JPH0619584A - 電子計算機の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】保守が容易な電子計算機の冷却装置を提供す
る。 【構成】循環冷却水と接する部材に耐食性鉄系材料を用
いた電子計算機の冷却装置において、冷却水中の銅イオ
ン濃度を１０ppm 以下に制御する制御手段を備えた冷却
装置とする。 【効果】電子計算機の冷却装置内の耐食性鉄系部材を防
食することができ冷却装置全体の耐食性が向上される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子計算機の冷却装置に
係り、特に、耐食信頼性の高い冷却装置及びそれを用い
た電子計算機に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子計算機の大容量化，高速化が進むに
つれて、半導体素子の発熱密度が大幅に上昇するため、
その熱対策が重要になっている。従来、電子計算機の冷
却方式はファンにより送風して冷却する、いわゆる、強
制空冷方式が用いられてきたが、ＬＳＩの発熱密度の上
昇に伴って空冷から、より冷却効率の高い水冷方式に移
行しつつある。水冷方式では半導体素子上に冷却構造体
を設け、この中に通水して冷却する方式が最も実用的で
冷却効率の高い方式である。従来提案されている水冷却
構造体は半導体素子の発熱に伴う熱変形を吸収するため
の薄肉のベローズあるいはダイヤフラムが用いられ、そ
の内部を冷却水が通水するようになっている。冷却水に
は純水を用いる冷却装置が多く、装置内には冷却水を浄
化するためのイオン交換器が内蔵されている。また、冷
却構造体の構成材料は半導体素子との熱交換部には熱伝
導性の高い銅系材料が、ベローズ及びダイヤフラムには
耐食性の良い薄肉の金属板、例えば、ステンレス鋼等の
耐食性鉄系材料が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術は電子計算機
の冷却効率や保守性については考慮されているが冷却系
統の腐食に対する考慮が必ずしも十分とは云い難い。す
なわち、冷却系統の冷却構造体には熱伝導性の高い銅系
材料が、ベローズ及びダイヤフラムは半導体素子の発熱
に伴う熱変形を吸収するために薄肉の耐食性鉄系材料が
用いられており、冷却水にイオン交換処理した純水を用
いてもこれらの材料、特に、耐食性鉄系材料の腐食が問
題である。銅は純水によって容易に腐食され、その表面
には酸化物あるいは水酸化物が生成し、一部は銅イオン
となって水中に溶出する。溶出した銅イオンは冷却構造
体を構成するステンレス製ベローズなど銅よりも卑な金
属材料上に還元析出し、孔食，すきま腐食，応力腐食割
れ等の局部腐食の発生を促進する可能性がある。特に、
ダイヤフラムやベローズは薄肉の金属板から構成されて
いるので銅イオンによって局部腐食が発生すると直ちに
水漏れが発生する。このように、従来技術は銅イオンに
起因する他の材料の局部腐食の防止については十分な考
慮がされていない。銅イオンの発生を防止する手段は、
冷却水中の溶存酸素を除去する方法，冷却水中に腐食抑
制剤を添加する方法、あるいは塩素イオン，金属イオン
等腐食を促進するイオン成分をイオン交換器で除去する
方法で銅の腐食を抑制すればよい。しかし、これらはい
ずれも脱酸素用のアルゴンガス等の高圧不活性ガスの布
設，腐食抑制剤の濃度管理及び金属イオンが除去された
純水は銅の腐食を逆に促進するなどの問題が有り、十分
な方法とは云い難い。

【０００４】本発明の目的は、電子計算機の冷却装置に
おいて、保守が容易で簡易な装置を用いて冷却水中に溶
出した銅イオンを除去することにより耐食性鉄系材料の
腐食を抑制する方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の電子計算機の冷
却装置では、装置内の循環冷却水中の銅イオンを除去す
る手段または冷却水の電気伝導度を制御する手段を設け
ることによって、この装置の耐食性鉄系材料の腐食を抑
制するようにしたもので、本発明の要旨はつぎのとおり
である。

