JP2020136335A - 冷却装置、冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液浸冷却装置に用いられる冷媒の量を削減する。【解決手段】冷却装置１は、液体である第１冷媒１３が貯留される内槽１１と、内槽内に、内槽の側壁部と対向させて設けられ、第１冷媒に浸漬される電子機器１５１が収納される収納部１５を形成するとともに、収納部の周囲の少なくとも一部において第１冷媒が内槽の下側に向かって流れる冷媒流路１６を形成する隔壁１４と、内槽の外側に配置され、第２冷媒が流通する外槽１２と、内槽と外槽との間に設けられ、第１冷媒から第２冷媒へ熱伝達する熱伝達部と、を備える。【選択図】図１

Description

本明細書開示の発明は、冷却装置、冷却システム及び冷却方法に関する。

従来、電子機器等の発熱体を冷却するための装置が種々提案されている。例えば、発熱体の熱を受ける液体冷媒を収容する収容部と、収容部に連通し、発熱体の熱によって沸騰した液体冷媒を凝縮させる凝縮部を備えた沸騰冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）また、発熱する電子機器を冷却槽に貯留した冷却液に浸漬することで電子機器を冷却する液浸冷却装置も知られている（例えば、特許文献２）。

特開２０１０−１６０４９号公報 国際公開２０１８／０８７９０４号

ところで、昨今の高度情報化社会の到来に伴い、データセンターの必要性が益々高まっている。データセンターでは、室内に多数のラックを設置し、各ラックにサーバやストレージ装置等の電子機器を収納して、それらの電子機器を一括管理している。このような電子機器は、その高性能化に伴って発熱量を増大させている。発熱量が大きい電子機器の高密度実装は、電子機器の温度を上昇させ、その誤動作や故障又は処理能力の低下の原因となりうる。そのため、発熱量が大きい電子機器を高密度に実装しても十分に冷却できる冷却装置、冷却方法が要求されている。このような要求に対し、特許文献１や特許文献２の提案を採用することも考えられる。

しかしながら、特許文献１は、沸騰冷却を利用するものであるため、沸騰により気体化した冷媒を凝縮（液体化）するための空間が必要となり、冷却装置が大型化することが懸念される。また、特許文献２に開示されたような液浸冷却装置は、データセンターにおける実用化が進められているものの、以下の点で、さらなる改良の余地がある。

すなわち、従来の液浸冷却装置は、不活性で絶縁性が高い液体の冷媒、例えば、フッ素化合物等を液浸槽内に入れ、冷媒中に電子機器を浸漬し、液浸槽とＣＤＵ（Coolant Distribution Unit）との間でポンプを用いた冷媒の循環を行っている。このため、液浸槽に浸漬される電子機器の冷却に必要な冷媒の量は、概ね、液浸槽の容積と、ＣＤＵ内の冷媒循環部の容積と、液浸槽とＣＤＵとを接続する配管の流路の容積を合計した容積を満たす量となる。

ここで、液浸冷却装置に好適に用いられる冷媒は、高価であり、冷媒の量が多ければ、それだけコストがかかることになる。また、冷媒は、水と比較して比重が大きいため、冷媒の量が多くなれば、液浸冷却装置を設置する床部の補強の必要性も高まる。このように、冷媒の量が多くなると、種々の不都合が生じると考えられる。特許文献２の提案においても、冷却槽には、冷却液（冷媒）の流入開口と、冷却液の出口が設けられており、冷却液は、冷却槽の外部との間で循環していると考えられ、同様の不都合が生じ得ると考えられる。

１つの側面では、本明細書開示の冷却装置、冷却システム及び冷却方法は、液浸冷却装置に用いられる冷媒の量を削減することを課題とする。

１つの態様では、冷却装置は、液体である第１冷媒が貯留される内槽と、前記内槽内に、前記内槽の側壁部と対向させて設けられ、前記第１冷媒に浸漬される電子機器が収納される収納部を形成するとともに、当該収納部の周囲の少なくとも一部において前記第１冷媒が前記内槽の下側に向かって流れる冷媒流路を形成する隔壁と、前記内槽の外側に配置され、第２冷媒が流通する外槽と、前記内槽と前記外槽との間に設けられ、前記第１冷媒から前記第２冷媒へ熱伝達する熱伝達部と、を備えている。

他の態様では、冷却システムは、電子機器と、液体である第１冷媒に前記電子機器を浸漬させて、前記電子機器を冷却する冷却装置と、を有する冷却システムであって、前記冷却装置は、前記第１冷媒が貯留される内槽と、前記内槽内に、前記内槽の側壁部と対向させて設けられ、前記第１冷媒に浸漬される電子機器が収納される収納部を形成するとともに、当該収納部の周囲の少なくとも一部に前記第１冷媒が前記内槽の下側に向かって流れる冷媒流路を形成する隔壁と、前記内槽の外側に配置され、第２冷媒が流通する外槽と、前記内槽と前記外槽との間に設けられ、前記第１冷媒から前記第２冷媒へ熱伝達する熱伝達部と、を備えている。

