JP6211799B2 - 装置冷却システムおよび装置冷却システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＣＴ装置（情報通信装置）の冷却に用いて好適な装置冷却システムおよび装置冷却システムの制御方法に関する。

データセンタ等には、収納されたＩＣＴ装置を冷却する空調機が設けられている。空調機は、ＩＣＴ装置が収納されたラックの近傍まで冷気を送風しており、ＩＣＴ装置はその冷気を内部に取り込むことにより冷却されている。ＩＣＴ装置内には、ＣＰＵ（中央演算ユニット）や、電源トランス等の機器が収納されているのが一般的である。これら収納された機器から発生した熱は、直接または放熱フィン等を介して上述の冷気に放熱されている（以下、「空冷方式」と表記する。）。

近年ではＩＣＴ装置の高密度化が図られており、各機器から発生する熱量は増加する傾向にある。ＩＣＴ装置を安定して稼働させるためには、各機器を所定の温度に保つ必要がある。そのため発熱量が増加すると、発生した熱を奪いＩＣＴ装置の外側に運びだす冷気の風量を増加させる必要がある。しかしながら空気を介した放熱方法では、空気の熱伝達率などの物性により限界があることが知られていた。

これに対応する技術として、ＩＣＴ装置に収納されたＣＰＵ等の機器を、循環する水または冷媒で直接冷却する技術（以下、「液冷方式」と表記する。）が提案されている（例えば、特許文献１および２参照。）。液冷方式は空気よりも熱伝達率が高いため、空冷方式よりも放熱量を増やしやすい。さらに液冷方式は、空気を介さずに熱をＩＣＴ装置の外へ直接搬送できる点、冷媒の温度を高く設定できるため外気冷熱の利用が簡易になる点、および、機器から吸収して回収した熱を他の設備や空間で利用できる点といった利点を有しており、空冷方式よりも省エネルギ性が高いという特徴がある。

液冷方式は更に、空冷方式と比較して冷媒の運用温度を高めに設定できる特徴がある。そのため、液冷方式および空冷方式を併用する場合に、液冷方式におけるＩＣＴ装置との熱交換部と、空冷方式における空調機とを直列につなぎ、冷媒を空冷方式の空調機、液冷方式の熱交換部の順にカスケードに流す構成を採用することができる。言い換えると、空冷方式の空調機で熱交換を行った後の冷媒を液冷方式の熱交換部に導く構成を採用することができる。

この冷媒をカスケードに流す構成を採用することにより、液冷方式における冷媒の流路と、空冷方式における冷媒の流路とをパラレルに構成する場合と比較して、必要となる冷媒の循環量を減らすことができ、冷媒を循環させるために必要な動力を削減することができる。

特開２０１３−００３６３６号公報 特開２０１３−００８８８８号公報

上述の液冷方式と空冷方式とは、ＩＣＴ装置を冷却するという目的は同じであるが、具体的な冷却対象が異なるとともに、熱の伝達経路が異なっている。そのため、一つの冷媒流路によって液冷方式によるＩＣＴ装置の冷却能力と、空冷方式によるＩＣＴ装置の冷却能力と、をそれぞれ制御することは難しいという問題があった。

言い換えると、それぞれの状況において液冷方式に要求される冷却能力と、空冷方式に要求される冷却能力とは異なっているため、冷媒がカスケードに流れる構成では、冷媒の流量および温度を調整することで異なる冷却能力を満たすことは困難であった。そのため、液冷方式および空冷方式の一方における冷却能力を満たすように冷媒の流量および温度を調整すると、他方の冷却能力が不足したり、逆に過剰になったりするおそれがあった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、運転の高効率化を図るとともに、冷却能力の制御性を高めることができる装置冷却システムおよび装置冷却システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の装置冷却システムは、所定空間に収容されるとともに、前記所定空間内の空気を吸気して当該空気に熱を放出し、熱を吸収した前記空気を前記所定空間に排気する冷却対象装置を冷却する装置冷却システムであって、前記所定空間の外に配置されるとともに冷却された冷媒を供給する室外部と、前記冷却対象装置と熱的に接触して配置され、前記冷却対象装置から発生する熱を、前記室外部から供給される前記冷媒とは異なる液冷用冷媒に吸収させて冷却を行う液冷部と、前記冷媒および前記液冷用冷媒との間で熱交換を行わせる中間熱交換部と、前記中間熱交換部で熱交換が行われる前の前記冷媒を利用して前記所定空間内の前記空気の冷却を行う空冷部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明の装置冷却システムによれば、室外部から供給された冷媒は、空冷部、液冷部の順に冷却に利用された後、再び室外部に戻りカスケード利用される。そのため、空冷部および液冷部のそれぞれが別に冷媒を循環させるパラレルな構成を備えている場合と比較して、装置冷却システムの運転効率を高めやすくなる。

さらに液冷部は、室外部から供給される冷媒とは異なる液冷用冷媒を用いて冷却を行うため、冷媒を用いて冷却を行う場合と比較して、液冷部による冷却能力の調節を行いやすくなる。例えば冷媒の流量とは独立して液冷用冷媒の流量を調節することが可能となるため、液冷部における冷却能力を調節しやすくなる。

また、液冷部と比較して低温の冷媒を用いる必要がある空冷部において先に冷媒を利用した冷却を行い、その後に比較的高温の冷媒でも冷却能力を確保できる液冷部において冷媒を利用した冷却を行うため、冷媒の利用順序を逆にした場合と比較して、空冷部および液冷部における冷却能力を確保しやすくなる。