【０００６】（１）循環冷却水と接する部材に耐食性鉄
系材料を用いた電子計算機の冷却装置において、冷却水
中の銅イオン濃度を１０ppm 以下に制御する制御手段を
備えた冷却装置。

【０００７】（２）電子計算機の中央演算装置である半
導体モジュールに密着された冷却構造体と冷却構造体に
連結された冷却装置を備えた電子計算機において、前記
冷却構造体の一部に耐食性鉄系部材が用いられており、
前記耐食性鉄系部材に接触する循環冷却水中の銅イオン
濃度を１０ppm 以下になるように制御する手段を前記冷
却装置が備えている電子計算機。

【０００８】

【作用】銅材は大気に開放されている冷却装置内では循
環冷却水と接触すると容易に腐食し、表面に酸化物や水
酸化物からなる皮膜を生成し、また、一部はイオンとし
て冷却水中に溶出する。冷却水中に溶出した銅イオンは
銅よりも卑な金属であるステンレス鋼などに還元析出す
る。還元析出した部分では孔食，すきま腐食あるいは応
力腐食割れ等の局部腐食損傷が発生し冷却水漏れの原因
となる。冷却構造体のベローズ材としての耐食性鉄系材
料はオーステナイト系ステンレス鋼のSUS304，SUS304
L，SUS316，SUS316L，AM350，SUS347 などが用いられ
る。本発明者らは冷却水の水質とステンレス鋼の孔食挙
動について詳細に検討するため、次の試験をした。硫酸
銅を用い、Ｃｕイオンとして１〜１００ppm 添加した純
水中に、試験片としてオーステナイト系ステンレス鋼の
SUS316L を浸漬し４０℃で１か月間腐食試験をした。そ
の後、試験片に発生した孔食の深さを極地統計解析して
孔食腐食速度を求めた。純水中の銅イオン濃度とSUS316
L 鋼の孔食腐食速度との関係を図１に示す。図１から明
らかなように純水中の銅イオン濃度が高くなるに従って
SUS316L 鋼の孔食腐食速度が増えることがわかる。ま
た、図１から、銅イオン濃度を１０ppm 以下にすれば、
SUS316L 鋼に孔食が発生しないことが明らかである。本
発明の実施において、純水中の銅イオンを除去する装置
には不溶性電極に電圧を印加して銅イオンを電解除去す
る装置を用いることができる。すなわち、少なくともア
ノード極が、たとえば、ＰｄコーティングＴｉ電極など
の不溶性電極であるような２個の電極を純水中に浸し、
これら電極間に直流電圧を印加して電解処理をし、カソ
ード極の表面電位を銅イオンの酸化還元電位以下に保持
する。それによって銅イオンはカソード極上に還元され
て金属銅となって析出するので純水中の銅イオンを除く
ことができる。この電解処理では不溶性電極を使用する
ためアノード極の消耗がなく、メンテナンスフリーで銅
イオンを連続除去できる。不溶性電極としてはＰｔコー
ティングしたＴｉ電極を用いても同様な効果を得られ
る。銅イオンを還元析出させるカソード極の表面電位は
水素基準電極で０.３４４Ｖ 以下であれば原理的には銅
イオンの還元が生ずるが、還元反応速度などを考慮すれ
ば０Ｖ以下の負電位にするのがよい。また、純水中の銅
イオンを除去する他の手段は、純水中に酸化還元電位が
銅よりも著しく低い金属を設置し、この上に銅を析出さ
せるようにしてもよい。純水中にアルミニウムのような
金属を浸漬しておく。アルミニウムは銅よりも著しく卑
な電位を有しており、純水中では腐食してアルミニウム
イオンとして溶出しやすい。溶出に際して電子を放出す
るが、この電子が銅イオンの還元析出に作用する。

