JP2022550922A - サーバラック冷却システム、アタッチメント、空気除去方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの熱交換凝縮器を有するサーバラック冷却システムのためのアタッチメントであって、アタッチメントが、少なくとも１つの熱交換凝縮器から空気および冷媒をアタッチメントに移送することができる、サーバラック冷却システムの一部に接続されるように構成されたパイプ延長部と、開位置ではパイプ延長部を介して外部への排気を可能にし、閉位置では外部への排気を遮断するように構成された、パイプ延長部の弁と、少なくとも１つの熱交換凝縮器と弁との間のパイプ延長部の内部の位置に配置され、センサの位置における流体の存在によって決定される検出信号を提供するように構成されたセンサとを含み、弁が、センサからの検出信号に基づいて開閉される、アタッチメントを提供する。

Description

本開示は、冷却システム、空気除去アタッチメント、冷却システムから空気を除去する空気除去方法、およびコンピュータまたは同様の制御デバイスによって空気除去方法を実施するための命令を記憶した記憶媒体に関する。具体的には、開示された発明は、サイクルの一部または全部が大気圧未満で動作する蒸気圧縮サイクルから空気を検出して除去する。

蒸気圧縮サイクル冷却システムは、結果的にサーバを冷却するために利用される冷気の一定の供給を提供するためにデータセンタで採用されている。通常、蒸気圧縮サイクルシステムは大気圧を超えて動作する。低圧冷媒が蒸気圧縮サイクルで利用される場合、蒸発器などの一部の構成要素は、大気圧未満で動作し得る。

蒸気圧縮サイクル冷却システムは、許容可能な漏れ率で設計される。大気圧を超えて動作する蒸気圧縮サイクルシステムでは、漏れにより、冷媒が外部環境に漏れ続けるため、通常の動作を維持するために冷媒レベルを回復するために保守が必要とされる。大気圧未満で動作する、または構成要素が大気圧未満で動作する蒸気圧縮サイクルシステムでは、外部環境への冷媒の漏れに加えて、システムへの空気の侵入というさらなる問題が発生する。

システムに侵入する空気は、通常、凝縮器などの一部の構成要素で経時的に集まり、その性能を経時的に低下させる。したがって、構成要素またはシステム全体が大気圧未満で動作する蒸気圧縮サイクルでは、空気除去のための追加の保守が必要とされる。

米国特許出願公開第２０１２－１８０７９７号 実開昭６０－９２８４６号公報

空気は、蒸気圧縮システム内に集まると、その性能を低下させる。したがって、空気は、適切な時間間隔で保守員によって、または自動的に蒸気圧縮システムから除去されなければならない。

本開示の第１の態様は、少なくとも１つの熱交換凝縮器を有するサーバラック冷却システムのためのアタッチメントであって、前記少なくとも１つの熱交換凝縮器から空気および冷媒を前記アタッチメントに移送することができる、前記サーバラック冷却システムの一部に接続されるように構成されたパイプ延長部と、開位置では前記パイプ延長部を介して外部への排気を可能にし、閉位置では前記外部への排気を遮断するように構成された、前記パイプ延長部の弁と、前記少なくとも１つの熱交換凝縮器と前記弁との間の前記パイプ延長部の内部の位置に配置され、前記センサの前記位置における流体の存在によって決定される検出信号を提供するように構成されたセンサとを備え、前記弁が、前記センサからの前記検出信号に基づいて開閉される、アタッチメントアタッチメントを提供する。

本開示の第２の態様は、少なくとも１つの熱交換凝縮器を有する冷却システムのためのアタッチメントの空気除去方法であって、前記アタッチメントの排気流路に沿った位置で流体の存在を検出することと、前記流体の前記存在の前記検出に基づいて前記排気流路に沿った弁を開くことによって前記アタッチメントから空気を排気することと、前記流体の前記存在の前記検出の非存在下で前記弁を閉じることによって空気の前記排気を遮断することとを含む、空気除去方法を提供する。

