JP5483673B2

JP5483673B2 - データセンタの冷却装置

Info

Publication number: JP5483673B2
Application number: JP2009058901A
Authority: JP
Inventors: 正孝望月; 耕一益子
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-03-12
Also published as: JP2010210193A

Description

この発明は、蓄冷された冷熱を冷熱源として使用する冷却装置に関し、特に蓄冷された冷熱によってデータセンタを冷却するように構成された冷却装置に関するものである。

冬季の冷熱を蓄冷し、この蓄冷した冷熱を夏季における冷熱源に使用するように構成された一例が特許文献１に記載されている。その特許文献１に記載された発明は、アーチ状の金属構造体を覆う覆土の内部に埋設された送風管に冬季の外気（冷熱）を導入することにより覆土を凍土化させて、また、アーチ状の金属構造体の床下に配置された製氷水槽に貯留された水を氷結させて蓄冷するように構成されている。また、特許文献２には、ヒートパイプの一端部を地中に埋設させ、他端部を地表上に延出させて地中の熱を大気中に放熱することにより地中の水分を凍結させて蓄冷するように構成された発明が記載されている。

特開２００３−２７４７４９号公報実開平６−６５７６４号公報

上述した特許文献１に記載された発明によれば、冬季の冷熱を利用して製氷水槽に貯留された水を氷結させて蓄冷し、この氷の融解潜熱によって被冷却部を冷却できるように構成されている。しかしながら、特許文献１に記載された構成では、冬季の冷熱が製氷水槽に貯留された水に自然に伝熱されて氷結するように構成されているから、効率よく蓄熱できない虞がある。

特許文献２に記載された発明によれば、被冷却部の周囲の土壌を凍土化させて蓄冷する様に構成され、またその蓄冷熱は被冷却部を形成する壁を伝熱して被冷却部を冷却するように構成されているから、蓄冷熱は周囲に分散して伝達される虞がある。その結果、被冷却部に効率よく伝達されず、被冷却部を十分に冷却できない虞がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、冬季の冷熱を効率よく蓄冷し、かつ蓄冷した冷熱を冷熱源として効率よく被冷却部を冷却できるように構成されたデータセンタの冷却装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、土壌もしくは水の有する熱を熱輸送方向が一方向のサーモサイフォン式ヒートパイプによって熱輸送して大気中に放熱することにより、前記土壌を凍土化し、もしくは前記水を氷結して蓄冷し、該蓄冷した冷熱を冷熱源として利用して、建屋の内部に発熱する電子部品が収容されたデータセンタにおける被冷却部を冷却するデータセンタの冷却装置において、含水率が５〜４０％の土壌が貯留されて前記建屋の外周に配置され、かつ前記サーモサイフォン式ヒートパイプを介した前記放熱によって凍土化される蓄冷熱貯留部と、防水性および断熱性を有し、かつ前記蓄冷熱貯留部が浸水あるいは外部環境の温度変化による影響を受けにくいように前記蓄冷熱貯留部を覆う防水断熱層と、前記蓄冷熱貯留部に蓄冷した冷熱で前記被冷却部を冷却する熱伝導部材と、前記建屋の内部を冷却する空調機もしくはチラーユニットとを備えていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記被冷却部は、発熱する電子部品を含み、前記熱伝導部材は、前記蓄冷された冷熱を前記被冷却部に熱輸送する第２のヒートパイプと、前記蓄冷熱貯留部と前記被冷却部との間で熱輸送媒体を流通させることによって熱輸送する熱交換用配管とのいずれか一方を含むことを特徴とするデータセンタの冷却装置である。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記熱交換用配管は、該熱交換用配管と前記被冷却部との間で熱交換をおこなうファンコイルユニットを備えていることを特徴とするデータセンタの冷却装置である。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記防水断熱層における前記被冷却部に接する側の層の厚さが、前記被冷却部に接していない側の層の厚さに比較して薄く形成されていることを特徴とするデータセンタの冷却装置である。

