JP6107665B2 - 冷却装置およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、電子機器内において発熱部材を冷却する冷却装置およびそれを用いた電子機器に関し、特に、1Uサーバ等の低背の電子機器内おいて、冷媒の相変化を利用して発熱部材を冷却する冷却装置およびそれを用いた電子機器に関する。
近年、半導体装置や電子機器などの高性能化、高機能化等に伴い、それらの発熱量も増加している。例えば、パーソナルコンピュータや1Uサーバなどの小型電子機器においても、情報量や処理速度の増大に伴って、CPU等の半導体素子からの発熱量が増大している。半導体素子から発せられる熱により、半導体素子自身が破損する可能性があるため、パーソナルコンピュータや1Uサーバなどには、複数の冷却用ファンや大型の冷却用ファンが配置される。1Uサーバとは、米国電子工業界(Electronic Industries Alliance)で定めたラック高さの最小単位である1U(1.75インチ)のラックに収容されたサーバである。
パーソナルコンピュータや1Uサーバなどの小型電子機器においては、実装スペースが十分に取れないため、冷却装置の小型化、特に高さを低く抑えることが要求される。そこで、複数の冷却用ファンや大型の冷却用ファンを配置する代わりに、冷媒循環式の冷却装置を配置することが提案されている。
特許文献1には、冷媒循環式の冷却装置を搭載した電子機器が開示されている。特許文献1の電子機器においては、冷却装置がCPUを冷却する蒸発器と凝縮器とを配管によって接続し、CPUの熱により冷媒を気化させると共にファンで凝縮器を冷却することにより冷媒を凝縮させ、CPUから発生した熱の移送および放熱を行う。この電子機器は、冷却装置の凝縮器を主凝縮器と副凝縮器とに分割し、副凝縮器を蒸発器の上に設置することにより、冷却装置を薄型の電子機器に搭載することを可能にしている。
特許文献2には、CPUを冷媒循環式の冷却装置を用いて冷却すると共に、その他の発熱部材をファンからの冷却風を用いて冷却する電子機器が開示されている。特許文献2の冷却装置は、凝縮器と蒸発器との間を結ぶ高温側配管と低温側配管とを熱的接合部を介して接触させることにより、凝縮器の性能を向上させることとしている。
特開2006−012875号公報 特開2007−010211号公報
しかし、特許文献1の冷却装置は、蒸発器の上に配置された副凝縮器とファンとの距離が大きくなり、副凝縮器を十分に冷却することができない。この場合、冷却装置の冷却効率が低下する。また、特許文献2の冷却装置は、CPUを冷却するために蒸発器を配置することにより、ファンから出力された冷却風の流れが蒸発器によって妨げられる。従って、CPU以外のその他の発熱部材の冷却効率が低下し、結果的に電子機器全体の冷却効率が低下する。
一方、既存の空冷方式の電子機器において、複数の冷却用ファンや大型の冷却用ファンを配置する代わりに、冷媒循環式の冷却装置の配置する場合、冷却風の流れを最適化するためには、電子機器内の各部品のレイアウト変更を行う必要がある。しかし、電子機器の機種ごとに部品の再レイアウトを行うことは困難である。
このように、特許文献1および特許文献2に開示された冷却装置においては、薄型の電子機器に冷媒循環式の冷却装置を実装すると、電子機器全体の冷却効率が低下してしまうという課題がある。さらに、既存の空冷方式の電子機器において、複数の冷却用ファンや大型の冷却用ファンを配置する代わりに冷媒循環式の冷却装置を配置する場合、冷却風の流れを最適化するためには、電子機器内の各部品のレイアウト変更が必要となるという課題がある。
本発明の目的は、上述した課題である、薄型の電子機器において、冷媒循環式の冷却装置を配置する場合、電子機器全体の冷却効率が低下し、それを回避するためには電子機器内の各部品のレイアウト変更が必要である、という課題を解決する、冷却装置およびそれを用いた電子機器を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明に係る冷却装置は、上面を備えた筐体に配置される冷却装置であって、冷媒と、側面が曲面形状の蒸発容器を備え、冷媒を液相状態から気相状態に相変化させて吸熱を行う蒸発器と、冷媒を気相状態から液相状態に相変化させて放熱を行う凝縮器と、蒸発器および凝縮器を接続する配管と、蒸発容器の上方および上面の間を流動する冷却風を抑制する流路抑制手段と、を備える。
上記目的を達成するために本発明に係る電子機器は、上面を備えた筐体と、上記の冷却装置と、動作に伴って発熱する第1の発熱部材および第2の発熱部材と、冷却装置の凝縮器に対向配置され、冷却風を出力するファンと、を備える。ここで、第1の発熱部材は蒸発容器の下方に配置され、第2の発熱部材は蒸発容器の曲面形状の側面に沿った方向に配置されている。
本発明に係る冷却装置およびそれを用いた電子機器は、薄型の電子機器に冷媒循環式の冷却装置を配置する場合に、電子機器内の各部品のレイアウトを変更することなく、電子機器全体の冷却効率を向上させることができる。
