JPWO2017037860A1 - 電子機器の冷却システム - Google Patents

Abstract

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（沸点Ｔ２）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、Ｔ１＝Ｔ２又はＴ１＜Ｔ２）を有する第１の冷却液１１が封入されている。第１の熱交換器２２は、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり第２の冷却液が通る高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり沸点Ｔ３（Ｔ３＝Ｔ２又はＴ３＜Ｔ２）を有する第３の冷媒が通る低温側流路とが、壁を隔てて交互に設けられている。ポンプ４０は、冷却槽１２内で暖められた第２の冷却液１３を、第１の熱交換器２２の高温側流路の入口に向けて圧送する。

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が適用されている。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）。

また、本出願人は、小規模液浸冷却スーパーコンピュータ向けの、小型で冷却効率の優れた液浸冷却システムをすでに開発している。当該システムは、完全フッ素化物からなるフッ化炭素系冷却液を用いており、高エネルギー加速器研究機構に設置されている小型スーパーコンピュータ「Ｓｕｉｒｅｎ」に適用され、運用されている（非特許文献１）。

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２）。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 「液浸冷却小型スーパーコンピュータ「ExaScaler-1」が、25%を超える性能改善により最新のスパコン消費電力性能ランキング「Green500」の世界第一位相当の値を計測」、２０１５年３月３１日、プレスリリース、株式会社ExaScaler他、URL:http://www.exascaler.co.jp/wp-content/uploads/2015/03/20150331.pdf 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、ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓバスや、バススイッチユニット、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、パワーユニット（交流−直流変換器、直流−直流電圧変換器等）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。

他方、本出願人は、非特許文献１が開示するような、小型で冷却効率の優れた液浸冷却システムにおいて、さらに冷却効率を向上させ、体積当たりのプロセッサ密度を最大化させるための構成例の一つとして、冷却槽内の冷却液中の表層部に熱交換器を浸漬する構成を提案している（ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／０６９２０５）。しかし、熱交換器の種類によっては、所望の熱量を冷却槽外に輸送するために、大型の熱交換器を用いなければならない場合がある。そのような場合、熱交換器を設置するための比較的大きな空間を、冷却槽の上部に形成しなければならず、システムの小型化によるメリットが損なわれてしまうという問題がある。また、冷却槽に入れられる冷却液、熱交換器に封入される冷媒には、比較的高価な完全フッ素化物を用いるため、熱交換器の大型化は、必要とされる冷却液及び冷媒の量を増やすことにつながり、コストが増大するという問題がある。

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。

また、小型で冷却効率の優れた液浸冷却システムにおいて、さらに冷却効率を向上させ、体積当たりのプロセッサ密度を最大化させるために、上記するような解決すべき課題がある。

従って、本発明の目的は、上記した問題点を解決し、電子機器の冷却性能をより向上させた、簡単かつ効率的な冷却システム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Ｔ_１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Ｔ_１と同じ又は前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも高い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＞Ｔ_１）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、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり前記第２の冷却液が通る高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり前記第２の冷却液の沸点Ｔ_２と同じ又は前記第２の冷却液の沸点Ｔ_２よりも低い沸点Ｔ_３（Ｔ_３＝Ｔ_２又はＴ_３＜Ｔ_２）を有する第３の冷媒が通る低温側流路とが、壁を隔てて交互に設けられている第１の熱交換器であって、前記第２の冷却液から前記第３の冷媒に熱を伝える第１の熱交換器と、前記冷却槽内で暖められた前記第２の冷却液を、前記第１の熱交換器の前記高温側流路の入口に向けて圧送するポンプと、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℃以上であり、前記第３の冷媒の沸点が５０℃以下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の冷却液及び／又は前記第３の冷媒が、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。

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の熱交換器が、プレート式熱交換器、又はマイクロチャネル熱交換器であるとよい。

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、前記冷却システムが前記冷却槽の外部に置かれた、前記第３の冷媒を冷やす第２の熱交換器をさらに有し、前記第１の熱交換器の前記低温側流路の入口及び出口と、前記第２の熱交換器とは、第１の流通路により連結されていてよい。

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、前記冷却槽の外部に置かれた、前記第２の冷却液を冷やす第３の熱交換器をさらに有し、前記冷却槽の前記第２の冷却液の入口及び出口と、前記第１の熱交換器の前記高温側流路の入口及び出口と、前記ポンプと、前記第３の熱交換器とは、第２の流通路により連結されていてよい。

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、前記冷却槽が、前記冷却槽の上部開口に対して着脱可能又は開閉可能に取り付けられた天板を有し、該天板が前記第１の熱交換器を保持していてよい。

加えて、本発明のもう一つの局面によれば、複数の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、底壁及び側壁によって形成される開放空間を有する冷却槽と、前記冷却槽内に複数の内部隔壁を設けることにより前記開放空間を分割して形成される、配列された複数の収納部であって、各収納部に少なくとも１つの電子機器を収納するための収納部と、前記複数の収納部の各々に形成される、冷却液の流入開口及び流出開口と、を有し、前記流入開口は、各収納部の底部又は側面に形成され、前記流出開口は、各収納部を流通する前記冷却液の液面近傍に形成されており、前記冷却システムはさらに、前記少なくとも１つの電子機器が有する少なくとも１つの発熱体に熱的に接続される沸騰冷却装置であって、沸点Ｔ_１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、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも高い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＞Ｔ_１）を有する第２の冷却液が通る高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり前記第２の冷却液の沸点Ｔ_２と同じ又は前記第２の冷却液の沸点Ｔ_２よりも低い沸点Ｔ_３（Ｔ_３＝Ｔ_２又はＴ_３＜Ｔ_２）を有する第３の冷媒が通る低温側流路とが、壁を隔てて交互に設けられている第１の熱交換器であって、前記第２の冷却液から前記第３の冷媒に熱を伝える第１の熱交換器と、前記冷却槽内で暖められた前記第２の冷却液を、前記第１の熱交換器の前記高温側流路の入口に向けて圧送するポンプと、を有し、前記複数の収納部の各々において、前記沸騰冷却装置及び前記少なくとも１つの電子機器が各収納部内の前記第２の冷却液中に浸漬されて直接冷却される、冷却システムが提供される。

