KR20230041794A - 능동 증기 관리를 갖는 2상 침지 냉각 장치 - Google Patents

능동 증기 관리를 갖는 2상 침지 냉각 장치 Download PDF

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KR20230041794A
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카-윙 라우
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리퀴드스택 홀딩 비.브이.
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Abstract

2상 침지 냉각 장치는 침지 탱크의 내부 체적과 열 연통하는 1차 응축기를 갖는 침지 탱크 및 침지 탱크에 유동적으로 연결된 증기 관리 시스템을 포함할 수도 있다. 증기 관리 시스템은 침지 탱크의 헤드스페이스로부터 증기 및 다른 기체를 제거하고, 증기를 액체로 응축하고, 액체를 침지 탱크로 복귀시킴으로써 장치가 높은 증기 생성 기간을 효과적으로 관리하는 것을 가능하게 할 수도 있다.

Description

능동 증기 관리를 갖는 2상 침지 냉각 장치
본 개시내용은 전자 디바이스를 냉각하기 위한 2상 침지 냉각 장치 및 방법에 관한 것이다.
데이터 센터는 데이터와 애플리케이션을 저장, 처리 및 배포하기 위한 정보 기술(IT) 장비를 수용하고 있다. IT 장비는 서버, 스토리지 시스템, 배전 유닛, 라우터, 스위치 및 방화벽과 같은 전자 디바이스를 포함할 수도 있다.
사용 중에, IT 장비는 전기를 소비하고 부산물로서 열을 생성한다. 수천 대의 서버를 수용하는 데이터 센터는 생성된 열을 관리하기 위한 전용 IT 냉각 시스템을 필요로 한다. 열이 데이터 센터로부터 포획되고 방출되어야 한다. 열이 제거되지 않으면, 데이터 센터 내의 주위 온도가 허용 가능한 임계값을 초과하여 상승할 것이고 전자 디바이스(예를 들어, 마이크로프로세서)의 온도-유도 성능 스로틀링(performance throttling)이 발생할 수도 있다.
데이터 센터는 에너지 집약적인 시설이다. 데이터 센터가 통상적인 상업용 사무실 건물보다 평방 피트당 50배 이상 더 많은 에너지를 소비하는 것은 드문 일이 아니다. 전체적으로, 데이터 센터는 전세계 전기 사용의 약 3%를 차지한다.
데이터 센터 내의 전기 사용은 IT 장비, 공기 관리 시스템, 기계 시스템, 전기 시스템(예를 들어, 전력 조절 시스템) 및 IT 장비용 냉각 시스템을 포함하는 다양한 시스템에 기인한다. IT 냉각 시스템의 예는 정밀 공조 시스템, 직접 팽창 시스템, 냉각수 시스템, 자유 냉각 시스템, 가습 시스템 및 직접 액체 냉각 시스템을 포함한다. 몇몇 데이터 센터에서, IT 냉각 및 전력 조절 시스템이 전체 전기 사용의 절반 이상을 차지한다.
대부분의 데이터 센터는 IT 냉각을 위해 정밀 공조 시스템을 이용한다. 정밀 에어컨은 가정용 에어컨과 유사하게, 증기 압축 사이클을 채용한다. 공조 기술은 사무실 공간을 쾌적 냉각하기 위해 적절하지만, 대규모 데이터 센터 전체에 걸쳐 분산되어 있는 수천 개의 비교적 소형의 고온의 디바이스를 냉각하기 위해서는 적절하지 않다. 공기는 비교적 낮은 열 용량을 갖고, 이는 IT 장비를 냉각하기 위해 많은 양의 공기의 이동 및 조절을 필요로 한다. 결과적으로, 에어컨은 열악한 열역학적 효율을 겪는데, 이는 높은 동작 비용으로 전환된다. 동작 비용을 감소시키기 위해, 서버를 더 효율적으로 냉각할 필요가 있다.
이에 따라, IT 냉각 시스템의 효율, 성능, 신뢰성 및 지속성을 개선시키는 개선이 필요하다.
제1 양태에서, 본 발명은 침지 탱크 조립체에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 침지 탱크 조립체는 내부 체적을 각각 형성하는 하나 이상의 침지 탱크, 및 침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결된 증기 관리 시스템을 포함한다. 몇몇 용례에서, 각각의 침지 탱크는 상부 부분, 하부 부분, 및 침지 탱크의 내부 체적과 열 연통하는 1차 응축기를 포함할 수도 있고, 증기 관리 시스템은 내부 체적을 형성하고 입구, 출구, 및 응축 챔버의 내부 체적과 열 연통하는 보조 응축기를 포함하는, 응축 챔버; 침지 탱크의 상부 부분을 응축 챔버의 입구에 유동적으로 연결하는 증기 공급 통로; 침지 탱크의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이의 증기 공급 통로 내에 배치된 밸브; 및 응축 챔버의 출구를 침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결하는 액체 복귀 통로를 포함할 수도 있다.
몇몇 구현예에서, 2상 침지 냉각 장치는 또한: 증기 공급 통로에 유동적으로 연결되고 침지 탱크 조립체의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이에 배치되는 가변 체적 챔버; 응축 챔버에 유동적으로 연결된 압력 릴리프 밸브; 침지 탱크 조립체 내의 압력을 검출하기 위한 센서로서, 침지 탱크 조립체 내 및/또는 증기 공급 통로 내에 위치되는, 센서; 응축 챔버에 유동적으로 연결된 배기 통로; 배기 통로 내에 유동적으로 연결된 압력 릴리프 밸브; 및 증기 관리 시스템 내의 압력을 검출하고 증기 관리 시스템 내에 위치된 센서; 응축 챔버의 출구와 침지 탱크 조립체로의 입구 사이의 액체 복귀 통로에 유동적으로 연결된 물 분리기; 액체 복귀 통로에 유동적으로 연결되고 응축 챔버의 출구와 침지 탱크 조립체로의 입구 사이에 배치된 액체 펌프; 액체 복귀 통로에 유동적으로 연결되고 응축 챔버의 출구와 침지 탱크 조립체로의 입구 사이에 배치된 건조 필터; 액체 복귀 통로에 유동적으로 연결되고 응축 챔버의 출구와 침지 탱크 조립체로의 입구 사이에 배치된 불순물 필터; 및 증기 공급 통로에 유동적으로 연결되고 침지 탱크의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이에 배치되는 증기 펌프 중 하나 이상을 또한 포함할 수도 있다.
제2 양태에서, 본 발명은 침지 탱크 조립체에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 침지 탱크 조립체는 내부 체적을 각각 형성하는 하나 이상의 침지 탱크, 및 침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결된 증기 관리 시스템을 포함한다. 몇몇 용례에서, 각각의 침지 탱크는 상부 부분, 하부 부분, 및 내부 체적과 열 연통하는 1차 응축기를 포함할 수도 있고, 증기 관리 시스템은 내부 체적을 형성하고 입구, 출구, 및 응축 챔버의 내부 체적과 열 연통하는 보조 응축기를 포함하는, 응축 챔버; 침지 탱크의 상부 부분을 응축 챔버의 입구에 유동적으로 연결하는 증기 공급 통로; 침지 탱크의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이의 증기 공급 통로 내에 배치된 밸브; 응축 챔버의 출구를 침지 탱크 조립체로의 입구에 유동적으로 연결하는 액체 복귀 통로; 침지 탱크 조립체 내의 압력을 검출하고 측정된 압력에 기초하여 신호를 발생 및 전송하도록 구성된 센서; 및 센서로부터 신호를 수신하고 밸브에 명령 신호를 송신하도록 구성된 전자 제어 유닛을 포함할 수도 있다.
몇몇 구현예에서, 센서는 침지 탱크 조립체 및/또는 밸브와 침지 탱크 조립체 사이의 증기 공급 통로 내에 배치될 수도 있다. 몇몇 변형예에서, 응축 챔버는 침지 탱크의 헤드스페이스(headspace) 체적의 적어도 10%만큼 큰 체적을 가질 수도 있다. 몇몇 용례에서, 응축기 챔버는 또한 보조 응축기에 유동적으로 연결된 냉각기를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 장치는 또한 1차 응축기에 유동적으로 연결된 열 교환기를 포함할 수도 있다.
제3 양태에서, 본 발명은 열 생성 디바이스를 침지 냉각하는 방법에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 방법은 2상 침지 냉각 장치를 제공하는 단계; 침지 탱크 내의 압력을 검출하는 단계; 이하의 단계: 침지 탱크 조립체 내의 측정된 압력이 미리 결정된 임계값 설정(예를 들어, -0.9 psig 내지 0.9 psig)을 초과할 때 밸브를 개방하여, 침지 탱크 조립체로부터의 유전성 증기 및 다른 기체가 응축 챔버 내로 유입되게 하는 단계; 또는 침지 탱크 조립체 내의 측정된 압력이 미리 결정된 임계값 설정 미만일 때 밸브를 폐쇄하는 단계 중 적어도 하나의 단계; 응축 챔버 내에서 유전성 증기 및 다른 기체를 액체 상태로 응축시키는 단계; 및 응축된 유전성 액체를 액체 복귀 통로를 통해 침지 탱크 조립체로 복귀시키는 단계를 포함한다.
몇몇 구현예에서, 제공된 침지 탱크 조립체는 내부 체적을 각각 형성하는 하나 이상의 침지 탱크, 및 침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결된 증기 관리 시스템을 포함할 수도 있다. 몇몇 용례에서, 각각의 침지 탱크는 상부 부분, 하부 부분, 및 침지 탱크의 내부 체적과 열 연통하는 1차 응축기를 포함할 수도 있고, 증기 관리 시스템은 내부 체적을 형성하고 입구, 출구, 및 응축 챔버의 내부 체적과 열 연통하는 보조 응축기를 포함하는, 응축 챔버; 침지 탱크의 상부 부분을 응축 챔버의 입구에 유동적으로 연결하는 증기 공급 통로; 침지 탱크의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이의 증기 공급 통로 내에 배치된 밸브; 및 응축 챔버의 출구를 침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결하는 액체 복귀 통로를 포함할 수도 있다.
몇몇 변형예에서, 방법은 또한 1차 응축기를 통해 냉각제를 순환시키는 단계로서, 냉각제는 주위 공기 온도 이상인 온도를 갖는, 냉각제 순환 단계 및/또는 1차 응축기를 통해 제1 냉각제를 순환시키고 보조 응축기를 통해 제2 냉각제를 순환시키는 단계로서, 제1 냉각제의 온도는 제2 냉각제의 온도 초과인, 제2 냉각제 순환 단계를 포함할 수도 있다.
몇몇 구현예에서, 방법은 또한 증기 공급 통로에 유동적으로 연결되고 침지 탱크 조립체와 응축 챔버의 입구 사이에 배치된 증기 펌프를 제공하는 단계 및 침지 탱크의 헤드스페이스로부터 기체를 퍼지하고 침지 탱크 내의 압력을 대기압 미만으로 감소시키기 위해 밸브가 개방되어 있는 동안 증기 펌프를 동작시키는 단계를 포함할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 모듈식 데이터 센터의 사시도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 컨테이너 내의 복수의 침지 냉각 탱크 조립체를 노출하고 있는 도 1의 모듈식 데이터 센터의 부분 절결도를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 침지 냉각 탱크 조립체의 사시도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 종래의 데이터 센터 내에 위치된 복수의 침지 냉각 탱크 조립체의 사시도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 증기 관리 시스템을 갖는 2상 침지 냉각 장치의 개략도를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 개방 유동 제어 밸브를 갖는 도 5의 장치를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 개방 유동 제어 밸브 및 팽창된 벨로우즈를 갖는 도 5의 장치를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 침지 탱크 압력 및 전자 디바이스 전력 소비 대 시간의 플롯을 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 개방 압력 릴리프 밸브를 갖는 도 5의 장치를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 중력 기반 물 분리기 및 여과 조립체를 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 물 분리기의 대안 실시예를 도시하고 있다.
