JP6808384B2

JP6808384B2 - ヒートパイプ式の熱交換装置

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Publication number: JP6808384B2
Application number: JP2016137113A
Authority: JP
Inventors: 山蔭　久明; 久明山蔭; 真一犀川; 剛志竹市
Original assignee: CHUBUTEIKOKI CO.,LTD
Current assignee: CHUBUTEIKOKI CO.,LTD
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2036-07-11
Also published as: WO2018012428A1; JP2018009715A

Description

本発明は、ヒートパイプ式の熱交換装置に関する。

ヒートパイプ式の熱交換装置に関して、特許文献１の冷却装置が公知である。特許文献１の冷却装置は、通信機器を収容する筐体の天井壁に冷却装置を配置している。冷却装置は、中空箱状のケースを備えており、ケースの内部を傾斜する仕切板で、筺体内部の空気を循環させる内気側空間と、外気を循環させる外気側空間に区分している。仕切板には、同板を貫通する状態でヒートパイプが固定してあり、同パイプの吸熱部が内気側空間に臨んでおり、同パイプの放熱部が外気側空間に臨んでいる。内気側空間の底面には内気吸入口と、熱交換後の冷気を筐体内へ送出する内気戻し口が開口してあり、吸熱部の上面側に第１のファンが配置されている。また、外気側空間の側面に設けた外気吸入口に第２のファンが配置され、放熱部を通過した熱交換後の熱気をケースの上面に開口した外気排気口からケース外へ放出している。

サーバーシステムにおいて、ヒートパイプ式の熱交換装置で熱交換を行うことは特許文献２に開示されている。特許文献２の空気調和装置は、各サーバーラックの天井壁に設置される熱交換装置と、外気を熱交換装置へ送給する外気ダクトと、熱排気を建屋の外へ送給する排気ダクトと、屋外に設けた送水設備を備えている。熱交換装置は、ヒートパイプを伝熱要素とする外気冷却式の第１熱交換体と、水冷式の第２熱交換体と、これらを収容する空調ケースと、送風ファンおよび循環ファンなどで構成されている。ヒートパイプは「く」字状に折曲げて形成されており、折曲部分に隔壁を配置して、空調ケースの内部を上側の放熱室と下側の吸熱室に区分している。通常は、外気を送風ファンで熱交換装置へ送給して、第１熱交換体のみで熱交換を行ってサーバーラック内の空気調和を行う。また、外気温が高いときは、冷却水を送水設備で第２熱交換体に送給して、第１熱交換体と第２熱交換体の両者でサーバーラック内の空気調和を行う。

特開２０１０−２０６０９８号公報（段落番号００２５〜００２７、図１）特開２０１６−０２４５３９号公報（段落番号００２６〜００３０、図１）

特許文献１の冷却装置は、冷却ケース内にヒートパイプを斜めに配置するので、冷却装置の高さ寸法が大きくなることを解消できる。また、筐体内に収容した通信機器が発生した熱を、ヒートパイプを介して筺体の外へ放出できる。しかし、冷却装置の外の空気のみでヒートパイプの放熱部の冷却を行うので、外気の温度が高くなった場合の冷却能力に限界があり、冷却対象が比較的小型の電気機器を収容する筐体に限られる。

その点、特許文献２の熱交換装置は、外気で冷却される第１熱交換体とは別に、送水設備から送給された冷却水で冷却される第２熱交換体を併用するので、熱交換装置に対する熱負荷が大きい場合でも、問題なくサーバーラック内の空気調和を行える。しかし、特許文献２の熱交換装置では、外気によって冷却される放熱室の内部、つまりヒートパイプの放熱部の側に水冷式の第２熱交換体を配置している。そのため、放熱室に送給された外気を第２熱交換体で冷却したのち、冷却された外気でヒートパイプの放熱部を間接的に冷却するので、熱交換装置とサーバーラックの間を循環する空気を効果的に冷却できない。通常のヒートパイプ式の熱交換装置の例では、熱交換効率（温度効率）は５０％程度であるので、例えば、放熱室に送給された外気の温度を第２熱交換体で５〜１０℃下げたとしても、サーバーラックに送給される空気の温度低下は、先の低下温度の半分程度にしか下がらず、冷却水の冷熱を有効に利用できない。また、特許文献２の空気調和装置では、個々のサーバーラックの天井壁に熱交換装置、外気ダクト、および排気ダクトを設置する必要があるので、各機器の据付けに多くの手間と時間が掛かり、サーバーシステム用の空気調和装置の全体コストが嵩む。

本発明の目的は、全体装置の構造を簡素化しながら、ヒートパイプの熱輸送量を向上して熱交換効率を向上し、さらに、外気温の状況に応じて冷却対象を確実に冷却できるヒートパイプ式の熱交換装置を提供することにある。

本発明に係る熱交換装置は、ヒートパイプ１３を伝熱要素とする外気冷却式の第１熱交換体１４と、水冷式の第２熱交換体１５と、これら両者を収容する中空箱状のケース本体１６と、低温の冷却水を第２熱交換体１５へ供給する送水設備１７を備える。図１に示すように、ケース本体１６の内部は傾斜する仕切板２０で内気送給室２１と外気送給室２２に区分する。内気送給室２１に臨むケース本体１６に内気入口２３と内気出口２４が設けられ、外気送給室２２に臨むケース本体１６に、外気入口２５と外気出口２６を開口する。内気送給室２１に熱気を送給する第１送風ファン２７と、外気送給室２２に外気を送給する第２送風ファン２８のそれぞれをケース本体１６に設ける。第１熱交換体１４は傾斜配置されて、ヒートパイプ１３の吸熱部１３ａが内気送給室２１に位置し、ヒートパイプ１３の放熱部１３ｂが外気送給室２２に位置する状態で仕切板２０と交差している。第２熱交換体１５は、第１熱交換体１４と内気出口２４の間に配置する。第１熱交換体１４の傾斜角度は水平面に対して３０度以上で６０度以下の角度に設定する。

