JPWO2014132592A1 - 電子機器冷却システム及び電子機器冷却システムの製造方法 - Google Patents

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Abstract

［課題］優れた冷却特性及び可搬性を有する電子機器冷却システムを提供すること。［解決手段］ラック２は、コンテナ１の内部に設置される。受熱器３は、ラック２の側面に設けられ、液相冷媒が気化して気相冷媒となることによりラック２の内部で発生する熱を受ける。気相管６は、鉛直方向に延在して設けられ、受熱器３からの気相冷媒を輸送する。放熱器４は、コンテナ１の外部のラック２の上方に設けられ、気相管６から流れ込む気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより、受熱器３が受けた熱を放熱する。液相管７は、放熱器４からの液相冷媒を受熱器３に輸送する。気相管６は、気相管６がコンテナ１の外部の雰囲気に暴露して気相冷媒が凝集することで生じる冷媒液滴を捕集する気相管屈曲部６ｃ有する。

Description

本発明は、電子機器冷却システム及び電子機器冷却システムの製造方法に関する。
近年、情報社会の進展に伴い、情報量の大幅な増加が見込まれている。増加情報のため、情報を処理するサーバなどの電子機器を、多数設置することが必要となっている。しかし、急増する情報量に対し、設置スペースの問題や、設置するための環境、たとえば空調機や供給電源の問題で、急激に電子機器の設置数を増加させることは難しい。
そこで、多数のサーバやネットワーク機器が搭載されたラックとともに空調機等の運用環境を整える機器を組み込んだモジュラー型データセンタが提案されている。モジュラー型データセンタとして、例えば、コンテナをデータセンタの外壁として用いたコンテナ型データセンタが提案されている。ＩＳＯ（International Organization for Standardization）規格のコンテナをコンテナ型データセンタに適用すると、既存のコンテナ輸送設備が使用できる。そのため、データセンタ設置の迅速化の観点からは、たいへん有利である。こうしたコンテナ型データセンタは、工場で組み立てた後に容易に輸送できるので、生産能力を高めることも可能である。このように、コンテナ型データセンタでは、短時間で設置することが可能であり、情報処理能力を増強するため、今後採用の増加が見込まれている。
しかし、ＩＳＯ規格コンテナの狭い空間に多数のサーバを搭載したラック設置すると、空調機からの冷却風を各ラックに送風する十分な空間が確保し難い。そのため、サーバの排気を吸気してしまうショートリターンが起こり、各サーバが十分に冷却できない。また、ショートリターン対策のために冷却電力が増加する問題も生じる。そのため、サーバやネットワーク機器の排熱を効率よく冷却する技術が求められている。
サーバの排熱を吸熱する技術として、ラックのリアドアに設けられた熱交換器内に水を流し、サーバから排出された熱を吸熱し、冷却電力を削減する方法が考えられている（特許文献１）。また、リアドアに熱交換器を設け、サーバの排熱をリアドア内の冷媒で受けることで冷媒を沸騰させ、沸騰で発生した蒸気を外部の熱交換器まで輸送し、排熱を除去する構造が提案されている（特許文献２）。更に、サーバのＣＰＵの熱をラック上部の熱交換器に輸送し、大きな放熱器を使用することで冷却電力の削減を行う構造が提案されている（特許文献３）。他にも、冷媒を自然循環させ、大気中に熱を放出することで耐圧防爆容器中に電気装置を冷却する冷却装置が提案されている（特許文献４）。
特開２０１０−７２９９３号公報 特開２０１２−１１８７８１号公報 特開２０１２−１７７９５９号公報 特開２００３−２８５４９号公報
しかし、発明者は、上述の技術には、以下に示す問題点があることを見出した。特許文献１で開示された技術は、液体を循環させることで熱を吸熱するため、大きな循環用のポンプが必要となる。また、輸送された熱を冷却するチラーなども必要であり、大掛かりな装置が必要となる。設置スペースが制限され、かつ、輸送の便を考慮すると、コンテナ型データセンタとしては不利である。
特許文献２に開示された技術は、沸騰する冷媒を使用し、熱を受けた冷媒が沸騰して生じた蒸気が自然循環することで、ポンプを使用することなく熱を輸送することになる。しかし、この場合もチラー等から供給される冷水が必要であるので、設備が大型化してしまう。よって、この技術をコンテナ型データセンタに適用した場合、輸送が困難となる。
特許文献３に開示された技術は、ラックの各ブレードサーバＣＰＵ（Central Processing Unit）などに熱交換器を設け、ラック上の大きな熱交換器を利用して冷却することで、冷却電力を削減することができる。しかし、ＣＰＵ上に熱交換器を設けているため、簡単にブレードサーバを交換することができない。また、コンテナ型データセンタにおいて、コンテナ外に熱交換器を設けると、ＣＰＵ等の熱により気化した冷媒が通る配管が外気に触れる。そのため、冷媒の凝縮が起こりやすく、凝縮した液相が配管内を降下することで、気体した冷媒の流れを阻害し、冷却性能が低下してしまう。この、凝縮した液相が配管内を降下することで、気体した冷媒の流れを阻害し、冷却性能が低下してしまうという問題は、特許文献４でも同様である。
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、優れた冷却特性及び可搬性を有する電子機器冷却システムを提供することである。
本発明の一形態である電子機器冷却システムは、内部に物品を収納可能な空間を有する可搬性容器と、可搬性容器の内部に設置された電子機器が搭載された収納容器と、収納容器の側面に設けられ、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器と、鉛直方向に延在して設けられ、受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段と、可搬性容器の外部の収納容器の上方に設けられ、気相冷媒輸送手段から流れ込む気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより、受熱器が受けた熱を放熱する放熱器と、放熱器からの液相冷媒を受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段と、を備え、気相冷媒輸送手段は、気相冷媒輸送手段が可搬性容器の外部の雰囲気に暴露して気相冷媒が凝縮することで生じる冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を備えるものである。
本発明の一形態である電子機器冷却システムの製造方法は、電子機器が搭載された収納容器を、内部に物品を収納可能な空間を有する可搬性容器の内部に設置し、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器は、収納容器の側面に設置し、受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段を、鉛直方向に延在して設け、気相冷媒輸送手段から流れ込む気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより受熱器が受けた熱を放熱する放熱器を、可搬性容器の外部の収納容器の上方に設け、放熱器からの液相冷媒を放熱器から受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段を設け、気相冷媒輸送手段が可搬性容器の外部の雰囲気に暴露して気相冷媒が凝縮することで生じる冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を、気相冷媒輸送手段に設けるものである。
本発明によれば、優れた冷却特性及び可搬性を有する電子機器冷却システムを提供することができる。
実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の構造を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の構造を模式的に示す横面図である。 実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の要部正面図である。 気相管屈曲部６ｃの内部の冷媒の態様を示す透視図である。 実施の形態２にかかる電子機器冷却システム２００の要部正面図である。 放熱器４を収納した場合の電子機器冷却システム２００の構造を模式的に示す横面図である。 実施の形態３にかかる電子機器冷却システム３００の構造を模式的に示す横面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
実施の形態１
