JP2015148395A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率を向上させ、被冷却流体を効率的に冷却することが可能な冷却装置を提供する。
【解決手段】冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する蒸発器１００と、冷媒ガスを冷媒液に凝縮する凝縮器１０と、蒸発器と凝縮器との間を接続する冷媒ガス配管２０と、冷媒液配管３０とを有し、蒸発器、冷媒ガス配管、凝縮器および冷媒液配管により、冷媒の自然循環回路を構成し、蒸発器により冷却された被冷却流体により冷却対象を冷却する自然循環式冷却装置において、複数の熱交換チューブ内に形成される冷媒ガス領域から上部ヘッダーパイプの冷媒ガスの流出開口に至る冷媒流路内の流路抵抗を低減化する手段を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関し、より詳細には、熱交換チューブ内を自然循環により流れる冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する際、冷媒ガスのガス溜まりを低減することにより、熱交換効率を向上させ、以て被冷却流体を効率的に冷却することが可能な冷却装置に関する。

従来より、サーバ室、クリーンルーム等の密閉された室内の被冷却流体を冷却する冷却装置として、冷媒液の自重により冷媒液を送る自然循環方式の熱交換装置や、送液ポンプで冷媒液を強制的に送るポンプ方式の熱交換装置が知られている。特に、前者の冷却装置は、省エネルギーで運転することができ、広く用いられている。

このような冷却装置として、例えば、特許文献１および２に開示されているように、冷媒液を蒸発させる熱交換部を有する蒸発式冷却熱交換器と、冷媒ガスを凝縮させる凝縮器と、冷媒ガスを蒸発式冷却熱交換器から凝縮器に導くガス配管と、冷媒液を凝縮器から蒸発式冷却熱交換器に導く液配管と、を備えたものが知られている。

特に、特許文献３に開示されているように、循環ポンプや冷媒圧縮機などの搬送動力を不要として、省エネルギー化を図る観点から、冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する蒸発器と、冷媒ガスを冷媒液に凝縮する凝縮器と、蒸発器と凝縮器との間を接続し、冷媒ガスを前記蒸発器から前記凝縮器に送る冷媒ガス配管と、蒸発器と凝縮器との間を接続し、冷媒液を前記凝縮器から前記蒸発器に送る冷媒液配管と、を有し、蒸発器、冷媒ガス配管、凝縮器および冷媒液配管により、熱搬送を気体と液体の比重量差による自然循環により実現する自然循環回路を構成し、蒸発器により冷却された被冷却流体により冷却対象を冷却する冷却装置が知られている。
図１６に示すように、蒸発器は、冷媒液を外部から流入する下部ヘッダーパイプ２０２と、下部ヘッダーパイプ２０２と同方向に延在し、冷媒ガスを外部へ流出する上部ヘッダーパイプ２０３と、それぞれ、下部ヘッダーパイプ２０２と上部ヘッダーパイプ２０３との間を接続し、互いにヘッダーの延び方向に間隔を隔てる複数の熱交換チューブ２０１とを有し、複数の熱交換チューブ２０１は、複数の熱交換チューブ２０１の外部の流体と、複数の熱交換チューブ２０１の各々を下部ヘッダーパイプ２０２から上部ヘッダーパイプ２０３へ流れる冷媒液との間で、冷媒液の蒸発潜熱により熱交換を行うように構成されている。
このような蒸発式冷却熱交換器２００では、被冷却流体との熱交換によって熱交換チューブ２０１の下方の冷媒液が気化した冷媒ガスは、冷媒進行方向Ｄ１に沿って熱交換チューブ２０１の上方に抜けるようになっている。

しかしながら、上述したような蒸発式冷却熱交換器２００では、熱交換部２０１から第２のヘッダーパイプ２０３の上流側に流入する冷媒ガスは、上部ヘッダーパイプ２０３の冷媒ガスの流出開口に対して遠い分、熱交換部２０１から上部ヘッダーパイプ２０３の下流側に流入する冷媒ガスより流路が長く、上部ヘッダーパイプ２０３から受ける流路抵抗が大きく流れ難いため、冷媒ガスが、上部ヘッダーパイプ２０３内に送られずに熱交換部２０１の上部に局所的に溜まって、ガス溜まりＧを形成することがあり、このようなガス溜まりＧが形成される分だけ、熱交換部２０１内で飽和冷媒ガスが占める範囲が縮小し、蒸発式冷却熱交換器２００の熱交換効率が低下する虞があった。
この場合、自然循環タイプの蒸発式冷却熱交換器の大きさ（高さ）削減と、冷媒と空気との間の熱交換面積確保とのバランスを確保する観点から、被冷却流体である空気の流れを上下方向としたうえで、複数の熱交換チューブ２０１を包含する平面が、水平面に対して斜めに配置されるところ、この傾斜角度θを大きくするほど、冷媒液と冷媒ガスとの比重差により冷媒循環を行う自然循環において、冷媒ガスの流れが全体的に良好となる。
しかしながら、一方において、傾斜角度θを大きくするほど、空気側の熱抵抗が増大し、冷媒と空気との間の熱伝達率が低下し、かえって、熱交換効率が低下することになる。