第２熱交換体１５は、繰返し反転状に折曲げられた通水パイプ３４と、通水パイプ３４の外面に固定される一群の放熱フィン３５とで四角ブロック状に構成する。図７に示すように、第２熱交換体１５は内気送給室２１の出口領域の底部に配置されて、その通気出口面が内気送給室２１の底部に開口した内気出口２４に臨ませてある。

反転状に折曲げられた通水パイプ３４の屈曲部が、四角ブロック状の第２熱交換体１５の一方の対向辺部の外に露出され、対向辺部のいずれか一方に冷却水入口４８および冷却水出口４９が導出してある。図９に示すように、冷却水入口４８および冷却水出口４９が、仕切板２０と内気送給室２１の底部で挟まれる隅部に臨む状態で第２熱交換体１５を配置する。

内気送給室２１の出口領域の底部に隣接して第２熱交換体１５を収容する熱交換室３２を設け、熱交換室３２の底部に内気出口２４を開口する。図１１に示すように、第２熱交換体１５を熱交換室３２の内部に傾斜配置して、第２熱交換体３２の傾斜下端に臨んでドレン水を排出するドレン受３３を配置する。

図４に示すように、熱交換室３２の内部に２個の第２熱交換体１５・１５をＶ字状に傾斜配置する。

図１２に示すように、Ｖ字状に傾斜配置した２個の第２熱交換体１５・１５の傾斜上端側を、ケース本体１６に固定したヒンジ５０で傾動可能に支持する。２個の第２熱交換体１５・１５は、傾動下端がＶ字状に隣接する使用姿勢と、各第２熱交換体１５・１５が熱交換室３２の周囲壁に沿う不使用姿勢の間で傾動できる。外気温が低い状態において、第２熱交換体１５・１５を不使用姿勢にして、第１熱交換体１４のみで内気送給室２１に送給される熱気を冷却する。

図６に示すように、第２熱交換体１５は、内気送給室２１の出口領域のうち、第１熱交換体１４の通気出口面に隣接して配置する。

図２に示すように熱交換装置は、外気温度を検知する外気温度センサー６１と、第１送風ファン２７、第２送風ファン２８および送水設備１７の作動状態を制御する制御装置６４を備えている。外気温度が設定温度に達したことを外気温度センサー６１が検知した状態において、外気温度センサー６１からの出力信号に基づき、制御装置６４が送水設備１７を作動させて冷却水を第２熱交換体１５に送給し、第１熱交換体１４と第２熱交換体１５の両者で内気送給室２１に送給される熱気を冷却する。

本発明においては、外気冷却式の第１熱交換体１４と、水冷式の第２熱交換体１５と、これらを収容するケース本体１６と、低温の冷却水を第２熱交換体１５へ供給する送水設備１７などで熱交換装置Ｃを構成した。また、ケース本体１６の内部を傾斜する仕切板２０で内気送給室２１と外気送給室２２に区分して、ヒートパイプ１３の吸熱部１３ａが内気送給室２１に位置し、ヒートパイプ１３の放熱部１３ｂが外気送給室２２に位置する状態で、第１熱交換体１４を傾斜配置した。さらに、第２熱交換体１５は、第１熱交換体１４と内気出口２４の間に配置した。

上記のように本発明においては、第１熱交換体１４と内気出口２４の間に第２熱交換体１５を配置して、第１熱交換体１４を通過した熱気を第２熱交換体１５で直接冷却するようにした。こうした熱交換装置Ｃによれば、水冷式の第２熱交換体をヒートパイプの放熱部の側に配置した従来装置に比べて、熱気の冷却を効果的に行って、内気出口２４から送出される冷気の温度を充分に下げることができる。また、第１熱交換体１４の傾斜角度を水平面に対して３０度以上で６０度以下の角度に設定して、放熱部１３ｂで凝縮した作動液を吸熱部１３ａへ速やかに流下できるようにするので、第１熱交換体１４の熱輸送量を向上し、熱交換装置Ｃの冷却能力を増強できる。

因みに、第１熱交換体１４の傾斜角度が３０度未満であると、放熱部１３ｂで凝縮した作動液を吸熱部１３ａへ速やかに流下させることができず、第１熱交換体１４の熱輸送量を十分に向上できない。一方で、第１熱交換体１４の傾斜角度が６０度を越えると、凝縮した作動液を吸熱部１３ａへ速やかに流下できるものの、熱交換装置Ｃの上下寸法が大きくなり全体装置が大型化するのを避けられない。さらに、外気入口２５から取込んだ外気で第１熱交換体１４を冷却し、熱交換後の熱気を外気出口２６から大気中に放出するので、ダクトなどの付随構造を省略でき、熱交換装置Ｃの構造を簡素化できる。以上のように、本発明の熱交換装置Ｃによれば、全体装置の構造を簡素化しながら、ヒートパイプ１３の熱輸送量を向上して熱交換効率を向上し、さらに、外気温の状況に応じて冷却対象を確実に冷却できるヒートパイプ式の熱交換装置を提供できる。

四角ブロック状に構成した第２熱交換体１５を、内気送給室２１の出口領域の底部に配置すると、図６に示すように、第２熱交換体１５が第１熱交換体１４の通気出口面に隣接して配置してある場合に比べて、放熱フィン３５の左右寸法を大きくして、通水パイプ３４の配列数を増加して冷却能力を増強できる。さらに、内気が第２熱交換体１５を通過するときの圧力損失を小さくできるので、第２熱交換体１５を使用しない季節（秋から春）における空気調和のための電力消費量を削減して省エネルギーに寄与できる。

冷却水入口４８および冷却水出口４９が、仕切板２０と内気送給室２１の底部で挟まれる隅部に臨む状態で第２熱交換体１５を配置すると、図７に示すように送水管路４０および回収管路４１が、内気送給室２１の出口領域の底部左右に配置してある場合に比べて、内気と接触する放熱フィン３５の全体面積を大きくして、熱交換効率を向上できる。先の隅部を利用して冷却水入口４８および冷却水出口４９を配置できるからである。

