WO2018020582A1 - 冷却装置及び電子装置 - Google Patents

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condensing
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内田　浩基
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富士通株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling device and an electronic device.
  • immersion liquid cooling As a liquid cooling method for cooling electronic devices such as servers and supercomputers, immersion liquid cooling is known which cools electronic devices by immersing them in an insulating refrigerant stored in a liquid tank. Yes.
  • the immersion liquid cooling can be divided into a liquid single-phase cooling system and a cooling system using gas-liquid phase change.
  • the liquid single-phase cooling method is a method in which the electronic device is cooled by the liquid-phase refrigerant without vaporizing the refrigerant.
  • the cooling method using the gas-liquid phase change is a method in which the refrigerant is vaporized by the heat of the electronic device and the electronic device is cooled by the heat of vaporization.
  • a refrigerant that evaporates easily is used.
  • Such a low boiling point refrigerant has a lower viscosity than that used in a liquid single-phase cooling method. Therefore, it is not necessary to increase the driving force of the pump as described above, and the maintainability is good because the refrigerant is dripped from the electronic device in a short time.
  • the cooling method using the gas-liquid phase change has room for improvement in terms of preventing the naturally evaporated refrigerant from escaping into the atmosphere.
  • An object of the present invention is to suppress a naturally evaporated refrigerant from escaping into the atmosphere in a cooling device and an electronic device.
  • the cooling device accumulates the refrigerant immersed in the electronic device, evaporates the refrigerant with the heat of the electronic device to make the vapor, the starting end to which the vapor is supplied, and the condensed
  • a condensing pipe having an end for discharging steam; a separation section provided in a middle part of the condensing pipe; separating the condensed refrigerant and air; and taking the air out of the condensing pipe;
  • a refrigerant tank that accommodates the terminal end of the pipe and the separation part inside, stores the refrigerant discharged from the condenser pipe, and has a hole through which air flows; and a starting end connected to the refrigerant tank;
  • the inside of the condensing tube is always maintained at atmospheric pressure by the air tube. Therefore, it is possible to suppress the liquid level of the refrigerant in the refrigerant tank from rising and falling due to the pressure fluctuation in the condensation pipe, and the naturally evaporated refrigerant in the refrigerant tank is raised from the hole of the refrigerant tank to the atmosphere by the rise of the liquid level. It becomes possible to prevent running away.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a cooling device used by the inventor for examination.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a cooling device devised by the present inventor.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams for explaining the cause of leakage of the refrigerant vapor in the cooling device of FIG.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of the electronic device according to the first embodiment.
  • Fig.5 (a) is a perspective view of the connection part which concerns on 1st Embodiment
  • FIG.5 (b) is the top view which looked at the connection part which concerns on 1st Embodiment from the axial direction of the condensation pipe
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the separation unit according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a cooling device according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a result of an investigation as to how much the fluctuation in the liquid level of the refrigerant tank is suppressed in the first embodiment and its modification.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a calculation result of the annual disappearance amount of the refrigerant in the first embodiment and the modification thereof.
  • FIG. 10 is a perspective view of an immersion bath according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of the immersion tank according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of a cooling device according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a cooling device according to the fourth embodiment.
  • Fig. 1 is a block diagram of the cooling device used for the study.
  • the cooling device 1 is a cooling device that uses a gas-liquid phase change of the refrigerant C, and includes an immersion tank 2 in which the refrigerant C is stored, and a lid 3 for making the inside of the immersion tank 2 airtight. .
  • the circuit board 4 for servers and supercomputers is immersed in the refrigerant C.
  • An electronic component 4a such as a CPU is mounted on the circuit board 4, and the refrigerant C is vaporized by the heat of the electronic component 4a.
  • a cooling pipe 5 is provided inside the immersion tank 2.
  • the cooling pipe 5 cools the refrigerant C by flowing cooling water through the pipe, and is provided above the liquid level of the refrigerant C in this example. Since the refrigerant C liquefied on the outer surface of the cooling pipe 5 is dropped into the immersion tank 2 by gravity, a mechanism for circulating the refrigerant C in the immersion tank 2 can be eliminated.
  • the refrigerant C is vaporized by the heat of the electronic component 4a, and the electronic component 4a is cooled by the heat of vaporization. Therefore, as the refrigerant C, a liquid whose boiling point is lower than the heat generation temperature of the electronic component 4a is used.
  • Novec (registered trademark) manufactured by 3M is a product with a model number of 7000, a boiling point of 34 ° C., a product with a model number of 649, a boiling point of 49 ° C., a product with a model number of 7100, and a boiling point of 61 ° C. Therefore, Novec can be used as the refrigerant C when the heat generation temperature of the electronic component 4a is about 80 ° C.
  • the low-boiling point refrigerant C naturally evaporates and escapes into the atmosphere as described above, and therefore needs to be replenished for long-term use.
  • the low-boiling point refrigerant C such as Novec is expensive, frequent replenishment increases the running cost of the apparatus.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the cooling device 10.
  • the cooling device 10 is a cooling device that uses a gas-liquid phase change of the refrigerant, and includes an immersion tank 11, a vapor pipe 12, a condenser pipe 13, a refrigerant tank 14, and a liquid pipe 15.
  • the immersion tank 11 is a container for storing the insulating refrigerant C, and the electronic device 4 such as a circuit board is immersed in the refrigerant C.
  • the electronic device 4 is mounted with an electronic component 4a such as a CPU that generates heat at a temperature higher than the boiling point of the refrigerant C. Therefore, the refrigerant C is vaporized by the heat of the electronic component 4a, and the electronic component 4a is cooled by the heat of vaporization.
  • an electronic component 4a such as a CPU that generates heat at a temperature higher than the boiling point of the refrigerant C. Therefore, the refrigerant C is vaporized by the heat of the electronic component 4a, and the electronic component 4a is cooled by the heat of vaporization.
  • the vapor V of the refrigerant C is generated in the immersion tank 11, and the vapor V is introduced into the condensing pipe 13 through the vapor pipe 12.
  • the condenser tube 13 is a part of the cooling unit 18 that cools the refrigerant C, and cools and condenses the vapor V in the tube with the cooling water supplied to the cooling unit 18.
  • the refrigerant C thus condensed and liquefied flows out from the end of the condenser tube 13 and is temporarily stored in the refrigerant tank 14.
  • the pressure inside the refrigerant tank 14 is maintained at atmospheric pressure by providing the refrigerant tank 14 with a hole 14a through which air flows.
  • the refrigerant C in the refrigerant tank 14 returns to the immersion tank 11 again through the liquid pipe 15.
  • the immersion tank 11 and the refrigerant tank 14 have a pressure resistant structure. There is no need to.
  • the vapor of the refrigerant C leaking out from the hole 14a can be reduced, and the natural disappearance of the refrigerant C in the refrigerant tank 14 can be suppressed.
  • the contact area between the refrigerant C and the atmosphere inside the refrigerant tank 14 can be reduced and the refrigerant C can be prevented from spontaneously disappearing by making the refrigerant tank 14 into a narrow cylindrical shape.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic views of the cooling device 10 for explaining the cause.
  • each part of the cooling device 10 is simplified for easy understanding of the drawings.
  • the liquid phase refrigerant C in the cooling pipe 5 has a large amount of refrigerant C (FIG. 3A) and the liquid phase in the cooling pipe 5. It has been clarified that the state in which the refrigerant C is low (FIG. 3B) repeatedly occurs.
  • the amount of the refrigerant C in the refrigerant tank 14 also varies in conjunction with this, and the liquid level C s of the refrigerant C rises and falls.
  • the amount of the refrigerant C supplied to the refrigerant tank 14 is the amount of the refrigerant C flowing out of the refrigerant tank 14. Therefore, the liquid level C s of the refrigerant C decreases.
  • the amount of the refrigerant C supplied to the refrigerant tank 14 is the amount of the refrigerant C flowing out of the refrigerant tank 14. Therefore, the liquid level C s of the refrigerant C rises.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of the electronic device according to the present embodiment.
  • the electronic device 20 has a circuit board 25 and a cooling device 30 for cooling it.
  • the circuit board 25 is an example of an electronic device, and is a circuit board for a computer such as a server or a supercomputer.
  • the cooling device 30 is a cooling device using a gas-liquid phase change of the refrigerant, and includes an immersion tank 31, a vapor pipe 32, a condenser pipe 33, a refrigerant tank 34, a liquid pipe 35, and an air pipe 36.
  • the immersion tank 31 is a container for storing the insulating refrigerant C, and a supply port 31a for supplying the liquid-phase refrigerant C to the immersion tank 31 is provided on the side wall thereof.