도 12는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 냉각기 및 보조 응축기를 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 증기 관리 시스템에 포함된 증기 펌프를 갖는 도 5의 장치를 도시하고 있다.
도 14는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 전자 디바이스를 전원 온 하기 전에 탱크 압력이 대기압 미만으로 떨어질 때 침지 탱크 압력 및 전자 디바이스 전력 소비 대 시간의 플롯을 도시하고 있다.
도 15는 1차 응축기를 갖는 종래 기술의 침지 냉각 시스템을 도시하고 있다.
도 16은 1차 응축기와 프리보드 응축기를 갖는 종래 기술의 침지 냉각 시스템을 도시하고 있다.
도 17은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 중앙 증기 관리 시스템에 유동적으로 연결된 2개의 침지 탱크를 갖는 2상 침지 냉각 장치의 실시예를 도시하고 있다.
도 18은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 각각의 침지 탱크와 중앙 증기 관리 시스템 사이에 유동적으로 연결된 증기 펌프를 갖는 도 17의 장치를 도시하고 있다.
도 19는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 증기 처리 장치를 도시하고 있다.
도 20은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 2개의 증기 공급 입구를 갖는 증기 처리 장치를 도시하고 있다.
도 21은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 증기 펌프를 갖는 증기 처리 장치를 도시하고 있다.
도 22는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 2개의 증기 공급 입구 및 2개의 증기 펌프를 갖는 증기 처리 장치를 도시하고 있다.
도 23은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 증기 관리 시스템에 포함된 액체 레벨 센서 및 물 분리기 및 여과 조립체에 포함된 액체 펌프를 갖는 도 5의 장치를 도시하고 있다.
직접 액체 냉각 시스템은 데이터 센터 용례를 위한 공조 시스템에 대한 유망한 대안을 제시한다. 일 형태의 직접 액체 냉각은 침지 냉각이다. 침지 냉각 시스템에서, 전자 디바이스는 유전성 유체 내에 침지된다. 전자 디바이스의 폐열은 유체로 전달되고 이어서 데이터 센터 외부로 방출된다. 폐열은 데이터 센터의 주위 공기 내로 방출되지 않기 때문에, 정밀 공조 시스템이 일반적으로 필요하지 않다.
침지 냉각 시스템은 단상 또는 2상 기술을 채용할 수도 있다. 단상 침지 냉각 시스템에서, 전자 디바이스는 미네랄 오일과 같은 유체 내에 침지되어 있다. 전자 디바이스로부터의 폐열은 유체로 전달되어 유체를 가온한다. 가온된 유체는 침지 냉각 시스템으로부터, 유체로부터 폐열을 포획하고 데이터 센터 외부로 열을 방출하는 증발 냉각 타워, 건식 냉각기 또는 냉각수 루프와 같은 열 방출 시스템으로 펌핑된다.
단상 침지 냉각 기술의 단점은, 미네랄 오일이 용매로서 작용할 수 있고, 시간 경과에 따라, 마더보드, 프로세서 및 다른 구성요소로부터 식별 정보를 제거할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 제품 라벨(예를 들어, 일련 번호 및 바코드를 포함하는 스티커) 및 다른 마킹(예를 들어, 커패시터 및 다른 디바이스 상의 스크린 인쇄된 정보 및 모델 번호)는 디바이스 표면 위의 미네랄 오일의 연속 유동으로 인해 용해되어 세척 제거될 수도 있다. 라벨과 잉크가 서버에서 세척 제거됨에 따라, 미네랄 오일이 오염되게 될 수 있고 교체될 필요가 있을 수도 있어, 비용 및 주기적인 가동 중지 시간을 야기한다. 단상 침지 냉각의 다른 단점은 서버가 탱크로부터 회수된 직후에 서비스될 수 없다는 것이다. 통상적으로, 서버는 탱크로부터 제거되고 서비스 전에 몇 시간 동안 드립 건조(drip dry)되게 해야 한다. 이 건조 기간 동안, 서버는 순환하는 공기 내의 오염물에 노출될 수도 있고, 서버 상의 미네랄 오일의 존재는 민감한 회로 상에 오염물(예를 들어, 먼지 또는 미립자)을 유인 및 포집할 수도 있는데, 이는 단락 및 고장의 위험을 증가시킬 수도 있다.
2상 침지 냉각 시스템에서, 전자 디바이스는 탱크 내의 하이드로플루오로에테르와 같은 유체 내에 침지되어 있다. 유체는 즉시 증발하고 잔류물을 남기지 않고, 따라서 2상 시스템은 전술된 단상 미네랄 오일 기반 시스템의 단점을 겪지 않는다. 사용 중에, 전자 디바이스로부터의 폐열은 유체에 의해 흡수되어, 유체의 국소 증발을 야기한다. 증기는 탱크의 헤드스페이스 내로 상승하고 응축기에 의해 응축된다. 증기로부터의 열은 응축기를 통해 순환하는 냉각제로 전달되어, 이에 의해 냉각제를 가온한다. 가온된 냉각제는 이어서 응축기로부터, 유체로부터 폐열을 포획하고 데이터 센터 외부로 열을 방출하는 증발 냉각 타워, 건식 냉각기 또는 냉각수 루프와 같은 열 방출 시스템으로 펌핑된다.
2상 침지 냉각 시스템은 상변화 열 전달의 이점을 활용하는데, 이는 다중 그래픽 처리 유닛(GPU)을 갖는 고성능 컴퓨팅(HPC) 서버와 같은, 높은 열 플럭스를 갖는 전자 디바이스를 단상 침지 냉각 시스템보다 냉각이 더 효율적이게 하고 가능하게 한다. 그러나, 상변화 열 전달의 이점과 함께 과제가 된다. 실제로, 시스템 내에 증기를 보유하는 것은 종래 기술의 2상 시스템에서 어려운 것으로 입증되었다. 시간 경과에 따라, 기존의 2상 침지 냉각 시스템은 불가피하게 환경에 대한 유체 손실을 겪는다. 손실된 유체는 반복 기반으로 보충하는 데 비용이 많이 들 수도 있다. 종래 기술의 2상 냉각 시스템 및 그 유체 손실 모드 및 다른 단점의 예가 이하에 설명된다.
도 15는 기본 2상 침지 냉각 장치(1500)의 종래 기술 예를 도시하고 있다. 장치(1500)는 액상의 유전성 유체(620)로 부분적으로 충전된 침지 탱크(201)를 포함한다. 장치는 탱크(201)의 헤드스페이스 내에 장착된 응축기(235)를 포함한다. 전자 디바이스(800)는 유전성 유체 내에 침지된다. 전자 디바이스는 하나 이상의 마이크로프로세서(801)를 포함하는 서버일 수도 있다. 탱크(201)는 덮개(225)로 에워싸여 있다. 전원 온이 되고 기능할 때, 전자 디바이스(800)는 열을 생성한다. 열은 유전성 유체(620)로 전달되고, 이는 유체의 일부가 비등되게 하고 유전성 증기(615)가 형성되게 한다. 증기(615)는 유전성 액체(620)의 수조(bath)를 통해 상승하고 탱크(201)의 헤드스페이스로 진입한다. 증기(615)가 응축기(235)와 접촉할 때, 이는 액체로 응축되고 수동적으로 다시 액체 수조로 재순환하여, 이에 의해 증발, 응축, 침전 및 수집의 사이클을 완료한다. 동작 중에, 비교적 치밀한 유전성 유체(620)의 비등은 비교적 덜 치밀한 증기(615)를 생성하는데, 이는 팽창하여 비응축성 기체에 의해 점유된 헤드스페이스로 진입한다. 유전성 유체(620)는 액체보다 증기로서 더 많은 체적을 점유하고, 따라서 더 많은 증기(615)가 생성되어 헤드스페이스로 진입함에 따라, 탱크 압력이 증가한다. 탱크 압력이 안전하지 않은 레벨에 도달하는 것을 방지하기 위해, 압력 릴리프 밸브(460)가 탱크(201) 내에 제공되고 압력이 미리 결정된 임계값을 초과할 때 개방된다. 압력 릴리프 밸브(460)의 작동시에, 유전성 증기(615)가 탱크(201)로부터 방출되어 환경으로 손실된다. 시간 경과에 따라, 주기적인 밸브 작동 및 유체 손실은 유체(620)를 고갈시켜, 보충을 필요로 한다.
도 15에 도시되어 있는 예의 변형예에서, 2상 침지 냉각 장치(1500)는 항상 탱크 압력을 주위 압력(예를 들어, 1 atm) 부근으로 유지하도록 구성될 수 있다. 시스템 조인트 또는 재료를 통한 누설 또는 확산에 의해 각각 유발되는 유체 손실을 최소화하기 위해 대기압 또는 그 부근에서 동작이 바람직할 수도 있다. 전자 디바이스(800)로부터의 열 부하가 증가할 때, 유전성 증기 생성 속도가 증가하고 압력이 탱크(201) 내에 형성된다. 압력 축적을 회피하기 위해, 압력 릴리프 밸브(460)는 탱크 압력이 대기압 초과로 상승할 때마다 작동될 수도 있다. 집약적인 컴퓨팅 기간 동안, 이는 환경으로의 증기(615)의 빈번한 통기를 야기할 수도 있다. 아이들 기간 동안, 디바이스(800)로부터의 열 부하는 감소할 것이고, 증기 생성 속도는 감소하거나 심지어 중지할 것이다. 임의의 나머지 증기(615)는 응축기(235)에 의해 응축되고, 이후에 헤드스페이스 내의 공기는 응축기(235)에 의해 추가로 냉각되어, 탱크 압력이 주위 압력 미만으로 강하하게 한다. 탱크(201) 내의 음압을 완화하기 위해, 압력 릴리프 밸브(460)가 개방되어 주위 공기가 탱크(201)에 진입할 수 있게 할 수도 있다. 시간 경과에 따라, 이 주기적 기체 교환은 유체 손실을 야기한다.
도 15에 도시되어 있는 예의 다른 변형예에서, 2상 침지 냉각 장치(1500)는 전자 디바이스(800)의 최대 열 부하를 초과하는 냉각 용량을 갖는 고용량 응축기(235)를 구비할 수 있다. 응축기(235)는 유전성 유체(620)의 증기 온도보다 상당히 낮은 온도에서 동작할 수도 있고, 이에 의해 증기(615)가 즉시 응축되는 것을 보장하여, 이에 의해 증기 축적으로 인한 과압을 회피한다. 이러한 접근법은 유체 손실을 감소시키지만, 응축기(235)는 대형이고 에너지 비효율적이어서 대규모 데이터 센터 용례에 대해 비용이 많이 들고 비실용적이게 한다.
도 15에 도시되어 있는 예의 다른 변형예에서, 2상 침지 냉각 장치(1500)는 밀폐식으로 밀봉될 수 있다. 탱크(201)는 고장의 위험 없이 높은 양압 또는 음압을 견디는 것이 가능한 압력 용기일 수 있다. 불행하게도, 압력 용기는 구성하고 유지하는 데 비용이 많이 든다. 제조물 책임법을 위해, 고유한 서버 모델에 대한 고압 동작의 영향은 사용 전에 평가 및 승인을 필요로 할 것이어서, 지속적인 검증 및 책임 부담을 야기한다. 높은 동작 압력은 유체의 확산 손실을 촉진하고 개스킷 및 다른 시스템 구성요소의 노후화를 가속화할 수도 있다. 밀봉된 시스템에서, 정기적인 서버 유지 보수는 냉각 시스템을 정지시키고 덮개를 밀봉 해제하여 서버에 접근하는 것을 필요로 하는데, 이는 시간 소모적이다. 이들 이유로, 밀폐식 밀봉된 탱크(201)는 대부분의 데이터 센터, 특히 높은 업타임(up-time) 요구를 갖는 것들에 대해 실용적인 옵션이 아니다.
