JP2007514121A - 高密度熱負荷のための冷却システム - Google Patents

Abstract

熱負荷から環境に放熱する冷却システム１０は、揮発性作動流体を有する。この冷却システムは、第１の冷却サイクル１２、および第１の冷却サイクルに熱的に連結される第２の冷却サイクル１４を含む。第１の冷却サイクルは蒸気圧縮サイクルではなく、ポンプ２０、空気／流体熱交換器３０、および流体／流体熱交換器４０を備える。第２の冷却サイクルは、流体／流体熱交換器から環境に放熱するための冷水システムを備えることができる。あるいは、第２の冷却サイクルは、流体／流体熱交換器から環境に放熱するための蒸気圧縮システムを備えることができる。

Description

本開示は、一般に冷却システムに関し、より詳細には高密度熱負荷のための冷却システムに関する。

コンピュータ室または電気通信室など重要な空間内の電子機器には、室の温度、湿度、および気流の正確かつ確実な制御が必要である。過剰な熱または湿度は、コンピュータシステムおよび他の構成要素の動作を損ない、または損傷を与える恐れがある。したがって、正確な冷却システムが作動されて、こうした状況に冷却がもたらされる。

しかし、直膨式（ＤＸ）冷却システムを使用してこうした高密度熱負荷を冷却する場合に問題が起こることがある。既存の高密度負荷用ＤＸシステムは、室温および他の変数を監視して、負荷の変化に応じてシステムの冷却能力を制御するものである。そのため、既存のＤＸシステムには、かなり高性能の制御装置、温度センサ、および他の制御構成要素が必要とされる。したがって、熱負荷の密度変化に対応し、弁および他のシステム構成要素の制御の必要性が低い冷却システムが求められている。さらに、従来のコンピュータ室の空気調和システムでは、高密度熱負荷の管理に過剰な床面積が必要とされる。本開示は、上述の１つまたは複数の問題を克服し、または少なくともその影響を低減することを対象とする。

熱負荷から環境に放熱するための冷却システムを開示する。

この冷却システムは作動流体を有し、作動流体は、例示の実施形態では揮発性作動流体である。冷却システムは、互いに熱的に連結される第１および第２の冷却サイクルを含む。第１の冷却サイクルは、ポンプ、第１の熱交換器、および第２の熱交換器を備える。

第１の熱交換器は、配管を介してポンプと流体連通し、熱負荷と熱連通している。熱負荷は、コンピュータ室、電子機器筐体、または他の空間でもよい。第１の熱交換器は、たとえば空気／流体熱交換器でもよい。さらに、流量調整弁をポンプと第１の熱交換器の間に配置することができる。

第２の熱交換器は、互いに熱連通している第１と第２の流路を備える。第２の熱交換器は、たとえば流体／流体熱交換器でもよい。冷却システムの作動流体用の第１の流路は、第１の熱交換器をポンプに連結する。第２の流路は、第２の冷却サイクルの一部を形成する。

開示の冷却システムの第１の実施形態では、第２の冷却サイクルは、環境と熱連通している冷水システムを備える。開示の冷却システムの他の実施形態では、第２の冷却サイクルは、環境と熱連通している冷凍システムを備える。この冷凍システムは、圧縮機、凝縮器、および膨張デバイスを備えることができる。圧縮機は、第２の熱交換器の第２の流路の一端と流体連通している。凝縮器は、空気／流体熱交換器でもよく、環境と流体連通している。凝縮器は、圧縮機に連結される入口を有し、第２の熱交換器を通る第２の流路の他方の端部に連結される出口を有する。膨張デバイスは、凝縮器の出口と第２の流路の他方の端部の間に配置される。

上記の要約は、本開示の可能な実施形態全て、または態様全てを要約するものではない。

本開示の主題の上記の要約、好ましい実施形態、および他の態様は、以下の特定の実施形態の詳細な説明を参照し、添付の図面と合わせて読めば、最もよく理解されるであろう。

開示の冷却システムには多様な修正形態および変形形態が可能であるが、本開示の特定の実施形態が一例として図面に示され、本明細書に詳細に記載されている。図および記載の説明は、本発明の概念の範囲をいかなる方法でも限定するものではない。むしろ、図および記載の説明は、特定の実施形態を参照して、本発明の概念を当業者に示すために提供されるものである。

