JP7421176B2 - 液浸冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、マザーボードに代表される電子回路基板などを冷却対象とする液浸冷却システムに関する。

この種の液浸冷却装置は、例えば特許文献１に公知である。特許文献１の液浸冷却装置は、絶縁性の低沸点冷媒を貯留する密閉容器状のきょう体（ケーシング）と、きょう体内部の気相領域に配置される凝縮器を備えており、きょう体内部の液相領域にプリント板を浸漬して冷却する。また、きょう体の周囲壁とプリント板の間に整流板を配置して、凝縮器で液化された低沸点冷媒をきょう体の周囲壁と整流板の間の下降流室に沿って流動させ、プリント板の熱を奪ったガス状の低沸点冷媒を整流板とプリント板の間の上昇流室に沿って流動させるようにしている。きょう体の外には、凝縮器に冷媒液を送給する冷凍機器が配置してあると想像され、凝縮器は冷媒液の蒸発作用で冷却されて、ガス状の低沸点冷媒を液化している。

実開昭６１－５９３５０号公報

特許文献１の液浸冷却装置は、きょう体内部に配置した凝縮器で気化した冷媒ガスを凝縮させて液相領域へ戻す。凝縮器には冷凍機器から送給された冷媒が循環すると想定されるが、プリント板の冷却を行うには、年間を通じて冷凍機器を継続して運転する必要があり、そのランニングコストが嵩むのを避けられない。また、例えばデータセンターでは大量の電子回路基板が使用されるが、大量の電子回路基板を冷却するには大規模な冷却システムが必要となるため、その導入コストが膨大になるうえ設置スペースも広大なものとなる。さらに、近年では多数個のＣＰＵやＧＰＵが電子回路基板に実装されているため、電子回路基板の発熱量が増加し、冷却装置の冷却能力をさらに増強できることが求められている。

本発明の目的は、電子回路基板などの冷却対象の冷却に要するランニングコストと、冷却システムの導入コストを削減できるようにした液浸冷却システムを提供することにある。

本発明の液浸冷却システムは、絶縁性の低沸点冷媒Ｆを冷却要素とする液浸ユニット２と、液浸ユニット２に送給される冷却水を冷却するクーリング装置３とを備えている。液浸ユニット２は、冷却対象Ｂを収容する密閉容器状のケーシング５と、ケーシング５の内部に配置されて、ガス化した低沸点冷媒Ｆを液化する凝縮器１０とを備えている。ケーシング５は、液状の低沸点冷媒Ｆを貯留する下側の冷媒液室７と、ガス化した低沸点冷媒Ｆを貯留する上側の冷媒ガス室８とを備えていて、冷媒ガス室８に凝縮器１０が配置されている。クーリング装置３は、クーリングケース１８と、同ケース１８の内部にＶ字状に配置される一対の熱交換器１９と、熱交換空気を生成して熱交換器１９に接触させる送風ファン２０とを備えている。凝縮器１０と熱交換器１９は、冷却水を送給する送水路２８を介して連通されており、送水路２８の中途部に冷却水を凝縮器１０と熱交換器１９の間で強制的に循環させる循環ポンプ２９が配置されている。熱交換器１９で冷却された冷却水を凝縮器１０に送給しながら、冷媒ガス室８内の冷媒ガスを凝縮器１０で液化する。送水路２８は、循環ポンプ２９で加圧された冷却水を熱交換器１９に送給する高温側送水路２８ａと、熱交換後の冷却水を凝縮器１０に送給する低温側送水路２８ｂとを備えている。高温側送水路２８ａと低温側送水路２８ｂには、それぞれ冷却水の温度を検知する水温センサー３０・３１が設けられている。クーリング装置３には、当該クーリング装置３の周辺の外気温度を検知する外気温度センサーが設けられている。外気温度センサーと水温センサー３０・３１の検知結果に応じて、クーリング装置３と循環ポンプ２９の運転状態を制御する。

クーリング装置３は、チラー熱交換器２７を含むチラーユニット１６を備えている。図３に示すように、チラー熱交換器２７は熱交換器１９の吸風面１９ａ側に配置されている。

クーリング装置３が、熱交換器１９の吸風面１９ａ側に配置される霧化ノズル３４と、冷却水を霧化ノズル３４に加圧送給可能な給水源３６と、給水源３６と霧化ノズル３４の間の給水路に配置される給水弁３５を備えている。図７に示すように、霧化ノズル３４で生成したミストを熱交換器１９の吸風面１９ａに吸い込まれる空気に噴霧しながら、熱交換器１９を通過する冷却水を冷却する。