  • the shape and size of the immersion bath 31 are not particularly limited, but in this example, the immersion bath 31 has a rectangular parallelepiped shape with a length L 1 of 180 mm, an internal height Z 1 of 230 mm, and a width of 50 mm. And in order to be able to observe the inside of immersion tank 31, immersion tank 31 is produced, for example with a transparent acrylic board with a thickness of 5 mm.
  • the material of the immersion bath 31 is not limited to this, and an engineering plastic that has strength and can be thinned may be used as the material of the immersion bath 31.
  • engineering plastics include polycarbonate resin, ABS (AcrylonitrilerylButadiene Styrene) resin, and PPS (Poly Phenylene Sulfide) resin. Since these engineering plastics are lightweight, they are advantageous for reducing the weight of the entire apparatus, and since they are inexpensive, the apparatus can be made inexpensive.
  • the type of the refrigerant C stored in the immersion tank 31 is not particularly limited.
  • Novec 7100 manufactured by 3M having a low boiling point and low viscosity is used as the refrigerant C.
  • Novec 7000 or Novec 649 may be used.
  • Novec is a chemically stable fluorine-based refrigerant that does not corrode various materials such as metals and resins. Another advantage of Novec is its high safety because it has no flash point.
  • circuit board 25 is immersed in the refrigerant C.
  • the size of the circuit board 25 is not particularly limited, but in this example, a square circuit board 25 having a side length of 170 mm is used. Further, since the refrigerant C is injected into the immersion tank 31 in an amount sufficient to completely immerse the circuit board 25, the liquid level of the refrigerant C immediately after the injection is measured from the bottom surface 31x of the immersion tank 31. It is about 170 mm.
  • the circuit board 25 Furthermore, on the circuit board 25, four electronic components 25a such as a CPU that generate heat during operation are mounted.
  • the size of the electronic component 25a is not particularly limited, and for example, a CPU having a side length of about 45 mm can be used as the electronic component 25a.
  • the refrigerant C is insulative, there is no possibility that the circuit board 25 and the electronic component 25a are electrically short-circuited by the refrigerant C.
  • the refrigerant C Since the heat generation temperature of the electronic component 25a is higher than the boiling point of the refrigerant C, the refrigerant C is vaporized by the heat of the electronic component 25a, and the electronic component 25a is cooled by the heat of vaporization. Further, when the refrigerant C is vaporized in this way, the vapor V is generated in the immersion tank 31.
  • the steam V is introduced into the condensing pipe 33 through the steam pipe 32.
  • the steam pipe 32 is, for example, a resin tube having a diameter of 3/8 inch, and its start end 32a is connected to the immersion bath 31 and its end 32b is connected to a connecting portion 38 to be described later.
  • the condenser tube 33 is a part of the condensing unit 37 that cools and condenses the refrigerant C, and cools and condenses the vapor V in the tube with the cooling water supplied to the condensing unit 37.
  • the temperature of the cooling water is not particularly limited as long as it is lower than the boiling point of the refrigerant C, and may be, for example, 15 ° C.
  • a plurality of grooves may be provided on the inner wall of the cooling pipe 33 to increase the surface area of the inner wall.
  • the connecting portion 38 is provided at the starting end 33 a of the condensing tube 33, and the end 32 b of the steam pipe 32 is connected to the connecting portion 38, whereby the steam V is introduced from the end 32 b into the condensing tube 33.
  • the refrigerant C condensed in the condenser tube 33 is discharged from the end 33b of the condenser tube 33 in a supercooled state cooled to a temperature lower than the boiling point thereof.
  • the terminal 33b is provided at a position lower than the connecting portion 38 so that the liquefied refrigerant C can flow through the condensing pipe 33 without stagnation.
  • the shape of the condensing pipe 33 is not particularly limited, but it is preferable to promote heat exchange between the cooling water and the steam V by using a meandering pipe as the condensing pipe 33.
  • Such meandering pipes can be produced, for example, by connecting ten straight copper pipes having a length of 150 mm and an outer diameter of 8 mm with U-shaped pipes.
  • a separation part 39 is provided in the middle part 33 c of the condensation pipe 33.
  • the midway portion 33 c is a portion through which the liquid-phase refrigerant C flows in the condensing tube 33, and extends along the vertical direction Z.
  • the separation unit 39 separates the condensed liquid phase refrigerant C and the air, and takes the separated air out of the condenser tube 33.
  • the liquid-phase refrigerant C separated from the air by the separation unit 39 is discharged from the end 33 b of the condensation pipe 33.
  • the refrigerant tank 34 is a tank for temporarily accumulating the refrigerant C discharged from the condensing pipe 33, and accommodates the terminal end 33b of the condensing pipe 33 and the separation part 39 inside thereof.
  • the separation part 39 since the separation part 39 is located at a position higher than the liquid level C s of the refrigerant C, the liquid phase refrigerant C in the refrigerant tank 34 does not enter the condensation pipe 33 from the separation part 39. .
  • the refrigerant tank 34 includes a plate 40 that partitions the inside and the outside of the refrigerant tank 34, and the plate 40 is provided with a hole 34b through which air flows. Through the hole 34b, the inside of the refrigerant tank 34 is released to the atmosphere, and the pressure in the refrigerant tank 34 and the immersion tank 31 communicating with the refrigerant tank 34 is always maintained at atmospheric pressure. Therefore, even if the vapor V of the refrigerant C is generated in the immersion tank 31 by the heat of the electronic component 25a, the pressure inside the immersion tank 31 or the refrigerant tank 34 does not become higher than the atmospheric pressure, and the immersion tank 31 or The refrigerant tank 34 does not need to have a pressure resistant structure.
  • a light and low-cost material such as engineering plastic can be used as the material of the immersion tank 31 and the refrigerant tank 34, and the cost of the cooling device 30 can be reduced.
  • the refrigerant C discharged from the end 33b of the condenser tube 33 is in a supercooled state as described above, the temperature is low and it is difficult to evaporate immediately even if it is exposed to air. Therefore, even if the hole 34b is provided in the refrigerant tank 34 in this way, the vapor of the refrigerant C that escapes from the hole 34b can be reduced.
  • the hole 34b also functions as a supply port for supplying the refrigerant C into the refrigerant tank 34.
  • the hole 34b by reducing the diameter of the hole 34b to 10 mm, the amount of the refrigerant C that escapes from the hole 34b is reduced.
  • start end 36 a of the air pipe 36 is connected to the refrigerant tank 34.
  • end 36 b of the air pipe 36 is connected to the connection portion 38, whereby the air in the refrigerant tank 34 is supplied to the start end 33 a of the condensing pipe 33 through the air pipe 36.
  • the size of the refrigerant tank 34 is not particularly limited, for example, an internal height Z 2 of the refrigerant tank 34 is 400 mm.
  • the shape of the coolant tank 34 when viewed from the top, the length of one side L 2 is a 50mm square shape.
  • a discharge port 34 a for discharging the liquid phase refrigerant C is provided at the lower part of the refrigerant tank 34.
  • the discharge port 34 a is connected to the supply port 31 a of the immersion tank 31 by a liquid pipe 35, and the refrigerant C is supplied from the refrigerant tank 34 to the immersion tank 31 through the liquid pipe 35.
  • ⁇ is the density of the refrigerant C, and in the case of Novec 7100, it is 1520 kg / m 3 .
  • G is the gravitational acceleration.
  • the liquid level of the refrigerant C in the immersion tank 31 is at a height of 230 mm from the bottom surface 31x.
  • the internal height Z 2 of the refrigerant tank 34 is higher than the internal height Z 1 of the immersion tank 21.
  • FIG. 5A is a perspective view of the connecting portion 38.
  • a cylindrical enormous portion 33x having a diameter larger than other portions of the condensing tube 33 is provided at the start end 33a of the condensing tube 33.
  • the enormous portion 33x is coaxial with the end 36b of the air pipe 36 and surrounds the end 36b from the outside.
  • the end 32b of the steam pipe 32 is connected to the outer surface of the enormous portion 33x.
  • FIG. 5B is a top view of the connecting portion 38 as viewed from the axial direction A of the condensing tube 33.
  • the steam pipe 32 is connected to the enormous portion 33x of the condensing pipe 33 so that the central axis 32c of the steam pipe 32 deviates from the center 33c of the condensing pipe 33. .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the separation part 39.
  • a tube 40 facing obliquely upward with respect to the vertical direction is connected to the condensing tube 33 in the separation unit 39.
  • the tube 40 includes a first open end 40a located inside the condensing tube 33 and a second open end 40b located outside the condensing tube 33 and higher than the first open end 40a.