上記発明において前記空冷部は、少なくとも前記室外部との間で前記冷媒を循環させる冷媒回路を構成することが好ましい。
このように冷媒回路によって少なくとも室外部と空冷部との間で冷媒を循環させることにより、例えば、室外部および空冷部のそれぞれが別々に冷媒を循環させる構成を備える場合と比較して、装置冷却システムを構成する要素を減らすことができる。

上記発明において前記冷媒回路には、前記冷媒を圧縮する圧縮部と、圧縮された前記冷媒を減圧させる減圧部と、が少なくとも設けられ、前記冷媒は前記空冷部において蒸発することにより前記空気を冷却し、前記熱源部において凝縮することにより熱を放出することが好ましい。

このように冷媒回路を流れる冷媒として、相変化により熱を吸収・放出するものを用いることにより、相変化による熱の吸収・放出を利用しない冷媒を用いる場合と比較して、冷却対象装置を冷却する能力の向上を図ることができる。

上記発明においては、前記室外部は前記中間熱交換部との間で前記冷媒を循環させる冷媒回路を構成し、前記液冷部は前記中間熱交換部との間で前記液冷用冷媒を循環させる液冷回路を構成し、前記空冷部は前記中間熱交換部との間で前記冷媒および前記液冷用冷媒とは異なる更に別の空冷用冷媒を循環させる空冷回路を構成し、前記中間熱交換部は、前記冷媒と前記空冷用冷媒との間で熱交換を行い、前記空冷用冷媒との熱交換を行った後の前記冷媒と前記液冷用冷媒との間で熱交換を行うことが好ましい。

このように冷媒回路、液冷回路および空冷回路を設けることにより、冷媒の流量、液冷用冷媒の流量および空冷用冷媒の流量をそれぞれ独立して調節できるため、空冷部および液冷部における冷却能力の調節を行いやすくなる。

本発明の装置冷却システムの制御方法は、上記本発明の装置冷却システムの制御方法であって、前記冷却対象装置から発生する熱を前記室外部から排出させる熱処理負荷に対する前記空冷部が負担する空冷処理負荷の割合を、前記液冷部が負担する液冷処理負荷を確保した残りとすることを特徴とする。

本発明の装置冷却システムの制御方法によれば、上記本発明の装置冷却システムを用いているため、運転の高効率化を図るとともに、冷却能力の制御性を高めることができる。また、熱の搬送効率が高い液冷部により負担される液冷処理負荷を優先して確保し、その残りを比較的搬送効率が低い空冷部により負担される空冷処理負荷とするため、装置冷却システムにおける運転の高効率化を更に図ることができる。

本発明の装置冷却システムおよび装置冷却システムの制御方法によれば、室外部から供給された冷媒を空冷部、液冷部の順に冷却に利用した後、再び室外部に戻してカスケード利用するため、運転の効率化を図ることができる。さらに液冷部を、室外部から供給される冷媒とは異なる液冷用冷媒を用いて冷却を行うため冷却能力の制御性を高めることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る装置冷却システムの概略構成を説明する斜視図である。 図１の装置冷却システムの概略構成を説明する模式図である。 図１の制御部を説明するブロック図である。 熱処理負荷と液冷処理負荷および空冷処理負荷との関係を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る装置冷却システムの概略構成を説明する斜視図である。 図５の装置冷却システムの概略構成を説明する模式図である。 図５の制御部を説明するブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る装置冷却システムの概略構成を説明する斜視図である。 図８の制御部を説明するブロック図である。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る装置冷却システム１ついて図１から図４を参照しながら説明する。

本実施形態では、データセンタの空調に本発明に係る装置冷却システム１を用いた例に適用して説明する。図１に示すように、データセンタにはＩＴ（情報技術）装置やＩＣＴ（情報通信技術）装置を構成する多数のサーバやコンピュータなどの演算装置（冷却対象装置）７０が、フロア（所定空間）Ｆ内に配置されたラック７１に収納されている。装置冷却システム１は、ラック７１に収納された演算装置７０から発生する大量の熱を処理するために用いられるものである。

ラック７１は、フロアＦ内にコールドアイルＣおよびホットアイルＨを形成するように複数の並列な列をなして配置されている。このラック７１からなる列中には演算装置７０の冷却に用いられるタスク空調機７２が適宜間隔をあけて配置されている。

装置冷却システム１には、図１および図２に示すように、フロアＦ内の空気を冷却するアンビエント空調機（空冷部）１０および室外機（室外部）２０と、演算装置７０を直接冷却する液冷部３０と、アンビエント空調機１０および室外機２０を少なくとも循環する二相冷媒および液冷部３０での冷却に用いられる液冷用冷媒である冷水との間で熱交換を行う中間熱交換部４０と、制御部５０と、が主に設けられている。

アンビエント空調機１０は、フロアＦ内に配置されて室外機２０とともに蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成するものであり、フロアＦにおけるホットアイルＨの空気を吸入し、冷却した空気をコールドアイルＣに供給するものである。

演算装置７０には、フロアＦ内の空気を取り込むファンなど（図示せず）が設けられ、取り込まれた空気によって装置内の熱を発生するＣＰＵ（中央演算ユニット）などの電子部品が冷却される。冷却に用いられた空気はフロアＦに排気され、アンビエント空調機１０により再び冷却される。
アンビエント空調機１０には、室外機２０および中間熱交換部４０との間で冷媒を循環させる冷媒回路１１が配置されている。アンビエント空調機１０の内部には、冷媒回路１１に組み込まれる圧縮機（圧縮部）１２と、膨張弁（減圧部）１３と、室内熱交換器１４と、バイパス回路１５とが配置されている。さらにアンビエント空調機１０の内部には、送風部１７が配置されている。

