(57)【要約】【課題】内部に空調機を搭載した密閉されたラック内に複数のサーバ機器が設置された電子機器、およびこれらを冷却するシステムを対象とし、空調機の動力および使用電力をより小さくするシステムを提供する。【解決手段】室外に設けた凝縮機により冷却された冷媒を、第１の膨張弁により減圧した後、このサーバ機器のＣＰＵを冷却する直膨冷却ジャケットに流し、その後に気液分離器にて気相と液相に分離し、この分離した冷媒の液相部をさらに第２の膨張弁により、上記第１の膨張弁よりもさらに減圧し、これをラック内に搭載した空気熱交換器に流すことでラック内の空気を冷却した。これによりラック内の空気に関しては従来どおり２５℃となるような冷媒温度で冷却しながら、ＣＰＵを冷却上限となる冷媒蒸発温度で冷却することができ、ＣＰＵの除熱量分空調動力を削減することができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＰＵと、メモリと、ＨＤＤと、ＬＳＩと、電子基板とを具備するサーバ機器を搭載するラックと、
上記サーバ機器のＣＰＵを冷却する冷却ジャケットと、
上記ラック内の空気を冷却する空気熱交換器と、ファンとを有し、
上記冷却ジャケットを冷却する冷媒の蒸発温度は、上記空気熱交換器を冷却する冷媒の蒸発温度よりも高いことを特徴とする電子機器装置。
【請求項２】
請求項１において、
凝縮器により冷却された冷媒を減圧して上記冷却ジャケットを流す第１の膨張弁と、
上記冷媒を上記第１の膨張弁よりもさらに減圧し、これにより上記空気熱交換器を冷却する第２の膨張弁と、
上記凝縮器へ上記冷媒を戻す少なくとも２台の圧縮機と、を有することを特徴とする電子機器装置。
【請求項３】
請求項２において、
上記凝縮器により冷却された冷媒が、上記第１の膨張弁により減圧され、上記冷却ジャケットを通過しＣＰＵを冷却した後の冷媒を通す気液分離器と、
上記気液分離器で分離した気相を第１の圧縮機へ流し、液相を上記第２の膨張弁へ流し減圧させ、
この減圧させた冷媒を上記空気熱交換器に流して上記ラック内の空気を冷却し、
上記空気熱交換器を通過した上記冷媒を第２の圧縮機へ流し、
上記第２の圧縮機を通過した冷媒を、上記気液分離器で分離した気相と混合し上記第１の圧縮機で昇圧し上記凝縮器へ戻すことを特徴とする電子機器装置。
【請求項４】
請求項２において、
上記第１の膨張弁のかわりに細径管を配置したことを特徴とする電子機器装置。
【請求項５】
請求項２において、
上記空気熱交換器の冷媒入口側に第１の冷媒熱交換器と、
上記空気熱交換器の冷媒出口側に第２の冷媒熱交換器とを設け、
放熱器で冷却された第１の冷媒はポンプにより循環され、上記冷却ジャケットを流れることで上記ＣＰＵを冷却するとともに、第１の冷媒は上記第１の冷媒熱交換器と上記空気熱交換器と上記第２の冷媒熱交換器とを流れ、
第２の冷媒が上記第１の冷媒熱交換器で蒸発し上記第１の冷媒を冷却し、上記圧縮機により昇圧、高温となったものが上記第２の冷媒熱交換器で凝縮することで第１の冷媒に放熱し、凝縮した冷媒は膨張弁により減圧低温となりふたたび上記第１の冷媒熱交換器に流れることを特徴とする電子機器装置。
【請求項６】
ラック内に電子機器を搭載し、このラック内に上記電子機器の一部の電子部品を冷却する冷却ジャケットと、ラック内の空気を冷却する空気熱交換器とを有し、
凝縮器と、上記凝縮器により冷却された冷媒を減圧する第１の膨張弁とを有し、減圧された上記冷媒は上記冷却ジャケットを流れ、
上記第１の膨張弁よりもさらに冷媒を減圧させる第２の膨張弁を有し、減圧後、この冷媒を上記空気熱交換器に流し、
上記凝縮器へ冷媒を戻す少なくとも２台の圧縮機を有し、
上記冷却ジャケットを冷却する冷媒の蒸発温度は、上記空気熱交換器を冷却する冷媒の蒸発温度よりも高いことを特徴とすることを特徴とする冷却システム。
【請求項７】
請求項６において、
冷却された冷媒が上記第１の膨張弁により減圧され上記冷却ジャケットを流した後に通る気液分離器を有し、気相を第１の上記圧縮機へ流し、液相を上記第２の膨張弁へ流し、液相はさらに上記第２の膨張弁により、上記第１の膨張弁よりもさらに減圧された後、この冷媒を上記空気熱交換器に流し、第２の上記圧縮機を用いて昇圧したのち上記第１の圧縮機へ流し、上記凝縮器へ冷媒を戻すことを特徴とする冷却システム。
【請求項８】
ラック内に電子機器を搭載し、このラック内に上記電子機器の一部の電子部品を冷却する冷却ジャケットと、ラック内の空気を冷却する空気熱交換器とを有し、上記空気熱交換器の冷媒入口側に第１の冷媒熱交換器を設け、上記空気熱交換器の冷媒出口側に第２の冷媒熱交換器を設け、室外に設けた放熱器で冷却された第１の冷媒はポンプにより循環され、上記冷却ジャケットに流れ、また第１の冷媒は上記第１の冷媒熱交換器と上記空気熱交換器と上記第２の冷媒熱交換器とを流れ、また第２の冷媒が第１の冷媒熱交換器で蒸発し第１の冷媒を冷却し、圧縮機により昇圧、高温となったものが上記第２の冷媒熱交換器で凝縮することで第１の冷媒に放熱し、凝縮した冷媒は膨張弁により減圧低温となりふたたび上記第１の冷媒熱交換器に流れ、
上記冷却ジャケットを冷却する冷媒の蒸発温度は、上記空気熱交換器を冷却する冷媒の蒸発温度よりも高いことを特徴とする冷却システム。
【請求項９】
請求項８において、
