JPWO2016147615A1

JPWO2016147615A1 - 冷媒供給装置、それを用いた相変化冷却装置、および冷媒供給方法

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Publication number: JPWO2016147615A1
Application number: JP2017506075A
Authority: JP
Inventors: 吉川　実; 実吉川; 佐藤　正典; 正典佐藤; 暁小路口; 有仁松永; 正樹千葉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: JP6662374B2; WO2016147615A1; US20180054919A1

Abstract

複数の発熱体を冷却対象とする相変化冷却装置においては、複数の発熱体の発熱量の変動により冷却性能が低下するため、本発明の冷媒供給装置は、駆動ポンプによって流動する冷媒液を貯留する貯留タンクと、貯留タンクから受熱部に流出する冷媒液の流量を制御する冷媒液量調整手段、を有し、貯留タンクは分岐流出部を備え、分岐流出部は、冷媒液量調整手段より上方に設けられ、貯留タンクに対して下方に位置する他の貯留タンクに、貯留タンクに貯留しているタンク内冷媒液を流出する。

Description

本発明は、冷媒供給装置、それを用いた相変化冷却装置、および冷媒供給方法に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う冷却装置に用いる冷媒供給装置、それを用いた相変化冷却装置、および冷媒供給方法に関する。

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。データセンタにおいては、扱う情報処理量の増大に伴って電力消費量も増大している。データセンタでは特に、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、データセンタ全体の消費電力の半分近くを占めている。このため、データセンタの空調機の電力を削減することが求められている。この要求を充足する一手段として、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外気に放熱する手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は、冷水を循環する方式の他に、冷媒の相変化現象を利用する方式がある。これは冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う方式であり、冷媒が液相と気相の間で相変化する際の潜熱を利用するので、熱移動量が大きいという特徴がある。そのため、データセンタの空調機の電力を削減する手段として期待されている。

このような冷媒の相変化現象による冷媒循環サイクルを用いた冷却装置の一例が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された関連する電子機器の冷却システムは、サーバの近傍に蒸発器を設けている。蒸発器の内部には冷却コイルが設けられ、冷却コイル内を流れる冷媒液体がサーバから発生する熱風で蒸発することにより周囲から気化熱を奪いガス化する。ここで、蒸発器には、サーバから排出された熱風が蒸発器で冷却された後の風の温度を測定する温度センサが設けられている。さらに、冷却コイルの入口には、冷却コイルに供給する冷媒の供給流量を調整するための膨張弁が設けられている。そして、温度センサによる測定温度に基づいて膨張弁の開度が自動調整される構成としている。

このような構成としたことにより、蒸発器で冷却された後の風の温度が設定温度よりも低くなり過ぎた場合には、膨張弁の開度が絞られて冷媒の供給流量が減少される。そのため、関連する電子機器の冷却システムによれば、発熱量が大きな電子機器を小さなランニングコストで効率的に冷却することができる、としている。

特開２０１２−１４６３３１号公報（段落［００２１］〜［００２６］）

上述したように、特許文献１に記載された関連する電子機器の冷却システムは、負荷に応じて冷媒供給量を調整する構成としている。これは、ラックの排気熱量に応じて潜熱分の流量の冷媒を供給する必要があるためである。すなわち、潜熱分以下の流量である場合は、受熱部内の冷媒流路の下流側では冷媒液が不足し相変化が生じないため、吸熱できなくなるからである。逆に、潜熱分以上の流量である場合は、冷媒液が過剰となり顕熱による液冷となるため、下流側では冷媒液の熱容量分だけ温度が上昇してしまう。そのため、熱交換効率が低下し、十分な吸熱できなくなるからである。

上述した関連する電子機器の冷却システムには、サーバなどの負荷が変動する電子機器装置が複数台搭載された場合、次のような問題があった。すなわち、ラックに搭載された個々のサーバの負荷が変動すると吸熱性能が低下し、このため空調負荷が増加してしまうという問題があった。その理由は以下の通りである。

関連する電子機器の冷却システムは、複数のサーバが収納されたサーバラックごとに、蒸発器に供給する冷媒の供給流量を調整する構成としている。そのため、ラック全体の負荷状況を把握してから潜熱分の流量の冷媒を供給することになる。しかし、潜熱分の冷媒の流量は小さいため、冷媒がラックに流入してから流出するまでの間にサーバの負荷が変動すると、冷媒供給量は追随できない。そのため、吸熱性能が低下することになる。