さらに、他の態様では、冷却方法は、電子機器が浸漬される第１冷媒が貯留された内槽と、当該内槽の外側に配置され、第２冷媒が流通する外槽と、を備える冷却装置によって前記電子機器を冷却する冷却方法であって、前記内槽内に前記内槽の側壁部と対向させて設けられた隔壁によって形成された収納部に収納された前記電子機器を稼働させ、当該電子機器が発生させる熱によって温められた前記収納部内の前記第１冷媒に上昇流を生じさせ、上昇した前記第１冷媒を、前記収納部の周囲の少なくとも一部に形成された冷媒流路を通じて前記内槽の下側に向かって流し、前記内槽の下側に向かって流れる前記第１冷媒を、前記第２冷媒と熱交換させつつ、前記収納部の下側に向かって流し、前記収納部の下側に向かって流れる前記第１冷媒を再度前記収納部内へ流す。

本明細書開示の液浸冷却装置によれば、液浸冷却装置に用いられる冷媒の量を削減することができる。

図１は第１実施形態の冷却システムを模式的に示す構成図である。 図２は第１実施形態の冷却システムに含まれる内槽及び外槽部分の平面図である。 図３（Ａ）は第１実施形態の冷却システムが備えるヒートシンク部分の断面図であり、図３（Ｂ）は第１実施形態の冷却システムが備えるヒートシンクの斜視図である。 図４は第２実施形態の冷却システムを模式的に示す構成図である。 図５は第２実施形態の冷却システムに含まれる内槽及び外槽部分の平面図である。 図６は第３実施形態の冷却システムを模式的に示す構成図である。 図７（Ａ）は第３実施形態の冷却システムが備えるヒートシンク部分の断面図であり、図７（Ｂ）は第３実施形態の冷却システムが備えるヒートシンクの斜視図である。 図８は第４実施形態の冷却システムを模式的に示す構成図である。 図９は第４実施形態の冷却システムが備える底板の一部分を示す断面図である。 図１０は第５実施形態におけるヒートパイプ部分の断面図である。 図１１は第５実施形態におけるヒートパイプの配置を示す平面図である。 図１２は第６実施形態におけるヒートサイフォン部分の断面図である。 図１３は第７実施形態におけるベーパーチャンバー部分の断面図である。 図１４は第８実施形態において第２冷媒が流れる方向を模式的に示す説明図である。 図１５は第８実施形態において第２冷媒が流れる様子を示す説明図である。 図１６は第８実施形態の変形例を示す説明図である。 図１７は第９実施形態の冷却システムを模式的に示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。なお、冷却システム１０１の上側及び下側は、図１に示す方向に設定されている。ここで、この上下方向は、鉛直方向と一致している。

（第1実施形態）
まず、図１から図３（Ｂ）を参照して、第１実施形態の冷却システム１０１及び冷却装置１について説明する。第１実施形態の冷却システム１０１は、サーバルーム１０内に設置された冷却装置１と、この冷却装置１内に配置され、冷却装置１によって冷却される電子機器１５１を備えている。電子機器１５１は、情報処理装置であり、具体的には、サーバである。なお、冷却装置１の冷却対象は、サーバに限定されるものではなく、ストレージ装置等、発熱し、冷却が求められるものは、冷却装置１の冷却対象とすることができる。

冷却装置１は、内槽１１、外槽１２、第１冷媒１３、隔壁１４、冷媒流路１６、ヒートシンク１７、外部冷却部に相当する外部冷却装置１８を備えている。冷却装置１は、第１冷媒１３内に電子機器１５１を浸漬させる液浸冷却装置である。

内槽１１は、それぞれ断熱性素材によって形成された天板部１１ａ、側壁部１１ｂ、底板部１１ｃを備えており、内部には、液体である第１冷媒１３が貯留されている。電子機器１５１は、この第１冷媒１３に浸漬される。第1冷媒１３は、不活性で絶縁性を有するフッ素化合物であるフッ素系絶縁性冷媒である。本実施形態では、３Ｍ社製のフロリナート（３Ｍ社の商標）を用いているが、従来、液浸冷却装置に用いられている冷媒を採用することができる。本実施形態の冷却装置１は、平面視において矩形であり、内槽１１の外形形状も４つの側壁部１１ｂを備える矩形とされている。但し、内槽１１の外形形状は矩形に限定されるものではなく、種々の形状とすることができる。また、内槽１１の天板部１１ａ、側壁部１１ｂ及び底板部１１ｃは断熱性を高めるため、中空構造としてもよい。

外槽１２は、断熱性素材によって形成され、内槽１１の外側に配置されている。図２を参照すると、外槽１２は、少なくとも内槽１１の上側半分の位置よりも上側に属する部分を囲むように設けられている。外槽１２は、平面視において矩形に配置された内槽１１の４つの側壁部１１ｂの全周を覆うように設けられている。外槽１２内には、第２冷媒２０が流通する。第２冷媒２０は、水である。第２冷媒２０は、第１冷媒１３と熱交換し、第１冷媒１３を冷却する。外槽１２も、断熱性を高めるため、中空構造としてもよい。外槽１２を断熱構造とすることで、第２冷媒２０が外気温の影響を受けにくくなり、冷却装置１の冷却能力を向上させることができる。

