JP2015132454A

JP2015132454A - 蒸発式冷却熱交換器

Info

Publication number: JP2015132454A
Application number: JP2014005523A
Authority: JP
Inventors: 一哉松尾; Kazuya Matsuo; 幸夫宮島; Yukio Miyajima; 仁志阿部; Hitoshi Abe
Original assignee: Toyo Seisakusho KK
Current assignee: Toyo Seisakusho KK
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2015-07-23

Abstract

【課題】冷媒ガスのガス溜まりを改善して、熱交換効率を向上させ、被冷却流体を効率的に冷却する蒸発式冷却熱交換器を提供する。
【解決手段】冷媒進行方向Ｄ１に沿って延びたチューブ１１１、１１１を有する熱交換部１１０と、チューブ１１１の下端に接続されて、チューブ１１１内に供給される冷媒液を冷媒液流入方向Ｄ２の上流側から下流側に向けて流す下方ヘッダパイプ１２０と、チューブ１１１の上端に接続され、チューブ１１１から流入する冷媒ガスを冷媒液流入方向Ｄ２と平行で冷媒液流入方向Ｄ２と同じ向きの冷媒ガス排出方向Ｄ３の上流側から下流側に向けて流す上方ヘッダパイプ１３０と、を備えている蒸発器１００。
【選択図】図５

Description

本発明は、蒸発式冷却熱交換器に関する。

従来より、サーバ室、クリーンルーム等の密閉された室内の被冷却流体を冷却する冷却装置として、冷媒液の自重により冷媒液を送る自然循環方式の熱交換装置や、送液ポンプで冷媒液を強制的に送るポンプ方式の熱交換装置が知られている。特に、前者の冷却装置は、省エネルギーで運転することができ、広く用いられている。

このような冷却装置として、例えば、冷媒液を蒸発させる熱交換部を有する蒸発式冷却熱交換器と、冷媒ガスを凝縮させる凝縮器と、冷媒ガスを蒸発式冷却熱交換器から凝縮器に導くガス配管と、冷媒液を凝縮器から蒸発式冷却熱交換器に導く液配管と、を備えたものが知られている。

また、上述したような蒸発式冷却熱交換器として、図８に示すように、鉛直方向Ｖに対して斜めに配置されて被冷却流体を冷却する熱交換部２０１と、水平方向Ｈに沿って延びて熱交換部２０１の下端に接続され、熱交換部２０１内に冷媒液を供給する第１のヘッダパイプ２０２と、水平方向Ｈに沿って延びて熱交換部２０１の上端に接続され、熱交換部２０１から冷媒ガスが流入する第２のヘッダパイプ２０３と、を備えた蒸発式冷却熱交換器２００が知られている。

このような蒸発式冷却熱交換器２００では、第１のヘッダパイプ２０２の上流側端部２０２ａから熱交換部２０１の下部に流入した冷媒液が、被冷却流体との熱交換によって冷媒ガスに気化し、この冷媒ガスが、冷媒進行方向Ｄ１に沿って熱交換部２０１の上部に抜けて第２のヘッダパイプ２０３に流入し、第２のヘッダパイプ２０３の下流側端部２０３ａから抜けるように、平面視で略コ字状に冷媒液及び冷媒ガスを流している。

しかしながら、上述したような蒸発式冷却熱交換器２００では、熱交換部２０１から第２のヘッダパイプ２０３の上流側に流入する冷媒ガスは、熱交換部２０１から第２のヘッダパイプ２０３の下流側に流入する冷媒ガスより流路が長く第２のヘッダパイプ２０３から受ける摩擦抵抗が大きく流れ難いため、冷媒ガスが、第２のヘッダパイプ２０３内に送られずに熱交換部２０１の上部に局所的に溜まって、ガス溜まりＧを形成することがあり、このようなガス溜まりＧが形成される分だけ、熱交換部２０１内で飽和冷媒ガスが占める範囲が縮小し、蒸発式冷却熱交換器２００の熱交換効率が低下する虞があった。

そこで、蒸発式冷却熱交換器内での冷媒ガスのガス溜まりを改善して、蒸発式冷却熱交換器の熱交換効率を向上させ、被冷却流体を効率的に冷却するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために提案するものであり、請求項１記載の発明は、冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する蒸発式冷却熱交換器であって、前記冷媒ガスの冷媒進行方向に沿って延びた複数のチューブを有する熱交換部と、前記チューブの下端に接続され、前記冷媒進行方向と略垂直な水平方向に延びて、前記チューブ内に供給される冷媒液を冷媒液流入方向の上流側から下流側に向けて流す下方ヘッダパイプと、前記チューブの上端に接続され、前記水平方向に延びて、前記チューブから流入する冷媒ガスを前記冷媒液流入方向と平行で該冷媒液流入方向と同じ向きの冷媒ガス排出方向の上流側から下流側に向けて流す上方ヘッダパイプと、を備えている蒸発式冷却熱交換器を提供する。

