JP4780479B2

JP4780479B2 - 電子機器の冷却システム

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Publication number: JP4780479B2
Application number: JP2008032096A
Authority: JP
Inventors: 康博頭島; 宏成菊池; 匠杉浦; 幸次渡辺; 健一中島
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2028-02-13
Also published as: JP2009194093A; EP2503866B1; EP2498025A2; EP2498025A3; EP2498024A2; US20120218711A1; US8199504B2; EP2091314B1; PL2091314T3; US20110056223A1; US8839638B2; EP2498024B1; EP2091314A2; EP2503866A3; US20090201645A1; EP2091314A3; EP2498024A3; US7855890B2; EP2503866A2

Description

本発明は電子機器の冷却システムに係り、特に、コンピュータ及びサーバ等の精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を効率的に冷却するための電子機器の冷却システムに関する。

近年、情報処理技術の向上やインタネット環境の発達に伴って、必要とされる情報処理量が増大しており、各種の情報を大量に処理するためのデータ処理センターがビジネスとして脚光をあびている。このデータ処理センターの例えばサーバルームには、コンピュータやサーバ等の電子機器が集約された状態で多数設置され、昼夜にわたって連続稼働されている。一般的に、サーバルームにおける電子機器の設置は、ラックマウント方式が主流になっている。ラックマウント方式は、電子機器を機能単位別に分割して収納するラック（筐体）を、キャビネットに段積みする方式であり、かかるキャビネットがサーバルームの床上に多数整列配置されている。これら情報を処理する電子機器は、処理速度や処理能力が急速に向上してきており電子機器からの発熱量も上昇の一途をたどっている。

一方、これらの電子機器は、動作に一定の温度環境が必要とされ、正常に動作するための温度環境が比較的低く設定されているため、電子機器が高温状態に置かれるとシステム停止等のトラブルを引き起こす。このため、サーバルーム内を冷房するための空調機を運転する空調動力も大幅に増加しているのが実情であり、企業経営におけるコスト削減の観点のみならず地球環境の保全の観点からも、空調動力の削減が急務となっている。

このような背景から、特許文献１や特許文献２にみられるように、電子機器を効率的に冷却するための技術が提案されている。特許文献１には、後部カバーと前部カバーと側面取付け式の冷却空気サブフレームとを電子機器に取り付けると共に、冷却空気サブフレーム内にファンと熱交換器を設けることにより、電子機器を介して冷風が閉ループで流れる流路を形成することが提案されている。

また、特許文献２には、内部に蒸発器とファンを搭載した電子機器収納用ラック群を備えた電算機室用空調システムにおいて、室外から取り入れられた冷却用空気を床下の内部空間に流動させ、蒸発器を通じて電子機器収納用ラックに収納された電子機器を冷却すると共に、電子機器収納用ラックの背面に搭載される凝縮器を冷却して電子機器収納用ラックの背面又は上方の空間を流動し、換気装置を介して室外に排出することが提案されている。また、特許文献３は、電子機器の冷却の発明ではないが、蒸発器と凝縮器との間で冷媒を自然循環させる技術が紹介されている。
特表２００６−５０７６７６号公報特開２００４−２３２９２７号公報特開２００７−１２７３１５号公報

ところで、従来の電子機器の冷却システムは、電子機器の冷却を空調機による冷却のみならず、電子機器に直接取り付けた冷却器を併用することで、空調機の空調動力を削減する効果を期待できる。

しかしながら、空調動力は削減される反面、電子機器に直接取り付けた冷却器の運転動力が加算されるため、トータル的な省エネの観点からみると未だ十分とは言えない。したがって、更なる省エネによるランニングコストの低減が要望されている。特には、電子機器に直接取り付けて冷却する点での省エネが要望されている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、コンピュータ及びサーバ等の精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を、小さなランニングコストで効率的に冷却することができる電子機器の冷却システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、前記目的を達成するために、複数の電子機器が配設された機器ルームと、前記電子機器に近接してそれぞれ設けられ、前記電子機器から発生する熱で冷媒を気化させることにより該電子機器を冷却する蒸発器と、前記蒸発器よりも高所に設けられ、外気と散水とにより前記冷媒を冷却して前記気化した冷媒を凝縮する冷却塔と、前記蒸発器と前記冷却塔との間で前記冷媒が自然循環する循環ラインと、前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記循環ラインに接続された前記冷媒の流路であって、前記熱交換器が前記冷却塔に対して並列な関係を有するように設けられる並列ラインと、前記循環ラインから前記並列ラインに流す前記冷媒の冷媒量を制御する並列用制御機構と、を有し、前記並列用制御機構は、前記冷却塔出口での冷媒温度及び／又は冷媒圧力を測定する冷却塔出口センサと、前記並列ラインに設けられ、前記蒸発器から戻る冷媒ガスが前記熱交換器に流れる冷媒量を調整する並列用バルブと、前記冷却塔出口センサの測定結果が所定値になるように前記並列用バルブの開度量を調整することにより、前記冷却塔に流れる冷媒の一部を前記熱交換器に流す冷媒量を制御する並列用制御部と、を備えたことを特徴とする電子機器の冷却システムを提供する。

本発明者は、近年、機器ルームに複数配設された電子機器からの発熱量が急激に上昇して、高温の熱（高温空気）が電子機器から発生することに着目した。そして、電子機器に近接してそれぞれ設けた蒸発器と、該蒸発器よりも高所に設けられ外気や散水で冷媒を冷却する冷却塔との間で、年間を通して長い期間、凝縮器（冷凍機から冷水を供給）や圧縮器を必要とせずに冷媒を自然循環させる循環ラインを構築できるとの知見を得た。