外槽１２は、第１配管１９ａと、第２配管１９ｂによって外部冷却装置１８と接続されている。外部冷却装置１８は、熱交換部１８ａとファン１８ｂを備えている。外部冷却装置１８は、熱交換部１８ａにおいて外部冷媒２３と第２冷媒２０との熱交換を行い、第２冷媒２０を冷却する。本実施形態において外部冷媒２３は、外気である。第２冷媒２０を冷却することによって温められた外部冷媒２３は、ファン１８ｂによって大気へ放出される。第１配管１９ａには、ポンプ１８ｃが配置されており、外部冷却装置１８で冷却された第２冷媒２０を外槽１２へ導入する。また、第２配管１９ｂは、第１冷媒１３と熱交換することで温められた第２冷媒２０を外槽１２から排出する。ここで、第１配管１９ａの外槽１２への接続位置、すなわち、第２冷媒２０の外槽１２への導入位置１２ａは、第２配管１９ｂの外槽１２への接続位置、すなわち、第２冷媒２０の外槽１２からの排出位置１２ｂよりも上側である。これは、温度が低い状態の第２冷媒２０を外槽１２内において、より上側に分布させるためである。

隔壁１４は、図示しないブラケットを介して内槽１１内に設置されている。図２を参照すると、隔壁１４は、内槽１１の形状が矩形であることに対応させて、４枚設けられている。各隔壁１４は、それぞれ、内槽１１の側壁部１１ｂに対向させて配置されている。このような隔壁１４は、電子機器１５１の収納部１５を形成している。すなわち、電子機器１５１は、隔壁１４で囲まれた領域内に設置されている。なお、隔壁１４の配置形状は、矩形に限定されるものではなく、種々の形状とすることができる。隔壁１４は、断熱素材によって形成された断熱構造を有しているが、中空構造として断熱性を向上させてもよい。

各隔壁１４は、内槽１１の側壁部１１ｂと対向配置されることで、内槽１１の側壁部１１ｂとの間に冷媒流路１６を形成している。換言すると、隔壁１４は、電子機器１５１の収納部１５の周囲に冷媒流路１６を形成している。冷媒流路１６には、第１冷媒１３が上方から下方に向かって流れる。

本実施形態において、隔壁１４の上縁部１４ａと下縁部１４ｂはいずれも開放されている。すなわち、平面視において矩形に配置された隔壁１４には、天板部や底板部が設けられておらず、隔壁１４で囲まれた収納部１５内の第１冷媒１３は隔壁１４の上縁部１４ａと内槽１１の天板部１１ａとの間を通過して冷媒流路１６へ流れ込むことができる。また、冷媒流路１６内を下方に向かって流れる第１冷媒１３は、隔壁１４の下縁部１４ｂと内槽１１の底板部１１ｃとの間を通過し、再び、収納部１５内へ流れ込むことができる。

このように、本実施形態の冷却装置１は、冷媒流路１６の上方から下方に向かって第１冷媒１３を流す。第１冷媒１３は、冷却されると密度が高まり、下方へ移動しやすくなる。このため、第1冷媒１３は、冷媒流路１６のできるだけ上方において冷却されることが望ましい。そこで、本実施形態における外槽１２の設置位置は、少なくとも内槽１１の上側半分の位置よりも上側に属する部分を囲む位置とされている。

本実施形態では、各隔壁１４が内槽１１の側壁部１１ｂに対向させて配置されているため、収納部１５の全周に亘って冷媒流路１６が形成されている。このように、収納部１５の全周に亘って冷媒流路１６を形成することで、効率よく第１冷媒１３を内槽１１内で循環させることができる。但し、必ずしも収納部１５の全周に亘って冷媒流路１６が形成されていなくてもよく、内槽１１内で第１冷媒１３が循環できるように、少なくとも収納部１５の周囲の少なくとも一部において冷媒流路１６が形成されていればよい。

隔壁１４で囲まれた収納部１５には温められた第１冷媒１３が分布し、その外側の冷媒流路１６には冷却された第１冷媒１３が流れる。このため、隔壁１４を断熱構造とすることで、収納部１５内の第１冷媒１３と冷媒流路１６を流れる第１冷媒１３との温度差を保つことができる。

ヒートシンク１７は、熱伝達部の一例である。図３（Ａ）や図３（Ｂ）を参照すると、ヒートシンク１７は、内槽１１の側壁部１１ｂに装着される仕切板１７ａと、仕切板１７ａの一面側に設けられた内側フィン１７ｂと、仕切板１７ａの他面側に設けられた外側フィン１７ｃを備えている。図１や図２に示すように、ヒートシンク１７は、内側フィン１７ｂが内槽１１内に位置し、外側フィン１７ｃが外槽１２内に位置するように側壁部１１ｂに設けられている。ヒートシンク１７は、冷媒流路１６を流れる第１冷媒１３と外槽１２内を流れる第２冷媒２０との間で熱交換を行う。このため、ヒートシンク１７は、冷媒流路１６が設けられている位置に配置されている。すなわち、４つの側壁部１１ｂのそれぞれに設けられている。

図３（Ａ）や図３（Ｂ）における矢示２１は、内槽１１内での第１冷媒１３の流れ方向を示し、矢示２２は外槽１２内での第２冷媒の流れ方向を示している。内槽１１内の第１冷媒１３は、収納部１５内において上方に向かって流れ、冷媒流路１６へ流れ込み、冷媒流路１６内を、矢示２１のように、下側に向かって流れる。内側フィン１７ｂは、その表面が第１冷媒１３の流れに沿うように、設けられている。外槽１２内の第２冷媒２０は、外槽１２の上側に設けられた導入位置１２ａから流れ込み、外槽１２の下側に設けられた排出位置１２ｂに向かって流れる。外側フィン１７ｃは、その表面に第２冷媒２０が衝突し、第２冷媒２０によって熱が持ち去られ易いように設けられている。但し、このような内側フィン１７ｂや外側フィン１７ｃの形状や配置は、これらに限定されるものではなく、種々変更することができる。また、ヒートシンク１７は、アルミ製であるが、熱伝導性に優れた他の素材、例えば、銅製としてもよい。また、本実施形態の内側フィン１７ｂ及び外側フィン１７ｃは、それぞれ複数枚設けられているが、その枚数は、適宜設定することができる。