そこで、本発明の目的は、熱交換チューブ内を自然循環により流れる冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する際、冷媒ガスのガス溜まりを低減することにより、熱交換効率を向上させ、以て被冷却流体を効率的に冷却することが可能な冷却装置を提供することにある。
特開2002−333188号 特開平09−236298号 特開平08−189713号

本発明の課題を達成するために、本発明の冷却装置は、
冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する蒸発器と、
冷媒ガスを冷媒液に凝縮する凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を接続し、冷媒ガスを前記蒸発器から前記凝縮器に送る冷媒ガス配管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を接続し、冷媒液を前記凝縮器から前記蒸発器に送る冷媒液配管と、
を有し、
前記蒸発器、前記冷媒ガス配管、前記凝縮器および前記冷媒液配管により、冷媒の自然循環回路を構成し、前記蒸発器により冷却された被冷却流体により冷却対象を冷却する自然循環式冷却装置において、
前記蒸発器は、
冷媒液を外部から流入する下部ヘッダーパイプと、
該下部ヘッダーパイプと同方向に延在し、冷媒ガスを外部へ流出する上部ヘッダーパイプと、
それぞれ、該下部ヘッダーパイプと該上部ヘッダーパイプとの間を斜めに接続し、互いに該ヘッダーの延び方向に間隔を隔てる複数の熱交換チューブとを有し、
前記複数の熱交換チューブは、前記複数の熱交換チューブの外部で上下方向に流れる被冷却流体の流体と、前記複数の熱交換チューブの各々を前記下部ヘッダーパイプから前記上部ヘッダーパイプへ流れる冷媒液との間で、冷媒液の蒸発潜熱により熱交換を行うように構成され、
さらに、前記複数の熱交換チューブ内に形成される冷媒ガス領域から前記上部ヘッダーパイプの冷媒ガスの流出開口に至る冷媒流路内の流路抵抗を低減化する手段を設ける、構成としている。

以上の構成を有する冷却装置によれば、蒸発器、冷媒ガス配管、凝縮器および冷媒液配管により、冷媒の自然循環回路を構成し、蒸発器において、下部ヘッダーパイプに流入する冷媒液は、複数の熱交換チューブの各々を流れ、その際、複数の熱交換チューブの外部を流れる被冷却流体との間で熱交換を行い、上部ヘッダーパイプに至り、冷媒ガスとして外部に流出する。
より詳細には、熱交換の際、冷媒液の蒸発潜熱により、被冷却流体が冷却される一方、冷媒液は気化して冷媒ガスとなる。
このとき、複数の熱交換チューブ内に形成される冷媒ガス領域から上部ヘッダーパイプの冷媒ガスの流出開口に至る冷媒流路内の流路抵抗を低減化する手段を設けているので、各熱交換チューブにおいて、冷媒の自然循環を維持することが可能であり、それにより、複数の熱交換チューブを流れる間に気化される冷媒ガスが、複数の熱交換チューブ内または上部ヘッダーパイプ内において滞留して、冷媒ガスのガス溜まりを生成することが抑制されるので、蒸発器における熱交換効率を維持することが可能であり、以て効率的な冷却装置を提供することが可能である。

また、前記下部ヘッダーパイプと前記上部ヘッダーパイプとは、互いに平行に、水平向きに配置され、
前記複数の熱交換チューブはそれぞれ、前記ヘッダの延び方向と直交する面内に配置され、前記複数の熱交換チューブを包含する平面は、水平面に対して所定傾斜角度をなすのでもよい。
さらに、前記下部ヘッダーパイプには、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口が設けられ、
前記上部ヘッダーパイプには、前記流入開口と同じ側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口が設けられ、
前記流路抵抗低減化手段は、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口が最も上のレベルとなるように、前記蒸発器全体を斜めに配置することにより構成されるのでもよい。
さらにまた、前記下部ヘッダーパイプには、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口が設けられ、
前記上部ヘッダーパイプには、前記流入開口と同じ側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口が設けられ、
前記流路抵抗低減化手段は、前記熱交換チューブから前記上部ヘッダーパイプに流入する冷媒ガスが両端に向けて流れるように、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口より上流側の部位と、前記冷媒ガス配管とを接続する冷媒ガスバイパス管により構成されるのでもよい。

