JP2017067329A - 冷媒の流量制御機構、冷却システムおよび冷媒の流量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒の相変化を用いる冷却装置において、蒸発器へ流入する冷媒の量を最適化できる冷媒の流量制御機構を提供する。【解決手段】 本発明の冷媒の流量制御機構１０は、蒸発器５１内における冷媒５３の流動方向が長手方向となるように配置された長尺のヒートパイプ２０、発熱体６０側から蒸発器５１を通過してヒートパイプ２０側まで到達する空気流３１を生成する空気流生成手段３０、および、発熱体６０の蒸発器５１が配置されている側と反対側の領域の温度を基準温度として取得し、取得した基準温度とヒートパイプ２０の温度との差が小さくなるように、蒸発器５１へ流入させる冷媒５３の量を調整する流量調整手段４０を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒の流量制御機構、冷却システムおよび冷媒の流量制御方法に関し、特に、冷媒の相変化を用いる冷却装置の冷媒の流量制御機構、冷却システムおよび冷媒の流量制御方法に関する。

サーバールーム等においては、一般的に、パーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器は、１台のラック内にまとめて収容される。このようなラックとして、例えば、米国電子工業界（ＥＩＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｌｌｉａｎｃｅ）規格に準じた１９インチラックがある。近年、パーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器の高性能化、高機能化等に伴い、それらの発熱量が増加している。そこで、特許文献１、２には、複数の電子機器がまとめて収容されているラックに、冷媒循環式の冷却装置を搭載することが提案されている。

冷媒循環式の冷却装置においては、気相状態と液相状態とに相変化する冷媒を、電子機器の近傍に配置された蒸発器と外気等の放熱領域近傍に配置された凝縮器との間で配管を用いて循環させることにより、電子機器から発せられた熱を外気に放熱する。

特開２００９−１９３２４４号公報 特開２０１２−１１８７８１号公報

ここで、蒸発器へ流入される液相状態の冷媒の量が多過ぎると、液相状態の冷媒の顕熱により吸熱され、蒸発潜熱による吸熱量が小さくなることから、単位流量あたりの吸熱量が減少し、効率が悪くなる。一方、蒸発器へ流入される液相状態の冷媒の流量が蒸発潜熱分以下であると、気相状態の冷媒の顕熱による吸熱となり、発熱体から発せられた熱を十分に吸熱できない。そこで、冷媒の相変化を利用して電子機器から発せられた熱を蒸発器で受ける際、発せられた熱の量に対応する潜熱分だけ冷媒を送ることが望ましい。

本発明の目的は、上述した課題を鑑み、冷媒の相変化を用いる冷却装置において、蒸発器へ流入する冷媒の量を最適化できる冷却装置および冷媒の流量制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る冷媒の流量制御機構は、蒸発器内における冷媒の流動方向が長手方向となるように配置された長尺のヒートパイプと、発熱体側から前記蒸発器を通過して前記ヒートパイプ側まで到達する空気流を生成する空気流生成手段と、前記発熱体の前記蒸発器が配置されている側と反対側の領域の温度を基準温度として取得し、取得した基準温度と前記ヒートパイプの温度との差が小さくなるように、前記蒸発器へ流入させる前記冷媒の量を調整する流量調整手段と、を備える。

上記目的を達成するために本発明に係る冷却システムは、発熱体から発せられた熱を吸熱することによって冷媒を液相状態から気相状態に相変化させる蒸発器、前記吸熱した熱を放熱させることによって前記冷媒を気相状態から液相状態に相変化させる凝縮器、一端が前記蒸発器に、他端が前記凝縮器に接続され、内部を前記気相状態の冷媒が通過する蒸気管、および、一端が前記凝縮器に、他端が前記蒸発器に接続され、内部を前記液相状態の冷媒が通過する液管を備えた冷却装置と、前記発熱体側から前記蒸発器を通過してヒートパイプ側まで到達する空気流を生成する空気流生成手段、前記蒸発器内における前記冷媒の流動方向が長手方向となるように配置された長尺のヒートパイプ、および、前記発熱体の前記蒸発器が配置されている側と反対側の領域の温度を基準温度として取得し、取得した基準温度と前記ヒートパイプの温度との差が小さくなるように、前記蒸発器へ流入させる前記冷媒の量を調整する流量調整手段を備える冷媒の流量制御機構と、を備える。

