JP7397111B2 - 液冷装置、データセンターおよび電子機器を調整する方法 - Google Patents

Description

本出願の実施例は、主にサーバおよびデータセンターの冷却に関する。より具体的には、本出願の実施形態は、高い電力密度のラックおよびクラスタを有するデータセンターに冷却および電力を供給するための自己調整機能を有する統合型熱・電気システム設計に関する。

冷却は、コンピュータシステムとデータセンターの設計における考慮すべき重要な要素である。サーバ内に実装された高性能プロセッサなどの高性能電子コンポーネントの数は、着実に増加しており、それによって生じた熱の量が増加し、サーバの通常の動作中に放散される。データセンターで動作する環境が時間の経過に伴って温度の上昇が許容される場合に、データセンター内で使用されるサーバの信頼性が低下する。適切な熱環境を保持することは、データセンターにおけるこれらのサーバの正常な動作、並びにサーバの性能、信頼性および寿命にとって重要である。柔軟性が特にこれらの高性能サーバを冷却する場合には、より効果的で効率的な冷却方案が求められている。

サーバと、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）などの他の高性能電子コンポーネントとは、通常、非常に高い電力密度および熱密度を生成するために、高集積化されたチップ、ボード、またはラックのクラスタ内に密にパッケージ化されている。継続に増加する冷却容量を満たすことに加えて、電力密度の増加に伴って、データセンターの電力容量を柔軟に増加させることが要求される。高性能データセンターに給電するためのランニングコストを低減し、環境影響を軽減し、持続可能な目標と調整要求を満たすために、エネルギー効率と電力効率を高める必要がある。増加した電力密度と冷却能力の二重の要求を満たす従来の解決方案は大量の電力および冷却バッファの設計を必要とする可能性があり、これらのバッファは、データセンターの寿命期間で、スケーリングしにくく、または非効率的に使用される。また、短期変動の要求に応えるために、電力・冷却システムは統合・制御されなくてもよい。したがって、データセンターにおける高性能電子コンポーネントの熱的および電力的管理のニーズを満たすために、拡張性、信頼性があり、効率的で、サービス可能で、かつ低コストである統合型熱・電気システム設計が必要とされている。さらに、環境規制により、データセンターに給電するための再生可能なエネルギー源の開発とデプロイメントが重要になってきている。

本出願の一態様によれば、データセンターの液冷装置が開示される。この液冷装置は、冷却液を用いて１つまたは複数の情報技術コンポーネントから熱を除去するための一次凝縮器を有する一次冷却ループと、前記冷却液の蒸気圧を監視するためのセンサと、前記冷却液の前記蒸気圧が閾値を超えたときに前記一次冷却ループを補充して前記情報技術コンポーネントから熱を除去するために、前記二次冷却ループを閉じるように接続された二次凝縮器を有する二次冷却ループと、再生可能エネルギー源とエネルギー蓄積システムとを含む電力分配システムであって、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器を前記二次冷却ループに接続し、前記二次冷却ループの冷却能力を制御するように電力を分配するように構成される電力分配システムと、を備える。

本出願の他の一態様によれば、データセンターが開示される。このデータセンターは、少なくとも１つの再生可能エネルギー源と、少なくとも１つのエネルギー蓄積システムとを含む電力分配システムと、
複数の電子ラックであって、各電子ラックは複数のサーバシャーシを含み、各サーバシャーシは１つまたは複数のサーバに対応しており、各電子ラックは、
前記サーバから冷却液を用いて熱を除去するための一次凝縮器を有する一次冷却ループと、
前記冷却液の蒸気圧を監視するためのセンサと、
前記冷却液の前記蒸気圧が閾値を超えたときに前記一次冷却ループを補充して前記サーバから熱を除去するために、前記二次冷却ループを閉じるように接続された二次凝縮器を有する二次冷却ループと、を備え、
前記電力分配システムは、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器を前記二次冷却ループに接続し、前記二次冷却ループの冷却能力を制御するように電力を分配するように構成される。

本出願のさらに別の態様によれば、電子機器の熱負荷および電気負荷を調整する方法が開示される。該方法は、一次冷却ループの一次凝縮器を接続して冷却液を循環させて電子機器から熱を除去するステップと、
エネルギー蓄積システムを充電するために再生可能エネルギー源を接続するステップと、
前記冷却液の蒸気圧を監視するステップと、
前記冷却液の前記蒸気圧が閾値を超えた場合に、前記電子機器からの熱を除去する際に前記一次冷却ループを補充するために、二次凝縮器を二次冷却ループに接続するステップと、
前記蒸気圧に基づいて前記二次冷却ループの冷却能力を調整するために、前記再生可能エネルギー源および前記エネルギー蓄積システムから電力を分配するステップと、を含む。

本出願の実施例は、図面において限定的ではなく例示的な形態で示され、図面において同様の符号が同様の素子を示す。
一実施例に係るデータセンター施設の一例を示すブロック図である。 一実施例に係る電子ラックの一例を示すブロック図である。 一実施例に係る冷却板の構成例を示すブロック図である。 一実施例に係るデータセンターの電子コンポーネントのラックのための強化された冷却能力および補助電力を提供するための統合システムの熱的、電気的および制御アーキテクチャの一例を示す。 一実施例に係る複数のラック間の冷却能力および電気負荷を調整するために太陽光発電システムおよびエネルギー蓄積システムを共有する統合システムの熱、電力および制御アーキテクチャの一例を示す。 一実施例に係る各ラックに専用の太陽光発電システムを提供するが、ラックの冷却能力および電気負荷を調整するために複数のラックでエネルギー蓄積システムを共有する統合システムの熱、電力および制御アーキテクチャの一例を示す。 一実施例に係る、複数のラック間の冷却能力および電気負荷を調整するために太陽光発電システムおよびエネルギー蓄積システムを共用する統合システムの熱、電力および制御アーキテクチャの一例を示しており、統合システムにおいて、ラックは、二次冷却ループの凝縮器および流体貯留システムも共用する。 一実施例に係る、熱および電力密度に応じて、データセンター又はコンピュータシステム内の電子機器の冷却能力および電気負荷を調整する方法の一例を示すフローチャートである。

以下に記述する詳細を参照しながら発明の様々な実施例および態様を説明し、添付図面に様々な実施例を示す。以下の記述および図面は、本出願を説明するためのものであり、発明を限定するものではない。本出願の様々な実施例を全面的に理解するために、多くの特定の詳細を説明する。しかしながら、特定の例において、本出願の実施例の簡潔な議論を提供するために、周知のまたは従来の詳細は記載されていない。

本明細書において、「一実施例」または「実施例」とは、該実施例を参照しながら説明された特定の特徴、構造または特性が発明の少なくとも１つの実施例に包含されてもよいことを意味する。明細書の様々な箇所に記載されている「一実施例において」とは、必ずしも同一の実施例を指すものではない。

強化された冷却能力および補助電力を提供して、コンピュータシステムまたはデータセンターの高い熱密度および電力密度要件をサポートするための、自己調整能力を有する統合型熱・電気システムの設計が開示されている。一態様において、統合設計された熱システムは、通常動作のための固定冷却能力を有する一次冷却ループと、一次冷却ループの固定冷却能力が不足する場合に一次冷却ループを補充する二次冷却ループとの２つの冷却ループを含む。一次冷却ループおよび二次冷却ループは、それぞれ熱交換ユニットとしての対応する凝縮器を有している。各凝縮器は、冷却液をデータセンターの電子ラックに輸送してラックのサーバまたは他の電子コンポーネントからの熱を除去するための二次ループを有してもよい。各凝縮器は、二次ループと熱交換する流体を運ぶために、外部冷却液供給・戻りラインに接続された一次ループを有してもよい。各凝縮器の二次ループは相変化流体を用いることができ、該相変化流体の蒸気圧はサーバまたは電子コンポーネントの熱負荷によって変化する。一次冷却ループの冷却能力を補充するために二次冷却ループを接続する場合、システムは、相変化流体の蒸気圧に基づいて、熱負荷の変動に応じて二次凝縮器の一次ループ内の流体流速または二次凝縮器を通過する気流の流量を制御してもよい。

一態様において、電気システムは、主要な公共電力を補うための補助電力を供給するために、太陽光発電システムおよび蓄電システムを含む。太陽光発電システムは、二次凝縮器を通過する流体の流速または空気の流速を制御するために、相変化流体の蒸気圧に基づいて二次凝縮器の一次ループに給電してもよい。太陽光発電システムは、二次冷却ループに給電しないときに蓄電システムを充電してもよい。蓄電システムは、太陽光発電システムの電力が利用できない場合または不足する場合に、二次凝縮器の一次ループに給電するためのバッテリであってもよい。一態様において、蓄電システムは、一次冷却ループに給電してもよい。一態様において、蓄電システムは、コンピュータシステムまたはデータセンターの電力需要の増加に応じて、電子コンポーネントに補助電力を供給してもよい。自己調整能力を有する統合型熱・電気システムは、高性能ＩＴクラスタの効率的な熱および電力管理を提供し、高熱および電力密度の要求を満たすために、冷却性能、冷却信頼性、電力効率、システムの拡張性、持続可能性の要求を増加し、コストを削減する。

