(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子機器が配置される室と、
前記電子機器に近接して設けられ、該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、
前記冷媒が流通する冷媒流通配管に水を散布する散水手段と、該散水手段により散布させる水に外気を強制的に接触させて蒸発潜熱により前記水を冷却する送風機と、を有し、前記蒸発器に供給する冷媒を冷却する冷却塔と、を備えた電子機器の冷却システムにおいて、
前記外気温度を測定する外気温度測定手段と、
前記外気温度測定手段における測定結果に基づき、前記蒸発器の入口における冷媒温度を前記室内の露点温度よりも高い所定温度に維持するための冷媒凝縮条件を演算し、該演算結果に基づいて前記送風機による前記外気の通風量及び前記散水手段による前記水の循環流量を調整することによって、前記冷却塔における冷媒の凝縮温度を一定に保つように制御する第１の制御手段と、を備えたことを特徴とする電子機器の冷却システム。
【請求項２】
前記電子機器はサーバである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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子機器の冷却システム及び冷却方法に係り、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
このような背景から、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。たとえば、特許文献１には、電子機器等が収納された空間を冷却するための空気調和機において、冷却空間への露飛びを防止する機構を備えたことが開示されている。具体的には、空気調和機を構成する蒸発器内の冷媒配管の表面温度が、蒸発器に吸い込む気体の露点温度以上となるように冷媒の蒸発温度を設定している。
【０００５】
また、電子機器の冷却システムについてではないが、特許文献２には、冷媒自然循環式冷房システムにおいて、外気温度センサにより測定した外気温度に基づいて、設定エネルギー量（凝縮器に供給する低温液体の温度や循環流量等と推定）を変更する方法が開示されている。これにより、外気温度の変動に基づく凝縮器での凝縮圧力の変動を抑制するようにしている。
【特許文献１】特開２００５−１４７６２３号公報
【特許文献２】特開２００７−１２７３１５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、上記特許文献１では、蒸発器の結露防止の観点ではある程度の効果は期待できるが、冷媒温度を上げるために室内ファンの送風量を多くする等、動力コストがかかるという問題がある。
【０００７】
また、上記特許文献１、２のいずれにおいても、外気温度変動や電子機器の負荷変動によって生じる蒸発器の結露防止対策は講じられていない。
【０００８】
即ち、朝夕或いは夏期と冬期等で外気温度は変動するが、自然循環運転を行う場合、外気温度が極端に低くなると冷媒の凝縮温度が著しく低下し、蒸発器の入口付近で結露を生じることがある。また、電子機器からの発熱量は情報処理量（処理負荷）により変動する。このため、処理負荷が低い場合も、上記したのと同様に冷媒の凝縮温度が低下し、蒸発器の入口付近で結露することがある。このような結露は、特に精密な処理を行う電子機器を取り扱うデータセンター等においては問題となる。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、コンピュータやサーバ等の電子機器の発熱を冷却する冷却装置における結露を防止し、低い動力コストで安全な運転環境を実現す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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、前記目的を達成するために、電子機器が配置される室と、  前記電子機器に近接して設けられ、該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、前記冷媒が流通する冷媒流通配管に水を散布する散水手段と、該散水手段により散布させる水に外気を強制的に接触させて蒸発潜熱により前記水を冷却する送風機と、を有し、前記蒸発器に供給する冷媒を冷却する冷却塔と、を備えた電子機器の冷却システムにおいて、前記外気温度を測定する外気温度測定手段と、前記外気温度測定手段における測定結果に基づき、前記蒸発器の入口における冷媒温度を前記室内の露点温度よりも高い所定温度に維持するための冷媒凝縮条件を演算し、該演算結果に基づいて前記送風機による前記外気の通風量及び前記散水手段による前記水の循環流量を調整することによって、前記冷却塔における冷媒の凝縮温度を一定に保つように制御する第１の制御手段と、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。
【００１１】