上記目的を達成するために本発明に係る冷媒の流量制御方法は、発熱体側から内部に冷媒が収納された蒸発器を通過してヒートパイプ側まで到達する空気流を生成し、前記発熱体の前記蒸発器が配置されている側と反対側の領域の温度を基準温度として取得し、取得した基準温度と前記ヒートパイプの温度との差が小さくなるように、前記蒸発器へ流入させる前記冷媒の量を調整し、前記ヒートパイプは、前記蒸発器内における前記冷媒の流動方向が長手方向となるように配置された長尺体であることを特徴とする。

上述した本発明の態様によれば、冷媒の相変化を用いる冷却装置において、蒸発器へ流入する冷媒の量を最適化できる。

第１の実施形態に係る冷媒の流量制御機構１０の側面図である。 第２の実施形態に係る冷却システム１００のシステム構成図である。 第２の実施形態に係る冷却装置２００および流量制御手段５００の斜視図である。 第２の実施形態に係る蒸発器２１０周辺の斜視図である。 第２の実施形態に係る冷却システム１００において、排気側領域の温度分布の一例である。 第２の実施形態に係る冷却システム１００において、排気側領域の温度分布の一例である。 第２の実施形態に係る冷却システム１００において、空気流の進行方向の平均温度プロファイルの一例である。 第２の実施形態に係る別の蒸発器２１０周辺の斜視図である。 第３の実施形態に係る冷却装置２００Ｂおよび流量制御手段５００Ｂの斜視図である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る冷媒の流量制御機構の側面図を図１に示す。図１において、冷媒の流量制御機構１０は、ヒートパイプ２０、空気流生成手段３０および流量調整手段４０によって構成される。

ヒートパイプ２０は、５０００〜３００００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有し、蒸発器５１内における冷媒５３の流動方向が長手方向となるように、蒸発器５１の近傍に配置される長尺体である。例えば、縦型の蒸発器５１内において冷媒５３が天地方向に流動する場合、ヒートパイプ２０は、蒸発器５１の天地方向が長手方向となるように配置される。また、凝縮器５２の種類や左右にヘッダを有する蒸発器５１を適用する等によって、例えば、冷媒５３が蒸発器５１内において水平方向に流動する場合、ヒートパイプ２０は蒸発器５１の水平方向が長手方向となるように配置される。本実施形態に係るヒートパイプ２０は、断面が長円型に形成され、長径の方向と空気流生成手段３０によって生成された空気流３１の進行方向とが、一致する向きに配置される。

空気流生成手段３０は、発熱体６０側から蒸発器５１を通過してヒートパイプ２０側まで到達する空気流３１を生成する。空気流生成手段３０として、発熱体６０や図１には図示しないラック等に配置されているファンを適用することができる。なお、空気流３１は、蒸発器５１内を発熱体６０側からヒートパイプ２０側へ通過すればよく、空気流生成手段３０を発熱体６０と蒸発器５１との間に配置することもできる。

流量調整手段４０は、発熱体６０の蒸発器５１が配置されている側と反対側の領域の温度を基準温度として取得し、取得した基準温度と、ヒートパイプ２０の温度との差が小さくなるように、蒸発器５１へ流入させる液相状態の冷媒５３の量を調整する。ここで、基準温度として、発熱体６０が配置されているサーバールーム等の設定温度を適用することができる。また、流量調整手段４０は、発熱体６０を通過する前の空気流３１の温度を基準温度として取得することもできる。なお、空気流生成手段３０が発熱体６０と蒸発器５１の間に設けられている場合であっても、空気流生成手段３０から空気流３１を生成することに伴い、発熱体６０の蒸発器５１が配置されている側と反対側の領域に空気流３１の送風に起因する空気の流れが発生する。従って、空気流生成手段３０が発熱体６０と蒸発器５１の間に設けられている場合、流量調整手段４０は、この空気の流れが発熱体６０を通過する前の温度を取得する。

次に、蒸発器５１、凝縮器５２および冷媒５３によって構成される冷却装置５０について説明する。

蒸発器５１は、冷却対象の発熱体６０の近傍に配置される箱体であり、内部に冷媒５３が収容されている。ここで、冷媒５３は、低沸点を有する媒体であり、例えば、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）やＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテル）等を適用することができる。蒸発器５１は、発熱体６０から発せられた熱を液相状態の冷媒５３へ伝熱させることによって、冷媒５３を液相状態から気相状態へ相変化させる。気相状態へ相変化した冷媒５３は、蒸気管を介して凝縮器５２へ流入する。

