JP5664046B2

JP5664046B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP5664046B2
Application number: JP2010203918A
Authority: JP
Inventors: 菊地　吉男; 吉男菊地
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-09-13
Also published as: JP2012057902A

Description

本発明は、冷却装置に関する。

近年、データセンターで取り扱うデータ量は益々増加しており、データを処理するサーバ（計算機）の消費電力も増大している。サーバからは消費電力に対応する熱が発生し、そのままではサーバ内の温度が高くなって誤動作や故障の原因となる。このため、データセンターでは、冷却装置を使用してサーバを冷却している。

データセンターでは、現状、サーバの冷却に多量の電力を消費している。そこで、データセンターで消費する電力を削減するために、冷却装置の省電力化が進められている。

一般的な冷却装置では、熱媒体が気化するときに気化熱を奪うことを利用して冷却を行っている。気化した熱媒体は、コンプレッサで圧縮することにより液体に戻している。冷却装置の中で、コンプレッサは比較的大きな電力を消費している。

特開平０１−２５２８９８号公報特開平０５−７１８２７号公報特開２００２−２２３２０号公報

ＣＯ₂削減や地球環境保全の観点から、データセンターやその他の施設で消費する電力のより一層の削減が望まれる。

以上から、従来に比べて消費電力をより一層削減できる冷却装置を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、液状の熱媒体が貯留される貯留管と、前記貯留管の上方に配置され、前記熱媒体の上記が通る第１の蒸気管と、前記貯留管と前記第１の蒸気管との間に配置され、熱源から熱が伝達されて前記熱媒体の蒸気が発生する複数の蒸発管と、前記第１の蒸気管に接続されて前記熱媒体の蒸気が通る第２の蒸気管と、前記第２の蒸気管の下方に配置され、前記貯留管に接続された戻り配管と、前記第２の蒸気管と前記戻り配管との間に配置され、前記熱媒体の蒸気が冷却されて液体となる凝縮管とを有し、前記第２の蒸気管から遠い側ほど前記第１の蒸気管内の蒸気圧が高くなるように、前記蒸発管が配置されていることを特徴とする冷却装置が提供される。

上記一観点の冷却装置では、蒸気圧の差により、蒸発管内で発生した熱媒体の蒸気が第１の蒸気管及び第２の蒸気管を通って凝縮管に移動し、凝縮管内で液体になる。そして、熱媒体の移動と相変化とにより、蒸発管から凝縮管に熱が移動する。この場合、熱の移動には電力を必要とせず、省電力化が達成される。

図１は、コンプレッサを使用しない冷却装置の一例を表した模式図である。図２は、第１の実施形態に係る冷却装置を例示する模式図である。図３は、第１の実施形態に係る冷却装置において、蒸発管の太さ及び配列を変えた例を表した模式図である。図４は、第１の実施形態の変形例を例示する模式図である。図５（ａ）は第２の実施形態に係る冷却装置の斜視図（模式図）、図５（ｂ）は同じくその上面図（模式図）である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１は、コンプレッサを使用しない冷却装置の一例を表した模式図である。この冷却装置２０は、電子機器の筺体１９上部に取り付けられている。図１中の白抜き矢印は、エアーの流れ方向を表している。

冷却装置１０は、筺体１９の内側に配置される入熱部１０ａと、筺体１９の外側に配置される放熱部１０ｂとを一体化した構造を有する。但し、冷却装置１０の内部には、入熱部１０ａと放熱部１０ｂとの間を分離する分離壁１１が設けられており、筺体１９の内側のエアーと外側のエアーとが混じらないようにしている。また、筺体１９内には、稼動にともなって熱を発生する電子部品１８が配置されている。

冷却装置１０には、２本のヒートパイプ１２ａ，１２ｂと、送風機１４ａ，１４ｂとが設けられている。ヒートパイプ１２ａ，１２ｂは分離壁１１を挿通し、入熱部１０ａから放熱部１０ｂに延びて配置されている。ヒートパイプ１２ａ，１２ｂの下側（入熱部１０ａ側）には多数の吸熱用フィン１３ａが取り付けられており、ヒートパイプ１２ａ，１２ｂの上側（放熱部１０ｂ側）には多数の排熱用フィン１３ｂが取り付けられている。送風機１４ａの回転によりフィン１３ａ間に筺体１９内のエアーが通流し、送風機１４ｂの回転によりフィン１３ｂ間に筺体１９外側のエアーが通流する。