つぎに、このような冷却装置１を含む冷却システム１０１の稼働状態を説明する。電子機器１５１は、冷却システム１０１が稼働することで冷却される。

まず、外部冷却装置１８が備えるファン１８ｂとポンプ１８ｃを稼働させる。これにより、第２冷媒２０が第１配管１９ａを通じて外槽１２内へ流れ込む。外槽１２内を流通する第２冷媒２０は、第２配管１９ｂを通じて外部冷却装置１８が備える熱交換部１８ａを通過し、再びポンプ１８ｃによって外槽１２へ送られる。熱交換部１８ａで第２冷媒２０と熱交換する外部冷媒２３は、ファン１８ｂによって大気へ放出される。

一方、内槽１１内に設けられた収納部１５に収納された電子機器１５１が稼働し始めると、電子機器１５１が発する熱によって収納部１５内の第１冷媒１３が温められる。温められた第１冷媒１３は、上側に向かう流れを生じさせる。上昇流によって液面に到達した第１冷媒１３は、収納部１５の外側に向かって四方に分かれ、内槽１１の側壁部１１ｂに沿って流れ、収納部１５の周囲に設けられている冷媒流路１６へ流れ込む。

第１冷媒１３は、ヒートシンク１７の内側フィン１７ｂに熱を伝える。これにより、第１冷媒１３は冷却されることで収縮し、密度が高くなることで下側に流れる勢いが増す。冷媒流路１６へ流れ込む第１冷媒１３は、内槽１１の下側に向かって流れる。冷媒流路１６内を流れる第１冷媒１３の勢いが増すことで、第１冷媒１３は冷媒流路１６に引き込まれ易くなる。

内槽１１の下側に向かって流れ、内槽１１の底板部１１ｃに衝突した第１冷媒１３は、収納部１５の下側に向かって流れる。冷媒流路１６は、内槽１１の側壁部１１ｂと隔壁１４とによって形成されている。このため、冷媒流路１６内を流れ、底板部１１ｃに衝突した第１冷媒１３は、側壁部１１ｂに流れを阻まれることになり、内槽１１の中央部側に位置している収納部１５に下側に向かって流れることとなる。

収納部１５内の第１冷媒１３は、電子機器１５１の発熱によって継続的に上昇流を生じさせている。このため、冷媒流路１６を経由して収納部１５の下側に流れ込んだ第１冷媒１３は、再び収納部１５内へ引き込まれる。そして、電子機器１５１の発熱によって温められ、再度、上昇流を生じさせる。

このように、第１冷媒１３は、電子機器１５１の発熱によって自然対流を生じさせる。第１冷媒１３は、電子機器１５１の発熱による温度上昇と、ヒートシンク１７による温度低下を繰り返すことにより内槽１１内で循環する。すなわち、冷却装置１は、内槽１１内で第１冷媒１３を循環させるための格別の動力を必要としない。

ここで、内槽１１内において第１冷媒１３を循環させる力を高めるためには、内槽１１内における第１冷媒１３の温度分布の差が大きい方がよい。本実施形態の隔壁１４は、断熱構造を有しており、収納部１５内の第１冷媒１３と冷媒流路１６を流れる第１冷媒１３との温度差を保つことができる。このため、第１冷媒１３を循環させる力を高め、スムーズに第１冷媒１３を循環させることができる。

内側フィン１７ｂに伝えられた熱は、仕切板１７ａを通じて外側フィン１７ｃへ伝えられる。外側フィン１７ｃに伝えられた熱は、第２冷媒２０によって持ち去られる。また、第２冷媒２０が持ち去った熱は、外部冷却装置１８によって大気放出される。ここで、外部冷却装置１８は、必ずしも電子機器１５１の稼働に先行して稼働していなくてもよい。すなわち、外部冷却装置１８は、電子機器１５１を適切に冷却することができるタイミングで稼働していればよい。

このように、本実施形態の冷却システム１０１は、意図的に第１冷媒１３を内槽１１内で循環させるので、ＣＤＵが不要であり、これに伴って、ＣＤＵと第１冷媒１３を貯留している液浸槽とを接続する配管も不要である。このため、ＣＤＵ内の冷媒循環部の容積と、液浸槽とＣＤＵとを接続する配管の流路の容積を合計した容積を満たす量の第１冷媒１３が不要となる。これにより、冷却装置１を稼働させるために必要となる第１冷媒１３の量が減り、コスト削減と重量低減を達成することができる。また、ＣＤＵや、ＣＤＵから延びる配管も不要となり、これらもコスト削減及び重量低減となる。冷却システム１０１の重量低減が達成された結果、冷却システム１０１を設置する床部の補強や、ＣＤＵを設置するためのスペースが不要となり、この点においてもコスト削減となる。

また、第１冷媒１３を循環させるためのポンプも不要であることから、ポンプのメンテナンス作業からも解放され、ポンプを稼働させるための電力も不要となる。さらに、第１冷媒１３を循環させるポンプを備えていないことからポンプの稼働に伴う騒音も発生しない。

