KR102516033B1

KR102516033B1 - 냉각 장치

Info

Publication number: KR102516033B1
Application number: KR1020220044440A
Authority: KR
Inventors: 전억식
Original assignee: 전억식
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-03-29

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는, 냉각 대상물이 저장되는 배스, 배스의 측면에서 격벽을 사이에 두고 분리되도록 마련되되, 냉각 대상물을 냉각시키기 위한 유체가 저장되는 유체 탱크, 유체 탱크로부터 유체를 배스의 내부로 공급하는 유체 펌프 및 배스의 하부에 구비되되, 유체 펌프로부터 공급된 유체를 배스의 내부에 분사하는 유체 분사기를 포함하고, 유체 분사기는, 유체가 지나는 유로의 폭이 하부에서 상부 방향으로 갈수록 좁아짐에 따라 토출되는 유체의 유속이 증가되도록 마련된다.

Description

냉각 장치{COOLING DEVICE}

본 발명은 냉각 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 공기와 물을 냉매로 사용하는 냉각 기술을 대체하여 컴퓨터 기기 관련 부품의 작동 온도를 효과적으로 낮출 수 있는 냉각 장치에 관한 것이다.

최근 4차 산업혁명과 블록체인 기술의 발달로 인하여 고 발열 서버(Server), 채굴기, 에지 컴퓨팅(Edge Computing) 기지국이 확산되는 추세이다.

즉, 엄청난 양의 테이터들을 수집, 저장, 활용되는 상황에 놓이게 되면서, 많은 용량을 처리하기 위해서 계산을 빠르게 하는 서버와 컴퓨터의 역할이 중요한 실정이다.

이러한 서버나 컴퓨터는 회로의 전자적 상태를 변환시켜 연산을 수행하고 데이터를 기록하는 데에 반드시 전기적 변화가 필요해서 전기를 이용하지만 일을 위해 사용되는 에너지는 매우 적게 사용되게 된다.

결국 서버와 컴퓨터에 공급된 전기 에너지의 대부분은 회로에서 그냥 증발되게 되어 많은 양의 열이 발생되게 되며, 이를 적절히 제거해주지 않으면 내부에 축적되게 되면서 온도가 급격하게 올라가는 현상이 발생하게 된다.

일반적으로 약 90℃이상의 일정한 온도를 넘어서면 전자장비의 파손이 일어나거나 자체적인 가동 중단이 일어나게 되며, 심한 경우에는 화재가 발생하는 원인이 되기도 한다.

처리능력을 증가시키면서 폐열을 감소시키기 위한 노력에도 불구하고, 시장에 출시된 각종 신규 CPU 및 그래픽처리유닛(GPU)은 종전 제품보다 더욱 고온에서 운영되고 있다.

파워를 제공하고 신호처리를 다루는 데 필요한 파워 공급원(power supply) 및 마더보드의 부품들 역시 매 신세대 제품마다 점점 더 많은 열을 발생시키고 있다.

이를 해결하고자, 종래에는 공기와 물을 냉매로 사용한 많은 냉각 기술이 개발되어 왔다.

하지만, 공기를 냉매로 사용하는 경우, 열전도도가 매우 낮아 부족한 열전달 특성을 상쇄시키기 위해서는 온도 차를 크게 형성하는 방법을 채택할 수 밖에 없으며, 이 온도 차로 인하여 더 많은 전력과 물이 필요한 문제점이 있어 왔다.

물을 냉매로 사용하는 경우에는, 열전도도가 매우 우수한 냉각매체이지만 전기를 매우 잘 통하는 도체이므로 전자기기에는 직접 접촉시킬 수 없다는 근본적인 한계가 존재한다.

이에, 공기와 물을 냉매로 사용하는 냉각 기술을 대체하여 컴퓨터 기기 관련 부품의 작동 온도를 효과적으로 낮출 수 있는 냉각 기술 개발의 필요성이 제기되었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2000-0008618호

본 발명의 목적은 공기와 물을 냉매로 사용하는 냉각 기술을 대체하여 컴퓨터 기기 관련 부품의 작동 온도를 효과적으로 낮출 수 있는 냉각 장치를 제공함에 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 냉각 장치는, 냉각 대상물이 저장되는 배스, 배스의 측면에서 격벽을 사이에 두고 분리되도록 마련되되, 냉각 대상물을 냉각시키기 위한 유체가 저장되는 유체 탱크, 유체 탱크로부터 유체를 배스의 내부로 공급하는 유체 펌프 및 배스의 하부에 구비되되, 유체 펌프로부터 공급된 유체를 배스의 내부에 분사하는 유체 분사기를 포함하고, 유체 분사기는, 유체가 지나는 유로의 폭이 하부에서 상부 방향으로 갈수록 좁아짐에 따라 토출되는 유체의 유속이 증가되도록 마련된다.

