(57)【要約】【課題】冷却塔付近の周囲温度の変動と共に熱エネルギーの伝達効率を向上させる、冷却のシステムおよび方法を提供する。【解決手段】冷却システムは、施設冷却ユニット、冷却塔、および１つまたは複数のサーマル・キャパシタ・ユニットを含む。熱放散冷却剤ループを含む施設冷却ユニットは、熱放散冷却剤ループ内の冷却剤へエネルギーを放出するための、データ・センタなどの施設からの熱エネルギーの抽出を容易にする。冷却塔は、冷却剤ループと流体連絡しており、熱放散冷却剤ループの冷却剤から周囲環境へ熱エネルギーを放出するための液体気体熱交換器を含む。サーマル・キャパシタ・ユニットは、冷却塔付近の周囲温度の変動を伴う、冷却剤ループを備えた冷却剤から周囲環境への効率的な熱エネルギー伝達を容易にするために、熱放散冷却剤ループと流体連絡している。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの施設冷却ユニットであって、前記少なくとも１つの施設冷却ユニットが熱放散冷却剤ループを備え、施設熱エネルギーが前記少なくとも１つの施設冷却ユニットによって抽出され、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤に放出される、少なくとも１つの施設冷却ユニットと、
前記熱放散冷却剤ループと流体連絡している冷却塔であって、前記冷却塔が、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤から周囲環境へと熱エネルギーを放出するための液体気体交換器を備える、冷却塔と、
前記冷却塔付近の周囲温度の変動を伴う、前記熱放散冷却剤ループの前記冷却剤から前記周囲環境への、効率的な熱エネルギー伝達を容易にするために、前記熱放散冷却剤ループと流体連絡している、少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットと、
を備える、冷却システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットが、前記冷却塔付近の周囲温度の変動を伴い、ある期間、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤温度を定義された範囲内で維持することを容易にし、前記少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットが、前記冷却塔付近の昼間の周囲温度が前記冷却塔付近の夜間の周囲温度よりも高い場合、昼間は熱エネルギーを蓄え、蓄えられた熱エネルギーを夜間に放散することによって、前記冷却システムのエネルギー効率を向上させる、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットが、相変化材料または比熱の高い液体のうちの少なくとも１つが内部に配置された少なくとも１つのチャンバを備える、少なくとも１つのハウジングを含み、前記相変化材料または比熱の高い液体が、前記熱放散冷却剤ループ内の冷却剤の温度を、前記冷却塔付近の周囲温度の変動を伴い、ある期間ほぼ一定に維持する、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットが、少なくとも１つのアクティブに制御されたサーマル・キャパシタ・ユニットを備え、前記少なくとも１つのアクティブに制御されたサーマル・キャパシタ・ユニットが、少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットおよび少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットを備え、前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットが、前記冷却塔の冷却剤排出口と前記少なくとも１つの施設冷却ユニットの冷却剤注入口との間の、前記熱放散冷却剤ループと制御可能なように流体連絡しており、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットが、前記少なくとも１つの施設冷却ユニットの冷却剤排出口と前記冷却塔の冷却剤注入口との間の、前記熱放散冷却剤ループと制御可能なように流体連絡している、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記冷却塔付近の周囲温度が高い期間中、冷却剤は、前記熱放散冷却剤ループから前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットへ、および、前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットから前記熱放散冷却剤ループへと、自動的に分流され、周囲温度が低い期間中、冷却剤は、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットから前記熱放散冷却剤ループへ、および、前記熱放散冷却剤ループから前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットへと、自動的に分流され、それにより、冷却塔の効率を向上させる、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記冷却塔付近の周囲温度が高い期間中、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤は、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニット内の冷却剤温度が、前記少なくとも１つの施設冷却ユニットの前記冷却剤排出口と前記冷却塔の前記冷却剤注入口との間の、前記熱放散冷却剤ループ内の冷却剤温度に達するまで、少