(57)【要約】  相変化冷却装置と空調機を共に用いる冷却システムにおいて、冷却システム全体の効率を最大化する構成とすると、システムが複雑になりコストが増大するため、本発明の相変化冷却装置は、冷気を吸気した発熱部から排出される熱を受熱することにより、貯蔵される冷媒液を気化して冷媒蒸気を生成する受熱部と、冷媒蒸気の熱をファンによる冷却風に放熱することにより、冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する放熱部と、受熱部と放熱部を接続し、主として冷媒蒸気が流動する蒸気管と、受熱部と放熱部を接続し、主として冷媒液が流動する液管と、ファンの回転数を制御する制御部、とを有し、制御部は、冷媒蒸気の温度である蒸気温度が、冷気の温度である吸気温度に接近するようにファンの回転数を制御する。
2016157895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷気を吸気した発熱部から排出される熱を受熱することにより、貯蔵される冷媒液を気化して冷媒蒸気を生成する受熱手段と、
前記冷媒蒸気の熱をファンによる冷却風に放熱することにより、前記冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する放熱手段と、
前記受熱手段と前記放熱手段を接続し、主として前記冷媒蒸気が流動する蒸気管と、
前記受熱手段と前記放熱手段を接続し、主として前記冷媒液が流動する液管と、
前記ファンの回転数を制御する制御手段、とを有し、
前記制御手段は、前記冷媒蒸気の温度である蒸気温度が、前記冷気の温度である吸気温度に接近するように前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記蒸気温度が前記吸気温度を上回らない範囲で、前記吸気温度に接近するよう前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記蒸気温度と前記吸気温度を比較し、前記蒸気温度が前記吸気温度以下であると判断した場合、前記ファンの回転数を減少させる
相変化冷却装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記蒸気温度と前記吸気温度を比較し、前記蒸気温度が前記吸気温度よりも大きいと判断した場合、前記ファンの回転数を増加させる
相変化冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記放熱手段に流入する前記冷却風の温度である入口温度と、前記放熱手段から流出する前記冷却風の温度である出口温度の差である放熱部温度差が、予め定められた閾温度差と等しくなるように、前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置。
【請求項６】
請求項５に記載した相変化冷却装置において、
前記閾温度差は、前記放熱手段の放熱能力がその温度差以下で略一定となる前記放熱部温度差である
相変化冷却装置。
【請求項７】
請求項１または２に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記放熱手段に流入する外気の温度である外気温度を取得し、
前記外気温度が、あらかじめ定めた閾外気温度以下である場合、前記放熱手段から流出する前記冷却風の温度である出口温度が一定となるように、前記ファンの回転数を制御し、
前記外気温度が、あらかじめ定めた閾外気温度よりも大きい場合、前記放熱手段に流入する前記冷却風の温度である入口温度と前記出口温度の差である放熱部温度差であって、前記放熱手段の放熱能力がその温度差以下で略一定となる閾温度差が一定となるように、前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
前記蒸気温度は、前記蒸気管の表面温度を測定することにより得られる値および前記受熱手段の排気温度を測定することにより得られる値のいずれかである
相変化冷却装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載した相変化冷却装置と、空調手段を備え、
前記受熱手段は、前記発熱部から排気される暖気を取り込んで冷却し、出口温度となった送風を排出し、
前記空調手段は、前記送風を取り込み、前記吸気温度の前記冷気を生成して前記発熱部に向けて送出する
相変化冷却装置を用いた冷却システム。
【請求項１０】