ヒートパイプ１２ａ，１２ｂは銅等の熱抵抗が小さい材料により形成されており、内部には熱媒体（作動液）が封入されている。筺体１９内の温度が低い場合、ヒートパイプ１２ａ，１２ｂ内に封入された熱媒体の大部分は液体の状態であり、重力により下側に配置される。

このような構造の冷却装置１０において、電子部品１８の稼動により筺体１９内の温度が上昇すると、送風機１４ａにより筺体１９内の高温のエアーがフィン１３ａ間に供給される。そして、入熱部１０ａ側のヒートパイプ１２ａ，１２ｂの温度が上昇する。これにより、ヒートパイプ１２ａ，１２ｂ内で熱媒体が気化する。このとき、熱媒体は気化にともなってヒートパイプ１２ａ，１２ｂ及びフィン１３ａから気化熱に相当する熱を奪う。このため、フィン１３ａ間を通るエアーの温度が下がり、筺体１９内に低温のエアーが供給される。このエアーにより、筺体１９内の電子部品１８が冷却される。

一方、ヒートパイプ１２ａ，１２ｂ内で気化した熱媒体は、ヒートパイプ１２ａ，１２ｂ内を上昇して放熱部１０ｂに移動する。放熱部１０ｂでは、送風機１４ｂにより筺体１９の外側の比較的低温のエアーがフィン１３ｂ間に供給されるため、ヒートパイプ１２ａ，１２ｂ内の熱媒体は冷却されて液体になる。そして、液体となった熱媒体は、重力によりヒートパイプ１２ａ，１２ｂ内を落下して入熱部１０ａ側に戻る。このようにして、電子部品１８の冷却が連続的に行われる。

この冷却装置１０では、送風機１４ａ，１４ｂの回転に電力を消費するが、ヒートパイプ１２ａ，１２ｂによる熱の搬送には電力を消費しない。また、この冷却装置１０では、電力を多量に消費するコンプレッサを使用していない。このため、少ない電力で電子部品１８を冷却することができる。

しかし、この冷却装置１０では、入熱部１０ａと放熱部１０ｂとを隣接させて配置する必要があり、且つ入熱部１０ａと放熱部１０ｂとの間を分離壁１１により空間的に分離する必要がある。このため、使用可能な範囲が限定される。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係る冷却装置を例示する模式図である。

本実施形態に係る冷却装置２０は、入熱部２１と、放熱部３１と、冷水ジャケット３５とを有する。

入熱部２１は、水平に配置された貯水管（貯留管の一例）２２と、貯水管２２の上方に貯水管２２と平行に配置された第１の蒸気管２３と、垂直に配置されて貯水管２２と第１の蒸気管２３との間に並列接続された複数の蒸発管２４とを有する。本実施形態では、蒸発管２４は放熱部３１からの距離に応じて複数のグループに分けられており、放熱部３１から遠いグループほど蒸気管２４の本数が多く且つ蒸気管２４が密に配置されている。図２の例では、蒸発管２４は３つのグループに分けられている。そして、放熱部３１から最も遠いグループは密に配置された３本の蒸気管２４からなり、放熱部３１に最も近いグループは１本の蒸発管２４からなり、中間のグループは若干広い間隔で配置された２本の蒸発管２４からなる。

これらの蒸発管２４には伝熱板２５が取り付けられており、伝熱板２５は電子部品（図示せず）と熱的に接続されている。また、貯水管２２の端部には、水（液相の熱媒体）を貯留するリザーバタンク２６が接続されている。

入熱部２１内には、蒸発管２４の途中まで水（液相の熱媒体）が注入される。何らかの原因により入熱部２１内の水の量が減少すると、リザーバタンク２６から貯水管２２に水が供給される。

一方、放熱部３１は、貯水管２２と連絡した戻り配管３２と、第１の蒸気管２３と連絡した第２の蒸気管３３と、垂直に配置されて戻り配管３２と第２の蒸気管３３との間に並列接続された複数の凝縮管３４とを有する。本実施形態では、図２のように、戻り配管３２は、入熱部２１に近い側が低くなるように傾斜して配置されている。また、凝縮管３４は、入熱部２１に近い側では間隔が広く、入熱部２１から遠い側では間隔が狭くなるように配置されている。

