JPWO2017051532A1 - 冷却システムおよび冷却方法 - Google Patents

Abstract

複数の冷凍サイクルを組み合わせた冷却システムにおいては、冷却システムの冷却能力が変動するため、本発明の冷却システムは、冷却対象から受熱した冷媒が循環する第１の冷媒輸送手段を備えた第１の冷却手段と、第１の冷媒輸送手段と接続し、冷媒の一部である分岐冷媒が循環する第２の冷媒輸送手段と、第１の冷媒輸送手段を循環する冷媒から受熱し、分岐冷媒を冷却する第２の冷却手段と、分岐冷媒の流量を制御する流量制御手段、とを有する。

Description

本発明は、電子機器などの冷却に用いられる冷却システムおよび冷却方法に関し、特に、冷媒の相変化を用いた冷却システムおよび冷却方法に関する。

近年、電子機器の小型化、高性能化にともなって、その発熱量および発熱密度が増大している。このような電子機器等を効率的に冷却するため、冷却能力が高い冷却方式を採用する必要がある。冷却能力が高い冷却システムの一つとして、冷媒の相変化を用いた冷却システムがある。

冷媒の相変化を用いた冷却システムの一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された関連する冷凍装置は、蒸気圧縮式冷凍機と吸着式冷凍機とを組み合わせた冷却システムである。

関連する冷凍装置は、第１吸着器と第２吸着器を備えた吸着式冷凍機、第１蒸気圧縮式冷凍機、および第２蒸気圧縮式冷凍機を有する。

第１および第２蒸気圧縮式冷凍機は、第１および第２圧縮機、第１および第２凝縮器（放熱器）、第１および第２減圧器、蒸発器、および第１および第２アキュームレータを備える。なお、第１および第２蒸気圧縮式冷凍機の蒸発器は一体化されている。

また、吸着式冷凍機は、第１および第２吸着器、第１および第２吸着剤熱交換器、第１および第２水熱交換器、および室外熱交換器等を備える。

関連する冷凍装置では、第１蒸気圧縮式冷凍機が備える第１凝縮器により再生状態にある吸着器内の吸着剤を加熱し、かつ、吸着状態にある吸着器の冷却作用により第２蒸気圧縮式冷凍機の第２凝縮器を冷却する。そして、第１吸着器と第２吸着器を吸着状態と吸着された蒸気冷媒を脱離再生する再生状態とに一定時間毎に切り替える構成としている。

このような構成としたことにより、第２蒸気圧縮式冷凍機の凝縮器内の圧力を下げることができるので、第２蒸気圧縮式冷凍機の圧縮機の動力（圧縮仕事）を低減することができる。したがって、関連する冷凍装置によれば、第１および第２蒸気圧縮式冷凍機と吸着式冷凍機とを組み合わせた冷凍装置において、少ない動力で十分な冷凍能力を得ることができる、としている。

また、関連技術としては、特許文献２、３に記載された技術がある。

特開平１１−１９０５６６号公報（段落［０００５］〜［００１９］、図１） 特開２０１４−００９６２４号公報 特開平５−２７２８３３号公報

上述したように、特許文献１に記載された関連する冷凍装置は、第１蒸気圧縮式冷凍機の排熱を用いて吸着した冷媒を脱離させる吸着式冷凍機によって、第２蒸気圧縮式冷凍機が備える凝縮器を冷却する構成としている。そのため、第２蒸気圧縮式冷凍機の冷却能力は、吸着式冷凍機および第１蒸気圧縮式冷凍機の冷却能力に依存する。その結果、冷凍装置の冷却能力は常に一定であるとは限らず、第１蒸気圧縮式冷凍機および第２蒸気圧縮式冷凍機をそれぞれ循環する冷媒量の割合によって冷却能力が変動する。

このように、複数の冷凍サイクルを組み合わせた冷却システムにおいては、冷却システムの冷却能力が変動する、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、複数の冷凍サイクルを組み合わせた冷却システムにおいては、冷却システムの冷却能力が変動する、という課題を解決する冷却システムおよび冷却方法を提供することにある。