冷気を吸気した発熱部から排出される熱を受熱することにより、貯蔵される冷媒液を気化して冷媒蒸気を生成する受熱手段と、
前記冷媒蒸気の熱をファンによる冷却風に放熱することにより、前記冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する放熱手段と、
前記受熱手段と前記放熱手段を接続し、主として前記冷媒蒸気が流動する蒸気管と、
前記受熱手段と前記放熱手段を接続し、主として前記冷媒液が流動する液管、とを有する相変化冷却装置に対して、
前記冷媒蒸気の温度である蒸気温度が、前記冷気の温度である吸気温度に接近するように前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載した相変化冷却装置において、
前記蒸気温度が前記吸気温度を上回らない範囲で、前記吸気温度に接近するよう前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置の制御方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載した相変化冷却装置の制御方法において、
前記蒸気温度と前記吸気温度を比較し、前記蒸気温度が前記吸気温度以下であると判断した場合、前記ファンの回転数を減少させる
相変化冷却装置の制御方法。
【請求項１３】
請求項１０または１１に記載した相変化冷却装置の制御方法において、
前記蒸気温度と前記吸気温度を比較し、前記蒸気温度が前記吸気温度よりも大きいと判断した場合、前記ファンの回転数を増加させる
相変化冷却装置の制御方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載した相変化冷却装置の制御方法において、
前記放熱手段に流入する前記冷却風の温度である入口温度と、前記放熱手段から流出する前記冷却風の温度である出口温度の差である放熱部温度差が、予め定められた閾温度差と等しくなるように、前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置の制御方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載した相変化冷却装置の制御方法において、
前記閾温度差は、前記放熱手段の放熱能力がその温度差以下で略一定となる前記放熱部温度差である
相変化冷却装置の制御方法。
【請求項１６】
請求項１０または１１に記載した相変化冷却装置の制御方法において、
前記制御手段は、前記放熱手段に流入する外気の温度である外気温度を取得し、
前記外気温度が、あらかじめ定めた閾外気温度以下である場合、前記放熱手段から流出する前記冷却風の温度である出口温度が一定となるように、前記ファンの回転数を制御し、
前記外気温度が、あらかじめ定めた閾外気温度よりも大きい場合、前記放熱手段に流入する前記冷却風の温度である入口温度と前記出口温度の差である放熱部温度差であって、前記放熱手段の放熱能力がその温度差以下で略一定となる閾温度差が一定となるように、前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置の制御方法。
【請求項１７】
請求項１０から１６のいずれか一項に記載した相変化冷却装置の制御方法において、
前記蒸気温度は、前記蒸気管の表面温度を測定することにより得られる値および前記受熱手段の排気温度を測定することにより得られる値のいずれかである
相変化冷却装置の制御方法。
【請求項１８】
請求項１０から１７のいずれか一項に記載した相変化冷却装置の制御方法において、
前記相変化冷却装置は、空調手段と共に冷却システムを構成し、
前記受熱手段は、前記発熱部から排気される暖気を取り込んで冷却し、出口温度となった送風を排出し、
前記空調手段は、前記送風を取り込み、前記吸気温度の前記冷気を生成して前記発熱部に向けて送出する
相変化冷却装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化冷却装置およびその制御方法に関し、特に、空調機と共に用いる相変化冷却装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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きている。データセンタにおいては、扱う情報処理量の増大に伴って電力消費量も増大している。データセンタでは特に、電子機器装置を冷却するための空調機が消費する電力が大きく、データセンタ全体の消費電力の半分近くを占めている。このため、データセンタの空調機の電力を削減することが求められている。【０００３】
