KR102010846B1

KR102010846B1 - 히트파이프 무동력 냉각 시스템

Info

Publication number: KR102010846B1
Application number: KR1020190067177A
Authority: KR
Inventors: 정춘식
Original assignee: 정춘식
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2019-08-14
Also published as: WO2020246733A1

Abstract

본 발명은 히트파이프 무동력 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서버 주위 공기의 강제 대류를 위한 별도의 동력원 없이 서버로부터 발생하는 열에 의해 가열된 공기의 자연대류 현상을 이용하여 효과적으로 열을 흡수할 수 있는 히트파이프 무동력 냉각 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 히트파이프 무동력 냉각 시스템은, 서버랙 상부에 설치되는 프레임; 상기 프레임에 설치되고, 내부에 작동유체가 수용되어 상기 서버랙의 상부로 상승하는 공기로부터 열을 흡수하는 복수의 히트파이프; 복수의 상기 히트파이프의 일단이 각각 연결되어 상기 히트파이프로부터 열을 흡수하는 냉각파이프; 상기 냉각파이프로 냉각수를 순환시키는 냉각수공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

히트파이프 무동력 냉각 시스템{Cooling system with heatpipe}

본 발명은 히트파이프 무동력 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서버 주위 공기의 강제 대류를 위한 별도의 동력원 없이 서버로부터 발생하는 열에 의해 가열된 공기의 자연대류 현상을 이용하여 효과적으로 열을 흡수할 수 있는 히트파이프 무동력 냉각 시스템에 관한 것이다.

데이터 센터에 구비되는 서버, 네트워크 장비, 엔터프라이즈 장비 등은 열을 발생시킨다. 따라서 이러한 장비들을 운영하는 데이터 센터는 열을 냉각시키기 위한 대규모의 설비도 운영하고 있다.

서버는 대체로 데이터 센터 내의 랙(rack)에 위치한다. 랙을 위한 물리적 구성은 다양하다. 전형적인 랙 구성은 장착 레일을 포함하며, 장착 레일에는 서버 블레이드와 같은 다수의 장비 유닛이 장착되어 랙 내부에서 수직으로 적층된다. 가장 널리 사용되는 19 인치 랙 중의 하나는 1U 또는 2U 서버와 같은 장비를 장착하기 위한 표준 시스템이다. 이 형태의 랙 상의 하나의 랙 유닛은 높이가 175 인치이고 폭이 19 인치이다. 하나의 랙 유닛에 설치될 수 있는 랙 장착 유닛(RMU: Rack-Mounted Unit) 서버는 일반적으로 1U 서버로 불린다. 데이터 센터에서, 표준 랙은 보통 서버, 저장 장치, 스위치 및/또는 통신 장비가 조밀하게 자리를 차지하고 있다. 일부 데이터 센터에서, 밀도를 높이고 노이즈를 감소시키도록 팬이 없는 RMU 서버가 사용된다.

데이터 센터 룸은 서버 특히 팬이 없는 서버의 신뢰성 있는 동작을 위해 수용 가능한 온도와 습도로 유지되어야 한다. Opteron 또는 Xeon 프로세서에 의해 작동되는 서버들이 조밀하게 적층된 랙의 전력 소비는 7,000 내지 15,000 와트일 수 있다. 그 결과, 서버 랙은 매우 집중된 열 부하를 일으킬 수 있다. 랙의 서버에 의해 소실되는 열은 데이터 센터 룸으로 배기된다. 조밀하게 배치된 랙들에 의해 집단적으로 발생되는 열은 냉각을 위해 주변 공기에 의존하므로 랙들 내의 장비의 성능과 신뢰성에 불리한 영향을 줄 수 있다. 따라서 난방, 환기, 냉방(HAVC) 시스템은 효율적인 데이터 센터의 설계의 중요한 부분이 된다.

대한민국 등록실용신안공보 제20-0479829호(2016.03.10.) 대한민국 등록특허공보 제10-1354366호(2014.01.22.)

