JPWO2016157397A1

JPWO2016157397A1 - 電子機器の冷却システム

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Publication number: JPWO2016157397A1
Application number: JP2017508912A
Authority: JP
Inventors: 齊藤　元章; 元章齊藤
Original assignee: Exascaler Inc
Current assignee: Exascaler Inc
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2018-01-25
Also published as: EP3279765A4; US20180070477A1; EP3279765A1; WO2016157397A1

Abstract

電子機器の冷却性能を向上させた、簡単かつ効率的な冷却システムを提供する。冷却システム１０は冷却槽１２を有し、冷却槽１２の開放空間内には沸点Ｔ１を有する第１の冷却液１３が入れられている。冷却槽１２の開放空間内には、プロセッサ１１０、１１２をボード１２０上に搭載した電子機器１００が収納され、第１の冷却液１３に浸漬されている。冷却槽１２内の第１の冷却液中の表層部には、第１の熱交換器２２が浸漬されている。第１の熱交換器２２内には、沸点Ｔ２（ただし、Ｔ１＝Ｔ２又はＴ１＞Ｔ２）を有する第２の冷媒が封入されている。

Description

本発明は電子機器の冷却システムに係り、特に、スーパーコンピュータやデータセンター等の超高性能動作や安定動作が要求され、かつそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を、効率的に冷却するための電子機器の冷却システムに関するものである。

近年のスーパーコンピュータの性能の限界を決定する最大の課題の一つは消費電力であり、スーパーコンピュータの省電力性に関する研究の重要性は、既に広く認識されている。すなわち、消費電力当たりの速度性能（Ｆｌｏｐｓ／Ｗ）が、スーパーコンピュータを評価する一つの指標となっている。また、データセンターにおいては、データセンター全体の消費電力の４５％程度を冷却に費やしているとされ、冷却効率の向上による消費電力の削減の要請が大きくなっている。

スーパーコンピュータやデータセンターの冷却には、従来から空冷式と液冷式が用いられている。液冷式は、空気より格段に熱伝達性能の優れる液体を用いるため、一般的に冷却効率がよいとされている。例えば、東京工業大学が構築した「ＴＳＵＢＡＭＥ−ＫＦＣ」では、合成油を用いた液浸冷却システムにより、４．５０ＧＦｌｏｐｓ／Ｗを達成し、２０１３年１１月、及び２０１４年６月発表の「ＳｕｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒＧｒｅｅｎ５００Ｌｉｓｔ」において１位を獲得している。しかし、冷却液に粘性の高い合成油を用いているため、油浸ラックから取り出した電子機器から、そこに付着した油を完全に除去することが困難であり、電子機器のメンテナンス（具体的には、例えば調整、点検、修理、交換、増設。以下同様）が極めて困難であるという問題がある。更には、使用する合成油が、冷却系を構成するパッキン等を短期間に腐食させて漏えいするなどし、運用に支障を来す問題の発生も報告されている。

他方、上記のような問題を生ずる合成油ではなく、フッ化炭素系冷却液を用いる液浸冷却システムが提案されている。具体的には、フッ化炭素系の冷却液（３Ｍ社の商品名「Ｎｏｖｅｃ（３Ｍ社の商標。以下同様）７１００」、「Ｎｏｖｅｃ７２００」、「Ｎｏｖｅｃ７３００」で知られる、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）化合物）を用いる例である（例えば、特許文献１、特許文献２）。

特開２０１３−１８７２５１号公報特表２０１２−５２７１０９号公報

特許文献１が開示する冷却システムは、電子機器の冷却に気化熱（潜熱）を使用するため、沸点が１００℃以下のフッ化炭素系冷却液を用いている。そして、電子機器に搭載された素子の発熱で冷却液が蒸発するときの気化熱（潜熱）により素子の熱を奪い取り、当該素子を冷却している。従って、高温の素子表面で、局所的にフッ化炭素系冷却液が沸騰して気泡が断熱膜を形成することがあるため、冷却液が本来有している高い熱伝導能力が損なわれてしまうという問題がある。また、最近のスーパーコンピュータやデータセンター等で使用される電子機器には、冷却すべき対象がＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）以外にも、ＧＰＵ（ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、高速メモリ、チップセット、ネットワークユニット、ＰＣＩＥｘｐｒｅｓｓバスや、バススイッチユニット、ＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）、パワーユニット（交流−直流変換器、直流−直流電圧変換器等）等、多数存在しており、気化する温度が異なるこれらの対象物全てを等しく冷却することは困難であり、表面の冷媒が気化しない対象物では冷却効率が極めて低くなってしまう。

また、特許文献２が開示する冷却システムは、１つ又はそれ以上の発熱する電子機器を収容する密封型モジュールの構成を採用している。このため、個々の密封型モジュールに冷却液を流通させるための機構全体が複雑となり、また、密封型モジュールから電子機器全体を簡単に取り出すことができないため、電子機器のメンテナンス性に劣るという問題がある。

以上のように、従来の液浸冷却方式においては、密封型モジュールに冷却液を流通させるための機構全体が複雑となり、電子機器のメンテナンス性に劣るという問題がある。

従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、電子機器の冷却性能を向上させた、簡単かつ効率的な冷却システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一局面によれば、電子機器を冷却液中に浸漬して直接冷却する、冷却システムであって、底壁及び側壁によって形成される開放空間を有する冷却槽であって、沸点Ｔ_１を有する第１の冷却液が入れられ、少なくとも１つの発熱体を有する少なくとも１つの電子機器が前記第１の冷却液中に浸漬されて直接冷却される冷却槽と、前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＜Ｔ_１）を有する第２の冷媒が封入されている第１の熱交換器であって、前記冷却槽内の前記第１の冷却液中の表層部に浸漬される第１の熱交換器と、を含む冷却システムが提供される。

