KR100590134B1 - 재순환 열을 사용하여 냉각을 하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

자체열을 발생시키는 시스템을 위한 냉각 장치이며, 냉매를 저장하고 열의 적어도 일부분을 수용하기 위한 챔버와, 챔버에서 가열된 냉매를 수용하여 이를 가압하고 냉각시키기 위한 응축기와, 응축기에 결합되어 냉각될 구역으로 이어지는 적어도 하나의 코일을 포함한다. 상기 적어도 하나의 코일은 응축기에 결합된 제1 부분과, 제1 부분의 하류에 위치된 제2 부분과, 제2 부분의 하류에 위치된 제3 부분을 포함한다. 제2 하류 부분은 자유 팽창에 의한 구역의 냉각이 이루어지도록 자유 팽창을 위한 오리피스를 구비하며, 제3 하류 부분은 냉각될 구역에서 다시 챔버로 이어진다.
냉각 장치, 폐열, 챔버, 응축기, 코일, 냉매

Description

재순환 열을 사용하여 냉각을 하기 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR UTILIZING RECIRCULATED HEAT TO CAUSE REFRIGERATION}
도1은 전체 시스템을 환기시키거나 냉각시키는데 사용된 고온의 공기로부터 열을 수용하는 흡수 기체 냉각기가 있는 서버 랙을 포함한 구조부(100)의 개략도,
도2a는 흡수 기체 냉각 사이클(200)의 개략도,
도2b 내지 2d는 흡수 가스 냉각 사이클의 보다 상세하고 구체적인 도면,
도2b는 압축을 위해 열을 추출하는 메커니즘을 도시하는 도면,
도2c는 예컨대, 서버 유닛의 방출 팬(fan blow-off)으로부터 열을 수용하는 발생기를 도시하는 도면,
도2d는 컴퓨터 칩을 냉각하는데 사용되는 매체가 흡수 가스 냉각기에 의해 냉각되는 도면,
도3a는 대상 구역(예컨대, 컴퓨터 칩(310))의 냉각 구성부(300)의 상세도,
도3b는 코일 유닛과 컴퓨터 칩(310) 사이에 직접 접촉이 발생하는 대상 구역(예컨대, 컴퓨터 칩(310))의 냉각 구성부(350)를 도시하는 또다른 실시예를 도시하는 도면,
도3c 및 도3d는 각각, 냉각기의 냉각 곡선을 도시하는 그래프와, 압축이 발생하는 냉각기의 온도 및 발생기/보일러의 온도의 냉각 곡선을 한 세트로 동일한 그래프에 시간의 함수로 도시하는 그래프, 그리고
도4는 본 발명에 따른 예시적 방법(400)의 플로우 차트를 도시하는 도면이다.
본 발명은 대체로 열역학 공정 중 발생하는 폐열(waste heat)을 사용하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 폐열을 발생시키는 시스템의 한 부분을 일정 수준 냉각하는 데에 상기 폐열의 적어도 일부분을 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
기체 흡수식 냉각기(gas absorption refrigerator)에 의해 다른 장치를 냉각시키는 데에 폐열을 사용한다는 기술 사상은 오랜 전에 주지되었다. 그러나 종래의 장치 및 방법은 장치나 시스템의 한 부분에서 발생한 열을 같은 장치 또는 시스템 내의 다른 섹션으로 전달(또는 사용)하여 필요한 냉각을 수행하지 않았다.
또한, 종래의 기술에서는 급속 팽창됨에 의해 냉각을 수행하는 흡수 기체를 압축하는 데에 폐열을 사용하는 흡수 기체 냉각기를 사용하지 않았다. 정상 상태의 작동에서 열을 발생시키는 장치의 예는 많다. 기계적 형태의 에너지를 발생시키는 모든 기계는 열역학 법칙에 따라 열도 함께 발생시킨다. 많은 경우에 있어서, 이 열은 장치의 중요한 기능부를 파손할 정도로 과도하기 때문에 장치의 일 섹션은 냉각시키지 않으면 안 된다.
구체적인 일례로, 컴퓨터는 작동시 막대한 열을 발생시킨다.
보다 구체적으로는, 서버 등과 같은 대형 유닛은 작동의 진행 중에 막대한 전력을 사용하기 때문에 열을 적절하게 제거하기 위한 상당한 조치를 취하여야 한다. 그와 같은 조치를 취하지 않을 경우, 마이크로 프로세서 등과 같은 서버 구성요소들은 극도의 높은 온도로 인해 파손될 것이다.
그러나 상기 문제점들에 대한 본 발명자의 인식을 언급하지 않더라도, 국부 냉각을 위해 장치 또는 시스템으로부터의 폐열을 부분적으로 재순환시켜 그 열을 재유도하고, 냉각 장치의 저온부가 냉각을 요하는 시스템의 다른 부분으로 차례로 이동되는 장치 또는 방법은 이제껏 존재하지 않았다.
본 발명의 목적은 상술한 바와, 종래 발명의 방법 및 구조의 여러 예시적인 문제점들, 결함 및 단점에 비추어, 장치 또는 시스템 내에서 발생된 열의 일부분을 재순환시키고, 그 열을 재유도하여 국부 냉각하는 방법 또는 구조부를 본 발명의 예시적인 구성에 의해 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 제1 실시예에서, 자체열을 발생시키는 냉각 장치는, 장치 또는 시스템으로부터의 사용 가능한 폐열의 적어도 일부분을 수용하는 발생기 또는 냉매를 저장하는 챔버와, 상기 챔버에서 가열된 냉매를 수용하기 위한 응축기와, 응축기에서 압축되고 냉각된 냉매와, 응축기에 결합되어 냉각될 구역으로 이어지는 적어도 하나의 코일을 포함한다. 적어도 하나의 코일은 응축기에 결합된 제1 부분과, 제1 부분의 하류에 위치된 제2 부분과, 제2 부분의 하류에 위치된 제3 부분을 포함한다. 제2 하류 부분은 자유 팽창에 의한 구역의 냉각이 이루어지도록 자유 팽창을 위한 오리피스를 포함하며, 제3 하류 부분은 냉각될 구역에서 다시 챔버로 이어진다.