請求項１によれば、電子機器に近接させて蒸発器を設置することにより、蒸発器内の冷媒を高温の排熱と熱交換させることができるので、冷媒の凝縮温度を高く設定できる。また、外気温度を利用した凝縮器において、外気温度の測定結果に基づいて、蒸発器の入口における冷媒温度を室内の露点温度よりも高くするように冷媒の凝縮温度を第１の制御手段により制御する。これにより、外気温度の変動によらず冷媒の凝縮温度を一定に保つことができるので、蒸発器の入口付近での結露を防止できる。なお、冷媒の凝縮温度とは、凝縮器における冷媒の冷却温度と同義である。
【００１３】
請求項１によれば、凝縮器として散水式の冷却塔を使用する際に、外気温度の測定結果に基づいて、上記蒸発器の入口付近における冷媒温度が露点温度よりも高くなるように冷却塔における外気の通風量や散水する水の循環流量を制御する。これにより、散水式の冷却塔における冷媒の凝縮温度を外気温度の変動によらず一定に保つことができ、蒸発器の入口付近での結露を防止できる。
【００２２】
請求項２は請求項１において、前記電子機器はサーバであることを特徴とする。
【００２３】
請求項２によれば、精密な処理が要求されるようなサーバの近傍で結露が生じるのを抑制でき、サーバ等の電子機器を安全に冷却できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る電子機器の冷却システムによれば、コンピュータやサーバ等の電子機器の発熱を冷却する冷却装置における結露を防止し、低動力コストで安全な運転環境を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。なお、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が、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２６】
図１は、本発明に係る電子機器の冷却システム１０の一例を示した概念図である。
【００２７】
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。なお、符号１８は、２階以上の階を示している。
【００２８】
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。
【００２９】
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から発生する熱風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から排出される熱風を冷却する。
【００３０】
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。
【００３１】
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に戻すための戻り配管４６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とで連結される。戻り配管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。
【００３２】
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を設置し、循環ライン４０を流れる冷媒を、切換手段５６で冷却塔３８と熱交換器５４との少なくとも一方に流せるように構成することが好ましい。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分岐戻り配管５８と分岐供給配管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、循環ライン４０から分岐した分岐循環ライン６４が形成される。そして、分岐戻り配管５８が分岐する分岐位置、及び分岐供給配管６０が分岐する分岐位置には、それぞれ切換手段５６（例えば、三方バルブ）が設けられる。かかる切換手段５６を切り換えることにより、循環ライン４０を流れる冷媒を冷却塔３８又は熱交換器５４の少なくとも一方に流すことができる。なお、切換手段５６では、冷媒の分配量を調整できるように構成される。
【００３３】
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。
【００３４】
このような構成において、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を流れる冷媒と直接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。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。
【００３５】
さらに、本実施形態では、外気温度や処理負荷の低下により冷却塔３８や熱交換器５４での冷媒凝縮温度が極端に低下するのを抑制する制御機構が備えられている。
【００３６】
すなわち、冷却塔３８には、外気湿球温度を測定するための温度センサ８０（湿球温度計）と、散水管４２から散水する水温を測定する温度センサ８２が設けられ、いずれも第１のコントローラ８６（第１の制御手段）に出力されるように接続される。同様に、蒸発器３４の入口付近には冷媒温度を測定する温度センサ８８が設置され、上記第１のコントローラ８６に出力されるように接続される。なお、温度センサ８８の設置場所としては、最上階に分岐する上流の冷媒液側の配管が好ましい。下の階では、蒸発温度が最上階以下にならないためである。
