JP5331012B2 - 電子機器の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は電子機器の冷却システムに係り、特に、サーバルームに配置されたコンピュータやサーバ等の電子機器を、蒸発器と凝縮器とを備えた冷却システムで局所的に冷却する電子機器の冷却システムに関する。

サーバルームには、コンピュータやサーバ等の電子機器が集約された状態で多数設置される。電子機器は一般にラックマウント方式、すなわち、電子機器を機能単位別に分割して収納するラック（筐体）をキャビネットに段積みする方式で設置され、キャビネットはサーバルームの床上に多数整列配置される。

これらの電子機器は、正常な動作をするために一定の温度環境が必要とされ、高温状態になるとシステム停止等のトラブルを引き起こすおそれがある。このため、サーバルームは空調機によって一定の温度環境に管理されている。しかし、近年では、電子機器の処理速度や処理能力の急激な上昇に伴い、電子機器からの発熱量が上昇の一途をたどっており、空調機のランニングコストも大幅に増加している。

このような背景から、サーバルームに配置された電子機器を、蒸発器と凝縮器とを備えた冷却システムで局所的に冷却する冷却システムがある。特に、蒸発器と凝縮器との間で冷媒を動力なしで自然循環させる冷媒自然循環型の冷却システムがランニングコストを大幅に低減可能な冷却システムとして注目されている。

例えば特許文献１に記載される冷却システムは、蒸発器と、蒸発器よりも高所に配置された凝縮器と、をガス配管及び液配管で接続することによって構成される。この構成によれば、蒸発器で気化された冷媒ガスがガス配管を介して凝縮器に送られ、凝縮器で液化された冷媒液体が重力により落流して蒸発器に送られるので、冷媒が自然循環する。このような自然循環型の冷却システムをサーバの局所冷却に適用することでランニングコストを大幅に低減できる。この場合、凝縮器として外気と散水とにより冷媒を冷却する冷却塔を使用すれば、ランニングコストの一層の低減を図ることができる。

しかし、外気で冷却できる季節は冬期のように寒い時期に限られているため、冷却塔を使用できない場合には別の凝縮器として、冷凍機により冷却した１次冷媒との間で熱交換をする熱交換器が使用される。これにより、冷却塔と熱交換器との切換や併用により、年間を通して対応することができる。

特開２００７−１２７３１５号公報

しかしながら、冷媒自然循環型の冷却システムにおいて、凝縮器の運転を、冷却塔単独、熱交換器単独、冷却塔及び熱交換器の併用との何れかに切換運転すると、蒸発器の冷却能力不足が生じたり、蒸発器に結露が生じたりする問題が生じる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、冷媒自然循環型の冷却システムにおいて、凝縮器の運転を、冷却塔単独、熱交換器単独、冷却塔及び熱交換器の併用との何れかに切り換運転しても、蒸発器の冷却能力不足や蒸発器に結露が生じたりすることがない電子機器の冷却システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、電子機器からの排熱空気との熱交換によって冷媒を気化させて該気化熱で前記排熱空気を冷却する蒸発器と、前記蒸発器よりも高所に配置されて前記気化された冷媒を液化させる凝縮器と、の間で前記冷媒を自然循環させると共に、前記凝縮器として冷却塔と熱交換器とが前記蒸発器に対して並列に設けられた電子機器の冷却システムにおいて、前記蒸発器で気化した冷媒ガスを前記凝縮器に送る管路であって、ガス用本管の途中から前記冷却塔への第１ガス用枝管と前記熱交換器への第２ガス用枝管に分岐するガス配管と、前記凝縮器で液化した冷媒液体を前記蒸発器に送る管路であって、液体用本管の途中から前記冷却塔への第１液体用枝管と前記熱交換器への第２液体用枝管に分岐する液配管と、前記液配管に対して並列に設けられたバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられたタンクと、前記凝縮器の運転を、前記冷却塔単独、前記熱交換器単独、前記冷却塔及び熱交換器の併用の何れかの運転モードに相互に切り換える運転切換手段と、前記運転切換手段で切り換える切り換え先の管路を流れる冷媒流量が前記運転モードに応じた必要冷媒流量になるように、前記タンクと前記液配管との間で冷媒を出し入れして前記タンク液面を前記必要冷媒流量に応じた所定値に調整する冷媒流量調整手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明者は、凝縮器の運転モードを、冷却塔単独、熱交換器単独、冷却塔及び熱交換器の併用との何れかに相互に切り換えると、運転切換時に蒸発器の冷却能力不足が発生する理由を鋭意研究して次の結論を得た。即ち、蒸発器に対して冷却塔と熱交換器とを並列配置すると、冷却塔と蒸発器との間を流れる冷媒の管路容積と、熱交換器と蒸発器との間を流れる冷媒の管路容積とに違いがあり、この管路容積の違いに応じて蒸発器の冷却能力発揮に最適な必要冷媒流量が異なる。これにより、凝縮器の運転切り換え時に、冷媒自然循環型の冷却システムにおける冷媒搬送の駆動力となる液柱高さに過不足が生じるためであるとの知見を得た。即ち、液柱が高くなり過ぎると、冷媒の蒸発温度が高くなって蒸発しにくくなるので、蒸発器の冷却能力が低下する。また、液柱が低くなり過ぎると、液柱の高さが冷媒循環の駆動力となっている自然循環型の冷却システムでは駆動力不足のために冷媒の循環量が減少する。また、蒸発温度低下時には、蒸発器のコイル下方部で結露が発生する。

