JP2016023837A - サーバーシステム用の空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外気冷却方式の熱交換体と水冷式の熱交換体で空気調和を行って、空気調和装置のランニングコストを著しく削減する。外気温が高い場合でもサーバーラック内の冷却を確実に行えるサーバーシステム用の空気調和装置を提供する。
【解決手段】熱交換装置Ｃと、外気を熱交換装置Ｃへ送給する外気ダクト１０と、熱排気を建屋３の外へ送給する排気ダクト１１を備えている。熱交換装置Ｃは、ヒートパイプ３７を伝熱要素とする外気冷却式の第１熱交換体２０と、水冷式の第２熱交換体２１と、空調ケース２２と、送風ファン２３および循環ファン２４と、送水設備２５などで構成する。通常は、外気を送風ファン２３で熱交換装置Ｃへ送給して、第１熱交換体２０でサーバーラック１内の空気調和を行う。また、外気温が高いときは、冷却水を送水設備２５で第２熱交換体２１に送給して、第１熱交換体２０と第２熱交換体２１でサーバーラック１内の空気調和を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーバーシステムにおいて、サーバーラック内の熱を、熱交換装置を介して放出することにより、サーバーラック内の温度を常に適温に維持するためのサーバーシステム用の空気調和装置に関する。

本出願人は、この種の空気調和装置を先に提案している（特許文献１）。この空気調和装置は、サーバー室の天井の内部に、空気調和機で生成された調和空気を送給する供給路と、熱交換後の排気を空気調和機へ戻す帰還路とを備えている。また、サーバーラックの上部には、内部に送風ファンが配置されたダクトベースと、ダクトベースと帰還路を接続する伸縮可能なダクトとが配置されている。さらに、サーバーラックのドアパネルを多孔板で形成して、サーバー室に吹出された調和空気をサーバーラック内へ効果的に取込めるようにしている。空気調和機で生成された冷気（調和空気）は、供給路と供給口を介してサーバー室へ吹出され、ラック列の間の通路の床面側へ沈降し、稼働中のサーバーの内部に配置された送風ファンによって、ドアパネルを介してサーバー内部に引込まれ、内部の発熱部品を冷却したのち、ラック内部の排気通路へと排出される。さらに、排出された熱気は、ダクトベースの内部の送風ファンに引込まれて、ダクトを介して帰還路へ強制的に送給され、再び空気調和機で冷却される。

本発明では、ヒートパイプと、その外面に固定されるフィン群とを熱交換体にして、サーバーラック内の熱気の熱を排出するが、この種の熱交換体は、例えば特許文献２のヒートパイプ式冷却器に公知である。そこでは、長尺のヒートパイプをＵ字状に折曲げたのち、矩形のフィンの一群をヒートパイプの上半部と下半部のそれぞれに固定する。さらに、上半側のフィン群と下半側のフィン群との間で、ヒートパイプを「く」字状に折曲げて熱交換体を構成する。さらに、四角箱状の熱交換ケースの内部に先の熱交換体を配置して、「く」字状の折曲部分に隔壁を配置し、ケース内部を上側の放熱室と下側の吸熱室とに区分している。放熱室および吸熱室の対向する側壁には、熱交換空気の通過を許すスリットと、熱交換空気を強制的に送給する電動ファンとがそれぞれ設けられている。

吸熱室に送給された高温の空気の熱は、吸熱室内のフィン群を介してヒートパイプに伝えられ、パイプ内部に封入された液状の熱媒を気化させる。また、気化した熱媒は「く」字状のヒートパイプに沿って放熱室側へ流動し、放熱室内を流動する低温の空気によって凝縮される間に熱を放出したのち、ヒートパイプに沿って吸熱室側のパイプ端部へと流下する。以後、熱媒の気化と凝縮を繰返し行うことにより、連続して熱交換を行うことができる。

ヒートパイプ式の熱交換体は、特許文献３の沸騰冷却装置にも開示されている。この沸騰冷却装置の熱交換原理は、特許文献２のヒートパイプと基本的に同じであるが、熱交換器を低温側熱交換器と高温側熱交換器とで構成し、低温側熱交換器の上下に低温側蒸気ヘッダーと低温側液ヘッダーを設け、さらに、高温側熱交換器の上下に高温側蒸気ヘッダーと高温側液ヘッダーを設ける点が異なっている。低温側蒸気ヘッダーと高温側蒸気ヘッダーとは、冷媒蒸気管で連通されており、低温側液ヘッダーと高温側液ヘッダーとは、冷媒液管で連通されている。低温側熱交換器と高温側熱交換器は、それぞれ冷媒導管（ヒートパイプに相当）と伝熱フィンを交互に積層して構成されており、冷媒導管の上下端は蒸気ヘッダーと液ヘッダーに連通してある。なお、沸騰冷却装置は外気冷却方式の冷却装置である。

特開２０１３−３７６６５号公報（段落番号００４６、図２） 実開昭６３−１４２６６９号公報（第６頁第２〜１８行、第１図） 特開２０１１−３８７３４号公報（段落番号００４７〜００５０、図２）

