JP7047899B2 - 熱交換装置、熱交換方法、及び空調システム - Google Patents

Description

本発明は、熱交換装置、熱交換方法、及び空調システムに関する。

データセンターなどの空調システムにおいて、サーバー等の発熱源を収容したサーバーラックにはそれぞれ、発熱源毎に異なる発熱量に対応して受熱するため、発熱源からの熱を吸収する局所受熱部をサーバーラックの上部に並べて配置する方式が採用されることがある。
このような局所受熱部を備えた空調機に関連する技術として、特許文献１に記載されたものがある。
この空調機には、液冷媒を供給するための主流液冷媒配管や排熱を吸熱して気化した蒸気冷媒が還るための主流蒸気冷媒配管をサーバー室内に設置し、それら主流管に局所受熱部の液管・蒸気管をつなぐ構成が採用されている。

上記空調機にあっては、冷媒配管を冷媒が循環することでサーバーが出す排熱を直接、または間接的に建屋外部へ排出することによってサーバー室の冷却を行っている。
ここで使用される冷媒は、例えば、クロロフルオロカーボン（CFC）及びハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）の代替品として開発されたＲ１３４ａ、Ｒ４１０ａである。これらの冷媒を用いた場合、一般的な空調機と同様、飽和蒸気圧力が室温で１０気圧近くまで上昇することがある。

特開２０１３－２２１６３４号公報

しかしながら、このような高圧の冷媒を用いた空調機の配管には、管、継手、バルブ、パッキン等に高耐圧用の高強度、高精度の部材が必要とされる。さらに、その設置工事時や局所受熱部交換工事時に、高圧ガス保安法、労働安全衛生法等に基づき、有資格者の監督下で、完成検査を含む信頼性の高い施工が必要とされることがある。
すなわち、飽和蒸気圧力の高い冷媒を用いることに起因して、設備工事にかかる時間とコストが増大するという問題がある。さらに、人とサーバーに対して安全性を留意しながら、多数のラックが並んだサーバー室内で局所受熱部の設置工事を行うことは、非常に困難で特にコストが増大する。
また完成後においても、緊急を要するメンテナンスが必要になった際、有資格者の管理下における施工を迅速に行うことが難しく、顧客から預かったサーバーやデータを守らなければならないデータセンターにおいての緊急対応性に欠けることがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、低い熱媒体の圧力で熱媒体を効率良く流通させることのできる熱交換装置、空調システム、及び熱交換方法を提供することを目的とする。

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１態様にかかる熱交換装置は、被冷却ガスからの吸熱により蒸発する熱媒体を収容して傾斜状態に配置された熱交換パイプと、この熱交換パイプの下部近傍に設けられて、上記熱媒体を液相状態で供給する供給パイプと、上記熱交換パイプ内で蒸発して上部から排出された熱媒体を受け入れる排出パイプ、とを有し、上記熱交換パイプの上部と、上記排出パイプとの間に下方へ向かう連結パイプを設けた。

本発明の第２態様に示す熱交換方法は、発熱源の発熱量に対応して、上記発熱量を吸収するために必要な流量より所定量多い流量の液相状態の熱媒体を供給する工程と、供給された液相状態の熱媒体を複数の熱交換部に分配する工程と、分配された液相状態の熱媒体を上記発熱源からの熱により気相状態に変化させ、熱を吸収した気相状態の熱媒体を液相状態の熱媒体とともに排出する工程とを有する。

本発明によれば、熱媒体が低圧の場合であっても、熱交換パイプで発生した気相、液相混合状態の熱媒体を流通させることができる。

本発明の最少構成にかかる熱交換装置の配管図である。 本発明の最少構成にかかる熱交換方法の工程図である。 本発明の第１実施形態にかかる熱交換装置の斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかる熱交換装置の詳細を示す正面図である。 本発明の第１実施形態にかかる熱交換装置の詳細を示す側面図である。 本発明の第２実施形態にかかる熱交換装置の斜視図である。 本発明の第３実施形態にかかる熱交換装置の斜視図である。 本発明の第４実施形態にかかる熱交換装置の斜視図である。 図７の矢印ＶＩＩＩ部の詳細図である。

