WO2020100816A1 - 気泡放出装置を備えた電子機器 - Google Patents

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WO2020100816A1
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refrigerant
electronic device
bubble
cpu
cooling
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PCT/JP2019/044149
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松岡　茂登
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国立大学法人大阪大学
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D9/00—Devices not associated with refrigerating machinery and not covered by groups F25D1/00 - F25D7/00; Combinations of devices covered by two or more of the groups F25D1/00 - F25D7/00
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/20—Cooling means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/44—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements the complete device being wholly immersed in a fluid other than air
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management

Definitions

  • the present invention relates to an electronic device capable of efficiently cooling an electronic component including a heating element such as a CPU.
  • a typical example is the liquid wetting method.
  • a method force convection method
  • a high heat generation board is directly moistened with a refrigerant and the refrigerant is forcibly convected by a pump or a fan to cool high heat generation such as a CPU (Non-Patent Document 1).
  • a pump, a fan, etc. are required, and the electric power therefor increases the electric power used by the entire system.
  • Patent Document 1 a boiling cooling system that uses the vaporization of a refrigerant has also been proposed (Patent Document 1).
  • Patent Document 1 This is a system in which the surface of a CPU or the like is cooled by the heat of vaporization by selecting a refrigerant whose boiling point is lower than the heat generation temperature of the CPU or the like.
  • the boiling phenomenon of the refrigerant since the boiling phenomenon of the refrigerant is utilized, it is necessary to cool the refrigerant that has boiled to vaporize and return it to the liquid phase, and not only the cooling device but also the strict sealing of the container is required, which is a large scale. Requires configuration.
  • problems to be solved from a practical point of view such as that ultrasonic waves are generated due to the boiling phenomenon and adversely affect electronic devices, and there is variation in cooling performance when a plurality of CPUs are arranged.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electronic device capable of efficiently cooling an electronic component including a heating element such as a CPU.
  • the present inventor has a coolant, an electronic component immersed in the coolant, and a bubble emission device immersed in the coolant.
  • the present invention has been completed by discovering that an electronic device in which bubbles emitted from a device have an average major axis of 0.1 mm or more enables efficient cooling.
  • An electronic device equipped with the bubble discharging device of the present invention which can achieve the above object has the following points.
  • An electronic device in which a refrigerant, an electronic component immersed in the refrigerant, and a bubble discharging device immersed in the refrigerant are housed in a housing An electronic device having an average major axis of 0.1 mm or more as measured by the following measuring method of bubbles discharged from the bubble discharging device.
  • ⁇ Measurement method> In an image obtained by photographing a region of 50 mm ⁇ 50 mm centering on a point 30 mm above the bubble discharge port of the bubble discharge device with a camera, 10 bubbles within a focus range (major axis: 0.05 mm (Excluding those below) are measured, and the average value is taken as the average major axis.
  • the viscosity of the refrigerant at 25 ° C. is 0.0008 kg / m ⁇ s or more and 0.05 kg / m ⁇ s or less.
  • the bubbles discharged from the bubble discharging device reach the liquid level of the refrigerant, and the distance from the bubble discharging device to the liquid level of the refrigerant is 200 mm or more [1] to [3]
  • Electronic device described in. [5] It has a gas recovery port arranged in the upper part of the housing, a path for circulating the gas recovered from the gas recovery port to the bubble discharging device, and a pump for circulating the gas, The electronic device according to any one of [1] to [4], which has no pump for circulation.
  • the electronic device according to any one of [1] to [5] in which a bottom area of the housing has an installation area and a non-installation area of the bubble discharging device.
  • the present invention solves the drawbacks of the prior art and provides an electronic device that has a highly efficient cooling capacity for high heat generation, and supports high heat generation by a forced convection method and high power consumption by a natural convection method. Can achieve efficiency.
  • the electronic device of the present invention efficiently cools the CPU and the like that generate heat by promoting the convection of the refrigerant by utilizing the rise of bubbles of a predetermined size generated from the bubble generator (bubble flow support).
  • this bubble flow support method in addition to natural convection, by adding a simple mechanism for sending air to the bubble generator, it is possible to achieve the same level of cooling performance as the forced convection method and to send air. Since the electric power required for the mechanism is extremely smaller than that of a pump or a fan for circulating the refrigerant, it is possible to provide an electronic device excellent in cooling efficiency and power efficiency.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line xx of the electronic device shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a yy cross-sectional view of the electronic device shown in FIG. 2.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing another example of the electronic device shown in FIG. 2, taken along line xx. 6 is a graph showing the relationship between the flow rate of bubbles and the surface temperature of the CPU package.
  • 7A to 7D are schematic views of electronic devices according to different embodiments.
  • an electronic component including a heating element that generates heat during operation and a bubble discharging device are immersed in a refrigerant and housed in a housing.
  • the average major axis of the bubbles discharged from the bubble discharging device is 0.1 mm or more. The average major axis is measured by the method described below.
  • ⁇ Measurement method> A region of 50 mm ⁇ 50 mm is photographed by an image pickup device such as a high-speed camera centering on a point 30 mm above the bubble discharge port of the bubble discharge device.
  • an image pickup device such as a high-speed camera centering on a point 30 mm above the bubble discharge port of the bubble discharge device.
  • the major axis of 10 excluding those having a major axis of less than 0.05 mm was measured, and the average value was taken as the average major axis.
  • Fig. 1 shows the relationship between the average major axis of bubbles and the surface temperature of the CPU package calculated by the present inventor.
  • the average major axis of the bubbles discharged from the bubble discharging device is 0.1 mm or more, the refrigerant convects due to the bubble flow generated in the refrigerant, and the CPU package can be cooled.
  • the average major axis of the bubbles is preferably 0.3 mm or more, more preferably 0.6 mm or more.
  • the average major axis of the bubbles may be 0.8 mm or more, or 1.0 mm or more. If the bubbles are too small, an upward flow does not occur, and thus the refrigerant cannot be convected by the bubble flow.
  • the average major axis of the bubbles is preferably 20 mm or less, more preferably 15 mm or less, and particularly preferably 10 mm or less. If the bubbles are too large, not only the convection assisting effect of the refrigerant decreases but also the volume of air having low thermal conductivity increases, which is not preferable. If the bubbles have an average major axis in the above range, the bubble flow generated in the coolant can convect the coolant, which is effective for cooling the surface of the CPU package.
  • the bubble discharging device included in the electronic device according to the embodiment of the present invention has a mechanism for discharging gas into a liquid.
  • the structure is not particularly limited as long as bubbles can be discharged, but for example, a structure in which a pump for sending gas such as air is connected to a tubular body or a porous body having small holes can be used.
  • the refrigerant included in the electronic device according to the embodiment of the present invention is a liquid and has a configuration including bubbles.
  • the type of the refrigerant is not particularly limited as long as it is an inert liquid excellent in electrical insulation and thermal and chemical stability, but silicone oil, fluorine-based inert liquid, ethylene glycol aqueous solution and the like are preferably used.
  • Fluorinert FC3283 which is a fluorine-based inert liquid has a high cooling effect
  • silicone oil such as KF-96A-6cs has a relatively low cooling effect. According to this, by adjusting the major axis of the bubble, the flow rate of the bubble, and the like, it becomes possible to perform the same cooling as the refrigerant having the high cooling effect, even if the refrigerant has the low cooling effect.
  • the electronic component immersed in the refrigerant included in the electronic device is a generic term for components that perform a predetermined operation by energization, and has a size that can be immersed in the refrigerant in the housing. Any parts are applicable.
