KR900001842B1 - 전자장비용 랙의 냉각구조 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
[발명의 명칭]
전자장비용 랙의 냉각구조
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 목적과 특성은 첨부된 도면을 참조한 다음 설명에서 명확해질 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 냉각구조의 기본적 구성을 보이는 개념도.
제2도는 본 발명에 따른 냉각구조를 설비한 전자장비용 랙의 구성을 보이는 개념도.
제3도는 본 발명에 따른 냉각구조를 설비한 정자장비용 랙의 다른 실시예의 구성을 보이는 개념도.
제4도는 본 발명에 따른 냉각구조의 기본적 구성을 보이는 사시도
제5도는 제4도의 구조의 팬 유니트부를 보이는 단면도.
제6도 및 7도는 각각 본 발명에 따른 팬 유니트의 실시예를 보이는 사시도
제8도 및 9도는 각각 종래기술 및 본 발명에서 온도상승 실험을 한 구조를 보이는 개념도.
제10도는 상기 실험의 결과를 보이는 그래프.
제11도는 본 발명에 따른 구조의 다른 실험을 설명하는 개념도.
제12도는 제11도의 실험결과를 보인 그래프.
제13도는 본 발명에 따른 구조의 또 다른 실험을 설명하는 개념도.
제14도는 제13도의 실험결과를 보인 그래프.
제15도는 종래기술의 전자장비용 랙을 설명하는 개념도.
제16도는 종래기술의 랙의 부분을 보인 사시도.
제17도는 셀프 유니트의 발열밀도의 증가를 설명하는 개념도.
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 통신장비나 교환장비등에 쓰이는 복수의 인쇄회로기판을 가지고 상호 적층(stack)되는 복수의 셀프 유니트(shelf unit)로 구성된 전자장비용 랙(rack)의 냉각구조, 더 상세히는 팬(fan)을 설비한 강제 공냉식 냉각구조에 대한 것이다.
[종래기술]
통신장비등의 전자장비에 있어서, 복수의 인쇄회로기판이 소정의 기능을 갖는 셀프 유니트에 수납되고, 복수의 셀프 유니트가 상호 적층되어 캐비넷(cabinet)에 설비되거나 프레임에 설치되어 특정기능을 갖는 랙을 구성한다. 상기 셀프 유니트들은 각 셀프 유니트에 수납된 각 인쇄회로기판들의 장기적인 기능안정을 위해 냉각되어야 한다. 최근 인쇄회로기판과 인쇄회로기판의 발열밀도(thermal density)는 부품들을 고밀도로 배치함에 따라 증가하고 있다. 예를 들어 종래의 인쇄회로기판의 발열밀도는 제17도에 검은 점으로 도시한 바와 같이 10와트/리터이다. 한편 최근의 기술적 진보에 따라 종래의 인쇄회로기판에 비해 전력손실은 1/2로, 용적은 1/4로 감소되어 발열밀도는 20와트/리터로 증가되었는데, 이는 상기 도에서 흰점으로 표시한바와 같이 종래 경우의 두배이다.
상기와 같이 큰 발열밀도를 가지는 인쇄회로기판을 수납하는 셀프 유니트를 냉각시키기 위해 팬을 설비한 강제공냉식(forced air cooling type)냉각구조가 사용된다. 상기 형식의 냉각구조에서 효율적인 열 방산을 위해서는 인쇄회로기판을 통과하는 냉각공기의 온도뿐 아니라, 상기 냉각공기의 속도도 중요한 요소이다.
제15도 및 16도에 선행기술의 냉각구조를 보인다. 도면에서 두 셀프 유니트(101)가 상호 적층되어 있고 냉각 유니트(102)가 그 위에 위치한다.
상기 적층된 셀프 유니트(101)와 냉각 유니트(102)가 하나의 냉각블록(block)을 구성하며, 복수의 (제15도에서는 2개) 냉각블록들이 캐비넷(도시안됨)속에 적층 수납되어 전체로서 한 랙(105)을 형성한다.