特許文献１の空気調和装置によれば、熱交換後の排気の全てをダクトと帰還路を介して空気調和機へ戻すので、熱交換後の排気がサーバー室へ放出されるのを解消して、サーバー室およびサーバーラック内の冷却を効果的に行うことができる。さらに、サーバー室の床を二重床構造にするなどの無駄なスペースを省いて、建屋の構築費用を削減できる。しかし、空気調和機が設置された部屋とサーバーラック内との間で空気調和を行うので、サーバーシステムを収容する建屋の外気温とは無関係に、年間を通して空気調和機を稼働する必要があり、そのランニングコストが嵩むのを避けられない。また、天井の供給口から吹出された冷気の全てが、サーバーラック内の発熱部品の冷却に寄与する訳ではなく、一部の冷気がサーバー室の床面や周囲壁の冷却に消費される分だけ無駄がある。天井の供給口から吹出された冷気の全てを、サーバーラック内へ直接送給すると、先の無駄を軽減できるが、そのためには冷気を供給するためのダクトや送風ファンを余分に設ける必要があり、空気調和システムの全体コストが嵩んでしまう。さらに、全体のダクト構造が複雑になるか、サーバー室におけるサーバーラックの設置台数が減少するかのいずれかの問題を抱込むことになる。

特許文献２のヒートパイプ式冷却器によれば、全高寸法および左右方向の全長寸法を小さくして冷却ユニットをコンパクトにまとめることができ、その設置空間を小さくできる。しかし、本発明が適用対象としているサーバーシステムに、特許文献２のヒートパイプ式冷却器を適用したとしても、サーバーラック内の発熱部品の冷却を十分に行えるか否かは定かではない。これは、ヒートパイプ式冷却器が、発熱部品を収容するケースの天井壁に設置されていて、放熱室に取込まれる熱交換空気が、先のケースの外面空間から取込まれ、熱交換後の空気が、先のケースの外面空間へ放出されるからである。つまり、発熱部品を収容するケースの内部温度を一定以下に冷却するとき、ケースの外面空間（例えばサーバー室）の温度が徐々に上昇するのを避けられず、やがては冷却不能となるので、これを防ぐ必要上、ケースの外面空間の空気を冷却するための空気調和装置が別途必要になるからである。

特許文献３の沸騰冷却装置は、低温側熱交換器の上下に低温側蒸気ヘッダーと低温側液ヘッダーを設け、さらに、高温側熱交換器の上下に高温側蒸気ヘッダーと高温側液ヘッダーを設けるので、冷媒の循環を効率よく行える。さらに、沸騰冷却装置をコンパクト化して、その設置場所を収納箱（例えばサーバーラック）の天面と側面のいずれにも設定できる。しかし、低温側蒸気ヘッダーと低温側液ヘッダーと、高温側蒸気ヘッダーと高温側液ヘッダーを設け、さらに各ヘッダーを冷媒蒸気管および冷媒液管で連通する必要があるので、熱交換器の構造が複雑になり、特許文献２のヒートパイプ式冷却器に比べて全体コストが嵩むのを避けられない。また、外気を低温側熱交換器に送給して、低温側熱交換器に流動してきた冷媒蒸気を凝縮させるので、外気温度が充分に低い季節においては、問題なく収納箱の内部を十分に冷却できる。しかし、例えば外気温度が３０℃を超えるような場合に、冷却機能を確実に発揮するのが難しく、収納箱の内部を十分に冷却することが難しくなる。

本発明の目的は、外気冷却方式の熱交換体と水冷式の熱交換体を使用して空気調和を行うことにより、空気調和装置のランニングコストを著しく削減でき、たとえ外気温が高い場合でもサーバーラック内の発熱部品の冷却を確実にしかも効果的に行える、サーバーシステム用の空気調和装置を提供することにある。
本発明の目的は、従来装置に比べて、ヒートパイプを伝熱要素とする外気冷却方式の熱交換体の構造を簡素化して、空気調和のための機器の導入コストを削減でき、さらに熱交換装置をコンパクト化して、その設置スペースを節約することができるサーバーシステム用の空気調和装置を提供することにある。

本発明に係る空気調和装置は、密閉構造のサーバーラック１の上部に配置した熱交換装置Ｃと、建屋３の外気を熱交換装置Ｃへ送給する外気ダクト１０と、熱交換装置Ｃから排出された熱排気を建屋３の外へ送給する排気ダクト１１とを備えている。熱交換装置Ｃは、ヒートパイプ３７を伝熱要素とする外気冷却式の第１熱交換体２０と、第１熱交換体２０より風上側に配置した水冷式の第２熱交換体２１と、両熱交換体２０・２１のうち少なくとも第１熱交換体２０を収容する空調ケース２２と、空調ケース２２に設けられる送風ファン２３および循環ファン２４と、低温の冷却水をタンク５４から第２熱交換体２１へ供給したのち回収する送水設備２５を備えている。建屋３の外気温が低い状態では、外気ダクト１０で送給された外気を送風ファン２３で熱交換装置Ｃへ送給して、第１熱交換体２０のみを作動させてサーバーラック１内の空気調和を行う。また、建屋３の外気温が高い状態では、冷却水を送水設備２５で第２熱交換体２１に送給して、第１熱交換体２０と第２熱交換体２１を作動させて、サーバーラック１内の空気調和を行うことを特徴とする。

