JP2005249258A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気圧縮式冷媒回路と、重力を駆動力として利用する重力式熱サイフォン冷媒回路とを中間熱交換器を介して接続することで、冷却効率の向上と高い信頼性を有する冷却システムを提供する。
【解決手段】 少なくとも圧縮機１、凝縮器２、絞り装置４ａ，４ｂ、蒸発器２１ａ，２２ａからなる蒸気圧縮式冷媒回路と、少なくとも吸熱側熱交換器と放熱側熱交換器から構成され、無動力で駆動する重力式熱サイフォン冷媒回路との２つの冷媒回路を備え、蒸気圧縮式冷媒回路の蒸発側と、前記重力式熱サイフォン冷媒回路の放熱側が互いに熱交換可能となるように、２つの冷媒回路を中間熱交換器５ａ，５ｂを介して接続した。
【選択図】 図１

Description

本発明は，電子機器が内蔵されるサーバーを多数搭載するサーバーラックなどの冷却システムあるいはサーバーラックを多数収納する電算室などの冷却システムに関するものである。

近年、移動体通信の中継電子機器を納めたサーバーラックに代表されるような電子機器の発熱を除去する分野が急速に伸長しており、これらの場所では、年間を通して冷却運転が行われている。このような冷却装置として、一般的な空気調和機と同様に蒸気圧縮機式冷凍サイクルを用いた冷却装置が挙げられる。この種の冷却装置では、電子機器の周囲空気を間接的に冷却するという方式が殆どであり、電子機器の発熱のみを除去し、空気の湿度低下（除湿）を防止するという要求を満足するため、冷却装置の蒸発温度を上昇させて対応する場合が多く見られる。

従来の冷却装置に、フリーアクセスの二重床を有する電算機室に設置され、二重床の内側は室内ユニットから吹出された冷却空気の通路としたものがある。室内ユニットには、蒸発側熱交換器、絞り装置、送風機、吸入側及び吹出し側乾球温度検出手段、湿度検知手段、流量制御手段等を収容するとともに、上部の吸込み口から電算機室空気を吸込み、下部の吹出し口から床面の内側に冷却空気を吹出す構成とされている。また、電算機器を収容しているラックは、その下面が二重床の内側に連通するようにされている。

上記のような構成において、室内ユニットの吹出し口から吹出された冷却空気は、フリーアクセスの床面の内側を通過し、負荷となる電算機器が収納されているラックに吸い込まれ、電算機器を冷却し終えた空気は、ラックから上方に向けて電算機室に排出され、室内ユニットの吸込み口へ吸込まれる。室内ユニットでは、蒸発温度検知手段によって蒸発側熱交換器の蒸発温度を検知し、この温度が露点温度以上となるように圧縮機容量と絞り装置の冷媒流量を制御するというものであった（例えば、特許文献１参照）。

また、低外気温時に冷媒自然循環を利用する他の従来例として、二元冷凍装置において、低温側冷凍サイクルを構成する低温側ユニットよりも、高温側冷凍サイクルを構成する高温側圧縮機及び凝縮器を備えた高温側ユニットを高位置に設け、高温側ユニットの高温側圧縮機をバイパスする通路を設けるとともに、該通路に開閉弁を設け、外気温センサによって検出される外気温が低いときには高温側圧縮機の運転を停止させてバイパス通路を開とし、高温側冷凍サイクルの冷媒を自然循環させるものがある。

そして、外気温が低いときには、高温側圧縮機はその運転が停止されるが、カスケードコンデンサでの熱交換によって温度が高くなった高温側ユニットの冷媒は、外気温が低いために凝縮器において外気との熱交換によって液化する。この場合、高温側ユニットは低温側ユニットよりも高位置にあるため、液化した冷媒は重力でカスケードコンデンサの蒸発部に流れ、低温側ユニットの冷媒との間で熱交換を行ない、気化・膨張して再び高位置にある凝縮器まで上昇する、という冷媒の自然循環を利用でき、省エネルギーが図られるというものであった（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−１３０４３０号公報（第４頁、図１〜図３） 特開平８−１８９７１３号公報（第３−４頁、図１〜図３）

特許文献１の冷却装置は、サーバーを多数搭載するサーバーラックを冷却するにあたり、周囲空気を冷却することによって間接的に電子機器を冷却するようにしているが、熱源から離れた空気を冷却するため冷却効率が低いことに加え、電子機器内部の基板温度を直接管理するものではなく、局所的に温度が上昇するホットスポットが生じるといった課題があった。
また、特許文献２のように、冷媒の自然循環を利用してサーバー外へ熱を放出する冷却方法では、放熱側が室内空間であるため十分な温度差が得られず、冷却能力が不足する場合が生じるという課題があった。

本発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、蒸気圧縮式冷媒回路と、重力を駆動力として利用する重力式熱サイフォン冷媒回路とを中間熱交換器を介して接続することで、冷却効率の向上と高い信頼性を有する冷却システムを提供することを目的とする。