제16도에서 보는 것처럼, 복수의 인쇄회로기판(103)이 각 셀프 유니트(101)안에 나란히 수납된다. 냉각 유니트(102)에는 각각 전방으로 송풍하는 네개의 팬(송풍기)가 설비되어 있다. 2층 셀프 유니트에서 팬(104)는 화살표 A(제15도)로 표시된 것처럼 2층 셀프 유니트의 바닥으로부터 공기를 흡입하여, 각 셀프 유니트를 통과시켜, 랙(105)의 전방을 통해 캐비넷의 앞문(front door)로 배출한다.
상술한 종래기술의 냉각구조는 다음과 같은 결점을 지니고 있다
(1) 팬(104)밑에 적층된 복수의 (상기 예에서는 2개) 셀프 유니트(101)들은 하부의 셀프 유니트를 먼저 냉각시킴으로서 가열된 냉각공기가 상부의 셀프 유니트를 통과함으로써 냉각된다. 따라서 상부의 셀프 유니트를 냉각하기 위한 냉각공기의 온도가 하부의 셀프 유니트를 냉각하기 위한 냉각공기의 온도보다 높아서 상.하부 냉각 유니트 사이에 온도차이가 나게 된다. 즉 상부의 셀프 유니트의 냉각용량이 저하된다. 각 냉각 블록의 허용 총발열량은 더 고온인 셀프 유니트(통상 하부의 셀프 유니트)의 온도에 따라 결정되므로 상부 셀프 유니트의 발열량은 상기 온도차에 의해 제한된다.
(2) 상기 (1)에 서술된 문제를 해결하기 위해 각 셀프 유니트마다 팬이 구비된 냉각 유니트를 설치하면, 냉각 유니트가 캐비넷에서 큰 용적을 차지하여 캐비넷의 전체적인 고밀도 배열을 할 수 없게 된다.
(3) 냉각풍(cooling wind)의 기류(화살표 A)가 냉각 유니트(102)의 후부 경사(102a)에 의해 수직방향에서 횡(수평)방향으로 급격히 변화하여 기류저항이 증가되고 냉각효율이 저하된다.
(4) 냉각 유니트(102)의 한 팬에 이상이 생기면 상기 이상팬이 구비된 냉각 유니트 하부의 셀프 유니트의 온도가 증가되므로 신뢰성이 낮다.
(5) 냉각풍이 캐비넷의 앞문을 통해 횡(수평)으로 배출되므로 보수자(maintenance personnel)에게 불쾌감을 주며 팬으로 부터 큰 소음이 난다.
[발명의 개시]
상술한 종래기술의 냉각장치의 문제점에 대해, 본 발명의 목적은 랙의 각 셀프 유니트를 효율적으로 냉각시키며 랙의 높이를 높이지 않고는 열 방산에 필요한 소정의 냉각풍속을 유지할 수 있는 전자장비용 랙의 냉각구조를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 캐비넷에 적층 배열되며, 각각 복수의 인쇄회로기판을 수납하고, 상.하 표면에 통풍구를 가진 복수의 셀프 유니트와, 적어도 한 팬을 가지고 각 셀프 유니트의 상단에 위치하여 독립적인 냉각블록을 구성하는 팬 유니트로 구성되어, 각 냉각블록의 팬은 셀프 유니트의 상하로 직선적인 냉각풍을 산출하는 동시에 측면부에 뚫린 통풍구로부터 공기를 흡입하여 상기 냉각풍과 혼합시키고 냉각풍이 상기 냉각 블록쪽으로 상승함에 따라 팬 유니트의 팬의 상방 송출력을 부가함으로써 냉각풍의 유량(flow rate)을 점차 증가시키는 전자장비용 랙의 냉각구조를 제공한다.
