JP2016539503A - スケーラブル液体浸漬冷却装置 - Google Patents

Abstract

電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。装置は電子機器筐体、マニホールド、ポンプ、熱交換器ユニット等の複数のモジュール式システム素子を備える。モジュール式システム素子により、変化するニーズに対応し、液体浸漬冷却装置を拡張または縮小することが可能になる。さらに、素子のモジュール性によって持ち運びが容易になり、電子装置の比較的簡易な移動および組立／分解が行える。【選択図】図１

Description

本開示は、例えば、サーバコンピュータ、ブレードサーバ、ディスクアレイ／記憶装置、ソリッドステートメモリデバイス、記憶領域ネットワーク、ネットワークアタッチドストレージ、記憶通信装置、ルータ、遠隔通信インフラストラクチャ／スイッチ、有線、光学および無線通信デバイス、セルプロセッサデバイス、プリンタ、電源といった電子装置の液体浸漬冷却に関する。

電子機器を液体冷却剤に直接接触させて冷却する、電子機器の液体浸漬が知られている。電子機器の液体浸漬冷却の例がとりわけ、特許文献１および特許文献２に開示されている。電子機器の空冷と比べると、電子機器の液体浸漬冷却は、ファンの必要性の排除およびＨＶＡＣ冷却の低減による高いエネルギー効率、ファン騒音の排除による静音操作、電子機器を湿気、塩、砂、埃および他の汚染物質から保護する封止型の液密筐体に収容することによる過酷な環境下における使用、および電子機器の熱疲労、腐食および汚染の抑制または防止による高い信頼性といった数多くの利点を有している。

米国特許第７，９０５，１０６号公報 米国特許第７，４０３, ３９２号公報

サーバなどのある種の電子装置においては、容量および性能を変更するために、電子装置を拡張または縮小できることが望ましい場合がある。拡張または縮小は、筐体内に配置された電子素子の数を変更することによって、またはサーバアレイなど、アレイ内の別々の筐体に収容された複数の装置を利用することによって、行うことができる。

電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置を説明する。この装置は、電子機器筐体、マニホールド、ポンプおよび熱交換器ユニットなどの複数のモジュール式システム素子を備える。モジュール式システム素子により、変化するニーズに対応して、液体浸漬冷却装置を拡張または縮小することが可能になる。さらに、素子のモジュール性によって持ち運びが容易になり、電子装置の比較的簡易な移動および組立／分解が行える。

モジュール式システム素子は複数のシステムグループからなり、各システムグループは、少なくとも１つの電子機器筐体と、マニホールド、ポンプおよび少なくとも１つの熱交換器ユニットとを備え、少なくとも１つの電子機器筐体は、これらのマニホールド、ポンプおよび熱交換器ユニットと共に最適に動作するように設計されている。

各電子機器筐体は、誘電性冷却液などの冷却液を保持するための液密な部分を少なくとも備え、液体浸漬冷却される電子機器を収容する。筐体は全体が液蜜でもよく、または液体浸漬冷却される電子機器を収容する液蜜部とともに、幾つかの電子素子が液体浸漬冷却されない乾燥部を有してもよい。筐体のそれぞれは、物理的寸法（即ち物理的サイズ）が同じでもよく、または異なっていてもよい。筐体には、冷却液を筐体に注入させる、筐体の液密部への少なくとも１つの液体注入口と、冷却液を筐体から排出させる、筐体の液密部からの少なくとも１つの液体排出口とが有る。液体注入口および液体排出口は、装置との流体接続が絶たれると自動的に閉じて液体を筐体内に保持する一方、別のシステム素子と流体接続されると自動的に開く、弁付きクイックコネクト継手を備えてもよい。

各筐体内の電子機器は、任意の電子装置を構成するならば、どのような電子機器であってもよい。一実施形態では、電子機器は、高出力密度電子機器である。例えば、電子機器は、サーバコンピュータ、ブレードサーバ、ディスクアレイ／記憶装置、ソリッドステートメモリデバイス、記憶領域ネットワーク、ネットワークアタッチトストレージ、記憶通信装置、ルータ、遠隔通信インフラストラクチャ／スイッチ、有線、光学および無線通信デバイス、セルプロセッサデバイス、プリンタ、電源などとして機能するように設計されてもよい。

各筐体内の電子機器は、比較的同じ機能、または異なる機能を果たすように設計されてもよい。例えば、各筐体内の電子機器は、それぞれがサーバコンピュータシステムとして機能するように設計されてもよい。さらに、各筐体内の電子機器は比較的同じ、もしくは類似の電子性能を有するように設計されてもよく、または各筐体内の電子機器は、異なる電子性能を有してもよい。例えば、電子機器がサーバコンピュータシステムとして機能するように設計された場合、電子機器は、同じ演算能力もしくは処理能力を有してもよく、またはそれぞれが異なる演算能力もしくは処理能力を有してもよい。

