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WO2018135327A1 - 液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法 - Google Patents

液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法 Download PDF

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Publication number
WO2018135327A1
WO2018135327A1 PCT/JP2018/000121 JP2018000121W WO2018135327A1 WO 2018135327 A1 WO2018135327 A1 WO 2018135327A1 JP 2018000121 W JP2018000121 W JP 2018000121W WO 2018135327 A1 WO2018135327 A1 WO 2018135327A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
refrigerant
cooling
heat
cooling device
electronic device
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/000121
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
有希子 脇野
聡 稲野
裕幸 福田
石鍋　稔
Original Assignee
富士通株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富士通株式会社 filed Critical 富士通株式会社
Publication of WO2018135327A1 publication Critical patent/WO2018135327A1/ja
Priority to US16/437,847 priority Critical patent/US10888032B2/en

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Definitions

  • the present invention relates to an immersion cooling device, an immersion cooling system, and an electronic device cooling method.
  • this type of cooling method is referred to as an immersion cooling method.
  • an inert and highly insulating liquid refrigerant for example, a fluorine compound
  • the electronic device is immersed in the refrigerant
  • the immersion tank and the heat exchanger are connected.
  • the refrigerant is circulated between them (see, for example, Patent Document 1).
  • a cooling method has been proposed in which only a component having a large calorific value is immersed in a liquid refrigerant that is inert and has high insulating properties (see, for example, Patent Document 2).
  • a method has been proposed in which an electronic component is arranged in a container filled with a refrigerant, and the electronic component is cooled by flowing cooling water through a thin tube passing through the container (see, for example, cited document 3).
  • JP 2016-46431 A JP 59-136997 A JP-A-6-169039
  • the entire electronic device is immersed in a refrigerant.
  • a large number of electronic devices are immersed in the refrigerant, a large amount of refrigerant and a place for installing a large liquid immersion tank are required, which increases the cost.
  • a large number of electronic devices are immersed in a large immersion tank, it is difficult to take out a specific electronic device (for example, an electronic device in which an abnormality has occurred) from the immersion tank, and the maintainability of the electronic device is deteriorated.
  • an immersion cooling apparatus that cools an electronic device including a plurality of heat generating components
  • a part of the interior is filled with a first refrigerant, and among the plurality of heat generating components,
  • a casing in which a heat generating component other than one heat generating component is immersed in the first refrigerant; and the first heat generating component disposed inside the housing is provided to cool the first heat generating component.
  • a liquid cooling jacket, a first cooling device for cooling the second refrigerant by dissipating heat of the second refrigerant sent from the liquid cooling jacket via the first pipe There is provided an immersion cooling apparatus having a first pump for sending a second refrigerant cooled by one cooling apparatus to the liquid cooling jacket via a second pipe.
  • the immersion cooling device in an immersion cooling system including an electronic device including a plurality of heat generating components and an immersion cooling device that cools the electronic device, the immersion cooling device includes: A part of the inside is filled with the refrigerant, and a casing in which the heat generating parts other than the first heat generating part among the plurality of heat generating parts are immersed in the first refrigerant, and the casing is disposed inside the casing.
  • the liquid cooling jacket that is provided in contact with the first heat generating component and cools the first heat generating component and the heat of the second refrigerant sent from the liquid cooling jacket via the first pipe are radiated.
  • a cooling device that cools the second refrigerant and a first pump that sends the second refrigerant cooled by the cooling device to the liquid cooling jacket via a second pipe.
  • a cooling system is provided.
  • a part of the inside is filled with the first refrigerant, and among the plurality of heat generating components, a heat generating component other than the first heat generating component is included in the first refrigerant.
  • the electronic device is included in the immersion cooling device and provided in contact with the first heat generating component disposed inside the housing.
  • a liquid cooling jacket cools the first heat generating component
  • a cooling device included in the liquid immersion cooling device dissipates the heat of the second refrigerant sent from the liquid cooling jacket through the first pipe.
  • the second refrigerant is cooled, and the pump included in the immersion cooling device sends the second refrigerant cooled by the cooling device to the liquid cooling jacket via the second pipe.
  • a cooling method is provided.
  • the immersion cooling device According to the immersion cooling device, the immersion cooling system, and the electronic device cooling method according to the above aspect, it is possible to sufficiently cool both a component that generates a large amount of heat and a component that generates a small amount of heat with a relatively small amount of refrigerant.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an immersion cooling apparatus and an immersion cooling system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a cooling device and a water cooling jacket.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a rack in which the electronic device is stored.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating heat transfer in the immersion cooling system according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an immersion cooling system according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating heat transfer in the immersion cooling system according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view of the electronic device of the comparative example.
  • FIG. 8 is a perspective view of the electronic device of the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a component configuration of a comparative example and an example.
  • FIG. 10 is a diagram showing simulation conditions.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an immersion cooling apparatus and an immersion cooling system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a cooling device and a water cooling jacket.
  • the electronic device is a server is described.
  • the electronic device 10 includes a housing 11 having a sealed space, and a wiring board 20 disposed in the housing 11.
  • a CPU central processing unit
  • a memory Dual Inline Memory Module: DIMM
  • a hard disk 14 an interface card 15, a power supply unit 16, and the like are connected to the wiring board 20.
  • the housing 11 contains a liquid refrigerant 17 that is inert and highly insulating, and the memory 13, the hard disk 14, the interface card 15, and the power supply unit 16 are immersed in the refrigerant 17.
  • the CPU 12 is mounted on the wiring board 20 via the support base 19 and is disposed at a position above the liquid level of the refrigerant 17.
  • a stirrer (fan) 24 for stirring the refrigerant 17 is provided under the CPU 12.
  • the CPU 12 is an example of a first heat generating component
  • the support base 19 is an example of a support member
  • the refrigerant 17 is an example of a first refrigerant.
  • the size and shape of the electronic device 10 are set to be the same as the size and shape of a general 1U server. Therefore, the electronic device 10 can be mounted on a 1U server rack (for example, a 24U rack, a 32U rack, a 42U rack, or the like).
  • the refrigerant 17 having a lower boiling point than water is used.
  • refrigerants include, for example, 3M fluorine-based inert liquids (Fluorinert TM) PF-5052 and FC-72.
  • PF-5052 has a boiling point of 50 ° C., a density of 1700 kg / m 3 (25 ° C.), a specific heat of 1050 J / kgK, and a thermal conductivity of 0.062 W / mK.
  • FC-72 has a boiling point of 56 ° C., a density of 1680 kg / m 3 (25 ° C.), a specific heat of 1050 J / kgK, and a thermal conductivity of 0.059 W / mK.
  • a water cooling jacket 18 is mounted on the CPU 12.
  • the water cooling jacket 18 is a thin plate member formed of a material having high thermal conductivity such as copper or aluminum, and as shown in FIG. 2, a flow path 18a through which cooling water flows is provided. . Between the CPU 12 and the water cooling jacket 18, a heat conductive sheet (not shown) that thermally connects them is disposed.
  • the water cooling jacket 18 is connected to a cooling device 22 disposed outside the housing 11 through pipes 21a and 21b.
  • a pump 23 is provided in the middle of the pipe 21 a, and the cooling water circulates between the cooling device 22 and the water cooling jacket 18 by the pump 23.
  • the water cooling jacket 18 is an example of a liquid cooling jacket, and the cooling water is an example of a second refrigerant.
  • the cooling device 22 is an example of a first cooling device.
