JP6788551B2 - Cooling system - Google Patents
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Description
本発明は、冷却装置に関し、より詳細には、電子機器を冷却する装置に関する。 The present invention relates to a cooling device, and more particularly to a device for cooling an electronic device.
情報処理技術と通信技術の発展により、これらの技術を組み合わせた情報通信技術ICT(Information and Communication Technology)サービスが広く利用されている。近年のICTサービスの急速な発展に伴い、ICT装置(情報通信装置)を含む電子機器の発熱量と発熱密度(装置面積あたりの発熱量)が急増している(高発熱密度化)。これら電子機器を収容する情報通信機械室及びデータセンターでは、全体の消費電力の40%程度を装置の冷却に費やしているとされ、冷却効率の向上が求められている。また、上記高発熱密度の電子機器は停電時に冷却機能が停止すると、室温の上昇に伴いシステムが動作保障温度に達してしまう問題がある。 With the development of information processing technology and communication technology, information and communication technology (ICT) services that combine these technologies are widely used. With the rapid development of ICT services in recent years, the heat generation amount and heat generation density (heat generation amount per device area) of electronic devices including ICT devices (information and communication devices) are rapidly increasing (high heat generation density). In the information and communication machine room and the data center that accommodate these electronic devices, it is said that about 40% of the total power consumption is spent on cooling the devices, and improvement of cooling efficiency is required. Further, the electronic device having a high heat generation density has a problem that if the cooling function is stopped during a power failure, the system reaches the guaranteed operating temperature as the room temperature rises.
図1は、空調機器停止時の電子機器の動作許容時間を説明する図である。ここでは電子機器が動作保障温度に達するまでの時間を動作許容時間とする。電子機器の動作保障温度は、準拠する規格等によって、それぞれ異なる。例えば、25℃に制御維持された機器室内のラックに設置された電子機器の動作保障温度の上限値が50℃である場合がある。図1に示すように、停電により機器室の空調機が停止すると、電子機器の動作環境(機器室内の温度およびラック温度)の温度上昇が始まり、やがて動作保障温度(許容温度)に到達し、許容温度を超過する。許容温度を超過すると(動作許容時間を経過すると)、電子機器は停止してしまう。 FIG. 1 is a diagram illustrating an operation allowable time of an electronic device when the air conditioner device is stopped. Here, the time until the electronic device reaches the guaranteed operating temperature is defined as the allowable operating time. The guaranteed operating temperature of electronic devices differs depending on the standards to which they comply. For example, the upper limit of the guaranteed operating temperature of an electronic device installed in a rack in an equipment room controlled and maintained at 25 ° C. may be 50 ° C. As shown in FIG. 1, when the air conditioner in the equipment room is stopped due to a power failure, the temperature of the operating environment of the electronic equipment (temperature in the equipment room and rack temperature) starts to rise, and eventually reaches the guaranteed operating temperature (allowable temperature). The allowable temperature is exceeded. If the permissible temperature is exceeded (after the permissible operation time has passed), the electronic device will stop.