  • the liquid-phase refrigerant C flows down along the wall of the condensing tube 33, so that the air flows closer to the center of the condensing tube 33. Therefore, as shown in FIG. 6, the first open end 40 a of the tube 40 protrudes toward the inside of the condensation tube 33, thereby preventing the liquid phase refrigerant C from entering the tube 40, and the condensation tube 33. It is preferable that air flowing near the center of the tube is easily taken into the tube 40.
  • the cooling device 30 since the refrigerant tank 34 and the start end 33a of the condensing pipe 33 are connected by the air pipe 36 as shown in FIG. 4, fluctuations in the pressure P inside the condensing pipe 33 can be suppressed. As a result, unlike the example of FIGS. 3A and 3B, the liquid level C s is suppressed from rising and falling in the refrigerant tank 34 due to the fluctuation of the pressure P, and the naturally evaporated refrigerant C is included. Air can be prevented from leaking out of the refrigerant tank 34 through the hole 34b.
  • the number of times the expensive refrigerant C is replenished to the refrigerant tank 34 can be reduced, and the running cost of the cooling device 30 can be suppressed.
  • the inventor of the present application verified the cooling performance of the cooling device 30 by operating each electronic component 25a.
  • the temperature of one electronic component 25a is 79 ° C.
  • Novec 7100 having a boiling point of 61 ° C. was used as the refrigerant C.
  • Novec 649 (boiling point 49 ° C.) having a lower boiling point or Novec 7000 is used. (Boiling point 34 ° C.) may be used as the refrigerant C.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a cooling device according to a modification of the present embodiment.
  • FIG. 7 the same elements as those described in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 4, and description thereof is omitted below.
  • a first check valve 51 is provided in the liquid pipe 35 and a second check valve 52 is provided in the air pipe 36.
  • the first check valve 51 prevents the liquid-phase refrigerant C from flowing back from the immersion tank 31 to the refrigerant tank 34.
  • the refrigerant C is prevented from flowing back from the immersion tank 31 to the refrigerant tank 34 and the liquid level C s is increased in the refrigerant tank 34, and the vapor of the refrigerant C is contained as the liquid level C s rises. Air can be prevented from escaping from the hole 34b.
  • the second check valve 52 prevents air from flowing back from the end 36b of the air pipe 36 to the start end 36a.
  • the end 36b of the air pipe 36 may temporarily be at a higher pressure than the starting end 36a.
  • the horizontal axis of FIG. 8 is the total value (W) of the calorific values of all the electronic components 25 a immersed in the immersion bath 31. Further, the vertical axis in FIG. 8 represents the fluctuation amount (mm) of the liquid level C s .
  • the cooling apparatus 10 of FIG. 2 was used as a comparative example, and the same investigation was conducted for the comparative example.
  • the fluctuation of the liquid level C s is suppressed to about 1/5 of the comparative example (FIG. 2), and the liquid level C s is further increased than in the present embodiment (FIG. 4). Fluctuations are suppressed. Therefore, it was confirmed that it be provided with a first check valve 51 and the second check valve 52 as in Comparative Example is effective for suppressing the fluctuation of the liquid surface C s.
  • the inventor of the present application calculated the annual amount of refrigerant C lost when the cooling device was driven for 8 hours per day based on the investigation result of FIG. The calculation result is shown in FIG.
  • FIG. 9 is the total value of the heat generation amount (W) of all the electronic components 25a immersed in the immersion tank 31.
  • the horizontal axis of FIG. In addition, the vertical axis of FIG. 9 represents the annual disappearance amount (liter / year) of the liquid-phase refrigerant C.
  • FIG. 10 is a perspective view of the immersion bath 31 according to the present embodiment.
  • the same elements as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted below.
  • a removable lid 60 is provided in the upper opening 31 z of the immersion tank 31.
  • the lid 60 has a rectangular shape that closes the upper opening 31z in a plan view, and an external connector 61 is provided on the outer surface 60a. And the tip of the external cable 63 is fixed to the external connector 61.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of the immersion bath 31.
  • the external connector 61 has a male connector 61a and a female connector 61b that are detachable from each other.
  • the female connector 61b is fixed to the outer surface 60a of the lid 60, and is electrically connected to the circuit board 25 via the cable 65.
  • the upper opening 31z of the dipping tank 31 has a size that allows the circuit board 25 to be taken in and out, and the circuit board 25 can be taken in and out of the dipping tank 31 through the upper opening 31z.
  • the circuit board 25 can be easily pulled up from the immersion bath 21 by removing the lid 60, and maintenance of the immersion bath 31 is performed. Improves.
  • the external connector 61 and the circuit board 25 are connected by the cable 65, even if the circuit board 25 is accommodated in the immersion tank 31, a signal is transmitted between the outside of the immersion tank 31 and the circuit board 25. Can send and receive.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of the cooling device according to the present embodiment.
  • the same elements as those described in the first embodiment and the second embodiment are denoted by the same reference numerals as those in these embodiments, and the description thereof is omitted below.
  • a plurality of immersion tanks 31 are connected in parallel.
  • the number of immersion tanks 31 is not particularly limited as long as it is plural, and the number is set to five here.
  • the liquid pipe 35 is connected to a first manifold 71 for branching the liquid phase refrigerant C from the refrigerant tank 34 to each of the plurality of immersion tanks 31.
  • the first manifold 71 has a plurality of first branch pipes 71 a, and each first branch pipe 71 a is connected to each immersion bath 31 by a first joint 73.
  • the size of the first manifold 71 is not particularly limited.
  • the lateral width of the first manifold 71 is about 400 mm
  • the cross-sectional area of the flow path of the first manifold 71 at the portion connected to the liquid pipe 35 is about 40 mm 2 .
  • the first joint 73 has a detachable stem 73a and a body 73b, and the refrigerant C does not leak from the first joint 73 even if they are separated from each other. It is easy to separate 31 and perform maintenance.
  • Examples of such joints include SS-QC6-B-600 and SS-QC6-D-600 manufactured by Swagelok.
  • first branch pipe 71a for example, a resin tube having an outer shape of 3/8 inch can be used.
  • a second manifold 72 that collects the vapor V of the refrigerant C generated in each immersion tank 31 and supplies it to the steam pipe 32 is connected to each of the plurality of immersion tanks 31.
  • the second manifold 72 has a plurality of second branch pipes 72 a, and each second branch pipe 72 a is connected to each immersion bath 31 by a detachable second joint 74.
  • the second manifold 72, the second branch pipe 72a, and the second joint 74 are the same as the first manifold 71, the first branch pipe 71a, and the first joint 73, respectively. obtain.
  • a server may be constructed with a single circuit board 25, or a single computing node of a supercomputer may be constructed with a single circuit board 25.
  • Each dip tank 31 is provided with the removable lid 60 described in the second embodiment.
  • each component is the same as in the first embodiment.
  • the bottom surfaces 31x and 34x of the immersion tank 31 and the refrigerant tank 34 are at the same height
  • the internal height of the refrigerant tank 34 is 400 mm
  • the internal height of the immersion tank 31 is 230 mm.
  • the heating value of one circuit board 25 is 100 W
  • the total heating value of the five circuit boards 25 is 500 W at the maximum.
  • the refrigerant C can be circulated in the cooling device 30.
  • the lid 60 of the immersion tank 31 that accommodates the circuit board 25 is removed, and the immersion tank 21 is removed. Only need to be released to the atmosphere.
  • the lid 60 of the immersion tank 31 that accommodates the circuit board 25 in operation that is not subject to maintenance can be kept closed, and a large amount of the refrigerant C vaporized by the heat of the circuit board 25 is generated. Escape to the atmosphere can be prevented.
  • the circuit board 25 can be continuously cooled with the refrigerant C, so that the state in which the circuit board 25 is operating is maintained. It is possible to continue.
  • each of the plurality of circuit boards 25 is each calculation node of one supercomputer, it is possible to operate a calculation node that is not subject to maintenance, and therefore it is possible to continue operating the supercomputer itself. It becomes possible.
  • this inventor investigated the cooling performance of this cooling device 30 by operating each electronic component 25a.
  • one server was constructed with one circuit board 25, and the heat generation amount of one electronic component 25a was 25W.
  • the temperature of one electronic component 25a was about 70 ° C. This temperature was substantially the same as in the example of FIG. From this, it was confirmed that the air pipe 36 does not hinder the cooling performance of the cooling device 30 even when the plurality of cooling tanks 31 are provided in parallel as in the present embodiment.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of the cooling device according to the present embodiment.
  • the same elements as those described in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals as those in these embodiments, and the description thereof is omitted below.
  • the refrigerant C circulates in the cooling device 30 also in this embodiment.
  • the refrigerant C undergoes various pressure losses in the cooling device 30.