  • a CPU chip can be cited as an example of an electronic component, but the CPU chip itself, a CPU chip molded with resin, a CPU package in which the CPU chip is housed in a package, a motherboard equipped with a CPU package, and a CPU, Any component, such as a memory chip or a hard disk, can be used as long as it can be immersed in the coolant in the housing.
  • the electronic device With the electronic device according to the embodiment of the present invention, it is possible to efficiently operate both the cooling efficiency and the energy efficiency even in a high-heat-density high-density server or supercomputer whose power density has been increasing in recent years. .. Further, since the electronic device according to the embodiment of the present invention has a simple structure in which a bubble discharging device is added, the space required for its installation can be extremely small as compared with an air-conditioning-based system. Space saving of data center including equipment can be realized.
  • the electronic device 1 includes a coolant 20, an electronic component 30 immersed in the coolant 20, and a bubble discharging device 40 immersed in the coolant 20. And are housed in the housing 10.
  • the bubble discharging device 40 may be arranged below the electronic component 30, and the electronic component 30 may be a board 31 having a CPU package 33 and a memory 32.
  • the electronic device 1 can include a plurality of boards 31, and the plurality of boards 31 can be housed in the housing 10 while standing upright in parallel. Further, the electronic device 1 may include a cooling board 50 arranged so as not to obstruct the bubble flow generated by the bubbles generated from the bubble emission device 40 rising.
  • the housing 10 may or may not be hermetically sealed. It may be hermetically sealed from the viewpoint of preventing the loss of the refrigerant 20 that is lost by vaporization, but it is necessary to perform a strict hermetical sealing to prevent the boiling refrigerant from leaking out as in the conventional boiling cooling system. Absent. Therefore, when a plurality of boards 31 having, for example, a CPU package 33 as the electronic components 30 are housed in the housing 10, when the maintenance such as the replacement of one board 31 or the cable replacement is required, the entire tank is stopped. Therefore, it is not necessary to release the tight seal tightly, and it is possible to easily take out the boards 31 one by one and perform maintenance.
  • the electronic device 1 Since the electronic device 1 suppresses the generation of ultrasonic waves associated with the boiling phenomenon seen in the conventional boiling type cooling system, it has no adverse effect on the electronic component 30 and, for example, has two CPU packages on one board 31.
  • the CPU packages 33 When 33 is arranged vertically, the operating state of the lower CPU does not affect the cooling performance of the upper CPU. Therefore, as shown in FIG. 3 to FIG. 5, the CPU packages 33 can be arranged vertically, so that there is a high degree of freedom of arrangement.
  • Bubbles having an average major axis of 0.1 mm or more measured by the above-described measuring method are discharged from the bubble discharge device 40, and the refrigerant 20 convects upward due to the bubble flow of the bubbles.
  • the refrigerant 20 causes upward convection assisted by the bubbly flow, and heat on the surface of the electronic component 30 is removed.
  • the electronic device 1 may include a cooling board 50 arranged so as not to interfere with a flow of bubbles generated by rising bubbles generated from the bubble discharging device 40.
  • a cooling board 50 arranged so as not to interfere with a flow of bubbles generated by rising bubbles generated from the bubble discharging device 40.
  • water circulates in the cooling board 50.
  • the electronic component 30 can be cooled by heat exchange between the coolant 20 and the cooling board 50.
  • the cooling board 50 may be arranged in parallel with the board 31 as shown in FIGS. 2 to 5.
  • the housing 10 has an outer wall and an inner wall, and water circulates in a space formed between the outer wall and the inner wall. May also serve as the cooling board 50.
  • the temperature of the water circulating in the cooling board 50 is higher than that in the case without the bubble flow support. Even if the value is high, it is possible to achieve the same cooling effect.
  • Table 1 shows the surface temperature of the CPU package when various refrigerants are calculated by the present inventor together with physical properties such as boiling points and viscosities of various refrigerants. The calculation was performed assuming that the input power per CPU is 90 W (hereinafter, the input power when referred to as CPU input power refers to the input power per CPU), and the temperature of the cooling water flowing through the cooling plate is 20 ° C.
  • the refrigerant 20 has a boiling point higher than the surface temperature of the electronic component 30 so that it does not boil on the surface of the electronic component 30 and the loss that disappears due to vaporization is suppressed.
  • the boiling point is preferably 70 ° C. or higher.
  • the temperature is more preferably 90 ° C or higher, still more preferably 110 ° C or higher.
  • the viscosity of the refrigerant 20 at 25 ° C. is preferably 0.0008 kg / m ⁇ s or more, more preferably 0.001 kg / m ⁇ s or more, and further preferably 0.0012 kg / m ⁇ s or more. If the viscosity is too low, the effect of removing heat from the CPU surface is reduced. Further, it is preferably 0.05 kg / m ⁇ s or less, more preferably 0.045 kg / m ⁇ s or less, still more preferably 0.04 kg / m ⁇ s or less. If the viscosity is too high, bubble flow is less likely to occur and heat conduction is deteriorated, which is not preferable.
  • the refrigerant 20 convects due to the bubble flow assisted by the bubbles discharged from the bubble discharging device 40, and the electronic component 30 can be cooled effectively.
  • the bubbles discharged from the bubble discharging device 40 rise as a bubble flow and reach the liquid surface of the refrigerant 20.
  • the distance from the bubble discharging device 40 to the liquid surface of the refrigerant 20 is preferably 200 mm or more. If it is 200 mm or more, the bubble flow due to the rising bubbles can convect the refrigerant.
  • the refrigerant 20 may use only one type, or may use two or more types.
  • the first refrigerant 21 having a high vapor pressure, a high specific gravity and a high cooling efficiency is filled up to a portion where a high heat generating portion such as a CPU infiltrates, and a portion having no high heat generating portion is filled.
  • the second refrigerant 22 having a low vapor pressure and a low specific gravity it is preferable that the first refrigerant 21 and the second refrigerant 22 do not mix with each other like water and oil.
  • the refrigerant having a high cooling efficiency used as the first refrigerant 21 generally has a low boiling point, a high evaporation loss, and a high cost in many cases. Since the second refrigerant 22 having a low vapor pressure is filled on the first refrigerant 21 as described above, it is possible to prevent the evaporation (loss) of the refrigerant and realize a higher cooling capacity with less bubble flow at a low cost. Is possible.
  • Fluorinert such as FC-3283 as the first refrigerant 21 and silicone oil such as KF-96A-6cs as the second refrigerant 22, and the refrigerant 20 is only Fluorinert such as FC-3283.
  • the cost of the refrigerant is 1/2 that of the above case, and the foaming flow is 1/10 that of the case where the refrigerant 20 is only silicone oil such as KF-96A-6cs and the same cooling effect can be achieved.
  • the rate of evaporation can be dramatically suppressed, which is preferable. ..
  • the bubbles that have reached the liquid surface of the refrigerant 20 may be recovered from a gas recovery port arranged in the upper part of the closed casing 10.
  • the recovered gas may be circulated through a path from the gas recovery port to the bubble discharging device 40 by a pump.
  • the electronic device according to the embodiment of the present invention may have a pump that circulates the recovered gas, but does not have to have a pump that circulates the refrigerant 20.
  • the forced pump having the pump that circulates the refrigerant itself is used. High energy efficiency can be achieved compared to the convection method.
  • a small motor such as a micro DC motor can be used as a pump for sending air to the bubble discharging device 40 and a pump for circulating the collected gas when bubbles reach the liquid surface of the refrigerant 20.
  • One or more bubble discharging devices 40 may be arranged, or may be arranged at the bottom of the housing 10 as shown in FIGS. 3 to 5.
  • the bottom of the housing 10 has an installation region and a non-installation region of the bubble discharging device 40.