サーバ内のプロセッサなどは近年の省エネルギー技術の発展により、情報処理量の増減によって負荷、つまり消費電力量を大きく変化させる構成としている。関連する電子機器の冷却システムにおいては、この負荷変動の度ごとに上述した理由により吸熱性能が低下してしまう。その結果、サーバルームの空調機の負荷が増加することになる。

このように、複数の発熱体を冷却対象とする相変化冷却装置においては、複数の発熱体の発熱量の変動により冷却性能が低下する、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、複数の発熱体を冷却対象とする相変化冷却装置においては、複数の発熱体の発熱量の変動により冷却性能が低下する、という課題を解決する冷媒供給装置、それを用いた相変化冷却装置、および冷媒供給方法を提供することにある。

本発明の冷媒供給装置は、駆動ポンプによって流動する冷媒液を貯留する貯留タンクと、貯留タンクから受熱部に流出する冷媒液の流量を制御する冷媒液量調整手段、を有し、貯留タンクは分岐流出部を備え、分岐流出部は、冷媒液量調整手段より上方に設けられ、貯留タンクに対して下方に位置する他の貯留タンクに、貯留タンクに貯留しているタンク内冷媒液を流出する。

本発明の冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置は、冷媒を収容し、鉛直方向に配置した複数の受熱部と、冷媒が受熱部で受熱した熱を放熱し、冷媒液を流出する放熱部と、冷媒液を流動させる駆動ポンプと、冷媒液を複数の受熱部にそれぞれ供給する複数の冷媒供給装置、とを有し、冷媒供給装置は、駆動ポンプによって流動する冷媒液を貯留する貯留タンクと、貯留タンクから受熱部に流出する冷媒液の流量を制御する冷媒液量調整手段、を有し、貯留タンクは分岐流出部を備え、分岐流出部は、冷媒液量調整手段より上方に設けられ、貯留タンクに対して下方に位置する他の貯留タンクに、貯留タンクに貯留しているタンク内冷媒液を流出する。

本発明冷媒供給方法は、駆動ポンプによって流動する冷媒液を貯留した貯留冷媒液を保持し、貯留冷媒液の一部であって、受熱領域に流動する循環冷媒液の流量を制御し、貯留冷媒液の液面近傍から貯留冷媒液の一部を鉛直方向の下方側に流出させる。

本発明の冷媒供給装置、それを用いた相変化冷却装置、および冷媒供給方法によれば、複数の発熱体を冷却対象とし、複数の発熱体の発熱量が変動する場合であっても、冷却性能の低下を回避することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷媒供給構造の構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置をデータセンタの建屋内に配置した場合の概略構成を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置を構成する受熱部モジュールおよび電子機器装置を搭載したラックの外観構成を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置を構成する受熱部モジュールの構成を模式的に示す正面図である。本発明の第２の実施形態に係る受熱部モジュールにおける冷媒の循環を説明するための模式図である。本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置を構成する受熱部から排気される排気風の温度分布を模式的に示す図である。関連する受熱部モジュールにおける、バルブの開度とバルブの位置との関係を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る受熱部モジュールにおける、バルブの開度とバルブの位置との関係を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却装置を構成する受熱部モジュールの構成を模式的に示す正面図である。本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却装置を構成する受熱部モジュールの別の構成を模式的に示す正面図である。本発明の第４の実施形態に係る相変化冷却装置をデータセンタの建屋内に配置した場合の概略構成を示す模式図である。

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の実施形態に係る冷媒供給装置の構成を示す断面図である。本実施形態による冷媒供給装置（冷媒供給構造）１０は、貯留タンク１１および冷媒液量調整手段１２を有する。

貯留タンク１１は、駆動ポンプ２１によって流動する冷媒液を貯留する。冷媒液量調整手段１２は、貯留タンク１１から受熱部２２に流出する冷媒液の流量を制御する。そして、貯留タンク１１は分岐流出部１１ｃを備え、分岐流出部１１ｃは、冷媒液量調整手段１２より上方に設けられ、貯留タンク１１に対して下方に位置する他の貯留タンク１１Ｘに、貯留タンク１１に貯留しているタンク内冷媒液を流出する。

