JP2011247506A - Cooling system for data center - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、データ処理にともなって発熱する複数の電気機器を備えたデータセンタの冷却システムに関するものである。 The present invention relates to a data center cooling system including a plurality of electric devices that generate heat during data processing.
データセンタの冷却システムとして、データ処理にともなって発熱する複数の電子機器をチラーユニットで冷却した水などの冷却用媒体によって奪って冷却することが検討されている。この種の冷却システムでは、電子機器によるデータ処理は休みなくおこなわれるので、冷却用媒体を冷却するチラーユニットを常時稼働させる必要があり、したがって、電子機器の発熱量の増大にともなってチラーユニットの冷却負荷が増大したり、ランニングコストが増大したりする。そのため、データセンタを冷却する装置の小型化やランニングコストの低減が望まれる。 As a data center cooling system, it has been studied to cool a plurality of electronic devices that generate heat during data processing with a cooling medium such as water cooled by a chiller unit. In this type of cooling system, data processing by electronic equipment is performed without interruption, so it is necessary to always operate a chiller unit that cools the cooling medium. Therefore, as the heat generation amount of the electronic equipment increases, The cooling load increases and the running cost increases. Therefore, it is desired to reduce the size of the device for cooling the data center and reduce the running cost.
特許文献1には、電力料金が昼間に比較して安い夜間電力を利用して冷凍機を運転することにより、氷蓄熱槽に氷の形で冷熱を蓄え、この氷蓄熱槽の内部に氷の形で蓄熱された冷熱を冷水の形で取り出し、この冷水を冷水ショーケースの内部に循環させるように構成された発明が記載されている。また、冷水ショーケースの外部には、冷凍機の冷媒が循環可能なコイル部が設けられており、冷水ショーケースが冷凍機の蒸発部として作用するように構成された発明が記載されている。 In Patent Document 1, cold energy is stored in an ice heat storage tank in the form of ice by operating a refrigerator using nighttime power, which is cheaper than in the daytime, and ice is stored in the ice heat storage tank. An invention is described in which cold energy stored in the form is taken out in the form of cold water and the cold water is circulated inside the cold water showcase. In addition, a coil portion is provided outside the cold water showcase so that the refrigerant of the refrigerator can circulate, and an invention is described in which the cold water showcase functions as an evaporation portion of the refrigerator.
特許文献2には、冷却装置とチラーユニットとの間で熱交換をおこなう熱交換器と、チラーユニットによって氷の形で蓄冷し、その蓄冷熱を冷水によって取り出して冷却装置に供給する氷蓄熱装置とが並列に接続されており、チラーユニットを運転して冷却装置を冷却する場合、蓄冷熱を利用して冷却装置を冷却する場合、チラーユニットと蓄冷熱とを併用して冷却装置を冷却する場合など多目的な冷却運転ができるように構成された発明が記載されている。また、氷蓄熱槽には、夜間電力を利用してチラーユニットを運転し、これにより氷蓄熱することが記載されている。
特許文献1および特許文献2に記載されているように、昼間に比較して電力料金の安価な夜間にチラーユニットを運転して氷蓄熱し、昼間にその氷を冷熱源として使用すれば、その分、昼間におけるチラーユニットの負荷やランニングコストを低減できる。しかしながら、特許文献1および特許文献2に記載された装置は、使用する電力を選んでチラーユニットを運転して氷蓄熱し、その冷熱を昼間に使用することで昼間におけるチラーユニットの負荷を低減するように構成されているのに過ぎず、未だ改良の余地があった。
As described in Patent Document 1 and
この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、電子機器から熱を奪って温度が上昇した冷却用媒体を冷却するチラーユニットの負荷やランニングコストを低減することのできるデータセンタの冷却システムを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made paying attention to the above technical problem, and can reduce the load and running cost of a chiller unit that cools a cooling medium whose temperature has been increased by taking heat from an electronic device. The object is to provide a cooling system for the center.
上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、冷却器によって温度を低下させた冷却用媒体を用いて、データ処理をおこなう複数の電子機器から発生した熱を奪って外部に放出することにより前記電子機器を冷却するデータセンタの冷却システムにおいて、前記電子機器から生じた熱を前記冷却用媒体に伝達させて奪う熱交換器と、前記冷却用媒体の熱を熱輸送方向が一方向のヒートパイプによって大気中に放熱させることにより、前記冷却用媒体を冷却し、氷結させて蓄冷する氷蓄熱装置と、前記熱交換機で前記電子機器の熱を奪って温度が上昇した前記冷却用媒体と前記氷蓄熱装置あるいは前記冷却器で温度が低下させられた前記冷却用媒体とを混合する混合タンクとを備え、前記混合タンクで混合された前記冷却用媒体の少なくとも一部を前記氷蓄熱装置に向けて供給し、他の少なくとも一部を前記熱交換機あるいは前記冷却器に向けて供給するように構成されていることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 uses a cooling medium whose temperature is lowered by a cooler to take out heat generated from a plurality of electronic devices that perform data processing and release it to the outside. In the cooling system of the data center for cooling the electronic device, the heat exchanger for transferring the heat generated from the electronic device to the cooling medium and taking it away, and the heat transport direction in one direction of the heat of the cooling medium An ice heat storage device that cools and cools the cooling medium by radiating heat to the atmosphere with a heat pipe, and the cooling medium whose temperature is increased by removing heat from the electronic device with the heat exchanger And a mixing tank that mixes the cooling medium whose temperature has been lowered by the ice heat storage device or the cooler, and at least the cooling medium mixed in the mixing tank Some fed toward the ice thermal storage device, and is characterized in that it is configured to at least another part to supply toward the heat exchanger or the cooler.