JP6753517B2

JP6753517B2 - 熱交換システム

Info

Publication number: JP6753517B2
Application number: JP2019507998A
Authority: JP
Inventors: 孔一轟; 有仁松永; 吉川　実; 実吉川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: WO2018179198A1; JPWO2018179198A1; US20200103183A1; US11105566B2

Description

本発明は、電子機器からの受熱を効率良く行うための熱交換器、熱交換システム、および熱交換方法に関する。

多数の電子機器が密集して配置されたデータセンタでは、電子機器から発生した多くの熱量の排出能力を確保するため、冷媒の蒸発・凝縮という相変化サイクルを利用して排熱を行う熱交換システムが備えられている。

この熱交換システムとして、例えば特許文献１に示される、多段の受熱器に冷媒液を分配供給し、複数の受熱器にて電子機器からの受熱を行う技術が知られている。
特許文献１の空気調和装置では、放熱部となる１台の室外機と、該室外機と配管により接続される複数台の室内機（受熱部）を有し、これら室外機と室内機を結ぶ配管の途中に分流器を設けた構成が示されている。

そして、このような分流器では、分流器の出口側の圧力損失を設置時に調整することで受熱部の高低差や配管圧力損失の差を埋めながら冷媒の分流ができるとされる。

特許文献１：特開２００６−２６６５６３号公報

しかしながら、特許文献１に示される空気調和装置の分流器は、放熱部と受熱部との間に位置しているために設置スペースが必要であり、これにより全体構成が大型化する不具合が発生していた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、特別な構造の分流器を用いなくとも、受熱器となる熱交換パイプに供給される液相の冷媒に抵抗を与えて、該熱交換パイプでの抜熱性能向上を図りつつも、全体の省スペース化を図ることができる熱交換器及び熱交換システムを提供するものである。
課題を解決するための手段

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様は、液相状態の冷媒が流れる下部ヘッダと、この下部ヘッダから分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプと、これら熱交換パイプで受熱した冷媒を集合させる上部ヘッダと、を有し、前記下部ヘッダの冷媒流入口には、冷媒を供給する管路の流路断面より小さい断面の流路抵抗調節孔が設けられていることを特徴とする。

本発明の第二の態様は、液相状態の冷媒を下部ヘッダから分岐して複数の熱交換パイプに供給し、これら熱交換パイプで受熱した冷媒を上部ヘッダに集合させる熱交換方法であって、前記下部ヘッダに前記冷媒を流入させるに際して、前記冷媒の圧力を低下させることを特徴とする。
発明の効果

本発明によれば、流路抵抗調節孔の下流側に圧力低下を生じさせることで冷媒液の沸点を下げて、受熱器での抜熱性能を向上させることができる。
また、本発明では、下部ヘッダ内の冷媒流入口に流路抵抗調節孔を設置することで、全体の省スペース化を図ることが可能となる。

本発明に係る熱交換器の前端の概略構成図である。図１Ａの符号（Ｂ）の部分の拡大図である。本発明の第１実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。熱交換器の外観を示す斜視図である。（Ａ）本発明に係る流路抵抗調節孔を示す断面図、（Ｂ）は孔位置と冷媒圧力との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。本発明の第３実施形態に係る熱交換システムの概略構成図である。

本発明の最小構成にかかる熱交換器１００について図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明する。
この熱交換器１００は、図１（Ａ）で示されるように、液相状態の冷媒Ｃが流れる下部ヘッダ１と、この下部ヘッダ１から分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプ２と、これら熱交換パイプ２で受熱した冷媒Ｃを集合させる上部ヘッダ３と、を有する。
また、この熱交換器１００では、図１（Ｂ）で示されるように、下部ヘッダ１の冷媒流入口４に、冷媒Ｃを供給する管路５の流路断面より小さい流路断面の貫通路６Ａを有する流路抵抗調節孔６が設けられている。
冷媒流入口４は、下部ヘッダ１における管路５の一端部に形成されており、該冷媒流入口４には、放熱部（図示略）で液化された冷媒Ｃが供給されるマニホールド７の支流液管８が中心軸線を同じくして接続されている。