上記放熱機にて冷却された上記第１の冷媒温度が規定の温度よりも低い場合には、上記圧縮機を休止し、第２の冷媒の冷凍サイクルを休止するとともに、上記空気熱交換器を通過した上記第１の冷媒を、上記冷却ジャケットへ流し、その後に上記放熱器へ戻るように制御することを特徴とする冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器装置および冷却システムに関し、例えば、サーバ機器などの電子機器装置およびその冷却システム、またこれらの電子機器を搭載するラックの空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特開平８−６３２６１号公報（特許文献１）がある。ここには、省電力、低騒音等を目的とした、密閉された筺体内に搭載された電子機器の冷却方法が示されている。具体的には、密閉された筺体内に搭載された電子機器において、この内部空気の冷却に用いる冷凍サイクルのフロン冷媒の一部を直接ＣＰＵ（Central Processing Unit）に取り付けられた冷却ジャケットに流しＣＰＵ冷却するとともに、残りの冷媒は熱交換器に流し筺体内部の空気を冷却する構造が示されている。
【０００３】
また本技術分野の背景技術として、特許第４６５８１７４号公報（特許文献２）がある。これは、ブレードサーバと呼ばれる電子機器において、ＣＰＵ等の半導体デバイスを含むＣＰＵブレードの着脱性を維持しながら、ＣＰＵブレードの発熱体を高性能かつ効率的に冷却する、新規な冷却システムを提供することを目的としている。その構成は、電子機器筺体内の各電子回路基板上に搭載された半導体デバイスの発生熱を集める複数の第１の熱輸送部材と、前記複数の第１の熱輸送部材から、さらに吸熱し、熱を集めて当該筐体の外部に搬送する第２の熱輸送部材と、そして、前記第２の熱輸送部材と熱的に接続され、前記第２の熱輸送部材から搬送される熱を、当該電子機器が搭載される筺体および室内から外部に放熱する第３の熱輸送部材とからなる。また第３の熱輸送部材は、フリークーリングと呼ばれる圧縮機を用いない室外放熱システムに接続されており、冷却に必要な動力の低減を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−６３２６１号公報
【特許文献２】特許第４６５８１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
サーバ装置を搭載したラックが室内に複数設置されたデータセンタやサーバルームにおいて、室内全体を空調機で冷却するよりも、これらに示されるような空調機を密閉されたラック内に設け冷却する方が省エネであることは知られている。この原因の１つは、部屋全体を空調機で冷却する場合には、部屋全体へ冷却風を循環させる必要があるためである。部屋全体で空気を循環させるのは、密閉されたラック内部のみで空気を循環させるのに比べて、ファン動力が大きくなる課題がある。
【０００６】
また、部屋全体を冷却する場合には、どうしても空調機より出される低温の空気と、サーバより排気される高温の空気との混合が考えられる。これにより場合によっては、この混合された、空調機から直接放出される空気温度よりも高い温度の空気しか吸気できないサーバが存在してしまう課題がある。
【０００７】
したがって、この混合された空気しか吸気できないサーバに対しても十分な冷却ができるように、空調機の設定温度を低めにする必要があるという課題がある。
【０００８】
しかし密閉されたラックに空調機を設ける構造では、低温の空気とサーバの排気が混合しにくい様な構造をとることは比較的容易であり、空調機の設定温度を下げる必要がなく省エネにつながる。
【０００９】
またサーバ内の主要発熱部品であるＣＰＵやＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）の熱を冷媒の相変化を利用した熱輸送手段を用いて輸送し、サーバ外部に設けた熱交換器により放熱することで、サーバの高密度実装や高性能化が達成されることが知られている。
【００１０】
空調機の電力を削減する方法として、空調機の設定温度すなわち冷媒の蒸発温度を高くする方法が知られている。しかしながら、一般にサーバ機器は２５℃の空気で冷却ができるように設計されており、現状の空調機の設定温度はこれに対応するようになっており、これ以上設定温度を上げることは困難である課題がある。
【００１１】
フリークーリングと呼ばれるシステムは、例えば水を用いて室内の熱を奪い、冷凍機等を用いずに、室外機の空気のみで放熱するシステムであり、ポンプ動力が別途必要となるが圧縮機の動力を削減できるため省エネ性が高いと言われている。しかしながらサーバの動作を保証する室内空気温度２５℃以下を保つために必要な水温は２０℃以下であり、年間を通じて気温が２０℃を下回るような地域は別として、通常はシステム内に冷凍機を搭載し、気温の高い場合には冷凍機を動作させることが必要であるという課題がある。
【００１２】
一方でＣＰＵ等の発熱部品に注目すると、たとえば５０℃から７０℃といった高温まで耐えられるように設計されている。よってＣＰＵ等の保証温度の高い部品のみを冷却対象にできれば空調の設定温度を向上することができ、またフリークーリングに関しても冷凍機の追加が必要なくなる。
【００１３】