본 발명은 서버 주위 공기의 강제 대류를 위한 별도의 동력원 없이 서버로부터 발생하는 열에 의해 가열된 공기의 자연대류 현상을 이용하여 효과적으로 열을 흡수할 수 있는 히트파이프 무동력 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 히트파이프 무동력 냉각 시스템은, 서버랙 상부에 설치되는 프레임; 상기 프레임에 설치되고, 내부에 작동유체가 수용되어 상기 서버랙의 상부로 상승하는 공기로부터 열을 흡수하는 복수의 히트파이프; 복수의 상기 히트파이프의 일단이 각각 연결되어 상기 히트파이프로부터 열을 흡수하는 냉각파이프; 상기 냉각파이프로 냉각수를 순환시키는 냉각수공급부를 포함한다.

그리고 하나의 상기 프레임은 두 개의 서버랙 상부에 설치되고, 복수의 상기 히트파이프는 두 개의 서버랙 사이를 가로지르도록 설치된다.

또한, 상기 프레임은, 서로 마주하는 두 개의 서버랙 중 어느 하나에 설치되는 제1 프레임과, 서로 마주하는 두 개의 서버랙 중 다른 하나에 설치되는 제2 프레임으로 이루어질 수 있고, 상기 제1 프레임과 제2 프레임에는 각각 복수의 히트파이프가 설치되며, 두 개의 서버랙 사이에서 상승하는 공기로부터 양측에 위치하는 히트파이프로 열전달이 이루어진다.

그리고 상기 히트파이프의 외부에는 상기 히트파이프의 길이방향과 나란히 복수의 윅홈이 형성된다.

또한, 상기 히트파이프는, 밀폐공간으로서 상기 작동유체가 수용되는 제1 수용부와, 상기 냉각파이프와 연결되는 일단이 개방형성되어 타단방향으로 연장형성되는 제2 수용부로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 수용부는 상기 제2 수용부를 감싸도록 형성되고, 상기 제2 수용부에는 상기 냉각수가 유입되어 상기 작동유체와 열전달이 이루어진다.

또한, 상기 히트파이프의 외부에는 나노방열코팅층이 형성될 수 있으며, 상기 나노방열코팅층은 95 중량%의 그래핀(graphene), 2 중량%의 폴리우레탄(polyurethana), 1 중량%의 아크릴레이트(acrylate) 및 2 중량%의 불가피한 불순물로 이루어진다.

본 발명의 히트파이프 무동력 냉각 시스템은 서버 주위 공기의 강제 대류를 위한 별도의 동력원 없이 서버로부터 발생하는 열에 의해 가열된 공기의 자연대류 현상을 이용하여 효과적으로 열을 흡수함으로써 서버의 냉각효과를 극대화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 히트파이프 무동력 냉각 시스템은 외부에 윅홈이 형성된 히트파이프를 이용함으로써 가열 공기와의 열전달을 위한 표면적을 증대시키고, 가열공기의 상승속도를 줄여 가열공기와 접촉시간을 증가시켜 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 냉각수공급부를 제외한 히트파이프 무동력 냉각 시스템의 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트파이프의 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히트파이프의 단면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 히트파이프의 내부 구조를 설명하기 위한 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템에 대하여 상세히 설명한다.

제1 실시예

본 발명의 제1 실시예에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템은 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 프레임(100), 복수의 히트파이프(200), 냉각파이프(300) 및 냉각수공급부(400)를 포함하여 이루어진다.

프레임(100)은 서버랙(R) 상부에 설치된다. 본 발명의 제1 실시예에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 프레임(100)은 두 개의 서버랙(R) 상부에 설치된다. 프레임(100)은 대략적으로 사각기둥 형상으로 형성되며, 내부에 복수의 히트파이프(200)가 설치된다. 프레임(100)의 크기는 서버랙(R)의 크기, 서버랙(R) 사이의 거리, 설치되는 히트파이프(200)의 수 등에 따라 변경될 수 있다.

히트파이프(200)는 프레임(100)에 설치되고, 내부에 작동유체가 수용되어 서버랙(R)의 상부로 상승하는 공기로부터 열을 흡수한다. 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 히트파이프(200)는 두 개의 서버랙(R) 사이를 가로지르도록 설치된다. 이에 따라 서버와 서버 사이에서 가열된 공기가 상승하면서 복수의 히트파이프(200) 사이를 지나가게 된다. 이때, 히트파이프(200)와 가열 공기 사이에 열전달이 이루어진다.

