JP2017050449A - 冷却システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 冷媒の逆流を抑制して効率的に冷却が行えるようにする。【解決手段】 調和気体の熱により液相冷媒を気相冷媒に相変化させる複数の受熱器が、上下関係をなして配置された受熱器ユニットと、受熱器ユニットより高位置に配置されて、当該受熱器ユニットで発生した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、受熱器と凝縮器とを接続して、受熱器で生成された気相冷媒を凝縮器に導く蒸気管と、凝縮器と受熱器とを接続して、凝縮器で生成された液相冷媒を流下させて受熱器に導く液管と、受熱器と液管との接続部分に設けられて、該液管を流下してきた液相冷媒を分配して受熱器に供給する分配器と、を備える。【選択図】 図3

Description

本発明は、複数の電子機器を収容する部屋の冷却に用いて好適な冷却システムに関する。
近年、サーバーやネットワーク機器等の電子機器は、クラウドサービスに進展に従い処理情報量が急増している。そこで、このような電子機器を一部屋(以下、データセンターと記載する)に集約配置して、電力やコストの削減を図ることが行われている。
電子機器は、大きな発熱を伴う中央演算処理装置や集積回路等を含んで構成されている。従って、このような電子機器をデータセンターに集約配置すると、当該電子機器の排熱によりデータセンターの室温が上昇する。中央演算処理装置や集積回路は、半導体を材料として製造されているため、適正な温度範囲で動作させる必要がある。このためデータセンターの室温管理が求められる。
特開2011−165707号公報においては、データセンターにおける空調管理技術が開示されている。かかる技術は、データセンター内に設けた蒸発器と、当該データセンター外に設けた冷却塔との間を冷媒が循環することにより、データセンター内の空気の熱を屋外に排出するものである。
即ち、図9に示すように、複数の電子機器が収納されたラック26の背面側に、蒸発器34が配置されている。また、屋外に冷却塔38が配置されている。そして、蒸発器34と冷却塔38とは、戻り配管46と供給配管48とにより接続されて冷却回路が形成され、この冷却回路を冷媒が循環するようになっている。
冷媒は、温度により気相と液相との相変化を行う。そして、液相状態から気相状態に相変化する際には、潜熱が必要となる。即ち、液相の冷媒(以下、液相冷媒と記載する)は、潜熱を受け取り気相の冷媒(以下、気相冷媒と記載する)に相変化し、気相冷媒は潜熱に相当する熱を放熱することで液相冷媒に相変化する。冷媒は、この潜熱を、蒸発器34を介してデータセンターの室内空気から得て、冷却塔38から屋外に排出することで、データセンターが冷却される。
このように、冷媒は冷却回路内を相変化しながら循環するが、その循環力は、気相に対しては冷媒が液相に相変化することにより生じる冷却回路内の圧力勾配であり、液相に対しては液相に相変化した冷媒の自重による流下である。従って、適切な圧力勾配を形成し、また流下パスを形成するならば、冷媒は冷却回路内をスムースに循環して冷却効率が向上する。
しかし、特許文献1に提案されている構成では、液相冷媒は自重により蒸発器34の下部領域に溜まる構成になっている。このため、液相冷媒の量が少ない場合には、蒸発器34の多くは気相冷媒で占められる場合が生じる。
流下してくる液相冷媒の流量は電子機器の運転状況(排熱量)や外気温に依存するため、蒸発器34に溜まる冷媒量もこれら電子機器の運転状況等に従い変化する。
蒸発器34は、熱交換部材と、この熱交換部材を枠体支持する支持部材とを主要構成とする場合が多く、かつ、支持部材は強度的な関係から熱容量が大きい。このような蒸発器34に溜まっている液相冷媒は、支持部材内に充填された後に熱交換部材内に溜まる。以下、熱交換部材における液相冷媒と気相冷媒との比率を液充填比率と記載して説明する。この定義に従えば、液充填比率が大きいとは、熱交換部材に貯留されている液相冷媒量が多く、気相冷媒量が少ないことをいう。
