特許 7238331 液浸槽の液面高さ調整装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-06

(45)【発行日】2023-03-14

(54)【発明の名称】液浸槽の液面高さ調整装置

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20230307BHJP

   G01F 23/56 20060101ALI20230307BHJP

   H01L 23/473 20060101ALI20230307BHJP

【ＦＩ】

H05K7/20 M

G01F23/56

H01L23/46 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018196657

(22)【出願日】2018-10-18

(65)【公開番号】P2020065002

(43)【公開日】2020-04-23

【審査請求日】2021-07-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 孝志

【審査官】小林 大介

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００４２１３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭４９－１０３１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－００３４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１０９８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｇ０１Ｆ ２３／５６

Ｈ０１Ｌ ２３／３４－２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子機器の設置領域が複数設けられた液浸槽内に貯留される冷媒内に設置される状態で体積を膨張及び収縮できる体積可変部材と、
前記体積可変部材内の空気量を調整する弁部と、
前記体積可変部材内に空気を導入する空気導入部と、
前記液浸槽内に貯留される冷媒の液面高さを観測する液面高さ観測部と、
前記液面高さ観測部の観測結果に基づいて前記弁部及び前記空気導入部の制御を行い、前記液面高さを調整する制御部と、
を備え、
前記体積可変部材は、前記電子機器の設置領域毎に、当該電子機器の設置領域の下部に配置され、
前記制御部は、前記液浸槽から取り出された前記電子機器が設置されていた前記電子機器の設置領域に配置された前記体積可変部材に前記空気導入部によって空気を導入し、当該体積可変部材の体積を膨張させる、
液浸槽の液面高さ調整装置。

【請求項2】

前記弁部は、前記体積可変部材内に空気を導入するときに開弁される導入弁と、前記体積可変部材内から空気が排出されるときに開弁される排出弁を含む請求項１に記載の液浸槽の液面高さ調整装置。

【請求項3】

前記体積可変部材は、伸縮可能な蛇腹状である請求項１又は２に記載の液浸槽の液面高さ調整装置。

【請求項4】

前記液浸槽が備える蓋の開閉状態を検知する開閉センサをさらに備え、前記制御部は、前記開閉センサが前記蓋の開状態を検知した状態であるときに、前記液面高さを調整する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液浸槽の液面高さ調整装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液浸槽の液面高さ調整装置に関する。

【背景技術】

【0002】

昨今、データセンタに設置されたサーバ等の電子機器を液体の冷媒に浸漬する液浸冷却方式の開発が進められており、液浸冷却方式に用いられる液浸槽の提案もされている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１０９８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、液浸冷却方式によって冷却される電子機器は、その台数の増減設や、保守作業等の必要に応じて液浸槽に浸漬されたり、液浸槽から取り出されたりすることがある。電子機器が液浸槽に対して出し入れされると、これに伴って、液浸槽内の冷媒の液面高さが変化する。液浸槽内の冷媒の液面高さが低くなると、浸漬されている他の電子機器が冷媒から露出し、露出した電子機器の冷却が適切に行われなくなる。これに対し、液浸槽内の冷媒の液面高さが高くなると、冷媒が液浸槽から溢れる等の不都合が生じることが考えられる。特許文献１は、これらの不都合を解決するものとはなっていない。

【0005】

１つの側面では、本明細書開示の発明は、液浸槽内の冷媒の液面高さを適切に調整することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

１つの態様では、液浸槽内に貯留される冷媒内に設置される状態で体積を膨張及び収縮できる体積可変部材と、前記体積可変部材内の空気量を調整する弁部と、前記体積可変部材内に空気を導入する空気導入部と、前記液浸槽内に貯留される冷媒の液面高さを観測する液面高さ観測部と、前記液面高さ観測部の観測結果に基づいて前記弁部及び前記空気導入部の制御を行い、前記液面高さを調整する制御部と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明は、液浸槽内の冷媒の液面高さを適切に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は実施形態の液浸槽の液面高さ調整装置が組み込まれた液浸冷却システムの概略を示す構成図である。

【図2】図２（Ａ）は体積可変部材が膨張する様子を示す説明図であり、図２（Ｂ）は体積可変部材が収縮する様子を示す説明図である。

【図3】図３は実施形態の液面高さ調整装置の動作の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。

【0010】

まず、図１を参照して、実施形態の液浸槽の液面高さ調整装置（以下、単に「調整装置」という）５０が組み込まれた液浸冷却システム１の概略について説明する。液浸冷却システム１は、液浸槽２と、液浸槽２の上部開口を開閉する蓋３と、液浸槽２内に貯留している冷媒４を備える。また、液浸冷却システム１は、冷媒循環装置（ＣＤＵ：Cooling Distribution Unit）３０と、調整装置５０を備える。

