JP2008304093A - 気化冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体を高効率に冷却可能な気化冷却システムを提供し、発熱体を有する装置の実装密度を向上させ高性能化を実現する。
【解決手段】気化冷却システムは、気化冷却モジュール１０、１１と、送液ポンプ５０とチューブ５１から成り冷媒液体を気化冷却モジュールへ供給する送液系と、送気チューブ６０、６１から成り温気を気化冷却モジュールへ供給する送気系と、排気ポンプ７０とチューブ７１から成り冷媒蒸気を含む空気を気化冷却モジュールから排気する排気系と、第一次熱交換器８０と還流チューブ８１から成り冷媒蒸気を凝結させ送液系に戻す還流系と、第二次熱交換器９０とチューブ９１、９２から成り第一次熱交換器から吸収した熱を排出する排熱系とから構成される。気化冷却モジュール１０、１１の内部に在って発熱体の接する気化板へ、飽和蒸気圧が高く相対湿度が低い温気と冷媒液体とを供給することにより、気化を促進し高い冷却効率を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は発熱体に対する冷却システムに係り、特に高性能、高密度化が求められるサーバ、ネットワーク、ストレージ等の情報プラットフォーム装置に好適な気化冷却システムに関する。

従来、プロセッサ、ＬＳＩ、電子機器、電力機器、動力機器等の発熱体を効率良く冷却する手段として気化冷却が知られている。発熱体から冷媒への熱伝導や熱伝達を利用する空冷や液冷に比べて、冷媒の潜熱を利用する気化冷却は、冷却効率の向上と冷却系の小型軽量化に向けて有望視されている。

例えば、１００Ｗの発熱体に対して空冷と水冷と気化冷却を比較する。空気の比熱を１．０Ｊ／ｇ・Ｋ、密度を０．００１２ｇ／ｃｍ３、水の比熱を４．２Ｊ／ｇ・Ｋ、密度を１ ｇ／ｃｍ３、気化熱を２３００Ｊ／ｇとして、空冷と水冷における冷媒の温度上昇を３０Ｋと仮定する。この想定条件で発熱体を冷却するために必要な冷媒の重量比は、空冷：水冷：気化冷却＝３．３ｇ／ｓ：０．７９ｇ／ｓ：０．０４３ｇ／ｓ＝７７：１８：１、冷媒の体積比は２８００ ｃｍ３／ｓ：０．７９ｃｍ３／ｓ：０．０４３ｃｍ３／ｓ＝６４０００：１８：１となり、気化冷却が空冷や水冷に比べて桁違いの潜在性能を有することが分かる。但し、実用上の冷却性能は冷媒の供給手段や気化条件等に大きく依存する。

気化冷却手段として幾つかの公知例が知られている。米国特許６０８５８３１号公報（特許文献１）では、発熱体である半導体チップにジャケットを被せ、その内部で冷媒を循環させている。発熱体により冷媒液体が気化し、ジャケット外部の空冷フィンにより冷媒蒸気が冷やされて凝結し、再び冷媒液体が発熱体に戻り、冷媒がジャケット内部を循環している。

特開２０００−２５２６７１号公報（特許文献２）では、発熱体であるマイクロプロセッサに循環配管を取り付けている。発熱体により気化した冷媒蒸気が配管内部を移動し、空冷フィンから成る熱交換部において蒸気が凝結して冷媒液体と空気に分離され、両者が別々の配管でノズルに送られ、冷媒液体がノズルから発熱体の表面へ圧電膜により噴射され、再び冷媒液体が発熱体により気化し、循環系が構成されている。

米国特許６２０５７９９公報（特許文献３）では、発熱体である半導体デバイスが搭載された回路基板が筐体に収納され、筐体内部のスプレー器から冷媒液体が発熱体に向けて噴射されている。気化した冷媒蒸気が筐体に繋がった配管を経て熱交換器に送られ、凝結した冷媒液体がポンプにより貯留槽に送られ、貯留槽から再びスプレー器に送られ、循環している。スプレー器は、プリンタ印刷技術であるサーマルインクジェット方式に倣って、シリコン基板に形成されたヒータ、チャンバ、開口部等から構成されている。

米国特許６８８９５１５号公報（特許文献４）では、発熱体である半導体にスプレーモジュールを取り付け、モジュールに同軸チューブを配管している。冷媒液体がポンプから同軸チューブの内管を経て発熱体へ噴射され、冷媒蒸気がモジュール内部の開口部から回収され、同軸チューブの外管を経て凝結器へ送られ、液化した冷媒が凝結器から貯留槽に送られ、再びポンプにより発熱体に噴射され、循環している。

特開２００６−３９９１６号公報（文献５）では、発熱体であるＣＰＵに蒸気発生器を取り付けている。発生器の内部で冷媒が気化し、冷媒蒸気が発生器に繋がった凝縮器に送られ、空冷ファンにより冷却されて冷媒が液化して受液槽へ送られ、受液槽から再び発生器に送られ、循環サイクルが形成されている。

