(57)【要約】【課題】電子装置ラックの冷却を促進するための装置および方法を提供すること。【解決手段】半導体素子を含む電子装置のための冷却装置は、冷媒を貯留し、周囲圧力より低い減圧下で冷媒を蒸発させて、冷却された冷媒を生成するエバポレータと、エバポレータとバイパス管を通って連通し、冷媒の蒸気から冷媒を再生するコンデンサと、電子装置の熱交換領域に冷却された冷媒を供給して、電子装置の高温側で半導体素子を通過する空気流と熱交換を行わせ、熱交換の後の前記冷媒をコンデンサに戻す、循環ポンプおよび配管とを含み、冷媒の圧力は、空気の流れとの熱交換領域で前記周囲圧力未満に維持される。【選択図】図１
2010072993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を含む電子装置のための冷却装置であって、前記冷却装置は、
冷媒を貯留し、周囲圧力より低い減圧下で前記冷媒を蒸発させて、冷却された冷媒を生成するエバポレータと、
前記エバポレータにバイパス管を通って連通し、前記冷媒の蒸気から前記冷媒を再生するコンデンサと、
前記電子装置の熱交換領域に前記冷却された冷媒を供給して、前記電子装置の高温側で前記半導体素子を通過する空気流と熱交換を行わせ、前記熱交換の後の前記冷媒を前記コンデンサに戻し、流れ制御部材が前記熱交換領域の上流に配置される、循環ポンプおよび配管とを含み、
前記冷媒の圧力は、前記流れ制御部材を介して前記熱交換領域で前記周囲圧力未満に維持される、冷却装置。
【請求項２】
前記第１のバイパス管は、前記冷媒の前記蒸気を前記コンデンサに戻すためのコンプレッサを含み、前記冷却装置は、さらに、前記減圧を制御するバルブを含む第２のバイパス管を含む、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
真空ポンプが、前記コンデンサに接続されて、前記コンデンサ内部の圧力を調整する、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記コンデンサ内の前記冷媒は、冷却設備または、前記冷媒の温度を調和するための冷却設備に保持された熱交換槽へ循環される、請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷媒は、水であり、前記半導体部材は、マイクロプロセッサユニットおよび中央演算ユニット、またはこれらのいずれか一方である、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記電子装置は、コンピュータによるコンピュータ演算を管理するデータセンタのコンピュータ・ルーム内に配置される、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記電子装置は、コンピュータ情報処理するための半導体素子、メモリ、入出力ユニットおよびバスを含むコンピュータ演算ユニットと、前記コンピュータ演算ユニット内に配置される低温区画とを含み、前記熱交換領域は、前記電子装置に着脱可能に装着され個別に用意されたドア式熱交換パネルであり、前記冷媒の前記配管は、前記低温区画内に延びる、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記冷媒は、水であり、前記水の温度は、前記冷却装置にわたって前記冷却装置の周囲温度よりも低い、請求項６に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記冷却装置は、検出信号線を介して、前記コンピュータ・ルーム内の周囲空気の温度、コンピュータ演算ノードの温度、前記電子装置の温度、および前記半導体素子の温度から選択される少なくとも１つの温度を検出するためのコントローラを含むコンピュータ・ルーム内の環境監視設備を含み、前記コントローラは、前記冷却装置の要素を制御して、前記冷媒の温度を１０℃から前記コンピュータ・ルーム内の前記温度まで維持しつつ、前記コンピュータ・ルーム内の周囲温度を所定のレベルとする、請求項６に記載の冷却装置。
【請求項１０】
冷媒シールド付き電子装置であって、前記冷媒シールド付き電子装置は、
コンピュータ情報処理するための部材を含むコンピュータ演算ノードであって、前記部材が、それぞれ、半導体素子、メモリ、入出力ユニットおよびバスを含む、該コンピュータ演算ノードと、
一組の側壁を含む、前記コンピュータ演算ノードを保持するためのラックであって、前記側壁が、それぞれ、該側壁の中に前記冷媒が通過可能である、該ラックと、
前記冷媒シールド付き電子装置に着脱可能に装着されるドア式熱交換パネルであって、前記ドア式熱交換パネルは、前記冷媒を受け入れ、前記冷媒のための流れ制御部材を介して前記冷媒の圧力が周囲圧力未満に維持されたサーペンタイン熱交換コイルを含む、該ドア式熱交換パネルと
を含む、冷媒シールド付き電子装置。
【請求項１１】
前記コンピュータ演算ノードは、前記コンピュータ演算ノード内に配置され前記冷媒により冷却される低温区画と、ファンとを含み、前記ファンは、前記コンピュータ演算ノード内部の前記部材を冷却するために、前記コンピュータ演算ノード中へと前記ドア式熱交換パネルとに向かわせる空気の流れを引き起こす、請求項１０に記載の冷媒シールド付き電子装置。
【請求項１２】
前記半導体素子を通過した後の前記空気の流れは、前記ドア式熱交換パネルを通過することで冷却された後、前記冷媒シールド付き電子装置の外に放出される、請求項１１に記載の冷媒シールド付き電子装置。
【請求項１３】
前記冷媒は、水であり、前記半導体素子は、マイクロプロセッサユニットおよび中央演算ユニット、またはこれらのいずれか一方である、請求項１０に記載の冷媒シールド付き電子装置。
【請求項１４】
前記冷媒シールド付き電子装置は、コンピュータによるコンピュータ演算を管理するデータセンタのコンピュータ・ルーム内に配置される、請求項１０に記載の冷媒シールド付き電子装置。
【請求項１５】
半導体素子を含む電子装置を冷却するための方法であって、前記方法は、
周囲圧力よりも低い減圧を有する冷却された冷媒を生成するステップと、
前記電子装置の高温側にある前記電子装置の熱交換領域を通過する配管を介して、前記冷却された冷媒を循環させるステップと、
前記半導体素子を通過した空気の流れと前記熱交換領域で熱交換を行うステップと、
前記冷媒の蒸気から前記冷媒を再生するためのコンデンサに、前記熱交換後の前記冷媒を戻すステップとを含み、
前記冷媒の圧力は、前記冷媒のための流れ制御部材を介して、前記熱交換領域で前記周囲圧力未満に維持される、方法。
【請求項１６】
前記方法は、さらに、前記蒸気を戻すための第１のバイパス管に接続されるコンプレッサおよび第２のバイパス管に接続されるバルブによって前記減圧を制御するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法は、さらに、前記コンデンサに接続された真空ポンプによって前記コンデンサ内部の圧力を調整するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法は、さらに、前記冷媒の温度を調和するための冷却設備により保持される熱交換槽または冷却設備を介して、前記コンデンサ内の前記冷媒を循環させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記冷媒は、水であり、前記半導体素子は、マイクロプロセッサユニットおよび中央演算ユニット、またはこれらのいずれか一方であり、前記電子装置は、コンピュータによるコンピュータ演算を管理するデータセンタのコンピュータ・ルーム内に配置され、前記方法は、さらに、
検出信号線を介して、前記コンピュータ・ルーム内の周囲空気温度、コンピュータ演算ノードの温度、前記電子装置の温度および前記半導体素子の温度から選択される少なくとも１つの温度を検出するステップと、
前記冷媒の温度を１０℃から前記コンピュータ・ルーム内の前記温度まで維持しつつ、前記コンピュータ・ルーム内の周囲温度を所定のレベルに制御するステップとを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
冷媒シールド付き電子装置であって、前記冷媒シールド付き電子装置は、
コンピュータ情報処理するための部材を含むコンピュータ演算ノードであって、前記部材が、それぞれ、半導体素子、メモリ、入出力ユニットおよびバスを含む、該コンピュータ演算ノードと、
一組の側壁を含む、前記コンピュータ演算ノードを保持するためのラックであって、前記側壁が、それぞれ、該側壁の中に前記冷媒が通過可能である、該ラックと、
前記冷媒シールド付き電子装置に着脱可能に装着されるドア式熱交換パネルであって、前記ドア式熱交換パネルは、前記冷媒を受け入れ、前記冷媒のための流れ制御部材を介して前記冷媒の圧力が周囲圧力未満に維持されたサーペンタイン熱交換コイルを含む、該ドア式熱交換パネルと
を含み、
前記コンピュータ演算ノードは、前記コンピュータ演算ノード内に配置され前記冷媒により冷却される低温区画と、ファンとを含み、前記ファンは、前記コンピュータ演算ノード内部の前記部材を冷却するために、前記コンピュータ演算ノード中へと前記ドア式熱交換パネルとに向かわせる空気の流れを引き起こし、前記冷媒は、水であり、前記半導体素子は、マイクロプロセッサユニットおよび中央演算ユニット、またはこれらのいずれか一方である、冷媒シールド付き電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子装置の水冷技術に関し、より詳細には、本発明は、電子装置を冷却するための装置および方法、冷媒シールドされた電子装置、および電子装置を冷却するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナル・コンピュータ、サーバ、ワークステーションおよびメインフレーム・コンピュータなどを含む電子装置は、典型的には、その安定な性能を維持するために、マイクロプロセッサユニット（以下、ＭＰＵと参照する。）または中央演算ユニット（以下、ＣＰＵと参照する。）などの熱源を冷却するための冷却装置を必要とする。また、近年は、高性能および高クロック・レートでの電子装置の動作が求められている。そして、電子装置からの熱発生は、コンピュータ技術において、古くも今なお新しい問題を増大させている。
【０００３】
この問題は、ただのＭＰＵおよび／またはＣＰＵの熱発生であるが、数ギガ・ヘルツの動作クロックレートの最近のＭＰＵでは、その熱発生の密度が原子炉の熱密度を超え、近い将来には、太陽の熱発生密度に達するという技術的予測がある。
【０００４】
熱発生問題を低減させるための一つの戦略は、ＭＰＵおよび／またはＣＰＵをマルチコア・アーキテクチャとして、全体性能を維持しつつ単一のコア当たりの命令を低減することである。しかしながら、単一のコアのクロックレートは、性能の向上に関連してますます高くなり、熱排出とプロセッサ性能との間のトレード・オフの問題は、近年のプロセッサ技術にとって高い障壁となるものと考えられる。
【０００５】
さらに、最近の電子装置は、互いに協動的に動作する多数のＭＰＵおよび／またはＣＰＵを用いる、つまり、いわゆるグリッド・コンピューティングおよび上述したマルチコア・アーキテクチャを用いる傾向があり、たとえＭＰＵおよび／またはＣＰＵのクロックレートが抑制されているとは言え、単位電子装置当たりの情報処理密度が増大する。この傾向は、将来、プロセッサ間でのマルチコア・アーキテクチャまたはグリッド・コンピューティングが普及するにつれ、また電子装置に対する高性能動作が求められるにつれ、加速されると考えられる。
【０００６】
上述したコンピューティング環境により、インターネット・データ、検索エンジンのための情報、企業内データなどの膨大な量の情報を取り扱うデータセンタでは、多数のコンピュータ演算設備を配置し、これらを相互に協動的に動作させている。このようなデータセンタは、高性能コンピュータ演算に対する要求の高まりに対処するために、このデータセンタのコンピュータ演算性能を発達させる傾向にある。そのため、コンピュータ演算に起因する地球温暖化問題、およびデータセンタのための投資コストの低減に関連して、データセンタの熱管理が、緊急に解決しなければならない重要な問題となる。
【０００７】
電子装置におけるＭＰＵおよび／またはＣＰＵからの熱排出を解決するための他の戦略としては、適切な冷媒によるＭＰＵおよび／またはＣＰＵに対する直接冷却アーキテクチャが知られている。
【０００８】
図１４は、電子装置のための空冷機構を用いた典型的な冷却システム１４００を示す。図１４に示す冷却システム１４００は、コンピュータ・ルーム内の空気調和を行いながら電子装置を冷却するために構成されている。コンピュータ・ルームの空間内には、電子装置１４４０が、フロア１４１０上に配置されて、種々のデータを演算処理している。電子装置１４４０は、例えば、ワークステーション、サーバ、および／またはメインフレーム・コンピュータなどでとすることができる。
【０００９】
チラー・ユニット１４２０は、コンピュータ・ルームに設置されて、フロア１４１０の下に設けられた空間１４５０に主として、冷却された空気（以下、冷却空気と参照する。）を供給する。空間１４５０は、冷却空気などの流路を与える。フロア１４１０は、冷却空気が空間１４５０からコンピュータ・ルームへ上向きに通り抜けることができる複数の多孔性パネルを含む。
【００１０】
フロア１４１０上の多孔性パネル１４３０の位置は、電子装置１４４０の冷却空気の取入口の位置に依存して決定される。冷却空気は、その空気取入口、つまり低温側で互いに向き合っている電子装置の間に与えられた空間に供給される。
【００１１】
図１５を参照すると、図１５に示す冷却装置の空気の流れ１５００の概略が示されている。冷却空気１５７０は、床下空間１５９５を通過し、多孔性パネル１５８０の位置で床下空間１５９５からコンピュータ・ルームへ流入する。多孔性パネル１５８０は、互いに低温側の面を向けて位置する電子装置の間に設置される。
【００１２】
冷却空気は、低温側から両方の電子装置内に引き込まれて、電子装置に組み込まれたＭＰＵおよび／またはＣＰＵと熱交換を行う。そして、加熱された空気１５９０は、両方の電子装置の高温側から放出される。その後、加熱され放出された空気１５９０は、上方に流れ、ＣＲＡＣｓ（つまり、コンピュータ・ルーム空気調和設備（Computing Room Air Conditioner）１５１０，１５６０）に向かって横方向に流れ、ＣＲＡＣｓ１５１０，１５６０内の空気調和部材によって冷却空気を再生する。それから、冷却空気１５７０は、電子装置の熱管理のために再び床下空間１５９５に供給される。
【００１３】
上述した従来の冷却装置は、冷却空気は、主に、ＭＰＵおよび／またはＣＰＵの冷却のために用いられる。すなわち、大部分の冷却空気は、電子装置を冷却するために消費される。そして、コンピュータ・ルームの空気調和設備を個別の空気調和システムとして準備する必要がある。あるいは、コンピュータ・ルーム内の全体的な空気調和を処理するために、ＣＡＲＣｓの冷却能力を増大させる必要がある。
【００１４】
これまで、情報処理装置の熱削除を扱うために、電子装置の直接冷却アーキテクチャが開発されている。例えば、特開２００２−３７４０８６号公報（特許文献１）は、ラックマウント搭載型情報処理装置のための冷却装置を開示している。特許文献１に開示される構成では、水冷構成を含むラックが用いられ、ラック・キャビネットの各柱内に水の流路が与えられている。柱を通過した水は、ラックに導入され、ＣＰＵ／ＬＳＩのための水冷ジャケットに導入されて、これによってラック内の要素を冷却している。
【００１５】
特開２００５−１０００９１号公報（特許文献２）は、水冷モジュールおよび強制空冷モジュールを共通化するためにＣＰＵ上に直接配置された冷却モジュールを開示し、これによって、空冷および水冷の両方のアーキテクチャを切り替えられるようにしている。
【００１６】
特開２００６−２８５６７０号公報（特許文献３）は、また、情報処理用ブレードおよびブレードを含む情報処理装置を開示している。開示のブレードは、ブレード内に提供される水路を通過する水によって冷却される。ＣＰＵまたは他の熱源は、ブレードと熱交換関係をもってブレード上に設置され、熱源は、水冷されたブレードにより冷却される。
【００１７】
上述したように、水冷アーキテクチャは、電子装置の冷却アーキテクチャとして適していると考えられる。しかしながら、水は、水が電子装置内に浸潤した場合に電気装置の漏電を引き起こしてしまうという潜在的な欠点を有することが知られている。電子装置の筐体内に漏水が生じた場合、データセンタなどの電子装置または設備は、甚大かつ高額な被害を受けてしまう。
【００１８】
またこれまで、漏水を解決するために多くの試みがなされている。例えば、特公平７−１１７３３０号公報（特許文献４）は、冷却水の循環経路内に腐食性イオン除去装置を設けた冷却装置を開示している。開示の除去装置は、腐食性因子の陽イオンを選択的に除去して、冷却装置の防食性を改善している。
【００１９】
電子装置の冷却システムからの危険性の高い漏水を改善する試みがなされたが、配管などの腐食のメカニズムは、今なお充分に解明されてはいない。そして、腐食およびその規模は、電子装置が置かれる特定の環境に実質的に依存するため、実際上、種々の条件下における腐食に起因した問題からの保護は、今なお確実なものではない。
【００２０】
加えて、漏水を起こす要因としては、腐食の他にも、例えば、衝撃による割れまたは破損、ジョイント接合の緩みなどが含まれる。このため、上記要因の全てを考慮すると、上記種々の要因を解決し、不利益を克服することには困難があった。
【００２１】
これらの結果として、今なお効果的な冷却装置が要求されており、そのニーズは、データセンターの熱管理が提供されているとしても、デバイスおよび情報処理技術の進歩によって高性能コンピュータ演算のパラダイムが実現されるにつれて、ますます大きくなっている。さらに、今なお電子装置の排熱を克服するための高まるニーズが存在し、このため、ＭＰＵおよび／またはＣＰＵを含む電子装置のための新規な冷却装置が望まれていた。
【特許文献１】特開２００２−３７４０８６号公報
【特許文献２】特開２００５−１０００９１号公報
【特許文献３】特開２００６−２８５６７０号公報
【特許文献４】特公平７−１１７３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
そして、本発明の目的は、コンピュータ演算による環境負荷を低減しつつ、水などの冷媒の漏洩を伴うことなく効率的かつ安全に、ＭＰＵおよび／またはＣＰＵ周りの熱を除去することを可能とするための装置を提供することである。
【００２３】
さらに、本発明の他の目的は、価値のある情報を協動的に処理するために、マイクロコンピュータ、ワークステーション、サーバおよびメインフレームなど多数の電子装置が連携して配置されるデータセンタへの適用に適した、電子装置を冷却するための方法を提供することである。
【００２４】