まず、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００について説明する。以下では、電子機器冷却システムは、例えばコンテナ型データセンタに適用されるものとして構成されるが、適用対象はコンテナ型データセンタには限られない。また、コンテナ型データセンタのコンテナサイズとして、ＩＳＯ規格の２０フィート×８フィート×８フィート６インチのコンテナ、もしくはその半分の容積の１０フィート×８フィート×８フィート６インチのコンテナを想定している。しかし、コンテナの大きさはこれに限定されるものではない。更に、以下ではコンテナを用いる場合について説明するが、コンテナに限らず、内部に物品が収納可能な可搬性を有する各種の容器を適用することができる。
図１は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の構造を模式的に示す斜視図である。図１では、コンテナ１内部の説明のため、図１の正面側の壁面を除いている。また、図２は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の構造を模式的に示す横面図である。図２では、コンテナ１内部の説明のため、コンテナ１の側面側の壁面を除いている。電子機器冷却システム１００は、コンテナ１及びラック２を有する。
電子機器の収納容器であるラック２には、サーバやネットワーク機器が搭載され、コンテナ１の内部の概略中央に設置される。図１では、一例として、ラック２が４台並んで配置されている例を示している。ラック２の一方の面側からは、コンテナ１内のサーバやネットワーク機器の冷却用空気１０ａを吸気する。コンテナ１とラック２とに挟まれた吸気側の空間を吸気側空間２ａと称する。ラック２の他方の吸気側と対向する面側からは、コンテナ１内のサーバやネットワーク機器を冷却した暖気１０ｂがコンテナ１外へ排気される。コンテナ１とラック２とに挟まれた排気側の空間を排気側空間２ｂと称する。
ラック２の排気側空間２ｂ側の面には、リアドア（不図示）が設けられる。リアドアには、熱交換器である受熱器３が設けられる。受熱器３は、熱伝導性が優れたアルミニウムや銅で構成されていることが望ましいが、材質はこれに限らない。コンテナ１外のコンテナ１上部には、熱交換器である放熱器４が設けられている。放熱器４は、受熱器３と同様に熱伝導率が優れたアルミニウムや銅で構成されることが望ましいが、材質はそれに限らない。受熱器３と放熱器４とは、気相管６及び液相管７で接続されている。
続いて、受熱器３及び放熱器４の構造を詳細に説明する。図３は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の要部正面図である。図３では、コンテナ１内部の説明のため、コンテナ１の正面側の壁面を除いている。受熱器３は、複数の受熱ユニット３０を有する。複数の受熱ユニット３０は、リアドアの面上に、鉛直方向に並んで配置されている。
受熱ユニット３０は、ヘッダ３ａ、ヘッダ３ｂ及びチューブ３ｃにより構成される。ヘッダ３ａ及びヘッダ３ｂは１対設けられる。ヘッダ３ａは、水平方向に延在する部材である。ヘッダ３ｂは、水平方向に延在する部材であり、ヘッダ３ａの鉛直方向下方に設けられる。チューブ３ｃは、冷媒が通るチューブであり、ヘッダ３ａとヘッダ３ｂとの間を接続するように複数設けられる。なお、複数のチューブ３ｃ内の冷媒を冷却するため、チューブ３ｃに、薄板状の部材で構成される放熱フィン（不図示）を設置してもよい。
ヘッダ３ａの一端は鉛直方向に延在する気相管６と接続される。気相管６は、気相冷媒が通る配管であり、後述する放熱器４に気相冷媒を送る。つまり、気相管６は、気相冷媒を輸送する機能を有する。ヘッダ３ａ内には、気相冷媒が通る管路が設けられる。気相冷媒は、チューブ３ｃからヘッダ３ａに設けられた管路を通じて、気相管６に流れ込む。
ヘッダ３ｂの一端は鉛直方向に延在する液相管７と接続される。液相管７は、液相冷媒が通る配管であり、後述する放熱器４から液相冷媒が流れ込む。ヘッダ３ｂ内には、液相冷媒が通る管路が設けられる。液相冷媒は、液相管７からヘッダ３ｂに設けられた管路を通じて、チューブ３ｃに流れ込む。
すなわち、受熱器３は、ヘッダ３ｂからチューブ３ｃを経由してヘッダ３ａに至る経路で冷媒が流れる間に、チューブ３ｃに流れ込んだ液相冷媒が気化することでラック２を冷却する熱交換器として構成されている。受熱器３は、各受熱ユニット３０により均等に受熱を行い、内部の冷媒によりサーバやネットワーク機器の排熱を吸熱する。これにより、ラック２全体としての冷却性能を向上させることができる。
放熱器４は、ヘッダ４ａ、ヘッダ４ｂ及びチューブ４ｃにより構成される。ヘッダ４ａ及びヘッダ４ｂは１対設けられる。ヘッダ４ａは、水平方向に延在する部材である。ヘッダ４ｂは、水平方向に延在する部材であり、ヘッダ４ａの鉛直方向下方に設けられる。チューブ４ｃは、冷媒が通るチューブであり、ヘッダ４ａとヘッダ４ｂとの間を接続するように複数設けられる。なお、複数のチューブ４ｃ内の冷媒を冷却するため、チューブ４ｃに、薄板状の部材で構成される放熱フィン（不図示）を設置してもよい。
ヘッダ４ａの一端は鉛直方向に延在する気相管６と接続される。気相管６には、受熱器３から気相冷媒が流れ込む。ヘッダ４ａ内には、気相冷媒が通る管路が設けられる。液相冷媒は、気相管６からヘッダ４ａに設けられた管路を通じて、チューブ４ｃに流れ込む。
ヘッダ４ｂの一端は鉛直方向に延在する液相管７と接続される。液相管７は、受熱器３へ液相冷媒を送る。つまり、液相管７は、液相冷媒を輸送する機能を有する。ヘッダ４ｂ内には、液相冷媒が通る管路が設けられる。気相冷媒は、チューブ４ｃからヘッダ４ｂに設けられた管路を通じて、液相管７に流れ込む。すなわち、放熱器４は、気相冷媒がヘッダ４ａからチューブ４ｃを経由してヘッダ４ｂに至る経路で流れる間に冷却されてチューブ４ｃ内で液化する、熱交換器として構成されている。
受熱器３、放熱器４、気相管６及び液相管７は、密閉された管路内を、例えば絶縁性の冷媒が流れるように構成される。冷媒としては、例えばＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon：ハイドロフルオロカーボン）やＨＦＥ（Hydro Fluoro Ether：ハイドロフルオロエーテル）を用いているが、冷媒はこれに限定されない。密閉された管路へ冷媒を注入し、真空排気などにより減圧した後、管路は封止される。
また、コンテナ１外のコンテナ１上部には、放熱器４に冷却風を送る冷却器５などが設けられている。冷却器５は、例えばファンなどの送風機を用いることができる。なお、図１では、図面の簡略化のため、冷却器５を省略している。
なお、上述の気相管６及び液相管７は、外部への冷媒の漏れを最小限にするため、金属管であることが望ましいが、これに限らない。また、気相管６は、液相冷媒より数百倍の体積を有する気相冷媒を流すため、液相管７より大きな径を有する配管を用いることが望ましい。
気相管６は、上述の通り、コンテナ１内部の受熱器３とコンテナ１外部の放熱器４とを連結している。ここで、コンテナ１内部の受熱器３と連結される鉛直方向に延在する気相管を、気相管６ａ（第２の管とも称する）とする。コンテナ１外部の放熱器４と連結される鉛直方向に延在する気相管を、気相管６ｂ（第１の管とも称する）とする。また、気相管６ａと気相管６ｂとの間には、気相管屈曲部６ｃが設けられる。気相管屈曲部６ｃは、鉛直方向に延在する気相管６ａ及び気相管６ｂに対し、水平方向に屈曲した管路を有する。この例では、気相管屈曲部６ｃは、コンテナ１の外部に設けられる。
液相管７は、上述の通り、コンテナ１内部の受熱器３とコンテナ１外部の放熱器４とを連結している。ここで、コンテナ１内部の受熱器３と連結される鉛直方向に延在する液相管を、液相管７ａ（第４の管とも称する）とする。液相管７ａとヘッダ４ｂとの間には、液相管屈曲部７ｃが設けられる。液相管屈曲部７ｃは、鉛直方向に延在する液相管７ａに対し、水平方向に屈曲した管路を有する。この例では、液相管屈曲部７ｃは、コンテナ１の外部に設けられる。
続いて、電子機器冷却システム１００の冷却動作について説明する。コンテナ１内のラック２に収められたサーバやネットワーク機器は、吸気側空間２ａから冷気を吸い込み、内部のＣＰＵなどの電子部品を冷却する。冷却後の暖気は、リアドアに設けられた受熱器３を通過して、排気側空間２ｂに排出される。その際、受熱器３では、暖気が通過する際にチューブ３ｃ内の液相冷媒が迅速に気化し、暖気が有する熱が受熱器３により除去される。受熱器３により冷却された空気は、コンテナ１の内部を循環し、吸気側空間２ａに供給される。つまり、リアドアに受熱器３を設けることで、サーバやネットワーク機器の熱がコンテナ１内に拡散することなく除去されることが理解できる。
受熱器３のチューブ３ｃで気化した冷媒（気相冷媒）は、気相管６を通じて放熱器４に流入する。放熱器４に流入した気相冷媒は、放熱器４のチューブ４ｃを通る。チューブ４ｃは、コンテナ１の外部の冷気に暴露しているため、チューブ４ｃ内の気相冷媒は冷却され、液化する（液相冷媒）。液相冷媒は、気相冷媒より密度が大きいため、重力により液相管７内を降下し、受熱器３に還流される。還流した液相冷媒は、再びサーバやネットワーク機器の排熱を除去して気化することで、放熱器４への熱の輸送に使用される。サーバやネットワーク機器で発生した熱は、コンテナ１内に拡散することなく受熱器３で除去され、コンテナ１内より冷たい外気のあるコンテナ１外で放熱されるので、高い放熱効率を実現できる。
