JP2013534061A - 電子機器を冷却するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

電子機器を冷却するためのシステムは、第１および第２の熱交換器と凝縮器を含む。第１の交換器は、電子機器と熱的に連通して空気の流れに配置され、第１の尾根ドで冷却流体を受け入れるように構成される。第１の交換器は、第２の温度へ冷却流体を加熱するために空気の流れから冷却流体へ熱伝導を可能にする。第２の交換器は、第１の交換器と電子機器との間の空気の流れに配置され、第２の温度で冷却流体を受け入れるように構成される。第２の交換器は、第３の温度へ冷却流体を加熱するために空気の流れから冷却流体へ熱伝導を可能にする。凝縮器は、第３の温度で冷却流体を受け入れるように構成され、第１の温度へ冷却流体を冷却するために冷却流体から冷却源へ熱伝導を可能にするように構成される。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年７月１３日に出願された米国仮特許出願番号第６１／３６３，７２３号の利点と優先権を主張し、その全ての内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に冷却システムおよび方法に関し、より具体的には、密集度の高いデータセンターに配置されたコンピュータサーバーを含む、電子機器を冷却するための冷却システムおよび方法に関する。

過去数年に渡り、コンピュータ機器メーカーは、自社のサーバーのデータ収集および保存能力を拡張してきた。しかしながら、コンピュータサーバーのデータ収集および保存能力が増加したことで、サーバーが増加する毎に総電力消費量および総熱出力が増加してきた。その結果、コンピュータデータ収集および保存の容量における驚異的で継続的な増大を処理できる改善された電力および温度の制御システムが引き続き必要とされる。

これまでの冷却システムは、サーバー、特に密集度の高いデータセンターで生成された熱負荷の増加と同じペースを保つことができなかった。これらの増加する熱負荷（キロワット（ＫＷ）で測定される）に対抗しようとして、データルームは、冷却インフラのより多くの容量を可能にするためにデータルーム自体の中に追加の空間を割り当ててきた。さらに最近では、冷却システムは、コンピュータサーバーのラック、すなわち、熱源で冷却を集中させるように設計されてきた。これらの冷却システムは、背面扉熱交換器およびラックトップ冷却器を含む。

背面扉熱交換器およびラックトップ冷却器などの冷却システムは、サーバーラックからの熱を排除するために、脱イオン水、Ｒ−１３４ａ（すなわち、１，１，１，２−テトラフルオロエタン）冷媒、または他の同様な液体を循環させる。しかしながら、空間的な制約が密集度の高いデータセンターを適切に冷却するこれらのシステムの能力を制限する。背面扉交換器の出力容量は、例えば、サーバーラックの物理的な大きさ、すなわち、外形寸法、および過度に圧力低下することなく背面扉交換器を通って流れ得る液体の量（秒単位のリットル（ｌ／ｓ）または分単位のガロン（ｇｐｍ）で測定される）により制限される。典型的な背面扉熱交換器は、コンピュータサーバラックに対する濃縮冷却の最大で約１２〜１６ｋＷを生成し得る。また、オーバーヘッドのまたはラックトップの冷却器は、Ｒ−１３４ａ液体冷媒を使用して冷却出力の最大で２０ｋＷを生成し得る。しかしながら、これらのシステムの総容量は、コンピュータサーバラックに囲まれた大きさと同様に冷却コイルの物理的な大きさによって制限される。さらに、これらのシステムは、今や３５ｋＷを越える熱出力を生成し得る、より最近の開発された密集度の高いコンピュータサーバーの冷却要件を容易に処理できない。

一態様において、本開示は、電子機器を冷却するシステムを特徴とする。システムは、一般に、第１の熱交換器、第２の熱交換器、および凝縮器を含む。第１の熱交換器は、流体入口および流体出口を有し、電子機器と熱的に連通して空気の流れに配置されるように構成される。第１の熱交換器の流体入口は、第１の温度の冷却流体を受け入れるように構成される。第１の熱交換器は、冷却流体を第２の温度へ加熱するために空気の流れから冷却流体へ熱伝導を可能にするように構成される。第２の熱交換器は、流体入口および流体出口を有する。第２の熱交換器の流体入口は、第１の熱交換器の流体出口と流体的に連通している。第２の熱交換器は、第１の熱交換器と電子機器との間の空気の流れに配置されるように構成される。第２の熱交換器の流体入口は、第１の熱交換器の流体出口から第２の温度で冷却流体を受け入れるように構成される。第２の熱交換器は、第３の温度に冷却流体を加熱するために空気の流れから冷却流体へ熱伝導を可能にする。