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記混合タンクは、前記温度が上昇した冷却用媒体と前記温度が低下させられた冷却用媒体とを混合する複数の混合槽と、直列に配置され互いに隣り合う前記混合槽を連通し、前記混合槽間で前記冷却用媒体を流通させる連通孔とを備え、前記混合槽のいずれか一つに前記電子機器の熱を奪って温度が上昇した前記冷却用媒体が流入され、他の貯留槽の一つに前記氷蓄熱装置あるいは前記冷却器で温度が低下させられた前記冷却用媒体が流入されるように構成されていることを特徴とするデータセンタの冷却システムである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the mixing tank includes a plurality of mixing tanks for mixing the cooling medium having the increased temperature and the cooling medium having the decreased temperature in series. A communication hole that is disposed and communicates with the mixing tanks adjacent to each other, and the cooling medium is circulated between the mixing tanks, and the temperature of the electronic device is increased by removing heat from the electronic device in any one of the mixing tanks. The cooling medium is introduced, and the cooling medium whose temperature is lowered by the ice heat storage device or the cooler is introduced into one of the other storage tanks. This is a data center cooling system.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記熱交換機と前記混合タンクとの間で前記冷却用媒体を循環させる第一の循環管路が形成され、その第一の循環管路の途中に、前記複数の混合槽における前記冷却用媒体の温度に応じて前記複数の混合槽のいずれかから前記熱交換機に前記冷却用媒体を供給するように切換操作される第一の切換手段が設けられ、かつ前記第一の切換手段よりも前記電子機器側に前記冷却用媒体を流動させる第一のポンプが介装され、前記冷却器と前記混合タンクとの間で前記冷却用媒体を循環させる第二の循環管路が形成され、前記第二の循環管路の途中に、前記複数の混合槽における前記冷却用媒体の温度に応じて前記複数の混合槽のいずれかから前記冷却器に前記冷却用媒体を供給するように切換操作される第二の切換手段が設けられ、かつ前記第二の切換手段よりも前記冷却器側に前記冷却用媒体を流動させる第二のポンプが介装され、前記電子機器の熱を奪って温度が上昇した前記冷却用媒体が流入される前記混合タンクの混合槽と前記氷蓄熱装置との間で前記冷却用媒体を循環させる第三の循環管路が形成され、前記第三の循環管路における前記氷蓄熱装置の流入口側に前記冷却用媒体を流動させる第三のポンプが介装されていることを特徴とするデータセンタの冷却システムである。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a first circulation pipe for circulating the cooling medium between the heat exchanger and the mixing tank is formed. On the way, a first switching means that is switched to supply the cooling medium from any of the plurality of mixing tanks to the heat exchanger according to the temperature of the cooling medium in the plurality of mixing tanks. And a first pump for flowing the cooling medium closer to the electronic device than the first switching means is interposed, and the cooling medium is circulated between the cooler and the mixing tank. A second circulation line is formed, and in the middle of the second circulation line, from one of the plurality of mixing tanks to the cooler according to the temperature of the cooling medium in the plurality of mixing tanks Switching operation is performed to supply the cooling medium. Second switching means is provided, and a second pump for causing the cooling medium to flow closer to the cooler than the second switching means is interposed, and the temperature of the electronic device is deprived of heat. A third circulation line for circulating the cooling medium is formed between the mixing tank of the mixing tank into which the raised cooling medium flows and the ice heat storage device, and the third circulation line in the third circulation line A cooling system for a data center, wherein a third pump for flowing the cooling medium is interposed on the inlet side of the ice heat storage device.
請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記氷蓄熱装置は、前記冷却用媒体を一時的に貯留する貯留槽を備え、前記ヒートパイプは、蒸発部をその貯留槽内の前記冷却用媒体に浸漬し、かつ凝縮部を大気中に露出させた状態に配置されていることを特徴とするデータセンタの冷却システムである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the ice heat storage device includes a storage tank that temporarily stores the cooling medium, and the heat pipe has an evaporating portion that is cooled in the storage tank. A cooling system for a data center, wherein the cooling system is arranged so as to be immersed in a working medium and the condensing part is exposed to the atmosphere.
請求項5の発明は、請求項1または4の発明において、前記ヒートパイプは、密閉容器の内部に、蒸発および凝縮をともなって循環流動する作動流体が封入され、かつ重力によって液相の前記作動流体を前記密閉容器における前記蒸発部である下端部に還流させる熱サイフォンを含むことを特徴とするデータセンタの冷却システムである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first or fourth aspect of the present invention, the heat pipe encloses a working fluid that circulates and flows with evaporation and condensation inside an airtight container, and the liquid phase is operated by gravity. The data center cooling system includes a thermosyphon that recirculates a fluid to a lower end portion that is the evaporation portion of the sealed container.
請求項1の発明によれば、氷蓄熱装置は、冷却用媒体の熱を熱輸送方向が一方向に制御されたヒートパイプによって気中放熱して冷却し、また氷結させて蓄冷するように構成されている。この氷蓄熱装置に氷の形で蓄えられた冷熱は、氷蓄熱装置と熱交換器との間を循環流動する液相の冷却用媒体によって取り出される。循環流動する液相の冷却用媒体は氷によって冷却される。この氷蓄熱装置あるいは冷却器で冷却された冷却用媒体と、電子機器の熱を奪って温度が上昇した冷却用媒体とは混合タンクで混合される。混合タンクで混合された冷却用媒体の少なくとも一部は、氷蓄熱装置に供給されて冷却され、新たな冷熱を氷蓄熱装置から取り出すようになっている。また混合タンクで混合された冷却用媒体の一部は熱交換器に供給されて電子機器を冷却するようになっている。混合タンクで混合された冷却用媒体の他の少なくとも一部は冷却器に供給され、冷却器で冷却されるようになっている。氷蓄熱装置あるいは冷却器で冷却された冷却用媒体の温度に比較して高温、かつ電子機器の熱を奪って温度が上昇した冷却用媒体に比較して低温の冷却用媒体が電子機器に供給される。混合タンクで温度調整された冷却用媒体が電子機器に供給されるので、電子機器の過冷却や冷却不足を防止もしくは抑制できる。電子機器の熱を奪って温度が上昇した冷却用媒体は、混合タンクで前述したように温度が低下させられて氷蓄熱装置に供給されるので、氷蓄熱装置から過剰に冷熱を取り出すことを防止もしくは抑制できる。電子機器から熱を奪った冷却用媒体に比較して温度が低下させられた冷却用媒体が冷却器に供給されるので、冷却器の負荷を低減できる。混合タンクで混合した冷却用媒体の温度が所定の温度以下の場合には、混合した冷却用媒体を冷却器に供給して冷却する必要がない。冷却器を稼働させずに電子機器を冷却できる。前述した氷蓄熱装置は、冷却用媒体の熱を熱輸送方向が一方向に制御された熱ダイオード特性を有するヒートパイプによって大気中に放熱して冷却および氷結させるように構成されており、冷却器などのように冷却用媒体を冷却するための機械装置類や電力を必要としない。氷蓄熱装置は、冷却器などに比較して簡易な構成とすることができ、維持管理やランニングコストを不要あるいは低減した装置とすることができる。 