各マニホールドは、冷却剤供給マニホールド部および冷却剤帰還マニホールド部を備え、冷却剤供給マニホールド部は、筐体上の液体注入口へ流体接続するための複数の個別の排出口を有し、冷却剤供給マニホールド部は、筐体上の液体排出口へ流体接続するための複数の個別の注入口を有する。マニホールドのサイズは、多数または少数の電子機器筐体との接続に応じて、および／もしくは電子機器の十分な冷却のために、多かれ少なかれ冷却液の供給および帰還を必要とする電子機器筐体との接続に応じて異なることがある。

ポンプは、ポンプと一緒に動作することになっている電子機器筐体、マニホールド、および熱交換器ユニットによって、それぞれが異なるポンプ性能を有してもよい。ポンプ性能は任意の適切な方法によって測定でき、その例としては単位時間あたりの揚水量、吐出排出圧力、および揚程等で測定されるポンプ容量が挙げられるが、これらに限定されない。ポンプは、冷却液の輸送に適したものならば当該技術分野において既知のいかなる機械的設計を用いてもよい。

熱交換器ユニットは、異なる熱交換容量を有してもよい。すなわち、各熱交換器ユニットは、冷却液の十分な冷却を行うために、特に電子機器筐体、マニホールドおよびポンプの特定の組み合わせと共に使用されるように設計されている。熱交換器ユニットは、それぞれの熱交換容量が異なるように、異なるサイズを有してもよい。あるいは、全体的な熱交換容量を改変して冷却液を一括して冷却するために、同じサイズ（もしくは同じ熱交換容量）または異なるサイズ（もしくは異なる熱交換容量）を有する２つ以上の熱交換器ユニットを互いに連結してもよい。

熱交換器ユニットは、伝導または対流などの任意のタイプの熱交換用に設計されてもよく、任意のタイプの液流配列を有してもよい。液流配列の例としては並流、逆流、直交流等が挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態では、熱交換器ユニットは、地中に埋設される。別の実施形態では、熱交換器ユニットは、水を保持する貯水池またはタンク等の水域に配置される。一実施形態では、熱交換器ユニットは、電子機器冷却液および電子機器冷却液と熱交換する水などの液体冷却剤の双方を受け入れる。液体冷却剤から取り戻した熱エネルギーはその後、他の用途に用いてもよい。

モジュール式システム素子間の流体接続は、さまざまな素子へ接続するためのクイックコネクト流体継手を有する適切なホースの使用によって行える。ホースはまた、異なるサイズを有してもよく、これで異なる流量に対応でき、さらにシステム圧力の調節も可能になる。

図１は、本明細書に記載されているモジュール式液体浸漬冷却装置の１つのシステムグループを図式的に示す。システムグループは、電子機器筐体、マニホールド、ポンプおよび熱交換器ユニットを備える。 図２は、モジュール式液体浸漬冷却装置で使用可能な、複数のモジュール式電子機器筐体を示す。 図３は、モジュール式電子機器筐体の１つの透視図であり、筐体の内部を示すため壁の１つが取り外されている。 図４Ａは、モジュール式液体浸漬冷却装置で使用可能な、モジュール式マニホールドとポンプの組み合わせを示す。 図４Ｂは、モジュール式液体浸漬冷却装置で使用可能な、モジュール式マニホールドとポンプの異なる組み合わせを示す。 図４Ｃは、モジュール式液体浸漬冷却装置で使用可能な、モジュール式マニホールドとポンプのさらに異なる組み合わせを示す。 図５Ａは、モジュール式液体浸漬冷却装置で使用可能な、異なるサイズの熱交換器ユニットを示す。 図５Ｂは、モジュール式液体浸漬冷却装置で使用可能な、他の異なるサイズの熱交換器ユニットを示す。 図６Ａは、モジュール式熱交換器ユニットの例を示す。 図６Ｂは、熱交換容量を増大させるために、モジュール式熱交換器ユニットを互いに連結させた例を示す。 図Ｃは、熱交換容量を増大させるために、モジュール式熱交換器ユニットを互いに連結させた例を示す。 図７は、実施形態に記載されたモジュール式液体浸漬冷却装置の応用例を示す。 図８は、実施形態に記載されたモジュール式液体浸漬冷却装置の別の応用例を示す。 図９は、実施形態に記載されたモジュール式液体浸漬冷却装置のさらに別の応用例を示す。 図１０は、モジュール式熱交換器ユニットの詳細を示す。 図１１は、図１０の熱交換ユニットの端面図であり、エンドキャップが取り外されている。 図１２は、熱交換器ユニットの流体通路を通る流路を規定するために使用可能な、エンドキャップの例を示す。 図１３は、図１２のエンドキャップの２つの流路例を示す。 図１４Ａは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１４Ｂは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１５Ａは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１５Ｂは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１６Ａは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１６Ｂは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１７Ａは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１７Ｂは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１８Ａは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１８Ｂは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１９Ａは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図１９Ｂは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図２０Ａは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。 図２０Ｂは、熱交換器ユニットを通る流路として考えられる別の実施形態を示す。