凝縮器５２は、内部に気相状態の冷媒５３が収容される箱体である。凝縮器５２は、蒸気管を介して蒸発器５１から流入された気相状態の冷媒５３を冷却する。気相状態の冷媒５３は、凝縮器５２内において冷却されることにより、気相状態から液相状態へ相変化する。液相状態へ相変化した冷媒５３は、液管を介して再び蒸発器５１へ流入する。

上記のように構成された冷却装置５０は、液相状態の冷媒５３と気相状態の冷媒５３との密度差、および、蒸発器５１と凝縮器５２との高低差から生じるヘッド差を駆動力として、ポンプなどを使用することなく冷媒５３が冷却装置５０内を循環し続ける。これにより、発熱体６０から放出された排気熱が外気へ放熱され、発熱体６０が冷却される。

ここで、蒸発器５１へ流入される液相状態の冷媒５３の量が多過ぎると、液相状態の冷媒５３の顕熱により吸熱され、蒸発潜熱による吸熱量が小さくなることから、単位流量あたりの吸熱量が減少し、効率が悪くなる。一方、蒸発器５１へ流入される液相状態の冷媒５３の流量が蒸発潜熱分以下であると、気相状態の冷媒５３の顕熱による吸熱となり、発熱体から発せられた熱を十分に吸熱できない。すなわち、蒸発器５１へ流入される液相状態の冷媒５３の量が適量であるとき、発熱体６０から放出された排熱を蒸発器５１において十分受熱することが可能となる。

発熱体６０から放出された排熱による温度上昇と、蒸発器５１における受熱による温度下降はそのまま、発熱体６０による発熱の影響を受けない位置の温度と、蒸発器５１による冷却の影響を受ける位置の温度になって現れる。従って、本実施形態に係る流量調整手段４０は、発熱体６０による発熱の影響を受けない位置の温度として、発熱体６０の蒸発器５１が配置されている側と反対側の領域（基準温度）の温度を取得すると共に、蒸発器５１による冷却の影響を受ける位置の温度としてヒートパイプ２０の温度を計測する。そして、流量調整手段４０は、基準温度とヒートパイプ２０の温度との差が小さくなるように、蒸発器５１へ流入させる液相状態の冷媒５３の量を調整する。これにより、蒸発器５１へ流入する液相状態の冷媒５３の量が最適となり、冷却装置５０を効率よく機能させることができる。

上記のように構成された冷媒の流量制御機構１０においては、ヒートパイプ２０を蒸発器５１の空気流３１の下流側に配置し、基準温度（発熱体６０の蒸発器５１が配置されている側と反対側の領域の温度）とヒートパイプ２０の温度との差が小さくなるように、蒸発器５１へ流入させる液相状態の冷媒５３の量を調整する。これにより、容易に蒸発器５１の下流側温度を計測することができ、単純な構成で蒸発器５１へ流入する液相状態の冷媒５３の流量を最適化できる。

なお、冷媒の流量制御機構１０はさらに、開度が大きい程、蒸発器５１へ流入する液相状態の冷媒５３の量が多くなるバルブ７０や、ヒートパイプ２０の温度を計測する温度計測手段８０を備えることもできる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る冷却システムのシステム構成図を図２に、冷却装置２００および流量制御手段５００の斜視図を図３に、蒸発器２１０周辺の斜視図を図４に示す。図２において、冷却システム１００は、冷却装置２００、ラック３００、発熱体４００および流量制御手段５００によって構成される。

冷却装置２００は、蒸発器２１０、凝縮器２２０、蒸気管２３０、液管２４０および冷媒２５０によって構成され、ラック３００内に収納されている発熱体４００から放出される排気熱を外気へ放熱する。

蒸発器２１０は、冷却対象のサーバ等の発熱体４００の近傍に配置される。図４に示すように、蒸発器２１０は、蒸発器上部ヘッダ２１１、蒸発器下部ヘッダ２１２および複数の蒸発器フィン・チューブ２１３によって構成される箱体であり、その内部に冷媒２５０が収容される。蒸発器２１０において、液相状態の冷媒２５０は液管２４０および蒸発器下部ヘッダ２１２を介して複数の蒸発器フィン・チューブ２１３へ流入する。蒸発器２１０は、発熱体４００から放出された４０〜５０℃の排気熱を、複数の蒸発器フィン・チューブ２１３を介して、蒸発器２１０の内部に収容されている冷媒２５０へ伝熱させる。そして、複数の蒸発器フィン・チューブ２１３内において冷媒２５０に発熱体４００から放出された排気熱が伝熱されることにより、冷媒２５０が液相状態から気相状態へ相変化する。気相状態へ相変化した冷媒２５０は、蒸発器上部ヘッダ２１１および蒸気管２３０を介して凝縮器２２０へ流入する。