よって本発明の課題は、内部に空調機を搭載した密閉されたラック内に複数のサーバ機器が設置された電子機器、およびこれらを冷却するシステムを対象とし、空調機の動力および使用電力をより小さくするシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。  
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、室外に設けた凝縮機により冷却された冷媒を、第１の膨張弁により減圧した後、このサーバ機器のＣＰＵを冷却する冷却ジャケットに流し、さらに第２の膨張弁により、冷媒を上記第１の膨張弁よりもさらに減圧し、これをラック内に搭載した空気熱交換器に流すことでラック内の空気を冷却し、少なくとも２台の圧縮機を用いて上記凝縮器へ冷媒を戻す冷却システムを電子機器装置に搭載することを特徴とする。
【００１５】
さらに、室外に設けた凝縮器により冷却された冷媒を、第１の膨張弁により減圧し、冷却ジャケットを通過させた後、気液分離器に通し、上記気液分離器で分離した気相を第１の圧縮機へ流し、液相を第２の膨張弁へ流し減圧させ、この減圧させた冷媒を空気熱交換器に流しラック内の空気を冷却し、上記空気熱交換器を通過した冷媒を第２の圧縮機へ流し、第２の圧縮機を通過した冷媒を、上記気液分離器で分離した気相と混合し第１の圧縮機で昇圧し上記凝縮器へ戻す冷却システムを電子機器装置に搭載することを特徴とする。
【００１６】
また、第１の膨張弁のかわりに細径管を配置することを特徴とする。  
同様の効果を得る方法として他に、室外に設けた放熱機で放熱される第１の冷媒をポンプにより、冷却ジャケットと空気熱交換器に流し冷却する冷却ステムであって、空気熱交換器の第１の冷媒入口に第１の冷媒熱交換器を設け、空気熱交換器の出口に第２の冷媒熱交換器を設け、第２の冷媒が第１の冷媒熱交換器で蒸発し、空気熱交換器に流入する前の第１の冷媒を冷却し、その後第２の冷媒は圧縮機により昇圧、高温となり上記第２の冷媒熱交換器で凝縮することで、空気熱交換器を通過した後の第１の冷媒に放熱し、凝縮した第２の冷媒は膨張弁により減圧低温となりふたたび上記第１の冷媒熱交換器に流れることを特徴とする冷却システムを電子機器に搭載することを特徴とする。
【００１７】
また上記放熱機にて冷却された上記第１の冷媒温度が規定の温度よりも低い場合には、上記圧縮機を休止し、第２の冷媒の冷凍サイクルを休止するとともに、上記熱交換器を通過した上記第１の冷媒を、上記冷却ジャケットへ流し、その後に上記放熱機へ戻るように制御する冷却システムを電子機器に搭載することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＣＰＵおよび冷却ジャケットに流れる冷媒は、空気熱交換器よりも高い温度で蒸発する。このため、従来のように全ての熱を、空気熱交換器を冷却する冷媒温度で蒸発させていた場合に比べて、圧縮機の動力を小さくすることができる。
【００１９】
また、水を循環させて圧縮機を用いて放熱するシステムにおいても、従来はラック内の空気温度を一定温度以下にできる水温で全ての熱を放熱していたため、夏場などの外気温の高い場合には冷凍サイクルを用いていた。これに対してＣＰＵ冷却に必要な水温は高くとも良いため、ＣＰＵ冷却のみに関しては外気温が高い場合にも冷凍サイクルを用いずに冷却することが可能となり省エネとなる。ラック内空気の冷却には、外気温が高い場合にはやはり冷凍サイクルの追加が必要となるが、ＣＰＵの熱量は別途水冷により奪われているので、冷凍サイクルの負荷は従来よりも小さいものとなる。またさらに外気温が低い場合には、空気熱交を通過し水温上昇した水を、さらに冷却ジャケットに流しＣＰＵを冷却することが可能である。これにより冷却に必要な水量を小さくすることができるとともに、放熱機へ流す水温を高くできるためファン動力の削減が可能となる。  
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１の冷却システムの構成を示す断面図の例である。
【図２】実施例１の冷媒の流れの系統を表す図の例である。
【図３】実施例２の冷却システムの構成を示す断面図の例である。
【図４】実施例２の冷媒の流れの系統を表す図の例である。
【図５】実施例３の冷却システムの構成を示す断面図の例である。
【図６】実施例３の冷媒の流れの系統を表す図の例である。
【図７】実施例３の冷媒の流れの系統を表す図の例である。
【図８】実施例１のサーバ構造の別形状を示す断面図の例である。
【図９】実施例１の冷却システムの効率向上の具体例を示すモリエル線図の例である。
【図１０】実施例１の冷却システムの効率向上の具体例を示すモリエル線図の例である。
【図１１】実施例２のサーバ構造と熱サイホン構造を表す断面図の例である。
【図１２】実施例２の別構成の冷媒の流れの系統を表す図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、実施例を、図面を用いて説明する。各図面において同一の符号を付された構成は、同一の機能を有する同一物または相当物である。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本実施例のサーバ装置の構成を示す断面図の例である。  