本発明の第1の実施形態に係る電子機器10の内部構成を示す上面である。 本発明の第1の実施形態に係る電子機器10の内部構成を示す側面図ある。 本発明の第1の実施形態に係る冷却装置の20の透視側面図である。 空冷方式の電子機器90の内部構成を示す上面である。 空冷方式の電子機器90の内部構成を示す側面図である。 本発明の第2の実施形態に係るサーバ100の内部構成を示す上面図である。 空冷方式の関連するサーバ900の内部構成を示す上面図である。 本発明の第2の実施形態に係るサーバ100の一部の内部構成を示す上面図である。 本発明の第2の実施形態に係るサーバ100の一部の内部構成を示す透視側面図である。 本発明の第2の実施形態の変形例に係る、サーバ100Bの一部の内部構成を示す上面図である。 本発明の第2の実施形態の変形例に係る、サーバ100Cの一部の内部構成を示す上面図である。 本発明の第2の実施形態の変形例に係る、サーバ100Dの一部の内部構成を示す上面図である。 本発明の第3の実施形態に係るサーバ200の一部の内部構成を示す上面図である。 本発明の第3の実施形態に係るサーバ200の一部の内部構成を示す透視側面図である。 本発明の第3の実施形態の変形例に係るサーバ200Bの一部の内部構成を示す上面図である。 本発明の第3の実施形態の変形例に係るサーバ200Bの一部の内部構成を示す透視側面図である。 本発明の第4の実施形態に係るサーバ300の一部の内部構成を示す上面図である。 本発明の第4の実施形態に係るサーバ300の一部の内部構成を示す透視側面図である。 本発明の第4の実施形態の変形例に係るサーバ300Bの一部の内部構成を示す上面図である。 本発明の第4の実施形態の変形例に係るサーバ300Bの一部の内部構成を示す透視側面図である。
(第1の実施形態)
第1の実施形態について説明する。本実施形態に係る電子機器の内部構成を示す上面図を図1Aに、側面図を図1Bに示す。また、本実施形態に係る冷却装置の透視側面図を図1Cに示す。図1A、図1Bにおいて、本実施形態に係る電子機器10は、上面12を備えた低背の筐体11を備える。電子機器10の筐体11内には、相変化冷却方式の冷却装置20、第1の発熱部材31、第2の発熱部材32、ファン40、および、図示しないその他の電子部品等が配置されている。また、図1A、図1Cにおいて、本実施形態に係る冷却装置20は、蒸発器21、凝縮器22、蒸気管23、液管24、冷媒25および流路抑制手段26を備える。
筐体11内において、第1の発熱部材31は冷却装置20の蒸発器21の下方に配置され、凝縮器22はファン40と対向配置されている。また、第2の発熱部材32と凝縮器22との間に蒸発器21が配置されている。そして、第1の発熱部材31は冷却装置20によって冷却され、凝縮器22および第2の発熱部材32はファン40によって冷却される。第2の発熱部材32の冷却については後述する。
ここで、空冷方式を適用した関連する電子機器の内部構成を示す上面図を図2Aに、側面図を図2Bに示す。図2A、図2Bにおいて、空冷方式を適用した関連する電子機器90は、第1の発熱部材91、第2の発熱部材92、ファン93、および、図示しないその他の電子部品等を備える。図2の関連する電子機器90において、第1の発熱部材91および第2の発熱部材92は、ファン93から出力された冷却風によって冷却される。ここで、空冷方式の関連する電子機器90には、冷却能力を上げるために大型のファン93が配置されている。なお、発熱部材の上にヒートシンク等が配置されていても良い。
図1A−1Cに示した相変化冷却方式の冷却装置20を備える電子機器10と、図2A−2Bに示した空冷方式の電子機器90とを比較すると、図2に示した電子機器90において、大型のファン93を小型のファン40に置き換えることによって空いた空間に凝縮器22を配置し、第1の発熱部材91の上方に蒸発器21を配置することにより、図1A−1Cに示した電子機器10が得られる。
すなわち、本実施形態に係る冷却装置20および電子機器10は、空冷方式の関連する電子機器90においてファンの配置領域の一部に凝縮器22を配置するだけで、その他の大きなレイアウト変更を行うことなしに、空冷方式の関連する電子機器90から相変化冷却方式の電子機器10へ変更される。
次に、本実施形態に係る冷却装置20を搭載した電子機器10の冷却効率について、冷却装置20の各要素を説明することにより、説明する。
蒸発器21は、第1の発熱部材31の上に配置され、第1の発熱部材31の熱を内部に溜まっている液相状態の冷媒25へ吸熱させることにより、第1の発熱部材31を冷却する。本実施形態において、蒸発器21を構成する蒸発容器の側面は曲面形状に形成される。蒸発容器の側面は、例えば、ファン40から出力された冷却風の風上方向から所定の方向に向かっていったん滑らかに広がり、滑らかにすぼまる形状に形成される。蒸発容器の側面を曲面形状に構成することにより、ファン40から出力されて蒸発器21に到達した冷却風は、蒸発容器の側面からの流れの剥離及び乱流の発生が少なく、蒸発容器の側面に沿って蒸発器21の後方に流動した後も風速の低下が少ない。
凝縮器22は、気相状態の冷媒25を冷却する。凝縮器22は、例えば、図示しない複数の管状体およびこの管状体の長手方向に沿って配置された放熱体を備える。凝縮器22は、気相状態の冷媒25が管状体内を通過することにより、気相状態の冷媒25の熱を放熱体を介して外気へ放熱させる。なお、本実施形態において、凝縮器22は放熱体として金属製の平板状のフィンを用いる。
蒸気管23は、蒸発器21と凝縮器22とを接続する。蒸発器21内で気相状態となった冷媒25は、蒸気管23を通過して凝縮器22まで輸送される。
液管24は、凝縮器22と蒸発器21とを接続する。凝縮器22内で液相状態となった冷媒25は、液管24を通過して蒸発器21まで輸送される。
冷媒25は、低沸点を有する媒体である。冷媒25は、蒸発器21内において第1の発熱部材31の熱を吸熱し、液相状態から気相状態へと相変化する。気相状態の冷媒25は、蒸気管23を介して凝縮器22へ輸送される。さらに、冷媒25は、凝縮器22内において熱を外気へ放熱することによって凝縮し、気相状態から液相状態へと相変化する。液相状態の冷媒25は液管24を介して再び蒸発器21へ輸送される。
