JPWO2002046677A1 - 冷却システムおよび吸熱装置 - Google Patents
冷却システムおよび吸熱装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2002046677A1 JPWO2002046677A1 JP2002548371A JP2002548371A JPWO2002046677A1 JP WO2002046677 A1 JPWO2002046677 A1 JP WO2002046677A1 JP 2002548371 A JP2002548371 A JP 2002548371A JP 2002548371 A JP2002548371 A JP 2002548371A JP WO2002046677 A1 JPWO2002046677 A1 JP WO2002046677A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- refrigerant
- housing
- chamber
- absorbing device
- heat absorbing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
- H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D2015/0225—Microheat pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
冷却システムでは、ポンプから吸熱装置に液体冷媒は供給される。吸熱装置では、供給された液体冷媒は高圧室(48)から蒸発室(49)に導入される。このとき、液体冷媒はノズル(53)を通過する。蒸発室(49)にはノズル(53)から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィン(51)の表面に一様に薄い液膜を形成する。発熱体すなわちCPU(33)からフィン(51)に伝わる熱はフィン(51)の表面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒はフィン(51)から大量の熱を奪い取る。こうした気化の働きでCPU(33)は効率的に冷却される。
Description
技術分野
本発明は、例えば高密度デバイスといった発熱体を冷却する冷却システムに関し、特に、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置されて、ポンプから送り込まれる液体冷媒を受け入れる吸熱装置とを備える冷却システムに関する。
背景技術
閉ループの循環経路で構成される冷却システムは例えば冷凍システムに代表される。この冷凍システムでは、いわゆるコンプレッサの働きで冷媒は循環する。コンプレッサは例えば15atmといった高圧の吐出圧で冷媒を吐き出すことから、循環経路には高圧に耐えうる高強度の配管構造が必要とされる。
こういった冷凍システムに代えて、循環経路に沿って液体冷媒を循環させる冷却システムは広く知られる。この冷却システムでは、冷媒の強制循環にあたって前述のコンプレッサに代えてポンプが用いられればよい。ポンプの吐出圧は一般に2atm〜3atm程度に設定されることから、こういった冷却システムでは、前述の冷凍システムに比べて配管構造は簡素化されることができる。
しかしながら、この冷却システムでは、液体冷媒への熱伝達だけで冷却対象物は冷却されなければならない。冷媒の潜熱を利用する冷凍システムに比べて冷却効率は著しく劣ってしまう。
発明の開示
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、配管構造の簡素化を維持しつつ効率的な冷却を実現することができる冷却システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、第1発明によれば、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置されるハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システムが提供される。
こういった冷却システムでは、ポンプから吐き出される液体冷媒は蒸発室に導入される。この導入時に液体冷媒は噴霧器を通過する。したがって、蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。例えば発熱体すなわち冷却対象物からフィンに伝わる熱はフィンの表面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒はフィンから大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
このとき、噴霧器にはいわゆる噴射器が用いられることが望まれる。こういった噴射器の働きによれば、液体冷媒は、圧力低下を伴いながら高速流れで蒸発室内に導入されることができる。その結果、冷媒の気化は促進される。冷却システムの冷却能力は確実に高められることができる。
また、第2発明によれば、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置される吸熱装置と、吸熱装置のハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システムが提供される。
こういった冷却システムでは、ポンプから吐き出される液体冷媒はハウジング内の各冷媒通路に導入される。この導入時に液体冷媒は噴霧器を通過する。したがって、各冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。例えば発熱体すなわち冷却対象物からハウジングに伝わる熱は冷媒通路の内面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒はハウジングから大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
ここで、冷媒通路は例えばマイクロチャネルに構成されることが望まれる。こういったマイクロチャネル内でマイクロジェットが実現されれば、マイクロチャネル内には一様に薄い冷媒の液膜は形成され続けることができる。効率的な冷却は確実に達成されることができる。マイクロジェットの実現には前述の噴射器が用いられればよい。
以上のような冷却システムでは、ポンプの上流は大気圧に維持されることができる。その上、ポンプの吐出圧は比較的に低圧に設定されることができる。その結果、一般の冷凍システムに比べて、循環経路を構成する配管構造は著しく簡素化されることができる。しかも、この冷却システムでは、既存方式の冷却システムに比べて小さな流量で十分に冷却性能を発揮することができる。ポンプの容量は縮小されることができる。
ハウジング内には、蒸発室や冷媒通路内で気化された冷媒を受け入れ、冷媒を液化する凝縮室がさらに区画されてもよい。こうして単一のハウジング内に併せて凝縮室が区画されれば、循環経路に挿入されるべき凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。したがって、冷却システムの全体構成は簡素化されることができる。
さらに、第3発明によれば、ハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、蒸発室内に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。
さらにまた、第4発明によれば、ハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、各冷媒通路に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。このとき、冷媒通路は例えばマイクロチャネルに構成されることが望まれる。こういったマイクロチャネル内でマイクロジェットが実現されれば、前述と同様に、効率的な冷却は確実に達成されることができる。ただし、噴出口の口数は必ずしも冷媒通路の本数に一致する必要はない。
さらにまた、第5発明によれば、ハウジング内に区画されて、液体冷媒を受け入れる高圧室と、ハウジング内に区画されて、隔壁で高圧室から隔てられる蒸発室と、隔壁に埋め込まれて、蒸発室に噴出口を臨ませるノズルとを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、高圧室に流入する液体冷媒はノズルの噴出口から勢いよく噴き出す。蒸発室では、液体冷媒の微小滴と気体冷媒との2相流れが生成される。こういった2相流れの働きで、蒸発室の内壁面には一様に薄い液膜が形成されることができる。例えば発熱体すなわち冷却対象物からハウジングに伝わる熱は蒸発室の内壁面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒は蒸発室の内壁面から大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
さらにまた、第6発明によれば、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、蒸発室から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
かかる吸熱装置によれば、蒸発室内に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。しかも、単一のハウジング内に蒸発室および凝縮室が区画されることができる。したがって、吸熱装置の下流で別体の凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。こういった吸熱装置が組み込まれる冷却システムでは全体構成は簡素化されることができる。