  • a bubble flow is generated above the installation area to convect the refrigerant 20 upward, and above the non-installation area, the refrigerant 20 is convected downward to circulate the refrigerant and efficiently cool the electronic component 30. it can.
  • the bubble discharging device 40 may include a tubular body having a hole or a porous body.
  • the hole may be a single hole or a plurality of holes. Good. It suffices that the long diameter of each hole is such that bubbles having an average long diameter of 0.1 mm or more can be discharged, and for example, 0.05 mm or more is preferable, and 0.07 mm or more is more preferable.
  • the major axis of each hole may be 0.3 mm or more, or 0.5 mm or more.
  • the major axis of each hole of the bubble discharging device is preferably 15 mm or less, more preferably 10 mm or less, and 8 mm or less. Is particularly preferable.
  • the major axis of the bubble discharged from the bubble discharging device 40 is generally larger than the major diameter of the hole of the bubble discharging device 40, though it depends on the flow rate of the air sent into the bubble discharging device 40, and the bubble once discharged rises. Therefore, the major axis of the hole of the bubble discharging device 40 is preferably smaller than the desired major axis of the bubble, because they tend to become large as a result of coalescence.
  • the type of gas forming the bubbles is not particularly limited, and a gas other than air may be used, but air normally present in the environment is preferable, and a preferable lower limit of the flow rate is, for example, 0.05 L / min or more, 0.07 L / min. Min or more, 0.09 L / min or more, 0.1 L / min or more, 0.5 L / min or more, 1 L / min or more, and 1.2 L / min or more. If the bubble flow rate is too low, a sufficient bubble flow cannot be obtained.
  • the upper limit of the flow rate is preferably 12 L / min, more preferably 10 L / min, and 9 L / min. More preferably, 8 L / min is particularly preferable.
  • the bubble flow rate can be selected depending on the cooling effect of the refrigerant itself. For example, when a refrigerant such as Fluorinert FC3283 having a high cooling effect is used, the bubble flow rate is set to 0.1 L / min, and when a refrigerant such as silicone oil KF-96A-6cs having a relatively low cooling effect is used, the bubble flow rate is changed.
  • the flow rate of bubbles can be adjusted by the refrigerant, such as 1 L / min, 2 L / min, 4 L / min, or 7 L / min.
  • the ratio of the electric power used by the ICT device (electric power of the ICT device) to the electric power used by the data center as a whole (total electric power)
  • PUE Power Usage Effects
  • PUE is an index indicating the operating efficiency of ICT equipment in the data center. Since the cooling power is included in the total power, not the power of the ICT device, the closer the PUE is to 1.0, the lower the ratio of the cooling power to the total power.
  • the device When the electronic component 30 includes, for example, the CPU package 33, the device does not operate normally when the temperature exceeds the movable limit temperature of the CPU. Therefore, it is necessary to suppress the input power so that the temperature is equal to or lower than the movable limit temperature. For example, in a CPU, the CPU junction temperature T j needs to be below a certain temperature. As described above, the electric power that can be applied to the electronic component 30 is limited by the movable limit temperature, but the electronic device according to the embodiment of the present invention efficiently cools the heating element such as the CPU package 33 included in the electronic component 30. Therefore, the temperature of the heating element can be kept low even with the same input power.
  • the electronic device according to the embodiment of the present invention can raise the upper limit of the input power as compared with the natural convection method, and can realize an electronic device with high power density. Further, when comparing the electronic device according to the embodiment of the present invention and the forced convection method, the maximum input power to the electronic component 30 is the same, but the PUE value at that time is the same in the electronic device according to the embodiment of the present invention. It is small and excellent in terms of energy efficiency.
  • Table 2 shows the maximum power that can be input to the CPU and the value of the best PUE in the input power in the electronic device (bubble flow support system) according to the embodiment of the present invention, and the electronic device of the forced convection system and the natural convection system.
  • the forced convection method can supply the maximum CPU input power equivalent to that of the present invention, but the PUE becomes high.
  • the natural convection method can realize a PUE equivalent to that of the present invention, but the maximum input power that can be input to the CPU is small.
  • the same cooling effect can be expected by adjusting the major axis of the bubble, the flow rate of the bubble, etc., so that the cooling effect is relatively low, for example.
  • silicone oil such as KF-96A-6cs
  • the CPU junction temperature T j is kept at a certain temperature or less almost in the same manner as when Fluorinert FC3283 having a high cooling effect is used as the refrigerant 20. can do.
  • the CPU input power can be increased regardless of the type of the refrigerant 20, and the system total power can be increased while maintaining a low PUE value.
  • Example 1 Bubble flow rate and CPU package surface temperature>
  • an electronic device including a fluorine-based inert liquid Fluorinert FC-3283 and a CPU package is used as a refrigerant, and the relationship between the bubble flow rate and the CPU package surface temperature when the CPU input power is 145 W.
  • FIG. 6 shows the results of measurement when the temperature of water flowing through the cooling plate was 10 ° C. and 25 ° C.
  • the bubble flow rate of 0 L / min means that there is no bubble flow support, that is, the natural convection method.
  • the surface temperature of the CPU package becomes lower with the bubble flow support than without the bubble flow support, and when the bubble flow rate increases in the range of 0.1 L / min to 7 L / min, the surface temperature of the CPU package becomes monotonous. It turned out to decrease.
  • Example 2 Shape of bubble discharging device and surface temperature of CPU package>
  • the surface temperature of the CPU package was examined when the diameter and the number of holes of the bubble emitting device were changed under the following conditions.
  • Temperature of cooling water flowing to the cooling plate: 25 ° C 7 (a) to 7 (d) are schematic diagrams of the electronic device, and Table 3 shows the results.
  • the CPU package is similarly cooled in the case of 1 hole (bubble discharging device a), 4 holes (bubble discharging device c), and porous shape (bubble discharging device d). It was It was also found that the CPU package was cooled when the hole diameter was 7 mm (bubble releasing device b) as in the case where the hole diameter was 1 mm.
  • ⁇ Embodiment 3 Refrigerant flow velocity on CPU package surface and PUE>
  • the CPU input power was 90 W
  • the refrigerant was fluorine-based inert liquid Fluorinert FC-3283.
  • the results are shown in Fig. 8. It has been found that the bubble flow assisting method of the present invention realizes a low PUE equivalent to the natural convection method even if the refrigerant flow velocity on the surface of the CPU package is equivalent to that of the forced convection method.
  • Example 4 Surface temperature of CPU package and PUE> The relationship between the PUE and the surface temperature of the CPU package in the bubble flow assisting method using the electronic device according to the example of the present invention, and the forced convection method and the natural convection method was examined.
  • the CPU input power was 90 W
  • the refrigerant was fluorine-based inert liquid Fluorinert FC-3283.
  • the results are shown in Fig. 9. It has been found that the bubble flow assisting method of the present invention can lower the surface temperature of the CPU package to the same level as the forced convection method and also realizes a low PUE equivalent to the natural convection method.
  • Example 5 Cooling water temperature and CPU junction temperature depending on refrigerant type> Using Fluorinert FC3283 as a refrigerant having a high cooling effect and silicone oil KF-96A-6cs as a refrigerant having a low cooling effect, a bubble flow assist method (with bubble flow assist) using an electronic device according to an embodiment of the present invention, and The relationship between the cooling water temperature and the CPU junction temperature T j in the natural convection method (without bubble flow support) was investigated. The CPU input power was 125 W, and the cooling water flow rate was 39 L / min. The results are shown in FIGS. 10 and 11. From FIG.