特開平１１−２６６６５号公報（文献６）では、発熱体であるＣＰＵの筐体に中空のヒートシンクを取り付け、ヒートシンク内部の貯水ピットから発熱体に接するヒートシンクの内面へ毛細管現象により冷媒を供給している。ヒートシンク内部で冷媒が気化し、冷媒蒸気を含む空気がファンにより配管を通って熱交換器及び減湿器へ送られ、熱交換器で液化した冷媒がポンプにより再びヒートシンクの貯水ピットへ戻され、減湿器で乾燥した空気が圧縮機によりヒートシンクへ戻され、循環系が構成されている。

米国特許６０８５８３１号公報 特開２０００−２５２６７１号公報 米国特許６２０５７９９号公報 米国特許６８８９５１５号公報 特開２００６−３９９１６号公報 特開平１１−２６６６５号公報

特許文献１や特許文献２では、ジャケットや循環配管に冷媒が封入され、冷媒蒸気と液体が同じ空間に混在しているので、発熱体近傍の冷媒の蒸気圧が高くなり気化し難いという問題がある。また、ジャケットや循環配管と空冷フィンが一体化しているので、発熱体周囲にこれらの搭載領域を設ける必要があり、発熱体の実装密度を上げられないという問題がある。

特許文献３や特許文献４では、発熱体へ冷媒液体を噴射するスプレー器やスプレーモジュール、冷媒を凝結させる熱交換器や凝結器、冷媒を貯めておく貯留槽、スプレーに冷媒液体を送るポンプ等により冷却系が構成されている。文献１や文献２と同様に冷媒蒸気と液体が混送されているので、発熱体近傍の飽和蒸気圧層を破壊し気化を促進するにはサーマルインクジェットやコンプレッサによるスプレー機構の付与が必要であり、これらが小型化や信頼性にとって妨げになる問題がある。

文献５では、発熱体に取り付けられた蒸気発生器、空冷による凝縮器、受液槽等から冷却系が構成されているが、文献１から文献４と同様に冷媒蒸気と液体が同じ循環系に密封されているので、循環系内部で冷媒の蒸気圧が高くなり気化効率が低くなるという問題がある。

特許文献６では、発熱体とほぼ同面積の中空ヒートシンク、ヒートシンク内部で気化した冷媒蒸気を空冷ファンで冷却して液化する熱交換器、ヒートシンクからの排気を乾燥する減湿器、熱交換器から冷媒液体をヒートシンクに戻すポンプ、減湿器から乾燥空気をヒートシンクに送る圧縮機等から冷却系が構成されている。特許文献１から特許文献５と同様の閉鎖的な循環系において、ヒートシンク内部の蒸気圧を下げ気化を促進するため減湿器を設けているが、これが小型軽量化の妨げになる。また、ヒートシンクに対して冷媒液体と乾燥空気をヒートシンクに対して同一方向から供給しているので、前方で気化が行なわれるに連れて後方では蒸気圧が高まり気化し難くなるという問題がある。

以上述べたように、従来技術は気化冷却効率が低く冷却系の小型軽量化が難しいという問題がある。本発明の主な課題は、気化冷却を効率良く行なうことにより冷却系を小型軽量化し、情報プラットフォーム装置の実装密度を向上させ高性能化を実現することにある。このため、気化冷却の原理を踏まえた冷媒や雰囲気の供給、気化条件の最適化を行ない、高密度化に適した気化冷却システムを提供する。

気化冷却モデルは、Ｐｅｎｍａｎ−Ｍｏｎｔｅｉｔｈ法に基づき、気化蒸発量が飽和蒸気圧と雰囲気の蒸気圧との差分に比例するとして求められる。潜熱フラックス（発熱体からの除熱密度）をＬａ（Ｗ／ｃｍ３）、冷媒の気化熱をε（Ｊ／ｇ）、飽和蒸気圧をｅｓ（ｈＰａ）、雰囲気の蒸気圧をｅａ（ｈＰａ）、係数をｋ（ｇ／ｃｍ２・ｓ・ｈＰａ）として（数１）のように表わせる。

潜熱フラックスＬａは気化熱εと、飽和蒸気圧と蒸気圧との差分（ｅｓ −ｅ_a）に比例するが、飽和蒸気圧ｅ_sに対する雰囲気の蒸気圧ｅａの百分率ψ（％）、いわゆる相対湿度を用いると、（数１）は（数２）のように書き換えられる。潜熱フラックスＬ_aを大きくするには、気化熱εの大きい冷媒を用いること、飽和蒸気圧ｅ_sが高い条件下で気化させること、冷却対象近傍の蒸気圧ｅａを低くして相対湿度ψを下げることが重要である。

（数２）の右辺第一項の係数ｋは、冷媒の供給手段（冷媒の液量、膜厚、熱伝導率、熱抵抗等）、空気の供給手段（空気の密度、比熱、風速、風向等）、発熱体の気化面の状態（冷媒との親和性、表面形状、表面処理等）に依存すると考えられる。発熱体から冷媒が気化しやすいように気化面の実効面積を広げ、冷媒を薄く均一に供給して係数ｋを大きくすることが必要である。

