JP2019516195A - 液浸冷却 - Google Patents

Abstract

電子装置を液浸冷却するための装置の方法であって、伝熱流体を含み且つ凝縮器に流体的に結合された蒸気空間を含む圧力密閉タンクに電子装置を入れることと、電子装置を動作させて熱を発生させ、伝熱流体の一部を蒸発させ、伝熱流体蒸気を凝縮器に流入させることと、伝熱流体蒸気を凝縮器で凝縮して凝縮物を生成することと、凝縮物をタンクに戻すことと、電力消費を増加させて電子装置が発生する熱を増加させ、伝熱流体蒸気の圧力を上昇させ、装置を平衡状態にすることとを含む。

Description

本開示は液浸冷却に関し、より詳細には電子装置の液浸冷却に関する。

関連出願との相互参照
本出願は、２０１６年５月３日に出願された英国特許出願第１６０７６６２．２号の利益を主張するものであり、当該出願の全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。

液浸冷却は、電子処理装置を冷却するために使用される、特に従来の空冷が不十分であることが判明している高速かつ高データ容量の処理装置のための技術である。液浸冷却は、装置（例えば、電子データ処理モジュール）を液体を入れたタンクに入れることを含む。液体の対流および蒸発は、モジュールを通常の動作温度範囲内に保つために非常に高い冷却速度を提供することができる。水は、（ａ）導電性であるため、水と電子装置との間に何らかの絶縁体を用いる必要があり、それによって冷却効果が低下する、（ｂ）高すぎる温度で蒸発するという理由で、これらの用途に用いるのに理想的な液体ではない。代わりに、低温で蒸発するより効果的で非導電性の冷却流体が開発されている。その一例は、ミネソタ州セントポールの３Ｍ（登録商標）によって製造されたノベック（登録商標）６４９工業用流体である。しかしながら、これらの流体を使用しても、液体に水分が入ると問題が生じる可能性がある。たとえ少量の水であっても、電子装置の電気的接続の短絡を引き起こす可能性がある。別の問題は、特別な冷却液が高価であるため、容器内の材料の全てまたはできるだけ多くを保ち、蒸発による損失を最小限に抑えることが重要なことである。

液浸冷却における様々な変更および改良を以下に示す。

一態様において、本発明は、電子装置の液浸冷却の方法を提供する。液体形態の伝熱流体を保持する圧力密閉タンク内に電子装置を入れる。タンクは、液体の表面の上に蒸気空間を含み、蒸気空間は凝縮器に接続される。電子装置を動作させて熱を発生させ、伝熱流体の一部を蒸発させて伝熱流体蒸気を凝縮器に流入させる。伝熱流体蒸気は、ガス状の伝熱流体がその液体状態に戻るように凝縮器で凝縮される。伝熱流体凝縮物をタンクに戻す。伝熱流体の気体形態はその液体形態よりも多くの体積を使用するので、電子装置による電力消費を増加させて発生する熱を増加させ、伝熱流体蒸気の上昇した圧力を生じる。上昇した圧力は、凝縮器の効率を向上させ、大量の伝熱ガスをそのよりコンパクトな液相に戻すことによって、システムを平衡状態にする。

方法は、電子装置による電力消費を低減して発生する熱を減少させ、伝熱流体蒸気の圧力を低下させることをさらに含み、低い圧力は伝熱流体の沸点を低下させ、システムを平衡に戻す。低減された電力消費は、タンクの内部にある程度の減圧を生じさせることができる。電子装置による電力消費は、実質的にゼロまで低減されることができ、その結果、タンク内の伝熱流体蒸気の圧力は、約０．４バール（絶対）まで低下する。

方法は、凝縮物をタンクに戻す前に、凝縮物を濾過して水分および／または金属粒子を除去することをさらに含むことができる。

伝熱流体は、好ましくは誘電性流体である。

いくつかの実施形態において、方法は、一般に非加圧タンクを含む他の方法に関連する特徴を含むことができる。例えば、方法は、タンク内の凝縮器チューブによって伝熱流体蒸気の一部を凝縮することをさらに含むことができる。

