JP2019502089A - 各種データセンター用自然冷却源放熱システム - Google Patents

Abstract

各種データセンター用自然冷却源放熱システムは、室外凝縮器（１）と、室内蒸発器（２）と、超熱伝導循環装置（３）とを備え、室外凝縮器（１）の出口が超熱伝導循環装置（３）を介して室内蒸発器（２）の入口に接続しており、室内蒸発器（２）の出口が配管を介して室外凝縮器（１）の入口に接続していることにより、閉鎖循環系を構成している。閉鎖循環系内には、超熱伝導材料の熱交換作業物質が充填されている。室外凝縮器（１）は、空冷式凝縮器又は水冷式凝縮器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種データセンター（data center）に使用される自然冷却源（natural cold-source）放熱システムに関するもので、データセンターの放熱技術の分野に属する。

コンピュータ通信とインターネットの急速な発展に伴い、データセンターの発展が注目されている。生活・生産でよく見られるデータセンターには、通信基地局の制御室、各種のデータ処理センター、メインフレーム／サーバルーム、及びクラウドストレージ／クラウドサーバセンターなどがある。上記各種のデータセンターのエネルギー消費量は、社会全体のエネルギー消費量に占める比率がますます増えており、中でもデータセンターの冷却による電力消費量がデータセンター全体の電力消費量の５０％以上を占めているため、省エネルギー及びCO₂削減が業界の社会的責任及びデータセンター建設のトレンドになってきた。従来のデータセンター用放熱技術は、主に室内の空調設備により実現されるが、室内温度が高く室内外の熱交換条件が悪い場合、空調設備のエネルギー効率が大幅に低下すると同時に消費電力が増加する。一方で、熱交換条件が良い場合、空調設備は圧縮機の頻繁な起動・停止により、その使用寿命が低下する。また、インバータ技術の使用でコストが高くなり、連続運転を行うと電気エネルギー消費が増大し、結果的に、データセンターのＰＵＥ値が高くなる。なお、データセンターの設置場所によって空調設備の取付け及び安全で効率的な運転に困難をもたらす場合もある。

本発明が解決しようとする課題は、従来技術において空調設備によりデータセンターの温度を低下させるときに圧縮機の電力消費が高いという欠点、特に熱交換条件が悪い場合圧縮機の効率が大幅に低下し、その使用寿命及びデータセンターの安全性が保障できないという欠点である。それらを克服するための、各種データセンター用自然冷却源放熱システムを提供する。

上記した技術的課題を解決するために、本発明は下記の技術案を提供する。すなわち、各種データセンター用自然冷却源放熱システムは、室外凝縮器と、室内蒸発器と、超熱伝導循環装置（heat superconducting circulation device）とを備える。前記室外凝縮器の出口は、超熱伝導循環装置を介して前記室内蒸発器の入口に接続しており、前記室内蒸発器の出口は、配管を介して前記室外凝縮器の入口に接続していることにより、閉鎖循環系(sealed circulation system)を構成している。前記閉鎖循環系には、超熱伝導材料の熱交換作業物質（heat exchange working substance）が充填されている。前記室外凝縮器は、空冷式凝縮器又は水冷式凝縮器である。

本発明のメリットは、以下の通りである。本発明に使う室外凝縮器は、空冷式凝縮器又は水冷式凝縮器であり、自然冷却源を利用して放熱を行うため、圧縮機による冷却のための使用頻度が大幅に低減される。室外の自然冷却源を使用して放熱を行うため、室内における空調設備の使用時間が大幅に低減されることにより、データセンターの消費電力が削減される。室内蒸発器及び超熱伝導循環装置の配置、室外凝縮器の取付けなどは、データセンターの設置場所及び使用環境などの条件に基づいて様々な配置ができるため、適応性が強い。当該放熱システムは、全体構造が簡単でコンパクトであり、製造コストが低い。熱交換量の増加に伴い、放熱システムのエネルギー効率が向上し、データセンターのＰＵＥ値が大幅に低減され、データセンターの放熱コストが削減される。

