JP7057710B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

本開示は、冷却システムに関する。

従来、例えば、電子デバイス等の冷却においては、冷媒の循環系統を設け、電子デバイス等の発熱部で生じた熱を大気等に放出するための冷却システムが使用されている。

例えば、特許文献１には、パワー半導体の冷却に液を使用した冷却システムが記載されている。

特開２０１３―８４６４８号公報

ところで、発熱密度や熱流束が高いハイパワー機器の冷却においては、高い発熱密度に起因して機器の温度が上昇しやすい。機器の温度が上昇すると、機器の信頼性が低下し、故障しやすくなる。このため、これら機器の冷却性能の向上が望まれている。一方、上記のような機器は通電環境で用いられることが多いため、冷媒には絶縁性の高い媒質（例えばフロン系の冷媒など）が用いられている。

しかし、絶縁性の高い媒質は、水に比べて冷却性能が劣るため、近年開発が進むハイパワー機器に適用するのは容易でない。また、高性能化を図るために、絶縁性の高い媒質を用いたヒートポンプサイクルを適用する場合は、冷媒を完全蒸発させるための蒸発器が必要となり、システムが大きくなる。また、冷却水側の温度が上昇することを防ぐために、冷却水サイクルシステム内のサブクーラに使用するチラーを大きくする必要があり、冷却水サイクルシステムが大きくなってしまうという問題がある。
この点、特許文献１に開示された冷却システムは、上記のような問題を解決するための具体的な構成について何ら開示されていない。

上述した問題に鑑み、本開示の少なくとも一実施形態は、大型化を抑制しつつ冷却効率を改善し得る電子デバイスの冷却システムを提供することを目的とする。

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る冷却システムは、
電子デバイスを冷却するための冷却システムであって、
絶縁冷媒を循環させて前記電子デバイスを冷却するヒートポンプサイクルと、
冷却水を循環させて前記電子デバイスを冷却する冷却水ループと、を備え、
前記ヒートポンプサイクルは、
前記電子デバイスの除熱を行う第１蒸発器と、
前記ヒートポンプサイクル内で前記第１蒸発器の下流側に配置された第２蒸発器と、を含み、
前記第２蒸発器は、前記冷却水の熱を回収するように構成されている。

上記（１）の構成によれば、第２蒸発器が冷却水の熱を回収することにより、冷却水ループとヒートポンプサイクルとの間で熱交換が行われ、冷却水の温度を低下させることができる。従って、冷却水ループによる電子デバイスの冷却性能を向上させることができるとともに、例えば、冷却水ループにおいて冷却水を冷却するための冷熱源を小型化することができる。よって、大型化を抑制しつつ冷却効率を改善し得る電子デバイスの冷却システムを提供することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の構成において、
前記冷却水ループは前記電子デバイスを除熱可能に配置された第１セパレータを含み、
前記第２蒸発器は前記第１セパレータから液相の前記冷却水が流入するように構成されてもよい。

上記（２）の構成によれば、第１セパレータによって液相と気相とに分離された冷却水のうち、液相の冷却水が第２蒸発器に流入する。このような構成により、電子デバイスの冷却に供する第１セパレータには、低温の冷却水を還流させることができるから、電子デバイスに対する冷却水ループ延いては冷却システムの冷却性能をより効果的に向上させることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の構成において、
前記冷却水ループは、前記第１セパレータで分離された気相の前記冷却水が空冷により冷却されるように構成されてもよい。

上記（３）の構成によれば、第１セパレータで分離された気相の冷却水が空冷される。よって、電子デバイスの稼働状況による発熱の温度レベルによっては、例えば、チラーなどの冷熱源を設けることなく、コンパクトな構成で上記の効果を享受することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）に記載の構成において、
前記ヒートポンプサイクルは、
前記電子デバイスの上流側で前記絶縁冷媒を液相から気液２相に膨張させるバルブと、
前記電子デバイスの上流側で前記バルブ通過後の前記絶縁冷媒を液相と気相とに分離する第２セパレータと、を含み、
前記第１蒸発器には、前記第２セパレータで分離された液相の前記絶縁冷媒が流入するように構成されてもよい。

上記（４）の構成によれば、ヒートポンプサイクル内で第１蒸留器の上流側において第２セパレータにより気相と液相とに分離された絶縁冷媒のうち、液相の絶縁冷媒のみが第１蒸発器に流入する。つまり、液相の冷媒のみを用いて電子デバイスを冷却することができるから、例えば、冷媒の圧力損失を低減して冷却性能の向上を図ることができる。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、大型化を抑制しつつ冷却効率を改善し得る電子デバイスの冷却システムを提供することができる。

