JP7338664B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、熱源となる電子機器からの排熱を効率良く行うための冷却システムに関する。

多数の電子機器を密集して配置したデータセンタでは、多くの熱の発生が予想され、電子機器の高負荷運転に際して多くの熱が発生した場合であってもその処理能力を維持するため、冷媒の蒸発・凝縮という相変化による熱移動を伴う冷却システムを採用して、前記電子機器で発生した熱を排熱する熱交換システムが備えられている。

この熱交換システムとしては、例えば特許文献１に示される冷却システム、及び特許文献２に示される間接冷媒空調装置が知られている。
特許文献１に示される冷却システムは、複数の電子機器が配設された機器ルームと、これら電子機器に近接して設けられ冷媒を気化させることで電子機器を冷却する蒸発器と、気化した冷媒を外気によって冷却して凝縮させる冷却塔と、気化した冷媒を圧縮する圧縮機と、これら蒸発器、圧縮機及び冷却塔にて冷媒が循環するように接続された循環ラインと、を備える。

特許文献２に示される間接冷媒空調装置では、熱源側となる冷凍サイクルの熱交換器と利用側となるサ－モサイフォンの熱交換器とが、着脱可能な熱交換器で結合されたものであり、かつサ－モサイフォンに使用する冷媒が、冷凍サイクルに使用する冷媒よりも、低圧で危険度の小さい冷媒であるとの構成が示される。

特開２００９－１９３２４６号公報 特開平５－２０３１９５号公報

上記特許文献１及び２には、冷媒の蒸発／凝縮という相変化サイクルを利用して排熱を行う熱交換システムに関する構成が示される。
しかしながら、これら特許文献１及び２に示される熱交換システムでは、冷媒の蒸発／凝縮という相変化サイクルの効率が全体として悪いという問題があり、当該問題を総合的に解決するための新しい技術の提案が期待されていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、冷媒の蒸発／凝縮という相変化サイクルの効率を総合的に改善することが可能な冷却システムを提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の冷却システムでは、熱源の近傍に配置されかつ該熱源からの熱を受け入れることで液相冷媒を蒸発させる局所冷却器と、該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、を有し 、冷媒は、凝縮圧力が所定値より低い低圧冷媒であることを特徴とする。

本発明の冷却システムでは、冷媒の蒸発、凝縮及び取り扱いにおいて、効率的な運用が可能となる。

本発明に係る冷却システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る冷却システムの概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却システムの概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る冷却システムの概略構成図である。

本発明に係る冷却システム１０について、図１を参照して説明する。
この冷却システム１０は、局所冷却器１、ターボ圧縮機２、室外機３及び膨張弁４を主な構成要素とする。
局所冷却器１は、サーバ室内の熱源となるサーバＳの近傍（図ではサーバＳ間に位置する排気エリアＥの上部位置）に配置されて、サーバＳの熱を直接受け入れる熱交換部５を有している。なお、この局所冷却器１の熱交換部５では、サーバＳの熱により内部の液相冷媒を蒸発させることで、サーバＳからの排熱を行う。

ターボ圧縮機２は、局所冷却器１で生じた気相冷媒を圧縮して室外機３に強制的に送り込むためのものであって、例えば、回転軸の周囲に複数のインペラが配置された遠心圧縮機が使用される。
室外機３は、ターボ圧縮機２から供給される気相冷媒を外部空間に放熱することで、該気相冷媒を凝縮させるためのものである。
膨張弁４は室外機３から供給される冷媒を減圧して完全な液相冷媒とした後、局所冷却器１へ送るためのものである。

なお、上記冷却システム１０で使用される冷媒は、凝縮圧力が所定値より低い低圧冷媒が使用される。
具体的には、高圧ガス保安法の適用を受ける従来型の空調冷媒よりも凝縮圧力が低い低圧冷媒、すなわち、高圧ガス保安法の適用を受けず、分割搬入も容易かつ高圧ガスに関する資格者も不要な高サイクル率の低圧冷媒を使用することができる。したがって、熱源としてのサーバの増設に伴って冷却システム１０を増設する場合等、追加の工事が必要となった場合にも、その都度設備検査等の面倒な手続を経る必要がないという利点がある。
また、低圧冷媒を使用した場合には、熱量当たりの流量が増加するため、容積式圧縮機よりも体積当たりの冷媒輸送量（輸送する熱量の総量）に優れているターボ圧縮機を好適に使用できる。