図１〜図２０は、電子装置の冷却に用いられるモジュール式素子、システムグループ、およびモジュール式液体浸漬冷却装置のさまざまな例を示す。冷却装置は、モジュール式素子からなり、これにより変化する冷却ニーズに対応して、冷却装置を拡張または縮小することが可能になる。さらに、素子のモジュール性によって冷却装置の持ち運びが容易になり、液体浸漬冷却された電子装置の比較的簡易な移動および組立／分解が行える。

各冷却装置では、任意の電子装置を構成する電子機器の液体浸漬冷却が用いられる。一実施形態において、電子機器は、高出力密度電子機器である。例えば、電子機器は、サーバコンピュータ、ブレードサーバ、ディスクアレイ／記憶装置、ソリッドステートメモリデバイス、記憶領域ネットワーク、ネットワークアタッチトストレージ、記憶通信装置、ルータ、遠隔通信インフラストラクチャ／スイッチ、有線、光学および無線通信デバイス、セルプロセッサデバイス、プリンタ、電源などとして機能するように設計されてもよい。

電子機器を浸漬するために使用される冷却液は誘電液であってもよいが、これに限定されない。冷却液は単相でも２相でもよい。浸漬された電子素子により発生した熱量を処理して冷却液の状態が変化しないようにするために、冷却液が十分に高い熱伝導性を有することが好ましい。各電子機器筐体中には、浸漬が望ましい発熱素子を浸漬するのに十分な液体が存在する。そのため、幾つかの例では液体を電子機器筐体の略全体に充填していてもよく、また別の例では液体を電子機器筐体に部分的に充填するだけでもよい。

以下に記載のさまざまなモジュール式システム素子は、複数のシステムグループに配置することができ、図１にその一例を示す。図１に示すように、各システムグループ１０は、少なくとも１つのモジュール式電子機器筐体１２と、モジュール式マニホールド１４、モジュール式ポンプ１６および少なくとも１つの熱交換器ユニット１８とを備え、少なくとも１つのモジュール式電子機器筐体１２は、これらのマニホールド１４、ポンプ１６および熱交換器ユニット１８と共に最適に動作するように設計されている。各素子１２、１４、１６、１８は、装置を拡張または縮小させるために、モジュール式に設計されている。

図示された例では、モジュール式筐体１２は、冷却液供給ライン２０および冷却液帰還ライン２２を介して、モジュール式マニホールド１４に流体接続されている。冷却液供給ライン２０は、筐体１２内部の電子機器を冷却するために冷却液を筐体内に送り込み、冷却液帰還ライン２２は、次に冷却液を冷却するために、温められた冷却液を筐体から送り出す。

引き続き図１を参照すると、一実施形態では、ポンプ１６は注入口２４および排出口２６を有する。注入口２４は、マニホールド１４に流体接続されている。排出口２６は、温められた冷却液をマニホールドから熱交換器ユニットへポンプで送るために、熱交換器ユニット１８に流体接続されている。冷却液は、熱交換器ユニット内で冷却された後、帰還ライン２８を介してマニホールドに戻り、マニホールドから供給ライン２０を介して筐体に戻るように誘導される。あるいは、破線で示された別の実施形態では、温められた冷却液は、マニホールドから熱交換器ユニットに直接誘導されて冷却された後、ポンプによって送られてマニホールドに戻る。

モジュール式電子機器筐体を図２および図３に示す。図２は、３つの異なるサイズの電子機器筐体１２ａ、１２ｂ、１２ｃを示す。各電子機器筐体１２ａ〜１２ｃは、冷却液を保持するための液密な部分を少なくとも備え、液体浸漬冷却される電子機器を収容する。筐体は、全体が液密でもよく、または液体浸漬冷却される電子機器を収容する液蜜部とともに、幾つかの電子素子が液体浸漬冷却されない乾燥部を有してもよい。

電子機器筐体１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、物理的サイズが異なるものとして示されている。すなわち、筐体１２ａのサイズは最小で、筐体１２ｂは筐体１２ａよりも大きく、筐体１２ｃは最大である。しかしながら、各筐体は必要に応じて同じ物理的寸法（即ち物理的サイズ）を有してもよい。さらに、複数のうちの２つ以上の各電子機器筐体１２ａ〜１２ｃは装置内で同時に使用されてもよく、装置を構成するために、電子機器筐体１２ａ〜１２ｃは、任意の個数で一緒に使用されてもよい。また、３つ未満または４つ以上の異なるサイズの筐体もあり得る。