[본 발명 실시에 가장 적합한 실시예]
제1도는 본 발명의 기본적 구성을 보인다. 팬 유니트(9)가 복수의 (하나만 도시됨) 인쇄회로기판(3)을 수납하는 각 셀프 유니트(1)의 상단에 위치한다. 상기 팬 유니트(9)는 팬 유니트(9)의 상하부 표면에 냉각풍이 통과하는 통풍구(도시안됨)를 가지고 있다. 복수의(하나만 도시됨) 팬(4)이 팬 유니트(9)에 수평으로 설치되어 상방으로 송풍시킨다. 각 팬(4)은 각 팬 유니트(9)의 프레임을 구성하는 지지판(6)에 고정된 지지프레임(7)에 고정되어 있다. 경사안내부(6a)가 화살표(B)에 따라 팬 유니트(9)의 전방(제1도의 좌측) 및 후방(제1도의 우측)으로부터 공기를 흡입하기 위해 지지판(6)의 전후 단부에 구비된다. 각 팬 유니트(9)의 팬(4)은 화살표(C)로 표시된 것처럼 팬 유니트(9)의 직하부에 있는 셀프 유니트(1)로부터의 공기를 흡입하여 직상부에 있는 셀프 유니트(1)로 송출시킬 뿐만 아니라, 화살표(B)를 따라 공기를 팬 유니트(9)내로 흡입 및 가압하여 팬 유니트(9)의 직상부에 있는 셀프 유니트(1)로 이송시킨다. 상술한 바와 같이 팬 유니트(9)는 셀프 유니트(1)와 결합하여 각각의 냉각블록을 구성한다. 복수의 냉각블록이 캐비넷(도시안됨)에 적층 수납되어 랙을 구성한다.
제2도는 본 발명에 따른 냉각구조를 가진 전자장비용 랙의 실시예의 구성을 보인다. 두개의 랙(5a,5b)이 그 후면이 마주하도록 되어 바닥에 배치된 공기통로(46)상에 설치된다. 바닥의 공기통로(46)에 연결되는 공기통로(47)는 랙(5a,5b)사이에 형성된다. 공기를 유도하는 통풍개구(도시안됨)를 구비한 앞문(8)이 랙(5a,5b)의 전부에 구비된다. 각 랙(5a,5b)는 복수층(본 실시예에서는 5층)의 셀프 유니트(1)로 구성된다. 각 셀프유니트(1)의 상단에는 수평으로 설치된 적어도 하나(도면에는 하나)의 팬(4)을 구비한 팬 유니트(9)가 설치된다. 각 팬 유니트(9)는 화살표(C)와 같이 하부의 셀프 유니트(1)로부터 공기를 흡입하여 상부로 송출시킬뿐 아니라, 화살표(B1,B2)와 같이 팬 유니트(9)의 전.후면으로부터 공기를 흡입하여 상부의 셀프 유니트로 가압 송출한다. 즉 바닥에 설치된 공기통로(46)에서 최하단의 셀프유니트로 유입된 냉각공기는 화살표(C)와 같이 상부의 셀프 유니트를 순차적으로 직진 통과하여 최상단의 셀프 유니트의 상면으로 배출된다. 동시에 화살표(B1,B2)와 같이 각 셀프 유니트로 공기가 유입된다.
냉각공기가 화살표(C)와 같이 상부 셀프 유니트들로 상승됨에 따라, 냉각공기는 셀프 유니트들에 의해 가열되어 냉각공기의 온도는 계속 상승한다. 그러나 화살표(B1,B2)와 같이 각 셀프 유니트에서 유입된 공기에 의해 냉각공기가 냉각되어, 상부 셀프 유니트의 냉각공기의 온도상승은 작은 양으로 억제된다.
또한 각 셀프 유니트에서 공기가 유입되므로 냉각공기의 유량과 유속은 상부 셀프 유니트로 올라갈수록 점차 증가한다. 따라서 상부의 셀프 유니트들의 열 방산효과가 증가되므로 냉각공기의 온도가 어느 정도 상승한다 하더라도 안정된 셀프 기능을 유지할 수 있는 소요 냉각효과를 얻을 수 있다. 냉각공기가 셀프 유니트들을 통과한 뒤 전방이 아니라 상방으로 배출되므로, 랙 전방에 서 있는 보수자에게 불쾌감을 주지 않으며 팬의 회전에 의한 소음도 낮은 수준으로 억제할 수 있다. 팬들이 상방으로 송출방향을 가지고 수평으로 배치되므로 설비용적을 고밀도이고 효율적으로 사용할 수 있다. 각 셀프 유니트가 그 상부에 팬 유니트를 구비하므로 각 셀프 유니트는 상하로 두개의 팬 유니트를 가질수 있다. 따라서 한 팬이 고장이 나서 정지하더라도 냉각 공기의 강제 대류작용이 거의 방해없이 이루어지므로 냉각작용의 신뢰성이 높아진다. 또한 상.하부 셀프 유니트들에서 인쇄회로기판의 두께나 배열간격에 차이가 져도 통풍작용이 순조롭게 이루어지므로 인쇄기판 설치에 제한이 적어진다. 발열량이 작은 셀프 유니트에서는 셀프 유니트 직상부에 위치한 팬 유니트는 생략할 수도 있다.
