WO2018164085A1

WO2018164085A1 - 冷却装置及び気液分離タンク

Info

Publication number: WO2018164085A1
Application number: PCT/JP2018/008448
Authority: WO
Inventors: 安仁中村
Original assignee: Ｎｅｃプラットフォームズ株式会社
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2018-09-13

Abstract

（課題）冷媒の相変化を利用した冷却装置において、気液分離タンクを導入した場合に、冷却効率の向上と、単純な装置構成とを両立させる。（解決手段）内部に冷媒を保持可能な密閉容器であって、一端が容器の側面に開口した、側方から凝縮状態の冷媒を流入させる凝縮冷媒流入部と、上端が容器の下底面において開口した、下方へ凝縮状態の冷媒を流出させる凝縮冷媒流出部と、一端が側面に開口した、側方へ凝縮状態の冷媒を流出及び流入させる凝縮冷媒バイパス部と、上端が下底面を貫通し、下方から気液混合状態の冷媒を流入させる気液混合冷媒流入部と、気液混合冷媒流入部と平行な向きに設置され、下端が容器の上底面において開口した、上方へ気体状態の冷媒を流出させる気体冷媒流出部とを備える。

Description

冷却装置及び気液分離タンク

　本発明は、冷媒の相変化を利用した冷却技術に関する。

　サーバの大規模化や高集積化等に伴い、サーバの発熱量が増大してきた。そのため、データセンター等において、サーバ等の機器の冷却の効率化が求められている。サーバ等の機器の冷却では、相変化冷却（蒸発冷却、沸騰冷却）方式が用いられることが多い。相変化冷却方式では、冷却装置の内部に封入された熱媒体（冷媒）の相変化を利用して機器が冷却される。

　図４は、本発明における課題を説明する図である。より具体的には、図４は、冷媒の相変化を利用した冷却装置１０９の構成を示す正面図である。

　冷却装置１０９は、凝縮器２００と、受熱部１４０、１４１、１４２とを含む。

　凝縮器２００は、加熱された冷媒が内部を通過する際に、冷媒が有する熱を外部へ放出することにより、冷媒を冷却する。凝縮器２００が熱を放出すると、凝縮器２００中の冷媒は凝縮（液化）する。

　受熱部１４０、１４１、１４２は、凝縮器２００により冷却された冷媒が内部を通過する際に、外部の熱を吸収することにより、冷媒を加熱する。受熱部１４０、１４１、１４２が外部の熱を吸収すると、受熱部１４０、１４１、１４２中の冷媒は沸騰（気化）する。

　受熱部１４０、１４１、１４２はそれぞれ、凝縮冷媒流入配管１２０及び凝縮冷媒流入配管１２１、１２２、１２３と、気液混合冷媒流出配管１５０及び気液混合冷媒流出配管１５１、１５２、１５３とを経由して、凝縮器２００に並列に接続される。ここで、凝縮冷媒流入配管１２１、１２２、１２３は、凝縮冷媒流入配管１２０の各受熱部側が分岐した配管である。凝縮冷媒流入配管１２０及び凝縮冷媒流入配管１２１、１２２、１２３は、凝縮器２００により冷却された冷媒を受熱部１４０、１４１、１４２へ輸送する。又、気液混合冷媒流出配管１５１、１５２、１５３は、気液混合冷媒流出配管１５０の各受熱器側が分岐した配管である。気液混合冷媒流出配管１５０及び気液混合冷媒流出配管１５１、１５２、１５３は、受熱部１４０、１４１、１４２により加熱された冷媒を凝縮器２００へ輸送する。冷媒は、受熱部１４０、１４１、１４２と凝縮器２００との間で、自然循環させられる。

　受熱部１４０、１４１、１４２が凝縮器２００に並列に接続された構成において、冷媒を自然循環させるためには、気液混合冷媒流出配管１５０と凝縮冷媒流入配管１２０とは、水平面に対して勾配を成す必要がある。

　ところが、気液混合冷媒流出配管１５０と凝縮冷媒流入配管１２０とが水平面に対して勾配を成すと、凝縮器２００により凝縮された冷媒は、凝縮器２００に最も近い受熱部１４０へ最も多く流入し、凝縮器２００から最も遠い受熱部１４２へ最も少なく流入するという現象が発生する。