図2は、情報通信機械室における電源構成を説明するための図である。情報通信機械室では一般的に停電時においては、整流器20を介して直流系統に接続されているICT装置30(電子機器30ともいう)は、蓄電池40によりバックアップされているが、空調機50等の冷却システムは商用電力10に接続された交流系統であり基本的には蓄電池を保持していない(図2(a))。機器室の空調機等の冷却システムを停電時においても動作させる場合においては、交流系統に無停電電源供給(Uninterruptible Power Supply:UPS)装置60や蓄電池62を設置するか(図2(b))、または直流系統からコンバータを介して空調動力に利用する方法が考えられる。しかしながら、停電時に機器室の空調機等の冷却システムを稼働させるためには、設備投資コストが増大してしまう懸念がある。特にICT装置においては上述の通り高発熱密度化が顕著であり、ICT装置用の直流系統の蓄電池が枯渇するよりも早く室温が動作保障温度(許容温度)に到達することにより、システムが停止してしまう問題がある。
FIG. 2 is a diagram for explaining a power supply configuration in the information and communication machine room. In the information and communication machine room, in the event of a power failure, the ICT device 30 (also referred to as the electronic device 30) connected to the DC system via the
電子機器の冷却には、従来は空冷式と液冷式が用いられており、これらを組み合わせることで冷却効率の向上が図られてきた。近年においては、水冷または他の絶縁液体(冷却液)を用いた液浸冷却が紹介されている(例えば、非特許文献1参照)。液浸冷却では、冷却液が直接電子機器を冷却するため効率的な局所冷却が可能である。また、通常の空調冷却では電子機器にファンが設置されているが、液浸冷却ではファンが不要なため電子機器自体の消費電力を削減するとともに故障削減による信頼性の向上につながる。 Conventionally, an air-cooled type and a liquid-cooled type have been used for cooling electronic devices, and the cooling efficiency has been improved by combining these. In recent years, immersion cooling using water cooling or another insulating liquid (cooling liquid) has been introduced (see, for example, Non-Patent Document 1). In immersion cooling, efficient local cooling is possible because the coolant directly cools the electronic device. In addition, in normal air-conditioning cooling, a fan is installed in the electronic device, but in immersion cooling, the fan is not required, which reduces the power consumption of the electronic device itself and improves reliability by reducing failures.
しかしながら、従来技術では停電時の電源喪失時に冷却を継続し電子機器の動作許容時間を延長するためには高価なUPSの大量設置が必要である。前述のように通信機械室及びデータセンターの使用電力の40%程度を装置の冷却に使用しているため、その冷却装置のバックアップに必要なコストは甚大なものになってしまう。 However, in the prior art, a large amount of expensive UPS is required to continue cooling and extend the allowable operation time of the electronic device when the power is lost during a power failure. As described above, since about 40% of the electric power used in the communication machine room and the data center is used for cooling the device, the cost required for backing up the cooling device becomes enormous.
また従来技術では収容されている電子機器に対して、データセンターや収容函などの部屋全体を冷却するものであるため、その中に高発熱密度装置が混在した場合には、全体の温度を下げて冷却するか、アイルキャッピング(登録商標)などで高発熱密度装置を囲い込んで運用するか、1ラックあたりの搭載可能発熱量を抑制するかで対応する必要性があり、いずれもコストが増加し、冷却効率の低下を招いてしまう問題がある。 In addition, in the conventional technology, the entire room such as a data center or a storage box is cooled with respect to the stored electronic devices. Therefore, if a high heat generation density device is mixed in the room, the overall temperature is lowered. It is necessary to take measures such as cooling by cooling, enclosing a high heat generation density device with aisle capping (registered trademark), etc., or suppressing the amount of heat that can be mounted per rack, both of which increase the cost. However, there is a problem that the cooling efficiency is lowered.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、停電時などの電源喪失時にも冷却能力を確保し、電子機器の動作許容時間の延長が可能な冷却装置を提供することである。また、本発明は、停電時などの電源喪失時に、電子機器の動作許容時間が電子機器の蓄電池保持時間以上となるような、冷却装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is a cooling device capable of ensuring a cooling capacity even when a power source is lost such as a power failure and extending an allowable operating time of an electronic device. Is to provide. The present invention also provides a cooling device such that the allowable operation time of an electronic device becomes longer than the storage battery holding time of the electronic device in the event of power loss such as a power failure.
