JP6773558B2 - 相変化冷却装置および相変化冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器などの冷却に用いられる相変化冷却装置および相変化冷却方法に関し、特に、受熱により相変化した冷媒蒸気を、駆動源を用いることなく輸送し凝縮させる自然循環型の相変化冷却装置および相変化冷却方法に関する。

近年、情報処理技術の向上やインターネット環境の発達にともなって、必要とされる情報処理量が増大している。膨大なデータを処理するため、各地にデータセンタ（Ｄａｔａ
Ｃｅｎｔｅｒ：ＤＣ）が設置され運用されている。ここで、データセンタ（ＤＣ）とは、サーバやデータ通信装置を設置し運用することに特化した施設をいう。このようなデータセンタ（ＤＣ）においては、サーバやデータ通信装置などの電子機器からの発熱密度が非常に高いため、これらの電子機器を効率的に冷却する必要がある。

電子機器等の効率的な冷却方式の一例として、自然循環型の相変化冷却方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。自然循環型の相変化冷却方式においては、電子機器などの発熱源より発生した熱を、冷媒の潜熱を用いて受熱・放熱する。この方式では、冷媒蒸気の浮力及び冷媒液の重力によって、動力を必要とせずに冷媒を循環駆動させることができる。そのため、自然循環型の相変化冷却方式によれば、電子機器などの高効率かつ省エネルギーな冷却が可能である。

このような自然循環型の相変化冷却装置の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された関連する冷却システムは、複数のサーバにそれぞれ設けられた蒸発器、建屋の屋上に設けられた冷却塔、戻し配管（冷媒ガス配管）、および供給配管（冷媒液体配管）を有する。戻し配管および供給配管は、蒸発器に設けられた冷却コイルと冷却塔に設けられた螺旋状配管との間を連結する。そして、戻し配管は蒸発器でガス化した冷媒ガスを冷却塔に戻す。供給配管は、冷媒ガスを冷却塔で冷却して凝縮することにより液化した冷媒液体を蒸発器に供給する。これにより、蒸発器と冷却塔との間に、冷媒が自然循環するための循環ラインが形成される。

ここで、それぞれの蒸発器には、サーバから排出された高温空気が蒸発器で冷却された後の風の温度を測定する温度センサが設けられる。また、それぞれの蒸発器の冷却コイルの出口には、冷却コイルに供給する冷媒の供給流量（冷媒流量）を調整するためのバルブ（流量調整手段）が設けられている。そして、コントローラが温度センサによる測定温度に基づいて、各バルブの開度をそれぞれ自動調整する。これにより、蒸発器で冷却された後の風の温度が設定温度よりも低くなり過ぎた場合には、バルブの開度が絞られて冷媒の供給流量が減少される。

このような構成としたことにより、関連する冷却システムによれば、各蒸発器における冷媒の供給流量が必要以上に多くならないので、冷媒を冷却するための冷却負荷を小さくすることができ、冷却塔での冷却だけでも十分な冷却能力を発揮できる、としている。

特開２００９−１９４０９３号公報（段落［００４７］〜［００５５］、図１）

上述したように、特許文献１に記載された関連する冷却システムは、蒸発器に設けられた冷却コイルに供給する冷媒の供給流量を調整するためのバルブをそれぞれ設け、蒸発器で冷却された後の風の温度に基づいてバルブの開度を自動調整する構成としている。すなわち、複数の蒸発器の出口にそれぞれ電子制御のバルブを配置し温度センサと連動させることにより、サーバラックの負荷に応じて適量な冷媒液をそれぞれの蒸発器に供給する構成としている。これは、各蒸発器における冷媒液の液量が多すぎると冷媒液の圧力によって相変化が阻害され、逆に冷媒液の液量が少ないと相変化が起こらず吸熱できない状況が生じるため、効率よく相変化冷却を行うことが困難になるからである。

しかしながら、関連する冷却システムは複数の蒸発器ごとにバルブを備えた構成としているので、バルブの制御系を含めた装置コストが必要となるだけでなく、安定稼働のためのメンテナンスのコストも必要となるという問題があった。

