JP5760796B2 - 冷却ユニット - Google Patents

Description

開示の技術は、電子機器に搭載された電子部品を、冷媒を用いて冷却する冷却ユニットに関する。

近年、ＰＣサーバーなどにおいては、複数のサーバーモジュールをラックキャビネットに段積みして搭載するラックマウント方式が主流となっている。各々のサーバーモジュールには、プロセッサ（ＣＰＵ）を代表とする集積回路素子（ＬＳＩ）が１つまたは複数個搭載されている。単体のサーバーや、パーソナルコンピュータにおいては、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱量が大きい部品の直上に専用のファンを取り付けて空冷し動作の安定を図っている。しかしながら、ラックマウント方式においては、高性能化、省スペース化のため、１つのラックキャビネットに、なるべく沢山のサーバーモジュールを積層する必要がある。そのため、個々のサーバーモジュールの厚さを薄くしなければならないため、ラックマウント方式のサーバーモジュールにおいては、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱量が大きい部品に直接ファンを付けることができない。また積層されているため、個々のサーバーモジュール内の熱を外に排出することが難しい。これらの問題を解決するために、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱部品上に冷媒を循環させて冷却し、ＣＰＵやＬＳＩ等から熱を吸収した冷媒を、ポンプでラジエータに循環させて、冷却ファンで、冷媒を冷却して、ＣＰＵやＬＳＩ等を冷却する手段がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−３１９６２８号公報 特開２００５−２６４９８号公報

サーバーの高性能化に伴って、ＣＰＵやＬＳＩ等も高集積化され、発熱量も増大しており、上述した冷媒を循環させて部品を冷却する方法において、信頼性向上のため、冷却システムが止まってしまわない様な冷却機構が要求されている。また、冷媒の温度上昇により発生する気泡が、冷媒の流れに影響を及ぼさない様にする冷却機構も要求されている。

開示の技術では、冷媒を循環させて部品を冷却する冷却機構において、冷却効率のよい冷却ユニットを提供することを目的とする。

冷媒を循環させるポンプと、冷媒が流入される第１の流入口と、冷媒を前記ポンプへ吐出する第１の吐出口とを有するタンクと、タンクの上部に設けられた気泡滞留部とを有し、第１の流入口は、前記気泡滞留部へ冷媒を流入させる位置に配置され、第１の吐出口を、前記気泡滞留部の下部に設ける。

開示の冷却ユニットによれば、冷媒による発熱部品の冷媒循環ループ内で発生する気泡を、ポンプの手前のタンク内に留めて、タンクのエアロックを防ぐという効果を奏する。

冷却ユニットを用いたサーバーモジュールの構造について説明する図である。 第１の実施形態のタンクについて説明する図である。 第１の実施形態のタンクの構造について説明する図である。 第１の実施形態のタンクの効果について説明する図である。 第２の実施形態のタンクについて説明する図である。 第２の実施形態のタンクの構造について説明する図である。 第２の実施形態のタンクの効果について説明する図である。

以下に図面を参照して、本開示の技術にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、開示の技術を適用した冷却ユニットを用いたサーバーモジュール内部の構成を示す。サーバーモジュール１００の内部には、複数のＣＰＵ９０を搭載した回路基板９５が配設されている。これらのＣＰＵ９０には、ＣＰＵ９０の熱を冷媒に伝導するための冷却ジャケット９２が取り付けられている。冷却ジャケット９２は、熱伝導効率のよい金属、例えば銅、アルミニウムなどが用いられる。

サーバーモジュール１００内部の端部（図１においては、上方）には、放熱フィン１０が配置されており、その内側には、複数のファン７０が配置されている。複数のファン７０は、前記放熱フィン１０側に送風する方向に回転する。放熱フィン１０で温められた空気は、サーバーモジュール１００端部から、サーバーモジュール１００の外部に排出される。

サーバーは通常、温度管理されている部屋に設置されているため、前記複数のファン７０の回転方向を逆にして、サーバーモジュール１００の端部から外気を吸い込み、前記放熱フィン１０を外気で冷却するようにしても冷却効果がある。

サーバーモジュール１００の内部には、冷媒を蓄えるタンク４０が配置されている。
本実施形態の場合は、省スペース化のため、タンク４０は、ＣＰＵ９０上の冷却ジャッケット９２の上に配置されている。タンク４０の側面には、複数のポンプ８０が接続され、ポンプ８０により加圧された冷媒は、タンク４０からパイプ６０に送出される。

