特表 2024-514654 冷却装置、システムおよび製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-02

(54)【発明の名称】冷却装置、システムおよび製造方法

(51)【国際特許分類】

   F28D 15/02 20060101AFI20240326BHJP

   F28F 1/42 20060101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

F28D15/02 102C

F28F1/42 A

F28D15/02 A

F28D15/02 104A

F28D15/02 101L

F28D15/02 106Z

F28D15/02 101G

F28D15/02 101M

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023563202

(86)(22)【出願日】2021-07-28

(85)【翻訳文提出日】2023-12-08

(86)【国際出願番号】 GB2021051950

(87)【国際公開番号】W WO2022223938

(87)【国際公開日】2022-10-27

(31)【優先権主張番号】2105589.2

(32)【優先日】2021-04-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521338961

【氏名又は名称】カトリック テクノロジーズ リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＫＡＴＲＩＣＫ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】ヴェラユサム，カーティキヤン

(57)【要約】

冷却装置が開示される。この冷却装置は、ハウジングと、ハウジング内に位置する第１の液体および第２の液体とを備える。第１の液体は、第２の液体よりも密度が高く、沸点が低い。冷却装置は、第１の液体に熱を伝達して第１の液体を蒸発させ、それにより第１の液体の蒸気を形成する熱交換装置をさらに備える。冷却装置は、ハウジングを通って延びる複数の独立したエネルギー放散部材も備える。それら部材は、第１の液体の蒸気と第２の液体との相互作用によって生じる流体の流れに応じて動き、ハウジングの外部のボリュームに熱を伝達する。この冷却装置は、最小限の電力で、あるいは電力を消費することなく、物体を冷却することができる。そのため、この冷却装置は環境に優しく、運転コストも低い。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に位置する第１の液体および第２の液体であって、前記第１の液体が、前記第２の液体よりも密度が高く沸点が低い、第１の液体および第２の液体と、
前記第１の液体に熱を伝達して前記第１の液体を蒸発させ、それにより第１の液体の蒸気を形成する熱交換装置と、
前記ハウジングを通って延びる複数の独立したエネルギー放散部材とを備え、独立したエネルギー放散部材が、前記第１の液体の蒸気と前記第２の液体の相互作用によって生じる流体の流れに応じて動き、前記ハウジングの外部のボリュームに熱を伝達することを特徴とする冷却装置。

【請求項2】

請求項１に記載の冷却装置において、
前記ハウジングが、単一のチャンバを含み、または２以上のチャンバと、前記２以上のチャンバを接続する１または複数のパイプとを有することを特徴とする冷却装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の冷却装置において、
前記第１の液体が１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（Ｒ１２３３ＺＤ）、前記第２の液体が純水であり；または、前記第１の液体がジクロロトリフルオロエタン、前記第２の液体が純水であり；または、前記第１の液体が１，２－ジクロロテトラフルオロエタン、前記第２の液体が純水であり；または、前記第１の液体が１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロプロパン、前記第２の液体が純水であり；または、前記第１の液体がＲ１２３４ ＹＦ、前記第２の液体が純水であり；または、前記第１の液体がＲ－１２３４ｚｅ（トランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロプ－１－エン）、前記第２の液体が純水であることを特徴とする冷却装置。

【請求項4】

請求項１～３の何れか一項に記載の冷却装置において、
当該冷却装置が３以上の液体を含むことを特徴とする冷却装置。

【請求項5】

請求項１～４の何れか一項に記載の冷却装置において、
前記熱交換装置が、１または複数のパイプ、１または複数のコイル状パイプ、前記ハウジングの第１の部分、１または複数の伝導性部材、流体密封ケーシングおよび／または蒸発器を備えることを特徴とする冷却装置。

【請求項6】

請求項１～５の何れか一項に記載の冷却装置において、
前記複数の独立したエネルギー放散部材が複数のロッドであり、各ロッドの第１の端部が前記ハウジングの内部ボリューム内に延び、各ロッドの第２の端部が前記ハウジングの外部のボリューム内に延び、各ロッドの取付部分が前記ハウジングに取り付けられていることを特徴とする冷却装置。

【請求項7】

請求項６に記載の冷却装置において、
前記複数のロッドが、前記ハウジングの周りに均一または不均一に分布し、かつ／または前記ハウジングに対して垂直または非垂直に向けられていることを特徴とする冷却装置。

【請求項8】

請求項６または７に記載の冷却装置において、
前記複数のロッドのうちの各ロッドの第１の端部および／または第２の端部が、少なくとも１の伝導性表面を有する拡大領域を含むことを特徴とする冷却装置。

【請求項9】

請求項６～８の何れか一項に記載の冷却装置において、
前記複数のロッドが、寸法、デザインおよび材料組成が均一または不均一であることを特徴とする冷却装置。

【請求項10】

請求項１～９の何れか一項に記載の冷却装置において、
凝縮ループをさらに備えることを特徴とする冷却装置。

【請求項11】

請求項１～１０の何れか一項に記載の冷却装置において、
シンクをさらに備えることを特徴とする冷却装置。

【請求項12】

請求項１～１１の何れか一項に記載の冷却装置において、
ポンプシステムおよび／または１または複数の貯蔵タンクをさらに備えることを特徴とする冷却装置。

【請求項13】

請求項１～１２の何れか一項に記載の冷却装置において、
１または複数のコンプレッサおよび／またはリリーフバルブおよび／または膨張バルブをさらに備えることを特徴とする冷却装置。

【請求項14】

冷却システムであって、
請求項１～１３の何れか一項に記載の冷却装置と、
冷却対象の物体とを備えることを特徴とする冷却システム。

【請求項15】

請求項１４に記載の冷却システムにおいて、
熱伝達装置をさらに備えることを特徴とする冷却システム。

【請求項16】

請求項１５に記載の冷却システムにおいて、
前記熱伝達装置が、循環ループを含むことを特徴とする冷却システム。

【請求項17】

請求項１６に記載の冷却システムにおいて、
前記循環ループが、空気；または流体；または第１の流体を有する第１のループと第２の流体を有する第２のループを含むことを特徴とする冷却システム。

【請求項18】

請求項１５～１７の何れか一項に記載の冷却システムにおいて、
前記熱伝達装置が、１または複数の伝導性部材を含むことを特徴とする冷却システム。

【請求項19】

請求項１４～１８の何れか一項に記載の冷却システムにおいて、
前記冷却装置が、前記物体の上方に配置されていることを特徴とする冷却システム。

【請求項20】

請求項１４に記載の冷却システムにおいて、
前記物体が、前記冷却装置であることを特徴とする冷却システム。

【請求項21】

請求項１４～１９の何れか一項に記載の冷却システムにおいて、
作動流体を有する冷却ループをさらに備えることを特徴とする冷却システム。

【請求項22】

請求項２１に記載の冷却システムにおいて、
前記冷却ループと前記循環ループがともに前記冷却装置を通過することを特徴とする冷却システム。

【請求項23】

冷却装置の製造方法であって、
・ハウジングを提供するステップと、
・前記ハウジング内に位置する第１の液体および第２の液体を提供するステップであって、前記第１の液体が、前記第２の液体よりも密度が高く沸点が低い、ステップと、
・前記第１の液体に熱を伝達して前記第１の液体を蒸発させ、それにより第１の液体の蒸気を形成する熱交換装置を提供するステップと、
・前記ハウジングを通って延びる複数の独立したエネルギー放散部材を提供するステップであって、前記独立したエネルギー放散部材が、前記第１の液体の蒸気と前記第２の液体の相互作用によって生じる流体の流れに応じて動き、前記ハウジングの外部のボリュームに熱を伝達する、ステップとを備えることを特徴とする冷却装置の製造方法。

【請求項24】

請求項２３に記載の冷却装置の製造方法において、
前記冷却装置によって冷却される物体の特性を特定するステップをさらに含むことを特徴とする冷却装置の製造方法。

【請求項25】

請求項２３または２４に記載の冷却装置の製造方法において、
前記物体とともに使用する冷却装置の最適なパラメータを決定するステップを含むことを特徴とする冷却装置の製造方法。

【請求項26】

冷却システムの製造方法であって、
・請求項２３～２５の何れか一項に記載の方法に従って冷却装置を提供するステップと、
・冷却対象の物体を提供するステップとを備えることを特徴とする冷却システムの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却装置、システムおよび製造方法に関する。特に、記載の冷却装置は、データセンタなど、空調装置を通常使用する環境の温度を下げるのに適している。

【背景技術】

【0002】

蒸気圧縮冷却システムは、液体と気体の間で相転移を繰り返す作動流体を含む。このタイプの冷却システムは、家庭用冷蔵庫や冷凍庫から建物の空調システムまで、数多くの用途がある。

