WO2014192252A1 - 冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

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暁 小路口
正樹 千葉
賢一 稲葉
有仁 松永
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    • H05K7/20827—Liquid cooling with phase change within rooms for removing heat from cabinets, e.g. air conditioning devices

Definitions

  • the present invention relates to a cooling system and a cooling method, and more particularly, to a cooling system that dissipates exhaust heat of a plurality of electronic devices whose loads vary by circulation of a refrigerant.
  • a method of transporting the exhaust heat of the electronic device directly to the outside and radiating it to the outside air there are a method of transporting exhaust heat.
  • a method of transporting exhaust heat there are a method of circulating cold water, a method of using a phase change phenomenon of a refrigerant, and the like.
  • the method using the phase change phenomenon of the refrigerant the movement of latent heat when the refrigerant undergoes phase change is utilized by the cycle of vaporization and condensation of the refrigerant. Therefore, the method using the phase change phenomenon of the refrigerant is expected as a cooling system for a data center or the like because the amount of heat transfer is larger than the method of circulating cold water.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of a cooling system for an electronic device related to Patent Document 1.
  • the electronic apparatus cooling system 10 illustrated in FIG. 8 includes a plurality of local cooling units 22 and a single refrigerant condenser 26 provided on the building.
  • Each local cooling unit 22 includes an evaporator 18 and a fan 20 provided in a plurality of server racks 16 that accommodate a plurality of servers 14 in the building.
  • the plurality of evaporators 18 are branched and connected by the refrigerant condenser 26 and the pipes 32 and 34 to form a secondary side cooling system 28 in which the refrigerant naturally circulates.
  • the refrigerant condenser 26 is connected to the refrigerator 40 provided on the building by pipes 42 and 44 to form a primary cooling system for cooling the refrigerant. Furthermore, the pipes 32 and 34 of the secondary side cooling system 28 are provided with a valve 54 for adjusting the supply flow rate of the refrigerant and a flow rate control unit 56 for controlling the opening degree of the valve. On the other hand, the pipings 42 and 44 of the primary side cooling system are provided with a circulation pump 46.
  • the air sent from the fan 20 is heated by exhaust heat from the server 14, and the heated hot air and the refrigerant flowing through the evaporator 18 directly exchange heat to cool the server 14. Then, the refrigerant vaporized by the high heat exchanges heat with the cold water flowing through the primary side cooling system in the refrigerant condenser 26, thereby discharging the heat to the outside of the building.
  • the supply amount of the refrigerant in the secondary side cooling system is controlled by the valve 54, and the air volume of the fan 20 is adjusted. Thereby, the energy consumption of the whole cooling system can be controlled.
  • the refrigerant changes phase from liquid to gas
  • the volume of the refrigerant increases, so that the internal pressure of the refrigerant circulation system increases, and the boiling point of the refrigerant rises accordingly.
  • the boiling point of the refrigerant greatly increases due to heat generated from the high-load server 14.
  • the temperature difference between the temperature of exhaust heat from the low-load server 14 and the boiling point of the refrigerant is reduced, and the amount of heat exchange is reduced.
  • the phase change does not occur, and the cooling performance of the cooling system 10 decreases.
  • the temperature of the cooler is monitored using the temperature sensor 52, and the air flow rate of the fan 20 and the refrigerant amount are changed according to the processing load of each server 14. Control the supply flow rate. In this case, the configuration of the entire cooling system becomes complicated.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and in a cooling system and a cooling method for cooling a plurality of electronic devices by a phase change of a refrigerant, the cooling performance can be maintained even when the loads on the electronic devices are uneven.
  • An object of the present invention is to provide a cooling system and a cooling method with a simple configuration.
  • the cooling system of the present invention includes a plurality of evaporators that store a first refrigerant, a plurality of heat exchangers that are respectively disposed above the plurality of evaporators, and a corresponding evaporator and heat exchanger. Circulating the first refrigerant and cooling the first refrigerant through the second refrigerant in the plurality of first pipes constituting the first refrigerant circulation system independent for each evaporator and the plurality of heat exchangers An external heat exchanger, and a second pipe that circulates the second refrigerant between the external heat exchanger and the plurality of heat exchangers to constitute a second refrigerant circulation system.
  • the cooling method of the present invention uses a plurality of evaporators that store the first refrigerant, receives heat from a plurality of objects to be cooled, vaporizes the first refrigerant, and is disposed above the plurality of evaporators.
  • the plurality of heat exchangers are used to dissipate heat from the vaporized first refrigerant so that the first refrigerant is condensed and liquefied, and the condensed and liquefied first refrigerant is recirculated to the plurality of evaporators, respectively.
  • the amount of heat radiated from the first refrigerant is received by the second refrigerant, the second refrigerant flows to the external heat exchanger, and the amount of heat of the second refrigerant is released in the external heat exchanger. And then cooling the second refrigerant back to the heat exchanger.
  • the cooling performance can be maintained even with a non-uniform load on the electronic devices with a simple configuration.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a cooling system according to the first embodiment of the present invention.
  • the cooling system 100 includes a plurality of evaporators 104, a plurality of heat exchangers 302, an external heat exchanger 303 that cools the first refrigerant through the second refrigerant in the plurality of heat exchangers 302, and a plurality of first heat exchangers 302.
  • a pipe 200 and a second pipe 300 are provided.
  • Each of the plurality of evaporators 104 stores the first refrigerant.