クーリング装置３とは別にバックアップ送水系を備えている。バックアップ送水系は、冷却水を加圧送給可能な給水源３６と、給水源３６の冷却水をクーリング装置３へ送給する非常時送水路４３と、熱交換後の冷却水を排出する排水路４４を備えている。非常時送水路４３と排水路４４は、クーリングユニット１５の高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂに並列的に接続されている。クーリング装置３が故障した状態において、バックアップ送水系を作動させて給水源３６の冷却水を凝縮器１０に送給できる。なお、給水源３６の冷却水としては水道水、あるいは地下水、河川水などを使用でき、冷却水は必要に応じてクーリングユニット１５に対してポンプで加圧送給する。

クーリング装置３が冷凍機器を含んで構成されるチラー４７を備えている。チラー４７は、クーリングユニット１５の高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂに並列的に接続されている。クーリングユニット１５とチラー４７は外気温の状態に応じて択一的に稼働する。

冷媒液室７内に、水冷式の熱交換器４０が低沸点冷媒Ｆの液中に浸漬する状態で配置されている。熱交換器４０は、クーリングユニット１５の高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂに対して、凝縮器１０と並列になる状態で接続されて、熱交換器４０と低温側送水路２８ｂの間の送水路に開閉弁４２が設けられている。必要時に、冷却水を低温側送水路２８ｂから熱交換器４０へ送給して、低沸点冷媒Ｆを直接的に冷却する。

クーリング装置３は複数基のクーリングユニット１５を備えている。複数基のクーリングユニット１５は、高温側送水路２８ａと低温側送水路２８ｂに対して並列に接続されている。

冷媒液室７の上開口縁より外側に凝縮ピット９が膨出形成されており、その内部に凝縮器１０が配置されている。

本発明では、液浸ユニット２が、密閉容器状のケーシング５と、ケーシング５の冷媒ガス室８に配置される凝縮器１０を備えるようにした。また、クーリング装置３が、Ｖ字状に配置される一対の熱交換器１９と、送風ファン２０を備えるようにした。さらに凝縮器１０と熱交換器１９を送水路２８で連通させ、送水路２８の中途部に設けた循環ポンプ２９で冷却水を強制的に循環させるようにした。こうした液浸冷却システムによれば、熱交換器１９の送風ファン２０と循環ポンプ２９を作動させるだけで、冷媒ガスを凝縮器１０で確実に液化できるので、液浸冷却システムを運転するときのランニングコストが少なくて済む。また、冷凍機器から送給された冷媒の熱で凝縮器１０を作動させる場合に比べて、簡単な構造のクーリング装置３を用意すれば良いので、液浸冷却システムを導入する際のコストを削減できるうえ、クーリング装置３を配置するスペースが少なくなる利点もある。

チラー熱交換器２７を含むチラーユニット１６を備えるクーリング装置３において、チラー熱交換器２７を熱交換器１９の吸風面１９ａ側に配置するようにした。こうした液浸冷却システムによれば、外気温度が高く熱交換器１９から凝縮器１０へ送給される冷却水の温度を充分に下げられない場合であっても、チラーユニット１６を作動させて、チラー熱交換器２７で冷却された空気を熱交換器１９に送り込むことにより、熱交換器１９から凝縮器１０へ送給される冷却水の温度を充分に低下させることができる。従って、凝縮器１０による低沸点冷媒ガスの液化を確実に行えるうえ、液浸冷却システムの冷却能力をさらに増強して、熱負荷の大きな冷却対象Ｂにも対応出来る液浸冷却システムとすることができる。

熱交換器の吸風面１９ａ側に配置される霧化ノズル３４と、冷却水を加圧送給可能な給水源３６と給水弁３５を備えているクーリング装置３においては、霧化ノズル３４で生成したミストを熱交換器１９の吸風面１９ａに吸い込まれる空気に噴霧しながら、熱交換器１９を通過する冷却水を冷却できるようにした。こうした液浸冷却システムによれば、外気温度が高い状況であっても、熱交換器１９に導入される外気をミストの蒸発作用により冷却することができ、熱交換器１９から凝縮器１０へ送給される冷却水の温度を充分に下げて、凝縮器１０の液化作用を促進することで冷媒ガスを効果的に液化することができる。また、霧化ノズル３４から噴出されたミストの蒸発熱を利用するので、液浸冷却システムのランニングコストを削減できる。

クーリング装置３の周辺の外気温度を検知する外気温度センサーを設け、送水路２８を構成する高温側送水路２８ａと低温側送水路２８ｂのそれぞれに、水温センサー３０・３１を設け、外気温度センサーと水温センサー３０・３１の検知結果に応じて、クーリング装置３と循環ポンプ２９の運転状態を制御するようにした。こうした液浸冷却システムによれば、送風ファン２０と循環ポンプ２９を、外気温度の変化と冷却水の温度変化に応じて無駄のない状態で作動させることができるので、液浸冷却システムのランニングコストをさらに削減できる。

