JP2021128979A - サーバ冷却装置、電子機器、および、サーバ冷却方法 - Google Patents

サーバ冷却装置、電子機器、および、サーバ冷却方法 Download PDF

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Abstract

【課題】サーバ等の電子機器の全体を冷却する冷却装置、電子機器および冷却方法を提供する。【解決手段】サーバ1において、、外部機器と電気的に接続されたインターフェイス部2と、該インターフェイス部2との間でデータを授受するする第1の電子機器3と、第1の電子機器3との間でデータを授受する第2の電子機器4と、インターフェイス部2、第1の電子機器3、第2の電子機器4を通過させて一方側から取り込んだ空気を反対側へ排出するファン5とを備える。第1の電子機器3は、冷却媒体との熱交換により冷却する冷却部6と、該冷却部6へ冷却媒体を供給する供給配管7と、冷却部6において熱を吸収した冷却媒体を排出する排出配管8とを有する。供給配管7と排出配管8を流れる冷却媒体の循環ループの少なくとも一部は、第2の電子機器4とファン5の間の領域を経由して配管されている。【選択図】図1

Description

本発明は、サーバ冷却装置、電子機器、および、サーバ冷却方法に関する。
CPU(Central Processing Unit)等の発熱部品が多く搭載された電子機器、特に、各種の電子部品を筐体中に高密度で収容した、いわゆる高密度サーバにあっては、高密度で配置された発熱部品、特に、冷却空気が流通し難い箇所に配置されたものを効率的に冷却する技術が必要とされる。この種の冷却装置に関連するとして、特許文献1〜3に開示されている。特許文献1には、発熱部品が収容された容器の内部に冷却媒体の配管を設け、前記容器内の空気を冷却する構成が開示されている。また特許文献2には、冷却水が流れるプレート上に基板を設け、この基板上に電子部品等を配置して、基板上を流れる冷却空気を冷却する構成が開示されている。また特許文献3には、サーバ内の電子部品に対し、冷媒による冷却と、冷却空気による冷却とを併用する構成が開示されている。また特許文献4には、筐体内を流れる冷却空気を冷媒によって冷却するする構成が開示されている。また特許文献5には、冷媒が流れる熱交換パイプと発熱部品とを直接接触させて冷却する構成が開示されている。
実願平2−106896号明細書 特開2012−128710号公報 特開2013−8888号公報 特開2011−191974号公報 特開2016−42350号公報
ところで、特許文献5に記載されたような、冷媒が流れる熱交換パイプを発熱部品に直接接触させて冷却するDLC(Direct Liquid Cooling)は、特許文献1〜4に記載されたような、冷却空気による冷却に比して、効率の良い冷却方法ではあるが、サーバを構成する主要コンポーネントであるCPUのみ冷却する場合、取り除ける熱は、サーバ全体の発熱量の60%程度に過ぎない。したがって、前記CPU以外にサーバに搭載されるメモリやPCI(Peripheral Component Interconnect)カードなどから発生する残りの40%の熱を前記DLCで冷却するためには、別途、前記CPUとは異なる専用のヒートシンクを新たに開発するなどによってコストが増大するため、CPU、メモリ、PCIカード等のすべてで発生する熱を冷却するのは難しい。
また、サーバが搭載されるラックの後方ドアに水冷設備を備え、排気を冷却して熱を取り除く水冷ドアが普及し始めているが、非常に重量が大きいため少人数での保守に難がある。また、単純にDLCと組み合わせると、DLCとは別に付帯設備(CDU(Coolant distribution Unit)やマニフォールド)を用意する必要があり、コストがかさむという課題がある。
このためDLCと共通の付帯設備が使える冷却器をサーバごとに用意して、サーバの排気を冷却したいが、サーバ後方には通常、通信ケーブルと電源ケーブルが接続されているため、簡単には冷却器を装着できず、専用サーバの再設計にはコストがかかる。
問題がある。
