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(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】2024-09-10
(54)【発明の名称】能動／受動冷却システム
(51)【国際特許分類】
F28D 15/02 20060101AFI20240903BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20240903BHJP
F25B 39/02 20060101ALI20240903BHJP
H05K 7/20 20060101ALI20240903BHJP
G06F 1/20 20060101ALI20240903BHJP
【ＦＩ】
F28D15/02 101L
F25B1/00 399Y
F25B1/00 396S
F28D15/02 E
F28D15/02 R
F25B39/02 M
H05K7/20 Q
G06F1/20 A
G06F1/20 C
G06F1/20 D
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024506195
(86)(22)【出願日】2022-07-29
(85)【翻訳文提出日】2024-03-27
(86)【国際出願番号】 US2022038815
(87)【国際公開番号】W WO2023014594
(87)【国際公開日】2023-02-09
(31)【優先権主張番号】17/395,873
(32)【優先日】2021-08-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】512033006
【氏名又は名称】マンターズ コーポレイション
【氏名又は名称原語表記】ＭＵＮＴＥＲＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
(74)【代理人】
【識別番号】100073184
【弁理士】
【氏名又は名称】柳田 征史
(74)【代理人】
【識別番号】100175042
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 秀明
(74)【代理人】
【識別番号】100224775
【弁理士】
【氏名又は名称】南 毅
(72)【発明者】
【氏名】バウチャー，マイケル
(72)【発明者】
【氏名】ニューウォルド，ラファエル
(72)【発明者】
【氏名】ダンナヴァント，ブライアン キース
(72)【発明者】
【氏名】ロバーツ，ジョン
(72)【発明者】
【氏名】ディネイジ，ポール エー
(72)【発明者】
【氏名】ファン，ウェイ
【テーマコード（参考）】
5E322
【Ｆターム（参考）】
5E322AA01
5E322AA05
5E322AA09
5E322AB10
5E322BA05
5E322BB03
5E322BB05
5E322DA01
5E322DA02
5E322DA04
5E322DB02
5E322DB07
5E322DB12
5E322EA05
5E322EA11
5E322FA01
(57)【要約】
冷却組立体は一次冷却媒体を収容する蒸発器、受動凝縮器、熱交換器、及び一次冷却媒体の前記蒸発器内への流れを制御する流れ制御弁を備える。二次冷却媒体が該熱交換器に提供されると、前記蒸発器と前記受動凝縮器の間及び前記蒸発器と該熱交換器の間に位置するどんな弁も操作することなく、気相にある前記一次冷却媒体は前記受動凝縮器によって受け取られるから該熱交換器へ切り替わる。前記蒸発器と前記熱交換器の間及び前記蒸発器と前記受動凝縮器の間の前記一次冷却媒体の流路内に前記一次冷却媒体を循環するポンプ無しで、前記一次冷却媒体は前記蒸発器と前記受動凝縮器の間及び前記蒸発器と前記熱交換器の間を自然循環及び重力により循環する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷却システムであって、一次冷却媒体を収容する蒸発器であって、処理流体を受け取り、前記処理流体を受け取ると前記一次冷却媒体の相を液体から気体へ変えるように構成された蒸発器と、
外面を有し前記蒸発器に流体的に結合された受動凝縮器であって、気流が前記外面を横切って流されるように構成され、前記気流が前記外面を横切って流れる時、（１）気相にある前記一次冷却媒体を前記蒸発器から受け取り、（２）熱を前記一次冷却媒体から移送し、（３）前記一次冷却媒体の相を気体から液体へ変え、（４）液相にある前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給するように構成された受動凝縮器と、
前記蒸発器に流体的に結合され二次冷却媒体が選択的に提供されるように構成された熱交換器であって、
（ａ）前記二次冷却媒体が該熱交換器に提供されると、前記蒸発器と前記受動凝縮器の間及び前記蒸発器と該熱交換器の間に位置するどんな弁も操作することなく、気相にある前記一次冷却媒体の少なくとも一部は前記受動凝縮器によって受け取られるから該熱交換器へ切り替わり、該熱交換器は（１）気相にある前記一次冷却媒体を前記蒸発器から受け取り、（２）前記一次冷却媒体から熱を移送し、（３）前記一次冷却媒体の相を気体から液体へ変化させ、（４）液相の前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給するように構成され、
（ｂ）前記二次冷却媒体が該熱交換器に提供されないと、該熱交換器は前記液相の前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給しない、熱交換器と、
前記熱交換器と前記蒸発器の間の流路及び前記受動凝縮器と前記蒸発器の間の流路に配置され、複数の開位置を有し液相にある前記一次冷却媒体の前記蒸発器内への流れを制御するように構成された流れ制御弁と
を備え、
前記蒸発器と前記熱交換器の間及び前記蒸発器と前記受動凝縮器の間の前記一次冷却媒体の流路内に前記一次冷却媒体を循環するポンプ無しで、前記一次冷却媒体は前記蒸発器と前記受動凝縮器の間及び前記蒸発器と前記熱交換器の間を自然循環及び重力により循環する、冷却システム。
【請求項2】
前記流れ制御弁の位置を前記複数の開位置の間で切替制御するように構成された制御器を更に備える請求項１記載の冷却システム。
【請求項3】
前記制御器は前記流れ制御弁の位置を前記蒸発器内の熱吸収量に基づいて制御するように構成される、請求項２記載の冷却システム。
【請求項4】
前記制御器は前記流れ制御弁の位置を前記処理流体が前記蒸発器を通って流れる時に前記処理流体によって放出された熱量に基づいて制御するように構成される、請求項２記載の冷却システム。
【請求項5】
前記制御器は前記流れ制御弁の位置を前記受動凝縮器によって放出された熱量に基づいて制御するように構成される、請求項２記載の冷却システム。
【請求項6】
前記制御器は前記流れ制御弁の位置を前記気流が前記受動凝縮器を通って流れる時に前記気流によって吸収された熱量に基づいて制御するように構成される、請求項２記載の冷却システム。
【請求項7】
前記二次冷却媒体が前記熱交換器に提供されると、前記制御器は前記流れ制御弁の位置を前記熱交換器によって放出された熱量に基づいて制御するように構成される、請求項２記載の冷却システム。
【請求項8】
前記二次冷却媒体が前記熱交換器に提供されると、前記制御器は前記流れ制御弁の位置を前記二次冷却媒体が前記熱交換器を通って流れる時に前記二次冷却媒体によって吸収された熱量に基づいて制御するように構成される、請求項２記載の冷却システム。
【請求項9】
前記制御器は前記流れ制御弁の位置を前記蒸発器を出る気相の前記一次冷却媒体の過熱度に基づいて制御するように構成される、請求項２記載の冷却システム。
【請求項10】
前記制御器は前記流れ制御弁の位置を前記二次冷却媒体が前記熱交換器に提供されているか否かに基づいて制御するように構成される、請求項２記載の冷却システム。
【請求項11】
前記処理流体は空気である、請求項１記載の冷却システム。
【請求項12】
前記処理流体は液体である、請求項１記載の冷却システム。
【請求項13】
誘電体によって冷却される少なくとも１つの電子部品と、請求項１記載の冷却システムであって、前記誘電体を冷却する冷却システムとを備える電子システム。
【請求項14】
前記処理流体は前記誘電体である、請求項１３記載の電子システム。
【請求項15】
前記二次冷却媒体は圧縮機及び膨張弁を含む直接膨張冷却システムの冷媒である、請求項１記載の冷却システム。
【請求項16】
前記二次冷却媒体は冷水である、請求項１記載の冷却システム。
【請求項17】
前記二次冷却媒体が前記熱交換器に提供されると、前記一次冷却媒体の一部は前記受動凝縮器及び前記熱交換器両方によって受け取られ、（１）前記一次冷却媒体から熱を移送し、（２）前記一次冷却媒体の相を気体から液体に変え、（３）液相にある前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給する、請求項１記載の冷却システム。
【請求項18】
処理流体を冷却する方法であって、処理流体を蒸発器を通して流し熱を前記処理流体から前記蒸発器内の一次冷却媒体に移送し前記一次冷却媒体を液相から気相に変えるステップと、
熱交換器及び受動凝縮器のうち少なくとも１つを選択的に使用して、前記熱交換器及び前記受動凝縮器のうち前記少なくとも１つを冷却することで前記一次冷却媒体を気相から液相に変えるステップであって、前記熱交換器及び前記受動凝縮器のそれぞれは前記蒸発器に結合され気相の前記一次冷却媒体を前記蒸発器から受け取り、液相の前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給する、ステップと、
前記蒸発器内の液体レベルを制御するステップと、
前記一次冷却媒体を前記蒸発器と前記熱交換器及び前記受動凝縮器のうち前記少なくとも１つとの間で自然循環により循環させるステップと
を含み、
前記蒸発器と前記受動凝縮器を結合するどんな弁も前記蒸発器と前記熱交換器を結合するどんな弁も操作することなく、前記熱交換器の冷却を開始することで前記熱交換器が選択される、方法。
【請求項19】
前記熱交換器を冷却することは、二次冷却媒体を使用して前記一次冷却媒体の相を気体から液体に変えることを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項20】
前記受動凝縮器を冷却することは、気流を前記受動凝縮器を横切って流すことを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項21】
前記蒸発器と前記受動凝縮器を結合するどんな弁も前記蒸発器と前記熱交換器を結合するどんな弁も操作することなく、前記熱交換器の冷却を停止することで前記受動凝縮器が選択される、請求項１８記載の方法。
【請求項22】
前記熱交換器の冷却により前記熱交換器が選択されると、前記受動凝縮器も使用して前記一次冷却媒体を気相から液相に変えるステップを更に含む請求項１８記載の方法。
【請求項23】
前記処理流体は液体である、請求項１８記載の方法。