凝縮器２２０は、蒸発器２１０の上方に配置され、蒸気管２３０を介して蒸発器２１０から流入した気相状態の冷媒２５０を冷却する。本実施形態において、凝縮器２２０は、図示しない複数の管状体や、管状体の長手方向に沿って積層された放熱体等によって構成される。放熱体として、一般的に、金属製の平板状のフィンなどが用いられる。気相状態の冷媒２５０が凝縮器２２０の管状体内を通過することにより、冷媒２５０の熱が平板状のフィンを介して外気へ放熱され、冷媒２５０が気相状態から液相状態へ相変化する。

蒸気管２３０は、蒸発器２１０の蒸発器上部ヘッダ２１１と凝縮器２２０とを接続する。蒸発器２１０内で気相状態となった冷媒２５０は、蒸発器上部ヘッダ２１１および蒸気管２３０を通過して、凝縮器２２０へ流入する。

液管２４０は、凝縮器２２０と蒸発器２１０の蒸発器下部ヘッダ２１２とを接続する。凝縮器２２０内で液相状態となった冷媒２５０は、液管２４０および蒸発器下部ヘッダ２１２を通過して、再び蒸発器２１０へ流入する。

冷媒２５０は、低沸点を有する媒体である。冷媒２５０としては、例えば、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）やＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテル）等の有機冷媒を適用することができる。冷媒２５０は、蒸発器２１０内において発熱体４００から放出された排気熱を吸熱して液相状態から気相状態へと相変化する。気相状態の冷媒２５０は、蒸気管２３０を介して凝縮器２２０へ流入する。さらに、冷媒２５０は、凝縮器２２０内において熱が平板状のフィンを介して外気へ放出されることによって凝縮し、気相状態から液相状態へと相変化する。液相状態の冷媒２５０は液管２４０を介して再び蒸発器２１０内へ流入する。

上記のように構成された冷却装置２００は、液相状態の冷媒２５０と気相状態の冷媒２５０との密度差、および、蒸発器２１０と凝縮器２２０との高低差から生じるヘッド差を駆動力として、ポンプなどを使用することなく冷媒２５０が冷却装置２００内を循環し続ける。これにより、発熱体４００から放出された排気熱が外気へ放熱され、発熱体４００が冷却される。

ラック３００は、温度が一定に保たれたサールーム等に配置される、例えば、１９インチラックであり、内部に１または複数の発熱体４００が配置される。

発熱体４００は、稼働することによって熱を発する、例えば、サーバ等の電子機器である。

ここで、図２、図３および図４に白抜き矢印で示すように、冷却システム１００においては、ラック３００や発熱体４００等に配置されたファンにより、発熱体４００側から冷却装置２００側へ向かう空気の流れ（空気流）が発生する。以下、空気流の上流側の、空気流が発熱体４００を通過する前の領域を「吸気側領域」と記載する。また、空気流の下流側の、空気流が蒸発器２１０を通過した後の領域を「排気側領域」と記載する。

流量制御手段５００は、図３に示すように、バルブ５１０、ヒートパイプ５２０および流量設定部５３０によって構成され、蒸発器２１０内へ流入させる液相状態の冷媒２５０の流量を制御する。

バルブ５１０は、液管２４０に配置され、バルブ５１０の開度を大きくすることにより、蒸発器２１０内へ流入する液相状態の冷媒２５０の流量が大きくなる。

ヒートパイプ５２０は、５０００〜３００００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する、断面が長円型に形成された管状体である。本実施形態において、ヒートパイプ５２０は、排気側領域内の蒸発器２１０から出てきた空気流が拡散する前のできるだけ蒸発器２１０に近い位置に、蒸発器２１０内の冷媒２５０の流路に沿う方向に配置される。