このような目的を達成するために、本発明の一形態は、電子機器を収納する電子機器収容ラックと冷却液とを収容する冷却槽と、冷却液を循環するポンプと、冷却液を冷却する熱交換器およびチラーと、を備えた冷却装置であって、冷却槽は、下部に電子機器収容ラックを収容し、上部に冷却液の余剰部分を収容する領域を備え、電子機器は、冷却液の余剰部分を除く部分に浸漬され、且つ電源喪失時に当該電子機器に電力を供給するための蓄電池に接続されており、電源喪失時において、ポンプと熱交換器およびチラーとは停止すると共に、冷却液により、蓄電池から供給された電力で動作している間の電子機器の温度は、当該電子機器の動作保障温度以下に保たれること、及び、当該電子機器の動作許容時間が当該電子機器の当該蓄電池による保持時間以上となることを特徴とする。 In order to achieve such an object, one embodiment of the present invention cools an electronic device accommodating rack for accommodating electronic devices, a cooling tank accommodating a coolant, a pump for circulating the coolant, and the coolant. A cooling device including a heat exchanger and a chiller, wherein the cooling tank has an area for accommodating an electronic equipment accommodating rack in the lower part and an extra portion of the coolant in the upper part, and the electronic equipment is a coolant. It is immersed in the part other than the surplus part of the above and is connected to the storage battery for supplying power to the electronic device when the power is lost. When the power is lost, the pump, the heat exchanger and the chiller are stopped and cooled. The temperature of the electronic device while operating with the power supplied from the storage battery by the liquid is kept below the guaranteed operating temperature of the electronic device , and the allowable operation time of the electronic device is the electronic device. It is characterized in that it exceeds the holding time of the storage battery.
以上説明したように、本発明によれば、停電時において、冷却液の対流により高温になった冷却液は冷却槽上部に移動することにより電子機器が動作保障温度に達するのを蓄電池保持時間より遅らせることが可能である。 As described above, according to the present invention, in the event of a power failure, the coolant that has become hot due to the convection of the coolant moves to the upper part of the cooling tank so that the electronic device reaches the guaranteed operating temperature from the storage battery holding time. It is possible to delay.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一または類似の符号は同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明は省略する。また、以下の説明において、具体的な数値例や材料名等を示すが、本願発明はこれに限定されるものではなく、一般性を失うことなく他の数値や材料を適用して実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or similar reference numerals indicate the same or similar elements, and the repeated description will be omitted. Further, in the following description, specific numerical examples, material names, etc. will be shown, but the present invention is not limited to this, and other numerical values and materials shall be applied without losing generality. Can be done.
本発明の実施形態の冷却装置は、冷却槽を有し、冷却槽には電気絶縁性の冷却液が収容されている。冷却槽には電子機器が収容されたラックが収容され、電子機器が冷却液に浸漬されている。冷却液は電気絶縁性をもつフッ素炭化化合物や合成油とすることができる。冷却槽は熱交換器に接続され、通常時(通電時)はポンプなどを用いて冷却液を循環し電子機器の冷却を行う。電子機器の放熱を吸収した冷却液が上方へ移動するように、冷却槽の下部にラックが収容される。 The cooling device according to the embodiment of the present invention has a cooling tank, and the cooling tank contains an electrically insulating coolant. A rack containing electronic devices is housed in the cooling tank, and the electronic devices are immersed in the coolant. The coolant can be a fluorocarbon compound or synthetic oil having electrical insulation. The cooling tank is connected to a heat exchanger, and normally (when energized), a pump or the like is used to circulate the coolant to cool the electronic equipment. The rack is housed in the lower part of the cooling tank so that the coolant that has absorbed the heat radiation of the electronic device moves upward.
冷却槽は、少なくとも電子機器を浸漬することができる量の冷却液(最小量冷却液)と、電子機器を浸漬することについて余剰となる冷却液の余剰部分(余剰冷却液)とを収容することができる。 The cooling tank shall contain at least an amount of coolant (minimum amount of coolant) capable of immersing the electronic device and a surplus portion of the coolant (surplus coolant) that is surplus for immersing the electronic device. Can be done.
最小量冷却液の量は、設置する電子機器の量に応じて決定される。余剰冷却液の量は、停電時に電子機器から発せられる熱を蓄える事が可能な量であり、電子機器の消費電力と停電時に保持が必要な時間から算出される。 The minimum amount of coolant is determined according to the amount of electronic equipment installed. The amount of excess coolant is an amount capable of storing heat generated from an electronic device during a power failure, and is calculated from the power consumption of the electronic device and the time required to be maintained during a power failure.