本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記第１の冷却液が完全フッ素化物を主成分として含み、１０ｍｌのメスシリンダー（開口部直径１１．５ｍｍ）に１０ｍｌの液を入れて室温２５℃の通常環境下において自然蒸発させたときの１００時間経過時の液体重量減少率が１．５％以下であるよう構成してよい。

本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、第１の冷却液の室温２５℃における蒸気圧が１．０ｋＰａ以下であるよう構成してよい。

また、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記第１の冷却液の沸点が１５０℃以上であり、前記第２の冷媒の沸点が５０℃以下であるよう構成してよい。

さらに、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記第２の冷媒が、主成分としてフッ化炭素化合物を含むよう構成してよい。

さらに、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記冷却システムが前記冷却槽の外部に置かれた、前記第２の冷媒を冷やす第２の熱交換器をさらに有し、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器は第１の流通路により連結されていてよい。

また、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記冷却槽が、前記冷却槽の上部開口に対して着脱可能又は開閉可能に取り付けられた天板を有し、該天板が前記第１の熱交換器を保持していてよい。

さらに、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記冷却槽は、前記第１の冷却液の入口と出口を有し、前記出口と前記入口が、前記冷却槽の外部にある第２の流通路により連結されており、前記流通路中に、前記第１の冷却液を移動させる少なくとも１つのポンプと、前記第１の冷却液を冷やす第３の熱交換器が設けられていてよい。

加えて、本発明のもう一つの局面によれば、複数の電子機器を冷却液中に浸漬して直接冷却する冷却システムであって、底壁及び側壁によって形成される開放空間を有する冷却槽であって、沸点Ｔ_１を有する第１の冷却液が入れられた冷却槽と、前記冷却槽内に複数の内部隔壁を設けることにより前記開放空間を分割して形成される、配列された複数の収納部であって、各収納部に少なくとも１つの電子機器を収納するための収納部と、前記複数の収納部の各々に形成される、前記第１の冷却液の流入開口及び流出開口と、を有し、前記流入開口は、各収納部の底部又は側面に形成され、前記流出開口は、各収納部を流通する前記冷却液の液面近傍に形成されており、前記冷却システムはさらに、前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＜Ｔ_１）を有する第２の冷媒が封入されている第１の熱交換器を有し、前記第１の熱交換器が各収納部内の前記第１の冷却液中の表層部に浸漬されている、冷却システムが提供される。

本発明に係る冷却システムによれば、沸点Ｔ_１を有する第１の冷却液が入れられた第１の冷却液が、その中に浸漬される電子機器に搭載されるプロセッサ等の主要な発熱源及び周辺の電子部品を、有効に冷却する。また、第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＜Ｔ_１）を有する第２の冷媒が封入されている第１の熱交換器が、冷却槽内の第１の冷却液中の表層部に浸漬されているので、第１の冷却液中の表層部の熱を奪い、冷却槽の外部に取り出す。このようにして、開放空間を有する冷却槽内での第１の冷却液による主要な発熱体及び周辺の電子部品全体の液浸冷却、及び第１の熱交換器による液浸用冷媒（第１の冷却液）の表層部からの奪熱を含む二重の冷却が行われることにより、電子機器の冷却性能を向上させることができる。また、第１の冷却液として沸点が比較的高い冷却液を使用できるので、第１の冷却液が蒸発しにくく、第１の冷却液を入れる冷却槽が非密閉の開放空間になっていてもよく、複雑で高価な密封構造を採る必要がない。加えて、第１の熱交換器を第１の冷却液中の表層部に浸漬するだけでよいため、冷却槽内で構成部品が占める体積が小さくて済む。従って、冷却システムの簡素化及び小型化が実現される。なお、本明細書における「開放空間」を有する冷却槽には、電子機器の保守性を損なわない程度の簡素な密閉構造を有する冷却槽も含まれるものである。例えば、冷却槽の開口部に、パッキン等を介して天板を着脱可能又は開閉可能に取り付ける構造は、簡素な密閉構造といえる。特に、第１の熱交換器を第１の冷却液中の表層部に浸漬するだけでよいため、第１の熱交換器を当該天板に機械的に保持させることが可能である。

上記した本発明の目的及び利点並びに他の目的及び利点は、以下の実施の形態の説明を通じてより明確に理解される。もっとも、以下に記述する実施の形態は例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る冷却システムの要部の構成を示す、部分拡大縦断面図である。種々の冷却液について重量減少率を測定した結果を示すグラフである。完全フッ素化物の特性値の比較表である。本発明の一実施形態に係る冷却システムの模式図である。本発明の他の実施形態に係る高密度冷却システムの構成を示す、部分断面を示す斜視図である。本発明の他の実施形態に係る高密度冷却システムにおける要部を示す斜視図である。本発明の他の実施形態に係る高密度冷却システムにおける、第１の熱交換器の設置例を示す模式図である。

以下、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の説明では、最初に、好ましい一実施形態について、図１から図３を参照して、ＣＰＵ又はＧＰＵからなるプロセッサを搭載したプロセッサボードをボードの一の面に３枚配置した構造の電子機器を冷却槽内に収納して冷却する、冷却システムの要部の構成を説明する。続いて、図４を参照して、同様の構造の電子機器１ユニットのみを簡略的に示しながら、当該電子機器を冷却槽内に収納して冷却する冷却システムの全体構成を説明する。次に、他の好ましい実施形態について、図５から図７を参照して、冷却槽内に形成された複数の収納部の各々に電子機器を収納して冷却する、高密度冷却システムの構成を説明する。なお、これは例示であって、ボード当たりのプロセッサの数や種類（ＣＰＵ又はＧＰＵ）は任意であり、また、冷却システムにおける電子機器のユニット数も任意であり、本発明における電子機器の構成を限定するものではない。