この発明は、サーバ等の電子機器の全体を冷却するが可能な冷却装置、これを備えた電子機、および冷却方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の第1の態様にかかるサーバ冷却装置は、一方の側から取り込んだ冷却空気を外部機器と電気的に接続されたインターフェイス部と、該インターフェイス部との間でデータを授受するする第1の電子機器と、該第1の電子機器との間データを授受する第2の電子機器と、これらインターフェイス部、第1の電子機器、第2の電子機器を通過した空気を取り込んで前記一方の側とは反対側の他方の側へ排出するファンと、を備えたサーバに設けられるサーバ冷却装置であって、前記第1の電子機器を冷却媒体との熱交換により冷却する冷却部と、該冷却部へ冷却媒体を供給する供給配管と、前記冷却部において熱を吸収した冷却媒体を排出する排出配管と、を有し、前記供給配管、排出配管の少なくとも一部の経路が前記第2の電子機器とファンとの間に配置されたことを特徴とする。
本発明の第2の態様にかかるサーバ冷却方法は、外部機器と電気的に接続されたインターフェイス部の側から取り込んだ空気を、該インターフェイス部との間でデータを授受するする第1の電子機器と、該第1の電子機器との間データを授受する第2の電子機器とを経由して前記インターフェイス部と反対側へ排出する工程と、前記第1の電子機器へ前記空気とは異なる冷却媒体を供給して、前記第1の電子機器と熱交換させるとともに、熱交換された冷却媒体を排出する工程と、前記冷却媒体が流れる経路の途中で前記第2の電子機器から排出された空気と熱交換させる工程と、を有する。
本発明によれば、電子機器全体を冷却することが可能となる。
本発明の最小構成にかかるサーバ冷却装置を示し、(a)は平面視の配置図、(b)は側面視の配置図である。 本発明の第1実施形態の平面図である。 第1実施形態の側面図である。 図3のサーバにおける冷却部分離状態の側面図である。 第2実施形態をフロント側部側から見た配置説明図である。 第2実施形態の平面図である。 第2実施形態の側面図である。 温度T、温度差tとファンの負荷との関係を示すテーブルである。
本発明の最小構成に係る冷却装置を備えた電子機器の構成について図1を参照して説明する。
符号1はサーバであって、一方の側から取り込んだ冷却空気を外部機器と電気的に接続されたインターフェイス部2と、該インターフェイス部2との間でデータを授受するする第1の電子機器3と、該第1の電子機器3との間データを授受する第2の電子機器4と、これらインターフェイス部2、第1の電子機器3、第2の電子機器4を通過した空気を取り込んで前記一方の側とは反対側の他方の側へ排出するファン5とを備えている。前記第1の電子機器3は、冷却媒体との熱交換により冷却する冷却部6と、該冷却部6へ冷却媒体を供給する供給配管7と、前記冷却部6において熱を吸収した冷却媒体を排出する排出配管8とを有し、前記供給配管7、と排出配管8とを流れる冷却媒体の循環ループの少なくとも一部が前記第2の電子機器4とファン5との間の領域を経由して配管されている。
上記構成の電子機器にあっては、ファン5によって一方の側(図1(a)の上方、(b)の左方……一般にサーバのフロント側)から他方の側(図1(a)の下方、(b)の右方……一般にサーバのリア側)へ向かう冷却空気の気流を生じさせてサーバ内部の各装置を冷却することができる。また冷却部6を流れる冷却媒体によって第1の電子機器3を冷却することができる。また冷却部6に供給配管7から低温の冷却媒体を供給するとともに、冷却部6で前記第1の電子機器3の熱を吸収した冷却媒体を排出配管8を経由して排出して図示しない冷熱源(例えば冷凍機、コンプレッサ)へ戻すことができる。
また、供給配管7およびまたは排出配管8を含む冷却媒体の循環ループの一部をファン5の吸入側(図示例では第2の電子機器4とファン5との間)を経由させることにより、ファン5に吸入される空気、より詳しくはサーバ内の各電子機器の熱を吸収した冷却空気を冷却部6に用いる冷却媒体によって冷却することにより、ファン5からサーバ1の外(一般にサーバ室)へ放出される熱を減少させることができる。
上記サーバ冷却装置の動作に伴って行われるサーバ冷却方法について、図1を参照して説明する。
