(57)【要約】【課題】各種発熱機器を安定的に高効率で冷却する冷却システムを提供すること。【解決手段】純水を、純水配管５から気化室１１内へ供給し、二酸化チタン皮膜１２表面で気化させる。その際に、伝熱部１０から蒸発潜熱を奪い、発熱部品９を冷却する。気化した水蒸気は、真空配管７を通って吸引され排気される。必要エネルギーは、水蒸気を吸引するエネルギーと純水を製造するエネルギーのみであり、少ないエネルギーで高効率な冷却が実現する。【選択図】図２
2010091146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空調冷房用もしくは発熱機器を冷却する冷却システムであって、熱を伝える伝熱部と水が気化する気化部から構成される気化伝熱ユニットと、前記気化伝熱ユニットに純水を供給する純水供給手段と、前記気化伝熱ユニットから気化した水蒸気を吸引する水蒸気吸引手段と備え、前記純水供給手段から純水を前記気化伝熱ユニットに供給し、供給された純水を前記気化部から気化することで前記伝熱部から気化潜熱を奪い、気化した水蒸気は前記水蒸気吸引手段によって吸引する冷却システム。
【請求項２】
気化部が親水性表面を有することで、純水供給部から供給された純水が前記気化部でその表面積が拡大して、気化が促進される請求項１記載の冷却システム。
【請求項３】
気化部表面が二酸化チタンである請求項２記載の冷却システム。
【請求項４】
気化部内部に毛細管現象が起こる細かい孔を有することで、純水供給部から供給された純水が気化部でその表面積が拡大して、気化が促進される請求項１記載の冷却システム。
【請求項５】
純水供給手段から供給された純水が、気化伝熱ユニット内部の伝熱部と気化部の間を通り、前記伝熱部の熱が前記純水へ熱交換されてから前記純水が前記気化部で気化する請求項１から４のいずれか１項記載の冷却システム。
【請求項６】
複数の気化伝熱ユニットに対し、１個の水蒸気吸引手段および／または１個の純水供給手段を有する請求項１から５のいずれか１項記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空調冷房用もしくは発熱機器を冷却する冷却システムに関し、特にデータサーバーやコンピューターサーバー内の発熱する電子部品を直接冷却する冷却システム、もしくはサーバーキャビネット内の加熱された空気を冷却する冷却システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的なＩＴ産業の発展に伴い、情報を大規模に管理するデータセンターが各国各地で昼夜連続稼動している。そのデータセンターが消費する電力は莫大な量であり、なかでもサーバー機から発する熱の冷却に使われる電力はデータセンター全体の消費電力の３０〜５０％を占めていると言われており、高効率な冷却システムが強く望まれている。
【０００３】
従来このような冷却システムはサーバー機が設置された部屋全体を冷房する手段が用いられてきたが、熱容量が小さく熱伝導も良好でない空気を冷却してサーバーを間接的に冷却するこの方式は非効率であるので、吸熱熱交換体を発熱する電子部品の近傍もしくは直接接触させて冷却する方式が数多く提案されている。
【０００４】
例えば、冷媒を循環させる冷凍サイクル（いわゆるヒートポンプ）を用いて、吸熱熱交換体である蒸発室内に冷媒を微小液滴として噴霧し、気化効率を高めたものなどが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、発熱する電子部品に密接させた気化器内で冷媒を気化し、上昇する冷媒を気化器よりも上方に位置する凝縮器で凝縮させ、液体へ戻った冷媒は気化器へ重力下降して循環する熱サイフォン型冷却システムが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】国際公開第０２／０４６６７７号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−１６８５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のヒートポンプを用いる限り、熱力学的に効率の限界がある。