他の例として、方法は、乾燥剤によってタンクの蒸気空間内の空気から水分を除去することをさらに含むことができる。

別の態様において、本発明は、電子装置の液浸冷却のための装置を提供する。圧力密閉タンクが、電子装置を浸漬することができる液体形態の伝熱流体を保持する。圧力密閉タンクは、液体の表面の上に蒸気空間を含む。蒸気空間に接続された入口を有する凝縮器は、伝熱流体蒸気を受け取り、密閉可能な蒸気出口および凝縮物出口を有する。凝縮された伝熱流体は、凝縮物戻りラインを通って凝縮物出口からタンクに戻ることができる。

装置は、水分および／または金属粒子を除去するための凝縮物戻りライン内のフィルターをさらに備えることができる。

いくつかの実施形態において、装置は、一般に非加圧タンクシステムと関連する機能を含むことができる。例えば、装置は、伝熱流体蒸気を凝縮するためのタンク内部の手段をさらに含むことができる。凝縮するための手段は、凝縮管群を含むことができる。

別の例として、装置は、タンクの蒸気空間内の空気から水分を除去するのを補助するための乾燥剤をさらに含むことができる。

別の態様において、本発明は、電子装置の液浸冷却を開始する方法を提供する。液体形態の伝熱流体を保持する圧力密閉タンク内に電子装置を入れる。タンクは、液体の表面の上に蒸気空間を含む。蒸気空間は、タンクの上方に配置された凝縮器に接続され、蒸気出口を密閉するように動作可能な弁を備えた蒸気出口を含む。電子装置の動作を開始して熱を発生させ、伝熱流体の一部を蒸発させて蒸気空間内で伝熱流体蒸気を生成する。弁を開け、実質的に全ての空気が蒸気空間から追い出されるまで、生成された伝熱流体蒸気が空気を蒸気空間から凝縮器へと追いやり、蒸気出口から追い出すことを可能にする。次いで、弁を閉め、電子装置の動作を継続して熱を発生させ、伝熱流体蒸気を生成する。伝熱流体蒸気を凝縮器で凝縮して伝熱流体凝縮物を生成し、凝縮物をタンクに戻す。

本発明の実施形態による液浸冷却システムの概略図である。 別の液浸冷却システムの概略図である。 本発明の実施形態による液浸冷却方法における主要な方法ステップを示すフローチャートである。 本発明の実施形態による液浸冷却を開始する方法における主要な方法ステップを示すフローチャートである。

図１は、液浸冷却システムの一実施形態の概略図である。このシステムでは、凝縮器が蒸発タンクの外側に別個の構成要素として取り付けられている。タンクは周囲の大気から密閉され、可変圧力で動作することができる。最初の始動手順が完了した後、タンク内雰囲気中に空気はなく、伝熱流体蒸気のみが存在する。

図１に示すように、電子部品１０は、圧力密閉タンク３０内で液体形態の伝熱流体１２に浸される。液体伝熱流体１２はタンク３０内に表面１３を有し、表面１３の上に蒸気空間１５がある。液体伝熱流体１２は、タンク３０内の対流および蒸発によって部品から熱を除去する。伝熱流体１２の蒸気は空気よりも重い。

上昇管３２が、タンク３０の屋根の開口部３１から凝縮器３４の入口３３まで延びている。凝縮器３４は、冷却液（例えば、水）が循環する内管（図示せず）を含む。蒸気は、蒸気出口３５に向かって管の間の通路で凝縮器を通過する。空気または蒸気を蒸気出口３５から大気へと通過させるために弁３６を開けることができ、蒸気出口３５を密閉するために弁３６を閉めることができる。凝縮器はまた、戻りライン３９への凝縮物出口３７を有し、戻りライン３９を通して凝縮物をタンク３０に逆流させることができ、戻りライン３９はインラインフィルター３８を含む。凝縮器３４を通って循環される冷却液は、凝縮器中の蒸気から取られる熱の除去のために空気冷却器４０に戻される。

