JP5702408B2 - データセンターのための圧縮空気冷却システム - Google Patents

Description

オンライン小売店、インターネットサービスプロバイダ、検索プロバイダ、金融機関、大学、および他のコンピュータ集約型事業体の組織では、大規模なコンピューティング設備からコンピュータ操作を行うことが多い。かかるコンピューティング設備は、組織の操作を実行するために必要に応じてデータを処理、記憶、および交換するための大量のサーバ、ネットワーク、およびコンピュータ機器を格納および収容する。典型的には、コンピューティング設備のコンピュータルームは、多数のサーバラックを含む。そして、各サーバラックは、多数のサーバおよび関連するコンピュータ機器を含む。

コンピュータシステムは一般的に、廃熱を生成する多数の構成要素を含む。かかる構成要素には、プリント回路基板、大容量記憶デバイス、電力供給装置、およびプロセッサが含まれる。例えば、複数のプロセッサを備えるいくつかのコンピュータは、２５０ワットの廃熱を生成することがある。いくつかの既知のコンピュータシステムは、ラックマウント型構成要素として構成され、次いでその後ラックシステム内に位置付けられる、複数の、かかるより大型のマルチプロセッサコンピュータを含む。いくつかの既知のラックシステムは、４０個のかかるラックマウント型構成要素を含み、かかるラックシステムは、それゆえ１０キロワットもの廃熱を生成する場合がある。さらに、いくつかの既知のデータセンターは、複数のかかるラックシステムを含む。いくつかの既知のデータセンターは、複数のラックシステムからの廃熱の除去を、一般的には、ラックシステムのうちの１つ以上を通して空気を循環させることによって、促進する方法および装置を含む。データセンターを冷却するために使用されることが多い空気処理および冷却機器は、ＨＶＡＣシステム、冷水システム、蒸発冷却システム、ならびに、冷却塔、ブロワ、冷媒ループ、および可変周波数駆動装置等の関連する構成要素の、種々の組み合わせを含む場合がある。かかる空気処理および冷却機器は、データセンターに相当な費用および複雑性を付加する。さらに、いくつかの場合では、かかる機器は、地方自治体の騒音規制条例下で課せられる騒音制限等の、環境にとって許容可能な限界を超える音響騒音を生じることがある。

任意の所与のデータセンターが必要とするコンピューティング能力の量は、業務上の必要性に伴って急速に変化することがある。最も多くの場合、単一場所でコンピューティング能力を増強する必要がある。データセンター内に初期にコンピューティング能力を提供すること、または（例えば、追加のサーバという形で）データセンターの既存の能力を拡張することは、リソース集約的であり、実現するのに数ヶ月かかることがある。データセンターを設計および建設（または、それを拡張し）し、ケーブルを敷設し、ラックおよび冷却システムを据え付けるためには、一般的に、相当な時間およびリソースを必要とされる。電気システムおよびＨＶＡＣシステム等に対する検査を行って、認可および承認を得るためには、一般的に、さらなる時間およびリソースが必要となる。

一実施形態に従う、圧縮空気を使用するデータセンターのための冷却システムを説明する概要図である。 床下供給プレナムを含むデータセンターの一実施形態を説明する、概要図である。 中央ファンおよび蒸発冷却を含むデータセンターの一実施形態を説明する概要図である。 空気誘導デバイスを有するラックシステムの列を冷却するための、圧縮空気冷却システムの一実施形態を説明する、概要端面図である。 共有通路を伴うラックシステムを含むデータセンターの一実施形態を説明する、概要端面図である。 共有通路を伴うラックシステムを含むデータセンターのコンピュータルームの概要上面図を説明する。 圧縮空気冷却システムからラックシステムへ空気を運搬するためのパイプを含む、データセンターの実施形態を説明する図である。 圧縮空気を使用してデータセンターを冷却する一実施形態を説明する図である。

本発明は、種々の修正および変更形式の影響を受け入れる余地がある一方で、その特定の実施形態を例として図面内に示し、本明細書で詳細に記載する。しかしながら、図面およびそれらへの詳細な記述は、本発明を、開示される特定の形式に限定することを意図せず、逆に、その意図は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲内に包含される全ての修正、均等物、および代替を網羅することであるということを理解すべきである。本明細書で使用される見出しは、単に整理を目的とするものであり、記述または特許請求の範囲の範囲を限定するために使用されることを意味しない。本出願を通して使用される、語句「してもよい（ｍａｙ）」は、強制的な意味（すなわち、「しなければならない」を意味する）ではなく、むしろ許容的な意味（すなわち、「する可能性を有する」を意味する）で使用される。同様に、語句「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、含むことを意味するが、それに限定されない。

データセンター内のコンピュータシステムを冷却するために、圧縮空気を使用するシステムおよび方法の種々の実施形態を開示する。一実施形態によると、データセンターのコンピュータルーム内の構成要素から熱を除去するためのシステムは、圧縮空気を保持する１つ以上の空気貯蔵容器と、圧縮空気を空気貯蔵容器に供給する１つ以上の圧縮機と、空気貯蔵容器のうちの少なくとも１つと流体連通する１つ以上のプレナムとを含む。プレナムのうちの少なくとも１つは、コンピュータルームへ空気を供給することができる。

