熱交換器とその製造方法、空調機、及び情報処理システム
【課題】熱交換器とその製造方法、空調機、及び情報処理システムにおいて、熱交換器の熱交換効率を高めること。
【解決手段】冷媒配管３１と、冷媒配管３１に間隔をおいて取り付けられ、空気流Aに曝される複数の第１のフィン３２と、隣接する第１のフィン３２の間における冷媒配管３１に取り付けられ、空気流Aに沿った方向D2を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィン３３とを有する熱交換器１２による。
【解決手段】冷媒配管３１と、冷媒配管３１に間隔をおいて取り付けられ、空気流Aに曝される複数の第１のフィン３２と、隣接する第１のフィン３２の間における冷媒配管３１に取り付けられ、空気流Aに沿った方向D2を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィン３３とを有する熱交換器１２による。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器とその製造方法、空調機、及び情報処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報技術の発達に伴い、データセンタ内で扱われるデータ量が増大し、これに伴いデータセンタ内のサーバラックにより多くの計算機が搭載されるようになりつつある。その結果、データセンタ内に設置された空調機では、全ての計算機で消費する電力の総和に匹敵するほど大きな電力を消費しているといわれる。
【０００３】
その空調機においては、データセンタ内で温められた空気を冷却水との熱交換で冷却するための熱交換器が設けられる。空調機の消費電力を削減するには、その熱交換器における熱交換効率を向上させるのが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３１３１７６号公報
【特許文献２】特開昭６０−１２０１９１号公報
【特許文献３】実開平３−７０５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱交換器とその製造方法、空調機、及び情報処理システムにおいて、熱交換器の熱交換効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下の開示の一観点によれば、冷媒配管と、前記冷媒配管に間隔をおいて取り付けられ、空気流に曝される複数の第１のフィンと、隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンと有する熱交換器が提供される。
【０００７】
また、その開示の他の観点によれば、金属板に穴あけ加工を施すことにより、該金属板の主面から突出した管部を形成する工程と、前記金属板を捩ることにより、捩り形状が付与されたフィンを作製する工程と、前記管部に冷媒配管を挿通する工程と、前記冷媒配管内に大気圧よりも高い圧力の空気を供給することにより該冷媒配管を拡張させて、前記管部の内面と前記冷媒配管の外周側面とを圧着する工程とを有する熱交換器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
以下の開示によれば、捩られた第２のフィンによって空気流を乱すと同時に、第１と第２のフィンを合わせた表面積を増やすことができるので、熱交換器の熱交換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係る情報処理システムの模式図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る熱交換器の一部分解斜視図である。
【図３】図３は、空気流の上流側から見た第１実施形態に係る熱交換器の拡大断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態において、第１のフィンと第２のフィンの総表面積によって熱交換器の圧力損失がどのように変化するのかをシミュレーションして得られたグラフである。
【図５】図５（ａ）は、第１実施形態に係る第２のフィンの製造途中の上面図（その１）であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【図６】図６（ａ）は、第１実施形態に係る第２のフィンの製造途中の上面図（その２）であり、図６（ｂ）はその側面図である。
【図７】図７は、第１実施形態に係る熱交換器の製造途中の斜視図である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る熱交換器の製造途中の側面図（その１）である。
【図９】図９は、第１実施形態に係る熱交換器の製造途中の側面図（その２）である。
【図１０】図１０は、第１実施形態に係る熱交換器の製造途中における冷媒配管とその周囲の拡大断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、第２実施形態に係る第２のフィンの製造途中の上面図（その１）であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のII−II線に沿う断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第２実施形態に係る第２のフィンの製造途中の上面図（その２）であり、図１２（ｂ）はその側面図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態に係る熱交換器の一部分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、添付図面を参照しながら各実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る情報処理システムの模式図である。
【００１２】
この情報処理システム１は、インターネットデータセンタ（IDC）等のデータセンタ１７で使用されるものであって、空調機１０とサーバラック２０とを有する。
【００１３】
このうち、空調機１０は、熱交換器１２と、筐体１３と、ファンユニット２４とを備える。熱交換器１２とファンユニット１４は、いずれも筐体１３に収められており、データセンタ１７内の空気を冷却するのに使用される。