タンク内の伝熱液体および蒸気が完全に乾燥していることを確実にするために、蒸気空間１５内の空気は始動時に除去される。始動手順中、電子装置１０に電力が供給され、伝熱液体１２が蒸発し始めると、タンク３０内の圧力が上昇し始める。この時点で、弁３６を開ける。伝熱流体蒸気は空気よりも重いので、大部分の空気は凝縮器３４にまたは蒸気空間１５の上部に位置する。弁３６が開けられ、ある程度の圧力がタンク３０内に蓄積されている場合、空気は弁３６を通って迅速にシステムを出る。弁３６を通って出る空気および蒸気は、伝熱流体蒸気を液体形態に凝縮し且つ空気のみを放出する追放システム（図示せず）に導かれることができる。このようにして、始動シーケンス中に追加の伝熱流体を節約することができる。その後、弁３６は閉められ、タンク３０は長期冷却動作の準備が整う。

伝熱流体蒸気は、上昇管３２を通って凝縮器３４へと上昇し、そこで液体凝縮物を形成するように凝縮する。凝縮物は戻りライン３９およびフィルター３８を通ってタンク３０に戻る。フィルター３８は、凝縮物中に残っている水分を除去するために設けられ、凝縮管から液体によって捕らえられた金属（例えば、銅）粒子も除去することができる。

タンクには平衡点がある。電子装置１０による特定の電力消費（例えば２５０ｋＷ）、凝縮器３４を通る特定の水流（例えば５００リットル／分）および特定の入水温度（例えば４８℃）に対して、タンク３０内の圧力はほぼ正常（例えば、大気）である。タンク３０内の圧力は、電子装置１０による電力消費の変化に伴って変化する。電力消費が停止した場合、タンク内の圧力は、一般的に、約０．４バール（絶対）に低下する。電力が消費されるが、通常よりも低い速度である場合、ある程度の減圧がタンク３０の内部に生じる。低い圧力は、伝熱液体の沸点を低下させ、システムを安定平衡に戻す。通常より高い電力消費がある場合、タンク３０は幾分上昇した圧力を生じる。この増加した圧力のために、凝縮器３４はより効果的になり、システムを再び安定平衡に戻す。

図２は、別の液浸冷却システムを概略的に示す。同等の特徴は、図１で使用したのと同じ符号で示されている。図２のシステムでは、伝熱流体１２を含むタンク１４は、実質的に一定の圧力（例えば大気圧）で動作するように設計されている。図１のシステムと同様に、電子装置１０は、伝熱流体液体１２に浸され、伝熱流体液体１２は、タンク１４内の対流および蒸発によって電子装置１０から熱を除去する。

複数列の水冷管１６が、凝縮器として作用して、タンク１４内部の蒸発した液体を凝縮する。タンク１４内の伝熱流体液体１２および雰囲気が完全に乾燥していることを確実にするために、タンク１４内の雰囲気（空気中の蒸発流体）が乾燥剤１８（例えばシリカゲル）を通して循環される。乾燥剤１８を通る循環を補助するために、小さなファン（図示せず）を使用することができる。

補助凝縮器２２が、タンク１４の上方に配置され、上昇管２０によってタンク１４の屋根の開口部に接続される。補助凝縮器２２はまた、図１に示したシステムにおいてバルーン２６である拡張チャンバーまたはボリュームに接続された出口管２４を有する。ベローズのような他の形態の膨張チャンバーも使用することができる。

タンク１４内の主凝縮管１６と補助凝縮器２２の両方に、凝縮する伝熱流体から受け取った熱を除去するために空気冷却器２８を通して循環される冷却水が供給される。

タンク１４内の雰囲気は、一般的に大気圧であることができる、実質的に一定の圧力に維持される。これは、伝熱流体液体１２が蒸発し続け、電子構成要素１０から一定の最適な速度で熱を引き抜くことを確実にするのに役立つ。圧力を実質的に一定のレベルに維持するために、タンク１４内の雰囲気の体積のわずかな増加（例えば、温度の上昇による）が、上昇管２０内および補助凝縮器２２内への空気／蒸気の上昇流をもたらす。伝熱流体からの蒸気は、補助凝縮器２２で凝縮され、重力下で上昇管２０を下ってタンク１４内に戻る。バルーン２６は、（水分がシステムに入ることができないようにするために）外部雰囲気に対するシールを維持する。上昇管２０内の空気／蒸気は、凝縮器２２を通過した後、出口管２４内を通ってバルーン２６を膨張させる。タンク１４内の雰囲気の体積の減少は、バルーン２６を収縮させる反対の効果を有する。

