JP6217885B1 - 液浸槽および液浸槽を有する装置 - Google Patents

Abstract

本願は、樹脂製でありながら冷媒の荷重に耐えて寸法精度も維持できる液浸槽を開示する。本願で開示する液浸槽は、電子機器を収容可能であり、フッ素系絶縁性冷媒で満たされる槽本体と、槽本体の内壁面に設けられており、電子機器が固定される固定部と、を備え、槽本体は、フッ素系絶縁性冷媒に浸漬された際の体積変化率が２％以下で且つ線膨張係数が１５×１０−５／Ｋ以下の樹脂材料で形成される。

Description

本願は、液浸槽および液浸槽を有する装置に関する。

電子機器には様々な冷却手段が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

特許第５８５３０７２号公報

データセンタにあるサーバ等の電子機器では、搭載される集積回路の集積密度や電子部品の実装密度が高密度化され、また、処理するデータ量も増大している。これに伴い、電子機器の発熱量も増大の一途を辿っており、効率的な冷却技術の実現が望まれている。電子機器を冷却する方法としては、長年用いられてきた冷却ファンによる強制空冷方式の他、近年開発が進められている電子機器を液体の冷媒に浸漬する液浸冷却方式がある。

電子機器を液浸する液冷用の冷媒としては様々なものが挙げられるが、絶縁性があって熱輸送効率に優れ、液浸槽から引き出された電子機器に殆ど残留しない冷媒としては、例えば、フッ素系絶縁性冷媒が挙げられる。フッ素系絶縁性冷媒の比重は様々であるが、何れも水の比重より大きい（例えば、１．８ｇ／ｃｍ^２等）。よって、電子機器が内蔵されており、フッ素系絶縁性冷媒で満たされた液浸槽は、建物の中に設置される物品としては重量の比較的大きいものとなる。しかし、建物の床には、耐荷重の上限が定められている。よって、設置する液浸槽の数や大きさによっては、液浸槽の軽量化が求められる。

液体を蓄える槽を構成する素材としては、金属、樹脂、その他各種の素材が考えられる。しかし、液浸槽は、蓄える冷媒の荷重に耐え、内蔵される電子機器を固定する部位の寸法精度を維持することが求められる。よって、冷媒の荷重に耐えて寸法精度を維持するのに好適なステンレス鋼等の金属を採用することが考えられるが、金属の質量は樹脂の質量より大きいため、上述したような液浸槽の軽量化が難しい。

そこで、本願は、樹脂製でありながら冷媒の荷重に耐えて寸法精度も維持できる液浸槽を開示する。

本願で開示する液浸槽は、電子機器を収容可能であり、フッ素系絶縁性冷媒で満たされる槽本体と、槽本体の内壁面に設けられており、電子機器が固定される固定部と、を備え、槽本体は、フッ素系絶縁性冷媒に浸漬された際の体積変化率が２％以下で且つ線膨張係数が１５×１０^−５／Ｋ以下の樹脂材料で形成される。

また、本願で開示する液浸槽を有する装置は、電子機器と、電子機器が収容されており、フッ素系絶縁性冷媒で満たされる槽本体と、槽本体の内壁面に設けられており、電子機器が固定される固定部と、を備え、槽本体は、フッ素系絶縁性冷媒に浸漬された際の体積変化率が２％以下で且つ線膨張係数が１５×１０^−５／Ｋ以下の樹脂材料で形成される。