一実施形態によると、データセンターは、コンピュータルームと、コンピュータルーム内の１つ以上のコンピュータシステムと、コンピュータシステム内の熱発生構成要素を冷却する冷却システムとを含む。冷却空気システムは、圧縮空気を保持する１つ以上の空気貯蔵容器と、空気貯蔵容器へ圧縮空気を供給する１つ以上の圧縮機と、貯蔵容器のうちの少なくとも１つと流体連通する１つ以上のプレナムとを含む。プレナムのうちの少なくとも１つは、コンピュータルームへ空気を供給する。特定の実施形態では、任意の冷水システムまたは冷媒ループの代わりに、圧縮空気冷却システムがデータセンターで使用されてもよい。

一実施形態によると、データセンターのコンピュータルーム内のコンピュータシステムを冷却する方法は、空気を圧縮することと、圧縮空気を１つ以上の容器の中に貯蔵することとを含む。容器からの空気の一部分は、コンピュータルームの中へと導入されてもよい。コンピュータルーム内の空気の一部分は、熱発生構成要素を冷却するために、コンピュータルーム内の１つ以上のコンピュータシステムの熱発生構成要素へと通されてもよい。

本明細書で使用される場合、「通路」とは、１つ以上のラックに隣接する空間を意味する。

本明細書で使用される場合、システムまたは設備に関して「周囲」とは、システムまたは設備の少なくとも一部分を包囲する空気を意味する。例えば、データセンターに関して周囲空気とは、例えば、データセンターのための空気処理システムの吸気フードの、またはその付近の、データセンターの外の空気であってもよい。

本明細書で使用される場合、「コンピューティング」は、計算、データ記憶、データ検索、または通信等、コンピュータによって実施することができる、任意の操作を含む。

本明細書で使用される場合、「ダンパ」は、ダクトまたは他の通路を通る流体の流れを制御（例えば、増大または減少）するように動かすことができる、任意のデバイスまたは構成要素を含む。ダンパの例には、板、ブレード、パネル、もしくは円盤、またはそれらの任意の組み合わせが含まれる。ダンパは、複数の要素を含んでもよい。例えば、ダンパは、ダクトを閉鎖するために同時に回転されることが可能な、互いに平行な関係にある一連の板を含んでもよい。本明細書で使用される場合、ダンパを「位置付ける」とは、開く、閉じる、または部分的に開く等、ダンパを通る所望の流れ特性を達成するために、ダンパの１つ以上の要素を定置する、またはそのままの状態にしておくことを意味する。

本明細書で使用される場合「データセンター」は、コンピュータ操作が実行される任意の設備または設備の部分を含む。データセンターは、特定の機能専用の、または多数の機能を果たすサーバを含んでもよい。コンピュータ操作の例には、情報処理、通信、シミュレーション、動作制御が含まれる。

本明細書で使用される場合、「室」は、少なくとも部分的に囲まれた空間を意味する。室は、いかなる形状を有してもよい。室は、１つの小室または１つ以上の小室を有してもよい。

本明細書で使用される場合、「圧縮空気」は、周囲の圧力を超える圧力まで圧縮された空気を意味する。

本明細書で使用される場合、「圧縮機」は、空気を圧縮するために使用することができる、任意のデバイス。適切な圧縮機の種類の例は、容積式、動的、往復式、軸流、遠心、回転スクリュ、スライドベーン型、またはダイヤフラムを含んでもよい。

本明細書で使用される場合、「コンピュータシステム」は、種々のコンピュータシステムまたはその構成要素のうちのいずれかを含む。コンピュータシステムの１つの例は、ラックマウント型サーバである。本明細書で使用される場合、コンピュータという用語は、当技術分野でコンピュータと称される集積回路のみに限定されず、プロセッサ、サーバ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、および他のプログラム可能な回路に広く言及し、またこれらの用語は本明細書で交換可能なものとして使用される。種々の実施形態において、メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の、コンピュータ可読媒体を含んでもよいが、しかしそれに限定されない。代替的に、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、および／またはデジタル多目的ディスク（ＤＶＤ）も、使用されてもよい。また、追加の入力チャネルは、マウスおよびキーボード等の操作者インターフェースに関連付けられる、コンピュータ周辺機器も含んでもよい。代替的に、例えば、スキャナを含んでもよい他のコンピュータ周辺機器も使用されてもよい。さらに、いくつかの実施形態において、追加の出力チャネルは、操作者インターフェースモニタおよび／またはプリンタを含んでもよい。

本明細書で使用される場合、「容器」は、種々の形状および寸法のいずれであってもよい。適切な容器には、タンク、シリンダ、管、およびチューブが含まれてもよい。容器は、単一の内容積（単一タンク等）、または１つ以上の内容積（複数のタンク等）を形成してもよい。

本明細書で使用される場合、「乾燥デバイス」とは、空気から水分を除去することができる任意のデバイスを意味する。いくつかの実施形態では、乾燥デバイスは乾燥剤を含む。乾燥剤は、種々の形態をとってもよく、敷き詰められたもの、ブロック、またはフィルタに埋め込まれたものを含む。いくつかの実施形態では、乾燥デバイスは雫受けを含んでもよい。

本明細書で使用される場合、「データセンターモジュール」は、データセンターに対してコンピューティングリソースを提供することができる１つ以上のコンピュータシステムを含むか、またはそれを格納および／または物理的に支持するのに好適であるモジュールを意味する。

本明細書で使用される場合、「蒸発冷却」とは、液体の蒸発による空気の冷却を意味する。

本明細書で使用される場合、要素は、少なくとも１つの動作条件の間に流体が要素間を流れることができる場合に「流体連通」する。流体連通は、制御されてもよい。例えば、弁が、互いに流体連通する２つの要素間に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、中間要素が、互いに流体連通する要素間に提供されてもよい。プレナムは、互いに流体連通する空気圧縮機とデータルームとの間に提供されてもよい。

