JP2010223515A - ヒートポンプ、ヒートポンプの動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統の異常時において、電子機器類を短時間冷却し駆動を継続させるヒートポンプを提供する。
【解決手段】冷媒を蓄積し加熱により該冷媒を放出する物質を配置し、物質を加熱するための第１熱交換器を備えた第１容器と、第１容器に接続され、冷媒を凝縮するための第２熱交換器を備えた凝縮器と、第１容器及び凝縮器に接続され、冷媒を蒸発させることにより生じる冷熱を受け渡すための第３熱交換器を備えた蒸発器と、第１乃至第３熱交換器にそれぞれ接続され、熱源から排出される熱を第１乃至第３熱交換器へそれぞれ搬送可能な第１乃至第３熱搬送経路と、第１乃至第３熱交換器及び熱源の温度をそれぞれ測定するための第１乃至第４検出器と、第１乃至第３熱交換器及び熱源の温度に応じて、熱源から排出される熱を第２又は第３熱搬送経路を経由して第２又は第３熱交換器へ搬送し、熱源を冷却するように制御する制御部とを有するヒートポンプ。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着器、凝縮器、及び蒸発器を有するヒートポンプ、その動作方法に関するものである。

昨今、電子機器類の進歩に加え、高度情報通信網の整備が進み、大量のデータ通信／データストレージ処理用サーバーを多数設置したデータセンターが著しく増加している。これに伴いサーバー類からの廃熱エネルギーも増加の一途をたどっている。データセンターとしては、例えば、１ラックあたりに複数のボードを装着してデータ処理能力を向上させたブレードサーバーが一般的である。サーバー１ラック当たりの消費電力は数ｋＷ以上と大きい。ラック当たりの消費電力の増加に伴い、ボードに搭載された発熱源であるＣＰＵなどの電子機器類を冷却する技術の開発が行われている。

冷却技術の一つとして、この電子機器類からの廃熱を利用して冷熱を生成し、電子機器類を冷却する吸着式ヒートポンプ（吸着式冷凍機）が挙げられる。データセンターにおける廃熱源は例えばＣＰＵであり、その温度はせいぜい９０℃程度である。吸着式ヒートポンプは、廃熱を回収する際に廃熱源から熱を奪い、廃熱源を冷却することができる。また、吸着式ヒートポンプは、１００℃以下の比較的低温の廃熱から冷熱を生成することができる。生成した冷熱を用いて別の電子機器類を冷却することができる。吸着式ヒートポンプによる電子機器類の冷却は、低コスト化や環境問題の観点から有効である。

一般的に、サーバー本体は、無停電電源装置（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ：ＵＰＳ）などバックアップ電源で数分間は動作させることができる。このため、データセンターやサーバールームでの電力系統の異常時においても、ＣＰＵなどの電子機器類の冷却が十分に行われる環境においては、サーバー自体は安定にシャットダウンすることができる。しかし、吸着式ヒートポンプに冷却水を供給するための電力はサーバー本体を動作させるための電力より大きい。このため、電力系統の非常時に冷却用装置への電力の供給が不足し、電子機器類の冷却が不十分になる場合がある。電子機器類の冷却が不十分な状態でサーバーを動作し続けると、電子機器類に接続されている熱交換器内の温度が急上昇して電子機器類が破損するおそれがある。例えば、ＣＰＵが破損するとサーバーは正常にシャットダウンされない。

特開平１１−２０１５８１号公報 特開２００２−１００８９１号公報

本発明は、電力系統の異常時において、電子機器類を短時間冷却し駆動を継続させるヒートポンプを提供する。

本発明の一側面によると、
冷媒を蓄積し加熱により該冷媒を放出する物質を配置し、前記物質を加熱するための第１熱交換器を備えた第１容器と、
前記第１容器に接続され、前記冷媒を凝縮するための第２熱交換器を備えた凝縮器と、
前記第１容器及び前記凝縮器に接続され、前記冷媒を蒸発させることにより生じる冷熱を受け渡すための第３熱交換器を備えた蒸発器と、
前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器にそれぞれ接続され、熱源から排出される熱を前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器へそれぞれ搬送可能な第１熱搬送経路、第２熱搬送経路、及び第３熱搬送経路と、
前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第３熱交換器、及び前記熱源の温度をそれぞれ測定するための第１検出器、第２検出器、第３検出器、及び第４検出器と、
前記第１検出器、前記第２検出器、前記第３検出器、及び前記第４検出器に接続され、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第３熱交換器、及び前記熱源の温度に応じて、前記熱源から排出される熱を前記第２又は第３熱搬送経路を経由して前記第２又は第３熱交換器へ搬送し、前記熱源を冷却するように制御する制御部と
を有することを特徴とするヒートポンプが提供される。

本発明のヒートポンプは、電力系統の異常時に、電子機器類を短時間冷却し駆動させることが可能である。

第１実施形態のヒートポンプを示す図である。 第２実施形態のヒートポンプを示す図である。 第２実施形態のヒートポンプの動作手順を示すフローチャートである。 第２実施形態のヒートポンプの動作手順を示すフローチャートである。 シャットダウン工程における、熱交換器５５の出口の水温、第１熱交換器１１ｂの出口の水温、第２熱交換器１３の出口の水温と時間との関係のプロットである。