ラックに最大収容数の電子機器が収容されているとすると、電子機器を浸漬するための最小量冷却液の量はラックの容積相当となるため、冷却槽は、上部(この場合はラックの上方)に余剰冷却液を収容する領域が設けられる。 Assuming that the rack contains the maximum number of electronic devices, the minimum amount of coolant for immersing the electronic devices is equivalent to the volume of the rack, so the cooling tank is at the top (in this case, above the rack). ) Is provided with an area for accommodating excess coolant.
冷却液の余剰部分(余剰冷却液)により、停電時に電子機器から発せられる熱を蓄える事が可能となり、電子機器の動作許容時間が電子機器の蓄電池保持時間以上とすることが可能となる。したがって、冷却槽は、必要に応じて冷却液で満たされ、場合によっては、余剰冷却液を収容してもなお空気などで満たされる空間ができる。 The surplus portion of the coolant (surplus coolant) makes it possible to store the heat generated from the electronic device in the event of a power failure, and the allowable operating time of the electronic device can be longer than the storage battery holding time of the electronic device. Therefore, the cooling tank is filled with the coolant as needed, and in some cases, even if the excess coolant is accommodated, a space filled with air or the like is created.
図3および4は、本発明の実施形態にかかる冷却機器の構成図である。図3の冷却装置は、冷却槽160と、冷却液を循環するポンプ170と、冷却液を冷却する熱交換器190およびチラー180とを備える。冷却槽160は、電子機器収容ラック140と冷却液150とを収容することができる。電子機器収容ラックは、1つ以上の電子機器30を収納することができる。
3 and 4 are block diagrams of the cooling device according to the embodiment of the present invention. The cooling device of FIG. 3 includes a
冷却槽160、ポンプ170、熱交換器190およびチラー180は、それぞれ商用電力10に接続され交流系統である。他方、電子機器30は、商用電力10に接続された整流器20を介する直流系統であり、整流器20と電子機器30との間には、停電時のバックアップ用の蓄電池40が設けられている。
The
図4を参照すると、冷却槽160は、下部に電子機器収容ラックを収容し、上部に冷却液の余剰部分を収容する領域165を備える。電子機器収容ラックの電子機器の最大収容数は3つである。したがって、電子機器収容ラックに収容された3つの電子機器30(すなわち、電子機器収容ラック140)は、冷却液の最小量冷却液(余剰冷却液以外の部分)に浸漬される。3つの電子機器30の上方(すなわち電子機器収容ラック140の上方)の領域165に収容される冷却液が、余剰冷却液(最小冷却液以外の部分)である。
Referring to FIG. 4, the
3つの電子機器30による消費電力は10kWである。動作保障温度は45℃である。
The power consumption of the three
電子機器収容ラック140は、スチール製とすることができ、容積は420L(幅600mm×高さ1000mm×奥行700mm)でとすることができる。
The electronic device
冷却槽160は、スチールやアルミなどの金属製またはポリカーボネート等の樹脂製とすることができ、容積は2000L(幅1000mm×高さ2000mm×奥行1000mm)である。
The
チラー180は、水を冷却し、熱交換器190へ供給する。チラー180は、例えば、オリオン社製の冷水チラーとすることができる。
The
熱交換器190は、チラー180から供給される冷水により、循環する冷却液150冷却する。熱交換器190は、例えば、アルファラベル社製のプレート式熱交換機とすることができる。
The
冷却液150は、絶縁液体であり、例えば、3M社のPF−5052、フロリナート(登録商標)FC−72、FC−770、FC−3282、FC−4、FC−43などを用いることができる。冷却液150は、ポンプ170により冷却槽160と熱交換器190とを循環する。通常時(電量供給時)における冷却槽160内の冷却液150の温度は、20℃である。例えば、比熱が1050J/kgK、25℃の密度が1700kg/m3であるフロリナートが500Lだけ冷却槽160内に収容されているとすると、10kWの消費電力の電子機器30からの放熱により、冷却液150の温度が動作保障温度(45℃)を超えるはポンプ170の停止(電源喪失)から36分後であるが、フロリナートが1000Lだけ冷却槽160内に収容されているとすると、冷却液150の温度が動作保障温度(45℃)を超えるのは電源喪失から108分後となり、余剰冷却液により電子機器の動作許容時間が拡張される。
The
