JP2023000068A - 液浸冷却装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却が必要な電子部品を選択的に冷却することができる液浸冷却装置を提供する。【解決手段】液浸冷却装置は、内部に冷却液が貯留された容器と、容器内で冷却液に浸漬されるように配置され、複数の電子部品３０が実装された基板１１と、電子部品３０が設けられた表面上を基板１１の一端から他端に向かって冷却液が流動するように冷却液を吐出するノズル３２と、を備えている。ノズル３２は、基板１１の一端から他端に向かう冷却液の流れが並列に複数形成されるように複数設けられている。【選択図】図４

Description

本開示は、例えばデータセンターのサーバの冷却に用いられて好適な液浸冷却装置及びその制御方法に関するものである。

特許文献１には、データセンターにおいてサーバやストレージ等の電子機器を冷却液中に浸漬して冷却することが開示されている。

特許第６６５８３１２号公報

上記特許文献１は、高温となる電子部品に対応する位置で冷却液の流路幅を適宜狭めることによって冷却性能を向上させている。
しかし、流路幅を狭めることによって当該領域の平均流速を増加することはできるが、幅方向における電子部品の位置によっては流速を所望程度まで増加させることができず、十分な冷却が実現できないおそれがある。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷却が必要な電子部品を選択的に冷却することができる液浸冷却装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本開示の液浸冷却装置は、内部に冷却液が貯留された容器と、前記容器内で冷却液に浸漬されるように配置され、複数の電子部品が実装された基板と、前記電子部品が設けられた表面上を前記基板の一端から他端に向かって冷却液が流動するように冷却液を吐出するノズルと、備え、前記ノズルは、前記基板の一端から他端に向かう冷却液の流れが並列に複数形成されるように複数設けられている。

本開示の液浸冷却装置の制御方法は、内部に冷却液が貯留された容器と、前記容器内で冷却液に浸漬されるように配置され、複数の電子部品が実装された基板と、前記電子部品が設けられた表面上を前記基板の一端から他端に向かって冷却液が流動するように冷却液を吐出するノズルと、備えた液浸冷却装置の制御方法であって、前記ノズルは、前記基板の一端から他端に向かう冷却液の流れが並列に複数形成されるように複数設けられ、各前記ノズルから吐出される冷却液の流量を調整する。

冷却が必要な電子部品を選択的に冷却することができる。

本開示の第１実施形態に係る液浸冷却装置を示した概略図である。 図１の液槽ラックの内部の具体例を示した斜視図である。 図２の各基板に対する冷却液の流れを示した斜視図である。 図３に対して各ノズルの流量を変更した状態を示した斜視図である。 本開示の第２実施形態を示した斜視図である。 図５の側面図である。

以下に、本開示に係る複数の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本開示の第１実施形態について説明する。
図１には、液浸冷却装置１の概略構成が示されている。液浸冷却装置１は、液槽ラック（容器）３と、ポンプユニット５と、冷却装置７とを備えている。

液槽ラック３は、内部に冷却液Ｌｑが貯留される有底の容器とされている。液槽ラック３は、有底とされて四方に側壁部３ｂを有する本体３ａと、本体３ａの上面に設けられた開閉蓋３ｃとを有している。
冷却液Ｌｑは、電気絶縁性を有する液体が用いられ、例えばシリコーン系オイル等が用いられる。冷却液Ｌｑは、液槽ラック３の本体３ａ内に設置された基板１１の全体が浸かる程度の高さまで満たされる。

開閉蓋３ｃは、その一端を中心に回動して開閉する。

液槽ラック３の本体３ａ内には、複数の基板１１が設置されている。各基板１１は、例えばサーバを構成する基板とされ、長手方向を鉛直方向に向けた状態で所定の間隔を空けて配列されている。

液槽ラック３に対して、送液管１３及び返液管１５を介してポンプユニット５が接続されている。
送液管１３の下流端１３ａが液槽ラック３の側壁部３ｂに接続されている。送液管１３の上流端１３ｂは、ポンプユニット５の内部に設置された熱交換器１７に接続されている。
返液管１５の上流端１５ａが液槽ラックの側壁部３ｂに接続されている。返液管１５の下流端１５ｂは、ポンプユニット５の内部に設置された液体ポンプ１９に接続されている。

