(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラック内に搭載された電子機器からの排気を冷却する電子機器排気の冷却装置であり、
前記電子機器排気の冷却装置は、
前記ラック内に、その高さ方向に複数設置され、流入し通過する前記排気の熱で、内蔵された冷媒液を蒸発させ、冷媒蒸気とすることにより前記排気を冷却する蒸発部と、
前記複数の前記蒸発部への前記冷媒液の供給路であり、前記ラックの高さ方向に延びるマニホールド形状を有し、前記複数の蒸発部に共通のものとして接続される第１の流路と、
前記複数の蒸発部からの前記冷媒蒸気の排出路であり、前記ラックの高さ方向に延びるマニホールド形状を有し、前記複数の蒸発部に共通のものとして接続される第２の流路と、
前記ラックの上方に配置され、前記第１の流路及び前記第２の流路に接続され、前記第２の流路に排出された前記冷媒蒸気を凝縮して前記冷媒液にして、前記第１の流路に供給する凝縮部と、
を有し、
前記蒸発部は、
冷媒蒸気を貯留する冷媒蒸気タンクと、
該冷媒蒸気タンクより下方に設けられ、冷媒液を貯留する冷媒液タンクと、
該冷媒液タンク及び前記冷媒蒸気タンクに連通した複数の冷媒チューブと、
前記冷媒チューブに接合され、前記排気の熱を受熱する受熱フィンと、
から構成されており、
前記第１の流路は、前記ラックの幅方向における前記冷媒液タンクの一端と接続され、
前記第２の流路は、前記ラックの幅方向における前記冷媒蒸気タンクの他端と接続され、
前記ラックの高さ方向の前記蒸発部の長さは、ＥＩＡ規格で規定される１Ｕをラックの高さの単位として、前記ラックの高さ方向における前記蒸発部の設置された位置に応じて２Ｕ、３Ｕ及び４Ｕのいずれかである、
電子機器排気の冷却装置。
【請求項２】
前記第１の流路と前記第２の流路とは、前記ラックの幅方向において前記蒸発部を挟むように配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の電子機器排気の冷却装置。
【請求項３】
前記冷媒チューブは直管で形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器排気の冷却装置。
【請求項４】
前記蒸発部の前記排気の流入側に、前記排気を前記蒸発部方向へ整流する整流部をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器排気の冷却装置。
【請求項５】
前記蒸発部は、前記排気の通過する方向に少なくとも２重の層をなして配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子機器排気の冷却装置。
【請求項６】
前記蒸発部は、前記ラックの幅方向に区分された第１の領域と、第２の領域と、から構成され、
前記整流部は、前記排気を前記第１の領域の方向に整流するとともに、前記第２の領域に対して遮蔽し、
前記第１の領域を基準とし、前記第１の領域の前記排気の流入する面とは反対側に設けられ、前記第１の領域を通過した前記排気を前記第１の領域の前記排気の流入する面とは反対側の前記第２の領域の面に導く変流部、をさらに有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の電子機器排気の冷却装置。
【請求項７】
前記２重の層は、各層を構成する複数の前記蒸発部の前記ラックの高さ方向の配置が、相互に千鳥配置となる、
ことを特徴とする請求項５に記載の電子機器排気の冷却装置。
【請求項８】
前記千鳥配置は、一方の層を構成する複数の前記蒸発部において、
前記ラックの高さ方向に隣り合う前記蒸発部間の空隙部、又は前記隣り合う前記蒸発部の内、下方に位置する前記蒸発部の上部所定の長さの部分を通過する前記排気が、いずれも他方の層を構成する前記蒸発部の下部所定の長さの部分を通過するように配置されたものである、
ことを特徴とする請求項７に記載の電子機器排気の冷却装置。
【請求項９】
前記１Ｕは４４．４５ｍｍである、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電子機器排気の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラック内に搭載された電子機器からの排気を冷却する電子機器排気の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータやネットワーク装置などの電子機器は、データ処理能力やデータ処理容量を向上させるため、複数の装置と相互に接続される。また、床面積に限りがあるので、複数の電子機器がラックにまとめて搭載される。これらの電子機器は、処理速度や処理能力が急速に向上してきており、電子機器内での発熱量も上昇の一途をたどっている。一方、これらの電子機器は、正常に動作するための温度環境が比較的低く設定されている。したがって、ラックに搭載されている電子機器内で発生した熱は、電子機器を空冷し、空冷した後、電子機器外に排気の形で排出される。しかし、この排気による熱がラック内に蓄積され、ラック内の温度が上昇し続けると、電子機器が適正に機能しなくなる虞がある。【０００３】
このため電子機器からの排気をラック外に排出してラック内の温度上昇を抑えている。しかし、電子機器の冷却に利用している空気はラックの設置されている室内の空気（室内空気）であるため、ラックからの排気により室内の温度が上昇すると、室内空気による電子機器の冷却能力が低下してしまう。また、室内に複数のラックが設置されるとラック同士の排気熱が干渉し、所謂ホットスポットと呼ばれる局所的に温度の高いエリアが生じることがあり、そのような場所に設置されたラックでは、室内空気による電子機器の冷却能力は更に低下してしまう。【０００４】
