JPWO2013157117A1 - 冷却システムを備えた電子計算機 - Google Patents

Abstract

本発明は、モジュール基板の裏面側半導体素子の熱をサーモサイフォンへ伝えてモジュール全体を冷却することにより、省電力で低騒音の冷却システムを備えた電子計算機を提供することにある。そのため本発明は半導体素子を両面に実装したモジュール基板と、このモジュール基板を複数枚実装したマザーボードと、このマザーボードを複数枚搭載したラックキャビネットとを備えた電子計算機において、前記モジュール基板の片面に実装された前記半導体素子と熱的に接続されたサーモサイフォンと、前記モジュール基板の一方の面に実装された前記半導体素子と熱的に接続された金属板とを備えるとともに、前記モジュール基板の一方の面に実装された前記半導体素子の熱を伝熱した前記金属板の熱を前記サーモサイフォンに伝熱させるための熱伝導部材と、前記サーモサイフォンと前記金属板とを前記モジュール基板に実装された前記半導体素子に押圧するための押圧部材を設けた。

Description

本発明は、冷却システムを備えた電子計算機に関する。

ＩＴ機器では数個のＣＰＵ、メモリ、及びコントロール素子を基板に実装し、ラック背面にあるバックプレーンにより、その基板への電源供給と信号授受が行われている。

近年、莫大なデータを処理して能力を向上させるために、ＣＰＵとメモリの高密度実装が必要不可欠になってきている。そのためＣＰＵ、メモリ、及びコントロール素子を基板に両面実装化したモジュール基板を、大型のマザーボードに百枚単位で実装する構成となっている。そのため、ＣＰＵとメモリのメンテナンスや保守の観点から、それらのモジュール基板を着脱する必要がある。

このようなモジュール基板に関する従来技術として、放熱面のばらつきがなくなり、効率のよい放熱が可能となるとともに装置の小型・軽量化が可能となり、かつ組立性が良好となる放熱構造体及びその製造方法が開示された特開２００９−１６６０５公報（特許文献１）がある。

また、電子回路基板表面に設置される電子部品の全体を覆うように逆皿状の第１の電子部品熱伝導カバーを備え、さらに裏面側には電子部品の全体を覆うように逆皿状の第２の電子部品熱伝導カバーを備えている従来技術として、特開２００５−２２３０９９公報（特許文献２）がある。

また、回路基板は、上からヒートパイプが取り付けられた第１の放熱板と、下から第２の放熱板とで挟むように保持する従来技術として、特開２００８−０１０７６８公報（特許文献３）がある。

また、配線板上に搭載された主な発熱源となるＣＰＵが、サーモサイフォンの一方の外部側面に熱的に接続され、サーモサイフォンの他方の外部側面には、複数のヒートパイプが取り付けられ、かつ、各ヒートパイプの一端は、発熱量の小さな素子の表面に取り付けられ、熱的に接続する従来技術として、特開２０１０−０８０５０７公報（特許文献４）がある。

さらに、プリント基板に内層される金属コアを介して発熱部品を冷却し、プリント基板とガイド部の間に設けられる固定部材と、ガイド部と熱的に接続し、流体に熱を伝熱する冷却プレートとを設け、プリント基板をガイド部に固定してプリント基板の金属コアをガイド部に熱的に接続する従来技術として、特開平０８−１２５３７公報（特許文献５）がある。

特開２００９−０１６６０５号公報 特開２００５−２２３０９９号公報 特開２００８−０１０７６８号公報 特開２０１０−０８０５０７号公報 特開平０８−１２５３７号公報

上述したように、ＩＴ機器では数個のＣＰＵ、メモリ、及びコントロール素子を基板に実装し、ラック背面にあるバックプレーンにより、その基板への電源供給、信号授受は行われている。

一方、上述したように、近年莫大なデータを処理するために、ＣＰＵ、メモリ、及びコントロール素子を基板の両面に実装したモジュール基板が主流となっている。このモジュール基板を大型のマザーボードに百枚単位で実装し、メンテナンス、保守の観点からそれらのモジュール基板を着脱する必要がある。