ここで、分岐流出部１１ｃに、タンク内冷媒液の液面近傍から、タンク内冷媒液を他の貯留タンク１１Ｘに輸送する分岐配管１３が接続された構成とすることができる。すなわち、分岐配管１３は、貯留タンク１１に貯留しているタンク内冷媒液の液面近傍から、貯留タンク１１に対して鉛直方向の下方側に位置する他の貯留タンク１１Ｘに、タンク内冷媒液を輸送する。

なお、図１では、冷媒液量調整手段１２は、貯留タンク１１の底面に接続される配管に設けられた構成を示したが、これに限らず、貯留タンク１１の側面の下端に接続される配管に設けられた構成としてもよい。

ここで、受熱部２２は冷媒を収容し、発熱体から受熱することにより冷媒液が気化する。本実施形態の冷媒供給構造１０は、貯留タンク１１が冷媒液を貯留し、貯留タンク１１から冷媒液量調整手段１２を介して受熱部２２に冷媒液を供給する構成としている。そのため、この貯留タンク１１が受熱部２２における冷媒液量の増減に対してバッファとして機能する。したがって、発熱体の発熱量が急激に変動した場合であっても、受熱部２２における冷媒液に過不足が生じることがない。

そして、本実施形態の冷媒供給構造１０は、分岐配管１３が下方側に位置する他の貯留タンク１１Ｘにタンク内冷媒液を輸送する構成としている。そのため、複数の発熱体に対応した複数の受熱部２２にそれぞれ冷媒液を供給する場合であっても、一部の受熱部２２が吸熱する発熱量の変動によって、他の受熱部２２に供給する冷媒液に過不足が生じることはない。

このように、本実施形態の冷媒供給構造１０によれば、複数の発熱体を冷却対象とし、複数の発熱体の発熱量が変動する場合であっても、冷却性能の低下を回避することができる。

ここで、貯留タンク１１は、冷媒液が流入する流入部１１ａ、冷媒液が受熱部２２に向けて流出する流出部１１ｂ、および分岐配管１３が接続する分岐流出部１１ｃを備えた構成とすることができる。そして、流出部１１ｂに冷媒液量調整手段１２が接続される。また、貯留タンク１１は、冷媒液の気化熱による全熱量が受熱部２２における最大受熱量と等しくなる容量の冷媒液を、少なくとも収容可能な容積を備えた構成とすることができる。

冷媒液量調整手段１２は、受熱部２２の冷却特性が、冷媒液の流動方向に沿った異なる位置において略同一となるように冷媒液の流量を制御する構成とすることができる。受熱部２２の冷却特性として具体的には、例えば、受熱部２２から排気される送風の温度を用いることができる。

冷媒液量調整手段１２は、典型的には流量可変バルブである。

また、冷媒液量調整手段１２は、受熱部２２と貯留タンク１１を接続する配管とすることができる。この場合、この配管は、配管の内径が他の貯留タンク１１Ｘと他の受熱部を接続する他の配管の内径と異なる部分を含む構成とすることができる。これに限らず、冷媒液に異なる圧力損失を与える構成であれば、冷媒液量調整手段１２として用いることができる。具体的には例えば、配管の長さ、配管の曲率半径、および配管内面の摩擦係数を異ならせた構成を用いることができる。

次に、本実施形態による冷媒供給方法について説明する。

本実施形態の冷媒供給方法では、まず、駆動ポンプによって流動する冷媒液を貯留した貯留冷媒液を保持する。そして、この貯留冷媒液の一部であって、受熱領域に流動する循環冷媒液の流量を制御する。さらに、貯留冷媒液の液面近傍から貯留冷媒液の一部を鉛直方向の下方側に流出させる。

ここで、受熱領域における冷却特性が、循環冷媒液の流動方向に沿った異なる位置において略同一となるように循環冷媒液の流量を制御する構成とすることができる。また、循環冷媒液を、鉛直方向に位置する複数の受熱領域のそれぞれに向かって流動させ、鉛直方向の下方側に位置する受熱領域に向かって流動する循環冷媒液ほど圧力損失が大きくなるように制御することとしてもよい。

上述したように、本実施形態の冷媒供給構造１０および冷媒供給方法によれば、複数の発熱体を冷却対象とし、複数の発熱体の発熱量が変動する場合であっても、冷却性能の低下を回避することができる。