流路抑制手段26は、筐体11の上面12の近傍まで配置され、ファン40から出力されて凝縮器22を通過し、蒸発器21まで到達した冷却風が、蒸発器21の上方空間を通って流出することを抑制する。流路抑制手段26を備えることにより、蒸発器11に到達した冷却風は、蒸発容器の上方を通過することなく、蒸発容器の側面に沿って後方に流動する。このことによって、蒸発容器後方において、基板面近傍に風速の維持された冷却風を得ることが可能となる。
流路抑制手段26は、例えば、蒸発器21を構成する蒸発容器の高さを、蒸発容器を第1の発熱部材31の上に配置した時に、蒸発容器の上面が筐体11の上面12の近傍まで達する高さに形成することによって、構成することができる。また、流路抑制手段26を、蒸発容器の上に配置された流路抑制部材によって構成することもできる。この流路抑制部材は、第1の発熱部材31の上に蒸発容器を配置し、蒸発容器の上に流路抑制部材を配置した時に、流路抑制部材の上面が筐体11の上面12の近傍まで達する高さに形成されている。または、上部筐体側の蓋に蒸発器へのキャップを設けることによって、構成することもできる。
上記のように構成された冷却装置20は、液体ポンプなどを使用することなく冷媒25が冷却装置20内を循環し続け、第1の発熱部材31で発生した熱を外気へ放熱し、第1の発熱部材31を冷却する。
さらに、上記のように構成された冷却装置20は、流路抑制手段26が蒸発器21まで到達した冷却風を蒸発器21の上方空間を通って流動することを抑制すると共に、蒸発器21を構成する蒸発容器の側面が曲面形状、例えば、ファン40から出力された冷却風の風上方向から所定の方向に向かっていったん滑らかに広がり、滑らかにすぼまる形状に形成されている。この場合、ファン40から出力された冷却風は、蒸発容器の側面からの流れの剥離及び乱流の発生が少ないため、風速を維持したまま側面に沿って後方に流動し蒸発器21の背後に配置されている第2の発熱部材32を冷却する。従って、本実施形態に係る冷却装置20を薄型の電子機器に実装した場合でも、電子機器全体の冷却効率を向上させることができる。
以上のように、本実施形態に係る冷却装置20およびそれを用いた電子機器10は、薄型の電子機器に冷媒循環式の冷却装置20を配置する場合に、電子機器10内の各部品のレイアウトを変更することなく、電子機器10全体の冷却効率を向上させることができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態について説明する。本実施形態では、相変化冷却方式の冷却装置を1Uサーバに適用する。本実施形態に係るサーバの内部構成を示す上面図を図3に示す。また、比較として、空冷方式を適用した関連するサーバの内部構成を示す上面図を図4に示す。
図3において、本実施形態に係る相変化冷却方式のサーバ100は、2つの冷却装置110、1連式のファン120、図3には図示されないCPU130、発熱部品140、メモリ150、電源160およびその他の電子部品や配線等を備える。さらに、図3において、2つの冷却装置110はそれぞれ、蒸発器111、蒸気管112、液管113、凝縮器114および図3には図示されない冷媒115を備える。
本実施形態に係るサーバ100において、CPU130は稼働時に熱を発し、冷却装置110によって冷却される。発熱部品140および電源160は稼働時に熱を発し、ファン120から出力された冷却風によって冷却される。
一方、図4において、空冷方式の関連するサーバ900は、ファン910、CPU920、メモリ930、発熱部品940、電源950およびその他の電子部品や配線等を備える。図4のサーバ900において、CPU920、発熱部品940および電源950は、いずれもファン910から出力された冷却風によって冷却される。ここで、空冷方式のサーバ900には、冷却能力を上げるために2連式のファン910が配置されている。
図3に示した相変化冷却方式の冷却装置110を備えたサーバ100と図4に示した空冷方式のサーバ900とを比較すると、図3に示したサーバ100は、図4に示したサーバ900において、2連式のファン910を1連式のファン120に置き換え、空いた空間に凝縮器114が配置されている。さらに、CPU920の上方に蒸発器111を配置し、蒸発器111と凝縮器114とを蒸気管112および液管113によって連結することにより、図3に示したサーバ100が得られる。
すなわち、本実施形態に係る相変化冷却方式の冷却装置110は、ファン910の占有面積を小さくするだけで、その他の部品については大きなレイアウト変更を行うことなしに、空冷方式の関連するサーバ900のファン910に配置することができる。
本実施形態に係るサーバ100について図3および図5を用いて説明する。図5Aは、図3に示したサーバ100の内部構成の一部を示す上面図、図5Bは透視側面図である。
冷却装置110は、CPU130を冷却する。ファン120は、冷却装置110の凝縮器120、発熱部品140および電源160を冷却する。冷却装置110およびファン120については後述する。
CPU130は、メモリ150に記憶されているプログラム等を読み取ることにより、各種の演算を行う。CPU130は半導体等によって形成され、動作に伴って発熱する。CPU130は、冷却装置110によって冷却される。
発熱部品140は、動作に伴って熱を発する部品であり、例えば、ノースブリッジなどのチップセット等である。図3および図5において、発熱部品140は、蒸発器111から見て凝縮器114と反対側の下方に配置されている。発熱部品140は、ファン120から出力され、凝縮器114の平板状のフィンの間を通過し、蒸発器111の曲面形状の側面に沿って蒸発器111の後ろ側へ導かれた冷却風により、冷却される。
メモリ150は、プログラム等の各種情報を記憶する。図3において、複数のメモリ150は、冷却風の流れる方向と平行に配置される。これにより、ファン120から出力されて蒸発器111を通らない冷却風は、メモリ150を通過して電源160まで到達する。
