特許 6827196 地中熱を利用した電子機器冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6827196

(24)【登録日】2021年1月21日

(45)【発行日】2021年2月10日

(54)【発明の名称】地中熱を利用した電子機器冷却システム

(51)【国際特許分類】

   F24F 5/00 20060101AFI20210128BHJP

   F24F 3/044 20060101ALI20210128BHJP

   F24F 11/47 20180101ALI20210128BHJP

   F24F 11/74 20180101ALI20210128BHJP

   F24F 11/85 20180101ALI20210128BHJP

【ＦＩ】

   F24F5/00 101A

   F24F3/044

   F24F5/00 K

   F24F11/47

   F24F11/74

   F24F11/85

【請求項の数】1

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-139801(P2016-139801)

(22)【出願日】2016年6月28日

(65)【公開番号】特開2018-4237(P2018-4237A)

(43)【公開日】2018年1月11日

【審査請求日】2019年6月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】501247625

【氏名又は名称】ミサワ環境技術株式会社

(72)【発明者】

【氏名】駒澤 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】高田 雅夫

(72)【発明者】

【氏名】進堂 晃央

(72)【発明者】

【氏名】田中 雅人

【審査官】 浅野 弘一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０６９５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２００２１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２６１５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４３７５８３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５３３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４１０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３７０６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０９７３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６６５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２６１６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０２１３６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｆ ３／０４４

Ｆ２４Ｆ ５／００

Ｆ２４Ｆ １１／４７

Ｆ２４Ｆ １１／７４

Ｆ２４Ｆ １１／８５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子機器を収容する電子機器収容室と、該電子機器収容室の天井に設けられて電子機器収容室内の暖気を吸い込む天井吸込口と、該天井吸込口から前記電子機器収容室の床下まで送風ファンによって送風される通風路と、前記電子機器収容室と前記通風路とを連通する流入口と、該流入口部分に配置された熱交換器と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器と、前記熱交換器と前記地中熱交換器との間を液体の冷却媒体が循環するように接続された冷媒通路と、前記冷媒通路内に前記冷却媒体を循環させるための循環駆動装置とを備えていることを特徴とする空調システムであって、
前記送風ファンから前記熱交換器までの送風ダクトを備え、前記熱交換器及び前記冷媒通路から前記冷却媒体の漏えいが発生した際、前記冷却媒体が床下空間の床面に直接漏えいすることを防止可能なドレンパンの役割を兼ね、
前記送風ダクトは、前記送風ファンとは反対側に向けて緩やかな下向きの勾配を設けて、その末端に漏えいした冷却媒体を前記電子機器収容室外に排出可能なドレン管を備え、前記ドレン管は前記電子機器収容室外に設けられた漏えい検知器付の排水ピットに接続することを特徴とする空調システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中熱を利用した電子機器冷却システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

データセンターのコンピュータ室に設置されたサーバやルータ、通信機器室に設置された通信機器などの電子機器は、稼働時に大量の熱を発生している。従って、このような電子機器が設置された施設においては、発生した熱により電子機器が誤作動を起こしたり故障したりしないように、空調機等の空調システムを用いて室内を冷却して所定の温度に保つようにしている。

【0003】

データセンターにおける空調システムで消費される電力は、データセンター全体の消費電力の約３割を占めると言われており、省電力化が求められている。また、災害時には、事業の継続性の観点からデータセンターや通信機器室の機能を維持することが重要である。

【0004】

これに対して、空調システムにおける省電力化の方法の一つとして、地中熱を利用することが知られている。従来の地中熱を利用した空調システムは、水やその他の液体等を熱媒体としたヒートポンプを利用するものであり、熱媒体の循環駆動装置の動力に加えてヒートポンプの電力消費量が発生する。従って、災害時に使用する非常用電源への負荷が比較的大きく、事業継続性によっては不利である。

【0005】

一方、特許文献１には、データセンターにおける空調システムの省電力の一つの方法として、冷却空間領域のラック列間のグリル床の下面に冷房空調施設として送風ファン及び冷却コイルを設け、温度ムラやエネルギー消費の無駄を省く空調システムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１４−１１２０２８号広報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に記載された空調システムでは、冷房空調施設の冷却コイルを流れる冷却媒体の駆動装置の動力に加え、冷却媒体を冷却するためのチラーや冷却塔等の多大な動力が必要となる。また、災害時に使用する非常用電源の負荷が比較的大きく、事業継続性にとっては不利となる。