  • the pressure loss when the liquid-phase refrigerant C moves through the liquid pipe 35 the pressure loss when the vapor V moves through the vapor pipe 32, and the refrigerant C moves through the condensation pipe 33.
  • the height difference h is determined so that the sum of these pressure losses and the aforementioned ⁇ P are balanced.
  • the bottom surface 34x of the refrigerant tank 34 is provided at a position higher than the bottom surface 31x of the immersion tank 31.
  • the discharge port 34 a of the refrigerant tank 34 is provided at a position higher than the supply port 31 a of the immersion tank 31.
  • the liquid level C s of the refrigerant C in the refrigerant tank 34 is likely to be higher than the liquid level in the immersion tank 31.
  • the height difference h between the two liquid levels becomes large, and it becomes possible to ensure a driving force large enough for the refrigerant C to circulate in the cooling device.

Abstract

冷却装置及び電子装置において、自然蒸発した冷媒が大気中に逃げるのを抑制する。冷却装置(30)は、電子機器(25)の熱で冷媒(C)を蒸発させて蒸気(V)にする浸漬槽(31)と、蒸気が供給される始端(33a)と凝縮した蒸気を排出する終端(33b)とを備えた凝縮管(33)と、凝縮管の中途部(33c)に設けられ、凝縮した冷媒と空気とを分離して空気を凝縮管の外に取り出す分離部(39)と、凝縮管の終端と分離部とを内側に収容すると共に凝縮管から排出された冷媒を溜め、かつ空気が流通する孔(34b)を備えた冷媒タンク(34)と、冷媒タンクに接続された始端(36a)と凝縮管の始端に接続された終端(36b)とを有し冷媒タンクから凝縮管に空気を供給する空気管(36)と、冷媒タンクから浸漬槽に冷媒を供給する液管(35)と、浸漬槽から凝縮管に蒸気を供給する蒸気管(32)とを有する。

Description

冷却装置及び電子装置
　本発明は、冷却装置及び電子装置に関する。
　サーバやスーパーコンピュータ等の電子機器を冷却する液冷方式として、液槽に溜められた絶縁性の冷媒の中に電子機器を浸漬することにより、その電子機器を冷却する浸漬液冷が知られている。
　その浸漬液冷は、液単相の冷却方式と、気液相変化を利用した冷却方式とに分けられる。
　このうち、液単相の冷却方式は、冷媒を気化させることなしに、液相の冷媒により電子機器を冷却する方式である。
　この方式では、電子機器に実装されているCPU(Central Processing Unit)等の電子部品の熱で冷媒が気化しないようにするため、その電子部品の発熱温度よりも十分に高い沸点を持つ化学合成オイルが冷媒として使用される。そして、ポンプを用いてその冷媒を熱交換器と液槽との間で循環させることにより、熱交換器で冷却された冷媒を液槽に供給し、その冷媒で液槽中の電子機器を冷却する。
　しかしながら、化学合成オイルは粘性が高いため冷却能力が低く、その冷却能力を補うためにポンプの駆動力を増やして冷媒の循環を速める必要がある。
　更に、粘性が高いと、メンテナンスのために電子機器を液槽から引き上げたときに、電子機器から冷媒が滴り落ちるのに時間がかかり、保守性が悪くなるという問題もある。
　一方、気液相変化を利用した冷却方式では、電子機器の熱により冷媒を気化してその気化熱で電子機器を冷却する方式であり、電子機器の熱で冷媒が気化できるように沸点が低く蒸発し易い冷媒が使用される。
　このように沸点が低い冷媒は、液単相の冷却方式で使用されるものと比較して粘性が低い。よって、前述のようにポンプの駆動力を増やす必要もないし、電子機器から冷媒が短時間で滴り落ちるので保守性もよい。
　但し、気液相変化を利用した冷却方式には、自然蒸発した冷媒が大気中に逃げるのを防ぐという点で改善の余地がある。
特開平９－１６２５７９号公報 特開平１－２６４２４７号公報
　本発明は、冷却装置及び電子装置において、自然蒸発した冷媒が大気中に逃げるのを抑制することを目的とする。
　１つの態様では、冷却装置は、電子機器が浸漬した冷媒を溜めると共に、前記電子機器の熱で前記冷媒を蒸発させて蒸気にする浸漬槽と、前記蒸気が供給される始端と、凝縮した前記蒸気を排出する終端とを備えた凝縮管と、前記凝縮管の中途部に設けられ、凝縮した前記冷媒と空気とを分離して前記空気を前記凝縮管の外に取り出す分離部と、前記凝縮管の前記終端と前記分離部とを内側に収容すると共に、前記凝縮管から排出された前記冷媒を溜め、かつ空気が流通する孔を備えた冷媒タンクと、前記冷媒タンクに接続された始端と、前記凝縮管の前記始端に接続された終端とを有し、前記冷媒タンクから前記凝縮管に空気を供給する空気管と、前記冷媒タンクから前記浸漬槽に前記冷媒を供給する液管と、前記浸漬槽から前記凝縮管に前記蒸気を供給する蒸気管とを有する。
　以下の開示によれば、空気管によって凝縮管内が常に大気圧に維持される。そのため、凝縮管内の圧力変動に起因して冷媒タンク内の冷媒の液面が上下するのを抑制することができ、冷媒タンク内で自然蒸発した冷媒が液面の上昇によって冷媒タンクの孔から大気に逃げるのを防ぐことが可能となる。
図１は、本願発明者が検討に使用した冷却装置の構成図である。 図２は、本願発明者が案出した冷却装置の構成図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、図２の冷却装置において冷媒の蒸気が漏れ出る原因について説明するための模式図である。 図４は、第１実施形態に係る電子装置の構成図である。 図５（ａ）は、第１実施形態に係る接続部の斜視図であり、図５（ｂ）は、第１実施形態に係る接続部を凝縮管の軸方向から見た上面図である。 図６は、第１実施形態に係る分離部の断面図である。 図７は、第１実施形態の変形例に係る冷却装置の構成図である。 図８は、第１実施形態とその変形例において、冷媒タンクの液面の高さの変動がどの程度抑制されるのかについての調査結果を示す図である。 図９は、第１実施形態とその変形例において、冷媒の年間の消失量の計算結果を示す図である。 図１０は、第２実施形態に係る浸漬槽の斜視図である。 図１１は、第２実施形態に係る浸漬槽の分解斜視図である。 図１２は、第３実施形態に係る冷却装置の構成図である。 図１３は、第４実施形態に係る冷却装置の構成図である。
　本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
　図１は、その検討に使用した冷却装置の構成図である。
　この冷却装置１は、冷媒Cの気液相変化を利用した冷却装置であって、冷媒Cが溜められた浸漬槽２と、その浸漬槽２の内部を気密にするための蓋３とを有する。
　冷媒Cには、サーバやスーパーコンピュータ用の回路基板４が浸漬される。回路基板４には、CPU等の電子部品４ａが実装されており、その電子部品４ａの熱により冷媒Cが気化する。
　このように気化した冷媒Cを液化するため、浸漬槽２の内部には冷却管５が設けられる。冷却管５は、管内に冷却水を流すことにより冷媒Cを冷却するものであり、この例では冷媒Cの液面の上方に設けられる。冷却管５の外側表面で液化した冷媒Cが重力で浸漬槽２内に滴下するため、浸漬槽２内で冷媒Cを循環させる機構が不要にすることができる。
　この冷却装置１においては、前述のように電子部品４ａの熱で冷媒Cを気化し、その気化熱で電子部品４ａを冷却する。そのため、冷媒Cとしてはその沸点が電子部品４ａの発熱温度よりも低い液が使用される。