凝縮器は、流体入口および流体出口を有する。凝縮器の流体入口は、第２の熱交換器の流体出口と流体的に連通し、凝縮器の流体出口は、第１の熱交換器の流体入口と流体的に連通する。凝縮器の流体入口は、第２の熱交換器の流体出口から第３の温度で冷却流体を受け入れる。凝縮器は、第１の温度へ冷却流体を冷却するために冷却流体から冷却源へ熱伝導を可能にする。

いくつかの実施形態において、第１の熱交換器は、他の適切な熱交換器が考えられるが、マイクロチャンネル熱交換器である。第２の熱交換器は、平板熱交換器、蛇行熱交換器、または他の適切な熱交換であってよい。

いくつかの実施形態において、第２の熱交換器は、第１の熱交換器を通る空気の流れを拡散させる。

いくつかの実施形態において、凝縮器は、気体から液体に冷却流体を変換し、第１の交換機は、液体から液体−気体混合物へ冷却流体を変換し、および／または第２の熱交換器は、液体−気体混合物から気体へ冷却流体を変換する。

いくつかの実施形態において、第１の温度は、摂氏約１８度〜摂氏約２４度であり、第２の温度は、摂氏約２４度〜摂氏約３２度であり、第３の温度は、摂氏約３２度〜摂氏約４１度である。

別の態様において、本開示は、電子機器を冷却する方法を特徴とする。方法は、一般的に、液体から液体−気体混合物へ第１の冷却流体を変換するために前記電子機器と熱的に連通する空気の流れに配置される前記第１の冷却流体を第１の熱交換器に通す工程と、前記液体−気体混合物から気体へ前記第１の冷却流体を変換するために前記第１の熱交換器と前記電子機器との間の前記空気の流れに配置される第２の熱交換器に、前記第１の冷却流体を通す工程と、冷却回路を通って流れる前記第１の冷却流体から第２の冷却流体へ熱伝導を可能にすることによって気体から液体に前記第１の冷却流体を液化する工程と、を含む。

いくつかの実施形態において、第１の熱交換器は、他の同様の熱交換器が考えられるが、マイクロチャンネル熱交換器である。第２の熱交換器は、平板熱交換器、蛇行熱交換器、または他の同様の熱交換であってよい。

いくつかの実施形態において、第２の熱交換器は、第１の熱交換器を通る空気の流れを拡散させる。

いくつかの実施形態において、冷却流体を第１の熱交換器に通す工程は、第１の温度から第２の温度へ冷却流体を加熱することを含み、冷却流体を第２の熱交換器に通す工程は、第２の温度から第３の温度へ冷却流体を加熱することを含み、冷却流体を液化することは、第３の温度から第１の温度へ冷却流体を冷却することを含む。

さらに別の態様において、本開示は、熱交換アセンブリを特徴とする。熱交換器は、一般に第１の熱交換器および第２の熱交換器を含む。第１の熱交換器は、電子機器と熱的に連通して配置されるように構成される。第１の熱交換器は、液体相で冷却流体を受け入れるように構成される。第１の熱交換器は、液体相から液体−気体混合相へ冷却流体を変換するように構成される。第２の熱交換器は、電子機器と熱的に連通する。第２の熱交換器は、液体−気体混合相で冷却流体を受け入れるように構成される。第２の熱交換器は、液体−気体混合相から気体相へ冷却流体を変換するように構成される。いくつかの実施形態において、第１の熱交換器および第２の熱交換器は、空気の流れに配置されるように構成される。他の実施形態において、第２の熱交換器は、第１の熱交換器から上流へ空気の流れに配置されるように構成される。

いくつかの実施形態において、第１の熱交換器は、他の適切な熱交換器が考えられるが、マイクロチャンネル熱交換器である。いくつのかの実施形態において、第２の熱交換器は、平板熱交換器、蛇行熱交換器、または他の同様の熱交換器であってよい。

本開示の様々な実施形態は、添付の図面を参照して記載される。

本開示の一実施形態に係る冷却システムの概略図である。 動作中の冷却システムの第１および第２熱交換器を通った空気の流れの一般的な方向を示す図１の冷却システムの一部の分解斜視図である。 図２の第１の熱交換器の一実施形態の切断斜視図である。 図１の４Ａ−４Ａ断面線に沿って切断した第２の熱交換器の断面図である。 第２の熱交換器の別の実施形態の断面図である。 図１の冷却システムを用いて使用するように構成された熱交換器の別の実施形態の正面図である。 図１の冷却システムを用いて使用するように構成された熱交換器の別の実施形態の斜視図である。 図５Ａの５Ｂ−５Ｂ断面線に沿って切断された図５Ａの熱交換器の断面図である。 本開示に係る冷却システムの別の実施形態の概略図である。

