JPWO2016075838A1 - 電子機器の冷却システム、及び冷却方法 - Google Patents

電子機器の冷却システム、及び冷却方法

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Abstract

電子機器の冷却性能を向上させた、簡単かつ効率的な冷却システム、及び冷却方法を提供する。冷却システム１０は冷却槽１２を有し、冷却槽１２の開放空間内には沸点Ｔ２を有する第２の冷却液１３が入れられている。冷却槽１２の開放空間内には、プロセッサ１１０を発熱体としてボード１２０上に搭載した電子機器１００が収納され、第２の冷却液１３に浸漬されている。沸騰冷却装置２００は、プロセッサ１１０に熱的に接続されている冷却装置であって、沸点Ｔ１（ただし、Ｔ２＞Ｔ１）を有する第１の冷却液１１が封入されている。

Description

本発明は電子機器の冷却システムに係り、特に、スーパーコンピュータやデータセンター等の超高性能動作や安定動作が要求され、かつそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を、効率的に冷却するための電子機器の冷却システム、及び冷却方法に関するものである。
近年のスーパーコンピュータの性能の限界を決定する最大の課題の一つは消費電力であり、スーパーコンピュータの省電力性に関する研究の重要性は、既に広く認識されている。すなわち、消費電力当たりの速度性能（Ｆｌｏｐｓ／Ｗ）が、スーパーコンピュータを評価する一つの指標となっている。また、データセンターにおいては、データセンター全体の消費電力の４５％程度を冷却に費やしているとされ、冷却効率の向上による消費電力の削減の要請が大きくなっている。
スーパーコンピュータやデータセンターの冷却には、従来から空冷式と液冷式が用いられている。液冷式は、空気より格段に熱伝達性能の優れる液体を用いるため、一般的に冷却効率がよいとされている。例えば、東京工業大学が構築した「ＴＳＵＢＡＭＥ−ＫＦＣ」では、合成油を用いた液浸冷却システムにより、４．５０ＧＦｌｏｐｓ／Ｗを達成し、２０１３年１１月、及び２０１４年６月発表の「Ｓｕｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒｅｅｎ５００ Ｌｉｓｔ」において１位を獲得している。しかし、冷却液に粘性の高い合成油を用いているため、油浸ラックから取り出した電子機器から、そこに付着した油を完全に除去することが困難であり、電子機器のメンテナンス（具体的には、例えば調整、点検、修理、交換、増設。以下同様）が極めて困難であるという問題がある。更には、使用する合成油が、冷却系を構成するパッキン等を短期間に腐食させて漏えいするなどし、運用に支障を来す問題の発生も報告されている。
他方、上記のような問題を生ずる合成油ではなく、フッ化炭素系冷却液を用いる液浸冷却システムが提案されている。具体的には、フッ化炭素系の冷却液（３Ｍ社の商品名「Ｎｏｖｅｃ（３Ｍ社の商標。以下同様）７１００」、「Ｎｏｖｅｃ７２００」、「Ｎｏｖｅｃ７３００」で知られる、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）化合物）を用いる例である（例えば、特許文献１、特許文献２）。
ところで、ＣＰＵなど特に大量の熱を発生する発熱体を局所的に冷却するために、冷却液の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いる冷却装置の例が、いくつか提案されている。一つは、プロセッサの発熱表面に接続した蒸発部と、空冷ファンもしくは水冷配管に接続した凝縮部とを、２本の配管で接続して、気液平衡を利用した冷媒循環を行う、冷却モジュールの例である（非特許文献１）。もう一つは、特別な流路壁を内部に形成した平板状容器に、冷却液を封入し、平板状容器の受熱領域を発熱体と熱的に接続し、平板状容器の放熱領域を放熱フィンなどの放熱部と接続し、放熱領域は、放熱領域における冷却液の流路を形成する例である（例えば、特許文献３）。
特開２０１３−１８７２５１号公報 特表２０１２−５２７１０９号公報 特開２０１３−６９７４０号公報 グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト 「集熱沸騰冷却システムの研究開発（２００８年度〜２０１２年度 ５年間）」 ８−９、１１頁、２０１３年７月１７日 ＵＲＬ：http://www.nedo.go.jp/content/100532511.pdf
特許文献１が開示する冷却システムは、電子機器の冷却に気化熱（潜熱）を使用するため、沸点が１００℃以下のフッ化炭素系冷却液を用いている。そして、電子機器に搭載された素子の発熱で冷却液が蒸発するときの気化熱（潜熱）により素子の熱を奪い取り、当該素子を冷却している。従って、高温の素子表面で、局所的にフッ化炭素系冷却液が沸騰して気泡が断熱膜を形成することがあるため、冷却液が本来有している高い熱伝導能力が損なわれてしまうという問題がある。また、最近のスーパーコンピュータやデータセンター等で使用される電子機器には、冷却すべき対象がＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）以外にも、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、高速メモリ、チップセット、ネットワークユニット、バススイッチユニット、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等、多数存在しており、気化する温度が異なるこれらの対象物全てを等しく冷却することは困難であり、表面の冷媒が気化しない対象物では冷却効率が極めて低くなってしまう。