前記サーバ冷却装置にあっては、外部機器と電気的に接続されたインターフェイス部2の側から取り込んだ空気を、該インターフェイス部との間でデータを授受するする第1の電子機器3と、該第1の電子機器3との間でデータを授受する第2の電子機器4とを経由して前記インターフェイス部2と反対側へ排出する工程と、前記第1の電子機器3へ前記空気とは異なる冷却媒体を供給して、前記第1の電子機器3と熱交換させるとともに、熱交換された冷却媒体を排出する工程と、前記冷却媒体が流れる経路の途中で前記第2の電子機器4と熱交換させる工程とを有するサーバ冷却方法が実行される。
前記サーバ冷却方法により、ファン5によって一方の側から他方の側へ向かう冷却空気の気流を生じさせてサーバ内部の各装置を冷却することができる。また冷却部6を流れる冷却媒体によって第1の電子機器3を冷却することができる。また冷却部6に供給配管7から低温の冷却媒体を供給するとともに、冷却部6で前記第1の電子機器3の熱を吸収した冷却媒体を排出配管8を経由して排出して図示しない冷熱源(例えば冷凍機、コンプレッサ)へ戻すことができる。また、前記冷却媒体が流れる経路の少なくともいずれかの一部をファン5の吸入側を経由させることにより、ファン5に吸入される空気、より詳しくはサーバ内の各電子機器の熱を吸収した冷却空気を冷却部6に用いる冷却媒体によって冷却することにより、ファン5からサーバ1の外(一般にサーバ室)へ放出される熱を減少させることができる。
(第1実施形態)
図1を具体化して本発明を2ユニット1ノードのサーバに適用した第1実施形態に係る構成について図2〜図4を参照して説明する。なお、図2〜図4において、図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を簡略化する。
符号11は、2つのユニット(CPU、メモリ等が搭載された電子部品)により一つのノードとして機能するサーバ1の筐体である。この筐体11の内部には、サーバ1の一方の側(一般にこの一方の側がサーバのフロント側となる)には、他の電子機器と接続されるコネクタ等を備えたPCIカード21と、主電源に接続されてサーバ1に電源を供給する電源ユニット22とが設けられている。
これらの下流側には、CPU、メモリ、あるいはこれらに付属する放熱フィン等が搭載された電子部品であるユニット31が二つ並べて配置されている。これらのユニット31には、例えば、CPU等の発熱部品を直接、あるいは間接的に冷却媒体と接触させて熱交換する冷却部32が設けられている。この冷却部32は、例えば、冷却媒体が循環するジャケットを備えて、このジャケット内の冷却媒体とCPU、メモリとの間の熱伝導により、これらで発生した熱を冷却媒体に吸収させる。またCPU、メモリには、例えば放熱フィンのような、表面積を大きくするための配慮がなされた部品が取り付けられていて、筐体11内を流れる空気との間で熱交換することができるよう構成されている。
前記筐体11の天板12には、開口部13が形成され、この開口部13を介して、前記冷却部32へ冷却媒体を供給する供給配管7と、前記冷却部32でCPU、メモリ等から熱を吸収した冷却媒体を排出する排出配管8が前記天板12の上方へ引き出され、さらに、サーバ1の他方の側(一般にこの他方の側がサーバのリア側となる)へ引き出されて、図示しないコンプレッサ等の冷熱源に接続されている。すなわち、冷却部32へ冷却媒体を循環させる循環ループの一部をなす前記供給配管7と排出配管8とが、前記筐体11の天板12の上方の空間を利用して敷設されている。
前記ユニット31より他方の側寄りには、ハードディスクドライブ41が設けられ、図示例では、ハードディスクドライブ41に接続される各種のコネクタ等を備えた基板である、バックプレーン42を前記一方の側に向けて配置されている。
前記ハードディスクドライブ41の他方の側寄りには、ハードディスクドライブ41との間に間隔をおいてファン5が設けられている。このファン5により、一方の側から他方の側へ向かう冷却空気の気流が生じるよう構成されている。すなわち前記ファン5により、図2、3の矢印a方向に吸い込まれた外気がサーバ1内を通過しながらPCIカード21、電源ユニット22、ユニット31、バックプレーン42、ハードディスクドライブ41を冷却し、矢印b方向にサーバ1の外へ排出される構成となっている。
