JP2009180405A

JP2009180405A - 廃熱利用システム

Info

Publication number: JP2009180405A
Application number: JP2008018549A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yoshida; 宏章吉田; Takeo Kasashima; 丈夫笠嶋; Fumio Takei; 文雄武井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: JP4946894B2

Abstract

【課題】加熱流体の温度が変動しても、廃熱の回収を時間的に連続して行うことが可能な廃熱利用システムを提供すること。
【解決手段】第１の脱着温度を有する第１の吸着式冷凍機２７と、前記第１の脱着温度よりも低い第２の脱着温度を有する第２の吸着式冷凍機２８と、複数の発熱体２２〜２５で発生した熱を、該発熱体２２〜２５毎に加熱流体６に乗せて輸送する複数の熱輸送配管５９〜６２と、熱輸送配管５９〜６２を流れる加熱流体６を、第１の吸着式冷凍機２７と第２の吸着式冷凍機２８のそれぞれに振り分けて供給する加熱流体供給部９０とを有し、加熱流体供給部９０が、第１の吸着式冷凍機２７に供給される加熱流体６の温度が第２の吸着式冷凍機２８に供給される加熱流体６の温度よりも高くなるように加熱流体６の振り分けを行う廃熱利用システムによる。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃熱利用システムに関する。

近年、電子機器類の進歩に加え、高度情報通信網の整備により、大量のデータを扱うブレードサーバやストレージサーバを多数設置したデータセンターの増加が著しく、これに伴い、これらの電子機器類からの廃熱エネルギも増加の一途をたどっている。

特に、データセンター等では、１ラックあたり複数のボードを装着してデータ処理能力を向上させるブレードサーバが一般的になっており、このブレードサーバでは１ラック当たりの消費電力が数kW以上と大電力化している。

このような１ラック当たりの消費電力の増加に伴い、発熱源であるCPU等の冷却技術についても課題が増加している。例えば、通常は、大型のデータセンターやビル内に設置されたサーバールームにおいて、専用の空調機を用いて室内に冷風を循環させ、この冷風をサーバラック内にファンを用いて導入することでCPU等を冷却しているが、この方式では十分な冷風を作り出すために大量の電力を消費するので、低コスト化や環境問題の点で問題がある。

そこで、サーバ等の電子機器からの廃熱を回収し、それを再利用する技術として、吸着式冷凍機が着目されている。

その吸着式冷凍機では、吸着剤に冷媒を吸着させる吸着工程の後、脱着工程と呼ばれる工程において、廃熱を運んできた水等の加熱流体の熱により吸着剤から冷媒を脱離（脱着）させる。そして、この脱離過程において吸着剤が吸熱することを利用して加熱流体を冷却し、その冷却後の加熱流体により電子機器等を冷却する。

また、上記の吸着工程では、蒸発器に入れられた冷媒を蒸発させて吸着剤に吸着させるが、冷媒が蒸発するときの気化熱を利用することで冷熱を得ることができ、この冷熱でサーバルーム内、あるいは直接ラック内に冷風を供給することにより廃熱を有効活用することができる。

そして、このような吸着工程と脱着工程とを繰り返すことにより、廃熱の回収と冷熱の生成とを連続して行うことが可能となる。

吸着式冷凍機で使用される吸着剤と冷媒の組み合わせには幾つかある。

例えば、脱着工程における吸着剤の温度が７０〜９０℃程度の場合は、シリカゲル又はゼオライトが吸着剤として使用され、冷媒としては蒸発熱の大きな水が使用される。

この他の組み合わせとしては、活性炭素−メタノール系や、活性炭素−アンモニア系もある。これらの系では、水を冷媒として使用しないため、０℃程度の冷熱を生成することができると供に、脱着温度をシリカゲルよりも低くできるという特徴を有するが、単位体積当たりの冷熱出力の点ではシリカゲル−水系の方が有利である。

更に、活性炭素表面にアルカリ等で賦活処理を施し親水化した賦活活性炭を吸着剤として用い、冷媒として水を用いる組み合わせもある。

このように、廃熱を用いて吸着式冷凍器を作動させることにより、得られた冷熱をサーバルームの冷却等に有効利用し、省電力化を図ることが可能となる。

そのような吸着式冷凍機の適用対象には様々なものがある。例えば、特許文献１では、自動車に使用する吸着式冷凍機が開示されている。また、特許文献２では電子機器類の冷却用に使用しており、特許文献３ではボイラ等の比較的高温での廃熱回収に使用している。

また、吸着式冷凍機の簡単な原理については、非特許文献１に開示されている。

その他に、本発明に関連する技術が特許文献４〜６にも開示されている。
特許第３９２４８８５号明細書特開２００２−１００８９１号公報特開平３−１８６１６５号公報特開２００３−２４０３８３号公報特開平１０−１３２４１６号公報特開２００３−１６６７７０号公報高性能ケミカルヒートポンプ応用事例集、サイエンスフォーラム社

ところで、サーバ等からの廃熱を利用する場合、サーバと吸着式冷凍機との間を循環している加熱流体の温度や総熱量は、サーバの負荷変動によって時間的に大きく変動するのが普通である。

例えば、複数のCPUの各々に個別に加熱流体を循環させ、それらを合流させて吸着式冷凍機に戻す場合、各CPUの動作状況の違いにより加熱流体の温度も異なるようになり、合流後の加熱流体の温度が時間的に変動する。