物理的サイズが異なることは別として、筐体１２ａ〜１２ｃの全体構造は、概して同様である。特に、図２および図３に示すように、各筐体は、冷却液を筐体に注入させる、筐体の液密部への少なくとも１つの液体注入口３０と、冷却液を筐体から排出させる、筐体の液密部からの少なくとも１つの液体排出口３２とを備える。液体注入口および液体排出口は、装置との流体接続が絶たれると、自動的に閉じて液体を筐体内に保持する一方、別のシステム素子と流体接続されると自動的に開く、弁付きクイックコネクト継手を備えてもよい。液密筐体と共に弁付きクイックコネクト継手を用いることは、米国特許７，９０５，１０６号公報に記載されている。

各筐体は、任意の適切な材料で構成されていてもよく、材料の例としてはプラスチック、押出アルミニウムなどの金属等が挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態では、筐体１２ａ〜１２ｃは、ラック筐体に適合性があり、且つラック筐体に搭載可能に設計されてもよく、または筐体１２ａ〜１２ｃは、互いに積み重ねられるように設計されてもよい。

図３にもっともよく示されているように、各筐体１２ａ〜１２ｃは、使用時に冷却液に浸漬される電子機器３４を収容する。電子機器３４は、任意の電子装置を構成することができる。一実施形態では、電子機器３４は、高出力密度電子機器である。例えば、電子機器３４は、電子機器がサーバコンピュータ、ブレードサーバ、ディスクアレイ／記憶装置、ソリッドステートメモリデバイス、記憶領域ネットワーク、ネットワークアタッチトストレージ、記憶通信装置、ルータ、遠隔通信インフラストラクチャ／スイッチ、有線、光学および無線通信デバイス、セルプロセッサデバイス、プリンタ、電源などとして機能するように設計されてもよい。

各筐体１２ａ〜１２ｃ内の電子機器３４は、比較的同じ機能、または異なる機能を果たすように設計されてもよい。例えば、各筐体１２ａ〜１２ｃ内の電子機器３４は、それぞれがサーバコンピュータシステムとして機能するように設計されてもよい。もしくは、１つの筐体内の電子機器はサーバコンピュータシステムとして機能するように設計され、もう一方の筐体内の電子機器はデータ記憶システムとして機能するように設計されてもよい。

さらに、各筐体内の電子機器は比較的同じ、もしくは類似の電子性能を有するように設計されてもよく、または各筐体内の電子機器は、異なる電子性能を有してもよい。例えば、電子機器がサーバコンピュータシステムとして機能するように設計された場合、電子機器は、同じ演算能力または処理能力を有してもよく、もしくはそれぞれが異なる演算能力または処理能力を有してもよい。

筐体１２ａ〜１２ｃが異なるサイズを有することから、または装置において複数の筐体１２ａ〜１２ｃが一緒に使用されると、冷却要件が変わるので、最適な冷却を実現するために、異なる冷却液量および／または異なる圧力下の冷却液が必要とされる場合がある。従って、使用される筐体１２ａ〜１２ｃが変わるときは、異なる冷却要件に対応するように、モジュール式マニホールド１４、モジュール式ポンプ１６および少なくとも１つのモジュール式熱交換器ユニット１８を、変更することができる。

複数のマニホールド１４ａ〜１４ｃおよびポンプ１６ａ〜１６ｃの組み合わせを、図４Ａ〜図４Ｃを参照して示す。マニホールド１４ａ〜１４ｃは、サイズは別として、概して同様に構成されている。同じく、ポンプ１６ａ〜１６ｃは、性能は別として、概して同様である。マニホールドおよびポンプには、３つ未満または４つ以上の組み合わせがあり得る。

各マニホールド１４ａ〜１４ｃは、冷却剤供給マニホールド部４０および冷却剤帰還マニホールド部４４を備え、冷却剤供給マニホールド部４０は、筐体１２ａ〜１２ｃ上の液体注入口３０へ流体接続するための複数の個別の液体排出口４２を有し、冷却剤帰還マニホールド部４４は、筐体１２ａ〜１２ｃ上の液体排出口３２へ流体接続するための複数の個別の液体注入口４６を有する。冷却剤供給マニホールド部４０は、少なくとも１つの注入口４８（図１に示す）を備え、冷却された冷却液は、注入口４８を介してマニホールド部４０に入る。さらに、冷却剤帰還マニホールド部４４は、少なくとも１つの排出口４９（図４Ａ〜図４Ｃに示す）を備え、温められた冷却液は排出口４９を介して流出して、熱交換器ユニット１８で冷却される。

マニホールド１４ａ〜１４ｃのマニホールド部４０、４４、ならびに排出口４２および注入口４６の数は、多数または少数の電子機器筐体への接続に応じて、および／もしくは電子機器の十分な冷却のために、多かれ少なかれ冷却液の供給および帰還を必要とする電子機器筐体への接続に応じて異なることがある。例えば、図示されている例では、最小のマニホールド部４０、４４、ならびに２つの排出口４２および２つの注入口４６を含むマニホールド１４ａは最小であり、マニホールド１４ａのマニホールド部よりも体積の大きいマニホールド部４０、４４、ならびに３つの排出口４２および３つの注入口４６を含むマニホールド１４ｂは中間サイズであり、マニホールド１４ａ、１４ｂのマニホールド部よりも体積の大きいマニホールド部４０、４４、ならびに５つの排出口４２および５つの注入口４６を含むマニホールド１４ｃは大きなサイズである。