【請求項24】
前記蒸発器内の液体レベルを制御する前記ステップは、前記熱交換器と前記蒸発器の間の流路と前記受動凝縮器と前記蒸発器の間の流路に位置する流れ制御弁を複数の開位置のうち１つに設定することを含む、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、冷却システムとそれを制御するシステム及び方法に関する。特に本発明は、能動モードと受動モード両方を有する冷却システムに関する。特に適切な用途は、例えばデータセンター冷却システムである。
【背景技術】
【0002】
データセンターはしばしば稼働するために多量のエネルギーを必要とする。データセンター内のサーバーは多量の熱を発生させ、冷却を必要とする。データセンターのエネルギー使用を減らすために、より効率的な冷却システムが望まれている。
【0003】
ヒートパイプ及び熱サイフォンはより高温の蒸発器部からより低温の凝縮器部へエネルギーを密閉冷媒体の蒸発及び凝縮により移送する装置である。凝縮器部から蒸発器部への冷媒の移送は重力か又は毛管力によって生じる。ヒートパイプはデータセンター冷却において間接節約装置として使用されてきた。これらの設備では、データセンターからの暖気は、例えばヒートパイプの蒸発器部を通って再循環され、密閉冷媒がデータセンターからの熱で気化されデータセンター空気を冷却する。より冷たい周囲空気がヒートパイプの凝縮器部に吹き付けられ、冷媒蒸気が凝縮されデータセンター熱が排出される。幾つかの用途では、周囲空気はヒートパイプの凝縮器部を通過する前に先ず蒸発冷却器で断熱冷却されてより低温の熱吸収を生じさせる。別の構成では、周囲空気がヒートパイプの凝縮器部の表面を横切って通過するのと同時にヒートパイプの凝縮器部に水を噴霧してもよく、周囲湿球温度に近い熱吸収温度を生じさせる。
【0004】
これらの設備では、ヒートパイプ及び熱サイフォンは周囲温度条件によって制限され、周囲温度が高い時、十分な熱排出を提供しないことがある。この制限への１つの解決策は、直接膨張（ＤＸ）冷却システム（能動モード）などの機械式冷却システムを取り込み熱サイフォンと同様に動作する疑似受動モードを有するポンプ付き冷媒システムである。これらのシステムは凝縮器から蒸発器へ液体冷媒を移動させるポンプを含む。ポンプを使用することで、蒸発器及び凝縮器圧力降下並びに重力効果と無関係に冷媒の流れを制御できる。この手法は、ポンプがかなりの量の熱エネルギーを移送するのに少量の動力を必要とするだけなので疑似受動である。ポンプ付き冷媒システムでは、ポンプを止めることができ、弁を操作することで圧縮機及び膨張弁がシステム冷媒流れ内に一体化されうり、このシステムが直接膨張冷却システムとして働くのを許す。
【0005】
直接膨張システムにおけるシステム設計制約は、一般的にシステムの複数の並列蒸発器及び凝縮器回路を通る均一な冷媒流を提供するためにシステムの蒸発器及び凝縮器部において小さな圧力降下を要求する。システムが疑似受動モードで動作時にポンプが冷媒液を循環させるよう要求するのはこれらの圧力降下のためである。冷媒回路は圧縮機システムを含むので、冷媒塊も潤滑のために油を含む必要がある。ポンプ付き冷媒システムには冷媒速度のための最良実施（所謂「油管理」）などの様々な設計及び稼働制約があり、これらは油がシステムの様々な長さの配管内で留まらず圧縮機（油が必要）に確実に戻ることを保証する。これらの油管理制約は、ポンプ稼働モードの流路及び流量がＤＸモードに必要な規則と一致しないことがあるので、ポンプ稼働モード（疑似受動モード）で動作時に問題となる。システム内の適切な動作のための冷媒塊はまた、例えば使用可能な過熱及び過冷レベル並びにコイル溢れレベルが異なるので、ポンプ稼働モード時とＤＸモード時で全く異なることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従って、エネルギー使用を更に低減した冷却システムが望まれ、受動又は疑似受動モードにおいて油管理を必要としない冷却システムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
１つの態様では、本発明は一次冷却媒体を収容する蒸発器、受動凝縮器、及び熱交換器を備える冷却システムに関する。蒸発器は処理流体を受け取り、前記処理流体を受け取ると前記一次冷却媒体の相を液体から気体へ変えるように構成される。前記受動凝縮器は外面を有し前記蒸発器に流体的に結合される。前記受動凝縮器は気流が前記外面を横切って流されるように構成される。前記受動凝縮器は前記気流が前記外面を横切って流れる時、（１）気相にある前記一次冷却媒体を前記蒸発器から受け取り、（２）熱を前記一次冷却媒体から移送し、（３）前記一次冷却媒体の相を気体から液体へ変え、（４）液相にある前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給するように構成される。熱交換器は前記蒸発器に流体的に結合され二次冷却媒体が選択的に提供されるように構成される。前記二次冷却媒体が該熱交換器に提供されると、前記蒸発器と前記受動凝縮器の間及び前記蒸発器と該熱交換器の間に位置するどんな弁も操作することなく、気相にある前記一次冷却媒体は前記受動凝縮器によって受け取られるから該熱交換器へ切り替わる。該熱交換器は（１）気相にある前記一次冷却媒体を前記蒸発器から受け取り、（２）前記一次冷却媒体から熱を移送し、（３）前記一次冷却媒体の相を気体から液体へ変化させ、（４）液相の前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給するように構成される。該熱交換器が前記二次冷却媒体を受け取っていない時、該熱交換器は前記液相の前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給しない。前記蒸発器と前記熱交換器の間及び前記蒸発器と前記受動凝縮器の間の前記一次冷却媒体の流路内に前記一次冷却媒体を循環するポンプ無しで、前記一次冷却媒体は前記蒸発器と前記受動凝縮器の間及び前記蒸発器と前記熱交換器の間を自然循環及び重力により循環する。
【0008】
別の態様では、本発明は処理流体を冷却する方法に関する。この方法は処理流体を蒸発器を通して流し熱を前記処理流体から前記蒸発器内の一次冷却媒体に移送し前記一次冷却媒体を液相から気相に変えるステップと、熱交換器及び受動凝縮器のうち１つを選択的に使用して、前記一次冷却媒体を気相から液相に変えるステップとを含む。前記熱交換器及び前記受動凝縮器のそれぞれは前記蒸発器に結合され気相の前記一次冷却媒体を前記蒸発器から受け取り、液相の前記一次冷却媒体を前記蒸発器に供給する。この方法はまた、前記一次冷却媒体を前記蒸発器と前記熱交換器及び前記受動凝縮器のうち少なくとも１つとの間で自然循環により循環させるステップも含む。前記蒸発器と前記受動凝縮器を結合するどんな弁も前記蒸発器と前記熱交換器を結合するどんな弁も操作することなく、前記熱交換器及び前記受動凝縮器のうち前記１つが選択される。
【0009】
本発明のこれら及び他の態様、目的、特徴、及び利点が、添付図面と共に読まれるべき例示の実施形態の下記の詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の好適な実施形態に係る冷却システムを使用するデータセンターの立面図である。
【図3】本発明の好適な実施形態に係る受動モードで動作する気流冷却組立体の概略図である。
【図10】本発明の好適な実施形態に係る冷却組立体の空気処理ユニットの概略図である。
【図12】本発明の好適な実施形態に係る冷却組立体の概略図である。
【図14】本発明の好適な第２実施形態に係る受動モードで動作する気流冷却組立体の概略図である。
【図16】第２実施形態に係る受動モードで動作する気流冷却組立体の別の構成の概略図である。
【図20】疑似受動モードで動作する別の冷却システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図１は本発明の好適な実施形態に係る冷却システム１１０を有するデータセンター１００を示す。図２は図１の線２－２に沿った冷却システム１１０の断面図である。冷却システム１１０はデータセンター１００に関連して示され説明されるが、冷却システム１１０はこの用途に限定されず、他の適切な空気冷却用途で使用されてもよい。サーバーなどの電子装置は複数のラック１０２に搭載され、データセンター１００内にこれらのラック１０２は複数の列に配列され、列間に通路１０４、１０６を形成する。一方の通路１０４は冷たい通路で、他方の通路１０６は熱い通路である。冷却システムからの冷たい供給空気１１２は冷たい通路１０４内に導かれる。次に供給空気１１２は冷たい通路１０４からラックを通って熱い通路１０６に入る。空気がラック１０２を通過する時、電子装置から熱を引き出して冷却し、熱い空気が熱い通路１０６に入る。この空気は次に熱い還気１１４として冷却システム１１０に戻される。供給空気ファン１１６はデータセンター１００から還気１１４を引き込み、還気１１４を冷却システム１１０を通し（そこで冷却される）、冷却された還気１１４を供給空気１１２としてデータセンター１００に戻すために使用される。還気１１４がその中を流れ冷却され供給空気１１２として戻される冷却システム１１０の部分は、本書において内部空気処理部１３２と呼ばれる。
【0012】
冷却システム１１０は少なくとも１つの気流冷却組立体を使用して還気１１４を冷却する。下記の実施形態に記載された気流冷却組立体は、気流冷却組立体ループ又はループとも呼ばれることがある。図３及び４は本発明の第１実施形態に係る気流冷却組立体２００を示す。気流冷却組立体２００は２つのモード、受動モードと能動モードを有する。受動モードは節約モードとも呼ばれることがある。図３は受動モード時の気流冷却組立体２００の概略図であり、図４は能動モード時の気流冷却組立体２００の概略図である。気流冷却組立体２００は使用可能な大気無料冷却シンクが十分な熱排出を提供するのに十分な低温でない時に能動冷却を提供する能力を持つ熱サイフォンの効率性を取り入れる。これは２つの別の凝縮器２１４、２１６をループ２００内に含むことで実現され、うち１つ（凝縮器２１４）は受動モードで使用され、他方（凝縮器２１６）は能動モードで使用される。
【0013】
気流冷却組立体２００は一次冷却媒体２０２を一次冷却剤ループ２１０を通して循環させる。一次冷却媒体２０２が自然循環及び重力により一次冷却剤ループ２１０を通って循環し、ポンプも圧縮器も必要ない。一次冷却媒体２０２は液体から気体に相変化する任意の適切な冷媒であってよい。下記で更に説明するように、一次冷却剤ループ２１０はどんな動く部品も必要でない。その結果、一次冷却媒体２０２として適切な冷媒の入手可能範囲が、例えば直接膨張（ＤＸ）冷却システムに比べて大きく拡がり、適切な冷媒は水などの自然冷媒を含む。
【0014】