このようなデータセンタ等に設置される空調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外気利用空調システムは一般的な空調システムに加えて更に外気熱交換システムを有する。外気熱交換システムは、関連する空冷熱交換器、熱交換器、ポンプ、配管、および制御装置を備える。【０００４】
関連する空冷熱交換器は、熱交換器本体とファン等を有する。この空冷熱交換器に対して、冷風温度を計測する温度計、排気温度を計測する温度計、ポンプの消費電力を計測する電力計、ファンの消費電力を計測する電力計、およびファンの回転を制御する回転数制御装置が設けられている。【０００５】
制御装置は、排気温度と冷風温度の差である空気温度差と、ファン回転数から求まるファン風量から熱交換量を算出する。この熱交換量と、ポンプの消費電力およびファンの消費電力とから成績係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ＣＯＰ）を算出する。そして、制御装置が、成績係数が向上するようにファンの回転数を増減させる構成としている。【０００６】
このような構成としたことにより、関連する外気利用空調システムによれば、如何なる外気状態においても最大効率で運転が可能となり、省エネルギー化が図れる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１９３９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、特許文献１に記載された関連する外気熱交換システムは、ポンプおよびファンの消費電力を計測する電力計を備えた構成としている。しかし、データセンタのように、大規模な建屋内に設置された相当な数の冷却装置の全ての消費電力を測定し、測定結果から成績係数（ＣＯＰ）を演算し制御する冷却システムを構成する場合、以下の問題が生じる。すなわち、給電系統を冷却装置毎にまとめて設置する必要があること、また、空調機が備える冷凍機と送風機の電力系統を別系統に分ける必要があることなど、冷却システムが煩雑化し、それによってコストが増加するという問題が生じる。【０００９】
特に、データセンタに設置されるサーバ等は、その運用状況によって発熱量が大きく変動する。そのため、冷却システムの消費電力を測定し、測定結果に演算処理を施してから室外機のファンの回転制御を行う上述の複雑なシステム構成では、その測定と演算処理に要する時間の間は成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしまう。【００１０】
このように、相変化冷却装置と空調機を共に用いる冷却システムにおいて、冷却システム全体の効率を最大化する構成とすると、システムが複雑になりコストが増大する、という問題があった。【００１１】
本発明の目的は、上述した課題である、相変化冷却装置と空調機を共に用いる冷却システムにおいて、冷却システム全体の効率を最大化する構成とすると、システムが複雑になりコストが増大する、という課題を解決する相変化冷却装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の相変化冷却装置は、冷気を吸気した発熱部から排出される熱を受熱することにより、貯蔵される冷媒液を気化して冷媒蒸気を生成する受熱部と、冷媒蒸気の熱をファンによる冷却風に放熱することにより、冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する放熱部と、受熱部と放熱部を接続し、主として冷媒蒸気が流動する蒸気管と、受熱部と放熱部を接続し、主として冷媒液が流動する液管と、ファンの回転数を制御する制御部、とを有し、制御部は、冷媒蒸気の温度である蒸気温度が、冷気の温度である吸気温度に接近するようにファンの回転数を制御する。【００１３】