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットへ自動的に分流され、前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットからの冷却剤の流出が、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットへの冷却剤流入の中断に相応して自動的に中断される、請求項５に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記冷却塔付近の周囲温度が第１のしきい値温度よりも高い場合、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤が、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットへ、および前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットから、自動的に分流され、前記冷却塔付近の周囲温度が第２のしきい値温度よりも低い場合、冷却剤が、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットから、および前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットへと、自動的に分流され、前記第１のしきい値温度が前記第２のしきい値温度よりも高い、請求項５に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記施設が少なくとも１つの電子機器ラックを備えたデータ・センタを備え、前記少なくとも１つの施設冷却ユニットが、施設冷却剤ループおよび液体熱交換器をさらに備え、前記施設冷却剤ループが、前記データ・センタへ施設冷却剤を提供し、前記液体熱交換器内の前記データ・センタからの熱エネルギーを前記熱放散冷却剤ループの前記冷却剤へと放出し、前記施設冷却剤が、前記データ・センタの前記少なくとも１つの電子機器ラックの冷却を容易にする、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項９】
少なくとも１つの電子機器ユニットを備える少なくとも１つの電子機器ラックと、
前記少なくとも１つの電子機器ラックの前記少なくとも１つの電子機器ユニットから熱エネルギーを抽出するための、請求項１から８のいずれか一項に記載の冷却システムと、
を備える、冷却電子機器システム。
【請求項１０】
少なくとも１つの施設冷却ユニットを提供するステップであって、前記少なくとも１つの施設冷却ユニットが熱放散冷却剤ループを備え、使用時に、前記少なくとも１つの施設冷却ユニットが前記施設から熱エネルギーを抽出し、前記熱エネルギーを前記熱放散冷却剤ループの冷却剤に放出する、少なくとも１つの施設冷却ユニットを提供するステップと、
前記熱放散冷却剤ループと流体連絡している冷却塔を提供するステップであって、前記冷却塔が、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤から周囲環境へ熱エネルギーを放出するための液体気体熱交換器を備える、冷却塔を提供するステップと、
前記冷却塔付近の周囲温度の変動を伴う、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤から前記周囲環境への効率的な熱エネルギー伝達を容易にするために、前記熱放散冷却剤ループと流体連絡している少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットを提供するステップと、
を含む、施設を冷却する方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットが、前記冷却塔付近の周囲温度の変動を伴い、ある期間、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤温度を定義された範囲内で維持することを容易にし、前記少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットを提供するステップが、相変化材料または比熱の高い液体のうちの少なくとも１つが内部に配置された少なくとも１つのチャンバを備える、少なくとも１つのハウジングを含む、少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットを提供するステップをさらに含み、前記相変化材料または比熱の高い液体が、前記熱放散冷却剤ループ内の冷却剤の温度を、前記冷却塔付近の周囲温度の変動を伴い、ある期間ほぼ一定に維持する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットを提供するステップが、少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットおよび少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットを備える、少なくとも１つの自動的に制御されたサーマル・キャパシタ・ユニットを提供するステップをさらに含み、前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットが、前記冷却塔の冷却剤排出口と前記少なくとも１つの施設冷却ユニットの冷却剤注入口との間の、前記熱放散冷却剤ループと制御可能なように流体連絡しており、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットが、前記少なくとも１つの施設冷却ユニットの冷却剤排出口と前記冷却塔の冷却剤注入口との間の、前記熱放散冷却剤ループと制御可能なように流体連絡している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