一次冷却剤ループ２１０は蒸発器２１２を含み、一次冷却媒体２０２は蒸発器２１２内に収容される。この実施形態では、蒸発器２１２はコイルであり、好ましくはワンパス溢れコイルである。例えば下記で更に説明するようなマイクロチャネルコイル又はフィン付き管コイルを含む任意の適切なコイルが使用されてよい。受動モードと能動モード両方で、還気１１４は供給空気ファン１１６により蒸発器２１２の外面上を流れる。熱い還気１１４は蒸発器２１２の外面を横切って通過する時に蒸発器２１２内の一次冷却媒体２０２を蒸発させる。一次冷却媒体２０２の液相２０４から気相又は蒸気相２０６への相変化は還気１１４を冷却し、冷たい供給空気１１２としてデータセンター１００へ戻されるのを許す。蒸気２０６は次に蒸気管２２２を通って２つの凝縮器２１４、２１６のうち１つへ上昇する。
【0015】
図３に示した受動モードでは、蒸気２０６は一次冷却剤ループ２１０内の受動凝縮器２１４へ進む。蒸発器２１２と同様、この実施形態の受動凝縮器２１４はコイル、好ましくはワンパスコイルであり、例えば下記で更に説明するようなマイクロチャネルコイル又は管コイル（フィン付きとフィンなし両方）を含む任意の適切なコイルが使用されてよい。除熱空気１１８は除熱ファン１２０（図１及び２参照）によって受動凝縮器２１４の外面を横切って引かれる。この実施形態では、除熱空気１１８は冷却システム１１０を囲む屋外環境から引き込まれた外気である。除熱空気１１８が受動凝縮器２１４を横切って通過する時、受動凝縮器２１４に収容された一次冷却媒体２０２の熱は除熱空気１１８に放出され、蒸気２０６を液体２０４に凝縮させる。次に重力により液相２０４にある一次冷却媒体２０２は液体冷媒路２２４を流れ下り、蒸発器２１２に戻る。除熱空気１１８は除熱ファン１２０によって屋外へ排出される。
【0016】
外気状態が還気１１４を供給空気１１２とって所望の状態（例えば、温度）に冷却するのに十分でない時、気流冷却組立体２００は図４に示す能動モードで動作してもよい。能動モードでは、一次冷却媒体２０２の蒸気２０６は能動凝縮器２１６において凝縮される。この実施形態では、能動凝縮器２１６は熱交換器（ＨＸ）とも呼ばれることがある。能動凝縮器２１６では、一次冷却媒体２０２から二次冷却システム２３０の二次冷却媒体２０８へ熱が移送される。二次冷却媒体２０８は、例えば冷却された水又は直接膨張冷却システムで使用される蒸気変化冷媒を含む任意の適切な冷却剤媒体であってよい。能動凝縮器２１６は、例えば平板熱交換器、同軸熱交換器、又は管形熱交換器を含む任意の適切な熱交換器であってよい。一次冷却媒体２０２の熱が二次冷却媒体２０８に排出されると、一次冷却媒体２０２は蒸気２０６から液体２０４に凝縮する。次に受動凝縮器２１４と同様、重力により液相２０４にある一次冷却媒体２０２は液体冷媒路２２４を流れ下り、蒸発器２１２に戻る。
【0017】
この実施形態では、二次冷却システム２３０は通常の冷媒サイクルを使用する直接膨張（ＤＸ）冷却システム２３０であり、二次冷却媒体２０８はそのようなシステムで使用される任意の適切な冷媒である。直接膨張冷却システム２３０は凝縮器２３４で冷却される前に冷媒２０８の圧力と温度を上げる圧縮器２３２を含む。この実施形態では、直接膨張冷却システム２３０の凝縮器２３４も除熱空気１１８（図１及び２参照）によって冷却されてよい。冷媒２０８は次に膨張弁２３６を通り、能動凝縮器２１６に流れ込む前にその圧力と温度が低下する。
【0018】
能動モードにおいても、気流冷却組立体２００は一次冷却剤ループ２１０内にポンプも油も圧縮器も必要なく動作する。気流冷却組立体２００はモードを切り替える弁さえなしに動作する。一次冷却媒体２０２の蒸気２０６は２つの凝縮器２１４、２１６のうちより冷たい方へ自然に進み、凝縮する。従って、二次冷却システム２３０を作動させ能動凝縮器２１６を冷却することで、気流冷却組立体２００は自動的に受動モードから能動モードに切り替わり（能動凝縮器２１６内の温度が受動凝縮器２１４内より低いと仮定すると）、二次冷却システム２３０を停止させることで、ループ２００は受動モードに戻る。下記に説明するように、制御器２４０は二次冷却システム２３０を作動させ停止させるのに使用されてよい。動く部品がないことに起因する気流冷却組立体２００の別の利点は油が必要でないことであり、油を一次ループ２１０内を循環し続けさせるのに通常必要な冷媒速度範囲外で一次冷却媒体２０２が流れるのを許す。
【0019】
気流冷却組立体２００の凝縮器２１４、２１６が図３及び４に並列に示されているが、凝縮器２１４、２１６はまた、能動又は受動凝縮器２１４、２１６のうち１つの出口が他方の凝縮器２１４、２１６の入口の上流となりそこに流れ込むように直列に配置されてもよい。一次冷却剤ループ２１０はまた、各凝縮器２１４、２１６後にトラップ２１８及び／又は逆止め弁２２０を含んでもよい。トラップ２１８及び逆止め弁２２０は現在特定のモードで動作していない凝縮器２１４、２１６を通る一次冷却媒体２０２の逆流を防ぐ。他の適切な弁又は方法が逆流を防ぐのに使用されてもよい。このような弁又はトラップは任意選択であり、トラップ２１８及び逆止め弁２２０を含め、本システムの圧力降下を増大させ、従って一次ループ２１０内の一次冷却媒体２０２の自然循環流を妨げうる。
【0020】
排気路２２６は各凝縮器２１４、２１６のトラップ２１８の後に位置し凝縮器２１４、２１６の入口に接続されてよい。これらの排気路２２６は一次冷却媒体２０２の液体２０４に含まれた任意の気体がループの蒸気側へ逃げるのを許し、重力による蒸発器２１２への液体流を助ける。
【0021】
蒸発器２１２内で一次冷却媒体２０２の蒸発時に形成される泡は、蒸発器２１２の通路内を上昇する時、液体を含んでいることがある。含まれた液体の帰還路２２８は蒸発器２１２の出口に位置し蒸発器２１２の入口ヘッダーに接続されてよく、この含まれた液体が蒸発器２１２内の沸騰流路と逆に流れる必要なく、蒸発器入口ヘッダーに戻るのを許す。
【0022】
本実施形態の気流冷却組立体２００は重力の支援により自然循環で動作するので、蒸発器２１２は両凝縮器２１４、２１６より低い高さに配置され、凝縮された一次冷却媒体２０２（液体２０４）を蒸発器２１２へ戻すのを重力が支援するのを許す。一次冷却媒体２０２を蒸発器２１２の全長に亘って液相２０４に維持することが望ましい。従って、蒸発器上方の凝縮器２１４、２１６の高さは、好ましくは液相２０４の一次冷却媒体２０２から蒸発器２１２の圧力降下に打ち勝つのに十分な圧力水頭を提供するのに十分高い。蒸発器２１２は同じ水平面にある蒸発器２１２の液体及び蒸気ヘッダーと同じ高さであってよいが、蒸発器２１２はまた、好ましくは水平から角度α傾斜して、蒸気排出を容易にするために蒸発器２１２の蒸気ヘッダーが液体ヘッダーより高くてよい。受動凝縮器２１４はまた、好ましくは水平から角度β傾斜して、重力による復水流を容易にするために受動凝縮器２１４の液体ヘッダーが蒸気ヘッダーより低くてよい。受動凝縮器の傾斜角度βは詰りのない排水路を提供し受動凝縮器２１４内の一次冷却媒体２０２の逆流を無くすのに十分であるのが好ましい。
【0023】
上述したように、蒸発器２１２及び受動凝縮器２１４はマイクロチャネルコイルであってもよい。図５Ａは本実施形態の蒸発器２１２及び受動凝縮器２１４として使用されてもよいマイクロチャネルコイル３００を示す。マイクロチャネルコイル３００を使用することは、例えばマイクロチャネルコイル３００の大きな内部表面面積は熱伝達を助けるを含む複数の利点を有する。また、マイクロチャネルコイル３００は一次冷却剤ループ２１０において必要な一次冷却媒体２０２の量を、例えばフィン付き管コイルに比べて大幅に低減する。一次冷却媒体２０２量のこの低減は、コスト低減とある冷媒を使用時に潜在的な温室効果ガス放出源の低減とを含む複数の理由で有益である。マイクロチャネルコイル３００は液体側３０２及び蒸気側３０４を有する。図５Ａに示すように、マイクロチャネルコイル３００が蒸発器２１２として使用される時、一次冷却媒体２０２の流れは液体側３０２から蒸気側３０４（左から右）であり、マイクロチャネルコイル３００が受動凝縮器２１４として使用される時、その流れは反対（右から左）である。
【0024】
マイクロチャネルコイル３００は複数のマイクロチャネル押し出し品３３０によって接続された液体ヘッダー３１０及び蒸気ヘッダー３２０を有する。マイクロチャネル押し出し品の図５Ａの線５Ｂ‐５Ｂに沿った断面が図５Ｂに示されている。マイクロチャネル押し出し品３３０は外面３３２を有し複数のマイクロチャネル３３４、３３６を含む。気流がマイクロチャネル押し出し品３３０の外面３３２を横切って図５Ｂに示すＡ方向（図５Ａの紙面に垂直）に流される。一次冷却媒体２０２はマイクロチャネル３３４、３３６を通って流れる。各マイクロチャネル押し出し品３３０はマイクロチャネル押し出し品３３０間に配置されたアルミニウムフィン３４０に機械的に鑞付けされ熱伝達を促進する。
【0025】
液体ヘッダー３１０は液体ヘッダー３１０を液体冷媒路２２４に接続する液体接続管３１２を含む。同様に、蒸気ヘッダー３２０も蒸気ヘッダー３２０を蒸気管２２２に接続する少なくとも１つの蒸気接続管３２２を含む。マイクロチャネルコイルが蒸発器２１２として使用されると、複数の蒸気接続管３２２を有することが有益でありうる。この実施形態では、３つの蒸気接続管３２２が示されている。複数の蒸気接続管３２２を使用することは蒸気ヘッダー３２０内の蒸気の背圧を低減し一次冷却剤ループ２１０内の自然循環流を促進する。複数の蒸気接続管３２２が蒸発器２１２に使用される場合、対応する数の蒸気接続管３２２が受動凝縮器２１４及び能動凝縮器２１６両方に使用されてもよく、複数の蒸気管２２２が蒸気接続管３２２に接続される。蒸気管２２２及び蒸気接続管３２２について別の考察は大直径管を使用し蒸気の背圧を低減し一次冷却剤ループ２１０内の自然循環流を促進することである。例えば、Ｒ４１０ａが一次冷却媒体２０２として使用される場合、蒸気管２２２は蒸気相２０６の一次冷却媒体２０２の速度が好ましくは１０００ｆｐｍ（約３０４．８ｍｐｍ）未満、より好ましくは６００ｆｐｍ（約１８２．９ｍｐｍ）未満であることを許す大きさに作られてもよい。これらのヘッダー設計特徴はマイクロチャネルコイルに限定されず、フィン付き管コイルを含む他の蒸発器及び凝縮器にも当てはまりうる。
【0026】
上述したように、本発明の冷却システム１１０は複数の気流冷却組立体２００ループ２００を含んでもよい。例えば、図１及び２に示された冷却システム１１０は４つの気流冷却組立体ループ２００を有する。複数のループの下記の説明において、図３及び４を参照して上記で説明したのと同じ符号が使用され、文字を符号の後ろに付けて異なるループを示す。例えば、文字「ａ」が第１気流冷却組立体ループ２００ａの部品に付けられ、文字「ｂ」が第２気流冷却組立体ループ２００ｂの部品に付けられるなどである。
【0027】
一対の蒸発器２１２ａ、２１２ｂが別の対の蒸発器２１２ｃ、２１２ｄと還気１１４気流に対して並列に配置される。各対の蒸発器２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄは直列に配置される。第１対では、還気１１４はこの対の第２蒸発器２１２ｂを横切って流れる前に第１蒸発器２１２ａを横切って流れる。同様に、第２対では、還気１１４はこの対の第２蒸発器２１２ｄを横切って流れる前に第１蒸発器２１２ｃを横切って流れる。対応する受動凝縮器２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄは同様に対（第１対２１４ａ、２１４ｂと第２対２１４ｃ、２１４ｄ）で第１対は第２対と並列に配置され、各対内の凝縮器は直列に配置される。第１対では、除熱空気１１８はこの対の第２凝縮器２１４ｂを横切って流れる前に第１凝縮器２１４ａを横切って流れ、第２対では、この対の第２凝縮器２１２ｄを横切って流れる前に第１凝縮器２１４ｃを横切って流れる。
