JP6927229B2 - 相変化冷却装置および相変化冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、データセンタなどで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、駆動源を用いて冷媒液を循環させる相変化冷却装置および相変化冷却方法に関する。

ポンプなどの駆動源を用いて冷媒液を循環させ、室内と室外機の温度差を利用して熱を室外に輸送する冷媒強制循環式の冷却システムが知られている。冷媒強制循環式の冷却システムにおいては、冷媒液をポンプにより常に受熱器に供給し、受熱器において熱を受けることにより内部の冷媒液が気化し熱を奪う。気化した冷媒は配管を通って室外機に移動し、室外機において放熱することにより熱を輸送し室内空気を冷却する。このように、冷媒の相変化を用いた相変化冷却方式により、冷却能力が高い冷却装置が得られる。

上述した相変化冷却方式を用いた冷媒強制循環式の冷却システムの一例が特許文献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、凝縮器の一次側伝熱管を備えた一次側システムと、凝縮器の二次側伝熱管と、冷媒液タンクと、冷媒ポンプと、蒸発器とを備えた二次側システムとを有する。

凝縮器は、蒸発器から配管を介して二次側伝熱管に流入する中温の冷媒ガスを、一次側伝熱管に流入する冷水によって冷やすことによって凝縮させる。凝縮器の二次側伝熱管は、配管を介して冷媒液タンクの上部に接続されている。

冷媒液タンクは、凝縮器から流入する液体状態の冷媒を貯留するものであり、凝縮器よりも下方に設置されている。冷媒液タンクの下部は、配管を介して冷媒ポンプの吸入口に接続されている。この冷媒液タンク内には、冷媒液タンクに貯留されている冷媒液の液面が所定の高さ以上であるか否かを検出する液面センサＳ１、Ｓ２が設置されている。

ここで、液面センサＳ１は、冷媒液面が高さＨ１以上である場合にはＯＮの信号を制御装置に出力し、冷媒液面が高さＨ１未満である場合にはＯＦＦの信号を制御装置に出力する。一方、液面センサＳ２は、液面センサＳ１が設置されている高さＨ１よりも高い位置（高さＨ２）に設置されている。ここで液面センサＳ２は、冷媒液面が高さＨ２以上である場合にはＯＮの信号を制御装置に出力し、冷媒液面が高さＨ２未満である場合にはＯＦＦの信号を制御装置に出力する。

そして、制御装置が、液面センサＳ１からの信号がＯＦＦとなった場合に冷媒ポンプを停止させ、その後液面センサＳ２からの信号がＯＮとなった場合に冷媒ポンプを再駆動させる構成としている。

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（相変化冷却装置）によれば、空回し又はキャビテーションによる冷媒ポンプの故障を確実に防止することができ、設備の信頼性を向上させることができる、としている。

また、関連技術としては、特許文献２−４に記載された技術がある。

特開２０１３−０８８０２７号公報（段落〔００１２〕〜〔００４１〕、図１） 特開平１１−１８２９７２号公報 特開平６−０８２１８２号公報 特開平６−００１３００号公報

上述したように、関連する冷却システム（相変化冷却装置）においては、二個の液面センサからの出力信号に基いて冷媒ポンプの動作を制御する構成としている。そのため、装置全体の制御が複雑になる、という問題があった。

このように、駆動源を用いて冷媒液を循環させる相変化冷却装置においては、装置の信頼性を向上させようとすると制御が複雑になる、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、駆動源を用いて冷媒液を循環させる相変化冷却装置においては、装置の信頼性を向上させようとすると制御が複雑になる、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、発熱源から受熱する冷媒液を収容する蒸発器と、冷媒液が蒸発器で気化することにより発生した冷媒蒸気の熱を放熱し冷媒液を生成する凝縮器と、冷媒液を循環させる冷媒液駆動手段と、蒸発器と凝縮器を接続する第１の配管部と、凝縮器と冷媒液駆動手段を接続する第２の配管部と、冷媒液駆動手段と蒸発器を接続する第３の配管部と、第２の配管部によって構成される流路内に位置する冷媒液をためる冷媒貯留手段と、一端が第１の接続点において第１の配管部と接続し、他端が第２の接続点において冷媒貯留手段と接続する第４の配管部、とを有する。

