JP2010122887A - サーバ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードサーバに着脱可能なサーバモジュールのＣＰＵの発熱の増加に対処可能な冷却能力を備えたサーバ装置。
【解決手段】サーバモジュールは、ＣＰＵとメモリ等を載置したマザーボードと、ＣＰＵの発熱を冷却する沸騰型冷却装置の一部と、を収納する筐体を有し、ファンモジュール内に収納されたファンが、サーバモジュール筐体の開口を通じて内部を送風する構成であって、沸騰型冷却装置は、サーバモジュール筐体内に載置された第１の熱伝達部材と、サーバモジュール筐体外に載置された第２の熱伝達部材と、これら部材を接続する複数の配管とで構成され、第１の熱伝達部材は、内部空間に冷媒を密閉して保有する箱体であって、箱体の一方の外平面でＣＰＵと熱的に接続され、対向する他側の外平面でヒートシンクが付設され、第２の熱伝達部材は、ファンモジュールユニット内に配置され、配管に付設した放熱部材とマザーボードで通風流路を構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、サーバモジュールの冷却に係わるものであり、半導体素子の発熱量の増大に対し、最適な冷却を行うことを可能とするサーバ装置（ブレードサーバ）に関するものである。

ＣＰＵを搭載したコンピュータ等の電子装置は、情報量や処理速度の増大に伴って、ＣＰＵ等の半導体素子の発熱量が増大するようになってきている。半導体素子における発熱は、半導体素子の本来の性能の発揮を妨げるだけでなく、半導体素子自身の破損を招くこともある。そのため、半導体素子を用いるコンピュータ等の電子機器は、半導体素子を最適な温度の状態に管理するために、半導体等の発熱体を冷却する冷却装置を備えている。

特許文献１は、サーバ装置（１Ｕサーバー）の半導体素子の発熱の増大に対し、従来の空冷装置よりも大きな冷却能力を有するとされる冷媒循環式の冷却装置を搭載した電子機器を開示している。

また、特許文献２は、半導体素子の冷却に利用可能なループ型ヒートパイプに関する発明を開示し、特許文献３は、電子機器の半導体やペルチェ素子の冷却に用いるループ型ヒートパイプに関する技術が開示されている。

特開２００６−１２８７５号公報 特開２００１−６６０８０号公報 特開２００７−２６３４２７号公報

ブレードサーバに搭載されるサーバモジュールは、情報処理のニーズに応じてブレードサーバの筐体内に着脱自在に交換装着される。この搭載されるサーバモジュールが、発熱量の増大したＣＰＵを搭載している場合、ＣＰＵの発熱量の増大に対応した冷却性能を有する冷却装置を設ける必要がある。しかし、サーバモジュールの大きさは容易には変更することができないため、小型で高性能な冷却装置が必要である。

小型で高性能な冷却装置として、冷媒の潜熱を利用した沸騰型冷却方式があり、安定した冷却性能を重視するために冷媒の循環をループ型の循環路によって行う構造が検討されている。

特許文献１は、半導体素子の冷却装置の発明に関するものであり、ＣＰＵを冷却する蒸発器と凝縮器とを配管によって閉回路に接続し、ファンで凝縮器を冷却するものであるが、凝縮器を主凝縮器と副凝縮器に分割し、副凝縮器を蒸発器の上に設置して、限られた空間で高発熱に対応できる冷却装置として１Ｕサーバに搭載可能とされている。

しかし、特許文献１に記載の技術においては、蒸発器、凝縮器及びファン等の冷却装置を１Ｕサーバ内に載置することから、凝縮器とファンの大きさが限定されることになると共に、１Ｕサーバ内における他の発熱体の冷却を阻害し、他の発熱体の温度上昇によるＣＰＵへの影響等の懸念を有するが、その対策については何も配慮もされていない。

特許文献２は、ループ型ヒートパイプの発明に関するものであり、作動流体が封入されたパイプをループ状に連結し、重力方向に上から凝縮器、液だめパイプ、蒸発器の順に配置し、蒸発器は、蒸発した作動流体流出口を液状作動流体流入口よりも上側に設置して、サーモサイフォン方式のヒートパイプの作動液の逆流を回避させている。

