JP6652018B2 - 液浸槽及び液浸冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、液浸槽及び液浸冷却装置に関する。

近年、データセンターにおいて、サーバやストレージ等の電子機器を高密度に実装することが要求されている。一方、電子機器の高性能化にともない、電子機器の発熱量が増大している。

発熱量が大きい電子機器を高密度に実装すると、電子機器の温度が許容上限温度を超えてしまい、誤動作や故障の原因となる。そのため、発熱量が大きい電子機器を高密度に実装しても十分に冷却できる冷却方法が要求されている。

そのような冷却方法の一つとして、電子機器を液体の冷媒中に浸漬して冷却することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この種の冷却方法では、液浸槽内に冷媒を入れ、冷媒中に電子機器を浸漬して、液浸槽と熱交換器との間で冷媒を循環させている。冷媒には、例えばフッ化炭素化合物等の絶縁性が高い液体が使用される。

電子機器で発生した熱は、冷媒を介して熱交換器に送られ、熱交換器から外部に排出される。一方、熱交換器を通ることにより温度が低下した冷媒は、液浸槽に戻される。

ＷＯ２０１６／０８８２８０

液浸槽中の冷媒は、電子機器により暖められると上昇する。そのため、電子機器から排出された熱を効率よく熱交換器に輸送するために、液浸槽の冷媒排出口を、冷媒の液面近傍（液面よりも若干下）に配置している。しかし、設備の拡大や縮小、又は電子機器のメンテナンス等にともない、液浸槽中に浸漬する電子機器の数が増減し、それにより液浸槽内の冷媒の液面高さが変化することがある。液浸槽内の冷媒の液面高さが変化すると、液面近くの高温の冷媒を熱交換器に輸送することができなくなって、その結果電子機器の冷却効率が低くなる。

開示の技術は、冷媒の液面高さが変化しても冷却効率の低下が回避できる液浸槽及び液浸冷却装置を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、液体の冷媒と前記冷媒中に浸漬する電子機器とを入れる液浸槽本体と、前記液浸槽本体に設けられた冷媒入口及び冷媒出口と、前記液浸槽本体内の前記冷媒の液面に浮かぶ冷媒排出部と、前記冷媒出口と前記冷媒排出部との間を接続し、前記液面の高さの変動による前記冷媒排出部の移動にともなって湾曲するホースとを有する液浸槽が提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、液体の冷媒と前記冷媒中に浸漬する電子機器とを入れる液浸槽と、熱交換器と、前記液浸槽と前記熱交換器との間に前記冷媒を循環させるポンプと、前記液浸槽内に配置されて前記冷媒の液面に浮かぶ冷媒排出部と、前記液浸槽の冷媒出口と前記冷媒排出部との間を接続し、前記液面の高さの変動による前記冷媒排出部の移動にともなって湾曲するホースとを有する液浸冷却装置が提供される。

上記の液浸槽及び液浸冷却装置によれば、冷媒の液面高さが変化しても、冷却効率の低下が回避できる。

図１は、液浸冷却装置の一例を示す模式図である。 図２（ａ）は液浸槽内の電子機器の増加により冷媒の液面の位置が高くなった状態を示す模式図、図２（ｂ）は液浸槽内の電子機器の減少により冷媒の液面の位置が低くなった状態を示す模式図である。 図３は、第１の実施形態に係る液浸冷却装置の構成を示す模式図である。 図４は、冷媒排出部の断面図である。 図５（ａ）は液浸槽内の電子機器の増加により冷媒の液面の位置が高くなった状態を示す模式図、図５（ｂ）は液浸槽内の電子機器の減少により冷媒の液面の位置が低くなった状態を模式図である 図６（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に係る液浸冷却装置の液浸槽を示す模式図である。 図７（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態の変形例を示す図である。 図８は、第３の実施形態に係る液浸冷却装置を示す模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１は、液浸冷却装置の一例を示す模式図である。

図１に示す液浸冷却装置１０は、液浸槽１１と、ポンプ１２と、熱交換器１３とを有している。液浸槽１１中には液体の冷媒１４が入れられており、冷媒１４中には電子機器１６が浸漬されている。液浸槽１１の下側には冷媒入口１１ａが設けられており、液面よりも若干下側の位置に冷媒出口１１ｂが設けられている。

液浸槽１１の冷媒入口１１ａは配管１５ａを介してポンプ１２の吐出口（デリバリ）に接続されており、ポンプ１２の吸引口（サクション）は配管１５ｂを介して熱交換器１３の冷媒出口１３ｂに接続されている。また、液浸槽１１の冷媒出口１１ｂは、配管１５ｃを介して熱交換器１３の冷媒入口１３ａに接続されている。