（第２実施形態）
つぎに、図４及び図５を参照して、第２実施形態の冷却システム１０２及び冷却装置２について説明する。第２実施形態は、収納部１５の下側に配置され、冷媒流路１６を通じて収納部１５の下側に流入した第１冷媒１３を収納部１５へ向かって噴出させる噴出穴２５ａを有する底板２５を備える点で、第１実施形態と異なる。なお、他の構成は、第１実施形態と異なるところがないため、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷却システム１０２が備える冷却装置２は、隔壁１４を矩形に配置して形成された収納部１５の下端を覆う底板２５を備えている。底板２５は、隔壁１４の下縁部１４ｂに連設されている。底板２５には、収納部１５の内部と、収納部１５の下側とを連通させる噴出穴２５ａが設けられている。底板２５にも断熱構造が採用されている。

冷媒流路１６を通過し、収納部１５の下側に流れ込んだ第１冷媒１３は、噴出穴２５ａを通過し、収納部１５内へ噴き出す。第１冷媒１３は、噴出穴２５ａを通過することで、流れの勢いを増す。このように、第１冷媒１３の勢いが増すことによって、第１冷媒１３は、内槽１１内で循環しやすくなる。また、底板２５を備えることで、収納部１５とその周囲との温度差を保ちやすくなり、これによっても第１冷媒１３の循環の勢いを高めることができる。

（第３実施形態）
つぎに、図６及び図７を参照して、第３実施形態の冷却システム１０３及び冷却装置３について説明する。第３実施形態は、ヒートシンク１７に代えて、ヒートシンク２７を備えている。また、第３実施形態は、隔壁１４の上縁部１４ａに、上方に向かうに従って、内槽１１の中心部へ向けて傾斜した案内板部２８を有している。これらの点で、第３実施形態は、第２実施形態と異なる。なお、他の構成は、第２実施形態と異なるところがないため、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

ヒートシンク２７は、第１実施形態や第２実施形態のヒートシンク１７と同様に仕切板２７ａ、内側フィン２７ｂ及び外側フィン２７ｃを備えている。但し、仕切板２７ａから内側フィン２７ｂの側縁までの距離よりは、内側フィン２７ｂの下部よりも内側フィン２７ｂの上部の方が長くなっており、内側フィン２７ｂには、その上部に面積拡大部２７ｂ１が形成されている。

このように、内側フィン２７ｂの上部に面積拡大部２７ｂ１を設けることで、収納部１５内で電子機器１５１の発熱によって温められ、冷媒流路１６内に流れ込む第１冷媒１３から効率よく熱を奪い、第１冷媒１３を効果的に冷却することができる。第１冷媒１３は、冷却されることで密度が高まり、下方へ流れる勢いが高まる。このため、内側フィン２７ｂのできるだけ上部で第１冷媒１３との熱交換を行い、第１冷媒１３を冷却することで、内槽１１内の上部において第１冷媒１３の流れの勢いを高めることができる。内槽１１内の上部において第１冷媒の流れの勢いが高まると、これに伴って、収納部１５から冷媒流路１６へ引き込まれる第１冷媒１３の流れの勢いも高まる。この結果、第１冷媒１３が内槽１１内で循環する力が高まり、第１冷媒１３の循環速度が高まって、冷却効率が向上する。

なお、本実施形態の面積拡大部２７ｂ１は、内側フィン２７ｂの上縁に近づくに従って仕切板２７ａから内側フィン２７ｂの側縁部までの距離が長くなった三角形状を有している。但し、面積拡大部２７ｂ１の形状は、これに限定されるものではなく、種々の形状とすることができる。

案内板部２８は、収納部１５から冷媒流路１６へ向かう流路を徐々に狭め、収納部１５内で上昇流を発生させた第１冷媒１３を冷媒流路１６へ効率よく導くことができる。すなわち、案内板部２８は、収納部１５から冷媒流路１６へ引き込まれる第１冷媒１３の流れの勢いを高めることができる。

本実施形態では、案内板部２８と面積拡大部２７ｂ１を備えることで、これらの相乗効果でさらに第１冷媒の流れの勢いを高めることができる。但し、案内板部２８と面積拡大部２７ｂ１のいずれかを採用した形態とすることもできる。

（第４実施形態）
つぎに、図８及び図９を参照して、第４実施形態の冷却システム１０４及び冷却装置４について説明する。第４実施形態は、第３実施形態の底板２５に代えて、底板２９を備えている。なお、他の構成は、第３実施形態と異なるところがないため、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

底板２９は、噴出穴２９ａを備える。噴出穴２９ａは、底板２９の下面側、すなわち収納部１５の外側から、上面側、すなわち収納部１５の内側に向かって径が小さくなるテーパー形状を有している。これにより、噴出穴２９ａから噴出される第１冷媒１３の勢いが高まり、第１冷媒１３が流れる速度が速くなる。この結果、第１冷媒１３が内槽１１内で循環する力が高まり、第１冷媒１３の循環速度が高まって、冷却効率が向上する。

（第５実施形態）
つぎに、図１０及び図１１を参照して、第５実施形態について説明する。第５実施形態は、熱伝達部の一例として、第１実施形態のヒートシンク１７や第３実施形態のヒートシンク２７に代えて、ヒートパイプ３０を備えている。