以上詳細に説明したように、 本発明に係る冷却システム１０によれば、冷媒として凝縮圧力が低い低圧冷媒を使用し、かつ局所冷却器１で蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機としてターボ圧縮機２を使用することで、高効率な冷媒圧縮が可能となり、その結果、熱源となるサーバＳ内の電子機器からの排熱を効率良く行うことが可能となる。
また、本発明の冷却システム１０では、冷媒として、高圧ガス保安法の適用を受けず、分割搬入も容易でかつ高圧ガスに関する資格者も不要な低圧冷媒を使用することで、効率的な冷媒の取り扱いが可能となり、この点においても運用効率を改善することができる。

また、本発明の冷却システム１０では、熱源の近傍に配置した局所冷却器１により、熱源となるサーバＳ内の電子機器からの熱を直接受け入れて液相冷媒を蒸発させることができるので、熱源からの効率的な熱伝達及び冷媒蒸発が可能となる。
すなわち、本発明の冷却システム１０では、冷媒の蒸発、凝縮及び取り扱いの全てにおいて、効率的な運用が可能となる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る冷却システム１０１の系統図について図２を参照して説明する。
第１実施形態に係る冷却システム１０１は、局所冷却器３１０，３２０、ターボ圧縮機４１０、室外機５００及び膨張弁４２０を主な構成要素とする。

これら構成要素において、局所冷却器３１０，３２０、ターボ圧縮機４１０及び室外機５００の間は、蒸気配管６１０，６２０により接続されるとともに、室外機５００、膨張弁４２０及び局所冷却器３１０，３２０の間は液配管６３０，６４０により接続される。
また、上記冷却システム１０１において、室外機５００以外の構成要素はサーバルーム１００内に配置されている。
また、上記冷却システム１０１において、サーバルーム１００内のターボ圧縮機４１０及び膨張弁４２０は室内機４００に設置されている。

局所冷却器３１０、３２０は、サーバ室内の熱源となるサーバＳ１の近傍に配置され、かつサーバＳ１からの熱を直接受け入れる熱交換部３１０Ａ，３２０Ａを有している。
なお、サーバＳ１は一定の間隔をおいて配置されたサーバラック２０１～２０４内に複数収容されており、その熱が、サーバラック２０１～２０４間に位置する排気エリアＥ１に向けて排出される。
また、局所冷却器３１０，３２０の熱交換部３１０Ａ，３２０Ａは、サーバラック２０１～２０４間の排気エリアＥ１の上部に位置しており、サーバＳ１の熱により内部の液相冷媒を蒸発させることで、排気エリアＥ１からの排熱を行う。

ターボ圧縮機４１０は、局所冷却器３１０，３２０で生じた気相冷媒を圧縮して室外機５００に強制的に送り込むためのものである。
具体的には、ターボ圧縮機４１０として、回転軸の周囲に複数のインペラが配置された遠心圧縮機が使用され、吸入ノズルから取り込んだ気相冷媒を、高速回転するインペラ内部を通過する際の遠心力で圧縮加圧して、排気ノズルより排出する。

室外機５００は、ターボ圧縮機４１０から供給される気相冷媒を外部空間に放熱することで、該気相冷媒を凝縮させるためのものである。
膨張弁４２０は室外機５００から供給される冷媒を減圧して完全な液相冷媒とした後、局所冷却器３１０，３２０へ送るためのものである。

そして、以上のように構成された冷却システム１０１では、サーバラック２０１～２０４の排気エリアＥ１の上部に個別に設置された局所冷却器３１０、３２０の熱交換部３１０Ａ，３２０Ａにて、冷媒が蒸発することにより、サーバＳ１の排気に含まれる熱を吸い取ることができる。
これにより、局所冷却器３１０、３２０にて、サーバラック２０１～２０４の排気を冷気に変換することで、熱が部屋全体に拡散する前にサーバルーム１００全体を効率良く冷却することができる。

その後、局所冷却器３１０, ３２０において蒸発した冷媒は蒸気配管６１０を通じてターボ圧縮機４１０に送られる。ターボ圧縮機４１０によって高温高圧になった冷媒は室外機５００において外気に放熱することで凝縮し、液配管６３０を通して膨張弁４２０に移動する。膨張弁４２０において減圧された冷媒は液相冷媒となって再び局所冷却器３１０, ３２０へ供給される。