  • the CPU junction temperature T j could be less than 93 ° C. even if the cooling water temperature was 49 ° C. with the bubble flow support. That is, with the aid of the bubble flow, the temperature of the cooling water for keeping the CPU joining temperature T j below 93 ° C. could be increased from 34 ° C. to 49 ° C. This shows that by supporting the bubbly flow, the CPU junction temperature can be kept below a certain level even if the cooling water temperature is high, but especially with a refrigerant such as silicone oil KF-96A-6cs, which has a low cooling effect. Even if there is a bubble flow support, it means that the allowable range of the cooling water temperature can be increased to the same level as that of Fluorinert FC3283, which has a high cooling effect.
  • Example 6 CPU input power and CPU junction temperature depending on refrigerant type>
  • Fluorinert FC3283 is used as a cooling agent having a high cooling effect
  • silicone oil KF-96A-6cs is used as a cooling agent having a low cooling effect
  • the CPU is input when the bubble flow assist method using the electronic device according to the embodiment of the present invention is used.
  • the relationship between power and CPU junction temperature was investigated.
  • the cooling water temperature was 20 ° C., and the cooling water flow rate was 39 L / min. Results are shown in FIG. From FIG. 12, it was found that in the Fluorinert FC3283 having a high cooling effect, the CPU junction temperature T j can be less than 93 ° C.
  • FIG. 13 shows the relationship between the CPU input power and the system total power in the sixth embodiment.
  • Fluorinert FC3283 which has a high cooling effect
  • the CPU input power can be increased to 257 W by using the bubble flow support method, so that the total system power can be set to 16.6 kW.
  • silicone oil KF-96A-6cs which has a low cooling effect
  • the CPU input power can be increased to 238 W by using the foam flow support method, so the system total power can be set to 16 kW, and the cooling effect of the refrigerant can be improved. I was able to almost offset the difference due to. From this, it was found that the choice of refrigerants can be expanded by using the bubble flow assist method.
  • Example 7 Bubble flow rate and CPU junction temperature according to refrigerant type>
  • the relationship between the flow rate of bubbles and the CPU junction temperature T j was investigated by using Fluorinert FC3283 as a refrigerant having a high cooling effect and silicone oil KF-96A-6cs as a refrigerant having a low cooling effect.
  • the CPU input power was 125 W
  • the cooling water temperature was 20 ° C.
  • the cooling water flow rate was 39 L / min.
  • the results are shown in Fig. 14.
  • the bubble flow rate of 0 / min means that there is no bubble flow support, that is, a natural convection method, and other than that, the bubble flow support is performed using the electronic device according to the embodiment of the present invention. means. From FIG.

Abstract

ＣＰＵなどの発熱体を含む電子部品を効率的に冷却することが可能な電子機器を提供する。　冷媒（２０）と、冷媒（２０）に浸漬している電子部品（３０）と、電子部品（３０）の下方に配置されている気泡放出装置（４０）とが筐体（１０）に収められた電子機器（１）であって、気泡放出装置（４０）から放出された気泡の平均長径が０．１ｍｍ以上である。

Description

気泡放出装置を備えた電子機器
　本発明は、ＣＰＵなどの発熱体を含む電子部品を効率的に冷却することが可能な電子機器に関するものである。
　スパコンを含むデータセンターでは、近年急速に高密度化が進んでいる。従来、データセンターのサーバー機器の冷却には空調技術が主に用いられてきたが、空調だけではそのような発熱量の大きな高密度サーバーの熱を効率的に取り去ることは困難である。そのため、高密度サーバーの適用に起因する高発熱の問題を解決できる冷却技術が提案されている。
　その代表例が液体湿潤方式である。冷媒に高発熱ボードを直接湿潤させ、冷媒をポンプやファンで強制的に対流させ、ＣＰＵをはじめとする高い発熱を冷却する方式（強制対流方式）が知られている（非特許文献１）。しかし、冷媒を強制対流させるためにはポンプやファンなどが必要となり、そのための電力がシステム全体の使用電力を上昇させてしまうという欠点があった。