熱交換器１３には、冷媒入口１３ａと冷媒出口１３ｂとの間を連絡する冷媒流路（図示せず）と、冷却水が供給される冷却水入口１３ｃと、冷却水が排出される冷却水出口１３ｄとが設けられている。

このように構成された液浸冷却装置１０において、ポンプ１２が稼働すると、液浸槽１１と熱交換器１３との間を冷媒１４が循環する。液浸槽１１の冷媒入口１１ａは下側にあり、冷媒出口１１ｂは上側にあるので、液浸槽１１内には下から上に向かう冷媒１４の流れが形成される。

電子機器１６の稼働にともなって発生した熱により、電子機器１６の周囲の冷媒１４が暖められる。この暖められた冷媒１４は、液浸槽１１内を上昇し、冷媒出口１１ｂから配管１５ｃを通って熱交換器１３に送られる。

熱交換器１３では、冷却水入口１３ｃから供給される冷却水により、冷媒流路を通る冷媒１４が冷却される。そして、熱交換器１３を通ることで温度が低下した冷媒１４は、冷媒出口１３ｂから配管１５ｂ、ポンプ１２、及び配管１５ａを通って、冷媒入口１３ａから液浸槽１１内に戻る。

ところで、設備の拡大や縮小、又は電子機器１６のメンテナンス等にともない、液浸槽１１内の電子機器１６の数が変化する。

液浸槽１１内の電子機器１６の数が増えた場合は、例えば図２（ａ）に示すように液浸槽１１内の冷媒１４の液面の位置が高くなる。一般的に、温度が高くなるほど冷媒１４の比重は小さくなるため、液面に近い冷媒１４ほど温度が高くなる。従って、図２（ａ）のように冷媒１４の液面の高さが高くなると、液浸槽１１の冷媒出口１１ｂ付近の冷媒１４の温度は、液面近くの冷媒１４の温度よりも低くなり、熱交換器１３に送られる冷媒１４の温度が低下する。

一方、液浸槽１１内の電子機器１６の数が減少した場合は、例えば図２（ｂ）に示すように液浸槽１１内の冷媒１４の液面の位置が低くなる。そうすると、冷媒出口１１ｂが空気中に露出して、熱交換器１３に送られる冷媒１４中に空気が混じってしまう。

どちらの場合も、熱交換器１３の熱交換効率が低下し、電子機器１６の冷却効率が低下してしまう。

以下の実施形態では、冷媒の液面高さが変化しても冷却効率の低下が回避できる液浸冷却装置について説明する。

（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る液浸冷却装置の構成を示す模式図である。

本実施形態に係る液浸冷却装置２０は、液浸槽（液浸槽本体）２１と、ポンプ２２と、熱交換器２３とを有している。

液浸槽２１中には液体の冷媒２４が入れられており、冷媒２４中には電子機器２６が浸漬されている。液浸槽２１の下側には冷媒入口２１ａが設けられており、上側には冷媒出口２１ｂが設けられている。ここでは、冷媒２４としてフッ化炭素化合物を使用するものとする。

液浸槽２１の冷媒入口２１ａは、配管２５ａを介してポンプ２２の吐出口（デリバリ）に接続されており、ポンプ２２の吸引口（サクション）は配管２５ｂを介して熱交換器２３の冷媒出口２３ｂに接続されている。また、液浸槽２１の冷媒出口２１ｂは、配管２５ｃを介して熱交換器２３の冷媒入口２３ａに接続されている。

熱交換器２３には、冷媒入口３２ａと冷媒出口３２ｂとの間を連絡する冷媒流路（図示せず）と、冷却水が供給される冷却水入口２３ｃと、冷却水が排出される冷却水出口２３ｄとが設けられている。

本実施形態では、図３に示すように、液浸槽２１の冷媒出口２１ｂに柔軟性が高く容易に湾曲するホース３１が接続されており、このホース３１の先端は冷媒２４の液面に浮かぶ冷媒排出部３２に接続されている。柔軟性が高く容易に湾曲するホース３１として、例えば蛇腹ホースがある。

図４は冷媒排出部３２の断面図である。この図４に示すように、冷媒排出部３２は、フロート３３ａと、フロート３３ａの下に配置された吸引口部３３ｂとを有している。

フロート３３ａは冷媒２４に浮くものであればよく、例えばステンレスにより形成された中空体を使用することができる。フロート３３ａを、ポリアミド又はポリカーボネート等の樹脂により形成してもよい。

吸引口部３３ｂは、図４に示すようにフロート３３ａの下に配置され、ホース３１が接続されるホース接続部３４ａを有している。また、吸引口部３３ｂの側面及び底面には、冷媒２４を取り入れるための複数の穴３４ｂが設けられている。フロート３３ａと吸引口部３１ｂとは一体的に形成されていてもよく、分離可能な状態で接続されていてもよい。

