JP5723708B2 - Electronic device rejection device - Google Patents
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Description
本発明は、電子機器冷却装置に関し、例えば、サーバ機器などの電子機器に搭載されている半導体素子などの発熱体の冷却において使用される、ヒートパイプ等の冷媒の相変化を利用する冷却装置に関するものである。 The present invention relates to an electronic device cooling apparatus, for example, a cooling apparatus that uses a phase change of a refrigerant such as a heat pipe used in cooling a heating element such as a semiconductor element mounted on an electronic apparatus such as a server apparatus. Is.
本技術分野の背景技術として、特開２０１０−７９４０１号公報（特許文献１）がある。これは、ブレードサーバを含む電子機器において、着脱自在なＣＰＵブレードの半導体デバイスを含む発熱体を最適に冷却することを可能にする、新規な冷却システムを提供する。その構成は、電子機器筺体内の各電子回路基板上に搭載された半導体デバイスの発生熱を集める複数の第１の熱輸送部材と、前記複数の第１の熱輸送部材からの熱を集めて当該筐体の外部に搬送する第２の熱輸送部材と、そして、前記第２の熱輸送部材と熱的に接続され、前記第２の熱輸送部材から搬送される、前記第１の熱輸送部材からの熱を、当該筐体の外部に放熱する放熱部材とからなる。また前記第２の熱輸送部材が、冷媒の気化により複数の第１の熱輸送部材からの熱を集める冷却技術が記載されている。また半導体デバイスを冷却するサーモサイフォンによる冷却技術が記載されている。 As a background art in this technical field, there is JP 2010-79401 A (Patent Document 1). This provides a novel cooling system that enables an electronic device including a blade server to optimally cool a heating element including a semiconductor device of a detachable CPU blade. The configuration includes a plurality of first heat transport members that collect heat generated by a semiconductor device mounted on each electronic circuit board in the electronic device housing, and heat collected from the plurality of first heat transport members. The second heat transport member transported to the outside of the casing, and the first heat transport thermally coupled to the second heat transport member and transported from the second heat transport member It consists of a heat radiating member that radiates heat from the member to the outside of the casing. In addition, a cooling technique is described in which the second heat transport member collects heat from the plurality of first heat transport members by vaporization of the refrigerant. Also, a cooling technique using a thermosiphon for cooling a semiconductor device is described.
また、特開２００７−１７０３８号公報（特許文献２）がある。これは、ヒートパイプの内面に作動液を還流させるために、焼結により多孔構造のウィックを設けた技術が記載されている。 Moreover, there exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-17038 (patent document 2). This describes a technique in which a porous wick is provided by sintering in order to return the working fluid to the inner surface of the heat pipe.
また、特開２００２−２５４０７号公報（特許文献３）がある。これは、ヒートパイプの内部の沸騰部と凝縮部との間の空間をヒートパイプ長手方向に、隔壁により複数の空間に分割し、分割する空間の少なくとも１つの空間には複数の線条体を入れず、蒸気が流れるようにする技術が記載されている。 Moreover, there exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-25407 (patent document 3). This is because the space between the boiling portion and the condensing portion inside the heat pipe is divided into a plurality of spaces by partition walls in the longitudinal direction of the heat pipe, and a plurality of striatums are provided in at least one of the divided spaces. A technique is described that allows steam to flow without entering.
背景技術のように、従来からサーバ内の主要発熱部品であるＣＰＵ（Central Processing Unit）やＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）の熱を冷媒の相変化を利用する熱輸送手段を用いて輸送し、サーバ外部に設けた熱交換器により放熱することで、サーバの高密度実装や高性能化が達成されることが知られている。 As in the background art, the heat of a CPU (Central Processing Unit) or LSI (Large Scale Integrated circuit), which is the main heat generating component in the server, is conventionally transported using a heat transport means that uses the phase change of the refrigerant, and the server It is known that high-density mounting and high performance of a server can be achieved by radiating heat with a heat exchanger provided outside.
また相変化を利用する熱輸送手段である一般的なヒートパイプにおいては、水を冷媒とし、外部に熱を放出する放熱部で凝縮する水を、水が蒸発する加熱部に戻すために、多孔質体、束にした線材、管の内面に作られた細かい溝を用いて、これらの毛細管力を利用している。しかし、凝縮した水を毛細管力のみで加熱側に戻す方式では、戻せる水量が少なく、大きな熱量を加えた際に加熱部がドライアウトし、熱輸送できない場合がある。したがって大きな熱量を輸送するには、封入する水量を多くし、重力の作用で水を戻すサーモサイフォンによる冷却が有効である。サーモサイフォンは、装置下方に設けた加熱部にて発熱部の熱を水の沸騰により奪う。このとき沸騰により発生する蒸気は装置上方に設けた放熱部にて凝縮することで熱を外部に伝える。凝縮した水は、重力の作用で下方の沸騰面に戻り、このサイクルが続くことにより加熱部で奪った熱を放熱部まで熱輸送する。封入水量を多くしたサーモサイフォンでは、加熱部は水で浸されており、プール沸騰により発熱部の熱を奪い蒸気を発生する。このため、限界熱流束を超えない範囲であれば、大きな熱量に対してもドライアウトすることなく伝熱性能を発揮することが可能である。 Also, in a general heat pipe that is a heat transport means that uses phase change, water is used as a refrigerant, and water is condensed in a heat dissipating part that releases heat to the outside. These capillary forces are utilized by using a solid body, bundled wires, and fine grooves formed on the inner surface of the tube. However, in the method in which condensed water is returned to the heating side only by capillary force, the amount of water that can be returned is small, and when a large amount of heat is applied, the heating part may dry out and heat transport may not be possible. Therefore, in order to transport a large amount of heat, cooling with a thermosiphon that increases the amount of water enclosed and returns the water by the action of gravity is effective. The thermosiphon takes heat of the heat generating part by boiling water with a heating part provided below the apparatus. At this time, the steam generated by boiling condenses in the heat dissipating section provided above the apparatus to transmit heat to the outside. Condensed water returns to the lower boiling surface by the action of gravity, and the heat taken by the heating unit is transported to the heat radiating unit as this cycle continues. In a thermosyphon with a large amount of water, the heating part is immersed in water, and the heat of the heat generating part is lost due to pool boiling to generate steam. For this reason, as long as it does not exceed the critical heat flux, it is possible to exhibit heat transfer performance without drying out even for a large amount of heat.
