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特許7513395向流巡回を伴う単相流体および扁平チューブ熱交換器を用いる冷却システムおよび方法
(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】
(24)【登録日】2024-07-01
(45)【発行日】2024-07-09
(54)【発明の名称】向流巡回を伴う単相流体および扁平チューブ熱交換器を用いる冷却システムおよび方法
(51)【国際特許分類】
G06F 1/20 20060101AFI20240702BHJP
F28D 1/053 20060101ALI20240702BHJP
F28F 1/02 20060101ALI20240702BHJP
F28F 1/30 20060101ALI20240702BHJP
F28F 9/26 20060101ALI20240702BHJP
F28F 21/08 20060101ALI20240702BHJP
H05K 7/18 20060101ALI20240702BHJP
【ＦＩ】
G06F1/20 D
F28D1/053 A
F28F1/02 B
F28F1/30 D
F28F9/26
F28F21/08 A
H05K7/18 K
【請求項の数】
21
(21)【出願番号】P 2019511570
(86)(22)【出願日】2017-08-28
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-10-10
(86)【国際出願番号】 US2017048969
(87)【国際公開番号】W WO2018039680
(87)【国際公開日】2018-03-01
【審査請求日】2020-08-26
【審判番号】
【審判請求日】2023-07-14
(31)【優先権主張番号】62/380,039
(32)【優先日】2016-08-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/383,878
(32)【優先日】2016-09-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】512330547
【氏名又は名称】イナーテック アイピー エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(72)【発明者】
【氏名】ジャン，ミン
(72)【発明者】
【氏名】グエン，ケン
(72)【発明者】
【氏名】シャピロ，ドロン
(72)【発明者】
【氏名】コスタキス，ジョン
【合議体】
【審判長】篠塚 隆
【審判官】山澤 宏
【審判官】富澤 哲生
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０３０７７１６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２４０１８６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０３－１８３１５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０８３３１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２８９４６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１３９２７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２１６２９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０７１７９５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
G06F 1/20
H05K 7/18
F28F 1/00- 1/44
F28F 9/00- 9/26
F28F21/00-27/02
F28D 1/00-13/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の情報技術（ＩＴ）ラックを冷却するためのシステムであって、前記複数のＩＴラックにより形成される高温通路にまたはその近くに配置された熱交換器であって、前記熱交換器は、
第１の複数の扁平チューブを含む第１の列と、
前記第１の列と流体連通する第２の複数の扁平チューブを含む第２の列と、
を含む、熱交換器と、
前記熱交換器と空気連通して配置され、かつ、前記高温通路から前記熱交換器を通じて前記第２の列から前記第１の列に空気を移動させるように構成された送風機と、
前記熱交換器に連結されかつそれと流体連通する単相流体回路であって、前記単相流体回路は、前記熱交換器を通じて第１の列から第２の列に、マイクロカプセル化された相変化物質を含む単相フルオロケトン（ＦＫ）流体を循環させる、単相流体回路と、
水回路と、
前記単相流体回路と前記水回路との間に連結された第２の熱交換器と、
を備える、システム。
【請求項2】
第１および第２の複数の扁平チューブの各扁平チューブは、１つ以上の流路を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記第１および第２の複数の扁平チューブの各扁平チューブは、２つの流路、３つの流路、または５つの流路を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記第１および第２の複数の扁平チューブの各扁平チューブは、アルミニウムチューブである、請求項２に記載のシステム。
【請求項5】