　例えば、3M社製のノベック（登録商標）は、型番が7000の製品で沸点が３４℃、型番が649の製品で沸点が４９℃、型番が7100の製品で沸点が６１℃である。よって、電子部品４ａの発熱温度が８０℃程度の場合にはノベックを冷媒Cとして使用し得る。
　このように低沸点の冷媒Cを使用することで電子部品４ａの冷却が促されるため、電子部品４ａのリーク電流が抑制されてその消費電力を低減できる。
　但し、このように低沸点の冷媒Cは、自然に蒸発して大気中に逃げてしまうため、長期の使用の際には補充が必要となる。特に、ノベック等のように低沸点の冷媒Cは高価であるため、頻繁に補充をすると装置のランニングコストが上昇してしまう。
　冷媒Cが大気中に逃げるのを防止するには、この例のように浸漬槽２に蓋３を設けるのが有効であると考えられる。
　しかし、蓋３によって浸漬槽２を完全に密閉してしまうと、浸漬槽２の内部と外部との温度差によって浸漬槽２に大きな圧力が印加されてしまう。
　本願発明者の試算によれば、上面視したときの蓋３の面積が５００mm2のとき、浸漬槽２の内部の温度が外部よりも２０℃高くなると、浸漬槽２の内部から蓋３に１７０kgfの力が加わる。これでは浸漬槽２が変形したり破損したりするおそれがあるため、蓋３で浸漬槽２を完全に密閉するのは危険である。
　そして、このような危険性を除去するには、浸漬槽２を高耐圧化する等の対策が必要となり、装置構成が大掛かりになるという問題がある。
　この問題を解決するために、本願発明者は別の冷却装置を案出した。
　図２は、その冷却装置１０の構成図である。
　この冷却装置１０は、冷媒の気液相変化を利用した冷却装置であって、浸漬槽１１、蒸気管１２、凝縮管１３、冷媒タンク１４、及び液管１５を有する。
　このうち、浸漬槽１１は絶縁性の冷媒Cを溜めるための容器であり、その冷媒Cに回路基板等の電子機器４が浸漬される。
　電子機器４には、冷媒Cの沸点よりも高い温度で発熱するCPU等の電子部品４ａが実装される。そのため、電子部品４ａの熱によって冷媒Cが気化すると共に、その気化熱で電子部品４ａが冷却される。
　また、このように冷媒Cが気化すると、冷媒Cの蒸気Vが浸漬槽１１で発生し、その蒸気Vが蒸気管１２を通って凝縮管１３に導入される。
　凝縮管１３は、冷媒Cを冷却する冷却部１８の一部であって、冷却部１８に供給される冷却水によって管内の蒸気Vを冷却して凝縮する。
　このように凝縮されて液化した冷媒Cは、凝縮管１３の終端から流れ出て冷媒タンク１４に一時的に溜められる。
　この例では、冷媒タンク１４に空気が流通する孔１４ａを設けることで、冷媒タンク１４の内側の圧力を大気圧に維持する。
　そして、冷媒タンク１４内の冷媒Cは、液管１５を通って再び浸漬槽１１に戻る。
　このような冷却装置１０によれば、冷媒タンク１４の孔１４ａによって冷媒タンク１４やこれに連通する浸漬槽１１内の圧力を常に大気圧に維持するため、浸漬槽１１や冷媒タンク１４を耐圧構造とする必要がない。
　更に、その孔１４ａを小径にすることで、孔１４ａから外に漏れ出る冷媒Cの蒸気を少なくでき、冷媒タンク１４内の冷媒Cが自然消失するのを抑制できると考えられる。
　また、冷媒タンク１４を幅の狭い筒状にすることによっても、冷媒タンク１４の内部で冷媒Cと大気との接触面積が減り、冷媒Cが自然消失するのを抑制できるとも考えられる。
　ところが、本願発明者の調査によれば、想定よりも多くの冷媒Cの蒸気が孔１４ａから漏れ出ることが明らかとなった。
　図３（ａ）、（ｂ）は、その原因について説明するための冷却装置１０の模式図である。なお、これらの図においては、図を分り易くするために冷却装置１０の各部を簡略化している。
　図３（ａ）、（ｂ）に示すように、この冷却装置１０においては、冷却管５内の液相の冷媒Cが多い状態（図３（ａ））と、冷却管５内の液相の冷媒Cが少ない状態（図３（ｂ））とが繰り返して生じることが明らかとなった。
　これは、冷却管５内の圧力Pが不安定であり、その圧力Pが変動することで冷却管５内の冷媒Cの量も変動するためである。
　このように冷却管５内で冷媒Cの量が変動すると、これに連動して冷媒タンク１４内の冷媒Cの量も変動し、その冷媒Cの液面Csが上下する。
　例えば、冷却装置１０が図３（ｂ）から図３（ａ）の状態に移行している途中では、冷媒タンク１４に供給される冷媒Cの量が冷媒タンク１４から流出する冷媒Cの量を下回るため、冷媒Cの液面Csが低下する。
　この場合には、液面Csの低下によって孔１４ａから冷媒タンク１４に空気が流れ込むものの、これによる実害はない。
　一方、冷却装置１０が図３（ａ）から図３（ｂ）の状態に移行している途中では、冷媒タンク１４に供給される冷媒Cの量が冷媒タンク１４から流出する冷媒Cの量を上回るため、冷媒Cの液面Csが上昇する。
　このとき、液面Csの上昇によって、自然蒸発した冷媒Cを含む空気が孔１４ａを介して冷媒タンク１４から外部に漏れ出てしまう。
　その結果、高価な冷媒Cを補充しなければならず、冷却装置１０のランニングコストが上昇してしまう。
　以下に、このように自然蒸発した冷媒が大気中に逃げるのを抑制することが可能な各実施形態について説明する。
　（第１実施形態）
　図４は、本実施形態に係る電子装置の構成図である。
　この電子装置２０は、回路基板２５とそれを冷却するための冷却装置３０とを有する。
　回路基板２５は、電子機器の一例であって、例えばサーバやスーパーコンピュータ等の計算機用の回路基板である。
　また、冷却装置３０は、冷媒の気液相変化を利用した冷却装置であって、浸漬槽３１、蒸気管３２、凝縮管３３、冷媒タンク３４、液管３５、及び空気管３６を有する。
　このうち、浸漬槽３１は絶縁性の冷媒Cを溜めるための容器であり、その側壁には浸漬槽３１に液相の冷媒Cを供給するための供給口３１ａが設けられる。
　浸漬槽３１の形状や大きさは特に限定されないが、この例では浸漬槽３１を長さL1が１８０mm、内部高さZ1が２３０mm、幅が５０mmの直方体形状とする。そして、浸漬槽３１の内部を観察できるようにするため、例えば厚さが５mmの透明アクリル板で浸漬槽３１を作製する。
　但し、浸漬槽３１の材料はこれに限定されず、強度があり厚さを薄くすることが可能なエンジニアリングプラスチックを浸漬槽３１の材料として使用してもよい。そのようなエンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)樹脂、及びPPS(Poly Phenylene Sulfide)樹脂等がある。これらのエンジニアリングプラスチックは、軽量であるため装置全体の軽量化に有利であり、更に安価であるため装置を低廉化することもできる。
　なお、薄いステンレス板やアルミニウム板に対して板金加工を施すことにより浸漬槽３１を作製してもよい。
　また、この浸漬槽３１に溜められる冷媒Cの種類は特に限定されない。この例では、沸点が低く粘性が低い3M社製のノベック7100を冷媒Cとして使用する。なお、ノベック7100に代えて、ノベック7000やノベック649を使用してもよい。ノベックは、化学的に安定なフッ素系の冷媒であり、金属や樹脂等の各種材料を腐食するおそれがない。また、引火点を持たないため安全性が高いこともノベックの利点である。
　そして、その冷媒Cには回路基板２５が浸漬される。
　回路基板２５の大きさは特に限定されないが、この例では一辺の長さが１７０mmの正方形状の回路基板２５を使用する。また、冷媒Cは、その回路基板２５が完全に浸漬する程度の量だけ浸漬槽３１に注入されるため、注入直後の冷媒Cの液面の高さは、浸漬槽３１の底面３１ｘから測って１７０mm程度となる。
　更に、回路基板２５には、動作時に発熱するCPU等の電子部品２５ａが四個実装される。一つの電子部品２５ａの発熱量は１００W程度であり、一つの回路基板２５においては４００W（＝４×１００W）程度の発熱量となる。
　電子部品２５ａの大きさも特に限定されず、例えば一辺の長さが４５mm程度のCPUを電子部品２５ａとして使用し得る。
　また、冷媒Cは絶縁性であるため、冷媒Cによって回路基板２５や電子部品２５ａが電気的にショートするおそれはない。
　そして、電子部品２５ａの発熱温度は冷媒Cの沸点よりも高いため、電子部品２５ａの熱によって冷媒Cが気化し、その気化熱で電子部品２５ａが冷却される。また、このように冷媒Cが気化すると、その蒸気Vが浸漬槽３１で発生する。
　その蒸気Vは、蒸気管３２を通って凝縮管３３に導入される。
　蒸気管３２は、例えば直径が３／８インチの樹脂チューブであって、その始端３２ａが浸漬槽３１に接続されており、かつ終端３２ｂが後述の接続部３８に接続される。