また、特許文献２が開示する冷却システムは、１つ又はそれ以上の発熱する電子機器を収容する密封型モジュールの構成を採用している。このため、個々の密封型モジュールに冷却液を流通させるための機構全体が複雑となり、また、密封型モジュールから電子機器全体を簡単に取り出すことができないため、電子機器のメンテナンス性に劣るという問題がある。
グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクトが提案する冷却モジュールは、プロセッサ上の蒸発部とそこから離れたところに設置される凝縮部とを接続する２本の配管を別途設けることが必要となるため、冷却モジュール全体の構成が大型かつ複雑となるという問題がある。加えて、これら配管の存在が、空冷に頼らなければならない周辺の電子部品の冷却の妨げになるため、また、冷却ファンもしくは配管を使用した二次冷却では、特に配管を使用する場合には配管内の流量の制約から冷却効率が低く制約されてしまうため、電子機器全体としての冷却性能が制限されてしまうという問題がある。他方、特許文献３が開示する冷却装置は、局所的な一次冷却用の、小型の沸騰冷却装置を提供できるので有利であるものの、従来の、冷却効率の低い二次冷却技術を適用することによっては、電子機器全体の冷却性能の向上を図ることができないという問題がある。
以上のように、従来の液浸冷却方式においては、密封型モジュールに冷却液を流通させるための機構全体が複雑となり、電子機器のメンテナンス性に劣るという問題がある。また、従来の沸騰冷却方式は、電子機器の局所的冷却に適しているものの、機構全体が大型かつ複雑となるおそれがあり、また二次冷却の冷却効率が低いため電子機器全体の冷却性能の向上を図ることができないという問題がある。
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、電子機器の冷却性能を向上させた、簡単かつ効率的な冷却システム、及び冷却方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の一局面によれば、電子機器を冷却液中に浸漬して直接冷却する、冷却システムであって、少なくとも１つの発熱体を有する電子機器の前記発熱体に熱的に接続される沸騰冷却装置であって、沸点Ｔ１を有する第１の冷却液が封入されている沸騰冷却装置と、前記第１の冷却液の沸点Ｔ１よりも高い沸点Ｔ２を有する第２の冷却液が入れられた冷却槽であって、前記沸騰冷却装置及び前記電子機器が前記第２の冷却液中に浸漬されて直接冷却される冷却槽とを含む冷却システムが提供される。
本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記沸騰冷却装置は、受熱側と放熱側を有する密閉容器と、前記放熱側に設けられた放熱部材とを有し、前記沸騰冷却装置及び前記電子機器が前記第２の冷却液中に浸漬されるとき、前記放熱側が前記受熱側より上に位置するように前記発熱体に熱的に接続されているよう構成してよい。
また、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記第１の冷却液の沸点が１００℃以下であり、前記第２の冷却液の沸点が１５０℃以上であるよう構成してよい。
さらに、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記第１の冷却液が、主成分としてフッ化炭素化合物を含むよう構成してよい。
また、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記第２の冷却液が、主成分として完全フッ素化物を含むよう構成してよい。
また、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記電子機器が、ボード上で縦方向の異なる位置に配置された複数の発熱体を有し、前記複数の発熱体の各々に沸騰冷却装置が熱的に接続されており、前記第２の冷却液中に浸漬されるときに縦方向上方に位置する冷却装置には、下方に位置する冷却装置に使用する冷却液よりも沸点の高い冷却液を使用するよう構成してよい。
さらに、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記冷却槽は、前記第２の冷却液の入口と出口を有し、前記出口と前記入口が、前記冷却槽の外部にある流通路により連結されており、前記流通路中に、前記第２の冷却液を移動させる少なくとも１つのポンプと、前記第２の冷却液を冷やす熱交換器が設けられていてよい。
