JP6835470B2 - 配管構造、それを用いた冷却装置、および冷媒蒸気輸送方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置や電子機器などの冷却装置に用いる配管構造に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置に用いる配管構造、それを用いた冷却装置、および冷媒蒸気輸送方法に関する。

近年、情報処理技術の向上やインターネット環境の発達にともなって、必要とされる情報処理量が増大している。膨大なデータを処理するため、各地にデータセンタ（Ｄａｔａ Ｃｅｎｔｅｒ：ＤＣ）が設置され運用されている。ここで、データセンタ（ＤＣ）とは、サーバやデータ通信装置を設置し運用することに特化した施設をいう。このようなデータセンタ（ＤＣ）を安定に運用するため、施設内のサーバルームの温度および湿度を一定に管理する必要がある。そのため、サーバの発熱量が増大すると、空調機の消費電力も大幅に増大するという問題が生じる。

上述した問題を解決するため、空調機の消費電力を削減する技術の開発が進められており、その一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された関連する冷却ユニットは、サーバラックの背面扉（リアドア）に取り付けられる構造としている。関連する冷却ユニットは、背面から排出される熱気を除熱するラジエターユニットと、熱気の排出を強制的に行うためのファンが配列されたファンユニットと、これらを一体的に取付けるフレームユニットから構成されている。そして、一体的に構成された関連する冷却ユニットがラックの背面扉として構成される。

図６に、関連する冷却ユニットのラジエターユニットが備えるパイプ集合体の構成を示す。パイプ集合体５００は、多重に蛇行して横方向に配設された横パイプ５１０と、横パイプ５１０に接続され、縦方向に配列された１組の縦パイプ５２１、５２２とを有する。縦パイプ５２１、５２２には、冷媒を流通させる１組の下パイプ５３１、５３２と、上パイプ５４１、５４２がそれぞれ接続されている。

下パイプ５３１、縦パイプ５２１、および上パイプ５４１が、吸熱前の冷媒を矢印Ｃ１方向へ流す流入側パイプを構成する。また、下パイプ５３２、縦パイプ５２２、および上パイプ５４２が、吸熱後の冷媒を矢印Ｃ２方向へ流す流出側パイプを構成する。下パイプ５３１、５３２の他端は、屋外に配置された熱交換器にホースを介して接続される。流出側の下パイプ５３２に還流してきた吸熱した冷媒が、熱交換器へ流出することにより、冷媒が循環する冷却システムが構築される。このとき、冷媒を強制的に循環させるためにポンプを駆動させることとしている。

このように、パイプ集合体５００は横パイプ５１０の集合構造であり、この横パイプ５１０の作用によって冷却効果を奏する。横パイプ５１０は、例えば図６に示すように、３つの蛇行を持つ蛇行パイプの構造を１つの組とした、複数の横パイプ組５１１、５１２〜５１ｎの集合体である。これら複数の横パイプ組５１１〜５１ｎを、縦パイプ５２１、５２２に沿って上から下へ配置し、各横パイプ組のパイプ端を縦パイプに溶接することによって、パイプ集合体５００の骨格を形成している。

このような構成としたことにより、関連する冷却ユニットによれば、冷却効率を向上させた冷却システムを構築することが可能となる、としている。

特開２０１０−０４１００７号公報（段落［００１７］〜［００４３］、図３）

上述したように、特許文献１に記載された関連する冷却ユニットは、サーバラックの背面扉（リアドア）に取り付けられる構造としている。サーバラック等の電子機器用ラックの背面扉（リアドア）は高さが２ｍ以上あるものもあるので、冷却ユニットは大型になる。

一方、関連する冷却ユニットのラジエターユニットにおいては、複数の横パイプ組のパイプ端を縦パイプに溶接することによって接続し、パイプ集合体を形成することとしている。そのため、冷却ユニットが大型になると、冷媒が流動する各パイプ（冷媒配管）の接続箇所が増大し、接続部における冷媒蒸気の圧力損失も増大する。その結果、関連する冷却ユニットにおけるパイプ集合体（配管構造）を用いると、大型の冷却ユニットでは冷却能力が低下するという問題があった。

なお、特許文献１に記載された関連する冷却ユニットと熱交換器を用いた冷却システムにおいては、冷媒を強制的に循環させるためにポンプを駆動させることとしている。しかし、この場合には、冷却システムの消費電力が増大する、という問題があった。

