JP7137555B2 - アクティブ／パッシブ冷却システム - Google Patents

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関連出願の相互参照

本願は、米国特許法第１１９条の下、「Ａｃｔｉｖｅ／Ｐａｓｓｉｖｅ Ｔｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎ ｆｏｒ ｕｓｅ ｉｎ Ｄａｔａ Ｃｅｎｔｅｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ」という名称で、２０１６年８月２日に出願された米国仮特許出願第６２／３６９，９５７号の優先権の利益を主張し、その内容は、全体として参照により、本明細書に組み込まれる。

本発明は、冷却システム、並びに、その制御システムおよび方法に関する。特に、本発明は、アクティブモードとパッシブモードの両方のモードを有する気流冷却システムに関する。特に、例えば、データセンタの冷却システムでの利用に適する。

データセンタの稼働には、大量のエネルギーを必要とすることが多い。これらのデータセンタのサーバは、大量の熱を発生するので、それを冷却する必要がある。データセンタでのエネルギーの使用を削減するために、より効率的な冷却システムが望ましい。

ヒートパイプおよびサーモサイフォンは、密封された冷媒体積部の蒸発および凝縮によって、エネルギーを、高温の蒸発器部分から低温の凝縮器部分に伝達する装置である。冷媒の凝縮器部分から蒸発器部分への移動は、重力または毛細管力のいずれかによって生じる。これらの設備において、例えば、データセンタからの温風は、ヒートパイプの蒸発器部分を通り、そこで、封入された冷媒がデータセンタからの熱によって蒸発して、データセンタの空気を冷却し、その空気が再循環される。より低温の外気は、ヒートパイプの凝縮器部分に当たり、そこで、冷媒蒸気が凝縮され、データセンタの熱を奪う。いくつかの利用例において、外気は、ヒートパイプの凝縮器部分を通る前に、まず、蒸発冷却器を用いて断熱冷却され、より低温のヒートシンクを提供する。他の構成において、ヒートパイプの凝縮器部分に、その表面を外気が通過するのと同時に、水を噴霧して、外気湿球温度に近い温度のヒートシンクを提供しうる。

これらの設備において、ヒートパイプおよびサーモサイフォンは、外気の温度条件によって制限され、外気温度が高い場合には、十分に熱を除去しないことがありうる。そのような制限に対する１つの解決策は、ポンプを用いた冷媒システムであり、それは、直接膨張（ＤＸ）冷却システム（アクティブモード）などの機械的冷却システムを、サーモサイフォンと同様に運転する略パッシブモードで、組み込んだものである。これらのシステムは、液体冷媒を凝縮器から蒸発器に移動するポンプを含む。ポンプを用いることで、冷媒の流れを、蒸発器および凝縮器の圧力低下、並びに、重力の影響とは、独立に制御しうる。このアプローチは、大量の熱エネルギーの伝達に、ポンプが小量の電力だけを必要とするので、略パッシブなアプローチである。ポンプを用いた冷媒システムにおいて、ポンプを停止させて、弁の操作によって、圧縮機および膨張弁をシステムの冷媒流に組み入れて、システムを直接膨張冷却システムして作用するようにさせうる。

直接膨張システムは、システム設計上の制約により、概して、システムの蒸発器および凝縮器部分で、圧力が、やや低下し、システムの多数の並列な蒸発器および凝縮器の経路を通る均一な冷媒流を提供する。これらの圧力低下により、システムは、略パッシブモードで運転する場合、冷媒流体を循環させるポンプを必要とする。冷媒経路は、圧縮機システムを含むので、冷媒体積部は、潤滑油も含む必要がある。ポンプを用いた冷媒システムには、オイルが、システムのパイプの様々な長さ位置で溜まることなく、それを必要とする圧縮機に確実に戻るようにする最適な冷媒速度の実施（いわゆる「オイル管理」）など、様々な設計および運転上の制約がある。これらのオイル管理上の制約は、ポンプを用いて（略パッシブモード）運転する場合に、ポンプを用いたモードの流路と流量が、ＤＸモードでの要件と一致しないことがありうるので、問題となる。ポンプを用いたモードとＤＸモードとでは、例えば、利用できる過熱および過冷却レベル、並びに、コイルの満液レベルが異なるので、システム内の適切に運転するための冷媒体積も、かなり異なりうる。

したがって、エネルギーの使用を更に削減した冷却システムが望ましく、更に、パッシブモードでも、略パッシブモードでも、オイル管理を必要としない冷却システムも望ましい。

一態様において、本発明は、パッシブおよびアクティブモードで運転可能な気流冷却アセンブリに関する。気流冷却アセンブリは、蒸発器と、パッシブ凝縮器と、熱交換器とを含む。蒸発器は、外面を有し、一次冷媒を収容する。蒸発器は、第１の気流を、その外面へと向けさせて、第１の気流が外面へと向けられる時に、一次冷媒を液体から気体へと相変化させるように構成される。パッシブ凝縮器は、外面を有し、蒸発器に流体的に連結される。熱交換器も、蒸発器に流体的に連結される。パッシブモードにおいて、パッシブ凝縮器は、気相状態の一次冷媒を、蒸発器から受け取り、その外面へと向けられた第２の気流を受け取り、一次冷媒を気体から液体へと相変化させ、液相状態の一次冷媒を、蒸発器に供給するように構成される。アクティブモードにおいて、熱交換器は、気相状態の一次冷媒を、蒸発器から受け取り、一次冷媒からの熱を伝達して、一次冷媒を気体から液体へと相変化させ、液相状態の一次冷媒を、蒸発器に供給するように構成される。

他の態様において、本発明は、熱交換器およびパッシブ凝縮器を含む気流冷却アセンブリに関する。蒸発器は、外面を有し、一次冷媒を収容する。蒸発器は、第１の気流を、その外面へと向けさせて、第１の気流が外面へと向けられる時に、一次冷媒を液体から気体へと相変化させるように構成される。熱交換器は、蒸発器に流体的に連結され、二次冷媒を受け付けるように構成される。熱交換器は、二次冷媒を受け付ける時に、気相状態の一次冷媒を蒸発器から受け取り、一次冷媒から熱を伝達し、一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成される。パッシブ凝縮器は、外面を有し、蒸発器に流体的に接続される。パッシブ凝縮器は、第２の気流を、その外面へと向けるように構成される。パッシブ凝縮器は、熱交換器が二次冷媒を受け付けない時には、気相状態の一次冷媒を、蒸発器から受け取り、一次冷媒から熱を伝達し、一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成される。蒸発器は、液相状態の一次冷媒を、熱交換器またはパッシブ凝縮器のいずれか一方から受け取るように構成される。

更なる態様において、本発明は、蒸発器と、パッシブ凝縮器と、熱交換器とを含む気流冷却アセンブリに関する。蒸発器は、外面を有し、一次冷媒を収容する。蒸発器は、気流を、その外面へと向けさせて、気流が外面へと向けられる時に、一次冷媒を液体から気体へと相変化させるように構成される。パッシブ凝縮器は、外面を有し、蒸発器に接続される。パッシブ凝縮器は、外気を、その外面へと向けさせて、一次冷媒から熱を伝達し、一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成される。熱交換器は、蒸発器に連結され、熱を機械的冷却によって選択的に受け付けて、一次冷媒から熱を伝達し、一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成される。蒸発器は、液相状態の一次冷媒を、パッシブ凝縮器または熱交換器のいずれか一方から受け取るように構成される。蒸発器は、熱交換器が、熱を機械的冷却によって受け付ける時に、液相状態の一次冷媒を熱交換器から受け取るように構成される。

更に他の態様において、本発明は、気流冷却方法に関する。その方法は、気流を、蒸発器の外面へと向けて、その中に収容された一次冷媒を液相から気相へと変化させる工程と、熱交換器とパッシブ凝縮器のいずれか一方を選択的に利用して、一次冷媒を気相から液相へと変化させる工程とを含む。熱交換器とパッシブ凝縮器は、各々、蒸発器に連結されて、気相状態の一次冷媒を、蒸発器から受け取り、液相状態の一次冷媒を、蒸発器に供給する。

更に他の態様において、本発明は、蒸発器と、第１の凝縮器と、第２の凝縮器とを含む気流冷却アセンブリに関する。蒸発器は、外面を有し、一次冷媒を収容する。蒸発器は、第１の気流を、その外面へと向けさせて、第１の気流が外面へと向けられる時に、一次冷媒を液体から気体へと相変化させるように構成される。第１の凝縮器は、外面を有し、蒸発器に連結される。第１の凝縮器は、第２の気流を、その外面へと向けさせて、第２の気流を、その外面へと向ける時に、一次冷媒を蒸発器から受け取り、一次冷媒から熱を伝達し、一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成される。第２の凝縮器は、蒸発器に連結され、二次冷媒を受け付けるように構成される。第２の凝縮器は、二次冷媒を受け付ける時に、一次冷媒を蒸発器から受け取り、熱を一次冷媒から伝達し、一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成される。蒸発器は、液相状態の一次冷媒を、第１の凝縮器と第２の凝縮器の少なくとも１つから受け取るように構成される。