【００１４】
熱交換器１２には往水ライン２３と還水ライン２４とが接続される。往水ライン２３と還水ライン２４はチラー２２に接続されており、チラー２２で生成された冷却水が往水ライン２３を介して熱交換器１２に供給される。そして、熱交換器１２で温められた冷却水は、還水ライン２４を通ってチラー２２に戻り、当該チラー２２において冷却される。
【００１５】
また、ファンユニット１４は、空気流Aを生成するための複数のファン１５を有する。
【００１６】
その空気流Aは、データセンタ１７内に区画されたコールドアイル１９を通ってサーバラック２０に供給される。
【００１７】
サーバラック２０は、データセンタ１７内に区画された機器設置エリア１８に設けられており、情報処理を行うためのサーバ等の複数の計算機２１を備える。なお、計算機２１は、情報処理機器の一例である。
【００１８】
各計算機２１にはCPU(Central Processing Unit)等の不図示の発熱部品が設けられるが、その発熱部品は、各計算機２１の吸気面２１ａから取り込まれた空気流Aによって冷却される。そして、発熱部品によって温められた空気流Aは、各計算機２１の排気面２１ｂ側からデータセンタ１７内に排気された後、空調機１０において再び冷却される。
【００１９】
図２は、熱交換器１２の一部分解斜視図である。
【００２０】
図２に示すように、熱交換器１２は、冷媒配管３１、第１のフィン３２、及び第２のフィン３３をそれぞれ複数有する。
【００２１】
このうち、第１のフィン３２は、冷却対象の空気流Aに曝される平板状の金属板であって、冷媒配管３１に機械的に取り付けられる。第１のフィン３２の材料は特に限定されないが、空気流Aとの間で熱交換を効率的に行うために、アルミニウムや銅等の熱伝導率の良い金属を材料とする金属板を第１のフィン３２として使用するのが好ましい。
【００２２】
そして、このような第１のフィン３２が冷媒配管３１の延在方向D1に沿って間隔をおいて複数設けられ、隣接する第１のフィン３２の間に空気流Aの流路が画定される。
【００２３】
なお、冷媒配管３１の延在方向D1は、空気流Aに沿った方向D2に直交する。このようなタイプの熱交換器は直交流型気液熱交換器とも呼ばれる。
【００２４】
また、本実施形態では、隣接する第１のフィン３２同士の間隔P1を約３mmとする。
【００２５】
そして、水平方向に隣接する冷媒配管３１同士の間隔P2は約４０mmであり、鉛直方向に隣接する冷媒配管３１同士の間隔P3は約３０mmである。
【００２６】
その冷媒配管３１には前述の往水ライン２３を流れる冷却水が供給され、これにより第１のフィン３２と第２のフィン３３が冷却される。冷媒配管３１の材料は特に限定されないが、第１のフィン３２と同様に、銅やアルミニウム等の金属を材料とする金属管を冷媒配管３１として使用するのが好ましい。
【００２７】
一方、第２のフィン３３は、隣接する第１のフィン３２の間における冷媒配管３１に取り付けられ、空気流Aの流路に沿う方向D2を中心軸にして捩れている。なお、第２のフィン３３の材料としては、前述の銅やアルミニウム等の金属を採用し得る。
【００２８】
また、前述の方向D1と方向D2のいずれにも直交する方向D3に沿って隣接する第２のフィン３３は、前述の間隔P3と同程度の間隔で隔てられており、第２のフィン３３が過度に密集するのが防止される。
【００２９】
第２のフィン３３が無い場合には空気流Aは第１のフィン３２に沿った層流となり、空気流Aが乱されないため熱交換器１２の熱交換率が低下するが、前述のように第２のフィン３３を捩ることで空気流Aが適度に乱され、熱交換率が向上する。更に、このように第２のフィン３３を捩ることによって、第１のフィン３２と第２のフィン３３とを合わせた表面積が増加し、これによっても熱交換率が向上する。
【００３０】
特に、空気流Aの流路に沿う方向D2を中心軸にして第２のフィン３３を捩ることで、方向D2に空気流Aが流れるのを阻害せずに空気流Aに適度な回転運動を与えることができ、空気流Aの通りやすさを確保しつつ熱交換器１２の熱交換効率を高めることができる。
【００３１】
また、第２のフィン３３を過度に密集させないことによっても、空気流Aの通りやすさを確保することができる。
【００３２】
更に、第２のフィン３３の捩り形状は、後述のように金属板を捩るだけで容易に得られるので、空気流Aを乱すための他の形状と比較して、第２のフィン３３を簡単に作製することが可能となる。
【００３３】
図３は、空気流Aの上流側から見た熱交換器１２の拡大断面図である。
【００３４】
前述のように、方向D3に沿って隣接する第２のフィン３３は互いに隔てられているため、第１のフィン３２の間には隙間Cができる。
【００３５】
このように隙間Cを設けることで、第２のフィン３３が原因で熱交換器１２に空気流Aが通り難くなるのを抑制して、熱交換器１２の圧力損失が必要以上に上昇するのを防止できる。なお、圧力損失とは、熱交換機１２に入る直前の空気流Aの圧力と、熱交換機１２を出た直後の空気流Aの圧力との差を言い、熱交換器１２内における空気の通り易さの目安となる。
【００３６】
圧力損失が上昇すると熱交換器１２に空気流Aが通り難くなるためファン１５（図１参照）の回転数を高める必要があるが、本実施形態では圧力損失の上昇を防止できるのでファン１５の回転数の上昇を抑制し、ファン１５の消費電力が増大するのを防止できる。
【００３７】
なお、圧力損失は、熱交換器１２の開口率に依存するが、本実施形態では開口率と第１のフィン３２及び第２のフィン３３の総表面積とが比例するため、圧力損失は当該表面積に依存する。
【００３８】
図４は、その総表面積によって圧力損失がどのように変化するのかをシミュレーションして得られたグラフである。
【００３９】
このグラフの横軸は、第２のフィン３２を設けない場合の総表面積を基準にしたときの当該総表面積の増加率を示す。
【００４０】
図４から明らかなように、圧力損失は、総表面積の増加率が大きくなるにつれて高くなる。
【００４１】
前述のように、圧力損失の上昇はファン１５における消費電力の増大を招く。よって、第２のフィン３３の表面積は、仕様により要求される熱交換効率が得られる最低限の大きさにするのが好ましい。
【００４２】
