JP2013026527A - 冷却ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を循環させて部品を冷却する冷却機構において、冷媒から発生する気泡によるポンプのエアロックを防止する冷却ユニットを提供する。
【解決手段】冷却ユニットは、冷媒を循環する流路と、前記冷媒を蓄えるタンクとを備え、前記タンクは、複数の側壁と、前記複数の側壁のうち、第１の側壁に設けられ、前記流路からの冷媒が流入される流入口と、前記第１の側壁以外の第２の側壁の前記流入口より下方となる位置に設けられ、前記流路へ冷媒を排出する排出口と、前記第２の側壁の内壁面の前記排出口の上方となる位置に設けられた庇部とを有する。
【選択図】図２

Description

開示の技術は、電子機器に搭載された電子部品を、冷媒を用いて冷却する冷却ユニットに関する。

近年、ＰＣサーバーなどにおいては、複数のサーバーモジュールをラックキャビネットに段積みして搭載するラックマウント方式が主流となっている。各々のサーバーモジュールには、プロセッサ（ＣＰＵ）を代表とする集積回路素子（ＬＳＩ）が１つまたは複数個搭載されている。単体のサーバーや、パーソナルコンピュータにおいては、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱量が大きい部品の直上に専用のファンを取り付けて空冷し動作の安定を図っている。しかしながら、ラックマウント方式においては、高性能化、省スペース化のため、１つのラックキャビネットに、なるべく沢山のサーバーモジュールを積層する必要がある。そのため、個々のサーバーモジュールの厚さを薄くしなければならないため、ラックマウント方式のサーバーモジュールにおいては、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱量が大きい部品に直接ファンを付けることができない。また積層されているため、個々のサーバーモジュール内の熱を外に排出することが難しい。これらの問題を解決するために、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱部品上に冷媒を循環させて冷却し、ＣＰＵやＬＳＩ等から熱を吸収した冷媒を、ポンプでラジエータに循環させて、冷却ファンで、冷媒を冷却して、ＣＰＵやＬＳＩ等を冷却する手段がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−３１９６２８号公報 特開２００５−２６４９８号公報

サーバーの高性能化に伴って、ＣＰＵやＬＳＩ等も高集積化され、発熱量も増大しており、上述した冷媒を循環させて部品を冷却する方法においても、更に効率よく冷却する冷却機構が要求されている。また、冷媒の温度上昇により発生する気泡が、冷媒の流れに影響を及ぼさない様にする冷却機構も要求されている。

冷媒を循環する流路と、前記冷媒を蓄えるタンクとを備え、前記タンクは、複数の側壁と、前記複数の側壁のうち、第１の側壁に設けられ、前記流路からの冷媒が流入される流入口と、前記第１の側壁以外の第２の側壁の前記流入口より下方となる位置に設けられ、前記流路へ冷媒を排出する排出口と、前記第２の側壁の内壁面の前記排出口の上方となる位置に設けられた庇部と
を有する冷却ユニットが提供される。

開示の冷却ユニットによれば、冷媒による発熱部品の冷媒循環ループ内で発生する気泡を、タンク内に留めてポンプに流れ込まない様にすることで、ポンプのエアロックを防ぐという効果を奏する。

冷却ユニットを用いたサーバーモジュールの構造について説明する図である。 第１の実施形態のタンクの構造について説明する図である。 第１〜３の実施形態のタンクの機能について説明する図である。 第４の実施形態のタンクの構造について説明する図である。 第５の実施形態のタンクの構造について説明する図である。 第５、６の実施形態のタンクの機能について説明する図である。 第７、８の実施形態のタンクの機能について説明する図である。 第９の実施形態のタンクの構造及び機能について説明する図である。 第１０の実施形態のタンクの構造及び機能について説明する図である。

以下に図面を参照して、本開示の技術にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、開示の技術を適用した冷却ユニットを用いたサーバーモジュール内部の構成を示す。サーバーモジュール１００の内部には、複数のＣＰＵ９０を搭載した回路基板９５が配設されている。これらのＣＰＵ９０には、ＣＰＵ９０の熱を冷媒に伝導するための冷却ジャケット９２が取り付けられている。冷却ジャケット９２は、熱伝導効率のよい金属、例えば銅、アルミニウムなどが用いられる。