According to the invention of claim 1, the ice heat storage device is configured to cool the heat of the cooling medium by radiating the heat in the air by the heat pipe whose heat transport direction is controlled in one direction, and to freeze the ice by freezing. Has been. The cold heat stored in the form of ice in the ice heat storage device is taken out by a liquid-phase cooling medium that circulates and flows between the ice heat storage device and the heat exchanger. The circulating cooling liquid medium is cooled by ice. The cooling medium cooled by the ice heat storage device or the cooler and the cooling medium whose temperature has risen due to the removal of heat from the electronic device are mixed in the mixing tank. At least a part of the cooling medium mixed in the mixing tank is supplied to the ice heat storage device to be cooled, and new cold energy is taken out from the ice heat storage device. A part of the cooling medium mixed in the mixing tank is supplied to the heat exchanger to cool the electronic device. At least another part of the cooling medium mixed in the mixing tank is supplied to the cooler and cooled by the cooler. The cooling medium supplied to the electronic device is lower in temperature than the cooling medium whose temperature is higher than the temperature of the cooling medium cooled by the ice heat storage device or the cooler and whose temperature is increased by taking heat from the electronic device. Is done. Since the cooling medium whose temperature is adjusted in the mixing tank is supplied to the electronic device, it is possible to prevent or suppress overcooling or insufficient cooling of the electronic device. The cooling medium whose temperature has risen due to the removal of heat from the electronic equipment is supplied to the ice storage device after the temperature is lowered in the mixing tank as described above, preventing excessive cooling from being taken out from the ice storage device. Or it can be suppressed. Since the cooling medium whose temperature is lowered compared to the cooling medium that has taken heat from the electronic device is supplied to the cooler, the load on the cooler can be reduced. When the temperature of the cooling medium mixed in the mixing tank is equal to or lower than the predetermined temperature, it is not necessary to cool the mixed cooling medium by supplying it to the cooler. Electronic equipment can be cooled without operating a cooler. The ice heat storage device described above is configured to dissipate the heat of the cooling medium into the atmosphere by a heat pipe having a heat diode characteristic in which the heat transport direction is controlled in one direction to cool and freeze. Thus, no mechanical device or power for cooling the cooling medium is required. The ice heat storage device can have a simpler configuration than a cooler or the like, and can be a device that does not require or reduces maintenance and running costs.
請求項2の発明によれば、請求項1の発明による効果と同様の効果に加えて、混合タンクは複数の混合槽が直列に配置され、互いに隣り合う混合槽間に、冷却用媒体を流通させる連通孔が形成されている。混合槽のいずれか一つに電子機器の熱を奪って高温にされた冷却用媒体が流入し、他の混合槽のいずれかの一つに氷蓄熱装置あるいは冷却器で冷却された冷却用媒体が流入するようになっている。混合タンクにおける複数の混合槽が連通孔によって連通されているので、複数の混合槽間で高温の冷却用媒体と低温の冷却用媒体とを流動させることができる。結果、高温の冷却用媒体と低温の冷却用媒体とを段階的に混合できる。混合タンクで温度が緩和あるいは調整された冷却用媒体を、いずれかの混合槽から、冷却用媒体の温度に応じて熱交換器や冷却器に供給することが可能となる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、請求項1の発明による効果と同様の効果に加えて、熱交換器と混合タンクとの間に第一の循環管路が形成され、冷却器と混合タンクとの間に第二の循環管路が形成されている。第一の循環管路に設けられた第一の切換手段が各混合槽における冷却用媒体の温度に応じて切換操作され、第二の循環管路に設けられた第二の切換手段が各混合槽における冷却用媒体の温度に応じて切換操作され、混合タンクにおける複数の混合槽のいずれかから冷却器に対して冷却用媒体が供給されるようになっている。氷蓄熱装置あるいは冷却器で冷却された冷却用媒体の温度に比較して高温、かつ電子機器の熱を奪って温度が上昇した冷却用媒体に比較して低温の冷却用媒体を熱交換器や電子機器に供給できるので、電子機器の過冷却や冷却不足を防止もしくは抑制できる。熱交換器から混合タンクに供給された冷却用媒体に比較して低温の冷却用媒体を冷却器に供給できるので、冷却器の冷却負荷を低減できる。第一の循環管路における第一の切換手段よりも電子機器側に冷却用媒体を流動させるポンプが設けられている。第二の循環管路における第二の切換手段よりも冷却器側に冷却用媒体を流動させるポンプが設けられている。第一の切換手段あるいは第二の切換手段を切換操作し、混合タンクの複数のいずれかの混合槽を冷却用媒体の供給源としても冷却用媒体を循環管路に流動させ、熱交換器あるいは冷却器に供給することができる。氷蓄熱装置と混合タンクとの間に第三の循環管路が形成され、第三の循環管路における氷蓄熱装置側に冷却用媒体を流動させるポンプが設けられているので、混合タンクで混合した冷却用媒体を氷蓄熱装置に供給できる。
According to invention of
請求項4の発明によれば、請求項1の発明による効果と同様の効果に加えて、氷蓄熱装置は冷却用媒体を一時的に貯留する貯留槽を備え、ヒートパイプは、貯留槽に貯留される冷却用媒体に蒸発部が浸漬され、凝縮部が貯留槽の外部で上方の大気中に露出させられて配置されている。冷却用媒体の熱は、ヒートパイプによって熱輸送され、大気中に放熱されることにより温度が低下させられるようになっている。結果、氷蓄熱装置は、冷却器などのように冷却用媒体を冷却するための凝縮器や冷却器を稼働させるための動力源などの機械装置類や電力を必要としないので、氷蓄熱装置は、簡易な構成とすることができ、維持管理を不要あるいは低減できる。 According to the invention of claim 4, in addition to the same effect as that of the invention of claim 1, the ice heat storage device includes a storage tank for temporarily storing the cooling medium, and the heat pipe is stored in the storage tank. The evaporating part is immersed in the cooling medium, and the condensing part is disposed outside the storage tank and exposed to the upper atmosphere. The heat of the cooling medium is transported by a heat pipe, and the temperature is lowered by being radiated into the atmosphere. As a result, the ice heat storage device does not require mechanical devices such as a condenser for cooling the cooling medium such as a cooler or a power source for operating the cooler, and electric power. Therefore, a simple configuration can be achieved, and maintenance can be unnecessary or reduced.