即ち、請求項１によれば、電子機器（通常は、機器ルームの空気を取り入れて排気するファンを有する）から発生（排出）される高温の熱を高温状態のままで蒸発器を流れる冷媒と直接熱交換して、冷媒の蒸発を促進することにより、蒸発器よりも高所に設置された冷却塔へ蒸発した冷媒ガスを輸送する輸送動力を得ることができる。更には、蒸発器で蒸発した冷媒ガスが高温化することで、蒸発した冷媒ガスを凝縮して冷媒液体とするための冷却能力も小さくできる。したがって、凝縮器（冷凍機から冷水を供給）の代わりに外気や散水で冷媒を冷却する冷却塔を使用することが可能となる。冷却されて凝縮した冷媒液体は冷却塔よりも下方に位置する蒸発器に流下し、これにより蒸発器と冷却塔との間で冷媒が自然循環する循環ラインが構築される。

このように自然循環ラインを構築することで冷媒の輸送動力コストを必要としないと共に、循環ラインの冷却側を外気や散水で冷媒を冷却する冷却塔を使用することで、冷却のための熱源負荷を顕著に下げることができ、冷媒を冷却するためのランニングコストを大幅に削減することができる。

請求項１では更に、前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記循環ラインに接続された前記冷媒の流路であって、前記熱交換器が前記冷却塔に対して並列な関係を有するように設けられる並列ラインと、前記循環ラインから前記並列ラインに流す前記冷媒の冷媒量を制御する並列用制御機構と、を備えた。

請求項１は、熱交換器が冷却塔に対して並列な関係を有するように配置したときの、冷却塔と熱交換器とに流す冷媒の制御を規定したものである。

請求項１によれば、冷媒の冷却を行う手段として、冷却塔の他に冷媒を冷却する熱交換器を、循環ラインに並列に接続して冷却塔と並列な関係を有するように構成し、並列用制御機構で冷却塔に流れる冷媒の一部を熱交換器に流す冷媒量を制御するようにした。これにより、蒸発器で蒸発した冷媒ガスを凝縮するために必要な冷熱負荷に応じてランニングコストが最も小さくなるように、冷却塔と熱交換器とを効率的に活用することができる。

更に請求項１では、冷却塔出口に設けた冷却塔出口センサの冷媒温度又は冷媒圧力を測定することで、測定時点で冷却塔が有している冷却能力を把握することができる。したがって、測定結果に基づいて並列用バルブの開度量を調整することにより、冷却塔に流れる冷媒の一部を自動的に熱交換器に流れるようにすることができるので、冷却塔の冷却能力の不足分のみを熱交換器で補足すればよい。これにより、ランニングコストを一層低減することができる。

請求項２は請求項１において、前記機器ルーム内から吸い込んだ高温空気を冷却して前記機器ルーム内に戻す空調機と、前記循環ラインから分岐され、前記冷媒を前記空調機の冷却部との間で循環させる空調用循環ラインと、を備えたことを特徴とする。

請求項２によれば、冷媒を冷却するためのランニングコストが小さな循環ラインの冷媒を、電子機器ルーム内を冷風で冷却するための空調機の冷熱源としても使用するようにした。これにより、空調機を運転するためのランニングコストをも低減することができる。

また、空調機と、電子機器を冷却する蒸発器とを併用することにより、従来の空調システム（特開２００４−２３２９２７号公報に示される床吹き出し空調で機器ルーム全体の空気を循環して空調する方式）に比べ、機器ルームでの熱溜まり（局所的高温部位）の発生を抑制でき、全体を空調する空調機からの給気温度を高温化することが可能となる。よって、本発明では従来に比べて冷媒の気化（蒸発）温度が高くてよくなり、冷却塔の能力を十分に活用することができる。したがって、循環ラインの冷媒を空調機の冷却部に供給することは、空調機の省エネと、冷却塔の能力発揮の両方に寄与する。

請求項３は請求項２において、前記複数の電子機器を複数のグループにグループ分けすると共に、前記循環ラインの途中にグループ分けしたグループ数だけグループ用熱交換器を設け、前記循環ラインを、前記冷却塔及び／又は熱交換器と、前記グループ用熱交換器との間で冷媒が循環するメイン用循環ラインと、前記グループ用熱交換器と前記蒸発器及び／又は前記空調機の冷却部との間で冷媒が循環するグループ用循環ラインとで構成したことを特徴とする。

請求項３によれば、グループ分けした電子機器のグループごとに設けたグループ用熱交換器を介して、循環ラインを、冷却塔及び／又は熱交換器と、グループ用熱交換器との間で冷媒が循環するメイン用循環ラインと、グループ用熱交換器と蒸発器及び／又は前記空調機の冷却部との間で冷媒が循環するグループ用循環ラインとで構成することにより、互いのグループの運転を縁切りすることができる。

これにより、もし、１つのグループの例えば蒸発器に異常を生じたり、冷媒の流れが停止したりしても、他のグループに異常が波及することがない。したがって、機器ルームに配設された全ての電子機器の冷却に異常が発生することを防ぐことができる。

尚、メイン用循環ラインとグループ用循環ラインとを流れる冷媒は、同じ種類のものでもよく、異なる種類のものでもよい。

請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記循環ラインのうち前記蒸発器出口位置の冷媒ガス流路に設けられ、冷媒流量を調整する流量調整手段と、前記蒸発器から排出される空気温度を検出する温度センサと、前記流量調整手段を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは前記温度センサが所定値となるように前記流量調整手段を制御することを特徴とする。