請求項１の発明によれば、ヒートパイプによって冬季の冷熱が蓄冷熱貯留部に貯留された土壌もしくは水に熱輸送される。したがって、冬季の冷熱が土壌もしくは水に自然に伝熱される場合と比較して、速やかに冷熱が伝熱されて、蓄冷することができる。また、蓄冷熱貯留部は防水断熱層によって覆われているから、外部環境の影響を受けにくく、蓄冷熱の損失を抑えることができる。さらに、蓄冷された冷熱を熱伝導部材によって取り出して被冷却部に熱輸送して冷却するので、蓄冷熱の熱輸送効率を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、被冷却部は発熱する電子部品を含んでいるから、蓄冷熱によって発熱する電子部品を冷却することができる。また、被冷却部は蓄冷熱貯留部もしくは防水断熱層の内部に設けられているので、外部環境の変化の影響を受けにくい。そして、蓄冷された冷熱は第２のヒートパイプもしくは熱輸送媒体によって取り出されて被冷却部に熱輸送されるから、冷熱の熱輸送効率を向上させることができる。また冷熱の蓄冷に動力を必要としないので、静穏な装置を構成することができる。

請求項３の発明によれば、請求項２の発明による効果と同様の効果に加えて、冷熱を熱輸送する熱交換用配管と被冷却部との間で熱交換をおこなうファンコイルユニットを備えているので、ファンコイルユニットによって被冷却部を冷却することができる。

請求項４の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、被冷却部は蓄冷熱貯留部に隣接して設けられ、また、蓄冷熱貯留部を覆い被冷却部に接する側の防水断熱層の層の厚さが相対的に薄く形成されているので、蓄冷熱を防水断熱層を介して被冷却部に伝達することができる。

この発明に係るデータセンタの冷却装置の一例を模式的に示す図である。この発明に係るデータセンタの冷却装置の他の例を模式的に示す図である。この発明に係るデータセンタの冷却装置の更に他の例を模式的に示す図である。この発明に係るデータセンタの冷却装置のまた更に他の例を模式的に示す図である。従来のデータセンタの一例を模式的に示す図である。

つぎに、この発明を図面を参照しながら具体的に説明する。図５は、従来のデータセンタ１の一例を模式的に示す図である。データセンタ１は、その室内にサーバラック２が複数台設置されており、このサーバラック２の内部にさらに多数の中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの電子部品が収容されている。これらＣＰＵなどの発熱する電子部品は、空調機３もしくはチラーユニット３によって発生させた冷熱によってサーバラック２が収容される建屋４の室内全体を冷却して、これによって冷却されるように構成されている。したがってこのような従来のデータセンタ１では、データ処理能力が増大すると、それにともなってＣＰＵなどの発熱する電子部品を冷却するための冷却熱量が増大し、また、空調機３もしくはチラーユニット３などの冷却機器を運転するための消費電力が増大する傾向にある。同様の傾向はスーパーコンピュータなどの大型コンピュータシステムにも見受けられ、そのため、冬季の冷熱を蓄冷して、データセンタ１あるいはスーパーコンピュータなどの大型コンピュータシステムの冷却に使用することができれば、冷却に掛かる消費電力量を削減することができる。