冷媒として気化熱が比較的大きい水を例にとると、第二項の気化熱εは温度ｔ（℃）に対して（数３）のような近似式で表せる。温度ｔが常温ｔｏ（℃）から沸点１００℃までの範囲で変化しても、気化熱εの温度依存性は比較的小さい。

冷媒が水の場合に第三項の飽和蒸気圧ｅ_sは、Ｔｅｔｅｎｓの式により（数４）のように表わせる。温度ｔが高くなると飽和蒸気圧ｅ_sが概ね指数的に大きくなる。潜熱フラックスＬ_aを大きくするには、冷却対象近傍の雰囲気温度ｔを高くすることが有効である。

同じく水の場合に第四項（１−ψ／１００）は、常温ｔｏにおける相対湿度ψｏ（％）とＴｅｔｅｎｓの式を用いて（数５）のように表せる。第四項の値を大きくするには、常温ｔｏよりも雰囲気温度ｔを高くして、温度ｔにおける相対湿度ψを下げ、雰囲気の蒸気圧ｅ_aを低くすれば良い。

図１３は、冷媒として水を用いた場合の温度ｔに対する潜熱フラックスＬ_aの依存性を示す。（数２）へ（数３）から（数５）を代入し、常温ｔｏを２０℃、相対湿度ψｏを６０％ＲＨ、係数ｋをパラメータとして計算している。図１３から温度ｔが高くなるほど潜熱フラックスＬ_aが大きくなることが分かる。

気化冷却では、発熱体の単位面積当たりの発熱密度と潜熱フラックスＬ_a（除熱密度）との平衡状態が冷却温度となる。発熱体からの除熱量を増して気化冷却効率を上げるためには、気化熱εの大きい冷媒を用い、冷媒が気化する領域の面積を広げ、上述したような方法により潜熱フラックスＬ_aを大きくすることが肝要である。

本発明の代表的実施例の特徴は、発熱体の発熱部より広い面積を有する気化板を発熱体に取り付けることにより、潜熱フラックスＬ_aが得られる領域の面積を広げ、全体の除熱量を増大させる。

本発明の代表的実施例の別の特徴は、発熱体に接する気化板の表面に冷媒との親和性を増す表面処理、形状加工、または毛細管体を付与することにより、実効面積を稼ぐと共に冷媒液体を薄膜状に供給し、係数ｋを大きくし、潜熱フラックスＬ_aを増やす。

さらに別の特徴は、発熱体の上限温度以下の温風を気化板へ供給することにより、気化板周辺の飽和蒸気圧ｅ_sを高めると共に相対湿度ψを下げ、潜熱フラックスＬ_aを増大させる。同様に発熱体の上限温度以下の冷媒液体を気化板へ供給することによっても、潜熱フラックスＬ_aを増大させる効果を得ることができる。

さらに別の特徴は、冷媒液体と空気を気化板に対して異なる方向から供給することにより、相対湿度ψを低く保ちつつ空気を供給して気化板表面の飽和蒸気圧層を除去し、雰囲気の蒸気圧ｅ_aを低めて潜熱フラックスＬ_aを向上させる。

さらに別の特徴は、第一及び第二の発熱体を有する構成において、第二の発熱体で生じた温気を第一の発熱体の気化板へ供給することにより、温風を発生する機構を省いて送気系を小型化する。

さらに別の特徴は、発熱体より高い位置から気化板へ冷媒を自重で供給することにより、冷媒の送液系を簡素化する。

さらに別の特徴は、冷媒蒸気を含む空気を気化板から強制排気する排気系により、常圧に対して気化板側を負圧として送液または送気を行なうと共に、排気から冷媒蒸気を凝結させ冷媒液体を送液系に戻す還流側を正圧として還流を行ない、送液系または送気系と還流系の構成部品を削減する。

さらに別の特徴は、面状の発熱体が概ね垂直に配置され、冷媒液体を気化板の上部へ供給し、気化板の下部から冷媒蒸気を含む空気と冷媒液体の残液を排出する。これにより、垂直な発熱体に適した送液系または排出系となり、冷却系を小型化することができる。

さらに別の特徴は、冷媒を気化板へ供給する送液系と排気系と冷媒を送液系に戻す還流系から成る閉回路系と、外気から空気を取り込む送気系と排気系と外気へ空気を排出する還流系から成る開回路系を構成する。これにより、冷媒は閉回路系内で循環させつつ、簡素な開回路系で外気を利用して気化板へ蒸気圧ｅ_aの低い空気を供給して潜熱フラックスＬ_aを増す。

さらに別の特徴は、第一次熱交換系において発熱体から熱を奪った第一の冷媒蒸気を第二の冷媒で冷却して凝結させ、第二次熱交換系において第二の冷媒が第一の冷媒蒸気から吸収した熱を排出することにより、排気から第一次熱交換系を経て還流する系を小型化し、第二次熱交換系により発熱体周囲から排熱場所を遠ざけて冷却効率を向上させる。

