WO2024241500A1

WO2024241500A1 - コンピュータシステムの冷却方法、及び液浸槽

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Publication number: WO2024241500A1
Application number: PCT/JP2023/019173
Authority: WO
Inventors: 元章齊藤
Original assignee: Zyrq Inc
Current assignee: Zyrq Inc
Priority date: 2023-05-23
Filing date: 2023-05-23
Publication date: 2024-11-28
Anticipated expiration: 2025-11-23

Abstract

【課題】三次元的に複雑化するコンピュータシステムを液浸冷却するための改良された冷却方法、及び液浸槽を提供する。【解決手段】２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムを、１つ以上の第１の発熱体を含む第１のセグメントと、１つ以上の第２の発熱体を含む第２のセグメントに分割し、第１のセグメントを防水性の被膜又は防水性の袋で覆うことによって第１のセグメントを防水処理し、防水処理をした第１のセグメントと防水処理をしていない第２のセグメントとを電気的に接続し、防水処理をした第１のセグメントを、第１の冷媒が入れられた第１の液浸槽に浸漬し、防水処理をしていない第２のセグメントを、第１の冷媒と異なる第２の冷媒が入れられた第２の液浸槽に浸漬する、コンピュータシステムの冷却方法である。

Description

コンピュータシステムの冷却方法、及び液浸槽

　本発明はコンピュータシステムの冷却方法、及び液浸槽に係り、特に、スーパーコンピュータやデータセンター、あるいは人工知能処理システムや量子コンピューティングシステム、または暗号処理システムやブロックチェーン処理システム等の、高性能動作や安定動作、または低消費電力動作が要求され、かつそれ自体からの発熱量が大きなコンピュータシステムを、冷媒に浸漬して冷却する冷却方法、及び液浸槽に関するものである。

　近年のコンピュータ関連機器の性能の限界を決定する最大の課題の一つは消費電力であり、特に代表格のスーパーコンピュータの省電力性に関する研究の重要性は、既に広く認識されている。すなわち、消費電力当たりの速度性能（Ｆｌｏｐｓ／Ｗ）が、スーパーコンピュータを評価する一つの指標となっている。また、データセンターにおいては、データセンター全体の消費電力の３０％以上を冷却に費やしているともされ、冷却効率の向上による消費電力の削減の要請が大きくなっている。
　また最近の地球温暖化と、異常気象による猛暑、酷暑によって、これまでの冷却方式ではデータセンターを夏場には冷却できない事態が生じてきており、既存システムに関する冷却能力の向上自体も急務となっている。
　さらに、人工知能処理の急激な伸長、暗号化処理の必要性の増大、ブロックチェーン処理の主要な事例である仮想通貨マイニング処理の急増、そして急成長する予想が多数出て来ているメタバースの発展、それらの何れにおいてもデータセンターやコンピュータシステム処理能力の幾何級数的な増加が不可欠であり、冷却能力増強への要請は非常に大きなものとなってきている。

　スーパーコンピュータやデータセンターの冷却には、従来から空冷式と液冷式が用いられている。液冷式は、空気より格段に熱伝達性能の優れる液体を用いるため、一般的に冷却効率がよいとされている。例えば、東京工業大学が構築した「ＴＳＵＢＡＭＥ－ＫＦＣ」では、合成油を用いた液浸冷却システムにより、４．５０ＧＦｌｏｐｓ／Ｗを達成し、２０１３年１１月、及び２０１４年６月発表の「Ｓｕｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒｅｅｎ５００　Ｌｉｓｔ」において１位を獲得している。

　他方、合成油、あるいは鉱物油ではなく、フッ化炭素系冷却液を用いる液浸冷却システムが提案されている。具体的には、フッ化炭素系の冷却液（３Ｍ社の商品名「Ｎｏｖｅｃ（３Ｍ社の商標。以下同様）７１００」、「Ｎｏｖｅｃ７２００」、「Ｎｏｖｅｃ７３００」で知られる、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）化合物）を用いる例である（例えば、特許文献１、特許文献２）。

　これらに加え、本発明者は２０１４年以来、冷却槽の解放空間内に、完全フッ素化物を主成分として含む蒸発しにくい冷却液を流通し、電子機器を直接冷却する新しい液浸冷却システムとその周辺の一連の技術を開発している（例えば、特許文献３）。

　しかしながら、これらのフッ化炭素系冷却液の一切を含むＰＦＡＳ（ペルフルオロアルキル化合物及びポリフルオロアルキル化合物、Perfluoroalkyl Substances and Polyfluoroalkyl Substances）に関しては、以前から人体や農作物、自然環境への悪影響が指摘されてきており、去る２０２２年１２月には世界最大手の製造元が２０２５年末までに製造を全面停止する発表をしたり、欧州では数年以内に製造と使用の双方が法律で禁止される見通しとなったりしている。
　従い、ＰＦＡＳなどの有害な化合物を冷媒として一切使用しない、そしてＰＦＡＳ等を冷媒として使用した方式の液浸冷却と比較して更に冷却能力に優れた、更にはより安価で広く世界中で使用することが可能な、新しい液浸冷却手法が求められている。

