JP7259950B2 - Cooling system, control device therefor, cooling method, and program - Google Patents

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Description

本発明は、エネルギー消費の削減を可能にする冷却システム、冷却システムコントローラ、冷却方法、およびプログラムに関する。より具体的には、本発明は、所望の環境温度を維持しながら、データセンター冷却システムの電力消費を削減するためのシステムに関する。 The present invention relates to a cooling system, a cooling system controller, a cooling method and a program that enable reduction of energy consumption. More particularly, the present invention relates to systems for reducing power consumption of data center cooling systems while maintaining desired ambient temperatures.

データセンター冷却システムのエネルギー節約は、データセンター全体のエネルギー消費量の節約に大きな影響を与える。このような冷却システムのエネルギー節約は、局所レベルの冷却システムを使用して自由冷却サイクルを運用することで実現できる。しかし、自由冷却サイクルには冷却能力の制限があるため、必要に応じて、冷却サイクルは圧縮冷却に切り替えられる。データセンターでのエネルギー節約と安全な冷却システムの運用を最大化するには、適切な冷却サイクルの切り替え方法/アルゴリズムを使用する必要がある。 Energy savings in data center cooling systems have a significant impact on overall data center energy consumption savings. Energy savings in such cooling systems can be realized by operating a free cooling cycle using local level cooling systems. However, the free cooling cycle has a limited cooling capacity, so the cooling cycle is switched to compression cooling when necessary. Proper cooling cycle switching methods/algorithms must be used to maximize energy savings and safe cooling system operation in data centers.

データセンターの冷却システムは通常、圧縮冷却と自由冷却の2種類の冷却サイクルを採用している。圧縮冷却は、外気温に関係なく一年中冷却できるが、高い電気エネルギーを消費する。一方、自由冷却は比較的低い電気エネルギーを消費するが、外部環境温度が十分に低い場合にのみ必要な冷却能力を提供できる。したがって、エネルギーを節約するために、自由冷却サイクルを可能な限り運用する必要があるが、同時に、データセンターを安全に運用するために十分な冷却を確保する必要がある。 Data center cooling systems typically employ two types of cooling cycles: compression cooling and free cooling. Compression cooling provides year-round cooling regardless of outside temperature, but consumes high electrical energy. Free cooling, on the other hand, consumes relatively low electrical energy, but can provide the necessary cooling capacity only when the external ambient temperature is sufficiently low. Therefore, in order to save energy, it is necessary to operate the free cooling cycle as much as possible, but at the same time to ensure sufficient cooling for safe operation of the data center.

FMACS-Vハイブリッドは、部屋レベルの冷却システムの一例であり、すなわち、ラック列の端に配置され、圧縮機および自由冷却サイクルを利用して、指定されたラック列のすべてのラックに冷却を提供する。部屋レベルの冷却システムの過剰な冷却特性による過剰な電力消費を削減するために、データセンター用の局所レベルの冷却システムが採用されている。 FMACS-V Hybrid is an example of a room-level cooling system, i.e., located at the end of a row of racks, utilizing a compressor and free cooling cycle to provide cooling to all racks in a given row of racks. do. Local level cooling systems are employed for data centers to reduce excessive power consumption due to the excessive cooling characteristics of room level cooling systems.

局所レベルの冷却システムは、指定されたラックの近くに配置され、ラックに冷却を提供し、過剰な冷却の必要性を排除する。エネルギー消費をさらに削減するために、これらの局所レベルの冷却システムは、適切な冷却サイクル切り替え方法を使用して、圧縮機および自由冷却サイクルを切り替えることもできる。
いくつかの技術は、特許文献1~3(以下に指定)で教示されているものなど、上記の問題の1つまたは複数を解決しようとしたが、本発明と比較して考慮事項および/または解決策に欠点があり、単独でまたは組み合わせて本発明の技術的効果を得ることができない。
Local level cooling systems are located near designated racks to provide cooling to the racks and eliminate the need for excessive cooling. To further reduce energy consumption, these local level refrigeration systems can also switch between compressor and free refrigeration cycles using a suitable refrigeration cycle switching method.
Several techniques have attempted to solve one or more of the above problems, such as those taught in US Pat. The solutions have shortcomings and cannot achieve the technical effect of the present invention alone or in combination.

一般に、非特許文献1に開示されているような適切な冷却サイクル切り替え方法は、外部環境温度および排熱負荷を利用して、適切な冷却サイクルを決定する。しかし、圧縮機冷却サイクルと自由冷却サイクルとの切り替えは、単にエネルギー節約に焦点を当てるだけでなく、熱負荷の冷却ニーズを満たす必要がある。そうしないと、データセンターの冷却が不十分になり、データセンターの障害につながる可能性がある。 In general, a suitable cooling cycle switching method, such as that disclosed in Non-Patent Document 1, utilizes the external environment temperature and waste heat load to determine the appropriate cooling cycle. However, switching between the compressor cooling cycle and the free cooling cycle must meet the cooling needs of the heat load, not just focus on energy savings. Failure to do so may result in inadequate cooling of the data center, leading to data center failure.

国際公開第2015/004742号;小松他;熱負荷予測装置、配信システム、熱負荷予測方法及びプログラムInternational Publication No. 2015/004742; Komatsu et al.; Heat load prediction device, distribution system, heat load prediction method and program 特開2011-247433号;宮島他;冷水製造設備および冷水製造方法JP-A-2011-247433; Miyajima et al.; cold water production equipment and cold water production method 特開2009-252056号;加藤他;情報処理システムの運用管理方法および運用管理装置Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-252056; Kato et al.; Operation management method and operation management device for information processing system

N.Futawatari et.al.;Packaged air conditioner incorporating free cooling cycle for data centersN. Futawatari et. al. Packaged air conditioner incorporating free cooling cycle for data centers

本開示の例示的な目的は、冷却システムによって消費される電力を削減し、サーバーラックに含まれる電子機器を適切に冷却するために、様々なセンサによって行われる環境およびシステム測定に応じて、冷却モード、すなわち、自由冷却サイクル(free cooling cycle)と圧縮機冷却サイクル(compressor cooling cycle)とを効率的に切り替えることができるサーバーラック用の冷却システムを提供することである。 An exemplary objective of this disclosure is to reduce the power consumed by the cooling system and to properly cool the electronics contained in the server rack by adjusting the cooling temperature in response to environmental and system measurements made by various sensors. An object of the present invention is to provide a cooling system for server racks that can efficiently switch between modes, ie, a free cooling cycle and a compressor cooling cycle.

適切な冷却サイクルは、外部環境温度、排熱負荷、およびラック出口近くの熱交換器への冷媒入口温度に基づいて決定する必要がある。 A suitable cooling cycle must be determined based on the external environment temperature, waste heat load, and refrigerant inlet temperature to the heat exchanger near the rack exit.

本開示の第1の例示的な態様として、冷却システムが提供され、前記冷却システムは、サーバーラックと、冷却空気を生成するように構成された熱交換器と、前記熱交換器への冷媒入口圧力を測定するように構成された第1の圧力センサと、前記熱交換器の冷媒出口圧力を測定するように構成された第2の圧力センサと、前記熱交換器への冷媒入口温度を測定するように構成された第1の温度センサと、前記熱交換器の冷媒出口温度を測定するように構成された第2の温度センサと、屋外環境温度を測定するように構成された第3の温度センサと、前記熱交換器への冷媒流量を測定するように構成された流量センサと、前記第1、第2、および第3の温度センサならびに前記第1および第2の圧力センサによって受信された測定データに基づいて、圧縮機冷却サイクルと自由冷却サイクルとを切り替えるように構成されたコントローラと、を含み、前記圧縮機冷却サイクルは、サーバーラックの排気を冷却するために前記圧縮機を利用し、前記自由冷却サイクルは、前記サーバーラックの排気を冷却するために外部環境空気を利用する。 As a first exemplary aspect of the present disclosure, a cooling system is provided, the cooling system comprising a server rack, a heat exchanger configured to produce cooling air, and a refrigerant inlet to the heat exchanger. a first pressure sensor configured to measure pressure; a second pressure sensor configured to measure refrigerant outlet pressure of said heat exchanger; and a refrigerant inlet temperature to said heat exchanger. a second temperature sensor configured to measure the refrigerant outlet temperature of the heat exchanger; and a third temperature sensor configured to measure the outdoor environment temperature. a temperature sensor; a flow sensor configured to measure refrigerant flow to the heat exchanger; a controller configured to switch between a compressor cooling cycle and a free cooling cycle based on the measured data, wherein the compressor cooling cycle utilizes the compressor to cool server rack exhaust air. and the free cooling cycle utilizes outside ambient air to cool the exhaust of the server rack.