第１および第２の複数の扁平チューブのうちの扁平チューブの対の間に配置された複数のフィンをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記複数のフィンのそれぞれは、空気流の方向に波模様を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項7】
前記複数のフィンはルーバー付きフィンである、請求項５に記載のシステム。
【請求項8】
前記熱交換器は、前記第２の列と流体連通する第３の複数の扁平チューブを含む第３の列と、
前記第３の列と流体連通する第４の複数の扁平チューブを含む第４の列と、
をさらに含み、
前記送風機は、前記高温通路から前記熱交換器を通じて前記第４の列から前記第１の列に高温空気を移動させ、
前記単相流体回路は、前記熱交換器を通じて前記第１の列から前記第４の列に前記単相ＦＫ流体を循環させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項9】
前記第１の列および前記第２の列は、Ｏリングおよび１つ以上のボルトを用いて接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項10】
屋外流体冷却器内に、かつ前記水回路と流体連通して配置された第３の熱交換器であって、前記第３の熱交換器は、複数の扁平チューブの１つ以上の列を含む、第３の熱交換器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
前記熱交換器は、前記高温通路より上に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項12】
前記熱交換器と前記高温通路との間に連結された空気ダクトをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項13】
複数の情報技術（ＩＴ）ラックを冷却するための方法であって、熱交換器の第１の列の第１の複数の扁平なアルミニウム形成されたチューブの全域にわたり、その後、前記熱交換器の第２の列の第２の複数の扁平なアルミニウム形成されたチューブの全域にわたり、複数のＩＴラックにより形成される高温通路から空気を移動させることと、
前記空気から、マイクロカプセル化された相変化物質を含む単相フルオロケトン（ＦＫ）流体に、かつ第２の熱交換器の第１の流路を通じて熱を伝達するべく、前記熱交換器を通じて前記第２の複数の扁平なアルミニウム形成されたチューブから前記第１の複数の扁平なアルミニウム形成されたチューブに前記単相ＦＫ流体をポンピングすることと、
前記第２の熱交換器の第２の流路を通じて冷却水溶液を循環させることと、
を備える、方法。
【請求項14】
熱交換器であって、第１の一対のヘッダチューブ、および、第１の複数の扁平チューブが前記第１の一対のヘッダチューブと流体連通するように前記第１の一対のヘッダチューブの間に連結された前記第１の複数の扁平チューブを含む第１の列と、
第２の一対のヘッダチューブ、および、第２の複数の扁平チューブが前記第２の一対のヘッダチューブと流体連通するように前記第２の一対のヘッダチューブの間に連結された前記第２の複数の扁平チューブを含む第２の列であって、前記第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブは、前記第１の列の第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブと、前記第２の列の第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブとの間の流体連通を可能にするように、前記第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブに連結される、第２の列と、
第１および第２の複数の扁平チューブの各対の間に配置された複数のフィンと、
前記第１の列の第１の側面上で前記第１の一対のヘッダチューブのうちの第１のヘッダチューブ内の各々の開口部に一体的に連結された複数の第１のヘッダ接続具と、
前記第１の列の第２の側面上で前記第１の一対のヘッダチューブのうちの第２のヘッダチューブ内の各々の開口部に一体的に連結された複数の第２のヘッダ接続具であって、前記第１の列の第１の側面は、前記第１の列の第２の側面の反対側にある、第２のヘッダ接続具と、
前記第２の列の第１の側面上で前記第２の一対のヘッダチューブのうちの第１のヘッダチューブ内の各々の開口部に一体的に連結された複数の第３のヘッダ接続具であって、前記第１の列の第２の側面上で前記第１の一対のヘッダチューブのうちの第２のヘッダチューブ内の各々の開口部に一体的に連結された複数の第２のヘッダ接続具は、前記第２の列の第１の側面上で前記第２の一対のヘッダチューブのうちの第１のヘッダチューブ内の各々の開口部に一体的に連結された複数の第３のヘッダ接続具にそれぞれ連結される、第３のヘッダ接続具と、
前記第２の列の第２の側面上で前記第２の一対のヘッダチューブのうちの第２のヘッダチューブ内の各々の開口部に一体的に連結された複数の第４のヘッダ接続具であって、前記第２の列の第１の側面は、前記第２の列の第２の側面の反対側にある、第４のヘッダ接続具と、
を備え、
前記第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブは、Ｏリングまたはガスケットおよび１つ以上のボルトまたはネジを用いて、前記第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブのヘッダ接続部を前記第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブのヘッダ接続部に連結することにより、前記第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブに連結される、熱交換器。