しかしながら、このような変動の結果、加熱流体の温度が吸着剤から冷媒を脱離するのに必要な温度よりも低くなると、加熱流体の熱によって冷媒を十分に脱離させることができない。

この場合は、むしろ加熱流体によって吸着剤が冷却されてその温度が低下し、回収した廃熱を冷却することができない。更に、この場合、時間の経過と供に加熱流体の温度が再び上昇したとしても、冷媒の脱離に必要な温度にまで吸着剤が加熱されるのにある程度の時間を要することになるので、冷熱の生成を時間的に連続して行うことが困難となり、冷却性能の低下という問題が発生する。

本発明の目的は、加熱流体の温度が変動しても、廃熱の回収を時間的に連続して行うことが可能な廃熱利用システムを提供することにある。

本発明の一観点によれば、第１の冷媒の蒸気を吸着するとともに、加熱流体の熱によって第１の脱着温度に加熱されることにより前記第１の冷媒を脱着する第１の吸着剤が収納された吸着器を複数個備えた第１の吸着式冷凍機と、第２の冷媒の蒸気を吸着すると供に、前記加熱流体の熱によって前記第１の脱着温度よりも低い第２の脱着温度に加熱されることにより前記第２の冷媒を脱着する第２の吸着剤が収納された吸着器を複数個備えた第２の吸着式冷凍機と、複数の発熱体で発生した熱を、該発熱体毎に前記加熱流体に乗せて輸送する複数の熱輸送配管と、前記複数の熱輸送配管を流れる前記加熱流体を、前記第１の吸着式冷凍機と前記第２の吸着式冷凍機のそれぞれの前記吸着器に振り分けて供給する加熱流体供給部とを有し、前記加熱流体供給部が、前記第１の吸着式冷凍機の前記吸着器に供給される前記加熱流体の温度が前記第２の吸着式冷凍機の前記吸着器に供給される前記加熱流体の温度よりも高くなるように前記加熱流体の振り分けを行う廃熱利用システムが提供される。

本発明によれば、加熱流体の振り分けにより、脱着温度が高い第１の吸着式冷凍機に温度低下が抑制された加熱流体を導入するので、加熱流体の振り分けを行わない場合と比較して、第１の吸着式冷凍機において脱着工程を行うときに吸着剤から冷媒が離脱し易くなる。

一方、第２の吸着式冷凍機では、第１の吸着式冷凍機よりも脱着温度が低いため、振り分けによって温度が低い加熱流体が導入されても、吸着剤の脱着効率の低下が顕著となることはない。

その結果、第１及び第２の吸着式冷凍機全体としてみれば安定的に廃熱を回収することができるようになる。

以下に、本発明の実施の形態に係る排熱利用システムについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

（システム全体の構成）
図１は、本実施形態に係る廃熱利用システム２０の構成図である。

このシステム２０は、サーバ２１内のCPU等の複数の発熱体２２〜２５から廃熱を回収してそれを再利用するものであって、各発熱体２２〜２５で発生した熱を水等の加熱流体６に乗せて輸送する複数の熱輸送配管５９〜６２を備える。

発熱体２２〜２５には、放熱フィンの代わりにコールドプレートが接続され、この中を上記の加熱流体６が流れて発熱体２２〜２５の熱が吸収される。

また、各熱輸送配管５９〜６２には、その中を流れる加熱流体６の温度と流量とを検出する加熱流体温度・流量検出器２９〜３２が設けられる。なお、温度検出機能と流量検出機能を分け、加熱流体温度検出器と流量検出器とを別々に設けるようにしてもよい。

更に、これらの検出器２９〜３２の下流の輸送配管５９〜６２には三方バルブ３３〜３６が設けられる。輸送配管５９〜６２を流れる加熱流体６は、これらのバルブ３３〜３６で分岐して第１の加熱流体混合器４０と第２の加熱流体混合器４１のいずれかに供給される。

第１及び第２の加熱流体混合器４０、４１は、輸送配管５９〜６２から供給された加熱流体６を混合するタンクであって、その出口側にはそれぞれ加熱流体配管８０が接続される。

その加熱流体配管８０の下流には、第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８が図示のように接続される。なお、これらの吸着式冷凍機２７、２８の構成については後述する。

加熱流体配管８０を流れる加熱流体６は、各吸着式冷凍機２７、２８で冷却された後、それぞれ第１及び第２の加熱流体分流器４２、４３に供給される。

そして、これら第１及び第２の加熱流体分流器４２、４３を出た加熱流体６は、三方バルブ４５〜４８によって所定の熱輸送配管５９〜６２に戻された後、送液ポンプ４９〜５２により再び発熱体２２〜２５に戻り、該発熱体２２〜２５を冷却する。

（吸着式冷凍機の構成）
次に、上記の第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８の構成について説明する。

図２は、これらの吸着式冷凍機２７、２８の構成図である。

吸着式冷凍機２７、２８は、いずれも内部が減圧された第１の吸着器１、第２の吸着器２、蒸発器３、及び凝縮器４と、これらを接続する真空経路１９とを有する。

このうち、第１及び第２の吸着器１、２には吸着剤１７が収容され、蒸発器３には冷媒１８が収容される。

一方、真空経路１９には開閉バルブ１１〜１４が図示のように設けられており、これらのバルブ１１〜１４の開閉を切り替えることにより、吸着式冷凍機２７、２８内で吸着工程と脱着工程とを切り替えることができる。