請求項４によれば、蒸発器出口側である冷媒ガス流路で冷媒流量を制御することにより、冷媒の気化（蒸発）温度を従来のように冷媒液体流路側で冷媒流量を制御する場合に比べて冷媒作動温度を高温化できる。これにより、気化（蒸発）温度の高温側への操作が可能となり、冷媒作動温度を高温化して熱源温度を高温化できる。したがって、気化（蒸発）温度の低温防止を達成できるので、蒸発器での結露防止に寄与する。

請求項５は請求項１〜４の何れか１において、前記電子機器はサーバであると共に、前記機器ルームはサーバルームであることを特徴とする。

本発明は、精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器の全てに適用することができるが、電子機器がサーバで、機器ルームがサーバルームである場合に一層の効果を期待できるからである。

以上説明したように、本発明に係る電子機器の冷却システムによれば、コンピュータ及びサーバ等の精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を、小さなランニングコストで効率的に冷却することができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る電子機器の冷却システムの好ましい実施の形態について詳説する。尚、電子機器の一例として、サーバルームに配設されたサーバの例で説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の電子機器の冷却システム１０を示した概念図である。

図１に示すように、２階建ての建屋１２内には、サーバルーム１４Ａ、１４Ｂが１階と２階のそれぞれに形成される。そして、１階及び２階の床面２０Ａ，２０Ｂの裏側には、それぞれ床下チャンバ２２Ａ，２２Ｂが形成される。床面２０Ａ，２０Ｂには、複数の吹出口（不図示）が配置され、後記する空調機７８（図３参照）からの冷風は、床下チャンバ２２Ａ，２２Ｂを通って床面２０Ａ，２０Ｂからサーバルーム１４Ａ、１４Ｂに吹き出される。吹出口は、各サーバ２８の前面側近傍に配置されることが好ましく、これにより吹き出された冷風がサーバ２８に供給されることで、サーバ２８を効率良く冷却することができる。

図２に示すように、サーバルーム１４Ａ、１４Ｂにはサーバラック２６が配設され、サーバラック２６に複数のサーバ２８が段積み状態で収納される。サーバラック２６には、移動用キャスタ２４を設けて、移動可能に配置することが好ましい。サーバ２８は、ファン３０を備えており、矢印３２に示すようにサーバルーム１４Ａ、１４Ｂの空気を吸い込んで排気することにより、サーバ２８で発生した熱がサーバ２８から排出される。尚、図１で示した２階建ての建屋１２、サーバルーム１４Ａ、１４Ｂの数、サーバルーム１４Ａ、１４Ｂに配設されるサーバラック２６の数、サーバラック２６に段積みされるサーバ２８の数等は一例であり、図１及び図２には限定されない。また、図１に示すように、サーバラック２６に収納されたそれぞれのサーバ２８には、蒸発器３４が設けられる。尚、図１では、サーバ２８と蒸発器３４との関係が分かり易いように、サーバラック２６ではなくサーバ２８で図示してある。

図１に示すように、蒸発器３４の内部には冷却コイル３６が設けられ、冷却コイル３６内を流れる冷媒液体がサーバ２８から発生する高温空気で蒸発することにより周囲から気化熱を奪いガス化する。これにより、サーバ２８自体やサーバ２８から排出される高温空気を冷却する。

一方、建屋１２の屋上には冷却塔３８が設けられ、冷却塔３８と前述したそれぞれの蒸発器３４との間には、冷媒が自然循環する循環ライン４０が形成される。即ち、冷却塔３８内には、冷媒が流れる螺旋状配管４１が収納されると共に螺旋状配管４１の上方には、水を螺旋状配管４１に散水する散水管４２が設けられる。また、散水管４２の上方にはファン４４が設けられ、外気を冷却塔３８側面開口から取り込んで上面開口から排出することで、散水される水と取り込まれた外気とのカウンタカレントを形成し、これにより外気を取り込み温度よりも低くなるように冷却する。

蒸発器３４に設けられた冷却コイル３６と冷却塔３８に設けられた螺旋状配管４１との間は、蒸発器３４でガス化した冷媒ガスを冷却塔３８に戻すための戻し配管４６（冷媒ガス配管）と、冷媒ガスを冷却塔３８で冷却して凝縮することにより液化した冷媒液体を蒸発器３４に供給する供給配管４８（冷媒液体配管）とで連結される。

戻し配管４６及び供給配管４８は途中で枝分かれすることにより、１階又は２階の床下チャンバ２２Ａ，２２Ｂを通って１階のサーバルーム１４Ａに配設されたサーバ２８の蒸発器３４と、２階のサーバルーム１４Ｂに配設されたサーバ２８の蒸発器３４とに接続される。かかる構成において、近年のサーバ２８からの発熱量の急速な上昇により、サーバ２８から発生（排出）される高温の熱を高温状態のままで蒸発器３４を流れる冷媒と直熱熱交換して冷媒の蒸発を促進することにより、蒸発器３４よりも高所に設置された冷却塔３８へ蒸発した冷媒ガスを輸送する輸送動力を得ることができる。使用される冷媒としては、フロン、あるいは代替フロンとしてのＨＦＣ（ハイドロフロロカーボン）等を使用することができる。また、大気圧よりも低い圧力で使用するならば、水を使用することも可能である。ここで、冷媒と表現する場合には、ガス状態の冷媒ガスと、液体状態の冷媒液体の両方を含むものであり、図１には、冷媒ガスの流れ方向を白矢印で示し、冷媒液体の流れ方向を黒矢印で示した。