図１および２の２つのシステムは異なる圧力制御レジームの下で動作するが、図１のシステムで使用することができる図２のシステムの多くの特徴が存在することが理解されるであろう。例えば、図１のシステムのタンク３０は、図２の主凝縮管１６と同様の追加の複数列の凝縮管を含むことができる。また、図１のタンクの蒸気空間１５内の空気から水分を除去するのを補助するために、乾燥剤を使用することもできる。

同様に、図２のシステムで使用することができる図１のシステムの特徴が存在する場合がある。例えば、凝縮物をろ過するためのフィルターを含むように、補助凝縮器２２から別個の凝縮物戻り管を使用することができる。また、図２のシステムは、図１のシステムについて説明した方法と同様に、始動時にタンク１４から空気を除去する方法を使用することができる。この場合、始動手順中に出口管２４が大気に通じるように開けることができる弁を設けることができる。

図３を参照すると、電子装置の液浸冷却の方法が、ステップ１０１において、液体形態の伝熱流体を保持する、図１の圧力密閉タンク３０のようなタンクに電子装置を入れることによって始まる。ステップ１０２において、電子装置を動作させて熱を発生させ、伝熱流体の一部を蒸発させて伝熱流体蒸気を凝縮器に流入させる。ステップ１０３において、伝熱流体蒸気を図１の凝縮器３４のような凝縮器で凝縮し、伝熱流体凝縮物を生成する。ステップ１０４において、伝熱流体凝縮物をタンクに戻す。システムは、タンクが定常圧力（例えば、大気圧）で動作する平衡状態を取る。

ステップ１０４の後、電子装置のさらなる動作は、電子装置への電力の増加または減少のいずれかを伴う可能性がある。ステップ１０６ａに示すように、電子装置による電力消費の増加は、発生する熱の増加につながり、ステップ１０７ａにおいて、伝熱流体蒸気の上昇した圧力を生じる。上昇した圧力は、ステップ１０８ａにおいて、凝縮器の効率性の向上をもたらし、システムを平衡状態（ステップ１０５）に戻す。

ステップ１０６ｂに示すように、電子装置による電力消費の低減は、発生する熱の減少につながり、ステップ１０７ｂにおいて、反対の効果をもたらし、伝熱流体蒸気の圧力の低下を引き起こす。

図４を参照すると、電子装置の液浸冷却を開始する方法が、ステップ２０１において、液体形態の伝熱流体を保持する図１の圧力密閉タンク３０のようなタンクに電子装置を入れることによって始まる。ステップ２０２において、電子装置の動作を開始して熱の発生を開始し、伝熱流体の一部を蒸発させて伝熱流体蒸気を生成する。ステップ２０３において、通気弁（例えば、図１の通気弁３６）を開け、ステップ２０４において、実質的にすべての空気が追い出されるまで、生成された伝熱流体蒸気が空気を凝縮器へと追いやり、通気弁から追い出す。ステップ２０５において、通気弁を閉める。ステップ２０６において、電子装置の動作を継続して熱を発生させ、伝熱流体蒸気を生成する。ステップ２０７において、伝熱流体蒸気を凝縮器で凝縮して伝熱流体凝縮物を生成し、ステップ２０８において、伝熱流体凝縮物をタンクに戻す。

本発明の特定の実施形態を説明したが、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく本明細書に開示された概念を組み込んだ他の実施形態を使用できることが、当業者には明らかであろう。様々な実施形態の特徴および機能は、様々な組合せおよび置換で配置することができ、すべてが開示された発明の範囲内にあるとみなされる。したがって、記載された実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないとみなされるべきである。本明細書に記載された構成、材料、および寸法は、例示的であり、決して限定するものでもない。同様に、説明の目的で物理的な説明が提供されているが、特定の理論またはメカニズムに拘束されるかまたはそれに従って特許請求の範囲を限定するという意図はない。