上記技術案に基づいて、本発明は、以下のように改良されることも可能である。

本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムにおいて、前記室外凝縮器は空冷式凝縮器であり、前記空冷式凝縮器の側面にさらに霧化装置（atomization device）が取り付けられ又は吊り下げられ、前記霧化装置のウォーターミストノズルは前記空冷式凝縮器のフィンに向かっている。

本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムにおいて、前記霧化装置は、さらに超音波霧化発生器と、水ボックスと、送風機と、霧化分流管と、霧化されたウォーターミストを均一に分布させるためのエアデフレクタとを備える。前記超音波霧化発生器は、前記水ボックス内に配置されている。前記送風機は、前記水ボックスの側面に取り付けられている。前記エアデフレクタは、前記水ボックスの上部に取り付けられている。前記霧化分流管は、前記水ボックスの頂部に取り付けられ、且つ前記水ボックスと接続している。さらに前記水ボックス内には、自動水位フロートが取り付けられている場合もある。

本発明は前述のように改良されることによって得られるメリットは、以下の通りである。超音波霧化発生器の高周波共振により水ボックスにある液状の水分子間の分子結合を破壊してウォーターミストを生成し、そのウォーターミストが水ボックスの側面にある送風機及び霧化分流管を通して凝縮器のフィンに均一に噴霧され、空気の密度、湿度を調整する。小分子のウォーターミストが凝縮器のフィンに直接接触するため、凝縮器の熱交換効率が向上する。

本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムにおいて、さらに前記超熱伝導循環装置は、循環配管と循環調整装置とを備え、前記室内蒸発器の出口は、循環配管を介して前記室外凝縮器の入口に接続しており、前記循環調整装置は、前記室内蒸発器の入口又は／及び室外凝縮器の出口にある接続配管に取り付けられている。

本発明は前述のように改良されることによって得られるメリットは、循環調整装置で超熱伝導熱交換システムの起動を制御し、熱伝導を速めることにより、当該システムの循環熱交換能力を向上させることである。

本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムにおいて、前記循環調整装置は、さらに自己始動型の循環制御バルブを使用し、すなわち、循環配管内にある超熱伝導材料の熱交換の状態によって自己調整できる。または電気駆動型の循環制御バルブを使用し、すなわち、極少量の消費電力により当該循環調整装置を動作させることができる。

本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムにおいて、前記室外凝縮器は、さらにフィンチューブ型、シェルアンドチューブ型、又はマイクロチャンネル型などの熱交換器を使用することができる。

上記室外凝縮器及び室内蒸発器の取付け・配置は、データセンターの実際の状況に合わせて自由に設置できる。循環調整装置で超熱伝導材料の作業性能を制御、調整するため、システムは、重力、室内外機の位置などの影響を受けることなく運転可能であり、使用適応性が非常に優れている。

本発明に用いられる超熱伝導材料の熱交換作業物質は、システムの循環過程において相変化がなく、熱交換作業物質が充填、調整された後、非熱交換作業物質ガスを真空で除去してパッケージを行う。循環調整装置は、システムの起動・停止を制御、調整するとともに、作業物質の循環熱交換効率を向上させることができ、高速熱交換及び高速熱伝導の目的を達成できる。循環調整装置により室内蒸発器内にある熱交換作業物質が室内環境の熱を十分に吸収し、且つ熱を室外機の凝縮器に速やかに伝導し、自然冷却源により放熱、冷却を行う。当該自然冷却源放熱システムは、室内外の温度差が３〜５℃になった時に動作を開始することができる。室内機と室外機との取付け距離、取付け位置、及び取付け高度差は、システムの作業効率に影響を与えない。