　図５は、冷却装置における、冷媒量と冷却性能との関係を模式的に説明するグラフである。図５に示すように、冷媒の相変化を利用した冷却装置１０９では、最適な冷媒量が存在し、冷媒が多過ぎても少な過ぎても冷却性能が低下することが知られている。

　冷却装置における冷媒量を調整する技術の一例が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１及び特許文献２の冷却システムは、冷媒を循環させて複数の電子機器を冷却する際に、各電子機器の負荷に応じて、各電子機器を冷却する各蒸発器に流入させる冷媒の流量をバルブによって調整する。

　冷却装置における冷媒量を調整する技術の別の一例が、特許文献３に開示されている。特許文献３の冷却システムは、複数の受熱部（蒸発器）と、複数の液溜めと、液タンクと、ポンプとを含む。各液溜めは、各受熱部へ冷媒を供給する。液タンクは、各液溜めから溢れた冷媒を保持する。ポンプは、各液溜めにおいて冷媒が不足した際に液タンクから各液溜めへ冷媒を輸送する。上記構成の結果、特許文献３の冷却システムは、各受熱部における液枯れを防止する。

特許第４７８０４７９号公報特許第５０２４６７５号公報特開２０１３－６５２２７号公報

　特許文献１及び特許文献２の冷却システムは、蒸発器へ流入させる冷媒の流量の調整にバルブを使用する。つまり、特許文献１及び特許文献２の冷却システムには、バルブを使用しない場合に比べて、冷却システムの構成が複雑であるという問題がある。又、特許文献１及び特許文献２の冷却システムでは、バルブの制御にエネルギーを要する。

　特許文献３の冷却システムでは、ポンプを動作させるために、電源や、ポンプ制御部等が必要である。つまり、特許文献３の冷却システムには、ポンプがない場合に比べて、冷却システムの構成が複雑であるという問題がある。又、特許文献３の冷却システムでは、ポンプの制御にエネルギーを要する。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、冷媒の相変化を利用した冷却装置において、冷却効率の向上と、単純な装置構成とを両立することを主たる目的とする。

　本発明の一態様において、冷却装置は、内部に冷媒を保持可能な密閉容器であって、一端が容器の側面に開口した、側方から凝縮状態の冷媒を流入させる凝縮冷媒流入部と、上端が容器の下底面において開口した、下方へ凝縮状態の冷媒を流出させる凝縮冷媒流出部と、一端が側面に開口した、側方へ凝縮状態の冷媒を流出及び流入させる凝縮冷媒バイパス部と、上端が下底面を貫通し、下方から気液混合状態の冷媒を流入させる気液混合冷媒流入部と、気液混合冷媒流入部と平行な向きに設置され、下端が容器の上底面において開口した、上方へ気体状態の冷媒を流出させる気体冷媒流出部とを含む複数の気液分離タンクと、凝縮器又は気体冷媒流出部から冷媒を供給され、供給された冷媒を冷却し、冷却した冷媒を凝縮冷媒流入部へ供給する凝縮器と、凝縮冷媒流出部から冷媒を供給され、供給された冷媒に吸熱させ、吸熱させた冷媒を気液混合冷媒流入部へ供給する受熱部とを備える。

　本発明の一態様において、気液分離タンクは、内部に冷媒を保持可能な密閉容器であって、一端が容器の側面に開口した、側方から凝縮状態の冷媒を流入させる凝縮冷媒流入部と、上端が容器の下底面において開口した、下方へ凝縮状態の冷媒を流出させる凝縮冷媒流出部と、一端が側面に開口した、側方へ凝縮状態の冷媒を流出及び流入させる凝縮冷媒バイパス部と、上端が下底面を貫通し、下方から気液混合状態の冷媒を流入させる気液混合冷媒流入部と、気液混合冷媒流入部と平行な向きに設置され、下端が容器の上底面において開口した、上方へ気体状態の冷媒を流出させる気体冷媒流出部とを備える。