〔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。本実施形態では、第１の実施形態による冷媒供給構造１０を用いた相変化冷却装置について説明する。以下では、データセンタ（ＤａｔａＣｅｎｔｅｒ：ＤＣ）等に配置されるサーバラックに搭載される冷媒供給構造１０を用いた相変化冷却装置１００を例として説明する。なお、以下の説明では、「冷媒供給構造１０を用いた相変化冷却装置１００」を単に「相変化冷却装置１００」と言う。

図２に、本実施形態による相変化冷却装置１００をデータセンタの建屋内に配置した概略構成を模式的に示す。

本実施形態の相変化冷却装置１００は、受熱部モジュール１１０、放熱部１２０、および駆動ポンプ１３０を有する。受熱部モジュール１１０は、冷媒を収容し、鉛直方向に配置した複数の受熱部と、冷媒液を複数の受熱部にそれぞれ供給する複数の冷媒供給構造を備える。ここで、放熱部１２０は冷媒が受熱部で受熱した熱を放熱し、冷媒液を流出する。駆動ポンプ１３０は、この冷媒液を受熱部モジュール１１０に向けて流動させる。

データセンタ等のサーバ室５００内には、サーバやネットワーク機器などの複数の電子機器装置５１１が搭載された筐体（ラック）５１０が設置され、データ処理が行われる。電子機器装置５１１はデータ処理などの負荷によって熱を発生し、この熱はラック５１０の外に排気される。

本実施形態の相変化冷却装置１００においては、複数の受熱部が、冷却対象物としての電子機器装置５１１を収容する筐体（ラック）５１０の内部に配置している構成とした。すなわち、ラック５１０の排気側の面、例えば排気側扉に相変化冷却装置１００を構成する受熱部モジュール１１０が設置されている。受熱部モジュール１１０は、例えばサーバ室５００の外側に隣接する機械室５２０や屋外に設置した放熱部１２０と、液管１４０および蒸気管１５０を介して接続される。液管１４０の流路内に上述した駆動ポンプ１３０が設置され、放熱部１２０と受熱部モジュール１１０との間で冷媒液を搬送する。図３に、本実施形態による受熱部モジュール１１０および電子機器装置５１１を搭載したラック５１０の外観構成を示す。

電子機器装置５１１で発生した熱は、放熱部１２０からサーバ室５００の外部に直接放熱される。そのため、サーバ室５００内の空調機が冷却処理する熱量が低減するので、空調機の負荷を削減することができる。なお、図２中の矢印は、電子機器装置５１１で発生した熱の移動を示す。

相変化冷却装置１００で用いる冷媒としては例えば、ハイドロフルオロカーボン（Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ：ＨＦＣ）やハイドロフルオロエーテル（Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｅｔｈｅｒ：ＨＦＥ）などの低沸点の冷媒を用いることができる。冷媒を注入後に真空排気することにより飽和蒸気圧の環境下において使用する。

受熱部モジュール１１０内の冷媒は、電子機器装置５１１の排気熱によって液体から気体に相変化し、排気熱を気化熱として奪う。気化した冷媒は冷媒蒸気となり、蒸気管１５０を通って放熱部１２０に熱輸送される。放熱部１２０において、冷媒蒸気は外気または冷水と熱交換することによって熱を放出し、再び液体に相変化し冷媒液となる。この冷媒液は、駆動ポンプ１３０の駆動力によって液管１４０内を通って、受熱部モジュール１１０に還流される。

図４に、受熱部モジュール１１０の構成を示す。

受熱部モジュール１１０は複数個の受熱部１１１を備え、それぞれの受熱部１１１には、貯留タンクとしてのリザーブタンク１１２、冷媒液量調整手段としてのバルブ１１３、および分岐配管１１４が設置されている。

受熱部１１１は電子機器装置５１１の排気熱と冷媒との間で熱交換を行う。リザーブタンク１１２は冷媒液を一時的にバッファする。バルブ１１３は受熱部１１１とリザーブタンク１１２の間に配置しており、冷媒液の流量を調整する。