本発明の相変化冷却装置の制御方法は、冷気を吸気した発熱部から排出される熱を受熱することにより、貯蔵される冷媒液を気化して冷媒蒸気を生成する受熱部と、冷媒蒸気の熱をファンによる冷却風に放熱することにより、冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する放熱部と、受熱部と放熱部を接続し、主として冷媒蒸気が流動する蒸気管と、受熱部と放熱部を接続し、主として冷媒液が流動する液管、とを有する相変化冷却装置に対して、冷媒蒸気の温度である蒸気温度が、冷気の温度である吸気温度に接近するようにファンの回転数を制御する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の相変化冷却装置およびその制御方法によれば、相変化冷却装置と空調機を共に用いる冷却システムにおいて、簡易な構成かつ低コストで、冷却システム全体の効率を最大化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却システムの熱交換性能を説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置が備える制御部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置における熱交換の状況を示す図であって、外気温度が低下した場合における熱交換の状況を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置における熱交換の状況を示す図であって、外気温度が上昇した場合における熱交換の状況を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置が備える放熱部の放熱能力と放熱部温度差との関係を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置における熱交換の状況を示す図であって、放熱部温度差が閾温度差となるように制御した場合における熱交換の状況を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置が備える制御部の動作を説明するための、放熱部温度差と外気温度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る相変化冷却システムの別の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る相変化冷却システムのさらに別の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置１０の構成を示すブロック図である。本実施形態による相変化冷却装置１０は、受熱部１１、放熱部１２、ファン１３、蒸気管１４、液管１５、および制御部１６を有する。
【００１８】
受熱部１１は、冷気を吸気した発熱部３１から排気される暖気に含まれる排気熱を、冷媒の気化熱として冷媒蒸気を生成する。放熱部１２は、冷媒蒸気の熱をファン１３による冷却風によって放熱し、冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する。蒸気管１４は、受熱部１１と放熱部１２を接続し、主として冷媒蒸気が流動する。液管１５は、受熱部１１と放熱部１２を接続し、主として冷媒液が流動する。
【００１９】
制御部１６は、ファン１３の回転数を制御する。ここで制御部１６は、冷媒蒸気の温度である蒸気温度Ｔvが、冷気の温度である吸気温度Ｔi_bを上回らない範囲で、吸気温度Ｔi_bに接近するようにファン１３の回転数を制御する。
【００２０】
また、本実施形態による相変化冷却装置１０を用いた冷却システムは、さらに空調機２１を備える。ここで、受熱部１１は、暖気を取り込んで冷却し、出口温度Ｔi_oとなった送風を排出する。そして、空調機２１は、この送風を取り込み、吸気温度Ｔi_bの冷気を生成して発熱部３１に向けて送出する。
【００２１】
次に、データセンタなどに設置される場合を例として、本実施形態による相変化冷却装置および相変化冷却装置を用いた冷却システムについて、さらに詳細に説明する。なお、以下では、「相変化冷却装置を用いた冷却システム」のことを単に「相変化冷却システム」と言う。
【００２２】
図２は、本実施形態による相変化冷却システム１０００の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態による相変化冷却システム１０００は、受熱部１０４を空調機１０７が備える熱交換器１０８の風上側に設置した構成としている。同図中の英文字は温度を表わしており、それぞれ、受熱部１０４の空気の入口温度Ｔi_iと出口温度Ｔi_o、放熱部１０５の入口温度Ｔo_iと出口温度Ｔo_o、蒸気温度Ｔv、およびコールドアイルまたはラックの吸気温度Ｔi_bである。これらの温度を監視し、これに基づいて室外機のファン１０６を制御する構成としている。