クーリング装置３とは別にバックアップ送水系を備える液浸冷却システムにおいて、バックアップ送水系の非常時送水路４３と排水路４４を、クーリングユニット１５の高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂに並列的に接続するようにした。こうした液浸冷却システムによれば、例えば循環ポンプ２９が故障するなどクーリング装置３が故障した場合であっても、バックアップ送水系を作動させ、給水源３６の冷却水を非常時送水路４３で凝縮器１０に送給して、冷媒ガス室８内の冷媒ガスを効果的に液化することができる。従って、データセンターやスーパーコンピュータの作動を停止する必要もなく、クーリング装置３の故障個所の復旧作業を行える。

チラー４７を備えるクーリング装置３において、チラー４７をクーリングユニット１５の高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂに並列的に接続するようにした。また、クーリングユニット１５とチラー４７は外気温の状態に応じて択一的に稼働するようにした。こうした液浸冷却システムによれば、チラー４７で冷却された低温の冷却水を凝縮器１０に直接送給して冷媒ガスを液化できるので、チラー４７の冷却水で熱交換風を間接的に冷却する液浸冷却システムに比べて、凝縮器１０による凝縮効率を高くすることができる。従って、外気温が高い状況下であっても、冷媒ガスを効果的に液化できる。また、外気温が低い状況下では、クーリングユニット１５を稼働させればよいので、液浸冷却システムのランニングコストを削減できる。

冷媒液室７内に配置した水冷式の熱交換器４０を、クーリングユニット１５の高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂに対して、凝縮器１０と並列になる状態で接続するようにした。こうした液浸冷却システムによれば、例えば緊急時や、液浸ユニット２の内部のメンテナンスを行う場合などに、冷却水を低温側送水路２８ｂから熱交換器４０へ送給することにより、低沸点冷媒Ｆの温度を効果的に低下させて沸点以下にし、低沸点冷媒Ｆの気化を停止させることができる。従って、緊急時における液浸冷却システムの安全性を向上できるうえ、液浸ユニット２の内部のメンテナンスを行う場合の作業時間を短縮できる。

複数基のクーリングユニット１５でクーリング装置３を構成し、各クーリングユニット１５を、高温側送水路２８ａと低温側送水路２８ｂに対して並列に接続するようにした。こうした液浸冷却システムによれば、単位時間当たりに冷却できる冷却水量を増強できるので、凝縮器１０の液化作用を促進して、熱負荷の大きな冷却対象Ｂにも支障なく対応出来る液浸冷却システムとすることができる。

冷媒液室７の上開口縁より外側に凝縮ピット９を膨出形成し、その内部に凝縮器１０を配置するようにした。こうした液浸冷却システムによれば、冷媒液室７に収容した冷却対象Ｂの出し入れや、液浸ユニット２の内部のメンテナンスを行う場合などに、凝縮器１０に邪魔されることもなくメンテナンス作業を容易に行うことができる。

本発明の実施例１に係る液浸冷却システムの原理構造を示す概略正面図である。 実施例１に係る液浸ユニットの概略構造を示す縦断正面図である。 実施例１に係るクーリング装置の概略構造を示す縦断正面図である。 本発明の実施例２に係る液浸冷却システムの原理構造を示す概略正面図である。 本発明の実施例３に係る液浸冷却システムの原理構造を示す概略正面図である。 本発明の実施例４に係る液浸冷却システムの原理構造を示す概略正面図である。 本発明の実施例５に係る液浸冷却システムのクーリング装置の概略構造を示す縦断正面図である。 本発明の実施例６に係る液浸冷却システムのクーリング装置の概略構造を示す縦断正面図である。

（実施例１） 本発明に係る液浸冷却システムの実施例１を図１ないし図３に示す。本実施例における前後、左右、上下とは、図１に示す交差矢印と、各矢印の近傍の前後、左右、上下の各表記に従う。図１に示すように、液浸冷却システムは冷却ブース１に配置される、絶縁性の低沸点冷媒Ｆを冷却要素とする液浸ユニット２と、液浸ユニット２に送給される冷却水を冷却するクーリング装置３などで構成される。本液浸冷却システムは、例えばデータセンターやスーパーコンピュータに適用することができる。本液浸冷却システムをデータセンターに適用した場合には、冷却ブース１はサーバー室であり、クーリング装置３はサーバー室の外（屋内あるいは屋外）に設置される。冷却ブース１は、液浸ユニット２で使用される絶縁性の低沸点冷媒Ｆが、誤って環境中に排出されるのを防ぐために密閉されていることが好ましい。