図１は、この発明に係るデータセンタ１の冷却装置５の一例を模式的に示す図である。図１は、少なくとも積算寒度が３００℃．ｄａｙ以上の寒冷地にデータセンタ１あるいはスーパーコンピュータなどの大型コンピュータシステムを有する施設を建設し、冬季の冷熱を蓄冷して夏季における冷熱源として利用するように構成した例である。より具体的には、データセンタ１の建屋４は、耐久性に優れたコンクリートなどを材料として地下に建設され、その外周には冬季の冷熱を蓄冷する土壌６ａもしくは水６ｂが蓄冷熱貯留部６に貯留されて配置されている。また蓄冷熱貯留部６は、防水性および断熱性を有する防水断熱層７によって覆われており、外部環境の影響を受け難いように構成されている。蓄冷熱貯留部６には、冬季の冷熱を土壌６ａもしくは水６ｂに熱輸送するためのヒートパイプ８の一方の端部が熱伝達可能に設けられている。このヒートパイプ８の他方の端部は地表に延出され、複数の放熱フィン８ａが熱伝達可能に設けられている。すなわち、冬季において外気温が蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａもしくは水６ｂよりも低下した場合に、土壌６ａもしくは水６ｂの有する熱がヒートパイプ８によって地表に熱輸送されて放熱フィン８ａから大気中に放熱されるように構成されている。そのため、冬季の冷熱によって蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａが凍土化され、もしくは水６ｂが氷結されて蓄冷されるように構成されている。なお、外気の冷熱を蓄冷熱貯留部６に熱輸送するヒートパイプ８には、夏季などのトップヒート条件下では動作しないサーモサイフォン式ヒートパイプが用いられている。また、蓄冷熱貯留部６に貯留される土壌６ａの含水率は、５〜４０％である。このような含水率の土壌６ａは、凍土化することによってコンクリートに匹敵する強度を得ることができる。

また、蓄冷熱貯留部６には、蓄冷された冷熱をサーバラック２が配置されたデータセンタ１の建屋４の室内に熱輸送をおこなう第２のヒートパイプ９の一方の端部が熱伝達可能に設けられている。第２のヒートパイプ９の他方の端部は、データセンタ１の室内に延出され、その他方の端部にデータセンタ１の室内の熱と熱輸送された冷熱との間で熱交換できるように複数の放熱フィン９ａが熱伝達可能に設けられている。また、データセンタ１には、その室内に空調機３もしくはチラーユニット３の室内機３ａが配置され、室内温度が調整できるように構成されている。なお、空調機３もしくはチラーユニット３の室外機３ｂは地表に設置されている。

したがって、上記のように構成された冷却装置５によれば、冬季において外気温が蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａもしくは水６ｂよりも低下した場合に、土壌６ａもしくは水６ｂの有する熱がヒートパイプ８によって地表に熱輸送される。そして熱輸送された熱は、放熱フィン８ａから大気中に放熱されて蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａが凍土化し、もしくは水６ｂが氷結して蓄冷される。そして、蓄冷された冷熱は第２のヒートパイプ９によってデータセンタ１の室内に熱輸送されて、すなわち凍土化した土壌６ａもしくは氷結した水６ｂの融解熱が熱輸送されて、その室内を冷却するように構成されている。したがって、蓄冷熱によってＣＰＵなどの発熱する電子部品を冷却することができる。また、蓄冷熱貯留部６は防水断熱層７によって覆われており、外部環境の変化の影響を受けにくいので、蓄冷熱の損失を抑えることができる。さらにまた、冬季の冷熱を蓄冷し、これをデータセンタ１の冷却に使用できるので、データセンタ１を冷却する空調機３もしくはチラーユニット３などの運転に掛かる消費電力を低減させることができる。

図２は、この発明に係るデータセンタ１の冷却装置５の他の例を模式的に示す図である。図１と同様の構成については、図２に同様の符号を付してその説明を省略する。図２において、データセンタ１の建屋４は、少なくとも積算寒度が３００℃．ｄａｙ以上の寒冷地に耐久性に優れたコンクリートなどを材料として地表に建設され、そのデータセンタ１に隣接して冬季の冷熱を蓄冷する蓄冷熱貯留部６が設置されている。この蓄冷熱貯留部６には、冬季の冷熱をその内部に貯留された土壌６ａもしくは水６ｂに熱輸送するためのヒートパイプ８が設けられている。また、蓄冷熱貯留部６は防水断熱層７によって覆われている。この防水断熱層７の層の厚さは、外気に接する側の防水断熱層７の層の厚さに比較して、データセンタ１の建屋４に接している側の層の厚さが薄くなるように構成されている。なお、外気の冷熱を蓄冷熱貯留部６に熱輸送するヒートパイプ８には、夏季などのトップヒート条件下では動作しないサーモサイフォン式ヒートパイプが用いられている。また、蓄冷熱貯留部６に貯留される土壌６ａの含水率は、５〜４０％である。このような含水率の土壌６ａは、凍土化することによってコンクリートに匹敵する強度を得ることができる。さらにまた、その室内に空調機３もしくはチラーユニット３の室内機３ａが配置され、室内温度が調整できるように構成されている。空調機３もしくはチラーユニット３の室外機３ｂは地表に設置されている。