図１は、第１実施形態のヒートポンプを示す図である。図１に示すヒートポンプは、吸着式ヒートポンプと呼ばれる。吸着式ヒートポンプにおいて、減圧した容器の中に吸着剤と、気化可能であり吸着剤に対して吸脱着が可能な吸着質（冷媒）とが封入されている。また、外部から熱を搬送し吸着剤を経由して再び外部へ熱を搬送する熱交換器が設けられている。

吸着剤に吸着した吸着質は、熱交換器を経由して外部から搬送される温熱により脱着する。この脱着の際、搬送された温熱は冷却され、冷熱となって外部へと搬送される。また、吸着剤から脱着した吸着質は冷却水などを用いて冷やすことにより凝縮して液体に戻る。液体の吸着質のうち一部は気化する。気化した吸着質は吸着剤を吸着可能な吸着剤に吸収され、雰囲気中の吸着質の蒸気圧が減少する。すると、液体の吸着質は更に気化する。この気化の際、吸着質は熱を奪うため、液体の吸着質と熱交換器とを接触させておくことにより冷熱を取り出すことができる。このように、吸着と脱着の工程を繰り返すことにより、温熱から冷熱を生み出すことができる。

本実施形態の吸着式ヒートポンプは、吸着器２１ａ、２１ｂと、吸着器２１ａ、２１ｂに接続された凝縮器２３と、吸着器２１ａ、２１ｂ及び凝縮器２３に接続された蒸発器２４とを備える。凝縮器２３と吸着器２１ａ、凝縮器２３と吸着器２１ｂ、吸着器２１ａと蒸発器２４、及び吸着器２１ｂと蒸発器２４の間を接続する管には、それぞれゲートバルブ２５、２６、２７、２８が設けられている。凝縮器２３と蒸発器２４との間には、凝縮器２３で凝縮された冷媒を蒸発器に搬送するための凝縮冷媒回収管７０が設けられている。凝縮冷媒回収管７０の途中には、電磁弁などの任意のバルブが設けられていてもよい。吸着器２１ａ、２１ｂ、凝縮器２３、蒸発器２４、及びそれらを接続する管の内部は密閉されている。

吸着器２１ａ、２１ｂは、それぞれ内部に吸着剤８１ａ、８１ｂ、及び吸着剤８１ａ、８１ｂの温度を調整するための第１熱交換器１１ａ、１１ｂを備える。

吸着剤８１ａ及び８１ｂは、吸着器２１ａ、２１ｂの内部の雰囲気下において、吸着質を吸脱着させることが可能な材料である。吸着剤８１ａ及び８１ｂの表面において、特定の温度以上で吸着質の脱着が支配的に起こり、それより低い温度では吸着が支配的に起こる。吸着剤８１ａ及び８１ｂに用いられる材料として、例えば、吸着質が水の場合、シリカゲル、ゼオライト、活性炭などが用いられ、吸着質がメタノールやエタノールなどのアルコールの場合、活性炭が用いられる。これらの吸着剤８１ａ及び８１ｂの表面から吸着質を脱着させる時に必要な温度は６０〜９０℃程度である。これらの吸着剤は、例えば１００℃以下の比較的低温の廃熱からエネルギーを回収するために好ましく用いられる。

第１熱交換器１１は例えば中空状の部材からなる。第１熱交換器１１ａ、１１ｂは、図示されない冷却塔との間で水を循環させるための冷却水ライン３９、及びサーバー５３が備える発熱源であるＣＰＵ５４に接する熱交換器５５との間で水を循環させるための第１熱搬送経路４６に接続されている。第１熱搬送経路４６は、例えば、熱搬送用の媒体を内部に流すことが可能な管状部材で形成することができる。冷却塔は、第１熱交換器１１ａ又は１１ｂとの間を循環する水と放熱対象である室外空気とを熱交換する室外熱交換器（室外器）である。冷却水ライン３９は冷却塔から第１熱交換器１１ａ又は１１ｂへ冷熱を搬送し、更に第１熱交換器１１ａ又は１１ｂで受け取った熱を冷却塔へ搬送する循環経路である。第１熱搬送経路４６はＣＰＵ５４と接する熱交換器５５から第１熱交換器１１ａ、１１ｂへ熱を搬送し、更に第１熱交換器１１ａ又は１１ｂで受け取った冷熱を熱交換器５５へと搬送する循環経路である。冷却塔と吸着器２１ａ又は２１ｂのいずれか一方との間で水を循環させるため、冷却水ライン３９の途中に切替弁５９、６０が設けられている。熱交換器５５と第１熱交換器１１ａ又は１１ｂのいずれか一方との間で水を循環させるため、第１熱搬送経路４６の途中に切替弁２９、３０が設けられている。

通常、第１熱交換器１１ａ又は１１ｂのうち一方に冷却水ライン３９を接続し、他方に第１熱搬送経路４６を接続する。冷却水ライン３９が接続された第１熱交換器には冷水が供給される。このとき第１熱搬送経路４６を経由して温水が供給される第１熱交換器を備える吸着器においては、吸着質が吸着剤から放出され気化される脱着工程が行われる。また、冷却水ライン３９を経由して冷水が供給される第１熱交換器を備える吸着器においては、吸着質が吸着剤に吸着される吸着工程が行われる。