ここで、冷却塔と蒸発器との間を流れる冷媒液体の管路容積とは、冷却塔内の管路、液配管の管路、ガス配管の管路、及び蒸発器内の管路の合計を言う。熱交換器と蒸発器との管路容積は冷却塔内の管路が熱交換器内の管路に代わるだけで基本的には同様である。

そこで、本発明の請求項１によれば、液配管に対して並列に設けたバイパス配管にタンクを設け、冷媒流量調整手段は、運転切換手段で切り換える切り換え先の管路を流れる冷媒流量が運転モードに応じた必要冷媒流量になるように、タンクと液配管との間で冷媒を出し入れしてタンク液面を必要冷媒流量に応じた所定値に調整するようにした。

ここで、必要冷媒流量とは、例えば冷却塔と蒸発器との間で冷媒が流れる場合の管路容積に応じて蒸発器に最高の冷却性能を発揮させるために必要な冷媒流量を言う。また、運転モードに応じた必要冷媒流量とタンク液面の所定値との関係は、予め予備試験等により得ることができる。

これにより、冷却塔単独、熱交換器単独、冷却塔及び熱交換器の併用との何れの運転モードに相互に切り換えても、切り換え先の管路を直ちに最適な必要冷媒流量になるようにすることができる。したがって、運転モードに応じた最適な液柱を得ることができるので、蒸発器の冷却能力不足や蒸発器に結露が生じたりすることがない。

本発明においては、前記バイパス配管が前記第１液体用枝管と前記第２液体用枝管の何れか一方と前記液体本管とを繋ぐように形成されると共に、前記冷媒流量調整手段は、前記タンク入口に設けられた入口バルブと、前記タンク出口に設けられた出口バルブと、前記タンク液面を計測する液面計と、を備え、前記冷媒流量調整手段は、前記凝縮器の切り換え先の運転モードに応じて前記液面計の測定値が前記所定値になるように前記入口バルブ及び出口バルブの開閉を制御することが好ましい。

これは、タンクを配設するバイパス配管を冷却塔側又は熱交換器側の何れか一方に設け、タンク入口と出口のバルブを開閉してタンク液面を切り換え先の凝縮器に対応した所定値とすることで、切り換え先の管路に必要冷媒流量が流れるように構成したものである。

本発明においては、前記第１液体用枝管と前記第２液体用枝管のうち前記バイパス配管が繋がれていない枝管と前記タンク入口とを繋ぐ補助配管と、前記補助配管に設けられた補助バルブと、を備え、前記冷媒流量調整手段は、前記凝縮器の切り換え先の運転モードに応じて前記液面計の測定値が前記所定値になるように前記入口バルブ、出口バルブ、補助バルブの開閉を制御することが一層好ましい。

これは、補助配管と補助バルブを設けて冷却塔と熱交換器との両方から冷媒液体がタンクに流入するようにしたものである。

これにより、冷却塔及び熱交換器に残留する冷媒液体を確実にタンクに流入させ易くなるので、運転切り換えにおける切り換え後の必要冷媒流量をタンク液面で管理する管理精度が向上する。また、運転切り換えのバルブと冷媒流量調整のバルブとを明確に仕分けできるので、バルブ操作をシンプル化することができる。

本発明においては、前記バイパス配管のタンク入口及び前記タンク出口にはそれぞれポンプが設けられると共に、前記冷媒流量調整手段は、前記凝縮器の切り換え先の運転モードに応じて前記液面計の測定値が前記所定値になるように前記入口及び出口のバルブと前記入口及び出口のポンプとを制御することが好ましい。

これは、タンクを配設するバイパス配管を冷却塔側又は熱交換器側の何れか一方に設けた場合を前提とし、入口バルブ及び出口バルブに加えて入口ポンプ及び出口ポンプを設けるように構成したものである。

これにより、運転切り換えにおける切り換え後の必要冷媒流量をタンク液面で管理する管理精度が一層向上する。

本発明においては、前記バイパス配管のタンク入口及び前記タンク出口と前記補助配管にはそれぞれポンプが設けられると共に、前記冷媒流量調整手段は、前記凝縮器の切り換え先の運転モードに応じて前記液面計の測定値が前記所定値になるように前記タンク入口、タンク出口及び補助配管のバルブと前記タンク入口、タンク出口及び補助配管のポンプとを制御することが好ましい。

これは、補助配管と補助バルブを設けて冷却塔と熱交換器との両方から冷媒液体がタンクに流入するように構成したものを前提とし、入口バルブ、出口バルブ、及び補助バルブに加えて入口ポンプ、出口ポンプ、及び補助ポンプを設けるように構成したものである。
これにより、運転切り換えにおける切り換え後の必要冷媒流量をタンク液面で管理する管理精度が一層向上する。

以上説明したように本発明の電子機器の冷却システムによれば、冷媒自然循環型の冷却システムにおいて、凝縮器の運転を、冷却塔単独、熱交換器単独、冷却塔及び熱交換器の併用との何れかに相互に切り換え運転しても、蒸発器の冷却能力不足や蒸発器に結露が生じたりすることがない。

