JPWO2013061409A1 - 水冷装置、水冷装置を有する電子機器、及び水冷方法 - Google Patents

Abstract

水冷装置は、電子部品（３０）が実装された複数のシステムボード（２０）と、電子部品に取り付けられ、内部に冷媒が流れる通路（２３）が設けられたクーリングプレート（２２）と、システムボードの各々を貫通して延在する伝熱部材（２０ａ）と、システムボードの各々の裏面に設けられ、伝熱部材に接続された放熱部材（２８）とを含む。放熱部材（２８）の放射率は、伝熱部材２０ａの放射率より高い。

Description

本発明は、電子機器の水冷装置及び水冷方法に関する。

コンピュータ機器等の電子機器に組み込まれるＣＰＵは動作時に発熱するため、ＣＰＵを冷却しないと過度に温度が上昇してしまう。ＣＰＵの過度の温度上昇はコンピュータの性能劣化や寿命に影響するため、ＣＰＵを冷却して温度上昇を抑制する必要がある。

水冷コンピュータでは、冷却水循環装置であるＣＤＵ（冷却水分配ユニット）で温度調整した冷却水をＣＰＵ上に設置されたクーリングプレートに流し、ＣＰＵを冷却水により冷却している。

発熱量の多いＣＰＵを冷却するために冷却能力を高くする方法として、冷却水の流量を増加する方法や冷却水の温度をより低温にする方法がある。しかし、冷却水の大流量化はクーリングプレートや配管のエロージョン・コロージョンの発生につながり、また、冷却水ポンプへの負荷も増大する。冷却水の低水温化はクーリングプレートや配管などに結露を発生させる。システムボード上での結露は配線間のショートを引き起こし、コンピュータに損傷を与えるおそれがある。

そこで、冷媒流路を有するコールドプレートに設けられた熱伝導棒をバネ力により集積回路に押し付けて、熱伝導棒を介して効率的に集積回路からコールドプレートに熱を伝える冷却構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１２４３００

通常、ＣＰＵはシステムボード等の基板上に実装されている。そこで、システムボードの表面側にクーリングプレートを設けてＣＰＵを冷却する構造において、システムボードの裏面にもクーリングプレートを配置してＣＰＵを裏側からも冷却することが考えられる。しかし、一枚のシステムボードに対して２つのクーリンプレートを設けると、追加したクーリングプレートの分だけ大きなスペースを機器内に確保しなくてはならない。したがって、一つの機器内に組み込むことのできるシステムボードの数が少なくなってしまう。

また、２つのクーリングプレートでシステムボードが挟まれた状態となるので、システムボード上の電子部品等を調整したり交換したりするといったメンテナンスを行えなくなってしまうおそれがある。さらに、当然のことながら、追加したクーリングプレートのコストがシステムボードあるいは電子機器のコストを上昇させるという問題もある。

そこで、本発明の実施形態は、発熱量の多い電子部品の温度上昇を十分抑制することのできる電子機器の水冷システムを提供することを目的とする。

実施形態によれば、電子部品が実装された複数のシステムボードと、前記電子部品に取り付けられ、内部に冷媒が流れる通路が設けられたクーリングプレートと、前記システムボードの各々を貫通して延在する伝熱部材と、前記システムボードの各々の裏面に設けられ、前記伝熱部材に接続された放熱部材とを有し、前記放熱部材の放射率は、前記伝熱部材の放射率より高い水冷装置が提供される。

上述の手段によれば、クーリングプレートを追加することなく、従来の冷却装置に放熱部材と伝熱部材とを追加するだけで、電子部品の冷却能力を高めることができる。

第１実施形態による冷却装置を示す簡略図である。 システムボードの平面図である。 システムボードに電子部品が搭載された部分の拡大断面図である。 放熱部材から放射される熱量と放熱部材の放射率との関係を示す図である。 配管の形状を変更した場合のシステムボードの平面図である。 図５に示す配管の断面図である。 第２実施形態による冷却装置を示す簡略図である。 冷却方法の一例を説明するための図である。 放射される熱量と冷却水の水温との関係を示す図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は第１実施形態による冷却装置を示す簡略図である。図１には、複数のシステムボード２０を収容したコンピュータラック１０の一部分が示されている。コンピュータラック１０は、例えば通信機器のサーバとして機能する電子機器であり、複数のシステムボード２０が多段に積み重ねられた状態で挿抜可能に収容される。なお、図１に示すコンピュータラック１０は、システムボード２０を上下方向に積み重ねた状態で収容しているが、複数のシステムボード２０を縦にして水平方向に整列した状態で収容することとしてもよい。