この構成によれば、下方ヘッダパイプから熱交換部に供給された冷媒液の流路の長さと熱交換部内で気化された冷媒ガスの流路の長さとの和が、上方ヘッダパイプへの冷媒ガスの流入位置によらず、略等しく設定されていることにより、蒸発式冷却熱交換器内で冷媒液、冷媒ガスが受ける摩擦抵抗が、流れる位置にかかわらず略等しくなるため、冷媒液を下方ヘッダパイプの上流側端部から供給し、冷媒ガスを上方ヘッダパイプの下流側端部から抜く蒸発式冷却熱交換器と比較して、冷媒ガスが熱交換部内及び上方ヘッダパイプ内を抜け易くなり、熱交換部内での冷媒ガスのガス溜まりの発生を抑制することができる。

請求項１記載の発明は、熱交換部内での冷媒ガスのガス溜まりが抑制されるため、蒸発式冷却熱交換器と被冷却流体との熱交換効率を向上させることができる。

本発明の一実施例を示す蒸発式冷却熱交換器を用いた冷却装置を示す模式図。蒸発式冷却熱交換器を示す平面図。図２に示す蒸発式冷却熱交換器の正面図。図２に示す蒸発式冷却熱交換器の左側面図。本発明の冷却装置に用いられた蒸発式冷却熱交換器の冷媒ガス、冷媒液の分布を示す模式図。直線状のチューブを適用した蒸発式冷却熱交換器を示す斜視図。側面視でＺ字状に折り返されたチューブを適用した蒸発式冷却熱交換器を示す斜視図。従来の冷却装置に用いられた蒸発式冷却熱交換器を示す模式図。

本発明は、蒸発式冷却熱交換器内での冷媒ガスのガス溜まりを改善して、蒸発式冷却熱交換器の熱交換効率を向上させ、被冷却流体を効率的に冷却するという目的を達成するために、冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する蒸発式冷却熱交換器であって、冷媒ガスの冷媒進行方向に沿って延びた複数のチューブを有する熱交換部と、チューブの下端に接続され、冷媒進行方向と略垂直な水平方向に延びて、チューブ内に供給される冷媒液を冷媒液流入方向の上流側から下流側に向けて流す下方ヘッダパイプと、チューブの上端に接続され、水平方向に延びて、チューブから流入する冷媒ガスを冷媒液流入方向と平行で冷媒液流入方向と同じ向きの冷媒ガス排出方向の上流側から下流側に向けて流す上方ヘッダパイプと、を備えていることにより実現した。

以下、本発明の一実施例に係る蒸発式冷却熱交換としての蒸発器１００を用いた冷却装置１について、図１に基づいて説明する。なお、本実施例では、多数のサーバラックｒ内及びこれらサーバラックｒを収容するサーバ室Ｒ内を冷却する冷却装置１について説明するが、冷却装置１をドライルームやクリーンルーム等に適用しても構わない。

サーバ室Ｒには、図示しない電子機器を夫々搭載する複数のサーバラックｒが収容されている。サーバラックｒ内に設置された図示しないファンが通信装置を空冷し、被冷却流体としての暖かい空気Ａ１をサーバラックｒ外に放出すると共にサーバラックｒ外の冷たい空気Ａ２をサーバラックｒ内に取り入れる。電子機器の発熱により暖められた暖かい空気Ａ１は、冷却装置１で冷却されて、再びサーバ室Ｒ内に戻ることで、サーバ室Ｒ内は温度が一定に保たれ、電子機器は、所定の許容温度範囲内で動作するようになっている。

冷却装置１は、サーバ室Ｒ内を冷却する自然循環方式の熱交換装置である。冷却装置１は、サーバ室Ｒ内に設けられた蒸発式冷却熱交換器としての蒸発器１００と、サーバ室Ｒ外に設けられた凝縮器１０と、蒸発器１００から凝縮器１０に冷媒ガスを導くガス配管２０と、凝縮器１０から蒸発器１００に冷媒液を導く液配管３０と、を備えている。