또한, 유체 분사기는, 배스의 하부에 구비되어 유체 펌프로부터 유체를 배스의 하부에 균일하게 전개시키는 베이스 및 베이스와 내부가 연결되며, 상부 방향으로 연장 형성되어 유체를 상부 방향으로 분사시키는 다수의 분사 노즐을 포함한다.

또한, 냉각 대상물은 다수 개로 제공되어, 배스의 내부에서 일정 간격으로 이격되며 행과 열의 어레이로 배치되며, 분사 노즐은 배스 내에서 이웃하는 냉각 대상물의 사이에 배치되는 다수 개로 제공된다.

또한, 본 발명은, 배스의 내측벽에 다수 개 배치되되, 내부를 향해 돌출되도록 마련되며 상하 방향을 길이 방향으로 하는 수직재의 형태로 구비되어, 유체 분사기로부터 분사되는 유체의 흐름을 가이드하는 가이드 부재를 더 포함한다.

또한, 본 발명은, 배스의 일측에 구비되어 격벽을 사이에 두고 배스와 분리되며, 내부에 유체 탱크와 유체 펌프가 구비되는 펌프실을 더 포함하고, 격벽은 상단부에 소정의 폭을 가지는 개구가 형성되어, 배스와 펌프실이 연통되며, 배스의 하단부로 유입된 유체가 개구를 통해 펌프실로 회수된다.

또한, 본 발명은, 펌프실의 내부에 구비되며, 배스로부터 회수된 유체를 냉각수와 접촉시켜 냉각시키는 열 교환기를 더 포함한다.

또한, 본 발명은, 열 교환기로부터 배출된 고온의 냉각수를 공냉 방식을 통해 냉각시키는 냉각탑을 더 포함하고, 냉각탑을 통해 생성된 저온의 냉각수는 열 교환기로 다시 이송되어, 열 교환기로 유입되는 유체를 냉각시킨다.

또한, 본 발명은, 냉각탑으로부터 생성된 저온의 냉각수를 열 교환기로 공급하는 제1 냉각수 펌프 및 열 교환기로부터 배출되는 고온의 냉각수를 회수하여 냉각탑으로 공급하는 제2 냉각수 펌프를 더 포함한다.

또한, 본 발명은, 배스가 다수 개로 제공되고, 각각의 배스에 연결된 열 교환기가 다수 개로 제공되는 경우, 각각의 열 교환기와 제1 냉각수 펌프 사이에 구비되어, 제1 냉각수 펌프로부터 공급된 저온의 냉각수를 다수의 열 교환기에 분배하는 분배기 및 각각의 열 교환기와 제2 냉각수 펌프 사이에 구비되어, 각각의 열 교환기로부터 회수된 고온의 냉각수를 모아 제2 냉각수 펌프로 이송시키는 회수기를 더 포함한다.

또한, 본 발명은, 열 교환기와 냉각탑 사이의 이송 경로 상에 구비되며, 열 교환기로부터 배출되는 고온의 냉각수가 유입되는 라디에이터를 더 포함하고, 라디에이터는, 공냉 방식을 통해 고온의 냉각수로부터 외기로 열이 전달되도록 마련됨에 따라, 고온의 냉각수를 냉각시킨다.

또한, 냉각 대상물은 컴퓨터 관련 전자 기기이다.

또한, 유체는 인화점이 150℃ 이상이고, 점도가 40℃에서 10cst 미만인 전기절연재이다.

또한, 유체는 미네랄 오일 성분을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 공기와 물을 냉매로 사용하는 냉각 기술을 대체하여 컴퓨터 기기 관련 부품의 작동 온도를 효과적으로 낮출 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분사기의 측면도이다.
도 3은 도 2의 분사 노즐의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드 부재를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수의 흐름을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 있어서, 각 구성들의 크기, 두께 및 형상은 설명의 편의를 위해 과장되게 도시되었으며, 실제 냉각 장치에서는 이와 다른 크기와 형상을 가질 수 있다.