例えば、図示のようなバルブの開閉状態では、第１の吸着器１において吸着工程が行われ、第２の吸着器２において脱着工程が行われる。

すなわち、吸着工程が行われている第１の吸着器１では、蒸発器３において蒸発した冷媒１８の蒸気がバルブ１２を介して供給され、その蒸気が吸着剤１７に吸着される。吸着時に吸着剤１７で発生する熱は、内部配管７を流れる冷却水等の冷却流体９によって冷却される。この冷却が速やかに行われないと、吸着剤１７による冷媒１８の吸着に長時間を要し、設計通りのタイミングで吸着式冷凍機２７、２８を動作させることができない。そこで、本実施形態では、内部配管７に熱交換器７ａを設け、冷却流体９と吸着剤１７との間の熱の移動効率を高めるようにした。熱交換器７ａとしては、例えばフィンチューブタイプ又はコルゲートフィンタイプのものが使用される。

第１の吸着器１に入る直前の冷却流体９の温度は特に限定されないが、本実施形態では約２５℃の冷却水を冷却流体９として用いる。その場合、第１の吸着器１を出た直後の冷却流体９は、冷媒１８を吸着したことで発熱した吸着剤１７によって３０℃程度に温められた状態となっている。

一方、脱着工程が行われている第２の吸着器２では、内部配管７に加熱流体６が流され、その熱によって吸着剤１７から冷媒１８が脱離すると供に、冷媒１８が脱離するときに吸着剤１７が吸熱することから、加熱流体６が冷却される。例えば、第２の吸着器２に入る直前の加熱流体６の温度が７５℃の場合、第２の吸着器２を出た直後では加熱流体６の温度は７０℃程度に低下する。

ここで、吸着剤１７から冷媒１８が脱離して、該吸着剤１７の乾燥度Dが所定時間内に基準値D₀、例えば８０％以上となる温度を脱着温度と呼ぶこととする。

乾燥度Dは、乾燥した吸着剤重量Ｍ１，脱着工程中の吸着剤の重量をＭ２としてＭ1／Ｍ2×100と定義する。これらの値は、冷却水温度や切替時間など、吸着式冷凍機の設計によって設定ができ、システムとして最も効率がよい値に設定することとなる。

脱着温度は、このように吸着剤１７の乾燥度の基準値D₀から決められるものであるため、同一の吸着剤１７と冷媒１８とを使用しても、吸着式冷凍機の設計時に使用した基準値D₀の値によって異なる値になることもある。

加熱流体６による加熱で吸着剤１７から効率的に冷媒１８を脱離させるには、加熱流体６の温度を上記の脱着温度以上とする必要がある。

脱着温度は、吸着剤１７と冷媒１８との組み合わせにより定まる。

例えば、吸着剤１７としてシリカゲルを使用し、冷媒１８として水を用いる場合、脱着温度は７０℃程度となる。

これに対し、吸着剤１７として活性炭素を用い、冷媒１８としてメタノールを用いる場合は、脱着温度は６０℃程度となる。

一方、蒸発器３には、水等の冷媒１８が溜められていると供に、水等の循環流体５が流れる循環配管１０が通されている。そして、第１の吸着器１で吸着工程が行われているとき、冷媒１８の気化熱によって循環流体５が冷やされ、蒸発器３に入る前よりも５℃程度低い温度に循環流体５を冷やすことができる。

一方、凝縮器４には、脱着工程が行われている第２の吸着器２から冷媒１８の蒸気が供給される。その蒸気は、冷却配管８を流れる冷却水１５により冷却されて液化した後、冷媒回収配管１６を通って再び蒸発器１８に戻される。

冷却水８の温度は特に限定されないが、本実施形態では凝縮器４に入る直前の温度を２５℃程度とする。この場合、凝縮器４から出た直後の冷却水８の温度は３０℃程度となる。

このような一連のプロセスでは、加熱流体６の熱によって吸着剤１７から冷媒１８を脱離させ、更にその冷媒１８を蒸発器１８に戻してその気化熱によって循環流体５を冷却しており、加熱流体６の熱が循環流体５の冷熱の生成に再利用されていることになる。

更に、バルブ１１〜１４の開閉状態を図示のものから反転させると供に、加熱流体６を第１吸着器１の内部配管７に流し、且つ冷却流体９を第２吸着器２の内部配管７に流すことで、各吸着器１、２において脱着工程と吸着工程が切り替わり、循環流体５の冷熱を連続して生成することができる。

図３は、このような脱着工程と吸着工程の切り替えをするために必要な配管の接続例を示す構成図である。

この例では、図１で示した加熱流体配管８０と、外部から冷却流体９を導入するための冷却流体配管８１に、三方バルブ９１〜９４を図示のように設ける。

各バルブ９１〜９４の切り替え方向が同図で示される方向の場合、加熱流体６が第２の吸着器２に導入され、冷却流体９が第１の吸着器１に導入される。したがって、この場合は、第１の吸着器１において吸着工程が行われ、第２の吸着器２において脱着工程が行われることになる。

脱着工程と吸着工程を切り替えるには、次の表１のように各バルブ９１〜９４を切り替えればよい。

ところで、図１に示した廃熱利用システム２０は、複数の発熱体２２〜２５から廃熱を回収するものであるが、各発熱体２２〜２５がCPU等の電子機器の場合は、その動作状況に応じて発熱温度が時間と供に変動するのが普通である。

その発熱温度が第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８の脱着温度以上の期間は特に問題はない。