一態様において、太陽光発電システムおよび蓄電システムは、ラックまたはＩＴクラスタの冷却能力および電気負荷を調整するために、複数のラックまたはＩＴクラスタ間で共有される。コントローラは、蒸気圧を受けて、二次冷却ループの冷却能力を各ラックに個別に接続および制御して、対応する熱負荷による蒸気圧の変動に応答することができる。また、コントローラは、太陽光発電システムおよび蓄電システムの電圧および利用可能性を受信して、各ラックからの蒸気圧情報と併用して、太陽光発電システム又は蓄電システムから各ラックの二次凝縮器の一次ループへの電力を調整することができる。

一態様において、太陽光発電システムは各ラックに専用であるが、蓄電システムは、ラックの冷却能力および電気負荷を調整するために、複数のラック間で共用される。コントローラは、蒸気圧を受けて、二次冷却ループの各ラックへの冷却能力を、対応する熱負荷による蒸気圧の変化に応じて個別に接続および制御することができる。また、コントローラは、専用太陽光発電システムおよび共用蓄電システムの電圧を受けて、各ラックからの蒸気圧情報と併せて、各ラックの専用太陽光発電システムまたは共用蓄電システムから各ラックの二次凝縮器の一次ループへの電力を調整することができる。

一態様において、二次冷却ループの二次凝縮器および流体貯留システムは、複数のラックで共用される。また、複数のラックで太陽光発電システムと蓄電システムも共用されている。コントローラは、各ラックから蒸気圧を受けて、共用の二次凝縮器および流体貯留システムの二次冷却ループから各ラックへの冷却能力を個別に接続して制御することができる。各ラックの二次冷却ループからの流体蒸気ラインは、共用の二次凝縮器に接続されている。共用の二次凝縮器の戻りラインは、流体貯留システムに接続されている。各ラックの二次冷却ループ用の液体流体供給ラインは、流体貯留システムに接続されており、ラックの対応する蒸気圧に基づいて、その熱負荷に応答してコントローラにより調整される。コントローラは、太陽光発電システムまたは蓄電システムから、二次凝縮器を共用する一次ループへの電力を調整することができる。蓄電システムは、一次冷却ループまたはラックの電子コンポーネントに給電するために、太陽光発電システムまたは主な公共電力によって充電されてもよい。

図１は、一実施例に係るデータセンターまたはデータセンターユニットの一例を示すブロック図である。該例では、図１は、データセンターの少なくとも一部の平面図を示している。図１を参照すると、一実施例によれば、データセンターシステム１００は、情報技術（ＩＴ）コンポーネント、デバイス、または機器（例えば、ネットワーク（例えば、インターネット）を介して様々なクライアントにデータサービスを提供するコンピュータサーバまたはコンピューティングノード）の電子ラックの一列または複数列１０１～１０２を備える。一実施例において、各列は、電子ラック１１０Ａ～１１０Ｎなどの電子ラックアレイを含む。しかし、より多くのまたはより少ない列の電子ラックを実現することも可能である。通常、列１０１～１０２は、フロントエンドが互いに向き合い、バックエンドが互いに背中合わせるように平行に整列され、管理者がその中を歩くことができる通路１０３が中間に形成される。しかし、他の構成または配置を適用することも可能である。例えば、２列の電子ラックは背中合わせるようにしてもよい。中間に通路を形成することなく、それらの先端が背中合わせに配置する。電子ラックのバックエンドは、室内の冷却液マニホールドに接続されてもよい。

一実施例において、電子ラック（例えば、電子ラック１１０Ａ～１１０Ｎ）のそれぞれは、その中で動作する、積み重ねて配置された複数のＩＴコンポーネントを収容するためのハウジングを含む。電子ラックは、冷却液マニホールド、複数のサーバスロット（例えば、同一または類似フォームファクタで構成された標準的な棚またはシャーシ）、およびサーバスロットへの挿入およびサーバスロットからの取り外しが可能な複数のサーバシャーシ（サーバブレードまたはサーバ棚（ｓｅｒｖｅｒ ｓｈｅｌｖｅ）とも呼ばれる）を含んでもよい。各サーバシャーシは、１つまたは複数のプロセッサ、メモリ、および／または永続性記憶装置（例えば、ハードディスク）を有するコンピューティングノードを表し、コンピューティングノードは、その中で動作する１つまたは複数のサーバを含んでもよい。少なくとも１つのプロセッサは、冷却液体を受けるために液冷板（冷却板アセンブリとも呼ばれる）に取り付けられる。また、サーバシャーシには、内部に収容されたコンピューティングノードを空冷するための１つまたは複数の任意の冷却ファンが関連付けられている。なお、冷却システム１２０は、データセンターシステム１００などの複数のデータセンターシステムに接続されてもよい。

一実施例において、冷却システム１２０は、建物／ハウジング容器の外部にある冷却塔またはドライクーラーに接続される外部液体ループを含む。冷却システム１２０は、蒸発冷却、自由空気、高い熱質量への排除（ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｌａｒｇｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）、および排熱回収設計を含むことができるが、これらに限定されない。冷却システム１２０は、冷却液を供給する冷却液源を含んでもよく、または冷却液源に接続されてもよい。

一実施例において、各サーバシャーシは、冷却液マニホールドにモジュール式に接続され、その結果、サーバシャーシは、電子ラック内の残りのサーバシャーシおよび冷却液マニホールドの動作に影響を与えることなく、電子ラックから取り外すことができる。別の実施例において、各サーバシャーシは、サーバ液体供給口コネクタとサーバ排液口コネクタとを有するクイックレリーズカップリングアセンブリを介して冷却液マニホールドに接続され、該サーバ液体供給口コネクタは、プロセッサに冷却液を分配するために可撓性ホースに接続される。サーバ液体供給口コネクタは、電子ラックのバックエンドに取り付けられた冷却液マニホールドからラック液体供給口コネクタを介して冷却液を受ける。サーバ排液口コネクタは、ラック排液口コネクタを介して、プロセッサから交換された熱を運ぶより暖かいまたはより熱い液体を冷却液マニホールドに排出し、その後、電子ラック内の冷却液分配ユニット（ｃｏｏｌａｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｕｎｉｔ，ＣＤＵ）に戻す。

一実施例において、各電子ラックのバックエンドに設置された冷却液マニホールドは、冷却システム１２０からの冷却液を受けるために、液体供給ライン１３２（室内供給マニホールドとも呼ばれる）に接続される。冷却液は、冷却板アセンブリに取り付けられた液体分配ループを介して分配され、プロセッサから熱量を除去するために、プロセッサが冷却板アセンブリに取り付けられる。冷却板は、液体分配管が取り付けられているか埋め込まれているヒートシンクと同様に構成されている。プロセッサから交換された熱を運ぶ、より暖かいかまたはより熱い液体は、液体戻りライン１３１（室内戻りマニホールド（ｒｏｏｍ ｒｅｔｕｒｎ ｍａｎｉｆｏｌｄ）とも呼ばれる）を介して冷却システム１２０に輸送される。

液体供給／戻りライン１３１～１３２は、データセンターまたは室内液体供給／戻りライン（例えば、グローバル液体供給／戻りライン）と呼ばれ、列１０１～１０２の全ての電子ラックに冷却液を供給する。液体供給ライン１３２および液体戻りライン１３１は、各電子ラック内のＣＤＵの熱交換器に接続されて、一次ループを形成する。熱交換器の二次ループは、プロセッサの冷却板に冷却液を供給するために、電子ラック内の各サーバラックに接続される。一実施例において、液体供給／戻りライン１３１～１３２は、後述する２つの冷却ループを有する統合型熱・電気システムの一次冷却ループまたは二次冷却ループの凝縮器の一次ループに接続されてもよい。