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Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも高い沸点Ｔ_２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、第１の冷却液と沸点が同じ又は第１の冷却液より沸点が高い第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。また、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも高い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＞Ｔ_１）を有する第２の冷却液が通る高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり第２の冷却液の沸点Ｔ_２と同じ又は第２の冷却液の沸点Ｔ_２よりも低い沸点Ｔ_３（Ｔ_３＝Ｔ_２又はＴ_３＜Ｔ_２）を有する第３の冷媒が通る低温側流路とが、壁を隔てて交互に設けられている第１の熱交換器が、第２の冷却液から第３の冷媒に熱を伝えるので、第２の冷却液中から効率よく熱を奪う。このようにして、沸騰冷却装置による主要な発熱源の局所冷却、二次冷却用の冷媒（第２の冷却液）による沸騰冷却装置と周辺の電子部品全体の液浸冷却、及び第１の熱交換器による二次冷却用の冷媒からの奪熱を含む三重の冷却が行われることにより、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の冷却液として沸点が比較的高い冷却液を使用できるので、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、第１の熱交換器は、狭い隙間又は微小流路の集合体からなる高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなる低温側流路とが壁を隔てて交互に設けられている。かかる構成を有する熱交換器（典型的にはプレート式熱交換器又はマイクロチャネル熱交換器）は、一般的な熱交換器（例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器等の多管形熱交換器）に比べて圧力損失が大きい一方、コンパクトな寸法で高い伝熱性能が得られる。つまり、小型の第１の熱交換器と、その圧力損失に打ち勝って冷媒を圧送するための小型のポンプがあれば、第３の冷媒と二次冷却用の冷媒（第２の冷却液）との熱交換により、二次冷却用の冷媒から有効に奪熱することが可能であり、必要最小限の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。また、第１の熱交換器は、狭い隙間又は微小流路の集合体からなる流路に冷媒を通す、小型の熱交換器であるため、高価な冷媒を大量に必要とせず、コストを抑制できる。

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又は開閉可能に取り付ける構造は、簡素な密閉構造といえる。特に、第１の熱交換器は小型かつ軽量のものでよいため、第１の熱交換器を当該天板に機械的に保持させることが可能である。

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、部分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。 第１の熱交換器の一例を示す分解斜視図である。 第１の熱交換器の他の例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却システムの模式図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る冷却システムの模式図である。 本発明の他の実施形態に係る高密度冷却システムの構成を示す、部分断面を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る高密度冷却システムにおける要部を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る高密度冷却システムにおける、第１の熱交換器の設置例を示す模式図である。

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、好ましい一実施形態について、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及び図４を参照して、第１の熱交換器の好ましい構成例を説明する。続いて、好ましい一実施形態について、図５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ボードを含む１ユニットのみを簡略的に示しながら、当該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全体構成を説明し、また、当該一実施形態の変形例について、図６を参照して説明する。次に、他の好ましい実施形態について、図７から図９を参照して、冷却槽内に形成された複数の収納部の各々に電子機器を収納して冷却する、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、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、一実施形態に係る冷却システム１０は冷却槽１２を有し、冷却槽１２の開放空間内には沸点Ｔ_２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、他の複数のプロセッサ及び周辺の電子部品が当然に搭載されているが、これら他の複数のプロセッサ及び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Ｔ_１（ただし、Ｔ_１＝Ｔ_２又はＴ_１＜Ｔ_２）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１９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Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液１１の沸点Ｔ_１よりも高い沸点Ｔ_２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℃）又は「Ｎｏｖｅｃ７１００」（沸点６１℃）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。

本出願人は、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Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液１１の沸点Ｔ_１よりも高い沸点Ｔ_２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、上部開口に対して着脱可能又は開閉可能に取り付けられていてよい。例えば、天板２０は、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、冷却槽１２の底部には、第２の冷却液が流入する入口１６が設けられており、冷却槽１２の側部の上方には、導液板２１を介して、第２の冷却液が流出する出口１８が設けられている。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。なお、代替的に又は追加的に、第２の冷却液１３が流入する入口１６を、冷却槽１２の側部の下方に設けてもよい。

図１を参照して、一実施形態に係る冷却システム１０は、天板２０に機械的に保持されている第１の熱交換器２２をさらに有する。ここでは、第１の熱交換器２２が第２の冷却液１３中の表層部に浸漬されている例を示しているが、第１の熱交換器２２が液面１９上の空間に配置されるようにしてもよい。第１の熱交換器２２の機械的な保持方法は、例えば天板２０に固定された懸垂支持部材（図示せず）を使用することでよいが、これに限定されるものではない。