本開示の第３の態様は、アタッチメントの排気流路に沿った位置で流体の存在を検出するステップと、前記流体の前記存在の前記検出に基づいて前記排気流路に沿った弁を開くことによって前記アタッチメントから空気を排気するステップと、前記流体の前記存在の前記検出の非存在下で前記弁を閉じることによって空気の前記排気を遮断するステップとをコンピュータに実行させる命令を記憶した非一時的コンピュータ可読記憶媒体を提供する。
本開示の第４の態様は、サーバラックと、蒸発器であって、前記蒸発器を流れる冷媒を介して、前記サーバラックによって発生した熱を除去するように構成され、外気圧よりも低い圧力を維持するように構成された蒸発器と、前記冷媒を冷却するように構成され、前記蒸発器からの冷媒が流入する少なくとも１つの熱交換凝縮器と、前記少なくとも１つの熱交換凝縮器に接続されたパイプ延長部と、開位置では前記パイプ延長部を介して外部への排気を可能にし、閉位置では前記外部への排気を遮断するように構成された、前記パイプ延長部の弁と、前記少なくとも１つの熱交換凝縮器と前記弁との間の前記パイプ延長部の内部の位置に配置されたセンサであって、前記センサの前記位置における流体の存在によって決定される検出信号を提供するように構成されたセンサとを備え、前記弁が、前記センサからの前記検出信号に基づいて開閉される、サーバラック冷却システムを提供する。

蒸気圧縮システムであって、それに設置された空気除去システムを含む蒸気圧縮システムを示す。 空気除去システムの実施形態の１つを示す。 空気除去システムの実施形態の１つを示す。 本空気除去システムの第１の例示的実施形態の動作を示すフローチャートである。 本空気除去システムの第２の例示的実施形態の動作を示すフローチャートである。 本空気除去システムの第３の例示的実施形態の動作を示すフローチャートである。 本空気除去システムの第４の例示的実施形態の動作を示すフローチャートである。 空気除去システムが冷却システムの熱交換凝縮器における冷却システムへのアタッチメントである本発明の実施形態を示す。 本開示の動作を実行するための制御ユニットデバイスの基本的なハードウェア構造を示す。

低圧冷却システムでは、冷却システムの内部に空気が存在することによる蒸気圧縮冷却システムの性能の低下は周知の問題である（特許文献１参照）。システム性能の低下を避けるために、特許文献２では、凝縮器の上部のタンクと同様の構造が利用されている。特許文献２には、ＣＰＵなどのチップを冷却する自然冷却サイクルが記載されている。動作中、本開示の冷却システム圧力の一部は大気圧未満である。負圧により、空気は冷却システムに入る。この侵入した空気は、通常、冷媒と共に冷却システム内のより高い位置に流れる。空気は冷媒蒸気よりも密度が低いため、空気は、冷却システムのより高い部分、すなわち凝縮器に溜まる。凝縮器の上部のタンクは空気を貯留し、システム性能低下の問題を解決する。しかしながら、タンクのサイズは限られているため、空気は経時的にタンクを満たし、その後、空気は、有効凝縮面積の減少によって凝縮器の性能に影響を及ぼし始める。この問題は、開示された発明を利用することによって解決され得る。
さらに、冷却システムの蒸発器側の負圧を維持し、侵入した空気を除去することによって、蒸発器での冷媒の漏れが発生する可能性が低くなるようにし得、したがって、このような漏れた冷媒がサーバラックの構成要素を損傷することを懸念することなく、蒸発器は、サーバラックのより近くに配置され得る。従来の冷却システムでは、冷媒の漏れによるこのような損傷を防止するために、蒸発器を約３００ｃｍ以上の距離に配置することが必要であり得るが、これは、本開示に従って設計された冷却システムには必要ないであろう。

