(57)【要約】  複数の冷凍サイクルを組み合わせて冷却および排熱回収を行う冷却システムにおいては、外部環境の変化によって冷却システムの効率が変動するため、本発明の冷却システムは、冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルによる第１の冷却手段と、熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルによる第２の冷却手段と、冷媒蒸気と高圧冷媒液を熱交換させる過熱用熱交換手段、とを有する。
2017169925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルによる第１の冷却手段と、
前記熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルによる第２の冷却手段と、
前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液を熱交換させる過熱用熱交換手段、とを有する
冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載した冷却システムにおいて、
前記第１の冷却手段は、
冷媒液を受熱により気化させて前記冷媒蒸気を生成する受熱手段と、
前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、
前記熱量の放出により前記高圧冷媒蒸気を凝縮させ前記高圧冷媒液を生成する放熱手段と、
前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成する膨張手段、とを備え、
前記第２の冷却手段は、
前記高圧冷媒蒸気から受熱して前記吸着質を脱着させる脱着手段と、
脱着した前記吸着質を凝縮させる凝縮手段と、
凝縮した前記吸着質を蒸発させることにより冷熱を生成する蒸発手段と、
蒸発した前記吸着質を吸着する吸着手段、とを備える
冷却システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載した冷却システムにおいて、
前記過熱用熱交換手段は、
前記冷媒蒸気が流動する第１の流路構造と、
前記高圧冷媒液が流動する第２の流路構造と、
前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液との間の熱交換を媒介する熱交換手段、とを備える
冷却システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載した冷却システムにおいて、
前記過熱用熱交換手段は、
前記冷媒蒸気が流動する外層管と、前記高圧冷媒液が流動する内層管とからなり、前記内層管の外周面と前記外層管の内周面を共有する二重管を備える
冷却システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載した冷却システムにおいて、
前記熱量を前記第１の冷却手段から前記第２の冷却手段の受熱側に輸送する熱交換流体を循環させる熱循環手段を有する
冷却システム。
【請求項６】
請求項５に記載した冷却システムにおいて、
前記熱量を受け取った前記熱交換流体の温度を監視し、前記熱交換流体の温度に基づく検知温度を出力する温度検知手段を備える
冷却システム。
【請求項７】
請求項６に記載した冷却システムにおいて、
制御手段を備え、
前記第１の冷却手段は、
前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、
前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成する膨張手段、とを備え、
前記制御手段は、前記検知温度が所定の範囲内となるように、前記圧縮手段および前記膨張手段の少なくとも一方を制御する
冷却システム。
【請求項８】
冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成し、
前記熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルを構成し、
前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液を熱交換させる
冷却方法。
【請求項９】
請求項８に記載した冷却方法において、
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルは、
冷媒液を受熱により気化させて前記冷媒蒸気を生成し、
前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成し、
前記熱量の放出により前記高圧冷媒蒸気を凝縮させて前記高圧冷媒液を生成し、
前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成すること、を含み、
前記吸着式冷凍サイクルは、
前記高圧冷媒蒸気から受熱して前記吸着質を脱着させ、
脱着した前記吸着質を凝縮させ、
凝縮した前記吸着質を蒸発させることにより冷熱を生成し、
蒸発した前記吸着質を吸着すること、を含む
冷却方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載した冷却方法において、
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルから前記吸着式冷凍サイクルの受熱側に、前記熱量を輸送する熱交換流体を循環させることを含む
冷却方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載した冷却方法において、