この発明の冷却システムは、少なくとも圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器からなる蒸気圧縮式冷媒回路と、少なくとも吸熱側熱交換器と放熱側熱交換器から構成され、無動力で駆動する重力式熱サイフォン冷媒回路との２つの冷媒回路を備え、前記蒸気圧縮式冷媒回路の蒸発側と、前記電力式熱サイフォン冷媒回路の放熱側が互いに熱交換可能となるように、２つの冷媒回路を中間熱交換器を介して接続したものである。

この発明に係る冷却システムは、蒸気圧縮式冷媒回路と重力を駆動力として利用する重力式熱サイフォン冷媒回路とを中間熱交換器を介して接続することで、電子機器の熱負荷に応じて重力式熱サイフォン冷媒回路の駆動温度差を可変することができ、冷却効率の向上と高い信頼性を有する冷却システムを提供することができる。また、熱サイフォン冷媒回路の排熱を蒸気圧縮式冷媒回路で吸熱するため、室内に排熱を放出しない省エネルギー性の高い冷却システムを構築することができる。

［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１に係る冷却システムについて説明する。
図１は本発明の実施形態１に係る冷却システムを示す模式図である。図１に示すように、本冷却システムは、蒸気圧縮式冷媒回路である熱源ユニット１０１と、蒸発器２１ａ、２１ｂを含む重力式熱サイフォン冷媒回路から構成され、それらは中間熱交換ユニット１０２ａ、１０２ｂを介して接続されている。この冷却システムは、ラック２０２ａ、２０２ｂ内に収納されたサーバー２０１ａ、２０１ｂ内部の電子機器を冷却するものであり、図では１つの熱源ユニット１０１に対して２つの中間熱交換ユニット１０２ａ、１０２ｂが設けられ、２つの中間熱交換ユニット１０２ａ、１０２ｂに対してそれぞれ２つの蒸発器（例えば２１ａ、２２ａ）が設けられている。これらのラック２０２ａ、２０２ｂは２つに限定されるものではなく、複数設けられる構成としても同様の効果を発揮する。以下の説明では、ラック２０２ａに搭載された中間熱交換ユニット１０２ａおよび蒸発器２１ａ、２２ａを中心に説明する。

熱源ユニット１０１内には、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させるための凝縮器２が設けられている。また、中間熱交換ユニット１０２ａ内には、凝縮器２を出た高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする絞り装置４ａ（例えば電子式膨張弁）、蒸気圧縮式冷媒回路と重力式熱サイフォン冷媒回路が互いに熱交換を行う中間熱交換器５ａ及び中間熱交換器５ａの蒸発側入口部及び出口部に設置された冷媒温度を検知する第１温度検知手段５１ａ及び第２温度検知手段５２ａ（例えば、それぞれサーミスタ）が設けられている。そして、重力式熱サイフォン冷媒回路は、電子機器から発生する熱負荷によって冷媒を蒸発させる蒸発器２１ａ、２２ａ、中間熱交換器５ａ及びそれらを接続する配管で構成されている。

ここで、蒸発器２１ａ、２２ａは、図２に示すようなプレート型の熱交換器であり、プレート内部に設けられた冷媒流路２６内を冷媒が流れるとともに、電子機器の発熱を効率良く除去するために電子機器の近傍（例えば、サーバーの側面）に少なくともプレートの片面が直接接触して取り付けられる。なお、プレート型の熱交換器は図２の形態に限るものではなく、扁平管などの形態を用いても同様の効果を発揮することができる。この場合、接触熱抵抗を低減するため、サーバーの側面とプレート面との間に熱伝導率の高いゴム製ラバーなどを設置しても良い。
また、中間熱交換ユニット１０２ａ内の中間熱交換器５ａは、駆動力となる高低差を得るため蒸発器２１ａよりも高い位置に配置されており、ここでは例えばラック２０１ａの最上部に配置している。

上記のように構成した冷却システムの運転動作を説明する。この冷却システムは、例えばラック２０２ａ、２０２ｂ内に収納されたサーバー２０１ａ、２０１ｂ内部の電子機器を冷却するために利用され、年間を通して冷却運転を行う。圧縮機１で圧縮された高温・高圧の冷媒ガスは、凝縮器２で凝縮・液化され中温・高圧の冷媒液となった後、熱源ユニット１０１から流出する。熱源ユニット１０１から液配管７を通って中間ユニット１０２ａに流入した中温・高圧の冷媒液は、絞り装置４ａで減圧されて低温・低圧の二相状態となり、中間熱交換器５ａで重力式熱サイフォン冷媒回路の凝縮熱を受けて自身は蒸発し、冷媒ガスとなって中間熱交換ユニット１０２ａから流出する。中間熱交換ユニット１０２ａから流出した冷媒ガスは、ガス配管６を通って再び熱源ユニット１０１内の圧縮機１に吸引され、蒸気圧縮式冷媒回路が成立する。