제3도는 본 발명에 따른 냉각구조를 설비한 랙의 다른 실시예의 구성을 보인다. 이 실시예에서 랙(5a,5b)의 최상부 셀프 유니트(1a)에는 팬 유니트가 설비되어 있지 않다. 대신에 가열된 공기가 최상부 셀프 유니트(1a)의 상면으로 배출되지 않도록 중앙 공기통로(47)고 가열된 배출공기를 유도하는 안내판(49)이 최상부 셀프 유니트(1a)에 설치되어 있다. 상기 배치는 랙(5a,5b)의 최상부 공간(40)에 케이블(cable)이 배치되어 있을때 케이블을 배출공기의 열로부터 보호하기 위해 필요하다. 기타 본 실시예의 다른 구성, 작용, 효과는 제2도의 실시예와 동일하다.
제4도는 팬 유니트(9)의 실시예의 외관을 보인다. 셀프 유니트(1)는 셀프 유니트(1)내에 수직으로 배열된 복수의 인쇄회로기판(3)을 수납한다. 셀프 유니트(1)상에 위치하는 팬 유니트(9)는 측면 프레임(10a) 및 횡단 프레임(10b) 및 수평으로 설치된 네개의 팬(4)으로 구성된다.
제5도에서 보는 것처럼 거의 삼각형 단면을 갖는 각 횡단프레임(10b)은, 공기를 흡입하기 위해 전면에 형성된 복수의 흡입구(11), 상면에 형성된 통풍구(12), 공기를 상방(화살표(B1,B2)로 표시)으로 유도하고 하방으로부터 유입된 공기를 팬(4)으로 (화살표 (C))유도하는 하면에 설치된 경사안내부(13)등을 구비하고 있다. 각 팬(4)은 나사 등 적당한 기구로 프레임(4a)이 횡단 프레임(10b)에 고정된다.
제6도는 팬 유니트(9)의 다른 실시예를 보이는 사시도이다. 이 실시예에서 각각 흡입구(11), 통풍구(12), 경사안내부(13)등을 구비한 전.후부 지지프레임(15)과 팬(4)이 독립적인 카세트형(cassette type) 팬(14)을 구성하도록 일체적으로 형성되어 있다. 상기 카세트형 팬(14)은 화살표(D)와 같이 유니트 프레임(10)의 전방으로부터 취부된다. 상기 카세트형 구조를 채택하면 팬 유니트의 설치 및 제거 작업이 간편해져서 교환작업의 작업성이 개선된다.
제7도는 카세트형 팬의 다른 실시예를 보인다. 이 실시예에서 제1도에 보인 단면을 갖는 경사안내부(6a)를 구비한 지지판(6)은 유니트 프레임(10)에 고정된다. 지지판(6)의 가이드 레일(guide rail) (24)을 따라 카세트형 팬(14)의 측면부재(22)가 화살표(D)와 같이 미끄러져 들어가 상기 카세트를 유니트(9)에 삽입한다. 지지판(6)은 팬(4)에 상응하는 위치에 구멍(23)을 형성하고 있다. 참조번호(25)는 카세트를 고정하는 고정구를 나타낸다. 상기 카세트 고정구(25)는 카세트에 형성된 돌출부를 두개의 롤러(roller)사이에 받아 스프링부재로 고정하는 기계적 구조이던가 또는 자석구조이다. 카세트형 팬(14)은 공기흡입구(11)를 가진 전부 패널(front pannel) (20), 인장식 나비나사(pulling thumbscrew) (17), 전력을 공급하는 코넥터(connector) (19), 인쇄회로기판(18) 및 팬(4)등이 지지프레임(21)에 고정되어 구성된다.