蒸発器１００は、ケーシング１０１内に収容されて、ラックｒの上方に配置されるようにサーバ室Ｒの天井や側壁に取り付けられる。蒸発器１００は、液配管３０を介して凝縮器１０から流入する冷媒液を冷媒ガスに気化させて、温かい空気Ａ１を冷たい空気Ａ２に冷却する。

凝縮器１０は、ガス配管２０を介して蒸発器１０から送られた冷媒ガスを冷媒液に凝縮させる。具体的には、凝縮器１０は、図示しない冷却塔や冷凍機等で冷却された冷却水を循環させており、この冷却水に凝縮熱を放出させることで、冷媒ガスを冷媒液に凝縮させる。

液配管３０には、冷媒液を蒸発器１００に送る送液ポンプを設けても構わない。なお、凝縮器１０が蒸発器１００より上方に配置されている場合には、冷媒液を強制的に送る送液ポンプを設ける必要がある。

次に、蒸発器１００の構成について、図２乃至５に基づいて説明する。

蒸発器１００は、矩形枠体である基台１０２を介してケーシング１０１に固定されている。ケーシング１０１は、底面１０１ａに形成されて暖かい空気Ａ１を吸い込む円形状の吸い込み口１０１ｂと、側面１０１ｃに形成されて冷たい空気Ａ２を吐き出す格子状の吐き出し口１０１ｄと、が形成されている。

ケーシング１０１の吸い込み口１０１ｂの上方には、回転軸Ａ回りに回転して蒸発器１００に暖かい空気Ａ１を取り込むファン１０３が取り付けられている。また、ケーシング１０１内には、図示しない温度センサにより検知された暖かい空気Ａ１の吸込温度に応じて、ファン１０３の回転数を制御し、蒸発器１００を通過する通風量を変化させる制御装置１０４が配置されている。

基台１０２は、ケーシング１０１の底面１０１ａに立設されて、蒸発器１００内の冷媒ガスが冷媒の進行方向Ｄに沿って鉛直方向Ｖの上方に上昇するように、ケーシング１０１の底面１０１ａに対して蒸発器１００を斜めに固定している。これにより、蒸発器１００の熱交換面積を増加させて、サーバ室Ｒ内の暖かい空気Ａ１を効率的に冷却することができる。

蒸発器１００は、冷媒ガスの冷媒進行方向Ｄ１に沿って延びた複数のチューブ１１１、１１１を有する熱交換部１１０と、チューブ１１１の下端に接続されて、液配管３０から流入する冷媒液をチューブ１１１に供給する下方ヘッダパイプ１２０と、チューブ１１１の上端に接続されて、チューブ１１１から流入する冷媒ガスをガス配管２０に流す上方ヘッダパイプ１３０と、を備えている。

熱交換部１１０は、冷媒進行方向Ｄ１に沿って延びる複数のチューブ１１１、１１１を、冷媒進行方向Ｄ１と略直角な水平方向Ｈに沿って互いに隙間を空けて列設して構成されている。熱交換部１１０内の冷媒液は、冷媒進行方向Ｄ１に沿って上昇するにしたがって、暖かい空気Ａ１との間で熱交換されて、飽和蒸気の冷媒ガス、加熱蒸気の冷媒ガスの順に変化する。即ち、熱交換部１１０内の冷媒液・冷媒ガスは、図６に示すように、下方ヘッダパイプ１２０から流入する冷媒液が占める領域Ｆ１と、飽和蒸気の冷媒ガスが占める領域Ｆ２と、上方ヘッダパイプ１３０に流入する加熱蒸気の冷媒ガスが占める領域Ｆ３と、に分かれて存在する。なお、蒸発器１００の熱効率は、飽和蒸気の冷媒ガスが占める領域Ｆ２の大きさに比例して増加するため、飽和蒸気の冷媒ガスが占める領域Ｆ２は、広い方が好ましい。

下方ヘッダパイプ１２０は、水平方向Ｈに沿って延びており、冷媒液流入方向Ｄ２の上流側の上流側端部１２１で液配管３０と接続されている。下方ヘッダパイプ１２０内に供給された冷媒液は、冷媒液流入方向Ｄ２の上流側から下流側に向かって流れて、チューブ１１１、１１１に流入するようになっている。なお、下方ヘッダパイプ１２０の上流側端部１２１の上流側に、冷媒ガスの過熱度を一定に保つように冷媒液の流量を制御する電子膨張弁を設けても構わない。これにより、冷媒液を完全に蒸発させて、冷媒液の蒸発潜熱で効率的に暖かい空気Ａ１を冷却することができる。