このように、配管構造を用いた冷却装置においては、電子機器用ラックの背面扉に装着して用いる場合のように大型化すると、消費電力の増大を招くことなく冷却能力の低下を回避することが困難である、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、配管構造を用いた冷却装置を大型化すると、消費電力の増大を招くことなく冷却能力の低下を回避することが困難である、という課題を解決する配管構造、それを用いた冷却装置、および冷媒蒸気輸送方法を提供することにある。

本発明の配管構造は、冷媒が流動する第１の流路と、第１の流路を囲む外殻部とを備えた管状部と、外殻部の一部を構成し、第１の流路と接続する第２の流路を備えた導入部と、導入部の端部のうち、第２の流路が第１の流路と接続する側の端部と反対側の端部に配置した接続部、とを有する。

本発明の冷媒蒸気輸送方法は、第１の冷媒を第１の方向に流動させ、第２の冷媒を第１の方向と異なる第２の方向に流動させ、第１の冷媒と第２の冷媒を、第１の方向と第２の方向が同一平面上でなす角度が鋭角であるように合流させる。

本発明の配管構造、それを用いた冷却装置、および冷媒蒸気輸送方法によれば、冷却装置を大型化した場合であっても、消費電力の増大を招くことなく冷却能力の低下を回避することができる。

本発明の第１の実施形態に係る配管構造の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る配管構造を用いた冷却装置を搭載したサーバ・モジュールの構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る配管構造を用いた冷却装置を収容したサーバラックを背面側から見た概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る配管構造の構成を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る配管構造の別の構成を説明するための断面図である。 関連する冷却ユニットのラジエターユニットが備えるパイプ集合体の構成を示す背面図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る配管構造１００の構成を示す断面図である。本実施形態による配管構造１００は、管状部１１０、導入部１２０、および接続部１３０を有する。

管状部１１０は、冷媒が流動する第１の流路１１１と、第１の流路１１１を囲む外殻部１１２とを備える。導入部１２０は外殻部１１２の一部を構成し、第１の流路１１１と接続する第２の流路１２１を備える。そして接続部１３０は、導入部１２０の端部のうち、第２の流路１２１が第１の流路１１１と接続する側の端部と反対側の端部に配置している。

本実施形態の配管構造１００によれば、第１の流路１１１を流動する冷媒と、第１の流路１１１に流入する冷媒は、外殻部１１２の一部を構成する導入部１２０が備える第２の流路１２１を介して合流する。そのため、合流する際の圧力損失を導入部１２０によって制御することができるので、冷却能力の低下を回避することができる。すなわち、導入部１２０を管状部１１０の複数個所に設けて冷却装置を大型化した場合であっても、圧力損失の増大を回避することができるので、ポンプ等を駆動させることによって冷媒を強制的に循環させる必要がない。その結果、冷却装置を大型化した場合であっても、消費電力の増大を招くことなく冷却能力の低下を回避することができる。

ここで、接続部１３０の外面は平面とすることができ、接続部１３０にシール構造を備えた構成とすることができる。このような構成とすることにより、配管構造１００によれば、簡易な構造で他の配管と接続することが可能となる。

〔第２の実施形態〕
本実施形態では、データセンタ（Ｄａｔａ Ｃｅｎｔｅｒ：ＤＣ）等に配置されるサーバラックに搭載される配管構造を用いた冷却装置について説明する。

図２に、データセンタ（ＤＣ）等に配置されるサーバ・モジュール２００の概略構成を示す。データセンタ（ＤＣ）には通常、このようなサーバ・モジュール２００が複数個配置される。サーバ・モジュール２００は、サーバラック２１０と、サーバラック２１０のリアドア２１１に装着された熱輸送モジュール２２０を備える。熱輸送モジュール２２０は冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置であり、本実施形態による配管構造を用いた冷却装置を用いることができる。サーバラック２１０には複数の電子機器２１２およびファン２１３がそれぞれ搭載されている。

サーバルーム内には、空調機により冷却風が図２中の矢印Ａの方向に供給されている。サーバラック２１０内のファン２１３は冷却風を吸気し、それにより電子機器２１２を冷却する。冷却風は電子機器２１２を冷却した後に、サーバラック２１０のリアドア２１１から排気される。排気された冷却風は、空調機に吸引されて冷却された後に再びサーバルーム内に供給される。

図３に、本実施形態による配管構造を用いた冷却装置３００の構成を示す。図３は、図２に示したサーバラック２１０を背面側から見た図である。電子機器２１２の排熱部には複数の蒸発部３１０が設けられている。蒸発部３１０には例えば、フィンアンドチューブ型の熱交換器を用いることができる。フィンアンドチューブ型の熱交換器はフィンと伝熱管で構成され、フィン間を流れる空気と伝熱管内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。