また、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記入口に連結され、前記冷却槽の幅方向に延びるヘッダを、前記冷却槽の底部に配置し、前記入口から供給される前記第２の冷却液を、前記ヘッダにアレイ状に設けられた複数のノズルから吐き出すように構成されていてよい。
さらに、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記複数のノズルが、前記ヘッダの長手方向に所定間隔をおいて設けられた複数のノズル群からなり、各ノズル群は、吐出口が放射状に分散するように配置されたノズルで構成されていてよい。
また、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記複数のノズル群の各々が、第２の冷却液中に浸漬される複数の前記電子機器の各々に対応していてよい。
加えて、本発明のもう一つの局面によれば、電子機器の冷却方法であって、少なくとも１つの発熱体を有する電子機器の前記発熱体に、第１の冷却液が封入された沸騰冷却装置を熱的に接続するステップと、前記第１の冷却液の沸点Ｔ１よりも高い沸点Ｔ２を有する第２の冷却液中に、前記沸騰冷却装置及び前記電子機器を浸漬するステップと、を含む方法が提供される。
本発明に係る冷却システムによれば、発熱体に熱的に接続されている沸騰冷却装置に封入された第１の冷却液が気化することにより、沸騰冷却装置が、発熱体から局所的にかつ強力に熱を奪い取ると同時に、第１の冷却液の沸点Ｔ１よりも高い沸点Ｔ２を有する第２の冷却液が、その熱を沸騰冷却装置から完全に奪い取ることにより、電子機器を全体的に冷却する。このとき、沸点が高い第２の冷却液が、電子機器に搭載される周辺の電子部品を、有効かつ強力に冷却する。すなわち、主要な発熱源であるプロセッサの沸騰冷却に対する二次冷却用の冷媒（第２の冷却液）が、周辺の電子部品に対して、有効な一次冷却用の冷媒としても機能する。これにより、電子機器の冷却性能を、著しく向上させることができる。また、第２の冷却液の沸点Ｔ２が第１の冷却液の沸点Ｔ１より高いので、第２の冷却液が蒸発しにくく、第２の冷却液を入れる冷却槽が非密閉の開放空間になっていてもよく、複雑で高価な密封構造を採る必要がない。加えて、従来の沸騰冷却方式で必要とされた、強制冷却のための冷却ファンや冷却配管が全て不要となり、構成部品が占める体積が小さくて済む。従って、冷却システムの簡素化及び小型化が実現される。さらに、従来の沸騰冷却方式では、主要な発熱源であるプロセッサを冷却するために、複雑な配管や大型のヒートシンクなどの機構を要し、これらの存在が、空冷に頼らなくてはならない周辺の電子部品の冷却を妨げる結果にもなっていた。このような従来技術に対して、本発明によれば、複雑な配管や大型のヒートシンクが不要となって周辺の電子部品の冷却に有利であることに加えて、二次冷却用の冷媒（第２の冷却液）が、遍く電子機器のボード全体に行き渡ることによって、高い効率で周辺の電子部品を冷却することが可能となる。なお、本明細書における「開放空間」を有する冷却槽には、電子機器の保守性を損なわない程度の簡素な密閉構造を有する冷却槽も含まれるものである。例えば、冷却槽の開口部に、パッキン等を介して天板を着脱可能に取り付ける構造は、簡素な密閉構造といえる。
上記した本発明の目的及び利点並びに他の目的及び利点は、以下の実施の形態の説明を通じてより明確に理解される。もっとも、以下に記述する実施の形態は例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明の一実施形態に係る冷却システムの要部の構成を示す拡大縦断面図である。 沸騰冷却装置の一例を示す斜視図である。 沸騰冷却装置の他の例を示す斜視図である。 沸騰冷却装置の他の例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る高密度冷却システムの構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る高密度冷却システムの構成を示す横断面図である。 冷却槽の出口と入口とを連結する流通路中に、駆動系と冷却系を設けた冷却システムの模式図である。
以下、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の説明では、最初に、図１、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃを参照して、ダイ（半導体チップ）とダイを取り囲むヒートスプレッダとからなるプロセッサを、発熱体としてボード上に搭載した電子機器を、冷却槽内に収納して冷却する、冷却システムの要部の構成を説明する。次に、図３、図４を参照して、電子機器として、複数個のプロセッサを搭載したプロセッサボードを、一の面に４枚配置した構造の電子機器（１ユニット）を、合計８ユニット、冷却槽内に高密度に収納して冷却する、高密度冷却システムの構成を説明する。なお、これは例示であって、ボード当たりのプロセッサの数や種類（ＣＰＵ又はＧＰＵ）は任意であり、また、高密度冷却システムにおける電子機器のユニット数も任意であり、本発明における電子機器の構成を限定するものではない。