【0028】
図１及び２に示された冷却システム１１０の１つの構成では、冷却システム１１０は３２フィート（約９７５ｃｍ）長（図１）、１０フィート２インチ（約３１０ｃｍ）幅（図２）の設置面積を持ち、除熱ファン１２０を除く全高さは１２フィート８インチ（約３７６ｃｍ）である。この例では、８８平方フィート（約８．１７５ｍ２）のコイル面積（蒸発器２１２）が冷却処理に利用可能である。蒸発器２１２を通る５００ｆｐｍ（約１５２．４ｍｐｍ）の公称速度で、４４０００ｓｃｆｍ（１２４５．９標準立方メートル／分）で３４８ｋＷの設計流が可能であり、１０７ｋＷ／ｍの周囲ワット容量となる。蒸発器２１２のコイル長さは容易に拡張され、気流と従って冷却システム１１０の容量を更に増加させ（幅を増加させずに）、更により大きな周囲ワット容量を可能にしうる。冷却システム１１０は２つの部分、内部空気処理部１３２と凝縮ユニット１３４に分けられてもよい。図１及び２に示すように、蒸発器２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ及び供給空気ファン１１６は内部空気処理部１３２内に位置する。二次システム２３０及び除熱空気ファン１２０を含む気流冷却組立体２００の残りの部品は凝縮ユニット１３４内に位置する。図１において、凝縮ユニット１３４は内部空気処理部１３２に隣接して示されているが、例えばデータセンター１００（例えば、ラック１０２を収容する建物）の屋根上を含む任意の適切な位置にありうる。
【0029】
複数の気流冷却組立体ループ２００の任意の数の適切な構成が使用されてもよい。例えば、図６は複数の気流冷却組立体ループ２００を有する冷却システム１１０の別の構成の概略図である。図６に示す構成では、冷却システム１１０は４つの気流冷却組立体ループ２００を有する。各ループ２００の蒸発器２１２ｅ、２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈは還気１１４に対して直列に配置されるが、上述したように蒸発器２１２ｅ、２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈは並列に配置されてもよい。還気は先ず第１ループの蒸発器２１２ｅを横切って流れ、次に第２ループの蒸発器２１２ｆ、第３ループの蒸発器２１２ｇ、及び第４ループの蒸発器２１２ｈをこの順に横切って流れる。図６に示す構成では、全４つの受動凝縮器２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇ、２１４ｈが除熱空気１１８に対して並列に配置されるが、上述したように受動凝縮器２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇ、２１４ｈも直列に配置されてもよい。二次冷却システム２３０（この実施形態では直接膨張冷却システム）の各凝縮器２３４ｅ、２３４ｆ、２３４ｇ、２３４ｈは除熱空気１１８に対して対応するループの受動凝縮器２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇ、２１４ｈと直列に配置される。
【0030】
一般に、各気流冷却組立体ループ２００の内部温度は等温であるが、４つの気流冷却組立体ループ２００のそれぞれは異なる温度及び圧力で動作する。第１ループの蒸発器２１２ｅに入る空気が最も温かい（還気１１４の初期温度）ので第１ループ内の一次冷却媒体２０２の温度は最も温かい。蒸発器２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈに入る空気はその前のループによる冷却のゆえにその前のループの空気より冷たくなる。外気温度が各気流冷却組立体ループ２００の温度より低い時、一次冷却媒体内のエネルギーは受動モードにおいて還気１１４から除熱空気１１８に移送されうり、全４つのループは図６に示すように受動モードで動作する。
【0031】
各ループは選択的に受動モードか又は能動モードで動作しうる。図７は冷却システム１１０の第４ループが能動モードで他の３つのループが受動モードで動作することを示し、図８は４つのループ全てが能動モードで動作することを示す。制御器２４０が冷却システム１１０を動作させるのに使用されてよい。この実施形態では、制御器２４０は下記で更に説明する様々な機能を実行するためのプロセッサ２４２と様々なデータを記憶するためのメモリ２４４とを備えるマイクロプロセッサベース制御器である。制御器２４０はＣＰＵとも呼ばれてよい。１つの実施形態では、冷却システム１１０の制御はメモリ２４４に記憶されプロセッサ２４２により実行される命令列として実現される。
【0032】
制御器２４０は温度センサー（ＴＳ）１２２に通信可能に結合される。この実施形態では、温度センサー１２２は供給空気１１２の温度を監視するのに使用され、温度センサー１２２が供給空気１１２の温度を送信し制御器２４０が受信するのを許す。ループセンサー２５０も、各気流冷却組立体ループ２００の様々なパラメータを測定するのに使用されてもよい。例えば、ループセンサー２５０は各ループ内の一次冷却媒体２０２の温度及び圧力を温度センサー（ＴＳ）２５２及び圧力センサー（ＰＳ）２５４を使って測定してもよい。好ましくは、温度センサー２５２及び圧力センサー２５４は液体冷媒路２２４内に位置し一次冷却媒体２０２の液体２０４相の温度及び圧力を監視する。
【0033】
制御器２４０はまた、冷却システム１１０の他の部品に通信可能に結合され、それらの部品も制御するのに使用されてよい。例えば、供給空気ファン１１６及び除熱空気ファン１２０は制御器２４０に通信可能に結合され、制御器２４０は還気１１４及び除熱空気１１８を蒸発器２１２ｅ、２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈ及び凝縮器２１４ｅ、２１４ｆ、２１４ｇ、２１４ｈそれぞれを横切って流すのに使用され、気流を増加又は減少させてよい。制御器２４０はまた、各ループの二次冷却システム２３０ｅ、２３０ｆ、２３０ｇ、２３０ｈに通信可能に結合され、二次冷却システム２３０ｅ、２３０ｆ、２３０ｇ、２３０ｈをオン又はオフする（作動又は停止させる）のに使用されてよい。
【0034】
図９は図６及び７に示す冷却システム１１０が制御される仕方の一例を示すフローチャートである。ステップＳ４０５で、制御器２４０は還気１１４を蒸発器２１２ｅ、２１２ｆ、２１２ｇ、２１２ｈを横切って流す。ステップＳ４１０で供給空気温度センサー１２２は供給空気１１２の温度を測定するのに使用され、制御器２４０は供給空気１１２の温度を受信する。制御器２４０は次にステップＳ４１５で供給空気１１２の測定された温度を設定点と比較する。設定点は任意の適切な方法又は装置を使って制御器２４０に提供されてよい。例えば、制御器２４０はユーザーが供給空気１１２の所望の温度をそれを介して提供できるユーザーインターフェースに通信可能に結合されてもよく、制御器２４０は供給空気１１２の所望の温度を受信し設定点として使用できる。供給空気１１２の温度が設定点に等しい（又は設定点の適切な作動範囲内である）と、制御器２４０はステップＳ４０５に戻り供給空気１１２の温度の監視を続ける。
【0035】
供給空気１１２の温度が冷た過ぎる（設定点の温度又は作動範囲未満である）と、ステップＳ４２０で制御器２４０はループ２００の何れかが能動モードで動作しているか調べる。制御器２４０は、例えば制御器がループの二次冷却システム２３０を作動又は停止させる時、そのループのモードをメモリ２４４に記憶してもよい。制御器２４０は次にメモリ２４４に問い合わせてどんなループのモードも決定してよい。制御器２４０は除熱空気１１８の流量（例えば、動作している除熱ファン１２０の速度及び数）などの他の適切なパラメータをメモリ２４４に記憶してもよく、例えば制御器２４０はこれらのパラメータを同様に調べ変更してもよい。ステップＳ４２０で制御器２４０がどのループ２００も能動モードでないと判断すると、制御器２４０はステップＳ４２５で除熱空気１１８の気流を減らしステップＳ４０５へ戻り供給空気１１２の温度を監視し続ける。ステップＳ４２５（又は上述した任意の他のステップ）で冷却システム１１０に何か変更がされると、制御器２４０は供給空気１１２の温度の監視を遅らせて、その変更が供給空気１１２の温度に影響するのを許す。
【0036】
制御器２４０がステップＳ４２０で少なくとも１つのループ２００が能動モードにあると判断すると、制御器２４０はステップＳ４３０でそれらのうち１つのループ２００の二次冷却システム２３０を停止させる。例えば、図７に示すように、第４ループが能動モードで動作している。この構成で供給空気の温度が冷た過ぎると、制御器２４０は第４ループの二次冷却システム２３０ｈを停止させ、第４ループを図６に示すように受動モードに戻す。好ましくは、制御器２４０は還気１１４に対して最も上流に蒸発器２１２を有し能動モードで動作するループの二次冷却システム２３０を停止させる。制御器２４０は次にステップＳ４０５に戻り供給空気１１２の温度を監視し続ける。
【0037】
供給空気１１２の温度が熱過ぎる（設定点の温度又は作動範囲を超える）と、制御器２４０は先ずステップＳ４３５で除熱空気１１８の気流を増加させうるか調べる。除熱空気１１８の気流を増加させうる（除熱空気１１８の気流が最大でない）なら、制御器２４０はステップＳ４４０で除熱空気１１８の気流を増加させステップＳ４０５に戻る。制御器２４０は、例えば除熱空気ファン１２０の速度を増加させることを含む任意の適切な手段により除熱空気１１８の気流を増加させてもよい。除熱空気１１８の気流を増加させられない（除熱空気１１８の気流が最大である）なら、制御器２４０はステップＳ４４５で全てのループ２００が能動モードであるか調べる。図８に示すように全てのループ２００が能動モードであるなら、冷却システム１１０は最大冷却容量で動作しており、制御器２４０はステップＳ４０５に戻る。少なくとも１つのループが受動モードにあるなら、制御器２４０はステップＳ４５０でそれらのうち１つのループ２００の二次冷却システム２３０を作動させる。例えば、図６に示すように全てのループが受動モードで動作しているなら、制御器２４０は１つのループ２００の二次冷却システム２３０、例えば第４ループの二次冷却システム２３０ｈを作動させる。好ましくは、制御器２４０は還気１１４に対して最も下流に蒸発器２１２を有し受動モードで動作するループの二次冷却システム２３０を作動させる。制御器２４０は次にステップＳ４０５に戻り供給空気１１２の温度を監視し続ける。
【0038】