Claims (14)

1. 電子装置を含むシステムを液浸冷却する方法であって、
   液体状態の伝熱流体を保持し且つ液体伝熱流体の表面の上に凝縮器に接続された蒸気空間を含む圧力密閉タンクに電子装置を入れることと、
   前記電子装置を動作させて熱を発生させ、前記伝熱流体の一部を蒸発させて伝熱流体蒸気を前記凝縮器に流入させることと、
   前記伝熱流体蒸気を前記凝縮器で凝縮して伝熱流体凝縮物を生成することと、
   前記伝熱流体凝縮物を前記タンクに戻すことと、
   前記電子装置による電力消費を増加させて発生する熱を増加させ、前記伝熱流体蒸気の上昇した圧力を生じることと
   を含み、前記上昇した圧力は前記凝縮器の効率を向上させて前記システムを平衡状態にする、方法。
2. 前記電子装置による電力消費を低減して発生する熱を減少させ、前記伝熱流体蒸気の圧力の低下を引き起こすことをさらに含み、低い圧力は前記伝熱流体の沸点を低下させ、前記システムを平衡に戻す、請求項１に記載の方法。
3. 前記低減された電力消費は、前記タンクの内部にある程度の減圧を生じさせる、請求項２に記載の方法。
4. 前記電子装置による電力消費は実質的にゼロまで低減され、前記タンク内の前記伝熱流体蒸気の圧力は約０．４バール（絶対）まで低減される、請求項３に記載の方法。
5. 前記凝縮物を前記タンクに戻す前に、前記凝縮物を濾過して水分および金属粒子の少なくとも一方を除去することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記伝熱流体が誘電性流体を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記タンク内の凝縮管によって、前記伝熱流体蒸気の一部を凝縮することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 乾燥剤によって、前記タンクの前記蒸気空間内の空気から水分を除去することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 電子装置の液浸冷却のための装置であって、
   前記電子装置を浸すことができる液体形態の伝熱流体を保持し且つ液体伝熱流体の表面の上に蒸気空間を含む圧力密閉タンクと、
   伝熱流体蒸気を受け入れるための前記蒸気空間に接続された入口と、密閉可能な蒸気出口と、凝縮物出口とを有する凝縮器と、
   それを通って凝縮した伝熱流体が前記凝縮物出口から前記タンクに戻ることができる凝縮物戻りラインと
   を備える装置。
10. 水分および金属粒子の少なくとも一方を除去するための前記凝縮物戻りライン内のフィルターをさらに備える、請求項９に記載の装置。
11. 前記伝熱流体蒸気を凝縮するための前記タンク内の手段をさらに備える、請求項９に記載の装置。
12. 前記凝縮するための手段は、凝縮管群を含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記タンクの前記蒸気空間内の空気から水分を除去するのを補助するための乾燥剤をさらに含む、請求項９に記載の装置。
14. 電子装置の液浸冷却を開始する方法であって、
    前記方法は、液体形態の伝熱流体を保持し且つ液体伝熱流体の表面の上に蒸気空間を含む圧力密閉タンク内に前記電子装置を浸すことを含み、前記蒸気空間は凝縮器に接続され、前記凝縮器は前記タンクの上方に配置され、蒸気出口を密閉するように動作可能な弁を備えた蒸気出口を含み、
    前記方法は、
    前記電子装置の動作を開始して熱を発生させ、前記伝熱流体の一部を蒸発させ、前記蒸気空間内で伝熱流体蒸気を生成することと、
    前記弁を開け、実質的に全ての空気が前記蒸気空間から追い出されるまで、生成された前記伝熱流体蒸気が空気を前記蒸気空間から前記凝縮器へと追いやり、前記蒸気出口から追い出すことを可能にすることと、
    前記弁を閉じることと、
    前記電子装置の動作を継続して熱を発生させ、前記伝熱流体蒸気を生成することと、
    前記伝熱流体蒸気を前記凝縮器で凝縮して伝熱流体凝縮物を生成することと、
    前記伝熱流体凝縮物をタンクに戻すことと
    を含む方法。

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