　ＰＦＡＳなどの有害な化合物を冷媒として一切使用しない代表例は、純水ではない一般的な水（水道水や工業用水）を利用できる冷却方式が存在する。具体的には、柔軟な袋の中に回路基板に搭載された半導体チップを収納し、袋を冷却液体としての水が入れられた容器に浸漬し、袋の周囲に水を満たしたときの、または袋の内部を減圧したときの袋の内外の圧力差により袋を収縮・変形させ、袋を半導体装置に密着させる冷却方式が提案されている（例えば、特許文献４）。

　また、水を利用できるさらなる別の冷却方式として、コンピュータを直接冷却するために、川、湖、海の水または水道水を冷熱源として利用する天然水冷コンピュータの提案もなされている。具体的には、基板表面をパリレン樹脂コーティングしたコンピュータを水に浸漬する冷却方式である。（例えば、非特許文献１）。

　さらに、基板全体を、シリコン化合物ナノ粒子を用いた超ナノ疎水性コーティング薄膜で完全に被覆して、防水・耐湿特性の優れた電子機器となし、これを水に浸漬する冷却方式が提案されている（例えば、特許文献５）。

特開２０１３－１８７２５１号公報特表２０１２－５２７１０９号公報特許第５８５３０７２号公報特許第２８０４６４０号公報米国特許第１０７１７８８１号明細書藤原一毅他、情報処理学会研究報告ハイパフォーマンスコンピューティング（ＨＰＣ）「直接天然水冷コンピュータへの第一歩」　2017-HPC-158(5), pp.1-5 (2017年3月1日)　ＵＲＬ：http://research.nii.ac.jp/~koibuchi/pdf/ikki-sighpc158.pdf

　非特許文献１が開示する冷却システムは、電子部品と電子基板の全体を、電気を導通させず、水を透過させない性質を持つパリレン薄膜で完全に被覆してしまい、そのパリレン薄膜で被覆された電子部品と電子基板全体を水や海水に浸漬させて、パリレン薄膜全体で接触する水や海水の低温を用いて機器の冷却を行う方式を採用している。

　同様に、特許文献５が開示する冷却システムも、電子部品と電子基板の全体を、電気を導通させず、水を透過させない性質を持つシリコン化合物ナノ粒子を用いた超ナノ疎水性コーティング薄膜で完全に被覆してしまい、その疎水性コーティング薄膜で被覆された電子部品と電子基板全体を水に浸漬させて、疎水性コーティング薄膜全体で接触する水の低温を用いて機器の冷却を行う方式を採用している。

　他方、特許文献４が開示する水冷の冷却方法は、半導体装置を柔軟な袋に収納して水などの冷媒に浸漬して冷却を得るものである。

　スーパーコンピュータやデータセンター等で使用されるコンピュータシステムは、概して、電子基板と、電子基板上に実装される種々の電子部品（ＣＰＵ（Ｃｅｔｎｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）及び／又はＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、高速メモリ、チップセット、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの電源関連部品、電解コンデンサ、ネットワークユニット、バススイッチユニット、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等）と、電子部品に電力を供給するためのＰＳＵ（Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｕｎｉｔ）を含む。

　しかし、最近のコンピュータシステムは、種々の電子部品とＰＳＵを実装した電子基板が３次元構造的に複雑な形状を有している。このため、３次元構造的に複雑なコンピュータシステムを欠陥のない完全な薄膜で被覆する技術の確立には、相当の技術的困難が伴うことが予想される。

　また、コンピュータシステムを柔軟な袋に収納して水などの冷媒に浸漬して冷却する方法では、コンピュータシステムの外面と袋の内面とをできるだけ隙間なく密着させ、これによりコンピュータシステムからその周囲の冷媒への熱伝達性を高めるようにすることが望ましい。しかし、コンピュータシステムの三次元的構造の複雑化が進めば進むほど、この要件を満たすことが技術的により困難となると予想される。

　従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、三次元的に複雑化するコンピュータシステムを液浸冷却するための改良された冷却方法、及び液浸槽を提供することにある。

　上記の課題を解決するために、本発明の一局面によれば、コンピュータシステムの冷却方法であって、２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムを、１つ以上の第１の発熱体を含む第１のセグメントと、１つ以上の第２の発熱体を含む第２のセグメントに分割し、第１のセグメントと第２のセグメントとを電気的に接続し、第１のセグメントを、第１の冷媒が入れられた第１の液浸槽に浸漬し、第２のセグメントを、第１の冷媒と異なる第２の冷媒が入れられた第２の液浸槽に浸漬する、コンピュータシステムの冷却方法を提供する。

　本発明のもう一つの局面によれば、コンピュータシステムの冷却方法であって、２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムを、１つ以上の第１の発熱体を含む第１のセグメントと、１つ以上の第２の発熱体を含む第２のセグメントに分割し、第１のセグメントを防水性の被膜又は防水性の袋で覆うことによって第１のセグメントを防水処理し、防水処理をした第１のセグメントと防水処理をしていない第２のセグメントとを電気的に接続し、防水処理をした第１のセグメントを、第１の冷媒が入れられた第１の液浸槽に浸漬し、防水処理をしていない第２のセグメントを、第１の冷媒と異なる第２の冷媒が入れられた第２の液浸槽に浸漬する、コンピュータシステムの冷却方法を提供する。