しかし、特許文献２に記載の技術においては、一本のループパイプで冷媒の循環路を形成していることから、蒸発器と凝縮器の各々の流入口側と流出口側において、蒸発器からパイプへの熱縮小熱伝導抵抗、及びパイプから凝縮器への熱拡大熱伝導抵抗が生じ、所定の熱伝達を行うために蒸発器や凝縮器の大形化を招く懸念が想定され、配置スペースが制限されるサーバモジュールの冷却装置においては困った問題となる。

特許文献３は、ループ型ヒートパイプの発明に関するものであり、凝縮器流路を複数の毛細管で形成して短流路で凝縮可能とし、蒸発器は２層構造の薄型として高効率化し、ループ型ヒートパイプを小型化して提供できると記載している。

しかし、特許文献３に記載の技術においては、他の発熱体とモジュールとの実装位置については明記がなく、ファンからの凝縮器への冷却風を無駄なく利用し、凝縮部の性能向上を図る点については何の配慮もなされていない。

上記課題を解決するために、本発明のサーバ装置は、複数個のサーバモジュールと、一つ又は複数個のファンモジュールを搭載可能とするサーバ装置において、前記サーバモジュールは、ＣＰＵとメモリと半導体素子によるチップセット等の電子部品とを載置したマザーボードと、前記ＣＰＵの発熱を冷却する沸騰型冷却装置の一部と、を収納すると共に少なくとも二つの開口を有する筐体を有し、前記ファンモジュールのユニット内に収納されたファンが、前記サーバモジュール筐体の開口を通じて内部を送風する構成であって、前記沸騰型冷却装置は、前記サーバモジュール筐体内に載置された第１の熱伝達部材と、前記サーバモジュール筐体外に載置された第２の熱伝達部材と、前記第１の熱伝達部材と第２の熱伝達部材とを接続する複数の配管と、で構成され、前記第１の熱伝達部材は、内部空間に冷媒を密閉して保有する箱体であって、前記箱体の一方の外平面においてＣＰＵと熱的に接続され、対向する他側の外平面にヒートシンクが付設されており、前記第２の熱伝達部材は、前記ファンモジュールユニット内に配置され、前記配管に付設した放熱部材と前記マザーボードとによって、前記ファンモジュールの通風流路が構成され、前記複数の配管には、前記第１の熱伝達部材から前記第２の熱伝達部材へ気化した冷媒が、前記第２の熱伝達部材から前記第１の熱伝達部材へ液化した冷媒が流れることを特徴とする。

本発明は、上記の構成に基づいて、小型でありながら、高性能な冷却装置を備えたブレードサーバを実現するので、サーバモジュールにおけるＣＰＵの発熱量が増大しても、これに必要な冷却能力を備えて対処可能なサーバ装置を提供する。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明によるサーバ装置の概要構成（上面、正面）を示す。図１に示すように、サーバ装置1には、図示しない他の機器とともに、ブレードサーバ2が設置されている。ブレードサーバ2には、詳細を後述するが、複数個のサーバモジュール3が着脱自在に装着されている。ブレードサーバ2の後方には、サーバモジュール3の発熱体等を冷却するためのファンモジュール4が載置されている。

図２は、本発明におけるブレードサーバの構成の断面（上面、側面）を示す。図２に示すように、ブレードサーバ2は、前述したとおり、サーバモジュール3とファンモジュール4を載置している。また、ブレードサーバでは、電源モジュール100、データを通信するＩ/Ｏモジュール101、サーバモジュールを管理制御するマネージメントモジュール102を搭載している。これらの電子部品も発熱するため、図示しないファンによって冷却される。

なお、図２に示した実施例では、複数のサーバモジュール3の各々に対して一つのファンモジュール4を配置しているが、図１に示した実施例では、二つのサーバモジュールに対して、一つの大形のファンモジュールを配置している。このように、ファンモジュールとサーバモジュールの対応関係は、適宜、変更してよい。

サーバモジュール3は、図２に示すように、ＣＰＵ5、メモリ6、半導体素子によるチップセット7等を搭載したマザーボード8を載置している。また、ＣＰＵ5の発熱を冷却するための冷却装置9を設置している。