さらにまた、第7発明によれば、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間で区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、冷媒通路から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、各冷媒通路に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。しかも、単一のハウジング内に冷媒通路および凝縮室が区画されることができる。したがって、吸熱装置の下流で別体の凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。こういった吸熱装置が組み込まれる冷却システムでは全体構成は簡素化されることができる。
こうして吸熱装置内に併せて凝縮室が区画される場合には、天井板の外面に空冷フィンが取り付けられてもよい。こういった空冷フィンは凝縮室からの放熱を促進することができる。したがって、吸熱装置から吐き出される冷媒は確実に液化されることができる。その他、こういった吸熱装置では、天井板の外面にサーモサイホンが取り付けられてもよい。こういったサーモサイホンは、同様に、凝縮室からの放熱を促進することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図1はラックマウント型コンピュータ装置11の一具体例を概略的に示す。このコンピュータ装置11は、例えばラック(図示せず)に受け止められて、平たい直方体の内部空間を区画する筐体12を備える。筐体12の前側壁14には、内部空間に外気を送り込む吸気ユニット15が組み込まれる。この吸気ユニット15は例えば水平方向に配列される2列の送風ファン16で構成されればよい。同様に、筐体12の後側壁17には、内部空間内で漂う空気を内部空間外すなわち筐体12外に送り出す排気ユニット18が組み込まれる。排気ユニット18は、例えば水平方向に配列される2列の送風ファン19で構成されればよい。こういった吸気および排気ユニット15、18の協働によれば、前方から後方に向かって内部空間を横切る気流は生み出される。前側壁14や後側壁17は、例えば蝶番(図示せず)の働きを通じて開閉自在に構成されてもよい。ラックの横幅は例えば周知の通りに19インチに設定される。
筐体12内には、例えば底板から立ち上がる1枚のプリント配線基板すなわちバックパネル21が配置される。バックパネル21には、バックパネル21の表面から立ち上がって相互に平行に広がる複数枚のプリント配線基板すなわちマザーボード22が接続される。各マザーボード22の表面には、CPU(中央演算処理装置)や主記憶装置(メモリ)といったデバイス素子が実装される。
その他、バックパネル21には、電源ユニット23や入出力(I/O)用プリント配線基板24が接続される。バックパネル21上に形成される導電配線パターンは、電源ユニット23やI/O用プリント配線基板24と、対応するマザーボード22とを相互に接続する。各マザーボード22上のCPUは、電源ユニット23から供給される電力に基づき動作する。CPUは、I/O用プリント配線基板24を通じて、例えばラック内のディスクアレイユニット(図示せず)やスイッチングルータ(図示せず)といった外部機器に接続されることができる。
同時に、筐体12内には大容量記憶装置すなわちハードディスク駆動装置(HDD)25が組み込まれてもよい。周知の通り、こういったHDD25には、CPUで利用されるOS(オペレーティングシステム)やアプリケーションソフトウェアといったソフトウェアプログラムが格納される。HDD25は、例えばバックパネル21に実装されるコネクタ(図示せず)の働きでバックパネル21上のCPUに電気的に接続されればよい。
筐体12内には本発明に係る冷却システム27が組み込まれる。この冷却システム27は、図2から明らかなように、例えば閉ループの(密閉された)循環経路28を備える。こういった循環経路28は、例えば図1に示されるように、ビニルパイプ29といった簡易な配管構造で実現されればよい。
循環経路28には、循環経路28に沿って冷媒を循環させるポンプ31が組み込まれる。このポンプ31は例えば2atm〜3atmといった吐出圧で液体冷媒を吐き出す。冷媒には例えばFC−72といったフッ素系不活性液体が用いられればよい。冷媒の気化温度すなわち沸点は例えば40℃〜60℃に設定されることが望まれる。ポンプ31の入り口圧は例えば1atmに維持されればよい。
ポンプ31の下流で循環経路28には第1実施形態に係る吸熱装置32が組み込まれる。吸熱装置32はマザーボード22上の各CPU33に個別に覆い被さる。ポンプ31から吐き出される液体冷媒は吸熱装置32で気化することができる。この気化に基づきCPU33の冷却は実現される。吸熱装置32は、気化した冷媒すなわち気体冷媒を吐き出す。ただし、吐き出される気体冷媒には液体冷媒が混入してもよい。吸熱装置32の詳細は後述される。
吸熱装置32の下流で循環経路28には凝縮器すなわち熱交換器34および受液タンク35が順番に組み込まれる。熱交換器34は、吸熱装置32から吐き出される気体冷媒から熱を奪い取る。熱交換器34で気体冷媒は液化する。図1から明らかなように、この液化にあたって熱交換器34の放熱は、例えば送風ファン16から向けられる気流の働きで促進されてもよい。液化された冷媒すなわち液体冷媒は受液タンク35に流れ込む。ポンプ31は受液タンク35から液体冷媒を吸い上げる。
図2から明らかなように、循環経路28は1対のバルブ36すなわちコネクタの働きで分割されることができる。こういったバルブ36によれば、吸熱装置32はポンプ31や熱交換器34、受液タンク35から比較的に簡単に分離されることができる。
図3Aおよび図3Bは吸熱装置32の構造を詳細に示す。この吸熱装置32は、天井板41および底板42で密閉空間43を挟み込み、底板42で冷却対象物すなわちCPU33に接触するハウジング44を備える。ハウジング44の密閉空間43は、ポンプ31の吐き出し口に接続される冷媒入り口45から、熱交換器34に接続される冷媒出口46に向かって広がる。ハウジング44は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材から成形されればよい。
ハウジング44内で密閉空間43には、天井板41および底板42を相互に接続する隔壁47が配置される。この隔壁47は、冷媒入り口45側の冷媒導入室48と、冷媒出口46側の蒸発室49とに密閉空間43を分割する。すなわち、蒸発室47は冷媒導入室48から隔壁47で隔てられる。蒸発室49の伝熱面はCPU33に接触する底板42の表面で規定される。
蒸発室49には、ハウジング44の壁面すなわち底板42の表面から立ち上がる複数枚のフィン51すなわちフィン群が配置される。フィン51は、隔壁47から冷媒出口46に向かって並列に延びる。隣接するフィン51同士の間には、隔壁47から冷媒出口46に向かって延びる冷媒通路すなわちマイクロチャネル52が区画される。すなわち、マイクロチャネル52は相互に並列に配置される。マイクロチャネル52の流路幅は例えば50μm〜500μm程度に設定されればよい。フィン51は、例えばアルミニウムといった高熱伝導素材で底板42に一体に成形されればよい。ただし、各フィン51の上端は必ずしも天井板41に接続される必要はない。
隔壁47には噴霧器すなわち複数のノズル53が埋め込まれる。ノズル53は、例えば図4に示されるように、蒸発室49内すなわち各マイクロチャネル52の入り口に向かって噴出口54を臨ませる。流通路断面の急激な減少すなわち絞り部55の働きで冷媒導入室48内の液体冷媒は大気よりも高圧(例えば2atm〜3atm程度)に維持されることができる。こうして冷媒導入室48は高圧室として機能する。しかも、ノズル53は蒸発室49に向かって噴出口54から霧状の液体冷媒を噴き出すことができる。噴き出される液体冷媒の微小滴には10重量%〜20重量%程度の気体冷媒が混入する。こうして蒸発室49では冷媒の2相流れは確立される。ノズル53は、例えば図5に示されるように、個々のマイクロチャネル52ごとに噴出口54を向き合わせる円形断面で形成されてもよく、例えば図6に示されるように、複数本のマイクロチャネル52にわたって共通の噴出口54を向き合わせる幅広のスリットに形成されてもよい。噴出口54の直径やスリットの高さは例えば0.2mm〜0.5mm程度に設定されればよい。
ポンプ31が作動すると、液体冷媒は循環経路28を循環する。吐き出された液体冷媒は各吸熱装置32の冷媒導入室48に受け入れられる。冷媒導入室48では、ポンプ31の吐出圧の作用で液体冷媒は大気圧よりも高圧に維持される。液体冷媒は、流通路の断面の急激な減少にも拘わらず、ノズル53から蒸発室49に向かって押し出される。
ノズル53から噴き出される霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴は各マイクロチャネル52を伝って冷媒出口46に誘導される。このとき、各マイクロチャネル52内では一様にマイクロジェットが確立される。マイクロジェットは、マイクロチャネル52の壁面すなわち各フィン51の表面に膜厚20μm〜100μm程度の薄い液膜を形成し続けることができる。底板42に伝達されるCPU33の熱は底板42の伝熱面やフィン51の表面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒は底板42やフィン51から大量の熱を奪い取る。こうして冷媒の潜熱が利用されれば、液体冷媒への熱伝達だけでCPU33が冷却される場合に比べて、CPU33の冷却は著しく効率化されることができる。CPU33の過度の温度上昇は確実に防止されることができる。しかも、一般の冷凍システムに比べて循環経路28内の圧力は比較的に低圧に維持されることから、循環経路28を構成する配管構造は冷凍システムに比べて著しく簡素化されることができる。
以上のような冷却システム27では、吸熱装置32に供給される冷媒の流量や冷却対象物すなわちCPU33の発熱量に基づき吸熱装置32の冷却性能は調整されることができる。冷却性能は、吸熱装置32から吐き出される冷媒に10重量%程度の液体冷媒が残存する程度に設定されることが望まれる。ただし、本冷却システム27では、既存方式の冷却システムに比べて小さな流量で十分に冷却性能を発揮することができる。したがって、ポンプ31の容量は縮小されることができる。