請求項5の発明によれば、請求項1または4の発明による効果と同様の効果に加えて、ヒートパイプは、凝縮した作動流体を重力によって蒸発部に還流させる熱サイフォンを含む。熱サイフォンは、熱輸送方向が一方向に限定された熱ダイオード特性により冷却用媒体の熱を蒸発部から凝縮部に向けて輸送するので、密閉容器の内部に封入される作動流体を加熱する部分と蒸気化した作動流体を凝縮する部分とを逆転させると、熱流を生じないようになっており、トップヒートモードでは作動しないようになっている。結果、熱サイフォンは、下端部の蒸発部が冷却用媒体に浸漬され、凝縮部が貯留槽の外部の大気中に露出されているので、熱輸送方向を一方向に限定あるいは規制することができる。熱サイフォンが外気の熱を取り込んだり、貯留槽の内部の冷却用媒体の温度を上昇させたりすることがない。熱の逆流による冷却用媒体の温度上昇を防止もしくは抑制できる。外気の温度が所定の温度以下になると、熱サイフォンは冷却用媒体の熱を大気中に放熱して冷却用媒体を冷却し、氷結させることができる。熱サイフォンを備えた氷蓄熱装置を設け、蓄冷熱を電子機器の冷却に利用することにより、このような装置を設ける前に比較して冷却器の負荷を低減でき、冷却器のランニングコストを低減できる。 According to the invention of claim 5, in addition to the effect similar to the effect of the invention of claim 1 or 4, the heat pipe includes a thermosiphon that recirculates the condensed working fluid to the evaporation part by gravity. The thermosyphon transports the heat of the cooling medium from the evaporating part to the condensing part due to the thermal diode characteristic in which the heat transport direction is limited to one direction, so the part that heats the working fluid enclosed in the sealed container When the vaporized working fluid is condensed, the heat flow is not generated, and the operation is not performed in the top heat mode. As a result, in the thermosyphon, the evaporation part at the lower end is immersed in the cooling medium and the condensation part is exposed to the atmosphere outside the storage tank, so that the heat transport direction can be limited or restricted to one direction. . The thermosyphon does not take in the heat of the outside air or raise the temperature of the cooling medium inside the storage tank. The temperature rise of the cooling medium due to the backflow of heat can be prevented or suppressed. When the temperature of the outside air falls below a predetermined temperature, the thermosyphon can dissipate the heat of the cooling medium into the atmosphere to cool the cooling medium and freeze it. By installing an ice heat storage device equipped with a thermosyphon and using cold storage heat for cooling electronic devices, the load on the cooler can be reduced compared to before installing such a device, and the running cost of the cooler is reduced. it can.
この発明を図面を参照しながら具体的に説明する。図1に、この発明に係るデータセンタの冷却システムの一例を模式的に示してある。データセンタ1は、所定の建屋2を備え、室内に少なくとも複数のサーバラック3が設けられている。各サーバラック3には、複数のサーバが収容されている。建屋2は、サーバラック3を収容するためのものであり、建設建物あるいは輸送用コンテナなど適宜のものであってよい。各サーバは、その基板上にデータ処理にともなって発熱する複数の電子機器4が配設されている。発熱する電子機器4には、CPU(中央演算処理装置)、メモリやストレージなどの記憶装置、電源ユニットなどが挙げられる。図1に示す例では、各電子機器4は、熱交換によりこれらを直接的に冷却するコールドプレート5に熱伝達可能に接触されている。
The present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows an example of a data center cooling system according to the present invention. The data center 1 includes a
コールドプレート5は、中空のプレート状に形成されており、中空の内部を冷却用媒体が流通するようになっている。コールドプレート5は、内部と外部との間で熱を伝達する必要があるので、熱伝導率の高い素材で構成されていることが好ましく、銅あるいは銅合金などによって形成されていることが好ましい。冷却用媒体は、熱を輸送する流体であり、水あるいは水に所定量かつ任意の防錆剤を溶解させた水溶液、エチレングリコールあるいは塩化カルシウムなどを主成分とし、凝固点が0℃以下になるように調整されたブライン(不凍液と呼ばれることがある)あるいはR−134aなどの代替フロンなどを使用することができる。コールドプレート5は、熱伝達可能に接触する電子機器4で発生した熱を中空の内部を流動する冷却用媒体に伝達することにより奪って、電子機器4を冷却するようになっている。 The cold plate 5 is formed in a hollow plate shape, and a cooling medium flows through the hollow interior. Since the cold plate 5 needs to transfer heat between the inside and the outside, the cold plate 5 is preferably made of a material having high thermal conductivity, and is preferably made of copper or a copper alloy. The cooling medium is a fluid that transports heat, and is mainly composed of water or an aqueous solution in which an arbitrary rust inhibitor is dissolved in water, ethylene glycol or calcium chloride, and the freezing point is 0 ° C. or lower. Brine adjusted to 1 (sometimes referred to as antifreeze) or alternative CFCs such as R-134a can be used. The cold plate 5 cools the electronic device 4 by depriving the heat generated by the electronic device 4 that is in contact with the heat transfer by transferring it to a cooling medium that flows through the hollow interior.