さらに別の特徴は、発熱体の発熱量、消費電力、動作率、または温度に応じて送液量、送液温、送気量、または送気温を制御することにより、気化板へ必要量の冷媒と空気を供給し、効率よく気化冷却を行なわせる。

本発明の第一から第五の手段によれば、発熱密度の高い発熱体に対しても潜熱フラックスＬ_aを増大させ気化冷却を効率良く行なうことができ、第六から第十三の手段によれば送液系、送気系、排気系、還流系等から成る冷却系を小型軽量化できる。これらの手段は、特にサーバ、ネットワーク、ストレージ等の情報プラットフォーム装置において、プロセッサやＬＳＩ等の主要デバイスの実装密度を向上させ高性能化を提供できる効果がある。

以下、本発明による気化冷却システムの実施形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明による実施例１の気化冷却システムの構成図であり、本発明をブレードサーバシステムへ適用した例を示す。ブレードサーバシステムは、複数のブレードサーバ４０と、これらに接続されるバックプレーン、Ｉ／Ｏモジュール、スイッチモジュール、ストレージモジュール、マネジメントモジュール、電源モジュール、空冷ファンモジュール等と、これらを収納するサーバシャーシ４１から成る。ブレードサーバ４０は、気化冷却モジュール１０、１１が装着されたプロセッサと、チップセット２０、メモリモジュール２１、マザーボード３０、バックプレーンに接続するためのコネクタ３１等と、これらを覆うケースから成る。

気化冷却システムは、発熱体であるプロセッサに接する気化冷却モジュール１０、１１と、送液ポンプ５０と送液チューブ５１から成り冷媒液体を気化冷却モジュール１０、１１へ供給する送液系と、送気チューブ６０、６１から成り空気を気化冷却モジュール１０、１１へ供給する送気系と、排気ポンプ７０と排気チューブ７１から成り冷媒蒸気を含む空気を気化冷却モジュール１０、１１から排気する排気系と、第一次熱交換器８０と還流チューブ８１と排気口８２から成り冷媒蒸気を凝結させ送液系に戻す還流系と、第二次熱交換器９０と送水チューブ９１と返水チューブ９２から成り第一次熱交換器から吸収した熱を排出する排熱系とから構成される。

図２は気化冷却モジュール１０の構成図、図３はその断面図である。気化冷却モジュール１０が装着されるプロセッサパッケージ１００は、発熱体であるプロセッサチップ１０１、チップ１０１に密着するキャップ１０２、チップ１０１が接続されるパッケージ基板１０３から成り、ソケット１０４を介してマザーボード３０に接続される。気化冷却モジュール１０は、キャップ１０２に熱伝導材１０５を介して接する気化板１１０と、気化板１１０の表面に形成されたウィック１１１と、送液チューブ５１と送気チューブ６０と排気チューブ７１が繋がるジャケット１０９から成る。

プロセッサチップ１０１が発生した熱は、キャップ１０２、熱伝導材１０５を介して気化板１１０へ伝導する。送液チューブ５１から供給された冷媒液体は、送液流１１２のようにウィック１１１の毛細管現象により気化板１１０の表面に広がる。チップセット２０やメモリモジュール２１の発熱により温められた温気は、送気流１１３のようにポンプ７０の排気圧により送気チューブ６０からジャケット１０９の内部に吸い込まれる。気化板１１０の表面に広がった冷媒液体は、気化流１１５のようにプロセッサチップ１０１からの熱によりジャケット内部の温気中に気化する。冷媒蒸気を含む空気と気化しなかった冷媒液体の残液は、排気流及び排液流１１５のようにポンプ７０により排気チューブ７１から排出される。

図４は第一次熱交換器８０と第二次熱交換器９０の構成図である。第一次熱交換器８０は、排気チューブ７１が繋がる内挿管１２０と外套管（冷却管）１２１から成り排気から冷媒蒸気を凝結させる凝結器と、凝結した冷媒液体を貯める液槽１２２と、凝結後の残気を貯めるチャンバ１２３と、排気口８２とから構成される。第二次熱交換器９０は、ラジエータ１３０、ラジエータを空冷するファン１３１から成る。冷却水は送水ポンプ９３と送水チューブ９１により第二次熱交換器９０から外套管（冷却管）１２１へ供給されて内挿管１２０を通る冷媒蒸気を冷却し、冷媒蒸気から吸熱した温水は返水チューブ９２によりラジエータ１３０へ還流されて冷却され、温水からの排熱は排熱流１３２のように外気へ放出される。

図７は実施例１の気化冷却システムの機能図である。冷媒液体は送液ポンプ５０と送液チューブから成る送液系から気化冷却モジュール１０へ送られ、モジュール１０内部で冷媒蒸気へ気化し、冷媒蒸気が残液と共に排気ポンプ７０と排気チューブ７１から成る排気系から第一次熱交換器８０へ送られ、熱交換器８０の内部で冷媒蒸気が凝結して冷媒液体に戻り、冷媒液体が第一次熱交換器８０と還流チューブ８１から成る還流系から再び送液系に送られ、冷媒は閉回路循環系を成している。チップセット２０により温められた外気は送気チューブ６０から成る送気系から気化冷却モジュール１０へ入り、冷媒蒸気を含む空気が排気系から第一次熱交換器８０へ送られ、冷媒蒸気が凝結して残った乾いた空気が排気口８２から外気へ排出され、空気は開回路系を成している。