内気送給室２１に隣接して熱交換室３２を設け、その内部に第２熱交換体１５を傾斜配置し、第２熱交換体３２の傾斜下端にドレン受３３を配置すると、図７、図９に示すように、第２熱交換体１５が出口領域の底部に配置してある場合に比べて、第２熱交換体１５の通気面積を拡大して熱交換効率を向上できる。また、放熱フィン３５の表面に凝縮した水分が、熱交換体１５の傾斜に沿って流下し、ドレン受３３へと速やかに排出されるので、放熱フィン３５の表面に付着する凝縮水膜を常に薄く保つことができる。従って、第２熱交換体１５の熱交換効率を向上しながら、第２熱交換体１５を通過する熱交換風の圧力損失を低減できる。

図４に示すように、熱交換室３２の内部に２個の第２熱交換体１５・１５をＶ字状に傾斜配置すると、第２熱交換体１５の合計の通風面積を大きくでき、しかも内気送給室２１を通過する熱交換風の圧力損失を低減して熱交換装置Ｃの冷却能力を増強できる。また、放熱フィン３５の表面に凝縮した水分が、各熱交換体１５・１５の傾斜に沿って流下できるので、放熱フィン３５の表面に付着する凝縮水膜を常に薄く保つことができる。従って、第２熱交換体１５の熱交換効率を向上しながら、第２熱交換体１５を通過する熱交換風の圧力損失を低減できる。

図１２に示すように、Ｖ字状に傾斜配置した２個の第２熱交換体１５・１５の傾斜上端側を、ケース本体１６に固定したヒンジ５０で傾動可能に支持した熱交換装置Ｃによれば、上記の熱交換装置Ｃと同様に、第２熱交換体１５の合計の通風面積を大きくでき、しかも内気送給室２１を通過する熱交換風の圧力損失を低減して熱交換装置Ｃの冷却能力を増強できる。また、外気温の状況に応じて第２熱交換体１５・１５を使用姿勢と不使用姿勢に切換えて、熱交換装置Ｃの冷却能力を調整できるので、第２熱交換体１５を使用しない季節（秋から春）に、同交換体１５を不使用姿勢にしておくことにより、熱交換室３２を通過する内気の通気抵抗をさらに小さくできる。従って、第１送風ファン２７の圧力損失を小さくして、秋から春における空気調和のための電力消費量を削減して省エネルギーに寄与できる。

図６に示すように、第２熱交換体１５を第１熱交換体１４の通気出口面に隣接して配置した熱交換装置Ｃによれば、第１熱交換体１４および第２熱交換体１５を水平面に対して傾斜した状態で、ケース本体１６の対角線に沿って配置できるので、熱交換装置Ｃの高さ寸法が大きくなるのを回避できる。また、放熱部１３ｂで凝縮した作動液を、ヒートパイプ１３の下部の吸熱部１３ａへ速やかに流下させて第１熱交換体１４の熱輸送量を向上し、熱交換装置Ｃの冷却能力を増強できる。

外気温度センサー６１と、第１送風ファン２７、第２送風ファン２８および送水設備１７の作動状態を制御する制御装置６４を備えている熱交換装置においては、外気温が低い状態では第１熱交換体１４のみを作動させて、内気送給室２１に送給された熱気を外気で冷却できる。また、外気温度が設定温度に達したことを外気温度センサー６１が検知した状態においては、制御装置６４が送水設備１７を作動させて冷却水を第２熱交換体１５に送給し、第１熱交換体１４と第２熱交換体１５の両者で内気送給室２１に送給される熱気を冷却できる。このように、本発明の熱交換装置によれば、外気温の状況に応じて冷却対象を無駄なく確実に冷却できるので、年間を通じて熱交換のための電力消費量を削減して省エネルギーに寄与できる。

本発明の実施例１に係る熱交換装置の概略構造を示す縦断正面図である。本発明に係るサーバーシステムの空気調和装置の概略平面図である。熱交換装置とサーバー室の接続構造の概略を示す縦断正面図である。図１におけるａ−ａ線矢示図である。実施例１に係る熱交換装置の制御例を示す図表である。本発明の実施例２に係る熱交換装置の概略構造を示す縦断正面図である。本発明の実施例３に係る熱交換装置の概略構造を示す縦断正面図である。図７におけるｂ−ｂ線矢示図である。本発明の実施例４に係る熱交換装置の概略構造を示す縦断正面図である。図９におけるｃ−ｃ線矢示図である。本発明の実施例５に係る熱交換装置の概略構造を示す縦断正面図である。本発明の実施例６に係る熱交換装置の概略構造を示す縦断正面図である。本発明の実施例７に係るサーバーシステムの空気調和装置の概略構造を示す縦断正面図である。

（実施例１）図１ないし図５は、本発明に係る熱交換装置をサーバーシステムの空気調和装置に適用した実施例１を示す。本発明における前後、左右、上下とは、図２、図３に示す交差矢印と、交差矢印の近傍の前後・左右・上下の表記に従う。図２および図３において、符号１は床Ｆに設置したサーバーラックであり、その内部に一群のサーバー２が多段状に収容されている（図３参照）。サーバー室Ｓに設置した一群のサーバーラック１は、直線列状に配置されてラック列３を構成しており、左右のラック列３はメンテナンス用の通路４を間に挟んで対向している。なお、この実施例では図面を単純化するために、ラック列３が３個のサーバーラック１で構成してある場合を例示したが、実際のラック列３は多数個のサーバーラック１で前後に長い直線列状に構成され、ラック列Ｌの設置数は多数個となり、サーバー室Ｓの大きさも格段に大きなものとなる。また、サーバー室Ｓに収容されるサーバー群の規模に応じて、熱交換装置Ｃの設置個数が増加される。