加えて、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口より上流側の部位は、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口と反対側の端部であるのでもよい。
さらに、前記下部ヘッダーパイプには、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口が設けられ、
前記上部ヘッダーパイプには、前記流入開口と同じ側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口が設けられ、
前記流路抵抗低減化手段は、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口側の端部のレベルが、反対側の端部のレベルより上方に位置するように斜めに配置され、前記熱交換チューブから前記上部ヘッダーパイプへ流入する冷媒ガスを前記冷媒ガス排出方向の上流側から該上流側より鉛直方向上方の下流側に流すことにより構成されるのでもよい。
また、前記流路抵抗低減化手段は、前記下部ヘッダーパイプには、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口が設けられ、一方、前記上部ヘッダーパイプには、前記流入開口と反対側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口が設けられることにより構成されるのでもよい。

本発明の第1実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す模式図。 本発明の第1実施形態において、蒸発式冷却熱交換器を示す平面図。 本発明の第1実施形態において、図２に示す蒸発式冷却熱交換器の正面図。 本発明の第1実施形態において、図２に示す蒸発式冷却熱交換器の左側面図。 本発明の第1実施形態において、吐き出し口を省略した図２に示す蒸発式冷却熱交換器の右側面図。 本発明の第1実施形態において、本発明の冷却装置に用いられた蒸発式冷却熱交換器の冷媒ガス、冷媒液の分布を示す模式図。 本発明の第1実施形態において、直線状のチューブを適用した蒸発式冷却熱交換器を示す斜視図。 本発明の第1実施形態において、側面視でＺ字状のチューブを適用した蒸発式冷却熱交換器を示す斜視図。 本発明の第２実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す図６と同様な模式図。 本発明の第２実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す図７と同様な斜視図。 本発明の第２実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す図８と同様な斜視図。 本発明の第３実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す図６と同様な模式図。 本発明の第３実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す図７と同様な斜視図。 本発明の第３実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す図８と同様な斜視図。 本発明の第４実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す図７と同様な斜視図。 従来の冷却装置に用いられた蒸発式冷却熱交換器を示す模式図。 本発明の第１実施形態を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置において、蒸発器全体を斜めに配置する状態を示す簡略図である。

以下、本発明の一実施例に係る蒸発式冷却熱交換としての蒸発器１００を用いた冷却装置１について、図１に基づいて説明する。なお、本実施例では、多数のサーバラックｒ内及びこれらサーバラックｒを収容するサーバ室Ｒ内を冷却する冷却装置１について説明するが、冷却装置１をドライルームやクリーンルーム等に適用しても構わない。

サーバ室Ｒには、図示しない電子機器を夫々搭載する複数のサーバラックｒが収容されている。サーバラックｒ内に設置された図示しないファンが電子機器を空冷し、被冷却流体としての暖かい空気Ａ１をサーバラックｒ外に放出すると共にサーバラックｒ外の冷たい空気Ａ２をサーバラックｒ内に取り入れる。電子機器の発熱により暖められた暖かい空気Ａ１は、冷却装置１で冷却されて、再びサーバ室Ｒ内に戻ることで、サーバ室Ｒ内は温度が一定に保たれ、電子機器は、所定の許容温度範囲内で動作するようになっている。

冷却装置１は、サーバ室Ｒ内を冷却する自然循環方式の熱交換装置である。冷却装置１は、サーバ室Ｒ内に設けられた蒸発式冷却熱交換器としての蒸発器１００と、サーバ室Ｒ外に設けられた凝縮器１０と、蒸発器１００から凝縮器１０に冷媒ガスを導くガス配管２０と、凝縮器１０から蒸発器１００に冷媒液を導く液配管３０と、を備えている。

蒸発器１００は、ケーシング１０１内に収容されて、ラックｒの上方に配置されるようにサーバ室Ｒの天井や側壁に取り付けられる。蒸発器１００は、液配管３０を介して凝縮器１０から流入する冷媒液を冷媒ガスに気化させて、温かい空気Ａ１を冷たい空気Ａ２に冷却する。

凝縮器１０は、ガス配管２０を介して蒸発器１０から流入する冷媒ガスを冷媒液に凝縮させる。具体的には、凝縮器１０は、図示しない冷却塔や冷凍機等で冷却された冷却水を循環させており、この冷却水に凝縮熱を放出させることで、冷媒ガスを冷媒液に凝縮させる。

液配管３０には、冷媒液を蒸発器１００に送る送液ポンプを設けても構わない。なお、蒸発器１００が凝縮器１０より上方に配置されている場合には、冷媒液を強制的に送る送液ポンプを設ける必要がある。

次に、蒸発器１００の構成について、図２乃至６に基づいて説明する。

蒸発器１００は、矩形枠体である基台１０２を介してケーシング１０１に固定されている。ケーシング１０１は、底面１０１ａに形成されて暖かい空気Ａ１を吸い込む円形状の吸い込み口１０１ｂと、側面１０１ｃに形成されて冷たい空気Ａ２を吐き出す格子状の吐き出し口１０１ｄと、が形成されている。

