JP2013531837A - 後部ドア熱交換機 - Google Patents

Abstract

後部ドア熱交換機は、熱を発生する電子機器のラックまたは他の構成部材の後部に実装され、該後部ドア熱交換機の作動時には該機器の中を通る空気を冷却するように構成されている。該後部ドア熱交換機は、上流側母管と、下流側母管とよりなり、上流側母管と下流側母管との間でほぼ平行に伸びかつ上流側母管と下流側母管と流体連通している多数のマイクロチャンネルを有する。すなわち、両母管は、前記多数のマイクロチャンネルに対して共通している。

Description

データセンターは、伝統的に周囲冷房装置によって冷房されており、部屋の周囲には空気から液体へ熱を伝える熱交換器が配置され、空気は、データセンターの内部から、データセンターの床の下にある熱交換器へとポンプで汲み出され、そこから床にある通気孔を通って上に向かい、ブレードラックの列の間の通路へ送られる。これらの通路は、したがって、冷たい通路である。これらの通路にある冷たい空気は、対流によってブレードの間を通ってラックの列の反対側に抜け、暖かい通路に入っていく。暖かい通路の暖かい空気は、対流によってラック上方に上り、天井に沿って流れ、下方に下って再び周囲冷房装置用の熱交換器へと流れていく。この流れのサイクルは、連続して行われ、センターの温度は、ブレードの効率的な作動にとって許容できる程度の低いレベルに保たれる。

ブレードの作動時容量が増大するにつれ、データセンター内でより多量の空気を冷却することが望まれ、また必要となってくる。単に周囲冷房装置の冷却容量を増やすことは、この方法で実施できる冷却量に限界があるため、必ずしも選択肢として実行できるものではない。この問題は、従来、空気の流れがラックから出て行くラックの後部に、空気から流体へ熱を伝える熱交換器をそれぞれ取り付けることによって解決されてきた。ここで言う「後部」とは、冷却用空気が出て行くラック（または他の熱を発生する電子装置）の側を指す。このような熱交換器は、後部ドア熱交換機と呼ばれる。現存する後部ドア熱交換機に供給される冷却液の温度は、正常な室温と考えられる温度かそれよりわずかに低い温度で、通常、１８℃から２２℃の範囲である。ブレードから出る空気の温度は、それより高く、おそらく３５℃から４５℃の範囲にあるため、これでも有効である。

現存する後部ドア熱交換機は、交換機の片側に互いに隣接してほぼ垂直に配置された上流側母管と下流側母管とよりなり、そして、配管を有するものであり、この配管は、上流側母管から水平に伸びて、熱交換器の反対側で１８０°曲げられ、さらに水平に下流側母管まで伸びる。このような構造は、比較的直径の大きい配管と重い金属の構成部品を必要とし、そのため、後部ドア熱交換機は、重く、製造コストが高く、扱いにくいものとなっている。

本発明は、これらの欠点の１又はそれ以上を取り除くことを目的としたものである。ただし、本発明は、対象となる機器が一般にブレードラックと呼ばれるものか否かを問わず、熱を発生する電子機器を通る空気を冷却するために有効であることは、理解されよう。

したがって、後部ドア熱交換機であって、熱を発生する電子機器のラックまたは他の構成部材の後部に実装され、該後部ドア熱交換機の作動時には該機器の中を通る空気を冷却するように構成された後部ドア熱交換機であって、上流側母管と、下流側母管とよりなり、該上流側母管と該下流側母管との間でほぼ平行に伸びかつ上流側母管と下流側母管とを流体連通している多数のマイクロチャンネルを有し、したがって、両母管は、前記多数のマイクロチャンネルにとって共通している、後部ドア熱交換機に関する。

この構成では、マイクロチャンネルを使用するので、熱交換器の表面と冷却液の通路の断面積との比が大きくなるため、軽量な後部ドア熱交換機の建造が容易となり、さらに、熱交換器の通気と排水が容易となる。