一方、サーバおよび電子機器においては、薄型化や小型化が求められており、このため冷却装置であるサーモサイフォンにも薄型化と小型化が求められた。しかし、薄型化したサーモサイフォンにおいては、プール沸騰によって発生する蒸気が気泡として放熱部へ流れる際の流路が狭くなるため、加熱部の水が発生した気泡に巻き上げられやすくなる。ヒートパイプでは封入される液量が少なく、また加熱される熱量も小さいことなどから、加熱部の水が蒸気によって輸送されることは稀である。薄型の熱サイフォンでは気泡と共に水が放熱部側へ流れ込みやすくなるため、気泡により巻き上げられた水がサーモサイフォンの金属筐体にぶつかることで音を発生する。また気泡が放熱部で急速に凝縮し消滅する際に、この気泡の周囲にあった水が、凝縮面と衝突し音を発生する。これらの発生する音は、熱サイフォン内部にほぼ空気がない状態のため、金属と金属がぶつかったような高い音である。また不規則に発生する音のため、電子機器等で用いられる冷却ファンの定常音に比べて非常に耳につく騒音である。 On the other hand, servers and electronic devices are required to be thinner and smaller. For this reason, thermosiphons that are cooling devices are also required to be thinner and smaller. However, in the thin thermosiphon, the flow path when the steam generated by pool boiling flows as bubbles to the heat radiating portion becomes narrow, so that the water in the heating portion is easily wound up by the generated bubbles. In a heat pipe, the amount of liquid enclosed is small and the amount of heat to be heated is small, so that the water in the heating section is rarely transported by steam. In a thin thermosyphon, water easily flows into the heat radiating section together with bubbles, so that the water swollen by the bubbles hits the metal housing of the thermosyphon and generates sound. Also, when the bubbles rapidly condense and disappear in the heat radiating portion, the water around the bubbles collides with the condensing surface and generates sound. These generated sounds are high-pitched sounds like metal colliding because there is almost no air inside the thermosyphon. In addition, since the sound is generated irregularly, it is much more audible than the steady sound of a cooling fan used in electronic equipment.
サーバや電子機器では小型化，薄型化と同時に低騒音も求められており、薄型化，小型化するサイフォンにとって、これらの沸騰にともなって発生する沸騰音の低減が課題である。また、放熱部である凝縮面に、気泡にともない水が運ばれることで、凝縮面表面の水の液膜厚さが厚くなり、凝縮の性能を低下させることも課題の一つである。 Servers and electronic devices are also required to be small and thin, and at the same time low noise. For siphons that are thin and small, it is a challenge to reduce the boiling noise that occurs with these boiling. Another problem is that water is transported to the condensing surface, which is a heat radiating portion, along with the bubbles, so that the liquid film thickness of the water on the condensing surface is increased and the condensation performance is lowered.
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。 In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted.
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電子機器冷却装置において、密閉された容器内側の下側に発熱体を冷却する沸騰部、上側に放熱部と熱的に接続された凝縮部を有し、容器内の沸騰面が浸かるように冷媒が封入されているサーモサイフォンであって、冷媒の液面と凝縮部の間に、メッシュを配置することを特徴とする。 The present application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems. For example, in an electronic device cooling apparatus, a boiling part that cools a heating element on the lower side inside a sealed container, and a heat radiating part on the upper side. A thermosiphon having a thermally connected condensing part and in which a refrigerant is enclosed so that the boiling surface in the container is immersed, and a mesh is disposed between the liquid level of the refrigerant and the condensing part. Features.
沸騰部から上昇する気泡をメッシュにより小さくし、また気泡と共に流れる液冷媒をメッシュで止めることにより、凝縮側で発生する、気泡の破裂音や、液冷媒の衝突音を抑制する。また凝縮面に流入する液冷媒の量が抑制されるため、凝縮性能も向上する。 Bubbles rising from the boiling portion are made smaller by the mesh, and liquid refrigerant flowing along with the bubbles is stopped by the mesh, thereby suppressing bubble burst sound and liquid refrigerant collision sound generated on the condensation side. Further, since the amount of liquid refrigerant flowing into the condensing surface is suppressed, the condensing performance is also improved.
以下、実施例を図面を用いて説明する。 Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings.