本開示の特定の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

図１は、電子機器の冷却システム１０の概略図である。図１に示す実施形態において、冷却システム１０は、１つ以上のＩＴキャビネットまたはサーバーラック１２を有する密集度の高いデータセンターにおける使用のために構成され、それぞれ１つ以上のサーバー１４を含む。他の実施形態において、冷却システム１０は、その他の電子機器またはシステムを冷却するために構成されてもよい。冷却システムは、一般的に、凝縮器３０を含む冷却回路１１、流体ポンプ３２、受液器３４、熱交換アセンブリ３５、およびフィードバック制御アセンブリ５０を特徴とする。熱交換アセンブリ３５は、第１の熱交換器３６および第２の熱交換器３８を含む。

ファン６０は、また、熱交換アセンブリ３５を通って熱の再循環を助けるために設けられる。複数のパイプセグメントは、冷却システム１０の様々なコンポーネントを相互接続する。より具体的には、パイプセグメント２２は、凝縮器および受液器３４を相互接続し、パイプセグメント２３は、受液器３４および流体ポンプ３２を相互接続し、パイプセグメント２４は、流体ポンプおよび第１の熱交換器３６を相互接続し、パイプセグメント２６は、第１の熱交換器３６および第２の熱交換器３８を相互接続し、パイプセグメント２８は、凝縮器３０に戻って第２の熱交換器３８を冷却することによって冷却回路１１を完了する。フィードバック制御アセンブリ５０は、以下に説明するように、凝縮器のいずれかの側に配置される第１の温度センサ５２および第２の温度センサ５４を含む。第１の温度センサ５２および第２の温度センサ５４から感知された温度は、バルブ４６を制御するために使用され、第２の冷却回路４０を通る冷却液体の流れを制限する。

図１および２を参照すると、サーバーラック１２のサーバーのそれぞれは、使用中に熱を生成する。ファン６０は、矢印「Ｆ」の一般的な方向にサーバー１４を通る空気の流路を生成する。冷却回路１１は、第１および第２の熱交換器３６、３０の両方のそれぞれがこの空気の流路「Ｆ」、すなわちサーバー１４と熱的に連通して配置される。示すように、第２の熱交換器３８は、サーバーラック１２と第１の熱交換器３６との間に位置する。サーバー１４を通る空気の流路「Ｆ」または一般にデータセンター全体の空気の流路の方向に応じて、冷却回路１１は、サーバーラック１２に対して様々な異なる位置に配置されてもよい。例えば、第１および第２の熱交換器３６、３８は、それぞれ、データセンターの暖気通路に、データセンターの冷気通路に、サーバーラックの背面（例えば、背面ブローサーバー用）に近接して、サーバーラックの横（例えば、側面ブローサーバー用）に、サーバーラックの上に、および／またはサーバーラックの下に、配置されてもよい。

さらに、冷却回路１１は、モジュールデータポッドアプリケーションにおける使用のために構成されてもよく、および／または既存のまたは新しいデータセンターに組み込むために適合されてもよい。しかしながら、サーバーラックに対して熱交換器３６、３８の動作は、サーバーラックおよび／またはデータセンターの特定の構成に応じて変更されてよいが、熱交換器３６、３８の関連する位置、すなわち、第２の熱交換器３８がサーバーラックと第１の熱交換器３６との間の空気の流路に配置された、位置は、サーバーラックに対する熱交換器３６、３８の配向にかかわらず同じままである。

また、複数の熱交換アセンブリを有する複数の冷却回路および／または冷却回路は、互いに連携して動作するように設けられることが想定される。例えば、図６に示すように、第１の、または主要な熱交換アセンブリ３５は、空気の流路「Ｆ１」におけるサーバー１４から流れる熱風を冷却するためにサーバーラック１２のサーバー１４に隣接して位置し、第２の、または補助的な熱交換アセンブリ３５０は、空気がサーバーラック１２を通って再循環される（矢印「Ｃ」で示される）前に空気の流路「Ｆ２」において流れるような熱風をさらに冷却するためにファン６０の吸入側に隣接して位置し、従って、段階的な放熱を提供する。補助的な熱交換アセンブリ３５０は、また、主要な熱交換アセンブリ３５が機能しない場合に冗長性を設けてもよい。第１および第２の熱交換アセンブリ３５、３５０のそれぞれ、および／または追加の熱交換アセンブリ（不図示）は、同じ冷却回路と（直列または並列に）連結する、または独立した冷却回路が、熱交換アセンブリ３５、３５０のそれぞれとに付随してもよい。

再び図１を参照すると、流体は、以下に説明するように、サーバーラック１２によって生成される熱を拒絶するために、すなわち、空気の流路「Ｆ」に沿ってサーバーラック１２の後ろから流れる熱風から熱を拒絶するために冷却回路通って循環する。ファン６０の助けにより、結果として生じる冷風は、一般に矢印「Ｃ」で示すように、筐体１３を通って再循環し、筐体１３内の十分に冷たい動作温度を維持し得る。冷却回路１１を通って循環する流体は、Ｒ−１３４ａ冷媒、または他の適切な冷媒またはフッ化炭素であってよい。簡素性や整合性のため、冷却回路１１を通って流れる流体は、「冷媒」とよばれる。