【請求項15】
前記第１の列および前記第２の列は、別個に構築される、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項16】
前記第１および第２の複数の扁平チューブは、２つの流路、３つの流路、または５つの流路をそれぞれ含む、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項17】
前記第１および第２の複数の扁平チューブは、アルミニウムチューブである、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項18】
前記複数のフィンのそれぞれは、空気流の方向に波模様を含む、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項19】
前記複数のフィンはルーバー付きフィンである、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項20】
前記第１の列に連結されかつそれと流体連通する流体入口と、前記第２の列に連結されかつそれと流体連通する流体出口と、
前記熱交換器を通じて前記第２の列から前記第１の列に高温空気を移動させるように構成された１つ以上の送風機と、
をさらに備える、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項21】
熱交換器を製造する方法であって、第１の複数の扁平チューブが第１の一対のヘッダチューブと流体連通するように、前記第１の一対のヘッダチューブの間に第１の一対のヘッダチューブおよび前記第１の複数の扁平チューブを含む第１の列を連結することと、
第２の複数の扁平チューブが第２の一対のヘッダチューブと流体連通するように、前記第２の一対のヘッダチューブの間に第２の一対のヘッダチューブおよび前記第２の複数の扁平チューブを含む第２の列を連結することと、
前記第１の列の第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブと、前記第２の列の第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブとの間の流体連通を可能にするように、前記第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブを前記第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブに連結することと、
各対の第１および第２の複数の扁平チューブの間に複数のフィンを配置することと、
前記第１の列の第１の側面上で前記第１の一対のヘッダチューブのうちの第１のヘッダチューブ内の各々の開口部に複数の第１のヘッダ接続具を鑞接することと、
前記第１の列の第２の側面上で前記第１の一対のヘッダチューブのうちの第２のヘッダチューブ内の各々の開口部に複数の第２のヘッダ接続具を鑞接することであって、前記第１の列の第１の側面は、前記第１の列の第２の側面の反対側にあることと、
前記第２の列の第１の側面上で前記第２の一対のヘッダチューブのうちの第１のヘッダチューブ内の各々の開口部に複数の第３のヘッダ接続具を鑞接することと、
前記第２の列の第２の側面上で前記第２の一対のヘッダチューブのうちの第２のヘッダチューブ内の各々の開口部に複数の第４のヘッダ接続具を鑞接することであって、前記第２の列の第１の側面は、前記第２の列の第２の側面の反対側にあることと、
前記第１の列の第２の側面上で前記第１の一対のヘッダチューブのうちの第２のヘッダチューブ内の各々の開口部に鑞接された複数の第２のヘッダ接続具を、前記第２の列の第１の側面上で前記第２の一対のヘッダチューブのうちの第１のヘッダチューブ内の各々の開口部に鑞接された複数の第３のヘッダ接続具にそれぞれ連結することと、
Ｏリングまたはガスケットを通じて、前記第１の一対のヘッダチューブの第１のヘッダ接続部を前記第２の一対のヘッダチューブの第２のヘッダ接続部に連結することにより、前記第１の一対のヘッダチューブを前記第２の一対のヘッダチューブに連結することと、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、冷却システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
過去数年にわたり、コンピュータ設備の製造業者は、彼らのサーバのデータ収集および記憶装置の性能を拡張してきた。サーバ性能の拡張は、データセンター内のサーバ毎およびサーバラック組立体毎の総電力消費および総出熱における増加に繋がった。それは、コンピュータのデータ収集および記憶装置のための電力および温度の制御要件における増加にも繋がった。結果として、データ収集および記憶装置の産業は、コンピュータのデータ収集および記憶装置の性能におけるとてつもなくかつ持続する成長に応対するべく、新しく、革新的な設備、システム、および設計戦略を求めてきておりかつ求めている。
【0003】
コンピュータ・サーバラックのための冷却システムは、データセンター内の常に増加しているコンピュータ・サーバ熱負荷を冷却する能力に遅れをとらないように奮闘してきている。（キロワット（ｋＷ）において測定される）コンピュータ・サーバ熱負荷の増加により、データ室内で冷却基盤のためにより多くの空間を割り当てること、または、冷却システムが熱源、すなわち、コンピュータ・サーバラックに集められることが要求されてきた。最近、冷却システムは、コンピュータ・サーバラックに冷却を集中するように設計されてきた。こうした冷却システムは、後扉熱交換器およびラックトップ冷却器を含む。
【発明の概要】
