JPWO2015182073A1 - 発熱体の冷却システム、及びリザーブタンク - Google Patents

Abstract

［課題］コストが増加せず、運用時の信頼性が低下しない発熱体の冷却システム、及びリザーブタンクを提供する。［解決手段］発熱体からの熱を受熱する受熱部と、低温媒体と熱交換を行う放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する第一の通流管と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する第二の通流管と、前記受熱部よりも高所に配置され、上流側から流入する前記冷媒を前記受熱部に流下可能に貯蔵し、前記冷媒を下流側へ排出可能とするタンクと、を備え、前記受熱部が複数設けられ、前記タンクは、前記第二の通流管に直列に複数接続される。

Description

本発明は、発熱体の冷却システム、及びリザーブタンクに関し、冷媒の相変化現象を利用して発熱体を冷却する発熱体の冷却システム、及びリザーブタンクに関する。

近年、インターネットサービスなどの拡大に伴い、情報処理を行うサーバやネットワーク機器を一箇所に集約したデータセンタの役割が大きくなってきている。データセンタで扱う情報処理量の増大に伴い、データセンタの電力消費量も増大している。特にデータセンタでは、サーバ等の電子機器装置を冷却するための空調機が消費する電力が大きく、消費電力がデータセンタの全体の消費電力の半分近くを占めている実態がある。このため、データセンタの空調電力の削減が求められており、電子機器装置が搭載されたラックからの排気熱を、空調機を介さずに直接屋外に輸送してから外気に放熱する方法が試みられている。ラックからの排気熱を輸送する方式として、冷媒の相変化現象を利用する方式が知られている。これは、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって、液相と気相に冷媒の相が変化する際の潜熱を利用するもので、熱移動量が大きいという特徴がある。このため、データセンタの空調電力の削減に向けて期待されている。

このような相変化現象を用いた冷媒循環システムの一例が特許文献１及び特許文献２に記載されている。特許文献１には、電子機器装置に近接して設置された蒸発器内の冷媒が液体から気体に相変化する際に、電子機器装置の排気熱を、気化熱として奪い、屋外に熱輸送して、電子機器装置が設置された部屋内の温度を下げる方法が記載されている。この冷媒循環システムによれば、電子機器装置の負荷に応じて蒸発器に流入させる冷媒流量をバルブによって調整することで、効率よく運転できる。発熱量に合わせて冷媒量を調整するのは、冷媒量が過多になると潜熱ではなく、熱移送量の小さな顕熱を使うただの液冷になってしまうためである。また、冷媒量が不足すると相変化による受熱をしないためである。

特許文献２に記載の電子機器の冷却システムは、蒸発器に流入させる冷媒液量を調整するバルブに加え、電子機器装置の負荷に応じて蒸発器に排気を送風するファンの風量を調整する。これにより、電子機器装置を効率的に冷却するとしている。

特許第４７８０４７９号公報 特許第５０２４６７５号公報 特開２０１３−０６５２２７号公報

上述のように、特許文献１及び特許文献２に開示の電子機器の冷却システムは、冷媒を循環させて電子機器装置を冷却する際に、電子機器装置の負荷に応じて蒸発器に流入させる冷媒流量をバルブによって調整するようにしている。

このように、蒸発器への冷媒流量の流入の調整にバルブを使用しているので、バルブの使用により部品コストが増加する、すなわち、冷却システムのコストが増加するという問題がある。また、バルブの故障の際には、冷却システムの運用を停止し修理する必要がある。このため、バルブを使用することにより冷却システムの信頼性が低下するという問題がある。

本発明の目的は、上記課題を解決して、コストが増加せず、運用時の信頼性が低下しない発熱体の冷却システム、及びリザーブタンクを提供することである。

本発明の冷却システムは、発熱体からの熱を受熱する受熱部と、低温媒体と熱交換を行う放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する第一の通流管と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する第二の通流管と、前記受熱部よりも高所に配置され、上流側から流入する前記冷媒を前記受熱部に流下可能に貯蔵し、前記冷媒を下流側へ排出可能とするタンクと、を備え、前記受熱部が複数設けられ、前記タンクは、前記第二の通流管に直列に複数接続される。

本発明の発熱体の冷却システムに使用されるリザーブタンクは、前記バッファとして持つ前記冷媒液の前記所定量は、少なくとも、自身のリザーブタンクに対応する前記発熱体の最大発熱が所定の時間継続した場合、この発熱体に対応する前記受熱部が前記冷媒を液体から蒸気に相変化させる量である。

本発明によれば、コストが増加せず、運用時の信頼性が低下しない発熱体の冷却システム、及びリザーブタンクを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムで使用するリザーブタンクの一例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの複数のリザーブタンクの第一の接続例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの複数のリザーブタンクの第二の接続例を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムで使用するリザーブタンクの他の例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの複数のリザーブタンクの第三の接続例を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの複数のリザーブタンクの第四の接続例を説明する図である。 リザーブタンクとラック（受熱部）との間の配管長の調整の第一の例を示す図である。 リザーブタンクとラック（受熱部）との間の配管長の調整の第二の例を示す図である。 リザーブタンクとラック（受熱部）との間の配管長の調整の第三の例を示す図である。 放熱部、蒸気合流部、及びリザーブタンクを、所定の部屋の天井板の上面を含むこの部屋の上方外部に設置する場合の一例を示す図である。 図１２に示す構成にポンプをさらに加えた場合の一例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの一例を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの一例を示す図である。