各マニホールド１４ａ〜１４ｃは、任意の適切な材料から構成されていてもよく、その例としてはプラスチック、押出アルミニウムなどの金属等が挙げられるが、これらに限定されない。

ポンプ１６ａ〜１６ｃは、ポンプ１６ａ〜１６ｃと一緒に動作することになっている電子機器筐体１２ａ〜１２ｃ、マニホールド１４ａ〜１４ｃ、および熱交換器ユニット１８によって、それぞれが異なるポンプ性能を有するように設計されている。本明細書で用いられるポンプ性能とは、ポンプの性能を定量化できるあらゆる測定を意味し、その例としては単位時間あたりの揚水量、吐出圧力、揚程等で測定されるポンプ容量が挙げられるが、これらに限定されない。図４Ａ〜図４Ｃにおいて、ポンプ１６ａは、マニホールド１４ａと一緒に使用されるため、最も低い性能を有する。ポンプ１６ｂは、マニホールド１４ｂと一緒に使用されるため、ポンプ１６ａよりも高い性能を有する。ポンプ１６ｃは、マニホールド１４ｃと一緒に使用されるため、最も高い性能を有する。ポンプ１６ａ〜１６ｃは、対応するマニホールド１４ａ〜１４ｃのマニホールド部４４の排出口にそれぞれ接続される注入口２４を有する。

ポンプは、冷却液の輸送に適したものならば、当該技術分野において既知のいかなる機械的設計を用いてもよく、その例としては遠心ポンプが挙げられる。一実施形態では、ポンプ１６ａ〜１６ｃは、厳しい環境下での使用のために、直流／交流電流を動力源とし、堅牢な筐体に包まれる。

一例では、マニホールド１４ａおよびポンプ１６ａは、使用時に最大約５キロワット（ｋＷ）までのエネルギーを発生させる電子機器を有する１つ以上の筐体の冷却に使用されるように設計されている。マニホールド１４ｂおよびポンプ１６ｂは、使用時に約５ｋＷ〜約１５ｋＷのエネルギーを発生させる電子機器を有する１つ以上の筐体の冷却で使用されるように設計されている。マニホールド１４ｃおよびポンプ１６ｃは、使用時に約１５ｋＷ〜約３０ｋＷのエネルギーを発生させる電子機器を有する１つ以上の筐体の冷却に使用されるように設計されている。

図５Ａおよび図５Ｂは、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの２つの例を示す。熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂは、それぞれが異なる熱交換容量を有している。すなわち、各熱交換器ユニットは、冷却液の十分な冷却を行うために、特に電子機器筐体、マニホールドおよびポンプの特定の組み合わせと共に使用されるように設計されている。例えば、図５Ａおよび図５Ｂに示す例のように、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂは、熱交換領域が異なるように、異なるサイズを有してもよい。すなわち、熱交換器ユニット１８ａは５ｋＷの電子装置用に設計されており、熱交換器ユニット１８ｂは１０ｋＷの電子装置用に設計されている。しかしながら、熱交換容量が異なる、３つ以上の熱交換器ユニットもあり得る。

以下、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの具体的な構造のさらなる詳細を、図１０〜図２０を参照して説明する。一般に、各熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂは、第１軸方向端５０および第２軸方向端５２を備えた、概ね細長い構造であり、その外面には,細長い、半径方向に広がる複数の熱交換フィンを備えている。熱交換フィンは、一般に、第１軸方向端５０から第２軸方向端５２へ軸方向に連続して延びている。冷却される温められた冷却液は、注入口５４を介して軸方向端の一方を通って各熱交換器に注入され、冷却された冷却液は、排出口５６を介して軸方向端の一方を通って排出される。図５Ａおよび図５Ｂに示す例では、注入口５４および排出口５６は同じ軸方向端にあり、特に第１軸方向端５０にある。しかしながら、注入口と排出口は、同じ軸方向端にある必要はない。さらに、熱交換器ユニットのさまざまな変形例を、図１０〜図２０を参照して以下に説明する。

冷却ニーズによって、１つ以上の熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂは、任意の組み合わせで使用されてもよい。例えば、図６Ａは、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの１つの単独での使用を示す。図６Ｂは、最初に第１熱交換器で冷却された冷却液が、さらなる冷却のために第２熱交換器ユニットに排出されてからマニホールド１４に戻されるように、一緒に縦続接続された熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの２つを示す。図６Ｃは、最初に第１熱交換器で冷却された冷却液が、さらなる冷却のために第２熱交換器ユニットに排出され、その後第３熱交換器に排出されてからマニホールド１４に戻されるように、一緒に縦続接続された熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの３つを示す。