本発明に従い、第１の熱交換器２２には、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＞Ｔ_１）を有する第２の冷却液１３が通る高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり第２の冷却液の沸点Ｔ_２と同じ又は第２の冷却液１３の沸点Ｔ_２よりも低い沸点Ｔ_３（Ｔ_３＝Ｔ_２又はＴ_３＜Ｔ_２）を有する第３の冷媒が通る低温側流路とが、壁を隔てて交互に設けられている。高温側流路の入口２２１から入った高温流体（本発明における第２の冷却液１３）は、高温側流路を通って高温側流路の出口２２２から出る。他方、低温側流路の入口２２３から入った低温流体（本発明における第３の冷媒）は、低温側流路を通って低温側流路の出口２２４から出る。このような構成を備える第１の熱交換器として、例えば、図３及び図４にそれぞれ示す、プレート式熱交換器及びマイクロチャネル熱交換器が好適に適用できるが、これらに限定されるものではない。

図３は、一例としてプレート式熱交換器を適用した第１の熱交換器５００を示す。プレート式熱交換器は、表面に形成された凹凸パターン（一般的に、種々の突起又は溝を設けて形成される）が互いに異なっている２種類の伝熱プレート３１１、３１２を、交互に複数枚重ね合わせ、ろう材により一体化して（又はボルト締めして）構成されている。隣り合う２枚の伝熱プレート３１１、３１２の間に形成される狭い隙間からなる、高温側流路３２１と低温側流路３２２が、伝熱プレート３１１又は３１２の壁を隔てて交互に設けられている。高温側流路の入口３０１から入った高温流体（本発明における第２の冷却液）は、高温側流路３２１を通って高温側流路の出口３０２から出る。他方、低温側流路の入口３０３から入った低温流体（本発明における第３の冷媒）は、低温側流路３２２を通って低温側流路の出口３０４から出る。このような構成のプレート式熱交換器は、完全対向流で高温流体と低温流体の熱交換が行われるため、高性能で熱効率が極めて高い、小型かつ軽量であり、設置体積も小さくて済む等の利点を有する。

図４は、他の例としてマイクロチャネル熱交換器を適用した第１の熱交換器６００を示す。マイクロチャネル熱交換器は、幅方向に多数配列された微細流路の集合体を含む金属平板を、複数重ね合わせて一体化して構成されている。微細流路の各々は、例えば、断面矩形状のチャネルでよく、その高さ及び幅の寸法は好ましくは１ｍｍ未満であるとよい。また、チャネル内面に種々の突起又は溝が設けられていてよい。隣り合う微細流路の集合体４２１、４２２のうち一方４２１が高温側流路をなし、他方４２２が低温側流路をなし、これら高温側流路及び低温側流路が、金属平板の壁４２３を隔てて交互に設けられている。高温側流路の入口４０１から入った高温流体（本発明における第２の冷却液）は、高温側流路４２１を通って高温側流路の出口４０２から出る。他方、低温側流路の入口４０３から入った低温流体（本発明における第３の冷媒）は、低温側流路４２２を通って低温側流路の出口４０４から出る。このとき、高温流体と低温流体は金属平板の壁４２３を隔てて互いに反対方向に流れる。このような構成のマイクロチャネル熱交換器も、完全対向流で高温流体と低温流体の熱交換が行われるため、高性能で熱効率が極めて高い、小型かつ軽量であり、設置体積も小さくて済む等、上記したプレート式熱交換器と同様の利点を有する。

本発明において、第３の冷媒としては、第１の冷却液と同様、３Ｍ社の商品名「Ｎｏｖｅｃ７０００」（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。ただし、本発明に従い、第３の冷媒には、第２の冷却液１３の沸点Ｔ_２と同じ又は第２の冷却液１３の沸点Ｔ_２よりも低い沸点Ｔ_３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２の冷却液１１に「フロリナートＦＣ−４０」（沸点１５５℃）又は「フロリナートＦＣ−４３」（沸点１７４℃）を使用する場合、第３の冷媒に「Ｎｏｖｅｃ７０００」（沸点３４℃）又は「Ｎｏｖｅｃ７１００」（沸点６１℃）を好適に使用することができる。

図１及び図５に示すように、一実施形態に係る冷却システム１０は、冷却槽１２の外部に置かれた第２の熱交換器２４をさらに有するとよい。第１の熱交換器２２の低温側流路の入口２２３及び出口２２４と前記第２の熱交換器２４は、第１の流通路２６により連結されており、第３の冷媒が、第１の流通路２６を通って第１の熱交換器２２と第２の熱交換器２４の間を循環可能に構成されている。第２の熱交換器２４は、第１の熱交換器２２から第２の熱交換器２４に移動する第３の冷媒を冷やす熱交換器であればよく、例えば、空冷式、水冷式、又は蒸発式の凝縮器を含む各種の熱交換器（いわゆるラジエータ、チラー、冷却塔等）でよい。例えば、第３の冷媒に「Ｎｏｖｅｃ７０００」（沸点３４℃）を使用する場合、液冷媒は、第１の熱交換器２２において、第２の冷却液から奪熱することにより気相冷媒に変化する。第１の熱交換器２２の低温側流路の出口２２４を出た気相冷媒は、第１の流通路２６を通って、第２の熱交換器２４に入り、ここで冷やされて液化され（凝縮）、液冷媒が第１の流通路２６を通って、第１の熱交換器２２の低温側流路の入口２２３に入る。これにより、第２の冷却液１３から奪った熱が、第１の熱交換器２２から第２の熱交換器２４へ効率的に輸送される。