【0003】

図１は、データセンタ２の冷却に使用される、当該技術分野で既知の蒸気圧縮冷却システム１を示している。データセンタ２は、コンピュータシステム４を収容する建物３の形態をとる。建物３内の温度は、コンピュータシステム４の稼動により、多くの場合、周囲温度より高く、例えば５０℃まで上昇する。蒸気圧縮冷却システム１の目的は、コンピュータシステム４が過熱しないように建物３内の温度を下げることである。

【0004】

建物３内の高温（５０℃）の空気５は、循環ファン７によって循環ループ６に引き込まれる。循環ループ６を移動する間に、高温の空気５は蒸発器８を通過して熱を失う。その結果、温度２５℃の低温の空気９が建物３内に送り込まれる。

【0005】

蒸発器８は、一般に冷媒として知られる作動流体１１を含む密封された冷却ループ１０の一部である。蒸発器８は、高温空気５から作動流体１１に熱を伝達する。このため、蒸発器８は、より一般的には熱交換装置と考えることができる。熱は、作動流体１１の液体から気体への相変化を引き起こす。ガス状の作動流体１１は冷却ループ１０に沿って循環し、そこでコンプレッサ１２により圧縮されて、ガス状の作動流体１１の温度が、例えば６５℃まで上昇する。その後、高温（６５℃）の圧縮作動流体１１は、凝縮器１３で冷却されて、ガス状の作動流体１１が熱を放出し、凝縮して液体に戻り、その結果、例えば３５℃に温度が低下した液体圧縮作動流体が得られる。その後、液体作動流体１１の温度は、膨張バルブ１４により液体圧縮作動流体１１の圧力を下げることによって、例えば－３０℃までさらに低下する。低温（－３０℃）の非圧縮作動流体は、蒸発器に再循環され、そこで熱拡散によって再び高温空気５から作動流体１１に熱が移動する。このサイクルが繰り返されて、建物３から発生する高温空気５が継続的に冷却される。

【0006】

図１に示す蒸気圧縮冷却システム１は、作動に電力を必要とする。特に、循環ファン７、コンプレッサ１２および凝縮器１３はすべて電力を消費する。不利なことに、そのようなシステム１は大量の電力を消費する可能性がある。比較的大規模なデータセンタでは、町と同等の電力要件に相当する場合もある。そのような大規模な電力消費は、費用がかかり、環境にも大きな影響を与える。

【0007】

蒸気圧縮冷却システム１のもう一つの欠点は、すべての構成要素、特に循環ファン７、コンプレッサ１２および凝縮器１３の保守が必要なことである。これは追加の経済的負担となり、蒸気圧縮冷却システム１は、必要な保守による休止中は運転することができない。

【発明の概要】

【0008】

本発明の一態様の目的は、当該技術分野で知られている冷却システムの上述した欠点の１または複数を取り除くか、または少なくとも軽減する冷却システムを提供することである。

【0009】

本発明の第１の態様によれば、冷却装置が提供され、この冷却装置が、
ハウジングと、
ハウジング内に位置する第１の液体および第２の液体であって、第１の液体が、第２の液体よりも密度が高く沸点が低い、第１の液体および第２の液体と、
第１の液体に熱を伝達して第１の液体を蒸発させ、それにより第１の液体の蒸気を形成する熱交換装置と、
ハウジングを通って延びる複数の独立したエネルギー放散部材とを備え、独立したエネルギー放散部材が、第１の液体の蒸気と第２の液体の相互作用によって生じる流体の流れに応じて動き、ハウジングの外部のボリュームに熱を伝達する。

【0010】

独立したエネルギー放散部材は、各部材が他の部材と機械的に結合されていないため、独立したと呼ばれる。各部材の両端は自由に動くことができる。独立したエネルギー放散部材は、互いに対してランダムに動く。

【0011】

好ましくは、ハウジングが単一チャンバを含む。代替的には、ハウジングが、２以上のチャンバと、２以上のチャンバを接続する１または複数のパイプとを備える。

【0012】

最も好ましくは、ハウジングが密封可能である。冷却装置は閉じた冷却装置である。この構成では、第１および第２の液体が、動作中に追加されることも、除去されることもない。

【0013】

好ましくは、第１および第２の液体が、ハウジングの内部ボリュームを占める。第１および第２の液体は、ハウジングの内部ボリューム内で混ざり合うことができる。

【0014】

好ましくは、第１の液体が、ハウジングの第１の部分内に位置する。第２の液体は、ハウジングの第２の部分内に位置する。

【0015】

最も好ましくは、第１の液体が１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（Ｒ１２３３ＺＤ）であり、第２の液体が純水である。代替的には、第１の液体がジクロロトリフルオロエタンであり、第２の液体が純水である。代替的には、第１の液体が１，２－ジクロロテトラフルオロエタンであり、第２の液体が純水である。代替的には、第１の液体が１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロプロパンであり、第２の液体が純水である。代替的には、第１の液体がＲ１２３４ ＹＦであり、第２の液体が純水である。代替的には、第１の液体がＲ－１２３４ｚｅ（トランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロプ－１－エン）であり、第２の液体が純水である。

【0016】

任意選択的には、冷却装置が３以上の液体を含む。

【0017】

最も好ましくは、第１の液体に熱を伝達して第１の液体を蒸発させ、それにより第１の液体の蒸気を形成するための熱交換装置が、１または複数のパイプ、より具体的には、１または複数のコイル状パイプを含むことができる。１または複数のパイプは、ハウジングの基端部からハウジングの上端部まで通過することができる。

【0018】

追加的または代替的には、熱交換装置が、ハウジングの第１の部分を含むことができる。

【0019】

追加的または代替的には、熱交換装置が、１または複数の伝導性部材を含むことができる。

【0020】

追加的または代替的には、熱交換装置が、流体密封ケーシングを含むことができる。

【0021】

追加的または代替的には、熱交換装置が、蒸発器を含むことができる。

【0022】

任意選択的には、冷却装置が、１または複数のペレットをさらに含むことができる。１または複数のペレットは、冷却装置の内部ボリューム内に位置する。１または複数のペレットは、第１の液体および／または第２の液体内で浮遊する。１または複数のペレットの密度は、第１の液体の密度と第２の液体の密度との間である。ペレットは、第１の液体、第２の液体および／または第１の液体の蒸気と化学的に反応しない。好ましくは、ペレットは、磁気的に中性である。

【0023】

最も好ましくは、複数の独立したエネルギー放散部材が、複数のロッドの形態をとることができる。複数のロッドのうちの各ロッドは、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間の中央取付部分とを含むことができる。各ロッドは、ハウジングを通って延びる。各ロッドの第１の端部は、ハウジングの内部ボリューム内に延びる。第２の端部は、ハウジングの外部のボリューム内に延びる。各ロッドの取付部分は、ハウジングに取り付けられる。

【0024】

好ましくは、複数のロッドが、ハウジングの周りに均一に分布することができる。代替的には、複数のロッドが、ハウジングの周りに不均一に分布するものであってもよい。

【0025】

好ましくは、複数のロッドが、ハウジングに対して垂直に向くことができる。代替的には、複数のロッドが、ハウジングに対して非垂直に向くようにしてもよい。

【0026】

好ましくは、複数のロッドのうちの各ロッドの第１の端部が、少なくとも１の伝導性表面を有する拡大領域を備える。同様に、複数のロッドのうちの各ロッドの第２の端部が、少なくとも１の伝導性表面を有する拡大領域を備える。伝導性表面は、熱エネルギーの吸収および放散を容易にする。

【0027】

好ましくは、複数のロッドが、同じ材料組成を備えることができる。複数のロッドは銅を含むことができる。銅は高い熱伝導率を有する。

【0028】

任意選択的には、複数のロッドが保護コーティングを含むことができる。

【0029】

好ましくは、複数のロッドは、寸法、デザインおよび材料組成が均一である。代替的には、複数のロッドは、寸法、デザインおよび材料組成が不均一であってもよい。

【0030】

好ましくは、ハウジングが、入口ポートおよび出口ポートを含むことができる。入口ポートおよび出口ポートは、好ましくは密封可能である。

【0031】

任意選択的には、冷却装置が、凝縮ループをさらに備える。凝縮ループは、第１の液体の蒸気を凝縮し、第１の液体をハウジングの第１の部分に戻す。

【0032】

任意選択的には、冷却装置がシンクをさらに備える。シンクは、第１の液体を含むことができる。シンクは、好ましくはハウジングに接続される。シンクは、ハウジングの第１の部分内の第１の液体のレベルを維持する。

【0033】

任意選択的には、冷却装置が、ポンプシステムをさらに備える。ポンプシステムは、第１および第２の液体をハウジングの内外に送り出す。

【0034】

任意選択的には、冷却装置が、１または複数の貯蔵タンクをさらに備える。１または複数の貯蔵タンクは、ポンプシステムに接続される。

【0035】

任意選択的には、冷却装置が、１または複数のコンプレッサをさらに含むことができる。冷却装置は、リリーフバルブをさらに含むことができる。冷却装置は、膨張バルブをさらに含むことができる。冷却装置は、ドレインを有する分離器をさらに含むことができる。