蒸発部３１０はサーバラック２１０の排気側を覆って配置している。蒸発部３１０は、電子機器２１２を冷却して暖められた排気から熱を受け、内部に貯蔵した冷媒が気化することにより排気から熱を奪い、冷却された排気をサーバラック２１０の外部に排出する。

蒸発部３１０には、蒸気管３２１と液配管３２２が接続されている。蒸気管３２１はサーバルームの外部に延伸している外部蒸気管３３１と接続している。

蒸発部３１０で気化した冷媒蒸気は蒸気管３２１に流入し、蒸気管３２１および外部蒸気管３３１を通ってサーバルームの外部へ輸送され、サーバルームの外部に設置された放熱器３４０に流入する。冷媒蒸気は、放熱器３４０において冷水管３４１によって供給される冷却水と熱交換することにより放熱して凝縮液化し、外部液配管３３２を通ってサーバルーム内へ還流する。なお放熱器３４０は、冷媒蒸気から熱を奪い凝縮液化させる機能を備えたものであれば、その構成は特に限定されない。また、熱交換に用いる媒体として液体を用いる水冷方式に限らず、空冷方式であってもよい。

サーバルームへ還流した冷媒は、分配構造３５０を介して再び蒸発部３１０へ流入する。分配構造３５０は各蒸発部３１０と同じ鉛直方向の高さに配置されており、高さの異なる位置に流出口を備えている。そのため、分配構造３５０に流入した液体の冷媒は、まず、下方に位置する流出口から蒸発部３１０に向かって流出する。蒸発部３１０の液面が、分配構造３５０の他方の流出口の高さまで上昇すると、他方の流出口から冷媒が流出し、一段下に位置する分配構造３５０に冷媒が供給される。すなわち、分配構造３５０は、放熱器３４０において液化した冷媒を、複数の蒸発部３１０のうち少なくとも一の蒸発部に分配する。このような構成としたことにより、各蒸発部３１０に任意の液量の冷媒を供給することが可能となる。

なお、冷媒には、飽和蒸気圧が摂氏零度において大気圧以下であるものを用いることができる。このような冷媒として、例えばハイドロフルオロカーボンやハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロケトンなどの有機冷媒を使用することができる。

次に、蒸発部３１０と蒸気管３２１との接続箇所における配管構造４００について図４、図５を用いて説明する。本実施形態の配管構造には、第１の実施形態で説明した配管構造１００を用いることができる。

図４に、図３において円Ｂで囲んだ領域を示す。図４は、蒸気管３２１と蒸発部３１０の出口である蒸気排出口３１１の接続箇所を、蒸気管３２１の中心軸Ｃに垂直な面で切断した断面図である。

図４に示すように、本実施形態の配管構造４００は、蒸気管３２１を構成する外殻部と蒸気排出口３１１の間に、導入部としてのブロック形状４２０を備える。ブロック形状４２０の端部であって蒸気管３２１と反対側の端部には、蒸気排出口３１１の端面に平行な平面を備えた接続部４３０が配置されている。ここで、ブロック形状４２０は蒸気管３２１の外殻部の一部を構成している。なお、ブロック形状４２０の外面は曲面で構成される部分を有していてもよい。

ブロック形状４２０はその内部に、蒸気排出口３１１と蒸気管３２１の管状部（第１の流路）を連結する流路（第２の流路）を備える。ここで、この流路（第２の流路）の延伸方向は管状部の中心軸Ｃと交差しないように構成することができる。すなわち、蒸気排出口３１１と接続する流路（第２の流路）の中心軸Ｄの延長と、蒸気管３２１の中心軸Ｃはずらして取り付けた構成とすることができる。このように、各流路の中心軸をずらして配置することにより、合流する移動流体の最も流速が高い領域での衝突を回避し、流体の圧力の上昇を抑制することが可能になる。

また、接続部４３０は冷媒が流動する開口部を備え、蒸気管３２１の流路（第１の流路）の断面積が開口部の断面積よりも大きくなるように構成することができる。すなわち、蒸気管３２１による流路の断面積を蒸気排出口３１１の断面積よりも大きくすることができる。このような構成とすることによる効果を以下に説明する。蒸気管３２１および外部蒸気管３３１には、複数の蒸気排出口３１１から流入して合流した冷媒蒸気が流動する。このとき、蒸気管３２１による流路の断面積を蒸気排出口３１１の断面積よりも大きくすることにより、冷媒蒸気が合流する時の内圧の上昇を抑制することができる。