凝縮器２３は、内部に上記吸着質を凝縮するための第２熱交換器１３を備える。第２熱交換器１３は、図示されない冷却塔と第２熱交換器１３との間で水を循環させるための冷却水ライン４０と、サーバー５３が備える発熱源であるＣＰＵ５４に接する熱交換器５５との間で水を循環させるための第２熱搬送経路４７とに接続されている。冷却水ライン４０は冷却塔から第２熱交換器１３へ冷熱を搬送し、更に第２熱交換器１３で受け取った熱を冷却塔へ搬送する循環経路である。第２熱搬送経路４７は第２熱交換器１３へ熱を搬送し、更に第２熱交換器１３で受け取った冷熱を熱交換器５５へと搬送する循環経路である。ヒートポンプの通常の動作中、第２熱交換器１３は冷却水ライン４０に接続され、第２熱交換器１３の内部に冷水が流れる。すると、第２熱交換器は、吸着質を凝縮可能な温度に冷却される。切替弁３５及び３６は、第２熱交換器１３に接続される冷却水ライン４０を流れる水と第２熱搬送経路４７を流れる水とを切り替えることができる。熱交換器５５と第２熱交換器１３との間で水を循環させるため、更に必要に応じて更に切替弁２９、３０、３１、３２を操作する。

凝縮器２３は、吸着器２１ａ又は２１ｂのうち、脱着工程が行われているほうと接続され、吸着工程が行われているほうと遮断されている。この接続と遮断はゲートバルブ２５及び２６の開閉により行われる。脱着工程が行われている吸着器で気化された吸着質は、第２熱交換器１３の表面で凝縮され、凝縮器２３の内部に一時的に蓄積される。蓄積された吸着質は凝縮冷媒回収管７０を経由して蒸発器２４の内部へ送られる。例えば、凝縮器２３が蒸発器２４よりも高い位置に設けられることにより、吸着質はその自重により凝縮器２３から蒸発器２４へと搬送されうる。

蒸発器２４は、凝縮器２３から凝縮冷媒回収管７０を通って送られた液体の吸着質を蒸発させるため、吸着器２１ａ又は２１ｂのうち吸着工程が行われる吸着器と接続され、脱着工程が行われる吸着器と遮断される。この接続と遮断はゲートバルブ２７及び２８の開閉により行われる。液体の吸着質のうち一部は蒸発器の内部で気化する。気化した吸着質は、吸着工程が行われる吸着器に流入し吸着剤に吸収され、雰囲気中の吸着質の蒸気圧が減少する。すると、液体の吸着質は更に気化する。この気化の際、吸着質は熱を奪う。この気化は、雰囲気中の吸着質の蒸気圧が飽和蒸気圧に達するまで起こり続ける。

蒸発器２４は、上記気化により生成した冷熱を外部に搬送するための第３熱交換器１４を備える。凝縮器２３から送られた液体の吸着質と第３熱交換器１４とを接触させておくことにより、外部へ冷熱を搬送することができる。

第３熱交換器１４は、ＣＰＵ５４に隣接する熱交換器５５との間で水を循環させるための第３熱搬送経路４８と、サーバー５３で生じる廃熱を冷却するための排気熱交換器５０との間で水を循環させるための第４熱搬送経路４１とに接続されている。第３熱搬送経路４８は、第３熱交換器１４から熱交換器５５へ冷熱を搬送し、更に熱交換器５５で受け取った熱を第３熱交換器１４へ搬送する循環経路である。第４熱搬送経路４１は、第３熱交換器１４から排気熱交換器５０へ冷熱を搬送し、更に排気熱交換器５０で受け取った熱を第３熱交換器１４へ搬送する循環経路である。切替弁３７及び３８は、第３熱交換機１４に接続される第３熱搬送経路４８を流れる水と第４熱搬送経路４１を流れる水とを切り替えることができる。熱交換器５５と第３熱交換器１４との間で水を循環させるため、更に必要に応じて切替弁３３、３４、２９、３０を操作する。

ヒートポンプの通常の動作中、第３熱交換器１３は第４熱搬送経路４１に接続される。第３熱交換器１４で生成した冷熱を蓄えた水は第４熱搬送経路４１を経由して排気熱交換機５０へ送られる。サーバー５３で生じる廃熱は排気熱交換器５０で冷却される。熱を受け取った水は第４熱搬送経路を経由して再び第３熱交換器１３を循環する。

なお、上記実施形態において、第１乃至第３熱交換器１１ａ、１１ｂ、１３、１４、熱交換器５５、冷却水ライン３９、４０、第１乃至第４熱搬送経路４６、４７、４８、４１の内部に水を流しているが、水の代わりに別の熱移送用媒体を流してもよい。また、第１乃至第３熱交換器１１ａ、１１ｂ、１３、１４、熱交換器５５、冷却水ライン３９、４０、第１乃至第４熱搬送経路４６、４７、４８、４１の形状は、内部に熱移送用媒体を流すことが可能な中空状である限り特に限定されるものではなく、いかなる形状であってもよい。また、通常、吸着質が封入された吸着器２１ａ、２１ｂ、凝縮器２３、蒸発器２４、及びそれらを接続する管の内部と、第１乃至第３熱交換器１１ａ、１１ｂ、１３、１４、熱交換器５５、冷却水ライン３９、４０、第１乃至第４熱搬送経路４６、４７、４８、４１の内部とは遮断されている。