도 16은 2상 침지 냉각 장치(1600)의 제2 종래 기술 예를 도시하고 있다. 장치(1600)는 액상의 유전성 유체(620)로 부분적으로 충전된 침지 탱크(201)를 포함한다. 전자 디바이스(800)는 유전성 유체(620) 내에 침지된다. 전자 디바이스(800)는 하나 이상의 마이크로프로세서(801)를 포함하는 서버일 수도 있다. 침지 탱크(201)는 덮개(225)로 에워싸여 있다. 장치(1600)는 2개의 응축기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 장치(1600)는 침지 탱크(201) 내에 장착된 1차 응축기(235) 및 프리보드 응축기(250)를 포함할 수도 있다. 1차 응축기(235)는 탱크(201)의 헤드스페이스 내에서 액체 라인(605) 위에 위치될 수도 있다. 프리보드 응축기(250)는 헤드스페이스(206) 내에서 1차 응축기(235) 위에 소정 거리에 위치될 수도 있다. 일 예에서, 1차 응축기(235)는 약 5℃ 내지 15℃의 온도에서 동작할 수도 있다. 프리보드 응축기(250)는 약 -28℃ 내지 -2℃의 더 낮은 온도에서 동작할 수도 있다. 장치(1600)는 높은 프리보드 비를 갖고, 여기서 프리보드 비는 1차 응축기(235)의 상단으로부터 덮개(225)의 이면까지 측정된 거리를 침지 탱크(201)의 내부 폭으로 나눈 값으로서 정의된다.
장치(1600)의 정상 상태 동작 동안, 전자 디바이스(800)로부터의 열이 탱크(201) 내의 유체(620)를 증발시킴에 따라 증기(615)가 발생된다. 증기(615)는 공기(705)보다 무겁고, 따라서 포화 증기(615)를 포함하는 제1 구역(1605)이 액체 라인(605) 위에 가라앉을 수도 있다. 혼합 증기(615)와 공기(705)를 포함하는 제2 구역(1610)이 포화 증기(615) 위에 형성될 수도 있다. 대부분 공기(705)를 포함하는 제3 구역(1615)이 증기(615)와 공기(705)의 혼합물 위에 형성될 수도 있다. 포화 증기 구역(1605)은 액체 라인(605)과 1차 응축기(235) 사이에 위치될 수도 있다. 혼합 증기 및 공기 구역(1610)은 1차 응축기(235)와 프리보드 응축기(250) 사이에 위치될 수도 있다. 대부분 공기(705)를 포함하는 제3 구역(1615)은 프리보드 응축기(250)와 덮개(225) 사이에 위치될 수도 있다. 1차 응축기(235)는 정상 상태 동작 중에 생성된 대부분의 증기(615)를 응축하도록 적절하게 크기 설정될 수도 있다. 프리보드 응축기(250)는 1차 응축기(235) 위로 상승하여 제2 구역(1610)으로 진입하는 증기(615)를 응축할 수도 있다. 정상 상태 동작 동안, 증기 생성과 응축의 평형이 존재할 수도 있다.
높은 마이크로프로세서(801) 이용의 기간 동안, 더 많은 전력이 디바이스(800)에 의해 소비되고 더 많은 열이 생성되어, 더 높은 증기 생성 속도를 야기한다. 헤드스페이스(206) 내의 증기(615)의 양이 증가함에 따라, 포화 증기 구역(1605)의 깊이가 증가한다. 1차 응축기(235)보다 훨씬 더 낮은 온도로 유지되는 프리보드 응축기(250)는 그에 도달하는 증기(615)를 효과적으로 응축할 수도 있다.
효과적이지만, 도 16의 장치(1600)는 특정 단점을 갖는다. 첫째, 장치(1600)는 프리보드 응축기(250)가 적합하게 저온 온도를 유지하기 위해 연속적으로 동작하는 냉각기를 필요로 하기 때문에 비효율적이다. 둘째, 장치(1600)는 콤팩트하거나 사용자 친화적이지 않다. 효과적이기 위해, 장치(1600)는 비교적 높은 탱크(201)를 필요로 하는 높은 프리보드 비를 가져야 한다. 높은 탱크(201)는 전자 장비를 탱크(201)에 삽입 및 제거하기 위해 높은 천장 및 호이스트 또는 사다리에 접근을 갖는 종래의 데이터 센터에서 허용 가능할 수도 있지만, 시스템(1600)이 높이 제한 및 최소 오버헤드 클리어런스(overhead clearance)를 갖는 한정된 공간(예를 들어, 선적 컨테이너(1005)(도 1 및 도 2) 또는 유틸리티 인클로저)에 설치되는 에지 또는 모바일 데이터 센터 용례와 같은 콤팩트 용례에는 적합하지 않다. 이들 실제적인 제한에 추가하여, 도 16의 냉각 시스템(1600)은 또한 도 15에 도시되어 있고 전술된 냉각 시스템(1500)과 유사한 모드를 통해 유체 손실을 겪을 수도 있다.
전술된 예를 고려하여, 콤팩트하고, 에너지 효율적이고, 저렴하고, 환경에 대한 최소 유체 손실을 경험하는 2상 침지 냉각 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
능동 증기 관리를 갖는 2상 침지 냉각 장치
도 5는 본 발명의 특정 실시예에 따른 능동 증기 관리를 갖는 2상 침지 냉각 장치(100)의 실시예를 도시하고 있다. 2상 침지 냉각 장치(100)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 모듈식 데이터 센터(1000)로부터 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 전통식 데이터 센터(2000)에 이르기까지 다양한 용례에서 사용될 수도 있다. 도 1의 실시예에서, 침지 냉각 장치(100)는 컨테이너(1005)(도 1 및 도 2) 내에 위치될 수도 있고 컨테이너(1005) 정상부에 장착된 외부 열 방출 시스템(240)에 유동적으로 연결될 수도 있다.
장치(100)는 침지 탱크 조립체(200)를 포함할 수도 있다. 침지 탱크 조립체(200)는 덮개(225)(도 3)로 선택적으로 밀봉 가능한 침지 탱크(201)를 포함할 수도 있다. 침지 탱크(201)는 수직으로 콤팩트할 수도 있어서, 모듈식 또는 에지 데이터 센터 용례와 연관된 선적 컨테이너(1005) 또는 유틸리티 인클로저와 같은 한정된 공간에 배치될 수 있게 한다. 침지 탱크(201)는 탱크(201)의 길이 또는 폭보다 작은 높이를 가질 수도 있다. 침지 탱크(201)는 탱크(201)의 길이보다 작고 폭보다 작은 높이를 가질 수도 있다.
침지 탱크(201)는 상부 부분(205) 및 하부 부분(210)을 가질 수도 있다. 상부 부분(205)은 액체 라인(605) 위에 위치된 침지 탱크(201)의 부분일 수도 있다. 하부 부분(210)은 액체 라인(605) 아래에 위치된 침지 탱크(201)의 부분일 수도 있다. 액체 라인(605)은 침지 탱크(201)의 하부 부분(210) 내의 유전성 액체(620)와 헤드스페이스 내의 기체(예를 들어, 공기 및 유전성 증기) 사이에 형성된 계면일 수도 있다. 침지 탱크(201)는 상부 부분(205)에 개구(220)를 가질 수도 있다. 탱크(201)는 내부면 상에 전기 절연층(230)을 가질 수도 있다. 침지 탱크는 덮개(225)를 가질 수도 있다. 개방될 때, 덮개(225)는 전자 디바이스(800)(예를 들어, 서버, 스위치 또는 전력 전자 기기)의 삽입 및 제거를 용이하게 하기 위해 침지 탱크(201)의 내부 체적(215)에 대한 접근을 제공할 수도 있다. 폐쇄될 때, 덮개(225)는 개구(220)를 에워싸고 증기 손실을 방지할 수도 있다. 덮개(225)는 개구(220)를 (예를 들어, 밀폐식으로) 밀봉할 수도 있다.
침지 탱크(201)는 (예를 들어, 유전성) 유체(620)로 부분적으로 충전될 수도 있다. 유체(620)는 마이크로프로세서(801)와 같은 발열 전자 디바이스(800)의 동작 온도보다 낮은 비등점을 갖도록 선택되거나 2개 이상의 유체를 혼합함으로써 조성될 수도 있다. 전자 디바이스(800)가 동작할 때, 디바이스(800)와 접촉하는 유체(620)는 국소적으로 비등하고 증기(615)를 생성할 수도 있다. 증기(615)는 유체 수조를 통해 침지 탱크(201)의 헤드스페이스(206) 내로 상승할 수도 있다. 증기(615)는 액체 라인(605) 정상부에 가라앉아, 포화 증기(625)의 블랭킷을 형성할 수도 있다.
침지 탱크 조립체(200)는 1차 응축기(235)를 포함할 수도 있다. 1차 응축기(235)는 탱크(201)의 헤드스페이스(206) 내에 위치될 수도 있다. 1차 응축기(235)는 침지 탱크(201) 내의 증기(615)를 응축할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 1차 응축기(235)는 냉각 코일, 더 구체적으로는 증발식 냉각 타워, 건식 냉각기 또는 냉각수 루프와 같은 열 방출 시스템(240)으로부터 냉각수, 물-글리콜 혼합물, 냉매 등과 같은 냉각제를 수용하는 냉각 코일일 수도 있다. 열 방출 시스템(240)은 도 1 및 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 냉각제 펌프(245)를 포함할 수도 있다. 냉각제 펌프(245)는 1차 응축기(235) 및 열 방출 시스템(240)을 통해 냉각제를 순환시킬 수도 있다.
에너지 소비를 최소화하기 위해, 1차 응축기(235)는 실온 또는 실온보다 약간 높은 온도에서 동작할 수도 있다. 일 실시예에서, 1차 응축기(235)는 주위 온도가 30℃일 때 약 33℃의 온도에서 냉각제를 수용하여 순환시킬 수도 있다. 다른 실시예에서, 1차 응축기(235)는 약 25℃ 내지 40℃의 온도에서 냉각제를 수용하여 순환시킬 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 1차 응축기(235)는 약 30℃ 내지 36℃의 온도에서 냉각제를 수용하여 순환시킬 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 1차 응축기(235)는 주위 공기 온도보다 약 0 내지 10도 높은 온도에서 냉각제를 수용하여 순환시킬 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 1차 응축기(235)는 주위 공기 온도보다 약 0 내지 15도 높은 온도에서 냉각제를 수용하여 순환시킬 수도 있다.
장치(100)는 증기 관리 시스템(400)을 포함할 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 침지 탱크(201)에 유동적으로 연결될 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 탱크(201)의 과압을 회피하기 위해 필요할 때 침지 탱크(201)로부터 증기(615)를 수용하고, 증기(615)를 액체(620)로 응축하고, 액체(620)를 재사용을 위해 침지 탱크(201)로 복귀시킬 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 침지 탱크(201)의 헤드스페이스(206) 외부에 적어도 부분적으로 위치될 수도 있다.
증기 관리 시스템(400)은 보조 증기 관리 시스템, 예를 들어 외부 증기 관리 시스템일 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 높은, 가변 또는 지속적인 증기 생성 기간 동안 활성화될 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 하나 이상의 시스템 변수(예를 들어, 탱크 압력, 탱크 온도 또는 디바이스 전력)에 기초하여 활성화 또는 비활성화될 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 증가된 열 부하 및 증기 생성 기간을 관리하기 위해 잉여 응축 용량을 제공할 수도 있어, 이에 의해 필요할 때 1차 응축기(235)의 응축 용량을 보충한다.
