JPWO2017051533A1 - 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を最大化するために複雑な制御が必要になるため、本発明の冷却システムは、第１の冷媒輸送手段を備え、第１の冷媒輸送手段を循環する第１の冷媒が受熱し気化することにより冷却対象を冷却する第１の冷却手段と、気化した第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱を取得し、第２の冷媒を冷却する第２の冷却手段と、 第２の冷媒によって、凝縮した第１の冷媒である凝縮冷媒液を冷却する冷媒冷却手段と、第２の冷媒が、第２の冷却手段と冷媒冷却手段を循環するように構成された第２の冷媒輸送手段、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。すなわち、関連する冷凍装置は、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（第１および第２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。

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。

また、第１および第２蒸気圧縮式冷凍機のうち少なくとも一方側の凝縮器（例えば第１凝縮器）の出口側の冷媒を冷却するサブクーラ（過冷却器）をさらに備えた構成が開示されている。

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。

特開平１１−１９０５６６号公報（段落［０００５］〜［００２６］、図１、図６）

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蒸気圧縮式冷凍機が備える第１凝縮器により、吸着式冷凍機が備える再生状態にある吸着器内の吸着剤を加熱する構成としている。そのため、関連する冷凍装置が吸熱する熱量の一部だけしか吸着式冷凍機の再生に使用されないので、吸熱する熱量によっては吸着式冷凍機の冷却能力が制限される。

また、関連する冷凍装置は、吸着式冷凍機によって、第２蒸気圧縮式冷凍機が備える第２凝縮器および第１蒸気圧縮式冷凍機側のサブクーラ（過冷却器）を冷却する構成としている。そのため、第１蒸気圧縮式冷凍機および第２蒸気圧縮式冷凍機の冷却能力は、吸着式冷凍機の冷却能力に依存することになる。

以上より、関連する冷凍装置の冷却能力を最大化するためには、第１蒸気圧縮式冷凍機、第２蒸気圧縮式冷凍機、および吸着式冷凍機をそれぞれ制御する必要があるので、制御が複雑になる、という問題がある。

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を最大化するために複雑な制御が必要になる、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を最大化するために複雑な制御が必要になる、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、第１の冷媒輸送手段を備え、第１の冷媒輸送手段を循環する第１の冷媒が受熱し気化することにより冷却対象を冷却する第１の冷却手段と、気化した第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱を取得し、第２の冷媒を冷却する第２の冷却手段と、第２の冷媒によって、凝縮した第１の冷媒である凝縮冷媒液を冷却する冷媒冷却手段と、第２の冷媒が、第２の冷却手段と冷媒冷却手段を循環するように構成された第２の冷媒輸送手段、とを有する。

本発明の冷却方法は、冷却対象から受熱して気化する第１の冷媒を循環させ、気化した第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱を用いて第２の冷媒を冷却し、第２の冷媒によって、凝縮した第１の冷媒である凝縮冷媒液を冷却し、第２の冷媒を、凝縮冷媒液からのみ受熱するように循環させる。

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、複雑な制御を必要とすることなく冷却能力を最大化することができる。

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。

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、冷媒冷却手段１３０、および第２の冷媒輸送手段１４０を有する。

第１の冷却手段１１０は第１の冷媒輸送手段１１１を備える。第１の冷却手段１１０は、第１の冷媒輸送手段１１１を循環する第１の冷媒が冷却対象１０から受熱（Ｈ１）し気化することにより、冷却対象１０を冷却する。第２の冷却手段１２０は、気化した第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱（Ｈ２）を取得し、第２の冷媒を冷却する。

冷媒冷却手段１３０は、第２の冷媒によって、凝縮した第１の冷媒である凝縮冷媒液を冷却（Ｈ３）する。これにより、第１の冷却手段１１０の冷却能力の増大を図ることができる。

第２の冷媒輸送手段１４０は、第２の冷媒が、第２の冷却手段１２０と冷媒冷却手段１３０を循環するように構成されている。

上述したように、冷却システム１００においては、冷却対象１０から受熱した第１の冷媒は第１の冷媒輸送手段１１１を循環し、第２の冷却手段１２０に熱を受け渡す。すなわち、受熱した第１の冷媒の循環経路は一個であるので、第１の冷却手段１１０は受熱量のうち損失分を除いた最大量まで第２の冷却手段１２０に移動させることができる。このため、第２の冷却手段１２０の冷却能力を上限まで使用することが可能である。その結果、第１の冷却手段１１０における第１の冷媒の流量や圧力等を制御することなく、冷却システム１００の冷却能力を最大化することができる。