圧縮機１２は室内熱交換器１４および後述する中間熱交換器４３において気化した冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の冷媒として吐出するものである。圧縮機１２としては旋回スクロール式の圧縮機やベーン式の圧縮機など公知の圧縮方式を用いたものを利用することができる。さらに圧縮機１２を回転駆動させる動力源としては回転数を制御可能な電動機を例示することができるが、電動機に限定するものではない。なお、圧縮機１２から吐出される冷媒の流量は制御部５０から入力される制御信号に基づいて調節される。

膨張弁１３は、室外機２０から供給された高圧の液冷媒を減圧して低圧の冷媒とし、低圧の冷媒を室内熱交換器１４や中間熱交換器４３に供給するものである。膨張弁１３としては公知の構成を用いることができ、その形式等を限定するものではない。

本実施形態では圧縮機１２および膨張弁１３がアンビエント空調機１０の内部に配置されている例に適用して説明するが、両者またはどちらか一方が室外機２０の内部に配置されていてもよく、配置位置を限定するものではない。

室内熱交換器１４は、膨張弁１３により減圧された低温の液冷媒と、送風部１７により導入されたフロアＦ内の空気との間で熱交換を行い、液冷媒を蒸発させるとともに蒸発させる際の気化熱を空気から奪い空気を冷却するものである。室内熱交換器１４としては公知の構成を用いることができる。

バイパス回路１５は、室内熱交換器１４における冷媒の流入側と流出側との間をバイパスする回路であり、膨張弁１３により減圧された冷媒の少なくとも一部を、室内熱交換器１４を迂回させて中間熱交換部４０へ導くものである。バイパス回路１５には冷媒の流量を調整する調整弁１６が設けられ、調整弁１６の開度は制御部５０から入力される制御信号に基づいて制御される。

室外機２０はフロアＦの外に配置されるものであり、アンビエント空調機１０および液冷部３０に冷却に利用される冷媒を供給するものである。室外機２０には冷媒回路１１に組み込まれる室外熱交換器２１が配置され、さらにフロアＦ外の空気を室外熱交換器２１に通風させる室外ファン２２が配置されている。

室外熱交換器２１は、圧縮機１２から吐出された高温の気体冷媒が流入するものであり、高温の気体冷媒の熱をフロアＦ外の空気へ放熱させるものである。室外熱交換器２１としては公知の構成を用いることができる。室外ファン２２は、フロアＦ外の空気を室外熱交換器２１に導くものである。

液冷部３０は、複数のラック７１のうちの液冷部３０に対応した一部のラック７１に収納された演算装置７０の内部に配置されるものであり、演算装置７０のＣＰＵなどの熱を発生する電子部品と熱伝導ができるように接触して配置されるものである。液冷部３０には液冷回路４１により液冷用冷媒が導かれ、この液冷用冷媒と上述の電子部品との間で熱交換を行い、電子部品を冷却する構成が採用されている。なお、液冷部３０における構成としては、公知の構成を用いることができ特に限定するものではない。

本実施形態では、複数のラック７１のうち液冷部３０に対応したラック７１が一部である例に適用して説明したが、全てのラック７１が液冷部３０に対応したものであってもよく、特に限定するものではない。

液冷回路４１は、中間熱交換部４０の中間熱交換器４３と液冷部３０との間で液冷用冷媒である冷水を循環させる回路である。液冷回路４１には液冷用冷媒を送出する液冷用ポンプ４２が設けられている。液冷用ポンプ４２は制御部５０から入力される制御信号に基づいて、送出する液冷用冷媒の流量を調節するものである。本実施形態では、液冷用ポンプ４２が中間熱交換部４０の内部に配置されている例に適用して説明する。

制御部５０は装置冷却システム１を統合的に制御するものであり、ＣＰＵ（中央演算ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有するマイクロコンピュータである。ＲＯＭ等に記憶されている制御プログラムは、図３に示すように、ＣＰＵを演算部５１として機能させるものであり、ＲＯＭ等を記憶部５２として機能させるものである。なお、制御部５０による装置冷却システム１の詳細な制御については後述する。

制御部５０には、冷媒温度センサ６１により測定されたアンビエント空調機１０に流入する冷媒温度の測定信号、冷媒温度センサ６２により測定されたアンビエント空調機１０から流出した冷媒温度の測定信号、液冷用冷媒温度センサ６３により測定された中間熱交換部４０に流入する液冷用冷媒温度の測定信号、液冷用冷媒温度センサ６４により測定された中間熱交換部４０から流出する冷媒温度の測定信号が、入力されている。また、制御部５０には、表面温度センサ６５により測定された演算装置７０における液冷部３０によって冷却される部分の表面温度の測定信号が入力されている。

制御部５０からは、圧縮機１２の運転状態を制御する制御信号、送風部１７から送風される空気の流量を制御する制御信号、調整弁１６の弁開度を制御する制御信号、室外ファン２２の回転周波数を制御する制御信号、液冷用ポンプ４２から送出される液冷用冷媒の流量を制御する制御信号などが主に出力されている。

次に、上記の構成からなる装置冷却システム１における演算装置７０の冷却について説明する。まず、図２を参照しながら演算装置７０の冷却時における各冷媒の流れについて説明する。演算装置７０を冷却する場合、アンビエント空調機１０によるフロアＦ内の空気を介した冷却と、液冷部３０による直接的な冷却と、が行われる。