図１において、一枚のシステムボード２０上に複数の電子部品３０が搭載されている。電子部品３０は、例えばＣＰＵ等の半導体装置であり、動作時に発熱する発熱体である。システムボード２０上に搭載された各電子部品３０の上には、例えば銅（Ｃｕ）により形成されたクーリングプレート２２が取り付けられる。

図２は一枚のシステムボード２０の平面図である。クーリングプレート２２の内部には、後述のように冷媒として冷却水が流れる通路が形成されている。一枚のシステムボード上に搭載された電子部品３０上に取り付けられたクーリングプレート２２は、配管２４によりループを形成するように接続される。配管２４の端部２４−１，２４−２は、冷却水分配ユニット（ＣＤＵ）４０に繋がる配管４２−１，４２−２にそれぞれ接続される。配管４２−１を介してＣＤＵ４０から冷却水が配管２４の端部２４−１に供給される。冷却水は、配管２４を介して全てのクーリングプレート２２を順次流れ、端部２４−２から配管４２−２を流れてＣＤＵ４０に戻る。

図３はシステムボード２０に電子部品３０が搭載された部分の拡大断面図である。システムボード２０は、例えばＦＲ４のような一般的な有機基板材料により形成されており、電子部品３０の電極はシステムボード２０の表面に形成された電極パッド（図示せず）に接合される。電子部品３０の上面にクーリングプレート２２が伝熱性接着剤等により固定される。

本実施形態では、クーリングプレート２２の上に、吸熱部材２６が取り付けられる。吸熱部材２６は、例えばセラミックス等の高い放射率を有する材料よりなり、多孔質体であることが好ましい。吸熱部材２６の機能については後述するが、吸熱部材２６を形成する材料として、高い放射率を有するセラミックスとして、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３：放射率０．９８）、炭化ケイ素（ＳｉＣ：放射率０．９）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ：放射率０．９３）などを用いることが好ましい。また、吸熱部材２６を形成する材料として、ジルコニア（放射率０．９５）、シリカ（放射率８．５）、グラファイト（放射率０．８）、プラスチック（放射率０．９５）等も用いることができる。あるいは、吸熱部材２６を形成する材料として、表面に被膜を施して放射率を高くした金属材料やプラスチック材料等も用いることができる。吸熱部材２６の表面、特に、隣り合うシステムボード２０に対向する面は、放射率（即ち吸熱率）を高くするために黒色であることが好ましい。

以上のように、吸熱部材２６の表面の放射率をクーリングプレート２２の表面の放射率より高くすることで、より多くの熱をクーリングプレート２２により吸収させることができる。

吸熱部材２６はクーリングプレート２２の表面の放射率を高くするために設けられるものであるが、吸熱部材を設けない場合は、クーリングプレート２２の表面に酸化皮膜を形成してクーリングプレート２２の表面自体の放射率を高くすることが好ましい。あるいは、クーリングプレート２２の表面を粗面化することでも、クーリングプレート２２の表面自体の放射率を高くすることができる。また、クーリングプレート２２の表面を黒化処理して黒色とすることで、クーリングプレート２２の表面自体の放射率を高くすることができる。

本実施形態では、電子部品３０が搭載されたシステムボード２０の部分に伝熱部材として伝熱パス２０ａが形成される。伝熱パス２０ａは、伝熱性に優れた材料として例えば銅（Ｃｕ）等の金属材料で形成された柱状体であり、システムボード２０の電子部品２０側から裏側へと貫通している。伝熱部材としての伝熱パス２０ａは例えばシステムボード２０中に形成されたヴィアでもよいが、伝熱パス２０ａはシステムボード２０の電気回路配線として機能するものでは無い。伝熱パス２０ａは、電子部品３０が発生した熱の一部を、放熱部材２８に伝達するために設けられている。