本実施形態のヒートポンプは、上記第１乃至第３熱交換器１１ａ、１１ｂ、１３、１４、及び熱交換器５５の、温度及び内部を流れる水の流量をそれぞれ測定する検出器（図示せず）を備える。検出器は上記各熱交換器に設置されていてもよいし、各熱交換器にそれぞれ接続され、各熱交換器の近傍の熱搬送経路に設置されていてもよい。

本実施形態のヒートポンプの通常の動作方法は特に限定されないが、例えば以下のように動作させることができる。吸着剤８１ａに吸着質が吸着され、吸着剤８１ｂから吸着質が脱着した状態を初期状態とする。このとき、冷却水ライン３９から第１熱交換器１１ｂへ冷水を搬送し、第１熱搬送経路４６から第１熱交換器１１ａへ温水を搬送する。ゲートバルブ２５及び２８は開いた状態にし、ゲートバルブ２６及び２７は閉じた状態にする。すると、吸着器２１ａにおいて吸着剤８１ａは吸着質を脱着し（脱着工程と呼ぶ）、吸着器２１ｂにおいて吸着剤８１ｂは吸着質を吸着する（吸着工程と呼ぶ）。上記説明のように、第１熱交換器１１ａから第４熱交換器５５へ冷熱を搬送し、ＣＰＵ５４を冷却することができる。また、第３熱交換器１４から排気熱交換器５０へ冷熱を搬送し、サーバー５３で生じた廃熱を冷却することができる。

暫くすると、吸着剤８１ａから脱着可能な吸着質は少なくなり、ＣＰＵ５４を冷却する能力が低下する。また、凝縮器２３及び蒸発器２４への液体の吸着質の供給は少なくなる。また、一方、吸着剤８１ｂは吸着質の吸着能力が低下し、蒸発器２４において吸着質の気化が生じにくくなり、排気熱交換器５０を冷却する能力が低下する。このとき、バルブ５９及び６０を切り替えて、冷却水ライン３９から第１熱交換器１１ａへ冷水を搬送し、第１熱搬送経路４６から第１熱交換器１１ｂへ温水を搬送する。ゲートバルブ２６及び２７は開いておき、ゲートバルブ２５及び２８は閉じる。すると、吸着器２１ｂにおいては脱着工程が進行し、一方、吸着器２１ａにおいては吸着工程が進行する。よって、上記説明のように、第１熱交換器１１ｂから熱交換器５５へ冷熱を搬送し、ＣＰＵ５４を冷却することができる。また、第３熱交換器１４から排気熱交換器５０へ冷熱を搬送し、サーバー５３で生じた廃熱を冷却することができる。吸着剤の吸着能力又は脱着能力の低下に起因する冷却能力の低下は、各熱交換器に設置された検出器によりモニタリングできる。冷却能力の低下がモニタリングされたとき、吸着工程の吸着器と脱着工程の吸着器を切り替える。また、予め吸着・脱着が可能な時間を調べておき、その調べられた時間のあいだ、本実施形態のヒートポンプにおいて、吸着工程及び脱着工程を行ってもよい。

本実施形態において２台の吸着器が使用されているが、３台以上の吸着器を使用し、吸着工程、脱着工程の開始及び終了のタイミングをそれぞれ任意に設定して動作させてもよい。

次に、冷却塔からの冷却水の供給が停止するなどの緊急時において、サーバーを安全にシャットダウンすることが可能なヒートポンプの動作方法について説明する。吸着器２１ａが脱着工程であり、吸着器２１ｂが吸着工程である通常動作中を想定する。吸着器２１ａとＣＰＵ５４に接する熱交換器５５との間で水を循環させている。

冷却水ライン３９、４０が停止した後、熱交換器５５と吸着器２１ａの第１熱交換器１１ａとの間で循環させている水の流路を、熱交換器５５と吸着器２１ｂの第１熱交換器１１ｂ、凝縮器２３の第２熱交換器１３、又は蒸発器２４の第３熱交換器１４との間で循環させるように切り替える。このとき、第１熱交換器１１ｂ、第２熱交換器１３、第３熱交換器１４は、ＣＰＵ５４（熱源）から生じる廃熱を、それぞれ、吸着器２１ｂ、凝縮器２３、蒸発器２４の内部の冷媒又は吸着剤に受け渡し、廃熱を各器内に蓄える。これにより、例えば３０〜６０秒程度の短時間、ＣＰＵ５４から生じる廃熱を吸収させることが可能となる。この間に、正常にサーバーをシャットダウンさせることができる。

熱交換器５５と水を循環させる熱交換器を、第１熱交換器１１ａから第１熱交換器１１ｂ、第２熱交換器１３、及び第３熱交換器１４へ切り替える順序は特に限定されないが、冷却水ライン３９、４０からの冷水の供給が復旧した後で、ヒートポンプを通常動作させるまでの時間が短い点において、第１熱交換器１１ｂ、第２熱交換器１３、第３熱交換器１４の順に切り替えることが好ましい。

図２は第２実施形態のヒートポンプを示す図である。以下、図２に示される第２実施形態のヒートポンプについて、ヒートポンプの緊急時の具体的な動作方法を説明する。なお、上記実施形態の吸着式ヒートポンプと共通する構成には同じ番号、符号を付してある。また、上記実施形態の吸着式ヒートポンプと重複する説明は省略する。