ケーシング１０１の吸い込み口１０１ｂの上方には、回転軸Ａ回りに回転して蒸発器１００に暖かい空気Ａ１を取り込むファン１０３が取り付けられている。また、ケーシング１０１内には、図示しない温度センサにより検知された暖かい空気Ａ１の吸込温度に応じて、ファン１０３の回転数を制御し、蒸発器１００を通過する通風量を変化させる制御装置１０４が配置されている。

基台１０２は、ケーシング１０１の底面１０１ａに立設されて、蒸発器１００内の冷媒ガスが冷媒の進行方向Ｄ１に沿って鉛直方向Ｖの上方に上昇するように、ケーシング１０１の底面１０１ａに対して蒸発器１００を斜めに固定している。これにより、蒸発器１００の熱交換面積を増加させて、サーバ室Ｒ内の暖かい空気Ａ１を効率的に冷却することができる。

蒸発器１００は、冷媒ガスの冷媒進行方向Ｄ１に沿って延びた複数のチューブ１１１、１１１を有する熱交換部１１０と、チューブ１１１の下端に接続されて、液配管３０から流入する冷媒液をチューブ１１１に供給する下部ヘッダーパイプ１２０と、チューブ１１１の上端に接続されて、チューブ１１１から流入する冷媒ガスをガス配管２０に流す上部ヘッダーパイプ１３０と、を備えている。

より具体的には、蒸発器１００は、冷媒液を外部から流入する下部ヘッダーパイプ１２０と、下部ヘッダーパイプ１２０と同方向に延在し、冷媒ガスを外部へ流出する上部ヘッダーパイプ１３０と、それぞれ、下部ヘッダーパイプ１２０と上部ヘッダーパイプ１３０との間を斜めに接続し、互いにヘッダーの延び方向に間隔を隔てる複数の熱交換チューブ１１１とを有し、複数の熱交換チューブ１１１は、複数の熱交換チューブ１１１の外部で上下方向に流れる被冷却流体と、複数の熱交換チューブ１１１の各々を下部ヘッダーパイプ１２０から上部ヘッダーパイプ１３０へ流れる冷媒液との間で、冷媒液の蒸発潜熱により熱交換を行うように構成されている。

下部ヘッダーパイプ１２０と上部ヘッダーパイプ１３０とは、互いに平行に、水平向きに配置され、複数の熱交換チューブ１１１はそれぞれ、ヘッダの延び方向と直交する面内に配置され、複数の熱交換チューブ１１１を包含する平面は、水平面に対して所定傾斜角度をなす。下部ヘッダーパイプ１２０には、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口１６０が設けられ、上部ヘッダーパイプ１３０には、流入開口１６０と同じ側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口１５０が設けられる。

複数の熱交換チューブ１１１はそれぞれ、下部ヘッダーパイプ１２０および上部ヘッダーパイプ１３０とは別体に構成され、下部ヘッダーパイプ１２０の長手方向に間隔を隔てて設けられる開口（図示せず）と、上部ヘッダーパイプ１３０の長手方向に間隔を隔てて設けられる開口（図示せず）とを接続し、特に図４および図５に示すように、下部ヘッダーパイプ１２０の開口から上部ヘッダーパイプ１３０の対応する開口に向かって上方に傾斜しており、この傾斜角度θは、冷媒の種類、自然循環流量等の観点から適宜に決定すればよい。
なお、符号１４０は、冷媒液の流量を制御する電子膨張弁である。電子膨張弁１４０は、冷媒ガスの過熱度を一定に保つように開度を制御装置１０４により制御される。冷媒ガスの過熱度を一定に保つことにより、冷媒液を完全に蒸発させて、冷媒液の蒸発潜熱で効率的に暖かい空気Ａ１を冷却することができる。

図１７に示すように、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０が最も上のレベルとなるように、蒸発器１００全体は、斜めに配置される。
より詳細には、複数の熱交換チューブ１１１を包含する平面部を基準に考えれば、下辺を構成する下部ヘッダーパイプ１２０が、Ｘ方向に対して、角度α１上向き傾斜し、さらに、右辺を構成する最右端の熱交換チューブが、Ｙ方向に対して、角度α２上向き傾斜し、平面部の下辺と左辺との頂点（下部ヘッダーパイプ１２０の最左端）だけが、ＸＹ平面上に存在するように配置され、それにより、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０が最も上のレベルとなる。
なお、変形例として、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０が最も上のレベルとなる限り、下部ヘッダーパイプ１２０は、Ｘ方向に対して、平行のまま、右辺を構成する最右端の熱交換チューブが、Ｙ方向に対して、角度α２上向き傾斜してもよい。
以上のような蒸発器１００全体の斜め配置により、蒸発器１００を構成する熱交換部１１０、下部ヘッダーパイプ１２０および上部ヘッダーパイプ１３０は、以下のような配置となる。

