JP6957979B2 - 冷却装置及び電子システム - Google Patents

Description

本願の開示する技術は冷却装置及び電子システムに関する。

液体の冷媒が循環する流路と、冷媒の循環を誘う気泡を発生させる気泡発生手段と、発生された気泡を蓄える気体層と、冷媒を冷却ファンによって強制空冷する冷却機構と、を有する冷却体構造がある。

また、部品を搭載したプリント板を液体の冷媒中に浸漬して冷却する液冷モジュールにおいて、プリント板上の部品から発生する冷媒気泡がその部品より上部に取り付けられている部品に接触することを妨げる手段を設けた構造がある。

特開平８−１５３８３９号公報 特開昭６２−３７９９９号公報

液体の冷媒に電子装置を浸漬して電子装置を冷却する構造では、鉱物油等の比誘電率の高い冷媒を用いた場合、電子装置の表層配線のインピーダンスが空気中に電子装置が設置される場合の値（目標値）と異なる値になってしまうことがある。

本願の開示技術は、１つの側面として、液体の冷媒に電子装置を浸漬する構造において、鉱物油等の比誘電率の高い冷媒を用いた場合においても、電子装置の表層配線のインピーダンスを目標値に近づけることを目的とする。

本願の開示する技術では、液体の冷媒が収容される容器と、冷媒に気泡を導入するとともに、冷媒に浸漬される電子装置の表層配線を備える第一面に気泡を接触させる導入部材と、を有する。

本願の開示する技術では、液体の冷媒に電子装置を浸漬する構造において、鉱物油等の比誘電率の高い冷媒を用いた場合においても、電子装置の表層配線のインピーダンスを目標値に近づけることができる。

図１は第一実施形態の冷却装置を備える電子システムを示す縦断面図である。 図２は第一実施形態の冷却装置を示す縦断面図である。 図３は電子装置の表層配線のインピーダンスのシミュレーションを示す図である。 図４は電子装置の基板から気泡までの距離と表層配線のインピーダンスの関係を示すグラフである。 図５は冷媒の比誘電率が４の場合における気泡の基板への接触面積の割合と表層配線のインピーダンスの関係を示すグラフである。 図６は冷媒の比誘電率が５の場合における気泡の基板への接触面積の割合と表層配線のインピーダンスの関係を示すグラフである。 図７は冷媒の比誘電率と表層配線のインピーダンスの関係を示すグラフである。 図８は第二実施形態の冷却装置を備える電子システムを示す縦断面図である。 図９は第二実施形態の冷却装置を示す縦断面図である。

第一実施形態の冷却装置及び電子システムについて、図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、第一実施形態の電子システム１２は、冷却装置１４と、この冷却装置１４で冷却されるサーバ１６と、を有する。

図２に示すように、第一実施形態の冷却装置１４は、冷却槽１８を有する。冷却槽１８は容器の一例である。

冷却槽１８は、図示の例では直方体の箱状の部材であり、上面の全部又は一部（図示の例では全部）が開放されている。冷却槽１８の内部には、液体の冷媒ＲＧが収容されている。図示の例では、冷却装置１４は、冷却槽１８の内部に冷媒ＲＧを供給する供給管２０と、冷却槽１８の内部から冷媒ＲＧを排出する排出管２２とを有する。排出管２２により冷却槽１８から排出された冷媒ＲＧは、たとえば循環装置によって循環され、供給管２０から、冷却槽１８に供給される構造を採り得る。あるいは 、排出管２２により冷却槽１８から排出された冷媒ＲＧの一部又は 全部を廃棄し、あらたな冷媒ＲＧを供給管２０から冷却槽１８に供給してもよい。

図１に示すように、サーバ１６は、基板２４を有する。基板２４は、絶縁性を有する板状の部材である基材２６を有する。

基板２４は、基材２６の一方の面２６Ａに搭載されるプロセッサ２８及び電子部品３０を有する。そして、表層配線３２によって、プロセッサ２８と電子部品３０とが電気的に接続されている。表層配線３２はレジスト層３４で覆われており、レジスト層３４の外側の面が基板２４の第一面５０である。したがって、第一面５０は、表層配線３２を備える面である。プロセッサ２８は発熱部品の一例である。

