(57)【要約】【課題】排熱効率を高めることができる冷却装置を提供する。【解決手段】本発明の冷却装置は、電子機器を収納する筐体の一側部であって、上部から所定の間隔を置いた位置に設けられ、前記電子機器と熱交換された気体の熱を熱媒体により吸収する第１の熱交換器と、この第１の熱交換器で前記気体により加熱された熱媒体を前記第１の熱交換器より上方の位置で加熱する第２の熱交換器と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子機器を収納する筐体の一側部であって、上部から所定の間隔を置いた位置に設けられ、前記電子機器と熱交換された気体の熱を熱媒体により吸収する第１の熱交換器と、
この第１の熱交換器で前記気体により加熱された熱媒体を前記第１の熱交換器より上方の位置で加熱する第２の熱交換器と、
を有する冷却装置。
【請求項２】
前記第２の熱交換器は、第１の熱交換器で前記気体により加熱された熱媒体と、前記電子機器と熱交換された気体の熱とが、熱交換することにより、加熱された熱媒体をさらに加熱する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器と前記筐体の上面との間に配置されたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項４】
前記第２の熱交換器と前記電子機器との間に前記気体を案内する案内部材を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記第２の熱交換器は前記筐体の外の上に設けられ、前記案内部材は前記筐体内から第２の熱交換器へ前記気体を案内することを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記筐体の上面に前記筐体内の熱を前記第２の熱交換器へ伝達する熱伝達部を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記筐体の上面に、前記第２の熱交換器として、前記第１の熱交換器で加熱された熱媒体を貯留するタンクを設け、
該タンクと前記筐体の上面との間に、熱伝達手段を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記第１の熱交換器が複数の受熱部を備え、
前記複数の受熱部が並列に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却装置と、
前記冷却装置における第２の熱交換器から供給された熱媒体を圧縮する圧縮機と、
この圧縮機と前記第１の熱交換器との間に設けられ、圧縮された熱媒体から熱を回収する熱回収部とを有する熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置、熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報処理量が増大しており、インターネットに用いるサーバー装置、通信装置、固定電話、ＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）電話などの装置を設置するデータセンターが増加している。データセンターのサーバルームには、コンピュータ等の電子機器が多数設置されている。電子機器が消費する電力量は増大しており、これらの機器から排熱される熱エネルギーは膨大である。そこで、発生した熱エネルギーを効率的に排出するニーズや、排出した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】
この熱エネルギーを排出、回収するための手段として熱媒体を介した熱交換器が知られている。熱交換器としては、熱媒体の相変化を利用した相変化冷却装置が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、液水の蒸発を利用した熱交換器と、この熱交換器で蒸発した蒸気を圧縮する圧縮機を備えたヒートポンプが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１０３４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のヒートポンプでは、冷却対象を冷却する冷却特性を十分に得ることができなかった。また排熱を利用する熱回収効率を十分高めることもできなかった。
【０００７】