ポンプユニット５は、上述した熱交換器１７と液体ポンプ１９とを内部に備えている。
熱交換器１７は、冷却装置７から供給された冷却水と、液体ポンプ１９から冷却液吐出管２１を介して供給された冷却液とを熱交換する。冷却液は、熱交換器１７で冷却水と熱交換することによって冷却される。
液体ポンプ１９は、例えば電動モータによって駆動され、図示しない制御部によって吐出量が可変とされていても良い。

冷却装置７は、外気と熱交換することによって冷却水を冷却する。冷却装置７は、ファン２３を備えており、ファン２３によって冷却用の外気が取り込まれる。ファン２３の発停及び回転数は、図示しない制御部によって制御される。

冷却装置７とポンプユニット５の熱交換器１７との間には冷却水供給管２５及び冷却水返送管２６が設けられている。冷却装置７によって冷却された冷却水は、冷却水供給管２５を介して熱交換器１７に供給される。熱交換器１７にて熱交換した後の冷却水は、冷却水返送管２６を介して冷却装置７に戻される。

なお、冷却装置７は省略しても良い。この場合、ポンプユニット５に設けられた熱交換器１７は、外気を用いて冷却液を冷却する空冷に変更される。

図２には、液槽ラック３の本体３ａ内に設置された複数の基板１１が示されている。図２に示した一例では、基板１１は、基板１１の幅方向（図２においてｘ方向）に４枚設けられ、奥行き方向（図２においてｙ方向）に１２枚設けられている。ただし、基板１１の設置数はこれに限定されるものではない。
各基板１１には、サーバを構成するためのＣＰＵ、電源ユニット、メモリ、ハードディスク又はＳＳＤ（Solid State Drive）等のストレージ、及び通信ユニットなどの複数の電子部品３０が実装されている。これら電子部品３０は、サーバの動作中に発熱し、冷却液Ｌｑによって冷却される。

各基板１１の上端には、作業者が把持するための把持部１１ａが固定されている。

各基板１１の上端に対して直交するように有孔壁１１ｂが設けられている。有孔壁１１ｂは、電子部品３０が設けられた表面側に立設している。有孔壁１１ｂは、多数の孔が形成された例えばパンチングメタルとさている。有孔壁１１ｂの孔の数や径を適宜設定することによって、基板１１の表面上を流れる冷却液の流量が調整される。

各基板１１の両側のそれぞれには、上下方向に延在する側板１１ｃが設けられている。側板１１ｃは、電子部品３０が設けられた表面側に立設するように設けられ、かつ基板１１の長手方向（上下方向，ｚ方向）の全体にわたって連続して設けられている。側板１１ｃによって基板１１の両側を囲むことで、基板１１の表面上を流れる冷却液Ｌｑの流れをガイドするようになっている。

各基板１１の下方には、複数のノズル３２が設けられている。ノズル３２は、電子部品３０が設けられた基板１１の表面上を基板１１の一端（下端）から他端（上端）に向かって冷却液が流動するように冷却液を吐出する。
ノズル３２は、各基板１１に対して複数設けられている。具体的には、ノズル３２は、基板１１の幅方向（ｘ方向）に並列に複数設けられている。これにより、基板１１の下端から上端に向かう冷却液Ｌｑの流れが並列に複数形成される。なお、ノズル３２の数は、１つの基板１１に対して２以上であればよく、冷却液Ｌｑの流れ及び設計上要求される冷却性能などに応じて適宜設定される。

ノズル３２は、奥行き方向（図２のｙ方向）にも同様に、各基板１１に対応して設けられている。したがって、図示されていないが、ｙ方向に並べられた各基板１１の間にもノズル３２が設けられている。

図３に示すように、各ノズル３２には、流量調整部３４が設けられている。流量調整部３４は、ノズル３２から吐出される冷却液Ｌｑの流量を調整する。流量調整部としては、例えば流量調整弁が挙げられる。流量調整部３４は、図示しない制御部によって制御される。

各流量調整部３４の上流側は、分岐管３６を介して供給主管３８が接続されている。供給主管３８の上流側は、送液管１３の下流端１３ａ（図１参照）に接続されている。したがって、送液管１３から導かれた冷却液Ｌｑは、供給主管３８を介して各分岐管３６へ分配されるようになっている。

