CN107079606A - 电子设备的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

提供冷却系统，在减少因冷却液蒸发而造成的损失的同时，效率良好地对在小体积的冷却槽内高密度设置的多个电子设备进行冷却。冷却系统(10)构成为：在设置有冷却液(13)的入口(14)和出口(16)的冷却槽(12)的开放空间内收容多个电子设备(100)，在流通于开放空间内的冷却液(13)中浸渍多个电子机器(100)而直接进行冷却。冷却液(13)构成为：含有全氟化合物作为主成分，在10ml量筒(开口部直径11.5mm)中放入10ml的液体并在室温25℃的通常环境下使其自然蒸发时，经过100小时时的液体重量减少率为1.5％以下。另外，冷却液(13)可构成为：冷却液在室温25℃的蒸气压为1.0kPa以下，以及/或冷却液的沸点为150℃以上。

Description

电子设备的冷却系统
技术领域
本发明涉及电子设备的冷却系统，尤其，涉及用于对超级计算机、数据中心等要求超高性能工作、稳定工作且其自身发热量大的电子设备进行有效冷却的电子设备的冷却系统。
背景技术
决定近年来的超级计算机的性能极限的最大课题之一是消耗电力，关于超级计算机的省电性的研究的重要性已经受到广泛的认识。即，单位消耗电力的速度性能(Flops/W)是评价超级计算机的指标之一。另外，在数据中心方面，数据中心整体的消耗电力的45％左右被用于冷却，因而有很强烈的要求通过提高冷却效率来减少电力消耗。
对于超级计算机、数据中心的冷却，以往采用空冷式和液冷式。液冷式由于采用热传送性能比空气格外优秀的液体，因此一般而言冷却效率更好。例如，在东京工业大学所构建的“TSUBAME-KFC”中，通过采用了合成油的液浸冷却系统，达到了4.50GFlops/W，在2013年11月和2014年6月发表的“超级计算机节能500强(Super computer Green 500List)”中获得了第一。但是，由于冷却液采用了粘性高的合成油，因而在从油浸架(ラック)中取出的电子设备上会附着油，这样的油难以从该电子设备完全去除，因而存在电子设备的维护(具体而言，例如调整、检查、修理、交换、增设。以下同样)极为困难这样的问题。进而，也报告了如下问题的产生：所使用的合成油在短时间内腐蚀构成冷却体系的密封垫等而导致泄露等，对运行造成障碍。
另一方面，提出了不使用产生上述问题的合成油而使用氟化碳系冷却液的液浸冷却系统。具体而言，是使用氟化碳系的冷却液(作为3M公司的商品名“Novec(3M公司的商标，以下同样)7100”、“Novec 7200”、“Novec 7300”而为人所知的氢氟醚(HFE)化合物)的例子(例如专利文献1、专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2013-187251号公报
专利文献2:日本特表2012-527109号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1中公开的冷却系统由于使用气化热(潜热)用于电子设备的冷却，因此，采用沸点100℃以下的氟化碳系冷却液。而且，通过冷却液因搭载于电子设备的元件的发热而蒸发时的气化热(潜热)来夺取元件的热，从而冷却该元件。因此，在高温的元件表面，氟化碳系冷却液会局部沸腾，使得气泡形成绝热膜，因此存在会损害冷却液本来所具有的高热传导能力这样的问题。另外，在最近的超级计算机、数据中心等中所使用的电子设备方面，需要冷却的对象除了CPU(中央处理器，Central Processing Unit)之外，还存在GPU(图像处理器，Graphics Processing Unit)、高速存储器、芯片组、网络单元、总线开关单元、SSD(固态硬盘，Solid State Drive)等多种对象，对气化温度不同的对象物的全部进行相同的冷却是很困难的，对于冷媒在表面不气化的对象物，冷却效率会变得极低。
除此之外，由于沸点100℃以下的氟化碳系冷却液容易蒸发，因而需要频繁补充冷却系统内的冷却液。这里，通常氟化碳系冷却液会非常贵，因而用于补充蒸发量的冷却液的维护费用变得巨大，存在用于补充的操作变得繁杂这样的问题。