すなわち、両面実装モジュール基板をマザーボードに実装した場合のモジュール基板の熱を屋外等の遠隔まで運び、かつモジュール基板を容易に着脱できる冷却構造を提供することが必要である。

これに対して、前述の特許文献１〜５に記載の技術においては、空気冷却の場合、狭小空間となるため、大型送風ファンが必要となったり、両面実装モジュール基板の場合、裏面半導体素子の冷却がサーモサイフォンでは不可であったりする。このサーモサイフォンはＣＰＵにネジで固着されるため、モジュール基板の着脱が不可能であったりして、これの問題に関しては何ら配慮されているものではなかった。

本発明の目的は、モジュール基板の裏面側半導体素子の熱をサーモサイフォンへ伝えてモジュール全体を冷却することにより、省電力で低騒音の冷却システムを備えた電子計算機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、半導体素子を両面に実装したモジュール基板と、このモジュール基板を複数枚実装したマザーボードと、このマザーボードを複数枚搭載したラックキャビネットとを備えた電子計算機において、前記モジュール基板の片面に実装された前記半導体素子と熱的に接続されたサーモサイフォンと、前記モジュール基板の一方の面に実装された前記半導体素子と熱的に接続された金属板とを備えるとともに、前記モジュール基板の一方の面に実装された前記半導体素子の熱を伝熱した前記金属板の熱を前記サーモサイフォンに伝熱させるための熱伝導部材と、前記サーモサイフォンと前記金属板とを前記モジュール基板に実装された前記半導体素子に押圧するための押圧部材を設けたものである。

また上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記押圧部材は前記サーモサイフォンを貫通し、前記前記金属板に設けられた突起部を前記サーモサイフォンの面に引き寄せて接触させるネジで構成すると良い。

また上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記押圧部材は前記サーモサイフォンと前記前記金属板を挟み込むクリップで構成すると良い。

また上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記クリップはばね性を備えた金属部材で、かつＵ字状のヘアピン形状であると良い。

また上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記押圧部材は前記前記金属板と前記マザーボードとの間に介在された板ばねで構成すると良い。

また上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記板ばねはばね性を備えた金属部材で、かつ前記金属板と接触する面が平坦面であると良い。

本発明によれば、モジュール基板の裏面側半導体素子の熱をサーモサイフォンへ伝えてモジュール全体を冷却することにより、省電力で低騒音の冷却システムを備えた電子計算機を提供できる。

本発明の実施例に係るＣＰＵボードの実装形態を説明する図である。 本発明の実施例に係るマザーボードの実装形態を説明する斜視図である。 本発明の実施例に係る計算機システムのラックを説明する部分斜視図である。 本発明の実施例に係る計算機システムのラックを説明する斜視図である。 本発明の実施例１に係るＣＰＵボード挿入前のマザーボード周りの正面図である。 本発明の実施例１に係るＣＰＵボード挿入時のマザーボード周りの正面図である。 本発明の実施例１に係るＣＰＵボード実装後のマザーボード周りの正面図である。 本発明の実施例２に係るＣＰＵボード挿入時のマザーボード周りの正面図である。 本発明の実施例３に係るＣＰＵボード実装後のマザーボード周りの正面図である。 本発明の実施例３に係るＣＰＵボード挿入時のマザーボード周りの正面図と板ばねの斜視図である。 本発明の実施例３に係るＣＰＵボード実装後のマザーボード周りの正面図である。 本発明の各実施例に係るＣＰＵボード実装後のマザーボード周りの上面図である。

以下、本発明における実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１はＣＰＵボードの形状を表したものであり、図１（ａ）は表面から見た斜視図である。図１（ｂ）は裏面から見た斜視図である。図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本明細書では、少なくともＣＰＵを実装したモジュール基板をＣＰＵボードと称する。