第１熱交換体２０は、一群のヒートパイプ３７と、一群のヒートパイプ３７の外面に固定される伝熱フィン３８の一群を備えていて全体がく字状に折曲げられ、折曲げ部の上下に放熱部３９と吸熱部４０とが設けてある。空調ケース２２の内部は、ケース内部に配置した隔壁２８で上側の放熱区画２９と、下側の吸熱区画３０に区分されていて、放熱区画２９に第２熱交換体２１と第１熱交換体２０の放熱部３９が収容され、吸熱区画３０に第１熱交換体２０の吸熱部４０が収容してある。放熱区画２９は外気ダクト１０と排気ダクト１１に連通され、吸熱区画３０は熱気吸込口３３と還流口３４を介してサーバーラック１の内部に連通されている。外気ダクト１０内の外気を送風ファン２３で第２熱交換体２１および放熱部３９に向かって送給しながら、サーバーラック１の内の熱気を循環ファン２４で吸熱部４０に送給して、第１熱交換体２０または第１熱交換体２０と第２熱交換体２１で、サーバーラック１内の空気調和を行うようにする。

第２熱交換体２１の風下側に第１熱交換体２０を隣接配置する。第１熱交換体２０は、外気の送給方向に沿って重ねて隣接配置される複数個のヒートパイプ列４３と、各ヒートパイプ列４３に共通して固定される一群の伝熱フィン３８とで構成する。各ヒートパイプ列４３を構成する一群のヒートパイプ３７は、外気の送給方向と直交する向きに千鳥状に配置する。

第１熱交換体２０の折曲げ部を隔壁２８に装着したシールを兼ねる保持体４６で遊動不能に固定保持する。

サーバー室２に多数個のサーバーラック１を直線列状に配置した複数のラック列Ｌを設ける。外気ダクト１０は、建屋３の外面から、隣接するラック列Ｌの間の通路の上方に配置されて、その両側に開口した外気供給口１２を空調ケース２２の放熱区画２９に連通する。排気ダクト１１は各空調ケース２２を間に挟んで外気ダクト１０と平行に配置されて、その一側に開口した排気入口１３を放熱区画２９に連通し、排気放出口１４を建屋３の外面に向かって開口する。

送水設備２５は、冷却水を貯留するタンク５４と、給水源の冷却水をタンク５４に送給する第１ポンプ５５と、タンク５４内の冷却水を各熱交換装置Ｃへ送給する第２ポンプ５６を備えている。冷却水は地下水と、河川水と、海水のいずれかを使用できる。

本発明においては、サーバーラック１の上部に配置した熱交換装置Ｃと、外気を熱交換装置Ｃへ送給する外気ダクト１０と、熱交換装置Ｃから排出された熱排気を建屋３の外へ送給する排気ダクト１１などで空気調和装置を構成した。また、ヒートパイプ３７を伝熱要素とする外気冷却式の第１熱交換体２０と、水冷式の第２熱交換体２１と、両熱交換体２０・２１のうち少なくとも第１熱交換体２０を収容する空調ケース２２と、送風ファン２３および循環ファン２４と、低温の冷却水を第２熱交換体２１へ供給し回収する送水設備２５などで熱交換装置Ｃを構成した。

上記の空気調和装置によれば、密閉構造のサーバーラック１の内部空間のみを空気調和すればよく、サーバーラック１の内部空間以外の無駄な部分を冷却する必要がないので、熱交換装置Ｃの熱負荷を小さくできる。また、建屋３の外気温が低い状態では、各ファン１６・２３・２４を駆動して第１熱交換体２０を作動させるだけで、外気のみによってサーバーラック１内の空気調和を行える。さらに、建屋３の外気温が高い状態では、第２熱交換体２１に送水設備２５で例えば地下水などの冷却水を送給し、第１熱交換体２０と第２熱交換体２１を作動させて、地下水などの冷熱を利用してサーバーラック１内の空気調和を行うことができる。従って、サーバー室の全体に空気調和機で生成した冷気を供給する必要があった従来の空気調和装置に比べて、空気調和のための電力消費量を著しく削減してランニングコストを削減できる。