その対策として、特許文献１乃至特許文献５にみられるように、冷媒の蒸発−凝縮サイクルを利用して電子機器からの排気を冷却する冷却装置の技術が提案されている。この冷却装置では、電子機器からの排気を熱交換器に通し、熱交換器内に循環してきた冷媒の蒸発による潜熱を使って冷却する。【０００５】
このような冷却装置は、つぎのように動作する。【０００６】
電子機器内で加熱された空気は、当該電子機器に実装されたファンにより背面に室内温度より高温の排気として排出され、その排気はラックのリアドア又はその内側にあるインナードア等に設置された熱交換器として機能する蒸発器（以下では蒸発部と呼ぶ）を通過する。この時、蒸発部内に充填された低沸点の液体の冷媒（冷媒液）は蒸発部を通過する電子機器からの排気から熱を奪い蒸発し、液体（冷媒液）から蒸気（冷媒蒸気）に相変化する。電子機器からの排気は主にこの相変化による潜熱により冷却され、ラック外に排出される。冷媒は、液体から蒸気に相変化すると体積膨張するため、冷媒蒸気の圧力は上昇する。圧力の上昇した冷媒蒸気は圧力勾配により、圧力の低い凝縮部へと移動する。冷媒蒸気は、凝縮部で冷却されて熱を放出し、冷媒液に相変化し、再度蒸発部へと還流する。このようにして電子機器からの排気は冷却された状態でラックから室内に戻される。そのため、ラックを設置した室内の温度上昇を防止することができ、室内空気による電子機器の冷却能力を維持することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１９３２４４号公報
【特許文献２】特開２００９−１０５１４１号公報
【特許文献３】特開２００９−１３４５０７号公報
【特許文献４】特開２００９−１３５２８７号公報
【特許文献５】特開２００９−１９３１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の発明では、サーバ（以下ではサーバを含め電子機器と呼ぶ）毎に蒸発器（以下、蒸発部と呼ぶ）を備えている。そのため電子機器毎にその排気を冷却することができる。しかし電子機器に対応して蒸発部を装備しなければならないため蒸発部の設置が煩雑になる。例えば、ラック内の電子機器を一部入れ替える場合には入れ替えに合わせて蒸発部も一部入れ替えが必要となる。また、電子機器毎にその排気をラックの高さ方向に延在した一つの蒸発部で冷却するため、電子機器のラックの高さ方向の長さ（以下では「電子機器の高さ寸法」と言う）が大きいときは蒸発部のラック高さ方向の長さ（以下では「蒸発部の高さ寸法」と言う）も大きくなるため、後述する問題が生じる。【０００９】
これに対し、特許文献２乃至５に記載の発明では、蒸発器（以下、蒸発部と呼ぶ）はキャビネット（以下、ラックと呼ぶ）のリアドアに装着され、ラックの高さ方向に複数個配置されている。【００１０】
複数個の蒸発部はラック内に搭載される個々の電子機器の配置とは独立に設置されているため、蒸発部をそのまま変更することなく、ラック内の電子機器を入れ替えて使用することができる。【００１１】
しかし、特許文献１の場合と同様に、ラック高さ方向に延在する１蒸発部の高さ寸法が大きいと次のような問題が生じる。【００１２】
蒸発部内で相変化した蒸気は、時間の経過とともに蒸発部の上部に貯留される。冷媒蒸気では潜熱を利用した冷却は行われないため、蒸発部の冷媒蒸気が貯留された部位では冷却能力が低下する。すなわち、蒸発部下部に対応する位置に排出される電子機器からの排気の熱によって蒸気となった冷媒（冷媒蒸気）が、その蒸発部の上部に貯留され、この蒸発部上部に対応する位置に排出される電子機器からの排気を冷却する能力を低下させる。その結果、蒸発部上部に対応する位置に排出される電子機器からの排気が十分に冷却されない虞がある。この冷媒蒸気の発生量は電子機器の稼働状態に伴う発熱量によって異なるため、この問題は、電子機器の発熱量が増加した場合に特に顕著となる。【００１３】
特許文献１では蒸発部は電子機器毎に装備されているため、電子機器の高さ寸法の大小により蒸発部上部への冷媒蒸気の貯留量が異なり、蒸発部上部の冷却能力の低下する部位の長さが異なってくる。そのため、電子機器の高さ寸法が大きい場合は蒸発部上部の冷却能力の低下する部位の長さが大きくなり、電子機器からの排気を十分に冷却できない場合が生じる。【００１４】
特許文献２乃至５に記載の発明では、蒸発部がラックに設置され、ラックの高さ方向に複数配置されていることで、一つの蒸発部内の冷媒蒸気の貯留量は、ラックの高さ方向の全体を一つの蒸発部でカバーする場合の蒸発部や、特許文献１において電子機器の高さ寸法が大きい場合の蒸発部に比べて減少する。しかし、蒸発部の高さ寸法や搭載される電子機器の高さ寸法によっては、上部に蓄積された冷媒蒸気の影響で電子機器からの排気の一部が十分に冷却されない虞がある。【００１５】
したがって、従来の電子機器排気の冷却装置は、ラックに搭載される電子機器からの排気を、搭載される電子機器１０２の配置によらず効率よく冷却する、という観点からみると未だ十分な性能を有するとは言えない。【００１６】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、ラック内に搭載される電子機器からの排気を、搭載される電子機器の配置によらず効率よく冷却できる電子機器排気の冷却装置及びこの装置を用いた電子機器排気の冷却システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係る電子機器排気の冷却装置は、
ラック内に搭載された電子機器からの排気を冷却する電子機器排気の冷却装置であり、
前記電子機器排気の冷却装置は、
前記ラック内に、その高さ方向に複数設置され、流入し通過する前記排気の熱で、内蔵された冷媒液を蒸発させ、冷媒蒸気とすることにより前記排気を冷却する蒸発部と、
前記複数の前記蒸発部への前記冷媒液の供給路であり、前記ラックの高さ方向に延びるマニホールド形状を有し、前記複数の蒸発部に共通のものとして接続される第１の流路と、