図１を参照して、冷却システム１０は冷却槽１２を有し、冷却槽１２の開放空間内には沸点Ｔ２を有する第２の冷却液１３が入れられている。冷却槽１２の開放空間内には、プロセッサ１１０を発熱体としてボード１２０上に搭載した電子機器１００が収納され、第２の冷却液１３に浸漬されている。プロセッサ１１０は、ダイ１１１とダイを取り囲むヒートスプレッダ１１２とを含む。なお、ヒートスプレッダの使用は任意であり、省略してよい。電子機器１００のボード１２０上には、プロセッサ１１０以外に、周辺の電子部品が当然に搭載されているが、これら電子部品については図示を省略している。沸騰冷却装置２００は、発熱体としてのプロセッサ１１０に熱的に接続されている冷却装置であって、沸点Ｔ１（ただし、Ｔ２＞Ｔ１）を有する第１の冷却液１１が封入されている。
図１及び図２Ａに示すように、沸騰冷却装置２００は、受熱側２１１と放熱側２１２を有する密閉容器２１０と、放熱側２１２に設けられた放熱部材２２０とを有している。図示する例では、密閉容器２１０は、６つの平板によって構成された薄い箱形を有しており、これにより断面矩形状の空間が形成されている。なお、密閉容器２１０の外形及び内部構造については任意であり、冷却する対象の放熱表面の面積や発生する熱量を考慮して、寸法及び形状を適宜に決定してよい。本実施形態では、便宜上、箱形の密閉容器２１０の下半分を受熱側２１１、上半分を放熱側２１２と呼ぶこととする。もっとも、後述するように、プロセッサ１１０の発熱表面に接続されるのは、密閉容器２１０の下半分の一つの面に過ぎないことに留意されたい。密閉容器２１０の材料としては、アルミニウム、銅、銀などの熱伝導性のよい金属を使用できるが、これらに限定されるものではない。
密閉容器２１０内には、受熱側２１１の空間を充たす程度の量の第１の冷却液１１が封入されている。第１の冷却液としては、３Ｍ社の商品名「Ｎｏｖｅｃ（３Ｍ社の商標。以下同様）７０００」（沸点３４℃）、「Ｎｏｖｅｃ７１００」（沸点６１℃）、「Ｎｏｖｅｃ７２００」（沸点７６℃）、「Ｎｏｖｅｃ７３００」（沸点９８℃）として知られるハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）化合物を、好適に使用することができるが、これらに限定されるものではない。通常、プロセッサの動作温度を１００℃以下に管理することが望ましいと考えられることから、沸騰冷却装置２００の沸騰冷却機能が失われないよう、１００℃以下の沸点を有する冷却液を使用することが好ましい。なお、密閉容器２１０内に第１の冷却液を封入する方法には、公知の方法を適用できるので、ここでの詳しい説明を省略する。
密閉容器２１０の受熱側２１１において、箱形の密閉容器２１０の背面が、プロセッサ１１０の発熱表面に熱的に接続されている。この接続には、熱伝導性の優れた金属グリスなどの接着剤を用いることができるが、これに限定されるものではない。なお、沸騰冷却装置２００をプロセッサ１１０の発熱表面に接続するときの向きについては、沸騰冷却装置２００及び電子機器１００が第２の冷却液１３中に浸漬されるとき、放熱側２１２が受熱側２１１より上に位置するような向きとするとよい。
密閉容器２１０の放熱側２１２において、箱形の密閉容器２１０の正面と背面には、それぞれ放熱部材（放熱フィン）２２０が設けられている。放熱部材２２０は、放熱側２１２の表面積を増減することで、第２の冷却液が奪い取る熱量を管理することができる。放熱部材２２０の材料としては、密閉容器２１０と同様の材料でよく、密閉容器への固定方法も、ろう付けなどの公知の方法を使用してよい。
図２Ｂは、沸騰冷却装置の他の例を示しており、図２Ａと同様の部分には同様の符号を用いている。図２Ｂに示す例において、沸騰冷却装置３００は、放熱部材２２０のサイズを幅方向に拡大し、フィンの数を増やすことで、図２Ａに示す沸騰冷却装置２００よりも放出される熱量を増やしている。逆に、将来の密閉容器２１０の素材技術の進歩により、放熱部材２２０の付設による表面積の増大をしなくても、所望の冷却性能を得られるときには、放熱部材２２０の付設を省略してよい。すなわち、図２Ｃに示す他の例のように、沸騰冷却装置４００を、放熱部材が付設されていない密閉容器２１０のみで構成してもよい。
図１に戻って、冷却槽１２には、沸騰冷却装置２００及び電子機器１００の全体を浸漬するのに十分な量の第２の冷却液１３が、液面１８まで入れられている。第２の冷却液としては、３Ｍ社の商品名「フロリナート（３Ｍ社の商標、以下同様）ＦＣ−７２」（沸点５６℃）、「フロリナートＦＣ−７７０」（沸点９５℃）、「フロリナートＦＣ−３２８３」（沸点１２８℃）、「フロリナートＦＣ−４０」（沸点１５５℃）、「フロリナートＦＣ−４３」（沸点１７４℃）として知られる、完全フッ素化物（パーフルオロカーボン化合物）からなるフッ素系不活性液体を好適に使用することができるが、これらに限定されるものではない。ただし、本発明に従い、第２の冷却液１３には、第１の冷却液１１の沸点Ｔ１よりも高い沸点Ｔ２を有する冷媒を選択することが重要である。一例として、第１の冷却液１１に、「Ｎｏｖｅｃ７０００」（沸点３４℃）を使用する場合、第２の冷却液１３に、「フロリナートＦＣ−４３」（沸点１７４℃）を好適に使用することができる。