法が、前記冷却塔付近の周囲温度が高い期間中、前記熱放散冷却剤ループから前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットへ、および、前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットから前記熱放散冷却剤ループへと、冷却剤を自動的に分流するステップと、周囲温度が低い期間中、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットから前記熱放散冷却剤ループへ、および、前記熱放散冷却剤ループから前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットへと、冷却剤を自動的に分流するステップとをさらに含み、それにより、冷却塔の効率を向上させる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記冷却塔付近の周囲温度が第１のしきい値温度よりも高い場合、前記熱放散冷却剤ループの冷却剤が、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットへ、および前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットから、自動的に分流され、前記冷却塔付近の周囲温度が第２のしきい値温度よりも低い場合、冷却剤が、前記少なくとも１つの高温冷却剤ストレージ・ユニットから、および前記少なくとも１つの低温冷却剤ストレージ・ユニットへと、自動的に分流され、前記第１のしきい値温度が前記第２のしきい値温度よりも高い、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、冷却のシステムおよび方法に関し、とりわけ、１つまたは複数の電子ラックを備えるデータ・センタなどの施設から、熱エネルギーを放散（dissipate）させるための冷却のシステムおよび方法に関する。より詳細に言えば、本発明は、１つまたは複数のサーマル・キャパシタ・ユニットを採用する冷却のシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
データ・センタ、ならびにオフィス・コンプレックスおよび製造施設の冷却は、通常、たとえば蒸気圧縮冷却システムを冷水循環ループなどの熱放散冷却剤ループに結合することで達成される。蒸気圧縮冷却システム用の最終の熱除去シンクは、川、湖、海、または大気とすることができる。空冷式冷却塔が採用される場合、周囲環境への熱伝達の効率は、塔周辺の周囲温度に依存する。たとえば、データ・センタ内の空調の負荷は、経時的に見て比較的一定であるが（たとえば、昼夜の作動が一般的である）、周囲温度が上昇するにつれて蒸気圧縮冷却システムの効率は下がる。望ましくないことに、冷却システムの効率は、データ・センタ、オフィス、または製造フロアの空調の需要が最も高い昼間には低く、空調の需要が最も低い夜間には比較的高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，０８６，２４７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって当分野では、たとえば冷却塔付近の周囲温度の変動と共に熱エネルギーの伝達効率を向上させる、冷却のシステムおよび方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
機能強化された冷却システムの提供を介して、従来技術の欠点に対処し、追加の利点を提供する。この冷却システムは、少なくとも１つの施設冷却ユニット、冷却塔、および少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットを含む。少なくとも１つの施設冷却ユニットは、熱放散冷却剤ループを含む。動作時に、施設の熱エネルギーは少なくとも１つの施設冷却ユニットによって抽出され、熱放散冷却剤ループ内の冷却剤に放出（expel）される。冷却塔は熱放散冷却剤ループと流体連絡しており、熱エネルギーを熱放散冷却剤ループの冷却剤から周囲環境に放出するための液体気体熱交換器を含む。少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットも熱放散冷却剤ループと流体連絡している。
【０００６】
他の態様では、少なくとも１つの電子機器（electronics）ユニットを備える少なくとも１つの電子機器ラックと、冷却システムとを含む、冷却電子機器システムが提供される。冷却システムは、少なくとも１つの施設冷却ユニット、冷却塔、および少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットを含む。施設冷却ユニットは、熱放散冷却剤ループを含む。動作時に、施設冷却ユニットは、少なくとも１つの電子機器ラックの少なくとも１つの電子機器ユニットからの熱エネルギーの抽出を容易にし、抽出された熱エネルギーを熱放散冷却剤ループの冷却剤に放出する。冷却塔は熱放散冷却剤ループと流体連絡しており、熱エネルギーを熱放散冷却剤ループの冷却剤から周囲環境に放出するための液体気体熱交換器を含む。冷却塔付近の周囲温度の変動を伴う、熱放散冷却剤ループの冷却剤から周囲環境への効率的な熱エネルギー伝達を容易にするために、少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットも、熱放散冷却剤ループと流体連絡している。
【０００７】