図３に示すようにサーバーラック１は中空の縦長四角箱状に構成されて、その両側面に開閉可能なドアが設けられており、必要時にドアを開放することによりサーバー２の点検や交換などを行うことができる。ドアのドア壁は、網体またはパンチングメタルなどの通気自在な板状体で形成されており、対向する左右のドアのいずれか一方の冷気入口６から冷気をラック内へ導入し、サーバー２の筐体に内蔵してあるサーバーファンの送風作用で熱交換を行ったのち、他方のドアの熱気出口７から熱交換後の熱気を排出する。

各サーバーラック１内の空気調和を行うために空気調和装置を設けている。空気調和装置は、サーバー室Ｓの外に設置した熱交換装置Ｃを備えており、熱交換装置Ｃで冷却した冷気をサーバー室Ｓに送給してサーバーラック１内の空気調和を行う。サーバー室Ｓ内で冷気と熱交換後の熱気が混じるのを避けて、冷気による熱交換を効果的に行うために、サーバー室Ｓの内部をラック列３に沿って設けた仕切壁１０で冷気空間６Ａと熱気空間７Ａに区分している。詳しくは、サーバー室Ｓの天井面と、天井面と対向する床Ｆおよびラック列３の上面との間を仕切壁１０で区分して、冷気空間６Ａと熱気空間７Ａを区分している。

図２に示すように、この実施例ではラック列３の上面の左右中央を通る３個の前後壁１０ａと、前後壁１０ａに連続してラック列３の前端または後端で折曲がる４個の左右壁１０ｂで仕切壁１０を構成して、平面視における仕切壁１０が一筆書き状に連続するようにした。先の冷気入口６は全て冷気空間６Ａに臨んでおり、熱気出口７は全て熱気空間７Ａに臨んでいる。熱交換装置Ｃに隣接するサーバー室Ｓの周囲壁には、冷気空間６Ａに連通する冷気供給口１１と、熱気空間７Ａに連通する熱気回収口１２が形成してある。なお、左右壁１０ｂには、冷気空間６Ａと熱気空間７Ａを行き来するためのドアが設けてあってもよい。上記のように、一筆書き状に連続する前後壁１０ａと左右壁１０ｂで仕切壁１０を構成すると、仕切壁１０の一端から他端に至る壁の長さを短くしながら、仕切壁１０の全体構造を簡素化して、その構築に要するコストを削減できる。さらに、サーバー室Ｓの内部を冷気空間６Ａと熱気空間７Ａに仕切壁１０でほぼ均等に区分できるので、冷気および熱気の循環を円滑に行って、熱交換装置Ｃによる熱気の冷却を効果的に行える。

図１に示すように熱交換装置Ｃは、ヒートパイプ１３を伝熱要素とする外気冷却式の第１熱交換体１４と、水冷式の第２熱交換体１５と、これら両者１４・１５を収容する中空箱状のケース本体１６と、低温の冷却水を第２熱交換体１５へ供給したのち回収する送水設備１７（図２参照）を備えている。ケース本体１６の内部は４５度傾斜する仕切板２０で内気送給室２１と外気送給室２２に区分されており、各送給室２１・２２に臨むケース本体１６の周囲壁に内気入口２３と、外気入口２５および外気出口２６が開口してある。この実施例では、図１に向かって左側のケース壁に内気入口２３を開口し、右側のケース壁に外気入口２５を開口した。また、上側のケース壁に外気出口２６を開口した。内気出口２４は、後述する熱交換室３２の底に開口してある。内気入口２３の内部には、サーバー室Ｓ内の熱気を第１熱交換体１４へ向かって送給する第１送風ファン２７が配置してあり、外気出口２６の内部には熱交換後の熱気を大気に放出する第２送風ファン２８が配置してある。

第１熱交換体１４は、一群のヒートパイプ１３と、ヒートパイプ１３の外面に固定される一群の放熱フィン１８で扁平な四角ブロック状に構成してあり、全体が先の仕切板２０と直交する状態で配置されて、その上下端がブラケット２９で支持してある。この実施例では、ヒートパイプ１３を第１熱交換体１４の厚み方向へ３列、第１熱交換体１４の前後方向へは多数個を配置して第１熱交換体１４を構成した。ヒートパイプ１３の下側の吸熱部１３ａは内気送給室２１に位置させてあり、ヒートパイプ１３の上側の放熱部１３ｂは外気送給室２２に位置させてある。第１熱交換体１４は水平面に対して４５度傾斜しており、第１熱交換体１４と仕切板２０の交差部分は、図示していないシール体で封止してある。このように、第１熱交換体１４を４５度傾斜させると、ヒートパイプ１３の放熱部１３ｂで凝縮した作動液が下部の吸熱部１３ａへ還流する能力を、ヒートパイプ１３が水平に近い状態、あるいは垂直に近い状態で配置してある場合に比べて増強できるので、第１熱交換体１４の熱輸送量を向上し、熱交換装置Ｃの冷却能力を増強できる。また、第１熱交換体１４をケース本体１６の対角線に沿って配置することにより、ケース本体１６の高さ寸法が大きくなるのを回避できる。なお、ヒートパイプ１３の配列形態は、上記の形態に限定するものではなく、第１熱交換体１４の冷却能力に応じて適宜調整される。

内気送給室２１と外気送給室２２の内部の空間は、第１熱交換体１４によって入口領域と出口領域に区分されており、内気送給室２１の出口領域の底部に隣接して第２熱交換体１５を収容する熱交換室３２が設けてある。熱交換室３２は、ケース本体１６を下方に延長して形成してあり、その底部には、熱交換後の冷気をサーバー室２へ向かって送出する内気出口２４が開口してある。図４に示すように、熱交換室３２の内部には２個の第２熱交換体１５・１５がＶ字状に傾斜配置されて、両者１５・１５の傾斜下端に臨んでドレン水を排出するドレン受３３が配置してある。第２熱交換体１５は、繰返し反転状に折曲げられた銅製の通水パイプ３４と、通水パイプ３４の外面に固定される一群の放熱フィン３５とで扁平な四角ブロック状に構成してある。放熱フィン３５は通水パイプ３４の直線部分と直交する状態で一定間隔おきに配置するが、第１熱交換体１４の放熱フィン１８の積層方向と、第２熱交換体１５の放熱フィン３５の積層方向が一致するように、第２熱交換体１５を配置している。