制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、ＳＳＤ、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

次に、上記構成の液浸冷却装置１の動作について説明する。
図１に示したように、制御部の指令によって液体ポンプ１９が起動されることで、冷却液Ｌｑが流動し、熱交換器１７へと導かれる。熱交換器１７では、冷却装置７で冷却された冷却水と熱交換して冷却液Ｌｑが冷却される。熱交換器１７を出た冷却液Ｌｑは、送液管１３を通り液槽ラック３へと導かれる。液槽ラック３へと導かれた冷却液Ｌｑは、図３に示したように送液管１３から供給主管３８を通り各分岐管３６へ分配される。各分岐管３６へ導かれた冷却液Ｌｑは、制御部の指令に基づいて流量調整部３４によって流量を調整した後にノズル３２へと導かれて吐出される。

各ノズル３２から吐出した冷却液Ｌｑは、基板１１の下端へと導かれて、側板１１ｃによってガイドされながら電子部品３０が設けられた基板１１の表面上を通り、基板１１の上端へと向かう。このときに、電子部品３０から発熱した熱量が冷却液Ｌｑへと奪われて電子部品３０が冷却される。

電子部品３０を冷却した冷却液Ｌｑは、基板１１の上端に設けられた有孔壁１１ｂの孔を通過して基板１１の上方から排出される。基板１１の上方から排出された冷却液Ｌｑは、液槽ラック３の本体３ａ内に貯留された冷却液Ｌｑと合流して混合される。

本体３ａ内に貯留された冷却液Ｌｑの一部は、返液管１５から抜き出されて液体ポンプ１９を介して熱交換器１７へと導かれて冷却され、送液管１３を介して再び液槽ラック３へと導かれる。

各ノズル３２は、制御部の指令によって、電子部品３０の発熱量に応じて流量が変更される。図３では、各ノズル３２からの吐出量は同一とされている。なお、各ノズル３２から吐出される冷却液Ｌｑの流量は、矢印の大きさで示されている。図３のように各ノズル３２から同一流量を吐出するパターンは、各電子部品３０の負荷が予め想定された通常状態のときに用いられる。
これに対して、特定の電子部品３０の負荷が通常状態よりも大きく、通常よりも発熱量が大きいと予測される場合は、図４に示したように、特定の電子部品３０ａに対応するノズル３２の吐出量を、他のノズル３２の吐出量よりも大きくする。具体的には、特定の電子部品３０ａの直下に位置するノズル３２の吐出量を大きくする。電子部品３０の発熱量の予測は、例えば、サーバで実行されるプログラムから予め計算負荷が大きくなる時刻に合わせて、計算負荷に応じて発熱量が大きくなる電子部品３０ａ（例えばＣＰＵ）に対応するノズル３２の吐出量を大きくする。また、電子部品３０の発熱量の予測は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：数値流体力学）による流れ場及び温度場の解析によって行っても良い。

以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
ノズル３２を基板の幅方向（ｘ方向）に並列に複数設けることとしたので、基板１１の下端から上方へ向かう冷却液Ｌｑ流れが複数並列に形成される。これにより、幅方向における冷却液Ｌｑの流量分布を適宜設定することで、冷却が必要な電子部品３０を選択的に冷却することができる。

各ノズル３２に設けられた流量調整部３４を制御することによって、幅方向（ｘ方向）における冷却量を適宜変化させることができる。これにより、電子部品３０の負荷に応じた冷却が可能となる。

比較的高温になると予測された電子部品３０ａ（図４参照）に対応するノズル３２の吐出流量を大きくすることによって、高温になる電子部品３０ａを選択的に冷却することができる。

なお、上述した電子部品３０の発熱量の予測に代えて、又はこの予測に加えて、各電子部品３０の温度を温度センサによって計測し、この計測結果に基づいて流量調整部３４を制御することとしても良い。

［第２実施形態］
次に、本開示の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に加えて、電子部品３０の冷却を促進する乱流促進部材を設けた点が相違する。したがって、以下の説明では、第１実施形態と相違する構成についてのみ説明し、共通する事項は同一符号を付してその説明を省略する。

