特許 6244066 冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6244066

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】冷却システム

(51)【国際特許分類】

   G06F 1/20 20060101AFI20171127BHJP

【ＦＩ】

   G06F1/20 D

   G06F1/20 A

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-541888(P2017-541888)

(86)(22)【出願日】2016年4月28日

(86)【国際出願番号】JP2016063510

【審査請求日】2017年8月8日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】514215055

【氏名又は名称】株式会社ＥｘａＳｃａｌｅｒ

(74)【代理人】

【識別番号】100102406

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 健二

(74)【代理人】

【識別番号】100100240

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 孝

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 元章

(72)【発明者】

【氏名】鳥居 淳

【審査官】 佐賀野 秀一

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭６２−０８０１６０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００８−０７９５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１７９０１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ １／２０

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｇ０６Ｆ １／１６− １／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却システムであって、
冷却槽と、
前記冷却槽の出口から出た冷却液が前記冷却槽の入口に戻る流通路と、
前記流通路の途中に設けられた、障壁を乗り越える配管部と、
主ポンプと、
前記障壁を乗り越える配管部を挟んで前記主ポンプと反対側に配置される補助ポンプと、
前記主ポンプ及び前記補助ポンプの駆動を制御するコントローラとを有し、
前記コントローラは、前記主ポンプを始動させる前に前記補助ポンプを所定時間駆動させ、前記流通路内で前記冷却液の予備的な流れを生じさせる
冷却システム。

【請求項2】

前記冷却槽で暖められた冷却液を前記冷却槽の外部で冷やすための熱交換器をさらに有し、前記熱交換器の入口は前記冷却槽の出口につながれ、前記熱交換器の出口は前記主ポンプの入口につながれている、請求項１に記載の冷却システム。

【請求項3】

前記障壁を乗り越える配管部は、逆Ｕ字形、逆Ｌ字形又は逆Ｊ字形の配管部であり、該配管部は、建物の室内と室外とを区切る障壁を乗り越えるように配置され、前記冷却槽及び前記補助ポンプは前記室内に配置され、前記主ポンプ及び前記熱交換器は前記室外に配置されている、請求項２に記載の冷却システム。

【請求項4】

前記冷却システムは、電子機器を前記冷却槽内の冷却液中に浸漬して直接冷却するよう構成され、前記冷却槽から冷却液が漏出したときに該漏出した冷却液を受けるよう、前記冷却槽と床面との間に配置される漏出受け部をさらに有する、請求項３に記載の冷却システム。

【請求項5】

前記漏出受け部が、前記冷却槽から受ける荷重を分散させる分散板と、該分散板上で前記冷却槽を囲むように設けられた、閉じられた側壁と、該閉じられた側壁と前記冷却槽との間の上部開口を覆う蓋材から構成されている、請求項４に記載の冷却システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は冷却システムに係り、特に、冷却槽の出口から出た冷却液が冷却槽の入口に戻る流通路を有する冷却システムに関するものである。本発明は、例えば電子機器の冷却システム、特に、スーパーコンピュータやデータセンター等の超高性能動作や安定動作が要求され、かつそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を、効率的に冷却するための電子機器の冷却システムに好適に使用できる。

【背景技術】

【0002】

スーパーコンピュータやデータセンターの冷却には、従来から空冷式と液冷式が用いられている。液冷式は、空気より格段に熱伝達性能の優れる液体を用いるため、一般的に冷却効率がよいとされている。一例として、フッ化炭素系冷却液を用いる液浸冷却システムが提案されている。具体的には、フッ化炭素系の冷却液（３Ｍ社の商品名「Ｎｏｖｅｃ（３Ｍ社の商標。以下同様）７１００」、「Ｎｏｖｅｃ７２００」、「Ｎｏｖｅｃ７３００」で知られる、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）化合物）を用いる例である（例えば、特許文献１、特許文献２）。