図１には、本発明になる冷却システムが適用される電子装置の代表例として、特に、ラックマウント方式のサーバ装置が、その断面図により示されている。図１において、サーバ装置は、ラック筐体４と蓋体としてフロントドア５とリアドア６とを含んでおり、その内部には、例えば、ＩＥＣ（International Electrical Commission）規格／ＥＩＡ（Electrical Industries Association）規格等の特定の規格に基づいて、所定の形状・寸法で形成された、複数（本例では３台）のサーバ３６が設けられている。フロントドア５とリアドア６を閉めた際には、ラック外部からの空気の流入および、ラック内部からラック外部への空気の流出が極力抑えられる構造となっており、ラック内部で空気が循環するようになっている。
【００２３】
サーバ３６は、内部にメインボード２６を有しており、そのメインボード２６上に、ＣＰＵ２５やメモリ２１や、図示していないが半導体部品や集積回路等が実装されている。またサーバ内部にはＨＤＤ（Hard Disk Drive）１８等の情報記録装置、また図示していないが交流電力を直流電力に変換する電源装置等も内蔵している。これらのサーバ内部の部品は、それぞれ発熱するだけでなく、それぞれの動作保証温度を持っており、この動作保証温度を超えないように、サーバ内ファン１９によりサーバ内の空気を流し冷却している。またサーバ内部の部品の多くは電気を使用しているため、結露や漏水により誤動作や故障する恐れがある。このため冷却には空気を使用するのが一般的である。
【００２４】
サーバは、内部の部品の交換等のメンテナンスを行う場合があるため、ラック筺体からの着脱性が求められている。したがってラック側に固定された冷却設備とサーバは切り離しが可能な構造でなければならない。本実施例では、ラック側に直膨冷却ジャケット７を棚板のように配置し、この上にサーバを載せる構造をとった。直膨冷却ジャケット７は、内部に流路を有しており、この流路に冷媒を流しサーバの熱で蒸発させ、サーバを冷却するものである。また実施例に示すように、サーバ装置では、メインボード２６のＣＰＵ２５真下のサーバ筺体２０との間に熱伝導シート２３を設置した。これにより、サーバ装置内部で比較的発熱量の大きいＣＰＵ２５の熱をメインボード２６と熱伝導シート２３を介してサーバ筺体に伝え、最終的にサーバ筺体２０と接している直膨冷却ジャケット７に熱を効率よく放熱できるようにした。またＣＰＵ２５以外のサーバ内部の部品の熱の一部もサーバ筺体２０を介して直膨冷却ジャケット７に放熱される。ここで冷媒とは、冷凍サイクルに用いられる相変化により熱を輸送する冷媒を示す。ここで直膨冷却とは、冷媒（例えば低沸点冷媒）の相変化による潜熱で被冷却対象を直接冷却するというものである。
【００２５】
同様の効果を得られるサーバの構成例の断面図として図８を示す。ここでは、ＣＰＵ２５をメインボード２６の下側に実装し、メインボード２６を介さずに、ＣＰＵ２５の熱を熱伝導シート２３に伝えられるようにした。ＣＰＵ２５はメインボードに実装される側と反対側に放熱用のフィンが取り付けられるため、この面の方が放熱しやすい場合が多い。したがって図８に示すような構造をとることで、メインボードを介さなくてよい分、より低い熱抵抗で直膨冷却ジャケットにＣＰＵの熱を伝えることができるだけでなく、直膨冷却ジャケット７への伝熱量を増やすことができる。
【００２６】
サーバ内の部品の形状は様々であり、これら全ての部品の熱を直膨冷却ジャケット７に伝えることは構造的に困難である。したがって直膨冷却ジャケットを用いた場合にもサーバ内ファン１９を用いて空気を流すことでサーバ内部を冷却することが必要である。しかし、たとえばＣＰＵ２５に関して言えば、その熱の一部を直膨冷却ジャケットで冷却するため、サーバ内部を流れる空気に放熱する熱量を小さくすることができる。これによって従来の構造では、ＣＰＵ２５の上には放熱性能が高く圧力損失の大きい放熱フィンが取り付けられていたが、これが必要なくなる、もしくは放熱性能のより低い、圧力損失の小さい放熱フィンに変更することが可能となる。またサーバ内部を流れる風の風量を少なくしても冷却が可能となる。これによってサーバ内ファン１９の電力を従来よりも小さくすることができ省電力につながる。
【００２７】
図２には、図１に示す冷却装置の冷媒の流れを示す。本実施例では、第一室外機３７内の室外機空気熱交換器３と室外機ファン２により冷却された冷媒が、第一膨張弁８で減圧され低温となった冷媒が分配用ヘッダ９を通り各サーバの下に設置された直膨冷却ジャケット７に供給される。ここでは直膨冷却ジャケット７に流れ込む冷媒量をサーバ発熱量にあわせて調節するために、第三膨張弁を取り付けてある。直膨冷却ジャケット７で蒸発した冷媒は集合用ヘッダ１０を通り、第一圧縮機１１で昇圧され、再び室外機空気熱交換器３と室外機ファン２により冷却される。
【００２８】
