WO2021241919A1 - 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템 - Google Patents

중앙 집중식 액침형 냉각 시스템 Download PDF

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WO2021241919A1
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cooling liquid
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centralized
cooling chamber
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이강선
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이강선
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    • H05K7/20709—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for server racks or cabinets; for data centers, e.g. 19-inch computer racks
    • H05K7/208—Liquid cooling with phase change
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    • H05K7/203—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures by immersion

Definitions

  • the present invention relates to a centralized liquid immersion cooling system, and to be more specific, a plurality of cooling chambers having a sealed inner space that can be filled with a cooling liquid so that heat generating units subject to forced cooling are submerged, and the cooling chamber
  • a server is installed to support file management, data storage, program operation, etc. or to share hardware resources such as fax, printer sharing, and equipment, and a plurality of clients, that is, computer terminals, connected to these servers by LAN is installed
  • the server serves to connect the computer to the computer (networking construction) and at the same time is an equipment equipped with a large amount of storage space, and is always available so that each computer can access and store necessary data and also search or download necessary data. It maintains the ON state.
  • Patent Publication No. 10-2014-28335 (March 10, 2014) when an overheating phenomenon occurs in a number of servers installed at remote locations, the network is used to control the cooling of the servers using the network.
  • Server cooling control system is introduced.
  • these conventional server room cooling systems are mostly air-cooled devices, and since equipment for injecting cooling air into the server room must be installed and operated, energy consumption is high, space utilization is not efficient, and it is particularly vulnerable to fire. There were downsides.
  • the liquid immersion thermal control device includes a storage tank 100 in which a cooling solution F1 is stored so that a plurality of battery modules 10 are submerged therein, and the cooling solution F1 as shown in FIG.
  • a cooling water pipe 500 for cooling and condensing the vapor of the cooling solution F1 Inside the upper end of the storage tank 100, a cooling water pipe 500 for cooling and condensing the vapor of the cooling solution F1, and a cooling water pump for circulating the cooling water F2 flowing through the cooling water pipe 500 ( 600) is installed.
  • HFE hydrofluoro ether
  • FK fluoro ketone
  • PFC perfluorinated compound
  • Patent Publication No. 10-2011-9848 (January 31, 2011)
  • Patent Publication No. 10-2014 -28335 (March 10, 2014)
  • the liquid immersion heat control device of FIG. 1 is designed for an energy storage system (ESS), and one heat exchange module 300 is integrally installed in each storage tank 100, and the heat exchange module 300 is a cooling fan. Since the circulation pipe 200 is cooled by introducing external air A1 using the . Accordingly, the immersion thermal control device of FIG. 1 has a limitation that it is not suitable for use as a server system of a large-scale data center.
  • ESS energy storage system
  • the immersion thermal control device of FIG. 1 has a limitation that it is not suitable for use as a server system of a large-scale data center.
  • the centralized liquid immersion cooling system according to the present invention is provided with a loading rack in which a plurality of heat generating units subject to forced cooling are stacked layer by layer in a state of being spaced apart from each other, and the cooling liquid can be filled so that all of the heat generating units are submerged.
  • a plurality of cooling chambers having a sealed inner space; a plurality of branch drain pipes connected to each of the cooling chambers one by one for discharging a portion of the coolant; an integrated conveying pipe that collects the cooling liquid discharged to the branch drainage pipe and transports it to a place spaced apart from the cooling chamber; a heat exchange module for cooling the cooling liquid passing through the integrated transfer pipe; an integrated conveying pipe for discharging the cooling liquid cooled by the heat exchange module and transferring it to the vicinity of the cooling chamber; a plurality of branch injection pipes for respectively injecting the cooling liquid transferred through the integrated conveying pipe into the cooling chamber; a control unit that adjusts the amount of discharge and injection of the cooling liquid according to the temperature of the cooling liquid stored in the cooling chamber; It is characterized in that it comprises a.
  • the centralized immersion type cooling system according to the present invention further includes a cooling liquid storage tank capable of draining or replenishing the cooling liquid from the cooling chamber, and a connection pipe is installed between the cooling chamber and the cooling liquid storage tank, respectively,
  • the cooling liquid storage tank is characterized in that a cooling liquid replenishment pipe is installed.
  • an integrated interface box is additionally installed on the outer surface of the cooling chamber, and the integrated interface box is a communication connection port that connects each communication with an external communication means one-to-one with respect to the heat generating units built in the cooling chamber. and at least one of a wireless transceiver is provided.
  • a central power supply is additionally installed on the outer surface of the cooling chamber, and the central power supply includes a power control switch that connects each power source to an external power source for the heat generating units one-to-one; It is characterized in that a power conversion device is installed that converts AC power into DC power of the voltage required for each heat generating unit and supplies it to the power control switch of the corresponding heat generating unit.
  • a plurality of heat generating units are separately collected and immersed in a cooling chamber filled with a cooling liquid, preferably a fluorinated ketone, so that the heat generating units are perfectly protected from dust or dust.
  • a cooling liquid preferably a fluorinated ketone
  • the fluorinated ketone used as a coolant in the present invention has an appearance and fluidity similar to that of water, but chemically has completely different characteristics from water. Even if it is infringed, if the heating unit is removed, it dries quickly without any functional failure or trace, so that the electric heating unit can be cooled very effectively.