증기 관리 시스템(400)은 장치(100)에서 측정되거나 결정된 조건에 기초하여 능동적으로 제어될 수도 있다. 실시예에서, 증기 관리 시스템(400)은 침지 탱크(201) 내의 압력, 온도, 디바이스 전력, 증기 농도 또는 불투명도와 같은 하나 이상의 변수의 입력에 기초하여 제어될 수도 있다. 변수는 전자 센서로 측정되거나, 기계적으로 검출되거나, 상관 변수에 기초하여 추정되거나, 임의의 다른 적합한 기술 및 이들의 조합을 통해 결정될 수도 있다.
증기 관리 시스템(400)은 증기 공급 통로(405)를 포함할 수도 있다. 증기 공급 통로(405)는 침지 탱크(201)의 상부 부분(205)에 증기 관리 시스템(400)을 유동적으로 연결할 수도 있다. 증기 공급 통로(405)는 예를 들어, 튜브, 파이프, 일체로 형성된 통로 또는 이들의 조합과 같은 임의의 적합한 유형의 유체 통로일 수도 있다.
증기 관리 시스템(400)은 액체 복귀 통로(470)를 포함할 수도 있다. 액체 복귀 통로(470)는 증기 관리 시스템(400)을 침지 탱크(201)의 하부 부분(210)에 유동적으로 연결할 수도 있다. 액체 복귀 통로(470)는, 튜브, 파이프, 또는 일체로 형성된 통로 및 이들의 조합과 같은 임의의 적합한 유형의 유체 통로일 수도 있다. 함께, 증기 공급 통로(405) 및 액체 복귀 통로(470)는 침지 탱크(201)로부터 및 침지 탱크로의 유체의 순환을 가능하게 할 수도 있다. 예를 들어, 증기 관리 시스템(400)은 침지 탱크(201)로부터 유전성 증기(615)를 수용하고 액체 유전성 유체(620)를 침지 탱크(201)로 복귀시킬 수도 있다.
증기 관리 시스템(400)은 증기 공급 통로(405) 내에 밸브(410)를 포함할 수도 있다. (예를 들어, 유동 제어) 밸브(410)는 증기 공급 통로(405)를 통한 증기의 유동을 제어할 수도 있다. 개방될 때, 밸브(410)는 증기 공급 통로(405)를 통한 그리고 침지 탱크(201)로부터 증기 관리 시스템(400)으로의 증기 유동을 허용할 수도 있다. 밸브(410)는 수동 또는 자동 밸브일 수도 있다. 밸브(410)는 임계(예를 들어, 고정 또는 가변) 압력 설정을 가질 수도 있다. 일 실시예에서, 임계 압력 설정은 약 0.15 psig일 수도 있다. 이 실시예에서, 침지 탱크 내의 압력이 0.15 psig 이상일 때, 밸브(410)가 개방될 것이다. 밸브(410)는 침지 탱크(201) 내의 증기압이 0.15 psig 미만으로 강하할 때까지 개방된 상태를 유지할 수도 있고, 이 때 밸브(410)는 폐쇄될 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 -0.15 psig 내지 0.15 psig일 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 -0.25 psig 내지 0.25 psig일 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 -0.9 psig 내지 0.9 psig일 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 0 psig 내지 0.25 psig일 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 -0.25 psig 내지 0 psig일 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 1 psig 내지 5 psig일 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 4 psig 내지 10 psig일 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 -1 psig 내지 -5 psig일 수도 있다. 다른 실시예에서, 임계 압력 설정은 -4 psig 내지 -10 psig일 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 임계 압력 설정은 고정 대신에 가변적일 수도 있다. 가변 압력 설정은 과도 동작 중에 예상되는 증기 생성 급증을 처리하는 데 유용할 수도 있다. 예를 들어, 디바이스 전력 소비가 급속히 증가할 때, 증기압 상승이 압력 모니터링을 통해 검출되기 전에 시간 지연이 발생할 수도 있다. 증기 생성의 상승은 디바이스 전력 소비를 모니터링함으로써 정확하게 예측될 수도 있다. 디바이스 전력 소비의 증가의 검출시에, 임계값 설정은 고정된 임계값 설정이 사용된 경우보다 빨리 증기 관리 시스템(400)을 활성화하기 위해 일시적으로 감소될 수도 있다.
몇몇 용례에서, 증기 관리 시스템(400)은 응축 챔버(430)를 포함할 수도 있다. 응축 챔버는 고정 체적 응축 챔버일 수도 있다. 응축 챔버(430)는 입구(435)와 출구(440) 사이에 배치된 내부 체적을 가질 수도 있다. 증기 공급 통로(405)는 응축 챔버(430)의 입구(435)에 유동적으로 연결될 수도 있다. 증기 공급 통로(405)는 응축 챔버(430)의 입구(435)에 밸브(410)의 출구를 유동적으로 연결할 수도 있다. 증기 공급 통로(405)는 밸브(410)가 개방될 때 침지 탱크(201)로부터 응축 챔버(430)로 증기(615)를 수송할 수도 있다. 응축 챔버(430)는 침지 탱크(201)의 헤드스페이스 체적의 적어도 10%만큼 큰 체적을 가질 수도 있다. 응축 챔버(430)는 침지 탱크(201)의 헤드스페이스 체적의 적어도 30%만큼 큰 체적을 가질 수도 있다. 응축 챔버(430)는 침지 탱크(201)의 헤드스페이스 체적의 적어도 50%만큼 큰 체적을 가질 수도 있다. 응축 챔버(430)는 침지 탱크(201)의 헤드스페이스 체적의 적어도 70%만큼 큰 체적을 가질 수도 있다. 헤드스페이스 체적은 액체 라인(605)과 덮개(225)의 내부면 사이에서 측정되고 침지 탱크(201)의 측벽에 의해 경계 형성된 체적일 수도 있다.
응축 챔버(430)는 보조 응축기(451)를 포함할 수도 있다. 보조 응축기(451)는 응축 챔버(430)와 열 연통할 수도 있다. 보조 응축기(451)는 증기(615)로부터 열을 추출하여 응축 챔버(430)에서 증기(615)를 응축시킬 수도 있다. 보조 응축기(451)는 응축 챔버(430)의 내부 체적 내로 연장되거나 응축 챔버(430)의 적어도 하나의 표면에 접촉될 수도 있다. 보조 응축기(451)는 1차 응축기(235)보다 더 낮은 온도에서 동작할 수도 있다. 일 실시예에서, 보조 응축기(451)는 액체 냉각기(446)에 연결된 냉각 코일을 포함할 수도 있다. 액체 냉각기(446)는 냉각된 냉각제를 보조 응축기(451)를 통해 순환시킬 수도 있다. 일 실시예에서, 액체 냉각기(446)는 약 5 내지 15℃의 온도에서 액체를 순환시킬 수도 있다. 다른 실시예에서, 액체 냉각기(446)는 약 -2 내지 10℃의 온도에서 액체를 순환시킬 수도 있다. 다른 실시예에서, 액체 냉각기(446)는 약 -10 내지 -5℃의 온도에서 액체를 순환시킬 수도 있다. 다른 실시예에서, 액체 냉각기(446)는 약 -28 내지 -2℃의 온도에서 액체를 순환시킬 수도 있다.
일 변형예에서, 액체 냉각기(446)는 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 냉동 시스템일 수도 있다. 냉각기(446)는 저장조(453)와 냉각 코일(451) 사이에 유체를 순환시켜 냉각 코일을 주위 온도보다 낮은 온도(Tc)로 유지하는 펌프(452)를 포함할 수도 있다. 유체는 유전성 유체일 수도 있다. 유체는 누설 또는 확산으로 인한 교차 오염의 위험을 감소시키기 위해 침지 탱크(201) 내에서 사용되는 동일한 유형의 유체일 수도 있다. 동일한 유형의 유체를 사용하는 것은 또한 유지 보수 작업을 단순화할 수도 있다. 액체 냉각기(446)는 압축기(449), 응축기(447), 팽창 밸브(450) 및 증발기(448)를 포함할 수도 있다. 액체 냉각기(446)는 저장조(453) 내의 유체로부터 열을 추출하고 응축기(447)를 통해 열을 방출하기 위해 냉동 사이클을 채용할 수도 있다.
증기 관리 시스템(400)은 가변 체적 챔버(415)(예를 들어, 벨로우즈)를 포함할 수도 있다. 가변 체적 챔버(415)는 팽창 가능한 내부 체적을 갖는 금속화된 폴리에스테르 필름(예를 들어, 마일라)과 같은 내증기성 재료로 제조될 수도 있다. 가변 체적 챔버(415)는 증기 관리 시스템(400) 내의 압력이 1 atm 이하일 때 수축될 수도 있다. 가변 체적 챔버(415)는 증기 관리 시스템(400) 내의 압력이 1 atm 초과일 때 팽창할 수도 있다. 가변 체적 챔버(415)는 증기 관리 시스템(400)의 총 체적이 팽창하여 총 증기 용량을 증가시킬 수 있게 하여, 이에 의해 시스템(400)이 과도 기간 동안 더 많은 증기(615)를 수용할 수 있게 할 수도 있다. 가변 체적 챔버(415)의 팽창은 유입 증기(615)의 압력을 감소시키고 증기(615)의 응축을 촉진할 수도 있다.
증기 관리 시스템(400)은 압력 릴리프 밸브(460)를 포함할 수도 있다. 압력 릴리프 밸브(460)는 안전 디바이스일 수도 있다. 압력 릴리프 밸브(460)는 증기 관리 시스템(400)의 과압을 방지하기 위해 미리 결정된 압력 임계값에서 개방될 수도 있다. 압력 릴리프 밸브(460)는 배기 통로(462)를 통해 응축 챔버(430)에 유동적으로 연결될 수도 있다. 일 실시예에서, 압력 릴리프 밸브(460)는 증기 관리 시스템(400) 내의 압력이 약 0.15 psig 이상일 때 개방되도록 구성될 수도 있다. 다른 실시예에서, 압력 릴리프 밸브(460)는 증기 관리 시스템(400) 내의 압력이 약 0.20 psig 이상일 때 개방되도록 구성될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 압력 릴리프 밸브(460)는 증기 관리 시스템(400) 내의 압력이 약 0.25 psig 이상일 때 개방되도록 구성될 수도 있다.
증기 관리 시스템(400)은 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 증기 펌프(420)를 포함할 수도 있다. 증기 펌프(420)는 침지 탱크(201)로부터 응축 챔버(430)로 공기와 유전성 증기(615)의 혼합물을 퍼지하도록 구성될 수도 있다. 증기 펌프(420)는 응축 챔버(430)의 상류에 위치될 수도 있다. 증기 펌프(420)는 입구와 출구를 가질 수도 있다. 증기 펌프(420)의 입구는 가변 체적 챔버(415)의 출구에 유동적으로 연결될 수도 있다. 증기 펌프(420)의 출구는 응축 챔버(430)의 입구(435)에 유동적으로 연결될 수도 있다. 증기 펌프(420)는 침지 탱크(201) 내의 압력을 대기압 미만으로 감소시키는 것이 가능할 수도 있다. 증기 펌프(420)는 유체 유동에 대한 중력 효과를 극복하고 증기 관리 시스템(400)이 헤드스페이스(206)에 대한 높이 또는 배향에 무관하게 위치될 수 있게 할 수도 있어, 이에 의해 증기 관리 시스템(400)을 컨테이너(1005)(도 1 및 도 2) 또는 유틸리티 박스와 같은 한정된 공간 내에 포장할 때 필요할 수도 있는 더 큰 설계 자유도를 제공한다.