前記ハードディスクドライブ41とファン5との間には、冷却空気の流れ方向へ(図2上から下〜図3の左から右 以下同じ)所定の間隔が設けられており、この間隔に、前記供給配管7から分岐して排出配管8に到る分岐配管91が設けられている。すなわち、この分岐配管91により、冷却部32へ冷却媒体の循環ループの一部がサーバ1の筐体11内の冷却空気の流路の一部へ引き回されて、この引き回し経路に相当する領域が排気冷却部92となっている。
前記筐体11の上部には、レール14が冷却空気の流れ方向に沿って設けられており、このレール14により、前記ファン5が前記サーバ1の一方の側と他方の側との間で移動可能に支持されている。すなわち前記ファン5は、図3に示すように筐体11に収容した状態と、図4に示すように、筐体11から引き出した状態との間で移動可能に支持されている。すなわちサーバ1と分離して、排気92冷却部およびファン5を引き出すことで、汎用サーバで必要なフロント側のCPU、メモリ等を有するユニットへのアクセスを容易にすることができるよう配慮されている。
また符号93は温度センサーであって、この温度センサー93は、前記一方の側から吸い込まれる冷却空気の温度を検出し、また、温度センサー94は、前記ハードディスクドライブ41より下流側の位置で冷却空気の温度を検出している。すなわち、これら温度センサー93、94により、筐体11内の発熱体と熱交換する前後の冷却空気の温度を測定することができるようになっている。また、前記ファン制御部51は、前記温度センサー93、94から供給された空気の温度情報を元に、前記ファン5の回転数を制御する。
上記構成のサーバ1にあっては、ファン5によって、図2、3の矢印a方向から取り込んだ冷却空気を矢印b方向へ排出することにより、筐体11内のPCIカード21、電源ユニット22、CPU、メモリ等を備えたユニット31、ハードディスク41およびバックプレーン42を冷却することができる。
また、供給配管7、排出配管8を有する冷却媒体の循環ループを経由して冷却媒体を冷却部32に循環させることにより、該冷却部32に取り付けられたユニット31内のCPU、メモリ等の発熱部品をより強力に冷却することができる。また前記循環ループを構成する配管の一部を分岐配管としてファン5とハードディスクドライブ41との間に引き回すことにより、筐体11内の各機器の熱を吸収してファン5に吸い込まれる空気を冷却することができる。すなわち、ファン5の吸気を冷却することにより、ファン5からサーバ室は排出される空気の温度を下げて、サーバ室の空調への負荷を軽減することができる。
また前記ファン制御部51によるファン5の冷却能力の制御(回転の制御)は、下記のようにして行われる。
ファン制御部51は、起動するとまず、中間の回転率である50%でファン5を動作させる。次いで、温度センサー93と温度センサー94により測定された吸気、排気の温度を一定の周期(例えば10秒周期)で読み出す。
前記ファン制御部51は、サーバ1の電源状況に依らず、図8のテーブルに示す温度と回転率との関係を示すテーブルを元にファン5の回転率を決定し、ファン5を動作させる。
ここに、テーブルの「雰囲気温度T℃」を、サーバの吸気側の温度ンサー93の読み出し値と定義する。またテーブルの「排気温度差分Δt℃」を排気冷却部の吸気位置のセンサー94の読み出し値とサーバの吸気位置のセンサー93の読み出し値との差と定義する。
すなわち、これらの定義に基づくファン5の制御の概要について説明すれば、テーブルの縦軸は、雰囲気温度Tが35℃以上と非常に高い場合から、20℃から25℃のいわゆる常温の場合、さらには、常温よりやや低温の場合、15℃以下のさらに低温の場合までの外気温度(あるいは空調されたサーバ室の室温)を示し、横軸は、吸気側の温度センサー93と排気側の温度センサーとの温度差tが、1℃以下から7℃以上までの各場合を示している。前記ファン制御部51は、テーブルに示すような外気温度Tと温度差tとの組み合わせに基づいて、ファン5の負荷(最大出力を100%とする出力の割合)を制御する。
例えば、外気温が非常に高い T>35℃の場合であっても、吸気側より排気側の温度がやや高いか低い場合(t≦1℃)には、ファンを70%程度で運転し、5℃≦t≦7℃程度以上の温度上昇が検出された場合には、ファンを100%負荷で運転する。なお、t≦0℃といった、吸気側より排気側の温度が低くなる現象は、冷却部32に供給される冷却媒体による冷却が十分に、あるいは過剰に行われることによって発生し得る。