図５に示されているように、電子部品３０に対向するように乱流促進部材４０が設けられている。乱流促進部材４０と電子部品３０との間には所定の間隔が空けられている。

乱流促進部材４０は、平板形状とされた複数の板状体（進退部材）４０ａを備えている。各板状体４０ａは、上下方向（ｚ方向）に所定間隔を空けて積層されている。各板状体４０ａは、その平面部がノズル３２から吐出された冷却液Ｌｑの流れに対して直交する向きに配置されている。

各板状体４０ａは、図示しない保持部によって保持されるとともに図示しないアクチュエータによって電子部品３０に対して接近離間可能に進退する。各板状体４０ａの進退は、制御部によって制御される。

各板状体４０ａは、各電子部品３０の負荷が予め想定された通常状態のときには、各電子部品３０から離間するように退避した位置とされる。
特定の電子部品３０ａの負荷が通常状態よりも大きく、通常よりも発熱量が大きいと予測される場合又は温度センサによって発熱量が大きいと計測された場合は、発熱量が大きい電子部品３０に対向する位置の板状体４０ａ１を電子部品３０に近づけるように突出させる。これにより、電子部品３０ａ上を流れる冷却液Ｌｑの流路面積が狭められる。そして、図６の矢印で示すように、ノズル３２から吐出された冷却液Ｌｑの流れが乱されて、発熱量が大きい電子部品３０ａの伝熱性能が向上し、冷却が促進される。

なお、乱流促進部材４０は、基板１１表面の全面に対応するように設ける必要はなく、大きな発熱が予想される電子部品３０（例えばＣＰＵ）に対応する領域にのみ設けることとしても良い。

以上説明した各実施形態に記載の液浸冷却装置及びその制御方法は、例えば以下のように把握される。

本開示の一態様に係る液浸冷却装置（１）は、内部に冷却液が貯留された容器（３）と、前記容器内で冷却液に浸漬されるように配置され、複数の電子部品（３０）が実装された基板（１１）と、前記電子部品が設けられた表面上を前記基板の一端から他端に向かって冷却液が流動するように冷却液を吐出するノズル（３２）と、を備え、前記ノズルは、前記基板の一端から他端に向かう冷却液の流れが並列に複数形成されるように複数設けられている。

ノズルから冷却液を吐出することによって、冷却液に浸漬された基板の表面上を冷却液が流動する。これにより、基板に実装された電子部品が冷却される。
ノズルは、基板の一端から他端に向かう冷却液の流れが並列に複数形成されるように複数設けられている。これにより、幅方向における冷却液の流量分布を適宜設定することで、冷却が必要な電子部品を選択的に冷却することができる。

本開示の一態様に係る液浸冷却装置では、各前記ノズルに設けられ、吐出される冷却液の流量を調整する流量調整部（３４）と、各流量調整部を制御する制御部と、を備えている。

各ノズルに設けられた流量調整部を制御することによって、幅方向における冷却量を適宜変化させることができる。

本開示の一態様に係る液浸冷却装置では、前記制御部は、複数の前記電子部品のうち比較的高温になると予測された前記電子部品に対応する前記ノズルの流量を他の前記ノズルよりも大きくするように前記流量調整部を制御する。

比較的高温になると予測された電子部品に対応するノズルの流量を大きくすることによって、高温になる電子部品を選択的に冷却することができる。
電子部品の温度予測は、例えば、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：数値流体力学）による流れ場及び温度場の解析や、予測される計算負荷に基づいて行うことができる。

本開示の一態様に係る液浸冷却装置では、各前記電子部品の温度を計測する温度センサを備え、前記制御部は、前記温度センサの計測値に基づいて前記流量調整部を制御する。

各電子部品の温度を温度センサによって計測し、この計測結果に基づいて流量調整部を制御する。これにより、各電子部品の発熱量に応じた流量分布を実現することができる。

本開示の一態様に係る液浸冷却装置では、前記電子部品上を流れる冷却液の流れを乱すように動作する乱流促進部材（４０）を備え、前記制御部は、比較的高温と予測された前記電子部品、又は、比較的高温と計測された前記電子部品に対応する前記乱流促進部材を動作させる。