更なる態様において、本発明は、ヒートパイプおよび第２のマイクロチャネルコイルを含む改良ヒートパイプに関する。ヒートパイプは、冷媒を、その中に収容し、蒸発器部分、および、凝縮部分を有する。凝縮部分は、凝縮気流内に位置する。ヒートパイプは、第１のマイクロチャネルコイルである。第２のマイクロチャネルコイルは、ヒートパイプに流体的に連結されて、蒸気相状態の冷媒を、ヒートパイプの蒸気側端部から受け取る。第２のマイクロチャネルコイルは、ヒートパイプの凝縮部分より前段の凝縮気流内に位置する。第２のマイクロチャネルコイルは、冷媒の凝縮を容易にして、重力が凝縮した冷媒をヒートパイプの蒸発器部分へ戻し、再循環させることによって、改良熱サイフォンを、生成するように構成される。

これらの、および、その他の本発明の態様、目的、特徴、および、利点は、添付の図面と共に読まれるべき以下の例示的な実施形態の詳細な記載から、明らかになるだろう。

本発明の好適な実施形態による冷却システムを用いたデータセンタの立面図である。 図１の冷却システムの図１の２－２線に沿った断面図である。 パッシブモードで運転する本発明の好適な実施形態による気流冷却アセンブリを概略的に示している。 アクティブモードで運転する図３の気流冷却アセンブリを概略的に示している。 図３の気流冷却アセンブリで使用しうるマイクロチャネル冷却コイルを示している。 図５Ａのマイクロチャネル冷却コイルのマイクロチャネルの図５Ａの５Ｂ－５Ｂ線に沿った断面図である。 パッシブモードで運転する図３の気流冷却アセンブリの多数のループを有する冷却システムを、概略的に示している。 図６の冷却システムを概略的に示しており、気流冷却アセンブリのループの１つがアクティブモードで運転されている。 図６の冷却システムを概略的に示しており、気流冷却アセンブリのループの全てがアクティブモードで運転されている。 図４の冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。 パッシブモードで運転する本発明の第２の好適な実施形態による気流冷却アセンブリを概略的に示している。 アクティブモードで運転する図１０の気流冷却アセンブリを概略的に示している。 パッシブモードで運転する第２の実施形態の気流冷却アセンブリの代わりの構成を概略的に示している。 アクティブモードで運転する図１２の気流冷却アセンブリを概略的に示している。 図１２の気流冷却アセンブリの他の構成を概略的に示している。 図１０、１１に示した気流冷却アセンブリのループ、および、図１４に示した気流冷却アセンブリのループを有する冷却システムを、概略的に示している。 略パッシブモードで運転する他の冷却システムを概略的に示している。 アクティブモードで運転する図１６の冷却システムを概略的に示している。

図１は、本発明の好適な実施形態による冷却システム１１０を有するデータセンタ１００を示している。図２は、冷却システム１１０の図１の２－２線に沿った断面図である。冷却システム１１０を、データセンタ１００について示し、記載するが、冷却システム１１０は、この応用例に限定されず、他の適切な気流冷却の応用例で使用しうる。サーバなどの電子コンポーネントをラック１０２に載置し、データセンタ１００では、これらのラック１０２を並べて配列して、それらの間にアイル１０４、１０６を形成しうる。１つのアイル１０４は、コールドアイルであり、他の１つのアイル１０６は、ホットアイルである。冷却システムからの低温の給気１１２が、コールドアイル１０４内へと向けられる。次に、給気１１２は、コールドアイル１０４から、ラックを通り抜けて、ホットアイル１０６内へと通過する。空気は、ラック１０２を通り抜ける時に、電子コンポーネントから熱を奪って、それらを冷却し、結果的に、高温の空気がホットアイル１０６内へと通過する。次に、この空気は、高温の還気１１４として、冷却システム１１０に戻るように向けられる。給気ファン１１６を用いて、還気１１４をデータセンタ１００から引き出して、冷却システム１１０を通り抜けるように通過させ、そこで、冷却し、次に、冷却したばかりの還気１１４を、給気１１２として、データセンタ１００に戻す。

冷却システム１１０は、少なくとも１つの気流冷却アセンブリを用いて、還気１１４を冷却する。以下の実施形態に記載の気流冷却アセンブリは、気流冷却アセンブリループ、または、ループとも称しうる。図３、４は、本発明の第１の実施形態による気流冷却アセンブリ２００を示している。気流冷却アセンブリ２００は、２つのモード、つまり、パッシブモードおよびアクティブモードを有する。パッシブモードは、節約モードとも称しうる。図３は、パッシブモードの気流冷却アセンブリ２００を、概略的に示し、図４は、アクティブモードの気流冷却アセンブリ２００を、概略的に示している。気流冷却アセンブリ２００は、利用しうる外気フリークーリングシンクが、十分に熱を除去するほどには低温でない場合に、アクティブ冷却を提供する能力を有するサーモサイフォンの効率性を取り入れている。これは、２つの別々の凝縮器２１４、２１６をループ２００に含んで、そのうちの１つ（凝縮器２１４）をパッシブモードで用い、他方（凝縮器２１６）をアクティブモードで用いることによって、実現される。

気流冷却アセンブリ２００は、一次冷媒２０２を、一次冷媒ループ２１０を通して循環させる。一次冷媒２０２は、ポンプおよび圧縮機を必要とせずに、自然循環および重力によって、一次冷媒ループ２１０を通って循環する。一次冷媒２０２は、液体から気体へと相変化する任意の適切な冷媒でありうる。次に更に記載するように、一次冷媒ループ２１０は、移動部分を必要としない。その結果、一次冷媒２０２として適した利用可能な冷媒は、例えば、直接膨張（ＤＸ）冷却システムと比べて、非常に範囲が広くなり、適した冷媒は、水などの自然冷媒を含む。

一次冷媒ループ２１０は、蒸発器２１２を含み、一次冷媒２０２が、蒸発器２１２内に収容されている。本実施形態において、蒸発器２１２は、コイルであり、好ましくは、ワンパス式満液コイルである。例えば、以下に更に記載するものなどのマイクロチャネルコイル、または、フィン付き管コイルを含む、任意の適切なコイルを使用しうる。パッシブモードとアクティブモードの両方において、還気１１４は、給気ファン１１６によって、蒸発器２１２の外面へと向けられる。高温の還気１１４は、蒸発器２１２の外面を通過する時に、蒸発器２１２内の一次冷媒２０２を蒸発させる。一次冷媒２０２が、液相２０４から気体（または、蒸気）相２０６へと相変化することで、還気１１４が冷却され、それが、データセンタ１００へ、低温の給気１１２として戻ることを可能にする。次に、蒸気２０６が、蒸気パイプ２２２を通って、２つの凝縮器２１４、２１６の一方へと上昇する。

図３に示したパッシブモードでは、蒸気２０６は、一次冷媒ループ２１０内のパッシブ凝縮器２１４へと進行する。蒸発器２１２と同様に、本実施形態のパッシブ凝縮器２１４は、コイルであり、好ましくは、ワンパスコイルであり、例えば、以下に更に記載するものなどのマイクロチャネルコイル、または、管コイル（フィン付きと、フィン無しの両方）を含む、任意の適切なコイルを使用しうる。スカベンジャー空気１１８を、スカベンジャーファン１２０（図１、２を参照）によって、パッシブ凝縮器２１４の外面に亘るように引き出す。本実施形態において、スカベンジャー空気１１８は、冷却システム１１０を囲む屋外環境から引き込んだ外気である。スカベンジャー空気１１８がパッシブ凝縮器２１４の上を通る時に、パッシブ凝縮器２１４に収容された一次冷媒２０２の熱が、スカベンジャー空気１１８へと放出され、蒸気２０６を凝縮して液体２０４にする。次に、重力が、ここでは液相２０４の一次冷媒２０２を、液体冷媒配管２２４内を下方に流れさせて、蒸発器２１２に戻るようにする。スカベンジャー空気１１８は、スカベンジャーファン１２０によって、外に排気される。

外気条件が、還気１１４を給気１１２の望ましい条件（例えば、温度）まで冷却するのに不十分な場合には、図４に示したように、気流冷却アセンブリ２００を、アクティブモードで運転しうる。アクティブモードでは、一次冷媒２０２の蒸気２０６は、アクティブ凝縮器２１６で凝縮される。本実施形態において、アクティブ凝縮器２１６は、熱交換器（ＨＸ）とも称しうる。アクティブ凝縮器２１６において、熱は、一次冷媒２０２から、二次冷却システム２３０の二次冷媒２０８に伝達される。二次冷媒２０８は、例えば、冷却された（または、冷）水、または、直接膨張冷却システムで用いられる蒸気変化冷媒を含む、任意の適切な冷媒でありうる。アクティブ凝縮器２１６は、例えば、板状の熱交換器、同軸熱交換器、または、シェルアンドチューブ式熱交換器を含む、任意の適切な熱交換器でありうる。一次冷媒２０２の熱が二次冷媒２０８へ放出されると、一次冷媒２０２は、蒸気２０６から液体２０４へと凝縮する。パッシブ凝縮器２１４と同様に、次に、重力が、ここでは液相２０４の一次冷媒２０２を、液体冷媒配管２２４内を下方に流れさせて、蒸発器２１２に戻るようにする。