  • the centralized immersion cooling system according to the present invention has the advantage of easy space utilization because the heat exchange module for cooling the cooling liquid can be installed in a place spaced apart from the cooling chamber, for example, on the roof or basement floor of a building.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a conventional immersion heat control device for an energy storage system (ESS);
  • FIG. 2 is a block diagram of a centralized immersion cooling system according to the present invention.
  • FIG 3 is a conceptual diagram of the integrated interface box 70 and the central power supply device 80 connected to each heat generating unit 11 in the immersion cooling system according to the present invention.
  • the centralized immersion cooling system includes a plurality of cooling chambers 10, a branch drain pipe 20a, an integrated transport pipe 20, a heat exchange module 30, and an integrated transport. It is composed of a pipe 40 , a branch injection pipe 40a , and a control unit 50 , and may additionally include a coolant storage tank 60 , an integrated interface box 70 , and a central power supply device 80 .
  • the cooling chamber 10 is a container shape having a sealed inner space, and a loading rack 12 in which various heat generating units 11 subject to forced cooling can be stacked layer by layer in a spaced apart state from each other. ) is installed, and the cooling liquid Q is filled to submerge all the heating units 11 provided in the loading rack 12 .
  • the heating unit 11 provided in the loading rack 12 is a computer server, a storage or network switch used in a data center, and an energy storage device (ESS). It may be any one or more of batteries.
  • ESS energy storage device
  • FIG. 2 although only three cooling chambers 10 are illustrated in FIG. 2 for convenience, dozens or more of the cooling chambers 10 may be installed side by side in series or in parallel at regular intervals.
  • any one or more of hydrofluoro ether (HFE), fluoro ketone (FK), and perfluorinated compound (PFC) may be used, but among them, FK, that is, fluorinated ketone is preferably used.
  • the fluorinated ketone is a chemical compound synthesized by substituting fluorine for carbon in a ketone molecule, and the molecular formula is represented by 'CF 3 CF 2 (O)CF(CF 3 ) 2 '.
  • the fluorinated ketone is a colorless and odorless liquid, and has a viscosity similar to that of water, so it shows fluidity similar to water when poured or poured into a container, but has a specific gravity of about 1.7 times greater than that of water.
  • the chemical properties of fluorinated ketones are that the freezing point is minus 108 °C and the boiling point is 49 °C, which is much lower than that of water. Therefore, it exists as a liquid at room temperature, but evaporates quickly when the temperature rises slightly.
  • the vapor pressure at room temperature is 12 times higher than that of water, and the latent heat of evaporation at room temperature is 25 times smaller than that of water.
  • it has chemically stable properties due to fluorine, and since the dielectric strength is more than twice that of nitrogen, electricity does not flow, and there is no chemical reaction such as oxidation with the contact material.
  • fluorine compounds have very low surface tension and spread well when they come into contact with other objects.
  • Fluorinated ketones also have very low surface tension, so when they come in contact with paper, for example, they do not form water droplets but spread and permeate as they are. This is because fluoroketone has very strong intramolecular bonding strength but weak intermolecular bonding strength.
  • fluorinated ketones do not cause malfunction even if electronic products such as servers are immersed in them.
  • fluorine an element constituting this material, has stable properties and does not conduct electricity and does not react with the material it comes into contact with, such as oxidation. because it is low Because water boils at 100°C, it takes a lot of time for a wet object to dry completely at room temperature, but it takes less than a few minutes for an object to dry after being placed in a fluorinated ketone.
  • fluorinated ketones when sprayed at the scene of a fire, they evaporate quickly upon contact with flames or smoke, leaving no traces on objects while taking away heat.
  • fluorinated ketones have the appearance and fluidity similar to water, but chemically, they have completely different physical properties from water, so if the server is immersed in it, the server can be effectively cooled and a perfect dustproof effect can be obtained. , there is an effect that can fundamentally block the fire.
  • the server is removed from the fluorinated ketone, it is very convenient to use because the server dries quickly without any obstacles or traces.
  • a plurality of branch drain pipes 20a for discharging a portion of the cooling liquid Q are installed in the cooling chamber 10, respectively, and the cooling liquid Q discharged to the branch drain pipe 20a is integrated into a transfer pipe 20 is transferred to the heat exchange module 30 through the
  • the branch drain pipe (20a) is preferably connected to the upper portion of the cooling chamber (10) to discharge the cooling liquid (Q) having a relatively high temperature in the cooling chamber (10).
  • the heat exchange module 30 can be installed in a place separated by a considerable distance from the cooling chamber 10 without spatial limitation, for example, on the roof or basement floor of a building.
  • the heat exchange module 30 functions to cool the cooling liquid Q transferred through the integrated conveying pipe 20, for example, an air cooling type that cools the cooling liquid Q by introducing external air, or external cooling water.
  • an air cooling type that cools the cooling liquid Q by introducing external air, or external cooling water.
  • One or two or more of known cooling methods such as a water cooling type in which the cooling liquid Q is cooled by circulating it, or a gas type, may be configured as a mixed cooling method.
  • the cooling liquid Q which has been sufficiently cooled while passing through the heat exchange module 30 , is transferred to the branch injection pipe 40a through the integrated conveyance pipe 40 , and then is again injected into the cooling chamber 10 .
  • the integrated conveying pipe 40 is preferably installed in a direction that goes parallel to the integrated conveying pipe 20 , and the branch injection pipe 40a is preferably connected to the lower end of each cooling chamber 10 . .
  • the control unit 50 controls the amount of the cooling liquid Q discharged from the cooling chamber 10 according to the temperature of the cooling liquid Q stored in the cooling chamber 10 and the cooling liquid injected back into the cooling chamber 10 ( Q) controls the amount of injection.
