JP2011047616A - 冷却システム、及び、それを用いる電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な冷却により、省エネやエコロジー対策にも優れたサーモサイフォンを利用した冷却システムと、それに適した電子装置の構造を提供する。
【解決手段】筐体内において回路基板１００上に搭載したＣＰＵ２００を冷却する電子装置用の冷却システムは、発熱するＣＰＵの表面に熱的に接続され、その発熱により減圧された内部空間に収容された液体冷媒を蒸発させる受熱ジャケット３１０と、冷却ジャケットからの冷媒蒸気を減圧された内部空間に受容し、熱を装置の外部に輸送して冷媒蒸気を液体に凝縮する凝縮器３２０と、蒸気管３３１と、液戻り管３３２を備え、相変化により冷媒を循環させるサーモサイフォンを利用し、凝縮器は、受熱ジャケットからの冷媒蒸気をその内部壁面で効率的に冷却するため、その内壁面に微細な溝を冷媒の流れ方向に沿って形成すると共に、その断面を扁平に形成した扁平管から構成されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、サーバなど、その筐体内部に、ＣＰＵなどの発熱源を複数個搭載する電子装置の冷却システムに関し、特に、サーモサイフォンを利用して静音化を図ると共に、冷却システムの省エネと小型化を図ることが可能な冷却システム、更には、かかる冷却システムを搭載するに適した電子装置に関する。

近年、サーバなどに代表される電子装置においては、処理速度の向上などにより、中央処理装置（ＣＰＵ）等、所謂、半導体デバイスを、複数、回路基板上に搭載しており、そして、かかる回路基板を、複数のハードディスク装置等と共に、箱状のラック内に高密度で搭載することが行われている。

ところで、上述したＣＰＵなどの半導体デバイスは、一般に、所定の温度を超えると、その性能の維持を図れなくなるだけではなく、場合によっては、破損することもある。このため、冷却等による温度管理が必要とされ、発熱量の増大する半導体デバイスを効率的に冷却する技術が強く求められている。

このような技術背景において、発熱量の増大する半導体デバイス（ＣＰＵ等）を冷却するための冷却装置には、かかる半導体デバイスを効率よく冷却することが出来る、高性能な冷却能力が要求されている。なお、従来、サーバなどの電子機器では、一般的に、空冷式の冷却装置が多く採用されていたが、しかしながら、上述した状況から、既に限界に近づいており、そのため、新たな方式の冷却システムが期待されており、その一つとして、例えば、水等の冷媒を利用した冷却システムに注目が集まっている。

なお、本発明に関連する従来技術としては、例えば、以下の特許文献１によれば、所謂、ラックマウント方式において、ラック内に着脱自在に装着されたＣＰＵブレードの半導体デバイスの熱を、受熱ジャケットにより、直接、冷却媒体で冷却する技術が、より具体的には、当該受熱ジャケットを、自動開閉バルブを介して、ブレードサーバ内の液冷冷却システムに対して取り外し可能に接続する技術が開示されている。

また、以下の特許文献２には、やはり、サーバを含む電子装置内において、液冷システムを搭載する際のスペースの占有や専用筐体の設置等の問題に対応するための技術が開示されている。さらに、以下の特許文献３には、超大型コンピュータ及びスーパーコンピュータに好適な半導体装置であって、冷却水を供給する配管により、外部の冷却システムと熱的に接続するための技術が開示されている。

また、ヒートパイプを利用したものとして、以下の特許文献４によれば、ＣＰＵブレードの取り外しを容易にするため、外部の冷却システムとＣＰＵブレード上の半導体デバイスとの熱的な接続を、ソケット構成のエキスパンダにより実現する技術が開示されている。

加えて、以下の特許文献５によれば、ヒートパイプを利用して車両用の半導体を冷却する装置であって、半導体の発熱により内部に充填した冷媒（フロン）を沸騰する沸騰部と、内部に充満する冷媒蒸気を外部へ放熱することにより凝縮させる蒸気凝縮部とを碍管で結合するものが開示されている。

更に、以下の特許文献６によれば、ヒートパイプの熱輸送能力を増大させるための改良された構造が開示されており、また、以下の特許文献７によれば、扁平状のヒートパイプを加工するための方法が開示されている。

特開２００２−３７４０８６号公報 特開２００７−７２６３５号公報 特開平６−４１７９号公報 特開平７−１２２８６９号公報 特開昭５０−１４２１６８号公報 特開２００３−２４７７９１号公報 特開２００２−８１８７５号公報

