JP6861234B2 - 室外冷却器ラックシステムを用いた液体冷却 - Google Patents

Description

本出願は、液体冷却システム及び室外冷却器ユニットの両方を組み込んだシステムに関する。具体的には、液体冷却システムは、サーバーラックシステムから発生した熱による温度上昇を軽減するホットスワップ装置を実装する。同時に、冷却器ユニットは、サーバーラックシステムの周囲温度を維持して、サーバーラックシステムの総電力消費を削減する。

通常のサーバーラックシステムは、サーバーと他の構成要素を収納するように構成されている。これらの構成要素は、それぞれ動作時に熱を発生する。サーバーと他の構成要素によって発生した複合熱により、サーバーラック内の構成要素の全体の温度、サーバーラックの温度、及びサーバーラックを取り囲む環境の温度が上昇する。この温度の上昇によって、個々のサーバーとその内部に含まれる構成要素の効率が低下する。

サーバーラックシステムの温度を低下させる従来の手法には、ホットスワップ装置を実施するものがある。ホットスワップ装置は、熱の伝導による冷却を提供することができ、それによって、熱は高温のヒートシンクから低温のヒートシンクに伝達される。熱の伝達は、介在する熱接触構造体との接触によって達成される。しかしながら、ヒートシンクは、最終的にはサーバーラックと平衡温度に達することがあるため、伝導のみによる熱の伝達は、低下又は減退する。加えて、伝導はヒートシンクの温度とともに変化する。したがって、温度が変化するとヒートシンクの冷却効率も変化する。

サーバーラックシステムの温度を低下させるための他の従来の方法は、対流冷却システムの実施を含む。対流冷却システムでは、通常は空気である冷却流体がファンを用いて熱源を横断する。しかしながら、サーバーラックを取り巻く環境の変動により、対流冷却がサーバーラック内の温度を確実に維持できない可能性がある。さらに、旋回気流によって熱風が再び導入されて熱源を覆う可能性がある。

一般に、両アプローチはサーバーラックシステム、すなわちその内部の構成要素を所望の温度に維持する確実な手段ではない。したがって、全体的なサーバーラックシステム総電力消費を削減しながら、サーバーラックの温度を指定された温度範囲内に維持し、サーバーとその内部に含まれる電子部品の動作効率を改善する、という長い間未解決の問題が残っている。

中国特許公開第１０８１２１４２３号

したがって、本開示の目的は、ヒートシンクとサーバーラックとの間のホットスワップ伝導熱伝達の機能と、サーバーラックとその構成要素を対流によって冷却するための冷却器ユニットの使用の機能と、の両機能を組み合わせたハイブリッド冷却システムを提供することである。冷却器ユニットは、ヒートシンクに隣接して配置することもできるし、ヒートシンクの近くの熱環境を上昇させないように、室外冷却器ユニットの形態でヒートシンクから遠隔に配置することもできる。このように、本開示は、ヒートシンクとサーバーラックとの間のホットスワップ伝導熱伝達と、対流によるサーバーラックとその構成要素から熱を除去するための冷却器ユニットの使用と、の組み合わせを対象とする。

本開示の更なる目的は、サーバーラックからホットスワップ接触装置のヒートシンクに熱を伝達する熱接触構造体、すなわち、ホットスワップ接触装置を提供することである。

本開示の更に他の目的は、ラジエーターの形態の熱交換器を含む熱伝達装置を含む液体冷却システムを提供することである。冷却器又は冷却器ユニットによって提供される冷却された液体は、ラジエーターを通って流れ、ラジエーター内で指定された一定の温度を維持する。ファンが冷却ガスをラジエーターに通風し、ラジエーター内の冷却液から冷却ガスへの熱伝達をもたらす。冷却ガスはヒートシンクを冷却し、冷却ガスの一部をサーバーラックに向けることもできる。

本開示の更なる目的は、冷却器ユニットから余分な熱を排出する冷却器ユニットのラジエーターを更に備える室外冷却器ユニットを提供することである。冷却器ユニットをヒートシンクから遠隔に、例えば、サーバーラック／ヒートシンクの外部又は室外に配置すると、データセンターはサーバーラック／ヒートシンクシステム付近の周囲温度を上昇させないため、サーバーラックからの熱の除去が更に促進される。