電源160は、サーバ100の各部へ電力を供給する。本実施形態において、電源160は、ファン120から出力され、メモリ150を通過した冷却風によって冷却される。
次に、本実施形態に係る冷却装置110およびファン120について詳細に説明する。
蒸発器111は、CPU130の上に配置され、内部に複数のフィン116および冷媒115を収容する。さらに、蒸発器111は、蒸気管112を接続するための蒸気流出口111aおよび液体管113を接続するための液体流入口111bを備える。蒸発器111は、CPU130から放出された熱を吸熱することにより、CPU130を冷却する。蒸発器111は、CPU130から放出された熱を、複数のフィン116を介して、蒸発器111の内部に収容されている液相状態の冷媒115へ伝熱させる。液相状態の冷媒115にCPU130から放出された熱が伝熱されることにより、冷媒115が液相状態から気相状態へ相変化する。
本実施形態において、蒸発器111を構成する蒸発容器の高さは、CPU130の上方からサーバ100の筐体の上面近傍まで達する高さに設計されている。また、蒸発容器の側面は曲面形状に、例えば、ファン120側から発熱部品140方向にいったん滑らかに広がり、滑らかにすぼまる形状に設計されている。本実施形態においては、蒸発容器を、蒸発器111をCPU130の上に配置した時に、サーバ100の筐体の上面近傍まで達する高さを有する円柱状に形成した。
蒸発器111をサーバ100の筐体の上面近傍まで配置することにより、蒸発器111の上面を通って後方に流れる冷却風を抑制することができる。また、蒸発器111の蒸発容器の側面を、曲面形状に形成することにより、蒸発器111に到達した冷却風が蒸発容器の側面から剥がれることを抑制でき、流れを乱さずに側面に沿って蒸発器111の後ろ側へ導くことができる。
蒸気管112は、蒸発器111と凝縮器114とを接続する。蒸発器111内で気相状態となった冷媒115は、蒸気管112を通過して凝縮器114まで輸送される。
液体管113は、凝縮器114と蒸発器111とを接続する。凝縮器114内で液相状態となった冷媒115は、液体管113を通過して再び蒸発器111まで輸送される。
凝縮器114は、蒸気管112を接続するための蒸気流入口114a、液体管113を接続するための液体流出口114b、および、図示しない複数の管状体およびこの管状体の長手方向に沿って積層された平板状のフィンを備える。凝縮器114において、図示しない複数の管状体はファン120から出力される冷却風の向きと直行する方向に並列配置されている。気相状態の冷媒115が凝縮器114の管状体内を通過することにより、冷媒115の熱が平板状のフィンを介して放熱され、気相状態の冷媒115が冷却される。また、平板状のフィンを冷却した冷却風は、そのまま凝縮器114の後方、すなわち、蒸発器111およびメモリ150側に流出する。冷媒115の熱が放熱されることにより、冷媒115が気相状態から液相状態へ相変化する。
冷媒115は、低沸点を有する媒体である。冷媒115としては、例えば、HFC(ハイドロフルオロカーボン)やHFE(ハイドロフルオロエーテル)等の有機冷媒を適用することができる。冷媒115は、蒸発器111内においてCPU130の熱を吸熱して液相状態から気相状態へと相変化する。気相状態の冷媒115は、蒸気管112を介して凝縮器114へ輸送される。さらに、冷媒115は、凝縮器114内において熱が外気へ輸送されることによって凝縮し、気相状態から液相状態へと相変化する。液相状態の冷媒115は液体管113を介して再び蒸発器111へ輸送される。
以上のように構成された冷却装置110は、ポンプなどを使用することなく冷媒115が冷却装置110内を循環し続け、CPU130で発生した熱を外気へ放熱し、CPU130を冷却する。
ファン120は、冷却装置110の凝縮器114に対向配置され、凝縮器114に向かって冷却風を出力することにより、主に凝縮器114を空冷する。ファン120から放出された冷却風は、凝縮器114の積層された平板状のフィンの間を通過し、凝縮器114の後方まで流れる。図3において、凝縮器114の後方に流出した冷却風は、蒸発器111が配置された領域以外では、凝縮器114の後方に配置されたメモリ150を通過し、電源160を冷却する。
一方、図5Aにおいて、凝縮器114の後方に流出した冷却風の一部は、蒸発器111に到達する。そして、蒸発器111の蒸発容器がサーバ100の筐体の上面近傍まで達する高さを有する円柱状に形成されていることから、蒸発器111へ達した冷却風は、蒸発器111の上方を通過することなく、蒸発容器の側面に沿って流動し、蒸発器111の後ろ側に導かれる。そして、蒸発器111の後ろ側に導かれた冷却風は、蒸発器111の背後に配置されている発熱部品140に到達し、発熱部品140を冷却する。この時の冷却風の流れを図5Aに点線で示す。
以上のように、本実施形態に係る冷却装置110およびそれを用いたサーバ100は、ファンの一部を凝縮器に置き換えるだけで、その他の大きなレイアウト変更を行うことなしに、空冷方式の関連するサーバ900を、相変化冷却方式のサーバに変更することができる。
さらに、本実施形態に係る冷却装置110およびそれを用いたサーバ100において、蒸発器111の蒸発容器の高さをサーバ100の筐体の上面近傍まで達する高さに設計し、蒸発容器の側面を曲面形状、例えば、ファン120側から発熱部品140方向にいったん滑らかに広がり、滑らかにすぼまる形状に設計することにより、ファン120から出力した冷却風を用いて、蒸発器111の背後に配置されている発熱部品140を効率よく冷却することができる。