本開示の第2の例示的な態様として、制御装置がサーバーラックの冷却システムのために提供される。前記冷却システムは、熱交換器、複数の測定センサ、ならびに前記熱交換器に圧縮機冷却および自由冷却を提供するように構成された冷却サイクルユニットを含む。前記制御装置は、メモリユニットと、処理ユニットと、前記熱交換器への冷媒入口圧力測定、冷媒出口圧力測定、冷媒入口温度測定、冷媒出口温度測定、屋外環境温度測定、および冷媒流量測定を前記複数の測定センサから受信するように構成されたI/Oユニットと、を含み、前記処理ユニットは、前記熱交換器への前記冷媒入口圧力測定、前記冷媒出口圧力測定、前記冷媒入口温度測定、前記冷媒出口温度測定、前記屋外環境温度測定、および前記冷媒流量測定に基づいて、圧縮機冷却サイクルと自由冷却サイクルとを切り替えるコマンドを前記冷却サイクルユニットに出力するように構成される。 As a second exemplary aspect of the present disclosure, a controller is provided for a cooling system of a server rack. The cooling system includes a heat exchanger, a plurality of measurement sensors, and a cooling cycle unit configured to provide compressor cooling and free cooling to the heat exchanger. The controller comprises a memory unit, a processing unit, a refrigerant inlet pressure measurement to the heat exchanger, a refrigerant outlet pressure measurement, a refrigerant inlet temperature measurement, a refrigerant outlet temperature measurement, an outdoor environment temperature measurement, and a refrigerant flow rate measurement. an I/O unit configured to receive from a plurality of measurement sensors, wherein the processing unit performs the refrigerant inlet pressure measurements to the heat exchanger, the refrigerant outlet pressure measurements, the refrigerant inlet temperature measurements, It is configured to output a command to the refrigeration cycle unit to switch between a compressor refrigeration cycle and a free refrigeration cycle based on the refrigerant outlet temperature measurement, the outdoor environment temperature measurement and the refrigerant flow measurement.

本開示の第3の例示的な態様として、冷却方法がサーバーラックのために提供される。前記冷却方法は、熱交換器への冷媒入口圧力を測定することと、前記熱交換器の冷媒出口圧力を測定することと、前記熱交換器への冷媒入口温度を測定することと、前記熱交換器の冷媒出口温度を測定することと、屋外環境温度を測定することと、前記熱交換器への冷媒流量を測定することと、前記冷媒入口圧力と、前記冷媒出口圧力と、前記冷媒入口温度と、前記冷媒出口温度と、前記屋外環境温度と、前記冷媒流量との間の関係に基づいて、圧縮機冷却サイクルまたは自由冷却サイクルのいずれを動作させるかを決定することと、を含む。 As a third exemplary aspect of the disclosure, a cooling method is provided for a server rack. The cooling method includes measuring a refrigerant inlet pressure to a heat exchanger, measuring a refrigerant outlet pressure of the heat exchanger, measuring a refrigerant inlet temperature to the heat exchanger, measuring a refrigerant outlet temperature of an exchanger; measuring outdoor environment temperature; measuring refrigerant flow rate to said heat exchanger; said refrigerant inlet pressure; said refrigerant outlet pressure; determining whether to operate a compressor refrigeration cycle or a free refrigeration cycle based on the relationship between temperature, said refrigerant outlet temperature, said outdoor ambient temperature and said refrigerant flow rate.

本発明の第4の例示的な態様として、コンピュータに、熱交換器への冷媒入口圧力を測定することと、前記熱交換器の冷媒出口圧力を測定することと、前記熱交換器への冷媒入口温度を測定することと、前記熱交換器の冷媒出口温度を測定することと、屋外環境温度を測定することと、前記熱交換器への冷媒流量を測定することと、前記冷媒入口圧力と、前記冷媒出口圧力と、前記冷媒入口温度と、前記冷媒出口温度と、前記屋外環境温度と、前記冷媒流量との間の関係に基づいて、圧縮機冷却サイクルまたは自由冷却サイクルのいずれを動作させるかを決定することと、を実行させるプログラムが提供される。 As a fourth exemplary aspect of the present invention, a computer is provided with measuring refrigerant inlet pressure to a heat exchanger, measuring refrigerant outlet pressure of said heat exchanger, and measuring refrigerant outlet pressure of said heat exchanger. measuring an inlet temperature; measuring a refrigerant outlet temperature of the heat exchanger; measuring an outdoor environment temperature; measuring a refrigerant flow rate to the heat exchanger; operating either a compressor refrigeration cycle or a free refrigeration cycle based on the relationship between said refrigerant outlet pressure, said refrigerant inlet temperature, said refrigerant outlet temperature, said outdoor environment temperature and said refrigerant flow rate; A program is provided to determine whether and to perform.

本開示は、電力消費を低減しながら、サーバーラックに必要な冷却を提供することができる冷却システム、制御装置、方法、およびプログラムを提供する。 The present disclosure provides a cooling system, control device, method, and program that can provide necessary cooling for server racks while reducing power consumption.

熱負荷を放散するラックを含む冷却システムの例示的な実施形態を示す図である。1 illustrates an exemplary embodiment of a cooling system including racks to dissipate a heat load; FIG. サーバーを備えたラック、熱交換器、および気流を示す図である。FIG. 1 shows a rack with servers, heat exchangers, and airflow. 本発明の例示的な実施形態の圧縮機/自由冷却サイクルユニットの機能図である。3 is a functional diagram of a compressor/free cooling cycle unit of an exemplary embodiment of the invention; FIG. 本発明の例示的な実施形態の温度コントローラのワークフローを示す動作図である。FIG. 4 is an operational diagram illustrating the workflow of the temperature controller of an exemplary embodiment of the invention; 本発明の例示的な実施形態の切り替えコントローラのワークフローを示す動作図である。FIG. 4 is an operational diagram illustrating the workflow of the switching controller of an exemplary embodiment of the invention; 熱交換器の冷媒入口温度(℃)、屋外環境温度(℃)、および排熱負荷(kW)の間の関係を示す所定の表の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a predetermined table showing the relationship between the refrigerant inlet temperature (° C.) of the heat exchanger, the outdoor environment temperature (° C.), and the waste heat load (kW); 熱交換器の冷媒入口温度(℃)、屋外環境温度(℃)、および排熱負荷(kW)の間の関係を示す所定の表の別の例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing another example of a predetermined table showing the relationship between the refrigerant inlet temperature (° C.) of the heat exchanger, the outdoor environment temperature (° C.), and the waste heat load (kW); 熱交換器の冷媒入口温度(℃)、屋外環境温度(℃)、および排熱負荷(kW)の間の関係を示す所定の表の別の例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing another example of a predetermined table showing the relationship between the refrigerant inlet temperature (° C.) of the heat exchanger, the outdoor environment temperature (° C.), and the waste heat load (kW); 本発明のサーバーラックのための制御装置の例示的な実施形態の機能図である。1 is a functional diagram of an exemplary embodiment of a controller for a server rack of the present invention; FIG.

本発明の例示的な実施形態は、図面を参照して以下に説明される。図面では、同じ要素は同じ符号で示されているため、必要に応じて冗長な説明は省略されている。 Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawings. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, so redundant descriptions are omitted as necessary.

本明細書全体を通して「一実施形態」、「実施形態」、「一例」または「例」への言及は、実施形態または実施例に関連して説明される特定の特徴、構造または特性が、本実施形態の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所での「一実施形態において」、「実施形態において」、「一例」または「例」という句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態または実施例を指すとは限らない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、1つまたは複数の実施形態または実施例において、任意の適切な組み合わせおよび/または下位組み合わせで組み合わせることができる場合がある。 References to "an embodiment," "an embodiment," "an example," or "an example" throughout this specification mean that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with an embodiment or example It is meant to be included in at least one of the embodiments. Thus, the appearances of the phrases "in one embodiment," "in an embodiment," "an example," or "example" in various places throughout this specification are not necessarily all referring to the same embodiment or example. is not limited. Moreover, certain features, structures or characteristics may be combined in any suitable combination and/or subcombination in one or more embodiments or examples.

部屋レベルの冷却システムの場合、外部環境温度と総排熱負荷に基づいて、適切な冷却サイクルを選択することができる。局所レベルの冷却システムの場合、実際の局所冷却要件は、局所排熱負荷の変動に応じて、冷却要件の平均値を超える場合がある。したがって、局所レベルの冷却システムでは、総排熱負荷だけでなく、排熱負荷の変動も考慮する必要がある。したがって、部屋レベルの冷却システムの適切な冷却サイクル切り替えアルゴリズムは、局所レベルの冷却システムに適用された場合に失敗する可能性がある。 For room-level cooling systems, the appropriate cooling cycle can be selected based on the external environment temperature and total waste heat load. For a local level cooling system, the actual local cooling requirement may exceed the average cooling requirement due to variations in the local waste heat load. Therefore, local-level cooling systems must consider not only the total waste heat load, but also the fluctuation of the waste heat load. Therefore, proper cooling cycle switching algorithms for room-level cooling systems may fail when applied to local-level cooling systems.

部屋レベルの冷却システムの場合、ラック出口と冷却システム入口との間に大きな自由空間の利用可能性があるため、ラック出口からのすべての高温排気は、冷却システム入口に到達する前に十分に混合される。したがって、冷却システムは、各ラックの個々の熱負荷ではなく、総熱負荷を処理する。したがって、部屋レベルの冷却システムは、個々のラックの最大熱負荷ではなく、抽出できる最大総熱負荷によって制限される。 For room-level cooling systems, there is a large free space availability between the rack exit and the cooling system inlet so that all hot exhaust air from the rack exit is thoroughly mixed before reaching the cooling system inlet. be done. Thus, the cooling system handles the total heat load rather than the individual heat load of each rack. Room-level cooling systems are therefore limited by the maximum total heat load that can be extracted, not by the maximum heat load of individual racks.