前記複数の蒸発部からの前記冷媒蒸気の排出路であり、前記ラックの高さ方向に延びるマニホールド形状を有し、前記複数の蒸発部に共通のものとして接続される第２の流路と、
前記ラックの上方に配置され、前記第１の流路及び前記第２の流路に接続され、前記第２の流路に排出された前記冷媒蒸気を凝縮して前記冷媒液にして、前記第１の流路に供給する凝縮部と、
を有し、
前記蒸発部は、
冷媒蒸気を貯留する冷媒蒸気タンクと、
該冷媒蒸気タンクより下方に設けられ、冷媒液を貯留する冷媒液タンクと、
該冷媒液タンク及び前記冷媒蒸気タンクに連通した複数の冷媒チューブと、
前記冷媒チューブに接合され、前記排気の熱を受熱する受熱フィンと、
から構成されており、
前記第１の流路は、前記ラックの幅方向における前記冷媒液タンクの一端と接続され、
前記第２の流路は、前記ラックの幅方向における前記冷媒蒸気タンクの他端と接続され、
前記ラックの高さ方向の前記蒸発部の長さは、ＥＩＡ規格で規定される１Ｕをラックの高さの単位として、前記ラックの高さ方向における前記蒸発部の設置された位置に応じて２Ｕ、３Ｕ及び４Ｕのいずれかである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ラック内に搭載される電子機器からの排気を、搭載される電子機器の配置によらず効率よく冷却できる電子機器排気の冷却装置を提供することができる。  
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷却装置が搭載されたラックの一例を表す背面断面図である。
【図２】ラック内部の一例を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る冷却装置の一例を表す側面断面図である。
【図４】実施の形態１に係る冷却装置の一例を表す正面断面図である。
【図５】実施の形態１に係る、リアドアに設置された冷却装置の一例を表す斜視図である。
【図６】実施の形態１に係る冷却装置の蒸発部の正面断面図である。
【図７】実施の形態１に係る冷却装置の蒸発部の一例を表す断面斜視図である。
【図８】実施の形態１に係る冷却装置の蒸発部の好適な高さを説明するための図である。
【図９】図１に示す冷却装置の変形例を示す、側面断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る冷却装置が搭載されたラックの一例を表す上面断面図である
【図１１】本発明の実施の形態３に係る冷却装置が搭載されたラックの一例を表す上面断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る冷却装置が搭載されたラックの一例を表す側面断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係る冷却システムの一例を表す背面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態に係る冷却装置１０を、図面を参照して説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る冷却装置１０は、図１に示すように、ラック１００と、複数の蒸発部２０１と、冷媒液が流れる液管３０６と、冷媒蒸気が流れる蒸気管３０５とから構成されている。ラック１００には高さ方向に複数の電子機器が搭載される。以下では、ラック１００の幅方向を、ラック１００内に電子機器１０２を搭載する際に電子機器１０２を挿入する方向及び高さ方向のいずれにも直交する方向と定義する。
【００２３】
ラック１００は、ＥＩＡ（Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）規格で規定されている１９インチラックである。ラック１００は、図２に示すように、背面部に開閉自在なリアドア１０４を備えている。ラック１００は、搭載される電子機器１０２の高さ寸法に合わせて、１Ｕ単位で電子機器１０２の搭載位置を変更できるよう、ラック１００の支柱に１Ｕ単位で穴が設けられている。尚、Ｕ（ユニット）とは、ＥＩＡ規格で規定されている高さ寸法を示す単位で、１Ｕ＝４４．４５ミリメートル（ｍｍ）である。
【００２４】
電子機器１０２は、ラック１００の支柱に設けられた穴にねじ等で固定された各種レール１０１に対してねじ等で固定された状態でラック１００に搭載される。尚、説明をわかりやすくするため、図３乃至図１３において、支柱やレール１０１は省略する。図３に示すように、電子機器１０２内には、ファン１０３が実装されている。ファン１０３は、ラック１００の設置された室内から電子機器１０２内に空気を吸入し、その空気により電子機器１０２内部の熱を除去し、電子機器１０２の背面に設けられた排気口から排気１０５として電子機器１０２外に排出するとともに、ラック１００外に排出する。蒸発部２０１は、電子機器１０２からの排気１０５がラック１００外に排出される前に蒸発部２０１を通過するように配置される。
【００２５】
図３及び図４に示すように、このラック１００内には、例えば高さ２Ｕの電子機器１０２が、電子機器１０２の排気口をラック１００のリアドア１０４に向けた状態で、ラック１００の高さ方向に例えば４個搭載されている。
【００２６】
蒸発部２０１は、図３に示すように、ラック１００の高さ方向に例えば４段、図１に示すようにラック１００の幅方向に例えば３個配置し、図５に示すように、リアドア１０４内にねじ等で固定される。すなわち、蒸発部２０１はラック１００のリアドア１０４と電子機器１０２の排気口との間に設置される。
【００２７】