従って、本実施形態に係る冷却装置110およびそれを用いたサーバ100は、1Uサーバ等の薄型のサーバにおいて、空冷方式を冷媒循環式の2連式のファン910を1連式のファン120に置き換えて空いた空間に凝縮器114を配置するだけで、1Uサーバ全体の冷却効率を向上させることができる。
ここで、図5A、図5Bに示すように、蒸発器111の蒸気流出口111aと液体流入口111bとは対向配置することが望ましい。蒸気流出口111aと液体流入口111bとを対向配置することにより、蒸発器111の内部において、冷媒115をスムーズに循環させることができ、冷却装置110の冷却効率を向上させることができる。
(第2の実施形態の変形例)
第2の実施形態の変形例について説明する。本実施形態に係るサーバの内部構成の一部を示す上面図を図6A、図6B、図6Cに示す。
先ず、図6Aに示したサーバ100Bについて説明する。図6Aにおいて、蒸発器111Bの蒸発容器はサーバ100Bの筐体の上面近傍まで達する高さを有し、蒸発容器の断面は流線型状を接合した滴型に形成されている。流線型は、剥離による流体抵抗を最小限にする曲線である。蒸発容器の断面形状を滴型に形成することにより、蒸発器111Bに到達した冷却風を、流れの乱れを最小限にした状態で、すなわち、風量の低下を最小限に抑えた状態で、蒸発器111Bの後ろ側へ流動させることができる。
この時の冷却風の流れについて説明する。冷却風の流れを図6Aに点線で示す。図6Aにおいて、ファン120Bから出力され、凝縮器114Bのフィンの間を通過して蒸発器111Bに到達した冷却風は、蒸発容器の流線形状に沿って蒸発器111Bの後ろ側へ導かれ、蒸発器111Bの背後に配置された発熱部品140Bに到達する。また、蒸発容器がサーバ100Bの筐体の上面近傍まで形成されていることから、蒸発器111Bの上面を通って流出する冷却風を抑制することができる。従って、ファン120Bから出力された冷却風を用いて、発熱部品140Bを効率良く冷却することができる。
次に、図6Bに示したサーバ100Cについて説明する。図6Bにおいて、発熱部品140Cは、蒸発器111Cから見て、ファン120C、凝縮器114Cおよび蒸発器111Cの配列方向(以下、A方向と記載する。)と角度αを成す方向(以下、B方向と記載する。)に配置されている。
また、図6Bにおいて、蒸発器111Cは、図6Aに示した蒸発器111Bを、滴型の中心と接合部を結ぶ直線を角度αだけ反時計周りに水平回転させたものである。すなわち、蒸発器111Cの蒸発容器の側面は、B方向にいったん滑らかに広がり、滑らかにすぼまる。さらに、蒸発容器は、サーバ100Cの筐体の上面近傍まで達する高さに形成されている。
この時の冷却風の流れについて説明する。冷却風の流れを図6Bに点線で示す。図6Bにおいて、ファン120Cから出力された冷却風は、凝縮器114Cのフィンの間を通過して蒸発器111Cに到達する。この時、冷却風はA方向に流れている。そして、A方向の冷却風は、蒸発容器の流線型状に沿って曲げられ、流れがB方向に変わる。すなわち、冷却風は蒸発器111CからB方向に導かれ、発熱部品140Cに到達する。なお、蒸発容器がサーバ100Cの筐体の上面近傍まで達する高さに形成されていることから、蒸発器111Cの上面を通って流出する冷却風を抑制することができる。従って、ファン120Cから出力された冷却風を用いて、発熱部品140Cを効率良く冷却することができる。
さらに、図6Cに示したサーバ100Dについて説明する。図6Cにおいて、蒸発器111Dの蒸発容器は、断面形状が2個の接合部を有する流線型状に形成されていると共に、サーバ100Dの筐体の上面近傍まで達する高さに形成されている。また、図6Cにおいて、蒸発容器の一方の接合部と中心とを結ぶ直線の延長線上に発熱部品140Dが配置され、他方の接合部と中心とを結ぶ直線の延長線上に、例えば、PCI(Peripheral Component Interconnect)スロット170Dが配置されている。PCIスロット170DにはPCIカードが装着され、PCIスロット170DはPCIカードとサーバ100Dのマザーボードとを電気的に接続している。PCIカードが動作するのに伴い、熱が発生する。
この時の冷却風の流れについて説明する。冷却風の流れを図6Cに点線で示す。図6Cにおいて、ファン120Dから出力され、凝縮器114Dを通過し、蒸発器111Dに到達した冷却風は、蒸発容器の流線型状の側面に沿って2股に分かれ、発熱部品140D側およびPCIスロット170D側へと流動する。また、蒸発容器がサーバ100Dの筐体の上面近傍まで達する高さに形成されていることから、蒸発器111Dの上面を通って流出する冷却風が抑制される。従って、ファン120Dから出力されて蒸発器111Dに到達した冷却風を用いて、蒸発器111Dの後方の異なる方向に配置された発熱部品140DおよびPCIスロット170Dを、効率よく冷却することができる。
以上のように、本実施形態に係る冷却装置およびそれを用いたサーバにおいて、蒸発容器は、サーバの筐体の上面近傍まで達する高さを有すると共に、断面形状が流線型が接合した滴型に形成されている。流線型は、剥離による流体抵抗を最小限にする曲線であることから、冷却風を蒸発容器の側面からの剥離及び乱流発生を最小限に抑えながら風速を維持し、効率よく蒸発器の後ろ側へ導くことができ、蒸発器の後方に配置されている部品を冷却することができる。すなわち、1Uサーバ等の薄型のサーバに冷媒循環式の冷却装置を実装した場合でも、1Uサーバ全体の冷却効率を向上させることができる。
なお、薄型のサーバにおいて、空冷方式を冷媒循環式に置き換える場合、複数の冷却用ファンの一部を本実施形態に係る冷媒循環式の冷却装置に置き換えるだけで良く、サーバ内の各部品のレイアウト変更は不要である。