前記熱量を受け取った前記熱交換流体の温度を監視し、前記熱交換流体の温度に基づく検知温度を取得することを含む
冷却方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載した冷却方法において、
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルは、
前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成し、
前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成すること、を含み、
前記検知温度が所定の範囲内となるように、前記冷媒蒸気の圧縮量および前記高圧冷媒液の膨張量の少なくとも一方を制御する
冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器などの冷却に用いられる冷却システムおよび冷却方法に関し、特に、冷媒の相変化を用いた冷却システムおよび冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報処理技術の向上やインター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続けている。これにより発生する膨大なデータを処理するため、データセンター（Ｄａｔａ  Ｃｅｎｔｅｒ：ＤＣ）が各地に設置され運用されている。また、省エネルギーの観点から、データセンター（ＤＣ）で発生する膨大な排熱エネルギーを回収して有効利用するニーズが高まってきている。【０００３】
最近のデータセンターにおいては、熱源を冷却するために、冷媒の気化および凝縮のサイクルを利用した相変化冷却方式が用いられている。そして、このとき発生した冷媒蒸気を圧縮機で圧縮し高温の冷媒蒸気に変換した後に、水と熱交換させて温水を生成し再利用する冷却・排熱回収システムが開発されている。【０００４】
このような冷却・排熱回収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冷却・排熱回収システムは、発熱機器を冷却する蒸気圧縮式冷凍機と、この蒸気圧縮式冷凍機の凝縮器と熱的に結合した吸着式冷凍機とを備える。すなわち、関連する冷却・排熱回収システムは、吸着式冷凍機を構成する脱着用の吸着剤と凝縮器を熱的に連結して、電子機器からの排熱を利用して吸着式冷凍機の脱着工程を形成するように構成したものである。【０００５】
吸着式冷凍機は、吸着用の吸着剤、脱着用の吸着剤、蒸発器、および凝縮器等から成り、冷水を作り出すことができる。ここで、脱着用の吸着剤には温水が供給され、吸着用の吸着剤には冷却水が供給される。【０００６】
このような構成としたことにより、関連する冷却・排熱回収システムによれば、電子機器からの排熱を利用して脱着工程を形成させると共に冷水を生成することができるので、省エネ効果が得られる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−３７２０３号公報
【特許文献２】特開平１０−１９４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された関連する冷却・排熱回収システムにおいては、吸着式冷凍機が備える吸着剤に供給される冷却水の温度が変化すると、関連する冷却・排熱回収システムの性能も変化してしまうという問題がある。その理由を以下に説明する。【０００９】
上述した冷却水を冷却塔で生成する場合、外気温度や湿度の変化に応じて水温が変化する。この冷却水の温度が上昇した場合、吸着式冷凍機の効率が低下するため生成される冷水の温度が上昇し、同時に吸着式冷凍機が備える脱着用の吸着剤が温水から吸収する熱量も低下する。この場合、温水の温度低下が小さくなるため、蒸気圧縮式冷凍機が備える圧縮機で生成された高温蒸気の冷却が不十分になる。そのため、温度の高い冷媒液が膨張弁を経由して、熱源を冷却するために供給されることになる。その結果、関連する冷却・排熱回収システムの冷却性能が低下する。このとき、冷却性能を維持するために圧縮機への供給電力を増大させると、関連する冷却・排熱回収システム全体の効率が低下してしまう。一方、外気温度や湿度の変化が生じた場合であっても安定して冷却水を生成するために、チラーを使用することとすると使用電力が増大する。したがって、この場合も効率は大きく低下する。【００１０】
このように、複数の冷凍サイクルを組み合わせて冷却および排熱回収を行う冷却システムにおいては、外部環境の変化によって冷却システムの効率が変動する、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、複数の冷凍サイクルを組み合わせて冷却および排熱回収を行う冷却システムにおいては、外部環境の変化によって冷却システムの効率が変動する、という課題を解決する冷却システムおよび冷却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】
本発明の冷却システムは、冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルによる第１の冷却手段と、熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルによる第２の冷却手段と、冷媒蒸気と高圧冷媒液を熱交換させる過熱用熱交換手段、とを有する。【００１３】