증기 펌프(420)는 예상되는 상승된 증기 생성 기간을 우선적으로 처리하는 데 유용할 수도 있다. 일 실시예에서, 상승된 증기 생성을 야기할 것인 디바이스 전력 소비의 증가의 검출시에, 밸브(410)가 개방될 수도 있고 증기 펌프(420)가 활성화되어 헤드스페이스(206)로부터 증기(615)를 퍼지할 수도 있어, 이에 의해 예상되는 압력 상승에 앞서 탱크(201) 내의 증기압을 낮출 수도 있다. 이러한 접근법은 증가된 전력 소비 및 증기 생성으로부터 발생하는 침지 탱크(201) 내의 압력 상승 속도를 감소시킬 수도 있다.
증기 관리 시스템(400)은 전자식으로 제어될 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 전자 제어 유닛(480)을 포함할 수도 있다. 전자 제어 유닛(480)은 센서(412)로부터 수신된 신호 또는 다른 입력 신호에 기초하여 유동 제어 밸브(410)를 개방 또는 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전자 제어 유닛(480)은 센서(412)로부터 입력 신호(예를 들어, 압력 신호)를 수신할 수도 있고, 입력 신호에 기초하여, 유동 제어(예를 들어, 솔레노이드) 밸브(410)에 개방 또는 폐쇄하도록 명령 신호를 송신한다. 센서(412)는 침지 탱크(201) 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서일 수 있다. 센서(412)는 침지 탱크(201) 내의 압력에 대응하는 전자 제어 유닛(480)에 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. 신호는 유선 또는 무선 연결을 통해 전송될 수 있다.
전자 제어 유닛(480)은 센서로부터 수신된 신호 또는 다른 입력에 기초하여 압력 릴리프 밸브(460)를 개방 또는 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 센서(463)는 증기 관리 시스템(400) 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서일 수 있다. 센서(463)는 증기 관리 시스템(400)의 압력에 대응하는 신호를 전자 제어 유닛(480)에 전송하도록 구성될 수 있다. 신호는 유선 또는 무선 연결을 통해 전송될 수 있다.
전자 제어 유닛(480)은 (예를 들어, 압력) 센서(412)로부터 수신된 신호에 기초하여 증기 펌프(420)(도 13)를 활성화 또는 비활성화하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시되어 있는 실시예에서, 전자 제어 유닛(480)은 증기 펌프(420)를 활성화하고 헤드스페이스(206)로부터 증기(615)를 퍼지하여 냉각 사이클을 개시하기 전에 탱크 압력을 대기압 미만으로 감소시킬 수도 있다. 침지 탱크(201) 내의 압력을 감소시키는 것은 유체(620)의 비등 온도를 감소시킬 수도 있는데, 이는 특정 용례에서 바람직할 수도 있다. 도 14의 실시예에서, 탱크 압력은 대기압 미만으로 떨어지고 밸브(410)의 임계 압력 설정은 대기압 초과로 설정되어, 이에 의해 탱크(201)의 동작 압력이 대기압 초과 및 미만의 값을 포함하는 범위에서 진동할 수 있게 한다. 이 방법은 대기압으로부터 벗어나는 탱크 압력 편차의 정도와 지속기간을 최소화하여, 이에 의해 압력-유도 확산 또는 누설로 인한 유체 손실을 최소화할 수도 있다. 다른 실시예에서, 탱크 압력은 대기압 미만으로 떨어질 수도 있고 밸브(410)의 임계 압력 설정은 대기압 미만으로 설정될 수도 있어, 이에 의해 탱크(201)의 동작 압력이 음압 범위 내에서 진동할 수 있게 한다. 이 방법은 유체(620)의 비등 온도를 감소시키는 데 바람직할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 장치(100)는 물 분리 및 여과 시스템(500)(도 5)을 포함할 수도 있다. 도 5, 도 10 및 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 물 분리 및 여과 시스템(500)은 이하의 구성요소: 액체 펌프(585), 건조 필터(590), 불순물 필터(580) 등을 - 한정이 아니라 예시의 목적으로 - 포함할 수도 있는 물 분리기(565) 및 여과 시스템(575) 중 하나 이상의 조립체를 포함할 수도 있다.
예를 들어, 도 10을 참조하면, 몇몇 실시예에서, 장치(100)는 물 분리기(565)를 포함할 수도 있다. 물 분리기(565)는 입구(440) 및 출구(574)를 포함할 수도 있다. 물 분리기(565)는 응축 챔버(430)로부터 응축된 액체를 수용할 수도 있다. 물 분리기(565)는 유전성 유체(620)로부터 물(715) 또는 다른 바람직하지 않은 유체를 분리하도록 구성될 수도 있다. 물 분리기(565)는 물(715) 또는 다른 바람직하지 않은 유체를 포획하고 유전성 유체(620)가 통과할 수 있게 할 수도 있다. 물 분리기(565) 내에 축적된 물(715) 또는 다른 바람직하지 않은 유체는 주기적으로 배수될 수도 있다. 축적된 물(715) 또는 다른 바람직하지 않은 유체의 양은 주위 공기 습도, 장치가 얼마나 양호하게 밀봉되어 있는지, 침지 탱크(201)의 덮개(225)가 얼마나 빈번히 개방되는지에 의존할 수도 있다.
일 실시예에서, 물 분리기(565)는 중력 기반 물 분리기일 수도 있다. 물(715) 또는 다른 바람직하지 않은 유체는 유전성 액체(620)보다 덜 치밀할 수도 있다. 결과적으로, 포획된 물(715) 또는 다른 바람직하지 않은 유체는 물 분리기(565) 내의 유전성 액체(620)의 정상부에 가라앉을 수도 있다. 물(715) 또는 다른 바람직하지 않은 유체는 배수 밸브(573)를 통해 주기적으로 물 분리기(565)로부터 퍼지될 수도 있다. 탈수된 유전성 액체(620)는 물 분리기(565)의 하부 부분을 점유할 수도 있다. 탈수된 유전성 액체(620)는 물 분리기(565)의 하부 부분에 위치된 출구(574)를 통해 물 분리기(565)로부터 인출될 수도 있다.
대안 실시예에서, 물 분리기(565)는 펌프 기반 물 분리기일 수도 있다. 도 23에 도시되어 있는 바와 같이, 보조 응축기(451)는 증기(615)와 수증기(710)로부터 열을 추출하고 응축 챔버(430) 내에서 증기(615)와 수증기(710)를 응축시킬 수도 있다. 액체 펌프(576)는 응축 챔버(430)와 물 분리기(565) 사이에 유동적으로 결합될 수도 있다. 응축 증기(615) 및 수증기(710)로부터 발생된 응축물은 이어서 통기 챔버 내에 축적되어, 응축 챔버(430) 내의 액체 레벨을 상승시킬 수도 있다. 응축 챔버(430) 내에 동작식으로 배치된 액체 레벨 센서(577)는 액체 레벨을 측정하도록 구성될 수도 있다. 측정된 액체 레벨이 바람직한 액체 레벨을 초과하는 경우, 제어 디바이스는 액체 펌프(576)를 트리거하도록 구성될 수도 있어, 응축 챔버(430) 내의 액체의 전체 또는 일부 부분이 물 분리기(565) 내로 펌핑될 것이게 된다. 이 대안 실시예의 하나의 장점은, 펌프(576)에 의해, 물 분리기(565)가 더 이상 응축 챔버(430)와의 충분한 중력 전위차를 갖는 위치에 배치될 필요가 없다는 것이다.
또 다른 실시예에서, 물 분리기(565)는 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 컨테이너(564) 내에 경사진 천공 플레이트(566)를 포함할 수도 있다. 컨테이너(564)는 입구(571), 유전성 유체 챔버(567), 유전성 유체 배수구(569), 물 챔버(568) 및 물 배수구(570)를 포함하도록 구조화되고 배열될 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 물 분리기(565)는 상이한 표면 장력과 같은, 액체의 특성에 기초하여 물(715)로부터 유전성 유체(620)를 분리하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, HFE-7100은 13.6 dynes/cm의 통상적인 표면 장력을 갖고, 반면 물은 72 dynes/cm의 통상적인 표면 장력을 갖는다. 그 결과, 유전성 유체 및 물 혼합물은 경사진 천공 플레이트(566)를 가로질러 유동할 수도 있지만, 표면 장력 차이로 인해, 더 낮은 표면 장력을 갖는 유전성 유체(620)는 천공부 또는 구멍(572)을 통해 경사진 천공 플레이트(566) 아래의 유체 챔버(567) 내로 유동할 것이고, 반면 더 높은 표면 장력을 갖는 물은 경사진 천공 플레이트(566)의 단부 및 물 챔버(568) 내로 유동할 것이다. HFE-7100이 예로서 사용되지만, 이러한 특성은 물과는 상이한 동점도(kinematic viscosity)를 갖는 임의의 종류의 유전성 유체로 활용될 수 있다.
경사진 천공 플레이트(566)의 천공부 또는 구멍(572)의 크기는 유전성 유체의 표면 장력에 기초하여 변할 수도 있다. 예를 들어, 약 60 내지 200의 메시 크기는 물로부터 HFE-7100을 분리하는 데 효과적일 수도 있다. 80의 메시 크기는 1 평방 인치 면적을 가로질러 80개의 구멍이 있는 것을 암시한다. 80의 메시 크기는 약 0.18 mm의 직경을 갖는 구멍을 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 경사진 천공 플레이트(566)는 체(sieve)로 대체될 수도 있다. 체는 금속 와이어로 제조될 수도 있다. 체는 약 60 내지 200의 메시 크기를 가질 수도 있다.
장치(100)는 또한 여과 시스템(575)을 포함할 수도 있다. 여과 시스템(575)은 몇몇 변형예에서, 액체 복귀 통로(470)에 유동적으로 연결되고 응축 챔버(430)의 출구(440)와 침지 탱크(201)의 입구 사이에 배치되는 건조 필터(590)를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 건조 필터(590)는 건조제 재료를 포함할 수도 있다.
장치(100)는 탄소강과 같은 금속으로부터 구성될 수도 있다. 침지 탱크(201)는 용접된 이음매를 갖는 금속으로 구성될 수도 있다. 금속 재료는 주위 환경으로부터 탱크(201) 내의 유전성 유체(620)로 습기 전달을 효과적으로 방지할 수도 있기 때문에, 금속 재료가 플라스틱 재료에 비해 바람직할 수도 있다. 유전성 유체(620)로의 습기 전달을 최소화하는 것은 물 분리기(565) 상에 부여된 탈수 요구를 감소시키는 데 바람직하고 건조 필터(590) 내의 건조제 재료에 대한 탈수 요구를 또한 감소시킬 수도 있다.
몇몇 용례에서, 여과 시스템(575)은 불순물 필터(580)를 포함할 수도 있다. 불순물 필터(580)는 액체 복귀 통로(470)에 유동적으로 연결되고 건조 필터(590)의 출구와 침지 탱크(201)의 입구 사이에 배치될 수도 있다. 불순물 필터(580)는 활성탄, 숯 등을 포함할 수도 있다. 불순물 필터(580)는 임의의 불순물 또는 부스러기를 포획할 수도 있다.
몇몇 변형예에서, 장치(100)는 액체 복귀 시스템을 포함할 수도 있다. 액체 복귀 시스템은 유전성 증기로부터 응축된 유전성 액체(620)를 침지 탱크(201)로 복귀시키도록 구성될 수도 있다. 액체 복귀 시스템은 액체 펌프(585)를 포함할 수도 있다. 액체 펌프(585)는 액체 복귀 통로(470)에 유동적으로 연결되고 물 분리기(565)의 출구(574)와 침지 탱크(201)로의 입구 사이에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 액체 펌프(585)는 필터(580, 590)의 상류에 위치될 수도 있거나, 대안적으로 필터(580, 590)의 하류에 위치될 수도 있다.