圧縮機１２で圧縮されて高温高圧になった気体冷媒は、圧縮機１２から吐出されて室外機２０の室外熱交換器２１に流入する。室外熱交換器２１に流入した気体冷媒は、室外ファン２２により導入されたフロアＦの外の空気に熱を放出して凝縮し、高圧の液体冷媒となる。高圧の液冷媒は室外熱交換器２１から流出して膨張弁１３に導かれ、膨張弁１３において断熱膨張により減圧され低圧の冷媒となる。

膨張弁１３において減圧された冷媒は室内熱交換器１４に流入する。流入した冷媒の一部は、送風部１７により導入されたフロアＦ内の空気から熱を奪い気化して気体冷媒となる。熱を奪われて冷却された空気は、送風部１７により再びフロアＦ内へ送りだされる。

室内熱交換器１４において蒸発した気体冷媒および残りの液体冷媒は、アンビエント空調機１０から流出して中間熱交換部４０の中間熱交換器４３に流入する。残りの液体冷媒は、中間熱交換器４３において液冷用冷媒から熱を奪い気化して気体冷媒となる。気体となった冷媒は中間熱交換器４３から再び圧縮機１２に吸入され上述のサイクルを繰り返す。

その一方で、液冷用ポンプ４２により送出された液冷用冷媒は、中間熱交換器４３に流入して上述のように冷媒によって熱を奪われて冷却される。冷却された液冷用冷媒は、中間熱交換部４０から流出して複数の液冷部３０に分岐しながら流入する。本実施形態では複数の液冷部３０が並列に並んで配置されている例に適用して説明する。

液冷部３０に供給された液冷用冷媒は、液冷部３０と熱伝導可能に接触している演算装置７０の電子部品から発生した熱を吸収することにより演算装置７０を冷却する。電子部品の熱を吸収して温度が上昇した液冷用冷媒は、液冷部３０から流出して合流した後、再び液冷用ポンプ４２により中間熱交換器４３に向けて送出され、上述のサイクルを繰り返し行う。

制御部５０は、冷媒温度センサ６１および冷媒温度センサ６２により測定された冷媒温度、液冷用冷媒温度センサ６３および液冷用冷媒温度センサ６４により測定された液冷用冷媒温度、表面温度センサ６５により測定された表面温度等に基づいて、圧縮機１２や送風部１７や調整弁１６や室外ファン２２や、液冷用ポンプ４２の制御を行う。

制御部５０の演算部５１は、表面温度センサ６５から入力された表面温度や、演算装置７０における演算負荷などの情報に基づいて演算装置７０から発生する熱量を推定する。この熱量に対応して装置冷却システム１全体の熱処理負荷が求められ、図４に示すように、アンビエント空調機１０および液冷部３０のそれぞれが担う空冷処理負荷および液冷処理負荷が定められる。本実施形態では、液冷部３０による演算装置７０の冷却を優先し、アンビエント空調機１０による冷却を補助的に用いるようにアンビエント空調機１０が担う空冷処理負荷および液冷部３０が担う液冷処理負荷を定める例に適用して説明する。

なお、演算装置７０から発生する熱量を推定する方法としては、演算式を用いて推定してもよいし、予め記憶部５２に記憶してあるマップに基づいて推定してもよく、推定方法を特に限定するものではない。

制御部５０は、液冷用ポンプ４２により送りだされる液冷用冷媒の流量を調整することにより、液冷部３０が担う液冷処理負荷を制御する。液冷処理負荷は液冷用冷媒の流量と、液冷用冷媒温度センサ６３および液冷用冷媒温度センサ６４により測定された液冷用冷媒温度とに基づいて算出することができる。

また制御部５０は、送風部１７や調整弁１６を制御することにより、アンビエント空調機１０が担う空冷処理負荷を制御する。例えば、送風部１７により送風される空気の流量を増減させることにより、空冷処理負荷を増減させることができる。また、調整弁１６の弁開度を制御することにより、バイパス回路１５を流れる冷媒の流量を制御し、室内熱交換器１４に流入する冷媒の流量を制御する。これにより、室内熱交換器１４おいて空気の冷却に用いる冷媒の量を制御し、空冷処理負荷を制御することができる。

上述のように、液冷部３０による演算装置７０の冷却を優先し、アンビエント空調機１０による冷却を補助的に用いるようにアンビエント空調機１０が担う空冷処理負荷および液冷部３０が担う液冷処理負荷を定めることにより、送風部１７と比較して駆動動力が低い液冷用ポンプ４２の駆動量が多くなり、駆動動力が高い送風部１７の駆動量が少なくなる。そのため、装置冷却システム１の全体として消費されるエネルギが少なくなり、運転の高効率化が図られる。

また、液冷部３０において、液冷用ポンプ４２が故障するなどの冷却を継続できなくなる非常事態が発生した場合には、調整弁１６を閉じるとともに、送風部１７による空気の送風量を増やすことにより、熱処理負荷の全てを空冷処理負荷で補うことができる。

上記の構成の装置冷却システム１によれば、室外機２０から供給された冷媒は、アンビエント空調機１０、液冷部３０の順に冷却に利用された後、再び室外機２０に戻りカスケード利用される。そのため、アンビエント空調機１０および液冷部３０のそれぞれが別に冷媒を循環させるパラレルな構成を備えている場合と比較して、装置冷却システム１の運転効率を高めやすくなる。