コールドプレート5と熱交換器6との間には、前述した冷却用媒体を循環させる循環管路が形成されている。熱交換器6は、高温の流体と低温の流体との間で熱の交換をおこなうものであり、プレート型熱交換器など適宜の熱交換器を使用することができる。コールドプレート5において熱交換することにより電子機器4から熱を奪って温度が上昇した冷却用媒体は、コールドプレート5から熱交換器6に向けて前述した循環管路を流動させられ、熱交換器6において低温の冷却用媒体と熱交換して冷却されるようになっている。熱交換器6において冷却された冷却用媒体は、熱交換器6からコールドプレート5に向けて前述した循環管路を流動させられ、電子機器4を冷却するようになっている。 Between the cold plate 5 and the heat exchanger 6, a circulation pipe for circulating the cooling medium described above is formed. The heat exchanger 6 exchanges heat between a high-temperature fluid and a low-temperature fluid, and an appropriate heat exchanger such as a plate heat exchanger can be used. The cooling medium whose temperature has risen due to heat removal from the electronic device 4 by exchanging heat in the cold plate 5 is caused to flow through the above-described circulation line from the cold plate 5 toward the heat exchanger 6, and the heat exchanger 6 is cooled by exchanging heat with a low-temperature cooling medium. The cooling medium cooled in the heat exchanger 6 is caused to flow through the above-described circulation conduit from the heat exchanger 6 toward the cold plate 5 to cool the electronic device 4.
コールドプレート5から熱交換器6に至る前述した循環管路の途中には、膨張タンク7が設けられている。膨張タンク7は、電子機器4で発生した熱を奪うことによって体積が膨張した冷却用媒体を一時的に貯留し、冷却用媒体の温度変化にともなう体積変化を吸収あるいは緩衝するためのものである。詳細は図示しないが、膨張タンク7は、任意の逃がし弁などを介して前述した循環管路に接続されることが好ましい。循環管路における膨張タンク7よりも熱交換器6側に、ポンプ8が介装されている。ポンプ8は、前述した循環管路に冷却用媒体を循環流動させるためのものであり、一般的に使用されているポンプを使用することができる。
An
熱交換器6において熱交換し、温度が上昇した冷却用媒体は、この発明に係る混合タンク9に供給されるようになっている。混合タンク9には、この発明に係る氷蓄熱装置10およびチラーユニット(冷却器)11で冷却された冷却用媒体が供給されるようになっている。混合タンク9は、熱交換器6において温度が上昇した冷却用媒体と、氷蓄熱装置10やチラーユニット11で冷却された冷却用媒体とを混合するように構成されており、混合タンク9は、高温の冷却用媒体と低温の冷却用媒体とを混合し、冷却用媒体の温度を緩衝するように構成されている。
The cooling medium whose temperature has been increased by heat exchange in the heat exchanger 6 is supplied to the mixing tank 9 according to the present invention. The mixing tank 9 is supplied with a cooling medium cooled by the ice heat storage device 10 and the chiller unit (cooler) 11 according to the present invention. The mixing tank 9 is configured to mix the cooling medium whose temperature has increased in the heat exchanger 6 and the cooling medium cooled by the ice heat storage device 10 or the
混合タンク9で混合された冷却用媒体の一部は氷蓄熱装置10に供給されるようになっており、混合タンク9と氷蓄熱装置10との間には、冷却用媒体を循環させる循環管路が形成されている。混合タンク9で混合された冷却用媒体の他の一部は熱交換器6およびチラーユニット11に供給されるようになっており、冷却用媒体を循環させる循環管路が形成されている。
A part of the cooling medium mixed in the mixing tank 9 is supplied to the ice heat storage device 10, and a circulation pipe for circulating the cooling medium between the mixing tank 9 and the ice heat storage device 10. A road is formed. The other part of the cooling medium mixed in the mixing tank 9 is supplied to the heat exchanger 6 and the
混合タンク9について具体的に説明すると、混合タンク9は、図1に示す例では、冷却用媒体を流動可能な状態で貯留する六つの混合槽9a,9b,9c,9d,9e,9fを備えている。隣り合う混合槽間には連通孔12が形成されている。各連通孔12は、隣接する連通孔12同士が鉛直方向で対置させられている。各混合槽9a,9b,9c,9d,9e,9fは連通孔12を介して直列に接続されている。混合槽9aに熱交換器6からの高温の冷却用媒体が供給され、混合槽9fに氷蓄熱装置10あるいはチラーユニット11で冷却された冷却用媒体が供給されるようになっている。
The mixing tank 9 will be specifically described. In the example shown in FIG. 1, the mixing tank 9 includes six mixing
混合タンク9における冷却用媒体の流動について具体的に説明する。熱交換器6において高温にされた冷却用媒体は混合タンク9の混合槽9aに供給され、混合槽9aにおいて混合槽9b,9c,9d,9e,9fを流動してきた低温の冷却用媒体と混合させられて温度が低下させられる。高温の冷却用媒体と低温の冷却用媒体とが混合される場合に、混合される冷却用媒体の温度差によって混合槽9aにおいて対流が生じる。高温の冷却用媒体は、温度が低下させられることにより混合槽9aにおいて下側に流動し、これとは反対に低温の冷却用媒体は、温度が上昇させられ、混合槽9aにおいて上側に流動する。高温の冷却用媒体が、混合槽9aにおいて下側に形成された連通孔12を通って相対的に低温の冷却用媒体を貯留する混合槽9bに流動する。この連通孔12を通って混合槽9bの低温の冷却用媒体が混合槽9aに流動する。混合槽9aに供給された高温の冷却用媒体は、連通孔12を通って混合槽9aから混合槽9fに向けて流動し、次第にその温度が低下させられる。
The flow of the cooling medium in the mixing tank 9 will be specifically described. The cooling medium heated to a high temperature in the heat exchanger 6 is supplied to the