例えば、特許文献１に記載されたヒートポンプでは、発熱体から排熱された熱が、すべて一つの熱交換器に供給され、熱交換器全体の温度を高めている。しかしながら、熱交換器全体を加熱すると、発生する蒸気量は増加するが、発生した蒸気中に含まれる熱媒体から液相の熱媒体を十分除去することができない。そのため、圧縮器に液相の熱媒体が混在してしまい圧縮効率を低下させてしまう。また蒸気を加熱することが記載されているが、この加熱は排熱を利用したものではないため、冷却対象を冷却しつつ、システム全体としての冷却特性及び熱回収特性を高めることができない。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決する冷却装置、熱回収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】
【０００９】
本発明の一態様に係る冷却装置は、電子機器を収納する筐体の一側部であって、上部から所定の間隔を置いた位置に設けられ、前記電子機器と熱交換された気体の熱を熱媒体により吸収する第１の熱交換器と、この第１の熱交換器で前記気体により加熱された熱媒体を前記第１の熱交換器より上方の位置で加熱する第２の熱交換器と、を有する。
【００１０】
本発明の一態様に係る熱回収システムは、本発明の一態様に係る冷却装置における第２の熱交換器から供給された熱媒体を圧縮する圧縮機と、この圧縮機と前記第１の熱交換器との間に設けられ、圧縮された熱媒体から熱を回収する熱回収部とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、排熱効率を高めることができる冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一態様に係る冷却装置の断面を模式的に示した図である。
【図２】本発明の一態様に係る冷却装置の別の例の断面を模式的に示した図である。
【図３】本発明の一態様に係る冷却装置の断面模式図であり、第２の熱交換器と電子機器との間に気体を案内する案内部材が設けられた場合の断面模式図である。
【図４】本発明の一態様に係る冷却装置の断面模式図であり、第２の熱交換器が筺体の外部に配設されている場合の断面模式図である。
【図５】本発明の一態様に係る冷却装置の断面模式図であり、筐体の上面に筐体内の熱を第２の熱交換器へ伝達する熱伝達部を設けた場合の断面模式図である。
【図６】本発明の一態様に係る冷却装置の断面模式図であり、第２の熱交換器に変えてタンクが筺体の外部に配設されている場合の断面模式図である。
【図７】本発明の一態様に係る冷却装置の模式図であり、（ａ）は第１の熱交換器を電子機器側から見た正面図であり、（ｂ）は断面模式図である。
【図８】本発明の一態様に係る熱回収システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態である冷却装置、熱回収システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１４】
［冷却装置］
図１は、本発明の一態様に係る冷却装置の断面模式図である。図１に示すように、冷却装置１０は、電子機器１が収納された筐体２の一側部に配置される。冷却装置１０は、第１の熱交換器（第１の受熱部）３と第２の熱交換器（第２の受熱部）４を備える。第１の熱交換器３は、筐体２の上面から所定の間隔を置いた位置に設けられる。第２の熱交換器４は、第１の熱交換器３より上方の位置に配置される。図１の構成では、第２の熱交換器４は、第１の熱交換器３と筐体２の上面との間に配置されている。第１の熱交換器３の一端側には、熱媒体を供給する供給管（液管）５が接続され、第２の熱交換器４の第１の熱交換器３と反対側には、熱媒体を排出する排出管（蒸気管）６が接続されている。
【００１５】
第１の熱交換器３は、電子機器１と熱交換した気体の熱（以下、「排熱」という）を熱媒体により吸収する。具体的には、図１における電子機器１の右側から、電気機器１を通過する送風を送ることにより、電子機器１と送風とが熱交換を行う。さらに、電子機器１を通過した送風が第１の熱交換器３を通過することにより、電子機器１と熱交換した送風と第１の熱交換器３に貯蔵される熱媒体とが熱交換を行う。第１の熱交換器３は、液相の熱媒体を気相の熱媒体に相変化させることで熱交換を行う相変化冷却器を用いることができる。
【００１６】
熱媒体は、第１の熱交換器３に供給管５を介して供給される。供給された熱媒体は、第１の熱交換器３内を流通し、第２の熱交換器４に供給される。第１の熱交換器３内を流通する熱媒体は、電子機器１からの排熱により相変化し、第２の熱交換器４に供給される。