冷却システムのいくつかの実施形態の動作時に、冷媒が、第１所定の温度（例えば、約１８度（華氏約６５度）〜約２４度（華氏約７５度）またはより具体的には、約２２度（華氏約７２度）で凝縮器３０を出て、パイプセグメント２２、２３を通って流体ポンプ３２へ流れる。受液器３４は、凝縮器３０および流体ポンプ３２との間に配置される。受液器３４は、冷媒が流体にポンプ３２に流れるように液体であることを保証し、従って、冷却回路１１内の圧力を制限することを助ける。後述するように、フィードバック制御アセンブリ５０は、凝縮器３０を抜ける冷媒の温度が第１の所定の温度とほぼ等しいことを保証するためにフィードバック（温度センサ５２、５４を読む）を使用する。

図１に示すように、流体ポンプ３２は、パイプセグメント２４を通って第１の所定の流量（例えば、約０．７６ｌ／ｓ（約１２ｇｐｍ））で第１の熱交換器３６の流体入口３６ａへ液体冷媒を送り込む。液体冷媒が第１の熱交換器を通って流れるので、液体冷媒は、第１の熱交換器３６を通って流れる熱風、すなわち、空気の流路「Ｆ」を介してサーバー１４から流れる熱風から熱を吸収し、従って、第１の熱交換器３６を通過するような熱風を冷却する。液体冷媒によって吸収された熱は、第２の所定の温度（例えば、約２４度（華氏約７５度）〜約３２度（華氏約９０度））へ液体冷媒を加熱し、液体冷媒の一部は、液体−気体混合物を形成するために、液体から気体へ「蒸発させる」、すなわち、変化させる。より具体的には、液体の一部のみが気体に変換されるように、液体冷媒は、第１の熱交換器３６を通って流れる冷媒の第１の所定の流量（例えば、約０．７６ｌ／ｓ（約１２ｇｐｍ））より低い割合（例えば、約０．１２ｌ／ｓ（約１．９ｇｐｍ））で「蒸発させる」。結果として、液体−気体冷媒混合物は、第１の熱交換器３６の流体出口３６ｂを抜ける。

液体−気体冷媒混合物は、第２の所定の温度（例えば、約２４度（華氏約７５度）〜約３２度（華氏約９０度））で第１の熱交換器３６の流体出口３６ｂを抜け、パイプセグメント２６を通って第２の熱交換器３８の流体入口３８ａに流れる。液体−気体冷媒混合物は、その後、冷媒の液体部分が第２の所定の流量（例えば、約０．６４ｌ／ｓ（約１０．１ｇｐｍ））を有する第２の熱交換器３８を通って流れる。

従って、液体冷媒は、第１の所定の割合（例えば、約０．７６ｌ／ｓ（約１２ｇｐｍ））で第１の熱交換器３６を通って流れる。しかしながら、液体冷媒が第１の熱交換器３６を通って流れるように、液体冷媒は、約０．１２ｌ／ｓ（約１．９ｇｐｍ）で気体へ「蒸発する」、すなわち、変換され、従って、第２の熱交換器３８へ流れる液体冷媒の約０．６４ｌ／ｓ（約１０．１ｇｐｍ）を残す。

液体−気体冷媒混合物が第２の熱交換器３８を通って流れるので、冷媒は、第２の熱交換器３８を通過する熱風、すなわち、空気の流路「Ｆ」を介してサーバーラック１２のサーバー１４から流れる熱風から熱を吸収し、従って、第２の熱交換器３８を通過しながら熱風を冷却する。液体−気体冷媒混合物によって吸収された熱は、第２の熱交換器３８を通って流れながら液体−気体冷媒混合物を加熱し、液体−気体冷媒混合物の残りの液体は、「蒸発する」。より具体的には、液体冷媒の全てが、冷媒が第２の熱交換器３８を通って流れるので、気体へ交換されるように、液体−気体冷媒混合物の液体部分は、第２の熱交換器３８を通って流れる冷媒の液体部分の第２の所定の流量とほぼ等しい第２の所定の割合（例えば、約０．６４ｌ／ｓ（約１０．１ｇｐｍ））で「蒸発する」。最終的に、完全に気体の冷媒は、第３の所定の温度（例えば、約３２度（華氏約９０度）〜約４１度（華氏約１０５度）、またはいくつかの実施形態において、約３４度（華氏約９４度））で加熱した気体として第２の熱交換器３８の流体出口３８ｂを抜ける。