上記の液浸槽および液浸槽を有する装置であれば、樹脂製でありながら冷媒の荷重に耐えて寸法精度も維持できる。

図１は、実施形態に係る電子機器の液浸槽を示した第１の斜視図である。 図２は、第１の斜視図とは反対方向から実施形態に係る電子機器の液浸槽を示した第２の斜視図である。 図３は、電子機器を収容した状態の液浸槽を示した図である。 図４は、電子機器の冷却システムを示した図である。 図５は、フッ素系絶縁性冷媒の浸透や樹脂成分の溶出によって槽本体の物性が変化した場合をイメージした図である。 図６は、槽本体の形成に用いる樹脂の確認方法を示した図である。 図７は、樹脂の選定条件を定量的に示したグラフである。 図８は、槽本体の材料の適合結果の一例を示した図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る電子機器の液浸槽を示した第１の斜視図である。また、図２は、第１の斜視図とは反対方向から実施形態に係る電子機器の液浸槽を示した第２の斜視図である。液浸槽１は、液体の冷媒が入る樹脂製の槽本体２を備える。槽本体２には、冷媒に液浸された電子機器が収容される。電子機器は、作動中に冷却することが好ましい機器であり、例えば、サーバ、データベース、通信機器、医療や各種実験設備用の電子機器、その他の様々な電子機器が適用可能である。槽本体２には、冷媒を槽本体２の内外で強制循環させるポンプ付きの循環経路と接続するための接続口３が適当な箇所に設けられている。

槽本体２の内壁面には、電子機器を固定するための段差４（本願でいう「固定部」の一例である）が設けられている。段差４は、電子機器の金属部品と接触する部位なので、槽本体２を形成する樹脂に埋め込まれ或いは取り付けられた金属部品で形成されていてもよいし、槽本体２を形成する樹脂で形成されていてもよい。段差４には、電子機器の端部が嵌る窪み５が設けられている。窪み５は、槽本体２内で対向する２つの内壁面に各々設けられている。そして、１つの電子機器の端部が一対の窪み５に嵌るようになっている。一対の窪み５は、槽本体２に収容可能な電子機器の台数分設けられている。

槽本体２の外壁面には、横方向に形成されるリブ６が設けられている。リブ６は、槽本体２の内壁面を形成する板状の部位を補強し、槽本体２の内壁面が槽本体２の外側へ撓むのを抑制する。なお、図１と図２では、平行する２つのリブ６が槽本体２の外壁面に図示されているが、リブ６の数や形状は適宜変更可能である。また、槽本体２の壁面を形成する板状の部位が適当な強度を有していれば、リブ６は省略されていてもよい。

槽本体２の上部に設けられた開口部７には、槽本体２に収容された電子機器のメンテナンスを可能にするため、開口部７に取り付ける蓋を固定するためのフランジ８が備わっている。槽本体２は、冷媒が沸騰することを前提としない液冷式の冷却機構として用いられることを前提としているため、いわゆる圧力容器のような耐圧性能は有しない。しかし、冷媒の揮散を防ぐため、通常、槽本体２の開口部７は、気密性の蓋によって閉鎖される。

図３は、電子機器を収容した状態の液浸槽１を示した図である。電子機器９は、槽本体２内に複数収容されており、段差４にネジで固定される。また、槽本体２の開口部７は、例えば透明な板で形成された窓を有する蓋１０で密閉される。槽本体２の接続口３には、槽本体２の内部を満たす冷媒を循環させる循環経路の配管１１が接続される。

図４は、電子機器の冷却システム（本願でいう「液浸槽を有する装置」の一例である）を示した図である。冷却システム１９は、電子機器９を収容した液浸槽１、液浸槽１の冷媒が循環する循環経路１２、循環経路１２の冷媒を冷却するチラーユニット１３を備える。循環経路１２には、冷媒を強制循環させる電動のポンプ１４が備わっている。また、循環経路１２は、チラーユニット１３に備わる熱交換機１５のチューブ内を通過するように形成されている。チラーユニット１３は、熱交換機１５の他、冷凍サイクルを形成するコンプレッサ１６、及び、図示しない膨張弁と凝縮器を有する。