【0036】

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様に係る冷却装置と、冷却対象の物体とを備える冷却システムが提供される。

【0037】

任意選択的には、冷却システムが、熱伝達装置をさらに含むことができる。

【0038】

任意選択的には、熱伝達装置が、循環ループを含むことができる。熱伝達装置は、循環ファンをさらに含むことができる。

【0039】

任意選択的には、循環ループが空気を含むことができる。循環ループは、物体から冷却装置に空気を循環させる。循環ループは、物体から冷却装置に高温空気を移送する。冷却装置は、高温空気を冷却する。

【0040】

代替的には、循環ループが流体を含むことができる。流体は、循環ループ内に密封される。流体は、物体または冷却装置を通過するが、循環ループの外部の流体と混ざり合うことはない。流体は、物体からの熱を吸収する。循環ループは、流体を冷却装置に循環させ、冷却装置は流体を冷却する。流体は冷媒であってもよい。

【0041】

代替的には、循環ループが、第１の流体を有する第１のループと、第２の流体を有する第２のループとを含むことができる。第１の流体は、第１のループ内に封入される。第２の流体は、第２のループ内に封入される。第１の流体は、物体からの熱を吸収する。第１のループは、第１の流体を熱交換器に循環させる。熱交換器は、第１の流体から第２の流体に熱を伝達する。第２のループは、第２の流体を冷却装置に循環させ、冷却装置は第２の流体を冷却する。第１および第２の流体は、異なるものであっても、同じものであってもよい。

【0042】

任意選択的には、熱伝達装置が１または複数の伝導性部材を含むことができる。１または複数の伝導性部材の第１の端部は、物体に熱的に接続される。１または複数の伝導性部材の第２の端部は、冷却装置に熱的に接続される。１または複数の伝導性部材の第２の端部は、ハウジングを通って冷却装置の内部ボリューム内に延びる。伝導性部材は、純銅を含む。伝導性部材は、熱拡散によって物体から冷却装置に熱を伝える。１または複数の伝導性部材の第２の端部は、冷却装置の熱交換装置として機能する。

【0043】

任意選択的には、冷却装置を物体の上方に配置することができる。物体内の対流により、高温空気が冷却装置に送られる。

【0044】

任意選択的には、物体が冷却装置であってもよい。物体は、冷却装置の機能を含むことができる。

【0045】

任意選択的には、冷却装置が、作動流体を有する冷却ループをさらに含むことができる。冷却ループは、冷却装置を含む。すなわち、冷却装置は、冷却ループの一構成要素である。冷却ループは、蒸発器、コンプレッサおよび膨張バルブをさらに備える。

【0046】

任意選択的には、冷却ループと循環ループがともに冷却装置を通過する。

【0047】

本発明の第２の態様の実施形態は、本発明の第１の態様の好ましい特徴または任意の特徴を実施するための特徴を含むことができ、その逆もまた同様である。

【0048】

本発明の第３の態様によれば、冷却装置の製造方法が提供され、この方法が、
・ハウジングを提供するステップと、
・ハウジング内に位置する第１の液体および第２の液体を提供するステップであって、第１の液体が、第２の液体よりも密度が高く沸点が低い、ステップと、
・第１の液体に熱を伝達して第１の液体を蒸発させ、それにより第１の液体の蒸気を形成する熱交換装置を提供するステップと、
・ハウジングを通って延びる複数の独立したエネルギー放散部材を提供するステップであって、独立したエネルギー放散部材が、第１の液体の蒸気と第２の液体の相互作用によって生じる流体の流れに応じて動き、ハウジングの外部のボリュームに熱を伝達する、ステップとを備える。

【0049】

好ましくは、冷却装置の製造方法が、冷却装置によって冷却される物体の特性を特定するステップをさらに含むことができる。

【0050】

好ましくは、物体の特性を特定することが、冷却を行わない場合の物体の温度、冷却を行う場合の物体の目標温度、物体の温度変動性、物体の寸法、形状、組成、位置およびアクセス性を特定することを含むことができる。

【0051】

好ましくは、冷却装置の製造方法が、物体とともに使用する冷却装置の最適なパラメータを決定するステップをさらに含むことができる。

【0052】

好ましくは、物体とともに使用する熱冷却装置の最適なパラメータを決定することが、物体の特性を利用することをさらに含むことができる。

【0053】

好ましくは、冷却装置の最適なパラメータを決定することが、冷却装置の寸法および形状、第１および第２の液体の量、相対比および化学組成、ロッドの分布、向き、寸法、デザインおよび材料組成、１または複数のペレットが必要であるかどうか、凝縮ループが必要であるかどうか、シンクが必要であるかどうか、１または複数の貯蔵タンクが必要であるかどうか、熱交換器の形態、並びに、冷却装置を冷却システムに組み込む方法を決定することを含む。

【0054】

本発明の第３の態様の実施形態は、本発明の第１および／または第２の態様の好ましい特徴または任意の特徴を実施するための特徴を含むことができ、その逆もまた同様である。

【0055】

本発明の第４の態様によれば、冷却システムの製造方法が提供され、この方法が、
・本発明の第３の態様に従って冷却装置を提供するステップと、
・冷却対象の物体を提供するステップとを備える。

【0056】

任意選択的には、冷却システムの製造方法が、循環ループを提供するステップをさらに含む。

【0057】

任意選択的には、冷却システムの製造方法が、伝導性部材を提供するステップをさらに含むことができる。

【0058】

任意選択的には、冷却システムの製造方法が、冷却装置を物体の上方に配置するステップを含むことができる。

【0059】

任意選択的には、冷却装置を提供することが、冷却装置の特徴を含むように、冷却対象の物体を変更することを含むことができる。

【0060】

任意選択的には、冷却システムの製造方法が、冷却ループを提供するステップをさらに含む。

【0061】

本発明の第４の態様の実施形態は、本発明の第１、第２および／または第３の態様の好ましい特徴または任意の特徴を実施するための特徴を含むことができ、その逆もまた同様である。

【図面の簡単な説明】

【0062】

以下、単なる例として、本発明の様々な実施形態を図面を参照して説明する。

【図1】図１は、当該技術分野で知られている冷却システムの概略図を示している。

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係る冷却システムの概略図を示している。

【図3】図３は、図２の冷却システム内で使用される冷却装置の概略断面図を示している。

【図4】図４は、図３の冷却装置の切欠斜視図を示している。

【図5】図５は、図３の冷却装置内で使用されるロッドの斜視図を示している。

【図6】図６は、図３の冷却装置の代替的な実施形態の概略断面図を示している。

【図7】図７は、図２の冷却システムの代替的な実施形態の概略図を示している。

【図8】図８は、図２の冷却システムのさらに代替的な実施形態の概略図を示している。

【図9】図９は、図２の冷却システムのさらに別の代替的な実施形態の概略図を示している。

【図10】図１０は、図２の冷却システムの代替的な実施形態の概略図を示している。

【図11】図１１は、図２の冷却システムの代替的な実施形態の概略図を示している。

【図12】図１２は、図２の冷却システムの代替的な実施形態の概略図を示している。

【図13】図１３は、図２の冷却システムの代替的な実施形態の概略図を示している。

【図14】図１４は、図２の冷却システムの代替的な実施形態の概略図を示している。

【図15】図１５は、図２の冷却システムの代替的な実施形態の概略図を示している。

【図16】図１６は、図２の冷却装置の製造方法のフローチャートを示している。

【0063】

以下の説明において、本明細書および図面全体を通して、同様の部品には同一の符号が付されている。図面は必ずしも縮尺通りではなく、特定の部分の比率は、本発明の実施形態の詳細および特徴をより良く説明するために誇張されている。

【発明を実施するための形態】

【0064】

以下、図２～図１６を参照して本発明を説明する。

【0065】

冷却システム
図２は、建物３内に収容されたコンピュータシステム４の形態をとるデータセンタ２を冷却するのに適した冷却システム１５ａを示している。冷却システム１５は、冷却装置１６と、データセンタ２から冷却装置１６に熱を伝達する熱伝達装置とを備える。図２の実施形態では、熱伝達装置が、循環ループ６ａと循環ファン７の形態をとる。循環ファン７は、建物３内の高温空気５を循環ループ６ａを介して冷却装置１６内に引き込む。

【0066】

より具体的には、循環ループ６ａは、高温空気５を冷却装置１６に導くパイプ１７を含む。冷却装置１６は高温空気５を冷却して、低温空気９を生成する。低温空気９は、循環ループ６ａを介して建物３内に循環し、コンピュータシステム４を冷却する。

【0067】

冷却装置
図２～図４を明確に見られるように、冷却装置１６は、実質的に円錐形の蓋１９を有する実質的に円筒形の密閉可能なハウジング１８を備える。ハウジング１８は、ステンレス鋼、具体的にはＳＡ５１６ ＧＲ．６５を含む。理解を容易にするため、図３および図４には、ｒ軸、θ軸、ｚ軸を有する円筒座標系が示されている。