他の態様では、施設を冷却する方法が開示されている。この方法には、熱放散冷却剤ループを備える少なくとも１つの施設冷却ユニットを提供するステップであって、使用時に、少なくとも１つの施設冷却ユニットが施設から熱エネルギーを抽出し、この熱エネルギーを熱放散冷却剤ループの冷却剤に放出する、少なくとも１つの施設冷却ユニットを提供するステップと、熱放散冷却剤ループと流体連絡している冷却塔を提供するステップであって、この冷却塔が、熱放散冷却剤ループの冷却剤から周囲環境へ熱エネルギーを放出するための液体気体熱交換器を含む、冷却塔を提供するステップと、冷却塔付近の周囲温度の変動を伴う、熱放散冷却剤ループの冷却剤から周囲環境への効率的な熱エネルギー伝達を容易にするために、熱放散冷却剤ループと流体連絡している少なくとも１つのサーマル・キャパシタ・ユニットを提供するステップと、を含む。
【０００８】
さらに、本発明の技法を介して追加の機能および利点が実現される。本発明の他の実施形態および態様が本明細書で詳細に説明され、請求された発明の一部とみなされる。
【０００９】
次に、発明の諸実施形態について、添付の図面を参照しながら単なる例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】空冷式データ・センタの従来の高床レイアウトの一実施形態を示す図である。
【図２】液冷式データ・センタ向けの従来の冷却剤分配ユニットを示す図である。
【図３】本発明の態様に従った、熱放散冷却剤ループと流体連絡している冷却塔付近の周囲温度の変動と比較した熱放散冷却剤ループ内の冷却剤温度の変動を示し、サーマル・キャパシタ・ユニットが流体連絡している場合の、熱放散冷却剤ループ内の一定の冷却剤温度を示す、グラフである。
【図４】本発明の実施形態に従った、受動サーマル・キャパシタ・ユニットを採用する冷却システムを示す図である。
【図５】本発明の実施形態に従った、図６の５−５ラインに沿って見たサーマル・キャパシタ・ユニットを示す断面図である。
【図６】図５のライン６−６に沿って見た、図５のサーマル・キャパシタ・ユニット実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態に従った、能動的に制御されたサーマル・キャパシタ・ユニットを採用する冷却システムを示す図である。
【図８】本発明の実施形態に従った、図７の冷却システムのコントローラによって実施される制御処理を示す流れ図である。
【図９】本発明の実施形態に従った、図７の冷却システムのコントローラによって実施される制御処理を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書で使用される場合、「電子機器ラック」、「ラック据付型電子機器」、および「ラック・ユニット」という用語は交換可能に使用され、コンピュータ・システムまたは電子機器システムの１つまたは複数の熱生成構成要素を有する、任意のハウジング、フレーム、ラック、コンパートメント、ブレード・サーバ・システムなどを含み、たとえば、ハイ、ミッド、またはローのエンド処理機能を有する、スタンド・アロン型コンピュータ・プロセッサとすることができる。一実施形態では、電子機器ラックは、それぞれの内部に冷却が必要な１つまたは複数の熱生成構成要素が配置された、複数の電子機器ドロア（drawer）を備えることができる。さらに、本明細書で使用される場合、「液体気体熱交換ユニット」または「液体気体熱交換器」とは、本明細書で説明されたように特徴付けられた、それを介して液体冷却剤が循環可能な任意の熱交換機構を意味し、直列または並列のいずれかで結合された、１つまたは複数の離散型液体気体熱交換器を含む。液体気体熱交換器は、たとえば、複数の空冷式冷却フィンと熱的にまたは機械的に接触した熱伝導管（銅または他の管）の形の、１つまたは複数の冷却剤流路を備えることができる。加えて、液体気体熱ユニットのサイズ、構成、および構造は、本発明の範囲を逸脱することなく変更可能である。
【００１２】
加えて、本明細書で使用される場合、「データ・センタ」とは、冷却されることになる１つまたは複数の電子機器ラックを含むコンピュータ設備を言い表す。特定の例として、データ・センタは、サーバ・ユニットなどの、１列または複数列のラック据付型コンピューティング・ユニットを含むことができる。加えて本明細書では、総称的な「冷却剤」に関連して、システムおよび方法について説明する。一実施形態では、冷却剤は水性の（気化冷却塔で使用されるような）２相冷却剤を備えることができる。しかしながら、開示された概念は、２相または単相のいずれかの、他のタイプの冷却剤で使用するように容易に適合される。たとえば、冷却剤は、ブライン（brine）、フッ化炭素液、液体金属、あるいは他の同様の冷却剤または冷媒を備えることができるが、依然として本発明の利点および固有の機能を維持している。「施設冷却ユニット」とは、従来の蒸気圧縮冷却システムで採用されるような空調ユニット、または、たとえば米国特許第７，０８６，２４７号に記載されたような液冷式冷却剤分配ユニットの、いずれかを言い表す。
【００１３】
以下で図面を参照するが、これらは一定の縮尺で描画されておらず、理解しやすいように簡略化されている。異なる図面全体を通じて使用されている同じ参照番号は、同じかまたは同様の構成要素を指定している。
【００１４】
半導体技術の進歩により、ここ数年でプロセッサの性能は急激に向上した。これにより、ノード、ラック、およびクラスタの電力消費が急増し、これに対応して、典型的なデータ・センタ内の熱管理に使用される空冷式ＨＶＡＣ機器のエネルギー・ニーズも増加している。
【００１５】
図１は、全体として１００と示される空冷式データ・センタの一実施形態を示し、ここで複数の電子機器ラック１１０は、データ・センタの高床領域１１５上に複数列に配置される。空調ユニット１２０内では、気体液体熱交換器が、冷却剤注入ライン１２１および冷却剤排出ライン１２２に接続されて示された空調ユニット１２０を通過する施設冷却剤へと熱を伝達して、室内の周囲大気を冷却する。データ・センタ１００内では、電子機器ラック１１０は、穴あきタイル１２６に隣接して配置されたラックの吸気面１１２が列状に位置合わせされ、これにより、高床領域１１５の床下プレナム１２５から電子機器ラックの吸気面に冷気が引き込まれる。熱は、電子機器ラックの排気面１１４からデータ・センタ環境内へと排出される。通常、電子機器ラックは、その吸気面から排気面への気流の進入および退出を容易にする、１つまたは複数の換気デバイスを含む。データ・センタ環境へ排出された熱は、空調ユニット１２０、およびそれに結合された熱放散冷却剤ループ（すなわち、冷却剤注入および排出ライン１２１、１２２）を通じて退出する。