本発明の相変化冷却方法は、冷媒液を、受熱領域を通って環流する第１の流路で循環させ、冷媒液が受熱領域において受熱することによって気液二相冷媒が発生した場合、気液二相冷媒に含まれる冷媒蒸気を凝縮させることにより凝縮冷媒液を生成し、凝縮冷媒液を、受熱領域を通って環流する第２の流路で循環させ、第１の流路の長さが、第２の流路の長さよりも短い。

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、駆動源を用いて冷媒液を循環させる構成であっても、制御の複雑化を招くことなく装置の信頼性を向上させることができる。

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模式的に示す概略図である。 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説明するための概略図である。 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説明するための概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置の構成を模式的に示す概略図である。

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〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置１００の構成を模式的に示す概略図である。本実施形態による相変化冷却装置１００は、蒸発器１１０、凝縮器１２０、冷媒液駆動部（冷媒液駆動手段）１３０、第１の配管部１４０、第２の配管部１５０、第３の配管部１６０、冷媒貯留部（冷媒貯留手段）１７０、および第４の配管部１８０を有する。

蒸発器１１０は、発熱源から受熱する冷媒液を収容する。蒸発器１１０は典型的にはラジエータ等により構成され、例えば、発熱源としてのサーバ装置等を収容するデータセンタの室内などに配置される。凝縮器１２０は、冷媒液が蒸発器１１０で気化することにより発生した冷媒蒸気の熱を放熱し冷媒液を生成する。凝縮器１２０は典型的には熱交換器や室外機等により構成される。また、冷媒液駆動部１３０は、冷媒液を循環させる。冷媒液駆動部１３０は典型的にはポンプ等により構成され、蒸発器１１０に冷媒液を供給する。

第１の配管部１４０は、蒸発器１１０と凝縮器１２０を接続する。第２の配管部１５０は、凝縮器１２０と冷媒液駆動部１３０を接続する。そして、第３の配管部１６０は、冷媒液駆動部１３０と蒸発器１１０を接続する。

ここで、冷媒貯留部１７０は、第２の配管部１５０によって構成される流路内に位置している。冷媒貯留部１７０は、典型的にはタンク等の金属製容器により構成される。そして、第４の配管部１８０は、一端が第１の接続点１８１において第１の配管部１４０と接続し、他端が第２の接続点１８２において冷媒貯留部１７０と接続している。

なお、第１の配管部１４０、第２の配管部１５０、第３の配管部１６０、および第４の配管部１８０は、典型的には金属製配管等により構成される。

このような構成としたことにより、本実施形態による相変化冷却装置１００においては、常に冷媒液が循環する流路が形成される。

すなわち、蒸発器１１０に熱負荷が加えられていない場合、冷媒液駆動部１３０から受熱器１１０に供給された冷媒液は、第１の配管部１４０および第４の配管部１８０を通って冷媒貯留部１７０に流入する。そして、冷媒液駆動部１３０によって再び蒸発器１１０に供給されることにより冷媒液が循環する。

このように、冷媒液駆動部１３０（ポンプ）、蒸発器１１０、第１の配管部１４０、第４の配管部１８０、および冷媒貯留部１７０（タンク）を循環する第１の流路が構成される。そのため、例えば室外に配置した凝縮器１２０に、冷媒液を常時供給する必要はない。すなわち、凝縮器１２０を蒸発器１１０から長距離離れた位置に配置した場合であっても、第１の接続点１８１から凝縮器１２０までの第１の配管部１４０に多量の冷媒液を充填する必要はない。したがって、冷媒液の量を削減することができ、コストの低減を図ることができる。