本発明に係る熱交換装置の最少構成例について、図１を参照して説明する。
図示例の熱交換装置は、供給パイプ１、熱交換パイプ２、排出パイプ３、および連結パイプ４を有する。供給パイプ１は、熱交換対象からの熱を受けて蒸発する熱媒体Ｌを液相状態で供給する。熱交換パイプ２は、この供給パイプ１から熱媒体Ｌの供給を受け、熱交換対象である、例えばサーバー室の室内空気である被冷却ガスの熱を吸収する。排出パイプ３は、この熱交換パイプ２の下部近傍に設けられて、上記熱交換パイプ２内で蒸発した熱媒体Ｌを受け入れる。そして、下方へ向かう連結パイプ４が、上記熱交換パイプ２の上部と、上記排出パイプ３との間を連結している。

上記構成の熱交換装置にあっては、供給パイプ１から供給された熱媒体Ｌが熱交換パイプ２において、被冷却ガスにより沸点まで加熱され、気相状態となって熱交換パイプ２内を上昇する。この際、気相状態の熱媒体Ｌの上昇気流には、液相状態の熱媒体Ｌ（液滴）が伴われることにより、あるいは、上昇中に気相から液相に戻ることにより、気相と液相との混相状態となっている。混相状態の熱媒体Ｌの内、気相状態のものは圧力によって、液相状態のものは重力によって、連結パイプ４により下方へ導かれ、排出パイプ３に送り込まれる。

本発明にかかる熱交換方法の最少構成例について、図２を参照して説明する。
図２の前提として、所定の熱量を吸収するために必要な熱媒体の流量（供給量）ｑ1（キログラム／秒）を求める。冷却対象の発熱量、伝熱効率等を考慮した単位時間当たりの吸熱量をＷ（ジュール／秒）、単位重量あたりの熱媒体が吸収し得る熱量（一般に単位重量あたりの蒸発熱量）をｗ（ジュール／キログラム）、とすれば、流量（供給量）ｑ1は下記（１）式で表わされる。
ｑ1＝Ｃ×Ｗ／ｗ ……（１）
ここで、熱伝導熱媒体に与えられる顕熱、熱伝導の効率を無視しているので、実際に所定の熱量を吸収するために必要な流量ｑ1は、所定の係数Ｃを乗じたものとなる。
さらに、上記ｑ1に、熱媒体が流れる配管系の圧力に応じた余剰流量ｑ2を加えると、実際の流量Ｑ（キログラム／秒）は、
Ｑ＝ｑ1＋ｑ2 ……（２）
となる。なお上記余剰流量ｑ2は、熱媒体が流れる配管系の圧力が小さいほど大きく設定される。

上記（２）式に基づいて算出された所定流量Ｑの熱媒体Ｌを図１の熱交換パイプ２へ供給する（ＳＰ１）。この熱媒体Ｌは、例えば熱交換パイプ２を構成する複数の管に分配される（ＳＰ２）。熱媒体Ｌは、熱交換パイプ２の表面を流れる被冷却ガスと熱交換されて蒸発するとともに、被冷却ガスの熱を吸収する（ＳＰ３）。熱を吸収した熱媒体は、排出パイプ３を介して熱媒体の供給源、例えば圧縮機（図示略）に戻って圧縮とともに放熱され、再度供給パイプ１に供給される（ＳＰ４）。以下、ＳＰ１～ＳＰ４を繰り返す。

上記各工程の繰り返しにより、被冷却ガスの熱を熱媒体Ｌに吸収させ、系外に排出することができる。ここで、ステップＳＰ２において、必要な吸熱量より余裕のある流量Ｑの熱媒体が流れるので、例えば、熱交換パイプ２が複数の管に分岐している場合であっても、各分岐へ熱媒体を分配することができる。

図３、４を参照して本発明の第１実施形態を説明する。なお各実施形態に共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
図３は、第１実施形態にかかる熱交換装置を含む空調設備を備えたサーバー室を示す。ここで符号１０はラックを示し、このラック１０は、中央の通路を挟んで二列に並べて配置されている。なお通路を挟んでさらに多数列に配置されていても良い。
図３の左側の列のラック１０にそれぞれ対応する位置の上方には、熱交換装置１１、１２、１３が配置され、右側の列のラック１０にそれぞれ対応する位置の上方には、熱交換装置１４、１５、１６が配置されている。なおこれら熱交換装置１１～１６の詳細な構成については後述する。