上述した従来技術、特に、水冷式の冷却システム（特許文献１〜３）では、受熱ジャケットにおいて、直接、半導体デバイスの発熱を受熱した冷媒である水は、自動開閉バルブを介して、ラック内に設けられた流路パイプを通って水冷装置へ導かれことから、冷却システム全体が大規模なものとなり、そして、上記冷媒をシステム内で循環させるため、例えば、ポンプやリザーバータンクなどの冷媒循環手段が必要となる。

また、上述した従来技術において、ヒートパイプを利用したもの（特許文献４、５）においても、例えば、エキスパンダなどを含め、吸熱した冷媒蒸気を装置の外部へ導いて放熱するための手段が必要となる。そのため、ヒートパイプと放熱手段との接続部に熱抵抗が生じ、放熱性能を向上させるためには放熱手段の大型化が必要となり、上記水冷式の冷却システムと同様に、冷却システム全体が大規模なものとなってしまうという問題点があった。なお、他の従来技術（特許文献６、７）では、ヒートパイプの熱輸送能力を増大させるための構造や扁平状のヒートパイプの加工方法を開示するが、冷却システムとしての具体的な利用形態については全く述べられていない。

サーバ等の冷却システムにおいて従来のヒートパイプは、空冷放熱フィンの加熱される根本と冷却される先端の温度差をなくすことでフィン効率を向上させる目的で使用されている。このため発熱源の全熱量をヒートパイプ単独で輸送する必要がないためドライアウト等の問題はなかった。しかし前述のとおり、このような方式では、システムの小型化の限界に到達しており、新しい冷却システムが必要であり、それには発熱源の全発熱量（例えばＣＰＵであれば１００Ｗ程度）を熱輸送可能なシステムである必要がある。

多くの熱量をより小さい温度差で輸送するためには、冷却システムの熱抵抗を小さくする必要があるが、フロン系冷媒を用いた場合には沸騰熱伝達率が水に比べて小さいため熱抵抗が大きくなるという課題があった。しかし水は、表面張力がフロン系冷媒に比べ大きいため凝縮部で液だまりを作りやすく凝縮部の熱抵抗が大きくなりやすいという課題がある。また環境問題の観点からフロン系冷媒よりも自然冷媒である水の使用が求められている。

そこで、本発明では、上述した従来技術における問題点に鑑み、例えば、サーバなど、筐体の内部に冷却ファンなどを備えた含む電子装置において、比較的簡易なシステム構成により、ＣＰＵなどの発熱を伴う半導体デバイスを、効率的に冷却することが可能であり、省エネやエコロジー対策にも優れたサーモサイフォンを利用した冷却システムを、更には、かかる冷却システムを用いる電子装置の構造を提供することをその目的とする。

本発明によれば、上述した目的を達成するため、まず、電子装置の筐体内に収納された電子回路基板上に搭載される半導体デバイスを冷却する電子装置用の冷却システムであって、前記半導体デバイスの表面に熱的に接続して取り付けられ、当該半導体デバイスからの発熱により、減圧された内部空間に収容された液体冷媒を蒸発させる受熱ジャケットと、前記冷却ジャケットからの冷媒蒸気を減圧された内部空間に受容し、熱を装置の外部に伝達して冷媒蒸気を液体冷媒に凝縮する凝縮器と、前記受熱ジャケットからの冷媒蒸気を前記凝縮器へ導くための第１の配管と、そして、前記凝縮器からの液体冷媒を前記受熱ジャケットへ導く第２の配管とを備え、相変化により当該冷媒を循環させるサーモサイフォンを利用した冷却システムにおいて、前記凝縮器は、前記受熱ジャケットからの冷媒蒸気をその内部壁面で冷却するための冷却管を備えており、かつ、当該冷却管は、その内壁面に微細な溝を冷媒の流れ方向に沿って形成すると共に、その断面を扁平に形成している冷却システムが提供される。

また、本発明では、前記に記載した冷却システムにおいて、前記冷却管は縦方向に配置されていることが好ましく、更には、前記冷却管の内壁面は、平坦部と湾曲部とを備えていることが好ましい。そして、前記冷却管の上下には、それぞれ、ヘッダ部を設けることが好ましく、更には、前記冷却管の周囲に放熱フィンを設けることが好ましく、そして、前記放熱フィンはオフセットフィンであることが好ましい。

