JP2017150751A - 地中熱を利用した電子機器冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な冷却が可能で災害時の非常用電源への負荷が小さく、かつ既設機器にも対応可能で機器の修理や更新の際に作業の邪魔にならない、地中熱を利用した電子機器冷却システムを提供する。
【解決手段】電子機器の送風ファン４の排気口の位置に合わせて配置された熱交換器３０と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器１０と、熱交換器３０と地中熱交換器１０との間を冷却媒体が循環するように接続された冷媒通路４０，５０と、冷媒通路４０，５０内に冷却媒体を循環させるための循環駆動装置２０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱を利用した電子機器冷却システムに関するものである。

データセンターのコンピュータ室に設置されたサーバやルータ、通信機器室に設置された通信機器などの電子機器は、稼働時に大量の熱を発生している。従って、このような電子機器が設置された施設においては、発生した熱により電子機器が誤作動を起こしたり故障したりしないように、空調機等の空調システムを用いて室内を冷却して所定の温度に保つようにしている。

データセンターにおける空調システムで消費される電力は、データセンター全体の消費電力の約３割を占めると言われており、省電力化が求められている。また、災害時には、事業の継続性の観点からデータセンターや通信機器室の機能を維持することが重要である。

これに対して、空調システムにおける省電力化の方法の一つとして、地中熱を利用することが知られている。従来の地中熱を利用した空調システムは、水やその他の液体等を熱媒体としたヒートポンプを利用するものであり、熱媒体の循環駆動装置の動力に加えてヒートポンプの電力消費量が発生する。従って、災害時に使用する非常用電源への負荷が比較的大きく、事業継続性によっては不利である。

一方、特許文献１には、地中に埋設されたパイプに取り込んだ多量の外気と、地中に埋設された貯水タンクで地中熱により冷却された水とを循環させながら熱交換し、冷却された外気を建屋の室内に送出するようにした空調システムに関する発明が記載されている。また、特許文献２には、電気機器の設置された収容室の内装部材の冷媒通路に、地中に設けられた地中熱交換器で冷却された冷却媒体を循環させて、室内を冷却するようにした電気機器収容設備に関する発明が記載されている。

特開２０１２−０２６６８０号公報 特開２０１５−０４９０３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された空調システムでは、貯水タンクの水を循環させる動力に加え、多量の外気を送風するためのファンのための多大な動力が必要となる。また、特許文献２に記載された電気機器収容設備では、熱の発生源以外の空間を含んだ広範囲な冷却を行うことになり効率的ではない。

また、データセンター等の熱を発生する電子機器が設置される建物は、頻繁に建て替えや改修を行う訳にはいかない。従って、既設建物で運用中の既設機器についても対応可能であることや、機器の修理や更新の際に作業の邪魔にならないような冷却システムであることが望ましい。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、効率的な冷却が可能で災害時の非常用電源への負荷が小さく、かつ既設機器にも対応可能で機器の修理や更新の際に作業の邪魔にならない、地中熱を利用した電子機器冷却システムを提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の地中熱を利用した電子機器冷却システムは、電子機器の送風ファンの給気口及び排気口の少なくとも１つの位置に合わせて配置された熱交換器と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器と、前記熱交換器と前記地中熱交換器との間を冷却媒体が循環するように接続された冷媒通路と、前記冷媒通路内に冷却媒体を循環させるための循環駆動装置とを備えたことを特徴とする。

また好ましくは、前記熱交換器がフィンを備えたことを特徴とする。

また好ましくは、前記送風ファンから送風される空気の流れを調整可能な可動ルーバーを備えたことを特徴とする。

また好ましくは、前記熱交換器に生じる凝縮水の流れを制御可能な可動ルーバーを備えたことを特徴とする。

また好ましくは、前記地中熱交換器及び前記冷媒通路がポリエチレン製チューブ材であることを特徴とする。

また好ましくは、前記電子機器が設置された室内の温度に基づいて、前記循環駆動装置により前記冷媒通路を流れる冷却媒体の量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明の地中熱を利用した電子機器冷却システムによれば、電子機器の送風ファンの給気口及び排気口の少なくとも１つの位置に合わせて配置された熱交換器と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器との間が、循環する冷媒通路で接続されており、循環駆動装置により冷媒通路内を冷却媒体が循環するようになっている。そして、地中熱交換器により冷却された冷却媒体が冷媒通路を通って熱交換器に到達し、電子機器の送風ファンの給気口から給気される空気や排気口から排気される空気を冷却するようになっている。従って、熱の発生源である電子機器を集中的に冷却することができるので、電子機器が設置された室内全体を冷却するのに比べて効率的である。