　その点を解決する方法として、ファンやポンプを使わない自然対流方式が提案されている。この方式では、ＣＰＵなどの発熱だけを起源とする自然対流によって冷媒を循環させるため、システム全体の使用電力が小さいという利点があるものの、冷却できる熱の上限が制限されるという欠点があった。
　これに対して、冷媒をＣＰＵなどの発熱部分にのみ滴下して冷却する方法も提案されている。しかし、この方式では、冷媒を落下地点から上に持ち上げるためのポンプが必要となり、システム全体の電力効率に限界がある。
　一方で、冷媒の気化を利用した沸騰式冷却方式も提案されている（特許文献１）。これは、沸点がＣＰＵなどの発熱温度以下である冷媒を選択することにより、その気化熱でＣＰＵなどの表面を冷却する方式である。しかし、この方式では、冷媒の沸騰現象を利用しているため、沸騰気化した冷媒を冷却して液相に戻す必要があり、冷却装置のみならず容器の厳密な密閉が必要であるなど大掛かりな構成が必要となる。さらには、沸騰現象に伴い超音波が発生し電子機器に悪影響を及ぼすこと、複数のＣＰＵが配置された場合の冷却性能にばらつきがあることなど、実用的な観点で解決すべき課題が多い。
特開２０１７－１５０７１５号公報
富士通株式会社発行　Ｗｅｂマガジン「ＦＵＪＩＴＳＵ　ＪＯＵＲＮＡＬ」２０１６年８月１５日
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＣＰＵなどの発熱体を含む電子部品を効率的に冷却することが可能な電子機器を提供することを課題とする。
　本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、冷媒と、冷媒に浸漬している電子部品と、冷媒に浸漬している気泡放出装置とを有し、該気泡放出装置から放出される気泡が平均長径０．１ｍｍ以上である電子機器によれば効率的な冷却が可能であることを見出して、本発明を完成した。
　上記課題を達成し得た本発明の気泡放出装置を備えた電子機器は、以下の点に要旨を有する。
　［１］冷媒と、該冷媒に浸漬している電子部品と、該冷媒に浸漬している気泡放出装置とが筐体に収められた電子機器であって、
　前記気泡放出装置から放出された気泡の以下の測定方法で測定した平均長径が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする電子機器。
　＜測定方法＞
　前記気泡放出装置の気泡放出口から上方３０ｍｍの地点を中心として５０ｍｍ×５０ｍｍの領域をカメラで撮影して得られた画像において、合焦の範囲内にある１０個の気泡（長径が０．０５ｍｍ未満のものを除く）の長径を測定し、その平均値を平均長径とする。
　［２］前記冷媒の沸点が７０℃以上である［１］に記載の電子機器。
　［３］前記冷媒の２５℃における粘度が０．０００８ｋｇ／ｍ・ｓ以上０．０５ｋｇ／ｍ・ｓ以下である［１］又は［２］に記載の電子機器。
　［４］前記気泡放出装置から放出された気泡は前記冷媒の液面まで到達し、前記気泡放出装置から前記冷媒の液面までの距離が２００ｍｍ以上である［１］～［３］のいずれかに記載の電子機器。
　［５］前記筐体の上部に配置された気体回収口と、前記気体回収口より回収された気体を前記気泡放出装置まで循環させる経路と前記気体を循環させるポンプとを有し、前記冷媒を循環させるポンプは有さない［１］～［４］のいずれかに記載の電子機器。
　［６］前記筐体の底部には前記気泡放出装置の設置領域と非設置領域とがある［１］～［５］のいずれかに記載の電子機器。
　［７］前記気泡放出装置が、孔を有する管状体又は多孔質体を含む［１］～［６］のいずれかに記載の電子機器。
　［８］内部に水が循環している冷却盤が前記筐体に収められている［１］～［７］のいずれかに記載の電子機器。
　［９］前記電子機器がＣＰＵパッケージを有するボードを含む［１］～［８］のいずれかに記載の電子機器。
　本発明は、従来技術の欠点を解消し、高い発熱に対して高効率な冷却能力を有した電子機器を提供するものであり、強制対流方式の高い発熱対応と、自然対流方式の高い電力使用効率とを実現できる。
　本発明の電子機器は、気泡発生装置から発生した所定の大きさの気泡の上昇を利用して冷媒の対流を促進させること（泡流支援）によって、発熱したＣＰＵなどを効率的に冷却する。この泡流支援方式によれば、自然対流に加えて、気泡発生装置に空気を送る簡便な機構を追加するだけで、強制対流方式と同等レベルの冷却性能を実現できる上に、空気を送るための機構に必要な電力は冷媒を循環させるためのポンプやファンに比べて極めて小さいことから、冷却効率及び電力効率ともに優れた電子機器を提供することができる。
気泡の平均長径とＣＰＵパッケージの表面温度との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る電子機器の上面図である。 図２に示した電子機器のｘ－ｘ断面図である。 図２に示した電子機器のｙ－ｙ断面図である。 図２に示した電子機器のｘ－ｘ断面図の他の一例を示す断面図である。 気泡流量とＣＰＵパッケージの表面温度との関係を示すグラフである。 図７（ａ）～図７（ｄ）はそれぞれ別の実施形態に係る電子機器の模式図である。 ＣＰＵパッケージ表面における冷媒流速とＰＵＥとの関係を示すグラフである。 ＣＰＵパッケージの表面温度とＰＵＥとの関係を示すグラフである。 冷却水温度とＣＰＵ接合温度との関係を示すグラフである。 冷却水温度とＣＰＵ接合温度との関係を示すグラフである。 ＣＰＵ投入電力とＣＰＵ接合温度との関係を示すグラフである。 ＣＰＵ投入電力とシステム総電力との関係を示すグラフである。 気泡流量とＣＰＵ接合温度との関係を示すグラフである。
　以下、実施の形態に基づき本発明を説明するが、本発明はもとより下記実施の形態によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。なお、各図面において、便宜上、ハッチングや部材符号等を省略する場合もあるが、かかる場合、明細書や他の図面を参照するものとする。また、図面における種々部材の寸法は、本発明の特徴の理解に資することを優先しているため、実際の寸法とは異なる場合がある。
　本発明の実施形態に係る電子機器は、稼働時に発熱する発熱体を含んだ電子部品と気泡放出装置とが冷媒に浸漬され筐体に収められている。該気泡放出装置から放出された気泡の平均長径は０．１ｍｍ以上である。平均長径は以下に記載の方法で測定する。
　＜測定方法＞
　気泡放出装置の気泡放出口から上方３０ｍｍの地点を中心として、５０ｍｍ×５０ｍｍの領域を高速度カメラなどの撮像装置で撮影する。得られた画像において、合焦の範囲内にある気泡のうち、長径が０．０５ｍｍ未満のものを除いた１０個の長径を測定し、その平均値を平均長径とする。
　気泡放出装置から気泡が放出されると、冷媒中に上昇方向の泡流が生じ、この泡流によって冷媒自体も上昇方向に流動する。電子部品に含まれる発熱体が発熱した際には、その熱による冷媒の自然対流に加えて泡流に支援された冷媒の上昇対流が生じる。この泡流支援の対流により、効率的に電子部品を冷却することができる。
　本発明者の試算による気泡の平均長径とＣＰＵパッケージの表面温度との関係を図１に示す。
　図１より、気泡放出装置から放出される気泡の平均長径が０．１ｍｍ以上であれば、冷媒中に発生する泡流により冷媒が対流し、ＣＰＵパッケージを冷却することができる。気泡の平均長径は、０．３ｍｍ以上が好ましく、０．６ｍｍ以上がより好ましい。さらに気泡の平均長径は、０．８ｍｍ以上であってもよく、１．０ｍｍ以上であってもよい。気泡が小さすぎると上昇流を生じないため、泡流によって冷媒を対流させることができない。また、気泡の平均長径は、２０ｍｍ以下が好ましく、１５ｍｍ以下がより好ましく、１０ｍｍ以下が特に好ましい。気泡が大きすぎると、冷媒の対流支援効果が低下するだけでなく、熱伝導率の低い空気の体積が増えるために好ましくない。上記範囲の平均長径を有する気泡であれば、冷媒中に発生する泡流が冷媒を対流させることができ、ＣＰＵパッケージ表面を冷却するために有効である。
　本発明の実施形態に係る電子機器に含まれる気泡放出装置は、気体を液体中に放出する機構を有する。気泡放出が可能なものであれば構成は特に制限されないが、例えば小さな孔を設けた管状体又は多孔質体に空気などの気体を送るポンプを接続した構成を用いることができる。