システムボード２０の裏面で、電子部品３０が搭載された部分の反対側には、放熱部材２８が取り付けられている。放熱部材２８は、例えばセラミックス等の高い放射率を有する材料よりなり、上述の伝熱パスの端面に伝熱性接着材等により接合される。これにより、電子部品３０が発生した熱の一部は、伝熱パス２０ａを介して放熱部材２８に効率的に伝わり、放熱部材２８から放射される。放熱部材２８を形成する材料としては、上述の吸熱部材２６を形成するための材料と同じ材料を用いることができる。ただし、放熱部材２８の表面は熱放射をよくするために、多孔質ではなく滑らかな平面であることが好ましい。放熱部材２８の表面は、放射率を高めるために黒色とすることが好ましい。

以上のように、放熱部材２８の放射率を伝熱部材としての伝熱パス２０ａの放射率より高くすることで、より多くの熱を電子部品３０から伝熱部材及び放射部材２８を介して放射することができる。

図３を参照すると、本実施形態におけるクーリングプレート２２は、内部に冷却水が流れる通路２３が設けられている。通路２３を形成する上面２３ａと下面２３ｂの両方から通路２３内に向けてフィン２３ｃが延在している。下面２３ｂから延在するフィン２３ｃ（第１の放熱フィン）は、電子部品３０で発生した熱を、通路２３内に流れる冷却水へ効率的に伝達するために設けられる。一方、上面２３ａから延在するフィン２３ｃ（第２の放熱フィン）は、吸熱部材２６で吸収した熱を、通路２３内に流れる冷却水へ効率的に伝達するために設けられる。上面２３ａから延在するフィン２３ｃ（第２の放熱フィン）が設けられた構成は、本実施形態に特有な構成である。

上述のような構成において、複数のクーリングプレート２２と、ＣＤＵ４０と、それらを繋ぐ配管２４，４２−１，２−２とで、水冷装置が形成されている。すなわち、ＣＤＵ４０から供給される温度調整された低温の冷却水は、配管４２−１を流れて配管２４の端部２４−１を介して配管２４に入り、配管２４の途中に配置されたクーリングプレート２２内の通路２３内を順次流れる。このとき、冷却水はクーリングプレート２２の下側に配置されている電子機器３０からの熱を吸収し（すなわち、電子機器３０を冷却し）、冷却水の温度は上昇する。温度が上昇した冷却水は、配管２４の端部２４−２から配管４２−２に流れ、ＣＤＵ４０に戻る。ＣＤＵ４０は冷却水の温度を調整して低温の冷却水とし、再び配管４２−１に送り出す。

本実施形態による水冷装置は、クーリングプレート２２に取り付けられた吸熱部材２６と、システムボード２０に設けられた伝熱パス２０ａと、システムボードの裏側に設けられた放熱部材２８とを含む。

以下、本実施形態による水冷装置の作用について、図１を参照しながら説明する。

一枚のシステムボード２０において、ＣＤＵ４０から供給される冷却水によりクーリングプレート２２を介して電子部品３０を冷却する作用は上述のとおりである。本実施形態では、一枚のシステムボード２０（図１における３枚のシステムボード２０のうち中央のシステムボード２０とする）の上側のシステムボード２０に設けられた放熱部材２８が放射する熱を、クーリングプレート２２に取り付けられた吸熱部材２６が受け取る。

すなわち、上側のシステムボード２０の電子部品３０が発生した熱の一部は、上側のシステムボード２０の伝熱パス２０ａを介して上側のシステムボード２０の放熱部材２８から放射される。この熱を中央のシステムボード２０の吸熱部材２６が吸収する。吸熱部材２６が吸収した熱は、中央のシステムボード２０のクーリングプレート２２に伝達され、当該クーリングプレート２２の通路２３を流れる冷却水により吸収される。したがって、吸熱部材２６は低温に維持され、放熱部材２８からの放射熱を効率的に吸収することができる。