【００１７】
例えば、電子機器１が図２に示すように複数の電子機器からなるデータサーバの場合を例に説明する。データサーバは通常室温の環境下で動作するため、電子機器１の吸気温度は２５℃程度である。電子機器１が駆動すると、電子機器１が発熱する。そのため、電子機器から排気される排熱の温度は４０℃程度となる。そこで、第１の熱交換器３には、４０℃以下の沸点を有する熱媒体を供給管５から供給する。供給された熱媒体は、４０℃の排熱により加温され、相変化する。この相変化にエネルギーを使用するため、電子機器１から排出された排熱は、冷却され筐体２外部に排出される。
【００１８】
第２の熱交換器４は、この第１の熱交換器３で加熱された熱媒体をさらに加熱する。具体的には、電子機器１を通過した送風が第２の熱交換器４を通過することにより、電子機器１と熱交換した送風と第２の熱交換器４に貯蔵される熱媒体とが熱交換を行う。上述のように第１の熱交換器３では、熱媒体が相変化する。そのため、第１の熱交換器３から排出される熱媒体の多くは、気相の状態で供給される。しかしながら、実際には気相の熱媒体のみからなるというより、液相の熱媒体も多く含んだ気相と液相の混合状態の熱媒体として排出されている。このような液相の熱媒体が、後述する圧縮機に直接流通すると、圧縮機の圧縮効率を低下する。そのため、第２の熱交換器４では、第１の熱交換器３から排出された気相と液相の混合状態の熱媒体を加熱し、液相の熱媒体を気相の熱媒体に変化させる。つまり、第２の熱交換器４を設けることで、冷却装置１０から排出される熱媒体中に含まれる液相の熱媒体の割合を低減することができる。
【００１９】
第２の熱交換器４は、残存した液相の熱媒体を気相に変化させると同時に、第２の熱交換器４内の気相の熱媒体の温度を高める。液相から気相への相変化は、潜熱であるため温度変化は生じない。一方で、気相の熱媒体を加熱することは顕熱であるため、温度変化が生じる。後述するが、圧縮機に供給される熱媒体の温度は高い方が、効率的に熱回収することができる。そのため、第２の熱交換器４から排出される熱媒体の温度を高めることは、熱回収システム全体の効率を高めることに繋がる。
【００２０】
さらに第２の熱交換器４は、内部を流通する熱媒体の相変化及び加熱を、電子機器１からの排熱によって行っている。換言すると、第２の熱交換器４は、内部を流通する熱媒体の相変化及び加熱を行うと同時に、電子機器１の排熱を冷却している。したがって、第２の熱交換器４に外部からの熱量を加える必要がなく、熱媒体の加熱と電子機器１の冷却を同時に効率的に行っている。
【００２１】
第２の熱交換器４は、第１の熱交換器３と筐体２の上面の間に配置されている。このように配置することで、第２の熱交換器４内を流通する熱媒体の加熱をより効率的に行うことができる。
一般に熱は上方に溜まりやすい。筐体２内で電子機器１を駆動させると、排熱は筐体２内の上方に滞留する。そのため、筐体２内でも上部の温度は下部の温度よりも高くなる。第２の熱交換器４を第１の熱交換器３の上方に配置することで、第２の熱交換器４の熱交換効率をより高めることができる。
【００２２】
図３に示すように第２の熱交換器４と電子機器と１の間には、気体を案内する案内部材７を設けてもよい。案内部材７を設けることで、電子機器１からの排気をより直接的に第２の熱交換器４に当てることができる。
【００２３】
第１の熱交換器３の熱交換量は、第２の熱交換器４の熱交換量より大きいことが好ましい。すなわち、筺体２内に第１の熱交換器３及び第２の熱交換器４を有する場合、第１の熱交換器３の占める割合の方が、第２の熱交換器４の占める割合より大きいことが好ましい。
【００２４】
上述のように第１の熱交換器３は、液相の熱媒体を気相の熱媒体に相変化させるため、主として潜熱を用いた熱交換器である。これに対し、第２の熱交換器４は、一部液相の熱媒体を気相の熱媒体に相変化させているものの、主としては気体の熱媒体の温度を高める顕熱を用いた熱交換器である。一般に相変化を利用した熱伝達は、気体を強制対流させた熱伝導と比較して１０〜１００倍熱伝達性能が高いことが知られている。すなわち、第１の熱交換器３の方が、第２の熱交換器４より排熱を冷却する効率は高い。そのため、第１の熱交換器３の占める割合を高めることで、より効率的に排熱を冷却する事ができる。
【００２５】
