記凝縮部と前記蒸発部との間に、多孔質体からなる接続部材が配置されていることを特徴とする付記３に記載の冷却システム。

（付記６）前記凝縮部の表面に撥水処理が施されていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の冷却システム。

（付記７）前記蒸発部の表面に親水処理が施されていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の冷却システム。

（付記８）前記蒸発部を通った空気を屋外に排出するダクトを有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の冷却システム。

（付記９）クーリングプレートが取り付けられた電子部品が搭載された基板と、
前記基板の一方の端部側に配置された通気性を有する凝縮部と、
前記基板の他方の端部側に配置された通気性を有する蒸発部と、
前記凝縮部内を通って前記クーリングプレートに接続された冷却媒体供給配管と
を有することを特徴とする電子機器。

（付記１０）クーリングプレートが取り付けられた電子部品が搭載された複数の基板を収納するラックであって、
各基板が配置されるスペースの一方の端部側に配置された通気性を有する凝縮部と、
各基板が配置されるスペースの他方の端部側に配置された通気性を有する蒸発部と、
前記凝縮部内を通って前記クーリングプレートに接続される冷却媒体供給配管とを有し、
前記凝縮部及び前記蒸発部は、前記スペースの両側に高さ方向に交互に配置されていることを特徴とするラック。

１０，５０…ラック、１１，４１，４２，５１…システムボード、１２，５２…配線基板、１３，５３…電子部品、１４，５４…クーリングプレート、１５，３１，５５，６１…配管、１６，５６…凝縮部、１７，５７…送風ファン、１８，５８…蒸発部、１９ａ，３４ａ，５９ａ，６２ａ…カプラプラグ、１９ｂ，３４ｂ，５９ｂ，６２ｂ…カプラソケット、３０…冷却水供給装置、３２…冷却水供給配管、３５…ドレイン配管、３９…ダクト、４３…接続部材。

Claims (5)

1. 筺体と、
   クーリングプレートが取り付けられた電子部品が搭載され、前記筺体内に高さ方向に並んで配置された複数の基板と、
   前記複数の基板の各々の一方の端部側に配置された通気性を有する凝縮部と、
   前記複数の基板の各々の他方の端部側に配置された通気性を有する蒸発部と、
   前記凝縮部から前記蒸発部に向かう方向に空気の流れを発生して前記筺体内に空気を導入する送風機と、
   冷却媒体を前記凝縮部内を通って前記クーリングプレートに供給する配管とを有し、
   前記凝縮部及び前記蒸発部は、前記筺体の相互に対向する２つの面に沿って高さ方向に交互に配置されていることを特徴とする冷却システム。
2. 前記冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、
   前記クーリングプレートから排出される前記冷却媒体を前記蒸発部内を通って前記冷却媒体供給装置に戻す配管とを有することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記凝縮部及び前記蒸発部が多孔質体により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. クーリングプレートが取り付けられた電子部品が搭載された基板と、
   前記基板の一方の端部側に配置された通気性を有する凝縮部と、
   前記基板の他方の端部側に配置された通気性を有する蒸発部と、
   前記凝縮部内を通って前記クーリングプレートに接続された冷却媒体供給配管と、
   前記凝縮部から前記蒸発部に向かう方向に空気の流れを発生する送風機と
   を有することを特徴とする電子機器。
5. クーリングプレートが取り付けられた電子部品が搭載された複数の基板を収納するラックであって、
   各基板が配置されるスペースの一方の端部側に配置された通気性を有する凝縮部と、
   各基板が配置されるスペースの他方の端部側に配置された通気性を有する蒸発部と、
   前記凝縮部内を通って前記クーリングプレートに接続される冷却媒体供給配管と、
   前記基板毎に設けられ、前記凝縮部から前記蒸発部に向かう方向に空気の流れを発生する送風機とを有し、
   前記凝縮部及び前記蒸発部は、前記スペースの両側に高さ方向に交互に配置されていることを特徴とするラック。

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