過熱した冷媒の気体は、第２の熱交換器３８の流体出口３８ｂを抜け、パイプセグメント２８を通って凝縮器３０へ流れる。凝縮器３０は、また、冷却流体供給線４２および冷却流体戻り線４４を含む第２の冷却回路４０と流体的に連通する。冷却流体供給線４２は、冷却流体を凝縮器へ運び、凝縮器３０を通って流れる過熱した冷媒の気体から凝縮器３０を通って流れる冷却流体へ熱伝導を可能にする。熱伝導の結果として、冷媒は、過熱した気体から液体に戻る。冷却流体は、水溶液、グリコール水溶液（すなわち、エチレン/プロピレングリコールおよび水）、または地熱水などの適切な冷却流体であり得る。あるいは、過熱した冷媒の気体は、空冷直接膨張（ＤＸ）凝縮器（不図示）、または任意の他の適切な凝縮器によって冷却され得る。

図１の参照を続けて、フィードバック制御アセンブリ５０は、凝縮器３０を抜ける冷媒の温度が第１の所定の温度とほぼ等しいことを保証するために（温度センサ５２、５４を介して）フィードバックを使用する。より具体的には、温度センサ５２、５４は、パイプ部２２および２８を通って流れる冷媒の温度をそれぞれ決定する、すなわち、温度センサ５２、５４は、凝縮器３０に流出入する冷媒のそれぞれの温度を決定する。これらの温度は、順番に、バルブ４６を制御するため、例えば、第２の冷却回路４０および凝縮器３０を通って流れる冷却流体の流量を増加、減少、または保持するために使用され、したがって、凝縮器３０内の熱伝導の割合が増加、減少、保持される。言い換えれば、凝縮器の流体入口および流体出口で冷媒の温度を比較することによって、第２の冷却回路４０を通って流れる冷却流体の流量は、所定の出力温度、例えば、第１の、所定の温度（例えば、約３２度（華氏約７２度））を達成するように調整され得る。

冷却回路１１および、より詳細には、熱交換アセンブリ３５の上記の構成により、第２の熱交換器３８を通って流れる冷媒は、第１の熱交換器３６を通って流れる冷媒よりも高い温度を有する。さらに、熱交換器３６、３８は、比較的冷たい空気（第２の熱交換器３８を既に通過し、それによって冷却された空気）が第１の熱交換器３６を通過する間、空気の流路「Ｆ」に対して、比較的熱い空気（サーバー１４から流れる熱）が第２の熱交換器３８を通過するように、配置される。すなわち、冷却回路１１は、液体から液体−気体混合物（冷媒が第１の熱交換器３６を通過する）へ、および液体−気体混合物から過熱した気体（冷媒が第２の熱交換器３８を通過する）へ冷媒を変換することによって蒸発原理の潜熱の利点を取り、（第２の熱交換器３８を通って流れる）比較的熱い冷媒は、（第１の熱交換器３６を通って流れる）比較的冷たい冷媒がその後比較的冷たい空気を冷却する間、当初の比較的熱い空気を冷却する。このように、より大きな冷却効率が達成される。

ここで、図２および３に移動して、第１の熱交換器３６は、他の適切な熱交換器も考えられるが、マイクロチャンネル熱交換器３６であってよい。マイクロチャンネル熱交換器３６は、意パンに、流体入口３６ａ、流体出口３６ｂ、および本体部３６ｃを含む。本体部３６ｃは、流体入口３６ａに流体的に連結する上部水平管または水路３６ｄ、流体出口３６ｂに流体的に連結する下部水平水路３６ｅ、水平水路３６ｄ、３６ｅの上部および下部にそれぞれ相互連結するマイクロチャンネル３６ｆの複数の離間列、および列とマイクロチャンネル３６ｆとの間に位置するフィン３６ｇの複数のスタックを含む。

使用時、流体は、流体入口３６ａを介して上部水平水路３６ｄに、複数のマイクロチャンネルを下部水平水路３６ｅへ、および流体出口３６ｂへ流れる。フィン３６ｇは、本体部３６ｃ通る空気の流れを方向付け、一般に矢印「Ａ」で示すように、マイクロチャンネル３６ｆのそれぞれの外部表面領域の実質的にすべては、本体部３６ｃを通って流れる空気と熱的に連通する。このように、マイクロチャンネル熱交換器３６は、本体部３６ｃを通って流れる空気とマイクロチャンネル３６ｆを通って流れる流体との間の効率的な熱伝導を達成し、また、流体および空気の圧力の減少が本体部３６ｃを通って降下させる。マイクロチャンネル熱交換器３６は、また、空間的に効率的であり、特定の用途に応じて、他の寸法が考えられるが、約２．８６ｃｍ（約１．１２５インチ）の厚さおよび一般的なサーバーラックに一般に近似する高さおよび幅、すなわち、約１９６ｃｍ〜約２１３ｃｍ（約７７インチ〜８４インチ）の高さおよび約７６ｃｍ〜約８１ｃｍ（約３０インチ〜約３２インチ）の幅を有する。