제8도 및 9도에 있어 부호(S1,S2)는 각각 제1층 및 제2층에 위치한 셀프 유니트를 나타내며 부호(P6,P8,P16,P20)는 인쇄회로기판과 이에 붙인 번호이다. 예를 들어 부호(P6)는 셀프 유니트에 있어 좌측에서 6번째에 배치된 인쇄회로기판을 나타내며 부호(P8)는 8번째 인쇄회로기판을 나타낸다.
참조번호(102)는 종래기술에 의한 팬 유니트를 나타내고 (104)는 종래기술의 팬이며; (9)는 본 발명의 팬 유니트, (4)는 본 발명의 팬이다.
상기 실험은 전체 전력소비량(전력공급), 개별적인 전력소비량 및 인쇄회로기판의 발열량 분포, 및 종래기술의 팬 유니트의 송출량(blowing rate) 등에 관해 시행되었으며(제8도), 본 발명의 실시예에 대해서도 같은 실험을 했다(제9도). 상기 조건들에 있어 실험치에서 계측된 각 인쇄회로기판의 주위온도를 제10도에 보인다.
제10도에서 온도상승치(℃)가 종축으로 측정위치가 횡축으로 플롯(plot)되었다. 검은 점은 종래기술에 대한 계측치, 흰점은 본 발명에 대한 계측치이다. 그림에서 명백하듯 종래기술에 있어 제1층 셀프 유니트(S1)의 온도상승치는 본 발명과 비교하여 아주 크다. 따라서 종래기술에 있어 전력소비량(전력공급)은 제한된다. 반면에 본 발명의 온도상승치는 작으므로 전력소비량(전력공급)을 증가시킬 수가 있다. 즉 본 발명에 있어서는 허용 발열량이 증가될 수 있는 것이다. 제2층 셀프 유니트(S2)에서 본 발명의 온도상승치는 종래기술에 비해 대체로 작다. 본 발명의 실시예에 따라 실제로는 부가적인 팬 유니트가 셀프 유니트(S2)상부에 설치된다. 따라서 본 발명에 따른 구조의 냉각효과는 실제 더욱 증가될 것이다.
제11도 및 12도는 본 발명에 따른 랙 장비(60)에서 계측된 온도상승치를 설명한다. 제11도는 각 셀프 유니트(30-1 내지 30-5)의 전력소비량(W)을 보인 랙 장비(60)의 정면도이다. 제12도는 제11도의 각 셀프 유니트(30-1 내지 30-5)의 온도상승 계측지를 보인 것이다.
제11도에서 전력 소비량은 셀프 유니트(30-1) 내지 (30-4)에서 620W씩(인쇄회로기판상 최대 45W)이며, 셀프 유니트(30-5)에서 312W(인쇄회로기판상 최대 13W)이어서 총 2792W이다. 상기 전력소비량에 대해 각 셀프 유니트(30-1 내지 30-5)의 최대온도를 계측하여 그 값을 제12도에 보인다.
제12도에서 종축은 온도상승치(℃), 횡축은 상기 온도상승치가 계측된 셀프 유니트 번호(30-1 내지 30-5)를 나타낸다. 도면에서 온도상승치25℃(빗금부분)가 발열부재의 신뢰성을 유지할 수 있는 허용치(설계치(design criterion))이다. 도면에서 보는 것처럼, 온도상승치는 셀프 유니트(30-1 내지 30-5)에서 상부로 올라갈수록 점차 증가하며, 최상층의 셀프유니트(30-5)의 온도상승은 25℃로 억제되어 어떤 셀프 유니트와 그 직하부의 셀프 유니트의 온도차는 작다. 상가와 같은 온도차를 갖는 냉각구조를 사용함으로써 총전력을 2792W가 소비되었다.
상기 전력소비량은 종래의 냉각구조의 약 2배이다. 제13도 및 14도에 보인 본 발명에 따른 구조의 냉각풍속(wind velocity)에 대한 실험결과를 설명한다. 실험에 사용한 랙(5)은 제14도 좌측에 보인 것처럼 4층 적층된 셀프 유니트(1)와 상기 각 셀프 유니트(1)의 상부에 위치하는 팬 유니트(9)로 구성된다. 각 팬 유니트(9)는 4개의 팬(제1층에 00 내지 03, 제2층에 10 내지 13등)을 구비하고 있다.