一方、蒸発器１１０に熱負荷が加えられた場合、蒸発器１１０に収容されている冷媒液の一部が気化して気液二相冷媒となることによって熱を奪う。この気液二相冷媒に含まれる冷媒蒸気は、第１の配管部１４０を通って凝縮器１２０に移動する。冷媒蒸気は凝縮器１２０において冷却されることによって凝縮液化して放熱し、凝縮冷媒液となって第２の配管部１５０を通って冷媒貯留部１７０に流入する。そして、この凝縮冷媒液が冷媒液駆動部１３０によって再び蒸発器１１０に供給されることにより冷媒液が循環する第２の流路が構成される。

このように、本実施形態による相変化冷却装置１００によれば、蒸発器１１０に加えられる熱負荷の有無に関わらず、常に冷媒液が循環している構成とすることができる。そのため、熱負荷を検知して供給する冷媒液量を調整するために、バルブの開閉やポンプの動作等を制御する必要がなくなる。その結果、制御の複雑化を招くことなく、冷媒液の枯渇による空回りやキャビテーションの発生による冷媒液駆動部１３０（ポンプ）の故障を確実に防止することができる。すなわち、本実施形態の相変化冷却装置１００によれば、駆動源を用いて冷媒液を循環させる構成であっても、制御の複雑化を招くことなく装置の信頼性を向上させることができる。

ここで、冷媒貯留部１７０は、第１の接続点１８１よりも下方に位置している構成とすることができる。これにより、第１の配管部１４０内の気液二相冷媒に含まれる冷媒液である過剰冷媒液は、重力の作用により第４の配管部１８０を通って冷媒貯留部１７０に移動することが可能になる。その結果、凝縮器１２０に過剰冷媒液が混入することにより冷媒蒸気の凝縮が妨げられ、凝縮器１２０の性能が低下してしまうことを防止することができる。

また、冷媒貯留部１７０は、冷媒液駆動部１３０よりも上方に位置している構成とすることができる。このとき、冷媒貯留部１７０は、冷媒液駆動部１３０を構成するポンプの正常動作時における吸込み圧力を供給するために必要な距離だけポンプから離間して位置している構成とすることができる。これにより、ポンプの有効吸込みヘッド（Ｎｅｔ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｓｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｄ：ＮＰＳＨ）を確保することができ、キャビテーションによるポンプの効率低下を避けることができる。

さらに、凝縮器１２０は蒸発器１１０よりも上方に位置し、第１の接続点１８１は蒸発器１１０よりも上方であって、かつ、凝縮器１２０よりも下方に位置している構成とすることができる。これにより、第１の配管部１４０内の冷媒蒸気は、浮力により凝縮器１２０への移動が容易になる。一方、気液二相冷媒に含まれる冷媒液である過剰冷媒液は、重力の作用により凝縮器１２０へ向かう流動が妨げられ、第４の配管部１８０を通って冷媒貯留部１７０に移動することが容易になる。したがって、相変化冷却装置１００における冷媒の環流が円滑になり、冷却性能の向上を図ることができる。

次に、本実施形態による相変化冷却装置１００の構成について、図２および図３を用いて、さらに詳細に説明する。図２および図３は、本実施形態による相変化冷却装置１００の構成を説明するための概略図である。

本実施形態による相変化冷却装置１００は、図２に示すように、第１の水平配管距離ＨＤ１が、第２の水平配管距離ＨＤ２よりも短い構成とすることができる。ここで、第１の水平配管距離ＨＤ１は、第１の配管部１４０の蒸発器１１０との接続位置１４１から第２の接続点１８２までの水平距離である。また、第２の水平配管距離ＨＤ２は、第１の配管部１４０の凝縮器１２０との接続位置１４２から第２の接続点１８２までの水平距離である。