好ましくは、該マイクロチャンネルは、該後部ドア熱交換機が実装されて使用可能な状態になったとき、直立している。

前記マイクロチャンネルが、垂直方向に少なくとも一つの構成部材が存在する方向に伸びていれば、熱交換器の通気と排気は、さらに容易となる。

前記上流側母管を上方母管とし、前記下流側母管を下方母管としても良い。

各マイクロチャンネルは、上流側母管に開口している位置から下流側母管に開口している位置まで、一本の流路でうねり路ではないように伸びているものとしても良い。

このようにすることによって、高い熱吸収容量を得ることが容易となり、熱交換器での圧力低下を比較的少なくして作動させることができ、さらに、熱交換器の通気と排水を容易にすることができる。

本明細書の文脈においては、マイクロチャンネルとは、断面の内径または内幅が３．５ｍｍ未満である任意の通路で構成されるものである。好ましくは、マイクロチャンネルの断面の内径または内幅は、０．５ｍｍからほぼ３．０ｍｍの範囲である。さらに好ましくは、マイクロチャンネルの断面の内径または内幅は、ほぼ１．１ｍｍまたは０．８ｍｍである。

マイクロチャンネルのいくつかまたはすべては、冷却液と該マイクロチャンネルとの間の熱移転をより良くするために、その内部が施条を付しても良い。

このような後部ドア熱交換機にあっては、前記チャンネルを管で構成することによって好便な構造が得られる。

このような後部ドア熱交換機にあっては、前記マイクロチャンネルに対して横方向に伸び、マイクロチャンネルと熱接触をもつ材料の帯によって、より高い効率を得ることができる。

熱交換器を、金属または合金よりなるものとすることによって、すぐれた効率を得ることができる。例えば、該熱交換器は、アルミニウムよりなるものとしても良い。チャンネルの通気と排水を改善するためには、上方母管が上流側母管であることが有利であるが、現場の構成および性能条件によっては、上流側母管を下方母管としても良い。

以下、添付の図面を参照して、本発明を実施した後部ドア熱交換機の一例を詳細に説明する。

図１は、各々が本発明の実施形態である複数の後部ドア熱交換機を組み込んだデータセンターの一つの側の上方から見た斜視図である。 図２は、図１に示す装置の複数の部分の底面図である。 図３は、図１および図２に示す装置の一部分を、一つの側の後方及び上方から見た斜視図であり、その複数の部分は、他の部分が見えるように透明に示されている。 図４は、図３に示す装置の一部分の前立面図であり、分かりやすくするためにその複数の部分を取り除いて示されている。 図５は、図４に示す装置の部分の側立面図であり、他の部分を示すためにその側面は取り除かれている。 図６ａないし図６ｃは、図４および図５に示す装置の一部分の三つの異なる実施形態の断面図である。 図７は、図４および図５に示す装置の一部分を示す拡大図である。

図１は、データセンター１００を示し、該データセンターには冷却機ユニット１１０が設けられており、該冷却機ユニットは、周囲冷房装置１２０に冷たい水を供給するように接続されている。データセンター１００には、ブレードラック１４０の列が配設されており、該ブレードラック１４０には、それぞれ後部ドア熱交換機１４２が配設されている。冷却機１１０からの冷却された水は、ポンプで汲み出されて送り配管１４３を通って周囲冷却装置１２０へと流れ、周囲冷却装置１２０からの暖められた水は、他の配管１４４を通って冷却機１１０に戻る。

周囲冷却装置１２０と、後部ドア熱交換機１４２を備えたブレードラック１４０とは、高床１４５上に配置されている。該ブレードラック１４０は、列１４６になるように配置されている。高床１４５には、列１４６の間の一以上の通路１５０に通気孔１４８が配設されており、隣接する通路１５２には通気孔が配設されていない構成となっている。すなわち、通気孔のある通路と通気孔のない通路が交互に配置されている。データセンター１００の稼動時には、暖かい通路１５２の暖かい空気は、上方に上昇し、隣接する冷たい通路１５０からラック１４０を通して冷たい空気を引き寄せる。これによって、ラック１４０を通る冷たい空気の流れが常時形成されることになる。暖かい空気は、データセンターの天井に向かって上昇し、さらに外側に向かって流れて周囲冷却装置１２０に達し、そこで冷却されて下方に降下し、高床１４５の下方で周囲冷却装置１２０から出る。この対流が続くことによって、冷たい空気が通気孔１４８を通って上昇し、空気冷房のサイクルが連続して行われることになる。