図１を参照して、一実施形態に係る冷却システム１０は冷却槽１２を有し、冷却槽１２の開放空間内には沸点Ｔ_１を有する第１の冷却液１３が入れられている。冷却槽１２の開放空間内には、ＣＰＵを搭載したプロセッサボード１１０を１枚、ＧＰＵを搭載したプロセッサボード１１２を２枚の計３枚を、ボード１２０の一方の面上と他方の面上に搭載した電子機器１００が収納され、第１の冷却液１３に浸漬されている。プロセッサボード１１０、１１２は、プロセッサに熱的に接続された放熱部材（放熱フィン）１１４を含む。プロセッサボード１１０、１１２上、及び電子機器１００のボード１２０上には、プロセッサ以外に、周辺の電子部品が当然に搭載されているが、これら電子部品については図示を省略している。

冷却槽１２には、電子機器１００の全体を浸漬するのに十分な量の第１の冷却液１３が、液面１９まで入れられている。第１の冷却液１３の液面１９は、電子機器１００のうちの主要な発熱体であるＣＰＵ及び周辺電子部品がすべて第１の冷却液１３中に浸漬されるように保たれることが重要である。後述するように、好ましい一実施形態によれば、第１の冷却液１３は極めて蒸発しにくい性質を有するので、液面１９は長期間に亘って保たれる。第２の冷却液としては、３Ｍ社の商品名「フロリナート（３Ｍ社の商標、以下同様）ＦＣ−７２」（沸点５６℃）、「フロリナートＦＣ−７７０」（沸点９５℃）、「フロリナートＦＣ−３２８３」（沸点１２８℃）、「フロリナートＦＣ−４０」（沸点１５５℃）、「フロリナートＦＣ−４３」（沸点１７４℃）として知られる、完全フッ素化物（パーフルオロカーボン化合物）からなるフッ素系不活性液体を好適に使用することができ、このうち特に、「フロリナートＦＣ−４０」又は「フロリナートＦＣ−４３」をより好適に使用することができるが、これらに限定されるものではない。ただし、本発明に従い、第１の冷却液１３には、後述する第１の熱交換器に封入されている第２の冷媒の沸点Ｔ_２と同じ又は第２の冷媒の沸点Ｔ_２よりも高い沸点Ｔ_１を有する冷媒を選択することが重要である。一例として、第２の冷媒に、３Ｍ社の商品名「Ｎｏｖｅｃ（３Ｍ社の商標。以下同様）」として知られるハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）化合物のうち、「Ｎｏｖｅｃ７０００」（沸点３４℃）又は「Ｎｏｖｅｃ７１００」（沸点６１℃）を使用する場合、第１の冷却液１３に、「フロリナートＦＣ−４３」（沸点１７４℃）を好適に使用することができる。

本発明者は、完全フッ素化物が、高い電気絶縁性と、高い熱伝達能力を有し、不活性で熱的・化学的に安定性が高く、不燃性で、かつ酸素を含まない化合物であるためオゾン破壊係数がゼロである等の優れた特性を有している点に着目し、そのような完全フッ素化物を主成分として含む冷却液を、高密度の電子機器の浸漬冷却用の冷媒として使用する冷却システムの発明を完成し、特許出願している（特願２０１４−１７０６１６）。好ましい一実施形態において、そのような完全フッ素化物を主成分として含む第１の冷却液が、１０ｍｌのメスシリンダー（開口部直径１１．５ｍｍ）に１０ｍｌの液を入れて室温２５℃の通常環境下において自然蒸発させたときの１００時間経過時の液体重量減少率が１．５％以下であると、冷却槽１２が非密閉の開放空間である場合でも第１の冷却液１３が蒸発しにくい。従って、第１の冷却液１３の蒸発による損失を大幅に低減することができる。また、好ましい一実施形態において、第１の冷却液１３の室温２５℃における蒸気圧が１．０ｋＰａ以下であるとき、又は、第１の冷却液１３の沸点が１５０℃以上であるとき、又は、主成分として含まれる完全フッ素化物が、炭素数１０以上の完全フッ素化物であるときは、同様にして、冷却槽１２が非密閉の開放空間である場合でも第１の冷却液１３が蒸発しにくく、第１の冷却液の蒸発による損失を大幅に低減することができる。

図２には、３Ｍ社の商品名「フロリナート」として知られる４種類の完全フッ素化物と、水道水について、１０ｍｌのメスシリンダー（開口部直径１１．５ｍｍ）に１０ｍｌの液を入れて室温２５℃の通常環境下において自然蒸発させたときの、液体重量減少率と時間との関係を示している。

ＦＣ−４０の重量減少率の傾きから明らかなとおり、水道水に比べて格段に蒸発しにくいことがわかる。また、ＦＣ−４３は、ＦＣ−４０よりもさらに格段に蒸発しにくいことがわかる。

図３は、ＦＣ−４３、ＦＣ−４０、ＦＣ−３２８３、及びＦＣ−７７０について、１００時間経過時の重量減少率と、１０００時間経過時の重量減少率、蒸気圧、沸点、主成分炭素数、及び分子量を比較した表である。

実験によって、１００時間経過時の液体重量減少率が１．５％以下であると、冷却槽が非密閉の開放空間である場合でも、冷却液が蒸発しにくいことが明らかになった。メンテナンス性を損なわないようにするためには、冷却槽１２を密閉しない構造とすることが重要であるが、ＦＣ−４３又はＦＣ−４０を冷却液に用いることにより、第１の冷却液１３の蒸発による損失を大幅に低減することができることがわかった。