　一方、凝縮管３３は、冷媒Cを冷却して凝縮する凝縮部３７の一部であって、凝縮部３７に供給される冷却水によって管内の蒸気Vを冷却して凝縮する。冷却水の温度は冷媒Cの沸点よりも低ければ特に限定されず、例えば１５℃とし得る。
　なお、その冷却水と蒸気Vとの熱交換を促すために、冷却管３３の内壁に複数の溝を設け、当該内壁の表面積を増やしてもよい。
　また、この例では、凝縮管３３の始端３３ａに接続部３８を設け、その接続部３８に蒸気管３２の終端３２ｂを接続することで、終端３２ｂから凝縮管３３内に蒸気Vを導入する。
　凝縮管３３において凝縮した冷媒Cは、その沸点よりも低い温度に冷却された過冷却の状態で凝縮管３３の終端３３ｂから排出される。
　この例では、終端３３ｂを接続部３８よりも低い位置に設けることにより、液化した冷媒Cが淀みなく凝縮管３３を流通できるようにする。
　凝縮管３３の形状は特に限定されないが、凝縮管３３として蛇行配管を用いることにより冷却水と蒸気Vとの熱交換を促すのが好ましい。そのような蛇行配管は、例えば、長さが１５０mmで外径が８mmの１０本の銅製の直管をU字管で接続することで作製され得る。
　また、凝縮管３３の中途部３３ｃには分離部３９が設けられる。中途部３３ｃは、凝縮管３３において液相の冷媒Cが流通する部分であって、鉛直方向Zに沿って延びる。
　そして、分離部３９は、凝縮した液相の冷媒Cと空気とを分離し、分離後の空気を凝縮管３３の外に取り出す。なお、分離部３９で空気と分離された液相の冷媒Cは、凝縮管３３の終端３３ｂから排出される。
　一方、冷媒タンク３４は、凝縮管３３から排出された冷媒Cを一時的に溜めるタンクであって、その内側に凝縮管３３の終端３３ｂと分離部３９とを収容する。
　これらのうち、分離部３９は、冷媒Cの液面Csよりも高い位置に位置しているため、冷媒タンク３４内の液相の冷媒Cが分離部３９から凝縮管３３に入ることはない。
　更に、冷媒タンク３４は、その内部と外部とを仕切る板４０を備えており、その板４０には空気が流通する孔３４ｂが設けられる。孔３４ｂにより、冷媒タンク３４内が大気に解放された状態となり、冷媒タンク３４やこれに連通する浸漬槽３１内の圧力は常に大気圧に維持される。そのため、電子部品２５ａの熱によって浸漬槽３１内で冷媒Cの蒸気Vが発生しても、浸漬槽３１や冷媒タンク３４の内部の圧力が大気圧よりも高くなることはなく、浸漬槽３１や冷媒タンク３４を耐圧構造とする必要がない。
　これにより、浸漬槽３１や冷媒タンク３４の材料としてエンジニアリングプラスチック等の軽量で低コストの材料を使用することができ、冷却装置３０の低コスト化を図ることができる。
　また、凝縮管３３の終端３３ｂから排出された冷媒Cは、前述のように過冷却の状態にあるため、温度が低く空気に触れてもすぐには蒸発し難い。そのため、このように冷媒タンク３４に孔３４ｂを設けても、その孔３４ｂから外に逃げる冷媒Cの蒸気を少なくすることができる。
　なお、孔３４ｂは、冷媒タンク３４内に冷媒Cを供給する供給口としての機能も兼ねる。本実施形態では、孔３４ｂの直径を１０mmと小径にすることで、孔３４ｂから外に逃げる冷媒Cの蒸気の量を減らす。
　更に、冷媒タンク３４には、空気管３６の始端３６ａが接続される。その空気管３６の終端３６ｂは接続部３８に接続されており、これにより冷媒タンク３４内の空気が空気管３６を介して凝縮管３３の始端３３ａに供給されることになる。
　その結果、凝縮管３３の内部は常に冷媒タンク３４内と同じ大気圧に維持されるので、冷却管３３の内部の圧力Pが変動するのを防止できる。
　冷媒タンク３４のサイズは特に限定されないが、例えば冷媒タンク３４の内部高さZ2は４００mmである。また、上面視したときの冷媒タンク３４の形状は、一辺の長さL2が５０mmの正方形状とする。
　なお、長さL2をこれよりも更に短くすることで冷媒タンク３４内にける冷媒Cと空気との接触面積を減らし、冷媒タンク３４内で自然に蒸発する冷媒Cの量を減らしてもよい。
　更に、冷媒タンク３４の下部には、液相の冷媒Cを排出する排出口３４ａが設けられる。
　その排出口３４ａは、浸漬槽３１の供給口３１ａと液管３５により繋げられており、その液管３５を介して冷媒タンク３４から浸漬槽３１に冷媒Cが供給される。
　ここで、浸漬槽３１内において蒸気Vが発生していない場合には、浸漬槽３１と冷媒タンク３４の各々の冷媒Cの液面に均等に大気圧がかかるため、これらの液面は同じ高さにある。
　一方、浸漬槽３１内において蒸気Vが発生している状態では、浸漬槽３１における冷媒Cの液面が低下し、かつ冷媒タンク３４における冷媒Cの液面Csが上昇するため、各液面に高低差hが生じる。
　本実施形態では、その高低差hから生じる圧力差ΔP=ρghが冷媒タンク３４から浸漬槽３１に冷媒Cを供給する動力源となるため、冷媒Cを循環させるためのポンプ等の動力源は不要である。なお、ρは冷媒Cの密度であって、ノベック7100の場合は１５２０kg/m3である。また、gは重力加速度である。
　高低差hが大きいほど圧力差ΔP（=ρgh）が大きくなり、冷媒Cが冷却装置３０内を循環し易くなる。例えば、浸漬槽３１の底面３１ｘと冷媒タンク３４の底面３４ｘとを同じ高さにしたときに、浸漬槽３１内の冷媒Cの液面が底面３１ｘから２３０mmの高さにある場合を考える。このとき、冷媒タンク３４内の冷媒Cの液面Csが底面２３ｘから４００mmの高さにあると、高低差hは１７０mm（＝４００mm－２３０mm）となり、２．５kPa程度の圧力差ΔPを得ることができる。
　なお、大きな高低差hを得るには、冷媒タンク３４の内部において液面Csが上昇できる空間を確保するのが好ましい。そのような空間を確保するために、冷媒タンク３４の内部高さZ2を浸漬槽２１の内部高さZ1よりも高くするのが好ましい。
　次に、上記した冷却管３３の接続部３８の構造について説明する。
　図５（ａ）は、接続部３８の斜視図である。
　図５（ａ）に示すように、凝縮管３３の始端３３ａには、凝縮管３３の他の部位よりも直径が大きい円筒状の膨大部３３ｘが設けられる。
　その膨大部３３ｘは、空気管３６の終端３６ｂと同軸をなしており、かつ当該終端３６ｂをその外側から囲う。
　更に、膨大部３３ｘの外側表面には、前述の蒸気管３２の終端３２ｂが接続される。
　図５（ｂ）は、凝縮管３３の軸方向Aから見た接続部３８の上面図である。
　図５（ｂ）に示すように、本実施形態においては、蒸気管３２の中心軸３２ｃが凝縮管３３の中心３３ｃから外れるように、凝縮管３３の膨大部３３ｘに蒸気管３２が接続される。
　このようにすると、図５（ａ）に示すように、凝縮管３３内に蒸気Vの旋回流が生じる。蒸気Vは、空気よりも比重が重いため、旋回流に伴う遠心力で凝縮管３３の内側表面に沿って流れる。
　その結果、凝縮管３３の外側にある冷却水と蒸気Vとの熱交換が促され、冷却水によって蒸気Vを効率的に冷却することが可能となる。
　次に、上記した分離部３９の構造について説明する。
　図６は、分離部３９の断面図である。
　図６に示すように、分離部３９における凝縮管３３には、鉛直方向に対して斜め上を向いた管４０が接続される。
　管４０は、凝縮管３３の内側に位置する第１の開口端４０ａと、凝縮管３３の外側において第１の開口端４０ａよりも高い位置に位置する第２の開口端４０ｂとを備える。
　このように管４０を斜めにして各開口４０ａ、４０ｂの高さを変えることで、凝縮管３３内の液相の冷媒Cが管４０に入るのを防止しながら、凝縮管３３内の空気のみを管４０を介して外に取り出すことができる。
　なお、液相の冷媒Cは凝縮管３３の管壁を伝って流れ落ちるため、空気は凝縮管３３の中央寄りを流れる。そのため、図６のように管４０の第１の開口端４０ａを凝縮管３３の内側に向けて突出させることで、管４０内に液相の冷媒Cが入るのを防止しながら、凝縮管３３の中央寄りを流れる空気が管４０に取り込まれ易くするのが好ましい。
　以上説明した冷却装置３０よれば、図４のように冷媒タンク３４と凝縮管３３の始端３３ａとを空気管３６で接続するため、凝縮管３３の内部の圧力Pが変動するのを抑制できる。その結果、図３（ａ）、（ｂ）の例とは異なり、圧力Pの変動に起因して冷媒タンク３４内で液面Csが上下するのが抑制され、自然蒸発した冷媒Cを含む空気が孔３４ｂを介して冷媒タンク３４から外部に漏れ出るのを抑制できる。
　その結果、高価な冷媒Cを冷媒タンク３４に補充する回数を減らすことができ、冷却装置３０のランニングコストを抑えることが可能となる。
　本願発明者は、各電子部品２５ａを動作させることにより、この冷却装置３０の冷却性能を検証した。