これらの戻り配管３２、第２の蒸気管３３及び凝縮管３４は冷水ジャケット３５内に配置され、冷水ジャケット３５内を通流する冷水により冷却される。冷水は、注水口３６ａから冷水ジャケット３５内に入り、排出口３６ｂから排出される。

蒸発管２４は、熱抵抗が小さく、長さ依存性が少ないことが好ましい。この点から、本実施形態では、蒸発管２４として、直径が６ｍｍ以上の銅又は銅合金パイプを使用するものとする。また、本実施形態では、凝縮管３４も銅又は銅合金パイプにより形成されているものとする。貯水管２２、第１の蒸気管２３、第２の蒸気管３３及び戻り配管３２の材質は特に限定されるものではないが、熱媒体（この例では水）により腐食されない材料により形成することが好ましい。

以下、上述の冷却装置２０の動作について、図２を参照して説明する。図２中、破線の矢印は熱媒体の移動経路を表している。

ここでは、前述したように伝熱板２５は電子部品と熱的に接続されており、電子部品が稼働すると伝熱板２５の温度は３５℃程度になるものとする。また、第１の蒸気管２３及び第２の蒸気管３３内は減圧されているものとする。第１の蒸気管２３及び第２の蒸気管３３内を減圧することにより水（熱媒体）の沸点が下がり、蒸気管２４内で水蒸気（気相の熱媒体）が発生しやすくなる。本実施形態では、常温のとき（電子部品が稼働していないとき）の第１の蒸気管２３及び第２の蒸気管３３内の圧力は、１．０×１０³Ｐａ程度とする。

電子部品（図示せず）の稼動により発生した熱が伝熱板２５に伝達されると、蒸発管２４の温度が上昇し、蒸発管２４内で水（熱媒体）が蒸発する。この水の蒸発にともなって蒸発管２４から気化熱に相当する分の熱が奪われ、伝熱板２５が冷却される。その結果、伝熱板２５に熱的に接続された電子部品も冷却される。

蒸発管２４内で蒸発した水（水蒸気）は、蒸気圧の差により、第１の蒸気管２３を通って第２の蒸気管３３（放熱部３１）内に進入する。

冷水ジャケット３５には、例えば温度が１０℃〜２０℃程度の冷水が供給される。第２の蒸気管３３内に進入した水蒸気は、凝縮管３４を通る間に冷水に冷却されて水（液相の熱媒体）に戻る。この水は、戻り配管３２を介して入熱部２１の貯水管２２に移動する。このようにして、電子部品の冷却が連続的に行われる。

本実施形態の冷却装置２０は、コンプレッサのように多量の電力を消費する装置を必要としないため、消費エネルギーが少ない。また、本実施形態の冷却装置２０では、入熱部２１と放熱部３１との間の仕切りが不要であり、設置の自由度が高い。

更に、本実施形態の冷却装置２０では、冷水ジャケット３５への冷水の供給以外にエネルギーを必要としない。このため、例えば本実施形態の冷却装置２０を計算機室内に設置された計算機の冷却に使用した場合、計算機室内を空調する空調機が故障しても計算機内の電子部品の過剰な加熱を防止できるという利点がある。

なお、冷水ジャケット３５の排出口３６ｂからは、注入口３６ａから注入された水よりも数℃〜１０℃程度温度が高い水が排出される。排出口３６ｂから排出される水は温水として利用してもよく、ラジエーター（放熱器）等に通して冷却し、再度冷水として使用してもよい。

ところで、本実施形態では、図２のように、放熱部３１から遠いほど蒸発管２４を密に配置している。このため、第１の蒸気管２３内では、放熱部３１から遠い側ほど蒸気圧が高くなる。また、本実施形態では、入熱部２１から遠いほど凝縮管３４の間隔を狭くしている。このため、第２の蒸気管３３内では、入熱部２１から遠い側ほど蒸気圧が低くなる。従って、第１の蒸気管２３から第２の蒸気管３３にかけて圧力勾配が発生し、第１の蒸気管２３内の蒸気が第２の蒸気管３３内に移動しやすくなる。

放熱部３１から遠いほど蒸発管２４の間隔を狭くする替わりに、例えば図３のように、放熱部３１から遠い蒸発管２４ほど直径を太くしても、同様の効果を得ることができる。要するに、放熱部３１から遠いほど蒸発量が多くなるように、蒸気管２４の間隔、材質及び太さなどを設定すればよい。