  • Each of the plurality of heat exchangers 302 is disposed above the corresponding evaporator 104.
  • Each of the plurality of first pipes 200 constitutes a first refrigerant circulation system independent for each of the evaporator 104 and the heat exchanger 302, and the first refrigerant is connected between the evaporator 104 and the corresponding heat exchanger 302. Circulate.
  • the second pipe 300 constitutes a second refrigerant circulation system together with the external heat exchanger 303 and the plurality of heat exchangers 302, and the second refrigerant is interposed between the external heat exchanger 303 and the plurality of heat exchangers 302. Circulate.
  • the first refrigerant circulation system is configured independently for each electronic device 102 that is a cooling target. Therefore, the cooling performance can be maintained without adjusting the flow rate of the refrigerant even if the load of the electronic device apparatus 102 becomes uneven. Furthermore, since each heat exchanger 302 is cooled by the second refrigerant circulation system, the entire cooling system can be simplified.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of another cooling system according to the present embodiment.
  • the cooling system 110 cools a plurality of electronic device apparatuses 102 such as servers and network devices installed in the server room 101, for example.
  • the electronic device apparatus 102 is mounted on a plurality of racks 103.
  • Each rack 103 is provided with an evaporator 104.
  • the evaporator 104 is connected to a heat exchanger 302 disposed above the evaporator 104 outside the server room 101 by a steam pipe 201 and a liquid pipe 202.
  • the evaporator 104, the heat exchanger 302, and the piping constitute a first refrigerant circulation system.
  • the first refrigerant is injected into the evaporator 104.
  • the evaporator 104 is maintained at the saturated vapor pressure of the first refrigerant by evacuating the first refrigerant after being injected.
  • a low boiling point refrigerant such as hydrofluorocarbon or hydrofluoroether can be used.
  • the electronic device apparatus 102 generates heat when a load such as data processing is applied, and discharges heat into the rack 103. This exhaust heat is transmitted to the evaporator 104 installed in the rack 103, and the first refrigerant in the evaporator 104 changes phase from liquid to gas.
  • the first refrigerant that has become gas rises up the steam pipe 201 by buoyancy and flows into the heat exchanger 302.
  • the first refrigerant is cooled and condensed by exchanging heat with a second refrigerant, which is another refrigerant, and becomes a liquid.
  • the first refrigerant that has become liquid returns to the evaporator 104 through the liquid pipe 202.
  • the first refrigerant circulates without using a driving source such as a pump by using buoyancy in the case of gas and gravity in the case of liquid.
  • the first refrigerant circulation system constitutes an independent circulation system for each rack 103.
  • the volume of the first refrigerant increases, the internal pressure of the first refrigerant circulation system increases, and the boiling point of the first refrigerant rises, The boiling point of the first refrigerant circulating through the other racks 103 is not affected.
  • coolant circulation system is comprised for every rack 103, each flow path length can be made comparatively short. Therefore, the influence of the increase in the boiling point of the refrigerant due to the flow path resistance can be reduced.
  • the cooling system 110 further includes an external heat exchanger 303, a tank 304, and a pump 301 outside the server room 101.
  • a plurality of heat exchangers 302 are connected in parallel by the second pipe 300 to constitute a second refrigerant circulation system.
  • parallel refers to a configuration in which the second refrigerant flowing from the external heat exchanger 303 once branches and passes through the plurality of heat exchangers 302, and then merges again and flows into the external heat exchanger 303. .
  • a refrigerant that can receive heat from the first refrigerant as latent heat and condense the first refrigerant is used.
  • a low-boiling point refrigerant such as hydrofluorocarbon or hydrofluoroether can be used.
  • the liquid amount of the second refrigerant depends on the latent heat of the refrigerant to be used, even when the electronic device 102 is at the maximum load, that is, at the maximum heat generation, all of the second refrigerant in the second refrigerant circulation system. It is set so that the liquid phase second refrigerant can be continuously supplied to the heat exchanger 302 without being vaporized.
  • the second refrigerant circulation system is common to all racks 103. That is, the configuration includes one external heat exchanger 303, one tank 304, and one pump 301, which can save space.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the tank 304 used in the cooling system 110 of the present embodiment.
  • “Max” in the figure is the refrigerant height when the amount of the second refrigerant in the tank 304 is the largest.
  • the tank 304 uses the total amount of the second refrigerant even when the amount of the second refrigerant in the tank 304 is the largest, that is, when all the electronic device devices 102 are not operating. It has a capacity that can be accommodated.
  • Min in the figure is the refrigerant height when the amount of the second refrigerant in the tank 304 is the smallest. As shown in FIG. 3, in the tank 304, when the amount of the second refrigerant in the tank 304 is the smallest, that is, all the electronic device devices 102 operate at the maximum load, and the second refrigerant is most vaporized. Even in such a case, the liquid phase refrigerant has a size and shape so as to be immersed in a pipe provided under the tank 304.
  • the tank 304 functions as a buffer. Therefore, it is possible to suppress an increase in internal pressure of the entire second refrigerant circulation system.
  • FIG. 4A is a perspective view of a heat exchanger 302 used in the cooling system according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a cross-sectional view thereof.
  • the second refrigerant inlet 321 into which the second refrigerant flows is lower in the vertical direction, and the second refrigerant outlet 322 from which the second refrigerant flows out is on the upper side in the vertical direction.
  • the first refrigerant inlet 323 into which the first refrigerant flows is connected to the upper side, and the first refrigerant outlet 324 from which the first refrigerant flows out is connected to the lower side.