液浸ユニット２は、密閉容器状のケーシング５と、ケーシング５の内部に配置されて、ガス化した低沸点冷媒Ｆを液化する凝縮器１０を備えている。より詳しくは、液浸ユニット２は直方体状に組まれたフレーム４と、密閉容器状のケーシング５と、ケーシング５の上開口を気密状に塞ぐ上壁６を備えており、ケーシング５の内部下側に液状の低沸点冷媒Ｆを貯留する冷媒液室７が設けられ、ケーシング５の内部上側にガス化した低沸点冷媒Ｆを貯留する冷媒ガス室８が設けられている。低沸点冷媒Ｆは、市販されているフロリナート（登録商標）と称されるペルフルオロカーボンを使用しており、この実施例においては３Ｍ社のＦＣ－７２を低沸点冷媒Ｆとして使用しており、その沸点は摂氏５６度（華氏１３３度）である。上壁６には、冷媒ガス室８の内部の圧力が大気圧を越えて過大になるのを防ぐベローズ１３や、緊急開放バルブなどが設けられている。

図２に示すように、冷媒液室７の上開口縁より外側左右には凝縮ピット９が膨出形成されており、その内部に凝縮器１０が配置されている。凝縮器１０はクロスフィンチューブ構造とされており、ガス化した低沸点冷媒Ｆを液化する。凝縮器１０のフィン板は、液化した低沸点冷媒Ｆの流下を促進するために、前後に一定間隔おきに配置されており、冷媒管はフィン板を厚み方向に貫通する状態で蛇行状に配置されている。凝縮ピット９の底壁１１は、凝縮器１０から滴下した低沸点冷媒Ｆの液滴を速やかに冷媒液室７へ戻すために、冷媒液室７に向かって下り傾斜されている。図２に示すように冷媒液室７には、低沸点冷媒Ｆが底壁１１の近傍付近にまで貯留されており、その液中にマザーボードや電子回路基板などの冷却対象Ｂの一群が浸漬されて、支持部材１２で起立保持されている。実際には、一群の電子回路基板からなる冷却対象Ｂの発熱面に、ポーラス状銅板などのロータス金属板や、焼結金属板などの伝熱体を配置し、支持部材１２に相当するホルダーで一定間隔（約７ｍｍ）おきに起立保持した状態でフレームに収め、フレームごと冷却対象Ｂを冷媒液室７の底壁から所定距離だけ離れた状態で収容し、低沸点冷媒Ｆを冷媒液室７に充填して冷却対象Ｂを浸漬状態にする。

図１および図３に示すようにクーリング装置３は、左右一対のクーリングユニット１５と、各クーリングユニット１５に併設される水冷式のチラーユニット１６とで構成されている。各クーリングユニット１５は、直方体状に組まれたフレーム１７と、フレーム１７の前後面に固定される逆台形状のクーリングケース１８と、同ケース１８の内部にＶ字状に配置される一対のクロスフィンチューブ構造の熱交換器１９と、熱交換空気を生成して熱交換器１９に接触させる送風ファン２０などを備えている。この実施例では、フレーム１７の上開口を上壁２１で塞ぎ、その中央に開口した排風口２２の上部に導風筒２３を配置し、その内部に送風ファン２０を収容した。送風ファン２０を駆動すると、クーリングケース１８と熱交換器１９で囲まれた空間の空気が上向きに排出されるので、外部空気が吸風面１９ａ側から吸い込まれて熱交換器１９を通過する冷却水の熱を奪う。

１基の液浸ユニット２に対して、２基のクーリングユニット１５を用意し、合計４基の熱交換器１９で冷却水を冷却するのは、液浸ユニット２における冷却対象Ｂの発熱量が大きいからである。因みに１基のクーリングユニット１５の幅×高さ×奥行は、１３００×１５７１×１４７０ｍｍであり、その冷却能力は冷却水量が８０Ｌ／ｍｉｎの場合に２２ｋＷとなる。但し、熱交換器１９に流入する冷却水温度が４５度Ｃ、外気温度が３５度Ｃである場合であり、このときの送風ファン２０の消費電力量は０．７ｋＷである。２基のクーリングユニット１５のうち、隣接面に臨む熱交換器１９の吸風面１９ａどうしは、近距離で対向するため左右両側の開放面に臨む吸風面１９ａに比べて吸風量が低下する傾向がある。こうした吸風量の低下を極力避けるために、各熱交換器１９をＶ字状に傾斜させた状態で配置するようにした。この実施例では、熱交換器１９の水平面に対する傾斜角度を７５度とした。

チラーユニット１６は、冷凍機器を構成する圧縮機、膨張弁、凝縮器、蒸発器などがひとつのパッケージとしてまとめられたチラー本体２６と、チラー熱交換器２７と、チラー本体２６で冷却された冷却水をチラー熱交換器２７へ送給する送給ポンプ３２などを備えており、チラー熱交換器２７が４個の熱交換器１９の吸風面１９ａ側に配置されている。チラー本体２６から送給された冷媒液は、チラー熱交換器２７を通過する間に冷熱を放出して、各熱交換器１９を通過する空気の温度を下げる。チラーユニット１６は、外気温度が高いような状況において稼働されて、熱交換器１９の冷却能力を補う。なお、チラー本体２６は空冷式、あるいは水冷式のいずれであってもよく、本実施例では空冷式のチラー本体２６を採用している。