另外，专利文献2中公开的冷却系统采用了收容一个或更多的发热的电子设备的密封型模块的构成。因此，用于使冷却液在各个密封型模块中流通的机构整体变得复杂，另外，由于不能简单地从密封型模块中取出电子设备整体，因而存在电子设备的维护性差的问题。
因此，本发明的目的在于解决上述现有技术的问题点，提供一种冷却系统，其能大幅减少因冷却液的蒸发造成的损失，同时能够效率良好地冷却高密度设置在小体积的冷却槽内的多个电子设备。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，本发明提供一种冷却系统，其在设置有冷却液的入口和出口的冷却槽的开放空间内收容多个电子设备，在流通于上述开放空间内的上述冷却液中，浸渍上述多个电子设备而直接进行冷却；在该冷却系统中，上述冷却液含有全氟化合物作为主成分，在10ml量筒(开口部直径11.5mm)中放入10ml的液体并在室温25℃的通常环境下使其自然蒸发时，经过100小时时的液体重量减少率为1.5％以下。
本发明涉及的冷却系统的优选实施方式中，可以构成为，上述冷却液在室温25℃的蒸气压为1.0kPa以下。
另外，本发明涉及的冷却系统的优选实施方式中，可以构成为，上述冷却液的沸点为150℃以上。
进一步，本发明涉及的冷却系统的优选实施方式中，可以构成为，作为上述主成分含有的上述全氟化合物是碳原子数10以上的全氟化合物。
另外，本发明涉及的冷却系统的优选实施方式中，可以构成为，与上述入口连结并在上述冷却槽的宽度方向上延伸的集管(header)配置在上述冷却槽的底部，从在上述集管中设置为阵列状的多个喷嘴吐出由上述入口供给的冷却液。
进一步，本发明涉及的冷却系统的优选实施方式中，上述多个喷嘴包含在上述集管的长度方向上隔着特定间隔设置的多个喷嘴组，各喷嘴组还可以由吐出口以分散成放射状的方式配置的喷嘴构成。
另外，本发明涉及的冷却系统的优选实施方式中，上述多个喷嘴组的每一组可以分别对应上述多个电子设备的每一个。
另外，本发明涉及的冷却系统的优选实施方式中，上述出口与上述入口由流通路连结，在上述流通路中还可以设置有使上述冷却液移动的至少1台泵和对上述冷却液进行冷却的热交换器。
发明效果
根据本发明涉及的冷却系统，全氟化合物具有高电绝缘性，高热传送能力，是非活性且热稳定性、化学稳定性高，具有阻燃性且不含氧的化合物，因此具有臭氧破坏系数为零等优异特性。就含有这样的全氟化合物作为主成分的冷却液而言，如果在10ml的量筒(开口部直径11.5mm)中放入10ml的液体并在室温25℃的通常环境下使其自然蒸发时，经过100小时时的液体重量减少率为1.5％以下，则冷却槽即使是非密闭的开放空间时，冷却液也难以蒸发。因此，能够大幅降低因冷却液的蒸发所造成的损失。另外，能够避免在冷却槽内产生冷却液局部沸腾的危险，因而全氟化合物的高热传送能力不会因冷却液的沸腾而损失。因此，可以效率良好地冷却在小体积的冷却槽内高密度设置的多个电子设备。需说明的是，本说明书中的具有“开放空间”的冷却槽还包括具有不损害电子设备的维修性程度的简易密闭结构的冷却槽。例如，在冷却槽的开口部隔着密封垫等而可拆装地安装有顶板的结构，可以称为简易密闭结构。而且，具有这样的简易密闭结构时，能够期待冷却液进一步难以蒸发这样的效果。
本发明的优选的实施方式中，冷却液在室温25℃的蒸气压为1.0kPa以下时，或者冷却液的沸点为150℃以上时，或者作为主成分而含有的全氟化合物是碳原子数10以上的全氟化合物时，同样地，在冷却槽为非密闭的开放空间时，冷却液也难以蒸发，能够大幅降低因冷却液的蒸发所造成的损失，同时，能够避免在冷却槽内产生冷却液局部沸腾的危险。在使用以往的氟化碳化合物的冷却系统存在以下的问题，但本发明能够悉数解决这些问题。
(1)在氟化碳化合物沸腾时，有会引入存在于周围的微量的氢、氧而生成极为有害的氟化氢等氟化合物的危险。
(2)即使在非活性液体中，在极高速工作的电子部件中也会局部达到高温，有可能造成氟化碳化合物的沸腾。