液冷部３０は、室外機２０から供給される冷媒とは異なる液冷用冷媒を用いて冷却を行うため、液冷部３０が冷媒を用いて冷却を行う場合と比較して、液冷部３０による冷却能力の調節を行いやすくなる。例えば冷媒の流量とは独立して液冷用冷媒の流量を調節することが可能となるため、液冷部３０における冷却能力を調節しやすくなる。さらには、不具合により液冷部３０による冷却が困難になった場合であっても、アンビエント空調機１０による演算装置７０の冷却を継続しやすい。

冷媒回路１１を流れる冷媒として、相変化により熱を吸収・放出するフロン類などの熱媒体を用いることにより、相変化による熱の吸収・放出を利用しない水などの熱媒体を用いる場合と比較して、単位質量当たりの熱を運搬する能力が高く演算装置７０を冷却する能力の向上を図ることができる。

冷媒回路１１によって少なくとも室外機２０とアンビエント空調機１０との間で冷媒を循環させることにより、例えば、室外機２０およびアンビエント空調機１０のそれぞれが別々に冷媒を循環させる構成を備える場合と比較して、装置冷却システム１を構成する要素を減らすことができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る装置冷却システムついて図５から図７を参照しながら説明する。本実施形態の装置冷却システムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、冷却に用いられる冷媒の循環方式が異なっている。よって、本実施形態においては、図５から図７を用いて冷媒循環の周辺について説明し、その他の構成等の説明を省略する。

本実施形態の装置冷却システム１０１には、図５および図６に示すように、フロアＦ内の空気を冷却するアンビエント空調機（空冷部）１１０および中央熱源（室外部）１２０と、演算装置７０を直接冷却する液冷部３０と、中央熱源１２０により冷却される冷水（冷媒）と、アンビエント空調機１１０による冷却に用いられる空冷用冷媒および液冷部３０による冷却に用いられる液冷用冷媒との間で熱交換を行う中間熱交換部１４０と、制御部１５０と、が主に設けられている。

アンビエント空調機１１０は、フロアＦ内に配置されてフロアＦにおけるホットアイルＨの空気を吸入し、冷却した空気をコールドアイルＣに供給するものである。アンビエント空調機１１０には、空冷用冷媒が循環する空冷回路１１１に設けられた室内熱交換器１４と、フロアＦ内の空気を室内熱交換器１４に導く送風部１７と、が主に設けられている。

中央熱源１２０はフロアＦの外に配置されるものであり、アンビエント空調機１１０に用いられる空冷用冷媒、および液冷部３０に用いられる液冷用冷媒と熱交換を行う冷水を冷却するものである。中央熱源１２０と中間熱交換部１４０との間には冷水が循環する冷水回路１２１が設けられている。

中央熱源１２０には、冷水回路１２１の冷水を循環させる冷水用ポンプ１２２と、冷水の熱をフロアＦ外の空気に放熱させる室外熱交換器２１と、フロアＦ外の空気を室外熱交換器２１に通風させる室外ファン２２と、が設けられている。本実施形態では中央熱源１２０の内部に冷水用ポンプ１２２が配置されている例に適用して説明する。なお、中央熱源１２０としてはチラーやクーリングタワーなどの公知の構成の物を用いることができる。

中間熱交換部１４０には、冷水と、空冷用冷媒および液冷用冷媒との間で熱交換を行う中間熱交換器１４３と、空冷用冷媒を空冷回路１１１で循環させる空冷用ポンプ１１８と、液冷用冷媒を液冷回路４１で循環させる液冷用ポンプ４２と、が主に設けられている。中間熱交換器１４３は、中央熱源１２０から送られてきた冷媒と空冷用冷媒との間で熱交換を行った後に、冷媒と液冷用冷媒との間で熱交換を行う構成が採用されている。

制御部１５０は装置冷却システム１０１を統合的に制御するものであり、ＣＰＵ（中央演算ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有するマイクロコンピュータである。ＲＯＭ等に記憶されている制御プログラムは、図７に示すように、ＣＰＵを演算部１５１として機能させるものであり、ＲＯＭ等を記憶部１５２として機能させるものである。なお、制御部１５０による装置冷却システム１０１の詳細な制御については後述する。

制御部１５０には、冷水温度センサ１６１により測定された中央熱源１２０から流出する冷水温度の測定信号、冷水温度センサ１６２により測定された中央熱源１２０に流入する冷水温度の測定信号、空冷用冷媒温度センサ１６３により測定されたアンビエント空調機１１０に流入する空冷用冷媒温度の測定信号、空冷用冷媒温度センサ１６４により測定されたアンビエント空調機１１０から流出した空冷用冷媒温度の測定信号、液冷用冷媒温度センサ６３により測定された中間熱交換部１４０に流入する液冷用冷媒温度の測定信号、液冷用冷媒温度センサ６４により測定された中間熱交換部１４０から流出した冷媒温度の測定信号が、入力されている。また、制御部１５０には、表面温度センサ６５により測定された演算装置７０における液冷部３０によって冷却される部分の表面温度の測定信号が入力されている。

制御部１５０からは、送風部１７から送風される空気の流量を制御する制御信号、室外ファン２２の回転周波数を制御する制御信号、冷水用ポンプ１２２から送出される冷水の流量を制御する制御信号、液冷用ポンプ４２から送出される液冷用冷媒の流量を制御する制御信号、および、空冷用ポンプ１１８から送出される空冷用冷媒の流量を制御する制御信号などが主に出力されている。