また、本発明では、前記に記載した冷却システムにおいて、前記受熱ジャケットは、前記半導体デバイスの表面に接触する内壁面に、多孔構造面を設けていることが好ましく、更には、前記多孔構造面を略「Ｌ」字状に形成することが好ましい。そして、前記冷却システムにおいて、更に、前記凝縮器の一部へ電子装置の外部からの空気を供給し、熱を当該凝縮器から装置の外部へ放出する送風手段を備えてもよい。

加えて、本発明によれば、やはり上記本発明の目的を達成するため、筐体内に、表面に半導体デバイスを搭載した電子回路基板を収納すると共に、冷却ファンをその一部に備え、もって、当該筐体内に収納される機器に対して外部からの空気を供給して当該機器の冷却を行う電子装置において、前記に記載した電子装置用の冷却システムを設けると共に、当該冷却システムを構成する前記凝縮器を、前記冷却ファンにより供給される外部からの空気の通路に沿って配置した電子装置が提供される。

そして、本発明では、前記の電子装置において、前記電子回路基板には複数の半導体デバイスを搭載すると共に、前記電子装置用の冷却システムは当該半導体デバイスの夫々に設けられていることが好ましく、更に、前記冷却ファンも複数設けられると共に、前記冷却システムの数は、当該冷却ファンの数よりも少ないことが好ましい。

以上に述べた本発明になるサーモサイフォンを利用した冷却システム、更には、かかる冷却システムを搭載した電子装置によれば、サーバなどの電子機器の筐体内の狭小な空間内において、回路基板上に複数配置された発熱体からの発熱を、即ち、フリークーリングにより、低コストで、かつ、効率よく冷却することが出来、もって、小型化と共に、省エネやエコロジー対策にも優れた電子装置を提供することを可能とするという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態になるサーモサイフォンを利用した冷却システムの全体概略構成を示す断面図である。 上記サーモサイフォンを利用した冷却システムを構成する受熱ジャケットの詳細構造を示すための一部断面を含む拡大斜視図である。 上記受熱ジャケットを構成する気化促進板の詳細な表面構造を示すための拡大斜視図と、更にその一部を拡大して示す一部拡大斜視図である。 上記気化促進板の他の例を示す全体斜視図である。 上記気化促進板の更に他の例を示すため、その表面を拡大して示す斜視図である。 上記サーモサイフォンを利用した冷却システムを構成する凝縮器の詳細構造を示すための全体斜視図である。 上記凝縮器の更に詳細構造を示すための一部展開斜視図である。 上記凝縮器を構成する扁平管の詳細構造を示すため、一部断面を含む拡大斜視図と、その一部拡大図である。 上記凝縮器を構成するオフセットフィンの詳細構造を示すための一部拡大斜視図である。 上記オフセットフィンの構造を示すための、上記図９におけるＡ−Ａ及びＢ−Ｂ矢示方向の断面図である。 上記扁平管における冷媒の挙動とそれによる冷却効果を説明するため、従来技術の円管と本発明の扁平管を比較して示す断面図である。 上記サーモサイフォンを利用した冷却システムによる冷却効果を説明するためのグラフを示す図である。 本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システムを適用する電子装置の一例として、ラックに搭載されたサーバの全体構造を示す斜視図である。 上記サーバ筐体内の内部構造の一例を示すため、その蓋体を外した状態を示す斜視図である。 上記サーバ筐体内の冷却システムの配置状態を説明するための上面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。
＜サーモサイフォンを利用した冷却システム＞

まず、本発明の一実施の形態になるサーモサイフォンを利用した冷却システムについて、添付の図１〜１２を参照しながら、以下に詳細に説明する。

図１は、サーモサイフォンを利用した冷却システムの全体構造を示しており、図において、参照番号１００は回路基板を示しており、その表面には、例えば、ＣＰＵなど、発熱源として半導体デバイス２００を搭載している。そして、当該半導体デバイス２００の表面には、本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システム３００の一部を構成する受熱ジャケット３１０が取り付けられている。より具体的には、半導体デバイス２００の表面には、受熱ジャケット３１０との良好な熱的接合を確保するため、所謂、熱伝導グリス２１０を塗布すると共に、その表面には、上記受熱ジャケット３１０の底面を接触させ、図示しないネジなどの固定具により固定されている。なお、冷却システム３００は、以下にその詳細構造を説明するが、上記受熱ジャケット３１０と共に、ラジエータを備えた凝縮器３２０を備えており、かつ、これらの間には、一対の配管３３１、３３２が取り付けられると共に、その内部を大気圧の略１／１０程度の減（低）圧状態に保たれている。