このように、自然循環型の相変化冷却装置を用いて複数の発熱源を効率よく冷却するためには、装置コストおよび維持管理コストの増大が避けられない、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、自然循環型の相変化冷却装置を用いて複数の発熱源を効率よく冷却するためには、装置コストおよび維持管理コストの増大が避けられない、という課題を解決する相変化冷却装置および相変化冷却方法を提供することにある。

本発明の相変化冷却装置は、受熱する複数の受熱部と、放熱する凝縮部と、複数の受熱部と凝縮部とを接続する第１の冷媒経路及び第２の冷媒経路と、を有する相変化冷却装置であって、第１の冷媒経路は、凝縮部と接続する主冷媒管と、主冷媒管と接続し、循環する冷媒をためる冷媒貯留部と、各々の一端が複数の受熱部のうち対応するものに接続され、 他端が冷媒貯留部に接続された複数の副冷媒管と、を備える。

また、本発明の相変化冷却装置は、複数の発熱源から受熱する冷媒をそれぞれ収容する複数の受熱部と、受熱部で気化した冷媒の冷媒蒸気を凝縮液化して冷媒液を生成する凝縮部と、受熱部と凝縮部を接続し、冷媒蒸気を輸送する冷媒蒸気輸送構造と、受熱部と凝縮部を接続し、冷媒液を輸送する冷媒液輸送構造、とを有し、冷媒液輸送構造は、凝縮部と接続する主液管と、主液管と接続し、冷媒液をためる冷媒液貯留部と、冷媒液貯留部と複数の受熱部とをそれぞれ接続する複数の副液管、とを備える。

本発明の相変化冷却方法は、複数の発熱源から受熱することにより冷媒を気化し、気化した冷媒の冷媒蒸気を凝縮液化して冷媒液を生成し、冷媒液を貯留した後に複数の流束に分流し、分流した冷媒液がそれぞれ複数の発熱源から受熱するように還流させる。

本発明の相変化冷却装置および相変化冷却方法によれば、装置コストおよび維持管理コストの増大を招くことなく、自然循環型の相変化冷却方式により複数の発熱源を効率よく冷却することができる。

本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置の構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒液輸送構造の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒液輸送構造が備える冷媒液貯留部の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒液輸送構造が備える冷媒液貯留部の構成を示す底面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒液輸送構造が備える冷媒液貯留部の別の構成を示す底面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒液輸送構造が備える冷媒液貯留部のさらに別の構成を示す底面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒液輸送構造が備える冷媒液貯留部のさらに別の構成を示す底面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒液輸送構造の別の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る冷媒液輸送構造が備える冷媒液貯留部の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷媒液輸送構造が備える冷媒液貯留部の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷媒液貯留部が備える副液管接続部の構成を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷媒液貯留部が備える副液管接続部の構成を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷媒液貯留部が備える副液管接続部の別の構成を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷媒液貯留部が備える副液管接続部の別の構成を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷媒液輸送構造が備える冷媒液貯留部の別の構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却装置の構成を示す概略図である。 本発明の第６の実施形態に係る相変化冷却装置の構成を示す概略図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置は、受熱する複数の受熱部と、放熱する凝縮部と、複数の受熱部と凝縮部とを接続する第１の冷媒経路及び第２の冷媒経路と、を有する。ここで第１の冷媒経路は、凝縮部と接続する主冷媒管と、主冷媒管と接続し、循環する冷媒をためる冷媒貯留部と、各々の一端が複数の受熱部のうち対応するものに接続され、他端が冷媒貯留部に接続された複数の副冷媒管、とを備える。

本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置について、さらに詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置１０００の構成を示す概略図である。本実施形態による相変化冷却装置１０００は、複数の受熱部（蒸発器）１０１０、凝縮部（凝縮器）１０２０、冷媒液輸送構造（第１の冷媒経路）１１００、および冷媒蒸気輸送構造（第２の冷媒経路）１２００を有する。

複数の受熱部１０１０は、複数の発熱源から受熱する冷媒をそれぞれ収容する。凝縮部１０２０は、受熱部１０１０で気化した冷媒の冷媒蒸気を凝縮液化して冷媒液を生成する。冷媒液輸送構造１１００は、受熱部１０１０と凝縮部１０２０を接続し、冷媒液を輸送する。冷媒蒸気輸送構造１２００は、受熱部１０１０と凝縮部１０２０を接続し、冷媒蒸気を輸送する。