上記の液浸槽１に入る冷媒としては、導電性の部材に触れても漏電しない絶縁性の様々な液体が適用可能である。しかし、電子機器のメンテナンス等を考慮すると、合成オイル系の冷媒よりも電子機器に残留しにくいフッ素系絶縁性冷媒が望ましい。フッ素系絶縁性冷媒としては、例えば、３Ｍ社の商品名「フロリナート」（登録商標）やソルベイ社の商品名「ガルデン」（登録商標）が挙げられる。ところが、液浸槽１を軽量化するために槽本体２を樹脂で形成しようとする場合、これらのフッ素系絶縁性冷媒が樹脂の中に浸透したり、樹脂の成分がフッ素系絶縁性冷媒中に溶出したりすることがある。フッ素系絶縁性冷媒が樹脂の中に浸透すると、槽本体２の体積が増え、電子機器９を固定する段差４等の寸法精度が低下する。また、樹脂の成分がフッ素系絶縁性冷媒中に溶出すると、槽本体２の強度が低下する。

なお、図４では、液浸槽１とチラーユニット１３が１つずつ図示されているが、冷却システム１９は、適宜の台数の液浸槽１およびチラーユニット１３を有していてもよい。

図５は、フッ素系絶縁性冷媒の浸透や樹脂成分の溶出によって槽本体２の物性が変化した場合をイメージした図である。例えば、フッ素系絶縁性冷媒の浸透や樹脂成分の溶出によって槽本体２の物性が変化すると、電子機器９の発熱で液浸槽１の温度が上昇した場合に、槽本体２の壁面を形成する板状の部位が、冷媒の荷重を受けて槽本体２の外側へ撓む可能性が高まる。槽本体２が撓むと、電子機器９が固定される段差４の寸法が変化し、電子機器９を固定するネジ等の位置合わせに支障が生ずる可能性がある。そこで、本実施形態では、以下の基準に従って選定された樹脂で槽本体２を形成する。

図６は、槽本体２の形成に用いる樹脂の確認方法を示した図である。槽本体２の形成に用いる樹脂の選定は、例えば、図６に示されるように、電子機器９を模擬した電気亜鉛鋼板（ＳＥＣＣ）の金属製ピース２０と、槽本体２に用いる樹脂を模擬した樹脂製のテストピース２１を用意する。金属製ピース２０とテストピース２１には、電子機器９の取付部分に設けられている２つの固定穴に合わせた間隔（例えば、米国電子工業会（ＥＩＡ）の規格で定められている１９インチラックの固定穴の間隔である４６５ｍｍ）でネジ用の穴１７，１８が設けられている。本確認方法においては、液浸槽１に入れるフッ素系絶縁性冷媒にテストピース２１を浸漬した状態で熱を加え、液浸槽１の耐用年数相当（例えば、５年）の加速試験を実施する。加速試験後のテストピース２１を金属製ピース２０と重ね合わせ、穴１７，１８に通したネジで組み合わせ可能であるか否かを確認する。

図７は、樹脂の選定条件を定量的に示したグラフである。冷媒の温度が０℃から６０℃の間で変化する液浸槽１内に、固定穴の間隔が４６５ｍｍの電子機器９が収容される場合、フッ素系絶縁性冷媒に浸漬した状態における体積変化率が２％より大きい樹脂、或いは、線膨張係数が１５×１０^−５／Ｋより大きい樹脂は、槽本体２を形成する樹脂に適合しない。様々な樹脂で上記テストピース２１を作成して加速試験を行い、槽本体２の材料に適合するものを調べた結果を図８の表に示す。

槽本体２を形成する樹脂の候補としては、例えば、ＰＶＣ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＥ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＡＢＳ（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＰＯ（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ）、ＰＰＳ（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリスチロール、エポキシガラス、ナイロン６、ナイロン６６、フェノール、ＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＦＥＰ（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）等が挙げられるが、これらのうち少なくともＰＶＣとＰＥについては槽本体２の形成に適用できることが確認された。もっとも、本実施形態で開示する槽本体２は、ＰＶＣまたはＰＥで形成されたものに限定されるものではなく、フッ素系絶縁性冷媒に浸漬された際の体積変化率が２％以下で且つ線膨張係数が１５×１０^−５／Ｋ以下となるあらゆる樹脂材料を適用可能である。