  • each temperature sensor (S) is installed in the cooling chamber (10), and a valve (V) for controlling the flow rate is installed in the branch drain pipe (20a) and branch injection pipe (40a), respectively. and a circulation pump (P) is installed in the integrated conveying pipe 20 and the integrated conveying pipe 40, respectively.
  • the control unit 50 may be configured to control the operation of the flow rate control valve (V) and the circulation pump (P) according to the temperature of the cooling liquid (Q) sensed by the temperature sensor (S).
  • the centralized immersion cooling system may further include a coolant storage tank 60, and a connection pipe 61 is installed between the cooling chamber 10 and the storage tank 60, respectively. and a cooling liquid supplement pipe 62 is installed in the storage tank 60 .
  • the cooling liquid storage tank (60) stores a spare cooling liquid (Q), so that when the amount of the cooling liquid (Q) filled in the cooling chamber (10) is insufficient, each cooling chamber ( 10) to replenish the coolant (Q).
  • all of the cooling liquid Q filled in the cooling chamber 10 through the connection pipe 61 is transferred to the storage tank 60. After draining with the , a desired operation can be performed by opening the cooling chamber 10 . After the corresponding operation is finished, the cooling liquid Q may be injected into the corresponding cooling chamber 10 again.
  • an integrated interface box 70 may be installed outside the cooling chamber 10, respectively.
  • a communication connection port is installed in the integrated interface box 70 to connect the communication of the heat generating units 11 built in the cooling chamber 10 one-to-one with an external communication means, respectively.
  • the communication connection port may be configured as an Ethernet port, a video port, a serial port, a USB port, or the like.
  • a wireless transceiver connected to the heating unit 11 and each one-to-one may be additionally installed in the integrated interface box 70 .
  • Each of the wireless transceivers may be provided with a unique channel connected to an external communication means wirelessly. If such a wireless communication means is used, space utilization is easy, installation costs can be saved, and furthermore, there is an effect that can reduce the operating manpower.
  • Either one of the communication connection port and the wireless transceiver may be installed in the integrated interface box 70 , or both may be installed.
  • a central power supply device 80 may be additionally installed outside the cooling chamber 10, and the central power supply device 80 connects the power of the heat generating units 11 with an external power source one-to-one, respectively.
  • a power control switch may be installed.
  • the central power supply device 80 is provided with a power converter 81 that converts the AC power supplied from the outside into DC power of the voltage required for each heat generating unit 11 and supplies it to the corresponding heat generating unit 11, respectively. it might be
  • a power supply for converting AC power supplied from the outside into DC power is installed in the conventional heat generating unit 11, respectively.
  • each server, storage, and network switch are equipped with individual power supplies that convert 90 ⁇ 240V AC power supplied from the outside into DC power such as 4V, 12V, 24V, and 48V depending on the purpose and supply it. have.
  • Some of the heat generating units 11 are also equipped with a plurality of individual power supplies. So, for example, in a data center with 100,000 servers, more than 100,000 individual power supplies must be installed.
  • the central power supply device 80 converts the AC power supplied from the outside of the power conversion device 81 into DC power of, for example, 4V, 12V, 24V, and 48V according to the characteristics of each heat generating unit 11 . Then, it can be supplied to the power control switch of the corresponding heating unit 11, respectively. Therefore, by removing the power supply installed in the conventional heat generating unit 11 and providing DC power directly to the circuit, the equipment installation cost can be reduced, and the equipment space can be effectively utilized.
  • the central power supply device 80 may be independently installed inside or outside a data center, an energy storage system, or a server room, for example.
  • control unit (60) coolant storage tank

Abstract

본 발명은 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게 설명하자면, 강제 냉각의 대상이 되는 발열유니트들이 잠기도록 냉각액을 채울 수 있는 밀폐된 내부공간을 갖는 다수개의 냉각챔버와, 상기 냉각챔버로부터 이격된 장소에서 상기 냉각액을 냉각시켜 주는 열교환모듈과, 상기 냉각챔버에서 상기 열교환모듈로 냉각액을 이송하는 통합이송관과, 상기 열교환모듈에서 각 냉각챔버로 냉각액을 반송하는 통합반송관을 포함하여 구성됨으로써, 상기 발열유니트를 먼지나 분진으로부터 보호 할 수 있고, 작동 소음 및 화재의 위험의 적을 뿐 아니라, 에너지 효율이 높고 공간 활용이 효율적인 새로운 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템에 관한 것이다.

Description

중앙 집중식 액침형 냉각 시스템
본 발명은 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게 설명하자면, 강제 냉각의 대상이 되는 발열유니트들이 잠기도록 냉각액을 채울 수 있는 밀폐된 내부공간을 갖는 다수개의 냉각챔버와, 상기 냉각챔버로부터 이격된 장소에서 상기 냉각액을 냉각시켜 주는 열교환모듈과, 상기 냉각챔버에서 상기 열교환모듈로 냉각액을 이송하는 통합이송관과, 상기 열교환모듈에서 각 냉각챔버로 냉각액을 반송하는 통합반송관을 포함하여 구성됨으로써, 상기 발열유니트를 먼지나 분진으로부터 보호 할 수 있고, 작동 소음 및 화재의 위험의 적을 뿐 아니라, 에너지 효율이 높고 공간 활용이 효율적인 새로운 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템에 관한 것이다.