또한, 도시된 배선의 연결 구조는 편의를 위해 간략하게 도시된 것으로써, 이와 다른 연결 형태가 적용될 수 있으며, 소정 구성 요소를 기준으로 하여 상부, 하부, 측부 등을 표시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 장치의 회전이나 배치에 따라 지칭한 방향과 다른 방향으로 해석될 수 있다.

최근 데이테센터가 대형화되고 많은 양이 Data를 빠르게 처리하여야 하는 서버의 등장과 많은 양의 단순 계산이 필요한 가상화폐의 채굴이 보편화되면서 기존의 공기와 물을 사용하는 간접 냉각방식으로는 PUE (Power Usage Effectiveness)를 낮출 수 없는 한계에 도달하게 되었다.

본 발명의 냉각 장치는 이러한 종래의 냉각 기술이 가지는 한계점을 극복하고자 고안된 것으로, 전기절연성을 가지는 유체에 전자기기를 침적(Submerged, Immersion)한 상태에서 열교환이 일어나게 하는 액침 냉각 방식(Liquid Direct Cooling)을 적용한 것이다.

본 발명에 따르면, 열 발생원인이 되는 Computer Server, Graphic Card, 반도체 등의 전자기기를 액체가 가득한 탱크에 넣어 열을 액체에 직접 전달하도록 하고 가열된 액체를 펌프에 의해서 열 교환기를 거치게 함으로써 열을 냉각수에 전달하게 된다.

가열된 냉각수는 1차적으로 강제대류에 의한 열전달이 일어나는 공냉식 라디에이터를 거치고 2차로 수증기의 증발현상이 일어나는 냉각탑을 거치면서 냉각이 일어나는 방식이다.

아래에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에 대해 더욱 자세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치를 간략하게 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)는 하기 구성들을 포함할 수 있다.

먼저, 본 발명의 하우징(100)은 직사각형의 형태로 마련될 수 있으며, 하우징(100)의 내부 공간은 격벽(101)을 사이에 두고 배스(110)와 펌프실(120)로 구분될 수 있다.

배스(110)는 냉각 대상물(70)이 저장되는 공간이며, 펌프실(120)은 배스(110)의 일측에 구비되어 격벽(101)을 사이에 두고 배스(110)와 분리되며, 내부에 유체 탱크(130)와 유체 펌프(140)가 구비될 수 있다.

유체 탱크(130)는, 배스(110)의 측면에서 격벽(101)을 사이에 두고 분리되도록 마련되되, 냉각 대상물(70)을 냉각시키기 위한 유체가 저장되도록 제공될 수 있다.

여기서, 본 발명의 냉각 대상물(70)은 컴퓨터 서버(Computer Server), 그래픽 카드(Graphic Card) 및 반도체 등의 컴퓨터 관련 전자 기기일 수 있다.

냉각에 사용되는 유체는, 화재에 대한 안정성을 확보하기 위해 인화점이 150℃ 이상인 재료가 사용될 수 있으며, 유체의 점도는 40℃에서 10cst 미만인 물질이 사용될 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 유체는, 열전도성이 우수하며 절연성을 가지는 불화수소화합물, 미네랄 오일(Mineral Oil), 합성유(PAO), 에스터(Ester) 등의 전기절연재 혹은 이의 혼합물로 이루어질 수 있다.

이러한 유체는 물에 비해서는 다소 낮은 열전도도를 가지지만 공기에 비해서는 열전달 특성이 우수한 특성을 가진다.

특히, 냉각 대상물(70)을 유체에 직접 액침하여 열원과 유체를 접촉시킴에 따라, 접촉면적이 현저히 증가하며 대류 현상도 형성할 수 있기 때문에 열전달 계수가 우수하여 열을 효과적으로 제거할 수 있는 이점을 가진다.

유체 펌프(140)는 유체 탱크(130)로부터 유체를 배스(110)의 내부로 공급하는 기능을 한다.

유체 분사기(150)는 배스(110)의 하부에 구비되되, 유체 펌프(140)로부터 공급된 유체를 배스(110)의 내부에 분사하는 기능을 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분사기의 측면도이고, 도 3은 도 2의 분사 노즐의 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 유체 분사기(150)의 구조는 베이스(151)와 분사 노즐(152)의 세부 구성으로 이루어질 수 있다.

베이스(151)는 배스(110)의 하부에 구비되어 유체 펌프(140)로부터 유체를 배스(110)의 하부에 균일하게 전개시키는 기능을 하며, 분사 노즐(152)은 베이스(151)와 내부가 연결되며, 상부 방향으로 연장 형성되어 유체를 상부 방향으로 분사시키는 기능을 한다.

