JP2016080262A - 冷媒供給装置および冷却装置および冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】横幅が小さく多段の受熱器に均等に冷媒を供給できる冷媒供給装置を提供する。
【解決手段】受熱器に冷媒を供給する第１の配管１と、第１の配管１と平行に管壁の一部を共通にして設けられた第２の配管２とを有する。第１の配管１には、冷媒を受熱器３に送るための第１の開口部４と、第１の開口部４の下方に設けられ第１の配管１を閉塞する第１の閉塞手段５とを有する。また、第１の開口部４の上方に設けられ第１の配管１と第２の配管２とを連通する第１の連通口６と、第１の閉塞手段６の下方に設けられ第１の配管１と第２の配管２とを連通する第２の連通口７と、を有する。第２の配管２には、第２の連通口７の下方に設けられ第２の配管２を閉塞する第２の閉塞手段８を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒供給装置および冷却装置および冷却システムに関する。

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。その増加情報のため、情報処理能力の高い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。一般に情報処理能力の高い電子機器は、消費電力が高い。また、電子機器が消費する電力のほとんどは熱となるため、情報処理能力の高い電子機器を設置すると、その排熱のため周囲の温度を上昇させる結果となる。特に多数のサーバなどの電子機器を設けられたデータセンタでは、電子機器より多くの熱が出され、電子機器の機能維持のため、その熱を冷却する必要があり、多くの空調電力が必要となっている。そのため、電子機器の熱を吸熱し、他所に輸送することで、空調の負荷を低減する方法が求められている。

電子機器の熱を吸熱する手段として、冷媒の相変化を利用して、ポンプを使用せずに循環し、電子機器の熱を吸熱する方法が考えられている。この手法は、冷媒の循環に動力を使用しないため、大変経済的である。また内部の冷媒に絶縁性冷媒を使用すると、ある箇所が破損し内部の冷媒が漏れたとしても、電子機器に与える影響が大変小さい。従って、冷媒の相変化を利用する手段は、停止することが許されないデータセンタ内のサーバ等の電子機器の排熱の吸熱として大変有効な手段である。

ところで、上記のような電子機器は、ラック内に多段に収容されて使用されることが一般的である。この場合、電子機器の熱を吸収する受熱器も電子機器に合わせて多段に配置すると効率が良い。

このような多段に配置された受熱器に対し、重力を利用して冷媒を均等に供給する冷媒供給装置の技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、液相冷媒を供給する液系配管と熱交換器との間に液分配機構を設けている。液分配機構は容器型の構造を有しており、熱交換器の設定液面に相当する高さに、冷媒を下段に流すための分岐の液系配管が接続されている。そして冷媒が設定液面を超えると、冷媒が分岐配管にオーバーフローして、下段の液分配機構に向かって流下する。

また特許文献１および特許文献２には、上記の液分配機構がフロートおよびフロートに連動して上下するバルブを備える構成も開示されている。この構成では、冷媒の液面が所定位置まで上昇するとバルブが閉じ、その後は冷媒が下段の液分配機構に流下する仕組みになっている。

特開平５−３１２３６１号公報 特開平６−１９５１３０号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２には、以下の課題があった。

特許文献１では、液分配機構の側面に、下方の液分配機構に冷媒を流下させるための分岐配管を設けている。ここで、冷媒を側面から下方に流すためには、分岐配管に曲り部分を設けなくてはならない。このため、曲り部分の分だけ冷媒供給装置の横幅が大きくなっていた。

また特許文献１および２に開示されたフロートとバルブを用いた構成では、液分配機構がフロートを内蔵するため、さらに横幅が大きくなる。加えて冷媒供給装置の機構が複雑になってしまうという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、横幅が小さい冷媒供給装置を提供することを目的としている。またそれを簡素な構成で実現する方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため本発明の冷媒供給装置は、液相の冷媒を重力の作用によって複数段の受熱器に分配するための冷媒供給装置であって、前記受熱器に冷媒を供給する第１の配管と、前記第１の配管と平行に設けられた第２の配管と、前記第１の配管に設けられ前記冷媒を前記受熱器に供給するための第１の開口部と、前記第１の開口部の下方に設けられ前記第１の配管を閉塞する第１の閉塞手段と、前記第１の開口部の上方に設けられ前記第１の配管と前記第２の配管とを連通する第１の連通口と、前記第１の閉塞手段の下方に設けられ前記第１の配管と前記第２の配管とを連通する第２の連通口と、前記第２の連通口の下方に設けられ前記第２の配管を閉塞する第２の閉塞手段と、を有する。