本実施の形態に係る発熱体の冷却システムは、複数の受熱部２と、放熱部３と、複数のリザーブタンク１とにより構成される。

複数の受熱部２は、ラック１０の背面側を覆うように配置されている。複数の受熱部２は、冷却すべき複数の発熱体６の各々に熱的に接触し、内部に貯蔵した冷媒が気化することにより、発熱体６の熱を奪う。具体的には、受熱部２は、発熱体６の排気熱を受け、発熱体６の熱を奪う。受熱部２は、発熱体６の熱を奪う際に、貯蔵した冷媒が気化することにより冷却されて生じる排気を、ラック１０の外に排出する。気化された冷媒は、第一の通流管４Ａを介して、放熱部３へ流入する。

複数の発熱体６は、例えば、サーバ、ネット機器等の電子機器装置であり、それぞれ複数のラック１０に搭載されている。複数の発熱体６は、情報やデータの処理量に応じて、熱を発生する。

放熱部３は、受熱部２より高所（例えば天井板の上）に配置されている。放熱部３は、受熱部２の各々で生成された気体状の冷媒が通流する第一の通流管４Ａに接続される。例えば、放熱部３において、気体状の冷媒は、空気等の低温媒体と熱交換を行うことによって凝縮し、液体状の冷媒となる。ここで、熱交換に用いる媒体は、空気（外気）を用いる空冷方式に限らず、冷水を用いる水冷方式であってもよい。

複数のリザーブタンク（タンク）１は、冷媒を所定量貯蔵可能な構造を有する。また、各リザーブタンク１は、放熱部３から第二の通流管５Ａにより直列に接続され、複数の受熱部２の各々よりも高所に配置される。そして、各リザーブタンク１は、第二の通流管５Ａの上流側から流入する冷媒のうち所定量を、冷媒の重力によって、受熱部２に流下可能に貯蔵する。また、各リザーブタンク１は、第二の通流管５Ａの上流側から流入する冷媒のうち所定量以外を、第二の通流管５Ａの下流側へ排出する。なお、リザーブタンク１と受熱部２の間を接続する管は、常に冷媒が満たされている。このため、各リザーブタンク１から流出する冷媒は、所定量に調整することができ、無限量とならない。

次に、本実施の形態に係る発熱体の冷却システムの動作を説明する。

受熱部２は、発熱体６の排気熱を受け、発熱体６の熱を奪う。受熱部２は、発熱体６の熱を奪う際に、貯蔵した冷媒が気化することにより冷却されて生じる排気を、ラック１０の外に排出する。このとき、それぞれの受熱部２で、それぞれの発熱体６の排気熱によって、液体（冷媒液）から蒸気に相変化（気化）した冷媒（蒸気の冷媒）は、自身の浮力によって第一の通流管４Ａを通って放熱部３へ流れる。

放熱部３は、受熱部２から流れてきた蒸気の冷媒を液体（冷媒液）に相変化（凝縮）させて放熱する。そして、この相変化により発生した冷媒液は、自身の重力によって第二の通流管５Ａを通って、下流側のリザーブタンク１に向かって流れる。

それぞれのリザーブタンク１では、貯蔵している冷媒液のうち、各受熱部２が相変化させた量分が、各リザーブタンク１の設置個所に対応する受熱部２へ、冷媒液の重力によって流れる。なお、本実施の形態において、リザーブタンク１と受熱部２（ラック１０）はそれぞれ１：１の対応関係を持っている。

それぞれのリザーブタンク１は、放熱部３がある側（上流側）から第二の通流管５Ａを通って流れてきた冷媒液の供給を受ける。そして、各リザーブタンク１は、受熱部２へ流れた量分以上の冷媒液の供給を受ける。リザーブタンク１にて貯蔵する冷媒液が所定量以上になった場合、当該リザーブタンク１は、この所定量以上の冷媒液の重力によって、この冷媒液を下流側へ流す。このことにより、冷媒が自然循環する冷媒循環系が形成される。

なお、上述の通り、リザーブタンク１と受熱部２の間を接続する管は、常に冷媒が満たされている。このため、各リザーブタンク１から流出する冷媒は、所定量に調整することができ、無限量とならない。