まず、図１を用いてサーモサイフォンを搭載するサーバ装置の構成例を説明する。図１はブレードサーバに用いられる個々のサーバ装置（サーバブレード又はブレードとも言う。）の内部が分かるように側面板をはずしている。サーバ装置は、シャーシ１１内部にメインボード１２と呼ばれる電子回路基板を搭載しており、このメインボード１２上に、ＣＰＵ１３やメモリ１４，ＬＳＩなどを実装している。さらにブレードサーバ内部には、図示していないがＨＤＤ（Hard Disk Drive）を実装している。また、メインボード１２に電源供給用端子１６と信号接続用端子１７を有する。 First, a configuration example of a server device equipped with a thermosiphon will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the side plate is removed so that the inside of each server device (also referred to as a server blade or a blade) used in the blade server can be seen. In the server device, an electronic circuit board called a main board 12 is mounted inside the chassis 11, and a CPU 13, a memory 14, an LSI, and the like are mounted on the main board 12. Further, although not shown, an HDD (Hard Disk Drive) is mounted inside the blade server. The main board 12 has a power supply terminal 16 and a signal connection terminal 17.
従来のサーバ装置において、ＣＰＵ１３，メモリ１４，ＬＳＩなどの発熱体の冷却は、空気をメインボード１２上に流すことで行われてきた。特に比較的発熱量の大きいＣＰＵ１３，ＬＳＩについては拡大伝熱面として空冷フィン１５が取り付けられてきた。本実施例のサーバ装置においても空冷フィン１５を有し、メモリ１４，ＬＳＩには空気を流すことによって冷却する。しかしサーバ内で最も発熱量の大きいＣＰＵ１３においては、ＣＰＵ１３の表面に熱伝導グリースを介して取り付けたサーモサイフォン１によって冷却している。サーモサイフォン１の一端は、ブレード外部の冷却源と接触し冷却される構造となっており、これによってＣＰＵ１３を冷却するものである。ここでは、２つのＣＰＵ１３を１つのサーモサイフォン１で冷却する例を説明する。 In the conventional server device, cooling of the heating elements such as the CPU 13, the memory 14, and the LSI has been performed by flowing air over the main board 12. In particular, for the CPU 13 and LSI having a relatively large calorific value, the air cooling fin 15 has been attached as an enlarged heat transfer surface. The server device of this embodiment also has air cooling fins 15 and cools the memory 14 and LSI by flowing air. However, the CPU 13 that generates the largest amount of heat in the server is cooled by the thermosiphon 1 that is attached to the surface of the CPU 13 via thermal conductive grease. One end of the thermosiphon 1 is in contact with a cooling source outside the blade to be cooled, thereby cooling the CPU 13. Here, an example in which two CPUs 13 are cooled by one thermosyphon 1 will be described.
本実施例で示すサーバ装置はブレードサーバと呼ばれるものであり、特に図１で示すサーバ装置はブレードと呼ばれる薄型のサーバ装置となっている。このためサーモサイフォン１を厚くすると、サーバ装置内部の流路を塞いでしまい、空気による冷却を阻害してしまう。そこでサーモサイフォン１は極力薄い構成が必要であり、本実施例では厚さをおよそ１０mm程度としている。 The server device shown in this embodiment is called a blade server, and in particular, the server device shown in FIG. 1 is a thin server device called a blade. For this reason, if the thermosiphon 1 is thickened, the flow path inside the server device is blocked, and cooling by air is hindered. Therefore, the thermosiphon 1 needs to be as thin as possible. In this embodiment, the thickness is about 10 mm.
次に図２を用いて本実施例のブレードサーバの構成について説明する。ブレードサーバは、ブレードサーバシャーシの内部に、個々に所定の機能を備えたブレード（図１のサーバ装置）が、複数並べられて挿入されており、図２では、１０個のブレードが一つのシステムユニット２１を構成している。さらに、複数のブレード間で共用されるファンユニット２４，Ｉ／Ｏ（Input／Output）ユニット２３，電源ユニット２２，システムユニット２１等が含まれている。図２では、ブレードサーバシャーシ内部構造が分かるように、ブレードサーバシャーシ表面の筐体部分を表示していない。また、ブレードに関しても内部が分かるように側面板を省略している。ブレードや各ユニットは、上記ブレードサーバ筐体内に自在に挿抜が可能であり、自由に配置して搭載することが可能であり、そのことから、システム構成の柔軟性と拡張性とを併せ持つものである。ブレードは、メインボード１２に電源供給用端子１６と信号接続用端子１７を有しており、これらの端子により、ブレードサーバ筐体側に設けられた電源装置や通信装置と接続される。特に他の複数のブレードが稼動している中でも、一部のブレードの挿抜が可能となっており、メンテナンス性に優れる点も特徴となっている。 Next, the configuration of the blade server of this embodiment will be described with reference to FIG. In the blade server, a plurality of blades (server devices in FIG. 1) each having a predetermined function are arranged and inserted inside the blade server chassis. In FIG. 2, 10 blades are one system. The unit 21 is configured. Furthermore, a fan unit 24, an I / O (Input / Output) unit 23, a power supply unit 22, a system unit 21 and the like shared among a plurality of blades are included. In FIG. 2, the casing portion on the surface of the blade server chassis is not displayed so that the internal structure of the blade server chassis can be seen. Also, the side plate is omitted so that the inside of the blade can be seen. The blade and each unit can be freely inserted into and removed from the blade server casing, and can be freely arranged and mounted. Therefore, it has both flexibility and expandability of the system configuration. is there. The blade has a power supply terminal 16 and a signal connection terminal 17 on the main board 12, and these terminals are connected to a power supply device and a communication device provided on the blade server housing side. In particular, even when other blades are operating, some of the blades can be inserted and removed, which is also characterized by excellent maintainability.