그 효율적인 설계로 인해, 2상 침지 냉각 장치(100)는 적절하게 기능하기 위해 과냉각 유체의 비교적 큰 내부 또는 외부 저장조에 의존하는 경쟁 설계보다 상당히 더 적은 유전성 유체를 필요로 할 수도 있다. 유체 비용, 시스템 중량 및 시스템 크기를 감소시키기 위해 유체 체적을 감소시키는 것이 바람직하다. 크기와 중량을 최소화하는 것은, 가공된 바닥이 장치(100)를 지지하기 위해 이용 가능하지 않은 모바일 용례 및 고정 용례에서 특히 중요할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 증기 관리 시스템(400)은 주기적으로만 필요할 수도 있다. 예를 들어, 전자 디바이스(800)가 아이들 상태일 때, 그 최대 전력 정격 미만에서 동작할 때, 변동이 거의 없는 비교적 일정한 전력에서 동작할 때, 증기 관리 시스템(400)은 전자 디바이스 전력이 증가할 때까지 필요하지 않을 수도 있다. 다른 실시예에서, 증기 관리 시스템(400)은 빈번히 필요할 수도 있지만, 동시에 다수의 침지 탱크(201)에 서비스를 제공하기에 충분한 냉각 용량을 가질 수도 있다. 어느 시나리오에서든, 중앙 증기 관리 시스템(400)은 2개 이상의 침지 탱크(201, 201')에 서비스를 제공할 수도 있다. 도 17은 제1 침지 탱크 조립체(200) 및 제2 침지 탱크 조립체(200')에 유동적으로 연결된 중앙 증기 관리 시스템(400)을 갖는 2상 침지 냉각 장치(1700)의 실시예를 도시하고 있다. 중앙 증기 관리 시스템(400)을 채용하는 것은 각각의 침지 탱크(201, 201')에 별개의 증기 관리 시스템(400)을 장착하는 것보다 저렴할 수도 있다. 중앙 증기 관리 시스템(400)을 채용하는 것은 데이터 센터(2000)(도 4) 내의 바닥 공간을 절약할 수도 있다. 중앙 증기 관리 시스템(400)을 채용하는 것은 유지 보수를 감소시키거나 단순화할 수도 있다. 각각의 침지 탱크(201, 201')는 대응 증기 공급 통로(405, 405')에 의해 증기 관리 시스템(400)에 유동적으로 연결될 수도 있고 액체 복귀 통로(470)에 의해 물 분리 및 여과 조립체(500)에 유동적으로 연결될 수도 있다.
중앙 증기 관리 시스템(400)은 각각의 침지 탱크(201, 201') 내의 탱크 압력을 모니터링하고(예를 들어, (예를 들어, 압력) 센서(들)(412)를 사용하여), 허용 가능한 범위 내에서 탱크 압력을 유지하기 위해 필요에 따라 하나의 탱크(201), 양 탱크(201, 201')로부터 유전성 증기(615)를 수용할 수도 있거나, 또는 어느 탱크로부터도 유전성 증기를 수용하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 중앙 증기 관리 시스템(400)은 제1 침지 탱크 압력이 제1 임계 압력 이상일 때 제1 침지 탱크(201)로부터 증기를 수용할 수도 있다. 중앙 증기 관리 시스템(400)은 제2 침지 탱크 압력이 제2 임계 압력 이상일 때 제2 침지 탱크(201')로부터 증기를 수용할 수도 있다.
도 18은 대응 침지 탱크(201, 201')와 중앙 증기 관리 시스템(400) 사이에 유동적으로 연결되는 증기 펌프(420, 420')를 포함함으로써 도 17의 장치(1700)로부터 변경된 2상 침지 냉각 장치(1800)를 도시하고 있다. 각각의 증기 펌프(420, 420')는 각각의 침지 탱크(201, 201')로부터 공기와 유전성 증기의 혼합물을 퍼지하고 이를 응축 챔버(430) 내로 강제하도록 구성될 수도 있다. 각각의 증기 펌프(420, 420')는 응축 챔버(430)의 상류에 위치될 수도 있다. 각각의 증기 펌프(420, 420')는 입구 및 출구를 가질 수도 있다. 각각의 증기 펌프(420, 420')의 입구는 대응 가변 체적 챔버(415, 415')의 출구에 유동적으로 연결될 수도 있다. 각각의 증기 펌프(420, 420')의 출구는 응축 챔버(430)의 입구(435)에 유동적으로 연결될 수도 있다. 유리하게는, 각각의 증기 펌프(420)는 각각의 침지 탱크 내의 압력을 대기압 미만으로 감소시키는 것이 가능할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 증기 관리 시스템(400)은 2상 침지 냉각 장치(100)에 통합되고 공통 인클로저 내에 위치될 수도 있다. 다른 실시예에서, 증기 관리 시스템(400)은 도 19 내지 도 22에 도시되어 있는 바와 같이, 하나 이상의 침지 탱크 조립체(200, 200')에 유동적으로 연결되는 별개의 증기 처리 장치(900)에 포함될 수도 있다. 증기 처리 장치(900)는 증기 관리 용량을 증대시키기 위해 기존의 2상 침지 냉각 장치(100)에 개조될 수도 있다. 예를 들어, 데이터 센터(2000) 내의 전자 디바이스(800)가 업그레이드되어 교체되는 전자 디바이스(800)보다 더 많은 전력을 소비할 경우, 2상 침지 냉각 장치(100)의 냉각 용량은 부가의 열 부하를 관리하기 위해 업그레이드될 필요가 있을 수도 있다. 장치(100)를 교체하는 대신에, 대안적으로, 증기 관리 시스템(400)이 장치(100)에 추가되어 더 높은 증기 생성 속도를 관리하여, 기존의 침지 탱크 조립체(200, 200')가 재사용될 수 있게 할 수도 있다.
몇몇 구현예에서, 증기 처리 장치(900)는 도 19에 도시되어 있는 바와 같이, 인클로저(905)를 포함할 수도 있다. 증기 처리 장치(900)는 증기 관리 시스템(400)을 포함할 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 증기 공급 입구(401)를 갖는 증기 공급 통로(405)를 포함할 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 입구, 출구, 및 응축 챔버(430)의 내부 체적과 열 연통하는 보조 응축기(451)를 갖는 응축 챔버(430)를 포함할 수도 있다. 증기 공급 통로(405)는 증기 공급 입구(401)를 응축 챔버(430)의 입구(435)에 유동적으로 연결할 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 증기 공급 입구(401)와 응축 챔버(430)의 입구(435) 사이의 증기 공급 통로(405)에 유동 제어 밸브(410)를 포함할 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 응축 챔버(430)의 출구(440)를 액체 복귀 출구(471)에 유동적으로 연결하는 액체 복귀 통로(470)를 포함할 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 증기 공급 입구(401)와 응축 챔버(430)의 입구(435) 사이의 증기 공급 통로(405)에 유동적으로 연결된 가변 체적 챔버(415)를 포함할 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 또한 증기 공급 통로(405) 내에 위치되고 유동적으로 연결될 때 침지 탱크(201) 내의 압력을 검출하도록 구성된 (예를 들어, 압력) 센서(412)를 포함할 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 응축 챔버(430)에 유동적으로 연결된 압력 릴리프 밸브(460)를 더 포함할 수도 있다.
증기 처리 장치(900)는 물 분리 및 여과 조립체(500)를 포함할 수도 있다. 증기 처리 장치(900)는 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 물 분리기(565) 및/또는 여과 시스템(575)을 포함할 수도 있다. 여과 시스템(575)은 액체 펌프(585), 건조 필터(590), 불순물 필터(580) 등 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
도 19는 단일 증기 공급 입구(401)를 갖는 증기 처리 장치(900)를 도시하고 있다. 도 20은 2개의 증기 공급 입구(401, 401')를 갖는 증기 처리 장치(900)를 도시하고 있다. 다른 실시예에서, 증기 처리 장치(900)는 장치(900)가 2개 초과의 침지 탱크(201, 201')로부터 증기를 수용할 수 있게 하기 위해 2개 초과의 증기 공급 입구(401, 401')를 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 증기 처리 장치(900)는 침지 탱크 그룹으로부터 증기를 수용할 수도 있다. 예를 들어, 증기 처리 장치(900)는 도 2 또는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 복수의 탱크 조립체(200, 200') 내에 배치된 침지 탱크(201, 201')의 그룹으로부터 증기를 수용할 수도 있다. 중앙 증기 처리 장치(900)를 갖는 것은 각각의 침지 탱크(200)에 대한 증기 처리 장치(900)를 갖는 것보다 더 효율적이고 더 비용 효율적일 수도 있다.
몇몇 변형예에서, 증기 처리 장치(900)는 장치(900)가 침지 탱크(200)의 헤드스페이스(206)(도 5)로부터 유전성 증기(615) 및 공기(705)(도 5)를 능동적으로 퍼지할 수 있게 하는 증기 펌프(420)를 포함할 수도 있다. 도 21은 증기 관리 시스템(400)에 유동적으로 연결된 단일 증기 공급 입구(401) 및 단일 증기 펌프(420)를 갖는 증기 처리 장치(900)를 도시하고 있다. 도 22는 증기 관리 시스템(400)의 대응 증기 공급 통로(405, 405')에 유동적으로 연결된 2개의 증기 공급 입구(401, 401') 및 대응 증기 펌프(420, 420')를 갖는 증기 처리 장치(900)를 도시하고 있다.
동작 방법
사용 전에, 침지 탱크(201)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 액체 유전성 유체(620)로 부분적으로 충전될 수도 있다. 침지 탱크(201)의 나머지는 대략 대기압(예를 들어, 1 atm)에서 공기(705)로 충전될 수도 있다. 액체 유전성 유체(620)와 공기(705) 사이의 계면은 액체 라인(605)을 형성할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 유체(620)는 무독성일 수도 있다. 더욱이, 몇몇 변형예에서, 유체(620)는 비전도성일 수도 있고 전자 디바이스에 위험을 부과하지 않을 수도 있다.
서버, 스위치, 라우터, 방화벽 등과 같은, 냉각을 필요로 하는 전자 디바이스(800)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 침지 탱크(201) 내의 유체(620) 내에 침지될 수도 있다. 예를 들어, 전자 디바이스(800)는 액체 라인(605) 아래에 완전히 침지되어 위치될 수도 있다. 전원 및 통신 케이블(도시되어 있지 않음)이 전자 디바이스(800)로부터 침지 탱크(201) 외부의 연결 위치까지 연장될 수도 있다. 케이블은 덮개(225) 또는 탱크 벽 내의 개구를 통과할 수도 있다. 다른 실시예에서, 침지 탱크(201)는 케이블 관리를 단순화하기 위해 탱크(201) 내에 통합형 커넥터를 포함할 수도 있다. 몇몇 용례에서, 전자 디바이스(800)는 침지 탱크(201) 내의 저장 랙에 배열될 수도 있다.