【００１６】
代替手法では、液冷式データ・センタを実装する冷却剤分配ユニットが採用される。全体として２００と示される、こうした冷却剤分配ユニットの一実施形態が、図２に示される。
【００１７】
例を挙げると、冷却剤分配ユニット２００は、冷却されることになるデータ・センタの様々な電子機器ラック２２０に調整済みの冷却水を分配する、単一の大規模コンピュータ室水調節（water conditioning）ユニット（ＣＲＷＣＵ）２１０を含む。従来、電子機器ラックは、メモリ・フレーム、プロセッサ・フレーム、入力／出力フレーム、電力フレームなどを含む。動作時に、ＣＲＷＣＵ  ２１０は顧客冷却水を受け入れ、これを使用して、コンピュータ室の個々の電子機器ラックに調節済み冷却水が供給される。
【００１８】
とりわけ、ＣＲＷＣＵ  ２１０は、建築物冷却水が供給され、熱交換器を通過する建築物冷却水の量を決定する制御弁を通過する、１次冷却ループを含み、建築物冷却水の一部は、迂回弁を介して返しに直接戻される可能性がある。さらにＣＲＷＣＵは、調節のためにポンプによって熱交換器へと水が注入され、コンピュータ室内で冷却されることになる電子機器ラック２２０への調節水源として排出される、貯水タンクを備える、第２の冷却ループを含む。コンピュータ室水調節ユニットは、従来は、電子機器フレームから分離され、データ・センタのすべての電子機器フレームにシステム水（通常、約１８〜２２℃に維持される）を供給する。
【００１９】
図２の液冷式データ・センタの例では、施設または建築物冷却水の供給および返しは、施設冷却剤ループの一部である。図１および図２には示されていないが、示された施設冷却剤ループの一部は（一実施形態では）、熱放散冷却剤ループ内の冷却剤から周囲環境へと熱エネルギーを放出するための液体気体熱交換器を含む、空冷式冷却塔と連絡している、施設冷却ユニットと流体連絡している可能性がある。
【００２０】
図３は、熱放散冷却剤ループと流体連絡している冷却塔付近の周囲温度の変動３００と比較した、熱放散冷却剤ループ内の冷却剤温度３１０の変動を示すグラフである。図に示されるように、昼間の施設冷却負荷の変動に関係なく、周囲温度（すなわち冷却塔のシンク温度）は、通常、昼間に最大まで上昇した後、夜間に徐々に低下する。同様に、冷却塔付近の周囲温度は、通常、夜間に最低付近に達するまで低下した後、日の出と共に上昇する。この冷却塔付近の周囲温度の変動により、結果として、冷却システムの効率が変化する。冷却塔付近の周囲温度が低い場合、施設冷却剤ループ内の冷却剤温度と周囲温度との差が小さく、その結果、施設冷却剤ユニットによる冷却がより効率的となる。しかしながら、冷却塔付近の周囲温度が高い場合、冷却塔付近の周囲温度と施設冷却剤ループ内の冷却剤温度との温度差は大きく、その結果、より多くの作業の実行を必要とするコンデンサ温度が高くなり、結果として、熱伝達の効率が悪くなり、熱放散冷却剤ループ内の冷却剤温度が高くなる。通常、空調の必要性は昼間の方が高いため、通常、冷却塔のデューティ（または必要な冷却負荷）は昼間の方が高いという事実により、この状況はさらに悪化する。図に示されるように、熱放散冷却剤ループと流体連絡しているサーマル・キャパシタ・ユニットを含むことによって、熱放散冷却剤ループ内の冷却剤温度３２０をより一定にすることが可能であり、したがって、冷却システム全体の効率が向上する。
【００２１】
周囲温度が冷却システムの性能に与える多大な影響は、理想的な可逆的カルノー冷却サイクルの研究によって示すことができる。熱力学で良く知られるように、サイクル効率の測度を表す方法の１つが、性能係数（ＣＯＰ）である。定義により、冷却サイクルにおけるＣＯＰはＣＯＰ＝１／（Ｑ＿ｈ／Ｑ＿１−１）であり、この式でＱ＿ｈは、コンデンサ側で最終シンク（この例では周囲）に放出される熱消費率であり、Ｑ＿１は、蒸発器によって吸収されている熱消費率である。冷却塔とデータ・センタの熱放散冷却剤ループとの両方が、冷却システムのコンデンサおよび蒸発器との間で（それぞれ）熱を伝達すること、および、冷却システム自体が可逆的（理想的）カルノー冷却器であることが想定された場合、この計算は、ＣＯＰ＝１／（Ｔ＿ｈ／Ｔ＿１−１）で表すことが可能であり、この式で、Ｔ＿ｈはコンデンサ側周囲の温度であり、Ｔ＿１は蒸発器の温度である。米国南西部からの例を考えると、昼間の最高気温は４９℃（３２２Ｋ）まで上る可能性があり、夜間温度は１６℃（２８９Ｋ）まで下がる可能性がある。この例では、データ・センタの負荷が一定であり、施設が１０℃（２８３Ｋ）の冷却剤を必要とすると想定すると、昼間のシステムの最大可能ＣＯＰは７．３であり、夜間の最大可能ＣＯＰは４７．２であることがわかる。ＣＯＰは、負荷側で実行される冷却量を、システムがその冷却を提供するために必要とする電力で割ったものと解釈することができる。例示的システムは、昼間は７．３Ｗ冷却するために１Ｗを消費し、夜間は４７．２Ｗ冷却するために１Ｗを消費する。これは、昼間に熱を蓄えた後、夜間に冷却した場合、かなりのエネルギー節約が達成できることを明白に実証している。
【００２２】
特定の例として、図４を参照しながら以下で詳細に説明するように、熱放散冷却剤ループ内の冷却剤は水であり、冷却塔は、熱放散冷却剤ループが冷却ベースの施設冷却ユニットのコンデンサを通過する、蒸発器として機能する。
【００２３】