본 발명의 예시적인 제2 실시예에서, 자체열을 발생시키는 냉각 장치는, 상기 열의 적어도 일부분을 수용하고 냉매를 저장하는 챔버와, 장치의 냉각될 구역으로부터 떨어진 곳에 위치하고 상기 챔버로부터 가열된 냉매를 수용하는 응축기 냉각 코일과, 응축기에서 냉각될 구역까지 이어져 나오는 하나 이상의 코일을 포함하고, 냉매는 가열에 의해 가압되고 상기 응축기 내에서 냉각 및 액화되며, 하나 이상의 코일의 단부는 응축기의 반대 측에 있는 냉각될 구역에 부착되고, 반대측 단부는 자유 팽창에 의한 구역의 냉각이 이루어지도록 자유 팽창을 위한 오리피스를 포함하고, 코일은 냉각될 구역에서 연속되어 다시 챔버로 이어진다.
본 발명의 예시적인 제3 실시예에서, 자체열을 발생시키는 장치를 냉각시키기 위한 방법은, 냉매를 저장하는 챔버 내에서 상기 열의 적어도 일부분을 수용하는 단계와, 챔버 내에서 가열된 냉매를 응축기로 수용하는 단계와, 적어도 하나의 코일을 응축기에 결합하여 그 적어도 하나의 코일을 냉각될 구역으로 이어지게 하는 단계를 포함하며, 상기 냉매는 응축기 내에서 가압되고 냉각되며, 적어도 하나의 코일은 응축기에 결합하는 제1 부분과, 제1 부분의 하류에 있는 제2 부분과, 제2 부분의 하류에 있는 제3 부분을 구비한다. 제2 하류 부분은 자유 팽창에 의한 구역의 냉각이 이루어지도록 자유 팽창을 위한 오리피스를 포함하고, 제3 하류 부 분은 냉각될 구역에서 다시 챔버로 이어진다.
본 발명은 열역학 공정에 의한 폐열을 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이며, 고유하고 비자명한 구성의 조합을 구비한다.
본 장치(및 방법)는, 자체 폐열을 발생시키는 장치 또는 시스템의 한 부분을 다소 냉각시키는데 상기 열의 적어도 일부분을 사용한다는 이점이 있다.
따라서 상기 폐열의 일부분이 장치 또는 시스템으로부터 재순환되어, 동 장치 또는 시스템의 냉각이 필요한 일 섹션으로 재유도된다.
본 발명의 이러한 기술 사상은 예시적인 실시예에 한정되지 않는 많은 용도로 사용되며, 본 명세서에서는 열이 발생되는 컴퓨터 서버 유닛과 같은 대형 컴퓨터 시스템에의 적용을 다룬다. 상기 용도에서 마이크로 프로세서를 냉각하는 것은 중요하며, 칩 회로 밀도의 증가는 칩 온도의 계속적인 상승의 요인이 되므로 마이크로 프로세서를 추가적으로 냉각하기 위한 필요성은 앞으로도 증가할 것이다. 그러나 본 발명은 이 용도에 한정되는 것은 아니며, 이와 같은 사실은 본 발명의 용도를 전체적으로 포함하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 명백하다. 본 발명의 방법은 무용한 폐열을 통합하고 이를 장치 또는 시스템을 냉각하는 냉각 장치의 일부에 유용하게 사용하여 과열에 의해 사용 못하게 되었을 장치 또는 시스템을 유용하게 한 데에 근본적인 이점이 있다.
상기한 기재 및 본 발명의 다른 목적, 실시예 및 이점들은 발명의 예시적인 실시예에 대한 상세한 설명과 첨부된 도면을 통해 보다 잘 이해될 것이다.
본 발명에 따른 방법과 구조의 실시예가 도1 내지 도4를 참조하여 기술된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 장치 또는 시스템에서 일어나는 열역학적 공정으로부터의 폐열을 사용한 장치 및 수단을 기술하며, 보다 구체적으로는, 폐열을 발생시키는 동 장치 또는 시스템의 한 부분을 다소 냉각시키기 위해 상기 장치 또는 시스템으로부터의 상기 열의 적어도 일부분을 사용하는 장치를 기술한다. 이 방법을 통해 폐열이 부분적으로 재순환되며, 냉각을 요하는 장치 또는 시스템의 섹션으로 재유도된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 많은 용도로 사용되며, 본 명세서에서 기술하는 컴퓨터 서버 유닛과 같은 대형 컴퓨터 시스템에 의해 발생되는 열의 실시예는 명확한 이해를 돕기 위한 것이며, 어떠한 경우에도 본 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 실제로, 칩 회로 밀도의 증가는 칩 온도의 계속적인 상승의 요인이 되고, 이에 마이크로 프로세서 시스템을 냉각하는 것은 매우 중요하며, 저렴하고 추가적인 마이크로 프로세서의 냉각기의 필요성은 앞으로도 증가할 것이다. 열역학 상으로 알려진 바와 같이, 열을 저온에서 상대적으로 고온인 곳으로 이동시키는 데에는 에너지가 소요된다. 효율성의 측면에서, 저온의 구역에서 고온의 구역으로 이동되는 에너지의 양은 1보다 클 수 있다. 실제로, 종래의 냉각기와 같은 일반적인 역 카르노 사이클에서 실험적인 에너지의 양은 3 내지 4 정도의 높은 것으로 나타난다. 그와 같은 냉각기의 이상적인 성능계수(coefficient of performance, COP)는,
COP = QH/W (1)
이며, QH는 카르노 사이클 엔진의 고온의 저장통으로 이송된 열이고, W는 이 이송에 소요된 기계적인 일의 양이다. 이는 두 개의 절대 온도의 개념을 사용하여 아래와 같이 표현될 수 있으며,
COP = TH/(TH-TC) (2)
이중 TC가 상대적으로 낮은 온도(예컨대, 본 발명의 예로 든 냉각될 컴퓨터 칩)를 나타낸다. 분명히, 이 경우의 COP는 언제나 1보다 크다(예컨대, 열을 제거하기 위해 한 일의 양보다 제거된 열의 양이 더 크다).