冷却塔38から流下した液相冷媒の量が少ない場合には、熱交換部材内に溜まる量が少ないので、液充填比率は小さくなり、データセンターの室内空気と熱交換できない。
冷却作用の発現は、液相冷媒がデータセンターの室内空気から潜熱を得て気相冷媒に変化することが条件である。従って、冷媒の充填比率が大きいことは、効率的な冷却を行うための条件となる。
そこで、特開2009−105141号公報や特開2009−193137号公報においては、複数の蒸発器を設けた構成が提案されている。これにより各蒸発器の小型化により充填比率が大きくなるので、効率的な冷却が可能になる。
特開2011−165707号公報 特開2009−105141号公報 特開2009−193137号公報
しかしながら、複数の蒸発器を設けて、これらを戻り配管(以下、蒸気管と呼ぶ)で接続した構成では、蒸気管に多くの液相冷媒が混じり込むことがある。なお、この液相冷媒は、蒸発器で発生した気相冷媒に液相冷媒が包み込まれるようにして蒸気管に流出してきた冷媒である。このような液相冷媒により、蒸気管内における気相冷媒の流動性が阻害され、また液相冷媒や気相冷媒の逆流(蒸発器側から冷却塔側への流れ)が発生する。従って、冷媒の循環が阻害されて、冷却効率が低下してしまう。
そこで、本発明の主目的は、冷媒の逆流を抑制して効率的に冷却が行えるようにした冷却システムを提供することである。
上記課題を解決するため、電子機器からの排熱で温度上昇した当該電子機器の雰囲気をなす調和気体を冷却する冷却システムにかかる発明は、調和気体の熱により液相冷媒を気相冷媒に相変化させる複数の受熱器が、上下関係をなして配置された受熱器ユニットと、受熱器ユニットより高位置に配置されて、当該受熱器ユニットで発生した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、受熱器と凝縮器とを接続して、受熱器で生成された気相冷媒を凝縮器に導く蒸気管と、凝縮器と受熱器とを接続して、凝縮器で生成された液相冷媒を流下させて受熱器に導く液管と、受熱器と液管との接続部分に設けられて、該液管を流下してきた液相冷媒を分配して受熱器に供給する分配器と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、冷媒の逆流が抑制されるので、冷却効率の低下が防止できるようになる。
第1実施形態にかかる冷却システムの概略構成を示す斜視図である。 冷却システムの側面図である。 冷却システムの冷却回路を特徴的に示した図である。 分配器の断面図で、(a)は終端機能を持つ分配器の断面図、(b)は分配機能を持つ分配器の断面図である。 気相冷媒及び液相冷媒を図示した冷却回路を示す図である。 第2実施形態にかかる冷却システムの構成図である。 第3実施形態にかかる冷却システムの構成図である。 第4実施形態にかかる冷却システムの構成図である。 関連技術の説明に適用される冷却システムの構成図である。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態を説明する。図1は、本実施形態にかかる冷却システム2の概略構成を示す斜視図であり、図2はその側面図である。また、図3は、冷却システム2における冷却回路を特徴的に示した図である。
冷却システム2は、受熱器ユニット8、蒸気管10、凝縮器12、液管14、及び分配器16を備える。そして、受熱器ユニット8と凝縮器12とは蒸気管10と液管14とにより接続されて、冷媒が循環する冷却回路を形成している。
複数の電子機器4は、ラック6に収納されている。この電子機器4は中央演算処理装置等の発熱源が含まれ、当該発熱源の熱がデータセンターの室内空気(以下、調和気体と記載する)に放出される。この結果、調和空気は、温度上昇する。なお、電子機器4は、当該冷却システム2を構成しないことを付言する。