여기에서, 본 발명과 같이 냉각 유체를 사용하는 경우, 강제 대류에 의해 열 교환이 일어나게 된다.

이 때, 열 전달 효율을 높이기 위해서는 레이놀즈 수(Reynold No.)를 높여주어야 하는데 벌크 스피드(Bulk Speed)로는 약 0.38m/sec 이상의 상대 속도를 만들어 주기 어려운 문제점이 있다.

이에, 본 발명의 분사 노즐(152)은, 유체가 지나는 유로의 폭이 하부에서 상부 방향으로 갈수록 좁아지도록 마련하고, 개구가 이웃한 냉각 대상물(70)의 사이를 따라 배치될 수 있도록 길이가 충분히 길게 형성될 수 있다.

이로 인해, 냉각 대상물(70)과 근접한 상태에서 일정한 방향으로 유속이 생성되게 되며, 베르누이 법칙에 의해 상부로 갈수록 유로의 폭이 좁아짐에 따라 토출되는 유체의 유속이 증가되며, 이로 인해, 열 전달 효율이 현저하게 상승하는 효과가 있다.

이 때, 냉각 대상물(70)이 다수 개로 제공되어, 배스(110)의 내부에서 일정 간격으로 이격되며 행과 열의 어레이로 배치될 수 있으며, 이에 대응되도록, 분사 노즐(152)은 배스(110) 내에서 이웃하는 냉각 대상물(70)의 사이에 배치되는 다수 개로 제공될 수 있다.

분사 노즐(152)의 형상은 도면과 같이 대상물의 사이에서 대상물의 길이 방향을 따라 소정의 폭을 가지며 길게 형성될 수 있고, 상부로 돌출 연장되며 상단에 유체가 토출되는 개구가 형성될 수 있다.

개구의 형상은 도면에 한정되는 것은 아니며 분사 노즐(152)의 상단에서 소정 간격으로 분리 형성된 다수 개로 마련될 수도 있다.

여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는 배스 내부에 구비되는 가이드 부재의 구성을 더 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드 부재를 나타낸 평면도이다.

도 4를 참조하면, 가이드 부재(160)는 배스(110)의 내측벽에 다수 개 배치되되, 내부를 향해 돌출되도록 마련되며 상하 방향을 길이 방향으로 하는 수직재의 형태로 구비되어, 유체 분사기로부터 분사되는 유체의 흐름을 가이드하는 기능을 한다.

배스(110) 내부에서 유체의 흐름은 최상층 일부를 제외하고 아래서 위로 흘러가도록 제어되어야 하므로, 가이드 부재(160)의 형상은 배스(110)의 내측벽에서 수직 방향을 길이 방향으로 하는 삼각 주름 형상으로 마련될 수 있다.

가이드 부재(160)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 이 외에도, 유체의 흐름을 수직 방향으로 유도할 수 있는 다양한 형상이 적용될 수 있다.

본 발명의 냉각 장치가 가이드 부재(160)의 구성을 더 포함함에 따라, 배스(110)의 내부에서 유체가 일정한 방향으로 균일하게 이동할 수 있는 이점을 가진다.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 격벽(101)은 상단부에 소정의 폭을 가지는 개구가 형성되어, 배스(110)와 펌프실(120)이 연통되며, 배스(110)의 하단부로 유입된 유체가 개구를 통해 펌프실(120)로 회수되도록 마련될 수 있다.

가열된 유체는 밀도 차이, 분사장치압력, 전자기기 자체 쿨링팬 등의 힘으로 상층부로 올라가게 되므로 격벽(101)의 상단부에 형성된 개구를 통해 가열된 유체가 자연적으로 펌프실(120)로 이동할 수 있다.

즉, 온도가 가장 높은 유체부터 선별적으로 격벽(101)의 상부를 넘어 펌프실(120)로 회수될 수 있으며, 이 때, 펌프실(120)로 이동하는 유체의 흐름이 용이하게 가이드될 수 있도록 격벽(101)의 상단부에 펌프실(120) 내측을 향하는 경사면을 설치할 수도 있다.

이렇게 회수된 유체는 유체 펌프(140)에 의해 다시 배스(110)로 공급될 수 있으며, 이 과정에서 회수된 유체의 온도를 후술할 열 교환기(200)를 통해 냉각시키는 작업이 더 수행될 수 있다.