본 발명은, 냉각에 사용된 열원에 직접 연결된 것은 아니더라도 이웃한 고온의 구역으로부터의 열을 제거하기 위해 흡수 가스 냉각기를 작동시키기보다는, 예컨대, 열을 제공하기 위한 하나 이상의 서버 전력 공급 장치 또는 컴퓨터 칩과 같은 장치 또는 시스템의 특정 부분에서 발생한 열을 사용하여 열을 공급한다. 컴퓨터의 경우, 열은 강제 대류에 의할 경우에 흡수 기체 냉각기의 발생기로 가장 잘 전달될 수 있으며, 발생기를 열원에 직접 접촉시키는 것은 열을 발생기로 전달하는 데에 적절하지 않을 수 있다. 그러나 발생기가 열원에서 공급되는 열보다 낮은 온도로 구동되는 경우에는 대체로 그러하지 않다. 그와 같은 경우에 열은 전도에 의해 열원에서 기체 냉각기의 발생기로 전달될 것이다.
예컨대, 냉각 팬의 모터 또는 전력 공급 장치로부터의 열은 흡수 기체 냉각기의 등가(equivalent)를 구동시키도록 재유도될 수 있다. 흡수 기체 냉각기(모터를 전혀 구비하지 않거나 작동을 위해 전원이 전혀 필요 없을 수 있는 냉각기)는 용액(예컨대, 리튬 브로마이드(LiBr)/물, 암모니아/물, 리튬 클로라이드/물, 암모니아/물/수소 등)에 열을 공급하도록 작동하며, 이는 주지된 바이다. LiBr/물(또는 리튬 클로라이드/물)을 사용하는 경우 물이 기화되어(boil off) 냉각이 수행됨에 반해, 암모니아/물의 냉매를 사용하는 경우 암모니아가 기화되어, 압축되고 액화된다. 작은 전력 효율을 가진 모터가 사용되거나, 수소와 같은 제3의 기체를 사용하여 암모니아와 물을 재결합시킬 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 예시적인 냉각 구조부(100)를 도시하며, 보다 구체적으로는, 흡수 기체 냉각기(120)에 의해 냉각되는 열 발산 장치 또는 시스템(예컨대, 서버 랙 및 그 관련 전자 부품이며, 본 발명은 열 발산 장치에 적용될 수 있으나 일관성 및 명확한 이해를 위해 이하에서는 서버 랙이 기술된다)(110)을 도시한다.
기체 냉각기(120)는 바람직하게는, 서버 랙(110)에 인접하여(예컨대, 더욱 바람직하게는, 상부에) 장착된다.
기체 냉각기(120)는 서버 랙(10)의 부분들로부터 열 복사된 또는 강제된 폐열(121a)을 포획하는 가열 챔버(121)를 포함한다. 또한, 폐열은 프로세서 칩에 전력을 공급하는 전자 장비로부터 발생될 수 있으며, 이는 예컨대, 증폭기, 컴퓨터 칩, 전류 공급 장치 등의 칩을 구동하는 데 사용되는 보조 부품이다. 바로 이 폐열이 바람직하게는, 재순환에 의해 냉각에 사용되며, 대체로 강제 대류에 의해 발생기로 전달되는 것이다.
흡수 기체 냉각기의 기술 분야에서 주지된 바와 같이, 응축기(122)는 상대적 으로 고온인 가열 챔버(121)에 결합된다. 응축기(122)는 튜브, 코일 등일 수 있으며, 압축되고 냉각된 액체(냉매)를 포함한다.
응축기(122)는 팽창 스테이지(예컨대, 냉각 코일(124))에 결합된다. 몇몇의 기체 냉각기는 팽창 밸브(또는 스로틀 밸브)(123)를 사용할 수 있다. 선택적인 팽창 밸브(optional expansion valve)(123)에 인접한 냉각 코일(124)의 한 부분에 가스 상태의 증기(예컨대, 리튬 브로마이드와 물; 암모니아와 물; 암모니아, 물 및 수소 등)가 제공됨으로써 냉각이 이루어진다. 그러나 모든 기체 냉각기가 그와 같은 팽창/스로틀 밸브를 사용하거나 작동하는 것은 아니다. 대체로, 냉각은 냉매가 증발기 섹션에서 증발되어 이루어진다. 몇몇의 경우에, 이는 스로틀 밸브를 사용한 급속 팽창과 관련되나, 이와 같은 것이 모든 형태의 기체 냉각기에 요구되는 것은 아니다.
냉각 코일(124)은, 바람직하게는, 대상 구역(예컨대, 프로세서 칩)에 구비되어 상기 대상을 냉각시킨다.
냉각 코일(124)은 프로세서 칩을 가로질러 진행하여 다시 열 챔버(121)에 결합된다.