ここで、冷媒液輸送構造１１００は、凝縮部１０２０と接続する主液管（主冷媒管）１１１０、主液管１１１０と接続し、冷媒液をためる冷媒液貯留部（冷媒貯留部）１１２０、および複数の副液管（副冷媒管）１１３０とを備える。複数の副液管（副冷媒管）１１３０は、冷媒液貯留部１１２０と複数の受熱部１０１０とをそれぞれ接続する。

上述したように、本実施形態による相変化冷却装置１０００は、冷媒液輸送構造１１００に冷媒液貯留部１１２０を備え、複数の受熱部１０１０と複数の副液管１１３０によってそれぞれ接続する構成としている。ここで、稼働状態において冷媒液貯留部１１２０に冷媒液がたまり、冷媒液貯留部１１２０の液面を保持するのに必要な量の冷媒を充填する。これにより、それぞれの受熱部１０１０で受熱して気化することにより減少した冷媒液の量に応じて、冷媒液が冷媒液貯留部１１２０から各受熱部１０１０に過不足なく供給される。すなわち、駆動部品やセンサ部品等を用いることなく、各受熱部１０１０の負荷に応じた量の冷媒液をそれぞれの受熱部１０１０へ供給することが可能になる。

このように、本実施形態の相変化冷却装置１０００によれば、装置コストおよび維持管理コストの増大を招くことなく、自然循環型の相変化冷却方式により複数の発熱源を効率よく冷却することができる。

なお、冷媒蒸気輸送構造１２００の構成は特に限定されないが、例えば図１に示したように、主蒸気管１２１０、蒸気合流部１２２０、および複数の副蒸気管１２３０を備えた構成とすることができる。ここで主蒸気管１２１０は凝縮部１０２０と接続している。蒸気合流部１２２０は主蒸気管１２１０と接続し、蒸気合流部１２２０において冷媒蒸気が合流する。そして、複数の副蒸気管１２３０が蒸気合流部１２２０と複数の受熱部１０１０とをそれぞれ接続する。

冷媒液貯留部１１２０は、図１に示すように、凝縮部１０２０よりも鉛直下方に位置し、複数の受熱部１０１０よりも鉛直上方に位置した構成とすることができる。これにより、冷媒液貯留部１１２０からの冷媒液の分配を重力の作用だけで行うことができる。

受熱部１０１０は、発熱源と熱的に接続し冷媒を貯蔵する複数の蒸発部を備え、複数の蒸発部が鉛直方向に配置した構成とすることができる。具体的には例えば、発熱源としてのサーバがサーバラック内に複数個積層して配置され、サーバラックのリアドア等に蒸発部を備えた受熱モジュールを、受熱部１０１０とすることができる。ここで、冷媒液貯留部１１２０はサーバラックの上方であって、受熱部１０１０が配置されるリアドアの外部に位置した構成とすることができる。また、蒸気合流部１２２０もサーバラックの上方であって、受熱部１０１０が配置されるリアドアの外部に位置した構成とすることができる。

次に、本実施形態による相変化冷却装置１０００の動作について説明する。

相変化冷却装置１０００は、例えば複数台配置されたサーバラックで発生した熱を、それぞれのサーバラックに備えられた受熱部１０１０で吸熱し、凝縮部１０２０で放熱を行う。これにより、サーバラックに搭載されたサーバ等の冷却を行う。

各サーバラックに備えられサーバラックから吸熱する受熱部１０１０にはそれぞれ、副液管１１３０と副蒸気管１２３０が接続されている。副液管１１３０と副蒸気管１２３０はそれぞれ、冷媒液貯留部１１２０および蒸気合流部１２２０において主液管１１１０と主蒸気管１２１０に接続している。そして、主液管１１１０と主蒸気管１２１０は一個の凝縮部１０２０と接続している。