  • the first refrigerant can use gravity for circulation of the flow path after the phase change from gas to liquid.
  • the second refrigerant that has received the amount of heat from the first refrigerant and has undergone a phase change from the liquid phase to the gas phase can use buoyancy for circulation of the flow path.
  • the cross-sectional area of the second refrigerant flow path 411 indicated by the solid arrow in FIG. 4B is greater than the cross-sectional area of the first refrigerant flow path 412 indicated by the dotted arrow.
  • FIG. 5 is a sectional view showing an example of the connection configuration of the second refrigerant circulation system according to the present embodiment.
  • the tank connection pipe 312 connecting the tank 304 and the external heat exchanger 303 can be applied with a configuration in which the inner diameter is increased or a configuration in which the pipe length is increased. With such a configuration, the volume of the tank connection pipe 312 can be increased to accommodate a part of the second refrigerant, and the volume of the tank 304 can be reduced.
  • the first refrigerant undergoes a phase change from a liquid to a gas in the evaporator 104 due to the exhaust heat of the electronic device apparatus 102, and moves to the heat exchanger 302 disposed on the outer upper side of the server room 101 by buoyancy. .
  • heat exchanger 302 heat is transferred from the first refrigerant to the second refrigerant.
  • heat exchange in the heat exchanger 302 is heat exchange by latent heat, and the first refrigerant is condensed by the heat exchange, while a part of the second refrigerant is vaporized.
  • the condensed first refrigerant returns to the lower evaporator 104 through the liquid pipe 202.
  • the second refrigerant flows into the external heat exchanger 303 as a vapor flow 403.
  • the heat of the second refrigerant is released to the outside air.
  • the second refrigerant is condensed and flows into the tank 304 as the liquid flow 401.
  • the second refrigerant stored in the tank 304 is again discharged to the heat exchangers 302 by the pump 301.
  • the exhaust heat from the electronic device apparatus 102 is discharged to the outside by the circulation of the first refrigerant and the second refrigerant.
  • the temperature rise in the server room 101 is suppressed, and the load on the air conditioner that cools the server room 101 can be reduced.
  • the tank 304 is connected to the suction port 311 of the pump 301.
  • the suction port of the pump 301 has a negative pressure, the boiling point of the refrigerant is lowered, and bubbles may be generated (cavitation). Therefore, it is desirable to provide the tank 304 above the pump suction port 311. Thereby, it is possible to prevent bubbles from entering the pump 301 and reducing the driving force.
  • FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of the cooling system 120 according to the present embodiment.
  • the cooling system 120 has a configuration in which a plurality of heat exchangers 302 are connected in series and the second refrigerant is circulated by a pump 301.
  • the series means a configuration in which the second refrigerant flowing from the external heat exchanger 303 flows into the external heat exchanger 303 after passing through all of the plurality of heat exchangers 302.
  • the liquid amount of the second refrigerant is continuously increased without causing the second refrigerant in the second refrigerant circulation system to be completely vaporized even when the electronic device apparatus 102 generates the maximum heat.
  • the amount is set so that the liquid-phase second refrigerant can be continuously supplied.
  • the pump 301 has a driving force sufficient to supply the second refrigerant. With such a configuration, it is possible to avoid the occurrence of a dry-out phenomenon in which the second refrigerant is completely vaporized by the heat exchanger 302 on the way.
  • Each heat exchanger 302 performs heat exchange by latent heat at the time of phase change of the refrigerant.
  • the second refrigerant in the liquid stream 401 is partially vaporized when passing through the heat exchanger 302, and becomes the second refrigerant in the gas-liquid two-phase flow 402 in which the gas phase and the liquid phase are mixed.
  • a part of the liquid phase is vaporized, and after passing through the final stage heat exchanger 302, most of the liquid phase is vaporized and becomes the second refrigerant of the vapor flow 403. It flows into the external heat exchanger 303. Since the heat exchange in the heat exchanger 302 is heat exchange by latent heat, the heat exchange capability is maintained even when the temperature of the liquid second refrigerant rises on the downstream side.
  • the flow rate of the second refrigerant supplied from the pump 301 can be reduced, so that the driving power of the pump 301 can be suppressed.
  • a plurality of evaporators that store the first refrigerant, a plurality of heat exchangers respectively disposed vertically above the first evaporator, and the heat exchangers corresponding to the evaporators
  • the first refrigerant circulates between the plurality of first pipes constituting the first refrigerant circulation system independent for each evaporator and the external heat that cools the heat exchanger via the second refrigerant.
  • a cooling system comprising: an exchanger; and a second pipe that connects the external heat exchanger and the plurality of heat exchangers and constitutes a second refrigerant circulation system through which the second refrigerant circulates.
  • the first pipe includes a gas phase tube that causes the first refrigerant in a vapor phase vaporized by the evaporator to flow to the heat exchanger, and a liquid phase state that is condensed and liquefied by the heat exchanger.
  • Appendix 3 The cooling system according to appendix 1 or 2, wherein the second refrigerant circulation system has a configuration in which the plurality of heat exchangers are connected in parallel to the external exchanger.
  • Additional remark 6 The cooling system of Additional remark 5 which further has a sensing part which measures the sum total of the load of the some electronic device which is cooling object, and a control part which controls the driving force of the said pump according to the said sum total of the load .