　上記冷却方法の好ましい実施の形態において、第１のセグメントは、種々の電子部品が実装される電子基板を含んでよく、第１の発熱体は、ＣＰＵ又はＧＰＵを、１つ以上含んでよい。また、第２のセグメントは、電源ユニット（ＰＳＵ）を含んでよく、第２の発熱体は電圧変換器又はパワー半導体を、１つ以上含んでよい。

　また、上記冷却方法の好ましい実施の形態において、第１の冷媒は水でよく、第２の冷媒は非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイルでよい。

　さらに、上記冷却方法の好ましい実施の形態において、防水処理をした第１のセグメントの電源端子と、防水処理をしていない第２のセグメントの電源端子とが、導電経路を介して電気的に接続されていてよく、導電経路は、バスバー又は電気ケーブルでよい。

　また、上記冷却方法の好ましい実施の形態において、第１の液浸槽及び第２の液浸槽は、それぞれ底壁と１つ以上の側壁とにより形成され、第２の液浸槽は、第１の液浸槽内に配置されてよい。第１の液浸槽は、底壁と１つ以上の側壁とにより形成され、第２の液浸槽は、第１の液浸槽内に隔壁を配置することにより形成されてよい。

　また、上記冷却方法の好ましい実施の形態において、第１の液浸槽及び第２の液浸槽は、それぞれ底壁と１つ以上の側壁とにより形成され、第２の液浸槽の１つの側壁と第１の液浸槽の１つの側壁とが、１枚の隔壁を共有するか又は隣接するように、第１の液浸槽及び第２の液浸槽が配置されてよい。

　上記冷却方法の好ましい実施の形態において、第２の液浸槽内の第２の冷媒から熱を奪う排熱機構が、第１の液浸槽内に配置されていてよい。この場合、排熱機構は、第２の液浸槽の１つ以上の隔壁に熱的に接続されたヒートシンクでよい。

　上記冷却方法の好ましい実施の形態において、排熱機構は、第２の液浸槽に設けられた冷媒入口と冷媒出口との間を繋ぐ第２の冷媒通路中に設けられたラジエータでよい。また、第２の冷媒通路中に、第２の冷媒を強制循環させるための第２のポンプを設けてよい。

　上記冷却方法の好ましい実施の形態において、第１の冷媒槽内に設けられた冷媒入口と冷媒出口との間を繋ぐ第１の冷媒通路中に熱交換器が設けられてよい。また、第１の冷媒通路中に、第１の冷媒を強制循環させるための第１のポンプを設けてよい。

　本発明のさらにもう一つの局面によれば、２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムから分割された、１つ以上の第１の発熱体を含む第１のセグメントと、１つ以上の第２の発熱体を含む第２のセグメントとを、それぞれ異なる冷媒で冷媒するための、液浸槽であって、第１の冷媒を入れるための第１の液浸槽と、第１の冷媒と異なる第２の冷媒を入れるための第２の液浸槽と、第１の液浸槽内に配置される排熱機構であって、第２の液浸槽内の第２の冷媒から熱を奪う排熱機構と、を含む液浸槽を提供する。

　なお、コンピュータシステムを、３つ以上のセグメントに分割し、これらを、２つ以上の異なる冷媒が入れられた２つ以上の液浸槽に分散して浸漬することでもよい。例えば、コンピュータシステムを第１のセグメント（ＣＰＵ基板）、第２のセグメント（ＰＳＵ）、及び第３のセグメント（ＳＳＤ基板）に分割し、防水処理のされた第１のセグメント及び第３のセグメントを、第１の冷媒（例えば水）が入れられた第１の液浸槽に浸漬し、第２のセグメントを第２の冷媒（例えば非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイル）が入れられた第２の液浸槽に浸漬することでもよい。また、第１～第３のセグメントを、それぞれ第１～第３の液浸槽に浸漬することでもよく、この場合に、第１及び第３の液浸槽には第１の冷媒（水）が入れられ、第２の液浸槽には第２の冷媒（非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイル）が入れられていてもよい。もちろん、第１～第３のセグメントを、それぞれ、種類ないし性質の異なる第１～第３の冷媒がそれぞれ入れられた第１～第３の液浸槽に浸漬することでもよい。

　２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムから分割された、１つ以上の第１の発熱体を含む第１のセグメントと、１つ以上の第２の発熱体を含む第２のセグメントとを、それぞれ異なる冷媒で冷却することができ、第１のセグメントと、第２のセグメントとに、それぞれ異なる種類の冷媒に基づいた異なる冷却要件を適用して、コンピュータシステムを構築することができる。例えば、コンピュータシステムを、比較的防水処理のし易いセグメントと、比較的防水処理のし難いセグメントとに分割し、前者に対して防水処理をした後に、水が入れられた液浸槽に浸漬し、後者は防水処理なしで、冷媒として非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイルを入れた液浸槽に浸漬して、冷却することができる。このようにして、コンピュータシステムの三次元的な複雑化がさらに進んだ場合でも、コンピュータシステムを、例えば、比較的平面的な構造を有していて安定した防水処理をし易い部分と、比較的立体的な構造を有し安定した防水処理をし難い部分とにセグメント分けし、これらの異なるセグメントに、異なる冷媒を使用する異なる液浸冷却方式を適用することができる。