一実施例において、データセンターシステム１００は、オプションとして気流輸送システム１３５（空気供給システムとも呼ばれる）をさらに含んでもよく、該気流輸送システム１３５は、気流を生成し、気流は電子ラックのサーバシャーシの空気空間を通し、コンピューティングノード（例えば、サーバ）の動作による熱を交換し、気流の温度を低下させるために気流の交換による熱を外部環境または冷却システム（例えば、空気－液体熱交換器（ａｉｒ－ｔｏ－ｌｉｑｕｉｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ））に排出する。例えば、気流輸送システム１３５は、通路１０３から電子ラック１１０Ａ～１１０Ｎを通して循環して交換による熱を奪うための涼／冷気流（ｃｏｏｌ／ｃｏｌｄ ａｉｒ）を発生させる。一実施例において、涼／冷気流は、後述する２つの冷却ループを有する統合型熱・電気システムの一次冷却ループまたは二次冷却ループの凝縮器に輸送されてもよい。

冷却気流は、電子ラックのフロントエンドから電子ラックに入り、暖／熱気流は、電子ラックのバックエンドから排出される。交換による熱を有する暖／熱気流は、ルーム／建物から排出するか、又は空気－液体熱交換器のような独立した冷却システムを用いて冷却される。このように、冷却システムは、プロセッサによる熱の一部を対応する冷却板を介して冷却液で除去し、プロセッサ（または他の電子機器または処理装置）による残りの熱を気流で冷却して除去する複合型液体?空気冷却システムである。

図２は、一実施例に係る電子ラックを示すブロック図である。電子ラック２００は、図１に示すようなあらゆる電子ラック（例えば、電子ラック１１０Ａ～１１０Ｎ）であってもよい。図２を参照すると、一実施例による電子ラック２００は、ＣＤＵ２０１、ラック管理ユニット（ＲＭＵ）２０２、および１つまたは複数のサーバシャーシ２０３Ａ～２０３Ｅ（サーバシャーシ２０３と総称される）を含むが、これらに限定されない。サーバシャーシ２０３は、それぞれ電子ラック２００のフロントエンド２０４またはバックエンド２０５からサーバスロット（例えば、標準棚）のアレイに挿入されてもよい。なお、ここでは、５つのサーバシャーシ２０３Ａ～２０３Ｅが示されているが、電子ラック２００内のサーバシャーシの数は、これよりも多くても少なくてもよい。なお、ＣＤＵ２０１、ＲＭＵ２０２、および／またはサーバシャーシ２０３の特定の位置は、説明のみを目的として示され、ＣＤＵ２０１、ＲＭＵ２０２、および／またはサーバシャーシ２０３の他の配置または構成を実現してもよい。一実施例において、冷却ファンがフロントエンドからバックエンドまでの気流を発生させることができるのであれば、電子ラック２００は、環境に対して開放されていてもよいし、ラック容器に部分的に収容されていてもよい。

また、サーバシャーシ２０３の少なくとも一部には、オプションとしてファンモジュール（図示せず）がサーバシャーシに関連付けられている。各ファンモジュールは、１つまたは複数の冷却ファンを含む。ファンモジュールは、サーバシャーシ２０３のバックエンドまたは電子ラックに取り付けられ、フロントエンド２０４から流れ出てサーバシャーシ２０３の空気空間を通過し、電子ラック２００のバックエンド２０５に存在する気流を発生させてもよい。

一実施例において、ＣＤＵ２０１は、主に、熱交換器２１１と、液体ポンプ２１２と、ポンプコントローラ（図示せず）と、液体リザーバ、電源、監視センサなどのコンポーネントとを含む。熱交換器２１１は、液体から液体への熱交換器であってもよい。熱交換器２１１は入口ポートと出口ポートとを有する第１のループを含み、前記入口ポートと出口ポートは、一次ループを形成するために外部液体供給／戻りライン１３１～１３２に接続された第１対の液体コネクタを有する。外部液体供給／戻りライン１３１～１３２に接続されるコネクタが電子ラック２００のバックエンド２０５に設けられていてもよいし、取り付けられていてもよい。液体供給／戻りライン１３１～１３２は室内液体供給／戻りラインとも呼ばれ、上述したように冷却システム１２０に接続されてもよい。

さらに、熱交換器２１１は２つのポートを有する二次ループをさらに備え、前記２つのポートは、二次ループを形成するために液体マニホールド２２５（ラックマニホールドとも呼ばれる）に接続された第２対の液体コネクタを有し、前記二次ループは、供給マニホールド（ラック液体供給ラインまたはラック供給マニホールドとも呼ばれる）および戻りマニホールド（ラック液体戻りラインまたはラック戻りマニホールドとも呼ばれる）を含んでもよく、前記供給マニホールドは、冷却液をサーバシャーシ２０３に供給し、前記戻りマニホールドは、より暖かい液体をＣＤＵ２０１に戻す。なお、ＣＤＵ２０１は、市販またはカスタマイズされた任意の種類のＣＤＵであってもよい。したがって、ＣＤＵ２０１の詳細についてここで説明しない。一実施例において、ＣＤＵ２０１内の熱交換器２１１は、後述する２つの冷却ループを有する統合型熱・電気システムの一次冷却ループまたは二次冷却ループの凝縮器であってもよい。

各サーバシャーシ２０３は、１つまたは複数のＩＴコンポーネント（例えば、中央処理装置またはＣＰＵ、汎用／グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）、メモリ、および／または記憶装置）を含んでもよい。各ＩＴコンポーネントは、データ処理タスクを実行することができ、ＩＴコンポーネントは、記憶装置にインストールされ、メモリにロードされ、データ処理タスクを実行するために１つまたは複数のプロセッサによって実行されるソフトウェアを含んでもよい。サーバシャーシ２０３は、１つまたは複数のコンピュータサーバ（ＣＰＵサーバおよびＧＰＵサーバなどのコンピューティングノードとも呼ばれる）に接続されたホストサーバ（ホストノードとも呼ばれる）を含んでもよい。ホストサーバ（１つまたは複数のＣＰＵを有する）は、通常、ネットワーク（例えば、インターネット）を介してクライアントと接続され、ストレージサービスなどの、特定のサービス（例えば、バックアップおよび／または復元などのクラウドベースのストレージサービス）への要求を受信し、アプリケーションを実行して特定の動作（例えば、画像処理、深層データ学習アルゴリズム、またはモデリングなど、サービスであるソフトウェアまたはＳａａＳプラットフォームの一部）を実行する。この要求に応答して、ホストサーバは、ホストサーバによって管理されている（１つまたは複数のＧＰＵを有する）１つまたは複数のコンピューティングノードまたはコンピュータサーバにタスクを割り当てる。コンピュータサーバが実際のタスクを実行すると、動作中に熱を生じることができる。

電子ラック２００は、さらに、オプションとして、サーバ２０３およびＣＤＵ２０１に供給される電力を供給および管理するように構成されたＲＭＵ２０２を含んでもよい。ＲＭＵ２０２は、電源ユニットの電力消費を管理するために、電源ユニット（図示せず）に接続してもよい。電源ユニットは、電子ラック２００の残りのコンポーネントに給電するために必要な回路（例えば、交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）へ、またはＤＣからＤＣへのコンバータ、バッテリ、変圧器またはレギュレータなど）を含んでもよい。

一実施例において、ＲＭＵ２０２は、最適化モジュール２２１およびラック管理コントローラ（ＲＭＣ）２２２を含む。ＲＭＣ２２２は、電子ラック２００内のコンピューティングノード２０３、ＣＤＵ２０１、ファンモジュールなどのような各種コンポーネントの動作状態を監視するモニタを含んでもよい。具体的には、モニタは、電子ラック２００の動作環境を示す各種センサから動作データを受信する。例えば、モニタは、プロセッサの温度、冷却液および気流の動作データを受信することができ、これらのデータは各種の温度センサによってキャプチャ、収集されてもよい。また、モニタは、ファンモジュールおよび液体ポンプ２１２によって生成されたファン電力およびポンプ電力を表すデータを受信することができ、それらのデータは、それぞれの速度に比例してもよい。これらの動作データは、リアルタイム動作データと呼ばれる。なお、モニタは、ＲＭＵ２０２内の独立したモジュールとして実装されてもよい。一実施例において、ＲＭＵ２０２またはＲＭＣ２２２は、後述する２つの冷却ループを有する統合型熱・電気システムの二次冷却ループの凝縮器の二次ループ内の相変化流体の蒸気圧を監視するコントローラであってもよい。

最適化モジュール２２１は、液体ポンプ２１２およびファンモジュールの総消費電力が最小となり、液体ポンプ２１２およびファンモジュールの冷却ファンに関連付けられる動作データがそれぞれの設計仕様内にあるように、動作データに基づいて、所定の最適化関数または最適化モデルを用いて最適化を行い、１組のファンモジュールのための最適ファン速度および液体ポンプ２１２のための最適ポンプ速度を導出する。ＲＭＣ２２２は、最適ポンプ速度および最適ファン速度が既に確定されると、最適ポンプ速度およびファン速度に基づいて、液体ポンプ２１２およびファンモジュールの冷却ファンを構成する。一実施例において、ＲＭＵ２０２、ＲＭＣ２２２、または最適化モジュール２２２は、後述する２つの冷却ループを有する統合型熱・電気システムの二次冷却ループの凝縮器の一次ループ内の流体の流速を制御するコントローラであってもよく、または二次冷却ループの凝縮器を通る気流の速率を制御してもよい。