  • the cooling device 22 sends cooling air between the fins 22b, for example, a cooling pipe 22a curved in a zigzag shape through which cooling water flows, a number of heat radiation fins 22b connected to the cooling pipe 22a. And a fan (blower) 22c.
  • high-temperature cooling water heated by the electronic device 10 flows into the cooling device 22, but the cooling water exchanges heat with air (cold air) passing between the fins 22b while passing through the cooling pipe 22a. To be cooled. Then, low-temperature cooling water is supplied from the cooling device 22 to the electronic device 10.
  • a plurality of electronic devices 10 are connected to one cooling device 22, and cooling water is supplied from one cooling device 22 to the plurality of electronic devices 10.
  • a commercially available air-cooled or water-cooled chiller (cooling water circulation device) may be used.
  • FIG. 3 shows a rack 29 in which the electronic device 10 is stored.
  • the rack 29 accommodates a plurality (four in FIG. 3) of electronic devices 10 arranged in the height direction.
  • Each electronic device 10 is connected to the rack 29 via a slide rail (not shown), and the electronic device 10 can be easily pulled out from the rack 29 by sliding the slide rail at the time of maintenance and inspection. it can.
  • a reference numeral 29 a in FIG. 3 indicates a fixture (screw) for fixing the electronic device 10 to the rack 29.
  • the electronic device 10 When the electronic device 10 is stored in the rack 29, the electronic device 10 and wiring (LAN cable or the like) laid in the rack 29 are electrically connected via a connector (not shown).
  • FIG. 3 shows a small rack (a 4U rack in which four 1U-size electronic devices 10 are housed), as described above, the electronic device 10 of this embodiment is mounted on a rack for a 1U server. Can do. For example, when a 32U rack is used, a maximum of 32 electronic devices 10 can be mounted in the vertical direction.
  • FIG. 4 shows the heat transfer.
  • normal temperature (20 ° C.) cooling water is supplied from the cooling device 22 to the electronic device 10 at a flow rate of 2 L (liter) / min.
  • components such as the memory 13, the hard disk 14, the interface card 15, and the power supply unit 16 that are immersed in the liquid refrigerant 17 are collectively referred to as “components such as the memory 13”.
  • the heat generated by the CPU 12 is transmitted to the water cooling jacket 18 and further to the cooling water passing through the water cooling jacket 18.
  • the heat generated by the CPU 12 moves to the cooling water through the water cooling jacket 18, whereby the temperature of the CPU 12 is maintained below the allowable upper limit temperature of the CPU 12.
  • the temperature of the cooling water passing through the water cooling jacket 18 rises due to the heat transmitted from the CPU 12.
  • the temperature of the cooling water discharged from the water cooling jacket 18 is 26 ° C. to 29 ° C.
  • the refrigerant 17 When the temperature of the refrigerant 17 increases, the refrigerant 17 is likely to evaporate. When the liquid refrigerant 17 evaporates into a gas, it takes away heat of evaporation from the surroundings. And the refrigerant
  • the cooling water having a temperature lower than the boiling point of the refrigerant 17 flows through the pipes 21a and 21b. Therefore, in the vicinity of the pipes 21a and 21b, the vapor of the refrigerant 17 is cooled and condensed to become a liquid. At this time, the heat of condensation is released, and the temperature of the cooling water passing through the pipes 21a and 21b rises. Although depending on the flow rate of the cooling water passing through the pipes 21a and 21b, the temperature rise of the cooling water due to the heat of condensation of the refrigerant 17 is about several degrees Celsius. In order to promote the condensation of the refrigerant 17, endothermic fins may be provided in the pipes 21 a and 21 b.
  • the refrigerant 17 that has become liquid adheres to the pipes 21a and 21b and becomes large to some extent, and then falls due to gravity.
  • the heat generated by the CPU 12 moves to the water cooling jacket 18 and is transported from the water cooling jacket 18 to the cooling device 22 via the cooling water. Further, the heat generated by the components such as the memory 13 (components having a small calorific value) moves to the pipes 21a and 21b via the refrigerant 17 that changes phase between liquid and gas, and further passes through the pipes 21a and 21b. It is transported to the cooling device 22 through water. And in the cooling device 22, the heat
  • the amount of the refrigerant 17 necessary for cooling one electronic device 10 is smaller than the volume of the electronic device 10. Therefore, according to the present embodiment, the amount of refrigerant used can be reduced as compared with the conventional method in which the entire electronic device is immersed and cooled in the refrigerant. Furthermore, since the electronic device 10 has the same size and shape as a general 1U server, for example, when a 32U rack is used, a maximum of 32 devices can be mounted in the height direction. Therefore, according to this embodiment, the installation floor area per one electronic device can be reduced.
  • the construction cost of the immersion cooling system can be greatly reduced compared to the conventional method in which the entire electronic device is immersed in the refrigerant in the immersion tank.
  • the electronic device 10 can be mounted on a general 1U server rack as described above, a specific electronic device (for example, an electronic device in which an abnormality has occurred) can be easily taken out from the rack. Therefore, the maintainability of the electronic device 10 is good.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an immersion cooling system according to the second embodiment. 5, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
  • the electronic device 10 a includes the housing 11 having a sealed space, and the wiring substrate 20 disposed in the housing 11.
  • the wiring board 20 includes a CPU 12 and a memory 1. 3, a hard disk 14, an interface card 15, a power supply unit 16, and the like are mounted.
  • the casing 11 contains a liquid refrigerant 17a that is inert and has high insulation properties, and the memory 13, the hard disk 14, the interface card 15, and the power supply unit 16 are immersed in the refrigerant 17a.
  • the CPU 12 is mounted on the wiring board 20 via the support base 19, and is arranged at a position above the liquid level of the refrigerant 17a.
  • a water cooling jacket 18 is attached on the CPU 12.
  • the size and shape of the electronic device 10a are set to be the same as the size and shape of a general 1U server.
  • a refrigerant that does not easily evaporate is used as the refrigerant 17a.
  • a refrigerant for example, 3M Fluorinart (trademark) FC-40 or FC-43 can be used.
  • FC-40 has a boiling point of 155 ° C., a density of 1870 kg / m 3 (25 ° C.), a specific heat of 1050 J / kgK, and a thermal conductivity of 0.067 W / mK.
  • FC-43 has a boiling point of 174 ° C., a density of 1880 kg / m 3 (25 ° C.), a specific heat of 1050 J / kg K, and a thermal conductivity of 0.06. 7 W / mK.
  • the water cooling jacket 18 is connected to a cooling device 28 disposed outside the housing 11 via pipes 21a and 21b.
  • a pump 23 is provided in the middle of the pipe 21 a, and the cooling water circulates between the cooling device 28 and the water cooling jacket 18 by the pump 23.
  • a water-cooled or air-cooled chiller is used as the cooling device 28.
  • cooling water having a temperature of 15 ° C. is supplied from the cooling device 28 to the electronic device 10a.
  • the cooling water is an example of a second refrigerant, and the cooling device 28 is an example of a first cooling device.
  • a cooling device 25 is disposed outside the housing 11, and pipes 27a and 27b are connected to the cooling device 25 and the housing 11 of the electronic device 10a.
  • the cooling device 25 has the same structure as the cooling device 22 (see FIG. 2) of the first embodiment, for example. That is, the cooling device 25 includes a cooling pipe through which the refrigerant 17a flows, a large number of heat radiation fins connected to the cooling pipe, and a fan (blower) that sends cold air between the fins.
  • a pump 26 is provided in the middle of the pipe 27 a, and the refrigerant 17 a circulates between the casing 11 and the cooling device 25 by the pump 26.