これとは反対に、混合槽9fに供給された低温の冷却用媒体は、混合槽9fにおいて混合槽9a,9b,9c,9d,9eから流動してきた高温の冷却用媒体と混合させられ、その温度が上昇させられる。低温の冷却用媒体は、混合槽9fにおいて下側に流動し、高温の冷却用媒体は、混合槽9fにおいて上側に流動する。混合槽9fの冷却用媒体は、混合槽9fを対流し、低温の冷却用媒体は連通孔12を通って高温の冷却用媒体を貯留する混合槽9eに流動する。混合槽9fに供給された低温の冷却用媒体は、連通孔12を通って混合槽9fから混合槽9aに向けて流動し、次第にその温度が上昇させられる。混合タンク9に貯留される冷却用媒体の温度は各混合槽9a,9b,9c,9d,9e,9f毎に異なっており、各混合槽9a,9b,9c,9d,9e,9fにおける冷却用媒体はその温度に依存して各混合槽間を流動するようになっている。
On the contrary, the low-temperature cooling medium supplied to the
混合タンク9の混合槽9aに供給され、温度が低下させられた冷却用媒体の一部は、前述した混合タンク9と氷蓄熱装置10との間に形成された循環管路を流動させられ、氷蓄熱装置10に供給されるようになっている。混合タンク9から氷蓄熱装置10に至る循環管路の途中には、冷却用媒体を送液するためのポンプ13が介装されている。氷蓄熱装置10は、混合タンク9から供給された冷却用媒体の熱を気中放熱することにより、外気の冷熱により冷却用媒体を冷却あるいは氷結させて冷熱を蓄えるように構成されている。氷蓄熱装置10は、混合タンク9から供給される冷却用媒体によって、内部に氷の形で蓄えられた冷熱を取り出し、氷によって前述した混合タンク9から供給される冷却用媒体を冷却するように構成されている。氷蓄熱装置10は、冷却用媒体を氷結させて氷の形で外気の冷熱を蓄え、冷熱によって混合タンク9から供給される冷却用媒体を冷却する必要があるので、データセンタ1および氷蓄熱装置10は、積算寒度が400℃・day以上の寒冷地に設けることが好ましい。
A part of the cooling medium supplied to the
氷蓄熱装置10についてより具体的に説明すると、氷蓄熱装置10は、前述した混合槽9aから供給される冷却用媒体を一時的に貯留する貯留槽14と、その貯留槽14に貯留される冷却用媒体の熱を大気中に放熱することにより冷却し、氷結させるためのヒートパイプ15とを備えている。貯留槽14は、中空の容器であり、内部に混合タンク9において温度が低下させられた冷却用媒体を一時的に貯留するものであるから、外部からその槽内に対する水の浸入あるいは浸透を防止するとともに、冷却用媒体の漏出を防止するために防水対策が施されていることが好ましい。貯留槽14は、その内部に冷却用媒体を氷結させて冷熱を蓄えるものであり、冷熱源として機能し、混合タンク9に低温の冷却用媒体を供給するためのものであるから、外部に対して断熱あるいは熱伝導率の低い素材で構成されていることが好ましい。前述した素材にはコンクリートなどが挙げられる。貯留槽14は、断熱の観点から地中に設けられていてもよい。貯留槽14を地中に設けた場合には、地表に設けられている場合に比較してその断熱効果を向上させることができる。
The ice heat storage device 10 will be described more specifically. The ice heat storage device 10 includes a
ヒートパイプ15は、前述したように貯留槽14に一時的に貯留される冷却用媒体の熱を大気中に放熱して冷却し、氷結させるためのものであるから、図1に示す例では、ヒートパイプ15の一方の端部15aは貯留槽14に一時的に貯留される冷却用媒体に浸漬されている。ヒートパイプ15の他方の端部15bは、貯留槽14の外部であって大気中に露出させた状態で配置されている。ヒートパイプ15の一方の端部15aがその内部に封入される作動流体を加熱して蒸気化する蒸発部15aになっており、他方の端部15bが蒸気化した作動流体の潜熱を放熱させうことにより凝縮させる凝縮部15bになっている。ヒートパイプ15の凝縮部15bには放熱用の複数のフィン15cが設けられている。図1に示す例では、ヒートパイプ15の長手方向は、重力方向に対して平行になるように設けられており、ヒートパイプ15は貯留槽14に貯留される冷却用媒体の水平面に対して鉛直あるいはほぼ鉛直に設けられている。
Since the
ヒートパイプ15には、熱輸送方向が一方向に限定あるいは規制された熱ダイオード特性を有するものを使用することが好ましい。その一例を挙げると、熱サイフォン(サーモサイホン式ヒートパイプと呼ばれることがある)15を使用することが好ましい。熱サイフォン15は、例えば気密性のある所定の中空の容器(コンテナと呼ばれることがある。)の内部に空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で作動流体が封入されて構成されている。容器は、例えば中空管であり、その内部と外部との間で熱を伝達する必要があるので、中空管は熱伝導率の高い素材で構成されていることが好ましく、銅管を使用することが好ましい。作動流体は加熱されて蒸発し、かつ放熱して凝縮することにより、潜熱の形で熱を輸送する流体である。熱サイフォン15は、その凝縮部15bにおいて凝縮した作動流体は、重力によって蒸発部15aに還流するようになっており、トップヒートモードでは作動しないようになっている。
It is preferable to use a
熱サイフォン15に、毛細管作用により凝縮した作動流体を蒸発部15aに還流させるウィックを使用する場合には、熱サイフォン15が冷却用媒体に浸漬される長さあるいは深さに相当する長さのウィックを、蒸発部15aに、図1に示す例において熱サイフォン15の下端部に配置する。ウィックの配置を限定することにより、ウィックが配置された部分の全体に亘って蒸発部15aとすることができるとともに、ウィックを設けた熱サイフォン15であっても熱ダイオード特性を与えることができる。
In the case of using a wick for returning the working fluid condensed by the capillary action to the evaporating
この発明では、熱サイフォン15は、外気温が所定の温度以下の場合に作動させることが好ましく、例えば外気温が10℃以下の場合に作動するように構成することが好ましい。具体的には、熱サイフォン15の内部に封入される作動流体には、沸点が10℃以下のアンモニアあるいはR−134aなどの代替フロンなどを使用することが好ましい。熱サイフォン15の内部に封入される作動流体の量は、その内容積の約20〜30vol%にすることが好ましい。上記のように熱サイフォン15を構成した場合には、外気温が10℃以下になると、蒸発部15aにおいて冷却用媒体の熱によって蒸気化された作動流体は、相対的に低温・低圧力の凝縮部15bに移動してその熱を気中放熱し、放熱することにより凝縮し、液相の作動流体が重力によって蒸発部15aに還流される。結果、氷蓄熱装置10は、外気温が所定温度(10℃)よりも低くなった場合に、外気の冷熱により冷却用媒体を冷却し、氷結できるようになっている。外気温が所定の温度よりも高くなると、熱サイフォン15は、前述したようにトップヒートモードでは作動しないので、熱サイフォン15が外気の熱を取り込んで、貯留槽14の内部の冷却用媒体の温度を上昇させることがない。氷蓄熱装置10に供給され、内部に蓄えられた氷の冷熱を取り出し、氷によって冷却された冷却用媒体は、前述した循環管路を流動して混合槽9fに供給されるようになっている。
In the present invention, the
図1に示す例では、混合タンク9の混合槽9aあるいは混合槽9fから熱交換器6に向けて低温の冷却用媒体が供給できるように構成されており、その管路の途中に切換バルブ16が介装されている。切換バルブ16を切換操作することにより、混合タンク9の混合槽9aあるいは混合槽9fのいずれか一方から熱交換器6に冷却用媒体を供給できるようになっている。管路における切換バルブ16よりも熱交換器6側に冷却用媒体を送液するためのポンプ17が介装されている。切換バルブ16は、熱交換器6に対して低温の冷却用媒体を供給する混合槽を切り換えるものであり、各混合槽9a,9fに貯留される冷却用媒体の温度を検出し、検出された温度に依存して操作されるようになっている。例えば混合槽9aに貯留される冷却用媒体の温度が所定の温度よりも高い場合には、混合槽9fから冷却用媒体を熱交換器6に供給できるように切換バルブ16が操作される。例えば混合槽9aに貯留される冷却用媒体の温度が所定の温度よりも低い場合には、混合槽9aから冷却用媒体を熱交換器6に供給できるように切換バルブ16が操作される。