도2a에 관해 더 상세히 기술될 바와 같이, 가열기에 기반한(heater-based) 흡수 기체 냉각기의 기본적인 원리는 냉매가 가열 격실에서 용액으로부터 기체 상태로 방출되며, 분리 유닛을 통해 통로를 지나 물이 냉매로부터 분리되며(도면에 상세히 도시되지 않음), 압축 사이클을 거쳐 냉매가 다시 액체로 돌아오는 흡수 사이클을 포함한다.
따라서 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 응축기(122)는 바람직하게는, 서버 유닛(110)의 외부에 위치되어 서버의 열을 방사시키고, 냉각 공정을 거쳐 상기 기체를 액체로 변화시킨다.
이 작동 후에 팽창(몇몇의 경우에 있어서는 예컨대, 스로틀/팽창 밸브(123)에 의해 급속 팽창)에 의한, 그리고 몇몇의 경우에 있어서는 수소와의 상호 작용에 의한 증발 사이클이 이어진다. 이 공정은 냉각될 본체(본 발명의 예시적이며 제한적이지 않은 용도로서, 예컨대, 일련의 프로세서 칩)로부터 나오는 증발열이 냉매에 공급될 것을 요한다. 기체 냉각기에서 이 부분(모든 냉각기와 마찬가지로)은 증발기 섹션(예컨대, 위치(124)에 인접한 곳에 도시되며, 냉각되어야 하는 구역에 인접해 있다)이다.
일 실시예에서, 응축기(122)는 냉각될 구역으로부터 떨어진 어느 곳(예컨대, 냉각 팬(110a)과 연결된 서버 랙(110)의 상부)에 위치될 수 있다.
응축기(122)는 액체 냉매를 가압 상태로 유지하며, 냉매에 상당한 냉각을 수행한다. 가압된 액체를 증발기(예컨대, 저압 구역)로 (앞서 언급한 바와 같이, 팽창 밸브 또는 스로틀 밸브(123)에 의할 수 있는)팽창에 의해 방출하면 주변으로부터 증발열이 취해짐에 따라 냉각이 일어난다.
본 발명에서, 팽창 밸브(123)를 선택하여 사용하는 경우, 팽창 밸브는 프로세서 칩(125) 가까이에 위치 설정될 수 있으며, 팽창이 일어나는 관 형상부(tubulation)(예컨대, 튜브, 코일 등)는 바람직하게는, 칩 또는 칩과 인터페이스를 통해 접촉되어 있는 표준 구리 냉각모(standard copper cooling hat)와 직접 접촉 된다.
본 발명에 따른 기체 냉각기 사이클(20)(및 그 구조부)이 도2a를 참조하여 보다 상세하게 기술된다.
도2a에서, 폐열(221a)은 전원 증폭기(251)(도2c에 도시됨)(및 프로세서 칩(227))를 포함한 서버 랙(250)(도2c에 도시됨)에 의해 방사되며, 발생기인 가열 챔버(221)에 대체로 강제 대류에 의해 수집된다. 가열 챔버(221)의 위치(221b)에, 이전의 사이클로부터의 물과 냉매(예컨대, 하나의 실시예에서 뜨거운 물(H2O) 및 암모니아(NH3))가 있다.
보조 전기 가열기(226)가 바람직하게는, 가열 챔버(221) 상부에 구비될 수 있다. 그와 같은 가열기(226)는 "즉석" 가열을 조속히 제공하여 냉각을 제공하는 데에 있어서 중요하다.
즉, 서버 유닛이 처음으로 작동 가능하게 되면, 서버 유닛이 가열되어 본 발명의 장치를 작동 가능하게 할 때까지 다소의 시간이 소요될 수 있다. 여러 구성요소로부터의 열이 쌓이기까지는 시간이 걸리므로, 냉각기가 작동되기까지 시간이 걸린다. 이와 같은 경우에, 전기 가열기(226)를 작동시켜 발생기의 영역을 신속히 가열할 수 있으며, 이로써 서버 랙이 열을 공급할 때까지 기다리지 않고 장치를 작동 가능하게 할 수 있다. 따라서 즉석 열에 의해 기체를 보다 신속하게 압축할 수 있다(또한, 이에 따라 보다 신속하게 냉각을 출력할 수 있다).
그와 같은 보조 전기 가열기(226)는 바람직하게는, 서버 랙/구성요소가 가열됨에 따라 보조 전기 가열기(226)로부터 출력되는 열을 이상적으로 감소시키도록 작용하는 서보 유닛을 구비한 온도 센서(226a)에 결합된다. 따라서 기체의 온도를 감지하는 온도 센서(226a)는 서보 메커니즘을 작동시켜 전기 가열기(226)의 세기를 최적 값으로(또는 임의의 값으로) 낮춘다(또는 높인다).
서버 유닛으로부터의 기체가 얼마나 뜨거운지에 따라 보조 전기 가열기(226)로부터의 열의 다소량이 언제나 필요할 수 있다. 즉, 서버 유닛에 의해 발생되는 열이 존재하더라도, 수개의 환경적 요인에 의존하는 것이 온도, 양 또는 지속 시간의 면에서 본 발명의 장치 또는 시스템이 효율적으로 또는 이상적으로 작동되기에 충분치 못할 수 있다. 따라서 보조 전기 가열기(226)는 서버 유닛의 열 공급에 유익할 수 있다.
응축기(222)는 가열 챔버(221)의 측면에, 또는 바람직하게는 상부에 결합된다.
응축기(222)내의 위치(222a)에 가압 냉각된 암모니아(예컨대, NH3나 다른 냉매)가 있다.