本発明の冷却方法は、冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成し、熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルを構成し、冷媒蒸気と高圧冷媒液を熱交換させる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の冷却システムおよび冷却方法によれば、複数の冷凍サイクルを組み合わせて冷却および排熱回収を行う構成とした場合であっても、外部環境の変化による冷却システムの効率の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る冷却システムの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第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。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る冷却システムの動作を説明するための図であって、吸着式冷凍装置の効率の温水温度依存性を示す。
【図４Ａ】本発明の第２の実施形態に係る冷却システムの動作を説明するための図であって、関連する蒸気圧縮式冷凍機におけるＰ−ｈ線図を示す。
【図４Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る冷却システムの動作を説明するための図であって、冷却水の温度が上昇した場合の関連する蒸気圧縮式冷凍機におけるＰ−ｈ線図を示す。
【図４Ｃ】本発明の第２の実施形態に係る冷却システムの動作を説明するための図であって、過熱用熱交換器を備えた構成とした場合におけるＰ−ｈ線図を示す。
【図５】本発明の第３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。
【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の実施形態に係る冷却システム１００の構成を示す概略図である。同図中の破線矢印は、熱の移動を示す。
【００１８】
本実施形態による冷却システム１００は、第１の冷却手段１１０、第２の冷却手段１２０、および過熱用熱交換手段１３０を有する。
【００１９】
第１の冷却手段１１０は、冷却対象１０から受熱（Ｈ１）して気化した冷媒蒸気Ｒ１を圧縮し、熱量（Ｈ２）の放出により凝縮させて高圧冷媒液Ｒ２とする蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成する。第２の冷却手段１２０は、この熱量（Ｈ２）により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルを構成する。そして、過熱用熱交換手段１３０は、冷媒蒸気Ｒ１と高圧冷媒液Ｒ２を熱交換（Ｈ３）させる。
【００２０】
吸着式冷凍サイクルによる第２の冷却手段１２０は、外気の温度や湿度が上昇すると回収する熱量（Ｈ２）が減少する。そのため、第１の冷却手段１１０における高圧冷媒液Ｒ２の温度が上昇する。しかし、このような場合であっても、本実施形態の冷却システム１００によれば、過熱用熱交換手段１３０が温度上昇分の熱量を低圧の冷媒蒸気Ｒ１に移動させることができる。これにより、第２の冷却手段１２０が回収する熱量（Ｈ２）を増大させることができるので、吸着式冷凍サイクルによる第２の冷却手段１２０の性能を改善することが可能である。その結果、外部環境の変化による冷却システム１００の効率の変動を抑制することができる。
【００２１】
第１の冷却手段１１０は、受熱手段、圧縮手段、放熱手段、および膨張手段を備えた構成とすることができる。ここで、受熱手段は、冷媒液を受熱（Ｈ１）により気化させて冷媒蒸気Ｒ１を生成する。圧縮手段は、冷媒蒸気Ｒ１を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する。放熱手段は、熱量（Ｈ２）の放出により高圧冷媒蒸気を凝縮させ高圧冷媒液Ｒ２を生成する。そして、膨張手段は、高圧冷媒液Ｒ２を膨張させて低圧にした冷媒液を生成する。
【００２２】
第１の冷却手段１１０の冷媒には、低沸点の材料を使用することができる。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有機冷媒を用いることができる。
【００２３】
第２の冷却手段１２０は、脱着手段、凝縮手段、蒸発手段、および吸着手段を備えた構成とすることができる。ここで、脱着手段は、高圧冷媒蒸気から受熱（熱量Ｈ２）して吸着質を脱着させる。凝縮手段は、脱着した吸着質を凝縮させる。蒸発手段は、凝縮した吸着質を蒸発させることにより冷熱を生成する。そして、吸着手段は、蒸発した吸着質を吸着する。
【００２４】
上述した第２の冷却手段１２０の吸着質としては、水蒸気、アンモニア、メタノール、エタノールなどを用いることができる。
【００２５】
過熱用熱交換手段１３０は、冷媒蒸気Ｒ１が流動する第１の流路構造、高圧冷媒液Ｒ２が流動する第２の流路構造、および冷媒蒸気Ｒ１と高圧冷媒液Ｒ２との間の熱交換を媒介する熱交換手段を備えた構成とすることができる。具体的には例えば、冷媒蒸気Ｒ１が流動する外層管と、高圧冷媒液Ｒ２が流動する内層管とからなり、内層管の外周面と外層管の内周面を共有する二重管を備えた構成とすることができる。
【００２６】
次に、本実施形態による冷却方法について説明する。
【００２７】
本実施形態による冷却方法においては、まず、冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成する。また、この熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルを構成する。そして、冷媒蒸気と高圧冷媒液を熱交換させる。
【００２８】
