JPWO2012029404A1 - 電子機器冷却システム - Google Patents

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Abstract

本発明の電子機器冷却システムは、電子機器の排熱によって温められた空気を冷却し、蒸発器と凝縮器と気体流路と液体流路とを備える。蒸発器は、電子機器による空気の送出方向に設けられ、電子機器から送出された空気の熱を吸収して液体冷媒を気体冷媒に相転移させる。凝縮器は、気体冷媒の熱を放出してその気体冷媒を液体冷媒に相転移させる。気体流路は、蒸発器が相転移させた気体冷媒を凝縮器に流入させる。液体流路は、凝縮器が相転移させた液体冷媒を蒸発器に流入させる。凝縮器は、蒸発器より上方に配置される。

Description

本発明は、電子機器の排熱によって温められた空気を冷却する電子機器冷却システムに関する。
近年、情報処理技術の向上やインターネット環境の発達に伴って、必要とされる情報処理量が増大している。このような動向に伴い、インターネットに用いるサーバ装置、通信装置、固定電話、IP電話などの装置を設置、運用するデータセンタビジネスが注目されている。このデータセンタのサーバルームには、コンピュータ等の電子機器が多数設置されている。一般的に、サーバルームに電子機器を設置する方式としては、ラックマウント方式を用いることが主流になっている。ラックマウント方式とは、JISやEIAで規格化された平型の電子機器をラックに段積みに設置する方式である。
サーバルームのスペースを十分に確保するためには、出来るだけ多くの電子機器をラックに搭載することが望まれる。そのためには、電子機器それぞれの高さを低くすることが必要となる。一般的にラックマウント型サーバと呼ばれる1U(Unit:ユニット)サーバやブレードサーバ等の電子機器の高さは40ミリメートル程度である。
上記したように、電子機器の高さを低くすることが望まれていることから、電子機器の冷却のためにLSI(Large Scale Integration:大規模集積回路)やIC(Integrated Circuit:集積回路)の直上にヒートシンクを搭載することは好ましくない。そこで、電子機器の冷却方法として、電子機器内にヒートパイプ等の熱移動構造とその熱移動構造の端部にフィン等の放熱構造を設ける方法が用いられている(例えば、特許文献1を参照)。この構成により、熱移動構造によってLSIやICから離れた場所に熱を移動させ、放熱構造を介して電子機器の外部へ放熱させることができる。
特許文献2には、冷却システムが開示されている。この冷却システムにおいては、半導体デバイスの発生熱を外部に輸送する第1の熱輸送部材が電子機器の電子回路基板に備えられている。また、第1の熱輸送部材からの熱を外部に輸送する第2の熱輸送部材が電子機器の筐体内に備えられている。さらに第2の熱輸送部材からの熱を筐体の外部に放熱する放熱部材が備えられている。
特許文献3には、第2の熱輸送部材及び放熱部材が冷凍サイクルを構成しても良いことが開示されている。
特許文献3には、発生した熱を放熱するファンを備える電子機器を配置するラックに、電子機器が放熱した熱を冷却する冷凍サイクルを構成する蒸発器を配置する方法が開示されている。
日本国特開2007−088282号公報 日本国特開2010−079401号公報 日本国特開2009−193137号公報
しかしながら、特許文献1や特許文献2に開示された方法のように、電子機器から発生される熱を単に電子機器外へ放熱するだけでは、その電子機器が載置されたサーバルームの空気温度が上昇してしまう。その結果、サーバルーム内の冷却を行う空調設備に対する負荷が増大してしまうという問題がある。
特許文献3に開示された方法のように、サーバラックに設けられた蒸発器によって電子機器の排気熱を冷却することで、電子機器が載置されたサーバルームの空気温度の上昇を抑えることができる。しかしながら、特許文献3に開示された方法によると、冷媒の冷却を行う凝縮器と蒸発器との間に、蒸発器で気化した冷媒を圧縮し、凝縮器と蒸発器との間で冷媒を循環させる圧縮機を備える必要がある。その結果、冷却装置が大掛かりになってしまうという問題がある。