図２に示した熱交換器１２では、熱交換器１２に入る直前の空気流Aの流速が３m/sのとき圧力損失は約４０Paとなった。同じ流速で第２のフィン３３が無い場合の圧力損失は約３０Paであったため、本実施形態では第２のフィン３３が無い場合よりも圧力損失が約１．１倍程度上昇するが、この程度であればファン１５の消費電力は問題ない。
【００４３】
次に、前述の第２のフィン３３を備えた熱交換器１２の製造方法について説明する。
【００４４】
図５（ａ）は、第２のフィン３３の製造途中の上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【００４５】
まず、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、平面形状が短冊状のアルミニウム板３３ａを用意する。なお、アルミニウム板３３ａに代えて銅板等の他の金属板を用いてもよい。
【００４６】
そして、そのアルミニウム板３３ａに穴あけ加工と絞り加工とを施すことにより、アルミニウム板３３ａの主面３３ｘから突出した管部３３ｂを形成する。その管部３３ｂの内面は、冷媒配管３１（図２参照）が挿通される開口を画定する。
【００４７】
なお、主面３３ｘから測った管部３３ｂの高さHが高すぎると、管部３３ｂが邪魔で隣接する第１のフィン３２同士の間隔p1（図２参照）を狭くすることができない。そのため、高さHは間隔p1の半分程度、例えば１．５mm程度とするのが好ましい。
【００４８】
次に、図６（ａ）、（ｂ）に示す工程について説明する。図６（ａ）は、第２のフィン３３の製造途中の上面図であり、図６（ｂ）はその側面図である。
【００４９】
本工程では、機械加工によって前述のアルミニウム板３３ａを二回捩ることにより、捩り形状が付与された第２のフィン３３の基本構造を完成させる。
【００５０】
このように製造された第２のフィン３３は、冷媒配管３１に取り付けられる取付部３３ｃと、当該取付部３３ｃの両側において捩り形状が付与されたフィン部３３ｄとを有する。
【００５１】
次に、図７の斜視図に示すように、複数の孔３２ａが形成された第１のフィン３２を用意すると共に、その孔３２ａと第２のフィン３３の管部３３ｂの各々に冷媒配管３１を挿通し、第１のフィン３２と第２のフィン３３とを交互に積み重ねる。
【００５２】
冷媒配管３１の外径は特に限定されないが、本実施形態ではその外径を約１０mmとする。この場合、孔３２ａと管部３３ｂの各々の内径は、冷媒配管３１が挿通できるように約１０．３mm程度とすればよい。
【００５３】
また、第１のフィン３２の平面形状は、一辺の長さが約１．５m〜２m程度の矩形状である。
【００５４】
続いて、図８の側面図に示すように、複数の冷媒配管３１を接続するためのR管３７を用意する。なお、R管に代えて、R管の両端に直管部を設けてなるU字管を用いてもよい。
【００５５】
次いで、図９の側面図に示すように、複数のR管３７の各々に冷媒配管３１を挿入した状態で、R管３７と冷媒配管３１とをロウ付けにより接続する。
【００５６】
その後、冷媒配管３１内に大気圧よりも高い圧力の空気を供給することにより冷媒配管３１を拡張させる。
【００５７】
図１０は、拡張した冷媒配管３１とその周囲の拡大断面図である。
【００５８】
このように冷媒配管３１を拡張させることで、第２のフィン３３の管部３３ｂの内面３３ｙが冷媒配管３１の外周側面に圧着し、第２のフィン３３が冷媒配管３１に機械的に固定される。
【００５９】
特に、管部３３ｂの内面３３ｙは、面接触の状態で冷媒配管３１の外周側面に圧着するので、管部３３ｂを設けない場合と比較して機械的に強固に冷媒配管３１に第２のフィン３３を取り付けることができる。
【００６０】
同様に、第１のフィン３２の孔３２ａも冷媒配管３１の外周側面に圧着するため、第１のフィン３２も冷媒配管３１に機械的に固定されることになる。
【００６１】
以上により、本実施形態に係る熱交換器１２の基本構造が完成する。
【００６２】
上記した本実施形態によれば、図２に示したように、平板状の第１のフィン３２だけでなく第２のフィン３３を設けることで、第２のフィン３３と空気流Aとの間でも熱交換が行われ、熱交換器１２の熱交換効率が高められる。
【００６３】
特に、空気流Aの流路に沿う方向D2を中心軸にして第２のフィン３３を捩ることにより、第２のフィン３３の表面に沿って空気流Aを回転させて熱交換機１２における圧力損失の過度な上昇を防止し、ファン１５（図１参照）の消費電力が増加するのを抑制できる。
【００６４】
これにより、本実施形態では、熱交換器１２の熱交換率の向上と空調機の１０の消費電力の抑制との両立を図ることが可能となる。
【００６５】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と比較して、一つの第２のフィン３３により多くの捩り形状を付与する。
【００６６】
以下に、そのような第２のフィン３３を備えた熱交換器について図１１〜図１３を参照しつつその製造工程を追いながら説明する。なお、図１１〜図１３において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００６７】
図１１（ａ）は、本実施形態に係る第２のフィン３３の製造途中の上面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のII−II線に沿う断面図である。
【００６８】
まず、図１１（ａ）、（ｂ）に示すようなアルミニウム板３３ｅを用意する。そのアルミニウム板３３ｅの平面形状は、本実施形態で作製される第２のフィン３３の展開形状に相当するものであり、複数の短冊部３３ｆを備えた閉図形である。
【００６９】
そして、そのアルミニウム板３３eに穴あけ加工と絞り加工とを施すことにより、アルミニウム板３３ｅの主面３３ｘから約１．５mm程度の高さHだけ突出した管部３３ｂを形成する。
【００７０】
なお、アルミニウム板３３ｅに代えて銅板等の他の金属板を用いてもよい。
【００７１】
次に、図１２（ａ）、（ｂ）に示す工程について説明する。図１２（ａ）は、本実施形態に係る第２のフィン３３の製造途中の上面図であり、図１２（ｂ）はその側面図である。
【００７２】
本工程では、機械加工によって前述の短冊部３３ｆの各々を二回捩ることにより、捩り形状が付与された複数のフィン部３３ｄを備えた第２のフィン３３の基本構造を完成させる。