本発明の冷却システムは、冷却対象から受熱した冷媒が循環する第１の冷媒輸送手段を備えた第１の冷却手段と、第１の冷媒輸送手段と接続し、冷媒の一部である分岐冷媒が循環する第２の冷媒輸送手段と、第１の冷媒輸送手段を循環する冷媒から受熱し、分岐冷媒を冷却する第２の冷却手段と、分岐冷媒の流量を制御する流量制御手段、とを有する。

本発明の冷却方法は、冷却対象から受熱した冷媒を循環させ、冷媒の一部を分岐し、分岐した分岐冷媒を循環させ、冷媒から受熱するとともに分岐冷媒を冷却し、分岐冷媒の流量を、冷却対象に対する冷却能力が略一定となるように制御する。

本発明の冷却システムおよび冷却方法によれば、複数の冷凍サイクルを組み合わせた構成とした場合であっても、冷却システムの冷却能力の変動を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷却システムの構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷却システムの構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷却システムの別の構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷却システムのさらに別の構成を示す概略図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷却システム１００の構成を示す概略図である。同図中の破線矢印は、熱の移動を示す。

本実施形態による冷却システム１００は、第１の冷却手段１１０、第２の冷却手段１２０、第２の冷媒輸送手段１２１、および流量制御手段１３０を有する。

第１の冷却手段１１０は、冷却対象１０から受熱（Ｈ１）した冷媒が循環する第１の冷媒輸送手段１１１を備える。第２の冷媒輸送手段１２１は第１の冷媒輸送手段１１１と接続しており、冷媒の一部である分岐冷媒が循環する。第２の冷却手段１２０は、第１の冷媒輸送手段１１１を循環する冷媒から受熱（Ｈ２）し、分岐冷媒を冷却（Ｈ３）する。そして、流量制御手段１３０は、分岐冷媒の流量を制御する。

ここで、第２の冷却手段１２０によって冷却された後の分岐冷媒の温度は、第２の冷却手段１２０の冷却能力だけでなく分岐冷媒の流量にも依存する。したがって、分岐冷媒の流量を制御することにより、第２の冷媒輸送手段１２１を通って第１の冷媒輸送手段１１１に還流する分岐冷媒の温度を制御することができる。これにより、第２の冷却手段１２０の冷却能力が変動した場合であっても、冷却システム１００の冷却能力を維持することが可能になる。

このように、本実施形態の冷却システム１００によれば、第１の冷却手段１１０と第２の冷却手段１２０からなる複数の冷凍サイクルを組み合わせた構成とした場合であっても、冷却システム１００の冷却能力の変動を抑制することができる。

ここで、第１の冷却手段１１０は蒸気圧縮冷凍サイクルを用いた構成とすることができる。また、第２の冷却手段１２０は、吸着冷凍サイクルおよび吸収冷凍サイクルのいずれかを用いた構成とすることができる。

流量制御手段１３０は、第２の冷却手段１２０によって冷却される前後における分岐冷媒の温度差が、略一定となるように分岐冷媒の流量を制御する構成とすることができる。具体的には、分岐冷媒の温度差が所定値よりも大きい場合、流量制御手段１３０は分岐冷媒の流量を増大させる。逆に、この温度差が所定値よりも小さい場合、流量制御手段１３０は分岐冷媒の流量を減少させるように制御する構成とすることができる。また、分岐冷媒の温度差が所定の範囲、例えば０℃以上５℃以下の範囲となるように分岐冷媒の流量を制御する構成としてもよい。具体的には、分岐冷媒の温度差が所定の範囲を超えている場合、分岐冷媒の流量を増大させ、所定の範囲内にある場合、分岐冷媒の流量を減少させるように制御することとしてもよい。

また、流量制御手段１３０は、第１の冷媒輸送手段１１１によって構成される流路内に位置する流量制御バルブとすることができる。これに限らず、流量制御手段１３０は、第２の冷媒輸送手段１２１によって構成される流路内に位置する流量制御バルブであってもよい。