선택적인 팽창 밸브(223)(예컨대, "스로틀 밸브"라고도 알려진)가 응축기(222)의 하류에 구비될 수 있다. 팽창 밸브(223)가 사용될 경우, 팽창 밸브는 가압 냉각된 암모니아를 밸브(223)의 하류(예컨대, 증발기/냉각 코일)에서 팽창되도록 하여 위치(225a)에서 기체 상태의 NH3를 형성한다. 한편, 밸브는 사용되지 않을 수 있다. 증발기 섹션에서 액체 냉매가 적어도 다소 증발되어 냉각을 수행한다는 점이 핵심이다.
냉각 코일(225)은 팽창 밸브(223)의 하류에 배치되며, 프로세서 칩(227)의 가까운 인근부(225b) 내에 위치 설정되어 이를 냉각시킨다. 상기 코일의 부분은 냉각될 컴퓨터 칩과 접촉하거나(예컨대, 도2a에 예시적으로 도시), 칩 냉각모와 접촉하거나 이를 통과하여 진행하거나(예컨대, 도2b에 도시), 또는 도2c에 도시된 바와 같이 컴퓨터 칩에 인접하여 진행하거나 컴퓨터 칩과 접촉되는 물을 냉각시키도록 사용될 수 있다.
냉각 코일(225)은 그 후 다시 가열 챔버(221)로 이어진다.
따라서 가열기 기반의 냉각기는 열에 의해 가열기 또는 발생기 섹션에서 용액으로부터 기체 상태로 뽑아 낸(driven out) 냉매의 사용을 포함한 흡수 사이클을 사용한다.
본 발명에서, 냉매를 뽑아내는 데에 사용된 이 열은 장치(예컨대, 서버 유닛의 전력 공급 장치 또는 팬)의 한 부분으로부터 이용 가능한 폐열(221a)에 의해 제공된다.
기체가 가열된 후에, 이것은 응축기 유닛(222)에서 액체로 응축되며, 그런 다음 모든 냉각 유닛에 보편적으로 구비된 유닛인 증발기 유닛(예컨대, 냉각의 대상 구역 내의 선택적인 팽창 밸브/스로틀의 하류에 배치된 코일)에서 다시 기체로 증발한다.
냉매는 마지막으로 흡수 유닛(예컨대, 증발기 유닛의 하류에 배치된)의 용액으로 돌아가며, 이곳에서 암모니아(또는 리튬 브로마이드/물 및 리튬 클로라이드/ 물 냉매의 경우에는 물)가 다시 흡수된다.
액체가 기체로 전환되기 위해서는 숨은열이 필요하기 때문에 냉각 효과는 증발기 유닛의 증발 중에 발생되며, 이 경우 증발기를 둘러싼 부분들로부터 열이 추출된다.
일반적으로, 흡수식 사이클 기체 냉각기(absorption-cycle gas refrigerator)(예컨대, 도2a의 개략도와 같으며, 다만, 기체 혼합물에 따라 알려지고 변화하는 흡수 부분의 세부 사항이 도시되지 않음)는 리튬 브로마이드(LiBr) 수용액, 리튬 클로라이드 수용액 또는 암모니아 혼합물의 수용액을 사용하며, 몇몇의 경우에는 수소를 더하여 사용한다. 물과 암모니아 냉매의 경우, 암모니아는 발생기 또는 가열 챔버에서 가열되어 가압 증기로 변환된다.
냉매 증기는 분리기(240)(예컨대, 도2a에 도시)로 도입되며, 이곳에서 상기 냉매로부터 물이 분리된다. 즉, 상승 사이클(up cycle) 중에, 열에 의해 물과 암모니아가 고온이 되며, 분리기(240)는 물이 가열 챔버(221)로 되돌아가고 암모니아가 하류의 응축기 유닛(22)으로 진행하도록 기능한다. 따라서 상승 사이클 중 분리기가 사용되며, 증발(냉각) 단계 후에 암모니아 및 물의 혼합이 이루어진다.
그러므로, 암모니아는 분리 후 주변으로 열을 발산하는 응축기 유닛(222)을 통과하는 동안 주변으로 열을 발산하고, 응축기의 냉각에 의해 가압 액체로 다시 되돌아온다.
이 액체 냉매는 증발기로 도입되어 자유 팽창하고(예컨대, 몇몇의 예시적인 경우, 선택적인 팽창 밸브(223)를 거쳐 자유 팽창하여), 이로써 증발열을 주변으로 부터 취하여 주변을 냉각시킨다. 이것은 증기를 상대적으로 냉각시키며, 이후의 사이클을 계속하기 위해 발생기(예컨대, 가열 챔버)로 다시 도입된다.
또다른 예시적이며 제한적이지 않은 실시예에서, 액체 브로마이드 수용액이 냉매로 사용되며, 이 경우 사이클이 다소 보다 복잡하나 암모니아 사이클에서 일어나는 것과 기본적으로 유사하고, 그러나 LiBr로부터 수증기가 분리되는 점과 응축기(222)와 증발기 단계를 통과하여 궁극적으로 냉각을 유발하는 것이 바로 상기 수증기라는 점이 다르다.
본 발명의 시스템에서, 성능계수(COP)를 나타내는 이상적인 식은,
COP = [TL/(TM - TL)][(TH - TM)/TH] (3)
이며, TM은 응축기(222)로부터 주로 열을 받아들이는 열 흡수원(heat sink)의 온도이다.
TH는 냉매를 위한 발생기 또는 가열 챔버(221)의 온도이며, 이는, 반드시 그런 것은 아니나, 대체로는 서버 유닛의 냉각될 칩 외의 다른 부분의 가열된 부분에 의해, 본 발명에 폐열이 유입된 결과이다. 이 열이 바로 냉각 사이클을 구동시키는 열이며,
TL은 증발기 스테이지(예컨대, 냉각 구역)에서 자유 팽창에 기인한 저온이며, 본 발명의 실시예에서, 증발기 유닛에서 기체가 팽창하기 위한 열을 제공하는 냉각된 컴퓨터 프로세서 칩의 온도이다.