一方、蒸発器２１ａ、２２ａでは冷媒が電子機器の熱負荷を受けて蒸発し、蒸発した冷媒ガスがガス配管２３ａを上昇して中間熱交換器５ａで凝縮液化し、凝縮した冷媒液が重力で液配管２４ａを下降して再び蒸発器２１ａ、２２ａに戻ることで冷媒自然循環を利用した重力式熱サイフォン冷媒回路が成立する。

次に、本冷却システムにおける冷却能力の制御方法について図３を用いて説明する。図３は、横軸にエンタルピーｈ、縦軸に圧力Ｐを示したＰ−ｈ線図であり、この線図上に本冷却システムの蒸気圧縮式サイクル図（図中の実線ア）と重力式熱サイフォンのサイクル図（図中の実線ウ）を示している。また、蒸発器２１ａの被冷却媒体である電子機器近傍の温度に相当する冷媒圧力を記号イで示している。一般に、熱サイフォン冷媒回路の冷却能力は、電子機器近傍の温度と蒸発温度との蒸発温度差（ΔＴｅ）、あるいは凝縮器の被加熱媒体の温度と凝縮温度との凝縮温度差（ΔＴｃ）の増加とともに増加するという特性がある。本冷却システムでは、凝縮器の被加熱媒体は、蒸気圧縮式冷媒回路の冷媒であるから、凝縮器の被加熱媒体の温度とは蒸気圧縮式冷媒回路の蒸発温度であり、この蒸発温度を変化させることで上記凝縮温度差（ΔＴｃ）を変化させ、熱サイフォン冷媒回路の冷却能力を制御することができる。また、電子機器の発熱量の増加とともに、電子機器近傍の温度が上昇するため、上記蒸発温度差ΔＴｅは熱負荷とともに増加するという傾向を示す。

具体的な制御方法を図４のフローチャートで説明する。初めに電子機器近傍の温度を検知し（例えば、サーバー側面にリモート温度センサーを設置し、その温度をＬＴＨ１とする）、その検知値が目標値Ｔｍとなるように、蒸気圧縮式冷媒回路の圧縮機１の回転数を変化させる。具体的には、図４に示すように、リモート温度センサーの検知値ＬＴＨ１が目標値Ｔｍに対して高い場合（ＬＴＨ１＞Ｔｍ）は、圧縮機１の回転数を増加させ、蒸発温度を低下させて冷却能力を増加させる（ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３）。また、リモート温度センサーの検知値ＬＴＨ１が目標値Ｔｍに対して低い場合（ＬＴＨ１＜Ｔｍ）は、圧縮機１の回転数を減少させ、蒸発温度を上昇させて冷却能力を減少させる（ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３）。電子機器近傍の温度を検知しない他の方法として、第１温度検知手段５１ａの検知値ＴＨ１を蒸発温度（ＥＴ）とし、このＥＴが目標値（ＥＴｍ）となるように蒸気圧縮式冷媒回路の圧縮機１の回転数を制御する方法もある。この場合は、蒸発温度ＥＴが目標値ＥＴｍに対して高い場合（ＥＴ＞ＥＴｍ）は圧縮機１の回転数を増加させ、ＥＴが目標値ＥＴｍに対して低い場合（ＥＴ＜ＥＴｍ）は圧縮機１の回転数を減少させる。

次に、第１温度検知手段５１ａの検知値ＴＨ１（＝蒸発温度）と、第２温度検知手段５２ａの検知値ＴＨ２から中間熱交換器５ａの出口過熱度（ＳＨ）を演算し（ＳＨ＝ＴＨ２−ＴＨ１）、この演算値ＳＨが目標値（ＳＨｍ）となるように絞り装置４ａの開度を制御する。この場合、過熱度の目標値としては、１〜５deg程度が望ましい。具体的には、ＳＨが目標値ＳＨｍに対して大きい場合（ＳＨ＞ＳＨｍ）は絞り装置４ａの開度を増加させ、ＳＨを低下させて中間熱交換器５ａの伝熱面積を有効に利用する（ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６）。また、ＳＨが目標値ＳＨｍに対して小さい場合（ＳＨ＜ＳＨｍ）は絞り装置４ａの開度を減少させ、ＳＨを上昇させて圧縮機１への液戻りを防止する（ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６）。

以上の操作により、重力式熱サイフォン冷媒回路の冷却能力を電子機器からの発熱負荷に応じて変化させることにより、電子機器近傍の温度を一定に保つことができる。なお、本実施の形態では、蒸発温度として第１温度検知手段５１ａの検知値ＴＨ１を簡易的に用いたが、中間熱交換器５ａの蒸発側出口部に圧力検知手段を設け、その圧力検知値から飽和ガス温度を求め、その温度を蒸発温度としてＳＨを演算するようにすればより正確な過熱度ＳＨを求めることができる。