本発明のさらに他の目的は、電子装置から外部環境への熱排出を抑制し、同様に、データセンタの消費電力を抑制することによって、地球温暖化問題に貢献する冷媒シールド付き電子装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上述した従来の冷却装置の問題を解決するために、本発明は、周囲大気圧に対し減圧下での水などの冷媒の潜熱冷却装置が採用された電子装置を冷却するための装置を提供する。
【００２６】
本発明の実施形態では、電子装置を冷却する装置を提供することができる。電子装置は、冷却された冷媒により冷やされるＭＰＵおよびＣＰＵ、またはこれらのいずれか一方などの半導体素子を含む。冷媒は、エバポレータ内において、電子装置の周囲の大気圧に対し減圧の条件下での冷媒の蒸発潜熱によって冷却される。エバポレータ内で冷媒の蒸発が起こる時、潜熱が除去されるため、まだ液相にある冷媒が冷却されて、冷却された冷媒が用意される。
【００２７】
エバポレータ内の減圧は、冷媒のエバポレータとコンデンサとを連通するバイパス管により接続されるコンプレッサによって維持される。
【００２８】
冷却された冷媒は、例えばマイクロコンピュータ、エンタープライズ・サーバ、ワークステーションまたはメインフレーム・コンピュータなどの電子装置のケーシング、ラックおよびコンピュータ演算ノード、またはこれらの少なくとも１つの中まで延びた配管を通って循環され、電子装置から放出される空気の流れを冷やす。これによって、電子装置から放出された空気の流れが、この電子装置が置かれるコンピュータ・ルームなどの空間内の空気調和性能に対して、厳しい不利益を与えないようにすることができる。
【００２９】
さらに本発明によれば、冷媒は、電子装置と熱交換を行うための領域において周囲大気圧未満に維持されることができる。そして、冷媒は、予期しない冷媒の漏洩を解決するために、熱交換領域の上流に配置された流れ制御部材によって保持されてもよい。これにより、冷媒の漏洩の可能性を最小化することができる。
【００３０】
冷却する空気の流れと熱交換された後の冷媒は、反復的に減圧下にさらすためにエバポレータに戻されて、冷却された冷媒を再生する。
【００３１】
エバポレータに連通するコンデンサは、冷媒の加圧蒸気をコンプレッサの下流で受け、真空ポンプは、コンプレッサ下流の背圧を低減しつつコンデンサ内の圧力を調整する。コンデンサ内の冷媒は、冷却塔、他の適切な冷却設備または熱交換槽によって概ね室温まで冷却される。
【００３２】
本発明の他の実施形態では、冷媒シールド付き電子装置を提供することができる。冷媒シールド付き電子装置は、情報をコンピュータ演算するための部材、半導体素子、メモリ、入出力ユニット、バス、コンピュータ演算ユニットを保持するラックを含むコンピュータ演算ノードを含む。冷媒シールド付き電子装置は、さらに、一組の側壁を有する。この側壁は、それぞれ、その中に冷媒が通過することが可能とされる。冷媒シールド付き電子装置には、コンピュータ演算ノードおよびラックを取り囲むケーシングに、ドア式熱交換パネルが着脱可能に装着される。ドア式熱交換パネルは、冷媒を受容して、その中で冷媒の圧力が周囲大気圧未満に維持されるサーペンタイン型熱交換コイルを含む。
【００３３】
冷媒シールド付き電子装置は、コンピュータ演算ノード内に配置される低温区画とファンとをさらに含むことができる。低温区画は、コンピュータ演算ノードを通過する空気の流れと熱交換を行いながら冷媒によって冷却される。ファンは、コンピュータ演算ノード内の上記部材を冷却するために、コンピュータ演算ノードの中に周囲空気を流し込み、ケーシングの放出側へ向かう空気の流れを形成させる。
【００３４】
本発明のさらに他の実施形態は、半導体素子を含む電子装置を冷却するための方法が提供される。この方法は、
周囲圧力と比較して低い減圧を有する冷却された冷媒を生成するステップと、
電子装置の高温側にある電子装置の熱交換領域を通過する配管を介して、上記冷却された冷媒を循環させるステップと、
上記半導体素子を通過した空気の流れと上記熱交換領域で熱交換を行うステップと、
上記冷媒の蒸気から上記冷媒を再生するためのコンデンサへ上記熱交換の後の上記冷媒を戻すステップとを含み、
前記冷媒の圧力が、前記空気の流れとの熱交換領域で前記大気圧未満に維持される。
【００３５】
以下、本発明について、図面に示した実施形態をもって説明する。しかしながら、以下に説明される図面は、ただ本発明を説明するためのものであって、本発明に如何なる限定を与えるものではないことを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１は、装置、方法およびシールド付き電子装置が実装されたデータセンタ制御システムの概略を示す。データセンタ制御システム１００は、ＣＲＡＣ１１０と、複数の電子装置１２０〜１５０と、自動環境監視設備（以下、ＡＯＥＭＦと参照する。）１６０とを含む。これらの上記装置は、フロア厚板から離間してフロアパネル１７０上に配置され、ユーティリティ配管のための空間を形成している。フロアパネル１７０は、この空間を介して冷却された空気（以下、冷却空気と参照する。）を導き入れるための貫通孔が形成された区画を有していてもよい。
【００３７】
ＣＲＡＣ１１０は、コンピュータ・ルーム１９５内の空気調和およびコンピュータ・ルーム１９５内にある装置の熱管理を行う。ＣＲＡＣ１１０は、構内基幹空気調和システムから供給管１１８を介して冷却された冷媒を受け入れる。コンピュータ・ルーム１９５内の空気は、ファン１１２によりＣＲＡＣ１１０内に導き入れられて、熱交換器１１４で熱交換された後、コンピュータ・ルーム１９５内へ戻される。
【００３８】
水などの冷却された冷媒は、熱交換器１１４内へ供給されて、ＣＲＡＣ１１０内に導き入れられた空気と熱交換を行う。そして、この熱交換のために冷媒の温度が上昇する。加熱された冷媒は、それから、本発明の冷却装置に戻されて、冷却された冷媒を再生する。冷媒は、例えば、ＣＦＣ、ＨＣＦＣおよびＨＦＣなどのフレオン、または、例えば炭化水素、アンモニア、二酸化炭素、空気、水などの天然媒体など、既知の冷却媒体から選択することができる。しかしながら、人の健康への影響および地球環境の観点から、水が冷媒として最も可能性のある候補である。以下の最良の実施形態の説明では、冷媒が水であるとして、本発明を説明する。
【００３９】
本実施形態において、電子装置は、複数のコンピュータ演算ユニット１２０〜１５０を含む。しかしながら、これらに限定されるものでなく、ルータ、プリンタなどの他の電子装置がコンピュータ・ルーム１９５内に存在していてもよい。コンピュータ演算ユニットは、それぞれ、サーバ１２２〜１２６、サーバ１３２〜１３６、サーバ１４４〜１４８、サーバ１５２〜１５６を含む。各サーバは、少なくともＭＰＵ、ＲＡＭおよび／またはＲＯＭなどのメモリ、Ｉ／Ｏインタフェースを含み、それぞれサーバに近接して配置されたファンにより、冷却空気が、各サーバ１２２〜１２６，１３２〜１３６，１４４〜１４８，サーバ１５２〜１５６に導き入れられる。
【００４０】
図１に示す実施形態においては、コンピュータ演算ユニット１２０〜１５０は、異なる冷却アーキテクチャを含んでいる。図１に示す実施形態は、冷却アーキテクチャのバリエーションとしての一例であり、本発明の冷却アーキテクチャは、コンピュータ演算ユニットの間で異なっている必要はなく、他の実施形態では、図１に示すアーキテクチャから選択される１つのタイプの冷却アーキテクチャをデータセンタに導入することができる。一例として、コンピュータ演算ユニット１２０は、このコンピュータ演算ユニット１２０のケーシングまたはラックに着脱可能に装着される後部ドア式熱交換器１２８を含む。後部ドア式熱交換器１２８が用いられる場合、サーバ１２２〜１２６を通過する空気は、後部ドア式熱交換器１２８と熱交換された後にコンピュータ・ルーム１９５へ放出される。本発明の冷却装置からの冷却された水（以下、冷却水と参照する。）は、後部ドア式熱交換器１２８に導き入れられ、サーバ１２２〜１２６から放出された空気と熱交換された後に、冷却水を再生するために冷却装置に戻される。コンピュータ演算ユニット１２０の後部ドア式熱交換器１２８は、典型的には、サーバ１２０の熱負荷の概ね５０％を除去する。冷却装置の構成については、詳細を後述する。
【００４１】
同様に、コンピュータ演算ユニット１３０に前部ドア式熱交換器１３８が配置される。前部ドア式熱交換器１３８は、後部ドア式熱交換器と実質的に同一構成を有し、その中に冷却水が導き入れられて、コンピュータ演算ユニット１３０から放出された空気と熱交換した後、加熱された水が本発明の冷却装置に戻される。上記後部ドア式熱交換器１２８および前部ドア式熱交換器１３８は、以下、通常、ドア式熱交換器（以下、ＤＨＥＸ（Door Heat EXchanger）として参照する。）として参照する。冷却装置およびＤＨＥＸの構成については、詳細を後述する。
【００４２】
コンピュータ演算ユニット１４０において、さらに他の実装が採用されている。コンピュータ演算ユニット１４０は、本明細書でサイドカーと呼ぶアーキテクチャで構成される。コンピュータ演算ユニット１４０は、そのコンピュータ演算ユニット１４０の筐体１４０ａ内に空気を囲い込む。筐体１４０ａ内のサーバラック１４２は、冷却装置からの水がラック１４２内に形成された水路を通って循環される熱交換器として構成される。サーバから放出された空気は、筐体１４０ａ内で循環し、これによって、コンピュータ演算ユニット１４０からの排熱は、熱収支を制御することによって本質的に遮断される。サイドカー型アーキテクチャでは、サーバの熱負荷は、コンピュータ演算ユニット１４０から放出された熱が筐体１４０ａ内に理想的にシールドされた場合には、概ね１００％除去される可能性がある。
【００４３】
さらに他の実装の実施形態が、図１において提供されている。コンピュータ演算ユニット１５０は、複数のサーバを含む。サーバは、それぞれ、ＭＰＵ１５８ｂと熱交換関係をもって配置されるコールド・プレート１５８ａを含む。冷却装置からの冷却水は、コールド・プレート１５８ａに導き入れられて、ＭＰＵ１５８ｂを冷却し、そして、冷却装置に戻されて、冷却水が再生される。上記複数のコンピュータ演算ユニット１１０〜１５０は、一連のポンプ１１８ｂ〜１１８ｅを経て水冷媒が供給されている。ポンプ１１８ｂ〜１１８ｅは、それぞれ、独立した配管を介して大気圧未満で水を供給する。ポンプ１１８ｂ〜１１８ｅは、好適には、ターボタイプ・ポンプ、遠心ポンプおよび／またはスクリュー・ポンプなどの非容積型ポンプから選択される。またポンプ１１８ｂ〜１１８ｅは、流れ制御部材として働き、たとえ予期しない漏水が起こり、ポンプの正圧、つまり各ポンプの下流側方向の圧力が大気圧まで上昇した場合に、水の逆流を可能にする。他の実施形態では、流れ制御部材は、図１に明示するように、データセンタ制御システム１００に配置することができる。流れ制御部材は、それぞれ、漏水による非常事態に対処し、水回帰管の減圧側に水を戻すために、圧力感応性バルブ１９４ａ〜ｅを介して熱交換部材の上流側に接続された配管１９２ａ〜１９２ｅを含む。圧力感応型バルブ１９４ａ〜１９４ｅは、コンピュータ演算ユニット１２０〜１５０内の熱交換領域における圧力上昇に対処するために、取入口側と取出口側とにわたる圧力差が、０．０１ＭＰａ〜０．１０１３２５ＭＰａの所定の圧力閾値以上になった場合に活性化される。この閾値は、特定の応用に応じて適切に設定することができ、圧力感応型バルブ１９４ａ〜１９４ｅは、コントローラ１６２によりコントロールすることができる。
【００４４】
上記コンピュータ演算ユニットについて、さらに、データセンタ制御システム１００は、ＡＯＥＭＦ１６０を含む。ＡＯＥＭＦ１６０は、コントローラ１６２を含み、コンピュータ・ルーム内の周囲空気温度、サーバの温度、ＭＰＵの温度から選択される少なくとも１つの温度を、検出信号線１８０，１９０を介して検出する。コントローラ１６２は、本発明の冷却装置の要素の制御に検出結果をフィードバックして、所定のレベルでコンピュータ・ルーム１９５内の空気の調和を維持する。ＡＯＥＭＦ１６０は、コンピュータ演算ユニット１２０〜１５０のいずれか１つに装着される冷却アーキテクチャを含むことができる。
【００４５】
ここで、図２を参照して、冷却装置２００の概略構成を説明する。冷却装置２００は、電子装置２１０と、破線の長方形で囲まれた部材を含む水冷媒圧縮型チラー・ユニット（以下、簡単にＷＣＵと参照する。）２３０とを含む。電子装置２１０は、少なくともＭＰＵおよび／またはＣＰＵを含み、コンピュータ演算結果を外部に返して、変数情報を提供するか、または外部デバイスを制御する。
【００４６】
電子装置２１０は、一般的には、例えば、パーソナル・コンピュータ、サーバ、ワークステーション、メインフレーム・コンピュータ、周辺インタフェースなどのコンピュータ、またはこれらの如何なる他の組合せから選択することができ、フロア２２０上に配置される。フロア２２０は、図１４に示すように、個別のＡ／Ｃシステムが既に備え付けられている場合には、その個別のＡ／Ｃシステムによって供給される冷却空気を取り入れるために、多孔性パネルを有することができる。冷却装置２００は、好適には、多数のコンピュータが種々の価値のある情報を処理するために運用管理されている如何なる建物または地下トンネルのデータセンタ内に構成することができる。
【００４７】
電子装置２１０は、通常、コンピュータ演算ノード２１２およびファン２１４を含むセットを含んで構成される。ファン２１４は、コンピュータ・ルーム内の周囲温度の空気の流れ２１６を作り出し、この空気の流れは、矢印で示すようにコンピュータ演算ノード２１０を通って流れる。用語「コンピュータ演算ノード」は、本明細書では、コンピュータ演算において主要な役割を果たし、ＭＰＵおよび／またはＣＰＵ、メモリ、およびこれらとのインタフェースを適切なパッケージ内に取り囲む電子装置２１０の一部材として、参照する。電子装置がサーバである場合、複数のコンピュータ演算ノード２１２が、その中に取り囲まれて、サーバの要求された機能を提供する。
【００４８】
コンピュータ演算ノード２１２を通過した空気の流れは、本発明の実施形態による熱交換コイル２３４によって概ね周囲温度まで冷やされた後、空気の流れ２１８として放出される。他の実施形態では、ファン２１４は、電子装置２１０の左側（低温側）より、むしろその右側（高温側）に配置することができる。この実施形態では、ファンは、コンピュータ演算ノード２１２から熱交換コイル２３４に向かって空気を取り込み、熱交換コイルを通過させる。
【００４９】
熱交換コイル２３４は、電子装置２１０を貫通して延び、これによって、ＭＰＵなどとの熱交換により加熱された後の空気が、熱交換コイル２３４との熱交換プロセスを容易に受けるようしている。電子装置内の熱交換コイル２３４が延びる領域は、電子装置の熱交換領域を画定する。説明する実施形態では、熱交換コイル２３４は、熱い空気がコンピュータ・ルームに直接放出されないようにする機能を提供する。そして、電子装置２１０は、この電子装置２１０が配置されるデータセンタのための基幹冷却装置に、有為な追加の熱負荷を与えないと考えられる。
【００５０】
ＷＣＵ２３０は、電子装置２１０へ供給するべく冷却水を生成する。ＷＣＵ２３０は、冷媒として水を貯留するエバポレータ２３６およびコンデンサ２３８を含む。エバポレータ２３６は、大気圧または、電子装置が配置されるコンピュータ・ルーム内の周囲圧力と比較して、減圧の条件下で水を蒸発させる。コンデンサ２３８は、エバポレータ２３６と、複数のバイパス管を介して連通して配置され、エバポレータ２３６から転送された水蒸気を液体相に戻す。
【００５１】
エバポレータ２３６およびコンデンサ２３８は、連結管２５８により連通し、水レベル２５４，２５６を釣り合うように維持して、冷却装置を通る水の循環の水頭を安定化させている。
【００５２】
エバポレータ２３６およびコンデンサ２３８内の残余空間も、また、バイパス管２４０、２４４によって連通する。バイパス管２４０およびバイパス管２４４は、それぞれ、コンプレッサ２４２およびバイパス・バルブ２４６を含む。上述したように、エバポレータ２３６は、その中の水の蒸発潜熱によって水を冷却する冷蔵装置として動作する。冷却を目的として、エバポレータ２３６内の残余空間は、コンプレッサ２４２により排気される。バイパス・バルブ２４６は、バルブの開閉レベルを変化させることによってエバポレータ２３６内の減圧レベルを制御する。同様に、コンデンサ２３８は、真空ポンプ２５０によって、コンデンサ２３８に連通する配管を介して排気され、コンプレッサ２４２から転送される加圧水蒸気を補足するために、コンデンサ２３８内の残余空間の圧力を定常状態としている。
【００５３】
コンプレッサ２４２は、如何なるタイプのコンプレッサまたはポンプから選択することができる。説明する実施形態では、コンプレッサ２４２は、機械昇圧ポンプとすることができる。ここで、機械昇圧ポンプは、π／２ラジアンの位相差を有し、互いに近接する対照かつ同形のロータにより媒体を圧縮するものである。また、バイパス・バルブ２４６は、そのバルブが、制御された範囲でエバポレータ２３６とコンデンサ２３８との間で連通を与える限り、如何なるバルブを選択することができる。
【００５４】
エバポレータ２３６内の圧力は、これゆえ、減圧される。エバポレータ２３６内では、水の蒸発によって、液体相の水から水の潜熱が取り去られる。したがって、ＷＣＵ２３０は、水の蒸発速度および蒸発潜熱によって、適切な温度範囲を有する冷却水を生成することができる。冷却水の温度は、０℃からコンピュータ・ルームの周囲温度までの範囲とすることができ、好適には、温度は、０℃〜２５℃の範囲とすることができる。この温度は、より好適には、コンピュータ・ルームの周囲温度から低温側にオフセットして設定することができ、すなわち、データセンタの基幹Ａ／Ｃシステムの特定の設定に依存して予め決定された所定のオフセット値に設定することができる。
【００５５】
このような所定のオフセット温度は、特定の条件に依存して設定することができ、典型的に、コンピュータ演算ユニットに対しては、所定のオフセット値は、約１０℃〜約２０℃の範囲とすることができる。温度差が大きいと熱交換効率が高められることから、冷却効率のためには、より低い温度が適している。しかしながら、水温が、所与の温度差を越えて低くなりすぎると、周囲の空気からの水の凝縮が起こる可能性がある。
【００５６】
同様に、本実施形態では、冷却装置が水用の加熱素子を含んでいないため、周囲温度よりも高い温度には到達することができない。そして、本発明は、水の凝縮を引き起こさない温度から周囲温度までの間で容易に動作することができる。コンプレッサ２４２、および協動制御されるバイパス・バルブ２４６によるエバポレータ２３６の排気速度は、大気からの水の凝縮を回避するために冷却水の温度を考慮して、また、典型的には０．１０１３２５ＭＰａである大気圧より低圧に維持しつつ、水のレベルを配管２３２の最上部の頂点まで持ち上げる圧力差を考慮して、維持される。水の圧力条件については、の詳細を後述する。