열 교환기(200)의 내부에는 외부로부터 별도로 유입되는 냉각수가 저장되는 내부 공간이 형성될 수 있으며, 배스(110)로부터 회수된 유체를 저온의 냉각수와 접촉시킴에 따라 열 교환이 일어나도록 마련될 수 있다.

이렇게 열 교환을 통해 냉각된 유체는 다시 유체 펌프(140)에 의해 다시 배스(110)로 공급될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치의 구성에 대해 살펴보았다.

다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는 아래와 같이 다양한 형태로 제공될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수의 흐름을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(10)는, 배스(110)로부터 회수된 유체를 냉각수와 접촉시켜 냉각시키는 열 교환기(200)의 구성을 더 포함할 수 있다.

열 교환기(200)의 내부에는 냉각수가 저장되는 내부 공간이 형성되며, 내부 공간에 유체가 유입되는 유로가 형성되어, 유체가 열 교환기(200)에 유입되어 유로를 통해 열 교환기(200) 외부로 배출되는 과정에서 수냉 방식에 의해 냉각된다.

이러한 열 교환기(200)는 펌프실(120)의 내부 하단부에 구비될 수 있으며, 펌프실(120)의 상단부에 배치되는 저장 탱크에서 회수된 유체가 하부의 열 교환기(200)로 이송되도록 마련될 수 있다.

열 교환기(200)에서 냉각된 유체는 유체 펌프(140)를 통해 다시 배스(110) 하단부에 구비된 유체 분사기의 베이스 내부로 공급되어 분사 노즐을 통해 배스(110) 내부로 분사될 수 있다.

도면에서는 저장 탱크에 회수된 후 유체 펌프(140)에 의해 열 교환기(200)로 공급되도록 각 구성들이 배치된 것으로 도시되었으나 펌프실(120)의 각 구성들의 배치 위치는 다양하게 설계 및 변형이 가능할 것이다.

즉, 회수된 유체가 저장 탱크에 복귀되기 전 열 교환기(200)를 먼저 지나도록 마련될 수도 있으며, 저장 탱크에는 열 교환기(200)에서 냉각된 유체가 저장되어 유체 펌프(140)를 통해 다시 배스(110)로 공급될 수 있다.

열 교환기(200)의 배치 위치는 펌프실(120)에 한정되는 것은 아니며, 하우징(100)의 외부에 별도로 연결되도록 마련될 수도 있을 것이다.

또한, 본 발명은, 열 교환기로부터 배출된 고온의 냉각수를 공냉 방식을 통해 냉각시키는 냉각탑의 구성을 더 포함할 수 있다.

계속해서 도 5를 참조하면, 냉각탑(300)은 열 교환기(200)에서 사용된 냉각수를 다시 냉각시켜 재사용하기 위한 구성으로서, 습식 또는 건식 방식 등 다양한 냉각탑(300) 구조가 적용될 수 있다.

본 발명은 습식 냉각탑(Wet Cooling Tower)을 적용한 것으로, 냉각탑(300)의 하부로 유입된 고온의 공기는 공기의 밀도 차이로 자연 통풍되어 아래에서 위로 흐르고, 냉각수는 냉각탑(300)의 상부로 유입되어 하방으로 낙하하게 된다.

이 때, 증발 현상에 의해 냉각수의 열이 공기 중으로 이동됨에 따라 냉각수의 냉각이 이루어지게 된다.

이렇게 냉각탑(300)을 통해 생성된 저온의 냉각수는 열 교환기(200)로 다시 이송되게 되며, 열 교환기(200)로 유입되는 유체를 냉각시키는 데 사용되는 순환 구조가 형성된다.

여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배스(110)가 다수 개로 제공되고, 각각의 배스(110)에 연결된 열 교환기(200)가 다수 개로 제공될 수 있다.

예를 들면, 전자 기기의 크기에 따라 하우징(100)의 길이, 폭 및 높이를 조절하여 적정 사이즈를 갖도록 마련할 수 있으며, 높이가 약 50cm 미만이 되는 전자 기기의 경우, 배스(110), 유체 펌프(140) 및 열 교환기(200)를 하나의 층으로 하는 다층 구조를 형성함으로써, 작업 공간의 효율성을 극대화할 수 있다.