電子部品３０は、たとえば、サーバ１６の外部の機器と電気的に接続するための接続用チップやスイッチ等であるが、特に限定されない。

なお、図１に示すように、基材２６において、表層配線３２が設けられた面と反対側の面には、グラウンド配線３６が設けられる。グラウンド配線３６の外側の面は、基板２４の第二面５２である。グランド配線３６の外側にレジスト層を設けてもよく、この場合は、レジスト層の外側の面が第二面５２である。

サーバ１６としては、たとえば、基板２４と、この基板２４以外の各種の電子部品等が、筺体（図示省略）に収容された構造を採り得る。

冷却槽１８の内部には、サーバ１６を保持する保持部材３８が配置される。図１に示す例では、保持部材３８は、サーバ１６を垂直に立てた状態で、サーバ１６の下側に位置する部分を挟むように収容する収容凹部３８Ｈを有する。このように保持部材３８で保持されたサーバ１６は、表層配線３２がプロセッサ２８よりも上側となる向きである。ただし、保持部材３８がサーバ１６を保持する構造はこれに限定されず、たとえば、サーバ１６を上側から保持する構造でもよい。そして、保持部材３８は、ボルトやクリップ等の固定部材により、サーバ１６を固定する。

冷却装置１４は、導入部材４０を有する。導入部材４０は、冷却槽１８内で保持されたサーバ１６の第一面５０に対し、気泡ＡＢを吐出する吐出部材４２を有する。

図１及び図２に示す例では、吐出部材４２は、水平方向に延在する１本又は複数本の吐出パイプ４４を有する。気泡ＡＢは、吐出パイプ４４の吐出孔４４Ｈから吐出される。特に、図１に示す例では、複数本の吐出パイプ４４が、基材２６のプロセッサ２８及び電子部品３０とは対向せず、第一面５０には、表層配線３２とレジスト層３４を介して対向するように、上下に間隔 をあけて配置されている。複数本の吐出パイプ４４を有する構造では、吐出パイプ４４の１本あたりに複数の吐出孔４４Ｈを設けることで、全体として吐出孔４４が格子点状に配置された構造を採り得る。なお、冷媒ＲＧ内の気泡ＡＢは、冷却槽１８の上部の開放部分から、冷却槽１８の外部に排出される。

冷媒ＲＧ内に導入される気泡ＡＢの大きさは、吐出孔４４Ｈの孔径によって調整可能である。そして、吐出パイプ４４を交換可能な構造としておき、所望の大きさの気泡ＡＢに対応する孔径の吐出孔４４Ｈを有する吐出パイプ４４に交換すれば、気泡ＡＢの大きさを変更可能である。

冷却槽１８の外部には、供給部材４６が設けられている。供給部材４６は、制御装置４８によって制御され、供給配管５２を通じて吐出パイプ４４に気体を供給する。導入部材４０は、吐出孔４４Ｈから吐出された気泡ＡＢが、基材２６の第一面５０に接触するように、十分な圧力を作用させて気体を冷媒ＲＧ内に供給する。さらに、供給部材４６は、導入部材４０によって冷却槽１８内に導入される気泡ＡＢの量を調整することが可能であり、調整部材の一例である。たとえば、気泡ＡＢの量を多くすると、第一面５０の面積に対する気泡ＡＢの接触面積の割合が大きくなる。

次に、本実施形態の作用を説明する。

図１に示すように、電子システム１２では、冷却槽１８内にサーバ１６が保持される。そして、サーバ１６のプロセッサ２８には、液体の冷媒ＲＧが接触する。プロセッサ２８の熱は冷媒ＲＧに伝わる。このため、たとえばプロセッサ２８が気体の空気に接触して熱が空気に伝わる構造と比較して、プロセッサ２８を冷却する効果が高い。