このように、本発明の第１の実施の形態によれば、受熱部２よりも高所に配置されたリザーブタンク１により、このリザーブタンク１に貯蔵された所定量の冷媒を、リザーブタンク１よりも低所に設置された受熱部２へ、この冷媒の重力に基づき流出する。このように、受熱部２への冷媒の供給を、バルブを使用せず、冷媒の重力に基づく自然現象により行っているので、コストが増加せず、運用時の信頼性が低下しない。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの一例を示す図である。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態をより具体化したものである。すなわち、本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態の第一の通流管４Ａを蒸気管４及びラック蒸気管８に変更している。また、第二の通流管５Ａを液管５及びラック液管９に変更している。さらに、蒸気管４の各所に蒸気合流部７を設置している。以下の説明では、主に第１の実施の形態と相違する部分について説明する。

図２に示されるように、本実施の形態に係る発熱体の冷却システムは、複数の受熱部２と、放熱部３と、複数のリザーブタンク１と、蒸気管４と、液管５と、複数の蒸気合流部７と、ラック蒸気管８と、ラック液管９とにより構成される。

受熱部２は、ラック蒸気管８および蒸気管４により、放熱部３と接続されている。受熱部２は、冷媒を液体から蒸気に相変化させて、発熱体６を冷却する。このとき、発熱体６の排気熱は、蒸気に相変化された冷媒に吸熱される。蒸気に相変化された冷媒は、ラック蒸気管８および蒸気管４を介して、放熱部３に流入する。

放熱部３は、ラック蒸気管８および蒸気管４により、受熱部２と接続されている。放熱部３は、冷媒を蒸気から液体に相変化させて、冷媒中の熱（発熱体６の排気熱）を放熱する。

蒸気管４は、受熱部２と放熱部３との間に設置され、受熱部２で相変化にて生成された冷媒の蒸気を、この蒸気の浮力を利用して受熱部２から放熱部３へ流す。

液管５は、放熱部３と複数の受熱部２との間に設置されている。また、液管５は、放熱部３で相変化にて生成された冷媒の液体（冷媒液）を、この液体の重力を利用して、上流側の受熱部２から下流側の受熱部２へと、放熱部３から流す。

複数のリザーブタンク１は、液管５の各所に複数の受熱部２の各々に対応して、それぞれ設定されている。各リザーブタンク１は、所定量の冷媒液をバッファとして貯蔵する。そして、各リザーブタンク１は、このバッファの冷媒液のうち、受熱部２が相変化させた量分を、各リザーブタンク１の設置個所に対応する受熱部２へ、ラック液管９を介して、冷媒液自体の重力によって下方に流す。そして、リザーブタンク１は、上流側から、受熱部２へ流れた量分以上の冷媒液の供給を受けてバッファの冷媒液が所定量以上になった場合、この所定量以上の冷媒液自体の重力によって、当該冷媒液を下流側へ流す。なお、リザーブタンク１と受熱部２の間を接続する管は、常に冷媒が満たされている。このため、各リザーブタンク１から流出する冷媒は、所定量に調整することができ、無限量とならない。

複数の蒸気合流部７は、蒸気管４の各所に複数の受熱部２に対応してそれぞれ設置されている。各蒸気合流部７は、自身の設置個所に対応する受熱部２から、この受熱部２が相変化させた蒸気を、ラック蒸気管８を介して受け、これを蒸気管４本体に合流させる。

発熱体６は、サーバ、ネット機器等の電子機器装置であり、例えばラック１０に搭載されている。発熱体６の発生した排気熱は、ラック１０外に排気される。受熱部２は、ラック１０の排気面に設けられている。複数の発熱体６は、サーバルームを含む所定の部屋に設置されている。放熱部３は、この部屋の外部（部屋の天井板の上面を含む。）に設置される。図２の例示では、放熱部３が部屋の天井板の上面に配置されている。

蒸気合流部７及びリザーブタンク１は、この所定の部屋に設置される。なお、冷媒には、例えば、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル等を使うことができる。液管５に冷媒を注入後に真空引きして、冷媒を飽和蒸気圧環境にする。

次に、本実施の形態の発熱体の冷却システムの動作を、図３、図４を使用して説明する。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムで使用するリザーブタンクの一例を示す断面図である。図３に示されるように、リザーブタンク１は、流入口１ａと、第一の流出口１ｂと、第二の流出口１ｃとを備える。流入口１ａは、液管５により上流側から冷媒液の供給を受ける。第一の流出口１ｂは、ラック液管９により受熱部２に冷媒液を供給する。第二の流出口１ｃは、液管５により下流側に冷媒液を流す。

図３に示されるように、リザーブタンク１のバッファ部分は、第二の流出口１ｃより下側の部分である。第１の実施の形態で示したバッファの冷媒液の所定量とは、冷媒液がこのバッファ部分を満たす量を示す。本冷却システムの稼働開始時（初期時）には、図３で示すように、冷媒液は、液管５に続く流入口１ａ及び第二の流出口１ｃの上部まで満たされている。すなわち、リザーブタンク１内の液面も、流入口１ａ及び第二の流出口１ｃの上部の位置である。