【００７３】
この後は、第１実施形態で説明した図７〜図１０の工程を行うことにより、図１３の一部分解斜視図に示す本実施形態に係る熱交換器１２の基本構造を完成させる。
【００７４】
以上説明した本実施形態によれば、図１１（ａ）に示したように、平面形状が閉図形の一枚のアルミニウム板３３ｅを加工することで、フィン部３３ｄ毎に部品を作らなくても、複数のフィン部３３ｄと取付部３３ｃとが一体化した第２のフィン３２を作製できる。
【００７５】
更に、このようにフィン部３３ｄの数を増やすことで第２のフィン３３の表面積が増大するので、第２のフィン３３と空気流Aとの間で熱交換が効率的に行われ、第１実施形態と比較して熱交換器１２の熱交換効率が高められる。
【００７６】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００７７】
（付記１） 冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンと、
を有することを特徴とする熱交換器。
【００７８】
（付記２） 前記第２のフィンが、前記空気流に沿った前記方向に直交する方向に互いに隔てられて複数設けられたことを特徴とする付記１に記載の熱交換器。
【００７９】
（付記３） 前記第２のフィンは、前記冷媒配管の外周側面に圧着した開口が形成された取付部と、
前記取付部から延在し、捩り形状が付与されたフィン部とを有することを特徴とする付記１又は付記２に記載の熱交換器。
【００８０】
（付記４） 前記取付部の両側に前記フィン部が設けられたことを特徴とする付記３に記載の熱交換器。
【００８１】
（付記５） 前記第２のフィンに前記フィン部が複数設けられ、
前記第２のフィンの展開形状は、複数の前記フィン部の各々に対応した複数の短冊部を備えた閉図形であることを特徴とする付記３に記載の熱交換器。
【００８２】
（付記６） 前記第２のフィンは、前記取付部の主面から突出した管部を有し、
前記開口は、前記管部の内面により画定されることを特徴とする付記３乃至付記５のいずれかに記載の熱交換器。
【００８３】
（付記７） 前記第１のフィンは平板状であることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれかに記載の熱交換器。
【００８４】
（付記８） 前記冷媒配管の延在方向は、前記空気流に沿った方向に直交することを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の熱交換器。
【００８５】
（付記９） 空気流を生成するファンと、
前記空気流に曝される熱交換器とを備え、
前記熱交換器が、
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、前記空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンとを有することを特徴とする空調機。
【００８６】
（付記１０） 機器設置エリアに設けられ、情報処理を行う情報処理機器と、
前記情報処理機器を冷却する空気流を生成するファンと、該空気流に曝される熱交換器とを有する空調機とを備え、
前記熱交換器が、
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、前記空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿う方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンとを有することを特徴とする情報処理システム。
【符号の説明】
【００８７】
１…情報処理システム、１０…空調機、１２…熱交換器、１３…筐体、１４…ファンユニット、１５…ファン、１７…データセンタ、１８…機器設置エリア、１９…コールドアイル、２０…サーバラック、２１…計算機、２１ａ…吸気面、２１ｂ…排気面、３１…冷媒配管、３２…第１のフィン、３２ａ…孔、３３…第２のフィン、３３ａ、３３ｅ…アルミニウム板、３３ｂ…管部、３３ｃ…取付部、３３ｄ…フィン部、３３ｆ…短冊部、３３ｘ…主面、３７…R管。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器とその製造方法、空調機、及び情報処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報技術の発達に伴い、データセンタ内で扱われるデータ量が増大し、これに伴いデータセンタ内のサーバラックにより多くの計算機が搭載されるようになりつつある。その結果、データセンタ内に設置された空調機では、全ての計算機で消費する電力の総和に匹敵するほど大きな電力を消費しているといわれる。
【０００３】
その空調機においては、データセンタ内で温められた空気を冷却水との熱交換で冷却するための熱交換器が設けられる。空調機の消費電力を削減するには、その熱交換器における熱交換効率を向上させるのが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３１３１７６号公報
【特許文献２】特開昭６０−１２０１９１号公報
【特許文献３】実開平３−７０５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱交換器とその製造方法、空調機、及び情報処理システムにおいて、熱交換器の熱交換効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下の開示の一観点によれば、冷媒配管と、前記冷媒配管に間隔をおいて取り付けられ、空気流に曝される複数の第１のフィンと、隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンと有する熱交換器が提供される。
【０００７】
また、その開示の他の観点によれば、金属板に穴あけ加工を施すことにより、該金属板の主面から突出した管部を形成する工程と、前記金属板を捩ることにより、捩り形状が付与されたフィンを作製する工程と、前記管部に冷媒配管を挿通する工程と、前記冷媒配管内に大気圧よりも高い圧力の空気を供給することにより該冷媒配管を拡張させて、前記管部の内面と前記冷媒配管の外周側面とを圧着する工程とを有する熱交換器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