本明細書で使用される場合、「フリークーリング」は、空気処理システムが、外部源（設備の外の空気等）からの空気、および／または、コンピュータルームから戻された空気を少なくとも部分的に引き込み、空気処理サブシステム内での積極的な冷却なしにその空気を電子機器に強制的に送る操作を含む。

本明細書で使用される場合、「機械的冷却」とは、蒸気圧縮冷凍システムで起こるもの等の、少なくとも１つの流体に機械的作業を行うことを含む処理による、空気の冷却を意味する。

本明細書で使用される場合、「モジュール」は、互いに物理的に連結される構成要素または構成要素の組み合わせである。モジュールは、コンピュータシステム、ラック、ブロワ、ダクト、配電ユニット、消化システム、および制御システム等の機能的要素またはシステム、ならびにフレーム、筐体、または容器等の構造的要素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、モジュールは、データセンターから離れた現地外の場所で事前に組み立てられる。

本明細書で使用される場合、「プレナム」は、空気を分配するために使用することができる室を意味する。

本明細書で使用される場合、「ラック」は、ラック、容器、フレーム、または、１つ以上のコンピュータシステムを含む、または物理的に支持することができる、他の要素または要素の組み合わせを意味する。

本明細書で使用される場合、「ルーム」は、部屋または建物の空間を意味する。本明細書で使用される場合、「コンピュータルーム」は、ラックマウント型サーバ等のコンピュータシステムが操作される、建物の部屋を意味する。

本明細書で使用される場合、「空間」は、空間、面積、または容積を意味する。

図１は、一実施形態に従う、圧縮空気の貯蔵を含むデータセンターのための冷却システムを説明する、概要図である。データセンター１００は、データセンターコンピューティング設備１０２および冷却システム１０４を含む。冷却システム１０４は、圧縮機１０６、乾燥デバイス１０８、圧縮空気貯蔵タンク１１２、圧縮空気貯蔵室１１４、および混合プレナム１１６を含む。データセンターコンピューティング設備１０２は、ラック１２２内のコンピュータシステム１２０を含む。

圧縮機１０６は、周囲の空気を吸い込み、その空気を圧縮する。圧縮空気は、乾燥デバイス１０８を通される。乾燥デバイス１０８は、圧縮空気から水を除去および／または収集してもよい。いくつかの実施形態では、乾燥デバイスのうちの１つ以上は、デシケータデバイスであってもよい。乾燥デバイスは、例えば、シリカ等の、デシカント材を含んでもよい。ある特定の実施形態では、乾燥デバイスは、圧縮機１０６と圧縮空気貯蔵タンク１１２との間の乾燥デバイスの代わりに、またはそれに追加して、圧縮空気貯蔵タンク１１２の中に設置されてもよい。例えば、圧縮空気貯蔵タンク１１２のうちの１つ以上は、雫受けを含んでもよい。雫受け等の、乾燥デバイス内に蓄積された水は、水を冷却システム１０４から取り除くために定期的に抜き取られてもよい。

いくつかの実施形態では、乾燥デバイスは、１つ以上のフィルタと直列に組み込むか、またはそれと直列して定置されてもよい。フィルタは、圧縮空気から不純物を除去することができる。例えば、フィルタは、圧縮処理中に圧縮機１０６内の圧縮空気の中へ漏出した、油等の、任意の潤滑剤を除去してもよい。フィルタはまた、圧縮機の中へと吸い込まれた源の空気中に存在する不純物を除去してもよい。例えば、フィルタは、煙、スモッグ、および、空中の工業および／または農業活動副産物等、圧縮機の中へと吸い込まれた外気とともに導入される汚染物質を除去してもよい。

圧縮機１０６からの圧縮空気は、圧縮空気貯蔵タンク１１２の中に蓄積されてもよい。弁１３０は、圧縮空気貯蔵タンク１１２から外への空気の制御を可能にする。弁１３０は、手動で、自動で、またはその組み合わせで制御されてもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１３４は、弁１３０を制御するために使用される。

図１に示す実施形態では、冷却システム１０４は、３つの圧縮機１０６および６つの圧縮空気貯蔵タンク１１２を含む。冷却システムは、しかしながら、任意の数の圧縮機、貯蔵タンク、乾燥デバイス、および他の要素を含んでもよい。それに加え、要素の順序および配置は、他の実施形態では変化してもよい。一実施形態では、冷却システムは、１つのみの圧縮機および１つのみの貯蔵タンクを含む。

冷却システム１０４の動作中、圧縮空気は、圧縮空気貯蔵タンク１１２のうちの１つ以上から放出されてもよく、圧縮空気貯蔵室１１４の中へと放出されてもよい。圧縮空気貯蔵タンク１１２からの空気は、圧縮空気貯蔵室１１４の中で空気が膨張するのに伴って冷える場合がある。圧縮空気貯蔵室１１４からの空気は、混合プレナム１１６の中へと導入されてもよい。圧縮されたものからの空気は、空気が混合プレナム１１６の中へと膨張するのに伴ってさらに冷える場合がある。外気も、外気孔１３６を通じて、混合プレナム１１６の中へと同様に導入されてもよい。圧縮空気および外気は、混合プレナム１１６内で混合されてもよい。圧縮空気貯蔵タンク１１２からの空気は、圧縮中に水分が除去されるため、乾燥していることがある。加湿デバイス１３８は、混合プレナム１１６内で空気に水分を加えてもよい。混合プレナム１１６からの空気は、コンピュータルーム１０２へ供給され、ラック１２２の中のコンピュータシステム１２０を冷却してもよい。いくつかの実施形態では、空気の全部または一部分は、混合プレナム１１６へと戻されてもよい。