本発明は上記の課題を解決するためになされた。本発明の電子機器冷却システムは、電子機器の排熱によって温められた空気を冷却し、蒸発器と凝縮器と気体流路と液体流路とを備える。蒸発器は、電子機器による空気の送出方向に設けられ、電子機器から送出された空気の熱を吸収して液体冷媒を気体冷媒に相転移させる。凝縮器は、気体冷媒の熱を放出してその気体冷媒を液体冷媒に相転移させる。気体流路は、蒸発器が相転移させた気体冷媒を凝縮器に流入させる。液体流路は、凝縮器が相転移させた液体冷媒を蒸発器に流入させる。凝縮器は、蒸発器より上方に配置される。
本発明によれば、蒸発器が電子機器から送出された空気の熱と熱交換するため、電子機器の排熱によって温められた空気の温度を下げ、電子機器が載置された部屋の空気温度の上昇を抑えることができる。
さらに、本発明によれば、凝縮器が蒸発器より上方に配置されるため、凝縮器の内部の液面の高さが蒸発器の内部の液面の高さより高くなる。これにより、凝縮器の内部に貯留する液体溶媒は、重力によって液体流路を伝い、蒸発器へ流入する。他方、蒸発器の内部に貯留する気体溶媒は、重力によって気体流路を伝い、凝縮器へ流入する。そのため、本発明による電子機器冷却システムは、圧縮機を備えなくても、凝縮器と蒸発器との間で冷媒を循環させることができる。
本発明の第1の実施形態による電子機器冷却システムの斜視図である。 本発明の第1の実施形態による電子機器冷却システムの構成図である。 図1に示す蒸発器の断面を示す図である。 図1に示す凝縮器の断面を示す図である。 図1に示すチューブの配設形態を示す図である。 図1に示すチューブの配設形態を示す図である。 本発明の第2の実施形態による電子機器冷却システムの斜視図である。 本発明の第3の実施形態による電子機器冷却システムの斜視図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
《第1の実施形態》
図1は、本発明の第1の実施形態による電子機器冷却システム(電子機器冷却装置)の斜視図である。
電子機器冷却システムは、電子機器の排熱によって温められた空気を冷却するシステムである。
図1に示すように、電子機器冷却システムは、複数の蒸発器1と複数の凝縮器2とを備える。蒸発器1は、内部に貯留する冷媒と電子機器が送出する空気との熱交換によって冷媒を気化させる。凝縮器2は、内部に貯留する冷媒を液化させる。
蒸発器1は、電子機器を収納する収納ラック5内に設けられ、冷媒の気化潜熱によって電子機器から送出された空気を冷却する。
凝縮器2は、収納ラック5を格納するデータセンタやサーバルームに設けられた空調機用の冷水配管6(冷却管)の表面において、蒸発器1より高い位置に取り付けられる。凝縮器2は、内部に貯留する冷媒を冷却することで気体冷媒を液体に相変化させる。このとき、冷水配管6を流れる冷水の温度は、凝縮器2の内部に貯留する冷媒の沸点より低い。
凝縮器2が取り付けられる冷水配管6は、収納ラック5を格納するデータセンタやサーバルームとそのデータセンタまたはサーバルームの外側とに跨って配設される。即ち、冷水配管6は、少なくともその一部がデータセンタまたはサーバルームの外側に露呈している。
また、蒸発器1の下部(下部容器)と凝縮器2の下部とは、チューブ3で接続されている。蒸発器1の上部(上部容器)と凝縮器2の上部とは、チューブ4で接続されている。チューブ3は、凝縮器2が気体から液体に相変化させた冷媒を蒸発器1に流入させる液体流路として機能する。チューブ4は、蒸発器1が液体から気体に相変化させた冷媒を凝縮器2に流入させる気体流路として機能する。
本実施形態では、これらのチューブ3、4には、ブチルチューブ、シリコンチューブ、ナイロンチューブ、フッ素チューブなどの可撓性を有し、耐薬品性に優れた材料を用いる。冷媒としては、フロロカーボンやハイドロフルオロエーテルなどの低沸点かつ絶縁性の高い冷媒を用いる。