図１及び図５を参照して、一実施形態に係る冷却システム１０は、冷却槽１２内で暖められた第２の冷却液１３を、第１の熱交換器２２の高温側流路の入口２２１に向けて圧送するポンプ４０を有する。ポンプ４０は、第１の熱交換器２２の圧力損失に打ち勝って冷媒を圧送するための小型のポンプでよい。また、冷却システム１０は、冷却槽１２の外部に置かれた、第２の冷却液１３を冷やす第３の熱交換器９０をさらに有してよい。この場合、冷却槽１２の入口１６及び出口１８と、ポンプ４０と、第１の熱交換器２２の高温側流路の入口２２１及び出口２２２と、第３の熱交換器９０とが、第２の流通路３０により連結される。なお、第２の流通路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、第２の流通路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。一方、第３の熱交換器９０は、例えば、蒸気圧縮式冷凍機等の冷凍機と組み合わせて使用され、冷凍機が発生する大気温度よりも低い温度を、低温側から高温側へ熱を移動させ、高温側の第２の冷却液１３を冷やすとよい。但し、これは一例であり、第３の熱交換器はこれに限定されるものではない。第３の熱交換器において、冷却システム１０の運用中に常に冷凍機を動作させておかなくてよい。例えば、屋外に設置した温度センサーにより大気温度を監視し、大気温度が第３の冷媒の沸点（例えば、Ｎｏｖｅｃ７０００では沸点３４℃）よりも高い場合に限り、冷凍機を動作させるよう構成することができる。これにより、大気温度が第３の冷媒の沸点以下の場合は、第３の熱交換器９０における冷凍機を停止させ、大気温度が第３の冷媒の沸点より高くなると冷凍機を動作させて強制冷却を実行し、第１の熱交換器２２における冷却を支援するという運用が可能となり、消費電力の削減効果が得られる。

次に、一実施形態に係る冷却システム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。第１の熱交換器２２において、高温側流路を通る第２の冷却液１３から、低温側流路を通る第３の冷媒（例えば、Ｎｏｖｅｃ７０００）に熱を伝えるので、第２の冷却液１３中から効率よく熱を奪う。このようにして、沸騰冷却装置２００による主要な発熱源の局所冷却、二次冷却用の冷媒（第２の冷却液１３）による沸騰冷却装置２００と周辺の電子部品（図示せず）全体の液浸冷却、及び第１の熱交換器２２による二次冷却用の冷媒からの奪熱を含む三重の冷却が行われることにより、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として沸点が比較的高い冷却液（例えば、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０は、その沸点が１５０℃以上である）を使用できるので、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、第１の熱交換器２２は、プレート式熱交換器５００又はマイクロチャネル熱交換器６００であり、狭い隙間又は微小流路の集合体からなる高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなる低温側流路とが壁を隔てて交互に設けられている。かかる構成を有する熱交換器は、一般的な熱交換器（例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器等の多管形熱交換器）に比べて圧力損失が大きい一方、コンパクトな寸法で高い伝熱性能が得られる。つまり、小型の第１の熱交換器２２と、その圧力損失に打ち勝って冷媒を圧送するための小型のポンプ４０があれば、第３の冷媒と二次冷却用の冷媒（第２の冷却液１３）との熱交換により、二次冷却用の冷媒から有効に奪熱することが可能であり、必要最小限の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。また、第１の熱交換器２２は、狭い隙間又は微小流路の集合体からなる流路に冷媒を通す、小型の熱交換器であるため、高価な冷媒を大量に必要とせず、コストを抑制できる。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。なお、本実施形態において、沸騰冷却装置２００に使用する第１の冷却液１１として、その沸点Ｔ_１が、第２の冷却液１３の沸点Ｔ_２と同じ冷却液を使用し、及び／又は第１の熱交換器２２から第２の熱交換器２４への熱輸送に使用する第３の冷媒として、その沸点が第２の冷却液１３の沸点Ｔ_２と同じ冷却液を使用しても、従来の冷却システムにおける冷却効率を大幅に改善するという目的を達成することができることは勿論である。

システムの小型化に関する１つの試算によれば、大気温度（２５℃とする）環境下において電子機器が発生する３２ｋＷの熱を、第１の熱交換器により外部に輸送すると仮定すると、フィンアンドチューブ式熱交換器を使用した場合、熱交換器の寸法は９９ｃｍ×９９ｃｍ×９８ｃｍ、必要熱交換器体積は約９６００００ｃｍ^３となるのに対して、プレート式熱交換器を使用した場合、３０ｃｍ×５０ｃｍ×４０ｃｍ、必要熱交換器体積は約６００００ｃｍ^３となることが分かった。つまり、本発明によれば、第１の熱交換器を設置するのに必要な体積を従来の約１／１６に小さくすることができる。従って、例えば冷却槽１２の内部に第１の熱交換器を配置する場合にも、システムの小型化によるメリットが損なわれることがない。

図１及び図５に示す一実施形態に係る冷却システム１０において、第１の熱交換器２２を、冷却槽１２の内部に配置する例を説明したが、第１の熱交換器２２を、冷却槽１２の外部に配置するよう構成してもよい。図６は、一実施形態の変形例に係る冷却システム７００を示し、図５に示した冷却システム１０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。この変形例に係る冷却システム７００において、第１の熱交換器２２を設置する面積が小さくて済むことは勿論である。

以上、一実施形態に係る冷却システムについて、図１から図６を参照しつつ、１ユニットの電子機器を冷却槽に収納する例を説明したが、これは本発明の要部を説明するために簡略化したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明が、複数のユニットの電子機器を冷却槽に高密度に収納して冷却する、高密度冷却システムに適用することができることは勿論である。以下、図７から図９を参照して、本発明の他の実施形態に係る高密度冷却システムの構成を説明する。なお、図１、図５及び図６に示した一実施形態に係る冷却システム及びその変形例に係る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。