例として、最適ポンプ速度に基づいて、ＲＭＣ２２２は、ＣＤＵ２０１のポンプコントローラと通信して、液体ポンプ２１２の速度を制御し、これにより、液体マニホールド２２５に供給された冷却液の流速をサーバシャーシ２０３の少なくとも一部に分配するように制御する。同様に、最適ファン速度に基づいて、ＲＭＣ２２２は、各ファンモジュールと通信し、ファンモジュールの各冷却ファンの速度を制御し、ファンモジュールの気流の流量を制御する。なお、各ファンモジュールは、その特定の最適ファン速度で個別に制御されてもよく、異なるファンモジュールおよび／または同じファンモジュール内の異なる冷却ファンは、異なる最適ファン速度を有してもよい。

なお、図２に示すラックの構成は、説明のためにのみ示して記述したものであり、他の構成または設置を適用してもよい。ＣＤＵ２０１は、例えば、オプション的なユニットであってもよい。なお、サーバシャーシ２０３の冷却板はラックマニホールドに接続されてもよく、該ラックマニホールドはＣＤＵを用いなく室内マニホールド１３１～１３２に直接接続されてもよい。なお、図示していないが、電源ユニットは電子ラック２００内に設けられてもよい。なお、電源ユニットは、あらゆるサーバシャーシ２０３に代えて、電源シャーシをあらゆる標準棚に挿入可能な、サーバシャーシと同一または類似の標準シャーシとして構成されてもよい。また、電源シャーシは、メインパワーが使用できない場合に、バッテリ電力をサーバシャーシ２０３に供給するためのバッテリバックアップユニット（ＢＢＵ）を備えてもよい。ＢＢＵは、１つまたは複数のバッテリパッケージ（ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋａｇｅｓ）を含み、各バッテリパッケージは、１つまたは複数のバッテリセルと、バッテリセルを充放電するために必要な充放電回路とを含む。

図３は、一実施例に係るプロセッサ冷却板構成を示すブロック図である。プロセッサ／冷却板アセンブリ３００は、図２に示すサーバシャーシ２０３のあらゆるプロセッサ／冷却板構造を表すことができる。図３を参照して、プロセッサ３０１（プロセッサ・チップともいう）は、データ処理システムまたはサーバの他の電子コンポーネントまたは回路に接続されたプリント回路基板（ＰＣＢ）またはマザーボード３０２に実装されたプロセッサ・ソケットにプラグ接続される。プロセッサ３０１はまた、それに取り付けられた冷却板３０３を含み、冷却板３０３は、液体供給ラインおよび／または蒸気戻りラインに接続されたラックマニホールドに接続される。一実施例において、冷却板３０３は、図４で説明する一次冷却ループまたは二次冷却ループの凝縮器の二次ループに接続される冷却装置であってもよい。液体供給ラインは、相変化流体の冷却液を冷却装置に供給することができる。戻りラインは、相変化流体の加熱蒸気を冷却装置から戻すことができる。プロセッサ３０１で発生した熱の一部は、冷却板３０３を介して冷却液によって除去される。残りの熱は、下方または上方の空気空間に入って、冷却ファン３０４によって発生した気流で除去され得る。

図４は、一実施例による、データセンターの電子コンポーネントラックのための強化された冷却能力および補助電力を提供するための統合システム４００の熱的、電気的および制御アーキテクチャの一例を示す。この統合システムは、電子コンポーネントからの熱を除去するための熱サブシステムと、熱サブシステムおよび電子コンポーネントに給電するための電気サブシステムと、熱および電気負荷の変動に応じて熱および電気サブシステムの動作を制御するための制御サブシステムとを含む。ラック内の電子コンポーネントは、サーバ４０１、またはラックの対応する標準棚に挿入されるサーバシャーシ上の他のＩＴコンポーネントを含んでもよい。

熱サブシステムは、通常運転時には冷却能力が固定された一次冷却ループと、この一次冷却ループの固定冷却能力が電子コンポーネントからの熱を除去するには不十分な場合に一次冷却ループを補充する二次冷却ループとの２つの冷却ループを備えている。制御サブシステムは、熱負荷の変動に応じて、二次冷却ループの冷却能力のみを制御または調整する。一次冷却ループと二次冷却ループの両方は相変化流体を用いてもよく、相変化流体は、熱エネルギーが吸収されると相変化流体の相を液体から蒸気に変化させ、熱エネルギーが放散されると相変化流体の相を蒸気から液体に変化させる。相変化流体の蒸気圧は、吸収した熱エネルギーの量に対応することができる。

一次冷却ループおよび二次冷却ループは、それぞれ熱交換器としての凝縮器を有している。各凝縮器は、サーバ４０１または他のＩＴコンポーネントからの熱を除去するために、冷却液を冷却装置４０３または冷却板に送るために、電子ラック内のサーバシャーシに接続された二次ループを有してもよい。各凝縮器は、二次ループと熱交換する流体を運ぶために、外部液体供給・戻りラインに接続された一次ループを有してもよい。例えば、一次冷却ループは、外部液体供給・戻りラインに接続された一次ループ（図示せず）を有する一次凝縮器４１５を備え、前記外部液体供給・戻りラインは、二次ループ内の相変化流体の相を蒸気から液体に変化させるために、二次ループの相変化流体の加熱された蒸気によって運ばれる熱を除去するように流体を再循環させる。熱交換後、一次凝縮器４１５の二次ループ内の冷却液は、一次液体戻りループ４１１を介して冷却装置４０３に戻される。一次冷却ループに一定の冷却能力を提供するために、一次凝縮器４１５における冷却液の流速または一次凝縮器４１５を通過する冷却気流の流量は、一定である。

同様に、二次冷却ループは、二次凝縮器４２５を有し、この二次凝縮器４２５は、二次ループの加熱された蒸気によって運ばれる熱を除去するために流体を再循環させる外部液体供給・戻りラインに接続された一次ループ４３１を有する。一態様において、制御サブシステムは、二次凝縮器弁４３３を介して一次ループ４３１に供給される液体の流速を調整することによって、二次凝縮器４２５の一次ループ４３１の冷却能力を制御する。一態様において、制御サブシステムは、可変速ポンプ（図示せず）の圧送速度または周波数を調整することによって流体の流速を変更し、それによって二次凝縮器４２５の一次ループの冷却能力を制御することができる。一態様において、制御サブシステムは、二次凝縮器ファン４２９の速度を調整することによって二次凝縮器４２５の一次ループの冷却能力を制御して、二次凝縮器４２５への気流の流量を変化させることができる。

一次ループ４３１との間で熱交換が行われた後、二次凝縮器４２５の二次ループ内の冷却液は、二次液体戻りループ４２１を介して冷却装置４０３に戻される。一次液体戻りループ４１１からの液体と二次液体戻りループ４２１からの液体とを組み合わせてラック液体系４０５を形成し、該ラック液体系４０５は相変化流体をラック内の複数のサーバシャーシ内の冷却装置４０３に供給する。ラック液体系４０５はさらに、相変化流体を複数のサーバシャーシから一次蒸気ライン４１３を介して一次凝縮器４１５に戻して一次凝縮器４１５の二次ループを形成し、または、相変化流体を、二次蒸気ライン４２３を介して二次凝縮器４２５に戻して二次凝縮器４２５の二次ループを形成する。二次蒸気ライン４２３は、圧力弁４２７を介して二次凝縮器に接続されている。蒸気圧が低い場合には、通常運転では圧力弁４２７を閉じて、二次蒸気ライン４２３の相変化流体が二次凝縮器４２５に戻らないようにする。蒸気圧がトリガ圧閾値に達すると、二次蒸気ライン４２３内の相変化流体を二次凝縮器４２５に排出するように圧力弁４２７を開放してもよい。