バッファの冷媒液の所定量は、少なくとも、自身のリザーブタンク１に対応する発熱体６の最大発熱が所定の時間（例えば、数秒）継続した場合に、この発熱体６に対応する受熱部２が冷媒を液体から蒸気に相変化させる量である。すなわち、バッファの冷媒液の所定量（冷媒バッファ量）は、発熱体６の最大発熱量時に必要となる冷媒液量を数秒間、発熱体６の冷却用に供給できる程度であれば良い。

冷媒バッファ量が発熱体６の最大発熱量時に必要となる冷媒液量を数秒間、発熱体６に供給できる量であれば、受熱部２において気化した冷媒は、蒸気管４を介して放熱部３に流れ、放熱部３において凝縮され、液管５を介してリザーブタンク１に戻ることが可能になる。すなわち、冷媒の移動速度を考慮することにより、配管長に応じて冷却システム内の冷媒量を決定することができるため、本冷媒循環システムにおいて冷媒液が供給不足となることはなく、冷媒による熱交換量が低下するおそれがない。また、各発熱体６の発熱量にばらつきがある場合、リザーブタンク１の大きさについては任意に変更可能である。

例えば、発熱量の大きい発熱体６に対応するリザーブタンク１には、容量が大きいものを選択することができる。発熱量の小さい発熱体６に対応するリザーブタンク１は、容量が小さいものを選択することができる。すなわち、発熱量に応じて、リザーブタンク１の大きさを調整して設定してもよい。その理由として発熱量の大きい発熱体６に対応する受熱部２の冷媒は、液体から蒸気に相変化する量が多いため、リザーブタンク１にも大きい容量が必要となるためである。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの複数のリザーブタンク１の第一の接続例を示す図である。図４に示されるように、液管５の各所に複数の受熱部２に対応して、リザーブタンク１が複数接続されている。冷媒液は、リザーブタンク１を介して上流側から下流側へと流れるとともに、受熱部２へ流れる。リザーブタンク１間の液管５は、例えば、フレキ配管（波線で示す）で構成されている。また、隣り合う蒸気合流部７の間に設置された蒸気管４も、フレキ配管（不図示）で構成される。これにより、ラック１０の排気面が開閉可能となり、ラック１０内の電子機器のケーブル挿抜など保守作業が行えるようになる。また、フレキ配管であることにより、フレキ配管の向きや角度を変更することにより、冷媒の流量の調整が可能になる。

図２を参照して、それぞれの発熱体６の排気熱によって、それぞれの受熱部２で液体（冷媒液）から蒸気に相変化（気化）した冷媒（蒸気の冷媒）は、当該冷媒自体の浮力によって、ラック蒸気管８を上昇し、蒸気合流部７を介して蒸気管４に合流する。そして、冷媒（蒸気の冷媒）は、蒸気管４を通って放熱部３へ流れる。

それぞれのリザーブタンク１では、バッファとして溜まっている冷媒液を、自身の設置個所に対応する受熱部２へ、図３の矢印Ａに示すように、この受熱部２が相変化させた量分、当該冷媒液自体の重力によって下方に流れるようにする。すなわち、受熱部２で冷媒液が気化することによって減少した冷媒液量に見合った分の冷媒液を、リザーブタンク１からこの冷媒液の重力を利用して受熱部２へ供給する。つまり、発熱量が大きな発熱体６を搭載するラック１０ほど、このラック１０に対応するリザーブタンク１から、より多くの冷媒液が、このラック１０に対応する受熱部２へ供給され、このリザーブタンク１の液面がより下方に下がることになる。そして、冷却システム内の冷媒液は、この液面を、複数のリザーブタンク１間で平衡状態にするように、すなわち、元の液面に戻るように、冷媒液の重力に基づいて下方に流れる。なお、リザーブタンク１と受熱部２の間を接続する管は、常に冷媒が満たされている。このため、各リザーブタンク１から流出する冷媒は、所定量に調整することができ、無限量とならない。

一方、放熱部３は、受熱部２から流れてきた蒸気の冷媒を液体（冷媒液）に相変化（凝縮）させて放熱する。そして、この相変化により発生した冷媒液は、冷媒自体の重力によって液管５を通って、複数の受熱部２の方向（下流側）へ流れる。

それぞれのリザーブタンク１は、放熱部３の方向（上流側）から液管５を通って流れてきた冷媒液の供給を、図３の矢印Ｂに示すように受ける。

そして、リザーブタンク１が受熱部２へ流れた量分（受熱部２が相変化させた量分）以上の冷媒液の供給を受け、バッファの冷媒液が所定量以上になった場合、この所定量以上の冷媒液が、当該冷媒液自体の重力によって、下流側へ流れる。すなわち、リザーブタンク１内の液面が、第二の流出口１ｃに達すると、下流側のリザーブタンク１に冷媒液が、図３の矢印Ｃに示すように流出される。このようにして、順番に上流側から下流側に向けて、冷媒が各リザーブタンク１へ供給される。このことにより、冷媒が自然循環する冷媒循環系が形成される。