また、蒸発容器の側面を流線型状が接合した滴型とし、接合部分を所望の方向に向けることにより、蒸発器に到達した冷却風の流れを所望の方向に曲げることができる。従って、ファンから出力されて蒸発器に到達した冷却風を容易に発熱部品側に流動させることができる。さらに、蒸発容器の側面形状を流線型状が複数箇所で接合した形状に形成することにより、蒸発器に到達した冷却風を用いて、蒸発器の背後の異なる方向に配置された複数の発熱部品を同時に冷却することができる。
ここで、本実施形態に係る冷却装置およびそれを用いたサーバにおいても、蒸発器の蒸気流出口および液体流入口を対向配置することが望ましい。
(第3の実施形態)
第3の実施形態について説明する。本実施形態に係るサーバの内部構成の一部を示す上面図を図7Aに、透視側面図を図7Bに示す。図7A、図7Bにおいて、本実施形態に係るサーバ200は、冷却装置210、ファン220、CPU230および発熱部品240を備える。また、冷却装置210は、蒸発器211、蒸気管212、液管213、凝縮器214、冷媒215および流路抑制部材217を備える。
ファン220、CPU230、発熱部品240、蒸気管212、液管213、凝縮器214および冷媒215は、第2の実施形態で説明したファン120、CPU130、発熱部品140、蒸気管112、液管113、凝縮器114および冷媒115と同様の機能を有する。以下、第2の実施形態に係るサーバ100と異なる部分を中心に説明する。
蒸発器211を構成する蒸発容器の側面は曲面形状、例えば、ファン220側から発熱部品240方向にいったん滑らかに広がり、滑らかにすぼまる形状に形成されている。本実施形態において、蒸発器211は円柱状に形成されている。
流路抑制部材217は、高さdの板状体である。流路抑制部材217は樹脂等を用いて形成することができる。本実施形態において、流路抑制部材217は、蒸発器211と同じ断面形状を有する高さdの円柱型に形成されている。また、高さdは、CPU230の上に蒸発器211を配置し、蒸発器211の上に流路抑制部材217を配置した時に、流路抑制部材217の上面がサーバ200の筐体の上面近傍まで達する高さに設定される。
蒸発器211の上に高さdの流路抑制部材217を配置することにより、流路抑制部材217の上面を通って後方に流れる冷却風を抑制することができる。また、蒸発容器および流路抑制部材217を円柱状に形成することにより、蒸発器211および流路抑制部材217に到達した冷却風は、蒸発容器および流路抑制部材217の側面に沿って蒸発器211および流路抑制部材217の後ろ側に導かれる。
以上のように、本実施形態に係る冷却装置210およびそれを用いたサーバ200において、蒸発容器および流路抑制部材217の側面は曲面形状、例えば、ファン220側から発熱部品240の方向にいったん滑らかに広がり、滑らかにすぼまる形状に形成されている。さらに、流路抑制部材217の高さdは、CPU230、蒸発器211および流路抑制部材217を積層配置した時に、流路抑制部材217の上面がサーバ200の筐体の上面近傍まで達する高さに設定されている。この場合、ファン220から出力した冷却風を用いて、蒸発器211の背後に配置されている発熱部品240を効率よく冷却することができる。すなわち、1Uサーバ等の薄型のサーバ200に冷媒循環式の冷却装置210を実装した場合でも、サーバ200全体の冷却効率を向上させることができる。
なお、薄型のサーバにおいて、空冷方式を冷媒循環式に置き換える場合、複数の冷却用ファンの一部を凝縮器214に置き換えるだけで良く、サーバ内の各部品のレイアウト変更は不要である。
さらに、蒸発器211と高さdの流路抑制部材217とを併用する場合、高さが異なるCPUを用いる場合やサーバの高さが異なる場合に、流路抑制部材217の高さdをそれに合わせて変更しさえすれば、蒸発器211を共通に使用することができる。従って、CPUまたはサーバごとに蒸発器を準備する必要がなく、冷却装置210およびサーバ200のコストを低くすることができる。
ここで、上述の実施形態では、流路抑制部材217の断面形状を蒸発器211の蒸発容器の断面形状と同じにしたが、これに限定されない。その他の断面形状を有する流路抑制部材を配置したサーバの内部構成の一部を示す上面図を図8Aに、透視側面図を図8Bに示す。
図8A、図8Bにおいて、サーバ200Bは直方体型の流路抑制部材217Bを備える。流路抑制部材217Bは、冷却風の流れる方向をY方向、ファン220Bの配列方向をX方向とすると、X方向の辺の長さがLに、高さがdに設定されている。
高さdは、CPU230Bの上に蒸発器211Bを配置し、蒸発器211Bの上に流路抑制部材217Bを配置した時に、流路抑制部材217Bの上面がサーバ200Bの筐体の上面近傍まで達する高さに設定される。蒸発器211Bの上に、高さdの流路抑制部材217Bを配置することにより、流路抑制部材217Bの上面を通って後方に流れる冷却風を抑制することができる。
一方、長さLは、蒸発器211Bの直径よりも大きい値に設定される。従って、流路抑制部材217Bを蒸発器211Bの上に配置した場合、流路抑制部材217Bの一部が蒸発器211BからX方向に突出する。流路抑制部材217Bの蒸発器211Bから突出した部分(以下、突出部218Bと記載する。)を図8Aに斜線で示す。流路抑制部材217Bが突出部218Bを備えることから、流路抑制部材217Bおよび蒸発器211Bに到達した冷却風は、流路抑制部材217Bの突出部218Bの下方に流れる。なお、流路抑制部材217BのY方向の辺の長さは、図8Aに示すように、蒸発器211Bの直径と同等に形成したが、これに限らない。