上記受熱ジャケット３１０が沸騰部を、上記凝縮器３２０が凝縮部を、それぞれ、構成しており、もって、以下にも説明するように、液体冷媒である水の相変化により、電動ポンプなどの外部動力なしで、当該冷媒液を循環することの出来る、所謂、サーモサイフォンを構成している。

即ち、上記にその概略を述べたサーモサイフォンを利用した冷却システムでは、発熱源である半導体デバイス２００で発生した熱は、熱伝導グリス２１０を介して沸騰部である受熱ジャケット３１０へ伝達される。その結果、当該沸騰部では、伝達された熱により液体冷媒である水（Ｗａ）が減圧下で沸騰して蒸発し、発生した蒸気（ＳＴ）は、受熱ジャケット３１０から一方の配管３３１を通って凝縮器３２０へ導かれる。そして、この凝縮部では、冷媒蒸気が、例えば、図にも示すように、冷却ファンなどによって送風される空気（ＡＩＲ）により冷却され、もって、液体（水）となり、その後、重力により、他方の配管３３２を通って再び上記受熱ジャケット３１０へ戻る。
＜受熱ジャケット＞

ここで、添付の図２には、上記受熱ジャケット３１０の詳細な構造が示されており、図にも示すように、この受熱ジャケット３１０は、例えば、銅など、熱伝導率に優れた金属板からなる矩形の底板３１１の上部に、銅又はステンレスなどの金属を椀状に絞って形成した蓋体３１２を載せ、その周辺部を、例えば、加圧溶接などにより接合する。そして、図にも明らかなように、上記底板３１１の上面には、矩形板状の気化促進板３１３を取り付ける共に、蓋体３１２の上部と側壁面には、それぞれ、貫通穴が形成されており、上記一対の配管３３１、３３２が、それぞれ、接続される。

なお、この気化促進板３１３は、やはり熱伝導率に優れた銅などの金属板の表面に、例えば、添付の図３（Ａ）及び（Ｂ）にも示すような、縦横寸法がａ、ｈ（例えば、ａ＝0.2mm、ｈ＝0.2mm）の微細な角孔３１４を、距離ｔ（例えば、ｔ＝0.3）だけ隔て、ピッチｄ（例えば、ｄ＝0.5mm）で縦方向と直交する横２方向（図では１方向のみ示す）に多数開けた多孔構造面を形成する。この気化促進板３１３は、滴下された液状冷媒を毛細管現象により内部に含浸し、そして、加熱により温度が４０〜６０℃を超えると、含浸した液状冷媒が沸騰して蒸発を始め、温度が高い（入力熱量が大きい）程、液体冷媒が多量に蒸発して熱を奪う。

また、この多孔構造面を備えた気化促進板３１３は、液状冷媒が枯渇しない限り安定した蒸発性能（気化性能）を発揮し、そして入力熱量が少ないときは液状冷媒が含浸して多孔質の孔を埋めているが、入力熱量が大きいときは孔を埋めている液状冷媒が蒸発して少なくなるので、多孔質内部に冷媒液膜の薄い部分が増えるため蒸発がより促進され、放熱性能が増加した状態となり熱輸送量が増大する。すなわち、入力熱量の増大により温度に依存して蒸発が促進されるのに加え、蒸気量の増加に依存して蒸発が促進されるため、入力熱量が大きいほど熱輸送量が大幅に増加し効率が向上する。

なお、かかる気化促進板３１３は、上記受熱ジャケット３１０を構成する底板３１１の内壁側に溶接などにより取り付けられるが、しかしながら、本発明では、これのみに限定されることなく、例えば、上述した多孔構造面を、上記底板３１１を構成する銅板の内壁面に、直接、形成してもよい。また、この気化促進板は、例えば、添付の図４にも示すように、その周囲の一辺に沿って立ち上げ、もって、その断面を「Ｌ」字状に形成してもよい。かかる断面「Ｌ」字状の気化促進板３１３’によれば、回路基板１００と共に、その上に搭載された半導体デバイス２００が大きく傾斜しても（上記図１の矢印を参照）、受熱ジャケット３１０内の液体冷媒である水（Ｗａ）は上記気化促進板３１３’の立ち上げ部分に接触することとなり、確実に、その蒸発が促進されることとなる。