도2b 내지 도2d에서 상술한 흡수 기체 냉각 사이클이 보다 상세하게 도시된 다. 보다 구체적으로, 도2b는 압축에 사용되는 열을 추출하기 위한 메커니즘을 도시하며, 구체적으로는 (폐열원의 적어도 일부분을 대표하는)전원 증폭기를 지나 흐르는 저온의 기체(냉매)를 도시한다. 저온의 기체는 관류(tubing)를 통과하고 전원 증폭기를 지나 흐르며, 가압 기체의 상태로 발생기에 열을 전달한 후 응축기(222)로 도입된다.
도2c는 발생기 내로부터 응축기로 흐르는 가압 기체를 도시하며, 구체적으로는 예컨대, 서버 유닛의 방출 팬(fan blow-off)으로부터 열을 받아들이는 발생기를 도시한다.
도2d는 흡수 기체 냉각기에 의해 이미 냉각된 매체(예컨대, 물)를 사용한 본 발명을 도시한다. 본 도면에서 물 탱크(290)는 물 펌프(223)를 저장하는 관 형상부와 함께 도시되며, 냉각된 물이 칩과 냉각을 위한 선택적인 냉각모를 지나 진행한다. 이 물은 따뜻한 물(예컨대, 칩/선택적인 냉각모의 냉각 후에 따뜻해진 물)이 되어 되돌아간다. 이제 상기 가열된 물은 흡수 기체 냉각기의 증발기로 되돌아오며, 그 후 냉각을 수행한 후에 탱크로 되돌아와 가열/냉각 사이클을 마친다.
도3a는 냉각 프로세서 칩(310)의 예시적인 구성을 도시하며, 구체적으로는, 칩(310)이 냉각 매체와 어떻게 접촉하는지를 도시한다. 칩과 냉각 코일(330)의 접촉 방식에 관한 많은 실시예 및 구성이 존재하며, 이들은 본 발명에 사용될 수 있다.
따라서 기체 냉각기는 칩에 직접 접촉시키거나(예컨대, 도3b에 도시), 칩과 접촉한 도관에 냉각수를 흐르게 하여 칩을 냉각시킬 수 있으며, 이를 위한 기체 냉 각기의 증발기의 냉각 온도를 발생기 온도의 함수로 나타낸 실험적인 데이터가 도3c에 도시된다. 발생기의 온도는 고온의 에어건(air gun)에 의한 강제식 고온의 공기를 사용하여 증가될 수 있다. 다르게는, 도3a에 도시된 바와 같이, 냉각된 물을 냉각모 및 본 명세서를 읽은 후에 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 다른 구성부를 통과하여 흐르도록 할 수 있다.
도3a에서, 칩(310)은 팽창 냉각 코일(330)이 가로질러 통과하는(또는 이것에 인접하는) 냉각모(320)(예컨대, 일반적으로 구리 등과 같은 전도성 부재로 만들어진)를 그 위에 구비한다. 구리 냉각모(320)는 표면 상에 핀(fin)을 구비할 수 있으며, 핀에 바람을 불어 열을 분산시키도록 팬(예컨대, 도1에 도시된 팬과 유사한 팬)이 유익하게 사용될 수 있다.
따라서 도3a에서, 구리 냉각모(320)는 칩(310)과 접촉되어 있고, 냉매는 구리 냉각모(320)를 직접 통과하여 진행하는 팽창 냉각 코일(330)을 통과하므로, 냉매가 팽창 냉각 코일(330)을 통과함으로써 칩(310)이 냉각된다. 일반적으로, 칩(310)은 기판 내로 삽입되어 있으며, 관류가 냉각모(320) 내에 구비되거나 칩이 팽창 냉각 코일(330)과 직접 접촉될 수 있다.
칩(310)과 접촉하는 구리 냉각모(320)의 사용으로, 일반적으로 점착성 윤활유(grease)가 구리 냉각모와 칩 사이에 위치되고, 상대적으로 높은 압력(예컨대, 5.63㎏/㎠　(80 lbs/in2))으로 냉각모가 칩 상에 가압된다. 따라서 일반적으로 압력이 가해진 후에는, 냉각모와 칩 사이가 접촉되게 하는 윤활유 필름은 50 micron 내지 100 micron의 두께로 정렬된다. 이 필름은 열 분산량을 감소시키는 큰 걸림돌이 되므로, 본 발명은 칩과 냉각 코일 사이를 직접 접촉시켜 냉각의 효율을 증가시킬 수 있다.
즉, 도3b는 코일 유닛과 컴퓨터 칩(310)이 직접 접촉되는 냉각의 대상 구역(예컨대, 컴퓨터 칩(310))의 장치 배열(350)의 또다른 실시예를 도시한다. 이와 같이, 저온의 물(330)이 제공되어 칩(310)의 표면 위로 직접 흘러 칩을 냉각시킨 후 고온의 물이 되어 대상 구역으로부터 배출된다.
이미 상술된 도3c 및 도3d는 각각 냉각기의 냉각 곡선의 그래프와, 압축이 발생되는 냉각기의 온도 및 발생기의 온도를 한 세트의 곡선으로 동일한 그래프에 시간의 함수로 표시한 그래프를 도시한다.
따라서 도3c는 냉각기 온도 및 발생기 온도를 시간의 함수로 도시하며, 상기 발생기는 "폐열"에 의해 구동된다. 이 실험에서, 시스템은 전기 가열기를 사용하여 실행되었다.