次に、上記の構成からなる装置冷却システム１０１における演算装置７０の冷却について説明する。まず、図６を参照しながら演算装置７０の冷却時における各冷媒の流れについて説明する。演算装置７０を冷却する場合、第１の実施形態と同様にアンビエント空調機１１０によるフロアＦ内の空気を介した冷却と、液冷部３０による直接的な冷却と、が行われる。

冷水用ポンプ１２２から送出された冷水は、室外熱交換器２１においてフロアＦ外の空気に熱を放出して冷却される。冷却された冷水は冷水回路１２１によって中間熱交換部１４０へ導かれ、中間熱交換器１４３に流入する。中間熱交換器１４３に流入した冷水は、最初に空冷用冷媒から熱を奪い空冷用冷媒を冷却する。その後冷水は液冷用冷媒から熱を奪い、液冷用冷媒を冷却する。空冷用冷媒および液冷用冷媒から熱を奪い温度が上昇した冷水は、冷水用ポンプ１２２に吸入され上述のサイクルを繰り返す。

その一方で、空冷用ポンプ１１８から送出された空冷用冷媒は、アンビエント空調機１１０の室内熱交換器１４に流入する。室内熱交換器１４において空冷用冷媒は、送風部１７から導入されたフロアＦ内の空気から熱を奪い、当該空気を冷却する。空気を冷却して温度が上昇した空冷用冷媒は、室内熱交換器１４から中間熱交換器１４３に流入する。空冷用冷媒は、中間熱交換器１４３において冷水に冷却された後、空冷用ポンプ１１８に吸入され上述のサイクルを繰り返し行う。

また、液冷用ポンプ４２から送出された液冷用冷媒は、分岐しながら液冷部３０に流入する。液冷部３０に供給された液冷用冷媒は、液冷部３０と熱伝導可能に接触している演算装置７０の電子部品から発生した熱を吸収することにより演算装置７０を冷却する。電子部品の熱を吸収して温度が上昇した液冷用冷媒は、液冷部３０から流出して合流した後、中間熱交換部１４０に流入する。液冷用冷媒は中間熱交換部１４０において冷水に冷却された後、液冷用ポンプ４２に吸入され上述のサイクルを繰り返し行う。

制御部１５０は、冷水温度センサ１６１および冷水温度センサ１６２により測定された冷水温度、空冷用冷媒温度センサ１６３および空冷用冷媒温度センサ１６４により測定された空冷用冷媒温度、液冷用冷媒温度センサ６３および液冷用冷媒温度センサ６４により測定された液冷用冷媒温度、表面温度センサ６５により測定された表面温度等に基づいて、送風部１７や、室外ファン２２や、冷水用ポンプ１２２や、液冷用ポンプ４２や、空冷用ポンプ１１８等の制御を行う。

制御部１５０の演算部１５１は、表面温度センサ６５から入力された表面温度や、演算装置７０における演算負荷などの情報に基づいて演算装置７０から発生する熱量を推定する。この熱量に対応して装置冷却システム１０１全体の熱処理負荷が求められ、アンビエント空調機１１０および液冷部３０のそれぞれが担う空冷処理負荷および液冷処理負荷が定められる（図４参照。）。

本実施形態では、液冷部３０による演算装置７０の冷却を優先し、アンビエント空調機１１０による冷却を補助的に用いるようにアンビエント空調機１１０が担う空冷処理負荷および液冷部３０が担う液冷処理負荷を定める例に適用して説明する。

制御部１５０は、空冷用ポンプ１１８により送りだされる空冷用冷媒の流量、および、送風部１７により送風される空気の流量を調整することによりアンビエント空調機１１０が担う空冷処理負荷を制御する。同様に、液冷用ポンプ４２により送りだされる液冷用冷媒の流量を調整することにより、液冷部３０が担う液冷処理負荷を制御する。さらに、冷水用ポンプ１２２により送りだされる冷水の流量を調整することにより装置冷却システム１０１が担う熱処理負荷を制御する。

上述のように、液冷部３０による演算装置７０の冷却を優先し、アンビエント空調機１１０による冷却を補助的に用いるようにアンビエント空調機１１０が担う空冷処理負荷および液冷部３０が担う液冷処理負荷を定めることにより、送風部１７と比較して駆動動力が低い液冷用ポンプ４２の駆動量が多くなり、駆動動力が高い送風部１７の駆動量が少なくなる。そのため、装置冷却システム１０１の全体として消費されるエネルギが少なくなり、運転の高効率化が図られる。

また、液冷部３０において、液冷用ポンプ４２が故障するなどの冷却を継続できなくなる非常事態が発生した場合には、空冷用ポンプ１１８から送り出される空冷用冷媒の流量を増やすとともに、送風部１７による空気の送風量を増やすことにより、熱処理負荷の全てを空冷処理負荷で補うことができる。

上記の構成の装置冷却システム１０１によれば、中央熱源１２０から供給された冷水は、アンビエント空調機１１０、液冷部３０の順に冷却に利用された後、再び中央熱源１２０に戻りカスケード利用される。そのため、アンビエント空調機１１０および液冷部３０のそれぞれが別に冷媒を循環させるパラレルな構成を備えている場合と比較して、中央熱源１２０から供給される冷水と、中央熱源１２０に戻る得冷水との温度差（冷媒往還温度差）を大きくとることができ、装置冷却システム１０１の運転効率を高めやすくなる。