  • the high-temperature refrigerant 17 a in the housing 11 is transported to the cooling device 25 by the pump 26 and exchanges heat with the outside air in the cooling device 25.
  • a low-temperature (for example, 20 ° C.) refrigerant 17 a is supplied from the cooling device 25 into the housing 11.
  • the refrigerant 17a is an example of a first refrigerant
  • the cooling device 25 is an example of a second cooling device.
  • FIG. 6 shows heat transfer.
  • cooling water having a temperature of 15 ° C. is supplied from the cooling device 28 to the electronic device 10a at a flow rate of 2 L (liter) / min.
  • refrigerant 17a having a temperature of 20 ° C. is supplied from the cooling device 25 to the electronic device 10a at a flow rate of 2 L (liter) / min.
  • the electronic device 10a With the operation of the electronic device 10a, heat is generated in components such as the CPU 12 and the memory 13.
  • the heat generated by the CPU 12 is transmitted to the water cooling jacket 18 and further to the cooling water passing through the water cooling jacket 18.
  • the heat generated by the CPU 12 moves to the cooling water through the water cooling jacket 18, whereby the temperature of the CPU 12 is maintained below the allowable upper limit temperature of the CPU 12.
  • the temperature of the cooling water passing through the water cooling jacket 18 rises due to the heat transmitted from the CPU 12.
  • the temperature of the cooling water discharged from the water cooling jacket 18 is 26 ° C. to 27 ° C.
  • This high-temperature cooling water is transported to the cooling device 28, cooled by the cooling device 28, and then sent to the water cooling jacket 18.
  • the heat generated by the components such as the memory 13 moves to the refrigerant 17a around the components such as the memory 13.
  • the heat moves to the refrigerant 17a, an excessive temperature rise of components such as the memory 13 is avoided and the temperature of the refrigerant 17a rises.
  • the high-temperature refrigerant 17a in the housing 11 is sent to the cooling device 25 by the pump 26, and heat is exchanged with the outside air to lower the temperature. Then, the low-temperature refrigerant 17a is supplied from the cooling device 25 to the electronic device 10a.
  • the CPU 12 (part with a large amount of heat generation) is cooled by cooling water passing through the water cooling jacket 18, and the parts such as the memory 13 (parts with a small amount of heat generation) are immersed in the refrigerant 17a and cooled.
  • coolant 17a required for cooling of the one electronic device 10a is smaller than the volume of the electronic device 10a.
  • the amount of refrigerant used per electronic device can be reduced as compared with the conventional method in which the entire electronic device is immersed and cooled in the refrigerant.
  • the electronic device 10a since the electronic device 10a has the same size and shape as a general 1U server, it can store a large number of electronic devices 10a arranged in the height direction, compared to the conventional method of immersing the entire electronic device. Less installation floor space per electronic device.
  • the construction cost of the immersion cooling system can be greatly reduced.
  • the electronic device 10a can be mounted on a general 1U server rack, and has good maintainability.
  • FIG. 7 is a perspective view of the electronic device of the comparative example
  • FIG. 8 is a perspective view of the electronic device of the embodiment
  • FIG. 9 is a figure which shows the components structure of a comparative example and an Example
  • FIG. 10 is a diagram showing simulation conditions, and shows the heat generation amount of the CPU, memory, and hard disk, and the type, flow rate, and temperature of the refrigerant.
  • the electronic device 30 of the comparative example includes two CPUs (CPU modules) 32, three hard disks (HDD) 34, four memories (DIMMs) 33, and two sets of power supplies.
  • Unit 36 one interface card (I / F card) 35, and two R cards And an AID card (not shown).
  • the electronic device 30 is filled with an inert refrigerant (fluorine compound), and the CPU 32, the hard disk 34, the memory 33, the power supply unit 36, the interface card 35, and the RAID card are all immersed in the refrigerant.
  • refrigerant fluorine compound
  • the electronic device 30 is connected to an external cooling device via a pipe.
  • the refrigerant circulates between the cooling device and the cooling device.
  • Reference numeral 37a in FIG. 7 indicates a refrigerant inlet
  • reference numeral 37b indicates a refrigerant outlet.
  • the size of the electronic device 30 of the comparative example is 484 mm in width W, 380 mm in length L, and 45 mm in height H.
  • the electronic apparatus 40 of the embodiment includes two CPUs (CPU modules) 42, three hard disks (HDD) 44, four memories (DIMM) 43, and two sets.
  • Power supply unit 46 one interface card (I / F card) 45, 2 And a RAID card (not shown).
  • an inert refrigerant fluorine compound
  • the hard disk 44, the memory 43, the power supply unit 46, the interface card 45, and the RAID card are all immersed in the refrigerant.
  • CPU42 is arrange
  • a water cooling jacket 48 is mounted on the CPU 42.
  • the water cooling jacket 48 is connected to an external first cooling device via a pipe, and the cooling water circulates between the first cooling device and the cold water jacket 48.
  • the electronic device 40 is connected to an external second cooling device via a pipe, and the refrigerant circulates between the electronic device 40 and the second cooling device.
  • Reference numeral 47a in FIG. 8 indicates a refrigerant inlet
  • reference numeral 47b indicates a refrigerant outlet.
  • the size of the electronic device 40 of the embodiment is 484 mm in width W, 470 mm in length L, and 45 mm in height H.
  • the reason why the length L of the electronic device 40 according to the embodiment is longer than the length L of the electronic device 30 according to the comparative example is that a space for arranging the piping through which the cooling water passes is necessary.
  • the temperature near the CPU 32 of the electronic device 30 of the comparative example and the temperature near the CPU 42 of the electronic device 40 of the example were simulated under the above conditions and the conditions shown in FIGS.
  • the temperature near the CPU 32 was 192 ° C.
  • the temperature near the CPU 42 was about 26 ° C. to 27 ° C.