上記の結果から、特に、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０を第１の冷却液に用いると極めて有利であることがわかる。ただし、既に述べたように、本発明に従い、第１の冷却液１３には、後述する第１の熱交換器に封入されている第２の冷媒の沸点Ｔ_２と同じ又は第２の冷媒の沸点Ｔ_２よりも高い沸点Ｔ_１を有する冷却液として、フロリナートＦＣ−７２、ＦＣ−７７０、ＦＣ−３２８３のいずれかを選択することを制限するものではないことは勿論である。

なお、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０は、その沸点が１５０℃以上であり、極めて蒸発しにくい性質を有するため、冷却槽１２の上部開口に設けられる天板２０は、電子機器１００のメンテナンスを容易に行えるよう、上部開口に対して着脱可能又は開閉可能に取り付けられていてよい。例えば、天板２０は、冷却槽１２の上部開口の一方縁部に設けられた図示しないヒンジ部により、開閉自在に支持されていてよい。また、冷却槽１２の側部の下方には、第１の冷却液が流入する入口１６が設けられており、冷却槽１２の側部の上方には、第１の冷却液が流出する出口１８が設けられている。これにより冷却槽１２の開放空間内に収容された電子機器１００が、冷却槽１２の開放空間内を流通する第１の冷却液１３中に浸漬されて直接冷却されるよう構成されている。

図１を参照して、一実施形態に係る冷却システム１０は、天板２０に機械的に保持されている第１の熱交換器２２をさらに有し、第１の熱交換器２２が第１の冷却液１３中の表層部に浸漬されている。第１の熱交換器２２の機械的な保持方法は、例えば天板２０に固定された懸垂支持部材（図示せず）を使用することでよいが、これに限定されるものではない。第１の熱交換器２２には、第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＜Ｔ_１）を有する第２の冷媒（図示せず）が封入されている。ここで、「封入」されているとは、第２の冷媒が外気中に漏れないことを意味し、第２の冷媒が、第１の熱交換器から他の構成部分（例えば、後述する第２の熱交換器）へ移動すること、又は第１の熱交換器と他の構成部分との間を循環することを制限するものではない。第２の冷媒としては、３Ｍ社の商品名「Ｎｏｖｅｃ７０００」（沸点３４℃）、「Ｎｏｖｅｃ７１００」（沸点６１℃）、「Ｎｏｖｅｃ７２００」（沸点７６℃）、「Ｎｏｖｅｃ７３００」（沸点９８℃）として知られるハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）化合物を好適に使用することができるが、これらに限定されるものではない。ただし、本発明に従い、第２の冷媒には、第１の冷却液１３の沸点Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液１３の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２を有する冷媒を選択することが重要である。一例として、第１の冷却液１３に「フロリナートＦＣ−４０」（沸点１５５℃）を使用する場合、第２の冷媒に「Ｎｏｖｅｃ７０００」（沸点３４℃）又は「Ｎｏｖｅｃ７１００」（沸点６１℃）を好適に使用することができる。

図１及び図４に示すように、一実施形態に係る冷却システム１０は、冷却槽１２の外部に置かれた第２の熱交換器２４をさらに有するとよい。第１の熱交換器２２と前記第２の熱交換器２４は、第１の流通路２６により連結されており、第２の冷媒が、第１の流通路２６を通って第１の熱交換器２２と第２の熱交換器２４の間を移動可能又は循環可能に構成されている。第１の熱交換器には、第１の冷却液１３中の表層部に浸漬されるよう、薄型な熱交換器を使用するのが好ましく、例えば、図１に示すようなコイル状、渦巻状、又は蛇行状に成形した管からなる熱交換器でよいが、熱交換器の構造（プレート形熱交換器、プレートアンドフィン形熱交換器等）を制限するものではない。第２の熱交換器２４は、第１の熱交換器２２から第２の熱交換器２４に移動する第２の冷媒を冷やす熱交換器であればよく、例えば、循環式の各種の熱交換器（ラジエータ又はチラー）や冷却器でよい。

図４を参照して、冷却槽１２の出口１８と入口１６が第２の流通路３０により連結されており、第２の流通路３０中に、第１の冷却液１３を移動させるポンプ４０と、第１の冷却液１３を冷やす第３の熱交換器９０が設けられている。なお、第２の流通路３０を流れる第１の冷却液１３の流量を調整するための流量調整バルブ５０と流量計７０も、第２の流通路３０中に設けられている。

ポンプ４０は、動粘度が比較的大きい（室温２５℃における動粘度が３ｃＳｔを超える）液体を移動させる性能を備えていることが好ましい。例えば、第１の冷却液１３として、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０を使用する場合、ＦＣ−４３の動粘度は２．５〜２．８ｃＳｔ程度であり、ＦＣ−４０の動粘度は１．８〜２．２ｃＳｔ程度だからである。流量調整バルブ５０は、手動で動作させるものでよく、また、流量計７０の計測値に基づき流量を一定に保つような調整機構を備えたものでもよい。加えて、第３の熱交換器９０は、循環式の各種の熱交換器（ラジエータ又はチラー）や冷却器でよい。

次に、一実施形態に係る冷却システム１０の動作について説明する。電子機器１００の運用が開始された後、電子機器１００の周囲にある第１の冷却液１３（例えば、フロリナートＦＣ−４３）が、プロセッサボード１１０、１１２に搭載されたプロセッサ及び周辺の電子部品（図示せず）から直接又は放熱部材１１４を通して熱を奪い取ることにより、電子機器を全体的に冷却する。第１の冷却液１３の沸点Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液１３の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２を有する第２の冷媒が封入されている第１の熱交換器２２が、冷却槽１２内の第１の冷却液１３中の表層部に浸漬されているので、第１の冷却液１３中の表層部の熱を奪い、冷却槽１２の外部に取り出す。このようにして、開放空間を有する冷却槽１２内での第１の冷却液１３による主要な発熱体及び周辺の電子部品（図示せず）全体の液浸冷却、及び第１の熱交換器２２による液浸用冷媒（第１の冷却液１３）の表層部からの奪熱を含む二重の冷却が行われることにより、電子機器１００の冷却性能を向上させることができる。