  • the said external heat exchanger is provided with the heat exchange plate which comprises the flow path of the said 1st refrigerant
  • the cooling system according to any one of appendices 1 to 7, wherein the cross-sectional area is arranged so as to be larger than the cross-sectional area of the flow path of the first refrigerant.
  • the amount of heat radiated is received by the second refrigerant, the second refrigerant is caused to flow to the external heat exchanger, and after the amount of heat of the second refrigerant is released in the external heat exchanger, the second refrigerant A cooling method in which the refrigerant of 2 is refluxed to the heat exchanger.
  • the present invention can be applied to an application for reducing air-conditioning power when a plurality of racks are mounted as in a data center and the load varies.

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Abstract

　電子機器の負荷が不均一である場合でも冷却性能を維持できる、単純な構成の冷却システム及び冷却方法を提供する。　本発明の冷却システムは、第１の冷媒を貯蔵する複数の蒸発器と、複数の蒸発器の上方にそれぞれ配置される複数の熱交換器と、対応する蒸発器および熱交換器との間で第１の冷媒を循環させ、蒸発器毎に独立した第１の冷媒循環系を構成する複数の第１の配管と、複数の熱交換器において第１の冷媒を第２の冷媒を介して冷却する外部熱交換器と、外部熱交換器と複数の熱交換器との間で第２の冷媒を循環させ、第２の冷媒循環系を構成する第２の配管と、を備える。

Description

冷却システム及び冷却方法
　本発明は、冷却システム及び冷却方法に関し、特に、負荷が変動する複数の電子装置の排気熱を冷媒の循環により放熱する冷却システムに関する。
　近年、インターネットサービスなどの拡大に伴い、情報処理を行うサーバやネットワーク機器を一箇所に集約したデータセンタの役割が大きくなっている。データセンタで扱う情報処理量の増大に伴い、データセンタの電力消費量も増大している。データセンタにおいては、電子機器装置を冷却するための空調機の消費電力が、データセンタ全体の消費電力の半分近くを占める。このため、データセンタにおいて、特に空調機の消費電力を低減する技術の向上が期待されている。
　空調機の電力を低減する方法として、電子機器装置の排気熱を、直接屋外に輸送して外気に放熱する方法がある。排気熱を輸送する方式としては、冷水を循環する方式や、冷媒の相変化現象を利用する方式等がある。冷媒の相変化現象を利用する方式においては、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって、冷媒が相変化する際の潜熱の移動を利用する。そのため、冷媒の相変化現象を利用する方式は、冷水を循環する方式と比べて熱移動量が大きいので、データセンタ等の冷却システムとして期待される。
　このような相変化現象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に関連する電子機器の冷却システムの構成を示す概略図を図８に示す。図８に示した電子機器の冷却システム１０は、複数の局所冷却ユニット２２と、建屋上に設けた単体の冷媒凝縮器２６を有する。局所冷却ユニット２２はそれぞれ、建屋内の複数のサーバ１４を収容する複数のサーバラック１６に設けた蒸発器１８及びファン２０から成る。複数の蒸発器１８は、冷媒凝縮器２６と配管３２，３４によって分岐接続され、冷媒が自然循環する２次側冷却系２８が形成される。
　冷媒凝縮器２６は、建屋上に設けられた冷凍機４０と配管４２，４４によって連結され、冷媒を冷却する１次側冷却系が形成される。さらに、２次側冷却系２８の配管３２，３４には、冷媒の供給流量を調整するためのバルブ５４及びバルブの開度を制御する流量制御部５６が設けられている。一方、１次側冷却系の配管４２，４４には、循環ポンプ４６が設けられた構成としている。
　冷却システム１０においては、ファン２０から送られる空気がサーバ１４からの排熱によって加熱され、この加熱された熱風と蒸発器１８を流れる冷媒が直接熱交換することでサーバ１４を冷却する。そして、高熱により気化した冷媒が冷媒凝縮器２６において１次側冷却系を流れる冷水と熱交換することにより、熱を建屋外へ排出する。このとき、サーバ１４の処理負荷に応じて、２次側冷却系における冷媒の供給量をバルブ５４によって制御し、ファン２０の風量を調節する。これにより、冷却システム全体の消費エネルギーを制御することができる。