ここで、上述した蒸気圧縮式冷凍サイクルは、冷媒液を受熱により気化させて冷媒蒸気を生成し、冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成することを含む構成とすることができる。さらに、熱量の放出により高圧冷媒蒸気を凝縮させて高圧冷媒液を生成し、高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成することを含めることができる。
【００２９】
また、上述した吸着式冷凍サイクルは、高圧冷媒蒸気から受熱して吸着質を脱着させ、脱着した吸着質を凝縮させ、凝縮した吸着質を蒸発させることにより冷熱を生成し、蒸発した吸着質を吸着することを含む構成とすることができる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の冷却システム１００および冷却方法によれば、複数の冷凍サイクルを組み合わせて冷却および排熱回収を行う構成とした場合であっても、外部環境の変化による冷却システムの効率の変動を抑制することができる。
【００３１】
〔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。図２に、本発明の第２の実施形態に係る冷却システム１０００の構成を模式的に示す。同図中、実線の矢印は冷媒の流れを、白塗り矢印は熱の流れをそれぞれ示す。
【００３２】
本実施形態による冷却システム１０００は、熱回収装置１１００、吸着式冷凍装置（第２の冷却手段）１２００、および熱循環部（熱循環手段）１３００を備える。冷却システム１０００は、例えばデータセンター（ＤＣ）内に配置されたサーバラック２０に搭載されたサーバ等の熱源２１を冷却対象とし、回収した熱を吸着式冷凍装置１２００で再利用する構成としている。すなわち、本実施形態による冷却システム１０００は排熱回収型の冷却システムである。
【００３３】
熱回収装置１１００は、受熱部（受熱手段）１１１０、圧縮機（圧縮手段）１１２０、熱交換器（放熱手段）１１３０、膨張バルブ（膨張手段）１１４０、および過熱用熱交換器（過熱用熱交換手段）１１５０を有する。ここで、受熱部１１１０、圧縮機１１２０、熱交換器１１３０、および膨張バルブ１１４０が第１の冷却手段を構成する。
【００３４】
受熱部１１１０は熱源２１から熱を受け、内部に貯留した冷媒が気化することにより吸熱する。受熱部１１１０で気化した冷媒蒸気は、低圧蒸気輸送管１１６１内を移動する。圧縮機１１２０は冷媒蒸気を圧縮する。熱交換器１１３０は、圧縮されて昇温した高圧冷媒蒸気を凝縮させるとともに、高圧冷媒蒸気のエネルギーを利用して温水を生成する。熱交換器１１３０で凝縮された高圧冷媒液は、高圧液輸送管１１６２により膨張バルブ１１４０まで輸送される。膨張バルブ１１４０は高圧冷媒液を低圧へ変換する。
【００３５】
過熱用熱交換器１１５０は、低圧蒸気輸送管１１６１と高圧液輸送管１１６２とを熱的に接続する。過熱用熱交換器１１５０は、低圧蒸気輸送管１１６１としての外側パイプ管と、高圧液輸送管１１６２としての内側パイプ管とから成る二重管熱交換器とすることができる（例えば、特許文献２参照）。この場合、外側パイプ管には冷媒蒸気が流動し、内側パイプ管には高圧冷媒液が流動する構成とすることができる。
【００３６】
過熱用熱交換器１１５０は、凝縮した後の高圧冷媒液の熱を低圧の冷媒蒸気に供給することによって、低圧の冷媒蒸気の過熱と高圧冷媒液の温度低減を行う。すなわち、熱交換器１１３０における熱供給量および供給温度を増大させるとともに、膨張バルブ１１４０へ送出する高圧冷媒液の温度を下げることが可能である。これにより、受熱部１１１０の性能を向上させることができる。また、過熱用熱交換器１１５０により、圧縮機１１２０における液圧縮を防止することができる。
【００３７】
吸着式冷凍装置１２００は、蒸発器（蒸発手段）１２１０、吸着部（吸着手段）１２２０、脱着部（脱着手段）１２３０、および凝縮器（凝縮手段）１２４０を備える。
【００３８】
蒸発器１２１０は、吸着質としての水蒸気を発生させる。吸着部１２２０は、水蒸気を吸着剤１２２１に吸着させる。脱着部１２３０は、吸着剤１２３１に吸着した水蒸気を脱離させる。そして、凝縮器１２４０は、吸着剤１２３１から脱着した水蒸気を凝縮させる。
【００３９】
吸着部１２２０の吸着剤１２２１と凝縮器１２４０には冷却水１２５０が供給される。脱着部１２３０の吸着剤１２３１には熱交換器１１３０を経由した温水が供給される。ここで、吸着剤１２２１と吸着剤１２３１は、一方が吸着状態である時は、他方は脱着状態となる。
【００４０】
蒸発器１２１０と吸着部１２２０の吸着剤１２２１を同じ空間内に配置することによって水蒸気の発生を促進することができる。このときの水蒸気の発生に伴う気化熱による冷却作用により、蒸発器１２１０と熱的に接続された冷水流路１２６０を冷却し冷水を生成する。
【００４１】
熱循環部１３００は、高圧冷媒蒸気が凝縮するときに放出する熱量を、第１の冷却手段を構成する熱回収装置１１００から吸着式冷凍装置（第２の冷却手段）１２００の受熱側に輸送する熱交換流体（温水）を循環させる。
【００４２】
具体的には例えば図２に示すように、熱循環部１３００は温水供給管１３１０と温水戻り管１３２０を備えた構成とすることができる。なお、熱交換流体（温水）を循環させる駆動源としてポンプＰを用いることができる。ここで、温水供給管１３１０は、吸着式冷凍装置１２００が備える脱着部１２３０の吸着剤１２３１に、熱交換器１１３０で生成された温水を供給する。温水戻り管１３２０は、脱着により熱を奪われた温水を再び熱交換器１１３０に輸送する。
【００４３】
次に、冷却システム１０００の動作について説明する。
【００４４】