また、冷媒は、気体と液体の密度差を利用して受熱器３と放熱器４との間を自然循環する。そのため、ポンプなどの動力は不要であり、電子機器冷却システム１００の省スペース化につながり、輸送・設置の観点から有利である。更に、冷媒循環のために消費される電力が不要であるので、ラック２の冷却に必要な電力を削減することができる。
本構成では、放熱器４がコンテナ１外の外気中に暴露されるため、放熱器４に連結された気相管６ｂも外気に暴露される。外気温は気相管６ｂの温度よりも低いので、気相管６ｂ内では、気相冷媒の凝縮が起こりやすく、冷媒の液滴が生じやすい。気相管６ｂで生じた冷媒の液滴は密度が気相冷媒より大きいので、液滴は重力に引かれて気相管６ｂ内を降下する。つまり、液滴は、気相冷媒の流れに逆行して降下するため、気相冷媒の流れを阻害し、冷却性能が低下する事態が生じうる。
ところが、本構成では、コンテナ１外の気相管６ａと気相管６とを連結する部分に、気相管屈曲部６ｃが設けられている。図４は、気相管屈曲部６ｃの内部の冷媒の態様を示す透視図である。気相管６ｂを降下した冷媒液滴１１は、管路６１（第３の管とも称する）の下部内壁により受け止められ、液相冷媒１２として付着する。管路６１の下部内壁に付着した液相冷媒１２は、気相管屈曲部６ｃの水平方向に延在する管路６１の下部内壁を伝って、気相管６ａに流れ込む。
気相管６ａに流れ込んだ気相冷媒は、気相管６ａの内壁を伝って、下方に降下してゆく。気相管６ａは、外気よりも温度が高いコンテナ１内に配置されているので、気相管６ｂに比べて、冷媒液滴は生じにくい。以上より、気相管６ａでは、液相冷媒は内壁を伝って降下するのみであり、気相冷媒の流れ（図４の符号１３）が冷媒液滴により阻害されない。これにより、外気に暴露した気相管で生じた冷媒液滴で気相冷媒の流れが阻害されることによる冷却性能の低下を防止することができる。換言すれば、気相管屈曲部６ｃはコンテナ１外の外気に暴露する気相管６ｂ内部で生じる冷媒液滴を捕集する機能を有するものとして理解できる。
気相管屈曲部６ｃは、受熱器３と放熱器４との間に有ればよいが、コンテナ１とコンテナ１外の外気との境界付近に置くことが望ましい。一般に、外気に触れる気相管６内は冷媒が凝縮しやすく、コンテナ１内の外気より暖かい空気に触れる気相管６内は冷媒が凝縮しにくい。そのため、凝縮した液相冷媒がコンテナ１内の気相管６に降下する直前に気相管６壁面に付着させた方が、冷媒の凝縮が起こりにくい。これにより、コンテナ１内の気相管６内を上昇する気相冷媒の流れを妨げることを防止でき、冷却性能の維持に効果的である。
実施の形態２
次に、実施の形態２にかかる電子機器冷却システム２００について説明する。電子機器冷却システム２００は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の変形例である。図５は、実施の形態２にかかる電子機器冷却システム２００の要部正面図である。電子機器冷却システム２００は、電子機器冷却システム１００に可動連結部６ｄ及び可動連結部７ｄを追加した構成を有する。
可動連結部６ｄは、気相管屈曲部６ｃの水平方向に延在する管路６１に挿入されている。可動連結部６ｄは、気相管屈曲部６ｃの水平方向の管路６１の延在方向を軸方向として、回転可能に構成される。なお、可動連結部６ｄはＯリング等を利用して密閉しながら回転できる機構を持った継手や、ベローズなどの柔軟性のある配管を利用することができるが、これには限られない。
可動連結部７ｄは、液相管屈曲部７ｃの水平方向に延在する管路７１（第５の管とも称する）に挿入されている。可動連結部７ｄは、液相管屈曲部７ｃの水平方向の管路７１の延在方向を軸方向とし、かつ、可動連結部６ｄの回転軸と同軸で、回転可能に構成される。なお、可動連結部７ｄはＯリング等を利用して密閉しながら回転できる機構を持った継手や、ベローズなどの柔軟性のある配管を利用することができるが、これには限られない。
また、気相管屈曲部６ｃに設けられた可動連結部６ｄと、液相管屈曲部７ｃに設けられた可動連結部７ｄとは、同軸で回転可能に構成されている。これにより、放熱器４を、コンテナ１の上面に平行な状態に寝かせることで、折りたたんで収納することができる。図６は、放熱器４を収納した場合の電子機器冷却システム２００の構造を模式的に示す横面図である。放熱器４を寝かせて収納することができるので、通常のコンテナと同等の可搬性を確保することができる。なお、図６において、冷却器５を設ける場合には、放熱器４と同様に収納可能に設ければよい。
本構成と比較して、例えば特許文献４では、冷媒を冷却する凝縮器が防爆容器外に露出して設けられる。そのため、特許文献４に記載の技術をコンテナ型データセンタに適用すると、コンテナ外に凝縮器が設置されることとなる。よって、凝縮器は、複数のコンテナを近接して保管する、又はコンテナを輸送する際に障害物となり得る。そのため、コンテナ型データセンタの利点である可搬性を損なってしまう。これに対し、本構成では、放熱器４を折りたたんで収納可能であるので、特許文献４に記載の技術が有する上述の問題点を解決することができる。
冷却性能を考慮した場合、ヘッダ４ａの中心とヘッダ４ｂの中心とがの鉛直方向に並ぶように、コンテナ１の上面に対して放熱器４を直立させることが望ましい。しかし、冬場などの外気温が大幅に低いなどの場合には、可動連結部６ｄ及び７ｄを利用して放熱器４をコンテナ１の上面に対して傾け、冷却能力を調整することも可能である。
なお、上述のように、放熱器４を折りたたんで収納するには、コンテナ１の上面に平行な回転軸にて放熱器４を回転運動させる必要がある。そのためには、コンテナ１の上面に平行な方向を軸とする回転機構が必要である。ところが、本構成では、コンテナ１の上面に平行な方向（水平方向）を軸とする管路を有する気相管屈曲部６ｃ及び液相管屈曲部７ｃが、コンテナ１の上面に設けられている。そして、この水平方向の管路に、可動連結部６ｄ及び液相管屈曲部７ｃが設けられている。よって、本構成では、気相管屈曲部と回転機構とを別々に設ける場合と比べて、屈曲する箇所及び部品点数の削減、製造性の向上が実現でき、コストを低減することができる。
実施の形態３
次に、実施の形態３にかかる電子機器冷却システム３００について説明する。電子機器冷却システム３００は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム２００の変形例である。図７は、実施の形態３にかかる電子機器冷却システム３００の構造を模式的に示す横面図である。電子機器冷却システム３００は、電子機器冷却システム２００のコンテナ１の壁面に、吸気口８及び排気口９を追加した構成を有する。吸気口８及び排気口９としては、例えば開閉可能なルーバなどを用いることができる。
吸気口８は、コンテナ１の吸気側空間２ａ側の壁面に設けられる。コンテナ１の外気は、吸気口８を通ってコンテナ１内に導入される。排気口９は、コンテナ１の排気側空間２ｂ側の壁面に設けられる。コンテナ１内の空気は、排気口９を通ってコンテナ１外に排気される。
なお、吸気口８は、コンテナ１の吸気側空間２ａ側の壁面の下方に設けられることが望ましい。排気口９は、コンテナ１の排気側空間２ｂ側の壁面の上方に設けられることが望ましい。また、吸気口８には、コンテナ１の外部からのごみ等の侵入を防止するエアフィルタを設けてもよい。排気口９には、暖気を好む虫等の侵入を防ぐ防虫フィルタを設けてもよい。吸気口８及び排気口９にフィルタを設ける場合には、フィルタにより圧力損失が大きくなるため、吸気口８に吸気用ファンを設けてもよい。
吸気口８及び排気口９としてルーバを用いる場合には、電動式モータなどを利用して遠隔操作により自由に開閉することもできる。例えば、降雨の際にルーバを閉めることで、雨水が電子機器冷却システム３００内部に流入することを防止することができる。
続いて、吸気口８及び排気口９の機能について説明する。実施の形態１で説明したように、コンテナ１内のラック２に収められたサーバやネットワーク機器は、吸気側空間２ａから冷気を吸い込み、内部のＣＰＵなどの電子部品を冷却する。冷却後の暖気は、リアドアに設けられた受熱器３を通過して、排気側空間２ｂに排出される。その際、受熱器３では、暖気が通過する際にチューブ３ｃ内の液相冷媒が迅速に気化し、暖気が有する熱が受熱器３により除去される。受熱器３により冷却された空気は、コンテナ１の内部を循環し、吸気側空間２ａに供給される。つまり、リアドアに受熱器３を設けることで、サーバやネットワーク機器の熱がコンテナ１内に拡散することなく除去される。
しかし、リアドアから排出される暖気の熱を受熱器３で除去しきることは難しく、吸気側空間２ａに比べて高温の暖気が排気側空間２ｂに排出されてしまう。受熱器３で熱を除去しきれなかった暖気は、密度差により上昇し、排気口９から自然に排出される。排気口９から暖気が排出された分だけ、コンテナ１内よりも低温の外気が吸気口８から吸入される。これにより、コンテナ１の内部で吸気口８及び排気口９を用いた自然循環による空気の流れを確保することができる。これにより、ラック２の内部だけでなく、コンテナ１内部を冷却することが可能となり、より冷却性能を高めることが可能となる。