　本発明によれば、冷媒の相変化を利用した冷却装置において、気液分離タンクを導入した場合に、冷却効率の向上と、単純な装置構成とを両立できるという効果がある。

本発明の第１の実施形態における冷却装置の構成の一例を示す正面図である。本発明の第１の実施形態における気液分離タンクの構成の一例を示す断面図である。本発明の第２の実施形態における冷却装置の構成の一例を示す正面図である。本発明における課題を説明する図である。冷却装置における冷媒量と冷却性能との関係を模式的に説明するグラフである。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、すべての図面において、同等な構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。
（第１の実施形態）
　本実施形態における構成について説明する。

　図１は、本発明の第１の実施形態における冷却装置の構成の一例を示す正面図である。

　本実施形態の冷却装置１００は、凝縮器２００と、複数の受熱部１４０、１４１、・・・と、複数の気液分離タンク１１０、１１１、・・・とを含む。尚、図１では、３台の受熱部及び３台の気液分離タンクを例示しているが、受熱部及び気液分離タンクは２台以上の任意の台数であってよい。

　凝縮器２００は、加熱された冷媒が内部を通過する際に、冷媒が有する熱を外部へ放出する。

　受熱部１４０、１４１、・・・は、冷却された冷媒が内部を通過する際に、外部の熱を吸収する。受熱部１４０、１４１、・・・はそれぞれ、冷却された冷媒を下方から供給され、外部の熱を吸収させながら、供給された冷媒を下方から上方へ移動させ、外部の熱を吸収した冷媒を上方から気液分離タンク１１０、１１１、・・・へ供給する。

　気液分離タンク１１０、１１１、・・・はそれぞれ、凝縮器２００から供給された冷却された冷媒を受熱部１４０、１４１、・・・へ供給する。又、気液分離タンク１１０、１１１、・・・はそれぞれ、受熱部１４０、１４１、・・・から供給された加熱された気液混合状態の冷媒から気体を分離し、分離した気体を凝縮器２００へ供給する。気液分離タンク１１０、１１１、・・・はそれぞれ、凝縮冷媒流入配管１２０、１２１、・・・を経由して、凝縮器２００から、凝縮した冷媒の供給を受ける。ここで、凝縮冷媒流入配管１２１は、気液分離タンク１１０を経由して、凝縮冷媒流入配管１２０に直列に接続される。又、凝縮冷媒流入配管１２２は、気液分離タンク１１１を経由して、凝縮冷媒流入配管１２１に直列に接続される。凝縮冷媒流入配管１２１、１２２、・・・は、隣接する気液分離タンク間で凝縮冷媒を共有する（凝縮冷媒の流出及び流入を可能にする）、水平に設置された配管である。気液分離タンク１１０、１１１、・・・はそれぞれ、凝縮冷媒流出配管１３０、１３１、・・・を経由して、受熱部１４０、１４１、・・・へ、凝縮した冷媒を供給する。気液分離タンク１１０、１１１、・・・はそれぞれ、気液混合冷媒流入配管１５０、１５１、・・・を経由して、受熱部１４０、１４１、・・・から、気液混合した冷媒の供給を受ける。気液分離タンク１１０、１１１、・・・はそれぞれ、気体冷媒流出配管１６０及び気体冷媒流出配管１６１、１６２、・・・を経由して、凝縮器２００へ、気化した冷媒を供給する。

　凝縮冷媒流入配管１２０、１２１、・・・は、気液分離タンク１１０、１１１、・・・内の冷媒液面（不図示）よりも低い位置に接続される。

　図２は、本発明の第１の実施形態における気液分離タンクの構成の一例を示す断面図である。ここでは、気液分離タンク１１０について説明するが、気液分離タンク１１１、・・・は、気液分離タンク１１０と同じ構成を有する。