特開２００９―２１７５００号公報
　しかし、図８の冷却システム１０において、複数の冷却対象のサーバ１４の負荷がばらつく場合、冷却システム１０の冷却性能が著しく低下する。これは以下の理由による。
　冷媒が液体から気体へ相変化する時に、冷媒の体積が増大することによって冷媒循環系の内圧が増加し、それに応じて冷媒の沸点が上昇する。従って、冷却システム１０に複数のサーバ１４を接続する場合、高負荷のサーバ１４からの発熱によって、冷媒の沸点が大きく上昇する。その結果、低負荷のサーバ１４からの排熱の温度と冷媒の沸点との温度差が小さくなり、熱交換量が低下する。さらに、冷媒の沸点が排熱温度より高くなる場合、相変化が起こらず、冷却システム１０の冷却性能が低下する。
　これを避けるために、図８に示した電子機器の冷却システム１０においては、冷却器の温度を温度センサ５２を用いてモニタし、各サーバ１４の処理負荷に応じてファン２０の風量および冷媒の供給流量を制御する。この場合、冷却システム全体の構成が複雑になる。
　本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、複数の電子機器を冷媒の相変化により冷却する冷却システム及び冷却方法において、電子機器の負荷が不均一である場合でも冷却性能を維持できる、単純な構成の冷却システム及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の冷媒を貯蔵する複数の蒸発器と、複数の蒸発器の上方にそれぞれ配置される複数の熱交換器と、対応する蒸発器および熱交換器との間で第１の冷媒を循環させ、蒸発器毎に独立した第１の冷媒循環系を構成する複数の第１の配管と、複数の熱交換器において第１の冷媒を第２の冷媒を介して冷却する外部熱交換器と、外部熱交換器と複数の熱交換器との間で第２の冷媒を循環させ、第２の冷媒循環系を構成する第２の配管と、を備える。
　本発明の冷却方法は、第１の冷媒を貯蔵する複数の蒸発器を用いて、複数の冷却対象から熱量を受熱して第１の冷媒を気化させ、複数の蒸発器の上方にそれぞれ配置された複数の熱交換器を用いて、気化した第１の冷媒から熱量を放熱させて第１の冷媒を凝縮液化させ、凝縮液化した第１の冷媒を複数の蒸発器にそれぞれ還流させ、複数の熱交換器において、第１の冷媒からそれぞれ放熱させた熱量を第２の冷媒に受熱させ、第２の冷媒を外部熱交換器に流動させ、外部熱交換器において第２の冷媒の熱量を放出させた後、第２の冷媒を熱交換器に還流させる冷却方法である。
　上述した本発明の態様によれば、複数の電子機器を冷媒の相変化により冷却する冷却システム及び冷却方法において、簡単な構成で、電子機器の負荷が不均一である場合でも冷却性能を維持できる。
第１の実施形態に係る冷却システムの概略構成図である。 第１の実施形態に係る別の冷却システムの概略構成図である。 第１の実施形態に係る冷却システムで用いるタンクの構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る冷却システムで用いる熱交換器の斜視図である。 第１の実施形態に係る冷却システムで用いる熱交換器の断面図である。 第１の実施形態に係る冷却システムで用いるポンプと熱交換器の接続構成の一例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る冷却システムで用いるポンプとタンクの接続構成の一例を示す断面図である。 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。 関連する電子機器の冷却システムの構成を示す概略図である。
　〔第１の実施形態〕
　本発明の第１の実施形態に係る冷却システムの概略構成図を図１に示す。冷却システム１００は、複数の蒸発器１０４、複数の熱交換器３０２、複数の熱交換器３０２において第２の冷媒を介して第１の冷媒を冷却する外部熱交換器３０３、複数の第１の配管２００および第２の配管３００を有する。
　複数の蒸発器１０４はそれぞれ、第１の冷媒を貯蔵する。複数の熱交換器３０２はそれぞれ、対応する蒸発器１０４の上方に配置される。
　複数の第１の配管２００はそれぞれ、蒸発器１０４および熱交換器３０２毎に独立した第１の冷媒循環系を構成し、蒸発器１０４と対応する熱交換器３０２との間で第１の冷媒を循環させる。
　第２の配管３００は、外部熱交換器３０３および複数の熱交換器３０２と共に第２の冷媒循環系を構成し、外部熱交換器３０３と複数の熱交換器３０２との間で第２の冷媒を循環させる。
　本実施形態による冷却システム１００においては、冷却対象である電子機器装置１０２ごとに、それぞれ独立に第１の冷媒循環系が構成されている。そのため、電子機器装置１０２の負荷が不均一となっても冷媒の流量を調整することなく冷却性能を維持することができる。さらに、それぞれの熱交換器３０２を第２の冷媒循環系により冷却する構成としているので、冷却システム全体の構成を単純にできる。
　本実施形態の冷却システムについて、さらに詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る別の冷却システムの概略構成図である。図２に示すように、冷却システム１１０は、例えばサーバルーム１０１内に設置されたサーバやネットワーク機器等の複数の電子機器装置１０２を冷却する。電子機器装置１０２は、複数のラック１０３に搭載される。ラック１０３にはそれぞれ蒸発器１０４が設置される。
　蒸発器１０４は、蒸気管２０１と液管２０２により、サーバルーム１０１の外において蒸発器１０４の上方に配置された熱交換器３０２と接続されている。これら蒸発器１０４と熱交換器３０２と配管（蒸気管２０１、液管２０２）とで第１の冷媒循環系を構成する。