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、複雑な制御を必要とすることなく冷却能力を最大化することができる。

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。

第１の冷媒として、低沸点の材料を使用することができる。例えば、ハイドロフルオロカーボンやハイドロフルオロエーテルなどの有機冷媒を用いることができる。また、第２の冷媒として、典型的には水を用いることができる。

ここで、第２の冷媒輸送手段１４０は、第２の冷媒が冷媒冷却手段１３０でのみ受熱するようにした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、第２の冷媒が他の冷却機器等において受熱することによって、冷媒冷却手段１３０において受熱できる量が変動することを回避することができる。したがって、冷却システム１００の冷却能力を最大化するために、第２の冷媒が受熱できる量に応じて第１の冷却手段１１０を制御することは不要になる。

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て気化する第１の冷媒を循環させる。そして、気化した第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱を用いて第２の冷媒を冷却する。この第２の冷媒によって、凝縮した第１の冷媒である凝縮冷媒液を冷却する。このとき、第２の冷媒を、凝縮冷媒液からのみ受熱するように循環させる。

ここで、凝縮冷媒液を冷却する際に、この凝縮冷媒液であって高圧の冷媒液と第２の冷媒を熱交換させることとすることができる。これに限らず、凝縮冷媒液であって低圧の冷媒液と第２の冷媒を熱交換させることとしてもよい。

また、第２の冷媒の冷却は、第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱によっ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第２の冷媒を冷却する構成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第１の冷媒が循環する冷凍サイクルと、第１の冷媒から受熱するとともに第２の冷媒を冷却する冷凍サイクルを組み合わせた冷却方法である。そして上述したように、本実施形態の冷却方法によれば、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、複雑な制御を必要とすることなく冷却能力を最大化することができる。

〔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、冷媒冷却部（冷媒冷却手段）１３００、および第２の冷媒輸送部（第２の冷媒輸送手段）１４００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が冷媒冷却部１３００を介して第１の冷却装置１１００の第１の冷媒を冷却する。このように、冷却システム１０００は排熱回収型の冷却システムである。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、第１の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にした低圧冷媒液を生成する。

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。そして第１の冷却装置１１００は、第１の冷媒輸送部１１５０を循環する第１の冷媒が蒸発器１１１０において冷却対象１０から受熱し気化することにより、冷却対象１０を冷却する。

第２の冷却装置１２００は、気化した第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱を取得し、第２の冷媒を冷却する。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。すなわち、第２の冷却装置１２００は、第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱によっ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第２の冷媒を冷却する構成とすることができる。ここで、第２の冷媒として、典型的には水を用いることができる。

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中の点線矢印は、吸着式冷凍機１２０１の冷媒としての水の流れを示す。

冷媒冷却部１３００は、第２の冷媒によって、凝縮した第１の冷媒である凝縮冷媒液を冷却する。ここで冷媒冷却部１３００は、凝縮冷媒液と第２の冷媒を熱交換させる熱交換器（熱交換手段）１３０１を備えた構成とすることができる。

熱交換器１３０１は、図２に示したように、膨張弁１１４０と蒸発器１１１０の間に位置し、低圧冷媒液と第２の冷媒を熱交換させる構成とすることができる。これに限らず、図３に示すように、熱交換器１３０１が膨張弁１１４０と凝縮器１１３０の間に位置し、高圧冷媒液と第２の冷媒を熱交換させる構成としてもよい。

第２の冷媒輸送部１４００は、第２の冷媒が、第２の冷却装置１２００と冷媒冷却部１３００を循環するように構成されている。図２中、破線矢印は第２の冷媒の流れを示す。第２の冷媒輸送部１４００は、典型的には金属製または樹脂製の配管である。ここで、第２の冷媒輸送部１４００が構成する第２の冷媒の流路内に、第２の冷媒を循環させるポンプ等の駆動部（駆動手段）１４１０を備えた構成としてもよい。

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（第１の冷媒）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。