以下の開示によれば、捩られた第２のフィンによって空気流を乱すと同時に、第１と第２のフィンを合わせた表面積を増やすことができるので、熱交換器の熱交換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係る情報処理システムの模式図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る熱交換器の一部分解斜視図である。
【図３】図３は、空気流の上流側から見た第１実施形態に係る熱交換器の拡大断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態において、第１のフィンと第２のフィンの総表面積によって熱交換器の圧力損失がどのように変化するのかをシミュレーションして得られたグラフである。
【図５】図５（ａ）は、第１実施形態に係る第２のフィンの製造途中の上面図（その１）であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【図６】図６（ａ）は、第１実施形態に係る第２のフィンの製造途中の上面図（その２）であり、図６（ｂ）はその側面図である。
【図７】図７は、第１実施形態に係る熱交換器の製造途中の斜視図である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る熱交換器の製造途中の側面図（その１）である。
【図９】図９は、第１実施形態に係る熱交換器の製造途中の側面図（その２）である。
【図１０】図１０は、第１実施形態に係る熱交換器の製造途中における冷媒配管とその周囲の拡大断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、第２実施形態に係る第２のフィンの製造途中の上面図（その１）であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のII−II線に沿う断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第２実施形態に係る第２のフィンの製造途中の上面図（その２）であり、図１２（ｂ）はその側面図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態に係る熱交換器の一部分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、添付図面を参照しながら各実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る情報処理システムの模式図である。
【００１２】
この情報処理システム１は、インターネットデータセンタ（IDC）等のデータセンタ１７で使用されるものであって、空調機１０とサーバラック２０とを有する。
【００１３】
このうち、空調機１０は、熱交換器１２と、筐体１３と、ファンユニット２４とを備える。熱交換器１２とファンユニット１４は、いずれも筐体１３に収められており、データセンタ１７内の空気を冷却するのに使用される。
【００１４】
熱交換器１２には往水ライン２３と還水ライン２４とが接続される。往水ライン２３と還水ライン２４はチラー２２に接続されており、チラー２２で生成された冷却水が往水ライン２３を介して熱交換器１２に供給される。そして、熱交換器１２で温められた冷却水は、還水ライン２４を通ってチラー２２に戻り、当該チラー２２において冷却される。
【００１５】
また、ファンユニット１４は、空気流Aを生成するための複数のファン１５を有する。
【００１６】
その空気流Aは、データセンタ１７内に区画されたコールドアイル１９を通ってサーバラック２０に供給される。
【００１７】
サーバラック２０は、データセンタ１７内に区画された機器設置エリア１８に設けられており、情報処理を行うためのサーバ等の複数の計算機２１を備える。なお、計算機２１は、情報処理機器の一例である。
【００１８】
各計算機２１にはCPU(Central Processing Unit)等の不図示の発熱部品が設けられるが、その発熱部品は、各計算機２１の吸気面２１ａから取り込まれた空気流Aによって冷却される。そして、発熱部品によって温められた空気流Aは、各計算機２１の排気面２１ｂ側からデータセンタ１７内に排気された後、空調機１０において再び冷却される。
【００１９】
図２は、熱交換器１２の一部分解斜視図である。
【００２０】
図２に示すように、熱交換器１２は、冷媒配管３１、第１のフィン３２、及び第２のフィン３３をそれぞれ複数有する。
【００２１】
このうち、第１のフィン３２は、冷却対象の空気流Aに曝される平板状の金属板であって、冷媒配管３１に機械的に取り付けられる。第１のフィン３２の材料は特に限定されないが、空気流Aとの間で熱交換を効率的に行うために、アルミニウムや銅等の熱伝導率の良い金属を材料とする金属板を第１のフィン３２として使用するのが好ましい。
【００２２】
そして、このような第１のフィン３２が冷媒配管３１の延在方向D1に沿って間隔をおいて複数設けられ、隣接する第１のフィン３２の間に空気流Aの流路が画定される。
【００２３】
なお、冷媒配管３１の延在方向D1は、空気流Aに沿った方向D2に直交する。このようなタイプの熱交換器は直交流型気液熱交換器とも呼ばれる。
【００２４】
また、本実施形態では、隣接する第１のフィン３２同士の間隔P1を約３mmとする。
【００２５】
そして、水平方向に隣接する冷媒配管３１同士の間隔P2は約４０mmであり、鉛直方向に隣接する冷媒配管３１同士の間隔P3は約３０mmである。
【００２６】
その冷媒配管３１には前述の往水ライン２３を流れる冷却水が供給され、これにより第１のフィン３２と第２のフィン３３が冷却される。冷媒配管３１の材料は特に限定されないが、第１のフィン３２と同様に、銅やアルミニウム等の金属を材料とする金属管を冷媒配管３１として使用するのが好ましい。
【００２７】
一方、第２のフィン３３は、隣接する第１のフィン３２の間における冷媒配管３１に取り付けられ、空気流Aの流路に沿う方向D2を中心軸にして捩れている。なお、第２のフィン３３の材料としては、前述の銅やアルミニウム等の金属を採用し得る。