図４と併せて図２を参照すると、第２の熱交換器３８は、他の適切な熱交換器、例えば、平板熱交換器９８（図５Ａ〜５Ｂ）も考えられるが、蛇行熱交換器３８であってよい。蛇行熱交換器３８は、図４に示すように、流体入口３８ａ、そこに配置される蛇行形状の水路３８ｄを有する本体部３８ｃ、流体出口３８ｂ、および蛇行形状の水路３８ｄに対して（他の構成も考えられるが）一般に垂直の方向に配置される複数の離間フィン３８ｅを含む。

動作中、流体は、流体入口３８ａを介して水路３８ｄへ流れ、蛇行形状の水路３８ｄを通って、流体出口３８ｂを介して水路３８ｄから外に流れる。フィン３８ｅは、水路３８ｄを通って流れる流体の方向に対して一般に垂直の方向に本体部３８ｃを通って空気の流れを方向付け、本体部３８ｃを通って流れる空気は、水路３８を囲い、従って、本体部３８ｃを通って流れる空気と水路３８ｄを通って流れる流体から熱交換を可能にする。さらに、蛇行熱交換器３８は、空間的に効率的であり、特定の用途に応じて、他の寸法も考えられるが、約１３ｍｍ（約０．５インチ）の厚さおよび一般的なサーバーラックに一般に近似する高さおよび幅、すなわち、すなわち、約１９６ｃｍ〜約２１３ｃｍ（約７７インチ〜８４インチ）の高さおよび約７６ｃｍ〜約８１ｃｍ（約３０インチ〜約３２インチ）の幅を有する。

図４Ｂは、蛇行熱交換器７８の別の実施形態を示す。蛇行熱交換器７８は、蛇行形状の水路３８ｄ（図４Ａ）を有するよりも、本体部７８ａがベース水路７８ｃおよび７８ｄと相互接続する複数の水平な水路７８ｂを含むことを除いて、熱交換器３８（図２）と同様である。蛇行形状の水路３８ｄ（図４Ａ）と同様に、水平水路７８ｂの配置およびベース水路７８ｃ、７８ｄは、熱交換器７８の本体部７８ａを通過する空気と水路７８ｂ、７８ｃ７８ｄを通って流れる流体との間の熱伝導を促進するために水路７８ｂ、７８ｃ７８ｄの実質的な表面領域を提供する。

図４Ｃに移動して、蛇行熱交換器８８の別の実施形態を示す。蛇行熱交換器８８は、長細いフィン３８ｅ（図４Ａ）を有する本体部３８ｃ（図４Ａ）を提供するよりも、蛇行熱交換器８８が蛇行形状の水路８８ｂに対して一般に垂直方向の空気の流れを方向付けるように構成される蛇行形状の水路８８ｂに沿って配置される複数の個別のフィン８８ａを含むことを除いて、熱交換器３８（図２）と同様であり、従って、蛇行形状の水路８８ｂの周囲を流れる空気から蛇行形状の水路８８ｂを通って流れる流体への熱伝導を促進する。

図５Ａ〜５Ｂは、第２の熱交換器の別の例の実施形態である、平板熱交換器９８を示す。平板熱交換器９８は、複数の細長い、離間した板９８ｄを有する本体部９８ａを含む。板９８ｄは、それぞれ平面構成を画定し、互いに実質的に平行に配置される。しかしながら、特定の目的に応じて、板９８ｄが相対的に配置され、および／または板９８ｄが湾曲したまたは他の構成を画定することも想定される。各板９８ｄは、内部水路９８ｅ、または板９８ｂの間に流れる空気と内部水路９８ｅを通って流れる流体との間の熱伝導を促進する空気水路システムを含む。平板熱交換器９８は、熱交換器３８（図２）と同様の寸法であってよい。

平板熱交換器９８は、熱交換器９８の流体入口と流体的に連結する上部ベース水路９８ｂおよび熱交換器９８の流体出口と流体的に連結する下部ベース水路９８ｃを含む。上部および下部ベース水路９８ｂ、９８ｃは、それぞれ、板９８ｄのそれぞれの内部水路９８ｅによって相互接続され、冷媒は、流体入口を介して上部ベース水路９８ｂに流れ、板９８ｄの内部水路９８ｅを介して、最終的に、流体出口を介して熱交換器を抜けるために下部ベース水路９８ｃに流れる。図５Ｂに示すように、各板９８ｂの内部水路９８ｅは、蛇行形状の構、または任意の他の適切な構成を画定してよい。また、各板９８ｂがシステム、または（例えば、図４Ｂに示す構成と同様の）水路９８ｅのネットワークを含むことは、想定される。