局所レベルの冷却システムの場合、冷却システムは熱負荷を放散するラックの近くに配置される。局所レベルの冷却システムは、熱交換器などの複数の局所冷却機器を含んでもよく、個々の冷却装置が個々の熱負荷を冷却する。 In the case of a local level cooling system, the cooling system is placed near the rack dissipating the heat load. A local level cooling system may include multiple local cooling equipment, such as heat exchangers, with individual cooling units cooling individual heat loads.

このような局所レベルの冷却システムでは、ラックの出口からの排熱負荷は、他のラックからの近くの排熱負荷と混合することなく、冷却システムの入口によって直接取得される。個々の熱負荷の近くにある熱交換器などの個々の分散型冷却ユニットは、それぞれの冷却要件を満たす必要がある。したがって、冷却システムは、すべてのラックの総熱負荷ではなく、最大局所熱負荷によって制限される。 In such a local level cooling system, the waste heat load from the outlet of a rack is taken directly by the inlet of the cooling system without mixing with nearby waste heat loads from other racks. Individual distributed cooling units, such as heat exchangers, near individual heat loads must meet their respective cooling requirements. The cooling system is therefore limited by the maximum local heat load rather than the total heat load of all racks.

したがって、いずれかのラックの最大熱負荷がすべてのラックの平均熱負荷よりも大きい場合には、部屋レベルの冷却システムの適切な冷却サイクル切り替えアルゴリズムは、局所レベルの冷却システムに適用すると失敗する。 Therefore, if the maximum heat load of any rack is greater than the average heat load of all racks, the proper cooling cycle switching algorithm for room-level cooling systems will fail when applied to local-level cooling systems.

この障害が発生するのは、部屋レベルの冷却システムに対して決定された平均負荷の冷却サイクルパラメータが、個々の局所レベルの冷却システムから平均熱負荷のみを抽出するためである。したがって、局所的な熱負荷が平均熱負荷よりも高い場合には、残りの負荷、つまり(最大熱負荷-平均熱負荷)は冷却システムによって抽出されず、データセンターの障害につながる可能性がある。 This bottleneck occurs because the average load cooling cycle parameter determined for the room level cooling system extracts only the average heat load from the individual local level cooling systems. Therefore, if the local heat load is higher than the average heat load, the remaining load, i.e. (maximum heat load minus average heat load), is not extracted by the cooling system and can lead to data center failure. .

図1は、サーバーラック110および111、熱交換器112および113、冷却入口パイプ119、冷却出口パイプ120、出口圧力センサ121、入口圧力センサ124、温度センサ122、123および126、流量センサ125、圧縮機/自由冷却サイクルユニット114、切り替えコントローラ115、ならびに電源127を含むシステム全体を示している。図1は、冷却ラック110および111を冷却するために使用される全体的な冷却システムを示している。 FIG. 1 illustrates server racks 110 and 111, heat exchangers 112 and 113, cooling inlet pipe 119, cooling outlet pipe 120, outlet pressure sensor 121, inlet pressure sensor 124, temperature sensors 122, 123 and 126, flow sensor 125, compression The entire system including machine/free cooling cycle unit 114, switching controller 115, and power supply 127 is shown. FIG. 1 shows the overall cooling system used to cool cooling racks 110 and 111 .

サーバーラック110および111は、図2に示すように、コンピューティングサーバー、ネットワークデバイスなどの電子機器212を格納することができる。電子機器212は、それらの動作のために電力を消費し、同等の量の熱エネルギーを放散する。この熱エネルギーは、図2に示すように、冷気に伝達され、電子機器に取り付けられたファン213によって機器本体に引き込むことができる。ファン213はまた、図2に示すように、ラック排気気流方向214によって機器本体から熱風を排気する。 Server racks 110 and 111 may store electronic equipment 212 such as computing servers, network devices, etc., as shown in FIG. Electronics 212 consume power for their operation and dissipate a comparable amount of thermal energy. This heat energy can be transferred to cool air and drawn into the device body by a fan 213 attached to the electronic device, as shown in FIG. The fan 213 also exhausts hot air from the equipment body in a rack exhaust airflow direction 214 as shown in FIG.

電子機器212の出口から排気された熱風は、冷却ユニット112および113に向かって流れる。冷却ユニット112および113は、熱風が所定の温度に到達するまで、熱風から熱エネルギーを抽出する、図2の熱交換器排気方向215によって示されるように、空気が冷却ユニット112および113から流出する。冷却とラックとの間の気流は、図2の矢印215で示されている。そのような冷却ユニットの一例は、熱交換器である。 Hot air exhausted from the outlet of electronic device 212 flows toward cooling units 112 and 113 . The cooling units 112 and 113 extract thermal energy from the hot air until the hot air reaches a predetermined temperature. Air exits the cooling units 112 and 113 as indicated by the heat exchanger exhaust direction 215 in FIG. . Airflow between the cooling and the rack is indicated by arrows 215 in FIG. One example of such a cooling unit is a heat exchanger.

熱交換器112および113はまた、必要に応じて、サーバーラック110および111の周りの気流を補助するための補助ファンを含んでもよい。 Heat exchangers 112 and 113 may also include auxiliary fans to assist with airflow around server racks 110 and 111, if desired.

また、熱交換器112および113は、水平位置で示されている。冷却システムの設計に応じて、熱交換器112および113は任意の方向をとることができる。 Also, heat exchangers 112 and 113 are shown in a horizontal position. Depending on the design of the cooling system, heat exchangers 112 and 113 can have any orientation.

サーバーラック110および111は、電源127からの電気エネルギーを消費して、それは熱エネルギーとして放散される。 Server racks 110 and 111 consume electrical energy from power supply 127, which is dissipated as heat energy.

放散された熱エネルギーは、熱交換器112および113の内部を流れる冷媒によって抽出される。液体冷媒は、熱交換器入口パイプ119から熱交換器に到達する。液体冷媒は熱エネルギーを吸収してラックの排気温度を下げる。熱エネルギーを吸収することにより、液体冷媒は蒸気冷媒に変わる。蒸気冷媒は、熱交換器出口パイプ120によって熱交換器から運び去られる。 The dissipated heat energy is extracted by refrigerant flowing inside heat exchangers 112 and 113 . Liquid refrigerant reaches the heat exchanger from heat exchanger inlet pipe 119 . The liquid coolant absorbs thermal energy to reduce the exhaust temperature of the rack. By absorbing thermal energy, the liquid refrigerant turns into a vapor refrigerant. Vapor refrigerant is carried away from the heat exchanger by heat exchanger outlet pipe 120 .

図3は、所与の時点で圧縮機冷却サイクルまたは自由冷却サイクルのいずれかを実行するための基本的な機器を含む、圧縮機/自由冷却サイクルユニット114の例を示している。圧縮機/自由冷却サイクルユニット114は、圧縮機310、ポンプ315、膨張バルブ316、サイクル切り替えバルブ312、屋外ユニット326、および温度コントローラ317を含む。 FIG. 3 shows an example compressor/free cooling cycle unit 114 that includes the basic equipment for running either a compressor cooling cycle or a free cooling cycle at a given time. Compressor/free cooling cycle unit 114 includes compressor 310 , pump 315 , expansion valve 316 , cycle switching valve 312 , outdoor unit 326 and temperature controller 317 .

圧縮機サイクル動作中に、圧縮機310は、熱交換器出口パイプ120から来る蒸気冷媒を圧縮するように動作する。次に、蒸気冷媒は、パイプ313を介して屋外ユニット326に送られ、蒸気冷媒から屋外環境に熱エネルギーを除去することによって液体冷媒に戻る。パイプ314を介して屋外ユニット326によって戻された液体冷媒は、膨張バルブ316を使用して膨張される。次に、液体冷媒は、熱交換器入口パイプ119を介して熱交換器112および113に戻る。切り替えバルブ312は閉じたままであり、ポンプ315はオフのままである。 During compressor cycle operation, compressor 310 operates to compress vapor refrigerant coming from heat exchanger outlet pipe 120 . The vapor refrigerant is then sent via pipe 313 to outdoor unit 326 where it returns to liquid refrigerant by removing heat energy from the vapor refrigerant to the outdoor environment. Liquid refrigerant returned by outdoor unit 326 via pipe 314 is expanded using expansion valve 316 . The liquid refrigerant then returns to heat exchangers 112 and 113 via heat exchanger inlet pipe 119 . Switching valve 312 remains closed and pump 315 remains off.

自由冷却サイクル動作中に、熱交換器出口パイプ120から来る蒸気冷媒は、圧縮機バイパス311を通って圧縮機310をバイパスし、パイプ313を介して屋外ユニット326に直接行き、蒸気冷媒から屋外環境へ熱エネルギーを除去することによって液体冷媒に戻る。パイプ314を介して屋外ユニット326によって受け取られた液体冷媒は、ポンプ315を通過し、熱交換器入口パイプ119を介して熱交換器に戻る。圧縮機310はオフのままであり、膨張バルブは閉じたままである。 During free cooling cycle operation, the vapor refrigerant coming from heat exchanger outlet pipe 120 bypasses compressor 310 through compressor bypass 311 and goes directly to outdoor unit 326 via pipe 313 and passes from the vapor refrigerant to the outdoor environment. It returns to liquid refrigerant by removing the heat energy to . Liquid refrigerant received by outdoor unit 326 via pipe 314 passes through pump 315 and returns to the heat exchanger via heat exchanger inlet pipe 119 . The compressor 310 remains off and the expansion valve remains closed.