一群のヒートパイプ３７と、伝熱フィン３８の一群で第１熱交換体２０を構成し、全体を「く」字状に折曲げることにより、折曲げ部の上下に放熱部３９と吸熱部４０とを設け
た。また、空調ケース２２の内部を隔壁２８で上下に区分して、上側の放熱区画２９に第２熱交換体２１と第１熱交換体２０の放熱部３９を収容し、下側の吸熱区画３０に第１熱交換体２０の吸熱部４０を収容した。さらに、放熱区画２９を外気ダクト１０と排気ダクト１１に連通し、吸熱区画３０は熱気吸込口３３と還流口３４を介してサーバーラック１の内部に連通した。こうした熱交換装置Ｃによれば、外気ダクト１０内の外気を送風ファン２３で第２熱交換体２１および放熱部３９に向かって送給することにより、一群のヒートパイプ３７と伝熱フィン３８の一群で構成された、熱交換容量の大きな放熱部３９において、作動液の蒸気を効果的に凝縮させることができる。また、サーバーラック１の内の熱気を循環ファン２４で吸熱部４０に送給することにより、一群のヒートパイプ３７と伝熱フィン３８の一群で構成された、熱交換容量の大きな吸熱部４０において熱気の熱を作動液に伝えて効果的に気化させることができる。従って、サーバーラック１内の熱気の量や温度が高い場合であっても、吸熱部４０とラック内空間とを循環する熱気を確実に冷却して、サーバーラック１内の空気調和を的確に行うことができ、年間を通じて常に安定した状態でサーバーシステムを稼働できる。空調ケース２２の内部を隔壁２８で上下に区分し、導入した外気と放熱部３９との間で熱交換を行って作動液を凝縮させ、さらに吸熱部４０とサーバーラック１内の熱気との間で熱交換を行って作動液を気化させるので、外気の湿度の影響を受けることなくサーバーラック１内の空気調和を行える。

第１熱交換体２０は、一群のヒートパイプ３７とその外面に固定される伝熱フィン３８の一群を構成部材にして、全体が「く」字状に折曲げられている。そのため、従来の沸騰冷却装置と比べて、液ヘッダーや蒸気ヘッダーなどの余分な構造がなく、第１熱交換体２０の構造を大幅に簡素化して低コスト化でき、全体としてサーバーシステム用の空気調和装置の導入コストを削減できる。また、第１熱交換体２０を収容する熱交換装置Ｃをコンパクト化して、その設置スペースを節約することができる。

第２熱交換体２１の風下側に第１熱交換体２０を隣接配置した。また、外気の送給方向に沿って重ねて隣接配置される複数個のヒートパイプ列４３と、各ヒートパイプ列４３に共通して固定される一群の伝熱フィン３８とで第１熱交換体２０を構成した。このように、第１熱交換体２０にヒートパイプ列４３を高密度で配置し、さらに、外気の送給方向に沿って第１熱交換体２０を隣接配置すると、熱交換装置Ｃの熱交換能力を大幅に向上できる。従って、より大量の作動液の気化作用と凝縮作用とによって、サーバーラック１内で発生した熱気の温度を効率よく速やかに低下させることができる。また、各ヒートパイプ列４３を構成する一群のヒートパイプ３７を、外気の送給方向と直交する向きに千鳥状に配置するので、第１熱交換体２０の通風抵抗が増えるのを防止しながら、ヒートパイプ３７および伝熱フィン３８と外気の熱伝達効果（接触機会）を増加して、放熱部３９における作動液の蒸気の凝縮をさらに促進できる。

第１熱交換体２０の折曲げ部を隔壁２８に装着したシールを兼ねる保持体４６で固定保持すると、放熱区画２９内の外気が吸熱区画３０に進入し、あるいは吸熱区画３０内の熱気が放熱区画２９に漏出るのを防止できる。従って、湿度の高い外気が吸熱区画３０を介してサーバーラック１内で結露し、あるいは、極端に湿度が低い乾燥した外気が吸熱区画３０を介してサーバーラック１内へ進入して、静電気が発生しやすくなるのを防止できる。第１熱交換体２０の折曲げ部を、保持体４６で遊動不能に固定保持するので、長期使用時に、第１熱交換体２０の隔壁２８に対する取付け姿勢がずれることもない。

外気ダクト１０を、建屋３の外面から、隣接するラック列Ｌの間の通路の上方に配置して、その両側に開口した外気供給口１２を空調ケース２２の放熱区画２９に連通すると、外気ダクト１０と空調ケース２２とを、より短い距離で連通することができる。また、排気ダクト１１を、各空調ケース２２を間に挟んで外気ダクト１０と平行に配置して、その一側に開口した排気入口１３を放熱区画２９に連通すると、排気ダクト１１と空調ケース２２とを、より短い距離で連通することができる。従って、外気ダクト１０および排気ダクト１１をシンプルな直線構造にし、さらに各ダクト１０・１１と空調ケース２２の連通構造を簡素化して、全体として各ダクト１０・１１を構築するコストを削減できる。

タンク５４と、給水源の冷却水をタンク５４に送給する第１ポンプ５５と、タンク５４内の冷却水を各熱交換装置Ｃへ送給する第２ポンプ５６などで送水設備２５を構成すると、建屋３の外気温が高く第２熱交換体２１を作動させる必要があるときに、冷却水を即座に熱交換装置Ｃへ送給することができる。従って、外気温度が急激に上昇するような場合であっても速やかに第２熱交換体２１を作動させて、サーバーラック１内の空気調和を的確に行うことができる。冷却水としては、井戸水などの地下水と、河川水と、海水のいずれでも使用できるが、温度変化が小さく常に低温に維持されている地下水を冷却水として使用するのが好ましい。

本発明に係る空気調和装置の熱交換装置を示す縦断正面図である。 本発明に係る空気調和装置の概略を示す平面図である。 図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る熱交換装置の詳細を示す縦断正面図である。 図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る熱交換体の制作例を示す説明図である。