本実施形態において、二次冷却システム２３０は、一般的な冷却サイクルを用いた直接膨張（ＤＸ）冷却システム２３０であり、二次冷媒２０８は、そのようなシステムで用いられる任意の適切な冷媒である。直接膨張冷却システム２３０は、圧縮機２３２を含み、冷媒２０８が凝縮器２３４で冷却される前に、冷媒２０８の圧力および温度を上昇させる。本実施形態において、直接膨張冷却システム２３０の凝縮器２３４も、スカベンジャー空気１１８によって冷却しうる（図１、２を参照）。次に、冷媒２０８は、膨張弁２３６を通って、アクティブ凝縮器２１６に戻る前に、圧力および温度が低下される。

アクティブモードであっても、気流冷却アセンブリ２００は、一次冷媒ループ２１０で、ポンプ、オイル、または、圧縮機を必要とせずに運転される。気流冷却アセンブリ２００は、モード切替えのための弁が無くても、運転される。むしろ、一次冷媒２０２の蒸気２０６が、２つの凝縮器２１４、２１６のうち低温の凝縮器の方へ、自然と進行して、凝縮する。したがって、二次冷却システム２３０を作動させて、アクティブ凝縮器２１６を冷却することによって、気流冷却アセンブリ２００は、自動的に、パッシブモードからアクティブモードに切り替わり（アクティブ凝縮器２１６の温度が、パッシブ凝縮器２１４の温度より低いと仮定して）、一方、二次冷却システム２３０を作動しないようにさせることによって、ループ２００は、パッシブモードに戻るようにする。以下に記載するように、制御部２４０を用いて、二次冷却システム２３０を、作動させたり、作動しないようにさせたりしうる。移動部分がないことによる気流冷却アセンブリ２００の他の利点は、オイルを必要としないことであり、それにより、一次冷媒２０２が、一次冷媒ループ２１０内で、オイルを連行して循環させ続けるのに一般的に必要とされる冷媒速度以外の速度で、流れるのを可能にする。

図３、４では、気流冷却アセンブリ２００の凝縮器２１４、２１６を、並列に示しているが、凝縮器２１４、２１６を、直列に配列して、アクティブまたはパッシブ凝縮器２１４、２１６の一方の出口が、他方の凝縮器２１４、２１６の入口の上流側にあって、その入口へと供給するようにしてもよい。一次冷媒ループ２１０は、トラップ部２１８および／または逆止弁２２０も、各凝縮器２１４、２１６より後段に含みうる。トラップ部２１８および逆止弁２２０は、一次冷媒２０２が、所定のモードで今は運転していない凝縮器２１４、２１６を通って、逆流するのを防ぐ。

排気配管２２６は、各凝縮器２１４、２１６のトラップ部２１８より後段に配置されて、その凝縮器２１４、２１６の入口に接続されうる。これらの排気配管２２６は、一次冷媒２０２の液体２０４に連行された任意の気体を、ループの蒸気側部へと逃がすのを可能にし、それにより、液体が、重力によって、蒸発器２１２に流れるのを助ける。

蒸発器２１２内の一次冷媒２０２が蒸発する間に形成される気泡は、蒸発器２１２の流路を上昇するにつれて、液を連行しうる。連行された液体の還流配管２２８が、蒸発器２１２の出口に配置されて、蒸発器２１２の入口ヘッダーに接続され、この連行された液体が、蒸発器２１２内の沸騰流路に対向して流れる必要なく、蒸発器の入口ヘッダーに還流するのを可能にする。

本実施形態の気流冷却アセンブリ２００は、重力の助けで、自然循環で運転するので、蒸発器２１２は、いずれの凝縮器２１４、２１６より低い高さに配置されて、重力が、凝縮された一次冷媒２０２（液体２０４）を蒸発器２１２に戻すのを助けるのを可能にする。蒸発器２１２の全長に亘って、一次冷媒２０２を液相２０４に維持するのが望ましい。このように、蒸発器より上方の凝縮器２１４、２１６の高さを、液相２０４の一次冷媒２０２から十分な圧力ヘッドを提供するように十分高くして、蒸発器２１２の圧力低下を克服するようにするのが好ましい。蒸発器２１２は、水平で、蒸発器２１２の液体ヘッダーと蒸気ヘッダーが同じ水平の平面に位置してもよいが、好ましくは、蒸発器２１２は、水平面から角度αで傾斜して、蒸発器２１２の蒸気ヘッダーが液体ヘッダーより高くなるようにして、蒸気の排出を容易にしうる。好ましくは、パッシブ凝縮器２１４も、水平面から角度βで傾斜して、パッシブ凝縮器２１４の液体ヘッダーが蒸気ヘッダーより低くなるようにして、重力による凝縮液の流れを容易にしうる。パッシブ凝縮器の傾斜角度（角度β）は、流れ易い排出路を提供し、パッシブ凝縮器２１４内の一次冷媒２０２の逆流をなくすのに、充分な角度であるのが好ましい。

上記のように、蒸発器２１２、および、パッシブ凝縮器２１４は、マイクロチャネルコイルでありうる。図５Ａは、本実施形態の蒸発器２１２およびパッシブ凝縮器２１４として使用しうるマイクロチャネルコイル３００を示している。マイクロチャネルコイル３００の使用は、例えば、マイクロチャネルコイル３００の内面積が広いことで、熱伝達が促進されることを含む、多くの利点を有する。更に、マイクロチャネルコイル３００は、一次冷媒ループ２１０で必要な一次冷媒２０２の体積を、例えば、フィン付き管コイルと比べて、大きく削減する。このような一次冷媒２０２の体積の削減は、コスト削減、および、ある冷媒を用いた場合には、潜在的な温室効果ガス放出源の削減を含む多くの理由で、有益である。マイクロチャネルコイル３００は、液体側部３０２および蒸気側部３０４を有する。図５Ａに示したように、マイクロチャネルコイル３００を蒸発器２１４として用いた場合には、一次冷媒２０２の流れは、液体側部３０２から蒸気側部３０４へ（左から右へ）であり、マイクロチャネルコイル３００をパッシブ凝縮器２１４として用いた場合には、流れは反対（右から左へ）である。

マイクロチャネルコイル３００は、複数のマイクロチャネル押出部３３０によって接続された液体ヘッダー３１０および蒸気ヘッダー３２０を有する。マイクロチャネル押出部の図５Ａの５Ｂ－５Ｂ線に沿った断面を、図５Ｂに示している。マイクロチャネル押出部３３０は、外面３３２を有し、複数のマイクロチャネル３３４、３３６を含む。（図５Ａの紙面に垂直な）図５Ｂに示したように、気流が、マイクロチャネル押出部３３０の外面３３２へと、Ａ方向に向けられる。一次冷媒２０２は、マイクロチャネル３３４、３３６を通って流れる。複数のマイクロチャネル押出部３３０は、各々、マイクロチャネル押出部３３０の間に配置されたアルミニウムフィン３４０に、機械的に、ろう付けされて、熱伝達が促進される。

液体ヘッダー３１０は、液体ヘッダー３１０を液体冷媒配管２２４に接続する液体接続部３１２を含む。同様に、蒸気ヘッダー３２０も、蒸気ヘッダー３２０を蒸気パイプ２２２に接続する少なくとも１つの蒸気接続部３２２を含む。マイクロチャネルコイルを、蒸発器２１２として用いた場合には、多数の蒸気接続部３２２を有することが有益でありうる。本実施形態において、３つの蒸気接続部３２２を示している。多数の蒸気接続部３２２を使用することで、蒸気ヘッダー３２０内の蒸気の背圧を低下させて、一次冷媒ループ２１０内の自然循環流が促進される。多数の蒸気接続部３２２を、蒸発器２１２に用いた場合、対応する数の蒸気接続部３２２を、パッシブおよびアクティブ凝縮器２１４、２１６の両方に用いて、結果的に、複数の蒸気パイプ２２２が、蒸気接続部３２２を接続するようにしうる。その他に、蒸気パイプ２２２および蒸気接続部３２２について、直径の大きいパイプを用いて、蒸気の背圧を低下させて、一次冷媒ループ２１０内の自然循環流を促進させることも考えられる。例えば、Ｒ４１０ａを一次冷媒２０２として用いた場合、蒸気パイプ２２２は、蒸気相２０６の一次冷媒２０２の速度を、好ましくは、１，０００ｆｐｍ（約３０５ｍ／ｍｉｎ）未満、より好ましくは、６００ｆｐｍ（約１８３ｍ／ｍｉｎ）未満とすることが可能な大きさを有しうる。これらのヘッダーの設計上の特徴は、マイクロチャネルコイルに限定されず、フィン付き管コイルを含む、他の蒸発器および凝縮器にも利用しうる。

上記のように、本発明の冷却システム１１０は、複数の気流冷却アセンブリループ２００を含む。例えば、図１、２に示した冷却システム１１０は、４つの気流冷却アセンブリループ２００を有する。以下の多数のループの記載において、図３、４についての記載で用いたものと同じ参照番号を用い、異なるループを示すために、参照番号に文字を付け加えている。例えば、「ａ」という文字を、第１の気流冷却アセンブリループ２００ａの要素に付け、「ｂ」という文字を、第２の気流冷却アセンブリループ２００ｂの要素に付けるなどしている。