第２実施形態の吸着式ヒートポンプは、吸着器２１ａ、２１ｂと、吸着器２１ａ、２１ｂに接続された凝縮器２３と、吸着器２１ａ、２１ｂ及び凝縮器２３に接続された蒸発器２４とを備える。蒸発器２４と吸着器２１、蒸発器２４と吸着器２１ｂ、吸着器２１ａと蒸発器２４、及び吸着器２１ｂと蒸発器２４の間を接続する管には、それぞれゲートバルブ２５、２６、２７、２８が設けられている。凝縮器２３と蒸発器２４との間には、凝縮器２３で凝縮された冷媒を蒸発器に搬送するための凝縮冷媒回収管（図示せず）が設けられている。凝縮冷媒回収管の途中には、電磁弁（図示せず）が設けられている。吸着器２１ａ、２１ｂ、凝縮器２３、蒸発器２４、及びそれらを接続する管の内部は密閉されている。

吸着器２１ａ、２１ｂは、それぞれ内部に吸着剤８１ａ、８１ｂ、及び吸着剤８１ａ、８１ｂの温度を調整するための第１熱交換器１１ａ、１１ｂを備える。第１熱交換器１１は中空状の金属製部材からなる。第１熱交換器１１ａ、１１ｂは、冷却塔６６との間で水を循環させるための冷却水ライン３９、及びサーバー５３が備える発熱源であるＣＰＵ５４に接する熱交換器５５との間で水を循環させるための第１熱搬送経路４６に接続されている。第１熱交換器１１ａ、１１ｂの水の出口付近には、第１熱交換器１１ａ、１１ｂを流れる水の温度及び流量を測定するための検出器７５、７６がそれぞれ設けられている。

凝縮器２３は、内部に上記吸着質を凝縮するための第２熱交換器１３を備える。第２熱交換器１３は、冷却塔６６と第２熱交換器１３との間で水を循環させるための冷却水ライン４０と、サーバー５３が備える発熱源であるＣＰＵ５４に接する熱交換器５５との間で水を循環させるための第２熱搬送経路４７とに接続されている。第２熱交換器１３の水の出口付近には、第２熱交換器１３を流れる水の温度及び流量を測定するための検出器７７が設けられている。

蒸発器２４は、内部で生じた冷熱を外部に搬送するための第３熱交換器１４を備える。第３熱交換器１４は、ＣＰＵ５４に隣接する熱交換器５５との間で水を循環させるための第３熱搬送経路４８と、サーバー５３で生じる廃熱を冷却するための排気熱交換器５０との間で水を循環させるための第４熱搬送経路４１とに接続されている。第３熱交換器１４の水の出口付近には、第３熱交換器１４を流れる水の温度及び流量を測定するための検出器７８が設けられている。

サーバー５３は、ＣＰＵ５４とそれに接する熱交換器５５と、排気熱交換器５０を備える。熱交換器５５の水の入り口及び出口付近には流れる水の温度と流量を測定するための検出器７４及び７３がそれぞれ設けられている。図２において、ＣＰＵ５４は１つ設けられているが、実際には複数設けられている。熱交換器５５の水の入り口の近くには、水を循環させる循環ポンプ６３が設けられている。排気熱交換器５０の水の出口の近くには水を循環させる循環ポンプ６４が設けられている。

冷却塔６６の水の入口及び出口付近には、冷却水供給バルブ６１、６２が設けられている。また、冷却塔６６の水の出口付近には、冷却塔６６から流出する水の温度・流量を測定するための検出器６７が設けられている。検出器６７を用いて、冷却塔６６の冷却性能を評価する。また、冷却塔６６の水の出口の近くには、水を循環させるための循環ポンプ６５が設けられている。なお、水の温度や流量を測定する検出器の代わりに、冷却塔の電気系統の異常を検出する検出器を使用してもよい。

この他、水流の経路を切り替えるための切替弁２９〜３８、５９、６０が図２に示されるように設けられている。切替弁２９〜３８、５９、６０がそれぞれ備える３つの流出入口は、図２に示されるように、それぞれ便宜上Ａ、Ｂ、Ｃと呼称する。温度・流量検出ユニット５１は、検出器６７、７３〜７８から水の温度及び流量のデータを受け取り、それらをバルブ・ポンプ制御ユニット５２に送る。バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、受け取った温度及び流量のデータをもとに、切替弁２９〜３８、５９、６０の切替の制御、及び冷却水供給バルブ６１、６２、ゲートバルブ２５〜２８、図示されない凝縮冷媒回収管の電磁弁の開閉の制御を行う。図２において、バルブ・ポンプ制御ユニット５２と、各切替弁、冷却水供給バルブ、ゲートバルブとの接続の図示は省略されている。

以下、図２に示されるヒートポンプの動作手順を図３及び図４のフローチャートを用いながら説明する。図３はサーバーのシャットダウン工程における制御フローである。

まず、吸着器２１ａで脱着工程が行われ、吸着器２１ｂで吸着工程が行われている最中に、冷却塔６６への電力の供給が停止される。温度・流量検出ユニット５１は、検出器６７から冷却水の流量が低下したことを確認する（Ｓ１０１）。