熱回収装置１１００が備える受熱部１１１０は、熱源２１と熱的に接続して取り付けられる。受熱部１１１０では、熱源２１から受熱することにより冷媒が気化し冷媒蒸気が発生する。冷媒蒸気は低圧蒸気輸送管１１６１と過熱用熱交換器１１５０を通過し、圧縮機１１２０に流入する。圧縮機１１２０に流入した冷媒蒸気は圧縮されることにより高圧で高温の高圧冷媒蒸気となり、熱交換器１１３０に流入する。流入した高圧冷媒蒸気は、熱循環部１３００を介して熱交換器１１３０と吸着式冷凍装置１２００との間で循環する温水に熱を奪われて凝縮する。凝縮した高圧冷媒液は高圧液輸送管１１６２と過熱用熱交換器１１５０を通過した後、膨張バルブ１１４０で低圧状態の冷媒液となり受熱部１１１０に還流する。
【００４５】
熱交換器１１３０において熱エネルギーを受け取った温水はより高温になり、温水供給管１３１０を通って吸着式冷凍装置１２００が備える脱着部１２３０の吸着剤１２３１に供給される。脱着部１２３０の吸着剤１２３１に熱を供給した温水は、温水戻り管１３２０を経由し再び熱交換器１１３０に供給される。
【００４６】
吸着部１２２０の吸着剤１２２１と凝縮器１２４０には冷却水１２５０が供給される。冷却水１２５０は外部に設置された冷却塔等により温度を一定に保って吸着式冷凍装置１２００に供給される。しかし上述したように、外気の温度や湿度が上昇すると冷却水１２５０の水温が上昇し、吸着部１２２０における水蒸気の吸着量が減少する。そのため、吸着式冷凍装置１２００の性能が悪化する。同時に、水蒸気の脱着量も減少するため、脱着部１２３０における温水の温度低下も抑制され、温水が高温の状態で熱交換器１１３０に還流することになる。その結果、熱交換器１１３０から流出する高圧冷媒液の温度も上昇するか、または凝縮が不十分となる。
【００４７】
しかし、本実施形態の冷却システム１０００によれば、下記に説明するように、このような問題を回避することができる。
【００４８】
図３に、吸着式冷凍装置の効率の温水温度依存性を示す。同図の縦軸が吸着式冷凍装置の効率であり、横軸は吸着式冷凍装置に供給される温水の温度である。同図中には、吸着式冷凍装置の冷却水の温度が異なる場合について示す。
【００４９】
まず、特許文献１に記載された関連する冷却・排熱回収システムの動作について説明する。関連する冷却・排熱回収システムが備える吸着式冷凍機が、図３中に示した状態Ａで動作しているとする。このときの、蒸気圧縮式冷凍機におけるＰ−ｈ線図（圧力−比エンタルピー線図）を図４Ａに示す。同図の縦軸は冷媒の圧力であり、横軸は比エンタルピーである。この場合、熱源から回収する熱量Ｈ１１と圧縮機がする仕事量Ｈ１２の和が、再利用可能な熱量Ｈ２１と等しい。
【００５０】
ここで、吸着式冷凍機に供給される冷却水の温度が外気温度の上昇等により上昇すると、吸着式冷凍機の動作状態は図３中の状態Ｂになり効率は低下する。このときの蒸気圧縮式冷凍機におけるＰ−ｈ線図を図４Ｂに示す。この場合、蒸気圧縮式冷凍機の冷媒は冷却が不十分になり、再利用可能な熱量Ｈ２２が減少するので、熱源から回収する熱量Ｈ１３も減少する。その結果、圧縮機がする仕事量Ｈ１２に対する熱源から回収する熱量Ｈ１３の比が低下する。
【００５１】
それに対して、本実施形態の冷却システム１０００は、過熱用熱交換器１１５０において、凝縮した後の高圧冷媒液の熱を低圧の冷媒蒸気に供給する構成としている。これにより、低圧の冷媒蒸気を過熱し、高圧冷媒液の温度を低減することができる。このときのＰ−ｈ線図を図４Ｃに示す。同図に示すように、過熱により移動する熱量Ｈ３１、Ｈ３２によって、熱源から回収する熱量（Ｈ１１＋Ｈ３１）および再利用可能な熱量（Ｈ２１＋Ｈ３２）が増大（ｄＨ）する。再利用可能な熱量が増大することから、吸着式冷凍装置１２００に温水供給管１３１０を通して供給される温水の温度が上昇する。これにより、吸着式冷凍装置１２００は図３に示す状態Ｃで動作することになるので、吸着式冷凍装置１２００の効率も増大する。
【００５２】
このように、本実施形態の冷却システム１０００は、過熱用熱交換器１１５０と吸着式冷凍装置１２００を共に備えた構成としているので、外部環境の変化による冷却システムの効率の変動を抑制することができる。すなわち、外気の温度および湿度の上昇に起因して、熱交換器１１３０から排出される高圧冷媒液の温度が上昇した場合であっても、温度上昇分の熱量を低圧の冷媒蒸気に移動させることができる。そして、圧縮機１１２０によって高温の高圧冷媒蒸気を生成し、温水供給管１３１０に流出する温水をさらに高温にすることができる。このように、本実施形態の冷却システム１０００によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルによる熱回収装置１１００の性能を改善することが可能になるとともに、吸着式冷凍装置１２００の性能低下を抑制することができる。
【００５３】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５に、本発明の第３の実施形態に係る冷却システム２０００の構成を模式的に示す。同図中、実線の矢印は冷媒の流れを、白塗り矢印は熱の流れをそれぞれ示す。
【００５４】
本実施形態による冷却システム２０００は、熱回収装置１１００、吸着式冷凍装置（第２の冷却手段）１２００、および熱循環部（熱循環手段）１３００を備える。冷却システム２０００は、例えばデータセンター（ＤＣ）内に配置されたサーバラック２０に搭載されたサーバ等の熱源２１を冷却対象とし、回収した熱を吸着式冷凍装置１２００で再利用する構成としている。すなわち、本実施形態による冷却システム２０００は排熱回収型の冷却システムである。
【００５５】
熱回収装置１１００は、受熱部（受熱手段）１１１０、圧縮機（圧縮手段）１１２０、熱交換器（放熱手段）１１３０、膨張バルブ（膨張手段）１１４０、および過熱用熱交換器（過熱用熱交換手段）１１５０を有する。
【００５６】
吸着式冷凍装置１２００は、蒸発器（蒸発手段）１２１０、吸着部（吸着手段）１２２０、脱着部（脱着手段）１２３０、および凝縮器（凝縮手段）１２４０を備える。
