KR20130093596A - 전자 장비를 냉각하기 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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존 코스타키스
제럴드 맥도넬
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이너테크 아이피 엘엘씨
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Abstract

제1 열교환기, 제2 열교환기 및 응축기를 포함하는 전자 장비 냉각 시스템이 제공된다. 제1 열교환기는 전자 장비와 열 소통하는 공기흐름 경로에 배치되고, 제1 온도의 냉각 유체를 받고 냉각 유체를 제2 온도로 가열하기 위해서 공기흐름으로부터 냉각 유체로 열전달을 가능하도록 구성된다. 제2 열교환기는 제1 열교환기와 전자 장비 사이에 배치되고, 제2 열교환기는 제1 열교환기 및 전자 장비 사이에 배치되고, 제2 온도의 냉각 유체를 받는다. 제2 열교환기는 제3 온도로 냉각 유체를 가열하기 위해서 공기흐름으로부터 냉각 유체로의 열전달이 가능하도록 구성된다. 응축기는 제3 온도의 냉각 유체를 받고 제1 온도로 냉각 유체를 냉각하기 위해서 냉각 유체로부터 냉각 소스로의 열 전달이 가능하도록 구성된다.

Description

전자 장비를 냉각하기 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR COOLING ELECTRONIC EQUIPMENT}
본 발명은 냉각 시스템들 및 방법들에 대한 것으로서, 더 상세하게는 고밀도 데이터 센터들에 배치된 컴퓨터 서버들을 포함하여 전자 장비를 냉각하는 시스템들 및 방법들에 대한 것이다.
과거 수년 동안, 컴퓨터 제조업체들은 서버들의 데이터 수집 및 저장 능력을 확대했다. 하지만, 컴퓨터 서버들의 데이터 수집 및 저장 능력이 증가함에 따라, 서버당 전체 전력 소모 및 전체 열 출력도 증가하였다. 결과적으로, 컴퓨터 데이터 수집 및 저장 능력에 있어서의 지속적인 거대한 성장을 처리할 수 있는 향상된 전력 및 온도 제어 시스템들이 끊임없이 요구되고 있다.
현재의 냉각 시스템들은 서버들에 의한 열 부하들 특히 고밀도 데이터 센터의 서버들의 열 부하들의 증가를 대처할 수 없다. 이 같이 증가하는 열 부하들(킬로와트로 측정됨)에 대처하기 위한 일환으로, 데이터 방은 인프라스트럭처를 냉각하는 보다 큰 볼륨이 가능하도록 데이터 방들 자체 내에 추가 공간을 할당한다. 아주 최근에, 냉각 시스템들은 컴퓨터 서버 랙들(racks)에 즉 열 소스에 냉각을 집중하도록 디자인되고 있다. 이 같은 냉각 시스템들은 뒷문 열 교환기들 및 랙 상에 배치되는(랙탑:rack-top) 냉각기들을 포함한다.
뒷문 열 교환기들 및 랙탑 냉각기들 같은 냉각 시스템들은 탈이온수, R-134a(즉, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄) 냉각제 또는 다른 유사한 유체를 순환시켜 서버 랙들을 방열(heat rejection)한다. 하지만, 공간상의 제약은 이 같은 냉각 시스템들이 고밀도 데이터 센터들을 충분히 냉각하는 것을 제한한다. 뒷문 열교환기의 출력 용량은 예를 들어 물리적 크기, 즉 서버 랙의 외장 치수에 의해 그리고 과도한 압력 저하 없이 뒷문 열교환기를 통해 흐를 수 있는 유체 량(초당 리터(l/s) 또는 분당 갈론(gpm)으로 측정됨)에 의해 제한된다. 전형적인 뒷문 열교환기들은 컴퓨터 서버 랙들에 대해 대략 12-16kW까지의 집중 냉각을 생성할 수 있다. 또한, 위쪽의 즉, 랙탑 냉각기는 R-134a 액체 냉각제를 사용하여 20kW까지의 냉각 출력을 생성할 수 있다. 하지만, 이 시스템들의 전체 용량은 컴퓨터 서버 랙을 위한 인클로저(enclosure)의 크기뿐만 아니라 냉각 코일들의 물리적 크기에 의해서도 제한된다. 더욱이, 이 시스템들은 현재 35kW 이상의 열 출력을 생성할 수 있는 아주 최근에 개발된 고밀도 컴퓨터 서버들의 냉각 조건들을 현재로서는 처리할 수 없다.
본 발명은 전자 장비를 냉각하기 위한 시스템 및 방법, 그리고 열교환기 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전자 장비를 냉각하기 위한 시스템은 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 응축기를 포함한다. 제1 열교환기는 유체 입력부 및 유체 출력부를 포함하고 전자 장비와 열 소통하는 공기흐름 경로에 배치되도록 구성된다. 제1 열교환기의 유체 입력부는 제1 온도의 냉각 유체를 받는다. 제1 열교환기는 제2 온도로 가열하기 위해서 공기흐름으로부터 냉각 유체로의 열전달이 가능하도록 구성된다.
제2 열교환기는 유체 입력부 및 유체 출력부를 구비한다. 제2 열교환기의 유체 입력부는 제1 열교환기의 유체 출력부와 유체 소통한다. 제2 열교환기는 제1 열교환기 및 전자 장비 사이에 배치되도록 구성된다. 제2 열교환기의 유체 입력부는 제1 열교환기의 유체 출력부로부터 제2 온도의 냉각 유체를 받는다. 제2 열교환기는 제3 온도로 냉각 유체를 가열하기 위해서 공기흐름으로부터 냉각 유체로 열전달을 가능하도록 구성된다.