【００２８】
また、前述の方向D1と方向D2のいずれにも直交する方向D3に沿って隣接する第２のフィン３３は、前述の間隔P3と同程度の間隔で隔てられており、第２のフィン３３が過度に密集するのが防止される。
【００２９】
第２のフィン３３が無い場合には空気流Aは第１のフィン３２に沿った層流となり、空気流Aが乱されないため熱交換器１２の熱交換率が低下するが、前述のように第２のフィン３３を捩ることで空気流Aが適度に乱され、熱交換率が向上する。更に、このように第２のフィン３３を捩ることによって、第１のフィン３２と第２のフィン３３とを合わせた表面積が増加し、これによっても熱交換率が向上する。
【００３０】
特に、空気流Aの流路に沿う方向D2を中心軸にして第２のフィン３３を捩ることで、方向D2に空気流Aが流れるのを阻害せずに空気流Aに適度な回転運動を与えることができ、空気流Aの通りやすさを確保しつつ熱交換器１２の熱交換効率を高めることができる。
【００３１】
また、第２のフィン３３を過度に密集させないことによっても、空気流Aの通りやすさを確保することができる。
【００３２】
更に、第２のフィン３３の捩り形状は、後述のように金属板を捩るだけで容易に得られるので、空気流Aを乱すための他の形状と比較して、第２のフィン３３を簡単に作製することが可能となる。
【００３３】
図３は、空気流Aの上流側から見た熱交換器１２の拡大断面図である。
【００３４】
前述のように、方向D3に沿って隣接する第２のフィン３３は互いに隔てられているため、第１のフィン３２の間には隙間Cができる。
【００３５】
このように隙間Cを設けることで、第２のフィン３３が原因で熱交換器１２に空気流Aが通り難くなるのを抑制して、熱交換器１２の圧力損失が必要以上に上昇するのを防止できる。なお、圧力損失とは、熱交換機１２に入る直前の空気流Aの圧力と、熱交換機１２を出た直後の空気流Aの圧力との差を言い、熱交換器１２内における空気の通り易さの目安となる。
【００３６】
圧力損失が上昇すると熱交換器１２に空気流Aが通り難くなるためファン１５（図１参照）の回転数を高める必要があるが、本実施形態では圧力損失の上昇を防止できるのでファン１５の回転数の上昇を抑制し、ファン１５の消費電力が増大するのを防止できる。
【００３７】
なお、圧力損失は、熱交換器１２の開口率に依存するが、本実施形態では開口率と第１のフィン３２及び第２のフィン３３の総表面積とが比例するため、圧力損失は当該表面積に依存する。
【００３８】
図４は、その総表面積によって圧力損失がどのように変化するのかをシミュレーションして得られたグラフである。
【００３９】
このグラフの横軸は、第２のフィン３２を設けない場合の総表面積を基準にしたときの当該総表面積の増加率を示す。
【００４０】
図４から明らかなように、圧力損失は、総表面積の増加率が大きくなるにつれて高くなる。
【００４１】
前述のように、圧力損失の上昇はファン１５における消費電力の増大を招く。よって、第２のフィン３３の表面積は、仕様により要求される熱交換効率が得られる最低限の大きさにするのが好ましい。
【００４２】
図２に示した熱交換器１２では、熱交換器１２に入る直前の空気流Aの流速が３m/sのとき圧力損失は約４０Paとなった。同じ流速で第２のフィン３３が無い場合の圧力損失は約３０Paであったため、本実施形態では第２のフィン３３が無い場合よりも圧力損失が約１．１倍程度上昇するが、この程度であればファン１５の消費電力は問題ない。
【００４３】
次に、前述の第２のフィン３３を備えた熱交換器１２の製造方法について説明する。
【００４４】
図５（ａ）は、第２のフィン３３の製造途中の上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【００４５】
まず、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、平面形状が短冊状のアルミニウム板３３ａを用意する。なお、アルミニウム板３３ａに代えて銅板等の他の金属板を用いてもよい。
【００４６】
そして、そのアルミニウム板３３ａに穴あけ加工と絞り加工とを施すことにより、アルミニウム板３３ａの主面３３ｘから突出した管部３３ｂを形成する。その管部３３ｂの内面は、冷媒配管３１（図２参照）が挿通される開口を画定する。
【００４７】
なお、主面３３ｘから測った管部３３ｂの高さHが高すぎると、管部３３ｂが邪魔で隣接する第１のフィン３２同士の間隔p1（図２参照）を狭くすることができない。そのため、高さHは間隔p1の半分程度、例えば１．５mm程度とするのが好ましい。
【００４８】
次に、図６（ａ）、（ｂ）に示す工程について説明する。図６（ａ）は、第２のフィン３３の製造途中の上面図であり、図６（ｂ）はその側面図である。
【００４９】
本工程では、機械加工によって前述のアルミニウム板３３ａを二回捩ることにより、捩り形状が付与された第２のフィン３３の基本構造を完成させる。
【００５０】
このように製造された第２のフィン３３は、冷媒配管３１に取り付けられる取付部３３ｃと、当該取付部３３ｃの両側において捩り形状が付与されたフィン部３３ｄとを有する。
【００５１】
次に、図７の斜視図に示すように、複数の孔３２ａが形成された第１のフィン３２を用意すると共に、その孔３２ａと第２のフィン３３の管部３３ｂの各々に冷媒配管３１を挿通し、第１のフィン３２と第２のフィン３３とを交互に積み重ねる。
【００５２】
冷媒配管３１の外径は特に限定されないが、本実施形態ではその外径を約１０mmとする。この場合、孔３２ａと管部３３ｂの各々の内径は、冷媒配管３１が挿通できるように約１０．３mm程度とすればよい。
【００５３】
また、第１のフィン３２の平面形状は、一辺の長さが約１．５m〜２m程度の矩形状である。
【００５４】
続いて、図８の側面図に示すように、複数の冷媒配管３１を接続するためのR管３７を用意する。なお、R管に代えて、R管の両端に直管部を設けてなるU字管を用いてもよい。
【００５５】
次いで、図９の側面図に示すように、複数のR管３７の各々に冷媒配管３１を挿入した状態で、R管３７と冷媒配管３１とをロウ付けにより接続する。
【００５６】