【００５７】
また、熱循環部１３００は、温水供給管１３１０と温水戻り管１３２０を備えた構成とすることができる。
【００５８】
熱回収装置１１００が備える受熱部１１１０は、熱源２１と熱的に接続して取り付けられる。受熱部１１１０では、熱源２１から受熱することにより冷媒が気化し冷媒蒸気が発生する。冷媒蒸気は低圧蒸気輸送管１１６１と過熱用熱交換器１１５０を通過し、圧縮機１１２０に流入する。圧縮機１１２０に流入した冷媒蒸気は圧縮されることで高圧で高温の高圧冷媒蒸気となり、熱交換器１１３０に流入する。流入した高圧冷媒蒸気は、熱循環部１３００を介して熱交換器１１３０と吸着式冷凍装置１２００との間で循環する温水に熱を奪われて凝縮する。凝縮した高圧冷媒液は高圧液輸送管１１６２と過熱用熱交換器１１５０を通過した後、膨張バルブ１１４０で低圧状態の冷媒液となり受熱部１１１０に還流する。
【００５９】
熱交換器１１３０において熱エネルギーを受け取った温水はより高温になり、温水供給管１３１０を通って吸着式冷凍装置１２００が備える脱着部１２３０の吸着剤１２３１に供給される。吸着式冷凍装置１２００は、この温水と冷却水１２５０を用いて、吸着剤１２２１、１２３１への水蒸気の吸着および脱着を行う。蒸発器１２１０は、発生する水蒸気の気化熱による冷却作用によって、蒸発器１２１０と熱的に接続された冷水流路１２６０を冷却し冷水を生成する。
【００６０】
ここまでの冷却システム２０００の構成および動作は、第１の実施形態による冷却システム１０００の構成および動作と同様である。
【００６１】
本実施形態による冷却システム２０００は、熱交換器１１３０から熱量を受け取った温水（熱交換流体）の温度を監視し、この温水の温度に基づく検知温度を出力するセンサ（温度検知手段）２１００を備えた構成とした。
【００６２】
上述したように、外気の温度や湿度が上昇すると冷却水１２５０の水温が上昇し、その結果、温水供給管１３１０に流入する温水もさらに高温になる。この場合、本実施形態による冷却システム２０００が備える制御部（図示せず）が、検知温度が所定の範囲内となるように、圧縮機（圧縮手段）１１２０および膨張バルブ（膨張手段）１１４０の少なくとも一方を制御する構成とすることができる。
【００６３】
すなわち、本実施形態の冷却システム２０００においては、例えば温水供給管１３１０などに取り付けたセンサ２１００の検知温度が規定値を超えた場合、圧縮機１１２０または膨張バルブ１１４０を制御する。具体的には例えば、圧縮機１１２０の回転数または膨張バルブ１１４０の開度を制御する。これにより、高圧冷媒蒸気の温度上昇を抑制することができ、その結果、温水供給管１３１０を流動する温水の温度を規定値内に制御することができる。そのため、外気の温度や湿度の変化による冷却システム２０００の効率の変動を抑制することができる。
【００６４】
次に、本実施形態による冷却方法について説明する。
【００６５】
本実施形態の冷却方法においては、第１の実施形態による冷却方法に加えて、蒸気圧縮式冷凍サイクルから吸着式冷凍サイクルの受熱側に、熱量を輸送する温水（熱交換流体）を循環させることを含む構成とした。そして、熱量を受け取った温水の温度を監視し、温水の温度に基づく検知温度を取得することを含めることができる。ここで、上述した蒸気圧縮式冷凍サイクルは、冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成し、高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成することを含む構成とすることができる。このとき、検知温度が所定の範囲内となるように、冷媒蒸気の圧縮量および高圧冷媒液の膨張量の少なくとも一方を制御する構成とすることができる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態の冷却システム２０００および冷却方法によれば、複数の冷凍サイクルを組み合わせて冷却および排熱回収を行う構成とした場合であっても、外部環境の変化による冷却システムの効率の変動を抑制することができる。
【００６７】
この場合、圧縮機１１２０の回転数を増大させることなどの余剰な仕事の発生を防止できるので、冷却システム２０００全体の成績係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ＣＯＰ）を改善することができる。ここで、成績係数（ＣＯＰ）とは、冷却システムのエネルギー消費効率を表す指標の一つであり、冷却システムを運用するために必要な電力に対する、冷却システムで冷却される熱量の比率で表わされる。
【００６８】
冷却システム２０００の効率とその他の空調設備の消費電力および効率を考慮して温水の温度の規定値を決定することによって、建屋全体としての電力効率を最適化することが可能になる。
【００６９】
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。
【００７０】
（付記１）冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルによる第１の冷却手段と、前記熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルによる第２の冷却手段と、前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液を熱交換させる過熱用熱交換手段、とを有する冷却システム。
【００７１】