図7は第2実施形態に係る吸熱装置61の構造を詳細に示す。この吸熱装置61は、前述と同様に、天井板62および底板63の間で密閉空間64を挟み込み、底板63で冷却対象物すなわちCPU33に接触するハウジング65を備える。ハウジング65内には、天井板62および底板63の間で第1隔壁すなわち中板66が配置される。中板66の周縁はハウジング65の内壁すなわち周壁に連結される。こうして中板66および底板63の間には蒸発室67が区画される。蒸発室67では、前述と同様に、CPU33に接触する底板63の表面で伝熱面は規定される。こういったハウジング65では底板63は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材から成形されればよい。
天井板62および中板66の間には、中板66から立ち上がって上端で天井板62に接続される第2隔壁すなわち囲い壁68が配置される。この囲い壁68は、図8から明らかなように、天井板62および中板66と協働して、中板66の中心線69に沿って延びる冷媒導入室71を区画する。この冷媒導入室71には冷媒入り口72が開口する。冷媒入り口72は例えばポンプ31の吐き出し口に接続されればよい。
同時に囲い壁68は、中板66上で両側から冷媒導入室71を挟み込む冷媒回収室73を区画する。この冷媒回収室73に冷媒出口74は開口する。この冷媒出口74は前述の熱交換器34に接続されればよい。
中板66には、囲い壁68から最も離隔した位置で流通口75が形成される。この流通口75は下側の蒸発室67と上側の冷媒回収室73とを相互に接続する。後述されるように、蒸発室67で気化された冷媒すなわち気体冷媒や液体冷媒は流通口75から冷媒回収室73に導入される。
図9から明らかなように、蒸発室67には、ハウジング65の壁面すなわち底板63の表面から立ち上がる複数枚のフィン76すなわち第1および第2フィン群76a、76bが配置される。各フィン76は、中板66の中心線69から流通口75に向かって並列に延びる。隣接するフィン76同士の間には、同様に中心線69から流通口75に向かって延びる冷媒通路すなわちマイクロチャネル77が区画される。すなわち、マイクロチャネル77は相互に並列に配置される。前述と同様に、マイクロチャネル77の流路幅は例えば50μm〜500μm程度に設定されればよい。前述と同様に、フィン76は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材で底板63に一体に成形されればよい。ただし、各フィン76の上端は必ずしも中板66に接続される必要はない。
再び図7および図8を参照し、第1隔壁すなわち中板66には噴霧器すなわち複数のノズル78が埋め込まれる。各ノズル78は、蒸発室67内すなわち各マイクロチャネル77の入り口に向かって噴出口79を臨ませる。こういったノズル78の働きで、前述と同様に、マイクロチャネル77に沿ってマイクロジェットは実現されることができる。
以上のような吸熱装置61では、ノズル78から噴き出される霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴は各マイクロチャネル77を伝って冷媒出口74に誘導される。このとき、マイクロチャネル77の壁面すなわち各フィン76の表面には、前述のマイクロジェットの働きで膜厚20μm〜100μm程度の薄い液膜が形成されることができる。底板63に伝達されるCPU33の熱は底板63の伝熱面やフィン76の表面で冷媒を蒸発させる。冷媒は底板63やフィン76から大量の熱を奪い取る。前述と同様に、CPU33の冷却は著しく効率化されることができる。CPU33の過度の温度上昇は確実に防止されることができる。
しかも、吸熱装置61では、中板66の中心線69から外縁に向かってマイクロチャネル77は延びる。したがって、外縁同士の間で継ぎ目なくマイクロチャネルが延びる場合に比べて、マイクロチャネル77の長さは短縮されることができる。したがって、マイクロチャネル77内ではフィン76の表面に確実に薄い液膜が一様に形成されることができる。その結果、冷却性能は向上する。
前述の冷媒回収室73は、例えば図10に示されるように、凝縮室81として利用されてもよい。この場合には、例えば天井板62からの放熱などを通じて気体冷媒の熱が十分に外気に解き放たれればよい。天井板62からの放熱にあたっては、例えば凝縮室81内に複数枚のフィン82が配置されればよい。各フィン82は例えば天井板62から立ち上がって下端で中板66に接続されればよい。フィン82は、前述と同様に、例えばアルミニウムといった高熱伝導素材でハウジング65に一体に成形されればよい。こういったフィン82の働きで気体冷媒の熱は効率的に天井板62に伝達されることができる。こうして凝縮室81内で気体冷媒の液化は促進されることができる。液化された冷媒すなわち液体冷媒は冷媒出口74から吐き出されることができる。吸熱装置61から完全な液体冷媒が吐き出されれば、前述のように循環経路28に組み込まれるべき熱交換器34は省略されることができる。
こういった場合には、図10から明らかなように、凝縮室81に隣接する天井板62の外面にいわゆるヒートシンク83が構成されてもよい。こういったヒートシンク83は例えば天井板62の外面から立ち上がる複数枚の空冷フィン84を備えればよい。こういったヒートシンク83によれば、凝縮室81の放熱は一層促進されることができる。
その他、凝縮室81の形成にあたって、例えば図11に示されるように、凝縮室81に隣接する天井板62の外面にはいわゆるサーモサイホン85が取り付けられてもよい。このサーモサイホン85は例えば天井板62から直立する。サーモサイホン85の外壁には多数枚の空冷フィン86が形成される。凝縮室81に進入した気体冷媒はサーモサイホン85中で冷却される。冷却の結果、気体冷媒は液化される。こういったサーモサイホン85の採用によれば、凝縮室81の放熱は一層確実に促進されることができる。
以上のような吸熱装置32、61が組み込まれた冷却システム27は、前述のようなCPU33といったLSI(大規模集積回路)パッケージのほか、LSIチップ単体やMCM(マルチチップモジュール)といった高密度高発熱デバイスの冷却に用いられることができる。その他、こういった冷却システム27は、様々な発熱体の冷却にあたって使用されることができる。こういった冷却システム27では、前述のFC−72のほか、冷却システム27の設置環境下で液相を維持し、冷却対象物すなわち発熱体から伝達する熱で十分に蒸発することができる冷媒が用いられればよい。
【図面の簡単な説明】
図1は、ラックマウント型コンピュータ装置の一具体例を概略的に示す斜視図である。
図2は、本発明に係る冷却システムの全体構成を概略的に示す模式図である。
図3Aは、冷却システムに組み込まれた第1実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す垂直断面図である。
図3Bは、第1実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す底板の平面図である。
図4は、ノズルの形状を概略的に示す拡大垂直断面図である。
図5は、一具体例に係るノズルの形状を概略的に示す正面図である。
図6は、他の具体例に係るノズルの形状を概略的に示す正面図である。
図7は、第2実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す垂直断面図である。
図8は、図7の8−8線に沿った断面図である。
図9は、図7の9−9線に沿った断面図である。
図10は、第2実施形態に係る吸熱装置の一変形例を示す垂直断面図である。
図11は、第2実施形態に係る吸熱装置の他の変形例を示す垂直断面図である。
本発明は、例えば高密度デバイスといった発熱体を冷却する冷却システムに関し、特に、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置されて、ポンプから送り込まれる液体冷媒を受け入れる吸熱装置とを備える冷却システムに関する。
背景技術
閉ループの循環経路で構成される冷却システムは例えば冷凍システムに代表される。この冷凍システムでは、いわゆるコンプレッサの働きで冷媒は循環する。コンプレッサは例えば15atmといった高圧の吐出圧で冷媒を吐き出すことから、循環経路には高圧に耐えうる高強度の配管構造が必要とされる。
こういった冷凍システムに代えて、循環経路に沿って液体冷媒を循環させる冷却システムは広く知られる。この冷却システムでは、冷媒の強制循環にあたって前述のコンプレッサに代えてポンプが用いられればよい。ポンプの吐出圧は一般に2atm〜3atm程度に設定されることから、こういった冷却システムでは、前述の冷凍システムに比べて配管構造は簡素化されることができる。
しかしながら、この冷却システムでは、液体冷媒への熱伝達だけで冷却対象物は冷却されなければならない。冷媒の潜熱を利用する冷凍システムに比べて冷却効率は著しく劣ってしまう。
発明の開示
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、配管構造の簡素化を維持しつつ効率的な冷却を実現することができる冷却システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、第1発明によれば、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置されるハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システムが提供される。
こういった冷却システムでは、ポンプから吐き出される液体冷媒は蒸発室に導入される。この導入時に液体冷媒は噴霧器を通過する。したがって、蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。例えば発熱体すなわち冷却対象物からフィンに伝わる熱はフィンの表面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒はフィンから大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