【0068】

冷却装置１６は、第１の液体２０および第２の液体２１を含み、それらがともにハウジング１８内に位置していることが分かる。第１および第２の液体２０、２１は、ハウジング１８の内部ボリューム２２を占める。第１の液体２０は、第２の液体２１に比べて密度は高いが沸点は低い。そのため、第１および第２の液体２０、２１はハウジング１８内で自由に混合できるが、第１の液体２０はハウジング１８の底部にあるハウジング１８の第１の部分２３内に位置し、第２の液体２１は第１の液体２０の上方にあるハウジング１８の第２の部分２４内に位置する。

【0069】

一例として、第１の液体２０は、トランスクロロトリフルオロプロペンとも呼ばれる、トランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロプ－１－エン（Ｒ１２３３ＺＤ）であってもよく、第２の液体２１は、純水であってもよい。Ｒ１２３３ＺＤの密度は純水の約１．３倍であり、Ｒ１２３３ＺＤの沸点は１８．３℃であり、純水の沸点１００℃よりも低い。Ｒ１２３３ＺＤおよび純水を第１および第２の液体２０、２１として含む冷却装置１６は、データセンタ２からの１９℃を超える高温空気５を冷却するのに適している。冷却装置１６が動作するためには、第１および第２の液体２０、２１の両方が周囲温度で液体の形態であることが必要である。そのため、冷却装置１６を取り囲む環境の周囲温度は、第１および第２の液体２０、２１の沸点未満、この場合、１８．３℃未満である必要がある。

【0070】

第１および第２の液体２０、２１の更なる例を、第１および第２の液体２０、２１を含む冷却装置１６の動作温度範囲とともに表Ｉに示す。第１および第２の液体２０、２１の組合せは、異なる動作温度範囲およびシステム構成に適している可能性がある。表Ｉに開示の液体および組合せを超えて、異なる第１および第２の液体２０、２１、および第１および第２の液体２０、２１の異なる組合せを使用することにより、表Ｉに詳述されたものとは異なる動作温度範囲が達成され得ることが理解されよう。

【0071】

表Ｉ：第１の液体の例、第２の液体の例、第１および第２の液体を含む冷却装置によって冷却されるのに適した未冷却の高温空気の温度範囲の例、第１および第２の液体を含む冷却装置の使用例

【0072】

また、冷却装置１６は、熱交換装置２５も備え、この熱交換装置が、一定量の第１の液体２０を蒸発させるために、高温空気５から第１の液体２０（および第２の液体２１）に熱を伝達する。第１および第２の液体２０、２１は、データセンタ２からの熱を運ぶ高温空気５または外部流体に直接曝されない。図２および図３の実施形態では、熱交換装置２５が、冷却装置１６のｚ軸に沿って延びるコイル状パイプ２６の形態をとる。より具体的には、コイル状パイプ２６は、ハウジング１８の内部ボリューム２２内に配置されている。コイル状パイプ２６は、冷却装置１６を通して高温空気５を導く空気循環ループ６ａの一部と考えることができる。コイル状パイプ２６は、ハウジング１８の基端部２８に向かう入口２７と、円錐蓋１９内にある、ハウジング１８の上端部３０に向かう出口２９とを備える。

【0073】

冷却装置１６はさらに、複数の独立したエネルギー放散部材３１を含む。図３～図５に明確に見られるように、複数の独立したエネルギー放散部材３１はロッド３２の形態をとる。各ロッド３２は、第１の端部３３と、第２の端部３４と、第１の端部３３および第２の端部３４間の中央取付部分３５とを備える。各ロッド３２は、ハウジング１８を貫通して延びている。より具体的には、各ロッド３２の中央取付部分３５は、軸受３６によってハウジング１８に取り付けられている。各ロッド３２の第１の端部３３は、ハウジング１８の中心軸３７に向かってハウジング１８の内部ボリューム２２内に延びている。第２の端部３４は、ハウジング１８の外部に位置し、ハウジング１８の中心軸３７から半径方向に離れるように延びている。各ロッド３２の第１および第２の端部３３、３４は自由に動くことができる。軸受３６は、各ロッド３２の第１の端部３３から第２の端部３４への（およびその逆の）運動を平行移動させる。ロッド３２は、各ロッド３２が他のロッド３２のいずれとも機械的に結合されていないという点で独立している。このため、ロッドは独立しており、互いに対してランダムに動くことができる。

【0074】

ロッド３２は、ハウジング１８の周りにθ方向とＺ方向の両方に分布している。ロッド３２は、ハウジング１８の第２の部分２４に主に配置されている。図２～図４は、ロッド３２がハウジング１８の周りに均一に分布し、ハウジング１８に対して垂直に向き、長さなどの寸法がすべて均一であるものとして示されている。

【0075】

ロッド３２の１つを示す図５から分かるように、第１および第２の端部３３、３４は両方とも、熱伝導性表面３９ａ、３９ｂを有する拡大領域３８ａ、３８ｂを備える。第１の端部３３の拡大領域３８ａに位置する熱伝導性表面３９ａは、ハウジング１８内に含まれる液体２０、２１からの熱拡散による熱エネルギーの吸収を促進する。吸収された熱エネルギーは、ロッド３２に沿って第２の端部３４に伝導することができる。第２の端部３４の拡大領域３８ｂに位置する熱伝導性表面３９ｂは、熱拡散によって冷却装置１６の外部環境への熱エネルギーの放散を促進する。熱伝導性表面３９ａ、３９ｂは、ロッド３２の大部分と同じ材料で作られている。ロッド３２は、熱伝導性表面３９ａ、３９ｂを除くすべてを覆う保護コーティング４０を含むことができる。熱伝導性表面３９ａ、３９ｂは、高い熱伝導率を有する純銅などの異なる材料で作られてもよいことが理解されよう。

【0076】

図５に示すロッド３２は、第２の端部３４における熱伝導性表面３９ｂから突出する熱伝導性突起４１をさらに備える。熱伝導性突起４１は、熱伝導性表面３９ｂの表面積を増大させ、それによりロッド３２の第２の端部３４の熱エネルギー放散能力を増加させる。

【0077】

ロッド３２の寸法、デザインおよび組成は、所望の熱放散特性を達成するように最適化できることが理解されよう。例えば、ロッド３２の長さ、拡大領域３８ａ、３８ｂの寸法、熱伝導性表面３９ａ、３９ｂおよび／または熱伝導性突起４１の有無を変化させることにより、ロッド３２の熱放散特性を増減させることができる。

【0078】

ロッド３２は、互いに対してランダムに動作するように構成されている。さらに、各ロッド３２の寸法、デザインおよび材料組成を変えることができることが理解されよう。ロッド３２のばらつきは、ロッド３２の相対的なランダムな動きに寄与する可能性がある。

【0079】

ハウジング１８は、密封可能な入口ポート４２および密封可能な出口ポート４３を備える。密封可能な入口ポート４２は、ハウジング１８の第２の部分２４を介してハウジング１８の上端部３０に位置し、第１および第２の液体２０、２１をハウジング１８内に加えるための手段を提供する。同様に、密封可能な出口ポート４３は、ハウジング１８の第１の部分２３を介してハウジング１８の基端部２８に位置し、ハウジング１８から第１および第２の液体２０、２１を排出するための手段を提供する。ハウジング１８を正圧で満たし維持するために、ポンプシステム４４によって、第１および第２の液体２０、２１をハウジング１８に送り込み、かつハウジングから送り出すことができる。

【0080】

図３は、動作中の図２の冷却装置１６、すなわち高温空気５を冷却している様子を示している。冷却装置１６は閉じたデバイスであり、第１および第２の液体２０、２１が動作中に追加または除去されることはない。熱交換装置２５、すなわちコイル状パイプ２６は、第１の液体２０に熱を伝達する。そのため、第１の液体２０の一部が蒸発して第１の液体の蒸気が形成される。第１の液体の蒸気は、気泡４５の形態をとる。気泡４５は、第１の液体２０および第２の液体２１の両方よりも密度が低い。そのため、気泡４５は正のｚ方向に移動し、ハウジング１８の第２の部分２４に入り、第２の液体２１を通過する。高温空気５からの熱エネルギーは、気泡４５の運動の形態で運動エネルギーに変換される。

【0081】

気泡４５および第２の液体２１の相対運動および／または熱勾配の形態での相互作用により、流体の流れが生じる。より具体的には、流体の流れは、第１の液体２０、第２の液体２１および気泡４５の流れを含む。例えば、流体の流れは図３の矢印で示されている。この流体の流れは層流および／または乱流であってもよい。流体の流れは、ロッド３２の第１の端部３３を動かし、振動させ、かつ／または揺らす。このため、気泡４５の運動エネルギーは機械的エネルギーに変換される。気泡４５の層流の流れにより、気泡４５がロッド３２の第１の端部３３に直接衝突し、ロッド３２の向きを変える可能性がある。さらに、気泡４５および第２の液体２１の乱流により、ロッド３２の第１の端部３３の動きおよび／または機械的振動を引き起こす可能性がある。