IT 산업의 발달과 함께 공공기관이나 대기업 등에는 각종 IT 서비스를 제공하기 위하여 대규모 IT 인프라를 구축하고 있다. 예를 들면 파일 관리, 데이터 저장, 프로그램 운용 등을 지원하거나, 팩스, 프린터 공유, 장비 등 하드웨어 자원을 공유할 수 있도록 서버가 설치되고, LAN 에 의하여 이들 서버와 연결되는 다수의 클라이언트, 즉 컴퓨터 단말기가 설치된다. 상기 서버는 컴퓨터와 컴퓨터를 연결(네트워킹 구축)시키는 역할을 하는 동시에 대량의 저장 공간을 갖추고 있는 장비로서, 각각의 컴퓨터가 접속하여 필요한 데이터를 저장하고, 또한 필요한 데이터를 검색 또는 다운 받을 수 있도록 항상 온(ON) 상태를 유지하고 있다.
그리고 클라이언트 단말기의 수가 수백대 이상 될 경우에는 상기 서버를 여러 대 배치해야 하고, 필요에 따라 파일 관리는 파일 서버, 프린터 제어는 프린터 서버, 인터넷 등의 외부와의 교환은 커뮤니케이션 서버로 나누어 각각 서로 다른 역할을 부여하기도 한다. 이러한 서버는 내부에 설치되어 있는 CPU 또는 GPU에서 많은 열이 발생하기 때문에 이러한 열을 외부로 방열할 수 있도록 방열판이나 냉각팬이 설치되어 있다. 그런데 서버에 과부하가 걸려서 과열되는 경우, 상기 방열판이나 냉각팬이 미처 CPU 및 GPU를 충분히 냉각시키지 못할 수도 있고, 이렇게 되면 서버가 오작동을 일으키거나 다운되는 사고가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 대부분의 인터넷 데이터 센터에서는 서버랙(sever rack)이 설치되어 있는 서버실에다 별도의 항온 및 항습장비를 설치, 운용한다. 하지만, 대규모의 데이터 센터에서는 많은 수량의 항온 및 항습장비가 필요하고, 이를 운용하는데 많은 비용과 에너지가 소모된다. 더구나, 서버의 CPU 및 GPU가 점점 고기능화 및 고집적화 되는 추세에 따라 IT 기기의 발열량도 점점 증가하고 있어서 기존의 항온 항습 설비로는 서버의 냉방부하를 해결하기가 쉽지 않다.
이러한 컴퓨터 서버 이외에도 데이터 센터에서 사용되는 스토리지(storage)나 네트워크 스위치(network switch), 각종 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)에 사용되는 배터리(battery) 등은 운전 과정에서 많은 열이 발생하기 때문에 이러한 열을 강 냉각시켜 주는 별도의 냉각 시스템을 설치해야 한다. 이와 같이 산업적인 운용과정에서 별도의 강제 냉각을 해야 하는 전기적 장치들을 본 발명에서는 ‘발열유니트’ 라 한다.
종래에도 대규모의 데이터 센터를 중심으로 상기 발열유니트에서 발생하는 열을 보다 효율적으로 냉각시켜 줄 수 있는 시스템들이 소개되어 있다. 예를 들면, 공개특허 제10-2011-9848호(2011년 01월 31일)에는, 데이터 센터의 내부 공기와 외부 공기의 온도 및 습도를 비교하여 그에 따라 외부 공기를 내부로 유입하거나 내부 공기를 순환시켜 데이터 센터의 내부를 냉각시키는데 적합한 데이터 센터의 냉각 시스템이 소개되어 있다.
또한 공개특허 제10-2014 -28335호(2014년 03월 10일)에는 원격지에 떨어져 설치되는 다수의 서버에서 과열 현상이 발생되었을 때 네트워크를 이용하여 해당 서버를 냉각시킬 수 있도록 제어하는 네트워크를 이용한 서버냉각 제어시스템이 소개되어 있다. 그러나 이러한 종래의 서버실 냉각 시스템은 대부분 공랭식 장치로서, 서버실 내부로 냉각공기를 주입하기 위한 장비를 설치하고 이를 운용해야 하기 때문에 에너지 소모가 많고 공간 활용이 효율적이지 못할 뿐 아니라, 특히 화재에 취약한 단점이 있었다.
한편, 특허 제10-2031645호(2019년 10월 07일)에는, ESS(Energy Storage System)의 배터리 모듈에서 방출되는 열에 의하여 발생할 수 있는 화재를 효과적으로 예방할 수 있는 액침식 열 제어장치가 소개되어 있다. 상기 액침식 열 제어장치는, 첨부 도 1에서 보는 바와 같이, 내부에 다수개의 배터리 모듈(10)이 잠기도록 냉각용액(F1)이 저장되는 저장조(100)와, 상기 냉각용액(F1)을 상기 저장조(100)의 외부로 순환시켜 주는 순환관(200)과, 상기 순환관(200)을 냉각시키는 열교환모듈(300)과, 상기 순환관(200)에 설치된 순환펌퍼(400)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
상기 저장조(100)의 상단 내부에는, 상기 냉각용액(F1)의 증기를 냉각 및 응결시켜 주는 냉각수 관(500)과, 상기 냉각수 관(500)을 흐르는 냉각수(F2)를 순환시켜 주는 냉각수 펌프(600)가 설치되어 있다. 그리고 상기 냉각용액(F1)으로는 HFE(hydrofluoro ether), FK(fluoro ketone), PFC(perfluorinated compound) 등을 사용할 수 있다고 예시되어 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
공개특허 제10-2011-9848호(2011년 01월 31일)
공개특허 제10-2014 -28335호(2014년 03월 10일)
등록특허 제10-2031645호(2019년 10월 07일)
상기 도 1의 액침식 열 제어장치는, 에너지 저장장치(ESS)용으로 설계된 것으로서, 각 저장조(100) 마다 열교환모듈(300)이 하나씩 일체로 설치되어 있고, 상기 열교환모듈(300)은 냉각팬(340)을 이용하여 외부공기(A1)를 유입 시켜서 순환관(200)을 냉각시키기 때문에 냉각효율 및 공간활용이 효율적이지 못할 뿐 아니라, 상기 냉각팬(340) 등에서 작동 소음이 발생하는 단점이 있다. 따라서 상기 도 1의 액침식 열 제어장치는, 대규모의 데이터 센터의 서버 시스템으로 사용하기에는 적합하지 못한 한계가 있다.