このとき、噴霧器にはいわゆる噴射器が用いられることが望まれる。こういった噴射器の働きによれば、液体冷媒は、圧力低下を伴いながら高速流れで蒸発室内に導入されることができる。その結果、冷媒の気化は促進される。冷却システムの冷却能力は確実に高められることができる。
また、第2発明によれば、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置される吸熱装置と、吸熱装置のハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システムが提供される。
こういった冷却システムでは、ポンプから吐き出される液体冷媒はハウジング内の各冷媒通路に導入される。この導入時に液体冷媒は噴霧器を通過する。したがって、各冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。例えば発熱体すなわち冷却対象物からハウジングに伝わる熱は冷媒通路の内面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒はハウジングから大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
ここで、冷媒通路は例えばマイクロチャネルに構成されることが望まれる。こういったマイクロチャネル内でマイクロジェットが実現されれば、マイクロチャネル内には一様に薄い冷媒の液膜は形成され続けることができる。効率的な冷却は確実に達成されることができる。マイクロジェットの実現には前述の噴射器が用いられればよい。
以上のような冷却システムでは、ポンプの上流は大気圧に維持されることができる。その上、ポンプの吐出圧は比較的に低圧に設定されることができる。その結果、一般の冷凍システムに比べて、循環経路を構成する配管構造は著しく簡素化されることができる。しかも、この冷却システムでは、既存方式の冷却システムに比べて小さな流量で十分に冷却性能を発揮することができる。ポンプの容量は縮小されることができる。
ハウジング内には、蒸発室や冷媒通路内で気化された冷媒を受け入れ、冷媒を液化する凝縮室がさらに区画されてもよい。こうして単一のハウジング内に併せて凝縮室が区画されれば、循環経路に挿入されるべき凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。したがって、冷却システムの全体構成は簡素化されることができる。
さらに、第3発明によれば、ハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、蒸発室内に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。
さらにまた、第4発明によれば、ハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、各冷媒通路に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。このとき、冷媒通路は例えばマイクロチャネルに構成されることが望まれる。こういったマイクロチャネル内でマイクロジェットが実現されれば、前述と同様に、効率的な冷却は確実に達成されることができる。ただし、噴出口の口数は必ずしも冷媒通路の本数に一致する必要はない。
さらにまた、第5発明によれば、ハウジング内に区画されて、液体冷媒を受け入れる高圧室と、ハウジング内に区画されて、隔壁で高圧室から隔てられる蒸発室と、隔壁に埋め込まれて、蒸発室に噴出口を臨ませるノズルとを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、高圧室に流入する液体冷媒はノズルの噴出口から勢いよく噴き出す。蒸発室では、液体冷媒の微小滴と気体冷媒との2相流れが生成される。こういった2相流れの働きで、蒸発室の内壁面には一様に薄い液膜が形成されることができる。例えば発熱体すなわち冷却対象物からハウジングに伝わる熱は蒸発室の内壁面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒は蒸発室の内壁面から大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
さらにまた、第6発明によれば、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、蒸発室から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
かかる吸熱装置によれば、蒸発室内に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。しかも、単一のハウジング内に蒸発室および凝縮室が区画されることができる。したがって、吸熱装置の下流で別体の凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。こういった吸熱装置が組み込まれる冷却システムでは全体構成は簡素化されることができる。
さらにまた、第7発明によれば、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間で区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、冷媒通路から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、各冷媒通路に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。しかも、単一のハウジング内に冷媒通路および凝縮室が区画されることができる。したがって、吸熱装置の下流で別体の凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。こういった吸熱装置が組み込まれる冷却システムでは全体構成は簡素化されることができる。
こうして吸熱装置内に併せて凝縮室が区画される場合には、天井板の外面に空冷フィンが取り付けられてもよい。こういった空冷フィンは凝縮室からの放熱を促進することができる。したがって、吸熱装置から吐き出される冷媒は確実に液化されることができる。その他、こういった吸熱装置では、天井板の外面にサーモサイホンが取り付けられてもよい。こういったサーモサイホンは、同様に、凝縮室からの放熱を促進することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図1はラックマウント型コンピュータ装置11の一具体例を概略的に示す。このコンピュータ装置11は、例えばラック(図示せず)に受け止められて、平たい直方体の内部空間を区画する筐体12を備える。筐体12の前側壁14には、内部空間に外気を送り込む吸気ユニット15が組み込まれる。この吸気ユニット15は例えば水平方向に配列される2列の送風ファン16で構成されればよい。同様に、筐体12の後側壁17には、内部空間内で漂う空気を内部空間外すなわち筐体12外に送り出す排気ユニット18が組み込まれる。排気ユニット18は、例えば水平方向に配列される2列の送風ファン19で構成されればよい。こういった吸気および排気ユニット15、18の協働によれば、前方から後方に向かって内部空間を横切る気流は生み出される。前側壁14や後側壁17は、例えば蝶番(図示せず)の働きを通じて開閉自在に構成されてもよい。ラックの横幅は例えば周知の通りに19インチに設定される。
筐体12内には、例えば底板から立ち上がる1枚のプリント配線基板すなわちバックパネル21が配置される。バックパネル21には、バックパネル21の表面から立ち上がって相互に平行に広がる複数枚のプリント配線基板すなわちマザーボード22が接続される。各マザーボード22の表面には、CPU(中央演算処理装置)や主記憶装置(メモリ)といったデバイス素子が実装される。
その他、バックパネル21には、電源ユニット23や入出力(I/O)用プリント配線基板24が接続される。バックパネル21上に形成される導電配線パターンは、電源ユニット23やI/O用プリント配線基板24と、対応するマザーボード22とを相互に接続する。各マザーボード22上のCPUは、電源ユニット23から供給される電力に基づき動作する。CPUは、I/O用プリント配線基板24を通じて、例えばラック内のディスクアレイユニット(図示せず)やスイッチングルータ(図示せず)といった外部機器に接続されることができる。
同時に、筐体12内には大容量記憶装置すなわちハードディスク駆動装置(HDD)25が組み込まれてもよい。周知の通り、こういったHDD25には、CPUで利用されるOS(オペレーティングシステム)やアプリケーションソフトウェアといったソフトウェアプログラムが格納される。HDD25は、例えばバックパネル21に実装されるコネクタ(図示せず)の働きでバックパネル21上のCPUに電気的に接続されればよい。
筐体12内には本発明に係る冷却システム27が組み込まれる。この冷却システム27は、図2から明らかなように、例えば閉ループの(密閉された)循環経路28を備える。こういった循環経路28は、例えば図1に示されるように、ビニルパイプ29といった簡易な配管構造で実現されればよい。
循環経路28には、循環経路28に沿って冷媒を循環させるポンプ31が組み込まれる。このポンプ31は例えば2atm〜3atmといった吐出圧で液体冷媒を吐き出す。冷媒には例えばFC−72といったフッ素系不活性液体が用いられればよい。冷媒の気化温度すなわち沸点は例えば40℃〜60℃に設定されることが望まれる。ポンプ31の入り口圧は例えば1atmに維持されればよい。