図４は、たとえばデータ・センタ４０１を液冷するための、冷却システム４００の一実施形態を示す。冷却システム４００は、施設冷却ユニット４１０（冷却システム４０５、蒸発器４０６、およびコンデンサ４０７を備える）、施設冷却剤ループ４１１、および熱放散冷却剤ループ４１３を含む。熱エネルギーは、たとえば、データ・センタ内に配置された１つまたは複数の冷却剤分配ユニット（図示せず）を介してデータ・センタから抽出され、施設冷却剤ポンプ４０９を介し、施設冷却剤ループ４１１を通って、施設冷却ユニット４１０へと伝達される。蒸発器４０６は、施設冷却剤ループ４１１内の施設冷却剤から熱を吸収し、この熱が、冷却システム４０５を介してコンデンサ４０７にポンプで送られ、熱放散冷却剤ループ４１３を通る冷却剤に排出される。図に示されるように、熱放散冷却剤ループ４１３は、（一実施形態では）熱放散冷却剤ループ４１３を通過する冷却剤から周囲環境（たとえば外気）へと熱エネルギーを抽出するための液体気体熱交換器を含む、冷却塔４２０と流体連結しており、冷却剤循環ポンプ４３０は熱放散冷却剤ループを介して冷却剤を循環させる。
【００２４】
この実施形態では、１つまたは複数の受動サーマル・キャパシタ・ユニット４４０は、施設冷却ユニット４１０の冷却剤排出口と冷却塔４２０の冷却剤注入口との間の、熱放散冷却剤ループと流体連絡している。特定の動作例として、設備冷却ユニットは、冷却された施設水をデータ・センタに提供する。冷却された施設水は循環され、データ・センタ（またはより一般的には施設）内に配置された、様々な熱交換器、冷却板、空調機などから、熱エネルギーを収集する。その後、温められた施設水は、施設冷却ユニットまたは冷却装置に戻され、これは一例では、冷却システムであることに留意されたい。冷却システムは、熱エネルギーを、施設水から、本明細書ではコンデンサ水とも呼ばれる熱放散冷却剤ループ内の冷却剤（水性、２相冷却剤など）へと移動させる、ヒート・ポンプとして動作する。高温のコンデンサ水は、１つまたは複数のサーマル・キャパシタ・ユニット４４０を通じて冷却塔へと流れ、ここで周囲環境の周囲温度によって冷却される。冷却されたコンデンサ水は、その後、施設冷却ユニットへと再循環される。負荷が一定であると想定すると、冷却塔は、その負荷を放散するために異なる一定の温度を必要とする。したがって、周囲温度が上昇すると、必要な熱負荷を周囲へと放散するためにコンデンサ水温度が上昇する。このコンデンサ水温度（すなわち、熱放散冷却剤ループ４１３内の冷却剤温度）の上昇により、サーマル・キャパシタ・ユニットが起動する。
【００２５】
例を挙げると、受動サーマル・キャパシタ・ユニットは、相変化材料を備える。冷却剤温度が十分に高い（たとえば、選択された融解／凝固温度しきい値よりも上）場合、相変化材料は融解する。この相変化材料は、融解潜熱が最低と最高のコンデンサ水温度の間になるように選択される。冷却剤温度がしきい値温度よりも上昇した場合、コンデンサ水からの熱は相変化材料によって潜熱として吸収され、結果として材料が融解し、冷却塔にかかる負荷が減少する。夜間、周囲温度が下がった場合、コンデンサ水システム温度は、相変化材料の凝固点に達するまで低下する。この時点で相変化材料は凝固し、蓄えた潜熱をコンデンサ水へと解放して、冷却塔にかかる負荷を増加させる。代替実施形態として、相変化材料は、他の材料、たとえば水などの比熱の高い液体に置き換えることができる。次にこのプロセスでは、エネルギーを蓄積および解放するためにのみ、顕熱を利用することになる。
【００２６】
採用可能な２つの相変化材料候補の特性を、以下の表１に記載する。
【表１】
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【００２７】
一実施形態では、１つまたは複数のサーマル・キャパシタ・ユニット４４０が１つまたは複数のモジュラ・サーマル・キャパシタ・ユニットを備えることができる。
【００２８】
本発明の態様に従った、モジュラ・サーマル・キャパシタ・ユニット５００の一実施形態が、図５および図６に示される。この実施形態では、サーマル・キャパシタ・ユニット５００は、相変化材料５２５を含む内室５２０を備えた、シール容器またはハウジング５１０を備える。複数の冷却剤流管５３０が、注入プレナム５４０ａと排出プレナム５４０ｂとの間でチャンバ５２０を通過する。サーマル・キャパシタ・ユニットが、たとえば、施設冷却剤ユニットと冷却塔の間の熱放散冷却剤ループに挿入された場合、冷却剤は、冷却剤注入口５５０ａを介して注入プレナムに受け取られ、冷却流管を通って排出プレナムに渡され、冷却剤排出口５５０ｂを通って冷却剤ループに戻される。複数の冷却剤流管は、そこから延在する複数の熱伝導フィン５３２を有する。フィン５３２は、相変化材料と接触する表面積を増やす働きをする。一実施形態では、複数の熱伝導フィンが、冷却剤流管を取り囲む熱伝導板を供えることができる。熱伝導板フィン５３２の１つが、図６に示される。
【００２９】
相変化材料５２５は、複数の冷却剤流管５３０および複数の熱伝導フィン５３２を取り囲む。相変化材料５２５は、イリノイ州ネイパービルのＰＣＭ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓから入手可能なＴＨ２９などの、融解点の低い相変化材料である。材料ＴＨ２９は、２９℃の融解点を有する。熱負荷によって、水温が相変化材料の融解点よりも高くなった場合、材料の融解により、水からの熱は潜熱として相変化材料に吸収されることになる。ＴＣＵから出る水の温度は、このプロセスの間、相変化材料の融解点近くのレベルで維持されることになる。相変化材料の量をほぼ一定にすることにより、冷却塔付近の周囲温度の変動に対処するための画定された期間（たとえば、約４〜６時間）を提供することができる。有利なことに、この実施形態のサーマル・キャパシタ・ユニットは完全に受動的であり、ユニットを動作させるためのいかなるセンサまたはアクティブ制御も必要としない。
【００３０】