（実施例１） 図１ないし図６に、本発明に係るサーバーシステム用の空気調和装置の実施例を示す。本発明における前後、左右、上下とは、図２および図３に示す交差矢印と、各矢印の近傍に表記した前後、左右、上下の表示に従う。図２に示すサーバーシステムは、説明を単純化するために、５個のサーバーラック１を隣接配置して前後に長いラック列Ｌを構成し、２群のラック列Ｌをサーバー室２内に収容した最も規模が小さなサーバーシステムを模式的に例示している。符号３はサーバーシステムを収容する建屋であって、屋外に構築してある。なお、実際のサーバーシステムは、各ラック列Ｌが多数個の一群のサーバーラック１で構成され、ラック列Ｌの設置数は多数個となり、建屋３の大きさも格段に大きなものとなる。

建屋３の内部は、そのほとんどを占めるサーバー室２と、配電盤４などの電気設備や後述する送水設備２５を収容する機械室５とに区分されており、サーバー室２および機械室５には、図示していないドアを介して出入りできる。建屋３の周囲壁や天井壁は、図示していない断熱材で覆われて密閉されており、外気や熱の出入りが遮断されている。図３に示すようにサーバーラック１は、中空の四角箱状に構成されて、その両側面に開閉可能なドア６が設けられており、ラック内に設置したシャーシに一群のサーバーＳが多段状に収容されている。サーバーラック１の周囲壁およびドア６は、建屋３の周囲壁と同様に断熱材で断熱されている。必要時には、ドア６を開放することによりサーバーＳの点検や交換などを行うことができ、ドア６を閉じることによりサーバーラック１の内部を密閉することができる。図３に示すように、サーバーラック１の左右側面に臨むラック底部には、２個の送風ファン７を備えた循環ファンユニット８が配置されており、各送風ファン７を駆動することにより、熱交換後の調和空気をラック底部の側へ循環させ、さらに各サーバーＳから排出された熱気とともに熱気吸込口３３へと循環できる。

サーバーラック１内の空気調和を行うために、密閉構造の個々のサーバーラック１の上部に熱交換装置Ｃを配置し、各熱交換装置Ｃに外気ダクト１０と排気ダクト１１を接続している。図２および図３に示すように、外気ダクト１０は建屋３の後部外面から、隣接するラック列Ｌの間の通路の上方に配置されて、その両側に開口した外気供給口１２が熱交換装置Ｃに連通されている。また、排気ダクト１１は各熱交換装置Ｃを間に挟んで外気ダクト１０と平行に配置されて、その一側に開口した排気入口１３が熱交換装置Ｃに連通され、排気ダクト１１の排気放出口１４が建屋３の左右両側において外面に向かって開口してある。排気放出口１４の外面は防滴ギャラリーで覆われている。図２に示すように、外気ダクト１０の外気入口１５の内部には、外気を吸込んで加圧送給するダクトファン１６と、フィルター１７が配置されている。

図１に示すように、熱交換装置Ｃは、外気冷却式の２個の第１熱交換体２０と、第１熱交換体２０より風上側に配置した水冷式の第２熱交換体２１と、第１、第２の両熱交換体２０・２１を収容する空調ケース２２と、空調ケース２２に設けられる送風ファン２３および循環ファン２４と、低温の冷却水をタンク５４から第２熱交換体２１へ供給したのち回収する送水設備２５（図２参照）などで構成される。空調ケース２２は、平面視が長方形状の鋼板製の中空箱体からなり、その内部は隔壁２８で上側の放熱区画２９と、下側の吸熱区画３０に区分されている。

放熱区画２９は図１に向かって右側の入口３１を介して、外気ダクト１０の外気供給口１２に連通されており、図１に向かって左側の出口３２を介して、排気ダクト１１の排気入口１３に連通されている。入口３１の内部に先の送風ファン２３が配置されており、ダクトファン１６で送給された外気を、送風ファン２３で放熱区画２９内の第２熱交換体２１および第１熱交換体２０へ向かって送給する。吸熱区画３０は、その下半部がサーバーラック１の内部に入り込んでおり、傾斜する下面に開口した熱気吸込口３３と、熱気吸込口３３から遠く離れた位置に開口された還流口３４を介して、吸熱区画３０がサーバーラック１の内部に連通されている。熱気吸込口３３の内部に循環ファン２４が配置されており、循環ファン２４でサーバーラック１内の熱気を強制的に循環させて、取込んだ熱気を吸熱区画３０内の第１熱交換体２０に向かって強制的に送給する。