また、ファン制御部51は、外気温が常温程度の20℃<T≦25℃の場合には、t>7と排気側の温度が非常に高くなった場合にあってもファン5の負荷が90%程度となるように制御する。より高い外気温の場合において、さらにファン5の負荷を上げることができる余裕を持たせるためである。
また、ファン制御部51は、外気温が十分に低いT≦15の場合には、t≦1に対して20%程度の負荷となるようにファンを制御する。なお20%程度の負荷で運転する理由は、ファン5を負荷20%程度のいわゆるアイドリング運転で維持することにより、ファン5を停止状態から起動しようとする場合のタイムラグや、過負荷減少を防止するためである。
なお、テーブルに示す外気温Tと温度差tとの組み合わせを超える温度条件となった場合には、循環ループを流れる冷却媒体の温度、流量の調整により、あるいは、一時的にサーバ1の演算負荷を制限することにより、サーバ1内の電子機器の温度上昇を抑制することが望ましい。
(第2実施形態)
図5〜図7を参照して、本発明を2ユニット4ノードのサーバに適用した第2実施形態について説明する。なお、図5〜図7において、図1〜図4と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を簡略化する。
第2実施形態のサーバは、図6に示すように、フロント側から、バードディスクドライブ41、バックプレーン42、ファン5が配置され、上下二段に配置されたノードN1〜N4(図5参照)の各々は、CPU、メモリ等を有するユニット31、PCIカード21を有する。また各ノードN1〜N4には、電源ユニット22から,電源を分配して供給するPDB(Power Distribution Board)23によって分配された電力が供給される。この実施形態にあっては、複数のノードN1〜N4から構成されることに伴ってPDB23が必須であることから、特に高密度化されていて、冷却空気を流通させるための空間が小さくなっている。
この第2実施形態にあっては、第1実施形態と同様、ファン5によって、図6、7の矢印a方向から取り込んだ冷却空気を矢印b方向へ排出することにより、筐体11内のPCIカード、電源ユニット22、CPU、メモリ等を備えたユニット31、ハードディスク41およびバックプレーン42を冷却することができる。
また、供給配管7、排出配管8を有する冷却媒体の循環ループを経由して冷却媒体を冷却部32に循環させることにより、該冷却部32に取り付けられたユニット31内のCPU、メモリ等の発熱部品をより強力に冷却することができる。また前記循環ループを構成する配管の一部を分岐配管としてファン5とハードディスクドライブ41との間に引き回すことにより、筐体11内の各機器の熱を吸収してファン5に吸い込まれる空気を冷却することができる。すなわち、ファン5の吸気を冷却することにより、ファン5からサーバ室は排出される空気の温度を下げて、サーバ室の空調への負荷を軽減することができる。
この第2実施形態にあっては、図5に示すように、PCIカード21が上下に4基配置され、また、これらに多数のケーブル等が接続されるため、リア側の隙間が非常に小さくなっているにもかかわらず、バックプレーン42の存在によって、矢印a方向から吸入されて矢印b方向へ排出される冷却空気の流れが妨げられても排気冷却部92により冷却空気の温度を下げることができる。
上記第1、第2実施形態の冷却装置、およびこれを備えたサーバ等の電子機器は、専用設計が不要で、汎用のサーバを使用して実現可能なため、水冷化の開発のコストを抑えることができる。
また、DLCによる冷却機構と、排気の冷却機構を併せ持つことで、PCIカードのような後付け部品の熱も低コストで取り除くことができる。
またCDUやマニフォールド等、冷却媒体を循環させる配管の敷設に伴って必要となる付帯設備をDLCと共有できるため、もともとDLCを備えている冷却装置において、大規模な設備の追加、改造を伴うことなく、低コストで実現することが可能となる。