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Abstract

【課題】比較的少ない冷媒で発熱量が大きい部品と発熱量が小さい部品とをいずれも十分に冷却できる液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法を提供する。 【解決手段】第１の冷媒１７で内部の一部が満たされるとともに、複数の発熱部品１２～１６のうち、第１の発熱部品１２以外の発熱部品１３～１６を第１の冷媒中１７に浸す筐体１１と、筐体１１の内部に配置された第１の発熱部品１２に接して設けられ、第１の発熱部品１２を冷却する液冷ジャケット１８と、第１の配管２１ｂを介して液冷ジャケット１８から送出された第２の冷媒の熱を放熱することにより、第２の冷媒を冷却する冷却装置２２と、冷却装置２２が冷却した第２の冷媒を第２の配管２１ａを介して液冷ジャケット１８へ送出する第１のポンプ２３とを有する。

Description

液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法
　本発明は、液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法に関する。
　高度情報化社会の到来にともない、データセンターの必要性が益々増加している。データセンターでは、室内に多数のラックを設置し、各ラックにそれぞれサーバ等の電子装置を複数収納して、それらの電子装置を一括管理している。
　ところで、電子装置の高性能化にともない、電子装置の発熱量が増大している。発熱量が大きい電子装置を高密度に実装すると、電子装置の温度が許容上限温度を超えてしまい、誤動作や故障又は処理能力の低下の原因となる。そのため、発熱量が大きい電子装置を高密度に実装しても十分に冷却できる冷却方法が要求されている。
　そのような冷却方法の一つとして、電子装置を液体の冷媒中に浸漬して冷却することが提案されている。以下、この種の冷却方法を、液浸冷却法と呼ぶ。液浸冷却法では、液浸槽内に不活性で絶縁性が高い液体の冷媒（例えば、フッ素化合物等）を入れ、冷媒中に電子装置を浸漬して、液浸槽と熱交換器との間で冷媒を循環させている（例えば、特許文献１参照）。
　なお、発熱量が大きい部品のみを不活性で絶縁性が高い液体の冷媒中に浸漬する冷却方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、冷媒を充填した容器内に電子部品を配置し、容器内を通る細管に冷却水を通流させて電子部品を冷却する方法も提案されている（例えば、引用文献３参照）。
特開２０１６－４６４３１号公報 特開昭５９－１３６９９７号公報 特開平６－１６９０３９号公報
　近年のサーバの高性能化にともない、ＣＰＵ（Central Processing Unit）だけでなく
、メモリ、電源ユニット（Power Supply Unit）及び記録装置（ストレージ）等の部品の
発熱量も多くなっている。ＣＰＵに比べればそれらの部品の発熱量は少ないものの、サーバの信頼性を確保するためにはそれらの部品の冷却も重要となる。
　前述の特許文献１では、電子装置全体を冷媒中に浸漬している。しかし、多数の電子装置を冷媒中に浸漬するとなると、多量の冷媒と大型の液浸槽を設置する場所とが必要になり、コストが高くなる。また、大型の液浸槽に多数の電子装置を浸漬すると、特定の電子装置（例えば、異常が発生した電子装置）を液浸槽から取り出すことが難しくなり、電子装置のメンテナンス性が悪くなる。
　開示の技術は、比較的少ない冷媒で発熱量が大きい部品と発熱量が小さい部品とをいずれも十分に冷却できる液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法を提供することを目的とする。
　開示の技術の一観点によれば、複数の発熱部品を含む電子装置を冷却する液浸冷却装置において、第１の冷媒で内部の一部が満たされるとともに、前記複数の発熱部品のうち、第１の発熱部品以外の発熱部品を前記第１の冷媒中に浸す筐体と、前記筐体の内部に配置された前記第１の発熱部品に接して設けられ、前記第１の発熱部品を冷却する液冷ジャケットと、第１の配管を介して前記液冷ジャケットから送出された第２の冷媒の熱を放熱することにより、前記第２の冷媒を冷却する第１の冷却装置と、前記第１の冷却装置が冷却した第２の冷媒を第２の配管を介して前記液冷ジャケットへ送出する第１のポンプとを有する液浸冷却装置が提供される。
　開示の技術の他の一観点によれば、複数の発熱部品を含む電子装置と、前記電子装置を冷却する液浸冷却装置とを有する液浸冷却システムにおいて、前記液浸冷却装置は、第１の冷媒で内部の一部が満たされるとともに、前記複数の発熱部品のうち、第１の発熱部品以外の発熱部品を前記第１の冷媒中に浸す筐体と、前記筐体の内部に配置された前記第１の発熱部品に接して設けられ、前記第１の発熱部品を冷却する液冷ジャケットと、第１の配管を介して前記液冷ジャケットから送出された第２の冷媒の熱を放熱することにより、前記第２の冷媒を冷却する冷却装置と、前記冷却装置が冷却した第２の冷媒を第２の配管を介して前記液冷ジャケットへ送出する第１のポンプとを有する液浸冷却システムが提供される。
　開示の技術の更に他の一観点によれば、第１の冷媒で内部の一部が満たされるとともに、複数の発熱部品のうち、第１の発熱部品以外の発熱部品を前記第１の冷媒中に浸す筐体を有する液浸冷却装置を用いた電子装置の冷却方法において、前記液浸冷却装置に含まれ、前記筐体の内部に配置された前記第１の発熱部品に接して設けられた液冷ジャケットが、前記第１の発熱部品を冷却し、前記液浸冷却装置が有する冷却装置が、第１の配管を介して前記液冷ジャケットから送出された第２の冷媒の熱を放熱することにより、前記第２の冷媒を冷却し、前記液浸冷却装置が有するポンプが、前記冷却装置が冷却した第２の冷媒を第２の配管を介して前記液冷ジャケットへ送出する電子装置の冷却方法が提供される。
　上記一観点に係る液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法によれば、比較的少ない冷媒で発熱量が大きい部品と発熱量が小さい部品とをいずれも十分に冷却できる。
図１は、第１の実施形態に係る液浸冷却装置及び液浸冷却システムを示す模式図である。 図２は、冷却装置及び水冷ジャケットを示す模式図である。 図３は、電子装置を収納したラックを示す斜視図である。 図４は、第１の実施形態に係る液浸冷却システムにおける熱の移動を示す図である。 図５は、第２の実施形態に係る液浸冷却システムを示す模式図である。 図６は、第２の実施形態に係る液浸冷却システムにおける熱の移動を示す図である。 図７は、比較例の電子装置の透視図である。 図８は、実施例の電子装置の透視図である。 図９は、比較例及び実施例の部品構成を示す図である。 図１０は、シミュレーション条件を示す図である。
　以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る液浸冷却装置及び液浸冷却システムを示す模式図である。また、図２は、冷却装置及び水冷ジャケットを示す模式図である。ここでは、電子装置がサーバの場合について説明している。
　図１に示すように、電子装置１０は、密閉された空間を有する筐体１１と、筐体１１内に配置された配線基板２０とを有する。配線基板２０には、ＣＰＵ（演算処理装置）１２、メモリ（Dual Inline Memory Module：ＤＩＭＭ）１３、ハードディスク１４、インタ
ーフェースカード１５及び電源ユニット１６等が接続されている。
　筐体１１内には不活性で絶縁性が高い液体の冷媒１７が入っており、メモリ１３、ハードディスク１４、インターフェースカード１５及び電源ユニット１６は、冷媒１７中に浸漬されている。但し、ＣＰＵ１２は支持台１９を介して配線基板２０上に搭載されており、冷媒１７の液面よりも上の位置に配置されている。また、ＣＰＵ１２の下には、冷媒１７を撹拌するための撹拌機（ファン）２４が設けられている。
　なお、筐体１１の上蓋はねじで固定されており、ねじを緩めて上蓋を取り外すことにより、配線基板２０の保守管理等が可能である。また、撹拌機２４は必要に応じて設ければよく、必須ではない。ＣＰＵ１２は第１の発熱部品の一例であり、支持台１９は支持部材の一例であり、冷媒１７は第１の冷媒の一例である。
　電子装置１０の大きさ及び形状は、一般的な１Ｕサーバの大きさ及び形状と同じに設定されている。このため、電子装置１０は１Ｕサーバ用ラック（例えば、２４Ｕラック、３２Ｕラック、及び４２Ｕラック等）に搭載することができる。１Ｕサーバの大きさは、高さが約４５ｍｍ（１．７５インチ＝１Ｕ）、幅が約４８５ｍｍ（１９インチ）である。