これにより、蒸発器３４と冷却塔３８との間には、冷媒が自然循環するための循環ライン４０が形成される。即ち、蒸発器３４と冷却塔３８と循環ライン４０とにより、内部に冷媒を封入した無動力のヒートパイプが構築される。また、サーバ２８からの発熱量が大きくなり高温の冷媒ガスを形成できることで、冷媒ガスを凝縮する冷却温度を高めに設定することができ、冷却塔３８による冷却能力でも冷媒ガスを凝縮できる。凝縮した冷媒液体は、冷却塔３８よりも下方に位置する蒸発器３４に流下する。

また、それぞれの蒸発器３４には、サーバ２８から排出された高温空気が蒸発器３４で冷却された後の風の温度を測定する温度センサ５０が設けられると共に、冷却コイル３６の出口には、冷却コイル３６に供給する冷媒の供給流量（冷媒流量）を調整するためのバルブ５２（流量調整手段）が設けられる。そして、不図示のコントローラは、温度センサ５０による測定温度に基づいてバルブ５２の開度が自動調整される。これにより、蒸発器３４で冷却された後の風の温度が設定温度よりも低くなり過ぎた場合には、バルブ５２の開度が絞られて冷媒の供給流量が減少される。このように、冷媒の供給流量を必要以上に多くしないことで、冷媒を冷却するための冷却負荷を小さくすることができるので、冷却塔３８での冷却だけでも十分な冷却能力を発揮できる。

このことをもう少し詳しく述べると、サーバ２８は、ファン３０により、サーバルーム１４Ａ，１４Ｂの空気をサーバ内に取り込んで加熱され、加熱された高温空気と蒸発器３４での冷媒との間で熱交換され、冷却された風が温度センサ５０で測定される。

一方、冷媒自然循環システムでは、従来の圧縮式空調システムとは異なり、気化（蒸発）温度より低い凝縮温度が必要になるため、蒸発温度を高く設定することができれば、凝縮温度、即ち冷却塔３８で使用する外気の温度も高くすることができ、より高温の外気条件でも冷却塔３８での冷却能力を利用できることになる。即ち、外気温度が比較的高い中間期（春期、秋期）においても冷却塔単独での冷却が可能となり、冷凍機６８の運転を抑制してランニングコストの削減が可能となる。

また、建屋１２の屋上には、冷却塔３８の他に、該冷却塔３８よりも冷却能力の大きな熱交換器５４が設置され、この熱交換器５４は循環ライン４０から分岐された並列ライン６４に設けられる。即ち、図１に示すように、戻り配管４６と供給配管４８のそれぞれから分岐された並列用戻り配管５８と並列用供給配管６０とが熱交換器５４の２次側コイル６２に接続される。これにより、熱交換器５４は冷却塔３８に対し、冷媒の流れにおいて並列な関係を有して配置されることになる。

また、熱交換器５４の１次側コイル６６は、冷凍機６８からの冷水供給配管７０と冷水戻り配管７２に接続されると共に、冷水供給配管７０には送液ポンプ７４が設けられる。これにより、冷凍機６８で製造された冷水（１次冷媒）が熱交換器５４において冷媒（２次冷媒）と熱交換し、冷媒を冷却する。なお、冷凍機６８と上記した冷却塔３８とは別の冷却塔７６とを接続し、冷凍機６８の冷熱源とすることにより、冷凍機６８の使用電力を削減できる。なお、冷却塔７６の構造は、上記した冷却塔３８と同様である。

また、並列用戻り配管５８には並列用バルブ５９が設けられ、供給ライン４８における冷却塔３８の近くには閉止用バルブ６１が設けられると共に、冷水が流れる冷水供給配管７０にもバルブ６９が設けられる。一方、冷却塔３８の近傍に外気温度を測定する外気温度センサ６３が設けられると共に、冷却塔出口（冷媒液体側）と熱交換器出口（冷媒液体側）には、それぞれ温度センサ６５、６７が設けられる。そして、それぞれの温度センサ６３、６５、６７の測定結果は並列用制御部７１に逐次入力され、測定結果に基づいて並列用制御部７１が各バルブ５９、６１、６９を制御する。これにより、並列用制御機構が形成される。尚、冷却塔出口と熱交換器出口に、温度センサ６５、６７を設けたが、配管内を流れる冷媒の圧力を測定する圧力センサ（図示せず）を設けることもでき、液温度センサ６５、６７と圧力センサの両方を設けてもよい。

ここで、並列用制御機構による制御方法の好ましい形態を説明する。

１つ目の制御方法は、並列用制御部７１が、外気温度センサ６３の測定結果から冷却塔３８で冷媒を冷却可能な能力を演算すると共に、該演算結果から並列用バルブ５９の開度量を調整することにより、熱交換器５４に流す冷媒量を制御する。これにより、蒸発器３４で蒸発した冷媒ガスを凝縮するために必要な冷熱負荷に応じてランニングコストが最も小さくなるように冷却塔３８及び熱交換器５４を効率的に使用することができる。

冷却塔３８の冷却能力は、外気温度に大きく依存しているので、上記の如く制御することによって、外気温度の変動に応じて循環ライン４０を流れる冷媒の一部が自動的に熱交換器５４に流れるようにすることができるので、冷却塔３８の冷却能力の不足分のみを熱交換器５４で補足すればよい。これにより、ランニングコストを一層低減することができる。