【００３７】
第１のコントローラ８６には、ファン４４の運転周波数を調整するインバータ９０、及び散水する水の流量を調整する散水流量調整手段９２が接続される。そして、インバータ９０や散水流量調整手段９２は、温度センサ８０における測定結果に基づいて、第１のコントローラ８６によって、温度センサ８８で測定される冷媒温度が室内露点温度よりも高い設定温度となるように制御される。
【００３８】
本実施形態において、室内露点温度とは、サーバルーム１４Ａ、１４Ｂの室内温度、湿度において、蒸発器３４の入口近傍の供給配管４８において結露が生じる温度をいう。この室内露点温度は、露点温度検出手段（相対湿度センサ、室温センサを有し、該検出した相対湿度、室温から露点温度を算出する装置）を用いて求めることができる。
【００３９】
熱交換器５４についても、上記と同様の制御機構が設けられる。即ち、熱交換器５４における一次側の冷水温度を測定する温度センサ９６、及び温度センサ８８で検出した結果が上記第２のコントローラ９８（第２の制御手段）に出力されるように接続される。この場合、温度センサ８８は、サーバ２８の処理負荷の変動に伴う発熱量の変動を検出する手段として機能し得る。
【００４０】
また、分岐供給配管６０には、１次側コイル６６内を流れる冷水流量を調整するバルブ１０２と、該冷水温度を調整するための三方弁１０４と、が設けられる。三方弁１０４は、冷凍機６８を通して冷水を冷却しながら１次側コイル６６内を循環させる経路と、冷凍機６８を通さなで１次側コイル６６内を循環させる経路とに切り換えられるように構成されている。
【００４１】
第２のコントローラ９８は、温度センサ８８、温度センサ９６での測定結果に基づき、温度センサ８８で測定される冷媒温度が室内露点温度よりも高い設定温度となるように
上記バルブ１０２の開度及び（又は）三方弁１０４の切り換え等を行う。これにより、１次側コイル６６内における冷水の循環流量や、或いは冷凍機６８による冷水冷却温度を調整できるように構成されている。
【００４２】
温度センサとしては、特に限定されないが、各種温度計、配管の表面温度を検出するサーミスタ等の公知公用のものが使用できる。
【００４３】
また、室内露点温度の算出結果を第１、第２のコントローラにそれぞれ入力するように構成してもよいし、検出した相対湿度、室温を第１、第２のコントローラに直接入力し、それぞれのコントローラにおいて冷媒温度の設定温度を演算するように構成してもよい。
【００４４】
次に、本実施形態の冷却システム１０における制御機構の作用について説明する。
【００４５】
まず、熱交換器５４は用いずに冷却塔３８のみを用いた場合について説明する。
【００４６】
蒸発器３４の入口付近の冷媒温度は、温度センサ８８によりモニタリングされており、該モニタリングした結果が第１のコントローラ８６に出力される。
【００４７】
第１のコントローラ８６は、温度センサ８０により外気温度の低下を検知すると、蒸発器３４の入口付近での冷媒温度（温度センサ８８で計測される温度）が室内露点温度よりも高い設定温度となるように、冷媒凝縮条件を演算する。室内露点温度よりも高く、且つ蒸発器３４出口の空気温度（室内温度、例えば２５℃）以下に設定することができる。
【００４８】
そして、上記演算結果に基づき、第１のコントローラ８６はインバータ９０や散水流量調整手段９２を制御し、外気の通風量や散水する水の流量を調整する。これにより、冷却塔３８における冷媒の凝縮温度を演算した値に設定し、冷媒の凝縮温度を一定に保つことができる。具体的には、温度センサ８０において外気温度の低下を検知すると、外気の通風量や水の流量を少なくし、冷媒の凝縮温度を一定に保つようにする。これにより、冷媒の凝縮温度を外気温度の低下と関係なく一定にすることができ、蒸発器３４の入口付近における冷媒温度を室内露点温度よりも高い設定温度に維持できる。なお、第１のコントローラ８６は、散水する水温を温度センサ８２により監視しながら、該水温が設定凝縮温度よりアプローチ分低い温度になるように制御する。
【００４９】
また、外気温度が低下した場合だけでなく、サーバ２８の処理負荷が低下した等により温度センサ８８で冷媒温度の低下を検知した場合でも、同様の制御を行うことができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、温度センサ８８において検知される冷媒温度が室内露点温度よりも高い設定温度となるように制御する例を示したが、冷媒温度は、冷却塔３８における冷水温度以下にはならないことから、冷却塔３８における冷水温度を室内露点温度以上となるように制御してもよい。
【００５１】
次に、冷却塔３８は用いずに熱交換器５４のみを用いた場合について説明する。
【００５２】
蒸発器３４の入口付近の冷媒温度は、温度センサ８８によりモニタリングされており、該モニタリングした結果が第２のコントローラ９８に出力される。
【００５３】
第２のコントローラ９８は、例えば、サーバ２８の処理負荷が低下する等により温度センサ８８において冷媒温度の低下を検知すると、蒸発器３４の入口付近での冷媒温度が室温露点温度よりも高い設定温度となるような冷媒凝縮条件（熱交換器５４に循環させる一次側の冷水流量、冷水温度等の設定値）を演算する。
【００５４】