以上のように、本実施の形態では、蒸気圧縮式冷媒回路と重力を駆動力として利用する重力式熱サイフォン冷媒回路とを中間熱交換器を介して接続することにより、電子機器の熱負荷に応じて重力式熱サイフォン冷媒回路の駆動温度差を可変することができ、冷却効率の向上と高い信頼性を有する冷却システムを提供することができる。また、重力式熱サイフォン冷媒回路の排熱を蒸気圧縮式冷媒回路で吸熱するため、室内に排熱を放出しない省エネルギー性の高い冷却システムを構築することができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る冷却システムについて説明する。図５は本発明の実施形態２に係る冷却システムを示す模式図である。本実施の形態において、実施の形態１と同構成については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。図５に示すように、本冷却システムは、蒸気圧縮式冷媒回路である熱源ユニット１０１、蒸発器２１ａ、２１ｂ、凝縮器８ａ、及び中間熱交換器５ａを接続してなるトップヒート型熱サイフォン冷媒回路から構成され、それらは電子機器が設置される空間の床下に設置された中間熱交換ユニット１０２ａ、１０２ｂを介して接続されている。以下の説明では、ラック２０２ａの下部に設置された中間熱交換ユニット１０２ａおよび蒸発器２１ａ、２２ａから成る系統を中心に説明する。

熱源ユニット１０１内には、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させるための凝縮器２が設けられている。また、中間熱交換ユニット１０２ａ内には、凝縮器２を出た高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする絞り装置４ａ（例えば電子式膨張弁）、蒸気圧縮式冷媒回路と熱サイフォン冷媒回路が互いに熱交換を行う中間熱交換器５ａ、中間熱交換器５ａの蒸発側入口部及び出口部に設置された冷媒温度を検知する第１温度検知手段５１ａ及び第２温度検知手段５２ａ（例えばサーミスタ）が設けられている。

一方、トップヒート型熱サイフォン冷媒回路は、電子機器から発生する熱負荷によって冷媒を蒸発させる蒸発器２１ａ、２２ａ、蒸発した冷媒ガスを凝縮液化させる凝縮器８ａを含む凝縮ユニット１０３ａ、中間熱交換器５ａを含む中間熱交換ユニット１０２ａ及びそれらを接続する配管で構成されている。
中間熱交換ユニット１０２ａは、蒸発器２１ａよりも低い位置に配置されており、ここでは例えばフリーアクセスの二重床の床下内に配置されている。

上記のように構成した冷却システムの運転動作を説明する。この冷却システムは、例えばラック２０２ａ、２０２ｂ内に収納されたサーバー２０１ａ、２０１ｂ内部の電子機器を冷却するために利用され、年間を通して冷却運転を行う。圧縮機１で圧縮された高温・高圧の冷媒ガスは、凝縮器２で凝縮・液化されて中温・高圧の冷媒液となった後、熱源ユニット１０１から流出する。熱源ユニット１０１から液配管７を通って中間熱交換ユニット１０２ａに流入した中温・高圧の冷媒液は、絞り装置４ａで減圧されて低温・低圧の二相状態となり、中間熱交換器５ａでトップヒート型熱サイフォン冷媒回路の放熱を受けて自身は蒸発し、冷媒ガスとなって中間熱交換ユニット１０２ａから流出する。中間熱交換ユニット１０２ａから流出した冷媒ガスは、ガス配管６を通って再び熱源ユニット１０１内の圧縮機１に吸引され、蒸気圧縮式冷媒回路が成立する。

次に、トップヒート型熱サイフォン冷媒回路の原理構成図を図６に示す。トップヒート型熱サイフォン冷媒回路とは、特開２０００−３５１９７７公報に開示のように、重力方向に対して上部で吸熱し、下部で放熱する熱駆動ポンプ作用を有する冷媒回路である。具体的には、蒸発器２１ａ（図５の蒸発器２２ａも同様）では冷媒が電子機器の熱負荷を受けて蒸発し、蒸発した冷媒ガスがガス配管９ａを上昇して凝縮器８ａ内の凝縮部１３ａの管外側で凝縮液化し、凝縮した冷媒液が重力で液配管１１ａを下降し、中間熱交換器５ａに流入して放熱する。中間熱交換器５ａで過冷却された過冷却液は、液配管１２ａを上昇し、凝縮器８ａ内の凝縮部１３ａの管内側で冷媒ガスの凝縮潜熱を受けて過冷却度が減少し、液配管１０ａを流下して再び蒸発器２１ａ（図５の蒸発器２２ａも同様）に戻ることでトップヒート型熱サイフォン冷媒回路が成立する。

次に、本冷却システムにおける冷却能力の制御方法について図７を用いて説明する。図７は、横軸にエンタルピーｈ、縦軸に圧力Ｐを示したＰ−ｈ線図であり、この線図上に本冷却システムの蒸気圧縮式サイクル図（図中の実線ア）とトップヒート型熱サイフォンのサイクル図（図中の実線ウ）を示している。また、蒸発器２１ａの被冷却媒体である電子機器近傍の温度に相当する冷媒圧力を記号イで示している。実施の形態１で述べたように、熱サイフォン冷媒回路の冷却能力は、電子機器近傍の温度と蒸発温度との蒸発温度差（ΔＴｅ）、あるいは凝縮器の被加熱媒体の温度と凝縮温度との凝縮温度差（ΔＴｃ）の増加とともに増加するという特性がある。本冷却システムでは、凝縮器の被加熱媒体は、蒸気圧縮式冷媒回路の冷媒であるから、凝縮器の被加熱媒体の温度とは蒸気圧縮式冷媒回路の蒸発温度であり、この蒸発温度を変化させることで上記凝縮温度差（ΔＴｃ）を変化させ、熱サイフォン冷媒回路の冷却能力を制御することができる。具体的な制御方法は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