サーマル・キャパシタ・ユニット５００のアセンブリは、閉じた格納ハウジングまたはチャンバ内に、複数の冷却剤流管、熱伝導フィン、注入および排出プレナム、ならびにシステム冷却剤の注入口および排出口を備える、アセンブルされた熱交換サブストラクチャを配置することによって実施可能である。サーマル・キャパシタ・ユニットを融解した相変化材料で満たす前に、ハウジングおよび熱交換サブストラクチャは、相変化材料の融解点を超える温度まで加熱される。その後、ベント・ポート５５５を介して、すなわち相変化材料内の空隙を最小にするために、格納ハウジングの内部に真空が確立され、フィル・ポート５６５を介して融解した相変化材料をチャンバに注ぐことによって、格納ハウジング内の空き容積が満たされる。チャンバ上部に空気ポケットが残されるため、相変化材料が融解した場合、過度の静水圧を発現させる可能性がない。チャンバはシールされ、サーマル・キャパシタ・ユニットが冷却可能であるため、それによって相変化材料が凝固する。
【００３１】
図７は、液冷式データ・センタを実装するための、全体として６００と示された冷却システムの代替実施形態を示す。この冷却システムも、施設冷却剤ループ６１１、１つまたは複数の施設冷却ユニット６１０、冷却システム、蒸発器およびコンデンサ（図４に関して前述したような）、ならびに熱放散冷却剤ループ６１３を含む。熱放散冷却剤ループ６１３は、液体気体冷却塔６２０と流体連絡している施設冷却剤ユニット６１０に接続する。冷却剤ポンプ６０９は、施設冷却剤ループ６１１を介して冷却剤を循環させ、冷却剤ポンプ６３０は、熱放散冷却剤ループ６１３を介して冷却剤を循環させる。
【００３２】
この実施形態では、アクティブなサーマル・キャパシタ・ユニット６４０が例示される。アクティブなサーマル・キャパシタ・ユニット６４０は、低温冷却剤ストレージ・ユニット６４１および高温冷却剤ストレージ・ユニット６４２を含み、その両方を、コントローラ６５０によって制御可能なように熱放散冷却剤ループ６１３に結合することができる。図に示されるように、低温冷却剤ストレージ・ユニット６４１は、冷却塔６２０の冷却剤排出口と施設冷却ユニットのコンデンサの冷却剤注入口との間の、熱放散冷却剤ループ６１３に、制御可能なように結合される。高温冷却剤ストレージ・ユニット６４２は、施設冷却システム６１０の冷却剤排出口と冷却塔６２０の冷却剤注入口との間の、熱放散冷却剤ループ６１３に、制御可能なように結合される。とりわけ、コントローラ６５０は、低温冷却剤ストレージ・ユニット６４１および高温冷却剤ストレージ・ユニット６４２から、またはそれらへの、いずれかの冷却剤分流のタイミングおよび量を自動的に制御するために、複数の弁６５１、６５２、６５３、６５４、６５５、６５６に結合される。加えて、コントローラ６５０は、以下で詳細に説明するように、熱放散冷却剤ループ６１３内の冷却剤の温度ならびに周囲温度を監視するために、複数の温度センサＴＣ１、ＴＣ２、Ｔ０、ＴＨ１、およびＴＨ２に結合される。
【００３３】
特定の例のように、熱放散冷却剤ループ内の冷却剤は、再度、水性、２相冷却剤であるものと想定される。昼間、冷却塔６２０付近の周囲温度が最高になった場合、温水は高温冷却剤ストレージ・ユニット６４２にポンプで注入され、冷水は低温冷却剤ストレージ・ユニット６４１から解放される。高温冷却剤ストレージ・ユニットを満たすために、弁６５４、６５６が開かれ、弁６５５が徐々に閉じられて、高温冷却剤ストレージ・ユニットを通して高温水を流すか、またはこれに流入させる。施設冷却システム６１０の冷却剤排出口と冷却塔６２０の冷却剤注入口との間の、高温水ストレージ・ユニットの温度が、熱放散冷却剤ループ内の水の温度まで上昇すると、コントローラ６５０によって、弁６５５は自動的に開かれ、弁６５４、６５６は自動的に閉じられる。冷水を低温冷却剤ストレージ・ユニット６４１から解放するために、弁６５１、６５３が開かれ、弁６５２は徐々に閉じられる。夜間、冷却塔付近の周囲温度が最低になった場合、同じ手順を使用して、冷水は低温冷却剤ストレージ・ユニット６４１内に配置され、高温水は高温冷却剤ストレージ・ユニット６４２から解放される。このシナリオでは、毎日の温度の揺れを完全に緩衝するのに十分な大きさのタンクを構築することは不可能であることに留意されたい。これが可能であれば、弁６５１、・・・６５６は不要となる。より小さなタンクを使用してシステム性能を最適化するために、コントローラは、冷却塔付近の周囲温度が最高を示す期間に高温冷却剤ストレージ・ユニットのみを満たし、この時に、低温冷却剤ストレージ・ユニットからも水を解放する。それとは逆に、コントローラは、一日の最も低温の部分に低温冷却剤ストレージ・ユニットのみを満たすと同時に、高温水を高温冷却剤ストレージ・ユニットから解放する。
【００３４】
一実施形態では、アクティブなサーマル・キャパシタ・ユニットが熱エネルギーを蓄積し、熱エネルギーを解放するタイミングを制御するために、コントローラ６５０に結合された温度センサ、ならびに、第１の上限温度しきい値および第２の下限温度しきい値を採用することができる。たとえば、上記の図７の例では、低温冷却剤ストレージ・ユニット、高温冷却剤ストレージ・ユニット、および熱放散冷却剤ループは、常に冷却剤、たとえば水が満杯であると想定されることに留意されたい。この場合、各タンクに関連付けられた制御弁のうちの１つをなくすことができる。たとえば、機能を犠牲にすることなく、低温冷却剤ストレージ・ユニットには弁６５１または６５３が不要となる可能性があり、高温冷却剤ストレージ・ユニットから弁６５４または６５６を除去できる可能性がある。
【００３５】