熱交換器ユニットは、伝導または対流などの任意のタイプの熱交換用に設計されてもよく、任意のタイプの液流配列を有してもよい。液流配列の例としては並流、逆流、直交流等が挙げられる、これらに限定されない。幾つかの実施形態では、冷却液は、以下にさらに記載するが、水などの第２の冷却流体と熱を交換できる。

モジュール式システム素子１２、１４、１６、１８間の流体接続は、さまざまな素子へ接続するためのクイックコネクト流体継手を有する適切なホースの使用によって行える。ホースはまた、異なるサイズを有してもよく、これで異なる流量に対応でき、さらにシステム圧力の調節も可能になる。

図７は、本明細書に記載さているモジュール式液体浸漬冷却装置の一実施形態の応用例を示す。図７に示す装置６０は、冷却液が熱交換器ユニットを通って流れるに従って冷却されるよう、地面６２に埋設された、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの２つを使用する。この例では、装置６０は、マニホールド１４ｂおよびポンプ１６ｂと流体接続されている、３つの異なるサイズの筐体１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備える。冷却された冷却液は、マニホールド１４ｂのマニホールド部４０から、筐体１２ａ〜１２ｃへ注入される。冷却液は電子機器を浸漬し、冷却し、電子機器から熱を受け取る。温められた冷却液は、マニホールドのマニホールド部４４へポンプで送られた後、ポンプ１６ｂに流入する。ポンプ１６ｂによって熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂに送られた冷却液は、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂで冷却されてから、マニホールド１４ｂに戻る。

図８は、本実施形態に記載するモジュール式液体浸漬冷却装置の別の応用例を示す。図８に示す装置７０は、冷却液が熱交換器ユニットを通って流れるに従って冷却されるよう、貯水池、海（sea）、大洋（ocean）、池、タンクの水などの水域７２に浸漬された、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの３つを使用する。この例では、装置７０は、マニホールド１４ｃおよびポンプ１６ｃと流体接続された、筐体１２ａの２つ、筐体１２ｂの２つおよび筐体１２ｃの１つを備える。冷却された冷却液は、マニホールド１４ｃのマニホールド部４０から、筐体へ注入される。冷却液は電子機器を浸漬し、冷却し、電子機器から熱を受け取る。温められた冷却液は、マニホールドのマニホールド部４４へポンプで送られた後、ポンプ１６ｃに流入する。ポンプ１６ｃによって熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂに送られた冷却液は、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂで冷却されてから、マニホールド１４ｃに戻る。

図９は、本実施形態に記載するモジュール式液体浸漬冷却装置のさらに別の応用例を示す。図９に示す装置８０は、冷却液が熱交換器ユニットを通って流れるに従って冷却されるよう、図７と同様に地面に埋設された（または図８と同様に水域に浸漬された）、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの３つを使用する。この例では、装置８０は、図８と同様に筐体１２ａ〜１２ｃ、マニホールド１４ｃおよびポンプ１６ｃを備える。しかしながら、この実施形態では、マニホールド１４ｃは、冷却剤／水／熱交換器８２と流体接続されている。冷却液は、マニホールド１４ｃから熱交換器８２へ誘導される。別のループでは、ポンプ８４によって、水タンク８６から熱交換器８２へ水が送られて、この水と冷却液との熱交換を行うことで水が温められる。温められた水は、その後タンク８６に戻ってもよく、または使用のために他の場所へ誘導されてもよい。熱交換器８２の後、冷却液は、熱交換器１８ａ、１８ｂへポンプで送られて、熱交換器１８ａ、１８ｂでさらに冷却されてから、マニホールド１４ｃに戻る。

図１０および図１１は、熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂの構造例のさらなる詳細を示す。上記説明したように、熱交換器ユニットは、第１軸方向端５０、第２軸方向端５２、注入口５４および排出口５６を備えることができる。各ユニットの外面１０２には、細長い、半径方向に広がる複数の熱交換フィン１００が配置されており、熱交換フィンは、一般に第１軸方向端５０から第２軸方向端５２へ軸方向に連続して延びている。熱交換器ユニットの内側は、複数の内壁１０６によって４つの個別の流体通路１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄに分割されている。さらに、各内壁１０６は、複数の弓形のまたは湾曲した熱交換フィン１０８を備えている。熱交換フィン１０８は、流体通路中に延びており、内部空間の中心から離れるに従って周方向の長さが増している。熱交換フィン１０８は、フィンの間に液体が流れるように、半径方向に互いに離間している。