また、上記気化促進板３１３、３１３’の表面に形成される多孔構造面として、その一例を上記図３（Ａ）及び（Ｂ）に示したが、しかしながら、これに代え、例えば、添付の図４にも示すように、多数の微細な溝３１５（例えば、深さ：Ｄｐ＝1.0mm 溝幅ａ＝0.1mm ピッチd＝0.2mm）を、互いに直交するように形成してもよい。

次に、上記に詳述したサーモサイフォンを利用した冷却システムにより、電子装置内において発熱源となる半導体素子を冷却する場合の冷却性能について述べる。発熱源となる半導体素子である、例えば、ＣＰＵを上述した沸騰を利用して冷却する場合、特に、当該沸騰が開始する際に発生するオーバーシュートが問題となる。

即ち、添付の図１２に破線で示すように、その沸騰面の温度は、沸騰を開始するまで上昇し、沸騰開始後に急激に低下して安定する。この沸騰開始時の最高温度から安定して沸騰する温度までの差異がオーバーシュートであり、そして、冷却システムを設計する場合には、このオーバーシュート量を考慮して設計する必要があった。ところで、従来の凝縮器の凝縮管では、このオーバーシュート量が大きく（図の破線）、そのため、ＣＰＵの安定動作を確保するためには、比較的大きな冷却システムが必要であった。なお、この図のグラフの横軸は、沸騰面がＣＰＵの発熱により加熱される時間（加熱時間）である。

これに対し、上述した、かかる断面「Ｌ」字状の気化促進板３１３’を用いた受熱ジャケット３１０及び内壁面に多数の微細な溝Ｇを形成した上記扁平管３２３によれば、図に実線で示すように、上記のオーバーシュート量を低減する（即ち、より低い温度で沸騰が開始する）ことが可能となり、そのため、比較的小型のシステムでも、ＣＰＵの安定動作を確保するために必要な冷却性能を確保することが可能となる。より具体的には、上記気化促進板の微細な溝による毛細管力により液体冷媒である水が沸騰面に吸い上げられ、液面より上の部分では液膜が非常に薄い状態で沸騰蒸発現象が発生する。そして、一旦、沸騰が開始すれば、発生した気泡が多孔質沸騰面の内のトンネルを通り液面より下の多孔質面内部に充満すると、液面より下の多孔質面においてもトンネル内に液膜の薄い部分が生成されるため沸騰開始が促進される。また液面より上の部分で沸騰が始めることによりチャンバ内の液体冷媒が動くことから、他の部分での熱交換が促進され沸騰開始も早まる。これがオーバーシュートを抑制するものと考えられる。
＜凝縮器＞

次に、上述したサーモサイフォンを利用した冷却システムの凝縮部である凝縮器３２０の詳細な構造について、添付の図６〜１０を参照しながら、以下に述べる。

まず、図６には、フィンの一部を取り除いた状態の凝縮器３２０の全体構成を示すと共に、図７には、その一部を拡大して示す、一部断面を含む展開図が示されている。これらの図からも明らかなように、凝縮器３２０は、上下に配置された一対のヘッダ３２１、３２２を備えると共に、これら一対のヘッダ３２１、３２２の間には、以下にも詳述する扁平管３２３が複数（本例では４本）、それぞれ、接続されている。そして、これら扁平管３２３、３２３の周囲には、やはり以下に詳述するオフセットフィン３２４、３２４…が取り付けられ、もって、ヒートラジエータを形成している。なお、図中の符号３２５及び３２６は、それぞれ、上記一対のヘッダ３２１、３２２に形成された貫通穴であり、上記の図１や図７にも明らかなように、当該穴には上記一対の配管３３１、３３２が、それぞれ、接続される。

そして、図７に示すように、扁平管３２３は、熱伝導率に優れた銅などの金属管（パイプ）を、その断面が扁平となるように成形（変形）すると共に、添付の図８にも示すように、その内壁面に多数の微細な溝Ｇ（例えば、深さ：Ｄ＝0.1mm、幅：Ｗ＝0.1mm、ピッチ：Ｐ＝0.3mm）を形成したものである。なお、図８（Ａ）は扁平管３２３の１本を、その断面を含めて示しており、図８（Ｂ）は、その一部断面を拡大して示したものである（即ち、図８（Ａ）に「○」で示す部分の部分拡大図）。