サーバーモジュール１００内部の端部（図１においては、上方）には、放熱フィン１０が配置されており、その内側には、複数のファン２０が配置されている。複数のファン２０は、前記放熱フィン１０側に送風する方向に回転する。放熱フィン１０で温められた空気は、サーバーモジュール１００端部から、サーバーモジュール１００の外部に排出される。

サーバーは通常、温度管理されている部屋に設置されているため、前記複数のファン２０の回転方向を逆にして、サーバーモジュール１００の端部から外気を吸い込み、前記放熱フィン１０を外気で冷却するようにしても冷却効果がある。

サーバーモジュール１００の内部には、ポンプ８０が配置され、ポンプ８０により加圧された冷媒は、パイプ６０に送出される。送出された冷媒は、冷却ジャケット９２でＣＰＵ９０の熱を吸収し、さらにパイプ６１を介して、前記放熱フィン１０に送出される。冷媒は、放熱フィン１０内で、ファン２０によって冷却され、パイプ６２によって、ポンプ８０に還流される。

ポンプ８０の手前には、タンク４０が配置される。冷媒は、パイプに用いられているゴム、及びポンプ８０に用いられている樹脂表面から透過して、その量が徐々に減ってしまう。タンク４０は、冷媒を蓄えておく働きを有する。

冷却ユニットは、ポンプ８０、パイプ６０、冷却ジャケット９２、パイプ６１、放熱フィン１０、パイプ６２とタンク４０を有し、冷媒がこれらの部品を循環することによって、放熱循環ループを形成する。この放熱循環ループを直線状に配置し、経路を短く設定することで、冷媒を速く還流して放熱効率を良くすることができる。回路の中枢部であるＣＰＵ９０を中心にして回路基板９５の設計が行なわれるため、多くの場合、ＣＰＵ９０は回路基板９５の中心部に配置される。よって、放熱循環ループも、回路基板９５の中心部を横断する様に配置されることが多い。

冷媒は、例えば、プロピレングリコール系の不凍液が使用されるが、これに限定されない。パイプ６０、６１、６２の一部は、例えばゴム、樹脂等のフレキシブルで、断熱性を有する素材が用いられ、冷却ジャケット９２の近傍においては、ＣＰＵ９０からの熱を効率よく冷媒に伝えるために、金属等の熱導伝性の良い素材が用いられる。

次に、図２を用いて、第１の実施形態のタンク４０Ａについて説明する。図２（ａ）は、タンク４０Ａの透過斜視図である。タンク４０Ａの一方の側面の流入口５０には、パイプ６２が接続される。放熱フィン１０内で冷却された冷媒は、パイプ６２を通してタンク４０Ａ内に流入される。タンク４０Ａのもう一方の側面の排出口５２には、ポンプ８０が接続されている。ポンプ８０は、タンク４０Ａから冷媒を吸入して、再びパイプ６０に冷媒を吐き出すことによって、冷媒の流れをつくりだす。ポンプ８０から吐き出された冷媒は、パイプ６０を介して、放熱循環ループに還流される。

図２（ｂ）は、前記図２（ａ）におけるタンク４０ＡのＡ−Ａ’から矢印の方向の垂直方向の断面図を示す。図２（ｃ）は、前記図２（ａ）におけるタンク４０Ａの水平方向の断面図を示す。

図２（ｂ）を参照して、タンク４０Ａの図中右側の側面の上方には流入口５０が設けられていて、反対側の側面の下方には、排出口５２が設けられている。排出口５２の上部には、タンク４０Ａ内に突出した板状の庇部４６Ａが設けられている。図２（ｃ）を参照して、流入口５０と排出口５２の位置は、向き合わない様に間隔をもって配置されている。

次いで、図３（ａ）を用いて、板状の庇部４６Ａの働きについて説明する。

先にも述べたが、タンク４０Ａ内には、前記放熱循環ループを流れる冷媒の他に、冷媒が、パイプに用いられているゴム、及びポンプに用いられている樹脂表面から透過して放熱循環ループに流れる冷媒の量が減ってしまうのを補うための冷媒が蓄えられている。

サーバーモジュール１００の製造段階では、前記放熱循環ループ内には、冷媒を最大限充填しておく。前記タンク４０Ａ内にも冷媒は充填される。冷媒を充填する作業は、通常常温で行なわれる。このとき、冷媒中に空気が溶け込んでいる。