冷却回路を循環する冷媒は、例えば高分子材料等により構成されており、所定温度以上になると気化し、当該温度以下になると液化する特性を有している。具体的には、ハイドロフルオロカーボン(Hydro Fluoro Carbon: HFC)やハイドロフルオロエーテル(Hydro Fluoro Ether: HFE)等の低沸点の冷媒が例示できる。
図3に示すように、受熱器ユニット8は、複数の受熱器20(20A…20N)、上部ヘッダ接続管21、下部ヘッダ接続管22を含んでいる。なお、各受熱器は同じ構造であるので、適宜受熱器20と記載することがある。
受熱器20は、上部ヘッダ20a、下部ヘッダ20b、複数のフィン(不図示)付きチューブ20cを主要構成とした熱交換器である。そして、各受熱器20は、重力方向に上下関係をなして配置されている。これにより、上位の受熱器側から下位の受熱器側に液相冷媒が流下できるようになる。
上部ヘッダ20a及び下部ヘッダ20bは中空に形成され、チューブ20cが上部ヘッダ20aと下部ヘッダ20bとの内部空間を連通するように接続されている。
また、上部ヘッダ20aは上部ヘッダ接続管21を介して蒸気管10と接続され、下部ヘッダ20bは下部ヘッダ接続管22を介して分配器16と接続されている。但し、最下段の受熱器20Aの下部ヘッダ20bだけは、上部ヘッダ20aと同様に蒸気管10に接続されている。なお、上部ヘッダ接続管21と下部ヘッダ接続管22とは同径である必要はない。
分配器16は、受熱器20Bと液管14とを接続する下位分配器16A、受熱器20C…20Nと液管14とを接続する上位分配器16Bの2種類により構成されている。図4は、分配器16の断面図で、(a)は下位分配器16A、(b)は上位分配器16Bの断面図を示している。
下位分配器16A及び上位分配器16Bは、流入ポート16a及び流出ポート16bを備える。また、上位分配器16Bは、分配した液相冷媒の流出口をなす分配ポート16cを備える。
下位分配器16Aは、最下段の受熱器20Aにおける下部ヘッダ20bと液管14とを連結する単純連結管である。これに対し、上位分配器16Bは、分配ポート16cの底部16gから所定高さ寸法の分配壁16dが起立して設けられている。これにより、分配路16eと流出路16fとが形成されている。
そして、流入ポート16aから流入してきた液相冷媒は、優先的に分配路16eを介して分配ポート16cから受熱器20C…20Nに流動する。このとき、分配ポート16cから流出する液相冷媒の流出速度(流出量)が、流入ポート16aから流入してきた液相冷媒の流入速度(流入量)より遅い(少ない)場合は、液相冷媒は分配路16eに溜まり、分配壁16dを超えると流出路16f側に溢れて、流出ポート16bから流出する。
凝縮器12には、蒸気管10と液管14とが接続されている。これにより、蒸気管10を介して流入してきた気相冷媒が、水や外気等と熱交換(気相冷媒の熱を外気等に放熱)して、当該気相冷媒は凝縮する。凝縮した冷媒(液相冷媒)は、液管14を介して受熱器20側に自重流下する。
冷却効率を向上させるために、冷媒を水と熱交換させる場合には、当該水はチラーやクーリングタワーを用いて冷却されていることが好ましい。また、冷媒を外気と熱交換させる場合は、送風機等によって外気が凝縮器12に送風されることが好ましい。
なお、このような凝縮器12は、図2に示すように受熱器ユニット8よりも上方に設ける必要がある。図2では、凝縮器12をデータセンター等の天井5の裏空間に設けた場合を例示している。凝縮器12を天井裏に設けることで、凝縮器12よりも下方に受熱器20が位置するようになり、凝縮器12で生じた液相冷媒は、効率よく受熱器20側に流下できるようになる。
蒸気管10や液管14は、アルミニウム合金等の金属やゴム、樹脂等の管材により形成されている。なお、蒸気管10と液管14の接続には、カプラやフランジ等が用いられる。
液相冷媒が気相冷媒に相変化した際には、体積は約数百倍に膨張する。このため、蒸気管10は、液管14より配管径を太くすることが望ましい。
次に、このような冷却システム2における冷却動作を、図5を参照して説明する。電子機器4の排熱により、データセンターにおける調和気体の温度が上昇する。図5において、濃い点領域は液相冷媒を示し、薄い点領域は気相冷媒を示している。
