JP5949924B2

JP5949924B2 - 受熱装置、冷却装置、及び電子装置

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Publication number: JP5949924B2
Application number: JP2014530415A
Authority: JP
Inventors: 潤田口; 将加瀬
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: JPWO2014027405A1; WO2014027405A1; US20150124406A1; US9468132B2

Description

本発明は、受熱装置、冷却装置、及び電子装置に関する。

冷媒が流れる経路上に複数の受熱器が直列に配置される場合がある。このような受熱器は、内部に冷媒が流れて発熱部品からの熱を受ける。特許文献１〜４には、このような受熱器に関連した技術が開示されている。

特開２００７−３２４４９８号公報特開平５−１６０３１０号公報特開２００７−２７２２９４号公報特開２００９−０７５８０１号公報

上流側の受熱器から排出された冷媒は下流側の受熱器に流入する。このため、上流側の受熱器において既に上流側の受熱器からの熱を受けた冷媒が下流側の受熱器に流入する。このため、上流側の受熱器での受熱効率に対して下流側の受熱器の受熱効率が低下するおそれがある。

本発明は、直列に接続された複数の受熱器のうち下流側に配置された受熱器の受熱効率の低下を抑制した受熱装置、冷却装置、及び電子装置を提供することを目的とする。

本明細書に開示の受熱装置は、内部を冷媒が流れる複数の受熱器と、前記複数の受熱器のうち隣接した受熱器間を接続する接続経路を含み、前記複数の受熱器を直列に接続し、前記冷媒が流れる直列経路と、前記複数の受熱器には接続されず、前記複数の受熱器をバイパスして前記冷媒が流れるバイパス経路と、前記バイパス経路の途中から分岐して前記接続経路に接続され、前記冷媒が流れる分岐経路と、前記接続経路と前記分岐経路との接続箇所よりも上流側の前記接続経路上に設けられ、前記接続経路を流れる冷媒の温度が低いほど前記接続経路を流れる冷媒の流量を絞る絞り弁と、を備え、前記隣接した受熱器は、上流側から下流側に順に配置された第１、第２、及び第３の隣接した受熱器、を含み、前記接続経路は、前記第１及び第２の隣接した受熱器間を接続する第１の接続経路、前記第２及び第３の隣接した受熱器間を接続する第２の接続経路、を含み、前記分岐経路は、前記バイパス経路の途中で分岐して前記第１の接続経路に接続された第１の分岐経路、前記バイパス経路の途中で分岐して第２の接続経路に接続された第２の分岐経路、を含み、前記絞り弁は、前記第１の接続経路上に設けられた第１の絞り弁、前記第２の接続経路上に設けられた第２の絞り弁、を含む。

本明細書に開示の冷却装置は、内部を冷媒が流れる複数の受熱器、前記複数の受熱器のうち隣接した受熱器間を接続する接続経路を含み、前記複数の受熱器を直列に接続し、前記冷媒が流れる直列経路、前記複数の受熱器には接続されず、前記複数の受熱器をバイパスして前記冷媒が流れるバイパス経路、前記バイパス経路の途中から分岐して前記接続経路に接続され、前記冷媒が流れる分岐経路、前記接続経路と前記分岐経路との接続箇所よりも上流側の前記接続経路上に設けられ、前記接続経路を流れる冷媒の温度が低いほど前記接続経路を流れる冷媒の流量を絞る絞り弁、を含む受熱装置と、発熱部品と、前記発熱部品が実装されたプリント基板と、を備え、前記隣接した受熱器は、上流側から下流側に順に配置された第１、第２、及び第３の隣接した受熱器、を含み、前記接続経路は、前記第１及び第２の隣接した受熱器間を接続する第１の接続経路、前記第２及び第３の隣接した受熱器間を接続する第２の接続経路、を含み、前記分岐経路は、前記バイパス経路の途中で分岐して前記第１の接続経路に接続された第１の分岐経路、前記バイパス経路の途中で分岐して第２の接続経路に接続された第２の分岐経路、を含み、前記絞り弁は、前記第１の接続経路上に設けられた第１の絞り弁、前記第２の接続経路上に設けられた第２の絞り弁、を含む。