この時の冷却風の流れについて説明する。冷却風の流れを図8A、図8Bに点線で示す。図8A、図8Bにおいて、ファン220Bから出力され、凝縮器214Bを通過して蒸発器211Bおよび流路抑制部材217Bに到達した冷却風は、蒸発容器の側面に沿って後方に回り込むと共に流路抑制部材217Bの突出部218Bによって下方へ導かれる。そして、蒸発器211Bの後ろ側下方に導かれた冷却風は、発熱部品240Bに到達し、発熱部品240Bを冷却する。
以上のように、本実施形態に係る冷却装置210Bを備えたサーバ200Bにおいて、蒸発器211Bの上に、突出部218Bを備えた高さdの流路抑制部材217Bを配置した。この場合、サーバ200BやCPU230Bの高さに応じて流路抑制部材217Bの高さdを設定することにより、蒸発器211Bを共通に使用することができる。さらに、流路抑制部材217Bが突出部218Bを備えていることから、蒸発器211Bおよび流路抑制部材217Bに到達した冷却風は、流路抑制部材217Bの突出部218Bの下方へ導かれる。従って、ファン220Bから出力された冷却風を用いて蒸発器211Bの背後の基板上に配置されている低背の発熱部品240Bを効率よく冷却することができる。
ここで、流路抑制部材217Bの突出部218Bの下面の一部を凹状に形成したり、下方に傾斜させたりすることもできる。この場合、冷却風をより下方に導くことができる。
(第4の実施形態)
第4の実施形態について説明する。本実施形態に係るサーバの内部構成の一部を示す上面図を図9Aに、透視側面図を図9Bに示す。図9A、図9Bにおいて、本実施形態に係るサーバ300は、冷却装置310、ファン320、CPU330および発熱部品340を備える。また、冷却装置310は、蒸発器311、蒸気管312、液管313、凝縮器314、冷媒315および整流部材318を備える。
本実施形態に係るサーバ300が、第2の実施形態に係るサーバ100と異なる点は、蒸発器311の周囲に整流部材318が配置されていることである。以下、第2の実施形態で説明したサーバ100と異なる点を中心に説明する。
整流部材318は、蒸発器311を構成する蒸発容器の外周に配置され、例えば、板状部材で形成される。図9Bに示すように、整流部材318は、蒸発器311の凝縮器314側の上端から角度βだけ下方傾斜した状態で、蒸発器311に係止されている。
この時の冷却風の流れについて説明する。冷却風の流れを図9A、図9Bに点線で示す。図9A、図9Bにおいて、ファン320から出力され、凝縮器314のフィンの間を通過し、蒸発器311に到達した冷却風は、整流部材318の下面および蒸発容器の側面に沿って、蒸発器311の後ろ側へ流動する。ここで、整流部材318は下方傾斜した状態で係止されていることから、蒸発器311に到達した冷却風は蒸発器311の後ろ側の下方へ流動する。蒸発器311の後ろ側下方へ導かれた冷却風は、蒸発器311の背後の下方に配置されている低背の発熱部品340に到達し、発熱部品340を冷却する。
また、蒸発器311の蒸発容器は、サーバ300の筐体の上面近傍まで達する高さに形成されていると共に、整流部材318は蒸発器311の凝縮器314側上端に係止されていることから、蒸発器311および整流部材318の上面を通って後方に流れる冷却風を抑制することができる。従って、発熱部品340を効率よく冷却することができる。
以上のように、本実施形態に係る冷却装置310およびそれを用いたサーバ300において、蒸発器311に整流部材318を係止させることにより、ファン320から出力した冷却風を用いて蒸発器311の背後の下方に配置されている低背の発熱部品340を効率よく冷却することができる。すなわち、1Uサーバ等の薄型のサーバ300に冷媒循環式の冷却装置310を実装した場合でも、サーバ300全体の冷却効率を向上させることができる。
なお、薄型のサーバにおいて、空冷方式を冷媒循環式に置き換える場合、複数の冷却用ファンの一部を凝縮器314に置き換えるだけで良く、サーバ内のその他の各部品のレイアウト変更は不要である。
ここで、複数の整流部材を蒸発器に配置することもできる。2つの整流部材を蒸発器に配置した場合のサーバの内部構成の一部を示す上面図を図10Aに、側面図を図10Bに示す。
図10A、図10Bにおいて、本実施形態に係るサーバ300Bは、冷却装置310B、ファン320B、CPU330B、発熱部品340BおよびPCIスロット360Bを備える。また、冷却装置310Bは、蒸発器311B、蒸気管312B、液管313B、凝縮器314B、冷媒315Bおよび2つの整流部材318aB、318bBを備える。
発熱部品340Bは、動作に伴って発熱する低背の部品である。PCIスロット360Bには、LSI(Large Scale Integration)361Bなどの発熱部品が搭載されている。図10Bに示すように、発熱部品340Bはサーバ300Bの下方に配置され、PCIスロット360Bはサーバ300Bの上方に配置されている。
整流部材318aB、318bBは、例えば、中心に蒸発器311Bを嵌合させるための穴が形成されている板状部材である。図10Bにおいて、整流部材318aBは、蒸発器311の中段から角度βだけ下方傾斜した状態で、蒸発器311Bに係止されている。一方、整流部材318bBは、蒸発器311Bの整流部材318aBの下方に、水平状態で係止されている。
この時の冷却風の流れについて説明する。冷却風の流れを図10A、図10Bに細い点線で示す。図10A、図10Bにおいて、ファン320Bから出力され、凝縮器314Bのフィンの間を通過し、蒸発器311Bに到達した冷却風は、一部が、整流部材318aBの上面および蒸発容器の側面に沿って、蒸発器311Bの後ろ側上方へ導かれる。蒸発器311Bの後ろ側上方へ導かれた冷却風は、PCIスロット360Bに到達し、LSI361Bを冷却する。
一方、残りの冷却風は、整流部材318aBの下面、整流部材318bBの上面および蒸発容器の側面に沿って、蒸発器311Bの後ろ側下方へ導かれる。蒸発器311Bの後ろ側下方へ導かれた冷却風は、発熱部品340Bに到達し、発熱部品340Bを冷却する。