しかし、発熱温度が脱着温度よりも下回る期間では、各吸着式冷凍機２７、２８において脱着工程が行われている方の吸着器、例えば図１の第２の吸着器２において、加熱流体６の熱によって吸着剤１７を脱着温度以上に加熱することができず、吸着剤１７から冷媒１８が離脱するのが妨げられ、吸着剤１７の脱着効率が低下する。

また、この期間が終了して発熱温度が上昇しても、吸着剤１７の温度が脱着温度以上となるのに不要な時間を要してしまう。

そこで、本実施形態では、図１に示すように二つの吸着式冷凍機２７、２８を設けると供に、使用する吸着剤１７と冷媒１８の組み合わせを各吸着式冷凍機２７、２８で異なるものとすることで、第２の吸着式冷凍機２８における脱着温度を第１の吸着式冷凍機２７のそれよりも低くする。なお、第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８のそれぞれの脱着温度同士の比較は、各吸着式冷凍機２７、２８で使用される吸着剤１７の乾燥度の基準値D₀として同一の値を使用して行うものとする。

例えば、第１の吸着式冷凍機２７では、脱着温度が７０℃程度のシリカゲル−水系が使用される。この場合に冷媒１８として用いる水は、２５℃での蒸発熱が２．４４kJ／gと大きく、循環流体５から比較的大きな冷熱を得ることができる。なお、吸着剤１７として用いられるシリカゲルとしては、富士シリシア化学製のRD2060がある。また、シリカゲルに代えてゼオライト（例えば、三菱化学社製）を用いてもよい。

これに対し、第２の吸着式冷凍機２８では、これよりも低い脱着温度（６０℃以下）となる活性炭素−メタノール系が使用される。

更に、各バルブ２９〜３２の切り替え方向を制御することにより、第１の吸着式冷凍機２７に供給される加熱流体６の温度が第２の吸着式冷凍機２８に供給される加熱流体６の温度よりも高くなるように加熱流体６の振り分けを行う。

これにより、脱着温度が高い第１の吸着式冷凍機２７には、温度低下が抑制された加熱流体６が導入されることになるので、加熱流体６の振り分けを行わない場合と比較して、吸着剤１７から冷媒１８が離脱し易くなる。

一方、第２の吸着式冷凍機２８では、脱着温度が低いため、振り分けによって温度が低い加熱流体６が導入されても、吸着剤１７の脱着効率の低下が顕著となることはない。

その結果、第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８全体としてみれば安定的に廃熱を回収することができ、各吸着式冷凍機２７、２８から連続して循環流体５の冷熱を生成することができる。

上記のような加熱流体６の振り分けは、図１に示す加熱流体供給部９０により自動的に行われる。

加熱流体供給部９０は、既述の加熱流体温度・流量検出器２９〜３２と、切り替えバルブ３３〜３６と、第１及び第２の加熱流体混合器４０、４１とにより構成される。

このうち、加熱流体温度・流量検出器２９〜３２の検出信号S1は、パーソナルコンピュータ等の制御部１０１に取り込まれる。その検出信号S1に基づいて、制御部１０１が切り替えバルブ３３〜３６の切り替え方向を制御することにより、第１の吸着式冷凍機２７に供給される加熱流体６の温度が第２の吸着式冷凍機２８に供給される加熱流体６の温度よりも高くなるように加熱流体６の振り分けが行われる。

制御部１０１は、加熱流体配管８０の途中に設けられた温度検出器４４の検出信号S2に基づいて、切り替えバルブ４５〜４８の切り替え方向を制御し、加熱流体６が元の発熱体２２〜２５に同じ流量で戻るようにする。

このとき、発熱体２２〜２５に戻ってきた加熱流体６の温度が、発熱体２２〜２５を出たときの温度よりも高くなったのでは、発熱体２２〜２５で発生した熱を加熱流体６で奪うことができず、むしろ加熱流体６によって発熱体２２〜２５を加熱することになってしまう。

そのため、制御部１０１は、発熱体２２〜２５を出発した時の流量と同一流量になるように加熱流体６を戻すだけでなく、加熱流体６の温度が出発時よりも下がるように切り替えバルブ４５〜４８の切り替え方向を制御する。

以下に、バルブ３３〜３６、４５〜４８の切り替えの例について詳述する。

第１例
本例では、第１の吸着式冷凍機２７に供給される加熱流体６の温度が、該第１の吸着式冷凍機２７における脱着温度以上となるように加熱流体６の振り分けを行う。そして、第１の吸着式冷凍機２７に供給されない残りの加熱流体６を第２の吸着式冷凍機２８に供給する。

この場合、バルブ３３〜３６、４５〜４８の切り替え方向は次の表２のようになる。

表２では、発熱体２２〜２５を出た加熱流体６の温度をそれぞれ７３℃、７５℃、６３℃、５８℃とし、その流量を５００ml／minとしている。

この場合、表のように発熱体２２、２３を出た加熱流体６を混合すると、混合後の温度が７４℃となり、第１の吸着式冷凍機２７で使用されるシリカゲル−水系の脱着温度（約７０℃）よりも高くすることができる。

一方、発熱体２４、２５を出た加熱流体６を混合すると、混合後の温度が６０．５℃となる。この温度は、第２の吸着式冷凍機２８で使用さえる活性炭素−メタノール系の脱着温度（約６０℃）よりも高い。

これによれば、各吸着式冷凍機２７、２８に、それぞれの吸着温度よりも高い温度の加熱流体６を供給することができるので、吸着式冷凍機２７、２８における脱着効率の低下を防止することが可能となる。