したがって、上記のように構成された冷却装置５によれば、冬季において外気温が蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａもしくは水６ｂよりも低下した場合に、土壌６ａもしくは水６ｂの有する熱がヒートパイプ８によって熱輸送されて放熱フィン８ａから大気中に放熱され、蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａが凍土化し、もしくは水６ｂが氷結して蓄冷される。そして、蓄冷熱貯留部６に蓄えられた蓄冷熱は層の厚さが薄く構成された防水断熱層７を伝熱して、すなわち凍土化した土壌６ａもしくは氷結した水６ｂの融解熱が伝熱して、データセンタ１を冷却するように構成されている。その結果、蓄冷熱によってＣＰＵなどの発熱する電子部品を冷却することができる。また、蓄冷熱貯留部６は防水断熱層７によって覆われており、外部環境の変化の影響を受けにくいので、蓄冷熱の損失を抑えることができる。さらにまた、冬季の冷熱を蓄冷し、この蓄冷熱がデータセンタ１に伝達されて、データセンタ１を冷却するので、空調機３もしくはチラーユニット３などによってデータセンタ１を冷却する場合に、それらの冷却機器の運転に掛かる消費電力を低減させることができる。

図３は、この発明に係るデータセンタ１の冷却装置５の更に他の例を模式的に示す図である。前述した図２と同様の構成については、図３に同様の符号を付してその説明を省略する。図３において、データセンタ１の建屋４は、少なくとも積算寒度が３００℃．ｄａｙ以上の寒冷地に耐久性に優れたコンクリートなどを材料として地表に建設され、そのデータセンタ１に隣接して冬季の冷熱を蓄冷する蓄冷熱貯留部６が設置されている。この蓄冷熱貯留部６には、冬季の冷熱をその内部に貯留された土壌６ａもしくは水６ｂに熱輸送するためのヒートパイプ８が設けられている。また、蓄冷熱貯留部６は防水断熱層７によって覆われている。この防水断熱層７の層の厚さは、図２と同様に外気に接する側の防水断熱層７の層の厚さに比較して、データセンタ１の建屋４に接している側の層の厚さが薄くなるように構成されている。外気の冷熱を蓄冷熱貯留部６に熱輸送するヒートパイプ８には、夏季などのトップヒート条件下では動作しないサーモサイフォン式ヒートパイプが用いられている。また、蓄冷熱貯留部６に貯留される土壌６ａの含水率は、５〜４０％である。このような含水率の土壌６ａは、凍土化することによってコンクリートに匹敵する強度を得ることができる。

また、蓄冷熱貯留部６には、蓄冷された冷熱をサーバラック２が配置されたデータセンタ１の建屋４の室内に熱輸送をおこなう第２のヒートパイプ９の一方の端部が熱伝達可能に設けられている。第２のヒートパイプ９の他方の端部は、データセンタ１の室内に配置されたサーバラック２に延出されている。そして、その他方の端部にサーバラック２の発する熱と熱輸送された冷熱との間で直接熱交換できるように複数の放熱フィン９ａが熱伝達可能に設けられている。ここで、第２のヒートパイプ９の他方の端部は、サーバラック２の内部に収められたＣＰＵなどの発熱部位に熱伝達可能に設けて、直接的に発熱部位の熱を奪うように構成してもよい。また、その室内に空調機３もしくはチラーユニット３の室内機３ａが配置され、室内温度が調整できるように構成されている。空調機３もしくはチラーユニット３の室外機３ｂは地表に設置されている。