図5(a)は、冷却液の物性による効果の違いを説明するための図である。図5(c)は、冷却液の物性を示す表である。図5(a)は、フロリナート43とフロリナート72の電源喪失後の温度上昇の様子を示す。電源喪失後の冷却液の温度上昇(Δt)の変化は、密度の高いフロリナート43(実線)が、密度の低いフロリナート72(一点破線)よりも、緩やかであり、より密度の高い冷却液が、電子機器の動作許容時間を拡張できることがわかる。
FIG. 5A is a diagram for explaining the difference in effect depending on the physical properties of the coolant. FIG. 5C is a table showing the physical properties of the coolant. FIG. 5A shows the temperature rise of
図5(b)は、冷却液の量の違いによる温度上昇の違いを示す図である。冷却槽160内にフロリナート43を500Lだけ収容した場合(一点破線)と1500Lだけ収容した場合(実線)の電源喪失後の温度上昇の様子を示す。冷却槽160に収容する冷却液の量を500L(最小量冷却液(420L)よりもわずかに多い量)とした場合に比べ、1500L(最小量冷却液の3倍以上の量)とした場合の方が、電子機器の動作許容時間を拡張できることがわかる。
FIG. 5B is a diagram showing a difference in temperature rise due to a difference in the amount of coolant. The state of the temperature rise after the loss of power supply when only 500 L of
10 商用電力
20 整流器
30 ICT装置、電子機器
40、62 蓄電池
50 空調機
60 無停電電源装置
140 電子機器収容ラック
150 冷却液
160 冷却槽
170 ポンプ
180 チラー
190 熱交換器
10
Claims (2)
前記冷却液を循環するポンプと、
前記冷却液を冷却する熱交換器およびチラーと、
を備えた冷却装置であって、
前記冷却槽は、下部に前記電子機器収容ラックを収容し、上部に前記冷却液の余剰部分を収容する領域を備え、
前記電子機器は、前記冷却液の前記余剰部分を除く部分に浸漬され、且つ電源喪失時に当該電子機器に電力を供給するための蓄電池に接続されており、
電源喪失時において、前記ポンプと前記熱交換器および前記チラーとは停止すると共に、前記冷却液により、前記蓄電池から供給された電力で動作している間の前記電子機器の温度は、当該電子機器の動作保障温度以下に保たれること、及び、当該電子機器の動作許容時間が当該電子機器の当該蓄電池による保持時間以上となること、
を特徴とする冷却装置。 An electronic device storage rack for storing electronic devices, a cooling tank for storing coolant, and
A pump that circulates the coolant and
A heat exchanger and a chiller that cool the coolant,
It is a cooling device equipped with
The cooling tank has a lower portion for accommodating the electronic device accommodating rack and an upper portion for accommodating an excess portion of the coolant.
The electronic device is immersed in a portion of the coolant other than the surplus portion, and is connected to a storage battery for supplying electric power to the electronic device when power is lost.
When the power is lost, the pump, the heat exchanger, and the chiller are stopped, and the temperature of the electronic device while operating with the electric power supplied from the storage battery by the coolant is set to the electronic device. operation guaranteed temperature below be kept, and, Rukoto Do the allowable operating time of the electronic device retention time than by the battery of the electronic device,
A cooling device characterized by.
ことを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。 The cooling device according to claim 1, wherein the amount of the cooling liquid contained in the cooling tank is more than three times the volume of the electronic device accommodating rack.
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