　本実施形態では、冷媒１７として、水よりも沸点が低いものを使用する。そのような冷媒として、例えば３Ｍ社のフッ素系不活性液体（フロリナート（商標））ＰＦ－５０５２及びＦＣ－７２がある。ＰＦ－５０５２の沸点は５０℃、密度は１７００ｋｇ/ｍ3（２５℃）、比熱は１０５０Ｊ/ｋｇＫ、熱伝導度は０．０６２Ｗ/ｍＫである。また、ＦＣ－７２の沸点は５６℃、密度は１６８０ｋｇ/ｍ3（２５℃）、比熱は１０５０Ｊ/ｋｇＫ、熱
伝導度は０．０５９Ｗ/ｍＫである。
　ＣＰＵ１２の上には、水冷ジャケット１８が取り付けられている。水冷ジャケット１８は銅又はアルミニウム等の熱伝導率が高い材料により形成された薄板状の部材であり、図２に示すように、内部には冷却水が通流する流路１８ａが設けられている。ＣＰＵ１２と水冷ジャケット１８との間には、両者を熱的に接続する熱伝導性シート（図示せず）が配置されている。
　水冷ジャケット１８は、配管２１ａ，２１ｂを介して筐体１１の外に配置された冷却装置２２と接続されている。配管２１ａの途中にはポンプ２３が設けられており、このポンプ２３により冷却装置２２と水冷ジャケット１８との間を冷却水が循環する。水冷ジャケット１８は液冷ジャケットの一例であり、冷却水は第２の冷媒の一例である。また、冷却装置２２は第１の冷却装置の一例である。
　図２に示すように、冷却装置２２は、例えば冷却水が通流するジグザグに湾曲した冷却管２２ａと、冷却管２２ａに接続した多数の放熱用のフィン２２ｂと、フィン２２ｂ間に
冷風を送るファン（送風機）２２ｃとを有する。
　後述するように、冷却装置２２には電子装置１０で暖められた高温の冷却水が流入するが、冷却水は冷却管２２ａを通る間にフィン２２ｂ間を通る空気（冷風）と熱交換して冷却される。そして、冷却装置２２から電子装置１０に低温の冷却水が供給される。
　本実施形態では、１台の冷却装置２２に複数の電子装置１０が接続され、１台の冷却装置２２から複数の電子装置１０に冷却水を供給するものとする。冷却装置２２として、市販の空冷式又は水冷式のチラー（冷却水循環装置）を用いてもよい。
　図３は、電子装置１０を収納したラック２９を示している。
　図３に示すように、ラック２９は、複数（図３では４台）の電子装置１０を高さ方向に配列させて収納する。各電子装置１０は、スライドレール（図示せず）を介してラック２９に接続されており、保守点検時等にはスライドレールをスライドさせることで、電子装置１０をラック２９から容易に引き出すことができる。図３中の符号２９ａは、電子装置１０をラック２９に固定するための固定具（ねじ）を示している。
　電子装置１０をラック２９内に収納すると、コネクタ（図示せず）を介して電子装置１０とラック２９内に敷設された配線（ＬＡＮケーブル等）とが電気的に接続される。
　なお、図３では小型のラック（１Ｕサイズの電子装置１０を４台収納した４Ｕラック）を示しているが、前述したように本実施形態の電子装置１０は１Ｕサーバ用のラックに搭載することができる。例えば３２Ｕラックを使用した場合、上下方向に最大３２台の電子装置１０を搭載することができる。
　以下、本実施形態に係る液浸冷却システムの動作について、図１及び図４を参照して説明する。図４は、熱の移動を示している。ここでは、冷却装置２２から電子装置１０に常温（２０℃）の冷却水が２Ｌ（リットル）/minの流量で供給されるものとする。
　電子装置１０の稼働にともなって、ＣＰＵ１２、メモリ１３、ハードディスク１４、インターフェースカード１５及び電源ユニット１６等で熱が発生する。但し、ＣＰＵ１２では多量の熱が発生するが、メモリ１３、ハードディスク１４、インターフェースカード１５及び電源ユニット１６等で発生する熱は比較的少ない。以下、説明の便宜上、液体の冷媒１７中に浸漬したメモリ１３、ハードディスク１４、インターフェースカード１５及び電源ユニット１６等の部品をまとめて「メモリ１３等の部品」と呼ぶ。
　ＣＰＵ１２で発生した熱は水冷ジャケット１８に伝達され、更に水冷ジャケット１８内を通る冷却水に伝達される。ＣＰＵ１２で発生した熱が水冷ジャケット１８を介して冷却水に移動することにより、ＣＰＵ１２の温度はＣＰＵ１２の許容上限温度以下に維持される。
　水冷ジャケット１８内を通る冷却水は、ＣＰＵ１２から伝達された熱により温度が上昇する。ここでは、水冷ジャケット１８から排出される冷却水の温度は、２６℃～２９℃であるとする。
　一方、メモリ１３等の部品で発生した熱は、メモリ１３等の部品の周囲の冷媒１７に伝達される。熱が冷媒１７に移動することより、メモリ１３等の部品の過度の温度上昇が回避されるとともに、冷媒１７の温度が上昇する。
　冷媒１７の温度が高くなると、冷媒１７が蒸発しやすくなる。液体の冷媒１７が蒸発して気体になるときには、周囲から蒸発熱を奪う。そして、気体となった冷媒１７は、液面よりも上の空間に移動する。そのため、筐体１１内の液面よりも上の空間は、冷媒１７の蒸気で満たされた状態になる。
　なお、冷媒１７の気泡がメモリ１３等の部品に付着すると、メモリ１３等の部品から液体の冷媒１７への熱の移動が阻害されるおそれがある。しかし、本実施形態では、撹拌機２７により液体の冷媒１７を撹拌するので、メモリ１３等の部品への気泡の付着が抑制される。
　配管２１ａ，２１ｂには冷媒１７の沸点よりも低い温度（例えば、２０℃～２９℃）の冷却水が流れている。そのため、配管２１ａ，２１ｂの近傍では、冷媒１７の蒸気が冷却されて凝縮し、液体になる。このとき、凝縮熱が放出されて、配管２１ａ，２１ｂ内を通る冷却水の温度が上昇する。配管２１ａ，２１ｂを通る冷却水の流量にもよるが、冷媒１７の凝縮熱による冷却水の温度上昇は数℃程度である。冷媒１７の凝縮を促進するために、配管２１ａ，２１ｂに吸熱用のフィンを設けてもよい。
　液体となった冷媒１７は、例えば配管２１ａ，２１ｂに付着してある程度大きくなった後、重力により落下する。
　このように、本実施形態では、ＣＰＵ１２（発熱量が大きい部品）で発生した熱は水冷ジャケット１８に移動し、水冷ジャケット１８から冷却水を介して冷却装置２２に輸送される。また、メモリ１３等の部品（発熱量が小さい部品）で発生した熱は、液体と気体とに相変化する冷媒１７を介して配管２１ａ，２１ｂまで移動し、更に配管２１ａ，２１ｂ内を通る冷却水を介して冷却装置２２に輸送される。そして、冷却装置２２では、冷却水を介して輸送されてきた熱を大気中に放散する。
　その結果、本実施形態では、発熱量が大きい部品だけでなく、発熱量が小さい部品も十分に冷却することができる。
　また、本実施形態において、１台の電子装置１０の冷却に必要な冷媒１７の量は、電子装置１０の体積よりも少ない。従って、本実施形態によれば、電子装置全体を冷媒中に浸漬して冷却する従来の方法に比べて、冷媒の使用量が少なくてすむ。更に、電子装置１０は一般的な１Ｕサーバと大きさ及び形状が同じであるので、例えば３２Ｕラックを使用した場合は高さ方向に最大３２台まで搭載することができる。従って、本実施形態によれば、電子装置１台あたりの設置床面積が少なくてすむ。
　これらのことから、本実施形態によれば、液浸槽内の冷媒中に電子装置全体を浸漬する従来の方法に比べて、液浸冷却システムの構築コストを大幅に削減できる。
　更にまた、上述したように電子装置１０は、一般的な１Ｕサーバ用ラックに搭載できるので、特定の電子装置（例えば異常が発生した電子装置）をラックから容易に取り出すことができる。従って、電子装置１０のメンテナンス性が良好である。
　（第２の実施形態）
　図５は、第２の実施形態に係る液浸冷却システムを示す模式図である。図５において、図１と同一物には同一符号を付している。
　本実施形態においても、電子装置１０ａは、密閉された空間を有する筐体１１と、筐体１１内に配置された配線基板２０とを有する。配線基板２０には、ＣＰＵ１２、メモリ１
３、ハードディスク１４、インターフェースカード１５及び電源ユニット１６等が搭載されている。
　筐体１１内には不活性で絶縁性が高い液体の冷媒１７ａが入っており、メモリ１３、ハードディスク１４、インターフェースカード１５及び電源ユニット１６は、冷媒１７ａ中に浸漬されている。
　第１の実施形態と同様に、ＣＰＵ１２は支持台１９を介して配線基板２０上に搭載されており、冷媒１７ａの液面よりも上の位置に配置されている。また、ＣＰＵ１２の上には水冷ジャケット１８が取り付けられている。電子装置１０ａの大きさ及び形状は、一般的な１Ｕサーバの大きさ及び形状と同じに設定されている。