１対の蒸発器２１２ａ、２１２ｂは、還気１１４の気流に対して、他の１対の蒸発器２１２ｃ、２１２ｄと並列に配列される。各対の中では、蒸発器２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄは、直列に配列される。第１の対において、還気１１４は、その対の第２の蒸発器２１２ｂへと向けられる前に、その対の第１の蒸発器２１２ａへと向けられる。同様に、第２の対において、還気１１４は、その対の第２の蒸発器２１２ｄへと向けられる前に、その対の第１の蒸発器２１２ｃへと向けられる。対応するパッシブ凝縮器２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄは、同様に、対となるように配列され（第１の対である２１４ａ、２１４ｂ、および、第２の対である２１４ｃ、２１４ｄ）、第１の対は、第２の対と並列で、各対の中では、凝縮器は、直列に配列される。第１の対において、スカベンジャー空気１１８は、その対の第２の凝縮器２１４ｂへと向けられる前に、その対の第１の凝縮器２１４ａへと向けられ、第２の対において、その対の第２の凝縮器２１４ｄへと向けられる前に、その対の第１の凝縮器２１４ｃへと向けられる。

図１、２に示した冷却システム１１０の一構成において、冷却システム１１０は、長さが３２フィート（約９７５ｃｍ）（図１）で、幅が１０フィート２インチ（約３１０ｃｍ）（図２）の設置面積で、（スカベンジャーファン１２０を除いた）全高さが１２フィート８インチ（約３８６ｃｍ）で、密封されたものでありうる。この例において、冷却処理のために利用可能な８８ｆｔ^２（約８．２ｍ^２）のコイル面積（蒸発器２１２）がある。蒸発器２１２を、ノミナル値で５００ｆｐｍ（約１５２ｍ／ｍｉｎ）で通る場合には、設計値で、４４，０００ｓｃｆｍ（約１，２４５，９４１Ｌ／ｍｉｎ）の流量と３４８ｋＷが可能であり、結果的に、１０７ｋＷ／ｍの周辺ワット容量を実現することが可能である。蒸発器２１２のコイルの長さを、容易に延伸させて、気流量を更に増加させることで、冷却システム１１０の容量を、その幅を広くせずに高めるうるので、更に高い周辺ワット容量を実現することが可能である。

多数の気流冷却アセンブリループ２００について、任意の数の適した構成を用いうる。例えば、図６は、複数の気流冷却アセンブリループ２００を有する冷却システム１１０の他の配列を、概略的に示している。図６に示した構成において、冷却システム１１０は、４つの気流冷却アセンブリループ２００を有する。各ループ２００の蒸発器２１２ｅ、２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈは、還気１１４に対して直列に配列されているが、上記のように、蒸発器２１２ｅ、２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈは、並列に配列されてもよい。還気は、第２のループの蒸発器２１２ｆへ、第３のループの蒸発器２１２ｇへ、更に、第４のループの蒸発器２１２ｈへと、この順序で向けられる前に、まず、第１のループの蒸発器２１２ｅへと向けられる。図６に示した構成において、全部で４つのパッシブ凝縮器２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇ、２１４ｈが、スカベンジャー空気１１８に対して並列に配列されているが、上記のように、パッシブ凝縮器２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇ、２１４ｈは、直列に配列されてもよい。（本実施形態においては、直接膨張冷却システムである）二次冷却システム２３０の各凝縮器２３４ｅ、２３４ｆ、２３４ｇ、２３４ｈは、スカベンジャー空気１１８に対して直列に配列され、対応するループのパッシブ凝縮器２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇ、２１４ｈを有する。

概して、各気流冷却アセンブリループ２００の内部温度は、等温であるが、４つの気流冷却アセンブリループ２００は、各々、異なる温度および圧力で運転する。第１のループの蒸発器２１２ｅに入る空気は最も高温（還気１１４の初期温度）なので、第１のループ内の一次冷媒２０２の温度は、最も高くなる。その後に、蒸発器２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈに入る空気は、その前のループで冷却されることで、温度が低くなる。外気温度が、各気流冷却アセンブリループ２００の温度より低い場合には、図６に示したように４つのループの全てがパッシブモードで運転するパッシブモードにおいて、一次冷媒内のエネルギーは、還気１１４からスカベンジャー空気１１８に伝達される。

各ループは、パッシブモード、または、アクティブモードのいずれか一方で、選択的に運転しうる。図７は、第４のループがアクティブモードで、他の３つのループがパッシブモードで運転する冷却システム１１０を示しており、図８は、４つのループの全てがアクティブモードで運転する場合を示している。制御部２４０を用いて、冷却システム１１０を運転しうる。本実施形態において、制御部２４０は、マイクロプロセッサを用いた制御部であり、以下に更に記載する様々な機能を行うプロセッサ２４２、および、様々なデータを記憶するメモリ２４４を含んでいる。制御部２４０は、ＣＰＵとも称しうる。一実施形態において、冷却システム１１０の制御は、メモリ２４４に記憶されて、プロセッサ２４２によって実行される一連の命令を介して、行われうる。

制御部２４０は、温度センサ（「ＴＳ」）１２２に、通信自在に連結される。本実施形態において、温度センサ１２２を用いて、給気１１２の温度を監視し、温度センサ１２２が、給気１１２の温度を送信するのを、（更に、制御部２４０が、それを受信するのを）可能にしている。ループセンサ２５０も用いて、各気流冷却アセンブリループ２００の様々なパラメータを測定しうる。例えば、ループセンサ２５０は、各ループ内の一次冷媒２０２の温度および圧力を、各々、温度センサ（「ＴＳ」）２５２および圧力センサ（「ＰＳ」）２５４を用いて測定しうる。温度および圧力センサ２５２、２５４は、液体冷媒配管２２４に配置されて、一次冷媒２０２の液体２０４相での温度および圧力を監視するのが好ましい。

制御部２４０は、冷却システム１１０の他の要素とも、通信自在に連結されて、それらの要素を制御するのにも使用しうる。例えば、給気ファン１１６およびスカベンジャー空気ファン１２０を、制御部２４０と通信自在に連結して、更に、制御部２４０を用いて、還気１１４およびスカベンジャー空気１１８を、各々、蒸発器２１２ｅ、２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈ、および、凝縮器２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇ、２１４ｈへと向け、気流量を増加または減少させうる。制御部２４０を、各ループの二次冷却システム２３０ｅ、２３０ｆ、２３０ｇ、２３０ｈとも、通信自在に連結して、二次冷却システム２３０ｅ、２３０ｆ、２３０ｇ、２３０ｈを稼働させるか、または、停止させうる（作動させるか、または、作動しないようにさせうる）。

図９は、図６、７に示した冷却システム１１０の制御方法の一例を示すフローチャートである。工程Ｓ４０５において、制御部２４０は、還気１１４を蒸発器２１２ｅ、２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈへと向ける。工程Ｓ４１０において、給気温度センサ１２２を用いて、給気１１２の温度を測定し、制御部２４０は、給気１１２の温度を受信する。次に、工程Ｓ４１５において、制御部２４０は、測定した給気１１２の温度を、設定温度と比較する。設定温度は、制御部２４０に、任意の適切な方法または装置を用いて提供されうる。例えば、制御部２４０は、ユーザが望ましい給気１１２の温度を入力するのに用いるユーザインターフェイスに、通信自在に連結されて、制御部２４０は、設定温度として用いる望ましい給気１１２の温度を受信しうる。給気１１２の温度が、設定温度に等しいか（または、設定温度の適切な運転範囲内である）場合には、制御部２４０は、工程Ｓ４０５に戻り、給気１１２の温度の監視を続ける。

給気１１２の温度が低すぎる（設定温度または運転範囲の温度より低い）場合には、工程Ｓ４２０において、制御部２４０は、ループ２００のうちで、アクティブモードで運転しているものがあるかを調べる。制御部２４０は、例えば、ループの二次冷却システム２３０を作動させるか、または、作動しないようにさせる場合に、制御部２４０は、そのループのモードをメモリ２４４に記憶しうる。次に、制御部２４０は、メモリ２４４にクエリを行って、任意のループのモードを特定しうる。制御部２４０は、例えば、スカベンジャー空気１１８の流量（例えば、動作中のスカベンジャーファン１２０の速度および数）などの他の適切なパラメータを、メモリ２４４に記憶し、制御部２４０は、同様に、これらのパラメータを、調べて変更しうる。（工程Ｓ４２０において）制御部２４０が、アクティブモードのループ２００がないと判断した場合には、制御部２４０は、工程Ｓ４０５に戻って給気１１２の温度の監視を続ける前に、工程Ｓ４２５において、スカベンジャー空気１１８の気流量を、減少させる。工程Ｓ４２５（または、本明細書に記載の任意の他の工程）において、冷却システム１１０が変更された場合には、制御部２４０は、給気１１２の温度の監視を遅らせて、その変更が給気１１２の温度に影響するようにしうる。