ヒートパイプ３０は、複数設けられており、側壁部１１ｂを貫通させた状態で上下方向、左右方向に並べて設けられている。ヒートパイプ３０は、第１端部３０ａが側壁部１１ｂの内側、すなわち、内槽１１内に位置し、第２端部３０ｂが側壁部１１ｂの外側、すなわち、外槽１２内に位置するように配置されている。

図１０を参照すると、ヒートパイプ３０は、両端が閉塞された筒状の中空ケース３１を備えている。中空ケース３１は、熱伝導率が高いアルミニウムによって形成されているが、銅等の他の熱伝導率が高い材料によって形成されてもよい。中空ケース３１の第２端部３０ｂ側の外周面には、放熱フィン３１ａが設けられている。なお、本実施形態では備えていないが、中空ケース３１の第１端部３０ａ側の外周面に吸熱フィンを設けてもよい。

中空ケース３１の内周壁には、ウィック３２が設けられている。ウィック３２は毛細管現象を起こすためのものであり、微細な凹凸を有している。ウィック３２は、微粒子の集合体で形成された多孔質の膜によって形成してもよい。

中空ケース３１内には、作動液３３が封入されており、中空ケース３１の内部は、作動液３３を蒸発しやすくするために減圧されている。本実施形態の作動液３３は、水であるが、アルコール等を採用してもよい。

ヒートパイプ３０は、高温となる内槽１１内側に位置する第１端部３０ａが第２端部３０ｂよりも下側に位置するように斜めに設けられている。これにより、液体状態の作動液３３が第１端部３０ａ側に溜まる。第１端部３０ａ側が第１冷媒１３によって温められると、第１端部３０ａ側に溜まっている作動液３３が蒸発して気体となる。このとき、作動液３３は周囲から蒸発熱を奪う。

第１端部３０ａで気体となった作動液３３は、ヒートパイプ３０の中央部を通って低温側となる第２端部３０ｂ側へ移動する。そして、作動液３３は、第２端部３０ｂ側で第２冷媒２０によって冷却されて凝縮し、液体に戻る。このとき、作動液３３は凝縮熱を放出する。第２端部３０ｂ側で液体となった作動液３３は、毛細管現象によりウィック３２を伝わって第１端部３０ａ側に移動する。

このように、作動液３３は、蒸発（気化）と凝縮（液化）とを繰り返しながらヒートパイプ３０の第１端部３０ａ側と第２端部３０ｂ側との間を移動して、第１端部３０ａ側から第２端部３０ｂ側へ熱を輸送する。

このように、ヒートパイプ３０を用いても、第２冷媒２０によって第１冷媒１３を冷却することができる。その他の各部の作用は、第１実施形態等と異なるところがないので、その詳細な説明は省略する。

（第６実施形態）
つぎに、図１２を参照して、第６実施形態について説明する。第６実施形態は、熱伝達部の一例として、第１実施形態のヒートシンク１７や第３実施形態のヒートシンク２７に代えて、ヒートサイフォン３５を備えている。

ヒートサイフォン３５は、複数設けられており、側壁部１１ｂを貫通させた状態で上下方向、左右方向に並べて設けられている。ヒートサイフォン３５は、第１端部３５ａが側壁部１１ｂの内側、すなわち、内槽１１内に位置し、第２端部３５ｂが側壁部１１ｂの外側、すなわち、外槽１２内に位置するように配置されている。

図１２を参照すると、ヒートサイフォン３５は、両端が閉塞された筒状の中空ケース３６を備えている。中空ケース３６は、熱伝導率が高いアルミニウムによって形成されているが、銅等の他の熱伝導率が高い材料によって形成されてもよい。中空ケース３６の第２端部３５ｂ側の外周面には、放熱フィン３６ａが設けられている。なお、本実施形態では備えていないが、中空ケース３６の第１端部３５ａ側の外周面に吸熱フィンを設けてもよい。

中空ケース３６内には、作動液３７が封入されており、中空ケース３６の内部は、作動液３７を蒸発しやすくするために減圧されている。本実施形態の作動液３７は、水であるが、アルコール等を採用してもよい。

ヒートサイフォン３５は、高温となる内槽１１内側に位置する第１端部３５ａが第２端部３５ｂよりも下側に位置するように斜めに設けられている。これにより、液体状態の作動液３７が第１端部３５ａ側に溜まる。第１端部３５ａ側が第１冷媒１３によって温められると、第１端部３５ａ側に溜まっている作動液３７が蒸発して気体となる。このとき、作動液３７は周囲から蒸発熱を奪う。

第１端部３５ａで気体となった作動液３７は、ヒートサイフォン３５の内部空間を通って低温側となる第２端部３５ｂ側へ移動する。そして、作動液３７は、第２端部３５ｂ側で第２冷媒２０によって冷却されて凝縮し、液体に戻る。このとき、作動液３７は凝縮熱を放出する。第２端部３５ｂ側で液体となった作動液３７は、中空ケース３６の内周面を伝わって第１端部３５ａ側に移動する。

このように、作動液３７は、蒸発（気化）と凝縮（液化）とを繰り返しながらヒートサイフォン３５の第１端部３５ａ側と第２端部３５ｂ側との間を移動して、第１端部３５ａ側から第２端部３５ｂ側へ熱を輸送する。

このように、ヒートサイフォン３５を用いても、第２冷媒２０によって第１冷媒１３を冷却することができる。その他の各部の作用は、第１実施形態等と異なるところがないので、その詳細な説明は省略する。