本明細書に開示の電子装置は、内部を冷媒が流れる複数の受熱器、前記複数の受熱器のうち隣接した受熱器間を接続する接続経路を含み、前記複数の受熱器を直列に接続し、前記冷媒が流れる直列経路、前記複数の受熱器には接続されず、前記複数の受熱器をバイパスして前記冷媒が流れるバイパス経路、前記バイパス経路の途中から分岐して前記接続経路に接続され、前記冷媒が流れる分岐経路、前記接続経路と前記分岐経路との接続箇所よりも上流側の前記接続経路上に設けられ、前記接続経路を流れる冷媒の温度が低いほど前記接続経路を流れる冷媒の流量を絞る絞り弁、を含む受熱装置と、発熱部品と、前記発熱部品が実装されたプリント基板と、前記受熱装置、前記発熱部品、及び前記プリント基板を収納した筐体と、を備え、前記隣接した受熱器は、上流側から下流側に順に配置された第１、第２、及び第３の隣接した受熱器、を含み、前記接続経路は、前記第１及び第２の隣接した受熱器間を接続する第１の接続経路、前記第２及び第３の隣接した受熱器間を接続する第２の接続経路、を含み、前記分岐経路は、前記バイパス経路の途中で分岐して前記第１の接続経路に接続された第１の分岐経路、前記バイパス経路の途中で分岐して第２の接続経路に接続された第２の分岐経路、を含み、前記絞り弁は、前記第１の接続経路上に設けられた第１の絞り弁、前記第２の接続経路上に設けられた第２の絞り弁、を含む。

直列に接続された複数の受熱器のうち下流側に配置された受熱器の受熱効率の低下を抑制した受熱装置、冷却装置、及び電子装置を提供できる。

図１は、電子装置のブロック図である。図２は、受熱装置の説明図である。図３は、受熱装置の一部分を示した側面図である。図４は、図２の一部分を示した図である。

図１は、電子装置１のブロック図である。電子装置１は、例えば、スーパーコンピュータ、サーバ、ネットワーク装置、デスクトップ型コンピュータ、ノート型コンピュータ等の情報処理装置である。電子装置１は、後述する発熱部品を冷却するための冷却装置Ｃ、冷却装置Ｃを収納した筐体９、を含む。

冷却装置Ｃは、受熱装置２、ポンプ３、熱交換器４、発熱部品６０ａ等、プリント基板Ｐ、を含む。冷媒はこの冷却装置Ｃ内を循環する。受熱装置２は、複数の発熱部品６０ａ等に接触するように設けられ、発熱部品から熱を受け取り冷媒に伝える。ポンプ３は、冷媒を受熱装置２、熱交換器４の順に流れるように循環させる。熱交換器４は、冷媒の熱を外部に放熱する。熱交換器４は、空冷式、水冷式の何れでもよい。熱交換器４が空冷式の場合には、熱交換器４を冷却するためのファンが設けられていてもよい。各装置間は、金属製の配管やフレキシブルなホースにより接続されている。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。また、冷媒の通過経路は、受熱装置２の上流側で、受熱装置２を通過する冷却経路Ｌと通過しないバイパス経路Ｍとに分岐されている。受熱装置２の下流側で冷却経路Ｌとバイパス経路Ｍとは合流する。冷却経路Ｌ及びバイパス経路Ｍは、それぞれ直列経路及びバイパス経路の一例である。詳しくは後述する。

発熱部品６０ａ等は、例えばＬＳＩやＣＰＵ等の電子部品である。発熱部品６０ａ等は、単一のパッケージ内に複数の電子部品が内蔵されているものであってもよいし、単体の半導体チップ等であってもよい。発熱部品６０ａ等は、電力が供給されることにより発熱する部品であればよい。発熱部品６０ａ等はプリント基板Ｐに実装されている。