응축기는 유체 입력부 및 유체 출력부를 구비한다. 응축기의 유체 입력부는 제2 열교환기의 유체 출력부와 유체 소통하고 응축기의 유체 출력부는 제1 열교환기의 유체 입력부와 유체 소통한다. 응축기의 유체 입력부는 제2 열교환기의 유체 출력부로부터 제3 온도의 냉각 유체를 받는다. 응축기는 제1 온도로 냉각 유체를 냉각하기 위해서 냉각 유체로부터 냉각 소스로의 열 전달을 가능하게 한다.
몇몇 실시 예에서,제1 열교환기는, 다른 적절한 열교환기들이 고려될 수 있지만, 마이크로 채널 열교환기이다. 제2 열교환기는 평판 열교환기, 구불구불한 열교환기 또는 다른 적절한 열교환기일 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 응축기는 냉각 유체를 가스 상태에서 액체 상태로 변환하고, 제1 열교환기는 냉각 유체를 액체 상태에서 액체-가스 혼합 상태로 변환하고 그리고/또는 제2 열교환기는 냉각 유체를 액체-가수 혼합 상태에서 가스 상태로 변환한다.
몇몇 실시 예에서,제1 온도는 대략 18℃에서 대략 24℃ 범위이고, 제2 온도는 대략 24℃에서 32℃ 범위이고, 제3 온도는 대략 32℃에서 41℃ 범위이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전자 장비를 냉각하는 방법은 전자 장비와 열소통하는 공기 흐름에 배치된 제1 열교환기를 통해 제1 냉각 유체를 통과시켜 제1 냉각 유체를 액체 상태에서 액체-기체 혼합 상태로 변환하고, 제1 열교환기 및 전자 장비 사이의 공기흐름 경로에 배치된 제2 열교환기를 통해 제1 냉각 유체를 통과시켜 제1 냉각 유체를 액체-기체 혼합 상태에서 가스 상태로 변환하고, 제1 냉각 유체로부터 냉각 회로를 흐르는 제2 유체로의 열 전달을 가능하게 함으로써 제1 냉각 유체를 응축하여 가스 상태에서 액체 상태로 변환함을 포함한다.
몇몇 실시 예에서,제1 열교환기는, 다른 적절한 열교환기들이 고려될 수 있지만, 마이크로 채널 열교환기이다. 제2 열교환기는 평판 열교환기, 구불구불한 열교환기 또는 다른 적절한 열교환기일 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 제2 열교환기는 공기흐름을 제1 열교환기를 가로질러 확산한다.
몇몇 실시 예에서, 제1 열교환기를 통해 냉각 유체를 통과시킴은 제1 온도에서 제2 온도로 냉각 유체를 가열함을 포함하고, 제2 열교환기를 통해 제2 냉각 유체를 통과시킴은 제2 온도에서 제3 온도로 냉각 유체를 가열함을 포함하고, 냉각 유체를 응축함은 제3 온도에서 제1 온도로 냉각 유체를 응축함을 포함한다.
또 다른 측면에 따른 본 발명의 열교환기 어셈블리는 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함한다. 제1 열교환기는 전자 장비와 열 소통 하도록 배치되도록 구성된다. 제1 열교환기는 액체 상태의 냉각 유체를 받는다. 제1 열교환기는 냉각 유체를 액체 상태에서 액체-기체 혼합 상태로 변환한다. 제2 열교환기는 전자 장비와 열 소통한다. 제2 열교환기는 액체-기체 혼합 상태로 냉각 유체를 받는다. 제2 열교환기는 냉각 유체를 액체-기체 혼합 상태에서 기체 상태로 변환한다.
몇몇 실시 예에서 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 공기흐름에 배치되도록 구성된다.
다른 실시 예들에서, 제2 열교환기는 제1 열교환기의 업스트림의 공기흐름에 배치되도록 구성된다.
몇몇 실시 예에서,제1 열교환기는, 다른 적절한 열교환기들이 고려될 수 있지만, 마이크로 채널 열교환기이다. 제2 열교환기는 평판 열교환기, 구불구불한 열교환기 또는 다른 적절한 열교환기일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 소형의 냉각 장치로 우수한 냉각 효율을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 냉각 시스템의 일부에 대한 확대, 투시도로서 동작 중의 냉각 시스템의 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 흐르는 공기 흐름의 방향을 보여준다.
도 3은 도 2의 제1 열교환기의 일 실시 예의 일부를 절단한 투시도이다.
도 4a는 도 1의 4A-4A 선을 따라 절단한 제2 열교환기의 단면도이다.
도 4b는 다른 실시 예에 따른 제2 열교환기의 단면도이다.
도 4c는 도 1의 냉각 시스템에 사용하기 위한 다른 실시 예에 따른 열교환기의 정면도이다.
도 5a는 도 1의 냉각 시스템에 사용하기 위한 다른 실시 예에 따른 열교환기의 투시도이다.
도 5b는 도 5a의 5B-5B를 따라 절단한 열교환기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 시스템의 다른 실시 예의 개략적인 다이어그램이다.
본 발명의 구체적인 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명된다.
도 1은 전자 장비를 위한 냉각 시스템(10)의 개략적인 다이어그램이다. 도 1에 도시된 실시 예에서 냉각 장치(10)는 각각이 하나 이상의 서버(14)를 가지는 하나 이상의 IT 캐비넷(cabinet) 또는 서버 랙(server rack)(12)을 포함한다. 다른 실시 예들에서는 하지만 냉각 시스템(10)은 다른 전자 장비 또는 시스템을 냉각하도록 구성될 수 있다. 냉각 시스템(10)은 응축기(condenser)(30), 유체 펌프(32), 유체 수용기(34), 열교환기 어셈블리(35) 및 피드백 제어 어셈블리(50)를 포함하는 냉각 회로(11)에 특징이 있다. 열교환기 어셈블리(35)는 제1 열교환기(36) 및 제2 열교환기(38)를 포함한다.