その後、冷媒配管３１内に大気圧よりも高い圧力の空気を供給することにより冷媒配管３１を拡張させる。
【００５７】
図１０は、拡張した冷媒配管３１とその周囲の拡大断面図である。
【００５８】
このように冷媒配管３１を拡張させることで、第２のフィン３３の管部３３ｂの内面３３ｙが冷媒配管３１の外周側面に圧着し、第２のフィン３３が冷媒配管３１に機械的に固定される。
【００５９】
特に、管部３３ｂの内面３３ｙは、面接触の状態で冷媒配管３１の外周側面に圧着するので、管部３３ｂを設けない場合と比較して機械的に強固に冷媒配管３１に第２のフィン３３を取り付けることができる。
【００６０】
同様に、第１のフィン３２の孔３２ａも冷媒配管３１の外周側面に圧着するため、第１のフィン３２も冷媒配管３１に機械的に固定されることになる。
【００６１】
以上により、本実施形態に係る熱交換器１２の基本構造が完成する。
【００６２】
上記した本実施形態によれば、図２に示したように、平板状の第１のフィン３２だけでなく第２のフィン３３を設けることで、第２のフィン３３と空気流Aとの間でも熱交換が行われ、熱交換器１２の熱交換効率が高められる。
【００６３】
特に、空気流Aの流路に沿う方向D2を中心軸にして第２のフィン３３を捩ることにより、第２のフィン３３の表面に沿って空気流Aを回転させて熱交換機１２における圧力損失の過度な上昇を防止し、ファン１５（図１参照）の消費電力が増加するのを抑制できる。
【００６４】
これにより、本実施形態では、熱交換器１２の熱交換率の向上と空調機の１０の消費電力の抑制との両立を図ることが可能となる。
【００６５】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と比較して、一つの第２のフィン３３により多くの捩り形状を付与する。
【００６６】
以下に、そのような第２のフィン３３を備えた熱交換器について図１１〜図１３を参照しつつその製造工程を追いながら説明する。なお、図１１〜図１３において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００６７】
図１１（ａ）は、本実施形態に係る第２のフィン３３の製造途中の上面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のII−II線に沿う断面図である。
【００６８】
まず、図１１（ａ）、（ｂ）に示すようなアルミニウム板３３ｅを用意する。そのアルミニウム板３３ｅの平面形状は、本実施形態で作製される第２のフィン３３の展開形状に相当するものであり、複数の短冊部３３ｆを備えた閉図形である。
【００６９】
そして、そのアルミニウム板３３eに穴あけ加工と絞り加工とを施すことにより、アルミニウム板３３ｅの主面３３ｘから約１．５mm程度の高さHだけ突出した管部３３ｂを形成する。
【００７０】
なお、アルミニウム板３３ｅに代えて銅板等の他の金属板を用いてもよい。
【００７１】
次に、図１２（ａ）、（ｂ）に示す工程について説明する。図１２（ａ）は、本実施形態に係る第２のフィン３３の製造途中の上面図であり、図１２（ｂ）はその側面図である。
【００７２】
本工程では、機械加工によって前述の短冊部３３ｆの各々を二回捩ることにより、捩り形状が付与された複数のフィン部３３ｄを備えた第２のフィン３３の基本構造を完成させる。
【００７３】
この後は、第１実施形態で説明した図７〜図１０の工程を行うことにより、図１３の一部分解斜視図に示す本実施形態に係る熱交換器１２の基本構造を完成させる。
【００７４】
以上説明した本実施形態によれば、図１１（ａ）に示したように、平面形状が閉図形の一枚のアルミニウム板３３ｅを加工することで、フィン部３３ｄ毎に部品を作らなくても、複数のフィン部３３ｄと取付部３３ｃとが一体化した第２のフィン３２を作製できる。
【００７５】
更に、このようにフィン部３３ｄの数を増やすことで第２のフィン３３の表面積が増大するので、第２のフィン３３と空気流Aとの間で熱交換が効率的に行われ、第１実施形態と比較して熱交換器１２の熱交換効率が高められる。
【００７６】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００７７】
（付記１） 冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンと、
を有することを特徴とする熱交換器。
【００７８】
（付記２） 前記第２のフィンが、前記空気流に沿った前記方向に直交する方向に互いに隔てられて複数設けられたことを特徴とする付記１に記載の熱交換器。
【００７９】
（付記３） 前記第２のフィンは、前記冷媒配管の外周側面に圧着した開口が形成された取付部と、
前記取付部から延在し、捩り形状が付与されたフィン部とを有することを特徴とする付記１又は付記２に記載の熱交換器。
【００８０】
（付記４） 前記取付部の両側に前記フィン部が設けられたことを特徴とする付記３に記載の熱交換器。
【００８１】
（付記５） 前記第２のフィンに前記フィン部が複数設けられ、
前記第２のフィンの展開形状は、複数の前記フィン部の各々に対応した複数の短冊部を備えた閉図形であることを特徴とする付記３に記載の熱交換器。
【００８２】
（付記６） 前記第２のフィンは、前記取付部の主面から突出した管部を有し、
前記開口は、前記管部の内面により画定されることを特徴とする付記３乃至付記５のいずれかに記載の熱交換器。
【００８３】
（付記７） 前記第１のフィンは平板状であることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれかに記載の熱交換器。
【００８４】
（付記８） 前記冷媒配管の延在方向は、前記空気流に沿った方向に直交することを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の熱交換器。
【００８５】
（付記９） 空気流を生成するファンと、
前記空気流に曝される熱交換器とを備え、
前記熱交換器が、
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、前記空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンとを有することを特徴とする空調機。
【００８６】