次に、本実施形態による冷却方法について説明する。

本実施形態による冷却方法ではまず、冷却対象から受熱した冷媒を循環させ、この冷媒の一部を分岐し、分岐した分岐冷媒を循環させる。そして、この冷媒から受熱するとともに分岐冷媒を冷却する。ここで、分岐冷媒の流量を、冷却対象に対する冷却能力が略一定となるように制御する。

上述した分岐冷媒の流量の制御は、分岐冷媒を冷却する工程の前段と後段における分岐冷媒の温度差が、略一定となるように分岐冷媒の流量を制御する構成とすることができる。このとき、温度差が所定値よりも大きい場合には分岐冷媒の流量を増大させ、温度差が所定値よりも小さい場合には分岐冷媒の流量を減少させるように制御する構成としてもよい。

また、上述した冷媒から受熱するとともに分岐冷媒を冷却する工程は、冷媒から受熱して吸着材を脱着させ、脱着した吸着材を蒸発させることにより分岐冷媒を冷却する工程とすることができる。

このように、本実施形態による冷却方法は、冷却対象から受熱した冷媒が循環する冷凍サイクルと、冷媒から受熱するとともに分岐冷媒を冷却する冷凍サイクルを組み合わせた構成である。そして上述したように、本実施形態の冷却方法によれば、このような複数の冷凍サイクルを組み合わせた構成とした場合であっても、冷却能力の変動を抑制することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２に、本発明の第２の実施形態に係る冷却システム１０００の構成を模式的に示す。同図中、実線および破線の矢印は冷媒の流れを、白抜き矢印は熱の流れをそれぞれ示す。

本実施形態による冷却システム１０００は、第１の冷却装置（第１の冷却手段）１１００、第２の冷却装置（第２の冷却手段）１２００、第２の冷媒輸送部（第２の冷媒輸送手段）１２１０、および流量制御バルブ（流量制御手段）１３００を有する。

ここで、本実施形態による冷却システム１０００は、第１の冷却装置１１００と第２の冷却装置１２００を有する複数の冷凍サイクルを組み合わせた構成である。すなわち、冷却システム１０００は、第１の冷却装置１１００が冷却対象１０を冷却することによって回収した熱をエネルギー源として、第２の冷却装置１２００がさらに冷却対象１０の冷却を行う排熱回収型の冷却システムである。ここで、冷却対象１０は例えばサーバ等の電子機器である。

第１の冷却装置１１００は、蒸発器（蒸発手段）１１１０、圧縮機（圧縮手段）１１２０、凝縮器（凝縮手段）１１３０、膨張弁（膨張手段）１１４０、および第１の冷媒輸送部（第１の冷媒輸送手段）１１５０を備え、蒸気圧縮冷凍サイクルを構成している。

蒸発器１１１０はラジエータ等により構成され、冷媒が受熱して気化した冷媒蒸気を生成する。圧縮機１１２０は冷媒蒸気を断熱圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する。凝縮器１１３０は高圧冷媒蒸気を凝縮させ高圧冷媒液を生成する。そして、膨張弁１１４０は高圧冷媒液を膨張させて低圧の冷媒液を生成する。

第１の冷媒輸送部１１５０は、蒸発器１１１０から、圧縮機１１２０、凝縮器１１３０、および膨張弁１１４０を経由して蒸発器１１１０に還流する冷媒の流路を構成する。図２中の実線矢印は、この冷媒の流れを示す。

第２の冷却装置１２００は、吸着冷凍サイクルおよび吸収冷凍サイクルのいずれかを構成する。本実施形態では、第２の冷却装置１２００として、吸着冷凍サイクルを備えた吸着式冷凍機１２０１を用いる場合について説明する。吸着式冷凍機１２０１は、冷媒としての水等をポンプ１２０２によって循環させ、冷却塔１２０３等により温水を冷却する。図２中の破線矢印は、吸着式冷凍機１２０１の冷媒としての水の流れを示す。