これらの及び更なる目的は、添付の図面及び実施形態の詳細な説明とともに説明される。

本開示、並びにその利点及び図面は、添付の図面の参照を伴う例示的な実施形態の以下の説明からより良く理解されよう。これらの図面は、例示的な実施形態を示しているにすぎず、様々な実施形態または特許請求の範囲も限定するものとみなされるべきではない。

外部冷却器ユニットを有する液体冷却システム及びサーバーラックの組み合わせ体の等角図（部分的に隠れている）である。 個々の構成要素を示す図１の分解組立図である。 第１の例示的な実施形態における個々の構成要素を示す図１の側面図である。 第２の例示的な実施形態における個々の構成要素を示す図１の側面図である。

添付の図面を参照して本発明を説明する。図面全体を通して、類似のまたは同等の要素を示すために類似の参照番号が使用されている。図は、縮尺通りに描かれておらず、単に本発明を説明するために提供されているにすぎない。本発明のいくつかの態様は、例示のためにて適用例いくつかとして以下に説明される。本発明の完全に理解するために、多数の具体的な詳細、関係、及び方法が述べられることが理解されよう。当業者であれば、全ての要素が図面の各図に見えるわけではないことを理解するであろう。しかしながら、当業者であれば、１つ以上の具体的な詳細なしで、または他の方法を用いて本発明を実施できることを容易に認識するであろう。他の場合には、よく知られた構造又は動作は、本発明を曖昧にすることを避けるために詳細に示されていない。本発明は、動作又は事象の示された順序付けによって限定されるものではない。なぜならば、いくつかの動作は、異なる順序で、及び／又は、他の動作若しくは事象と同時に行うことができるからである。さらに、例示された全ての動作又は事象が、本発明による方法を実施するのに必要とされるわけではない。

本開示は、改善されたエネルギー効率でデータセンターのサーバーから熱を除去するためのハイブリッドシステムを提供する。ハイブリッドシステムは、サーバーとホットスワ
ップ接触するヒートシンクと、対流によってサーバーとその構成要素から熱を除去する冷却システムと、を備える。この冷却システムは、室外冷却器システムを含む熱交換器システムを通過する冷却液を提供できる。このように、このハイブリッドシステムは、ヒートシンクと室外冷却器ユニットの両方の効率化を具現化する。具体的には、開示されたハイブリッドシステムは、サーバーから効率的に熱を奪い、その熱をデータセンターの外に放出できる。

図１は、本開示の一実施形態による伝導システムと対流システムを組み込んだハイブリッドシステム１０を示す。図２は、図１では隠れている、ハイブリッドシステム１０の部分を示す図１のハイブリッドシステム１０の分解組立図である。図１及び図２において、同じ符号は同じ要素を示す。ハイブリッドシステム１０は、サーバーラック１１を備える。いくつかの実施形態において、サーバーラック１１は、サーバー１２と他の発熱する電子機器を収容できる。ここで説明される冷却システムは、既存及び将来のサーバーラックデバイスと組み合わせて使用できることが想定されるので、サーバーの数、配置及び種類、並びにサーバーラック自体は、例示を目的としたものにすぎない。実際の使用では、サーバーラック１１は、データセンター内に含まれる複数のサーバーのうちの１つにすぎない。数、配置、データセンター内のサーバーの環境に応じて、低減されるべき熱負荷は可変であり得る。したがって、複数のサーバーに必要な冷却を提供するために周囲空気に依存すると、指定された動作温度内にサーバーを維持できない。これを考慮して、本開示による組み合わせ体は、指定温度範囲内にサーバーを維持するように作動するいくつかの冷却手段を提供する。

ハイブリッドシステム１０はまた、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４を含むことができる。第１及び第２の熱接触構造体１３、１４は、サーバー１２と接触できる。いくつかの実施形態では、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４は金属製とすることができ、電子部品の高温面と直接接触させることができる。他の実施形態では、薄い熱伝導材料が２つ表面間に介在する。