工程Ｓ４２０において、制御部２４０が、少なくとも１つのループ２００がアクティブモードであると判断した場合には、工程Ｓ４３０において、制御部２４０は、ループ２００のうち１つの二次冷却システム２３０を作動しないようにさせる。図７に示したように、例えば、第４のループが、アクティブモードで運転している。この構成において、給気の温度が低すぎる場合には、制御部２４０は、図６に示したように、第４のループの二次冷却システム２３０ｈを作動しないようにさせ、第４のループをパッシブモードに戻す。好ましくは、制御部２４０は、還気１１４に対して最も上流側の蒸発器２１２を有するアクティブモードで運転しているループの二次冷却システム２３０を、作動しないようにさせる。次に、制御部２４０は、工程Ｓ４０５に戻り、給気１１２の温度の監視を続ける。

給気１１２の温度が高すぎる（設定温度または運転範囲の温度より高い）場合には、まず、工程Ｓ４３５において、制御部２４０は、スカベンジャー空気１１８の気流量を増加させうるかを調べる。スカベンジャー空気１１８の気流量を増加させうる（スカベンジャー空気１１８の気流量は、最大値ではない）場合には、制御部２４０は、工程Ｓ４０５に戻る前に、工程Ｓ４４０において、スカベンジャー空気１１８の気流量を、増加させる。制御部２４０は、スカベンジャー空気１１８の気流量を、例えば、スカベンジャー空気ファン１２０の速度を高めることによってを含む、任意の適切な手段を用いて、増加させうる。スカベンジャー空気１１８の気流量を増加させることができない（スカベンジャー空気１１８の気流量が最大値である）場合には、工程Ｓ４４５において、制御部２４０は、全てのループ２００がアクティブモードかを調べる。図８に示したように、全てのループがアクティブモードの場合には、冷却システム１１０は、最高冷却容量で運転しており、制御部２４０は、工程Ｓ４０５に戻る。少なくとも１つのループがパッシブモードの場合には、工程Ｓ４５０において、制御部２４０は、ループ２００のうち１つの二次冷却システム２３０を作動させる。例えば、図６に示したように、全てのループがパッシブモードで運転している場合には、制御部２４０は、第４のループの二次冷却システム２３０ｈなど、ループ２００のうち１つの二次冷却システム２３０を、作動させる。好ましくは、制御部２４０は、還気１１４に対して最も下流側の蒸発器２１２を有するパッシブモードで運転している二次冷却システム２３０を、作動させる。次に、制御部２４０は、工程Ｓ４０５に戻り、給気１１２の温度の監視を続ける。

データセンタ冷却システムについて、節約モード（本実施形態におけるパッシブモード）で、６５％以上の効率を有するのが望ましいことが多い。パッシブモードにおいて、冷媒は、一次冷媒ループ２１０内の全ての位置で、実質的に同じ圧力であり、内部温度は等温である。要求されるエネルギーバランスに基づいて、パッシブ凝縮器２１４と蒸発器２１２の熱伝達が同じ制約を受ける（凝縮器２１４および蒸発器２１２の外面に流れる空気量、並びに、それらの外面の特徴が等しい）場合には、冷媒は、蒸発器２１２とパッシブ凝縮器２１４の入口の平均に等しい温度で存在し、非理想的世界では、１つのループ２００のネット効率は、５０％未満となるだろう。蒸発器の大きさに基づいて測定した場合、５０％より高い熱交換効率を実現可能であるが、凝縮器２１４および蒸発器２１２の外面への気流量は、アンバランスである。

空気が一次冷媒ループ２１０内での流れに対向して流れる状態で、多数のループ２００を用いることで、各ループの効率は、付加的影響を与えて、１つのループの効率より高い効率を実現しうる。例えば、各々５０％の効率を有する２つのループ２００を用い、スカベンジャー空気１１８が、直列に、第１のループを通り、次に、第２のループを通り、還気１１４が反対方向に（第２のループ、次に、第１のループを通って）流れる場合、７０％より高い効率を実現しうる。しかしながら、１つのループ２００の効率が３９％に低下した場合には、２つではなく３つのループ２００を向流配置して、７０％より高いネット効率を実現しうる。上記計算は、７０°Ｆ（約２１℃）の温度を有し、１０，０００ｃｆｍ（約２８３，１６８Ｌ／ｍｉｎ）で送られたスカベンジャー空気１１８、および、１００°Ｆ（約３８℃）の温度を有し、５，０００ｃｆｍ（約１４１，５８４Ｌ／ｍｉｎ）で送られた還気１１４を用いたものである。

以下の例（例１から６）は、１つのループ２００の効率を評価するために構成されたものである。これらの評価結果を、下記の表１に示している。以下に示す例は、アンバランスな気流量を用いたものであり、スカベンジャーファン１２０は、還気１１４の蒸発器２１２へのノミナル値で５００ｆｐｍ（約１５２ｍ／ｍｉｎ）の面速に基づいて、少なくとも２：１のスカベンジャー空気１１８の還気１１４に対する気流量の比を提供するように選択された。しかしながら、次の実験例において、蒸発器２１２に亘る全気流量が５，０００ｓｃｆｍ（約１４１，５８４Ｌ／ｍｉｎ）で、パッシブ凝縮器２１４に亘る全気流量が１１，０００ｓｃｆｍ（約３１１，４８５Ｌ／ｍｉｎ）の場合に、２．２：１に近い流量比が実現された。パッシブ凝縮器２１４に亘る面速は、５００ｆｐｍ（約１５２ｍ／ｍｉｎ）だった。

第１の場合（例１）は、蒸発器２１２とパッシブ凝縮器２１４の両方について、フィン付き管（「ＦＴ」）コイルを用いた。蒸発器２１２のコイルは、満液式で、２列のワンパスコイルで、パッシブ凝縮器２１４のコイルは、３列のワンパスコイルだった。両方のコイルは、１／２インチ（約１．３ｃｍ）の管を、典型的な管配列で用い、１インチ（約２．５ｃｍ）当たり、１０のフィンを有したものだった。各コイルは、長さが５ｆｔ（約１５２ｃｍ）だった。蒸発器２１２とパッシブ凝縮器２１４の両方を、水平面に対し１５度の角度で載置して、蒸気の排出、および、重力による凝縮液の流れを容易にした。パッシブ凝縮器２１４を、その下方端部が、蒸発器２１２の上方排出部より２フィート（約６１ｃｍ）上方になるように載置した。コイルの間の蒸気配管および液体配管は、液体冷媒配管２２４には、１と１／８インチ（約２．９ｃｍ）のパイプ、蒸気パイプ２２２には、２と１／８インチ（約５．４ｃｍ）のパイプを用いて、オーバーサイズとなるようにして、冷媒の流れを抑制しないようにして、結果的な性能に影響しないようにした。Ｒ４１０ａを、冷媒として用いた。

第２の場合（例２）は、第１の場合と同じであるが、フィン付き管コイルではなく、満液式マイクロチャネルコイル（ＭＣ）を、蒸発器２１２として用いた。マイクロチャネルコイルを用いることで、１／２インチ（約１．３ｃｍ）管コイルと比べて、マイクロチャネルコイルの内部体積が大きく（４７％より大きく）削減されたので、必要な冷媒の充填量を大きく削減した。各マイクロチャネル押出部３３０は、幅が３８ｍｍで、２８のマイクロチャネル３３４、３３６を有するものだった。内側の２６のマイクロチャネル３３４の各々の幅は、０．９２ｍｍで、外側の２つのマイクロチャネル３３６（図５Ｂを参照）は、０．５５ｍｍの半径で丸まったもので、全幅は０．９４ｍｍだった。マイクロチャネル押出部３３０は、１．８ｍｍの全高さを有し、外壁厚さｔは、０．３５ｍｍだった。マイクロチャネル３３４同士を分離する内壁厚さは、０．４０ｍｍだった。６７のマイクロチャネル押出部３３０を用いて、各々、長さが１．５７ｍだった。外径が２２．２ｍｍの１つの液体接続部３１２を用い、外径が２５ｍｍの１つの蒸気接続部３２２を用いた。

第３の場合（例３）は、第２の場合と同じだが、フィン付き管コイルではなく、マイクロチャネルコイル（ＭＣ）を、パッシブ凝縮器２１４として用いた。パッシブ凝縮器２１４のためのマイクロチャネルコイルは、（例２で記載した）蒸発器２１２のマイクロチャネルコイルと同様に設計されたが、パッシブ凝縮器２１４は、１００のマイクロチャネル押出部３３０を用い、それらの長さは、各々、１．５７ｍだった。

第４の場合（例４）は、第３の場合と同じだったが、１つ（ＭＣ Ｍｏｄ）ではなく、３つの蒸気パイプ２２２および蒸気接続部３２２を用いた。例３、４のループ２００の構成を、蒸発器２１２とパッシブ凝縮器２１４の温度差を大きくした状態でも、評価した（各々、例５、６）。例５、６において、例３、４に対して、還気１１４の温度を２０°Ｆ（約１１℃）から２５°Ｆ（約１４℃）上昇させることによって、蒸発器２１２とパッシブ凝縮器２１４の温度差を増加させた。次の表１は、各例の結果を示し、表中、「蒸発器」は蒸発器２１２を表し、「凝縮器」はパッシブ凝縮器２１４を表す。