次いで、冷却水循環ポンプ６５を停止し、冷却水供給バルブ６１、６２を閉じ、また、循環ポンプ６４を停止する（Ｓ１０２）。

次いで、ゲートバルブ２５〜２８及び図示されない電磁弁を閉鎖する（Ｓ１０３）。

次いで、吸着器２１ａが脱着工程であり（Ｓ１０４）、熱交換器５５の出口の水温（検出器７３の温度）Ｓ１と、第１熱交換器１１ａの温度（検出器７５の温度）Ｓ３とが、例えばＳ１＞Ｓ３＋２（℃）の関係にあるとき（Ｓ１１１）、通常動作時に引き続き、吸着器２１ａでＣＰＵ５４の廃熱処理を続ける（Ｓ１１２）。このときのバルブの状態を表１の工程１の欄に示す。

表１は、切替弁２９〜３８、５９、６０、冷却水供給バルブ６１、６２、循環ポンプ６３〜６４の状態を、工程ごとに示す表である。表１において、例えば「Ａ→Ｂ」はＡからＢに向かって水が流れるように切替弁を制御していることを意味する。「−」は、切替弁による水流の制御は任意であることを意味する。

熱交換器５５の出口水温Ｓ１が、予め設定されたＣＰＵ廃熱上限温度Ｔ１（例えば、６０℃）以上になったら（Ｓ１１３）、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、吸着器２１ｂを用いて廃熱処理を行うか否かの判断をする。すなわち、熱交換器５５の出口の水温（検出器７３の温度）Ｓ１と、第１熱交換器１１ｂの出口の水温（検出器７６の温度）Ｓ４及び吸着剤８１ｂの温度（検出器８０の温度）Ｓ８とが、Ｓ１＞Ｓ８（又はＳ１＞Ｓ４）の関係にあるとき（Ｓ１１４）、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、吸着工程が行われていた吸着器２１ｂでＣＰＵ５４の廃熱処理を行うようにバルブを切り替える（Ｓ１１５）。このときのバルブの状態を表１の工程２の欄に示す。

また、ステップ１１１でＳ１＞Ｓ３でない場合も、吸着器２１ｂを用いて廃熱処理を行うか否かの判断をする（Ｓ１１４）。

熱交換器５５の出口水温Ｓ１が、予め設定されたＣＰＵ廃熱上限温度Ｔ１（６０℃）以上になったとき（Ｓ１１６）、サーバーのシャットダウンが完了していれば（Ｓ１３１）循環ポンプ６３を停止し（Ｓ１３２）、後述の復帰工程を行う。サーバーのシャットダウンが完了していなければ（Ｓ１３１）、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は検出器６７の水流の温度と流量を検出し、冷却塔の性能が回復しているか否かを判断する（Ｓ１３４）。冷却塔の性能が回復していれば後述の復帰工程を行う。冷却塔の性能が回復していなければ、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、凝縮器２３を用いて廃熱処理を行うようにバルブを切り替える（Ｓ１４１）。このときのバルブの状態を表１の工程３の欄に示す。熱交換器５５の出口水温Ｓ１が、予め設定されたＣＰＵ廃熱上限温度Ｔ１（６０℃）以上になったとき（Ｓ１４２）、サーバーのシャットダウンが完了していれば（Ｓ１４３）循環ポンプ６３を停止し（Ｓ１３２）、後述の復帰工程を行う。サーバーのシャットダウンが完了していなければ（Ｓ１３１）、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、蒸発器２４でＣＰＵ５４の廃熱処理を行うようにバルブを切り替える（Ｓ１５１）。このときのバルブの状態を表１の工程４の欄に示す。サーバーのシャットダウンが完了したら（Ｓ１５２）循環ポンプ６３を停止し（Ｓ１４４）、後述の復帰工程を行う。

第２実施形態において、排気熱交換ユニット５０へ冷熱の搬送を行っていないが、サーバーのシャットダウンを行う３０〜６０秒程度の短時間であればサーバールームの温度が急激に上昇するようなことはなく、問題はない。

図４はヒートポンプを通常の動作に復帰させるための制御フローである。はじめに、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、冷却水供給バルブ６１、６２を開き、循環ポンプ６３、６５を動作させる（Ｓ２０１）。次いで、吸着器２１ａ、２１ｂ及び凝縮器２３を冷却するため、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、表１の工程５の欄に示すように切替弁及び循環ポンプを制御する（Ｓ２０２）。切替弁５９及び６０は、例えば、水流がそれぞれＡ→Ｂ、Ａ→Ｂとなるように制御して吸着器２１ａを冷却した後、水流がそれぞれＣ→Ｂ、Ａ→Ｃとなるように制御して吸着器２１ｂを冷却する。冷却は、吸着剤８１ａの温度（検出器７９の温度）Ｓ７、吸着剤８１ｂの温度（検出器８０の温度）Ｓ８、第２熱交換器１３の出口の水温（検出器７７の温度）Ｓ５が、冷却水の温度Ｔ２（例えば３０℃）に等しくなるまで行う（Ｓ２０３）。

サーバーのシャットダウン工程の最終段階において、蒸発器２４をＣＰＵ５４の廃熱処理に使用した場合において（Ｓ２０４）、更に、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、表１の工程７の欄に示すように切替弁及び循環ポンプを制御し（Ｓ２０５）、蒸発器２４を冷却する。この冷却は、第３熱交換器１４の出口の水温（検出器７８の温度）Ｓ６が冷却水の温度Ｔ２に等しくなるまで行う（Ｓ２０６）。