また、２つ目の制御方法は、並列用制御部７１が、冷却塔出口の温度センサ６５の測定結果が所定値になるように並列用バルブ５９の開度量を調整して熱交換器５４に流す冷媒量を制御する。これにより、冷却塔出口の冷媒温度を測定することで、測定時点で冷却塔３８が有している冷却能力を把握することができる。したがって、測定結果に基づいて並列用バルブ５９の開度量を自動調整することで、循環ライン４０を流れる冷媒の一部を自動的に熱交換器５４に流れるようにすることができるので、冷却塔３８の冷却能力の不足分のみを熱交換器５４で補足すればよい。これにより、ランニングコストを一層低減することができる。

また、これらの制御方法を行う際に、熱交換器出口に設けた温度センサ６７を測定することで、蒸発器３４に供給する冷媒の温度が分かる。したがって、測定結果に基づいて冷水供給配管７０のバルブ６９の開度量を制御すれば、熱交換器５４で必要以上に冷媒を冷却してしまうことも防止できる。更に、冷却塔３８の冷却能力が最も低下する夏期においては、冷却塔３８と熱交換器５４との併用が却ってランニングコストの点で不利になることもあるので、このような場合には、外気温度センサ６３の測定温度が所定値以上に達したら、閉止バルブ６１を閉じることで、ランニングコストの一層の低減を図ることができる。

このように、冷却塔３８と熱交換器５４との２つの冷却手段を持ち、それぞれの役割を分担することで、冷却システムの安定運転を保証することができると共に、冷媒を冷却するためのランニングコストを低減できる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態の電子機器の冷却システム１００を示した概念図である。尚、第１の実施の形態と同じ部材及び構成について省略する。

第２の実施の形態の冷却システム１００は、第１の実施の形態の冷却システム１０の構成に、サーバルーム１４Ａ，１４Ｂを冷却するための空調機７８を設け、空調機７８の冷熱源として循環ライン４０の冷媒を使用するようにしたものである。

即ち、図３に示すように、サーバルーム１４Ａ，１４Ｂに隣接して機械室８０Ａ，８０Ｂがそれぞれ設けられ、機械室８０Ａ，８０Ｂに空調機７８がそれぞれ設置される。また、サーバルーム１４Ａ，１４Ｂと機械室８０Ａ，８０Ｂとを仕切る隔壁８２には、サーバルーム１４Ａ，１４Ｂの空気を機械室８０Ａ，８０Ｂを介して空調機７８に吸い込む吸込ダクト７９が貫通して配設され、吸込ダクト７９の一端が空調機７８の冷却部８４に接続される。また、空調機の送風機８６には、吹出ダクト８１の一端が接続されると共に、他端が隔壁８２を貫通して床下チャンバ２２Ａ，２２Ｂに延設される。これにより、吸込ダクト７９を介して空調機７８に取り込まれた空気は、空調機７８の冷却部８４によって冷却され、送風機８６によって吹出ダクト８１を介して床下チャンバ２２Ａ，２２Ｂに吹き出され、床面２０Ａ，２０Ｂからサーバルーム１４Ａ，１４Ｂに吹き出される。この場合、床面２０Ａ，２０Ｂの吹出口（図示せず）は、サーバ２８の前面近傍に冷風が吹き出されるように形成することが好ましい。尚、サーバ２８の前面とは蒸発器３４の反対側である。

また、空調機７８の冷却部８４は、循環ライン４０から分岐された空調用循環ライン８８に接続される。即ち、空調用循環ライン８８を構成する空調用供給配管８８Ａと空調用戻り配管８８Ｂとが空調機７８の冷却部８４に接続される。

上記の如く構成された第２の実施の形態の冷却システムによれば、上記した第１の実施の形態の効果に加えて以下の効果を発揮することができる。

即ち、冷媒を冷却するためのランニングコストが小さな循環ライン４０の冷媒を、サーバルーム１４Ａ，１４Ｂを冷風で冷却するための空調機７８の冷熱源として使用するようにした。これにより、空調機７８を運転するためのランニングコストをも低減することができる。また、空調機７８と、サーバ２８を冷却する蒸発器３４とを併用することにより、従来の空調システム（特開２００４−２３２９２７号公報に示される床吹き出し空調で電子機器ルーム全体の空気を循環して空調する方式）に比べ、サーバルーム１４Ａ，１４Ｂでの熱溜まり（局所的高温部位）の発生を抑制でき、全体を空調する空調機７８からの給気温度を高温化することができる。よって、本発明では従来に比べて冷媒の気化（蒸発）温度が高くてよくなり、冷却塔３８の能力を十分に活用することができる。

したがって、循環ライン４０の冷媒を空調機７８の冷却部８４に供給することは、空調機７８の省エネと、冷却塔３８の能力発揮の両方に寄与する。

（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態の電子機器の冷却システム２００を示した概念図である。尚、第２の実施の形態と同じ部材及び構成について省略する。

第３の実施の形態の冷却システム２００は、第２の実施の形態の冷却システム１００の構成に加えて、蒸発器３４を備えた複数のサーバ２８をグループ分けすることにより、互いのグループを縁切りした状態で運転できるように構成したものである。

即ち、図４に示すように、蒸発器３４を備えた複数のサーバ２８を複数のグループにグループ分けする。図４の場合には、１階のサーバルーム１４Ａに設置されたサーバ２８を一つのグループとし、２階のサーバルーム１４Ｂに設置されたサーバ２８を別のグループとしてグループ化した。尚、グループ分けの仕方は、上記に限定されず、更に細かくグループ分けすることもできる。