また、コンテナ１の外壁は、一般に建物の外壁よりも薄い金属板等で製作されており、建物の外壁よりも容易に吸気口８及び排気口９を設けることができる。更に、吸気口８及び排気口９はコンテナ外壁に設けることができるので、専用の設置スペースを別途用意する必要もなく、電子機器冷却システムの優れた可搬性を維持することが可能である。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、吸気口８及び排気口９を、電子機器冷却システム１００に追加することも可能である。
上述の実施の形態では、気相管６に気相管屈曲部６ｃが１つ設けられる場合について説明したが、これは例示に過ぎない。よって、気相管６に、複数の気相管屈曲部６ｃを設けてもよい。液相管７に液相管屈曲部７ｃが１つ設けられる場合について説明したが、これは例示に過ぎない。よって、液相管７に、複数の液相管屈曲部７ｃを設けてもよい。
上述の実施の形態では、コンテナ１内にラック２が４つ設置される場合について説明したが、これは例示に過ぎない。コンテナ１内には、コンテナの容積の範囲内で任意の個数のラック２を設置してもよい。
また、上述の電子機器冷却システムは、データセンタのみならず、電子機器が搭載される他のシステムの冷却に適用できる。
この出願は、２０１３年２月２６日に出願された日本国出願特願２０１３−０３５４５５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。
上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）内部に物品を収納可能な空間を有する可搬性容器と、前記可搬性容器の内部に設置された電子機器が搭載された収納容器と、前記収納容器の側面に設けられ、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより前記収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器と、鉛直方向に延在して設けられ、前記受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段と、前記可搬性容器の外部の前記収納容器の上方に設けられ、前記気相冷媒輸送手段から流れ込む前記気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより、前記受熱器が受けた熱を放熱する放熱器と、前記放熱器からの前記液相冷媒を前記受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段と、を備え、前記気相冷媒輸送手段は、前記気相冷媒輸送手段が前記可搬性容器の外部の雰囲気に暴露して気相冷媒が凝縮することで生じる冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を備える、電子機器冷却システム。
（付記２）前記気相冷媒輸送手段は、前記可搬性容器の外部で鉛直方向に延在し、前記放熱器と接続される第１の管と、前記可搬性容器の内部で鉛直方向に延在し、前記受熱器と接続される第２の管と、を更に備え、前記液滴捕集手段は、前記第１の管と前記第２の管との間に挿入される、付記１に記載の電子機器冷却システム。
（付記３）前記液滴捕集手段は、鉛直方向と直交する方向に延在して設けられ、一端が前記第１の管の下端と接続され、他端が前記第２の管と接続される第３の管を更に備え、前記第１の管を降下してくる前記冷媒液滴が、前記第３の管の下方側の内壁で受け止められる、付記２に記載の電子機器冷却システム。
（付記４）前記第３の管は、前記可搬性容器の外部に設けられる、付記３に記載の電子機器冷却システム。
（付記５）前記液相冷媒輸送手段は、前記可搬性容器の内部で鉛直方向に延在し、前記受熱器と接続される第４の管と、前記可搬性容器の外部で、一端が前記第４の管の上端と接続され、他端が前記放熱器と接続される第５の管を備え、前記第３の管と前記第５の管とは、同軸の位置に配置される、付記４に記載の電子機器冷却システム。
（付記６）前記放熱器は、前記第３の管及び前記第５の管の中心軸を回転軸として回転可能に構成される、付記５に記載の電子機器冷却システム。
（付記７）前記気相冷媒輸送手段は、前記第３の管に挿入され、前記放熱器側の前記第３の管を軸周りに回転させるように構成される第１の可動部を更に備え、前記液相冷媒輸送手段は、前記第５の管に挿入され、前記放熱器側の前記第５の管を軸周りに回転させるように構成される第２の可動部を更に備える、付記６に記載の電子機器冷却システム。
（付記８）前記可搬性容器の側面に設けられ、前記可搬性容器の外部から空気を取り入れる吸気口と、前記可搬性容器の側面に設けられ、前記可搬性容器の外部へ空気を排出する排気口と、を更に備える、付記１乃至７のいずれか一に記載の電子機器冷却システム。
（付記９）前記吸気口は、前記収納容器が吸気する側の前記可搬性容器の壁面に設けられ、前記排気口は、前記収納容器が排気する側の前記可搬性容器の壁面に設けられる、付記８に記載の電子機器冷却システム。
（付記１０）前記吸気口は、前記排気口よりも鉛直方向の下方に設けられる、付記８又は９に記載の電子機器冷却システム。
（付記１１）電子機器が搭載された収納容器を、内部に物品を収納可能な空間を有する可搬性容器の内部に設置し、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより前記収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器は、前記収納容器の側面に設置し、前記受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段を、鉛直方向に延在して設け、前記気相冷媒輸送手段から流れ込む前記気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより前記受熱器が受けた熱を放熱する放熱器を、前記可搬性容器の外部の前記収納容器の上方に設け、前記放熱器からの前記液相冷媒を前記放熱器から前記受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段を設け、前記気相冷媒輸送手段が前記可搬性容器の外部の雰囲気に暴露して気相冷媒が凝縮することで生じる冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を、前記気相冷媒輸送手段に設ける、電子機器冷却システムの製造方法。
１ コンテナ
２ ラック
２ａ 吸気側空間
２ｂ 排気側空間
３ 受熱器
３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ ヘッダ
３ｃ、４ｃ チューブ
４ 放熱器
５ 冷却器
６、６ａ、６ｂ 気相管
６ｃ 気相管屈曲部
６ｄ 可動連結部
７、７ａ 液相管
７ｃ 液相管屈曲部
７ｄ 可動連結部
８ 吸気口
９ 排気口
１１ 冷媒液滴
１２ 液相冷媒
１３ 気相冷媒の流れ
３０ 受熱ユニット
６１、７１ 管路
１００、２００、３００ 電子機器冷却システム
本発明は、電子機器冷却システム及び電子機器冷却システムの製造方法に関する。
近年、情報社会の進展に伴い、情報量の大幅な増加が見込まれている。増加情報のため、情報を処理するサーバなどの電子機器を、多数設置することが必要となっている。しかし、急増する情報量に対し、設置スペースの問題や、設置するための環境、たとえば空調機や供給電源の問題で、急激に電子機器の設置数を増加させることは難しい。
そこで、多数のサーバやネットワーク機器が搭載されたラックとともに空調機等の運用環境を整える機器を組み込んだモジュラー型データセンタが提案されている。モジュラー型データセンタとして、例えば、コンテナをデータセンタの外壁として用いたコンテナ型データセンタが提案されている。ＩＳＯ（International Organization for Standardization）規格のコンテナをコンテナ型データセンタに適用すると、既存のコンテナ輸送設備が使用できる。そのため、データセンタ設置の迅速化の観点からは、たいへん有利である。こうしたコンテナ型データセンタは、工場で組み立てた後に容易に輸送できるので、生産能力を高めることも可能である。このように、コンテナ型データセンタでは、短時間で設置することが可能であり、情報処理能力を増強するため、今後採用の増加が見込まれている。
しかし、ＩＳＯ規格コンテナの狭い空間に多数のサーバを搭載したラック設置すると、空調機からの冷却風を各ラックに送風する十分な空間が確保し難い。そのため、サーバの排気を吸気してしまうショートリターンが起こり、各サーバが十分に冷却できない。また、ショートリターン対策のために冷却電力が増加する問題も生じる。そのため、サーバやネットワーク機器の排熱を効率よく冷却する技術が求められている。