本実施形態では、戻り配管３２に傾斜を設けて貯水管２２への水の移動をしやすくしている。しかし、戻り配管３２を、貯水管２２と同様に水平に配置してもよい。

また、蒸発管２４の内壁面に毛細管現象を発生させる物質（ウィック）を配置してもよい。ウィックとして、例えば蒸発管２４の内面に多孔性物質や金属メッシュを配置したり、蒸発管２４の内面に細かい溝を形成すると、液相の熱媒体は毛細管現象により蒸発管２４の壁面に沿って上昇する。これにより、蒸発管２４内における水（液相の熱媒体）の表面積が増大し、水蒸気（気相の熱媒体）の発生が活発になる。

更に、本実施形態では凝縮管３４を冷水により冷却しているが、例えば凝縮管３４に放熱フィン等を取り付けて空冷としてもよい。

更にまた、本実施形態では熱媒体として水を使用した場合について説明したが、熱媒体は使用状況（作動温度）に応じて適宜選択すればよい。例えば、熱媒体（作動液）として、フレオン２２（ＣＨＣｌＦ₂；作動温度−８０℃〜８０℃）、ＨＦＣ−１３４ａ（ＣＨ₂Ｆ−ＣＦ₃：作動温度−２５℃〜９０℃）、アンモニア（ＮＨ₃：作動温度−６０℃〜１００℃）、フレオン１１３（ＣＣｌ₂Ｆ−ＣＣｌＦ₂：作動温度０℃〜１００℃）、ＨＣＦＣ−１２３（１，１−ジクロロ−２、２，２−トリフルオロエタン：作動温度−１０℃〜１０５℃）、アセトン（Ｃ₃Ｈ₆Ｏ：作動温度０〜１２０℃）及びメタノール（ＣＨ₄Ｏ：作動温度１０℃〜１３０℃）などを使用することができる。

（変形例）
図４のように、伝熱板２５の温度を測定する温度センサ２７と、温度センサ２７の出力信号を入力して温度変化を検出する測定部２８とを設けてもよい。

蒸発管２４内の水（液相の熱媒体）の量が減少して蒸発管２４内で発生する蒸気の量が少なくなると、伝熱板２５の温度は急激に上昇する。この温度の変化を温度センサ２７及び測定部２８で検出して、警報を発生させることが好ましい。また、測定部２８から出力される信号に応じて、リザーバタンク２６から貯水管２２内に水を注入するようにしてもよい。

（第２の実施形態）
図５（ａ）は第２の実施形態に係る冷却装置の斜視図（模式図）、図５（ｂ）は同じくその上面図（模式図）である。本実施形態では、複数のブレードサーバを収納するサーバラックから排出されるエアーを冷却する冷却装置に適用した例を示している。

図５（ｂ）のように、筺体（サーバラック）４１内には、複数のブレードサーバ４２が収納されている。これらのブレードサーバ４２の後方には送風機４３が配置されており、これらの送風機４３により筺体４１の前面側から計算機室内のエアーが筺体４１内に取り込まれ、ブレードサーバ４２内の電子部品（例えばＣＰＵなど）を冷却する。そして、これにより温度が上昇したエアーが、筺体４１の背面から排出される。

筺体４１には、２台の冷却装置５０が取り付けられている。これらの冷却装置５０は、第１の実施形態の冷却装置２０（図２参照）と同様に、入熱部５１と、放熱部６１と、冷水ジャケット７０とを有している。また、入熱部５１は、貯水管５２と、第１の蒸気管５３と、複数の蒸発管５４と、リザーバタンク５６とを有し、放熱部６１は、第２の蒸気管６３と、戻り配管６２と、複数の凝縮管６４とを有している。そして、入熱部５１は筺体４１の背面に配置され、放熱部６１は筺体４１の側面に配置されている。

本実施形態の冷却装置５０では、入熱部５１の蒸発管５４に、ブレードサーバ４２から排出されるエアーとの間で熱交換をするフィン５７が取り付けられている。また、冷水ジャケット７０には、図示しない給水装置から冷水が供給されるようになっている。

本実施形態の冷却装置５０の動作は、ブレードサーバ４２で発生した熱が送風機４３により蒸発管５３に伝達されることを除けば、第１の実施形態の冷却装置２０と同様である。そのため、ここでは冷却装置５０の動作の説明は省略する。