【0003】

また、本出願人は、小規模液浸冷却スーパーコンピュータ向けの、小型で冷却効率の優れた液浸冷却システムをすでに開発している。当該システムは、完全フッ素化物からなるフッ化炭素系冷却液を用いており、高エネルギー加速器研究機構に設置されている小型スーパーコンピュータ「Ｓｕｉｒｅｎ」に適用され、運用されている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−１８７２５１号公報

【特許文献2】特表２０１２−５２７１０９号公報

【非特許文献1】「液浸冷却小型スーパーコンピュータ「ExaScaler-1」が、25%を超える性能改善により最新のスパコン消費電力性能ランキング「Green500」の世界第一位相当の値を計測」、２０１５年３月３１日、プレスリリース、株式会社ExaScaler他、URL:http://www.exascaler.co.jp/wp-content/uploads/2015/03/20150331.pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

液浸冷却システムによる冷却効率の向上と、液浸冷却システムに適用される電子機器における高密度実装の技術開発が進められたことによって、スーパーコンピュータのサイズのより一層の小型化が可能となってきている。そして、小型化されたスーパーコンピュータを、建物内のより小さなスペース、例えば、研究所内の研究者個人に割り当てられた居室や研究室内に設置する試みが検討されている。

【0006】

液浸冷却システムは、通常、冷却槽と熱交換器を有する。冷却槽は、冷却槽を流通する冷却液によって複数の電子機器を直接冷却する。熱交換器は、複数の電子機器から熱を奪って暖められた冷却液を、冷却槽の外部で冷やす。冷却槽と熱交換器との間には、配管等の流通路とポンプが設けられている。

【0007】

液浸冷却システムの稼働中、冷却液を循環させるためにポンプは連続駆動される。従って、室内の静粛性を確保するためには、ポンプを室外に設置することが不可欠である。しかるに、建物の構造上又はレイアウト上、配管工事に制約が課される等の事情により、ポンプの出口と冷却槽の入口をつなぐ配管を、ポンプと冷却槽との間にある一定高さの障壁を乗り越えるように設置することが求められることがある。すなわち、ポンプの出口と冷却槽の入口をつなぐ流通路の途中に、障壁を乗り越える配管部、例えば、逆Ｕ字形の配管部を設けなければならない場合がある。

【0008】

かかる逆Ｕ字形の配管部の存在は、停止状態のポンプを始動させたときに、冷却液で満たされた流通路内にバブルを生じさせる原因となりうる。このことは、逆Ｕ字形の配管部に代わって、逆Ｌ字形又は逆Ｊ字形の配管部が存在する場合も同様である。しかるに、発生したバブルが流通路を通ってポンプに到達しポンプ内に溜まる（かかる現象は「エア噛み」と呼ばれることがある）と、騒音又は流量低下等の問題、最悪の場合はポンプの破壊の問題を発生させるおそれがある。一般に、冷却槽の出口から出た冷却液が冷却槽の入口に戻る流通路を有する冷却システムが、流通路の途中に、障壁を乗り越える配管部を含む場合に、同様の問題が起こりうると考えられる。

【0009】

従って、本発明の目的は、停止状態のポンプを始動させたときに、障壁を乗り越える配管部を含む流通路内にバブルが発生するのを有効に回避できる冷却システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を解決するために、本発明によれば、冷却システムであって、冷却槽と、前記冷却槽の出口から出た冷却液が前記冷却槽の入口に戻る流通路と、前記流通路の途中に設けられた、障壁を乗り越える配管部と、主ポンプと、前記障壁を乗り越える配管部を挟んで前記主ポンプと反対側に配置される補助ポンプと、前記主ポンプ及び前記補助ポンプの駆動を制御するコントローラとを有し、前記コントローラは、前記主ポンプを始動させる前に前記補助ポンプを所定時間駆動させ、前記流通路内で前記冷却液の予備的な流れを生じさせる冷却システムが提供される。

