JP2016040833A - 冷却システムおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
冷媒を用いる冷却システムの冷却効率の低下を防止する。
【解決手段】
冷却システムＳ３は、配管口１７を有し、サーバラック１から放出される熱を冷媒により吸熱する蒸発器３と、配管口１７よりも高い位置に配管口１９を有し、冷媒を冷却する熱交換器１３と、配管口１７と配管口１９に接続され、冷媒の流路となる屈曲自在なフレキシブル配管１０と、一方の端部から他方の端部に近づくに従って高くなる面を有し、当該面には、配管口１７に接続された側から配管口１９に接続された側に近づくに従って高くなるようにフレキシブル配管１０が載置される載置台とを備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、熱を発生する機器を冷却する技術に関し、特に冷却システムおよび電子機器に関する。

サーバなどの熱を発生する機器の運用においては、機器を効率的に冷却することが求められる。

特許文献１記載の冷却システムは、サーバから排出される熱を、蒸発器を流れる冷媒液が蒸発することにより吸熱する。そして、係る冷却システムは、加熱された冷媒蒸気を、蒸発器より高所に設置された冷却塔において凝縮することにより、吸熱した熱を放出する。

特許文献１記載の冷却システムは、蒸発器と冷却塔を接続する配管の一部にフレキシブル配管を備えることにより、蒸発器が移動することを可能にする。

特開２０１１−１６５７０７号公報

上述した特許文献１記載の冷却システムにおいては、冷却塔を蒸発器よりも高所に配置することにより、気体あるいは液体となっている冷媒が冷却塔と蒸発器の間を効率的に移動することを可能にする。しかしながら、冷媒の流路となる配管に逆勾配の部分が存在する場合、逆勾配の部分において冷媒の移動が滞るために、冷却効率が低下するという問題がある。例えば、特許文献１の図５に示されるフレキシブル配管のように、フレキシブル配管の一部がループ状になっている場合がこれに該当する。

本発明は、上述した課題を解決するための技術を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る冷却システムは、
第１の配管口を有し、機器から放出される熱を冷媒により吸熱する吸熱器と、
前記第１の配管口よりも高い位置に第２の配管口を有し、前記冷媒を冷却する放熱器と、
一端が前記第１の配管口に接続され、他端が前記第２の配管口に接続され、前記冷媒の流路となる、屈曲自在な第１のフレキシブル配管と、
一方の端部から他方の端部に近づくに従って垂直方向に高くなる面を有し、当該面には、前記第１の配管口に接続された側から前記第２の配管口に接続された側に近づくに従って垂直方向に高くなるように前記第１のフレキシブル配管が載置される載置台とを備える。

また、上記目的を達成する本発明に係る電子機器は、上述の冷却システムを備える。

本発明によれば、冷媒を用いる冷却システムの冷却効率の低下を防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷却システムの構成を表す側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却システムの構成を表す上面図である。 背面扉２が開いている状態を示す上面図である。 地震発生時における背面扉２の移動範囲を示す上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷却システムの構成を表す側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る冷却システムの構成を表す側面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷却システムの構成を表す側面図である。また、図２は、本発明の第１の実施形態に係る冷却システムの構成を表す上面図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却システムＳ１は、蒸発器３と、冷媒蒸気配管５，１５と、冷媒液配管６，１６と、フレキシブル配管１０，１１と、傾斜台１２と、熱交換機１３と、圧力計２１と、圧力調整器２２とを備える。

例えばラックマウント型サーバコンピュータ（不図示）を収納可能なサーバラック１は、免震床４の上に設置されている。サーバラック１の背面扉２は、回転軸２４を有する取付金具２３によって、サーバラック１に開閉自在に取り付けられている。また、背面扉２は、蒸発器３を収納しており、車輪１４を備えている。

冷却システムＳ１は、冷媒を用いて冷却を行う。蒸発器３は、冷媒を蒸発させることにより、サーバラック１が排出する熱を吸熱する。吸熱することにより蒸気となった冷媒（冷媒蒸気）は、冷媒蒸気配管５、フレキシブル配管１０および冷媒蒸気配管１５を経由して熱交換器１３に移動する。熱交換器１３は、冷媒蒸気を冷却することにより、冷媒蒸気を凝縮する。凝縮して液体となった冷媒（冷媒液）は、冷媒液配管１６、フレキシブル配管１１および冷媒液配管６を経由して蒸発器３に移動する。そして、再び、蒸発器３はサーバラック１が排出する熱を吸熱する。