　第１のセグメントを防水性の被膜又は防水性の袋で覆うことによって第１のセグメントを防水処理した場合、第１の冷媒に確実に水を使用することができるので、第２の冷媒にＰＦＡＳなどの有害な化合物を含まない、より安全な非導電性の合成油や鉱物油、又はシリコーンオイルを、確実に選択することできる。

　また、第１のセグメントと、第２のセグメントとに、それぞれ異なる種類の冷媒に基づいた異なる冷却要件を適用して、コンピュータシステムを構築するときに、第１の冷媒を入れるための第１の液浸槽と、第１の冷媒と異なる第２の冷媒を入れるための第２の液浸槽と、第１の液浸槽内に配置される排熱機構であって、第２の液浸槽内の第２の冷媒から熱を奪う排熱機構と備えた液浸槽の構成とすると、第２の液浸槽の外部に配置される排熱機構を介して、第２の冷媒から、第１の液浸槽内のある冷媒に熱を移動させて、第２の液浸槽内の第２のセグメントを冷却することができる。第２の冷媒を冷やすための排熱機構が、第１の液浸槽の内部に配置されているので、液浸槽の外部には、液浸槽の数よりも少ない数の熱交換器を設置すればよく、設置に必要とされる設備及びスペースを節約することができる。

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

本発明の一実施形態に係る冷却方法を説明する概略図である。本発明の一実施形態に係る液浸槽を説明する概略図である。液浸槽の他の例を説明する概略図である。液浸槽の他の例を説明する概略図である。防水処理がされた第１のセグメントの一例を示す図である。防水処理がされた第１のセグメントの一例を示す断面図である。

　以下、本発明に係る冷却方法の好ましい複数の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

　図１を参照して、冷媒槽１００は、冷媒槽１１と冷媒槽２１とを組み合わせて構成されている。図示の例では、冷媒槽１１は、底壁と四面の側壁とで区切られた直方体又は立方体形状の槽を成している。他方、冷媒槽２１は、底壁と四面の側壁とで区切られた直方体形状の槽を成しているが、冷媒槽２１の幅及び奥行きは、冷媒槽１１の幅及び奥行きよりも短いため、冷媒槽２１を冷媒槽１１の内部に設置することができる。冷媒槽１１は第１の冷媒槽に相当し、冷媒槽２１は第２の冷媒槽に相当する。冷媒槽１１には、冷媒として水を入れることができ、冷媒槽２１には、冷媒として非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイルをいれることができる。冷媒槽１１に入れられる冷媒（水）は第１の冷媒に相当し、冷媒槽２１に入れられる冷媒（非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイル）は第２の冷媒に相当する。

　コンピュータシステム３０は、複数個のＣＰＵ又はＧＰＵと、その他の種々の電子部品とを基板上に実装してなる電子基板３１の部分と、電圧変換器又はパワー半導体を１つ以上含むＰＳＵ３３の部分とに分割することができる。ＣＰＵ、ＧＰＵ、電圧変換器、及びパワー半導体は例示に過ぎないが、これらはいずれも発熱体に相当する。また、電子基板３１は、コンピュータシステム３０から分割された第１のセグメントに相当し、ＰＳＵ３３は、コンピュータシステム３０から分割された第２のセグメントに相当する。

　電子基板３１は、複数のＣＰＵ又はＧＰＵを含む。ＣＰＵ又はＧＰＵが発する熱を放熱するためのヒートシンク３１ａが、ＣＰＵ又はＧＰＵのそれぞれに熱的に接続されている。図示の例では、基板の一の面に５行×４列に配列されたＣＰＵ又はＧＰＵが実装され、ＣＰＵ又はＧＰＵそれぞれに、ヒートシンク３１ａの裏面が熱的に接続されている。電子機器３１の上部には直流電圧入力端子３２ａ、３２ｂと、通信ネットワークケーブル接続用のコネクタ端子３６が設けられている。

　電子基板３１は、直流電圧入力端子３２ａ、３２ｂ及びコネクタ端子３６の箇所を除いて、防水処理をされているとよい。防水処理の具体例は、一つには、パリレン薄膜で電子基板３１及びヒートシンク３１ａを完全に被覆することであり（例えば、非特許文献１）、もう１つには、シリコン化合物ナノ粒子を用いた超ナノ疎水性コーティング薄膜で電子基板３１及びヒートシンク３１ａを完全に被覆することである（例えば、特許文献５）。図示の電子基板３１は、基板上に同一形状のヒートシンク３１aを整列して敷き詰めたような形状しているため、比較的平面的で単純な構造を有していて安定した防水処理をし易い部分であるといえる。よって、このような電子基板３１に対して、パリレン薄膜又は超ナノ疎水性コーティング薄膜による完全な被覆による防水処理をすることができる。電子基板３１には防水処理をしてあるので、一般的な水を入れた液浸槽１１に、電子基板３１を浸漬して冷却することができる。図示の例では、液浸槽１１内に、電子基板３１を左右に４枚ずつ、合計８枚浸漬して冷却することができる（便宜上、１枚の電子基板のみを描いていることを付言する）。