用いる冷媒にも依るが、移動できるエネルギー（冷却できる熱量）と入力するエネルギーの比は最高５程度であり、またその比も凝縮側の気温によっては変化し、不安定であるという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、安定的に高効率で冷却する冷却システムを提供し、延いては特に電力消費の莫大なデータセンターの消費電力を減らして地球温暖化防止に寄与することを目指すことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、熱を伝える伝熱部と水が気化する気化部から構成される気化伝熱ユニットと、前記気化伝熱ユニットに純水を供給する純水供給手段と、前記気化伝熱ユニットから気化した水蒸気を吸引する水蒸気吸引手段と備え、前記純水供給手段から純水を前記気化伝熱ユニットに供給し、供給された純水を前記気化部から気化することで前記伝熱部から気化潜熱を奪い、気化した水蒸気は前記水蒸気吸引手段によって吸引する冷却システムとしたものである。
【０００９】
これによって、冷却したい発熱体から最小限のエネルギーを使って水のもつ気化潜熱分を奪うことが可能となり、高効率な冷却が実現する。
【００１０】
従来のヒートポンプと呼ばれる冷却システムでは、気化した冷媒を発熱体から離れたところで圧縮して凝縮させ、その際に放熱する熱を冷却ファンなどで取り去った後、液化した冷媒を循環させている。この場合、冷媒を圧縮するエネルギーと冷却ファンを駆動するエネルギーが必要となるが、本発明ではこのエネルギーを必要としないので高効率な冷却が実現できるのである。
【００１１】
必要となるエネルギーは実質的に水蒸気を吸引する水蒸気吸引手段が使うエネルギーのみである。本発明のように気化伝熱ユニットから水蒸気を吸引しているだけなので圧縮するエネルギーと冷却ファンを駆動するエネルギーは必要なく効率が高くなるということである。
【００１２】
また、従来のヒートポンプは凝縮器で放熱した熱を大気で冷却しているが、このとき大気の気温によって効率は変動してしまうという問題がある。気温が高い場合は凝縮器から熱を奪う能力が落ちてしまうからである。本方式では温度によってあまり変化しない水の気化潜熱のみを用いるので、効率の変動はほとんどないと言ってよく、安定した効率を維持できるのである。
【００１３】
また、本発明の冷却システムを、複数の気化伝熱ユニットに対し、１個の水蒸気吸引手段および（または）１個の純水供給手段を有する冷却システムにすれば、さらに効率を向上させることが可能となる。
【００１４】
特にデータセンターのように多くのサーバー機を擁する場合は、複数の気化伝熱ユニットを配して、その複数の気化伝熱ユニットに対し１基の大型吸引ポンプで集中的に吸引すればよいことになり、気化伝熱ユニット１台あたりでは高効率に吸引できる。すなわち非常に少ないエネルギーで冷却が可能となる。
【００１５】
例えば、合計１００ｋＷの熱を冷却する場合、従来のヒートポンプでは合計２０ｋＷ〜５０ｋＷの投入エネルギーが必要とされている（その比は２〜５）。
【００１６】
水の蒸発潜熱は４０℃で２．４ｋＪ／ｇであるので、本発明によると１００ｋＷの熱を冷却する場合の水の蒸発量は（１００／２．４＝）４２ｇ／ｓｅｃであり、これが水蒸気となるので、約６０Ｌ／ｓｅｃの水蒸気が発生する。
【００１７】
これを仮に、標準的な大型ポンプ（消費電力１ｋＷ、排気速度１０Ｌ／ｓｅｃ）で吸引したとすると、発生水蒸気を排気するためにこのポンプは６台必要となる。つまり、消費電力は６ｋＷであり、１００ｋＷの熱を冷却するのに対して６ｋＷの入力でまかなえるということであるから、その比は約１７である。つまり従来のヒートポンプの１／３〜１／８の消費電力ですむという計算である。
【００１８】
また一方で本方式は言い換えると、水に熱を与えて水蒸気として放出していることになるので、常に水を供給する必要がある。この場合、水は蒸発残渣を残さないためにも、使用する水は水道水や井戸水よりも純水としなければならない。純水を製造するためにはコストがかかるという問題がある。例えば逆浸透で水中の不純物を漉し取るときに若干のエネルギー分などがコストとなっている。