이러한 다층 구조의 냉각 장치를 구현하기 위해서, 본 발명은, 상술한 구성들과 더불어 유체 및 냉각수의 원활한 이송에 필요한 제1 냉각수 펌프, 제2 냉각수 펌프, 분배기 및 회수기의 구성을 더 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수의 흐름을 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 제1 냉각수 펌프(51)는 냉각탑(300)으로부터 생성된 저온의 냉각수를 열 교환기(200)로 공급하는 기능을 하고, 제2 냉각수 펌프(52)는 열 교환기(200)로부터 배출되는 고온의 냉각수를 회수하여 냉각탑(300)으로 공급하는 기능을 한다.

분배기(61)는, 각각의 열 교환기(200)와 제1 냉각수 펌프(51) 사이에 구비되어, 제1 냉각수 펌프(51)로부터 공급된 저온의 냉각수를 다수의 열 교환기(200)에 분배하는 기능을 하도록 마련될 수 있다.

이 때, 분배기(61)에서 토출되어 다수의 열 교환기(200)에 공급되는 냉각수의 양을 동일하게 제어하기 위해 밸브와 압력계의 구성이 별도로 설치될 수도 있다.

회수기(62)는, 각각의 열 교환기(200)와 제2 냉각수 펌프(52) 사이에 구비되어, 각각의 열 교환기(200)로부터 회수된 고온의 냉각수를 모아 제2 냉각수 펌프(52)로 이송시키도록 마련될 수 있다.

본 발명이 상술한 분배기(61)와 회수기(62)의 구성을 더 포함함에 따라, 냉각탑(300)에서 생성된 저온의 냉각수를 각각의 열 교환기(200)에 동일한 유량으로 분배할 수 있게 되며, 열 교환기(200)로부터 배출되는 고온의 냉각수를 한데 모아 냉각탑(300)으로 한번에 이송할 수 있게 된다.

즉, 열 교환기(200)에 연결되는 냉각수 펌프를 각각의 배스(110)마다 개별적으로 설치하지 않아도 되므로 냉각수의 이송 경로를 간소화하여 불필요한 배관 라인을 줄일 수 있는 이점이 있다.

나아가, 본 발명의 냉각 장치는 라디에이터의 구성을 더 포함할 수 있다.

일반적으로 사람이 거주하는 공간에서의 냉방소요는 하절기에 주로 일어나게 되지만 컴퓨터나 전자 기기는 일년 내내 동일한 수준의 열을 발생시키며 가상화폐 채굴용 장비는 외부 온도조건에 상관없이 일정 수준의 열을 발생시킨다.

따라서, 전자 기기로부터 발생하는 열을 식히고 일정 온도로 유지하기 위해서는 외부 온도조건과 관계없이 일정한 냉각 효율을 가지는 냉각 장치가 필요하다.

하지만, 습식 냉각탑은 상대습도 차이를 이용한 것이기 때문에 수분을 많이 함유할 수 있는 높은 온도에서는 성능을 잘 발휘하지만 우리나라와 같이 계절에 따라 온도가 낮아지는 조건에서는 성능을 발휘하기 어려워진다.

특히, 상대습도가 높은 장마철의 경우, 냉각탑에서 증발 효율이 현저하게 떨어지는 문제가 있다.

본 발명의 라디에이터의 구성은 이를 보완하기 위한 것으로서, 공냉식 라디에이터에서 가열된 공기를 냉각탑 하부로 직접 유입시킴으로써 일반 대기보다 약 3℃ 이상 가열된 건조 공기가 냉각탑으로 유입되므로 증발 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

즉, 고온의 냉각수와의 온도 차이가 더 큰 건조 공기가 냉각탑으로 유입될 수 있어서 외부 기온과 무관하게 냉각 효율을 높게 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 라디에이터(400)는, 열 교환기(200)와 냉각탑(300) 사이의 이송 경로 상에 구비되며, 열 교환기(200)로부터 배출되는 고온의 냉각수가 유입되도록 마련된다.

본 발명의 라디에이터(400)는 공냉 방식을 통해 고온의 냉각수로부터 외기로 열이 전달되도록 마련됨에 따라, 고온의 냉각수를 냉각시키는 기능을 하며, 이렇게 냉각된 냉각수는 다시 제1 냉각수 펌프(51)에 의해 열 교환기(200)로 공급된다.

라디에이터(400)의 공냉 과정에서 냉각수를 냉각시킴과 동시에 생성되는 고온 건조한 공기는 상술한 설명과 같이 다시 냉각탑(300)에 공급되어 냉각수의 증발을 촉진시키는 역할을 하게 된다.