　防水処理の好ましい他の具体例は、このような電子基板３１を柔軟な袋に収納することである（例えば、特許文献５）。防水処理のより好ましい具体例は、ヒートシンク３１ａが直接冷媒に接することができるよう構成した、特別な複合体に基板を収納することである（例えば、未公開の国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０２３／１３９８５、及びＰＣＴ／ＪＰ２０２３／０１４００２）。後者の例は、図５及び図６を参照して後述する。

　ＰＳＵ３３は、直方体形状の筐体の内部に、図示しない電圧変換器又はパワー半導体を１つ以上含み、筐体上部には直流電圧出力端子３４ａ、３４ｂを有する。筐体の内部の構造は、電子基板３１に比べて、より三次元的かつ複雑である。このため、筐体内部の電子部品に対して、パリレン薄膜又は超ナノ疎水性コーティング薄膜による完全な被覆を形成して防水処理をすることや、袋による防水処理をすることには、相当な困難を伴うことが予想される。そこで、防水処理をしていないＰＳＵ３３を、非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイルを入れた液浸槽２１に浸漬して冷却するようにしている。図示の例では、液浸槽２１内に、２台のＰＳＵ３３を並べて浸漬して冷却することができる（便宜上、１台のＰＳＵのみを描いていることを付言する）。

　電子基板３１の直流電圧入力端子３２ａとＰＳＵ３３の直流電圧出力端子３４ａ間、直流電圧入力端子３２ｂと直流電圧出力端子３４ｂとは、それぞれバスバー３５を介して電気的に接続されている（便宜上、１枚のバスバーのみを描いていることを付言する）。直流電圧入力端子３２ａ、３２ｂ、直流電圧出力端子３４ａ、３４ｂは、電源端子に相当し、バスバー３５は、導電経路に相当する。

　次に、液浸槽１１に入れられた第１の冷媒を冷やすための冷媒経路の一例を説明する。液浸槽１１の１つの側壁の下部に設けられた２つの冷媒入口１１ａと、当該側壁の上部に設けられた２つの冷媒出口１１ｂとを繋いだ冷媒経路中には、ポンプ１３と熱交換器１５とが設けられている。熱交換器１５には、プレート型熱交換器を使用してよい。液浸槽１１の冷媒出口１１ｂは、ポンプ１３の吸入口１３ａと繋がれ、ポンプ１３の排出口１３ｂは、熱交換器１５の被冷却冷媒入口１５ａと繋がれ、熱交換器１５の被冷却冷媒出口１５ｂは、液浸槽１１の冷媒入口１１ａと繋がれている。図示しないチラーから熱交換器１５の冷却用冷媒入口１５ｃに冷えた外部冷媒が供給され、熱交換器１５内で、第１の冷媒との熱交換が行われ、温められた冷媒が、冷却用冷媒出口１５ｄから排出され、図示しないチラーに戻される。配管を用いて冷媒経路を構成することができる。ただし、図示の便宜上、冷媒経路を、冷媒の流れる方向を示す矢印を付加した実線で描いていることを付言する。

　図２を参照して、液浸槽１００に設けられている、液浸槽２１に入れられた第２の冷媒を冷やすための排熱機構の一例を説明する。図示の例において、液浸槽２１の１つの側壁の下部に設けられた２つの冷媒入口２１ａと、当該側壁の上部に設けられた２つの冷媒出口２１ｂとを繋いだ冷媒経路中には、ポンプ２３とラジエータ２５とが設けられている。液浸槽２１の冷媒出口２１ｂは、ポンプ２３の吸入口２３ａと繋がれ、ポンプ２３の排出口２３ｂは、ラジエータ２５の冷媒入口２５ａと繋がれ、ラジエータ２５の冷媒出口２５ｂは、液浸槽２１の冷媒入口２１ａと繋がれている。ポンプ２３とラジエータ２５は、液浸槽２１の外部にあるが、液浸槽１１の内部に設置されている。液浸槽２１に入れられた第２の冷媒は、ポンプ２３によって、液浸槽２１の外部にあるラジエータ２５に運ばれ、ラジエータ２５内を通過する際に、ラジエータ２５の周囲にある第１の冷媒がラジエータのフィン表面等から熱を奪うことにより冷やされ、液浸槽２１に戻される。なお、ラジエータは一例であり、ラジエータに代えて、熱交換器（例えばプレート型熱交換器）を使用してもよい。

　液浸槽の他の例の概略を示す図３を参照して、液浸槽２１に入れられた第２の冷媒を冷やすための排熱機構の他の例を説明する。図２に示す液浸槽１００は、ポンプ２３を使用する強制循環冷却方式を採用する例であるのとは対照的に、図３に示す液浸槽３００は、液浸槽２１の一つの側壁にヒートシンク２７を熱的に接続し、第２の冷媒から側壁を通じてヒートシンク２７により奪熱する、自然冷却方式を採用する例である。