サーバ内ファン１９により、サーバ前方より吸気され、サーバ内を流れた空気は、発熱部品の熱を受けて温度上昇し、サーバ後方に排気される。サーバ３６は、周囲の環境、とくに吸気される空気温度が動作保証温度以下のとき、内部の全ての部品を保証温度以下で冷却できるように設計されている。この動作保証温度は、例えば２５℃である。この動作保証温度の空気が必ずサーバに供給されるようにするため、本実施例では、サーバより排気された高温の空気（排気）は、ラック内ファン１７によりラック内空気熱交換器１６を通過し冷却されるようになっている。このためにラック内空気熱交換器１６には、第二室外機３８内の室外機空気熱交換器３と室外機ファン２により冷却され、第二膨張弁１５により減圧され低温になった冷媒が流される。ラック内空気熱交換器１６を通過し蒸発した冷媒は、第二圧縮機１２により昇圧され、第二室外機３８内の室外機空気熱交換器３で再び冷却され凝縮する。
【００２９】
圧縮機は、流す冷媒の質量流量が多ければ多いほど、また昇圧する圧力量が大きければ大きいほど、大きな動力を必要とする。流す冷媒の流量は、除熱する熱量によって決まり、また昇圧する圧力は、蒸発温度と凝縮温度によって決まる。つまり圧縮機の動力を減らすには蒸発温度を高くし、凝縮温度との温度差を極力小さくする必要がある。
【００３０】
ここで本発明の省電力効果を具体的な数字で示すためラック内部にラック内空気熱交換器のみを配置した構造と、直膨冷却ジャケットを含む本発明の構造とを比較する。条件としてラックに搭載されたサーバの全発熱量を５０００Ｗとし、そのうちＣＰＵの発熱量を２０００Ｗとする。使用する冷媒をＨＦＣ−４１０Ａとし、室外の環境温度３５℃を想定し、室外機での冷媒の凝縮温度を４５℃とし、サーバへ供給する空気温度を２５℃と想定し、ラック内空気熱交換器１６での冷媒の蒸発温度を２０℃とする。図９に蒸発温度２０℃、凝縮温度４５℃としたＨＦＣ−４１０Ａのモリエル線図を示す。直膨冷却ジャケットを用いず、ラック内部にラック内空気熱交換器のみを配置した構造では、サーバの全ての熱５０００Ｗを冷却するために必要な冷媒量は、冷却熱量５０００Ｗを図９に示す蒸発過程の比エンタルピーの差１６６kJ／kgで除算することで、０.０３kgと求められる。またこの冷媒量を昇圧するために必要な圧縮機の動力は、圧縮過程による比エンタルピーの差１７kJ／kgと冷媒量の積より、５１０Ｗと求められる。実際にはこの値に圧縮機の効率や、圧縮機に電力を供給するインバータの効率などがかかるためより高い値となるが、ここでは比較のため効率は考えないこととする。本発明の構造では理想的にはＣＰＵ発熱量の２０００Ｗを直膨冷却ジャケットで冷却できることとなる。また、ＣＰＵの動作保証温度は、例えば６０℃から７０℃といった高い値であり、この温度で冷却するためには冷媒の蒸発温度も高い温度で良い。冷媒の蒸発温度が何℃で良いかは、ＣＰＵと直膨冷却ジャケット間の熱抵抗によるが、ここでは冷媒の蒸発温度３５℃でＣＰＵを動作保証温度以下に冷却できると仮定する。図１０に蒸発温度３５℃、凝縮温度４５℃としたＨＦＣ−４１０Ａのモリエル線図を示す。直膨冷却ジャケットに必要な冷媒量は、冷却熱量２０００Ｗを図１０に示す蒸発過程の比エンタルピーの差１６８kJ／kgで除算することで、０.０１kgと求められる。またこの冷媒量を４５℃まで昇圧するのに必要な圧縮機動力は、図１０に示す圧縮過程による比エンタルピーの差６kJ／kgと冷媒量の積より、６０Ｗと求められる。同時にＣＰＵ以外の熱３０００Ｗは、ラック内空気熱交換器で２０℃の蒸発温度で冷却されるため、図９の蒸発過程と圧縮過程の比エンタルピーの差より、必要な冷媒量０.０２kg、圧縮機動力３４０Ｗと求められ、第一圧縮機、第二圧縮機の両方で必要な電力は４００Ｗと求められる。この値は、ラック内空気熱交換器で５０００Ｗ冷却するのに必要な圧縮機動力に対して１１０Ｗ低い値である。
【実施例２】
【００３１】
本実施例では、本発明の別な形状のサーバ装置について図３を用いて説明する。  
ここでは、ＣＰＵ２５の熱をサーバ３６のサーバ筺体２０の外部に輸送するために、熱サイホン２２を用いた。熱サイホン２２はサーバ３６に固定されており、直膨冷却ジャケット７はラック側に固定されており、サーバ３６をラックに搭載した際に、熱サイホン２２のサーバ筺体２０から外部に出た部分と直膨冷却ジャケット７が、熱伝導シート２３を間に介して接続される構造となっている。またこの構造は、サーバ３６をラックから取り外しも可能となっている。熱サイホン２２は完全密閉された容器の内部に水が封入されており、水の相変化を伴う循環によりＣＰＵの熱をサーバ筺体外部まで輸送している。そのためこのような熱サイホンと直膨冷却ジャケットを結ぶことで、水漏れの可能性を排除しながら、着脱可能な熱接続構造が可能となる。
【００３２】
図１１に本実施例で使用した熱サイホンを搭載したサーバの断面図を示す。ここで使用した熱サイホン２２は、銅製の気密容器となっており、内部を真空脱気した後に水が封入されている。これにより水は、１００℃以下の温度で沸騰するようになっている。また封入した水は、ＣＰＵ２５上に取り付けられた熱サイホン２２の沸騰面４１の対する部分に溜まるようになっている。ここで、図示していないが、ＣＰＵ２５と熱サイホン２２の沸騰面４１の間には、熱抵抗を低減するために熱伝導グリスが塗布されている。沸騰面４１はＣＰＵ２５の熱を受け、これにより沸騰面と接する水３９が沸騰し、これにより沸騰面の熱が奪われる。沸騰により発生した蒸気４０は、蒸気管４３を通り、冷却面である凝縮面４２に流れ冷却され凝縮し水となる。水は重力の作用により液戻り管４４を流れ沸騰面４１へ戻される。このサイクルにより熱サイホン２２は、ＣＰＵ２５の熱をサーバ筺体２０外部へ輸送している。本実施例ではＣＰＵ２５の熱をサーバ筺体２０の外に輸送する最適な方法として熱サイホン２２を提示したが、この熱輸送方法としては、ヒートパイプ、水の循環による水冷、高熱伝導率の材料を使うなどの代替案が考えられる。