以上の構成により、上側のシステムボード２０の電子部品３０は、当該電子部品３０に取り付けられたクーリングプレート２２により冷却されるだけでなく、中央のシステムボード２０に設けられたクーリングプレート２２によっても冷却される。これにより、当該電子部品３０に対する冷却能力が増大し、電子部品３０からより多くの熱を奪って冷却することができる。この冷却作用は、中央のシステムボード２０と下側のシステムボード２０との間においても同様である。

ここで、下側に位置するクーリングプレート２２により吸収する熱量について検討する。放熱部材２８から放射される熱量は以下の式（１）で表される。

Ｐ=σ・ε・Ａ・(Ｔｓ⁴−Ｔａ⁴) ・・・（１）
Ｐ：放射される熱量（Ｗ）
σ：シュテフォン=ボルツマン定数（５．６７×１０^−８Ｗ/ｍ^２Ｋ^４）
ε：放射率
Ａ：放射面積（ｍ^２）
Ｔｓ：物体の温度（Ｋ）
Ｔａ：周囲の温度（Ｋ）
ここで、Ｔｓ（物体の温度）とはボード裏面の温度であり、Ｔａ（周囲の温度）とは水温（クーリングプレートの温度）となる。Ｔａ（水温）を１５℃としたとき、Ｐ（放射される熱量）とＴｓ（ボード裏面の温度）の関係は図４に示すようになる。図４において、ε（放射率）＝０．９５はセラミックス表面での放射率に相当し、ε＝０．１は金属表面（光沢面）での放射率に相当する。放射面積Ａは０．１ｍ^２としている。ε＝０．９５のセラミックスを設置することにより、ボード裏面温度が６０〜７０℃では３〜４Ｗの熱量が放射されることになる。放射された熱は下側のシステムボード２０のクーリングプレート２２にほぼ吸収されるため、周囲のシステムボード２０には吸収されず、温度上昇は抑制される。

したがって、本実施形態によれば、電子部品３０の温度上昇を抑制することができ、放射された熱もクーリングプレート２２に効率良く吸収されるため、周辺部のシステムボードや雰囲気の温度が上昇することもない。また、本実施形態ではシステムボード２０の裏面とクーリングプレート２２上面にセラミックスよりなる放熱部材２８と吸熱部材２６をそれぞれ設置しているだけである。したがって、一枚のシステムボード２０を収容するためのスペースや、一枚のシステムボード２０の重量およびコストは、従来の構造と同程度である。また、ボード裏面と下側のクーリングプレート２２の上面は物理的に接触しているわけではないため、システムボード２０の各々を独立して容易に挿抜することができ、メンテナンス性に問題はない。

なお、以上の構成であると、最下段のシステムボード２０の下側にはクーリングプレート２２が存在しないため、最下段のシステムボード２０への冷却が弱くなってしまうおそれがある。そこで、最下段のシステムボード２０の下側に、クーリングプレート２０のみを有するダミーボード（図示せず）を配置することが好ましい。

ここで、上述の水冷システムにおける配管の変形例について、図５及び図７を参照しながら説明する。図５は、配管の形状を変更した場合のシステムボードの平面図である。

図５に示す配管２４Ａは、図２に示す配管２４を扁平な形に変形して図６に示す断面形状としたのである。システムボード２０上の配管を円柱状のものではなく、図６に示すような平面形状とし、配管２４Ａの上面にも吸熱部材２６Ａを設ける。これにより、配管２４Ａでも上側のシステムボード２０からの放射熱を効率的に吸熱することができ、周辺部のシステムボード２０への熱放射を抑制することができる。

以上のように、吸熱部材２６Ａの放射率を配管２４Ａの表面の放射率より高くすることで、より多くの熱を配管２４Ａに吸収させることができる。

次に、第２実施形態について説明する。図７は第２実施形態による冷却システムを示す簡略図である。図７において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態では、複数のシステムボード２０の各々に搭載された電子部品３０が異なる位置に搭載されている。このため、例えば中央のシステムボード２０のクーリングプレート２２の真上に上側のシステムボード２０の放熱部材２８が配置されず、ずれた状態となってしまう。この状態では、上側のシステムボード２０の放熱部材２８からの放射熱をすべて中央のシステムボード２０の吸熱部材２６により吸収することができず、放熱部材２８からの放射熱の大部分は周囲のシステムボード２０に吸収されることになる。