上記熱交換装置１１～１３の上方には、これらに熱媒体を供給する主供給ライン２１と、これらから排出された熱媒体を受け入れる主排出ライン３１とが設けられている。
上記主供給ライン２１には、例えばコンプレッサ等の熱媒体供給源（図示略）から液状の熱媒体が供給され、上記主排出ライン３１は、気相、液相の混相状態の熱媒体を上記熱媒体供給源（図示略）へ戻すように構成されている。

上記熱交換装置１４～１６の上方には、これらに熱媒体を供給する主供給ライン２２と、これらから排出された熱媒体を受け入れる主排出ライン３２とが設けられている。
上記主供給ライン２２には、例えばコンプレッサ等の熱媒体供給源（図示略）から液状の熱媒体が供給され、上記主排出ライン３２は、気相、液相の混相状態の熱媒体を上記熱媒体供給源（図示略）へ戻すように構成されている。各主供給ライン２１、２２へは、共通の熱媒体供給源（図示略）から熱媒体を供給しても、個別の熱媒体供給源（図示略）から熱媒体を供給しても、いずれであってもよい。

図４Ａ、４Ｂを参照して熱交換装置１１～１６を詳細に説明する。なお熱交換装置１１～１６は同一構成であるので、これらを代表して熱交換装置１１、およびこれに接続された主供給ライン２１、主排出ライン３１について説明する。
熱交換装置１１は、上方に設けられた上記主供給ライン２１から熱媒体Ｌが供給される供給パイプ１を有する。この供給パイプ１は、図４Ａに示すように、分配ヘッダーパイプ５の一端へ熱媒体Ｌを供給する。
分配ヘッダーパイプ５は、ラック１０の配列方向に向けて（図４Ａの左右方向が図３の奥行き方向に対応する）配置されるもので、その長さ方向に沿って配置された複数の分岐管２ａの下部に各々熱媒体Ｌを分配する。上記複数の分岐管２ａは、全体として熱交換パイプ２を構成する。上記分岐管２ａの表面に図３に矢印ｈで示すラック１０から排出された暖気が接触すると、熱交換パイプ２はその熱を吸収し、図３の矢印ｃで示すような冷気としてサーバー室へ供給する。ここで、上述した暖気は、ラック１０の内部で電子機器等の発熱体からの熱を受けて排出された空気である被冷却ガスである。なおこれら冷気、暖気は、対流による自然換気により、あるいは、送風機による人工的な換気により循環する。

上記複数の分岐管２ａは、実際には、互いに間隔をおいて平行に配置され、その表面には、凹凸を設けること、あるいは、フィンを設けることによって被冷却ガスとの接触面積を大きくした構成となっている。
上記複数の分岐管２ａの上部には集合パイプ６が設けられ、この集合パイプ６の一端には、下方へ向かう連結パイプ４が接続されている。この連結パイプ４は、図４Ｂに示すように、排出パイプ３に接続され、さらに、上記排出パイプ３は、主排出ライン３１に接続されている。

上記構成の熱交換装置にあっては、供給パイプ１から供給された液相の熱媒体Ｌが分配ヘッダーパイプ５から分岐管２ａに流れ込む。ここで、熱媒体Ｌは、上記（２）式に基づく所定量Ｑのうち余剰流量ｑ2だけ余分に流れるため、分配ヘッダーパイプ５内の圧力が低い場合であっても、各分岐管２ａに均一に送り込むことができる。なお熱媒体の流量Ｑは、例えば熱媒体供給源（図示略）の出力調整によって、あるいは主供給ライン２１、供給パイプ１等に設けた弁（図示略）の開度により所定量に制御される。
上記分岐管２ａは、図３に矢印ｃで示す室内空気の気流と交差する平面内に並べて複数本配置されている。これらの分岐管２ａ内では、熱媒体Ｌが、分岐管２ａの外表面を流れる暖気（被冷却ガス）により沸点以上に加熱され、気相となって、液相状態の熱媒体の一部を液滴として伴いながら上昇する。そして熱媒体は、集合パイプ６に集まり、連結パイプ４を経由して、矢印ｇで示す気相の流れと、矢印ｌで示す液相の流れとによって排出パイプ３に流入し、さらに、主排出ライン３１を経由して熱媒体供給源（図示略）へ戻る。なお、分岐管２ａを上昇する液相状態の熱媒体Ｌの一部は、重力によって分岐管２ａ内で落下し、分岐管２ａの下部に溜まった熱媒体Ｌに戻る。また排出パイプ３内の気相の熱媒体は、圧力差によって主排出ライン３１へ流入し、液相の熱媒体Ｌは、排出パイプ３が液封される程度の所定のレベルまで貯留される毎に、熱交換パイプ２から加わる圧力により生じる圧力差によって主排出ライン３１へ押し出される。