第２の冷媒輸送部１２１０は、蒸発器１１１０と圧縮機１１２０の間から、蒸発器１１１０と膨張弁１１４０の間に、冷媒の一部である分岐冷媒が循環する流路を構成する。

凝縮器１１３０は、第１の冷媒輸送部１１５０を流動する高圧冷媒蒸気と第２の冷却装置１２００の受熱側の冷媒を熱交換させる。また、第２の冷媒輸送部１２１０により循環する分岐冷媒と第２の冷却装置１２００の冷却側の冷媒を熱交換させる熱交換器（熱交換手段）１２２０を備えた構成とすることができる。

流量制御バルブ１３００は、分岐冷媒の流量を制御する。図２では、流量制御バルブ１３００が第１の冷媒輸送部１１５０によって構成される流路内に位置する場合について示す。これに限らず、図３に示すように、流量制御バルブ１３０１が第２の冷媒輸送部１２１０によって構成される流路内に位置する構成としてもよい。

次に、本実施形態による冷却システム１０００の動作について説明する。

まず、第１の冷却装置１１００の動作について説明する。ラジエータ等からなる蒸発器１１１０に流入した冷媒液は、サーバ等の冷却対象１０から送出される約４０〜５０℃の排熱によって気化し冷媒蒸気となる。冷媒蒸気は圧縮機１１２０により断熱圧縮されることにより圧力が上昇するとともに、冷媒蒸気の温度は約５０〜１００℃に上昇する。温度が上昇した冷媒蒸気が有する熱を第２の冷却装置１２００で使用するため、凝縮器１１３０によって冷媒と水を熱交換させる。これにより、冷媒の熱が水に移動し、約５０〜１００℃の温水が生成されるとともに、冷媒の温度は低下する。温度が低下することによって凝縮液化した冷媒は、膨張弁１１４０により圧力を低減される。その後に再び、蒸発器１１１０に流入する。

次に、第２の冷却装置１２００の動作について説明する。凝縮器１１３０における熱交換によって受熱した約５０〜１００℃の温水を介して、熱が吸着式冷凍機１２０１に移動する。吸着式冷凍機１２０１は、その温熱を利用して約５〜２０℃程度の冷水を生成し、熱交換器１２２０を介して分岐冷媒を冷却する。

熱交換器１２２０によって冷却された分岐冷媒は凝縮液化し、第２の冷媒輸送部１２１０により循環する。第２の冷媒輸送部１２１０は蒸発器１１１０と膨張弁１１４０の間に接続されているので、凝縮液化した分岐冷媒は膨張弁１１４０により低圧になった冷媒液と合流し、蒸発器１１１０に還流する。なお、図２に示すように、第２の冷媒輸送部１２１０が構成する分岐冷媒の流路内に、分岐冷媒を循環させるポンプ等の駆動部（駆動手段）１２３０を備えた構成としてもよい。

蒸発器１１１０に還流した冷媒液は、サーバ等の冷却対象１０からの排熱により気化する。蒸発器１１１０において気化した冷媒蒸気は、蒸発器１１１０と圧縮機１１２０の間に接続された第２の冷媒輸送部１２１０と第１の冷媒輸送部１１５０に分岐して流動する。第２の冷媒輸送部１２１０によって循環する分岐冷媒は、再び熱交換器１２２０に流入する。

次に、流量制御バルブ１３００の動作について説明する。

流量制御バルブ１３００は分岐冷媒の流量を制御する。すなわち、流量制御バルブ１３００は、蒸発器１１１０において気化した冷媒蒸気が第１の冷媒輸送部１１５０と第２の冷媒輸送部１２１０に分岐する割合を調整する。これにより、第１の冷却装置１１００が備える圧縮機１１２０を介して凝縮器１１３０で冷却される冷媒の量と、第２の冷媒輸送部１２１０を介して第２の冷却装置１２００によって冷却される分岐冷媒の量を調整することができる。