またブレードサーバは、他に一般的な１Ｕサーバや２Ｕサーバといわれるラックマウント型サーバよりも、同じ体積に占めるＣＰＵ１３の数が多い等、いわゆるサーバの中でも実装密度が高いことが知られている。ここで、上記ファンユニット２４内には一つ又は複数の冷却ファン２４１が搭載されており、この冷却ファン２４１によりブレードおよびブレードサーバ内部に空気を流している。またこの冷却ファン２４１の一般的な回転数は１０Ｈｚから２００Ｈｚ程度である。上記Ｉ／Ｏユニット２３は例えば通信ネットワーク用のケーブルを接続するための端子や、キーボードやディスプレイへ接続するための端子等を有し、外部との情報の入出力を行うユニットである。電源ユニット２２は外部から供給される交流電力をブレードサーバ筐体内で使用する直流電力に変換するユニットであり、この電源ユニット２２内部にも電源ユニット内部を冷却するためにファンが搭載されている。またシステムユニット２１は、ブレードや各ユニットを管理するシステムを有するユニットであり例えばブレードの起動や終了、サーバ内蔵ファンの回転数制御等を行うシステムが組み込まれている。各ブレードのＣＰＵ１３から熱移動するサーモサイフォン１が複数の冷却ジャケット２６を介して、分配用ヘッダ２５へ熱的に接続される。図２の符号２０１は、後述する図４に示すサーモサイフォン１の断面の位置を指示する点線を示している。 Further, it is known that the blade server has a higher mounting density among so-called servers, such as a larger number of CPUs 13 occupying the same volume than a rack-mount server called a general 1U server or 2U server. Here, one or a plurality of cooling fans 241 are mounted in the fan unit 24, and the cooling fans 241 allow air to flow into the blades and the blade server. The general rotation speed of the cooling fan 241 is about 10 Hz to 200 Hz. The I / O unit 23 has, for example, a terminal for connecting a cable for a communication network, a terminal for connecting to a keyboard and a display, and the like, and is a unit for inputting / outputting information to / from the outside. The power supply unit 22 is a unit that converts AC power supplied from the outside into DC power used in the blade server housing, and a fan is mounted in the power supply unit 22 to cool the inside of the power supply unit. The system unit 21 is a unit having a blade and a system for managing each unit. For example, a system for starting and ending the blade, controlling the rotation speed of the server built-in fan, and the like is incorporated. The thermosiphon 1 that is thermally transferred from the CPU 13 of each blade is thermally connected to the distribution header 25 via a plurality of cooling jackets 26. Reference numeral 201 in FIG. 2 indicates a dotted line that indicates the position of the cross section of the thermosiphon 1 shown in FIG. 4 to be described later.
次に図３を用いてサーモサイフォン１の内部構成例を説明する。図３は、サーモサイフォン１の内部を示すために、サーモサイフォン筐体７を構成する側面板をはずした状態で示されている。サーモサイフォン１には、真空に減圧した内部の空洞に水が封入されており、ＣＰＵ１３と熱的に接触する沸騰面２において水が沸騰し、これに伴って発生する蒸気が放熱部分である凝縮面３で凝縮することで熱を沸騰面２から凝縮面３に輸送する。 Next, an example of the internal configuration of the thermosiphon 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is shown with the side plate constituting the thermosiphon housing 7 removed in order to show the inside of the thermosiphon 1. In the thermosiphon 1, water is enclosed in an internal cavity that has been depressurized to a vacuum, and the water is boiled on the boiling surface 2 that is in thermal contact with the CPU 13, and the vapor generated thereby condenses in the heat dissipation portion. Heat is transferred from the boiling surface 2 to the condensing surface 3 by condensing on the surface 3.
本実施例ではサーモサイフォン１の材質に銅を用い、冷媒として溶存空気を排除した純水を使用している。冷媒封入管５からサーモサイフォン１の容器内部の空気を真空ポンプにより排除した後、真空を維持したまま、そこへ冷媒封入管５を通して水を封入する。最後に空気が入らないように冷媒封入管５の先端を密閉することで完成する。これによりサーモサイフォン１の内部は、大気圧よりも低い圧力である水の飽和蒸気圧に保たれ、加熱する際に１００℃よりも低い温度で沸騰や蒸発が行われる。この他に冷媒としては、アルコールや代替フロン等があり、サーモサイフォン１の材質や、強度などによって冷媒を決定する。 In this embodiment, the thermosiphon 1 is made of copper, and pure water from which dissolved air is excluded is used as a refrigerant. After the air inside the thermosiphon 1 container is removed from the refrigerant sealing tube 5 by a vacuum pump, water is sealed through the refrigerant sealing tube 5 while maintaining the vacuum. Finally, the end of the refrigerant sealing tube 5 is sealed so that air does not enter. Thereby, the inside of the thermosiphon 1 is maintained at a saturated vapor pressure of water, which is a pressure lower than the atmospheric pressure, and boiling or evaporation is performed at a temperature lower than 100 ° C. when heating. Other refrigerants include alcohol and alternative chlorofluorocarbon, and the refrigerant is determined by the material and strength of the thermosiphon 1.