本発明の電子機器の冷却システムの第１の実施の形態の全体構成を説明する概念図 サーバーラックに段積みされたサーバを説明する説明図 バイパス配管に設けられたタンクの液面高さを、運転モードに対応する所定値で示す説明図 本発明の電子機器の冷却システムの第２の実施の形態の全体構成を説明する概念図 本発明の電子機器の冷却システムの第３の実施の形態の全体構成を説明する概念図

以下、添付図面に従って本発明に係る電子機器の冷却システムの好ましい実施の形態について詳説する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施形態の電子機器の冷却システム１０の全体構成を示す概念図である。

同図に示す冷却システム１０は、サーバルーム１２に設けられたサーバ１４の近傍を局所的に冷却するシステムである。また、図１では、サーバルーム１２の床面１２Ａに、４台のサーバ１４を段積みしたサーバーラック１５を２基図示しているが、実際には、多数のサーバーラック１５が配置されている。また、サーバーラック１５には、キャスター１７（図２参照）が設けられ移動可能に形成される。

図２に示すように、サーバーラック１５に段積みされたサーバ１４は、エアの吸引口１４Ａ及び排気口１４Ｂを備えるとともに、内部にファン１４Ｃを備え、このファン１４Ｃを駆動することによって、吸引口１４Ａからエアが吸引され、排気口１４Ｂからサーバ１４の排熱を伴った排熱空気１６が排気される。これにより、サーバ１４を冷却することができる。

一方、排熱空気１６をそのままサーバルーム１２に排気すると、サーバルーム１２の室温が上昇し、サーバ１４に吸い込む空気温度が高くなってしまう。したがって、排熱空気１６を蒸発器２０（図１参照）で冷却してからサーバルーム１２に排気する必要がある。

図１に示すように、冷却システム１０の基本構成は、主として蒸発器２０，凝縮器２２、２４、凝縮器２２、２４で液化された冷媒液体を蒸発器２０に流下させる液配管２６、及び蒸発器２０で気化した冷媒ガスを凝縮器２２、２４に送るガス配管２８からなる冷媒の自然循環機構として構成される。

蒸発器２０はサーバ１４の排気口１４Ｂ近傍に設けられ、蒸発器２０の内部には不図示のコイルが設けられる。このコイルの外側を、サーバ排気口１４Ｂから排出された排熱空気１６が流れ、コイルの内側を冷媒液体が流れて熱交換される。この結果、コイル内の冷媒液体が排熱空気１６から気化熱を奪って蒸発するので、サーバルーム１２に排気される排熱空気１６が冷却される。これにより、サーバルーム１２の温度環境を、サーバ１４が正常に動作をするために必要な温度環境に設定できる。

凝縮器２２、２４は、蒸発器２０で気化した冷媒ガスを冷却して凝縮（液化）させる装置であり、蒸発器２０よりも高い位置、例えばサーバルーム１２の建屋屋上等に設置される。また、凝縮器２２、２４は冷却塔２２と熱交換器２４とで構成され、冷却塔２２と熱交換器２４は蒸発器２０に対して互いに並列配置される。

冷却塔２２には、冷媒が流れる冷却コイル２２Ａが収納されると共に、冷却コイル２２Ａの上方には水を冷却コイル２２Ａに散水する散水管２２Ｂが設けられる。また、散水管２２Ｂの上方にはファン２２Ｃが設けられ、外気を冷却塔側面開口から取り込んで上面開口から排出することで、散水される水と取り込まれた外気とのカンターカレントを形成する。また、散水管２２Ｂから散水されて冷却塔２２の底部に溜まった水は、循環ポンプ２２Ｄにより散水管２２Ｂに戻される。これにより、冷却コイル２２Ａ内を流れる冷媒ガスを冷却して凝縮し、冷媒液体に液化させる。

熱交換器２４は、冷凍機３０のコイル３０Ａ内を流れる一次冷媒と、熱交換器２４のコイル２４Ａ内を流れる冷媒ガスとの間で熱交換することによって冷媒ガスを凝縮して液化するように構成したものである。

蒸発器２０と凝縮器２２、２４は、液配管２６とガス配管２８とによって循環管路を形成する。即ち、液配管２６は、蒸発器２０から延びた液体用分岐管２６Ａが液体用本管２６Ｂに合流した後、液体用本管２６Ｂが冷却塔２２への第１液体用枝管２６Ｃと熱交換器２４への第２液体用枝管２６Ｄに枝分かれする。そして、第１液体用枝管２６Ｃの上端は、冷却塔２２内のコイル２２Ａの一端に接続されると共に、第２液体用枝管２６Ｄの上端は、熱交換器２４内のコイル２４Ａの一端に接続される。

一方、ガス配管２８は、蒸発器２０から延びたガス用分岐管２８Ａがガス用本管２８Ｂに合流した後、ガス用本管２８Ｂが冷却塔２２への第１ガス用枝管２８Ｃと熱交換器２４への第２ガス用枝管２８Ｄに枝分かれする。そして、第１ガス用枝管２８Ｃの上端は、冷却塔２２内のコイル２２Ａの他端に接続されると共に、第２ガス用枝管２８Ｄの上端は、熱交換器２４内のコイル２４Ａの他端に接続される。