本実施の形態によれば、蒸気圧縮式冷媒回路と、重力を駆動力として利用する重力式熱サイフォン冷媒回路とを中間熱交換器５ａを介して接続することで、電子機器の熱負荷に応じて重力式熱サイフォン冷媒回路の駆動温度差を可変することができ、冷却効率の向上と高い信頼性を有する冷却システムを提供することができる。また、サーバーラックが収納される電算室に多く見られるフリーアクセスの二重床を利用し、中間熱交換器を床下内に配置してコンパクト化を図るとともに、室内に排熱を放出しない省エネルギー性の高い冷却システムを構築することができる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係る冷却システムについて説明する。図８は本発明の実施の形態３に係る冷却システムを示す模式図である。本実施の形態において、実施の形態１と同構成については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。図８に示すように、本冷却システムは、蒸気圧縮式冷媒回路である熱源ユニット１０１、液体搬送手段３１（例えば、水ポンプ）を含む液体搬送ループ（例えば、水ポンプループ）、蒸発器２１ａ、２１ｂを含む重力式熱サイフォン冷媒回路から構成され、蒸気圧縮式冷媒回路と水ポンプループは、第１中間熱交換器３７を介して接続され、水ポンプループと重力式熱サイフォン冷媒回路は、中間熱交換ユニット１０２ａ、１０２ｂ内の第２中間熱交換器５ａ、５ｂを介して接続されている。
この冷却システムは、ラック２０２ａ、２０２ｂ内に収納されたサーバー２０１ａ、２０１ｂ内部の電子機器を冷却するものである。

熱源ユニット１０１内には、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させるための凝縮器２、絞り装置４（例えば電子膨張弁）、第１中間熱交換器３７が設けられ、冷媒回路を構成している。また、第１中間熱交換器３７の蒸発側入口及び出口には第１温度検知手段５１、及び第２温度検知手段５２（例えば、それぞれサーミスタ）が設けられており、また、第１中間熱交換器３７の水側入口及び出口には第３温度検知手段５３及び第４温度検知手段５４がそれぞれ設けられている。そして、水ポンプ３１、絞り装置３２、第１中間熱交換器３７は直列に設けられている。

中間熱交換ユニット１０２ａ内には、第１中間熱交換器３７から流出した水流量を制御する絞り装置３５ａ、水ポンプループと熱サイフォン冷媒回路が互いに熱交換を行う第２中間熱交換器５ａが設けられている。さらに、重力式熱サイフォン冷媒回路は、電子機器から発生する熱負荷によって冷媒を蒸発させる蒸発器２１ａ、２２ａ、第２中間熱交換器５ａ及びそれらを接続する配管で構成されている。

次に、上記のように構成した冷却システムの運転動作を説明する。圧縮機１で圧縮された高温・高圧の冷媒ガスは、凝縮器２で凝縮・液化されて中温・高圧の冷媒液となった後、絞り装置４で減圧されて低温・低圧の二相状態となり、第１中間熱交換器３７で水ポンプループを流れる水から熱を奪って自身は蒸発し、再び圧縮機１に戻ることで冷媒回路が成立する。一方、水ポンプ３１から吐出された冷水は、絞り装置３２で水ポンプループ全体の流量が調整され、第１中間熱交換器３７で熱を奪われた後、熱源ユニット１０１から流出する。熱源ユニット１０１から流出した冷水は、水配管３３を通って中間ユニット１０２ａに流入し、絞り装置３５ａで流量が調整されて第２中間熱交換器５ａに入り、重力式熱サイフォン冷媒回路の凝縮熱を受けて自身は温度が上昇し、中間熱交換ユニット１０２ａから流出する。中間熱交換ユニット１０２ａから流出した温水は、水配管３４を通って再び熱源ユニット１０１内の水ポンプ３１に吸引され、水ポンプループが形成される。

一方、蒸発器２１ａ、２２ａでは冷媒が電子機器の熱負荷を受けて蒸発し、蒸発した冷媒ガスがガス配管２３ａを上昇して第２中間熱交換器５ａで凝縮液化し、凝縮した冷媒液が重力で液配管２４ａを下降して再び蒸発器２１ａ、２２ａに戻ることで重力式熱サイフォン冷媒回路が成立する。