そして、循環ライン４０の途中にグループ分けしたグループ数である２基のグループ用熱交換器９０を設けると共に、循環ライン４０を、冷却塔３８及び／又は熱交換器５４と、グループ用熱交換器９０との間で冷媒が循環するメイン用循環ライン４０Ａと、グループ用熱交換器９０と蒸発器３４との間で冷媒が循環するグループ用循環ライン４０Ｂとで構成した。

また、第２の実施の形態では、空調機７８の冷熱源として、循環ライン４０を流れる冷媒を空調機７８の冷却部８４に直接供給するようにしたが、第３の実施の形態では、空調機７８についても１階の機械室８０Ａに設置された空調機７８と、２階の機械室８０Ｂに設置された空調機７８との２つのグループにグループ分けした。そして、それぞれの空調機７８の冷却部８４には、対応するグループのグループ用循環ライン４０Ｂを接続するようにした。

上記の如く構成された第３の実施の形態の冷却システム２００によれば、上記した実施の形態２の効果に加えて以下の効果を発揮することができる。

即ち、もし、１つのグループの例えば蒸発器３４に異常を生じたり、冷媒の流れが停止したりしても、他のグループに異常が波及することがない。したがって、サーバルーム１４Ａ，１４Ｂに配設された全てのサーバ２８の冷却に異常が発生することを防ぐことができる。また、空調機７８についてもグループ分けすることで、もし１つのグループにおいて冷媒の流れが停止する等の異常が発生しても、他のグループの空調機７８の冷却部８４に異常が波及することがない。

（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態の電子機器の冷却システム３００を示した概念図であり、冷却塔３８と熱交換器５４とが直列な配置関係になるように図１を変更したものである。尚、第１の実施の形態におけて、冷却塔３８と熱交換器５４とが並列な配置関係になるように設置した場合を説明したので、重複する部分は省略すると共に、同じ部材及び構成について同符号を付して説明する。

図５に示すように、蒸発器３４で気化した冷媒ガスは、循環ライン４０の戻り供給４６を介して冷却塔３８に至り、ここで冷却されて冷媒液体となった後、直列ライン７３の復路配管７５を介して熱交換器５４に流れる。熱交換器５４において、１次冷媒（冷水）との熱交換で更に冷却された冷媒液体は、直列ライン７３の往路配管７７を介して循環ライン４０の供給配管４８に流れる。これにより、熱交換器５４は、冷却塔３８に対して、冷媒の流れにおいて直列な関係に配置されることになる。

また、冷水供給配管７０と冷却塔出口には、それぞれバルブ６９及び調整バルブ８７が設けられると共に、冷却塔３８の近くに外気温度センサ６３、冷却塔出口及び熱交換器出口にはそれぞれ温度センサ６５、６７が設けられる。更に、蒸発器３４から戻る冷媒ガスを、熱交換器５４に流すことができるバイパスライン８３が設けられ、このバイパスライン８３にバイパスバルブ８５が設けられる。なお、バイパスライン８３と上記した直列ラインとを区別するために、図５にはバイパスライン８３を波形に記載した。そして、各温度センサ６３、６５、６７の測定結果が直列用制御部８９に入力されると共に、測定結果に基づいて直列用制御部８９は各バルブ６９、８５、８７を制御する。これにより、直列用制御機構が形成される。尚、図５では、冷却塔出口及び熱交換器出口にはそれぞれ温度センサ６５、６７を配置したが、配管中を流れる冷媒の圧力を測定する圧力センサを設けることもでき、温度センサと圧力センサの両方を設けてもよい。

ここで、直列用制御機構による制御方法の好ましい形態を説明する。

直列用制御部８９は、冷却塔３８の冷却能力が低下する夏期には、熱交換器５４の冷却負荷が大きくなるが、熱交換出口センサの測定結果が所定値になるように管理することで、冷却塔３８から熱交換器５４に冷媒が順次流れる際に、熱交換器５４では冷却塔３８の冷却能力の不足分のみが補足されるように１次冷媒の熱量を制御することが可能となる。したがって、熱交換器５４で無駄な冷却エネルギーを必要としない。

また、冷却塔３８の冷却能力は外気温度により変動するため、夏期や中間期には、冷却塔３８内の螺旋状配管４１を流れる冷媒量が大き過ぎると冷媒を自然循環するために必要な温度まで冷却できない場合がある。したがって、バイパスラインに設けたバイパスバルブ８５及び冷却塔出口に設けた調整バルブ８７の開度を操作して冷却塔３８への冷媒ガス流量を制御し、冷却塔出口の温度センサ６５の測定結果が所定値になるように管理すればよい。これにより、夏期、中間期、冬期に関わらず、冷却塔３８の冷熱原である外気温度を有効活用することができるので、ランニングコストの低減を一層図ることができる。

ここで、所定値とは、循環ラインにおいて冷媒が自然循環するに必要な温度又は圧力を言う。

このように、本願発明の第４の実施の形態では、冷却塔３８と熱交換器５４とを直列配置した場合でも、蒸発器３４から戻る冷媒ガスを先ず冷却塔３８で冷却してから熱交換器５４に通すことで、冷却塔３８の冷却不足分のみを熱交換器５４で補足すればよいので、冷却塔３８において外気の冷熱を一年中を通じて有効活用できる。

また、直列用制御機構更の好ましい態様としては、直列用制御部８９が、夏期において、外気温度センサ６３の測定結果が所定値以上に達したときには、調整バルブ８７を全閉にすると共にバイパスバルブ８５を全開として、蒸発器３４から冷却塔３８への冷媒ガスの戻りを遮断して全て熱交換器５４に導くようにする。これにより、夏期におけるランニングコストの低減を一層図ることができる。