図３は、図２に示す冷却装置9の冷媒回路の構成の概略を示す。図３に示すように、冷却装置9は、マザーボード8に搭載された２個のＣＰＵ5の発熱を冷却する。冷却装置9は、冷媒の相変化を利用した沸騰型冷却装置であり、ＣＰＵ5と熱的に接続され、冷媒を保有する内部空間を有した箱型の第１の熱伝達部材（蒸発器）91と、蒸発した冷媒を、ファンモジュール4において送風によって冷却し液体に凝縮する第２の熱伝達部材（凝縮器）92と、気化された冷媒を流通させる第１の熱輸送管93と、液化された冷媒を流通させる第２の熱輸送管94とによって構成されている。

蒸発器91と凝縮器92とは、第１の熱輸送管93と第２の熱輸送管94と接続されて、密閉された循環流路を構成する。また、冷媒は、蒸発器91から、第１の熱輸送管93の中を矢印（イ）方向に流れて凝縮器92に流入し、次に、凝縮器92から第２の熱輸送管94の中を矢印（ロ）の方向に流れて蒸発器91に戻るように循環する。

ここに示した実施例では、冷却装置９がＸＹ平面を水平に置いて使用されているが、この場合では、第１の熱輸送管93の気化冷媒流入口931より気化冷媒流出口932をＺ軸方向において上方に位置するように配置され、第２の熱輸送管94の液冷媒流入口941より液冷媒流出口942をＺ軸方向において下方に位置するように配置される。また、冷却装置9が、ＺＹ平面を水平に置いて使用される場合には、第１の熱輸送管93の気化冷媒流入口931より気化冷媒流出口932をＸ軸方向で上方に位置するように配置され、第２の熱輸送管94の液冷媒流入口941より液冷媒流出口942をＸ軸方向において下方に位置するように配置される。

２つの輸送管93, 94と、冷却装置9または凝縮装置92との位置関係は、以上のように構成されるように接続されるので、冷媒のヒートサイフォン動作を円滑に行うことができる。

また、蒸発器91は、熱伝導性の良い金属材料、例えば、銅、アルミニウム、セラミック等、で形成され、ＣＰＵ5と熱的に接続された平面の対向面には、フィンを設けたヒートシンク95が形成されている。

次に、冷却装置9によるＣＰＵ5の冷却について説明する。ＣＰＵ5に熱的に接続された蒸発器91は、内部空間を有する熱伝導性の良い材質による箱体である。冷媒は、蒸発器91の内部空間の容積の約１／２の体積を有する液冷媒である。

サーバモジュール３が、図３に示すようにＸＹ平面を水平に、Ｚ軸を上方に向けて設置された場合、サーバモジュールの停止時には、上側のＣＰＵ5の蒸発部には液冷媒がない状態である。

これに対し、サーバモジュールの稼動開始時またはＣＰＵ5の発熱量が低い際には、下側に位置するＣＰＵ5の発熱は、蒸発器91の箱体部に熱伝達された後、蒸発器91に設置されたヒートシンク95に熱伝導される。また、上側のＣＰＵ5の発熱は、蒸発器91の箱体部に熱伝達された後に、蒸発器91の箱体部全体に熱伝導されると共に、蒸発器91に設置されたヒートシンク95に熱伝導される。よって、上下のＣＰＵ5の発熱は、ヒートシンク95において通風（空気）に熱伝達されることで、放熱されることになる。

さらに、ＣＰＵ5の発熱量が増大した場合、下側のＣＰＵ5の発熱によって液冷媒が沸騰して気化するので、潜熱として熱伝達される。また、下側のＣＰＵ5による液冷媒の沸騰は、液冷媒の一部を吹き上げて、吹き上げられた液冷媒は、上側の発熱したＣＰＵ5に接触して瞬時に蒸発するので、潜熱として熱伝達される。気化された冷媒は、蒸発器91の上部より第１の熱輸送管93を経由して凝縮器92に移送される。凝縮器92に流入した気化冷媒は、ファンモジュールにおいて、白抜き矢印に示す通風と熱交換して冷却されて液体に相変化する。

ファンモジュール4では、通風による気化冷媒の冷却の効率を上げるために、凝縮器92の形状をファンモジュール4と略同一とし、サーバモジュール、ファンモジュール等のモジュールを電気的に接続する電子基板103に設けられた開口部から凝縮器92を挿入してファンモジュール4と継合する構成としている。

さらに、第１の熱輸送管93と第２の熱輸送管94を、マザーボード8の対向側に配置し、図３にハッチングＡ領域で示す位置に、第１の熱輸送管93と熱的に接続した熱伝導性の良い材料による放熱部材96、例えば、放熱板、放熱フィン、を付設するようにしてもよい。この場合、マザーボード8と放熱部材96が共に、ファンモジュール4の凝縮器への通風路の両側を形成する。