サーバの排熱を吸熱する技術として、ラックのリアドアに設けられた熱交換器内に水を流し、サーバから排出された熱を吸熱し、冷却電力を削減する方法が考えられている（特許文献１）。また、リアドアに熱交換器を設け、サーバの排熱をリアドア内の冷媒で受けることで冷媒を沸騰させ、沸騰で発生した蒸気を外部の熱交換器まで輸送し、排熱を除去する構造が提案されている（特許文献２）。更に、サーバのＣＰＵの熱をラック上部の熱交換器に輸送し、大きな放熱器を使用することで冷却電力の削減を行う構造が提案されている（特許文献３）。他にも、冷媒を自然循環させ、大気中に熱を放出することで耐圧防爆容器中に電気装置を冷却する冷却装置が提案されている（特許文献４）。
特開２０１０−７２９９３号公報 特開２０１２−１１８７８１号公報 特開２０１２−１７７９５９号公報 特開２００３−２８５４９号公報
しかし、発明者は、上述の技術には、以下に示す問題点があることを見出した。特許文献１で開示された技術は、液体を循環させることで熱を吸熱するため、大きな循環用のポンプが必要となる。また、輸送された熱を冷却するチラーなども必要であり、大掛かりな装置が必要となる。設置スペースが制限され、かつ、輸送の便を考慮すると、コンテナ型データセンタとしては不利である。
特許文献２に開示された技術は、沸騰する冷媒を使用し、熱を受けた冷媒が沸騰して生じた蒸気が自然循環することで、ポンプを使用することなく熱を輸送することになる。しかし、この場合もチラー等から供給される冷水が必要であるので、設備が大型化してしまう。よって、この技術をコンテナ型データセンタに適用した場合、輸送が困難となる。
特許文献３に開示された技術は、ラックの各ブレードサーバＣＰＵ（Central Processing Unit）などに熱交換器を設け、ラック上の大きな熱交換器を利用して冷却することで、冷却電力を削減することができる。しかし、ＣＰＵ上に熱交換器を設けているため、簡単にブレードサーバを交換することができない。また、コンテナ型データセンタにおいて、コンテナ外に熱交換器を設けると、ＣＰＵ等の熱により気化した冷媒が通る配管が外気に触れる。そのため、冷媒の凝縮が起こりやすく、凝縮した液相冷媒が配管内を降下することで、気体した冷媒の流れを阻害し、冷却性能が低下してしまう。この凝縮した液相が配管内を降下することで、気体した冷媒の流れを阻害し、冷却性能が低下してしまうという問題は、特許文献４でも同様である。
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、優れた冷却特性を有する電子機器冷却システムを提供することである。
本発明の一形態である電子機器冷却システムは、内部に物品を収納可能な空間を有する容器と、容器の内部に設置された電子機器が搭載された収納容器と、収納容器の側面に設けられ、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器と、受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段と、容器の外部の収納容器の上方に設けられ、気相冷媒輸送手段から流れ込む気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより、受熱器が受けた熱を放熱する放熱器と、放熱器からの前記液相冷媒を前記受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段と、を備え、気相冷媒輸送手段は、気相冷媒輸送手段内の冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を備えるものである。
本発明の一形態である電子機器冷却システムの製造方法は、電子機器が搭載された収納容器を、内部空間が密閉可能な容器の内部に設置し、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器は、収納容器の側面に設置し、受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段を、設け、気相冷媒輸送手段から流れ込む気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより受熱器が受けた熱を放熱する放熱器を、容器の外部の収納容器の上方に設け、放熱器からの液相冷媒を放熱器から受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段を設け、冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を、気相冷媒輸送手段に設けるものである。
本発明によれば、優れた冷却特性を有する電子機器冷却システムを提供することができる。
実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の構造を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の構造を模式的に示す横面図である。 実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の要部正面図である。 気相管屈曲部６ｃの内部の冷媒の態様を示す透視図である。 実施の形態２にかかる電子機器冷却システム２００の要部正面図である。 放熱器４を収納した場合の電子機器冷却システム２００の構造を模式的に示す横面図である。 実施の形態３にかかる電子機器冷却システム３００の構造を模式的に示す横面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
実施の形態１
まず、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００について説明する。以下では、電子機器冷却システムは、例えばコンテナ型データセンタに適用されるものとして構成されるが、適用対象はコンテナ型データセンタには限られない。また、コンテナ型データセンタのコンテナサイズとして、ＩＳＯ規格の２０フィート×８フィート×８フィート６インチのコンテナ、もしくはその半分の容積の１０フィート×８フィート×８フィート６インチのコンテナを想定している。しかし、コンテナの大きさはこれに限定されるものではない。更に、以下ではコンテナを用いる場合について説明するが、コンテナに限らず、内部に物品が収納可能な可搬性を有する各種の容器を適用することができる。
図１は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の構造を模式的に示す斜視図である。図１では、コンテナ１内部の説明のため、図１の正面側の壁面を除いている。また、図２は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の構造を模式的に示す横面図である。図２では、コンテナ１内部の説明のため、コンテナ１の側面側の壁面を除いている。電子機器冷却システム１００は、コンテナ１及びラック２を有する。
電子機器の収納容器であるラック２には、サーバやネットワーク機器が搭載され、コンテナ１の内部の概略中央に設置される。図１では、一例として、ラック２が４台並んで配置されている例を示している。ラック２の一方の面側からは、コンテナ１内のサーバやネットワーク機器の冷却用空気１０ａを吸気する。コンテナ１とラック２とに挟まれた吸気側の空間を吸気側空間２ａと称する。ラック２の他方の吸気側と対向する面側からは、コンテナ１内のサーバやネットワーク機器を冷却した暖気１０ｂがコンテナ１外へ排気される。コンテナ１とラック２とに挟まれた排気側の空間を排気側空間２ｂと称する。
ラック２の排気側空間２ｂ側の面には、リアドア（不図示）が設けられる。リアドアには、熱交換器である受熱器３が設けられる。受熱器３は、熱伝導性が優れたアルミニウムや銅で構成されていることが望ましいが、材質はこれに限らない。コンテナ１外のコンテナ１上部には、熱交換器である放熱器４が設けられている。放熱器４は、受熱器３と同様に熱伝導率が優れたアルミニウムや銅で構成されることが望ましいが、材質はそれに限らない。受熱器３と放熱器４とは、気相管６及び液相管７で接続されている。
続いて、受熱器３及び放熱器４の構造を詳細に説明する。図３は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の要部正面図である。図３では、コンテナ１内部の説明のため、コンテナ１の正面側の壁面を除いている。受熱器３は、複数の受熱ユニット３０を有する。複数の受熱ユニット３０は、リアドアの面上に、鉛直方向に並んで配置されている。
受熱ユニット３０は、ヘッダ３ａ、ヘッダ３ｂ及びチューブ３ｃにより構成される。ヘッダ３ａ及びヘッダ３ｂは１対設けられる。ヘッダ３ａは、水平方向に延在する部材である。ヘッダ３ｂは、水平方向に延在する部材であり、ヘッダ３ａの鉛直方向下方に設けられる。チューブ３ｃは、冷媒が通るチューブであり、ヘッダ３ａとヘッダ３ｂとの間を接続するように複数設けられる。なお、複数のチューブ３ｃ内の冷媒を冷却するため、チューブ３ｃに、薄板状の部材で構成される放熱フィン（不図示）を設置してもよい。