　蒸発器１０４内には第１の冷媒が注入されている。蒸発器１０４内は、第１の冷媒を注入後に真空引きすることにより、第１の冷媒の飽和蒸気圧に維持される。第１の冷媒としては、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、低沸点冷媒を用いることができる。
　電子機器装置１０２は、データ処理などの負荷がかかると発熱し、ラック１０３内に熱を排出する。この排気熱はラック１０３に設置された蒸発器１０４へ伝わり、蒸発器１０４内の第１の冷媒は液体から気体に相変化する。気体となった第１の冷媒は浮力により蒸気管２０１を上昇し、熱交換器３０２に流入する。熱交換器３０２内で第１の冷媒は別の冷媒である第２の冷媒と熱交換を行うことで冷却されて凝縮し、液体となる。液体となった第１の冷媒は液管２０２を通って蒸発器１０４に還流する。このように、第１の冷媒は、気体時は浮力を、液体時は重力を利用することで、ポンプ等の駆動源を利用することなく循環する。
　第１の冷媒循環系はラック１０３毎に独立した循環系を構成している。この場合、一部の電子機器装置１０２が高負荷となり、第１の冷媒の体積が増大することで第１の冷媒循環系の内圧が増加し、第１の冷媒の沸点が上昇した場合でも、その他のラック１０３を循環する第１の冷媒の沸点には影響を与えない。さらに、ラック１０３ごとに第１の冷媒循環系が構成されているので、それぞれの流路長を比較的短くできる。従って、流路抵抗による冷媒の沸点上昇の影響を小さくすることができる。
　本実施形態に係る冷却システム１１０はさらに、サーバルーム１０１の外部に外部熱交換器３０３と、タンク３０４と、ポンプ３０１とを備える。冷却システム１１０においては、複数の熱交換器３０２が第２の配管３００によって並列に接続されることにより、第２の冷媒循環系を構成する。ここで、並列とは、外部熱交換器３０３から流れる第２の冷媒が一旦分岐して複数の熱交換器３０２をそれぞれ通過した後、再び合流して外部熱交換器３０３に流入する構成である。
　第２の冷媒としては、潜熱として第１の冷媒から熱を受熱し、第１の冷媒を凝縮させることができる冷媒が用いられる。例えば、第１の冷媒と同様に、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低沸点の冷媒を用いることができる。
　第２の冷媒の液量は、使用する冷媒の潜熱に応じて、電子機器装置１０２の最大負荷時、つまり最大発熱時であっても、第２の冷媒循環系内の第２の冷媒が全て気化することなく、継続的に熱交換器３０２へ液相の第２の冷媒を供給し続けることができるように設定される。
　第２の冷媒循環系は全ラック１０３に共通である。すなわち、外部熱交換器３０３と、タンク３０４と、ポンプ３０１をそれぞれ一個ずつ備えた構成であり、省スペースとすることができる。
　図３に、本実施形態の冷却システム１１０で用いるタンク３０４の断面図を示す。図中の「Ｍａｘ」はタンク３０４内の第２の冷媒の液量が最も多い場合の冷媒高さである。図３に示すように、タンク３０４は、タンク３０４内の第２の冷媒の液量が最も多い時、つまり、全ての電子機器装置１０２が動作していない時でも、第２の冷媒の全量を収容できる容量を有する。
　また、図中の「Ｍｉｎ」はタンク３０４内の第２冷媒の液量が最も少ない場合の冷媒高さである。図３に示すように、タンク３０４は、タンク３０４内の第２の冷媒の液量が最も少ない時、つまり、全ての電子機器装置１０２が最大負荷で動作し、第２の冷媒が最も気化した時でも、タンク３０４下部に設ける配管に液相冷媒が浸るような寸法及び形状を有する。
　このような構成とすることで、一部の第１の冷媒循環系が高負荷となり、対応する熱交換器３０２の内圧が上昇しても、タンク３０４がバッファとして機能する。従って、第２の冷媒循環系全体の内圧上昇を抑えることができる。
　本発明の実施形態に係る冷却システムに用いられる熱交換器３０２の斜視図を図４Ａに、断面図を図４Ｂに示す。
　図４Ａに示すように、第２の冷媒が流入する第２の冷媒流入口３２１は鉛直方向の下側、第２の冷媒が流出する第２の冷媒流出口３２２は鉛直方向の上側となるように接続される。また、第１の冷媒が流入する第１の冷媒流入口３２３は上側に、第１の冷媒が流出する第１の冷媒流出口３２４は下側となるように接続される。
　このような構成とすることで、第１の冷媒は気体から液体に相変化した後、流路循環に重力を利用することができる。一方、第１の冷媒から熱量を受熱して液相から気相に相変化した第２の冷媒は、流路循環に浮力を利用することができる。
　ここで、本実施形態に係る熱交換器３０２は、図４Ｂに実線矢印で示す第２の冷媒の流路４１１の断面積が、点線矢印で示す第１の冷媒の流路４１２の断面積よりも大きくなるように流路幅が設計された熱交換プレート３２５を備える。このような構成とすることにより、第２の冷媒が熱交換器３０２を通過する際の流路抵抗を減らすことができる。また、第２の冷媒が蒸気から気体に相変化した場合、体積の増加に伴う内圧の上昇を抑えることができる。これにより、第２の冷媒の沸点上昇が抑えられ、熱交換能力の低下を抑えることができる。
　本実施形態に係る第２の冷媒循環系の接続構成の一例を示す断面図を図５に示す。図５に示すように、タンク３０４と外部熱交換器３０３を接続するタンク接続管３１２は、その内径を大きくした構成、あるいは、配管長を長くした構成を適用することができる。このような構成とすることにより、タンク接続管３１２の容積が増大して第２の冷媒の一部を収容することができ、タンク３０４の容積を減らすことができる。