他の実施形態の説明では、電子機器として、プロセッサを複数搭載したボードを含む１ユニットを、合計１６ユニット、冷却槽の各収納部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７〜図９を参照して、他の実施形態に係る冷却システム８００は冷却槽１２を有し、冷却槽１２の底壁１２ａ及び側壁１２ｂによって開放空間１０ａが形成されている。冷却槽１２内に、縦方向の内部隔壁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅと、横方向の内部隔壁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅを設けることにより、開放空間１０ａを均等に１６分割して、配列された１６個の収納部１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃ、１５ａｄ、１５ｂａ、１５ｂｂ、１５ｂｃ、１５ｂｄ、１５ｃａ、１５ｃｂ、１５ｃｃ、１５ｃｄ、１５ｄａ、１５ｄｂ、１５ｄｃ、１５ｄｄ（以下、まとめて「収納部１５ａａ〜１５ｄｄ」と記載することがある。）が形成されている。そして、各収納部に少なくとも１つの電子機器１００が収納される。冷却槽１２の開放空間１０ａ内には、第２の冷却液１３が液面１９まで入れられている。収納部１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃ、１５ａｄ、１５ｂａ、１５ｂｂ、１５ｂｃ、１５ｂｄ、１５ｃａ、１５ｃｂ、１５ｃｃ、１５ｃｄ、１５ｄａ、１５ｄｂ、１５ｄｃ、１５ｄｄの底部には、第２の冷却液１３の流入開口１６ａａ、１６ａｂ、１６ａｃ、１６ａｄ、１６ｂａ、１６ｂｂ、１６ｂｃ、１６ｂｄ、１６ｃａ、１６ｃｂ、１６ｃｃ、１６ｃｄ、１６ｄａ、１６ｄｂ、１６ｄｃ、１６ｄｄ（以下、まとめて「流入開口１６ａａ〜１６ｄｄ」と記載することがある。）が形成されている。

また、収納部１５ａａ〜１５ｄｄを流通する第２の冷却液１３の液面１９近傍には、流出開口１７ａａ、１７ａｂ、１７ａｃ、１７ａｄ、１７ａｅ、１７ｂａ、１７ｂｂ、１７ｂｃ、１７ｂｄ、１７ｂｅ、１７ｃａ、１７ｃｂ、１７ｃｃ、１７ｃｄ、１７ｃｅ、１７ｄａ、１７ｄｂ、１７ｄｃ、１７ｄｄ、１７ｄｅ、１７ｅａ、１７ｅｂ、１７ｅｃ、１７ｅｄ、１７ｅｅ（以下、まとめて「流出開口１７ａａ〜１７ｅｅ」と記載することがある。）が形成されている。

他の実施形態に係る冷却システム８００において、流出開口は、各収納部を形成している複数の内部隔壁が互いに交差する位置もしくはその近傍に形成されている。例えば、図７を参照すると、収納部１５ａａは、縦方向の内部隔壁１３ａ、１３ｂと、横方向の内部隔壁１４ａ、１４ｂによって形成されており、内部隔壁１３ａと内部隔壁１４ａが交差する点、内部隔壁１３ａと内部隔壁１４ｂが交差する点、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ａが交差する点、及び内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｂが交差する点にそれぞれ位置するように、流出開口１７ａａ、１７ｂａ、１７ａｂ、１７ｂｂが形成されている。同様にして、図８を参照すると、収納部１５ｂｂは、縦方向の内部隔壁１３ｂ、１３ｃと、横方向の内部隔壁１４ｂ、１４ｃによって形成されており、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｂが交差する点、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｃが交差する点、内部隔壁１３ｃと内部隔壁１４ｂが交差する点、及び内部隔壁１３ｃと内部隔壁１４ｃが交差する点にそれぞれ位置するように、流出開口１７ｂｂ、１７ｃｂ、１７ｂｃ、１７ｃｃが形成されている。

他の実施形態に係る冷却システム８００において、流出開口は、冷却槽１２の底壁１２ａを貫通し液面１９近傍まで延びる流出管１７０の一端に形成されている。例えば、図８を参照すると、収納部１５ｂｂに関し、流出開口１７ｂｂ、１７ｃｂ、１７ｂｃ、１７ｃｃは、縦方向の内部隔壁１３ｂ、１３ｃと、横方向の内部隔壁１４ｂ、１４ｃによって形成されており、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｂが交差する点、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｃが交差する点、内部隔壁１３ｃと内部隔壁１４ｂが交差する点、及び内部隔壁１３ｃと内部隔壁１４ｃが交差する点にそれぞれ位置する流出管１７０の一端に形成されている。なお、流出管の他端には、底部開口１８ａａ、１８ａｂ、１８ａｃ、１８ａｄ、１８ａｅ、１８ｂａ、１８ｂｂ、１８ｂｃ、１８ｂｄ、１８ｂｅ、１８ｃａ、１８ｃｂ、１８ｃｃ、１８ｃｄ、１８ｃｅ、１８ｄａ、１８ｄｂ、１８ｄｃ、１８ｄｄ、１８ｄｅ、１８ｅａ、１８ｅｂ、１８ｅｃ、１８ｅｄ、１８ｅｅ（以下、まとめて「底部開口１８ａａ〜１８ｅｅ」という場合がある。）が形成されている。