このとき、冷却対象１０からの排熱のうち損失分を除いた最大量まで、第１の冷媒輸送部１１５０および凝縮器１１３０を介して第２の冷却装置１２００に移動させることができる。このため、第２の冷却装置１２００の冷却能力を上限まで使用することが可能である。その結果、第１の冷却装置１１００における冷媒（第１の冷媒）の流量や圧力等を制御することなく、冷却システム１０００の冷却能力を最大化することができる。

凝縮器１１３０において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、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第２の冷媒として例えば約５〜２０℃程度の冷水を生成する。

第２の冷媒輸送部１４００は、この冷水を第２の冷却装置１２００と熱交換器１３０１の間を循環させる。そして、熱交換器１３０１は、冷水と凝縮液化した冷媒を熱交換させることにより、この冷媒を冷却する。これにより、第１の冷却装置１１００が備える蒸発器１１１０における冷媒（第1の冷媒）が有するエンタルピ差が拡大するので、第１の冷却装置１１００の冷却能力の増大を図ることができる。

ここで、第２の冷媒輸送部１４００は、第２の冷媒としての冷水が熱交換器１３０１でのみ受熱するようにした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、この冷水が他の冷却機器等において受熱することによって、熱交換器１３０１において受熱できる量が変動することを回避することができる。したがって、冷却システム１０００の冷却能力を最大化するために、冷水が受熱できる量に応じて第１の冷却装置１１００を制御することは不要になる。

上述したように、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、複雑な制御を必要とすることなく冷却能力を最大化することができる。

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２０１５−１８８２２６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
１３０ 冷媒冷却手段
１４０ 第２の冷媒輸送手段
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
１３００ 冷媒冷却部
１３０１ 熱交換器
１４００ 第２の冷媒輸送部
１４１０ 駆動部
１０ 冷却対象

Claims (13)

1. 第１の冷媒輸送手段を備え、前記第１の冷媒輸送手段を循環する第１の冷媒が受熱し気化することにより冷却対象を冷却する第１の冷却手段と、
   気化した前記第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱を取得し、第２の冷媒を冷却する第２の冷却手段と、
   前記第２の冷媒によって、凝縮した前記第１の冷媒である凝縮冷媒液を冷却する冷媒冷却手段と、
   前記第２の冷媒が、前記第２の冷却手段と前記冷媒冷却手段を循環するように構成された第２の冷媒輸送手段、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、
   前記第２の冷媒輸送手段は、前記第２の冷媒が前記冷媒冷却手段でのみ受熱するように構成された
   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、
   前記冷媒冷却手段は、前記凝縮冷媒液と前記第２の冷媒を熱交換させる熱交換手段を備える
   冷却システム。
4. 請求項３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、
   前記第１の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にした低圧冷媒液を生成する膨張手段、とを備える
   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、
   前記熱交換手段は、前記膨張手段と前記蒸発手段の間に位置し、前記低圧冷媒液と前記第２の冷媒を熱交換させる
   冷却システム。
6. 請求項４に記載した冷却システムにおいて、
   前記熱交換手段は、前記膨張手段と前記凝縮手段の間に位置し、前記高圧冷媒液と前記第２の冷媒を熱交換させる
   冷却システム。
7. 請求項１から６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。
8. 請求項１から６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、吸着冷凍サイクルを構成し、前記第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱によっ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第２の冷媒を冷却する
   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の冷媒輸送手段が構成する前記第２の冷媒の流路内に、前記第２の冷媒を循環させる駆動手段を備える
   冷却システム。
10. 冷却対象から受熱して気化する第１の冷媒を循環させ、
    気化した前記第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱を用いて第２の冷媒を冷却し、
    前記第２の冷媒によって、凝縮した前記第１の冷媒である凝縮冷媒液を冷却し、
    前記第２の冷媒を、前記凝縮冷媒液からのみ受熱するように循環させる
    冷却方法。
11. 請求項１０に記載した冷却方法において、
    前記凝縮冷媒液を冷却する際に、前記凝縮冷媒液であって高圧の冷媒液と前記第２の冷媒を熱交換させる
    冷却方法。
12. 請求項１０に記載した冷却方法において、
    前記凝縮冷媒液を冷却する際に、前記凝縮冷媒液であって低圧の冷媒液と前記第２の冷媒を熱交換させる
    冷却方法。
13. 請求項１０から１２のいずれか一項に記載した冷却方法において、
    前記第１の冷媒が凝縮する際に放出する熱によっ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第２の冷媒を冷却する
    冷却方法。

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