図１（ａ）において、ＣＰＵボード１の表面５にはＣＰＵ２、メモリ３、コントローラ素子４が実装されている。

図１（ｂ）において、ＣＰＵボード１の裏面６にはメモリ３が露出している。これは図１（ｃ）で示すようにメモリ３がＣＰＵボード１の表面５と裏面６との両面に実装されているからである。

図２は図１で説明したＣＰＵボードが多数枚搭載されたマザーボードを示す斜視図である。

図２において、多数枚の光モジュール１０と多数枚のＣＰＵボード１０が搭載されてマザーボード７が構成されている。このマザーボード７は正面側１２方向から挿入方向１１に抜き差しできるようになっている。そのためマザーボード７の背面側８には光コネクタ１４と信号コネクタ９と電源コネクタ１３が取り付けられ、他のマザーボード間との接続を背面側８で行うようになっている。

マザーボード７の挿入方向１１は正面側１２方向から行うようになっている。ＣＰＵボード１のメンテナンスを行う際には、マザーボード７の正面側１２方向から引き出し行うことが出来る。

図３は図２で説明したマザーボード７をラック１９に搭載状態を上面斜め方向から見た部分斜視図である。

図３において、ラック１９には給電用の電源ユニット１６がラックの両側面に搭載されている。マザーボード７にはサーモサイフォン１７が搭載されている。また、電源ユニット１６の内側に気化熱で熱輸送するサーマルハイウェイ１８が実装されている。上記サーモサイフォン１７はＣＰＵボード１の４枚分を一括して冷却できるようになっている。つまり、４枚のＣＰＵボード１に対して１枚のサーモサイフォン１７が熱的に接触しながら覆っている。本実施例では８枚のサーモサイフォン１７が開示されているためＣＰＵボード１は総数３２枚となる。

また、一つのサーマルハイウェイ１８は上記サーモサイフォン１７の２台分を纏めて熱輸送できるように、サーモサイフォン１７の２台分の幅まで広げられている。なお、本実施例ではＣＰＵボード１の４枚分を１台のサーモサイフォン１７で、サーモサイフォン１７の２台分を１台のサーマルハイウェイ１８で対応し、熱輸送しているが、枚数、台数に関して増減は構造上の観点で有り得る。なお、本図では１２が正面方向となる。

図４は図３で説明したラック１９を側面から見た斜視図である。

図４において、ラック１９には無数のマザーボード７が上下方向に搭載されている。ラック１９の背面側８には電源用バスバー３０があり、マザーボード７への効率的な給電を行っている。正面側１２にはマザーボード７を容易に着脱できるように構造物は搭載されていない。また、ラック１９のトップには熱交換器２０が設けられ、ラック１９の側面に実装したサーマルハイウェイ１８と熱的に接続されている。

この熱的接続の例として、サーマルハイウェイ１８側の蒸気、トップの熱交換２０の単相液相により行われるようになっている。なお、本図では１２が正面方向となる。

図５はＣＰＵボード挿入前のマザーボード周りを、正面側から見た図である。

図５において、マザーボード７の上部には平型ヒートパイプまたは金属板２３（以下、金属板２３という）が取り付けられる。この金属板２３の上部にはサーモサイフォン１７が空間２３ｂを有して実装される。また、金属板２３とサーモサイフォン１７との対面、及び金属板２３の突起部２３ａには熱伝導シート３１が設けられている。

マザーボード７とサーモサイフォン１７との間の高さ方向の長さは固定されており、金属板２３がマザーボード７とサーモサイフォン１７の間で動くようになっている。

図６はＣＰＵボード挿入後のマザーボード周りを正面から見た図である。

図６において、サーモサイフォン１７にはネジ２５が取り付けられている。このネジ２５の場所はサーモサイフォン１７の下に位置する金属板２３から上方向に突き出た突起部２３ａと対向する位置となる。また、ＣＰＵボード１に実装されているＣＰＵ２、メモリ３、コントローラ素子４（図示せず）の上、もしくは下には、図５で説明した熱伝導シート３１が接触しあうように配置されている。

