JP7036454B2 - 冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、ストレージ装置等の制御に使用される半導体デバイスの冷却システム及び冷却方法に関する。

この種の電子機器の冷却構造に関する技術として特許文献１～３が知られている。
特許文献１に示される冷却方式では、発熱する電子部品の高温を利用し、ゼーベック効果に基づいて電流を作り出した後、この電流を利用し、ペルチェ効果に基づいて、熱電機能部品の一方の接合部に吸熱を起こさせ、対象の電子部品を冷却させる。
具体的には、この冷却方式では、発熱する電子部品の表面に、ゼーベック効果に基づく熱電機能部品を直列配置し、これにペルチェ効果に基づく熱電機能部品を挿入して閉回路を形成する。この状態で、熱電機能部品の反対側の面には放熱フィンが取り付けられる。

特許文献２に示される半導体装置では、ゼーベック素子が半導体素子部の中の発熱部に対して一端を近位させた状態で埋設されている。
このため、特許文献２の半導体装置では、半導体素子部の発熱部で僅かでも昇温があれば、ゼーベック素子の一端と他端とで温度差が生じ、これにより該ゼーベック素子に熱起電力が生じる。
これにより、特許文献２の半導体装置では、ゼーベック素子に生じた熱起電力により、ペルチェ素子に電流を印加して発熱部の熱を放熱させることができる。
また、ゼーベック素子の他端側は、熱源から遠位していることによって温度が一定となるようにしても良く、放熱フィンや冷媒などにより一定温度になるように冷却しても良いとの記載がある。

一方、特許文献３に示されるディスク記憶装置の冷却構造では、ディスクドライブの発熱部から奪った熱を、吸熱部を形成するヒートコネクタを介してヒートシンクに伝達して、当該ヒートシンクから風洞内の冷却風中に熱を放散させるとの構成が示される。

実開昭６３－０４３４４９号公報 国際公開第２００９／１１９１７５号 特開２００５－０１８９２６号公報

ところで、特許文献１～３に示す電子機器では、１つの半導体デバイスを中心として、当該半導体デバイスで生じた熱を外部に案内して排出する冷却システムが構築されている。このため、冷却システムに不具合が生じた場合には、当該半導体デバイスの稼働に支障が生じる。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数の半導体デバイスを安定して冷却させることができ、冷却システムの一部に不具合が発生した場合であっても、これら半導体デバイスに生じる排熱障害を最小限に抑えることができる冷却システム及び冷却方法を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の第１態様に示される冷却システムでは、発熱部となる複数の半導体デバイス毎に、該半導体デバイスを収納するデバイス収納部と、該デバイス収納部に隣接しかつ連通するように配置されて半導体デバイスからの熱を外部に排出するファンを収納するファン収納部とを有する筐体部と、ゼーベック素子及びペルチェ素子を有しかつ前記筐体部のデバイス収納部にそれぞれ設置された熱移動手段と、を備え、前記熱移動手段は、前記デバイス収納部毎に、ゼーベック素子及びペルチェ素子の各一端を発熱部に接触させかつ各他端を電気的に接続することで、前記半導体デバイスで発生した熱を前記一端から前記他端の前記ファン収納部側に移動させ、前記半導体デバイス毎に設置された前記筐体部内のファン収納部は接続開口を介して互いに連通するように設けられることを特徴とする。

本発明の第２態様に示される冷却方法では、発熱部となる複数の半導体デバイス毎に、該半導体デバイスを収納するデバイス収納部と、該デバイス収納部に隣接しかつ連通するように配置されて半導体デバイスからの熱を外部に排出するファンを収納するファン収納部を設けた上で、前記デバイス収納部のそれぞれに、ゼーベック素子及びペルチェ素子からなる熱移動手段を設け、前記熱移動手段では、前記デバイス収納部毎に、ゼーベック素子及びペルチェ素子の各一端を発熱部に接触させかつ各他端を電気的に接続することで、前記半導体デバイスで発生した熱を前記一端から前記他端の前記ファン収納部側に移動させ、前記半導体デバイス毎に設置された前記筐体部内のファン収納部では、接続開口を介して互いに連通させることで、前記半導体デバイスで発生した熱を、隣接するファン収納部に移動させることを特徴とする。

本発明によれば、複数の半導体デバイスを安定して冷却させることができ、冷却システムの一部に不具合が発生した場合であっても、これら半導体デバイスに生じる排熱障害を最小限に抑えることができる。

本発明に係る冷却システムの最小構成を示す概略図である。 実施形態に係るストレージ装置の概略図である。 図２の内部構成図である。 熱移動手段の説明図である。 図３を詳細に示す内部構成図である。 図５の作用を示す説明図である。