次に、本冷却システムにおける冷却能力の制御方法について図９のフローチャートを用いて説明する。初めに電子機器近傍の温度を検知し（例えば、電子機器近傍にリモート温度センサーを設置し、その温度をＬＴＨ１とする）、その検知値が目標値Ｔｍとなるように、蒸気圧縮式冷媒回路の圧縮機１の回転数を制御する。具体的には、リモート温度センサーの検知値ＬＴＨ１が目標値Ｔｍに対して高い場合（ＬＴＨ１＞Ｔｍ）は圧縮機１の回転数を増加させ、冷却能力を増加させる（ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３）。また、リモート温度センサーの検知値ＬＴＨ１が目標値Ｔｍに対して低い場合（ＬＴＨ１＜Ｔｍ）は圧縮機１の回転数を減少させ、冷却能力を減少させる（ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３）。電子機器近傍の温度を検知しない他の方法として、第４温度検知手段５４の検知値ＴＨ４が目標値Ｔｗｍとなるように、蒸気圧縮式冷媒回路の圧縮機１の回転数を制御する方法もある。この場合は、ＴＨ４が目標値Ｔｗｍに対して高い場合（ＴＨ４＞Ｔｗｍ）は圧縮機１の回転数を増加させ、ＴＨ４が目標値Ｔｗｍに対して低い場合（ＴＨ４＜Ｔｗｍ）は圧縮機１の回転数を減少させる。また、実施の形態１と同様に、第１温度検知手段５１の検知値ＴＨ１を蒸発温度（ＥＴ）とし、このＥＴが目標値（ＥＴｍ）となるように蒸気圧縮式冷媒回路の圧縮機１の回転数を制御する方法もあるが、実施の形態１と同様であるため詳細な説明は省略する。

ついで、第４温度検知手段５４の検知値ＴＨ４と、第３温度検知手段５３の検知値ＴＨ３との温度差ΔＴｗ（＝ＴＨ３−ＴＨ４）を演算し、この演算値ΔＴｗが目標値（ΔＴｗｍ）となるように水ポンプ３１の回転数または絞り装置３２の開度を制御する。具体的には、演算値ΔＴｗが目標値ΔＴｗｍに対して大きい場合（ΔＴｗ＞ΔＴｗｍ）は水ポンプ３１の回転数を増加させ（絞り装置３２の開度を増加させ）、水流量を増加させる（ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６）。また、演算値ΔＴｗが目標値ΔＴｗｍに対して小さい場合（ΔＴｗ＜ΔＴｗｍ）は水ポンプ３１の回転数を減少させ（絞り装置３２の開度を減少させ）、水流量を減少させる（ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６）。

次に、第１温度検知手段５１の検知値ＴＨ１（＝蒸発温度）と、第２温度検知手段５２の検知値ＴＨ２から第１中間熱交換器３７の出口過熱度（ＳＨ）を演算し（ＳＨ＝ＴＨ２−ＴＨ１）、この演算値ＳＨが目標値（ＳＨｍ）となるように絞り装置４の開度を制御する（ＳＴＥＰ７〜ＳＴＥＰ９）。詳細な説明は、実施の形態１に示した絞り装置４の開度制御（ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６）と同様であるため省略する。
以上の操作により、熱サイフォン冷媒回路の冷却能力を電子機器からの発熱負荷に応じて変化させ、電子機器近傍の温度を一定に保つことができる。なお、本実施の形態では、蒸発温度として第１温度検知手段５１の検知値ＴＨ１を簡易的に用いたが、第１中間熱交換器３７の蒸発側出口部に圧力検知手段を設け、その圧力検知値から飽和ガス温度を求め、その温度を蒸発温度としてＳＨを演算するようにすればより正確な過熱度ＳＨを求めることができる。

本実施の形態においては、蒸気圧縮式冷媒回路と重力を駆動力として利用する重力式熱サイフォン冷媒回路とを液体搬送手段による液体搬送ループを介して接続することにより、電子機器の熱負荷に応じて重力式熱サイフォン冷媒回路の駆動温度差を可変することができ、冷却効率の向上と高い信頼性を有する冷却システムを提供することができる。また、蒸気圧縮式冷媒回路との接続、及び重力式熱サイフォン冷媒回路との接続を液体搬送手段による液体搬送ループとすることで、冷媒配管工事が不要な施工性やメンテナンス性に優れた冷却システムを構築することができる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４に係る冷却システムについて説明する。図１０は本発明の実施の形態４に係る冷却システムを示す模式図である。本実施の形態において、実施の形態２と同構成については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。図１０に示すように、本冷却システムは、蒸気圧縮式冷媒回路である熱源ユニット１０１、液体搬送手段３１（例えば、水ポンプ）を含む液体搬送ループ（例えば、水ポンプループ）、蒸発器２１ａ、２１ｂを含むトップヒート型熱サイフォン冷媒回路から構成され、蒸気圧縮式冷媒回路と水ポンプループは、第１中間熱交換器３７を介して接続され、水ポンプループとトップヒート型熱サイフォン冷媒回路は、中間熱交換ユニット１０２ａ、１０２ｂ内の第２中間熱交換器５ａ、５ｂを介して接続されている。