気体の空気の比誘電率は概ね１であるのに対し、本実施形態で用いる冷媒ＲＧの比誘電率は１よりも大きい。このような冷媒としては、鉱物油系の冷媒が挙げられる。表層配線３２のインピーダンスＺは、透磁率μ、及び誘電率εを用いて、Ｚ＝√（μ／ε）と表される。したがって、表層配線３２に単に冷媒ＲＧが接触する構造では、表層配線３２に空気が接触する構造と比較して、表層配線３２のインピーダンスＺは小さくなる。

本実施形態では、冷却槽１８内には、導入部材４０によって、空気の気泡ＡＢが導入される。導入された気泡ＡＢはサーバ１６の第一面５０に接触する。このように冷媒ＲＧに気泡ＡＢを導入することで、冷媒ＲＧと気泡ＡＢとを合わせた比誘電率が、冷媒ＲＧのみの場合の比誘電率よりも下がる。すなわち、本実施形態では、気泡ＡＢが表層配線３２に接触しない構造と比較して、表層配線３２のインピーダンスＺは大きくなり、目標値に近づけることができる。

ここで、図３には、サーバ１６が浸漬された冷媒ＲＧに対し、気泡ＡＢを導入した場合の表層配線３２のインピーダンスＺについてのシミュレーションの状態が示されている。各シミュレーションにおいて、サーバ１６については共通の条件を以下に設定した。
表層配線３２の幅：０．２２ｍｍ
表層配線３２とグラウンド配線３６の距離：０．１５ｍｍ
レジスト層３４の厚み：０．０７ｍｍ

また、気泡ＡＢは、冷媒ＲＧ内では略球形（半径をｒとする）であるが、ここでは、半径ｒ、高さ２ｒの円柱で近似し、第一面５０から一定の距離Ｌの位置で、基板２４と平行な面内に一定のピッチｐで正規格子状に配置して計算を行った。

冷媒ＲＧが存在せず、第一面５０に空気が接触している場合のインピーダンスＺは約５０Ωであった。

表層配線３２において、たとえば８Ｇｂｐｓを超える程度の高速で信号伝送が行われることを想定すると、インピーダンスＺを目標値の±１０％の範囲に留めることが好ましい。一例として、目標値を、表層配線３２に空気が接触している場合のインピーダンスである５０Ωとすれは、本実施形態において、冷媒ＲＧにサーバ１６が浸漬された場合のインピーダンスＺは４５Ω以上５５Ω以下の範囲となっていることが好ましい。

そして、比誘電率が５の冷媒ＲＧが表層配線３２に接触し、気泡ＡＢが導入されていない場合の表層配線３２のインピーダンスＺを計算すると、４２Ωとなり、空気が接触している場合よりも８Ω低くなってしまう。

＜シミュレーション１＞
シミュレーション１では、第一面５０から気泡ＡＢまでの距離Ｌを変化させて、この距離Ｌと表層配線３２のインピーダンスＺとの関係を計算した。

冷媒ＲＧの比誘電率は５、気泡ＡＢの半径ｒは０．４ｍｍ、気泡ＡＢのピッチｐは１．０ｍｍとした。

図４に示すように、基板２４から気泡ＡＢまでの距離Ｌが０ｍｍの場合、すなわち気泡ＡＢが第一面５０に接触している場合が、インピーダンスＺは最も大きく、空気が表層配線３２に接触している場合の５０Ωに近い値である。そして、気泡ＡＢが基板２４に接触しない場合には、インピーダンスＺは小さくなってしまう。冷媒ＲＧの比誘電率が５よりも大きい場合を考慮すると、インピーダンスＺを４５Ω以上５５Ω以下の範囲にするためには、気泡ＡＢが第一面５０に接触していることが好ましい。

＜シミュレーション２＞
シミュレーション２では、第一面５０から気泡ＡＢまでの距離Ｌを０ｍｍとし、気泡ＡＢが基板２４に接触している面積を変化させて、接触面積の割合Ｒと表層配線３２のインピーダンスＺとの関係を計算した。ここでいう接触面積の割合Ｒとは、第一面５０の面積に対する、気泡ＡＢの接触面積の割合（百分率）である。接触面積の割合Ｒは、気泡ＡＢのピッチｐを変えることで変化させた。