これにより、蒸発器２０で気化された冷媒ガスはガス配管２８を上昇して凝縮器である冷却塔２２及び／又は熱交換器２４に自然に送られ、この凝縮器２２，２４で液化された後、液化された冷媒は液配管２６を流下して蒸発器２０に自然に送られる。これにより、冷媒の自然循環が行われる。循環する冷媒としては、フロン、あるいは代替フロンとしてのＨＦＣ（ハイドロフロロカーボン）等を使用することができる。また、大気圧よりも低い圧力で使用するならば、水を使用することも可能である。

また、本発明における冷却システム１０には、凝縮器２２、２４の運転モードを、冷却塔２２単独、熱交換器２４単独、冷却塔２２及び熱交換器２４の併用の何れかの運転モードに相互に切換るための切換手段３１が設けられる。切換手段３１は、第１及び第２の液体用枝管２６Ｃ，２６Ｄにそれぞれ設けられた第１及び第２の液体用切換バルブ３２Ａ，３２Ｂと、第１及び第２のガス用枝管２８Ｃ，２８Ｄにそれぞれ設けられた第１及び第２のガス用切換バルブ３４Ａ，３４Ｂと、これらのバルブ３２Ａ，３２Ｂ，３４Ａ，３４Ｂを制御する切換コントローラ３６と、によって構成される。第１及び第２の液体用切換バルブ３２Ａ，３２Ｂ及び第１及び第２のガス用切換バルブ３４Ａ，３４Ｂは、枝分かれする近傍に設けられることが好ましい。

そして、例えば、外気温度が低く冷却塔２２の冷却能力の大きな冬場は冷却塔２２の単独運転が行われる。この場合、切換コントローラ３６は、第２液体用切換バルブ３２Ｂと第２ガス用切換バルブ３４Ｂを閉成し、第１液体用切換バルブ３２Ａと第１ガス用切換バルブ３４Ａを開成し、蒸発器２０と冷却塔２２とを繋ぐ循環管路に冷媒を自然循環させる。

また、外気温度が高い夏場は冷却塔２２が使用できないので、熱交換器２４の単独運転が行われる。この場合、切換コントローラ３６は、第１液体用切換バルブ３２Ａと第１ガス用切換バルブ３４Ａを閉成し、第２液体用切換バルブ３２Ｂと第２ガス用切換バルブ３４Ｂを開成して、蒸発器２０と熱交換器２４とを繋ぐ循環管路に冷媒を自然循環させる。

また、春や秋の中間期は、熱交換器２４の運転を主体として冷却塔２２の運転を併用することで、冷凍機３０を冷熱源とする熱交換器２４の使用を抑制し、電力コストを削減する。この場合、切換コントローラ３６は、第１液体用切換バルブ３２Ａと第１ガス用切換バルブ３４Ａを開成し、第２液体用切換バルブ３２Ｂと第２ガス用切換バルブ３４Ｂを開成して、蒸発器２０と熱交換器２４及び冷却塔２２とを繋ぐ循環管路全体に冷媒を自然循環させる。

かかる、冷却塔２２の単独運転、熱交換器２４の単独運転、冷却塔２２と熱交換器２４との併用運転とを相互に切り換える場合、蒸発器２０の冷却能力が低下したり、結露が発生したりするという問題がある。原因は、蒸発器２０に対して冷却塔２２と熱交換器２４とを並列配置すると、冷却塔２２と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路の容積と、熱交換器２４と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路の容積とに違いがあり、この管路容積の違いに応じて蒸発器の冷却能力発揮に最適な必要冷媒流量が異なる。ここで、冷却塔２２と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路は、冷却コイル２２Ａ＋第１液体用枝管２６Ｃ＋液体用本管２６Ｂ＋液体用分岐管２６Ａ＋蒸発器内コイル（図示せず）＋ガス用分岐管２８Ａ＋ガス用本管２８Ｂ＋第１ガス用枝管２８Ｃになる。また、熱交換器２４と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路は、熱交換器コイル２４Ａ＋第２液体用枝管２６Ｄ＋液体用本管２６Ｂ＋液体用分岐管２６Ａ＋蒸発器内コイル（図示せず）＋ガス用分岐管２８Ａ＋ガス用本管２８Ｂ＋第２ガス用枝管２８Ｄになる。

そこで、本発明の第１の実施の形態では、上記した冷却システム１０の基本構成に以下の構成を付加するようにした。

即ち、第１液体用枝管２６Ｃと液体用本管２６Ｂとの間に、液配管２６に対して並列にバイパス配管３８が設けられると共に、バイパス配管３８の途中にタンク４０が設けられる。タンク４０には液面計４２が設けられ、液面計４２で測定されたタンク液面高さは冷媒流量調整コントローラ４４に送られる。なお、本実施の形態では、冷却塔２２側の第１液体用枝管２６Ｃにバイパス配管３８の一端を接続するようにしたが、熱交換器２４側の第２液体用枝管２６Ｄにバイパス配管３８の一端を接続するようにしてもよい。

また、バイパス配管３８のタンク入口には入口バルブ４６が設けられると共に、タンク出口には出口バルブ４８が設けられる。これらのバルブ４６、４８の開閉は冷媒流量調整コントローラ４４によって制御される。そして、冷媒流量調整コントローラ４４は、切換コントローラ３６から信号にて入力される運転切り換え先の運転モードに応じて切り換え先の循環管路を流れる冷媒流量が運転モードに応じた必要冷媒流量になるように、タンク４０と液体用本管２６Ｂとの間で冷媒液体を出し入れしてタンク液面を必要冷媒流量に応じた所定値に調整する。