（付記２）付記１に記載した冷却システムにおいて、前記第１の冷却手段は、冷媒液を受熱により気化させて前記冷媒蒸気を生成する受熱手段と、前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、前記熱量の放出により前記高圧冷媒蒸気を凝縮させ前記高圧冷媒液を生成する放熱手段と、前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成する膨張手段、とを備え、前記第２の冷却手段は、前記高圧冷媒蒸気から受熱して前記吸着質を脱着させる脱着手段と、脱着した前記吸着質を凝縮させる凝縮手段と、凝縮した前記吸着質を蒸発させることにより冷熱を生成する蒸発手段と、蒸発した前記吸着質を吸着する吸着手段、とを備える冷却システム。
【００７２】
（付記３）付記１または２に記載した冷却システムにおいて、前記過熱用熱交換手段は、前記冷媒蒸気が流動する第１の流路構造と、前記高圧冷媒液が流動する第２の流路構造と、前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液との間の熱交換を媒介する熱交換手段、とを備える冷却システム。
【００７３】
（付記４）付記１または２に記載した冷却システムにおいて、前記過熱用熱交換手段は、前記冷媒蒸気が流動する外層管と、前記高圧冷媒液が流動する内層管とからなり、前記内層管の外周面と前記外層管の内周面を共有する二重管を備える冷却システム。
【００７４】
（付記５）付記１から４のいずれか一項に記載した冷却システムにおいて、前記熱量を前記第１の冷却手段から前記第２の冷却手段の受熱側に輸送する熱交換流体を循環させる熱循環手段を有する冷却システム。
【００７５】
（付記６）付記５に記載した冷却システムにおいて、前記熱量を受け取った前記熱交換流体の温度を監視し、前記熱交換流体の温度に基づく検知温度を出力する温度検知手段を備える冷却システム。
【００７６】
（付記７）付記６に記載した冷却システムにおいて、制御手段を備え、前記第１の冷却手段は、前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成する膨張手段、とを備え、前記制御手段は、前記検知温度が所定の範囲内となるように、前記圧縮手段および前記膨張手段の少なくとも一方を制御する冷却システム。
【００７７】
（付記８）冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成し、前記熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルを構成し、前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液を熱交換させる冷却方法。
【００７８】
（付記９）付記８に記載した冷却方法において、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルは、冷媒液を受熱により気化させて前記冷媒蒸気を生成し、前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成し、前記熱量の放出により前記高圧冷媒蒸気を凝縮させて前記高圧冷媒液を生成し、前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成すること、を含み、前記吸着式冷凍サイクルは、前記高圧冷媒蒸気から受熱して前記吸着質を脱着させ、脱着した前記吸着質を凝縮させ、凝縮した前記吸着質を蒸発させることにより冷熱を生成し、蒸発した前記吸着質を吸着すること、を含む冷却方法。
【００７９】
（付記１０）付記８または９に記載した冷却方法において、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルから前記吸着式冷凍サイクルの受熱側に、前記熱量を輸送する熱交換流体を循環させることを含む冷却方法。
【００８０】
（付記１１）付記１０に記載した冷却方法において、前記熱量を受け取った前記熱交換流体の温度を監視し、前記熱交換流体の温度に基づく検知温度を取得することを含む冷却方法。
【００８１】
（付記１２）付記１１に記載した冷却方法において、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルは、前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成し、前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成すること、を含み、前記検知温度が所定の範囲内となるように、前記冷媒蒸気の圧縮量および前記高圧冷媒液の膨張量の少なくとも一方を制御する冷却方法。
【００８２】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００８３】
この出願は、２０１６年３月２９日に出願された日本出願特願２０１６−０６４８８３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】
【００８４】
１００、１０００、２０００    冷却システム
１１０    第１の冷却手段
１２０    第２の冷却手段
１３０    過熱用熱交換手段
１１００    熱回収装置
１１１０    受熱部
１１２０    圧縮機
１１３０    熱交換器
１１４０    膨張バルブ
１１５０    過熱用熱交換器
１１６１    低圧蒸気輸送管
１１６２    高圧液輸送管
１２００    吸着式冷凍装置
１２１０    蒸発器
１２２０    吸着部
１２３０    脱着部  
１２２１、１２３１    吸着剤
１２４０    凝縮器
１２５０    冷却水
１３００    熱循環部
１３１０    温水供給管
１３２０    温水戻り管
２１００    センサ
１０    冷却対象
２０    サーバラック
２１    熱源
【図１】