したがって、上記のように構成された冷却装置５によれば、冬季において外気温が蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａもしくは水６ｂよりも低下した場合に、土壌６ａもしくは水６ｂの有する熱がヒートパイプ８によって熱輸送されて放熱フィン８ａから大気中に放熱され、蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａが凍土化し、もしくは水６ｂが氷結して蓄冷される。そして、蓄冷熱貯留部６に蓄えられた蓄冷熱は防水断熱層７を伝熱してデータセンタ１を冷却するだけでなく、第２のヒートパイプ９によってデータセンタ１の室内に熱輸送されて、すなわち凍土化した土壌６ａもしくは氷結した水６ｂの融解熱が熱輸送されて、その室内を冷却するように構成されているから、蓄冷熱によってＣＰＵなどの発熱する電子部品を冷却することができる。また、蓄冷熱貯留部６は防水断熱層７によって覆われており、外部環境の変化の影響を受けにくいので、蓄冷熱の損失を抑えることができる。さらにまた、冬季の冷熱を蓄冷し、この蓄冷熱がデータセンタ１に熱輸送されて、データセンタ１を冷却するので、空調機３もしくはチラーユニット３などによってデータセンタ１を冷却する場合に、それらの冷却機器の運転に掛かる消費電力を低減させることができる。

図４は、この発明に係るデータセンタ１の冷却装置５のまた更に他の例を模式的に示す図である。前述した図３と同様の構成については、図４に同様の符号を付してその説明を省略する。図４において、データセンタ１の建屋４は、少なくとも積算寒度が３００℃．ｄａｙ以上の寒冷地に耐久性に優れたコンクリートなどを材料として地表に建設され、そのデータセンタ１に隣接して冬季の冷熱を蓄冷する蓄冷熱貯留部６が設置されている。この蓄冷熱貯留部６には、冬季の冷熱をその内部に貯留された土壌６ａもしくは水６ｂに熱輸送するためのヒートパイプ８が設けられている。また、蓄冷熱貯留部６は防水断熱層７によって覆われている。この防水断熱層７の層の厚さは、図２と同様に外気に接する側の防水断熱層７の層の厚さに比較して、データセンタ１の建屋４に接している側の層の厚さが薄くなるように構成されている。外気の冷熱を蓄冷熱貯留部６に熱輸送するヒートパイプ８には、夏季などのトップヒート条件下では動作しないサーモサイフォン式ヒートパイプが用いられている。また、蓄冷熱貯留部６に貯留される土壌６ａの含水率は、５〜４０％である。このような含水率の土壌６ａは、凍土化することによってコンクリートに匹敵する強度を得ることができる。

また、蓄冷熱貯留部６とデータセンタ１の建屋４の内部との間には、熱輸送媒体１０ａが流通する熱交換用配管１０が敷設されており、蓄冷熱をデータセンタ１の建屋４の室内に熱輸送できるように構成されている。その熱交換用配管１０の一部はデータセンタ１の建屋４の内部に露出されて、データセンタ１の室内の熱と熱輸送された熱輸送媒体１０ａとの間で熱交換をおこなうファンコイルユニット１１が設けられている。また、その室内に空調機３もしくはチラーユニット３の室内機３ａが配置され、室内温度が調整できるように構成されている。空調機３もしくはチラーユニット３の室外機３ｂは地表に設置されている。