上記の条件において、冷媒ＲＧの比誘電率εが４、及び５の各場合で、接触面積の割合Ｒと表層配線３２のインピーダンスＺとの関係を計算した。気泡ＡＢの半径ｒとしては、０．０１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍの各場合を設定した。

図５では、冷媒ＲＧの比誘電率εが４の場合の、接触面積の割合ＲとインピーダンスＺの関係を示す。気泡ＡＢの半径ｒが０．０１ｍｍの場合は、接触面積の割合Ｒが０．５％から１２．６％までの範囲でシミュレーションを行った。この範囲では、インピーダンスＺは４５Ωから５０Ωまでにある。

気泡ＡＢの半径ｒが０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、及び０．８ｍｍの場合は、接触面積の割合Ｒが２．０％から５０．３％までの範囲でシミュレーションを行った。この範囲においても、接触面積の割合Ｒに関わらず、インピーダンスＺは４５Ωから５０Ωまでにある。

図６では、冷媒ＲＧの比誘電率εが５の場合の、接触面積の割合ＲとインピーダンスＺの関係を示す。この場合も、気泡ＡＢの半径ｒが０．０１ｍｍの場合は、接触面積の割合Ｒが０．５％から１２．６％までの範囲でシミュレーションを行った。この範囲では、インピーダンスＺは４５Ωから５０Ωまでにある。

気泡ＡＢの半径ｒが０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、及び０．８ｍｍの場合は、接触面積の割合Ｒが２．０％から５０．３％までの範囲でシミュレーションを行った。気泡ＡＢの半径ｒが０．２ｍｍ、０．４ｍｍの場合は、接触面積の割合Ｒが３％以上であれば、インピーダンスＺは４５Ωを超えて５０Ωまでの範囲にある。

そして、気泡ＡＢの半径ｒが０．８ｍｍの場合であっても、接触面積の割合Ｒが７％以上であれば、インピーダンスＺは４５Ωから５０Ωまでにある。

以上より、冷媒ＲＧの比誘電率εがたとえば５であっても、接触面積の割合Ｒが３％以上であれば、気泡ＡＢの半径ｒを０．２ｍｍ、０．４ｍｍ程度あるいはそれ以下で、表層配線３２のインピーダンスＺを目標値の±１０％の範囲とすることが可能である。また、接触面積の割合Ｒが７％以上であれば、気泡ＡＢの半径ｒが０．８ｍｍ程度あるいはそれ以下で、表層配線３２のインピーダンスＺを目標値の±１０％の範囲とすることが可能である。

＜シミュレーション３＞
シミュレーション３では、冷媒ＲＧの比誘電率εを変化させて、この比誘電率εと表層配線３２のインピーダンスＺとの関係を計算した。

第一面５０から気泡ＡＢまでの距離Ｌを０ｍｍ、気泡ＡＢの半径ｒを０．４ｍｍ、気泡ＡＢのピッチｐを１．０ｍｍとした。

図７に示すように、冷媒ＲＧの比誘電率εが１８よりも小さければ、インピーダンスＺは４５Ωから５０Ωまでの範囲にある。

以上のシミュレーション１〜３から分かるように、第一実施形態では、冷媒ＲＧの比誘電率εが１８より小さければ、気泡ＡＢの半径ｒ及び接触面積の割合Ｒを適切に設定することで、インピーダンスＺを目標値の±１０％程度に留めることが可能である。

そして、本実施形態の構造を採ることで、冷媒ＲＧとしては、比誘電率εが１より大きい材料を用いることが可能となる。たとえば、冷媒ＲＧとして、フッ素系不活性液体の他に、合成油等を用いてコストを低減することも可能である。