熱交換部１１０は、冷媒進行方向Ｄ１に沿って延びる複数のチューブ１１１、１１１を、冷媒進行方向Ｄ１と略直角な冷媒ガス排出方向Ｄ２に沿って互いに隙間を空けて列設して構成されている。冷媒ガス排出方向Ｄ２は、水平方向Ｈに対して鉛直方向Ｖの上方に傾いて設定されている。熱交換部１１０内の冷媒液は、冷媒進行方向Ｄ１に沿って上昇するにしたがって、暖かい空気Ａ１との間で熱交換されて、飽和蒸気の冷媒ガス、加熱蒸気の冷媒ガスの順に変化する。即ち、熱交換部１１０内の冷媒液・冷媒ガスは、図６に示すように、下部ヘッダーパイプ１２０から流入する冷媒液が占める領域Ｆ１と、飽和蒸気の冷媒ガスが占める領域Ｆ２と、上部ヘッダーパイプ１３０に流入する加熱蒸気の冷媒ガスが占める領域Ｆ３と、に分かれて存在する。なお、蒸発器１００の熱効率は、飽和蒸気の冷媒ガスが占める領域Ｆ２の大きさに比例して増加するため、飽和蒸気の冷媒ガスが占める領域Ｆ２は、広い方が好ましい。

熱交換部１１０は、冷媒ガス排出方向Ｄ２の下流側を上流側より鉛直方向Ｖの上方に傾けて配置されている。熱交換部１１０の傾きは、僅かであっても良く、好ましくは、水平方向Ｈに対して３度以上に設定される。
これにより、熱交換部１１０の冷媒ガス排出方向Ｄ２の上流側の冷媒ガスが、熱交換部１１０と上部ヘッダーパイプ１３０との接続部分で滞留することなく、上部ヘッダーパイプ１３０に流入し易くなっている。

下部ヘッダーパイプ１２０は、冷媒液流入方向Ｄ３の上流側の上流側端部１２１で液配管３０と接続されている。下部ヘッダーパイプ１２０は、冷媒液流入方向Ｄ３の上流側を下流側より鉛直方向Ｖの上方に傾けて、即ち、冷媒ガス排出方向Ｄ２の下流側を上流側より鉛直方向Ｖの上方に傾けて配置されている。

上部ヘッダーパイプ１３０は、冷媒ガス排出方向Ｄ２の下流側の下流側端部１３１でガス配管２０と接続されている。上部ヘッダーパイプ１３０は、熱交換部１１０と同様に、冷媒ガス排出方向Ｄ２の下流側を上流側より鉛直方向Ｖの上方に傾けて配置されている。
これにより、チューブ１１１から流入する冷媒ガスが上部ヘッダーパイプ１３０内を冷媒ガス排出方向Ｄ２の上流側から下流側に円滑に流れるようになっている。
以上のように、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０が最も上のレベルとなるように、蒸発器１００全体が斜めに配置されることから、水平に配置される場合に比して、全体として冷媒ガスの流れが良好となり、上部ヘッダーパイプ１３０内を流出開口１５０に向かって流れる冷媒ガスの流路抵抗を低減することが可能となる。

上述した本実施例に係る蒸発器１００は、熱交換部１１０の冷媒ガス排出方向Ｄ２の上流側で滞留しがちな冷媒ガスをスムーズに冷媒ガス排出方向Ｄ２の下流側に流し、熱交換部１１０内の冷媒ガスのガス溜まりを抑制して、蒸発器１００の熱交換効率を向上させることができる。

また、本実施例に係る冷却装置１は、熱交換効率に優れた蒸発器１００を用いて、サーバ室Ｒを効率よく冷却することができる。

蒸発器１００全体の傾斜角度の設定方法について、予め、冷媒の自然循環流量を予想して、ガス溜まりが生じないように傾斜角度を算出するのは、困難であることから、以下のように、試運転による試行錯誤を利用して設定するのが好ましい。
すなわち、蒸発器１００の目標高さ寸法の範囲内で、蒸発器１００全体の傾斜角度を変動させ、各々の傾斜角度で仮設定した状態で、試運転を行い、たとえば、サーモグラフを用いて、熱交換部１１０内のガス溜まり領域を特定する。
次いで、上部ヘッダーパイプ１３０の上流側近傍の熱交換部１１０に生じるガス溜まり領域が最小となる傾斜角度を決定し、その角度で蒸発器１００を固定する。

また、本実施例におけるチューブ１１１は、図７に示すように、下方から上方に直線状に１列に延びたものを採択しているが、熱交換部に用いられるチューブの形状は直線状の１列に限定されず、例えば、強制循環方式の冷却装置に用いられるチューブ１１１であれば、図８に示すように、上下に２回屈曲させて側面視でＺ字状の３列であっても、上下２回以上の偶数回屈曲させた奇数列であっても構わない。