受熱部１０１０には冷媒液が充填されている。冷媒液はサーバラックからの排熱を受けてその熱を吸熱し、気化することにより冷媒蒸気となって浮力により上昇する。冷媒蒸気は、副液管１１３０よりも圧力損失が小さい副蒸気管１２３０を通って凝縮部１０２０に向けて流動する。このとき、各受熱部１０１０からの冷媒蒸気は蒸気合流部１２２０において合流し、その後に主蒸気管１２１０を通って凝縮部１０２０に達する。

凝縮部１０２０において、冷媒蒸気は水または空気と熱交換することにより放熱する。凝縮部１０２０で凝縮液化した冷媒は冷媒液となり、主液管１１１０を通って冷媒液貯留部１１２０に向けて流動する。冷媒液貯留部１１２０から、それぞれの受熱部１０１０に冷媒液が分配され、副液管１１３０を通して各受熱部１０１０に必要な冷媒液が供給される。このような冷却サイクルが連続的に行われることにより、サーバラックからの連続的な吸熱が可能となる。

なお、冷媒液輸送構造１１００を構成する主液管１１１０、冷媒液貯留部１１２０、および副液管１１３０においても、冷媒液とともに冷媒蒸気が存在する場合がある。また、冷媒蒸気輸送構造１２００を構成する主蒸気管１２１０、蒸気合流部１２２０、および副蒸気管１２３０においても、冷媒蒸気とともに冷媒液が存在する場合がある。

次に、本実施形態による相変化冷却方法について説明する。

本実施形態による相変化冷却方法ではまず、複数の発熱源から受熱することにより冷媒を気化し、気化した冷媒の冷媒蒸気を凝縮液化して冷媒液を生成する。この冷媒液を貯留した後に複数の流束に分流し、分流した冷媒液がそれぞれ複数の発熱源から受熱するように還流させる。これにより、装置コストおよび維持管理コストの増大を招くことなく、自然循環型の相変化冷却方式により複数の発熱源を効率よく冷却することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態においては、相変化冷却装置１０００が備える冷媒液輸送構造１１００についてさらに詳細に説明する。

図２に、本実施形態による冷媒液輸送構造１１００の構成を示す。本実施形態の冷媒液輸送構造１１００は、凝縮部と接続する主液管１１１０、主液管１１１０と接続し、冷媒液をためる冷媒液貯留部２１００、および冷媒液貯留部２１００と複数の受熱部１０１０とをそれぞれ接続する複数の副液管１１３０とを備える。

図３に、本実施形態による冷媒液貯留部２１００の構成を示す。冷媒液貯留部２１００は、容器部２００１を有するタンク形状とした。そして、容器部２００１は、上面および側面のいずれか一方に主液管１１１０と接続する主液管接続部２１１０を備え、鉛直下方の底面に副液管１１３０と接続する複数の副液管接続部２１２０を備える。

相変化冷却装置１０００全体に充填される冷媒の量は、稼働状態において主液管接続部２１１０から容器部２００１に流入する冷媒液２００２が、図３に示すように一定の液面を保つように設定される。このとき、各受熱部１０１０で受熱して気化した冷媒液に相当する量だけの冷媒液が、副液管接続部２１２０から各受熱部１０１０に過不足なく供給される。そして、容器部２００１から各受熱部１０１０へ流出した冷媒液は、各受熱部１０１０で再び受熱して気化した後に、凝縮部１０２０において凝縮液化して冷媒液貯留部２１００に還流する。そのため、相変化冷却装置１０００内の平均的な冷媒液量は一定に保持される。

図４Ａから図４Ｄに、複数の副液管接続部２１２０の配置例を示す。図４Ａから図４Ｄは冷媒液貯留部２１００の底面図である。図４Ａは副液管接続部２１２０を４個、図４Ｂは６個、図４Ｃと図４Ｄは副液管接続部２１２０を８個ずつ備えた場合をそれぞれ示す。冷媒液貯留部２１００は、副液管接続部２１２０の個数に対応する個数の受熱部と、副液管を介してそれぞれ接続される。なお、受熱部はサーバラック等に収容されるので、ラックの配置を考慮すると偶数個の場合が多い。そのため、偶数個の副液管接続部２１２０を備えた場合について例示した。