本発明者は、完全フッ素化物が、高い電気絶縁性と、高い熱伝達能力を有し、不活性で熱的・化学的に安定性が高く、不燃性で、かつ酸素を含まない化合物であるためオゾン破壊係数がゼロである等の優れた特性を有している点に着目し、そのような完全フッ素化物を主成分として含む冷却液を、高密度の電子機器の浸漬冷却用の冷媒として使用する冷却システムの発明を完成し、特許出願している（特願２０１４−１７０６１６）。この先行出願において開示しているように、特に、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０を第２の冷却液に用いると、開放空間を有する冷却槽からの、第２の冷却液１３の蒸発による損失を大幅に低減しながら、小さい体積の冷却槽内に高密度に設置された複数の電子機器を効率よく冷却することができ、極めて有利である。ただし、既に述べたように、本発明に従い、第２の冷却液１３には、第１の冷却液１１の沸点Ｔ１よりも高い沸点Ｔ２を有する冷却液として、フロリナートＦＣ−７２、ＦＣ−７７０、ＦＣ−３２８３のいずれかを選択することを制限するものではないことは勿論である。
なお、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０は、その沸点が１５０℃以上であり、極めて蒸発しにくい性質を有するため、冷却槽１２の上部開口に設けられる天板２０は、電子機器１００のメンテナンスを容易に行えるよう、冷却槽１２の上部開口の一方縁部に設けられた図示しないヒンジ部により、開閉自在に支持されていてよい。また、図１には示されていないが、図３及び図４を参照して後述するように、冷却槽１２には第２の冷却液１３の入口と出口が設けられて、これにより冷却槽１２の開放空間内に収容された電子機器１００が、冷却槽１２の開放空間内を流通する第２の冷却液１３中に浸漬されて直接冷却されるよう構成されている。
次に、冷却システム１０の動作について説明する。電子機器１００の運用が開始された後、プロセッサ１１０の表面温度が上昇して第１の冷却液１１の沸点（例えば、Ｎｏｖｅｃ７０００において３４℃）よりも高い温度に達すると、沸騰冷却装置２００の密閉容器２１０内に封入された第１の冷却液１１が、密閉容器２１０の受熱側２１１の内壁表面から気泡となって蒸発し始める。気化した第１の冷却液１１は、密閉容器２１０の放熱側２１２の空間を上昇する。しかし、沸騰冷却装置２００及び電子機器１００の周囲にある第２の冷却液１３（例えば、フロリナートＦＣ−４３）は、その温度が、例えば１７℃−２３℃と低く保たれているため、気化した第１の冷却液１１は、密閉容器２１０の放熱側２１２の内壁表面において凝縮され、第１の冷却液１１が液相状態にある受熱側２１１に向かって、内壁表面上を伝わって、重力で落下する。このような、沸騰冷却装置２００における気相及び液相の冷媒循環により、沸騰冷却装置２００が、プロセッサ１１０から局所的にかつ強力に熱を奪い取ると同時に、その周囲にある第２の冷却液１３が、その熱を沸騰冷却装置２００から（主に、放熱部材２２０を通して）完全に奪い取ることにより、電子機器を全体的に冷却する。このとき、沸点が高い第２の冷却液１３が、電子機器１００のボード１２０上に搭載される周辺の電子部品（図示せず）を、有効かつ強力に冷却する。すなわち、主要な発熱源であるプロセッサ１１０の沸騰冷却に対する二次冷却用の冷媒（第２の冷却液１３）が、周辺の電子部品（図示せず）に対して、有効な一次冷却用の冷媒としても機能する。これにより、電子機器１００の冷却性能を、著しく向上させることができる。
また、第２の冷却液１３の沸点Ｔ２が第１の冷却液１１の沸点Ｔ１より高いので、第２の冷却液１３が蒸発しにくく、第２の冷却液１３を入れる冷却槽１２が非密閉の開放空間になっていてもよく、複雑で高価な密封構造を採る必要がない。加えて、従来の沸騰冷却方式で必要とされた、強制冷却のための冷却ファンや冷却配管が全て不要となり、構成部品が占める体積が小さくて済む。従って、冷却システムの簡素化及び小型化が実現される。さらに、従来の沸騰冷却方式では、主要な発熱源であるプロセッサを冷却するために、複雑な配管や大型のヒートシンクなどの機構を要し、これらの存在が、空冷に頼らなくてはならない周辺の電子部品の冷却を妨げる結果にもなっていた。このような従来技術に対して、本発明によれば、複雑な配管や大型のヒートシンクが不要となって周辺の電子部品（図示せず）の冷却に有利であることに加えて、二次冷却用の冷媒（第２の冷却液１３）が、遍く電子機器１００のボード１２０全体に行き渡ることによって、高い効率で周辺の電子部品（図示せず）を冷却することが可能となる。
次に、図３及び図４を参照して、高密度冷却システムの構成を説明する。なお、図１に示した冷却システムと同様の部分には同様の符号を用い、詳しい説明を省略する。冷却システム１０において、冷却槽１２の左側面底部側と右側面底部側には、２つずつ入口１４が設けられており、冷却槽１２の正面側と裏面側には、２つずつ出口１６が設けられている。冷却槽１２の開放空間内には、合計８ユニットの電子機器１００が収容され、開放空間内を流通する第２の冷却液１３中に、これら電子機器１００を浸漬して直接冷却するよう構成されている。