(3)在冷却体系发生问题导致冷却功能丧失或降低时，液温有可能会升高至设计极限以上而造成氟化碳化合物的沸腾。
(4)冷却槽中的电子部件、机壳(シャーシ)部件脱落时，以及作为开放体系的冷却槽中混入来自外部的异物时，冷却槽内局部的液体循环停滞，引起局部的高温，有可能造成氟化碳化合物的沸腾。
本发明的优选实施方式中，如果构成为将与入口连结并在冷却槽的宽度方向上延伸的集管配置在冷却槽的底部，从在集管中设置为阵列状的多个喷嘴吐出由入口供给的冷却液，则能够使冷却后的冷却液流通于整个冷却槽，能够提高由强制对流实现的直接冷却的效果。
本发明的优选实施方式中，如果多个喷嘴包含在集管的长度方向上以特定间隔设置的多个喷嘴组，各喷嘴组由吐出口以分散成放射状的方式配置的喷嘴构成，则能够使冷却后的冷却液进一步效率良好地流通整个冷却槽，能够进一步提高由强制对流实现的直接冷却的效果。
本发明的优选的实施方式中，如果多个喷嘴组的每一组分别对应多个电子设备的每一个，则能够使得在冷却层内高密度收容电子设备时的各电子设备的冷却性能均匀化。
本发明的优选实施方式中，在冷却槽的出口与入口由流通路连结，并在流通路中设置有使冷却液移动的至少1台泵和对冷却液进行冷却的热交换器时，可以构成如下的流通路而连续且稳定地运行，所述流通路使得从冷却槽的出口排出的冷却液在热交换器中冷却，并将冷却后的冷却液供给至冷却槽的入口。
上述的本发明的目的和优点以及其他目的和优点，可通过以下实施方式的说明来更明确地理解。但是，以下所记述的实施方式只是例示，本发明不限定于此。
附图说明
图1是适用本发明的冷却系统的纵截面图。
图2是适用本发明的冷却系统的横截面图。
图3是显示对各种冷却液测定重量减少率所得的结果的曲线。
图4是全氟化合物的特性值的比较表。
图5是在连结冷却槽的出口和入口的流通路中设置了驱动体系和冷却体系的冷却系统的示意图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明涉及的冷却系统的优选实施方式进行详细说明。本实施方式的说明中，记述如下的例子，即，作为电子设备，将在一个面上配置了4张搭载有多个处理器的处理器板的结构的电子设备作为1个单元，在冷却槽内高密度地容纳合计8个单元。需说明的是，这只是例示，每一处理器板上的处理器的数量、种类(CPU、GPU)是任意的，另外，电子设备的单元数只要是2个以上就可以是任意的，不限于本发明中的电子设备的构成。
参照图1和图2，冷却系统10具有冷却槽12，在冷却槽12的左侧面底部侧和右侧面底部侧各设置有两个入口14，在冷却槽12的正面侧和背面侧各设置有2个出口16。在冷却槽12的开放空间内，收容了合计8个单元的电子设备100，在开放空间内流通的冷却液13中浸渍这些电子设备100直接进行冷却。重要的是，要保持冷却液13的液面18以使得电子设备100中的发热的元件、部件全部浸渍在冷却液13中。如后文所述，根据本发明，本发明中使用的冷却液13具有极难以蒸发的性质，因而能够长时间内保持液面18。需说明的是，为了方便进行电子设备100的维护，顶板20用在冷却槽12的上部开口的一个边缘部设置的未图示的铰链部可自由开闭地支撑。由此，冷却槽12形成为非密封结构的开放空间。另外，连接到电子设备100的各种电缆可以以被电缆夹21把持的状态，从冷却槽12中引出。
在冷却槽12的底部，配置有在冷却槽的宽度方向(左右方向)上延伸的集管15。集管15的一端连结于冷却槽12的左侧面底部侧的2个入口14，集管15的另一端连结于冷却槽12的右侧面底部侧的2个入口14。而且，在集管上，以阵列状设置有多个喷嘴151。由此构成为，由这些多个喷嘴151吐出从左右入口14供给的冷却液13。
喷嘴151包含在集管15的长度方向(左右方向)上隔着特定间隔设置的多个喷嘴组。各喷嘴组由按照吐出口从截面六边形状的集管15的表面放射状分散的方式配置的喷嘴151构成。
在冷却槽12的正面侧和背面侧各设置有2个出口16，在该出口16的冷却槽12一侧，设置有被导液板17隔开的区域，以覆盖出口16整体且在上方形成开口部。因此，冷却液13从上方的开口部流向出口16。