【0004】
１つの態様において、本開示は、複数の情報技術（ＩＴ）ラックを冷却するためのシステムを特徴とするものである。本システムは、複数のＩＴラックにより形成される高温通路にまたはその近くに配置された熱交換器を含む。次に、熱交換器は、第１の複数の扁平チューブを含む第１の列、および第１の列と流体連通する第２の複数の扁平チューブを含む第２の列を含む。本システムは、熱交換器と空気連通して配置された送風機をさらに含む。送風機は、高温通路から熱交換器を通じて第２の列から第１の列に空気を移動させる。本システムは、熱交換器に連結されかつそれと流体連通する単相流体回路をさらに含む。単相流体回路は、熱交換器を通じて第１の扁平チューブから第２の扁平チューブに単相流体を循環させる。
【0005】
態様において、第１および第２の複数の扁平チューブの各扁平チューブは、１つ以上の流路を含む。第１および第２の複数の扁平チューブの各扁平チューブは、２つの流路、３つの流路、または５つの流路を含む。
【0006】
態様において、第１および第２の複数の扁平チューブの各扁平チューブは、押出成形または鑞接されたアルミニウムチューブである。
【0007】
態様において、本システムは、第１および第２の複数の扁平チューブのうちの扁平チューブの対の間に配置された複数のフィンを含む。実施形態において、複数のフィンのそれぞれは、空気流の方向に波模様を含み得る。実施形態において、複数のフィンはルーバー付きフィンである。
【0008】
態様において、熱交換器は、第２の列と流体連通する第３の複数の扁平チューブを含む第３の列、および第３の列と流体連通する第４の複数の扁平チューブを含む第４の列をさらに含む。態様において、送風機は、高温通路から熱交換器を通じて第４の列から第１の列に高温空気を移動させ、単相流体回路は、熱交換器を通じて第１の列から第４の列に単相流体を循環させる。
【0009】
態様において、第１の列および第２の列は、Ｏリングおよび１つ以上のボルトまたはネジを用いて接続される。
【0010】
態様において、単相流体はフルオロケトン（ＦＫ）流体である。態様において、ＦＫ流体は、マイクロカプセル化された相変化物質を含む。
【0011】
態様において、本システムは、水回路、および単相流体回路と水回路との間に連結された第２の熱交換器をさらに含む。
【0012】
態様において、本システムは、屋外流体冷却器内に、かつ水回路と流体連通して配置された第３の熱交換器をさらに含む。第３の熱交換器は、複数の扁平チューブの１つ以上の列を含む。
【0013】
態様において、本システムは、屋外流体冷却器内に、かつ単相流体回路と流体連通して配置された第２の熱交換器をさらに含む。第２の熱交換器は、複数の扁平チューブの１つ以上の列を含む。
【0014】
態様において、熱交換器は、高温通路より上に配置される。
【0015】
態様において、本システムは、熱交換器と高温通路との間に連結された空気ダクトをさらに含む。
【0016】
別の態様において、本開示は、複数の情報技術（ＩＴ）ラックを冷却するための方法を特徴とするものである。本方法は、第１の熱交換器の第１の列の第１の複数の扁平なアルミニウム形成されたチューブの全域にわたり、その後、熱交換器の第２の列の第２の複数の扁平なアルミニウム形成されたチューブの全域にわたり、複数のＩＴラックにより形成される高温通路から空気を移動させること、空気から単相流体に、かつ第２の熱交換器の第１の流路を通じて熱を伝達するべく、熱交換器を通じて第２の複数の扁平なアルミニウム形成されたチューブから第１の複数の扁平なアルミニウム形成されたチューブに単相流体をポンピングすること、および第２の熱交換器の第２の流路を通じて冷却水溶液を循環させることを含む。
【0017】
態様において、単相流体はフルオロケトン（ＦＫ）流体である。態様において、ＦＫ流体は、マイクロカプセル化された相変化物質を含む。
【0018】
なおも別の態様において、本開示は、熱交換器を特徴とするものである。本熱交換器は、第１の一対のヘッダチューブ、および、第１の複数の扁平チューブが第１の一対のヘッダチューブと流体連通するように第１の一対のヘッダチューブの間に連結された第１の複数の扁平チューブを含む第１の列を含む。本熱交換器は、第２の一対のヘッダチューブ、および、第２の複数の扁平チューブが第２の一対のヘッダチューブと流体連通するように第２の一対のヘッダチューブの間に連結された第２の複数の扁平チューブを含む第２の列も含む。第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブは、鑞接工程を用いることなく第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブに連結される。本熱交換器は、第１および第２の複数の扁平チューブの各対の間に配置された複数のフィンも含む。
【0019】
態様において、第１の列および第２の列は、鑞接工程を用いて別個に構築される。態様において、第１および第２の複数の扁平チューブは、２つの流路、３つの流路、または５つの流路をそれぞれ含む。態様において、第１および第２の複数の扁平チューブは、押出成形または鑞接されたアルミニウムチューブである。
【0020】
態様において、複数のフィンのそれぞれは、空気流の方向に波模様を含む。態様において、複数のフィンはルーバー付きフィンである。
【0021】
態様において、本熱交換器は、第１の列に連結されかつそれと流体連通する流体入口、第２の列に連結されかつそれと流体連通する流体出口、および本熱交換器を通じて第２の列から第１の列に高温空気を移動させるように構成された１つ以上の送風機を含む。
【0022】