도3d는 압축이 발생되는 냉각기의 온도 및 발생기의 온도를 모두 같은 그래프에 시간의 함수로 표시한 제2 관계를 도시한다. 도3d에 있어서, 온도의 변동은 발생기와 힛건(heat gun) 사이의 거리를 변화시킴에 의해 발생기의 온도를 고의적으로 변화시킴에 기인한 것이다.
상술한 바와 같이, 상기 실험에서 전기 가열기는 냉각기 메커니즘의 선택적인 부분이며, 전기 가열기가 냉각의 냉각 사이클을 시작하는데 사용되었다. 일단 발생기의 온도가 필요 상승 온도에 달하면, 냉각 사이클을 유지하기 위해, 전기 가 열기의 전원을 끊고 힛건을 발생기로부터의 여러 거리로 위치 설정시키도록 사용하였다(이에 따라 온도의 변동이 유발된다). 상기 힛건은 보통 서버의 폐열로부터 발생되는 재순환된 폐열을 모의 실험하도록 기능하였다. 상기 힛건을 사용하여 얻어진 증발기의 최소 온도는 -5.5℃이며, 이보다 약간 낮은 온도도 가능하다. 이와 같이, 전기적인 가열에 의해 사이클이 시작되고 뒤를 이어 폐열의 모의 시험으로 전환되었다.
도4는 자체열을 발생시키는 장치를 냉각하기 위한 본 발명의 방법(400)을 도시한다.
방법(400)은, 단계(410)에서, 냉매를 저장하고 있는 챔버(냉각기의 발생기)로 시스템 내에서 발생된 열의 적어도 일부분을, 주로 열대류를 통해, 수용하는 단계를 포함한다.
단계(420)에서, 가열된 냉매를 수용하는 단계를 포함하며, 상기 냉매는 응축기에서 가압되고 차례로 냉각된다.
단계(430)에서, 적어도 하나의 코일이 콘덴서에 결합되고 냉각될 구역으로 이어지며, 상기 적어도 하나의 코일은 응축기에 결합된 제1 부분과, 제1 부분의 하류에 위치된 제2 부분과, 제2 부분의 하류에 위치된 제3 부분을 구비한다.
단계(440)에서, 자유 팽창을 위한 오리피스를 구비한 제2 하류 부분에 의해, 암모니아가 자유 팽창하여(선택적으로는, 스로틀 또는 팽창 밸브에 의해) 대상 구역을 냉각시킨다.
단계(450)에서, 냉각될 구역에서 챔버로 다시 이어지는 제3 하류 부분에 의 해, 다음 냉각 사이클이 시작될 수 있다.
따라서 상술한 바와 같이, 본 발명은 장치 또는 시스템 내에서 열역학적 공정의 결과로 생긴 폐열을 사용하기 위한 장치 및 방법을 제공하며, 상기 시스템은 상기 장치를 포함하여 장치 또는 동 시스템의 적어도 한 부분으로부터 발생된 폐열로부터 장치 또는 시스템의 부분을 냉각시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 장치 및 방법은 폐열을 발생시키는 동 장치의 한 부분을 다소 냉각시키기 위해 열의 적어도 일부분을 사용한다.
또한, 열의 적어도 일부분이 재순환되어, 냉각을 요하는 장치의 섹션(예컨대, 예시적이고 제한적이지 않은 실시예에서, 프로세서 칩)으로 재시지된다.
본 발명의 이와 같은 기술 사상은 실시예에 한정되지 않는 많은 용도를 가지며, 본 명세서에서는 컴퓨터 서버 유닛과 같이 열이 발생되는 대형 컴퓨터 시스템의 용도가 다루어졌다.
실제로, 승용차에서 승객용 객실을 냉각시키기 위해 열을 재순환시키는 다른 예시적인 용도가 포함될 수 있다. 또한, 본 발명은 시스템 자체(예컨대, 자체(예컨대, in situ))로부터 열을 획득한다. 따라서 본 발명은 그 자체의 열을 사용하며, 그 자체의 열을 재분배한다.
본 발명은 여러 실시예의 개념을 사용하여 기술되었으나, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상과 첨부된 청구범위의 범주 내에서 본 발명의 변경이 가능함을 알 것이다.
또한, 본 명세서는 청구범위의 모든 구성 요소의 균등의 범위까지 보호의 범 주로 하고자 의도된 것이며, 본 발명의 기술의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 절차 중에 보정이 가능하다.
본 발명은 장치 또는 시스템 내에서 발생된 열의 일부분을 재순환시키고, 그 열을 재유도하여 국부 냉각하는 방법 또는 구조부를 본 발명의 예시적인 구성에 의해 제공한다.
본 장치(및 방법)는, 자체 폐열을 발생시키는 장치 또는 시스템의 한 부분을 다소 냉각시키는데 상기 열의 적어도 일부분을 사용하는 이점이 있다.
따라서 상기 폐열의 일부분이 장치 또는 시스템으로부터 재순환되어, 동 장치 또는 시스템의 냉각이 필요한 일 섹션으로 재유도된다.