【0011】

本発明者らは、障壁を乗り越える配管部を挟んで主ポンプと反対側に補助ポンプを配置した構成を採用し、主ポンプを始動させて流通路内の冷却液の大きくて強い流れを生じさせる前に、比較的短時間だけ補助ポンプを駆動させて、冷却液の予備的な流れを生じさせると、停止状態にある主ポンプを始動させたときに流通路内でバブルが発生するのを、有効に回避できることを見出し、本発明を完成した。

【0012】

本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記冷却槽で暖められた冷却液を前記冷却槽の外部で冷やすための熱交換器をさらに有し、前記熱交換器の入口は前記冷却槽の出口につながれ、前記熱交換器の出口は前記主ポンプの入口につながれていてよい。

【0013】

本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記障壁を乗り越える配管部は、逆Ｕ字形、逆Ｌ字形又は逆Ｊ字形の配管部であり、該配管部は、建物の室内と室外とを区切る障壁を乗り越えるように配置され、前記冷却槽及び前記補助ポンプは前記室内に配置され、前記主ポンプ及び前記熱交換器は前記室外に配置されていてよい。

【0014】

本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記冷却システムは、電子機器を前記冷却槽内の冷却液中に浸漬して直接冷却するよう構成され、前記冷却槽から冷却液が漏出したときに該漏出した冷却液を受けるよう、前記冷却槽と床面との間に配置される漏出受け部をさらに有していてよい。

【0015】

さらに、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態において、前記漏出受け部が、前記冷却槽から受ける荷重を分散させる分散板と、該分散板上で前記冷却槽を囲むように設けられた、閉じられた側壁と、該閉じられた側壁と前記冷却槽との間の上部開口を覆う蓋材から構成されていてよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、停止状態のポンプを始動させたときに、障壁を乗り越える配管部を含む流通路内にバブルが発生するのを有効に回避できる冷却システムを提供することができる。

【0017】

上記した本発明の目的及び利点並びに他の目的及び利点は、以下の実施の形態の説明を通じてより明確に理解される。もっとも、以下に記述する実施の形態は例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る冷却システムの側面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る冷却システムの部分斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明を電子機器の冷却システムに適用した一実施形態を説明するが、本発明は、冷却槽の出口から出た冷却液が冷却槽の入口に戻る流通路を有し、流通路の途中に障壁を乗り越える配管部を含む冷却システムに広く適用できる。

【0020】

図１を参照して、一実施形態に係る冷却システム１００は、冷却液Ｃが入れられた冷却槽１１と、冷却槽１１の出口から出た冷却液が冷却槽１１の入口に戻る流通路１５、１６と、流通路１６の途中に設けられた逆Ｕ字形の配管部１６ａと、主ポンプ３１と、逆Ｕ字形の配管部１６ａを挟んで主ポンプ３１と反対側に配置される補助ポンプ３３と、主ポンプ３１及び補助ポンプ３３の駆動を制御するコントローラ３５とを有する。複数の電子機器（図示せず）が、冷却槽１１を流通する冷却液Ｃ中に浸漬されて直接冷却される。冷却槽１１は、開放空間を有することが好ましい。本明細書における「開放空間」を有する冷却槽１１には、電子機器の保守性を損なわない程度の簡素な密閉構造を有する冷却槽も含まれる。例えば、冷却槽１１の開口部に、パッキン等を介して天板１２を着脱可能又は開閉可能に取り付ける構造は、簡素な密閉構造といえる。

【0021】

冷却槽１１には、図示しない複数の電子機器の全体を浸漬するのに十分な量の冷却液Ｃが、液面Ｎまで入れられる。冷却液としては、３Ｍ社の商品名「フロリナート（３Ｍ社の商標、以下同様）ＦＣ−７２」（沸点５６℃）、「フロリナートＦＣ−７７０」（沸点９５℃）、「フロリナートＦＣ−３２８３」（沸点１２８℃）、「フロリナートＦＣ−４０」（沸点１５５℃）、「フロリナートＦＣ−４３」（沸点１７４℃）として知られる、完全フッ素化物（パーフルオロカーボン化合物）からなるフッ素系不活性液体を好適に使用することができるが、これらに限定されるものではない。