　本発明の実施形態に係る電子機器に含まれる冷媒は液体であり、気泡を含む構成を有する。冷媒の種類は電気絶縁性及び熱的化学的安定性に優れた不活性液体であれば特に制限されないが、シリコーンオイル、フッ素系不活性液体、エチレングリコール水溶液などが好適に用いられる。一般に、フッ素系不活性液体であるフロリナートＦＣ３２８３等は高い冷却効果を有し、ＫＦ－９６Ａ－６ｃｓ等のシリコーンオイルは比較的低い冷却効果を有しているが、本発明の泡流支援方式によれば、気泡長径や気泡流量等を調節することにより、冷却効果の低い冷媒であっても冷却効果の高い冷媒と同等の冷却を行うことが可能となる。
　本発明の実施形態に係る電子機器に含まれる冷媒に浸漬している電子部品は、通電による所定の動作をする部品を総称するものであり、筐体内において冷媒に浸漬し得る大きさのものでればどのような部品でも該当する。例えば、電子部品の例としてＣＰＵチップが挙げられるが、ＣＰＵチップ自体、樹脂等でモールドしたＣＰＵチップ、ＣＰＵチップがパッケージ内に納められたＣＰＵパッケージ、ＣＰＵパッケージを搭載したマザーボード、またＣＰＵのほか、メモリーチップ、ハードディスクなど、筐体内において冷媒に浸漬し得る限りあらゆる部品が該当し得る。
　このような本発明の実施形態に係る電子機器であれば、近年電力密度が上昇している高発熱の高密度サーバーやスーパーコンピュータにおいても、冷却効率及びエネルギー効率ともに効率的に動作させることができる。また、本発明の実施形態に係る電子機器は、気泡放出装置を加える簡便な構成であることから、その設置に必要とされるスペースは空調を基本としたシステムに比べて極めて小さくてすみ、電子機器を含むデータセンターの省スペース化が実現可能である。
　以下、本発明の一実施形態に係る電子機器を、図２～図５を参照しつつ詳細に説明する。
　本発明の一実施形態に係る電子機器１は、図２～図５に示すように、冷媒２０と、冷媒２０に浸漬している電子部品３０と、冷媒２０に浸漬している気泡放出装置４０とが筐体１０に収められている。気泡放出装置４０は電子部品３０の下方に配置されていてもよく、電子部品３０は、ＣＰＵパッケージ３３とメモリー３２とを有するボード３１であってもよい。電子機器１は複数のボード３１を有することができ、複数のボード３１はそれぞれ平行に直立させて筐体１０に収めることができる。また、電子機器１は、気泡放出装置４０から発生した気泡が上昇して生じる泡流を妨げないように配置される冷却盤５０を備えていてもよい。
　筐体１０は、密閉できてもよいし、密閉できなくてもよい。冷媒２０が気化によって消失するロスを防ぐという観点からは密閉してもかまわないが、従来の沸騰式冷却方式のように沸騰した冷媒が漏れ出さないようにするための厳密な密閉はする必要がない。したがって、電子部品３０として例えばＣＰＵパッケージ３３を有するボード３１を複数枚筐体１０に収める場合、一枚のボード３１に取り換えやケーブルの交換などのメンテナンスが必要になった際、槽全体を停止して厳密な密閉を解除する必要はなく、一枚ずつのボード３１を容易に取り出してメンテナンスを施すことができる。
　電子機器１は、従来の沸騰式冷却方式でみられる沸騰現象に伴う超音波の発生が抑えられるため、電子部品３０に対する悪影響がない上に、例えば一枚のボード３１上に二個のＣＰＵパッケージ３３が縦に配置された場合に、下のＣＰＵの動作状態が上のＣＰＵの冷却性能に影響を及ぼすこともない。そのため、図３～図５に示したように、ＣＰＵパッケージ３３を縦に並べて配置することもできるなど高い配置の自由度を有する。
　気泡放出装置４０からは上記測定方法で測定した平均長径が０．１ｍｍ以上の気泡が放出され、該気泡の泡流により冷媒２０が上方に対流する。これにより冷媒２０には、電子部品３０が発熱した際に生じる自然対流に加えて、泡流に支援された上方への対流が生じ、電子部品３０表面の熱が取り去られる。
　電子機器１は、気泡放出装置４０から発生した気泡が上昇して生じる泡流を妨げないように配置される冷却盤５０を備えていてもよく、例えば冷却盤５０内に水が循環していてもよい。冷媒２０と冷却盤５０との間の熱交換で電子部品３０を冷却することができる。冷却盤５０は、図２～図５に示すようにボード３１と平行に配置されてもよい。或いは図示していないが、例えば筐体１０が外側壁と内側壁を有しており該外側壁と該内側壁との間に形成される空間に水が循環している構成など、筐体１０が冷却盤５０を兼ねる形態であってもよい。冷却盤５０内に循環する水の温度は低いほど冷却効果が高くなるが、本発明の泡流支援によれば、泡流支援がない場合に比べて、冷却盤５０内に循環する水の温度が高くても同等の冷却効果を実現することが可能となる。
　本発明者の試算による各種冷媒を用いたときのＣＰＵパッケージの表面温度を、各種冷媒の沸点や粘度などの物性と併せて表１に示す。ＣＰＵ１個当たりの投入電力は９０Ｗ（以降、ＣＰＵ投入電力と記載する場合の投入電力は、ＣＰＵ１個当たりの投入電力を指す）、冷却盤に流す冷却水の温度は２０℃として試算した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　冷媒２０は、電子部品３０の表面で沸騰しないように、また、気化することによって消失するロスが抑えられるよう、電子部品３０の表面温度よりも高い沸点を有していることが好ましく、具体的には沸点が７０℃以上であることが好ましい。より好ましくは９０℃以上、さらに好ましくは１１０℃以上である。
　冷媒２０は、２５℃における粘度が０．０００８ｋｇ／ｍ・ｓ以上であることが好ましく、より好ましくは０．００１ｋｇ／ｍ・ｓ以上、さらに好ましくは０．００１２ｋｇ／ｍ・ｓ以上である。粘度が低すぎるとＣＰＵ表面から熱を取り去る効果が低下する。また、０．０５ｋｇ／ｍ・ｓ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０４５ｋｇ／ｍ・ｓ以下、さらに好ましくは０．０４ｋｇ／ｍ・ｓ以下である。粘度が高すぎると、泡流が生じにくく、熱伝導が悪くなるため好ましくない。冷媒２０の粘度の上限及び下限が上記の範囲であれば、気泡放出装置４０から放出された気泡による泡流支援により冷媒２０が対流し、効果的に電子部品３０を冷却することができる。
　気泡放出装置４０から放出された気泡は、泡流となって上昇し、冷媒２０の液面まで到達する。気泡放出装置４０から冷媒２０の液面までの距離は２００ｍｍ以上であることが好ましい。２００ｍｍ以上であれば、上昇する気泡による泡流が冷媒を対流させることができる。
　冷媒２０は、１種類のみを用いてもよいし、２種類以上を用いてもよい。例えば、図５に示すように、ＣＰＵ等の高発熱部位が浸潤する部分までは、蒸気圧が高く、比重が高い、冷却効率の高い第１冷媒２１を充填し、高発熱部位がない部分には、蒸気圧が低く、比重が低い第２冷媒２２を重ねて充填することも可能である。その場合、第１冷媒２１と第２冷媒２２は、水と油のように相互に混ざらないことが好ましい。このように第１冷媒２１と第２冷媒２２とを使用すれば、第１冷媒２１として使用される冷却効率の高い冷媒は一般に沸点が低く、蒸発損が高く、かつコストも高い場合が多いが、そのような第１冷媒２１の上に蒸気圧の低い第２冷媒２２が充填されるため、冷媒の蒸発（損失）を防ぎつつより少ない泡流でより高い冷却能力を低コストで実現することが可能となる。上記の例としては、第１冷媒２１としてＦＣ－３２８３等のフロリナートを、第２冷媒２２としてＫＦ－９６Ａ－６ｃｓ等のシリコーンオイルを選択することができ、冷媒２０がＦＣ－３２８３等のフロリナートだけの場合と比べて冷媒コストは１／２で、また冷媒２０がＫＦ－９６Ａ－６ｃｓ等のシリコーンオイルだけの場合と比べて泡流は１／１０で同等の冷却効果を達成することができる。また、第１冷媒２１と第２冷媒２２とを使用する態様では、第１冷媒２１として地球温暖化係数の高い冷媒を用いた場合でも、蒸発の割合を劇的に抑制することができるため好ましい。