ここで、冷却塔２２の単独運転、熱交換器２４の単独運転、冷却塔２２及び熱交換器２４の併用運転（以下、単に「併用運転」という）のタンク液面の所定値は、予め予備試験等により得られた必要冷媒流量との関係で設定することができる。例えば、冷却塔２２の単独運転の予備試験の例で説明すると、タンク４０と液体用本管２６Ｂとの間で冷媒液体を出し入れして冷却塔２２と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路に流す冷媒流量を調整する。そして、蒸発器２０の冷却性能が最大になったときの冷媒流量を冷却塔単独運転での必要冷媒流量とする。更に、冷却塔２２と蒸発器２０とを繋ぐ管路に必要冷媒流量が流れたときのタンク液面高さを液面計４２で測定して冷却塔単独運転での所定値とする。これにより、冷却塔２２の単独運転、熱交換器２４の単独運転、併用運転の各運転モードでの必要冷媒流量をタンク液面で管理することができる。

したがって、冷却塔２２と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路容積が熱交換器２４と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路容積よりも大きい場合、冷却塔２２の単独運転は熱交換器２４の単独運転よりも循環管路を流れる必要冷媒流量が多くなり、その分、タンク液面高さは低くなる。また、冷却塔２２と熱交換器２４とを併用する場合には、循環管路容積が最も大きくなり、必要冷媒流量も最も多くなるので、タンク液面高さが最も低くなる。これを図３で示すと、熱交換器２４の単独運転のタンク液面高さが最も高くなり、これを所定値Ａとする。冷却塔２２の単独運転のタンク液面高さが次に高く、これを所定値Ｂとする。そして、併用運転でのタンク液面高さが最も低くなり、これを所定値Ｃとする。この場合、併用運転ではタンク４０に貯留される冷媒液体が全て冷却塔２２及び熱交換器２４と蒸発器２０とを繋ぐ管路全体に放出されて、タンク液面高さがゼロになるようにしてもよい。

次に、上記の如く構成された冷却システム１０において、冷却塔２２の単独運転、熱交換器２４の単独運転、併用運転の各運転モードを相互に切り換える場合の各バルブの操作を説明する。

なお、ここでは冷却塔２２と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路容積が熱交換器２４と蒸発器２０とを繋ぐ循環管路容積よりも大きい場合の例で説明する。また、熱交換器２４に一次冷媒を送る冷凍機３０のＯＮ−ＯＦＦ動作や、冷却塔２２のファン２２Ｃ及び散水管２２ＢのＯＮ−ＯＦＦ動作については、ここでは省略する。

（Ａ）併用運転→熱交換器の単独運転
併用運転時は第１及び第２の液体用切換バルブ３２Ａ，３２Ｂ、第１及び第２のガス用切換バルブ３４Ａ，３４Ｂが全て開成して循環管路全体に冷媒が流れており、タンク４０の液面が所定値Ｃの位置にある。この状態から切り換えを開始する。

切換コントローラ３６は、第１液体用切換バルブ３２Ａを閉成する。合わせて、切換コントローラ３６は、併用運転から熱交換器２４の単独運転に切り換える信号を冷媒流量調整コントローラ４４に送る。

信号を受けた冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク４０の入口バルブ４６を開成する。これにより、冷却塔２２で液化された冷媒液体がタンク４０に流入して循環管路全体に流れる冷媒流量が減少する。タンク４０に流入する冷媒液体のタンク液面を液面計４２で測定し、液面計４２の測定値が所定値Ａを超えたら、切換コントローラ３６は第１ガス用切換バルブ３４Ａを閉成して蒸発器２０から冷却塔２２に冷媒ガスが流れないようにする。

次に、冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク４０の出口バルブ４８を開成して、タンク４０に貯留された冷媒液体を液体用本管２６Ｂに流出させる。このとき、入口バルブ４６を開成したままにすることで、冷却塔２２内に残留する冷媒液体を全てタンク４０に流入させる。

そして、液面計４２の測定値が熱交換器２４の単独運転でのタンク液面高さである所定値Ａになったら出口バルブ４８を閉成する。

冷媒流量調整コントローラ４４は、最後に入口バルブ４６を閉成して、併用運転から熱交換器２４の単独運転の切り換えを終了する。

これにより、併用運転の循環管路から熱交換器２４の単独運転の循環管路に切り換えることができると共に、熱交換器２４の単独運転での最適な必要冷媒流量を、切り換え後の循環管路に流すことができるので、熱交換器２４の単独運転に見合った適切な液柱を得ることができる。

（Ｂ）併用運転→冷却塔の単独運転
併用運転時は第１及び第２の液体用切換バルブ３２Ａ，３２Ｂ、第１及び第２のガス用切換バルブ３４Ａ，３４Ｂが全て開成して循環管路全体に冷媒が流れており、タンク４０の液面が所定値Ｃの位置にある。この状態から切り換えを開始する。

切換コントローラ３６は、第２ガス用切換バルブ３４Ｂを閉成する。合わせて、切換コントローラ３６は、併用運転から冷却塔２２の単独運転に切換る信号を冷媒流量調整コントローラ４４に送る。