温度上昇した調和気体は、受熱器20のチューブ20cに溜まっている液相冷媒と熱交換する。これにより、チューブ20c内の液相冷媒は、調和空気から熱を受け取り、蒸発して気相冷媒となる。この気相冷媒は、上部ヘッダ20aに集まり、上部ヘッダ接続管21を介して蒸気管10に流動する。
ところで、最下段の受熱器20Aの下部ヘッダ接続管22は、他の受熱器20B〜20Nの下部ヘッダ接続管22と異なり蒸気管10と接続されている。これは、以下の理由による。
最下段の受熱器20Aの下部ヘッダ接続管22も他の下部ヘッダ接続管22と同じように液管14に接続したとする。このとき、蒸気管10の内圧が高くなると、この圧力により受熱器20に貯留されている気相冷媒や液相冷媒は、下部ヘッダ接続管22側に押される。状況によっては、受熱器20に貯留されている液相冷媒が、液管14側に押し戻される(逆流する)ことがある。
特に、複数の受熱器20で発生した気相冷媒は、蒸気管10を介して凝縮器12に向かうが、無限の速度で凝縮器12に流入できるわけではない。このため、蒸気管10の圧力は、下段側の受熱器20Aに向かって圧力が高くなる分布を持つようになり、最下段の受熱器20Aに貯留されている液相冷媒が逆流し易くなる。
また、気相冷媒が各受熱器20から蒸気管10に流出する際に、液相冷媒を包み込んで流出することがある。このように気相冷媒により蒸気管10に引き出された液相冷媒Kaは、蒸気管10内で自重流下して、蒸気管10の底に貯まる。そして、貯まった液相冷媒が上部ヘッダ接続管21の高さ以上になると、液相冷媒が、確実に逆流するようになる。
このように液相冷媒が液管14に逆流すると、調和気体と液相冷媒とが熱交換する領域(主に、チューブ20c内空間)に存在する液相冷媒量が減少することになるので、液相冷媒を効率的に蒸発させることができなくなる。
このような観点から、本実施形態では、最下段の受熱器20Aの下部ヘッダ接続管22を他の下部ヘッダ接続管22と異なり蒸気管10に接続する構成とした。なお、逆流防止の観点からは、例えば全ての下部ヘッダ接続管22に逆止弁を設けることも有効な方法である。
このようにして、受熱器20からの気相冷媒は、蒸気管10を介して凝縮器12に流動する。そして、この凝縮器12で、外気等と熱交換することにより、放熱して凝縮する。即ち、気相冷媒は熱を放出することにより凝縮して液相冷媒となる。液相冷媒Kbは、液管14を自重により流下し、分配器16に到達する。
凝縮器12から流下してきた液相冷媒は、流入ポート16aから上位分配器16Bに流入し、分配路16eに溜まりながら分配ポート16cから受熱器20C〜20Nに流出する。このとき、受熱器20C〜20Nに貯留された液相冷媒の液面が分配壁16dの高さに達すると、液相冷媒は流出路16fに溢れて流出ポート16bから下段側に流下する。
従って、受熱器20C〜20Nに貯留される液相冷媒は、分配壁16dの高さで規定される液量になる。即ち、受熱器20C〜20Nに貯留される冷媒量は、常に適正量に調整されて、これにより冷却効率の低下が防止できる。
以上説明したように、最下段の受熱器20Aを蒸気管10とのみ接続する構成としたので、受熱器20Aから液管14側への冷媒の逆流が防止できるようになる。また、凝縮器12からの液相冷媒を、複数の受熱器20に分配するようにしたので、効率的な冷却が行えるようになる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用い説明を適宜省略する。
第1実施形態においては、最下段の受熱器20Aから液管14側に冷媒が逆流するのを防止するために、受熱器20Aの上部ヘッダ接続管21及び下部ヘッダ接続管22を共に蒸気管10に接続する構成とした。これに対し、本実施形態にかかる冷却システム2では、下部ヘッダ20bを蒸気管10と液管14との両方に接続した。