本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムにおいて、さらに制御器を備える。

本発明の制御器は、主に、各種データセンター用自然冷却源放熱システムと室内に既に配置されている空調設備システムとの適合性、監視、起動・停止などの動作状態を制御する。室外の環境温度が２８℃を超えない場合、室内に当該自然冷却源放熱システムのみを使用すれば熱交換を満たすことができる。夏の時、環境温度や湿度が高いという悪環境下で、上記制御器の制御により空調設備システムをオンにし、自然冷却源放熱システムを補助して室内の放熱を行う必要がある。

本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムにおいて、さらに前記室内蒸発器は、複数並列され、最終的に１つの高出力室外機と接続する。

上記した技術案のメリットは、自然冷却源を充分に利用すると同時に、室内環境で発生した熱を速やかに室外に導出して放熱を行うことである。

図１は、本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムの原理の構造概略図である。 図２は、本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムにおける霧化装置の構造概略図である。 図３は、本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムの取付け構造の概略図である。 図４は、本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムの別の取付け構造の概略図である。 図５は、本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムで使用される水冷式凝縮器の取付け構造の概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明の原理及び特徴を説明するが、例示した実例は本発明を解釈するためのものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

図１に示すように、本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムは、室内にキャビネット（cabinet）７が取り付けられ、室外凝縮器１と、室内蒸発器２と、超熱伝導循環装置３とを備える。上記室外凝縮器１の出口は、配管及び超熱伝導循環装置３を介して上記室内蒸発器２の入口に接続しており、上記室内蒸発器２の出口は、循環配管を介して上記室外凝縮器１の入口に接続していることにより、閉鎖循環系が形成される。上記閉鎖循環系には、超熱伝導材料の熱交換作業物質が充填されている。上記室外凝縮器としては、空冷式凝縮器又は水冷式凝縮器などを使用することができる。水冷式凝縮器は、室外凝縮器を冷却するための水タンク８を備え、室外場所及び自然条件によって適切な放熱モードを選択し、且つそれに対応する室外機の構造を配置することができる。

いくつかの具体的な実施形態において、本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムは、上記室外凝縮器が空冷式凝縮器であり、霧化装置４をさらに備える。上記霧化装置４は、上記空冷式凝縮器の側面に取り付けられ又は吊り下げられている。上記霧化装置４におけるウォーターミストノズルは、上記空冷式凝縮器のフィンに向かっている。具体的には、上記霧化装置４は、超音波霧化発生器４１と、水ボックス４２と、送風機４３と、霧化分流管４４と、霧化されたウォーターミストを均一に分布させるためのエアデフレクタ４６とを備える。上記超音波霧化発生器は、上記水ボックス内に配置されている。上記送風機は、上記水ボックスの側面に取り付けられている。上記エアデフレクタは、水ボックスの上部に取り付けられている。上記霧化分流管は、上記水ボックスの頂部に取り付けられ、且つ上記水ボックスと接続している。好ましい実施形態において、上記水ボックス内には、自動水位フロート４５がさらに取り付けられている。すなわち、超音波霧化発生器が水ボックスにおける水を霧化すると、ウォーターミストが水ボックスの側面にある送風機及び霧化分流管を通して凝縮器のフィンに均一に噴霧され、凝縮器の熱交換効率が向上する。

室外機が放熱条件の悪い作業状態にある場合、霧化装置を室外機の凝縮器側に設置し、空気密度を変更することにより熱交換を向上させることが考えられるが、二次熱交換モードなども考えられる。

具体的な実施過程において、上記循環調整装置の機能は、システムの熱交換循環の起動・停止及び熱交換効率を制御及び調整することであり、自己始動型又は電気駆動型を使用することができる。上記循環調整装置は、通常、上記室内蒸発器の入口又は／及び室外凝縮器の出口にある接続配管に取り付けられている。当該循環調整装置は、室内蒸発器における熱伝導を加速することができ、これにより、システムの熱交換循環が加速される。