【００１９】
本発明によれば、実際には数十台から数百台もの複数の気化伝熱ユニットへ純水を１台もしくは数台の純水製造装置から供給するので、純水製造の規模が大きくなり、純水製造にかかるコスト（エネルギー）は相対的に低くなるのである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の冷却システムは、発熱する機器を安定的に高効率で冷却することができ、とくには電力消費の莫大なデータセンターの消費電力を減らして地球温暖化防止に寄与することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
第１の発明は、熱を伝える伝熱部と水が気化する気化部から構成される気化伝熱ユニットと、前記気化伝熱ユニットに純水を供給する純水供給手段と、前記気化伝熱ユニットから気化した水蒸気を吸引する水蒸気吸引手段と備え、前記純水供給手段から純水を前記気化伝熱ユニットに供給し、供給された純水を前記気化部から気化することで前記伝熱部から気化潜熱を奪い、気化した水蒸気は前記水蒸気吸引手段によって吸引する冷却システムとすることにより、気化した水蒸気を吸引するエネルギーのみを用いて気化潜熱を奪うことができるので、高効率な冷却を実現することができる。またその気化潜熱は温度によって大きく変化しないので、気温にあまり左右されない安定した効率の冷却が可能となる。
【００２２】
第２の発明は、第１の発明に加え、気化部が親水性表面を有することで、純水供給部から供給された純水が前記気化部でその表面積が拡大して、気化が促進される冷却システムとすることにより、気化が高密度で起こり、より小さい気化部で低い温度が得られるので、伝熱部もより低温となる。伝熱部がより低温になれば冷却能力が高まるのでより高効率な冷却が実現できる。
【００２３】
第３の発明は、第２の発明に加え、気化部表面が二酸化チタンである冷却システムとすることにより、気化部表面がより高い親水性を有することになり、伝熱部がより低温となって冷却能力が高まるのでより高効率な冷却が実現できる。
【００２４】
第４の発明は、第１の発明に加え、気化部内部に毛細管現象が起こる細かい孔を有することで、純水供給部から供給された純水が前記気化部でその表面積が拡大して、気化が促進される冷却システムとすることにより、より小さい気化部で低い温度が得られるので、伝熱部もより低温となる。伝熱部がより低温になれば冷却能力が高まるのでより高効率な冷却が実現できる。
【００２５】
第５の発明は、第１〜第４いずれか１項記載の発明に加え、純水供給手段から供給された純水が、気化伝熱ユニット内部の伝熱部と気化部の間を通り、前記伝熱部の熱が前記純水へ熱交換されてから前記純水が前記気化部で気化する冷却システムとすることにより、純水が伝熱部から熱を受け取って温度が上がった状態で気化部に供給されるので気化部表面で純水が気化しやすくなる。つまり気化が高密度で起こり、より小さい気化部で低い温度が得られるので、伝熱部もより低温となる。伝熱部がより低温になれば冷却能力が高まるのでより高効率な冷却が実現できる。
【００２６】
第６の発明は、第１〜第５いずれか１項記載の発明に加え、複数の気化伝熱ユニットに対し、１個の水蒸気吸引手段および（または）１個の純水供給手段を有する冷却システムとすることにより、水蒸気吸引手段あるいは純水供給手段を大型化させることができるので、水蒸気吸引に関わるエネルギーや純水供給に関わるコスト（つまりエネルギー）を、気化伝熱ユニット１台あたりにすると小さくすることができる。つまりより少ないエネルギーで冷却することが可能となり高効率冷却が実現する。
【００２７】
以下、本発明の冷却システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷却システムの概略図である。また図２〜６は、同実施の形態の冷却システムに用いた気化伝熱ユニットの断面図である。
【００２８】