凝縮器１０における低沸点冷媒Ｆの液化を効果的に行うために、凝縮器１０と熱交換器１９は冷却水を送給する送水路２８を介して連通されており、送水路２８の中途部には冷却水を凝縮器１０と熱交換器１９の間で強制的に循環させる循環ポンプ２９が設けられている。送水路２８は、循環ポンプ２９で加圧された冷却水を熱交換器１９に送給する高温側送水路２８ａと、熱交換後の冷却水を凝縮器１０に送給する低温側送水路２８ｂとを備えている。各クーリングユニット１５の熱交換器１９は、高温側送水路２８ａと低温側送水路２８ｂに対して並列に接続されている。このように、２基ずつの熱交換器１９が各送水路２８ａ・２８ｂに対して並列に接続されていると、単位時間当たりに冷却できる冷却水量を増強できるので、凝縮器１０の液化作用を促進して、熱負荷の大きな冷却対象Ｂにも支障なく対応出来る液浸冷却システムを得ることができる。高温側送水路２８ａには、先の循環ポンプ２９と冷却水の温度を検知する水温センサー３０が設けられ、低温側送水路２８ｂには熱交換後の冷却水の温度を検知する水温センサー３１が設けられている。なお、この液浸冷却システムには、水温センサー３０・３１以外に、クーリング装置３の周辺の外気温度を検知する外気温センサーや、冷媒液の温度や液位、あるいは冷媒ガスの温度および圧力を検知するセンサーや、冷却ブース１内の冷媒ガス濃度を検知するセンサーなどが設けられる。

以上のように構成した液浸冷却システムは、例えばサーバーシステムと併用されて、低沸点冷媒Ｆに浸漬された状態のマザーボードや電子回路基板などの冷却対象Ｂを冷却する。冷却対象Ｂの熱は低沸点冷媒Ｆが沸騰し気化することで奪われ、気化した低沸点冷媒Ｆのガスは冷媒ガス室８内に充満する。このとき、熱交換器１９で冷却された冷却水を凝縮器１０に送給しながら、冷媒ガス室８内の冷媒ガスを凝縮器１０で液化することにより、凝縮器１０の液化作用を促進して冷媒ガスを効果的に液化することができる。

外気温がさほど高くない状況では、熱交換器１９の送風ファン２０と循環ポンプ２９とを作動させるだけで、冷媒ガスを凝縮器１０で確実に液化できるので、液浸冷却システムを運転するときのランニングコストは少なくて済む。また、冷凍機器から送給された冷媒の熱で凝縮器１０を作動させる場合に比べて、簡単な構造のクーリングユニット１５を用意すれば良いので、液浸冷却システムを導入する際のコストを削減できるうえ、クーリング装置３を配置するスペースが少なくなる利点もある。冷却ブース１内の液浸ユニット２と、冷却ブース１の外に設置されるクーリング装置３は、高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂで接続すればよいので、大形の気密構造の冷却ブース１を用意する必要がない点でも有利である。冷媒液室７の上開口縁より外側左右に凝縮ピット９を膨出形成し、その内部に凝縮器１０を配置するので、冷媒液室７に収容した冷却対象Ｂの出し入れや、液浸ユニット２の内部のメンテナンスを行う場合などに、凝縮器１０に邪魔されることもなく作業を行うことができる。

夏季などの外気温度が高い状況では、熱交換器１９から凝縮器１０へ送給される冷却水の温度を充分に下げられないことがある。そうした場合には、チラーユニット１６を作動させて、チラー熱交換器２７で冷却された空気を熱交換器１９に送り込むことにより、熱交換器１９から凝縮器１０へ送給される冷却水の温度を充分に低下させることができる。従って、凝縮器１０による低沸点冷媒Ｆの液化を確実に行えるうえ、液浸冷却システムの冷却能力をさらに増強して、熱負荷の大きな冷却対象Ｂにも対応出来る液浸冷却システムとすることができる。また、複数基のクーリングユニット１５でクーリング装置３を構成し、各クーリングユニット１５を、高温側送水路２８ａと低温側送水路２８ｂに対して並列に接続し、単位時間当たりに冷却できる冷却水量を増強できるので、凝縮器１０の液化作用を促進して、熱負荷の大きな冷却対象Ｂにも支障なく対応出来る液浸冷却システムとすることができる。

熱交換器１９およびチラーユニット１６の運転状態は、図示していない制御装置によって制御されており、外気温度センサー（図示していない）と水温センサー３０・３１の検知結果に応じて、送風ファン２０、循環ポンプ２９、チラー本体２６、および送給ポンプ３２の運転状態を好適化する。このように各機器２０・２９・２６・３２の運転状態を好適化することにより、各機器２０・２９・２６・３２を無駄のない状態で作動させることができるので、液浸冷却システムのランニングコストをさらに削減できる。