以上の構成を有する冷却装置によれば、蒸発器１００、冷媒ガス配管２０、凝縮器１０および冷媒液配管３０により、冷媒の自然循環回路を構成し、蒸発器１００において、下部ヘッダーパイプ１２０に流入する冷媒液は、複数の熱交換チューブ１１１の各々を流れ、その際、複数の熱交換チューブ１１１の外部を流れる被冷却流体との間で熱交換を行い、上部ヘッダーパイプ１３０に至り、冷媒ガスとして外部に流出する。
より詳細には、熱交換の際、冷媒液の蒸発潜熱により、被冷却流体が冷却される一方、冷媒液は気化して冷媒ガスとなる。

このとき、複数の熱交換チューブ１１１内に形成される冷媒ガス領域から上部ヘッダーパイプ１３０の冷媒ガスの流出開口１５０に至る冷媒流路内の流路抵抗を低減化する手段を設けているので、各熱交換チューブ１１１において、冷媒の自然循環を維持することが可能であり、それにより、複数の熱交換チューブ１１１を流れる間に気化される冷媒ガスが、複数の熱交換チューブ１１１内または上部ヘッダーパイプ１３０内において滞留して、冷媒ガスのガス溜まりを生成することが抑制されるので、蒸発器１００における熱交換効率を維持することが可能であり、以て効率的な冷却装置を提供することが可能である。

以下、本発明の第２の実施形態を図面を参照しながら説明する。以下の説明において、第１の実施形態と同様な構成要素には同様な参照番号を付することにより、その説明は省略し、本実施形態の特徴について、詳細に説明する。
図９に示すように、本実施形態の特徴は、流路抵抗低減化手段にあり、熱交換チューブ１１１から上部ヘッダーパイプ１３０に流入する冷媒ガスが両端に向けて流れるように、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０より上流側の部位と、冷媒ガス配管２０とを接続する冷媒ガスバイパス管２１により構成され、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０より上流側の部位は、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０と反対側の端部であるのがよい。
これにより、冷媒ガスバイパス管２１を設けない場合に比して、たとえば、従来、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０に対して遠位側に位置する上部ヘッダーパイプ１３０の上流側に接続される熱交換チューブ１１１内の冷媒ガスが、冷媒ガスバイパス管２１を介して冷媒ガス配管２０に流入することが可能となり、上部ヘッダーパイプ１３０の上流側と下流側とで、冷媒ガスの流れる流路長さの差を低減することにより、上部ヘッダーパイプ１３０内を流出開口１５０に向かって流れる冷媒ガスの流路抵抗を低減することが可能となる。

より詳細には、下部ヘッダーパイプ１２０は、水平方向Ｈに沿って延びており、冷媒液流入方向Ｄ２の上流側の上流側端部１２１で液配管３０と接続されている。なお、下部ヘッダーパイプ１２０の上流側端部１２１の上流側に、冷媒ガスの過熱度を一定に保つように冷媒液の流量を制御する電子膨張弁を設けても構わない。これにより、冷媒液を完全に蒸発させて、冷媒液の蒸発潜熱で効率的に暖かい空気Ａ１を冷却することができる。

上部ヘッダーパイプ１３０は、水平方向Ｈに沿って延びており、一方端部１３１をガス配管２０に接続され、他方端部１３２をバイパス配管２１を介してガス配管２０に接続されている。
これにより、熱交換部１１０から上部ヘッダーパイプ１３０に流入する冷媒ガスは、上部ヘッダーパイプ１３０内を冷媒ガス排出方向Ｄ３に沿って図３中の紙面左右に分かれて、上部ヘッダーパイプ１３０内で滞留することなく、ガス配管２０又はバイパス配管２１に速やかに流れるようになっている。

上述した本実施例に係る蒸発器１００は、熱交換部１１０及び上部ヘッダーパイプ１３０内の冷媒ガスが、ガス配管２０又はバイパス配管２１にスムーズに流れて、熱交換部１１０内の冷媒ガスのガス溜まりを抑制して、蒸発器１００の熱交換効率を向上させることができる。

また、本実施例におけるチューブ１１１は、第１実施形態と同様に、図１０に示すように、下方から上方に直線状に１列に延びたものを採択しているが、熱交換部に用いられるチューブの形状は直線状の１列に限定されず、例えば、強制循環方式の冷却装置に用いられるチューブ１１１であれば、図１１に示すように、上下に２回屈曲させて側面視でＺ字状の３列であっても、上下２回以上の偶数回屈曲させた奇数列であっても構わない。