　本実施形態では、冷媒１７ａとして、蒸発しにくいものを使用する。そのような冷媒として、例えば３Ｍ社のフロリナート（商標）ＦＣ－４０又はＦＣ－４３を用いることができる。ＦＣ－４０の沸点は１５５℃、密度は１８７０ｋｇ/ｍ3（２５℃）、比熱は１０５０Ｊ/ｋｇＫ、熱伝導度は０．０６７Ｗ/ｍＫである。また、ＦＣ－４３の沸点は１７４℃、密度は１８８０ｋｇ/ｍ3（２５℃）、比熱は１０５０Ｊ/ｋｇＫ、熱伝導度は０．０６
７Ｗ/ｍＫである。
　水冷ジャケット１８は、配管２１ａ，２１ｂを介して筐体１１の外に配置された冷却装置２８と接続されている。配管２１ａの途中にはポンプ２３が設けられており、このポンプ２３により冷却装置２８と水冷ジャケット１８との間を冷却水が循環する。
　本実施形態では、冷却装置２８として、水冷式又は空冷式のチラーを用いている。冷却装置２８から電子装置１０ａには、例えば温度が１５℃の冷却水が供給される。冷却水は第２の冷媒の一例であり、冷却装置２８は第１の冷却装置の一例である。
　また、筐体１１の外には冷却装置２５が配置されており、冷却装置２５と電子装置１０ａの筐体１１とは配管２７ａ，２７ｂが接続されている。冷却装置２５は、例えば第１の実施形態の冷却装置２２（図２参照）と同様の構造を有している。すなわち、冷却装置２５は、冷媒１７ａが通流する冷却管と、冷却管に接続した多数の放熱用のフィンと、フィン間に冷風を送るファン（送風機）とを有している。
　配管２７ａの途中にはポンプ２６が設けられており、このポンプ２６により筐体１１と冷却装置２５との間で冷媒１７ａが循環する。後述するように、筐体１１内の高温の冷媒１７ａはポンプ２６により冷却装置２５に輸送され、冷却装置２５において外気と熱交換する。そして、冷却装置２５から筐体１１内に、低温（例えば、２０℃）の冷媒１７ａが供給される。冷媒１７ａは第１の冷媒の一例であり、冷却装置２５は第２の冷却装置の一例である。
　以下、本実施形態に係る液浸冷却システムの動作について、図５及び図６を参照して説明する。図６は熱の移動を示している。
　ここでは、冷却装置２８から電子装置１０ａに温度が１５℃の冷却水が２Ｌ（リットル）/minの流量で供給されるものとする。また、冷却装置２５から電子装置１０ａに温度が２０℃の冷媒１７ａが２Ｌ（リットル）/minの流量で供給されるものとする。
　電子装置１０ａの稼働にともなって、ＣＰＵ１２及びメモリ１３等の部品で熱が発生する。ＣＰＵ１２で発生した熱は水冷ジャケット１８に伝達され、更に水冷ジャケット１８内を通る冷却水に伝達される。ＣＰＵ１２で発生した熱が水冷ジャケット１８を介して冷
却水に移動することにより、ＣＰＵ１２の温度はＣＰＵ１２の許容上限温度以下に維持される。
　また、ＣＰＵ１２から伝達された熱により、水冷ジャケット１８内を通る冷却水の温度が上昇する。ここでは、水冷ジャケット１８から排出される冷却水の温度は、２６℃～２７℃であるとする。この高温の冷却水は冷却装置２８に輸送され、冷却装置２８で冷却された後、水冷ジャケット１８に送られる。
　一方、メモリ１３等の部品で発生した熱は、メモリ１３等の部品の周囲の冷媒１７ａに移動する。熱が冷媒１７ａに移動することにより、メモリ１３等の部品の過度の温度上昇が回避されるとともに、冷媒１７ａの温度が上昇する。
　筐体１１内の高温の冷媒１７ａは、ポンプ２６により冷却装置２５に送られ、外気と熱交換を行って温度が下がる。そして、冷却装置２５から電子装置１０ａに低温の冷媒１７ａが供給される。
　本実施形態においても、ＣＰＵ１２（発熱量が大きい部品）は水冷ジャケット１８内を通る冷却水により冷却し、メモリ１３等の部品（発熱量が小さい部品）は冷媒１７ａに浸漬して冷却する。そして、１台の電子装置１０ａの冷却に必要な冷媒１７ａの量は、電子装置１０ａの体積よりも少ない。
　従って、本実施形態によれば、電子装置全体を冷媒中に浸漬して冷却する従来の方法に比べて、電子装置１台あたりの冷媒使用量が少なくてすむ。
　また、電子装置１０ａは一般的な１Ｕサーバと大きさ及び形状が同じであるので、多数の電子装置１０ａを高さ方向に配列させて収納でき、電子装置全体を浸漬する従来の方法に比べて電子装置１台あたりの設置床面積が小さくですむ。
　これらのことから、本実施形態によれば、液浸冷却システムの構築コストを大幅に削減できる。また、電子装置１０ａは、一般的な１Ｕサーバ用ラックに搭載することが可能であり、メンテナンス性が良好である。
　以下、本実施形態の冷却能力をシミュレーションした結果について、比較例と比較して説明する。
　図７は比較例の電子装置の透視図であり、図８は実施例の電子装置の透視図である。また、図９は、比較例及び実施例の部品構成を示す図である。更に、図１０はシミュレーション条件を示す図であり、ＣＰＵ、メモリ及びハードディスクの発熱量と、冷媒の種類、流量、及び温度とを示している。
　図７に示すように、比較例の電子装置３０は、２個のＣＰＵ（ＣＰＵモジュール）３２と、３台のハードディスク（ＨＤＤ）３４と、４枚のメモリ（ＤＩＭＭ）３３と、２組の電源ユニット３６と、１枚のインターフェースカード（Ｉ/Ｆカード）３５と、２枚のＲ
ＡＩＤカード（図示せず）とを有する。
　電子装置３０内には不活性冷媒（フッ素化合物）が充填されており、ＣＰＵ３２、ハードディスク３４、メモリ３３、電源ユニット３６、インターフェースカード３５、及びＲＡＩＤカードはいずれも冷媒中に浸漬されている。
　そして、電子装置３０は配管を介して外部の冷却装置に接続されており、電子装置３０
と冷却装置との間で冷媒が循環するようになっている。図７中の符号３７ａは冷媒入り口を示し、符号３７ｂは冷媒出口を示している。
　比較例の電子装置３０のサイズは、幅Ｗが４８４ｍｍ、長さＬが３８０ｍｍ、高さＨが４５ｍｍである。
　一方、図８に示すように、実施例の電子装置４０は、２個のＣＰＵ（ＣＰＵモジュール）４２と、３台のハードディスク（ＨＤＤ）４４と、４枚のメモリ（ＤＩＭＭ）４３と、２組の電源ユニット４６と、１枚のインターフェースカード（Ｉ/Ｆカード）４５と、２
枚のＲＡＩＤカード（図示せず）とを有する。
　電子装置４０内には不活性冷媒（フッ素化合物）が入れられており、ハードディスク４４、メモリ４３、電源ユニット４６、インターフェースカード４５及びＲＡＩＤカードはいずれも冷媒中に浸漬されている。但し、ＣＰＵ４２は冷媒の液面よりも上に配置されている。また、ＣＰＵ４２の上には水冷ジャケット４８が搭載されている。
　水冷ジャケット４８は配管を介して外部の第１の冷却装置に接続されており、第１の冷却装置と冷水ジャケット４８との間で冷却水が循環する。
　また、電子装置４０は配管を介して外部の第２の冷却装置に接続されており、電子装置４０と第２の冷却装置との間で冷媒が循環するようになっている。図８中の符号４７ａは冷媒入り口を示し、符号４７ｂは冷媒出口を示している。
　実施例の電子装置４０のサイズは、幅Ｗが４８４ｍｍ、長さＬが４７０ｍｍ、高さＨが４５ｍｍである。実施例の電子装置４０の長さＬが比較例の電子装置３０の長さＬよりも長いのは、冷却水が通る配管を配置するスペースが必要なためである。
　上記の条件、及び図９，図１０に示す条件で比較例の電子装置３０のＣＰＵ３２の付近の温度と実施例の電子装置４０のＣＰＵ４２の付近の温度とをシミュレーションした。その結果、比較例ではＣＰＵ３２の付近の温度が１９２℃となり、実施例ではＣＰＵ４２の付近の温度が２６℃～２７℃程度となった。
　このシミュレーション結果から、実施例の電子装置４０ではＣＰＵ４２を十分に冷却できることが確認された。
　１０，１０ａ，３０，４０…電子装置、１１…筐体、１２，３２，４２…ＣＰＵ、１３，３３，４３…メモリ、１４，３４，４４…ハードディスク、１５，３５…インターフェースカード、１６，３６，４６…電源ユニット、１７，１７ａ…冷媒、１８，４８…水冷ジャケット、１９…支持台、２０…配線基板、２１，２１ｂ，２７ａ，２７ｂ…配管、２２，２５，２８…冷却装置、２３，２６…ポンプ、２４…撹拌機、２９…ラック。

Claims (9)

  1. 　複数の発熱部品を含む電子装置を冷却する液浸冷却装置において、
    　第１の冷媒で内部の一部が満たされるとともに、前記複数の発熱部品のうち、第１の発熱部品以外の発熱部品を前記第１の冷媒中に浸す筐体と、
    　前記筐体の内部に配置された前記第１の発熱部品に接して設けられ、前記第１の発熱部品を冷却する液冷ジャケットと、
    　第１の配管を介して前記液冷ジャケットから送出された第２の冷媒の熱を放熱することにより、前記第２の冷媒を冷却する第１の冷却装置と、
    　前記第１の冷却装置が冷却した第２の冷媒を第２の配管を介して前記液冷ジャケットへ送出する第１のポンプと
    　を有することを特徴とする液浸冷却装置。
  2. 　前記液浸冷却装置はさらに、
    　第３の配管を介して前記筐体の内部から送出された第１の冷媒の熱を熱交換することにより、前記第１の冷媒を冷却する第２の冷却装置と、