【0082】

各気泡４５は運動エネルギーおよび熱エネルギーを放散する。その結果、各気泡４５は最終的に凝縮し、第１の液体２０の液泡４６を形成する。液泡４６の密度は第２の液体２１の密度よりも大きいため、液泡４６は、基端部２８に向かって沈み、ハウジング１８の第１の部分２３に戻る。液泡４６がハウジング１８の第２の部分２４を通って沈んで戻ることの利点は、液泡４６がさらに流体の流れを作り出し、ロッド３２内の動きおよび／または機械的振動を引き起こす可能性があることである。

【0083】

ロッド３２の第１の端部３３に引き起こされた運動は、軸受３６によってロッド３２の第２の端部３４に伝達される。ロッド３２の第１の端部３３によって吸収された熱は、ロッド３２に沿って第２の端部３４に伝導する。ロッド３２の第２の端部３４における機械的および熱的エネルギーは、冷却装置１６の周囲に放散される。このため、冷却装置１６は高温空気５を冷却する。その結果、低温空気９が建物３内に循環し、データセンタ２のコンピュータシステム２を冷却する。

【0084】

代替的な実施形態として、ハウジング１８は円筒形である代わりに、任意の規則的または不規則な三次元形状を取り得ることが理解されよう。

【0085】

追加的または代替的な実施形態として、冷却装置１６が第３の液体を含むことが理解されよう。冷却装置１６は複数の液体を含むことができる。

【0086】

追加的または代替的な実施形態として、ハウジング１８の周囲のロッド３２の分布は不均一であってもよい。別の追加的または代替的な実施形態として、ロッド３２は、ハウジング１８に対して垂直に向かなくてもよい。更なる追加的または代替的な実施形態として、ロッド３２の寸法、デザイン、材料組成、分布および向きを、計算により最適化することができる。

【0087】

追加的または代替的な特徴として、冷却装置１６は、ペレット４７をさらに備える。図６に見られるように、ペレット４７は、冷却装置１６の内部ボリューム２２内に位置し、第１および第２の液体２０、２１内で浮遊している。ペレット４７は、気泡４５と第２の液体２１の相互作用によって生じる流体の流れに応じて、ハウジング１８の内部ボリューム２２内を動き回る。ペレット４７はロッド３２と衝突し、流体の流れによって直接引き起こされる動きに加えて、更なる動き、より具体的にはロッド３２の機械的振動を引き起こす。ペレット４７の密度は、ペレット４７が第１および第２の液体２０、２１内で浮遊するときに重すぎたり浮きすぎたりしないように、第１および第２の液体２０、２１の密度の間である。さらに、ペレット４７は、第１の液体２０、第２の液体２１および気泡４５と化学的に反応しない。また、ペレット４７は、好ましくは磁気的にも中性である。ペレット４７の寸法および材料組成は、流体の流れとの所望の相互作用を達成するために最適化され得る。

【0088】

追加的または代替的な実施形態として、図６の冷却装置１６は、凝縮器４９を有する凝縮ループ４８をさらに備える。気泡４５がハウジング１８内で十分なエネルギーを失ったときに受動的に凝縮する代わりに、凝縮ループ４８は気泡４５を能動的に凝縮させる。より具体的には、気泡４５がハウジング１８の第２の部分２４を通過すると、気泡１６は凝縮ループ４８を通過し、そこで凝縮器４９が気泡４５を能動的に冷却して液泡４６に凝縮させる。液泡４６はハウジング１８の第１の部分２３に戻される。凝縮ループ４８は、例えば、冷却装置１６が過熱されて気泡４５がハウジング１８の上端部３０に蓄積し、ハウジング１８内の第１の液体のレベルが低下した場合に有利である。

【0089】

別の追加的または代替的な特徴として、図６の冷却装置１６は、第１の液体２０のシンク５０をさらに備える。シンク５０は、ハウジング１８に接続され、ハウジング１８の第１の部分２３内の第１の液体２０のレベルを維持する。第１の液体２０が冷却装置１６内で蒸発するにつれて、冷却装置１６内の圧力および／または体積の無視できない変化が引き起こされる可能性がある。シンク５０は、圧力および／または体積の変化を最小限に抑える。

【0090】

別の追加的または代替的な特徴として、図６の冷却装置１６は、貯蔵タンク５１をさらに備える。各貯蔵タンク５１は、表１に列挙されているような異なる液体を含み、それら貯蔵タンクはポンプシステム４４に接続されている。液体は、貯蔵タンク５１内に貯蔵するために圧縮することができる。ポンプシステム４４は、第１および第２の液体２０、２１をハウジング１８から取り出して、それぞれの貯蔵タンク５１内に容易に貯蔵することができる。また、ポンプシステム４４は、第１および第２の液体２０、２１を代替的な組合せの液体と容易に交換することができる。このため、第１および第２の液体２０、２１の組合せを、冷却装置１６の動作条件に応じて最適化することができる。動作要件に従って第１および第２の液体２０、２１を除去および交換するプロセスは、ポンプシステム４４によって自動化され得る。このため、ポンプシステム４４は、冷却装置１６とその周囲の状態を監視するセンサを含むことができる。図６には２つの貯蔵タンク５１が示されているが、第１および第２の液体２０、２１の数多くの代替的な組合せを提供する複数の貯蔵タンク５１が存在し得ることが理解されよう。

【0091】

第１の液体２０への熱伝達、第１の液体２０の蒸発による気泡４５の形成、気泡４５からエネルギー放散部材（すなわち、ロッド３２）への機械的エネルギーおよび熱エネルギーの伝達、および気泡４５の凝縮による液泡４６の形成のプロセスが、繰り返されて、サイクルを形成する。機械的エネルギーおよび熱エネルギーは、冷却装置１６によって継続的に放散される。

【0092】

冷却システム１５ａの主な利点は、動作に必要な電気エネルギーが少ないことである。図２の実施形態では、電力は循環ファン７を動作させるためにのみ必要とされる。冷却システム１５ａは、コンプレッサや凝縮器を含まない。そのため、冷却システム１５ａは、当該技術分野で知られている従来のシステム１よりも少ない電気エネルギーでデータセンタ２のコンピュータシステム４を冷却する。したがって、冷却システム１５ａは環境に優しい。なお、冷却装置１６は、電力を全く消費せずに動作することができる。そのため、冷却装置１６は受動的構成要素と見なすことができる。

【0093】

図７は、代替的な冷却システム１５ｂを示し、この冷却システムは、図２～図６に示す冷却システム１５ａと同じ好ましい特徴および任意の特徴を含むことができる。

【0094】

しかしながら、図２の循環ループ６ａの代わりに、図７の冷却システム１５ｂの熱伝達装置は、流体５２が封入された循環ループ６ｂの形態をとる。循環ループ６ｂは、流体５２をコンピュータシステム４に導くパイプ１７ｂを含む。熱は、コンピュータシステム４から循環ループ６ｂ内の流体５２に伝達される。

【0095】

コンピュータシステム４の近傍にあるパイプ１７ｂは、熱交換装置として機能し、コンピュータシステム４から流体５２への熱伝達を最大にするように配置することができる。例えば、パイプ１７ｂは、コンピュータシステム４の傍を複数回通過するようにジグザグに往復し、それにより流体５２がコンピュータシステム４に曝される時間を増加させて、流体５２に伝達される熱を最大化する。

【0096】

循環ポンプ７ｂは、加熱された流体５２を循環ループ６ｂのパイプ１７ｂを通して冷却装置１６に向けて循環させる。冷却装置１６は、加熱された流体５２を冷却し、冷却された流体５２は、より多くの熱を吸収するために、コンピュータシステム４に向けて再び循環される。コンピュータシステム４から熱を吸収し、熱を冷却装置１６に伝え、冷却装置１６によって熱を放散するプロセスが繰り返され、その結果、コンピュータシステム４が継続的に冷却される。循環ループ６ｂ内に密封された流体５２は、建物３内に含まれる空気など、循環ループ６ｂの外部の空気と混ざり合わない。流体５２は、当該技術分野で知られている冷媒など、任意の適切な流体とすることができる。

【0097】

循環ループ６ｂの利点は、冷却システム１５ｂの動作パラメータ、例えば動作温度範囲に応じて流体５２を選択できることである。循環ループ６ｂの流体５２は空気であってもよいが、循環ループ６ａとは対照的に、循環ループ６ｂは空気の循環に限定されるものではない。このため、循環ループ６ｂの流体５２は、冷却システム１５ｂを強化するのに望ましい熱的および化学的特性を有することができる。さらに、空気の代わりに特定の流体５２で動作することが、経済的に有利である場合もある。特に、循環ループ６ｂの流体５２は、空気での動作に必要な比較的高価な高圧装置を必要としない場合がある。