また、液冷部３０と比較して低温の冷媒を用いる必要があるアンビエント空調機１１０において先に冷水を利用した冷却を行い、その後に比較的高温の冷媒でも冷却能力を確保できる液冷部３０において冷水を利用した冷却を行うため、冷媒の利用順序を逆にした場合と比較して、アンビエント空調機１１０および液冷部３０における冷却能力を確保しやすくなる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る装置冷却システムついて図８および図９を参照しながら説明する。本実施形態の装置冷却システムの基本構成は、第２の実施形態と同様であるが、第２の実施形態とは、冷却に用いられる冷媒の循環方式が異なっている。よって、本実施形態においては、図８および図９を用いて冷媒循環の周辺について説明し、その他の構成等の説明を省略する。

本実施形態の装置冷却システム２０１には、図８に示すように、フロアＦ内の空気を冷却するアンビエント空調機（空冷部）２１０および中央熱源１２０と、演算装置７０を直接冷却する液冷部３０と、中央熱源１２０により冷却される冷水と、液冷部３０による冷却に用いられる液冷用冷媒との間で熱交換を行う中間熱交換部２４０と、制御部２５０と、が主に設けられている。

アンビエント空調機２１０は、フロアＦ内に配置されてフロアＦにおけるホットアイルＨの空気を吸入し、冷却した空気をコールドアイルＣに供給するものである。アンビエント空調機２１０には、冷水が循環する冷水回路１２１に設けられた室内熱交換器２１４と、フロアＦ内の空気を室内熱交換器２１４に導く送風部１７と、が主に設けられている。

中間熱交換部２４０には、冷水と液冷用冷媒との間で熱交換を行う中間熱交換器２４３と、液冷用冷媒を液冷回路４１で循環させる液冷用ポンプ４２と、が主に設けられている。中間熱交換器２４３は、中央熱源１２０から送られてきた冷媒と空冷用冷媒との間で熱交換を行った後に、冷媒と液冷用冷媒との間で熱交換を行うものである。

制御部２５０は装置冷却システム２０１を統合的に制御するものであり、ＣＰＵ（中央演算ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有するマイクロコンピュータである。ＲＯＭ等に記憶されている制御プログラムは、図７に示すように、ＣＰＵを演算部２５１として機能させるものであり、ＲＯＭ等を記憶部２５２として機能させるものである。なお、制御部２５０による装置冷却システム２０１の詳細な制御については後述する。

制御部２５０には、冷水温度センサ１６１により測定された中央熱源１２０から流出する冷水温度の測定信号、冷水温度センサ１６２により測定された中央熱源１２０に流入する冷水温度の測定信号、空冷用冷水温度センサ２６４により測定されたアンビエント空調機２１０から流出した冷水温度の測定信号、液冷用冷媒温度センサ６３により測定された中間熱交換部１４０に流入する液冷用冷媒温度の測定信号、液冷用冷媒温度センサ６４により測定された中間熱交換部１４０から流出した冷媒温度の測定信号が、入力されている。また、制御部２５０には、表面温度センサ６５により測定された演算装置７０における液冷部３０によって冷却される部分の表面温度の測定信号が入力されている。

制御部２５０からは、送風部１７から送風される空気の流量を制御する制御信号、室外ファン２２の回転周波数を制御する制御信号、冷水用ポンプ１２２から送出される冷水の流量を制御する制御信号、および、液冷用ポンプ４２から送出される液冷用冷媒の流量を制御する制御信号などが主に出力されている。

次に、上記の構成からなる装置冷却システム２０１における演算装置７０の冷却について説明する。まず、図８を参照しながら演算装置７０の冷却時における各冷媒の流れについて説明する。演算装置７０を冷却する場合、第３の実施形態と同様にアンビエント空調機２１０によるフロアＦ内の空気を介した冷却と、液冷部３０による直接的な冷却と、が行われる。

冷水用ポンプ１２２から送出された冷水は、室外熱交換器２１においてフロアＦ外の空気に熱を放出して冷却される。冷却された冷水は冷水回路１２１によってアンビエント空調機２１０へ導かれ、室内熱交換器２１４に流入する。室内熱交換器２１４において冷水は、送風部１７から導入されたフロアＦ内の空気から熱を奪い、当該空気を冷却する。空気を冷却して温度が上昇した冷水は、中間熱交換部２４０へ導かれ、中間熱交換器２４３に流入する。中間熱交換器２４３に流入した冷水は液冷用冷媒から熱を奪い、液冷用冷媒を冷却する。液冷用冷媒から熱を奪い温度が上昇した冷水は、冷水用ポンプ１２２に吸入され上述のサイクルを繰り返す。

また、液冷用ポンプ４２から送出された液冷用冷媒は、分岐しながら液冷部３０に流入する。液冷部３０に供給された液冷用冷媒は、液冷部３０と熱伝導可能に接触している演算装置７０の電子部品から発生した熱を吸収することにより演算装置７０を冷却する。電子部品の熱を吸収して温度が上昇した液冷用冷媒は、液冷部３０から流出して合流した後、中間熱交換部２４０に流入する。液冷用冷媒は中間熱交換部２４０において冷水に冷却された後、液冷用ポンプ４２に吸入され上述のサイクルを繰り返し行う。

制御部２５０は、冷水温度センサ１６１および冷水温度センサ１６２により測定された冷水温度、空冷用冷水温度センサ２６４により測定された冷水温度、液冷用冷媒温度センサ６３および液冷用冷媒温度センサ６４により測定された液冷用冷媒温度、表面温度センサ６５により測定された表面温度等に基づいて、送風部１７や、室外ファン２２や、冷水用ポンプ１２２や、液冷用ポンプ４２等の制御を行う。