以上のように、熱交換器１９とチラーユニット１６を備えた液浸冷却システムによれば、夏季などの外気温度が高い状況下においては、熱交換器１９とチラーユニット１６を同時に作動させることにより、チラー熱交換器２７で冷却された空気を熱交換器１９に送り込み、熱交換器１９から凝縮器１０へ送給される冷却水の温度を充分に低下させることができる。従って、凝縮器１０の液化作用を促進して低沸点冷媒ガスをさらに効果的に液化することができる。また、冷却対象Ｂの熱負荷が大きい場合でも、チラーユニット１６を断続的に作動させることにより支障なく対応できる。

（実施例２） 図４は実施例２に係る液浸冷却システムを示している。この実施例におけるクーリング装置３は、基本的に実施例１の液浸冷却システムと同じであるが、冷媒液室７内に水冷式の熱交換器４０を配置し、送水路２８から分岐した分岐送水路４１の分岐部分に給水弁（開閉弁）４２を設ける点が実施例１の液浸冷却システムと異なる。図４ではクーリングユニット１５の片方のみを図示しているが、実施例１と同様に２基のクーリングユニット１５と、各クーリングユニット１５に併設されるチラーユニット１６で液浸冷却システムが構成されている。

上記のように、冷媒液室７内に水冷式の熱交換器４０を配置した液浸冷却システムによれば、例えば緊急時や、液浸ユニット２の内部のメンテナンスを行う場合などに、冷却水を低温側送水路２８ｂから熱交換器４０へ送給することにより、低沸点冷媒Ｆの温度を効果的に低下させて沸点以下にし、低沸点冷媒Ｆの気化を停止させることができる。従って、緊急時における液浸冷却システムの安全性を向上できるうえ、液浸ユニット２の内部のメンテナンスを行う場合に、短時間でケーシング５を開放して作業時間を短縮できる。なお、液浸冷却システムが通常運転されている状態では、給水弁４２は閉止される。

（実施例３） 図５は実施例３に係る液浸冷却システムを示している。この実施例におけるクーリング装置３は基本的に実施例１の液浸冷却システムと同じであるが、循環ポンプ２９が故障した場合などに備えて、バックアップ送水系を備えるようにした点が、実施例１の液浸冷却システムと異なる。バックアップ送水系は、冷却水を加圧送給可能な給水源３６と、給水源３６と低温側送水路２８ｂを接続する非常時送水路４３と、高温側送水路２８ａから分岐される排水路４４と、開閉弁４５および開閉弁４６を備えている。開閉弁４５は、高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂにそれぞれ設けられており、開閉弁４６は、非常時送水路４３および排水路４４にそれぞれ設けられている。非常時送水路４３は、低温側送水路２８ｂの開閉弁４５の下流側に接続されており、排水路４４は高温側送水路２８ａの開閉弁４５の上流側に接続されている。給水源３６の冷却水としては水道水、あるいは地下水、河川水などをポンプにより加圧送給して使用できるが、外気温の温度の変化の影響を受けにくい地下水を使用するのが好ましく、複数の水源を併用できるようにしてあってもよい。

液浸冷却システムが通常状態で運転されているときは、バックアップ送水系側の開閉弁４６は閉止されており、送水路２８側の開閉弁４５は開放されている。しかし、循環ポンプ２９が故障した場合や、クーリングユニット１５の駆動電源が停電状態となったときは、バックアップ送水系側の開閉弁４６を開放し、送水路２８側の開閉弁４５は閉止して、給水源３６から送給される冷却水を凝縮器１０に送給する。熱交換後の冷却水は、排水路４４を介して冷却ブース１の外へ排出される。以上のように構成した液浸冷却システムによれば、例えば循環ポンプ２９が故障するなどクーリング装置３が故障した場合であっても、バックアップ送水系を作動させ、給水源３６の冷却水を非常時送水路４３で凝縮器１０に送給して、冷媒ガス室８内の冷媒ガスを効果的に液化することができる。従って、データセンターやスーパーコンピュータの作動を停止する必要もなく、クーリング装置３の故障個所の復旧作業を行える。

（実施例４） 図６は実施例４に係る液浸冷却システムを示している。実施例４に係るクーリング装置３では、一対のクーリングユニット１５に加え、高温側送水路２８ａおよび低温側送水路２８ｂに並列的に接続されるチラー４７を設けるようにした。詳しくは、チラー４７の送水路４８を低温側送水路２８ｂに接続し、チラー４７の帰還送水路４９を高温側送水路２８ａに接続し、送給ポンプ３２と低温側送水路２８ｂの間の送水路４８に逆止弁５０を設けるようにした。また、低温側送水路２８に開閉弁５１と逆止弁５２を設けて、チラー４７から送給される低温の冷却水がクーリングユニット１５側へ流れるのを防止した。さらに、帰還送水路４９に開閉弁５３を設けて、熱交換後の冷却水をチラー４７へ還流させるようにした。本実施例のチラー４７は、実施例１におけるチラー本体２６と同様の構成を有している。