이러한 히트파이프(200)는 필요한 냉각성능에 따라 여러 층으로 이루어질 수 있다. 즉 히트파이프(200)가 상하로 여러 층으로 이루어짐으로써, 상승하는 공기는 더 많은 히트파이프(200)를 지나가면서 열전달이 이루어질 수 있다.

구체적으로 작동유체는 아세톤(acetone) 41~46 중량부, 알코올(alcohol) 20~30 중량부, 술푸릭에테르(surfuric ether) 5~10 중량부, 1,2-프로필렌글리콜(1,2-propylene glycol; HOCH2CH3CHOH) 5~10 중량부를 포함하여 이루어진다. 또한, 작동유체는 아세톤, 알코올, 술푸릭에테르, 1,2-프로필렌글리콜 혼합용액 100kg에 대하여 메틸벤조트리아졸(5-methtlbenzole; C7H7N3) 0.00035~0.00045kg 및 삼폴리인산나트륨(sodium tripolyphosphate; Na5P3O10) 0.00028~0.00032kg을 포함한다.

1,2-프로필렌글리콜은 상기와 같이 증류수와 정량의 비율로 혼합되어 열전달 및 열교환을 위한 운반체로서 우수한 효과를 갖는다. 그리고 1,2-프로필렌글리콜은 어는점이 -60℃로 증류수와 혼합되어 일반적인 사용조건 또는 그 이하의 온도(약 -40℃)에서 작동유체가 동결되지 않도록 한다. 작동유체는 약 -40~130℃ 에서 상변화가 일어나지 않고 히트파이프(200)의 내부 압력을 일정하게 안정적으로 유지할 수 있다. 그리고 메틸벤조트리아졸은 부식 방지제로서 히트파이프(200)의 부식을 방지한다. 그리고 삼폴리인산나트륨은 히트파이프(200)의 내주면에 이물질이 형성되는 것을 방지한다. 히트파이프(200)의 내주면에 이물질이 형성되면 흡열효과가 떨어지는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상술한 작동유체를 사용하는 것이 바람직하지만, 시스템(냉각이 필요한 발열 시스템, 데이터 센터 등) 내에서 방출되는 열량에 따라 적합한 작동유체를 사용할 수도 있다.

한편, 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 히트파이프(200)의 외부에는 히트파이프(200)의 길이방향과 나란한 복수의 윅홈(201)이 형성될 수 있다. 히트파이프(200)의 외부에 윅홈(201)이 형성됨으로써 가열 공기와의 열전달을 위한 표면적을 증대시킬 수 있다. 뿐만아니라, 히트파이프(200)의 외부에 형성되는 윅홈(201)은 상승공기와의 마찰을 증가시켜 가열공기의 상승속도를 줄이고 히트파이프(200)와 공기와의 접촉시간을 증가시킬 수 있다.

히트파이프(200)의 효과적인 열전달을 위하여 외부에 표면적을 증가시킬 수 있는 냉각핀을 설치할 수도 있지만, 이 경우, 히트파이프(200) 자체의 크기가 작아져 작동유체를 수용하기 위한 히트파이프(200)의 내부 공간이 줄어들거나, 설치할 수 있는 히트파이프(200)의 수가 감소할 수밖에 없다.

반면, 본 발명의 실시예에서는 히트파이프(200) 외부에 복수의 윅홈(201)을 형성함으로써, 동일한 공간에서 히트파이프(200) 자체의 크기를 증가시키거나 더 많은 히트파이프(200)를 설치하여 히트파이프(200)에 의한 열전달 효과를 극대화시킬 수 있다.

또한, 히트파이프(200)의 외부에는 나노방열코팅층이 형성될 수 있다. 구체적으로 나노방열코팅층은 95 중량%의 그래핀, 2 중량%의 폴리우레탄, 1 중량%의 아크릴레이트 및 2 중량%의 불가피한 불순물로 이루어진다. 나노방열코팅층은 열복사와 열흡수가 우수하여 효과적인 열전달이 이루어진다.