そして、以上のように構成された熱交換器１００の流路抵抗調節孔６は、管路５の流路断面より小さい流路断面の貫通路６Ａが形成されているので、矢印（ａ）で示すように、放熱部（図示略）からマニホールド７及びその支流液管８を通じて、液相状態の冷媒Ｃが通過する場合に、流路断面積の減少に伴い、該冷媒Ｃに流路抵抗による圧力損失が生じる。
これにより、上記流路抵抗調節孔６では、貫通路６Ａの下流側で冷媒Ｃの圧力を低下させることができる。この圧力の低下により、冷媒Ｃの沸点、すなわち、液相から気相へ相変化する温度が下がり、矢印（ｂ）で示される熱交換パイプ２での抜熱性能を向上させることができる。
また、この流路抵抗調節孔６は、熱交換器１００内の下部ヘッダ１の冷媒流入口４という、流路（配管）の内側に設置されているので、配管の周囲の放熱部との間のスペースを占有することなく、装置が大型化せず、全体の省スペース化を図ることができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る熱交換器１０１、及び熱交換器１０１を複数備えた熱交換システムＳ１について、図２〜図４を参照して説明する。
第１実施形態の熱交換器１０１は、図２に示されるように、液相状態の冷媒Ｃが流れる下部ヘッダ１１と、この下部ヘッダ１１から分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプ１２と、これら熱交換パイプ１２で受熱した冷媒Ｃを集合させる上部ヘッダ１３と、を有する。

これら構成要素の中で、下部ヘッダ１１は熱交換パイプ１２の下部位置にて水平に延びるように配置されており、下部ヘッダ１１の冷媒流入口１４には、ポンプ２０により放熱部２１から液管マニホールド２２（後述する）を経由して液相状態の冷媒Ｃが供給されるようになっている。
冷媒流入口１４は、図３及び図４（Ａ）に示されるように、下部ヘッダ１１における管路１５の一端部に形成されており、該冷媒流入口１４には、放熱部２１で液化された冷媒Ｃが供給される液管マニホールド２２の支流液管２３が中心軸線ｘを同じくして接続されている。

熱交換パイプ１２は下部ヘッダ１１から上方に延び、かつ下部ヘッダ１１の長さ方向に間隔をおいて複数本が配置されることにより、受熱ラジエータＲを形成している。
そして、この熱交換パイプ１２では、図３に矢印（ｂ）で示すように、電気機器（図示略）からの排熱により温められた排気を受けた場合に、内部の液相の冷媒Ｃを沸騰して気化させることにより、電子機器の排気の冷却を行う。
上部ヘッダ１３は、熱交換パイプ１２の上部位置にて水平に延びるように配置されたものであって、熱交換パイプ１２で気化した冷媒Ｃを合流して冷媒流出口１８（図２参照）から排出する。

また、この熱交換器１０１では、下部ヘッダ１１の冷媒流入口１４に、冷媒Ｃを供給する管路１５の流路断面より小さい流路断面の貫通路１６Ａを有する流路抵抗調節孔１６が設けられている。
この流路抵抗調節孔１６は、図４（Ａ）に示されるように、下部ヘッダ１１の管路１１Ａ内にて中心軸線ｘと直交するオリフィス板１７の中央に形成されるものであって、矢印（ａ）で示すように、ポンプ２０により放熱部２１から液管マニホールド２２を経由して液相状態の冷媒Ｃが供給された場合に、該冷媒Ｃの通過に際して抵抗が生じる。

図４（Ｂ）は、オリフィス板１７とその上流の支流液管２３、下流の管路１５を流れる冷媒Ｃの流れの様子と、この流れの方向を軸線ｘ方向（横軸Ｌ方向）の冷媒圧力Ｐの変化とを示したものである。この図４（Ｂ）から明らかなように、流路抵抗調節孔１６では、オリフィス板１７の貫通路１６Ａの下流側に圧力低下（ΔＰ）を生じさせることができ、その結果として冷媒Ｃの沸点を下げて、熱交換パイプ１２での抜熱性能を向上させることができる。
また、上記熱交換器１０１では、流路抵抗調節孔１６を有する冷媒流入口１４が、下部ヘッダ１１の一端側に配置されるともに、冷媒Ｃが排出される冷媒流出口１８が、上部ヘッダ１３の他端側に配置される。
このような冷媒流入口１４と冷媒流出口１８の配置により、複数ある熱交換パイプ１２のうち、冷媒流出口１８から遠い位置（図２の右寄り）にある熱交換パイプ１２、すなわち、冷媒Ｃの排出の流路の抵抗が大きいが故に吸熱量が少ない傾向のある熱交換パイプ１２、の直下の位置（オリフィス板１７に近い位置）で特に圧力低下が大きくなり、この熱交換パイプ１２における吸熱を促進して、全体として、各熱交換パイプ１２に均一に冷媒Ｃを至らせることができる。

なお、本例では、流路抵抗調節孔１６を設置するためにオリフィス板１７を使用したが、このオリフィス板１７に代えて絞り管を使用しても良い。
また、流路抵抗調節孔１６は、単にオリフィス板１７を垂直方向に貫通するだけでなく、冷媒Ｃの流通方向に向けて漸次径が縮小する形状であっても良い。このとき、流路抵抗調節孔１６の周囲にコーン状の部材を設置しても良い。