サーバーモジュール１００が稼働して、ＣＰＵ９０の冷却が始まると、冷媒の温度が上昇して、常温状態で冷媒に溶け込んでいた空気が気化して気泡となる。気泡が放熱循環ループ内を冷媒の流れに従って移動していき、ポンプ８０内に気泡が溜まると、ポンプ８０はエアロックを起こし、冷媒を吐き出す力が極端に低下してしまうことがある。

図３（ａ）を参照して、前記放熱循環ループ内で発生した気泡は、冷媒の流れに従って移動して、流入口５０からタンク４０Ａ内に流れ込む。前記気泡は、冷媒より比重が軽いため、前記タンク４０Ａ内部の上側の領域に溜まり、空気層４９となる。

空気層４９となった気体をポンプ８０に送りこまない様に、排出口５２はタンク４０Ａ内の下方に設けられている。冷媒とともに流入口５０からタンク４０Ａ内に流れ込む気泡が、冷媒内に沈み込んだ場合に対しても、排出口５２の上部に設けられた板状の庇部４６Ａによって、排出口５２近辺の気泡が、排出口５２へ吸い込まれるのを防ぐことが可能となる。よって、本実施形態によれば、ポンプ８０のエアロックを防ぐことが可能となる。また、放熱循環ループ内で発生した気泡は最終的にタンク４０Ａ内に溜まるため、放熱循環ループ内に流れる冷媒の水量が一定に保たれ、冷却効率が妨げられるのを防ぐことが可能となる。

次に、図３（ｂ）を用いて、第２の実施形態のタンク４０Ｂについて説明する。図３（ｂ）は、タンク４０Ｂの断面図である。本実施形態のタンク４０Ｂは、第１の実施形態に係るタンク４０Ａの庇部４６Ａに対して、板状の庇部４６Ｂが、タンク４０Ｂの底面に向かって下方に傾斜している。冷媒とともに流入口５０からタンク４０Ｂ内に流れ込む気泡が、冷媒内に深く沈み込んだ場合に対しても、板状の庇部４６Ｂが下方に傾斜しているので、気泡が排出口５２へ吸い込まれるのを防ぐことが可能となる。

次に、図３（ｃ）を用いて、第３の実施形態のタンク４０Ｃについて説明する。図３（ｃ）は、タンク４０Ｃの断面図である。本実施形態のタンク４０Ｃは、第１の実施形態に係るタンク４０Ａの庇部４６Ａに対して、板状の庇部４６Ｃは、タンク４０Ｃの内壁から内部に向けて水平方向に延びているが、その先端部４７Ａは下方に傾斜している。冷媒とともに流入口５０からタンク４０Ｃ内に流れ込む気泡が、冷媒内にさらに深く沈み込んだ場合に対しても、板状の庇部４６Ｃの先端部４７Ａが下方に傾斜しているので、気泡が排出口５２へ吸い込まれるのを防ぐことが可能となる。

次に、図４を用いて、第４の実施形態のタンク４０Ｄについて説明する。図４（ａ）は、タンク４０Ｄの透過斜視図であり、図４（ｂ）は、前記図４（ａ）におけるタンク４０ＤのＡ−Ａ’から矢印の方向の垂直方向の断面図を示す。図４（ｃ）は、前記図４（ａ）におけるタンク４０Ｄの水平方向の断面図を示す。

図４（ｃ）を参照して、本実施形態のタンク４０Ｄは、第１の実施形態に係るタンク４０Ａの庇部４６Ａに対して、板状の庇部４６Ｄの左右の端部が、タンク４０Ｄの内壁に接している。本実施形態の板状の庇部４６Ｄの働きについては、上記図３（ａ）を用いて説明した第１の実施形態のタンク４０Ａの板状の庇部４６Ａとほぼ同等である。

次に、図５を用いて、第５の実施形態のタンク４０Ｅについて説明する。図５（ａ）は、タンク４０Ｅの透過斜視図である。タンク４０Ｅの一方の側面の流入口５０には、パイプ６２が接続される。放熱フィン１０内で冷却された冷媒は、パイプ６２を通してタンク４０Ｅ内に流入される。タンク４０Ｅのもう一方の側面の排出口５２には、ポンプ８０が接続されている。ポンプ８０は、タンク４０Ｅから冷媒を吸入して、再びパイプ６０に冷媒を吐き出すことによって、冷媒の流れをつくりだす。ポンプ８０から吐き出された冷媒は、パイプ６０を介して、放熱循環ループに還流される。