［第１の例示的実施形態の詳細な説明］
本発明は、図１に示されているような蒸気圧縮システムに適用して説明されているが、蒸気圧縮システムに限定されない。蒸気圧縮サイクルは、ラック１０１から熱を受け取る蒸発器１０２を含む。蒸発器１０２は、パイプ１０３を介して圧縮機１０４に熱を伝達する。圧縮機１０４は、パイプ１０５によって凝縮器１１４に熱を伝達する。凝縮器は、１つ以上の熱交換器１０６を含み得る。熱交換器１０６は、蒸気圧縮システムから環境に熱を除去する。パイプ１０９から来る冷却された冷媒は、タンク１１０に集められる。貯留された冷媒は、パイプ１１３、パイプ１１１、および膨張弁１１２を介して蒸発器１０２に戻される。本開示の空気除去システムは、凝縮器１１４の熱交換器１０６のうちの少なくとも１つからのパイプ延長部１２１を利用する。パイプ延長部１２１は、空気センサ１２２および弁１２３を含む。空気センサ１２２は、窒素センサ、酸素センサ、または二酸化炭素センサなど、大気一般またはその任意の単一の成分を検出し得るセンサを含み得る。冷媒中には大気の成分ガスが存在しないため、いずれかの成分ガス専用のセンサによって空気の有無が検出され得る。蒸発器１０２は、通常、低圧蒸気圧縮システムでは大気圧よりも低い圧力に維持される。空気は、蒸発器１０２から冷却システムに入り、圧縮機１０４およびパイプ１０３、１０５を介して凝縮器１１４に移動する。凝縮器１１４内の空気は、空気密度が冷媒蒸気密度よりも軽く、空気が冷媒蒸気凝縮熱物理的条件では凝縮され得ないことから、熱交換器１０６の上部に集まる。冷媒の流れは、熱交換器１０６のパイプ１０５側から熱交換器１０６のパイプ延長部１２１側に向かうため、空気は、通常、パイプ延長部１２１に最も近い熱交換器１０６で集まり始める。空気はより軽いため、空気はパイプ延長部１２１の弁１２３に向かって通過する。好ましくは冷媒側に配置される空気センサ１２２は、空気を検出し、弁１２３を開くための信号を提供する。大気よりも高い凝縮器１１４内の圧力により本システムから空気が排出されると、冷媒は空気センサ１２２まで上昇する。空気が空気センサ１２２によって検出され得なくなったとき、空気センサ１２２は、弁１２３を閉じる信号を送信する。この制御プロセスは、図４に示されているフローチャートに従って、図１に示されている構成に関連して以下に説明される。

ステップＳ１において、空気除去システムは、ユーザ停止コマンドが受信されているか否かを判定する。受信されていない場合、空気除去システムはＳ２に進み、受信されている場合、空気除去システムは停止される。

ステップＳ２において、パイプ延長部１２１の内部に配置された空気センサ１２２は、パイプ延長部１２１の内部に空気が存在するか否かを検出する。空気センサ１２２が空気を検出した場合、空気除去システムはＳ３に進み、そうでなければ、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３において、空気センサ１２２によって空気が検出された場合、冷却システムから空気を排出するために弁１２３が開かれる。

ステップＳ４において、空気センサ１２２によって空気が検出されない場合、すなわち空気が存在しない場合、冷媒が外部環境に漏れないようにするために弁１２３は閉じられる。

［他の実施形態の詳細な説明］
実施形態の１つでは、空気除去システムは、パイプ延長部１２１、空気センサ１２２、および弁１２３を含む。この例示的実施形態における空気除去システムの動作のための方法は、図５に示されているフローチャートに従って、図１に示されている構成に関連して以下に説明される。

ステップＳ１０１において、空気除去システムは、ユーザ停止コマンドが受信されているか否かを判定する。受信されていない場合、空気除去システムはＳ１０２に進み、受信されている場合、空気除去システムは停止される。

ステップＳ１０２において、パイプ延長部１２１の内部に配置された空気センサ１２２は、パイプ延長部１２１の内部に空気が存在するか否かを検出する。空気センサ１２２が空気を検出した場合、空気除去システムはＳ１０３に進み、そうでなければ、動作はステップＳ１０１に戻る。

ステップＳ１０３において、空気センサ１２２によって空気が検出された場合、冷却システムから空気を排出するために弁１２３が開かれる。

ステップＳ１０４において、空気除去システムは、所定時間ｔ１だけ待機する。時間ｔ１の間、弁１２３は開いたままであり、凝縮器１１４と外部環境との間の圧力差により、空気が冷却システムから排出される。時間ｔ１はユーザ入力であり、設計要求および仕様に応じて変更され得る。