　気液分離タンク１１０は、内部に冷媒を保持可能な密閉容器である。気液分離タンク１１０は、側面にある凝縮冷媒流入部１９０において、凝縮冷媒流入配管１２０に接続される。但し、最上流の（凝縮器２００に最も近い）気液分離タンク１１０では、凝縮冷媒流入部１９０は上底面にあってもよい。又、気液分離タンク１１０は、気液分離タンク１１０の下底面にある凝縮冷媒流出部２１０において、凝縮冷媒流出配管１３０に接続される。又、凝縮冷媒流出配管１３０は、受熱部１４０の底部に接続される。気液分離タンク１１０は、側面にある凝縮冷媒バイパス部２３０において、凝縮冷媒流入配管１２１に接続される（凝縮冷媒の流出及び流入を可能にする）。但し、最下流の（凝縮器２００から最も遠い）気液分離タンク１１２では、凝縮冷媒バイパス部２３０は存在しなくてもよい。つまり、気液分離タンク１１０は、凝縮冷媒バイパス部２３０を経由して、より下流の気液分離タンクと凝縮冷媒７を共有する。

　凝縮冷媒流入部１９０の開口部及び凝縮冷媒バイパス部２３０の開口部は、凝縮冷媒７の液面よりも低い位置に設けられる。凝縮冷媒流入部１９０は、側方又は上方から気液分離タンク１１０へ凝縮冷媒７を流入させるか、又は側方へ凝縮冷媒７を流入及び流出させる。凝縮冷媒バイパス部２３０は、側方へ凝縮冷媒７を流出及び流入させる。

　凝縮冷媒流出部２１０は、気液分離タンク１１０の下底面に開口し、下方へ凝縮冷媒７を流出させる。

　受熱部１４０は、上部に気液混合冷媒流入配管１５０が接続される。又、気液混合冷媒流入配管１５０は、気液分離タンク１１０の下底面にある気液混合冷媒流入部１７０に接続される。

　気液混合冷媒流入部１７０は、気液分離タンク１１０の下底面を貫通して、気液分離タンク１１０の内部に上端を有する。気液混合冷媒流入部１７０は、例えば、気液分離タンク１１０の内部において、上端の内径が上に行くに従い広がるよう拡管されている。つまり、気液混合冷媒流入部１７０は、下方から気液混合二相流８を流入させ、流入させた気液混合二相流８のうちの気体冷媒１０を上方へ噴出させる。そして、気液混合冷媒流入部１７０は、流入させた気液混合二相流８のうちの液体冷媒９を気液分離タンク１１０の壁面へ向けて噴出させる。

　気液分離タンク１１０は、例えば、気液混合冷媒流入部１７０と同軸上に、気体冷媒流出部１８０を有する。気体冷媒流出部１８０には、気体冷媒流出配管１６０が接続されている。気体冷媒流出部１８０は、気液分離タンク１１０の上底面に開口し、上方へ気体冷媒１０を流出させる。

　気液分離タンク１１０の底部には、凝縮冷媒７が充填されている。又、気液混合冷媒流入部１７０の上端は、凝縮冷媒７の液面よりも高い位置になるよう設置される。

　本実施形態における動作について説明する。

　受熱部１４０、１４１、・・・が冷却対象機器（不図示）の熱を受熱すると、受熱部１４０、１４１、・・・の内部において、凝縮冷媒７が沸騰し、その結果、蒸気が発生する。そして、受熱部１４０、１４１、・・・の内部において、蒸気は気液混合二相流８となり、受熱部１４０、１４１、・・・の上部へ移動する。ここで、気液混合二相流８とは、液体冷媒９と気体冷媒１０との混合物であることとする。

　気液混合二相流８は、気液混合冷媒流入配管１５０、１５１、・・・を経由して、気液分離タンク１１０、１１１、・・・へ流入する。

　この際、気液混合二相流８中の液体冷媒９は、気液混合冷媒流入部１７０の内壁に沿って上昇する。そして、液体冷媒９は、気液混合冷媒流入部１７０の上端から気液混合冷媒流入部１７０の上方に向かって噴出する。そして、液体冷媒９は、気液分離タンク１１０、１１１、・・・内の上底面又は側面に衝突した後、重力により気液分離タンク１１０、１１１、・・・内に落下する。気液分離タンク１１０、１１１、・・・内に落下した液体冷媒９は、凝縮冷媒７と混合し、凝縮冷媒流出配管１３０を経由して受熱部１４０、１４１、・・・へ供給される。