【0022】

本出願人は、完全フッ素化物が、高い電気絶縁性と、高い熱伝達能力を有し、不活性で熱的・化学的に安定性が高く、不燃性で、かつ酸素を含まない化合物であるためオゾン破壊係数がゼロである等の優れた特性を有している点に着目し、そのような完全フッ素化物を主成分として含む冷却液を、高密度の電子機器の浸漬冷却用の冷媒として使用する冷却システムの発明を完成し、特許出願している（特願２０１４−１７０６１６）。この先行出願において開示しているように、特に、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０を冷却液に用いると、開放空間を有する冷却槽１１からの、冷却液Ｃの蒸発による損失を大幅に低減しながら、小さい体積の冷却槽１１内に高密度に設置された複数の電子機器を効率よく冷却することができ、極めて有利である。

【0023】

なお、フロリナートＦＣ−４３又はＦＣ−４０は、その沸点が１５０℃以上であり、極めて蒸発しにくい性質を有するため、冷却槽１１の上部開口に設けられる天板１２は、電子機器（図示せず）のメンテナンスを容易に行えるよう、上部開口に対して着脱可能又は開閉可能に取り付けられていてよい。例えば、天板１２は、冷却槽１１の上部開口の一方縁部に設けられた図示しないヒンジ部により、開閉自在に支持されていてよい。

【0024】

熱交換器１３は、冷却槽１１において、複数の電子機器から熱を奪って暖められた冷却液Ｃを冷却槽１１の外部で冷やすためのものであり、空冷式、水冷式、又は蒸発式の凝縮器を含む各種の熱交換器（いわゆるラジエータ、チラー、冷却塔等）でよい。また、別の熱交換器１４は、熱交換器１３が冷却液Ｃから奪った熱を別の冷媒に伝え、ここでの冷凍作用により低温を発生させるためのものであり、例えば冷凍機（冷却塔等）でよい。なお、熱交換器１３が十分な熱交換効率を有する場合、別の熱交換器１４の設置を省略してよい。

【0025】

本実施形態における冷却システム１００には、冷却槽からの冷却液の漏出と、漏出した冷却液の回収の問題を解決するための対策が施されている。すなわち、冷却システム１００は、冷却槽１１から冷却液Ｃが漏出したときに漏出した冷却液を受けるよう、冷却槽１１と床面との間に配置される漏出受け部２１を有している。

【0026】

図２に示すように、漏出受け部２１は、冷却槽１１から受ける荷重を分散させる分散板２０と、該分散板２０上に冷却槽１１を囲むように設けられた、閉じられた側壁と、該閉じられた側壁と冷却槽１１との間の上部開口を覆う蓋材２２から構成されている。漏出受け部２１は、冷却槽１１から外部に漏出し得る最大量の冷却液を、全て受けるのに十分な体積を有していることが最も好ましい。かかる構成の漏出受け部２１を備えることによる利点は、床面と接する漏出受け部２１の底面が、面積の広い分散板となって、冷却槽１１から受ける荷重を広い面積にわたって分散させることができる点と、漏出受け部２１の側壁の高さを低く抑えることができる点と、さらに蓋材２２が、漏出した冷却液内に上部開口から異物が混入するのを防ぎ、また、上部開口を塞いで、冷却槽１１へのアクセスを容易にする点である。