【０００９】アルミニウムの酸化還元電位は銅のそれよ
りも極めて低いため、上式の反応が進行し、純水中の銅
イオンはアルミニウム表面上に還元析出し、除去され
る。アルミニウムの酸化還元電位は水素基準電極で−
１.６７Ｖ であり、銅の酸化還元電位の０.３４４ Ｖよ
りも十分に低い。このようなアルミニウムと同じ作用の
金属として酸化還元電位が−０.７６１Ｖの亜鉛、−２.
３４Ｖのマグネシウムなどが代表的なものとして用いる
ことができる。さらに、アルミニウム等の金属をステン
レス鋼と接触させて設置すれば、ステンレス鋼を電気防
食する効果も併せもたせることができる。さらに、銅イ
オンを除去する装置は、メンテナンスが容易なイオン交
換樹脂等も用いることができる。

【００１０】銅イオンを検出する計器としては、例え
ば、ＣｕＳ−Ａｇ₂Ｓ 固体膜からなる銅イオン選択電極
等の連続測定可能な銅イオンセンサを用いた分析機器が
好ましい。また、冷却水中の銅イオン濃度を間接的に測
定する手段として冷却水の電気伝導度から求めるも方法
もある。この方法は連続測定可能でセンサの安定性も高
い方法である。冷却水の電気伝導度とｐＨを測定すれば
銅イオン濃度を求めることができる。冷却水のｐＨは７
前後で比較的安定しているので、電気伝導度の測定値か
ら直接銅イオンを求めることが可能となる。銅イオン濃
度１０ppm 以下に相当する電気伝導度を求めると、０.
１〜０.４μＳ／cmの範囲となりこの範囲に電気伝導度
を制御すれば銅イオンの溶出が抑制できる。

【００１１】電気伝導度を制御する方法には、電気伝導
度と通水量との関係をあらかじめ求めておき冷却水を一
定流量イオン交換器にバイパス通水するか、あるいは電
気伝導度計により電気伝導度を測定監視しながら通水量
を調節する方法がある。

【００１２】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。

【００１３】純水を高流速に循環できる腐食試験装置に
循環水の上流側に無酸素銅板、下流側にオーステナイト
系ステンレス鋼のSUS316L 板を設置し腐食試験した。こ
の装置にはイオン交換器，銅イオン検知センサ，電気伝
導度センサが備えてあり、銅イオン濃度あるいは電気伝
導度を制御した条件下で、銅イオンによるSUS316L 鋼の
孔食腐食速度を求めた。図２はSUS316L 鋼の孔食腐食速
度に及ぼす銅イオン濃度の影響を示す。銅イオン濃度が
１０ppm 以下ではSUS316L 鋼に孔食は発生しない。銅イ
オン濃度が高くなると孔食腐食速度は増加する。純水中
における流動試験及び硫酸銅液中の静止試験のいずれも
本発明の銅イオン濃度条件である10ppm以下ではSUS316L
鋼に孔食は発生しない。

【００１４】図３は、銅イオン濃度と電気伝導度の関係
を示す。銅イオン濃度１０ppm 以下に相当する電気伝導
度を求めると、０.１〜０.４μＳ／cmの範囲となり、こ
の範囲に電気伝導度を制御すればSUS316L 鋼に孔食の発
生しない適正範囲となる。