上の表１で、例１と例２を比較することで分かるように、蒸発器２１２で、フィン付き管コイルではなく、マイクロチャネルコイルを用いることで、最も大きく性能が異なり、熱交換効率が３４％から５７％に上昇した。パッシブ凝縮器２１４をマイクロチャネルコイルに変えることは、基準状態では、性能に、僅かな影響しかなかった（例２を例３と比較）。蒸発器２１２およびパッシブ凝縮器２１４を変形して、更なる蒸気接続部３２２を有することで、基準状態で、効率が３％高まった（例３を例４と比較）。蒸発器２１２とパッシブ凝縮器２１４の温度差を広げた場合、効率が低下したが（例３、４を、各々、例５、６と比較）、多数の蒸気接続部３２２を有することで、結果的に、効率の低下は小さく、全パワー伝達は、大きく増加し、５０ｋＷ近くになった。

Ｒ４１０ａの物性、および、既知の熱伝導率を用いて、一次冷媒２０２の質量流量を、蒸気および液体の比熱に基づいて、計算しうる。マイクロチャネル蒸発器２１２の場合には、熱流束の限界は、２０ｋＷの範囲だった。Ｒ４１０ａについて、液体と蒸気のエンタルピー差を用いることで、３８７ｋｇ／ｈの質量流量、および、５．８８ｍ^３／ｈの流量を計算する。１つの７／８インチ（約２．２ｃｍ）管の内径を用いると、気体の速度は、４．２ｍ／ｓである。２つの更なる蒸気接続部をコイルに加えることで、容量を５０ｋＷ増加させ、結果的に、速度は、３．１ｍ／ｓになる。したがって、実用的な目的には、Ｒ４１０ａを用いた場合、管の接続部は、最高速度が約４ｍ／ｓ未満になるような大きさを有するのが好ましい。マイクロチャネル押出部３３０内の蒸気流量は、熱交換率が５０ｋＷの場合、２．１ｍ／ｓである。他の冷媒の場合には、大きさは、その密度および速度に基づいて、異なるが、実験的に特定しうる。

例１から６の各々で、板状の熱交換器を、アクティブ凝縮器２１６として用いた。アクティブ凝縮器２１６を、パッシブ凝縮器２１４と並列に配列し、冷水を、二次冷媒２０８として用いた。アクティブモードにおいて、効率データ、および、最高パワーデータは、空気対空気データと非常に似ており、マイクロチャネル蒸発器２１２が、フィン付き管蒸発器２１２より優れていること、および、蒸気を運ぶための追加のヘッダー接続部をマイクロチャネルに加えた後に、全容量が高まることが確認された。

気流冷却アセンブリループ５００の第２の好適な実施形態を、図１０、１１に示している。本実施形態において、蒸発器５１２およびパッシブ凝縮器５１４を、ヒートパイプとして動作する一体型熱交換器５１０に組み込んでいる。蒸発器５１２は、一体型熱交換器５１０の下方部分であり、蒸発器部分５１２とも称しうる。同様に、パッシブ凝縮器５１４は、一体型熱交換器５１０の上方部分であり、凝縮器部分５１６とも称しうる。第１の実施形態と同様に、フィン付き管コイルまたはマイクロチャネルコイルを含む任意の適切な熱交換器を用いうる。本実施形態において、一体型熱交換器５１０を、２つの固定ヘッダーである、上部ヘッダー５２２、および、底部ヘッダー５２４を接続する管５１６を有するフィン付き管コイルとして示している。次に記載するように、重力も冷却処理で役割を果たし、結果的に、管５１６は、好ましくは、直立に、より好ましくは鉛直に向けられる。

パッシブモードで運転する気流冷却アセンブリ５００を、図１０に示している。高温の還気１１４は、一体型熱交換器５１０の蒸発器部分５１２へと向けられる。管５１６内に収容された一次冷媒２０２は、液相２０４から気相２０６に代わり、還気１１４から熱を奪い、結果的に、還気１１４を冷却する。一次冷媒２０２が蒸発するにつれて、蒸気２０６は、管５１６内を、熱交換器の凝縮器部分５１４まで上昇する。パッシブモードにおいて、スカベンジャー空気１１８は、凝縮器部分５１６へと向けられる。熱が、一次冷媒２０２からスカベンジャー空気１１８に放出され、一次冷媒を気相２０６から液相２０４へと凝縮させる。次に、一次冷媒２０２の液体２０４が、重力の助けで、管５１６の側部を毛管作用で下方に運ばれて、蒸発器部分５１２に戻る。

アクティブモードで運転する気流冷却アセンブリ５００を、図１１に示している。第１の実施形態の気流冷却アセンブリ２００と同様に、気流冷却アセンブリ５００の蒸発器５１２も、第２の凝縮器であるアクティブ熱交換器凝縮器２１６に接続されている。蒸気パイプ５２６は、一体型熱交換器５１０の上部ヘッダー５２２を、アクティブ凝縮器２１６と接続する。一次冷媒２０２の蒸気２０６は、蒸気パイプ５２６を通って、アクティブ凝縮器２１６まで進行する。第１の実施形態と同様に、アクティブ凝縮器において、熱が、一次冷媒２０２から二次冷却システム２３０の二次溶媒２０８に放出されて、一次冷媒２０２が、蒸気２０６から液体２０４へと相変化する。次に、重力の助けで、凝縮された液体２０４が、液体冷媒配管５２８を通って、底部ヘッダー５２４まで進行し、再循環冷媒流を確立する。

第１の実施形態と同様に、本実施形態の気流冷却アセンブリ５００も、ポンプ、オイル、圧縮機、または、弁さえも必要とせずに運転して、モード切替えを行いうる。その代わりに、二次冷却システム２３０を作動させて、アクティブ凝縮器２１６を冷却することによって、一次冷媒２０２の蒸気２０６が、低温のアクティブ凝縮器２１６へと自然に進行して、凝縮し、気流冷却アセンブリ５００は、自動的に、パッシブモードからアクティブモードに切り替わる。更に、温度センサ１２２、２５２と通信自在に連結されうる制御部２４０を用いて、本実施形態の気流冷却アセンブリ５００を制御しうる。

上記のように、一体型熱交換器５１０について用いたフィン付き管コイルの代わりに、マイクロチャネルを用いうる。しかしながら、ヒートパイプの運転のみに依存するパッシブモードでは、凝縮された液体と蒸発した気体が、マイクロチャネル押出部の小さいチャネル内で、互いに対向して流れるので、利用しうる全熱流束は限定されうる。図１２、１３は、第２の実施形態の他の構成を示しており、第２のパッシブ凝縮器５３０（第３の凝縮器）を含んでいる。本実施形態において、第３の凝縮器５３０は、スカベンジャー空気１１８に対して直列に配置されたマイクロチャネルコイルであり、一体型熱交換器５１０の凝縮器部分５１４を有している。好ましくは、第３の凝縮器５３０は、一体型熱交換器の凝縮器部分５１４の上流側に配置される。第３の凝縮器５３０は、蒸気ヘッダー５３２、および、液体ヘッダー５３４を有する。第３の凝縮器の蒸気ヘッダー５３０は、蒸気パイプ５２６によって、一体型熱交換器５１０の上部ヘッダー５２２に接続される。

（図１２に示した）パッシブモードにおいて、一次冷媒２０２の蒸気２０６は、蒸気パイプ５２６を通って、第３の熱交換器の中に流れ、そこで、一次冷媒２０２の凝縮の大部分が発生する。第１の実施形態のパッシブ凝縮器２１４と同様に、スカベンジャー空気１１８が、第３の凝縮器５３０の外面に亘って送られ、第３の凝縮器５３０に収容された一次冷媒２０２の熱が、スカベンジャー空気１１８に放出されて、蒸気２０６が凝縮されて液体２０４になる。次に、一次冷媒２０２の液体２０４は、重力の助けで、液体冷媒配管５２８を通って、底部ヘッダー５２４まで、再循環冷媒流として進行する。

（図１３に示した）アクティブモードにおいて、蒸気２０６は、低温のアクティブ凝縮器２１６へと自然に流れ、上記のように凝縮し、アクティブモードでは、第３の凝縮器５３０を通る一次冷媒２０２の流れは、あったとしても、最小限である。第１の実施形態と同様に、液体冷媒配管５２８に、蒸気トラップ部（不図示）、および／または、逆止弁２２０を含むことは、一次冷媒２０２が、所定のモードで今は運転していない凝縮器２１６、５３０を通って、逆流するのを避けるのに有益でありうる。

第２のパッシブ凝縮器５３０も、図１４に示したように、アクティブ凝縮器２１６を用いない構成で用いうる。この構成は、パッシブモードのみを有するが、蒸発器５１２は、２つの凝縮器である、一体型熱交換器５１０の凝縮部分５１４および第２のパッシブ凝縮器５３０に接続されたままである。

第１の実施形態の気流冷却アセンブリ２００と同様に、冷却システム１１０は、複数の第２の実施形態の気流冷却アセンブリ５００を含みうる。例えば、冷却システム１１０は、図１５に示したように、２つのループ５００ａ、５００ｂを含みうる。第１のループ５００ａは、図１４に示した構成と同様に、アクティブ凝縮器２１６を有さず、第２のループ５００ｂは、図１０、１１に示した構成と同様であるが、一体型熱交換器５１０ｂのためのマイクロチャネルコイルを有する。この構成において、２つの蒸発器５１２ａ、５１２ｂが、還気１１４に対して直列に配列されている。（アクティブ凝縮器２１６を有する）第２のループ５００ｂの一体型熱交換器５１０ｂは、第１のループ５００ａの一体型熱交換器５１０ａの上流側に位置している。