（第７実施形態）
つぎに、図１３を参照して、第７実施形態について説明する。第７実施形態は、熱伝達部の一例として、第１実施形態のヒートシンク１７や第３実施形態のヒートシンク２７に代えて、ベーパーチャンバー４０を備えている。

ベーパーチャンバー４０は、第１端部４０ａを下側とし、第２端部４０ｂを上側とした状態で、各側壁部１１ｂに設けられている。

図１３を参照すると、ベーパーチャンバー４０は、両端が閉塞された筒状の中空ケース４１を備えている。中空ケース４１は、熱伝導率が高いアルミニウムによって形成されているが、銅等の他の熱伝導率が高い材料によって形成されてもよい。

中空ケース４１の第１端部４０ａ側であって、内槽１１内に露出する部分には吸熱フィン４２が設けられている。また、中空ケース４１の第２端部４０ｂ側であって、外槽１２内に露出部分には放熱フィン４３が設けられている。

中空ケース４１内には、作動液４４が封入されており、中空ケース４１の内部は、作動液４４を蒸発しやすくするために減圧されている。本実施形態の作動液４４は、水であるが、アルコール等を採用してもよい。

ベーパーチャンバー４０は、第１端部４０ａを下側とし、第２端部４０ｂを上側とした状態で、各側壁部１１ｂに設けられているため、液体状態の作動液４４が第１端部４０ａ側に溜まる。第１端部４０ａ側には、吸熱フィン４２が設けられており、吸熱フィン４２が第１冷媒１３の熱を吸熱することで第１端部４０ａが温められると、第１端部４０ａ側に溜まっている作動液４４が蒸発して気体となる。このとき、作動液４４は周囲から蒸発熱を奪う。

第１端部４０ａで気体となった作動液４４は、ベーパーチャンバー４０の内部空間を通って第２端部４０ｂ側へ移動する。第２端部４０ｂ側には、放熱フィン４３が設けられており、放熱フィン４３が第２冷媒２０に放熱することで第２端部４０ｂが冷却されると、作動液４４が凝縮されて、液体に戻る。このとき、作動液４４は凝縮熱を放出する。第２端部４０ｂ側で液体となった作動液４４は、中空ケース４１の内周面を伝わって第１端部４０ａ側に移動する。

このように、作動液４４は、蒸発（気化）と凝縮（液化）とを繰り返しながらベーパーチャンバー４０の第１端部４０ａ側と第２端部４０ｂ側との間を移動して、第１端部４０ａ側から第２端部４０ｂ側へ熱を輸送する。

このように、ベーパーチャンバー４０を用いても、第２冷媒２０によって第１冷媒１３を冷却することができる。その他の各部の作用は、第１実施形態等と異なるところがないので、その詳細な説明は省略する。

（第８実施形態）
つぎに、第８実施形態について、図１４及び図１５を参照して、第８実施形態の冷却装置５について説明する。第８実施形態は、第１実施形態の外槽１２に代えて、外槽４５を備えている。第１実施形態の外槽１２における導入位置１２ａは、排出位置１２ｂよりも上側である。このため、第１冷媒１３は、外槽１２内において、上側から下側に向かって流れ易くなっている。これに対し、第８実施形態の外槽４５は、図１４に示す矢示４６のように、第２冷媒２０を横方向に流す。なお、他の構成は、第１実施形態と異なるところがないため、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１５を参照すると、外槽４５内には、仕切壁４７、４８が設けられており、外槽４５内が第１領域４５ａと第２領域４５ｂとに分割されている。外槽４５は、第１領域４５ａへ第２冷媒２０を導入する第１導入口４５ａ１と、第１領域４５ａから第２冷媒２０を排出する第１排出口４５ａ２を備えている。また、外槽４５は、第２領域４５ｂへ第２冷媒２０を導入する第２導入口４５ｂ１と、第２領域４５ｂから第２冷媒２０を排出する第２排出口４５ｂ２を備えている。

このように、外槽４５内を分割して、それぞれの領域内に第２冷媒２０を流すことで、第２冷媒２０は、分割された狭い領域内で熱交換を行うため、効果的に熱交換を行うことができる。すなわち、第２冷媒２０は、流域が広くなるほど温度が高くなり、排出口に近づくに連れて冷却効果が低下するが、本実施形態のように外槽４５内を分割することで、第２冷媒２０の温度を冷却に適した温度に保ちやすくなる。このように、外槽４５内を分割することで、第２冷媒２０による第１冷媒１３の冷却効率を高めることができるため、例えば、以下の変形例のように、外槽４５内をさらに分割することもできる。

＜変形例＞
図１６を参照すると、変形例の冷却装置６が備える外槽４５内には、仕切壁４７、４８、４９、５０が設けられており、外槽４５内が第１領域４５ａ、第２領域４５ｂ、第３領域４５ｃ及び第４領域４５ｄに分割されている。外槽４５は、第１領域４５ａへ第２冷媒２０を導入する第１導入口４５ａ１と、第１領域４５ａから第２冷媒２０を排出する第１排出口４５ａ２を備えている。また、外槽４５は、第２領域４５ｂへ第２冷媒２０を導入する第２導入口４５ｂ１と、第２領域４５ｂから第２冷媒２０を排出する第２排出口４５ｂ２を備えている。さらに、外槽４５は、第３領域４５ｃへ第２冷媒２０を導入する第３導入口４５ｃ１と、第３領域４５ｃから第２冷媒２０を排出する第３排出口４５ｃ２を備えている。また、外槽４５は、第４領域４５ｄへ第２冷媒２０を導入する第４導入口４５ｄ１と、第４領域４５ｄから第２冷媒２０を排出する第４排出口４５ｄ２を備えている。