【0008】

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、効率的な冷却が可能で、災害時の非常用電源の負荷が小さく、地震時でも空調能力を維持できる、地中熱を利用した電子機器収容室の冷却システムを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本発明の地中熱を利用した電子機器冷却システムは、電子機器を収容する電子機器収容室と、該電子機器収容室の天井に設けられて電子機器収容室内の暖気を吸い込む天井吸込口と、該天井吸込口から前記電子機器収容室の床下まで送風ファンによって前記送風される通風路と、前記電子機器収容室と前記通風路とを連通する流入口と、該流入口部分に配置された熱交換器と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器と、前記熱交換器と前記地中熱交換器との間を冷却媒体が循環するように接続された冷媒通路と、前記冷媒通路内に冷却媒体を循環させるための循環駆動装置とを備えたことを特徴とする。

【0011】

また好ましくは、前記熱交換器がフィンを備えたことを特徴とする。

【0012】

また好ましくは、前記地中熱交換器及び前記冷媒通路がポリエチレン製チューブ材であることを特徴とする。

【0013】

また好ましくは、前記床下空間には、前記送風ファンから前記熱交換器までの送風ダクトを備え、前記熱交換器表面で発生する凝縮水が床下空間の下面に直接滴下することを防止可能なドレンパンの役割を兼ねることを特徴とする。

【0014】

また好ましくは、前記送風ダクトは、前記送風ファンとは反対側に向けて緩やかな下向きの勾配を設けてその先端に漏えい検知器が備えられたピットを設け、前記熱交換器や前記冷媒通路から冷却媒体の漏えいが発生した場合に、直ちに検知可能なことを特徴とする。

【0015】

また好ましくは、前記電子機器収容室の室内の温度に基づいて、前記循環駆動装置により前記冷媒通路を流れる冷却媒体の量や、前記送風ファンの送風量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明の地中熱を利用した電子機器冷却システムによれば、電子機器を収容する電子機器収容室と、該電子機器収容室の天井に設けられて電子機器収容室内の暖気を吸い込む天井吸込口と、該天井吸込口から前記電子機器収容室の床下まで送風ファンによって前記送風される通風路と、前記電子機器収容室と前記通風路とを連通する流入口と、該流入口部分に、吹出空気と冷却媒体とを熱交換するための熱交換器と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器との間が、冷却媒体を流通し得る冷媒通路で接続されており、循環駆動装置により冷媒通路内を冷却媒体が循環するようになっている。従って、冷却に要する電力は、送風ファンのほか、冷却媒体を循環させるための循環駆動装置に必要な分のみであるため、従来空調システムに比べて省電力化を図ることができ、従来の空調システムに比べて災害時の非常用電源への負荷が小さい。

【0017】

また、熱交換器がフィンを備えた場合には、送風ファンから床上に送風される空気の圧力損失を最小限に抑えつつ、接触面積を増大させて効率的に熱交換を行うことができる。

【0018】

また、冷媒通路及び地中熱交換器がポリエチレン製チューブ材である場合には、可撓性があるため、地震等による変位にも損傷しにくく、空調能力を維持することができる。

【0020】

また、前記床下空間に、前記送風ファンから前記熱交換器までの送風ダクトを備える場合には、送風ファンから床下空間を通過する空気は、送風ダクト内を通過して熱交換器に達することから、送風の抵抗が削減される。

【0021】

また、前記送風ダクトが前記熱交換器表面で発生する凝縮水が床下空間の下面に直接滴下することを防止可能なドレンパンを兼ねる場合には、凝縮水の浸水によるデータセンター内の不具合を防止することができる。

【0022】

また、前記送風ダクトは、前記送風ファンとは反対側に向けて緩やかな下向きの勾配を設けてその先端に漏えい検知器を備えたピットを設ける場合には、熱交換器や冷媒通路から冷却媒体の漏えいが発生した場合、当該ダクト及びピットの漏えい検知器を通じて、直ちに検知可能である。

【0023】

また、電子機器収容室の室内の温度に基づいて、循環駆動装置により冷媒通路を流れる冷却媒体の量を制御する制御装置を備えた場合には、室内の温度を適切に維持することができる。

【0024】

また、電子機器収容室の室内の温度に基づいて、送風ファンによって送風ダクトを流れる送風量を制御する制御装置を備えた場合には、室内の温度を適切に維持することができる。

【0025】

また、電子機器収容室の室内の温度を適切な範囲に維持するとともに、循環ポンプの動力と送風ファンの動力の合計が最小になるように、冷却媒体の量と送風量を制御する制御装置を備えた場合には、消費電力を抑えることができる。