図２において送水設備１７は、冷却水を貯留するタンク３８と、タンク３８内の冷却水を第２熱交換体１５へ加圧送給するポンプ３９と、ポンプ３９と第２熱交換体１５を接続する送水管路４０と、熱交換後の冷却水を回収する回収管路４１と、回収した冷却水を冷却するチラー（冷却装置）４２などで構成してある。チラー４２で冷却された冷却水はタンク３８へ戻される。

熱交換装置Ｃで冷却した冷気をサーバー室Ｓへ送給するために、内気送給室２１の内気出口２４と冷気供給口１１を、熱交換室３２の下側に区画した冷気室４５と供給ダクト４６を介して接続している。また、サーバー室Ｓ内の熱気を熱交換装置Ｃへ戻すために、内気送給室２１の内気入口２３と熱気回収口１２を、回収ダクト４７で接続している。このように、熱交換装置Ｃとサーバー室Ｓを供給ダクト４６と回収ダクト４７で接続することにより、サーバー室Ｓ内の冷気および熱気を効果的に循環させて、サーバーラック１内の空気調和を効率よく行える。

図２に示すように、熱交換装置Ｃには、外気温度を検知する外気温度センサー６１と、タンク３８内の冷却水の温度を検知する水温センサー６２と、冷気空間へ送給される冷気の温度を検知する冷気温度センサー６３が設けてある。さらに、第１送風ファン２７、第２送風ファン２８および送水設備１７の作動状態を制御する制御装置６４を備えている。

次に、空気調和装置で空気調和を行うときの外気および熱気の流れと、熱交換装置Ｃによる熱交換動作を説明する。サーバー２の一群が稼働している状態では、熱交換装置Ｃを作動させて、外気およびサーバー室Ｓ内の空気を循環させて、熱交換装置Ｃの内部において循環する内気を冷却する。サーバーラック１の内部においては、サーバー２の筐体内に設けたサーバーファンによって、冷気空間６Ａに臨む冷気入口６から冷気が筺体内へ取込まれ、発熱部品の熱を奪ったのち、熱気出口７から熱気空間７Ａへ排出される。この熱気は、第１送風ファン２７の吸込み作用によって内気送給室２１へ送給され、第１熱交換体１４の吸熱部１３ａにおいて熱を放出する。

第１送風ファン２７で送給された熱気の熱は、放熱フィン１８とヒートパイプ１３のパイプ壁を介して、吸熱部１３ａの内部に保持されている作動液に伝えられ、作動液を気化させる。このときの熱気の温度は、吸熱部１３ａを通過する間に放出した熱の分（約１０℃）だけ冷却されて低下する。熱交換後の冷気は、第２熱交換体１５を通過したのち内気出口２４から送出されて、再びサーバー室Ｓ内へ循環する。吸熱部１３ａで気化した作動液の蒸気は、ヒートパイプ１３に沿って放熱部１３ｂの側へ流動する。放熱部１３ｂには、外気入口２５から導入された低温の外気が常に送給されている。そのため、外気と接触した放熱フィン１８およびヒートパイプ１３は外気によって冷却されて、放熱部１３ｂの内部の蒸気が凝縮されて液化する。熱交換後の外気は放熱フィン１８とヒートパイプ１３から奪った熱の分だけ温度が上昇し、第２送風ファン２８の送風作用で外気出口２６から放出される。凝縮した作動液は、傾斜するパイプ内面に沿って吸熱部１３ａへと流下する。

上記のように、サーバーラック１から送給された熱気は、主に第１熱交換体１４の熱交換作用で冷却することができるが、外気温度が熱気の温度より１０℃程度低くないと、充分な冷却作用を発揮することができなくなる。例えば、内気送給室２１へ送給される熱気の温度が４０℃であるとき、外気温度が３０℃を越えて高くなると、温度差に応じて熱交換量が減少するため、第１熱交換体１４による熱気の冷却作用が低下する。

上記のような状況を避けるために、この実施例においては、外気温度が２５℃（設定温度）に達したことを外気温度センサー６１で検知した状態において、外気温度センサー６１からの出力信号に基づき、制御装置６４が送水設備１７のポンプ３９を作動させて冷却水を第２熱交換体１５に送給し、第１熱交換体１４と第２熱交換体１５の両者で内気送給室２１に送給された熱気を冷却する。また、外気温度が上昇するのに対応してポンプ３９の駆動回転数を徐々に増加して、第２熱交換体１５に送給される冷却水量を増加し、第２熱交換体１５の冷却能力を高める。そして、外気温度が３５度に達した状態では、ポンプ３９による冷却水の送水量を最大量にして、主に第２熱交換体１５で熱気を冷却する。

以上のように、吸熱部１３ａを通過した内気を第２熱交換体１５で強制的に冷却すると、第１熱交換体１４による冷却作用の不足分を補って、低温の内気（約２５℃）を冷気空間６Ａへ送給できる。従って、サーバーラック１内の温度を充分に低下させて、サーバー２を正常に作動させることができる。なお、回収管路４１を介してチラー４２に回収された熱交換後の冷却水は、チラー４２で冷却されてタンク３８へ送給される。

図５は上記とは異なる制御条件で送水設備１７の作動状態を制御した場合に、外気温度の変化に対して、第１熱交換体１４と第２熱交換体１５の冷却能力をどのように変化させれば良いかを検討した結果を示している。但し、内気送給室２１へ送給される熱気の温度は５０℃であり、内気送給室２１から冷気空間６Ａへ送出される冷気の温度は３２度であると想定して、各熱交換体１４・１５の冷却能力を検討した。