また、第１の冷却液１３として沸点が比較的高い冷却液（例えば、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０は、その沸点が１５０℃以上である）を使用できるので、第１の冷却液１３が蒸発しにくく、第１の冷却液１３を入れる冷却槽１２が非密閉の開放空間になっていてもよく、複雑で高価な密封構造を採る必要がない。加えて、第１の熱交換器２２を第１の冷却液１３中の表層部に浸漬するだけでよいため、冷却槽１２内で構成部品が占める体積が小さくて済む。従って、冷却システムの簡素化及び小型化が実現される。なお、本実施形態において、第１の熱交換器２２に使用する第２の冷媒として、その沸点Ｔ_２が第１の冷却液１３の沸点Ｔ_１と同じ冷却液を使用しても、従来の冷却システムにおける冷却効率を大幅に改善するという目的を達成することができることは勿論である。

以上、一実施形態に係る冷却システムについて、図１から図４を参照しつつ、１ユニットの電子機器を冷却槽に収納する例を説明したが、これは本発明の要部を説明するために簡略化したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明が、複数のユニットの電子機器を冷却槽に高密度に収納して冷却する、高密度冷却システムに適用することができることは勿論である。以下、図５から図７を参照して、本発明の他の実施形態に係る高密度冷却システムの構成を説明する。なお、図１及び図４に示した冷却システムと同様の部分には同様の符号を用い、詳しい説明を省略する。

他の実施形態の説明では、電子機器として、プロセッサボード１１０、１１２を複数搭載したボード１２０を含む１ユニットを、合計１６ユニット、冷却槽の各収納部に収納して冷却する、高密度冷却システムの構成を説明する。なお、これは例示であって、ボード当たりのプロセッサボードの数やプロセッサの種類（ＣＰＵ又はＧＰＵ）は任意であり、また、高密度冷却システムにおける電子機器のユニット数も任意であり、本発明における電子機器の構成を限定するものではない。

図５〜図７を参照して、他の実施形態に係る冷却システム５００は冷却槽１２を有し、冷却槽１２の底壁１２ａ及び側壁１２ｂによって開放空間１０ａが形成されている。冷却槽１２内に、縦方向の内部隔壁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅと、横方向の内部隔壁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅを設けることにより、開放空間１０ａを均等に１６分割して、配列された１６個の収納部１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃ、１５ａｄ、１５ｂａ、１５ｂｂ、１５ｂｃ、１５ｂｄ、１５ｃａ、１５ｃｂ、１５ｃｃ、１５ｃｄ、１５ｄａ、１５ｄｂ、１５ｄｃ、１５ｄｄ（以下、まとめて「収納部１５ａａ〜１５ｄｄ」と記載することがある。）が形成されている。そして、各収納部に少なくとも１つの電子機器１００が収納される。冷却槽１２の開放空間１０ａ内には、第１の冷却液１３が液面１９まで入れられている。収納部１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃ、１５ａｄ、１５ｂａ、１５ｂｂ、１５ｂｃ、１５ｂｄ、１５ｃａ、１５ｃｂ、１５ｃｃ、１５ｃｄ、１５ｄａ、１５ｄｂ、１５ｄｃ、１５ｄｄの底部には、第１の冷却液１３の流入開口１６ａａ、１６ａｂ、１６ａｃ、１６ａｄ、１６ｂａ、１６ｂｂ、１６ｂｃ、１６ｂｄ、１６ｃａ、１６ｃｂ、１６ｃｃ、１６ｃｄ、１６ｄａ、１６ｄｂ、１６ｄｃ、１６ｄｄ（以下、まとめて「流入開口１６ａａ〜１６ｄｄ」と記載することがある。）が形成されている。

また、収納部１５ａａ〜１５ｄｄを流通する第１の冷却液１３の液面１９近傍には、流出開口１７ａａ、１７ａｂ、１７ａｃ、１７ａｄ、１７ａｅ、１７ｂａ、１７ｂｂ、１７ｂｃ、１７ｂｄ、１７ｂｅ、１７ｃａ、１７ｃｂ、１７ｃｃ、１７ｃｄ、１７ｃｅ、１７ｄａ、１７ｄｂ、１７ｄｃ、１７ｄｄ、１７ｄｅ、１７ｅａ、１７ｅｂ、１７ｅｃ、１７ｅｄ、１７ｅｅ（以下、まとめて「流出開口１７ａａ〜１７ｅｅ」と記載することがある。）が形成されている。

他の実施形態に係る冷却システム５００において、流出開口は、各収納部を形成している複数の内部隔壁が互いに交差する位置もしくはその近傍に形成されている。例えば、図５を参照すると、収納部１５ａａは、縦方向の内部隔壁１３ａ、１３ｂと、横方向の内部隔壁１４ａ、１４ｂによって形成されており、内部隔壁１３ａと内部隔壁１４ａが交差する点、内部隔壁１３ａと内部隔壁１４ｂが交差する点、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ａが交差する点、及び内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｂが交差する点にそれぞれ位置するように、流出開口１７ａａ、１７ｂａ、１７ａｂ、１７ｂｂが形成されている。同様にして、図６を参照すると、収納部１５ｂｂは、縦方向の内部隔壁１３ｂ、１３ｃと、横方向の内部隔壁１４ｂ、１４ｃによって形成されており、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｂが交差する点、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｃが交差する点、内部隔壁１３ｃと内部隔壁１４ｂが交差する点、及び内部隔壁１３ｃと内部隔壁１４ｃが交差する点にそれぞれ位置するように、流出開口１７ｂｂ、１７ｃｂ、１７ｂｃ、１７ｃｃが形成されている。