また、本実施形態による相変化冷却装置１００は、図３に示すように、第１の垂直配管距離ＶＤ１が、第２の垂直配管距離ＶＤ２よりも短い構成とすることができる。ここで、第１の垂直配管距離ＶＤ１は、第１の接続点１８１と第２の接続点１８２との間の垂直距離である。また、第２の垂直配管距離ＶＤ２は、第１の配管部１４０の凝縮器１２０との接続位置１４２から第１の接続点１８１までの垂直距離である。

このような構成とすることにより、上述した第１の流路の長さを短くすることができる。すなわち、冷媒液駆動部１３０から受熱器１１０に供給された冷媒液が、第１の配管部１４０および第４の配管部１８０を通って冷媒貯留部１７０に流入し、冷媒液駆動部１３０によって再び蒸発器１１０に還流する第１の流路の長さを短くすることができる。その結果、相変化冷却装置１００に充填する冷媒液の量をさらに低減することができ、コストのさらなる低減を図ることができる。

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においては、まず、冷媒液を、受熱領域を通って環流する第１の流路で循環させる。冷媒液が受熱領域において受熱することによって気液二相冷媒が発生した場合、気液二相冷媒に含まれる冷媒蒸気を凝縮させることにより凝縮冷媒液を生成する。そして、この凝縮冷媒液を、受熱領域を通って環流する第２の流路で循環させる。このとき、第１の流路の長さは、第２の流路の長さよりも短く構成される。

このように、本実施形態による相変化冷却方法においては、冷媒液を常に循環させる構成としている。そのため、本実施形態の相変化冷却方法によれば、制御の複雑化を招くことなく冷却作用の信頼性を向上させることができる。また、冷媒液だけが循環する第１の流路の長さが、冷媒蒸気が凝縮した凝縮冷媒液が循環する第２の流路の長さよりも短い構成としている。これにより、使用する冷媒液の量を低減することができ、コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態による相変化冷却方法において、気液二相冷媒から、この気液二相冷媒に含まれる冷媒液である過剰冷媒液を取り出し、凝縮冷媒液を過剰冷媒液と混合させて第２の流路により受熱領域に還流させることとしてもよい。これにより、過剰冷媒液が冷媒蒸気の凝縮を妨げることによる冷却性能の低下を防止することができる。

〔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。図４に、本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置２００の構成を模式的に示す。

本実施形態による相変化冷却装置２００は、複数の蒸発器１１０を備えた蒸発部２１０を有する構成とした点が、第１の実施形態による相変化冷却装置１００の構成と異なる。また、第１の配管部は、複数の蒸発器１１０とそれぞれ接続する複数の蒸発器側配管２４１と、凝縮器１２０と接続する凝縮器側配管２４２と、複数の蒸発器側配管２４１および凝縮器側配管２４２とそれぞれ接続する共通配管２４３、とを含む構成とした。そして、第４の配管部２８０は、共通配管２４３の第１の接続点２８１において第１の配管部と接続し、第２の接続点２８２において冷媒貯留部１７０と接続している構成とした。

その他の構成は、第１の実施形態による相変化冷却装置１００によるものと同様であるので、それらの説明は省略する。

このように、本実施形態による相変化冷却装置２００は、複数の蒸発器１１０を備えた蒸発部２１０を有する構成としているので、複数の発熱源を効率よく冷却することが可能である。この場合においても、本実施形態による相変化冷却装置２００によれば、駆動源を用いて冷媒液を循環させる構成であっても、制御の複雑化を招くことなく装置の信頼性を向上させることができる。

さらに、本実施形態による相変化冷却装置２００は、図４に示すように、複数の凝縮器１２０を備えた凝縮部２２０を有する構成としてもよい。この場合、第２の配管部は、複数の凝縮器１２０とそれぞれ接続する複数の第２の凝縮器側配管２５１と、複数の第２の凝縮器側配管２５１と冷媒貯留部１７０を接続する第２の共通配管２５２を含む構成とすることができる。また、第３の配管部は、複数の蒸発器１１０とそれぞれ接続する複数の第３の蒸発器側配管２６１と、複数の第３の蒸発器側配管２６１と冷媒液駆動部１３０を接続する第３の共通配管２６２を含む構成とすることができる。