ポンプ315は、冷媒の流れを補助するだけである。システム設計に応じて、ポンプ315は取り外されてもよい。 Pump 315 only assists the flow of refrigerant. Depending on system design, pump 315 may be removed.

屋外ユニット326は、蒸気冷媒から外部環境に熱を除去するために使用される。冷媒入口パイプ313は、蒸気冷媒を単一または複数の熱交換器321に運ぶ。ファン323は、気流方向322によって示されるように、熱交換器を通って外部環境空気を移動させるために使用され得る。蒸気冷媒は外気によって熱エネルギーを失い、液体冷媒に変わる。次に、液体冷媒は冷媒出口パイプ314に戻る。 Outdoor unit 326 is used to remove heat from the vapor refrigerant to the outside environment. Refrigerant inlet pipe 313 carries vapor refrigerant to heat exchanger(s) 321 . A fan 323 may be used to move outside ambient air through the heat exchanger as indicated by airflow direction 322 . The vapor refrigerant loses thermal energy to the outside air and turns into a liquid refrigerant. The liquid refrigerant then returns to refrigerant outlet pipe 314 .

圧縮機/自由冷却サイクルユニット114は、温度コントローラ317を含んでもよい。温度コントローラ317は、熱交換器出口冷気温度を制御および維持する。温度コントローラ314は、3つの機能、すなわち、熱交換器出口冷気温度データを受信する「熱交換器出口空気温度受信」機能318、アクチュエータの動作を決定する「アクチュエータ目標決定」機能319、およびアクチュエータを作動させる「アクチュエータオペレータ」機能320を含んでもよい。これらの機能については、図4において後に詳しく説明する。 Compressor/free cooling cycle unit 114 may include temperature controller 317 . A temperature controller 317 controls and maintains the heat exchanger outlet cold air temperature. The temperature controller 314 has three functions: a "receive heat exchanger outlet air temperature" function 318 that receives heat exchanger outlet cold air temperature data, a "determine actuator target" function 319 that determines the operation of the actuators, and a An "actuator operator" function 320 may be included to activate. These functions are described in detail later in FIG.

図1では、熱交換器入口パイプ119の入口圧力センサ124は、熱交換器入口パイプ119での冷媒圧力を測定するために使用される。熱交換器出口パイプ120の出口圧力センサ121は、熱交換器出口パイプ120での冷媒圧力を測定するために使用される。熱交換器入口パイプ119の入口温度センサ123は、熱交換器入口パイプ119の冷媒温度を測定するために使用される。熱交換器出口パイプ120の出口温度センサ122は、熱交換器出口パイプ120の冷媒温度を測定するために使用される。屋外に配置された温度センサ126は、屋外環境の屋外環境温度を測定するために使用される。流量センサ125は、熱交換器入口パイプ119での液体冷媒流量を測定するために使用される。 In FIG. 1, inlet pressure sensor 124 in heat exchanger inlet pipe 119 is used to measure refrigerant pressure at heat exchanger inlet pipe 119 . An outlet pressure sensor 121 on the heat exchanger outlet pipe 120 is used to measure the refrigerant pressure at the heat exchanger outlet pipe 120 . The heat exchanger inlet pipe 119 inlet temperature sensor 123 is used to measure the coolant temperature in the heat exchanger inlet pipe 119 . An outlet temperature sensor 122 in the heat exchanger outlet pipe 120 is used to measure the coolant temperature in the heat exchanger outlet pipe 120 . A temperature sensor 126 located outdoors is used to measure the outdoor ambient temperature of the outdoor environment. Flow sensor 125 is used to measure liquid refrigerant flow at heat exchanger inlet pipe 119 .

電源127は、サーバーラック110および111、圧縮機/自由冷却サイクルユニット114、ならびに切り替えコントローラ115などの様々な機器が必要とする電気エネルギーを供給するために使用される。センサの電気エネルギー要件は、「データフェッチ」機能118に使用されるハードウェアによって満たすことができる。必要に応じて、電源127はまた、様々なセンサに電気エネルギーを供給することができる。 Power supply 127 is used to supply the electrical energy required by various equipment such as server racks 110 and 111 , compressor/free cooling cycle unit 114 , and switching controller 115 . The sensor's electrical energy requirements can be met by the hardware used for the “data fetch” function 118 . The power supply 127 can also supply electrical energy to various sensors as needed.

切り替えコントローラ115は、適切な冷却サイクル動作を制御および維持する。切り替えコントローラ115は、例えば、3つの機能、すなわち、様々なセンサからデータをフェッチする「データフェッチ」機能118、圧縮機/自由冷却サイクルから適切なサイクルを選択する「サイクル選択」機能116、および適切な冷却サイクルを動作させるために必要なアクチュエータを作動させる「アクチュエータオペレータ」機能117を含んでもよい。切り替えコントローラ115の詳細を図5に示す。 A switching controller 115 controls and maintains proper cooling cycle operation. The switching controller 115, for example, has three functions: a "data fetch" function 118 that fetches data from various sensors; a "cycle select" function 116 that selects the appropriate cycle from the compressor/free cooling cycles; may also include an "actuator operator" function 117 that activates the actuators necessary to operate the appropriate cooling cycle. Details of the switching controller 115 are shown in FIG.

「データフェッチ」機能118は、それぞれのセンサ121、122、123、124、125、126と通信し、それらの測定値を受信する。次に、受信した値は「サイクル選択」機能116に送られる。「サイクル選択」機能116は、「データフェッチ」機能118から受信したデータを処理し、適切な冷却サイクルを決定する。適切な冷却サイクルの決定は、「アクチュエータオペレータ」機能117に送信される。適切な冷却サイクルの決定に基づいて、「アクチュエータオペレータ」機能117は、圧縮機/自由冷却サイクルユニット114と通信する。「アクチュエータオペレータ」機能137から受信したコマンドに基づいて、圧縮機/自由冷却サイクルユニット114が適切なアクチュエータを動作させる。 A "data fetch" function 118 communicates with each sensor 121, 122, 123, 124, 125, 126 and receives their measurements. The received value is then sent to the “cycle select” function 116 . A "cycle select" function 116 processes the data received from the "data fetch" function 118 to determine the appropriate cooling cycle. The determination of the appropriate cooling cycle is sent to the “actuator operator” function 117 . Based on the determination of the appropriate cooling cycle, the “actuator operator” function 117 communicates with the compressor/free cooling cycle unit 114 . Based on commands received from the "actuator operator" function 137, the compressor/free cooling cycle unit 114 operates the appropriate actuators.

図1は、それぞれの局所冷却システム、すなわち熱交換器112および113を備えた2つのサーバーラック110および111のみを示している。ラックの数は特に制限されておらず、任意の数のラックに拡張できることに留意されたい。 FIG. 1 shows only two server racks 110 and 111 with respective local cooling systems, ie heat exchangers 112 and 113 . Note that the number of racks is not particularly limited and can be expanded to any number of racks.

以下、温度コントローラ317のワークフローについて説明する。
(1)ステップ411
最初に、データセンターの条件要件に従って、熱交換器出口冷気温度の目標温度値を設定する。
The workflow of the temperature controller 317 will be described below.
(1) Step 411
First, set the target temperature value of the heat exchanger outlet cold air temperature according to the data center condition requirements.

(2)ステップ412
熱交換器出口冷気温度が、「熱交換器出口空気温度受信」機能318を介して温度センサを使用して測定される。複数のセンサを使用して、複数の熱交換器のそれぞれの出口冷気温度を測定してもよい。ラックの電力分配によって、熱交換器出口冷気温度が異なる場合がある。
(2) Step 412
Heat exchanger outlet cold air temperature is measured using a temperature sensor via the Receive Heat Exchanger Outlet Air Temperature function 318 . Multiple sensors may be used to measure the outlet cold air temperature of each of the multiple heat exchangers. Depending on the rack power distribution, the heat exchanger exit cold air temperature may vary.

例示的な実施形態の1つでは、図1の両方のサーバーラック110および111は等しい電力を消費し、したがって、ラック排気出口空気温度は両方のラックについて等しい。熱交換器冷媒入口パイプ119は、熱交換器112および113に共通であるため、液体冷媒入口の熱物理的条件は、両方の熱交換器で同じである。したがって、同じラック排気温度と同じ液体冷媒入口条件の場合、熱交換器出口冷気温度も等しくなる。 In one exemplary embodiment, both server racks 110 and 111 of FIG. 1 consume equal power, so the rack exhaust exit air temperature is equal for both racks. Since heat exchanger refrigerant inlet pipe 119 is common to heat exchangers 112 and 113, the thermophysical conditions at the liquid refrigerant inlet are the same for both heat exchangers. Therefore, for the same rack exhaust temperature and same liquid refrigerant inlet conditions, the heat exchanger outlet cold air temperature will also be equal.