本発明の効果は、横幅が小さく多段の受熱器に均等に冷媒を供給できる冷媒供給装置を提供できることである。

第１の実施の形態を示す断面図である。 第２の実施の形態を示す断面図である。 第３の実施の形態を示す断面図である。 第４の実施の形態を示すブロック図である 第５の実施の形態に用いる２穴管を示す図である。 第５の実施の形態を示す断面図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は、液相の冷媒を重力１０の作用によって複数段の受熱器に分配するための冷媒供給装置である。本実施の形態の冷媒供給装置１００は、受熱器に冷媒を供給する第１の配管１と、第１の配管１と平行に管壁の一部を共通にして設けられた第２の配管２とを有する。第１の配管１には、冷媒を受熱器３に送るための第１の開口部４と、第１の開口部４の下方に設けられ第１の配管１を閉塞する第１の閉塞手段５とを有する。また、第１の開口部４の上方に設けられ第１の配管１と第２の配管２とを連通する第１の連通口６と、第１の閉塞手段６の下方に設けられ第１の配管１と第２の配管２とを連通する第２の連通口７と、を有する。第２の配管２には、第２の連通口７の下方に設けられ第２の配管２を閉塞する第２の閉塞手段８を有する。なお、ここでは、重力１０の向かう向きを下と定義している。

本実施の形態の冷媒供給装置１００に液相冷媒２０が供給されると、液相冷媒２０は図中の点線矢印で示すように下方に向かって流れていく。まず、液相冷媒２０が第１の閉塞手段５によってせき止められ、第1の開口部４から受熱器３に向かって流れていく。受熱器３に冷媒が充填されていくと、液面はやがて第1の連通口６に達し、オーバーフローによって第２の配管に流れる。この流れは第２の閉塞手段８によって止められ、第２の連通口７から第1の配管１に流れ込む。この流れは次段の第１の閉塞手段５によって止められ、次段の第１の開口部４から次段の受熱器３に供給される。以上の過程を繰り返すことにより、複数段の受熱器に均等に液相冷媒が供給される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、直線状の管を２本並列しただけの幅で、冷媒を複数段の受熱器に均等に供給することができる。また、管の所定位置に開口部と閉塞部を設けただけの簡素な構成によってこれを実現できる。
（第２の実施形態）
図２は、本実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は第１の実施の形態の冷媒供給装置１００を用いた冷却装置である。ここで、冷却装置２００における役割を考慮し、簡単のため冷媒供給装置１００を液相管３０とも呼ぶこととする。

冷却装置２００は液相管３０と、複数段の受熱器３と、気相管４０とを有する。気送管４０には、それぞれの受熱器３の排熱口に対応する位置に開口部４１が設けられ、受熱器３と接続している。なお本実施の形態で用いる受熱器３は、液相冷媒２０が受熱器３で沸騰することにより熱を吸収する、いわゆる沸騰冷却方式を用いている。受熱器３は沸騰冷却に適するものであれば良く、本実施の形態は受熱器３の具体的な内部構成には依存しない。

次に、本実施の形態の冷却装置２００の動作について説明する。液相管３０に上方から供給された液相冷媒２０は第１の配管１を通り、第１の開口部４から受熱器３に供給される。液相管３０は第１の実施の形態と同様の動作により、複数段の受熱器３に液相冷媒２０を均等に供給する。