制御部２５０の演算部２５１は、表面温度センサ６５から入力された表面温度や、演算装置７０における演算負荷などの情報に基づいて演算装置７０から発生する熱量を推定する。この熱量に対応して装置冷却システム２０１全体の熱処理負荷が求められ、アンビエント空調機２１０および液冷部３０のそれぞれが担う空冷処理負荷および液冷処理負荷が定められる（図４参照。）。

本実施形態では、液冷部３０による演算装置７０の冷却を優先し、アンビエント空調機２１０による冷却を補助的に用いるようにアンビエント空調機２１０が担う空冷処理負荷および液冷部３０が担う液冷処理負荷を定める例に適用して説明する。

制御部２５０は、送風部１７により送風される空気の流量を調整することによりアンビエント空調機２１０が担う空冷処理負荷を制御する。同様に、液冷用ポンプ４２により送りだされる液冷用冷媒の流量を調整することにより、液冷部３０が担う液冷処理負荷を制御する。さらに、冷水用ポンプ１２２により送りだされる冷水の流量を調整することにより装置冷却システム２０１が担う熱処理負荷を制御する。

上述のように、液冷部３０による演算装置７０の冷却を優先し、アンビエント空調機２１０による冷却を補助的に用いるようにアンビエント空調機２１０が担う空冷処理負荷および液冷部３０が担う液冷処理負荷を定めることにより、送風部１７と比較して駆動動力が低い液冷用ポンプ４２の駆動量が多くなり、駆動動力が高い送風部１７の駆動量が少なくなる。そのため、装置冷却システム２０１の全体として消費されるエネルギが少なくなり、運転の高効率化が図られる。

また、液冷部３０において、液冷用ポンプ４２が故障するなどの冷却を継続できなくなる非常事態が発生した場合には、冷水用ポンプ１２２から送り出される空冷用冷媒の流量を増やすとともに、送風部１７による空気の送風量を増やすことにより、熱処理負荷の全てを空冷処理負荷で補うことができる。

上記の構成の装置冷却システム２０１によれば、中央熱源１２０から供給された冷水は、アンビエント空調機２１０、液冷部３０の順に冷却に利用された後、再び中央熱源１２０に戻りカスケード利用される。そのため、アンビエント空調機２１０および液冷部３０のそれぞれが別に冷媒を循環させるパラレルな構成を備えている場合と比較して、中央熱源１２０から供給される冷水と、中央熱源１２０に戻る得冷水との温度差（冷媒往還温度差）を大きくとることができ、装置冷却システム２０１の運転効率を高めやすくなる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。本発明を上記の実施形態に適用したものに限られることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定するものではない。

１，１０１，２０１…装置冷却システム、１０，１１０，２１０…アンビエント空調機（空冷部）、１１…冷媒回路、１２…圧縮機（圧縮部）、１３…膨張弁（減圧部）、２０…室外機（室外部）、３０…液冷部、４０，１４０，２４０…中間熱交換部、４１…液冷回路、７０…演算装置（冷却対象装置）、１１１…空冷回路、１２０…中央熱源（室外部）、１２１…冷水回路、Ｆ…フロア（所定空間）

Claims (5)

1. 所定空間に収容されるとともに、前記所定空間内の空気を吸気して当該空気に熱を放出し、熱を吸収した前記空気を前記所定空間に排気する冷却対象装置を冷却する装置冷却システムであって、
   前記所定空間の外に配置されるとともに冷却された冷媒を供給する室外部と、
   前記冷却対象装置と熱的に接触して配置され、前記冷却対象装置から発生する熱を、前記室外部から供給される前記冷媒とは異なる液冷用冷媒に吸収させて冷却を行う液冷部と、
   前記冷媒および前記液冷用冷媒との間で熱交換を行わせる中間熱交換部と、
   前記中間熱交換部で熱交換が行われる前の前記冷媒を利用して前記所定空間内の前記空気の冷却を行う空冷部と、
   が設けられていることを特徴とする装置冷却システム。
2. 前記空冷部は、少なくとも前記室外部との間で前記冷媒を循環させる冷媒回路を構成することを特徴とする請求項１記載の装置冷却システム。
3. 前記冷媒回路には、前記冷媒を圧縮する圧縮部と、圧縮された前記冷媒を減圧させる減圧部と、が少なくとも設けられ、
   前記冷媒は前記空冷部において蒸発することにより前記空気を冷却し、熱源部において凝縮することにより熱を放出することを特徴とする請求項２記載の装置冷却システム
4. 前記室外部は前記中間熱交換部との間で前記冷媒を循環させる冷媒回路を構成し、
   前記液冷部は前記中間熱交換部との間で前記液冷用冷媒を循環させる液冷回路を構成し、
   前記空冷部は前記中間熱交換部との間で前記冷媒および前記液冷用冷媒とは異なる更に別の空冷用冷媒を循環させる空冷回路を構成し、
   前記中間熱交換部は、前記冷媒と前記空冷用冷媒との間で熱交換を行い、前記空冷用冷媒との熱交換を行った後の前記冷媒と前記液冷用冷媒との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１記載の装置冷却システム。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の装置冷却システムの制御方法であって、
   前記冷却対象装置から発生する熱を前記室外部から排出させる熱処理負荷に対する前記空冷部が負担する空冷処理負荷の割合を、前記液冷部が負担する液冷処理負荷を確保した残りとすることを特徴とする装置冷却システムの制御方法。

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