第１熱交換体２０は図６に示す手順で構成する。まず、毛細管構造が内蔵された長尺のヒートパイプ３７を「Ｕ」字状に折曲げてパイプブランク４２を形成する。次に、数十個のパイプブランク４２を前後に長い直線列状に配置して３組のヒートパイプ列４３を形成する。このとき、各ヒートパイプ列４３におけるパイプブランク４２の隣接ピッチＰは、図６（ａ）に示すようにいずれも同じであるが、２列目のヒートパイプ列４３は、第１、第３のヒートパイプ列４３に対して隣接ピッチＰの半分だけずらした状態で配置する。つまり、複数個の各パイプ列４３を構成する一群のヒートパイプ３７を、外気の送給方向と直交する向きに千鳥状に配置する。この状態のパイプブランク４２に一群の伝熱フィン３８を挿通して固定することにより、左右幅が小さく前後幅が大きなフィンとパイプの組立体４４が得られる。この組立体４４の全体を、図６（ｂ）に示すように、前後軸を中心にして「く」字状に折曲げることにより、第１熱交換体２０を構成することができる。折曲げ部は組立体４４の上下方向のほぼ中央に位置しており、折曲げ部の上側が放熱部３９として機能し、折曲げ部の下側が吸熱部４０として機能する。なお、図示していないが、パイプブランク４２の開口端どうしは、パイプ内を真空引きし、かつパイプ内に代替フロンなどの作動液を充填するための短い連通パイプを介して連通されている。以上のように、第１熱交換体２０は、多数個の「Ｕ」字状のパイプブランク４２と、一群の伝熱フィン３８とを主な構成部品にして構成することができるので、従来のこの種の熱交換体に比べて、構造を簡素化できるうえ、より低コストで第１熱交換体２０を製造することができる。

以上のように構成した第１熱交換体２０は、一群のヒートパイプ３７と、一群のヒートパイプ３７の外面に固定される伝熱フィン３８の一群を備えていて全体が「く」字状に折曲げられており、折曲げ部の上下に放熱部３９と吸熱部４０とが設けられている。また、第１熱交換体２０は、外気の送給方向に沿って重ねて隣接配置される３個のヒートパイプ列４３と、各ヒートパイプ列４３に共通して固定される一群の伝熱フィン３８とで構成されており、各ヒートパイプ列４３を構成する一群のヒートパイプ３７が、外気の送給方向と直交する向き（前後方向）へ千鳥状に配置されている。図４に示すように、空調ケース２２内に配置した第１熱交換体２０は、その前後端が横臥「Ｖ」字状の支持枠４５で固定保持され、折曲げ部が隔壁２８に装着したシールを兼ねる保持体４６で遊動不能に固定保持されている。保持体４６のシール機能によって、外気が吸熱区画３０へ進入し、あるいは、熱気が放熱区画２９へ漏出るのを防止できる。

図５において、第２熱交換体２１は、繰返し反転状に折り曲げられた金属パイプ４９と、金属パイプ４９の外面に固定される一群の放熱フィン５０とで構成されており、全体が第１熱交換体２０の放熱部３９と平行になる状態で、支持枠５１で固定支持されている。送風ファン２３から送給された外気は、第２熱交換体２１が作動しているか否かとは無関係に、金属パイプ４９および放熱フィン５０の隙間を通過したのち、第１熱交換体２０の放熱部３９へと送給される。

図２において送水設備２５は、冷却水を貯留するタンク５４と、給水源の冷却水をタンク５４に送給する第１ポンプ５５と、タンク５４内の冷却水を各熱交換装置Ｃへ送給する第２ポンプ５６と、３方切換えバルブ５７と、ポンプ５６と各第２熱交換体２１を接続する送水管路５８と、熱交換後の冷却水を回収する回収管路５９などを備えている。給水源としては、地下水と、河川水と、海水のいずれであってもよいが、年間を通じて温度が一定である井戸水などの地下水が好ましい。３方切換えバルブ５７は、回収管路５９で回収された熱交換後の冷却水を外部へ放出し、あるいはタンク５４内の冷却水を外部へ放出するために設けてある。

次に、空気調和装置でサーバーラック１内の空気調和を行うときの外気および熱気の流れと、熱交換装置の熱交換動作を説明する。サーバーＳの一群が稼働している状態では、サーバーＳの筐体内部に設けた送風ファン（図示していない）によって、サーバーラック１の内部の空気が筐体内へ取込まれ、発熱部品の熱を奪ったのち、熱気吸込口３３の下方のラック内通路へと排出される。この熱気（約４０℃）は、循環ファンユニット８の送風作用と、循環ファン２４の吸込み作用によって吸熱区画３０内へ送給され、第１熱交換体２０の吸熱部４０において熱交換を行う。

ヒートパイプ３７の内部の作動液は、傾斜する放熱部３９および吸熱部４０のパイプ内面の毛細管構造に沿って流下し、その多くは吸熱部４０の側の毛細管構造に吸着保持されている。そのため、循環ファン２４から送給された熱気の熱は、伝熱フィン３８とヒートパイプ３７のパイプ壁を介して作動液に伝えられ、作動液を気化させる。このとき、熱気の温度は、吸熱部４０を通過する間に放出した熱（気化熱）の分だけ低下し（約１０℃）、結果的に冷却される。熱交換後の調整空気は、還流口３４からサーバーラック１の内部へと送給されて、再びサーバーＳの筐体内部へと取込まれる。