　その結果、一つの電子部品２５ａの発熱量が３０Wで一つの回路基板２５の全発熱量が１２０W（＝４×３０W）のときには、一つの電子部品２５ａの温度は７０℃となった。また、一つの電子部品２５ａの発熱量が６０Wで全発熱量が２４０W（＝４×６０W）のときには、一つの電子部品２５ａの温度は７５℃となった。
　そして、一つの電子部品２５ａの発熱量が１００Wで全発熱量が４００W（＝４×１００W）のときには、一つの電子部品２５ａの温度は７９℃となった。
　電子部品２５ａのこれらの温度は、空気管３６を設けない図２の例と略同じであった。このことから、空気管３６が冷却装置３０の冷却性能を阻害しないことが確認された。
　なお、この検証においては冷媒Cとして沸点が６１℃のノベック7100を用いたが、電子部品２５ａの温度を更に下げたい場合には、これよりも沸点が低いノベック649（沸点４９℃）やノベック7000（沸点３４℃）を冷媒Cとして用いればよい。
　また、本実施形態は上記に限定されない。
　図７は、本実施形態の変形例に係る冷却装置の構成図である。
　なお、図７において、図４で説明したのと同じ要素には図４におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
　図７に示すように、この変形例においては、液管３５に第１の逆止弁５１を設けると共に、空気管３６に第２の逆止弁５２を設ける。
　このうち、第１の逆止弁５１は、浸漬槽３１から冷媒タンク３４に液相の冷媒Cが逆流するのを防止する。
　これにより、浸漬槽３１から冷媒タンク３４に冷媒Cが逆流して冷媒タンク３４内で液面Csが上昇するのが防止され、液面Csの上昇に伴って冷媒Cの蒸気を含んだ空気が孔３４ｂから逃げるのを防止できる。
　一方、第２の逆止弁５２は、空気管３６の終端３６ｂから始端３６ａに空気が逆流するのを防止する。
　凝縮管３３内における液相の冷媒Cの溜まり具合によっては、一時的に空気管３６の終端３６ｂが始端３６ａよりも高圧になる場合がある。
　そのような場合であっても、上記のように空気管３６に第２の逆止弁５２を設けることで、浸漬槽３１で発生した高温の蒸気Vが空気管３６を逆流して冷媒タンク３４に至るのを防ぐことが可能となる。
　その結果、蒸気Vが孔３４ｂから外に逃げるのを防止できると共に、高温の蒸気Vによって冷媒タンク３４内の冷媒Cが加熱されたりするのを抑制できる。
　このように第１の逆止弁５１や第２の逆止弁５２ｂを設けても、冷却装置３０の冷却性能は本実施形態（図４）と略同じであることが本願発明者によって検証された。
　更に、本願発明者は、本実施形態（図４）や変形例（図７）において、液面Csの高さの変動がどの程度抑制されるのかを調査した。
　その調査結果を図８に示す。
　図８の横軸は、浸漬槽３１に浸漬されている全ての電子部品２５ａの発熱量の合計値（W）である。また、図８の縦軸は、液面Csの変動量（mm）である。
　なお、この調査では、比較例として図２の冷却装置１０を用い、その比較例についても同様の調査を行った。
　図８に示すように、本実施形態（図４）においては、電子部品２５ａの発熱量が増えて浸漬槽３１内において多くの蒸気Vが発生しても、液面Csの変動が比較例（図２）の１／２程度に抑えられることが明らかとなった。これは、前述のように空気管３６により凝縮管３６内の圧力変動が抑制できたためと考えられる。
　また、変形例（図７）においては、液面Csの変動が比較例（図２）の１／５程度に抑えられており、本実施形態（図４）よりも更に液面Csの変動が抑制されている。このことから、比較例のように第１の逆止弁５１や第２の逆止弁５２を設けることが液面Csの変動を抑制するのに有効であることが確かめられた。
　また、本願発明者は、図８の調査結果に基づいて、冷却装置を一日あたり８時間駆動したときの冷媒Cの年間の消失量を計算した。その計算結果を図９に示す。
　図９の横軸は、浸漬槽３１に浸漬されている全ての電子部品２５ａの発熱量（W）の合計値である。また、図９の縦軸は、液相の冷媒Cの年間の消失量（リットル／年）である。
　図９に示すように、本実施形態（図４）と変形例（図７）のいずれにおいても、比較例（図２）よりも冷媒Cの消失量を低減できることが明らかとなった。
　特に、本実施形態（図４）と変形例（図７）においては、電子部品２５ａの発熱量（W）が増えても冷媒Cの消失量は緩やかな増加に留まることが明らかとなった。このことから、本実施形態（図４）と変形例（図７）は、電子部品２５ａの発熱が増えたときに特に有効であることが明らかとなった。
　（第２実施形態）
　本実施形態では、メンテナンス性に優れた浸漬槽について説明する。
　図１０は、本実施形態に係る浸漬槽３１の斜視図である。なお、図１０において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
　図１０に示すように、本実施形態においては、浸漬槽３１の上部開口３１ｚに脱着可能な蓋６０を設ける。
　その蓋６０は、平面視で上部開口３１ｚを塞ぐ矩形状であり、その外面６０ａには外部コネクタ６１が設けられる。そして、その外部コネクタ６１には、外部ケーブル６３の先端が固定される。
　図１１は、この浸漬槽３１の分解斜視図である。
　図１１に示すように、外部コネクタ６１は、互いに着脱自在な雄型コネクタ６１ａと雌型コネクタ６１ｂとを有する。
　このうち、雌型コネクタ６１ｂは、蓋６０の外面６０ａに固定されており、ケーブル６５を介して回路基板２５と電気的に接続される。
　また、浸漬槽３１の上部開口３１ｚは、回路基板２５を出し入れ可能な大きさを有しており、その上部開口３１ｚを通じて浸漬槽３１に回路基板２５を出し入れすることができる。
　以上説明した本実施形態によれば、浸漬槽３１に脱着可能な蓋６０を設けたことにより、蓋６０を外して浸漬槽２１から簡単に回路基板２５を引き上げることができ、浸漬槽３１のメンテナンス性が向上する。
　更に、外部コネクタ６１と回路基板２５とをケーブル６５で接続したため、浸漬槽３１に回路基板２５が収容されている状態であっても、浸漬槽３１の外部と回路基板２５との間で信号の送受信を行うことができる。
　（第３実施形態）
　図１２は、本実施形態に係る冷却装置の構成図である。なお、図１２において、第１実施形態や第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
　図１２に示すように、本実施形態に係る冷却装置３０においては、複数の浸漬槽３１が並列に接続される。浸漬槽３１の個数は複数個であれば特に限定されず、ここではその個数を５個とする。
　また、液管３５には、冷媒タンク３４から複数の浸漬槽３１の各々に液相の冷媒Cを分岐する第１のマニフォルド７１が接続される。第１のマニフォルド７１は、複数の第１の分岐配管７１ａを有しており、各々の第１の分岐配管７１ａは第１の継手７３により各浸漬槽３１と接続される。
　第１のマニフォルド７１の大きさは特に限定されない。この例では、第１のマニフォルド７１の横幅を約４００mm程度とし、液管３５に接続される部分の第１のマニフォルド７１の流路の断面積を４０mm2程度とする。
　また、第１の継手７３は着脱自在なステム７３ａとボディ７３ｂとを有しており、これらを切り離しても第１の継手７３から冷媒Cは漏れ出ないため、第１のマニフォルド７１から浸漬槽３１を切り離してメンテナンスするのが容易である。このような継手としては、例えば、スウェージロック社製のSS-QC6-B-600やSS-QC6-D-600がある。
　また、第１の分岐配管７１ａとしては、例えば外形が３／８インチの樹脂チューブを使用し得る。
　更に、複数の浸漬槽３１の各々には、各浸漬槽３１で発生した冷媒Cの蒸気Vを集めて蒸気管３２に供給する第２のマニフォルド７２が接続される。第２のマニフォルド７２は、複数の第２の分岐配管７２ａを有しており、各々の第２の分岐配管７２ａは着脱自在な第２の継手７４により各浸漬槽３１と接続される。
　なお、第２のマニフォルド７２、第２の分岐配管７２ａ、及び第２の継手７４としては、それぞれ第１のマニフォルド７１、第１の分岐配管７１ａ、及び第１の継手７３と同じものを使用し得る。
　また、各々の浸漬槽３１に浸漬する回路基板２５の枚数は一枚とする。一枚の回路基板２５でサーバを構築してもよいし、一枚の回路基板２５でスーパーコンピュータの一つの計算ノードを構築してもよい。
　そして、各々の浸漬槽３１には、第２実施形態で説明した着脱可能な蓋６０が設けられる。