熱交換器ユニット１８ａ、１８ｂにおいて、軸方向端５０、５２にある、１つ以上のエンドキャップ１１０、１１２は、熱交換器ユニットの端を閉ざすために、また熱交換器ユニットを通る流体の流路を規定するために使用される。例えば、図１０および図１１では、エンドキャップ１１０、１１２は、導管１１４から注入口５４に入る冷却される冷却液が、エンドキャップ１１０の誘導によって、流体通路１０４ａおよび１０４ｄを通って流れるよう構成されている。流体はその後、熱交換器ユニットの端へ軸方向に流れ、さらにエンドキャップ１１２の誘導によって、流体通路１０４ｂ、１０４ｃを通って軸方向に流れ、その後排出口５６を介して排出される。この例では、エンドキャップ１１０は、実質的に、流入する流れに対して流体通路１０４ｂ、１０４ｃを閉じ、一方で流体通路１０４ａ、１０４ｄのそれぞれを注入口５４に連通させる。同じように、エンドキャップ１１２は、流体通路１０４ａ、１０４ｄの流れを受け、流体通路１０４ｂ、１０４ｃへ誘導する。

図１０および１１において、エンドキャップ１１２は、流体通路１０４ａ、１０４ｄを、流体通路１０４ｂ、１０４ｃと流体連通させるように構成されている。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、エンドキャップ１１２が、１つの流体用に流体通路１０４ａを流体通路１０４ｂと流体連通させ、第２の流体用に流体通路１０４ｄを流体通路０４ｃと流体連通させるように構成されている一例を示す。エンドキャップ１１０は、異なる流体用の２つの注入口および２つの排出口を備えており、流体通路１０４ａは１つの注入口と連通し、流体通路１０４ｄは第２の注入口と連通し、流体通路１０４ｂ、１０４ｃは流入する流れから閉ざされているが、排出口と連通している。

図１５〜２０は、エンドキャップの構成を変更することで実現可能な、液流構成の追加的な例示的実施形態を示す。

エンドキャップはまた、熱交換器ユニットの流体通路を通る複数の流体を制御するために、積み重なった配置でも使用できる。

図１２は、エンドキャップ１１４、１１６および閉鎖エンドキャップ１１８を積み重ねた一例を示す。この例では、エンドキャップ１１４は、流路１２０ａ、１２０ｂを備え、流路１２０ａ、１２０ｂは、正反対に位置する通路である通路１０４ａ、１０４ｃ、または通路１０４ｂ、１０４ｄを流体接続している。他方、エンドキャップ１１６は、流路１２２ａ、１２２ｂを備え、流路１２２ａ、１２２ｂは、正反対に位置する他の２つの通路である通路１０４ａ、１０４ｃ、または通路１０４ｂ、１０４ｄを流体接続している。よって例えば、図１３に示すように、１つの流体は、熱交換器ユニットの１つの流体通路から流路１２０ａに流入し、反対側の流路１２０ｂへ渡ってから、当該熱交換器ユニットの正反対の流体通路を逆方向に流れることができる。同じように、１つの流体は、熱交換器ユニットの１つの流体通路から流路１２２ａに流入し、反対側の流路１２２ｂへ渡ってから、当該熱交換器ユニットの流体通路を逆方向に流れることができる。エンドキャップ１１８は、熱交換器ユニットの端部を閉じている。

エンドキャップ１１４、１１６の回転によって、熱交換器ユニットのどの通路が互いに流体接続されるのかを制御できる。さらに、通路１０４ａ〜１０４ｄの正反対に位置する通路同士を流体接続するかわりに、エンドキャップ１１４、１１６は、エンドキャップの回転によって、例えば通路１０４ａ、１０４ｂおよび通路１０４ｃ、１０４ｄといった、通路１０４ａ〜１０４ｄの隣接する通路同士を流体接続するように構成でき、これにより２つの隣接する流体通路のうちのどれが流体接続されるのかを制御する。

図２０Ａおよび図２０Ｂは、図１２および図１３に示す構成を有するエンドキャップ１１４、１１６および閉鎖エンドキャップ１１８を積み重ねた配置の一例を示す。この例では、エンドキャップ１１４は、冷却液用の通路１０４ａ、１０４ｃ等の通路の２つを流体接続しており、エンドキャップ１１６は、冷却液と熱交換するために使用される水などの第２の流体用の通路１０４ｂ、１０４ｄを流体接続している。

従って、エンドキャップの適切な設計および／または異なる積み重なったエンドキャップ設計の組み合わせを使用することによって、異なる流路構成が実現できる。図１０〜図２０に示す流路構成とエンドキャップ構成はあくまで例であり、単独のエンドキャップ設計および積層されたエンドキャップ設計の数多の異なる構成を利用することによって、選択的に流路構成を実現できる。

記載されている概念を、その精神または新規な特性を逸脱することなく他の形態で実施してもよい。本願で開示されている例は、全ての点において限定ではなく解説を目的とするものと考えられなければならない。

Claims (13)