他の実施形態に係る冷却システム５００において、流出開口は、冷却槽１２の底壁１２ａを貫通し液面１９近傍まで延びる流出管１７０の一端に形成されている。例えば、図６を参照すると、収納部１５ｂｂに関し、流出開口１７ｂｂ、１７ｃｂ、１７ｂｃ、１７ｃｃは、縦方向の内部隔壁１３ｂ、１３ｃと、横方向の内部隔壁１４ｂ、１４ｃによって形成されており、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｂが交差する点、内部隔壁１３ｂと内部隔壁１４ｃが交差する点、内部隔壁１３ｃと内部隔壁１４ｂが交差する点、及び内部隔壁１３ｃと内部隔壁１４ｃが交差する点にそれぞれ位置する流出管１７０の一端に形成されている。なお、流出管の他端には、底部開口１８ａａ、１８ａｂ、１８ａｃ、１８ａｄ、１８ａｅ、１８ｂａ、１８ｂｂ、１８ｂｃ、１８ｂｄ、１８ｂｅ、１８ｃａ、１８ｃｂ、１８ｃｃ、１８ｃｄ、１８ｃｅ、１８ｄａ、１８ｄｂ、１８ｄｃ、１８ｄｄ、１８ｄｅ、１８ｅａ、１８ｅｂ、１８ｅｃ、１８ｅｄ、１８ｅｅ（以下、まとめて「底部開口１８ａａ〜１８ｅｅ」という場合がある。）が形成されている。

流出開口が、各収納部を形成している複数の内部隔壁が互いに交差する位置に形成されている場合、各収納部に設けられる流出開口を、各収納部の四隅に分散して確保できるので有利である。例えば、収納部１５ｂｂでは、その四隅に配置される流出管１７０によって、流出開口１７ｂｂ、１７ｂｃ、１７ｃｂ、及び１７ｃｃが形成されている。なお、このように流出開口が形成されている場合、１つの流出開口が複数の収納部にとっての共通の流出開口となりうる。例えば、流出開口１７ｂｂは、収納部１５ａａにとっての流出開口の一部であると同時に、収納部１５ａｂ、１５ｂａ、及び１５ｂｂにとっての流出開口の一部でもある。同様のことが、流出開口１７ｂｃ、１７ｃｂ、及び１７ｃｃについても当てはまる。ただし、各収納部について、流出管を設ける位置及び本数は任意であり、各収納部を形成している複数の内部隔壁が互いに交差する位置の近傍に流出管を１本又は複数本設けてよいことは勿論である。また、流出管は、内部隔壁と一体化されている必要はなく、内部隔壁から離れて配置された管であってもよい。

また、流出管１７０には、図６に示すように、流出管１７０の長手方向に１つ以上の小孔１７１が形成されていてよい。これら小孔１７１は、収納部の深さ方向の途中における第１の冷却液１３の流通を促進する。一方、流入開口１６ａａ〜１６ｄｄは、図示のように円筒状の開口であることは必要でなく、例えば、複数のノズルを有するヘッダを円筒の一端に連結して、多数のノズルによって流入開口を形成してもよい。

各収納部１５ａａ〜１５ｄｄには、電子機器１００が収納され、第１の冷却液１３に浸漬されている。電子機器１００は、先の一実施形態における電子機器と同様であり、ここでの詳しい説明を省略する。

冷却槽１２には、電子機器１００の全体を浸漬するのに十分な量の第１の冷却液１３が、液面１９まで入れられている。第１の冷却液１３は、先の一実施形態における第１の冷却液と同様であり、ここでの詳しい説明を省略する。

冷却槽１２には、各収納部１５ａａ〜１５ｄｄに設けられた流入開口１６ａａ〜１６ｄｄに向けて、分配管（図示せず）を介して第１の冷却液１３を分配するための入口１６と、各収納部１５ａａ〜１５ｄｄの流出開口１７ａａ〜１７ｅｅを通った第１の冷却液１３を、集合管（図示せず）を介して集めるための出口１８とが設けられている。

各収納部１５ａａ〜１５ｄｄに収納された電子機器１００が、動作中に所定の温度以下に保たれるよう、所望の温度に冷やされた第１の冷却液１３が連続的に各収納部１５ａａ〜１５ｄｄ内を流通するようにするために、冷却槽１２の出口１８から出た第１の冷却液１３を、熱交換器で冷やし、冷えた冷却液を冷却槽１２の入口１６に戻す第２の流通路を構成するとよい。かかる流通路及び付随する設備の一例は、既に図４を参照して詳しく説明したので、ここでの説明を省略する。

図７を参照して、他の実施形態に係る冷却システム５００は、第１の冷却液１３の沸点Ｔ_１と同じ又は第１の冷却液１３の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２（Ｔ_１＝Ｔ_２又はＴ_１＞Ｔ_２）を有する第２の冷媒が封入されている、分散型の第１の熱交換器２２ａａ、２２ａｂ、２２ａｃ、２２ａｄ、２２ｂａ、２２ｂｂ、２２ｂｃ、２２ｂｄ、２２ｃａ、２２ｃｂ、２２ｃｃ、２２ｃｄ、２２ｄａ、２２ｄｂ、２２ｄｃ、２２ｄｄ（以下、まとめて「分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄ」と記載することがある。）を有している。分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄの各々が、各収納部１５ａａ〜１５ｄｄ内の第１の冷却液１３中の表層部に浸漬されている。分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄの各々は、一実施形態における第１の熱交換器と同様に、天板（図示せず）に機械的に保持されていてよい。また、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄの各々は、図１に示す例と同様に、冷却槽１２の外部に置かれた第２の熱交換器と、第１の流通路（図示せず）により連結されていてよい。この連結は、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄと同数の第２の熱交換器を用意して個別に連結する方法、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄを、１つのグループがいくつか（例えば４つ）の熱交換器からなる複数（例えば４つ）のグループに分け、当該グループの数だけ第２の熱交換器を用意して個別に連結する方法、又は、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄ全部に対して１つの第２の熱交換器を連結する方法のいずれでもよい。