【0026】

以上、本発明によれば、効率的な冷却が可能で、災害時の非常用電源への負荷が小さく、地震時でも空調能力を維持できる、地中熱を利用した空調システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の実施形態に係る地中熱を利用した電子機器冷却システムの構成図である。

【図2】グリル状の流入口の直下に熱交換器を配置した状態を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

次に、図１及至図２を参照して、本発明の実施形態に係る地中熱を利用した電子機器冷却システム（以下、「本冷却システム」という。）について説明する。まず、図１を参照して、本冷却システムの全体構成について説明する。

【0029】

本空調システムは、データセンターＤのコンピュータ室としての電子機器収容室１内に設置された電子機器５から発生する熱による室内温度上昇を制御して、所定の室内温度を保つためのものであり、主として、地中熱交換器１０、循環ポンプ２０（循環駆動装置）、熱交換器３０及び冷媒通路４０，５０から構成されている。

【0030】

データセンターＤに隣接する地中には、地中熱を利用するための地中熱交換器１０が地表面から例えば１００ｍ程度の深さに埋設されており、地中熱交換器１０の外表面と地盤との間で熱交換が行われるようになっている。

【0031】

データセンターＤのコンピュータ室としての電子機器収容室１内には、サーバ等の電子機器５を収容したサーバラック２が複数設置されている。サーバラック２に収納された電子機器５で発生した熱は、暖気として排気され、天井吸込口４から通風路３を介して、送風ファン６０によって床下空間に導かれている。この暖気は熱交換器３０を介して床部分に設けられたグリル状の流入口８０から床上に送風されるようになっている。なお、この熱交換器３０はグリル状の流入口の直下に配置されている。

【0032】

床部分に設けられたグリル状の流入口８０の直下に配置された熱交換器３０と、地中に埋設された地中熱交換器１０との間は、冷媒通路（往）４０及び冷媒通路（還）５０により接続されており、冷媒通路（往）４０の途中には、循環ポンプ２０が設けられている。そして、循環ポンプ２０の動力により、地中熱交換器１０→冷媒通路（往）４０→熱交換器３０→冷媒通路（還）５０→地中熱交換器１０の順に、冷却媒体が循環するようになっている。

【0033】

冷却媒体としては、液体を用いることができる。例えば、水、プロピレングリコール水溶液等が挙げられる。

【0034】

地中熱交換器１０及び冷媒通路４０，５０は、鋳物やステンレス鋼等の材料を用いることもできるが、ポリエチレン製のチューブ材を用いると、可撓性があるため地震等による変位にも損傷しにくく、災害時の冷却能力を維持するために好ましい。

【0035】

循環ポンプ２０（循環駆動装置）の動力により冷媒通路４０，５０を流れる冷却媒体の量は一定であってもよいが、制御装置を設けて、コンピュータ室の温度に基づいて流れる冷却媒体の量を制御するようにしてもよい。電子機器収容室１内の温度を監視しながら、所定の温度を超えたら流れる冷却媒体の量を増加させ、所定の温度を切ったら冷却媒体の量を減少させるように制御して、できるだけ一定の温度に保つことができる。

【0036】

送風ファン６０の動力により、グリル状の入流口８０から送風される送風量は一定であってもよいが、制御装置を設けて、電子機器収容室１の温度に基づいて送風量を制御するようにしてもよい。電子機器収容室１内の温度を監視しながら、所定の温度を超えたら送風量を増加させ、所定の温度を切ったら送風量を減少させるように制御して、できるだけ一定の温度に保つことができる。

【0037】

上記制御装置は、電子機器収容室１内の温度を適切な範囲に維持するとともに、循環ポンプ２０の動力と送風ファン６０の動力の合計が最小になるように、冷却媒体の量と送風量を制御するようにしてもよい。

【0038】

以上の構成により、地中熱交換器１０により冷却された冷却媒体は、電子機器収容室１内のグリル状の流入口８０の直下に配置された熱交換器３０に送られ、送風ファン６０から送風される空気との間の熱交換により温度が上昇し、再び地中熱交換器１０に送られて冷却される。なお、地表面から１０ｍ以深の地中内温度は、地上温度の影響を受けることなく年間を通じて一定温度に保たれている。この温度は地域によって異なるが、例えば北海道であれば１０℃程度、九州であれば１８℃程度である。これに対してデータセンターＤにおける推奨温度は１８℃〜２７℃と言われており、地中熱を利用した冷却が十分に可能である。