以下、本発明の第３の実施形態を図面を参照しながら説明する。以下の説明において、第１の実施形態と同様な構成要素には同様な参照番号を付することにより、その説明は省略し、本実施形態の特徴について、詳細に説明する。
図１２に示すように、本実施形態の特徴は、流路抵抗低減化手段にあり、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０側の端部のレベルが、反対側の端部のレベルように上方に位置するように斜めに配置され、熱交換チューブ１１１から上部ヘッダーパイプ１３０へ流入する冷媒ガスを冷媒ガス排出方向の上流側から上流側より鉛直方向上方の下流側に流すことにより構成される。
これにより、流出開口側１５０レベルが流入開口側１６０レベルより上方に位置するように、上部ヘッダーパイプ１３０が斜めに配置され、それにより、水平に配置される場合に比して、上部ヘッダーパイプ１３０内の冷媒ガスの流れを良好にすることにより、上部ヘッダーパイプ１３０内を流出開口１５０に向かって流れる冷媒ガスの流路抵抗を低減することが可能となる。

より詳細には、上部ヘッダーパイプ１３０は、冷媒ガス排出方向Ｄ３の下流側の下流側端部１３１でガス配管２０と接続されている。また、上部ヘッダーパイプ１３０は、水平方向Ｈに対して鉛直方向Ｖの上方に傾いた冷媒ガス排出方向Ｄ３に沿って延びており、下流側端部１３１を冷媒ガス排出方向Ｄ３の上流側の上流側端部１３２より鉛直方向Ｖの上方に配置するように傾いている。なお上部ヘッダーパイプ１３０の水平方向Ｈに対する傾きは、僅かであっても良く、好ましくは、水平方向Ｈに対して３度以上に設定される。
これにより、熱交換部１１０から流入する冷媒ガスが上部ヘッダーパイプ１３０内を冷媒ガス排出方向Ｄ３の上流側から下流側に円滑に流れるようになっている。

また、本実施例におけるチューブ１１１は、第１実施形態と同様に、図１３に示すように、下方から上方に直線状に１列に延びたものを採択しているが、熱交換部に用いられるチューブの形状は直線状の１列に限定されず、例えば、強制循環方式の冷却装置に用いられるチューブ１１１であれば、図１４に示すように、上下に２回屈曲させて側面視でＺ字状の３列であっても、上下２回以上の偶数回屈曲させた奇数列であっても構わない。

以下、本発明の第４の実施形態を図面を参照しながら説明する。以下の説明において、第１の実施形態と同様な構成要素には同様な参照番号を付することにより、その説明は省略し、本実施形態の特徴について、詳細に説明する。
図１５に示すように、本実施形態の特徴は、流路抵抗低減化手段にあり、下部ヘッダーパイプ１２０には、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口１６０が設けられ、一方、上部ヘッダーパイプ１３０には、流入開口１６０と反対側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口１５０が設けられることにより構成される。
これにより、流入開口１６０と流出開口１５０とが同じ側に設置される場合に比して、上部ヘッダーパイプ１３０の上流側と下流側とで、冷媒ガスの流れる流路長さの差を低減することにより、上部ヘッダーパイプ１３０内を流出開口１５０に向かって流れる冷媒ガスの流路抵抗を低減することが可能となる。
なお、蒸発器１００の設置スペースの観点から、図１５とは、逆の態様で、流入開口１６０と流出開口１５０とを設けてもよい。

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内において、当業者であれば、種々の修正あるいは変更が可能である。
たとえば、第１実施形態ないし第４実施形態それぞれにおいて、流路抵抗低減化手段として、第１実施形態においては、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口が最も上のレベルとなるように、蒸発器１００全体を傾斜配置し、第２実施形態においては、上部ヘッダーパイプ１３０に対して冷媒ガスバイパス管を設け、第３実施形態においては、上部ヘッダーパイプ１３０を冷媒ガスの流れ方向下流側に向かって上方となるように傾斜配置し、第４実施形態においては、上部ヘッダーパイプ１３０の冷媒ガスの流出開口１５０と、下部ヘッダーパイプ１２０の冷媒液の流入開口１６０とを互いに反対側となるように配置するものとして説明したが、それに限定されることなく、主として、冷却装置、特に蒸発器１００の設置スペースの観点から、流路抵抗低減化に資する限り、第１実施形態ないし第４実施形態どうしで適宜組み合わせてもよい。

たとえば、第２実施形態において、冷媒ガスバイパス管を上部ヘッダーパイプ１３０の途中に接続する一方、第１実施形態における蒸発器１００全体の傾斜角度を低減したり、第３実施形態における上部ヘッダーパイプ１３０の傾斜角度を低減してもよい。
また、第４実施形態において、上部ヘッダーパイプ１３０の流出開口１５０または下部ヘッダーパイプ１２０の流入開口１６０のいずれか、あるいは両方をヘッダーパイプの途中に設ける一方、第１実施形態における蒸発器１００全体の傾斜角度を低減したり、第３実施形態における上部ヘッダーパイプ１３０の傾斜角度を低減してもよい。