ラック液体系４０５内の相変化流体は、サーバ４０１内で発生した熱を冷却装置４０３から吸収するとき、相変化流体の相を液体から蒸気に変化させることができる。通常運転状態では、相変化流体は、一次蒸気ライン４１３を介して一次凝縮器４１５に戻り、一次凝縮器４１５の一次ループと熱交換する。現在のラック密度に基づいて一次冷却ループの冷却能力が十分であれば、二次蒸気ライン４２３内の蒸気圧は、圧力弁４２７のトリガ圧閾値よりも低く維持される。その結果、圧力弁４２７が閉じ、相変化流体は二次凝縮器４２５の二次ループを循環しない。また、二次凝縮器弁４３３が閉じている場合には、電力を節約するために二次凝縮器４２５の一次ループ４３１を閉じてもよい。一実施例において、二次凝縮器ファン４２９の電源は切られる。一実施例において、二次凝縮器４２５は、二次凝縮器ファン４２９または二次凝縮器一次ループ４３１を備える。二次凝縮器が冷却液を用いて二次ループ内の蒸気を冷却する液冷凝縮器である場合、二次凝縮器一次ループ４３１は冷却液を供給する。二次凝縮器ファン４２９は、二次ループ内の蒸気（例えば、データセンターの室内冷却用空気）を冷却気流で冷却する空冷凝縮器である場合に、気流を送風して蒸気を液体に戻すために使用される。この場合、二次凝縮器一次ループ４３１は不要である。

電気サブシステムは、ラックの熱負荷に応答して二次凝縮器４２５の一次ループに給電するために、太陽光発電システム４０７およびストレージシステム４０９（エネルギー蓄積システムとも呼ばれる）を含む。太陽光発電システム４０７またはストレージシステム４０９は、電線４５５を介して二次凝縮器４２５の一次ループに二次凝縮器弁４３３または二次凝縮器ファン４２９に給電することができる。ストレージシステム４０９は、１つまたは複数の電池セルと、電池セルを充放電するために必要な充放電回路とを含む電池ベースのエネルギー蓄積システムであり得る。圧力弁４２７の排出側の二次蒸気ライン４２３の蒸気圧を計測する圧力センサ４４１は、太陽光発電システム４０７とストレージシステム４０９の電力配分を制御する。二次蒸気ライン４２３の蒸気圧は、圧力弁４２７のトリガ圧力閾値を超えないため、圧力弁４２７は、一次冷却ループが十分な冷却能力を提供する通常な動作条件の間に閉じられている。圧力センサ４４１からの低圧読み取り値４４３は、電気スイッチを極１（４５１）から極２（４５２）のスイッチ位置にして、太陽光発電システム４０７がストレージシステム４０９を充電できるようにする。この場合、太陽光発電システム４０７は、二次冷却ループに給電しない。

一次冷却ループの冷却能力が一次凝縮器４１５の二次ループから熱を除去するには不十分である場合、例えば周囲温度が高い場合、二次蒸気ライン４２３の蒸気圧は上昇する。蒸気圧が圧力弁４２７のトリガ圧閾値を超えると、圧力弁４２７が開き、二次蒸気ライン４２３の加熱蒸気を二次凝縮器４２５の二次ループと圧力センサ４４１に排出する。圧力センサ４４１からの蒸気圧の高圧読み取り値４４３は、二次凝縮器４２５の一次ループ４３１に給電するために、電気スイッチを極１（４５１）から極３（４５３）の位置に切り替えることができる。二次凝縮器弁４３３を開いて二次凝縮器４２５の一次ループ４３１に冷却液を供給することにより、二次冷却ループは一次冷却ループの冷却能力を高めることができる。一実施例において、二次凝縮器ファン４２９は、二次凝縮器４２５を冷却するために気流を供給するように通電される。

一態様において、圧力読み取り値４４３は、二次凝縮器４２５の一次ループ４３１への電力量を制御し、二次蒸気ライン４２３の蒸気圧に応じて二次凝縮器弁４３３を通過する冷却液の体積流量（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）を変化させ、または二次凝縮器ファン４２９からの気流の流量を変化させて二次冷却ループの冷却能力を調整する。一態様において、太陽光発電システム４０７からの電力が不足している場合に、ストレージシステム４０９を使用して二次凝縮器４２５の一次ループ４３１に給電するために、電気スイッチを極２（４５２）から極３（４５３）の位置に切り替えることができる。一態様において、サーバ４０１またはサーバシャーシの他のＩＴコンポーネントの電気負荷が増加すると、圧力読み取り値４４３が公称電気負荷に関連する圧力読み取り値４４３を超えて増加する場合、ストレージシステム４０９は、補助電力をＩＴ負荷に供給し、二次冷却ループに給電することができる。一態様において、ストレージシステム４０９は、一次凝縮器４１５の一次冷却ループまたは一次ループに給電することができる。自己調整能力を有する統合型熱・電気システム４００は、効率的な熱および電力管理を提供し、冷却性能、冷却信頼性、電力効率、システムの拡張性、持続可能性の要求を強化し、コストを削減する。

図５は、一実施例による、複数のラック間の冷却能力および電気負荷を調整するために太陽光発電システム４０７およびエネルギー蓄積システム４０９を共有する統合システム５００の熱的、電気的および制御アーキテクチャの一例を示す。第１ラック５６１と第２ラック５６３の２つのラックが示されている。各ラックは、一次冷却ループと、一次冷却ループの冷却能力を高める二次冷却ループとを備えている。一次冷却ループおよび二次冷却ループには、図４に示すように、一次冷却ループと二次冷却ループとの間で熱交換を行うための凝縮器が設けられている。簡潔にするために、その詳細な動作は省略されている。なお、図５では、二次凝縮器を液冷するための弁と、二次凝縮器を空冷するためのフンとを２つのラックで示しているが、二次凝縮器は１種類でよい。なお、図４に関して説明したように、弁またはファンを省略してもよい。

第１ラック５６１は、二次凝縮器の一次ループに供給された流体の体積流量を調整するための第１ラック二次凝縮器弁５３３を有する。一実施例において、第１ラック５６１は、二次凝縮器への気流の流量を調整するための第１ラック二次凝縮器ファン５２９を有する。同様に、第２ラック５６３は、二次凝縮器の一次ループに供給される流体の体積流量を調整する第２ラック二次凝縮器弁５７３を有する。一実施例において、第２ラック５６３は、二次凝縮器への気流の流量を調整するための第２ラック二次凝縮器ファン５６９を有する。

一次冷却ループが十分な冷却能力を第１ラック５６１または第２ラック５６３に提供する通常な動作条件の間、第１ラック圧力弁５２７または第２ラック圧力弁５６７は、二次凝縮器の二次ループ内の蒸気圧がトリガ圧力閾値を超えないので、それぞれ閉じられる。第１ラック圧力センサ５４１は、蒸気圧が第１ラック圧力弁５２７を開くためのトリガ圧力閾値よりも低いので、第１ラック圧力読み取り値５４３の低圧値を測定することができる。第２ラック圧力センサ５８１は、蒸気圧が第２ラック圧力弁５６７を開くためのトリガ圧力閾値よりも低いため、第２ラック圧力読み取り値５８３の低圧値を測定することができる。コントローラ５６２は、第１ラック圧力読み取り値５４３または第２ラック圧力読み取り値５８３を読み取ることができ、電気スイッチを極１（５５１）から極２（５５２）の位置に切り替え、太陽光発電システム４０７がストレージシステム４０９を充電できるようにする。この場合、太陽光発電システム４０７は、第１ラック５６１または第２ラック５６３の二次冷却ループには給電しない。

第１ラック５６１または第２ラック５６３の一次冷却ループの冷却能力が、対応する一次凝縮器の二次ループから熱を除去するのに十分でない場合、対応する二次凝縮器の二次ループの蒸気圧は、それぞれ第１ラック圧力弁５２７または第２ラック圧力弁５６７のトリガ圧力閾値を超えてもよい。第１ラック圧力弁５２７または第２ラック圧力弁５６７を開いて、加熱された蒸気を対応する二次凝縮器の二次ループに排出することができる。第１ラック圧力センサ５４１または第２ラック圧力センサ５８１は、高圧読み取り値を生成することができる。

コントローラ５６２は、第１ラック圧力読み取り値５４３を読み取って、電気スイッチを極１（５５１）から極４（５５４）の位置に切り替えて、太陽光発電システム４０７から第１ラック５６１の二次凝縮器の一次ループに給電することができる。第１ラック二次凝縮器弁５３３を開いて第１ラック５６１の二次凝縮器の一次ループに冷却液を供給することにより、二次冷却ループは第１ラック５６１の一次冷却ループの冷却能力を高めることができる。一実施例において、第１ラック二次凝縮器ファン５２９は、第１ラック５６１の二次凝縮器を冷却する気流を供給するように導通される。

同様に、コントローラ５６２は、第２ラック圧力読み取り値５８３を読み取って、電気スイッチを極１（５５１）から極３（５５３）の位置に切り替えて、太陽光発電システム４０７から第２ラック５６３の二次凝縮器の一次ループに給電することができる。第２ラック二次凝縮器弁５７３を開いて、第２ラック５６３の二次凝縮器の一次ループに冷却液を供給することにより、二次冷却ループは、第２ラック５６３の一次冷却ループの冷却能力を高めることができる。一実施例において、第２ラック二次凝縮器ファン５６９は、第２ラック５６３の二次凝縮器を冷却する気流を供給するように導通される。