次に、他の実施形態に係る冷却システム５００の動作について説明する。入口１６から入った第１の冷却液１３は、図示しない分配管を介して、収納部１５ａａ〜１５ｄｄの底部に形成された流入開口１６ａａ〜１６ｄｄに向けて分配される。第１の冷却液１３は、流入開口１６ａａ〜１６ｄｄから上方に吹き上がり、電子機器１００のボード１２０上に搭載された、プロセッサボード１１０、１１２上のプロセッサ及び周辺の電子部品（図示せず）から直接又は放熱部材１１４を通して熱を奪い取ることにより、電子機器を全体的に冷却する。例えば、第１の冷却液１３は、流入開口１６ｂｂから吹き上がると、プロセッサボード１１０、１１２上のプロセッサ及び周辺の電子部品（図示せず）の表面から熱を奪い取りながら液面１９に向けて上昇し、さらには流出開口１７ｂｂ、１７ｂｃ、１７ｃｂ、１７ｃｃに向けて移動する。このとき、収納部１５ａａ〜１５ｄｄの体積は、冷却槽１２の開放空間１０ａの体積の約１／１６の体積と小さく、そこに収納される電子機器１００も、冷却槽１２の幅の約１／４の幅と小さいため、第１の冷却液１３による電子機器１００の冷却効率が極めてよく、また、電子機器１００の周囲で第１の冷却液１３が滞留するのを有効に防ぐことができる。

加えて、各収納部１５ａａ〜１５ｄｄにおいて、分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄの各々は、第１の冷却液１３中の表層部の熱を奪い、冷却槽１２の外部に取り出す。このようにして、開放空間を有する冷却槽１２内での第１の冷却液１３による主要な発熱体及び周辺の電子部品（図示せず）全体の液浸冷却、及び分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄによる液浸用冷媒（第１の冷却液１３）の表層部からの奪熱を含む二重の冷却が行われる。第１の冷却液１３は、冷却槽１２上の液面１９の近傍に位置する流出開口１７ａａ〜１７ｅｅを通り、流出管１７０内を下降し、底部開口１８ａａ〜１８ｅｅを通り、集合管（図示せず）を介して出口１８に集められる。

上記の他の実施形態では、流入開口を各収納部の底部に形成する例を説明したが、流入開口を各収納部の側面に形成してもよい。

上記した他の実施形態に係る高密度冷却システムによれば、冷却槽の開放空間の体積の約１／４の体積か、約１／４よりも小さい体積（例えば、開放空間の体積の約１／９（縦３×横３に分割する場合）、１／１２（縦３×横４に分割する場合）、１／１６（縦４×横４に分割する場合））の収納部に、従来よりも小さい幅（例えば、約１／２、１／３、１／４）の電子機器を収納して、冷却液を個別に流通させることにより、複数の電子機器を、個別に効率よく冷却することができる。換言すると、他の実施形態に係る高密度冷却システムにおいては、温められた冷却液を冷却槽の中央部からも流出させることができるので、温められた冷却液を冷却槽の側面から流出させる従来技術におけるように、冷却液が冷却槽の中央付近に滞留して、冷却槽内の電子機器の収納位置によって冷却性能に差が生じるのを避けることができる。従って、複数の電子機器の冷却性能を向上させ、かつ冷却性能のばらつきを無くして安定化させることができる。また、収納部に収納する電子機器のサイズを小さくできるので、電子機器の取り扱い性及びメンテナンス性を向上させることができる。

上記の一実施形態及び他の実施形態では、冷却槽１２が、第１の冷却液１３の入口１６と出口１８を有することにより、第１の冷却液１３が冷却槽１２内を流通できるよう構成したが、入口と出口を省略してもよい。これは、入口と出口がない冷却システムにおいても、開放空間を有する冷却槽１２内での第１の冷却液１３による主要な発熱体及び周辺の電子部品（図示せず）全体の液浸冷却、及び第１の熱交換器２２又は分散型の第１の熱交換器２２ａａ〜２２ｄｄによる液浸用冷媒（第１の冷却液１３）の表層部からの奪熱を含む二重の冷却が行われるためである。従って、一実施形態に係る冷却システムを、他の実施形態に示した冷却システムにおける冷却槽のように、冷却槽内に複数の内部隔壁を設けることにより開放空間を分割して、配列された複数の収納部を形成する一方、流入開口及び流出開口を省略する構成に変更してもよい。

上記の一実施形態及び他の実施形態において、電子機器１００のボード上に搭載されるプロセッサはＣＰＵ又はＧＰＵのいずれか又は両方を含んでよく、また、図示しない高速メモリ、チップセット、ネットワークユニット、ＰＣＩＥｘｐｒｅｓｓバスや、バススイッチユニット、ＳＳＤ、パワーユニット（交流−直流変換器、直流−直流電圧変換器等）を含んでよい。また、電子機器１００は、ブレードサーバを含むサーバ、ルータ、ＳＳＤ等の記憶装置等の電子機器であってもよい。ただし、既に述べたように、他の実施形態においては、従来の一般的な幅よりも小さい幅（例えば、約１／２、１／３、１／４）の電子機器でよいことは勿論である。