このように、吸収すべき熱量より多くの熱媒体Ｌが流通することにより、熱媒体Lをさほど高い圧力にすることなく、複数の分岐管２ａへ均一に分配することができる。また、分岐管２ａから排出された気相、液相混合状態の熱媒体Ｌを連結パイプ４において気液分離して排出パイプ３へ送り込むことができる。
したがって、供給パイプ１、熱交換パイプ２、排出パイプ３、あるいはこれらに付属する弁や、継手部分に設けられるパッキン等として、比較的安価な低圧仕様の製品を使用することができ、設備費用を低減することができる。また、熱媒体Lが低圧であるため、サーバーの増設等に伴う冷却能力増強の要請に対応して、容易に冷却設備を増設することができる。

図５は第２実施形態にかかる熱交換装置を示す。
この第２実施形態にあっては、主供給ライン２１から各熱交換装置１１～１３に向かう分岐にそれぞれ弁４１～４３が設けられている。
これらの弁４１～４３の開度を調整することにより、各熱交換装置１１～１３へ供給する熱媒体Ｌの流量を制御することができる。すなわち、各熱交換装置１１～１３に求められる吸熱量（これらに対応するラック１０の発熱量）に対応して、弁４１～４３の開度を調整することにより、上記式（２）に基づく必要流量Ｑを送り込むことができる。
なお、各熱交換装置４４～４６へそれぞれ熱媒体Ｌを供給する管路にも、同様に弁４４～４６が設けられている。

図６は、第３実施形態にかかる熱交換装置を示す。
この第３実施形態にあっては、主供給ライン２１、主排出ライン３１がともに熱交換装置１１～１３の下側に配置されている。
このように、主供給ライン２１と主排出ライン３１とを熱交換装置１１～１３の下に配置することにより、ラック１０の列と列との間の通路から容易に主供給ライン２１、熱媒体排出ラインに３１の保守点検を行うことができる。また主排出ライン３１を熱交換装置１１～１３の下に配置することにより、排出パイプ３内に溜まった液相の熱媒体Ｌを重力により容易に排出することができる。

図７、８は、第４実施形態にかかる熱交換装置を示すものである。
この第４実施形態にあっては、熱交換装置１１～１３を貫通して主供給ライン２１と主排出ライン３１とを設けた構成となっている。
詳細には、上記主供給ライン２１の途中にフランジ２３、２４による接続部を設けるとともに、同様に、上記主排出ライン３１の途中にフランジ３３、３４による接続部を設けた。すなわち、主供給ライン２１、主排出ライン３１は、いずれも熱交換装置１２と１３との間、および熱交換装置１１と１２との間において連結して設けられ、熱交換装置１１、１２、１３に対応する長さ毎に分割可能な構成となっている。

より具体的には、熱交換装置１１～１６において、図８に示す主供給ライン２１の所定区間の両端にフランジ２３、２４を設け，主排出ライン３１の所定区間の両端にフランジ３３、３４を設ける。そして、これらのフランジ２３、２４、あるいは３３、３４によって熱交換装置１１と１２、および１２と１３とを相互に連結する構成とした。
このような構成により、熱交換装置１１～１６を単独で主供給ライン２１、２２、および主排出ライン３１、３２から分離可能となる。そのため、熱交換装置１１～１６毎に保守点検を行うことや、サーバー（ラック１０）の削減、増設に対応して、容易に熱交換装置１１～１６を削減、増設することができる。
上記実施形態では、主供給ラインから各供給パイプへ分岐させ、各排出パイプから主排出ラインへ合流させる構成としたが、別途主供給ライン２１、主排出ライン３１を設けない構成としても良い。すなわち、熱交換装置１１～１３の供給パイプ１をフランジにより直列に連結して一連の主供給ライン２１とし、また、熱交換装置１１～１３の排出パイプ３をフランジにより直列に連結して一連の主排出ライン３１としても良い。

