JP6424936B1 - 気液分離装置、リアドア、冷却装置、及び気液分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク容量を小さくすることができる気液分離装置、リアドア、冷却装置、及び気液分離方法を提供する。
【解決手段】冷却対象から排熱を回収する受熱部に設けられ、受熱部から蒸気管２を介して流出する冷媒蒸気が導入される冷媒蒸気流入部１３ａと、冷媒蒸気のうち、冷媒気体が排出される冷媒気体流出部１３ｂと、を有し、冷媒蒸気のうち、冷媒液体を下面に貯留可能なタンク１３と、タンク１３内に貯留される冷媒液体に浮き、蒸気管２とタンク１３との間を塞ぐ調整弁１２と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、気液分離装置、リアドア、冷却装置、及び気液分離方法に関する。

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。
特に多数の電子機器を密集させたデータセンタでは、多くの熱が出され、その処理能力維持のために、冷媒の蒸発・凝縮という相変化サイクルを利用して排熱を行う冷却装置が備えられている。

例えば特許文献１には、冷媒の蒸発、凝縮の相変化サイクルを利用して、電子機器からの熱を多段の受熱部で受熱し、電子機器からの熱を排熱する冷却装置が開示されている。

国際公開第２０１６／１５９０５６号

受熱部において冷媒が気化した冷媒蒸気は、液体と気体が混合した気液混合二相流である。特許文献１の冷却装置は、気液混合二相流の液体が気体の流れを妨げないように、多段の受熱部の上部にタンクを設け、蒸気管内の冷媒蒸気を、冷媒気体と冷媒液体とに分離している。
しかしながら、冷媒液体がタンクに溜まると、蒸気管に冷媒液体が溢れ出すことがある。蒸気管に冷媒液体が溢れ出すと、冷媒蒸気の流れの妨げとなり、熱輸送効率が落ちてしまう。そのため、特許文献１の冷却装置は、冷媒液体が溢れないようにタンク容量を大きくする必要がある。

本発明は、タンク容量を小さくすることができる気液分離装置、リアドア、冷却装置、及び気液分離方法を提供する。

第１の態様の気液分離装置は、冷却対象から排熱を回収する受熱部に設けられ、前記受熱部から蒸気管を介して流出する冷媒蒸気が導入される冷媒蒸気流入部と、前記冷媒蒸気のうち、冷媒気体が排出される冷媒気体流出部と、を有し、前記冷媒蒸気のうち、冷媒液体を下面に貯留可能なタンクと、前記タンク内に貯留される前記冷媒液体に浮き、前記蒸気管と前記タンクとの間を塞ぐ調整弁と、を備える。

第２の態様の気液分離方法は、冷却対象から排熱を回収する受熱部に設けられ、前記受熱部から蒸気管を介して流出する冷媒蒸気が導入される冷媒蒸気流入部と、前記冷媒蒸気のうち、冷媒気体が排出される冷媒気体流出部と、を有し、前記冷媒蒸気のうち、冷媒液体を下面に貯留可能なタンク内に、前記冷媒液体に浮くことができる調整弁を設けるステップと、前記タンク内の下面に前記冷媒液体を貯留し、前記調整弁を浮かべるステップと、前記蒸気管と前記タンクとの間を塞ぐステップと、を含む。

本発明によれば、気液分離装置、リアドア、冷却装置、及び気液分離方法において、タンク容量を小さくすることができる。

本発明の実施形態に係る冷却装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る気液分離装置の要部断面図である。 本発明の実施形態に係る気液分離装置の最小構成を示す要部断面図である。 本発明の実施形態に係る気液分離装置の動作を示す図である。 本発明の実施形態に係る気液分離装置の動作を示す図である。 本発明の実施形態に係る気液分離装置の変形例の要部断面図である。 本発明の実施形態に係る気液分離方法のフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態の冷却装置について、図面を用いて説明する。

＜実施形態＞
以下、冷却装置の実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

図１に示されるように、冷却装置１００は、リアドア１、第一配管８、第二配管９、及び熱交換器１０を備える。冷却装置１００は、第一配管８及び第二配管９を介して、熱交換器１０とリアドア１との間で熱輸送を行う熱輸送システムを構成している。
以下、上方向を＋Ｚ方向、水平面をＸＹ面として記載する。