또한 송풍기(fan)(60)가 제공되어 열교환기 어셈블리(35)를 통해 공기의 재순환을 촉진한다. 다수의 파이프 세그멘트가 냉각 시스템(10)의 여러 구성요소를 서로 연결한다. 보다 구체적으로, 파이프 세그멘트(22)는 응축기(30)와 액체 수용기(34)를 서로 연결하고, 파이프 세그멘트(23)는 액체 수용기(34)와 유체 펌프(32)를 서로 연결하고, 파이프 세그멘트(24)는 유체 펌프(32)와 제1 열교환기(36)를 서로 연결하고, 파이프 세그멘트(26)는 제1 열교환기(36)와 제2 열교환기(38)를 서로 연결하고, 파이프 세그멘트(28)는 제2 열교환기(38)를 응축기(30)에 연결함으로써, 냉각 회로(11)를 완성한다. 피드백 제어 어셈블리(50)는 또한 아래에서 자세히 설명되겠지만, 응축기(30)의 각 측면에 배치된 제1 온도 센서(52) 및 제2 온도 센서(54)를 포함한다. 제1 온도 센서(52) 및 제2 온도 센서(54)에서 감지된 온도는 밸브(46)를 제어하는 데 사용되며 이 밸브(46)는 제2 냉각 회로(40)를 통해 흐르는 냉각 유체의 흐름을 조절한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 서버 랙(12)의 서버 랙들(14)의 각각은 동작 중에 열을 발생한다. 송풍기(60)는 화살표 "F"로 도시된 방향으로 서버들(14)을 통해 흐르는 공기흐름(airflow) 경로를 생성한다. 냉각 회로(11)는 제1 열교환기(36) 및 제2 열교환기(38) 각각이 이 같은 공기흐름 경로 "F"에 배치되도록 즉 서버들(14)과 열 소통하도록 마련된다. 도시된 바와 같이, 제2 열교환기(38)는 서버 랙들(12) 및 제1 열교환기(36) 사이에 배치된다. 서버 랙들(14)을 통과해 흐르는 공기흐름 경로 "F" 또는 일반적으로 데이터 센터를 통과해 흐르는 공기흐름 경로의 방향에 따라서 냉각 회로(11)가 서버 랙들(12)에 대해서 다른 여러 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 열교환기(36) 및 제2 열교환기(38)는 각각 데이터 센터의 열복도(hot aisle)에, 데이터 센터의 냉복도(cold aisle)에, 서버 랙(들)의 후방에 근접하여(예를 들어 후방-블로우(rear-blow) 서버들을 위해서), 서버 랙(들)과 나란히(예를 들어 측면-블로우(side-blow) 서버들을 위해서), 서버 랙(들)의 위쪽에 그리고/또는 서버 랙(들)의 아래에 마련될 수 있다.
더욱이, 냉각 회로(11)는 모듈식 데이터 포드(modular data pod) 적용들에 사용되도록 구성될 수 있고 그리고/또는 현존하는 또는 새로운 데이터 센터들에 포함되도록 맞춰질 수 있다. 하지만, 서버 랙(들)에 대한 열교환기들(36, 38)의 상대적인 방향은 서버 랙들 그리고/또는 데이터 센터의 특정 구성에 따라 다양하게 변할 수 있고, 열교환기들(36, 38) 사이의 상대적인 위치(제2 열교환기(38)가 서버 랙(들) 및 제1 열교환기(36) 사이의 공기흐름 경로에 위치함)는 서버 랙(들)에 대한 열교환기들(36,38)의 방향에 상관없이 유지된다.
또한 다수의 냉각 회로 그리고/또는 다수의 열교환기 어셈블리를 구비하는 냉각 회로들이 서로 나란히(in tandem with) 동작하도록 제공될 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 것 같이, 제1 또는 주 열교환기 어셈블리(35)가 서버 랙들(14)로부터 흐르는 뜨거운 공기를 냉각하기 위해서 공기흐름 경로 "F1"에 서버 랙(12)의 인접한 서버 랙들(14)에 위치하고, 반면 제2 또는 부 열교환기 어셈블리(350)는 서버 랙(12)을 통과해 (화살표 "C"로 표시된 것 같이) 공기가 다시 순환하기 전에 공기흐름 경로 "F2"로 흐르는 뜨거운 공기를 더 냉각하기 위해 송풍기(60)의 흡입측(intake side)에 인접하여 배치되며, 이에 따라 단계별(graduated) 열방산(heat dissipation)을 제공한다. 제2 열교환기 어셈블리(350)는 또한 제1 열교환기 어셈블리(35)가 실패할 경우를 대비한 가외성(redundancy)을 제공한다. 제1 열교환기 어셈블리(35) 및 제2 열교환기 어셈블리(350)는 각각 그리고/또는 추가의 열교환기 어셈블리(미도시)는 동일한 냉각 회로에 (직렬로 또는 병렬로) 연결되거나 또는 독립적인 냉각 회로들이 각각의 열교환기 어셈블리들(35, 350)과 결합할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 동작에 있어서, 유체는 아래에 설명될 것처럼 서버 랙들(12)에 의해 발생한 열의 방열을 위해서 즉 공기흐름 경로 "F"를 따라 서버 랙들(12)의 후방으로부터 나오는 뜨거운 공기의 열을 방열하기 위해서, 냉각 회로(11)을 통과해 순환된다. 송풍기(60)의 도움으로, 냉각된 공기는 화살표 "C"에 의해 도시된 것 같이, 인클로저(enclosure)를 통해 재순환되고, 이에 따라 인클로저(13) 내에서 냉각 동작 온도가 충분히 유지될 수 있다. 냉각 회로(11)를 통해 순환하는 유체는 R-134a 냉각제 또는 다른 적절한 냉각제 또는 탄화수소일 수 있다. 단순화 및 통일성을 위해서, 냉각 회로(11)를 흐르는 유체는 "냉각제"로 언급될 것이다.