ヘッダ３ａの一端は鉛直方向に延在する気相管６と接続される。気相管６は、気相冷媒が通る配管であり、後述する放熱器４に気相冷媒を送る。つまり、気相管６は、気相冷媒を輸送する機能を有する。ヘッダ３ａ内には、気相冷媒が通る管路が設けられる。気相冷媒は、チューブ３ｃからヘッダ３ａに設けられた管路を通じて、気相管６に流れ込む。
ヘッダ３ｂの一端は鉛直方向に延在する液相管７と接続される。液相管７は、液相冷媒が通る配管であり、後述する放熱器４から液相冷媒が流れ込む。ヘッダ３ｂ内には、液相冷媒が通る管路が設けられる。液相冷媒は、液相管７からヘッダ３ｂに設けられた管路を通じて、チューブ３ｃに流れ込む。
すなわち、受熱器３は、ヘッダ３ｂからチューブ３ｃを経由してヘッダ３ａに至る経路で冷媒が流れる間に、チューブ３ｃに流れ込んだ液相冷媒が気化することでラック２を冷却する熱交換器として構成されている。受熱器３は、各受熱ユニット３０により均等に受熱を行い、内部の冷媒によりサーバやネットワーク機器の排熱を吸熱する。これにより、ラック２全体としての冷却性能を向上させることができる。
放熱器４は、ヘッダ４ａ、ヘッダ４ｂ及びチューブ４ｃにより構成される。ヘッダ４ａ及びヘッダ４ｂは１対設けられる。ヘッダ４ａは、水平方向に延在する部材である。ヘッダ４ｂは、水平方向に延在する部材であり、ヘッダ４ａの鉛直方向下方に設けられる。チューブ４ｃは、冷媒が通るチューブであり、ヘッダ４ａとヘッダ４ｂとの間を接続するように複数設けられる。なお、複数のチューブ４ｃ内の冷媒を冷却するため、チューブ４ｃに、薄板状の部材で構成される放熱フィン（不図示）を設置してもよい。
ヘッダ４ａの一端は鉛直方向に延在する気相管６と接続される。気相管６には、受熱器３から気相冷媒が流れ込む。ヘッダ４ａ内には、気相冷媒が通る管路が設けられる。液相冷媒は、気相管６からヘッダ４ａに設けられた管路を通じて、チューブ４ｃに流れ込む。
ヘッダ４ｂの一端は鉛直方向に延在する液相管７と接続される。液相管７は、受熱器３へ液相冷媒を送る。つまり、液相管７は、液相冷媒を輸送する機能を有する。ヘッダ４ｂ内には、液相冷媒が通る管路が設けられる。気相冷媒は、チューブ４ｃからヘッダ４ｂに設けられた管路を通じて、液相管７に流れ込む。すなわち、放熱器４は、気相冷媒がヘッダ４ａからチューブ４ｃを経由してヘッダ４ｂに至る経路で流れる間に冷却されてチューブ４ｃ内で液化する、熱交換器として構成されている。
受熱器３、放熱器４、気相管６及び液相管７は、密閉された管路内を、例えば絶縁性の冷媒が流れるように構成される。冷媒としては、例えばＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon：ハイドロフルオロカーボン）やＨＦＥ（Hydro Fluoro Ether：ハイドロフルオロエーテル）を用いているが、冷媒はこれに限定されない。密閉された管路へ冷媒を注入し、真空排気などにより減圧した後、管路は封止される。
また、コンテナ１外のコンテナ１上部には、放熱器４に冷却風を送る冷却器５などが設けられている。冷却器５は、例えばファンなどの送風機を用いることができる。なお、図１では、図面の簡略化のため、冷却器５を省略している。
なお、上述の気相管６及び液相管７は、外部への冷媒の漏れを最小限にするため、金属管であることが望ましいが、これに限らない。また、気相管６は、液相冷媒より数百倍の体積を有する気相冷媒を流すため、液相管７より大きな径を有する配管を用いることが望ましい。
気相管６は、上述の通り、コンテナ１内部の受熱器３とコンテナ１外部の放熱器４とを連結している。ここで、コンテナ１内部の受熱器３と連結される鉛直方向に延在する気相管を、気相管６ａ（第２の管とも称する）とする。コンテナ１外部の放熱器４と連結される鉛直方向に延在する気相管を、気相管６ｂ（第１の管とも称する）とする。また、気相管６ａと気相管６ｂとの間には、気相管屈曲部６ｃが設けられる。気相管屈曲部６ｃは、鉛直方向に延在する気相管６ａ及び気相管６ｂに対し、水平方向に屈曲した管路を有する。この例では、気相管屈曲部６ｃは、コンテナ１の外部に設けられる。
液相管７は、上述の通り、コンテナ１内部の受熱器３とコンテナ１外部の放熱器４とを連結している。ここで、コンテナ１内部の受熱器３と連結される鉛直方向に延在する液相管を、液相管７ａ（第４の管とも称する）とする。液相管７ａとヘッダ４ｂとの間には、液相管屈曲部７ｃが設けられる。液相管屈曲部７ｃは、鉛直方向に延在する液相管７ａに対し、水平方向に屈曲した管路を有する。この例では、液相管屈曲部７ｃは、コンテナ１の外部に設けられる。
続いて、電子機器冷却システム１００の冷却動作について説明する。コンテナ１内のラック２に収められたサーバやネットワーク機器は、吸気側空間２ａから冷気を吸い込み、内部のＣＰＵなどの電子部品を冷却する。冷却後の暖気は、リアドアに設けられた受熱器３を通過して、排気側空間２ｂに排出される。その際、受熱器３では、暖気が通過する際にチューブ３ｃ内の液相冷媒が迅速に気化し、暖気が有する熱が受熱器３により除去される。受熱器３により冷却された空気は、コンテナ１の内部を循環し、吸気側空間２ａに供給される。つまり、リアドアに受熱器３を設けることで、サーバやネットワーク機器の熱がコンテナ１内に拡散することなく除去されることが理解できる。
受熱器３のチューブ３ｃで気化した冷媒（気相冷媒）は、気相管６を通じて放熱器４に流入する。放熱器４に流入した気相冷媒は、放熱器４のチューブ４ｃを通る。チューブ４ｃは、コンテナ１の外部の冷気に暴露しているため、チューブ４ｃ内の気相冷媒は冷却され、液化する（液相冷媒）。液相冷媒は、気相冷媒より密度が大きいため、重力により液相管７内を降下し、受熱器３に還流される。還流した液相冷媒は、再びサーバやネットワーク機器の排熱を除去して気化することで、放熱器４への熱の輸送に使用される。サーバやネットワーク機器で発生した熱は、コンテナ１内に拡散することなく受熱器３で除去され、コンテナ１内より冷たい外気のあるコンテナ１外で放熱されるので、高い放熱効率を実現できる。
また、冷媒は、気体と液体の密度差を利用して受熱器３と放熱器４との間を自然循環する。そのため、ポンプなどの動力は不要であり、電子機器冷却システム１００の省スペース化につながり、輸送・設置の観点から有利である。更に、冷媒循環のために消費される電力が不要であるので、ラック２の冷却に必要な電力を削減することができる。
本構成では、放熱器４がコンテナ１外の外気中に暴露されるため、放熱器４に連結された気相管６ｂも外気に暴露される。外気温は気相管６ｂの温度よりも低いので、気相管６ｂ内では、気相冷媒の凝縮が起こりやすく、冷媒の液滴が生じやすい。気相管６ｂで生じた冷媒の液滴は密度が気相冷媒より大きいので、液滴は重力に引かれて気相管６ｂ内を降下する。つまり、液滴は、気相冷媒の流れに逆行して降下するため、気相冷媒の流れを阻害し、冷却性能が低下する事態が生じうる。
ところが、本構成では、コンテナ１外の気相管６ａと気相管６とを連結する部分に、気相管屈曲部６ｃが設けられている。図４は、気相管屈曲部６ｃの内部の冷媒の態様を示す透視図である。気相管６ｂを降下した冷媒液滴１１は、管路６１（第３の管とも称する）の下部内壁により受け止められ、液相冷媒１２として付着する。管路６１の下部内壁に付着した液相冷媒１２は、気相管屈曲部６ｃの水平方向に延在する管路６１の下部内壁を伝って、気相管６ａに流れ込む。
気相管６ａに流れ込んだ気相冷媒は、気相管６ａの内壁を伝って、下方に降下してゆく。気相管６ａは、外気よりも温度が高いコンテナ１内に配置されているので、気相管６ｂに比べて、冷媒液滴は生じにくい。以上より、気相管６ａでは、液相冷媒は内壁を伝って降下するのみであり、気相冷媒の流れ（図４の符号１３）が冷媒液滴により阻害されない。これにより、外気に暴露した気相管で生じた冷媒液滴で気相冷媒の流れが阻害されることによる冷却性能の低下を防止することができる。換言すれば、気相管屈曲部６ｃはコンテナ１外の外気に暴露する気相管６ｂ内部で生じる冷媒液滴を捕集する機能を有するものとして理解できる。
気相管屈曲部６ｃは、受熱器３と放熱器４との間に有ればよいが、コンテナ１とコンテナ１外の外気との境界付近に置くことが望ましい。一般に、外気に触れる気相管６内は冷媒が凝縮しやすく、コンテナ１内の外気より暖かい空気に触れる気相管６内は冷媒が凝縮しにくい。そのため、凝縮した液相冷媒がコンテナ１内の気相管６に降下する直前に気相管６壁面に付着させた方が、冷媒の凝縮が起こりにくい。これにより、コンテナ１内の気相管６内を上昇する気相冷媒の流れを妨げることを防止でき、冷却性能の維持に効果的である。
実施の形態２
次に、実施の形態２にかかる電子機器冷却システム２００について説明する。電子機器冷却システム２００は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム１００の変形例である。図５は、実施の形態２にかかる電子機器冷却システム２００の要部正面図である。電子機器冷却システム２００は、電子機器冷却システム１００に可動連結部６ｄ及び可動連結部７ｄを追加した構成を有する。
可動連結部６ｄは、気相管屈曲部６ｃの水平方向に延在する管路６１に挿入されている。可動連結部６ｄは、気相管屈曲部６ｃの水平方向の管路６１の延在方向を軸方向として、回転可能に構成される。なお、可動連結部６ｄはＯリング等を利用して密閉しながら回転できる機構を持った継手や、ベローズなどの柔軟性のある配管を利用することができるが、これには限られない。