次に、上記のように構成された熱交換器１０１を複数台具備して、冷却サイクルを構成した熱交換システムＳ１について説明する。
これら熱交換器１０１は、図２に示すように上下方向に複数段配置されかつ同一平面内に配置されている。
また、これら各熱交換器１０１の冷媒流入口１４には、液管マニホールド２２から分岐された支流液管２３がそれぞれ接続される。
また、これら各熱交換器１０１の冷媒流出口１８には、気化した冷媒Ｃを放熱部２１に案内する支流気管３０、及び該支流気管３０が合流された蒸気管３１が接続されている。

そして、放熱部２１にて、外気との熱交換が行われることで、気化した冷媒Ｃの熱が奪われ、これにより該冷媒Ｃが液化する。その後、放熱部２１で液化された冷媒Ｃは、ポンプ２０及び液管マニホールド２２を経由して熱交換器１０１の冷媒流入口１４に還流される。
すなわち、この熱交換システムＳ１では、熱交換器１０１、蒸気管３１、放熱部２１、ポンプ２０、マニホールド２２を冷媒Ｃが順次経ることで、電子機器からの受熱／外部への放熱を連続的に行う熱交換サイクルが形成される。

以上詳細に説明したように、第１実施形態に示される熱交換器１０１では、下部ヘッダ１１の冷媒流入口１４に、冷媒Ｃを供給する管路１５の流路断面より小さい流路断面の流路抵抗調節孔１６を形成したので、矢印（ａ）で示すように、ポンプ２０により放熱部２１から液相状態の冷媒Ｃが供給された場合に、流路抵抗調節孔１６の通過に際して冷媒Ｃに抵抗が生じる。
これにより、上記流路抵抗調節孔１６では、貫通路１６Ａの下流側に圧力低下を生じさせることができ、これにより冷媒Ｃの沸点を下げて、熱交換パイプ１２での抜熱性能を向上させることができる。
また、第１実施形態に示される熱交換器１０１では、流路抵抗調節孔１６での急激な圧力の低下により最も相変化しやすくなった状態の液相の冷媒Ｃを受熱ラジエータＲに供給することで、受熱ラジエータＲの高低差や、熱負荷のムラにより生じる性能劣化を抑制することができる。
また、この流路抵抗調節孔１６は、熱交換器１０１内の下部ヘッダ１１の冷媒流入口１４という、もともと熱交換システムに必要とされている冷媒Ｃの配管系内に設置されているので、装置が大型化せず、全体の省スペース化を図りつつ、冷媒Ｃを分流することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る熱交換システムＳ２について図５を参照して説明する。
熱交換システムＳ２は、図２に示される第１実施形態の熱交換システムＳ１を複数設置し、かつこれら熱交換システムＳ１を並列配置したことに特徴を有する。
なお、熱交換システムＳ２を構成する熱交換システムＳ１のそれぞれは、被冷却物である電子機器に対応して分散配置される。

各熱交換システムＳ１の液管マニホールド２２は、ポンプ２０から液相の冷媒Ｃが供給される主配管４０に接続されている。
また、主配管４０から分岐した液管マニホールド２２の各上端部には、流路の開閉及び流量調整を行うための比例制御バルブ４１が設置されている。
これら各液管マニホールド２２に配置された比例制御バルブ４１は、各熱交換システムＳ１の熱負荷に応じた冷媒流量となるように、熱交換システムＳ１の受熱ラジエータＲに供給される被冷却物からの排気温度／受熱ラジエータＲで冷やされた後の空気温度／各熱交換システムＳ１の液管マニホールド２２の圧力／各熱交換システムＳ１に流れる冷媒流量／電子機器を構成するサーバルームにあるサーバ全体の電力／外気温度(放熱部２１が室外機の場合)等のいずれか１つ、又はそれらを組み合わせた情報に基づいて個別に制御される。

また、第２実施形態に係る熱交換システムＳ２では、熱交換システムＳ１の各蒸気管３１から排出された冷媒Ｃを合流して放熱部２１に至らせる合流管３２が設置されている。

以上詳細に説明したように第２実施形態の熱交換システムＳ２において、各熱交換器１０１の下部ヘッダ１１の冷媒流入口１４に、冷媒Ｃを供給する管路１５の流路断面より小さい流路断面の流路抵抗調節孔１６を形成したので、液相状態の冷媒Ｃの通過に際して抵抗が生じる。
これにより、第１実施形態と同様、各熱交換器１０１の流路抵抗調節孔１６にて、貫通路１６Ａの下流側に圧力低下を生じさせることができ、これにより冷媒Ｃの沸点を下げて、熱交換パイプ１２での抜熱性能を向上させることができる。
また、この流路抵抗調節孔１６は、放熱部との間のスペースを占有しない、熱交換器１０１内の下部ヘッダ１１の冷媒流入口１４に設置されているので、装置が大型化せず、全体の省スペース化を図りつつ、冷媒Ｃを分流することができる。