このようにして通風路を形成することにより、冷却風の漏れを防止し、更に放熱部材96により放熱面積を増すので、第１の熱輸送管93からの放熱による気化冷媒の冷却を促進し、冷却効果を高めることができる。この場合、第１の熱輸送管93において凝縮された冷媒が、気化された冷媒の通流を阻害しないようにするため、図示していないが、蒸発器91と凝縮器92との間で、第１の熱輸送管93の所定の位置において第２の熱輸送管94とを部分的に連通させ、第１の熱輸送管93の中途において凝縮された冷媒を第２の熱伝達管94に早期にバイパスさせ、蒸発器91へと還流させることが好ましい。

上記のような構成とすることによって、形状の限定されるブレードサーバにおいても、ＣＰＵの発熱状態の増加するサーバモジュールを冷却可能とし、多彩なサーバモジュールを着脱可能とする電子機器を提供することができる。

本発明によるサーバ装置の概要構成図。 本発明によるサーバ装置におけるブレードサーバの構成の断面図。 本発明によるサーバ装置における冷却装置の構成の概略斜視図。

符号の説明

1・・・サーバ装置、2・・・ブレードサーバ、3・・・サーバモジュール、4・・・ファンモジュール、5・・・ＣＰＵ、6・・・メモリ、7・・・半導体素子チップセット、8・・・マザーボード、9・・・冷却装置、91・・・蒸発器、92・・・凝縮器、93・・・第１の熱輸送管、94・・・第２の熱輸送管、95・・・ヒートシンク、96・・・放熱部材、100・・・電源モジュール、101・・・Ｉ／Ｏモジュール、102・・・マネージメントモジュール、103・・・電子基板

Claims (4)

1. 複数個のサーバモジュールと、一つ又は複数個のファンモジュールを搭載可能とするサーバ装置において、
   前記サーバモジュールは、ＣＰＵとメモリと半導体素子によるチップセット等の電子部品とを載置したマザーボードと、前記ＣＰＵの発熱を冷却する沸騰型冷却装置の一部と、を収納すると共に少なくとも二つの開口を有する筐体を有し、前記ファンモジュールのユニット内に収納されたファンが、前記サーバモジュール筐体の開口を通じて内部を送風する構成であって、
   前記沸騰型冷却装置は、前記サーバモジュール筐体内に載置された第１の熱伝達部材と、前記サーバモジュール筐体外に載置された第２の熱伝達部材と、前記第１の熱伝達部材と第２の熱伝達部材とを接続する複数の配管と、で構成され、
   前記第１の熱伝達部材は、内部空間に冷媒を密閉して保有する箱体であって、
   前記箱体の一方の外平面においてＣＰＵと熱的に接続され、対向する他側の外平面にヒートシンクが付設されており、
   前記第２の熱伝達部材は、前記ファンモジュールユニット内に配置され、前記配管に付設した放熱部材と前記マザーボードとによって、前記ファンモジュールの通風流路が構成され、
   前記複数の配管には、前記第１の熱伝達部材から前記第２の熱伝達部材へ気化した冷媒が、前記第２の熱伝達部材から前記第１の熱伝達部材へ液化した冷媒が流れる
   ことを特徴とするサーバ装置。
2. 請求項１に記載されたサーバ装置であって、
   前記サーバモジュール筐体と前記ファンモジュールユニットとは、前記サーバモジュール、前記ファンモジュール等のモジュールを電気的に接続する電子基板を挟んで配置され、
   前記第２の熱伝達部材は、前記電子基板に設けられた開口部から挿入されて、前記ファンモジュールユニット内に嵌合配置される
   ことを特徴とするサーバ装置。
3. 請求項１又は２に記載されたサーバ装置であって、
   前記配管は、蒸気輸送管と液輸送管とが並列に配置され、前記蒸気輸送管と前記液輸送管とが、前記第１の熱伝達部材と前記第２の熱伝達部材間で部分的に接続されている
   ことを特徴とするサーバ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかの請求項に記載されたサーバ装置であって、
   前記放熱部材は、放熱フィン又は放熱板であって前記蒸気輸送管に熱的に接続され付設されている
   ことを特徴とするサーバ装置。

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