　液浸槽の他の例の概略を示す図４を参照して、第１の液浸槽（液浸槽１１）と第２の液浸槽（液浸槽２１）との組み合わせの変更例を説明する。図示の液浸槽４００の例において、液浸槽１１は、右液浸槽１１Ｒと左液浸槽１１Ｌとから構成され、中央に位置する液浸槽２１を両側から挟むにように配置されている。右液浸槽１１Ｒ又は左液浸槽Ｌと液浸槽２１とを区切る側壁は、右液浸槽１１Ｒ又は左液浸槽Ｌの側壁と液浸槽２１の側壁とが、１枚の隔壁を共有してもよく、あるいは隣接してもよい。図示の液浸槽４００の例においては、右液浸槽１１Ｒと液浸槽２１とで１枚の隔壁を共有し、左液浸槽１１Ｌと液浸槽２１とでも１枚の隔壁を共有している。そして、共有された一方の隔壁の右液浸槽１１Ｒ側の面と、共有された他方の隔壁の左液浸槽１１Ｌの面に、それぞれヒートシンク２７Ｒ、２７Ｌを熱的に接続し、第２の冷媒から側壁を通じてヒートシンク２７Ｒ、２７Ｌにより奪熱する。

　図２～図４に示すように、第２の液浸槽２１に入れられた第２の冷媒を冷やすための排熱機構を、第１の液浸槽１１内に配置して、第１の液浸槽１１に入れられた第１の冷媒によって奪熱する方式を採用することができる。従って、第１の液浸槽１１の外部には、各冷媒用の液浸槽の合計数（２台）よりも少ない数の熱交換器を設置すればよく、設置に必要とされる設備及びスペースを節約することができる。

　次に、図５及び図６を参照して、電子基板３１に対する防水処理のより好ましい具体例を説明する。

　図５に示す例において、防水処理された電子基板３１の構造は、基板３１１と基板３１１上に実装される１つ以上の発熱体３１２（ＣＰＵ又はＧＰＵ）とを含む電子基板３１と、電子機器３１を包み込むための非導電性の袋４１と、ヒートシンク３１ａと、ヒートシンク３１aの裏面と非導電性の袋４１の一の面とを水密につなぐ接合層５１とを含む。接合層５１は異種材料接合フィルムから形成され、異種材料接合フィルムには第１の開口部が形成され、第１の開口部は、ヒートシンク３１ａの裏面を１つ以上の第１の発熱体の一の面に熱的に接続するための窓を提供する。

　非導電性の袋４１は、耐水性及び比較的高温でない耐熱性（例えば、１００℃以上）を有し、密閉したときに密閉性（気密性／水密性）を保ち得る合成樹脂（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなど）製のフィルムからなる。非導電性の袋４１の一辺には、図示しないジッパー機構が設けられていてよい。ジッパー機構は、シッパー開状態で非導電性の袋４１内部へ基板３１１を設置することができ、シッパー閉状態で非導電性の袋４１の密閉性を保持するよう構成されてよい。加えて、非導電性の袋４１の一の面には、図示しないチェックバルブが設けられてよい。チェックバルブによって、非導電性の袋４１内を真空引きするための経路が提供され、かつ真空引き中及び真空引き終了後の密閉が維持される。

　異種材料接合フィルムのサイズは、ヒートシンク３１ａのサイズと同様又はそれよりも僅かに大きいことが好ましく、窓に相当する第１の開口部のサイズは、発熱体３１２のサイズと同様又はそれよりも僅かに大きいことが好ましい。なお、非導電性の袋４１にも、第２の開口部が形成されていることが好ましい。非導電性の袋４１に形成された第２の開口部のサイズは、異種材料接合フィルムに形成された第１の開口部のサイズと同様のサイズでよく、第１の開口部とともに、ヒートシンク３１ａの裏面を発熱体３１２の一の面に熱的に接続するための共通の窓を提供する。

　接合層５１を形成する異種材料接合フィルムの一例としては、藤森工業株式会社（Fujimori Kogyou Co., LTD.）製の「メタシール」（藤森工業の商品名）シリーズを使用することができる。この異種材料接合フィルムは、均一な厚さのフィルム状に成形されているため、ヒートシンク３１ａの裏面と非導電性の袋４１の外面との間に挟み、加熱圧着することで、ヒートシンク３１ａと非導電性の袋４１とを接合する接合層５１を形成することができる。加熱圧着には、熱プレス機、アイロン型ヒータを使用でき、ヒートシンク３１ａと非導電性の袋４１の接合工程を、簡易にかつ短時間（数秒～）で完了することができる。なお、接合層５１の形成方法は、加熱圧着に限定されず、種々の方法、例えば、加圧、超音波、電磁波、光照射などの方法が用いられてよい。

　接合層５１を異種材料接合フィルムから形成することにより、接着力のバラツキのない、均一な膜厚での、ヒートシンク３１ａの裏面と非導電性の袋４１の外面との面接合を実現することができる。これにより、ヒートシンクと袋との強固な接合に好適に使用することができる。

　接合層５１を形成する異種材料接合フィルムの他の例としては、株式会社レゾナック（Resonac Corporation）製の「WelQuick」（レゾナックの商品名）を使用することもできる。この異種材料接合フィルムは、フィルム材料の固体－液体の相変化を利用することにより、短時間（数秒）で接合工程を完了することができるだけでなく、接合後に再加熱して剥離と再接着をすることが可能である。このため、一定の使用期間が経過した防水処理がされた電子基板３１を回収し、非導電性の袋４１からヒートシンク３１ａを剥がす作業が容易であり、資源の再利用性が高い。