さらに、第２実施形態の熱交換システムＳ２では、放熱部２１からの冷媒Ｃが供給される主配管４０に、複数ある熱交換システムＳ１のそれぞれに冷媒Ｃを分配する比例制御バルブ４１を設けたので、各熱交換システムＳ１の熱負荷に応じた流量となるように冷媒Ｃの流れを制御することができ、これにより熱交換効率の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る熱交換システムＳ３について図６を参照して説明する。
熱交換システムＳ３は、図２で上下に並べて（あたかも一の鉛直面に沿うように）配置されていた、全体として略平板状をなす熱交換器１０１を互いに交差する方向に向けて複数かつ並列配置したことに特徴を有する。
すなわち、前記熱交換システムＳ３を構成する熱交換器１０１のそれぞれは、被冷却物を周囲から囲むように、互いに隣接する熱交換器１０１のヘッダ１１,１３間にて折れ曲がることで、被冷却物の輪郭に近似する曲面を形成している。
このような配置とすることにより、第３実施形態に示される熱交換システムＳ３では、被冷却物である電子機器を周囲から囲んで、該電子機器からの受熱を効率良く行うことが可能となる。なお、図６では、矢印（ｂ）で示す空気流と交差するように各熱交換器１０１を配置したが、被冷却部物の周囲の自然対流に対応して、被冷却部に上方から被さるように熱交換器１０１を配置しても良い。

以上詳細に説明したように第３実施形態の熱交換システムＳ３においても、各熱交換器１０１の下部ヘッダ１１の冷媒流入口１４に、冷媒Ｃを供給する管路１５の流路断面より小さい流路断面の流路抵抗調節孔１６が形成されているので、液相状態の冷媒Ｃの通過に際して抵抗が生じる。
これにより、第１及び第２実施形態と同様、各熱交換器１０１の流路抵抗調節孔１６にて、貫通路１６Ａの下流側に圧力低下を生じさせることができ、これにより冷媒Ｃの沸点を下げて、熱交換パイプ１２での抜熱性能を向上させることができる。

これに加えて、第３実施形態に示される熱交換システムＳ３では、被冷却物である電子機器を囲むように熱交換器１０１が配置されることから、該電子機器からの受熱を効率良く行うことができ、その作業性を向上させることができる。
なお、本実施形態の熱交換システムＳ３では、電子機器の一部を囲むように熱交換システムＳ１を配置したが、これに限定されず、該電子機器を全周にわたって囲むようにし、これにより該電子機器からの受熱性能をさらに向上させても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、電子機器からの受熱を効率良く行うための熱交換器、熱交換システム、及び熱交換方法に関する。

１下部ヘッダ
２熱交換パイプ
３上部ヘッダ
４冷媒流入口
６流路抵抗調節孔
１１下部ヘッダ
１２熱交換パイプ
１３上部ヘッダ
１４冷媒流入口
１６流路抵抗調節孔
１７オリフィス板
１８冷媒流出口
２０ポンプ
２１放熱部
２２マニホールド
２３支流液管
１００熱交換器
１０１熱交換器
Ｓ１熱交換システム
Ｓ２熱交換システム
Ｓ３熱交換システム

Claims

液相状態の冷媒が流れる下部ヘッダと、この下部ヘッダから分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプと、これら熱交換パイプで受熱した冷媒を集合させる上部ヘッダと、を有し、
前記下部ヘッダの冷媒流入口には、冷媒を供給する管路の流路断面より小さい断面の流路抵抗調節孔が設けられ、
前記下部ヘッダと熱交換パイプと上部ヘッダとを同一平面内に配置した熱交換器を複数台有し、
これら熱交換器は、被冷却物を周囲から囲むように配置されることを特徴とする熱交換システム。
前記流路抵抗調節孔は、前記下部ヘッダの管路内にて軸線と直交するオリフィス板の中央に形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
前記下部ヘッダは前記熱交換パイプの下部位置にて水平に延びるように配置され、
前記熱交換パイプは前記下部ヘッダから上方に延び、かつ前記下部ヘッダの長さ方向に間隔をおいて複数本が配置され、
前記上部ヘッダは前記熱交換パイプの上部位置にて水平に延びるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
前記流路抵抗調節孔を有する冷媒流入口は、前記下部ヘッダの一端側に配置され、
前記冷媒が排出される冷媒流出口は、前記上部ヘッダの他端側に配置されることを特徴とする請求項２に記載の熱交換システム。
前記複数台の熱交換器の冷媒流入口には、液管マニホールドから分岐された支流液管がそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換システム。