一般に、熱輸送モジュール２２０のような沸騰冷却方式を用いた冷却装置では、冷媒の気化温度が冷却性能に影響する。また、内圧の上昇は冷媒沸点の上昇を引き起こす。しかしながら、本実施形態による熱輸送モジュールにおいては、上述したように冷媒の内圧の上昇を防止することができるので、冷却性能の悪化を防止することが可能となる。

上述したように、ブロック形状４２０の端部には、蒸気排出口３１１の端面に平行な平面を備えた接続部４３０が配置されている。そのため、接続部４３０に簡易なシール構造４４０を設けることが可能である。シール構造４４０としては例えば、シール材を挟んでねじで固定する構成を採用することができる。シール材は冷媒に対して耐性のある材質が好ましく、例えば水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）や金属オーリングなどを用いることができる。

また、飽和蒸気圧が低い冷媒を使用することにより、シール材を挟んでねじで固定する構成を使用した場合であっても、内圧の上昇による熱輸送モジュール２２０の破壊を防止することができる。このような構成とすることにより、サーバラック２１０のリアドア２１１に複数の蒸発部３１０を設置する場合であっても、溶接やろう付けなどの処理を施すことなく熱輸送モジュール２２０の製造が可能となる。上述の構成によれば、さらに、熱輸送モジュール２２０の保守時などにおける装置の分解も可能となる。

図５に、蒸発部３１０と蒸気管３２１との接続箇所における配管構造４００の別の構成を示す。図５は、図４において、蒸気排出口３１１の中心軸Ｄを含み蒸気管３２１の中心軸Ｃに平行な面で切断した断面図である。

図５に示すように、配管構造４００は、蒸気管３２１の管状部（第１の流路）の延伸方向Ｆ１と、蒸気排出口３１１と接続するブロック形状４２０の内部の流路（第２の流路）の延伸方向Ｆ２が、同一平面上でなす角度が鋭角である構成とすることができる。このときの角度は、好適には４５度以下であり、典型的には４５度とすることができる。

このような構成とすることにより、冷媒蒸気が蒸気排出口３１１から流入して蒸気管３２１で合流する際に、冷媒蒸気が蒸気管３２１内の進行方向Ｆ１へ流動しやすくなる。同時に、より下方から流動してくる冷媒蒸気の流れを阻害することが減り、流体同士の衝突により発生する圧力の上昇も抑制することができる。冷媒蒸気の圧力の上昇を抑制することにより、冷媒の沸点の上昇を抑え、冷却性能の劣化を回避することができる。

上述したように流路を斜めに形成し流体を合流させる場合、従来は、一方の配管の外周面の形状に合わせて他方の配管の先端を加工した後に、溶接またはろう付けにより接続する必要があった。しかしながら、本実施形態の配管構造４００では、蒸気管３２１の管状部の肉厚部分に相当するブロック形状４２０（導入部）の内部に流路を備えた構成としている。そのため、この流路によって冷媒蒸気が合流する角度を簡易に調整することが可能である。しかも、ブロック形状４２０の端部に平面を備えた接続部４３０を配置した構成とすることができるので、ねじ止めなどの簡易な接続手段を用いることができる。これにより、複数の蒸発部３１０を備えた場合であっても、蒸発部３１０の受熱性能の低下を回避しつつ、熱輸送モジュール２２０を低コストで形成することが可能となる。

図４と図５を用いてそれぞれ説明した配管構造４００の構成を組み合わせることにより、蒸気排出口３１１から流入した冷媒蒸気が、より下方から流動してくる冷媒蒸気の移動方向に対して、螺旋を描くように合流させることが可能になる。これにより、冷媒蒸気が衝突することによる圧力の発生を抑制し、吸熱性能の劣化を防ぐことができる。

配管構造４００は押出加工法を用いて形成することができる。押出加工法によれば、任意の箇所に平面形状を形成し、また、管状部の一部を肉厚に成形することが可能である。これに限らず、溶接またはろう付けにより、配管の一部にブロック材を取り付けることによっても、配管構造４００を形成することが可能である。

なお、本実施形態による配管構造４００は冷却装置に限らず、圧力損失が性能に影響を与える流体の輸送を用途とする配管の接続に適用することができる。

本実施形態による配管構造４００によれば、冷媒蒸気が流動する蒸気管に、複数の配管が密閉した状態で接続した構成を、ねじを用いた接続手段など低コストな手段で形成することができる。また、冷媒蒸気の合流部における圧力損失を低減することができるので、ポンプなどの駆動源やバルブによる流量制御などを必要とすることなく、冷媒蒸気の輸送を好適に行うことができる。そのため、配管構造を用いた冷却装置の吸熱性能を向上させることが可能である。