実施例４に係る液浸冷却システムでは、外気温が高い場合には、チラー４７を作動させ、該チラー４７で冷却された低温の冷却水を凝縮器１０に送給することにより、冷媒ガスを効果的に液化できる。また、外気温が低い場合には、クーリングユニット１５を作動させて冷媒ガスを液化させる。つまり、クーリングユニット１５とチラー４７は外気温の状態に応じて択一的に稼働される。このように、チラー４７で冷却された低温の冷却水を凝縮器１０に直接送給して冷媒ガスを液化すると、チラーユニット１６の冷却水で熱交換風を間接的に冷却する実施例１の液浸冷却システムに比べて、凝縮器１０による凝縮効率を高くすることができる。従って、外気温が高い状況下であっても、冷媒ガスを効果的に液化できる。また、外気温が低い状況下では、クーリングユニット１５を稼働させればよいので、液浸冷却システムのランニングコストを削減できる。

（実施例５） 図７は実施例５に係る液浸冷却システムを示している。実施例５におけるクーリング装置３は実施例１におけるチラーユニット１６が省略されている。具体的にはクーリング装置３は、一対のクーリングユニット１５を備えており、各クーリングユニット１５に熱交換器１９がＶ字状に配置されて、各熱交換器１９の吸風面１９ａ側に霧化ノズル３４が配置されている。霧化ノズル３４は、冷却水を加圧送給可能な給水源３６と給水路を介して接続されており、給水路の中途部には給水弁３５が設けてある。給水源３６から送給された冷却水は霧化ノズル３４でミスト化されて、熱交換器１９の吸風面１９ａに吸い込まれる空気に噴霧される。こうした液浸冷却システムによれば、熱交換器１９を通過する空気を霧化ノズル３４から噴出されたミストの蒸発作用により冷却できるので、上記のチラーユニット１６を併用する液浸冷却システムと同様に、夏季などの外気温度が高い状況であっても、熱交換器１９から凝縮器１０へ送給される冷却水の温度を充分に下げて、凝縮器１０の液化作用を促進することで冷媒ガスを効果的に液化することができる。また、霧化ノズル３４から噴出されたミストの蒸発熱を利用するので、液浸冷却システムのランニングコストを削減できる。実施例３と同様に給水源としては、水道水、地下水、河川水などを使用できる。

（実施例６） 図８は実施例６に係る液浸冷却システムを示している。この実施例におけるクーリング装置３の各クーリングユニット１５には、熱交換器１９と送風ファン２０を設け、チラーユニット１６や霧化ノズル３４は使用しないようにした。こうしたシンプルな液浸冷却システムは、夏季でも外気温度が高くならない地方や環境に設置されたサーバーシステムで使用するのに適しており、チラーユニット１６や霧化ノズル３４を省略できる分だけ、液浸冷却システムの導入コストとランニングコストを著しく削減できる。

上記の実施例では、液浸冷却システムの原理構造を理解しやすくするために、１基の液浸ユニット２と２基のクーリングユニット１５を備えたクーリング装置３の組み合わせとして説明したが、大量の電子回路基板が使用されるデータセンターなどでは、液浸冷却システムが多数個の一群の液浸ユニット２と、多数個の一群のクーリング装置３の組み合わせとして使用されることが想定される。クーリングユニット１５の送風ファン２０は、個々の熱交換器１９に対応して２個設けてあってもよい。また、送風ファン２０は熱交換器１９の吸風面１９ａへ向かって空気を送給する形態であってもよい。

２ 液浸ユニット
３ クーリング装置
７ 冷媒液室
８ 冷媒ガス室
９ 凝縮ピット
１０ 凝縮器
１５ クーリングユニット
１６ チラーユニット
１９ 熱交換器
１９ａ 吸風面
２０ 送風ファン
２７ チラー熱交換器
２８ 送水路
２８ａ 高温側送水路
２８ｂ 低温側送水路
２９ 循環ポンプ
３０ 水温センサー
３１ 水温センサー
３４ 霧化ノズル
３５ 給水弁
３６ 給水源
４０ 熱交換器
４２ 開閉弁（給水弁）
４３ 非常時送水路
４４ 排水路
４７ チラー
Ｆ 低沸点冷媒
Ｂ 冷却対象

Claims (8)