実施例１では以上のような構成により、最大消費電力約１００Ｗ、上限動作温度６５℃、パッケージサイズ約４ｃｍ角のプロセッサに対して、通常の室内温度２５℃、室内湿度６０％ＲＨの雰囲気条件下で、冷媒液体を水、銅から成る気化板１１０のサイズを約５ｃｍ角、送気温を４０℃前後とすることにより、約４Ｗ／ｃｍ²の潜熱フラックスを得て気化冷却を行なっている。冷媒材としては水、フッ素系不活性液体等が考えられるが、実施例１では気化熱が比較的大きい水を使用している。プロセッサの消費電力すなわち発熱量の変動に対して、プロセッサ動作率、消費電力、またはパッケージ温度等をモニタし、これらの値に応じて実施例１では送液量、送気量（排気量）を制御しているが、他に制御因子として送液温、送気温も利用できる。最大消費電力やパッケージサイズ等の仕様が異なるプロセッサを用いる場合には、それに適応して制御因子と共に冷媒材、気化板の材質やサイズ等を設計する。図１３に示すように、横軸の温度ｔに送液温や送気温が関連し、係数ｋに送液量や送気量が関連しており、これらを踏まえて制御、設計すれば良い。

実施例１によれば、発熱体であるプロセッサチップ１０１より広い面積を有する気化板１１０を用いているので、気化板へ熱が拡散して潜熱フラックスを得られる領域が広がり、発熱体１０１やキャップ１０２の表面から直接気化させるよりも気化を促進して除熱量を上げることができる。効率良く気化領域を広げるため、気化板としてヒートパイプやベーパーチャンバを用いても良い。また、気化板１１０の表面にウィック１１１を貼り付けている。ウィック１１１は網状を成す繊維で形成された毛細管体である。ウィック１１１の毛細管現象により冷媒液体が気化板１１０の表面に薄く均一に広がり、冷媒液体の熱抵抗が下がると共に気化領域の実効面積が広がり、潜熱フラックスを向上させることができる。同様の効果を得るため、毛細管体の代わりに、気化板１１０表面への親和性コーティングや微細凹凸加工を施しても良い。

実施例１では、送気チューブ６０、６１の吸気口はプロセッサチップ１０１周辺にあるチップセット２０もしくはメモリモジュール２１の近傍に開口する。つまり、気化冷却モジュール１０，１１に供給される空気は、チップセット２０もしくはメモリモジュール２１と熱交換をした空気である。これにより、メモリモジュールやチップセットの冷却の効果を得るとともに、温まった空気が気化板１１０へ供給される。空気の温度が上がると飽和蒸気圧が高まるので、相対湿度が下がり、潜熱フラックスが増加する。また、チップセット２０やメモリモジュール２１の発熱を活用しているので、空気を温めるための加熱機構を専用に設ける必要がない上、排気ポンプ７０の吸引による負圧で送気チューブ６０、６１から空気を取り込んでいるので、送気系を簡素化できる。なお、温風の温度はプロセッサチップ１０１の上限温度を超えることが無いので、動作や信頼性にとって問題は無い。

冷媒液体は送液流１１２の方向から、空気は送気流１１３の方向から、気化板１１０に対して供給されている。空気を冷媒液体と異なる方向から供給することにより、気化板１１０の表面まで空気の相対湿度を低く保てる上、風圧により気化板１１０の表面の飽和蒸気圧層を取り除いて気化を促進できる。また、冷媒液体は垂直に立った気化板１１０の上部に供給されており、液体自身の重力による流れとウィック１１１の毛細管効果が相まって気化板１１０の表面に冷媒液体が広がって効率良く気化し、気化せずに余った残液は同じく自重によって気化板１１０の下部から冷媒蒸気と共に自動的に排出されるので、送液系と排気系を簡素化できる。

冷媒液体は送液系、排気系、還流系から成る閉回路系を循環し、空気は外気から送気系、排気系、還流系を経て外気に戻る開回路系を通る。外気を利用することにより気化板１１０へは蒸気圧の低い空気が供給されるので、気化が促進される。蒸気圧が高まった排気は還流系へ渡り、冷媒蒸気が凝結されるので、蒸気圧が下がった状態で外気に戻される。冷媒は循環しているため頻繁に補充する必要はないが、排気口８２からわずかに冷媒蒸気が漏れて液槽１２２の液量が減った場合には、気化冷却の冷媒と第二次熱交換器の冷媒が同じであることを利用して、送水チューブ９１または返水チューブ９２からバイパス管を通じて気化冷却用冷媒を液槽１２２へ自動的に補充しても良い。