　一方、気液混合二相流８中の気体冷媒１０は、気液混合冷媒流入部１７０の上端から噴出した後も真直ぐ上昇を続ける。そして、気体冷媒１０は、凝縮器２００により凝縮された後、凝縮冷媒流入配管１２０を経由して気液分離タンク１１０、１１１、・・・へ還流される。

　気液分離タンク１１０、１１１、・・・内ではそれぞれ、気液混合二相流８中の気体冷媒１０は、気体冷媒流出配管１６１、１６２、・・・を経由して、気体冷媒流出配管１６０へ流入する。

　一方、液体冷媒９は、気液分離タンク１１０、１１１、・・・内において、凝縮冷媒流入配管１２０、１２１、・・・から流入した凝縮冷媒と混合して、凝縮冷媒流出配管１３０又は凝縮冷媒流入配管１２１、１２２、・・・から流出する。

　気体冷媒流出配管１６１、１６２、・・・から気体冷媒流出配管１６０へ流入した気体冷媒１０は、凝縮器２００へ流入する。そして、気体冷媒１０は、凝縮器２００により凝縮（液化）された後、凝縮冷媒流入配管１２０を経由して気液分離タンク１１０、１１１、・・・へ還流される。

　以上説明したように、本実施形態の冷却装置１００では、各気液分離タンク１１０、１１１、・・・は、凝縮冷媒流入配管１２０、１２１、・・・により直列に接続される。つまり、気液分離タンク１１０、１１１、・・・間において、凝縮冷媒７が共有される。その結果、各受熱部１４０、１４１、・・・に流入する凝縮冷媒７の量が均一化される。又、本実施形態の冷却装置１００では、各受熱部に流入する冷媒量の調節のためにバルブやポンプを必要としない。従って、本実施形態の冷却装置１００には、冷媒の相変化を利用した冷却装置において、相変化冷却気液分離タンクを導入した場合に、冷却効率の向上と、単純な装置構成とを両立できるという効果がある。
（第２の実施形態）
　次に、本発明の第１の実施形態を基本とする、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態における冷却装置は、１台の気液分離タンクあたり、複数の受熱部を備える。

　本実施形態における構成について説明する。

　図３は、本発明の第２の実施形態における冷却装置の構成の一例を示す正面図である。図３では、冷却装置は３台の気液分離タンクを含み、１台の気液分離タンクあたり、受熱部が４つの場合を示している。しかしながら、本実施形態における冷却装置及び受熱部の台数は、２台以上の任意の台数であってよい。

　本実施形態の冷却装置１０５は、凝縮器２００と、複数台の受熱部を含む集合受熱部１４５、１４６、・・・と、気液分離タンク１１０、１１１、・・・とを含む。

　冷却装置１０５は、第１の実施形態の凝縮冷媒流出配管１３０、１３１、・・・の代わりに、下端側が分岐した凝縮冷媒流出配管１３５、１３６、・・・を含む。凝縮冷媒流出配管１３５、１３６、・・・の各分岐は、複数台の集合受熱部１４５、１４６、・・・に含まれる各受熱部に接続される。

　又、冷却装置１０５は、第１の実施形態の気液混合冷媒流入配管１５０、１５１、・・・の代わりに、下端側が分岐した気液混合冷媒流入配管１５５、１５６、・・・を含む。気液混合冷媒流入配管１５５、１５６、・・・の各分岐は、複数台の集合受熱部１４５、１４６、・・・に含まれる各受熱部に接続される。

　本実施形態におけるその他の構成は、第１の実施形態における構成と同じである。

　本実施形態における動作について説明する。

　本実施形態における動作は、複数台の集合受熱部１４５、１４６、・・・に含まれる各受熱部が並行して動作することを除き、第１の実施形態における動作と同じである。

　以上説明したように、本実施形態の冷却装置１０５は、複数台の集合受熱部１４５、１４６、・・・に含まれる各受熱部が並行して動作することを除き、第１の実施形態の冷却装置１００と同様に動作する。従って、本実施形態における冷却装置１０５には、第１の実施形態の冷却装置１００と同様な効果がある。