このように、本実施の形態によれば、リザーブタンク１により、自身にバッファとして溜まっている冷媒液を、自身の設置個所に対応する受熱部２へ、この受熱部２が相変化させた量分、当該冷媒液の重力によって下方に流れるようにしている。このため、それぞれの受熱部２へ流入する冷媒の流量の調整を、バルブを使用せず、冷媒液の重力に基づく自然現象により行っている。したがって、バルブ部品等のコストが増加せず、バルブ部品の駆動に伴う電力の増加がなく、運用時の信頼性が低下しない。

次に、本発明の第２の実施の形態における発熱体の冷却システムの変形例について、説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの複数のリザーブタンクの第二の接続例を説明する図である。

図５に示すように、リザーブタンク１間の液管５の管径を、上流側では太く、下流側のラック１０（受熱部２）へ向かうにつれて細くなるようにしても良い。冷媒液は、上流側から各ラック１０にリザーブタンク１によって分流されるため、冷媒液量は上流側ほど多くなる。このため、上流側ほど冷媒液の流動抵抗が大きく、圧力損失となる。したがって、上流側の液管５の径を太くすることにより、上流側の圧力損失を減少させる。これにより、上流側の液管５の内圧つまり沸点の上昇を抑えることができ、熱交換性能を向上させることができる。また、複数のリザーブタンク１間の液管５の管径が同様であっても、たとえば、下流側に設置されるリザーブタンク１に接続される液管５に、流路を狭くするようなキャップを設けてもよい。これにより、冷媒液が流れる範囲について上流側および下流側の間に大小関係が生まれ、同様の効果が得られる。さらに、液管５及びリザーブタンク１を製造する際、同様の管径及び流入出口で製造を行うことができるので、製造コストが低減する。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムで使用するリザーブタンクの他の例を示す断面図である。図６に示すように、リザーブタンク１の上流側から冷媒液を受ける流入口を、下流側に流す冷媒液の第二の流出口よりも重力方向で上方に位置するようにしても良い。図４で示したように、各ラック１０に対応するリザーブタンク１の位置を水平にした場合については、次の通り説明される。すなわち、この場合において、上流側のラック１０の発熱量が下流側のラック１０の発熱量よりも極端に大きいと、上流側のラック１０に対応するリザーブタンク１内の冷媒液の液面を平衡状態にするように下流側のリザーブタンク１から冷媒液が上流側に逆流して供給されることがある。この場合、自身のリザーブタンク１に逆流して供給される冷媒液と、自身のリザーブタンク１に上流側から供給される冷媒液とが衝突するおそれがある。冷媒液が衝突した場合、この衝突が循環する冷媒液の流動抵抗となってしまう。流入口１ａを第二の流出口１ｃよりも重力方向で上方に位置するようにすることにより、冷媒液が上流側へ逆流することなく、冷媒液を上流側から下流側へ確実に流すことができる。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの複数のリザーブタンクの第三の接続例を説明する図である。図７に示すように、複数のリザーブタンク１のそれぞれの重力方向の配置位置を、自身のリザーブタンク１に対応する受熱部２の設置位置が下流側になるほど、下方に位置するように、階段状にしても良い。放熱部３で発生した冷媒液は、放熱部３の位置エネルギーを使って下流側へ流れ始め、この位置エネルギーが速度エネルギーに変換されて各リザーブタンク１を介して各ラック１０に冷媒液が供給される。各ラック１０に対応するリザーブタンクの位置を、図４に示すように水平にした場合については、次の通り説明される。すなわち、この場合において、上流側のラック１０の発熱量が下流側のラック１０の発熱量よりも極端に大きいと、前述したように下流側のリザーブタンク１から冷媒液が上流側に逆流して供給される場合がある。この場合、自身のリザーブタンク１に逆流した冷媒液と、自身のリザーブタンク１に上流側から供給される冷媒液とが衝突するおそれがある。冷媒液が衝突した場合、この衝突が循環する冷媒液の流動抵抗となってしまう。このため、各リザーブタンク１内の冷媒液が各リザーブタンク１間でそれぞれ位置エネルギーを保てるように、リザーブタンク１の設置位置を下流側になるほど、下方に位置するように、階段状にする。これにより、下流側のリザーブタンク１からの逆流を防ぐことができ、逆流の圧力により発生する損失が減少し、内圧、つまり沸点の上昇が抑えられ、熱交換性能を向上させることができる。

図８は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの複数のリザーブタンクの第四の接続例を説明する図である。リザーブタンク１間の高さ方向の間隔を図７に示すような等間隔でなく、図８に示すように、上流側に向かうにつれて、間隔の大きさを大きくなるように設定しても良い。これにより、上流側ほど、流れる冷媒液量が多いため、より大きな位置エネルギーを使ってスムーズに冷媒液を循環させることができるようになる。

図９は、リザーブタンク１とラック１０（受熱部２）との間の配管長の調整の第一の例を示す図である。図１０は、リザーブタンク１とラック１０（受熱部２）との間の配管長の調整の第二の例を示す図である。リザーブタンク１の高さ調整、すなわち、リザーブタンク１とラック１０（受熱部２）との間の配管長の調整は、図９に示すように、予めラック液管９の高さを変えたものをラック１０毎に設置し、Ｏリング２４を挟んでフランジ２５で締結する。