いくつかの具体例では、本発明のシステムは、循環調整装置を使用しない場合、超熱伝導材料の組成を変えることにより、システムを相変化重力式ヒートパイプ（phase change gravity-type heat pipe）型の熱交換循環に変更することができるが、その場合、取付けの過程において室外凝縮器が常に室内蒸発器よりも高い所に位置することを保証する必要がある。

別の具体例では、上記室外凝縮器としては、フィンチューブ型、シェルアンドチューブ型、又はマイクロチャンネル型などの様々な熱交換器を使用することができる。

いくつかの好ましい実施形態において、本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムは、制御器５をさらに備える。本発明の制御器は、主に、各種データセンター用自然冷却源放熱システムと室内に既に配置されている空調設備システムとの適合性、監視、起動・停止などの動作状態を制御する。室外の環境温度が２８℃を超えない場合、室内に当該自然冷却源放熱システムのみを使用すれば熱交換を満たすことができる。夏の時、環境温度や湿度が高いという悪環境下で、上記制御器の制御により空調設備システムをオンにし、自然冷却源放熱システムを補助して室内の放熱を行う必要がある。

本発明に用いられる超熱伝導材料の熱交換作業物質は、システムの循環過程において相変化がなく、熱交換作業物質が充填、調整された後、非熱交換作業物質ガスを真空で除去してパッケージを行う。循環調整装置は、システムの起動・停止を制御、調整するとともに、作業物質の循環熱交換効率を向上させることができ、高速熱交換及び高速放熱の目的を達成できる。循環調整装置により室内蒸発器内にある熱交換作業物質が室内環境の熱を十分に吸収し、且つ熱を室外機の凝縮器に速やかに伝導し、自然冷却源により放熱、冷却を行う。当該自然冷却源放熱システムは、室内外の温度差が３〜５℃になった時に動作を開始することができる。室内機と室外機との取付け距離、取付け位置、及び取付け高度差は、システムの作業効率に影響を与えない。

本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムの作動プロセス（working process）は、室内の熱い空気が、室内蒸発器と熱交換することと、循環調整装置により、蒸発器における超熱伝導材料の熱交換作業物質が熱を室外凝縮器に速やかに伝導することと、室外で自然冷却源（例えば、空気や水など）により室外凝縮器と十分に熱交換を行い、凝縮器における熱交換作業物質の熱を吸收し、その熱交換作業物質を連続的に冷却することとを含む。具体的な作動プロセスにおいて、制御器を用いて温度調整システムの動作状態を監視するとともにシステムと既に配置された空調設備との適合性を調整する。当該システムは、構造が簡単であり、運転が安定している。

室内の特別な環境要求によれば、水に弱い機械が多く置かれている。本発明に係る各種データセンター用自然冷却源放熱システムには、非液体作業物質（又は、漏洩した後で非液体になる作業物質）を使用可能である。同時に、可能な限り、超熱伝導循環装置の循環配管の大部分を室外側又は室内の地下バリア層内に配置すると同時に、検査及び修理のために、ポイント位置にバルブを取り付ける。室内蒸発器は、室内の空間に応じて自由に取り付けられてもよく、複数で直列・並列に取り付けられることも可能である。また、精確な放熱を必要とする場合、各キャビネットに１つの室内蒸発器を取り付けることもできる。

本発明の説明において、用語「上」、「下」、「頂」、「底」、「内」、「外」などは、添付図面に示す方位又は位置関係に基づく方位又は位置関係を示すものであり、本発明を容易且つ簡単に説明するためのものに過ぎず、係る装置又は部品が特定の方位を有していなければならず、特定の方位で構成又は操作されなければならないことを明示又は示唆するものではないと理解されるべきであるため、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。

本発明において、別段の明記又は限定がない限り、用語「取り付けされる」、「繋がる」、「接続される」、「固定される」などは、広い意味で理解されるべきであり、例えば、固定接続されてもよく、取り外し可能に接続され又は一体に接続されてもよいし、機械的に接続され又は直接に接続されてもよく、中間媒介を介して間接的に接続されてもよい。当業者は、具体的な状況に応じて、本発明における上記用語の具体的な意味を理解してもよい。