図２は、床下供給プレナムを含むデータセンターの一実施形態を説明する、概要図である。データセンター１５０は、コンピューティング設備１５２および冷却システム１５４を含む。冷却システム１５４は、コンピューティング設備１５２から熱を除去してもよい。図２に説明する実施形態では、冷却システム１５４は、圧縮空気サブシステム１５６を含む。圧縮空気サブシステム１５６は、冷却用空気をコンピューティング設備１５２へ提供してもよい。

説明の目的のために、３つの圧縮空気サブシステム１５６を図２に示す（明瞭化のために、正面の空気処理サブシステム１５６のみの詳細を示す）。しかしながら、冷却システム１５４内の圧縮空気サブシステム１５６の数は変化してもよい。加えて、圧縮機、貯蔵タンク、貯蔵室の数は、実施形態ごとに（また、所与の実施形態内で、サブシステムごとに）変化してもよい。いくつかの実施形態では、冷却システム１５４は、多数の圧縮空気サブシステム１５６を含む。別の実施形態では、冷却システム１５４は、ただ１つの圧縮空気サブシステム１５６のみを含む。複数の圧縮空気サブシステムおよび／または複数のコンピューティング設備を備える設備では、クロスオーバダクトが提供されてもよく（例えば、供給側に、戻り側に、またはその双方に）、圧縮空気サブシステムからの冷却用空気を、データセンターの内部で、またはデータセンター間で、分配および／または向きを変更することを可能にする。圧縮空気サブシステムは、共通して制御されても、別個に制御されても、またはその組み合わせであってもよい。特定の実施形態では、データセンターのための圧縮空気サブシステム全体のうちの一部のみが、外気孔をともなって提供される。例えば、データセンターでの圧縮空気サブシステムの半分が、外気孔および戻り空気孔の双方を有してもよく、一方、データセンターでの圧縮空気サブシステムのもう半分は戻り空気孔のみを有する。

いくつかの実施形態では、圧縮空気システムの部分は、データセンターから離れた場所にあってもよい。例えば、圧縮機および／または圧縮空気貯蔵タンクは、データセンターから離れた場所で操作および維持されてもよい。圧縮空気は、タンクで運搬されてもよく、または別離した場所からデータセンターへパイプで送られてもよい。

各圧縮空気サブシステム１５６は、供給ダクト１５８および戻りダクト１６０によって、データセンター１５４へ連結されてもよい。冷却用空気は、圧縮空気サブシステム１５６から、供給ダクト１５８を通って床下プレナム１６２へと流れてもよい。床下プレナム１６２から、冷却用空気は、ルーム１６６内の通路１６５の中へと流れ制限デバイス１６４を通過してもよい。冷却用空気は、ラック１７０の中へと、およびコンピュータシステム１６８にわたって、通されてもよい。空気がラック１７０内のコンピュータシステム１６８によって加熱された後、空気は、戻りダクト１６０を通過してもよい。空気は、１つ以上の圧縮空気サブシステムを通して再循環されてもよく、または、排気孔１７２を通してシステムから排出されてもよい。排気孔１７２は、排気ダンパ１７４を含む。

いくつかの実施形態では、カーテンおよび／またはダクトが、ラック１７０の中へと進行する相対的に冷たい空気を、ラック１７０から出てくる加熱された空気から遮断してもよい。

圧縮空気サブシステム１５６は、圧縮機１８０、圧縮空気貯蔵タンク１８２、圧縮空気貯蔵室１８４、および混合プレナム１８６を含む。圧縮機１８０、圧縮空気貯蔵タンク１８２、および／または圧縮空気貯蔵室１８４は、混同プレナム１８６と同じ建物内にあってもよく、または異なる建物内にあってもよい。

乾燥デバイス１９０は、圧縮空気貯蔵タンク１８２の中に提供される。弁１９２は、圧縮空気貯蔵タンク１８２と圧縮空気貯蔵室１８４との間に提供される。弁１９２は、圧縮空気貯蔵タンク１８２から圧縮空気貯蔵室１８４への空気の流れを制御するように操作されてもよい。

各圧縮空気サブシステム１５６は、圧縮空気放出弁２００、外気ダンパ２０４、および戻り空気孔２０６、および戻り空気ダンパ２０８を含んでもよい。圧縮空気放出弁２００、外気ダンパ２０４、および戻り空気ダンパ２０８は、混合プレナム１８６の中への空気の流れを制御してもよい。特定の実施形態では、圧縮空気貯蔵室１８４から混合プレナム１８６の中への空気の流れは、弁の代わりにダンパによって制御されてもよい。

圧縮空気放出弁２００、外気ダンパ２０４、および戻り空気ダンパ２０８は、ルーム１６６へ供給される空気の混合を制御するように調節されてもよい。例えば、暑い日には、ルーム１６６内のコンピュータシステムを冷却するための空気の全てが、圧縮空気放出弁２００を通して圧縮空気貯蔵室１８４から供給され、かつ／または、空気が、戻り空気ダンパ２０８を通してルーム１６６から戻されるように、外気ダンパ２０４は閉じられてもよい。いくつかの実施形態では、圧縮空気と再循環された空気との混合は、混合プレナム内の空気の温度を上昇させる、または一定に保つように、制御されてもよい。

ある特定の実施形態では、圧縮空気貯蔵室と混合プレナムとの間の空気流は、ダンパの代わりに、またはダンパに加えて、弁を経由して制御されてもよい。

フィルタ２１０および加湿器２１２は、混合プレナム１８６内に提供される。フィルタ２１０は外気孔２０２および戻り空気孔２０６を通して受容される空気を、濾過することができる。加湿器２１２は、空気がルーム１６６へ供給される前に、混合プレナム１８６内の空気を加湿してもよい。