別の例示的な実施形態では、サーバーラック110および111の総ラック電力が前の場合のそれと等しいという条件の下で、サーバーラック110は、ラック111よりも高い電力を消費する。この場合、サーバーラック110の排気温度は、ラック111よりも高い。したがって、サーバーラック110の近くの熱交換器の熱交換器出口冷気温度は、液体冷媒入口の熱物理的条件が両方の熱交換器で同じであるため、ラック111の近くの熱交換器よりも高い。 In another exemplary embodiment, server rack 110 consumes more power than rack 111, provided that the total rack power of server racks 110 and 111 is equal to that in the previous case. In this case, the exhaust temperature of the server rack 110 is higher than that of the rack 111 . Therefore, the heat exchanger exit cold air temperature of the heat exchanger near server rack 110 is lower than that of the heat exchanger near rack 111 because the thermophysical conditions at the liquid refrigerant inlet are the same for both heat exchangers. expensive.

したがって、異なる実施形態における等しい総ラック電力消費量に対してさえ、熱交換器出口冷気温度は異なる場合があり、それはラック電力分配に依存する。
繰り返しになるが、ラックの数は上記の説明のために特に制限されておらず、任意の数のラックに拡張することができる。
Therefore, even for equal total rack power consumption in different embodiments, the heat exchanger outlet cold air temperature may differ, which depends on the rack power distribution.
Again, the number of racks is not specifically limited for the above description and can be extended to any number of racks.

使用されるすべての測定された温度センサ値は、次のステップに転送される。
(3)ステップ413
「アクチュエータ目標決定」機能319は、測定されたすべての温度センサ値から最大熱交換器出口冷気温度を計算する。計算された最大熱交換器出口冷気温度は、ステップ410からの熱交換器出口冷気温度の設定点と比較される。
All measured temperature sensor values used are forwarded to the next step.
(3) Step 413
The "Actuator Target Determination" function 319 calculates the maximum heat exchanger exit cold air temperature from all measured temperature sensor values. The calculated maximum heat exchanger outlet cold temperature is compared to the heat exchanger outlet cold temperature set point from step 410 .

(4)ステップ414
熱交換器出口冷気温度の最高温度値が熱交換器出口冷気温度の設定点よりも高い場合には、熱交換器112および113の熱交換量の増加が「アクチュエータ目標決定」機能319によって「アクチュエータオペレータ」機能320に送られる。熱交換量を増やす一例は、熱交換器入口冷媒温度を下げることである。
(4) Step 414
If the maximum temperature value of the heat exchanger outlet cold air temperature is higher than the set point for the heat exchanger outlet cold air temperature, the increase in the amount of heat exchanged in the heat exchangers 112 and 113 is indicated by the "Determine Actuator Target" function 319 to the "Actuator operator' function 320. One example of increasing the amount of heat exchanged is to lower the heat exchanger inlet refrigerant temperature.

(5)ステップ415
熱交換量の増加に応答して、「アクチュエータオペレータ」機能320が、冷却サイクルを動作させるのに適切なアクチュエータの最小セットを動作させる。ステップ414の例のように、熱交換器の冷媒入口温度を下げるいくつかの方法があり、一例は、圧縮機310を使用して熱交換器圧力を下げる。
(5) Step 415
In response to an increase in heat exchange, an "actuator operator" function 320 operates the minimum set of actuators appropriate to operate the cooling cycle. As an example of step 414, there are several ways to reduce the refrigerant inlet temperature of the heat exchanger, one example is using the compressor 310 to reduce the heat exchanger pressure.

(6)ステップ416
熱交換器112および113の出口冷気温度の最高温度値が出口冷気温度の設定点よりも低い場合には、熱交換器112および113の熱交換量の減少が、「アクチュエータ目標決定」機能319によって「アクチュエータオペレータ」機能320に送られる。熱交換量を減らす一例は、熱交換器入口冷媒温度を上げることである。
(6) Step 416
If the maximum temperature value of the outlet cold air temperature of heat exchangers 112 and 113 is lower than the setpoint for the outlet cold air temperature, a decrease in the amount of heat exchanged by heat exchangers 112 and 113 is determined by the "determine actuator target" function 319. It is sent to the “actuator operator” function 320 . One example of reducing the amount of heat exchanged is to increase the heat exchanger inlet refrigerant temperature.

(7)ステップ417
熱交換量の減少に応答して、「アクチュエータオペレータ」機能320が、冷却サイクルを動作させるのに適切なアクチュエータの最小セットを動作させる。ステップ416の例のように、熱交換器の冷媒入口温度を上げる方法はいくつかある。一例は、圧縮機310を使用して熱交換器圧力を上げることである。
(7) Step 417
In response to a decrease in heat exchange, an "actuator operator" function 320 operates the minimum set of actuators appropriate to operate the cooling cycle. As an example of step 416, there are several ways to increase the coolant inlet temperature of the heat exchanger. One example is to use the compressor 310 to increase the heat exchanger pressure.

(8)ステップ418
温度コントローラ317はM分間待機し、これは、プリセット値であり、必要に応じて変更することができる。
(8) Step 418
Temperature controller 317 waits M minutes, which is a preset value and can be changed as needed.

ラックの電力分配の影響は、(ラックの総電力消費量と熱交換器の冷媒入口温度)などの変数を使用して定量化できる。上で説明したように、熱交換器出口冷気温度は、ラックの電力分配に依存する。また、温度コントローラは、熱交換器の冷媒入口温度を制御することにより、熱交換器出口冷気温度を維持する。したがって、(ラックの総電力消費量と熱交換器の冷媒入口温度)の変数セットを利用して、ラックの電力分配の影響を定量化できる。 The impact of rack power distribution can be quantified using variables such as (total rack power consumption and heat exchanger coolant inlet temperature). As explained above, the heat exchanger outlet cold air temperature depends on the power distribution of the rack. The temperature controller also maintains the heat exchanger outlet cold air temperature by controlling the refrigerant inlet temperature of the heat exchanger. Therefore, a set of variables (total rack power consumption and heat exchanger coolant inlet temperature) can be utilized to quantify the impact of rack power distribution.

切り替えコントローラ115のワークフロー
(1)ステップ511
熱交換器入口液体冷媒圧力の現在値が、熱交換器入口パイプ119での入口圧力センサ124からフェッチされ、熱交換器出口蒸気冷媒圧力が、熱交換器出口パイプ120での出口圧力センサ121からフェッチされ、熱交換器入口液体冷媒温度が、熱交換器入口パイプ119での入口温度センサ123からフェッチされ、熱交換器出口蒸気冷媒温度が、熱交換器出口パイプ120での出口温度センサ122からフェッチされ、熱交換器入口液体冷媒流量が、熱交換器入口パイプ119での流量センサ125からフェッチされ、データセンター外部環境温度が、外部環境での温度センサ126からフェッチされる。
Workflow of switching controller 115 (1) Step 511
The current value of heat exchanger inlet liquid refrigerant pressure is fetched from inlet pressure sensor 124 at heat exchanger inlet pipe 119 and the heat exchanger outlet vapor refrigerant pressure is fetched from outlet pressure sensor 121 at heat exchanger outlet pipe 120. The heat exchanger inlet liquid refrigerant temperature is fetched from inlet temperature sensor 123 at heat exchanger inlet pipe 119 and the heat exchanger outlet vapor refrigerant temperature is fetched from outlet temperature sensor 122 at heat exchanger outlet pipe 120. Fetched, the heat exchanger inlet liquid refrigerant flow rate is fetched from the flow sensor 125 at the heat exchanger inlet pipe 119 and the data center external environment temperature is fetched from the temperature sensor 126 at the external environment.

(2)ステップ512
熱交換器入口液体冷媒圧力と熱交換器入口液体冷媒温度を使用すると、冷媒の特性表を使用して熱交換器入口液体冷媒のエンタルピーを計算できる。冷媒の特性表は、メーカーから入手できるだけでなく、NISTによるREFPROPなどの冷媒特性の標準データベースでも入手できる。
(2) Step 512
Using the heat exchanger inlet liquid refrigerant pressure and the heat exchanger inlet liquid refrigerant temperature, the enthalpy of the heat exchanger inlet liquid refrigerant can be calculated using a refrigerant property table. Refrigerant property tables are available not only from manufacturers, but also from standard databases of refrigerant properties such as REFPROP by NIST.

熱交換器出口液体冷媒圧力と熱交換器出口液体冷媒温度を使用すると、冷媒の特性表を使用して熱交換器出口蒸気冷媒のエンタルピーを計算できる。熱交換器入口液体冷媒圧力と熱交換器入口液体冷媒温度を使用すると、冷媒の特性表を使用して熱交換器入口液体冷媒の密度を計算できる。 Using the heat exchanger outlet liquid refrigerant pressure and the heat exchanger outlet liquid refrigerant temperature, the enthalpy of the heat exchanger outlet vapor refrigerant can be calculated using a refrigerant property table. Using the heat exchanger inlet liquid refrigerant pressure and the heat exchanger inlet liquid refrigerant temperature, the density of the heat exchanger inlet liquid refrigerant can be calculated using a refrigerant property table.

以下の数1の式を使用して、現在の排熱負荷を計算することができる。

Figure 0007259950000001
ここで、Heat_loadは現在の排熱負荷、ρは熱交換器入口液体冷媒の密度、qは流量センサから取得した熱交換器入口液体冷媒流量、hvaporは熱交換器出口蒸気冷媒のエンタルピー、hliquidは熱交換器入口液体冷媒のエンタルピーである。 The current waste heat load can be calculated using the following equation (1).
Figure 0007259950000001
Here, Heat_load is the current exhaust heat load, ρ is the density of the heat exchanger inlet liquid refrigerant, q is the heat exchanger inlet liquid refrigerant flow rate obtained from the flow sensor, h vapor is the heat exchanger outlet vapor refrigerant enthalpy, h liquid is the enthalpy of the heat exchanger inlet liquid refrigerant.