上記の制御では、外気温度が１８℃（設定温度）に達した時点で、外気温度センサー６１からの出力信号に基づき、制御装置６４が送水設備１７のポンプ３９を作動させて冷却水を第２熱交換体１５に送給し、第１熱交換体１４と第２熱交換体１５の両者で内気送給室２１に送給された熱気を冷却する。また、外気温度が１８℃を越えて上昇するのに伴って、第１熱交換体１４の冷却能力が漸減するので、第２熱交換体１５に送給される冷却水の量を増加して、第１熱交換体１４の冷却能力の低下を第２熱交換体１５の冷却能力の増強で補うようにする。外気温度が約３３℃に達した状態では、第１熱交換体１４の冷却能力と第２熱交換体１５の冷却能力は拮抗し、両熱交換体１４が協同して熱気の冷却を行う。また、外気温度が約４０℃に達した状態では、冷却能力の７０％を第２熱交換体１５が負担し、冷却能力の残りの３０％を第１熱交換体１４が負担する。このように、内気送給室２１へ送給される熱気の温度、タンク３８内の冷却水の温度などの違いに応じて、サーバーセンターごとに最適の制御を行うことにより、サーバーラック１内の温度を充分に低下させて、サーバー２を正常に作動させることができる。

冷気温度センサー６３は、熱交換後の冷気の温度を常時検知している。そのため、第１熱交換体１４および第２熱交換体１５が作動しているにも関わらず、冷気空間６Ａに送給される冷気の温度が所定の温度より高い場合には、何らかの異常が起こっていると判断することができる。こうした異常が検知された場合には、例えば、予備の熱交換装置を起動してサーバー室Ｓを冷却するとよい。また、水温センサー６２は、タンク３８内の冷却水の温度を常時検知している。そのため、タンク３８内の冷却水の温度が所定温度（約１８℃）を越える場合に、チラー４２の冷却能力を高めて、タンク３８内の冷却水の温度を適温に維持することができる。あるいは、タンク３８内の冷却水の温度が所定温度（約１８℃）未満である場合に、冷却水の温度が所定温度に達するまでの間チラー４２の作動を停止して、エネルギーの無駄な消費を解消することができる。

以上のように構成した空気調和装置によれば、サーバーラック１の内部空気を空気調和すればよいので、熱交換装置Ｃの熱負荷を小さくできる。従って、サーバー室Ｓの全体に冷気を供給する必要があった従来の空気調和装置に比べて、空気調和のための電力消費量を著しく削減して省エネルギーに寄与できる空気調和装置とすることができる。さらに、外気温が高い状態であっても、第２熱交換体１５に送水設備１７で冷却水を送給して、サーバーラック１内を適温に保持できるので、１年を通じて常に安定した状態でサーバーシステムを稼働できる。

２個の第２熱交換体１５をＶ字状に傾斜配置するので、例えば図７に示すように第２熱交換体１５が内気送給室２１の出口領域の底部に配置してある場合に比べて、第２熱交換体１５の合計の通風面積を大きくでき、しかも内気送給室２１を通過する熱交換風の圧力損失を低減して熱交換装置Ｃの冷却能力を増強できる。また、放熱フィン３５の表面に凝縮した水分が、各熱交換体１５・１５の傾斜に沿って流下し、ドレン受３３へと速やかに排出されるので、放熱フィン３５の表面に付着する凝縮水膜を常に薄く保つことができる。従って、第２熱交換体１５の熱交換効率を向上しながら、第２熱交換体１５を通過する熱交換風の圧力損失を低減できる。加えて、第１熱交換体１４の放熱フィン１８の積層方向と、第２熱交換体１５の放熱フィン３５の積層方向が一致するように、第２熱交換体１５を配置するので、図８に示すように、放熱フィン１８・３５の積層方向が直交している場合に比べて、第２熱交換体１５の通気抵抗を減少できる。

熱交換装置Ｃにおいては、内気と外気がそれぞれ互いに逆向きに流動しながら第１熱交換体１４を通過し、装置下部の内気出口２４と装置上部の外気出口２６から送出される。こうした熱交換装置Ｃによれば、ケース本体１６の左右側面と上下面に各入口２３・２５と各出口２４・２６を位置させることができるので、供給ダクト４６および回収ダクト４７の接続を容易に行える。

実施例１では、第１熱交換体１４の傾斜角度を４５度として、第１熱交換体１４の熱輸送量を十分に向上しながら、熱交換装置Ｃの上下寸法が大きくなるのを避けるようにしたが、第１熱交換体１４の傾斜角度は水平面に対して３０度以上で６０度以下の角度に設定してあれば足りる。第１熱交換体１４の傾斜角度が３０度未満であると、放熱部１３ｂで凝縮した作動液の吸熱部１３ａへの還流力が低くなるので、第１熱交換体１４の熱輸送量を十分に向上できない。内気入口２３や外気入口２５の開口面積が小さくなる不利もある。また、第１熱交換体１４の傾斜角度が６０度を越えると、凝縮した作動液の吸熱部１３ａへの還流力はある程度確保できるものの、熱交換装置Ｃの上下寸法が大きくなり全体装置が大型化するのを避けらない。

（実施例２）図６は熱交換装置Ｃの一部を変更した実施例２を示す。そこでは、第２熱交換体１５を、内気送給室２１の出口領域のうち、第１熱交換体１４の通気出口面に隣接して配置するようにした。また、内気送給室２１の底壁に内気出口２４を開口した。他は実施例１と同じであるので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。以下の実施例においても同じとする。

実施例２の熱交換装置Ｃによれば、第１熱交換体１４および第２熱交換体１５を水平面に対して４５度傾斜した状態で、ケース本体１６の対角線に沿って配置できるので、熱交換装置Ｃの高さ寸法が大きくなるのを回避できる。また、放熱部１３ｂで凝縮した作動液を、ヒートパイプ１３の下部の吸熱部１３ａへ速やかに流下させて第１熱交換体１４の熱輸送量を向上し、熱交換装置Ｃの冷却能力を増強できる。さらに、内気および外気の各入口２３・２５および各出口２４・２６をケース本体１６の左右側面と上下面に位置させることができるので、ケース本体１６と供給ダクト４６および回収ダクト４７の接続を容易に行える。