また、冷却に要する電力は、冷却媒体を循環させるための循環駆動装置に必要な分のみであるため、従来の冷却システムに比べて省電力化を図ることができ、災害時の非常用電源への負荷も小さい。

また、各々の電子機器に熱交換器を取り付けることができるため、既存機器にも対応可能であり、機器の修理や更新の際にも取り外せば作業の邪魔にならない。

また、熱交換器がフィンを備えた場合には、電子機器の送風ファンから送風される空気の圧力損失を最小限に抑えつつ、接触面積を増大させて効率的に熱交換を行うことができる。

また、送風ファンから送風される空気の流れを調整可能な可動ルーバーを備えた場合には、電子機器の送風ファンから送風される空気の流れを熱交換器に的確に導いて、効率的に熱交換を行うことができる。

また、熱交換器に生じる凝縮水の流れを制御可能な可動ルーバーを備えた場合には、熱交換器に生じる凝縮水が電子機器に浸水しないようにして、凝縮水の浸水による電子機器の不具合を防止することができる。

また、地中熱交換器及び冷媒通路がポリエチレン製チューブ材である場合には、可撓性があるため地震等による変位にも損傷しにくく、災害時の冷却能力を維持することができる。

また、電子機器が設置された室内の温度に基づいて、循環駆動装置により冷媒通路を流れる冷却媒体の量を制御する制御装置を備えた場合には、室内の温度を適切に維持することができる。

以上、本発明によれば、効率的な冷却が可能で災害時の非常用電源への負荷が小さく、かつ既設機器にも対応可能で機器の修理や更新の際に作業の邪魔にならない、地中熱を利用した電子機器冷却システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る地中熱を利用した電子機器冷却システムの構成図である。 電子機器を収容したサーバーラックに熱交換器を配置した状態を示す背面図である。 電子機器を収容したサーバーラックに熱交換器を配置した状態を示す側面図である。 熱交換器の斜視図である。

次に、図１乃至図４を参照して、本発明の実施形態に係る地中熱を利用した電子機器冷却システム（以下、「本冷却システム」という。）について説明する。まず、図１を参照して、本冷却システムの全体構成について説明する。

本冷却システムは、データセンター１のコンピュータ室内に設置された電子機器から発生する熱による室内温度の上昇を抑制して、所定の室内温度を保つためのものであり、主として、地中熱交換器１０、循環ポンプ２０（循環駆動装置）、熱交換器３０及び冷媒通路４０，５０から構成されている。

データセンター１に隣接する地中には、地中熱を利用するための地中熱交換器１０が地表面から例えば１００ｍ程度の深さに埋設されており、地中熱交換器１０の外表面と地盤との間で熱交換が行われるようになっている。

データセンター１のコンピュータ室内には、サーバ等の電子機器を収容したサーバーラック２が複数設置されている。サーバーラック２に収容された電子機器には送風ファン４が内蔵されており、機器内で発生した熱を排気口から外部に排気するようになっている。そして、送風ファン４の排気口の位置に合わせて、熱交換器３０が配置されている。

コンピュータ室内に配置された熱交換器３０と、地中に埋設された地中熱交換器１０との間は、冷媒通路（往）４０及び冷媒通路（還）５０により接続されており、冷媒通路４０の途中には、循環ポンプ２０が設けられている。そして、循環ポンプ２０の動力により、地中熱交換器１０→冷媒通路（往）４０→熱交換器３０→冷媒通路（還）５０→地中熱交換器１０の順に、冷却媒体が循環するようになっている。

冷却媒体としては、気体及び液体を用いることができる。例えば、液体であれば水、プロピレングリコール水溶液等が挙げられる。

地中熱交換器１０及び冷媒通路４０，５０は、鋳物やステンレス鋼等の材料を用いることもできるが、ポリエチレン製のチューブ材を用いると、可撓性があるため地震等による変位にも損傷しにくく、災害時の冷却能力を維持するために好ましい。