일 예로서, 겨울철의 경우, 외기의 온도 자체가 낮게 형성되므로 공냉의 효율이 더욱 상승하는 효과가 있으며, 라디에이터(400)로부터 생성된 고온의 공기는 실내 온도 유지장치로 공급하여 활용될 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치를 사용하면 아래와 같은 이점을 가질 수 있다.

종래에는 도체인 물을 냉매로 사용하는 수냉식 냉각 장치의 경우, 전자기기를 직접 액침하는 것이 불가능한 한계점이 있었다.

또한, 공냉식의 경우, 공기의 열용량과 열전도도가 낮기 때문에 상당히 낮은 온도가 되어야 충분한 열전달이 이루어질 수 있는 단점이 있었고, 그래픽 카드를 집적하여 붙여 놓는 경우에는 열이 확산되지 않아서 온도가 급격히 상승하는 현상이 발생하는 문제점이 있어 왔다.

하지만, 본 발명의 냉각 장치는 절연성 유체를 사용하므로, 유체를 직접 냉각 대상물에 접촉시키는 것이 가능하며, 유체 분사기를 이용하여 열원과 유체 사이의 상대속도를 약 0.38m/sec 이상으로 높일 수 있다.

이로 인해, 대류에 의한 열전달 계수를 약 75W/m2K 내지 약 125W/m2K로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

특히, 냉각 대상물이 그래픽 카드인 경우, 자체 내장된 쿨링 팬(Cooling Fan)에 의한 유체 흐름도 만들 수 있어서 시너지 효과가 창출된다.

이러한 액침 방식을 적용하면, 전자기기를 먼지가 없는 유체에 침적하여 냉각하기 때문에 새로운 먼지의 유입이 없고, 기존의 먼지들은 전자기기에서 탈락되어 유체 흐름이 약해지는 장소에 축적되므로 손쉽게 제거가 가능하다.

더하여, 기존의 공냉 방식의 경우, 약 1.8L/kWh의 과도한 물 사용으로 인한 환경파괴의 문제가 있어 왔으나, 본 발명에서는 라디에이터에 연계된 냉각탑을 적용하기 때문에 냉각탑 용량을 축소함에 따라 대기온도 약 35℃ 조건에서 물 사용량을 약 0.00058L/kWh로 획기적으로 줄일 수 있다.

이러한 라디에이터와 냉각탑의 시너지효과로 인하여 대기온도 조건에 영향을 받지 않고 냉각이 가능한 이점이 있다.

나아가, 기존의 공냉 방식 대비 전력소비량을 현저하게 낮출 수 있는 효과가 있다.

데이터센터와 블록체인, 에지 컴퓨팅(Edge Computing)의 부가가치에 비하면 냉각에 소요되는 전력량은 상대적으로 적지만, 수요가 급격히 증가하고 있기 때문에 전세계 전력사용량의 6%를 사용하고 있으므로 이를 줄이는 것이 매우 중요한 의미를 가진다.

일반적인 공냉 방식의 데이터센터의 평균 PUE(Power Usage Effectiveness)는 약 1.8 내지 약 1.89 정도를 나타내는데 본 발명의 액침 방식을 사용하면, PUE를 약 1.19 이하로 낮추는 것이 가능하며, 탄소 배출량을 획기적으로 낮출 수 있는 효과가 있다.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 냉각 장치
100 : 하우징
101 : 격벽
110 : 배스
120 : 펌프실
130 : 유체 탱크
140 : 유체 펌프
150 : 유체 분사기
151 : 베이스
152 : 분사 노즐
160 : 가이드 부재
200 : 열교환기
300 : 냉각탑
400 : 라디에이터
51: 제1 냉각수 펌프
52 : 제2 냉각수 펌프
61 : 분배기
62 : 회수기
70 : 냉각 대상물