後部ドア熱交換機１４２は、さらに、データセンター１００を通って流れる空気も冷却している。

冷却液配送ユニット２００は、後部ドア熱交換機１４２へ冷却液を配送する。図２は、この冷却液の配送のやり方をより分かりやすく示した図である。すなわち、冷却液配送ユニット２００は、一次冷却液回路２１０に接続され、この一次冷却液回路２１０は、冷却液配送ユニット２００の熱交換器２１２に熱的に連結されており、また、二次冷却液回路２１４も、冷却液配送ユニット２００の熱交換器２１２に熱的に連結されていて、装置が作動しているときには、熱が、二次回路２１４内の冷却液から一次回路２１０内の冷却液へと転送されるようになっている。この目的のために、一次回路２１０内の冷却液も、また二次冷却液回路２１４内の冷却液も、ポンプで汲み出されて冷却液配送ユニット２００を通るようにされる。

各々の後部ドア熱交換機１４２は、上流側コネクタ通路２１８を介して二次冷却液回路２１４の上流側２１６から冷却液を受け取り、また下流側コネクタ２２２を介して二次冷却液回路２１４の下流側２２０へ冷却液を返すように接続されている。

図２は、また、空気を、ラックを通って後部ドア熱交換機１４２へ向けて付勢するためのブレードラック１４０の内部ファン２２４を示している。

図３は、ブレードラック１４０とその後部に実装された後部ドア熱交換機１４２との組み合わせの外側パネルを示している。該後部ドア熱交換機は、図３に示すように、ラック１４０の左側でヒンジ止めされている。ドア１４２の後部パネル２２６は、多数の穿孔２２８によって穿孔されており、空気が、後部ドア熱交換機１４２を通って流れるようにされている。該ドア熱交換機がラック１４０にヒンジ止めされているので、ドアを開けて、後部ドア熱交換機１４２自体とラック１４０の後部との両方にアクセスできる構成となっている。

各々の後部ドア熱交換機１４２の他の機能は、図４および図５から明らかであろう。すなわち、後部ドア熱交換機１４２は、ヒンジ４００と、上流側母管４０２と、下方上流側母管４１４と、多数の中空の棒すなわち細長い突起物４０６とを有する。前記ヒンジ４００は、図４で見て右側にある。前記上流側母管４０２は、図４で見てその後部パネル２２６の前にあり、上流側コネクタ２１８の垂直に配置された部分が接続されている。前記下方上流側母管４１４は、下流側コネクタ２２２の垂直部分に接続されている。前記多数の中空の棒すなわち細長い突起物４０６の各々は、多数のマイクロチャンネルを有する。これらの細長い突起物４０６は、互いにほぼ平行で、垂直に配置されており、それらの上端は、上方上流側母管４０２の内部と流体連通しており、そこから下端まで曲路でもうねり路でもなく伸びており、該下端は、下方下流側母管４０４の内部と流体連通している。分かりやすくするために、マイクロチャンネル突起物４０６は、すべてを示さず、後部ドア熱交換機１４２の左側と右側にあるもののみを示してある。これら図示されたものの間にある空間は、同様なマイクロチャンネルの棒で満たされていることになる。

上方上流側母管４０２の上端には、ブリーダーバルブ４０８が配設されており、下方下流側母管４１４の下端には、ドレンバルブ４１０が配設されている。

図４には、幾つかのラインのみが図式的に示されているにすぎないが、冷却用Ｕ字形フィン４１２の各々は、横方向に伸び、フィン４１２の「Ｕ」字形の下端において、多数のマイクロチャンネルの突起物４０６と熱接触している。このようなフィン４１２は、マイクロチャンネル突起物４０６の上端からそれらの下端までの全域にわたって存在する。

図６ａは、各マイクロチャンネル突起物４０６の断面を示す。すなわち、各突起物は、アルミニウムの突起物であって、断面が細長く、長さが約２０ｍｍ、幅が約２ｍｍで、ほぼ長方形の断面を有する多数のマイクロチャンネル４４０を備えており、各々のマイクロチャンネルの断面の幅は、約１．４ｍｍであり、バー４０６の壁４４２の厚さは約０．３ｍｍである。各端部のチャンネルの外形は、バーの断面の丸みの付いた端部４４４に合わせた丸みが付けられている。