また本実施例では、冷媒に水を使用するため、１００℃以下の条件で内部は大気圧と比べて低い状態に保たれる。また沸騰面２は、ＣＰＵ１３とサーモサイフォン１の熱的な接触を良好に保つため、サーバ装置実装時にはＣＰＵ１３に押し付けられる。このため内部に支柱６を設けてサーモサイフォン１の変形、特に沸騰面２がへこむ事を抑制している。 Further, in this embodiment, since water is used as the refrigerant, the interior is kept at a lower state than the atmospheric pressure under the condition of 100 ° C. or lower. In addition, the boiling surface 2 is pressed against the CPU 13 when the server device is mounted in order to keep good thermal contact between the CPU 13 and the thermosiphon 1. For this reason, the support | pillar 6 is provided in the inside and the deformation | transformation of the thermosiphon 1, especially that the boiling surface 2 dents are suppressed.
また本実施例のサーモサイフォン１の熱輸送性能を向上させる、つまり沸騰面２と凝縮面３の温度差を小さくしつつ、多くの熱を輸送できるように、沸騰面２には多孔質構造を有する沸騰面を使用し、凝縮面３にはフィン構造を使用している。詳細は後述するが、本実施例では沸騰面２と凝縮面３の間を塞ぐように、銅のワイヤーを編んだメッシュ４が配置されている。 Further, the boiling surface 2 has a porous structure so as to improve the heat transport performance of the thermosiphon 1 of this embodiment, that is, to transport a large amount of heat while reducing the temperature difference between the boiling surface 2 and the condensing surface 3. The boiling surface is used, and the condensing surface 3 uses a fin structure. Although details will be described later, in the present embodiment, a mesh 4 knitted with copper wire is disposed so as to block between the boiling surface 2 and the condensing surface 3.
さらに図４を用いて、実際の熱輸送時のサーモサイフォン１の内部の状態を説明する。図４は図２中に示すサーモサイフォン断面の位置を指示する点線２０１部分の断面図である。サーモサイフォン１の沸騰面２は熱伝導グリース層３１を介して、シャーシ１１に内包されたメインボード１２上に設けられたＣＰＵ１３と熱的に接続されている。沸騰面２では封入冷媒液相３４である水が沸騰し、発生する蒸気気泡である封入冷媒気相３５は上昇して、凝縮面３へ向かう。 Furthermore, the internal state of the thermosiphon 1 during actual heat transport will be described with reference to FIG. 4 is a cross-sectional view of a dotted line 201 portion that indicates the position of the thermosiphon cross section shown in FIG. The boiling surface 2 of the thermosiphon 1 is thermally connected to the CPU 13 provided on the main board 12 included in the chassis 11 via the heat conductive grease layer 31. On the boiling surface 2, water as the encapsulated refrigerant liquid phase 34 boils, and the encapsulated refrigerant gas phase 35, which is a generated vapor bubble, rises toward the condensation surface 3.
凝縮面３は熱伝導シート３２を介して冷却ジャケット２６と熱的に接続されており冷却されている。冷却ジャケット２６内には流路が形成されており、ここに冷却用冷媒３３を流すことで凝縮面３を冷却している。 The condensation surface 3 is thermally connected to the cooling jacket 26 via the heat conductive sheet 32 and is cooled. A flow path is formed in the cooling jacket 26, and the condensing surface 3 is cooled by flowing a cooling refrigerant 33 therethrough.
ＣＰＵ１３の発熱量は１０Ｗから２００Ｗ程度を想定している。冷媒を水として蒸気温度５０℃時には、例えばＣＰＵ発熱量１００Ｗにより発生する蒸気体積は１秒間あたり、およそ５.１×１０-4ｍ3である。これに対してサーモサイフォン１の内部の沸騰面２が面する空間のサイズは、厚さ方向５mm，幅５０mm，高さ１５０mm程度の空間となっている。また、この沸騰面２が面する空間が満たされる程度の水が封入されている。ここで封入された水を無視して、沸騰面部分の断面を通過する蒸気流速を見積もると２.０ｍ／ｓであり、同じＣＰＵ１３が２個発熱する場合には蒸気流速は２倍の４.０ｍ／ｓとなると見積もれる。実際には封入された水が蒸気の通過する断面積を狭くするため、蒸気流速はより早くなると考えられる。本実施例のサーモサイフォン１の沸騰面２が面する容積は、およそ３.８×１０-5ｍ3であり、ＣＰＵ発熱量１００Ｗで発生する蒸気の体積に比べて小さい。 The amount of heat generated by the CPU 13 is assumed to be about 10W to 200W. When the temperature of the steam is 50 ° C. using water as the refrigerant, for example, the volume of the steam generated by the CPU calorific value of 100 W is approximately 5.1 × 10 −4 m 3 per second. On the other hand, the size of the space facing the boiling surface 2 inside the thermosiphon 1 is a space having a thickness direction of about 5 mm, a width of 50 mm, and a height of about 150 mm. Moreover, the water of the grade which fills the space which this boiling surface 2 faces is enclosed. The steam flow rate passing through the cross section of the boiling surface portion is neglected by ignoring the water enclosed here, and is 2.0 m / s. When two CPUs 13 generate heat, the steam flow rate is doubled to 4. It can be estimated to be 0 m / s. Actually, the water flow rate is considered to be faster because the enclosed water narrows the cross-sectional area through which the vapor passes. The volume that the boiling surface 2 of the thermosiphon 1 of this embodiment faces is approximately 3.8 × 10 −5 m 3, which is smaller than the volume of steam generated when the CPU heat generation amount is 100 W.