流出開口が、各収納部を形成している複数の内部隔壁が互いに交差する位置に形成されている場合、各収納部に設けられる流出開口を、各収納部の四隅に分散して確保できるので有利である。例えば、収納部１５ｂｂでは、その四隅に配置される流出管１７０によって、流出開口１７ｂｂ、１７ｂｃ、１７ｃｂ、及び１７ｃｃが形成されている。なお、このように流出開口が形成されている場合、１つの流出開口が複数の収納部にとっての共通の流出開口となりうる。例えば、流出開口１７ｂｂは、収納部１５ａａにとっての流出開口の一部であると同時に、収納部１５ａｂ、１５ｂａ、及び１５ｂｂにとっての流出開口の一部でもある。同様のことが、流出開口１７ｂｃ、１７ｃｂ、及び１７ｃｃについても当てはまる。ただし、各収納部について、流出管を設ける位置及び本数は任意であり、各収納部を形成している複数の内部隔壁が互いに交差する位置の近傍に流出管を１本又は複数本設けてよいことは勿論である。また、流出管は、内部隔壁と一体化されている必要はなく、内部隔壁から離れて配置された管であってもよい。

また、流出管１７０には、図８に示すように、流出管１７０の長手方向に１つ以上の小孔１７１が形成されていてよい。これら小孔１７１は、収納部の深さ方向の途中における第２の冷却液１３の流通を促進する。一方、流入開口１６ａａ〜１６ｄｄは、図示のように円筒状の開口であることは必要でなく、例えば、複数のノズルを有するヘッダを円筒の一端に連結して、多数のノズルによって流入開口を形成してもよい。

各収納部１５ａａ〜１５ｄｄには、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。電子機器１００は、先の一実施形態における電子機器と同様であり、ここでの詳しい説明を省略する。

冷却槽１２には、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１９まで入れられている。第２の冷却液１３は、先の一実施形態における第２の冷却液と同様であり、ここでの詳しい説明を省略する。

冷却槽１２には、各収納部１５ａａ〜１５ｄｄに設けられた流入開口１６ａａ〜１６ｄｄに向けて、分配管（図示せず）を介して第２の冷却液１３を分配するための入口１６と、各収納部１５ａａ〜１５ｄｄの流出開口１７ａａ〜１７ｅｅを通った第２の冷却液１３を、集合管（図示せず）を介して集めるための出口１８とが設けられている。

各収納部１５ａａ〜１５ｄｄに収納された電子機器１００が、動作中に所定の温度以下に保たれるよう、所望の温度に冷やされた第２の冷却液１３が連続的に各収納部１５ａａ〜１５ｄｄ内を流通するようにするために、冷却槽１２の出口１８から出た第２の冷却液１３を、第３の熱交換器で冷やし、冷えた冷却液を冷却槽１２の入口１６に戻す第２の流通路を構成するとよい。かかる流通路及び付随する設備の一例は、既に図５及び図６を参照して詳しく説明したので、ここでの説明を省略する。

図９を参照して、他の実施形態に係る冷却システム８００は、分散型の第１の熱交換器２２ａａ、２２ａｂ、２２ａｃ、２２ａｄ、２２ｂａ、２２ｂｂ、２２ｂｃ、２２ｂｄ、２２ｃａ、２２ｃｂ、２２ｃｃ、２２ｃｄ、２２ｄａ、２２ｄｂ、２２ｄｃ、２２ｄｄ（以下、まとめて「分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄ」と記載することがある。）を有している。分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄの各々が、各収納部１５ａａ〜１５ｄｄの上部に配置されている。分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄの各々は、一実施形態における第１の熱交換器と同様に、天板（図示せず）に機械的に保持されていてよい。また、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄの各々は、図１及び図５に示す例と同様に、高温側流路の入口及び出口と、低温側流路の入口及び出口とを有している。低温側流路の入口及び出口と、冷却槽１２の外部に置かれた第２の熱交換器とが、第１の流通路（図示せず）により連結されていてよい。この連結は、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄと同数の第２の熱交換器を用意して個別に連結する方法、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄを、１つのグループがいくつか（例えば４つ）の熱交換器からなる複数（例えば４つ）のグループに分け、当該グループの数だけ第２の熱交換器を用意して個別に連結する方法、又は、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄ全部に対して１つの第２の熱交換器を連結する方法のいずれでもよい。また、高温側流路の入口と出口と、ポンプ（図示せず）と、冷却槽の入口及び出口とが、第２の流通路（図示せず）により連結されていてよい。

次に、他の実施形態に係る冷却システム８００の動作について説明する。入口１６から入った第２の冷却液１３は、図示しない分配管を介して、収納部１５ａａ〜１５ｄｄの底部に形成された流入開口１６ａａ〜１６ｄｄに向けて分配される。第２の冷却液１３は、流入開口１６ａａ〜１６ｄｄから上方に吹き上がり、電子機器１００のボード１２０上に搭載された、プロセッサに熱的に接続された沸騰冷却装置２００及び周辺の電子部品（図示せず）を直接冷却する。例えば、第２の冷却液１３は、流入開口１６ｂｂから吹き上がると、プロセッサに熱的に接続された沸騰冷却装置２００並びに周辺の電子部品（図示せず）の表面から熱を奪い取りながら液面１９に向けて上昇し、さらには流出開口１７ｂｂ、１７ｂｃ、１７ｃｂ、１７ｃｃに向けて移動する。このとき、収納部１５ａａ〜１５ｄｄの体積は、冷却槽１２の開放空間１０ａの体積の約１／１６の体積と小さく、そこに収納される電子機器１００も、冷却槽１２の幅の約１／４の幅と小さいため、第２の冷却液１３による電子機器１００の冷却効率が極めてよく、また、電子機器１００の周囲で第２の冷却液１３が滞留するのを有効に防ぐことができる。