循環ポンプ２０（循環駆動装置）の動力により冷媒通路４０，５０を流れる冷却媒体の量は一定であってもよいが、制御装置を設けて、コンピュータ室内の温度に基づいて流れる冷却媒体の量を制御するようにしてもよい。コンピュータ室内の温度を監視しながら、所定の温度を超えたら流れる冷却媒体の量を増加させ、所定の温度を切ったら冷却媒体の量を減少させるように制御して、できるだけ一定の温度に保つようにすることができる。

以上の構成により、地中熱交換器１０により冷却された冷却媒体は、コンピュータ室内の熱交換器３０に送られ、電子機器から排出される排気との間の熱交換により温度が上昇し、再び地中熱交換器１０に送られて冷却される。なお、地表面から１０ｍ以深の地中内温度は、地上温度の影響を受けることなく年間を通じて一定温度に保たれている。この温度は地域によって異なるが、例えば北海道であれば１０℃程度、九州であれば１８℃程度である。これに対して、データセンターにおける推奨温度は１８℃〜２７℃と言われており、地中熱を利用した冷却が十分に可能である。

次に、図２乃至図４を参照して、熱交換器３０の詳細について説明する。図２及び図３は、電子機器３を収容したサーバーラック２に熱交換器３０を配置した状態を示す背面図及び側面図である。また、図４は熱交換器３０の斜視図であり、図２のＡ部分を拡大したものである。

図２及び図３に示すように、サーバーラック２には、複数の電子機器３が収容されている。各々の電子機器３には送風ファン４が内蔵されており、電子機器３内で発生した熱を排気口から外部に排気するようになっている。そして、各々の送風ファン４の排気口の位置に合わせて、複数の熱交換器３０が配置されている。すなわち、熱交交換器３０は、排気口から排気される空気が当たる位置に配置されている。また、本冷却システムでは、縦方向に収容された複数の電子機器３の各排気口に合わせて、縦方向に複数の熱交換器３０を配置している。

熱交換器３０は、図４に示すように、複数のプレートフィンが排気口から排気される空気の流れに沿って並べられて、複数のプレートフィンを冷媒通路が貫通するような形状となっており、フィンの部分に排気口から排気される空気が当たるようになっている。このように、熱交換器３０がフィンを備えることにより、電子機器３の送風ファン４から送風される空気の圧力損失を最小限に抑えつつ、接触面積を増大させて効率的に熱交換を行うことができる。

また、熱交換器３０の上下には、上方ルーバー６０及び下方ルーバー７０が設けられている。上方ルーバー６０及び下方ルーバー７０は、ルーバー取付治具８０に回動可能に取り付けられた可動ルーバーであり、上方ルーバー６０及び下方ルーバー７０の向きを調整することにより、送風ファン４から送風される空気の流れを調整できるようになっている。これにより、空気の流れを熱交換器３０のフィンに導いて、効率的に熱交換を行うことができる。

また、上方ルーバー６０及び下方ルーバー７０の形状や向きによって、熱交換により熱交換器３０に生じる凝縮水が電子機器３に浸水しないように、凝縮水の流れを制御することができる。図３に示すように、本冷却システムにおける上方ルーバー６０は、下方ルーバー７０よりも幅広（図３における左右方向）に形成されており、下方ルーバー７０が上方ルーバー６０の幅方向（図３における左右方向）に収まるように配置されている。さらに、上方ルーバー６０は電子機器３側から遠ざかる方向（図３における右方向）に下降するような向きに調整されているのに対して、下方ルーバー７０は電子機器３側に近づく方向（図３における左方向）に下降するような向きに調整されている。そして、最下段の熱交換器３０の下にはドレンパン９０が設置されている。以上の構成により、各々の熱交換器３０に生じた凝縮水は、下方ルーバー７０を流れて下の段の上方ルーバー６０に落下し、さらに上方ルーバー６０を流れて落下しドレンパン９０に排出される。

本実施形態に係る地中熱を利用した電子機器冷却システムによれば、電子機器３の送風ファン４の排気口の位置に合わせて配置された熱交換器３０と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器１０との間が、循環する冷媒通路４０，５０で接続されており、循環ポンプ２０により冷媒通路４０，５０内を冷却媒体が循環するようになっている。そして、地中熱交換器１０により冷却された冷却媒体が冷媒通路４０，５０を通って熱交換器３０に到達し、電子機器３の送風ファン４の排気口から排気される空気を冷却するようになっている。従って、熱の発生源である電子機器３を集中的に冷却することができるので、電子機器３が設置された室内全体を冷却するのに比べて効率的である。