ポンプ31の下流で循環経路28には第1実施形態に係る吸熱装置32が組み込まれる。吸熱装置32はマザーボード22上の各CPU33に個別に覆い被さる。ポンプ31から吐き出される液体冷媒は吸熱装置32で気化することができる。この気化に基づきCPU33の冷却は実現される。吸熱装置32は、気化した冷媒すなわち気体冷媒を吐き出す。ただし、吐き出される気体冷媒には液体冷媒が混入してもよい。吸熱装置32の詳細は後述される。
吸熱装置32の下流で循環経路28には凝縮器すなわち熱交換器34および受液タンク35が順番に組み込まれる。熱交換器34は、吸熱装置32から吐き出される気体冷媒から熱を奪い取る。熱交換器34で気体冷媒は液化する。図1から明らかなように、この液化にあたって熱交換器34の放熱は、例えば送風ファン16から向けられる気流の働きで促進されてもよい。液化された冷媒すなわち液体冷媒は受液タンク35に流れ込む。ポンプ31は受液タンク35から液体冷媒を吸い上げる。
図2から明らかなように、循環経路28は1対のバルブ36すなわちコネクタの働きで分割されることができる。こういったバルブ36によれば、吸熱装置32はポンプ31や熱交換器34、受液タンク35から比較的に簡単に分離されることができる。
図3Aおよび図3Bは吸熱装置32の構造を詳細に示す。この吸熱装置32は、天井板41および底板42で密閉空間43を挟み込み、底板42で冷却対象物すなわちCPU33に接触するハウジング44を備える。ハウジング44の密閉空間43は、ポンプ31の吐き出し口に接続される冷媒入り口45から、熱交換器34に接続される冷媒出口46に向かって広がる。ハウジング44は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材から成形されればよい。
ハウジング44内で密閉空間43には、天井板41および底板42を相互に接続する隔壁47が配置される。この隔壁47は、冷媒入り口45側の冷媒導入室48と、冷媒出口46側の蒸発室49とに密閉空間43を分割する。すなわち、蒸発室47は冷媒導入室48から隔壁47で隔てられる。蒸発室49の伝熱面はCPU33に接触する底板42の表面で規定される。
蒸発室49には、ハウジング44の壁面すなわち底板42の表面から立ち上がる複数枚のフィン51すなわちフィン群が配置される。フィン51は、隔壁47から冷媒出口46に向かって並列に延びる。隣接するフィン51同士の間には、隔壁47から冷媒出口46に向かって延びる冷媒通路すなわちマイクロチャネル52が区画される。すなわち、マイクロチャネル52は相互に並列に配置される。マイクロチャネル52の流路幅は例えば50μm〜500μm程度に設定されればよい。フィン51は、例えばアルミニウムといった高熱伝導素材で底板42に一体に成形されればよい。ただし、各フィン51の上端は必ずしも天井板41に接続される必要はない。
隔壁47には噴霧器すなわち複数のノズル53が埋め込まれる。ノズル53は、例えば図4に示されるように、蒸発室49内すなわち各マイクロチャネル52の入り口に向かって噴出口54を臨ませる。流通路断面の急激な減少すなわち絞り部55の働きで冷媒導入室48内の液体冷媒は大気よりも高圧(例えば2atm〜3atm程度)に維持されることができる。こうして冷媒導入室48は高圧室として機能する。しかも、ノズル53は蒸発室49に向かって噴出口54から霧状の液体冷媒を噴き出すことができる。噴き出される液体冷媒の微小滴には10重量%〜20重量%程度の気体冷媒が混入する。こうして蒸発室49では冷媒の2相流れは確立される。ノズル53は、例えば図5に示されるように、個々のマイクロチャネル52ごとに噴出口54を向き合わせる円形断面で形成されてもよく、例えば図6に示されるように、複数本のマイクロチャネル52にわたって共通の噴出口54を向き合わせる幅広のスリットに形成されてもよい。噴出口54の直径やスリットの高さは例えば0.2mm〜0.5mm程度に設定されればよい。
ポンプ31が作動すると、液体冷媒は循環経路28を循環する。吐き出された液体冷媒は各吸熱装置32の冷媒導入室48に受け入れられる。冷媒導入室48では、ポンプ31の吐出圧の作用で液体冷媒は大気圧よりも高圧に維持される。液体冷媒は、流通路の断面の急激な減少にも拘わらず、ノズル53から蒸発室49に向かって押し出される。
ノズル53から噴き出される霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴は各マイクロチャネル52を伝って冷媒出口46に誘導される。このとき、各マイクロチャネル52内では一様にマイクロジェットが確立される。マイクロジェットは、マイクロチャネル52の壁面すなわち各フィン51の表面に膜厚20μm〜100μm程度の薄い液膜を形成し続けることができる。底板42に伝達されるCPU33の熱は底板42の伝熱面やフィン51の表面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒は底板42やフィン51から大量の熱を奪い取る。こうして冷媒の潜熱が利用されれば、液体冷媒への熱伝達だけでCPU33が冷却される場合に比べて、CPU33の冷却は著しく効率化されることができる。CPU33の過度の温度上昇は確実に防止されることができる。しかも、一般の冷凍システムに比べて循環経路28内の圧力は比較的に低圧に維持されることから、循環経路28を構成する配管構造は冷凍システムに比べて著しく簡素化されることができる。
以上のような冷却システム27では、吸熱装置32に供給される冷媒の流量や冷却対象物すなわちCPU33の発熱量に基づき吸熱装置32の冷却性能は調整されることができる。冷却性能は、吸熱装置32から吐き出される冷媒に10重量%程度の液体冷媒が残存する程度に設定されることが望まれる。ただし、本冷却システム27では、既存方式の冷却システムに比べて小さな流量で十分に冷却性能を発揮することができる。したがって、ポンプ31の容量は縮小されることができる。
図7は第2実施形態に係る吸熱装置61の構造を詳細に示す。この吸熱装置61は、前述と同様に、天井板62および底板63の間で密閉空間64を挟み込み、底板63で冷却対象物すなわちCPU33に接触するハウジング65を備える。ハウジング65内には、天井板62および底板63の間で第1隔壁すなわち中板66が配置される。中板66の周縁はハウジング65の内壁すなわち周壁に連結される。こうして中板66および底板63の間には蒸発室67が区画される。蒸発室67では、前述と同様に、CPU33に接触する底板63の表面で伝熱面は規定される。こういったハウジング65では底板63は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材から成形されればよい。
天井板62および中板66の間には、中板66から立ち上がって上端で天井板62に接続される第2隔壁すなわち囲い壁68が配置される。この囲い壁68は、図8から明らかなように、天井板62および中板66と協働して、中板66の中心線69に沿って延びる冷媒導入室71を区画する。この冷媒導入室71には冷媒入り口72が開口する。冷媒入り口72は例えばポンプ31の吐き出し口に接続されればよい。
同時に囲い壁68は、中板66上で両側から冷媒導入室71を挟み込む冷媒回収室73を区画する。この冷媒回収室73に冷媒出口74は開口する。この冷媒出口74は前述の熱交換器34に接続されればよい。
中板66には、囲い壁68から最も離隔した位置で流通口75が形成される。この流通口75は下側の蒸発室67と上側の冷媒回収室73とを相互に接続する。後述されるように、蒸発室67で気化された冷媒すなわち気体冷媒や液体冷媒は流通口75から冷媒回収室73に導入される。
図9から明らかなように、蒸発室67には、ハウジング65の壁面すなわち底板63の表面から立ち上がる複数枚のフィン76すなわち第1および第2フィン群76a、76bが配置される。各フィン76は、中板66の中心線69から流通口75に向かって並列に延びる。隣接するフィン76同士の間には、同様に中心線69から流通口75に向かって延びる冷媒通路すなわちマイクロチャネル77が区画される。すなわち、マイクロチャネル77は相互に並列に配置される。前述と同様に、マイクロチャネル77の流路幅は例えば50μm〜500μm程度に設定されればよい。前述と同様に、フィン76は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材で底板63に一体に成形されればよい。ただし、各フィン76の上端は必ずしも中板66に接続される必要はない。
再び図7および図8を参照し、第1隔壁すなわち中板66には噴霧器すなわち複数のノズル78が埋め込まれる。各ノズル78は、蒸発室67内すなわち各マイクロチャネル77の入り口に向かって噴出口79を臨ませる。こういったノズル78の働きで、前述と同様に、マイクロチャネル77に沿ってマイクロジェットは実現されることができる。
以上のような吸熱装置61では、ノズル78から噴き出される霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴は各マイクロチャネル77を伝って冷媒出口74に誘導される。このとき、マイクロチャネル77の壁面すなわち各フィン76の表面には、前述のマイクロジェットの働きで膜厚20μm〜100μm程度の薄い液膜が形成されることができる。底板63に伝達されるCPU33の熱は底板63の伝熱面やフィン76の表面で冷媒を蒸発させる。冷媒は底板63やフィン76から大量の熱を奪い取る。前述と同様に、CPU33の冷却は著しく効率化されることができる。CPU33の過度の温度上昇は確実に防止されることができる。
しかも、吸熱装置61では、中板66の中心線69から外縁に向かってマイクロチャネル77は延びる。したがって、外縁同士の間で継ぎ目なくマイクロチャネルが延びる場合に比べて、マイクロチャネル77の長さは短縮されることができる。したがって、マイクロチャネル77内ではフィン76の表面に確実に薄い液膜が一様に形成されることができる。その結果、冷却性能は向上する。
