JP2508640B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被冷却体に液体溶媒を循環供給する冷却装
置に関し、とくに冷媒の温度制御を行いつつ冷却を行う
冷却装置に関する。

〔従来の技術〕 大型の情報処理装置等の電子機器は、多数個の集積回
路素子を架に収容して構成されるが、近年特に集積回路
が大規模高集積化されるに伴い、素子性能を最大限に発
揮させ、高性能の装置を実現するために、架内の素子実
装方法も大幅に高密度化されるようになった。

このため、架内の発熱密度は増大し、従来の強制空冷
方式では冷却能力が不足するので、空気に比べ熱容量の
大きな水等の液体溶媒を集積回路素子の近傍に循環さ
せ、素子からの熱を冷媒に排熱する液体冷却方式が採用
されるようになっている。

液体冷媒を被冷却体に循環供給する冷却装置の従来例
を第４図に基づいて説明する。

冷却装置１は、後述する熱交換ユニット２、膨脹タン
ク３、ポンプ４、温度制御回路５および温度センサ６で
構成されている。導管７、８を介して冷却装置から被冷
却体10に強制循環される液体冷媒の供給側温度が規定の
温度となるように、熱交換ユニット２を制御する方法が
とられている。

熱交換ユニット２としては、電子機器からなる冷却装
置１が情報処理装置であることから、例えば第３図に示
すような付帯工事を必要としない設置性に優れたものが
使用される。

第３図において、熱交換ユニット２は、圧縮機11、凝
縮器12、膨脹弁13、蒸発器14およびファン15からなり、
導管16を循環するフロン液の循環冷凍サイクル（以下、
フロン冷凍サイクルという）により、液体冷媒の熱を空
気中に排熱する空冷式の熱交換方式が一般に用いられて
いる。

このような空冷式熱交換ユニット２を使用した場合、
液体冷媒の供給側温度を温度センサ６にて検出し、温度
制御回路５にて熱交換ユニット２内の圧縮機11の運転／
停止を制御して供給側温度を一定の温度に保ったり、被
冷却体10の雰囲気温度と一致させたりしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の熱交換ユニット２では、圧縮機11が連
続して運転するためには熱交換ユニット２の能力と被冷
却体10の熱負荷とが一致していることが必要であって、
熱交換ユニット２である電子機器の機器構成が変化し
て、熱負荷が変わると他の冷却能力を有する冷却装置を
改めて用意する必要があった。さらに、液体冷媒の温度
の変動幅を小さく精度よく制御しようとする場合、圧縮
機11の運転、停止の頻度が高くなり、圧縮機11の信頼性
が著しく損なわれるといった問題が生じる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、被冷却体に液体冷媒を循環供給する冷却
装置において、（イ）それぞれ冷却能力の異なる複数台
の熱交換ユニットと、（ロ）液体冷媒の供給側温度を検
出する第１の検出手段と、（ハ）液体冷媒の戻り側温度
を検出する第２の検出手段と、（ニ）第１および第２の
検出手段からの温度の差分により被冷却体の発熱量を算
出する手段と、（ホ）被冷却体の発熱量に応じ熱交換ユ
ニットの１台を除いた各々の作動あるいは停止を選択す
る第１の制御手段と、（ヘ）被冷却体中の雰囲気温度を
検出する第３の検出手段と、（ト）前記した１台の熱交
換ユニットの選択的作動によって段階的冷却能力の各段
階間を調整し、かつ冷却媒体の温度が第３の検出手段か
らの温度に対し一定値以上高くなるよう保つ調整手段と
を冷却装置に具備させ、これにより前述の問題点を解消
している。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

なお、第４図の部材と同一の機能のものは同じ符号で
表わしてその説明を省略する。

第１図は本発明に係わる冷却装置20のブロック系統図
である。

冷却装置20は、電子機器である被冷却体10に対し、液
体冷媒としての水を循環供給するもので、被冷却体10か
ら奪った熱を排熱するための熱交換ユニット群2a〜2e、
水の体膨脹を吸収し、かつ水流、水温の細かい変動を吸
収するための膨脹タンク３、冷却水を循環させるポンプ
４、これらの各構成ユニットを直列に接続する導管７、
８をそれぞれ備えている。