制御ユニット２２０は、圧縮空気サブシステム１５６内のデバイスを制御するようにプログラムされてもよい。制御ユニット２２０は、圧縮機１８０、弁１９２、加湿器２１２、圧縮空気放出弁２００、外気ダンパ２０４、戻り空気ダンパ２０８、および排気ダンパ１７４に連結される。制御ユニット２２０は、温度検出器２２２、２２４、２２６、２２８、および２２９、ならびに圧力検出器２３０および２３２と、データ通信をする。一実施形態において、全ての圧縮空気サブシステム１５６は、共通の制御ユニット（例えば、制御ユニット２２０）で制御される。他の実施形態では、各圧縮空気サブシステム１５６に対して、または圧縮空気サブシステム１５６の部分集合に対して、別個の制御装置が提供される。圧縮空気サブシステム１５６の中のデバイスは、自動で、手動で、またはその組み合わせで、制御されてもよい。各制御システムは、データセンター内の気温、圧力、流速、および湿度等の条件を測定し、測定した条件に基づいて、空気混合、空気源、および流速等の、その圧縮空気サブシステムに対する冷却システムパラメータを調節してもよい。

図２に示す実施形態において、圧縮空気サブシステム１５６は、空気を、供給ダクト１５８を通して床下プレナム１６２の中へと強制的に送る。他の実施形態では、冷却用空気は、床下プレナムを通ることなく、供給ダクトを通して、ルーム１６６へ直接に強制的に送られてもよい。一実施形態において、床下プレナムは、圧縮空気冷却システムのための混合プレナムとして機能する場合がある。種々の実施形態において、流れ制限デバイス１６４は、ルーム１６６内の種々のラック１７０間での冷却用空気の流速および分配を制御するように、選択されてもよい。一実施形態では、圧縮空気サブシステムは、コンピュータルーム内のラックの中へ、０．１インチ水柱の静水圧を生成するように、操作されてもよい。

冷却システム１５４の蓄積動作モードの間、弁１９２は、完全に閉じられてもよい。圧縮機１８０は、空気を圧縮するように操作されてもよい。圧縮機１８０からの圧縮空気は、圧縮空気貯蔵タンク１８２の中に蓄積されてもよい。乾燥デバイス１９０は、圧縮空気貯蔵タンク１８２から水分を吸収および／または除去してもよい。

冷却システム１５４の冷却動作モードの間、弁１９２は、圧縮空気が圧縮空気貯蔵室１８４の中へと放出されることを可能にするように、開いていてもよい。圧縮空気貯蔵タンク１８２からの圧縮空気が圧縮空気貯蔵室１８４の中へと放出されるのに伴って、空気は膨張してもよい。圧縮空気貯蔵室１８４からの圧縮空気は、混合プレナム１８６の中へと導入されてもよい。圧縮空気貯蔵室１８６からの空気が混合プレナム１８６へと進入するのに伴って、空気はさらに膨張してもよい。外気は、外気孔２０２を通して混合プレナム１８６の中へと導入されてもよい。外気および圧縮空気は、混合プレナム１８６内で混合されてもよい。

混合プレナム１８６内での空気の混合は、供給ダクト１５８の入口での空気圧が、床下プレナム１６２内の圧力よりも高くなるように、制御されてもよい。混合プレナム１８６からの空気は、供給ダクト１５８を通り床下プレナム１６２の中へと流れてもよい。床下プレナム１６２からの空気は、ルーム１６６内の通路１６５を通過し、ラック１７０内のコンピュータシステム１６８を通り、ラックから上方へと外へ出て、戻りダクト１６０の中へと入る。いくつかの実施形態では、空気は、自然対流等によって、ルーム１６６を通して通風される。いくつかの実施形態では、コンピュータシステム１６８内のファン２４０は、冷却システム１５４とルーム１６６との間で、およびコンピュータシステム１６８内の熱発生構成要素を横切って、空気の循環を引き起こし、または推進する。特定の実施形態では、しかしながら、冷却システムはいかなるファンも有しなくてもよく、流れは、冷却システムの中への圧縮空気の放出を制御することによって、生成されてもよい。

特定の実施形態では、制御ユニットは、少なくとも１つのプログラマブル論理制御装置を含む。ＰＬＣは、他の物の中でもとりわけ、一般的な操作条件の必要性に応じて、データセンターを通して気流を導くための操作者からの命令信号に基づき、空気冷却システム内の弁またはダンパを開閉してもよい。代替的に、ＰＬＣは、弁またはダンパを完全に開いた位置と完全に閉じた位置との間で調整し、気流を調整してもよい。

制御システムは、温度測定デバイスを含んでもよく、一実施形態では、これは熱電対である。代替的に、温度測定デバイスは、測温抵抗体（ＲＴＤ）および本明細書に記載される冷却動作を容易にする任意のデバイスを含むが、それに限定されない。例えば、熱電対は、混合プレナム内の空気の温度の測定を促進するために、混合プレナムの内部に位置付けられてもよい。

種々の実施形態において、冷却システムの１つ以上の圧縮空気サブシステムの動作は、１つ以上の条件に応じて制御されてもよい。例えば、制御装置は、温度や湿度等、１つ以上の所定の条件が満たされると、圧縮空気サブシステムのための空気源を、戻り空気から外気へと切り替えるようにプログラムされてもよい。