蒸発器1と凝縮器2は、1対のチューブ3、4によって接続されることで気密系を形成する。この蒸発器1、凝縮器2及び1対のチューブ3、4によって形成される気密系の内部は、冷媒で満たされる。気密系内部の圧力は、大気圧より低い状態に保たれる。これは、気密系の内部に液体冷媒を注入した後に気密系を減圧して真空状態にすることで実現する。このように、気密系の内圧を大気圧より低くすることで、内部に封入された冷媒の沸点(飽和蒸気圧)が下がる。特に、冷媒としてフロロカーボンやハイドロフルオロエーテルなどを用いた場合、その沸点は、常温以下となる。これにより、蒸発器1が電子機器の排熱により温められた空気と熱交換をすることで、蒸発器1内部の冷媒を蒸発させることができる。
図2は、本発明の第1の実施形態による電子機器冷却システムの構成図である。
蒸発器1は、電子機器7を収納する収納ラック5内に設けられる。収納ラック5は、外郭を形成する筐体51と、筐体51の前側に設けられて電子機器7を載置するための複数の載置棚52と、筐体51の後側に設けられ開閉自在なリアドア53とを備える。蒸発器1は収納ラック5の載置棚52とリアドア53との間に積載される。
載置棚52に載置される電子機器7には、電子機器7の排熱を電子機器7外へ送出するための送風機が搭載されている。この電子機器7は、電子機器7から送出された空気が蒸発器1を介して筐体51の外に排出されるように載置棚52に載置される。
図1は、リアドア53が開いた状態を示している。実際に使用する際は、リアドア53が閉じた状態にして、リアドア53によって蒸発器1を覆う。リアドア53には、複数の貫通孔54と複数の排気孔55が設けられている。貫通孔54には、チューブ3、4が挿通される。排気孔55は、電子機器7が送出する空気を筐体51の外に排出する。この貫通孔54をチューブ3、4が挿通することで、リアドア53を閉じたときにも蒸発器1と凝縮器2との間で冷媒を交換することができる。リアドア53が排気孔55を有することで、リアドア53を閉じたときにも、収納ラック5内外の通気を確保することができる。
図3は、蒸発器1の断面を示す図である。
蒸発器1には、気体冷媒Gと液体冷媒Lとが貯留されている。蒸発器1は、チューブ3に接続された下部容器11と、チューブ4に接続された上部容器12と、下部容器11と上部容器12とを繋ぐ蒸発管13とを備える。図1に示すように、下部容器11と上部容器12とは複数の蒸発管13によって接続されている。蒸発管13同士の間には、受熱フィン14が設けられている。受熱フィン14は、コルゲーテッドフィン等であり、電子機器7が送出する空気と蒸発管13内に貯留された冷媒との熱交換を促進する。蒸発器1の各部品は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属で形成される。
下部容器11のリアドア53に面する部分には、チューブ3から冷媒が流入する流入孔15が設けられる。上部容器12のリアドア53に面する部分には、チューブ4に冷媒を流出させる流出孔16が設けられる。
受熱フィン14は、ロウ付けや半田付けにより、蒸発管13と接合される。受熱フィン14のフィンピッチを小さくする(すなわち、フィン同士の隙間を狭くする)ことで、冷媒が蒸発する際に空気から吸収する潜熱の熱輸送量を増やすことが出来る。一方、受熱フィン14のフィンピッチを小さくすると、電子機器7から送出される空気の通風抵抗が増加し、風速が低下する。そのため、電子機器7のLSIやIC等の部品の動作温度が、許容温度を超えない程度の通風抵抗となるようにフィンを形成しておく必要がある。
図4は、凝縮器2の断面を示す図である。
凝縮器2には、気体冷媒Gと液体冷媒Lとが貯留されている。凝縮器2は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率が高い金属で形成されている。凝縮器2は、チューブ4から冷媒が流入する流入孔21と、チューブ3に冷媒を流出させる流出孔22とが形成される。凝縮器2の内壁のうち、冷水配管6に面する箇所には、放熱フィン23が螺子止めされる。放熱フィン23は、冷水配管6を流れる冷水と凝縮器2の内部に貯留する冷媒との熱交換を促進する。