次に、本実施形態による相変化冷却装置１００の動作について説明する。

まず、図５を用いて、受熱部モジュール１１０における冷媒の循環について説明する。

リザーブタンク１１２は、駆動ポンプ１３０から搬送された冷媒液が流入する流入部、冷媒液が受熱部１１１に向けて流出する流出部、および分岐配管１１４が接続する分岐流出部を備える。そして、流出部からは、このリザーブタンク１１２に対応する受熱部１１１に供給される冷媒液である受熱部冷媒液流２１１が流出する。また、分岐流出部からは、ある一定量の冷媒液がリザーブタンク１１２に溜まったときに、分岐配管１１４を通して鉛直方向の下方側に位置する他のリザーブタンクに供給される冷媒液である分岐冷媒液流２１２が流出する。

リザーブタンク１１２は、冷媒液の気化熱による全熱量が受熱部１１１における最大受熱量と等しくなる容量の冷媒液を、少なくとも収容可能な容積を備えた構成とすることができる。すなわち、リザーブタンク１１２は、少なくとも受熱部１１１において熱交換する最大発熱量を冷媒の潜熱で除算することによって得られる流量の冷媒液を貯留（リザーブ）できる容量を備えていればよい。これにより、電子機器装置５１１の負荷変動に応じて冷媒液を供給することができる。

受熱部１１１に流入した冷媒液２２１は、電子機器装置５１１からの排気風の排気熱と熱交換し、冷媒蒸気２２２に相変化して蒸気管１５０に流出する。ここで、図５において、排気風の方向は紙面に垂直方向であり、同図に示すように冷媒液２２１は受熱部１１１の下側から流入し、冷媒蒸気２２２となって受熱部１１１の上側から流出する。このときの受熱部１１１から排気される排気風の温度分布を図６に模式的に示す。

図６においても図５と同様に、排気風の方向は紙面に垂直方向であり、冷媒液２２１は受熱部１１１の下側から流入し、冷媒蒸気２２２となって受熱部１１１の上側から流出する構成としている。

受熱部１１１において熱交換する潜熱分の流量の冷媒液を、受熱部１１１に供給することにより、受熱部１１１から流出するときに全ての冷媒液が気体に相変化し冷媒蒸気となって流出する構成とすることができる。

しかし、この状態からバルブ１１３の開度を小さくして冷媒液の流量を少なくすると、図６に示した受熱部１１１の下流側の排気温度Ｔｏｕｔは、相変化する冷媒液が供給されなくなるため、上流側の排気温度Ｔｉｎよりも高くなる。逆にバルブ１１３の開度を大きくして冷媒液の流量を多くすると、上流側で気化しなかった冷媒液が温まって下流側に移動するため、冷媒液の顕熱である熱容量分の温度上昇が下流側で生じる。そのため、下流側の排気温度Ｔｏｕｔは同様に上流側の排気温度Ｔｉｎよりも高くなる。このように、冷媒液の流量が最適でない場合には、受熱部１１１の下流側ほど熱交換性能が低下してしまう。そこで、電子機器装置５１１における負荷情報や、受熱部１１１における排気温度情報などを監視することにより、冷媒液の流量が最適になるようにバルブ１１３の開度を調整する。

次に、受熱部モジュール１１０に複数の受熱部１１１を設置した場合におけるバルブ１１３の開度の調整方法について詳細に説明する。

図７に、リザーブタンクを有さない関連する受熱部モジュールにおける、バルブの開度とバルブの位置との関係の一例を示す。この例では、関連する受熱部モジュールが４個の受熱部を備えた場合を示す。同図中、縦軸はバルブの開度であり、横軸はバルブの鉛直方向における位置であり、原点から離れる方向を下方側とした。すなわち、各バルブは鉛直方向の上側から下側にそれぞれ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４の順で配置されているものとする。なお、図中の「Ｗ」は各バルブの開度調整幅を、丸印は受熱部の下流側の排気温度Ｔｏｕｔが上流側の排気温度Ｔｉｎと等しくなる（Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｎ）とき、すなわち冷媒液が最適流量となるときのバルブ開度を示す。

電子機器装置５１１の負荷が変動すると、冷媒液の流量が、発熱量と等しくなる潜熱分の最適流量からずれる。すなわち上述したように、負荷が低減した場合は流量が過大となり、受熱部１１１の排気温度はＴｏｕｔ＞Ｔｉｎとなる。逆に、負荷が増大した場合は流量が過少となり、受熱部１１１の排気温度はＴｏｕｔ＞Ｔｉｎとなる。したがって、Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｎなるように、各バルブの開度を図中の丸印（○）で示した点に調整することになる。具体的には、負荷が低減した場合はバルブの開度を小さくし、負荷が増大した場合はバルブの開度を大きくすることによりＴｏｕｔ＝Ｔｉｎを達成する。