態様において、第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブは、Ｏリングまたはガスケットおよび１つ以上のボルトまたはネジを用いて、第１の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブのヘッダ接続部を第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブのヘッダ接続部に連結することにより、第２の一対のヘッダチューブのうちのヘッダチューブに連結される。
【0023】
なおも別の態様において、本開示は、熱交換器を製造する方法を特徴とするものである。本方法は、第１の複数の扁平チューブが第１の一対のヘッダチューブと流体連通するように、鑞接工程を通じて第１の一対のヘッダチューブの間に第１の複数の扁平チューブを連結すること、第２の複数の扁平チューブが第２の一対のヘッダチューブと流体連通するように、鑞接工程を通じて第２の一対のヘッダチューブの間に第２の複数の扁平チューブを連結すること、および鑞接工程を用いることなく、第１の一対のヘッダチューブのうちの第１のヘッダチューブを第２の一対のヘッダチューブのうちの第２のヘッダチューブに連結することを含む。
【0024】
態様において、製造する方法は、Ｏリングまたはガスケットを通じて、第１のヘッダチューブの第１のヘッダ接続部を第２のヘッダチューブの第２のヘッダ接続部に連結することにより、第１のヘッダチューブを第２のヘッダチューブに連結することをさらに含む。
【0025】
本開示の様々な態様および特徴が、以下の図面を参照して下文に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本開示の一実施形態に従う、単相流体冷却システムを例解している概略線図である。
【図2】本開示の別の実施形態に従う、中間熱交換器を有する単相流体冷却システムを例解している概略線図である。
【図3】本開示のなお別の実施形態に従う、中間熱交換器および個々のポンプ／パイプループを有する単相流体冷却システムを例解している概略線図である。
【図4A】本開示のなおも別の実施形態に従う、屋上空気取扱部への高温空気の戻りを伴う冷却システムを例解している概略線図である。
【図4B】本開示のなおも別の実施形態に従う、屋上空気取扱部への高温空気の戻りを伴う冷却システムを例解している概略線図である。
【図5A】本開示に従って設けられた熱交換器の正面図である。
【図6】本開示に従って設けられた別の熱交換器の上面図である。
【図7A】本開示に従って設けられたなお別の熱交換器の正面図である。
【図8A】本開示に従って設けられたなお別の熱交換器の正面図である。
【図9A】この開示のいくつかの実施形態に従って設けられた熱交換器フィンの上面図である。
【図11A】この開示のいくつかの実施形態に従って設けられたなお別の熱交換器の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本開示は、向流を維持し、列と入口／出口との間の容易な接続を促進する、多数のチューブ列および特別なヘッダチューブを有する熱交換器を対象としている。
【0028】
本開示の実施形態は、類似の参照番号がいくつかの図のそれぞれにおいて同一のまたは対応する要素を指定している図面を参照してここで詳細に記載されている。図面において、かつ続く記載において、正面、背面、上部、下部、頂部、底部等の用語、および同様の方向の用語は、単に記載の便宜のために用いられており、本開示を限定することは意図されていない。加えて、以下の記載において、周知の機能および構造は、本開示を不要な詳細で分かりにくくすることを回避するために詳細に記載されていない。
【0029】
現在、コンピュータ・サーバは高熱を生み出し、後扉熱交換器および市場にある他の同様の冷却製品は、こうした高密度のコンピュータ・サーバの冷却要件を取り扱うのが困難である。また、伝統的なフィン銅チューブコイルが著しい空気側および流体側の圧力降下を生み出す一方で、単列扁平チューブまたは微小流路熱交換器は単相流体のための高温接近を生み出し、性能の低下を結果的にもたらす。
【0030】
本開示は、データセンターまたは高温度差を有する他の熱負荷を冷却するためのシステムおよび方法に関係している。既存のポンプ付きＲ１３４ａ液体冷媒システムと比較すると、本開示の実施形態に係るシステムは、より高いエネルギー効率を実現するべく、フルオロケトン（ＦＫ）流体および向流熱交換器の低比熱および高温度差を利用する。冷却システムの熱交換器および他の部分は、ＦＫ流体の低作業圧力および単相性質に起因してより漏出しにくい。また、ＦＫ流体がたった１の地球温暖化係数（ＧＷＰ）を有するのに対し、Ｒ１３４ａはおおよそ１４００のＧＷＰを有する。水系液体冷却システムと比較すると、ＦＫ流体はもし漏出が起こってもサーバの電子装置を害さず、低温の屋外周囲条件において凍結する可能性は全くなく、水系システムと比較して腐食についての懸念は全くないために、本開示に係るシステムはより安全である。
【0031】
本開示の実施形態に係る冷却システムは、単相流体を用いる。例えば、冷却システムは、ＦＫ流体（例えば、３Ｍ（商標）により作られるＮｏｖｅｃ（商標）６４９）、または同様の特性を有する熱伝達流体を用いることができる。別の例として、冷却システムは、非オゾン枯渇性流体である、ハイドロフルオロエーテル（ＦＩＦＥ）流体を用いることができる。単相流体は、冷却を提供するべく、コンピュータ・サーバラックまたは別の熱負荷に近接して連結された熱交換器にポンピングされる。その後、コンピュータ・サーバラックまたは別の熱負荷により温められた単相流体は、「自由冷却」のために直接周囲への熱を排除するべく屋外流体冷却器にポンピングされ、さらに、（必要ならば）深冷器の蒸発器を通じて必要とされるかまたは望まれる供給温度（例えば、１６．７℃）に冷却される。冷却された単相流体は、サイクルを完成させるべく、サーバラックの近くにある熱交換器に戻るようにポンピングされる。単相流体は、非伝導性かつ不活性である任意の他の液体流体でもあり得る。