サーバー１２は、電子機器の例としてマイクロプロセッサと電力処理半導体を含むことができる。ハイブリッドシステム１０はまた、サーバーラック１１と熱接触する熱交換器１６を含むことができる。第１及び第２の熱接触構造体１３、１４は、伝導によってサーバー１２とサーバーラック１１から熱交換器１６に熱を伝達するように構成できる（すなわち、ホットスワップシステム）。本明細書において、「ホットスワップシステム」は、構成要素間の熱伝達をもたらすためにいかなる外部エネルギーも必要としないか、または使用しない熱伝達システムを指す。

熱交換器１６は、冷却されるサーバーラック１１との良好な熱接触を確保するために、１つ以上の平面を有する金属構造体を含むことができる。熱交換器１６はまた、空気との表面接触、ひいては放熱比を高めるために、櫛状又はフィン状の突起のアレイを含むことができる。ハイブリッドシステム１０はまた、熱交換器１６に冷却空気を通風するように構成された一群のファン１５を含むことができる。このように、熱交換器１６を一群のファン１５と組み合わせて使用して、熱交換器１６の気流速度を増加させることができる。対流よりも速く温められた空気を交換することによって、これはより大きな温度勾配を維持する。

図３Ａを一時的に参照する。第１及び第２の熱接触構造体１３、１４は、サーバーラック１１の一部とすることができる。第１及び第２の熱接触構造体１３、１４は、熱交換器ラジエーター１８に水を循環させるように構成されたポンプ２４を含むことができる。熱交換器ラジエーター１８は、熱交換器ラジエーター１８を流れる水の温度を下げる熱伝達装置として構成できる。一群のファン１５は、冷却されたばかりの水がサーバー１２に隣
接する冷却板に向けられるように、熱交換器ラジエーター１８を介して空気を吸い込むことができる。

熱交換器ラジエーター１８は、熱交換器１６内に配置できる。図３Ａは、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４がポンプ２４を含むことを示しているが、ポンプ２４は、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４に隣接して配置できることを理解されたい。別の実施形態では、第１の熱接触構造体１３は関連したポンプを有することができ、第２の熱接触構造体１４は水を熱交換器ラジエーター１８まで送り込むように構成された第２のポンプを有することができる。ポンプ２４は、熱交換器ラジエーター１８から第１及び第２の熱接触構造体１３、１４に冷水を引き込むように構成されている。

例示的な実施形態において上記で詳述したように、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４は共に冷却板として機能可能である。いくつかの代替の実施形態では、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４は、冷却板３０と接触できる。これは、図３Ｂに示されている。

図３Ｂでは、ポンプ２４は、熱交換器ラジエーター１８から第１及び第２の熱接触構造体１３、１４と接触している冷却板３０に冷水を引き込むように構成されている。

図３Ａ及び図３Ｂにおいて例示された両実施形態では、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４は、ヒートパイプ３１を介してサーバー１２と熱接触する。ヒートパイプ３１を介したサーバー１２と第１及び第２の熱接触構造体１３、１４との間の熱接触によって、サーバー１２と第１及び第２の熱接触構造体１３、１４との間で熱交換を行うことができる。図３Ａに関して、これらの構成要素の間のこの熱交換は、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４を通って循環する水の温度を上昇させることができる一方で、サーバー１２の表面の温度は低下する。図３Ｂに関して、サーバー１２と第１及び第２の熱接触構造体１３、１４との間の熱交換は、冷却板３０を通って循環する水の温度を上昇させることができる一方で、サーバー１２の表面の温度は低下する。

ポンプ２４は、熱交換器ラジエーター１８へ上昇した温度で水を循環させるように構成され、ここでは一群のファン１５が対流によって水の温度を低下させる。図３Ａでは、水は、ファンの対流によって冷却され、第１及び第２の熱接触構造体１３、１４に循環して戻り、この循環が繰り返される。代替的に、図３Ｂでは、水は、ファンの対流によって冷却され、冷却板３０に循環して戻り、この循環が繰り返される。

一群のファン１５は、熱交換器１６内に配置できる。いくつかの実施形態では、熱交換器１６は、一群のファン１５と、熱交換器ラジエーター１８と、冷却器ユニット１９用のハウジングとすることができる。冷却器ユニット１９は、以下でさらに詳細に説明する。