図6は、このような最下段の受熱器20Aを備える冷却システム2の構成図である。図6に示すように、最下段の受熱器20Aの下部ヘッダ20bは2つの下部ヘッダ接続管22に接続されている。そして、一方の下部ヘッダ接続管22は蒸気管10に接続され、他方の下部ヘッダ接続管22は液管14に接続されている。
凝縮器12で凝縮した冷媒は、液管14を流下して下部ヘッダ接続管22から複数の受熱器20に流入する。このとき、各受熱器20が、同じ温度の調和気体と熱交換する保証はない。即ち、ラック6には複数の電子機器4が収納されて、各電子機器4の動作状況により排熱される温度も異なる。この結果、調和気体は温度分布を持つようになる。空調気体に温度分布が生じると、各受熱器で熱交換される熱量にも分布が生じる。
図3において、最下段の受熱器20Aの1つ上段の受熱器20Bは、受熱器20Aに液相冷媒を分配する機能を持たない分配器16Bを介して液管14と接続されている。このとき、受熱器20Bにおける熱交換量が少ないと、当該受熱器20Bに溜まっている液相冷媒が増える。しかし、上述したように、分配器16Bは受熱器20Aに液相冷媒を分配できないので、受熱器20Bは液相冷媒により満杯になってしまうことが発生し得る。このような状態では、受熱器20Bから蒸気管10に引き出される液相冷媒Kaが多くなる。即ち、蒸気管10に液相冷媒が溜まりやすくなる。
そこで、本実施形態では、最下段の受熱器20A以外の受熱器20B〜20nで冷媒が充満しないように、当該最下段の受熱器20Aにおける下部ヘッダ20bを液管14とも接続する構成とした。
無論、この構成の場合には、蒸気管10の圧力が高くなり受熱器20Aを介した逆流が起き得る。しかし、受熱器20Aの下部ヘッダ20bを液管14と接続することで、蒸気管10に引き出された液相冷媒Kaが受熱器20Aに流入できるようになるので、受熱器20Aは当該液相冷媒Kaをバッファする機能と共に、受熱器20Aに流入した液相冷媒Kaを再度調和気体と熱交換させる機能を持つようになる。
従って、複数の受熱器全体での熱交換効率が向上して、効率的な冷却が行えるようになる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用い説明を適宜省略する。
蒸気管10内を流下してきた液相冷媒Kaが、当該蒸気管10の圧力により液管14側に逆流するような事態を防止するために、第1実施形態においては、最下段の受熱器20Aの上部ヘッダ20a及び下部ヘッダ20bを受熱器20に接続し、液管14とは接続しなかった。
これに対し、本実施形態では、図7に示すように、蒸気管10の下端と液管14とを連通するバイパス管25aを設けて、蒸気管10を流下してきた液相冷媒Kaを液管14に導き、かつ、蒸気管10の内圧で液相冷媒を受熱器20Aに押し込むようにした。
これにより、蒸気管10を流下してきた液相冷媒は、バイパス管25aを介して液管14に戻り、凝縮器12から流下してきた液相冷媒と共に下部ヘッダ接続管22から受熱器20Aに流入する。従って、液相冷媒が液管14側に逆流するのを抑制することができる。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用い説明を適宜省略する。
第3実施形態においては、バイパス管25aを蒸気管10の底部に接続して設けた。これに対し、本実施形態にかかるバイパス管の一方の開口部を蒸気管10の底部から適宜上方位置に接続し、他方の開口部を下部ヘッダ接続管22に接続した。
図8は、本実施形態にかかる冷却システム2の構成図である。蒸気管10の底部にバイパス管25bの一方の開口が接続され、下部ヘッダ接続管22に他方の開口が接続されている。
従って、蒸気管10に液相冷媒Kaが溜まり、この液相冷媒Kaがバイパス管25bの接続位置を超えると、当該バイパス管25bを介して下部ヘッダ接続管22側に流動する。
下部ヘッダ接続管22は、チューブ20cに比べて調和気体との熱交換効率は良くないが、全く熱交換しないわけではない。即ち、下部ヘッダ接続管22で液相冷媒の一部は蒸発する。このような下部ヘッダ接続管22で蒸発した冷媒は、チューブ20cを介して蒸気管10に流動すると、上述したように液相冷媒の引出が生じやすく、また引き出しされる液相冷媒Kaの量が増える。