【0032】
さらに、ポンプ付き液体冷媒システムと比較すると、本開示の実施形態に係る流体システムは、液相から蒸気相に変化し、比較的低い圧力下で作業し、そのため動作するのに遥かにより堅牢である流体を用いない。また、本開示の実施形態に係る流体サイクルは、（例えば、サーバ負荷にある熱交換器を出る流体の温度と、深冷器および／または屋外流体冷却器により供給されている流体の温度との間の）高温変化、および、他の冷却ループシステムよりも、低い流体流速、高いエネルギー効率、および多くの「自由冷却」または部分的な「自由冷却」時間を結果的にもたらす低温接近を維持する。
【0033】
図１は、冷却システム１００の概略線図を示している。ＩＴラック１１２からの高温空気は、高温通路１１４に排出され、その後、送風機１１８により高温通路の頂部にあるＦＫ流体熱交換器１１６に引き込まれる。以下でより詳細に記載されている熱交換器１１６は、多数の扁平チューブの多数の列を含む。例えば、熱交換器１１６は、多数の扁平チューブの２つまたは４つの列を含み得る。高温空気は、熱交換器１１６のチューブ側において、熱交換器１１６を通じて流れるＦＫ流体、または別の適切な単相流体により冷却され、室つまり低温通路に戻るように排出される。熱交換器１１６からの温められたＦＫ流体は、ＦＫ流体が周囲空気により冷却される屋外流体冷却器１４０の、流体対空気の自由冷却式熱交換器１４２にポンプ１２０によりポンピングされる。熱交換器１４２は、扁平チューブの１つ以上の列を含む。例えば、熱交換器１４２は、多数の扁平チューブの１つまたは２つの列を含み得る。もし、例えば、周囲空気の高温のためにＦＫ流体のさらなる冷却が必要とされるならば、モジュール式深冷器１３０を動作させることができる。
【0034】
１つの例の方法では、もし流体冷却器１４０から出るＦＫ流体、または別の適切な単相流体の温度が、周囲空気が十分に冷涼である（例えば、１３．３℃）ときに必要とされる供給温度（例えば、１６．７℃）に達すれば、ＦＫ流体は、完全な「自由冷却」（圧縮器または深冷器の動作が全く必要とされない、例えば、モジュール式深冷器１３０を動作させる必要はない）のためのサイクルを完成させるべく、屋内高温通路熱交換器１１６に戻るようにポンピングされる。もし流体冷却器１４０から出るＦＫ流体が、必要とされる供給温度（例えば、１６．７℃）よりも大きければ、深冷器１３０は、深冷器１３０を通じて流れる（例えば、深冷器１３０の蒸発器を通じて流れる）ＦＫ流体を設定点にさらに冷却するように動作される。その後、さらに冷却されたＦＫ流体は、「部分的な自由冷却」としてサイクルを完成させるべく、屋内高温通路熱交換器１１６に戻るようにポンピングされる。その全体に水が媒質水分配システム１４６、つまり水噴霧器により分配される断熱性の湿潤媒質１４４は、進入する空気の温度を湿球温度に近いように冷却するために流体冷却器１４０の空気入口に設置され、それにより、エネルギーを節約するべく、完全な自由冷却または部分的な自由冷却を増加させることができる。
【0035】
図２は、本開示の別の実施形態に係る冷却システム２００を例解している。中間板熱交換器２１０は、ＦＫ流体を冷却し、屋外流体冷却器１４０および／または（必要とされるときに）深冷器１３０への熱を排除するべく、サーバラックの近くにあるＦＫ流体ループつまり回路２０５を、冷却水（またはグリコール／水の混合物）を用いる水ループつまり回路２１５に熱的に連結するために用いられる。この構成の利点は、ＦＫ流体の投入量を著しく低減することができることである。
【0036】
図３は、本開示のなお別の実施形態に係る冷却システム３００を例解している。中間板熱交換器３１０は、ＦＫ流体を冷却し、屋外流体冷却器１４０および（必要とされるときに）深冷器１３０への熱を排除するべく、ＩＴラックの近くにあるＦＫ流体ループ３０５を、冷却水（またはグリコール／水の混合物）を用いる水ループ３１５に熱的に連結するために用いられる。冷却システム３００は、ＦＫ流体を高温通路にある各個々の熱交換器１１６に別個にポンピングするために小さい二次ポンプ３０８を用い、そのため、大きい液体供給および戻りパイプを回避し、もし１つの熱交換器が故障しても他のものに影響することを回避する。
【0037】
図４Ａおよび４Ｂは、本開示のなおも別の実施形態に係る冷却システム４００を例解している。高温通路からの高温空気は、屋上空気取扱部ユニット４１０に引き寄せられ、そこで、冷却されて室つまり低温通路に送り返される。深冷された液体（例えば、ＦＫ流体または他の同様の流体）は、空気取扱部４１０に冷却を提供し、流体冷却器４４０および深冷器４３０への熱を排除するべく、空気取扱部４１０の熱交換器４１５、および（水回路４２５を介して）屋外流体冷却器４４０および深冷器４３０と流体連通する熱交換器４２０を含む、単相流体回路４０５を通じてポンピングされる。熱交換器４１５は、本明細書、例えば、図５Ａ～１１Ｄに開示されている実施形態に係る多数の扁平チューブの多数の列を含む扁平チューブ熱交換器であり得る。
【0038】
冷却システムの実施形態によれば、熱容量を増加させ（すなわち、熱質量／熱伝達を増加させ）、図１～４Ｂにおける全ての冷却システムのための流速／ポンピング力を下げるべく、マイクロカプセル化された相変化物質（ＭＥＰＣＭ）を液体ＦＫ流体に添加することができる。ＭＥＰＣＭは、データセンターの冷却または任意の他の用途のための作業温度範囲に適合する多数の異なる化学組成物を含む。
【0039】