その後、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、表１の工程６に示すように切替弁及び循環ポンプを制御する（Ｓ２０７）。バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、ゲートバルブ２５〜２８のうち必要なものを開き、通常の冷却動作を開始させる（Ｓ２０８）。そして、サーバー５３を再起動する（Ｓ２０９）。

上記第２実施形態において、吸着器２１ａが脱着工程である場合について説明したが、吸着器２１ｂが脱着工程である場合、吸着器２１ａ、２１ｂを廃熱処理に使用する手順が異なる。

熱交換器５５の出口の水温（検出器７３の温度）Ｓ１と、第１熱交換器１１ｂの温度（検出器７６の温度）Ｓ４とがＳ１＞Ｓ４＋２（℃）の関係にあるとき（Ｓ１２１）、通常動作時に引き続き、吸着器２１ｂでＣＰＵ５４の廃熱処理を続ける（Ｓ１２２）。このときのバルブの状態を表１の工程２の欄に示す。

熱交換器５５の出口水温Ｓ１が、予め設定されたＣＰＵ廃熱上限温度Ｔ１（例えば、６０℃）以上になったら（Ｓ１２３）、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、吸着器２１ａを用いて廃熱処理を行うか否かの判断をする。すなわち、熱交換器５５の出口の水温Ｓ１と、第１熱交換器１１ａの出口の水温（検出器７５の温度）Ｓ３及び吸着剤８１ａの温度（検出器７９の温度）Ｓ７とが、Ｓ１＞Ｓ７（又はＳ１＞Ｓ３）の関係にあるとき（Ｓ１２４）、バルブ・ポンプ制御ユニット５２は、吸着工程が行われていた吸着器２１ａでＣＰＵ５４の廃熱処理を行うようにバルブを切り替える（Ｓ１２５）。このときのバルブの状態を表１の工程１の欄に示す。

また、ステップ１２１においてＳ１＞Ｓ４でない場合も、吸着器２１ｂを用いて廃熱処理を行うか否かの判断をする（Ｓ１２４）。

熱交換器５５の出口水温Ｓ１が、予め設定されたＣＰＵ廃熱上限温度Ｔ１（６０℃）以上になるまで冷却を続ける（Ｓ１２６）。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

第２実施形態のヒートポンプを、図３のフローチャートに準じて動作させた。ＣＰＵ５４の数量は１０個であり、ＣＰＵ１つあたりの発熱量は１００Ｗ／個だった。吸着器２１ａ、２１ｂに充填された吸着剤はシリカゲルであり、吸着質は水だった。第１〜第３熱交換器、吸着器２１ｂに充填されたシリカゲル、及び液体の吸着質の合計の熱容量は１５０ｋＪだった。通常作動時、およびシャットダウン時のＣＰＵ廃熱上限温度Ｔ１はそれぞれ６３℃、５９℃とした。なお、切替直後の数秒間は温度が安定しないため、ＣＰＵ廃熱上限温度Ｔ１を適用しなかった。

まず、吸着器２１ａで脱着工程が行われ、吸着器２１ｂで吸着工程が行われている最中に、冷却塔６６への電力の供給が停止された。温度・流量検出ユニット５１は、検出器６７から冷却水の流量が低下したことを確認した（Ｓ１０１）。

次いで、冷却水循環ポンプ６５を停止し、冷却水供給バルブ６１、６２を閉じ、また、循環ポンプ６４を停止した（Ｓ１０２）。

次いで、ゲートバルブ２５〜２８及び図示されない電磁弁を閉鎖した（Ｓ１０３）。

吸着器２１ａは脱着工程だった（Ｓ１０４）。シャットダウン時、吸着器２１aが脱着工程であり、ＣＰＵ出口温度Ｓ１（検出器７３）＝６３℃、吸着器２１ａ出口温度Ｓ３（検出器７５）＝６１℃と温度差が２度以内であったため、吸着器２１ｂで廃熱処理を行うか否かの判断を行った（Ｓ１１１）。第１熱交換器１１ｂの出口の水温（検出器７６の温度）Ｓ４と、吸着剤８１ｂの温度（検出器８０の温度）Ｓ８の温度はそれぞれ２５℃だった。Ｓ１＞Ｓ８の関係を満たしている（Ｓ１１４）。よって、表１の工程２に示されるように切替弁の制御がなされた（Ｓ１１５）。

ステップ１１５の切替弁の制御がなされて約１分後、第１熱交換器１１ｂの出口の水温Ｓ４がＣＰＵ廃熱上限温度Ｔ１＝５５℃に達したため、凝縮器２３で廃熱処理を行うようにバルブの切替を行った（Ｓ１４１）。ステップ１４１のバルブの切替をおこなって約３０秒後、サーバー５３シャットダウンが正常に終了したため（Ｓ１４３）、循環ポンプ６３を停止させた（Ｓ１４４）。