また冷媒である水の封入量は、沸騰が発生せず液面が安定するＣＰＵ非発熱時に、液面が上側に配置されたＣＰＵを冷却する面にかかるような量である。具体的には３０cc以上の水を封入しており、この封入水量は先に述べた沸騰面２が面する空間の８割以上を占める量となる。 The amount of water, which is a refrigerant, is such that the liquid level is applied to the surface that cools the CPU disposed on the upper side when the CPU does not generate heat when boiling does not occur and the liquid level is stable. Specifically, 30 cc or more of water is sealed, and the amount of the sealed water occupies 80% or more of the space facing the boiling surface 2 described above.
このような状況において、封入された水は、蒸気または気泡に巻き上げられ、サーモサイフォン１の凝縮面３および天井部に衝突し音を発生する。もしくは、気泡が凝縮面３で急速に凝縮することで、水が凝縮面３に衝突しているとも考えられる。このとき発生する音は、水がサーモサイフォン筐体７を叩くことで発生すると考えられる金属音であり、また発生のタイミングも不規則であるため、従来サーバ装置の主な音源であった冷却ファンの音に比べて非常に目立つ音であり、この音を小さくする必要がある。 Under such circumstances, the enclosed water is rolled up into steam or bubbles, and collides with the condensation surface 3 and the ceiling portion of the thermosiphon 1 to generate sound. Alternatively, it is considered that the water collides with the condensation surface 3 because the bubbles rapidly condense on the condensation surface 3. The sound generated at this time is a metal sound that is considered to be generated when water hits the thermosiphon casing 7, and the generation timing is irregular, so that the cooling fan that has been the main sound source of the conventional server apparatus is used. This sound is very conspicuous compared to the sound of, and it is necessary to reduce this sound.
この音の発生を抑制するために、本実施例では沸騰面２と凝縮面３の間を塞ぐように、銅のワイヤーを編んだメッシュ４を配置する。これにより、気泡に伴って上昇する水をメッシュ４が遮るため、サーモサイフォン１の天井および凝縮面３に衝突する水の量と速度を大きく抑えることができ、音の抑制に効果を発揮する。また、沸騰面２から発生し、上昇しながら他の気泡と合体することで大きく成長する気泡を、メッシュ４により、より小さい気泡に分けることで、凝縮により凝縮面３に衝突する水のエネルギーを小さくできると考えられる。結果として、上記金属音を目立たぬ程度に小さくすることができる。 In order to suppress the generation of this sound, in this embodiment, a mesh 4 knitted with copper wire is disposed so as to block between the boiling surface 2 and the condensing surface 3. Thereby, since the mesh 4 blocks the water rising with the bubbles, the amount and speed of the water colliding with the ceiling of the thermosiphon 1 and the condensing surface 3 can be largely suppressed, and the effect of suppressing the sound is exhibited. Moreover, the energy of water colliding with the condensation surface 3 by condensation is divided by dividing the bubbles generated from the boiling surface 2 and growing larger by coalescence with other bubbles while rising into smaller bubbles by the mesh 4. It is thought that it can be made smaller. As a result, the metal sound can be made inconspicuous.
また、このメッシュ４の効果として凝縮面３に巻き上げられる水の量を抑制できるため、凝縮面３での液膜厚さが必要以上に厚くならず、これに伴いメッシュ４が無い条件と比べて凝縮熱伝達率が向上し、サーモサイフォン１の熱輸送性能が向上する。 Moreover, since the amount of water wound up on the condensing surface 3 can be suppressed as an effect of the mesh 4, the liquid film thickness on the condensing surface 3 is not increased more than necessary, and as a result, compared with the condition without the mesh 4. The condensation heat transfer coefficient is improved, and the heat transport performance of the thermosiphon 1 is improved.
図５を用いて実施例で使用するメッシュ４の例を説明する。本実施例では、銅のワイヤーを編んだメッシュ４を図５のように巻いて使用する。このようにメッシュ４を巻いて使用することで、目の開きが１〜２mm程度の目の荒いメッシュ４でも重ねて使うのと同じこととなり効果が得られる。目の開きが細かいものは、目に液が保持されることで蒸気の通過を大きく阻害し性能低下につながることが考えられる。この性能低下の一例として、蒸気がメッシュを通過する際の圧力損失が大きくなることで沸騰側の蒸気圧力が高くなり、これに伴い凝縮側で凝縮した液が沸騰部へ戻り難くなり、凝縮側に液が溜まることが考えられる。 An example of the mesh 4 used in the embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, a mesh 4 knitted from copper wire is wound and used as shown in FIG. By winding and using the mesh 4 in this way, the mesh 4 having a rough eye having an opening of about 1 to 2 mm is the same as that used in an overlapping manner, and an effect is obtained. In the case where the opening of the eyes is fine, it is considered that the liquid is retained in the eyes, so that the passage of the vapor is largely inhibited and the performance is lowered. As an example of this performance degradation, the steam pressure on the boiling side increases due to the large pressure loss when the steam passes through the mesh, and as a result, the condensed liquid on the condensing side becomes difficult to return to the boiling part, and the condensing side It is conceivable that liquid accumulates in the liquid.