In the example shown in FIG. 1, it is configured so that a low-temperature cooling medium can be supplied from the
詳細は図示しないが、切換バルブ16は、電気的に制御されて冷却用媒体の供給源を切り換えられるようになっており、電圧をかけることにより流路を切り換えるように構成された電磁制御式の三方向バルブなどを使用することができる。切換バルブ16は、冷却用媒体を流動させる流路を切り換えるように構成されていればよく、電磁弁に換えて、モータなどの動力源によって流路を切り換えるように構成されたものを使用してもよい。切換バルブ16が、第一の切換手段に相当する。ポンプ17は、混合タンク9の混合槽9aあるいは混合槽9fに貯留された冷却用媒体を熱交換器6に送液し、熱交換器6における熱交換によって温度が上昇した冷却用媒体を混合タンク9の混合槽9aに送液するためのものであり、一般的に使用されているポンプを使用することができる。
Although not shown in detail, the switching
混合タンク9の混合槽9aおよび混合槽9fとチラーユニット11との間には、前述したように循環管路が形成されており、混合槽9aあるいは混合槽9fに貯留された冷却用媒体の一部をチラーユニット11に供給して冷却し、チラーユニット11で冷却された冷却用媒体を混合タンク9の混合槽9fに供給できるようになっている。混合タンク9からチラーユニット11に冷却用媒体を供給する循環管路の途中には、切換バルブ18が介装されている。切換バルブ18を切換操作することにより、チラーユニット11に冷却用媒体を供給する混合槽を混合槽9aあるいは混合槽9fのいずれか一方に切り換えられるようになっている。切換バルブ18は、チラーユニット11に対して冷却用媒体を供給する混合槽を切り換えるものであり、各混合槽9a,9fに貯留される冷却用媒体の温度を検出し、検出された温度に依存して操作され、混合槽9a,9fを適宜切り換えられるように構成されている。切換バルブ18には、電圧をかけることにより流路を切り換えるように構成された電磁制御式の三方向バルブなどを使用することができる。切換バルブ18が、第二の切換手段に相当する。混合槽9fに貯留される冷却用媒体の温度が所定の温度よりも高い場合には、混合槽9fから冷却用媒体をチラーユニット11に供給して冷却できるように切換バルブ18が操作される。混合槽9fに貯留される冷却用媒体の温度が所定の温度よりも低い場合には、混合槽9aから冷却用媒体をチラーユニット11に供給して冷却できるように切換バルブ18が操作される。
Between the
前述した管路における切換バルブ18よりもチラーユニット11側に冷却用媒体を送液するためのポンプ19が介装されている。ポンプ19は、混合タンク9の混合槽9aあるいは混合槽9fに貯留された冷却用媒体をチラーユニット11に送液し、チラーユニット11で冷却された冷却用媒体を混合タンク9の混合槽9fに送液するためのものであり、一般的に使用されているポンプを使用することができる。
A
チラーユニット11は、熱を輸送する冷却用媒体を冷却する冷却器であり、一般的に使用されているチラーユニット11を使用することができる。一例を挙げると、代替フロンを冷媒として使用するターボ冷凍機やスクリュー式チラー、水を冷媒として使用する吸収式冷凍機などを使用することができる。図1に示す例では、チラーユニット11は、熱交換器6から高温の冷却用媒体が供給され、高温の冷却用媒体と混合されることにより温度が上昇した混合タンク9から供給された冷却用媒体を冷却するように構成されている。
The
図1に示す例では、チラーユニット11において前述した冷却用媒体を冷却することによって発生した廃熱は、冷却塔20から大気中に放熱されるように構成されている。チラーユニット11と冷却塔20との間には、冷却水を循環させる循環管路が形成されている。管路の途中には、冷却水を循環流動させるためのポンプ21が介装されている。チラーユニット11の廃熱は、冷却水に対して放熱され、冷却水が前述した管路を流動させられて冷却塔20に供給されるようになっている。冷却水が輸送した熱は、冷却塔20においてファン22などによって大気中に放熱されるようになっている。
In the example shown in FIG. 1, the waste heat generated by cooling the above-described cooling medium in the
前述した構成では、電子機器4の熱を奪って温度が上昇した冷却用媒体と氷蓄熱装置10に氷の形で蓄えられた冷熱を取り出して低温にされた冷却用媒体あるいはチラーユニット11によって冷却された冷却用媒体とは混合タンク9において混合される。電子機器4の熱を奪って高温にされた冷却用媒体は、混合タンク9において低温にされた後に氷蓄熱装置10に供給され、また、チラーユニット11に供給される。結果、氷蓄熱装置10に氷の形で蓄えられた冷熱を過剰に取り出すことを防止もしくは抑制できる。低温にされた冷却用媒体がチラーユニット11に供給されるので、チラーユニット11の負荷を低減できる。氷蓄熱装置10およびチラーユニット11で冷却された冷却用媒体の温度を混合タンクで上昇させてから熱交換器6に供給し、電子機器4を冷却するので、電子機器4の過冷却を防止もしくは抑制できる。
In the configuration described above, the cooling medium whose temperature has risen due to the heat from the electronic device 4 and the cooling medium stored in the form of ice in the ice heat storage device 10 are taken out and cooled by the cooling medium or the
高温の冷却用媒体と低温の冷却用媒体とを混合する混合タンク9を設けることにより、電子機器4の冷却のために熱交換器6に供給する冷却用媒体の温度および氷蓄熱装置10に供給する冷却用媒体の温度ならびにチラーユニット11に供給する冷却用媒体の温度を制御あるいは最適化することができる。混合タンク9を設けることにより、熱効率のよいデータセンタ1の冷却システムを構成することができる。混合タンク9の混合槽の数を増減することにより、混合タンク9から熱交換器6および氷蓄熱装置10ならびにチラーユニット11に供給する冷却用媒体の温度を調整することができる。前述した構成では、チラーユニット11の負荷を低減できるので、チラーユニット11のランニングコストおよび二酸化炭素の排出量を低減できる。
By providing the mixing tank 9 for mixing the high temperature cooling medium and the low temperature cooling medium, the temperature of the cooling medium supplied to the heat exchanger 6 for cooling the electronic device 4 and the ice storage device 10 are supplied. The temperature of the cooling medium to be supplied and the temperature of the cooling medium supplied to the
1…データセンタ、 4…電子機器、 6…熱交換器、 9…混合タンク、 10…氷蓄熱装置、 11…チラーユニット。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Data center, 4 ... Electronic equipment, 6 ... Heat exchanger, 9 ... Mixing tank, 10 ... Ice thermal storage device, 11 ... Chiller unit.