放熱フィン23は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率が高い金属で形成されたプレート型フィンやピンフィン構造など冷媒との接触面積を増大させる構造を有する。
凝縮器2は、放熱フィン23と冷水配管6との熱交換の効率を上げるため、TIM(Thermal interface material)24を介して冷水配管6に取り付けられる。すなわち、TIM24は、凝縮器2と冷水配管6との間に設けられている。TIM24には、グリースタイプ、シートタイプなど、熱伝導率が高ければどのようなタイプのTIMを用いても良い。
次に、本実施形態による電子機器冷却システムの動作を説明する。
収納ラック5に収納された電子機器7が排熱によって温められた空気を送出すると、その空気は、蒸発器1及びリアドア53を介して収納ラック5外に排出される。
この空気が蒸発器1を通過する際、空気の熱は、蒸発器1の受熱フィン14を介して蒸発管13に伝達される。蒸発管13に伝達された熱は、蒸発管13内部に貯留された冷媒の温度を上昇させる。上述したように、蒸発器1と凝縮器2と1対のチューブ3、4とから構成される気密系の内圧は、大気圧より低くなっている。このため、受熱フィン14からの熱により冷媒の温度が沸点を超え、液体冷媒は蒸発する。
このとき、液体冷媒は、気体に相変化するために電子機器7が送出する空気から潜熱を吸収する。これにより、電子機器7が送出した空気の温度を下げることができ、電子機器7が載置された部屋の空気温度の上昇を抑えることができる。
液体冷媒は、潜熱を吸収することで気体冷媒となる。この気体冷媒は、浮力によって蒸発管13を伝い、上部容器12に移動する。上部容器12に達した気体冷媒は、チューブ4へ流出する。チューブ4へ流入した気体冷媒は、浮力によって蒸発器1より上方に設置された凝縮器2に流出する。
凝縮器2に流入した気体冷媒は、凝縮器2の内部に設けられた放熱フィン23及びTIM24を介して、冷水配管6を流れる冷水に熱を放出する。放熱フィン23に熱を放出することで、気体冷媒の温度は沸点を下回り、気体冷媒は凝縮する。このとき、気体冷媒は、液体に相変化するために冷水配管6に潜熱を与える。冷水配管6に与えられた熱は、冷水配管6を流れる冷水に伝達され、冷水の流れによってデータセンタやサーバルームの外へ排出される。
気体冷媒は、潜熱を与えることで液体冷媒となる。この液体冷媒は、重力によって凝縮器2の下方へ移動する。凝縮器2の下方に達した液体冷媒は、チューブ3へ流出する。チューブ3に流入した液体冷媒は、重力によって凝縮器2より下方に設置された蒸発器1の下部容器11に流出する。
図5Aおよび5Bは、チューブ3、4の配設形態を示す図である。
蒸発器1と凝縮器2とを接続する1対のチューブ3、4は、図5Aに示すように、水平線に対して下に凸に撓んだ箇所を有しないことが望ましい。即ち、チューブ3、4は、凝縮器2から蒸発器1に向かうに従って漸次下方に延在することが望ましい。
図5Bに示すように、チューブ3が水平線に対して下に凸に撓んでいる場合、点線Aで囲った部分を液体冷媒が重力に逆らって流動することとなる。そのため、気密系を流れる冷媒の速度が低下し、循環が滞ってしまう恐れがある。また、図5Bに示すように、チューブ4が水平線に対して下に凸に撓んでいる場合、気体冷媒がチューブ4の壁面にぶつかることで圧力損失が発生して気体冷媒が液化したときに、点線Bで囲った部分に液体冷媒が滞留してしまう恐れがある。
これらの理由から、チューブ3及びチューブ4は、水平線に対して下に凸に撓んだ箇所を有しないことが望ましい。
このように、本実施形態によれば、蒸発器1が電子機器7の排熱によって温められた空気と熱交換する。このため、空気の温度が下がり、電子機器7が載置された部屋の空気温度の上昇を抑えることができる。これにより、データセンタやサーバルームに設けられた空調設備による冷房能力を抑えることができ、空調設備の省電力化を図ることができる。
本実施形態による電子機器冷却システムを用いることで、電子機器7が発生した熱量の4割〜6割を受熱することができた。また、本実施形態による電子機器冷却システムを用いることで、収納ラック5からの排出空気温度を最大15℃程度下げることができた。