ハイブリッドシステム１０はまた、冷却器ユニット１９を含むことができる。冷却器ユニット１９は、冷蔵ユニットと同様の機能を実行できる。冷却器ユニット１９では、冷媒ガスが圧縮された後に膨張して温度が低下する。冷却器ユニット１９は、サーバーラック１１内に配置された冷却器ユニットラジエーター２２に接続できる。冷媒が膨張すると、冷媒は冷却器ユニット１９から送出され、冷却器ユニットラジエーター２２を通って流れる。ここで、一群の第２のファン２１は、ラジエーターからサーバーラック１１内に冷気を押し出すことができる。第２のファン２１は、冷却器ユニット１９と協働して対流によってサーバーラック１１とその構成要素から熱を除去するように構成できる。このように、冷却器ユニット１９は、サーバーの効率を維持するために、サーバーラック１１とラックに収納されたサーバー１２に対して均一な指定温度範囲を維持するように構成されている。冷却器ユニット１９はまた、ファン２０も組み込むことができる。ファン２０は、冷
媒の圧縮に起因して冷却器ユニット１９内で発生した熱を排出するために組み込まれる。

いくつかの実施形態では、冷却器ユニット１９は、冷却器ユニットラジエーター２２に一定流量の冷却された液体（図示せず）を提供する。冷却器ユニットラジエーター２２に提供される一定流量の冷却された液体は、サーバーラック１１内のサーバー１２によって課される冷却要件に応じて、サーモスタット制御部（図示せず）によって容易に調整できる。サーモスタット制御部は、その内部の冷媒液体の温度を検知するために冷却器ユニットラジエーター２２内にあってもよい。いくつかの実施形態では、サーモスタット制御部は、熱交換器ラジエーター１８内にあってもよい。

さらに、冷却器ユニット１９は、冷却された液体の一定の供給を、冷却器ユニットラジエーター２２に提供できるので、第２のファン２１からサーバー１２への信頼性の高い冷却された空気の供給源である。加えて、冷却器ユニットラジエーター２２に提供される冷却された冷却液の熱伝達係数は、冷却された冷却液が周囲の空気よりも効率的に熱を伝達するように選択できる。いくつかの実施態様では、冷却器ユニット１９は、冷却器ユニットラジエーター２２に供給される流体の温度を下げるために、冷媒ガスシステムを利用できる。

本明細書において、図３Ａ及び図３Ｂは、図１の側面図と、図１では隠れているハイブリッドシステム１０の部分と、を示すために提供される。図３Ａ及び図３Ｂは、サーバーラック１１と熱交換器１６内に収納される全ての詳細図を例示する。冷却器ユニット１９は熱交換器１６内にあるものとして示されているが、そのような図は、一実施形態の単なる例示にすぎないことが明白に理解されよう。冷却器ユニット１９は、熱交換器１６を冷却器ユニット１９から分離する、データセンターの外壁等、熱交換器１６に隣接して又は熱交換器１６から遠隔に配置できる。そのような実施形態では、導管は、冷却器ユニット１９から冷却器ユニットラジエーター２２に冷却流体の供給源を運ぶことができる。冷却器ユニット１９と冷却器ユニットラジエーター２２とを接続する導管２３は、サイクルを繰り返しながら、冷却器ユニット１９から冷却器ユニットラジエーター２２に冷却液を搬送できる。いくつかの実施態様では、これらの導管２３は、データセンターの周囲空気による冷却された流体の加熱を避けるため、又はデータセンターの周囲空気への熱の放出を防ぐために、断熱できる。

サーバー１２は、熱を発生する任意の数及び種類の電子デバイスを収納できる。これらの電子デバイスの例として、他の電子部品の中でも、中央処理装置（「ＣＰＵ」）、グラフィックス処理装置（「ＧＰＵ」）、及び周辺機器相互接続エクスプレス（「ＰＣＩｅ」又は「ＰＣＩ−Ｅ」）カードが含まれる。これらの部品は全て使用効率のための温度範囲仕様を有する。この温度範囲を越えると部品の効率が低下する。したがって、指定温度範囲を維持する必要性は、サーバー１２を効率的に使用するための要件である。