前述の冷媒回収室73は、例えば図10に示されるように、凝縮室81として利用されてもよい。この場合には、例えば天井板62からの放熱などを通じて気体冷媒の熱が十分に外気に解き放たれればよい。天井板62からの放熱にあたっては、例えば凝縮室81内に複数枚のフィン82が配置されればよい。各フィン82は例えば天井板62から立ち上がって下端で中板66に接続されればよい。フィン82は、前述と同様に、例えばアルミニウムといった高熱伝導素材でハウジング65に一体に成形されればよい。こういったフィン82の働きで気体冷媒の熱は効率的に天井板62に伝達されることができる。こうして凝縮室81内で気体冷媒の液化は促進されることができる。液化された冷媒すなわち液体冷媒は冷媒出口74から吐き出されることができる。吸熱装置61から完全な液体冷媒が吐き出されれば、前述のように循環経路28に組み込まれるべき熱交換器34は省略されることができる。
こういった場合には、図10から明らかなように、凝縮室81に隣接する天井板62の外面にいわゆるヒートシンク83が構成されてもよい。こういったヒートシンク83は例えば天井板62の外面から立ち上がる複数枚の空冷フィン84を備えればよい。こういったヒートシンク83によれば、凝縮室81の放熱は一層促進されることができる。
その他、凝縮室81の形成にあたって、例えば図11に示されるように、凝縮室81に隣接する天井板62の外面にはいわゆるサーモサイホン85が取り付けられてもよい。このサーモサイホン85は例えば天井板62から直立する。サーモサイホン85の外壁には多数枚の空冷フィン86が形成される。凝縮室81に進入した気体冷媒はサーモサイホン85中で冷却される。冷却の結果、気体冷媒は液化される。こういったサーモサイホン85の採用によれば、凝縮室81の放熱は一層確実に促進されることができる。
以上のような吸熱装置32、61が組み込まれた冷却システム27は、前述のようなCPU33といったLSI(大規模集積回路)パッケージのほか、LSIチップ単体やMCM(マルチチップモジュール)といった高密度高発熱デバイスの冷却に用いられることができる。その他、こういった冷却システム27は、様々な発熱体の冷却にあたって使用されることができる。こういった冷却システム27では、前述のFC−72のほか、冷却システム27の設置環境下で液相を維持し、冷却対象物すなわち発熱体から伝達する熱で十分に蒸発することができる冷媒が用いられればよい。
【図面の簡単な説明】
図1は、ラックマウント型コンピュータ装置の一具体例を概略的に示す斜視図である。
図2は、本発明に係る冷却システムの全体構成を概略的に示す模式図である。
図3Aは、冷却システムに組み込まれた第1実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す垂直断面図である。
図3Bは、第1実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す底板の平面図である。
図4は、ノズルの形状を概略的に示す拡大垂直断面図である。
図5は、一具体例に係るノズルの形状を概略的に示す正面図である。
図6は、他の具体例に係るノズルの形状を概略的に示す正面図である。
図7は、第2実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す垂直断面図である。
図8は、図7の8−8線に沿った断面図である。
図9は、図7の9−9線に沿った断面図である。
図10は、第2実施形態に係る吸熱装置の一変形例を示す垂直断面図である。
図11は、第2実施形態に係る吸熱装置の他の変形例を示す垂直断面図である。
Claims (17)
- 循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置されるハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システム。
- 請求の範囲第1項に記載の冷却システムにおいて、前記ポンプの上流は大気圧に維持されることを特徴とする冷却システム。
- 請求の範囲第1項に記載の冷却システムにおいて、前記噴霧器は、液体冷媒の微小滴と気体冷媒との2相流れを生成することを特徴とする冷却システム。
- 請求の範囲第1項に記載の冷却システムにおいて、前記ハウジング内には、前記蒸発室で気化された冷媒を受け入れ、冷媒を液化する凝縮室がさらに区画されることを特徴とする冷却システム。
- 循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置される吸熱装置と、吸熱装置のハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システム。
- 請求の範囲第5項に記載の冷却システムにおいて、前記ポンプの上流は大気圧に維持されることを特徴とする冷却システム。
- 請求の範囲第5項に記載の冷却システムにおいて、前記噴霧器は、液体冷媒の微小滴と気体冷媒との2相流れを生成することを特徴とする冷却システム。
- 請求の範囲第5項に記載の冷却システムにおいて、前記ハウジング内には、前記冷媒通路内で気化された冷媒を受け入れ、冷媒を液化する凝縮室がさらに区画されることを特徴とする冷却システム。
- ハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置。
- ハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置。
- ハウジング内に区画されて、液体冷媒を受け入れる高圧室と、ハウジング内に区画されて、隔壁で高圧室から隔てられる蒸発室と、隔壁に埋め込まれて、蒸発室に噴出口を臨ませるノズルとを備えることを特徴とする吸熱装置。
- 天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、蒸発室から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置。
- 請求の範囲第12項に記載の吸熱装置において、前記天井板の外面には空冷フィンが取り付けられることを特徴とする吸熱装置。
- 請求の範囲第12項に記載の吸熱装置において、前記天井板の外面にはサーモサイホンが取り付けられることを特徴とする吸熱装置。
- 天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間で区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、冷媒通路から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置。
- 請求の範囲第15項に記載の吸熱装置において、前記天井板の外面には空冷フィンが取り付けられることを特徴とする吸熱装置。
- 請求の範囲第15項に記載の吸熱装置において、前記天井板の外面にはサーモサイホンが取り付けられることを特徴とする吸熱装置。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2000/008571 WO2002046677A1 (en) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | Cooling system and heat absorbing device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2002046677A1 true JPWO2002046677A1 (ja) | 2004-04-08 |
Family
ID=11736765
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002548371A Pending JPWO2002046677A1 (ja) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | 冷却システムおよび吸熱装置 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US7055341B2 (ja) |
JP (1) | JPWO2002046677A1 (ja) |
WO (1) | WO2002046677A1 (ja) |
Families Citing this family (49)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7508672B2 (en) * | 2003-09-10 | 2009-03-24 | Qnx Cooling Systems Inc. | Cooling system |
JP2005158101A (ja) * | 2003-11-21 | 2005-06-16 | Hitachi Ltd | ディスクアレイ装置 |
JP4272503B2 (ja) * | 2003-12-17 | 2009-06-03 | 株式会社日立製作所 | 液冷システム |
US7212405B2 (en) * | 2004-05-27 | 2007-05-01 | Intel Corporation | Method and apparatus for providing distributed fluid flows in a thermal management arrangement |
US20050285261A1 (en) * | 2004-06-25 | 2005-12-29 | Prasher Ravi S | Thermal management arrangement with channels structurally adapted for varying heat flux areas |
US7392660B2 (en) * | 2004-08-05 | 2008-07-01 | Isothermal Systems Research, Inc. | Spray cooling system for narrow gap transverse evaporative spray cooling |
JP4641171B2 (ja) * | 2004-10-14 | 2011-03-02 | 三菱電機株式会社 | ラックマウント式冷却装置 |