【0039】

次に図２を参照して、熱交換器３０の詳細について説明する。図２は熱交換器３０の斜視図であり、図１のＡ部分を拡大したものである。

【0040】

熱交換器３０は、グリル状の流入口８０の直下に配置された複数のプレートフィンであり、フィンの部分に送風ファン６０から送風ダクト７０を通過する空気が当たって冷却され、床上に送風される。このように、熱交換器３０がフィンを備えることにより、送風ファン６０から送風される空気の圧力損失を最小限に抑えつつ、接触面積を増大させて効率的に熱交換をおこなうことができる。なお、熱交換器３０は、グリル状の流入口８０の配置に合せて直列や並列に配置することができる。

【0041】

また、送風ダクト７０は、熱交換により熱交換器３０の表面に発生する凝縮水が床下空間の下面に直接滴下することを防止可能なドレンパンの役割を兼ねる。送風ダクト７０は、送風ファン６０の反対側に向かって下がるように緩やかな勾配が設けられている。なお、図１に示すように送風ダクト７０の最も低い位置となる先端からドレン管９０によって接続された漏えい検知器を備えたピット１００が設置されている。以上の構成により、熱交換器３０や冷媒通路４０，５０から冷却媒体の漏えいが生じた場合、送風ダクト７０及びピット１００の漏えい検知器を通じて、直ちに検知可能である。

【0042】

本実施形態に係る地中熱を利用した本冷却システムによれば、グリル状の流入口８０の直下の位置に合せて配置された熱交換器３０と、地中に設けられた地中熱を利用する地中熱交換器１０との間が、冷媒通路４０，５０で接続されており、循環ポンプ２０により冷媒通路４０，５０内を冷却媒体が循環するようになっている。そして、地中熱交換器１０により冷却された冷却媒体が冷媒通路４０，５０を通って熱交換器３０に到達し、送風ファン６０から送風される空気を冷却するようになっている。従って、冷却に要する電力は、冷却媒体を循環させるための循環ポンプ２０、及び送風ファン６０に必要な分のみであるため、従来の空調システムに比べて省電力を図ることができ、災害時の非常用電源への負荷も小さい。

【0043】

また、熱交換器３０がフィンを備えているので、送風ファン６０から送風される空気の圧力損失を最小限に抑えつつ、接触面積を増大させて効率的に熱交換を行うことができる。

【0044】

また、地中熱交換器１０及び冷媒通路４０，５０がポリエチレン製チューブ材であるので、可撓性があるために地震等による変位にも損傷しにくく、災害時の冷却能力を維持することができる。

【0045】

また、前記床下空間に、送風ファン６０から熱交換器３０までの送風ダクト７０を備えているので、送風の抵抗が削減されるほか、熱交換器３０の表面に発生する凝縮水が床下空間の下面に直接滴下することを防止可能なドレンパンを兼ねるため、凝縮水の浸水による電子機器収容室１内の不具合を防止することができる。

【0046】

また、電子機器収容室１の室内の温度に基づいて、循環ポンプ２０により冷媒通路４０，５０を流れる冷却媒体の量を制御する制御装置を備えているので、室内の温度を適切に維持することができる。

【0047】

また、電子機器収容室１の室内の温度に基づいて、送風ファン６０により送風ダクト７０を流れる送風量を制御する制御装置を備えているので、室内の温度を適切に維持することができる。

【0048】

また、電子機器収容室１の室内の温度を適切な範囲に維持するとともに、循環ポンプ２０の動力と送風ファン６０の動力の合計が最小になるように、冷却媒体の量と送風量を制御する制御装置を備えているので、消費電力を抑えることができる。

【0049】

このように、本実施形態に係る地中熱を利用した本冷却システムによれば、効率的な冷却が可能で災害時の非常用電源の負荷が小さく、地震時でも空調能力を維持できる。

【0050】

以上、本発明の実施形態に係る地中熱を利用した本冷却システムについて説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるわけではなく、その他種々の変更が可能である。

【0051】

例えば、上記実施形態に係る電子機器収容室１は、サーバ等が設置されたデータセンターＤのコンピュータ室としたが、ルータや通信機器が設置された通信機器室などに適用可能である。

【符号の説明】

【0052】

Ｄ データセンター
１ 電子機器収容室
２ サーバラック
３ 通風路
４ 天井吸込口
５ 電子機器
１０ 地中熱交換器
２０ 循環ポンプ（循環駆動装置）
３０ 熱交換器（プレートフィン）
４０ 冷媒通路（往）
５０ 冷媒通路（還）
６０ 送風ファン
７０ 送風ダクト
８０ グリル状の流入口
９０ ドレン管
１００ ピット（漏えい検知器）

【図1】

【図2】