　以上のように構成された冷却システム１１０の動作を、図２を用いて詳細に説明する。図２において、第１の冷媒は、電子機器装置１０２の排気熱により、蒸発器１０４において液体から気体に相変化し、浮力によってサーバルーム１０１の外側上方に配置された熱交換器３０２に移動する。
　熱交換器３０２において、第１の冷媒から第２の冷媒へ熱が伝えられる。ここで、熱交換器３０２における熱交換は潜熱による熱交換であり、熱交換によって第１の冷媒は凝縮する一方、第２の冷媒の一部が気化する。凝縮した第１の冷媒は液管２０２を通って下方の蒸発器１０４へ還流する。一方、第２の冷媒は蒸気流４０３として外部熱交換器３０３へ流入する。
　そして、外部熱交換器３０３において、第２の冷媒の熱が外気へ放出される。これにより、第２の冷媒は凝縮し、液流４０１としてタンク３０４へ流入する。タンク３０４内に蓄えられた第２の冷媒は、ポンプ３０１によって各熱交換器３０２へ再び流出される。
　以上のように、電子機器装置１０２からの排気熱が第１の冷媒および第２の冷媒の循環によって外部へ排出される。排気熱が除去されることによってサーバルーム１０１内の温度上昇が抑えられ、サーバルーム１０１を冷却する空調機の負荷を軽減することができる。
　ここで、タンク３０４はポンプ３０１の吸入口３１１と接続されるが、ポンプ３０１の吸気口は負圧となるため、冷媒の沸点が下がり、気泡が発生する（キャビテーション）場合がある。従って、タンク３０４は、ポンプ吸入口３１１よりも上方に設けることが望ましい。これにより、気泡がポンプ３０１に混入して駆動力が低下することを防ぐことができる。
　〔第２の実施形態〕
　本発明の第２の実施形態について説明する。なお、この第２の実施形態について、第１の実施形態で説明した図２の冷却システム１１０と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
　本実施形態に係る冷却システム１２０の概略構成図を図７に示す。図７に示すように、冷却システム１２０においては、複数の熱交換器３０２が直列に接続され、ポンプ３０１によって第２の冷媒が循環する構成とした。ここで、直列とは、外部熱交換器３０３から流れる第２の冷媒が複数の熱交換器３０２の全てを通過した後に外部熱交換器３０３に流入する構成である。
　第２の冷媒の液量は、電子機器装置１０２の最大発熱時であっても、第２の冷媒循環系内の第２の冷媒が全て気化してしまうことなく、継続的に熱交換器３０２へ液相の第２の冷媒を供給し続けることができる量に設定される。また、ポンプ３０１は第２の冷媒を供給するのに十分な駆動力を有する。このような構成により、第２の冷媒が途中の熱交換器３０２で全て気化するドライアウト現象の発生を避けることができる。
　各熱交換器３０２では、冷媒の相変化時の潜熱による熱交換を行う。液流４０１の第２の冷媒は、熱交換器３０２を通過する際に一部が気化し、気相と液相が混在する気液二相流４０２の第２の冷媒になる。その後、熱交換器３０２を通過する毎に液相の一部が気化し、最終段の熱交換器３０２を通過した後にはその大部分が気化し、蒸気流４０３の第２の冷媒となって外部熱交換器３０３に流入する。熱交換器３０２における熱交換は、潜熱による熱交換であるので、下流側で液相の第２の冷媒の温度が上昇した場合であっても、熱交換能力が維持される。
　このような構成とすることで、ポンプ３０１から供給される第２の冷媒の流量を少なくできるため、ポンプ３０１の駆動電力を抑制することができる。
　さらに、各第１の冷媒循環系の負荷の総和をセンシングし、ポンプ３０１の駆動力が各第１の冷媒循環系の負荷の総和に応じた液量を供給するように制御することとしてもよい。これにより、第２の冷媒の流量を最適化することができ、消費電力のさらなる削減が可能となる。
　本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
　（付記１）第１の冷媒を貯蔵する複数の蒸発器と、前記第１の蒸発器の鉛直上方にそれぞれ配置される複数の熱交換器と、前記蒸発器と対応する前記熱交換器との間で前記第１の冷媒が循環し、前記蒸発器毎に独立した第１の冷媒循環系を構成する複数の第１の配管と前記熱交換器を第２の冷媒を介して冷却する外部熱交換器と、前記外部熱交換器と前記複数の熱交換器とを接続し、前記第２の冷媒が循環する第２の冷媒循環系を構成する第２の配管とを有する冷却システム。
　（付記２）前記第１の配管は、前記蒸発器で気化した気相状態の第１の冷媒を前記熱交換器に流動させる気相管と、前記熱交換器で凝縮液化した液相状態の第１の冷媒を流動させる液管を含む付記１に記載した冷却システム。
　（付記３）前記第２の冷媒循環系は、前記複数の熱交換器が前記外部交換器に対して並列に接続された構成である付記１または２に記載した冷却システム。
　（付記４）前記第２の冷媒循環系は、前記複数の熱交換器が前記外部交換器に対して直列に接続された構成である付記１または２に記載した冷却システム。
　（付記５）前記第２の冷媒循環系の経路内であって、前記外部熱交換器と前記熱交換器の間に、前記第２の冷媒を貯蔵するタンクと、前記第２の冷媒を循環させるポンプとをさらに有する付記１から４のいずれか一項に記載の冷却システム。
　（付記６）冷却対象である複数の電子機器の負荷の総和を計測するセンシング部と、前記ポンプの駆動力を前記負荷の総和に応じて制御する制御部をさらに有する付記５に記載の冷却システム。
　（付記７）前記第２の配管が、前記第２の冷媒が滞留する断面積が増大した領域を含む構成である付記５または６に記載の冷却システム。