コントローラ５６２は、第１ラック５６１または第２ラック５６３の二次凝縮器の一次ループに流れる電力量を制御し、各ラック内の所定位置（例えば、第１ラック圧力センサ５４１または第２ラック圧力センサ５８３）で測定される蒸気圧に応じて、第１ラック二次凝縮器弁５３３または第２ラック二次凝縮器弁５７３を通過する冷却液の体積流量を変化させて、各ラックの二次冷却ループの冷却能力を個別に調整する。一実施例において、コントローラ５６２は、対応するラック内の蒸気圧に応じて、第１ラック二次凝縮器ファン５２９または第２ラック二次凝縮器ファン５６９からの気流の流量をそれぞれ調整する。一態様において、コントローラ５６２は、太陽光発電システム４０７およびストレージシステム４０９の電圧を監視して、太陽光発電システム４０７からの電力が不足している場合に、電気スイッチを極２（５５２）から極４（５５４）および／または極２（５５２）から極３（５５３）の位置に切り替えて、ストレージシステム４０９を使用して、第１ラック５６２および第２ラック５６３の一方または両方の二次凝縮器の一次ループに給電することができる。一態様において、ストレージシステム４０９は、ＩＴ負荷に補助電力を供給し、第１ラック５６１または第２ラック５６３の二次冷却ループに給電することができる。

図６は、一実施例による、各ラックに専用の太陽光発電システムを提供するが、ラックの冷却能力および電気負荷を調整するために複数のラックでエネルギー蓄積システムを共有する統合システム６００の熱的、電気的および制御アーキテクチャの一例を示す。第１ラック５６１と第２ラック５６３の２つのラックが示されている。第１ラック５６１および第２ラック５６３の熱的アーキテクチャは、図５の熱的アーキテクチャと同様であり、その詳細な動作は簡略化のため省略している。

電気的アーキテクチャは、第１ラック５６１に専用の第１ラック太陽光発電システム４０７と、第２ラック５６３に専用の第２ラック太陽光発電システム４０８と、第１ラック５６１と第２ラック５６３との間で共用されるストレージシステム４０９とを含む。コントローラ６６１は、一次冷却ループが第１ラック５６１に十分な冷却能力を与える通常な動作期間に、第１ラック圧力センサ５４１から第１ラック圧力読み取り値５４３の低圧値を読み取って、第１ラックスイッチ制御信号６５５を生成することができる。第１ラックスイッチ制御信号６５５は、第１ラック５６１の電力分配システムの電気スイッチを極１（６５１）から極２（６５２）の位置に切り替え、第１ラック太陽光発電システム４０７がストレージシステム４０９を充電できるようにする。この場合、第１ラック太陽光発電システム４０７は、第１ラック５６１の二次冷却ループに給電しない。

コントローラ６６１は、第１ラック５６１の一次冷却ループの冷却能力が一次凝縮器の二次ループから熱を除去するのに十分でない場合には、第１ラック圧力読み取り値５４３の高圧値を読み取って第１ラックスイッチ制御信号６５５を生成することができる。第１ラックスイッチ制御信号６５５は、第１ラック５６１の電力分配システムの電気スイッチを極１（６５１）から極３（６５３）の位置に切り替えて、第１ラック５６１の二次凝縮器の一次ループに第１ラック太陽光発電システム４０７から給電することができる。第１ラック二次凝縮器弁５３３を開いて第１ラック５６１の二次凝縮器の一次ループに冷却液を供給することにより、二次冷却ループは第１ラック５６１の一次冷却ループの冷却能力を高めることができる。一実施例において、第１ラック二次凝縮器ファン５２９は、第１ラック５６１の二次凝縮器を冷却する気流を供給するように導通される。

同様に、一次冷却ループが第２ラック５６３に十分な冷却能力を与えるとき、コントローラ６６１は、第２ラック圧力センサ５８１から第２ラック圧力読み取り値５８３の低圧値を読み取って、第２ラックスイッチ制御信号６９５を生成することができる。第２ラックスイッチ制御信号６９５は、第２ラック５６３の電力分配システムの電気スイッチを極１（６９１）から極２（６９２）の位置に切り替え、第２ラック太陽光発電システム４０８がストレージシステム４０９を充電できるようにすることができる。この場合、第２ラック太陽光発電システム４０８は、第２ラック５６３の二次冷却ループに給電しない。
コントローラ６６１は、第２ラック５６３の一次冷却ループの冷却能力が一次凝縮器の二次ループから熱を除去するのに十分でない場合には、第２ラック圧力読み取り値５８３の高圧値を読み取って第２ラックスイッチ制御信号６９５を生成することができる。第２ラックスイッチ制御信号６９５は、第２ラック５６３の電力分配システムの電気スイッチを極１（６９１）から極３（６９３）の位置に切り替えて、第２ラック太陽光発電システム４０８から第２ラック５６３の二次凝縮器の一次ループに給電することができる。第２ラック二次凝縮器弁５７３を開いて、第２ラック５６３の二次凝縮器の一次ループに冷却液を供給することにより、二次冷却ループは、第２ラック５６３の一次冷却ループの冷却能力を高めることができる。一実施例において、第２ラック二次凝縮器ファン５６９は、第２ラック５６３の二次凝縮器を冷却する気流を供給するように導通される。

コントローラ６６１は、第１ラックスイッチ制御信号６５５を介して第１ラック５６１の二次凝縮器の一次ループに流れる電力量を制御し、第１ラック圧力読み取り値５４３に応じて第１ラック二次凝縮器弁５３３を通過する冷却液の体積流量を変化させることにより、第１ラック５６１の二次冷却ループの冷却能力を調整する。一実施例において、第１ラックスイッチ制御信号６５５は、第１ラック圧力読み取り値５４３に応じて、第１ラック二次凝縮器ファン５２９からの気流の流量を調整する。同様に、コントローラ６６１は、第２ラックスイッチ制御信号６９５により、第２ラック５６３の二次凝縮器の一次ループに流れる電力量を制御し、第２ラック圧力読み取り値５８３に応じて第２ラック二次凝縮器弁５７３を通過する冷却液の体積流量を変化させることにより、第２ラック５６３の二次冷却ループの冷却能力を調整する。一実施例において、第２ラックスイッチ制御信号６９５は、第２ラック圧力読み取り値５８３に応じて、第２ラック二次凝縮器ファン５６９からの気流の流量を調整する。

一態様において、コントローラ６６１は、ストレージシステムの状態信号６６３によってストレージシステム４０９の電圧を監視し、第１ラック太陽光発電システム４０７の電圧を監視して、第１ラックスイッチ制御信号６５５を生成することができる。第１ラックスイッチ制御信号６５５は、第１ラック太陽光発電システム４０７からの電力が不足している場合に、第１ラック５６１の電力分配システムの電気スイッチを極２（６５２）から極３（６５３）の位置に切り替えて、ストレージシステム４０９から第１ラック５６１の二次凝縮器の一次ループに給電することができる。同様に、コントローラ６６１は、ストレージシステム状態信号６６３によって、ストレージシステム４０９の電圧を監視し、第２ラック太陽光発電システム４０８の電圧を監視して、第２ラックスイッチ制御信号６９５を生成することができる。第２ラックスイッチ制御信号６９５は、第２ラック太陽光発電システム４０８からの電力が不足している場合に、第２ラック５６３の電力分配システムの電気スイッチを極２（６９２）から極３（６９３）の位置に切り替えて、ストレージシステム４０９から第２ラック５６３の二次凝縮器の一次ループに給電することができる。一態様において、ストレージシステム４０９は、ＩＴ負荷に補助電力を供給し、第１ラック５６１または第２ラック５６３の二次冷却ループに給電することができる。

図７は、一実施例による、複数のラック間の冷却能力および電気負荷を調整するために太陽光発電システム４０７およびエネルギー蓄積システム４０９を共用する統合システム７００の熱的、電気的および制御アーキテクチャの一例を示しており、統合システム７００において、ラックは、二次冷却ループの二次凝縮器７２５および流体貯留システム７２６も共用する。各ラックは、一次ループと二次ループとの間の熱交換を行うための対応する凝縮器を有する専用の一次冷却ループ（図示せず）を有してもよい。図４～図６の他の構成において、一次冷却ループの冷却能力はラック毎に一定である。しかし、他の構成とは異なり、各一次冷却ループの冷却能力を高めるために、二次冷却ループをラック間で共用している。