【００２３】
本実施形態では、発熱部としてのサーバラック１０３が設置されるサーバ室１０１と、空調機１０７が設置される機械室１０２を隔てる壁面に、相変化冷却システム１０００を構成する受熱部１０４を設置する。ここで、受熱部１０４は、サーバ室１０１側に設置されていてもよいし、機械室側１０２に設置されていてもよい。すなわち機械室１０２内に流入する風が受熱部１０４を通過した後の風となるよう受熱部１０４を設置すればよい。受熱部１０４には、冷媒液が蒸気に相変化して熱２０３を輸送する蒸気管２０４と、屋外に設置された放熱部１０５においてファン１０６によって冷却された後に液相に相変化した冷媒液が循環する液管２０５が接続されている。
【００２４】
上述したように、受熱部１０４は、空調機１０７を構成する冷凍機１０９が作成する冷水と熱交換する熱交換器１０８の風上側に配置している。そのため、サーバラック１０３を冷却した後の暖気２０２は、受熱部１０４によって熱２０３を奪われてから空調機１０７において熱交換されるので、冷水を作成する冷凍機１０９の消費電力を削減することができる。そして、空調機１０７が備える送風機１１０によって冷気２０１がサーバラック１０３に供給される。
【００２５】
冷凍機１０９が消費する電力は、相変化冷却装置を構成する室外機のファン１０６が消費する電力と比較して一桁以上大きい。したがって、本実施形態による相変化冷却システム１０００においては、相変化冷却装置を構成する室外機のファン１０６のみを制御する構成とした。これにより、データセンタの冷却に必要な追加電力を最小化することが可能となる。すなわち、本実施形態による相変化冷却装置および相変化冷却システムによれば、相変化冷却装置と空調機を共に用いる冷却システムにおいて、簡易な構成かつ低コストで、冷却システム全体の効率を最大化することができる。
【００２６】
次に、本実施形態による相変化冷却装置１０および相変化冷却システム１０００の動作について説明する。
【００２７】
図３に、相変化冷却システム１０００の熱交換性能を示す。横軸は熱交換長さＬであり、縦軸は温度Ｔである。受熱部１０４の入口部における入口温度Ｔi_iの暖気２０２は、放熱部１０５において入口温度Ｔo_iの外気と熱交換されて温度を下げ、受熱部１０４から出口温度Ｔi_oとなって排出される。その逆に、放熱部１０５においては熱交換された分だけ外気の温度が上昇し、出口温度Ｔo_oとなって排出される。本実施形態の相変化冷却システム１０００は冷媒の潜熱を用いる相変化冷却であるので、受熱部１０４および放熱部１０５のそれぞれにおいて、蒸気温度Ｔvとの差分で熱交換される。なお、蒸気温度Ｔvは潜熱による熱移動のため温度は一定である。
【００２８】
相変化冷却によってサーバラック１０３の発熱を全て、すなわち１００％抜熱している場合、受熱部から排出される送風の出口温度Ｔi_oは、コールドアイルまたはラックの吸気温度Ｔi_bと等しくなるだけ下がっている。この場合、空調機１０７は冷凍機１０９で冷水を作成して熱交換器１０８で熱交換する必要はない。そのため、空調機１０７の動作を停止することができるので、相変化冷却システム１０００全体の消費電力を大幅に低減することができる。
【００２９】
ここで、蒸気温度Ｔvがラック吸気温度Ｔi_b以下でなければ熱交換されない。したがって、相変化冷却によってサーバラック１０３の発熱を１００％抜熱し、受熱部から排出される送風の出口温度Ｔi_oをラック吸気温度Ｔi_bにするためには、蒸気温度Ｔvがラック吸気温度Ｔi_b以下である必要がある。このことから、相変化冷却によってサーバラック１０３の発熱を１００％抜熱するかどうかは、蒸気温度Ｔvとラックの吸気温度Ｔi_bの大小関係から判断することができる。
【００３０】
次に、本実施形態による相変化冷却装置１０が備える制御部１６の動作について説明する。図４は、本実施形態による相変化冷却装置１０が備える制御部１６の動作を説明するためのフローチャートである。
【００３１】
相変化冷却装置１０が備える制御部１６は、まず、蒸気温度Ｔvおよび発熱部２１としてのサーバラック１０３の吸気温度Ｔi_bを取得する（ステップＳ１１０）。ここで、吸気温度Ｔi_bはサーバラック１０３の動作を保障するための冷却風（冷気）の温度であり、サーバラック１０３の仕様等によりあらかじめ定められた設定値である。また、蒸気温度Ｔvは、蒸気管１４の表面温度を測定することにより得られる値とすることができる。そして、制御部１６は、蒸気温度Ｔvと吸気温度Ｔi_bの大小を比較する（ステップＳ１２０）。