熱の流れは、プロセッサチップ１０１から発してキャップ１０２、熱伝導材１０５、気化板１１０に伝導し、潜熱として冷媒蒸気に移り、排気系を経て第一次熱交換器８０の凝結器で冷媒蒸気が凝結し、潜熱が第二次熱交換器９０の冷却水に移り、ラジエータ１３０から排熱流１３２として外気に放出される。冷媒蒸気を冷却し凝結させるためには空冷よりも凝結器１２０、１２１による水冷の方が効率が良いので、第一次熱交換器８０を小型化し、例えばサーバラックの棚の一部やサイドパネル、バックパネル等に設けることができる。また、第一次熱交換器８０と外気への排熱場所である第二次熱交換器９０とを分離しているので、サーバシャーシ４１と第一次熱交換器８０をサーバラックに収納してデータセンタ等の室内に置き、第二次熱交換器９０を室外に置くことができ、室内温度を上げずに室内の空調負荷すなわち空調電力を軽減できる。

図５は本発明による実施例２の気化冷却システムの構成図、図８は機能図であり、実施例１と同じくブレードサーバシステムへの適用例を示す。実施例１に対して、実施例２の気化冷却システムは送気系が温風ブロワ６２と送気チューブ６０、６１から成り、排気系が排気チューブ７１から成る点が異なっている。

実施例２では、気化冷却モジュール１０、１１がプロセッサに取り付けられ、プロセッサチップより広い面積を有して表面に毛細管体を備える気化板から冷媒液体が気化する。冷媒液体は送液チューブ５１を介して気化冷却モジュール１０、１１の上部から供給され、温風は温風ブロワ６２から送気チューブ６０、６１を介してモジュール１０、１１へ冷媒液体と異なる方向から供給され、モジュール１０、１１の下部から冷媒蒸気と残液が排出され、第一次熱交換器８０に回収され凝結した冷媒液体は再び送液ポンプ５０を経てモジュール１０、１１へ戻る。冷媒は閉回路循環系を成し、空気は温風ブロワ６２から第一次熱交換器８０の排出口８２に至る開回路系を成している。第二次熱交換器９０ではプロセッサから冷媒蒸気が吸収した熱が冷却水とラジエータを介して最終的に外気に放出される。

実施例２によれば、温風ブロワ６２から気化冷却モジュール１０、１１へ発熱体であるプロセッサチップの上限動作温度以下の温風を供給することにより、モジュール内部での飽和蒸気圧が高まり、送液ポンプ５０から供給された冷媒液体が気化し易くなる。また、温風ブロワ６２の送気圧により気化冷却モジュール１０、１１から冷媒蒸気を含む空気と未気化の残液が排出されるので、排気系から排気ポンプ７０を省くことができる。プロセッサの発熱量の変動に対しては、プロセッサ動作率、消費電力、またはパッケージ温度等に応じて温風ブロワ６２の送気温と送気量（風速）を変えることにより、精度良く潜熱フラックスすなわち冷却能力を制御できる。

図６は本発明による実施例３の気化冷却システムの構成図、図９は機能図である。実施例３ではサーバシャーシ４１の内側にブレードシャーシ４２があり、その内部に複数のブレードボード３０が密封される。ブレードシャーシ４２の内部で気化冷却を行なうため、ボード３０、プロセッサに取り付けられた気化板１１０、１１６、チップセット２０、メモリモジュール２１、及びコネクタ３１等の表面には冷媒液体に対する親和性コーティングを兼ねた防液処理が施される。

冷媒液体は送液ポンプ５０と送液チューブ５１から成る送液系からブレードシャーシ４２の上面へ供給され、ブレードサーバ以外（Ｉ／Ｏモジュール、スイッチモジュール、ストレージモジュール、マネジメントモジュール、電源モジュール等）の発熱による温気が排気ポンプ７０の排気圧により送気口６３からブレードシャーシ４２の内部へ取り込まれ、ボード３０に搭載された気化板１１０、１１６やチップ２０、２１等から冷媒液体が気化する。排気ポンプ７０と排気チューブ７１から成る排気系により気化冷却シャーシ４２の下面から冷媒蒸気と未気化の残液が排出され、第一次熱交換器８０と還流チューブ８１を経て冷媒液体が送液系に循環し、残気が排気口８２から排気される。

実施例３によれば、プロセッサだけでなくボード３０上の周辺チップも合わせて気化冷却を行なえるので、プロセッサ毎に気化冷却モジュールや送液チューブ、送気チューブを設ける必要が無い上、周辺チップを冷却するための空冷ファンを省略でき、ブレードサーバシステムを軽量化できる。なお、実施例３ではプロセッサに気化板を取り付けているが、発熱量に応じて周辺チップに気化板を設けても良い。また、複数のチップにまたがって共通の気化板を取り付けること、防液カバーを兼ねた気化板を設けること等も可能である。

図１０は本発明による実施例４の気化冷却システムの機能図である。実施例４の基本構成は実施例２と同様であるが、温風ブロワ６２が第一次熱交換器８０のチャンバから吸気チューブ６４を介して吸気し、温風を送気チューブ６０から気化冷却モジュール１０へ送る点が異なっている。第一次熱交換器８０に排気口が無く、空気が温風ブロワ６２、送気チューブ６２、気化冷却モジュール１０、排気チューブ７１、第一次熱交換器８０、吸気チューブ６４を巡る閉回路循環系、冷媒が送気ポンプ５０、、送気チューブ５１、モジュール１０、排気チューブ７１、第一次熱交換器８０、還流チューブ８１を巡る閉回路循環系を成している。