他の冷却システム１１０を、図１６、１７に示し、２つの気流冷却アセンブリループ６００である、第１の気流冷却アセンブリループ６００ａおよび第２の気流冷却アセンブリループ６００ｂを有しているが、１つのループを含む、任意の数のループを用いうる。上記場合と同様に、参照番号に文字を付け、要素が配置されたループを示すようにしている。この冷却システム１１０において、還気１１４は、還気１１４に対して並列に配列された２つの冷却コイル６１２ａ、６１２ｂに亘って向けられるが、冷却コイル６１２ａ、６１２ｂは、並列に配列されてもよい。還気１１４が冷却コイル６１２に亘って流れるにつれて、熱が、還気から、一次冷媒ループ６１０に収容された一次冷媒６０２に伝達され、一次冷媒６０２を加熱する。例えば、水、または、水とグリコールの混合物を含む任意の適切な一次冷媒６０２を用いうる。

一次冷媒６０２によって吸収された熱は、次に、節約モードの第２のコイル６１４、または、アクティブモードの熱交換器６１６のいずれか一方で、放出される。一次冷媒６０２は、ポンプ６１８によって、一次冷媒ループ６１０を通って循環され、第２のコイル６１４または熱交換器６１６のいずれか一方まで循環される。ダイバータバルブ６２０は、ポンプで送られた一次冷媒６０２を、モードに応じて、第２のコイル６１４または熱交換器６１６のいずれか一方に、選択的に向ける。

図１６は、節約モードの冷却システム１１０を示している。上記実施形態で記載したパッシブモードと同様に、外気の温度が、（例えば、冷却コイル６１２より後段の一次冷媒ループ６１０の位置で測定した）還気１１４から熱を吸収した後の一次冷媒６０２の温度より低い場合には、節約モードを用いる。上記実施形態と同様に、所定の温度差を与えて、いつ節約モードまたはアクティブモードを用いるかを決定しうる。節約モードにおいて、ダイバータバルブ６２０は、一次冷媒６０２を、冷却コイル６１２から第２のコイル６１４へと向けて、一次冷媒６０２を冷却する。スカベンジャー空気１１８を、スカベンジャーファン１２０によって、第２のコイル６１４の外面に亘って向ける。次に、一次冷媒６０２の熱が、一次冷媒６０２から放出され、スカベンジャー空気１１８によって吸収される。次に、一次冷媒６０２は、冷却コイル６１２に戻る。冷却コイル６１２および第２のコイル６１４は、例えば、フィン付き管コイルまたはマイクロチャネルコイルを含む任意の適切なコイルでありうる。膨張タンク６２２を、ポンプ６１８の上流側で、冷却コイル６１２より後段に、配置しうる。

図１７は、アクティブモードの冷却システム１１０を示している。上記アクティブモードと同様に、外気温度が、還気１１４から熱を吸収した後の一次冷媒６０２の温度より高いか、所定の温度差以内である場合に、本実施形態のアクティブモードを用いる。アクティブモードにおいて、ダイバータバルブ６２０は、一次冷媒６０２を、冷却コイル６１２から熱交換器６１６へと向けて、一次冷媒６０２を冷却する。次に、一次冷媒６０２の熱が、一次冷媒６０２から放出されて、二次冷却システム２３０の二次冷媒２０８によって吸収される。上記実施形態で記載したように、二次冷却システム２３０は、直接膨張冷却システムを含む任意の適切な冷却システムでありうる。次に、一次冷媒６０２は、冷却コイル６１２に戻る。

本発明を、具体的に、例示的な実施形態で記載したが、当業者には、本開示に鑑みて、多数の更なる変更例および変形例が明らかだろう。したがって、本発明は、具体的に記載したものとは他の態様で実施しうると理解されよう。したがって、本発明の例示的な実施形態は、全ての点で、例示的なものにすぎず、限定するものではないと考えられるべきであり、本発明の範囲は、ここまでの明細書の記載ではなく、本明細書にサポートされた請求項、および、その等価物によって特定されるべきである。

１００ データセンタ
１１０ 冷却システム
１１６ 空気ファン
１２０ スカベンジャーファン
２００、５００ 気流冷却アセンブリ
２０２、６０２ 一次冷媒
２０８ 二次冷媒
２１２、５１２ 蒸発器
２１４、２１６、２３４、５１４、５３０ 凝縮器
２２２、５２６ 蒸気パイプ
２３０ 直接膨張冷却システム
２３２ 圧縮機
２３６ 膨張弁
２４０ 制御部
３００ マイクロチャネルコイル
３１０、５３４ 液体ヘッダー
３１２ 液体接続部
３２０、５３２ 蒸気ヘッダー
３２２ 蒸気接続部
３３４、３３６ マイクロチャネル
５１０ 一体型熱交換器
５１４ 凝縮器部分
５２２ 上部ヘッダー
５２４ 底部ヘッダー
６１２ 冷却コイル
６１４ 第２のコイル
６１６ 熱交換器
６１８ ポンプ

Claims (30)