本発明に係る冷却システム１００の最小構成について図１を参照して説明する。
図１において符号１で示すものは筐体部であって、内部にデバイス収納部２とファン収納部３とを有する。
筐体部1内のデバイス収納部２は、発熱部となる半導体デバイスＤを収納するものであって、半導体デバイスＤ毎に設けられている。
筐体部1内のファン収納部３は、デバイス収納部２に隣接しかつ連通するように配置されて半導体デバイスＤからの熱を外部に排出するファン３Ａを収納する。
なお、本例では、筐体部１内に２つの半導体デバイスＤが配置され、半導体デバイスＤの数に応じて、デバイス収納部２及びファン収納部３が２つずつ配置された例が示されているが、これらの数については限定されない。

筐体部１のデバイス収納部２には、ゼーベック素子４及びペルチェ素子５からなる熱移動手段６が配置される。
熱移動手段６は、デバイス収納部２毎に、ゼーベック素子４及びペルチェ素子５の各一端４Ａ，５Ａを発熱部となる半導体デバイスＤに接触させ、かつ各他端４Ｂ，５Ｂを電気的に接続することで、半導体デバイスＤで発生した熱を一端４Ａ，５Ａから他端４Ｂ，５Ｂに位置するファン収納部３に移動させる。
一方、半導体デバイスＤ毎に設置された筐体部１内のファン収納部３は接続開口７を介して互いに連通するように設けられている。

以上のように構成された本発明の冷却システム１００によれば、発熱部となる複数の半導体デバイスＤ毎に、筐体部１のデバイス収納部２とファン収納部３とを設けるようにした。
そして、上記冷却システム１００では、デバイス収納部２毎に、ゼーベック素子４及びペルチェ素子５からなる熱移動手段６を設けることで、半導体デバイスＤで発生した熱をこれら素子の一端４Ａ，５Ａから、他端４Ｂ，５Ｂ近傍に位置するファン収納部３側に移動させることができる。
これにより、このとき半導体デバイスＤで発生した熱は、熱移動手段６によりファン収納部３側に移動された後、ファン収納部３内のファン３Ａの送風（符号Ｆ１，Ｆ２で示す）を介して外部に排出される。

また、上記冷却システム１００では、半導体デバイスＤ毎に設置された筐体部１内のファン収納部３が接続開口７を介して互いに連通するように設けられている。
このため、例えば１つのデバイス収納部２内の排熱手段（例えば、図１右側の熱移動手段６又はファン３Ａ）が故障した場合には、他のデバイス収納部２内の熱移動手段６、及びファン収納部３内のファン３Ａを介して、熱移動手段６が故障したデバイス収納部２の排熱補助を行うことができる（矢印Ａで示す経路で排熱）。
すなわち、上記冷却システム１００では、複数の半導体デバイスＤを安定して冷却させることができ、排熱手段の一部に不具合が発生した場合であっても、これら半導体デバイスＤに生じる排熱障害を最小限に抑えることができる。

（実施形態）
本発明の実施形態に係る冷却システム１０１について図２～図６を参照して説明する。
図２及び図３は冷却システム１０１が採用されたストレージ装置２００の全体図であって、ドライブ格納部２０、制御デバイス収納部２１及びファン収納部２２を有している。

ドライブ格納部２０は複数台のハードディスク装置（図示略）を収納する。
制御デバイス収納部２１はドライブ格納部２０に隣接されるものであって、各ハードディスク装置を制御する複数の半導体デバイスＤ１を具備する。
これら半導体デバイスＤ１では、ＲＡＩＤ（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）によるデータ分散方式によって冗長化されたハードディスク装置を制御し、１個のハードディスク装置が壊れた際に、壊れたディスク内のデータをスペア・ディスク（退避用ディスク）に自動復旧させる機能を有する。

ファン収納部２２は、ドライブ格納部２０及び制御デバイス収納部２１に隣接配置されるものであって、内部に空気を送風するファン２２Ａ（後述する）を有する。
また、ドライブ格納部２０、制御デバイス収納部２１及びファン収納部２２からなる冷却システム１０１には、矢印Ａ１～Ａ５で示すエアフローが供給される。

また、制御デバイス収納部２１とファン収納部２２とは、図３に示されるように、筐体部１０内に接続開口２３を介して上下に連通するように設置され、かつ半導体デバイスＤ１毎に設けられている。
また、ファン収納部２２内のファン２２Ａは、制御デバイス収納部２１とファン収納部２２との接続開口２３の近傍に配置されている（図５参照）。

筐体部１０の制御デバイス収納部２１には、図４に示されるようなゼーベック素子１１及びペルチェ素子１２からなる熱移動手段１３が配置される。
一方、半導体デバイスＤ１毎に設置された筐体部１０内のファン収納部２２は、接続開口２４（図５参照）（後述する）を介して互いに連通するように設けられている。