本発明を適用することができる電子機器は上記実施形態に限定されるものではなく、ファンによる冷却空気の流通と、冷却媒体を用いた冷却とを併用した冷却装置を有する電子機器に適用して、ファンからの排気温度上昇の抑制、ひいてはサーバ室の温度上昇の抑制に寄与することができる。例えば、冷却対象となるユニットに搭載されるCPU、メモリ、等の回路素子の変更、発熱部品に装着される放熱フィン、放熱板の変更、冷媒による冷却方式における潜熱、顕熱の利用の程度等が変更された場合にも本発明を適用することができるのは、もちろんである。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
本発明は、サーバ等の電子機器の冷却装置、これを備えた電子機器、および、冷却方法に利用することができる。
1 サーバ
2 インターフェイス部
3 第1の電子機器
4 第2の電子機器
5 ファン
6 冷却部
7 供給配管
8 排出配管
11 筐体
12 天板
13 開口部
14 レール
21 PCIカード
22 電源ユニット
23 PDB
31 ユニット
32 冷却部
41 ハードディスクドライブ
42 バックプレーン
51 ファン制御部
91 分岐配管
92 排気冷却部
93、94 温度センサー

Claims (9)

  1. 一方の側から取り込んだ冷却空気を、外部機器と電気的に接続されたインターフェイス部と、該インターフェイス部との間でデータを授受するする第1の電子機器と、該第1の電子機器との間データを授受する第2の電子機器と、これらインターフェイス部、第1の電子機器、第2の電子機器を通過した空気を取り込んで前記一方の側とは反対側の他方の側へ排出するファンと、を備えたサーバに設けられるサーバ冷却装置であって、
    前記第1の電子機器を冷却媒体との熱交換により冷却する冷却部と、
    該冷却部へ冷却媒体を供給する供給配管と、
    前記冷却部において熱を吸収した冷却媒体を排出する排出配管と、
    を有し、
    前記供給配管、排出配管を流れる冷却媒体の循環経路の少なくとも一部が前記第2の電子機器とファンとの間に配置された、
    サーバ冷却装置。
  2. 前記第1の電子機器は前記第2の電子機器より高温となる、請求項1に記載のサーバ冷却装置。
  3. 前記第1の電子機器から熱を吸収した冷却媒体が流れる前記排出配管の経路の一部を前記第2の電子機器とファンとの間の空間に配置した、請求項2に記載のサーバ冷却装置。
  4. さらに、前記インターフェイス部の入口の空気の温度と、前記ファンから排出される空気の温度とによって、前記ファンの回転数を制御する制御部を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のサーバ冷却装置。
  5. 前記制御部は、前記インターフェイス部の入口の空気の温度と、このインターフェイス部の入口の空気の温度と前記ファンから排出される空気の温度との温度差と、の組み合わせによって前記ファンの回転数を制御する、請求項4に記載のサーバ冷却装置。
  6. 前記第2の電子機器、ファンの上方位置に、前記一方の側から他方の側へ向けて支持レールが設けられ、該支持レールによって前記ファンが支持された、請求項1〜5のいずれか1項に記載のサーバ冷却装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のサーバ冷却装置と、
    前記インターフェイス部と、前記第1の電子機器と、前記第2の電子機器と、前記ファンと、
    を有する電子機器。
  8. 外部機器と電気的に接続されたインターフェイス部の側から取り込んだ空気を、該インターフェイス部との間でデータを授受するする第1の電子機器と、該第1の電子機器との間データを授受する第2の電子機器とを経由して前記インターフェイス部と反対側へ排出する工程と、
    前記第1の電子機器へ前記空気とは異なる冷却媒体を供給して、前記第1の電子機器と熱交換させるとともに、熱交換された冷却媒体を排出する工程と、
    前記冷却媒体が流れる経路の途中で前記第2の電子機器から排出された空気と熱交換させる工程と、
    を有するサーバ冷却方法。
  9. 前記インターフェイス部の入口の空気の温度と、このインターフェイス部の入口の空気の温度と前記第2の電子機器の出口の空気の温度との温度差と、の組み合わせによって前記空気の流量を制御する請求項8に記載のサーバ冷却方法。
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