【0011】

液浸槽２内には、垂直方向に延びるレール部材５が設けられている。レール部材５には、冷却対象となる電子機器６が設置される。電子機器６は、レール部材５に対し、着脱自在とされている。本実施形態では、第一領域ＡＲ１、第二領域ＡＲ２及び第三領域ＡＲ３がそれぞれ機器搭載エリアとして設けられており、各領域にレール部材５が設けられており、電子機器６を設置できるようになっている。電子機器６は、台数の増減設が可能であり、また、保守作業時には、液浸槽２から取り出すことができる。なお、機器搭載エリアの数は、一例であり、これに限定されるものではい。

【0012】

本実施形態における冷媒４は、電気絶縁性及び熱伝導性を有する。例えば、３Ｍ社製のフロリナート（３Ｍ社の商標）等のフッ素系絶縁性冷媒は、冷媒４として好適に用いることができる。なお、フロリナートは、冷媒４の一例であり、他の冷媒を用いてもよい。

【0013】

冷媒循環装置３０は、第１循環パイプ３２ａと第２循環パイプ３２ｂを介して液浸槽２と接続された熱交換器３１を備えている。冷媒４は、第１循環パイプ３２ａを通じて液浸槽２から熱交換器３１に送られ、熱交換器３１で冷却された後、第２循環パイプ３２ｂを通じて熱交換器３１から再び液浸槽２に戻される。冷媒４は、このように、冷媒循環装置３０と液浸槽２との間を循環することで、電子機器６の冷却に適した温度に維持される。

【0014】

調整装置５０は、液面高さ観測部７と、体積可変部材８と、導入弁９と、空気導入部としてのエアコンプレッサ１１と、排出弁１２と、制御部１４を含む。さらに、調整装置５０は、蓋３のヒンジ部３ａに組み込まれた開閉センサ３ａ１を含む。

【0015】

液面高さ観測部７は、液浸槽２の側壁上縁部に取り付けられ、垂直方向に延びる棒状のガイド部７ａと、このガイド部７ａに摺動可能に装着され、冷媒４の液面４ｓに浮かぶことができるフロート７ｂを含む。液面高さ観測部７は、液面高さに応じて移動するフロート７ｂの位置を検知することで冷媒４の液面高さを検出することができる。

【0016】

体積可変部材８は、液浸槽２内に貯留した冷媒４内に設置された状態で体積を膨張及び収縮することができる。冷媒４内で体積可変部材８を膨張させると冷媒４の液面４ｓの位置を上昇させることができる。一方、冷媒４内で体積可変部材８を収縮させると冷媒４の液面４ｓの位置を下降させることができる。体積可変部材８は、伸縮可能な蛇腹状である。

【0017】

体積可変部材８は、液浸槽２内に設置され、その体積を膨張、収縮させて冷媒４の液面４ｓの位置を調整できればよいが、本実施形態では、液浸槽２をコンパクトに設計し、冷媒４の使用量を抑える観点から、以下のように配置されている。すなわち、体積可変部材８は、第一領域ＡＲ１、第二領域ＡＲ２及び第三領域ＡＲ３毎に電子機器６の設置領域の下部に配置されている。伸縮可能な蛇腹状である体積可変部材８は、液浸槽２の上下方向に伸縮するように設置されている。これにより、体積可変部材８は、各領域の範囲内で膨張及び収縮させることができる。

【0018】

第一領域ＡＲ１、第二領域ＡＲ２及び第三領域ＡＲ３では、電子機器６を取り外した状態となるとき、電子機器６が収納されるスペースが空く。そこで、この空いたスペースにおいて体積可変部材８を膨張させるようにすれば、液浸槽２内のスペースを有効に活用することができる。この結果、液浸槽２内をコンパクトに設計し、液浸槽２の高密度化を図ることができ、冷媒４の使用量も削減することができる。電子機器６を設置するとき、体積可変部材８は収縮した状態で電子機器６の下方に収納することができるので、電子機器６の邪魔になることがない。

【0019】

体積可変部材８は、防水性及び気密性のある素材によって形成されている。本実施形態の体積可変部材８はビニル製であるが、プラスチック製等としてもよい。体積可変部材８は、内部に空気が導入されることで膨張し、内部から空気が排出されることによって収縮する。このため、調整装置５０は、導入パイプ１０と、排出パイプ１３を備えている。導入パイプ１０には、エアコンプレッサ１１が配置されている。排出パイプ１３の端部は、開放端１３ａとなっており、空気を大気開放できるようになっている。