また、熱交換器１２２０の入口側で分岐冷媒の温度を測定する第１の温度計１２２１と、出口側で分岐冷媒の温度を測定する第２の温度計１２２２を備えた構成としてもよい。そして、第１の温度計１２２１の測定結果である冷却前冷媒温度Ｔ１と、第２の温度計１２２２の測定結果である冷却後冷媒温度Ｔ２を用いて、流量制御バルブ１３００を制御する構成とすることができる。

流量制御バルブ１３００を制御する具体的な例を、以下に説明する。

熱交換器１２２０に流入する分岐冷媒の量が不足すると、熱交換器１２２０に流入した分岐冷媒の蒸気は凝縮液化した後にさらに過冷却されるため、冷却前冷媒温度Ｔ１と冷却後冷媒温度Ｔ２の温度差Ｔ１−Ｔ２は増大する。この場合、温度差Ｔ１−Ｔ２が例えば５度で一定となるように、流量制御バルブ１３００または流量制御バルブ１３０１を調整する。

具体的には、温度差Ｔ１−Ｔ２が５℃以上になった場合（Ｔ１−Ｔ２≧５℃）、図２に示した第１の冷媒輸送部１１５０に設けた流量制御バルブ１３００の開度を小さくする。または、図３に示した第２の冷媒輸送部１２１０に設けた流量制御バルブ１３０１の開度を大きくする。一方、温度差Ｔ１−Ｔ２が５℃よりも小さくなった場合（Ｔ１−Ｔ２＜５℃）、図２に示した第１の冷媒輸送部１１５０に設けた流量制御バルブ１３００の開度を大きくする。または、図３に示した第２の冷媒輸送部１２１０に設けた流量制御バルブ１３０１の開度を小さくする。

このように流量制御バルブ１３００を制御することにより、第２の冷媒輸送部１２１０を通って第１の冷媒輸送部１１５０に還流する分岐冷媒の温度を制御することができる。これにより、第２の冷却装置１２００の冷却能力が変動した場合であっても、冷却システム１０００の冷却能力を維持することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態の冷却システム１０００によれば、複数の冷凍サイクルを組み合わせた構成とした場合であっても、冷却システム１０００の冷却能力の変動を抑制することができる。すなわち、第１の冷却装置１１００（蒸気圧縮冷凍サイクル）と第２の冷却装置１２００（吸着冷凍サイクル）からなる複数の冷凍サイクルを組み合わせた構成とした場合であっても、冷却システム１０００の冷却能力の変動を抑制することができる。

また図４に示すように、熱交換器１２２０が蒸発器１１１０よりも上方に位置している構成とすることができる。このような構成とすることにより、分岐冷媒は重力の作用により第２の冷媒輸送部１２１０を流動し蒸発器１１１０に還流することが可能になる。そのため、上述したポンプ等の駆動部（駆動手段）は不要となる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１５年９月２５日に出願された日本出願特願２０１５−１８８２２５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００ 冷却システム
１１０ 第１の冷却手段
１１１ 第１の冷媒輸送手段
１２０ 第２の冷却手段
１２１ 第２の冷媒輸送手段
１３０ 流量制御手段
１０００ 冷却システム
１１００ 第１の冷却装置
１１１０ 蒸発器
１１２０ 圧縮機
１１３０ 凝縮器
１１４０ 膨張弁
１１５０ 第１の冷媒輸送部
１２００ 第２の冷却装置
１２０１ 吸着式冷凍機
１２０２ ポンプ
１２０３ 冷却塔
１２１０ 第２の冷媒輸送部
１２２０ 熱交換器
１２２１ 第１の温度計
１２２２ 第２の温度計
１２３０ 駆動部
１３００、１３０１ 流量制御バルブ
１０ 冷却対象

Claims (14)