1. パッシブおよびアクティブモードで運転可能な気流冷却アセンブリにおいて、
   外面を有し、一次冷媒を収容して、第１の気流を前記外面へと向けさせて、前記第１の気流が該外面へと向けられる時に、前記一次冷媒を液体から気体へと相変化させるように構成された蒸発器と、
   外面を有し、前記蒸発器に流体的に連結されたパッシブ凝縮器と、
   前記蒸発器に流体的に連結された熱交換器と、
   を含み、
   前記パッシブモードにおいて、前記パッシブ凝縮器は、
   気相状態の前記一次冷媒を、前記蒸発器から受け取り、
   その前記外面へと向けられた第２の気流を受け取り、前記一次冷媒を気体から液体へと相変化させ、
   液相状態の前記一次冷媒を、前記蒸発器に供給するように構成され、
   前記アクティブモードにおいて、前記熱交換器は、
   気相状態の前記一次冷媒を、前記蒸発器から受け取り、
   前記一次冷媒からの熱を伝達して、該一次冷媒を気体から液体へと相変化させ、
   前記液相状態の一次冷媒を、前記蒸発器に供給するように構成されたものであり、
   前記蒸発器と、前記パッシブ凝縮器及び前記熱交換器とを流体的に連結する蒸気パイプが分岐し、気相状態の前記一次冷媒を、前記パッシブ凝縮器及び前記熱交換器のいずれか一方に供給し、
   前記蒸発器及び前記パッシブ凝縮器の間、並びに前記蒸発器及び前記熱交換器の間の弁を操作することなく、前記パッシブモード及び前記アクティブモードのいずれかのモードに切り替わるように構成された気流冷却アセンブリ。
2. 前記蒸発器と前記パッシブ凝縮器の少なくとも１つは、管コイルである、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
3. 前記蒸発器と前記パッシブ凝縮器の少なくとも１つは、マイクロチャネルコイルである、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
4. 前記蒸発器は、液体側部および蒸気側部を有し、更に、前記蒸気側部に、複数の蒸気接続部を有するヘッダーを含むマイクロチャネルコイルである、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
5. 前記パッシブ凝縮器は、液体側部および蒸気側部を有し、更に、前記蒸気側部に、複数の蒸気接続部を有するヘッダーを含むマイクロチャネルコイルである、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
6. 前記熱交換器は、板状の熱交換器であり、二次冷媒を利用するものである、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
7. 前記熱交換器は、同軸熱交換器であり、二次冷媒を利用するものである、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
8. 前記熱交換器は、直接膨張冷却システムによって冷却されるものである、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
9. 前記熱交換器は、冷水によって冷却されるものである、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
10. 前記気流冷却アセンブリのモードを、選択的に制御するように構成された制御部を、更に含む、請求項１に記載の気流冷却アセンブリ。
11. 前記制御部は、二次冷媒を供給して、前記熱交換器を冷却することによって、前記アクティブモードに切り替えるように構成されたものであり、
    前記制御部は、前記二次冷媒の供給を止めることによって、前記パッシブモードに切り替えるように構成されたものである、請求項１０に記載の気流冷却アセンブリ。
12. 前記制御部に通信自在に連結されて、前記第１の気流の温度を、前記蒸発器より下流側の位置で測定するように構成された気流温度センサを、更に含み、
    前記制御部は、
    前記第１の気流の温度を表す信号を、前記気流温度センサから受信し、
    前記第１の気流の温度が、設定温度より高い場合には、前記アクティブモードに切り替えるように更に構成されたものである、請求項１０に記載の気流冷却アセンブリ。
13. 前記制御部に通信自在に連結されて、前記第１の気流の温度を、前記蒸発器より下流側の位置で測定するように構成された気流温度センサを、更に含み、
    前記制御部は、
    前記第１の気流の温度を表す信号を、前記気流温度センサから受信し、
    前記第１の気流の温度が、設定温度より低い場合には、前記パッシブモードに切り替えるように更に構成されたものである、請求項１０に記載の気流冷却アセンブリ。
14. 冷却システムにおいて、
    複数の請求項１に記載の気流冷却アセンブリを、含む冷却システム。
15. 前記複数の冷却アセンブリのうち、第１の冷却アセンブリおよび第２の冷却アセンブリの前記蒸発器は、前記第１の気流に対して直列に配列されたものである、請求項１４に記載の冷却システム。
16. 前記複数の冷却アセンブリのうち、第１の冷却アセンブリおよび第２の冷却アセンブリの前記蒸発器は、前記第１の気流に対して並列に配列されたものである、請求項１４に記載の冷却システム。
17. 前記複数の冷却アセンブリのうち、第１の冷却アセンブリおよび第２の冷却アセンブリの前記パッシブ凝縮器は、前記第２の気流に対して直列に配列されたものである、請求項１４に記載の冷却システム。
18. 前記複数の冷却アセンブリのうち、第１の冷却アセンブリおよび第２の冷却アセンブリの前記パッシブ凝縮器は、前記第２の気流に対して並列に配列されたものである、請求項１４に記載の冷却システム。
19. 気流冷却アセンブリにおいて、
    外面を有し、一次冷媒を収容して、第１の気流を前記外面へと向けさせて、前記第１の気流が該外面へと向けられる時に、前記一次冷媒を液体から気体へと相変化させるように構成された蒸発器と、
    前記蒸発器に流体的に連結され、二次冷媒を受け付けるように構成され、更に、前記二次冷媒を受け付ける時に、気相状態の前記一次冷媒を該蒸発器から受け取り、該一次冷媒から熱を伝達し、該一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成された熱交換器と、
    外面を有し、前記蒸発器に流体的に接続され、第２の気流を、その前記外面へと向けるように構成され、前記熱交換器が前記二次冷媒を受け付けない時には、気相状態の前記一次冷媒を、該蒸発器から受け取り、該一次冷媒から熱を伝達し、該一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成されたパッシブ凝縮器と、
    を含み、
    前記蒸発器と、前記熱交換器及び前記パッシブ凝縮器とを流体的に連結する蒸気パイプが分岐し、気相状態の前記一次冷媒を、前記熱交換器及び前記パッシブ凝縮器のいずれか一方に供給し、
    前記蒸発器は、液相状態の前記一次冷媒を、前記熱交換器または前記パッシブ凝縮器のいずれか一方から受け取るように構成され、
    前記蒸発器及び前記パッシブ凝縮器の間、並びに前記蒸発器及び前記熱交換器の間の弁を操作することなく、前記蒸発器から前記気相状態の一次冷媒を受け取る前記熱交換器、及び前記蒸発器から前記気相状態の一次冷媒を受け取る前記パッシブ凝結器のいずれかに切り替わるように構成された気流冷却アセンブリ。
20. 気流冷却アセンブリにおいて、
    外面を有し、一次冷媒を収容して、気流を前記外面へと向けさせて、前記気流が該外面へと向けられる時に、前記一次冷媒を液体から気体へと相変化させるように構成された蒸発器と、
    外面を有し、前記蒸発器に接続され、外気を、その前記外面へと向けさせて、前記一次冷媒から熱を伝達し、該一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成されたパッシブ凝縮器と、
    前記蒸発器に連結され、熱を機械的冷却によって選択的に受け付けて、前記一次冷媒から熱を伝達し、該一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成された熱交換器と、
    を含み、
    前記熱交換器は、前記一次冷媒を前記蒸発器の代わりに前記熱交換器に向ける弁を操作することなく、前記一次冷媒からの熱を選択的に受け付けるように構成され、
    前記蒸発器と、前記パッシブ凝縮器及び前記熱交換器とを流体的に連結する蒸気パイプが分岐し、気相状態の前記一次冷媒を、前記パッシブ凝縮器及び前記熱交換器のいずれか一方に供給し、
    前記蒸発器は、液相状態の前記一次冷媒を、前記パッシブ凝縮器または前記熱交換器のいずれか一方から受け取るように構成され、該熱交換器が、熱を機械的冷却によって受け付ける時に、液相状態の該一次冷媒を、該熱交換器から受け取るように構成された気流冷却アセンブリ。
21. 気流冷却方法において、
    気流を、蒸発器の外面へと向けて、その中に収容された一次冷媒を液相から気相へと変化させる工程と、
    熱交換器とパッシブ凝縮器のいずれか一方を選択的に利用して、前記一次冷媒を気相から液相へと変化させる工程であって、前記熱交換器と前記パッシブ凝縮器は、分岐する蒸気パイプによって前記蒸発器に連結されて、気相状態の該一次冷媒を、該蒸発器から受け取り、液相状態の該一次冷媒を、該蒸発器に供給する工程と、
    を含み、
    前記蒸発器及び前記パッシブ凝縮器の間、並びに前記蒸発器及び前記熱交換器の間の弁を操作することなく、前記熱交換器及び前記パッシブ凝縮器の一方が選択される方法。
22. 前記熱交換器を冷却する工程は、二次冷媒を用いて、前記一次冷媒を、気体から液体へと相変化させる工程を含むものである、請求項２１に記載の方法。
23. 前記パッシブ凝縮器を冷却する工程は、気流を、該パッシブ凝縮器へと向ける工程を含み、該パッシブ凝縮器へと向けられた前記気流は、前記蒸発器へと向けられた気流とは、異なる源からのものである、請求項２１に記載の方法。
24. 気流冷却アセンブリにおいて、
    外面を有し、一次冷媒を収容して、第１の気流を前記外面へと向けさせて、前記第１の気流が該外面へと向けられる時に、前記一次冷媒を液体から気体へと相変化させるように構成された蒸発器と、
    外面を有し、前記蒸発器に連結され、第２の気流を、その前記外面へと向けさせるように構成された第１の凝縮器と、
    前記蒸発器に連結され、二次冷媒を受け付け、前記二次冷媒を受け付ける時に、前記一次冷媒を該蒸発器から受け取り、熱を該一次冷媒から伝達し、該一次冷媒を気体から液体へと相変化させるように構成された第２の凝縮器と、
    を含み、
    前記第１の凝縮器は、前記第２の気流を、前記第１の凝縮器の外面へと向ける時に、前記蒸発器から第１の方向に進む前記一次冷媒を受け取り、前記一次冷媒から熱を伝達して前記一次冷媒の少なくとも一部を気体から液体へと相変化させ、液体の状態の前記一次冷媒の少なくとも一部を前記蒸発器に供給するよう構成され、
    前記蒸発器に供給された液体の状態の前記一次冷媒は、前記第１の凝縮器から出ると、前記第１の方向とは逆向きの第２の方向に進み、
    前記蒸発器、および、前記第１の凝縮器は、ヒートパイプとして動作するように構成された一体型熱交換器を含み、
    前記蒸発器は、液相状態の前記一次冷媒を、前記第１の凝縮器と前記第２の凝縮器の少なくとも１つから受け取るように構成されたものである気流冷却アセンブリ。
25. 前記第２の凝縮器は、外面を有し、該第２の凝縮器の前記外面へと向けられた前記第２の気流によって、冷却されるように構成されたものである、請求項２４に記載の気流冷却アセンブリ。
26. 前記蒸発器は、前記第２の凝縮器に、配管によって接続され、液相状態の前記一次冷媒を、該第２の凝縮器から、該一次冷媒の再循環流路を形成する前記配管を介して、受け取るように構成されたものである、請求項２５に記載の気流冷却アセンブリ。
27. 前記一体型熱交換器は、管コイルである、請求項２４に記載の気流冷却アセンブリ。
28. 前記一体型熱交換器は、マイクロチャネルコイルである、請求項２４に記載の気流冷却アセンブリ。
29. 前記第２の凝縮器は、前記一次冷媒に対して、前記第１の凝縮器と直列に接続されたものである、請求項２４に記載の気流冷却アセンブリ。
30. 改良ヒートパイプにおいて、
    冷媒を、その中に収容し、蒸発器部分、および、凝縮気流内に位置する凝縮器部分を有するヒートパイプであって、第１のマイクロチャネルコイルであるヒートパイプと、
    前記ヒートパイプに流体的に連結されて、蒸気相状態の前記冷媒を、該ヒートパイプの蒸気側端部から受け取り、該ヒートパイプの前記凝縮器部分より前段の前記凝縮気流内に位置する第２のマイクロチャネルコイルであって、該冷媒の凝縮を容易にして、重力が該凝縮した冷媒を該ヒートパイプの前記蒸発器部分へ戻し、再循環させることによって、改良熱サイフォンを、生成するように構成された第２のマイクロチャネルコイルと、
    を含み、
    前記凝縮気流が前記凝縮器部分の外面に向けられる際に、前記凝縮器部分は、複数のマイクロチャネルを介して前記蒸発器部分から第１の方向に進む蒸気相状態の前記冷媒を受け取り、前記冷媒から熱を伝達して前記冷媒の少なくとも一部を気体から液体へと相変化させ、液体の状態の前記冷媒の少なくとも一部を前記複数のマイクロチャネルを介して前記蒸発器部分に供給するよう構成され、
    前記蒸発器部分に供給された液体の状態の前記冷媒は、前記凝縮器部分から出ると、前記第１の方向とは逆向きの第２の方向に進むヒートパイプ。

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