このように、外槽４５内を４分割した形態では、一つ一つの領域の容積が小さくなり、それぞれの領域に導入された第２冷媒２０が処理すべき熱量が少なくなる。このため、外槽４５全体として冷却能力が向上する。

このような外槽４５を用いても、第２冷媒２０によって第１冷媒１３を冷却することができる。その他の各部の作用は、第１実施形態等と異なるところがないので、その詳細な説明は省略する。

（第９実施形態）
つぎに、図１７を参照して、第９実施形態の冷却システム１０７及び冷却装置７について説明する。第９実施形態は、第１実施形態の外槽１２及びヒートシンク１７に代えて、外槽５５及びヒートシンク５７を備えている。外槽５５及びヒートシンク５７の上下方向の寸法は、第１実施形態の外槽１２及びヒートシンク１７の上下方向の寸法よりも大きい。

このため、外槽５５及びヒートシンク５７は、内槽１１の上下方向の広範囲を囲むように設けられている。このような外槽５５及びヒートシンク５７を用いることで、伝熱面積を広げ、冷却効率を向上させることができる。なお、他の構成は、第１実施形態と異なるところがないため、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

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。

１〜７ 冷却装置
１０ サーバルーム
１１ 内槽
１２、４５ 外槽
１３ 第１冷媒
１４ 隔壁
１５ 収納部
１６ 冷媒流路
１７、２７、５７ ヒートシンク
１８ 外部冷却装置
２５、２９ 底板
２５ａ、２９ａ 噴出穴
２８ 案内板部
３０ ヒートパイプ
３５ ヒートサイフォン
４０ ベーパーチャンバー
１０１〜１０４、１０７ 冷却システム
１５１ 電子機器

Claims (10)

1. 液体である第１冷媒が貯留される内槽と、
   前記内槽内に、前記内槽の側壁部と対向させて設けられ、前記第１冷媒に浸漬される電子機器が収納される収納部を形成するとともに、当該収納部の周囲の少なくとも一部において前記第１冷媒が前記内槽の下側に向かって流れる冷媒流路を形成する隔壁と、
   前記内槽の外側に配置され、第２冷媒が流通する外槽と、
   前記内槽と前記外槽との間に設けられ、前記第１冷媒から前記第２冷媒へ熱伝達する熱伝達部と、
   を、備える冷却装置。
2. 前記収納部の下側に配置され、前記冷媒流路を通じて前記収納部の下側に流入した前記第１冷媒を前記収納部へ向かって噴出させる噴出穴を有する底板を備える請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記噴出穴は、前記底板の下面側から上面側に向かって径が小さくなるテーパー形状を有する請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記熱伝達部は、前記内槽側に内側フィンを有し、前記外槽側に外側フィンを有するヒートシンクである請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却装置。
5. 前記内側フィンは、上部に面積拡大部を備える請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記熱伝達部は、ヒートパイプ、ヒートサイフォン又はベーパーチャンバーのいずれかである請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却装置。
7. 前記隔壁の上縁部は、上方に向かうに従って、前記内槽の中心部へ向けて傾斜した案内板部を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の冷却装置。
8. 前記第２冷媒を冷却する外部冷却部をさらに備え、当該外部冷却部で冷却された前記第２冷媒の前記外槽への導入位置は、前記第２冷媒の前記外槽からの排出位置よりも上側である請求項１から７のいずれか１項に記載の冷却装置。
9. 電子機器と、液体である第１冷媒に前記電子機器を浸漬させて、前記電子機器を冷却する冷却装置と、を有する冷却システムであって、
   前記冷却装置は、前記第１冷媒が貯留される内槽と、
   前記内槽内に、前記内槽の側壁部と対向させて設けられ、前記第１冷媒に浸漬される電子機器が収納される収納部を形成するとともに、当該収納部の周囲の少なくとも一部に前記第１冷媒が前記内槽の下側に向かって流れる冷媒流路を形成する隔壁と、
   前記内槽の外側に配置され、第２冷媒が流通する外槽と、
   前記内槽と前記外槽との間に設けられ、前記第１冷媒から前記第２冷媒へ熱伝達する熱伝達部と、
   を、備える冷却システム。
10. 電子機器が浸漬される第１冷媒が貯留された内槽と、当該内槽の外側に配置され、第２冷媒が流通する外槽と、を備える冷却装置によって前記電子機器を冷却する冷却方法であって、
    前記内槽内に前記内槽の側壁部と対向させて設けられた隔壁によって形成された収納部に収納された前記電子機器を稼働させ、
    当該電子機器が発生させる熱によって温められた前記収納部内の前記第１冷媒に上昇流を生じさせ、
    上昇した前記第１冷媒を、前記収納部の周囲の少なくとも一部に形成された冷媒流路を通じて前記内槽の下側に向かって流し、
    前記内槽の下側に向かって流れる前記第１冷媒を、前記第２冷媒と熱交換させつつ、前記収納部の下側に向かって流し、
    前記収納部の下側に向かって流れる前記第１冷媒を再度前記収納部内へ流す、
    冷却方法。

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