次の表３は、バルブの切り替え方向の他の例を示す。

表３の例では、発熱体２２〜２４を出た加熱流体６を混合することで、混合後の温度が第１の吸着式冷凍機２７における脱着温度（約７０℃）よりも高い７０．３℃となる。したがって、第１の吸着式冷凍機２７において脱着効率が低下することはない。

一方、発熱体２５を出た温度が５８℃の加熱流体６については他の加熱流体と混合せずにそのまま第２の吸着式冷凍機２８に供給する。

第２の吸着式冷凍機２８における脱着温度は約６０℃であるから、５８℃の加熱流体６では脱着効率が低下する。

しかし、上記のように第１の吸着式冷凍機２７において脱着効率が低下しないので、第１の吸着式冷凍機２７において廃熱の回収と冷熱の生成とを行うことができ、システム２０全体として廃熱の回収効率は維持することができる。

第２例
脱着工程中の吸着剤１７に供給される熱流体６の温度は、脱着効率を維持するために、第１例のように常に第１の吸着式冷凍機２７における脱着温度以上であるのが理想的である。

しかしながら、吸着工程が終了して脱着工程に移った直後の吸着剤１７は、直前の吸着工程で冷却流体９によって２５℃〜３３℃程度に冷却された状態となっており、脱着温度以上の温度の加熱流体６で加熱しても、吸着剤１７の温度がすぐさま上昇することはない。これは、切替直後では、熱交換によって加熱流体６から吸着剤１７に移動する熱量が、加熱流体６自身の温度に大きく依存していないことによる。

したがって、この場合に脱着温度以上の過度に高い温度の加熱流体６を供給しても、該加熱流体６の有する高い熱量を有効活用しきれないことになる。

この点に鑑み、本例では、第１の吸着式冷凍機２７において吸着工程が終了して脱着工程に移るときに、第１の吸着式冷凍機２７に供給される加熱流体６の温度が、吸着剤１７の温度よりも高くかつその脱着温度以下となるように加熱流体供給部９０で加熱流体６の振り分けを行う。

このような振り分けは、次の表４のようにバルブ３３〜３６、４５〜４８の切り替え方向を制御することにより行うことができる。

なお、表４の例では、表２、表３と同様に、発熱体２２〜２５を出た加熱流体６の温度をそれぞれ７３℃、７５℃、６３℃、５８℃としている。

表４に例示されるように、脱着工程の開始直後では、全てのバルブ３３〜３６を第１の混合器４０の方に切り替え、各加熱流体６を合流させてそれを第１の吸着式冷凍機２７に供給する。発熱体２２〜２５を出た加熱流体６のそれぞれの流量が同じなので、合流後の加熱流体の温度は約６７．３℃（≒（７３℃+７５℃+６３℃+５８℃）／４）となる。この温度は、第１の吸着式冷凍機２７における脱着温度（約７０℃）よりも低いが、脱着温度以上の加熱流体６を供給する場合と比較して、該加熱流体６の熱量を有効活用することができる。

また、ある程度の時間tが経過して吸着剤１７の温度が十分に高くなったら、脱着温度以上の加熱流体６を吸着剤１７に供給し、吸着剤１７の脱着効率を高めるのが好ましい。

本実施形態では、発熱体２２〜２５から出てくる加熱流体６のうち、最も温度が低い加熱流体６よりも吸着剤１７の温度が高くなったときに、バルブ３３〜３６を切り替えて、脱着温度以上の加熱流体６を吸着剤１７に供給する。

なお、吸着剤１７の温度は、各吸着式冷凍機２７、２８に設けられた吸着剤温度検出器５３（図１参照）により検出される。そして、吸着剤温度検出器５３から出力される検出信号S3に基づいて、制御部１０１が自動的にバルブ３３〜３６の切り替えを行う。

本例のようにバルブ３３〜３６の切り替えをこまめに行うことで、加熱流体６の熱量を有効活用しながら、脱着剤１７における脱着効率を維持することが可能となる。

（循環流体の接続例）
図２で説明したように、蒸発器３には循環配管５が通され、冷媒１８の気化熱によって循環流体５が冷却される構成となっている。

以下に、循環流体５による第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８同士の接続例について説明する。

図４は、その接続例を示す構成図である。

この例では、ドライコイル等の外部熱交換器９７と第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８との間を循環する循環流体５の循環経路に、循環流体分流器９５、循環流体混合器９６、循環配管１０、開閉バルブ９８、及び三方バルブ９９等で構成される循環流体切り替え部１００を図示のように設ける。

このうち、外部熱交換器９７は、例えばデータセンター等の空調設備に使用されるものであって、各吸着式冷凍機２７、２８で冷却された循環流体５の冷熱により、室内の気流を冷却して冷風を生成するのに使用される。

一方、循環流体切り替え部１００は、第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８のそれぞれの蒸発器３同士の循環流体５の流路による接続を、直列接続と並列接続との間で切り替える機能を有する。

その切り替えは、次の表５のように各バルブを制御することで行うことができる。

バルブの制御により直列接続を選択した場合は、循環流体５は、第１の吸着式冷凍機２７で冷却された後、更に第２の吸着式冷凍機２８で冷却されることになる。そのため、各吸着式冷凍機２７、２８を単体で使用する場合と比較して循環流体５を低温に冷却することができ、外部熱交換機９７において強力な冷風を生成することができる。