上方ヘッダパイプ１３０は、水平方向Ｈに沿って延びており、冷媒液流入方向Ｄ２と平行で冷媒液流入方向Ｄ２と同じ向きの冷媒ガス排出方向Ｄ３の下流側の下流側端部１３１がガス配管２０に接続されている。上方ヘッダパイプ１３０内に流入した冷媒ガスは、冷媒ガス排出方向Ｄ３の上流側から下流側に向かって流れて、ガス配管２０に流入するようになっている。ここで、上方ヘッダパイプ１３０の上流側端部１３２は、平面視で、下方ヘッダパイプ１２０の上流側端部１２１と水平方向Ｈにおいて同じ側方（図３中の紙面右側）に配置されている。また、上方ヘッダパイプ１３０の下流側端部１３１は、平面視で、下方ヘッダパイプ１２０の下流側端部１２２水平方向Ｈにおいて同じ側方（図３中の紙面左側）に配置されている。
これにより、下方ヘッダパイプ１２０から熱交換部１１０に供給された冷媒液の流路の長さと熱交換部内で気化された冷媒ガスの流路の長さとの和が、上方ヘッダパイプ１３０への冷媒ガスの流入位置によらず、略等しく設定されていることにより、蒸発器１００内で冷媒液、冷媒ガスが受ける摩擦抵抗が、冷媒液、冷媒ガスが流れる位置にかかわらず略等しくなるため、平面視で略コ字状に冷媒液及び冷媒ガスを流す従来の蒸発式冷却熱交換器と比較して、冷媒ガスが熱交換部１１０内及び上方ヘッダパイプ１３０内を抜け易くなっている。

上述した本実施例に係る蒸発器１００は、冷媒ガスが熱交換部１１０内及び上方ヘッダパイプ１３０内を抜け易くなってため、熱交換部１１０内での冷媒ガスのガス溜まりの発生を抑制して、蒸発器１００の熱交換効率を向上させることができる。

また、本実施例に係る冷却装置１は、熱交換効率に優れた蒸発器１００を用いて、サーバ室Ｒを効率よく冷却することができる。

また、本実施例におけるチューブ１１１は、図６に示すように、下方から上方に直線状に１列に延びたものを採択しているが、熱交換部に用いられるチューブの形状は直線状の１列に限定されず、例えば、強制循環方式の冷却装置に用いられるチューブ１１１であれば、図７に示すように、上下に２回屈曲させて側面視でＺ字状の３列であっても、上下２回以上の偶数回屈曲させた奇数列であっても構わない。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１・・・冷却装置
１０・・・凝縮器
２０・・・ガス配管
２１・・・バイパス配管
３０・・・液配管
１００・・・蒸発器（蒸発式冷却熱交換器）
１０１・・・ケーシング
１０２・・・基台
１０３・・・ファン
１０４・・・制御装置
１１０・・・熱交換部
１１１・・・チューブ
１２０・・・下方ヘッダパイプ
１２１・・・（下方ヘッダパイプの）上流側端部
１２２・・・（下方ヘッダパイプの）下流側端部
１３０・・・上方ヘッダパイプ
１３１・・・（上方ヘッダパイプの）下流側端部
１３２・・・（上方ヘッダパイプの）上流側端部
Ｒ・・・サーバ室
ｒ・・・サーバラック
Ｆ１・・・冷媒液が占める領域
Ｆ２・・・飽和蒸気が占める領域
Ｆ３・・・加熱蒸気が占める領域
Ａ１・・・暖かい空気
Ａ２・・・冷たい空気
Ｄ１・・・冷媒進行方向
Ｄ２・・・冷媒液流入方向
Ｄ３・・・冷媒ガス排出方向
Ｈ・・・水平方向
Ｖ・・・鉛直方向

Claims

冷媒液を冷媒ガスに気化させて被冷却流体を冷却する蒸発式冷却熱交換器であって、
前記冷媒ガスの冷媒進行方向に沿って延びた複数のチューブを有する熱交換部と、
前記チューブの下端に接続され、前記冷媒進行方向と略垂直な水平方向に延びて、前記チューブ内に供給される冷媒液を冷媒液流入方向の上流側から下流側に向けて流す下方ヘッダパイプと、
前記チューブの上端に接続され、前記水平方向に延びて、前記チューブから流入する冷媒ガスを前記冷媒液流入方向と平行で該冷媒液流入方向と同じ向きの冷媒ガス排出方向の上流側から下流側に向けて流す上方ヘッダパイプと、
を備えていることを特徴とする蒸発式冷却熱交換器。