あるいは、図１０に示すように、リザーブタンク１のラック１０側の第一の流出口１ｂの配管長を長くし、ラック液管９と可動Ｏリング２６を介して締結部品で接続するようにしても良い。このようにすることにより、サーバルーム内での複数のラック１０のレイアウトや建屋（所定の部屋）の天井の高さなど、本冷却システムを設定する現地の状況に合わせて、リザーブタンク１の高さを調整することができる。

図１１は、リザーブタンク１とラック１０（受熱部２）との間の配管長の調整の第三の例を示す図である。、図１１に示すように、リザーブタンク１の第一の流出口１ｂと、ラック液管９の間にベローズを介在させ、リザーブタンク１とラック１０（受熱部２）との間の配管長をベローズ配管によって調整するようにしても良い。この場合も、サーバルーム内での複数のラック１０のレイアウトや建屋の天井の高さなど、本冷却システムを設定する現地の状況に合わせて、リザーブタンク１の高さを調整することができる。

図１２は、放熱部３、蒸気合流部７、及びリザーブタンク１を、所定の部屋の天井板の上面を含むこの部屋の上方外部に設置する場合の一例を示す図である。図１２に示すように、複数のラック１０（発熱体６）を、所定の部屋に設置し、放熱部３、蒸気管４、蒸気合流部７、液管５、及びリザーブタンク１を、所定の部屋の天井板の上面を含むこの部屋の上方外部に設置しても良い。そして、リザーブタンク１および蒸気合流部７と、ラック１０間を、フレキ液管（ラック液管９）およびフレキ蒸気管（ラック蒸気管８）で接続する構成とする。このような構成とすることにより、複数のラック設置以外の工事、すなわち、建屋の配管工事（放熱部３、蒸気管４、蒸気合流部７、液管５、リザーブタンク１の設置工事等含む）を予め済ませておくことができる。そして、建屋の配管工事後、複数のラック１０の設置の工事は、リザーブタンク１および蒸気合流部７と、ラック１０間を、現地でフレキ蒸気管およびフレキ液管により接続するだけとなる。このため、ラックの設置、ラックの増設、ラックの保守、交換等を容易に行うことができる。

図１３は、図１２に示す構成にポンプ２１をさらに加えた場合の一例を示す図である。図１３に示すように、図１２に示す構成に加え、ポンプ２１をさらに備えていてもよい。ポンプ２１は、放熱部３において蒸気から液体に凝縮された冷媒を、液管５を介してリザーブタンク１及び受熱部２に送り出す。具体的には、ポンプ２１は、放熱部３とリザーブタンク１とを接続する液管５に設置される。ポンプ２１は、図１３においては天井板の上面に設置されているが、所定の部屋の内部に設置されていてもよい。

ポンプ２１を設置することにより、さらに冷媒を効率的に循環させることが可能になる。すなわち、ポンプ２１を設置することによって冷媒を長い距離移動させることが可能になる（配管長を長くすることが可能になる）。また、建屋やラック１０の設置場所等の制約条件の影響を受けずに本冷却システムを設置することが可能になる。

（第３の実施の形態）
図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る発熱体の冷却システムの一例を示す図である。本実施の形態に係る冷却システムは、第１及び第２の実施の形態の受熱部２が多段の受熱板２２に置き換えられた構成である。主に第２の実施の形態と相違する部分について説明する。

図１４に示すように、多段の受熱板２２は、それぞれのラック１０に鉛直方向に沿って配列されている。１つのラック１０に設置された多段の受熱板２２は、ラック蒸気管８およびラック液管９とそれぞれ並列に接続されている。図１４では、多段の受熱板２２が４段の構成を示したが、本発明の実施の形態では、多段の受熱板２２は、３段以下であっても５段以上であってもよい。

多段の受熱板２２は、冷媒を液体から蒸気に相変化させて発熱体６を冷却する。ラック液管９は、リザーブタンク１によって供給された冷媒液を多段の受熱板２２に供給する流路である。また、ラック液管９と多段の受熱板２２の接続部には、多段の受熱板２２それぞれに対して均等に冷媒を供給可能な冷媒分配機構２３が設置される。冷媒分配機構２３は、リザーブタンク１からラック液管９を介して供給される冷媒液を、対応する（接続される）受熱板２２に供給するとともに、所定の量の冷媒液を貯蔵する。冷媒分配機構２３は、所定の量の冷媒液を貯蔵し、受熱板２２に冷媒液を供給できない場合に、鉛直方向下段の冷媒分配機構２３に冷媒液を供給する。ラック蒸気管８は、多段の受熱板２２において蒸気化した冷媒を、蒸気管合流部７を介して蒸気管４に流す流路である。上述の第２の実施の形態において説明したように、本実施の形態に係る冷却システムにポンプ２１を加える構成にしてもよい。