　なお、各部品の位置と大きさは第１実施形態と同じである。例えば、浸漬槽３１と冷媒タンク３４のそれぞれの底面３１ｘ、３４ｘは同じ高さにあり、冷媒タンク３４の内部高さは４００mm、浸漬槽３１の内部高さは２３０mmである。本願発明者の試算によれば、この大きさとすることで、一枚の回路基板２５の発熱量が１００Wであり、５枚の回路基板２５の合計の発熱量が最高で５００Wになった場合でも、冷却装置３０内で冷媒Cを循環させることができる。
　以上説明した本実施形態によれば、複数の回路基板２５のうちの一枚のみをメンテナンスする場合には、当該回路基板２５を収容している浸漬槽３１の蓋６０を外し、その浸漬槽２１のみを大気解放すればよい。
　よって、メンテナンスの対象となっていない動作中の回路基板２５を収容している浸漬槽３１の蓋６０を閉じたままにすることができ、その回路基板２５の熱で気化した大量の冷媒Cが大気中に逃げるのを防止することができる。
　更に、メンテナンスの対象ではない回路基板２５を収容している浸漬槽３１においては、冷媒Cでその回路基板２５を冷却し続けることができるので、その回路基板２５が動作している状態を維持し続けることが可能となる。
　特に、複数の回路基板２５の各々が一台のスーパーコンピュータの各計算ノードの場合には、メンテナンスの対象となっていない計算ノードを動作させることができるため、スーパーコンピュータ自身を動作させ続けることが可能となる。
　なお、本願発明者は、各電子部品２５ａを動作させることにより、この冷却装置３０の冷却性能を調査した。
　その調査においては、一枚の回路基板２５で一台のサーバを構築し、一つの電子部品２５ａの発熱量を２５Wとした。この場合、一台のサーバの発熱量は１００W（＝４×２５W）となり、５台のサーバの全部の発熱量は５００W（＝５×１００W）となる。
　この条件で冷却装置３０を運用したところ、一つの電子部品２５ａの温度は７０℃程度となった。この温度は、空気管３６を設けない図２の例と略同じであった。このことから、本実施形態のように複数の冷却槽３１を並列に設ける場合であっても、空気管３６が冷却装置３０の冷却性能を阻害しないことが確認された。
　（第４実施形態）
　第１実施形態で説明したように、冷却装置内で冷媒Cが循環する駆動力は、浸漬槽３１と冷媒タンク３４の各々における液面の高低差hに起因した圧力差ΔP(=ρgh)にあり、高低差hが大きいほど冷却装置内で冷媒Cを循環させる駆動力が大きくなる。
　本実施形態では、その高低差hを確保するのに有用な構造について説明する。
　図１３は、本実施形態に係る冷却装置の構成図である。なお、図１３において、第１～第３実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
　第１～第３実施形態と同様に、本実施形態においても冷却装置３０内において冷媒Cが循環する。
　このように循環する際、冷媒Cは冷却装置３０において様々な圧力損失を受ける。そのような圧力損失としては、液相の冷媒Cが液管３５を移動する際の圧力損失、蒸気Vが蒸気管３２を移動する際の圧力損失、及び凝縮管３３内を冷媒Cが移動する際の圧力損失がある。
　そして、これらの圧力損失の総和と前述のΔPとが釣り合うように高低差hが定まることになる。
　本実施形態では、冷媒タンク３４の底面３４ｘを、浸漬槽３１の底面３１ｘよりも高い位置に設ける。そして、冷媒タンク３４の排出口３４ａを、浸漬槽３１の供給口３１ａよりも高い位置に設ける。
　これにより、冷媒タンク３４内の冷媒Cの液面Csが、浸漬槽３１内における液面よりも高くなり易くなる。その結果、両液面の高低差hが大きくなり、冷却装置内で冷媒Cが循環するのに十分な大きさの駆動力を確保することが可能となる。

                                                                                

Claims (11)

  1. 　電子機器が浸漬した冷媒を溜めると共に、前記電子機器の熱で前記冷媒を蒸発させて蒸気にする浸漬槽と、
    　前記蒸気が供給される始端と、凝縮した前記蒸気を排出する終端とを備えた凝縮管と、
    　前記凝縮管の中途部に設けられ、凝縮した前記冷媒と空気とを分離して前記空気を前記凝縮管の外に取り出す分離部と、
    　前記凝縮管の前記終端と前記分離部とを内側に収容すると共に、前記凝縮管から排出された前記冷媒を溜め、かつ空気が流通する孔を備えた冷媒タンクと、
    　前記冷媒タンクに接続された始端と、前記凝縮管の前記始端に接続された終端とを有し、前記冷媒タンクから前記凝縮管に空気を供給する空気管と、
    　前記冷媒タンクから前記浸漬槽に前記冷媒を供給する液管と、
    　前記浸漬槽から前記凝縮管に前記蒸気を供給する蒸気管と、
    　を有する冷却装置。
  2. 　前記液管に、前記浸漬槽から前記冷媒タンクに前記冷媒が逆流するのを防止する第１の逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  3. 　前記空気管に、該空気管の前記終端から前記始端に空気が逆流するのを防止する第２の逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。
  4. 　前記凝縮管の軸方向から見たときに、前記蒸気管の中心軸が前記凝縮管の中心から外れるように、前記凝縮管の前記始端に前記蒸気管が接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
  5. 　前記凝縮管の前記中途部は鉛直方向に沿って延び、
    　前記分離部は、前記中途部における前記凝縮管の内側に位置する第１の開口端と、前記中途部における前記凝縮管の外側において前記第１の開口端よりも高い位置に位置する第２の開口端とを備えた管を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の冷却装置。
  6. 　前記第１の開口端が、前記凝縮管の内側に向けて突出していることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
  7. 　前記浸漬槽は、前記電子機器を出し入れ可能な開口を有し、
    　前記開口に脱着可能な蓋を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷却装置。
  8. 　前記蓋の外面に固定されたコネクタと、
    　前記コネクタと前記電子機器とを接続するケーブルとを更に有することを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
  9. 　前記浸漬槽が複数設けられていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の冷却装置。
  10. 　前記液管に接続された第１のマニフォルドと、
    　複数の前記浸漬槽の各々に対応して前記第１のマニフォルドに接続された複数の第１の分岐配管と、
    　各々の前記第１の分岐配管と各々の前記浸漬槽とを繋ぐ着脱自在な第１の継手と、
    　前記蒸気管に接続された第２のマニフォルドと、
    　複数の前記浸漬槽の各々に対応して前記第２のマニフォルドに接続された複数の第２の分岐配管と、
    　各々の前記第２の分岐配管と各々の前記浸漬槽とを繋ぐ着脱自在な第２の継手とを有することを特徴とする請求項９に記載の冷却装置。
  11. 　電子機器と、
    　前記電子機器を冷却する冷却装置とを備え、
    　前記冷却装置は、
    　電子機器が浸漬した冷媒を溜めると共に、前記電子機器の熱で前記冷媒を蒸発させて蒸気にする浸漬槽と、
    　前記蒸気が供給される始端と、凝縮した前記蒸気を排出する終端とを備えた凝縮管と、
    　前記凝縮管の中途部に設けられ、凝縮した前記冷媒と空気とを分離して前記空気を前記凝縮管の外に取り出す分離部と、
    　前記凝縮管の前記終端と前記分離部とを内側に収容すると共に、前記凝縮管から排出された前記冷媒を溜め、かつ空気が流通する孔を備えた冷媒タンクと、
    　前記冷媒タンクに接続された始端と、前記凝縮管の前記始端に接続された終端とを有し、前記冷媒タンクから前記凝縮管に空気を供給する空気管と、
    　前記冷媒タンクから前記浸漬槽に前記冷媒を供給する液管と、
    　前記浸漬槽から前記凝縮管に前記蒸気を供給する蒸気管とを有する電子装置。
                                                                                    
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