본 발명의 냉각 시스템의 몇몇 실시 예의 동작에서, 냉각제는 제1 온도(예를 들어 대략 18℃(약 65˚F)에서 대략 24℃(대략 75˚F) 또는 더 구체적으로는 약 22℃(약 72˚F)에서 응축기(30)를 빠져나가고 파이프 세그멘트들(22, 23)을 통과해 유체 펌프(32)로 흐른다. 액체 수용기(34)는 응축기(30) 및 유체 펌프(32) 사이에 배치된다. 액체 수용기(34)는 냉각제가 유체 펌프(32)로 들어갈 때 액체가 되도록 하며, 따라서 냉각 회로(11) 내의 온도를 제한하는 것을 돕는다. 아래에 기술될 되듯이, 피드백 제어 어셈블리(50)는 응축기(30)를 빠져나가는 냉각제의 온도가 대략 미리 결정된 제1 온도와 동일하도록 보장하기 위해서 (온도 센서들(52, 54)에 표시된 온도의) 피드백을 사용한다.
도 1에 도시된 것 같이, 유체 펌프(32)는 파이프 세그멘트(24)를 통과해서 액체 냉각제를 미리 결정된 제1 유량(예를 들어 대략 0.76 l/s(대략 12gpm))으로 제1 열교환기(36)의 유체 입력부(36a)로 흐르게 한다. 액체 냉각제가 제1 열교환기(36)를 통과해 흐를 때, 액체 냉각제는 제1 열교환기(36)를 통과하는 뜨거운 공기, 즉 공기흐름 통로 "F"를 경유해 서버(들)로부터 흐르는 뜨거운 공기로부터 열을 흡수하여 제1 열교환기(36)를 통과할 때 뜨거운 공기를 냉각한다. 액체-기체 혼합 상태를 만들기 위해서 액체 냉각제의 일부분이 증발(boiled off)하도록 즉 일부분이 액체에서 기체로 변하도록, 액체 냉각제에 의해 흡수된 열은 액체 냉각제를 미리 결정된 제2 온도도(예를 들어 대략 24℃(약 75˚F)에서 대략 32℃(대략 90˚F))로 가열한다. 더 구체적으로, 액체 냉각제는, 단지 액체 냉각제의 일부분만이 가스로 변환되도록, 제1 열교환기(36)를 흐르는 액체 냉각제의 미리 결정된 제1 유량(예를 들어 대략 0.76 l/s(대략 12gpm))보다 낮은 속도로(예를 들어 대략 0.12 l/s(대략 1.9gpm))으로 증발한다. 결과적으로, 액체-기체 혼합물이 제1 열교환기(36)의 유체 출력부(36b)를 빠져나온다.
액체-기체 냉각제 혼합물은 제2 온도(예를 들어 대략 24℃(약 75˚F)에서 대략 32℃(대략 90˚F))로 제1 열교환기(36)의 유체 출력부(36b)를 빠져나오고 파이프 세그멘트(26)를 통과해 제2 열교환기(38)의 유체 입력부(38a)로 들어간다. 액체-기체 냉각제 혼합물은 이어서 제2 열교환기(38)를 통과해 흐르고 여기서 냉각제의 액체 부분은 미리 결정된 유량(예를 들어 대략 0.64 l/s(대략 10.1 gpm)을 갖는다.
따라서, 액체 냉각제는 미리 결정된 제1 유량(예를 들어 대략 0.76 l/s(대략 12gpm))으로 제1 열교환기(36)를 통해 흐른다. 하지만, 액체 냉각제가 제1 열교환기(36)를 통과해 흐름에 따라, 액체 냉각제는 대략 0.12 l/s(대략 1.9gpm)) 속도로 증발되고 즉, 가스로 변하고, 따라서 0.64 l/s(대략 10.1 gpm)) 속도의 액체 냉각제를 제2 열교환기(38) 내로 흐르게 한다.
액체-기체 냉각제 혼합물이 제2 열교환기(38)를 흐르면서, 냉각제는 제2 열교환기(38)를 통과하는 뜨거운 공기, 즉 공기흐름 경로 "F"를 경유해서 서버 랙(들)(12)의 서버(들)(14)로부터 흐르는 뜨거운 공기로부터 열을 흡수하여 제2 열교환기(38)를 통과하는 뜨거운 공기를 냉각한다. 액체-기체 냉각제 혼합물에 의해 흡수된 열은, 잔존하는 액체-기체 냉각제 혼합물이 증발되도록, 제2 열교환기(38)를 통과할 때 액체-기체 냉각제 혼합물을 가열한다. 더 구체적으로, 액체-기체 냉각제 혼합물의 액체 부분은, 액체 냉각제 모두가 냉각제가 제2 열교환기(38)를 통과할 때 가스로 변환되도록, 제2 열교환기(38)를 통과하는 냉각제의 액체 부분의 미리 결정된 제2 유량과 실질적으로 동일한 미리 결정된 제2 유량(예를 들어 대략 0.64 l/s(대략 10.1 gpm))으로 증발된다. 궁극적으로, 완전히 가스 상태의 냉각제가 미리 결정된 제3 온도(예를 들어 대략 32℃(약 90˚F)에서 대략 41℃(대략 105˚F)) 또는 몇몇 실시 예에서는 대략 34℃(약 94˚F)) 과-가열된 가스로서 제2 열교환기(38)의 유체 출력부(38b)에서 나온다.