（付記１０） 機器設置エリアに設けられ、情報処理を行う情報処理機器と、
前記情報処理機器を冷却する空気流を生成するファンと、該空気流に曝される熱交換器とを有する空調機とを備え、
前記熱交換器が、
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、前記空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿う方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンとを有することを特徴とする情報処理システム。
【符号の説明】
【００８７】
１…情報処理システム、１０…空調機、１２…熱交換器、１３…筐体、１４…ファンユニット、１５…ファン、１７…データセンタ、１８…機器設置エリア、１９…コールドアイル、２０…サーバラック、２１…計算機、２１ａ…吸気面、２１ｂ…排気面、３１…冷媒配管、３２…第１のフィン、３２ａ…孔、３３…第２のフィン、３３ａ、３３ｅ…アルミニウム板、３３ｂ…管部、３３ｃ…取付部、３３ｄ…フィン部、３３ｆ…短冊部、３３ｘ…主面、３７…R管。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンと、
を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記第２のフィンが、前記空気流に沿った前記方向に直交する方向に互いに隔てられて複数設けられたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第２のフィンは、前記冷媒配管の外周側面に圧着した開口が形成された取付部と、
前記取付部から延在し、捩り形状が付与されたフィン部とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
空気流を生成するファンと、
前記空気流に曝される熱交換器とを備え、
前記熱交換器が、
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、前記空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンとを有することを特徴とする空調機。
【請求項５】
機器設置エリアに設けられ、情報処理を行う情報処理機器と、
前記情報処理機器を冷却する空気流を生成するファンと、該空気流に曝される熱交換器とを有する空調機とを備え、
前記熱交換器が、
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、前記空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿う方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンとを有することを特徴とする情報処理システム。
【請求項６】
金属板に穴あけ加工を施すことにより、該金属板の主面から突出した管部を形成する工程と、
前記金属板を捩ることにより、捩り形状が付与されたフィンを作製する工程と、
前記管部に冷媒配管を挿通する工程と、
前記冷媒配管内に大気圧よりも高い圧力の空気を供給することにより該冷媒配管を拡張させて、前記管部の内面と前記冷媒配管の外周側面とを圧着する工程と、
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１】
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンと、
を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記第２のフィンが、前記空気流に沿った前記方向に直交する方向に互いに隔てられて複数設けられたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第２のフィンは、前記冷媒配管の外周側面に圧着した開口が形成された取付部と、
前記取付部から延在し、捩り形状が付与されたフィン部とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
空気流を生成するファンと、
前記空気流に曝される熱交換器とを備え、
前記熱交換器が、
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、前記空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿った方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンとを有することを特徴とする空調機。
【請求項５】
機器設置エリアに設けられ、情報処理を行う情報処理機器と、
前記情報処理機器を冷却する空気流を生成するファンと、該空気流に曝される熱交換器とを有する空調機とを備え、
前記熱交換器が、
冷媒配管と、
前記冷媒配管に互いに間隔をおいて取り付けられ、前記空気流に曝される複数の第１のフィンと、
隣接する前記第１のフィンの間における前記冷媒配管に取り付けられ、前記空気流に沿う方向を捩りの中心軸にして捩れた第２のフィンとを有することを特徴とする情報処理システム。
【請求項６】
金属板に穴あけ加工を施すことにより、該金属板の主面から突出した管部を形成する工程と、
前記金属板を捩ることにより、捩り形状が付与されたフィンを作製する工程と、
前記管部に冷媒配管を挿通する工程と、
前記冷媒配管内に大気圧よりも高い圧力の空気を供給することにより該冷媒配管を拡張させて、前記管部の内面と前記冷媒配管の外周側面とを圧着する工程と、
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−１００９５５（Ｐ２０１３−１００９５５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５２４２（Ｐ２０１１−２４５２４２）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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