加えて、各収納部１５ａａ〜１５ｄｄにおいて、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄの各々は、第２の冷却液１３から効率よく熱を奪う。このようにして、沸騰冷却装置２００による主要な発熱源の局所冷却、二次冷却用の冷媒（第２の冷却液１３）による沸騰冷却装置２００と周辺の電子部品（図示せず）全体の液浸冷却、及び分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄによる二次冷却用の冷媒からの奪熱を含む三重の冷却が行われる。

上記の他の実施形態では、流入開口を各収納部の底部に形成する例を説明したが、流入開口を各収納部の側面に形成してもよい。

上記した他の実施形態に係る高密度冷却システムによれば、冷却槽の開放空間の体積の約１／４の体積か、約１／４よりも小さい体積（例えば、開放空間の体積の約１／９（縦３×横３に分割する場合）、１／１２（縦３×横４に分割する場合）、１／１６（縦４×横４に分割する場合））の収納部に、従来よりも小さい幅（例えば、約１／２、１／３、１／４）の電子機器を収納して、冷却液を個別に流通させることにより、複数の電子機器を、個別に効率よく冷却することができる。換言すると、他の実施形態に係る高密度冷却システムにおいては、温められた冷却液を冷却槽の中央部からも流出させることができるので、温められた冷却液を冷却槽の側面から流出させる従来技術におけるように、冷却液が冷却槽の中央付近に滞留して、冷却槽内の電子機器の収納位置によって冷却性能に差が生じるのを避けることができる。従って、複数の電子機器の冷却性能を向上させ、かつ冷却性能のばらつきを無くして安定化させることができる。また、収納部に収納する電子機器のサイズを小さくできるので、電子機器の取り扱い性及びメンテナンス性を向上させることができる。

図７〜図９に示す他の実施形態に係る高密度冷却システム８００において、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄを使用する例を説明したが、一実施形態に係る冷却システム１０に関して図１及び図５に示したのと同様に、１つの冷却槽１２に対して、単一の第１の熱交換器及び単一の第２の熱交換器を使用してもよい。また、単一の第１の熱交換器２２の設置場所は任意であり、一実施形態に係る冷却システム１０とその変形例に関して図１、図５及び図６に示したのと同様に、冷却槽１２の内部でかつ液面１９の上又は下のいずれに配置してもよく、冷却槽１２の外部に配置してもよい。単一の第１の熱交換器及び単一の第２の熱交換器を使用する場合、第１の流通路及び第２の流通路をなす配管本数を最少化でき、二次冷却系の構成を最も簡素化できる。

上記の一実施形態とその変形例、及び他の実施形態において、電子機器１００のボード上に搭載されるプロセッサは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（交流−直流変換器、直流−直流電圧変換器等）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。ただし、既に述べたように、他の実施形態においては、従来の一般的な幅よりも小さい幅（例えば、約１／２、１／３、１／４）の電子機器でよいことは勿論である。

また、上記の一実施形態とその変形例、及び他の実施形態において、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）。

また、上記の一実施形態とその変形例、及び他の実施形態において、沸騰冷却装置２００が、電子機器１００に含まれる主要な発熱体であるプロセッサに熱的に接続される例を説明したが、本発明は、電子機器に含まれるすべての発熱体に対して、個別に沸騰冷却装置が熱的に接続されることを要求するものではなく、また、電子機器が例えばサーバ、ルータ、ＳＳＤ等の記憶装置等の機器である場合に、当該電子機器全体を１つの発熱体として、１つ又は複数の沸騰冷却装置が熱的に接続されることを要求するものでもない。電子機器に含まれる複数の発熱体のうちどの発熱体に対して、沸騰冷却装置をどのように熱的に接続するか、また、電子機器全体を１つの発熱体として１つ又は複数の沸騰冷却装置を熱的に接続するかは、電子機器の構造、特性、使用状態等に応じて当業者が任意に決定してよい。