　図示していないが、冷媒２０の液面まで到達した気泡は、閉じた筐体１０の上部に配置された気体回収口から回収されてもよい。回収された気体は、ポンプによって気体回収口から気泡放出装置４０までの経路を通って循環されてもよい。筐体１０を閉じることで気化による冷媒２０の消失を防ぐことができ、回収した気体を気体放出装置に供給できる。このように、本発明の実施形態に係る電子機器は、回収された気体を循環させるポンプを有していてもよいが、冷媒２０を循環させるポンプは有さなくてもよい。冷媒を循環させるポンプに比べて、気体を循環させるポンプの消費電力は少ないため、気泡放出装置４０に空気を送り込むためのポンプを考慮に入れても、従来の冷媒自体を循環させるポンプを有する強制対流方式に比べて高エネルギー効率を実現できる。気泡放出装置４０に空気を送り込むためのポンプ及び気泡が冷媒２０の液面まで到達して回収された気体を循環させるポンプには、例えばマイクロＤＣモーターのような小型モーターを用いることができる。
　気泡放出装置４０は、一つ以上配置されていてもよく、図３～図５に示すように筐体１０の底部に配置されていてもよい。この場合、図３及び図５に示すように、筐体１０の底部には気泡放出装置４０の設置領域と非設置領域とがあることが好ましい。設置領域の上方には泡流が生じて冷媒２０が上方に対流し、非設置領域の上方では冷媒２０が下方に対流することで冷媒が循環し、効率的に電子部品３０を冷却することができる。
　気泡放出装置４０は孔を有する管状体又は多孔質体を含んでいてもよいが、気泡放出装置４０が孔を有する管状体である場合、孔は単一であってもよく複数であってもよい。各孔の長径は、平均長径が０．１ｍｍ以上の気泡を放出できればよく、例えば０．０５ｍｍ以上が好ましく、０．０７ｍｍ以上がより好ましい。また、各孔の長径は、０．３ｍｍ以上であってもよく、０．５ｍｍ以上であってもよい。また、気泡の平均長径の上限を２０ｍｍ以下、より好ましくは１５ｍｍ以下、特に好ましくは１０ｍｍ以下とするために、気泡放出装置の各孔の長径は１５ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以下がより好ましく、８ｍｍ以下が特に好ましい。気泡放出装置４０から放出される気泡の長径は、気泡放出装置４０に送り込まれる空気の流量にもよるが一般に気泡放出装置４０が有する孔の長径よりも大きく、一旦放出された気泡は上昇するにしたがって合体して大きくなる傾向があるため、気泡放出装置４０の有する孔の長径は、望ましい気泡の長径よりも小さいことが好ましい。
　気泡を構成する気体の種類は特に限定されず、空気以外の気体でもかまわないが、環境に通常存在する空気が好ましく、その流量の好ましい下限は、例えば０．０５Ｌ／分以上、０．０７Ｌ／分以上、０．０９Ｌ／分以上、０．１Ｌ／分以上、０．５Ｌ／分以上、１Ｌ／分以上、及び１．２Ｌ／分以上である。気泡流量が少なすぎると十分な泡流を得ることができない。一方、気泡流量が多くなり過ぎると、冷媒中に熱伝導率の低い気泡が増え過ぎて冷却効率が落ちるため、流量の上限は１２Ｌ／分が好ましく、１０Ｌ／分がより好ましく、９Ｌ／分がさらに好ましく、８Ｌ／分が特に好ましい。また、冷媒自体が有する冷却効果によって、気泡流量を選択することができる。例えば、冷却効果の高いフロリナートＦＣ３２８３のような冷媒を用いる場合は気泡流量を０．１Ｌ／分とし、冷却効果が比較的低いシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓのような冷媒を用いる場合は気泡流量を１Ｌ／分、２Ｌ／分、４Ｌ／分、又は７Ｌ／分とするなど、冷媒によって気泡流量を調節することが可能である。
　本発明の実施形態に係る電子機器を使用しているデータセンターにおいて、電子機器のうちＩＣＴ機器の使用する電力（ＩＣＴ機器の電力）とデータセンターが全体で使用する電力（全体の電力）の比ＰＵＥ（Ｐｏｗｅｒ　Ｕｓａｇｅ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）が１．１未満である（全体の電力／ＩＣＴ機器の電力＜１．１）ことが好ましい。ＰＵＥは、データセンターにおけるＩＣＴ機器の稼働効率を表す指標である。冷却電力はＩＣＴ機器の電力ではなく全体の電力に含まれるので、ＰＵＥが１．０に近づくほど全体の電力に占める冷却電力の割合が低いことを意味している。本発明の実施形態に係る電子機器は、使用電力の少ない泡流支援によって冷媒が対流するため、高効率の指標とされてきたＰＵＥ＝１．１未満を達成できる。また、１．０５以下、さらには１．０２以下の低いＰＵＥも実現可能である。
　電子部品３０に例えばＣＰＵパッケージ３３が含まれている場合、ＣＰＵの可動制限温度以上になってしまうと素子として正常に動作しなくなるため、可動制限温度以下となるよう投入電力を抑える必要がある。例えばＣＰＵでは、ＣＰＵ接合温度Ｔjが一定温度以下である必要がある。このように、電子部品３０に投入できる電力は可動制限温度によって制限されるが、本発明の実施形態に係る電子機器は、電子部品３０に含まれるＣＰＵパッケージ３３などの発熱体を効率的に冷却できるので、同じ投入電力であっても発熱体の温度を低く抑えることができる。したがって、自然対流方式に比べて本発明の実施形態に係る電子機器は投入電力の上限を引き上げることが可能となり、高電力密度の電子機器を実現できる。また、本発明の実施形態に係る電子機器と強制対流方式とを比べると、電子部品３０への最大投入電力は同等であるが、その際のＰＵＥ値が本発明の実施形態に係る電子機器では小さくなり、エネルギー効率の観点で優れている。本発明の実施形態に係る電子機器（泡流支援方式）と、強制対流方式及び自然対流方式の電子機器において、ＣＰＵに最大投入できる電力とその投入電力における最良ＰＵＥの値を表２に示す。強制対流方式は本発明と同等のＣＰＵ最大投入電力を投入できるがＰＵＥは高くなる。一方で、自然対流方式は本発明と同等のＰＵＥを実現できるが、ＣＰＵに投入できる最大投入電力は小さくなる。
　さらに、本発明の泡流支援方式によれば、冷媒２０の冷却効果が異なっていても気泡長径や気泡流量等を調節することにより同等の冷却効果が期待できるため、例えば冷却効果の比較的低いＫＦ－９６Ａ－６ｃｓ等のシリコーンオイルを冷媒２０として使用した場合であっても、冷却効果の高いフロリナートＦＣ３２８３等を冷媒２０として使用した場合とほぼ同様にＣＰＵ接合温度Ｔjを一定以下の温度とすることができる。その結果、冷媒２０の種類にかかわらずＣＰＵ投入電力を高くすることができ、低いＰＵＥ値を保ちつつシステム総電力も高くすることが可能となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　本願は、２０１８年１１月１３日に出願された日本国特許出願第２０１８－２１３１４１号に基づく優先権の利益を主張するものである。２０１８年１１月１３日に出願された日本国特許出願第２０１８－２１３１４１号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。
　以下に実施例を示し、本発明を具体的に説明する。
　＜実施例１：気泡流量とＣＰＵパッケージ表面温度＞
　本発明の実施例に係る電子機器において、冷媒としてフッ素系不活性液体フロリナートＦＣ－３２８３、ＣＰＵパッケージを含む電子機器を用い、ＣＰＵ投入電力が１４５Ｗの時の気泡流量とＣＰＵパッケージ表面温度との関係を調べた。冷却盤に流す水の温度を１０℃及び２５℃として測定した結果を図６に示す。図６において、気泡流量が０Ｌ／分とは、泡流支援なし、すなわち自然対流方式であることを意味する。泡流支援ありの場合は泡流支援なしの場合に比べてＣＰＵパッケージの表面温度が低くなり、気泡流量が０．１Ｌ／分～７Ｌ／分の範囲で増加すると、ＣＰＵパッケージの表面温度は単調減少することがわかった。
　＜実施例２：気泡放出装置の形状とＣＰＵパッケージ表面温度＞
　本発明の実施例に係る電子機器において、下記の条件で気泡放出装置が有する孔の直径と孔の個数を変えたときのＣＰＵパッケージ表面温度を調べた。
　ＣＰＵ投入電力：９０Ｗ
　冷媒：フロリナートＦＣ－３２８３
　気泡流量：０．１Ｌ／分
　冷却盤に流す冷却水の温度：２５℃
　電子機器の模式図を図７（ａ）～図７（ｄ）に、結果を表３に示す。孔径が１ｍｍの場合、孔が１個（気泡放出装置ａ）、４個（気泡放出装置ｃ）、及び多孔形状（気泡放出装置ｄ）の場合それぞれ同様にＣＰＵパッケージが冷却されていることがわかった。また、孔径が７ｍｍの場合（気泡放出装置ｂ）も孔径が１ｍｍの場合と同様にＣＰＵパッケージが冷却されていることがわかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　＜実施例３：ＣＰＵパッケージ表面の冷媒流速とＰＵＥ＞