冷媒蒸気配管５および冷媒液配管６は、それらの一端が蒸発器３の上部にある配管口１７，１８に接続され、他方の一端の付近が台車７に固定されている。台車７は、非免震の天井９の上をあらゆる方向に移動可能な車輪８を備えている。

天井９の上には傾斜台１２が設置されている。傾斜台１２は、その上面に、一方の端部から他方の端部に近づくに従って高くなる傾斜面を備えている。

冷媒蒸気配管１５および冷媒液配管１６は、それらの一端が、熱交換器１３が有する配管口１９，２０に接続されている。

フレキシブル配管１０は、その一端が冷媒蒸気配管５に接続され、他方の一端が冷媒蒸気配管１５に接続されている。また、フレキシブル配管１１は、その一端が冷媒液配管６に接続され、他方の一端が冷媒液配管１６に接続されている。ここで、屈曲自在であるフレキシブル配管１０，１１は、冷媒蒸気配管５，１５と冷媒液配管６，１６を最短距離で接続するのではなく、余長を持つことによりたわみが生じるように接続している。

フレキシブル配管１０は、冷媒蒸気配管５に接続された側から冷媒蒸気配管１５に接続された側に近づくに従って高くなるように傾斜台１２の上に載置されている。同様に、フレキシブル配管１１は、冷媒液配管６に接続された側から冷媒液配管１６に接続された側に近づくに従って高くなるように傾斜台１２の上に載置されている。

熱交換器１３は、配管口１９，２０が、それぞれ配管口１７，１８よりも高くなるような位置に設置されている。

以上の構成により、蒸発器３から、冷媒蒸気配管５、フレキシブル配管１０および蒸気配管１５を介して、熱交換器１３に至る冷媒蒸気の流路が、途中に逆勾配が存在しない上りの順勾配に保たれる。また同様に、熱交換器１３から、冷媒液配管１６、フレキシブル配管１１および冷媒液配管６を介して、蒸発器３に至る冷媒液の流路が、途中に逆勾配が存在しない下りの順勾配に保たれる。

圧力計２１は、配管内の圧力（気圧）を計測する。すなわち、圧力計２１は、冷媒蒸気の圧力を計測する。圧力計２１は、機械式でもよいし、電子式でもよい。圧力計２１は、計測した圧力の値を電気信号として出力する機能を有していてもよい。

圧力調整器２２は、配管内の圧力が規定された範囲になるように調整する。圧力調整器２２は、真空ポンプでもよいし、開閉弁でもよい。規定された範囲とは、例えば、飽和蒸気圧およびその近傍であってもよい。配管内の圧力が飽和蒸気圧およびその近傍に保たれることにより、冷却システムＳ１の冷却効率が低下することが防止される。

圧力調整器２２は、圧力計２１が示す圧力の値に基づいて配管内の圧力を自動的に調節してもよい。例えば、圧力計２１が規定の圧力より高い値を示していた場合、圧力調整器２２は、配管内の圧力を低下させてもよい。

図３は、背面扉２が開いている状態を示す上面図である。以下、図２，３を参照して、背面扉２開閉時の動作について説明する。

背面扉２は、回転軸２４を中心に回転することにより、開閉可能である。背面扉２の開閉に従い、冷媒蒸気配管５および冷媒液配管６の位置が変動する。この位置のずれは、フレキシブル配管１０，１１が、自身が有する余長および柔軟性によって曲げ伸ばしする（即ち、屈曲する）ことにより、吸収される。このことにより、蒸発器３と熱交換器１３の間の配管による接続を維持したまま、背面扉２を開閉することが可能である。

冷媒蒸気配管５および冷媒液配管６は、車輪８を備える台車７に固定されているため、背面扉２の開閉に従って移動した際にも、捻れを生じる事なしに回転移動することが可能である。