　（付記８）前記外部熱交換器は、前記第１の冷媒の流路と前記第２の冷媒の流路を構成する熱交換プレートを備え、前記熱交換プレートが前記第２の冷媒の流路の断面積が、前記第１の冷媒の流路の断面積よりも大きくなるように配置している付記１から７のいずれか一項に記載の冷却システム。
　（付記９）第１の冷媒を貯蔵する複数の蒸発器を用いて、複数の冷却対象から熱量を受熱して前記第１の冷媒を気化させ、前記気化した第１の冷媒を複数の熱交換器を用いてそれぞれ凝縮液化させることによって前記熱量を放熱させ、前記凝縮液化した前記第１の冷媒を前記複数の蒸発器にそれぞれ還流させ、前記複数の熱交換器において前記第１の冷媒がそれぞれ放熱した前記熱量を、第２の冷媒にそれぞれ受熱させ、前記第２の冷媒を外部熱交換器に流動させ、前記外部熱交換器において前記第２の冷媒の熱量を放出させた後、前記第２の冷媒を前記熱交換器に還流させる冷却方法。
　（付記１０）第２の冷媒を前記熱交換器に還流させる際に、前記第２の冷媒が前記第２の冷媒から受熱するごとに前記第２の冷媒を前記外部熱交換器に還流させる付記９に記載した冷却方法。
　本願発明は、２０１３年５月２８日に出願された日本出願特願２０１３－１１１９４６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。
　本願発明は、データセンタのように複数のラックが搭載され、さらにその負荷がばらつく場合の空調電力を削減する用途に適用できる。
　１００、１１０、１２０　冷却システム
　１０１　サーバルーム
　１０２　電子機器装置
　１０３　ラック
　１０４　蒸発器
　２００　第１の配管
　２０１　蒸気管
　２０２　液管
　３００　第２の配管
　３０１　ポンプ
　３０２　熱交換器
　３０３　外部熱交換器
　３０４　タンク
　３１１　ポンプ吸入口
　３１２　タンク接続管
　３２１　第２の冷媒流入口
　３２２　第２の冷媒流出口
　３２３　第１の冷媒流入口
　３２４　第１の冷媒流出口
　３２５　熱交換プレート
　４０１　液流
　４０２　気液二相流
　４０３　蒸気流
　４１１　第２の冷媒の流路
　４１２　第１の冷媒の流路
　１０　冷却システム
　１４　サーバ
　１６　サーバラック
　１８　蒸発器
　２０　ファン
　２２　局所冷却ユニット
　２６　冷媒凝縮器
　２８　２次側冷却系
　３２、３４　配管
　４０　冷凍機
　４２、４４　配管
　４６　循環ポンプ
　５２　温度センサ
　５４　バルブ
　５６　流量制御部

Claims (10)

  1. 　第１の冷媒を貯蔵する複数の蒸発器と、
    　前記複数の蒸発器の上方にそれぞれ配置される複数の熱交換器と、
    　対応する前記蒸発器および前記熱交換器との間で前記第１の冷媒を循環させ、前記蒸発器毎に独立した第１の冷媒循環系を構成する複数の第１の配管と、
    　前記複数の熱交換器において前記第１の冷媒を第２の冷媒を介して冷却する外部熱交換器と、
    　前記外部熱交換器と前記複数の熱交換器との間で前記第２の冷媒を循環させ、第２の冷媒循環系を構成する第２の配管と、
    　を備える冷却システム。
  2. 　前記第１の配管は、前記蒸発器で気化された気相状態の第１の冷媒を前記熱交換器に流動させる気相管と、前記熱交換器で凝縮液化された液相状態の第１の冷媒を流動させる液管を含む請求項１に記載した冷却システム。
  3. 　前記第２の冷媒循環系は、前記複数の熱交換器が前記外部交換器に対して並列に接続された構成である請求項１または２に記載した冷却システム。
  4. 　前記第２の冷媒循環系は、前記複数の熱交換器が前記外部交換器に対して直列に接続された構成である請求項１または２に記載した冷却システム。
  5. 　前記第２の配管に接続され、前記第２の冷媒を貯蔵するタンクと、前記第２の配管に接続され、前記第２の冷媒を循環させるポンプとをさらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却システム。
  6. 　冷却対象である複数の電子機器の負荷の総和を計測するセンシング部と、前記ポンプの駆動力を前記負荷の総和に応じて制御する制御部とをさらに備える請求項５に記載の冷却システム。
  7. 　前記外部熱交換器は、前記第１の冷媒の流路および前記第１の冷媒の流路の断面積よりも大きな断面積を有する前記第２の冷媒の流路を備える熱交換プレートを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却システム。
  8. 　第１の冷媒を貯蔵する複数の蒸発器を用いて、複数の冷却対象から熱量を受熱して前記第１の冷媒を気化させ、
    　前記複数の蒸発器の上方にそれぞれ配置された複数の熱交換器を用いて、前記気化した第１の冷媒から前記熱量を放熱させて前記第１の冷媒を凝縮液化させ、
    　前記凝縮液化した第１の冷媒を前記複数の蒸発器にそれぞれ還流させ、
    　前記複数の熱交換器において、前記第１の冷媒からそれぞれ放熱させた熱量を第２の冷媒に受熱させ、
    　前記第２の冷媒を外部熱交換器に流動させ、
    　前記外部熱交換器において前記第２の冷媒の熱量を放出させた後、前記第２の冷媒を前記熱交換器に還流させる、
    冷却方法。
  9. 　前記第２の冷媒は、一つの熱交換器において前記第１の冷媒から放熱させた熱量を受熱するごとに、前記外部熱交換器に流動される、請求項８に記載した冷却方法。
  10. 　前記第２の冷媒は、全ての熱交換器において前記第１の冷媒から放熱させた熱量を受熱した後、前記外部熱交換器に流動される、請求項８に記載した冷却方法。
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