また、本実施形態の構造を採ることで、たとえば気泡ＡＢの半径ｒが０．２ｍｍ、０．４ｍｍの場合は、接触面積の割合Ｒが３％以上であれば、インピーダンスＺを目標値の±１０％程度にできる。気泡ＡＢの半径ｒが０．８ｍｍの場合であっても、たとえば、接触面積の割合Ｒを７％以上とすることで、表層配線３２のインピーダンスＺを目標値の±１０％程度に留めることが可能である。

なお、表層配線３２のインピーダンスＺを目標値の±１０％程度に留める観点からは、接触面積の割合Ｒに上限はない。ただし、この割合Ｒを過度に大きくすると、多量の空気を吐出パイプ４４に送ることになり、コスト高を招くおそれがある。

冷却装置１４では、導入部材４０が調整部材を兼ねており、冷却槽１８内に導入される気泡ＡＢの量を調整することが可能である。気泡ＡＢの量を調整することで、容易に、表層配線３２に接触する気泡ＡＢの量、すなわち、接触面積の割合Ｒを調整することが可能である。

なお、電子システム１２において、気泡ＡＢの半径ｒは、たとえば、吐出部材４２から気泡ＡＢを吐出している状態を撮影し、この画像において実際に半径ｒを計測することで知ることが可能である。また、接触面積の割合Ｒについても、気泡ＡＢが接触した第一面５０の撮像結果から、複数の気泡ＡＢの接触面積の総和を採れば得られる（第一面５０の面積はあらかじめ測定可能である）。

次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

図８に示すように、第二実施形態の電子システム７２では、冷却装置７４を有する。冷却装置７４の保持部材７６は、サーバ１６を傾斜させて保持する。サーバ１６の向きは、第一面５０が下面となる向きである。

また、第二実施形態の電子システム７２では、吐出パイプ４４が、サーバ１６の下側に配置される。図８に示す例では、複数本の吐出パイプ４４が、横方向に間隔 をあけて配置されている。

図９にも示すように、保持部材７６には、カバー７８が保持されている。カバー７８は、保持部材７６に保持されたサーバ１６のプロセッサ２８を下側から覆う板状の部材である。カバー７８は、一部の吐出パイプ４４の一部（図示の例では右側の吐出パイプ）の吐出口４４Ｈと、プロセッサ２８の間に位置しており、第一面５０は覆わない。

このような構造とされた第二実施形態の電子システム７２では、サーバ１６における第一面５０の法線Ｌ１が水平面ＬＳと所定の角度α（０°＜α＜９０°）をなすように、第一面５０を下面にして保持される。このため、吐出パイプ４４から吐出された気泡ＡＢが、冷媒ＲＧ中を上昇して第一面５０に接触する。すなわち、気泡ＡＢの上昇を利用して、第一面５０に効率的に気泡ＡＢを接触させることができる。特に、気泡ＡＢが第一面５０に接触しつつ上昇するので、気泡ＡＢそれぞれが第一面５０に接触する時間が長くなり、実質的に多くの気泡ＡＢを第一面５０に接触させることができる。

第二実施形態の電子システム７２では、カバー７８がプロセッサ２８を覆っており、気泡ＡＢを遮蔽しているので、プロセッサ２８に気泡が接触することを抑制できる。これにより、プロセッサ２８に冷媒ＲＧが接触する面積を維持できるので、プロセッサ２８の熱が冷媒ＲＧに移動することが妨げられない。

カバー７８は、一部の吐出パイプ４４の吐出口４４Ｈと、プロセッサ２８の間に位置している。すなわち、カバー７８は、吐出パイプ４４から吐出されてプロセッサ２８へ上昇する気泡ＡＢの移動経路に位置しているので、プロセッサ２８に気泡が接触することを効果的に抑制できる。

カバー７８は、第一面５０は覆わないので、第一面５０には確実に気泡ＡＢを接触させることができる。第一面５０に気泡ＡＢが確実に接触することで、表層配線３２のインピーダンスＺを目標値の±１０％程度に留める構造を実現できる。なお、このカバー７８を、第一実施形態に適用することも可能である。