各突起物４０６の向きは、そのまっすぐな側が、熱交換器１４２を通る空気の流れの方向にほぼ平行となるように配置されている。

図７は、フィン４１２をより明瞭に示している。この図は、各熱交換器１４２の上方部分の前面を示したものである。隣接するマイクロチャンネル突起物４０６のフィンは、櫛歯を絡み合わせた状態にされている。

コネクタ２１８および２２２の垂直部分と、母管４０２および４１４と、マイクロチャンネル突起物４０６と、フィン４１２とは、すべてアルミニウム製である。したがって、使用しているアルミニウムが軽量であることから、後部ドア熱交換機１４２は、全体として比較的軽量であることが理解されよう。さらに製造コストが安く、設置が容易である。更に、マイクロチャンネルを使用することにより、後部ドア熱交換機１４２の冷却液の通路の外表面積と内部容積の比も大きくなる。加えて、垂直方向に伸びるマイクロチャンネルを使用することにより、後部ドア熱交換機からバルブ４０８を介して空気または他の気体を抜くことが容易となり、また、後部ドア熱交換機１４２からバルブ４１０を介して液体の冷却液を排出することが容易となる。上方上流側母管４０２と下方下流側母管４０４は、ともにすべてのマイクロチャンネル４４０に対して共通していることは理解されよう。

装置が作動していて、図１を参照して説明したように空気がデータセンターを通って循環しており、また冷却液が一次回路２１０および二次回路２１４を通って汲み出されているときには、二次回路２１４の上流側からの冷却液は、各々の後部ドア熱交換機１４２の上流側コネクタ２１４の垂直部分の中を通ってその上流側母管１４２へ流れ、そこから、マイクロチャンネルバー４０６のマイクロチャンネルを通って下降して下方下流側母管４０４の中に入り、下流側コネクタ２２２の垂直部分を通って出て、二次回路２１４の下流側２２０に入る。このように冷却液が後部ドア熱交換機を通ることによって、関連するブレードラック１４０を通る空気は、後部ドア熱交換機１４２を通過して冷却され、穿孔されたパネル３２６を通って出て、暖かい通路１５２に入る。

各々の後部ドア熱交換機の中で使用可能な冷却液は、水からなるものであっても、あるいはＲ１３４ａ冷媒（１，１，１，２−テトラフルオロエタン）であってもよい。後者は、マイクロチャンネル突起物４０６のマイクロチャンネルの中で、二相の状態（液相および気相）で存在することができる。

本明細書の読者には、図示の装置をさまざまに変更または修正して、本発明の範囲を逸脱することのない構造を得ることが考えられよう。例えば、各々のマイクロチャンネル突起物に、フィン４１２の代わりに、それぞれうねった帯状のものを配設することもできる。図示の構成では、上方母管４０２と下方母管４０４の間に比較的小さな圧力差が必要であるが、コネクタ２１８および２２２の接続を逆にして、前者のコネクタが二次回路２１４の下流側２２０に接続され、コネクタ２２２が二次回路２１４の上流側２１６に接続されるようにし、したがって、冷却液が、マイクロチャンネルバー４０６のマイクロチャンネルを通って、下方に流れるのではなく上方に流れるようにすることもできる。

図６ｂは、マイクロチャンネル突起物４０６を好ましく修正したものの断面を示す。このマイクロチャンネル突起物４０６は、長さが１６ｍｍ、幅が１．８ｍｍで、その中には、断面が幅１．１２ｍｍの正方形で角部がわずかに丸められた８つの各マイクロチャンネルが形成されており、二つの端部にあるマイクロチャンネル部分は、一番外側が丸められており、バーの壁の厚さは、０．３４ｍｍとなっている。

図６ｃ図は、マイクロチャンネル突起物４０６を好ましく修正した別のものの断面を示す。このマイクロチャンネル突起物４０６は、長さが２５．４ｍｍ、幅が１．３ｍｍであり、その中には１０のマイクロチャンネルが形成されており、中間の８つは、断面が、長さが１．８８ｍｍ、幅が０．７６ｍｍの長方形である。二つの端部にあるマイクロチャンネルは、やはり一番外側が丸められている。したがって、長方形の長辺にそったバーの壁の厚さは、０．２７ｍｍであり、隣接するマイクロチャンネルの間のバーの壁厚は、０．６ｍｍである。