本明細書の説明において、用語「一実施形態」、「いくつかの実施形態」、「例示」、「具体的な例示」、又は「いくつかの例示」などの記載は、当該実施形態又は例示を組み合わせて説明する具体的な特徴、構造、材料、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態又は例示に含まれることを意味する。本明細書において、上記用語に対する例示的な表現は、必ずしも同じ実施形態又は例示に対応する必要はない。さらに、記載された特定の特徴、構造、材料、又は特性は、実施形態又は例示のいずれか1つ又は複数において適切な形態で組み合わせることができる。また、互いに矛盾しない場合、当業者は、本明細書に記載された異なる実施形態又は例示、及び異なる実施形態又は例示の特徴を組み合わせることができる。

上述したのは本発明の好適な実施形態に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の要旨と原則を逸脱しない範囲において、いかなる修正、均等交換、改良等があっても、本発明の特許請求の範囲に含まれるべきである。

１ 室外凝縮器
２ 室内蒸発器
３ 超熱伝導循環装置
４ 霧化装置
５ 制御器
６ 壁体
７ キャビネット
８ 水タンク

Claims (8)

1. 各種データセンター用自然冷却源放熱システムであって、
   室外凝縮器と、室内蒸発器と、超熱伝導循環装置とを備え、
   前記室外凝縮器の出口は、超熱伝導循環装置を介して前記室内蒸発器の入口に接続しており、前記室内蒸発器の出口は、連通配管を介して前記室外凝縮器の入口に接続していることにより、閉鎖循環系を構成しており、
   前記閉鎖循環系には、超熱伝導材料の熱交換作業物質が充填されており、
   前記室外凝縮器は、空冷式凝縮器又は水冷式凝縮器である、
   ことを特徴とする、各種データセンター用自然冷却源放熱システム。
2. 前記室外凝縮器は、空冷式凝縮器であり、
   前記空冷式凝縮器の側面に取り付けられた霧化装置をさらに備え、
   前記霧化装置におけるウォーターミストノズルは、前記空冷式凝縮器のフィンに向かっている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の各種データセンター用自然冷却源放熱システム。
3. 前記霧化装置は、超音波霧化発生器と、水ボックスと、送風機と、霧化分流管と、霧化されたウォーターミストを均一に分布させるためのエアデフレクタとを備え、
   前記超音波霧化装置は、前記水ボックス内前記水ボックス内に配置されており、
   前記送風機は、前記水ボックスの側面に取り付けられており、
   前記エアデフレクタは、前記水ボックスの上部に取り付けられており、
   前記霧化分流管は、前記水ボックスの頂部に取り付けられ、且つ前記水ボックスと接続している、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の各種データセンター用自然冷却源放熱システム。
4. 前記超熱伝導循環装置は、循環配管と循環調整装置とを備え、
   前記室内蒸発器の出口は、前記循環配管を介して前記室外凝縮器の入口に接続しており、
   前記循環調整装置は、前記室内蒸発器の入口又は／及び前記室外凝縮器の出口にある接続配管に取り付けられている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の各種データセンター用自然冷却源放熱システム。
5. 前記循環調整装置は、自己始動型又は電気駆動型の循環制御バルブである、
   ことを特徴とする、請求項４に記載の各種データセンター用自然冷却源放熱システム。
6. 前記室外凝縮器は、フィンチューブ型、シェルアンドチューブ型、又はマイクロチャンネル型の凝縮器を使用する、
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の各種データセンター用自然冷却源放熱システム。
7. 制御器をさらに備える、
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の各種データセンター用自然冷却源放熱システム。
8. 前記室内蒸発器は、複数並列されている、
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の各種データセンター用自然冷却源放熱システム。