    　前記第２の冷却装置が冷却した第１の冷媒を第４の配管を介して前記筐体の内部へ送出する第２のポンプと
    　を有することを特徴とする請求項１に記載の液浸冷却装置。
  3. 　前記液浸装置はさらに、
    　前記筐体の内部に配置され、前記第１の発熱部品が前記第１の冷媒に浸漬しないように支持する支持部材を有する
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液浸冷却装置。
  4. 　前記液浸冷却装置はさらに、
    　前記筐体の内部に配置され、前記第１の冷媒を撹拌するファンを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液浸冷却装置。
  5. 　前記第１の冷媒は、前記第２の冷媒よりも沸点が低いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液浸冷却装置。
  6. 　前記第１の発熱部品は、前記複数の発熱部品のうち、最も発熱量が大きい発熱部品であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液浸冷却装置。
  7. 　前記第１の発熱部品は、演算処理装置であることを特徴とする請求項６に記載の液浸冷却装置。
  8. 　複数の発熱部品を含む電子装置と、前記電子装置を冷却する液浸冷却装置とを有する液浸冷却システムにおいて、
    　前記液浸冷却装置は、
    　第１の冷媒で内部の一部が満たされるとともに、前記複数の発熱部品のうち、第１の発熱部品以外の発熱部品を前記第１の冷媒中に浸す筐体と、
    　前記筐体の内部に配置された前記第１の発熱部品に接して設けられ、前記第１の発熱部品を冷却する液冷ジャケットと、
    　第１の配管を介して前記液冷ジャケットから送出された第２の冷媒の熱を放熱することにより、前記第２の冷媒を冷却する冷却装置と、
    　前記冷却装置が冷却した第２の冷媒を第２の配管を介して前記液冷ジャケットへ送出する第１のポンプと
    　を有することを特徴とする液浸冷却システム。
  9. 　第１の冷媒で内部の一部が満たされるとともに、複数の発熱部品のうち、第１の発熱部品以外の発熱部品を前記第１の冷媒中に浸す筐体を有する液浸冷却装置を用いた電子装置の冷却方法において、
    　前記液浸冷却装置に含まれ、前記筐体の内部に配置された前記第１の発熱部品に接して設けられた液冷ジャケットが、前記第１の発熱部品を冷却し、
    　前記液浸冷却装置が有する冷却装置が、第１の配管を介して前記液冷ジャケットから送出された第２の冷媒の熱を放熱することにより、前記第２の冷媒を冷却し、
    　前記液浸冷却装置が有するポンプが、前記冷却装置が冷却した第２の冷媒を第２の配管を介して前記液冷ジャケットへ送出する
    　ことを特徴とする電子装置の冷却方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020234600A1 (en) * 2019-05-21 2020-11-26 Iceotope Group Limited Cooling system for electronic modules
TWI721825B (zh) * 2020-01-03 2021-03-11 廣達電腦股份有限公司 冷卻單元、冷卻系統及電腦系統
US11490546B2 (en) 2019-05-21 2022-11-01 Iceotope Group Limited Cooling system for electronic modules
JP2024021034A (ja) * 2022-08-02 2024-02-15 緯創資通股▲ふん▼有限公司 液浸冷却ユニット及び電子機器

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019048864A1 (en) 2017-09-06 2019-03-14 Iceotope Limited THERMAL DISSIPATOR, THERMAL DISSIPATOR ARRANGEMENT AND MODULE FOR IMMERSION COOLING IN A LIQUID
JP7151276B2 (ja) * 2018-08-28 2022-10-12 富士通株式会社 冷却制御装置、冷却制御方法及び冷却制御プログラム
GB201916771D0 (en) * 2019-11-18 2020-01-01 Iceotope Group Ltd Heat sink for liquid cooling
US20220151112A1 (en) * 2019-03-05 2022-05-12 Iceotope Group Limited Cooling module and cooling module rack
GB2584991B (en) * 2019-05-21 2022-01-26 Iceotope Group Ltd Cold plate
CN112020265B (zh) * 2019-05-31 2022-06-28 华为技术有限公司 一种散热装置及处理器
US10750637B1 (en) * 2019-10-24 2020-08-18 Microsoft Technology Licensing, Llc Immersion cooling infrastructure module having compute device form factor
GB201916768D0 (en) * 2019-11-18 2020-01-01 Iceotope Group Ltd Cold plate and system for cooling electronic devices
GB201916763D0 (en) * 2019-11-18 2020-01-01 Iceotope Group Ltd Nozzle arrangement and cooling module
JP2022030744A (ja) * 2020-08-07 2022-02-18 ダイキン工業株式会社 液浸冷却装置
US20210185850A1 (en) * 2021-02-25 2021-06-17 Intel Corporation Hybrid liquid cooling
US12137536B2 (en) * 2021-04-01 2024-11-05 Ovh Systems and methods for autonomously activable redundant cooling of a heat generating component
EP4068930B1 (en) 2021-04-01 2024-03-13 Ovh A rack system for housing an electronic device
CA3151725A1 (en) 2021-04-01 2022-10-01 Ovh Immersion cooling system with dual dielectric cooling liquid circulation
EP4068932A1 (en) * 2021-04-01 2022-10-05 Ovh Rack system with both immersion and forced liquid convection cooling
CA3153037A1 (en) 2021-04-01 2022-10-01 Ovh Hybrid immersion cooling system for rack-mounted electronic assemblies
EP4068925A1 (en) 2021-04-01 2022-10-05 Ovh Scissor structure for cable/tube management of rack-mounted liquid-cooled electronic assemblies
CN115209675A (zh) * 2021-04-14 2022-10-18 台达电子工业股份有限公司 沉浸式冷却系统
CN115734556A (zh) * 2021-08-25 2023-03-03 华为技术有限公司 基于双冷却通路的液冷散热结构
US20230232524A1 (en) * 2022-01-18 2023-07-20 Liquidcool Solutions, Inc. Liquid submersion cooled electronic device with clamshell enclosure