（実施例３）図７および図８は熱交換装置Ｃの一部を変更した実施例３を示す。そこでは、第２熱交換体１５を内気送給室２１の出口領域の底部に配置して、その通気出口面を内気送給室２１の底部に開口した内気出口２４に臨ませるようにした。第２熱交換体１５は、実施例１の第２熱交換体１５と同様に、繰返し反転状に折曲げられた通水パイプ３４と、通水パイプ３４の外面に固定される一群の放熱フィン３５で四角ブロック状に構成した。上記のように第２熱交換体１５を内気送給室２１の出口領域の底部に配置すると、実施例２の熱交換装置Ｃと同様の作用効果を発揮しながら、実施例２の第２熱交換体１５に比べて、放熱フィン３５の左右寸法を大きくして、通水パイプ３４の配列数を増加して冷却能力を増強できる。さらに、内気が第２熱交換体１５を通過するときの圧力損失を小さくできるので、第２熱交換体１５を使用しない季節（秋から春）における空気調和のための電力消費量を削減して省エネルギーに寄与できる。

（実施例４）図９および図１０は熱交換装置Ｃの一部を変更した実施例４を示す。そこでは、実施例３の熱交換装置と同様に第２熱交換体１５を内気送給室２１の出口領域の底部に配置するが、通水パイプ３４の冷却水入口４８および冷却水出口４９が、仕切板２０と内気送給室２１の底部で挟まれる隅部に臨む状態で第２熱交換体１５を配置する点が異なる。上記のように、通水パイプ３４の冷却水入口４８および冷却水出口４９を仕切板２０の下隅に位置させると、実施例３の熱交換装置Ｃと同様の作用効果を発揮しながら、内気と接触する放熱フィン３５の全体面積を大きくして、熱交換効率を向上できる。先の隅部を利用して冷却水入口４８および冷却水出口４９を配置できるからである。

（実施例５）図１１は熱交換装置Ｃの一部を変更した実施例５を示す。そこでは、実施例１と同様に、内気送給室２１の出口領域の底部に隣接して熱交換室３２を設け、その内部に第２熱交換体１５を傾斜配置し、第２熱交換体１５の傾斜下端に臨んでドレン受３３を設けるようにした。また、熱交換室３２の底壁に内気出口２４を開口した。上記のように、第２熱交換体１５を傾斜配置すると、実施例４の熱交換装置Ｃと同様の作用効果を発揮しながら、第２熱交換体１５の通気面積を拡大して熱交換効率を向上できる。また、実施例１の熱交換装置Ｃと同様に、放熱フィン３５の表面に凝縮した水分が、熱交換体１５の傾斜に沿って流下し、ドレン受３３へと速やかに排出されるので、放熱フィン３５の表面に付着する凝縮水膜を常に薄く保つことができる。従って、第２熱交換体１５の熱交換効率を向上しながら、第２熱交換体１５を通過する熱交換風の圧力損失を低減できる。

（実施例６）図１２は熱交換装置Ｃの一部を変更した実施例６を示す。そこでは、実施例１と同様に、熱交換室３２の内部に２個の第２熱交換体１５・１５をＶ字状に傾斜配置して、第２熱交換体１５の合計の通風面積を大きくし、しかも内気送給室２１を通過する熱交換風の圧力損失を低減して熱交換装置Ｃの冷却能力を増強できるようにした。また、Ｖ字状に傾斜配置した２個の第２熱交換体１５の傾斜上端側を、ケース本体１６に固定したヒンジ５０で傾動可能に支持した。これにより、２個の第２熱交換体１５・１５は、図１２に想像線で示すように傾動下端がＶ字状に隣接する使用姿勢と、各熱交換体１５・１５が熱交換室３２の左右壁（周囲壁）に沿う不使用姿勢の間で傾動できる。こうした熱交換装置Ｃによれば、実施例１の熱交換装置Ｃと同じ作用効果を発揮しながら、外気温の状況に応じて第２熱交換体１５・１５を使用姿勢と不使用姿勢に切換えて、熱交換装置Ｃの冷却能力を調整できる。例えば、第２熱交換体１５を使用しない季節（秋から春）に、同交換体１５を不使用姿勢にしておくことにより、熱交換室３２を通過する内気の通気抵抗を小さくできる。従って、第１送風ファン２７の圧力損失を小さくして、秋から春における空気調和のための電力消費量を削減して省エネルギーに寄与できる。

（実施例７）図１３はサーバーシステム用の空気調和装置の一部を変更した実施例７を示す。そこでは、冷気空間６Ａに臨む床下に冷気案内通路５３を形成し、同通路５３の入口５４を熱交換装置Ｃの内気出口２４に連通し、同通路５３の出口５５を冷気空間６Ａに臨む床Ｆの複数個所に開口した。この実施例における仕切壁１０は、冷気空間６Ａを間に挟むラック列３の上面の間を覆う上壁１０ｃと、冷気空間６Ａを間に挟むラック列３と側端壁の上面の間を覆う上壁１０ｄと、冷気空間６Ａの前後端を覆う前後壁（図示していない）で密閉空間状に構成してある。冷気空間６Ａの前後端を覆う前後壁には、冷気空間６Ａに出入りするためのドアが設けてあってもよい。熱気空間７Ａと連通する状態でサーバー室Ｓの周囲壁に開口した熱気回収口１２は、回収ダクト４７を介して内気送給室２１の内気入口２３に接続した。以上のように構成した実施例７の空気調和装置によれば、密閉空間状に区画した冷気空間６Ａに限って冷気を送給すればよいので、実施例１の空気調和装置に比べて、熱交換装置Ｃの熱負荷をさらに小さくでき、その分だけ空気調和のための電力消費量を削減して省エネルギーに寄与できる。

本発明に係る熱交換装置Ｃは、サーバーシステムの空調を行うのに適しているが、例えば、メガソーラーに設置されるパワーコンディショナーの内部を冷却する用途にも適用できる。その場合には、年間を通じて外気温が高い地域でない限り、第２熱交換体１５を省略することができる。