また、本実施形態によれば、凝縮器2が蒸発器1より上方に配置されるため、凝縮器2の内部の液面の高さが蒸発器1の内部の液面の高さより高くなる。これにより、凝縮器2の内部に貯留する液体溶媒は、重力によってチューブ3を伝い、蒸発器1へ流入する。他方、蒸発器1の内部に貯留する気体溶媒は、重力によってチューブ4を伝い、凝縮器2へ流入する。そのため、電子機器冷却システムは、圧縮機を備えなくても、凝縮器2と蒸発器1との間で冷媒を循環させることができる。
また、本実施形態によれば、凝縮器2は、内部に貯留された冷媒の沸点より温度の低い冷水が循環する冷却管の表面に設けられる。これにより、凝縮器2は、気体冷媒を効率よく凝縮させることができる。
また、本実施形態によれば、冷却配管は、電子機器7が載置されたサーバルームやデータセンタの内側とそのサーバルームまたはデータセンタの外側とに跨って配設される。これにより、凝縮器2が冷却配管を流れる冷水に放出した熱を、サーバルームまたはデータセンタの外側に排出することができる。
また、本実施形態によれば、蒸発器1は、収納ラック5内部における、載置棚52に載置された電子機器7による空気の送出方向(空気の送出方向の前方)に設けられ、凝縮器2は、収納ラック5の外部に設けられる。これにより、蒸発器1は、収納ラック5から排出される空気の温度を下げることができ、また凝縮器2から排出される熱を収納ラック5内部に滞留させないことができる。
また、本実施形態によれば、蒸発器1は、電子機器7が送出する空気と液体冷媒との熱交換を促進する受熱フィン14を備える。これにより、蒸発器1は液体冷媒を効率よく蒸発させることができる。
また、本実施形態によれば、凝縮器2は、冷水配管6を流れる冷水と気体冷媒との熱交換を促進する放熱フィン23を備える。これにより、凝縮器2は、気体冷媒を効率よく凝縮させることができる。
また、本実施形態によれば、チューブ3及びチューブ4は、可撓性を有する。これにより、収納ラック5の設置時や移動時の取り回しを簡便にすることができ、また収納ラック5のリアドア53を開閉させることができる。
《第2の実施形態》
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態において、第1の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図6は、本発明の第2の実施形態による電子機器冷却システムの斜視図である。
第2の実施形態による電子機器冷却システムの収納ラック5は、第1の実施形態と異なり、リアドア53に貫通孔54を備えず、筐体51の側面に貫通孔54を備える。また、蒸発器1の流入孔及び流出孔も、蒸発器1のリアドア53に面する部分に設けられず、蒸発器1の側面に設けられる1対のチューブ3、4は、筐体51の側面の貫通孔54を介して蒸発器1と凝縮器2とを接続する。
本実施形態によれば、リアドア53の前面にチューブ3、4を配するスペースを確保できない場合にも、電子機器冷却システムを適用することができる。
《第3の実施形態》
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態において、第1の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図7は、本発明の第3の実施形態による電子機器冷却システムの斜視図である。
第3の実施形態による電子機器冷却システムは、第1、第2の実施形態と異なり、収納ラック5のリアドア53に蒸発器1が固定される。図7は、リアドア53が開いた状態を示している。実際に使用する際は、リアドア53を閉じた状態にすることで、蒸発器1が電子機器7の送風機に面するようにする。
本実施形態によれば、蒸発器1がリアドア53に固定されている。このため、図7に示すように、リアドア53を開いたときに、載置棚52に載置された電子機器7を取り出すことができる。つまり、本実施形態によれば、収納ラック5の前方後方のいずれからも電子機器7を交換することができる。