さらに、供給側水温を検出する第１の検出手段として
の温度センサ21、戻り側温度を検出する第２の検出手段
としての温度センサ22、被冷却体10内の雰囲気温度を検
出する第３の検出手段としての温度センサ23、第１の制
御回路24、第２の制御回路25をそれぞれ含んで構成され
ている。

熱交換ユニット群2a〜2eは、それぞれ冷却能力の異な
る熱交換ユニットの複数台（本実施例では５台）で構成
されており、各熱交換ユニット群2a〜2eは、第３図に示
すフロン冷凍サイクルによる一般の空冷式熱交換ユニッ
トである。

第１の制御回路24は、温度センサ21、22からの温度に
より、各熱交換ユニット群2a〜2eのうち１台2eを除いた
もの運転を制御し、第２の制御回路24は、液体冷媒の供
給側温度と被冷却体10の雰囲気温度との差分により、残
り１台の熱交換ユニット2eの運転を制御するものであ
る。

次にこのように構成された冷却装置20の動作について
説明する。

膨脹タンク３からポンプ４に吸い込まれた冷媒として
の冷却水は、ポンプ４で加圧され、導管７を通って被冷
却体10に供給され、被冷却体10内で熱を奪い、被冷却体
10内の発熱量に応じた温度上昇を伴って導管８を通り冷
却装置20に戻る。

冷却水は、熱交換ユニット群2a〜2eでフロン冷凍サイ
クルを介して外気中に排熱し、膨脹タンク３に戻る。冷
却水は、このような閉ループを構成して循環する。この
冷却水の温度は、第１、第２の制御回路24、25により制
御されている。

第１の制御回路24は、冷却装置20の供給側水温を検出
する温度センサ21と、戻り側水温を検出する温度センサ
22とが検出した温度の差分により、５台の熱交換ユニッ
ト群2a〜2eのうちの１台2eを除いた４台の熱交換ユニッ
ト群2a〜2dを制御する。

ここで４台の熱交換ユニット群2a〜2dの冷却能力とし
て、2aを8P0、2bを4P0、2cを2P02dをP0としておけば、
運転する熱交換ユニット群2a〜2dの組み合わせにより、
最小P0からP0の倍数で最大15P0までの15段階の冷却能力
を選択できる。

いま、冷却水の流量を一定とすると、（戻り側水温−
供給側水温）の温度差ΔＴと被冷却体10から奪った熱量
Ｐは、第２図の直線Ａで示すように正比例する。したが
って、ΔＴより冷却装置20に必要とされる冷却能力が算
出されるので、運転すべき熱交換ユニット群2a〜2dの組
み合わせが定まる。

そこでΔＴと運転すべき熱交換ユニットとの対応を、
予め第１の制御回路24に設定しておくことにより、冷却
装置20の冷却能力を、被冷却体10内で発生する熱量とほ
ぼ同等にすることができる。

本実施例では、第２図に示すようにΔＴは15の区間に
分割して、冷却装置20の能力を最小P0からP0の倍数で最
大15P0までの15段階に制御する。

たとえば、ΔT6とΔT7との間の温度差ΔTX1が検出さ
れると、冷却能力が6P0となるように、冷却能力2P0の熱
交換ユニット2bと冷却能力4P0の熱交換ユニット2cの２
台を運転させるように制御が行われる。

また、被冷却体10である電子機器の機器構成の変化に
より負荷が変動して、ΔT11とΔT12との間の温度差ΔTX
2が検出されると、冷却能力が11P0となるように冷却能
力8P0の熱交換ユニット2aと冷却能力2P0の熱交換ユニッ
ト2cと冷却能力P0の熱交換ユニット2dの３台を運転させ
るように、第１の制御回路24による制御が行われる。