なお、上記冷却システム１０１で使用される冷媒は、凝縮圧力が所定値より低い低圧冷媒が使用される。
具体的には、上記冷却システム１０１で使用される冷媒は、高圧ガス保安法の適用を受ける従来型の空調冷媒よりも凝縮圧力が低い低圧冷媒（動作圧力では、従来の１／５～１／１０程度の低圧冷媒）、すなわち、高圧ガス保安法の適用を受けず、分割搬入も容易かつ高圧ガスに関する資格者も不要な高サイクル率の低圧のフルオロカーボンが使用される。
前記冷媒の圧力は、冷却システム１０１の動作温度領域において、冷却対象であるデータセンタ内のサーバラック等の機器間で冷媒を流通させるフレキシブル配管で使用可能な圧力（いわゆる耐圧）以下の圧力、例えば、０．５ＭＰａＡ（絶対圧力）以下とすることが望ましい。その理由は、機器間の配管にフレキシブル配管を使用することで、組立性、運搬性を向上させるためであり、一般にフレキシブル配管は、銅管、アルミニウム管等の硬質材料の管より耐圧が低いからである。
またターボ圧縮機の冷却能力、流量は、冷却対象となるデータセンタの規模（発熱量）により、例えば、冷却能力４０ｋＷ、流量３ｍ３／min、入口圧力０．１ＭＰａＡ、出口圧力０．３ＭＰａＡのものを所要冷却能力に応じた台数だけ設けることが考えられる。
また、上記冷却システム１０１では、サーバラック２０１～２０４のごく近傍まで配管を敷設する必要があるため、サーバが稼働中においても安全に敷設工事を行なう必要がある。このため、上記低圧冷媒を用いた本実施形態の冷却システム１０１では、溶接の必要がない樹脂配管等が使用できる他、万が一の配管破損の際にも、水や高圧冷媒に比べてサーバへの被害が少なくなるという利点がある。

また、本実施形態では、圧縮機としてはターボ圧縮機４１０（遠心式圧縮機）を使用している。このターボ圧縮機４１０では、低圧冷媒を用いた場合に、通常の冷媒よりも単位熱量あたりの流量が多くなる傾向があり、スクロール圧縮機のような容積型圧縮機よりも大きさ当たりの流量に優れるという利点がある。また、遠心式圧縮機であるターボ圧縮機４１０ではオイルフリー化もできるので、サーバルーム１００内に配管を引き回す際のクリーン性においても利点がある。

以上詳細に説明したように、第１実施形態に係る冷却システム１０１によれば、冷媒として凝縮圧力が低い低圧冷媒を使用し、かつ局所冷却器３１０，３２０で蒸発した冷媒を圧縮する遠心式の圧縮機としてターボ圧縮機４１０を使用することで、高効率な冷媒圧縮が可能となり、その結果、熱源となるサーバＳ１内の電子機器からの排熱を効率良く行うことが可能となる。
また、第１実施形態に係わる冷却システム１０１では、冷媒として、高圧ガス保安法の適用を受けず、分割搬入も容易でかつ高圧ガスに関する資格者も不要な低圧冷媒を使用することで、効率的な冷媒の取り扱いが可能となり、この点においても運用効率を改善することができる。

また、第１実施形態に係る冷却システム１０１では、熱源の近傍に配置した局所冷却器３１０，３２０により、熱源となるサーバＳ１内の電子機器からの熱を直接受け入れて液相冷媒を蒸発させることができるので、熱源からの効率的な熱伝達及び冷媒蒸発が可能となる。
すなわち、第１実施形態に係る冷却システム１０１では、冷媒の蒸発、凝縮及び取り扱いの全てにおいて、効率的な運用が可能となる。

なお、上記冷却システム１０１において、ターボ圧縮機４１０及び膨張弁４２０はサーバルーム１００内の室内機４００に設置されているが、室外機５００とともにサーバルーム１００外に配置しても良い。
また、局所冷却器３１０、３２０はサーバラック２０１～２０４の上部に設置するようにしているが、サーバラック２０１～２０４の背面あるいは他の位置に設置しても良く、要は、サーバラック２０１～２０４から排出される熱をサーバ室内へ拡散する以前に取り込むことができる配置であることが望ましい。また、これらサーバラック２０１～２０４も図面に示される個数に限定されるものではない。
なお冷媒の沸点、圧力、流用に依り、遠心式ターボ圧縮機のみならず、軸流式ターボ圧縮機を使用しても良い。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る冷却システム１０２の系統図について図３を参照して説明する。
第２実施形態に係る冷却システム１０２が、第１実施形態に係る冷却システム１０１と構成を異にするのは、インバータ４４０によってターボ圧縮機４１０の回転数を変更し、冷却能力を調整するようにした点である。
すなわち、第１実施形態に係る冷却システム１０１では、例えばサーバの負荷が変動する、もしくはサーバの増設、メンテナンス等で冷却能力を変更する必要が生じた場合に、インバータ４４０によってターボ圧縮機４１０の回転数を変更し、冷却能力を調整することができる。