ここで、副液管接続部２１２０は継手を備えた構成とすることができ、この継手と副液管を構成する配管とが接続される。このとき、複数の配管の配置および収容等を考慮し、副液管接続部２１２０は図４Ａから図４Ｄに示したように多角形状に等間隔で配置することが望ましい。

図２においては、冷媒液輸送構造１１００が１個の冷媒液貯留部２１００を備えた構成を示した。しかし、これに限らず、図５に示した冷媒液輸送構造１１０１のように、複数の冷媒液貯留部２１０１、２１０２を備え、複数の冷媒液貯留部２１０１、２１０２に、異なる複数の受熱部１０１１、１０１２がそれぞれ接続した構成としてもよい。このとき、凝縮部１０２０から冷媒液貯留部２１０１、冷媒液貯留部２１０２に向けて、鉛直下方に向かう勾配を設けて冷媒液貯留部２１０１、２１０２を配置する。これにより、冷媒液を重力の作用だけで還流させることが可能である。

上述したように、本実施形態による冷媒液輸送構造１１００、１１０１を備えた相変化冷却装置によれば、装置コストおよび維持管理コストの増大を招くことなく、自然循環型の相変化冷却方式により複数の発熱源を効率よく冷却することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態においては、相変化冷却装置１０００が備える冷媒液輸送構造１１００を構成する冷媒液貯留部についてさらに詳細に説明する。

図６は、本実施形態による冷媒液貯留部２２００の構成を示す断面図である。本実施形態の冷媒液貯留部２２００は容器部２００１を有し、容器部２００１は上面および側面のいずれか一方に主液管と接続する主液管接続部２１１０を備え、鉛直下方の底面に副液管と接続する複数の副液管接続部２２２０を備える。

ここで、複数の副液管接続部２２２０は、底面の鉛直方向の高さが最小である位置近傍に配置している。典型的には例えば、複数の副液管接続部２２２０が、底面の中心近傍に配置している構成とすることができる。

容器部２００１は、冷媒液貯留部２２００の設置状況によって、底面が水平から傾いている場合や、底面の形状にゆがみなどが生じている場合があり得る。しかし、このような場合であっても、上述した副液管接続部２２２０の構成とすることにより、冷媒液２００２が特定の副液管接続部２２２０に偏って分配されることを防ぐことができる。

図６では、容器部２００１が箱状である場合を例として示した。しかしこれに限らず、容器部２００１の形状を、底面の一部に鉛直下方に突出した凸部を有する形状とし、鉛直方向の高さが最小となる凸部の頂点近傍に複数の副液管接続部２２２０を配置した構成としてもよい。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態においては、相変化冷却装置１０００が備える冷媒液輸送構造１１００を構成する冷媒液貯留部についてさらに詳細に説明する。

図７は、本実施形態による冷媒液貯留部２３００の構成を示す断面図である。本実施形態の冷媒液貯留部２３００は容器部２００１を有し、容器部２００１は上面および側面のいずれか一方に主液管と接続する主液管接続部２１１０を備え、鉛直下方の底面に副液管と接続する複数の副液管接続部２３２０を備える。

ここで、本実施形態の複数の副液管接続部２３２０は継手を備えている。そして容器部２００１が、この継手の内径が互いに異なる二個の副液管接続部２３２０を少なくとも含む構成とした。すなわち、本実施形態の冷媒液貯留部２３００は、内径が異なる複数の継手を備えた構成である。

このような構成とすることにより、各受熱部における発熱量に応じて、各受熱部に供給する冷媒液の流量を制御することが可能になる。すなわち、発熱量が大きく、冷媒液の消費量が多い受熱部とは、継手の内径が大きい副液管接続部２３２０と接続することにより、より大きな冷媒液の流量を確保することができる。一方、発熱量が小さい受熱部とは、継手の内径が小さい副液管接続部２３２０と接続することにより、必要以上の流量の冷媒液が供給されるのを防ぐことが可能になる。