本開示の少なくとも一実施形態に係る冷却システムの構成例を示す概略図である。 本開示の少なくとも一実施形態に係る冷却システムにおける制御系の構成を示すブロック図である。 他の実施形態に係る冷却システムの構成例を示す概略図である。 他の実施形態に係る冷却システムの構成例を示す概略図である。

以下、添付図面に従って本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本開示の少なくとも一実施形態に係る冷却システムの構成例を示す概略図である。図２は本開示の少なくとも一実施形態に係る冷却システムにおける制御系の構成を示すブロック図である。図３は他の実施形態に係る冷却システムの構成例を示す概略図である。図４は他の実施形態に係る冷却システムの構成例を示す概略図である。

図１に非限定的に例示するように、本開示の少なくとも一実施形態に係る冷却システム１は、冷却対象物（被冷却体）としての電子デバイス５を冷却するための冷却システムであって、絶縁冷媒６０を循環させて電子デバイス５を冷却するヒートポンプサイクル４０と、冷却水を循環させて電子デバイス５を冷却する冷却水ループ５０と、を備えている。
ヒートポンプサイクル４０は、電子デバイス５の除熱を行う第１蒸発器４１と、ヒートポンプサイクル４０内で第１蒸発器４１の下流側に配置された第２蒸発器４２と、を含む。
そして、第２蒸発器４２は、冷却水の熱を回収するように構成されている。

上記構成によれば、第２蒸発器４２が冷却水の熱を回収することにより、冷却水ループ５０とヒートポンプサイクル４０との間で熱交換が行われ、冷却水の温度を低下させることができる。従って、冷却水ループ５０による電子デバイス５の冷却性能を向上させることができるとともに、例えば、冷却水ループ５０において冷却水を冷却するための冷熱源を小型化することができる。よって、大型化を抑制しつつ冷却効率を改善し得る電子デバイス５の冷却システム１を提供することができる。
なお、上記冷却システム１の冷却水ループ５０を、常温よりも高い温水で運用することにより、消費電力１ｋｗ当たりの冷暖房能力（ｋｗ）すなわち性能係数（成績係数）＝ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ＣＯＰ）の向上が図られる。

幾つかの実施形態では、上記の構成において、冷却水ループ５０は電子デバイス５を除熱可能に配置された第１セパレータ５５を含み、第２蒸発器４２は、第１セパレータ５５から液相の冷却水が流入するように構成されてもよい。

この構成によれば、第１セパレータ５５によって液相と気相とに分離された冷却水のうち、液相の冷却水が第２蒸発器４２に流入する。このような構成により、電子デバイス５の冷却に供する第１セパレータ５５には、低温の冷却水を還流させることができるから、電子デバイス５に対する冷却水ループ５０延いては冷却システム１の冷却性能をより効果的に向上させることができる。

幾つかの実施形態では、上記何れかに記載の構成において、冷却水ループ５０は、第１セパレータ５５で分離された気相の冷却水が空冷により冷却されるように構成されてもよい。

この構成によれば、第１セパレータ５５で分離された気相の冷却水が空冷される。よって、電子デバイス５の稼働状況による発熱の温度レベルによっては、例えば、チラーなどの冷熱源（第２熱交換器５４）を設けることなく、コンパクトな構成で上記の効果を享受することができる。

幾つかの実施形態では、上記何れかに記載の構成において、ヒートポンプサイクル４０は、電子デバイス５の上流側で絶縁冷媒６０を液相から気液２相に膨張させるバルブ４５と、電子デバイス５の上流側でバルブ４５通過後の絶縁冷媒６０を液相と気相とに分離する第２セパレータ４６と、を含み、第１蒸発器４１には、第２セパレータ４６で分離された液相の絶縁冷媒６０が流入するように構成されてもよい。

この構成によれば、ヒートポンプサイクル４０内で第１蒸発器４１の上流側において第２セパレータ４６により気相と液相とに分離された絶縁冷媒６０のうち、液相の絶縁冷媒６０のみが第１蒸発器４１に流入する。つまり、液相の冷媒のみを用いて電子デバイス５を冷却することができるから、例えば、冷媒６０の圧力損失を低減して冷却性能の向上を図ることができる。