과-가열된 냉각제 가스는 제2 열교환기(38)에서 탈출하여 파이프 세그멘트(28)를 경유하여 응축기(30)로 흐른다. 응축기(30)는 또한 냉각 유체 공급 라인(42) 및 냉각 유체 회수 라인(return line)(44)을 포함하는 제2 냉각 회로(40)와 유체 소통한다. 냉각 유체 공급 라인(42)은 냉각 유체를 응축기(30)로 나르며, 이는, 응축기(30)를 통과하는 과-가열된 냉각제 가스에서 응축기(30)를 통과하는 냉각 유체로의 열 전달을 가능하게 한다. 이 같은 열 전달의 결과로, 냉각제는 과-가열된 가스에서 다시 액체로 변환된다. 냉각 유체는 임의의 적절한 냉각 유체, 예를 들어 수용액, 글리콜 용액(즉, 에틸렌/프로필렌 글리콜 및 물) 또는 지열수 일 수 있다. 대안으로, 과-가열된 냉각제 가스는 수랭식 직접-팽창(Direct-Expansion: DX) 응축기(미도시) 또는 임의의 다른 적절한 응축기에 의해 냉각될 수 있다.
계속해서 도 1을 참조하면, 피드백 제어 어셈블리(50)는 응축기(30)를 탈출하는 냉각제의 온도가 대략 미리 결정된 제1 온도와 동일한 것을 보증하기 위해서 (온도 센서들(52, 54))을 통해 피드백을 이용한다. 더 구체적으로, 온도 센서들(52, 54)은 각각 파이프 세그멘트(22 및 28)를 통해 흐르는 냉각제의 온도를, 즉 온도 센서들(52, 54)은 응축기(30)에서 나오고 들어가는 냉각제의 온도를 결정한다. 이 온도들은 이어서 밸브(46)를 제어, 예를 들어 제2 냉각 회로(40) 및 응축기(30)를 통해 흐르는 냉각 유체의 유량을 증가, 감소 또는 유지하는데 사용되고, 따라서 응축기(30) 내에서 열 전달율을 증가,감소 또는 유지한다. 환언하면, 응축기(30)의 유체 입력부 및 유체 출력부에서의 온도를 비교함으로써, 제2 냉각 회로(40)를 흐르는 냉각 유체의 유량이, 원하는 출력 온도 예를 들어 제1 온도(예를 들어 대략 32℃(대략 90˚F))를 달성하도록, 조절될 수 있다.
상술한 냉각 회로(11)의 구성으로 인해서, 보다 구체적으로는 열교환기 어셈블리(35)의 구성으로 인해서, 제2 열교환기(38)를 흐르는 냉각제는 제1 열교환기(36)를 흐르는 냉각제보다 높은 온도를 가진다. 또한, 열교환기들(36, 38)은, 상대적으로 뜨거운 공기(예를 들어 서버들(14)로부터 흐르는 뜨거운 공기)는 제2 열교환기(38)를 통과하고 반면 상대적으로 차가운 공기(예를 들어 제2 열교환기(38)를 통해 흘러서 거기에서 이미 냉각된 공기)는 제1 열교환기(36)를 흐르도록, 공기흐름 경로 "F"에 대해 마련된다. 즉, 냉각 회로(11)는 (냉각제가 제1 열교환기(36)를 흐르면서) 액체를 액체-기체 혼합 상태로 변환하고 (냉각제가 제2 열교환기(38)를 흐르면서) 액체-기체 혼합 상태를 과-가열된 가스 상태로 변환함으로써 증발 원리의 잠열의 이점을 활용하며, 이로써 (제2 열교환기(38)를 통해 흐르는) 상대적으로 뜨거운 냉각제가 상대적으로 뜨거운 공기를 먼저 냉각하고, 반면 (제1 열교환기(36)를 통해 흐르는) 상대적으로 차가운 냉각제가 이어서 상대적으로 차가운 공기를 냉각한다. 이 같은 방식으로 보다 우수한 냉각 효율을 달성할 수 있다.
이제, 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 열교환기(36)는 마이크로 채널 열교환기(36)이며, 다른 적절한 열교환기가 사용될 수 있다. 마이크로 채널 열교환기(36)는 유체 입력부(36a), 유체 출력부(36b) 및 몸통부(36c)를 포함한다. 몸통부(36c)는 유체 입력부(36a)에 유체 결합한 상부 수평 관 또는 도관(36d), 유체 출력부(36b)에 유체 결합한 하부 수평 도관(36e), 상부 도관들(36d) 및 하부 도관들(36e)을 서로 연결하는 다수의 떨어진 마이크로 채널들(36f)의 줄(row), 그리고 마이크로 채널들(36f) 줄들 사이에 배치된 적층된 다수의 핀(fin)을 포함한다.