【００５７】
図２の冷却装置の他の実施形態では、複数の圧力センサを配管２３２に配置することが可能であり、これによって、配管内の水の圧力を監視することができる。この実施形態では、冷却装置２００のための制御ユニット（図示せず）は、インラインの圧力を監視し、コンプレッサ２４２の動作およびバルブ２４６の開閉レベルを制御して、動作期間の範囲の間、インラインの圧力が大気未満となるように維持する。また、ＡＯＥＭＦ１６０などの制御ユニットは、インラインの圧力の揺らぎから漏水を検査し、システム管理者に警告する。
【００５８】
コンデンサ２３８内の水２５４は、温度調節のために冷却塔２６０に供給される。冷却塔２６０により温度調整された水冷媒は、配管２６２を通って循環され、コンデンサ２３８内に散布されて戻される。
【００５９】
冷却塔２６０は、構内基幹Ａ／Ｃラインのための他の冷却塔とは個別に構成することができる。あるいは、データセンタの建物が冷却水循環型のＡ／Ｃシステムを採用している場合には、最良の実施形態に比べ冷却装置のＣＯＰが高くなるが、冷却塔２６０は、構内基幹Ａ／Ｃラインのために提供された冷却塔と共用させてもよい。本発明のさらに他の実施形態では、冷却塔２６０は、開放型水冷アーキテクチャを採用することができる。開放型水冷アーキテクチャでは、冷却塔２６０が貯留する水は、井戸水、河川水および／または地下水とすることができる。この水は、冷却されるか、またはデータセンタの位置における自然気候に依存していくらかの加熱が必要であれば、地熱によって加熱される。代替実施形態では、冷却塔２６０は、最良の実施形態に対しては総ＣＯＰが低くなるが、ターボ型冷蔵装置や従来の相互膨張型冷蔵装置などの他の適した冷却設備によって置き換えることもできる。
【００６０】
上記ＷＣＵ２３０は、水の蒸発潜熱によって適した温度範囲に冷却された水を作成することができる。冷却水は、その後、電子装置２１０内でコンピュータ演算ノードを通過する空気の流れと再び熱交換を行うために、配管２３２を介して電子装置２１０に戻される。
【００６１】
その後、冷却水との熱交換の後の空気の流れ２１８は、周囲環境に放出され、これによって、本実施形態は、コンピュータ演算により生成される熱による周囲温度に対する不利益を低減することができる。この温度の低減は、全体の熱削除を、約５０％を低減する。この低減は、構内期間Ａ／Ｃの冷却能力の低減に寄与して、これによって、所定のコンピュータ演算性能を仮定すると、メンテナンス・コストおよび／または運用コストは、低減される。
【００６２】
さらに本実施形態では、電子装置２１０を通過して循環する水の圧力は、上述したように、０．１０１３２５ＭＰａ未満に維持される。そして、水の圧力は、５ｋＰａ（概ね大気圧の１／２０）程度まで減圧することができる。減圧の範囲は、約５ｋＰａから大気圧未満までの範囲とすることができる。それゆえに、もし漏水が起こった場合でも、漏洩した水が直ちに熱交換コイル２３４の外側に出ず、漏水の問題を低減する。この目的で、本発明は、水用の流れ制御部材を含むことができる。１つの実施形態では、このような流れ制御部材は、循環ポンプ２４８とすることができる。この実施形態では、循環ポンプ２４８は、ポンピングのために一方向流れを生じさせるための翼または歯車によって圧力室または区画内で水を分離しないタイプのものから選択することができ、循環ポンプ２４８は、いわゆる非容積型ポンプから選択することができる。このような非容積型ポンプは、例えば、減圧条件下に好適に適合するキャンドタイプで構成されたタービン・ポンプ、遠心ポンプおよび／またはスクリュー・ポンプから選択することができる。上述の実施形態に加えて、流れ制御部材についての他の実施形態は、熱交換コイル２３４の上流管に配置される放水管を採用することである。放水管は、圧力感応型バルブを介してエバポレータ２３６に連通する。圧力感応型バルブは、大気圧未満で活性化され、これによって、熱交換コイル２３４内を流れる水が電子装置内に漏れることができなくなる。上記非容積型循環ポンプおよび／または放水管は、圧力感応型バルブにより活性化される。
【００６３】
さらに、循環ポンプ２４８は、例示を目的として、図２において一段で図示しているが、しかしながら、循環ポンプ２４８は、一連の非容積型ポンプによって置き換えて、各ポンプを低水頭とした多段ポンピングを達成することができる。多段ポンピング構成において低水頭ポンプが選択されるため、冷却水の圧力は、一段のポンピングと比較して、大気圧に対して低く維持することができる。
【００６４】
循環ポンプ２５２および循環ポンプ２６６は、それぞれ、矢印Ｃおよび矢印Ｄに示す方向に水を転送する役割を果たすに過ぎないため、性能を考慮して、如何なる従来タイプのものから選択することができる。
【００６５】
図３は、他の実施形態の冷却装置を示す。図３に示す冷却装置３００は、図３に示す冷却装置とほとんど同一構成を有する。しかしながら、冷却装置３００は、冷却塔３７０からの水が循環される熱交換槽３６０を含む。
【００６６】
第２の実施形態では、水は、配管３６２を介して、冷却塔３７０ではなく、矢印Ｃの方向に熱交換槽３６０へ循環される。水は、熱交換槽３６０内で冷却されて、そして、配管３６２に配置される散布部材を介してコンデンサ３３８へと戻される。
【００６７】
水は、図２に示す実施形態と類似のアーキテクチャで構成される循環ポンプ３４８によって、エバポレータ３３６から配管３３２を通って電子装置３１０へ供給される。それから、冷却水は、コンピュータ演算ノード３１２内で熱交換により空気の流れ３１６から熱を取り去る。冷却された空気の流れ３１８は、コンピュータ・ルームへ放出され、加熱された水がエバポレータ３３６へ戻される。その後は、冷却水の再生サイクルは、図２に示すように繰り返されることとなる。
【００６８】
図３の実施形態では、冷却塔３７０は、冷却装置のための追加の冷却塔を提供するよりも、むしろ構内基幹Ａ／Ｃラインと共用することができる。共用する実施形態では、本発明の冷却装置は、矢印Ｄの方向に水を転送する追加の配管３８０を追加することによって、電子装置に追加され、構内Ａ／Ｃライン用の冷却塔３７０に接続される。これは、構内基幹Ａ／Ｃラインに対し影響が最小であると考えられる。それゆえ、図３に示す冷却装置は、データセンタが水循環型の基幹Ａ／Ｃシステムを利用する場合に、さらに、データセンタに対し冷却装置の低い導入コストを与えることができる。また、図３の実施形態では、冷却塔３７０は、最良の実施形態に対しては総ＣＯＰが低くなるが、ターボファン型冷蔵装置や既存の冷蔵装置などの他の適した冷却設備によって置き換えることもできる。この実施形態では、冷却設備は、熱交換槽３６０の水温を調節する。
【００６９】
ここで図４を参照すると、本発明による冷却機構４００の実施形態の詳細が図示されている。説明する実施形態において、いわゆる「エンタープライズ・サーバ」である電子装置４１０は、内部に複数のコンピュータ演算ノードを包含し、それぞれのコンピュータ演算ノードは、その動作によって熱を生成する。電子装置４１０は、他の実施形態では、メインフレーム・コンピュータおよび／または、サーバ、メインフレーム・コンピュータ、およびこれらのインタフェース装置の如何なる組合せとすることができる。
【００７０】
コンピュータ・ルーム内の空気４６０，４７０は、ファン（図示せず。）の働きにより低温側から電子装置４１０内に取り込まれ、コンピュータ演算ノードの間を通り抜ける。電子装置４１０へ流れ込んだ空気は、矢印４８０に図示する方向に移動する空気の流れとして、加熱される。矢印４８０においては、基点側４８０ａが低温側であり、先端側４８０ｂが高温側である。図４においては、矢印のハッチングの濃度によって温度分布の概略が図示されている。濃淡が明るくなるにつれ、温度が低くなる。典型的には、先端側の温度は、ＭＰＵおよび／またはＣＰＵとの熱交換に起因して約６０℃またはそれ以上となる。
【００７１】
図４に図示する実施形態は、熱交換コイル２３４または熱交換コイル３３４は、電子装置４１０の後部または前部に装着されたドア式熱交換器４２０の一部として構成されている。電子装置４１０は、多孔を有さないフロアパネル４４０と、多孔を有するフロアパネル４５０とを含むフロア上に配置される。
【００７２】
フロアパネル４４０および多孔性フロアパネル４５０は、ベースフロアレベル４９０から充分に離間して支持され、冷却用の配管などのためのユーティリティ空間として用いられる空間４９５を提供している。多孔性フロアパネル４５０は、冷却空気が空間４９５からコンピュータ・ルームおよび電子装置４１０内に流れ込むことを可能とする。またフロアには、開口４３０が提供され、本発明の冷却装置からの配管が通されている。
【００７３】
説明する構成では、開口４３０に通された配管により水が取り入れられ、ＤＨＥＸ４２０の本質的な部材である熱交換コイルに水用の配管が接続される。水が取り入れられて熱交換コイルを通ってＤＨＥＸ４２０内で循環される。まさにＤＨＥＸ４２０を通過している加熱された空気は、ＤＨＥＸ４２０の熱交換コイル内を流れる水と熱交換にさらされる。そして、加熱された空気は、適切な温度まで冷まされた後、矢印４８０ｃで示すように、コンピュータ・ルームの周囲雰囲気に放出される。
【００７４】
ここで、図５を参照して、本発明の他の冷却機構５００を説明する。図５に図示する実施形態では、空気および水の流れについての大部分の構成は、図４に示す実施形態と同一である。図５の実施形態は、配管５３０内の循環の間の圧力損失に対応して加圧するためのポンプユニット５３５を含む。ポンプユニット５３５は、水の圧力を大気圧下に維持しながら、配管内の圧力損失および水頭に対抗して円滑な水の循環を確実なものとしている。
【００７５】
図６は、図５に概要を示したドア式熱交換器（ＤＨＥＸ）パネル６００の詳細な斜視図を示す。図６（ａ）は、前方斜視図を示し、図６（ｂ）は、後方斜視図を示す。ここで、用語「前方」は、電子装置のケーシングの外に面した側をいい、用語「後方」は、電子装置のケーシングの内部に面した側をいう。図６のＤＨＥＸ６００は、熱交換コイル６１０と、支持フレーム６２０と、支持リム６３０とを含む。熱交換コイル６１０は、図２および図３に示した２３４，３３４に対応する。熱交換コイル６１０は、ＤＨＥＸパネル６００の横方向および縦方向に広がるサーペンタイン構造を有し、ＤＨＥＸパネル６００の有効面積にわたって均一かつ効果的な熱交換を確実なものとしている。
【００７６】
フレーム６２０は、熱交換コイル６１０および、支持フレーム６２０から延びる支持リム６３０を確実に支持する。支持リム６３０は、ネジ、ボルト・ナットの組、クイック・コネクタなどの固定手段により、複数の開口６４０，６５０を介して、電子装置の部材を取り囲むコンピュータ演算ユニットの前部および／または後部に着脱可能に固定される。熱交換コイル６１０は、冷却領域の横縁に配置される内部配管６６０と連通する。この内部配管６６０を通って、水が熱交換コイル６１０から流れ、また熱交換コイル６１０へ流れる。
【００７７】
ここで図７を参照すると、ＤＨＥＸパネル６００の拡大構造７００が示されている。図７（ａ）は、ＤＨＥＸパネル６００の平面図を示し、図７（ｂ）は、その矢印Ｅの方向からの側面図を示す。図７（ａ）に示すように、熱交換コイル６１０は、冷却領域６８０を緻密に覆い、これによって、熱交換効率の不均一性を回避し、かつ熱交換性能を向上させている。同様に、図７（ｂ）に示すように、熱交換コイル６１０は、空気の流れとの有効な熱交換領域を増大させるために、またＤＨＥＸパネル６００の熱交換性能を改善するために、空気の流れの方向に沿って傾いている。
【００７８】
冷却水を循環させることを可能するために、配管６７０が内部配管６６０の終端からＷＣＵに接続される。内部配管６６０および配管６７０は、溶接、はんだ付け、または鑞付けによって直接固定することができる。あるいは、内部配管６６０および配管６７０は、電子装置のメンテナンスを考慮して、適切な着脱可能なコネクタによって互いに接合される。
【００７９】
図８は、水冷媒シールド付き電子装置８００の例示の実施形態をＤＨＥＸパネル６００とともに示す。ここで、水冷媒シールド付き電子装置８００では、水冷媒圧縮により作成された冷却水が、図２および図３に示した本ＷＣＵ２３０またはＷＣＵ３３０により供給されている。図８に示す実施形態では、ＤＨＥＸパネル６００は、後部ドア式熱交換器として形成される。シールド付き電子装置８００は、ケーシング８１０、つまりいわゆるアタッチメント・フレームを含む。ケーシング８１０は、ラック、コンピュータ演算ノード、および種々の配管などを取り囲んでいる。図８に図示するものと同一の構造を、熱交換パネルが配置される位置が前方であるか後方であるかと、空気の流れの方向とが異なるだけで、前方ドア式熱交換器にも適用することができる。ケーシング８１０内には、ラックの一組の側壁８３５，８４５と、複数のコンピュータ演算ノード（ノード＃１〜ノード＃Ｎ）と、ＤＨＥＸパネル８５０とが組み込まれて、熱管理条件下においてコンピュータ演算機能を提供している。ラックは、コンピュータ演算ノード（ノード＃１〜＃Ｎ）をケーシング８１０内に安全に支持している。
【００８０】
例示の実施形態では、ＤＨＥＸパネル８５０は、一方のラック終端部でヒンジ付けによりラックの後方終端に装着され、これによって、個別に後部ケーシングに組み込まれている。代替実施形態では、ＤＨＥＸパネル８５０は、ケーシング８１０の一方の終端部でヒンジ付けされることによりケーシング８１０に組み込むこともでき、これによって、ＤＨＥＸパネル８５０の取り扱いがケーシング８１０の動きに統合される。上記シールド付き電子装置８００は、嵌合されたコネクタにより、冷却水がラックの側壁からコンピュータ演算ノード８３０に供給される。側壁は、水の流路として働きながら、水を蓄えるためのマニホールド（manifold）を提供する。ここで、図８を参照して、水冷媒シールドの冷却機構について、詳細を説明する。
【００８１】
第１の配管システムとして、Ａ／Ｃ供給管８７０からの水が、ＷＣＵセット８６０内のＷＣＵ１へ導き入れられる。ここで、ＷＣＵセット８６０は、本発明により冷却水を再生するＷＣＵ１およびＷＣＵ２を含むものである。ＷＣＵ１からの冷却水は、側壁８４５へ導き入れられる。側壁８３５，８４５は、同じ垂直レベルで互いに向き合う複数の接合コネクタを含む。コンピュータ演算ノード８３０は、公称条件下で水を漏らさないようなコネクタによって、接続配管８４０を介して同一の垂直レベルに位置する各コネクタに接続される。
【００８２】
説明する実施形態では、側壁８３５，８４５は、Ｎ個のコンピュータ演算ノードを保持し、冷却水が両方の側壁８３５，８４５からコンピュータ演算ノードへ導き入れられて、梯子状の流路を形成している。水は、例えばコンピュータ演算ノード８３０内部の部材と熱交換を行いながら、コンピュータ演算ノード８３０内を流れる。それから、水は、コンピュータ演算ノード８３０の外部へ流れ出し、側壁８４５へ導入される。その後、水は、逆方向にコンピュータ演算ノード（ノード＃Ｎ−１）へ流れ、再び側壁８３５に導き入れられる。同様の流路が、ＷＣＵ１への配管８１５が接続する排出位置まで提供される。水は、配管８１５からＷＣＵ１への排出される位置に対応する排出ポイントに到達する。
【００８３】
第２の配管システム２は、ＷＣＵ２によって提供される。配管システム１と同様に、新しい冷却水が流れる。しかしながら、配管システム２がＤＨＥＸパネル８５０での熱交換のために提供されていることから、ＷＣＵ２からの冷却水は、側壁８３５の低い位置で導き入れられる。側壁８３５から排出された水は、ポンプされて、ＤＨＥＸパネル８５０での熱交換に供するために、コネクタ８３５ａからＤＨＥＸパネル８５０の下部終端に装着されたコネクタ８５０ａへとＤＨＥＸパネル８５０内へ導き入れられる。
【００８４】
ＤＨＥＸパネル８５０に導き入れられた水は、ＤＨＥＸパネル８５０の熱交換コイルを通って流れ、コンピュータ演算ノード８３０などを通過した空気の流れと熱交換を行う。それから、加熱された水は、コネクタ８５０ｂから排出されて、配管８２５を介して、側壁の下部終端のコネクタ８４５ａから側壁８４５へ伝搬される。そして、役目を果たした水は、最終的には、側壁８４５に形成された排出ポートから排出され、ＷＣＵ１に戻されて、戻された水から冷却された新しい水が再生される。
【００８５】
上述した水の流れは、配管システム１および配管システム２における圧力のバランスを考慮した１つの可能な実施形態である。しかしながら、当業者によれば、実際の事例における特定の構成を考慮して、流路の設計が調整できることが理解されるであろう。
【００８６】
図９は、図８に示したシールド付き電子装置８００の概略的なブロック・ダイアグラム９００を示す。図９に示すように、シールド付き電子装置８００は、通常、長方形９１０内の部材を含み、このような部材は、ケーシング９２０と、コンピュータ演算ノード９４０と、およびＤＨＥＸパネル９６０とを含む。ＤＨＥＸパネル９６０は、シールド付き電子装置の前方および後方またはこれらいずれかの側で、安全に保持される。ＤＨＥＸパネル９６０は、上述したようにラックまたはケーシング９２０に取り付けることができる。説明する実施形態では、ＤＨＥＸパネル９６０は、電子装置の後部側に取り付けられる。ケーシング９２０は、空気取込口９３５を有するフロントパネル９３０からＤＨＥＸパネル９６０へ延びて、コンピュータ演算ノード９４０などを含む部材を取り囲んでいる。ＷＣＵ９７０は、配管９８０，９９０を介し、ＤＨＥＸパネル９６０と連通し、これによって、空気の流れと水との熱交換を達成し、さらに、コンピュータ演算ノード９４０と連通している。
【００８７】
図９に示す実施形態では、配管システム９８０，９９０は、図９に示す実施形態に沿って設計することができる。しかしながら、ＷＣＵ９７０は、配管システム９８０がＤＨＥＸパネル９６０へ水を供給し、配管システム９９０がコンピュータ演算ノード９４０に水を供給するというように、ＤＨＥＸパネル９６０およびコンピュータ演算ノード９４０へ水を独立して供給することができる。
【００８８】
配管システム９８０は、破線で示すように、ＷＣＵ９７０からコンピュータ演算ノード９４０の内側に延び、さらにＷＣＵ９７０へ延びて、コンピュータ演算ノード９４０からＷＣＵ９７０へ水を戻している。コンピュータ演算ノード９４０の内部まで延長された配管は、低温区画を提供する。これによって、ファン９９５によってコンピュータ演算ノード９４０内に取り込まれた冷却空気が、冷却空気がその中を通った時に、低温区画によって冷却される。低温区画は、配管システムが含む冷却管の配管流路として形成することができる。あるいは、低温区画は、その上にＭＰＵなどが熱交換関係を有して配置されるコールド・プレートとして形成することができる。
【００８９】