蒸発部２０１は、図６に示すように、冷媒蒸気２０７を貯留する冷媒蒸気タンク２０８と、冷媒蒸気タンク２０８より下部に設けられ冷媒液２０６を貯留する冷媒液タンク２０９と、冷媒蒸気タンク２０８と冷媒液タンク２０９との間を連通し、ラック１００の幅方向に複数配置された直管状の冷媒チューブ２１０と、隣り合う冷媒チューブ２１０間に設けられ、冷媒チューブ２１０にそれぞれ熱接触するように取り付けられた受熱フィン２０５と、から構成され、冷媒蒸気タンク２０８、冷媒液タンク２０９及び冷媒チューブ２１０内に冷媒が封入されている。複数の冷媒チューブ２１０はラック１００の幅方向に、所定の間隔で配置される。蒸発部２０１は、隣り合う冷媒チューブ２１０間の間隔に対応した空隙が受熱フィン２０５で仕切られて形成された開口部をラックの高さ方向に複数備える。リアドア１０４には、排気用の開口部が形成されており、電子機器１０２からの排気１０５は蒸発部２０１の複数の開口部及びリアドア１０４の排気用の開口部を通りラック１００外に排出される。電子機器１０２からの排気１０５は、蒸発部２０１の複数の開口部を通過する際、受熱フィン２０５及び冷媒チューブ２１０との間で熱交換し、熱交換した熱により冷媒チューブ２１０を流れる冷媒液２０６は蒸発する。電子機器１０２からの排気１０５は、この冷媒の蒸発過程により冷却される。
【００２８】
冷媒は、フロロカーボンやハイドロフルオロエーテルのような低沸点、かつ絶縁性の冷媒である。また、冷媒は沸点を下げた状態にするため、冷媒封入部位に冷媒を入れた後、その部位を真空に近い状態に減圧した状態で封入される。沸点を下げるのは、排気１０５による排熱量が小さい場合であっても、潜熱を利用した排気１０５の冷却を可能とするためである。
【００２９】
冷媒蒸気タンク２０８は、金属製の中空容器から構成され、ラック１００内又はリアドア１０４に設置された蒸気管３０５にホース又は金属管などで接続されている。冷媒蒸気タンク２０８は、冷媒チューブ２１０内で発生した冷媒蒸気２０７を一時的に貯留する。冷媒蒸気タンク２０８に貯留された冷媒蒸気２０７は、冷媒チューブ２１０で発生した冷媒蒸気２０７の圧力勾配により蒸気管３０５に移動する。詳細は後述する。
【００３０】
冷媒液タンク２０９は、金属製の中空容器から構成され、ラック１００内又はリアドア１０４に設置された液管３０６にホース又は金属管などで接続されている。冷媒液タンク２０９は、各冷媒チューブ２１０へ流出させる低沸点の冷媒液２０６を一時的に貯留する。冷媒液タンク２０９に貯留される冷媒液２０６は、液管３０６を介して補充される。詳細は後述する。
【００３１】
受熱フィン２０５は、金属製のコルゲーテッドフィンなどから構成され、各冷媒チューブ２１０にロウ付けや半田付けなどで接合されている。受熱フィン２０５は、電子機器１０２で発生した熱を、蒸発部２０１の開口部を通過する排気１０５から受熱し、冷媒チューブ２１０へ熱を伝達する。受熱フィン２０５は、また、冷媒チューブ２１０の強度を補強する。
【００３２】
ここで、受熱フィン２０５のフィンピッチは小さいほうが、伝熱表面積が大きくなるため排気１０５からの熱輸送量を増やすことができる。しかし、フィンピッチが小さいと蒸発部２０１の開口部が小さくなるため通風抵抗が増加しその開口部での排気１０５の風速が低下する。そのため、排気１０５がスムーズにラック１００外に排出されなくなり、ラック１００内の温度が上昇する虞が生じるとともに、電子機器１０２内の熱も除去されにくくなる。そうすると、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）やＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの部品の温度が、当該部品が正常に動作する温度（つまり、許容温度）を超えてしまう虞がある。したがって、受熱フィン２０５のフィンピッチは、これらの部品の許容温度を超えない範囲で設定されることが望ましい。
【００３３】
冷媒チューブ２１０は、アルミニウムなどの金属製で、ラック１００の幅方向に所定間隔を隔てて配列されている。冷媒チューブ２１０は、冷媒（冷媒液２０６及び冷媒蒸気２０７）の通路であり、冷媒液タンク２０９から流出した冷媒液２０６を、排気１０５の熱により相変化させて冷媒蒸気２０７にし、冷媒蒸気２０７をその圧力勾配により冷媒蒸気タンク２０８へと導いている。
【００３４】
蒸発部２０１は、本実施形態では、例えば図１に示すように、ラック１００の高さ方向に４個、ラック１００の幅方向に３個、合計１２個、配置されている。各蒸発部２０１の高さ寸法は２Ｕである。各蒸発部２０１の冷媒蒸気タンク２０８と冷媒液タンク２０９とはそれぞれ、ラックの同じ高さに設置されている蒸発部２０１に対して相互に連結されてもよい。図１はそのように連結された例を示す。
【００３５】
液管３０６は、４段に配置された冷媒液タンク２０９に共通のものとして、各段の冷媒液タンク２０９に接続されており、蒸気管３０５は、４段に配置された冷媒蒸気タンク２０８に共通のものとして、各段の冷媒蒸気タンク２０８に接続されている。蒸気管３０５及び液管３０６はそれぞれ金属性の配管で、蒸気管３０５の内径は、冷媒の沸点を低い状態に保つために、冷媒液２０６が冷媒蒸気２０７に相変化するときの体積膨張による圧力上昇を低く抑えるという理由から、液管３０６の内径に対して、２倍から数倍大きく形成されている。
【００３６】
次に、図７を参照して、実施の形態１に係る冷却装置１０の動作について説明する。尚、図７において、冷媒液２０６の流れの方向を黒矢印で示し、冷媒蒸気２０７の流れの方向を白矢印で示した。
【００３７】
実施の形態１に係る冷却装置１０は、蒸気管３０５と液管３０６がラック１００の外部に設けられる凝縮部３０２にそれぞれホース又は金属管等で形成される接続部３０１で接続され、凝縮部３０２、蒸気管３０５，及び液管３０６それぞれの内部に冷媒が封入された状態で使用される。この冷媒は以下で説明するように蒸発部２０１で使用される冷媒である。
【００３８】
まず、リアドア１０１に設けられた液管３０６から冷媒液２０６が、各蒸発部２０１の冷媒液タンク２０９へ供給される。冷媒液タンク２０９へ供給された冷媒液２０６は、冷媒液タンク２０９とその上方に設けられた冷媒蒸気タンク２０８とに連通された複数の冷媒チューブ２１０内を、冷媒蒸気タンク２０８方向に流れる。