熱源ユニット１０１内の構成については、実施の形態３と同一であるため、説明を省略する。
中間熱交換ユニット１０２ａ内には、第１中間熱交換器３７から流出した水流量を制御する絞り装置３５ａ（例えば電子式膨張弁）、水ポンプループと熱サイフォン冷媒回路が互いに熱交換を行う第２中間熱交換器５ａが設けられている。さらに、トップヒート型熱サイフォン冷媒回路は、電子機器から発生する熱負荷によって冷媒を蒸発させる蒸発器２１ａ、２２ａ、蒸発した冷媒ガスを凝縮液化させる凝縮器８ａを含む凝縮ユニット１０３ａ、第２中間熱交換器５ａを含む中間熱交換ユニット１０２ａおよびそれらを接続する配管で構成されている。
中間熱交換ユニット１０２ａは、蒸発器２１ａよりも低い位置に配置されており、ここでは例えばフリーアクセスの二重床の床下スペースに配置されている。

次に、本実施の形態の運転動作を説明する。圧縮機１で圧縮された高温・高圧の冷媒ガスは、凝縮器２で凝縮・液化されて中温・高圧の冷媒液となった後、絞り装置４で減圧されて低温・低圧の二相状態となり、第１中間熱交換器３７で水ポンプループを流れる水から熱を奪って自身は蒸発し、再び圧縮機１に戻ることで蒸気圧縮式冷媒回路が成立する。一方、水ポンプ３１から吐出された冷水は、絞り装置３２で水ポンプループ全体の流量が調整され、第１中間熱交換器３７で熱を奪われた後、熱源ユニット１０１から流出する。熱源ユニット１０１から流出した冷水は、水配管３３を通って中間ユニット１０２ａに流入し、絞り装置３５ａで流量が調整されて第２中間熱交換器５ａに入り、トップヒート型熱サイフォン冷媒回路の凝縮熱を受けて自身は温度が上昇し、中間熱交換ユニット１０２ａから流出する。中間熱交換ユニット１０２ａから流出した温水は、水配管３４を通って再び熱源ユニット１０１内の水ポンプ３１に吸引され、水ポンプループが形成される。

一方、蒸発器２１ａ（図１０の蒸発器２２ａも同様）では冷媒が電子機器の熱負荷を受けて蒸発し、蒸発した冷媒ガスがガス配管９ａを上昇して凝縮器８ａ内で凝縮液化し、凝縮した冷媒液が重力で液配管１１ａを下降し、第２中間熱交換器５ａに流入して放熱する。第２中間熱交換器５ａで過冷却された過冷却液は、液配管１２ａを上昇し、凝縮器８ａ内で冷媒ガスの凝縮潜熱を受けて過冷却度が減少し、液配管１０ａを流下して再び蒸発器２１ａ（図１０の蒸発器２２ａも同様）に戻ることでトップヒート型熱サイフォン冷媒回路が成立する。本冷却システムの圧力−エンタルピー線図上での動作や冷却能力の制御方法については、実施の形態２と同様であるため説明を省略する。

次に、本冷却システムの実際の構成例を図１１に示す。図１１のトップヒート型熱サイフォン冷媒回路では、ジョイント部１８によって容易に蒸発器２１、２２、２５の着脱が可能となっている。ここで、蒸発器２１、２２は、例えばブレードサーバー２０１内の基板や他のブレードと直接接触して設置され、蒸発器２５はブレードサーバー２０１の下面に直接接触して設置される蒸発器である。また、プレートフィンチューブ型空冷熱交換器が主凝縮部１７として、下部ヘッダー１９が補助凝縮部または過冷却部として機能している。更に、上記空冷熱交換器は送風機１６により強制空冷され、上部ヘッダー１４は、不凝縮ガス溜めとして機能し、開閉弁１５の開閉により不凝縮ガスの除去が可能な構造となっている。なお、放熱部である中間熱交換器５は、プレート式熱交換器としているが、二重管式熱交換器など他の形式でも同様の効果を発揮する。