(3)ステップ513
現在の熱交換器の冷媒入口温度に対して、所定の表が選択される。選択された所定の表において、現在の屋外環境温度の行と現在の排熱負荷の列との交差セルが選択される。これらの所定の表は、図6Aおよび図6Bに示すように、屋外環境温度、総排熱負荷、および熱交換器への冷媒入口温度の間の関係を定義する。
(3) Step 513
A predetermined table is selected for the current heat exchanger refrigerant inlet temperature. In the selected predetermined table, the intersection cell of the current outdoor environment temperature row and the current heat exhaust load column is selected. These predetermined tables define the relationship between outdoor ambient temperature, total waste heat load, and refrigerant inlet temperature to the heat exchanger, as shown in FIGS. 6A and 6B.

この所定の表は、必要な熱交換器液体冷媒入口温度と総熱負荷に対して、提供された屋外温度の下で自由冷却サイクルによって現在の熱負荷を抽出できるかどうかに関する関係を定義する。可能性は1または0として表すことができ、1は、必要な熱交換器液体冷媒入口温度に対して、提供された屋外温度の下で自由冷却サイクルによって現在の熱負荷を抽出できることを意味し、0は、必要な熱交換器液体冷媒入口温度に対して、提供された屋外温度の下では自由冷却サイクルによって現在の熱負荷を抽出できないことを意味する。 This predetermined table defines the relationship between the required heat exchanger liquid refrigerant inlet temperature and the total heat load as to whether the current heat load can be extracted by the free cooling cycle under the provided outdoor temperature. The probability can be expressed as 1 or 0, with 1 meaning that for the required heat exchanger liquid refrigerant inlet temperature, the current heat load can be extracted by the free cooling cycle under the provided outdoor temperature. , 0 means that the current heat load cannot be extracted by the free cooling cycle under the provided outdoor temperature for the required heat exchanger liquid refrigerant inlet temperature.

例示的な実施形態の1つでは、現在の熱交換器の冷媒入口温度は20℃であり、排熱負荷は30kWであり、屋外環境温度は6℃であり、表1は、現在の熱交換器の冷媒入口温度20℃に基づいて選択されている。表1では、排熱負荷=30kWおよび屋外環境温度=6℃の値に基づいており、図7に示すように、適切な表セルが選択される。 In one exemplary embodiment, the current heat exchanger refrigerant inlet temperature is 20° C., the waste heat load is 30 kW, and the outdoor environment temperature is 6° C. Table 1 shows the current heat exchange selected based on a coolant inlet temperature of 20°C. In Table 1, based on values of waste heat load=30 kW and outdoor ambient temperature=6° C., the appropriate table cells are selected as shown in FIG.

(4)ステップ514
ステップ513に基づいて、セル値が受信される。
ステップ513および図7で定義された1つの例示的な実施形態によれば、受信されたセル値は1である。
(4) Step 514
Based on step 513, cell values are received.
According to one exemplary embodiment defined in step 513 and FIG. 7, the received cell value is one.

(5)ステップ515
セル値が1の場合には、切り替えコントローラ115が、動作のために自由冷却サイクルを選択する。
(5) Step 515
If the cell value is 1, the switching controller 115 selects the free cooling cycle for operation.

(6)ステップ516
セル値が0である場合には、切り替えコントローラ115が、動作のために圧縮機冷却サイクルを選択する。
(6) Step 516
If the cell value is 0, the switching controller 115 selects the compressor cooling cycle for operation.

(7)ステップ517
ステップ515またはステップ516の決定が「アクチュエータオペレータ」機能117に提供され、それがアクチュエータを適切に動作させる。
(7) Step 517
The determination of step 515 or step 516 is provided to the "actuator operator" function 117, which causes the actuator to operate appropriately.

ステップ514の例示的な実施形態、すなわち、自由冷却サイクルの場合によれば、「アクチュエータオペレータ」機能117が切り替えバルブ312を開位置に設定し、ポンプ315を始動させる。また、「アクチュエータオペレータ」機能117が、圧縮機310をシャットダウンし、膨張バルブ316を閉位置に設定する。 According to the exemplary embodiment of step 514 , ie, the free cooling cycle case, the “actuator operator” function 117 sets the switching valve 312 to the open position and starts the pump 315 . An "actuator operator" function 117 also shuts down the compressor 310 and sets the expansion valve 316 to the closed position.

圧縮機冷却サイクルの場合、図3に示すように、「アクチュエータオペレータ」機能117が膨張バルブ316を開位置に設定し、圧縮機310をオンにする。また、「アクチュエータオペレータ」機能117が、切り替えバルブ312を閉位置に設定し、ポンプ315をシャットダウンする。 For the compressor cooling cycle, the "actuator operator" function 117 sets the expansion valve 316 to the open position and turns on the compressor 310, as shown in FIG. Also, the “actuator operator” function 117 sets the switching valve 312 to the closed position and shuts down the pump 315 .

(8)ステップ518
アクチュエータを動作させた後に、切り替えコントローラ115はN分間待機し、これはプリセット値であり、必要に応じて変更することができる。
(8) Step 518
After actuating the actuator, the switching controller 115 waits N minutes, which is a preset value and can be changed as required.

図5のステップ511は「データフェッチ」機能118によって実行され、ステップ512からステップ516は「サイクル選択」機能116によって実行され、ステップ517は「アクチュエータ動作」機能117によって実行される。 Step 511 of FIG. 5 is performed by the “data fetch” function 118 , steps 512 through 516 are performed by the “cycle select” function 116 , and step 517 is performed by the “actuator operation” function 117 .

(他の例示的な実施形態)
別の例示的な実施形態では、熱交換器112および113は、第1の例示的な実施形態のラック出口空気側ではなく、ラック入口空気側に配置されている。
(other exemplary embodiments)
In another exemplary embodiment, heat exchangers 112 and 113 are located on the rack inlet air side rather than the rack outlet air side of the first exemplary embodiment.

別の例示的な実施形態では、冷却サイクルの代わりに、一定温度の冷却液が熱交換器112および113に供給される。この例示的な実施形態では、現在の排熱負荷、屋外環境温度、および熱交換器入口冷却液質量流量を利用して、適切な冷却サイクルを決定する。 In another exemplary embodiment, instead of a cooling cycle, constant temperature coolant is supplied to heat exchangers 112 and 113 . In this exemplary embodiment, the current waste heat load, outdoor ambient temperature, and heat exchanger inlet coolant mass flow rate are used to determine the appropriate cooling cycle.

別の例示的な実施形態では、現在の排熱負荷がラックの総電力から決定される。 In another exemplary embodiment, the current heat rejection load is determined from the total power of the rack.

別の例示的な実施形態では、非圧縮性単一相冷媒システムの場合、温度および流量センサのみを使用して、現在の排熱負荷、屋外環境温度、および熱交換器入口冷媒温度を決定する。 In another exemplary embodiment, for an incompressible single-phase refrigerant system, only temperature and flow sensors are used to determine the current waste heat load, outdoor ambient temperature, and heat exchanger inlet refrigerant temperature. .

別の例示的な実施形態では、単一のラックは、ラックの熱負荷を除去するための複数の熱交換器ユニットを含んでもよい。 In another exemplary embodiment, a single rack may include multiple heat exchanger units to remove the heat load of the rack.

別の例示的な実施形態では、単一の熱交換器を使用して、複数のラックの排気された熱負荷を除去する。
別の例示的な実施形態では、所定の表は、0および1以外の値を使用して関係を定義する。
In another exemplary embodiment, a single heat exchanger is used to remove the evacuated heat load of multiple racks.
In another exemplary embodiment, the predetermined table defines relationships using values other than 0 and 1.

別の例示的な実施形態では、所定の表の値は、いくつかのセット/変数値と比較される。比較は、より大きい、より小さい、等しい、またはそれらの任意の組み合わせなどの関数を利用することができる。 In another exemplary embodiment, a predetermined table value is compared to some set/variable value. Comparisons can utilize functions such as greater than, less than, equal, or any combination thereof.

上記の説明において、「熱交換器」は、独立してまたは組み合わせて動作する複数の熱交換器であってもよいことに留意されたい。同様に、他の構成要素もまた、設計仕様に従って、複数のそれぞれの他の構成要素として含まれてもよい。 Note that in the above description, a "heat exchanger" may be multiple heat exchangers operating independently or in combination. Similarly, other components may also be included as multiple respective other components according to design specifications.

さらに、本例示的な実施形態による例示的な実施形態は、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てもよい。したがって、本例示的な実施形態は、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)、あるいは本明細書で「モジュール」または「システム」としてすべて一般的に参照され得るソフトウェアと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ってもよい。さらに、本例示的な実施形態は、媒体に具体化されたコンピュータ使用可能なプログラムコードを有する任意の有形の表現媒体に具体化されたコンピュータプログラム製品の形態をとってもよい。 Further, example embodiments according to the present example embodiments may be implemented as an apparatus, device, method, or computer program product. Accordingly, the present exemplary embodiments may be either an entirely hardware embodiment, an entirely software embodiment (including firmware, resident software, microcode, etc.), or referred to herein as a "module" or "system." Embodiments may take the form of a combination of software and hardware aspects, all of which may be commonly referred to. Furthermore, the present exemplary embodiments may take the form of a computer program product embodied in any tangible medium of expression having computer-usable program code embodied in the medium.