冷却系统10中所用的冷却液13含有全氟化合物作为主成分，该全氟化合物具有高电绝缘性和高热传送能力，为非活性且热稳定性、化学稳定性高，其为阻燃性且具有臭氧破坏系数为零等特性。冷却液13可以由单种类的全氟化合物构成，也可以是不同的全氟化合物的混合物。但重要的是，冷却液13为如下的冷却液，即，在放入10ml的量筒(开口部直径11.5mm)的10ml的液体并在室温25℃的通常环境下使其自然蒸发时，经过100小时时的液体重量减少率为1.5％以下。
图3中，显示了对于4种全氟化合物和自来水，放入10ml的量筒(开口部直径11.5mm)的10ml的液体，在室温25℃的通常环境下使其自然蒸发时的、液体重量减少率与时间的关系。
FC-40是指3M公司制造的Fluorinert(3M公司的商标)FC-40。同样地，FC-43是指3M公司制造的Fluorinert FC-43，FC-3283是指3M公司制造的Fluorinert FC-3283，FC-770是指3M公司制造的Fluorinert FC-770，均为包含全氟化合物(perfluorocarbon compound，全氟碳化合物)的氟系非活性液体。由FC-40的重量减少率的斜率明确可知，与自来水相比，格外难以蒸发。进一步可知，FC-43比FC-40更加格外难以蒸发。
图4是对于FC-43、FC-40、FC-3283和FC-770，就经过100小时时的重量减少率、经过1000小时时的重量减少率、蒸气压、沸点、主成分碳原子数和分子量进行比较的表。
由实验可知，如果经过100小时时的液体重量减少率为1.5％以下，则即使冷却槽是非密闭的开放空间时，冷却液也难以蒸发。为了不损害维护性，如本实施方式中所示，使冷却槽12为非密闭的结构是重要的，通过冷却液中使用FC-43或FC-40，能够大幅降低因冷却液13的蒸发所造成的损失。
除此之外，还可知，通过在冷却液中使用经过100小时时的液体重量减少率为1.5％以下的FC-43或FC-40，能够有效避免在冷却槽12内的例如处理器110的表面产生冷却液13的局部沸腾。因此，具有如下很大的优点：全氟化合物的高热传送能力不会因冷却液13的沸腾而损失。
冷却液13在室温25℃时的蒸气压为1.0kPa以下时，或者冷却液的沸点为150℃以上时，或者作为主成分含有的全氟化合物是碳原子数10以上的全氟化合物时，同样地，即使冷却槽为非密闭的开放空间，冷却液13也难以蒸发，能够大幅降低因冷却液13的蒸发所造成的损失。另外，能够避免在冷却槽12内的例如处理器110的表面产生冷却液的局部沸腾的危险。
接着，对于本发明的一个实施方式中所示的冷却系统10，参照图1和图2来说明设置集管15所带来的优点。
由于构成为，由在集管15上阵列状设置的多个喷嘴151吐出从入口14供给的冷却液13，因而能够使(如后所述由热交换器冷却的)冷却后的冷却液13流通整个冷却槽12。由此，能够提高对电子设备100的、由冷却液的强制对流带来的直接冷却的效果。
除此之外，由于在集管15的长度方向上隔着特定间隔设置的各喷嘴组是由以吐出口放射状分散的方式配置的喷嘴151构成，因而，能够进一步效率良好地使冷却后的冷却液13流通整个冷却槽12。特别是，如图1和图2所示，多个喷嘴组中的每一组对应于多个电子设备100的每一个，因此即使在冷却层12内高密度收容电子设备100，也能够使得各电子设备100的冷却性能均匀。
最后，参照图5，对于构成如下的流通路的例子进行说明，所述流通路使得从冷却槽的出口排出的冷却液在热交换器中冷却，并将冷却后的冷却液供给至冷却槽的入口。如图所示，冷却槽12的出口16和入口14由流通路30连结，在流通路30中设置有使冷却液13移动的泵40和对冷却液13进行冷却的热交换器90。需说明的是，在流通路30中还设置有用于调整在流通路30中流通的冷却液13流量的流量调整阀50和流量计70。
泵40优选具有能够使运动粘度比较大(在室温25℃的运动粘度超过3cSt)的液体移动的性能。这是因为，FC-43的运动粘度为2.5～2.8cSt程度，FC-40的运动粘度为1.8～2.2cSt程度。流量调整阀50可以是手动运行的阀，另外，还可以具有调整机构，以根据流量计70的计测值来将流量保持固定。除此之外，热交换器90可以是循环式的各种热交换器(散热器(radiators)或冷水机(chillers))、冷却器。