二次冷却ループの場合、コントローラ７６１は、二次凝縮器一次ループ弁７３３を制御して、二次凝縮器７２５の一次ループに冷却液を供給することができる。一実施例において、コントローラ７６１は、二次凝縮器７２５への気流の流量を変えるために二次凝縮器ファン７２９の速度を制御することができる。二次凝縮器７２５の二次ループ内の冷却液は、一次ループとの熱交換後、流体貯留システム７２６に戻される。流体貯留システム７２６は、二次凝縮器７２５の二次ループ内の相変化流体のためのシステムレベルの液体バッファとして機能する。二次液体供給ライン７２１は、対応する二次凝縮器二次ループ弁７２２を介して、相変化流体を流体貯留システム７２６から各ラックに供給する。二次蒸気戻りライン７２３は、加熱された蒸気を各ラックから二次凝縮器７２５に戻し、二次凝縮器７２５の二次ループを形成する。

各二次蒸気戻りライン７２３は、圧力弁７２７を介して二次凝縮器７２５に接続されている。蒸気圧が低い場合には、通常動作中に圧力弁７２７は閉じられる。蒸気圧がトリガ圧力閾値に達すると、圧力弁７２７を開いて、二次蒸気戻りライン７２５内の加熱蒸気をラックから二次凝縮器７２５に排出することができる。圧力センサ７４１は、圧力弁７２７の排出側の各二次蒸気戻りライン７２３の蒸気圧を測定する。コントローラ７６１は、各圧力センサ７４１から圧力読み取り値７４３を読み取って、二次凝縮器二次ループ制御信号７５７を生成することができる。二次凝縮器二次ループ制御信号７５７は、二次凝縮器二次ループ弁７２２を制御して、ラック用二次蒸気戻りライン７２３の蒸気圧に応じて、ラック用二次液体供給ライン７２１に供給される相変化流体の体積流量を調整する。図示のように、ラック間には共用の流体貯留システム７２６が存在するため、流体貯留システム７２６とラックとの間の各独立した二次液体供給ライン７２１は、二次凝縮器二次ループ弁７２２と組み合わされる。そして、二次凝縮器７２５は、流体貯留システム７２６に接続される。各ラックに専用の各一次凝縮器は、ラック液冷分配ユニットに直接接続されてもよい。共用される二次凝縮器７２５からの、各ラックの二次冷却ループの冷却能力の個別制御は、冷却効率と性能が向上されるとともに、コストが低減された。

各ラックの一次冷却ループが十分な冷却能力を提供する通常な動作条件の間、すべてのラックの圧力弁７２７を閉じてもよい。コントローラ７６１は、電気スイッチを極１（７５１）から極３（７５３）の位置に切り替えて、太陽光発電システム４０７がエネルギー蓄積システム４０９を充電できるようにするために、すべてのラックから圧力読み取り値７４３の低圧値を読み取ることができる。この場合、太陽光発電システム４０７は、すべてのラックの二次冷却ループに給電しない。

ラック用の一次冷却ループの冷却能力が、対応する一次凝縮器の二次ループから熱を除去するには不十分である場合、ラック用の二次蒸気戻りライン７２３内の蒸気圧は、対応する圧力弁７２７のトリガ圧力閾値を超える可能性がある。圧力弁７２７は、加熱された蒸気を二次凝縮器７２５に排出するために開放され得る。ラック用の圧力センサ７４１は、高圧読み取り値を生成することができる。コントローラ７６１は、ラックの圧力読み取り値７４３を読み取って、電気スイッチを極１（７５１）から極２（７５２）の位置に切り替えて、二次凝縮器７２５の一次ループに給電することができる。二次凝縮器一次ループ弁７３３は、二次凝縮器７２５の一次ループに冷却液を供給するために開弁される。このように、コントローラ７６１は、二次凝縮器二次ループ弁７２２を開放して、圧力読み取り値７４３に応じてラックに供給された相変化流体の体積流量を調整することにより、二次冷却ループがラック用の一次冷却ループの冷却能力を高めることができる。一実施例において、第１ラック二次凝縮器ファン７２９は、二次凝縮器７２５を冷却するための気流を供給するように通電される。

一態様において、コントローラ７６１は、太陽光発電システム４０７およびエネルギー蓄積システム４０９の電圧を監視して、太陽光発電システム４０７からの電力が不足している場合に、電気スイッチを極３（７５３）および極２（７５２）の位置に切り替えて、エネルギー蓄積システム４０９を使用して、二次凝縮器７２５の一次ループに給電することができる。一態様において、エネルギー蓄積システム４０９は、主な共用電力によって給電され得る。一態様において、エネルギー蓄積システム４０９は、ＩＴ負荷に補助電力を供給し、ラックの二次冷却ループに給電してもよい。一態様において、エネルギー蓄積システム４０９は、ラックの一次冷却ループに給電してもよい。太陽光発電システム４０７およびエネルギー蓄積システム４０９は、電力分配システムのシステムレベルの電気バッファとして機能する。

図８は、一実施例による、熱および電力密度に応じて、データセンターまたはコンピュータシステム内の電子機器の冷却能力および電気負荷を調整するための方法８００の一例を示すフローチャートである。一実施形態において、方法８００は、図４、図５、図６、または図７の統合熱および電気システム４００、５００、６００、７００によって実行されてもよい。一態様において、方法８００は、ハードウェア・ロジック、またはハードウェア・ロジックとコンフィギュレーション値を格納するプログラマブル・レジスタとの組み合わせを使用して実行されてもよい。

動作８０１において、方法８００は、電子機器の熱負荷に冷却流体を循環させる一次冷却ループの一次凝縮器を接続する。一態様において、冷却液は相変化流体であってもよい。動作８０１は、一次凝縮器の二次ループの液体供給ラインと蒸気戻りラインを接続して、熱負荷から熱を除去することができる。

動作８０３において、方法８００は、エネルギー蓄積システムを充電するために再生可能エネルギー源を接続する。一態様において、再生可能エネルギー源は太陽光発電システムであってもよく、エネルギー蓄積システムは再充電性バッテリであってもよい。

動作８０５において、方法８００は、冷却液の蒸気圧（例えば、圧力ベース弁の排出側における相変化流体の蒸気圧）を監視する。一次冷却ループの冷却能力が熱負荷に十分でない場合、または、電子機器に関連する高電力負荷がある場合には、蒸気圧が上昇する可能性がある。

方法８００は、動作８０７において、蒸気圧が閾値圧力値を超えると、二次冷却ループの二次凝縮器を熱負荷に接続する。一態様において、蒸気圧が閾値圧力値を超えると、圧力弁を開放するようにトリガすることができる。圧力弁が開放すると、二次凝縮器の二次ループが熱負荷に接続されることができ、二次凝縮器の一次ループが液体供給ラインに接続されることができる。二次冷却ループの冷却能力は、一次冷却ループの冷却能力を補充する。

動作８０９において、方法８００は、蒸気圧に基づいて再生可能エネルギー源とエネルギー蓄積システムからの電力の配分を制御し、二次冷却ループを調整する。一態様において、再生可能エネルギー源からの電力が十分であれば、再生可能エネルギー源は蒸気圧に応じて二次冷却ループに給電し、二次冷却ループの冷却能力を制御することができる。一態様において、再生可能エネルギー源からの電力が不足している場合には、エネルギー蓄積システムは、蒸気圧に応じて二次冷却ループに給電し、二次冷却ループの冷却能力を制御することができる。

上述したような自己調整機能を有する統合型熱・電気システムの様々な構成、レイアウト、およびコンポーネントは、コンピュータシステムまたはデータセンターの高熱密度および電力密度要件をサポートするために、強化された冷却能力および補助電力を提供する。電力分配システムのための熱システム、太陽光発電システム、エネルギー蓄積システムのための一次冷却ループと二次冷却ループの統合設計、および熱とストレージシステムの自己調整制御は、高性能ＩＴクラスタの効率的な熱と電力管理を提供し、冷却性能、冷却信頼性、電力効率、システムの拡張性、持続可能性の要求を改善し、高熱密度と電力密度の要求を満たすためにコストを削減した。

本明細書において、本出願の実施例は、既にその具体的な例示的な実施例を参照しながら記載された。当然のことながら、特許請求の範囲に記載された発明のより広い精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができる。例えば、相変化流体の蒸気圧を監視するのではなく、一次冷却ループと二次冷却ループとで冷却流体の流体温度を監視して、二次冷却ループの冷却能力を調整するようにしてもよい。太陽光発電システムは、冷却ループからの熱エネルギー、風、バイオマスエネルギーなどの動力を供給する他の再生可能なエネルギー源であってもよい。したがって、明細書および図面は、例示的なものであり、限定的なものではないと考えられるべきである。

Claims (17)