可動連結部７ｄは、液相管屈曲部７ｃの水平方向に延在する管路７１（第５の管とも称する）に挿入されている。可動連結部７ｄは、液相管屈曲部７ｃの水平方向の管路７１の延在方向を軸方向とし、かつ、可動連結部６ｄの回転軸と同軸で、回転可能に構成される。なお、可動連結部７ｄはＯリング等を利用して密閉しながら回転できる機構を持った継手や、ベローズなどの柔軟性のある配管を利用することができるが、これには限られない。
また、気相管屈曲部６ｃに設けられた可動連結部６ｄと、液相管屈曲部７ｃに設けられた可動連結部７ｄとは、同軸で回転可能に構成されている。これにより、放熱器４を、コンテナ１の上面に平行な状態に寝かせることで、折りたたんで収納することができる。図６は、放熱器４を収納した場合の電子機器冷却システム２００の構造を模式的に示す横面図である。放熱器４を寝かせて収納することができるので、通常のコンテナと同等の可搬性を確保することができる。なお、図６において、冷却器５を設ける場合には、放熱器４と同様に収納可能に設ければよい。
本構成と比較して、例えば特許文献４では、冷媒を冷却する凝縮器が防爆容器外に露出して設けられる。そのため、特許文献４に記載の技術をコンテナ型データセンタに適用すると、コンテナ外に凝縮器が設置されることとなる。よって、凝縮器は、複数のコンテナを近接して保管する、又はコンテナを輸送する際に障害物となり得る。そのため、コンテナ型データセンタの利点である可搬性を損なってしまう。これに対し、本構成では、放熱器４を折りたたんで収納可能であるので、特許文献４に記載の技術が有する上述の問題点を解決することができる。
冷却性能を考慮した場合、ヘッダ４ａの中心とヘッダ４ｂの中心とがの鉛直方向に並ぶように、コンテナ１の上面に対して放熱器４を直立させることが望ましい。しかし、冬場などの外気温が大幅に低いなどの場合には、可動連結部６ｄ及び７ｄを利用して放熱器４をコンテナ１の上面に対して傾け、冷却能力を調整することも可能である。
なお、上述のように、放熱器４を折りたたんで収納するには、コンテナ１の上面に平行な回転軸にて放熱器４を回転運動させる必要がある。そのためには、コンテナ１の上面に平行な方向を軸とする回転機構が必要である。ところが、本構成では、コンテナ１の上面に平行な方向（水平方向）を軸とする管路を有する気相管屈曲部６ｃ及び液相管屈曲部７ｃが、コンテナ１の上面に設けられている。そして、この水平方向の管路に、可動連結部６ｄ及び液相管屈曲部７ｃが設けられている。よって、本構成では、気相管屈曲部と回転機構とを別々に設ける場合と比べて、屈曲する箇所及び部品点数の削減、製造性の向上が実現でき、コストを低減することができる。
実施の形態３
次に、実施の形態３にかかる電子機器冷却システム３００について説明する。電子機器冷却システム３００は、実施の形態１にかかる電子機器冷却システム２００の変形例である。図７は、実施の形態３にかかる電子機器冷却システム３００の構造を模式的に示す横面図である。電子機器冷却システム３００は、電子機器冷却システム２００のコンテナ１の壁面に、吸気口８及び排気口９を追加した構成を有する。吸気口８及び排気口９としては、例えば開閉可能なルーバなどを用いることができる。
吸気口８は、コンテナ１の吸気側空間２ａ側の壁面に設けられる。コンテナ１の外気は、吸気口８を通ってコンテナ１内に導入される。排気口９は、コンテナ１の排気側空間２ｂ側の壁面に設けられる。コンテナ１内の空気は、排気口９を通ってコンテナ１外に排気される。
なお、吸気口８は、コンテナ１の吸気側空間２ａ側の壁面の下方に設けられることが望ましい。排気口９は、コンテナ１の排気側空間２ｂ側の壁面の上方に設けられることが望ましい。また、吸気口８には、コンテナ１の外部からのごみ等の侵入を防止するエアフィルタを設けてもよい。排気口９には、暖気を好む虫等の侵入を防ぐ防虫フィルタを設けてもよい。吸気口８及び排気口９にフィルタを設ける場合には、フィルタにより圧力損失が大きくなるため、吸気口８に吸気用ファンを設けてもよい。
吸気口８及び排気口９としてルーバを用いる場合には、電動式モータなどを利用して遠隔操作により自由に開閉することもできる。例えば、降雨の際にルーバを閉めることで、雨水が電子機器冷却システム３００内部に流入することを防止することができる。
続いて、吸気口８及び排気口９の機能について説明する。実施の形態１で説明したように、コンテナ１内のラック２に収められたサーバやネットワーク機器は、吸気側空間２ａから冷気を吸い込み、内部のＣＰＵなどの電子部品を冷却する。冷却後の暖気は、リアドアに設けられた受熱器３を通過して、排気側空間２ｂに排出される。その際、受熱器３では、暖気が通過する際にチューブ３ｃ内の液相冷媒が迅速に気化し、暖気が有する熱が受熱器３により除去される。受熱器３により冷却された空気は、コンテナ１の内部を循環し、吸気側空間２ａに供給される。つまり、リアドアに受熱器３を設けることで、サーバやネットワーク機器の熱がコンテナ１内に拡散することなく除去される。
しかし、リアドアから排出される暖気の熱を受熱器３で除去しきることは難しく、吸気側空間２ａに比べて高温の暖気が排気側空間２ｂに排出されてしまう。受熱器３で熱を除去しきれなかった暖気は、密度差により上昇し、排気口９から自然に排出される。排気口９から暖気が排出された分だけ、コンテナ１内よりも低温の外気が吸気口８から吸入される。これにより、コンテナ１の内部で吸気口８及び排気口９を用いた自然循環による空気の流れを確保することができる。これにより、ラック２の内部だけでなく、コンテナ１内部を冷却することが可能となり、より冷却性能を高めることが可能となる。
また、コンテナ１の外壁は、一般に建物の外壁よりも薄い金属板等で製作されており、建物の外壁よりも容易に吸気口８及び排気口９を設けることができる。更に、吸気口８及び排気口９はコンテナ外壁に設けることができるので、専用の設置スペースを別途用意する必要もなく、電子機器冷却システムの優れた可搬性を維持することが可能である。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、吸気口８及び排気口９を、電子機器冷却システム１００に追加することも可能である。
上述の実施の形態では、気相管６に気相管屈曲部６ｃが１つ設けられる場合について説明したが、これは例示に過ぎない。よって、気相管６に、複数の気相管屈曲部６ｃを設けてもよい。液相管７に液相管屈曲部７ｃが１つ設けられる場合について説明したが、これは例示に過ぎない。よって、液相管７に、複数の液相管屈曲部７ｃを設けてもよい。
上述の実施の形態では、コンテナ１内にラック２が４つ設置される場合について説明したが、これは例示に過ぎない。コンテナ１内には、コンテナの容積の範囲内で任意の個数のラック２を設置してもよい。
また、上述の電子機器冷却システムは、データセンタのみならず、電子機器が搭載される他のシステムの冷却に適用できる。
この出願は、２０１３年２月２６日に出願された日本国出願特願２０１３−０３５４５５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。
上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）内部に物品を収納可能な空間を有する容器と、前記容器の内部に設置された電子機器が搭載された収納容器と、前記収納容器の側面に設けられ、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより前記収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器と、前記受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段と、前記容器の外部の前記収納容器の上方に設けられ、前記気相冷媒輸送手段から流れ込む前記気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより、前記受熱器が受けた熱を放熱する放熱器と、前記放熱器からの前記液相冷媒を前記受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段と、を備え、
前記気相冷媒輸送手段は、前記気相冷媒輸送手段内の冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を備える、電子機器冷却システム。
（付記２）前記気相冷媒輸送手段は、前記容器の外部で鉛直方向に延在し、前記放熱器と接続される第１の管と、前記容器の内部で鉛直方向に延在し、前記受熱器と接続される第２の管と、を更に備え、前記液滴捕集手段は、前記第１の管と前記第２の管との間に挿入される、付記１に記載の電子機器冷却システム。
（付記３）前記液滴捕集手段は、鉛直方向と直交する方向に延在して設けられ、一端が前記第１の管の下端と接続され、他端が前記第２の管と接続される第３の管を更に備え、前記第１の管を降下してくる前記冷媒液滴が、前記第３の管の下方側の内壁で受け止められる、付記２に記載の電子機器冷却システム。