ここで、図１０を参照すると、コンピュータ演算ノード９４０の平面図が示されている。コンピュータ演算ノード９４０は、ＣＰＵ１０１０、ＰＣＩバスユニット１０２０，Ｉ／Ｏユニット１０３０およびメモリ（ＤＤＲ２規格のＳＲＡＭ）など、いくつかのコンピュータ演算要素を囲い込んでいる。コンピュータ演算ノード９４０の内部では、冷却管が、コンピュータ演算ノード９４０の方向の厚み方向に、つまり、紙面の垂直方向に沿って並置されるように延び、低温区画１０５０を提供している。説明する実施形態では、コンピュータ演算ノード９４０は、複数のＣＰＵ１０１０と、空気冷却効率を改善するためにそれぞれのＣＰＵ１０１０に装着される冷却フィンとを含む。ＣＰＵ１０１０は、いわゆるマルチコアまたはＣＰＵグリッドアーキテクチャの協動モードで動作している。説明する実施形態では、ＣＰＵ１０１０が８ＣＰＵノードにより実装されているが、本発明によるコンピュータ演算ノード９４０内に含まれるＣＰＵまたはＭＰＵの数に本質的な制限はない。
【００９０】
配管１０７０が低温区画１０５０を形成する冷却管に連通し、これによって１つのラック側壁からの水が導き入れられて、上述した熱交換スキームの後、コンピュータ演算コアからの水を他のラック側壁に戻すことができる。コンピュータ演算ノード９４０は、さらに、その中の要素の空冷を行いつつ、冷却空気がコンピュータ演算ノード９４０内部に流れるようにするためのファン１０６０を含む。
【００９１】
図１１は、後部側から見たシールド付き電子装置１１００の実施形態の典型的な実装を示す。説明するシールド付き電子装置１１００は、価値のある社内情報、データベース情報、またはインターネット情報などを処理するためのエンタープライズ・サーバ１１００として実装されている。ケーシング１１１０は、フロア１１５０の特定の位置に配置され、エンタープライズ・サーバ１１００の後部終端部でＤＨＥＸパネル１１２０を安全に固定している。
【００９２】
フロア１１５０は、フロア１１５０の下に提供される空間から配管１１３０，１１４０、他のユーティリティ配管を通すための開口１１６０を有する。例えば、配管１１３０は、ＷＣＵからの冷却水を供給し、配管１１４０は、冷却水を再生するために役割を果たした水をＷＣＵに戻す。また、既に構成された冷却装置を容易に用いるために、本発明の冷却装置とともに多孔性フロアを採用することができる。あるいは、コンピュータ・ルームの環境およびデータセンタの冷却性能が許すならば、本発明の冷却装置のみを導入することもできる。
【００９３】
ここで、図１２を参照して、冷媒として水を用いた場合の冷却装置の冷却性能について説明する。図１２は、入力水温についてＣＯＰ（Coefficient Of Performance）の値を出力水温に対して表された冷却性能曲線１２００の結果を示す。縦座標は、ＣＯＰ値を表し、横座標は、出力水温を表す。実験曲線は、入力水温を表す。ＣＯＰ値は、下記に示す既知の式を用いて計算した：
【数１】
2010072993.tif 000003
ここで、冷却性能（COOLING CAPACITY）は、空間内に取り囲まれる熱源により決定され、冷却消費電力（COOLING CONSUMPTION POWER）は、熱源による熱排出を処理するための電力である。したがって、高い値のＣＯＰは、高い冷却効率を意味する。
【００９４】
図１３に示すように、本発明の冷却装置では、出力水温が低くなるにつれて、ＣＯＰ値が小さくなり、また入力水温が低くなるにつれて、ＣＯＰ値が小さくなる。これらの観察結果は、入力水温を同じとした場合、より高温の水は、設定温度まで水を冷却するための多くの電力を必要としていることを示すものとしてある程度説明することができる。一方で、入力水温が、ターゲット出力温度である１８℃よりも低い場合には、水は、入力される水を温めなければならないので、電力消費は低くなって、ＣＯＰ値の増加に寄与する。
【００９５】
上述まで説明したように、配管およびコイル周りで水が凝縮してしまうために、所与の値未満の水温は望ましくない。これに関して、水の温度は、最良の実施形態では、コンピュータ・ルームの通常の温度および湿度条件を考慮すると、約１０℃から２０℃の範囲とすることができる。ここで、例えば、水が１８℃であることが要求されると仮定する。この場合、図１３に示すように、本実施形態のＣＯＰ値は、約４．５から１５以上までの範囲となる。
【００９６】
同様に、従来のＨＦＣチラー・ユニットを用いる比較例では、１８℃の冷却水を生成するためのＣＯＰ値は、３．５である。図１２に示すＣＯＰ値が、入力および出力水温度に関連して変動しているが、冷却装置が、電子装置の冷却および／またはデータセンタの冷却に対して洗練されているため、差はかなり明瞭である。上述したように、水の凝縮を回避するために、水温は、入力水温よりも数℃低いか、または高くとも約２０℃であることが望ましい。この温度範囲では、本発明の冷却装置は、電子装置において優秀な冷却効率かつ充分な冷却性能を提供することができる。
【００９７】
図１３は、電子装置から温度を低減するための例示として他のグラフ１３００示す。グラフ１３００では、縦軸は、電子装置の後部終端から排気される温度（℃）を表し、横軸は、電子装置の動作を開始してからの時間（分：minutes）を表す。
【００９８】
図１３に示すように、出力空気温度は、約１０分間まで、約２０℃から約６０℃まで次第に上昇する。この温度は、約２０℃の周囲温度に対してかなり高かった。それから、１０分における動作時間では、ＤＨＥＸパネルへの水循環を開始した。図１３に示すように、放出される空気の流れの温度は、約６０℃から約３０℃まで急速に減少した。これは、コンピュータ演算ユニットの熱負荷が、従来のコンピュータ演算ユニットに対して約半分まで低減できることを意味している。
【００９９】
さらに、本発明者等は、本冷却装置を用いた二酸化炭素排出を改善するために簡易な試験を行った。すると、ＤＨＥＸパネルは、２８ｋＶＡの電子装置から背後から出てくる熱を、１５ｋＶＡ（約５００００ＢＴＵ：British Thermal Unit）までを除去できる。したがって、ＤＨＥＸパネルを有する冷却装置の実装は、電力消費および二酸化炭素排出量に起因して、データセンタにおける熱問題および／またはデータセンタのメンテナンス・コストを低減することができる。
【０１００】
さらに、本発明は、コンピュータ演算性能を維持しつつ、また電子装置の堅牢な構造を保証しつつ、企業、政府機関および／または科学技術機関などのデータセンタなどの大規模コンピュータ演算設備のメンテナンス・コストを低減することによって、総電力消費を低減することができる。上述の傑出した利点に加えて、防食性の添加物を用いるための、また水品質を管理するためのメンテナンス・コストを回避して、これによって、長期メンテナンス・コストを低減することができる。
【０１０１】
上述したように、これまで本発明を、特定の実施形態をもって説明してきた。しかしながら、本発明は、上述までの特定の実施形態に限定されるものではない。当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、本記述の教示に基づいて、多数の他の実施形態、追加、削除、代替の実施形態が存在することを認識するであろう。しかしながら、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の装置を含むデータセンタ制御システムにより空気調和されるコンピュータ・ルームを示す図。
【図２】冷却装置２００の一般的な構成を示す図。
【図３】冷却装置の他の実施形態を示す図。
【図４】本発明による冷却機構４００の詳細な実施形態を示す図。
【図５】本発明の他の冷却機構５００を示す図。
【図６】ドア式熱交換器（ＤＨＥＸ）パネル６００の概略を示す斜視図。
【図７】ＤＨＥＸパネル６００の拡大構造を示す図。
【図８】冷媒シールド付き電子装置８００の実施形態を示す図。
【図９】図８に示すシールド付き電子装置の内部構造の概略的なブロック・ダイアグラム。
【図１０】コンピュータ演算ノード９４０の概略を示す平面図。
【図１１】後方側から見たシールド付き電子装置の典型的な実装の実施形態を示す図。
【図１２】水を冷媒とした場合の冷却装置の冷却性能を示す図。
【図１３】電子装置から温度を低減する例として他のグラフ１３００を示す図。
【図１４】電子装置のための典型的な冷却装置１４００を示す図。
【図１５】図１４の冷却装置１４００の空気の流れ１５００の概略を示す図。
【図１】
2010072993.tif 000004
【図２】
2010072993.tif 000005
【図３】
2010072993.tif 000006
【図４】
2010072993.tif 000007
【図５】
2010072993.tif 000008
【図６】
2010072993.tif 000009
【図７】
2010072993.tif 000010
【図８】
2010072993.tif 000011
【図９】
2010072993.tif 000012
【図１０】
2010072993.tif 000013
【図１１】
2010072993.tif 000014
【図１２】
2010072993.tif 000015
【図１３】
2010072993.tif 000016
【図１４】
2010072993.tif 000017
【図１５】
2010072993.tif 000018
【外国語明細書】
【発明の名称】
TITLE OF INVENTION
APPARATUS AND METHOD FOR FACILITATING
COOLING OF AN ELECTRONICS RACK EMPLOYING WATER VAPOR COMPRESSION SYSTEM
【技術分野】
TECHNICAL FIELD
[0001]
The present invention relates to water cooling of an electronic apparatus and more particularly, the present invention relates to an apparatus and a method for cooling electronics, a coolant shielded electronic apparatus, and a method for cooling electronics.
【背景技術】
BACKGROUND ART
[0002]
An electronic apparatus including such as a personal computer, a server, a workstation and/or a mainframe computer typically requires a cooling device for cooling a heat source such as a microprocessor unit (hereafter referred to MPU) or a central processing unit (hereafter referred to CPU) to maintain stable performance thereof.  In nowadays, operations of the electronic apparatuses in a high performance and a high clock rate are increasingly requested yet and then, the heat generation from the electronic apparatuses rises an old but yet new problem in the computing technology.
[0003]
The problem is just the heat generation of the MPU and/or the CPU and there is a technical prediction that a density of the heat generation of a recent MPU with which the operation clock rate is at about several Giga-Hertz goes over that of an atomic reactor and should reach to the heat generation density of sun in near future.
[0004]
As one strategy to reduce the heat generation problem is to make the MPU and/or the CPU in multi-core architectures so as to reduce instructions per a single core while maintaining an overall performance; however, the clock rate for the single core goes higher and higher with respect to performance improvements, the trade-off problem between the heat exhaust and processor performance will make a high barrier for the recent processor technology.
[0005]
Furthermore, recent electronic apparatuses tend to employ a number of the MPUs and/or the CPUs which are operated cooperatively each other, i.e., so called GRID COMPUTING as well as the multi-core architecture as described above so that an information processing density per an electronic apparatus also increases even if the clock rates for unit MPU and/or CPU is suppressed; this tendency will be further accelerated as the multi-core architecture or the grid-computing between processors becomes more and more popular and as high
performance operations for the electronic apparatus are requested.
[0006]
From the above computing environment, in a data center handling huge amounts of information such as Internet data, information for a search engine, or enterprise data, a number of computing facilities are placed and are operated in the mutual cooperation thereof.  Such data center tends to develop the computing performance thereof for addressing to increasing demands for high performance computations so that heat management of the data center becomes a serious problem to be settled urgently in relation to GLOBAL WARMING due to the computation as well as reduction of investment costs for the data center.
[0007]
As another strategy for settling to the heat exhaust from the MPU or the CPU in the electronic apparatus, a direct cooling architecture for the MPU and/or the CPU by an adequate coolant is known.
[0008]
Fig. 14 shows a typical cooling system 1400 for the electronic apparatus employing an air-cooling mechanism.  The cooling system 1400 of Fig. 14 is constructed for cooling the electronic apparatuses while conducting air-conditioning in a computing room.  In the space of the computing room, the electronic apparatuses 1440 are placed on the floor 1310 to computing various data.  The electronic apparatus 1440 may be, for example, workstations, servers and/or mainframe computers etc.
[0009]
The chiller units 1420 are placed in the computing room so as to supply chilled air primarily to the space 1450 created under the floor 1410.  The space 1450 provides a fluid path for the chilled air etc.  The floor 1410 comprises a plurality of perforated panels through which the chilled air can pass upwardly from the space 1450 to the computing room.
[0010]
Positions of the perforated panels 1430 at the floor 1410 are determined depending on positions of chilled air inlets of the electronic apparatus 1440.  The chilled air is supplied into the spaces provided between theelectronic apparatus of which air-intake sides, i.e., the cold sides thereof are facing each other.