動作中に、板９８ｂがその中に配置される水路９８ｅ（単数または複数）をそれぞれ含む、この配置は、熱交換器９８の本体部９８ａを通過する空気または別の流体から水路９８ｅを通って流れる流体への熱伝導を促進するために実質的に表面領域（板９８ｂの表面領域）を提供する。

いくつかの実施形態において、第２の熱交換器３８が蛇行または平板熱交換器であり、第１の熱交換器３６がマイクロチャンネル熱交換器である場合は、第２の熱交換器は、マイクロチャンネル熱交換器の表面領域のより多くの割合を通る空気のより多くの拡散を促進する拡散器として機能し、従って、システムの冷却効率が増加する。蛇行または平板熱交換器３８およびマイクロチャンネル熱交換器３６は、また、上述のように、最小の厚さ寸法による減少領域の構成を画定するように連携する。

さらに、第１および第２の熱交換器３６、３８のこの特定の構成は、それぞれ、段階的または累積的な冷却を提供し、空気の流路「Ｆ」における空気は、マイクロ熱交換器３６によってさらに冷却される前に、当初蛇行熱交換器を介して冷却される。しかしながら、蛇行（または平板）およびマイクロチャンネル熱交換器３６３８、３６とそれぞれ連携して使用される場合に冷却システムが特に有利であるが、他の適切な熱交換器または熱交換器の組み合わせが特定の目的に応じて、冷却回路１１と連携して使用されてよいことは、想定される。さらに、蛇行（または平板）およびマイクロチャンネル熱交換器３８、３６の上述の利点は、それぞれ、熱交換器の異なる形態および／または組み合わせの使用により同様に実現され得ることは、想定される。

本開示に係る例示的な冷却回路の冷却性能は、以下のように数学的に説明される。例示的な冷却回路は、第１の熱交換器および第２の熱交換器を含み、それぞれ約２１３ｃｍ（約８４インチ）および約７６ｃｍ（約３０インチ）の一般的な高さおよび幅寸法をそれぞれ有する。冷却回路を通って流れる冷媒、Ｒ１３４ａは、１０２．０３または１０２０ｋｇ／ｍ^３（約約８．５１ｌｂｓ／ガロン）の分子量を有する。Ｒ１３４ａの蒸発の潜熱は、約２１７ｋＪ／ｋｇ（約９２．８２ｂｔｕ／ｌｂ）である。

上記のように、流体ポンプ３２は、冷媒を約０．７６ｌ／ｓ（約１２ｇｐｍ）の割合で第１の熱交換器３６へ冷媒を送り込む。従って、冷媒の質量流量は、約０．７７ｋｇ／ｓ（約１０２．１２ｌｂｓ／ｍｉｎ）である。Ｒ１３４ａの蒸発の潜熱を使用して、圧縮動作は、約１６６．７ｋＪ／ｓ（約９，４７９ｂｔｕ／ｍｉｎ）と等しい。これを１時間の間で求めると推定すると、６００，０５２ｋＪ／ｈｒ（約５６８，７４０ｂｔｕ／ｈｒ）である。従って、１ｋＷが約３６０３ｋＪ／ｈｒ（または約３４１５ｂｔｕ／ｈｒ）とすると、冷却回路は、約１６６．５ｋＷの熱負荷を拒絶することが可能である。

冷却回路のこの特定な実施形態は、約１６６ｋＷの熱負荷を拒絶し得るが、本開示に係る冷却回路の熱拒絶性能は、冷却する特定のコンピュータサーバー（または電子装置）の熱負荷出力に適応するために拡大または縮小し得る。つまり、上記の計算は、例示的な目的のみを意味し、想定され、ここで開示された冷却回路の特定の構成は、異なる熱負荷の出力、寸法などを有する異なる電子機器を冷却するために適合（または拡大縮小）され、従って、上記の計算で使用された値は特定の目的に応じて変更し得る、本開示の範囲内である。

前述の記載から、また、各図面を参照することにより、当業者は、同じ範囲から逸脱することなく、特定の変更が本開示に対してなされ得ることを理解するだろう。本開示のいくつかの実施形態は図面に示されるが、本開示がそれに限定されることなく、本開示は広い範囲で同様に読まれる明細書に意図される。従って、上記の説明は、限定すると解釈されるべきではなく、特定の実施形態の単なる例示に過ぎない。当業者は、添付の特許請求の範囲および精神の中で他の変更を想定するだろう。

Claims (20)