ここで、冷媒液がラック５１０の上側から供給される場合、上流から下流に、つまり鉛直方向の下方側に向かいながら、各受熱部１１１で気相に相変化していく。そのため、冷媒液量は鉛直方向の下方側に位置する受熱部１１１ほど減少する。そのため、鉛直方向の下方側ほど、各バルブの開度は小さくなる。さらに、上流側のバルブは、下流側に位置する全ての受熱部で熱交換する各電子機器装置の負荷変動に応じてバルブ開度の調整を行う必要がある。そのため、上流側のバルブほど、開度調整の幅が大きくなる。すなわち、上流側のバルブほど、その開度の電子機器装置の負荷変動に対するトレランスが小さくなる。

しかし、本実施形態による相変化冷却装置１００は、各バルブ１１３の上流側に電子機器装置５１１の負荷変動分の冷媒量をバッファするリザーブタンク１１２を備えた構成としている。そのため、上述したような、複数の受熱部を鉛直方向に配置したことによる影響を緩和することができる。

図８に、本実施形態による相変化冷却装置１００が備える受熱部モジュール１１０における、バルブの開度とバルブの位置との関係の一例を示す。同図中、縦軸はバルブの開度であり、横軸はバルブの鉛直方向における位置であり、原点から離れる方向を下方側とした。また、図中の「Ｗ」は各バルブの開度調整幅を、丸印は受熱部の下流側の排気温度Ｔｏｕｔが上流側の排気温度Ｔｉｎと等しくなる（Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｎ）とき、すなわち冷媒液が最適流量となるときのバルブ開度を示す。

上述したように、本実施形態による受熱部モジュール１１０は、バルブ１１３の上流側にリザーブタンク１１２を設けた構成である。リザーブタンク１１２には、少なくとも各受熱部１１１の熱交換量の最大量に相当する冷媒液が貯留（リザーブ）されており、このリザーブ量を超えると下流側のリザーブタンク１１２へと流出するように構成されている。このような構成とすることにより、各受熱部１１１にはリザーブタンク１１２から冷媒液が供給されるので、図８に示したように、上流側のバルブ開度の電子機器の負荷変動に対するトレランスを大きくすることができる。また、図７に示したリザーブタンクを有さない構成と異なり、鉛直方向の下方側に位置する受熱部ほど冷媒液量が減少するという現象は生じないので、バルブ開度のバルブ位置に対する依存性を緩和することができる。

この結果、電子機器装置の負荷が急に変動した場合であっても、熱交換性能を悪化させることなく、冷媒供給量を短時間で追随させることができる。さらに、バルブの開度調整量と頻度を低減することができるので、冷却システムの信頼性を向上させることができる。

上述したように、本実施形態の相変化冷却装置１００によれば、サーバルーム内の空調機の負荷を低減することができる。その理由は、リザーブタンク内の冷媒がサーバの負荷変動に対してバッファとなるため、サーバの負荷変動に対するトレランスを大きくすることができるからである。このため、サーバの負荷が急に変動しても冷媒供給量に過不足が生じることがないので、吸熱性能の低下を回避することができる。

さらに、本実施形態の相変化冷却装置１００によれば、冷却システムの信頼性の向上を図ることができる。その理由は、上述したようにサーバの負荷変動に対するトレランスを大きくすることができることによって、バルブの開度調整量と調整頻度を抑制できるからである。これにより、バルブの駆動部品の故障リスクを低減し、長寿命化を図ることができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図９に、本実施形態による相変化冷却装置が備える受熱部モジュールの構成を示す。同図に示すように、本実施形態による受熱部モジュール１１０は冷媒液量調整手段としてバルブ１１３に加えて、受熱部１１１と貯留タンクとしてのリザーブタンク１１２をそれぞれ接続する配管としての受熱部液管３４０を備える。そして、受熱部液管３４０は、受熱部液管３４０の内径が鉛直方向の下方側に位置する受熱部液管ほど小さく構成された部分を含む構成とした。すなわち、受熱部液管３４０の内径が、鉛直方向の位置により一様に異なる構成、または受熱部液管３４０の一部の内径が異なる構成とした。