図示の例では、電子機器１００の１ユニットは、２個のプロセッサを搭載したプロセッサボードを、一の面に４枚配置した構造を有している。そして、沸騰冷却装置２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆ、２００ｇ、２００ｈが、それぞれのプロセッサの発熱表面に熱的に接続されている。図４に示すように、沸騰冷却装置２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄは、ボード１２０上で縦方向の異なる位置に配置されており、このことは、沸騰冷却装置２００ｅ、２００ｆ、２００ｇ、２００ｈについても同様である。
なお、上述したように、第２の冷却液１３として好適に用いることのできるフロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０は、極めて蒸発しにくい性質を有するので、液面１８は長期間に亘って保たれる。また、電子機器１００に接続された種々のケーブルは、ケーブルクランプ２１により把持された状態で、冷却槽１２から引き出すことができる。
冷却槽１２の底部には、冷却槽の幅方向（左右方向）に延びるヘッダ１５が配置されている。ヘッダ１５の一端は、冷却槽１２の左側面底部側の２つの入口１４に連結され、ヘッダ１５の他端は、冷却槽１２の右側面底部側の２つの入口１４に連結されている。そしてヘッダには、複数のノズル１５１がアレイ状に設けられている。これにより、左右の入口１４から供給される第２の冷却液１３が、これら複数のノズル１５１から吐き出されるように構成されている
ノズル１５１は、ヘッダ１５の長手方向（左右方向）に所定間隔をおいて設けられた複数のノズル群からなる。各ノズル群は、断面六角形状のヘッダ１５の表面から吐出口が放射状に分散するように配置されたノズル１５１で構成されている。
冷却槽１２の正面側と裏面側に２つずつ設けられている出口１６の、冷却槽１２側には、出口１６全体を覆うように、但し、上方は開口部を形成するように、導液板１７によって仕切られた領域が設けられている。従って、第２の冷却液１３は、上方の開口部から出口１６に向けて流れることになる。
次に、本発明の一実施形態に示す高密度冷却システムにおいて、ヘッダ１５を設けたことによる利点について、図３及び図４を参照して説明する。
入口１４から供給される第２の冷却液１３を、ヘッダ１５にアレイ状に設けられた複数のノズル１５１から吐き出すように構成されているので、（後述するように熱交換器によって冷却されて）冷えた第２の冷却液１３を、冷却槽１２の全体に亘って流通させることができる。これにより、電子機器１００に対する、第２の冷却液１３の強制対流による直接冷却の効果を高めることができる。
加えて、ヘッダ１５の長手方向に所定間隔をおいて設けられた各ノズル群が、吐出口が放射状に分散するように配置されたノズル１５１で構成されているので、冷えた第２の冷却液１３を冷却槽１２の全体に亘ってより一層効率よく流通させることができる。特に、図３及び図４に示すように、複数のノズル群の各々が、複数の電子機器１００の各々に対応しているので、冷却槽１２内に高密度に電子機器１００を収容していても、各電子機器１００の冷却性能を均一にすることができる。
ところで、上記のように第２の冷却液１３を流通させたときでも、冷却槽１２内では、第２の冷却液１３の温度分布が発生することがありうる。すなわち、冷却槽１２内の第２の冷却液１３が、冷却槽１２の底部から液面１８に向かうほど、高い温度を示すような温度分布となることがありうる。そうすると、同じ性能のプロセッサに同じ性能の沸騰冷却装置を熱的に接続していても、第２の冷却液１３の温度分布、及びボード上のプロセッサの搭載位置の違いにより、冷却性能にバラツキが生じる可能性がある。このような場合に対処するための応用例として、ボードの縦方向上方に位置する沸騰冷却装置（例えば、沸騰冷却装置２００ｃ、２００ｄ、２００ｇ、２００ｈ）には、下方に位置する冷却装置（例えば、沸騰冷却装置２００ａ、２００ｂ、２００ｅ、２００ｆ）に使用する冷却液よりも沸点の高い冷却液を使用するとよい。これにより、第２の冷却液の温度分布及びプロセッサの搭載位置の違いにかかわらず、冷却性能をより均一化することができる。
図５を参照して、冷却槽の出口から排出された第２の冷却液を、熱交換器で冷やし、冷えた第２の冷却液を冷却槽の入口に供給する流通路を構成する例について説明する。図示のとおり、冷却槽１２の出口１６と入口１４が流通路３０により連結されており、流通路３０中に、第２の冷却液１３を移動させるポンプ４０と、第２の冷却液１３を冷やす熱交換器９０が設けられている。なお、流通路３０を流れる第２の冷却液１３の流量を調整するための流量調整バルブ５０と流量計７０も、流通路３０中に設けられている。
ポンプ４０は、動粘度が比較的大きい（室温２５℃における動粘度が３ｃＳｔを超える）液体を移動させる性能を備えていることが好ましい。例えば、第２の冷却液１３として、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０を使用する場合、ＦＣ−４３の動粘度は２．５〜２．８ｃＳｔ程度であり、ＦＣ−４０の動粘度は１．８〜２．２ｃＳｔ程度だからである。流量調整バルブ５０は、手動で動作させるものでよく、また、流量計７０の計測値に基づき流量を一定に保つような調整機構を備えたものでもよい。加えて、熱交換器９０は、循環式の各種の熱交換器（ラジエータ又はチラー）や冷却器でよい。