US20230247795A1 (en) 2022-01-28 2023-08-03 The Research Foundation For The State University Of New York Regenerative preheater for phase change cooling applications
KR102745962B1 (ko) * 2023-02-20 2024-12-24 한국해양과학기술원 수중 데이터센터의 무동력 냉각 장치
US20240381585A1 (en) * 2023-05-09 2024-11-14 Super Micro Computer, Inc. Directing coolant to flow toward heat sinks of electric components in immersion cooling systems
WO2024241500A1 (ja) * 2023-05-23 2024-11-28 株式会社Zyrq コンピュータシステムの冷却方法、及び液浸槽

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06169039A (ja) * 1992-12-01 1994-06-14 Kofu Nippon Denki Kk 浸漬ｄｃ−ｄｃコンバータ冷却器
JPH09283677A (ja) * 1996-04-10 1997-10-31 Fuji Electric Co Ltd 電力用半導体装置の冷却装置
JP2010063195A (ja) * 2008-09-01 2010-03-18 Meidensha Corp パルス電源の冷却装置
JP2018018857A (ja) * 2016-07-25 2018-02-01 富士通株式会社 液浸冷却装置、液浸冷却システム、及び液浸冷却装置の制御方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59136997A (ja) 1983-01-27 1984-08-06 富士通株式会社 電源の冷却方法
EP0456508A3 (en) * 1990-05-11 1993-01-20 Fujitsu Limited Immersion cooling coolant and electronic device using this coolant
US7092254B1 (en) * 2004-08-06 2006-08-15 Apple Computer, Inc. Cooling system for electronic devices utilizing fluid flow and agitation
US7307841B2 (en) * 2005-07-28 2007-12-11 Delphi Technologies, Inc. Electronic package and method of cooling electronics
CN102037426B (zh) * 2008-04-21 2014-08-06 固核电脑公司 一种液体浸没式冷却式服务器电脑阵列、服务器电脑
MY156969A (en) * 2008-08-11 2016-04-15 Green Revolution Cooling Inc Liquid submerged, horizontal computer server rack and systems and methods of cooling such a server rack
US7885070B2 (en) * 2008-10-23 2011-02-08 International Business Machines Corporation Apparatus and method for immersion-cooling of an electronic system utilizing coolant jet impingement and coolant wash flow
US8559173B2 (en) * 2010-03-15 2013-10-15 Panasonic Corporation Electronic apparatus provided with cooling structure
US8345423B2 (en) * 2010-06-29 2013-01-01 International Business Machines Corporation Interleaved, immersion-cooling apparatuses and methods for cooling electronic subsystems
WO2012059975A1 (ja) * 2010-11-01 2012-05-10 富士通株式会社 ループ型ヒートパイプ及びこれを用いた電子機器
JP5017473B1 (ja) * 2011-03-16 2012-09-05 株式会社東芝 テレビジョン受像機および電子機器
US9429369B2 (en) * 2011-09-06 2016-08-30 Asia Vital Components Co., Ltd. Thermal module structure
JP5853072B1 (ja) 2014-08-25 2016-02-09 株式会社ＥｘａＳｃａｌｅｒ 電子機器の冷却システム
JPWO2016157397A1 (ja) * 2015-03-30 2018-01-25 株式会社ＥｘａＳｃａｌｅｒ 電子機器の冷却システム
US10123454B2 (en) * 2015-03-30 2018-11-06 Exascaler Inc. Electronic-device cooling system
JP6064083B1 (ja) * 2015-08-31 2017-01-18 株式会社ＥｘａＳｃａｌｅｒ 電子機器の冷却システム
US9622379B1 (en) * 2015-10-29 2017-04-11 International Business Machines Corporation Drawer-level immersion-cooling with hinged, liquid-cooled heat sink

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06169039A (ja) * 1992-12-01 1994-06-14 Kofu Nippon Denki Kk 浸漬ｄｃ−ｄｃコンバータ冷却器
JPH09283677A (ja) * 1996-04-10 1997-10-31 Fuji Electric Co Ltd 電力用半導体装置の冷却装置
JP2010063195A (ja) * 2008-09-01 2010-03-18 Meidensha Corp パルス電源の冷却装置
JP2018018857A (ja) * 2016-07-25 2018-02-01 富士通株式会社 液浸冷却装置、液浸冷却システム、及び液浸冷却装置の制御方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020234600A1 (en) * 2019-05-21 2020-11-26 Iceotope Group Limited Cooling system for electronic modules
US11490546B2 (en) 2019-05-21 2022-11-01 Iceotope Group Limited Cooling system for electronic modules
US11963338B2 (en) 2019-05-21 2024-04-16 Iceotope Group Limited Cooling system for electronic modules
TWI721825B (zh) * 2020-01-03 2021-03-11 廣達電腦股份有限公司 冷卻單元、冷卻系統及電腦系統
JP2024021034A (ja) * 2022-08-02 2024-02-15 緯創資通股▲ふん▼有限公司 液浸冷却ユニット及び電子機器
JP7555444B2 (ja) 2022-08-02 2024-09-24 緯創資通股▲ふん▼有限公司 液浸冷却ユニット及び電子機器
US12432875B2 (en) 2022-08-02 2025-09-30 Wistron Corporation Immersion cooling unit and electronic apparatus

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