【００３２】
ここで、外気温度がＴo_iからＴo_i’に低下するか、またはサーバラック１０３の発熱量が小さくなると、冷媒の蒸気圧が低下するので冷媒の沸点、すなわち蒸気温度Ｔvも低下する。そのため、蒸気温度Ｔvは吸気温度Ｔi_bよりも小さくなり（ステップＳ１２０／ＹＥＳ）、相変化冷却の抜熱能力が向上する。この場合、制御部１６は、放熱部１２のファン１３の回転数を下げるように指示し、放熱部１２の出口温度Ｔo_o’をＴo_oまで上昇させる（ステップＳ１３０）。これにより、ファン１３の消費電力を削減することができる。このときの相変化冷却装置１０における熱交換の状況を図５に示す。
【００３３】
このとき制御部１６は、蒸気温度Ｔvがラックの吸気温度Ｔi_bと略等しくなるまで、すなわち蒸気温度Ｔvが吸気温度Ｔi_bを上回らない範囲で、吸気温度Ｔi_bに接近するようにファンの回転数を制御する（ステップＳ１４０）。ここで、「上回らない範囲」としたのは、蒸気温度Ｔvが吸気温度Ｔi_bを上回ると熱交換できなくなるからであり、具体的には例えば、蒸気温度Ｔvが吸気温度Ｔi_bよりも約１℃低くなるように制御することができる。
【００３４】
逆に、外気温度がＴo_iからＴo_i’に上昇するか、またはサーバラック１０３の発熱量が増大した場合、蒸気温度Ｔvは上昇するので、蒸気温度Ｔvは吸気温度Ｔi_bよりも大きくなる（ステップＳ１２０／ＮＯ）。そこで、制御部１６は、放熱部１２のファン１３の回転数を増大することによって相変化冷却の抜熱能力を向上させ、放熱部１２の出口温度Ｔo_o’をＴo_oに下げる（ステップＳ１５０）。このときの相変化冷却装置１０における熱交換の状況を図６に示す。
【００３５】
ここで、放熱部１２の放熱能力ηは、図７に示すように、放熱部１２に流入する冷却風の入口温度Ｔo_iと、放熱部１２から流出する冷却風の出口温度Ｔo_oとの差である放熱部温度差ΔＴに依存し、ある温度差以下になると、ほぼ一定となる。そこで、放熱能力ηがその温度差以下では略一定（η０）となる閾温度差ΔＴrをあらかじめ設定し、制御部１６は放熱部１２の入口温度Ｔo_iと出口温度Ｔo_oの差がΔＴrとなるようにファン１３の回転数を制御する構成とすることができる（ステップＳ１６０）。これにより、ファンの消費電力を最小化することができる。
【００３６】
このように、放熱部温度差ΔＴが閾温度差ΔＴrになるようにファン１３の回転数を制御する構成とした場合、図８に示すように、蒸気温度Ｔvがラックの吸気温度Ｔi_b以上となる場合がある。この場合は、相変化冷却で抜熱できない熱量だけを空調機２１（１０７）が備える熱交換器１０８によって熱交換する構成とすればよい。なお、放熱部温度差ΔＴが閾温度差ΔＴrになるようにファン１３の回転数を制御している間に、外気温Ｔo_i’が低下するか、またはサーバラック１０３の発熱量が小さくなると、放熱部温度差ΔＴは閾温度差ΔＴrより小さくなる。この場合には、制御部１６はファン１３の回転数を下げるように制御することができる。
【００３７】
上記説明では、制御部１６は、蒸気温度Ｔvと吸気温度Ｔi_bの大小を比較し、比較結果に基づいて放熱部１２のファン１３の回転数を制御することとした。しかし、これに限らず、受熱部１１の排気の温度である受熱部出口温度Ｔi_oを測定することにより得られる値を蒸気温度Ｔvとして用いることとしてもよい。そして、制御部１６は受熱部出口温度Ｔi_oとラックの吸気温度Ｔi_bの大小を比較し、比較結果に基づいて放熱部１２のファン１３の回転数を制御する構成とすることができる。この場合、より簡易な監視制御系とすることができるので、相変化冷却装置１０のコストをより低減し、信頼性を向上させることができる。
【００３８】
次に、本実施形態による相変化冷却装置の制御方法について説明する。
【００３９】
本実施形態の相変化冷却装置の制御方法は、受熱部、放熱部、ファン、蒸気管、および液管を有する相変化冷却装置を制御対象とする。
【００４０】
受熱部は、冷気を吸気した発熱部から排気される暖気に含まれる排気熱を、冷媒の気化熱として冷媒蒸気を生成する。放熱部は、冷媒蒸気の熱をファンによる冷却風によって放熱し、冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する。蒸気管は、受熱部と放熱部を接続し、主として冷媒蒸気が流動する。そして、液管は、受熱部と放熱部を接続し、主として冷媒液が流動する。