2017169925.tif 000003
【図２】
2017169925.tif 000004
【図３】
2017169925.tif 000005
【図４Ａ】
2017169925.tif 000006
【図４Ｂ】
2017169925.tif 000007
【図４Ｃ】
2017169925.tif 000008
【図５】
2017169925.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月4日(2018.9.4)
【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】
冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルによる第１の冷却手段と、
前記熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルによる第２の冷却手段と、
前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液を熱交換させる過熱用熱交換手段、とを有する
冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載した冷却システムにおいて、
前記第１の冷却手段は、
冷媒液を受熱により気化させて前記冷媒蒸気を生成する受熱手段と、
前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、
前記熱量の放出により前記高圧冷媒蒸気を凝縮させ前記高圧冷媒液を生成する放熱手段と、
前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成する膨張手段、とを備え、
前記第２の冷却手段は、
前記高圧冷媒蒸気から受熱して前記吸着質を脱着させる脱着手段と、
脱着した前記吸着質を凝縮させる凝縮手段と、
凝縮した前記吸着質を蒸発させることにより冷熱を生成する蒸発手段と、
蒸発した前記吸着質を吸着する吸着手段、とを備える
冷却システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載した冷却システムにおいて、
前記過熱用熱交換手段は、
前記冷媒蒸気が流動する第１の流路構造と、
前記高圧冷媒液が流動する第２の流路構造と、
前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液との間の熱交換を媒介する熱交換手段、とを備える
冷却システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載した冷却システムにおいて、
前記過熱用熱交換手段は、
前記冷媒蒸気が流動する外層管と、前記高圧冷媒液が流動する内層管とからなり、前記内層管の外周面と前記外層管の内周面を共有する二重管を備える
冷却システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載した冷却システムにおいて、
前記熱量を前記第１の冷却手段から前記第２の冷却手段の受熱側に輸送する熱交換流体を循環させる熱循環手段を有する
冷却システム。
【請求項６】
請求項５に記載した冷却システムにおいて、
前記熱量を受け取った前記熱交換流体の温度を監視し、前記熱交換流体の温度に基づく検知温度を出力する温度検知手段を備える
冷却システム。
【請求項７】
請求項６に記載した冷却システムにおいて、
制御手段を備え、
前記第１の冷却手段は、
前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成する圧縮手段と、
前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした冷媒液を生成する膨張手段、とを備え、
前記制御手段は、前記検知温度が所定の範囲内となるように、前記圧縮手段および前記膨張手段の少なくとも一方を制御する
冷却システム。
【請求項８】
冷却対象から受熱して気化した冷媒蒸気を圧縮し、熱量の放出により凝縮させて高圧冷媒液とする蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成し、
前記熱量により吸着質を脱着させる吸着式冷凍サイクルを構成し、
前記冷媒蒸気と前記高圧冷媒液を熱交換させる
冷却方法。
【請求項９】
請求項８に記載した冷却方法において、
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルは、
冷媒液を受熱により気化させて前記冷媒蒸気を生成し、
前記冷媒蒸気を圧縮して高圧冷媒蒸気を生成し、
前記熱量の放出により前記高圧冷媒蒸気を凝縮させて前記高圧冷媒液を生成し、
前記高圧冷媒液を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成すること、を含み、
前記吸着式冷凍サイクルは、
前記高圧冷媒蒸気から受熱して前記吸着質を脱着させ、
脱着した前記吸着質を凝縮させ、
凝縮した前記吸着質を蒸発させることにより冷熱を生成し、
蒸発した前記吸着質を吸着すること、を含む
冷却方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載した冷却方法において、
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルから前記吸着式冷凍サイクルの受熱側に、前記熱量を輸送する熱交換流体を循環させることを含む
冷却方法。
【国際調査報告】
2017169925.tif 000010
2017169925.tif 000011
2017169925.tif 000012
2017169925.tif 000013