高温と予測された又は計測された電子部品に対応する乱流促進部材を動作させることとした。これにより、乱流促進部材によって電子部品上を流れる冷却液の流れが乱されて伝熱性能が向上し、冷却を促進することができる。

本開示の一態様に係る液浸冷却装置では、前記乱流促進部材は、前記電子部品に対して進退する進退部材（４０ａ）を備えている。

進退部材を電子部品に対して進出させることによって、電子部品上を流れる冷却液の流路面積が狭められて流れが乱される。これにより、電子部品の冷却を促進することができる。
一方、進退部材を電子部品に対して後退させることによって、電子部品上を流れる冷却液の流路を通常の流路面積に戻す。これにより、他の電子部品と同等の冷却量とすることができる。

本開示の一態様に係る液浸冷却装置の制御方法は、内部に冷却液が貯留された容器と、前記容器内で冷却液に浸漬されるように配置され、複数の電子部品が実装された基板と、前記電子部品が設けられた表面上を前記基板の一端から他端に向かって冷却液が流動するように冷却液を吐出するノズルと、を備えた液浸冷却装置の制御方法であって、前記ノズルは、前記基板の一端から他端に向かう冷却液の流れが並列に複数形成されるように複数設けられ、各前記ノズルから吐出される冷却液の流量を調整する。

１ 液浸冷却装置
３ 液槽ラック（容器）
３ａ 本体
３ｂ 側壁部
３ｃ 開閉蓋
５ ポンプユニット
７ 冷却装置
１１ 基板
１１ａ 把持部
１１ｂ 有孔壁
１１ｃ 側板
１３ 送液管
１３ａ 下流端
１３ｂ 上流端
１５ 返液管
１７ 熱交換器
１９ 液体ポンプ
２１ 冷却液吐出管
２３ ファン
２５ 冷却水供給管
２６ 冷却水返送管
３０ 電子部品
３２ ノズル
３４ 流量調整部
３６ 分岐管
３８ 供給主管
４０ 乱流促進部材
４０ａ 板状体（進退部材）
Ｌｑ 冷却液

Claims (7)

1. 内部に冷却液が貯留された容器と、
   前記容器内で冷却液に浸漬されるように配置され、複数の電子部品が実装された基板と、
   前記電子部品が設けられた表面上を前記基板の一端から他端に向かって冷却液が流動するように冷却液を吐出するノズルと、
   を備え、
   前記ノズルは、前記基板の一端から他端に向かう冷却液の流れが並列に複数形成されるように複数設けられている液浸冷却装置。
2. 各前記ノズルに設けられ、吐出される冷却液の流量を調整する流量調整部と、
   各流量調整部を制御する制御部と、
   を備えている請求項１に記載の液浸冷却装置。
3. 前記制御部は、複数の前記電子部品のうち比較的高温になると予測された前記電子部品に対応する前記ノズルの流量を他の前記ノズルよりも大きくするように前記流量調整部を制御する請求項２に記載の液浸冷却装置。
4. 各前記電子部品の温度を計測する温度センサを備え、
   前記制御部は、前記温度センサの計測値に基づいて前記流量調整部を制御する請求項２に記載の液浸冷却装置。
5. 前記電子部品上を流れる冷却液の流れを乱すように動作する乱流促進部材を備え、
   前記制御部は、比較的高温と予測された前記電子部品、又は、比較的高温と計測された前記電子部品に対応する前記乱流促進部材を動作させる請求項３又は４に記載の液浸冷却装置。
6. 前記乱流促進部材は、前記電子部品に対して進退する進退部材を備えている請求項５に記載の液浸冷却装置。
7. 内部に冷却液が貯留された容器と、
   前記容器内で冷却液に浸漬されるように配置され、複数の電子部品が実装された基板と、
   前記電子部品が設けられた表面上を前記基板の一端から他端に向かって冷却液が流動するように冷却液を吐出するノズルと、
   を備えた液浸冷却装置の制御方法であって、
   前記ノズルは、前記基板の一端から他端に向かう冷却液の流れが並列に複数形成されるように複数設けられ、
   各前記ノズルから吐出される冷却液の流量を調整する液浸冷却装置の制御方法。

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