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第1、第2の実施形態では、蒸発器1、凝縮器2、及び1対のチューブ3、4からなる気密系を複数備える場合を説明したが、これに限られない。例えば筐体51の高さと同程度の高さの蒸発器1を有する気密系を1つだけ備えても良い。同様に、第3の実施形態では、蒸発器1、凝縮器2、及び1対のチューブ3、4からなる気密系を1つだけ備える場合を説明したが、これに限られない。第1、第2の実施形態のように気密系を複数備えていても良い。
また、本実施形態では、凝縮器2が冷却配管に備え付けられる場合を説明したが、これに限られない。凝縮器2が放出する熱を、収納ラック5が備えられたサーバルームまたはデータセンタの外に排出するものであれば他の冷却媒体であっても良い。
この出願は、2010年8月31日に出願された日本出願特願2010−193733を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は電子機器冷却システムに適用できる。この電子機器冷却システムによれば、電子機器の排熱によって温められた空気を冷却することができる。
1 蒸発器
2 凝縮器
3、4 チューブ
5 収納ラック
6 冷水配管(冷却管)
7 電子機器
11 下部容器
12 上部容器
13 蒸発管
14 受熱フィン
15 流入孔
16 流出孔
21 流入孔
22 流出孔
23 放熱フィン
24 TIM
51 筐体
52 載置棚
53 リアドア
54 貫通孔
55 排気孔

Claims (10)

  1. 電子機器の排熱によって温められた空気を冷却する電子機器冷却システムであって、
    前記電子機器による空気の送出方向に設けられ、前記電子機器から送出された空気の熱を吸収して液体冷媒を気体冷媒に相転移させる蒸発器と、
    気体冷媒の熱を放出して前記気体冷媒を液体冷媒に相転移させる凝縮器と、
    前記蒸発器が相転移させた気体冷媒を前記凝縮器に流入させる気体流路と、
    前記凝縮器が相転移させた液体冷媒を前記蒸発器に流入させる液体流路と
    を備え、
    前記凝縮器は、前記蒸発器より上方に配置される
    電子機器冷却システム。
  2. 前記気体流路と前記液体流路の少なくとも一方は、前記凝縮器から前記蒸発器に向かうに従って漸次下方に延在する請求項1に記載の電子機器冷却システム。
  3. 前記凝縮器は、前記凝縮器の内部に貯留された気体冷媒の沸点より温度の低い流体が循環する冷却管の表面に設けられる請求項1または請求項2に記載の電子機器冷却システム。
  4. 前記冷却管は、少なくともその一部が前記電子機器が載置された部屋の外側に露呈している請求項3に記載の電子機器冷却システム。
  5. 前記電子機器を載置する載置棚を備える収納ラックをさらに備え、
    前記蒸発器は、前記収納ラック内部における、前記載置棚に載置された電子機器による空気の送出方向に設けられ、
    前記凝縮器は、前記収納ラック外部に設けられる
    請求項1から請求項4の何れか1項に記載の電子機器冷却システム。
  6. 前記蒸発器は、前記電子機器が送出する空気と前記液体冷媒との熱交換を促進する受熱フィンを備える請求項1から請求項5の何れか1項に記載の電子機器冷却システム。
  7. 前記凝縮器は、前記流体と前記気体冷媒との熱交換を促進する放熱フィンを備える請求項3または請求項4に記載の電子機器冷却システム。
  8. 前記気体流路及び前記液体流路は、可撓性を有するチューブである請求項1から請求項7の何れか1項に記載の電子機器冷却システム。
  9. 前記気体流路及び前記液体流路は、前記収納ラックの側方に設けられた貫通孔を介して前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する請求項3に記載の電子機器冷却システム。
  10. 前記収納ラックは、前記電子機器による空気の送出方向側に開閉自在に取り付けられた扉を備え、
    前記蒸発部は、前記扉に固定されている請求項3に記載の電子機器冷却システム。
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