そこで、本実施形態では、上側のシステムボード２０の放熱部材２８と中央のシステムボード２０の吸熱部材２６との間にガイド部材５０を設けて、放熱部材２８からの放射熱を吸熱部材２６に案内する。ガイド部材５０は、例えばアルミニウム又は銅などの金属製の枠状の部材である。すなわち、ガイド部材５０は、放熱部材２８と吸熱部材２６の間の空間を囲うように設けられる。したがって、放熱部材２８から放射された熱のほとんどは、ガイド部材の内面（金属面）で反射されながら、吸熱部材２６の方向に進み、吸熱部材２６により吸収される。ガイド部材５０は金属製である必要はなく、内面が熱放射を効率的に反射できる面であればどのような材料であってもよい。例えば、ガイド部材５０は、樹脂製の枠形状の部材の内面に金属めっきを施したような部材であってもよい。

なお、ガイド部材５０は吸熱部材２６に対して取り付けられており、ガイド部材５０と放熱部材２８又は上側のシステムボード２０との間には僅かな間隙が形成されている。したがって、システムボード２０の各々を挿抜する際に、ガイド部材５０もシステムボード２０に取り付けられたまま一緒に挿抜される。これにより、従来のようにシステムボード２０の各々を個別に容易に挿抜することができる。

なお、本実施形態では複数のシステムボード２０の各々に搭載された電子部品３０が異なる位置に搭載されている場合にガイド部材５０を用いて放射熱を案内しているが、図１に示す第１実施形態においても同様なガイド部材を設けることとしてもよい。この場合、周囲に散乱する放射熱をガイド部材５０の内面で反射して効率的に吸熱部材２６に吸収させることができる。

次に、上述の実施形態による装置を用いた冷却方法の一例について説明する。

システムボード２０上で複数の電子部品３０を冷却する場合、冷却水が流れる経路の上流では低温、下流では高温となり、複数の電子部品３０の間に温度差が生じる。電子部品３０の温度差は性能や寿命の差を招く。このような温度差の発生を抑制するため、図８に示すようにシステムボード２０毎にＣＤＵ４０からの冷却水の給水・排水の向き交互にする。例えば、システムボード２０を多段に積み重ねる場合には、ｎ段目のシステムボード２０ではクーリングプレート２２に関してＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順番に冷却水を供給し、ｎ＋１段目のシステムボードでは反対向きにＤ、Ｃ、Ｂ、Ａの順番に冷却水を供給する。これにより、ｎ段目のシステムボード２０におけるクーリングプレート２２内の冷却水の水温はＡ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄとなり、ｎ＋１段目のシステムボード２０におけるクーリングプレート２２内の冷却水の水温はＤ＜Ｃ＜Ｂ＜Ａとなる。

システムボード２０の裏面温度と放射される熱量の関係は、図９に示すように冷却水温に依存している。ｎ段のシステムボード２０のＤでは水温が高いため電子部品３０の温度も高くなり、システムボード２０の裏面温度も高くなる。しかし上段であるｎ＋１段目のシステムボード２０のＤでは水温が低いため、ｎ段目のシステムボード２０のＤからｎ＋１段目のシステムボードのＤへ放射される熱量は大きくなる。従ってシステムボード上での電子部品３０の温度差は解消される方向に進む。

本発明は上述の具体的に開示された実施例に限られず、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例、改良例がなされるであろう。

産業上の利用分野

本発明は電子機器の水冷装置に適用することができる。

１０ コンピュータラック
２０ システムボード
２０ａ 伝熱パス
２２ クーリングプレート
２３ 通路
２３ａ 上面
２３ｂ 下面
２３ｃ フィン
２４，２４Ａ 配管
２４−１，２４−２端部
２６，２６Ａ 吸熱部材
２８ 放熱部材
３０ 電子部品
４０ 冷却水分配ユニット（ＣＤＵ）
４２−１，４２−２ 配管