【0098】

図８は、代替的な冷却システム１５ｃを示し、この冷却システムは、図２～図７に示す冷却システム１５ａ、１５ｂと同じ好ましい特徴および任意の特徴を備えることができる。

【0099】

しかしながら、図２および図７の循環ループ６ａ、６ｂの代わりに、図８の冷却システム１５ｃの熱伝達装置は、第１のループ５３および第２のループ５４を有する循環ループ６ｃの形態をとる。第１のループ５３は、第１の流体５５を含む。第１の流体５５は、第１のループ５３内に封入されている。同様に、第２のループ５４は第２の流体５６を含む。第２の流体５６は、第２のループ５４内に封入されている。第１および第２の流体５５、５６は互いに混合せず、循環ループ６ｃの外部の空気とも混合しない。第１および第２の流体５５、５６は、循環ポンプ７ｃによって第１および第２のループ５３、５４を循環する。

【0100】

コンピュータシステム４からの熱は、第１のループ５３の第１の流体５５に伝達される。図７の第２の実施形態と同様に、コンピュータシステム４の近傍に位置する第１のループ５３のパイプ１７ｃは、熱交換装置として機能し、コンピュータシステム４から第１の流体５５への熱伝達を最大化するように配置することができる。

【0101】

第１のループ５３は、加熱された第１の流体５５を熱交換装置５７に移送する。熱交換装置５７は、第１のループ５３の第１の流体５５から第２のループ５４の第２の流体５６に熱を伝達する。第２のループ５４は、加熱された第２の流体５６を冷却装置１６に送り、冷却装置は、加熱された第２の流体５６を冷却する。この冷却された第２の流体５６は、第２のループ５４内を循環して熱交換装置５７に戻り、そこで、加熱された第１の流体５５を冷却する。その後、冷却された第１の流体５５は、第１のループ５３内を循環してコンピュータシステム４に戻り、そのサイクルを繰り返して熱を再吸収し、それによりコンピュータシステム４を継続的に冷却する。

【0102】

第１および第２のループ５３、５４の第１および第２の流体５５、５６は、同じであっても異なるものであってもよい。この場合も、図７の第２の実施形態と同様に、冷却システム１５ｃの動作パラメータに応じて、第１および第２の流体５５、５６を選択することができる。

【0103】

有利なことに、図８の冷却システム１５ｃは、冷却装置１６により、当該技術分野で知られている既存の冷却システムを改造するのに特に適している。図８の第１のループ５３は、当該技術分野で公知の冷却システムの一部として存在し得る。そのため、改造する場合には、第２のループ５４と冷却装置１６のみを導入すればよい。これにより、かなりの費用と時間を節約することができる。

【0104】

図８の循環ループ６ｃは、さらに第３のループ、より一般的には複数のループを含むことができることが理解されよう。熱交換装置と組み合わせた追加のループは、複数のデータセンタ２および／または複数の冷却装置１６を冷却システム１５ｃに接続するのに役立つ可能性がある。

【0105】

図９は、さらに代替的な冷却システム１５ｄを示し、この冷却システムは、図２～図８に示す冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃと同じ好ましい特徴および任意の特徴を備えることができる。

【0106】

図２および図８の循環ループ６ａ、６ｂ、６ｃの代わりに、図９の冷却システム１５ｄの熱伝達装置は、伝導性部材５８の形態をとり、各伝導性部材５８は、第１の端部５９がコンピュータシステム４に直接熱的に接続され、第２の端部６０が冷却装置１６に熱的に接続されている。伝導性部材５８の第２の端部６０は、ハウジング１８を通って冷却装置１６の内部ボリューム２２内に延びている。そのため、伝導性部材５８の第２の端部６０は、冷却装置１６内の第１および第２の液体２０、２１と直接熱接触している。伝導性部材５８は、純銅のような高伝導性の固体材料を含む。

【0107】

動作中、熱は、伝導性部材５８に沿った熱拡散によって、データセンタ２のコンピュータシステム４から冷却装置１６に伝達または輸送される。伝導性部材５８の第２の端部６０は、冷却装置１６の熱交換装置２５として機能し、冷却装置１６内の第１および第２の液体２０、２１に熱を伝達する。冷却装置１６は、伝導性部材５８全体にわたる熱勾配を維持しながら熱を放散する。このため、熱は冷却装置１６に継続的に伝達され、コンピュータシステム４を冷却する。

【0108】

有利なことに、図９の冷却システム１５ｄは、図２～図８に示す冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃよりも、制御および保守の必要性がさらに少ない。循環ループ６ａ、６ｂ、６ｃを循環する高温空気５や流体５２、５５、５６が存在しないため、可動部品の数が最小限に抑えられ、ポンプシステム４４や貯蔵タンク５１の必要性もない。図９の冷却システム１５ｄは、コンピュータシステム４からの熱を、伝導性部材５８全体の単なる熱拡散に依存して、冷却装置１６に伝達する固体状態のソリューションを提供する。

【0109】

図１０は、代替的な冷却システム１５ｅを示し、この冷却システムは、図２～図９に示す冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄと同じ好ましい特徴および任意の特徴を備えることができる。

【0110】

図２および図８の循環ループ６ａ、６ｂ、６ｃまたは図９の伝導性部材５８の代わりに、図１０の冷却システム１５ｅは、コンピュータシステム４から冷却装置１６に熱を伝達するための熱伝達装置として機能する別個の構成要素を必要としないように構成されている。

【0111】

図１０から分かるように、冷却装置１６は建物３の屋根の上に配置されている。冷却装置１６のハウジング１８の第１の部分１６は、建物３内に延在し、この第１の部分１６が建物３内の高温空気５に曝されるようになっている。

【0112】

冷却システム１５ｅは、建物３内に含まれる空気の対流によって動作する。動作中、建物３の床に配置されたコンピュータシステム４からの熱は、建物３の屋根まで上昇する。冷却装置１６のハウジング１８は、高温空気５がハウジング１８を介してハウジング１８内にある第１の液体２０に熱を伝えるという点で、熱交換装置２５として機能する。冷却装置１６に伝達された熱は放散される。このため、高温空気５は冷却されて、建物３の床に降下して戻り、コンピュータシステム４のために熱を吸収することができる。このプロセスが繰り返されることにより、コンピュータシステム４が継続的に冷却される。

【0113】

冷却装置１６の建物３内の高温空気５への露出度を変えることにより、冷却システム１５ｅの動作、具体的には放熱能力を変更することができることが理解されよう。換言すれば、冷却装置１６のより多くの部分が建物３内に延在し、ハウジング１８のより多くの部分が高温空気５と熱接触する場合、冷却装置１６はより多くの熱を吸収することになる。冷却装置の相対的な熱露出は、具体的な冷却システム１５ｅの特性に応じて最適化することができるパラメータである。

【0114】

図１１は、代替的な冷却システム１５ｆを示し、この冷却システムは、図２～図１０に示す冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅと同じ好ましい特徴および任意の特徴を含むことができる。

【0115】

図１１の冷却システム１５ｆは、図７の冷却システム１５ｂと、図１０の冷却システム１５ｄとを組み合わせたものである。

【0116】

図１１から分かるように、冷却装置１６は、図１０の冷却システム１５ｂと同様に、建物３の屋根の上に配置されている。ハウジング１８は、建物３からの高温空気５に曝されている。ハウジング１８は、高温空気５から冷却装置１６に熱が伝達されるため、熱交換装置として機能する。

【0117】

さらに、冷却システム１５ｆは、流体５２が封入された循環ループ６ｆの形態の熱伝達装置を備える。循環ループ６ｆの一部は、建物３内に配置され、追加の熱交換装置として機能する。循環ループ６ｆの流体５２は、高温空気５から熱を吸収する。加熱された流体５２は、冷却装置１６内に導かれ、冷却装置が、加熱された流体５２を冷却する

【0118】

冷却システム１５ｆは、高温空気５から冷却装置１６に熱を伝達する２つの機構、すなわち対流と循環ループ６ｆを備える。このため、冷却システム１５ｆは、有利なことに、図７および図１０の冷却システム１５ｂ、１５ｄよりも改善された効率を有する。

【0119】

図１２は、代替的な冷却システム１５ｇを示し、この冷却システムは、図２～図１１に示す冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆと同じ好ましい特徴および任意の特徴を含むことができる。

【0120】

建物３内に収容されたコンピュータシステム４の熱を冷却装置１６に伝達する代わりに、建物３自体が冷却装置１６ｇとなるように構成されている。そのため、熱伝達装置は不要である。建物３には、第１の液体２０および第２の液体２１が収容されている。コンピュータシステム４および第１の液体２０は、建物３の底部に向かって、建物３の第１の部分２３に位置し、第２の液体２１は、第１の液体２０の上方の、ハウジング１８の第２の部分２４に位置している。コンピュータシステム４は、コンピュータシステム４が第１の液体２０内に沈められるため、流体密封ケーシング６１を備える。流体密封ケーシング６１は、コンピュータシステム４と第１の液体２０との間のインターフェースとして機能する。このため、本実施形態では、冷却システム１６の熱交換装置２５が、流体密封ケーシング６１である。建物３は、ロッド３２のような複数の独立したエネルギー放散部材３１をさらに備える。