具体的構成としては、ターボ圧縮機４１０では、入口と出口の圧力の比（以下、圧力比という）の上昇によって流体の流れが不安定化するサージ現象が生じることがある。
そして、このようなサージ現象が継続した場合には、圧縮機自体が破損してしまう可能性もある。
このため、第２実施形態では、サーバ負荷の変動等の外乱によって変動する圧力比を監視するために、ターボ圧縮機４１０の入口及び出口に気相冷媒の圧力を検出する圧力計（圧力調整手段）４５１、４５２、ターボ圧縮機４１０の回転数を制御するインバータ４４０とともに、圧力変動を速やかに調整するホットガスバイパス弁４３０を設けるようにしている。

インバータ４４０は、圧力計４５１、４５２で検出される入口側圧力及び出口側圧力の圧力比に基づき、ターボ圧縮機４１０の回転数を制御する機能とともに、当該圧力比が予め設定した基準設定値以上になった場合に、ホットガスバイパス弁４３０を開放することでサージ現象を速やかに回避する弁制御部としての機能も有する。

ホットガスバイパス弁４３０は、ターボ圧縮機４１０を迂回しかつ入口側の蒸気配管６１０及び出口側の蒸気配管６２０を互いに接続するバイパス配管４３１の途中に設けられたものであって、インバータ４４０から出力される制御信号に基づき動作する。
なお、基準設定値として、例えばサーバラック２０１～２０４内のサーバＳ１が全て稼働した場合に想定される、圧力計４５１、４５２の圧力比（圧縮比）の数値範囲が予め設定されている。
そして、多数あるサーバＳ１が部分的に停止（例えば、メンテナンス、サーバ増設、取換作業などを）して、圧力計４５１、４５２の圧力比が基準設定圧力を外れた場合には、サージ現象を回避するために、ターボ圧縮機４１０の回転数制御とともに、ホットガスバイパス弁４３０を開放する動作を行わせる。

以上詳細に説明したように第２実施形態に係わる冷却システム１０２では、圧力計４５１、４５２で検出される圧力比に基づく、ターボ圧縮機４１０の回転制御及びホットガスバイパス弁４３０の開動作により、ターボ圧縮機４１０を入口側と出口側との圧力比を減少させることができる。
これにより、上記冷却システム１０２では、サーバＳ１の負荷に連動して全体の冷却性能を適宜調整しつつ、ターボ圧縮機４１０をサージ現象から保護することができる。
なお冷媒の沸点、圧力、流用に依り、遠心式ターボ圧縮機のみならず、軸流式ターボ圧縮機を使用しても良い。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る冷却システム１０３の系統図について図４を参照して説明する。
第３実施形態に係る冷却システム１０３が、第２実施形態に係る冷却システム１０２と構成を異にするのは、膨張弁４２０の下流側にバッファー用の冷媒タンク４６０、冷媒ポンプ４７０及び流量調整バルブ３１１、３２１を順次設けるようにした点である。

冷媒タンク４６０は、冷媒ポンプ４７０から供給された冷媒を気液分離して一時貯留するためのものであって、冷媒を気相、液相に分離して、該冷媒ポンプ４７０に液相冷媒のみを供給することにより、冷媒ポンプ４７０の破損を防止している。
また、冷媒タンク４６０の上部には、該冷媒タンク４６０で気液分離した気相冷媒を、ターボ圧縮機４１０の上流側に位置する蒸気配管６１０に戻す連絡管４６１が設けられている。

冷媒ポンプ４７０は、液配管６４０を通じて蒸発器となる局所冷却器３１０，３２０に、冷媒タンク４６０内の液相冷媒を、供給するためのものである。
流量調整バルブ３１１、３２１は、局所冷却器３１０，３２０の各上流側に位置する液配管６４０にそれぞれ設けられたものであって、個別の流量調整を行うことで、サーバラック２０１～２０４の設置レイアウトに係わらず、局所冷却器３１０、３２０に均等に液相冷媒を供給する。
なお冷媒の沸点、圧力、流用に依り、遠心式ターボ圧縮機のみならず、軸流式ターボ圧縮機を使用しても良い。