1. 冷却対象から受熱した冷媒が循環する第１の冷媒輸送手段を備えた第１の冷却手段と、
   前記第１の冷媒輸送手段と接続し、前記冷媒の一部である分岐冷媒が循環する第２の冷媒輸送手段と、
   前記第１の冷媒輸送手段を循環する前記冷媒から受熱し、前記分岐冷媒を冷却する第２の冷却手段と、
   前記分岐冷媒の流量を制御する流量制御手段と、を有する
   冷却システム。
2. 請求項１に記載した冷却システムにおいて、
   前記流量制御手段は、前記第１の冷媒輸送手段によって構成される流路内に位置する流量制御バルブである
   冷却システム。
3. 請求項１または２に記載した冷却システムにおいて、
   前記流量制御手段は、前記第２の冷媒輸送手段によって構成される流路内に位置する流量制御バルブである
   冷却システム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載した冷却システムにおいて、
   前記流量制御手段は、前記第２の冷却手段によって冷却される前後における前記分岐冷媒の温度差が、所定の範囲内となるように前記分岐冷媒の流量を制御する
   冷却システム。
5. 請求項４に記載した冷却システムにおいて、
   前記流量制御手段は、
   前記温度差が前記所定の範囲を超えている場合、前記分岐冷媒の流量を増大させ、
   前記温度差が前記所定の範囲内にある場合、前記分岐冷媒の流量を減少させる
   冷却システム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載した冷却システムにおいて、
   前記第１の冷却手段は、蒸気圧縮冷凍サイクルを構成し、
   前記冷媒が受熱して気化した冷媒蒸気を生成する蒸発手段と、
   前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、
   前記高圧冷媒蒸気を凝縮させ高圧冷媒液を生成する凝縮手段と、
   前記高圧冷媒液を膨張させて低圧の冷媒液を生成する膨張手段、とを備え、
   前記第１の冷媒輸送手段は、前記蒸発手段から、前記圧縮手段、前記凝縮手段、および前記膨張手段を経由して前記蒸発手段に還流する前記冷媒の流路を構成し、
   前記第２の冷媒輸送手段は、前記蒸発手段と前記圧縮手段の間から、前記蒸発手段と前記膨張手段の間に前記分岐冷媒が循環する流路を構成する
   冷却システム。
7. 請求項６に記載した冷却システムにおいて、
   前記分岐冷媒と前記第２の冷却手段の冷却側の冷媒を熱交換させる熱交換手段を備え、
   前記凝縮手段は、前記高圧冷媒蒸気と前記第２の冷却手段の受熱側の冷媒を熱交換させる
   冷却システム。
8. 請求項７に記載した冷却システムにおいて、
   前記熱交換手段は、前記蒸発手段よりも上方に位置している
   冷却システム。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載した冷却システムにおいて、
   前記第２の冷却手段は、吸着冷凍サイクルおよび吸収冷凍サイクルのいずれかを構成する
   冷却システム。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載した冷却システムにおいて、
    前記第２の冷媒輸送手段が構成する前記分岐冷媒の流路内に、前記分岐冷媒を循環させる駆動手段を備える
    冷却システム。
11. 冷却対象から受熱した冷媒を循環させ、
    前記冷媒の一部を分岐し、分岐した分岐冷媒を循環させ、
    前記冷媒から受熱するとともに前記分岐冷媒を冷却し、
    前記分岐冷媒の流量を、前記冷却対象に対する冷却能力が略一定となるように制御する
    冷却方法。
12. 請求項１１に記載した冷却方法において、
    前記分岐冷媒を冷却する工程の前段と後段における前記分岐冷媒の温度差が、略一定となるように前記分岐冷媒の流量を制御する
    冷却方法。
13. 請求項１２に記載した冷却方法において、
    前記温度差が所定値よりも大きい場合、前記分岐冷媒の流量を増大させ、
    前記温度差が所定値よりも小さい場合、前記分岐冷媒の流量を減少させる
    冷却方法。
14. 請求項１１から１３のいずれか一項に記載した冷却方法において、
    前記冷媒から受熱して吸着材を脱着させ、脱着した前記吸着材を蒸発させることにより前記分岐冷媒を冷却する
    冷却方法。

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