つまり、図６に示すように、まずマザーボード７とサーモサイフォン１７との間の空間２３ｂに金属板２３を介在させる。この金属板２３は突起部２３ａが設けられ所定高さの空間２３ｂが形成される。この空間２３ｂにＣＰＵボード１が挿入されることになる。突起部２３ａはネジ２５によってサーモサイフォン１７に固定される。

したがって、ネジ２５を締め付けることによって金属板２３の突起部２３ａはサーモサイフォン１７に引き寄せられるとともに、ＣＰＵボード１表面のＣＰＵ２とメモリ３はサーモサイフォン１７に熱的に接触する。一方、ＣＰＵボード１裏面にあるメモリ３は伝熱シート３１を介して金属板２３と熱的に接触することになる。

図７は実施例１においてＣＰＵボード実装後のマザーボード周りを正面側から見た図である。

図７において、ネジ２５にて締め付けることにより、金属板２３がマザーボード７側からサーモサイフォン１７側へ移動する。サーモサイフォン１７に貼り付けられた伝熱シート３１と金属板２３に貼り付けられた熱伝導シート３１を介して、ＣＰＵボード１の上面（表面）側はサーモサイフォン１７に熱的に接合され、ＣＰＵボード１の下面（裏面）側は金属板２３に熱的に接合される。さらに、金属板２３はその突起部２３ａによってサーモサイフォン１７と熱的に接合される。

以上のことから、ＣＰＵボード１の上面側の半導体素子（ＣＰＵ１、メモリ２、コントローラ素子４）の熱はサーモサイフォン１７に熱輸送できる。さらに、ＣＰＵボード１の下面側の半導体素子（メモリ２）の熱は金属板２３から突起部２３ａを介してサーモサイフォン１７に熱輸送することができる。

このように本実施例によれば、ＣＰＵボード１の裏面に取り付けられたメモリ３の熱は金属板２３から突起部２３ａを経由してサーモサイフォン１７に伝熱することができるので、簡単な構造にして効率良くメモリ３を冷却することができる。

なお、ＣＰＵボード１の交換或いはメンテナンスのために引き抜く場合にはネジ２５を緩めることによって金属板２３が下降し、空間２３ｂを広げることができる。この空間２３ｂが広がることによってＣＰＵボード１を簡単に引く抜くことができる。

図８（ａ）は実施例２に係るマザーボード周りの正面図であり、図８（ｂ）はクリップの側面図である。

図８（ａ）において、本実施例では、サーモサイフォン１７と金属板２３とを熱的に接続させるものとしてクリップ２６を設けたものである。このクリップ２６は図８（ｂ）に示すようにＵ字状のヘアピン形状となっており、サーモサイフォン１７と金属板２３とをクリップ２６で挟み込み、サーモサイフォン１７と金属板２３とでサンドイッチされたＣＰＵボード１を加圧するものである。

ＣＰＵボード１の上面側の半導体素子（ＣＰＵ１、メモリ２、コントローラ素子４）と接触するサーモサイフォン１７の面には伝熱シート３１が貼り付けられている。また、ＣＰＵボード１の下面側の半導体素子（メモリ２）と接触する金属板２３の面にも伝熱シート３１が貼り付けられている。

図９は実施例２おいてＣＰＵボード実装後のマザーボード周りを、正面側から見た図である。

図９において、クリップ２６水平方向から挿入することにより、金属板２３がマザーボード７側からサーモサイフォン１７側へ移動する。本実施例は図７の場合と同様に、サーモサイフォン１７と平型ヒートパイプまたは金属板２３により、熱伝導シート３１を介して、ＣＰＵボード１の上面（表面）側はサーモサイフォン１７に熱的に接合され、ＣＰＵボード１の下面（裏面）側は平型ヒートパイプまたは金属板２３に熱的に接合される。さらに、平型ヒートパイプまたは金属板２３はその突起部でサーモサイフォン１７と熱的に接合される。