詳細には、本実施形態において、ヒートパイプ５２０の長さは、ヒートパイプ５２０の下端および上端が、蒸発器２１０の蒸発器下部ヘッダ２１２および蒸発器上部ヘッダ２１１とそれぞれ対向するように形成される。そして、ヒートパイプ５２０は、断面の長径方向が空気流の方向と一致するように配置される。上記のように配置することにより、発熱体４００側から冷却装置２００側へ向かう空気流が妨げられることが抑制され、排気の圧力損失が低減される。なお、ヒートパイプ５２０の幅を蒸発器２１０の幅に対して十分小さく設計する場合は、ヒートパイプ５２０の断面形状を長円型に形成しなくても良い。

流量設定部５３０は、吸気側領域（空気流が発熱体４００を通過する前の領域）の吸気側温度Ｔairを取得し、排気側領域（空気流が蒸発器２１０を通過した後の領域）の排気側温度Ｔrad_outを計測する。そして、流量設定部５３０は、取得した吸気側温度Ｔairと排気側温度Ｔrad_outとが一致するように、バルブ５１０の開度を制御し、蒸発器２１０内へ流入させる液相状態の冷媒２５０の流量を制御する。なお、この制御アルゴリズムは、例えば、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御等を適用することができる。

ここで、排気側領域の排気側温度Ｔrad_outとして排気側領域の空気温度を計測する場合、冷媒２５０の流れ方向に温度分布が生じる。排気側領域の空気温度分布は、冷媒２５０の吸熱量の違いによって変化し、冷媒２５０の吸熱量の違いは、冷媒２５０の熱的な状態（液相状態、気液混合状態、気相状態）によって決まる。冷媒２５０の熱的状態の変化は、冷媒２５０の流れ方向に沿って変化するので、冷媒２５０の流れ方向に沿って冷媒２５０の吸熱量が変化し、排気の温度分布が生じる。排気側領域の空気温度分布を図５に示す。

図５に示すように、本実施形態においては、排気側領域の空気温度は、気液混合状態の冷媒２５０が多く存在し、蒸発潜熱による高い冷却性能が得られる蒸発器２１０の下部では低く、蒸発器２１０の上部に向かうにつれて気相状態の冷媒２５０の割合が高くなり、冷却効率が低くなる上部では高くなる。従って、排気側領域の空気温度を計測することによって排気側温度Ｔrad_outを決定する場合、蒸発器２１０の上下方向に複数の温度センサを配置して、それらの平均温度を演算する必要がある。

そこで、本実施形態においては、排気側領域の蒸発器２１０近傍にヒートパイプ５２０を配置し、排気側温度Ｔrad_outとしてヒートパイプ５２０の温度を計測する。前述のように、ヒートパイプ５２０の熱伝導率は５０００〜３００００Ｗ／ｍ・Ｋであり、代表的な汎用熱伝導体である銅の室温における熱伝導率約４００Ｗ／ｍ・Ｋやダイヤモンドの熱伝導率約２０００Ｗ／ｍ・Ｋと比較して１ケタ以上大きい。排気側領域に配置されたヒートパイプ５２０の温度分布および排気側領域に配置された銅製部材の温度分布を、排気側領域の空気温度と合せて図６に示す。

図６から分かるように、銅製部材の場合は、部材内に温度分布が残り、排気温度を十分に平均化できないのに対して、ヒートパイプ５２０の温度は、熱伝導率が極めて高いことから、全長にわたって排気側領域の下部〜上部にかけての平均温度となる。従って、排気側領域にヒートパイプ５２０を配置し、ヒートパイプ５２０の温度を排気側温度Ｔrad_outとして適用する場合、複数の温度センサを蒸発器２１０の上下方向に配置することなく、ヒートパイプ５２０の１点の温度を計測するだけで、排気側温度Ｔrad_outを速やかに決定することができる。

そして、流量設定部５３０は、取得した吸気側温度Ｔairとヒートパイプ５２０の計測温度（排気側温度Ｔrad_out）とが一致するように、バルブ５１０の開度を制御することによって、蒸発器２１０内へ流入させる液相状態の冷媒２５０の流量を制御する。ここで、吸気側温度Ｔairとしては、例えば、サーバールームの設定温度を適用することができる。

次に、吸気側温度Ｔairと排気側温度Ｔrad_outとを一致させる理由について説明する。単純化するため、サーバ等の発熱体４００から放出された排熱を蒸発器２１０で１００％受熱する場合を考える。図７に、空気流の進行方向の平均温度プロファイルを示す。なお、図７において、Ｔrad_inは、発熱体４００と蒸発器２１０とに挟まれた領域の温度である。