Claims (21)

1. 電子部品が実装された複数のシステムボードと、
   前記電子部品に取り付けられ、内部に冷媒が流れる通路が設けられたクーリングプレートと、
   前記システムボードの各々を貫通して延在する伝熱部材と、
   前記システムボードの各々の裏面に設けられ、前記伝熱部材に接続された放熱部材と
   を有し、
   前記放熱部材の放射率は、前記伝熱部材の放射率より高い水冷装置。
2. 請求項１記載の水冷装置であって、
   前記クーリングプレート上に設けられた吸熱部材を有し、該吸熱部材の表面の放射率は、前記クーリンググプレートの表面の放射率より高い水冷装置。
3. 請求項２項記載の水冷装置であって、
   前記放熱部材と前記吸熱部材とは互いに対向する位置に配置されている水冷装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
   前記伝熱部材は前記電子部品と前記放熱部材との間に形成されている水冷装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
   前記吸熱部材はセラミックスの多孔質体により形成される水冷装置。
6. 請求項２乃至５のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
   前記放熱部材はセラミックスにより形成され、表面が滑らかな平面である水冷装置。
7. 請求項２乃至６のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
   前記放熱部材の表面及び前記吸熱部材の表面は黒色である水冷装置。
8. 請求項１記載の水冷装置であって、
   前記伝熱部材のシステムボード裏面側の表面及び前記クーリングプレートの表面に酸化被膜が形成されている水冷システム。
9. 請求項１記載の水冷装置であって、
   前記伝熱部材のシステムボード裏面側の表面及び前記クーリングプレートの表面は粗面化された面である水冷装置。
10. 請求項１、８及び９のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
    前記伝熱部材のシステムボード裏面側の表面及び前記クーリングプレートの表面は黒色である水冷装置。
11. 請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
    前記クーリングプレートに接続された配管の断面は平面形状であり、該配管の表面の放射率より高い放射率を有する配管吸熱部材が前記配管の表面に設けられた水冷装置。
12. 請求項１１記載の水冷装置であって、
    前記配管吸熱部材の表面は黒色である水冷装置。
13. 請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
    前記クーリングプレートに接続された配管の断面は平面形状であり、該配管の表面に酸化皮膜が形成されている水冷装置。
14. 請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
    前記クーリングプレートに接続された配管の断面は平面形状であり、該配管の表面は祖面化された面である水冷装置。
15. 請求項１３又は１４記載の水冷装置であって、
    前記配管の表面は黒色である水冷装置。
16. 請求項１乃至１５のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
    前記クーリングプレートの前記通路の内面であって前記電子部品側の内面から延在する第１の放熱フィンと、前記通路の内面であって前記電子部品と反対側の内面から延在する第２の放熱フィンとを有する水冷装置。
17. 請求項１乃至１６のうちいずれか一項記載の水冷装置であって、
    前記システムボードのうちの一つの裏面に取り付けられた放熱部材と当該一つのシステムボードに隣接したシステムボードに設けられた前記クーリングプレートの表面との間に放射熱を反射するガイド部材が設けられた水冷装置。
18. 請求項１７記載の水冷装置であって、
    前記ガイド部材は、前記放熱部材と前記クーリングプレートの間の空間を包囲するような枠形状であり、前記クーリングプレートに固定されている水冷装置。
19. 請求項１７又は１８記載の水冷装置であって、
    前記ガイド部材は金属製であり、内面が光沢面である水冷装置。
20. 電子部品が実装された複数のシステムボードと、
    請求項１乃至１９のうちいずれか一項記載の水冷装置と
    を有する電子機器。
21. 請求項２０記載の電子機器において行なわれる冷却方法であって、
    一つのシステムボードにおけるクーリングプレートに流れる冷却水の方向と、当該一つのシステムボードに隣接したシステムボードにおけるクーリングプレートに流れる冷却水の方向を反対方向とする冷却方法。

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