Claims (5)
前記電子機器から生じた熱を前記冷却用媒体に伝達させて奪う熱交換器と、
前記冷却用媒体の熱を熱輸送方向が一方向のヒートパイプによって大気中に放熱させることにより、前記冷却用媒体を冷却し、氷結させて蓄冷する氷蓄熱装置と、
前記熱交換機で前記電子機器の熱を奪って温度が上昇した前記冷却用媒体と前記氷蓄熱装置あるいは前記冷却器で温度が低下させられた前記冷却用媒体とを混合する混合タンクとを備え、
前記混合タンクで混合された前記冷却用媒体の少なくとも一部を前記氷蓄熱装置に向けて供給し、他の少なくとも一部を前記熱交換機あるいは前記冷却器に向けて供給するように構成されている
ことを特徴とするデータセンタの冷却システム。 In the cooling system of the data center that cools the electronic device by taking the heat generated from the plurality of electronic devices that perform data processing and releasing it to the outside using the cooling medium whose temperature is lowered by the cooler,
A heat exchanger that transfers heat generated from the electronic device to the cooling medium and takes it away;
An ice heat storage device that cools the cooling medium and freezes and stores it by radiating heat of the cooling medium into the atmosphere by a heat pipe having a unidirectional heat transport direction; and
A mixing tank that mixes the cooling medium whose temperature has been increased by taking heat of the electronic device with the heat exchanger and the cooling medium whose temperature has been decreased with the ice heat storage device or the cooler;
At least a part of the cooling medium mixed in the mixing tank is supplied to the ice heat storage device, and at least another part is supplied to the heat exchanger or the cooler. This is a data center cooling system.
前記冷却器と前記混合タンクとの間で前記冷却用媒体を循環させる第二の循環管路が形成され、前記第二の循環管路の途中に、前記複数の混合槽における前記冷却用媒体の温度に応じて前記複数の混合槽のいずれかから前記冷却器に前記冷却用媒体を供給するように切換操作される第二の切換手段が設けられ、かつ前記第二の切換手段よりも前記冷却器側に前記冷却用媒体を流動させる第二のポンプが介装され、
前記電子機器の熱を奪って温度が上昇した前記冷却用媒体が流入される前記混合タンクの混合槽と前記氷蓄熱装置との間で前記冷却用媒体を循環させる第三の循環管路が形成され、前記第三の循環管路における前記氷蓄熱装置の流入口側に前記冷却用媒体を流動させる第三のポンプが介装されている
ことを特徴とする請求項1に記載のデータセンタの冷却システム。 A first circulation pipe for circulating the cooling medium between the heat exchanger and the mixing tank is formed, and the cooling medium in the plurality of mixing tanks is formed in the middle of the first circulation pipe. First switching means that is switched to supply the cooling medium to the heat exchanger from any one of the plurality of mixing tanks according to temperature is provided, and the electronic device is more than the first switching means. A first pump for flowing the cooling medium on the device side is interposed,
A second circulation line for circulating the cooling medium between the cooler and the mixing tank is formed, and the cooling medium in the plurality of mixing tanks is disposed in the middle of the second circulation line. A second switching means that is switched to supply the cooling medium from any of the plurality of mixing tanks to the cooler according to temperature is provided, and the cooling is performed more than the second switching means. A second pump for flowing the cooling medium on the side of the vessel is interposed,
A third circulation line is formed to circulate the cooling medium between the mixing tank of the mixing tank into which the cooling medium whose temperature has been increased due to the heat of the electronic device being introduced and the ice storage device. The data center according to claim 1, wherein a third pump for flowing the cooling medium is interposed on an inlet side of the ice heat storage device in the third circulation pipe. Cooling system.
前記ヒートパイプは、蒸発部をその貯留槽内の前記冷却用媒体に浸漬し、かつ凝縮部を大気中に露出させた状態に配置されている
ことを特徴とする請求項1に記載のデータセンタの冷却システム。 The ice heat storage device includes a storage tank that temporarily stores the cooling medium,
2. The data center according to claim 1, wherein the heat pipe is disposed in a state in which an evaporation section is immersed in the cooling medium in the storage tank and a condensation section is exposed to the atmosphere. Cooling system.
ことを特徴とする請求項1または4に記載のデータセンタの冷却システム。 The heat pipe encloses a working fluid that circulates and flows with evaporation and condensation inside the sealed container, and returns the working fluid in a liquid phase to the lower end portion, which is the evaporation section, in the sealed container by gravity 5. The data center cooling system according to claim 1, further comprising a thermosiphon.
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