この扁平管３２３の断面形状に対応し、上記一対のヘッダ３２１、３２２には、それぞれ、貫通穴３２７と３２８が形成されており、そして、扁平管３２３の両端部を、これの貫通穴３２７、３２８に挿入し、その後、例えば、溶接などにより接合することにより、上記一対のヘッダ３２１、３２２、そして、その間の複数の扁平管３２３は、互いに連結されることとなる。

更に、添付の図９及び図１０には、上述したオフセットフィン３２４の詳細が示されている。このオフセットフィン３２４は、例えば、アルミニウムや銅等、やはり熱伝導率に優れた薄板を、例えば、打ち抜きなどにより、所定の形状に加工することにより得られる。これらの図からも明らかなように、このオフセットフィン３２４には、上記扁平管３２３を挿入するための「Ｕ」字状の切り欠き部３２３１と共に、その一部を平行に切断して上方に押し出したオフセット部３２３２とが形成されている。なお、これらの図において、図９は、上記オフセットフィン３２４の一部を拡大して示した斜視図であり、そして、図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、上記図９におけるＡ−Ａ矢示図及びＢ−Ｂ矢示図である。かかるオフセットフィンを採用した構造によれば、放熱性能の体積効率を向上することができる。

以上からも明らかなように、上述した凝縮器３２０によれば、上記受熱ジャケット３１０から移動して来る冷媒蒸気は、上方のヘッダ３２１を介して複数の扁平管３２３内に導かれ、その過程において管の壁面を介してその外気により冷却、即ち、扁平管３２３の外部の空気に熱を輸送（放熱）して凝縮し、再び、蒸気から液体の冷媒に戻る、その後、その重力により、液戻り管３３２を通って、受熱ジャケット３１０へ戻る。即ち、サーモサイフォン内部では、従来の液体ポンプなどを使用することなく冷媒を輸送し、循環し続けることとなる。その結果、液駆動のためのポンプ動力が不要となり、省エネを実現することができる。

その際、特に、上述したように、その内壁面に多数の微細な溝Ｇを形成した上記扁平管３２３によれば、添付の図１１（Ｂ）に示すように、管の壁面で凝縮した液体溶媒は、微細な溝Ｇによる毛細管力によって、その断面を扁平にした管の壁面では、その湾曲部において液膜が厚く形成されると共に、その間の扁平部においては液膜を薄く形成する。この液膜の薄い部分において、蒸気流の剪断力により液面が波立つことで、微細な溝Ｇの凸部が蒸気中にさらされるため凝縮熱伝達率が向上する。また凝縮液量の少ない部分においては、管壁面に形成した微細な溝Ｇによれば、当該溝による毛細管力によって、溝内が常に濡れた状態に保たれるため、蒸気の流れを阻害する液滴の成長が抑えられ、また液膜が薄い状態に保たれる。それ故、その内壁面に多数の微細な溝Ｇを形成した扁平管３２３によれば、特に、その面積の大きな扁平部において、安定して、液膜を薄く形成することが可能となることから、蒸気冷媒が凝縮熱を管壁面へ伝達する効率、所謂、凝縮熱伝達率を向上することが可能となり、もって、凝縮器３２０の性能を改善することが出来る。なお、図１１（Ａ）には、従来の凝縮器で使用される円管によるものを示しており、この場合には、図からも明らかなように、液体溶媒は毛細管力によって管壁にほぼ一様に付着することから、蒸気冷媒が凝縮熱を管壁面へ伝達する効率は低下することとなる。加えて、上述した扁平管３２３の外周に、上述したオフセットフィン３２４を多数取り付けることによれば、当該扁平管３２３から外部の空気（冷却風）への熱伝達効率が更に向上することが可能となり、ラジエータの小型化を実現することは、当業者であれば明らかであろう。
＜冷却システムを用いた電子装置＞

続いて、上述したサーモサイフォンを利用した冷却システムを用いた電子装置に採用した例について、以下に、添付の図１３〜１５を参照しながら詳細に説明する。

まず、添付の図１３には、本発明になるサーモサイフォンを利用した冷却システムが適用される電子装置の代表例として、サーバ、特に、ラックに複数搭載されるサーバが、その外観斜視図により示されている。図において、ラック１は、筐体２と蓋体３、４（３は表扉、４は裏扉）とを含んでおり、その内部には、所定の形状・寸法で形成された複数のサーバ筐体５が、着脱自在に設けられている。