1. 電子機器を冷却するためのシステムであって、
   流体入口と流体出口とを有する第１の熱交換器であって、前記第１の熱交換器は、電子機器と熱的に連通する空気の流れに配置されるように構成され、前記第１の熱交換器の前記流体入口は、第１の温度の冷却流体を受け入れるように構成され、前記第１の熱交換器は、第２の温度へ前記冷却流体を加熱させるために前記空気の流れから前記冷却流体へ熱伝導を可能にするように構成される、第１の熱交換器と、
   流体入口と流体出口とを有する第２の熱交換器であって、前記第２の熱交換器の前記流体入口は、前記第１の熱交換器の前記流体出口と流体的に連通し、前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器と前記電子機器との間の前記空気の流れに配置されるように構成され、前記第２の熱交換器の前記流体入口は、前記第１の熱交換器の前記流体出口から前記第２の温度の前記冷却流体を受け入れるように構成され、前記第２の熱交換器は、第３の温度へ前記冷却流体を加熱するために前記空気の流れから前記冷却流体へ熱伝導を可能にする、第２の熱交換器と、
   流体入口と流体出口とを有する凝縮器であって、前記凝縮器の前記流体入口は、前記第２の熱交換器の前記流体出口と流体的に連通して前記凝縮器の前記流体出口は、前記第１の熱交換器の前記流体入口と流体的に連通し、前記凝縮器の前記流体入口は、前記第２の熱交換器の前記流体出口から前記第３の温度の前記冷却流体を受け入れ、前記凝縮器は、前記第１のおんどへ前記冷却流体を冷却するために前記冷却流体から冷却源へ熱交換を可能にする、凝縮器と、
   を含む、システム。
2. 前記第１の熱交換器は、マイクロチャンネル熱交換器である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２の熱交換器は、平板熱交換器である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第２の熱交換器は、蛇行熱交換器である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器を通る前記空気の流れを拡散させる、請求項１に記載のシステム。
6. 前記凝縮器は、気体から液体へ前記冷却流体を変換する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１の熱交換器は、液体から液体−気体混合物へ前記冷却流体を変換する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第２の熱交換器は、液体−気体混合物から気体へ前記冷却流体を変換する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記第１の温度は、摂氏約１８度〜摂氏約２４度であり、前記第２の温度は、摂氏約２４度〜摂氏約３２度であり、前記第３の温度は、摂氏約３２度〜摂氏約４１度である、請求項１に記載のシステム。
10. 電子機器を冷却する方法であって、
    液体から液体−気体混合物へ第１の冷却流体を変換するために前記電子機器と熱的に連通する空気の流れに配置される第１の熱交換器に、前記第１の冷却流体を通す工程と、
    前記液体−気体混合物から気体へ前記第１の冷却流体を変換するために前記第１の熱交換器と前記電子機器との間の前記空気の流れに配置される第２の熱交換器に、前記第１の冷却流体を通す工程と、
    冷却回路を通って流れる前記第１の冷却流体から第２の冷却流体へ熱伝導を可能にすることによって気体から液体に前記第１の冷却流体を液化する工程と、
    を含む、方法。
11. 前記第１の熱交換器は、マイクロチャンネル熱交換器である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２の熱交換器は、平板熱交換器である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記第２の熱交換器は、蛇行熱交換器である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器を通る前記空気の流れを拡散させる、請求項１０に記載の方法。
15. 前記冷却流体を前記第１の熱交換器に通す工程は、第１の温度から第２の温度へ前記冷却流体を加熱することを含み、前記第２の熱交換器を通って前記冷却流体を通過させる工程は、前記第２の温度から第３の温度へ前記冷却流体を加熱することを含み、前記冷却流体を液化する工程は、前記第３の温度から前記第１の温度へ前記冷却流体を冷却することを含む、請求項１０に記載の方法。
16. 電子機器を冷却するための熱交換アセンブリであって、
    前記電子機器と熱的に連通して配置するように構成される第１の熱交換器であって、前記第１の熱交換器は、液体相で冷却流体を受け入れるように構成され、前記第１の熱交換器は、液体相から液体−気体混合相へ前記冷却流体を変換するように構成される、第１の熱交換器と、
    前記電子機器と熱的に連通した第２の熱交換器であって、前記第２の熱交換器は、液体−気体混合相で前記冷却流体を受け入れるように構成され、前記第２の熱交換器は、前記液体−気体混合相から気体相へ前記冷却流体を変換するように構成される、第２の熱交換器と、
    を含む、熱交換アセンブリ。
17. 前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器は、空気の流路に配置するように構成される、請求項１６に記載の熱交換アセンブリ。
18. 前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器から上流へ前記空気の流路に配置するように構成される、請求項１７に記載の熱交換アセンブリ。
19. 前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器を通る前記空気の流れを拡散させる、請求項１８に記載の熱交換アセンブリ。
20. 前記第１の熱交換器は、マイクロチャンネル熱交換器であり、前記第２の熱交換器は、平板熱交換器または蛇行熱交換器である、請求項１６に記載の熱交換アセンブリ。

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