上記各実施形態において、冷却装置１４、７４はそれぞれ、保持部材３８、７６を有する。保持部材３８、７６により、冷却槽１８内で、サーバ１６を一定の位置に保持することができる。サーバ１６を一定の位置に保持することで、吐出パイプ４４とサーバ１６との相対位置がずれないので、表層配線３２に確実に気泡ＡＢを接触させることができる。

保持部材３８、７６は、サーバ１６を、表層配線３２がプロセッサ２８よりも上側となる向きで保持する。したがって、表層配線３２に接触した気泡ＡＢが上昇してプロセッサ２８に接触することを抑制できる。

上記各実施形態における電子装置としては、上記したサーバ１６に限定されず、たとえば、データを保存するストレージ装置等であってもよい。

以上、本願の開示する技術の実施形態について説明したが、本願の開示する技術は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

本明細書は、以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
液体の冷媒が収容される容器と、
前記冷媒に気泡を導入するとともに、前記冷媒に浸漬される電子装置の表層配線を備える第一面に前記気泡を接触させる導入部材と、
を有する冷却装置。
（付記２）
前記冷却装置はさらに、
前記容器の内部で前記電子装置を保持する保持部材を有する付記１に記載の冷却装置。
（付記３）
前記保持部材は、前記電子装置を、前記表層配線が、前記電子装置の発熱部品よりも上側となる向きで保持する付記２に記載の冷却装置。
（付記４）
前記冷却装置において、
前記保持部材は、前記第一面の法線が水平面と所定の角度α（０°＜α＜９０°）をなすように、前記電子装置を保持する付記２又は付記３に記載の冷却装置。
（付記５）
前記冷却装置はさらに、
前記容器の内部に設けられ、前記電子装置の発熱部品を覆うカバーを有する付記１〜付記４のいずれか１つに記載の冷却装置。
（付記６）
前記カバーは、前記導入部材の気泡の吐出口と前記発熱部品の間に位置する付記５に記載の冷却装置
（付記７）
前記カバーは、前記電子装置の表層配線を覆わない付記５又は付記６に記載の冷却装置）。
（付記８）
前記導入部材により導入される気泡の量を調整する調整部材を有する付記１〜付記７のいずれか１つに記載の冷却装置。
（付記９）
前記気泡の半径が０．０１ｍ以上０．８ｍｍ以下である付記１〜付記８のいずれか１つに記載の冷却装置。
（付記１０）
液体の冷媒が収容される容器と、
前記冷媒に浸漬される電子装置と、
前記冷媒に気泡を導入するとともに、前記電子装置の表層配線を備える第一面に前記気泡を接触させる導入部材と、
を有する電子システム。

１２ 電子システム
１４ 冷却装置
１６ サーバ（電子装置の一例）
１８ 冷却槽（容器の一例）
２４ 基板
２６ 基材
２８ プロセッサ（発熱部品の一例）
３２ 表層配線
３８ 保持部材
４０ 導入部材
４２ 吐出部材
４８ 制御装置
５０ 第一面
７２ 電子システム
７４ 冷却装置
７６ 保持部材
７８ カバー

Claims (5)

1. 液体の冷媒が収容される容器と、
   前記冷媒に気泡を導入するとともに、前記冷媒に浸漬される電子装置の表層配線を備える第一面に向けて前記気泡を吐出し前記気泡を前記第一面に接触させる導入部材と、
   を有する冷却装置。
2. 前記冷却装置はさらに、
   前記容器の内部で前記電子装置を保持する保持部材を有する請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷却装置において、
   前記保持部材は、前記第一面の法線が水平面と所定の角度α（０°＜α＜９０°）をなすように、前記電子装置を保持する請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記冷却装置はさらに、
   前記容器の内部に設けられ、前記電子装置の発熱部品を覆うカバーを有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 液体の冷媒が収容される容器と、
   前記冷媒に浸漬される電子装置と、
   前記冷媒に気泡を導入するとともに、前記電子装置の表層配線を備える第一面に向けて前記気泡を吐出し前記気泡を前記第一面に接触させる導入部材と、
   を有する電子システム。

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