【００４１】
このような構成の相変化冷却装置に対して、本実施形態の相変化冷却装置の制御方法は、冷媒蒸気の温度である蒸気温度が、冷気の温度である吸気温度を上回らない範囲で、吸気温度に接近するようにファンの回転数を制御する。
【００４２】
ここで、ファンの回転数の制御は、蒸気温度と吸気温度の大小を比較し、蒸気温度が吸気温度以下であると判断した場合、ファンの回転数を減少させる制御方法とすることができる。
【００４３】
また、蒸気温度と吸気温度の大小を比較し、蒸気温度が吸気温度よりも大きいと判断した場合、ファンの回転数を増加させる制御方法とすることができる。この場合、放熱部に流入する冷却風の温度である入口温度と、放熱部から流出する冷却風の温度である出口温度の差である放熱部温度差が、放熱部の放熱能力がその温度差以下で略一定となる閾温度差と等しくなるように、ファンの回転数を制御する方法としてもよい。
【００４４】
上述したように、本実施形態の相変化冷却装置およびその制御方法によれば、相変化冷却装置と空調機を共に用いる冷却システムにおいて、簡易な構成かつ低コストで、冷却システム全体の効率を最大化することができる。
【００４５】
〔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。
【００４６】
第１の実施形態による相変化冷却装置１０では、設計条件や設置環境等によって、上述した蒸気温度Ｔv、放熱部１２の入口温度Ｔo_i、吸気温度Ｔi_b、および受熱部１１の空気の入口温度Ｔi_iがあらかじめ定められている場合がある。本実施形態では、この場合における制御部１６の動作について説明する。
【００４７】
発熱部３１としての各サーバラックの発熱量は負荷変動によって大きく変化するが、サーバルーム全体でみると、ほぼ一定の発熱量で推移している場合がある。この場合、相変化冷却装置１０の抜熱能力は、放熱部１２の入口温度Ｔo_i、すなわち外気温度Ｔaのみに影響される。
【００４８】
そこで、本実施形態の相変化冷却装置が備える制御部は、放熱部に流入する外気の温度である外気温度Ｔaに基づいて、ファンの回転数を制御する。この場合における、放熱部温度差ΔＴと外気温度Ｔaとの関係を図９に示す。ここで、放熱部温度差ΔＴは、上述したように、放熱部１２に流入する冷却風の入口温度Ｔo_iと、放熱部１２から流出する冷却風の出口温度Ｔo_oとの差である。
【００４９】
ここで制御部は、外気温度Ｔaが、あらかじめ定めた閾外気温度Ｔa_b以下である場合、放熱部から流出する冷却風の温度である出口温度Ｔo_oが一定となるように、ファンの回転数を制御する。すなわち、外気温度Ｔaが低下するに従って、ファンの回転数を減少させる。
【００５０】
一方、外気温度Ｔaが、あらかじめ定めた閾外気温度よりも大きい場合、放熱部温度差であって、放熱部の放熱能力がその温度差以下で略一定となる閾温度差ΔＴrが一定となるように、制御部はファンの回転数を制御する。
【００５１】
このように、本実施形態の相変化冷却装置によれば、監視制御系をさらに簡易化することができるので、相変化冷却装置のコストをより低減し、信頼性を向上させることができる。
【００５２】
上述した各実施形態における相変化冷却装置および相変化冷却システムは、図１０に示すように、液管２０５の流路にポンプ３０１を備え、冷媒を強制循環させる構成としてもよい。また、図１１に示すように、放熱部を冷却塔３０２により構成することとしてもよい。
【００５３】
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。
【００５４】
この出願は、２０１５年４月１日に出願された日本出願特願２０１５−０７４８２０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。
【符号の説明】
【００５５】
１０    相変化冷却装置
１１、１０４    受熱部
１２、１０５    放熱部
１３、１０６    ファン
１４、２０４    蒸気管
１５、２０５    液管
１６    制御部
２１、１０７    空調機
３１    発熱部
１０１    サーバ室
１０２    機械室
１０３    サーバラック
１０８    熱交換器
１０９    冷凍機
１１０    送風機
２０１    冷気
２０２    暖気
２０３    熱
２０４    蒸気管
３０１    ポンプ
３０２    冷却塔
１０００    相変化冷却システム
【図１】