1. データセンターの液冷装置であって、
   冷却液を用いて１つまたは複数の情報技術コンポーネントから熱を除去するための一次凝縮器を有する一次冷却ループと、
   前記冷却液の加熱により形成された加熱蒸気の蒸気圧を監視するためのセンサと、
   二次凝縮器を有する二次冷却ループであって、前記冷却液の前記加熱蒸気の前記蒸気圧が閾値を超えたときに、前記二次凝縮器が前記加熱蒸気を冷却することによって前記一次冷却ループの冷却能力を補充して前記情報技術コンポーネントから熱を除去するように形成される、二次冷却ループと、
   再生可能エネルギー源とエネルギー蓄積システムとを含む電力分配システムであって、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器を前記二次冷却ループに接続し、前記二次冷却ループの冷却能力を制御するように電力を分配するように構成される電力分配システムと、を備え、
   前記蒸気圧が前記閾値を超えていない場合に、前記二次凝縮器と前記二次冷却ループとが切断され、前記再生可能エネルギー源は、前記二次凝縮器が切断された場合に、前記エネルギー蓄積システムを充電するように構成されるデータセンターの液冷装置。
2. 前記再生可能エネルギー源は、前記再生可能エネルギー源の電力が十分である場合に、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器を前記二次冷却ループに接続して前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するように電力を分配するように構成され、前記エネルギー蓄積システムは、前記再生可能エネルギー源の電力が不足している場合に、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器を前記二次冷却ループに接続して前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するように電力を分配するように構成される請求項１に記載の液冷装置。
3. 前記二次凝縮器に第２の冷却液を供給するように構成される二次凝縮器弁をさらに備え、
   前記電力分配システムは、
   前記二次凝縮器が前記二次冷却ループに接続される場合、前記二次凝縮器に前記第２の冷却液を流入させるように前記二次凝縮器弁を開くように構成される請求項１に記載の液冷装置。
4. 前記電力分配システムは、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器に流入する前記第２の冷却液の体積流量を調整するように前記二次凝縮器弁を制御することにより、前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するように構成される請求項３に記載の液冷装置。
5. 前記二次凝縮器に気流を供給するように構成される二次凝縮器ファンをさらに備え、
   前記電力分配システムは、
   前記二次凝縮器が前記二次冷却ループに接続される場合、前記二次凝縮器ファンをオンにするように構成される請求項１に記載の液冷装置。
6. 前記電力分配システムは、前記蒸気圧に応じて前記気流の流量を調整することで前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するために前記二次凝縮器ファンを制御するように構成される請求項５に記載の液冷装置。
7. データセンターであって、
   少なくとも１つの再生可能エネルギー源と、少なくとも１つのエネルギー蓄積システムとを含む電力分配システムと、
   複数の電子ラックであって、各電子ラックは複数のサーバシャーシを含み、各サーバシャーシは１つまたは複数のサーバに対応しており、各電子ラックは、
   冷却液を用いて前記サーバから熱を除去するための一次凝縮器を有する一次冷却ループと、
   前記冷却液の加熱により形成された加熱蒸気の蒸気圧を監視するためのセンサと、
   二次凝縮器を有する二次冷却ループであって、前記冷却液の前記加熱蒸気の前記蒸気圧が閾値を超えたときに、前記二次凝縮器が前記加熱蒸気を冷却することによって前記一次冷却ループの冷却能力を補充して前記サーバから熱を除去するように形成される、二次冷却ループと、を備え、
   前記電力分配システムは、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器を前記二次冷却ループに接続し、前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するように電力を分配するように構成され、
   各電子ラックは、前記少なくとも１つの再生可能エネルギー源のうちの１つと、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積システムのうちの１つとをさらに備え、前記蒸気圧が前記閾値を超えていない場合に、前記二次凝縮器と前記二次冷却ループとが切断され、前記電子ラックのための前記再生可能エネルギー源は、前記二次凝縮器が切断された場合に、前記電子ラックのための前記エネルギー蓄積システムを充電するように構成されるデータセンター。
8. 各電子ラックは、前記少なくとも１つの再生可能エネルギー源のうちの１つと、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積システムのうちの１つとをさらに備え、
   前記電子ラックのための前記再生可能エネルギー源は、前記再生可能エネルギー源の電力が十分である場合に、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器を前記二次冷却ループに接続して前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するように電力を分配するように構成され、
   前記電子ラックのための前記エネルギー蓄積システムは、前記再生可能エネルギー源の前記電力が不足している場合に、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器を前記二次冷却ループに接続して前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するように電力を分配するように構成される請求項７に記載のデータセンター。
9. 各電子ラックは、前記二次凝縮器に前記第２の冷却液を供給する二次凝縮器弁をさらに備え、
   前記電力分配システムは、
   前記二次凝縮器が前記二次冷却ループに接続される場合、前記二次凝縮器に前記第２の冷却液を流入させるように前記二次凝縮器弁を開くように構成される請求項７に記載のデータセンター。
10. 前記電力分配システムは、前記蒸気圧に応じて前記二次凝縮器に流入した前記第２の冷却液の体積流量を調整するように前記二次凝縮器弁を制御することにより、前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するように構成される請求項９に記載のデータセンター。
11. 各電子ラックは、前記二次凝縮器に気流を供給する二次凝縮器ファンをさらに備え、
    前記電力分配システムは、前記蒸気圧に応じて前記気流の流量を調整して前記二次冷却ループの前記冷却能力を制御するように構成される請求項７に記載のデータセンター。
12. 前記一次凝縮器における前記冷却液の流速または前記一次凝縮器を通過する冷却気流の流量は、前記一次冷却ループの冷却能力を一定に維持するために一定である請求項７に記載のデータセンター。
13. 前記センサにより監視される前記蒸気圧に応じて、前記二次凝縮器を前記二次冷却ループにそれぞれ接続し、各電子ラックの前記二次冷却ループの前記冷却能力をそれぞれ制御するために、前記少なくとも１つの再生可能エネルギー源と前記少なくとも１つのエネルギー蓄積システムとは、前記複数の電子ラックの中で共用されるように構成される、請求項７に記載のデータセンター。
14. 各電子ラックは、前記少なくとも１つの再生可能エネルギー源のうちの１つをさらに備え、
    前記少なくとも１つのエネルギー蓄積システムは、前記複数の電子ラックの中で共用され、
    前記電力分配システムは、前記センサによって監視される前記蒸気圧に応じて、前記二次凝縮器を前記二次冷却ループにそれぞれ接続し、各電子ラックの前記二次冷却ループの前記冷却能力をそれぞれ制御するために、前記電子ラックのための前記少なくとも１つの再生可能エネルギー源または共用される前記少なくとも１つのエネルギー蓄積システムからの電力を分配するように構成される、請求項７に記載のデータセンター。
15. 各電子ラックは弁をさらに備え、
    前記複数の電子ラックは、前記二次凝縮器を共用し、
    前記電力分配システムは、各電子ラックの前記二次冷却ループの前記冷却能力をそれぞれ制御するために、前記センサにより監視される前記蒸気圧に応じて、各電子ラックのための前記弁に電力を分配するように構成される、請求項７に記載のデータセンター。
16. 一次冷却ループの一次凝縮器を接続して、電子機器から熱を除去するように冷却液を循環させるステップと、
    エネルギー蓄積システムを充電するために再生可能エネルギー源を接続するステップと、
    前記冷却液の加熱により形成された加熱蒸気の蒸気圧を監視するステップと、
    前記冷却液の前記加熱蒸気の前記蒸気圧が閾値を超えた場合に、二次凝縮器を二次冷却ループに接続することによって前記加熱蒸気を冷却して前記一次冷却ループの冷却能力を補充し、前記電子機器から熱を除去する、ステップと、
    前記蒸気圧に基づいて前記二次冷却ループの前記冷却能力を調整するために、前記再生可能エネルギー源および前記エネルギー蓄積システムから電力を分配するステップと、を含み、
    前記蒸気圧が前記閾値を超えていない場合に、前記二次凝縮器を前記二次冷却ループから切断するステップと、
    前記二次凝縮器が切断される場合、前記再生可能エネルギー源から前記エネルギー蓄積システムを充電するステップと、をさらに含む、電子機器の熱負荷および電気負荷を調整する方法。
17. 前記二次冷却ループの前記冷却能力を調整するために、前記再生可能エネルギー源および前記エネルギー蓄積システムから電力を分配するステップは、
    前記二次冷却ループの前記冷却能力を調整するために、前記蒸気圧に基づいて前記二次凝縮器に流入した前記第２の冷却液の体積流量を制御するステップと、
    前記二次冷却ループの前記冷却能力を調整するために、前記蒸気圧に基づいて前記二次凝縮器に流入した気流の流量を制御するステップと、をさらに含む請求項１６に記載の方法。