図１および２を参照すると、開示の冷却システム１０は、第２のサイクル１４と熱連通している第１の冷却サイクル１２を含む。開示の冷却システム１０は、制御システム１００も備える。第１の冷却サイクル１２と第２の冷却サイクル１４はどちらも独立した作動流体を含む。第１のサイクル中の作動流体は、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）、ヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、またはヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）が含まれるがそれだけに限定されない、従来の冷媒として使用するのに適した任意の揮発性流体である。揮発性作動流体の使用により、従来のシステムでよくなされるように、コンピュータ室を冷却するために精密機器上に配置される水を使用する必要性が回避される。第１のサイクル１２は、ポンプ２０、１つまたは複数の第１の熱交換器（蒸発器）３０、第２の熱交換器４０、および第１のサイクル１２の様々な構成要素を相互連結するための配管を備える。第１のサイクル１２は、蒸気圧縮冷凍システムではない。第１のサイクル１２は、圧縮機の代わりにポンプ２０を使用して、揮発性作動流体を循環し、熱を熱負荷から除去する。ポンプ２０は、揮発性作動流体を第１の冷却サイクル１２を通してポンピングできることが好ましく、制御システム１００によって制御されることが好ましい。

第１の熱交換器３０は空気／流体熱交換器であり、第１の作動流体が第１の熱交換器３０内の第１の流路を通過するときに、熱を熱負荷（図示せず）から第１の作動流体に伝達する。たとえば、空気／流体熱交換器３０は、温風が管の間を通過することができるように構成された、作動流体用の複数の管を備えることができる。理解されるように、当技術分野で知られている幾つかの空気／流体熱交換器を開示の冷却システム１０と共に使用することができる。流量調整弁３２を配管２２と蒸発器３０の入口の間に連結して、蒸発器３０内への作動流体の流量を調整することができる。流量調整弁３２は、冷却システム１０内の流量を調節するための電磁弁または他のタイプのデバイスでもよい。流量調整弁３２は、システムの動作圧力範囲を超える入口圧力から独立した一定の出力流量を維持することが好ましい。図１および２の実施形態では、第１のサイクル１２は、配管２２に連結された複数の蒸発器３０および流量調整弁３２を備える。しかし、開示のシステムは、配管２２に連結された１つまたは複数の蒸発器３０および流量調整弁３２を備えることができる。

第２の熱交換器４０は、流体／流体熱交換器であり、第１の作動流体から第２のサイクル１４に伝熱するものである。理解されるように、当技術分野で知られている幾つかの流体／流体熱交換器を開示の冷却システム１０と共に使用することができる。たとえば、流体／流体熱交換器４０は、第２の流体を含む室またはシェル内に配置された１つの流体用の複数の管を備えることができる。同軸（「管の中の管」）交換器も適している。幾つかの実施形態では、板熱交換器の使用が好ましい。第１のサイクル１２は、バイパス管路５２によって第２の熱交換器４０の出口配管４６に連結された受液器５０を備えることもできる。受液器５０は、第１のサイクル１２中に作動流体を貯蔵し蓄積して、温度および熱負荷の変化を可能にすることができる。

一実施形態では、空気／流体熱交換器３０を使用して、コンピュータ機器が備えられた室を冷却することができる。たとえば、ファン３４が熱交換器３０を介して室（熱負荷）から吸気し、第１の作動流体が空気から熱を吸収する。他の実施形態では、空気／流体熱交換器３０を電子機器上またはその付近に設置することによって、熱交換器３０を使用して、熱を生成する電子機器（熱負荷）から熱を直接除去することができる。たとえば、電子機器は通常、筐体（図示せず）内に備えられる。熱交換器３０をその筐体に取付け、ファン３４が筐体から熱交換器３０を介して吸気することができる。あるいは、第１の熱交換器３０を熱源（たとえば冷たい板）と直接熱的に接触状態にすることができる。当業者には理解されるように、開示の冷却システム１０の構成要素の伝熱率、サイズ、および他の設計変数は、開示の冷却システム１０のサイズ、管理すべき熱負荷の大きさ、および特定の実施形態の他の詳細に依存する。