【００３９】
各電子機器１０２からの排気１０５は、蒸発器２０１の開口部を通過する際、受熱フィン２０５及び冷媒チューブ２１０と熱交換し冷却される。排気１０５から受熱した受熱フィン２０５は熱伝導によって冷媒チューブ２１０まで熱を伝え、冷媒チューブ２１０は、排気１０５からの直接受熱による熱と合わせて、冷媒チューブ２１０内の冷媒液２０６の温度を上げる。冷媒液２０６は、冷媒液２０６の沸点を超えて温度が上がると、冷媒蒸気２０７に相変化する。この相変化によって、排気１０５中の熱が潜熱として使われ、沸騰冷却排熱２０４となって熱輸送される。沸騰冷却排熱２０４とは、沸騰時の潜熱を利用して冷却を行い対象の熱を排出する熱輸送のことを意味する。僭熱を利用した熱輸送により、冷却能力の増強が可能となる。なお、冷媒蒸気２０７温度が排気１０５の温度よりも低ければ冷媒蒸気２０７の昇温によっても熱輸送はなされる。これらのいずれの形でも熱輸送されなかった熱量がラック排熱２０３として、ラック１００の外に排気１０５の形で放熱される。
【００４０】
ここで、冷媒は真空近くにまで減圧した状態で封入されているため、沸点が大気圧環境における沸点よりも低い温度になり、電子機器１０２が発熱することにより電子機器１０２からの排気１０５の温度がわずかに上昇した場合でも直ぐに蒸発し、潜熱を利用した熱輸送が可能となる。冷媒チューブ２１０内で、冷媒液２０６の相変化により生成された冷媒蒸気２０７は、冷媒液２０６中での蒸気の浮力により冷媒チューブ２１０内を上昇し、冷媒蒸気タンク２０８へと導かれる。
【００４１】
冷媒蒸気タンク２０８へ導かれた冷媒蒸気２０７は、その圧力勾配によりリアドア１０１内に設けられた蒸気管３０５へと導かれる。
【００４２】
蒸気管３０５に導かれた冷媒蒸気２０７は、ラック１００外に設けられた凝縮部３０２へと流れる。凝縮部３０２へ導かれた冷媒蒸気２０７は、凝縮部３０２に隣接した冷却部３０３により冷却され、凝縮部３０２にて冷媒液２０６に相変化する。凝縮部３０２にて相変化により生成された冷媒液２０６は、再び液管３０６を通って蒸発部２０１の冷媒液タンク２０９へ供給される。（凝縮部３０２と冷却部３０３の詳細は実施の形態５を参照のこと）
【００４３】
これらの構成によれば、冷媒チューブ２１０内で相変化により生成された冷媒蒸気２０７は、冷媒チューブ２１０内を上昇する。実施の形態１では、冷媒チューブ２１０は直管状に形成されているため、従来よく使用されている螺旋状に形成された冷媒チューブに比べて、冷媒チューブ２１０内で発生した冷媒蒸気２０７は、速やかに蒸発部２０１から蒸気管３０５へ排出され、蒸発部２０１に貯留する冷媒蒸気２０７の量を低減できる。したがって、各蒸発部２０１上部の冷却能力の低減した部位の長さを低減できラック１００内の電子機器１０２からの排気全体を効率よく冷却できる。
【００４４】
なお、上記例では、電子機器１０２の高さ寸法と蒸発部２０１の高さ寸法とが一致している例を示したが、蒸発部２０１の高さ寸法を必ずしも電子機器１０２の高さ寸法と合わせる必要はない。
【００４５】
ここで、蒸発部２０１の好適な高さについて検討する。
【００４６】
蒸発部２０１内に貯留する冷媒蒸気２０７の量は、蒸発部２０１高さ寸法が小さいほど少なくなる。しかし、蒸発部２０１が２Ｕ未満の高さ寸法で構成されると、冷媒蒸気タンク２０８と冷媒液タンク２０９の蒸発部２０１に対する割合が増加し、蒸発部２０１全体に対する受熱フィン２０５の割合が極端に小さくなるため、受熱量が減ってしまう。したがって、蒸発部２０１の単位面積当たりの冷却能力が、２Ｕのときと比較して低下してしまう。
【００４７】
一方、蒸発部２０１の高さ寸法が大きいほど受熱量は増加するが、蒸発部２０１内に貯留する冷媒蒸気２０７も多くなる。したがって、ラックに搭載される一部の電子機器１０２からの排気が十分に冷却されなくなる虞がある。このような虞をなくすためには、蒸発部２０１の最大高さ寸法は制限される必要がある。具体的には、搭載される電子機器１０２の最小高さ寸法は１Ｕであることから、蒸発部２０１は冷媒蒸気２０７がラックの高さ方向に１Ｕ以上の長さで貯留することのない高さ寸法で構成される必要がある。
【００４８】
ここで、蒸発部２０１が５Ｕの高さ寸法で構成されている場合について検討すると、搭載される電子機器１０２の稼働時間や稼働状態によって、冷媒蒸気２０７が蒸発部２０１内に１Ｕ以上の高さで貯留する虞がある。したがって、このような場合には、この冷媒蒸気２０７が貯留する部分と略同一の高さ位置に搭載されている高さ寸法１Ｕの電子機器１０２からの排気は、十分に冷却されないことになる。例えば、図８に示すように、５Ｕの高さ寸法と４Ｕの高さ寸法の蒸発部２０１とがそれぞれ１個ずつ配置され、１Ｕの高さ寸法の電子機器１０２がラック１００の最上段に搭載されている場合がその例である。
【００４９】
蒸発器２０１が、電子機器１０２に付随して装備されている場合は、電子機器１０２の高さ寸法が大きくなった場合に蒸発器２０１の高さ寸法も同様に大きくなるので、上記と同様の問題が生じる。この場合は、その電子機器１０２からの排気のうち、その電子機器の上部からの排気の冷却が不十分となる。
【００５０】
また、ラック１００に搭載される電子機器１０２は、ＥＩＡ規格で定められたＵ単位の高さ寸法で設計及び製造され、１Ｕから４Ｕの高さ寸法を有するものが多い。このため、先に述べた理由から、１Ｕ以上の高さ寸法を有する電子機器１０２から排出される熱を効率的に吸収するために、蒸発部２０１の高さ寸法は、１Ｕよりも大きいことが望ましい。ここで、ラック１００の大きさは、ＥＩＡ規格で定められたＵ単位の高さで設計及び製造される。そのため、蒸発部２０１の高さ寸法はＵ単位で設定し、２Ｕ、３Ｕ、及び４Ｕのいずれかであることが望ましい。
【００５１】