しかしながら、第１の制御回路24だけの制御である
と、最大P0だけ冷却能力の不足になる場合があるので、
次に述べるように、第２の制御回路25で、熱交換ユニッ
ト2eの運転／停止による細かい水温制御が行われる。

被冷却体10内の温度センサ23は、被冷却体10内での結
露を防止する水温制御とするために、被冷却体10内の雰
囲気温度を検出する。

第２の制御回路25の機能は、温度センサ23と温度セン
サ21により検出された温度との差分を、ある一定範囲に
保ように熱交換ユニット2eの運転を制御するものであ
る。

すなわち、供給側水温が雰囲気温度よりある一定限度
以上高い場合は、熱交換ユニット2eを運転して供給側水
温を下げ、かつ雰囲気温度より低くなることのないよう
に温度を制御する。

このとき、熱交換ユニット2eの冷却能力としては、他
の４台の熱交換ユニット群2a〜2dのうちの容量の最も小
さいものと同等以上のものを必要とする。これは第１の
制御回路24により、熱負荷より小さい冷却能力の熱交換
ユニット群2a〜2dの組み合わせを選択して不足冷却状態
を保つため、これを補って水温の上昇を防止するためで
ある。

第２図に示す例では、ΔTX2の温度差で熱交換ユニッ
ト2bと2cが運転されるが、（PX1−6P0）だけ冷却能力不
足となっているので、この分を熱交換ユニット2eを運転
することにより温度制御が行われる。

上記のような冷却装置20の構成およびその作動によ
り、被冷却体10の機器構成の大小による熱負荷の変動に
対して、運転する熱交換ユニット群2a〜2dの組み合わせ
を変えることにより、全ての負荷範囲にわたって、精度
のよい温度制御が可能となる。

また熱交換ユニット2eを小さくできるので、冷却装置
20を運転したときの温度変動は緩かになり、熱交換ユニ
ット群2a〜2dの運転／停止の頻度が小さくなって冷却装
置20の信頼度が向上する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、液体冷媒の供給
側温度と戻り側温度との差分および被冷却体中の雰囲気
温度と液体冷媒の供給側温度との差分により、それぞれ
冷却能力の異なる熱交換ユニットの運転を制御すること
によって、被冷却体の広範囲な熱負荷変動に対して、冷
媒の温度制御を精度よく行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる冷却装置の一実施例を示すブロ
ック系統図、第２図は温度制御の能力を表わす線図、第
３図は熱交換ユニットの構成図、第４図は従来の冷却装
置を示すブロック系統図である。 2a〜2e……熱交換ユニット、３……膨脹タンク、４……
ポンプ、10……被冷却体、20……冷却装置、21、22、23
……温度センサ、24……第１の制御回路、25……第２の
制御回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被冷却体に液体冷媒を循環供給する冷却装
   置において、 それぞれ冷却能力の異なる複数台の熱交換ユニットと、 前記液体冷媒の供給側温度を検出する第１の検出手段
   と、 前記液体冷媒の戻り側温度を検出する第２の検出手段
   と、 前記第１および第２の検出手段からの温度の差分により
   被冷却体の発熱量を算出する手段と、 被冷却体の発熱量に応じ前記熱交換ユニットの１台を除
   いた各々の作動および停止を選択する第１の制御手段
   と、 被冷却体中の雰囲気温度を検出する第３の検出手段と、 前記１台の熱交換ユニットの選択的作動によって段階的
   冷却能力の各段階間を調整し、かつ前記冷却媒体の温度
   が前記第３の検出手段からの温度に対し一定値以上高く
   なるよう保つ調整手段 とを備えることを特徴とする冷却装置。
2. 【請求項２】前記複数台の熱交換ユニットは、能力最小
   のものを２台備え、残りのユニットの能力は能力最小の
   ものの２倍、４倍……のように２の整数乗倍となるよう
   構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の冷却装置。