【0020】

導入パイプ１０と各体積可変部材８とは空気の導入状態を制御できるように導入弁９を介して接続されている。また、排出パイプ１３と各体積可変部材８とは空気の排出状態を制御できるように排出弁１２を介して接続されている。導入弁９と排出弁１２は、体積可変部材８内の空気量を調整する弁部として機能する。導入弁９と排出弁１２は、いずれも電動弁である。

【0021】

ここで、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して、体積可変部材８の膨張及び収縮について説明する。図２（Ａ）を参照し、導入弁９が開弁され、排出弁１２が閉弁された状態でエアコンプレッサ１１が稼働すると、体積可変部材８内に空気が導入され、体積可変部材８が膨張する。体積可変部材８が膨張すると、冷媒４の液面４ｓの位置が上昇する。液浸槽２から電子機器６が取り出されたときに、このような動作が行われることにより液面高さが維持され、他の電子機器６が液面４ｓから露出することが回避される。

【0022】

一方、図２（Ｂ）を参照し、導入弁９が閉弁され、排出弁１２が開弁された状態とされると、体積可変部材８内から空気が排出され、体積可変部材８が収縮する。体積可変部材８が収縮すると、冷媒４の液面４ｓの位置が下降する。液浸槽２内に新たに電子機器６が浸漬されたときに、このような動作が行われることにより液面高さが維持され、冷媒４が液浸槽２から溢れることが回避される。

【0023】

調整装置５０は、制御部１４を備える。制御部１４は、ハードウェア構成として、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等からなるマイクロコンピュータを主に備える。制御部１４は、開閉センサ３ａ１、液面高さ観測部７、導入弁９、エアコンプレッサ１１及び排出弁１２と電気的に接続されており、液面高さ観測部７の観測結果に基づいて、導入弁９、エアコンプレッサ１１及び排出弁１２の制御を行う。制御部１４は、これにより、液面高さを調整する。なお、本実施形態の制御部１４は、複数設置された体積可変部材８のいずれを作動させるのかを選択できるようになっている。以下、図３を参照して、調整装置５０による液面高さの調整工程の一例について説明する。

【0024】

ここで、各ステップを説明する前に、液浸冷却システム１が稼働しているときの各体積可変部材８の状態について説明する。第一領域ＡＲ１、第二領域ＡＲ２及び第三領域ＡＲ３毎に設けられた体積可変部材８は、各領域における電子機器６の設置状態によって、その伸縮状態が異なっている。すなわち、電子機器６が設置された領域の体積可変部材８は収縮しており、電子機器６が取り出されている領域の体積可変部材８は膨張している。また、液浸冷却システム１が稼働しているときは、導入弁９及び排出弁１２は閉弁状態であり、エアコンプレッサ１１も停止している。

【0025】

制御部１４は、ステップＳ１において、開閉センサ３ａ１の検知結果に基づいて、蓋３が開いた状態であるか否かを判断する。ステップＳ１で制御部１４がＮＯと判断したときは、再度、ステップＳ１の判断が行われる。ステップＳ１の処理は、ステップＳ１でＹＥＳと判断するまで繰り返される。蓋３の開閉状態を判断するのは、電子機器６が液浸槽２に対して出し入れされ、液面高さ調整が必要となるのは、蓋３が開いた状態のときであることを考慮したものである。ステップＳ１の判断を行うことで、蓋３が閉じられ、液浸冷却システム１が運用中であるときに、例えば、地震等に起因する短時間の液面高さ変化が生じたとしても、調整装置５０は作動しない。ステップＳ１でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ２へ進む。

【0026】

ステップＳ２では、作動させる体積可変部材８を選択する。例えば、第一領域ＡＲ１の電子機器６を取り出したり、第一領域ＡＲ１に電子機器６を浸漬させたりする場合には、第一領域ＡＲ１に設けられた体積可変部材８が選択される。すなわち、電子機器６の出し入れの対象となっている領域に設けられた体積可変部材８が選択される。本実施例において、この選択は、オペレータによって行われるが、例えば、レール部材５に電子機器６の脱着を検知するセンサを設け、そのセンサの検知結果に基づいて作動させる体積可変部材８を選択するようにしてもよい。

【0027】

ステップＳ２に引き続いて行われるステップＳ３で、液面高さ制御が開始され、ステップＳ４において、制御部１４は、液面高さ観測部７から液面高さに関する情報を取得する。そして、ステップＳ５において、液面高さが予め設定された上限値よりも上であるか否かを判断する。ここで、上限値は、液浸槽２に設置された電子機器６が冷媒４から露出したり、溢れたりすることがないように設定された液面４ｓの許容範囲の上限である。ステップＳ５でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ６へ進む。なお、例えば、電子機器６が新たに浸漬された場合には、液面高さが上昇するため、ステップＳ５においてＹＥＳと判断される。