尚、第４の実施の形態の冷却塔３８と熱交換器５４とを直列配置した構成に、上記した第２の実施の形態あるいは第３の実施の形態を組み合わせることもできる。

（本発明のまとめ）
以上、本発明の電子機器の冷却システムによれば、コンピュータ及びサーバ等の精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を、以下の理由により、小さなランニングコストで効率的に冷却することができる。

（Ａ）冷媒自然循環方式を採用し、蒸発器３４と冷却塔３８との配置位置の高低差及び処理温度差を利用することで、冷媒（熱）の搬送動力がいらなくなる。冷媒自然循環方式では、蒸発器３４から排出され、温度センサ５０で測定される空気温度と、冷却塔３８で冷媒を冷却する空気温度との差ΔＴが５℃以上あれば作動し、無動力で冷媒を搬送できる。従来のセントラル空調方式の冷却システムでは、システムに要する全体動力の１０％程度は冷媒を搬送するポンプ動力で占められており、この冷媒搬送（熱搬送ともいう）に要するポンプ動力を削減できる。

また、近年におけるサーバ２８からの発熱量が急激に上昇して、高温の熱（高温空気）がサーバ２８から発生することにより、従来にも増して上記のΔＴが増加する。そして、このΔＴの増加に従い熱搬送量（システムの熱処理量）が増加する。熱交換器５４の仕様により熱搬送量は変化するが、ΔＴ＝１５℃でサーバ発熱量の半分程度（ΔＴ＝３０℃でサーバ全発熱量）の冷却が可能（サーバ発熱が１５ｋＷであれば、ΔＴ＝１５℃で７．５ｋＷ，ΔＴ＝３０℃で１５ｋＷ全ての熱処理が可能）。サーバラック排気（蒸発器側の空気温度）は、通常４０℃程度であり、外気温度が２５℃（ΔＴ＝１５℃に相当）以下であれば、サーバ発熱の半分を外気のみで冷却、外気温度１０℃（ΔＴ＝３０℃に相当）以下であればサーバ発熱の全量を外気で処理できる。例えば、東京では外気温度１０℃以下の時間が約２６００時間（全時間数の約３０％）あり、外気温度１０℃以下でのみ外気冷熱を利用した運転を行えば、熱源の熱負荷を従来よりも３０％削減できる。また、外気温度１０℃〜２５℃の時間数は全時間数の約４０％であり、この期間（中間期）も外気を利用してサーバ発熱全体の５０％を外気処理で行えば、熱源の熱負荷を従来よりも５０％削減できる。

（Ｂ）冷媒ガスの冷却に冷却塔３８を採用し、冬期及び中間期（春、秋）の低温外気のもつ冷熱を有効利用することにより、熱源設備（従来であれば、パッケージエアコンの圧縮機）で製造する冷却熱量を低減できる。事実、従来のパッケージエアコンの効率：ＣＯＰ［製造する冷熱量（ｋＷ）／投入電力量（ｋＷ）］は、２〜２．５であるが、本発明の外気利用の冷却ではＣＯＰが３０以上になる。

（Ｃ）サーバ２８に近接した蒸発器３４を用いて、サーバ２８ごとに局所冷却を行うことにより、局所的な熱溜まりを防止できる。

例えば、データ処理センター設備において、サーバラックに搭載されるサーバは正常に動作する空気温度条件が指定されており、サーバによって若干異なるが、吸い込み空気条件は２５℃以下が一般的である。

一方、従来の床吹き出し方式の空調では、パッケージ空調機からの給気温度は１８℃程度、空調機への戻り空気温度は２６℃程度で運転されている。これは実際の運転では、サーバラック排気（通常４０℃程度）と給気とが部分的に混合してサーバラックに吸い込まれるため、サーバラック吸い込み空気温度２５℃を満足するには、給気温度が低温（実際の空気温度は１８℃程度）でなければならないからである。

これに対して、局所熱処理ユニット方式でサーバラックを冷却した場合には、出口空気温度２５℃を満足するため、給気温度が低温でなくても、即ち１８℃よりも高くてもサーバ吸い込み空気温度２５℃を満足できるようになり、例えば給気温度２３℃と従来の１８℃と比べて５℃も高くすることが可能となる。通常、パッケージ空調方式の冷却システムでは給気温度を１℃高くすることで、上記した効率（ＣＯＰ）を３％程度向上させることができ、給気温度５℃の上昇により、ＣＯＰを１５％程度向上できる。

かかる局所冷却による熱溜まりの防止に対して従来では、空調機７８からサーバルーム１４Ａ，１４Ｂに給気する空調エアを低温化することで、サーバ２８等の電子機器への熱溜まりの影響を防止していた。しかし、このように給気温度を低温化すると、蒸発器３４で気化される冷媒ガス温度が低くなり過ぎる。この結果、冷媒ガスを冷却して凝縮する冷媒手段の設定温度も低くしなくてはならず、冷却塔３８のような冷却能力のそれほど大きくない冷却手段は使用できなくなる。

これに対して、本発明では、冷却塔３８で冷却された冷媒を、空調機７８の冷却部８４に供給することで、給気温度が低くなり過ぎないようにできるので、冷却塔３８のような冷却能力のそれほど大きくない冷却手段の使用が可能となる。また、給気温度を上昇させることができることにより、冷却システム全体のＣＯＰを向上できる。この場合、冷却塔３８で冷却された冷媒を、空調機７８の冷却部８４に供給する構成でも、熱溜まりの防止を十分行うことができ、全く問題ない。