【0121】

動作中、建物３は、第１および第２の液体２０、２１が建物３から漏れないように流体密封されている。建物３は、図３の冷却装置１６と同様に、冷却装置１６ｇとして動作する。第１の液体２０は蒸発して気泡４５を形成し、それらが建物３内を上昇し、運動エネルギーと熱エネルギーをロッド３２に伝達する。ロッド３２は、気泡４５によって生じる動きを伝達するとともに、第１の端部３３から第２の端部３４へ、熱エネルギーを伝導し、建物３の外部環境にエネルギーを放散する。

【0122】

有利なことに、コンピュータシステム４が冷却装置１６ｇ内に配置されているため、コンピュータシステム４から冷却装置１６に熱を伝達する熱伝達装置を必要とせず、その結果、冷却システム１５ｇが簡素化される。

【0123】

図２～図１２の冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇは、高温空気５を周囲温度、例えば２０℃まで冷却することができる。しかしながら、それらの冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｇ、１５ｆは、高温空気５を周囲温度２０℃未満に冷却することはできない。冷却装置１６に入る空気が周囲と同じ温度である場合、冷却装置１６内に熱勾配は存在せず、空気から第１の液体２０に熱が移動することはない。

【0124】

図１３は、代替的な冷却システム１５ｈを示し、この冷却システムは、図２～図１２に示す冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇと同じ好ましい特徴および任意の特徴を備えることができる。

【0125】

図１３の冷却システム１５ｈは、図１に示す蒸気圧縮冷却システム１と類似している。しかしながら、図１とは対照的に、図１３の冷却ループ１０ｈは、凝縮器１３の代わりに、冷却装置１６ｈを備える。冷却ループ１０ｈは熱伝達装置である。

【0126】

図１３の冷却システム１５ｈは、図１の冷却装置１と同様に動作する。しかしながら、冷却装置１６は、従来の凝縮器１３の代わりに、高温の圧縮ガス状の作動流体１１を凝縮して液体に戻す。

【0127】

有利なことに、冷却システム１５ｈは、凝縮器に電力を供給する必要なく、高温空気５を周囲温度未満の温度まで冷却することができる。そのため、図１３の冷却システム１５ｈは、当該技術分野で知られている蒸気圧縮冷却システム１よりも運転コストが安く、環境に優しい。

【0128】

図１４は、代替的な冷却システム１５ｉを示し、この冷却システムは、図２～図１３に示す冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇ、１５ｈと同じ好ましい特徴および任意の特徴を備えることができる。

【0129】

図１４の冷却システム１５ｉは、図２および図１３の冷却システム１５ｂ、１５ｈを組み合わせたものである。

【0130】

図１４の冷却システム１５ｉは、循環ループ６ｉと冷却ループ１０ｉを備える。循環ループ６ｉと冷却ループ１０ｉはともに熱伝達装置である。循環ファン７ｉは、建物３からの高温空気５を循環ループ６ｉを介して蒸発器８に循環させる。しかしながら、図１３の実施形態とは対照的に、高温空気５は、蒸発器８に到達する前に、先ず、冷却装置１６ｉを通して導かれる。高温空気５は、冷却装置１６ｉによって部分的に冷却される。その後、得られた空気は蒸発器８に循環され、そこで冷却ループ１０によってさらに冷却される。

【0131】

冷却装置１６ｉは、図１４の冷却ループ１０ｉの一構成要素でもある。そのため、冷却装置１６ｉは、循環ループ６ｉの高温空気５と冷却ループ１０ｉの作動流体１１の両方を冷却する。冷却装置１６ｉは、第１のコイル状パイプ６２および第２のコイル状パイプ６３の形態の２つの熱交換装置２５を備える。第１のコイル状パイプ６２は、循環ループ６ｉの一部を形成し、冷却装置１６ｉを通して高温空気５を導く。第２のコイル状パイプ６３は、冷却ループ１０ｉの一部を形成し、冷却装置１６ｉを通して作動流体１１を導く。高温空気５と作動流体１１は、冷却装置１６ｉ内、より一般的には冷却システム１５ｉ内で混ざり合わない。

【0132】

冷却装置１６ｉの熱容量は、高温空気５と作動流体１１の両方を冷却するのに十分な大きさとなるように最適化されることが理解されよう。より具体的には、冷却装置１６ｉは、図２および図１３の冷却システム１５ｂ、１５ｈと比較して、より大きくすることができ、異なる第１および第２の流体２０、２１を有することができる。

【0133】

図１５は、代替的な冷却システム１５ｊを示し、この冷却システムは、図２～図１４に示す冷却システム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇ、１５ｈ、１５ｉと同じ好ましい特徴および任意の特徴を備えることができる。

【0134】

図１５の冷却システム１５ｊは、作動流体１１ｊを含む密封冷却ループ１０ｊを備える。図１５の実施形態では、作動流体１１ｊが、冷却装置１６ｊの第１の液体２０としても機能する。

【0135】

冷却ループ１０ｊは、データセンタ２の建物３内に配置された蒸発器８ｊを備える。蒸発器８ｊは、建物３内の高温空気５ｊ（例えば、１０℃）から冷却ループ１０ｊの作動流体１１ｊに熱を伝達し、液体から気体への相変化を誘発する。

【0136】

ガス状の作動流体１１ｊは、循環して第１のチャンバ６４内に蓄積される。第１のチャンバ６４は第２のチャンバ６５に流体接続されている。第１および第２のチャンバ６４、６５の間には、コンプレッサ１２ｊが配置され、その後にリリーフバルブ６６が配置されている。コンプレッサ１２ｊは、ガス状の作動流体１１ｊを、例えば４０～５０℃の温度を有する高温の液体作動流体１１ｊに圧縮する。リリーフバルブ６６は、高温の液体作動流体１１ｊを第２のチャンバ６５に放出する。リリーフバルブ６６は、第２のチャンバ６５に流入する高温の液体作動流体１１ｊの流量および圧力を制御する。作動流体１１ｊは、第２のチャンバ６５に入る前に圧縮され、熱容量が増大する。

【0137】

第２のチャンバ６５は、第２の液体２１を含む。第２の液体２１は、液体作動流体１１ｊよりも密度が低いが沸点が高い。高温の液体作動流体１１ｊは第２のチャンバ６５に入ると、第２の液体２１と混ざり合う。高温の液体作動流体１１ｊは、図２～図１４の第１～第９の実施形態の冷却装置１６において説明したように、減圧されてガスになり、第２のチャンバ６５を気泡となって上昇し、第２のチャンバ６５を通って伸びる独立したエネルギー放散部材３１ｊにエネルギーを放散させる。このため、作動流体１１ｊは、第１の液体２０として機能する。

【0138】

ガス状の作動流体１１ｊは、例えば８℃まで冷却される。冷却されたガス状の作動流体１１ｊは、第２のチャンバ６５から吸い出され、さらに冷却ループ１０ｊを循環し、そこで別のコンプレッサ１２ｊにより圧縮されて、例えば２０℃まで温度が上昇する。コンプレッサ１２ｊは、作動流体１１ｊを冷却ループ１０ｊに沿って循環させるのを補助するポンプとして機能することもできる。圧縮された作動流体１１ｊは、第２のチャンバ６５を通って延びるコイル状パイプ２６ｊを通って循環される。コイル状パイプ２６は熱交換装置として機能し、圧縮された作動流体１１ｊから第２のチャンバ６５内の流体に熱を伝え、それにより作動流体１１ｆをさらに冷却する。

【0139】

冷却された作動流体１１ｆ（８℃）は凝縮して液体になり、膨張バルブ１４ｊを介して建物３に戻って循環される。膨張バルブ１４ｊは、冷却された作動流体１１ｆの圧力を下げ、例えば－３８℃まで減圧する。低温（－３８℃）の非圧縮液体作動流体１１ｆは蒸発器８ｊに再循環され、そこで熱拡散により高温空気５ｊから作動流体１１ｊに再び熱が移動する。このサイクルが繰り返されて、建物３の高温空気５ｊが周囲温度未満に継続的に冷却される。

【0140】

図１５の冷却装置１６ｊのハウジング１８ｊは、第１のチャンバ６４、第２のチャンバ６５およびパイプ１７の組合せを含み、冷却ループ１０ｊを形成する。第１の液体２０は作動流体１１ｊでもあり、冷却ループ１０ｊ全体にわたって位置する。この実施形態は、冷却装置１６ｊのハウジング１８ｊが単一チャンバの形態をとる必要はなく、より一般的には、接続パイプと組み合わせて複数のチャンバを含むことができることを示している。有利なことに、複数のチャンバを含むハウジング１８は、特定の冷却システム１５のための適切な冷却装置１６を設計する際に、より高い柔軟性を提供することができる。