[0011]
With referring to Fig. 15, schematic air flows 1500 of the cooling apparatus 1500 in Fig. 15 are illustrated.  The chilled air 1570 passes the under-floor space 1595 and flows into the computer room from the under floor space 1595 at the position of the perforated panels 1580.  The perforated panels 1580 are disposed between the electronic apparatuses positioned to face the cold sides thereof each other.
[0012]
The chilled air is then drawn into both of the electronic apparatuses from the cold side and conducts the heat exchange with the MPUs and/or the CPUs assembled in the electronic apparatus.  Then, the heated air 1590 is discharged from hot sides of both of the electronic apparatuses.  Thereafter, the discharged heated air 1590 flows upwardly and then flows laterally toward the CRACs, i.e., Computing Room Air Conditioners 1510, 1560 so as to regenerate the chilled air by air conditioning members within the CRACs 1510, 1560.  Then, the chilled air 1570 is again supplied to the under-floor space 1595 for the heat management of the electronic apparatus.
[0013]
The described conventional cooling apparatus, the chilled air is mainly used for cooling the MPU and/or the CPU; that is to say, most of the chilled air is consumed for cooling of the electronic apparatus.  Then, the air-conditioning in the computing room must be prepared as a separate air conditioning system.  Alternatively, the cooling capacity of the CARCs must be increased for settling the entire air conditioning in the computing room.
[0014]
Direct cooling architecture for the electronic apparatuses have been developed so far for addressing to heat removal of the information processing apparatus.  For example, Japanese Patent (Laid-Open) No. 2002-374086 (Patent Literature 1) discloses a cooling apparatus for a rack-mounted information processing apparatus.  In the scheme disclosed therein, the rack including a water cooing unit is employed and water flow paths are provided in each of columns of a rack cabinet.  The water passed through the column is then introduced to the rack and a water cooled jacket for CPU/LSI so as to cool elements within the rack.
[0015]
Japanese Patent (laid-Open) No. 2005-100091 (Patent Literature 2) also discloses a cooling module disposed directly on the CPU for sharing a water cooling module and a forced air cooling module such that both of the air and water cooling architectures may be switched.
[0016]
Japanese Patent (Laid-Open) No.2006-285670 (Patent Literature 3) also discloses a blade for information processing and an information processing apparatus including the blade.  The disclosed blade is cooled by the water passing through water paths provided in the blade.  The CPU or other heat sources are placed on the blade in heat exchange relation to the blade and hence, the heat sources are cooled by the water cooled blade.
[0017]
As described above, the water cooling architecture is regarded as suitable for the cooling architecture of the electronic apparatus; however, it is known that water has potential defects forcausing an electronic leak when the water immerses into the electronic apparatus.  When the water is leaked in the enclosure of the electronic apparatus, the electric apparatus or facilities such as a data center would suffer huge and high cost damages.
[0018]
Also in order to settle to the leak of the water, many attempts have also been made so far.  For example, Japanese Patent (Examined) Publication Heisei No. 7-117330 (Patent Literature 4) discloses a cooling apparatus which comprises, in a recycle path of a liquid cooling media, a removal apparatus for corrosive ions. The removal apparatus disclosed may remove selectively anions acting corrosive factors to improve the corrosion of the cooling apparatus.
[0019]
Although attempts for improving hazardous water leak from the cooling system of the electronic apparatus have been made, corrosion mechanisms of lines etc. are not yet understood
sufficiently.  Then, the protection of the problems caused by the corrosion under various conditions is not yet practically ensured, because the corrosions and their magnitudes substantially
depend on particular environments in which the electronic apparatuses are placed.
[0020]
In addition, factors for causing the water leak may include, other than the corrosion, for example, cracks ordamages by impacts as well as loosed joint connections such that it have been difficult to settle the above various factors and to overcome the adverse effects when all of the above factors are considered.
[0021]
Consequently, an effective cooling apparatus is yet requested and the needs thereof becomes larger and larger as the high performance computing paradigm becomes realized by advances of device and information technologies while providing the heat management of the data center.  Further yet there are increasing needs for overcoming the heat exhaust of the electronic apparatuses and thence, a novel cooling apparatus for electronic apparatus including the MPU and/or the CPU has still been expected.
RELATED PRIOR ART LITERATURE
Japanese Patent (Laid-Open) No. 2002-374086
Japanese Patent (laid-Open) No. 2005-100091
Japanese Patent (Laid-Open) No. 2006-285670
Japanese Patent (Examined) Publication Heisei No. 7-117330
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
SUMMARY OF THE INVENTION
[0022]
Then, an object of the present invention is to provide an apparatus for making it possible to remove heat around the MPU and/or the CPU effectively and safely without the leak of cooling media such as water while reducing environmental loads caused by computations.  
[0023]
Furthermore, another object of the present invention is to provide a method for cooling an electronic apparatus suitably applied to a data center where a number of electronic apparatuses such as microcomputers, workstations, servers and mainframe computers are arranged together in order to handle valuable information cooperatively.
[0024]
Still further another object of the present invention is to provide a coolant shielded electronic apparatus for suppressing the heat exhaust from the electronic apparatus to outer environment, in turn, for suppressing power consumption of the data center so as to contribute to GLOBAL WARMING.
【課題を解決するための手段】
[0025]
For settling the problems the above described conventional cooling apparatuses, the present invention may provide an apparatus for cooling an electronic apparatus adopting a latent heat cooling apparatus of coolants such as water under a reduced pressure with respect to an ambient atmosphere pressure.
[0026]
In an embodiment of the present invention, an apparatus for cooling an electronic apparatus may be provided.  The electronic apparatus comprises a semiconductor element such as MPU and/or CPU cooled by the chilled coolant.  The coolant is chilled by the latent heat of the evaporation thereof in an evaporator under a reduced pressure condition with respect to the atmosphere pressure around the electronic apparatus.  When the evaporation of the coolant occurs in the evaporator, the coolant still in liquid phase is chilled because of the removal of the latent heat to prepare a chilled coolant.
[0027]
A pressure reduction in the evaporator is attained by a compressor connected by a bypass line with which communicates an evaporator and a condenser of the coolant.
[0028]
The chilled coolant is then circulated through a line extending inside a casing, a rack and/or computing nodes of the electronic apparatus such as, for example, a microcomputer, an enterprise server, a workstation, or a mainframe computer etc. to cool an air flow discharged from the electronic apparatus such that the discharged air flow from the electronic apparatus may not provide severe adverse effects to the air-conditioning capacity in a space such as a computing room in which the electronic apparatus is placed.
[0029]
Further according to the present invention, the coolant may be kept under the ambient atmosphere pressure in the region for conducting the heat exchange with the electronic apparatus and may be supported by a flow control member disposed at an up-stream of side of said heat exchange area for settling an un-predictable water leak.   Therefore, the possibility of a coolant leak may be minimized.