また、循環流体５を強く冷却する必要がない場合であっても、このように直列接続とすることで、各吸着式冷凍機２７、２８が担う冷却能力が低減され、それぞれの吸着式冷凍機２７、２８の負担を低減することができる。

例えば、もともと１０℃の循環流体５を５℃に冷却する必要がある場合、第１の吸着式冷凍機２７では１０℃から７℃に冷却し、第２の吸着式冷凍機２８では７℃から５℃に冷却すればよい。つまり、各吸着式冷凍機２７、２８では循環流体６の温度を２℃〜３℃程度だけ冷却すればよく、一台の吸着式冷凍機で１０℃から５℃に冷却する場合と比較して吸着式冷凍機２７、２８の負担軽減が図られる。

或いは、このような負担軽減が要求されない場合には、表５に従ってバルブを操作し、並列接続にしてもよい。

このように、循環流体６に要求される冷却温度や、吸着式冷凍機２７、２８の負担に応じて直列接続と並列接続のどちらかを選択するようにすることで、廃熱利用システム２０の汎用性を高めることが可能となる。

次に、図１に示した廃熱利用システム２０を利用した実施例について説明する。

本実施例では、熱交換器７ａとしてコールドフィンタイプのものを用いた。第１の吸着式冷凍機２７の二つの吸着器１、２には、吸着剤１７として一吸着器あたりシリカゲル（富士シリシア化学製RD２０６０、平均粒径６００〜８００μm）を乾燥重量で６００g充填し、冷媒１８として水を使用した。そして、脱着温度を７０℃とした。

一方、第２の吸着式冷凍機２８の二つの吸着器１、２には、吸着剤として活性炭素（N₂比表面積１０００m²／g、広島和光純薬製）を一吸着器あたり２００g充填した。そして、冷媒１８としてメタノールを使用し、脱着温度を５５℃とした。

循環流体５としては水を用い、それを図４で説明したように各吸着式冷凍機２７、２８に直列に循環させた。なお、第１吸着式冷凍機２７に入る直前の循環流体５の温度を１３℃とした。

また、冷却流体９としては水を用いた。そして、この冷却流体９と冷却水１５が各吸着式冷凍機２７、２８に入る直前の入り口温度をいずれも２５℃とした。各吸着式冷凍機２７、２８で昇温したこれら冷却流体９と冷却水１５の放熱は、屋外のクーリングタワー（不図示）で行った。

吸着式冷凍機２７、２８の性能は、吸着器１、２内の相対圧φによって表される。

相対圧φは、ある温度での冷媒１８の飽和蒸気圧をPs、その温度で冷媒１８が実際に示している蒸気圧をPとすると、φ＝P／Psで定義される。

また、吸着時、脱着時の相対圧φは、次のように定義される。

吸着時相対圧φ1＝Pc／Pm
脱着時相対圧φ２＝Pm／Ph
ここで、Pcは蒸発器温度Tcでの冷媒の飽和蒸気圧、Pmは冷却水温度Tmでの冷媒の飽和蒸気圧、Phは脱着温度Thでの冷媒の飽和蒸気圧である。

本実施例では、各パラメータが次のような値となる。

Tc=10℃
Ｐc=1.205
Tm=25℃
Pm=3.143 kPa
Th＝70℃
Ph=31.17 kPa
なお、飽和蒸気圧Pc、Pm、Phについては、水の蒸気圧表から各温度Tc、Tm、Thでの値を参照した。

これらの値を用いると、吸着工程が行われているときの第１の吸着器１での相対圧φ１は、１．２０５／３．１４＝０．３８３となる。

一方、脱着工程が行われているときの第１の吸着器１での相対圧φ２もこれと同様に考えることができる。このときは、吸着剤１７が加熱流体６によって７０℃に加熱され、凝縮器４の温度が冷却水１５によって２５℃に冷却されているとすると、φ２＝０．１０１となる。

吸着式冷凍機の作動範囲は、φ２〜φ１の範囲で定義され、本実施例では上記のように０．１０１〜０．３８３となった。

また、吸着剤１７に吸着・脱着する冷媒１８の量はこの作動範囲により規定される。本実施例では、吸着剤１７として使用されるシリカゲル１kgに対して０．２kg程度の冷媒（水）１８が吸着・脱着することになる。

一方、サーバ２１（図１参照）が備えるCPU等の四つの発熱体２２〜２５で発生した廃熱は、熱輸送配管５９〜６２を通る加熱流体６により回収される。各熱輸送配管５９〜６２は、最大で３００W、最小で１００W程度の廃熱を回収する。

送液ポンプ４９〜５２による加熱流体６の循環流量は、例えばCPU表面温度を８５℃以下に抑えることができる流量、例えば一つの輸送配管５９〜６２あたり１l／minとした。

この場合、CPUの処理状況の違いから、加熱流体６の温度は、各熱輸送配管５９〜６２のそれぞれにおいて７２℃、７６℃、６４℃、５８℃となった。

更に、各バルブ３３〜３６を制御することにより、熱輸送配管５９〜６１を流れる加熱流体６を第１の吸着式冷凍機２７に供給し、熱輸送配管６２を流れる加熱流体６については第２の吸着式冷凍機２８に供給した。

このような条件で廃熱回収システム２０を稼動させた場合の実温度を図５に示す。

なお、図５は、第１の吸着式冷凍機２７内の第１の吸着器１の実温度を示すものである。

これに示されるように、本実施例では、脱着工程における第１の吸着器１の温度が、シリカゲル−水系の脱着温度（約７０℃）を下回ることがない。これにより、脱着工程において大きなロスなく吸着剤１７の脱着再生を行うことができ、約５分の周期で吸着工程と脱着工程とを繰り返すことができる。