【0141】

さらに、この実施形態は、冷却ループ１０ｊの作動流体１１ｊが、冷却装置１６ｊの第１の液体２０としても機能し得ることも示している。有利なことに、これにより、冷却システム１５が２つの流体で動作できる場合に、作動流体、第１の液体および第２の液体の３つの流体を含む必要がなくなる。

【0142】

追加的な特徴として、図１５の冷却ループ１０ｊは、分離器６７を含むことができる。第２のチャンバ６５から吸い上げられた冷却された作動流体１１ｊは、冷却ループ１０ｊに沿ってさらに循環される前に、分離器６７を通過する。分離器６７は、第２のチャンバ６５から出る作動流体１１ｊと混合された残留する第２の液体２１を分離する。分離された第２の液体２１は、ドレイン６８によって第２のチャンバ６５内に戻される。分離器６７は、第２の液体２１が第２のチャンバ６５に閉じ込められ、作動流体１１ｊのみが冷却ループ１０ｊに沿って循環することを保証する。

【0143】

分離器６７は、冷却ループ１０ｊの別個の構成要素として図１５に示されているが、分離器６７は、第２のチャンバ６５の出口に配置されたコンプレッサ１２ｊの一体構成要素としての形態をとることもできることが理解されよう。

【0144】

さらに追加的な特徴として、図１５の冷却システム１５ｊは、高温空気５ｊを蒸発器８ｊ内に引き込んで、蒸発器を通過させる循環ファン７ｊを含むことができる。代替的には、蒸発器８ｊは、高温空気５ｊを蒸発器８ｊに取り込んで、蒸発器を通過させる一体型の循環ファンを含むことができる。

【0145】

図２～図１５の冷却システム１５は、建物３内のデータセンタ２、具体的にはコンピュータシステム４を冷却するものとして説明されている。冷却システム１５は、データセンタ２の冷却に限定されるものではなく、熱源や建物などの任意の適切な物体を冷却するために採用され得ることが理解されよう。例えば、冷却システム１５は、オフィスビルまたはチルド食品用の冷却室を冷却するために採用することができる。

【0146】

冷却装置の製造方法
図１６は、冷却装置１６の製造方法のフローチャートを示している。この方法は、ハウジングを提供するステップ（Ｓ１００１）と、ハウジング内に位置する第１および第２の液体を提供するステップであって、第１の液体が第２の液体よりも密度が高く沸点が低い、ステップ（Ｓ１００２）と、第１の液体に熱を伝達して第１の液体を蒸発させ、それにより第１の液体の蒸気を形成する熱伝達装置を提供するステップ（Ｓ１００３）と、ハウジングを通って延びる複数の独立したエネルギー放散部材を提供するステップとを備え、独立したエネルギー放散部材が、第１の液体の蒸気と第２の液体との相互作用によって生じる流体の流れに応じて動き、ハウジングの外部のボリュームに熱を伝達する。

【0147】

さらに、冷却装置１６の製造方法は、任意選択的に、データセンタ２などの冷却対象の物体を特性評価するステップを含むことができる。例えば、これには、冷却を行わない場合の物体の温度、冷却を行った場合の物体の目標温度、物体の温度変動性、物体の寸法、形状、組成、位置、アクセス性などの特性を評価することが含まれる。

【0148】

更なる追加として、冷却装置１６の製造方法は、任意選択的に、物体の特性を利用して、冷却装置１６の最適なパラメータを決定するステップを含むことができる。例えば、この最適化プロセスには、冷却装置１６の寸法および形状、第１および第２の液体２０、２１の量、相対比および化学組成、ロッド３２の分布、向き、寸法、デザインおよび材料組成、ペレット４７が必要かどうか、凝縮ループ４８が必要かどうか、シンク５０が必要かどうか、貯蔵タンク５１が必要なかどうか、熱交換装置２５の形態、例えば複数のコイル状パイプ２６が必要かどうか、冷却装置１６を冷却システムに組み込む方法を決定することが含まれる。パラメータ依存性の一例として、物体の温度が高いほど、また物体の非冷却温度と物体の所望の冷却温度との差が大きいほど、冷却装置１６の必要な冷却能力も大きくなる。第１および第２の液体２０、２１を選択する際には、熱容量、相対密度、相対沸点などの要素が重要な考慮事項となる。冷却装置１６を最適化することは、冷却装置１６が確実に動作することができるため、換言すれば、物体が任意の量の第１の液体２０を蒸発させるのに十分な熱を提供することになるため、有利である。さらに、最適化により、冷却装置１６が効率的に動作することが保証される。

【0149】

冷却システムの製造方法
冷却システム１５の製造方法は、上述したように、図１６に示すフローチャートに従って冷却装置１６を提供するステップと、冷却対象のデータセンタ２などの物体を提供するステップとを備える。

【0150】

加的または代替的な特徴として、冷却システム１５の製造方法は、任意選択的に、熱伝達装置を提供して、物体から冷却装置１６に熱を伝達するステップを含むことができる。熱伝達装置は、循環ファン７または伝導性部材５８と組み合わせた１または複数の循環ループ６の形態をとることができる。追加的または代替的には、対流により物体から冷却装置１６に熱が伝わるように、物体の上方に冷却装置１６を配置することができる。

【0151】

更なる追加的または代替的な特徴として、冷却システム１５の製造方法は、任意選択的に、冷却ループ１０を提供するステップを含むことができる。冷却ループ１０は、当該技術分野で知られている熱力学的サイクルを作動させて、作動流体１１を周囲温度未満に冷却する。

【0152】

本明細書に開示の冷却システム１５は、数多くの利点を有する。各冷却システム１５の様々な利点が示されている。全体として、冷却システム１５はすべて、受動的に熱を放散する冷却装置１６を備える。冷却装置１６は、電力を供給することなく動作することができるため、経済的に有利であり、環境にも優しい。

【0153】

有利なことに、冷却装置１６は、数多くの冷却システム１５に組み込むことができる。例えば、冷却装置１６は、循環ループ６内の空気または流体を冷却することができる。さらに、冷却装置１６は、凝縮器を交換することにより、蒸気圧縮冷却システムなどの既存の冷却システムに後付けすることができる。さらに、冷却装置１６は、循環ループ６と冷却ループ１０を含む冷却システム１５に適している。冷却装置１６は、循環ループ６内の流体と冷却ループ１０内の作動流体１１の両方を冷却することができる。そのような冷却システム１５は、周囲温度より低い温度まで冷却することができる。

【0154】

冷却装置１６は、従来の熱力学的サイクルに依存せず、その代わりに、第１の液体２０の相変化を利用して、流体の流れを生成し、それに続くロッド３２との相互作用により、熱を放散するための代替メカニズムを提供する。冷却装置１６は、可動構成要素を最小限に抑え、必要とされる保守の量を減らし、装置の寿命を最大限に延ばすことができる。

【0155】

さらに、冷却装置１６は、冷却される様々な物体に適合できるように拡張可能である。そのため、冷却装置の寸法は、所望のサイズおよび結果として生じる費用に適合させることができる。冷却装置１６は、最小限の可動構成要素を有する密封された装置であるため、比較的安全である。

【0156】

冷却装置１６は、ロッド３２、特に伝導性表面３９および伝導性突起４１を特定の冷却システム１５に合わせて最適化できるため、カスタマイズ可能である。

【0157】

冷却装置が開示されている。冷却装置は、ハウジングと、ハウジング内に位置する第１の液体と第２の液体とを備える。第１の液体は、第２の液体よりも密度が高く、沸点が低い。冷却装置は、第１の液体に熱を伝達して第１の液体を蒸発させ、それにより第１の液体の蒸気を形成する熱交換装置をさらに備える。また、冷却装置は、ハウジングを通って延びる複数の独立したエネルギー放散部材も備える。それら部材は、第１の液体の蒸気と第２の液体との相互作用によって生じる流体の流れに応じて動き、ハウジングの外部のボリュームに熱を伝達する。この冷却装置は、最小限の電力で、あるいは電力を消費することなく、物体を冷却することができる。そのため、冷却装置は環境に優しく、運転コストも低い。

【0158】

本明細書を通じて、文脈から明らかにそうでないことが要求されない限り、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」または「ｉｎｃｌｕｄｅ」という用語、または「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」などのそれらの変化形は、記載の完全体または完全体群を含むことを意味するが、他の完全体または完全体群の除外を意味するものではないことを理解されたい。さらに、文脈から明らかにそうでないことが要求されない限り、「または」という用語は、排他的ではなく包含的であると解釈される。

【0159】

本発明の上記説明は、例示および説明を目的として提示したものであり、網羅的であること、または開示された正確な形態に本発明を限定することを意図するものではない。記載の実施形態は、本発明の原理およびその実際の応用を最もよく説明し、それによって当業者が、想定される特定の用途に適した様々な実施形態および様々な変更を加えて本発明を最大限に利用できるようにするために、選択および記載されたものである。したがって、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、更なる変更または改良を組み入れることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【国際調査報告】