図３は、蒸発冷却を含むデータセンターの一実施形態を説明する概要図である。データセンター３００は、コンピューティング設備３０２および圧縮空気冷却システム３０４を含む。冷却システム３０４は、圧縮空気サブシステム３０６を含む。圧縮空気サブシステム３０６は、図２に関して上述した冷却空気システム１５４と類似していてもよい。冷却システム３０４も、ファン３１０、可変周波数ドライブ３１２、および蒸発冷却装置３１４も含む。ファン３１０は、可変周波数ドライブ３１２に連結する。可変周波数ドライブ３１２は、制御ユニット３１６に連結する。ＶＦＤ２１４は、制御ユニット３１６からの制御信号を受信し、その後ファン３１０の回転速度を調整してもよい。圧縮空気放出弁２００、外気ダンパ２０４、戻り空気ダンパ２０８、および排気ダンパ１７４も同様に、図２に関して先に述べたものと類似の方法で、制御ユニット３１６を介して調整され、サブシステム３０６を通る気流を調整してもよい。空気は、混合プレナム３２０から蒸発冷却装置３１４を通して吸い込まれてもよい。蒸発冷却装置３１４は、空気が蒸発冷却装置を通過する際に、空気中へ液体を蒸発させてもよい。蒸発冷却装置３１４からの空気は、供給ダクト１５８を通り、床下プレナム１６２内へと通過してもよい。空気は、床下プレナム１６２から、ルーム１６６の中へ入り、ラック１７０を通過し、ラック１７０内のコンピュータシステム１６８から熱を除去してもよい。加熱された空気は、ラックの外へ流れ、天井孔３２０を通って上がり、天井プレナム３２２の中へ入り、戻りダクト１６０を通って戻ってもよい。

いくつかの実施形態において、データセンターは、ラックシステムの一部または全部の上に空気誘導デバイスを備える、複数のラックシステムを含む。空気誘導デバイスは、ラックシステムのうちのいくつかへ進入する、またはそれから出る空気を、データセンター内の空気空間、および／または、データセンター内の他のラックシステムを通過する空気から、分離してもよい。いくつかの実施形態では、空気誘導デバイスは、ラックシステム列中のラックシステムから出る空気を、その列に隣接する通路内の空気から分離する。図４は、空気誘導デバイスを有するラックシステムの列を冷却するための、圧縮空気冷却システムの一実施形態の概要端面図を説明する。データセンター３３０は、コンピュータルーム３３２、圧縮空気冷却システム３３４、床下室３３５、およびプレナム３３６を含む。プレナム３３６は、コンピュータルーム３３２の天井３３８の上にある。

コンピュータルーム３３２は、列３４２内のラックシステム３４０、および列３４６内のラックシステム３４４を含む。通路３４８は、列３４２と列３４６との間に形成される。通路３５０および３５２は、コンピュータルーム３３２の壁と、列３４２および列３４６との間に、それぞれ形成される。ラックシステム３４０および３４４は、空気誘導デバイス３５４を含む。

ラックシステム３４０および３４４内のサーバから熱を除去するために、圧縮空気冷却システム３３４は、空気が、コンピュータルーム３３２内へ流れ込み、またラックシステム３４０および３４４を通って流れるように、操作されてもよい。空気は、開口部３５６を通して床下室３３５の中へと強制的に送られてもよい。床下室３３５からの空気は、孔３５８および３６０を通して、コンピュータルーム３３２の中へと入ってもよい。孔３５８からの空気は、通路３５０内へ、および列３４２の手前側を通ってラックシステム３４０内へと流れてもよい。孔３６０からの空気は、通路３４８内へ、また列３４６の手前側を通ってラックシステム３４４内へと流れてもよい。空気は、ラックシステム３４０および３４４内のサーバを通って、空気誘導デバイス３５４の中へと流れてもよい。空気誘導デバイス３５４内の加熱された空気は、接続ダクト３６２を通してプレナム３３６へ導かれてもよい。列３４２のラックシステム３４０上の空気誘導デバイス３５４は、ラックシステム３４０から出る加熱された空気を、通路３４８内の空気から分離してもよい。

データセンターのいくつかの実施形態では、圧縮空気冷却システムのための混合プレナムは、コンピュータルームの天井を通して空気を交換してもよい。図５Ａは、共有通路を伴うラックシステムを含むデータセンターの一実施形態の、概要端面図を説明する。図５Ｂは、図５Ａに示すコンピュータルームの、概要上面図を説明する。データセンター３８０は、コンピュータルーム３８２および圧縮空気冷却システム３８４を含む。圧縮空気冷却システム３８４は、混合プレナム３８６を含む。コンピュータルーム３８２は、列３９０内のラックシステム３８８を含む。一実施形態において、コンピュータルーム３８２は、データセンターモジュール内に含まれる。空気誘導デバイス３９２は、ラックシステム３８８に連結される。圧縮空気冷却システム３８４は、空気を、供給孔３９４から、また中央通路３９６内へと流れさせる。中央通路３９６からの空気は、ラックシステム３８８内へと流れる。空気誘導デバイス３９２は、ラックシステム３８８から出る空気を、空気誘導デバイス３９２の最上部を通して誘導する。戻り空気孔３９７は、空気誘導デバイス３９２から排出される空気を含む、空気を、コンピュータルーム３８２の外へと吸い込んでもよい。