이에 본 발명의 목적은 강제 냉각의 대상이 되는 발열유니트를 먼지나 분진으로부터 보호 할 수 있고, 작동 소음 및 화재의 위험의 적을 뿐 아니라, 에너지 효율이 높고 공간 활용이 효율적인 새로운 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템은, 강제 냉각의 대상이 되는 다수개의 발열유니트들이 서로 이격된 상태로 층층이 적재되는 적재 랙이 설치되어 있고, 상기 발열유니트들이 모두 잠기도록 냉각액을 채울 수 있는 밀폐된 내부공간을 갖는 다수개의 냉각챔버와; 상기 냉각챔버 마다 각각 하나씩 연결되어 상기 냉각액의 일부를 배출해 내는 다수개의 분기배액관과; 상기 분기배액관으로 배출되는 냉각액을 모아서 상기 냉각챔버로부터 이격된 장소로 이송하는 통합이송관과; 상기 통합이송관을 통과하는 냉각액을 냉각시켜 주는 열교환모듈과; 상기 열교환모듈에서 냉각된 냉각액을 배출하여 상기 냉각챔버 근처로 이송하는 통합반송관과; 상기 통합반송관을 통해 이송된 냉각액을 다시 상기 냉각챔버로 각각 주입하는 다수개의 분기주입관과; 상기 냉각챔버에 저장된 냉각액의 온도에 따라 상기 냉각액의 배출량과 주입량을 조절하는 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템은, 추가적으로 상기 냉각챔버에서 냉각액을 배액하거나 보충할 수 있는 냉각액 저장탱크를 포함하며, 상기 냉각챔버와 냉각액 저장탱크 사이에는 각각 연결관이 설치되어 있고, 상기 냉각액 저장탱크에는 냉각액 보충관이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각챔버의 외면에는 추가적으로 통합 인터페이스 박스가 설치되어 있고, 상기 통합 인터페이스 박스에는 해당 냉각챔버 속에 내장되어 있는 발열유니트들에 대하여 각각의 통신을 외부의 통신수단과 일대일로 연결해 주는 통신접속포트와 무선송수신기 중 적어도 어느 하나가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각챔버의 외면에는 추가적으로 중앙전원 공급장치가 설치되어 있고, 상기 중앙전원 공급장치에는 상기 발열유니트들에 대하여 각각의 전원을 외부 전원과 일대일로 연결해 주는 전원제어 스위치와, 외부에서 공급되는 AC 전원을 각 발열유니트에 필요한 전압의 DC 전원으로 변환하여 해당 발열유니트의 전원제어 스위치로 공급하는 전원변환장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템은, 다수개의 발열유니트들을 따로 모아서 냉각액, 바람직하기로는 플루오로화 케톤이 채워져 있는 냉각챔버 내에 액침시켜 두기 때문에 상기 발열유니트들을 먼지나 분진으로부터 완벽하게 보호 할 수 있고, 상기 발열유니트들을 운용하는 과정에서 발생하는 작동 소음 및 화재의 위험의 적을 뿐 아니라, 에너지 효율이 매우 높은 효과가 있다.
특히 본 발명에서 냉각액으로 사용되는 상기 플루오로화 케톤은 물과 흡사한 외관 및 유동성을 갖지만, 화학적으로는 물과 전혀 다른 특성을 가지고 있어서 여기에 전기 또는 전자적인 부품이 실장되어 있는 발열유니트를 액침해 두어도 상기 발열유니트를 건져내면 아무런 기능적 장애나 흔적 없이 금방 마르기 때문에 특히 전기적인 발열유니트를 매우 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템은, 상기 냉각액을 냉각시켜 주는 열교환모듈을 상기 냉각챔버로부터 이격된 장소, 예컨대 건물 옥상이나 지하층 등에 설치할 수 있기 때문에 공간 활용이 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래 에너지 저장장치(ESS)용 액침식 열 제어장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 액침형 냉각 시스템에서 각 발열유니트(11)로 연결되는 통합 인터페이스 박스(70)와 중앙전원 공급장치(80)의 개념도이다.
본 발명에 따른 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템은, 첨부 도 2에서 보는 바와 같이, 다수개의 냉각챔버(10)와, 분기배액관(20a), 통합이송관(20), 열교환모듈(30), 통합반송관(40), 분기주입관(40a), 및 제어부(50)로 구성되며, 추가적으로 냉각액 저장탱크(60)와 통합 인터페이스 박스(70) 및 중앙전원 공급장치(80)를 포함할 수도 있다.