データセンター冷却システムの場合、節約モード（本実施形態では受動モード）で６５％以上の効率を有することがしばしば望ましい。受動モードでは、冷媒は一次冷却剤ループ２１０内の全ての位置で実質的に同じ圧力であり、内部温度は等温である。エネルギー平衡要件に基づいて、受動凝縮器２１４及び蒸発器２１２熱伝達制約が同じ（凝縮器２１４及び蒸発器２１２の外面を横切る等気流と凝縮器２１４及び蒸発器２１２の外面の等表面特性）ならば、冷媒は蒸発器２１２及び受動凝縮器２１４入口の平均に等しい温度であり、非理想世界では、単一ループ２００の正味効率は５０％未満であろう。しかし、蒸発器サイズに依り、５０％超の熱交換効率が、凝縮器２１４及び蒸発器２１２の外面を横切る不平衡気流で達成可能である。
【0039】
一次冷却剤ループ２１０内の流れと逆の気流を持つ複数のループ２００を使用して、各ループの効率は付加的効果を有し、単一ループ効率を超える効率が達成されうる。例えば、それぞれ５０％の効率を有する２つのループ２００が使用され、除熱空気１１８が第１ループを通り次に第２ループを通って直列に流れ、還気１１４が逆方向に流れる（第２ループを通り次に第１ループを通る）ならば、７０％を超える効率が達成されうる。しかし、単一ループ２００の効率が３９％に低下する場合、２つではなく３つのループ２００を逆流内に配置し７０％を超える正味効率を達成できる。上記計算はカ氏７０°（約２１．１℃）の温度を持ち流量１００００ｃｆｍ（２８３立方メートル／分）の除熱空気１１８と、カ氏１００°（約３７．８℃）の温度を持ち流量５０００ｃｆｍ（１４１．５立方メートル／分）の還気１１４を使用した。
【0040】
下記の例（事例１～６）は単一ループ２００の効率を評価するために構成された。これらの評価の結果が下記の表１に示されている。下記の事例は不平衡気流を使用し、除熱ファン１２０は蒸発器２１２を横切る還気１１４の公称５００ｆｐｍ（約１５２．４ｍｐｍ）面速度に基づいて除熱空気１１８と還気１１４の少なくとも２：１気流比を提供するように選択された。しかし、下記の実験事例では、蒸発器２１２を横切る全気流が５０００ｓｃｆｍ（１４１．５標準立方メートル／分）で受動凝縮器２１４を横切る全気流が１１０００ｓｃｆｍ（３１１．３標準立方メートル／分）である時、２．２：１に近い気流比を達成した。受動凝縮器２１４を横切る面速度は５００ｆｐｍ（約１５２．４ｍｐｍ）であった。
【0041】
第１事例（事例１）はフィン付き管（ＦＴ）コイルを蒸発器２１２及び受動凝縮器２１４両方に使用した。蒸発器２１２のコイルは溢れ２列ワンパスコイルであり、受動凝縮器２１４のコイルは３列ワンパスコイルであった。両方のコイルが半インチ（約１．２７ｃｍ）管を典型的な管配置で使用し１インチ（２．５４ｃｍ）当たり１０フィンを有していた。各コイルは５フィート（３０．４８ｃｍ）の長さであった。蒸発器２１２及び受動凝縮器２１４両方が水平に対して１５度の角度で装着され、重力により蒸気排出及び復水流を容易にした。受動凝縮器２１４はその下端が蒸発器２１２の上部放出口の２フィート（６０．９６ｃｍ）上方になるよう装着された。冷媒流を妨げ得られる性能に影響しないように、コイル間の蒸気路及び液体路を液体冷媒路２２４に１．１２５インチ（約２．８６ｃｍ）管を、蒸気管２２２に２．１２５管を使って大きなサイズにした。Ｒ４１０ａを冷媒として使用した。
【0042】
第２事例（事例２）は第１事例と同じであったが、フィン付き管コイルの代りに溢れマイクロチャネルコイル（ＭＣ）を蒸発器２１２として使用した。マイクロチャネルコイルを使用することは、マイクロチャネルコイルの内部容積は半インチ管コイルに比べて大幅に（４７％超）低減されたので必要な冷媒量を大幅に低減した。各マイクロチャネル押し出し品３３０は３８ｍｍの幅を有し２８個のマイクロチャネル３３４、３３６を有していた。２６個のマイクロチャネル３３４のそれぞれの幅は０．９２ｍｍで外側の２つのマイクロチャネル３３６（図５Ｂ参照）は半径０．５５ｍｍで丸みを帯び全体幅は０．９４ｍｍであった。マイクロチャネル押し出し品３３０は１．８ｍｍの全体高さを有し０．３５ｍｍの外壁厚みｔを有していた。マイクロチャネル３３４を分ける内壁厚みは０．４０ｍｍであった。６７個のマイクロチャネル押し出し品３３０が使用され、それぞれ１．５７ｍの長さを有していた。２２．２ｍｍの外径を持つ単一液体接続管３１２を使用し、２５ｍｍの外径を持つ単一蒸気接続管３２２を使用した。
【0043】
第３事例（事例３）は第２事例と同じであったが、フィン付き管コイルの代りにマイクロチャネルコイル（ＭＣ）を受動凝縮器２１４として使用した。受動凝縮器２１４用のマイクロチャネルコイルは蒸発器２１２用のマイクロチャネルコイル（事例２で説明した）と同様に設計されたが、受動凝縮器２１４は１００個のマイクロチャネル押し出し品３３０（それぞれ１．５７ｍの長さを持つ）を使用した。
【0044】
第４事例（事例４）は第３事例と同じであったが、マイクロチャネルコイルの代りに３つの蒸気管２２２及び蒸気接続管３２２（ＭＣ Ｍｏｄ）を使用した。事例３及び４のループ２００の構成はまた、蒸発器２１２と受動凝縮器２１４の間のより高い温度差（それぞれ事例５及び６）で評価された。事例５及び６の蒸発器２１２と受動凝縮器２１４の間の温度差を事例３及び４に対して還気１１４の温度をカ氏２０°～２５°増加させることで増加させた。下記の表１は各事例の結果を示し、表中「蒸発器」は蒸発器２１２を、「凝縮器」は受動凝縮器２１４を指す。
【0045】
【表1】
【0046】
上記の表１で事例１と事例２を比較して分かるように、蒸発器２１２においてフィン付き管コイルの代りにマイクロチャネルコイルを使用することは、最も重要な違いを性能にもたらし、熱交換効率を３４％から５７％に増加させる。受動凝縮器２１４をマイクロチャネルコイルに変更することは、通常条件において性能結果にほとんど影響がなかった（事例２と事例３を比較）。蒸発器２１２及び受動凝縮器２１４を追加の蒸気接続管３２２を有するように変更すると、通常条件において３％効率増加が得られた（事例３と事例４を比較）。蒸発器２１２と受動凝縮器２１４の間の温度差を増加させると、効率は低下した（事例３及び４と事例５及び６をそれぞれ比較）が、複数の蒸気接続管３２２を有することで、効率低下は減少し総パワー伝達はほぼ５０ｋＷに大幅に増加した。
【0047】
Ｒ４１０ａの特性及び既知の熱伝達率を使って、一次冷却媒体２０２の質量流量が蒸気及び液体の特定の熱に基づいて計算されてもよい。マイクロチャネル蒸発器２１２の場合、熱流束の限界は２０ｋＷの範囲内であった。Ｒ４１０ａの液体と蒸気の間のエンタルピー差を使って、３８７ｋｇ／ｈｒの質量流量及び５．８８ｍ３／ｈｒの流量が計算される。単一の７／８インチ（約２．２２ｃｍ）管の内径を適用すると、気体速度は４．２ｍ／ｓである。２つの追加の蒸気接続管をコイルに加えることは、容量を５０ｋＷに増加させ、３．１ｍ／ｓの速度が得られる。それで実用目的のために、Ｒ４１０ａを使用時、配管接続は好ましくは約４ｍ／ｓ未満の最大速度のための大きさに作られる。マイクロチャネル押し出し品３３０内の蒸気流量は５０ｋＷの熱交換率の場合、２．１ｍ／ｓである。大きさは他の冷媒に対してその密度及び粘度に基づいて異なるが、実験により決定されうる。
【0048】
平板熱交換器が事例１～６のそれぞれで能動凝縮器２１６として使用された。能動凝縮器２１６は受動凝縮器２１４と並列に配置され、冷水が二次冷却媒体２０８として使用された。能動モードでは、効率データと最大パワーデータは空気対空気データによく似ており、マイクロチャネル蒸発器２１２のフィン付き管蒸発器２１２に対する優位性と蒸気輸送用マイクロチャネルへの余分のヘッダー接続の追加後の総容量の増加とを確証した。
【0049】
別の冷却システム１１０が図１０及び１１に示されている。図１０及び１１に示された冷却システム１１０の特徴及び部品は図１～９で上述したのと類似している。上述したのと同じ部品及び類似の部品を示すのに同じ符号が図１０及び１１で使用され、これらの部品の詳細な説明は下記の記述から省略される。図１０は内部空気処理部１３２を示し、図１１は本実施形態の冷却システム１１０の凝縮ユニット１３４を示す。
【0050】
図１に示した冷却システム１１０と同様、図１０及び１１に示された冷却システム１１０は複数の蒸発器２１２、この実施形態では４つの蒸発器２１２ｉ、２１２ｊであって、２つの第１蒸発器２１２ｉと２つの第１蒸発器２１２ｊを含む。第１蒸発器２１２ｉは還気１１４に対して互いに並列に配置され、第１共通蒸気管２６２及び第１共通液体冷媒路２６６両方に接続される。同様に、第２蒸発器２１２ｊは還気１１４に対して互いに並列に配置され、第２共通蒸気管２６４及び第２共通液体冷媒路２６８両方に接続される。第１共通液体冷媒路２６６及び第２共通液体冷媒路２６８は上述した蒸気管２２２及び液体冷媒路２２４にそれぞれ類似する。各第１蒸発器２１２ｉは第２蒸発器２１２ｊの１つと還気１１４に対して直列に配置される。還気１１４は第１蒸発器２１２ｉを横切って流れた後、第２蒸発器２１２ｊを横切って流れる。
【0051】
図１１に示す凝縮ユニット１３４は４つの回路、第１回路（回路１）、第２回路（回路２）、第３回路（回路３）、及び第４回路（回路４）を含む。これらの回路のそれぞれの下記の記述において、図３及び４を参照して上述したのと同じ符号が使用され、異なる回路を示すために参照文字を符号の後ろに付ける。参照文字ｃ１は第１回路の部品に付けられる。参照文字ｃ２は第２回路の部品に付けられる。参照文字ｃ３は第３回路の部品に付けられる。参照文字ｃ４は第４回路の部品に付けられる。しかし、部品の説明がこれらの回路のどれにも共通である場合、特定の回路を指す参照文字は省略される。凝縮ユニット１３４は４つの回路を持つとして本書で説明されるが、任意の適切な数の回路が使用されてもよい。また、これら４つの回路のそれぞれの特定の部品（例えば、受動凝縮器２１４と能動凝縮器２１６）を説明するが、これらの部品の様々な配置は本発明の範囲内であることが熟考されている。
【0052】
また、第１、第２、及び第３回路のそれぞれにおいて、２つの受動凝縮器２１４は第１蒸発器２１２ｉ（第１熱サイフォンループ２００ｉの一部）と関連し、２つの受動凝縮器２１４ｊは第２蒸発器２１２ｊ（第２熱サイフォンループ２００ｊの一部）と関連する。これらの凝縮器２１４も、ｉか又はｊが符号の後ろに付けられその受動凝縮器２１４がどのループに位置するかを示す。例えば、２１４ｉｃ１は第１回路内の２つの受動凝縮器２１４（第１熱サイフォンループ２００ｉの一部）の１つを示すのに使用される。
【0053】
図１１に示すように、第１蒸発器２１２ｉは６つの受動凝縮器２１４ｉに並列に接続される。６つの受動凝縮器２１４ｉのうち２つが第１、第２、及び第３回路のそれぞれに位置する。第１熱サイフォンループ２００ｉは６つの受動凝縮器２１４ｉに並列に接続された１つの能動凝縮器２１６ｃ４を含む。第１熱サイフォンループ２００ｉの能動凝縮器２３４ｃ４は第４回路内に位置する。この実施形態では、第４回路は能動凝縮器２１６ｃ４と対応する二次冷却システム２３０ｃ４を含むが、どんな受動凝縮器２１４も含まない。除熱空気ファン１２０ｃ４は除熱空気１１８を二次冷却システム２３０ｃ４の凝縮器２３４ｃ４の外面を横切って流すように構成される。