Claims

다수의 냉각 대상물이 저장 및 고정되는 배스;
상기 배스의 측면에서 격벽을 사이에 두고 분리되도록 마련되되, 상기 냉각 대상물을 냉각시키기 위한 유체가 저장되는 유체 탱크;
상기 유체 탱크로부터 상기 유체를 상기 배스의 내부로 공급하는 유체 펌프; 및
상기 배스의 하부에 구비되되, 상기 유체 펌프로부터 공급된 상기 유체를 상기 배스의 내부에 분사하는 유체 분사기; 및
상기 배스의 내측벽에 다수 개 배치되되, 내부를 향해 돌출되도록 마련되며, 상하 방향을 길이 방향으로 하는 수직재의 형태로 구비되어, 상기 유체 분사기로부터 분사되는 상기 유체의 흐름을 수직으로 가이드하는 가이드 부재를 포함하고,
상기 유체 분사기는,
상기 배스의 하부에 구비되어 상기 유체 펌프로부터 상기 유체를 상기 배스의 하부에 균일하게 전개시키는 베이스; 및
상기 베이스와 내부가 연결되며, 상부 방향으로 연장 형성되어 상기 유체를 상기 상부 방향으로 분사시키는 다수의 분사 노즐을 포함하고,
상기 분사 노즐은,
상기 배스 내에서 이웃하는 상기 다수의 냉각 대상물의 사이에 배치되는 다수 개로 제공되며,
상기 유체가 지나는 유로의 폭이 하부에서 상부 방향으로 갈수록 좁아짐에 따라 토출되는 상기 유체의 유속이 증가되도록 마련되고,
상기 유체는 액체로 제공되어, 상기 냉각 대상물과 직접 접촉하여 상기 냉각 대상물을 액침시키며, 상기 배스 내부에서 대류를 형성함에 따라 냉각 효율을 증대시키는 냉각 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 냉각 대상물은 상기 배스의 내부에서 일정 간격으로 이격되며 행과 열의 어레이로 배치되는 냉각 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 배스의 일측에 구비되어 격벽을 사이에 두고 상기 배스와 분리되며, 내부에 상기 유체 탱크와 상기 유체 펌프가 구비되는 펌프실을 더 포함하고,
상기 격벽은 상단부에 소정의 폭을 가지는 개구가 형성되어, 상기 배스와 상기 펌프실이 연통되며,
상기 배스의 하단부로 유입된 상기 유체가 상기 개구를 통해 상기 펌프실로 회수되는 냉각 장치.
제5 항에 있어서,
상기 펌프실의 내부에 구비되며, 상기 배스로부터 회수된 상기 유체를 냉각수와 접촉시켜 냉각시키는 열 교환기를 더 포함하는 냉각 장치.
제6 항에 있어서,
상기 열 교환기로부터 배출된 고온의 냉각수를 공냉 방식을 통해 냉각시키는 냉각탑을 더 포함하고,
상기 냉각탑을 통해 생성된 저온의 냉각수는 상기 열 교환기로 다시 이송되어, 상기 열 교환기로 유입되는 상기 유체를 냉각시키는 냉각 장치.
제7 항에 있어서,
상기 냉각탑으로부터 생성된 상기 저온의 냉각수를 상기 열 교환기로 공급하는 제1 냉각수 펌프; 및
상기 열 교환기로부터 배출되는 상기 고온의 냉각수를 회수하여 상기 냉각탑으로 공급하는 제2 냉각수 펌프를 더 포함하는 냉각 장치.
제8 항에 있어서,
상기 배스가 다수 개로 제공되고, 각각의 상기 배스에 연결된 상기 열 교환기가 다수 개로 제공되는 경우,
각각의 상기 열 교환기와 상기 제1 냉각수 펌프 사이에 구비되어, 상기 제1 냉각수 펌프로부터 공급된 상기 저온의 냉각수를 다수의 상기 열 교환기에 분배하는 분배기; 및
각각의 상기 열 교환기와 상기 제2 냉각수 펌프 사이에 구비되어, 각각의 상기 열 교환기로부터 회수된 상기 고온의 냉각수를 모아 상기 제2 냉각수 펌프로 이송시키는 회수기를 더 포함하는 냉각 장치.
제7 항에 있어서,
상기 열 교환기와 상기 냉각탑 사이의 이송 경로 상에 구비되며, 상기 열 교환기로부터 배출되는 상기 고온의 냉각수가 유입되는 라디에이터를 더 포함하고,
상기 라디에이터는,
공냉 방식을 통해 상기 고온의 냉각수로부터 외기로 열이 전달되도록 마련됨에 따라, 상기 고온의 냉각수를 냉각시키는 냉각 장치.
제1 항에 있어서,
상기 냉각 대상물은 컴퓨터 관련 전자 기기인 냉각 장치.
제1 항에 있어서,
상기 유체는 인화점이 150℃ 이상이고, 점도가 40℃에서 10cst 미만인 전기절연재인 냉각 장치.
제1 항에 있어서,
상기 유체는 미네랄 오일 성분을 포함하는 냉각 장치.