동작에 있어서, 유체는 유체 입력부(36a)를 경유하여 상부 수평 도관(36d)으로 흘러들어가고, 다수의 마이크로 채널(36f)을 거쳐 아래로 흘러 하부 수평 도관(36c)으로 흘러 유체 출력부(36b)로 나온다. 핀들(36g)은 화살표 "A"로 표시된 것 같이 공기가 몸통부(36c)를 통해 흐르도록 하고, 이로써 실질적으로 각 마이크로 채널(36f)의 외부 표면 영역 전체가 몸통부(36c)를 흐르는 공기와 열 소통한다. 이와 같이, 마이크로 채널 열교환기(36)는 몸통부(36c)를 흐르는 공기와 마이크로 채널들(36f)을 흐르는 유체 사이의 효율적인 열전달을 달성하면서, 몸통부(36c)에 나타나는 유체 압력 저하 및 공기 압력 저하 모두를 감소시킬 수 있다. 마이크로 채널 열교환기(36)는 또한 공간적인 측면에서도 효율적인데, 대략 2.86cm(대략 1.125 인치)의 두께를 가지며, 전형적인 서버 랙과 유사한 높이 및 폭을, 즉 대략 196cm 내지 213cm(대략 77인치 내지 84인치)의 높이와 대략 76cm 내지 81cm(대략 30인치 내지 32 인치)의 너비를 가지며, 특정 사용 용도에 맞게 다른 치수가 고려될 수 있다.
도 4a와 함께 도 2를참조하면, 제2 열교환기(38)는 구불구불한 열교환기(38)일 수 있으며, 다른 형태의 적절한 열교환기 예를 들어 평판형 열교환기(98)(도 5a 내지도 5b)가 고려될 수 있다. 구불구불한 열교환기(38)는 도 4a에 도시된 바와 같이 유체 입력부(38a), 몸통부(38c), 유체 출력부(38b) 및 서로 떨어진 다수의 핀(38e)을 포함하는데, 몸통부(38c)는 구불구불한 도관(38d)을 구비하고, 핀들(38e)은 구불구불한 도관(38d)에 대해서 수직인 방향(다른 구성이 고려될 수 있음)으로 배치된다.
동작 중에, 유체는 유체 입력부(38a)를 경유하여 도관(37d)으로 흘러들어가고, 구불구불한 도관(38d)을 통과해서 유체 출력부(38b)를 경유하여 도관(38d)을 빠져나온다. 핀들(38e)은, 몸통부(38c)를 흐르는 공기가 실질적으로 도관(38d)을 둘러싸도록, 공기가 도관(38d)을 통해 흐르는 유체의 방향에 대해서 실질적으로 수직인 방향으로 몸통부(38c)를 흐르도록 하여, 몸통부(38c)를 흐르는 공기에서 도관(38d)을 흐르는 유체로의 열 전달이 가능하게 한다. 더욱이, 구불구불한 열교환기(38)는 공간적인 측면에서도 효율적인데, 대략 13mm(대략 0.5 인치)의 두께를 가지며, 전형적인 서버 랙과 유사한 높이 및 폭을, 즉 대략 196cm 내지 213cm(대략 77 인치 내지 84 인치)의 높이와 대략 76cm 내지 81cm(대략 30인치 내지 32 인치)의 너비를 가지며, 특정 사용 용도에 맞게 다른 치수가 고려될 수 있다.
도 4b는 다른 실시 예에 따른 구불구불한 열교환기(78)를 도시한다. 구불구불한 열교환기(78)는, 열교환기(38)(도 2)가 구불구불한 도관(38d)(도 4a)을 구비함에 반해, 몸통부(78a)가 베이스 도관들(78c, 78d)을 서로 연결하는 다수의 수평 도관(78b)을 포함하는 점을 제외하고는 열교환기(38)(도 2)와 유사하다. 도 4a의 구불구불한 도관(38d)과 유사하게, 수평 도관들(78b) 및 베이스 도관들(78c, 78d)의 배열은 도관들(78b, 78c, 78d)의 표면 영역을 제공하여 열교환기(78)의 몸통부(78a)를 통과하는 공기 및 도관들(78b, 78c, 78d)을 통과하는 유체 사이의 열교환을 촉진한다.
도 4c는 또 다른 실시 예에 따른 구불구불한 열교환기(88)를 도시한다. 구불구불한 열교환기(88)는, 열교환기(38)(도 2)가 신장된 핀들(38e)(도 4a)을 구비하는 몸통부(38c)를 제공함에 반해, 구불구불한 도관(88b)을 따라 배치되고 구불구불한 도관(88b)에 대해서 상대적으로 수직인 방향으로 공기흐름이 발생하도록 구성된 다수의 개별 핀(88a)을 포함하는 점을 제외하고는 구불구불한 열교환기(38)(도 2)와 유사하며, 이로써, 구불구불한 도관(88b)을 흐르는 공기에서 도관(88b)을 통과하는 유체로의 열 전달을 촉진한다.
도 5a 내지 도 5b는 평판 열교환기(98)를 도시하며 이는 제2 열교환기의 다른 실시 예이다. 평판 열교환기(98)는 신장되고 서로 떨어진 다수의 판(98d)을 구비하는 몸통부(98a)를 포함한다. 판들(98d)은 각각 평평한 형상을 정의하고 서로에 대해서 실질적으로 평행하게 위치한다. 하지만, 판들(98d)은 서로 각지게 배열될 수 있고 그리고/또는 판들(98d)은 특정 목적에 따라 굽거나 다른 형태를 정의할 수 있다. 각 판(98d)은 내부 도관(98e) 또는 내부 도관 시스템을 포함하여, 판들(98b) 사이를 흐르는 공기와 내부 도관(98e)을 흐르는 유체 사이의 열 전달을 촉진할 수 있다. 평판 열교환기(98)는 열 교환기(38)(도 2)와 유사한 치수로 형성될 수 있다.