　自然対流に加えて、本発明の実施例に係る電子機器を用いた泡流支援方式の場合と強制対流方式を用いた場合の対流において、ＣＰＵパッケージ表面の冷媒流速とＰＵＥとの関係を調べた。ＣＰＵ投入電力は９０Ｗとし、冷媒はフッ素系不活性液体フロリナートＦＣ－３２８３を用いた。結果を図８に示す。本発明の泡流支援方式では、強制対流方式と同等のＣＰＵパッケージ表面の冷媒流速であっても自然対流方式と同等の低いＰＵＥを実現していることがわかった。
　＜実施例４：ＣＰＵパッケージの表面温度とＰＵＥ＞
　本発明の実施例に係る電子機器を用いた泡流支援方式と、強制対流方式及び自然対流方式におけるＣＰＵパッケージの表面温度とＰＵＥとの関係を調べた。ＣＰＵ投入電力は９０Ｗとし、冷媒はフッ素系不活性液体フロリナートＦＣ－３２８３を用いた。結果を図９に示す。本発明の泡流支援方式は、強制対流方式と同レベルまでＣＰＵパッケージの表面温度を下げられる上に、自然対流方式と同等の低いＰＵＥを実現していることがわかった。
　＜実施例５：冷媒の種類による冷却水温度とＣＰＵ接合温度＞
　冷却効果の高い冷媒としてフロリナートＦＣ３２８３を、冷却効果の低い冷媒としてシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓを用いて、本発明の実施例に係る電子機器を用いた泡流支援方式（泡流支援あり）及び自然対流方式（泡流支援なし）における冷却水温度とＣＰＵ接合温度Ｔjとの関係を調べた。ＣＰＵ投入電力は１２５Ｗとし、冷却水流量は３９Ｌ／分とした。結果を図１０及び図１１に示す。図１０より、冷却効果が高いフロリナートＦＣ３２８３の場合は、泡流支援なしでは冷却水温度が４６℃で、また泡流支援ありでは５１℃で、ＣＰＵ接合温度Ｔjを９３℃未満とできることがわかった。すなわち、泡流支援により、ＣＰＵ接合温度Ｔjを９３℃未満とするための冷却水の温度を４６℃から５１℃にすることができた。一方で、図１１より、冷却効果の低いシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓの場合は、泡流支援なしでは冷却水温度が３４℃と低くなければＣＰＵ接合温度Ｔjを９３℃未満とすることはできなかったのに対し、泡流支援ありでは冷却水温度が４９℃でもＣＰＵ接合温度Ｔjを９３℃未満とすることができることがわかった。すなわち、泡流支援により、ＣＰＵ接合温度Ｔjを９３℃未満とするための冷却水の温度を３４℃から４９℃にすることができた。これは、泡流支援を行うことで、冷却水温度が高くてもＣＰＵ接合温度を一定以下にできることを示しているが、特に、冷却効果が低いシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓのような冷媒であっても、泡流支援を行えば、冷却効果が高いフロリナートＦＣ３２８３と同等まで冷却水温度の許容範囲を高くできることを意味している。
　＜実施例６：冷媒の種類によるＣＰＵ投入電力とＣＰＵ接合温度＞
　冷却効果の高い冷媒としてフロリナートＦＣ３２８３を、冷却効果の低い冷媒としてシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓを用いて、本発明の実施例に係る電子機器を用いた泡流支援方式を用いた場合のＣＰＵ投入電力とＣＰＵ接合温度との関係を調べた。冷却水温度は２０℃とし、冷却水流量は３９Ｌ／分とした。結果を図１２に示す。図１２より、冷却効果の高いフロリナートＦＣ３２８３では、泡流支援方式を用いればＣＰＵ投入電力を２５７Ｗまで上げてもＣＰＵ接合温度Ｔjを９３℃未満とできることがわかった。さらに、冷却効果の低いシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓであっても、泡流支援方式を用いればＣＰＵ投入電力を２３８Ｗまで上げられることがわかった。
　＜冷媒の種類によるＣＰＵ投入電力とシステム総電力＞
　実施例６におけるＣＰＵ投入電力とシステム総電力との関係を図１３に示す。冷却効果の高いフロリナートＦＣ３２８３では、泡流支援方式を用いればＣＰＵ投入電力を２５７Ｗまで上げられるため、システム総電力を１６．６ｋＷとすることができた。また、冷却効果の低いシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓであっても、泡流支援方式を用いればＣＰＵ投入電力を２３８Ｗまで上げられるため、システム総電力を１６ｋＷとすることができ、冷媒の冷却効果による違いを殆ど相殺することができた。これより、泡流支援方式を用いることにより、冷媒の選択肢を広げられることがわかった。
　＜実施例７：冷媒の種類による気泡流量とＣＰＵ接合温度＞
　冷却効果の高い冷媒としてフロリナートＦＣ３２８３を、冷却効果の低い冷媒としてシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓを用いて、気泡流量とＣＰＵ接合温度Ｔjとの関係を調べた。ＣＰＵ投入電力は１２５Ｗ、冷却水温度は２０℃、冷却水流量は３９Ｌ／分とした。結果を図１４に示す。ここで気泡流量が０／分とは、泡流支援なし、すなわち自然対流方式であることを意味し、それ以外は本発明の実施例に係る電子機器を用いて泡流支援を行ったことを意味する。図１４より、冷却効果の高いフロリナートＦＣ３２８３では、気泡流量が０．１Ｌ／分から８Ｌ／分の範囲でＣＰＵ接合温度が単調減少した。一方で、冷却効果の低いシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓでは、気泡流量が１Ｌ／分以上になると、泡流支援なし及び気泡流量が１Ｌ／分未満に比べてＣＰＵ接合温度が低く抑えられた。これより、泡流支援方式を用いて気泡流量を１Ｌ／分以上とすることで、冷却効果の低いシリコーンオイルＫＦ－９６Ａ－６ｃｓを冷媒として用いてもＣＰＵ接合温度を低くできることがわかった。
１：電子機器
１０：筐体
２０：冷媒
２１：第１冷媒
２２：第２冷媒
３０：電子部品
３１：ボード
３２：メモリー
３３：ＣＰＵパッケージ
４０：気泡放出装置
５０：冷却盤

Claims (9)

  1. 　冷媒と、該冷媒に浸漬している電子部品と、該冷媒に浸漬している気泡放出装置とが筐体に収められた電子機器であって、前記気泡放出装置から放出された気泡の以下の測定方法で測定した平均長径が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする電子機器。
    　＜測定方法＞
    　前記気泡放出装置の気泡放出口から上方３０ｍｍの地点を中心として５０ｍｍ×５０ｍｍの領域をカメラで撮影して得られた画像において、合焦の範囲内にある１０個の気泡（長径が０．０５ｍｍ未満のものを除く）の長径を測定し、その平均値を平均長径とする。
  2. 　前記冷媒の沸点が７０℃以上である請求項１に記載の電子機器。
  3. 　前記冷媒の２５℃における粘度が０．０００８ｋｇ／ｍ・ｓ以上０．０５ｋｇ／ｍ・ｓ以下である請求項１又は２に記載の電子機器。
  4. 　前記気泡放出装置から放出された気泡は前記冷媒の液面まで到達し、前記気泡放出装置から前記冷媒の液面までの距離が２００ｍｍ以上である請求項１～３のいずれかに記載の電子機器。
  5. 　前記筐体の上部に配置された気体回収口と、前記気体回収口より回収された気体を前記気泡放出装置まで循環させる経路と前記気体を循環させるポンプとを有し、前記冷媒を循環させるポンプは有さない請求項１～４のいずれかに記載の電子機器。
  6. 　前記筐体の底部には前記気泡放出装置の設置領域と非設置領域とがある請求項１～５のいずれかに記載の電子機器。
  7. 　前記気泡放出装置が、孔を有する管状体又は多孔質体を含む請求項１～６のいずれかに記載の電子機器。
  8. 　内部に水が循環している冷却盤が前記筐体に収められている請求項１～７のいずれかに記載の電子機器。
  9. 　前記電子機器がＣＰＵパッケージを有するボードを含む請求項１～８のいずれかに記載の電子機器。
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