図７において、発熱体４００から放出された排熱による温度上昇ΔＴ_１と冷却装置２００の冷却による温度下降ΔＴ_２の比は、サーバから放出された排熱の量と蒸発器２１０における受熱量の比と一致する。従って、サーバから放出された排熱を蒸発器２１０において１００％受熱するためには、ΔＴ_１＜ΔＴ_２になるように制御すれば良い。一方、凝縮器２２０の性能を上げる等によってΔＴ_２がΔＴ_１より大きくなる場合、ラック３００が配置されているサーバールームの室温が下がる。一般的に、サーバールームは一定温度になるように温度制御されるため、サーバールームの室温が下がることによってサーバールームの温度制御が不要に動作し、電力が無駄に消費される。

従って、サーバから放出された排熱を冷却装置２００によって効率よく排熱するには、ΔＴ_１＝ΔＴ_２になるように制御すれば良い。すなわち、吸気側温度Ｔairと排気側温度Ｔrad_outとの差がゼロとなるように制御すればよい。

上記のように、本実施形態に係る冷却システム１００において、ヒートパイプ５２０の温度を排気側温度Ｔrad_outとして用い、吸気側温度Ｔairと排気側温度Ｔrad_outとが一致するように、蒸発器２１０内へ流入させる液相状態の冷媒２５０の流量を制御することにより、複数の温度センサによる平均温度の演算等を行うことなく、単純な構成で蒸発器２１０へ流入する液相状態の冷媒２５０の流量を最適化できる。

なお、蒸発器２１０から出てきた排気が拡散してしまうことを抑制するために、蒸発器２１０の排気側領域に排気拡散防止用のダクトを配置することもできる。蒸発器２１０の排気側領域に排気拡散防止用のダクトを配置した時の斜視図を図８に示す。蒸発器２１０の排気側領域に排気拡散防止用のダクト６００を配置する場合、ヒートパイプ５２０を配置する位置は、ダクト６００内であれば、蒸発器２１０からの空気の流れ方向の距離は問わない。また、天地方向については、ダクト６００がない場合と同様に、ヒートパイプ５２０の下端と蒸発器下部ヘッダ２１２とが対向すると共に、ヒートパイプ５２０の上端と蒸発器上部ヘッダ２１１とが対向するように設計することが望ましい。さらに、天地方向とも空気流の方向とも直行する方向（すなわち、図８の左右方向）については、空気流の流れを妨げないようになるべく小さい幅に設計されることが望ましい。そして、左右方向の配置位置は、実際には排気温度分布が生じる場合があるものの天地方向の排気温度分布に比較すれば小さいことから、適当な代表点、例えば中央に配置すれば良い。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る冷却システムの斜視図を図９に示す。図９の冷却システム１００Ｂは、冷却装置２００Ｂ、図９には図示しないラック３００、発熱体４００および流量制御手段５００Ｂによって構成される。以下、第２の実施形態と異なる部分について説明する。

冷却装置２００Ｂは、４つの蒸発器２１０ａ−２１０ｄ、凝縮器２２０、蒸気管２３０、液管２４０Ｂおよび冷媒２５０によって構成され、発熱体４００から放出される排気熱を外気へ放熱する。

４つの蒸発器２１０ａ−２１０ｄはそれぞれ、発熱体４００から放出された排気熱を、内部に配置された複数の蒸発器フィン・チューブを介して、内部に収容されている冷媒２５０へ伝熱させる。冷媒２５０は、発熱体４００から放出された排気熱を吸熱して液相状態から気相状態へと相変化し、蒸気管２３０を介して凝縮器２２０へ流入する。さらに、冷媒２５０は、凝縮器２２０内において熱が平板状のフィンを介して外気へ放出されることによって凝縮し、気相状態から液相状態へと相変化する。液相状態へ相変化した冷媒２５０は、液管２４０Ｂおよび液支流管２４１ａ−２４１ｄをそれぞれ介して、再び４つの蒸発器２１０ａ−２１０ｄ内へ流入する。