次に、受熱器３は発熱源から熱を受け取り、液相冷媒２０は沸騰して気相冷媒２１に相変化する。これにより受熱器３の温度が下がる。気相冷媒２１は開口部４１を通って気相管４０に流れ込む。気相管４０では、各受熱器から流入した液相冷媒が、体積膨張と浮力によって上方へ移動する。なお冷媒が完全に気化しておらず気相冷媒２１に液相冷媒２０に少量混入していても良い。次に気相冷媒２１は図示しない放熱器によって冷却されて液化し、液相管３０に還流する。以上のサイクルにより、外部の動力を用いることなく、発熱源を冷却することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、複数段の受熱器に液相冷媒を均等に供給し、発熱源を効率よく冷却する冷却装置を構成することができる。
（第３の実施の形態）
図３は第３の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は最下段の受熱器３に適用する冷却装置２００の構成例を示している。最下段の気相管３０の先端３０ａでは第１の配管１、第２の配管２が共に閉塞されている。また、気相管４０の先端４０ａも閉塞されている。また気送管３０の最下段には、第１の連通口６を設けなくても良い。これは、それ以上下方に液相冷媒２０を供給する必要が無いためである。

液相管３０の最下段は、最下段の受熱器３に液相冷媒２０を供給し、気相管４０の最下段は最下段の受熱器３から気相冷媒を受け取る。このようにして、図示しない放熱器とともに閉じた循環冷却システムを構成する。

以上の説明したように、本実施の形態によれば簡素な構成で、循環冷却システムを構成することができる。
（第４の実施の形態）
図４は第４の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態は、第２または第３の実施の形態の冷却装置を用いた冷却システム３００の構成例を示している。図中には液相冷媒２０、気相冷媒２１の流れを模式的に示している。液相管３０は、液相配管３１によって放熱器５０と接続されている。気相管４０は、気相配管４２によって放熱器５０と接続されている。そして液相管３０と気相管４０とが複数の受熱器３と接続することにより循環型の冷却システム３００を構成している。

次に、放熱器５０を起点として、この冷却システム３００の動作について説明する。まず放熱器５０から液相配管３１に液相冷媒が供給され、次いで液相管３０に供給される。液相管３０からは、第１の実施の形態と同様の動作により、各受熱器３に均等に液相冷媒２０が供給される。液相冷媒２０の流れを実線矢印で示している。なお、図５では受熱器３が４つの例を示しているが、受熱器３の数はもちろんこれに限られない。

受熱器３の内部では、液相冷媒２０が沸騰して気相冷媒２１になる。この相変化により受熱器３が冷却され、発熱源の熱を吸収する。図５ではこの様子を気泡と点線矢印で模式的に示している。次に気相冷媒２１は気相管４０に移動し、次いで気相配管４２を通って放熱器５０に戻る。そして放熱によって液相に戻り、再び液相配管３１に供給される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の受熱器に冷媒を均等に供給する冷却システムを簡単に構築することができる。
（第５の実施の形態）
本実施の形態は冷媒供給装置の製造方法に関する。図５は冷媒供給装置の作製に用いる２穴管を示す平面図および断面図である。図５（ａ）は短手方向の平面図である。図に示すように、本実施の形態では穴６１および穴６２を有する２穴管６０を用いる。図５（ｂ）は長手方向の断面図である。図に示すように、この管は２穴のストレート管である。このような２穴管６０は、例えば押し出し成型によって作製される。また穿孔＋圧延、絞り圧延、プレス＋溶接などによっても作製することができる。２穴管６０の製造方法は限定されないが、冷媒が漏洩しないように、管壁にボイド等の欠陥が無いことが必要である。

図６は、冷媒供給装置の製造方法を示す断面図である。まず図６（ａ）のように、穴６１、６２を有するストレートの２穴管６０を用意する。

次に、図６（ｂ）のように、所定の位置に開口部６３および連通口６４を設ける。

次に管を閉塞する部分には閉塞具６５を設置し、連通口６４の外側の開口部６３にはふた６６を設置する。また受熱器が接続される開口部６３には受熱器と接続するためのポート６７を、液相配管と接続する端部にはポート６８を設ける。なお、受熱器や接続配管との接続形態によってはポート６７、６８が必要ない場合もある。さらに下端となる部分にはふた６９を設ける。以上により、冷媒供給装置が完成する。