幾つかの実施形態において、冷却システム１は、電子デバイス５の稼働状態による発熱レベルに応じて、ヒートポンプサイクル４０のコンプレッサ４３、若しくは、冷却水ループ５０のポンプ７又はコンプレッサ５６の出力を制御するためのコントローラ１０を備えていてもよい。コントローラ１０はまた、電子デバイス５の発熱レベルに応じてバルブ４５又はバルブ５９を適切なタイミングで開閉することにより、ヒートポンプサイクル４０又は冷却水ループ５０内の流路を流れる冷媒６０の流量や経路を変更したり調節したりするように構成されていてもよい。
図２は、幾つかの実施形態に係るコントローラ１０における制御系の構成を示すブロック図である。
図２に非限定的に例示するように、コントローラ１０は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ１１、該ＣＰＵ１１が実行する各種プログラムやテーブル等のデータを記憶するための記憶部としてのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１３、各プログラムを実行する際の展開領域や演算領域としてのワーク領域として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２の他、図示しない大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース、及び外部記憶装置が装着されるアクセス部などを備えていてもよい。
幾つかの実施形態では、コントローラ１０は、種々のデータベース１７を含んでもよく、データベース１７には例えば絶縁冷媒又は冷却水の流量を適切に管理するための種々のテーブル１８等が格納されていてもよい。これらは全て、バス１４を介して接続される。更に、コントローラ１０は、例えば、キーボードやマウス等からなる入力部（図示省略）及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部（図示省略）等と接続されていてもよい。

幾つかの実施形態において、コントローラ１０には、冷却水ループ５０に設けられた第１温度センサ３１又は第２温度センサ３２から、冷媒又は冷却水の温度に関する検出信号が送信されてもよい。

幾つかの実施形態において、ＲＯＭ１３には、コントローラ１０が、本開示の何れかの実施形態において冷媒流量を適切に制御するための冷媒流量管理プログラム１５等が格納されていてもよい。

なお、上述した幾つかの実施形態に係る冷却システム１は、複数の情報処理装置を備えてもよく、これらの情報処理装置は、各処理を分散して行ってもよい。
また、上述した幾つかの本実施形態の各処理を実行するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、上述した種々の処理を行ってもよい。

なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷ（Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｄｅ Ｗｅｂ）システムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

上述した本開示の少なくとも一実施形態によれば、大型化を抑制しつつ冷却効率を改善し得る電子デバイス５の冷却システム１を提供することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。

１ 冷却システム
５ 電子デバイス（被冷却体）
７ ポンプ
１０ コントローラ
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＡＭ
１３ ＲＯＭ
１４ バス
１５ 冷媒流量管理プログラム
１７ データベース
１８ テーブル
３１ 第１温度センサ
３２ 第２温度センサ
４０ ヒートポンプサイクル（第１冷却ライン）
４１ 第１蒸発器
４２ 第２蒸発器
４３ コンプレッサ
４４ 復水器
４５ バルブ
４６ 第２セパレータ
５０ 冷却水ループ（第２冷却ライン）
５３ 第１熱交換器（サブクーラー）
５４ 第２熱交換器（チラー）
５５ 第１セパレータ
５６ コンプレッサ
５７ 復水器
５８ バイパス流路
５９ バルブ
６０ 冷媒（絶縁冷媒）

Claims (4)

1. 電子デバイスを冷却するための冷却システムであって、
   絶縁冷媒を循環させて前記電子デバイスを冷却するヒートポンプサイクルと、
   冷却水を循環させて前記電子デバイスを冷却する冷却水ループと、を備え、
   前記ヒートポンプサイクルは、
   前記電子デバイスの除熱を行う第１蒸発器と、
   前記ヒートポンプサイクル内で前記第１蒸発器の下流側に配置された第２蒸発器と、を含み、
   前記第２蒸発器は、前記冷却水の熱を回収するように構成された
   ことを特徴とする冷却システム。
2. 前記冷却水ループは前記電子デバイスを除熱可能に配置された第１セパレータを含み、
   前記第２蒸発器は前記第１セパレータから液相の前記冷却水が流入するように構成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記冷却水ループは、前記第１セパレータで分離された気相の前記冷却水が空冷により冷却されるように構成された
   ことを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記ヒートポンプサイクルは、
   前記電子デバイスの上流側で前記絶縁冷媒を液相から気液２相に膨張させるバルブと、
   前記電子デバイスの上流側で前記バルブ通過後の前記絶縁冷媒を液相と気相とに分離する第２セパレータと、を含み、
   前記第１蒸発器には、前記第２セパレータで分離された液相の前記絶縁冷媒が流入するように構成された
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の冷却システム。

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