上記実施形態では、熱交換装置をラックに対して一対一の関係で設けたが、一の熱交換装置によって複数のラックを冷却し、あるいは、複数の熱交換装置によって一つのラックを冷却する構成としても良い。
なお熱交換装置の熱交換パイプに供給すべき熱媒体の流量の調整は、弁の他、熱媒体供給源としてのコンプレッサの出力制御、配管中への絞りの挿入等によっても行うことができる。

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、２０１８年３月２９日に出願された日本出願特願２０１８－０６４２８８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。

本発明は、内部に発熱体を収容したラックが設置された室内の冷却等に使用される熱交換装置、熱交換方法、空調システムといった用途に利用することができる。

１ 供給パイプ
２ 熱交換パイプ
２ａ 分岐管
３ 排出パイプ
４ 連結パイプ
５ 分配ヘッダーパイプ
６ 集合パイプ
１０ ラック
１１～１６ 熱交換装置
２１、２２ 主供給ライン
２３、２４ フランジ
３１、３２ 主排出ライン
３３、３４ フランジ
４１～４６ 弁
Ｌ 熱媒体

Claims (7)

1. 被冷却ガスからの吸熱により蒸発する熱媒体を収容して傾斜状態に配置された熱交換パイプと、
   前記熱交換パイプの下部近傍に設けられて、前記熱媒体を液相状態で供給する供給パイプと、
   前記熱交換パイプ内で蒸発して上部から排出された熱媒体を受け入れる排出パイプと、
   を有し、
   前記熱交換パイプの上部と、前記排出パイプとの間に下方へ向かう連結パイプを設け、
   前記熱媒体の流量は、所定の熱量を吸収するために必要な流量に、前記熱媒体が流れる配管系の圧力に応じた余剰流量を加えた所定流量であり、
   前記余剰流量は、前記熱媒体が流れる前記配管系の圧力が小さいほど大きく設定される
   熱交換装置。
2. 前記所定流量の熱媒体を供給するように前記供給パイプの前記熱媒体の流量を調整する流量調整部を設けた請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記熱交換パイプは傾斜状態に設けられて、下方から前記熱媒体が供給されるとともに、前記連結パイプへ向けて上方から前記熱媒体が排出される請求項１または２のいずれか一項に記載の熱交換装置。
4. 前記供給パイプへ前記熱媒体を供給する主供給ラインと、前記排出パイプから排出された前記熱媒体を受け入れる主排出ラインとを前記供給パイプおよび前記排出パイプより下方位置に設けた請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換装置。
5. 液相状態の熱媒体を供給する工程と、
   供給された液相状態の前記熱媒体を複数の熱交換部に分配する工程と、
   分配された液相状態の前記熱媒体を発熱源からの熱により気相状態に変化させ、熱を吸収した気相状態の前記熱媒体を液相状態の前記熱媒体とともに排出する工程とを有し、
   前記熱媒体の流量は、所定の熱量を吸収するために必要な流量に、前記熱媒体が流れる配管系の圧力に応じた余剰流量を加えた所定流量であり、
   前記余剰流量は、前記熱媒体が流れる前記配管系の圧力が小さいほど大きく設定される
   熱交換方法。
6. 請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換装置を複数設け、前記熱交換装置の前記供給パイプへ前記熱媒体を供給する主供給ラインと、前記熱交換装置の前記排出パイプから前記熱媒体を受け入れる主排出ラインとを有し、前記熱交換パイプを気流と交差する方向へ向けて配置した空調システム。
7. 前記主供給ラインおよび前記主排出ラインの途中に、前記主供給ライン、前記主排出ラインを所定長さ毎に分割可能に接続するフランジを設けた請求項６に記載の空調システム。

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