上記の一実施形態において、電子機器１００のボード上にプロセッサ１１０を搭載する例を図示しているが、プロセッサはＣＰＵ又はＧＰＵのいずれか又は両方を含んでよく、また、図示しない高速メモリ、チップセット、ネットワークユニット、ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓバスや、バススイッチユニット、ＳＳＤ、パワーユニットを含んでよい。また、電子機器１００は、ブレードサーバを含むサーバ、ルータ、ＳＳＤ等の記憶装置等の電子機器であってもよい。
また、上記の一実施形態において、沸騰冷却装置２００における密閉容器２１０として、縦長の薄い箱形を有する例を図示しているが、これを横置きに、横長の箱形を有するものとして使用してもよい。また、密閉容器２１０の受熱側と放熱側とを、便宜上、縦長の箱形の密閉容器２１０の上半分と下半分に分けて説明したが、受熱側と放熱側が上下方向で共通化されていてもよい（ただし、プロセッサ１１０の発熱表面と熱的に接続される面側が受熱側となる）。
以上、要するに、本発明に係る冷却システムは、従来技術との比較において次のような格別の利点を有している。まず、単純な沸騰冷却方式との比較において、従来は、プロセッサ以外の、周辺の電子部品の冷却は空冷であったが、本発明では、主要な、あるいは最も発熱量が大きくて冷却を必要としているプロセッサ以外の、周辺の電子部品についても、沸点が高い冷媒によって有効かつ強力に冷却することができる。すなわち、主要な発熱源であるプロセッサの沸騰冷却に対する二次冷却用の冷媒（第２の冷却液）が、他の周辺の電子部品に対しては有効な一次冷却用の冷媒としても機能する。これにより、電子機器の冷却性能を、著しく向上させることができる。加えて、従来の沸騰冷却方式では、主要な発熱源であるプロセッサを冷却するために、複雑な配管や大型のヒートシンクなどの機構を要し、これらの存在が、空冷に頼らなくてはならない周辺の電子部品の冷却を妨げる結果にもなっていた。これに対して、本発明によれば、複雑な配管や大型のヒートシンクが不要となって周辺の電子部品の冷却に有利であることに加えて、二次冷却用の冷媒（第２の冷却液）が、遍く電子機器のボード全体に行き渡ることによって、高い効率で周辺の電子部品を冷却することが可能となる。
最後に、本発明の好ましい実施の形態によってもたらされる、更なる利点を、以下にまとめて記載する。
本発明の好ましい実施の形態において、第２の冷却液の沸点が１５０℃以上であるときは、冷却槽が非密閉の開放空間である場合でも第２の冷却液が蒸発しにくく、第２の冷却液の蒸発による損失を大幅に低減することができるとともに、冷却槽内で第２の冷却液の局所的な沸騰が生じるおそれを回避することができる。従来のフッ化炭素化合物を使用した冷却システムにおいては、次のような問題点があったが、第２の冷却液に、沸点が１５０℃以上の完全フッ素化物を使用する場合、それらを悉く解決することができる。
（１）フッ化炭素化合物が沸騰した際に、周囲に存在する微量の水素や酸素を取り込んで極めて有害なフッ化水素などのフッ素化合物を生成する危険性がある。
（２）不活性液体中であっても、極めて高速で動作する電子部品の中には、局所では高温に達し、フッ化炭素化合物の沸騰が生じる可能性がある。
（３）冷却系が問題を生じて冷却機能が失われたり、低下したりした際に、設計限界以上に液温が高くなってフッ化炭素化合物の沸騰が生じる可能性がある。
（４）冷却槽の中で電子部品やシャーシの部品が脱落したり、開放系である冷却槽に外からの異物が混入したりした場合に、冷却槽内の局所の液体循環が停滞して局所的に高温になってフッ化炭素化合物の沸騰が生じる可能性がある。
本発明の好ましい実施の形態において、電子機器が、ボード上で縦方向の異なる位置に配置された複数の発熱体を有し、複数の発熱体の各々に沸騰冷却装置が熱的に接続されており、第２の冷却液中に浸漬されるときに縦方向上方に位置する冷却装置には、下方に位置する冷却装置に使用する冷却液よりも沸点の高い冷却液を使用する場合、第２の冷却液の温度分布及び発熱体が配置された位置の違いにかかわらず、冷却性能をより均一化することができる。
本発明の好ましい実施の形態において、冷却槽は、第２の冷却液の入口と出口を有し、出口と入口が、冷却槽の外部にある流通路により連結されており、流通路中に、第２の冷却液を移動させる少なくとも１つのポンプと、第２の冷却液を冷やす熱交換器が設けられている場合、冷却槽の出口から排出された第２の冷却液を熱交換器で冷やし、冷えた第２の冷却液を冷却槽の入口に供給するような流通路を構成して、連続的かつ安定的に運転することができる。
また、本発明の好ましい実施の形態において、入口に連結され、冷却槽の幅方向に延びるヘッダを、冷却槽の底部に配置し、入口から供給される第２の冷却液を、ヘッダにアレイ状に設けられた複数のノズルから吐き出すように構成されていると、冷えた第２の冷却液を冷却槽の全体に亘って流通させることができ、強制対流による直接冷却の効果を高めることができる。