また第１の熱交換器３と第２の熱交換器４の熱交換量の割合は、以下のような手順で設定することもできる。熱媒体が所定の温度から異なる温度に相変化を行いながら変化する場合、熱媒体に加えられてエネルギーは、相変化に使用されるエネルギーと温度変化に使用されるエネルギーに大別される。相変化に使用させるエネルギーは熱媒体の潜熱となり、温度変化に使用されるエネルギーは熱媒体の顕熱となる。上述のように、第１の熱交換器３は主として潜熱を利用したものであり、第２の熱交換器４は主として顕熱を利用したものである。そのため、このエネルギー比率に合せて、第１の熱交換器３及び第２の熱交換器４の熱交換量を設定することができる。
【００２６】
以下に、熱媒体としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ１３４ａ）を用いた場合を例として具体的に説明する。２５℃のＨＦＣ１３４ａを、４５℃に２０℃温度上昇させる場合、この温度変化に使用される潜熱と顕熱の比は概ね９：１である。この潜熱と顕熱の比は、各熱媒体のＰＨ線図から求めることができる。
そのため、この場合、第１の熱交換器の熱交換量を９とし、第２の熱交換器の熱交換量を１とすることが好ましい。
【００２７】
ここまで、第１の熱交換器３及び第２の熱交換器４の両方が、筺体２内部に配置されている例について説明した。しかしながら、第２の熱交換器４は、筺体２の外部上方に配置してもよい。
【００２８】
図４は、本発明の一態様に係る冷却装置の断面模式図であり、第２の熱交換器４が筺体２の外部に配設されている場合の断面模式図である。
電子機器１から排出された排気は、周囲の温度と比較して高温であるため、上方に向かう。そのため、第２の熱交換器４を筺体２の外部上方に設ければ、第２の熱交換器４を十分加熱することができる。また筺体２外部に、第２の熱交換器４を配置することで、熱交換効率の高い第１の熱交換器３を最大限利用することができる。すなわち、排熱の冷却効率をより高めることができる。
【００２９】
この際、電子機器１の排気の一部を第２の熱交換器４へ案内する案内部材７を設けることが好ましい。案内部材７を設けることで、筺体２の下部から排熱が上昇してくるのみならず、電子機器１の排熱を直接第２の熱交換器４に供給することができる。そのため、より第２の熱交換器４に排熱により生じた熱を効率的に供給することができる。
【００３０】
また案内部材７を設ける以外にも、図５に示すように、筐体２の上面に筐体２内の熱を第２の熱交換器４へ伝達する熱伝達部８を設けてもよい。熱伝達部８は、例えば、筺体２の上面に熱伝導性の高い金属等を配置してもよい。他にも、筺体２の内外に、熱交換器を配置して筺体内の温度を筺体外に伝える構成としてもよい。
この構成によると、筺体２内で最も高温になる筺体２上面の熱を第２の熱交換器４に効率的に供給することができる。
【００３１】
第２の熱交換器４に変えて、タンク９を筺体２の上面に配置してもよい。図６は、本発明の一態様に係る冷却装置の断面模式図であり、第２の熱交換器４に変えてタンク９が筺体２の外部に配設されている場合の断面模式図である。タンク９は、伝熱性が高いものであることが好ましい。
【００３２】
例えば、タンク９を筺体２の上面に密着させることで、高温となる筺体２上面の熱をタンク９に伝えることができる。タンク９を熱媒体の流れ方向に垂直な面で切断した断面積は、タンク９へ熱媒体を供給する配管より広いことが好ましい。タンク９の断面積が広いと、配管から供給された熱媒体の流速が低下する。この際、液相の熱媒体は、密度が大きいため、流速変化量が大きい。したがって、液相の熱媒体は、運動エネルギーを失い、タンク９の下方に貯留される。すなわち、タンク９で第１の熱交換器３から排出された気相と液相の混合状態の熱媒体から、液相の熱媒体を分離することができる。
【００３３】
タンク９に接続される排出管６は、タンク９上部に接続することが好ましい。タンク９の下部には液相の熱媒体が貯留される。そのため、タンク９上部に排出管６を接続することで、排出管６から排出される熱媒体における液相の熱媒体の占める割合をより低減することができる。
【００３４】
上述では、第１の熱交換器３は一つの大きな受熱部を有するものとして示したが、第１の熱交換器３は、複数の受熱部を有していてもよい。図７は、本発明の一態様に係る冷却装置の模式図であり、（ａ）は第１の熱交換器を電子機器側から見た正面図であり、（ｂ）は断面模式図である。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の熱交換器３は、複数の受熱部３ａ〜３ｃからなる。図７（ａ）及び（ｂ）では、簡単のため、第１の熱交換器３が３つの受熱部からなる場合を図示したが、２つの受熱部からなってもよいし、より多くの受熱部からなってもよい。
【００３５】