以上詳細に説明したように、第３実施形態に係わる冷却システム１０３では、局所冷却器３１０，３２０の各上流側に位置する流量調整バルブ３１１、３２１を個別に調整することによって、サーバラック２０１～２０４の設置レイアウトに係わらず、局所冷却器３１０、３２０に対して均等に液相冷媒を供給することができ、冷却性能の片寄りを防止することができる。
また、第３実施形態に係わる冷却システム１０３では、冷媒ポンプ４７０の上流側に冷媒を一時的に貯留することで、該冷却ポンプ４７０に気液混合の冷媒液が供給されることを防止し、冷媒ポンプ４７０におけるサージング現象を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、冷媒循環系の圧縮機、熱交換器等の機器、配管の損傷を防止しつつ、電子機器を効率良く冷却する冷却システムに利用することができる。

１ 局所冷却器
２ ターボ圧縮機
３ 室外機
４ 膨張弁
５ 熱交換部
１０ 冷却システム
１００ サーバルーム
１０１ 冷却システム
１０２ 冷却システム
１０３ 冷却システム
２０１ サーバラック
２０２ サーバラック
２０３ サーバラック
２０４ サーバラック
３１０ 局所冷却器
３１１ 流量調整バルブ
３２０ 局所冷却器
３２１ 流量調整バルブ
４１０ ターボ圧縮機
４２０ 膨張弁
４３０ ホットガスバイパス弁
４３１ バイパス配管
４４０ インバータ
４５１ 圧力計
４５２ 圧力計
４６０ 冷媒タンク
４７０ 冷媒ポンプ
５００ 室外機
６１０ 蒸気配管
６２０ 蒸気配管
６３０ 液配管
６４０ 液配管
Ｓ サーバ
Ｓ１ サーバ
Ｅ 排気エリア
Ｅ１ 排気エリア

Claims (5)

1. 熱源の近傍に配置されかつ該熱源からの熱を受け入れることで液相冷媒を蒸発させる局所冷却器と、
   該局所冷却器で吸熱した気相冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、
   該ターボ圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、
   該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、
   前記膨張弁から前記局所冷却器までの管路で気相冷媒と液相冷媒を分離する冷媒タンクと、
   前記冷媒タンクの上部に設けられて、前記冷媒タンク内に供給された冷媒から分離した気相成分を前記ターボ圧縮機の上流に導いて吸い込み側へ送る連絡管と、を有し 、
   前記冷媒は、凝縮圧力が所定値より低い低圧冷媒であり、
   前記ターボ圧縮機の入口側配管及び出口側配管にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給された気相冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段で検出される入口側圧力及び出口側圧力の圧力比に基づき前記ターボ圧縮機の回転数を制御する圧力制御部を有し、
   前記ターボ圧縮機を迂回するように前記入口側配管及び出口側配管を互いに接続し、かつ途中にホットガスバイパス弁を有するバイパス配管が設置され、
   前記圧力制御部は、前記圧力検出手段にて検出される入口側圧力及び出口側圧力の圧力比に基づき、前記ターボ圧縮機の回転数とともに前記ホットガスバイパス弁の開閉を制御し、
   前記連絡管は、前記バイパス配管より上流側で前記ターボ圧縮機の吸い込み側に接続され、
   前記局所冷却器に液相冷媒を供給するための冷媒供給ポンプが設けられることを特徴とする冷却システム。
2. 前記局所冷却器は、サーバラック間の排気エリアの上部に設置されて、熱源となるサーバからの熱を直接受け入れる熱交換部を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記ターボ圧縮機は、回転軸の周囲に複数のインペラが配置された遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の冷却システム。
4. 前記圧力制御部は、前記圧力検出手段で検出される入口側圧力及び出口側圧力の圧力比が、予め定めたサージ現象に係る基準設定値を越えた場合に、前記ホットガスバイパス弁を開動作させることを特徴とする請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記局所冷却器は前記熱源に対応して複数設置されており、
   これら局所冷却器に液相冷媒を供給する冷媒供給配管の途中には、該液相冷媒の供給量を調整するための流量調整弁がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却システム。

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