図２は、受熱装置２の説明図である。受熱装置２は、複数の受熱器２０ａ〜２０ｔを含む。受熱器２０ａ〜２０ｔは、上流側から下流側に直列に配置されている。プリント基板Ｐには、複数の発熱部品６０ａ〜６０ｔが実装されている。受熱器２０ａ〜２０ｔは、それぞれ発熱部品６０ａ〜６０ｔに対応して設けられている。受熱器２０ａ〜２０ｔは、それぞれ発熱部品６０ａ〜６０ｔを冷却する。冷却経路Ｌは、受熱器２０ａ〜２０ｔを直列に接続している。冷却経路Ｌ内には冷媒が流れる。バイパス経路Ｍは、冷却経路Ｌと並列に配置されている。冷却経路Ｌ、バイパス経路Ｍは、それぞれチューブ等である。バイパス経路Ｍは、受熱器２０ａ〜２０ｔには直接には接続されていないが、冷却経路Ｌとは接続されている。冷却経路Ｌ上の隣接する受熱器２０ａ、２０ｂ間には、サーモスタットＳａが設けられている。同様に、受熱器２０ｂ、２０ｃの間、受熱器２０ｃ、２０ｄの間、受熱器２０ｅ、２０ｆの間、受熱器２０ｆ、２０ｇの間、受熱器２０ｇ、２０ｈの間、受熱器２０ｉ、２０ｊの間、受熱器２０ｊ、２０ｋの間、受熱器２０ｋ、２０ｌの間、受熱器２０ｍ、２０ｎの間、受熱器２０ｎ、２０ｏの間、受熱器２０ｏ、２０ｐの間、受熱器２０ｑ、２０ｒの間、受熱器２０ｒ、２０ｓの間、受熱器２０ｓ、２０ｔの間には、それぞれ、サーモスタットＳｂ、Ｓｃ、Ｓｅ、Ｓｆ、Ｓｇ、Ｓｉ、Ｓｊ、Ｓｋ、Ｓｍ、Ｓｎ、Ｓｏ、Ｓｑ、Ｓｒ、Ｓｓが設けられている。尚、受熱器２０ｄ、２０ｅ間、受熱器２０ｈ、２０ｇ間、受熱器２０ｌ、２０ｍ間、受熱器２０ｐ、２０ｑ間にはサーモスタットは設けられていない。

図３は、受熱装置２の一部分を示した側面図である。発熱部品６０ａ、６０ｂ上にそれぞれ受熱器２０ａ、２０ｂが配置されている。受熱器２０ａ、２０ｂ内を冷媒が通過することにより、それぞれ発熱部品６０ａ、６０ｂからの熱を受熱器２０ａ、２０ｂが受けることにより、発熱部品６０ａ、６０ｂを冷却する。その他の発熱部品６０ｃ〜６０ｔ、受熱器２０ｃ〜２０ｔも同様である。受熱器２０ａ、２０ｂは、それぞれアルミ又は銅等の金属製のケース２１ａ、２１ｂを有している。ケース２１ａ内には冷媒が流通する流路が形成されている。その他の受熱器も同様の構造を有している。

図４は、図２の一部分を示した図である。図４に示すように、冷却経路Ｌは、中継経路Ｌａ〜Ｌｃを含む。中継経路Ｌａは、隣接する受熱器２０ａ、２０ｂを接続している。同様に、中継経路Ｌｂは、隣接する受熱器２０ｂ、２０ｃを接続している。受熱器２０ａ、２０ｂは、第１の隣接する受熱器の一例であり、受熱器２０ｂ、２０ｃは、第２の隣接する受熱器の一例である。中継経路Ｌｃは、隣接する受熱器２０ｃ、２０ｄを接続している。また、中継経路Ｌａ〜ＬｃのそれぞれにサーモスタットＳａ〜Ｓｃが設けられている。中継経路Ｌａ〜Ｌｃは、接続経路の一例である。中継経路Ｌａ、Ｌｂは、それぞれ第１及び第２の接続経路の一例である。中継経路Ｌａとバイパス経路Ｍとを接続する供給経路Ｎａ、中継経路Ｌｂとバイパス経路Ｍとを接続する供給経路Ｎｂ、中継経路Ｌｃとバイパス経路Ｍとを接続する供給経路Ｎｃ、が設けられている。供給経路Ｎａ〜Ｎｃは、分岐経路の一例である。供給経路Ｎａ、Ｎｂは、第１及び第２の分岐経路の一例である。供給経路Ｎａ〜Ｎｃを介して、バイパス経路Ｍから中継経路Ｌａ〜Ｌｃ側に冷媒が供給される。