このような構成とすることにより、液管１４０内を流れる冷媒液の圧力損失を鉛直方向の下方側に位置する配管ほど大きくすることができる。そのため、バルブ１１３の開度を上流側から下流側まで一定に近づけることができる。この結果、電子機器装置５１１の負荷変動に対するバルブ開度のトレランスをさらに大きくすることができ、バルブの開度を調整する制御系を簡素化することができる。

また、図１０に示すように、バルブ１１３を設けることなく、受熱部液管３４０だけを備えた構成としてもよい。このような構成とすることにより、液管１４０内を流れる冷媒液の圧力損失を鉛直方向の下方側に位置する配管ほど大きくすることができる。この場合は、各受熱部１１１毎に受熱部液管３４０の圧力損失が固定されることになる。しかし、電子機器装置５１１の負荷変動の幅が小さい場合など、負荷条件を予め把握できる場合には、ある程度の負荷変動はリザーブタンク１１２によって吸収できるため、バルブの開度調整を行わない運用も可能である。

このように、本実施形態の相変化冷却装置によれば、バルブのコストや、開度を調整する制御系のコストを削減することができる。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図１１に、本実施形態による相変化冷却装置４００をデータセンタの建屋内に配置した概略構成を模式的に示す。本実施形態の相変化冷却装置４００は、複数の受熱部１１１が、冷却対象物を収容する筐体から離間して配置した構成とした。すなわち、相変化冷却装置４００は、複数の受熱部１１１と複数の冷媒供給構造を備える受熱部モジュール４１０を、例えばサーバ室５００の壁面に設置した構成とした。そして、電子機器装置５１１の排気熱をサーバ室５００の壁面で受熱部モジュール４１０により受熱し、サーバ室５００の外部に設置した放熱部１２０から放熱する構成とした。なお、図中の矢印は、電子機器装置５１１で発生した熱の移動を示す。

このような構成とすることにより、ラック５１０毎に受熱部モジュールを設置する必要がなくなる。そのため、冷却装置に対する初期投資コストを抑制することが可能となる。

上述した各実施形態の相変化冷却装置によれば、データセンタのように負荷が変動する複数台のサーバを搭載したラックの排気熱を、サーバ室外に強制循環によって熱輸送することが可能になるので、空調機の消費電力を削減することができる。

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、２０１５年３月１３日に出願された日本出願特願２０１５−０５１０６４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。

１０冷媒供給構造
１１、１１Ｘ貯留タンク
１１ａ流入部
１１ｂ流出部
１１ｃ分岐流出部
１２冷媒液量調整手段
１３、１１４分岐配管
２１駆動ポンプ
２２、１１１受熱部
１００、４００相変化冷却装置
１１０、４１０受熱部モジュール
１１２リザーブタンク
１１３バルブ
１２０放熱部
１３０駆動ポンプ
１４０液管
１５０蒸気管
２１１受熱部冷媒液流
２１２分岐冷媒液流
２２１冷媒液
２２２冷媒蒸気
３４０受熱部液管
５００サーバ室
５１０ラック
５１１電子機器装置
５２０機械室