本実施形態においては、信頼性向上のためポンプは１つだけでなく、複数個設けている。もし、１つのポンプが故障して停止しても他のポンプによって冷媒の流れを保ち、ＣＰＵ９０等の発熱部品の温度上昇を防止することが可能となる。また、ＣＰＵ９０の動作状況に応じて、動作させるポンプの数を制御して、冷媒の流量を変えて、冷却効果を調整することも可能である。

タンク４０から送出された冷媒は、冷却ジャケット９２でＣＰＵ９０の熱を吸収し、さらにパイプ６１を介して、前記放熱フィン１０に送出される。冷媒は、放熱フィン１０内で、ファン７０によって冷却され、パイプ６２によって、タンク４０に還流される。冷却ユニットは、タンク４０、パイプ６０、冷却ジャケット９２、パイプ６１、放熱フィン１０とパイプ６２とを有し、冷媒がこれらの部品を循環することによって、放熱循環ループを形成する。この放熱循環ループを直線状に配置し、経路を短く設定することで、冷媒を速く還流して放熱効率を良くすることができる。回路の中枢部であるＣＰＵ９０を中心にして回路基板９５の設計が行なわれるため、多くの場合、ＣＰＵ９０は回路基板９５の中心部に配置される。よって、放熱循環ループも、回路基板９５の中心部を横断する様に配置されることが多い。

冷媒は、例えば、プロピレングリコール系の不凍液が使用されるが、これに限定されない。パイプ６０、６１、６２の一部は、例えばゴム、樹脂等のフレキシブルで、断熱性を有する素材が用いられ、冷却ジャケット９２の近傍においては、ＣＰＵ９０からの熱を効率よく冷媒に伝えるために、金属等の熱導伝性の良い素材が用いられる。

次に、図２を用いて、第１の実施形態のタンク４０について説明する。図２は、タンク４０の透過斜視図である。タンク４０の一方の側面の流入口５０には、パイプ６２が接続される。放熱フィン１０内で冷却された冷媒は、パイプ６２を通してタンク４０内に流入される。タンク４０のもう一方の側面には、複数のポンプ８０が接続されている。ポンプ８０は、タンク４０から冷媒を吸入して、再びタンク４０に冷媒を吐き出すことによって、冷媒の流れをつくりだす。ポンプ８０から吐き出された冷媒は、タンク４０のポンプ８０が接続された面に設けられた排出口５２から、パイプ６０を介して、放熱循環ループに還流される。

次いで、図３を用いて、タンク４０の構造について詳しく説明する。図３（ａ）は、前記図２におけるタンク４０とポンプ８０のＡ−Ａ’から矢印の方向の断面図を示す。図３（ｂ）は、前記図２におけるタンク４０とポンプ８０のＢ−Ｂ’から矢印の方向の断面図を示す。

図３（ａ）を参照して、タンク４０の内部は、図中、左上部の流入口５０から流入する冷媒を蓄える冷媒貯蔵室４２と、複数のポンプ８０から吐き出された冷媒が混入される図中右上部にある冷媒混合室４４の２つの区画に、仕切り板４６によって仕切られている。ポンプが１つしか無い場合であれば、ポンプを放熱循環ループの途中に設け、放熱循環ループから冷媒を吸い出し、また放熱循環ループへ還流すればよい。しかし、先に述べた様に、本実施形態においては、信頼性向上のため複数のポンプ８０が設けられている。このため、複数のポンプ８０から吐き出された冷媒を一旦集めて放熱循環ループに還流するための本冷媒混合室４４が必要になる。１つのポンプ８０が故障しても別のポンプ８０の冷媒の流れを止めない様に、複数のポンプ８０は冷媒混合室４４に対して並列に設けられる。

前記放熱フィン１０で冷却された冷媒は、パイプ６２を介して流入口５０から冷媒貯蔵室４２内に流入される。ポンプ８０は、冷媒混合室４４より下方にある冷媒貯蔵室４２のポンプ吸入口５４からポンプ吸入管８２を介して冷媒を吸い込み、次いで、ポンプ吐出管８４を介してポンプ吐出口５６から冷媒混合室４４内へ冷媒を吐き出す。

図３（ｂ）を参照して、複数のポンプ８０から吐き出された冷媒は、冷媒混合室４４に一旦集められ、さらに図中下方に設けられた排出口５２よりパイプ６０に排出される。

タンク４０内には、前記放熱循環ループを流れる冷媒の他に、冷媒が、パイプに用いられているゴム、及びポンプに用いられている樹脂表面から透過して放熱循環ループに流れる冷媒の量が減ってしまうのを補うための冷媒が蓄えられている。