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、７００、８００ 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、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）
１０ａ 開放空間
１１ 第１の冷却液
１２ 冷却槽
１２ａ 底壁
１２ｂ 側壁
１３ 第２の冷却液
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ 内部隔壁
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ 内部隔壁
１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃ、１５ａｄ、１５ｂａ、１５ｂｂ、１５ｂｃ、１５ｂｄ、１５ｃａ、１５ｃｂ、１５ｃｃ、１５ｃｄ、１５ｄａ、１５ｄｂ、１５ｄｃ、１５ｄｄ 収納部
１６ 入口
１６ａａ、１６ａｂ、１６ａｃ、１６ａｄ、１６ｂａ、１６ｂｂ、１６ｂｃ、１６ｂｄ、１６ｃａ、１６ｃｂ、１６ｃｃ、１６ｃｄ、１６ｄａ、１６ｄｂ、１６ｄｃ、１６ｄｄ 流入開口
１７ａａ、１７ａｂ、１７ａｃ、１７ａｄ、１７ａｅ、１７ｂａ、１７ｂｂ、１７ｂｃ、１７ｂｄ、１７ｂｅ、１７ｃａ、１７ｃｂ、１７ｃｃ、１７ｃｄ、１７ｃｅ、１７ｄａ、１７ｄｂ、１７ｄｃ、１７ｄｄ、１７ｄｅ、１７ｅａ、１７ｅｂ、１７ｅｃ、１７ｅｄ、１７ｅｅ 流出開口
１７０ 流出管
１７１ 小孔
１８ 出口
１８ａａ、１８ａｂ、１８ａｃ、１８ａｄ、１８ａｅ、１８ｂａ、１８ｂｂ、１８ｂｃ、１８ｂｄ、１８ｂｅ、１８ｃａ、１８ｃｂ、１８ｃｃ、１８ｃｄ、１８ｃｅ、１８ｄａ、１８ｄｂ、１８ｄｃ、１８ｄｄ、１８ｄｅ、１８ｅａ、１８ｅｂ、１８ｅｃ、１８ｅｄ、１８ｅｅ 底部開口
１９ 液面
２０ 天板
２１ 導液板
２２、５００、６００ 第１の熱交換器
２２ａａ、２２ａｂ、２２ａｃ、２２ａｄ、２２ｂａ、２２ｂｂ、２２ｂｃ、２２ｂｄ、２２ｃａ、２２ｃｂ、２２ｃｃ、２２ｃｄ、２２ｄａ、２２ｄｂ、２２ｄｃ、２２ｄｄ 分散型の第１の熱交換器
３１１、３１２ 伝熱プレート
３２１、４２１ 高温側流路
３２２、４２２ 低温側流路
２２１、３０１、４０１ 高温側流路の入口
２２２、３０２、４０２ 高温側流路の出口
２２３、３０３、４０３ 低温側流路の入口
２２４、３０４、４０４ 低温側流路の出口
４２３ 金属平板の壁
２４ 第２の熱交換器
２６ 第１の流通路
３０ 第２の流通路 ４０ ポンプ
５０ 流量調整バルブ
７０ 流量計
９０ 第３の熱交換器

Claims (10)

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Ｔ_１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Ｔ_１と同じ又は前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも高い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＞Ｔ_１）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、
   狭い隙間又は微小流路の集合体からなり前記第２の冷却液が通る高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり前記第２の冷却液の沸点Ｔ_２と同じ又は前記第２の冷却液の沸点Ｔ_２よりも低い沸点Ｔ_３（Ｔ_３＝Ｔ_２又はＴ_３＜Ｔ_２）を有する第３の冷媒が通る低温側流路とが、壁を隔てて交互に設けられている第１の熱交換器であって、前記第２の冷却液から前記第３の冷媒に熱を伝える第１の熱交換器と、
   前記冷却槽内で暖められた前記第２の冷却液を、前記第１の熱交換器の前記高温側流路の入口に向けて圧送するポンプと、
   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℃以上であり、前記第３の冷媒の沸点が５０℃以下である、請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. 前記第１の冷却液及び／又は前記第３の冷媒が、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. 前記第１の熱交換器が、プレート式熱交換器、又はマイクロチャネル熱交換器である、請求項１に記載の冷却システム。
7. 前記冷却槽の外部に置かれた、前記第３の冷媒を冷やす第２の熱交換器をさらに有し、前記第１の熱交換器の前記低温側流路の入口及び出口と、前記第２の熱交換器とは、第１の流通路により連結されている、請求項１に記載の冷却システム。
8. 前記冷却槽の外部に置かれた、前記第２の冷却液を冷やす第３の熱交換器をさらに有し、前記冷却槽の前記第２の冷却液の入口及び出口と、前記第１の熱交換器の前記高温側流路の入口及び出口と、前記ポンプと、前記第３の熱交換器とは、第２の流通路により連結されている、請求項１に記載の冷却システム。
9. 前記冷却槽が、前記冷却槽の上部開口に対して着脱可能又は開閉可能に取り付けられた天板を有し、該天板が前記第１の熱交換器を保持している、請求項１に記載の冷却システム。
10. 複数の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、
    底壁及び側壁によって形成される開放空間を有する冷却槽と、
    前記冷却槽内に複数の内部隔壁を設けることにより前記開放空間を分割して形成される、配列された複数の収納部であって、各収納部に少なくとも１つの電子機器を収納するための収納部と、
    前記複数の収納部の各々に形成される、冷却液の流入開口及び流出開口と、
    を有し、
    前記流入開口は、各収納部の底部又は側面に形成され、前記流出開口は、各収納部を流通する前記冷却液の液面近傍に形成されており、
    前記冷却システムはさらに、
    前記少なくとも１つの電子機器が有する少なくとも１つの発熱体に熱的に接続される沸騰冷却装置であって、沸点Ｔ_１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、
    狭い隙間又は微小流路の集合体からなり前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも高い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＞Ｔ_１）を有する第２の冷却液が通る高温側流路と、狭い隙間又は微小流路の集合体からなり前記第２の冷却液の沸点Ｔ_２と同じ又は前記第２の冷却液の沸点Ｔ_２よりも低い沸点Ｔ_３（Ｔ_３＝Ｔ_２又はＴ_３＜Ｔ_２）を有する第３の冷媒が通る低温側流路とが、壁を隔てて交互に設けられている第１の熱交換器であって、前記第２の冷却液から前記第３の冷媒に熱を伝える第１の熱交換器と、
    前記冷却槽内で暖められた前記第２の冷却液を、前記第１の熱交換器の前記高温側流路の入口に向けて圧送するポンプと、を有し、
    前記複数の収納部の各々において、前記沸騰冷却装置及び前記少なくとも１つの電子機器が各収納部内の前記第２の冷却液中に浸漬されて直接冷却される、
    冷却システム。

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