각 셀프 유니트(1)는 32개의 인쇄회로기판(3)을 수납하고 있다. 좌측에서 19번째 인쇄회로기판에 있어 제13도에 보인 것처럼 각 위치(A 내지 L)에서 풍속을 계측하였다. 참조번호(26)은 인쇄회로기판에 취부된 전자부품을 나타낸다.
계측된 각 인쇄회로기판의 위치는 거의 각층 좌측에서 세번째 팬(02,12,22,32)의 하부이다. 제14도는 도면 좌측의 4층 랙에 대한 계측결과를 보인 그래프이다.
각 셀프 유니트에 있어서 팬의 정상 가동시의 결과(연속된 꺽은 선으로 표시) 및 한 팬이 정지한 상태의 가동시의 결과(점선으로 된 꺾은 선으로 표시)를 보인다. 그래프의 우측에 보이는 숫자는 계측치의 평균을 나타낸다. 그래프에서 알 수 있듯이 높은 측에 있는 셀프 유니트일수록 풍속이 빠르다. 따라서 냉각공기의 온도가 올라가더라도, 장비기능의 안정성을 유지할 수 있는 소요 냉각효과를 얻기 위한 열 방산을 효과적으로 수행할 수 있다.
[산업상 이용가능성]
본 발명은 각각 인쇄회로기판을 수납하고 있는 셀프 유니트들로 형성된 랙으로 구성된 통신장비, 교환장비 등의 전자장비산업에 적용될 수 있다.
Claims (6)
- 복수의 인쇄회로기판(printed circuit board)을 수납하며 상하면에 각각 통풍구(vent hole)가 있으며 상호적층(stack)되어 캐비넷(cabinet)안에 설치되는 복수의 셀프 유니트(shelf unit)로 구성된 전자장비용 랙(rack)의 냉각구조에 있어서, 상기 냉각구조가 각각 적어도 하나의 팬(fan)을 가지는 팬 유니트를 포함하며, 상기 팬 유니트는 상기 셀프 유니트의 상단에 위치하여 셀프 유니트와 함께 하나의 독립적인 냉각블록(cooling block)을 구성하며, 상기 각 독립 냉각블록에서는, 상기 팬 유니트의 상기 팬이 상기 셀프 유니트를 직선적으로 상하 관통하는 냉각풍(cooling wind)을 산출하는 동시에 상기 팬 유니트의 측면에 있는 통풍구를 통해 공기를 흡입하여, 이 공기를 상기 냉각풍의 유속을 이용, 상기 냉각풍과 혼합시킴으로써, 상기 팬 유니트의 팬으로 상향 송출력을 부가하여 최하단 냉각블록에서 상부 냉각블록으로 상승함에 따라 상기 랙의 전체적으로 상기 냉각풍의 유량(flow rate)이 점차 증가되도록 하는 것을 특징으로 하는 전자장비용 랙의 냉각구조.
- 제1항에 있어서, 상기 각 팬이 상기 팬 유니트의 프레임의 전방으로부터 상기 프레임에 설치 및 제거할 수 있는 카세트형(cassette type)팬으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자장비용 랙의 냉각구조.
- 제2항에 있어서, 상기 팬 유니트의 상기 프레임이 상기 카세트형 팬에 공기를 유도하는 경사안내부(slanted guide portion)를 함께 갖는 지지판(support plate)을 구비하여, 상기 카세트형 팬이 상기 지지판상에 설치되는 것을 특징으로 하는 전자장비용 랙의 냉각구조.
- 제3항에 있어서, 상기 지지판이 상기 카세트형 팬을 삽입하기 위한 가이드 레일(guide rail)과 상기 카세트형 팬을 고정 및 유지하는 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자장비용 랙의 냉각구조.
- 제1항에 있어서, 최상층의 셀프 유니트 대신에 배출안내판(discharge guide plate)이 설치되고, 상기 배출안내판은 랙을 통과한 냉각공기를 상기 최상층의 셀프 유니트의 상면이 아닌 방향으로 배출하는 것을 특징으로 하는 전자장비용 랙의 냉각구조.
- 제1항에 있어서, 특정 셀프 유니트의 발열량(heating value)에 따라서는 상기 특정 셀프 유니트의 팬 유니트를 생략할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자장비용 랙의 냉각구조.
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