実施例４によれば、冷媒と空気の双方とも閉回路系であるので、もし第一次熱交換器８０で冷媒蒸気が凝結された後に空気にわずかに冷媒蒸気が混入しても実施例１や２に比べて冷媒の損失を防ぐことができる。冷媒蒸気が凝結されて残った空気は温風ブロワ６２に送られ、飽和蒸気圧が高まって相対湿度が下がり乾燥した空気が気化冷却モジュール１０へ供給されるので、気化が促進される。

図１１は本発明による実施例５の気化冷却システムの機能図である。実施例５の基本構成は実施例１に似ているが、送液系において温液ヒータ５２により冷媒液体を温め、プロセッサの上限温度以下の温液を気化冷却モジュール１０へ供給する点が異なっている。温液を供給することにより、実施例１や２で温気や温風を供給した効果と同様に、モジュール１０内部の気化板周辺の飽和蒸気圧が高まって相対湿度が下がり、気化効率が向上する。

温液ヒータ５２は送液ポンプ５０と併設しても良い。送気系では実施例１と同様に周辺チップの発熱による温気を供給しても良いが、発熱量に対して温液の気化促進効果が十分であれば、周辺チップの発熱による空気の昇温は行わなくても良い。つまり送気チューブ６０の吸気口の向きを変えることも可能である。

図１２は本発明による実施例６の気化冷却システムの機能図である。実施例６では排気ポンプ７０の排気圧を利用し、気化冷却モジュール１０側を負圧にすることにより気化板へ送気チューブ６０から温気を供給すると共に、第一次熱交換器８０側を正圧とすることにより還流チューブ８０から送液タンク５３へ冷媒液体を送る。第一次熱交換器８０では、排気口８２の弁を閉じておくと排気及び排液によりチャンバの内圧が高まり、液槽から還流チューブ８１へ冷媒液体が流れる。送液タンク５３は気化冷却モジュール１０より高位にあり、冷媒液体が送液タンク５３からモジュール１０へ自重により流れ落ちて、プロセッサ１００に接する気化板へ供給される。

実施例７によれば、排気ポンプの排気圧と冷媒液体の自重を利用することにより送液系から送液ポンプを省けるので、冷却系に必要な電力を減らしブレードサーバシステムを小型化できる。

本発明による気化冷却システムは、特に高性能、高密度化が求められるサーバ、ネットワーク、ストレージ等の情報プラットフォーム装置に好適であるが、例えばＰＣや携帯電話等の電子機器、発電機や燃料電池等の電力機器、自動車や鉄道等の動力機器等、発熱体を有する機器を冷却する用途に広く適用できる。

本発明による実施例１の気化冷却システムの構成図である。 本発明による実施例１の気化冷却モジュールの構成図である。 本発明による実施例１の気化冷却モジュールの断面図である。 本発明による実施例１の第一次、第二次熱交換器の構成図である。 本発明による実施例２の気化冷却システムの構成図である。 本発明による実施例３の気化冷却システムの構成図である。 本発明による実施例１の気化冷却システムの機能図である。 本発明による実施例２の気化冷却システムの機能図である。 本発明による実施例３の気化冷却システムの機能図である。 本発明による実施例４の気化冷却システムの機能図である。 本発明による実施例５の気化冷却システムの機能図である。 本発明による実施例６の気化冷却システムの機能図である。 本発明に係る気化冷却モデルの説明図である。

符号の説明

１０、１１‥気化冷却モジュール
２０‥チップセット、２１‥メモリ
３０‥マザーボード、３１‥コネクタ
４０‥ブレードサーバ、４１‥サーバシャーシ、４２‥ブレードシャーシ
５０‥送液ポンプ、５１‥送液チューブ、５２‥温液ヒータ、５３‥送液タンク
６０、６１‥送気チューブ、６２‥温風ブロワ、６３‥送気口、６４‥吸気チューブ
７０‥排気ポンプ、７１‥排気チューブ
８０‥第一次熱交換器（凝結器）、８１‥還流チューブ、８２‥排気口
９０‥第二次熱交換器、９１‥送水チューブ、９２‥返水チューブ、９３‥送水ポンプ
１００‥プロセッサパッケージ、１０１‥プロセッサチップ（発熱体）
１０２‥キャップ、１０３‥パッケージ基板、１０４‥ソケット、１０５‥熱伝導材
１０９‥ジャケット、１１０、１１６‥気化板、１１１‥ウィック
１１２‥送液流、１１３‥送気流、１１４‥気化流、１１５‥排気流及び排液流
１２０‥内挿管、１２１‥外套管、１２２‥液槽、１２３‥チャンバ
１３０‥ラジエータ、１３１‥空冷ファン、１３２‥排熱流。