　尚、凝縮冷媒流入配管１２１、１２２、・・・は、水平でなく、垂れ下がった形状であっても冷却性能に影響はない。

　以上、本発明を、上述した各実施形態及びその変形例によって例示的に説明した。しかしながら、本発明の技術的範囲は、上述した各実施形態及びその変形例に記載した範囲に限定されない。当業者には、係る実施形態に対して多様な変更又は改良を加えることが可能であることは明らかである。そのような場合、係る変更又は改良を加えた新たな実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれ得る。そしてこのことは、請求の範囲に記載した事項により明らかである。

　この出願は、２０１７年３月８日に出願された日本出願特願２０１７－０４３５２７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、半導体装置、電子機器、サーバ等の任意の熱源を冷却する用途において利用できる。

　７　凝縮冷媒
　８　気液混合二相流
　９　液体冷媒
　１０　気体冷媒
　１００、１０５、１０９　冷却装置
　１１０、１１１、１１２　気液分離タンク
　１２０、１２１、１２２　凝縮冷媒流入配管
　１３０、１３１、１３２、１３５、１３６、１３７　凝縮冷媒流出配管
　１４０、１４１、１４２　受熱部
　１４５、１４６、１４７　集合受熱部
　１５０、１５１、１５２、１５５、１５６、１５７　気液混合冷媒流入配管
　１６０　気体冷媒流出配管
　１６１、１６２、１６３　気体冷媒流出配管
　１７０　気液混合冷媒流入部
　１８０　気体冷媒流出部
　１９０　凝縮冷媒流入部
　２１０　凝縮冷媒流出部
　２３０　凝縮冷媒バイパス部
　２００　凝縮器

Claims

　　内部に冷媒を保持可能な密閉容器であって、
　　一端が前記容器の側面に開口した、側方から凝縮状態の前記冷媒を流入させる凝縮冷媒流入部と、
　　上端が前記容器の下底面において開口した、下方へ凝縮状態の前記冷媒を流出させる凝縮冷媒流出部と、
　　一端が前記側面に開口した、側方へ凝縮状態の前記冷媒を流出及び流入させる凝縮冷媒バイパス部と、
　　上端が前記下底面を貫通し、下方から気液混合状態の前記冷媒を流入させる気液混合冷媒流入部と、
　　前記気液混合冷媒流入部と平行な向きに設置され、下端が前記容器の上底面において開口した、上方へ気体状態の前記冷媒を流出させる気体冷媒流出部と
　を含む複数の気液分離タンクと、
　　前記気体冷媒流出部から前記冷媒を供給され、
　　供給された前記冷媒を冷却し、
　　冷却した前記冷媒を前記凝縮冷媒流入部へ供給する
　凝縮器と、
　　前記凝縮器又は前記凝縮冷媒流出部から前記冷媒を供給され、
　　供給された前記冷媒に吸熱させ、
　　吸熱させた前記冷媒を前記気液混合冷媒流入部へ供給する
　受熱部と
を備えた冷却装置。
　ある前記気液分離タンクの前記凝縮冷媒バイパス部と、別の前記気液分離タンクの前記凝縮冷媒流入部とは、水平に設置された配管により接続された
請求項１に記載の冷却装置。
　前記気液分離タンクは、複数の前記受熱部のそれぞれに並列に接続された
請求項１又は２に記載の冷却装置。
　　内部に冷媒を保持可能な密閉容器であって、
　　一端が前記容器の側面に開口した、側方から凝縮状態の前記冷媒を流入させる凝縮冷媒流入部と、
　　上端が前記容器の下底面において開口した、下方へ凝縮状態の前記冷媒を流出させる凝縮冷媒流出部と、
　　一端が前記側面に開口した、側方へ凝縮状態の前記冷媒を流出及び流入させる凝縮冷媒バイパス部と、
　　上端が前記下底面を貫通し、下方から気液混合状態の前記冷媒を流入させる気液混合冷媒流入部と、
　　前記気液混合冷媒流入部と平行な向きに設置され、下端が前記容器の上底面において開口した、上方へ気体状態の前記冷媒を流出させる気体冷媒流出部と
を備えた気液分離タンク。