나노방열코팅층은 히트파이프(200) 표면을 깨끗하게 세척한 후 히트파이프(200) 표면에 나노방열코팅액을 도포하여 5~15㎛의 두께로 형성된다. 이후, 80℃에서 30분 이상 건조하면 나노방열코팅층이 히트파이프(200) 표면에 고착된다.

냉각파이프(300)는 복수의 히트파이프(200)의 일단이 각각 연결되어 히트파이프(200)로부터 열을 흡수한다. 즉 하나의 냉각파이프(300)는 복수의 히트파이프(200)의 일단과 각각 연결되도록 절곡 형성된다. 그리고 히트파이프(200)의 일단은 냉각파이프(300)의 내부로 삽입되어, 냉각파이프(300)가 히트파이프(200)의 일단을 감싸는 형태로 이루어진다. 이에 따라 히트파이프(200) 내부에서 가열공기의 열을 흡수한 작동유체는 히트파이프(200)의 일단에서 냉각파이프(300)를 통해 지나가는 냉각수로 열을 전달한다.

냉각수공급부(400)는 냉각파이프(300)로 냉각수를 순환시킨다.

전술한 바와 같이, 서버에서 발생하는 열에 의해 주위의 공기가 가열되면, 가열공기가 상승하면서 복수의 히트파이프(200)를 지나가게 된다. 이때, 가열공기는 복수의 히트파이프(200)와 열전달이 이루어진다. 히트파이프(200) 내부에 수용되어 있는 작동유체는 가열공기로부터 열을 흡수한 후, 냉각수로 다시 열을 전달한다. 이에 따라 작동유체는 가열공기로부터 계속해서 열을 흡수할 수 있다. 그리고 열전달이 이루어진 공기는 상부에 설치되어 있는 덕트(D)로 유입되고, 덕트(D)를 따라 이동 후 배출구(E)를 통해 데이터 센터(C) 내부로 배출된다. 한편, 배출구(E)에는 팬을 설치하여 데이터 센터(C)로 원활한 공기의 배출이 이루어지도록 할 수도 있다.

제2 실시예

본 발명의 제2 실시예에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템은 도 5에 도시된 바와 같이, 프레임(100), 복수의 히트파이프(200), 냉각파이프(300) 및 냉각수공급부(400)를 포함하여 이루어진다.

제2 실시예에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템은 프레임의 설치위치에 있어서 제1 실시예와 차이가 있다.

제2 실시예에 따른 프레임은 제1 프레임(100a)과 제2 프레임(100b)으로 구분할 수 있다. 제1 프레임(100a)은 서로 마주하는 두 개의 서버랙(R) 중 어느 하나의 상부에 설치된다. 제2 프레임(100b)은 서로 마주하는 두 개의 서버랙(R) 중 다른 하나에 설치된다. 그리고 제1 프레임(100a)과 제2 프레임(100b)에는 각각 복수의 히트파이프(200)가 설치된다.

나머지 히트파이프(200), 냉각파이프(300) 및 냉각수공급부(400)는 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

제2 실시예에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템은 두 개의 서버랙(R) 사이에서 상승하는 공기로부터 양측에 위치하는 히트파이프(200)로 열전달이 이루어짐으로써 서버를 냉각시킬 수 있다. 그리고 히트파이프(200)를 통과한 공기는 다시 서버랙(R) 주위로 하강하게 된다.

실시예 3

본 발명의 제3 실시예에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이, 프레임(100), 복수의 히트파이프(200), 냉각파이프(300) 및 냉각수공급부(400)를 포함하여 이루어진다.

제3 실시예에 따른 히트파이프(200)의 구조에 있어서 제1 실시예 및 제2 실시예와 차이가 있다. 나머지 프레임(100), 냉각파이프(300) 및 냉각수공급부(400)는 제1 실시예 또는 제2 실시예와 동일하다.