【００３３】
図３に示す実施例では、また１台の室外機で直膨冷却ジャケット７に流す冷媒温度と、ラック内空気熱交換器１６に流す冷媒温度の２種類の圧力の冷媒を作り出す工夫をしている。このために、ラック内部に第一圧縮機１１と第二圧縮機１２と気液分離器１３を配置した。これによりラック内で冷媒を、室外機１で放熱するのに必要な圧力に昇圧するため、ラックから室外機１に冷媒を流す流量を小さくでき、圧力損失を小さくすることができる。また別の構成としては、第一圧縮機１１を室外機に搭載し、ラック内に第二圧縮機１２と気液分離器１３を搭載する構成もある。
【００３４】
図４には、この実施例での冷媒の流れの系統について示す。室外機１内の室外機ファン２および室外機空気熱交換機により冷却され液相となった冷媒は、第一膨張弁８を通過し減圧され、直膨冷却ジャケット７の冷却に必要な温度Ｔ1℃に温度を下げされる。直膨冷却ジャケット７にて、一部が蒸発した冷媒は、気液分離器１３に流れ、気相と液相が分離される。この分離された液相のみを第二膨張弁に流し減圧させ、ラック内の空気を冷却するのに必要な温度Ｔ2℃にする。この冷媒をラック内空気熱交換器１６に流し蒸発させた後、第二圧縮機１２にて気液分離器の気相と同じ圧力まで昇圧する。昇圧した蒸気と、気液分離器１３の気相とを合流させ第一圧縮機に流し昇圧させ、室外機に戻し冷却する。このような構成をとることで、ＣＰＵ２５を冷却するのに十分な、比較的高温の冷媒をそのまま第一圧縮機で昇圧し室外機で放熱できるため実施例１と同様に全体の圧縮機動力の削減が可能となる。また気液分離器にて気相を分離し、ラック内空気熱交換器１６へ流す冷媒を液相のみにすることで、省エネ性の高いエコノマイザつき冷凍サイクルと同じ効果を得ることが可能となる。
【００３５】
このように途中に気液分離器１３を配置するため、直膨冷却ジャケット７を通過した冷媒に液相が含まれていても問題は無い。よって直膨冷却ジャケット７に、冷媒に過熱度を与えるような部分を設ける必要がなくコンパクトにすることが可能である。サーバをラックに取り付ける際は、ラックのフロントドア５側からリアドア６側に挿入することが多いため、熱サイホン２２のサーバ筺体２０の外部に露出する部分は、サーバをラックに設置した場合のリアドア６側にすることで、多くのサーバに適用が可能になると考えられる。しかし、サーバのリアドア側は、電源やＬＡＮ等の配線ケーブルが取り付けられることも多いため、冷却のために使用できる空間も限られる。よって熱サイホン２２のサーバ筺体２０外部に露出する部分と直膨冷却ジャケット７、またはこれらを接続する熱伝導シート２３を含む構造は、極力コンパクトであることが必要である。
【００３６】
この実施例では、第２の膨張弁のみを用いて冷媒を減圧、調整し、直膨冷却ジャケットに流しているが、図１で示した実施例のようにもう１つ膨張弁を追加する構成も可能である。図１２には、本実施例における膨張弁を追加した際の冷媒の流れの系統図を示す。たとえば、室外機空気熱交換器と第一膨張弁８との間に第三膨張弁２４を設け、第三膨張弁２４でおおよその減圧量および温度の調整を行い、第一膨張弁８で直膨冷却ジャケット７に流す冷媒流量を調整することも考えられる。
【００３７】
このような構成をとることで、第一膨張弁を、直膨冷却ジャケットを通過した冷媒の過熱度を参照値として調整することで、直膨冷却ジャケット出口の冷媒に液相を含ませないような制御が可能となる。この場合、別途、直膨冷却ジャケットを通らない別のバイパスを設け、ここに流量調整用に第四膨張弁を設けるなどの構成が考えられる。第四膨張弁を通過した冷媒を第二膨張弁に直接流し、気液分離器を取り除くことは可能である。しかし、気液分離器にて気相を排除することで、省エネ性の高いエコノマイザつき冷凍サイクルと同じ効果を得ることが可能となる。
【００３８】
また本実施例の構成においては、第一膨張弁８を一定の圧力降下を与える細径管に置き換えることで製造コストを下げることも可能である。
【００３９】
しかし直膨冷却ジャケット内部の冷媒の気相と液相の割合および流速は、直膨冷却ジャケットの冷却対象であるＣＰＵ等の電子部品の発熱量により、変化する。このため、直膨冷却ジャケットごとの圧力損失は冷却対象の発熱量により異なる。たいていの場合、発熱量が大きいほど圧力損失は大きく、発熱量小さいほど圧力損失は小さくなる。第一膨張弁８は圧力損失係数を変えられるが、細径管は圧力損失係数が一定となるため、第一膨張弁８を細径管に置き換えた場合、この圧力損失の違いを十分にキャンセルすることはできない。このため、直膨冷却ジャケットの冷却対象の発熱量の違いを十分考慮し、直膨冷却ジャケットには多めの冷媒流量を流す必要がある。よって、直膨冷却ジャケットから出てくる冷媒には必ず相当量の液相が含まれるため、気液分離器１３を有する本実施例の構成が必須となる。とくに第一膨張弁８を使用した構成と比べて、冷媒の液相の流量が多くなるため、気液分離器１３の容積を大きくすることも必要である。また液相をラック内空気熱交換器１６でガス化させるための工夫が必要である。例えば、サイクル全体のバランスを制御することや、ラック内空気熱交換器１６を加熱するヒータを設けることなどが考えられる。