しかし、バイパス管25bを下部ヘッダ接続管22に接続した構成では、当該下部ヘッダ接続管22で蒸発した冷媒が、バイパス管25bを介して蒸気管10に流動するので、下部ヘッダ接続管22における熱交換が効率的に行えるようになり、冷却効率が向上する。
2 冷却システム
4 電子機器
6 ラック
8 受熱器ユニット
10 蒸気管
12 凝縮器
14 液管
16 分配器
20(20A…20N) 受熱器
20a 上部ヘッダ
20b 下部ヘッダ
20c チューブ
21 上部ヘッダ接続管
22 下部ヘッダ接続管
16(16A,16B) 分配器
16a 流入ポート
16b 流出ポート
16c 分配ポート
16d 分配壁
16e 分配路
16f 流出路
16g 底部
25a,25b バイパス管

Claims (6)

  1. 電子機器からの排熱で温度上昇した当該電子機器の雰囲気をなす調和気体を冷却する冷却システムであって、
    前記調和気体の熱により液相冷媒を気相冷媒に相変化させる複数の受熱器が、上下関係をなして配置された受熱器ユニットと、
    前記受熱器ユニットより高位置に配置されて、当該受熱器ユニットで発生した前記気相冷媒を凝縮させて前記液相冷媒を生成する凝縮器と、
    前記受熱器と前記凝縮器とを接続して、前記受熱器で生成された前記気相冷媒を前記凝縮器に導く蒸気管と、
    前記凝縮器と前記受熱器とを接続して、前記凝縮器で生成された前記液相冷媒を流下させて前記受熱器に導く液管と、
    前記受熱器と前記液管との接続部分に設けられて、該液管を流下してきた前記液相冷媒を分配して前記受熱器に供給する分配器と、
    を備えることを特徴とする冷却システム。
  2. 請求項1に記載の冷却システムであって、
    前記分配器は、
    前記凝縮器から流下してきた前記液相冷媒が流入して、前記受熱器に流出する分配路と、
    前記分配路と並設されて、後段の前記受熱器側への流路をなす流出路と、
    前記分配路と前記流出路とを区画する前記分配壁と、を備え、
    前記分配路に流入した前記液相冷媒が、当該分配路に溜まり前記分配壁を超えたとき、超えた分の前記液相冷媒が前記流出路を介して流出することを特徴とする冷却システム。
  3. 請求項1又は2に記載の冷却システムであって、
    前記受熱器は、
    前記蒸発管と接続される上部ヘッダと、
    前記蒸発管又は前記液管と接続される下部ヘッダと、
    前記上部ヘッダと前記下部ヘッダとの内部空間を連通させるフィン付きのチューブと、を備え、
    最下段に配置された前記受熱器の前記上部ヘッダ及び前記下部ヘッダが、前記蒸気管に接続されていることを特徴とする冷却システム。
  4. 請求項1又は2に記載の冷却システムであって、
    前記受熱器は、
    前記蒸発管と接続される上部ヘッダと、
    前記蒸発管又は前記液管と接続される下部ヘッダと、
    前記上部ヘッダと前記下部ヘッダとの内部空間を連通させるフィン付きのチューブと、を備え、
    最下段に配置された前記受熱器の前記下部ヘッダは、前記蒸気管と前記液管とに接続されていることを特徴とする冷却システム。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の冷却システムであって、
    前記蒸気管の下端の位置に、最下段の前記受熱器に接続される前記液管又は前記下部ヘッダと接続するバイパス管を設けたことを特徴とする冷却システム。
  6. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の冷却システムであって、
    前記蒸気管の下端から所定高さの位置に、最下段の前記受熱器に接続される前記液管又は前記下部ヘッダと接続するバイパス管を設けたことを特徴とする冷却システム。
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