제3 실시예에 따른 히트파이프(200)에는 제1 수용부(210)와 제2 수용부(220)가 형성된다. 제1 수용부(210)는 밀폐공간으로 형성되며 내부에 작동유체가 수용된다. 제2 수용부(220)는 냉각파이프(300)와 연결되는 일단이 개방형성되어 타단방향으로 연장형성된다.

이러한 히트파이프(200)는 제1 수용부(210)가 제2 수용부(220)를 감싸도록 형성되고, 제2 수용부(220)에는 냉각수가 유입되어 작동유체와 열전달이 이루어진다. 즉 냉각파이프(300)를 지나가는 냉각수는 제2 수용부(220)로 유입되고, 제1 수용부(210)에 수용되어 있는 작동유체가 제2 수용부(220)로 유입된 냉각수를 외부에서 감싸는 형태가 되어 작동유체와 냉각수 사이에 열전달이 이루어지게 된다.

제1 실시예와 같이 히트파이프(200)의 외부에는 윅홈(201)이 형성되거나 나노방열코팅층이 형성될 수 있다. 또는, 히트파이프(200)의 외부에 윅홈(201)과 나노방열코팅층이 모두 형성될 수도 있다.

본 발명에 따른 히트파이프 무동력 냉각 시스템은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

100 : 프레임,
200 : 히트파이프,
201 : 윅홈,
210 : 제1 수용부,
220 : 제2 수용부,
300 : 냉각파이프,
400 : 냉각수공급부,
C : 데이터 센터,
R : 서버랙,
D : 덕트,
E : 배출구,

Claims

서버랙 상부에 설치되는 프레임;
상기 프레임에 설치되고, 내부에 작동유체가 수용되어 상기 서버랙의 상부로 상승하는 공기로부터 열을 흡수하는 복수의 히트파이프;
복수의 상기 히트파이프의 일단이 각각 연결되어 상기 히트파이프로부터 열을 흡수하는 냉각파이프;
상기 냉각파이프로 냉각수를 순환시키는 냉각수공급부를 포함하여 이루어지되,
하나의 상기 프레임은 두 개의 서버랙 상부에 설치되고,
복수의 상기 히트파이프는 두 개의 서버랙 사이를 가로지르도록 설치되는 것을 특징으로 하는 히트파이프 무동력 냉각 시스템.
삭제
서버랙 상부에 설치되는 프레임;
상기 프레임에 설치되고, 내부에 작동유체가 수용되어 상기 서버랙의 상부로 상승하는 공기로부터 열을 흡수하는 복수의 히트파이프;
복수의 상기 히트파이프의 일단이 각각 연결되어 상기 히트파이프로부터 열을 흡수하는 냉각파이프;
상기 냉각파이프로 냉각수를 순환시키는 냉각수공급부를 포함하여 이루어지되,
상기 프레임은,
서로 마주하는 두 개의 서버랙 중 어느 하나에 설치되는 제1 프레임과,
서로 마주하는 두 개의 서버랙 중 다른 하나에 설치되는 제2 프레임으로 이루어지고,
상기 제1 프레임과 제2 프레임에는 각각 복수의 히트파이프가 설치되며,
두 개의 서버랙 사이에서 상승하는 공기로부터 양측에 위치하는 히트파이프로 열전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프 무동력 냉각 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 히트파이프의 외부에는 상기 히트파이프의 길이방향과 나란히 복수의 윅홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프 무동력 냉각 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 히트파이프는,
밀폐공간으로서 상기 작동유체가 수용되는 제1 수용부와,
상기 냉각파이프와 연결되는 일단이 개방형성되어 타단방향으로 연장형성되는 제2 수용부로 이루어지며,
상기 제1 수용부는 상기 제2 수용부를 감싸도록 형성되고, 상기 제2 수용부에는 상기 냉각수가 유입되어 상기 작동유체와 열전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프 무동력 냉각 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 히트파이프의 외부에는 나노방열코팅층이 형성되며,
상기 나노방열코팅층은 95 중량%의 그래핀(graphene), 2 중량%의 폴리우레탄(polyurethana), 1 중량%의 아크릴레이트(acrylate) 및 2 중량%의 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프 무동력 냉각 시스템.