【実施例３】
【００４０】
本実施例では、本発明の別な形状のサーバ装置について図５を用いて説明する。ここでは、室外機とつながる配管系統の冷媒を水とし、圧縮機を用いずに、室外の空気を室外機ファン２で流すことで放熱するフリークーリングを対象とし、本発明のＣＰＵ冷却用の冷媒温度と、ラック内空気冷却用の冷媒温度の２種類の温度を作り出し高効率に冷却する構成を示す。従来のフリークーリングでは、ラック内の空気を冷却することが目的となっていたため、たとえば２０℃といった冷水をラックに供給する必要があった。このため外気温度の低い冬場などの、たとえば気温が１０℃から１５℃以下の条件ではフリークーリングのみで冷却が成り立つが、外気温の高い場合にはラックに供給できる水の温度が２０℃以上になってしまうことがあった。冷凍サイクルを用いないため、室外機空気熱交換器３の温度効率が非常に高くても、水温を外気温より低い温度にすることはできないため、外気が３５℃であれば、ラックに供給できる水の温度も３５℃以上になってしまう。このため、従来のフリークーリングでは別途冷凍サイクルをラック外に設け、２０℃の冷水を作る必要があった。
【００４１】
本実施例では、このラック外の冷凍サイクルの排除が可能となる。動作保証温度が５０℃〜６０℃であるＣＰＵ２５の冷却のみを考えた場合には、供給する水に求められる水温の上限は、５０℃より低ければよい。熱交換には温度差が必要であるため、例えばＣＰＵ２５の保証温度が５０℃であれば、仮に５℃の温度差を考えて４５℃以下の水が供給されれば良いこととなる。このような水温であれば、世界的に広い範囲でフリークーリングのみで年間を通して放熱が可能であり、冷凍サイクルの追加が不要である。ただし、ラック内の空気は、たとえば２５℃といった温度に保つ必要があるため、上記のような、たとえば４５℃といった水温では冷却ができない。そこでラック内に冷凍サイクルを配置し、ラック内空気を冷却するのに必要最低限の動作をさせる構造をとった。
【００４２】
構成としては、サーバ３６の内部にはＣＰＵ２５に水冷ジャケット３３が取り付けられており、ここに水を流すことでＣＰＵ２５を冷却する。水冷ジャケット３３とサーバ筺体２０に取り付けられた水冷配管カプラー３２は、水が流れる配管で接続されている。ここで水冷配管カプラーは、配管の接続もしくは分離が容易なものとなっており、水を流している途中であっても接続や分離が可能でかつ、水漏れがほとんどない構造となっている。これにより、サーバをラックから外したいときは、外したいサーバの配管を水冷配管カプラー３２部分で分離しサーバの取り外しが可能となっている。このとき、他のサーバは稼働している、つまり冷却水が循環していても、問題無い様になっている。室外機からポンプ３１によりラックに流される冷却水は、ラックに取り付けられた分配用ヘッダ９により各サーバに分岐される。またサーバから出た冷却水は、集合用ヘッダに集約され室外機側へ流れる構成となっている。ここで、分配用ヘッダ９と集合用ヘッダ１０と各サーバを繋ぐ配管は、例えば柔軟性のあるホースなどを用いることで、サーバ配置の自由度を高めることが可能となる。またこの配管の先には水冷配管カプラー３２がそれぞれ取り付けられており、かつ水冷配管カプラー３２にはサーバ側のカプラーと接続されないと水が流れない構造となっている。これにより、分配用ヘッダおよび集合用ヘッダに多めに配管をつなげておくことで、ユーザの使用状態にあわせて配管の使用本数を選ぶことが可能となる。
【００４３】
また、第一水／冷媒熱交換器３４および第二水／冷媒熱交換器３５は、室外機から流れる水とラック内に搭載した冷凍サイクルを流れる冷媒との熱交換を行う熱交換器で、たとえばプレート式熱交換器を用いる。先に示したように外気が高温で、室外機からラックに供給される水温が４５℃であれば、これを第一水／冷媒熱交換器３４にて、たとえば２０℃の水温になるように冷却する。また、第一水／冷媒熱交換器３４にて蒸発した冷媒は第一圧縮機１１で昇圧され高温となり、第二水／冷媒熱交換器３５にて放熱される。
【００４４】
図６には、この室外の気温が高く、供給水温が高い場合の水および冷媒の流れの系統を示す。これには、図５に図示していない三方弁を取り付け、室外機の気温が高温の場合と、低温の場合で切り替え制御する構成を示す。室外が高温の場合は、室外機から供給される水温は、例えば４５℃といった温度が考えられる。この場合には室外空気熱交換器からラックに供給される水を、並列に分配用ヘッダおよび水／冷媒熱交換器に流す。ＣＰＵを冷却する水冷ジャケットは、この室外機から供給された水温で冷却される。またラック内の空気温度を一定に保つためのラック内空気熱交換器に供給する水温は、室外機から供給される水温よりも低くする必要がある。そこでラック内の冷凍サイクルを使用し、第一水／冷媒熱交換器にて水温を低下させ、ラック内空気熱交換器にてラック内の熱を吸収し温度上昇した水を第二水／冷媒熱交換器にてさらに温度上昇させ、水冷ジャケットから流出した水と合流させたうえで、室外熱交換器に戻し外気にて放熱させる。
【００４５】