以上のことから、ＣＰＵボード１の上面側の半導体素子（ＣＰＵ１、メモリ２、コントローラ素子４）の熱はサーモサイフォン１７に熱輸送できる。さらに、ＣＰＵボード１の下面側の半導体素子（メモリ２）の熱は平型ヒートパイプまたは金属板２３を介して、サーモサイフォン１７に熱輸送できる。

このように、本実施例によれば、メモリ３の熱は金属板２３からクリップ２６へと伝熱され、クリップ２６からサーモサオフォン１７へと伝熱されるため効果的にメモリ３の放熱を行うことができる。また本実施例ではサーモサイフォン１７と金属板２３の熱的な接続をクリップ２６で行うようにしたので、その取り付け取り外し作業が極めて簡単であるばかりでなく、安価な構成となる。

なお、本実施例ではクリップ２６の形状をＵ字状としたが、この形状に限定されるものではなく、コ字状であっても良い。

図１０（ａ）は実施例３に係るマザーボード周りの正面図であり、図１０（ｂ）は板ばねの形状を示す図である。

図１０（ａ）において、本実施例では、金属板２３とマザーボード７との間に板ばね２７を挿入したものである。この板ばね２７の場所は金属板２３全面、もしくは金属板２３の突起部２３ａを有している箇所である。また、図６、６の場合と同様にＣＰＵボード１に実装されているＣＰＵ２、メモリ３、コントローラ素子４の上、もしくは下には、図５で説明した熱伝導シート３１があうように配置されている。

板ばね２７は図１０（ｂ）に示すように、ばね性を有する金属板を山型に折り曲げたものである。本実施例では平板上の金属板２３を押し上げる必要があることから、金属板２３と面接触するように平面部２７ａとなっている。この板ばね２７を金属板２３とマザーボード７との間に挿入する際は、板ばね２３を圧縮した状態で挿入することにより金属板２３を常に押し上げる状態となる。

なお、板ばね２７については図１０（ｂ）の形状に限定されるものではなく、金属板２３を押し上げるものであればどのような形状であっても構わない。

図１１は実施例３において、ＣＰＵボード実装後のマザーボード周りを、正面側から見た図である。

図１１において、板ばね２７のばね性による押し上げ性によって金属板２３がマザーボード７側からサーモサイフォン１７側へ移動すると突起部２３ａがサーモサイフォン１７に接触する。サーモサイフォン１７に貼り付けられた伝熱シート３１と金属板２３に貼り付けられた熱伝導シート３１を介して、ＣＰＵボード１の上面（表面）側はサーモサイフォン１７に熱的に接合され、ＣＰＵボード１の下面（裏面）側は金属板２３に熱的に接合される。さらに、金属板２３はその突起部２３ａによってサーモサイフォン１７と熱的に接合される。

以上のことから、ＣＰＵボード１の上面側の半導体素子（ＣＰＵ１、メモリ２、コントローラ素子４）の熱はサーモサイフォン１７に熱輸送できる。さらに、ＣＰＵボード１の下面側の半導体素子（メモリ２）の熱は平型ヒートパイプまたは金属板２３を介して、サーモサイフォン１７に熱輸送できる。

本実施例によれば、板ばね２７によって金属板２３が押し上げられるため金属板２３の突起部２３ａがサーモサイフォン１７と接触しメモリ３の熱を放熱することができる。

図１２は実施例１〜３において、ＣＰＵボード実装後のマザーボード周りを、上面側から見た図である。

図１２において、本図では上述した実施例１〜３のネジ２５、クリップ２６、板ばね２７は記載していないが、熱コネクタ２９はサーモサイフォン１７と金属板２３の突起部２３ａとの接合する箇所となる。信号コネクタ９、電源コネクタ１３はＣＰＵボード１とマザーボードとの間の信号、電源を繋ぐものである。信号コネクタ９と電源コネクタ１３の向きと、熱コネクタ２９の向きとは、ＣＰＵボード１の挿入方向１１で干渉しないようになっている。これにより、ＣＰＵボード１の着脱を容易に行うことができる。