Claims (22)

  1. 자체열을 발생시키는 시스템을 위한 냉각 장치이며,
    내부에 냉매를 저장하고, 전도 또는 강제 통풍 중 적어도 하나에 의해 상기 열 중 적어도 일부를 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 가열된 상기 냉매를 수용하며, 상기 냉매를 가압하고 냉각하기 위한 응축기와,
    상기 응축기에 결합되어 냉각될 구역으로 이어지며, 상기 응축기에 결합된 제1 부분과, 상기 제1 부분의 하류에 위치된 제2 부분과, 상기 제2 부분의 하류에 위치된 제3 부분을 구비한 하나 이상의 코일을 포함하고,
    상기 제2 하류 부분은 상기 냉각될 구역의 냉각이 이루어지도록 상기 냉매의 자유 팽창을 위한 오리피스를 구비하며,
    상기 제3 하류 부분은 냉각될 구역에서 다시 상기 챔버로 이어지고,
    상기 시스템 내에서 발생되는 열 중 적어도 일부는 상기 냉각될 구역을 냉각하도록 재순환되는 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉매는 암모니아와 물, 리튬 브로마이드 수용액, 리튬 클로라이드 수용액 중 어느 것을 포함하는 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서, 열원은 상기 시스템의 전원이 구동되면 가열되는 상기 시스템 내의 구성요소로부터의 열을 포함하는 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각될 구역의 구조부는
    팬과 팬 모터 중 적어도 하나와,
    하나 이상의 컴퓨터 칩과,
    컴퓨터 회로와,
    회로 기판을 포함하며,
    상기 구조부는 전기적으로 구동되는 냉각 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각될 구역의 구조부는 컴퓨터 서버 유닛을 포함하는 냉각 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열을 수용하는 상기 챔버에 인접하여 위치 설정되는 보조 전기 가열기 코일을 더 포함하는 냉각 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 보조 전기 가열기 코일의 구동에 의해 냉각 사이클이 시작되는 냉각 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 챔버에 제공되는 상기 열을 증강시키기 위해, 상기 보조 전기 가열기 코일은 열을 발생시키는 구조부의 작동 동안 작동 상태로 유지되는 냉각 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 코일의 상기 제2 하류 부분은 냉각될 구조부에 직접 접촉되는 냉각 장치.
  10. 제1항에 있어서, 고체 전도 부재를 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 코일의 상기 제2 하류 부분은 상기 고체 전도 부재를 경유하여 냉각될 구조부와 간접 접촉되는 냉각 장치.
  11. 자체열을 발생시키는 시스템을 위한 냉각 장치이며,
    냉매를 저장하고, 시스템 내에서 발생되는 열을 수용하기 위한 챔버와,
    냉각될 장치의 구역으로부터 떨어진 곳에 위치된 응축기를 포함하고,
    상기 응축기는 상기 챔버에서 가열된 상기 냉매를 수용하고, 상기 가열에 의해 가압된 상기 냉매를 그 내에서 냉각시켜 액화하며,
    하나 이상의 코일이 상기 응축기로부터 상기 냉각될 구역으로 이어지고,
    상기 하나 이상의 코일의 일 단부는 상기 냉각될 구역의 냉각이 이루어지도록 상기 냉매의 자유 팽창을 위한 오리피스를 구비하며,
    상기 하나 이상의 코일은 상기 냉각될 구역으로부터 상기 챔버로 다시 이어지고,
    상기 시스템 내에서 발생되는 열 중 적어도 일부는 상기 냉각될 구역을 냉각하도록 재순환되는 냉각 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 냉매는 암모니아와 물, 리튬 브로마이드 수용액, 리튬 클로라이드 수용액 중 어느 것을 포함하는 냉각 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 열은 상기 시스템의 전원이 구동되면 가열되는 상기 시스템 내의 구성요소에 의해 발생되는 냉각 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 냉각될 구역의 구조부는
    팬과 팬 모터 중 적어도 하나와,
    컴퓨터 칩과,
    컴퓨터 회로와,
    회로 기판을 포함하며,
    상기 구조부는 전기적으로 구동되는 냉각 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 열을 수용하는 상기 챔버에 인접하여 위치 설정되는 보조 전기 가열기 코일을 더 포함하는 냉각 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 보조 전기 가열기 코일의 구동에 의해 냉각 사이클이 시작되는 냉각 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 챔버에 제공되는 상기 열을 증강시키기 위해, 상기 보조 전기 가열기 코일은 상기 시스템에서 열이 발생하는 동안 작동 상태로 유지되는 냉각 장치.
  18. 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 코일의 하류 부분이 냉각될 구조부에 직접 접촉되는 냉각 장치.
  19. 제11항에 있어서, 고체 전도 부재를 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 코일의 하류 부분은 상기 고체 전도 부재를 경유하여 냉각될 구조부와 간접 접촉되는 냉각 장치.
  20. 자체열을 발생시키는 시스템의 일 부분을 냉각시키기 위한 방법이며,
    냉매를 저장하는 가열 챔버로 시스템 내에서 발생된 상기 열의 적어도 일부분을 수용하는 단계와,
    상기 냉매를 응축기에서 가압하고 냉각하기 위해, 상기 챔버에서 가열된 상기 냉매를 상기 응축기로 수용하는 단계와,
    상기 응축기에 결합한 제1 부분과, 상기 제1 부분의 하류에 위치된 제2 부분과, 상기 제2 부분의 하류에 위치된 제3 부분을 구비하는 하나 이상의 코일을 상기 응축기에 결합하고 냉각될 구역으로 이어지게 하는 단계와,
    상기 냉각될 구역을 냉각시키기 위해 상기 냉매를 자유 팽창시키는 오리피스를 상기 제2 하류 부분에 제공하는 단계와,
    상기 제3 하류 부분을 상기 냉각될 구역으로부터 상기 챔버로 다시 이어지게 하는 단계를 포함하며,
    상기 시스템 내에서 발생되는 열 중 적어도 일부는 상기 냉각될 구역을 냉각하도록 재순환되는 방법.
  21. 시스템의 일부를 냉각시키기 위한 방법이며,
    상기 시스템에 의해 폐열이 발생되는 단계와,
    상기 폐열을 발생하는 시스템의 일 부분을 냉각시키기 위해 상기 폐열의 적어도 일 부분을 이용하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 열의 적어도 일부는 재순환되며, 냉각을 요하는 시스템의 한 부분으로 재유도되는 방법.
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