このように構成された液浸冷却装置２０において、ポンプ２２が稼働すると、液浸槽２１と熱交換器２３との間で冷媒２４が循環する。すなわち、吸引口部３３ｂが吸引口となり、液浸槽２１内の冷媒２４は吸引口部３３ｂからホース３１及び配管２５ｃを通って熱交換器２３に送られる。そして、冷媒２４は、熱交換器２３内の冷媒流路を通る間に冷却水により冷却され、その後ポンプ２２及び配管２５ａを通って、冷媒入口２１ａから液浸槽２１内に戻される。

図５（ａ）は液浸槽２１内の電子機器２６の増加により冷媒２４の液面の位置が高くなった状態を示す模式図、図５（ｂ）は液浸槽２１内の電子機器２６の減少により冷媒２４の液面の位置が低くなった状態を示す模式図である
本実施形態では、前述したように、冷媒２４の液面に浮かぶ冷媒排出部３２が設けられており、液浸槽２１の冷媒出口２１ｂと冷媒排出部３２との間は柔軟性が高いホース３１で接続されている。

このため、冷媒２４の液面が上下すると冷媒排出部３２の位置も上下し、冷媒排出部３２の上下方向の移動にともなってホース３１は容易に湾曲する。そして、冷媒排出部３２により液面近くの高温の冷媒２４が吸引されて、熱交換器２３に送られる。

つまり、本実施形態によれば、冷媒２４の液面高さが変化しても、常に液面近くの高温の冷媒２４が熱交換器２３に送られる。これにより、熱交換器２３の冷熱交換効率の低下が回避され、液浸槽２１内に配置される電子機器２６の数にかかわらず、電子機器２６を常に効率よく冷却できるという効果を奏する。

（第２の実施形態）
液浸冷却装置に使用するフッ化炭素化合物等の冷媒は熱伝導性が比較的低く、電子機器により暖められた冷媒は電子機器の上方に滞留して熱が横方向に拡散しにくい。このため、液浸冷却装置の冷却効率をより一層向上させるためには、冷媒排出部を電子機器の真上に配置することが好ましい。

第２の実施形態では、冷媒の液面の位置が上下しても電子機器の真上に冷媒排出部を配置できる液浸冷却装置について説明する。

図６（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に係る液浸冷却装置の液浸槽を示す模式図である。図６（ａ）は液浸槽２１内において電子機器２６が冷媒出口２１ｂに比較的近い位置に配置された状態を模式的に示し、図６（ｂ）は電子機器２６が冷媒出口２１ｂから比較的遠い位置に配置された状態を模式的に示している。

本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、液浸槽２１の冷媒出口２１ｂと冷媒排出部３２との間を接続するホースが異なることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。そのため、図６（ａ），（ｂ）において図３と同一物には同一符号を付して、第１の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、冷媒出口２１ｂと冷媒排出部３２との間を接続するホース４１として、柔軟性と伸縮性とを具備する蛇腹ホースを使用している。

電子機器２６が冷媒出口２１ｂから比較的近い位置に配置されている場合は、図６（ａ）に示すようにホース４１を縮めることにより、電子機器２６の真上に冷媒排出部３２を配置することができる。

また、電子機器２６が冷媒出口２１ｂから比較的遠い位置に配置されている場合は、図６（ｂ）に示すようにホース４１を伸ばすことにより、電子機器２６の真上に冷媒排出部３２を配置することができる。

本実施形態ではホース４１として柔軟性と伸縮性とを具備する蛇腹ホースを使用しているが、柔軟性を有するホースと、内側の管と外側の管とがスライドして伸縮する構造の伸縮管とを組み合わせて使用してもよい。

（変形例）
図７（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態の変形例を示す図である。図７（ａ）は液浸槽２１内において電子機器２６が冷媒出口２１ｂに比較的近い位置に配置された状態を模式的に示す上面図であり、図７（ｂ）は電子機器２６が冷媒出口２１ｂから比較的遠い位置に配置された状態を模式的に示す上面図である。

図７（ａ），（ｂ）に示す液浸槽２１では、冷媒出口１２ｂと冷媒排出部３２との間を接続するホース４３として、らせん状に旋回することで柔軟性と伸縮性とを付与したホースを使用している。電子機器２６の位置に応じてらせん状のホース４３を伸縮させることにより、冷媒排出部３２を常に電子機器２６の真上に配置することができる。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る液浸冷却装置を示す模式図である。図８は、液浸槽を上から見た状態を示している。本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、液浸槽内に複数の冷媒排出部３２が配置されていることにあり、その他の構成は基本的に第２の実施形態と同様である。そのため、図８において、図６（ａ），（ｂ）と同一物には同一符号を付して、重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、図８に示すように、液浸槽２１の液面に複数（図８では３個）の冷媒排出部３２が浮かんでいる。それらの冷媒排出部３２は、第１の実施形態で説明したように、フロート３３ａと吸引口部３３ｂとを有している（図４参照）。