ここで、複数の副液管接続部２３２０の冷媒液が流動する断面積の和が、主液管接続部２１１０の冷媒液が流動する断面積に等しい構成とすることができる。すなわち、各副液管接続部２３２０の冷媒液が流動する断面積Ｓｉは下記の式により定めることができる。Ｓｉ＝ＳＡ×Ｑｉ／ΣＱｉ （ｉ＝１〜Ｎ）
上式において、ＳＡは主液管接続部２１１０の冷媒液が流動する断面積、Ｑｉは各副液管接続部２３２０が接続される各受熱部１０１０における発熱量、Ｎは受熱部１０１０の個数、そしてΣＱｉはＮ個の受熱部１０１０における発熱量の和である。

これは、冷媒液貯留部２３００から流出する冷媒液の流量は、各副液管接続部２３２０の断面積、例えば継手の断面積に比例し、各受熱部１０１０で必要となる冷媒液の流量は各受熱部１０１０における発熱量によって決まるからである。すなわち、各受熱部１０１０における発熱量に応じて単位時間当たりに必要な冷媒液の供給流量が決まり、その流量を供給するために満たさなくてはならない流路抵抗の上限が定まる。この上限の流路抵抗を下回る流路抵抗となる継手の径を選択することにより、各受熱部１０１０における効率的な冷却を実現することができる。

上述したように、受熱部１０１０における発熱量に応じて、その受熱部と接続する副液管接続部２３２０を構成する継手の径を変えることにより、大発熱量の受熱部１０１０にも安定して冷媒液を供給することが可能になる。なお、各受熱部１０１０における発熱量は一般に、発熱源であるサーバ等の電子機器の稼働状況によって変化する。しかし、各電子機器の平均発熱量は定まっている場合が多く、このような場合には、平均発熱量を用いて副液管接続部２３２０を構成する継手の径を決定することができる。

次に、副液管接続部２３２０の具体的な構成例について説明する。

図８Ａ、８Ｂに、副液管接続部２３２１が備える継手をフランジ接続する構成とした例を模式的に示す。ここで、継手の径の変更は、図８Ｂに示すように、フランジ部分は共通とし、継手の種類を変更することにより行うことができる。

図９Ａ、９Ｂに、副液管接続部２３２２が備える継手をねじ込み接続する構成とした例を模式的に示す。ここで、継手の径の変更は、図９Ｂに示すように、ネジ部分は共通とし、継手の種類を変更することにより行うことができる。

また、上述した継手の内径が互いに異なる副液管接続部の構成は、図１０に示すように、筒状の装着部２４３０を用いることによっても実現することができる。すなわち、冷媒液貯留部２４００が備える副液管接続部２４２０は、継手と、継手の内部に装着される筒状の装着部２４３０を備えた構成とすることができる。そして、容器部２００１は、継手の内径は等しく、装着部２４３０の内径が互いに異なる二個の副液管接続部２４２０を少なくとも含む構成とすることができる。

この場合、内径が等しい複数の継手をあらかじめ形成しておき、受熱部の発熱量に応じて、装着部２４３０によって内径を調整することができる。そのため、製造コストを低減することができる。装着部２４３０は具体的には例えば、キャップ状のアダプタとすることができる。なお、図１０では、装着部２４３０は容器部２００１の内側から装着された構成を示したが、容器部２００１の外側から装着する構成としてもよい。

上述した構成とすることにより、本実施形態による冷媒液貯留部を備えた相変化冷却装置によれば、装置コストおよび維持管理コストの増大を招くことなく、自然循環型の相変化冷却方式により複数の発熱源を効率よく冷却することができる。

〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１１は、本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却装置３０００の構成を示す概略図である。本実施形態による相変化冷却装置３０００は、複数の受熱部１０１０、凝縮部１０２０、冷媒液輸送構造１１００、および冷媒蒸気輸送構造１２００を有する。

複数の受熱部１０１０は、複数の発熱源から受熱する冷媒をそれぞれ収容する。凝縮部１０２０は、受熱部１０１０で気化した冷媒の冷媒蒸気を凝縮液化して冷媒液を生成する。冷媒液輸送構造１１００は、受熱部１０１０と凝縮部１０２０を接続し、冷媒液を輸送する。冷媒蒸気輸送構造１２００は、受熱部１０１０と凝縮部１０２０を接続し、冷媒蒸気を輸送する。