먼저 상기 냉각챔버(10)는 각각 밀폐된 내부공간을 갖는 용기 형상으로서, 그 내부에는 강제 냉각의 대상이 되는 각종 발열유니트(11)들을 서로 이격된 상태로 층층이 적재해 둘 수 있는 적재 랙(12)이 설치되어 있고, 상기 적재 랙(12)에 비치되어 있는 발열유니트(11)들이 모두 잠기도록 냉각액(Q)이 채워져 있다.
본 발명에서 상기 적재 랙(12)에 비치되는 발열유니트(11)는, 컴퓨터용 서버(server), 데이터 센터에서 사용되는 스토리지(storage)나 네트워크 스위치(network switch), 에너지 저장장치(ESS)의 배터리(battery) 중 어느 하나 이상 일 수 있다. 그리고 첨부 도 2에서는 편의상 상기 냉각챔버(10)를 3개만 도시하였으나, 상기 냉각챔버(10)는 예컨대 수십 개 이상이 일정한 간격을 두고 직렬 또는 병렬로 나란히 설치될 수 있다.
또한 상기 냉각액(Q)은 HFE(hydrofluoro ether), FK(fluoro ketone), PFC(perfluorinated compound) 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이중에서 FK, 즉 플루오로화 케톤을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 플루오르화 케톤은 케톤의 분자에서 탄소를 불소로 치환하여 합성한 화학물질로서, 분자식은 ‘CF3CF2(O)CF(CF3)2’ 로 표시된다. 상기 플루오르화 케톤은 무색, 무취의 액체로서, 점성이 물과 거의 비슷해서 용기에 따르거나 흘려보낼 때 물과 흡사한 유동성을 보이지만, 비중은 물보다 1.7배 정도 무겁다.
플루오르화 케톤의 화학적 물성은 어는점이 영하 108℃이고, 끓는점은 49℃로 물보다 훨씬 낮다. 따라서 상온에서는 액상으로 존재하지만, 온도가 조금만 올라가면 빠르게 기화한다. 상온에서의 증기압은 물과 비교했을 때 12배나 크고 상온에서의 증발잠열은 물보다 25배나 작다. 또한 불소로 인하여 화학적으로 안정된 성질을 가지며, 절연내력이 질소의 2배 이상 크므로 전기가 통하지 않고, 접촉한 물질과 산화 등 화학반응을 일으키지 않는다.
일반적으로 불소 화합물은 표면장력이 매우 작아서 다른 물체에 접촉하면 잘 퍼지게 되는데, 플루오르화 케톤 역시 표면장력이 매우 낮아서 예컨대 종이에 닿으면 물방울을 형성하지 않고 퍼져서 그대로 스며든다. 이는 플루오르케톤이 분자 내 결합력은 매우 강하나, 분자 간 결합력은 약하기 때문이다.
플루오르화 케톤은 물과 달리 여기에 서버 등 전자제품을 담가 두어도 고장을 일으키지 않는다. 그 이유 중 하나는 이 물질을 구성하는 한 원소인 불소가 안정된 성질을 가지고 있어서 전기가 통하지 않고, 접촉한 물질과 산화 등 반응을 일으키지 않기 때문이고, 또 다른 이유는 끓는점이 49℃로 물보다 훨씬 낮기 때문이다. 물은 끓는 온도가 100℃이기 때문에 실온에서 물에 젖은 물건이 완전히 마르는 데는 많은 시간이 걸리지만, 플루오르화 케톤에 넣었다 꺼낸 물건이 마르는 데는 몇 분도 채 걸리지 않는다.
그리고 화재 현장에 플루오르화 케톤을 분사하면, 불꽃 또는 연기와 접촉함과 동시에 빠르게 증발하기 때문에 열기는 빼앗으면서도 사물에 아무런 흔적을 남기지 않는다. 이처럼 플루오로화 케톤은 물과 흡사한 외관 및 유동성을 갖지만, 화학적으로는 물과 전혀 다른 물성을 가지고 있어서 여기에 서버를 담가 둘 경우, 서버를 효과적으로 냉각시킬 수 있고, 완벽한 방진 효과를 얻을 수 있으며, 화재를 근본적으로 차단할 수 있는 효과가 있다. 또한 상기 플루오로화 케톤에서 서버를 건져내면, 상기 서버가 아무런 장애나 흔적 없이 금방 마르기 때문에 사용이 매우 편리하다.
상기 냉각챔버(10)에는 각각 상기 냉각액(Q)의 일부를 배출해 내는 다수개의 분기배액관(20a)이 설치되어 있고, 상기 분기배액관(20a)으로 배출되는 냉각액(Q)은 통합이송관(20)을 통해서 열교환모듈(30)로 이송된다.
상기 분기배액관(20a)은 상기 냉각챔버(10) 내에서 상대적으로 온도가 높은 냉각액(Q)을 배출할 수 있도록 상기 냉각챔버(10)의 상부에 연결되는 것이 바람직하다. 그리고 본 발명에서는 상기 통합이송관(20)으로 인해서 상기 열교환모듈(30)을 공간적인 제한 없이 냉각챔버(10)로부터 상당 거리 이격된 장소, 예컨대 건물 옥상이나 지하층에다 설치 할 수 있다.
상기 열교환모듈(30)은 상기 통합이송관(20)을 통해 이송된 냉각액(Q)을 냉각시켜 주는 기능을 하는 것으로, 예컨대 외부 공기를 유입시켜서 냉각액(Q)을 냉각시키는 공랭식이나, 외부 냉각수를 순환시켜서 냉각액(Q)을 냉각시키는 수냉식, 또는 가스식 등 공지된 냉각 방식 중 하나 또는 둘 이상이 혼합된 혼합 냉각방식으로 구성될 수 있다.