実施形態において、冷却システムは、屋内高温通路熱交換器（つまり空気取扱部熱交換器）および屋外流体冷却器のための多列扁平アルミニウムチューブ向流熱交換器を利用する。高効率の向流熱交換器は、屋内熱交換器からの出ていく流体の温度を高温空気の進入温度に近く、かつ、屋外流体冷却器からの空気の退出温度を進入するＦＫ流体の温度に近くすることができる。言い換えれば、こうした熱交換器は、非常に多数の伝達ユニット（ＮＴＵ）または高い有効性（例えば、９５％またはより高い）を有する。これは、Ｒ１３４ａポンプ付き液体システムまたは他の競合技術を超えてシステムエネルギー効率を改善する。
【0040】
図５Ａは、熱交換器５００の正面図を示しており、図５Ｂは、図５Ａの区切り線５Ａ－５Ａに沿って取られた熱交換器５００の横断面図を示している。熱交換器５００は、４つの列５０１：第１の列５０１ａ、第２の列５０１ｂ、第３の列５０１ｃ、および第４の列５０１ｄを有する。代替的には、熱交換器５００は、特定の用途に応じて２つの列または任意の数の列を有し得る。列５０１のそれぞれは、多数のチューブ５０２を含み：第１の列５０１ａは、チューブ５０２ａを含む多数のチューブを含み、第２の列５０１ｂは、チューブ５０２ｂを含む多数のチューブを含み、第３の列５０１ｃは、チューブ５０２ｃを含む多数のチューブを含み、第４の列５０１ｄは、チューブ５０２ｄを含む多数のチューブを含む。
【0041】
チューブ５０２は扁平チューブであり得る。扁平チューブは、扁平なアルミニウム形成されたチューブであり得る。各チューブ５０２は、単一の流路、２つの流路、または多数の流路（図示せず）を有し得る。チューブ５０２は、マルチポートの押出成形されたアルミニウムチューブでもあり得る。ルーバーフィン（図示せず）は、空気側５０４上で用いられる（全ての４つの列５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄを覆うべく、フィンを各部品と積み重ねることができ、各列５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄは、フィンが各列５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄについて分離されるようにそれ自身のフィンを有する）。４つの列５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｄは、向流回路を形成する―液体流体は第４の列５０１ｄに進入し、その後第３の列５０１ｃを通過し、その後第２の列５０１ｂを通過し、その後第１の列５０１ａから退出する一方で、空気流は第１の列５０１ａに進入し、第４の列５０１ｄから出る。
【0042】
伝統的なフィン銅チューブコイルと比較すると、扁平チューブ熱交換器５００は、より良好な熱伝達性能を有するが、より低い空気流圧力降下およびより低い流体側圧力降下を有する。ありふれた扁平チューブの交差流熱交換器と比較すると、熱交換器５００の多列および向流巡回は、液体と空気との間のより低温の接近を伴う高熱伝達効率を結果的にもたらす。これは、熱交換器５００の進入ヘッダチューブ５０６ａ、中間ヘッダチューブ５０６ｂ、および退出ヘッダチューブ５０６ｃにより実現される。
【0043】
図５Ｂは、内部区画と向流巡回を形成するべく、扁平チューブ５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄの全ての４つの列５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｄを覆う、熱交換器５００の各端にあるヘッダチューブ５０６を示している。
【0044】
図５Ｃは、図５Ａの熱交換器の上面図であり、図５Ｄは、図５Ｃの区切り線５Ｄ－５Ｄに沿って取られた、図５Ａの熱交換器の横断面図である。図５Ｃに示されているように、流体入口チューブ５０８ａは第４の列５０１ｄに接続され、それにより、流体入口チューブ５０８ａは、第４の列５０１ｄの扁平チューブ５０２ｄと流体連通し、流体出口チューブ５０８ｂは第１の列５０１ａに接続され、それにより、流体出口チューブ５０８ｂは、第１の列５０１ａの扁平チューブ５０２ａと流体連通する。本開示の実施形態において、流体入口チューブ５０８ａおよび流体出口チューブ５０８ｂは、単相流体回路に接続され得る。
【0045】
図５Ｄは、それぞれ、列５０１ａ～５０１ｄのそれぞれにおける多数の扁平チューブ５０２ａ～５０２ｄを例解している。フィン５０３ａ～５０３ｄは、扁平チューブ５０２ａ～５０２ｄの対の間に配置される。いくつかの実施形態において、フィン５０３ａ～５０３ｄはルーバー付きフィンである。
【0046】
図６～７Ｃは、列５０１およびヘッダチューブ５０６の異なる実施形態を示している。図６は、４列熱交換器６１０を形成するべく共に積み重ねられた２つの２列熱交換器６００を示している。第２の列６０２ｂと第３の列６０２ｃとの間の接続部は、２つの短い接続チューブ６１２を通じるものであり、１つの接続部６１２はヘッダチューブ（図示せず）の各端にあるか、または１つの短い接続部６１２はヘッダチューブの両端にある。液体流体は、各々の列６０２のヘッダチューブ６０６の一端から、第４の列６０２ｄに進入して、第１の列６０２ａから退出する。
【0047】
図７Ａ～７Ｃは、単一熱交換器６１０を形成するべく共に積み重ねられた４つの別個の列６０２を示しており、あらゆる２つの列６０２と入口６１４ａと出口６１４ｂとの間の液体接続部６１４は、反対側からの一組の追加の接続チューブ６１６を通じるものである。図７Ｃは、第２の列６０２ｂから第３の列６０２ｃまでの、液体進入口６１４ａ、退出口６１４ｂ、および移行部６１６を示している左側面図である。第１の列６０２ａと第２の列６０２ｂとの間、および第３の列６０２ｃと第４の列６０２ｄとの間の接続部６１４は同様である。
【0048】