　発熱体３１２の一の面が、非導電性の袋４１及び異種材料接合フィルムに形成された窓を通して、ヒートシンク３１ａの裏面に面接触して熱的に接続される。なお、面接触と熱的な接続を確実にするために、発熱体３１２の一の面とヒートシンク３１ａの裏面との間の微細な隙間を熱伝導グリス３１３で満たすことが好ましい。

　図６に示すもう一つの例において、防水処理された電子基板３１の構造は、図５に示す例と同様の構造を有するが、接合層５１がヒートシンク３１ａの表面と非導電性の袋４１の内面とを水密につなぐ点と、異種材料接合フィルムに形成された第１の開口部、及び非導電性の袋に形成された第２の開口部は、ヒートシンク３１ａのフィン領域３１４を、非導電性の袋４１から外部に出すための窓を提供し、非導電性の袋４１の内部にあるヒートシンクの裏面３３１ｂは、１つ以上の発熱体３１２の一の面に熱的に接続される接続面を提供する点で、異なる。

　図５及び図６に示す防水処理がされた電子基板３１によると、第１の冷媒がヒートシンクの表面から直接熱を奪い取り、ヒートシンクが、当該ヒートシンクの裏面に熱的に接続された発熱体から局所的かつ強力に熱を奪い取る。ここで、異種材料接合フィルムから接合層を形成すると、ヒートシンクの裏面と袋の一の面との間の強固かつ安定な水密接合を実現することができる。

　なお、非導電性の袋を密閉するとき、非導電性の袋内を真空引きすると、非導電性の袋の内面が、基板の両面及び基板上に実装された各種電子部品の表面と密に接触するので、各種電子部品から熱を奪う効率を高めて、電子基板の冷却性能をさらに向上させることができる。

　いうまでもないが、第１の冷媒が入れられた第１の液浸槽と、第２の冷媒が入れられた第２の液浸槽から構成されている液浸槽に、第１の冷媒及び第２の冷媒と異なる第３の冷媒が入れられた第３の液浸槽が付加されている場合でも、請求の範囲に記載された請求項の構成要件を充足する限り、特許の保護範囲に包含されるものである。

　本発明は、２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムを、一般的な水や水道水、海水などの導電性の冷媒、又は非導電性の冷媒中に浸漬して冷却する技術に広く適用することができる。

　１１、１１Ｒ、１１Ｌ　　液浸槽（第１の液浸槽）
　１１ａ　　冷媒入口
　１１ｂ　　冷媒出口
　１３　　ポンプ
　１３ａ　　吸入口
　１３ｂ　　排出口
　１５　　熱交換器
　１５ａ　　被冷却冷媒入口
　１５ｂ　　被冷却冷媒出口
　１５ｃ　　冷却用冷媒入口
　１５ｄ　　冷却用冷媒出口
　２１　　液浸槽（第２の液浸槽）
　２１ａ　　冷媒入口
　２１ｂ　　冷媒出口
　２３　　ポンプ
　２５　　ラジエータ
　３０　　コンピュータシステム
　３１　　電子基板
　３１１　　基板
　３１２　　発熱体
　３１３　　熱伝導グリス
　３１ａ　　ヒートシンク
　３１４　　フィン領域
　３２ａ、３２ｂ　　直流電圧入力端子
　３３　　ＰＳＵ
　３４ａ、３４ｂ　　直流電圧出力端子
　３５　　バスバー（導電経路）
　３６　　コネクタ端子
　４１　　非導電性の袋
　５１　　接合層
　１００、３００、４００　　液浸槽