상기 열교환모듈(30)을 통과하면서 충분히 냉각된 냉각액(Q)은 통합반송관(40)을 통해서 분기주입관(40a)으로 이송된 다음, 다시 각각 냉각챔버(10)로 주입된다. 이때, 상기 통합반송관(40)은 상기 통합이송관(20)과 나란히 가는 방향으로 설치되는 것이 바람직하고, 상기 분기주입관(40a)은 각 냉각챔버(10)의 하단에 연결되는 것이 바람직하다.
상기 제어부(50)는 냉각챔버(10)에 저장된 냉각액(Q)의 온도에 따라 상기 냉각챔버(10)에서 배출되는 냉각액(Q)의 배출량과, 상기 냉각챔버(10)로 다시 주입되는 냉각액(Q)의 주입량이 조절하는 기능을 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 냉각챔버(10)에는 각각 온도센서(S)가 설치되어 있고, 상기 분기배액관(20a)과 분기주입관(40a)에는 각각 유량조절용 밸브(V)가 설치되어 있으며, 상기 통합이송관(20)과 통합반송관(40)에는 각각 순환용 펌프(P)가 설치되어 있다. 그래서, 상기 제어부(50)는 상기 온도센서(S)에 감지되는 냉각액(Q)의 온도에 따라 상기 유량조절용 밸브(V) 및 순환 펌프(P)의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템은, 추가적으로 냉각액 저장탱크(60)를 더 포함할 수 있고, 상기 냉각챔버(10)와 상기 저장탱크(60) 사이에는 각각 연결관(61)이 설치되어 있으며, 상기 저장탱크(60)에는 냉각액 보충관(62)이 설치되어 있다. 상기 냉각액 저장탱크(60)에는 예비용 냉각액(Q)이 저장되어 있어서, 상기 냉각챔버(10)에 채워지는 냉각액(Q)의 양이 부족할 경우, 상기 연결관(61)을 통해서 각 냉각챔버(10)로 냉각액(Q)을 보충할 수 있다.
또한, 상기 발열유니트(11)나 적재 랙(12)을 수리 또는 교체할 경우에는 상기 연결관(61)을 통해서 해당 냉각챔버(10)에 채워져 있는 냉각액(Q)을 모두 상기 저장탱크(60)로 배액한 다음, 상기 냉각챔버(10)를 열어서 원하는 작업을 실시할 수 있다. 해당 작업이 끝난 이후에는 다시 해당 냉각챔버(10)에 냉각액(Q)을 주입할 수 있다.
본 발명에 따른 냉각 시스템은, 모든 발열유니트(11)들이 냉각챔버(10) 속에 내장되어 있기 때문에 상기 발열유니트(11)들을 각각 외부의 전원 및 통신수단과 연결하기가 복잡하고 곤란하다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 냉각챔버(10)의 외부에는 각각 통합 인터페이스 박스(70)가 설치될 수도 있다. 도 3과 같이, 상기 통합 인터페이스 박스(70)에는 해당 냉각챔버(10) 속에 내장되어 있는 발열유니트(11)들의 통신을 외부 통신수단과 각각 일대일로 연결해 주는 통신접속포트가 설치되어 있다. 상기 통신접속포트는 이더넷 포트(ethernet port), 비디오 포트(video port), 시리얼 포트(serial port), USB 포트 등으로 구성할 수 있다.
한편, 최근 데이터 센터의 규모가 점점 대형화 되어가는 추세에 따라 서버 시스템을 운용, 유지 및 관리하기 위해서 상기 발열유니트(11)에는 각각 수많은 포트와 전선들이 연결되어야 하고, 이를 위해 다량의 랜선 또는 케이블이 복잡하게 설치되어야 한다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여 상기 통합 인터페이스 박스(70)에는 추가적으로 상기 발열유니트(11)와 각각 일대일로 연결되는 무선 송수신기가 설치될 수도 있다. 상기 무선 송수신기에는 각각 외부 통신수단과 무선으로 연결되는 고유의 채널이 부여 될 수 있다. 이러한 무선통신 수단을 이용하면, 공간 활용이 용이하고, 설치비용을 절약할 수 있으며, 나아가 운용인력을 감축할 수 있는 효과가 있다. 상기 통합 인터페이스 박스(70)에는 상기 통신접속포트와 상기 무선송수신기 중 어느 하나만 설치될 수도 있고, 둘 다 설치될 수도 있다.
또한 상기 냉각챔버(10)의 외부에는 추가적으로 중앙전원 공급장치(80)가 더 설치될 수 있고, 상기 중앙전원 공급장치(80)에는 상기 발열유니트(11)들의 전원을 외부 전원과 각각 일대일로 연결해 주는 전원제어 스위치가 설치될 수 있다. 그리고 상기 중앙전원 공급장치(80)에는 외부에서 공급되는 AC 전원을 각 발열유니트(11)에 필요한 전압의 DC 전원으로 변환하여 해당 발열유니트(11)로 각각 공급하는 전원변환장치(81)가 설치될 수도 있다.