図１において、純水製造装置２は、水道水配管１から導入される水道水を純水に浄化して、複数の気化伝熱ユニット３へ送り込む純水供給手段である。気化伝熱ユニット３では、純水配管５から純水が、流量調整弁４において純水の導入量が調整されて導入され、内部で気化し水蒸気となる。水蒸気は真空配管７を通って、水蒸気吸引手段である真空ポンプ６によって吸引され、真空排気配管８より外部へ排気される。
【００２９】
図２において、箱状の気化伝熱ユニット３は、その片側面である伝熱部１０を介して発熱部品９と密着しており、発熱部品９の発する熱を吸熱する。気化伝熱ユニット３の内部には、気化部である気化室１１があり、純水配管５と真空配管７と連通している。気化室１１の伝熱部１０側表面は、二酸化チタン皮膜１２で覆われており、そこで純水が気化して気化潜熱を伝熱部１０から奪う構成である。
【００３０】
以上のように構成された本実施の形態の冷却システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００３１】
まず図１において、水道水が水道水配管１を通って純水製造装置２へ導入される。この水は海水や地下水でも構わないが、海水の場合純水に浄化するコストが高くなりすぎるので避けたほうが良い。地下水であっても硬水ならば好ましくない。純水製造装置２での純水製造コストを下げたければ、できるだけ不純物の少ない軟水が好ましい。
【００３２】
純水製造装置２は、逆浸透膜やイオン交換樹脂で構成され、水道水中の不純物を取り除き、できれば水の電気伝導度が１μＳ／ｃｍ以下、願わくは０．１μＳ／ｃｍ以下まで下げたほうがよい。なぜなら図２における気化室１１で蒸発残渣であるスケールが早期に析出して堆積し、メンテナンス費用が高くなるからである。
【００３３】
このようにして作られた純水は、純水配管５を通って流量調整弁４に達する。流量調整弁４では必要な冷却能力に応じて過不足なく純水を気化伝熱ユニット３に送るためのものであり、大きい冷却能力が必要なときは流量調整弁４を開いて多くの純水を送り、冷却能力が少なくてもいい場合は流量調整弁４を絞って少ない純水を送る構成になっている。
【００３４】
このようにして純水は気化伝熱ユニット３へ送られる。
【００３５】
次に、図２において、純水は純水配管５から気化伝熱ユニット３内の気化室１１に導入される。このとき純水は二酸化チタン皮膜１２の表面において薄く広がって気化する。気化と同時に伝熱部１０から気化潜熱を奪うのである。
【００３６】
一方で、気化伝熱ユニット３はＣＰＵなどの発熱部品９と密着しており、その熱が伝熱部１０に伝わっているので、伝熱部１０の熱を奪うことで発熱部品９は冷却されることになる。
【００３７】
気化室１１の二酸化チタン皮膜１２は他の金属酸化物皮膜のような親水性皮膜や薄い親水性樹脂不織布でできたウイックでも良いが、親水性のきわめて高い二酸化チタンが最良である。この表面が親水性であることにより、純水が薄く広く広がりやすくなり、その表面積が大きくなることで気化が促進され、効率よく気化潜熱を奪うことが可能となるのである。
【００３８】
このようにして気化した水蒸気は真空配管７を通って、図１のように真空ポンプ６に達し、真空排気配管８から排気される。
【００３９】
次にエネルギー効率について説明する。ＣＰＵである発熱部品９が８０Ｗの放熱をするとし、それに対する気化伝熱ユニット３冷却能力を、余裕を持たせて１００Ｗ（０．１ｋＷ）とする。一方、純水配管５より導入される純水の温度を２０℃とすれば、その蒸発潜熱は２．４５ｋＪ／ｇであるので、導入量は、０．１／２．４５＝０．０４０８ｇ／ｓｅｃ（＝２．４５ｍＬ／ｍｉｎ）となる。流量調整弁４はこの値になるよう調整すればよい。
【００４０】
大型データセンターにおいてはサーバー機が数百台設置されていることが少なくなく、本実施の形態においても、例えば、発熱部品９が１００台設置されているのに対し、合計１０ｋＷを集中的に冷却するとすれば、純水は２４５ｍＬ／ｍｉｎ（＝１４．７Ｌ／ｈｒ）必要となる。つまり純水製造装置２の能力としてこれだけ必要となる。この規模の純水製造装置は中型規模であり、その電力消費は原水の水質にもよるが一般的に１００Ｗ〜５００Ｗである。