上記のように構成された冷却装置２００Ｂは、第２の実施形態で説明した冷却装置２００と同様に、液相状態の冷媒２５０と気相状態の冷媒２５０との密度差、および、蒸発器２１０ａ−２１０ｄと凝縮器２２０との高低差から生じるヘッド差を駆動力として、ポンプなどを使用することなく冷媒２５０が冷却装置２００Ｂ内を循環し続ける。これにより、発熱体４００から放出された排気熱が外気へ放熱され、発熱体４００が冷却される。

流量制御手段５００Ｂは４つのバルブ５１０ａ−５１０ｄ、４つのヒートパイプ５２０ａ−５２０ｄおよび流量設定部５３０Ｂによって構成され、４つの蒸発器２１０ａ−２１０ｄ内へ流入させる液相状態の冷媒２５０の流量を制御する。

バルブ５１０ａ−５１０ｄはそれぞれ、液支流管２４１ａ−２４１ｄに配置され、蒸発器２１０ａ−２１０ｄへ流入させる液相状態の冷媒２５０の液量を、設定された開度に応じて調整する。

ヒートパイプ５２０ａ−５２０ｄはそれぞれ、排気側領域内の対応する蒸発器２１０ａ−２１０ｄに近い位置に配置される。ヒートパイプ５２０ａ−５２０ｄはそれぞれ、第２の実施形態で説明したヒートパイプ５２０と同様に、断面が長円型に形成された管状体であり、下端および上端と、蒸発器２１０ａ−２１０ｄの蒸発器下部ヘッダおよび蒸発器上部ヘッダとそれぞれ対向させ、断面の長径方向を空気流の方向と一致させて、配置される。

流量設定部５３０Ｂは、吸気側領域の吸気側温度Ｔair（例えば、サーバールームの設定温度）を取得すると共に、排気側領域の排気側温度Ｔrad_outとして、ヒートパイプ５２０ａ−５２０ｄの温度をそれぞれ計測する。そして、流量設定部５３０Ｂは、取得した吸気側温度Ｔairと４つの排気側温度Ｔrad_outとが一致するように、ＰＩＤ制御等を適用してバルブ５１０ａ−５１０ｄの開度を制御し、蒸発器２１０ａ−２１０ｄ内へ流入させる液相状態の冷媒２５０の流量を制御する。

上記のように、本実施形態に係る冷却システム１００Ｂは、排気側領域の４つの蒸発器２１０ａ−２１０ｄ近傍に４つのヒートパイプ５２０ａ−５２０ｄをそれぞれ配置し、蒸発器２１０ａ−２１０ｄに対応する４つの排気側温度Ｔrad_outとしてヒートパイプ５２０ａ−５２０ｄの温度をそれぞれ用いる。そして、流量設定部５３０Ｂは、吸気側温度Ｔair（サーバールームの設定温度）と４つの排気側温度Ｔrad_out（ヒートパイプ５２０ａ−５２０ｄの温度）とが一致するように、バルブ５１０ａ−５１０ｄの開度を制御し、蒸発器２１０ａ−２１０ｄ内へ流入させる液相状態の冷媒２５０の流量を制御する。これにより、本実施形態に係る冷却システム１００Ｂにおいても、複数の温度センサによる平均温度の演算等を行うことなく単純な構成で、４つの蒸発器２１０ａ−２１０ｄへ流入する液相状態の冷媒２５０の流量をそれぞれ最適化できる。

本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

１０ 流量制御機構
２０ ヒートパイプ
３０ 空気流生成手段
３１ 空気流
４０ 流量調整手段
５０ 冷却装置
５１ 蒸発器
５２ 凝縮器
５３ 冷媒
６０ 発熱体
７０ バルブ
８０ 温度計測手段
１００、１００Ｂ 冷却システム
２００、２００Ｂ 冷却装置
２１０、２１０ａ−２１０ｄ 蒸発器
２１１ 蒸発器上部ヘッダ
２１２ 蒸発器下部ヘッダ
２１３ 蒸発器フィン・チューブ
２２０ 凝縮器
２３０ 蒸気管
２４０、２４０Ｂ 液管
２４１ａ−２４１ｄ 液支流管
２５０ 冷媒
３００ ラック
４００ 発熱体
５００、５００Ｂ 流量制御手段
５１０、５１０ａ−５１０ｄ バルブ
５２０、５２０ａ−５２０ｄ ヒートパイプ
５３０、５３０Ｂ 流量設定部
６００ ダクト

Claims (11)