サーモスタットＳａは、中継経路Ｌａとバイパス経路Ｍとの合流部分Ｊａよりも上流側の中継経路Ｌａ上に設けられている。サーモスタットＳｂは、中継経路Ｌｂとバイパス経路Ｍの合流部分Ｊｂよりも上流側の中継経路Ｌｂ上に設けられている。合流部分Ｊａ〜Ｊｃは、接続箇所の一例である。サーモスタットＳｃは、中継経路Ｌｃとバイパス経路Ｍの合流部分Ｊｃよりも上流側の中継経路Ｌｃ上に設けられている。サーモスタットＳａ、Ｓｂは、第１及び第２の絞り弁の一例である。サーモスタットＳａは、中継経路Ｌａ上のサーモスタットＳａを通過する冷媒の温度が低いほど、その部分を通過する冷媒の流量を絞る。換言すれば、サーモスタットＳａは、サーモスタットＳａを通過する冷媒の温度に応じて開度が異なっている。その他のサーモスタットも同様である。図２に示すように、冷却経路Ｌ、バイパス経路Ｍ上のその他の部分についても同様である。

以上のように本実施例では、冷却経路Ｌのほかにバイパス経路ＭやサーモスタットＳａ等が設けられている。ここで、複数の受熱器を直列に接続する冷却経路Ｌのみが設けられバイパス経路ＭやサーモスタットＳａ等が設けられていない場合を想定する。この場合、一般的に下流側の受熱器では冷却効率が低下する。その理由は、上流側の受熱器からの熱を既に受けた冷媒は温度が高温となり、高温の冷媒が下流側の受熱器に流入するからである。このため、下流側の受熱器の受熱効率は上流側の受熱器の受熱効率よりも低下しやすくなる。この結果、各受熱器の受熱効率にバラつきが生じ、下流側の受熱器により冷却される発熱部品を十分に冷却することができないおそれがある。

次に本実施例の場合について説明する。受熱器２０ａには、冷却経路Ｌを通過する冷媒が流入する。受熱器２０ｂには、受熱器２０ａから流出した冷媒と、供給経路Ｎａを介してバイパス経路Ｍ側から流れる冷媒とが流入する。ここで受熱器２０ａを通過した冷媒は受熱器２０ａで発熱部品６０ａからの熱を既に受けているため、温度が上昇している。一方、バイパス経路Ｍを流れている冷媒は受熱器２０ａには流れないため、温度は低温のままである。従って、受熱器２０ｂには、受熱器２０ａを流れて温度が上昇した冷媒と受熱器２０ａを流れずに温度が低温のままの冷媒とが流入する。このため、受熱器２０ｂに流入する冷媒の全体の温度は、受熱器２０ａを流出した冷媒の温度よりも低い。よって、受熱器２０ａよりも下流側にある受熱器２０ｂにも低温の冷媒が流入することになる。これにより、受熱器２０ｂでの受熱効率の低減が抑制されている。これにより、発熱部品６０ｂを冷却できる。同様に、受熱器２０ｃには、受熱器２０ｂから流出した冷媒と、受熱器２０ａ、２０ｂを流れていない冷媒とが流入する。これにより、受熱器２０ｃの受熱効率の低減が抑制される。その他の受熱器の場合も同様である。

尚、サーモスタットＳａ等が全開の状態であっても、バイパス経路Ｍ側から冷却経路Ｌ側に冷媒が流れるように、冷却経路Ｌやバイパス経路Ｍの長さ、内径、受熱器２０ａ等内での流路での冷媒の圧力損失、ポンプ３の性能などが設定されている。

次に、サーモスタットについて説明する。例えば、比較的低温の冷媒が受熱器２０ａから流出した場合、サーモスタットＳａにより受熱器２０ａから流出される冷媒の流量は絞られる。これにより、受熱器２０ａから流出して中継経路Ｌａを通過する冷媒の流量が絞られる。このため、受熱器２０ａから流出する冷媒の流量が絞られていない場合と比較して、バイパス経路Ｍから中継経路Ｌａに流入する冷媒の流量が増大する。これにより、受熱器２０ｂに流入する冷媒のうちバイパス経路Ｍから流入する冷媒の割合が増大する。よって、受熱器２０ｂにも低温の冷媒が流入する。これにより、下流側に配置された受熱器２０ｂの受熱効率の低下が抑制される。その他の受熱器の場合も同様である。