信号を受けた冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク４０の入口バルブ４６を開成して冷媒液体をタンク４０に流入させる。このとき、第２液体用切換バルブ３２Ｂは開成したままになっているので、熱交換器２４に残留している冷媒液体も第２液体用枝管２６Ｄ及び第１液体用枝管２６Ｃを流れてタンク４０に流入する。

次に、タンク４０に流入する液体冷媒のタンク液面を液面計４２で測定し、測定値が所定値Ｂを超えて上昇したら、切換コントローラ３６は第２液体用切換バルブ３２Ｂを閉成する。

次に、冷媒流量調整コントローラ４４は、入口バルブ４６を閉成すると共に出口バルブ４８を開成してタンク４０に貯留されている冷媒液体を液体用本管２６Ｂに流出させる。そして、液面計４２の測定値が冷却塔２２の単独運転でのタンク液面である所定値Ｂまで下がったら出口バルブ４８を閉成する。

これにより、併用運転の循環管路から冷却塔２２の単独運転の循環管路に切り換えることができると共に、冷却塔２２の単独運転での最適な必要冷媒流量を、切り換え後の循環管路に流すことができるので、冷却塔２２の単独運転に見合った適切な液柱を得ることができる。

（Ｃ）冷却塔の単独運転→熱交換器の単独運転
冷却塔２２の単独運転時は第１液体用切換バルブ３２Ａ及び第１ガス用切換バルブ３４Ａが開成し、第２液体用切換バルブ３２Ｂ及び第２ガス用切換バルブ３４Ｂが閉成し、タンク４０の液面が所定値Ｂの位置にある。この状態から切り換えを開始する。

切換コントローラ３６は、第２液体用切換バルブ３２Ｂ及び第２ガス用切換バルブ３４Ｂを開成すると共に、第１液体用切換バルブ３２Ａを閉成する。これにより、運転を開始した熱交換器２４と蒸発器２０との間を冷媒が循環する管路が開通する。このとき、第１ガス用切換バルブ３４Ａは開成しておいて蒸発器２０からの冷媒ガスが冷却塔２２に流れ冷媒ガスが液化されるようにする。これにより、蒸発器２０からの冷媒ガスの一部が熱交換器２４ではなく冷却塔２２に送られ、後記するように、冷却塔２２で液化された冷媒液体がタンク４０に流入する。この結果、熱交換器２４と蒸発器２０との間の循環管路を循環する冷媒流量が減少する。合わせて、切換コントローラ３６は、冷却塔２２の単独運転から熱交換器２４の単独運転に切り換える信号を冷媒流量調整コントローラ４４に送る。
信号を受けた冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク４０の入口バルブ４６を開成して冷却塔２２で液化された冷媒液体をタンク４０に流入させる。これにより、タンク液面は冷却塔２２の単独運転での所定値Ｂから上昇する。

また、液面計４２はタンク液面高さを測定し、測定値を冷媒流量調整コントローラ４４に送る。冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク液面が所定値Ａを超えたら第１ガス用切換バルブ３４Ａを閉成して冷却塔２２での液化を停止すると共に、入口バルブ４６を開成したままにして、冷却塔２２に残留する冷媒液体をタンク４０に流下させる。

次に、冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク４０の出口バルブ４８を開けてタンク４０に貯留されている冷媒液体を液体用本管２６Ｂに流出させる。そして、液面計４２の測定値が熱交換器２４の単独運転でのタンク液面である所定値Ａまで下がったら、出口バルブ４８を閉成し、最後に入口バルブ４６を閉成する。

これにより、冷却塔２２単独運転の循環管路から熱交換器２４単独運転の循環管路に切り換えることができると共に、熱交換器２４の単独運転での最適な必要冷媒流量を、切り換え後の循環管路に流すことができるので、熱交換器２４の単独運転に見合った適切な液柱を得ることができる。

（Ｄ）熱交換器の単独運転→冷却塔の単独運転
熱交換器２４の単独運転時は第２液体用切換バルブ３２Ｂ及び第２ガス用切換バルブ３４Ｂが開成し、第１液体用切換バルブ３２Ａ及び第１ガス用切換バルブ３４Ａが閉成し、タンク４０の液面高さが所定値Ａの位置にある。この状態から切り換えを開始する。

切換コントローラ３６は、第１液体用切換バルブ３２Ａ及び第１ガス用切換バルブ３４Ａを開成すると共に、第２ガス用切換バルブ３４Ｂを閉成する。これにより、運転を開始した冷却塔２２と蒸発器２０との間を冷媒が循環する循環管路が開通する。このとき、第２液体用切換バルブ３２Ｂは開成しておいて運転停止した熱交換器２４に残留する冷媒液体が第２液体用枝管２６Ｄ及び第１液体用枝管２６Ｃを流れ、後記するようにタンク４０に流入するようにする。合わせて、切換コントローラ３６は、熱交換器２４の単独運転から冷却塔２２の単独運転に切り換えた信号を冷媒流量調整コントローラ４４に送る。

信号を受けた冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク４０の入口バルブ４６を開成して冷媒液体（熱交換器２４の残留分も含む）をタンク４０に流入させる。液面計４２はタンク液面高さを測定し、測定値を冷媒流量調整コントローラ４４に送る。

次に、冷媒流量調整コントローラ４４は、熱交換器２４の残留分等の冷媒液体がタンク４０に流入して、タンク液面が切り換え前の所定値Ａよりも高くなるので、流入が停止したらタンク４０の入口バルブ４６及び第２液体用切換バルブ３２Ｂを閉成する。