サーバーモジュール１００の製造段階では、前記放熱循環ループ内には、冷媒を最大限充填しておく。前記タンク４０内の冷媒貯蔵室４２、冷媒混合室４４の領域にも冷媒は充填される。冷媒を充填する作業は、通常常温で行なわれる。このとき、冷媒中に空気が溶け込んでいる。

サーバーモジュール１００が稼働して、ＣＰＵ９０の冷却が始まると、冷媒の温度が上昇して、常温状態で冷媒に溶け込んでいた空気が気化して気泡となる。気泡が放熱循環ループ内を冷媒の流れに従って移動していき、ポンプ８０内に気泡が溜まると、ポンプ８０はエアロックを起こし、冷媒を吐き出す力が極端に低下してしまうことがある。

図４を参照して、前記放熱循環ループ内で発生した気泡は、冷媒の流れに従って移動して、タンク４０内の冷媒貯蔵室４２に流れ込む。前記気泡は、冷媒より比重が軽いため、前記冷媒貯蔵室４２上部の前記冷媒混合室４４の脇の領域（この領域を気泡滞留部４８とする）に溜まっていく。一旦気泡滞留部４８に溜まった気泡は、空気層４９となる。気泡はこの気泡滞留部４８に溜まるため、冷媒貯蔵室４２下方のポンプ吸入口５４から冷媒と一緒にポンプ８０に吸い込まれることは無い。よって、本実施形態によれば、ポンプ８０のエアロックを防ぐことが可能となる。また、放熱循環ループ内で発生した気泡は最終的に冷媒貯蔵室４２に溜まるため、放熱循環ループ内に流れる冷媒の水量が一定に保たれ、冷却効率が妨げられるのを防ぐことが可能となる。

図１に戻って、タンク４０から排出された冷媒は、パイプ６０を介して、本実施形態においては２個のＣＰＵ９０を冷却するための冷却ジャケット９２にそれぞれに分割して送れられる。それぞれのＣＰＵ９０の熱を吸収した冷媒は、冷却ジャケット９２の反対側のパイプ６１で合流して放熱フィン１０に送られる。放熱フィン１０で冷却された冷媒はパイプ６２を介して再びタンク４０に送られる。

次に、図５を用いて、第２の実施形態のタンク４０Ａについて説明する。図５は、タンク４０Ａの透過斜視図である。本実施形態のタンク４０Ａは、第１の実施形態に係るタンク４０に対して、タンク４０Ａの左右に複数のポンプ８０有した構造をしている。タンク４０Ａの左右に複数（この場合６個）のポンプ８０を備えることで、冷媒の流量を増やし冷却効率を向上させている。タンク４０Ａの一方の側面の流入口５０には、パイプ６２が接続される。放熱フィン１０内で冷却された冷媒は、パイプ６２を通してタンク４０Ａ内に流入される。タンク４０Ａの別の両側面には、３個ずつのポンプ８０が接続されている。ポンプ８０は、サーバーモジュール１００内での高さ方向の実装高を低くするため、斜め方向に傾けられてタンク４０Ａに接続されている。また、本実施形態においては、タンク４０Ａに対して、左右のタンク８０の傾きは逆方向としている。

ポンプ８０は、タンク４０Ａから冷媒を吸入して、再びタンク４０Ａに冷媒を吐き出すことによって、冷媒の流れをつくりだす。ポンプ８０から吐き出された冷媒は、タンク４０Ａのポンプ８０が接続された一方の面に設けられた排出口５２から、パイプ６０を介して、放熱循環ループに還流される。

次いで、図６を用いて、タンク４０Ａの構造について詳しく説明する。図６（ａ）は、前記図５におけるタンク４０Ａとポンプ８０の図中Ｃ−Ｃ’から矢印の方向（左右でポンプ８０の傾きが異なるため断面方向を変えている。）での断面図を示す。図６（ｂ）は、前記図５におけるタンク４０Ａとポンプ８０の図中Ｄ−Ｄ’から矢印の方向の断面図を示す。

図６（ａ）を参照して、タンク４０Ａの内部は、図中、中央の流入口５０から流入する冷媒を蓄える冷媒貯蔵室４２と、左右のポンプ８０から吐き出された冷媒が混入される図中左上部と右上部にある２つの冷媒混合室４４の３つの区画に、仕切り板４６によって仕切られている。

本実施形態においては、信頼性向上及び冷却効率向上のため６個のポンプ８０が設けられているため、このため、複数のポンプ８０から吐き出された冷媒を一旦集めて放熱循環ループに還流するための本冷媒混合室４４が必要になる。１つのポンプ８０が故障しても別のポンプ８０の冷媒の流れを止めない様に、３個のポンプ８０は１つの冷媒混合室４４に対して並列に設けられる。