図５を参照して熱移動手段１３の具体的構成について説明する。
なお、図５の筐体部１０では、ドライブ格納部２０から供給されたエアフロー（図３に矢印Ａ２で示す）が吸入され、制御デバイス収納部２１及びファン収納部２２を経たエアフロー（図３に矢印Ａ５で示す）が排出されるが、これらは図面と直交する向きであるので、図示略とされている。

熱移動手段１３は、制御デバイス収納部２１毎に、ゼーベック素子１１及びペルチェ素子１２の各一端１１Ａ，１２Ａを発熱部となる半導体デバイスＤ１に接触させ、かつ各他端１１Ｂ，１２Ｂを電気的に接続することで、半導体デバイスＤ１で発生した熱を一端１１Ａ，１２Ａから他端１１Ｂ，１２Ｂに位置するファン収納部２２に移動させる（このときの排熱経路を図５中に矢印Ａ４及びａ１，ａ２で示す）。

より具体的には、ゼーベック素子１１とペルチェ素子１２はそれぞれ半導体デバイスＤ１の周辺と、ファン収納部２２との両方に跨るように設置されている。
そして、複数の半導体デバイスＤ１からなるストレージ制御部３０において、制御を実施する際に半導体デバイスＤ１の動作とともに発熱が生じる。
ゼーベック素子１１では、発熱している半導体デバイスＤ１付近が熱され、ファン収納部２２側が冷されて、一端１１Ａと他端１１Ｂとで温度差が発生する。

これにより、熱移動手段１３では、ゼーベック素子１１に熱起電力が生じ、熱起電力によりペルチェ素子１２に電流を印加することで発熱部の熱を放熱させることができる。
その後、熱移動手段１３では、印加された電流をペルチェ素子１２に流入させることで、該ペルチェ素子１２の一端１２Ａにて吸熱が生じ、もう他端１２Ｂにて放熱が生じる。
その結果、熱移動手段１３では、ペルチェ素子１２の吸熱側（一端１２Ａ）を半導体デバイスＤ１側に、放熱側（他端１２Ｂ）をファン収納部２２側にそれぞれ設置することで、冷却効率が高い箇所に熱源を移動することができる。

また、冷却システム１０１では、図５に示すように可用性を高めるために複数の半導体デバイスＤ１を内蔵したストレージ制御部３０を冗長の構成とすることができる。
一方、上記冷却システム１０１では、一方の半導体デバイスＤ１（図中右側の半導体デバイスＤ１）側において、片方のファン２２Ａ／熱移動手段１３が故障、抜去等で機能しなくなった場合はその側のストレージ制御部３０の冷却が弱くなってしまい高温となる恐れがある。

そういった場合に、上記冷却システム１０１では、図６に示すように正常な半導体デバイスＤ１（図中左側の半導体デバイスＤ１）側の熱移動手段１３及びファン２２Ａを通常に稼働して、隣接するファン収納部２２を連通する接続開口２４を通じて、故障した側のファン収納部２２から空気を排出すれば、図中右側の半導体デバイスＤ１を冷却することが可能となる（排熱経路を矢印Ａ４及びａ１で示す）。
すなわち、上記冷却システム１０１では、複数の半導体デバイスＤ１を内蔵して冗長の構成としたストレージ制御部３０を熱暴走させることなく、安定して運用することができる。

以上のように構成された本実施形態の冷却システム１０１によれば、発熱部となる複数の半導体デバイスＤ１毎に、筐体部１０の制御デバイス収納部２１とファン収納部２２とを設けるようにした。
そして、上記冷却システム１０１では、制御デバイス収納部２１毎に、ゼーベック素子１１及びペルチェ素子１２からなる熱移動手段１３を設けることで、半導体デバイスＤ１で発生した熱をこれら素子の一端１１Ａ，１２Ａから、他端１１Ｂ，１２Ｂ近傍に位置するファン収納部２２側に移動させることができる。
これにより、このとき半導体デバイスＤ１で発生した熱は、熱移動手段１３によりファン収納部２２側に移動された後、ファン収納部２２内のファン２２Ａの送風（排熱経路を矢印Ａ４及びａ１，ａ２で示す）により外部に排出される。