また、本発明では、蒸発器３４の上方に冷却塔３８を配置して冷媒を自然循環するようにしたが、例えば循環ライン４０の供給配管４８及び分岐供給配管６０に不図示の冷媒ポンプを設けることで、冷媒を自然循環せずに冷媒ポンプで搬送するように構成することも可能である。これにより、蒸発器３４と冷却塔３８との位置関係において、蒸発器３４の上方に冷却塔３８が配置されなくてもよくなり、蒸発器３４と冷却塔３８の配置に制約を受けずに自由に配置することができる。

尚、上記した第１〜第３の実施の形態における冷却システム１０，１００，２００は、電子機器としてサーバ２６の例で説明したが、本発明は、精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器の全てに適用することができる。

本発明の電子機器の冷却システムの第１の実施の形態を説明する概念図サーバ及びサーバラックを説明する説明図本発明の電子機器の冷却システムの第２の実施の形態を説明する概念図本発明の電子機器の冷却システムの第３の実施の形態を説明する概念図本発明の電子機器の冷却システムの第４の実施の形態を説明する概念図

符号の説明

１０、１００、２００、３００…冷却システム、１２…建屋、１４Ａ…１階のサーバルーム、１４Ｂ…２階のサーバルーム、１６Ａ… １階の天井面、１６Ｂ… ２階の天井面、２０Ａ…１階の床面、２０Ｂ…２階の床面、２２Ａ…１階の床下チャンバ、２２Ｂ…２階の床下チャンバ、２４…キャスタ、２６…サーバラック、２８…サーバ、３０…サーバのファン、３２…高温空気、３４…蒸発器、３６…冷却コイル、３８…冷却塔、４０…循環ライン、４０Ａ…メイン循環ライン、４０Ｂ…グループ用循環ライン、４１…螺旋状配管、４２…散水管、４４…冷却塔のファン、４６…戻り配管、４８…供給配管、５０…温度センサ、５２…バルブ、５４…熱交換器、５８…並列用戻り配管、５９…並列用バルブ、６０…並列用供給配管、６１…閉止用バルブ、６２…２次側コイル、６３…外気温度センサ、６４…分岐循環ライン、６５…冷却塔出口の温度センサ、６６…１次側コイル、６７…熱交換器出口の温度センサ、６８…冷凍機、６９…バルブ、７０…冷水供給配管、７１…並列用制御部、７２…冷水戻り配管、７４…送液ポンプ、７５…復路配管、７６…冷却塔、７７…往路配管、７８…空調機、７９…吸込ダクト、８０Ａ…１階の機械室、８０Ｂ…２階の機械室、８１…吹出ダクト、８２…隔壁、８３…バイパスライン、８４…空調機の冷却部、８５…バイパスバルブ、８６…空調機のファン、８７…調整バルブ、８８…空調用循環ライン、８８Ａ…空調用供給配管、８８Ｂ…空調用戻り配管、８９…直列用制御部、９０…グループ用熱交換器

Claims

複数の電子機器が配設された機器ルームと、
前記電子機器に近接してそれぞれ設けられ、前記電子機器から発生する熱で冷媒を気化させることにより該電子機器を冷却する蒸発器と、
前記蒸発器よりも高所に設けられ、外気と散水とにより前記冷媒を冷却して前記気化した冷媒を凝縮する冷却塔と、
前記蒸発器と前記冷却塔との間で前記冷媒が自然循環する循環ラインと、
前記冷媒を冷却する熱交換器と、
前記循環ラインに接続された前記冷媒の流路であって、前記熱交換器が前記冷却塔に対して並列な関係を有するように設けられる並列ラインと、
前記循環ラインから前記並列ラインに流す前記冷媒の冷媒量を制御する並列用制御機構と、を有し、
前記並列用制御機構は、
前記冷却塔出口での冷媒温度及び／又は冷媒圧力を測定する冷却塔出口センサと、
前記並列ラインに設けられ、前記蒸発器から戻る冷媒ガスが前記熱交換器に流れる冷媒量を調整する並列用バルブと、
前記冷却塔出口センサの測定結果が所定値になるように前記並列用バルブの開度量を調整することにより、前記冷却塔に流れる冷媒の一部を前記熱交換器に流す冷媒量を制御する並列用制御部と、を備えたことを特徴とする電子機器の冷却システム。
前記機器ルーム内から吸い込んだ高温空気を冷却して前記機器ルーム内に戻す空調機と、
前記循環ラインから分岐され、前記冷媒を前記空調機の冷却部との間で循環させる空調用循環ラインと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電子機器の冷却システム。
前記複数の電子機器を複数のグループにグループ分けすると共に、前記循環ラインの途中にグループ分けしたグループ数だけグループ用熱交換器を設け、
前記循環ラインを、前記冷却塔及び／又は熱交換器と、前記グループ用熱交換器との間で冷媒が循環するメイン用循環ラインと、前記グループ用熱交換器と前記蒸発器及び／又は前記空調機の冷却部との間で冷媒が循環するグループ用循環ラインとで構成したことを特徴とする請求項２に記載の電子機器の冷却システム。
前記循環ラインのうち前記蒸発器出口位置の冷媒ガス流路に設けられ、冷媒流量を調整する流量調整手段と、
前記蒸発器から排出される空気温度を検出する温度センサと、
前記流量調整手段を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは前記温度センサが所定値となるように前記流量調整手段を制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか１に記載の電子機器の冷却システム。
前記電子機器はサーバであると共に、前記機器ルームはサーバルームであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１の電子機器の冷却システム。