前記放熱フィン１０で冷却された冷媒は、パイプ６２を介して流入口５０から冷媒貯蔵室４２内に流入される。左右のポンプ８０は、冷媒混合室４４より下方にある冷媒貯蔵室４２のポンプ吸入口５４からポンプ吸入管８２を介して冷媒を吸い込み、次いで、ポンプ吐出管８４を介してポンプ吐出口５６から左右にある冷媒混合室４４内へ冷媒を吐き出す。

図６（ｂ）を参照して、左右の冷媒混合室４４は、図中下方で連通している。この部分を第２の冷媒混合室４５とする。複数のポンプ８０から左右の冷媒混合室４４に吐き出された冷媒は、第２の冷媒混合室４５に一旦集められ、さらに図中下方に設けられた排出口５２よりパイプ６０に排出される。

図７を参照して、前記放熱循環ループ内で発生した気泡は、冷媒の流れに従って移動して、タンク４０Ａ内の冷媒貯蔵室４２に流れ込む。前記気泡は、冷媒より比重が軽いため、前記冷媒貯蔵室４２上部で２つの冷媒混合室４４の間の領域（この領域を気泡滞留部４８とする）に溜まっていく。一旦気泡滞留部４８に溜まった気泡は、空気層４９となる。気泡はこの気泡滞留部４８に溜まるため、冷媒貯蔵室４２下方のポンプ吸入口５４から冷媒と一緒にポンプ８０に吸い込まれることは無い。さらに、本実施形態においては、断面で見ると、左右の冷媒混合室４４は、タンク４０Ａの内側に向かって下方に傾斜した形状をしている。冷媒の流量が増えることによって、気泡が冷媒と一緒に冷媒貯蔵室４２に勢い良く流れ込んだとしても、ポンプ吸入口５４への流路が下方に狭められているため、気泡がポンプ８０に吸い込まれるのを防いでいる。

上記の構造によって、本実施形態においても、ポンプ８０のエアロックを防ぐことが可能となる。また、放熱循環ループ内で発生した気泡は最終的に冷媒貯蔵室４２に溜まるため、放熱循環ループ内に流れる冷媒の水量が一定に保たれ、冷却効率が妨げられるのを防ぐことが可能となる。

図１に戻って、タンク４０から排出された冷媒は、パイプ６０を介して、本実施形態においては２個のＣＰＵ９０を冷却するための冷却ジャケット９２にそれぞれに分割して送れられる。それぞれのＣＰＵ９０の熱を吸収した冷媒は、冷却ジャケット９２の反対側のパイプ６１で合流して放熱フィン１０に送られる。放熱フィン１０で冷却された冷媒はパイプ６２を介して再びタンク４０Ａに送られる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
以上の実施形態１、２を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

１０ 放熱フィン
４０ タンク
４２ 冷媒貯蔵室
４４、４５ 冷媒混合室
４６ 仕切り板
４８ 気泡滞留部
４９ 空気層
５０ 流入口
５２ 排出口
５４ ポンプ吸入口
５６ ポンプ吐出口
６０、６１、６２ パイプ
８０ ポンプ
８２ ポンプ吸入管
８４ ポンプ吐出管
６０、６１、６２ パイプ
７０ ファン
９０ ＣＰＵ
９２ 冷却ジャケット
９５ 回路基板
１００ サーバーモジュール

Claims (4)

1. 冷媒を循環させる複数のポンプと、
   冷媒が流入される第１の流入口と、前記冷媒を前記複数のポンプへ吐出する複数の第１の吐出口とを有するタンクと、
   前記タンクの上部に設けられた気泡滞留部と、
   前記タンク内に設けられ、前記複数のポンプに接続された複数の第２の流入口を備えた混合室と
   を備え、
   前記第１の流入口は、前記気泡滞留部へ冷媒を流入させる位置に配置され、
   前記第１の吐出口は、前記気泡滞留部の下部に設けられる
   ことを特徴とする冷却ユニット。
2. 前記混合室は、前記第２の流入口から流入した冷媒を吐出する第２の吐出口を有し、
   第２の吐出口から前記第１の流入口に至る、冷媒を循環する循環ループが接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却ユニット。
3. 前記循環ループの経路中には、前記冷媒を冷却する放熱フィンと、前記冷媒によって発熱部品の熱を吸収する冷却部材とが接続されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の冷却ユニット。
4. 前記混合室を複数有し、更に複数の混合室の冷媒を混合する第２の混合室を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却ユニット。

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