また巻いたメッシュが膨らもうとするバネ性を利用しサイフォンの壁とメッシュ４間の適度な密着性を保つ。これにより流路全体をメッシュ４で塞ぐことが可能となる。さらに沸騰面にメッシュ４の目の開きよりも微細な開口を有する多孔質面を使用すれば、メッシュ４に保持された冷媒の液を、多孔質面の表面張力で吸うことが可能となり、沸騰面上側のドライアウトの抑制が可能となる。 In addition, using the spring property that the wound mesh tries to swell, the proper adhesion between the siphon wall and the mesh 4 is maintained. As a result, the entire flow path can be closed with the mesh 4. Further, if a porous surface having a finer opening than the mesh 4 opening is used on the boiling surface, the refrigerant liquid held in the mesh 4 can be sucked by the surface tension of the porous surface. It is possible to suppress the dry-out on the upper side.
実施例ではサーモサイフォン筐体７に窪みを設け、また巻いた金網のバネ性を利用し、位置がずれないようにする。またメッシュ４の一部をサーモサイフォン筐体７もしくは沸騰面２と半田もしくはロウ付けするのも有効である。このようにメッシュ４自体および固定方法に柔軟性を持たせることで、メッシュ４に水が衝突する際に発生する音を小さく抑えている。 In the embodiment, a depression is provided in the thermosiphon casing 7 and the spring property of the wound wire mesh is used so that the position does not shift. It is also effective to solder or braze a part of the mesh 4 to the thermosiphon casing 7 or the boiling surface 2. Thus, by giving flexibility to the mesh 4 itself and the fixing method, the sound generated when water collides with the mesh 4 is suppressed to a low level.
またメッシュ４の配置としては、沸騰面から凝縮面へ蒸気が流れる流路の途中であって、サーモサイフォン１の初期の水面より上部で、凝縮面３の手前に配置することが望ましい。例えばメッシュを封入冷媒の液面直上にくるよう配置する。封入冷媒である水の水面よりもメッシュ４の位置を下にしてしまうと、メッシュ４より上に存在する水を気泡が巻き上げることや、メッシュ４より上の水中で気泡が成長することで音の抑制効果が薄れることが考えられるためである。サーモサイフォン１の内部の水面は、発生する蒸気の体積だけ非加熱状態時の液面よりも上に存在する。しかしメッシュ４を少なくともサーモサイフォン１の初期の水面より上部に配置することで、十分な音の抑制効果が得られる。 As for the arrangement of the mesh 4, it is desirable to arrange the mesh 4 in the middle of the flow path where steam flows from the boiling surface to the condensing surface, above the initial water surface of the thermosiphon 1 and before the condensing surface 3. For example, the mesh is arranged so as to be directly above the liquid level of the enclosed refrigerant. If the position of the mesh 4 is lowered below the surface of the water that is the encapsulated refrigerant, the bubbles will roll up the water existing above the mesh 4, or the bubbles will grow in the water above the mesh 4 and the sound will be generated. This is because the suppression effect is considered to be weakened. The water surface inside the thermosiphon 1 exists above the liquid surface in the unheated state by the volume of the generated steam. However, by arranging the mesh 4 at least above the initial water surface of the thermosiphon 1, a sufficient sound suppression effect can be obtained.
また、メッシュ４の配置として、サーモサイフォン１の断面が広がるように拡大する凝縮面３の手前に配置することにより、メッシュ４部材の使用量を少なくすることができる。 Moreover, the amount of the mesh 4 member can be reduced by arranging the mesh 4 in front of the condensing surface 3 that expands so that the cross section of the thermosiphon 1 expands.
本実施例では、別な形状のサーモサイフォンについて図６を用いて、実施例１のサーモサイフォンとの差違に関して説明する。 In the present embodiment, a thermosiphon having another shape will be described with reference to FIG. 6 with respect to a difference from the thermosiphon of the first embodiment.
実施例２のサーモサイフォンでは、沸騰面２で発生する蒸気はメッシュ４を通過し凝縮面３で凝縮した後、この凝縮した水が、サーモサイフォン筐体７の図６中右下がりに傾斜した内壁面を介して、液冷媒戻り管４２を通り、沸騰面２へ戻る構造となっている。このようなループ型の構造をとることで、蒸気と液戻りの対向流をなくし凝縮面３の排水性を高め、その凝縮熱伝達率を向上させることが狙いである。 In the thermosiphon according to the second embodiment, the steam generated on the boiling surface 2 passes through the mesh 4 and condenses on the condensing surface 3, and then the condensed water is inclined downward to the right in FIG. 6 of the thermosiphon housing 7. It has a structure that returns to the boiling surface 2 through the liquid refrigerant return pipe 42 via the wall surface. By taking such a loop-type structure, the aim is to eliminate the counterflow of steam and liquid, improve the drainage of the condensing surface 3, and improve its condensation heat transfer coefficient.