さらに、本明細書に記載されている実施例または図示は、それらが使用される1つまたは複数の用語の制限、限定、または定義を表すものとは決して見なされない。代わりに、これらの実施例または図示は、1つの特定の実施形態に関して説明されており、例示にすぎないと見なされるべきである。当業者は、これらの実施例または図示が利用される任意の1つまたは複数の用語が、本明細書または本明細書の他の場所で与えられる場合も与えられない場合もある他の実施形態を包含し、そのようなすべての実施形態は、その1つまたは複数の用語の範囲内に含まれることが意図されていることを理解するであろう。そのような非限定的な実施例または図示を指定する文言には、「例えば(for example)」、「例えば(for instance)」、「など」および「一実施形態では」が含まれるが、これらに限定されない。 Furthermore, in no way should the examples or illustrations described herein represent limitations, limitations, or definitions of the term or terms in which they are used. Instead, these examples or illustrations are described with respect to one particular embodiment and should be considered exemplary only. Any one or more terms in which these examples or illustrations are utilized will be readily apparent to those skilled in the art, other embodiments that may or may not be provided herein or elsewhere herein. and all such embodiments are intended to be included within the scope of that term or terms. Language specifying such non-limiting examples or illustrations includes "for example," "for instance," "such as," and "in one embodiment," is not limited to

本開示は、電力消費を低減しながらサーバーラックに必要な冷却を提供することができる冷却システムに適用可能である。 The present disclosure is applicable to cooling systems that can provide necessary cooling for server racks while reducing power consumption.

110 サーバーラック
111 サーバーラック
112 熱交換器
113 熱交換器
114 圧縮機/自由冷却サイクルユニット
115 切り替えコントローラ
116 サイクル選択機能
117 アクチュエータ動作機能
118 データフェッチ機能
119 冷却入口パイプ
120 冷却出口パイプ
121 出口圧力センサ
122 出口温度センサ
123 入口温度センサ
124 入口圧力センサ
125 流量センサ
126 外気温センサ
127 電源
160 CPU
161 メモリユニット
162 I/Oユニット
212 電子機器
213 ファン
214 ラック排気気流方向
215 熱交換器排気方向
310 圧縮機
311 圧縮機バイパス
312 切り替えバルブ
313 冷媒入口パイプ
314 冷媒出口パイプ
315 ポンプ
316 膨張バルブ
317 温度コントローラ
318 出口温度受信機能
319 アクチュエータ目標決定機能
320 アクチュエータオペレータ機能
321 熱交換器
322 気流方向
323 ファン
326 屋外ユニット
110 server rack 111 server rack 112 heat exchanger 113 heat exchanger 114 compressor/free cooling cycle unit 115 switching controller 116 cycle selection function 117 actuator operation function 118 data fetch function 119 cooling inlet pipe 120 cooling outlet pipe 121 outlet pressure sensor 122 Outlet temperature sensor 123 Inlet temperature sensor 124 Inlet pressure sensor 125 Flow rate sensor 126 Outside air temperature sensor 127 Power supply 160 CPU
161 memory unit 162 I/O unit 212 electronic device 213 fan 214 rack exhaust airflow direction 215 heat exchanger exhaust direction 310 compressor 311 compressor bypass 312 switching valve 313 refrigerant inlet pipe 314 refrigerant outlet pipe 315 pump 316 expansion valve 317 temperature controller 318 Outlet temperature receiving function 319 Actuator target determination function 320 Actuator operator function 321 Heat exchanger 322 Airflow direction 323 Fan 326 Outdoor unit

Claims (7)