また、実温度の図示は省略するが、活性炭素−メタノール系を利用した第２の吸着式冷凍機２８では、吸着工程と脱着工程とを約１０分の周期で繰り返すことができる。このように第１の吸着式冷凍機２７よりも周期が長くなったのは、活性炭素−メタノール系ではもともとシリカゲル−水系よりも脱着再生に長時間を要するためであって、加熱流体６の温度の時間変動によって脱着再生時間が律速されたためではない。

このように、本実施例では、各吸着式冷凍機２７、２８を無駄なく動作させることができ、循環流体５の冷熱をシステム２０全体で５００W程度とすることができた。

なお、図５には、比較例に係るシステムでの実温度も点線でプロットしてある。

その比較例では、四つの熱輸送配管５９〜６１を流れる加熱流体６の全てを第１の加熱流体混合器４０で混合し、第１の吸着式冷凍機２７に温度が６７℃〜６８℃程度の加熱流体６を供給した。これ以外は上記実施例と同じ構成である。

本比較例では、脱着工程での第１の吸着器１の温度が、シリカゲル−水系の脱着温度（約７０℃）を下回るため、脱着工程を５分としたのでは脱着が不十分で、脱着工程前に吸着剤１７に吸着していた冷媒１８のうち６０％程度しか脱着しない。したがって、吸着剤１７から冷媒１８を十分に脱着させるには、脱着工程を５分よりも長くしなければならず、第１の吸着式冷凍機２７の動作に無駄が生じると供に、冷熱の平均出力が２５０W程度にしかならなかった。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記では、図２に示したように第１及び第２の吸着式冷凍機２７、２８のそれぞれが二つの吸着器１、２を備えているが、これらの吸着式冷凍機２７、２８に三以上の吸着器を設けるようにしてもよい。

以下に、本発明の特徴について付記する。

（付記１）第１の冷媒の蒸気を吸着するとともに、加熱流体の熱によって第１の脱着温度に加熱されることにより前記第１の冷媒を脱着する第１の吸着剤が収納された吸着器を複数個備えた第１の吸着式冷凍機と、
第２の冷媒の蒸気を吸着すると供に、前記加熱流体の熱によって前記第１の脱着温度よりも低い第２の脱着温度に加熱されることにより前記第２の冷媒を脱着する第２の吸着剤が収納された吸着器を複数個備えた第２の吸着式冷凍機と、
複数の発熱体で発生した熱を、該発熱体毎に前記加熱流体に乗せて輸送する複数の熱輸送配管と、
前記複数の熱輸送配管を流れる前記加熱流体を、前記第１の吸着式冷凍機と前記第２の吸着式冷凍機のそれぞれの前記吸着器に振り分けて供給する加熱流体供給部とを有し、
前記加熱流体供給部が、前記第１の吸着式冷凍機の前記吸着器に供給される前記加熱流体の温度が前記第２の吸着式冷凍機の前記吸着器に供給される前記加熱流体の温度よりも高くなるように前記加熱流体の振り分けを行うことを特徴とする廃熱利用システム。

（付記２）前記加熱流体供給部は、前記第１の吸着式冷凍機の前記吸着器に供給される前記加熱流体の温度が前記第１の脱着温度以上となるように前記加熱流体の振り分けを行い、前記第１の吸着式冷凍機に供給されない残りの前記加熱流体を前記第２の吸着式冷凍機に供給することを特徴とする付記１に記載の廃熱利用システム。

（付記３）前記加熱流体供給部は、
前記第１の吸着式冷凍機の前記吸着器に繋がる第１の加熱流体混合器と、
前記第２の吸着式冷凍機の前記吸着器に繋がる第２の加熱流体混合器と、
前記熱輸送配管のそれぞれに設けられ、該熱輸送配管を流れる前記加熱流体の流路を前記第１の加熱流体混合器と前記第２の加熱流体混合器のいずれかに切り替える切り替えバルブと、
前記熱輸送配管のそれぞれに設けられた加熱流体温度検出器及び加熱流体流量検出器とを有し、
前記加熱流体体温度検出器と前記加熱流体流量検出器のそれぞれの検出結果に基づいて、前記切り替えバルブを制御して、前記加熱流体の振り分けを行うことを特徴とする付記１又は付記２に記載の廃熱利用システム。

（付記４）前記第１の冷媒が水であり、前記第１の吸着剤がシリカゲル又はゼオライトであり、
前記第２の冷媒がメタノールであり、前記第２の吸着剤が活性炭素であることを特徴とする付記１〜付記３のいずれかに記載の廃熱利用システム。

（付記５）前記発熱体の少なくとも一つが電子機器であることを特徴とする付記１〜付記４のいずれかに記載の廃熱利用システム。

（付記６）前記第１の吸着式冷凍機において、前記第１の冷媒の蒸気を前記第１の吸着剤に吸着させる吸着工程が終了し、前記加熱流体の熱により前記第１の吸着剤から前記第１の冷媒を脱着させる脱着工程に移るときに、前記第１の吸着式冷凍機に供給される前記加熱流体の温度が、前記第１の吸着剤の温度よりも高くかつ前記第１の脱着温度以下となるように前記加熱流体供給部で前記加熱流体の振り分けを行うことを特徴とする付記１に記載の廃熱利用システム。