このように、本実施の形態に係る冷却システムによれば、リザーブタンク１から供給される冷媒液を多段の受熱板２２において受熱させることにより、複数のラック１０に搭載される発熱体６の発熱を効率よく冷却することが可能になる。その理由は、多段の受熱板２２の構成にすることにより、ラック１０に搭載された複数の発熱体６それぞれの発熱を効率よく奪うことが可能になるためである。

上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のように記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
発熱体からの熱を受熱する受熱部と、
低温媒体と熱交換を行う放熱部と、
前記受熱部と前記放熱部とを接続する第一の通流管と、
前記受熱部と前記放熱部とを接続する第二の通流管と、
前記受熱部よりも高所に配置され、上流側から流入する前記冷媒を前記受熱部に流下可能に貯蔵し、前記冷媒を下流側へ排出可能とするタンクと、を備え、
前記受熱部が複数設けられ、前記タンクは、前記第二の通流管に直列に複数接続されることを特徴とする発熱体の冷却システム。
（付記２）
前記受熱部は、冷媒を液体から蒸気に相変化させて前記発熱体をそれぞれ冷却し、
前記放熱部は、前記冷媒を蒸気から液体に相変化させて放熱し、
前記第一の通流管は、蒸気管であり、前記受熱部と前記放熱部との間に設置され、前記受熱部で相変化にて生成された前記冷媒の蒸気を、この蒸気の浮力によって前記受熱部から前記放熱部へ流し、
前記第二の通流管は、液管であり、前記放熱部と複数の前記受熱部との間に設置され、前記放熱部で相変化にて生成された前記冷媒の液体（冷媒液）を、この液体の重力によって上流側の前記受熱部から下流側の前記受熱部へと前記放熱部から流し、
複数の前記リザーブタンクは、前記液管の各所に複数の前記受熱部に対応してそれぞれ設置され、所定量の前記冷媒液をバッファとして貯蔵し、このバッファの前記冷媒液を、自身の設置個所に対応する前記受熱部へ、この受熱部が前記相変化させた量分重力によって流れるようにし、上流側から、前記受熱部へ流れた量分以上の前記冷媒液の供給を受けて前記バッファの前記冷媒液が前記所定量以上になった場合、この所定量以上の前記冷媒液の重力によって前記冷媒液を下流側へ流れるようにし、
前記蒸気管の各所に複数の前記受熱部に対応してそれぞれ設置され、自身の設置個所に対応する前記受熱部から、この受熱部が前記相変化させた蒸気を受け、前記蒸気管本体に前記蒸気を合流させる複数の蒸気合流部を、更に備えたことを特徴とする付記１記載の発熱体の冷却システム。
（付記３）
前記リザーブタンクがバッファとして持つ前記冷媒液の前記所定量は、少なくとも、該リザーブタンクに対応する前記発熱体の最大発熱が所定の時間継続した場合、この発熱体に対応する前記受熱部が液体から蒸気に相変化させる前記冷媒量である、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記４）
前記液管は下流側の前記受熱部へ向かうにつれて、管径が細くなる、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記５）
複数の前記リザーブタンクのそれぞれの重力方向の配置位置は、自身のリザーブタンクに対応する前記受熱部の設置位置が下流側になるほど、下方に位置する、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記６）
前記リザーブタンクの上流側から前記冷媒液を受ける流入口は、下流側に流す前記冷媒液の流出口よりも重力方向で上方に位置する、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記７）
隣り合う前記リザーブタンク間の前記液管はフレキ配管で構成される、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記８）
隣り合う前記蒸気合流部間の前記蒸気管はフレキ配管で構成される、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記９）
前記リザーブタンクと前記受熱部との間の配管長は、Ｏリングを使用し、締結部品で締結して調整する、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記１０）
前記リザーブタンクと前記受熱部との間の配管長を、ベローズ配管によって調整する、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記１１）
前記発熱体は電子機器装置であり、この装置のラックの排気面に前記受熱部を設ける、ことを特徴とする付記２記載の発熱体の冷却システム。
（付記１２）
複数の前記発熱体は、サーバルームを含む所定の部屋に設置され、前記放熱部は、前記所定の部屋の天井板の上面を含む、該部屋の外部に設置する、ことを特徴とする付記は２記載の発熱体の冷却システム。
（付記１３）
前記蒸気合流部、及び前記リザーブタンクは、前記所定の部屋に設置される、ことを特徴とする付記１２記載の発熱体の冷却システム。
（付記１４）
前記蒸気合流部、及び前記リザーブタンクは、前記所定の部屋の天井板の上面を含む、該部屋の上方外部に設置される、ことを特徴とする付記１２記載の発熱体の冷却システム。
（付記１５）
付記２記載の発熱体の冷却システムに使用されるリザーブタンクであって、
前記バッファとして持つ前記冷媒液の前記所定量は、少なくとも、自身のリザーブタンクに対応する前記発熱体の最大発熱が所定の時間継続した場合、この発熱体に対応する前記受熱部が前記冷媒を液体から蒸気に相変化させる量である、ことを特徴とするリザーブタンク。
（付記１６）
付記２記載の発熱体の冷却システムに使用されるリザーブタンクであって、
前記リザーブタンクの上流側から前記冷媒液を受ける流入口は、下流側に流す前記冷媒液の流出口よりも重力方向で上方に位置する、ことを特徴とするリザーブタンク。