また、例えば、受熱器２０ａから比較的高温の冷媒が流出すると、サーモスタットＳａが開いて受熱器２０ａから流出される冷媒の流量は増大する。これにより、受熱器２０ａ内で冷媒が熱を受けることにより更に高温となることが抑制されている。ここで、受熱器２０ａから比較的高温の冷媒が流出した場合においても何らかの弁により流量が絞られる場合を想定する。この場合、受熱器２０ａからの流出する冷媒の流量が絞られることにより、冷媒が受熱器２０ａ内で比較的長い間滞留し、受熱器２０ａ内での冷媒の受熱量が増大して冷媒が更に高温になるおそれがある。この結果、受熱器２０ａの受熱効率が低下して発熱部品６０ａを十分に冷却できないおそれがある。しかしながら、本実施例の場合、受熱器２０ａから比較的高温の冷媒が流出した場合にはサーモスタットＳａが開き中継経路Ｌａを通過する流量が確保される。これにより、発熱部品６０ａの冷却性を確保している。

サーモスタットＳａは、例えばワックスペレット型であるがそれ以外であってもよい。ワックスペレット型のサーモスタットは、ワックスをペレットの中に密封したもので、熱によりワックスが膨張収縮する性質を利用し弁を開閉する。サーモスタットＳａが全開状態となる温度は、消費電力の低減、故障率の低減等を考慮した範囲内でできるだけ高温であることが望ましい。その他のサーモスタットＳｂ等も同様である。

このようにサーモスタットＳａ等が設けられていることにより、サーモスタットＳａを通過する冷媒の温度に応じて冷媒の流量が制御される。これにより、下流側の受熱器の受熱効率の低下を抑制すると共に、各受熱器間での受熱効率のバラつきを抑制できる。

以上本発明の好ましい一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。

尚、単一の発熱部品を複数の受熱器で冷却してもよい。

尚、サーモスタットの代わりに電磁弁を設け、受熱器から流出した冷媒の温度を検出するセンサを設け、センサからの出力に応じて電磁弁の開度を制御する制御回路を設けてもよい。この場合、センサにより検出され受熱器から流出した冷媒の温度が低いほど電磁弁の開度を小さくなるように制御してもよい。

また、通過する冷媒の温度が低いほど絞る弁であれば、サーモスタット以外であってもよい。

図４に示したように、受熱器２０ａ、２０ｂを第１の隣接する受熱器として説明し、受熱器２０ｂ、２０ｃを第２の隣接する受熱器として説明したがこれに限定されない。例えば、受熱器２０ａ、２０ｂを第１の隣接する受熱器とし、受熱器２０ａ、２０ｂ以外の受熱器を第２の隣接する受熱器としてもよい。例えば、受熱器２０ｃ、２０ｄも第２の隣接する受熱器の一例に相当する。この場合、中継経路Ｌｃが第２の接続経路の一例であり、供給経路Ｎｃが第２分岐経路の一例であり、サーモスタットＳｃが第２の絞り弁の一例である。

１電子装置
９筐体
Ｃ冷却装置
２受熱装置
２０ａ〜２０ｔ受熱器（第１の隣接した受熱器、第２の隣接した受熱器）
Ｌ冷却経路（直列経路）
Ｌａ〜Ｌｃ中継経路（接続経路、第１及び第２接続経路）
Ｍバイパス経路
Ｎａ〜Ｎｃ供給経路（分岐経路、第１及び第２分岐経路）
Ｓａ〜Ｓｃサーモスタット
６０ａ〜６０ｔ発熱部品