평판 열교환기(98)는 열교환기(98)의 유체 입력부와 결합한 상부 베이스 도관(98b) 및 열교환기(98)의 유체 출력부와 결합한 하부 베이스 도관(98c)을 포함한다. 상부 베이스 도관(98b) 및 하부 베이스 도관(98c)은 각각, 냉각제가 유체 입력부를 경유하여 상부 베이스 도관(98b)으로 흐르고 판들(98d)의 내부 도관들(98e)을 통해 궁극적으로는 유체 출력부를 경유하여 열교환기(98)의 하부 베이스 도관(98c)으로 흐르는 것이 가능하도록, 판들(98d) 각각의 내부 도관(98e)에 의해 서로 연결된다. 도 5b에 도시된 것 같이, 판(98b)의 내부 도관(98e)은 구불구불한 형상 또는 다른 임의의 적절한 형상을 정의할 수 있다. 또한 판(98b)은 (예를 들어 도 4b에 도시된 구성과 유사한) 도관들(98e) 시스템 또는 네트워크를 포함할 수 있다.
동작에서, 판들(98b) 각각이 도관(98e)(또는 도관들)을 포함하는 이 같은 배열 표면 영역(판들(98b)의 표면 영역)을 제공하여 몸통부(98a)를 통과하는 공기 또는 다른 유체로부터 도관들(98e)을 흐르는 유체로의 열 전달을 촉진한다.
몇몇 실시 예에서, 제2 열교환기(38)가 구불구불한 또는 평판 열교환기이고 제1 열교환기(36)가 마이크로 채널 열교환기일 때, 제2 열교환기는 마이크로 채널 열교환기의 보다 많은 표면 영역을 통해 보다 많은 공기가 확산 되도록 촉진하는 확산기로서 기능을 하며, 따라서 시스템의 냉각 효율을 증가시킬 수 있다. 구불구불한 또는 평판 열교환기(38) 및 마이크로 채널 열교환기(36)는 또한 상술한 바와 같이 최소한의 두께 치수로 인해서 감소된-면적을 정의한다.
더욱이, 이 같은 제1 열교환기(36) 및 제2 열교환기(38)의 구성은 티어(tier) 또는 단계별 냉각을 제공하여 공기흐름 경로 "F"에 있는 공기가, 마이크로 채널 열교환기(36)에 의해 냉각되기 전에, 구불구불한 열교환기(38)를 통해 먼저 냉각된다. 하지만, 비록 냉각 시스템(10)이 구불구불한(또는 평판) 열교환기(38) 및 마이크로 채널 열교환기(36)를 함께 사용할 때 특히 효과적이지만, 특정 목적에 따라서는 다른 적절한 열교환기들 또는 열교환기들의 조합이 냉각 회로(11)와 함께 사용될 수 있다. 또한, 상술한 구불구불한(또는 평판) 열교환기(38) 및 마이크로 채널 열교환기(36)의 효과는 다른 형태의 열교환기들 그리고/또는 열교환기들의 조합을 사용하여 실현될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 냉각 회로의 냉각 용량은 아래와 같이 수학 용어를 사용하여 기술될 수 있다. 예시적인 냉각 회로는 제1 열교환기, 제2 열교환기를 포함하고, 각각은 213cm(대략 84인치) 및 대략 76cm(대략 30인치)의 높이 및 너비를 가진다. 냉각 회로를 흐르는 냉각제 R134a는 102.03의 분자량, 즉 대략 1020kg/m3 (대략 85.1 lbs/gallon)을 가진다. R134a의 증발 잠열은 대략 217 kJ/kg(대략 92.82 btu/lb)이다.
전술한 바와 같이, 유체 펌프(32)는 대략 0.76 l/s(대략 12 gpm)의 속도로 냉각제를 제1 열교환기로 보낸다. 따라서, 냉각제의 질량유량은 대략 0.77 kg/s(대략 102.12 lbs/min)이다. R134a의 증발 잠열을 이용하여, 압축 일(compression work)은 대략 166.7 kJ/s(대략 9,479 btm/min)이다. 이를 시간당으로 계산하면 대략 600,052 kJ/hr(대략 568,740 btu/hr)이다. 따라서 1kW가 대략 3606 kJ/hr(또는 대략 3415 btu/hr)와 동일하다는 것을 감안하면, 이 냉각 회로는 대략 166.5 kW의 열 부하를 방열할 수 있다.
특정 실시 예에 따른 냉각 회로가 대략 166 kW의 열 부하를 방열하지만, 본 발명에 따라 제공되는 냉각 회로의 방열 역량은 특정 컴퓨터 서버(들)(또는 전자 장치(들))의 부하 열 부하 출력이 냉각되도록 증가 또는 감소될 수 있다. 즉, 상술한 계산은 단지 설명의 목적을 위한 것일 뿐이면, 여기에 개시된 특정 냉각 회로는 다른 열 부하 출력, 치수 등을 다른 전자 장비를 냉각하기 위해서 변형(또는 크기 조절)될 수 있고 이는 또한 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서 전술한 계산에 사용된 값들은 특정 목적에 따라 바뀔 수 있다.