【００１５】次に本発明からなる計算機冷却装置の実施
例について、図面により詳細に説明するが、本発明はこ
れらの実施例に限定されない。

【００１６】図４は本発明の一実施例になる冷却構造体
の断面図である。半導体素子１をセラミック等から成る
多層配線基板２にボールはんだ３により接合される。半
導体素子１の上面には熱伝導ペースト７を介して冷却板
４が固着される。熱伝導ペースト７は半導体素子の発熱
に伴う熱変形に追従できるよう十分な柔軟性を有する。
冷却板４には熱伝導性の良い銅系材が用いられ、冷却水
を通す箱型のキャップ５がはんだ６により固着されてい
る。キャップ５の開口部には弾性を有する金属ベローズ
８の下端がはんだ９により接合されさらに、ベローズの
上端がはんだ１０によりハウジングに固着される。さら
に、多層基板２ははんだ１１によりハウジングに固着さ
れる。金属ベローズ８は半導体素子にそれぞれ一個ずつ
用いられ、これらは電着による製造，薄板の塑性加工に
よる製造，薄板のエッチングによるリング状の特定の形
状とした後、重ね合わせて互いに端面を拡散接合、ろう
付け等の接合による製造によって得ることができる。そ
の材質は、オーステナイト系ステンレス鋼等の耐食性の
高いものが用いられる。また、金属ベローズ８は半導体
素子１に熱応力を与えないように柔軟性のあるものでで
きるだけ薄い板材を用いるのが良い。図５は銅イオン濃
度を直接検出制御する冷却装置の系統図を示す。半導体
素子が搭載されている冷却構造体１３を複数個半導体モ
ジュール１２に固定し、冷却水配管１４を接続する。冷
却水配管１４は冷却水タンク１５，循環ポンプ１６，熱
交換器１７，銅イオン除去装置１８を接続している。冷
却水タンク１５には銅イオン選択性電極１６が挿入され
ており濃度分析制御装置１７により銅イオン濃度測定値
を、指標にし、銅イオン除去装置１８入口に具備してあ
る電磁弁１９を駆動させることにより、冷却水中の銅イ
オンを制御する。銅イオン除去装置１８内には図６に示
すようにハニカム構造のアルミニウム製銅イオン捕捉器
が設置されている。銅イオンを含んだ純水はハニカム構
造の銅イオン捕捉器を通過する際にアルミニウムの溶出
に伴う銅イオンの還元反応によりアルミニウム上に析出
し、純水中の銅イオンが除去される。

【００１７】図６に示したハニカム構造の銅イオン捕捉
器は、そのアルミニウム上に析出した銅がある程度の量
に達したら、例えば、計算機冷却系の定期検査時などに
新品と交換する。また、銅イオン除去装置としては図７
に示すものも用いることができる。銅イオン除去装置に
は不溶性電極からなるアノード極板２０とカソード極板
２１を交互に設け、これに銅イオンを含んだ純水を通過
させ、両極板にはカソード極の電位が水素基準電極にた
いし０Ｖになるように直流を印加する。銅イオンを含ん
だ純水は、銅イオン除去装置を通過する際に電解作用に
よりカソード極板上に銅として析出し、純水中から除去
される。

【００１８】図８は、電気伝導度を測定制御することに
より銅イオン濃度を間接制御する計算機冷却装置の系統
図を示す。図５の冷却装置とは異なり、冷却水タンク１
５には電気伝導度測定電極２２が挿入されており、銅イ
オン除去装置１８の変わりにイオン交換器２３が接続さ
れている。また、電気伝導度測定制御装置２４と電磁弁
１９を連動させることによりイオン交換器への冷却水流
量が規制でき電気伝導度を制御できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、電子計算機の冷却装置内の耐
食性鉄系部材を防食することができ冷却装置全体の耐食
信頼性が向上される。従って、冷却装置の腐食による冷
却水漏洩等のトラブルを防止でき、信頼性の高い電子計
算機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるSUS316L 鋼の孔食腐食
速度に及ぼす銅イオン濃度の影響を示す特性図。