US7469551B2 (en) * | 2005-01-18 | 2008-12-30 | Isothermal Systems Research, Inc. | Globally cooled computer system |
JP4593438B2 (ja) * | 2005-10-24 | 2010-12-08 | 富士通株式会社 | 電子機器および冷却モジュール |
JP4470857B2 (ja) * | 2005-10-28 | 2010-06-02 | トヨタ自動車株式会社 | 電気機器の冷却構造 |
US20070095087A1 (en) * | 2005-11-01 | 2007-05-03 | Wilson Michael J | Vapor compression cooling system for cooling electronics |
JP2007129157A (ja) * | 2005-11-07 | 2007-05-24 | C & C:Kk | 半導体冷却装置 |
US20070139888A1 (en) * | 2005-12-19 | 2007-06-21 | Qnx Cooling Systems, Inc. | Heat transfer system |
US20070144199A1 (en) * | 2005-12-28 | 2007-06-28 | Scott Brian A | Method and apparatus of using an atomizer in a two-phase liquid vapor enclosure |
JP5085888B2 (ja) * | 2006-05-31 | 2012-11-28 | 株式会社日立製作所 | 電子機器用冷却装置 |
US8037926B2 (en) * | 2007-06-21 | 2011-10-18 | International Business Machines Corporation | Method and apparatus for chip cooling |
CN101796635B (zh) | 2007-09-07 | 2012-07-04 | 国际商业机器公司 | 冷却发热组件的方法和装置 |
TWM342544U (en) * | 2008-05-20 | 2008-10-11 | Thermaltake Technology Co Ltd | Frame-shaped cooling device for computer |
GB2465140B (en) * | 2008-10-30 | 2011-04-13 | Aqua Cooling Solutions Ltd | An electronic system |
WO2010050868A1 (en) * | 2008-11-03 | 2010-05-06 | Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) | A system in a network node for regulating temperature of electronic equipment |
DE102009056483A1 (de) * | 2009-12-01 | 2011-06-09 | Hydac Cooling Gmbh | Kühlvorrichtung |
EP2420588A1 (en) | 2010-08-16 | 2012-02-22 | Applied Materials, Inc. | Thermal management of film deposition processes |
US8199505B2 (en) * | 2010-09-13 | 2012-06-12 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing Norh America, Inc. | Jet impingement heat exchanger apparatuses and power electronics modules |
US8797741B2 (en) * | 2010-10-21 | 2014-08-05 | Raytheon Company | Maintaining thermal uniformity in micro-channel cold plates with two-phase flows |
TWI413751B (zh) * | 2010-10-26 | 2013-11-01 | Inventec Corp | 一種液態冷卻流體熱交換室 |
US8432691B2 (en) * | 2010-10-28 | 2013-04-30 | Asetek A/S | Liquid cooling system for an electronic system |
US8427832B2 (en) * | 2011-01-05 | 2013-04-23 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Cold plate assemblies and power electronics modules |
US8773854B2 (en) | 2011-04-25 | 2014-07-08 | Google Inc. | Thermosiphon systems for electronic devices |
US9500413B1 (en) | 2012-06-14 | 2016-11-22 | Google Inc. | Thermosiphon systems with nested tubes |
US9869519B2 (en) * | 2012-07-12 | 2018-01-16 | Google Inc. | Thermosiphon systems for electronic devices |
TWI494051B (zh) * | 2012-11-19 | 2015-07-21 | Acer Inc | 流體熱交換裝置 |
TW201442608A (zh) * | 2013-04-19 | 2014-11-01 | Microthermal Technology Corp | 相變化散熱裝置及其相變化散熱系統 |
US9463536B2 (en) | 2013-12-20 | 2016-10-11 | Google Inc. | Manufacturing process for thermosiphon heat exchanger |
JP6307931B2 (ja) * | 2014-02-28 | 2018-04-11 | 富士通株式会社 | 冷却器および電子機器 |
DE102014012179A1 (de) * | 2014-08-16 | 2016-02-18 | Modine Manufacturing Company | Indirekter Luftkühler |
US9713286B2 (en) * | 2015-03-03 | 2017-07-18 | International Business Machines Corporation | Active control for two-phase cooling |
WO2016208180A1 (ja) * | 2015-06-26 | 2016-12-29 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 冷却装置およびこれを搭載した電子機器 |
WO2017064886A1 (ja) * | 2015-10-15 | 2017-04-20 | 株式会社Ihi | 電子機器用の冷却装置 |
JP6603895B2 (ja) * | 2016-05-23 | 2019-11-13 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 冷却装置、プロジェクタ、および、受熱ユニット |
JP6771407B2 (ja) * | 2017-03-07 | 2020-10-21 | 株式会社フェザーグラス | 除熱方法及び除熱システム |
US10533809B1 (en) | 2018-07-06 | 2020-01-14 | Keysight Technologies, Inc. | Cooling apparatus and methods of use |
JP2020161655A (ja) * | 2019-03-27 | 2020-10-01 | 株式会社ケーヒン | 冷却システム |
CN110377130B (zh) * | 2019-07-04 | 2024-04-26 | 东莞市冰点智能科技有限公司 | 一种新型水冷散热器 |
US11168949B2 (en) * | 2019-09-16 | 2021-11-09 | Senior Uk Limited | Heat exchangers with improved heat transfer fin insert |
KR20210092377A (ko) * | 2020-01-15 | 2021-07-26 | 주식회사 케이엠더블유 | 전장소자의 방열장치 |
CN115804252A (zh) * | 2020-03-23 | 2023-03-14 | 株式会社Kmw | 电子元件的散热装置 |
KR102543845B1 (ko) * | 2020-03-23 | 2023-06-21 | 주식회사 케이엠더블유 | 전장소자의 방열장치 |
US11483947B2 (en) * | 2020-09-16 | 2022-10-25 | Motivair Corporation | Cooling apparatus with expanding fluid jets |
US20230164948A1 (en) * | 2021-11-24 | 2023-05-25 | Mellanox Technologies Ltd. | Device with integrated liquid cooling system |