本実施形態では、入熱部５１と放熱部６１とが筺体４１の別の面に配置されており、第１の蒸気管５３と第２の蒸気管６３、貯水管５２と戻り配管６２とが９０°の角度で接続されている。このように、第１の蒸気管５３と第２の蒸気管６３、貯水管５２と戻り配管６２とが直線状に接続されていなくても、冷却装置５０の動作には支障がない。

また、本実施形態では、冷水ジャケット７０が筺体４１の側面に配置されているため、サーバ４２から排出される熱は冷水ジャケット７０に直接到達しない。このため、冷水ジャケット７０内を通る冷水により放熱部６１内の蒸気を効率よく冷却することができる。

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）液状の熱媒体が貯留される貯留管と、
前記貯留管の上方に配置され、前記熱媒体の蒸気が通る第１の蒸気管と、
前記貯留管と前記第１の蒸気管との間に配置され、熱源から熱が伝達されて前記熱媒体の蒸気が発生する複数の蒸発管と、
前記第１の蒸気管に接続されて前記熱媒体の蒸気が通る第２の蒸気管と、
前記第２の蒸気管の下方に配置され、前記貯留管に接続された戻り配管と、
前記第２の蒸気管と前記戻り配管との間に配置され、前記熱媒体の蒸気が冷却されて液体となる凝縮管と
を有することを特徴とする冷却装置。

（付記２）前記第２の蒸気管から遠い側ほど前記第１の蒸気管内の蒸気圧が高くなるように、前記蒸発管が配置されていることを特徴とする付記１に記載の冷却装置。

（付記３）前記凝縮管を冷却する水が通流する冷水ジャケットを有することを特徴とする付記１又は２に記載の冷却装置。

（付記４）複数の前記蒸発管に接続され、熱源から熱が伝達される伝熱板を有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置。

（付記５）前記第１の蒸気管及び前記第２の蒸気管内が減圧されていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置。

（付記６）前記貯水管に接続されて前記液状の熱媒体を貯留するリザーバタンクを有することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の冷却装置。

（付記７）前記伝熱管の温度を測定する温度センサを有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の冷却装置。

（付記８）前記第２の蒸気管から遠い側ほど前記蒸発管が密に配置されていることを特徴とする付記１に記載の冷却装置。

（付記９）前記第２の蒸気管から遠い蒸発管ほど直径が太いことを特徴とする付記１に記載の冷却装置。

（付記１０）前記蒸発管の直径が６ｍｍ以上であることを特徴とする付記１に記載の冷却装置。

１０，２０，５０…冷却装置、１０ａ，２１，５１…入熱部、１０ｂ，３１，６１…放熱部、１１…分離壁、１２ａ，１２ｂ…ヒートパイプ、１３ａ，１３ｂ，５７…フィン、１４ａ，１４ｂ，４３…送風機、１８…電子部品、１９…筺体、２２，５２…貯水管、２３，３３、５３，６３…蒸気管、２４，５４…蒸発管、２５…伝熱板、２６，５６…リザーバタンク、２７…温度センサ、２８…測定部、３２，６２…戻り配管、３４，６４…凝縮管、３５，７０…冷水ジャケット、４１…筺体（サーバラック）、４２…ブレードサーバ。

Claims

液状の熱媒体が貯留される貯留管と、
前記貯留管の上方に配置され、前記熱媒体の蒸気が通る第１の蒸気管と、
前記貯留管と前記第１の蒸気管との間に配置され、熱源から熱が伝達されて前記熱媒体の蒸気が発生する複数の蒸発管と、
前記第１の蒸気管に接続されて前記熱媒体の蒸気が通る第２の蒸気管と、
前記第２の蒸気管の下方に配置され、前記貯留管に接続された戻り配管と、
前記第２の蒸気管と前記戻り配管との間に配置され、前記熱媒体の蒸気が冷却されて液体となる凝縮管とを有し、
前記第２の蒸気管から遠い側ほど前記第１の蒸気管内の蒸気圧が高くなるように、前記蒸発管が配置されていることを特徴とする冷却装置。
前記凝縮管を冷却する水が通流する冷水ジャケットを有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
複数の前記蒸発管に接続され、熱源から熱が伝達される伝熱板を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
前記第１の蒸気管及び前記第２の蒸気管内が減圧されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置。