このような構成とすることにより、相変化冷却装置２００の冷却能力をさらに向上させることができる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１６年９月２１日に出願された日本出願特願２０１６−１８４３６３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。

１００、２００ 相変化冷却装置
１１０ 蒸発器
１２０ 凝縮器
１３０ 冷媒液駆動部
１４０ 第１の配管部
１５０ 第２の配管部
１６０ 第３の配管部
１７０ 冷媒貯留部
１８０、２８０ 第４の配管部
１８１、２８１ 第１の接続点
１８２、２８２ 第２の接続点
２１０ 蒸発部
２２０ 凝縮部
２４１ 蒸発器側配管
２４２ 凝縮器側配管
２４３ 共通配管
２５１ 第２の凝縮器側配管
２５２ 第２の共通配管
２６１ 第３の蒸発器側配管
２６２ 第３の共通配管
ＨＤ１ 第１の水平配管距離
ＨＤ２ 第２の水平配管距離
ＶＤ１ 第１の垂直配管距離
ＶＤ２ 第２の垂直配管距離

Claims (7)

1. 発熱源から受熱する冷媒液を収容する蒸発器と、
   前記冷媒液が前記蒸発器で気化することにより発生した冷媒蒸気の熱を放熱し冷媒液を生成する凝縮器と、
   前記冷媒液を循環させる冷媒液駆動手段と、
   前記蒸発器と前記凝縮器を接続する第１の配管部と、
   前記凝縮器と前記冷媒液駆動手段を接続する第２の配管部と、
   前記冷媒液駆動手段と前記蒸発器を接続する第３の配管部と、
   前記第２の配管部によって構成される流路内に位置する前記冷媒液をためる冷媒貯留手段と、
   一端が第１の接続点において前記第１の配管部と接続し、他端が第２の接続点において前記冷媒貯留手段と接続する第４の配管部、とを有し、
   前記第１の配管部の前記蒸発器との接続位置から前記第２の接続点までの水平距離である第１の水平配管距離は、前記第１の配管部の前記凝縮器との接続位置から前記第２の接続点までの水平距離である第２の水平配管距離よりも短い
   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、
   前記第１の接続点と前記第２の接続点との間の垂直距離である第１の垂直配管距離は、前記第１の配管部の前記凝縮器との接続位置から前記第１の接続点までの垂直距離である第２の垂直配管距離よりも短い
   相変化冷却装置。
3. 請求項１または２に記載した相変化冷却装置において、
   前記冷媒貯留手段は、前記第１の接続点よりも下方に位置している
   相変化冷却装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
   前記冷媒貯留手段は、前記冷媒液駆動手段よりも上方に位置している
   相変化冷却装置。
5. 請求項４に記載した相変化冷却装置において、
   前記冷媒液駆動手段は、ポンプであり、
   前記冷媒貯留手段は、前記ポンプの正常動作時における吸込み圧力を供給するために必要な距離だけ前記ポンプから離間して位置している
   相変化冷却装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
   前記凝縮器は、前記蒸発器よりも上方に位置し、
   前記第１の接続点は、前記蒸発器よりも上方であって、かつ、前記凝縮器よりも下方に位置している
   相変化冷却装置。
7. 請求項１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、
   複数の前記蒸発器を備えた蒸発部を有し、
   前記第１の配管部は、前記複数の蒸発器とそれぞれ接続する複数の蒸発器側配管と、前記凝縮器と接続する凝縮器側配管と、前記複数の蒸発器側配管および前記凝縮器側配管とそれぞれ接続する共通配管、とを含み、
   前記第４の配管部は、前記共通配管の前記第１の接続点において前記第１の配管部と接続している
   相変化冷却装置。

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