Claims (13)

1. 冷媒の気化熱により発熱体を冷却する気化冷却システムであって、
   前記発熱体の発熱部より広い面積を有し発熱部に接して熱を拡散し、冷媒液体を冷媒蒸気へ気化させる気化板と、
   冷媒液体を前記気化板へ供給する送液系と、
   前記気化板へ空気を供給する送気系と、
   前記気化板周辺の冷媒蒸気を含む空気を排気する排気系と、
   前記排気系の冷媒蒸気を凝結させて冷媒液体を回収し、送液系に戻す還流系とを備えることを特徴とする気化冷却システム。
2. 前記気化板は、その一方の表面が前記発熱体の発熱部に接し、その他方の表面は前記冷却液体に対して親和性を有し、もしくは毛細管体が被着することを特徴とする請求項１記載の気化冷却システム。
3. 前記送気系は、前記発熱体の上限温度より低い温風を前記気化板に供給することを特徴とする請求項１記載の気化冷却システム。
4. 前記送液系は、前記発熱体の上限温度より低い前記冷媒液体を前記気化板に供給することを特徴とする請求項１記載の気化冷却システム。
5. 前記送気系は、前記送液系の前記気化板への前記冷媒液体の供給方向に対して異なる方向から気化板へ空気を供給することを特徴とする請求項１記載の気化冷却システム。
6. 第１及び第２の発熱体を冷却する気化冷却システムであって、
   前記第１の発熱体に接して冷媒液体を冷媒蒸気へ気化させる気化板と、
   前記冷媒液体を前記気化板へ供給する送液系と、
   前記の発熱体の近傍から空気を吸引して前記気化板へ供給し、冷媒蒸気を含む空気を気化板から排気する吸排気系と、
   排気された空気から冷媒蒸気を凝結させて冷媒液体を回収し、送液系に戻す還流系とを備えることを特徴とする気化冷却システム。
7. 前記送液系は、前記気化板より高位から自重により前記冷媒液体を気化板へ供給することを特徴とする請求項１記載の気化冷却システム
8. 前記排気系は、強制排気することで前記気化板側を負圧とし、かつ前記還流系側を正圧とするポンプを含むことを特徴とする請求項１記載の気化冷却システム。
9. 面状の発明体を概ね垂直に保持する保持手段と、
   前記発熱体に接して冷媒液体を冷媒蒸気へ気化させる気化板と、
   前記冷媒液体を気化板へ供給する送液系と
   前記気化板へ空気を供給する送気系と、
   前記気化板から冷媒蒸気を含む空気を排気する排気系と、
   前記排気系の冷媒蒸気を凝結させて冷媒液体を回収し、送液系に戻す還流系とを備える気化冷却システム。
10. 前記排気系は冷媒蒸気を含む空気とともに冷媒液体の残液を気化板から排出する排出系と、ことを特徴とする請求項９記載の気化冷却システム。
11. 冷媒の気化熱により発熱体を冷却する気化冷却システムであって、
    前記発熱体に接して冷媒液体を冷媒蒸気へ気化させる気化板と、
    冷媒液体を前記気化板へ供給する送液系と、
    外気から空気を取り込み前記気化板へ送風する送気系と、
    冷媒蒸気を含む空気を気化板から排気する排気系と、
    排気から冷媒蒸気を凝結させ冷媒液体を前期送液系に戻し、残気を外気へ排出する還流系とを備え、
    冷媒が前記送液系と前記排気系と前記還流系から成る閉回路を循環し、空気が前記送気系と前記排気系と前記還流系から成る開回路を循環することを特徴とする気化冷却システム。
12. 冷媒の気化熱により発熱体を冷却する気化冷却システムであって、
    前記発熱体に接して第１の冷媒液体を第１の冷媒蒸気へ気化させる気化板と、
    前記第１の冷媒液体を前記気化板へ供給する送液系と、
    前記気化板へ送風する送気系と、
    前記第１の冷媒蒸気を含む空気を前記気化板から排気する排気系と、
    第２の冷媒液体により前記排気系の空気を冷却して前記第一の冷媒蒸気を凝結させて前記第１の冷媒液体を回収する第一次熱交換系と、
    前記第一次熱交換系から第１の冷媒液体を送液系に戻す還流系と、
    第２の冷媒液体が第１の冷媒蒸気から吸収した熱を排出する第二次熱交換系とを備えることを特徴とする気化冷却システム。
13. 冷媒の気化熱により発熱体を冷却する気化冷却システムであって、
    前記発熱体に接して冷媒液体を冷媒蒸気へ気化させる気化板と、
    冷媒液体を前記気化板へ供給する送液系と、
    前記気化板へ空気を供給する送気系と、
    前記気化板周辺の冷媒蒸気を含む空気を排気する排気系と、
    前記排気系の冷媒蒸気を凝結させ冷媒液体を回収し、送液系に戻す還流系と、を備え、
    発熱体の発熱量、消費電力、動作率、または温度に応じて送液量、送液温、送気量、または送気温を制御することを特徴とする気化冷却システム。

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