図５（ｂ）は、前記図５（ａ）におけるタンク４０ＥのＡ−Ａ’から矢印の方向の垂直方向の断面図を示す。図５（ｃ）は、前記図５（ａ）におけるタンク４０Ｅの水平方向の断面図を示す。

図５（ｂ）を参照して、タンク４０Ｅの図中右側の側面の上方には流入口５０が設けられていて、反対側の側面の下方には、排出口５２が設けられている。排出口５２の上部には、タンク４０Ｅの外壁が内部に向かって突出した凸部７０Ａが設けられている。タンク４０Ｅの外側から見れば凹部７２Ａがタンク４０Ｅの側面に水平方向に沿って設けられている。図５（ｃ）を参照して、流入口５０と排出口５２の位置は、向き合わない様に間隔をもって配置されている。

次いで、図６（ａ）を用いて、凸部７０Ａの働きについて説明する。

図６（ａ）を参照して、前記放熱循環ループ内で発生した気泡は、冷媒の流れに従って移動して、流入口５０からタンク４０Ｅ内に流れ込む。前記気泡は、冷媒より比重が軽いため、前記タンク４０Ｅ内部の上側の領域に溜まり、空気層４９となる。

空気層４９となった気体をポンプ８０に送りこまない様に、排出口５２はタンク４０Ｅ内の下方に設けられている。冷媒とともに流入口５０からタンク４０Ｅ内に流れ込む気泡が、冷媒内に沈み込んだ場合に対しても、排出口５２の上部に設けられた凸部７０Ａによって、排出口５２近辺の気泡が、排出口５２へ吸い込まれるのを防ぐことが可能となる。よって、本実施形態によれば、ポンプ８０のエアロックを防ぐことが可能となる。

次に、図６（ｂ）を用いて、第６の実施形態のタンク４０Ｆについて説明する。図６（ｂ）は、タンク４０Ｆの断面図である。本実施形態のタンク４０Ｆは、第５の実施形態に係るタンク４０Ｅの凸部７０Ａに対して、凸部７０Ｂが、タンク４０Ｆの底面に向かって下方に傾斜している。冷媒とともに流入口５０からタンク４０Ｆ内に流れ込む気泡が、冷媒内に深く沈み込んだ場合に対しても、凸部７０Ｂが下方に傾斜しているので、気泡が排出口５２へ吸い込まれるのを防ぐことが可能となる。

次に、図７（ａ）を用いて、第７の実施形態のタンク４０Ｇについて説明する。図７（ａ）は、タンク４０Ｇの断面図である。本実施形態のタンク４０Ｇは、第５の実施形態に係るタンク４０Ｅの凸部７０Ａに対して、凸部７０Ｃの先端に板状の庇部４６Ｅが下方に傾斜して設けられている。冷媒とともに流入口５０からタンク４０Ｇ内に流れ込む気泡が、冷媒内にさらに深く沈み込んだ場合に対しても、凸部７０Ｃの先端の庇部４６Ｅが下方に傾斜しているので、気泡が排出口５２へ吸い込まれるのを防ぐことが可能となる。

次に、図７（ｂ）を用いて、第８の実施形態のタンク４０Ｈについて説明する。図７（ｂ）は、タンク４０Ｈの断面図である。本実施形態の凸部７０Ｄの先端に設けられた板状の庇部４６Ｆは、第７の実施形態に係る凸部７０Ｃ先端の板状の庇部４６Ｅに対して、その長さが長く、排出口５２への冷媒の流路が狭められている。よって、冷媒とともに流入口５０からタンク４０Ｈ内に流れ込む気泡が、冷媒内にさらに深く沈み込んだ場合に対しても、凸部７０Ｄの先端の庇部４６Ｆが大きく下方に傾斜しているので、気泡が排出口５２へ吸い込まれるのを防ぐことが可能となる。

次に、図８を用いて、第９の実施形態のタンク４０Ｉについて説明する。図８（ａ）は、タンク４０Ｉの透過斜視図である。図８（ｂ）は、前記図８（ａ）におけるタンク４０ＩのＡ−Ａ’から矢印の方向の垂直方向の断面図を示す。本実施形態のタンク４０Ｉの板状の庇部４６Ｇは、図３（ｃ）に示す第３の実施形態に係る板状の庇部４６Ｃと同じ様に、その先端部４７Ｂは下方に傾斜した形状をしている。本実施形態においては、タンク４０Ｉの底面から、前記板状の庇部４６Ｇの先端部４７Ｂに向けて垂直方向に板状の凸部４８が設けられている。この板状の凸部４８と、板状の庇部４６Ｇによって、排出口５２への冷媒の流路が狭められているため、気泡が冷媒と一緒にタンク４０Ｉ内に勢い良く流れ込んだとしても、気泡がポンプ８０に吸い込まれるのを防いでいる。