これら複数のサーバ筐体５の各々の内部には、一般に、例えば、添付の図１４及び１５に示すように、そのメンテナンス性を考慮して、一方の面（本例では図の右側に示す前面側）に複数（本例では３個）の大容量の記録装置であるハードディスクドライブ５１、５１…が設けられており、その後方には、やはり筐体内で発熱源となるこれらのハードディスクドライブを空冷するための複数（本例では４個）の冷却ファン５２、５２…が取り付けられている。そして、サーバ筐体５の他方の面との間（即ち、後方の空間には、やはり冷却ファン５３と共に、電源や通信手段のインターフェイスであるＬＡＮ等を収納したブロック５４が設けられており、更に、その残りの空間には、その表面に複数（本例では２個）の発熱源であるＣＰＵ２００、２００を搭載した上記回路基板１００が配置されている。なお、この図１４の斜視図は、その蓋体を外した状態を示している。

そして、この図にも明らかなように、各ＣＰＵ２００には、それぞれ、上述した本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システム３００が設けられている。即ち、ＣＰＵ２００の表面には、その間に塗布した熱伝導グリスを介して上記受熱ジャケット３１０の底面を接触させており、もって、良好な熱的接合を確保している。そして、本発明によれば、冷却システム３００を構成するオフセットフィンを備えた凝縮器３２０が、上記ハードディスクドライブを空冷するための４個の冷却ファン５２、５２…の背後に配置されている。即ち、冷却システムを構成する凝縮器３２０が、冷却ファン５２、５２…によって外部から供給される空気（冷却風）の通路に沿って並んで配置されている。即ち、オフセットフィンを備えた凝縮器３２０が、上記冷却ファン５２、５２…の列に平行に並んで取り付けられている。

このように、上述した電子装置の構造では、その筐体５内に組み込まれる他の装置の冷却手段である冷却ファン５２、５２…を、本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システム３００を構成する凝縮器３２０の冷却手段（ラジエータ）として利用（又は、共用）している。このことによれば、筐体内の発熱源であるＣＰＵ２００を、専用の冷却ファンを持つことなく、換言すれば、比較的簡単で安価であり、かつ、液駆動のためのポンプ動力も不要で省エネにも優れた冷却システムによって、効率的かつ確実に冷却することが可能となる。また、本発明のサーモサイフォンを利用した冷却システム３００を利用することによれば、熱交換効率が比較的高く、かつ、その比較的簡単な構造によって、高密度実装が要求されるサーバなどの電子装置においても、自由度の高い配置が可能となる。

また、これらの図からも明らかなように、冷却システム３００を構成する凝縮器３２０は、それぞれ、複数（本例では２個）の冷却ファンの排気面を覆うように配置されている。なお、かかる構成によれば、何れかの冷却ファンが故障により停止しても、残りの冷却ファンにより生ずる冷却風により凝縮器３２０の冷却が継続され、即ち、冗長性を確保することが出来ることから、電子装置の冷却システムの構造として好適であろう。また、特に、図１５において「○」内に示すように、受熱ジャケット３１０内で発生する冷媒蒸気を凝縮器３２０へ導くための蒸気管３３１のヘッド（図７の３２１を参照）への取り付け位置を、ラジエータである凝縮器に対向する面積小さい冷却ファンの側に寄せることによれば、何れかの冷却ファンの故障による停止に対し、更に、その冗長性を向上することが出来る。

本例では２個のサーモサイフォンの凝縮部に対して冷却ファンを３個使用しており１個の凝縮部に対して1.5個の冷却ファンを対応させている。このとき冷却ファン1個が停止した場合には、残りの０．５個分のファンだけで冷却されることになり、サーモサイフォン凝縮部のラジエータの２/３の部分で放熱ができなくなるに等しい状況となる。サーバシステムにおいては緊急時のシステム正常終了までにある程度時間が必要であるため、その間冷却性能を確保しなければならない。従来の水冷方式のラジエータではラジエータ全体に均等に冷媒が流れるため、有効な放熱面積が２/３減ったとすれば、その分冷媒の冷却性能が落ちることとなり、この冷却性能が落ちた分がＣＰＵの温度上昇に直接寄与することとなる。しかしサーモサイフォンのシステムにおいては、ラジエータの放熱されていない部分では蒸気が凝縮できないため、結果的に冷却されている残りの部分に蒸気が集中することとなる。一部に集中した蒸気は流速が高いため扁平管内の液膜を押し流すために凝縮性能の向上に寄与する。また、本例のサーモサイフォンにおいては、凝縮部へ蒸気を供給する配管３３１に近い扁平管３２３に蒸気が多く流れやすい性質があり、この特徴を生かし蒸気管３３１のヘッド（図７の３２１を参照）への取り付け位置を、ラジエータである凝縮器に対向する面積の小さい冷却ファンの側に寄せることで、冷却ファンが１台停止した際の放熱性能の低下をより抑えることができる。このためサーモサイフォンを利用することで、より少ないファン台数で冗長性を確保することが可能である。