Family Cites Families (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4392362A (en) * | 1979-03-23 | 1983-07-12 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Micro miniature refrigerators |
JPS61223469A (ja) * | 1985-03-28 | 1986-10-04 | 住友電気工業株式会社 | ヒ−トパイプを利用した冷却装置 |
JPH02162795A (ja) | 1988-12-16 | 1990-06-22 | Mitsubishi Electric Corp | 電子部品冷却装置 |
JPH0461259A (ja) * | 1990-06-29 | 1992-02-27 | Hitachi Ltd | 半導体集積回路装置の冷却方法および冷却構造 |
US5099311A (en) * | 1991-01-17 | 1992-03-24 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Microchannel heat sink assembly |
JPH05136305A (ja) | 1991-11-08 | 1993-06-01 | Hitachi Ltd | 発熱体の冷却装置 |
US5406807A (en) * | 1992-06-17 | 1995-04-18 | Hitachi, Ltd. | Apparatus for cooling semiconductor device and computer having the same |
US5515910A (en) * | 1993-05-03 | 1996-05-14 | Micro Control System | Apparatus for burn-in of high power semiconductor devices |
SE9500944L (sv) * | 1995-03-17 | 1996-05-28 | Ericsson Telefon Ab L M | Kylsystem för elektronik |
US5687577A (en) * | 1996-04-10 | 1997-11-18 | Motorola, Inc. | Apparatus and method for spray-cooling an electronic module |
US5768103A (en) * | 1996-08-30 | 1998-06-16 | Motorola, Inc. | Circuit board apparatus and apparatus and method for spray-cooling an electronic component |
US5777384A (en) * | 1996-10-11 | 1998-07-07 | Motorola, Inc. | Tunable semiconductor device |
JPH10185466A (ja) | 1996-12-24 | 1998-07-14 | Showa Alum Corp | ヒートパイプ式放熱器 |
JP3106429B2 (ja) * | 1997-04-11 | 2000-11-06 | 古河電気工業株式会社 | 板型ヒートパイプとそれを用いた冷却構造 |
US6349760B1 (en) * | 1999-10-22 | 2002-02-26 | Intel Corporation | Method and apparatus for improving the thermal performance of heat sinks |
US6550263B2 (en) * | 2001-02-22 | 2003-04-22 | Hp Development Company L.L.P. | Spray cooling system for a device |
US6571569B1 (en) * | 2001-04-26 | 2003-06-03 | Rini Technologies, Inc. | Method and apparatus for high heat flux heat transfer |
US6646879B2 (en) * | 2001-05-16 | 2003-11-11 | Cray Inc. | Spray evaporative cooling system and method |
-
2000
- 2000-12-04 JP JP2002548371A patent/JPWO2002046677A1/ja active Pending
- 2000-12-04 WO PCT/JP2000/008571 patent/WO2002046677A1/ja active Application Filing
-
2003
- 2003-06-03 US US10/452,631 patent/US7055341B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US7055341B2 (en) | 2006-06-06 |
US20030205054A1 (en) | 2003-11-06 |
WO2002046677A1 (en) | 2002-06-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPWO2002046677A1 (ja) | 冷却システムおよび吸熱装置 | |
US7227753B2 (en) | Method and apparatus for cooling heat-generating structure | |
US5943211A (en) | Heat spreader system for cooling heat generating components | |
US6625023B1 (en) | Modular spray cooling system for electronic components | |
US8289701B2 (en) | Liquid cooling unit and heat receiver therefor | |
US8081459B2 (en) | Air conditioning systems for computer systems and associated methods | |
US7299647B2 (en) | Spray cooling system for transverse thin-film evaporative spray cooling | |
EP2274965B1 (en) | Systems and methods for cooling a computing component in a computing rack | |
US20170234623A1 (en) | Gas cooled condensers for loop heat pipe like enclosure cooling | |
EP1890217B1 (en) | Electronic apparatus with liquid cooling unit and heat exchanger | |
US20050207116A1 (en) | Systems and methods for inter-cooling computer cabinets | |
JP2006099773A (ja) | 電子システムを冷却するシステムおよび方法 | |
EP0990378B1 (en) | Heat spreader system and method for cooling heat generating components | |
KR20110027766A (ko) | 컴퓨터 섀시 챔버를 위한 전용의 공기 흡입구 및 공기 배출구 | |
JP2008028332A (ja) | 電子機器 | |
TW201410980A (zh) | 冷卻劑供給單元、冷卻單元以及電子裝置 | |
JP2008028331A (ja) | 電子機器 | |
US20230156958A1 (en) | Liquid cooling device | |
US20090009958A1 (en) | System and Method for Rack Mounted Information Handling System Supplemental Cooling | |
US10897836B2 (en) | Airflow management system for thermal control of data centers | |
US20080066889A1 (en) | Heat exchanging fluid return manifold for a liquid cooling system | |
US20150083368A1 (en) | Data center cooling systems and associated methods | |
CN114217678B (zh) | 一种服务器 | |
US10888033B2 (en) | Cooling system for a data center | |
CN114554791B (zh) | 气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器及控制方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040316 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060808 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061010 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20061212 |