したがって、上記のように構成された冷却装置５によれば、冬季において外気温が蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａもしくは水６ｂよりも低下した場合に、土壌６ａもしくは水６ｂの有する熱がヒートパイプ８によって熱輸送されて放熱フィン８ａから大気中に放熱され、蓄冷熱貯留部６に貯留された土壌６ａが凍土化し、もしくは水６ｂが氷結して蓄冷される。その蓄冷熱貯留部６に蓄えられた蓄冷熱は防水断熱層７に伝熱され、すなわち凍土化した土壌６ａもしくは氷結した水６ｂの融解熱が防水断熱層７を介してデータセンタ１を冷却する。また、この蓄冷熱は熱交換用配管１０を流通する熱輸送媒体１０ａによってもデータセンタ１の室内に熱輸送される。そして、データセンタ１の室内に熱輸送された蓄冷熱は、ファンコイルユニット１１によって室内の熱と熱交換されて、その室内を冷却するように構成されているから、蓄冷熱によってＣＰＵなどの発熱する電子部品を冷却することができる。また、蓄冷熱貯留部６は防水断熱層７によって覆われており、外部環境の変化の影響を受けにくいので、蓄冷熱の損失を抑えることができる。さらにまた、冬季の冷熱を蓄冷し、この蓄冷熱がデータセンタ１に熱輸送されて、データセンタ１を冷却するので、空調機３もしくはチラーユニット３などによってデータセンタ１を冷却する場合に、それらの冷却機器の運転に掛かる消費電力を低減させることができる。

この発明に係るデータセンタの冷却装置によれば、データセンタあるいはスーパーコンピュータなどの大型コンピュータシステムを有する施設を積算寒度３００℃．ｄａｙ以上の寒冷地に建設し、かつ冬季の冷熱を蓄冷することによって、夏季におけるデータセンタあるいはスーパーコンピュータなどの大型コンピュータシステムの冷熱源を確保することができる。また、冷熱源が確保できることにより、データセンタあるいはスーパーコンピュータなどの大型コンピュータシステムの冷却に係る電力消費量を削減することができる。

１…データセンタ、５…冷却装置、６…蓄冷熱貯留部、６ａ…土壌、６ｂ…水、７…防水断熱層、８…ヒートパイプ、９…第２のヒートパイプ、１０…熱交換用配管、１０ａ…熱輸送媒体、１１…ファンコイルユニット。

Claims

土壌もしくは水の有する熱を熱輸送方向が一方向のサーモサイフォン式ヒートパイプによって熱輸送して大気中に放熱することにより、前記土壌を凍土化し、もしくは前記水を氷結して蓄冷し、該蓄冷した冷熱を冷熱源として利用して、建屋の内部に発熱する電子部品が収容されたデータセンタにおける被冷却部を冷却するデータセンタの冷却装置において、
含水率が５〜４０％の土壌が貯留されて前記建屋の外周に配置され、かつ前記サーモサイフォン式ヒートパイプを介した前記放熱によって凍土化される蓄冷熱貯留部と、
防水性および断熱性を有し、かつ前記蓄冷熱貯留部が浸水あるいは外部環境の温度変化による影響を受けにくいように前記蓄冷熱貯留部を覆う防水断熱層と、
前記蓄冷熱貯留部に蓄冷した冷熱で前記被冷却部を冷却する熱伝導部材と、
前記建屋の内部を冷却する空調機もしくはチラーユニットと
を備えていることを特徴とするデータセンタの冷却装置。
前記被冷却部は、発熱する電子部品を含み、
前記熱伝導部材は、前記蓄冷された冷熱を前記被冷却部に熱輸送する第２のヒートパイプと、前記蓄冷熱貯留部と前記被冷却部との間で熱輸送媒体を流通させることによって熱輸送する熱交換用配管とのいずれか一方を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のデータセンタの冷却装置。
前記熱交換用配管は、該熱交換用配管と前記被冷却部との間で熱交換をおこなうファンコイルユニットを備えている
ことを特徴とする請求項２に記載のデータセンタの冷却装置。
前記防水断熱層における前記被冷却部に接する側の層の厚さが、前記被冷却部に接していない側の層の厚さに比較して薄く形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のデータセンタの冷却装置。