（付記４）前記第３の管は、前記容器の外部に設けられる、付記３に記載の電子機器冷却システム。
（付記５）前記液相冷媒輸送手段は、前記容器の内部で鉛直方向に延在し、前記受熱器と接続される第４の管と、前記容器の外部で、一端が前記第４の管の上端と接続され、他端が前記放熱器と接続される第５の管を備え、前記第３の管と前記第５の管とは、同軸の位置に配置される、付記４に記載の電子機器冷却システム。
（付記６）前記放熱器は、前記第３の管及び前記第５の管の中心軸を回転軸として回転可能に構成される、付記５に記載の電子機器冷却システム。
（付記７）前記気相冷媒輸送手段は、前記第３の管に挿入され、前記放熱器側の前記第３の管を中心軸周りに回転させるように構成される第１の可動部を更に備え、前記液相冷媒輸送手段は、前記第５の管に挿入され、前記放熱器側の前記第５の管を中心軸周りに回転させるように構成される第２の可動部を更に備える、付記６に記載の電子機器冷却システム。
（付記８）前記容器の側面に設けられ、前記容器の外部から空気を取り入れる吸気口と、前記容器の側面に設けられ、前記容器の外部へ空気を排出する排気口と、を更に備える、付記１乃至７のいずれか一に記載の電子機器冷却システム。
（付記９）前記吸気口は、前記収納容器が吸気する側の前記容器の壁面に設けられ、前記排気口は、前記収納容器が排気する側の前記容器の壁面に設けられる、付記８に記載の電子機器冷却システム。
（付記１０）前記吸気口は、前記排気口よりも鉛直方向の下方に設けられる、付記８または９に記載の電子機器冷却システム。
（付記１１）電子機器が搭載された収納容器を、内部空間が密閉可能な容器の内部に設置し、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより前記収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器は、前記収納容器の側面に設置し、前記受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段を、設け、前記気相冷媒輸送手段から流れ込む前記気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより前記受熱器が受けた熱を放熱する放熱器を、前記容器の外部の前記収納容器の上方に設け、前記放熱器からの前記液相冷媒を前記放熱器から前記受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段を設け、冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を、前記気相冷媒輸送手段に設ける、電子機器冷却システムの製造方法。
（付記１２）前記液滴捕集手段は、前記気相冷媒輸送手段が前記容器の外部の雰囲気に暴露して気相冷媒が凝縮することで生じる冷媒液滴を捕集する付記１〜３のいずれか一に記載の電子機器冷却システム。
（付記１３）前記気相冷媒輸送手段は、鉛直方向に延在して設けられている付記１、２、５および７のいずれか一に記載の電子機器冷却システム。
（付記１４）前記容器は、可搬性を有する付記１、２、４、５、８および９のいずれか一に記載の電子機器冷却システム。
（付記１５）前記放熱器は、前記受熱器が受けた熱を外気に放熱する付記１、２、５、６および７のいずれか一に記載の電子機器冷却システム。
１ コンテナ
２ ラック
２ａ 吸気側空間
２ｂ 排気側空間
３ 受熱器
３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ ヘッダ
３ｃ、４ｃ チューブ
４ 放熱器
５ 冷却器
６、６ａ、６ｂ 気相管
６ｃ 気相管屈曲部
６ｄ 可動連結部
７、７ａ 液相管
７ｃ 液相管屈曲部
７ｄ 可動連結部
８ 吸気口
９ 排気口
１１ 冷媒液滴
１２ 液相冷媒
１３ 気相冷媒の流れ
３０ 受熱ユニット
６１、７１ 管路
１００、２００、３００ 電子機器冷却システム

Claims (11)

  1. 内部に物品を収納可能な空間を有する可搬性容器と、
    前記可搬性容器の内部に設置された電子機器が搭載された収納容器と、
    前記収納容器の側面に設けられ、液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより前記収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器と、
    鉛直方向に延在して設けられ、前記受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段と、
    前記可搬性容器の外部の前記収納容器の上方に設けられ、前記気相冷媒輸送手段から流れ込む前記気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより、前記受熱器が受けた熱を放熱する放熱器と、
    前記放熱器からの前記液相冷媒を前記受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段と、を備え、
    前記気相冷媒輸送手段は、前記気相冷媒輸送手段が前記可搬性容器の外部の雰囲気に暴露して気相冷媒が凝集することで生じる冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を備える、
    電子機器冷却システム。
  2. 前記気相冷媒輸送手段は、
    前記可搬性容器の外部で鉛直方向に延在し、前記放熱器と接続される第１の管と、
    前記可搬性容器の内部で鉛直方向に延在し、前記受熱器と接続される第２の管と、を更に備え、
    前記液滴捕集手段は、前記第１の管と前記第２の管との間に挿入される、
    請求項１に記載の電子機器冷却システム。
  3. 前記液滴捕集手段は、
    鉛直方向と直交する方向に延在して設けられ、一端が前記第１の管の下端と接続され、他端が前記第２の管と接続される第３の管を更に備え、
    前記第１の管を降下してくる前記冷媒液滴が、前記第３の管の下方側の内壁で受け止められる、
    請求項２に記載の電子機器冷却システム。
  4. 前記第３の管は、前記可搬性容器の外部に設けられる、
    請求項３に記載の電子機器冷却システム。
  5. 前記液相冷媒輸送手段は、
    前記可搬性容器の内部で鉛直方向に延在し、前記受熱器と接続される第４の管と、
    前記可搬性容器の外部で、一端が前記第４の管の上端と接続され、他端が前記放熱器と接続される第５の管を備え、
    前記第３の管と前記第５の管とは、同軸の位置に配置される、
    請求項４に記載の電子機器冷却システム。
  6. 前記放熱器は、前記第３の管及び前記第５の管の中心軸を回転軸として回転可能に構成される、
    請求項５に記載の電子機器冷却システム。
  7. 前記気相冷媒輸送手段は、前記第３の管に挿入され、前記放熱器側の前記第３の管を中心軸周りに回転させるように構成される第１の可動部を更に備え、
    前記液相冷媒輸送手段は、前記第５の管に挿入され、前記放熱器側の前記第５の管を中心軸周りに回転させるように構成される第２の可動部を更に備える、
    請求項６に記載の電子機器冷却システム。
  8. 前記可搬性容器の側面に設けられ、前記可搬性容器の外部から空気を取り入れる吸気口と、
    前記可搬性容器の側面に設けられ、前記可搬性容器の外部へ空気を排出する排気口と、を更に備える、
    請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電子機器冷却システム。
  9. 前記吸気口は、前記収納容器が吸気する側の前記可搬性容器の壁面に設けられ、
    前記排気口は、前記収納容器が排気する側の前記可搬性容器の壁面に設けられる、
    請求項８に記載の電子機器冷却システム。
  10. 前記吸気口は、前記排気口よりも鉛直方向の下方に設けられる、
    請求項８又は９に記載の電子機器冷却システム。
  11. 電子機器が搭載された収納容器を、内部空間が密閉可能な可搬性容器の内部に設置し、
    液相冷媒が気化して気相冷媒となることにより前記収納容器の内部で発生する熱を受ける受熱器は、前記収納容器の側面に設置し、
    前記受熱器からの気相冷媒を輸送する気相冷媒輸送手段を、鉛直方向に延在して設け、
    前記気相冷媒輸送手段から流れ込む前記気相冷媒を冷却して液相冷媒とすることにより前記受熱器が受けた熱を放熱する放熱器を、前記可搬性容器の外部の前記収納容器の上方に設け、
    前記放熱器からの前記液相冷媒を前記放熱器から前記受熱器に輸送する液相冷媒輸送手段を設け、
    前記気相冷媒輸送手段が前記可搬性容器の外部の雰囲気に暴露して気相冷媒が凝集することで生じる冷媒液滴を捕集する液滴捕集手段を、前記気相冷媒輸送手段に設ける、
    電子機器冷却システムの製造方法。
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