次に、本実施形態による冷媒蒸気輸送方法について説明する。本実施形態の冷媒蒸気輸送方法では、まず、第１の冷媒を第１の方向に流動させ、第２の冷媒を第１の方向と異なる第２の方向に流動させる。そして、第１の冷媒と第２の冷媒を、第１の方向と第２の方向が同一平面上でなす角度が鋭角であるように合流させる。さらに、第１の冷媒と第２の冷媒を、第１の方向と第２の方向が交差しないように合流させることとしてもよい。

上述したように、本実施形態による配管構造４００および冷媒蒸気輸送方法よれば、導入部としてのブロック形状４２０を蒸気管３２１の複数個所に設けて冷却装置を大型化した場合であっても、圧力損失の増大を回避することができる。そのため、ポンプ等を駆動させることによって冷媒を強制的に循環させる必要がない。その結果、冷却装置を大型化した場合であっても、消費電力の増大を招くことなく冷却能力の低下を回避することができる。

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、上述した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。

この出願は、２０１３年１１月１４日に出願された日本出願特願２０１３−２３５５６５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、４００ 配管構造
１１０ 管状部
１１１ 第１の流路
１１２ 外殻部
１２０ 導入部
１２１ 第２の流路
１３０、４３０ 接続部
２００ サーバ・モジュール
２１０ サーバラック
２１１ リアドア
２１２ 電子機器
２１３ ファン
２２０ 熱輸送モジュール
３００ 配管構造を用いた冷却装置
３１０ 蒸発部
３１１ 蒸気排出口
３２１ 蒸気管
３２２ 液配管
３３１ 外部蒸気管
３３２ 外部液配管
３４０ 放熱器
３４１ 冷水管
３５０ 分配構造
４２０ ブロック形状
４４０ シール構造
５００ パイプ集合体
５１０ 横パイプ
５１１、５１２〜５１ｎ 横パイプ組
５２１、５２２ 縦パイプ
５３１、５３２ 下パイプ
５４１、５４２ 上パイプ

Claims (8)

1. 冷媒が流動する第１の流路と、前記第１の流路を囲み円筒状の管を構成する外殻部とを備えた管状部と、
   前記外殻部の一部を構成し、前記第１の流路と接続する第２の流路を備え、前記管状部の肉厚部分に相当する導入部と、
   前記導入部の端部のうち、前記第２の流路が前記第１の流路と接続する側の端部と反対側の端部に配置した接続部、とを有し、
   前記第２の流路の延伸方向は、前記第１の流路の中心軸と交差せず、
   前記第１の流路の延伸方向と前記第２の流路の延伸方向が、同一平面上でなす角度は鋭角である
   配管構造。
2. 請求項１に記載した配管構造において、
   前記接続部の外面は、平面である
   配管構造。
3. 請求項１または２に記載した配管構造において、
   前記接続部は、シール構造を備える
   配管構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載した配管構造において、
   前記接続部は、前記冷媒が流動する開口部を備え、
   前記第１の流路の断面積は、前記開口部の断面積よりも大きい
   配管構造。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載した配管構造において、
   前記冷媒の飽和蒸気圧は、摂氏零度において大気圧以下である
   配管構造。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載した配管構造と、
   前記接続部に接続された複数の蒸発部、とを有し、
   前記冷媒は、前記蒸発部において吸熱することにより気化する
   配管構造を用いた冷却装置。
7. 請求項６に記載した配管構造を用いた冷却装置において、
   前記管状部と接続する放熱器と、前記放熱器と接続する分配構造、とをさらに有し、
   前記放熱器は、前記蒸発部において気化した冷媒を放熱させて液化させ、
   前記分配構造は、前記放熱器において液化した冷媒を、前記複数の蒸発部のうち少なくとも一の蒸発部に分配する
   冷却装置。
8. 第１の冷媒を円筒状の管を通して第１の方向に流動させ、
   第２の冷媒を、前記管の肉厚部分の内部の流路を通して、前記第１の方向と異なる第２の方向に流動させ、
   前記第１の冷媒と前記第２の冷媒を、前記第１の方向と前記第２の方向が同一平面上でなす角度が鋭角であるように合流させ、
   前記第１の冷媒と前記第２の冷媒を、前記第２の方向が前記円筒状の管の中心軸と交差しないように合流させる
   冷媒蒸気輸送方法。

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