図１で示した開示の冷却システム１０の実施形態では、第２のサイクル１４は、第１のサイクル１２の流体／流体熱交換器４０に連結された冷水サイクル６０を備える。具体的には、第２の熱交換器４０は、互いに熱連通している第１と第２の部分または流路４２と４４を有する。揮発性作動流体用の第１の流路４２は第１の熱交換器３０とポンプの間に連結される。第２の流路４４は、冷水サイクル６０に連結される。冷水サイクル６０は、当技術分野で知られているものと同様のものでもよい。冷水システム６０は、流体／流体熱交換器４０を通過する第１の作動流体から熱を吸収する第２の作動流体を含む。第２の作動流体は、次いで、従来の冷水サイクルのための当技術分野で知られている技法で冷却される。一般に、第２の作動流体は揮発性でも不揮発性でもよい。たとえば、図１の実施形態では、第２の作動流体は、水、グリコール、またはその混合物でもよい。したがって、図１の第１のサイクル１２の実施形態は、ポンプ２０、空気／流体熱交換器３０、および流体／流体熱交換器４０を有する独立したユニットとして構成することができ、たとえば冷却すべき機器を有する建物で使用可能な既存の冷水設備に連結することができる。

図２の開示の冷却システム１０の実施形態では、第１のサイクル１２は上記のものと実質的に同じである。しかし、第２のサイクル１４は、第１のサイクル１２の熱交換器４０の第２の部分または流路４４に連結された蒸気圧縮冷凍システム７０を備える。図２の冷凍システム７０は、図１の実施形態のように冷水を使用して第１のサイクル１２から熱を除去する代わりに、流体／流体熱交換器４０に直接連結されるか、または流体／流体熱交換器４０の「残りの半分」となっている。蒸気圧縮冷凍システム７０は、当技術分野で知られているものと実質的に同様のものでもよい。例示の蒸気圧縮冷凍システム７０は、圧縮機７４、凝縮器７６、および膨張デバイス７８を備える。配管７２は、こうした構成要素を互いに連結し、熱交換器４０の第２の流路４４に連結する。

蒸気圧縮冷凍システム７０は、熱を熱交換器４０から第２の作動流体で吸収し、その熱を環境（図示せず）に放熱することによって、第２の熱交換器４０を通過する第１の作動流体から熱を除去する。第２の作動流体は揮発性でも不揮発性でもよい。たとえば、図２の実施形態では、第２の作動流体は、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）、ヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、またはヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）が含まれるがそれだけに限定されない任意の従来の化学冷媒でもよい。膨張デバイス７８は、それを通過する作動流体の圧力を低下させるための弁、開口、または当業者に知られている他の装置でもよい。圧縮機７４は、往復圧縮機、スクロール圧縮機など冷媒設備に適していることが当技術分野で知られている任意のタイプの圧縮機でもよい。図２で示した実施形態では、冷却システム１０は自給式である。たとえば、蒸気圧縮冷凍システム７０は、やはりポンプ２０および流体／流体熱交換器３０を有する単一ユニットの一部でもよい。

開示のシステムの動作中、ポンプ２０は配管２２を介して作動流体を空気／流体熱交換器３０に移動させる。ポンピングによって作動流体の圧力が増加するが、そのエンタルピーは実質的に同じままである。（図３のサイクル線図の一辺８０を参照）。次いで、ポンピングされた作動流体は、第１のサイクル１２の空気／流体熱交換器または蒸発器３０に入る。ファン３４は、熱負荷から熱交換器３０を介して吸気することができる。熱負荷（図示せず）からの温風が空気／流体熱交換器３０に入るときに、揮発性作動流体がその熱を吸収する。流体が熱交換器を通って暖まると、揮発性作動流体の一部が蒸発する。（図３のサイクル線図の一辺８２を参照）。十分に負荷されたシステム１０では、第１の熱交換器３０を出る流体は飽和蒸気である。この蒸気は、熱交換器３０から配管３６を通って流体／流体熱交換器４０に流れる。配管または戻り管路３６内では、作動流体は蒸気状態であり、流体の圧力は下がるが、そのエンタルピーは実質的に一定に保たれる。（図３のサイクル線図の一辺８４を参照）。流体／流体熱交換器４０では、第１の流路４２内の蒸気が、第２の流路４４内の第２のサイクル１２の第２の比較的冷たい流体に伝熱されることによって凝縮される。（図３のサイクル線図の一辺８６を参照）。凝縮された作動流体は、配管４４を介して熱交換器４０を出て、ポンプ２０に入り、第１のサイクル１２が繰り返される。