【0054】
第２蒸発器２１２ｊも６つの受動凝縮器２１４ｊに並列に接続される。６つの受動凝縮器２１４ｊの２つは第１、第２、及び第３回路のそれぞれに位置する。第２熱サイフォンループ２００ｊは３つの能動凝縮器２１６ｊを含む。３つの能動凝縮器２１６ｊｃ１、２１６ｊｃ２、２１６ｊｃ３はそれぞれ第１、第２、及び第３回路に位置する。従って、４つの回路のそれぞれは二次冷却システム２３０を含む。この実施形態では、各二次冷却システム２３０ｃ１、２３０ｃ２、２３０ｃ３、２３０ｃ４は互いに並列に接続された２つの凝縮器２３４を含む。他の実施形態では、第２熱サイフォンループ２００ｊの受動凝縮器２１４ｊを通過する前に除熱空気１１８を冷却するのに予冷器１２４（図１２参照）が使用されてもよい。このような場合、第２熱サイフォンループ２００ｊ内の能動凝縮器２１６ｊｃ１、２１６ｊｃ２、２１６ｊｃ３を省略することが可能である場合がある。
【0055】
第１、第２、及び第３回路のそれぞれの配置は互いに類似する。第１回路の下記説明は第２及び第３回路に等しく当てはまる。第１回路内の凝縮器２１４ｉｃ１、２１４ｊｃ１、２３４ｃ１は２組、第１凝縮器セット２７２ｃ１及び第２凝縮器セット２７４ｃ１として配置される。第１凝縮器セット２７２ｃ１及び第２凝縮器セット２７４ｃ１は除熱空気１１８の気流に対して互いに並列に配置される。第１凝縮器セット２７２ｃ１及び第２凝縮器セット２７４ｃ１のそれぞれは第２熱サイフォンループ２００ｊの受動凝縮器２１４ｊｃ１、第１熱サイフォンループ２００ｉの受動凝縮器２１４ｉｃ１、及び二次冷却システム２３０の凝縮器２３４ｃ１のそれぞれの１つを含む。凝縮器２１４ｊｃ１、２１４ｉｃ１、２３４ｃ１は除熱空気１１８の気流に対して直列に配置される。除熱空気１１８は第１回路の除熱空気ファン１２０ｃ１によって各凝縮器を通って次のように引き込まれる。除熱空気１１８は凝縮ユニット１３４を囲む屋外環境から引き込まれた外気であり、第２熱サイフォンループ２００ｊの受動凝縮器２１４ｊｃ１を先ず通過する。次に除熱空気１１８は第１熱サイフォンループ２００ｉの受動凝縮器２１４ｉｃ１を通過する。次に、除熱空気１１８は二次冷却システム２３０の凝縮器２３４ｃ１を通過した後、除熱ファン１２０によって外へ排気される。各除熱空気ファン１２０は独立に調節可能又は少なくとも異なる回路間で調節可能である。
【0056】
第１回路内の凝縮器２１４ｊｃ１、２１４ｉｃ１、２３４ｃ１のこの配置は逆流構成を可能にする。第２熱サイフォンループ２００ｊ内の一次冷却媒体２０２は第１熱サイフォンループ２００ｉ内の一次冷却媒体２０２より冷たい。従って、最も冷たい除熱空気１１８は最も冷たい凝縮器２１４ｊｃ１を先ず通過し、第２熱サイフォンループ２００ｊの受動凝縮器２１４ｊｃ１によって加熱された後、除熱空気１１８は第１熱サイフォンループ２００ｉのより温かい受動凝縮器２１４ｉｃ１を通過する。
【0057】
図１０及び１１に示された冷却システム１１０は上述した冷却システム１１０と同様、能動モードと受動モードを切り替えるために第１熱サイフォンループ２００ｉ及び第２熱サイフォンループ２００ｊ内の弁を使用しない。代りに、二次冷却システム２３０を作動させ能動凝縮器２１６を冷却することで、一次冷却媒体２０２の蒸気２０６は自然により冷たい能動凝縮器２１６に進み凝縮し、気流冷却組立体２００は熱力学力により受動モードから能動モードに移行する。
【0058】
図１０及び１１に示された冷却システム１１０は上述した冷却システム１１０と同様に、例えば図９を参照して説明されたプロセスを使用して制御されてよい。供給空気１１２の温度を設定点へ制御してよい（ステップＳ４１５参照）。先ず、供給空気１１２の温度が設定点を超えていると、冷却システム１１０を制御するのに使用される制御器２４０は、例えば除熱ファン１２０のファン速度を増加させることで除熱空気１１８の流量を増加させる（ステップＳ４４０参照）。供給空気１１２の温度が設定点未満なら、制御器２４０は除熱空気１１８の流量を減少させる（例えば除熱ファン１２０のファン速度を減少させる）（ステップＳ４２５参照）。
【0059】
供給空気１１２の温度が設定点を超えていて、除熱空気１１８の流量が最大であるなら、制御器２４０は二次冷却システム２３０を作動させる（ステップＳ４５０参照）。図１０及び１１に示された冷却システム１１０では、制御器２４０は供給空気１１２の温度を設定点に維持するのに必要に応じて各回路の二次冷却システム２３０を作動させてよい。それらの回路の二次冷却システム２３０を異なる順序で作動させてよいが、１つの手法は必要に応じて第１回路、次に第２回路、次に第３回路、次に第４回路の順に連続的にこれらの二次冷却システム２３０を作動させることである。従って、この実施形態では、第２熱サイフォンループ２００ｊの二次冷却システム２３０を第１熱サイフォンループ２００ｉの二次冷却システム２３０ｃ４の前に作動させてよい。供給空気１１２の温度が設定点未満なら、制御器２４０は、例えばそれらの回路を作動させるのと反対の順に二次冷却システム２３０を停止させてよい（ステップＳ４３０参照）。
【0060】
供給空気１１２の温度が設定点未満であり、全ての二次冷却システム２３０（能動冷却モード）がオフで除熱ファン１２０のファン速度が最小なら、制御器２４０は供給空気１１２の温度を設定点に維持するのに必要に応じて除熱ファン１２０を停止する。除熱ファン１２０が１つを除いて全てオフである場合、制御器２４０は第１熱サイフォンループ２００ｉと第２熱サイフォンループ２００ｊのうち１つだけを動作させてもよい。これは停止されたループ（例えば、第２熱サイフォンループ２００ｊでありうる）の流れ制御弁２７６（下記で更に説明する）を閉じることで達成されうる。
【0061】
能動凝縮器２１６の幾つか又は全てが動作していて、従ってシステムが能動モードで動作している時でも、本発明者らは能動モードであっても下記の表２の試験結果が示すように幾らかの節約（受動凝縮器２１４における一次冷却媒体２０２の冷却）があることを予期せずに見つけた。表２は蒸発器２１２に亘る公称熱負荷３５０ｋＷの試験の結果を示す。第１熱サイフォンループ２００ｉと第２熱サイフォンループ２００ｊのうち少なくとも１つの回路は能動モードで下記表に示す条件で動作している。試験は様々な外気（除熱空気１１８）温度に対して行われ、能動凝縮器２１６及び受動凝縮器２１４両方からの熱放出が測定された。回路の能動モードは外気温度に基づいてオン／オフされたが、最も高い外気温度において全ての二次冷却システム２３０は動作していた。
【0062】
【表2】
【0063】
上記表２では、熱放出が下記の式（１）を使って計算された。
【0064】
【数1】
【0065】
式（１）では、Ｖは凝縮器又は蒸発器を横切る空気（例えば、供給空気１１２）の実立方フィート／分で表された量であり、ＴＩは凝縮器又は蒸発器に入る空気（例えば、還気１１４）のカ氏温度、ＴＯは凝縮器又は蒸発器を離れる空気（例えば、供給空気１１２）のカ氏温度、ｆａは高度に基づく係数である。高度係数ｆａは下記の式（２）を使って計算されてよい。Ａは高度（単位はフィート）である。
【0066】
【数2】
【0067】
弁はモードを切り替えるのに使用されないが、弁は冷却システム１１０を調節するのに使用されうる。この実施形態では、流れ制御弁２７６が第１共通液体冷媒路２６６及び第２共通液体冷媒路２６８内の各蒸発器２１２の入口に配置される。任意の適切な弁が流れ制御弁２７６として使用されてよいが、この実施形態では、流れ制御弁２７６はステップモーターによって操作される球形弁である。ここで、流れ制御弁２７６は流れ制御弁２７６のプラグ又はディスクを通過する流れの連続調整を可能にし、プラグ又はディスクはステップモーターによって操作される。流れ制御弁２７６は閉じた位置と異なる開口面積を持つ複数の開いた位置を有する。従って、複数の開いた位置はその位置の開口面積に基づいて異なる量の液相２０４の一次冷却媒体２０２が流れ制御弁２７６を通って流れるのを許す。
【0068】
流れ制御弁２７６は蒸発器２１２内の液体レベル（液相２０４の一次冷却媒体２０２の量）を正確に制御し蒸発器２１２を出る蒸気２０６の所望の温度を維持するのに使用される。発明者らは、流れ制御弁２７６を使用することで、一次冷却媒体２０２が広範囲の熱負荷及び外気条件において自然循環及び重力により第１熱サイフォンループ２００ｉと第２熱サイフォンループ２００ｊを通って効率的に循環することを発見した。流れ制御弁２７６は過剰な液体２０４が蒸発器２１２に入る（例えば、蒸発器２１２を溢れさせる）（蒸気２０６が蒸発器２１２から流れ出るのを妨げうる）のを防ぐために使用されうる。また、流れ制御弁２７６は少な過ぎる液体２０４が蒸発器２１２に入る（例えば、蒸発器２１２を干上がらせる）（凝縮器２１４、２１６における効果的で効率的な凝縮を妨げうる）のを防ぐために使用されうる。このような考察及び流れ制御弁２７６の使用は、内部空気処理部１３２及び凝縮ユニット１３４が分離している場合、より距離が大きいとより多くの一次冷却媒体２０２が必要であり溢れなどの上記問題を更に悪化させるので、特に有益である。
【0069】
様々な手法が流れ制御弁２７６の位置、従って蒸発器２１２に流れ込む液体２０４の量を設定するのに使用されてよい。例えば、流れ制御弁２７６の位置は蒸発器２１２内の熱吸収、還気１１４／供給空気１１２の熱放出、凝縮器２１４、２１６内の熱放出、除熱空気１１８による熱吸収、又は蒸気２０６の過熱度に基づきうる。上述したように、制御器２４０は様々なセンサー、例えば第１熱サイフォンループ２００ｉと第２熱サイフォンループ２００ｊ内に位置するループセンサー２５０（例えば、温度センサー２５２及び圧力センサー２５４）又は供給空気１１２、還気１１４、及び除熱空気１１８の温度を監視するのに使用される温度センサーに通信可能に結合される。これらのセンサーの出力（制御器への入力）を使って、制御器２４０は流れ制御弁２７６の適切な位置を決定し流れ制御弁２７６のステップモーターを適切に駆動できる。
【0070】
流れ制御弁２７６を蒸発器２１２内の熱吸収に基づいて制御する時、熱吸収を蒸発器２１２に亘る温度上昇に基づいて算出してよい。温度上昇を求める１つの方法は蒸発器２１２の入口（又は蒸発器２１２の底の別の適切な位置）における一次冷却媒体２０２の温度と蒸発器２１２の出口（又は蒸発器２１２の上部の別の適切な位置）における一次冷却媒体２０２の温度とを測定することである。温度上昇を求める別の方法は蒸発器２１２の底３分の１（蒸発器２１２の入口に最も近い３分の１）を離れる供給空気１１２の温度と蒸発器２１２の上３分の１（蒸発器２１２の出口に最も近い３分の１）を離れる供給空気１１２の温度とを測定することである。温度上昇は測定された温度の差を取りその差を設定点と比較することで判断されうる。差が設定点より低いと、制御器２４０はステップモーターを制御して流れ制御弁２７６を閉じる方向に動かし蒸発器２１２に入る液体２０４の流れを減らす。温度が設定点より高いと、制御器２４０はステップモーターを制御して流れ制御弁２７６を開く方向に動かし蒸発器２１２に入る液体２０４の流れを増加させる。
【0071】