以上のようにして、２穴管に開口部を設け、閉塞具等の部材を設置するだけの簡単な工程で冷媒供給装置を製造することができる。

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、上記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。

１ 第１の配管
２ 第２の配管
３ 受熱器
４ 第１の開口部
５ 第１の閉塞手段
６ 第１の連通口
７ 第２の連通口
８ 第２の閉塞手段
１０ 重力
２０ 液相冷媒
２１ 気相冷媒
３０ 液相管
３１ 液相配管
４０ 気相管
４１ 開口部
４２ 気相配管
５０ 放熱器
６０ ２穴管
６１、６２ 穴
６３ 開口部
６４ 連通口
６５ 閉塞具
６６、６９ ふた
６７、６８ ポート
１００ 冷媒供給装置
２００ 冷却装置
３００ 冷却システム

Claims (10)

1. 液相の冷媒を重力の作用によって複数段の受熱器に分配するための冷媒供給装置であって、前記受熱器に冷媒を供給する第１の配管と、前記第１の配管と平行に設けられた第２の配管と、前記第１の配管に設けられ前記冷媒を前記受熱器に供給するための第１の開口部と、前記第１の開口部の下方に設けられ前記第１の配管を閉塞する第１の閉塞手段と、前記第１の開口部の上方に設けられ前記第１の配管と前記第２の配管とを連通する第１の連通口と、前記第１の閉塞手段の下方に設けられ前記第１の配管と前記第２の配管とを連通する第２の連通口と、前記第２の連通口の下方に設けられ前記第２の配管を閉塞する第２の閉塞手段と、を有することを特徴とする冷媒供給装置。
2. 請求項１に記載の冷媒供給装置を連続的に複数有する、ことを特徴とする冷媒供給装置。
3. 前記第１の配管および前記第２の配管の最下段側の端部にそれぞれの管を閉塞するふたを有している、ことを特徴とする請求項または請求項２に記載の冷媒供給装置。
4. 請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の冷媒供給装置と、前記第１の開口部に接続する受熱器と、前記受熱器に接続し気相の冷媒を排出する気相管と、を有することを特徴とする冷却装置。
5. 請求項４の冷却装置を用いた冷却システムであって、前記気相管と前記冷媒供給装置とを仲介し前記冷媒の熱を放出する放熱器、を有することを特徴とする冷却システム。
6. 前記冷却システムに用いる冷媒が絶縁体である、ことを特徴とする請求項５に記載の冷却システム。
7. 請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の冷媒供給装置を用いた冷媒の供給方法であって、前記第１の閉塞手段によって前記冷媒を前記第１の配管内に貯留し、前記第１の開口部から前記受熱器に前記冷媒を供給し、前記第１の連通口から前記冷媒を前記第２の配管に向けてオーバーフローし、前記第２の閉塞手段によって前記冷媒を前記第２の配管内に滞留し、前記第２の連通口から前記冷媒を前記第１の配管に向けてオーバーフローする、ことを特徴とする冷媒の供給方法。
8. 請求項７に記載の冷媒の供給方法を連続して行い、複数の前記受熱器に均等に前記冷媒を供給する、ことを特徴とする冷媒の供給方法。
9. 請求項５または請求項６に記載の冷却システムの制御方法であって、前記冷媒供給装置から前記受熱器に液相の冷媒を供給し、前記受熱器に冷却対象物の熱を与えて前記冷媒を沸騰させ、前記気相管を介して気化した前記冷媒を前記放熱器に戻し、前記放熱器で前記冷媒の熱を放出して前記冷媒を液化し、前記冷媒供給装置に還流する、ことを特徴とする冷却システムの制御方法。
10. 穴を２つ有する２穴管の外壁の所定位置に開口部を形成し、開口部の一部を通して２つの前記穴を隔てる隔壁に２つの前記穴を連通する連通口を設け、前記連通口に対応する前記開口部を閉塞し、前記開口部の一部から前記穴を閉塞する、ことを特徴とする冷媒供給装置の製造方法。

Images