第２の冷却サイクル１４は、第１のサイクル１２と共に動作して、熱を第１の作動流体から第２の作動流体に吸収し、それを環境（図示せず）に放熱することによって、熱を第１のサイクル１２から除去する。上記のように、第２のサイクル１４は、図１で示した冷水サイクル６０、または図２で示した蒸気圧縮冷凍システム７０を備えることができる。図１の冷水システム６０の動作中、たとえば、第２の作動流体は熱交換器４０の第２の流路４４を通って流れることができ、貯水塔（図示せず）内で冷却されることができる。図２の冷凍システム７０の動作中、たとえば、第２の作動流体は流体／流体熱交換器４０の第２の部分４４を通過し、第１のサイクル１２の揮発性流体から熱を吸収する。作動流体はこの過程で蒸発する。（図４で示した通常の蒸気圧縮冷凍サイクルの一辺９２を参照）。蒸気は圧縮機７４に移動し、そこで作動流体が圧縮される。（図４の冷凍サイクルの一辺９０を参照）。圧縮機７４は、往復、スクロール、または他のタイプの当技術分野で知られている圧縮機でもよい。圧縮後、作動流体は排出管路を通って凝縮器７６に移動し、そこで、作動流体からの熱が外部の吸熱器、たとえば屋外環境に放散される。（図４の冷凍サイクルの一辺９６を参照）。冷媒は、凝縮器７６を出ると、液体管路を通って膨張デバイス７５に流れる。冷媒が膨張デバイス７５を通過するときに、第２の作動流体の圧力が低下する。（図４の冷凍サイクルの一辺９４を参照）。作動流体は、膨張デバイス７５を出ると、流体／流体熱交換器４０の第２の流路を通って流れる。熱交換器４０は冷凍サイクル７０用の蒸発器として働く。

コンピュータ室などのための従来の冷却システムは、貴重な空間を占めるものである。しかし、本発明の冷却システム１０は、貴重な床面積を占めることなく高密度熱負荷を冷却することができる。さらに冷却システム１０は、コンピュータ室など高密度負荷の従来のタイプの冷却方法と比較して、揮発性流体のポンピングに必要とされるエネルギが、水など不揮発性流体のポンピングに必要なエネルギよりも少ないため、エネルギを節約することができる。また、揮発性流体のポンピングでは、必要とされるポンプのサイズ、並びにシステム構成要素を相互連結する配管全体の大きさおよびコストを低減することができる。

開示のシステム１０は、揮発性流体の相変化を有利に使用して、空間または室の平方フィートあたりの冷却能力を上げる。また、開示の冷却システム１０は、コンピュータ機器上に設置される冷却機器の水も不要である。水は漏れた場合にコンピュータ機器に損傷を与える可能性がある。さらに、システムは顕熱だけを除去するように設計されているため、凝縮物を除去する必要性が回避される。当技術分野で知られているように、空気を低温に冷却することによって相対的湿度が上がるが、それは凝縮が起こりやすくなることを指す。たとえば、蒸発器が電子機器の筐体上に設置されている場合、筐体内で凝縮が起こる可能性があり、それによって電子機器に重大な危険性がもたらされる。本発明のシステムでは、機器を取り巻く環境の温度が露点より高く維持され、凝縮が起こらないことが保証される。開示の冷却システムは、潜在性冷却を行わないため、システムの全冷却能力がコンピュータ機器の冷却に使用される。

開示の冷却システム１０は、従来の直膨システムに必要とされる複雑な制御なしで、変化する熱負荷に対処することができる。システムは、ポンプ２０がシステムに揮発性流体の一定の流れを提供する点で自己制御性がある。流量調整弁３２は、各熱交換器３０への最大流量を制限するように動作する。この動作によって各熱交換器３０への流量のバランスがとられて、各熱交換器３０が概ね同じ流量を得るようになされる。熱交換器が高負荷下にある場合、比較的低負荷下にあるよりも高いレートで揮発性流体が引火する傾向がある。流量調整弁３２が存在しないと、より多くの流量が「比較的低い」負荷の熱交換器に流れる傾向がある。なぜならその熱交換器が比較的冷たい地点であり、流体圧力降下が比較的低いからである。この作用は、高負荷下の熱交換器を「欠乏状態」にする傾向があり、負荷が適切に冷却されない。