1. 蒸発器内における冷媒の流動方向が長手方向となるように配置された長尺のヒートパイプと、
   発熱体側から前記蒸発器を通過して前記ヒートパイプ側まで到達する空気流を生成する空気流生成手段と、
   前記発熱体の前記蒸発器が配置されている側と反対側の領域の温度を基準温度として取得し、取得した基準温度と前記ヒートパイプの温度との差が小さくなるように、前記蒸発器へ流入させる前記冷媒の量を調整する流量調整手段と、
   を備える冷媒の流量制御機構。
2. 開度が大きい程、前記蒸発器へ流入する前記液相状態の冷媒の量が多くなるバルブと、
   前記ヒートパイプの温度を計測する温度計測手段と、
   をさらに備え、
   前記流量調整手段は、取得した基準温度と計測されたヒートパイプの温度との差が小さくなるように、前記バルブの開度を調整する、
   請求項１に記載の冷媒の流量制御機構。
3. 発熱体から発せられた熱を吸熱することによって冷媒を液相状態から気相状態に相変化させる蒸発器、前記吸熱した熱を放熱させることによって前記冷媒を気相状態から液相状態に相変化させる凝縮器、一端が前記蒸発器に、他端が前記凝縮器に接続され、内部を前記気相状態の冷媒が通過する蒸気管、および、一端が前記凝縮器に、他端が前記蒸発器に接続され、内部を前記液相状態の冷媒が通過する液管を備えた冷却装置と、
   前記発熱体側から前記蒸発器を通過してヒートパイプ側まで到達する空気流を生成する空気流生成手段、前記蒸発器内における前記冷媒の流動方向が長手方向となるように配置された長尺のヒートパイプ、および、前記発熱体の前記蒸発器が配置されている側と反対側の領域の温度を基準温度として取得し、取得した基準温度と前記ヒートパイプの温度との差が小さくなるように、前記蒸発器へ流入させる前記冷媒の量を調整する流量調整手段を備える冷媒の流量制御機構と、
   を備える冷却システム。
4. 前記冷媒の流量制御機構は、
   開度が大きい程、前記蒸発器へ流入する前記液相状態の冷媒の量が多くなるバルブと、
   前記ヒートパイプの温度を計測する温度計測手段と、
   をさらに備え、
   前記流量調整手段は、取得した基準温度と計測されたヒートパイプの温度との差が小さくなるように、前記バルブの開度を調整する、
   請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記蒸発器は、内部を前記冷媒が流動する複数のチューブ、前記複数のチューブの一端側と連通される第１ヘッダ、および、前記複数のチューブの他端側と連通される第２ヘッダを備え、前記ヒートパイプは、前記複数のチューブの延びる方向が長手方向となるように配置される、請求項３または４に記載の冷却システム。
6. 前記ヒートパイプは、下端が前記第１ヘッダと対向する位置に、上端が前記第２ヘッダと対向する位置に配置される、請求項５に記載の冷却システム。
7. 前記ヒートパイプは断面が長円型に形成され、前記ヒートパイプは長径の方向と前記空気流の方向とが一致するように配置される、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の冷却システム。
8. 前記流量調整手段は、前記基準温度として、前記発熱体が配置されている部屋の設定温度を取得する、請求項３乃至７のいずれか１項に記載の冷却システム。
9. 前記蒸発器の前記発熱体側と反対側に配置され、前記蒸発器を通過した空気流が内部空間内を通過する枠状体をさらに備え、
   前記ヒートパイプは、前記枠状体の内部空間内に配置される、
   請求項３乃至８のいずれか１項に記載の冷却システム。
10. 前記蒸発器は、複数あり、
    前記ヒートパイプは、複数の前記蒸発器ごとに配置され、
    前記流量調整手段は、複数の前記ヒートパイプの温度に基づいて、対応する前記蒸発器へ流入させる液相状態の冷媒の量をそれぞれ独立に調整する、
    請求項３乃至９のいずれか１項に記載の冷却システム。
11. 発熱体側から内部に冷媒が収納された蒸発器を通過してヒートパイプ側まで到達する空気流を生成し、
    前記発熱体の前記蒸発器が配置されている側と反対側の領域の温度を基準温度として取得し、
    取得した基準温度と前記ヒートパイプの温度との差が小さくなるように、前記蒸発器へ流入させる前記冷媒の量を調整し、
    前記ヒートパイプは、前記蒸発器内における前記冷媒の流動方向が長手方向となるように配置された長尺体であることを特徴とする冷媒の流量制御方法。

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