上記のような構成とすることによって、サーバ、記憶装置、ネットワーク機器等で、処理用のＣＰＵ、メモリ、及びコントローラ素子を搭載したモジュール基板を大型の基板に実装する電子計算機に対し、モジュール基板の着脱を容易にできる、冷却システムを提供できる。

以上のごとく発明によれば、冷却システム及びそれを搭載した電子計算機は、冷却用のファンを用いないため、省エネが図られ、ファンにより騒音を低減できる。また、モジュール基板の裏面側半導体素子の熱をサーモサイフォンへ伝え、モジュール全体を冷却することができる。さらに、ネジ、またはクリップ、または板ばねを取り付け、取り外すことで、モジュール基板を容易に着脱することができる電子計算機を提供できる。

また本発明は、サーバ、記憶装置、ネットワーク機器等で、処理用のＣＰＵ、メモリ、及びコントローラ素子を搭載したモジュール基板を大型の基板に実装する電子計算機に対し、モジュール基板の着脱を容易に行うことができるものである。

１…ＣＰＵボード、２…ＣＰＵ、３…メモリ、４…コントローラ素子、５…表面、６…裏面、７…マザーボード、８…背面側、９…信号コネクタ、１０…光モジュール、１１…挿入方向、１２…正面側、１３…電源コネクタ、１４…光コネクタ、１６…電源ユニット、１７…サーモサイフォン、１８…サーマルハイウェイ、１９…ラック、２０…熱交換器、２３…金属板、２３ａ…突起部、２３ｂ…空間、２５…ネジ、２６…クリップ、２７…板ばね、２７ａ…平面部、２９…熱コネクタ、３０…電源用バスバー、３１…熱伝導シート。

Claims (6)

1. 半導体素子を両面に実装したモジュール基板と、このモジュール基板を複数枚実装したマザーボードと、このマザーボードを複数枚搭載したラックキャビネットとを有する冷却システムを備えた電子計算機において、
   前記モジュール基板の片面に実装された前記半導体素子と熱的に接続されたサーモサイフォンと、前記モジュール基板の一方の面に実装された前記半導体素子と熱的に接続された金属板とを備えるとともに、
   前記モジュール基板の一方の面に実装された前記半導体素子の熱を伝熱した前記金属板の熱を前記サーモサイフォンに伝熱させるための熱伝導部材と、前記サーモサイフォンと前記金属板とを前記モジュール基板に実装された前記半導体素子に押圧するための押圧部材を設けたことを特徴とする冷却システムを備えた電子計算機。
2. 請求項１記載の冷却システムを備えた電子計算機において、
   前記押圧部材は前記サーモサイフォンを貫通し、前記前記金属板に設けられた突起部を前記サーモサイフォンの面に引き寄せて接触させるネジで構成されていることを特徴とする冷却システムを備えた電子計算機。
3. 請求項１記載の冷却システムを備えた電子計算機において、
   前記押圧部材は前記サーモサイフォンと前記前記金属板を挟み込むクリップで構成されていることを特徴とする冷却システムを備えた電子計算機。
4. 請求項３記載の冷却システムを備えた電子計算機において、
   前記クリップはばね性を備えた金属部材で、かつＵ字状のヘアピン形状であることを特徴とする冷却システムを備えた電子計算機。
5. 請求項１記載の冷却システムを備えた電子計算機において、
   前記押圧部材は前記前記金属板と前記マザーボードとの間に介在された板ばねで構成されていることを特徴とする冷却システムを備えた電子計算機。
6. 請求項５記載の冷却システムを備えた電子計算機において、
   前記板ばねはばね性を備えた金属部材で、かつ前記金属板と接触する面が平坦面となっていることを特徴とする冷却システムを備えた電子計算機。

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