[0030]
The coolant after the heat exchange with a cooling air flow is returned to the evaporator for subjecting repeatedly under the reduced pressure to regenerate the chilled coolant.
[0031]
The condenser being in fluid-communicated with the evaporator receives pressurized vapor of the coolant at the downstream of the compressor and a vacuum pump is connected to the condenser for balancing the pressure in the condenser while reducing a back pressure downstream the compressor.  The coolant in the condenser is cooled to about an ambient temperature by a cooling tower, other suitable cooling facilities, or a heat exchanger reservoir.
[0032]
In another embodiment of the present invention, a coolant shielded electronic apparatus may be provided.  The coolant shielded electronic apparatus comprises a computing node including members comprising for computing information a semiconductor element, a memory, an I/O unit, a bus, a rack for holding the computing unit.  The coolant shielded electronic apparatus further comprises a pair of sidewalls and the sidewalls each allows the coolant to pass therein.  To the coolant shielded electronic apparatus, a door heat exchanger panel is detachably attached to a casing for enclosing the computing node and the rack.   The door heat exchanger panel receives the coolant and comprises a serpentine heat exchanger coil in which a pressure of the coolant being kept under an ambient pressure.
[0033]
Furthermore, the coolant shielded electronic apparatus further may comprise a cold section disposed in the computing node and a fan.  The cold section is cooled by the coolant while conducting a heat exchange with an air flow passing through said computing node.  The fan causes the ambient air to flow into the computing node to form the air flow toward a discharge side of the casing for cooling said members inside the computing node.
[0034]
Further another embodiment of the present invention, a method for cooling an electronic apparatus including semiconductor element may be provided. 
The method comprises the step of;
generating a chilled coolant with areduced pressure lower than an ambient pressure,
circulating said chilled coolant through a line passing though a heat exchange area within said electronic apparatus at a hot side of said electronic apparatus,
conducting a heat exchange at said heat exchange area with an air flow passing through said semiconductor element, and
returning said coolant after said heat exchange to a condenser for regenerating said coolant from a vapor of said coolant,
wherein a pressure of said coolant is kept under said ambient pressure at said heat exchange area with said air flow.
[0035]
Hereafter the present invention will be described using embodiments depicted in drawings; however, the drawings described hereinafter can be understood only for descriptions of the present invention and do not provide any limitation on the present invention.
【発明を実施するための最良の形態】
DETAILED DESCRIPTION OF
PREFERRED EMBODIMENT
[0036]
Fig. 1 generally shows a data center control system with which an apparatus, a method, and a shielded electronic apparatus are implemented.  The data center control system 100 comprises a CARC 110, a plurality of electronic apparatuses 120-150, and an automated environment monitoring facility (hereafter referred to AOEMF) 160.  The above apparatuses are placed on a floor panel 170 offset from a floor slab plate to form a space for utility lines.  The floor panel 170 may have a perforated section to introduce the chilled air supplied through the space.
[0037]
The CRAC 110 conducts an air condition in the computing room 195 as well as the heat management of the apparatuses in the computing room 195.  The CRAS 110 receives chilled coolant through a supply line 118 from a building backbone air conditioning system.  The air in the computing room 195 is introduced into the CARS 110 by a fan 112 and is returned into the computing room 195 after the heat exchange at the heat exchanger 114.
[0038]
Into the heat exchanger 114, the chilled coolant such as water is supplied so as to conduct the heat exchange with the air introduced into the CRAS 110 and then, a temperature of the coolant is raised because of the heat exchange.  The heated coolant is then, returned to a cooling apparatus of the present invention to regenerate the chilled coolant.  The coolant may be selected from conventionally known cooling media such as, for example, Freon such as CFC, HCFC and HFC, or natural medium such as, for example, hydro-carbon, ammonia, carbon dioxide, air, and water; however, water is the most possible candidates as the coolant in the GLOBAL environment and effects on human heath.  In the most preferred described hereunder, the present invention will be described such that the coolant is assumed as water.
[0039]
The electronic apparatus are, in the described embodiment, comprises a plurality of computing units 120-150, but not limited thereto, any other electronic apparatus such as a router, a printer may be present in the computing room 195.  The computing unit each include servers 122-126, 132-136, 144-148, and 52-156.  Each of the servers includes at least MPU, a memory such as RAM and/or ROM, and an I/O interface and the cooled air is introduced into each of the servers 122-126, 132-136, 144-148, and 152-156 by the fans each disposed adjacent to the servers.
[0040]
In the embodiment described in Fig. 1, the computing units 120-150 include different cooling architectures.  The embodiment of Fig. 1 is only an example for the variation of the cooling architectures, and the cooling architecture pf the present invention must not be different among the computing units a d in the other embodiment, the cooling architecture of one type selected from the architectures described in Fig. 1 may be installed in the datacenter.  As for example, the computing unit 120 comprises a rear door heat exchanger 128 which is detachably attached to a casing or a rack of the computing unit 120.  When the rear door heat exchanger 128 is used, the air passed through the servers 122-126 is discharged into the computing room 195 after the heat exchange by the rear door heat exchanger 128.  The chilled water from a cooling apparatus of the present invention is introduced into the rear door heat exchanger 128 and after the heat exchange between 
the discharged air from the servers 122-126, the water is returned to the cooling apparatus to regenerate the chilled water.  The rear door heat exchanger 128 of the computing unit 120 typically removes about 50% of a heat lead of the server 120.  Detailed construction of the cooling apparatus will be explained elsewhere.
[0041]
In turn, to the computing unit 130, the front door heat exchanger 138 is disposed.  The front door heat exchanger 138 substantially has the same construction with the rear door heat exchanger and the chilled water is introduced therein and the heated water is returned to the cooling apparatus of the present invention after the heat exchange with the discharged air from the computing unit 130.  The above rear door heat exchanger 128 and the front door heat exchanger 138 are hereafter generally referred to a door heat exchanger (hereafter referred to DHEX) and detailed constructions of the cooling apparatus and the DHEX will be explained elsewhere.
[0042]
Further another implementation is adopted in the computing unit 140.  The computing unit 140 is constructed in the architecture herein named as a sidecar.  The computing unit 140 encloses the air in the enclosure 140a of the computing unit 140.  A server rack 142 within the enclosure 140a is constructed as the heat exchanger to which the water from the cooling apparatus is circulated through water paths formed in the rack 142.  The air discharged from the servers is circulated within the enclosure so that the hear exhaust form the computing unit 140 may essentially be cut-off by controlling heat balances.  In the case of the sidecar type architecture, heat load of the server may be removed to about 100% when the heat discharge from the computing unit 140 is ideally shielded in the enclosure 140a.
[0043]
Further another implementation embodiment is provided in Fig. 1.  The computing unit 150 comprises a plurality of servers each of which includes a cold plate 158a disposed in the heat exchange relation with the MPU 158b.  The chilled water from the cooling apparatus is introduced to the cold plate 158a to cool the MPU 158b and then is returned to the cooling apparatus to regenerate the chilled water.  The above plurality of computing units 110-150 are supplied with a coolant water through the pump series 118b-118e each supplying the water under the ambient atmospheric pressure through independent lines.  The pumps 118b-118e are preferably selected from non-volume type pump such as turbo-type pumps, centrifugal-type pumps, and/or screw-type pumps, acting also as a flow control member, to allow the reverse flow of the water even if an unpredictable water leak would occur to raise a forward pressure of the pumps, i.e., the down stream sides of each pumps up to the atmospheric pressure.  In another embodiment, a flow control member explicitly depicted in Fig. 1 may be disposed to the datacenter control system 100.  The flow control member each comprises the line 192a-192e connected to the upstream side of the heat exchanger member through a pressure sensitive valves 194a-194e for returning the water to the reduced pressure side of the water return line for settling emergency water leak.  The pressure sensitive valves 194a-194e are activated when the pressure difference across the inlet and outlet sides becomes equal or larger than a predetermined pressure threshold of 0.01 MPa-0.101325 MPa for settling the pressure rise in the heat exchange region in the computing units 120-150.  The threshold value may be adequately set depending on particular applications and the pressure sensitive valves 194a-194e may be controlled by the controller 162.
[0044]
Further to the above computing units, the data center control system 100 comprises the AOEMF 160 and the AOEMF 160 includes a controller 162 to detect at least one temperature selected from the temperature of the ambient air temperature in the computing room 195, the temperatures of the servers and the temperatures of the MPUs through the detection lines 180, 190.  The controller 162 feed-backs the detected results to the control of the elements of the cooling apparatus of the present invention to maintain the air condition in the computing room 195 at a predetermined level.  The AOEMF 160 may include the cooling architecture which is attached to any one of the computing units 120-150.
[0045]
Now, referring Fig. 2, a general construction of the cooling apparatus 200 is depicted.  The cooling apparatus 200 comprises an electronic apparatus 210, a water vapor compression chiller unit (hereafter referred simply to WCU) 230 comprising the members enclosed in the rectangle of dashed line.  The electronic apparatus 210 comprises at least a MPU and/or a CPU and returns outside results of computations to provide variable information or to control outer devices.
[0046]
The electronic apparatus 210 may be selected generally from computers such as, for example, a personal computer, a server, a workstation, a mainframe computer, a peripheral interface, or any other combinations thereof and is placed on the floor 220.  The floor 220 may have perforated panels for introduce the cooled air supplied by a separate A/C system when such A/C system is already installed as described in Fig. 14.  The cooling apparatus 200 may be preferably constructed in the data center of any building or on an underground tunnel where a number of computers are managed to compute various and valuable information.
[0047]
The electronic apparatus 210 generally comprises sets including a computing node 212 and the fan 214.  The fan 214 creates the air flow 216 at an ambient temperature in the computing room flowing through the computing node 212 indicated by the arrow.  The term “computing node” herein refers to a member of the electronic apparatus 210 which plays major role in the computation and encloses the MPU and/or CPU as well as memories and interfaces therefor in an adequate package.  When the electronic apparatus is a server, a plurality of the computing units 212 are enclosed therein to provide requested functions of the servers.
[0048]
The air flow passed through the computing node 212 is discharged as the air flow 218 after cooled to about an ambient temperature by the heat exchanger coil 234 according to the present embodiment.  In another embodiment, the fan 214 may be placed at the right side of the electronic apparatus 210 (a hot side) rather than at the left side (a cold side) thereof.  In this embodiment, the fan draws the air from the computing node 212 toward the heat exchanger coil 234 and passing through the heat exchanger coil.
[0049]
The heat exchanger coil 234 extends through the electronic apparatus 210 such that the heated air after the heat exchange between MPUs etc. may be readily subjected to the heat exchange process with the heat exchanger coil 234.  The region in the electronic apparatus in which the heat exchanger coil 234 extends defines a heat exchange region in the electronic apparatus.  In the described embodiment, the heat exchanger coil 234 provides the function to prevent the hot air from direct discharge to the computing room and then, the electronic apparatus 210 may not provide significant additional heat loads to a backbone cooling apparatus for the data center to which the electronic apparatus 210 is placed.
[0050]
The WCU 230 generates the chilled water to be supplied to the electronic apparatus 210 and comprises an evaporator 236 and a condenser 238 containing a water as the coolant medium.  The evaporator 236 evaporates the water under a reduced pressure condition being lower than an atmospheric pressure or an ambient pressure in the computer room in which the electronic apparatuses are placed.  The condenser 238 is disposed in fluid-communication with the condenser 236 through a plurality of bypass lines and returns the water vapor transferred from the evaporator 236 to the liquid phase.
[0051]
The evaporator 236 and the condenser 238 are fluid-communicated by a connection line 258 so as to keep the water levels 254, 256 balanced to stabilize the head of the circulation of the water through the cooling apparatus.
[0052]
The residual spaces in the evaporator 236 and the condenser 238 are also fluid-communicated by the bypass lines 240, 244 each including the compressor 242 and the bypass valve 246.  As described above, the evaporator 236 acts as a refrigerator for cooling the water therein by the latent heat of the evaporation of water.  For the purpose for cooling, the residual space in the evaporator 236 is evacuated by the compressor 242.  The bypass valve 246 controls the pressure reduction level within the evaporator 236 by changing a valve open level.  In turn, the condenser 238 is evacuated by the vacuum pump 250 through the fluid-connected line to the condenser 238 so as to make the pressure of the residual space in the condenser 238 at a steady state for accounting the pressurized water vapor transferred from the compressor 242.
[0053]
The compressor 242 may be selected from any type of compressors or pumps.  In the explained embodiment, the compressor 242 may be a mechanical booster pump which compresses the medium by a set of symmetric and same shaped rotors close adjacent each other with a phase difference of pai/2 radian.  Also the bypass valve 246 may be selected from any valve as far as the valve may provide the fluid-communication with a controlled range between the evaporator 236 and the condenser 238.
[0054]
The pressure in the evaporator 236 hence becomes the reduced pressure.  Upon the evaporation of the water, the latent heat of the water is removed from the water at the liquid phase within the evaporator 236.  Thus, the WCU 230 may generate the chilled water having suitable temperature range due to the evaporation rate of the water and the latent heat upon the evaporation.  Such temperature of the chilled water may range from 0 Celcius degrees to an ambient temperature of the computer room, more preferably the temperature may range from 0 Celcius degrees to 25 Celcius degrees, and most preferably, the temperature may be set with the temperature offset lower than the temperature of the ambient temperature in the computing room, that is to say; the predetermined offset value depending on a particular setting of the backbone A/C system of the data center.
[0055]
Such predetermined offset temperature may be set depending on a particular condition, and typically for the computation unit, the predetermined offset value may range from about 10 Celsius degrees to about 20 Celsius degrees.  Lower temperature may be feasible for cooling efficiency because of large temperature difference enhances the heat exchange efficiency; however, when the water temperature goes too low beyond predetermined temperature difference, condensation of water from the ambient air may occur.
[0056]
In turn, higher temperature than ambient temperature is not attained in the present embodiment because the cooling apparatus does not comprise a heating element for the water.  Then, the present invention may be readily operated between the temperature not causing water condensation and the ambient temperature in the ambient temperature.  The evacuation rate of the evaporator 236 by the compressor 242 and the cooperatively controlled bypass valve 246 is hence maintained by considering the temperature of the chilled water to avoid the condensation of the water from the ambient air and a pressure difference to rift a water level to the top of the upper most position of the line 232 while keeping the pressure lower than the ambient atmospheric pressure which is typically 0.101325 MPa.  The pressure condition of the water will be detailed hereinafter.
[0057]
In another embodiment of the cooling apparatus of Fig. 2, it may be possible to dispose a plurality of pressure sensors to the line 232 such that the water pressure in the line can be monitored.  In this embodiment, a controller unit (not shown) for the cooling apparatus 200 monitors the in-line pressure and controls the operation of the compressor 242 and an opening level of the valve 246 to keep the in-line pressure to be under the atmosphere pressure during the operation time range.  Also the controller unit such as the AOEMF 160 may check the water leak from fluctuations of the in-line pressure to alarm a system manager.
[0058]
The water 254 in the condenser 238 is supplied to the cooling tower 260 for the temperature conditioning. The temperature conditioned coolant water by the cooling tower 260 is circulated through the line 262 and returned by showering into the condenser 238.