送水設備１７は、チラー４２に換えてクーリングタワー（冷却装置）を使用できる。また、地下水、河川水、または海水を冷却水として利用する水循環ユニットで送水設備１７を構成することができ、その場合にはチラー４２を省略して、回収管路４１で回収した熱交換後の冷却水を外部へ放出してもよい。第１送風ファン２７は内気入口２３の側に配置する必要はなく、内気出口２４の側に配置することができ、必要があれば、熱気回収口１２に第１送風ファン２７とは別の送風ファンを設けて、熱気の循環を促進することができる。実施例１では、サーバー室Ｓ内の冷却を１個の熱交換装置Ｃで行う場合を示したが、熱交換装置Ｃはサーバー室Ｓの冷却負荷に応じて、必要な数だけ設置してあればよい。

１サーバーラック
２サーバー
３ラック列
６冷気入口
６Ａ冷気空間
７熱気出口
７Ａ熱気空間
１０仕切壁
１１冷気供給口
１２熱気回収口
１３ヒートパイプ
１４第１熱交換体
１５第２熱交換体
１６ケース本体
１７送水設備
２０仕切板
２１内気送給室
２２外気送給室
２３内気入口
２４内気出口
２５外気入口
２６外気出口
２７第１送風ファン
２８第２送風ファン
３２熱交換室
Ｆ床
Ｓサーバー室
Ｃ熱交換装置

Claims

ヒートパイプ（１３）を伝熱要素とする外気冷却式の第１熱交換体（１４）と、水冷式の第２熱交換体（１５）と、これら両者を収容する中空箱状のケース本体（１６）と、低温の冷却水を第２熱交換体（１５）へ供給する送水設備（１７）とを備えるヒートパイプ式の熱交換装置であって、
ケース本体（１６）の内部は傾斜する仕切板（２０）で内気送給室（２１）と外気送給室（２２）に区分されており、
内気送給室（２１）に臨むケース本体（１６）に内気入口（２３）と内気出口（２４）が設けられ、外気送給室（２２）に臨むケース本体（１６）に、外気入口（２５）と外気出口（２６）が開口されており、
内気送給室（２１）に熱気を送給する第１送風ファン（２７）と、外気送給室（２２）に外気を送給する第２送風ファン（２８）のそれぞれがケース本体（１６）に設けられており、
第１熱交換体（１４）は傾斜配置されて、ヒートパイプ（１３）の吸熱部（１３ａ）が内気送給室（２１）に位置し、ヒートパイプ（１３）の放熱部（１３ｂ）が外気送給室（２２）に位置する状態で仕切板（２０）と交差しており、
第２熱交換体（１５）は、第１熱交換体（１４）と内気出口（２４）の間に配置されており、
第１熱交換体（１４）の傾斜角度が水平面に対して３０度以上で６０度以下の角度に設定されており、
第２熱交換体（１５）が、繰返し反転状に折曲げられた通水パイプ（３４）と、通水パイプ（３４）の外面に固定される一群の放熱フィン（３５）とで四角ブロック状に構成されており、
第２熱交換体（１５）は内気送給室（２１）の出口領域の底部に配置されて、その通気出口面が内気送給室（２１）の底部に開口した内気出口（２４）に臨んでおり、
反転状に折曲げられた通水パイプ（３４）の屈曲部が、四角ブロック状の第２熱交換体（１５）の一方の対向辺部の外に露出され、前記対向辺部のいずれか一方に冷却水入口（４８）および冷却水出口（４９）が導出されており、
冷却水入口（４８）および冷却水出口（４９）が、仕切板（２０）と内気送給室（２１）の底部で挟まれる隅部に臨む状態で第２熱交換体（１５）が配置されていることを特徴とするヒートパイプ式の熱交換装置。
内気送給室（２１）の出口領域の底部に隣接して第２熱交換体（１５）を収容する熱交換室（３２）が設けられ、熱交換室（３２）の底部に内気出口（２４）が開口されており、
第２熱交換体（１５）が熱交換室（３２）の内部に傾斜配置されて、第２熱交換体（１５）の傾斜下端に臨んでドレン水を排出するドレン受（３３）が配置されている請求項１に記載のヒートパイプ式の熱交換装置。
熱交換室（３２）の内部に２個の第２熱交換体（１５・１５）がＶ字状に傾斜配置されている請求項２に記載のヒートパイプ式の熱交換装置。
Ｖ字状に傾斜配置した２個の第２熱交換体（１５・１５）の傾斜上端側が、ケース本体（１６）に固定したヒンジ（５０）で傾動可能に支持されており、
２個の第２熱交換体（１５・１５）は、傾動下端がＶ字状に隣接する使用姿勢と、各第２熱交換体（１５・１５）が熱交換室（３２）の周囲壁に沿う不使用姿勢の間で傾動でき、
外気温が低い状態において、第２熱交換体（１５・１５）を不使用姿勢にして、第１熱交換体（１４）のみで内気送給室（２１）に送給される熱気を冷却する請求項３に記載のヒートパイプ式の熱交換装置。
第２熱交換体（１５）が、内気送給室（２１）の出口領域のうち、第１熱交換体（１４）の通気出口面に隣接して配置されている請求項１に記載のヒートパイプ式の熱交換装置。
外気温度を検知する外気温度センサー（６１）と、第１送風ファン（２７）、第２送風ファン（２８）および送水設備（１７）の作動状態を制御する制御装置（６４）を備えており、
外気温度が設定温度に達したことを外気温度センサー（６１）が検知した状態において、外気温度センサー（６１）からの出力信号に基づき、制御装置（６４）が送水設備（１７）を作動させて冷却水を第２熱交換体（１５）に送給し、第１熱交換体（１４）と第２熱交換体（１５）の両者で内気送給室（２１）に送給される熱気を冷却する請求項１から５のいずれかひとつに記載のヒートパイプ式の熱交換装置。