フレキシブル配管１０，１１は、傾斜台１２の上に載置されているため、背面扉２の開閉に従って移動した際にも、順勾配を保つことが可能である。

図４は、地震発生時における背面扉２の移動範囲を示す上面図である。以下、図４を参照して、地震発生時の動作について説明する。

免震床４は、地震の震動に応じて生じる相対的な動作によって、地震振動の衝撃を緩和する。このことにより、地震発生時においては、免震床４と非免震の天井９との間で、免震床４の移動に伴う位置のずれが発生する。図４に示す可動範囲３０は、地震発生時における、天井９に対する免震床４の可動範囲を示す。地震発生時においては、冷媒蒸気配管５と冷媒液配管６が固定されている台車７は、車輪８の働きにより、天井９上をなめらかに移動することができる。このとき、フレキシブル配管１０，１１が、自身が有する余長および柔軟性によって曲げ伸ばしすることにより、免震床４と天井９との位置のずれが吸収される。このことにより、地震発生時においても、蒸発器３と熱交換器１３の間の配管による接続を維持することが可能である。

冷媒蒸気配管５および冷媒液配管６は、車輪８を備える台車７に固定されているため、地震発生時においても、捻れの発生を防止することが可能である。

フレキシブル配管１０，１１は、傾斜台１２の上に載置されているため、地震の震動に伴って移動した際にも、一定の順勾配を保つことが可能である。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る冷却システムＳ１は、冷却効率の低下を防止することができる。なぜならば、フレキシブル配管１０，１１が傾斜台１２に載置されることにより、冷媒の流路が順勾配に保たれるからである。すなわち、冷媒の流路に逆勾配が存在しないことにより、冷媒の移動の滞留が防止されるからである。

また、本発明の第１の実施形態に係る冷却システムＳ１は、蒸発器３と熱交換器１３の間の配管による接続を維持したまま、背面扉２を開閉することを可能にする。なぜならば、フレキシブル配管１０，１１が、自身が有する余長および柔軟性によって曲げ伸ばし可能であることにより、配管の接続を維持したまま、背面扉２開閉時における配管の位置ずれを吸収するからである。

また、同様の理由により、本発明の第１の実施形態に係る冷却システムＳ１は、免震床４と天井９の位置ずれを吸収することにより、地震発生時においても蒸発器３と熱交換器１３の間の配管による接続を維持することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施形態と同様な構成については同一の参照番号を付与することにより、重複する説明を省略する。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る冷却システムの構成を表す側面図である。本発明の第２の実施形態に係る冷却システムＳ２は、図１に示す傾斜台１２の代わりに、傾斜板４２と支柱４０，４１とを備える。傾斜板４２は、支柱４０，４１によって、一方の端部から他方の端部に近づくに従って高くなるように傾斜した状態で天井９から吊り下げられている。第１の実施形態と同様の他の構成については、同一の参照番号を付与することにより、重複する説明を省略する。

図５に示す冷却システムＳ２の構成は、冷媒蒸気配管５と冷媒液配管６の長さが短いために、移動に伴う配管捻れの可能性が少ない場合に有効である。

本発明の第２の実施形態に係る冷却システムＳ２においても、第１の実施形態に係るシステムＳ１と同様の効果を奏することができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る冷却システムの構成を表す側面図である。本発明の第３の実施形態に係る冷却システムＳ３は、蒸発器３と、フレキシブル配管１０と、傾斜台１２と、熱交換機１３とを備える。

蒸発器３は、吸熱器と呼ばれることもある。フレキシブル配管１０は、第１のフレキシブル配管と呼ばれることもある。傾斜台１２は、載置台と呼ばれることもある。熱交換機１３は、放熱器と呼ばれることもある。

蒸発器３は、サーバラック１から放出される熱を冷媒により吸熱する。サーバラック１は、他の機器でもよい。

蒸発器３は、配管口１７を備えている。配管口１７は、第１の配管口と呼ばれることもある。

熱交換器１３は、冷媒を冷却する。熱交換器１３は、配管口１９を備えている。配管口１９は、配管口１７よりも高い位置にある。配管口１９は、第２の配管口と呼ばれることもある。