受熱部３ａ〜３ｃは互いに並列に配列されている。この受熱部３ａ〜３ｃを並列に配置する方向は、複数の電子機器１が配置されている方向に合せて配置することが好ましい。具体的には、図７（ｂ）に示すように、筺体２の上下方向に複数の電子機器１が配列されている場合、受熱部３ａ〜３ｃも上下方向に並列に配置されていることが好ましい。ここで、各電子機器１と各受熱部３ａ〜３ｃは、必ずしも一対一対応されている必要はない。
このように配置すると、複数の電子機器１の負荷変動に応じて、熱媒体を受熱部３ａ〜３ｃに適宜振り分けることができる。すなわち、高熱になっている部分をより効率的に冷却する事が可能となり、冷却効率を高めることができる。
【００３６】
このように、本発明の一実施形態に係る冷却装置は、電子機器１の排熱を効率的に冷却することができる。また第１の熱交換器３から排出された熱媒体を事前に加熱することができ、第２の熱交換器４から排出される熱媒体における液相の熱媒体の占める割合を低減することができ、かつ排出される熱媒体自体の温度を高めることができる。
【００３７】
［熱回収システム］
図８は、本発明の一態様に係る熱回収システムの模式図である。本発明の一態様に係る熱回収システム１００は、上述の冷却装置１０と、冷却装置１０の第２の熱交換器４から供給された熱媒体を圧縮する圧縮機２０と、この圧縮機２０と第１の熱交換器３との間に設けられ、圧縮された熱媒体から熱を回収する熱回収部３０とを有する。
また必要に応じて、第１の熱交換器３と熱回収部３０の間に膨張弁（図視略）配置してもよい。
【００３８】
圧縮機２０は、冷却装置１０から配管を通じて圧縮機２０に運ばれた熱媒体を圧縮する。熱媒体は圧縮されることで、温度が高くなる。例えば、第２の熱交換器４から２５℃の熱媒体が排出された場合、この熱媒体を圧縮することで６０℃〜１００℃に温度上昇する。この温度が高くなった熱媒体は、その温度を熱回収部３０で放熱する。この熱量を回収（利用して）して、発電、湯沸し等に用いることができる。放熱後の熱媒体は、その後冷却装置１０の第１の熱交換器３に供給される。ここで具体的には、熱回収部３０では、熱交換器や吸着式冷凍機を用いることができる。
【００３９】
熱回収システム１００全体としての冷却効率を高めるためには、圧縮機２０の仕事量を減らすことが好ましい。圧縮機２０の仕事量を減らすためには、二つの重要な要素がある。
その一つの要素としては、圧縮機２０に供給される熱媒体中に含まれる液相の熱媒体を除去することが挙げられる。液相の熱媒体は、気相の熱媒体と異なり体積変化が小さいため、圧縮効率が気相の熱媒体と比較して著しく悪い。また液相の熱媒体が圧縮機の動翼と衝突することで、圧縮機の故障の原因ともなりうる。そのため液相の熱媒体を除去することは、圧縮機２０の仕事量を減らし、冷却システム１００全体としての冷却効率を高めることができる。
もう一つの要素としては、圧縮機２０に供給される熱媒体の温度を高めることが挙げられる。圧縮機２０から排出される熱媒体は所定の温度になるように圧縮される。そのため、圧縮前の温度が十分高ければ、大きな負荷をかけることなく所定の温度に達することができる。すなわち、圧縮機２０の仕事量を減らし、冷却システム１００全体としての冷却効率を高めることができる。
【００４０】
ここで、冷却装置１０は、第２の熱交換器４を有する。上述のように、第２の熱交換器４を有することで、第１の熱交換器３から排出された熱媒体を事前に加熱することができる。すなわち、圧縮機２０に供給される熱媒体における液相の熱媒体の占める割合を低減することができ、かつ供給される熱媒体自体の温度を高めることができる。
【００４１】
したがって、第２の熱交換器４から圧縮機２０に供給される熱媒体は、温度が高くかつ液相の熱媒体の混在量が少ない。そのため、圧縮機２０の仕事量を低減することができる。そのため、熱回収システム１００は、電子機器１の排熱を効率的に冷却しつつ、再回収することができる。
【００４２】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１…電子機器、２…筺体、３…第１の熱交換器（第１の受熱部）、４…第２の熱交換器（第２の受熱部）、５…供給管（液管）、６…排出管（蒸気管）、７…案内部材、８…熱伝達部、９…タンク、１０…冷却装置、２０…圧縮機、３０…熱回収部、１００…熱回収システム
【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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