【図２】本発明の一実施例によるSUS316L 鋼の孔食腐食
速度に及ぼす銅イオン濃度の影響を示す特性図。

【図３】本発明の一実施例による電気伝導度と銅イオン
濃度の関係を示す特性図。

【図４】本発明の電子計算機の冷却装置の一実施例を示
す系統図。

【図５】本発明の電子計算機の冷却装置の一実施例を示
す系統図。

【図６】本発明の一実施例に用いる銅イオン除去装置を
示す斜視図。

【図７】本発明の一実施例に用いる銅イオン除去装置を
示す断面図。

【図８】本発明の電子計算機の冷却装置の一実施例を示
す系統図。

【符号の説明】

１…半導体素子、２…多層配線基板、３…ボールはん
だ、４…冷却板、５…キャップ、６，９，１０，１１…
はんだ、７…熱伝導ペースト、８…金属ベローズ、１２
…半導体モジュール、１３…冷却構造体、１４…冷却水
配管、１５…冷却水タンク、１６…循環ポンプ、１７…
熱交換器、１８…銅イオン除去装置、１６…銅イオン選
択性電極、１７…濃度分析制御装置、１９…電磁弁、２
０…アノード極板、２１…カソード極板、２２…電気電
導度測定電極、２３…イオン交換器、２４…電気伝導度
測定制御装置。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】循環冷却水と接する部材に耐食性鉄系材料
   を用いた電子計算機の冷却装置において、前記循環冷却
   水中の銅イオン濃度を１０ppm 以下に制御する制御手段
   を備えたことを特徴とする電子計算機の冷却装置。
2. 【請求項２】循環冷却水と接する部材に耐食性鉄系材料
   を用いた電子計算機の冷却装置において、冷却水中の銅
   イオン濃度を１０ppm 以下に制御する手段として、銅イ
   オン濃度測定手段とこれにより制御される銅イオン除去
   手段で構成されることを特徴とする電子計算機の冷却装
   置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記銅イオン除去手段
   は、循環冷却水の一部がバイパスして流入されるよう構
   成されている電子計算機の冷却装置。
4. 【請求項４】請求項２または３において、前記銅イオン
   除去手段として直流電圧が印加される複数個のカソード
   極とアノード極から成り、アノード極は不溶性電極で構
   成される電子計算機の冷却装置。
5. 【請求項５】請求項４において、前記銅イオンの除去手
   段はカソード極の表面電位を０Ｖ以下の負電位に保持す
   る電子計算機の冷却装置。
6. 【請求項６】請求項２または３において、前記銅イオン
   除去手段として銅よりも酸化還元電位が卑な金属から成
   る銅イオン捕捉板を内蔵している電子計算機の冷却装
   置。
7. 【請求項７】請求項２，３，４，５または６において、
   前記銅イオン濃度測定手段として銅イオン選択性電極を
   用いる電子計算機の冷却装置。
8. 【請求項８】循環冷却水と接する部材に耐食性鉄系材料
   を用いた電子計算機の冷却装置において、冷却水の電気
   電導度を０.１〜０.４μＳ/cm に制御する制御手段を備
   えたことを特徴とする電子計算機の冷却装置。
9. 【請求項９】循環冷却水と接する部材に耐食性鉄系材料
   を用いた電子計算機の冷却装置において、冷却水の電気
   伝導度を０.１〜０.４μＳ/cm の範囲に制御する制御手
   段が、電気電導度測定手段とこれにより制御される銅イ
   オン除去手段により構成されていることを特徴とする電
   子計算機の冷却装置。
10. 【請求項１０】請求項８または９において、前記銅イオ
    ンを除去する手段としてイオン交換樹脂が充填されたイ
    オン交換器を用いた電子計算機の冷却装置。
11. 【請求項１１】請求項９または１０において、前記イオ
    ン交換器へ流入する冷却水が循環冷却水の一部分をバイ
    パスして流入されるように構成されている電子計算機の
    冷却装置。
12. 【請求項１２】電子計算機の中央演算装置である半導体
    モジュールに密着された冷却構造体と前記冷却構造体に
    連結された冷却装置を備えた電子計算機において、前記
    冷却構造体に少なくとも耐食性鉄系部材が用いられてお
    り、前記耐食性鉄系部材に接触する循環冷却水中の銅イ
    オン濃度を１０ppm 以下となるよう制御する制御手段を
    前記冷却装置が備えている電子計算機。