１…ラック、２…ラック筐体、３、４…蓋体、５…サーバ筐体、１００…回路基板、２００…ＣＰＵ、３００…冷却システム、３１０…受熱ジャケット、３１３、３１３’…気化促進板、３２０…ブ凝縮器、３２１、３２２…ヘッダ、３２３…扁平管、Ｇ…微細な溝、３２４…オフセットフィン、３３１、３３２…配管（蒸気管、液戻り管）、４００…冷却ファン。

Claims (12)

1. 電子装置の筐体内に収納された電子回路基板上に搭載される半導体デバイスを冷却する電子装置用の冷却システムであって、
   前記半導体デバイスの表面に熱的に接続して取り付けられ、当該半導体デバイスからの発熱により、減圧された内部空間に収容された液体冷媒を蒸発させる受熱ジャケットと、
   前記冷却ジャケットからの冷媒蒸気を減圧された内部空間に受容し、熱を装置の外部に伝達して冷媒蒸気を液体冷媒に凝縮する凝縮器と、
   前記受熱ジャケットからの冷媒蒸気を前記凝縮器へ導くための第１の配管と、そして、
   前記凝縮器からの液体冷媒を前記受熱ジャケットへ導く第２の配管とを備え、相変化により当該冷媒を循環させるサーモサイフォンを利用した冷却システムにおいて、
   前記凝縮器は、前記受熱ジャケットからの冷媒蒸気をその内部壁面で冷却するための冷却管を備えており、かつ、当該冷却管は、その内壁面に微細な溝を冷媒の流れ方向に沿って形成すると共に、その断面を扁平に形成していることを特徴とする冷却システム。
2. 前記請求項１に記載した冷却システムにおいて、前記冷却管は縦方向に配置されていることを特徴とする電子装置用の冷却システム。
3. 前記請求項２に記載した冷却システムにおいて、前記冷却管の内壁面は、平坦部と湾曲部とを備えていることを特徴とする電子装置用の冷却システム。
4. 前記請求項３に記載した冷却システムにおいて、前記冷却管の上下には、それぞれ、ヘッダ部を設けたことを特徴とする電子装置用の冷却システム。
5. 前記請求項４に記載した冷却システムにおいて、前記冷却管の周囲に放熱フィンを設けたことを特徴とする電子装置用の冷却システム。
6. 前記請求項５に記載した冷却システムにおいて、前記放熱フィンはオフセットフィンであることを特徴とする電子装置用の冷却システム。
7. 前記請求項１に記載した冷却システムにおいて、前記受熱ジャケットは、前記半導体デバイスの表面に接触する内壁面に、多孔構造面を設けたことを特徴とする電子装置用の冷却システム。
8. 前記請求項７に記載した冷却システムにおいて、前記、多孔構造面を略「Ｌ」字状に形成したことを特徴とする電子装置用の冷却システム。
9. 前記請求項１に記載した冷却システムにおいて、更に、前記凝縮器の一部へ電子装置の外部からの空気を供給し、熱を当該凝縮器から装置の外部へ放出する送風手段を備えていることを特徴とする電子装置用の冷却システム。
10. 筐体内に、表面に半導体デバイスを搭載した電子回路基板を収納すると共に、冷却ファンをその一部に備え、もって、当該筐体内に収納される機器に対して外部からの空気を供給して当該機器の冷却を行う電子装置において、
    前記請求項１に記載した冷却システムを設けると共に、
    当該冷却システムを構成する前記凝縮器を、前記冷却ファンにより供給される外部からの空気の通路に沿って配置したことを特徴とする電子装置。
11. 前記請求項１０の電子装置において、前記電子回路基板には複数の半導体デバイスを搭載すると共に、前記電子装置用の冷却システムは当該半導体デバイスの夫々に設けられていることを特徴とする電子装置。
12. 前記請求項１１の電子装置において、更に、前記冷却ファンも複数設けられると共に、前記冷却システムの数は、当該冷却ファンの数よりも少ないことを特徴とする電子装置。

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