そして、第２のコントローラ９８は、温度センサ９６における冷水温度が演算した値となるようにバルブ１０２や三方弁１０４を制御し、１次側コイル６６に流す冷水流量や冷水温度を調整する。具体的には、温度センサ８８において冷媒温度の低下を検知すると、バルブ１０２の開度を小さくし、三方弁１０４により冷凍機６８を介さない循環経路に切り換える。これにより、１次側コイル６６内を流れる冷水温度を高く設定し、熱交換器５４における冷媒の凝縮温度を設定値にする。
【００５５】
なお、本実施形態では、温度センサ８８において検知される冷媒温度が室内露点温度よりも高い設定温度となるように制御する例を示したが、冷媒温度は、熱交換器５４における冷水温度以下にはならないことから、熱交換器５４の一次側コイル内の冷水温度を室内露点温度以上となるように制御してもよい。
【００５６】
さらに、冷却塔３８と熱交換器５４とを併用する場合においては、蒸発器３４の入口付近における冷媒温度制御は、冷却塔３８或いは熱交換器５４のいずれか一方で行ってもよいし、冷却塔３８と熱交換器５４の両方で行ってもよい。冷却塔３８と熱交換器５４の両方で冷媒温度制御を行う場合、第１のコントローラは、外気温度の低下に対する冷媒の凝縮温度を一定に保つように制御するため、温度センサ８８で検知した冷媒温度の低下に対しては第２のコントローラで制御することが好ましい。
【００５７】
本実施形態では、冷媒温度は、各階の中でも最上階に設置された蒸発器３４の入口付近が最も低いため、上階に温度センサ８８を設置して冷媒温度をセンシングし、該センシング結果に基づいて冷却塔３８や熱交換器５４の凝縮条件の制御を行う例で説明したが、これに限定されず、例えば、各階に温度センサ８８を設置し、そのうち１つの温度センサの値を採用してもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、処理負荷の低下の検出手段として温度センサ８８を用いる例で説明したが、これに限定されず、冷却塔３８の入口付近に冷媒ガス圧力測定手段を設けて、冷却塔３８又は熱交換器５４の冷媒凝縮圧力を制御してもよい。また、温度センサ８８の代わりに、圧力センサを設けて冷媒凝縮圧力を制御してもよい。その他、サーバ２８の処理負荷を測定する方法であればよく、例えば、サーバ２８の情報処理量を監視又は制御する負荷制御ユニット、或いはサーバ２８の消費電力量を測定する電力量測定器等でもよい。
【００５９】
また、本実施形態では、冷却塔３８と熱交換器５４を切り換え自在に使用できる冷却システムについて説明したが、これに限定されず、例えば切換手段を持たず、冷却塔３８又は熱交換器５４のいずれか一方のみを備えた冷却システムでもよい。
【００６０】
以上説明したように、電子機器の冷却システム１０の実施形態を構成することにより、コンピュータやサーバ等の電子機器の発熱を冷却する冷却装置における結露を防止し、低動力コスト且つ安全に電子機器を冷却できる。
【００６１】
なお、上記実施形態では、熱交換器５４として水冷式凝縮器を用いる例で示したが、これに限定されず、例えば、他の冷媒（アンモニア等）を用いた凝縮器や、空冷式凝縮器等を使用することもできる。
【００６２】
なお、上記実施形態では、電子機器としてサーバ２８の例で説明したが、特に限定されず、各種電子機器や装置の排熱処理に本発明を適用できる。
【００６３】
また、上記実施形態では、蒸発器の入口付近での結露を防止する観点から、外気温度や電子機器での処理負荷が低下した場合の制御方法について説明したが、以下のような利用方法もある。即ち、外気温度が上昇或いは電子機器での処理負荷が増加した場合には、上記した制御方法とは逆の操作を行うことにより、電子機器の冷却を効率的且つ安定に行うことができる。具体的には、外気温度が上昇等すると冷媒温度も上昇するため、電子機器の冷却に必要となる冷媒の凝縮温度に保つように冷却塔３８のファン４４の通風量や散水する水の循環流量を増加させる、或いは熱交換器５４における冷却水温度を低下させる等の制御を行うことができる。この場合、切換手段５６において、冷却塔３８、熱交換器５４への冷媒分配量を制御するコントローラを設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の電子機器の冷却システムの一例である第１の実施形態を説明する概念図である。
【図２】図１におけるサーバラックの概略構成を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０…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…ファン（サーバ用）、３２…熱風、３４…蒸発器、３６…冷却コイル、３８…冷却塔、４０…循環ライン、４１…螺旋状配管、４２…散水管、４４…ファン（冷水塔用）、４６…戻り配管、４８…供給配管、５４…熱交換器、５６…切換手段、５８…分岐戻り配管、６０…分岐供給配管、６２…２次側コイル、６４…分岐循環ライン、６６…１次側コイル、６８…冷凍機、７０…冷水供給配管、７２…冷水戻り配管、７４…送液ポンプ、８０…湿球温度計、８２、８８、９６…温度センサ、８６…第１のコントローラ、９２…散水流量調整手段、９８…第２のコントローラ、９０…インバータ、１０２…バルブ、１０４…三方弁
【図１】
0004816974.tif 000002
【図２】
0004816974.tif 000003