침지 탱크(201) 내의 유전성 유체(620)는 초기에 대략 실온에 있을 수도 있다. 전자 디바이스(들)(800)가 유체 내에 침지되고 전원 온된 후, 디바이스(800)는 전력 소비의 부산물로서 폐열을 발생하기 시작할 수도 있다. 열은 유전성 유체(620)에 의해 흡수될 수도 있다. 디바이스(800)로부터의 열 플럭스가 충분히 높으면, 유전성 유체(620)의 국소화 비등이 발생할 수도 있다. 비등은 부력을 통해 액체 라인(605)으로 상승하고 침지 탱크(201)의 헤드스페이스(206)로 진입하는 증기 기포를 생성할 수도 있다. 유전성 증기(615)는 공기(705)보다 더 치밀할 수도 있고, 결과적으로 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 포화 증기 구역(625)이 액체 라인(605)의 정상부에 형성될 수도 있다. 증기의 층은 증기 블랭킷(625)이라 칭할 수도 있다. 증기 생성 속도가 응축 속도를 초과할 때, 증기 블랭킷(625)의 깊이는 증가할 것이다. 결국, 증기 레벨은 1차 응축기(235)에 접근할 것이다. 증기(615)로부터 1차 응축기(235)로의 열 전달은 증기(615)의 액체(620)로의 응축을 촉진할 수도 있다. 응축된 액체(620)는 이어서 수동적으로 액체 수조로 복귀될 것이다.
전자 디바이스(800)가 정상 상태에서 동작할 때, 1차 응축기(235)에 의한 증기 생성 속도 및 응축 속도는 평형에 도달할 수도 있어, 침지 탱크(201) 내에서 비교적 일정한 증기압을 생성한다. HFE-7100을 위한 증기압은 아래 나타낸 앙투안 식(Antoine equation)을 사용하여 계산될 수 있고, 여기서 P는 증기압이고 T는 섭씨 온도이다.
Figure pct00001
전자 디바이스(800)에 의한 전력 소비가 증가할 때, 폐열 및 증기 생성이 또한 증가할 것이다. 상승된 전력 소비가 지속되면, 소정 시점에, 증기 생성 속도가 1차 응축기(235)의 응축 능력을 압도할 수도 있다. 침지 탱크(201) 내의 증기압은 이어서 상승하기 시작할 것이다. 침지 탱크(201) 내의 압력이 미리 결정된 임계값에 도달할 때, 밸브(410)는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 개방될 수도 있고, 증기(615)는 침지 탱크(201)로부터 증기 관리 시스템(400) 내로 빠져나갈 것이다. 증기 관리 시스템(400)이 침지 탱크(201)의 헤드스페이스(206)로부터 유전성 유체 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)를 수용함에 따라, 가변 체적 챔버(415)는 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 팽창할 것이다.
도 8은 침지 탱크(201) 압력 및 디바이스(800) 전력 소비 대 시간의 플롯을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 전자 디바이스(800)는 소정 시간 기간 동안 아이들 또는 저전력으로 동작한다. 그 시간 동안, 증기 생성은 전적으로 1차 응축기(235)에 의해 관리될 수도 있고, 증기 관리 시스템(400)은 대기 모드로 유지될 수도 있다. 결국, 디바이스 전력 소비가 증가할 수도 있다. 증가된 전력 소비는 더 많은 폐열을 생성할 수도 있고, 이는 이어서 더 많은 유전성 증기(615)를 생성할 수도 있다. 증기 생성이 증가함에 따라, 1차 응축기(235)의 응축 용량이 결국 초과될 수도 있다. 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)가 헤드스페이스(206) 내에 축적됨에 따라, 침지 탱크(201) 압력은 미리 결정된 임계 압력 설정에 도달할 때까지 상승하기 시작한다. 미리 결정된 임계 압력 설정에 도달시에, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 유동 제어 밸브(410)가 작동될 수도 있고(예를 들어, (예를 들어, 압력) 센서(412)로부터의 신호에 의해), 이에 의해 증기(615), 공기(705), 및 수증기(710)가 침지 탱크(201)로부터 빠져나와 증기 관리 시스템(400)에 진입할 수 있게 한다. 유동 제어 밸브(410)의 작동은 증기 관리 시스템(400)이 대기 모드로부터 활성 모드로 전환하게 하고 냉각기(446)가 턴온되거나 그 설정점 온도를 유입된 증기(615) 및 수증기(710)를 응축하기에 적합한 레벨로 감소시키게 할 수도 있다. 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)가 침지 탱크(201)를 빠져나감에 따라, 탱크 압력이 감소할 수도 있다. 결국, 탱크 압력은 유동 제어 밸브(410)의 임계 압력 설정 미만으로 떨어질 수도 있어, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 유동 제어 밸브(410)가 증기 관리 시스템(400) 내의 침지 탱크(201)로부터 수용된 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)를 폐쇄하고 포집하게 한다. 증기(615) 및 수증기(710)는 이어서 응축 챔버(430) 내에서 응축되고, 선택적으로 물 분리기(565) 내에서 탈수되고, 유전성 액체(620)로서 침지 탱크(201)에 복귀되기 전에 건조 필터(590) 및 불순물 필터(580)를 통해 각각 더 건조되고 여과될 수도 있다. 증기 관리 시스템(400)은 침지 탱크(201)로부터 증기(615) 및 수증기(710)를 수용하고 응축하여 이에 의해 침지 탱크(201) 내의 압력을 원하는 동작 압력 이하로 유지하기 위해 필요에 따라 온 및 오프를 사이클링할 수도 있다.
일 실시예에서, 증기 관리 시스템(400)의 활성화를 필요로 할 것인 증기 생성의 상승을 예상하는 것이 바람직할 수도 있다. 증기 생성의 상승은 디바이스 전력 소비를 모니터링함으로써 예상될 수도 있다. 디바이스 전력 소비가 미리 결정된 레벨 초과로, 또는 대안적으로, 미리 결정된 지속기간 동안 미리 결정된 레벨 초과로 상승할 때, 증기 관리 시스템(400)은 대기 모드로부터 활성 모드로 전환할 수도 있다. 대기 모드로부터 활성 모드로 전환하는 것은 냉각기(446)를 활성화하거나 냉각기(446)의 설정점 온도를 유입된 증기(615) 및 수증기(710)를 응축하기에 적합한 레벨로 감소시키는 것을 수반할 수도 있다. 이러한 사전 활성화는 밸브(410)가 개방되고 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)가 침지 탱크(201)로부터 유입되기 전에 냉각기(446)(도 6)가 원하는 작동 온도에 도달하게 하기 위해 충분한 시간을 허용할 수도 있다. 이러한 접근법은 냉각기 온도 및 냉각기 전력 소비가 감소될 수 있기 때문에, 증기 관리 시스템(400)이 대기 모드에 있을 때 에너지 보존을 허용한다.
몇몇 경우에, 예상치 못한 열 부하가 침지 탱크(201) 내에 존재할 수도 있고 안전하게 완화되어야 한다. 예를 들어, 전자 디바이스(800)가 오기능하여 최대 전력 소비 정격을 초과하는 경우 예상치 못한 열 부하가 발생할 수도 있다. 이것이 발생하면, 발생된 열 및 증기(615) 및 수증기(710)의 양이 증기 관리 시스템(400)의 응축 용량을 초과할 수도 있다. 실제로, 유동 제어 밸브(410)는 탱크 압력이 유동 제어 밸브(410)의 미리 결정된 임계치 설정에 도달할 때 개방될 것이다(도 6). 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)가 증기 관리 시스템(400)을 충전함에 따라, 벨로우즈(415)는 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 부가의 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)를 저장하기 위해 팽창하도록 구성될 수도 있다. 벨로우즈(415)가 완전히 팽창된 후, 증기 생성이 계속 증가하면, 증기 관리 시스템(400) 내의 압력(예를 들어, (압력) 센서(463)에 의해 측정된 바와 같은)은 계속 상승할 것이다. 과압으로 인한 기계적 고장을 회피하기 위해, 압력 릴리프 밸브(460)는 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 증기 관리 시스템(400) 내의 압력이 최대 허용 가능 압력을 초과할 때 작동하도록 구성될 수도 있다. 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)는 이어서 주위 환경으로 배출되어, 이에 의해 증기 관리 시스템(400) 및 침지 탱크(201) 내의 압력을 감소시키고 기계적 고장의 위험을 완화할 것이다. 증기(615), 공기(705) 및 수증기(710)를 주위 환경으로 통기하는 것은 바람직하지 않은 유체 손실을 야기하지만, 유체 손실은 과압과 연관된 안전 위험에 비해 바람직하다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "유체"는 기체 형태, 액체 형태 또는 기체와 액체의 2상 혼합물인 물질을 칭할 수도 있다. 유체는 액체에서 증기로 또는 그 반대로 상변화를 경험하는 것이 가능할 수도 있다. 액체는 그것이 상주하는 컨테이너에 의해 생성되지 않는 자유 표면을 형성할 수도 있지만, 기체는 그렇지 않을 수도 있다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "증기"는 물질의 임계 온도보다 낮은 온도에서 기상의 물질을 칭할 수도 있다. 따라서, 온도를 감소시키지 않고 압력을 증가시킴으로써 증기가 액체로 응축될 수도 있다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "2상 혼합물"은 물질의 액상과 공존하는 물질의 기상을 칭할 수도 있다. 이러한 것이 발생할 때, 기체 분압은 액체의 증기압과 같을 수도 있다.
유전성 유체(620)는 동작 압력, 온도, 비등점, 비용, 또는 설치를 지배하는 안전 규정(예를 들어, 점유 건물 공간의 체적당 허용 가능한 유체의 양에 관한 ASHRAE 표준 15에 설명된 규정과 같은)을 포함하는 다양한 인자에 기초하여 침지 냉각 장치에서 사용을 위해 선택될 수도 있다.
몇몇 경우에, 유체 선택은 원하는 유전 특성, 원하는 비등점 또는 침지 냉각 시스템(100) 및 냉각될 전자 디바이스(800)를 제조하는 데 사용되는 재료와의 호환성에 의해 영향을 받을 수도 있다. 예를 들어, 유체는 시스템 구성요소를 통한 투과성이 거의 또는 전혀 없고 디바이스(800) 구성요소에 유해한 효과가 없는 것을 보장하도록 선택될 수도 있다.
하이드로플루오로카본(HFC) 또는 하이드로플루오로에테르(HFE)와 같은 유전성 유체(620)가 침지 냉각 장치(100) 내의 유체로서 사용될 수 있다. 물과 달리, 유전성 유체는 전기적 연결을 단락시킬 위험 없이, 마이크로프로세서(801), 메모리 모듈, 전력 인버터 등과 같은 전자 디바이스(800)와 직접 접촉하여 사용될 수 있다.
유전성 유체의 비한정적인 예는 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판(R-245fa로서 알려짐), 하이드로플루오로에테르(HFE), 1-메톡시헵타플루오로프로판(HFE-7000으로서 알려짐), 메톡시-노나플루오로부탄(HFE-7100으로서 알려짐)을 포함한다. HFE-7000, HFE-7100, HFE-7200, HFE-7300, HFE-7500 및 HFE-7600을 포함하는 하이드로플루오로에테르는 미국 미네소타주 메이플턴에 본사를 둔 3M Company로부터 NOVEC Engineered Fluids로서 상업적으로 입수 가능하다. FC-40, FC-43, FC-72, FC-84, FC-770, FC-3283 및 FC-3284는 또한 3M Company로부터 FLUOROINERT Electronic Liquids로서 상업적으로 입수 가능하다.
NOVEC 7100은 61℃의 비등점, 250 g/mol의 분자량, 195℃의 임계 온도, 2.23 MPa의 임계 압력, 27 kPa의 증기압, 112 kJ/kg의 증발열, 1510 kg/m3의 액체 밀도, 1183 J/kg-K의 비열, 0.069 W/m-K의 열전도도 및 0.1인치 간격에 대한 약 40 kV의 유전 강도를 갖는다. NOVEC 7100은 높은 열 부하를 생성하고 약 80℃ 초과의 온도에서 안전하게 동작할 수 있는 전력 전자 디바이스(800)와 같은 특정 전자 디바이스(800)에 양호하게 작동한다.