（付記７）前記第１及び第２の吸着式冷凍機のそれぞれに設けられ、前記第１及び第２の冷媒のそれぞれを蒸発させる蒸発器と、
前記第１及び第２の吸着式冷凍機のそれぞれの前記蒸発器と、外部熱交換機との間を循環する循環流体の循環経路と、
前記循環経路に設けられ、前記循環流体の流路による前記第１及び第２の吸着式冷凍機のそれぞれの前記蒸発器同士の接続を、直列接続と並列接続との間で切り替えを行う循環流体切り替え部とを更に有することを特徴とする付記１〜付記６のいずれかに記載の廃熱利用システム。

図１は、本発明の実施の形態に係る廃熱利用システムの構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係る廃熱利用システムが備える吸着式冷凍機の構成図である。図３は、本発明の実施の形態において、各吸着器において脱着工程と吸着工程との切り替えをするための配管の接続例を示す構成図である。図４は、本発明の実施の形態において、循環流体による第１及び第２の吸着式冷凍機同士の接続例を示す構成図である。図５は、本発明の実施の形態に係る廃熱回収システムを稼動させた場合の実温度を示すグラフである。

符号の説明

１…第１の吸着器、２…第２の吸着器、３…蒸発器、４…凝縮器、５…循環流体、６…加熱流体、７…内部配管、７ａ…熱交換器、８…冷却配管、９…冷却流体、１０…循環配管、１１〜１４…開閉バルブ、１５…冷却水、１６…冷媒回収配管、１７…吸着剤、１８…冷媒、１９…真空経路、２０…廃熱利用システム、２１…サーバ、２２〜２５…発熱体、２７…第１の吸着式冷凍機、２８…第２の吸着式冷凍機、２９〜３２…加熱流体温度・流量検出器、３３〜３６…三方バルブ、３７…制御部、４０…第１の加熱流体混合器、４１…第２の加熱流体混合器、４２…第１の加熱流体分流器、４３…第２の加熱流体分流器、４５〜４８…三方バルブ、４９〜５２…送液ポンプ、５９〜６２…熱輸送配管、８０…加熱流体配管、８１…冷却流体配管、９０…加熱流体供給部、９１〜９４…三方バルブ、９５…循環流体分流器、９６…循環流体混合器、９７…外部熱交換器、９８…開閉バルブ、９９…三方バルブ、１００…循環流体切り替え部。

Claims

第１の冷媒の蒸気を吸着するとともに、加熱流体の熱によって第１の脱着温度に加熱されることにより前記第１の冷媒を脱着する第１の吸着剤が収納された吸着器を複数個備えた第１の吸着式冷凍機と、
第２の冷媒の蒸気を吸着すると供に、前記加熱流体の熱によって前記第１の脱着温度よりも低い第２の脱着温度に加熱されることにより前記第２の冷媒を脱着する第２の吸着剤が収納された吸着器を複数個備えた第２の吸着式冷凍機と、
複数の発熱体で発生した熱を、該発熱体毎に前記加熱流体に乗せて輸送する複数の熱輸送配管と、
前記複数の熱輸送配管を流れる前記加熱流体を、前記第１の吸着式冷凍機と前記第２の吸着式冷凍機のそれぞれの前記吸着器に振り分けて供給する加熱流体供給部とを有し、
前記加熱流体供給部が、前記第１の吸着式冷凍機の前記吸着器に供給される前記加熱流体の温度が前記第２の吸着式冷凍機の前記吸着器に供給される前記加熱流体の温度よりも高くなるように前記加熱流体の振り分けを行うことを特徴とする廃熱利用システム。
前記加熱流体供給部は、前記第１の吸着式冷凍機の前記吸着器に供給される前記加熱流体の温度が前記第１の脱着温度以上となるように前記加熱流体の振り分けを行い、前記第１の吸着式冷凍機に供給されない残りの前記加熱流体を前記第２の吸着式冷凍機に供給することを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用システム。
前記加熱流体供給部は、
前記第１の吸着式冷凍機の前記吸着器に繋がる第１の加熱流体混合器と、
前記第２の吸着式冷凍機の前記吸着器に繋がる第２の加熱流体混合器と、
前記熱輸送配管のそれぞれに設けられ、該熱輸送配管を流れる前記加熱流体の流路を前記第１の加熱流体混合器と前記第２の加熱流体混合器のいずれかに切り替える切り替えバルブと、
前記熱輸送配管のそれぞれに設けられた加熱流体温度検出器及び加熱流体流量検出器とを有し、
前記加熱流体体温度検出器と前記加熱流体流量検出器のそれぞれの検出結果に基づいて、前記切り替えバルブを制御して、前記加熱流体の振り分けを行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の廃熱利用システム。
前記第１の冷媒が水であり、前記第１の吸着剤がシリカゲル又はゼオライトであり、
前記第２の冷媒がメタノールであり、前記第２の吸着剤が活性炭素であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の廃熱利用システム。
前記第１の吸着式冷凍機において、前記第１の冷媒の蒸気を前記第１の吸着剤に吸着させる吸着工程が終了し、前記加熱流体の熱により前記第１の吸着剤から前記第１の冷媒を脱着させる脱着工程に移るときに、前記第１の吸着式冷凍機に供給される前記加熱流体の温度が、前記第１の吸着剤の温度よりも高くかつ前記第１の脱着温度以下となるように前記加熱流体供給部で前記加熱流体の振り分けを行うことを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用システム。