可感冷却全体の維持に使用される重要なシステム制御パラメータは、制御すべき空間の露点である。開示の冷却システム１０は、冷水または蒸気圧縮システムのいずれかを制御して、上述の熱交換器３０に流れる流体が、制御すべき空間内で常に露点を超えているようにする。露点より上にあることによって、潜在性冷却が起こり得ないことが保証される。

好ましい実施形態および他の実施形態の上記の説明は、出願者らによって考えられる本発明の概念の範囲または適用性を限定または制限するものではない。出願者らは、本明細書に記載の本発明の概念を開示する代わりに、添付の特許請求の範囲によって与えられる全ての特許権を望むものである。したがって、添付の特許請求の範囲は、修正形態および変更形態全てを添付の特許請求の範囲または等価のものの範囲内に完全に包含するものとする。

本開示の幾つかの教示による冷却システムの一実施形態を概略的に示す図である。 本開示の幾つかの教示による冷却システムの他の実施形態を概略的に示す図である。 開示の冷却システムのサイクル線図である。 通常の蒸気圧縮冷凍システムのサイクル線図である。

Claims (9)

1. 熱負荷から熱交換システムに伝熱するための冷却システムであって、
   揮発性作動流体と、
   ポンプと、
   ポンプと流体連通し熱負荷と熱連通している第１の熱交換器と、
   第１の熱交換器およびポンプと流体連通している第１の流路、並びに熱交換システムに連結された第２の流路を有する第２の熱交換器とを備え、第１および第２の流路が互いに熱連通している冷却システム。
2. 第１の熱交換器が空気／流体熱交換器を含む請求項１に記載の冷却システム。
3. 第１の熱交換器が熱源と直接熱的に接触している請求項１に記載の冷却システム。
4. 第２の熱交換器が流体／流体熱交換器を含む請求項１に記載の冷却システム。
5. ポンプと第１の熱交換器の間に配置される流量調整弁をさらに備える請求項１に記載の冷却システム。
6. 熱負荷から環境に放熱するための冷却システムであって、冷却システムの第１の冷却サイクルが揮発性作動流体を含み、第２の冷却サイクルが第１の冷却サイクルに熱的に連結され、
   第１の冷却サイクルが、ポンプ、ポンプと流体連通し熱負荷と熱連通している第１の熱交換器、並びに第１の熱交換器をポンプに連結する作動流体用の第１の経路および第２の冷却サイクルに連結された第２の経路を有する第２の熱交換器を備え、前記第１および第２の流路が互いに熱連通しており、
   第２の冷却サイクルが環境と熱連通している冷凍システムを備える冷却システム。
7. 冷凍システムが、
   第２の流路の一端に連結された圧縮機と、
   圧縮機に連結された入口および第２の経路の他方の端部に連結された出口を有する、環境と熱連通している凝縮器と、
   凝縮器の出口と第２の経路の他方の端部の間に配置された膨張デバイスとを備える請求項６に記載の冷却システム。
8. 熱負荷から環境に放熱するための冷却システムであって、
   揮発性作動流体を含む第１の冷却サイクルと、
   第１の冷却サイクルに熱的に連結された第２の冷却サイクルとを備え、
   第１の冷却サイクルが、
   ポンプと、
   ポンプと流体連通し熱負荷と熱連通している第１の熱交換器と、
   第１の熱交換器およびポンプと流体連通している作動流体用の第１の流路、並びに第２の冷却サイクルの一部を含む第２の流路を有する第２の熱交換器とを備え、第１および第２の流路が互いに熱連通しており、
   第２の冷却サイクルが環境と熱連通している冷水システムを含む冷却システム。
9. 熱負荷から環境に放熱するための冷却システムであって、
   揮発性作動流体をシステムを通してポンピングするためのポンプと、
   熱負荷と熱連通している流路を有し、ポンプに連結された第１の熱交換器と、
   互いに熱連通している第１および第２の流路を有する第２の熱交換器とを備え、第１の流路が第１の熱交換器からポンプまでの流体連通を提供し、第２の流路が第１の熱交換器を環境と熱連通している他の冷却システムに連結するように構成された冷却システム。

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