熱交換器１０は、リアドア１から排出される冷媒蒸気ＣＶのうち、冷媒気体ＣＧを熱交換によって凝縮(冷却)し冷媒液体ＣＬにする。
第一配管８は、気液分離装置１１から熱交換器１０へ冷媒気体ＣＧを送出可能なように、気液分離装置１１と熱交換器１０とを接続している。
第二配管９は、熱交換器１０から気液分離装置１１へ冷媒液体ＣＬを送出可能なように、熱交換器１０と気液分離装置１１とを接続している。

リアドア１は、蒸気管２、液管３、複数の受熱部５、複数の蒸気管分岐６、複数の液管分岐７、気液分離装置１１、複数の受熱部５を備える。リアドア１は、サーバなどの電子機器の排熱を受熱部５に当てるために、開口部４を有している。
リアドア１は、サーバなどの電子機器が収容されるラックの背面に開閉可能に設けられており、このリアドア１の開閉によりメンテナンスが行われる。

蒸気管２は、一端から他端に向かって、各蒸気管分岐６に接続されている。蒸気管２は、一端において気液分離装置１１に接続されている。
液管３は、一端から他端に向かって、各液管分岐７に接続されている。液管３は、一端において気液分離装置１１に接続されている。
各受熱部５は、上端において、対応する各蒸気管分岐６にそれぞれ接続されている。
各受熱部５は、下端において、対応する各液管分岐７にそれぞれ接続されている。
第一配管８の一端は、気液分離装置１１に接続され、第一配管８の他端は、熱交換器１０に接続されている。
第二配管９の一端は、気液分離装置１１に接続され、第二配管９の他端は、熱交換器１０に接続されている。
これらの構成により、冷却装置１００は、内部に冷媒が一定量充填され、冷媒の循環回路を構成している。

各受熱部５には、対応する各液管分岐７から冷媒液体ＣＬが導入される。各受熱部５は、サーバ排熱を受け、内部の冷媒液体ＣＬが沸騰して気化する。これにより、各受熱部５は、サーバ排熱を回収する。気化した冷媒液体ＣＬは、冷媒蒸気ＣＶとして、対応する各蒸気管分岐６から排出される。

本実施形態の気液分離装置１１の詳細について図２に沿って説明する。
図３には、本実施形態の最小構成として、調整弁１２及びタンク１３を備える気液分離装置１１が示されている。

（タンク）
タンク１３には、各受熱部５から各蒸気管分岐６及び蒸気管２を介して排出される冷媒蒸気ＣＶが導入される。このとき冷媒蒸気ＣＶは、冷媒液体ＣＬと冷媒気体ＣＧとが混合した気液混合二相流となっている。
タンク１３は、冷媒蒸気ＣＶのうち、冷媒液体ＣＬを底面に貯留可能な容器構造を有する。

タンク１３は、各受熱部５から各蒸気管分岐６及び蒸気管２を介して流出する冷媒蒸気ＣＶが導入される冷媒蒸気流入部１３ａと、タンク１３内の冷媒蒸気ＣＶのうち、冷媒気体ＣＧが排出される冷媒気体流出部１３ｂを有する。タンク１３は、熱交換器１０から第二配管９を介して流入する冷媒液体ＣＬが導入される冷媒液流入部１３ｃと、タンク１３内の冷媒液体ＣＬが排出される冷媒液流出部１３ｄをさらに有する。

蒸気管２は、タンク１３下面を貫通し、タンク１３下面から上方に向かってタンク１３内部に突出している。
本実施形態では、蒸気管２がタンク１３内部に突出し、開口することによって、タンク１３に冷媒蒸気流入部１３ａが形成されている。
したがって、蒸気管２の管内は、タンク１３内部に連通している。

第一配管８は、タンク１３上面に接続されている。本実施形態では、第一配管８がタンク１３内部に向かって開口することによって、タンク１３に冷媒気体流出部１３ｂが形成されている。
したがって、第一配管８の管内は、タンク１３内部に連通している。

第一配管８は、蒸気管２に対向している。本実施形態において、第一配管８の管軸が蒸気管２の管軸にＸＹ面内方向について一致するように、第一配管８は、蒸気管２の上方に配置されている。

第二配管９は、タンク１３上面を貫通し、タンク１３上面から下方に向かってタンク１３内部に突出している。本実施形態では、第二配管９がタンク１３内部に突出し開口することによって、タンク１３に冷媒液流入部１３ｃが形成されている。
したがって、第二配管９の管内は、タンク１３内部に連通している。