後部ドア熱交換機１４２は、図に示した側とは反対側でヒンジ止めすることができることは明らかであろう。

装置の使用時には、二次冷却液回路２１４の上流側２１６内部での冷却液の温度は、通常、ほぼ１０℃から２５℃の範囲、好ましくは１５℃から２０℃の範囲、より好ましくは１８℃である。装置の使用時には、二次冷却液回路２１４の下流側２２０内部での冷却液の温度は、ほぼ２０℃から３５℃の範囲、好ましくは２５℃から３０℃の範囲、より好ましくは２８℃である。

図４および図５の装置内に配設された図６ｂに示すようなバーの場合、冷却効率は、ほぼ１０ないし３０リットル／分（ｌ／ｍ）、好ましくは１５ないし２５リットル／分、より好ましくは２０リットル／分である。図６ｃに示すような突起物の場合の冷却効率は、ほぼ３０ないし５０リットル／分（ｌ／ｍ）、好ましくは３５ないし４５リットル／分、より好ましくは４０リットル／分である。

１００：データセンター、
１１０：冷却機ユニット、
１２０：周囲冷房装置、
１４０：ブレードラック、
１４２：後部ドア熱交換機、
２００：冷却液配送ユニット、
２１８：上流側コネクタ通路、
２２２：下流側コネクタ、
４０２：上流側母管、
４０４：下流側母管、
４０６：細長い突起物、
４１２：冷却用Ｕ字形フィン、
４４０：マイクロチャンネル

Claims (14)

1. 後部ドア熱交換機であって、熱を発生する電子機器のラックまたは他の構成部材の後部に実装され、該後部ドア熱交換機の作動時には該機器の中を通る空気を冷却するように構成された後部ドア熱交換機であって、上流側母管と、下流側母管とよりなり、該上流側母管と該下流側母管との間でほぼ平行に伸びかつ上流側母管と下流側母管とを流体連通している多数のマイクロチャンネルを有し、したがって、両母管は、前記多数のマイクロチャンネルにとって共通している、後部ドア熱交換機。
2. 前記後部ドア熱交換機が実装されて使用可能な状態になったとき、前記マイクロチャンネルが、垂直方向に少なくとも一つの構成部材が存在する方向に伸びている、請求の範囲１に記載の後部ドア熱交換機。
3. 前記後部ドア熱交換機が実装されて使用可能な状態になったとき、前記マイクロチャンネルが直立している、請求の範囲２に記載の後部ドア熱交換機。
4. 前記上流側母管が上方母管であり、前記下流側母管が下方母管である、請求の範囲１〜３のいずれか１項に記載の後部ドア熱交換機。
5. 各マイクロチャンネルが、上流側母管に開口している位置から下流側母管に開口している位置まで、一本の流路でうねり路ではないように伸びている、請求の範囲１〜４のいずれか１項に記載の後部ドア熱交換機。
6. 各マイクロチャンネルの断面の内径または内幅が、３．５ｍｍ未満である、請求の範囲１〜５のいずれか１項に記載の後部ドア熱交換機。
7. 各マイクロチャンネルの断面の内径または内幅が、ほぼ０．５ｍｍからほぼ３．０ｍｍの範囲である、請求の範囲６に記載の後部ドア熱交換機。
8. 各マイクロチャンネルの断面の内径または内幅が、ほぼ１．１ｍｍである、請求の範囲７に記載の後部ドア熱交換機。
9. 各マイクロチャンネルの断面の内径または内幅が、ほぼ０．８ｍｍである、請求の範囲７に記載の後部ドア熱交換機。
10. 前記マイクロチャンネルの少なくとも一つの内部に、施錠が付けられ、冷却液と該マイクロチャンネルとの間の熱移転をより良くする、請求の範囲１〜９のいずれか１項に記載の後部ドア熱交換機。
11. 前記マイクロチャンネルが、管によって構成されている、請求の範囲１〜１０のいずれか１項に記載の後部ドア熱交換機。
12. 更に帯よりなり、該帯が、前記マイクロチャンネルに対して横方向に伸び、マイクロチャンネルと熱接触をもつ材料よりなる、請求の範囲１〜１１のいずれか１項に記載の後部ドア熱交換機。
13. 金属または合金よりなる、請求の範囲１〜１２のいずれか１項に記載の後部ドア熱交換機。
14. アルミニウムよりなる、請求の範囲１３に記載の後部ドア熱交換機。

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