次に、図９を用いて、第１０の実施形態のタンク４０Ｊについて説明する。図９（ａ）は、タンク４０Ｊの透過斜視図である。図９（ｂ）は、前記図９（ａ）におけるタンク４０ＪのＡ−Ａ’から矢印の方向の垂直方向の断面図を示す。本実施形態のタンク４０Ｊの凸部７０Ｅとその先端の庇部４６Ｈは、図７（ａ）第７に示す第７の実施形態に係る凸部７０Ｃとその先端の庇部４６Ｅと同じ形状をしている。本実施形態においては、タンク４０Ｊの底面から、タンク４０Ｊの内部に向けて第２の凸部７４が設けられている。この第２の凸部と、凸部７０Ｅの先端の板状の庇部４６Ｈによって、排出口５２への冷媒の流路が狭められているため、気泡が冷媒と一緒にタンク４０Ｊ内に勢い良く流れ込んだとしても、気泡がポンプ８０に吸い込まれるのを防いでいる。

以上、いずれの実施形態においても、ポンプ８０のエアロックを防ぐことが可能となる。また、放熱循環ループ内で発生した気泡は最終的にタンク４０内に溜まるため、放熱循環ループ内に流れる冷媒の水量が一定に保たれ、冷却効率が妨げられるのを防ぐことが可能となる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 放熱フィン
２０ ファン
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ、４０Ｅ、４０Ｆ、４０Ｇ、４０Ｈ、４０Ｉ タンク
４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈ 庇部
４７Ａ、４７Ｂ 先端部
４８ 凸部
４９ 空気層
５０ 流入口
５２ 排出口
６０、６１、６２ パイプ
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ、７０Ｅ 凸部
７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄ、７２Ｅ 凹部
７４ 第２の凸部
８０ ポンプ
９０ ＣＰＵ
９２ 冷却ジャケット
９５ 回路基板
１００ サーバーモジュール

Claims (9)

1. 冷媒を循環する流路と、前記冷媒を蓄えるタンクとを備える冷却ユニットであって、
   前記タンクは、
   複数の側壁と、
   前記複数の側壁のうち、第１の側壁に設けられ、前記流路からの冷媒が流入される流入口と、
   前記第１の側壁以外の第２の側壁の前記流入口より下方となる位置に設けられ、前記流路へ冷媒を排出する排出口と、
   前記第２の側壁の内壁面の前記排出口の上方となる位置に設けられた庇部と
   を有することを特徴とする冷却ユニット。
2. 前記庇部は、前記第２の側壁の内壁面から水平方向に突出する平面板であり、前記庇部の先端は、前記流入口より下方となる位置にある
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却ユニット。
3. 前記庇部は、前記第２の側壁から前記タンクも下方に傾斜して突出する平面板であり、前記庇部の先端は、前記流入口より下方となる位置にある
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却ユニット。
4. 冷媒を循環する流路と、前記冷媒を蓄えるタンクとを備える冷却ユニットであって、
   前記タンクは、
   複数の側壁と、
   前記複数の側壁のうち、第１の側壁に設けられ、前記流路からの冷媒が流入される流入口と、
   前記第１の側壁以外の第２の側壁の前記流入口より下方となる位置に設けられ、前記流路へ冷媒を排出する排出口と、
   前記第２の側壁の前記排出口上部に設けられた前記タンク内に突出する凸部と
   を有することを特徴とする冷却ユニット。
5. 前記凸部は、前記タンクの外壁が内部に凹んで、内部に突出した形状を有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の冷却ユニット。
6. 前記凸部先端に、平板状の庇部が形成されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の冷却ユニット。
7. 前記平板状の庇部の先端は、前記前記流入口より下方となる位置にある
   ことを特徴とする請求項６に記載の冷却ユニット。
8. 前記流路には、前記冷媒を冷却する放熱フィンと、前記冷媒によって発熱部品の熱を吸収する冷却シートとが接続される
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の冷却ユニット。
9. 前記流路には、さらに冷媒の流れを作るポンプが接続され、
   前記タンクは、前記ポンプと前記流路との間に設けられる
   ことを特徴とする請求項８に記載の冷却ユニット。