次に、冷媒流量調整コントローラ４４は、出口バルブ４８を開成してタンク４０に貯留されている冷媒液体を液体用本管２６Ｂに流出させる。そして、液面計４２の測定値が冷却塔２２の単独運転でのタンク液面である所定値Ｂまで下がったら、出口バルブ４８を閉成し、熱交換器２４の単独運転→冷却塔２２の単独運転への切り換えを終了する。

これにより、熱交換器２４単独運転の循環管路から冷却塔２２単独運転の循環管路に切り換えることができると共に、冷却塔２２の単独運転での最適な必要冷媒流量を、切り換え後の管路に流すことができるので、冷却塔２２の単独運転に見合った適切な液柱を得ることができる。

（Ｅ）熱交換器の単独運転→併用運転
熱交換器２４の単独運転時は第２液体用切換バルブ３２Ｂ及び第２ガス用切換バルブ３４Ｂが開成し、第１液体用切換バルブ３２Ａ及び第１ガス用切換バルブ３４Ａが閉成し、タンク４０の液面が所定値Ａの位置にある。この状態から切り換えを開始する。

切換コントローラ３６は、第１液体用切換バルブ３２Ａ及び第１ガス用切換バルブ３４Ａを開成する。これにより、循環管路全体が開通する。合わせて、切換コントローラ３６は、熱交換器２４の単独運転から併用運転に切り換える信号を冷媒流量調整コントローラ４４に送る。

信号を受けた冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク４０の出口バルブ４８を開成してタンク４０に貯留されていた冷媒液体を液体用本管２６Ｂに流出させる。そして、液面計４２の測定値が併用運転のタンク液面である所定値Ｃまで下がったら出口バルブ４８を閉成する。

これにより、熱交換器２４単独運転の管路から併用運転の循環管路全体に切り換えることができると共に、併用運転での最適な必要冷媒流量を、切り換え後の管路全体に流すことができるので、併用運転に見合った適切な液柱を得ることができる。

（Ｆ）冷却塔の単独運転→併用運転
冷却塔２２の単独運転時は第１液体用切換バルブ３２Ａ及び第１ガス用切換バルブ３４Ａが開成し、第２液体用切換バルブ３２Ｂ及び第２ガス用切換バルブ３４Ｂが閉成し、タンク４０の液面が所定値Ｂの位置にある。この状態から切り換えを開始する。

切換コントローラ３６は、第２液体用及切換バルブ３２Ｂ及び第２ガス用切換バルブ３４Ｂを開成する。これにより、循環管路全体が開通する。合わせて、切換コントローラ３６は、冷却塔２２の単独運転から併用運転に切り換える信号を冷媒流量調整コントローラ４４に送る。

信号を受けた冷媒流量調整コントローラ４４は、タンク４０の出口バルブ４８を開成してタンク４０に貯留されていた冷媒液体を液体用本管２６Ｂに流出させる。そして、液面計４２の測定値が併用運転のタンク液面である所定値Ｃまで下がったら出口バルブ４８を閉成する。

これにより、冷却塔２２単独運転の循環管路から併用運転の循環管路全体に切り換えることができると共に、併用運転での最適な必要冷媒流量を、切り換え後の管路全体に流すことができるので、併用運転に見合った適切な液柱を得ることができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施形態の冷却システム１００の全体構成を示す概念図である。尚、第１の実施の形態の冷却システム１０と同様の部材及び装置は、同じ符号を付すと共に、説明は省略する。

図４に示すように、タンク４０を設けるバイパス配管３８が繋がれていない第２液体用枝管２６Ｄからタンク４０入口に補助配管５０が延設されると共に、補助配管５０には補助バルブ５２が設けられる。補助バルブ５２の開閉は冷媒流量調整コントローラ４４によって制御される。

このように、第１及び第２の液体用枝管２６Ｃ，２６Ｄの両方からタンク４０入口に冷媒液体を流入できるようにすることで、第２液体用切換バルブ３２Ａを使用することなく熱交換器２４に残留する冷媒液体をタンク４０に直接流入させることができる。したがって、熱交換器２４に残留する冷媒液体を確実にタンクに流入させ易くなるので、必要冷媒流量をタンク液面で管理する管理精度が向上する。また、運転切り換えのためのバルブ３２Ａ，３２Ｂ，３４Ａ，３４Ｂと冷媒流量調整のためのバルブ４６、４８、５２とを明確に仕分けできるので、バルブ操作をシンプル化することができる。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施形態の冷却システム２００の全体構成を示す概念図である。尚、第１の実施の形態の冷却システム１０と同様の部材及び装置は、同じ符号を付すと共に、説明は省略する。

図５に示すように、バイパス配管３８のタンク４０入口とタンク４０出口にそれぞれ入口ポンプ５４と出口ポンプ５６を配設し、入口ポンプ５４及び出口ポンプ５６のＯＮ−ＯＦＦを冷媒流量調整コントローラ４４で制御するようにしたものである。

そして、入口バルブ４６を開成すると同時に入口ポンプ５４をＯＮにし、入口バルブ４６を閉成する同時に入口ポンプ５４をＯＦＦにする。同様に、出口バルブ４８を開成すると同時に出口ポンプ５６をＯＮにし、出口バルブ４８を閉成する同時に出口ポンプ５６をＯＦＦにする。なお、ポンプ５４、５６がバルブ機能を備えているタイプのものであれば、バルブは必ずしも必要はない。