概して、本開示の熱交換器５００、６１０の実施形態は、任意の液体対気体の熱交換器において用いられ得る。例えば、本開示の熱交換器５００、６１０の実施形態は、データセンターの冷却中にサーバラックの近くにある熱交換器を密連結するために、およびデータセンターのための屋外流体冷却器のためにも用いられ得る。
【0049】
図８Ａおよび８Ｂは、別の実施形態に係る熱交換器の列を例解している。その列は、ヘッダチューブ８０５ａ、８０５ｂの間に連結された多数の扁平チューブ８０１を含む。扁平チューブ８０１は、アルミニウムチューブ、例えば、押出成形されたアルミニウムチューブであり得る。その列は、１つ以上の他の列に接続するためのヘッダ接続具８１０ａ、８１０ｂも含む。例えば、ヘッダ接続具８１０ａは、第１の他の列上にあるヘッダ接続具に接続することができ、ヘッダ接続具８１０ｂは、第２の他の列上にあるヘッダ接続具に接続することができる。ヘッダ接続具８１０ａ、８１０ｂは、Ｏリングまたはガスケットおよび１つ以上のボルトまたはネジを介して、他の列上にあるヘッダ接続具に取り付くかまたは接続することができる。図８Ａは、それぞれ、各ヘッダチューブ８０５ａ、８０５ｂ上にある３つのヘッダ接続具８１０ａ、８１０ｂを有する列を例解している。他の実施形態は、より少ないかまたはより多いヘッダ接続具を含み得る。例えば、圧力差を低減するべくより多くのヘッダ接続具を用いることができる。
【0050】
図８Ｃは、図８Ｂの区切り線８Ｃ－８Ｃに沿って取られた、図８Ａおよび８Ｂの熱交換器の列の扁平チューブ８０１の横断面図である。扁平チューブ８０１は、５つの流路８２０を含む。扁平チューブ８０１の他の実施形態は、より少ないかまたはより多い流路８２０を含み得る。例えば、扁平チューブ８０１は、１つの流路、２つの流路、３つの流路、または６つの流路を含み得る。
【0051】
図９Ａおよび９Ｂは、この開示のいくつかの実施形態に従って設けられた熱交換器フィン９０５を例解している。フィン９０５は、熱交換器の列を通じて流れる空気と、熱交換器を通じて流れる流体、例えば、単相流体との間の熱伝達を増加させるべく、図８Ａ～８Ｃに例解されている扁平チューブ８０１の間に配置される。
【0052】
図１０Ａは、この開示のいくつかの実施形態に従う、図９Ａおよび９Ｂの熱交換器フィンの詳細正面図である。図１０Ｂは、図１０Ａの区切り線１０Ｂ－１０Ｂに沿って取られた、図１０Ａの熱交換器フィンの横断面図である。そのフィンは、直線部分１００５、および、例解されている実施形態において、鋸歯模様または形状を有する波部分１０１０を含む。他の実施形態において、波部分１０１０は、正弦模様または三角模様を有し得る。
【0053】
図１１Ａ～１１Ｄは、本開示の他の実施形態に従って設けられたなお別の熱交換器を例解している。図１１Ａに示されているように、熱交換器１１００は４つの列１１０１～１１０４を含む。列１１０１は、例えば、鑞接工程により共に取り付けられたかまたは接続されたヘッダチューブ１１１１およびヘッダ接続具１１２１を含む。列１１０２は、共に接続された第１のヘッダチューブ１１１２ａおよび第１のヘッダ接続具１１２２ａ、および共に接続された第２のヘッダチューブ１１１２ｂおよび第２のヘッダ接続具１１２２ｂを含む。列１１０３は、共に接続された第１のヘッダチューブ１１１３ａおよび第１のヘッダ接続具１１２３ａ、および共に接続された第２のヘッダチューブ１１１３ｂおよび第２のヘッダ接続具１１２３ｂを含む。列１１０４は、共に接続されたヘッダチューブ１１１４ｂおよびヘッダ接続具１１２４を含む。列１１０２および列１１０３は、ヘッダ接続具１１２２ａおよび１１２３ａを接続することにより共に接続される。例えば、図１１Ｂに例解されているように、ヘッダ接続具１１２３ａは、穴つまり開口１１４３ａ、１１４４ａを含み、ヘッダ接続具１１２２ａは、それを通じて、ヘッダ接続具１１２２ａ、１１２３ａを共に接続するべくボルトまたは他の同様の締結具を設置することができる対応する穴を含む。Ｏリングまたはガスケット１１０５は、列１１０１～１１０４の内側から空気側への漏出に対する封止を提供するべく、ヘッダ接続具１１２２ａ、１１２３ａの間に設置され得る。同様に、ヘッダ接続具１１２１および１１２２ｂは共に接続され、ヘッダ接続具１１２３ｂおよび１１２４は共に接続される。
【0054】
共に接続されないそうしたヘッダ接続具が、対応する列、例えば、ヘッダ接続具１１１１ａ、１１２１ａの間の流体連通を可能にするために、スペーサ１１３１がヘッダ接続具１１１１ａ、１１２１ａの間に設置される。スペーサ１１３１は、ヘッダ接続具１１１１ａ、１１２１ａをスペーサ１１３１に取り付けるための締結具を含み得る。
【0055】
図１１Ｃに示されているように、第１の列１１０１の第１のヘッダチューブ１１１１ａは、流体供給線に接続するための入口接続具つまりチューブスタブ１１４１を含み、第４の列１１０４の第４のヘッダチューブ１１１４ａは、流体戻り線に接続するための出口接続具つまりチューブスタブ１１４２を含む。
【0056】
通常のフィン銅チューブコイルと比較すると、図８Ａ～１１Ｄの熱交換器の実施形態は、空気側および液体側の両方に対してより低い圧力降下を示す。そして、その高い有効性は、空気側と液体側との間に小温度接近を結果的にもたらす。
【0057】
本開示のいくつかの実施形態が図面において示されてきたものの、本開示は専門技術が許すことになるほど範囲において広範であること、および明細書等が同じように読み取られることが意図されているため、本開示がそれらに限定されることは意図されていない。従って、上の記載は、限定するものとしてではなく、単に特定の実施形態の例証として解釈されるべきである。図８Ｃ、９、および１０の実施形態は、図８または１１に示されている熱交換器だけに適用可能なものではなく、図５、６、および７に示されている実施形態にも適用可能であることが熟慮されている。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】