Claims

内部を冷媒が流れる複数の受熱器と、
前記複数の受熱器のうち隣接した受熱器間を接続する接続経路を含み、前記複数の受熱器を直列に接続し、前記冷媒が流れる直列経路と、
前記複数の受熱器には接続されず、前記複数の受熱器をバイパスして前記冷媒が流れるバイパス経路と、
前記バイパス経路の途中から分岐して前記接続経路に接続され、前記冷媒が流れる分岐経路と、
前記接続経路と前記分岐経路との接続箇所よりも上流側の前記接続経路上に設けられ、前記接続経路を流れる冷媒の温度が低いほど前記接続経路を流れる冷媒の流量を絞る絞り弁と、を備え、
前記隣接した受熱器は、上流側から下流側に順に配置された第１、第２、及び第３の隣接した受熱器、を含み、
前記接続経路は、前記第１及び第２の隣接した受熱器間を接続する第１の接続経路、前記第２及び第３の隣接した受熱器間を接続する第２の接続経路、を含み、
前記分岐経路は、前記バイパス経路の途中で分岐して前記第１の接続経路に接続された第１の分岐経路、前記バイパス経路の途中で分岐して第２の接続経路に接続された第２の分岐経路、を含み、
前記絞り弁は、前記第１の接続経路上に設けられた第１の絞り弁、前記第２の接続経路上に設けられた第２の絞り弁、を含む、受熱装置。
前記絞り弁は、サーモスタットである、請求項１の受熱装置。
内部を冷媒が流れる複数の受熱器、前記複数の受熱器のうち隣接した受熱器間を接続する接続経路を含み、前記複数の受熱器を直列に接続し、前記冷媒が流れる直列経路、前記複数の受熱器には接続されず、前記複数の受熱器をバイパスして前記冷媒が流れるバイパス経路、前記バイパス経路の途中から分岐して前記接続経路に接続され、前記冷媒が流れる分岐経路、前記接続経路と前記分岐経路との接続箇所よりも上流側の前記接続経路上に設けられ、前記接続経路を流れる冷媒の温度が低いほど前記接続経路を流れる冷媒の流量を絞る絞り弁、を含む受熱装置と、
発熱部品と、
前記発熱部品が実装されたプリント基板と、を備え、
前記隣接した受熱器は、上流側から下流側に順に配置された第１、第２、及び第３の隣接した受熱器、を含み、
前記接続経路は、前記第１及び第２の隣接した受熱器間を接続する第１の接続経路、前記第２及び第３の隣接した受熱器間を接続する第２の接続経路、を含み、
前記分岐経路は、前記バイパス経路の途中で分岐して前記第１の接続経路に接続された第１の分岐経路、前記バイパス経路の途中で分岐して第２の接続経路に接続された第２の分岐経路、を含み、
前記絞り弁は、前記第１の接続経路上に設けられた第１の絞り弁、前記第２の接続経路上に設けられた第２の絞り弁、を含む、冷却装置。
前記冷媒から熱を奪う熱交換器と、
前記冷媒を循環させるポンプと、を備えた請求項３の冷却装置。
内部を冷媒が流れる複数の受熱器、前記複数の受熱器のうち隣接した受熱器間を接続する接続経路を含み、前記複数の受熱器を直列に接続し、前記冷媒が流れる直列経路、前記複数の受熱器には接続されず、前記複数の受熱器をバイパスして前記冷媒が流れるバイパス経路、前記バイパス経路の途中から分岐して前記接続経路に接続され、前記冷媒が流れる分岐経路、前記接続経路と前記分岐経路との接続箇所よりも上流側の前記接続経路上に設けられ、前記接続経路を流れる冷媒の温度が低いほど前記接続経路を流れる冷媒の流量を絞る絞り弁、を含む受熱装置と、
発熱部品と、
前記発熱部品が実装されたプリント基板と、
前記受熱装置、前記発熱部品、及び前記プリント基板を収納した筐体と、を備え、
前記隣接した受熱器は、上流側から下流側に順に配置された第１、第２、及び第３の隣接した受熱器、を含み、
前記接続経路は、前記第１及び第２の隣接した受熱器間を接続する第１の接続経路、前記第２及び第３の隣接した受熱器間を接続する第２の接続経路、を含み、
前記分岐経路は、前記バイパス経路の途中で分岐して前記第１の接続経路に接続された第１の分岐経路、前記バイパス経路の途中で分岐して第２の接続経路に接続された第２の分岐経路、を含み、
前記絞り弁は、前記第１の接続経路上に設けられた第１の絞り弁、前記第２の接続経路上に設けられた第２の絞り弁、を含む、電子装置。