1. 複数のモジュール式電子機器筐体であって、各電子機器筐体は、液体浸漬冷却される複数の電子素子を収容する液密部と、前記液密部内の複数の電子素子と、前記液密部への液体注入口と、前記液密部からの液体排出口とを備える、複数のモジュール式電子機器筐体と、
   複数のモジュール式マニホールドであって、各モジュール式マニホールドは、前記各電子機器筐体と流体接続されるように構成されているとともに、液体供給マニホールド部および液体帰還マニホールド部と、前記液体供給マニホールド部の複数の液体供給排出口と、前記液体供給マニホールド部の少なくとも１つの液体供給注入口と、前記液体帰還マニホールド部の複数の液体帰還注入口と、前記液体帰還マニホールド部の少なくとも１つの液体帰還排出口とを備え、前記各モジュール式マニホールドにおいて、前記液体供給排出口の数および前記液体帰還注入口の数は、前記モジュール式マニホールド毎に異なるが、前記各モジュール式マニホールド内では同じである、複数のモジュール式マニホールドと、
   複数のモジュール式ポンプであって、各ポンプは、前記各モジュール式マニホールドと流体接続されているとともに、異なるポンプ性能を有する、複数のモジュール式ポンプと、
   複数のモジュール式熱交換器ユニットを備える、電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
2. 前記モジュール式電子機器筐体が少なくとも３つ、前記モジュール式マニホールドが少なくとも２つ、前記モジュール式ポンプが少なくとも３つ、および前記モジュール式熱交換器ユニットが少なくとも２つあり、
   前記少なくとも２つのモジュール式熱交換器ユニットが、異なる熱交換容量を有する、請求項１に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
3. 前記モジュール式マニホールドの少なくとも１つおよび前記モジュール式ポンプの少なくとも１つが一緒に使用されるように構成されており、前記電子素子は使用時に最大約５ｋＷまでのエネルギーを発生させる、第１のマニホールドおよびポンプの組み合わせと、
   前記モジュール式マニホールドの少なくとも１つおよび前記モジュール式ポンプの少なくとも１つが一緒に使用されるように構成されており、前記電子素子は使用時に約５ｋＷ〜約１５ｋＷのエネルギーを発生させる、第２のマニホールドおよびポンプの組み合わせと、
   前記モジュール式マニホールドの少なくとも１つおよび前記モジュール式ポンプの少なくとも１つが一緒に使用されるように構成されており、前記電子素子は使用時に約１５ｋＷ〜約３０ｋＷのエネルギーを発生させる、第３のマニホールドおよびポンプの組み合わせのそれぞれを備える、請求項１に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
4. 前記モジュール式熱交換器ユニットの１つは、最大約５ｋＷまでの熱交換容量を有し、
   前記モジュール式熱交換器ユニットの他の１つは、最大約１０ｋＷまでの熱交換容量を有する、請求項１に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
5. 前記各モジュール式電子機器筐体の前記液密部に誘電性冷却液をさらに備える、請求項１に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
6. 前記誘電性冷却液は単相液である、請求項５に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
7. 前記電子素子は高出力密度電子機器である、請求項１に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
8. 前記高出力密度電子機器は、サーバコンピュータ、ブレードサーバ、ディスクアレイ／記憶装置、ソリッドステートメモリデバイス、記憶領域ネットワーク、ネットワークアタッチトストレージ、記憶通信装置、ルータ、遠隔通信インフラストラクチャ／スイッチ、有線、光学および無線通信デバイス、セルプロセッサデバイス、プリンタ、または電源として機能する、請求項７に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
9. 前記各モジュール式熱交換器ユニットは、
   外表面、内部空間、第１軸方向端、および第２軸方向端を有する円筒状のハウジングと、
   前記第１軸方向端から前記第２軸方向端に延びており、前記外面上に形成された半径方向に広がる複数の外部熱交換フィンとを備える、請求項１に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
10. 前記各モジュール式熱交換器ユニットは、
    前記内部空間を複数の流体通路に分割する複数の壁と、
    前記複数の壁から前記複数の流体通路中に延びる複数の内部熱交換フィンとをさらに備える、請求項９に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
11. 前記複数の内部熱交換フィンは湾曲しており、半径方向に互いに離間し、前記内部空間の中心から離れるに従って周方向の長さが増している、請求項１０に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
12. 前記第１軸方向端の少なくとも１つの第１エンドキャップと、
    前記第２軸方向端の少なくとも１つの第２エンドキャップと、
    前記少なくとも１つの第１エンドキャップに設けられた、または前記少なくとも１つの第２エンドキャップに設けられた、または前記少なくとも１つの第１エンドキャップおよび前記少なくとも１つの第２エンドキャップのそれぞれに設けられた、少なくとも１つの液体注入口および少なくとも１つの液体排出口とをさらに備える、請求項９に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。
13. 前記第１軸方向端に第１エンドキャップおよび第２エンドキャップをさらに備え、
    前記第１エンドキャップは、前記複数の流体通路の２つと流体連通した流路を備え、
    前記第２エンドキャップは、前記２つの流体通路および前記第１エンドキャップの前記流路と流体連通した流路と、前記複数の流体通路の他の２つと流体連通した流路とを備える、請求項１０に記載の電子機器用スケーラブル液体浸漬冷却装置。