図６は、圧縮空気冷却システムからラックシステムへ空気を運搬するためのパイプを含む、データセンターの実施形態を説明する。データセンター４００は、コンピュータルーム４０２および圧縮空気冷却システム４０４を含む。コンピュータルーム４０２は、ラック４０８内のコンピュータシステム４０６を含む。パイプ４１０は、混合プレナム４１２をラック４１４と接続する。図６に説明するように、一実施形態では、コンピュータシステム４０６のそれぞれに対して、別個のパイプ４１０が提供されてもよい。動作中、混合プレナム４１２からの空気は、パイプ４１０を通ってラック４０８の中へ、またコンピュータシステム４０６を横切って、流れてもよい。コンピュータシステムによって加熱された空気は、空気誘導デバイス４１６の中へ流れ、プレナム４１８へと流れ、混合プレナム４１２へと戻ってもよい。特定の実施形態では、種々のパイプ４１０を通した空気の流れを制御および／または調整するために、流れ制御デバイスが使用されてもよい。特定の実施形態では、パイプ４１０は、急速着脱式デバイスを使用してラックに連結されてもよい。

図７は、圧縮空気を使用してデータセンターを冷却する一実施形態を説明する。４４０で、空気は圧縮される。いくつかの実施形態において、空気は、その空気が使用されるデータセンターで圧縮されてもよい。他の実施形態では、空気は、異なる場所で圧縮され、データセンターへと運搬されてもよい。

４４２で、圧縮空気が貯蔵される。いくつかの実施形態において、空気の圧縮および貯蔵タンク内への蓄積は、冷却動作が開始される前に実行されてもよい。他の実施形態では、空気の圧縮は、冷却動作中に実行されてもよい。いくつかの実施形態では、空気圧縮機は、貯蔵タンク内の空気の圧力および／または量が所定の水準に到達するまで、動作し続けてもよい。空気の圧力または量が所定の水準に到達すると、空気圧縮機は停止されてもよい。

４４４で、データセンター内のラックマウント型コンピューティングシステムに対する動作基準が確立される。動作基準には、例えば、ラックシステム内のサーバに対する標的動作温度範囲、動作圧力、または流速が含まれてもよい。

４４６で、圧縮空気冷却システムが作動される。一実施形態では、１つ以上の貯蔵タンクからの圧縮空気は、圧縮空気貯蔵室の中へと放出されてもよい。いくつかの実施形態では、貯蔵タンクの外への空気の膨張は、空気の温度を低下させる場合がある。圧縮空気貯蔵室からの空気は、４４７において、混合プレナム内へと膨張されてもよい。空気は、圧縮空気貯蔵室から混合プレナム内へと通過する際に、さらに膨張してもよく、これは空気の温度をさらに低下させる場合がある。いくつかの実施形態では、圧縮空気室からの空気は、外気またはコンピュータルームから戻された空気等の、他の空気源と混合される。ある特定の実施形態では、圧縮空気室からの空気は、空気の温度を上昇させる、または一定に保つために、戻り空気と混合される。

４４８で、プレナム内の空気へ水が添加されてもよい。いくつかの実施形態では、空気への水の添加は、空気の温度を低下させる場合がある。ある特定の実施形態では、水は、図３に関して上述したように、蒸発冷却システムに添加されてもよい。

４５０で、プレナムからの空気が、データセンター内の熱発生構成要素へ供給される。例えば、空気は、図２に関して上述したように、床下を通ってラックマウント型コンピュータシステムへ供給されてもよい。

４５２で、システムが動作している間に、コンピュータルーム内の空気の１つ以上の特性が測定される。いくつかの実施形態において、測定される特性は、混合プレナムまたは供給プレナム内の空気の温度を含む。他の実施形態では、測定される特性は、ラックを通して、またはラック内の特定のサーバを通して流れる空気の、気流速度を含む。他の測定される特性には、種々の場所における空気の温度、圧力、または湿度が含まれる。

４５４で、測定された特性および動作基準に基づいて、１つ以上の動作パラメータを調整するかどうかの決定が成される。測定された空気特性および動作基準が、調節が必要であると示す場合、４５６で動作パラメータが調節される。例えば、サーバを通る流速が遅すぎる場合、貯蔵室（図２に関して上述した、圧縮空気貯蔵室１８４等）からの流れを制御する弁を、圧縮空気貯蔵室からの空気を増大させるように、より開いた位置へ動かしてもよい。測定された空気特性および動作基準が、調節は必要ないと示す場合、４５８で、動作パラメータを調節することなく動作は継続される。圧縮空気冷却システムの動作パラメータの調節は、手動で、自動で、またはその組み合わせで、達成されてもよい。

別の例として、外気が所定の温度および／または湿度限界を超えると、圧縮空気冷却が作動され、または、コンピュータルームへの圧縮空気の流れが増大されてもよい。反対に、外気が所定の温度または湿度条件を下回ると、圧縮空気冷却は動作を停止し、またはコンピュータルームへの圧縮空気の流れが減少されてもよい。

４６０で、圧縮空気貯蔵タンク内の圧力水準および／または貯蔵タンク内の圧縮空気の量が、監視されてもよい。４６２で、貯蔵された空気の圧力および／または量が、所定の閾値水準よりも下がっていないかの決定が成されてもよい。空気の圧力および／または量が、所定の水準よりも下がった場合、貯蔵タンクを再充填するために圧縮機が作動されてもよい。圧縮空気貯蔵タンクの監視および再充填は、手動で、自動で、またはその組み合わせで、実施されてもよい。