蒸発部２０１の高さ寸法をこのように設定することにより、スペース効率よく蒸発部２０１をラック１００へ搭載することができ、電子機器１０２の高さ寸法、ラック１００内の配置によらず、各電子機器１０２からの排気１０５を効率的かつムラ無く冷却することができる。また、電子機器１０２の高さ寸法が大きいときでもその排気を効率的かつムラ無く冷却することができる。その結果、ラック１００外への排熱２０３の量を低減することができるので、ラック１００を設置した室内の温度上昇を抑えることができ、また、ホットスポットと呼ばれる局所的に温度の高い場所が生じることも抑えることができる。そのため、電子機器１０２の空冷による十分な冷却が可能となる。
【００５２】
（変形例）
この発明は、上記の例に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記説明では、電子機器１０２の高さ寸法と蒸発部２０１の高さ寸法とが一致している例を示したが、必ずしも電子機器１０２の高さ寸法を蒸発部２０１の高さ寸法と合わせる必要はない。あらかじめ配置された蒸発部２０１の高さ寸法に対して、ラック１００に搭載される電子機器１０２の高さ寸法は１Ｕ単位で任意である。例えば、図９に示すように、高さ寸法３Ｕの蒸発部２０１がラックの高さ方向に４個配置されている場合に、高さ寸法２Ｕの電子機器１０２がラックの高さ方向に６個搭載されてもよい。
【００５３】
また、上記説明においては、蒸発部２０１がラック１００の幅方向に３個配置されている例を示したが、ラック１００の幅方向に設置する個数には特に制限を設けなくてよく、任意である。さらに、１つの蒸発部２０１の幅寸法についても任意である。
【００５４】
上記説明では、冷媒液２０６の流量を制御することなく循環させる例を示したが、冷媒の循環する流路に各種センサや弁を設け、冷却装置１０は、その各種センサの出力を入力する入力部と、各種センサの出力から電子機器１０２の稼働状態を判断し、判断した電子機器１０２の稼働状態に合わせて弁の開閉を制御することにより冷媒液２０６の流量を変化させる制御部とを備えた構成としてもよい。
【００５５】
実施の形態１に係る冷却装置１０によれば、蒸発部２０１をラック１００の高さ方向に複数段、電子機器１０２からの排気吹き出口とリアドア１０４との間のラック１００の部位に設置し、各段毎の蒸発部２０１の高さ寸法を２Ｕ、３Ｕ、４Ｕのいずれかとすることにより、ラック１００内に高さ方向に搭載された電子機器１０２からの排気を、搭載される電子機器１０２の高さ寸法、配置によらず、効率よく冷却することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る冷却装置２０は、電子機器１０２と蒸発部２０１との間に、整流部２０２を備える。整流部２０２は、電子機器１０２からの排気を蒸発部２０１の排気流入面の方向に向かうように整流し導く。特に、整流部２０２は、図１０に示すように、蒸発部２０１の幅寸法が、電子機器１０２の幅寸法と比して短く構成されている場合に、特に有効である。なお、ラック１００に搭載される電子機器１０２の幅寸法は、ＥＩＡ規格によって規定されており、１９インチ（４８２．６ｍｍ）である。なお、実施の形態２において、実施の形態１の場合と同じ部材及び構成については図示及び説明を省略する。
【００５７】
整流部２０２は、例えば２枚の整流板から構成されている。整流板は、例えば金属材料で形成されるが、使用材料に特に制限があるわけではない。整流部２０２は、電子機器１０２の排気を排気矢印２２０方向へと導くため、例えば図１０に示すように、電子機器１０２と蒸発部２０１との間に、２枚の整流板を逆ハの字状に配置したものである。
【００５８】
電子機器１０２からの排気は、電子機器１０２と蒸発部２０１との間に設けられた整流部２０２によって、排気矢印２２０の方向に、すなわち蒸発部２０１の排気の流入する面に集められる。
【００５９】
冷媒の潜熱の範囲内であれば、排気熱量が大きくなるにつれ、蒸発部２０１の冷却能力が上がるため、整流部２０２によって、電子機器１０２の排熱を蒸発部２０１へ集熱することで、単位面積当たりの蒸発部２０１の冷却能力が向上し、電子機器１０２を効率よく冷却することができるため、蒸発部２０１の幅寸法を短縮することができる。従って、ラック１００内の蒸発部２０１の総面積を減少できるため、蒸発部２０１の設置コストの面からも好ましい。
【００６０】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る冷却装置３０は、図１１に示すように、蒸発部２０１がラックの幅方向に第１の蒸発部３０７と第２の蒸発部３０８とに区分され、電子機器１０２からの排気を第１の蒸発部３０７へ整流する整流部３０９が、実施の形態２と同様に、電子機器１０２と第１の蒸発部３０７の排気流入面との間に設けられている。整流部３０９は、電子機器１０２からの排気を第１の蒸発部３０７の排気流入面の方向に向かうように整流する。
【００６１】
さらに、第１の蒸発部３０７を通過した電子機器１０２からの排気を、第２の蒸発部３０８の、第１の蒸発部３０７の排気流入面とは反対側に位置する面へと導く変流部１０６が、第１の蒸発部３０７を基準としてその排気流入面とは反対側に設けられている。なお、実施の形態３において、実施の形態１の場合と同じ部材及び構成については図示及び説明を省略する。
【００６２】
整流部３０９は、例えば１枚の整流板を、第１の蒸発部３０７と第２の蒸発部３０８との境界部と、電子機器１０２の一方の端部とをつなぐ線上に配置したもので構成される。整流板は、例えば金属材料で形成されるが、使用材料に特に制限があるわけではない。
【００６３】
変流部１０６は、電子機器１０２の側とは反対側で、第１の蒸発部３０７と第２の蒸発部３０８とを覆う、例えば金属製のカバー又はダクトなどから構成され、第１の蒸発部３０７を通過した電子機器１０２からの排気を、第２の蒸発部３０８へと導く。なお、変流部１０６は金属製に限定される必要はなく、各種の材料により形成されてもよい。