Claims

　２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムを、１つ以上の第１の発熱体を含む第１のセグメントと、１つ以上の第２の発熱体を含む第２のセグメントに分割し、
　前記第１のセグメントを防水性の被膜又は防水性の袋で覆うことによって第１のセグメントを防水処理し、
　前記防水処理をした前記第１のセグメントと防水処理をしていない前記第２のセグメントとを電気的に接続し、
　前記防水処理をした前記第１のセグメントを、第１の冷媒が入れられた第１の液浸槽に浸漬し、
　防水処理をしていない前記第２のセグメントを、前記第１の冷媒と異なる第２の冷媒が入れられた第２の液浸槽に浸漬する、
　コンピュータシステムの冷却方法。
　前記第１のセグメントは、種々の電子部品が実装される電子基板を含み、前記第１の発熱体は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）又はＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）を１つ以上含む、請求項１に記載の冷却方法。
　前記第２のセグメントは、電源ユニット（ＰＳＵ：Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｕｎｉｔ）を含み、第２の発熱体は電圧変換器又はパワー半導体を１つ以上含む、請求項１に記載の冷却方法。
　前記第１の冷媒は水であり、前記第２の冷媒は、非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイルである、請求項１に記載の冷却方法。
　防水処理をした前記第１のセグメントの電源端子と、防水処理をしていない前記第２のセグメントの電源端子とが、導電経路を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の冷却方法。
　前記導電経路は、バスバー又は電気ケーブルである、請求項１に記載の冷却方法。
　前記第１の液浸槽及び前記第２の液浸槽は、それぞれ底壁と１つ以上の側壁とにより形成され、前記第２の液浸槽は、前記第１の液浸槽内に配置されている、請求項１に記載の冷却方法。
　前記第１の液浸槽は、底壁と１つ以上の側壁とにより形成され、前記第２の液浸槽は、前記第１の液浸槽内に隔壁を配置することにより形成されている、請求項１に記載の冷却方法。
　前記第１の液浸槽及び前記第２の液浸槽は、それぞれ底壁と１つ以上の側壁とにより形成され、第２の液浸槽の１つの側壁と第１の液浸槽の１つの側壁とが、１枚の隔壁を共有するか又は隣接するように、第１の液浸槽及び第２の液浸槽が配置されている、請求項１に記載の冷却方法。
　前記第２の液浸槽内の前記第２の冷媒から熱を奪う排熱機構が、前記第１の液浸槽内に配置されている、請求項１に記載の冷却方法。
　前記排熱機構は、前記第２の液浸槽の１つ以上の側壁又は隔壁に熱的に接続されたヒートシンクである、請求項１０に記載の冷却方法。
　前記排熱機構は、前記第２の液浸槽に設けられた冷媒入口と冷媒出口との間を繋ぐ第２の冷媒通路中に設けられたラジエータ又は熱交換器であり、前記第２の冷媒通路中に、前記第２の冷媒を強制循環させるための第２のポンプが設けられている、請求項１０に記載の冷却方法。
　前記第１の冷媒槽内に設けられた冷媒入口と冷媒出口との間を繋ぐ第１の冷媒通路中に、前記第１の冷媒を強制循環させるための第１のポンプと、熱交換器とが設けられている、請求項１に記載の冷却方法。
　前記防水処理をした前記第１のセグメントは、
　電子基板と前記電子基板上に実装される１つ以上の発熱体とを含む電子機器と、
　前記電子機器を包み込むための非導電性の袋と、
　ヒートシンクと、
　前記ヒートシンクの裏面と前記非導電性の袋の一の面とを水密につなぐ接合層と、
　を含み、
　前記接合層は異種材料接合フィルムから形成され、
　前記異種材料接合フィルムには第１の開口部が形成され、前記第１の開口部は、前記ヒートシンクの前記裏面を前記１つ以上の第１の発熱体の一の面に熱的に接続するための窓を提供する、請求項１に記載の冷却方法。
　前記防水処理をした前記第１のセグメントは、
　電子基板と前記電子基板上に実装される１つ以上の発熱体とを含む電子機器と、
　前記電子機器を包み込むための非導電性の袋と、
　ヒートシンクと、
　前記ヒートシンクの表面と前記非導電性の袋の内面とを水密につなぐ接合層と、
　を含み、
　前記接合層は異種材料接合フィルムから形成され、
　前記異種材料接合フィルムには第１の開口部が形成され、前記非導電性の袋には第２の開口部が形成され、前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、前記ヒートシンクのフィン領域を、非導電性の袋から外部に出すための窓を提供し、前記非導電性の袋の内部にある前記ヒートシンクの前記裏面は、前記１つ以上の発熱体の一の面に熱的に接続される接続面を提供する、請求項１に記載の冷却方法。
　２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムを、１つ以上の第１の発熱体を含む第１のセグメントと、１つ以上の第２の発熱体を含む第２のセグメントに分割し、
　前記第１のセグメントと前記第２のセグメントとを電気的に接続し、
　前記第１のセグメントを、第１の冷媒が入れられた第１の液浸槽に浸漬し、
　前記第２のセグメントを、前記第１の冷媒と異なる第２の冷媒が入れられた第２の液浸槽に浸漬する、
　コンピュータシステムの冷却方法。
　２つ以上の発熱体を含むコンピュータシステムから分割された、１つ以上の第１の発熱体を含む第１のセグメントと、１つ以上の第２の発熱体を含む第２のセグメントとを、それぞれ異なる冷媒で冷媒するための、液浸槽であって、
　第１の冷媒を入れるための第１の液浸槽と、
　前記第１の冷媒と異なる第２の冷媒を入れるための第２の液浸槽と、
　前記第１の液浸槽内に配置される排熱機構であって、前記第２の液浸槽内の前記第２の冷媒から熱を奪う排熱機構と、
　を含む液浸槽。
　前記第１の冷媒は水であり、前記第２の冷媒は非導電性の合成油、鉱物油、又はシリコーンオイルである、請求項１７に記載の液浸槽。
　前記排熱機構は、前記第２の液浸槽の１つ以上の側壁又は隔壁に熱的に接続されたヒートシンクである、請求項１７に記載の液浸槽。
　前記排熱機構は、前記第２の液浸槽に設けられた冷媒入口と冷媒出口との間を繋ぐ第２の冷媒通路中に設けられたラジエータ又は熱交換器である、請求項１７に記載の液浸槽。
　前記第２の冷媒通路中に、前記第２の冷媒を強制循環させるための第２のポンプが設けられている、請求項２０に記載の液浸槽。
　前記第１の冷媒槽内に設けられた冷媒入口と冷媒出口との間を繋ぐ第１の冷媒通路中に、熱交換器が設けられている、請求項１７に記載の液浸槽。
　前記第１の冷媒通路中に、前記第１の冷媒を強制循環させるための第１のポンプが設けられている、請求項２２に記載の液浸槽。