ある特定の実施形態では、圧縮空気サブシステムを動作させるための条件は、時間に関連していてもよい。例えば、データセンターが屋外圧縮機を有し、その騒音水準が所在地の夜間騒音規制条例を越える場合、空気圧縮機は日中に動作し、次いでその後、夜間は停止されてもよい。別の例として、データセンターが従来型の空気処理システムを有し、その騒音水準が所在地の夜間騒音規制条例を越えるが、建物内に設置された圧縮機を備える圧縮空気冷却システムも同様に有する場合、従来型の空気処理システムは、夜間は停止され、圧縮空気冷却システムが始動されてもよい。このようにして、圧縮空気冷却システムは、データセンターが、従来型の冷却機器のみを有するデータセンターよりも高いデューティーサイクルを有することを、可能にする場合がある。

いくつかの実施形態において、圧縮機は、データセンターの冷却の間、継続して動作してもよい。他の実施形態では、冷却動作中は、冷却のための圧縮空気は全て圧縮空気貯蔵タンク内に蓄積された空気からもたらされ、圧縮機は停止してもよい。

上述の実施形態はかなり詳細に記載されてきたが、上述の開示を完全に理解すれば、多数の変形および修正が当業者には明らかになるであろう。以下の特許請求の範囲は、全てのかかる変形および修正を包含するように解釈されることを意図する。

Claims (15)

1. データセンターのコンピュータルーム内の構成要素から積極的な冷却なしに熱を除去するためのシステムであって、
   圧縮空気を保持するように構成される１つ以上の空気貯蔵容器と、
   前記空気貯蔵容器のうちの少なくとも１つへ圧縮空気を供給するように構成される１つ以上の圧縮機と、
   前記少なくとも１つの貯蔵容器と流体連通する１つ以上のプレナムであって、
   前記少なくとも一つの空気貯蔵容器から導入される圧縮空気を受け入れ、その少なくとも一部が膨張されるよう構成された１以上の混合プレナムであって、該膨張は冷却装置により積極的な冷却なしに前記圧縮空気を前記混合プレナム内で冷却するものであり、さらに外部空気を受け入れて前記受け入れた圧縮空気と混合するよう構成された１以上の混合プレナムと、
   前記１以上の混合プレナムと流体連通する１以上の供給プレナムと
   を備え、
   前記各供給プレナムは少なくとも一つの混合プレナムから積極的な冷却なしに導入される混合空気を受け入れその少なくとも一部が該供給プレナム内で膨張され、
   少なくとも一つの供給プレナムは混合空気を供給プレナム外のコンピュータルーム内に供給空気として供給して該コンピュータルーム内のコンポーネントから該混合空気及び供給空気の積極的な冷却なしに熱を除去するよう構成されている、システム。
2. 前記プレナムのうちの少なくとも１つと前記貯蔵容器のうちの少なくとも１つとの間で流体連通する、少なくとも１つの圧縮空気室をさらに備え、前記圧縮空気室は、前記少なくとも１つのプレナムへ空気を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. １つ以上の弁と、前記１つ以上の弁のうちの少なくとも１つに連結される制御システムとをさらに備え、前記制御システムは、前記弁を制御して、前記プレナムのうちの少なくとも１つへの圧縮空気の流れを制御するように構成される、請求項１または２に記載のシステム。
4. 外気が前記混合プレナムのうちの少なくとも１つへ進入することを可能にするように構成される、１つ以上の外気孔をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記混合プレナムのうちの少なくとも１つは、前記コンピュータルームから空気を戻すように構成される１つ以上の戻り空気孔を備え、
   前記混合プレナムは、圧縮空気を前記コンピュータルームから戻される前記空気の少なくとも一部分と混合するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記圧縮空気の少なくとも一部分から水を除去するように構成される、少なくとも１つの乾燥デバイスをさらに備える、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記混合空気が前記コンピュータルームへ進入する前に前記混合空気の中へ水分を導入するように構成される、少なくとも１つの加湿デバイスをさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記混合空気が前記コンピュータルームへ進入する前に前記混合空気を冷却するように構成される、少なくとも１つの蒸発冷却システムをさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記混合空気が前記コンピュータルームへ進入する前に、前記混合空気の少なくとも一部分から不純物を濾過するように構成される、少なくとも１つのフィルタをさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記コンピュータルーム内の少なくとも１つのコンピュータシステムを通して空気を移動させるように構成される、１つ以上のファンをさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
11. データセンターのコンピュータルーム内のコンピュータシステムを積極的な冷却なしに冷却する方法であって、
    空気を圧縮することと、
    前記圧縮空気の少なくとも一部分を、１つ以上の容器に貯蔵することと、
    前記１つ以上の容器に貯蔵された圧縮空気を混合プレナムに導入して膨張させて冷却装置による積極的な冷却なしに該混合プレナム内で前記圧縮空気を冷却するとともに、混合空気を生成するために外気と混合することと、
    前記混合プレナムから混合空気を供給プレナムに積極的な冷却なしに送出して該供給プレナム内で膨張させることと、
    前記供給プレナム外に空気を送出することと、
    前記供給プレナムからの空気の少なくとも一部分を前記コンピュータルームへ導入することと、
    前記空気の一部分を、前記コンピュータルーム内の少なくとも１つのコンピュータシステムの少なくとも１つの熱発生構成要素をわたって流し、前記供給プレナム外にある少なくとも１つの熱発生構成要素を冷却装置による積極的な冷却なしに冷却することと、
    を含む、方法。
12. コンピュータルームに空気を入れる前に該空気を冷却することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 圧縮空気の一部分を、前記コンピュータルームから戻される空気と混合することをさらに含む、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記コンピュータルームから戻される空気の少なくとも一部分を、外へ排気することをさらに含む、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記混合空気を前記コンピュータルームへ導入する前に、前記混合空気の少なくとも一部分を加湿することをさらに含む、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。

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