ステップＳ１０５において、空気除去システムは、弁１２３を閉じる。

別の例示的実施形態では、空気除去システムは、パイプ延長部１２１と、第１の空気センサ２０２および第２の空気センサ２０４を含むタンク２０３と、排気パイプ２０６と、弁１２３とを含む。この例示的実施形態における空気除去システムの動作のための方法は、図６に示されているフローチャートに従って、図２に示されている構成に関連して以下に説明される。

ステップＳ２０１において、空気除去システムは、ユーザ停止コマンドが受信されているか否かを判定する。受信されていない場合、空気除去システムはＳ２０２に進み、受信されている場合、空気除去システムは停止される。

ステップＳ２０２において、タンク２０３の内部に配置された第１の空気センサ２０２は、タンク２０３の内部に空気が存在するか否かを確認する。第１の空気センサ２０２が空気を検出した場合、空気除去システムはＳ２０３に進み、そうでなければ、ステップＳ２０１に戻る。

第１のセンサ２０２による空気検出の物理的意味は、空気の密度が冷媒蒸気密度よりも小さいことから生じる。パイプ延長部２０１からタンク２０３の内部に空気が入ると、空気はタンク２０３の上部に移動する。したがって、第１の空気センサ２０２による空気の検出は、タンク２０３が完全に空気で満たされていることを意味する。

ステップＳ２０３において、第１の空気センサ２０２によって空気が検出された場合、冷却システムから空気を排出するために弁１２３が開かれる。弁１２３が開かれると、凝縮器１１４と外部環境との間の圧力差により、空気が冷却システムから排気パイプ２０６を介して外部環境に排出される。

ステップＳ２０４において、タンク２０３の内部に配置された第２の空気センサ２０４は、タンク２０３内に空気が存在するか否かを判定する。第２の空気センサ２０４が空気の存在を検出せず、すべての空気が冷却システムから外部環境に排出されたことを意味する場合、空気除去システムは、弁１２３の連続的な開状態をもたらすＳ２０５に進む。

ステップＳ２０５において、空気除去システムは、弁１２３を閉じる。

別の例示的実施形態では、空気除去システムは、パイプ延長部１２１と、空気センサ３０２およびタンク底部空気センサ３０２を含むタンク２０３と、弁１２３と、排気パイプ２０６に設置された流量計３０５とを含む。この例示的実施形態における空気除去システムの動作のための方法は、図７に示されているフローチャートに従って、図３に示されている構成に関連して以下に説明される。

ステップＳ３０１において、空気冷却システムは、ユーザ入力としてタンク２０３の容積を受信し、Ｖ＿ｔａｎｋとしてタンク２０３の容積を受信する。

ステップＳ３０２において、空気除去システムは、ユーザ停止コマンドが受信されているか否かを判定する。受信されていない場合、空気除去システムはＳ３０３に進み、受信されている場合、空気除去システムは停止される。

ステップＳ３０３において、タンク２０３の内部に配置された空気センサ３０２は、タンク２０３の内部に空気が存在するか否かを検出する。空気センサ３０２が空気を検出した場合、空気除去システムはＳ３０４に進み、そうでなければ、空気センサはステップＳ３０２に戻る。

センサ３０２による空気検出の物理的意味は、空気の密度が冷媒蒸気密度よりも小さいことから生じる。パイプ延長部１２１からタンク２０３の内部に空気が入ると、空気はタンク２０３の上部に移動する。したがって、空気センサ３０２による空気の検出は、タンク２０３が完全に空気で満たされていることを意味する。

ステップＳ３０４において、空気センサ３０２によって空気が検出された場合、冷却システムから空気を排出するために弁１２３が開かれる。弁１２３が開かれると、凝縮器１１４と外部環境との間の圧力差により、空気が冷却システムから排気パイプ２０６を介して外部環境に排出される。

ステップＳ３０５において、空気除去システムは、流量計３０５を利用して冷却システムから排出された空気の総体積を計算し、排出された空気の総体積をＶ＿ａｉｒとして記憶する。

空気除去システムによって排出された空気の総体積は、流量計３０５によって与えられる流量データの時間積分によって計算され得る。

ステップＳ３０６において、空気除去システムは、Ｖ＿ａｉｒとＶ＿ｔａｎｋを比較する。Ｖ＿ａｉｒ＜Ｖ＿ｔａｎｋである場合、空気除去システムはＳ３０５に戻り、そうでなければ、動作はＳ３０７に進む。