データセンタにあるサーバ等の電子機器では、搭載される集積回路の集積密度や電子部品の実装密度が高密度化され、また、処理するデータ量も増大している。この点、上記の冷却システム１９であれば、電子機器９を液体の冷媒に液浸して冷却しているため、空冷方式よりも効率的に冷却でき、電子機器９の冷却に消費される電力を削減できる。

そして、上記の冷却システム１９に用いる液浸槽１は、樹脂製の槽本体２を用いているため、金属製の槽本体を用いる場合に比べて大幅な軽量化が可能である。例えば、約２００ｋｇの槽本体と同等のものを樹脂で形成した場合、重量を半分以下の約６０ｋｇ程度にすることができる。液浸方式の冷却システムでは、液体の冷媒を用いているので、設置する床面の耐荷重に対する配慮が求められる。例えば、データセンタとして用いられる建物の床の耐荷重が１０００ｋｇ／ｍ^２なのに対し、オフィスとして用いられる建物の床の耐荷重は２００ｋｇ／ｍ^２であり、冷却システムの軽量化が望まれる。上記の液浸槽１であれば、槽本体２が従来よりも遥かに軽量なため、耐荷重の比較的低い床に設置することも可能である。

１・・液浸槽：２・・槽本体：３・・接続口：４・・段差：５・・窪み：６・・リブ：７・・開口部：８・・フランジ：９・・電子機器：１０・・蓋：１１・・配管：１２・・循環経路：１３・・チラーユニット：１４・・ポンプ：１５・・熱交換機：１６・・コンプレッサ：１７，１８・・穴：１９・・冷却システム：２０・・金属製ピース：２１・・テストピース

Claims (8)

1. 電子機器を収容可能であり、フッ素系絶縁性冷媒で満たされる槽本体と、
   前記槽本体の内壁面に設けられており、前記電子機器が固定される固定部と、を備え、
   前記槽本体は、前記フッ素系絶縁性冷媒に浸漬された際の体積変化率が２％以下で且つ線膨張係数が１５×１０^−５／Ｋ以下の樹脂材料で形成される、液浸槽。
2. 前記固定部は、前記槽本体内で対向する２つの内壁面に設けられており、
   前記電子機器は、前記２つの内壁面に設けられた前記固定部に固定される、
   請求項１に記載の液浸槽。
3. 前記槽本体の外壁面において横方向に形成されるリブを更に備える、
   請求項１または２に記載の液浸槽。
4. 前記槽本体は、前記電子機器を上方から挿抜可能な開口部を有しており、
   前記固定部は、前記開口部に沿いに設けられる、
   請求項１から３の何れか一項に記載の液浸槽。
5. 電子機器と、
   前記電子機器が収容されており、フッ素系絶縁性冷媒で満たされる槽本体、及び、前記槽本体の内壁面に設けられており、前記電子機器が固定される固定部を備えた液浸槽と、を有し、
   前記槽本体は、前記フッ素系絶縁性冷媒に浸漬された際の体積変化率が２％以下で且つ線膨張係数が１５×１０^−５／Ｋ以下の樹脂材料で形成される、
   装置。
6. 前記固定部は、前記槽本体内で対向する２つの内壁面に設けられており、
   前記電子機器は、前記２つの内壁面に設けられた前記固定部に固定される、
   請求項５に記載の液浸槽を有する装置。
7. 前記槽本体の外壁面において横方向に形成されるリブを更に備える、
   請求項５または６に記載の液浸槽を有する装置。
8. 前記槽本体は、前記電子機器を上方から挿抜可能な開口部を有しており、
   前記固定部は、前記開口部に沿いに設けられる、
   請求項５から７の何れか一項に記載の液浸槽を有する装置。

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