吸熱部４０で気化した作動液の蒸気は、ヒートパイプ３７に沿って放熱部３９側へ流動する。放熱部３９には、外気ダクト１０から送風ファン２３で送給された低温の外気が、常に送給されている。そのため、外気と接触した伝熱フィン３８とヒートパイプ３７は外気によって冷却されて、冷却された熱を放熱部３９内の作動液の蒸気に伝えて凝縮させることができる。熱交換後の熱排気は、伝熱フィン３８とヒートパイプ３７から奪った熱の分だけ温度が上昇した状態（約３０℃）で放熱部３９を通過し、排気ダクト１１へと送給されて排気放出口１４から屋外へ放出される。凝縮した作動液は、傾斜する放熱部３９および吸熱部４０のパイプ内面の毛細管構造に沿って吸熱部４０へと流下する。以上のように、放熱区画２９における送風ファン２３の外気の送給方向と、吸熱区画３０における循環ファン２４の熱気の送給方向とは、互いに逆向きに設定されている。

サーバーラック１内の熱気の温度は約４０℃であるため、外気温度が３０℃に達する場合であっても、各ファン１６・２３・２４を駆動して第１熱交換体２０で熱交換を行う限り、サーバーラック１内の熱気を効果的に放出して、サーバーＳを適正に稼働させることができる。しかし、建屋３の外気温がサーバーラック１内の熱気の温度を越えると、放熱部３９における凝縮作用が低下し、第１熱交換体２０による冷却作用が不足するため、サーバーＳを十分に冷却できなくなる。このように建屋３の外気温が高い状態においては、第１熱交換体２０と第２熱交換体２１を用いて熱交換を行うことにより、サーバーラック１内の空気調和を行う。

第２熱交換体２１を併用する場合には、送水設備２５を起動して、外気より十分に低温（約１５℃）の冷却水を第２熱交換体２１に供給し、第２熱交換体２１で冷却された外気を第１熱交換体２０に送給する。このように、高温の外気を第２熱交換体２１で一旦冷却したのち、第１熱交換体２０に送給して熱交換を行うと、放熱部３９における作動液の蒸気の凝縮作用を促進できるので、サーバーラック１内の温度を十分に低下させて、サーバーＳを適正に稼働させることができる。なお、第２熱交換体２１で熱交換したのちの冷却水は、建屋３の外へ放出される。

以上説明したように、第１熱交換体２０と第２熱交換体２１を備えた熱交換装置Ｃを用いる空気調和装置によれば、サーバーラック１の内部空気のみを空気調和すればよいので、熱交換装置Ｃの熱負荷を小さくできるうえ、無駄のない状態で空気調和を行うことができる。また、建屋３の外気温が低い状態では、各ファン１６・２３・２４を駆動して第１熱交換体２０を作動させるだけでよい。従って、サーバー室２の全体に空気調和機で生成した冷気を供給する必要があった従来の空気調和システムに比べて、空気調和のための電力消費量を著しく削減して、ランニングコストを削減できる。さらに、建屋３の外気温が高い状態では、第２熱交換体２１に送水設備２５で地下水などの冷却水を送給することで、サーバーラック１内の空気調和を低コストで的確に行うことができる。従って、１年を通じて常に安定した状態でサーバーシステムを稼働できる。

第１熱交換体２０は、長尺のヒートパイプ３７とその外面に固定される伝熱フィン３８を構成部材にして、両者３７・３８の組立体４４を「く」字状に折曲げて構成してある。そのため、従来の沸騰冷却装置と比べて、無駄な構造をそぎ取って第１熱交換体２０の構造を大幅に簡素化することができ、全体としてサーバーシステム用の空気調和装置の導入コストを削減できる。また、第１熱交換体２０が「く」字状に折曲げられているので、熱交換装置Ｃをコンパクト化して、その設置スペースを節約することができる。

上記の実施例では、外気の送給方向に沿って３組のヒートパイプ列４３を配置して第１熱交換体２０を構成し、さらに第１熱交換体２０を２組隣接配置して、サーバーラック１内の熱気の熱を放出したが、その必要はなく、サーバーラック１における熱負荷に応じてヒートパイプ列４３の配置個数や、第１熱交換体２０の設置個数を変更するとよい。送風ファン２３は、第１熱交換体２０より風下側に配置してあってもよい。同様に循環ファン２４は、第１熱交換体２０の吸熱部４０と還流口３４との間に配置してあってもよい。さらに、上記の実施例では第１熱交換体２０と水冷式の第２熱交換体２１の両者を空調ケース２２に収容したが、その必要はない。例えば、フィルター１７と、フィルター１７に最も近い位置にある外気供給口１２との間の外気ダクト１０の内部に第２熱交換体２１を配置して、外気ダクト１０内に取込んだ外気の全てを第２熱交換体２１で冷却したのち、冷気を各空調ケース１１内へ送給することができる。その場合には、外気ダクト１０の内部に複数個の第２熱交換体２１が配置してあってもよい。

第１熱交換体２０の吸熱部４０において冷却されたラック内の空気の一部は、ラック列Ｌの間の通路へ放出することができる。その場合には、通路空間へ放出された冷却空気を、各サーバーラック１のドア６からラック内空間へ取込むことにより、各サーバーラック１内の発熱温度に違いがある場合でも、隣接するサーバーラック１の内部温度を概ね均等にすることができる。この場合のドア６には、外部空気を取込むための一群の開口や穴が形成してある。