【００４１】
また、一方でこれだけの量の純水が気化して水蒸気となるので、この水蒸気量は約３３０Ｌ／ｍｉｎ（２０℃）であり、これだけの水蒸気を真空ポンプ６が吸引すればよい。排気速度が約３３０Ｌ／ｍｉｎ程度の真空ポンプは一般的に５００Ｗ程度であるので、純水製造の消費電力と合わせ、合計の消費電力は０．６〜１ｋＷとなり、１０ｋＷの冷却に対し非常に少ない電力ですむことになる。
【００４２】
また、仮に外気温が高いなどの理由で、純水が４０℃ほどの高温状態でしか得られないとしても、冷却能力にはほとんど差があらわれない。４０℃の水の蒸発潜熱は２．４ｋＪ／ｇであり、２０℃のとき（２．４５ｋＪ／ｇ）と３％としか違わないからである。つまり安定した冷却能力が維持できるということである。
【００４３】
以下、図３から図６を用いて、気化伝熱ユニット３の別の形態について説明する。それぞれ図１の気化伝熱ユニット３の、図２とは別のバリエーションであり、システム全体の重複する部分についてはその説明を省略し、異なる部分について説明する。
【００４４】
図３において、伝熱部１０よりフィン１３が複数配置されている。発熱部品が気化伝熱ユニット３と接合できない場合はこの形態が望ましい。図示していない送風装置によって、フィン１３に空気を当てて冷やし、その冷やされた空気で図示していない発熱機器を冷却する、もしくは発熱機器をから出る熱を送風装置から送られた空気で奪い、その暖められた空気をフィン１３で熱交換して冷やすという構成である。
【００４５】
直接発熱部品に接していないので、冷却効率は低下するが、発熱部品の拡張性（交換など）が高まるので有用性がある。
【００４６】
また、図４のようにフィン１３を気化伝熱ユニット周囲（全体）に配置してもよい。この場合の気化伝熱ユニット３は箱状でなく、たとえば円筒状であり、その全周囲にフィン１３が放射状に配置され、熱伝達効率は高まる。
【００４７】
図５においては、気化室１１に多孔質金属１４が配置され、純水配管５から導入される純水が毛細管現象により広がって気化が促進されるようになり冷却効率が高まる。
【００４８】
図６においては、気化室１１の二酸化チタン皮膜１２に達するまでに、伝熱部１０の間を純水経路１５が図のように往復し、発熱部品９の熱と純水が熱交換して温度を高めて気化を促進させ冷却効率を高めている。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明にかかる冷却システムは、非常に高効率で消費電力の少ない冷却を実現できるので、冷却が必要な各種機械、設備に利用できる。例えばエアコンのような家電機器、射出成型機などの設備機械などに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施の形態における冷却システムの概略図
【図２】同実施の形態の冷却システムに用いた気化伝熱ユニットの断面図
【図３】同実施の形態の冷却システムに適用できる気化伝熱ユニットの変形例の断面図
【図４】同実施の形態の冷却システムに適用できる気化伝熱ユニットの他の変形例の断面図
【図５】同実施の形態の冷却システムに適用できる気化伝熱ユニットのさらに別の変形例の断面図
【図６】同実施の形態の冷却システムに適用できる気化伝熱ユニットのさらにもう一つの変形例の断面図
【符号の説明】
【００５１】
１    水道水配管
２    純水製造装置
３    気化伝熱ユニット
４    流量調節弁
５    純水配管
６    真空ポンプ
７    真空配管
８    真空排気配管
９    発熱部品
１０  伝熱部
１１  気化室
１２  二酸化チタン皮膜
１３  フィン
１４  多孔質金属
１５  純水経路
【図１】
2010091146.tif 000003
【図２】
2010091146.tif 000004
【図３】
2010091146.tif 000005
【図４】
2010091146.tif 000006
【図５】
2010091146.tif 000007
【図６】
2010091146.tif 000008