液管３は、タンク１３下面に接続されている。本実施形態では、液管３がタンク１３内部に向かって開口することによって、タンク１３に冷媒液流出部１３ｄが形成されている。
したがって、液管３の管内は、タンク１３内部に連通している。

第二配管９は、液管３に対向している。本実施形態において、第二配管９の管軸が液管３の管軸とＸＹ面内についてずれるように、第二配管９は、液管３の上方に配置されている。

本実施形態では、図２に示されるように、蒸気管２液管３は、Ｘ方向に並んでおり、
第一配管８と第二配管９は、Ｘ方向に並んでいる。そして、第二配管９の管軸と液管３の管軸とは、Ｘ方向にずれている。

調整弁１２は、リング形状を有する。調整弁１２は、タンク１３内部に突出する蒸気管２の突出部２ｐに挿通される。調整弁１２は、蒸気管２の突出部２ｐの外周に対し、上下に摺動可能となっている。
調整弁１２は、冷媒液体ＣＬに浮く部品である。すなわち、調整弁１２は、冷媒液体ＣＬに沈めた時に自重よりも浮力が大きくなるように構成されている。自重よりも浮力を大きくするために、調整弁１２は、冷媒液体ＣＬよりも比重の軽い材料で構成されてもよいし、気孔や気室を有する構造とされてもよい。

本実施形態の冷却装置１００の動作について説明する。
まず、開口部４を通してサーバ排熱が受熱部５に当たる。これにより、循環回路内部の冷媒液体ＣＬが沸騰することで蒸発(吸熱)し冷媒蒸気ＣＶになる。

受熱部５で蒸発した冷媒蒸気ＣＶは、蒸気管分岐６、蒸気管２を介して、気液分離装置１１に導入される。気液分離装置１１に導入された冷媒蒸気ＣＶのうち冷媒気体ＣＧが、第一配管８を通り、熱交換器１０を通過することで凝縮(冷却)され冷媒液体ＣＬになる。

熱交換器１０の冷媒液体ＣＬは、第二配管９、気液分離装置１１、液管３、液管分岐７の順に循環回路内部を通り、再び受熱部５に戻る。
この時、図４に示されるように、気液分離装置１１内では、タンク１３へ流れ込んだ冷媒蒸気ＣＶのうち冷媒気体ＣＧは、そのまま上昇し、第一配管８へ流れていく。
他方、タンク１３へ流れ込んだ冷媒蒸気ＣＶのうち冷媒液体ＣＬは、タンク１３内の底面へ溜まっていく。そして、循環が進むと、タンク１３内の底面に溜まっている冷媒液体ＣＬの液面が上昇する。液面が上昇すると、調整弁１２は浮上し、液面と共に上昇する。

図５に示されるように、タンク１３の冷媒液体ＣＬが一定量に達すると、浮上した調整弁１２は、タンク１３と蒸気管２との間を塞ぎ、タンク１３内の冷媒液体ＣＬが蒸気管２へ逆流することを抑制する。

本実施形態の冷却装置１００の作用及び効果について説明する。
冷却装置１００の気液分離装置１１は、タンク１３の底面に冷媒液体ＣＬを貯留している。冷媒液体ＣＬの貯留量が大きくなると、貯留された冷媒液体ＣＬの液面が上昇する。このため、調整弁１２を設けない場合、冷媒液体ＣＬの液面が上昇し、冷媒蒸気流入部１３ａである蒸気管２の上端の開口面を超えると、蒸気管２に向かって冷媒液体ＣＬが逆流することがある。

本実施形態では、調整弁１２が、貯留された冷媒液体ＣＬの液面に対し、浮くように構成されている。このため、冷媒液体ＣＬが一定量に達すると、浮き上がった調整弁１２がタンク１３と蒸気管２の間を塞ぎ、冷媒液体ＣＬが溢れることを抑制し、タンク１３から蒸気管２への冷媒液体ＣＬの逆流を抑制する。
したがって、小さなタンクであっても気液分離機能を確保することができるため、本実施形態の気液分離装置において、タンク容量を小さくすることができる。

（変形例）
本実施形態では、調整弁１２が、蒸気管２の突出部２ｐの外周に対し、上下に摺動可能となっている。変形例として、調整弁１２が、突出部２ｐとの間に冷媒液体ＣＬをシールするシール部を有していてもよい。具体的には、シール部として、Ｏリングやパッキンが設けられてもよい。ただし、シール部は、調整弁１２が液面の上下に連れて上下可能なように、摺動可能にシールする必要がある。
調整弁１２と突出部２ｐとの間をシール部でシールすることによって、気液分離装置１１は、蒸気管２への冷媒液体ＣＬをより一層抑制することが可能となる。