ここで、冷媒液輸送構造１１００は、凝縮部１０２０と接続する主液管１１１０、主液管１１１０と接続し、冷媒液をためる冷媒液貯留部１１２０、および冷媒液貯留部１１２０と複数の受熱部１０１０とをそれぞれ接続する複数の副液管１１３０とを備える。

ここまでの構成は、第１の実施形態による相変化冷却装置１０００の構成と同様である。本実施形態による相変化冷却装置３０００は、冷媒液貯留部１１２０と冷媒蒸気輸送構造１２００を接続する分岐配管３１００をさらに有する。

自然循環型の相変化冷却方式による相変化冷却装置においては、受熱部１０１０で受熱することにより発生する冷媒の気泡が周囲の液相の冷媒を巻き込んで上昇するので、冷媒蒸気輸送構造１２００にも液相状態の冷媒液が存在し得る。このような冷媒蒸気輸送構造１２００内の冷媒液は、冷媒蒸気に対する流体抵抗を増大させる要因となる。

しかし、本実施形態の相変化冷却装置３０００においては、分岐配管３１００により、冷媒蒸気輸送構造１２００内の冷媒液を液相側である冷媒液輸送構造１１００に戻すことができる。そのため、冷媒蒸気輸送構造１２００内に冷媒液が存在することによる冷媒蒸気に対する流体抵抗を減少させ、これにより熱輸送効率を向上させることが可能となる。

このように、本実施形態の相変化冷却装置３０００によれば、装置コストおよび維持管理コストの増大を招くことなく、自然循環型の相変化冷却方式により複数の発熱源をさらに効率よく冷却することができる。

なお、冷媒蒸気輸送構造１２００の構成は特に限定されないが、例えば図１１に示したように、主蒸気管１２１０、蒸気合流部１２２０、および複数の副蒸気管１２３０を備えた構成とすることができる。ここで主蒸気管１２１０は凝縮部１０２０と接続している。蒸気合流部１２２０は主蒸気管１２１０と接続し、蒸気合流部１２２０において冷媒蒸気が合流する。そして、複数の副蒸気管１２３０が蒸気合流部１２２０と複数の受熱部１０１０とをそれぞれ接続する。この場合、分岐配管３１００は例えば図１１に示すように、主蒸気管１２１０と冷媒液貯留部１１２０を接続する構成とすることができる。

〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図１２は、本発明の第６の実施形態に係る相変化冷却装置４０００の構成を示す概略図である。本実施形態による相変化冷却装置４０００は、複数の受熱部１０１０、凝縮部１０２０、冷媒液輸送構造１１００、および冷媒蒸気輸送構造１２００を有する。

複数の受熱部１０１０は、複数の発熱源から受熱する冷媒をそれぞれ収容する。凝縮部１０２０は、受熱部１０１０で気化した冷媒の冷媒蒸気を凝縮液化して冷媒液を生成する。冷媒液輸送構造１１００は、受熱部１０１０と凝縮部１０２０を接続し、冷媒液を輸送する。冷媒蒸気輸送構造１２００は、受熱部１０１０と凝縮部１０２０を接続し、冷媒蒸気を輸送する。

ここで、冷媒液輸送構造１１００は、凝縮部１０２０と接続する主液管１１１０、主液管１１１０と接続し、冷媒液をためる冷媒液貯留部１１２０、および冷媒液貯留部１１２０と複数の受熱部１０１０とをそれぞれ接続する複数の副液管１１３０とを備える。

ここまでの構成は、第１の実施形態による相変化冷却装置１０００の構成と同様である。本実施形態による相変化冷却装置４０００は、主液管１１１０による冷媒液の流路内に、駆動ポンプ４１００と補助タンク４２００をさらに有する。すなわち、主液管１１１０に補助タンク４２００と駆動ポンプ４１００が接続され、駆動ポンプ４１００の出力側に冷媒液貯留部１１２０が接続された構成である。このような構成とすることにより、各受熱部１０１０に冷媒液をさらに効率よく分配することができる。