[0059]
The cooling tower 260 may be constructed separately from another cooling tower for the building backbone A/C line.  Alternatively, while the COP of the cooling apparatus becomes higher than the most preferred embodiment, the cooling tower 260 may be shared with the cooling tower provided for the building backbone A/C line when the building for the data center employs the A/C system with chilled water circulation.  Further another embodiment of the present invention, the cooling tower 260 may employ a free water cooling architecture.  In the free water cooling architecture, the water contained in the cooling tower 260 may be the water such as well water, river water, and/or groundwater which is cooled or heated by the terrestrial heat if some heating is necessary depending on the natural climate at the location of the data center requires the heating.  In alternative embodiment, the cooling tower 260 may be replaced with other suitable cooling facilities such as aturbo type refrigerator or a conventional reciprocal expansion type refrigerator though overall COPs may be lowered with respect to the most preferred embodiment.
[0060]
The above WCU 230 may prepare the chilled water in the feasible temperature range by the latent heat upon evaporation of the water.  The chilled water is then returned to the electronic apparatus 210 through the line 232 again for conducting the heat exchange with the air flow passed through the computing nodes in the electronic apparatus 210.
[0061]
Thereafter, the air flow 218 after the heat exchange with the chilled water is discharged to the ambient environment so that the present embodiment may reduce an adverse effect on the ambient temperature by the heat generated by the computation.  This reduction of the temperature reduces about 50% of the total heat extinction.  This reduction contributes to reduction of the building backbone A/C capacity so that maintenance and/or running costs may be reduced while assuring the predetermined computation performance.
[0062]
Furthermore, in the present embodiment, the water pressure circulated through the electronic apparatus 210 is kept lower than 0.101325 MPa as described hereinabove, and may be reduced as low as 5kPa (about one-twentieth of the atmospheric pressure).  Then the pressure reduction range may range from about 5 kPa to the pressure lower than the atmospheric pressure.  Therefore, if the water leak occurs, the leaked water does not come outside of the heat exchanger coil 234 immediately such that the problem of water leak may be reduced.  For this purpose, the present invention may include a flow control member for the water.  In one embodiment, such flow control member may be the circulation pump 248; in this embodiment, the circulation pump 248 may be selected from a type which does not separate the water in a pressure room or a compartment by vanes or gears for creating one-direction flow for pumping, and the circulation pump 248 may be selected from so-called
non-volume type pumps.  Such non-volume type pump may be selected, for example, from a turbine pump, a centrifugal pump and/or a screw pump being configured in a canned-type which is suitably applied under a reduced pressure condition.  In addition to the above embodiment, further another embodiment for the flow control member is to adopt a water release line  disposed at the up-stream line of the heat exchanger coil 234.  The water release line is fluid-connected to the evaporator 236 through a pressure sensitive valve.  The pressure sensitive valve may be activated less than the atmospheric pressure such that the water flowing in the heat exchanger coil 234 could not leak into the electronic apparatus.  The water release line.  The above non-volume type circulation pump and/or the water release line activated by the pressure sensitive valve. 
[0063]
Furthermore, the circulation pump 248 is illustrated in a single stage in Fig. 2 for the explanatory purpose; however, the circulation pump 248 may be replaced by pump series of the non-volume type pumps attaining multi-stage pumping with a low head/per pump.  Since the low head pumps are selected in the multi-stage pumping architecture, the pressure of the chilled water may be kept low with respect to the ambient atmospheric pressure when compared to the pumping of the single stage.
[0064]
The circulating pumps 252, 266 may be selected from any conventional type considering their performance, because the circulating pumps 252, 266 mere have the roles to transfer the water in the directions shown in the arrows C and D, respectively.
[0065]
Fig. 3 shows another embodiment of the cooling apparatus.  The cooling apparatus 300 in Fig. 3 has almost same configuration with the cooling apparatus described in Fig. 3; however, the cooling apparatus 300 comprises a heat exchanger tank 360 to which the water from the cooling tower 370 is circulated.
[0066]
In the second embodiment, the water is circulated through the line 362 to the heat exchanger reservoir 360 in the direction of the arrow C but not to the cooling tower 370.  The water is cooled in the heat exchanger reservoir 360 and then, returned to the reservoir 338 through showering members disposed to the line 362.
[0067]
The water is supplied to the electronic apparatus 310 through the line 332 from the evaporator 336 by the circulation pump 348 which may be constructed in the similar architecture with the embodiment described in Fig. 2.  Then, the chilled water removes the heat from the air flow 316 upon the heat exchange in the computing node 312.  The cooled air flow 318 is then discharged into the computing room and the heated water is returned to the evaporator 336.  Thereafter, the regeneration cycles of the chilled water will be repeated as described in Fig. 2.
[0068]
In the embodiment in Fig. 3, the cooling tower 370 may be shared with the building backbone A/C line rather than providing an extra cooling tower for the cooling apparatus.  In the shared embodiment, the cooling apparatus of the present invention may be added to the electronic apparatus by adding an extra line 380 transferring the water in the arrow D and connecting to the cooling tower 370 for the building A/C line, which is considered to be a minimum effect on the building backbone A/C line.  Therefore, the cooling apparatus described in Fig. 3 may further provide the low cost installation of the cooling apparatus to the data center when the data center utilizes a water circulation backbone A/C system.  Also in the embodiment in Fig. 3, the cooling tower 260 may be replaced with other suitable cooling facilities such as a turbo-fan type refrigerator or a conventional type refrigerator, though overall COPs may be lowered with respect to the most preferred embodiment.  In this embodiment, the cooling facility conditions the water temperature in the heat exchanger tank 360.
[0069]
Now referring to Fig. 4, a detailed embodiment of the cooling mechanism 400 according to the present invention is depicted.  The electronic apparatus 410, so called as in the described embodiment, “Enterprise Server” contains inside a plurality of the computing nodes and each of the computing nodes generates heat due to its operation.  The electronic apparatus 410 may be in another embodiment a mainframe computer and/or any combination of servers, mainframe computers, and the interface apparatus thereof.
[0070]
The air 460,470 in the computing room is drawn into the electronic apparatus 410 by the function of the fan (not shown) from a cold side and passes through and between the computing nodes.  The air flowing into the electronic apparatus 410 is heated as the air flow moves in the direction illustrated in the arrow 480.  In the arrow 480, the root side 480a is a lower temperature side and the tip side 480b is a higher temperature side.  In Fig. 4, the schematic temperature distribution is illustrated by densities of the hatching therein; as the shading becomes light, the temperature becomes low.  Typically, the temperature at the tip side becomes to about 60 Celcius degrees or more due to the heat exchange with the MPUs and/or the CPUs.
[0071]
The illustrated embodiment in Fig. 4, the heat exchanger coil 234 or the heat exchanger coil 334 is configured as a part of the door heat exchanger 320 which is attached to the rear side or a front side of the electronic apparatus 410.  The electronic apparatus 410 is placed on the floor comprising the floor panel 440 without perforations and the floor panel 450 with perforations.
[0072]
The floor panel 440 and the perforated floor panel 450 are supported with a sufficient offset from the base floor level 490 to provide the spacing 495 used as a utility space for cooling lines etc.  The perforated floor panel 450 allows the cooled air to flow into the computing room as well as the electronic apparatus 410 from the spacing 495.  Also at the floor, the opening 430 is provided to pass through the water lines fro m the cooling apparatus of the present invention.
[0073]
In the described configuration, the water is introduced by the lines through the opening 430 and the lines for the water are connected to the heat exchanger coil which is an essential member of the DHEX 420.  The water is introduced and circulated in the DHEX 420 through the heat exchanger coil.  The heated air just passing through the DHEX 420 is subjected to the heat exchange with the water flowing in the heat exchanger coil of the DHEX 420 and is then discharged to the ambient atmosphere in the computing room after cooled down to an adequate temperature as shown by the arrows 480c.
[0074]
Now referring to Fig. 5, another cooling mechanism 500 of the present invention will be explained.  In the embodiment illustrated in Fig. 5, most of the configuration for the air and water flows is same with the embodiment described in Fig. 4.  In turn, the embodiment of Fig. 5 comprises a pump unit 535 for adding pressure corresponding to the pressure loss during the circulation in the water lines 530.  The pump unit 535 ensures to support smooth cycling of the water against the head and the pressure loss in the line while keeping the pressure of the water to be under the ambient atmosphere pressure.
[0075]
Fig. 6 shows a detailed perspective view of the door heat exchanger (DHEX) panel 600 outlined in Fig. 5.  Fig. 6(a) shows a front perspective view and Fig. 6(b) shows a back perspective view.  Here, the term “front” means the side facing outside the casing and the term “back” means the side facing inside the casing of the electronic apparatus.  The DHEX panel 600 of Fig. 6 comprises a heat exchanger coil 610, a support frame 620, and a support limb 630.  The heat exchanger coil 610 corresponds to the lines 234, 334 shown in Figs. 2 and 3.  The heat exchanger coil 610 has a serpentine structure extending lateral and vertical directions of the DHEX panel 600 to ensure the effective and even heat exchange over an effective area of the DHEX panel 600.
[0076]
The frame 620 supports securely the heat exchanger coil 610 and the support limbs 630 extends from the support frame 620.  The support limbs 630 are detachably fixed to a front and/or rear side of the computing unit enclosing members of the electronic apparatus by fixing means such as screws, sets of bolts and nuts, or quick connectors through a plurality of openings 640, 650.  The heat exchanger coil 610 is fluid-communicated to a inner line 660 disposed at the lateral edge of the cooling area through which the water flows into and from the heat exchanger coil 610.
[0077]
Now referring to Fig. 7, the enlarged structure 700 of the DHEX panel 600 is illustrated.  Fig. 7(a) is a plane view and Fig. 7(b) is a side view of the DHEX panel 600 in the direction of arrow E.  As shown in Fig. 7(a), the heat exchanger coil 610 densely covers the cooling area 680 so as to avoid unevenness of the heat exchange efficiency and so as to improve the heat exchange performance.  In turn, as shown in Fig. 7(b), the heat exchanger coil 610 is inclined along with the air flow direction for increasing effective heat exchange areas with the air flow and also for improving the heat exchange performance of the DHEX panel 600.
[0078]
From the end of the inner line 660, the line 670 is connected to the WCU for allowing the chilled water to be circulated.  The inner lines 660 and the line 670 may be directly fixed by welding, soldering or brazing.  Alternatively, the inner line 660 and the line 670 are connected each other by adequate detachable connectors for considering maintenance of the electronic apparatus.
[0079]
Fig. 8 shows an exemplary embodiment of the water shielded electronic apparatus 800 to which the chilled water prepared by the water vapor compression is supplied by the present WCU 230 or 330 shown in Figs. 2 and 3 together with the DHEX panel 600.  In the embodiment shown in Fig. 8, the DHEX panel 600 is formed as the rear door heat exchanger and the shielded electronic apparatus 800 comprises the casing 810, i.e., so-called an attachment frame, and the casing 810 encloses racks and the computing nodes, and various lines etc.  The same structures depicted in Fig. 8 may be applied in the case of the front door heat exchanger only in the difference whether the position of the heat exchanger panel is disposed at the rear or the front and the air flow directions.  Within the casing 810, a pair of sidewalls 835, 845 of the rack, a plurality of computing nodes Node #1-Node #N, and the DHEX panel 850 are assembled to provide the computing function under the heat management condition.  Therack supports securely the computing nodes #1-#N within the casing 810.
[0080]
In the explained embodiment, the DHEX panel 850 is attached to the rear end of the rack by hinged at the one end the rack so as to be separately assemble with the rear casing.  In the alternative embodiment, the DHEX panel 850 may be assembled to the casing 810 by a hinge at one end of the casing 810 such that handling of the DHEX panel 850 may be made integrally to the movement of the casing 810.  To the above shielded electronic apparatus 800, the chilled water is supplied to the computing nodes 830 from the sidewall of the rack by mated connectors.  The sidewalls provide water manifold for reserving the water while acting as the flow path of the water.  Now referring to Fig. 8, the cooling architecture of the water shield will be detailed.
[0081]
As the first line system, the water from the A/C supply line 870 are introduced into the WCU1 in the WCU set 860 which comprises the WCU1 and the WCU2 to regenerate the chilled water according to the present invention.  The chilled water from the WCU1 is introduced to sidewall 845.  The sidewalls 835, 845 comprise a plurality of connector joints facing each other in the same vertical level.  To each of the connectors positioned in the same vertical level, a computing node 830 is connected through the connection lines 840 by the connectors which may not leak the water such as water under a nominal condition.
[0082]
In the described embodiments, the sidewalls 835, 845 support N computing nodes and the chilled water is introduced into the computing nodes from both of the sidewalls 835, 845 forming ladder-wise flow paths.  The water flows, for example, into the computing node 830 while conducting the heat exchange between members inside the computing node 830.  Then, the water flows out of the computing node 830 and is introduced into the sidewall 845.  Then the water flows to the computing node “Node #N-1” in the reversed flow direction and then is introduced again into the sidewall 835.  The similar flow paths are provided to a discharge position to which the line 815 to the WCU1 is connected.  The water reaches to the discharge point corresponding to the position of discharged from the line 815 to the WCU1.
[0083]
The second line system 2 is provided by the WCU2 and the fresh chilled water is also flows in the similar to the line system 1; however, the chilled water from the WCU2 are introduced at lower position of the sidewall 835 because the line system 2 is provided for the heat exchange at the DHEX panel 850.  The water discharged from the sidewalls 835 are pumped and introduced into DHEX panel 850 from the connector 835a to the connector 850a attached at the lowest end of the DHEX panel 850 for providing the heat exchange at the DHEX panel 850.
[0084]
The water introduced into the DHEX panel 850 flows through the heat exchanger coil of the DHEX panel 850 and conducts the heat exchange with the air flow passed through the computing nodes 830 etc.  Then, the heated water is discharged from the connector 850b and then the heated water is delivered to the sidewall 845 from the connector 845a at the lowest end of the sidewall through the line 825.  The waste water is finally discharged from a discharge port formed at the sidewall 845 and returned to the WCU1 as the returned water to regenerate cooled fresh water.
[0085]
The above described water flow is one of possible embodiments considering pressure balances in the line system 1 and the line system 2.  It is readily understood by a person skilled in the art that the flow path designs may be adjusted considering particular constructions of the practical case.
[0086]
Fig. 9 shows a schematic block diagram 900 of the inside construction of the shielded electronic apparatus 800 shown Fig. 8.  As depicted in Fig. 9, the shielded electronic apparatus 800 is generally comprises members in the rectangle 910 and such members comprise the casing 920, the computing nodes 940, and DHEX panel 960.  The DHEX panel 950 are retained securely to the shielded electronic apparatus at the front and/or rear side thereof.  The DHEX panel 950 may be attached to the rack or the casing 920 as described above.  In the described embodiment, the DHEX panel 950 is disposed at the rear side of the electronic apparatus.  The casing 920 extends from the front panel 930 with an air intake 935 to the DHEX panel 960 to enclose the members including the computing node 940 etc.  The WCU 970 is fluid-communicated to the DHEX panel 960 so as to attain the heat exchange with the air flow and the water and the computing nodes 940 through the lines 980, 990.
[0087]
In the described embodiment in Fig. 9, the line systems 980, 990 may be designed along with the embodiment described in Fig. 8; however, the WCU 970 may independently supplies the water to the DHEX panel 970 and the computing node 940 such that the line system 980 supplies the water to the DHEX panel 960 and the line system 990 supplies the water to the computing node 940.