【００６４】
電子機器１０２からの排気１０５は、排気矢印２３０の方向に、整流部３０９の表面（電子機器１０２側の面）によって整流され、第１の蒸発部３０７を通過する。その後、変流部１０６によって排気１０５の向きが変更され、第２の蒸発部３０８へと導かれる。第１の蒸発部３０７で熱交換されなかった熱量、すなわち冷媒による熱輸送に使われずラック外に放熱された電子機器１０２からの排熱が、第２の蒸発部３０８で再度熱交換される。したがって、蒸発部３０７及び３０８全体での熱交換量を増加させることができる。そのため、電子機器１０２からの排気を効率よく冷却することができる。
【００６５】
尚、第２の蒸発部３０８を通過した排気は、整流部３０９の裏面（電子機器１０２側とは反対側の面）で反射された後に、ラック１００のリアドア１０４に設けられた開口部を通じてラック１００外に排出される。なお、図示はしていないが、ラック１００は、排気１０５が複数の蒸発部を通過するように、蒸発部２０１と同様の構成を有する蒸発部を、電子機器１０２からの排気の方向に複数個重ねて装備してもよい。この場合は、整流部３０９と変流部１０６とは省略してもよい。この場合も整流部２０２を設置して、蒸発部２０１全体の幅を電子機器１０２の幅よりも小さい場合は図１０に示す整流部２０２を併用することができる。
【００６６】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る冷却装置４０は、図１２に示すように、ラック１００の高さ方向に複数段設けられた蒸発部２０１が、電子機器１０２からリアドア１０４に向かって手前から、第１の層３１０と第２の層３１１とから構成されている。第１の層３１０は、４段の蒸発部２０１を有し、第２の層３１１は、３段の蒸発部２０１を有する。さらに、第２の層３１１の各蒸発部２０１は、第１の層３１０において上下に隣り合う蒸発部２０１同士の境目に重なるように、いわゆる千鳥配置されている。なお、実施の形態４において、実施の形態１の場合と同じ部材及び構成については図示及び説明を省略する。
【００６７】
第１の層３１０の各蒸発部２０１は、例えば、電子機器１０２とリアドア１０４との間に設けられた通気可能なインナードア３１２にねじ等で固定されている。
【００６８】
電子機器１０２からの排気１０５は、第１の層３１０を通過後、第２の層３１１へと流れる。例えば、第１の層３１０の蒸発部２０１の冷媒蒸気が充満した上部、又は上下の蒸発部２０１の間の隙間を通過したために、十分な冷却がなされなかった電子機器１０２からの排気１０５が、第２の層３１１の蒸発部２０１の冷媒液が充填された下部を通過することにより効率よく冷却される。したがって、蒸発部２０１がこのように配置されることにより、電子機器１０２からの排気１０５は、蒸発部２０１が電子機器１０２の排気１０５方向に単純に二重に配置される場合よりもさらに効率的に冷却される。
【００６９】
なお、第１の層３１０の各蒸発部２０１はインナードア３１２ではなく、第２の層３１１とともにリアドア１０４に取り付けてもよい。
【００７０】
（実施の形態５）
実施の形態５は、実施の形態１乃至４で説明した冷却装置１０、２０、３０又は４０を備えた冷却システム５０に関するものである。この冷却システム５０は、図１３に示すように、実施の形態１乃至４で説明した冷却装置１０、２０、３０又は４０と、ラック１００外に設けられた凝縮部３０２と、冷却装置１０、２０、３０又は４０内の各蒸発部２０１と凝縮部３０２の間を、液管３０６と蒸気管３０５とを通って循環する冷媒（冷媒液２０６及び冷媒蒸気２０７）と、から構成されている。なお、この冷媒は蒸発部２０１を構成する冷媒と同一の冷媒である。
【００７１】
凝縮部３０２は、冷媒蒸気２０７を冷却して液化する部位で、熱伝導率の大きなアルミニウム又は銅などから構成され、内部は冷媒が循環できるように構成されたチャンバー構造を有する。凝縮部３０２は、凝縮部３０２を冷却するための冷却部３０３に隣接して配置されている。また、凝縮部３０２は、液管３０６と蒸気管３０５にそれぞれホース又は金属管等からなる接続部３０１で接続されている。
【００７２】
冷却部３０３は、凝縮部３０２を冷却する部位で、例えば、ラック１００を設置した室、例えばデータセンタやコンピュータルームのルーム天井３０４の天井裏に設置されている空調機用の冷水配管などで構成される。
【００７３】
冷媒は、蒸発部２０１で使用される冷媒と同一であり、フロロカーボンやハイドロフルオロエーテルのような低沸点、かつ絶縁性の冷媒である。また、冷媒は、その沸点を大気圧環境に比べて低い状態にするため、冷媒の循環する系を真空に近い状態に減圧した状態でその系に封入されている。
【００７４】
冷却システム５０の動作については実施の形態１で既に説明したとおりである。すなわち、蒸発部２０１は、電子機器１０２からの排気１０５を冷却することにより、冷媒チューブ２１０内の冷媒液２０６が冷媒蒸発２０７に相変化し、冷媒蒸気２０７は、冷媒液２０８中での冷媒蒸気２０７の浮力、及び冷媒蒸気２０７の圧力勾配により冷媒蒸気タンク２０８、蒸気管３０５、及び接続部３０１を介して凝縮部３０２に移動する。凝縮部３０２は、冷却部３０３により、熱伝導で冷却され、凝縮部３０２に移動してきた冷媒蒸気２０７を冷却する。冷媒蒸気２０７は冷却されることにより冷媒液２０６に相変化する。相変化により生成された冷媒液２０６は、凝縮部３０２から、液管３０６に接続された接続部３０１、液管３０６及び冷媒液タンク２０９を介して冷媒チューブ２１０内に供給される。
【００７５】
（変形例）
上記実施の形態においては、凝縮部３０２と冷却装置とが１対１の関係で接続される例を示したが、ひとつの凝縮部３０２に対し、複数の冷却装置が接続されてもよい。
【００７６】