このように、タンク４０と液体用本管２６Ｂとの間での冷媒液体の出し入れを行う駆動力を、入口及び出口のバルブ４６、４８の開閉による自然流下（重力エネルギー）によらず、入口及び出口のポンプ５４、５６で強制的に行うようにした。これにより、冷却塔２２及び熱交換器２４に残留する冷媒液体を確実に且つ短時間でタンク４０に流入させることができる。更に、タンク４０内に貯留される冷媒液体を、運転モードに見合った所定値になるように短時間で精度良く液体用本管２６Ｂに流出させることができる。

これにより、運転切り換えにおける切り換え後の必要冷媒流量をタンク液面で管理する管理精度が一層向上する。

なお、図５は図１の第１の実施の形態にポンプ５４、５６を配設するようにしたが、図４の第２の実施の形態の場合には、補助配管５０にも補助ポンプ（図示せず）を配設することが好ましい。

１０、１００、２００…電子機器の冷却システム、１２…サーバルーム、１２Ａ…床面、１４…サーバ、１５…サーバーラック、１６…排熱空気、２０…蒸発器、２２…冷却塔、２４…熱交換器、２６…液配管、２８…ガス配管、３０…冷凍機、３２Ａ…第１液体用切換バルブ、３２Ｂ…第２液体用切換バルブ、３４Ａ…第１ガス用切換バルブ、３４Ｂ…第２ガス用切換バルブ、３６…切換コントローラ、３８…バイパス配管、４０…タンク、４２…液面計、４４…冷媒流量調整コントローラ、４６…入口バルブ、４８…出口バルブ、５０…補助配管、５２…補助バルブ、５４…入口ポンプ、５６…出口ポンプ

Claims (5)

1. 電子機器からの排熱空気との熱交換によって冷媒を気化させて該気化熱で前記排熱空気を冷却する蒸発器と、前記蒸発器よりも高所に配置されて前記気化された冷媒を液化させる凝縮器と、の間で前記冷媒を自然循環させると共に、前記凝縮器として冷却塔と熱交換器とが前記蒸発器に対して並列に設けられた電子機器の冷却システムにおいて、
   前記蒸発器で気化した冷媒ガスを前記凝縮器に送る管路であって、ガス用本管の途中から前記冷却塔への第１ガス用枝管と前記熱交換器への第２ガス用枝管に分岐するガス配管と、
   前記凝縮器で液化した冷媒液体を前記蒸発器に送る管路であって、液体用本管の途中から前記冷却塔への第１液体用枝管と前記熱交換器への第２液体用枝管に分岐する液配管と、
   前記液配管に対して並列に設けられたバイパス配管と、
   前記バイパス配管に設けられたタンクと、
   前記凝縮器の運転を、前記冷却塔単独、前記熱交換器単独、前記冷却塔及び熱交換器の併用の何れかの運転モードに相互に切り換える運転切換手段と、
   前記運転切換手段で切り換える切り換え先の管路を流れる冷媒流量が前記運転モードに応じた必要冷媒流量になるように、前記タンクと前記液配管との間で冷媒を出し入れして前記タンク液面を前記必要冷媒流量に応じた所定値に調整する冷媒流量調整手段と、を備えたことを特徴とする電子機器の冷却システム。
2. 前記バイパス配管が前記第１液体用枝管と前記第２液体用枝管の何れか一方と前記液体本管とを繋ぐように形成されると共に、
   前記冷媒流量調整手段は、
   前記タンク入口に設けられた入口バルブと、
   前記タンク出口に設けられた出口バルブと、
   前記タンク液面を計測する液面計と、を備え、
   前記冷媒流量調整手段は、前記凝縮器の切り替え先の運転モードに応じて前記液面計の測定値が前記所定値になるように前記入口バルブ及び出口バルブの開閉を制御することを特徴とする請求項１の電子機器の冷却システム。
3. 前記第１液体用枝管と前記第２液体用枝管のうち前記バイパス配管が繋がれていない枝管と前記タンク入口とを繋ぐ補助配管と、
   前記補助配管に設けられた補助バルブと、を備え、
   前記冷媒流量調整手段は、前記凝縮器の切り換え先の運転モードに応じて前記液面計の測定値が前記所定値になるように前記入口バルブ、出口バルブ、補助バルブの開閉を制御することを特徴とする請求項２の電子機器の冷却システム。
4. 前記バイパス配管のタンク入口及び前記タンク出口にはそれぞれポンプが設けられると共に、
   前記冷媒流量調整手段は、前記凝縮器の切り換え先の運転モードに応じて前記液面計の測定値が前記所定値になるように前記入口及び出口のバルブと前記入口及び出口のポンプとを制御することを特徴とする請求項２の電子機器の冷却システム。
5. 前記バイパス配管のタンク入口及び前記タンク出口と前記補助配管にはそれぞれポンプが設けられると共に、
   前記冷媒流量調整手段は、前記凝縮器の切り換え先の運転モードに応じて前記液面計の測定値が前記所定値になるように前記タンク入口、タンク出口及び補助配管のバルブと前記タンク入口、タンク出口及び補助配管のポンプとを制御することを特徴とする請求項３の電子機器の冷却システム。

Images