本発明の好ましい実施の形態において、複数のノズルが、ヘッダの長手方向に所定間隔をおいて設けられた複数のノズル群からなり、各ノズル群は、吐出口が放射状に分散するように配置されたノズルで構成されていると、冷えた第２の冷却液を冷却槽の全体に亘ってより一層効率よく流通させることができ、強制対流による直接冷却の効果をより一層高めることができる。
本発明の好ましい実施の形態において、複数のノズル群の各々が、複数の電子機器の各々に対応していると、冷却槽内に高密度に電子機器を収容したときの、各電子機器の冷却性能を均一にすることができる。
本発明は、電子機器を効率よく冷却する、冷却システムに広く適用することができる。
１０ 冷却システム
１００ 電子機器
１１０ プロセッサ
１１１ ダイ（チップ）
１１２ ヒートスプレッダ
１２０ ボード
２００、２００ａ−２００ｈ、３００、４００ 沸騰冷却装置
２１０ 密閉容器
２１１ 受熱側
２１２ 放熱側
２２０ 放熱部材（放熱フィン）
１１ 第１の冷却液
１２ 冷却槽
１３ 第２の冷却液
１４ 入口
１５ ヘッダ
１５１ ノズル
１６ 出口
１７ 導液板
１８ 液面
２０ 天板
２１ ケーブルクランプ
３０ 流通路
４０ ポンプ
５０ 流量調整バルブ
７０ 流量計
９０ 熱交換器

Claims (15)

  1. 電子機器を冷却液中に浸漬して直接冷却する、冷却システムであって、
    少なくとも１つの発熱体を有する電子機器の前記発熱体に熱的に接続される沸騰冷却装置であって、沸点Ｔ１を有する第１の冷却液が封入されている沸騰冷却装置と、
    前記第１の冷却液の沸点Ｔ１よりも高い沸点Ｔ２を有する第２の冷却液が入れられた冷却槽であって、前記沸騰冷却装置及び前記電子機器が前記第２の冷却液中に浸漬されて直接冷却される冷却槽と
    を含む冷却システム。
  2. 前記沸騰冷却装置は、受熱側と放熱側を有する密閉容器と、前記放熱側に設けられた放熱部材とを有し、前記沸騰冷却装置及び前記電子機器が前記第２の冷却液中に浸漬されるとき、前記放熱側が前記受熱側より上に位置するように前記発熱体に熱的に接続されている、請求項１に記載の冷却システム。
  3. 前記第１の冷却液の沸点が１００℃以下であり、前記第２の冷却液の沸点が１５０℃以上である、請求項１または２に記載の冷却システム。
  4. 前記第１の冷却液が、主成分としてフッ化炭素化合物を含む、請求項３に記載の冷却システム。
  5. 前記第２の冷却液が、主成分として完全フッ素化物を含む、請求項３に記載の冷却システム。
  6. 前記電子機器が、ボード上で縦方向の異なる位置に配置された複数の発熱体を有し、
    前記複数の発熱体の各々に沸騰冷却装置が熱的に接続されており、
    前記第２の冷却液中に浸漬されるときに縦方向上方に位置する冷却装置には、下方に位置する冷却装置に使用する冷却液よりも沸点の高い冷却液を使用する、請求項１に記載の冷却システム。
  7. 前記冷却槽は、前記第２の冷却液の入口と出口を有し、
    前記出口と前記入口が、前記冷却槽の外部にある流通路により連結されており、
    前記流通路中に、前記第２の冷却液を移動させる少なくとも１つのポンプと、前記第２の冷却液を冷やす熱交換器が設けられている、請求項１に記載の冷却システム。
  8. 前記入口に連結され、前記冷却槽の幅方向に延びるヘッダを、前記冷却槽の底部に配置し、前記入口から供給される前記第２の冷却液を、前記ヘッダにアレイ状に設けられた複数のノズルから吐き出すように構成されている、請求項７に記載の冷却システム。
  9. 前記複数のノズルが、前記ヘッダの長手方向に所定間隔をおいて設けられた複数のノズル群からなり、各ノズル群は、吐出口が放射状に分散するように配置されたノズルで構成されている、請求項８に記載の冷却システム。
  10. 前記複数のノズル群の各々が、第２の冷却液中に浸漬される複数の前記電子機器の各々に対応している、請求項８に記載の冷却システム。
  11. 電子機器の冷却方法であって、
    少なくとも１つの発熱体を有する電子機器の前記発熱体に、第１の冷却液が封入された沸騰冷却装置を熱的に接続するステップと、
    前記第１の冷却液の沸点Ｔ１よりも高い沸点Ｔ２を有する第２の冷却液中に、前記沸騰冷却装置及び前記電子機器を浸漬するステップと、
    を含む、方法。
  12. 前記沸騰冷却装置は、受熱側と放熱側を有する密閉容器と、前記放熱側に設けられた放熱部材とを有し、前記沸騰冷却装置及び前記電子機器が前記第２の冷却液中に浸漬されるとき、前記放熱側が前記受熱側より上に位置するように前記発熱体に熱的に接続されている、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１の冷却液の沸点が１００℃以下であり、前記第２の冷却液の沸点が１５０℃以上である、請求項１１または１２に記載の方法。
  14. 前記第１の冷却液が、主成分としてフッ化炭素化合物を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記第２の冷却液が、主成分として完全フッ素化物を含む、請求項１３に記載の方法。
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