上記実施形態については、発明の広い趣旨、範囲から外れることなくその変形が可能である。上記実施形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は実施形態よりも、添付した特許請求の範囲の各請求項によって示される。各請求項と均等の範囲でなされた各種変形は本発明の範囲に含まれる。
【００７７】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００７８】
（付記１）
ラック内に搭載された電子機器からの排気を冷却する電子機器排気の冷却装置であり、
前記電子機器排気の冷却装置は、
前記ラック内に、その高さ方向に複数設置され、流入し通過する前記排気の熱で、内蔵された冷媒液を蒸発させ冷媒蒸気とすることにより前記排気を冷却する蒸発部と、
前記蒸発部への前記冷媒液の供給路である第１の流路と、
前記蒸発部からの前記冷媒蒸気の排出路である第２の流路と、
を有し、
前記ラックの高さ方向の前記蒸発部の長さは、１Ｕを４４．４５ｍｍとして、前記ラックの高さ方向における前記蒸発部の設置された位置に応じて２Ｕ、３Ｕ及び４Ｕのいずれかであり、
前記第１の流路と前記第２の流路とは、前記複数の蒸発部に共通して接続されている、
電子機器排気の冷却装置。
【００７９】
（付記２）
前記蒸発部は、
冷媒蒸気を貯留する冷媒蒸気タンクと、
該冷媒蒸気タンクより下方に設けられ、冷媒液を貯留する冷媒液タンクと、
該冷媒液タンク及び前記冷媒蒸気タンクに連通した複数の冷媒チューブと、
前記冷媒チューブに接合され、前記排気の熱を受熱する受熱フィンと、
から構成されていることを特徴とする付記１に記載の電子機器排気の冷却装置。
【００８０】
（付記３）
前記冷媒チューブは直管で形成されている、
ことを特徴とする付記２に記載の電子機器排気の冷却装置。
【００８１】
（付記４）
前記蒸発部の前記排気の流入側に、前記排気を前記蒸発部方向へ整流する整流部をさらに有する、
ことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１つに記載の電子機器排気の冷却装置。
【００８２】
（付記５）
前記蒸発部は、前記排気の通過する方向に少なくとも２重の層をなして配置されている、
ことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１つに記載の電子機器排気の冷却装置。
【００８３】
（付記６）
前記蒸発部は、前記ラックの幅方向に区分された第１の領域と、第２の領域と、から構成され、
前記整流部は、前記排気を前記第１の領域の方向に整流するとともに、前記第２の領域に対して遮蔽し、
前記第１の領域を基準とし、前記第１の領域の前記排気の流入する面とは反対側に設けられ、前記第１の領域を通過した前記排気を前記第１の領域の前記排気の流入する面とは反対側の前記第２の領域の面に導く変流部、をさらに有する、
ことを特徴とする付記４に記載の電子機器排気の冷却装置。
【００８４】
（付記７）
前記２重の層は、各層を構成する複数の前記蒸発部の前記ラックの高さ方向の配置が、相互に千鳥配置となる、
ことを特徴とする付記５に記載の電子機器排気の冷却装置。
【００８５】
（付記８）
前記千鳥配置は、一方の層を構成する複数の前記蒸発部において、前記ラックの高さ方向に隣り合う前記蒸発部間の空隙部、又は前記隣り合う前記蒸発部の内、下方に位置する前記蒸発部の上部所定の長さの部分を通過する前記排気が、いずれも他方の層を構成する前記蒸発部の下部所定の長さの部分を通過するように配置されたものである、
ことを特徴とする付記７に記載の電子機器排気の冷却装置。
【００８６】
（付記９）
付記１乃至８のいずれか１つに記載の電子機器排気の冷却装置と、
前記電子機器排気の冷却装置の上方に配置された凝縮部と、
前記凝縮部と前記電子機器排気の冷却装置との間を循環する冷媒と、
を有し、
前記凝縮部が、前記電子機器排気の冷却装置内の前記第１の流路と前記第２の流路に接続されている、
電子機器排気の冷却システム。
【００８７】
本出願は２０１０年３月３０日に出願された、明細書、特許請求の範囲、図、および要約書を含む日本国特許出願２０１０−０７９６１９に基づく優先権を主張するものである。この元となる特許出願の開示内容は参照により全体として本出願に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、ラックに搭載して運用する電子機器であるコンピュータやネットワーク機器からの排気の冷却に適用できる。また、本発明は、高さ方向に複数の機器冷却用の排気口を有する電子機器であれば、ラックに搭載されていないコンピュータやネットワーク機器にも直接適用できる。さらに、本発明によれば、空調の電力を低減することができるため、本発明は、データセンタやコンピュータルームなどの空調関係設備などにも適用が可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１０    冷却装置
２０    冷却装置
３０    冷却装置
４０    冷却装置
５０    冷却システム
１００  ラック
１０１  レール
１０２  電子機器
１０３  ファン
１０４  リアドア
１０５  排気
１０６  変流部
２０１  蒸発部
２０２  整流部
２０３  ラック排熱
２０４  沸騰冷却排熱
２０５  受熱フィン
２０６  冷媒液
２０７  冷媒蒸気
２０８  冷媒蒸気タンク
２０９  冷媒液タンク
２１０  冷媒チューブ
２２０  排気矢印
２３０  排気矢印
３０１  接続部
３０２  凝縮部
３０３  冷却部
３０４  ルーム天井
３０５  蒸気管
３０６  液管
３０７  第１の蒸発部
３０８  第２の蒸発部
３０９  整流部
３１０  第１の層
３１１  第２の層
３１２  インナードア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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