１ サーバーラック
２ サーバー室
３ 建屋
１０ 外気ダクト
１１ 排気ダクト
１６ ダクトファン
２０ 第１熱交換体
２１ 第２熱交換体
２２ 空調ケース
２３ 送風ファン
２４ 循環ファン
２５ 送水設備
２８ 隔壁
２９ 放熱区画
３０ 吸熱区画
３７ ヒートパイプ
３８ 伝熱フィン
３９ 放熱部
４０ 吸熱部
Ｌ ラック列
Ｓ サーバー
Ｃ 熱交換装置

Claims (6)

1. 密閉構造のサーバーラック（１）の上部に配置した熱交換装置（Ｃ）と、建屋（３）の外気を熱交換装置（Ｃ）へ送給する外気ダクト（１０）と、熱交換装置（Ｃ）から排出された熱排気を建屋（３）の外へ送給する排気ダクト（１１）とを備えている空気調和装置であって、
   熱交換装置（Ｃ）は、ヒートパイプ（３７）を伝熱要素とする外気冷却式の第１熱交換体（２０）と、第１熱交換体（２０）より風上側に配置した水冷式の第２熱交換体（２１）と、両熱交換体（２０・２１）のうち少なくとも第１熱交換体（２０）を収容する空調ケース（２２）と、空調ケース（２２）に設けられる送風ファン（２３）および循環ファン（２４）と、低温の冷却水をタンク（５４）から第２熱交換体（２１）へ供給したのち回収する送水設備（２５）を備えており、
   建屋（３）の外気温が低い状態では、外気ダクト（１０）で送給された外気を送風ファン（２３）で熱交換装置（Ｃ）へ送給して、第１熱交換体（２０）のみを作動させてサーバーラック（１）内の空気調和を行い、
   建屋（３）の外気温が高い状態では、冷却水を送水設備（２５）で第２熱交換体（２１）に送給して、第１熱交換体（２０）と第２熱交換体（２１）を作動させて、サーバーラック（１）内の空気調和を行うことを特徴とするサーバーシステム用の空気調和装置。
2. 第１熱交換体（２０）は、一群のヒートパイプ（３７）と、一群のヒートパイプ（３７）の外面に固定される伝熱フィン（３８）の一群を備えていて全体がく字状に折曲げられ、折曲げ部の上下に放熱部（３９）と吸熱部（４０）とが設けられており、
   空調ケース（２２）の内部は、ケース内部に配置した隔壁（２８）で上側の放熱区画（２９）と、下側の吸熱区画（３０）に区分されていて、放熱区画（２９）に第２熱交換体（２１）と第１熱交換体（２０）の放熱部（３９）が収容され、吸熱区画（３０）に第１熱交換体（２０）の吸熱部（４０）が収容されており、
   放熱区画（２９）は外気ダクト（１０）と排気ダクト（１１）に連通され、吸熱区画（３０）は熱気吸込口（３３）と還流口（３４）を介してサーバーラック（１）の内部に連通されており、
   外気ダクト（１０）内の外気を送風ファン（２３）で第２熱交換体（２１）および放熱部（３９）に向かって送給しながら、サーバーラック（１）の内の熱気を循環ファン（２４）で吸熱部（４０）に送給して、第１熱交換体（２０）または第１熱交換体（２０）と第２熱交換体（２１）でサーバーラック（１）内の空気調和を行う請求項１に記載のサーバーシステム用の空気調和装置。
3. 第２熱交換体（２１）の風下側に第１熱交換体（２０）が隣接配置されており、
   第１熱交換体（２０）が、外気の送給方向に沿って重ねて隣接配置される複数個のヒートパイプ列（４３）と、各ヒートパイプ列（４３）に共通して固定される一群の伝熱フィン（３８）とで構成されており、
   各ヒートパイプ列（４３）を構成する一群のヒートパイプ（３７）が、外気の送給方向と直交する向きに千鳥状に配置してある請求項１または２に記載のサーバーシステム用の空気調和装置。
4. 第１熱交換体（２０）の折曲げ部が隔壁（２８）に装着したシールを兼ねる保持体（４６）で遊動不能に固定保持してある請求項１から３のいずれかひとつに記載のサーバーシステム用の空気調和装置。
5. サーバー室（２）に多数個のサーバーラック（１）を直線列状に配置した複数のラック列（Ｌ）が設けられており、
   外気ダクト（１０）は、建屋（３）の外面から、隣接するラック列（Ｌ）の間の通路の上方に配置されて、その両側に開口した外気供給口（１２）が空調ケース（２２）の放熱区画（２９）に連通されており、
   排気ダクト（１１）は各空調ケース（２２）を間に挟んで外気ダクト（１０）と平行に配置されて、その一側に開口した排気入口（１３）が放熱区画（２９）に連通され、排気放出口（１４）が建屋（３）の外面に向かって開口してある請求項１から４のいずれかひとつに記載のサーバーシステム用の空気調和装置。
6. 送水設備（２５）が冷却水を貯留するタンク（５４）と、給水源の冷却水をタンク（５４）に送給する第１ポンプ（５５）と、タンク（５４）内の冷却水を各熱交換装置（Ｃ）へ送給する第２ポンプ（５６）を備えており、
   冷却水が地下水と、河川水と、海水のいずれかである請求項１から５のいずれかひとつに記載のサーバーシステム用の空気調和装置。

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