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５月２９日に出願された日本出願特願２０１４−１１０７８３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。

１ リザーブタンク
１ａ 流入口
１ｂ 第一の流出口
１ｃ 第二の流出口
２ 受熱部
３ 放熱部
４ 蒸気管
４Ａ 第一の通流管
５ 液管
５Ａ 第二の通流管
６ 発熱体
７ 蒸気合流部
８ ラック蒸気管
９ ラック液管
１０ ラック
２１ ポンプ
２２ 受熱板
２３ 冷媒分配機構
２４ Ｏリング
２５ フランジ
２６ 可動Ｏリング

Claims (10)

1. 発熱体からの熱を受熱する受熱部と、
   低温媒体と熱交換を行う放熱部と、
   前記受熱部と前記放熱部とを接続する第一の通流管と、
   前記受熱部と前記放熱部とを接続する第二の通流管と、
   前記受熱部よりも高所に配置され、上流側から流入する前記冷媒を前記受熱部に流下可能に貯蔵し、前記冷媒を下流側へ排出可能とするタンクと、を備え、
   前記受熱部が複数設けられ、前記タンクは、前記第二の通流管に直列に複数接続されることを特徴とする発熱体の冷却システム。
2. 前記受熱部は、冷媒を液体から蒸気に相変化させて前記発熱体をそれぞれ冷却し、
   前記放熱部は、前記冷媒を蒸気から液体に相変化させて放熱し、
   前記第一の通流管は、蒸気管であり、前記受熱部と前記放熱部との間に設置され、前記受熱部で相変化にて生成された前記冷媒の蒸気を、この蒸気の浮力によって前記受熱部から前記放熱部へ流し、
   前記第二の通流管は、液管であり、前記放熱部と複数の前記受熱部との間に設置され、前記放熱部で相変化にて生成された前記冷媒の液体（冷媒液）を、この液体の重力によって上流側の前記受熱部から下流側の前記受熱部へと前記放熱部から流し、
   複数の前記リザーブタンクは、前記液管の各所に複数の前記受熱部に対応してそれぞれ設置され、所定量の前記冷媒液をバッファとして貯蔵し、このバッファの前記冷媒液を、自身の設置個所に対応する前記受熱部へ、この受熱部が前記相変化させた量分重力によって流れるようにし、上流側から、前記受熱部へ流れた量分以上の前記冷媒液の供給を受けて前記バッファの前記冷媒液が前記所定量以上になった場合、この所定量以上の前記冷媒液の重力によって前記冷媒液を下流側へ流れるようにし、
   前記蒸気管の各所に複数の前記受熱部に対応してそれぞれ設置され、自身の設置個所に対応する前記受熱部から、この受熱部が前記相変化させた蒸気を受け、前記蒸気管本体に前記蒸気を合流させる複数の蒸気合流部を、更に備えたことを特徴とする請求項１記載の発熱体の冷却システム。
3. 前記液管は下流側の前記受熱部へ向かうにつれて、管径が細くなる、ことを特徴とする請求項２記載の発熱体の冷却システム。
4. 複数の前記リザーブタンクのそれぞれの重力方向の配置位置は、自身のリザーブタンクに対応する前記受熱部の設置位置が下流側になるほど、下方に位置する、ことを特徴とする請求項２記載の発熱体の冷却システム。
5. 前記リザーブタンクの上流側から前記冷媒液を受ける流入口は、下流側に流す前記冷媒液の流出口よりも重力方向で上方に位置する、ことを特徴とする請求項２記載の発熱体の冷却システム。
6. 隣り合う前記リザーブタンク間の前記液管はフレキ配管で構成される、ことを特徴とする請求項２記載の発熱体の冷却システム。
7. 隣り合う前記蒸気合流部間の前記蒸気管はフレキ配管で構成される、ことを特徴とする請求項２記載の発熱体の冷却システム。
8. 前記リザーブタンクと前記受熱部との間の配管長は、Ｏリングを使用し、締結部品で締結して調整する、ことを特徴とする請求項２記載の発熱体の冷却システム。
9. 前記蒸気合流部、及び前記リザーブタンクは、前記所定の部屋の天井板の上面を含む、該部屋の上方外部に設置される、ことを特徴とする請求項２記載の発熱体の冷却システム。
10. 請求項２記載の発熱体の冷却システムに使用されるリザーブタンクであって、
    前記バッファとして持つ前記冷媒液の前記所定量は、少なくとも、自身のリザーブタンクに対応する前記発熱体の最大発熱が所定の時間継続した場合、この発熱体に対応する前記受熱部が前記冷媒を液体から蒸気に相変化させる量である、ことを特徴とするリザーブタンク。

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