この場合、駆動ポンプ４１００を用いることにより、その分の消費電力が増加する。しかし、駆動ポンプ４１００による冷媒搬送力の増大によって相変化冷却装置４０００の冷却性能が向上するので、相変化冷却装置４０００を用いるシステム全体としての省エネルギー化を図ることができる。

なお、駆動ポンプ４１００を用いて冷媒液を搬送する場合には、冷媒液が蒸発する前に冷媒液が受熱部１０１０から押し出される。そのため、押し出された冷媒液が冷媒蒸気輸送構造１２００の中に存在することになる。しかし、第５の実施形態による相変化冷却装置３０００と同様に、冷媒蒸気輸送構造１２００と冷媒液貯留部１１２０を接続する分岐配管３１００を備えた構成とすることにより、冷媒蒸気輸送構造１２００内の冷媒液を冷媒液貯留部１１２０に戻すことができる。これにより、冷媒蒸気輸送構造１２００内に冷媒液が押し出されることによる、冷媒蒸気に対する流体抵抗の増加を防止することができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１４年８月２７日に出願された日本出願特願２０１４−１７２１１５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０００、３０００、４０００ 相変化冷却装置
１０１０、１０１１、１０１２ 受熱部
１０２０ 凝縮部
１１００、１１０１ 冷媒液輸送構造
１１１０ 主液管
１１２０、２１００、２１０１、２１０２、２２００、２３００、２４００ 冷媒液貯留部
１１３０ 副液管
１２００ 冷媒蒸気輸送構造
１２１０ 主蒸気管
１２２０ 蒸気合流部
１２３０ 副蒸気管
２００１ 容器部
２００２ 冷媒液
２１１０ 主液管接続部
２１２０、２２２０、２３２０、２３２１、２３２２、２４２０ 副液管接続部
２４３０ 装着部
３１００ 分岐配管
４１００ 駆動ポンプ
４２００ 補助タンク

Claims (7)

1. 複数の発熱源から受熱する冷媒をそれぞれ収容する複数の受熱部と、
   前記受熱部で気化した前記冷媒の冷媒蒸気を凝縮液化して冷媒液を生成する凝縮部と、
   前記受熱部と前記凝縮部を接続し、前記冷媒蒸気を輸送する冷媒蒸気輸送構造と、
   前記受熱部と前記凝縮部を接続し、前記冷媒液を輸送する冷媒液輸送構造、とを有し、
   前記冷媒液輸送構造は、
   前記凝縮部と接続する主液管と、
   前記主液管と接続し、前記冷媒液をためる冷媒液貯留部と、
   前記冷媒液貯留部と前記複数の受熱部とをそれぞれ接続する複数の副液管、とを備え、
   前記冷媒液貯留部と前記冷媒蒸気輸送構造を接続する分岐配管を有し、
   前記冷媒液貯留部は、前記凝縮部よりも下方に位置し、前記複数の受熱部よりも上方に位置している
   相変化冷却装置。
2. 請求項１に記載した相変化冷却装置において、
   前記冷媒液貯留部は、容器部を有し、
   前記容器部は、上面および側面のいずれか一方に前記主液管と接続する主液管接続部を備え、下方の底面に前記副液管と接続する複数の副液管接続部を備える
   相変化冷却装置。
3. 請求項２に記載した相変化冷却装置において、
   前記複数の副液管接続部は、前記底面の高さが最小である位置近傍に配置している
   相変化冷却装置。
4. 請求項２に記載した相変化冷却装置において、
   前記複数の副液管接続部は、前記底面の中心近傍に配置している
   相変化冷却装置。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
   前記副液管接続部は継手を備え、
   前記容器部は、前記継手の内径が互いに異なる二個の前記副液管接続部を少なくとも含む
   相変化冷却装置。
6. 請求項２から４のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
   前記副液管接続部は、継手と、前記継手の内部に装着される筒状の装着部を備え、
   前記容器部は、前記継手の内径は等しく、前記装着部の内径は互いに異なる二個の前記副液管接続部を少なくとも含む
   相変化冷却装置。
7. 請求項２から６のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
   前記複数の副液管接続部の前記冷媒液が流動する断面積の和が、前記主液管接続部の前記冷媒液が流動する断面積に等しい
   相変化冷却装置。

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