【0028】

ステップＳ６では、排出弁１２を開弁する。これにより、体積可変部材８内から空気が抜け始め、体積可変部材８が収縮する。ステップＳ６に引き続いて行われるステップＳ７では、制御部１４は、再度液面高さ観測部７から液面高さに関する情報を取得し、ステップＳ８において、液面高さが予め設定された上限値よりも上であるか否かを判断する。ステップＳ８でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ７からの処理を繰り返す。ステップＳ７及びステップＳ８の処理は、ステップＳ８でＮＯと判断されるまで、すなわち、液面高さが上限値以下と判断される状態となるまで継続される。

【0029】

ステップＳ８でＮＯと判断したときは、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、排出弁１２を閉弁する。ステップＳ９の処理を行った後は、ステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５では、ステップＳ１と同様に、開閉センサ３ａ１の検知結果に基づいて、蓋３が開いた状態であるか否かを判断する。制御部１４は、ステップＳ１５でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ４からの処理を繰り返す。これにより、電子機器６の出し入れ作業中において液面高さを所望の位置に維持することができる。ステップＳ１５でＮＯと判断したとき、すなわち、蓋３が閉じられたときは、電子機器６の出し入れが終了したものと判断され、ステップＳ１６へ進み、制御は停止される。

【0030】

一方、制御部１４は、ステップＳ５でＮＯと判断したとき、ステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０では、液面高さが下限値より下であるか否かを判断する。ここで、下限値は、液浸槽２に設置された電子機器６が冷媒４から露出したり、溢れたりすることがないように設定された液面４ｓの許容範囲の下限である。制御部１４は、ステップＳ１０でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１１へ進む。なお、例えば、電子機器６が取り出された場合には、液面高さが下降するため、ステップＳ１０においてＹＥＳと判断される。

【0031】

ステップＳ１１では、エアコンプレッサ１１を作動させるとともに、導入弁９を開弁する。これにより、体積可変部材８内に空気が導入され始め、体積可変部材８が膨張する。ステップＳ１１に引き続いて行われるステップＳ１２では、制御部１４は、再度液面高さ観測部７から液面高さに関する情報を取得し、ステップＳ１３において、液面高さが予め設定された下限値よりも下であるか否かを判断する。ステップＳ１３でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１２からの処理を繰り返す。ステップＳ１２及びステップＳ１３の処理は、ステップＳ１３でＮＯと判断されるまで、すなわち、液面高さが下限値以上と判断される状態となるまで継続される。

【0032】

ステップＳ１３でＮＯと判断したときは、ステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、エアコンプレッサ１１を停止し、導入弁９を閉弁する。ステップＳ１４の処理を行った後は、ステップＳ１５へ進む。また、ステップＳ１０でＮＯと判断したときも、ステップＳ１５以降の処理が行われる。ステップＳ１５以降の処理は、上述の通りであるので、ここでは、省略する。

【0033】

本実施形態の液浸冷却システム１は、調整装置５０を備える。これにより、液浸槽２内に浸漬されている電子機器６の台数や増減設、保守作業等による電子機器６の出し入れによる液浸槽２内の冷媒４の液面高さの変動を抑制し、液面高さを適切な範囲に維持することができる。

【0034】

冷媒４は、一般的に、水と比較して比重が高くまた高価である。この為、設置する場所の耐荷重や導入コスト面等から、冷媒４の使用量は極力削減する必要がある。このため、液浸槽２内の冷媒４の液面高さは、すべての電子機器６が浸ることができる範囲内でできるだけ低くなるように設計されることが望ましい。本実施形態の調整装置５０は、電子機器６の出し入れが行われても、液面高さを所望の範囲に維持することができる。このため、電子機器６の出し入れに起因する液面高さの変動に対応すべく、作業の都度の冷媒の補充や排出等の作業が不要である。また、液面高さの変動に対応するために液浸槽２を搭載する電子機器６の寸法より大幅に深く設計したり、冷媒４を液面位置が変動しても装置に影響が出ないほど余分に充填したりする等の対応が不要となる。

【0035】

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

【符号の説明】

【0036】

１ 液浸冷却システム
２ 液浸槽
３ 蓋
３ａ ヒンジ部
３ａ１ 開閉センサ
４ 冷媒
４ｓ 液面
５ レール部材
６ 電子機器
７ 液面高さ観測部
７ａ ガイド部
７ｂ フロート
８ 体積可変部材
９ 導入弁
１０ 導入パイプ
１１ エアコンプレッサ
１２ 排出弁
１３ 排出パイプ
１３ａ 開放端
１４ 制御部
５０ 液面高さ調整装置

【図1】

【図2】

【図3】