１ ・・・ 冷却装置
１０・・・ 凝縮器
２０・・・ ガス配管
２１・・・ バイパス配管２１
３０・・・ 液配管
１００・・・ 蒸発器（蒸発式冷却熱交換器）
１０１・・・ ケーシング
１０２・・・ 基台
１０３・・・ ファン
１０４・・・ 制御装置
１１０・・・ 熱交換部
１１１・・・ チューブ
１２０・・・ 下部ヘッダーパイプ
１２１・・・ （下部ヘッダーパイプの）上流側端部
１３０・・・ 上部ヘッダーパイプ
１３１・・・ （上部ヘッダーパイプの）下流側端部
１３２・・・ （上部ヘッダーパイプの）上流側端部
１４０・・・ 電子膨張弁
１５０・・・ 流出開口
１６０・・・ 流入開口
Ｒ ・・・ サーバ室
ｒ ・・・ サーバラック
Ｆ１・・・ 冷媒液が占める領域
Ｆ２・・・ 飽和蒸気が占める領域
Ｆ３・・・ 加熱蒸気が占める領域
Ａ１・・・ 暖かい空気
Ａ２・・・ 冷たい空気
Ｄ１・・・ 冷媒進行方向
Ｄ２・・・ 冷媒ガス排出方向
Ｄ３・・・ 冷媒液流入方向
Ｈ ・・・ 水平方向
Ｖ ・・・ 鉛直方向

Claims (7)

1. 冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する蒸発器と、
   冷媒ガスを冷媒液に凝縮する凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器との間を接続し、冷媒ガスを前記蒸発器から前記凝縮器に送る冷媒ガス配管と、
   前記蒸発器と前記凝縮器との間を接続し、冷媒液を前記凝縮器から前記蒸発器に送る冷媒液配管と、
   を有し、
   前記蒸発器、前記冷媒ガス配管、前記凝縮器および前記冷媒液配管により、冷媒の自然循環回路を構成し、前記蒸発器により冷却された被冷却流体により冷却対象を冷却する自然循環式冷却装置において、
   前記蒸発器は、
   冷媒液を外部から流入する下部ヘッダーパイプと、
   該下部ヘッダーパイプと同方向に延在し、冷媒ガスを外部へ流出する上部ヘッダーパイプと、
   それぞれ、該下部ヘッダーパイプと該上部ヘッダーパイプとの間を斜めに接続し、互いに該ヘッダーの延び方向に間隔を隔てる複数の熱交換チューブとを有し、
   前記複数の熱交換チューブは、前記複数の熱交換チューブの外部で上下方向に流れる被冷却流体と、前記複数の熱交換チューブの各々を前記下部ヘッダーパイプから前記上部ヘッダーパイプへ流れる冷媒液との間で、冷媒液の蒸発潜熱により熱交換を行うように構成され、
   さらに、前記複数の熱交換チューブ内に形成される冷媒ガス領域から前記上部ヘッダーパイプの冷媒ガスの流出開口に至る冷媒流路内の流路抵抗を低減化する手段を設ける、
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記下部ヘッダーパイプと前記上部ヘッダーパイプとは、互いに平行に、水平向きに配置され、
   前記複数の熱交換チューブはそれぞれ、前記ヘッダーの延び方向と直交する面内に配置され、前記複数の熱交換チューブを包含する平面は、水平面に対して所定傾斜角度をなす、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記下部ヘッダーパイプには、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口が設けられ、
   前記上部ヘッダーパイプには、前記流入開口と同じ側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口が設けられ、
   前記流路抵抗低減化手段は、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口が最も上のレベルとなるように、前記蒸発器全体を斜めに配置することにより構成される、請求項1に記載の冷却装置。
4. 前記下部ヘッダーパイプには、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口が設けられ、
   前記上部ヘッダーパイプには、前記流入開口と同じ側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口が設けられ、
   前記流路抵抗低減化手段は、前記熱交換チューブから前記上部ヘッダーパイプに流入する冷媒ガスが両端に向けて流れるように、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口より上流側の部位と、前記冷媒ガス配管とを接続する冷媒ガスバイパス管により構成される、請求項1に記載の冷却装置。
5. 前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口より上流側の部位は、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口と反対側の端部である、請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記下部ヘッダーパイプには、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口が設けられ、
   前記上部ヘッダーパイプには、前記流入開口と同じ側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口が設けられ、
   前記流路抵抗低減化手段は、前記上部ヘッダーパイプの前記流出開口側の端部のレベルが、反対側の端部のレベルより上方に位置するように斜めに配置され、前記熱交換チューブから前記上部ヘッダーパイプへ流入する冷媒ガスを前記冷媒ガス排出方向の上流側から該上流側より鉛直方向上方の下流側に流すことにより構成される、請求項1に記載の冷却装置。
7. 前記流路抵抗低減化手段は、前記下部ヘッダーパイプには、その端部に、冷媒液が外部から流入する流入開口が設けられ、一方、前記上部ヘッダーパイプには、前記流入開口と反対側の端部に、冷媒液が外部へ流出する流出開口が設けられることにより構成される、請求項1に記載の冷却装置。

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