1. 絶縁性の低沸点冷媒（Ｆ）を冷却要素とする液浸ユニット（２）と、液浸ユニット（２）に送給される冷却水を冷却するクーリング装置（３）とを備えており、
   液浸ユニット（２）は、冷却対象（Ｂ）を収容する密閉容器状のケーシング（５）と、ケーシング（５）の内部に配置されて、ガス化した低沸点冷媒（Ｆ）を液化する凝縮器（１０）とを備えており、
   ケーシング（５）は、液状の低沸点冷媒（Ｆ）を貯留する下側の冷媒液室（７）と、ガス化した低沸点冷媒（Ｆ）を貯留する上側の冷媒ガス室（８）とを備えており、冷媒ガス室（８）に凝縮器（１０）が配置されており、
   クーリング装置（３）は、クーリングケース（１８）と、同ケース（１８）の内部にＶ字状に配置される一対の熱交換器（１９）と、熱交換空気を生成して熱交換器（１９）に接触させる送風ファン（２０）とを備えており、
   凝縮器（１０）と熱交換器（１９）とは、冷却水を送給する送水路（２８）を介して連通されており、送水路（２８）の中途部に冷却水を凝縮器（１０）と熱交換器（１９）の間で強制的に循環させる循環ポンプ（２９）が配置されており、
   熱交換器（１９）で冷却された冷却水を凝縮器（１０）に送給しながら、冷媒ガス室（８）内の冷媒ガスを凝縮器（１０）で液化しており、
   送水路（２８）が、循環ポンプ（２９）で加圧された冷却水を熱交換器（１９）に送給する高温側送水路（２８ａ）と、熱交換後の冷却水を凝縮器（１０）に送給する低温側送水路（２８ｂ）とを備えており、
   高温側送水路（２８ａ）と低温側送水路（２８ｂ）には、それぞれ冷却水の温度を検知する水温センサー（３０・３１）が設けられており、
   クーリング装置（３）には、当該クーリング装置（３）の周辺の外気温度を検知する外気温度センサーが設けられており、
   外気温度センサーと水温センサー（３０・３１）の検知結果に応じて、クーリング装置（３）と循環ポンプ（２９）の運転状態を制御することを特徴とする液浸冷却システム。
2. クーリング装置（３）が、チラー熱交換器（２７）を含むチラーユニット（１６）を備えており、
   チラー熱交換器（２７）が熱交換器（１９）の吸風面（１９ａ）側に配置されている請求項１に記載の液浸冷却システム。
3. クーリング装置（３）が、熱交換器（１９）の吸風面（１９ａ）側に配置される霧化ノズル（３４）と、冷却水を霧化ノズル（３４）に加圧送給可能な給水源（３６）と、給水源（３６）と霧化ノズル（３４）の間の給水路に配置される給水弁（３５）を備えており、
   霧化ノズル（３４）で生成したミストを熱交換器（１９）の吸風面（１９ａ）に吸い込まれる空気に噴霧しながら、熱交換器（１９）を通過する冷却水を冷却する請求項１に記載の液浸冷却システム。
4. クーリング装置（３）とは別にバックアップ送水系を備えており、
   バックアップ送水系は、冷却水を加圧送給可能な給水源（３６）と、給水源（３６）の冷却水をクーリング装置（３）へ送給する非常時送水路（４３）と、熱交換後の冷却水を排出する排水路（４４）を備えており、
   非常時送水路（４３）と排水路（４４）が、クーリングユニット（１５）の高温側送水路（２８ａ）および低温側送水路（２８ｂ）に並列的に接続されており、
   クーリング装置（３）が故障した状態において、バックアップ送水系を作動させて給水源（３６）の冷却水を凝縮器（１０）に送給できる請求項１に記載の液浸冷却システム。
5. クーリング装置（３）が冷凍機器を含んで構成されるチラー（４７）を備えており、
   チラー（４７）は、クーリングユニット（１５）の高温側送水路（２８ａ）および低温側送水路（２８ｂ）に並列的に接続されており、
   クーリングユニット（１５）とチラー（４７）は外気温の状態に応じて択一的に稼働する請求項１に記載の液浸冷却システム。
6. 冷媒液室（７）内に、水冷式の熱交換器（４０）が低沸点冷媒（Ｆ）の液中に浸漬する状態で配置されており、
   熱交換器（４０）は、クーリングユニット（１５）の高温側送水路（２８ａ）および低温側送水路（２８ｂ）に対して、凝縮器（１０）と並列になる状態で接続されて、熱交換器（４０）と低温側送水路（２８ｂ）の間の送水路に開閉弁（４２）が設けられており、
   必要時に、冷却水を低温側送水路（２８ｂ）から熱交換器（４０）へ送給して、低沸点冷媒（Ｆ）を直接的に冷却する請求項１に記載の液浸冷却システム。
7. クーリング装置（３）が複数基のクーリングユニット（１５）を備えており、
   複数基のクーリングユニット（１５）が、高温側送水路（２８ａ）と低温側送水路（２８ｂ）に対して並列に接続されている請求項１に記載の液浸冷却システム。
8. 冷媒液室（７）の上開口縁より外側に凝縮ピット（９）が膨出形成されており、その内部に凝縮器（１０）が配置されている請求項１から７のいずれかひとつに記載の液浸冷却システム。
   

Images