以上のように、本実施形態に係る冷却装置310Bおよびそれを用いたサーバ300Bにおいて、蒸発器311Bに2つの整流部材318aB、318bBを配置することにより、蒸発器311Bに到達した冷却風を用いて、サーバ300Bの下方に配置されている発熱部品340Bおよびサーバ300Bの上方に配置されているPCIスロット360Bの両方を冷却することができる。
なお、蒸発器に配置する整流部材の数は1または2つに限定されない。また、本実施形態で説明した整流部材と第3の実施形態で説明した流路抑制部材とを組み合わせることもできる。さらに、円柱状の蒸発容器に整流部材や流路抑制部材を係止させることに限定されない。例えば、第2の実施形態の変形例で説明した流線型状が接合した滴型や、円錐台型や、釣り鐘型等に形成された蒸発容器に、整流部材や流路抑制部材を係止させることもできる。
なお、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るものではない。この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
この出願は、2012年1月4日に出願された日本出願特願2012−000077を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は、内部に発熱部材および該発熱部材を冷却する冷却装置を備える部品、機器およびシステム全般に適用できる。
10 電子機器
20 冷却装置
21 蒸発器
22 凝縮器
23 蒸気管
24 液管
25 冷媒
26 流路抑制手段
31 第1の発熱部材
32 第2の発熱部材
40 ファン
90 電子機器
91 第1の発熱部材
92 第2の発熱部材
93 ファン
100、200、300 サーバ
110、210、310 冷却装置
111、211、311 蒸発器
112、212、312 蒸気管
113、213、313 液管
114、214、314 凝縮器
115、215、315 冷媒
116、216、316 フィン
217 流路抑制部材
318 整流部材
120、220、320 ファン
130、230、330 CPU
140、240、340 発熱部品
150 メモリ
160 電源
900 サーバ
910 冷却装置
920 CPU
930 メモリ
940 発熱部品
950 電源

Claims (13)

  1. 上面を備えた筐体に配置される冷却装置であって、
    冷媒と、
    側面が曲面形状の蒸発容器を備え、前記冷媒を液相状態から気相状態に相変化させて吸熱を行う蒸発器と、
    前記冷媒を気相状態から液相状態に相変化させて放熱を行う凝縮器と、
    前記蒸発器および前記凝縮器を接続する配管と、
    前記蒸発容器の上方および前記上面の間を流動する冷却風を抑制する流路抑制手段と、
    を備える冷却装置。
  2. 前記流路抑制手段は前記蒸発容器を含み、前記蒸発容器は前記筐体の上面近傍に達する高さに形成される、請求項1記載の冷却装置。
  3. 前記流路抑制手段は前記蒸発容器の上部に配置された流路抑制部材を備え、前記流路抑制部材は前記蒸発器の上に配置された時に前記筐体の上面近傍に達する高さに形成される、
    請求項1記載の冷却装置。
  4. 前記流路抑制部材は、前記蒸発容器から突出する突出部を備える、請求項3記載の冷却装置。
  5. 前記蒸発容器の外周に配置された整流部材をさらに備える、請求項1乃至4のいずれか1項記載の冷却装置。
  6. 前記整流部材は、板状部材であり、
    前記板状部材は、水平方向から傾斜した状態で前記外周に配置される、請求項5記載の冷却装置。
  7. 前記蒸発容器は、円形の断面形状を有する、請求項1乃至6のいずれか1項記載の冷却装置。
  8. 前記蒸発容器は、流線型状が接合された滴型の断面形状を有する、請求項1乃至6のいずれか1項記載の冷却装置。
  9. 前記蒸発容器は、流線型状が複数箇所で接合された断面形状を有する、請求項1乃至6のいずれか1項記載の冷却装置。
  10. 前記配管は、前記蒸発器から前記凝縮器へ前記冷媒を輸送する蒸気管と、前記凝縮器から前記蒸発器へ前記冷媒を輸送する液管を含み、
    前記蒸発器は、前記蒸気管を連結する蒸気流出口と、前記液管を連結する液体流入口とを備え、
    前記蒸気流出口と前記液体流入口とは対向して配置している、
    請求項1乃至9のいずれか1項記載の冷却装置。
  11. 前記凝縮器は、前記冷媒が流動する管状体と、前記管状体の周囲に配置された複数の放熱体と、を備える、請求項1乃至10のいずれか1項記載の冷却装置。
  12. 上面を備えた筐体と、
    請求項1乃至11のいずれか1項記載の冷却装置と、
    動作に伴って発熱する第1の発熱部材および第2の発熱部材と、
    前記冷却装置の前記凝縮器に対向配置され、冷却風を出力するファンと、
    を備え、
    前記第1の発熱部材は前記蒸発容器の下方に配置され、
    前記第2の発熱部材は前記蒸発容器の曲面形状の側面に沿った方向に配置されている、
    電子機器。
  13. 第3の発熱部材をさらに備え、
    前記蒸発容器は、複数の流線型状が接合した2つの接合部を含む断面形状を有し、
    前記第2の発熱部材は、前記蒸発容器の中心と一方の前記接合部とを結ぶ直線の延長線上に配置され、
    前記第3の発熱部材は、前記蒸発容器の中心と他方の前記接合部とを結ぶ直線の延長線上に配置されている、
    請求項12記載の電子機器。
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