NOVEC 7100은 약 60 내지 70℃의 바람직한 동작 코어 온도를 갖는 마이크로프로세서(801)를 냉각하는 데 사용될 수 있다. 마이크로프로세서(801)가 아이들링하고 61℃ 미만의 표면 온도를 가질 때, 마이크로프로세서(801) 부근의 과냉각 NOVEC 7100은 국소 비등을 경험하지 않을 수도 있다. 마이크로프로세서(801)가 완전히 이용되고 61℃ 이상의 표면 온도를 가질 때, NOVEC 7100은 마이크로프로세서 부근에서 격렬한 국소 비등 및 증기 생성을 경험할 수도 있다.
NOVEC 649 Engineered Fluid는 3M Company로부터 입수 가능하다. 이는 낮은 지구 온난화 지수(GWP)를 갖는 플루오로케톤 유체(C6-플루오로케톤)이다. 이는 49℃의 비등점, 0.059의 열전도도, 316 g/mol의 분자량, 169℃의 임계 온도, 1.88 MPa의 임계 압력, 40 kPa의 증기압, 88 kJ/kg의 증발열, 및 1600 kg/m3의 액체 밀도를 갖는다.
NOVEC 649는 약 60 내지 70℃의 바람직한 동작 코어 온도를 갖는 마이크로프로세서(801)를 냉각하는 데 사용될 수도 있다. 마이크로프로세서(801)가 아이들링하고 49℃ 미만의 표면 온도를 가질 때, 마이크로프로세서(801) 부근의 과냉각 NOVEC 649는 국소 비등을 경험하지 않을 수도 있다. 마이크로프로세서(801)가 완전히 이용되고 49℃ 이상의 표면 온도를 가질 때, NOVEC 649는 마이크로프로세서(801) 부근에서 격렬한 국소 비등 및 증기 생성을 경험할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 요소 및 방법 단계는 명시적으로 설명되었는지 여부에 무관하게 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 방법 단계의 모든 조합은, 언급된 조합이 이루어지는 문맥에 의해 달리 명시되거나 명백히 반대로 암시되지 않으면 임의의 순서로 수행될 수 있다.
본 명세서에 사용될 때, 단수 형태의 표현은 내용상 명백히 달리 지시되지 않으면 복수의 지시대상을 포함한다.
본 명세서에 사용될 때, 단위 "psig"는 평방 인치당 파운드 단위의 게이지 압력을 나타낸다. 양의 값은 대기압 이상의 압력을 나타낸다. 음의 값은 대기압보다 낮은 압력을 나타낸다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "유동적으로 연결"은 제2 구성요소에 직접 연결된 제1 구성요소 또는 하나 이상의 개재 구성요소를 통해 제2 구성요소에 간접적으로 연결된 제1 구성요소를 기술할 수 있고, 여기서 기체 형태, 액체 형태의 유체, 또는 2상 혼합물은 분위기로 빠져나가지 않고 제1 성분에서 제2 성분으로 통과할 수도 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 수치 범위는 구체적으로 개시되는지 여부에 무관하게, 해당 범위 내에 포함된 모든 숫자 및 숫자의 서브세트를 포함하도록 의도된다. 또한, 이들 수치 범위는 해당 범위 내의 임의의 숫자 또는 숫자의 서브세트에 관련된 청구항에 대한 지지를 제공하는 것으로서 해석되어야 한다. 예를 들어, 1 내지 10의 개시는 2 내지 8, 3 내지 7, 5 내지 6, 1 내지 9, 3.6 내지 4.6, 3.5 내지 9.9 등의 범위를 지지하는 것으로서 해석되어야 한다.
본 발명의 방법 및 조성은 본 명세서에 설명된 구조적 요소 및 프로세스 단계 제한, 뿐만 아니라 본 명세서에 설명된 또는 관련 기술 분야에 다른 방식으로 유용한 임의의 부가적 또는 선택적 단계, 구성요소 또는 제한을 포함하거나, 이루어지거나, 본질적으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 본 명세서에 예시되고 설명된 부품의 특정 구성 및 배열에 한정되지 않고, 청구범위의 범주 내에 있는 이러한 수정된 형태를 포함하는 것으로 이해된다.
전술된 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 철저하거나 개시된 실시예에 청구범위를 한정하도록 의도되지 않는다. 다른 수정 및 변형이 상기 교시의 관점에서 가능할 수도 있다. 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실용적인 용례를 설명하여, 통상의 기술자가 고려된 특정 사용에 적합한 것으로서 다양한 실시예 및 다양한 수정에서 본 발명을 가장 양호하게 이용하는 것을 가능하게 하기 위해 선택되고 설명되었다. 청구범위는 종래 기술에 의해 제한되는 경우를 제외하고는 본 발명의 다른 대안 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 2상 침지 냉각 장치이며,
    침지 탱크 조립체로서,
    적어도 하나의 침지 탱크를 포함하고, 각각의 침지 탱크는 내부 체적을 형성하며,
    상부 부분;
    하부 부분; 및
    침지 탱크의 내부 체적과 열 연통하는 1차 응축기를 포함하는, 침지 탱크 조립체; 및
    침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결된 증기 관리 시스템을 포함하고, 증기 관리 시스템은:
    내부 체적을 형성하며,
    입구;
    출구; 및
    응축 챔버의 내부 체적과 열 연통하는 보조 응축기를 포함하는, 응축 챔버;
    침지 탱크의 상부 부분을 응축 챔버의 입구에 유동적으로 연결하는 증기 공급 통로;
    침지 탱크의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이의 증기 공급 통로 내에 배치된 밸브; 및
    응축 챔버의 출구를 침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결하는 액체 복귀 통로를 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 증기 공급 통로에 유동적으로 연결되고 침지 탱크 조립체의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이에 배치되는 가변 체적 챔버를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 응축 챔버에 유동적으로 연결된 압력 릴리프 밸브를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 침지 탱크 조립체 내의 압력을 검출하기 위한 센서를 더 포함하고, 센서는 침지 탱크 조립체 또는 증기 공급 통로 중 적어도 하나 내에 위치되는, 2상 침지 냉각 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    응축 챔버에 유동적으로 연결된 배기 통로;
    배기 통로 내에 유동적으로 연결된 압력 릴리프 밸브; 및
    증기 관리 시스템 내의 압력을 검출하고 증기 관리 시스템 내에 위치된 센서를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 응축 챔버의 출구와 침지 탱크 조립체로의 입구 사이의 액체 복귀 통로에 유동적으로 연결된 물 분리기를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 복귀 통로에 유동적으로 연결되고 응축 챔버의 출구와 침지 탱크 조립체로의 입구 사이에 배치된 액체 펌프를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 복귀 통로에 유동적으로 연결되고 응축 챔버의 출구와 침지 탱크 조립체로의 입구 사이에 배치되는 건조 필터를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 복귀 통로에 유동적으로 연결되고 응축 챔버의 출구와 침지 탱크 조립체로의 입구 사이에 배치되는 불순물 필터를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 증기 공급 통로에 유동적으로 연결되고 침지 탱크의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이에 배치되는 증기 펌프를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  11. 2상 침지 냉각 장치이며,
    침지 탱크 조립체로서,
    적어도 하나의 침지 탱크를 포함하고, 각각의 침지 탱크는 내부 체적을 형성하며,
    상부 부분;
    하부 부분; 및
    내부 체적과 열 연통하는 1차 응축기를 포함하는, 침지 탱크 조립체; 및
    침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결된 증기 관리 시스템을 포함하고, 증기 관리 시스템은:
    내부 체적을 형성하며,
    입구;
    출구; 및
    응축 챔버의 내부 체적과 열 연통하는 보조 응축기를 포함하는, 응축 챔버;
    침지 탱크의 상부 부분을 응축 챔버의 입구에 유동적으로 연결하는 증기 공급 통로;
    침지 탱크의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이의 증기 공급 통로 내에 배치된 밸브;
    응축 챔버의 출구를 침지 탱크 조립체로의 입구에 유동적으로 연결하는 액체 복귀 통로;
    침지 탱크 조립체 내의 압력을 검출하고 측정된 압력에 기초하여 신호를 발생 및 전송하도록 구성된 센서; 및
    센서로부터 신호를 수신하고 밸브에 명령 신호를 송신하도록 구성된 전자 제어 유닛을 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  12. 제11항에 있어서, 센서는 침지 탱크 조립체, 또는 밸브와 침지 탱크 조립체 사이의 증기 공급 통로 중 적어도 하나 내에 배치되는, 2상 침지 냉각 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 응축 챔버는 침지 탱크의 헤드스페이스 체적의 적어도 10%만큼 큰 체적을 갖는, 2상 침지 냉각 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 응축기 챔버는 보조 응축기에 유동적으로 연결된 냉각기를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 1차 응축기에 유동적으로 연결된 열 교환기를 더 포함하는, 2상 침지 냉각 장치.
  16. 열 생성 디바이스의 침지 냉각 방법이며,
    2상 침지 냉각 장치를 제공하는 단계로서, 2상 침지 냉각 장치는:
    침지 탱크 조립체로서,
    적어도 하나의 침지 탱크를 포함하고, 각각의 침지 탱크는 내부 체적을 형성하며,
    상부 부분;
    하부 부분; 및
    침지 탱크의 내부 체적과 열 연통하는 1차 응축기를 포함하는, 침지 탱크 조립체; 및
    침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결된 증기 관리 시스템을 포함하고, 증기 관리 시스템은:
    내부 체적을 형성하며,
    입구;
    출구; 및
    응축 챔버의 내부 체적과 열 연통하는 보조 응축기를 포함하는, 응축 챔버;
    침지 탱크의 상부 부분을 응축 챔버의 입구에 유동적으로 연결하는 증기 공급 통로;
    침지 탱크의 상부 부분과 응축 챔버의 입구 사이의 증기 공급 통로 내에 배치된 밸브; 및
    응축 챔버의 출구를 침지 탱크 조립체에 유동적으로 연결하는 액체 복귀 통로를 포함하는, 2상 침지 냉각 장치를 제공하는 단계;
    침지 탱크 내의 압력을 검출하는 단계;
    이하의 단계:
    침지 탱크 조립체 내의 측정된 압력이 미리 결정된 임계값 설정 초과일 때 밸브를 개방하여, 침지 탱크 조립체로부터의 유전성 증기 및 다른 기체가 응축 챔버 내로 유입되게 하는 단계; 또는
    침지 탱크 조립체의 측정된 압력이 미리 결정된 임계값 설정 미만일 때 밸브를 폐쇄하는 단계 중 적어도 하나의 단계;
    응축 챔버 내에서 유전성 증기 및 다른 기체를 액체 상태로 응축하는 단계; 및
    응축된 유전성 액체를 액체 복귀 통로를 통해 침지 탱크 조립체로 복귀시키는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 1차 응축기를 통해 냉각제를 순환시키는 단계를 더 포함하고, 냉각제는 주위 공기 온도 이상의 온도를 갖는, 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    1차 응축기를 통해 제1 냉각제를 순환시키는 단계; 및
    보조 응축기를 통해 제2 냉각제를 순환시키는 단계를 더 포함하고,
    제1 냉각제의 온도는 제2 냉각제의 온도 초과인, 방법.
  19. 제16항 또는 제17항 또는 제18항에 있어서,
    증기 공급 통로에 유동적으로 연결되고 침지 탱크 조립체와 응축 챔버의 입구 사이에 배치된 증기 펌프를 제공하는 단계; 및
    침지 탱크의 헤드스페이스로부터 기체를 퍼지하고 침지 탱크 내의 압력을 대기압 미만으로 감소시키기 위해 밸브가 개방되어 있는 동안 증기 펌프를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 결정된 임계값 설정은 -0.9 psig 내지 0.9 psig인, 방법.
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