また、冷却に要する電力は、冷却媒体を循環させるための循環ポンプ２０に必要な分のみであるため、従来の冷却システムに比べて省電力化を図ることができ、災害時の非常用電源への負荷も小さい。

また、各々の電子機器３に熱交換器３０を取り付けることができるため、既存機器にも対応可能であり、機器の修理や更新の際にも取り外せば作業の邪魔にならない。

また、熱交換器３０がフィンを備えているので、電子機器３の送風ファン４から送風される空気の圧力損失を最小限に抑えつつ、接触面積を増大させて効率的に熱交換を行うことができる。

また、送風ファン４から送風される空気の流れを調整可能な可動ルーバー６０，７０を備えているので、電子機器３の送風ファン４から送風される空気の流れを熱交換器３０に的確に導いて、効率的に熱交換を行うことができる。

また、熱交換器３０に生じる凝縮水の流れを制御可能な可動ルーバー６０，７０を備えているので、熱交換器３０に生じる凝縮水が電子機器３に浸水しないようにして、凝縮水の浸水による電子機器３の不具合を防止することができる。

また、地中熱交換器１０及び冷媒通路４０，５０がポリエチレン製チューブ材であるので、可撓性があるため地震等による変位にも損傷しにくく、災害時の冷却能力を維持することができる。

また、電子機器３が設置された室内の温度に基づいて、循環ポンプ２０により冷媒通路４０，５０を流れる冷却媒体の量を制御する制御装置を備えているので、室内の温度を適切に維持することができる。

このように、本実施形態に係る地中熱を利用した電子機器冷却システムによれば、効率的な冷却が可能で災害時の非常用電源への負荷が小さく、かつ既設機器にも対応可能で機器の修理や更新の際に作業の邪魔にならない。

以上、本発明の実施形態に係る地中熱を利用した電子機器冷却システムについて説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるわけではなく、その他種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、電子機器をデータセンターのコンピュータ室内に設置されたサーバとしたが、ルータや通信機器室内に設置された通信機器など、稼働時に熱を発生するあらゆる電子機器に適用可能である。

また、上記実施形態では、熱交換器を電子機器の送風ファンの排気口の位置に合わせて配置したが、給気口の位置に合わせて配置してもよいし、給気口と排気口の両方に配置してもよい。給気口に配置した場合には、給気される空気が熱交換器により予め冷却されてから電子機器内に入ることになるため、排気される空気の温度もその分だけ低下する。

また、上記実施形態では、同一の可動ルーバーにより、送風ファンから送風される空気の流れを調整するとともに、熱交換器に生じる凝縮水の流れを制御するようにしたが、各機能は別々の可動ルーバーにより実現するようにしてもよい。

１ データセンター
２ サーバーラック
３ 電子機器
４ 送風ファン（機器内蔵ファン）
１０ 地中熱交換器
２０ 循環ポンプ
３０ 熱交換器（プレートフィン）
４０ 冷媒通路（往）
５０ 冷媒通路（還）
６０ 上方ルーバー
７０ 下方ルーバー
８０ ルーバー取付治具
９０ ドレンパン

Claims (6)

1. 電子機器の送風ファンの給気口及び排気口の少なくとも１つの位置に合わせて配置された熱交換器と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器と、前記熱交換器と前記地中熱交換器との間を冷却媒体が循環するように接続された冷媒通路と、前記冷媒通路内に冷却媒体を循環させるための循環駆動装置とを備えたことを特徴とする地中熱を利用した電子機器冷却システム。
2. 前記熱交換器がフィンを備えたことを特徴とする請求項１に記載の地中熱を利用した電子機器冷却システム。
3. 前記送風ファンから送風される空気の流れを調整可能な可動ルーバーを備えたことを特徴とする請求項１に記載の地中熱を利用した電子機器冷却システム。
4. 前記熱交換器に生じる凝縮水の流れを制御可能な可動ルーバーを備えたことを特徴とする請求項１に記載の地中熱を利用した電子機器冷却システム。
5. 前記地中熱交換器及び前記冷媒通路がポリエチレン製チューブ材であることを特徴とする請求項１に記載の地中熱を利用した電子機器冷却システム。
6. 前記電子機器が設置された室内の温度に基づいて、前記循環駆動装置により前記冷媒通路を流れる冷却媒体の量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の地中熱を利用した電子機器冷却システム。