本実施形態では、１つのタンク１３に、冷媒蒸気流入部１３ａ、冷媒気体流出部１３ｂ、冷媒液流入部１３ｃ、及び冷媒液流出部１３ｄを設けている。変形例として、図６に示される気液分離装置１１’のように、１つのタンクは、冷媒蒸気流入部１３ａ及び冷媒気体流出部１３ｂを有する第一タンク１４と、冷媒液流入部１３ｃ及び冷媒液流出部１３ｄを有する第二タンク１５とに分けられてもよい。この場合、第一タンク１４に貯留された冷媒液体ＣＬを第二タンク１５に排出できるように、両タンク間に連通部１６が設けられてもよい。

（気液分離方法）
本実施形態の気液分離装置１１を用いて気液分離方法を図７に沿って説明する。

まず、図７に示されるように、冷媒蒸気ＣＶのうち、冷媒液体ＣＬを下面に貯留可能なタンク１３内に、冷媒液体ＣＬに浮くことができる調整弁１２を設ける（ＳＴ１：調整弁を設けるステップ）。
次に、タンク１３内の下面に冷媒液体ＣＬを貯留し、調整弁１２を液面に浮かべる（ＳＴ２：調整弁を浮かべるステップ）。
次に、調整弁１２で蒸気管２とタンク１３との間を塞ぐ（ＳＴ３：塞ぐステップ）。
その後、タンク１３内の下面に冷媒液体ＣＬが貯留され、冷媒液体ＣＬの液面が上昇する度に、調整弁１２を液面に浮かべて、蒸気管２とタンク１３との間を塞ぐ。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。

１ リアドア
２ 蒸気管
２ｐ 突出部
３ 液管
４ 開口部
５ 受熱部
６ 蒸気管分岐
７ 液管分岐
８ 第一配管
９ 第二配管
１０ 熱交換器
１１ 気液分離装置
１１’ 気液分離装置
１２ 調整弁
１３ タンク
１３ａ 冷媒蒸気流入部
１３ｂ 冷媒気体流出部
１３ｃ 冷媒液流入部
１３ｄ 冷媒液流出部
１４ 第一タンク
１５ 第二タンク
１６ 連通部
１００ 冷却装置
ＣＧ 冷媒気体
ＣＬ 冷媒液体
ＣＶ 冷媒蒸気

Claims (7)

1. 冷却対象から排熱を回収する受熱部に設けられ、
   前記受熱部から蒸気管を介して流出する冷媒蒸気が導入される冷媒蒸気流入部と、前記冷媒蒸気のうち、冷媒気体が排出される冷媒気体流出部と、を有し、前記冷媒蒸気のうち、冷媒液体を下面に貯留可能なタンクと、
   前記タンク内に貯留される前記冷媒液体に浮き、前記蒸気管と前記タンクとの間を塞ぐ調整弁と、を備える気液分離装置。
2. 前記調整弁が、リング形状を有する請求項１に記載の気液分離装置。
3. 前記調整弁が、前記蒸気管のうち、前記タンク内に突出する突出部に挿通されている請求項１又は２に記載の気液分離装置。
4. 前記調整弁が、前記突出部との間において前記冷媒液体をシールするシール部を有する請求項３に記載の気液分離装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の気液分離装置と、
   前記蒸気管と、
   前記受熱部と、を備えるリアドア。
6. 請求項５に記載のリアドアと、
   前記冷媒気体を熱交換によって凝縮する熱交換器と、
   前記気液分離装置と前記熱交換器を接続している第一配管と、
   前記熱交換器と前記気液分離装置を接続している第二配管と、を備える冷却装置。
7. 冷却対象から排熱を回収する受熱部に設けられ、前記受熱部から蒸気管を介して流出する冷媒蒸気が導入される冷媒蒸気流入部と、前記冷媒蒸気のうち、冷媒気体が排出される冷媒気体流出部と、を有し、前記冷媒蒸気のうち、冷媒液体を下面に貯留可能なタンク内に、前記冷媒液体に浮くことができる調整弁を設けるステップと、
   前記タンク内の下面に前記冷媒液体を貯留し、前記調整弁を浮かべるステップと、
   前記蒸気管と前記タンクとの間を塞ぐステップと、を含む気液分離方法。

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