サーバーラックと、
冷却空気を生成するように構成された熱交換器と、
前記熱交換器への冷媒入口圧力を測定するように構成された第1の圧力センサと、
前記熱交換器の冷媒出口圧力を測定するように構成された第2の圧力センサと、
前記熱交換器への冷媒入口温度を測定するように構成された第1の温度センサと、
前記熱交換器の冷媒出口温度を測定するように構成された第2の温度センサと、
屋外環境温度を測定するように構成された第3の温度センサと、
前記熱交換器への冷媒流量を測定するように構成された流量センサと、
前記第1、第2、および第3の温度センサならびに前記第1および第2の圧力センサによって受信された測定データに基づいて、圧縮機冷却サイクルと自由冷却サイクルとを切り替えるように構成されたコントローラと、を含み、
前記コントローラは、前記圧縮機冷却サイクルと前記自由冷却サイクルとを切り替えるかどうかを決定するために、
前記第1の圧力センサから得られた前記冷媒入口圧力と、前記第1の温度センサから得られた前記冷媒入口温度とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒入口の液体冷媒エンタルピーと、
前記第2の圧力センサから得られた前記冷媒出口圧力と、前記第2の温度センサから得られた前記冷媒出口温度とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒出口の蒸気冷媒エンタルピーと、
前記第1の圧力センサから得られた前記冷媒入口圧力と、前記第1の温度センサから得られた前記冷媒入口温度とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒入口の液体冷媒密度と、
を用いて排熱負荷を算出し、当該排熱負荷と前記屋外環境温度との関係に応じて自由冷却サイクルによって現在の熱負荷を抽出できるか否かを定義した表であって現在の前記熱交換器の冷媒入口温度に対応する表に基づい前記圧縮機冷却サイクルを動作させるか、前記自由冷却サイクルを動作させるかを特定
前記圧縮機冷却サイクルは、サーバーラックの排気を冷却するため圧縮機を利用し、
前記自由冷却サイクルは、前記サーバーラックの排気を冷却するために外部環境空気を利用する、冷却システム。
server rack,
a heat exchanger configured to produce cooling air;
a first pressure sensor configured to measure refrigerant inlet pressure to the heat exchanger;
a second pressure sensor configured to measure refrigerant outlet pressure of the heat exchanger;
a first temperature sensor configured to measure refrigerant inlet temperature to the heat exchanger;
a second temperature sensor configured to measure a refrigerant outlet temperature of the heat exchanger;
a third temperature sensor configured to measure the temperature of the outdoor environment;
a flow sensor configured to measure refrigerant flow to the heat exchanger;
A controller configured to switch between a compressor cooling cycle and a free cooling cycle based on measured data received by the first, second, and third temperature sensors and the first and second pressure sensors. and including
the controller for determining whether to switch between the compressor cooling cycle and the free cooling cycle;
liquid refrigerant enthalpy at the refrigerant inlet of the heat exchanger calculated based on the refrigerant inlet pressure obtained from the first pressure sensor and the refrigerant inlet temperature obtained from the first temperature sensor;
vapor refrigerant enthalpy at the refrigerant outlet of the heat exchanger calculated based on the refrigerant outlet pressure obtained from the second pressure sensor and the refrigerant outlet temperature obtained from the second temperature sensor;
a liquid refrigerant density at a refrigerant inlet of the heat exchanger calculated based on the refrigerant inlet pressure obtained from the first pressure sensor and the refrigerant inlet temperature obtained from the first temperature sensor;
is used to calculate the exhaust heat load , and a table defining whether or not the current heat load can be extracted by a free cooling cycle according to the relationship between the exhaust heat load and the outdoor environment temperature. determining whether to operate the compressor refrigeration cycle or the free refrigeration cycle based on a table corresponding to exchanger refrigerant inlet temperatures ;
the compressor cooling cycle utilizes a compressor to cool server rack exhaust;
A cooling system wherein the free cooling cycle utilizes outside ambient air to cool the exhaust of the server rack.
前記コントローラは、前記圧縮機冷却サイクルと前記自由冷却サイクルとを切り替えるかどうかを決定するために、前記測定データを使用して前記冷媒出口と前記冷媒入口の差に基づいて前記冷却システムの熱負荷を決定する、
請求項1に記載の冷却システム。
The controller uses the measured data to determine whether to switch between the compressor cooling cycle and the free cooling cycle based on the difference between the refrigerant outlet and the refrigerant inlet. determine the
A cooling system according to claim 1 .
前記圧縮機冷却サイクルと前記自由冷却サイクルとを切り替えるかどうかを決定するために、前記熱負荷および屋外環境温度値が所定の表と比較される、
請求項2に記載の冷却システム。
the heat load and outdoor ambient temperature values are compared to a predetermined table to determine whether to switch between the compressor cooling cycle and the free cooling cycle;
3. The cooling system of claim 2.
前記所定の表は、前記自由冷却サイクルが前記屋外環境温度値および熱交換器の冷媒入口温度についての排熱負荷を除去できるかどうかに関するデータを含む、
請求項3に記載の冷却システム。
the predetermined table includes data regarding whether the free cooling cycle can remove waste heat load for the outdoor environment temperature value and the coolant inlet temperature of the heat exchanger;
4. The cooling system of claim 3.
サーバーラックの冷却システムのための制御装置であって、前記冷却システムは、熱交換器、複数の測定センサ、ならびに前記熱交換器に圧縮機冷却および自由冷却を提供するように構成された冷却サイクルユニットを含み、前記制御装置は、
メモリユニットと、
処理ユニットと、
前記熱交換器への冷媒入口圧力測定、冷媒出口圧力測定、冷媒入口温度測定、冷媒出口温度測定、屋外環境温度測定、および冷媒流量測定を前記複数の測定センサから受信するように構成されたI/Oユニットと、を含み、
前記処理ユニットは、前記熱交換器への前記冷媒入口圧力測定、前記冷媒出口圧力測定、前記冷媒入口温度測定、前記冷媒出口温度測定、前記屋外環境温度測定、および前記冷媒流量測定に基づいて、圧縮機冷却サイクルと自由冷却サイクルとを切り替えるコマンドを前記冷却サイクルユニットに出力するように構成され、
前記圧縮機冷却サイクルと前記自由冷却サイクルとを切り替えるかどうかを決定するために、
前記冷媒入口圧力測定の値と、前記冷媒入口温度測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒入口の液体冷媒エンタルピーと、
前記冷媒出口圧力測定の値と、前記冷媒出口温度測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒出口の蒸気冷媒エンタルピーと、
前記冷媒入口圧力測定の値と、前記冷媒入口温度測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒入口の液体冷媒密度と、
を用いて排熱負荷を算出し、当該排熱負荷と前記屋外環境温度測定の値との関係に応じて自由冷却サイクルによって現在の熱負荷を抽出できるか否かを定義した表であって現在の前記熱交換器の冷媒入口温度に対応する表に基づい前記圧縮機冷却サイクルを動作させるか、前記自由冷却サイクルを動作させるかを特定する、制御装置。
A controller for a cooling system of a server rack, said cooling system comprising a heat exchanger, a plurality of measurement sensors, and a cooling cycle configured to provide compressor cooling and free cooling to said heat exchanger. a unit, the controller comprising:
a memory unit;
a processing unit;
I configured to receive refrigerant inlet pressure measurements to the heat exchanger, refrigerant outlet pressure measurements, refrigerant inlet temperature measurements, refrigerant outlet temperature measurements, outdoor environment temperature measurements, and refrigerant flow measurements from the plurality of measurement sensors. /O units and
Based on the refrigerant inlet pressure measurement to the heat exchanger, the refrigerant outlet pressure measurement, the refrigerant inlet temperature measurement, the refrigerant outlet temperature measurement, the outdoor environment temperature measurement, and the refrigerant flow measurement, the processing unit: configured to output a command to switch between a compressor cooling cycle and a free cooling cycle to the cooling cycle unit;
to determine whether to switch between the compressor cooling cycle and the free cooling cycle;
a liquid refrigerant enthalpy at the refrigerant inlet of the heat exchanger calculated based on the refrigerant inlet pressure measurement and the refrigerant inlet temperature measurement;
a vapor refrigerant enthalpy at the refrigerant outlet of the heat exchanger calculated based on the refrigerant outlet pressure measurement and the refrigerant outlet temperature measurement;
a liquid refrigerant density at the refrigerant inlet of the heat exchanger calculated based on the refrigerant inlet pressure measurement and the refrigerant inlet temperature measurement;
is used to calculate the exhaust heat load, and a table defining whether or not the current heat load can be extracted by the free cooling cycle according to the relationship between the exhaust heat load and the value of the outdoor environment temperature measurement. determining whether to operate the compressor refrigeration cycle or the free refrigeration cycle based on a table corresponding to the refrigerant inlet temperatures of the heat exchangers of the .
熱交換器への冷媒入口圧力を測定することと、
前記熱交換器の冷媒出口圧力を測定することと、
前記熱交換器への冷媒入口温度を測定することと、
前記熱交換器の冷媒出口温度を測定することと、
屋外環境温度を測定することと、
前記熱交換器への冷媒流量を測定することと、
前記冷媒入口圧力と、前記冷媒出口圧力と、前記冷媒入口温度と、前記冷媒出口温度と、前記屋外環境温度と、前記冷媒流量との間の関係に基づいて、圧縮機冷却サイクルまたは自由冷却サイクルのいずれを動作させるかを決定することと、
を含み、
前記圧縮機冷却サイクルと前記自由冷却サイクルのいずれを動作させるかを決定するために、
前記冷媒入口圧力の測定の値と、前記冷媒入口温度の測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒入口の液体冷媒エンタルピーと、
前記冷媒出口圧力の測定の値と、前記冷媒出口温度の測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒出口の蒸気冷媒エンタルピーと、
前記冷媒入口圧力の測定の値と、前記冷媒入口温度の測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒入口の液体冷媒密度と、
を用いて排熱負荷を算出し、当該排熱負荷と前記屋外環境温度の測定の値との関係に応じて自由冷却サイクルによって現在の熱負荷を抽出できるか否かを定義した表であって現在の前記熱交換器の冷媒入口温度に対応する表に基づい前記圧縮機冷却サイクルを動作させるか、前記自由冷却サイクルを動作させるかを特定
サーバーラックのための冷却方法。
measuring the refrigerant inlet pressure to the heat exchanger;
measuring the refrigerant outlet pressure of the heat exchanger;
measuring a refrigerant inlet temperature to the heat exchanger;
measuring the refrigerant outlet temperature of the heat exchanger;
measuring the temperature of the outdoor environment;
measuring refrigerant flow to the heat exchanger;
Compressor cooling cycle or free cooling cycle based on the relationship between the refrigerant inlet pressure, the refrigerant outlet pressure, the refrigerant inlet temperature, the refrigerant outlet temperature, the outdoor environment temperature, and the refrigerant flow rate. determining which of the
including
to determine whether to operate the compressor cooling cycle or the free cooling cycle;
a liquid refrigerant enthalpy at the refrigerant inlet of the heat exchanger calculated based on the measured refrigerant inlet pressure and the measured refrigerant inlet temperature;
a vapor refrigerant enthalpy at the refrigerant outlet of the heat exchanger calculated based on the measured refrigerant outlet pressure and the measured refrigerant outlet temperature;
a liquid refrigerant density at the refrigerant inlet of the heat exchanger calculated based on the measured refrigerant inlet pressure and the measured refrigerant inlet temperature;
is used to calculate the exhaust heat load, and a table defining whether or not the current heat load can be extracted by the free cooling cycle according to the relationship between the exhaust heat load and the measured value of the outdoor environment temperature. A cooling method for a server rack that identifies whether to operate the compressor refrigeration cycle or the free refrigeration cycle based on a table corresponding to the current heat exchanger refrigerant inlet temperature .
コンピュータに、
熱交換器への冷媒入口圧力を測定することと、
前記熱交換器の冷媒出口圧力を測定することと、
前記熱交換器への冷媒入口温度を測定することと、
前記熱交換器の冷媒出口温度を測定することと、
屋外環境温度を測定することと、
前記熱交換器への冷媒流量を測定することと、
前記冷媒入口圧力と、前記冷媒出口圧力と、前記冷媒入口温度と、前記冷媒出口温度と、前記屋外環境温度と、前記冷媒流量との間の関係に基づいて、圧縮機冷却サイクルまたは自由冷却サイクルのいずれを動作させるかを決定することと、
を実行させ、
前記圧縮機冷却サイクルと前記自由冷却サイクルのいずれを動作させるかを決定するために、
前記冷媒入口圧力の測定の値と、前記冷媒入口温度の測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒入口の液体冷媒エンタルピーと、
前記冷媒出口圧力の測定の値と、前記冷媒出口温度の測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒出口の蒸気冷媒エンタルピーと、
前記冷媒入口圧力の測定の値と、前記冷媒入口温度の測定の値とに基づいて計算した前記熱交換器の冷媒入口の液体冷媒密度と、
を用いて排熱負荷を算出し、当該排熱負荷と前記屋外環境温度の測定の値との関係に応じて自由冷却サイクルによって現在の熱負荷を抽出できるか否かを定義した表であって現在の前記熱交換器の冷媒入口温度に対応する表に基づい前記圧縮機冷却サイクルを動作させるか、前記自由冷却サイクルを動作させるかを特定す処理を実行させるプログラム。
to the computer,
measuring the refrigerant inlet pressure to the heat exchanger;
measuring the refrigerant outlet pressure of the heat exchanger;
measuring a refrigerant inlet temperature to the heat exchanger;
measuring the refrigerant outlet temperature of the heat exchanger;
measuring the temperature of the outdoor environment;
measuring refrigerant flow to the heat exchanger;
Compressor cooling cycle or free cooling cycle based on the relationship between the refrigerant inlet pressure, the refrigerant outlet pressure, the refrigerant inlet temperature, the refrigerant outlet temperature, the outdoor environment temperature, and the refrigerant flow rate. determining which of the
and
to determine whether to operate the compressor cooling cycle or the free cooling cycle;
a liquid refrigerant enthalpy at the refrigerant inlet of the heat exchanger calculated based on the measured refrigerant inlet pressure and the measured refrigerant inlet temperature;
a vapor refrigerant enthalpy at the refrigerant outlet of the heat exchanger calculated based on the measured refrigerant outlet pressure and the measured refrigerant outlet temperature;
a liquid refrigerant density at the refrigerant inlet of the heat exchanger calculated based on the measured refrigerant inlet pressure and the measured refrigerant inlet temperature;
is used to calculate the exhaust heat load, and a table defining whether or not the current heat load can be extracted by the free cooling cycle according to the relationship between the exhaust heat load and the measured value of the outdoor environment temperature. A program for executing processing for specifying whether to operate the compressor cooling cycle or the free cooling cycle based on a table corresponding to current refrigerant inlet temperatures of the heat exchanger .
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