本実施の形態では、蒸気圧縮式冷媒回路と、重力を駆動力として利用する重力式熱サイフォン冷媒回路とを液体搬送手段による液体搬送ループを介して接続することで、電子機器の熱負荷に応じて重力式熱サイフォン冷媒回路の駆動温度差を可変することができ、冷却効率の向上と高い信頼性を有する冷却システムを提供することができる。また、サーバーラックが収納される電算機室に多く見られるフリーアクセスの二重床を利用し、第２中間熱交換器を床下に配置してコンパクト化を図るとともに、蒸気圧縮式冷媒回路との接続、及び重力式熱サイフォン冷媒回路との接続を液体搬送手段による液体搬送ループとすることで、冷媒配管工事が不要な施工性やメンテナンス性に優れた冷却システムを構築することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷却システムの構成を示す模式図である。 実施の形態１の冷却システムに用いられる蒸発器の構造説明図である。 実施の形態１の冷却システムの圧力−エンタルピー線図上での動作を示す図である。 実施の形態１の冷却システムの冷却能力の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る冷却システムの構成を示す模式図である。 実施の形態２の冷却システムに用いられるトップヒート型熱サイフォン冷媒回路の動作原理を示す説明図である。 実施の形態２の冷却システムの圧力−エンタルピー線図上での動作を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る冷却システムの構成を示す模式図である。 実施の形態３の冷却システムの冷却能力の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４に係る冷却システムの構成を示す模式図である。 実施の形態４の冷却システムの実際の構成例を示す説明図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 液配管、４ａ、４ｂ、３２、３５ａ、３５ｂ 絞り装置、５ａ、５ｂ 中間熱交換器あるいは第２中間熱交換器、６、９ａ、９ｂ、２３ａ、２３ｂ ガス配管、７、１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、２４ａ、２４ｂ 液配管、８ａ、８ｂ 凝縮器、１３ 凝縮部、１４ 上部ヘッダー、１５ 開閉弁、１６ 送風機、１７ 主凝縮部、１８ ジョイント部、１９ 下部ヘッダー、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２５ 蒸発器、２６ 冷媒流路、３１ 液体搬送手段、３３、３４ 水配管、３７ 第１中間熱交換器、５１ａ、５１ｂ 第１温度検知手段、５２ａ、５２ｂ 第２温度検知手段、５３ 第３温度検知手段、５４ 第４温度検知手段、１０１ 熱源ユニット、１０２ａ、１０２ｂ 中間熱交換ユニット、１０３ａ、１０３ｂ 凝縮ユニット、 ２０１ａ、２０１ｂ サーバー、２０２ａ、２０２ｂ ラック、２０３ 二重床上面、２０４ 側壁面。

Claims (11)

1. 少なくとも圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器からなる蒸気圧縮式冷媒回路と、少なくとも吸熱側熱交換器と放熱側熱交換器から構成され、無動力で駆動する重力式熱サイフォン冷媒回路との２つの冷媒回路を備え、前記蒸気圧縮式冷媒回路の蒸発側と、前記重力式熱サイフォン冷媒回路の放熱側が互いに熱交換可能となるように、前記２つの冷媒回路を中間熱交換器を介して接続したことを特徴とする冷却システム。
2. 前記重力式熱サイフォン冷媒回路の吸熱側熱交換器は、サーバーや基板などの電子機器に直接接触可能なプレート型熱交換器であることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
3. 前記中間熱交換器を、前記蒸気圧縮式冷媒回路の蒸発側と熱交換する第１中間熱交換器と、前記重力式熱サイフォン冷媒回路の放熱側と熱交換する第２中間熱交換器との２つに分割し、少なくとも液体搬送手段と絞り装置からなる液体搬送ループで前記第１および第２中間熱交換器を接続したことを特徴とする請求項２記載の冷却システム。
4. 前記重力式熱サイフォン冷媒回路は、吸熱側熱交換器と放熱側熱交換器の高低差を駆動力とする冷媒自然循環型の冷媒回路であることを特徴とする請求項２または請求項３記載の冷却システム。
5. 前記重力式熱サイフォン冷媒回路は、蒸発器、凝縮器、放熱器を配管で接続し、蒸発器と凝縮器との高低差を駆動力とし、放熱器を任意位置に設置可能なトップヒート型熱サイフォン冷媒回路であることを特徴とする請求項２または請求項３記載の冷却システム。
6. 前記電子機器近傍の温度若しくは前記重力式熱サイフォン冷媒回路の吸熱側熱交換器の蒸発温度又は前記第１中間熱交換器の液体側出口温度のいずれか１つを検知する検知手段を有し、前記検知手段の検知値が予め設定された目標値となるように前記蒸気圧縮式冷媒回路の圧縮機の回転数を制御することを特徴とする請求項４または請求項５記載の冷却システム。
7. 前記第１中間熱交換器の液体側出入口の温度差を演算する演算手段を有し、前記演算手段の演算値が予め設定された目標値となるように、前記液体搬送ループの液体搬送手段の回転数あるいは絞り装置の開度を制御することを特徴とする請求項６記載の冷却システム。
8. 前記中間熱交換器または第１中間熱交換器の蒸発側の出口過熱度を演算する演算手段を有し、前記演算手段の演算値が予め設定された目標値となるように前記蒸気圧縮式冷媒回路の絞り装置の開度を制御することを特徴とする請求項６または請求項７記載の冷却システム。
9. 前記重力式熱サイフォン冷媒回路は、１つの放熱側熱交換器に対して複数の吸熱側熱交換器が設けられるマルチ型の構成であることを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれかに記載の冷却システム。
10. 前記蒸気圧縮式冷媒回路は、１つの凝縮器に対して複数の蒸発器が設けられるマルチ型の構成であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の冷却システム。
11. 前記中間熱交換器又は前記第２中間熱交換器は、電子機器が収納される空間の床下内に設置されることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の冷却システム。

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