図８および図９は、図７のコントローラ６５０による論理的実装の一実施形態を示す流れ図である。図７に示されるように、温度センサＴＨ１およびＴＨ２は熱放散冷却剤ループ６１３の高温側にあり、温度センサＴＣ１およびＴＣ２は熱放散冷却剤ループの低温側にある。屋外周囲温度センサＴ０は、冷却塔６２０の近傍に配置される。この実装では、図７〜図９を参照すると、コントローラ論理は、たとえばコントローラ６５０および冷却剤ポンプ６３０に電力を供給することで、熱放散冷却剤ループの起動時７００に開始される。次に、コントローラ６５０は、時刻を読み取り７０５、その時刻が０６００時よりも早い、すなわち夜間期間であるかどうかを判別する（７１０）。「ＹＥＳ」の場合、状態インジケータは「２」に設定される７２０。起動時刻が１８００時よりも遅い場合７１５、状態インジケータは再度状態「２」に設定される７２０。さもなければ、起動時刻が０６００時から１８００時の間（昼間）である場合、状態インジケータは状態「１」に設定される７２５。
【００３６】
屋外温度は、温度センサＴ０を使用して感知され、処理は状態インジケータが「１」に設定されているかどうかを判別し（７３５）、設定されている場合、センサＴ０からの屋外温度がプログラミングされた高温度しきい値（すなわちＴＨＩＧＨ（図３））と比較される。状態インジケータが状態「２」である場合、センサＴ０に関する屋外温度読み取り値は、プログラミングされた低温度しきい値（すなわちＬＨＩＧＨ）と比較される。状態「１」であり、Ｔ０が高しきい値レベルよりも大きい場合、または状態「２」であり、Ｔ０が低しきい値レベルよりも小さい場合、高温および低温のストレージ・タンク６４２、６４１内の冷却剤を、それぞれ熱放散冷却剤ループ６１３のアクティブ部分からの冷却剤に置き換えるために、液体交換動作が開始される。不等式の条件が満たされない場合、処理は、屋外温度を読み取るために、関係する不等式の条件が満たされるまで、時間遅延の有無（図示せず）のいずれかでループ・バックする。
【００３７】
条件が満たされ、図９の処理を続行する場合、液体交換動作は、高温および低温の両方のストレージ・タンクについて並行して開始される。熱放散冷却剤ループの高温側から開始すると、弁６５６および６５４が開かれた後、弁６５５が閉じられ（７５０、７５２、および７５４）、熱放散冷却剤ループの高温側の冷却剤をストレージ・タンク６４２に流入させ、タンク内に蓄えられた冷却剤をループのアクティブな部分（すなわち冷却剤ライン、冷却剤塔、およびコンデンサ）に移動させることができる。同様に、熱放散冷却剤ループの低温側では、弁６５１および６５３が開かれた後、弁６５２が閉じられる（７５１、７５３、および７５５）。
【００３８】
冷却剤をアクティブなループからストレージ・タンクへと導入する以前には、温度センサＴＨ１およびＴＨ２は同じ温度であり、温度センサＴＣ１およびＴＣ２は同じ温度である。液体交換動作を開始した後、コントローラは、温度ＴＨ１およびＴＨ２ならびにＴＣ１およびＴＣ２を読み取るまでｔ秒の短期間待機する（７５６および７５８、７５７および７５９）。この期間中、高温冷却剤が高温ストレージ・タンク６４２から移動するとＴＨ２の温度は上昇を開始し、ＴＨ１の温度は同じに維持されるか、または、低温冷却剤ストレージ・タンクからの低温冷却剤の同時解放により、低下する可能性もある。待機時間後に、温度センサＴＨ１、ＴＨ２、ＴＣ１、およびＴＣ２からの読み取りが実行される。ＴＨ１とＴＨ２の差異の絶対値、ならびにＴＣ１とＴＣ２の差異の絶対値が、基準値εと比較され、高温および低温のストレージ・タンク内のすべての冷却剤が、熱放散冷却剤ループ６１３からの冷却剤に置き換えられたかどうかを判別する。置き換えられた場合、温度ＴＨ１は温度ＴＨ２に達し、ＴＨ１とＴＨ２の差異の絶対値はε（この典型的な値は摂氏１度である）を下回る。このようになるまで、待機サイクル７６０、７６１、読み取り７５８、７５９、および比較７６２、７６３が繰り返される。液体交換動作が完了した後、冷却剤ループの高温側で弁６５５が開かれ、弁６５４および６５６が閉じられて（７６４、７６６、７６８）、熱放散冷却剤ループの高温側からの冷却剤は通常に戻され、すなわち、高温ストレージ・タンクを迂回する。同様に、ループ６１３の低温側で液体交換動作が完了すると、結果として、弁６５２が開かれ、弁６５１、６５３が閉じられる（７６５、７６７、７６９）。
【００３９】
液体交換動作が完了し、熱放散冷却剤ループが通常の冷却モードに戻った後、制御アルゴリズムは、状態条件が「１」であるか「２」であるかをチェックし７７０、どちらの状態条件が存在しても、その条件は反対の状態にリセットされ７７５、７８０、論理は図８のフローに戻って、屋外温度Ｔ０を読み取る。この最後の状態切り替え動作により、確実に、昼間に１つの液体交換動作のみを実行し、夜間に１つの液体交換動作のみを実行することが可能となる。
【００４０】
代替実施形態では、図７のシステムは、示されたすべての弁を含むことが可能であり、加えて、各ストレージ・ユニットから周囲への開口部も含むことが可能であり、そこでシステムは、１つのストレージ・ユニットおよび熱伝達冷却剤ループを満たすのに十分な水のみを含むことになる。昼間、システムは、低温冷却剤ストレージ・ユニット内の冷水および空の高温冷却剤ストレージ・ユニットから開始することになる。周囲温度が上昇すると、冷水は低温冷却剤ストレージ・ユニットから解放されて空気と交換され、同時に、高温水が高温冷却剤ストレージ・ユニットを満たし始める。夜間、このプロセスは逆になる。さらにほとんどの実装では、ストレージ・ユニット、または図４に関して相変化材料は、絶縁されることが望ましいことに留意されたい。
【００４１】
以上、好ましい諸実施形態について、本明細書で詳細に図示および説明してきたが、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、様々な変更、追加、置換などが実行可能であることは明らかであり、したがってこれらは、以下の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲内であるものとみなされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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