なお、本発明において、ファンが空気をラジエーターに通風する場合において、ファンが通風する方向は、上記の実施形態のようにラジエーターを介して空気を吸い込む場合と、ラジエーターに空気を吹き付ける場合とを含むものとする。また、ファン及び第２のファンは、それぞれが上記の実施形態のように複数のファンが一列に並んだ一群のファンであっても良いし、単数であってもよい。

本明細書において用いられる術語は、特定の実施形態を説明することを目的としたものにすぎず、本発明を限定することを意図したものではない。本明細書において用いられるような、数量が特定されていないものは、文脈がそうでないことを明確に指定していない限り、単数だけでなく複数も含むことが意図されている。さらに、「含む」、「備える」、「有する」又はそれらの変異形は、詳細な説明及び／又は特許請求の範囲において用い
られる限りにおいて、用語「備える／含む」と同様に包括的であることが意図されている。

別段の定義がない限り、本明細書において用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解される意味と同じ意味を有する。さらに、一般に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術の状況におけるそれらの意味と一致した意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書において、理想化された意味又は過度に形式的な意味に明確に定義されていない限り、そのような意味に解釈されるものではない。

Claims (9)

1. 内部にサーバーを収納するサーバーラックと熱伝達装置との組み合わせ体であって、
   前記サーバーラックと、
   ハウジングの形態のヒートシンクと、
   前記サーバーラックと前記ヒートシンクとを熱接触させる熱接触構造体であって、前記サーバーと伝導熱接触している前記熱接触構造体と、
   前記サーバーラックを冷却する冷却液の供給源を提供する冷却器と、
   を備える、組み合わせ体。
2. 更に、前記ハウジングは前記冷却器からの前記冷却液に作用するように接続されたラジエーターを備え、
   前記ハウジングは冷却ファンを備え、
   前記冷却ファンは前記ラジエーターに空気を通風して前記サーバー及び前記サーバーラックを冷却する、請求項１に記載の組み合わせ体。
3. サーバーラック内のサーバーの冷却システムであって、
   前記サーバーラックをヒートシンクと熱接触させる熱接触構造体と、
   冷却液の供給源を提供するように構成され、冷媒ガスを含む冷却器と、
   前記冷却器によって提供された冷却流体に作用するように接続されたラジエーターと、
   前記ラジエーターに空気を通風して、前記空気を冷却する少なくとも１つのファンと、を備え、
   前記少なくとも１つのファンは、冷却された空気を前記サーバーラックに向けて、前記サーバーラック内の前記サーバーを冷却する、冷却システム。
4. 更に、前記冷却器は、前記冷却器からの廃熱を消散させる他のファンを備え、
   前記冷却器は、前記ヒートシンクから遠隔に配置される、請求項３に記載の冷却システム。
5. サーバーラック内のサーバーの動作温度を所定の温度範囲内に維持する方法であって、
   ヒートシンクとの伝導熱接触を通じて前記サーバーラックから熱を除去するステップと、
   前記サーバーラック内にラジエーターを取り付け、ファンを用いて前記ラジエーターに冷却ガスを通風するステップと、
   前記冷却ガスを、冷却液を含む前記ラジエーターと接触させることによって前記サーバーラックから熱を除去するステップと、
   前記冷却ガスを、前記ファンを通して前記サーバーラック内の前記サーバーに向けるステップと、
   を含み、
   前記ラジエーターは、前記冷却液を冷却器から供給される、方法。
6. 前記冷却器で冷媒ガスを圧縮することによって前記冷却液を提供するステップと、
   前記冷却液を前記冷媒ガスと間接的に接触させるステップによって、前記冷却液から熱を伝達させるステップと、を更に含み、
   前記間接的に接触させるステップは、熱交換器において行われる、請求項５に記載の方法。
7. 対流のプロセスによって前記サーバーラックから熱を除去するステップと、
   前記サーバーラックの温度を監視するステップと、
   前記サーバーラックを所定の温度範囲内に維持するように、前記サーバーラックから熱を除去するステップを制御するステップと、を更に含む、請求項５に記載の方法。
8. 更に、前記冷却器を前記ヒートシンクから遠隔に配置するステップを含む、請求項５に記載の方法。
9. 更に、前記冷却器を前記ヒートシンクに直接隣接して配置するステップを含み、
   前記ヒートシンクはハウジングの形態にある、請求項５に記載の方法。

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