図５は、シャットダウン工程における、熱交換器５５の出口の水温、第１熱交換器１１ｂの出口の水温、第２熱交換器１３の出口の水温と時間との関係のプロットである。バルブの切替直後において、いずれの水温も一時的に急激に低下しているが、この水温の挙動は吸着器ユニットや凝縮器内の配管に残った２５℃の冷却水が検出されることに起因する。１．５分間、ＣＰＵ５４を動作させることができ、サーバーは正常にシャットダウンした。サーバーのシャットダウン終了までの間、複数ＣＰＵからの回収廃熱量の合計は平均１ｋＷだった。

冷却水の供給能力が復帰したあと、第２実施形態のヒートポンプを図４のフローチャートに従って動作させ、サーバーを復帰させた。

１１ａ、１１ｂ 第１熱交換器
１３ 第２熱交換器
１４ 第３熱交換器
２０ 吸着式ヒートポンプ
２１ａ、２１ｂ 吸着器
２３ 凝縮器
２４ 蒸発器
２５、２６、２７、２８ ゲートバルブ
２９〜３８ 切替弁
３９、４０ 冷却水ライン
４１ 第４熱搬送経路
４６ 第１熱搬送経路
４７ 第２熱搬送経路
４８ 第３熱搬送経路
５０ 排気熱交換器
５１ 温度・流量検出ユニット
５２ バルブ・ポンプ制御ユニット
５３ サーバー
５４ ＣＰＵ
５５ 熱交換器
５９、６０ 切替弁
６１、６２ 冷却水供給バルブ
６３〜６５ 循環ポンプ
６６ 冷却塔
６７、７３〜７８ 検出器
７０ 凝縮冷媒回収管
８１ａ、８１ｂ 吸着剤

Claims (5)

1. 冷媒を蓄積し加熱により該冷媒を放出する物質を配置し、前記物質を加熱するための第１熱交換器を備えた第１容器と、
   前記第１容器に接続され、前記冷媒を凝縮するための第２熱交換器を備えた凝縮器と、
   前記第１容器及び前記凝縮器に接続され、前記冷媒を蒸発させることにより生じる冷熱を受け渡すための第３熱交換器を備えた蒸発器と、
   前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器にそれぞれ接続され、熱源から排出される熱を前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器へそれぞれ搬送可能な第１熱搬送経路、第２熱搬送経路、及び第３熱搬送経路と、
   前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第３熱交換器、及び前記熱源の温度をそれぞれ測定するための第１検出器、第２検出器、第３検出器、及び第４検出器と、
   前記第１検出器、前記第２検出器、前記第３検出器、及び前記第４検出器に接続され、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第３熱交換器、及び前記熱源の温度に応じて、前記熱源から排出される熱を前記第２又は第３熱搬送経路を経由して前記第２又は第３熱交換器へ搬送し、前記熱源を冷却するように制御する制御部と
   を有することを特徴とするヒートポンプ。
2. 冷媒を蓄積し加熱により該冷媒を放出する物質を配置し、該物質を加熱するための第１熱交換器を備えた第１容器と、前記第１容器及び前記凝縮器に接続され、前記冷媒を凝縮するための第２熱交換器を備えた凝縮器と、前記第１容器に接続され、前記冷媒を蒸発させることにより生じる冷熱を受け渡すための第３熱交換器を備えた蒸発器と、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器にそれぞれ接続され、熱源から排出される熱を前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器へ搬送可能な第１熱搬送経路、第２熱搬送経路、及び第３熱搬送経路と、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第３熱交換器、及び前記熱源の温度をそれぞれ検出する第１検出器、第２検出器、第３検出器、及び第４検出器とを有するヒートポンプの動作方法において、
   前記第１熱交換器及び／又は前記第２熱交換器の動作が停止することにより前記第３熱交換器の温度が所定の温度よりも高くなるとき、前記熱源から前記第２熱搬送経路を経由して前記第２熱交換器へ熱を搬送することで前記熱源を冷却することを特徴とするヒートポンプの動作方法。
3. 更に、前記第２熱交換器の温度が所定の温度よりも高くなるとき、前記熱源から前記第１熱搬送経路を経由して前記第１熱交換器へ熱を搬送することで前記熱源を冷却することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプの動作方法。
4. 冷媒を蓄積し加熱により該冷媒を放出する物質を配置し、該物質を加熱するための第１熱交換器を備えた第１容器と、前記第１容器に接続され、前記冷媒を凝縮するための第２熱交換器を備えた凝縮器と、前記第１容器及び前記凝縮器に接続され、前記冷媒を蒸発させることにより生じる冷熱を受け渡すための第３熱交換器を備えた蒸発器と、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器にそれぞれ接続され、熱源から排出される熱を前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器へ搬送可能な第１熱搬送経路、第２熱搬送経路、及び第３熱搬送経路と、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第３熱交換器、及び前記熱源の温度をそれぞれ検出する第１検出器、第２検出器、第３検出器、及び第４検出器とを有するヒートポンプの動作方法において、
   前記第１熱交換器及び／又は前記第２熱交換器の動作が停止することにより前記第３熱交換器の温度が所定の温度よりも高くなるとき、前記熱源から前記第１熱搬送経路を経由して前記第１熱交換器へ熱を搬送することで前記熱源を冷却することを特徴とするヒートポンプの動作方法。
5. 更に、前記第１熱交換器の温度が所定の温度よりも高いとき、前記熱源から前記第２熱交換器へ熱を搬送し、前記熱源を冷却することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプの動作方法。