また、液浸槽２１の冷媒出口２１ｂには集合管４５が接続されている。そして、各冷媒排出部３２と集合管４５との間は、それぞれホース４１で接続されている。それらのホース４１は、第２の実施形態で説明したように、いずれも柔軟性と伸縮性を具備している。

本実施形態では、図８に示すように、液浸槽２１内に配置された電子機器２６の位置に応じて各ホース４１を伸縮させることで、各電子機器２６の真上にそれぞれ冷媒排出部３２を配置できる。これにより、各電子機器２６で暖められた冷媒２４を効率的に熱交換器２３（図３参照）に送ることができ、その結果電子機器２６の冷却効率がより一層向上する。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）液体の冷媒と前記冷媒中に浸漬する電子機器とを入れる液浸槽本体と、
前記液浸槽本体に設けられた冷媒入口及び冷媒出口と、
前記液浸槽本体内の前記冷媒の液面に浮かぶ冷媒排出部と、
前記冷媒出口と前記冷媒排出部との間を接続し、前記液面の高さの変動による前記冷媒排出部の移動にともなって湾曲するホースと
を有することを特徴とする液浸槽。

（付記２）前記冷媒排出部は、前記冷媒の液面に浮かぶフロートと、前記フロートの下に配置されて前記液浸槽本体内の前記冷媒を吸引する際の吸引口となる吸引口部とを有する
ことを特徴とする付記１に記載の液浸槽。

（付記３）前記ホースが、蛇腹ホースであることを特徴とする付記１又は２に記載の液浸槽。

（付記４）前記ホースが、伸縮可能であることを特徴とする付記１又は２に記載の液浸槽。

（付記５）前記冷媒排出部及び前記ホースをそれぞれ複数有することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の液浸槽。

（付記６）前記冷媒入口は前記液浸槽本体の下部に配置され、前記冷媒出口は前記液浸槽本体の上部に配置されていることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の液浸槽。

（付記７）液体の冷媒と前記冷媒中に浸漬する電子機器とを入れる液浸槽と、
熱交換器と、
前記液浸槽と前記熱交換器との間に前記冷媒を循環させるポンプと、
前記液浸槽内に配置されて前記冷媒の液面に浮かぶ冷媒排出部と、
前記液浸槽の冷媒出口と前記冷媒排出部との間を接続し、前記液面の高さの変動による前記冷媒排出部の移動にともなって湾曲するホースと
を有することを特徴とする液浸冷却装置。

（付記８）前記冷媒排出部は、前記冷媒の液面に浮かぶフロートと、前記フロートの下に配置されて前記液浸槽本体内の前記冷媒を吸引する際の吸引口となる吸引口部とを有する
ことを特徴とする付記７に記載の液浸冷却装置。

（付記９）前記ホースが、蛇腹ホースであることを特徴とする付記７又は８に記載の液浸冷却装置。

１０，２０…液浸冷却装置、１１，２１…液浸槽、１１ａ，２１ａ…冷媒入口１１ｂ，２１ｂ…冷媒出口、１２，２２…ポンプ、１３，２３…熱交換器、１４，２４…冷媒、１６，２６…電子機器、３１，４１，４３…ホース、３２…冷媒排出部、３３ａ…フロート、３３ｂ…吸引口部、４５…集合管。

Claims (5)

1. 液体の冷媒と前記冷媒中に浸漬する電子機器とを入れる液浸槽本体と、
   前記液浸槽本体に設けられた冷媒入口及び冷媒出口と、
   前記液浸槽本体内の前記冷媒の液面に浮かぶ冷媒排出部と、
   前記冷媒出口と前記冷媒排出部との間を接続し、前記液面の高さの変動による前記冷媒排出部の移動にともなって湾曲するホースと
   を有することを特徴とする液浸槽。
2. 前記冷媒排出部は、前記冷媒の液面に浮かぶフロートと、前記フロートの下に配置されて前記液浸槽本体内の前記冷媒を吸引する際の吸引口となる吸引口部とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の液浸槽。
3. 前記ホースが、伸縮可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液浸槽。
4. 前記冷媒排出部及び前記ホースをそれぞれ複数有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液浸槽。
5. 液体の冷媒と前記冷媒中に浸漬する電子機器とを入れる液浸槽と、
   熱交換器と、
   前記液浸槽と前記熱交換器との間に前記冷媒を循環させるポンプと、
   前記液浸槽内に配置されて前記冷媒の液面に浮かぶ冷媒排出部と、
   前記液浸槽の冷媒出口と前記冷媒排出部との間を接続し、前記液面の高さの変動による前記冷媒排出部の移動にともなって湾曲するホースと
   を有することを特徴とする液浸冷却装置。

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