Claims

駆動ポンプによって流動する冷媒液を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクから受熱手段に流出する前記冷媒液の流量を制御する冷媒液量調整手段、を有し、
前記貯留タンクは分岐流出部を備え、
前記分岐流出部は、前記冷媒液量調整手段より上方に設けられ、前記貯留タンクに対して下方に位置する他の貯留タンクに、前記貯留タンクに貯留しているタンク内冷媒液を流出する
冷媒供給装置。
請求項１に記載した冷媒供給装置において、
前記分岐流出部に、前記タンク内冷媒液の液面近傍から、前記タンク内冷媒液を前記他の貯留タンクに輸送する分岐配管が接続された
冷媒供給装置。
請求項１または２に記載した冷媒供給装置において、
前記冷媒液量調整手段は、前記貯留タンクの底面、および側面の下端のいずれかに接続される配管に設けられる
冷媒供給装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載した冷媒供給装置において、
前記冷媒液量調整手段は、前記受熱手段の冷却特性が、前記冷媒液の流動方向に沿った異なる位置において略同一となるように前記冷媒液の流量を制御する
冷媒供給装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載した冷媒供給装置において、
前記冷媒液量調整手段は、流量可変バルブである
冷媒供給装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載した冷媒供給装置において、
前記冷媒液量調整手段は、前記受熱手段と前記貯留タンクを接続する配管であり、
前記配管は、前記配管の内径が前記他の貯留タンクと他の受熱手段を接続する他の配管の内径と異なる部分を含む
冷媒供給装置。
請求項１から６のいずれか一項に記載した冷媒供給装置において、
前記貯留タンクは、前記冷媒液が流入する流入部と、前記冷媒液が前記受熱手段に向けて流出する流出部と、分岐配管が接続する前記分岐流出部、とを備え、
前記冷媒液量調整手段が、前記流出部に接続されている
冷媒供給装置。
請求項１から７のいずれか一項に記載した冷媒供給装置において、
前記貯留タンクは、前記冷媒液の気化熱による全熱量が前記受熱手段における最大受熱量と等しくなる容量の前記冷媒液を、少なくとも収容可能な容積を備える
冷媒供給装置。
冷媒を収容し、鉛直方向に配置した複数の受熱手段と、
前記冷媒が前記受熱手段で受熱した熱を放熱し、冷媒液を流出する放熱手段と、
前記冷媒液を流動させる駆動ポンプと、
前記冷媒液を前記複数の受熱手段にそれぞれ供給する複数の冷媒供給装置、とを有し、
前記冷媒供給装置は、
駆動ポンプによって流動する冷媒液を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクから受熱手段に流出する前記冷媒液の流量を制御する冷媒液量調整手段、を有し、
前記貯留タンクは分岐流出部を備え、
前記分岐流出部は、前記冷媒液量調整手段より上方に設けられ、前記貯留タンクに対して下方に位置する他の貯留タンクに、前記貯留タンクに貯留しているタンク内冷媒液を流出する
冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置。
請求項９に記載した冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置において、
前記分岐流出部に、前記タンク内冷媒液の液面近傍から、前記タンク内冷媒液を前記他の貯留タンクに輸送する分岐配管が接続された
冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置。
請求項９または１０に記載した冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置において、
前記冷媒液量調整手段は、前記貯留タンクの底面、および側面の下端のいずれかに接続される配管に設けられる
冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置。
請求項９から１１のいずれか一項に記載した冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置において、
前記冷媒液量調整手段は、前記受熱手段の冷却特性が、前記冷媒液の流動方向に沿った異なる位置において略同一となるように前記冷媒液の流量を制御する
冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置。
請求項９から１２のいずれか一項に記載した冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置において、
前記冷媒液量調整手段は、流量可変バルブである
冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置。
請求項９から１３のいずれか一項に記載した冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置において、
前記冷媒液量調整手段は、前記受熱手段と前記貯留タンクをそれぞれ接続する配管であり、
前記配管は、前記配管の内径が鉛直方向の下方側に位置する前記配管ほど小さく構成された部分を含む
冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置。
請求項９から１４のいずれか一項に記載した冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置において、
前記複数の受熱手段が、冷却対象物を収容する筐体の内部に配置している
冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置。
請求項９から１５のいずれか一項に記載した冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置において、
前記複数の受熱手段が、冷却対象物を収容する筐体から離間して配置している
冷媒供給装置を用いた相変化冷却装置。
駆動ポンプによって流動する冷媒液を貯留した貯留冷媒液を保持し、
前記貯留冷媒液の一部であって、受熱領域に流動する循環冷媒液の流量を制御し、
前記貯留冷媒液の液面近傍から前記貯留冷媒液の一部を鉛直方向の下方側に流出させる
冷媒供給方法。
請求項１７に記載した冷媒供給方法において、
前記受熱領域における冷却特性が、前記循環冷媒液の流動方向に沿った異なる位置において略同一となるように前記循環冷媒液の流量を制御する
冷媒供給方法。
請求項１７または１８に記載した冷媒供給方法において、
前記循環冷媒液を、鉛直方向に位置する複数の受熱領域のそれぞれに向かって流動させ、
鉛直方向の下方側に位置する前記受熱領域に向かって流動する前記循環冷媒液ほど圧力損失が大きくなるように制御する
請求項１７または１８に記載した冷媒供給方法。