フレキシブル配管１０は、配管口１７と配管口１９に接続されている。フレキシブル配管１０は、屈曲自在であり、冷媒の流路となる。

傾斜台１２は、一方の端部から他方の端部に近づくに従って高くなる面を有している。この面には、配管口１７に接続された側から配管口１９に接続された側に近づくに従って高くなるようにフレキシブル配管１０が載置される。

以上のように、本発明の第３の実施形態に係る冷却システムＳ３は、冷却効率の低下を防止することができる。なぜならば、フレキシブル配管１０が傾斜台１２に載置されることにより、冷媒の流路が順勾配に保たれるからである。すなわち、冷媒の流路に逆勾配が存在しないことにより、冷媒の移動の滞留が防止されるからである。

第１〜第３の実施形態における熱交換器１３は、空冷式や水冷式の冷却塔でもよい。あるいは、冷却システムＳ１〜Ｓ３で使用する冷媒を、他の冷媒により冷却する熱交換器でもよい。

第１〜第３の実施形態におけるサーバラック１は、他の電子機器でもよい。

第２の実施形態において、傾斜板４２は、支柱４０，４１によって天井９から吊り下げられていたが、他のものから吊り下げられてもよい。すなわち、傾斜板４２は、上方に位置する、他の面や、部材や、構造物から吊り下げられてもよい。

本発明は、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送および放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置に使用することができる。

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 冷却システム
１ サーバラック
２ 背面扉
３ 蒸発器
４ 免震床
５，１５ 冷媒蒸気配管
６，１６ 冷媒液配管
７ 台車
８，１４ 車輪
９ 天井
１０，１１ フレキシブル配管
１２ 傾斜台
１３ 熱交換器
１７，１８，１９，２０ 配管口
２１ 圧力計
２２ 圧力調整器
２３ 取付金具
２４ 回転軸
３０ 可動範囲
４０，４１ 支柱
４２ 傾斜板

Claims (8)

1. 第１の配管口を有し、機器から放出される熱を冷媒により吸熱する吸熱器と、
   前記第１の配管口よりも高い位置に第２の配管口を有し、前記冷媒を冷却する放熱器と、
   一端が前記第１の配管口に接続され、他端が前記第２の配管口に接続され、前記冷媒の流路となる、屈曲自在な第１のフレキシブル配管と、
   一方の端部から他方の端部に近づくに従って垂直方向に高くなる面を有し、当該面には、前記第１の配管口に接続された側から前記第２の配管口に接続された側に近づくに従って垂直方向に高くなるように前記第１のフレキシブル配管が載置される載置台
   とを備える冷却システム。
2. 前記吸熱器は、第３の配管口をさらに有し、前記冷媒が蒸発することにより前記機器から放出される熱を吸熱し、
   前記放熱器は、前記第３の配管口よりも高い位置に第４の配管口をさらに有し、蒸発した前記冷媒を冷却することにより凝縮し、
   一端が前記第３の配管口に接続され、他端が前記第４の配管口に接続され、前記冷媒の流路となる、屈曲自在な第２のフレキシブル配管をさらに備え、
   前記載置台の前記面には、前記第３の配管口に接続された側から前記第４の配管口に接続された側に近づくに従って垂直方向に高くなるように前記第２のフレキシブル配管が載置され、
   前記第１のフレキシブル配管は、前記吸熱器にて蒸発した前記冷媒が前記放熱器に移動する流路であり、
   前記第２のフレキシブル配管は、前記放熱器にて凝縮した前記冷媒が前記吸熱器に移動する流路である
   請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記第１および第２のフレキシブル配管は、前記載置台に載置された状態においてたわみを有し、前記吸熱器の移動に応じて屈曲自在である請求項１または２に記載の冷却システム。
4. 前記第１および第２のフレキシブル配管の一端が固定され、前記吸熱器の移動に応じて移動可能である台車をさらに備える請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却システム。
5. 前記載置台は、前記吸熱器上方に位置する面に配置される請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却システム。
6. 前記載置台は、前記吸熱器上方から釣支される請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却システム。
7. 蒸発した前記冷媒の圧力を計測する圧力計と、計測した圧力に基づいて前記圧力を規定状態に調節する圧力調整器とをさらに備えた請求項２乃至６のいずれかに記載の冷却システム。
8. 請求項１乃至８のいずれかに記載の冷却システムを備えた電子機器。

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