流れ制御弁２７６を制御する別の方法は還気１１４／供給空気１１２によって放出された熱を測定することである。流れ制御弁２７６を還気１１４／供給空気１１２の熱放出に基づいて制御する時、蒸発器２１２に達する前と蒸発器２１２を通過した後に温度センサーを使って還気１１４の温度を測定してよい。次に制御器２４０はその熱サイフォンループ（例えば、第１熱サイフォンループ２００ｉ又は第２熱サイフォンループ２００ｊ）内の熱放出量を測定された温度と還気１１４／供給空気１１２の流量に基づいて計算するのに使用されてよい。次に制御器２４０は熱サイフォンループ２００ｉ、２００ｊ内で吸収された熱量の関数としての熱サイフォンループ２００ｉ、２００ｊ内の流れ制御弁２７６の位置を曲線又は参照表に基づいて設定する。様々な曲線又は値、例えば各回路が能動モードで動作している場合の曲線が様々な動作モードに対して使用されうる。
【0072】
流れ制御弁２７６を凝縮器２１４、２１６内の熱放出に基づいて制御する場合、熱放出は各凝縮器２１４、２１６に亘る温度降下に基づいて算出されてよい。上述した温度上昇の測定と同様、温度降下を求める１つの方法は凝縮器２１４、２１６の入口（又は凝縮器２１４、２１６の上部の別の適切な位置）における一次冷却媒体２０２の温度と凝縮器２１４、２１６の出口（又は凝縮器２１４、２１６の底の別の適切な位置）における一次冷却媒体２０２の温度とを測定することである。温度降下を求める別の方法は凝縮器２１４、２１６の上３分の１（凝縮器２１４、２１６の入口に最も近い３分の１）を離れる除熱空気１１８の温度と凝縮器２１４、２１６の底３分の１（凝縮器２１４、２１６の出口に最も近い３分の１）を離れる除熱空気１１８の温度とを測定することである。温度降下は測定された温度の差を取ることで判断される。各凝縮器２１４、２１６の温度降下は熱サイフォンループ（例えば、第１熱サイフォンループ２００ｉ又は第２熱サイフォンループ２００ｊ）内の凝縮器２１４、２１６によって放出された熱の総量を計算するのに使用されてよく、制御器２４０は次に熱サイフォンループ２００ｉ、２００ｊ内の熱放出量の関数としての熱サイフォンループ２００ｉ、２００ｊ内の流れ制御弁２７６の位置を曲線又は参照表に基づいて設定する。上述したように、様々な曲線又は値、例えば各回路が能動モードで動作している場合の曲線が様々な動作モードに対して使用されうる。このような場合、流れ制御弁２７６は上述したように、より開き熱放出がより多いか又はより閉じ熱放出がより少なくなるように調節されうる。或いは、制御器２４０を使って熱放出を計算する代わりに、温度降下は曲線又は参照表のベースとして直接使用されてもよい。
【0073】
凝縮ユニット１３４によって放出された熱量を求める別の方法は除熱空気１１８によって吸収された熱を測定することである。流れ制御弁２７６を除熱空気１１８による熱吸収に基づいて制御する場合、除熱空気１１８の温度を凝縮器２１４、２１６、２３４に達する前と凝縮器２１４、２１６、２３４を通過した後に温度センサーを使って測定してもよい。次に制御器２４０はその熱サイフォンループ（例えば、第１熱サイフォンループ２００ｉ又は第２熱サイフォンループ２００ｊ）内の吸収量を除熱空気１１８の測定された温度と流量に基づいて計算するのに使用されてよく、次に制御器２４０は熱サイフォンループ２００ｉ、２００ｊ内で吸収された熱量の関数としての熱サイフォンループ２００ｉ、２００ｊ内の流れ制御弁２７６の位置を曲線又は参照表に基づいて設定する（凝縮器２１４、２１６内の熱放出に基づいて流れ制御弁２７６を制御するために上述したやり方と同様に）。
【0074】
流れ制御弁２７６を過熱された蒸気２０６の所定の値（設定点）に基づいて制御する場合、流れ制御弁２７６は開けられて蒸発器２１２内へのより多くの凝縮液体２０４を許しうり、それにより蒸気２０６の過熱温度がその設定点を超えると蒸気２０６の過熱温度を低下させる。同様に、蒸気２０６の過熱温度がその設定点未満に低下すると、流れ制御弁２７６は閉じられ、蒸発器２１２内への凝縮液体２０４の流れを低減でき、蒸気２０６の過熱温度を上昇させる。温度センサー２５２及び圧力センサー２５４などのループセンサー２５０は蒸発器２１２の出口に位置してよい。このようなセンサー２５０はまた、蒸発器２１２自体又は凝縮器２１４、２１６に繋がる蒸気路内に適切に位置してよい。次に制御器２４０は過熱を温度及び圧力測定値に基づいて計算し設定点（例えば、所定／所望のレベル）と比較する。次に制御器２４０は流れ制御弁２７６を上述のように調節する。これらの制御方法のいずれでも、調節は測定又は計算された値が設定点を横切ると直ぐには行われないことがあり、代りに、制御器２４０は設定点を超える上閾温度（又は閾値）及び設定点未満の下閾温度（又は閾値）を横切った時に流れ制御弁２７６を調節してもよい。本発明は設定点に基づいて制御されると説明したが、当業者はこれらの動作帯がこのような説明に含まれることを理解するであろう。
【0075】
本書に記載の冷却システム１１０のどれとも同様に、蒸発器２１２を横切って気流（還気１１４）を駆動している供給空気ファン１１６の速度を変えてもよい。供給空気ファン１１６は図１０に示すように蒸発器２１２の下流（還気１１４／供給空気１１２の流れの方向に）にあってもよい。或いは、供給空気ファン１１６は蒸発器２１２の上流であってもよく（図１に示すように）、供給空気ファン１１６は還気ファンとも呼ばれうる。一例では、還気１１４／供給空気１１２の気流はデータセンター１００の要求によって駆動されてよい。データセンター１００は本書で建物管理システム（ＢＭＳ）と呼ばれる制御器（不図示）（冷却システム１１０用の制御器２４０とは別の）を有してもよい。ＢＭＳはデータセンター１００内の必要に基づいて供給空気ファン１１６の速度がどれ位であるべきかを決定する。このような必要はデータセンター間で異なる。ＢＭＳは供給ファン速度信号を冷却システム１１０の制御器２４０に送信してよく、制御器２４０はＢＭＳからの信号に合致するように供給空気ファン１１６（例えば、稼働している供給空気ファン１１６の速度及び数）を調整してもよい。
【0076】
冷却システム１１０内の供給空気ファン１１６を制御する別の方法は、例えばＢＭＳ信号がない場合、供給空気ファン１１６を還気１１４の温度用の還気温度設定点へ制御することである。制御器２４０は、供給空気ファン１１６の速度（又は稼働している供給空気ファン１１６の数）を調整して還気１１４の温度を還気温度設定点に維持することで、還気１１４／供給空気１１２の流量を調整できる。還気１１４の温度が還気温度設定点を超えているなら、供給空気ファン１１６の速度（又は数）を増加させる。還気１１４の温度が還気温度設定点未満であるなら、供給空気ファン１１６の速度（又は数）を減少させる。
【0077】
本書に記載された冷却システム１１０によって冷却される流体は処理流体と呼ばれてもよい。上記実施形態では、冷却システム１１０によって冷却される処理流体１４２は空気である。上記説明では、空気（処理流体１４２）は電子装置を含むラック１０２を横切って流れ過熱された後、蒸発器２１２を横切って流れ（還気１１４）冷却される。しかし、本書に記載された冷却システム１１０は空気を冷却することに限定されず、任意の適切な流体を冷却するのに使用されてよい。処理流体１４２は、例えば水、水・グリコール混合液、及び非導電流体（誘電体）などの液体を含んでもよい。
【0078】
処理流体１４２が空気である上記実施形態では、蒸発器２１２は適切にもマイクロチャネル又はフィン付き管コイルであった。処理流体１４２が蒸気（気体）でなく液体である場合、例えば平板熱交換器、同軸熱交換器、又は管形熱交換器を含む他の適切な蒸発器２１２が使用されてもよい。図１２は蒸発器２１２が液体である処理流体１４２を冷却するように適切に設計された冷却システム１１０を示す。処理流体１４２は処理流体ループ１４０内をポンプ１４４によって循環させられる。この実施形態は処理流体ループ１４０内に直列に位置する第１蒸発器２１２ｋ及び第２蒸発器２１２ｌを含む。処理流体１４２はラック１０２内のサーバー１０３などの熱負荷によって加熱される（図１３Ａ及び１３Ｂ参照）。処理流体１４２は次に第１蒸発器２１２ｋ及び第２蒸発器２１２ｌによって冷却された後、サーバー１０３を冷却するために戻される。
【0079】
この実施形態では、第２蒸発器２１２ｌは受動凝縮器２１４（受動凝縮器２１４ｌ）と能動凝縮器２１６（能動凝縮器２１６ｌ）両方に流体的に接続され図３及び４で説明したループ２００と同様に動作する。第１蒸発器２１２ｋは、受動凝縮器２１４ｌと二次冷却システム２３０の凝縮器２３４の間の除熱空気１１８の気流方向に対して受動凝縮器２１４ｌの下流に位置する受動凝縮器２１４（受動凝縮器２１４ｋ）に流体的に接続される。上記実施形態と同様に、第１蒸発器２１２ｋも、受動凝縮器２１４ｋ及び能動凝縮器２１６（能動凝縮器２１６ｋ）両方に流体的に接続され図３及び４で説明したループ２００と同様に動作する。この実施形態の凝縮ユニット１３４はまた、除熱空気１１８を凝縮器２１４、２３４のいずれかを通過する前に予冷する断熱予冷器１２４を含んでもよい。例えば米国Ｍｕｎｔｅｒｓ社が製造するＭｕｎｔｅｒｓ ＦＡ６（商標）蒸発加湿器／冷却器を含む任意の適切な断熱予冷器１２４が使用されてよい。
【0080】
上記のように、処理流体１４２はデータセンター１００のラック１０２内のサーバー１０３などの熱負荷によって加熱されてよい。図１２に示された冷却システム１１０はサーバー１０３用の浸漬冷却システムと共に使用するのに適切でありうる。図１３Ａ及び１３Ｂは浸漬冷却システムで使用されるラック１０２の例を示す。図１３Ａでは、サーバー１０３は誘電体１４６に浸漬される。サーバー１０３は誘電体１４６を加熱するが、誘電体１４６は液体（単一相）のままである。加熱された誘電体１４６は処理流体１４２として処理流体ループ１４０内を循環させられ冷却されラック１０２に戻ってサーバー１０３を更に冷却する。
【0081】
図１３Ｂでも、サーバー１０３は誘電体１４６に浸漬される。この場合、誘電体１４６はサーバー１０３を２相冷却で冷却する。サーバー１０３は誘電体１４６を加熱し、誘電体１４６は蒸気（気体）に相変化する。誘電体蒸気はラック１０２の上部に上昇する。ラック１０２の上部はコイル１４８を含む。適切な処理流体１４２はコイル１４８を通り誘電体１４６を凝縮させる。別の実施形態では、別の流体を使用することなく蒸気相にある誘電体１４６が処理流体１４２として第２蒸発器２１２ｌ及び第１蒸発器２１２ｋによって直接冷却されてよい。
【0082】
上記実施形態では、サーバー１０３は第１蒸発器２１２ｋ及び第２蒸発器２１２ｌから物理的に離され、処理流体ループ１４０はサーバー１０３又は他の情報技術（ＩＴ）機器から熱を移送するのに使用される。しかし、本書に記載された発明はそれに限定されず、蒸発器２１２は、循環する液体（誘電体流体、水、又は他の流体）がＩＴ機器から２相熱サイフォンループに必須の冷媒へ熱を移送する任意の液体‐冷媒間熱交換器であってもよい。他のこのような適切な蒸発器２１２は、例えばサーバー１０３又はＩＴ部品に一体化されその中の部品及び／又はチップから熱を直接吸収する冷却板、又は浸漬冷却システムに直接一体化された複数の管状表面を含む。
【0083】