ステップＳ３０７において、空気除去システムは、弁１２３を閉じる。

ステップＳ３０８において、空気除去システムは、Ｖ＿ａｉｒ＝０にリセットする。

本発明の好ましい例示的実施形態が説明されたが、本発明は上記の例示的実施形態に限定されるものではなく、本発明の基本的な技術思想を逸脱しなければ、さらなる修正、置換、および調整が加えられてもよいことが理解されよう。

例えば、上記した例示的実施形態の空気除去方法は、ＣＰＵ４０１または同様の処理ユニットがＲＡＭ４０２に記憶された命令を処理し、Ｉ／Ｏユニット４０３を介して空気センサ１２２、２０４、２０２、３０２、弁１２３、および／または流量計３０５などの構成要素と相互作用することができるように、図８に示されている基本構造を有するコンピュータまたはプログラマブル論理デバイスなどによって実施され得る。

さらに、例示的実施形態は、装置、デバイス、方法、またはコンピュータプログラム製品として実施され得る。したがって、本例示的実施形態は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、または本明細書ではすべて一般的に「システム」と呼ばれ得る、ソフトウェアおよびハードウェアの態様を組み合わせた実施形態の形態をとり得る。さらに、本例示的実施形態の態様は、有形媒体に具現化されたコンピュータ使用可能プログラムコードを有する表現の有形媒体に具現化されたコンピュータプログラム製品の形態をとり得る。

１００ 空気除去システム
１０１ ラック
１０２ 蒸発器
１０３ パイプ
１０４ 圧縮機
１０５ パイプ
１０６ 熱交換器
１０９ パイプ
１１０ タンク
１１１ パイプ
１１２ 弁
１１３ パイプ
１１４ 凝縮器
１２１ パイプ
１２２ 空気センサ
１２３ 弁
２０１ パイプ
２０２ 第１の空気センサ
２０３ タンク
２０４ 第２の空気センサ
２０６ 排気パイプ
３０２ 空気センサ
３０５ 流量計
４００ コンピュータ
４０１ ＣＰＵ
４０２ ＲＡＭ
４０３ Ｉ／Ｏ

本開示は、サーバラック冷却システム、アタッチメント（空気除去アタッチメント）、冷却システムから空気を除去する空気除去方法、およびコンピュータまたは同様の制御デバイスによって空気除去方法を実施するためのプログラムに関する。具体的には、開示された発明は、サイクルの一部または全部が大気圧未満で動作する蒸気圧縮サイクルから空気を検出して除去する。