本实施方式的冷却系统10中，还可以进一步在冷却槽12内或者在流通路30中设置液体用的第1温度传感器(未图示)，并且，还可以进一步设置在第1温度传感器检测到预先设定温度以上的温度时中止电子设备100的运行或者阻断向电子设备100的电源供给的机构(未图示)。通过附加设置的这样的故障安全机构，能够避免冷却液13发生超过设定温度的异常的温度上升，能够防止电子设备的破损以及由氟化碳产生有害的化合物。
另外，作为故障安全机构的其他构成，本实施方式的冷却系统10中还可以在浸渍于冷却槽12内的电子设备100内或者浸渍于冷却槽12内的电子设备100的周边部设置第2温度传感器(未图示)，并且，设置在由第1温度传感器检测到预先设定温度以上的温度时中止电子设备100的运行或者阻断向电子设备100的电源供给的机构(未图示)。
本发明中，作为电子设备100图示了处理器，但处理器可以包括CPU或GPU中的任一种或两种，另外，也可以包括未图示的高速存储器、芯片组、网络单元、PCI Express总线、总线开关单元、SSD、功率单元。另外，电子设备100还可以是包括刀片服务器的服务器、路由器、SSD等存储装置等的电子设备。
工业上可利用性
本发明能够效率良好地冷却在小体积的冷却槽内高密度设置的多个电子设备，能够广泛应用于冷却系统中。
符号说明
10：冷却系统、12：冷却槽、13：冷却液、14：入口、15：集管、151：喷嘴、16：出口、17：导液板、18：液面、20：顶板、21：电缆夹、30：流通路、40：泵、50：流量调整阀、70：流量计、90：热交换器、100：电子设备、110：处理器(具有放热器)、120：处理器板。

Claims (10)

1.一种冷却系统，在设置有冷却液的入口和出口的冷却槽的开放空间内收容多个电子设备，在流通于所述开放空间内的所述冷却液中，浸渍所述多个电子设备而直接进行冷却，在该冷却系统中，所述冷却液含有全氟化合物作为主成分，在10ml量筒中放入10ml的液体并在室温25℃的通常环境下使其自然蒸发时，经过100小时时的液体重量减少率为1.5％以下，其中，所述量筒的开口部直径为11.5mm。
2.如权利要求1所述的冷却系统，其中，所述冷却液在室温25℃的蒸气压为1.0kPa以下。
3.如权利要求1或2所述的冷却系统，其中，所述冷却液的沸点为150℃以上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的冷却系统，其中，作为所述主成分含有的所述全氟化合物是碳原子数10以上的全氟化合物。
5.如权利要求1～4中任一项所述的冷却系统，其构成为：与所述入口连结并在所述冷却槽的宽度方向上延伸的集管配置在所述冷却槽的底部，由在所述集管上设置为阵列状的多个喷嘴吐出从所述入口供给的冷却液。
6.如权利要求5所述的冷却系统，其中，所述多个喷嘴包含在所述集管的长度方向上隔着特定间隔设置的多个喷嘴组，各喷嘴组由吐出口以分散成放射状的方式配置的喷嘴构成。
7.权利要求6所述的冷却系统，其中，所述多个喷嘴组的每一组分别对应所述多个电子设备的每一个。
8.如权利要求1～7中任一项所述的冷却系统，其中，所述出口与所述入口由流通路连结，在所述流通路中设置有使所述冷却液移动的至少1台泵和对所述冷却液进行冷却的热交换器。
9.如权利要求1～8中任一项所述的冷却系统，其中，在所述冷却槽内或在所述流通路中设置有液体用的第1温度传感器，并且，进一步具有在由所述第1温度传感器检测到预先设定温度以上的温度时，中止所述电子设备的运行或阻断向所述电子设备的电源供给的机构。
10.如权利要求1～8中任一项所述的冷却系统，其中，在浸渍于所述冷却槽内的电子设备内或者在浸渍于所述冷却槽内的电子设备的周边部设置有第2温度传感器，并且，进一步具有在由所述第2温度传感器检测到预先设定温度以上的温度时，中止所述电子设备的运行或阻断向所述电子设备的电源供给的机构。
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