2016157895.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年9月21日(2017.9.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷気を吸気した発熱部から排出される熱を受熱することにより、貯蔵される冷媒液を気化して冷媒蒸気を生成する受熱手段と、
前記冷媒蒸気の熱をファンによる冷却風に放熱することにより、前記冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する放熱手段と、
前記受熱手段と前記放熱手段を接続し、主として前記冷媒蒸気が流動する蒸気管と、
前記受熱手段と前記放熱手段を接続し、主として前記冷媒液が流動する液管と、
前記ファンの回転数を制御する制御手段、とを有し、
前記制御手段は、前記冷媒蒸気の温度である蒸気温度が、前記冷気の温度である吸気温度に接近するように前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記蒸気温度が前記吸気温度を上回らない範囲で、前記吸気温度に接近するよう前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記蒸気温度と前記吸気温度を比較し、前記蒸気温度が前記吸気温度以下であると判断した場合、前記ファンの回転数を減少させる
相変化冷却装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記蒸気温度と前記吸気温度を比較し、前記蒸気温度が前記吸気温度よりも大きいと判断した場合、前記ファンの回転数を増加させる
相変化冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記放熱手段に流入する前記冷却風の温度である入口温度と、前記放熱手段から流出する前記冷却風の温度である出口温度の差である放熱部温度差が、予め定められた閾温度差と等しくなるように、前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置。
【請求項６】
請求項５に記載した相変化冷却装置において、
前記閾温度差は、前記放熱手段の放熱能力がその温度差以下で略一定となる前記放熱部温度差である
相変化冷却装置。
【請求項７】
請求項１または２に記載した相変化冷却装置において、
前記制御手段は、前記放熱手段に流入する外気の温度である外気温度を取得し、
前記外気温度が、あらかじめ定めた閾外気温度以下である場合、前記放熱手段から流出する前記冷却風の温度である出口温度が一定となるように、前記ファンの回転数を制御し、
前記外気温度が、あらかじめ定めた閾外気温度よりも大きい場合、前記放熱手段に流入する前記冷却風の温度である入口温度と前記出口温度の差である放熱部温度差であって、前記放熱手段の放熱能力がその温度差以下で略一定となる閾温度差が一定となるように、前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
前記蒸気温度は、前記蒸気管の表面温度を測定することにより得られる値および前記受熱手段の排気温度を測定することにより得られる値のいずれかである
相変化冷却装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載した相変化冷却装置と、空調手段を備え、
前記受熱手段は、前記発熱部から排気される暖気を取り込んで冷却し、出口温度となった送風を排出し、
前記空調手段は、前記送風を取り込み、前記吸気温度の前記冷気を生成して前記発熱部に向けて送出する
相変化冷却装置を用いた冷却システム。
【請求項１０】
冷気を吸気した発熱部から排出される熱を受熱することにより、貯蔵される冷媒液を気化して冷媒蒸気を生成する受熱手段と、
前記冷媒蒸気の熱をファンによる冷却風に放熱することにより、前記冷媒蒸気を液化して冷媒液を生成する放熱手段と、
前記受熱手段と前記放熱手段を接続し、主として前記冷媒蒸気が流動する蒸気管と、
前記受熱手段と前記放熱手段を接続し、主として前記冷媒液が流動する液管、とを有する相変化冷却装置に対して、
前記冷媒蒸気の温度である蒸気温度が、前記冷気の温度である吸気温度に接近するように前記ファンの回転数を制御する
相変化冷却装置の制御方法。
【国際調査報告】
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