しかしこのような形状においても、沸騰面２の面する空間が広くない条件においては、水が気泡により巻き上げられ、サーモサイフォン筐体７との衝突に伴う音が発生すると考えられる。そこで、蒸気が凝縮面３に流入する流路を塞ぐようにメッシュ４を配置することで、この音を抑制する。 However, even in such a shape, under the condition that the space facing the boiling surface 2 is not wide, it is considered that the water is wound up by the bubbles and the sound accompanying the collision with the thermosiphon housing 7 is generated. Therefore, this noise is suppressed by arranging the mesh 4 so as to block the flow path where the steam flows into the condensation surface 3.
またメッシュ４の固定方法として、メッシュ４を挟んで上下２本ずつのメッシュ支持用支柱４１を用いる。これにより、メッシュ４はメッシュ支持用支柱４１の間で動くことが可能であり、気泡に巻き上げられた水の衝突を緩和できる。またメッシュ支持用支柱４１は、サーモサイフォンの凹みを防止する構造材としても利用できる。 Further, as a method for fixing the mesh 4, two upper and lower mesh support columns 41 are used across the mesh 4. Thereby, the mesh 4 can move between the support columns 41 for mesh support, and the collision of the water wound up by the bubbles can be reduced. Moreover, the support | pillar 41 for mesh support can be utilized also as a structural material which prevents the dent of a thermosiphon.
また、メッシュ４については、金属製の金網を例として挙げたが、沸騰部から上昇する気泡をメッシュにより小さくし、また気泡と共に流れる液冷媒をメッシュで止めることができる部材であれば良いので、材質は金属製でなくとも腐食に強い樹脂材料でもよく、机上は網状でなくても、弾性を有する有穴の板を積層しても良い。 As for the mesh 4, a metal wire mesh is taken as an example, but any member that can make the bubbles rising from the boiling portion smaller by the mesh and stop the liquid refrigerant flowing along with the bubbles with the mesh may be used. The material may be a resin material that is resistant to corrosion even if it is not made of metal, and the desktop may not be a net, but may be laminated with a perforated plate having elasticity.
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
また、上記の各構成，機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム，テーブル，ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク，ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード，ＳＤカード，ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。 Further, each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files that realize each function can be stored in a memory, a recording device such as a hard disk or an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
１ サーモサイフォン
２ 沸騰面
３ 凝縮面
４ メッシュ
５ 冷媒封入管
６ 支柱
７ サーモサイフォン筐体
１１ シャーシ
１２ メインボード
１３ ＣＰＵ
１４ メモリ
１５ 空冷フィン
１６ 電源供給用端子
１７ 信号接続用端子
２１ システムユニット
２２ 電源ユニット
２３ Ｉ／Ｏユニット
２４ ファンユニット
２５ 分配用ヘッダ
２６ 冷却ジャケット
３１ 熱伝導グリース層
３２ 熱伝導シート
３３ 冷却用冷媒
３４ 封入冷媒液相
３５ 封入冷媒気相（気泡）
４１ メッシュ支持用支柱
４２ 液冷媒戻り管
２０１ サーモサイフォン断面の位置を指示する点線
２４１ 冷却ファン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermosiphon 2 Boiling surface 3 Condensing surface 4 Mesh 5 Refrigerant enclosure pipe 6 Support | pillar 7 Thermosiphon housing | casing 11 Chassis 12 Main board 13 CPU
14 Memory 15 Air cooling fin 16 Power supply terminal 17 Signal connection terminal 21 System unit 22 Power supply unit 23 I / O unit 24 Fan unit 25 Distribution header 26 Cooling jacket 31 Thermal conductive grease layer 32 Thermal conductive sheet 33 Cooling refrigerant 34 Encapsulated refrigerant liquid phase 35 Encapsulated refrigerant gas phase (bubbles)
41 Mesh support column 42 Liquid refrigerant return pipe 201 Dotted line 241 indicating the position of the thermosiphon cross section Cooling fan
Claims (2)
前記沸騰面の側面は複数の前記電子機器の発熱体と熱的に接続され、
前記沸騰面と前記凝縮面とを結ぶ鉛直方向の流路に、この流路を塞ぐようにメッシュを配置し、
前記メッシュを金属製の金網を巻いて構成し、かつ、前記メッシュの上下にメッシュを支持するメッシュ支持用支柱を配置し、前記メッシュが前記メッシュ支持用支柱の間で可動できることを特徴とする電子機器冷却装置。 It has a boiling surface that is thermally connected to a heating element of an electronic device in a sealed housing, and is composed of a condensing surface above the boiling surface and a flow path that extends above the boiling surface and extends to the condensing surface. Is an electronic device cooling device using a thermosyphon in which liquid refrigerant is sealed so as to immerse the boiling surface,
A side surface of the boiling surface is thermally connected to a plurality of heating elements of the electronic device;
In the vertical direction of the passage connecting the said condensing surface and the boiling surface, placing a mesh to cover the flow path,
The mesh is formed by winding a metal wire mesh, and mesh support columns supporting the mesh are arranged above and below the mesh, and the mesh is movable between the mesh support columns. Equipment cooling device.
メッシュを封入冷媒の液面直上にくるよう配置することを特徴とする電子機器冷却装置。 The electronic device cooling device according to claim 1,
An electronic device cooling apparatus, wherein a mesh is disposed so as to be directly above a liquid level of an encapsulated refrigerant.
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