일반적으로 상기 발열유니트(11)들은 대부분 DC 전력을 사용한다. 그래서 종래의 발열유니트(11)에는 각각 외부에서 공급되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 전원공급기(power supply)가 설치되어 있다. 예컨대 데이터 센터의 경우, 서버와 스토리지 및 네트워크 스위치에는 각각 외부에서 공급되는 90~240V의 AC 전원을 용도에 따라서 4V, 12V, 24V, 48V 등의 DC 전원으로 변환하여 공급하는 개별 전원공급기가 설치되어 있다. 일부 발열유니트(11)에는 다수개의 개별 전원공급기가 장착되기도 한다. 그래서 예컨대 10만대의 서버가 있는 데이터 센터에는 10만대 이상의 개별 전원공급기를 설치해야 한다.
이러한 종래의 개별 전원공급기들은 장치 특성상 AC로 입력된 전원이 DC로 출력되는 과정에서 전력 효율이 떨어지고, 많은 열이 발생하기 때문에 이러한 열을 냉각시키기 위한 팬이 설치해야 한다. 따라서 각 발열유니트(11)의 부피가 증가하고, 소음이 발생하며, 열처리를 효율적으로 할 수 있는 공조 시스템이 설치되어야 한다.
본 발명에 따른 중앙전원 공급장치(80)는 상기 전원변환장치(81)가 외부에서 공급되는 AC 전원을 각 발열유니트(11)의 특성에 따라 예컨대 4V, 12V, 24V, 48V의 DC 전원으로 변환한 다음, 해당 발열유니트(11)의 전원제어 스위치로 각각 공급할 수 있다. 따라서, 종래의 발열유니트(11)에 설치되어 있는 전원공급장치를 제거하고, 회로에 직접 DC 전원을 제공함으로써 장비 설치비용을 절감할 수 있고, 설비공간을 효과적으로 활용 할 수 있다.
상기 중앙전원 공급장치(80)는 예컨대 데이터 센터나 에너지 저장시스템, 서버실 등의 내부나 외부에 독립적으로 설치될 수 있다.
<부호의 설명>
(10) 냉각챔버 (11) 발열유니트
(12) 적재 랙 (20a) 분기배액관
(20) 통합이송관 (30) 열교환모듈
(40) 통합반송관 (40a) 분기주입관
(50) 제어부 (60) 냉각액 저장탱크
(61) 연결관 (62) 냉각액 보충관
(70) 통합 인터페이스 박스 (80) 중앙전원 공급장치
(81) 전원변환장치 (Q) 냉각액
(S) 온도센서 (V) 밸브
(P) 펌프

Claims (7)

  1. 강제 냉각의 대상이 되는 다수개의 발열유니트들이 서로 이격된 상태로 층층이 적재되는 적재 랙이 설치되어 있고, 상기 발열유니트들이 모두 잠기도록 냉각액을 채울 수 있는 밀폐된 내부공간을 갖는 다수개의 냉각챔버와;
    상기 냉각챔버 마다 각각 하나씩 연결되어 상기 냉각액의 일부를 배출해 내는 다수개의 분기배액관과;
    상기 분기배액관으로 배출되는 냉각액을 모아서 상기 냉각챔버로부터 이격된 장소로 이송하는 통합이송관과;
    상기 통합이송관을 통과하는 냉각액을 냉각시켜 주는 열교환모듈과;
    상기 열교환모듈에서 냉각된 냉각액을 배출하여 상기 냉각챔버 근처로 이송하는 통합반송관과;
    상기 통합반송관을 통해 이송된 냉각액을 다시 상기 냉각챔버로 각각 주입하는 다수개의 분기주입관과;
    상기 냉각챔버에 저장된 냉각액의 온도에 따라 상기 냉각액의 배출량과 주입량을 조절하는 제어부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각챔버에 저장되는 발열유니트는 서버(server), 스토리지(storage), 네트워크 스위치(network switch), 에너지 저장장치(ESS)의 배터리(battery) 중 어느 하나 이상이고, 상기 냉각액은 HFE(hydrofluoro ether), FK(fluoro ketone), PFC(perfluorinated compound) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉각챔버에는 각각 온도센서가 설치되어 있고, 상기 분기배액관과 분기주입관에는 각각 유량조절용 밸브가 설치되어 있으며, 상기 통합이송관과 통합반송관에는 각각 순환 펌프가 설치되어 있어서, 상기 제어부는 상기 온도센서에 의하 감지되는 냉각액의 온도에 따라 상기 밸브 및 펌프의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 추가적으로 상기 냉각챔버에서 냉각액을 배액하거나 보충할 수 있는 냉각액 저장탱크를 포함하며, 상기 냉각챔버와 냉각액 저장탱크 사이에는 각각 연결관이 설치되어 있고, 상기 냉각액 저장탱크에는 냉각액 보충관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각챔버의 외면에는 각각 통합 인터페이스 박스가 설치되어 있고, 상기 통합 인터페이스 박스에는 해당 냉각챔버 속에 내장되어 있는 발열유니트들의 통신을 각각 외부의 통신수단과 일대일로 연결해 주는 통신접속포트와 무선송수신기 중 적어도 어느 하나가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 냉각챔버의 외면에는 각각 중앙전원 공급장치가 설치되어 있고, 상기 중앙전원 공급장치에는 해당 냉각챔버 속에 내장되어 있는 발열유니트들의 전원을 각각 외부 전원과 일대일로 연결해 주는 전원제어 스위치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중앙전원 공급장치에는 외부에서 공급되는 AC 전원을 각 발열유니트에 필요한 전압의 DC 전원으로 변환하여 해당 발열유니트의 전원제어 스위치로 공급하는 전원변환장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙 집중식 액침형 냉각 시스템.
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