【0027】

図１に戻って、電子機器が浸漬される冷却槽１１を建物内のより小さなスペース（例えば、研究所内の研究者個人に割り当てられた居室や研究室内）に設置するときに特に考慮すべき種々の問題点の１つに、室内の静粛性の確保がある。冷却システム１００が稼働中、主ポンプ３１は連続運転されるため、室内の静粛性を損なう騒音源となりうる。従って、室内の静粛性を確保する観点から、主ポンプ３１は、建物の室内に対して壁等の構造物１７によって区切られた建物の室外に配置されて駆動されるべきである。加えて、図１に示すように、建物の構造上又はレイアウト上、構造物１７への配管工事１９に制約が課されるために、主ポンプ３１の出口と冷却槽１１の入口をつなぐ配管を、主ポンプ３１と冷却槽１１との間にある一定高さの障壁１８を乗り越えるように設置することが求められる場合がある。そのような場合、流通路１６の途中に逆Ｕ字形の配管部１６ａを設けることが不可欠であり、かかる逆Ｕ字形の配管部１６ａの存在は、冷却液で満たされた流通路内にバブルを生じさせる原因となりうる。このことは、障壁１８を乗り越える配管部として、逆Ｕ字形の配管部１６ａに代わって、逆Ｌ字形又は逆Ｊ字形の配管部を使用する場合も、同様である。

【0028】

そこで、本実施形態においては、逆Ｕ字形の配管部１６ａを挟んで主ポンプ３１と反対側に補助ポンプ３３を配置した構成を採用することによって、停止状態のポンプを始動させたときに流通路内にバブルが発生する問題を、有効に回避している。コントローラ３５は、少なくともＯＮ／ＯＦＦに関する信号を生成して、主ポンプ３１及び補助ポンプ３３にそれぞれ供給し、主ポンプ３１及び補助ポンプ３３の駆動を個別に制御するよう構成されている。本実施形態においてコントローラ３５は、主ポンプ３１を始動させる前に補助ポンプ３３を所定時間駆動させる。補助ポンプ３３は、主ポンプ３１に比べて小型かつ小さい吐出し量のものでよく、また、補助ポンプ３３を駆動させる所定時間は、例えば数秒から数十秒の範囲内であればよく、冷却液Ｃの予備的な流れを生じさせるものであればよい。このように、補助ポンプ３３は、主ポンプ３１を始動させる際に短時間だけ駆動させればよいため、建物の室内に配置しても、室内の静粛性が損なわれることはない。

【0029】

上記の一実施形態において、電子機器は、ボード上に搭載されるプロセッサを含んでよく、プロセッサはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又はＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のいずれか又は両方を含んでよい。また、電子機器は、高速メモリ、チップセット、ネットワークユニット、ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓバスや、バススイッチユニット、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、パワーユニット（交流−直流変換器、直流−直流電圧変換器等）を含んでよい。また、電子機器は、ブレードサーバを含むサーバ、ルータ、ＳＳＤ等の記憶装置等の電子機器であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明は、冷却槽の出口から出た冷却液が冷却槽の入口に戻る流通路を有する冷却システムに広く適用することができる。

【符号の説明】

【0031】

１００ 冷却システム
１１ 冷却槽
１２ 天板
１３ 熱交換器
１４ 別の熱交換器
１５、１６ 流通路
１６ａ 逆Ｕ字形の配管部
１７ 構造物
１８ 障壁
１９ 配管工事
２０ 分散板
２１ 漏出受け部
２２ 蓋材
３１ 主ポンプ
３３ 補助ポンプ
３５ コントローラ

【要約】

停止状態のポンプを始動させたときに、障壁を乗り越える配管部を含む流通路内にバブルが発生するのを有効に回避できる冷却システムを提供する。冷却システム１００は、冷却液Ｃが入れられた冷却槽１１と、冷却槽１１の出口から出た冷却液が冷却槽１１の入口に戻る流通路１５、１６と、流通路１６の途中に設けられた逆Ｕ字形の配管部１６ａと、主ポンプ３１と、逆Ｕ字形の配管部１６ａを挟んで主ポンプ３１と反対側に配置される補助ポンプ３３と、主ポンプ３１及び補助ポンプ３３の駆動を制御するコントローラ３５とを有する。コントローラ３５は、主ポンプ３１を始動させる前に補助ポンプ３３を所定時間駆動させる。補助ポンプ３３を駆動させる所定時間は、冷却液Ｃの予備的な流れを生じさせるものであればよい。補助ポンプ３３は短時間だけ駆動させればよいため、建物の室内に配置しても、室内の静粛性が損なわれることはない。

【図1】

【図2】