本開示の第３の態様は、アタッチメントの排気流路に沿った位置で流体の存在を検出するステップと、前記流体の前記存在の前記検出に基づいて前記排気流路に沿った弁を開くことによって前記アタッチメントから空気を排気するステップと、前記流体の前記存在の前記検出の非存在下で前記弁を閉じることによって空気の前記排気を遮断するステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。
本開示の第４の態様は、サーバラックと、蒸発器であって、前記蒸発器を流れる冷媒を介して、前記サーバラックによって発生した熱を除去するように構成され、外気圧よりも低い圧力を維持するように構成された蒸発器と、前記冷媒を冷却するように構成され、前記蒸発器からの冷媒が流入する少なくとも１つの熱交換凝縮器と、前記少なくとも１つの熱交換凝縮器に接続されたパイプ延長部と、開位置では前記パイプ延長部を介して外部への排気を可能にし、閉位置では前記外部への排気を遮断するように構成された、前記パイプ延長部の弁と、前記少なくとも１つの熱交換凝縮器と前記弁との間の前記パイプ延長部の内部の位置に配置されたセンサであって、前記センサの前記位置における流体の存在によって決定される検出信号を提供するように構成されたセンサとを備え、前記弁が、前記センサからの前記検出信号に基づいて開閉される、サーバラック冷却システムを提供する。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの熱交換凝縮器を有するサーバラック冷却システムのためのアタッチメントであって、
   前記少なくとも１つの熱交換凝縮器から空気および冷媒を前記アタッチメントに移送することができる、前記サーバラック冷却システムの一部に接続されるように構成されたパイプ延長部と、
   開位置では前記パイプ延長部を介して外部への排気を可能にし、閉位置では前記外部への排気を遮断するように構成された、前記パイプ延長部の弁と、
   前記少なくとも１つの熱交換凝縮器と前記弁との間の前記パイプ延長部の内部の位置に配置され、前記センサの前記位置における流体の存在によって決定される検出信号を提供するように構成されたセンサと
   を備え、
   前記弁が、前記センサからの前記検出信号に基づいて開閉される、
   アタッチメント。
2. 前記センサが、大気の成分のうちの少なくとも１種類および前記冷媒のうちの一方を検出するように構成されている、
   請求項１に記載のアタッチメント。
3. 前記センサが、前記少なくとも１つの熱交換凝縮器と前記弁との間の前記パイプ延長部に沿って異なる位置に配置された複数のセンサであり、
   前記弁が、前記パイプ延長部の一端の最も遠くに配置された前記センサの前記検出信号に基づいて開かれ、前記パイプ延長部の他端の最も遠くに配置された前記センサの前記検出信号に基づいて閉じられる、
   請求項２に記載のアタッチメント。
4. 前記弁が、前記センサの前記検出信号に基づいて開かれ、所定時間後に閉じられる、
   請求項２に記載のアタッチメント。
5. 前記少なくとも１つの熱交換凝縮器とは反対の前記弁の側で前記パイプ延長部の内部に配置され、前記弁が開いているときに流体の流量を測定するように構成された流量計をさらに備え、
   前記弁が、前記弁が開いている間に排気された流体の量と、前記センサの位置と前記弁との間の前記パイプ延長部の所定の流体容量とに基づいて閉じられる、
   請求項２に記載のアタッチメント。
6. 前記熱交換凝縮器と前記弁との間の前記パイプ延長部に配置され、前記流体を貯留するように構成された流体タンクをさらに備える、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のアタッチメント。
7. 前記センサから少なくとも前記検出信号を受信するように構成され、前記弁を制御するように構成された制御ユニットをさらに備える、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のアタッチメント。
8. 少なくとも１つの熱交換凝縮器を有する冷却システムのためのアタッチメントの空気除去方法であって、
   前記アタッチメントの排気流路に沿った位置で流体の存在を検出することと、
   前記流体の前記存在の前記検出に基づいて前記排気流路に沿った弁を開くことによって前記アタッチメントから空気を排気することと、
   前記流体の前記存在の前記検出の非存在下で前記弁を閉じることによって空気の前記排気を遮断することと
   を含む、空気除去方法。
9. アタッチメントの排気流路に沿った位置で流体の存在を検出するステップと、
   前記流体の前記存在の前記検出に基づいて前記排気流路に沿った弁を開くことによって前記アタッチメントから空気を排気するステップと、
   前記流体の前記存在の前記検出の非存在下で前記弁を閉じることによって空気の前記排気を遮断するステップと
   をコンピュータに実行させる命令を記憶した非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
10. サーバラックと、
    蒸発器であって、前記蒸発器を流れる冷媒を介して、前記サーバラックによって発生した熱を除去するように構成され、外気圧よりも低い圧力を維持するように構成された蒸発器と、
    前記冷媒を冷却するように構成され、前記蒸発器からの冷媒が流入する少なくとも１つの熱交換凝縮器と、
    前記少なくとも１つの熱交換凝縮器に接続されたパイプ延長部と、
    開位置では前記パイプ延長部を介して外部への排気を可能にし、閉位置では前記外部への排気を遮断するように構成された、前記パイプ延長部の弁と、
    前記少なくとも１つの熱交換凝縮器と前記弁との間の前記パイプ延長部の内部の位置に配置されたセンサであって、前記センサの前記位置における流体の存在によって決定される検出信号を提供するように構成されたセンサと
    を備え、
    前記弁が、前記センサからの前記検出信号に基づいて開閉される、
    サーバラック冷却システム。
11. 前記蒸発器が、前記サーバラックから３００ｃｍまでに配置されている、
    請求項１０に記載のサーバラック冷却システム。

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