気流冷却組立体ループ５００の第２の好適な実施形態が図１４及び１５に示されている。この実施形態では、蒸発器５１２及び受動凝縮器５１４がヒートパイプとして働く一体熱交換器５１０に組み込まれる。蒸発器５１２は一体熱交換器５１０の下部であり、蒸発器部５１２とも呼ばれる。同様に、受動凝縮器５１４は一体熱交換器５１０の上部であり、凝縮器部とも呼ばれうる。第１実施形態と同様に、フィン付き管コイル又はマイクロチャネルコイルを含む任意の適切な熱交換器が使用されてよい。この実施形態では、一体熱交換器５１０は管５１６が２つの固定ヘッダー、上部ヘッダー５２２と底部ヘッダー５２４を接続する管５１６を有するフィン付き管コイルとして示されている。下記に説明するように、重力も冷却処理において役割を果たし、その結果、管５１６は好ましくは直立してより好ましくは垂直に配置される。
【0084】
受動モードで動作する気流冷却組立体５００が図１４に示されている。熱い還気１１４は一体熱交換器５１０の蒸発器部５１２を横切って流れる。管５１６内に収容された一次冷却媒体２０２は液相２０４から気相２０６に変化し還気１１４から熱を引き出し、その結果、還気１１４を冷却する。一次冷却媒体２０２が蒸発すると、蒸気２０６は管５１６内を熱交換器の凝縮器部５１４へ上昇する。受動モードでは、除熱空気１１８は凝縮器部５１４を横切って流れる。熱は一次冷却媒体２０２から除熱空気１１８へ放出され、一次冷却媒体を気相２０６から液相２０４へ凝縮させる。次に一次冷却媒体２０２の液体２０４は管５１６の側面を伝わり落ち重力の助けで蒸発器部５１２へ戻る。
【0085】
能動モードで動作する気流冷却組立体ループ５００が図１５に示されている。第１実施形態の気流冷却組立体２００と同様に、気流冷却組立体５００の蒸発器５１２も第２凝縮器、能動熱交換器凝縮器２１６に接続される。蒸気管５２６は一体熱交換器５１０の上部ヘッダー５２２を能動凝縮器２１６に接続する。一次冷却媒体２０２の蒸気２０６は蒸気管５２６を通って能動凝縮器２１６へ進む。第１実施形態におけるように、熱は一次冷却媒体２０２から二次冷却システム２３０の二次冷却媒体２０８へ能動凝縮器において放出され、一次冷却媒体２０２を蒸気２０６から液体２０４へ相変化させる。凝縮液体２０４は次に重力の助けにより液体冷媒路５２８を通って底部ヘッダー５２４へ進み、再循環冷媒流を確立する。
【0086】
第１実施形態と同様に、この実施形態の気流冷却組立体５００もポンプ、油、圧縮機、又はモードを切り替える弁さえも必要なく動作する。二次冷却システム２３０を作動させ能動凝縮器２１６を冷却することで、一次冷却媒体２０２の蒸気２０６はより冷たい能動凝縮器２１６へ自然に進み凝縮し、気流冷却組立体５００は自動的に受動モードから能動モードに切り替わる。また、温度センサー１２２、２５２に通信可能に結合されうる制御器２４０はこの実施形態の気流冷却組立体５００を制御するのに使用されてよい。
【0087】
上述したように、一体熱交換器５１０用に使用されているフィン付き管コイルの代りに、マイクロチャネルコイルが使用されてもよい。しかし、マイクロチャネル押し出し品の小さいチャネル内で凝縮液体と蒸発気体が互いに反対に流れるので、利用可能な総熱流束はヒートパイプ動作だけに依存する受動モードにおいて制限されることがある。図１６及び１７は第２受動凝縮器５３０（第３凝縮器）を含む第２実施形態の別の構成を示す。この実施形態では、第３凝縮器５３０は除熱空気１１８に対して一体熱交換器５１０の凝縮器部５１４と直列に配置されたマイクロチャネルコイルである。好ましくは、第３凝縮器５３０は一体熱交換器の凝縮器部５１４の上流側に配置される。第３凝縮器５３０は蒸気ヘッダー５３２と液体ヘッダー５３４を有する。第３凝縮器の蒸気ヘッダー５３２は一体熱交換器５１０の上部ヘッダー５２２に蒸気管５２６によって接続される。
【0088】
受動モード（図１６に示す）では、一次冷却媒体２０２の蒸気２０６は蒸気管５２６を通り第３熱交換器内へ流れ、そこで一次冷却媒体２０２の凝縮の大部分が発生する。第１実施形態の受動凝縮器２１４と同様に、除熱空気１１８は第３凝縮器５３０の外面を横切って流れ、第３凝縮器５３０内に収容された一次冷却媒体２０２の熱は除熱空気１１８へ放出され蒸気２０６を液体２０４へ凝縮させる。一次冷却媒体２０２の液体２０４は次に重力の助けにより再循環冷媒流として液体冷媒路５２８を通って底部ヘッダー５２４へ進む。
【0089】
能動モード（図１７に示す）では、蒸気２０６はより冷たい能動凝縮器２１６へ自然に流れ上記のように凝縮し、能動モードでは第３凝縮器５３０を通る一次冷却媒体２０２のもしあれば最少の流れが存在する。第１実施形態と同様に、液体冷媒路５２８内に蒸気トラップ（不図示）及び／又は逆止め弁２２０を含み特定のモードで現在動作していない凝縮器２１６、５３０を通る一次冷却媒体２０２の逆流を防ぐことが有益でありうる。
【0090】
第２受動凝縮器５３０はまた、図１８に示す能動凝縮器２１６のない構成において使用されてもよい。この構成は受動モードだけを有するが、蒸発器５１２はなお２つの凝縮器、一体熱交換器５１０の凝縮器部５１４と第２受動凝縮器５３０に接続される。第１実施形態の気流冷却組立体２００と同様に、冷却システム１１０は複数の第２実施形態の気流冷却組立体５００を含んでもよい。例えば、冷却システム１１０は図１９に示すように２つのループ５００ａ、５００ｂを含む。第１ループ５００ａは図１８に示す能動凝縮器２１６のない構成に類似し、第２ループ５００ｂは図１４及び１５に示す構成に類似するが、一体熱交換器５１０ｂとしてマイクロチャネルコイルを有する。この構成では、２つの蒸発器５１２ａ、５１２ｂは還気１１４に対して直列に配置される。第２ループ５００ｂの一体熱交換器５１０ｂ（能動凝縮器２１６を有する）は第１ループ５００ａの一体熱交換器５１０ａの上流に位置する。
【0091】
２つの気流冷却組立体ループ６００、第１気流冷却組立体ループ６００ａ及び第２気流冷却組立体ループ６００ｂを有する別の冷却システム１１０が図２０及び２１に示されているが、単一ループを含む任意の数のループが使用されてもよい。上記説明と同様に、文字が符号の後ろに付けられその部品が位置するループを示す。この冷却システム１１０では、還気１１４は還気１１４に対して並列に配置された２つの冷却コイル６１２ａ、６１２ｂを横切って流れるが、冷却コイル６１２ａ、６１２ｂも並列に配置されてもよい。還気１１４が冷却コイル６１２を横切って流れる時、熱は還気１１４から一次冷却剤ループ６１０内の一次冷却媒体６０２へ伝達され、一次冷却媒体６０２を加熱する。例えば水又は水・グリコール混合液を含む任意の適切な一次冷却媒体６０２が使用されてよい。
【0092】
一次冷却媒体６０２によって吸収された熱は次に節約モードにある第２コイル６１４か又は能動モードの熱交換器６１６において放出される。一次冷却媒体６０２は一次冷却剤ループ６１０を通って第２コイル６１４か又は熱交換器６１６へポンプによって循環される。誘導弁６２０は送り出された一次冷却媒体６０２を第２コイル６１４か又は熱交換器６１６へモードに依って選択的に導く。
【0093】
図２０は節約モードにある冷却システム１１０を示す。節約モードは外気温度が還気１１４から熱を吸収した後の一次冷却媒体６０２の温度（例えば、一次冷却剤ループ６１０内の冷却コイル６１２後の位置で測定された）未満の時に、上記実施形態で説明した受動モードと同様に使用される。上記実施形態と同様に、節約モード又は能動モードを何時使用するかを決めるのに所定の温度差が設定されてよい。節約モードでは、誘導弁６２０は一次冷却媒体６０２を冷却コイル６１２から第２コイル６１４へ導き一次冷却媒体６０２を冷却する。除熱空気１１８は除熱ファン１２０によって第２コイル６１４の外面を横切って流される。一次冷却媒体６０２の熱は次に一次冷却媒体６０２から放出され除熱空気１１８によって吸収される。一次冷却媒体６０２は次に冷却コイル６１２に戻る。冷却コイル６１２及び第２コイル６１４は、例えばフィン付き管コイル又はマイクロチャネルコイルを含む任意の適切なコイルであってよい。膨張タンク６２２はポンプ６１８の上流で冷却コイル６１２の後に位置してもよい。
【0094】
図２１は能動モードにある冷却システム１１０を示す。上述した能動モードと同様に、この実施形態の能動モードは、外気温度が還気１１４から熱を吸収した後の一次冷却媒体６０２の温度を超えている又は所定の温度差内である時に使用される。能動モードでは、誘導弁６２０は一次冷却媒体６０２を冷却コイル６１２から熱交換器６１６へ導き一次冷却媒体６０２を冷却する。一次冷却媒体６０２の熱は次に一次冷却媒体６０２から放出され二次冷却システム２３０の二次冷却媒体２０８によって吸収される。上記実施形態で説明したように、二次冷却システム２３０は直接膨張冷却システムを含む任意の適切な冷却システムであってよい。一次冷却媒体６０２は次に冷却コイル６１２に戻る。
【0095】
本発明を特定の代表的な実施形態で説明したが、多くの追加の部分変更及び変形は、本開示から当業者には明らかであろう。従って、具体的に記載した以外のやり方で本発明が実施されてもよいことは理解されるべきである。従って、本発明の代表的な実施形態は全ての点で例示であり限定でないと考えられるべきであり、本発明の範囲は上述した記載ではなく本出願の請求項及びそれらの等価物により決定されるべきである。
【符号の説明】
【0096】
１００ データセンター
１０２ ラック
１０４、１０６ 通路
１１０ 冷却システム
１１２ 供給空気
１１４ 還気
１１６ 供給空気ファン
１１８ 除熱空気
１２０ 除熱空気ファン
２００ 気流冷却組立体
２０２ 一次冷却媒体
２０４ 液体／液相
２０６ 蒸気／気相
２０８ 二次冷却媒体
２１０ 一次冷却剤ループ
２１２ 蒸発器
２１４ 受動凝縮器
２１６ 能動凝縮器
２１８ トラップ
２２０ 逆止め弁
２２２ 蒸気管
２２４ 液体冷媒路
２２６ 排気路
２２８ 液体帰還路
２３０ 二次冷却システム
２３２ 圧縮器
２３４ 凝縮器
２３６ 膨張弁
２４０ 制御器
３００ マイクロチャネルコイル
３１０ 液体ヘッダー
３２０ 蒸気ヘッダー
３３０ マイクロチャネル押し出し品
３３２ 外面
３３４、３３６ マイクロチャネル
３４０ アルミニウムフィン
１０２ ラック
１０４、１０６ 通路
１１０ 冷却システム
１１２ 供給空気
１１４ 還気
１１６ 供給空気ファン
１１８ 除熱空気
１２０ 除熱空気ファン
２００ 気流冷却組立体
２０２ 一次冷却媒体
２０４ 液体／液相
２０６ 蒸気／気相
２０８ 二次冷却媒体
２１０ 一次冷却剤ループ
２１２ 蒸発器
２１４ 受動凝縮器
２１６ 能動凝縮器
２１８ トラップ
２２０ 逆止め弁
２２２ 蒸気管
２２４ 液体冷媒路
２２６ 排気路
２２８ 液体帰還路
２３０ 二次冷却システム
２３２ 圧縮器
２３４ 凝縮器
２３６ 膨張弁
２４０ 制御器
３００ マイクロチャネルコイル
３１０ 液体ヘッダー
３２０ 蒸気ヘッダー
３３０ マイクロチャネル押し出し品
３３２ 外面
３３４、３３６ マイクロチャネル
３４０ アルミニウムフィン
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【国際調査報告】