[0088]
The line system 980 are extended from the WCU 970  to the inside of the computing node 940 as indicate by the dashed line and further extends to the WCU 970 to return the water to the WCU 970 from the computing node 940.  The extended line inside the computing node 940 provides the cold section therein so that the cooling air drawn by the fans 995 into the computing node 940 may be cooled by the cold section when the cooling air passes through therein.  The cold section may be formed as a line-path of the cooling pipe included in the line system.  Alternatively, the cold section may be formed as a cold plate on which the MPUs etc. are placed in the heat exchange relations.
[0089]
Now referring to Fig. 10, a plane view of the computing node 840 is illustrated.  The computing node 840 encloses several computing elements such as the CPUs 1010, a PCI bus unit 1020, an I/O unit 1030, and the memory (SRAM in DDR2 specification).  Inside the computing node 840, the cooling pipe is extended in a juxtaposed arrangement along to the thickness direction of the computing node 840, i.e., the vertical direction to the plane of the drawing and provides the cold section 1050.  In the described embodiment, the computing node 940 includes a plurality of CPUs 1010 and a cooling fin is attached to each of the CPUs 1010 for improving the air cooling efficiency.  The CPUs 1010 are operated in a cooperation mode so called as a multi-core or a CPU grid architecture.  Although in the described embodiment the CPUs 1010 are implemented in 8 CPU nodes, there is no substantial limitation for CPU or MPU numbers included in the computing node 840 according to the present invention.
[0090]
To the cooling pipe forming the cold section 1050, the lines 1070 are fluid-communicated such that the water from one of the rack sidewall may be introduced and the water from the computing core may be returned to another rack sidewall after the heat exchange scheme described above.  The computing node 840 further comprises the fans 1060 in order to cause the cooling air flow inside the computing node 840 while conducting the air cooling of the elements therein.
[0091]
Fig. 11 shows a typical implementation embodiment of the shielded electronic apparatus 1100 viewed from the rear side thereof.  In the described shielded electronic apparatus 1100 is implemented as an enterprise server 1100 for handling valuable enterprise information, database information, or Internet information etc.  The casing 1110 securely holds the DHEX panel 1120 at the rear end of the enterprise server 1100 which is positioned on a particular position of the floor 1150.
[0092]
The floor 1150 has the opening 1160 for passing through the water lines 1130, 1140 and other utility lines from the space provided under the floor 1150.  For example, the water line 1130 supplies the chilled water from the WCU and the water line 1140 returns the waste water to the WCU for regenerating the chilled water.  It may be possible to adopt the perforated floor together with the cooling apparatus of the present invention for readily employing the already constructed cooling apparatus; alternatively only the cooling apparatus of the present invention may be installed when the environment of the computing room and the cooling capacity of the data center may permit such installation.
[0093]
Here, referring to Fig. 12, a cooling performance of the cooling apparatus will be described when the water is used as the coolant.  Fig. 12 shows the results of the cooling performance curve 1200 represented by values of COP (Coefficient Of Performance) against input water temperature vs. output water temperature.  The ordinate represents the COP value and the abscissa represents the output water temperature.  The experimental curves represent the input water temperature.  The COP value was computed using the well-known formula as below:
<FORMULA 1>
2010072993.tif 000019
,wherein the COOLING CAPACITY is determined by heat sources enclosed in the space, and the COOLING CONSUMPTION POWER is the electronic power to address to the heat exhausted by the heat sources.  Hence, higher values of COP means high cooling efficiency.
[0094]
As shown in Fig. 13, the cooling apparatus of the present invention, the COP values become smaller as the outlet water temperature become high or the input water temperature becomes low.  These observations may be partly interpreted as the water with higher temperature requires large electric power for cooling the water to a set temperature when the input water temperature is assumed same.  Alternatively, when the input water temperature is lower than a target outlet temperature, i.e., 18 Celsius degree, then the water must worm the input water and then, the electric power consumption may be low to contribute the increase of COP value.
[0095]
As described hereinabove, the temperature of the water lower than a given value will not desirable because of the condensation of water around the limes or coils.  In this regard, the temperature of the water may range, in the most preferable embodiment, from about 10 Celcius degrees to 20 Celcius degrees considering normal temperature and humidity conditions in the computing room.  Now, for example, it is assumed that the water at 18 Celsius degrees is requested.  In this case, the COP values of the present embodiment ranges from about 4.5 to more than 15 as shown in Fig. 13.
[0096]
In turn, the comparative example using a conventional HFC chiller unit, the COP value for generating the cooling water at 18 Celcius degrees is about 3.5.  Although the COP values shown in Fig. 11 vary with respect to input and outlet water temperatures, the difference is quite significant because the cooling apparatus is sophisticated to the cooling of the electronic apparatus and/or the cooling of the data center.  As described above, in order to avoid water condensation, the water temperature is desirable to be lower than the input water temperature by several Celsius degrees or about 20 Celsius degrees at most.  In this temperature range, the cooling apparatus of the present invention, therefore, can provide sufficient cooling performance in the electronic apparatus with the excellent cooling efficiency.
[0097]
Fig. 13 shows another graph 1300 as an example for reducing the temperature from the electronic apparatus.  In the graph 1300, the ordinate represents the temperature (Celsius degree) exhausted from the rear end of the electronic apparatus and the abscissa represents the time (min) after starting the operation of the electronic apparatus.
[0098]
As shown in Fig. 13, the out put air temperature gradually increased from about 20 Celsius degrees to about 60 Celsius degrees only in about 10 min.  This temperature was fairly high with respect to the ambient temperature to be about 20 Celsius degrees.  Then, at the operation time at 10 min., the water circulation to the DHEX panel was started.  As shown in Fig. 13, the temperature of the discharged air flow promptly decreases from about 60 Celsius degrees to about 30 Celsius degrees; this means the heat load of the computing unit can be reduced to about one-half with respect to the conventional computing unit.
[0099]
Further to the above, the inventors have conducted a brief test for improving carbon dioxide exhaust by using the present cooling apparatus, the DHEX panel can remove up to 15kVA  (about 50,000 BTU: British Thermal Unit) of heat coming out of the back of the electronic apparatus to be about 28kVA.  Therefore, the implementation of the cooling apparatus with the DHEX panel may reduce the heat problem in the data center and/or maintenance costs of the data center due to electric power consumption as well as the amount of carbon dioxide exhaust.
[0100]
Furthermore, the present invention may reduce the overall electronic power consumption by lowering the maintenance costs of large scale computing facilities such as a data censer of enterprises, government organizations, and/or scientific and technology organizations etc. while maintaining computing capacities and while ensuring the robust structure in the electronic apparatus.  In addition to the above outstanding advantages, the maintenance costs for employing anti-corrosion additives and for managing for water quality may be avoided such that long-term maintenance costs may be reduced. 
[0101]
As described hereinabove, the present invention has been so-far described based on specific embodiments.  However, the present invention is not limited to the above-described specific embodiments.  It is appreciated for a person skilled in the art that there may be a lot of another embodiments, addition, deletion, alternative embodiment based on the teachings of the present description.  However, the scope of the present invention is only limited by claims attached hereinabove.
【図面の簡単な説明】
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
[0102]
Fig. 1 shows a computing room air-conditioned by a data center control system including an apparatus of the present invention.
Fig. 2 shows a general construction of a cooling apparatus 200.
Fig. 3 shows other embodiment of a cooling apparatus.
Fig. 4 shows a detailed embodiment of a cooling mechanism 400 according to the present invention.
Fig. 5 shows another cooling mechanism 500 of the present invention.
Fig. 6 shows a schematic perspective view of a door heat exchanger (DHEX) panel 600.
Fig. 7 shows the enlarged structure of a DHEX panel 600.
Fig. 8 shows an embodiment of a coolant shielded electronic apparatus 800.
Fig. 9 shows a schematic block diagram 900 of the inside construction of a shielded electronic apparatus 800 shown Fig. 8.
Fig. 10 shows a schematic plane view of a computing node 940.
Fig. 11 shows a typical implementation embodiment of the shielded electronic apparatus 1100 viewed from the rear side thereof.
Fig. 12 shows the cooling performance of the cooling apparatus when water is used as the coolant.
Fig. 13 shows another graph 1300 as an example for reducing the temperature from the electronic apparatus.
Fig. 14 shows a typical cooling apparatus 1400 for the electronic apparatus. 
Fig. 15 shows a schematic air flow 1500 of the cooling apparatus 1400 of Fig. 14.
1.A cooling apparatus for an electronic apparatus including a semiconductor element, said cooling apparatus comprises;
an evaporator containing a coolant and evaporating said coolant under a reduced pressure lower than an ambient pressure to generate a chilled coolant,
a condenser regenerating said coolant from a vapor of said coolant and being fluid-communicated with said evaporator through a bypass line, and
a circulating pump and a line supplying said chilled coolant to a heat exchange area of said electronic apparatus to conduct a heat exchange with an air flow passing though said semiconductor element at a hot side of said electronic apparatus and returning said coolant after said heat exchange to said condenser, and a flow control member disposed at an up-stream of side of said heat exchange area,
wherein a pressure of said coolant is kept under said ambient pressure at said heat exchange area through said flow control member.
2.  The cooling apparatus of claim 1, wherein said first bypass line includes a compressor for returning said vapor of said coolant to said condenser and said cooling apparatus further comprises a second bypass line including a valve for controlling said reduced pressure.
3.  The cooling apparatus of claim 2, wherein a vacuum pump is connected to said condenser to balance a pressure inside said condenser.
4.  The cooling apparatus of claim 3, wherein said coolant in said condenser is circulated to a cooling facility or a heat exchanger tank supported by a cooling facility for conditioning a temperature of said coolant.
5.  The cooling apparatus of claim 1, wherein said coolant is water and said semiconductor member is a micro-processor unit and/or a central processor unit.
6.  The cooling apparatus of claim 1, wherein said electronic apparatus is placed in a computing room of a data center managing a computation of computers.
7.  The cooling apparatus of claim 1, wherein said electronic apparatus comprises a computing unit enclosing a semiconductor element, a memory, an I/O unit, a bus for computing information, a cold section disposed in said computing node, said heat exchange area is separately prepared as a door heat exchanger panel detachably attached to said electronic apparatus, and said line of said coolant is extends into said cooling section.
8.  The cooling apparatus of claim 6, wherein said coolant is water and a temperature of said water is lower than an ambient air temperature of said cooling apparatus throughout said cooling apparatus.
9.  The cooling apparatus of claim 6, wherein said cooling apparatus comprises an environment monitoring facility in a computing room including a controller for detecting at least one temperature selected from an ambient air temperature in said computing room, temperatures of said computing nodes, temperatures of said electronic apparatus and a temperature of said semiconductor element through detection lines, and said controller controls elements of said cooling apparatus such that an ambient temperature in said computing room at a predetermined level while maintaining said temperature of said coolant from 10 Celcius degrees to about said temperature in said computing room.
10.  A coolant shield electronic apparatus, said coolant shielded electronic apparatus comprising;
a computing node including members for computing information, said members each comprising a semiconductor element, a memory, an I/O unit, a bus,
a rack for holding said computing unit and comprising a pair of sidewalls, said sidewalls each allowing said coolant to pass therein, and
a door heat exchanger panel detachably attached to said coolant shielded electronic apparatus, said door heat exchanger panel receiving said coolant and comprising a serpentine heat exchanger coil in which a pressure of said coolant is kept under an ambient pressure though a flow control member for said coolant.
11.  The coolant shielded electronic apparatus of claim 10, wherein said computing node further comprises a cold section disposed in said computing node and cooled by said coolant and a fan, and said fan causes an air flow into said computing node for cooling said members inside said computing node and toward said door heat exchanger panel.
12.  The coolant shielded electronic apparatus of claim 11, wherein said air flow after passed said semiconductor element is discharged out of said coolant shielded electronic apparatus after cooled by passing through said door heat exchanger panel.
13.  The coolant shielded electronic apparatus of claim 10, wherein said coolant is water and said semiconductor element is a micro-processor unit and/or a central processor unit.
14.  The coolant shielded electronic apparatus of claim 10, wherein said coolant shielded electronic apparatus is placed in a computing room of a data center managing a computation of computers.
15.  A method for cooling an electronic apparatus including a semiconductor element, said method comprising;
generating a chilled coolant with a reduced pressure lower than an ambient pressure,
circulating said chilled coolant through a line passing though a heat exchange area of said electronic apparatus at a hot side of said electronic apparatus,
conducting a heat exchange at said heat exchange area with an air flow passing through said semiconductor element, and
returning said coolant after said heat exchange to a condenser for regenerating said coolant from a vapor of said coolant,
wherein a pressure of said coolant is kept under said ambient pressure at said heat exchange area though a flow control member for said coolant.
16.  The method of claim 15, wherein said method further comprises the step of;
controlling said reduced pressure by a compressor connected to a first bypass line for returning said vapor and a valve connected to a second bypass line.
17.  The method of claim 16, wherein said method further comprising the step of;
balancing a pressure inside said condenser by a vacuum pump connected to said condenser to balance.
18.  The method of claim 17, wherein said method comprising the steps of;
circulating said coolant in said condenser through a cooling facility or a heat exchanger tank supported by a cooling facility for conditioning a temperature of said coolant.
19.  The method of claim 15, wherein said coolant is water, said semiconductor member is a micro-processor unit and/or a central processor unit and said electronic apparatus is placed in a computing room of a data center managing a computation of computers,
and said method further comprises the step of;
detecting at least one temperature selected from an ambient air temperature in said computing room, temperatures of said computing nodes, temperatures of said electronic apparatus and a temperature of said semiconductor element through detection lines, and
controlling an ambient temperature in said computing room at a predetermined level while maintaining said temperature of said coolant from 10 Celcius degrees to about said temperature in said computing room.
20.  A coolant shielded electronic apparatus comprising;
a computing node including members for computing information, said members each comprising a semiconductor element, a memory, an I/O unit, a bus,
a rack for holding said computing unit and comprising a pair of sidewalls, said sidewalls each allowing said coolant to pass therein, and
a door heat exchanger panel detachably attached to said coolant shielded electronic apparatus, said door heat exchanger panel receiving said coolant and comprising a serpentine heat exchanger coil in which a pressure of said coolant is kept under an ambient pressure though a flow control member for said coolant,
wherein said computing node further comprises a cold section disposed in said computing node and cooled by said coolant and a fan, and said fan causes an air flow into said computing node for cooling said members inside said computing node and toward said door heat exchanger panel, and said coolant is water and said semiconductor element is a micro-processor unit and/or a central processor unit.
【要約】
【課題】  To provide an apparatus and method for facilating cooling of electronics rack.
【解決手段】A cooling apparatus for an electronic apparatus includes a semiconductor element comprises an evaporator containing a coolant and evaporating the coolant under a reduced pressure lower than an ambient pressure to generate a chilled coolant, a condenser regenerating the coolant from a vapor of the coolant and being fluid-communicated with the evaporator through a bypass line, and a circulating pump and a line supplying the chilled coolant to a heat exchange area of the electronic apparatus to conduct a heat exchange with an air flow passing though the semiconductor element at a hot side of the electronic apparatus and returning the coolant after the heat exchange to the condenser, wherein a pressure of the coolant is kept under the ambient pressure at the heat exchange area with the air flow.
【選択図】Fig.1
2010072993.tif 000020
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