図７には、この室外の気温が低く、供給水温が冷凍サイクルをしようせずともラック内空気熱交換器を冷却可能な温度である場合の水および冷媒の流れの系統を示す。室外が低温の場合は、室外機から供給される水温は、例えば２０℃以下といった温度が考えられる。この場合には室外空気熱交換器からラックに供給される水を、三方弁により分配用ヘッダに流さず、全てラック内空気熱交換器に流す。ＣＰＵを冷却する水冷ジャケットは、このラック内空気熱交換器でラック内の空気の熱を受け温度上昇した水温で冷却が可能である。そこでラック内空気熱交換器を通過した水を三方弁により分配用ヘッダに流し、水冷ジャケットを経て、室外空気熱交換器へ戻るようにした。この構成をとることで、ラック内空気熱交換器、水冷ジャケットの冷却に必要な水温を満足しながらも、ラックに流す全体の水量を少なくすることが可能となる。これによりポンプ動力を低減できる場合があると考えられる。またラック内空気熱交換器を冷却するのに必要な流量と、ラック内に搭載したサーバが少ないときなどには、水冷ジャケットを冷却するのに必要な流量が少なくて良い場合などは、別途分配用ヘッダと集合用ヘッダを結ぶバイパスを用意し、水冷ジャケットに流れる冷媒量を調整することが望ましい。
【００４６】
従来の構成として、水冷ジャケットの冷却のみにフリークーリングを用い、ラック内の空気、もしくはデータセンタ内の空気の冷却には従来の冷媒を使用した冷凍機にて冷却するという構成はあった。しかしこの構成では、室外にフリークーリング用の室外機と、冷凍サイクル用の室外機の２つが必要となりスペース効率が低下することが考えられる。本発明の構成は、冷凍サイクルはラック内で、しかも水／冷媒熱交換器を用いるためコンパクトにできる。また、ラックごとに冷凍サイクルの冷力を調整するため、例えばラックが多数並び、かつ各ラックの発熱量がまちまちであるデータセンタを想定した場合、本発明を使用した場合の方がデータセンタ全体の省エネ性を高めることが可能となる。
【００４７】
また本実施例では水をラック内から室外機に熱を輸送する冷媒としたが、これはポンプによって輸送可能な冷媒であれば良く、フッ素系不活性液体でも同等の効果が得られる。
【００４８】
また、本発明の課題としては、例えば、データセンタ等の複数のサーバを搭載したラックが多数並べられた施設では、空調機の電力を削減することが課題となっている。空調機の電力削減には設定温度すなわち冷媒の蒸発温度を高くする方法が知られている。しかしながら、一般にサーバ機器は２５℃の空気で冷却ができるように設計されているが、現状の空調機の設定温度はこれに対応するようになっており、これ以上設定温度を上げることは困難であることが挙げられる。一方でＣＰＵ等の発熱部品に注目すると、たとえば５０℃〜７０℃といった高温まで耐えられるように設計されている。よってＣＰＵ等の保証温度の高い部品のみを冷却対象にできれば空調の設定温度を向上することができ、またフリークーリングに関しても冷凍機の追加が必要なくなる。この課題を解決する手段としては、例えば、室外に設けた凝縮機により冷却された冷媒を、第１の膨張弁により減圧した後、このサーバ機器のＣＰＵを冷却する直膨冷却ジャケットに流し、その後に気液分離器にて気相と液相に分離し、この分離した冷媒の液相部をさらに第２の膨張弁により、上記第１の膨張弁よりもさらに減圧し、これをラック内に搭載した空気熱交換器に流すことでラック内の空気を冷却する。これによりラック内の空気に関しては従来どおり２５℃となるような冷媒温度で冷却しながら、ＣＰＵを冷却上限となる冷媒蒸発温度で冷却することができ、ＣＰＵの除熱量分空調動力を削減することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００５０】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
【００５１】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１  室外機
２  室外機ファン
３  室外機空気熱交換器
４  ラック筺体
５  フロントドア
６  リアドア
７  直膨冷却ジャケット
８  第一膨張弁
９  分配用ヘッダ
１０  集合用ヘッダ
１１  第一圧縮機
１２  第二圧縮機
１３  気液分離器
１４  冷媒液相
１５  第二膨張弁
１６  ラック内空気熱交換器
１７  ラック内ファン
１８  ＨＤＤ
１９  サーバ内ファン
２０  サーバ筺体
２１  メモリ
２２  熱サイホン
２３  熱伝導シート
２４  第三膨張弁
２５  ＣＰＵ
２６  メインボード
３１  ポンプ
３２  水冷配管カプラー
３３  水冷ジャケット
３４  第一水／冷媒熱交換器
３５  第二水／冷媒熱交換器
３６  サーバ
３７  第一室外機
３８  第二室外機
３９  水
４０  蒸気
４１  沸騰面
４２  凝縮面
４３  蒸気管
４４  液戻り管
【図１】
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【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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【図１２】
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