また、上記冷却システム１０１では、半導体デバイスＤ１毎に設置された筐体部１０内のファン収納部２２が接続開口２４を介して互いに連通するように設けられている。
このため、例えば１つの制御デバイス収納部２１内の排熱手段（例えば、図１右側の熱移動手段１３又はファン２２Ａ）が故障した場合には、他の制御デバイス収納部２１内の熱移動手段１３、及びファン収納部２２内のファン２２Ａを介して、熱移動手段１３が故障した制御デバイス収納部２１内の排熱補助を一時的にでも行うことができる（排熱経路を矢印Ａ４及びａ１で示す）。
すなわち、上記冷却システム１０１では、複数の半導体デバイスＤ１を安定して冷却させることができ、冷却システムの一部に不具合が発生した場合であっても、これら半導体デバイスＤ１に生じる排熱障害を最小限に抑えることができる。

なお、上記実施形態に示す冷却システム１０１では、筐体部１０内に２つの半導体デバイスＤ１が配置され、これにより制御デバイス収納部２１及びファン収納部２２が２つずつ配置された例が示されている。
しかし、これに限定されず、上記冷却システム１０１において、半導体デバイスＤ１を３以上の複数個配置し、当該導体デバイスＤ１の数に応じて、制御デバイス収納部２１及びファン収納部２２を設置しても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、ストレージ装置等の制御に使用される半導体デバイスの冷却システム及び冷却方法に関する。

１ 筐体部
２ デバイス収納部
３ ファン収納部
３Ａ ファン
４ ゼーベック素子
５ ペルチェ素子
６ 熱移動手段
７ 接続開口
１０ 筐体部
１１ ゼーベック素子
１２ ペルチェ素子
１３ 熱移動手段
２０ ドライブ格納部
２１ 制御デバイス収納部
２２ ファン収納部
２２Ａ ファン
２３ 接続開口
２４ 接続開口
３０ ストレージ制御部
１００ 冷却システム
１０１ 冷却システム
２００ ストレージ装置
Ｄ 半導体デバイス
Ｄ１ 半導体デバイス

Claims (5)

1. 発熱部となる複数の半導体デバイス毎に、該半導体デバイスを収納するデバイス収納部と、該デバイス収納部に隣接しかつ連通するように配置されて半導体デバイスからの熱を外部に排出するファンを収納するファン収納部とを有する筐体部と、
   ゼーベック素子及びペルチェ素子を有しかつ前記筐体部のデバイス収納部にそれぞれ設置された熱移動手段と、を備え、
   前記熱移動手段は、前記デバイス収納部毎に、ゼーベック素子及びペルチェ素子の各一端を発熱部に接触させかつ各他端を電気的に接続することで、前記半導体デバイスで発生した熱を前記一端から前記他端の前記ファン収納部側に移動させ、
   前記半導体デバイス毎に設置された前記筐体部内のファン収納部は接続開口を介して互いに連通するように設けられ、
   前記ゼーベック素子及びペルチェ素子の他端は、前記ファン収納部の内部にて放熱するものであって、複数の前記ファン収納部を互いに連通する接続開口内に所定長さ突出して設けられ、
   前記ファン収納部は前記デバイス収納部の上方に設けられ、前記接続開口は、前記デバイス収納部の上方で前記ファン収納部を連通する、
   ことを特徴と冷却システム。
2. 前記複数のデバイス収納部内にそれぞれ配置された半導体デバイスは、データ分散方式によって冗長化されたストレージ制御部品であることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記デバイス収納部とファン収納部とを有する筐体部には、前記デバイス収納部内のストレージ制御部品により駆動制御されるドライブ格納部が隣接されることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の冷却システム。
4. 前記ドライブ格納部を経由して前記筐体部に冷却用の空気流が送られることを特徴とする請求項３に記載の冷却システム。
5. 筐体部内に、発熱部となる複数の半導体デバイス毎に、該半導体デバイスを収納するデバイス収納部と、該デバイス収納部に隣接しかつ連通するように配置されて半導体デバイスからの熱を外部に排出するファンを収納するファン収納部とを設けた上で、前記デバイス収納部のそれぞれに、ゼーベック素子及びペルチェ素子からなる熱移動手段を設け、
   前記熱移動手段では、前記デバイス収納部毎に、ゼーベック素子及びペルチェ素子の各一端を発熱部に接触させかつ各他端を電気的に接続することで、前記半導体デバイスで発生した熱を前記一端から前記他端の前記ファン収納部側に移動させ、
   前記半導体デバイス毎に設置された前記筐体部内のファン収納部では、接続開口を介して互いに連通させることで、前記半導体デバイスで発生した熱を、隣接するファン収納部に移動させ、
   前記ゼーベック素子及びペルチェ素子の他端は、複数の前記ファン収納部を互いに連通する接続開口内に所定長さ突出して設けられ、
   前記ファン収納部は前記デバイス収納部の上方に設けられ、前記接続開口は、前記デバイス収納部の上方で前記ファン収納部を連通する、
   ことを特徴とする冷却方法。

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