다양한 도면들 및 전술한 내용으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 다양한 변형이 가해질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다수의 실시 예가 도면에 도시되었지만, 본 발명을 도시된 실시 예로 한정하고자 한 것은 아니며, 본 발명은 가능한 넓은 범위로 해석되어야 하고 명세서 또한 넓게 이해되어야 한다. 따라서 상술한 설명은 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되고 단지 특정 실시 예들로 해석되어야 한다. 통상의 기술자는 여기에 첨부된 특허청구범위의 청구항의 범위 및 기술 사상 내에서 다른 변형들을 예측할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 전자 장비를 냉각하기 위한 시스템으로,
    상기 시스템은 제1 열교환기; 제2 열교환기; 그리고 응축기를 포함하고,
    상기 제1 열교환기는 제1 유체 입력부 및 제1 유체 출력부를 포함하고 전자 장비와 열 소통하는 공기흐름 경로에 배치되도록 구성되고, 상기 제1 열교환기의 유체 입력부는 제1 온도로 냉각 유체를 받고, 상기 제1 열교환기는 상기 냉각 유체를 제2 온도로 가열하기 위해서 상기 공기흐름으로부터 상기 냉각 유체로의 열 전달을 가능하도록 구성되고,
    상기 제2 열교환기는 유체 입력부 및 유체 출력부를 구비하고, 상기 제2 열교환기의 유체 입력부는 상기 제1 열교환기의 유체 출력부와 유체 소통하고, 상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기 및 상기 전자 장비 사이에 배치되도록 구성되고, 상기 제2 열교환기의 유체 입력부는 상기 제1 열교환기의 유체 출력부로부터 상기 제2 온도의 냉각 유체를 받고, 상기 제2 열교환기는 상기 냉각 유체를 제3 온도로 가열하기 위해서 상기 공기흐름으로부터 상기 냉각 유체로의 열전달을 가능하도록 구성되며,
    상기 응축기는 유체 입력부 및 유체 출력부를 구비하며, 상기 응축기의 유체 입력부는 상기 제2 열교환기의 유체 출력부와 유체 소통하고 상기 응축기의 유체 출력부는 상기 제1 열교환기의 유체 입력부와 유체 소통하며, 상기 응축기의 유체 입력부는 상기 제2 열교환기의 유체 출력부로부터 상기 제3 온도의 냉각 유체를 받고, 상기 응축기는 상기 제1 온도로 냉각 유체를 냉각하기 위해서 상기 냉각 유체로부터 냉각 소스로의 열 전달을 가능하게 하는
    냉각 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 마이크로 채널 열교환기인 냉각 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 평판 열교환기인 냉각 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 구불구불한 열교환기인 냉각 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기를 가로질러 공기를 확산하는 냉각 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 응축기는 상기 냉각 유체를 가스 상태에서 액체 상태로 변환하는 냉각 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 냉각 유체를 액체 상태에서 액체-가스 혼합 상태로 변환하는 냉각 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 냉각 유체를 액체-가수 혼합 상태에서 가스 상태로 변환하는 냉각 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 온도는 대략 18℃에서 대략 24℃ 범위이고, 상기 제2 온도는 대략 24℃에서 32℃ 범위이고, 상기 제3 온도는 대략 32℃에서 41℃ 범위인 냉각 시스템.
  10. 전자 장비를 냉각하는 방법으로,
    상기 방법은:
    제1 냉각 유체를 액체 상태에서 액체-기체 혼합 상태로 변환하기 위해서 전자 장비와 열 소통하는 공기 흐름에 배치된 제1 열교환기를 통해 상기 제1 냉각 유체를 통과시키고;
    상기 제1 냉각 유체를 액체-기체 혼합 상태에서 가스 상태로 변환하기 위해서 상기 제1 열교환기 및 상기 전자 장비 사이의 공기흐름 경로에 배치된 제2 열교환기를 통해 상기 제1 냉각 유체를 통과시키고;
    상기 제1 냉각 유체로부터 냉각 회로를 흐르는 제2 유체로의 열 전달을 가능하게 함으로써 상기 제1 냉각 유체를 가스 상태에서 액체 상태로 응축함을 포함하는
    냉각 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 마이크로 채널 열교환기인 냉각 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 평판 열교환기인 냉각 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 구불구불한 열교환기인 냉각 방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기를 가로질러 상기 공기흐름을 확산하는 냉각 방법.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기를 통해 상기 냉각 유체를 통과시킴은 제1 온도에서 제2 온도로 상기 냉각 유체를 가열함을 포함하고,
    상기 제2 열교환기를 통해 상기 제1 냉각 유체를 통과시킴은 상기 제2 온도에서 제3 온도로 상기 제1 냉각 유체를 가열함을 포함하고,
    상기 제1 냉각 유체를 응축함은 상기 제3 온도에서 상기 제1 온도로 상기 제1 냉각 유체를 응축함을 포함하는 냉각 방법.
  16. 전자 장비를 냉각하기 위한 열교환기 어셈블리로서,
    상기 열교환기 어셈블리는 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하고,
    상기 제1 열교환기는 전자 장비와 열 소통 하도록 배치되고, 액체 상태의 냉각 유체를 받고, 상기 냉각 유체를 액체 상태에서 액체-기체 혼합 상태로 변환하도록 구성되고,
    상기 제2 열교환기는 전자 장비와 열 소통하고, 상기 액체-기체 혼합 상태로 상기 냉각 유체를 받고, 상기 냉각 유체를 상기 액체-기체 혼합 상태에서 기체 상태로 변환하도록 구성되는
    열교환기 어셈블리.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 공기흐름에 배치되도록 구성되는 열교환기 어셈블리.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기의 업스트림의 공기흐름에 배치되도록 구성되는 열교환기 어셈블리.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기를 가로질러 상기 공기흐름을 확산하는 열교환기 어셈블리.
  20. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 마이크로 채널 열교환기이고, 상기 제2 열교환기는 평판 열교환기 또는 구불구불한 열교환기인 열교환기 어셈블리.
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