本発明は、電子機器を効率よく冷却する、冷却システムに広く適用することができる。

１０、５００冷却システム
１００電子機器
１１０プロセッサボード（ＣＰＵ搭載）
１１２プロセッサボード（ＧＰＵ搭載）
１１４放熱部材（放熱フィン）
１２０ボード
１０ａ開放空間
１２冷却槽
１２ａ底壁
１２ｂ側壁
１３第１の冷却液
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ内部隔壁
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ内部隔壁
１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃ、１５ａｄ、１５ｂａ、１５ｂｂ、１５ｂｃ、１５ｂｄ、１５ｃａ、１５ｃｂ、１５ｃｃ、１５ｃｄ、１５ｄａ、１５ｄｂ、１５ｄｃ、１５ｄｄ収納部
１６入口
１６ａａ、１６ａｂ、１６ａｃ、１６ａｄ、１６ｂａ、１６ｂｂ、１６ｂｃ、１６ｂｄ、１６ｃａ、１６ｃｂ、１６ｃｃ、１６ｃｄ、１６ｄａ、１６ｄｂ、１６ｄｃ、１６ｄｄ流入開口
１７ａａ、１７ａｂ、１７ａｃ、１７ａｄ、１７ａｅ、１７ｂａ、１７ｂｂ、１７ｂｃ、１７ｂｄ、１７ｂｅ、１７ｃａ、１７ｃｂ、１７ｃｃ、１７ｃｄ、１７ｃｅ、１７ｄａ、１７ｄｂ、１７ｄｃ、１７ｄｄ、１７ｄｅ、１７ｅａ、１７ｅｂ、１７ｅｃ、１７ｅｄ、１７ｅｅ流出開口
１７０流出管
１７１小孔
１８出口
１８ａａ、１８ａｂ、１８ａｃ、１８ａｄ、１８ａｅ、１８ｂａ、１８ｂｂ、１８ｂｃ、１８ｂｄ、１８ｂｅ、１８ｃａ、１８ｃｂ、１８ｃｃ、１８ｃｄ、１８ｃｅ、１８ｄａ、１８ｄｂ、１８ｄｃ、１８ｄｄ、１８ｄｅ、１８ｅａ、１８ｅｂ、１８ｅｃ、１８ｅｄ、１８ｅｅ底部開口
１９液面
２０天板
２２第１の熱交換器
２２ａａ、２２ａｂ、２２ａｃ、２２ａｄ、２２ｂａ、２２ｂｂ、２２ｂｃ、２２ｂｄ、２２ｃａ、２２ｃｂ、２２ｃｃ、２２ｃｄ、２２ｄａ、２２ｄｂ、２２ｄｃ、２２ｄｄ分散型の第１の熱交換器
２４第２の熱交換器
２６第１の流通路
３０第２の流通路
４０ポンプ
５０流量調整バルブ
７０流量計
９０第３の熱交換器

Claims

電子機器を冷却液中に浸漬して直接冷却する、冷却システムであって、
底壁及び側壁によって形成される開放空間を有する冷却槽であって、沸点Ｔ_１を有する第１の冷却液が入れられ、少なくとも１つの発熱体を有する少なくとも１つの電子機器が前記第１の冷却液中に浸漬されて直接冷却される冷却槽と、
前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＜Ｔ_１）を有する第２の冷媒が封入されている第１の熱交換器であって、前記冷却槽内の前記第１の冷却液中の表層部に浸漬される第１の熱交換器と、
を含む冷却システム。
前記第１の冷却液が完全フッ素化物を主成分として含み、１０ｍｌのメスシリンダー（開口部直径１１．５ｍｍ）に１０ｍｌの液を入れて室温２５℃の通常環境下において自然蒸発させたときの１００時間経過時の液体重量減少率が１．５％以下である、請求項１に記載の冷却システム。
前記第１の冷却液の室温２５℃における蒸気圧が１．０ｋＰａ以下である、請求項２に記載の冷却システム。
前記第１の冷却液の沸点が１５０℃以上であり、前記第２の冷媒の沸点が５０℃以下である、請求項１又は２に記載の冷却システム。
前記第２の冷媒が、主成分としてフッ化炭素化合物を含む、請求項３に記載の冷却システム。
前記冷却槽の外部に置かれた、前記第２の冷媒を冷やす第２の熱交換器をさらに有し、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器は第１の流通路により連結されている、請求項１に記載の冷却システム。
前記冷却槽が、前記冷却槽の上部開口に対して着脱可能又は開閉可能に取り付けられた天板を有し、該天板が前記第１の熱交換器を保持している、請求項１に記載の冷却システム。
前記冷却槽は、前記第１の冷却液の入口と出口を有し、
前記出口と前記入口が、前記冷却槽の外部にある第２の流通路により連結されており、
前記流通路中に、前記第１の冷却液を移動させる少なくとも１つのポンプと、前記第１の冷却液を冷やす第３の熱交換器が設けられている、請求項１に記載の冷却システム。
複数の電子機器を冷却液中に浸漬して直接冷却する冷却システムであって、
底壁及び側壁によって形成される開放空間を有する冷却槽であって、沸点Ｔ_１を有する第１の冷却液が入れられた冷却槽と、
前記冷却槽内に複数の内部隔壁を設けることにより前記開放空間を分割して形成される、配列された複数の収納部であって、各収納部に少なくとも１つの電子機器を収納するための収納部と、
前記複数の収納部の各々に形成される、前記第１の冷却液の流入開口及び流出開口と、
を有し、
前記流入開口は、各収納部の底部又は側面に形成され、前記流出開口は、各収納部を流通する前記冷却液の液面近傍に形成されており、
前記冷却システムはさらに、前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１と同じ又は前記第１の冷却液の沸点Ｔ_１よりも低い沸点Ｔ_２（Ｔ_２＝Ｔ_１又はＴ_２＜Ｔ_１）を有する第２の冷媒が封入されている第１の熱交換器を有し、前記第１の熱交換器が各収納部内の前記第１の冷却液中の表層部に浸漬されている、
冷却システム。