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WO2015072128A1 - 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

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 Download PDF

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WO2015072128A1
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refrigerant
piping structure
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pipe
structure according
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正樹 千葉
吉川　実
暁 小路口
賢一 稲葉
有仁 松永
佐藤　正典
忠男 保坂
安仁 中村
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NEC Corp
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NEC Platforms Ltd
NEC Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/05—Cost reduction

Definitions

  • the present invention relates to a piping structure used for a cooling device such as a semiconductor device or an electronic device, and in particular, a piping structure used for a cooling device using a boiling cooling system in which heat is transferred and released by a refrigerant vaporization and condensation cycle, and the like.
  • TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cooling device using a refrigeration and a refrigerant vapor transport method.
  • DCs data centers
  • the data center (DC) refers to a facility specialized in installing and operating servers and data communication devices.
  • the temperature and humidity of the server room in the facility uniformly.
  • Patent Document 1 In order to solve the above-mentioned problems, development of a technique for reducing the power consumption of an air conditioner is being promoted, and an example thereof is described in Patent Document 1.
  • the related cooling unit described in Patent Document 1 is configured to be attached to a rear door (rear door) of a server rack.
  • the related cooling unit is composed of a radiator unit that removes the hot air discharged from the back surface, a fan unit in which fans for forcibly discharging the hot air are arranged, and a frame unit that integrally mounts these units. ing.
  • the related cooling unit comprised integrally is comprised as a back door of a rack.
  • Fig. 6 shows the configuration of the pipe assembly provided in the radiator unit of the related cooling unit.
  • the pipe assembly 500 has a horizontal pipe 510 meandering in multiple directions and arranged in the horizontal direction, and a set of vertical pipes 521 and 522 connected to the horizontal pipe 510 and arranged in the vertical direction.
  • the vertical pipes 521 and 522 are connected to a pair of lower pipes 531 and 532 and an upper pipe 541 and 542, respectively, through which the refrigerant flows.
  • the lower pipe 531, the vertical pipe 521, and the upper pipe 541 constitute an inflow side pipe that allows the refrigerant before heat absorption to flow in the direction of the arrow C1.
  • the lower pipe 532, the vertical pipe 522, and the upper pipe 542 constitute an outflow side pipe that causes the refrigerant after the heat absorption to flow in the arrow C2 direction.
  • the other ends of the lower pipes 531 and 532 are connected to a heat exchanger disposed outdoors via a hose.
  • the refrigerant that has absorbed heat that has been refluxed to the lower pipe 532 on the outflow side flows out to the heat exchanger, thereby constructing a cooling system in which the refrigerant circulates.
  • the pump is driven to forcibly circulate the refrigerant.
  • the pipe aggregate 500 is an aggregate structure of the horizontal pipes 510, and a cooling effect is exerted by the action of the horizontal pipes 510.
  • the horizontal pipe 510 is an aggregate of a plurality of horizontal pipe sets 511, 512 to 51n, each of which has a structure of a meander pipe having three meanders.
  • the plurality of horizontal pipe sets 511 to 51n are arranged from the top to the bottom along the vertical pipes 521 and 522, and the pipe end of each horizontal pipe set is welded to the vertical pipe to form the skeleton of the pipe assembly 500. is doing.
  • JP 2010-04-1007 A paragraphs [0017] to [0043], FIG. 3)
  • the related cooling unit described in Patent Document 1 is configured to be attached to the back door (rear door) of the server rack. Since some rear doors (rear doors) of electronic equipment racks such as server racks have a height of 2 m or more, the cooling unit becomes large.
  • the pipe ends of the plurality of horizontal pipe sets are connected to each other by welding to the vertical pipes to form a pipe aggregate.
  • the cooling unit becomes large, the number of connecting portions of the pipes (refrigerant piping) through which the refrigerant flows increases, and the pressure loss of the refrigerant vapor at the connecting portion also increases.
  • a pipe assembly (piping structure) in the related cooling unit is used, there is a problem that the cooling capacity is reduced in a large cooling unit.
  • the object of the present invention is to solve the above-described problem that it is difficult to avoid a decrease in cooling capacity without increasing power consumption when a cooling device using a pipe structure is enlarged.
  • the piping structure of the present invention comprises a tubular portion having a first flow path through which a refrigerant flows, an outer shell portion surrounding the first flow path, and a part of the outer shell portion.
  • the second flow path is arranged at the end opposite to the end connected to the first flow path.
  • a connecting portion is provided.
  • the first refrigerant flows in a first direction
  • the second refrigerant flows in a second direction different from the first direction
  • the first refrigerant and the second refrigerant Are joined so that the angle formed by the first direction and the second direction on the same plane is an acute angle.
  • the cooling device using the piping structure, and the refrigerant vapor transport method even when the cooling device is enlarged, it is possible to avoid a decrease in cooling capacity without causing an increase in power consumption. Can do.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a piping structure 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • the piping structure 100 according to the present embodiment includes a tubular part 110, an introduction part 120, and a connection part 130.
  • the tubular portion 110 includes a first flow path 111 through which a refrigerant flows and an outer shell portion 112 that surrounds the first flow path 111.
  • the introduction part 120 includes a second flow path 121 that constitutes a part of the outer shell part 112 and is connected to the first flow path 111.
  • the connection portion 130 is disposed at the end portion of the introduction portion 120 opposite to the end portion on the side where the second flow path 121 is connected to the first flow path 111.
  • the refrigerant flowing through the first flow path 111 and the refrigerant flowing into the first flow path 111 are included in the introduction part 120 that constitutes a part of the outer shell part 112. Merge through the second channel 121. Therefore, since the pressure loss at the time of joining can be controlled by the introduction part 120, the fall of cooling capacity can be avoided. That is, even when the introduction unit 120 is provided at a plurality of locations of the tubular part 110 and the cooling device is enlarged, an increase in pressure loss can be avoided, so that the refrigerant is forced by driving a pump or the like. There is no need to circulate. As a result, even when the cooling device is enlarged, it is possible to avoid a decrease in cooling capacity without causing an increase in power consumption.
  • the outer surface of the connecting portion 130 can be a flat surface, and the connecting portion 130 can have a seal structure. With such a configuration, according to the piping structure 100, it is possible to connect to other piping with a simple structure.
  • FIG. 2 shows a schematic configuration of the server module 200 arranged in a data center (DC) or the like.
  • a plurality of such server modules 200 are arranged in a data center (DC).
  • the server module 200 includes a server rack 210 and a heat transport module 220 attached to the rear door 211 of the server rack 210.
  • the heat transport module 220 is a cooling device using a boiling cooling system that transports and dissipates heat by a refrigerant vaporization and condensation cycle, and the cooling device using the piping structure according to the present embodiment can be used.
  • a plurality of electronic devices 212 and a fan 213 are mounted on the server rack 210, respectively.
  • cooling air is supplied in the direction of arrow A in FIG. 2 by an air conditioner.
  • the fan 213 in the server rack 210 sucks cooling air and thereby cools the electronic device 212.
  • the cooling air is exhausted from the rear door 211 of the server rack 210 after cooling the electronic device 212.
  • the exhausted cooling air is sucked into the air conditioner and cooled, and then supplied again into the server room.
  • FIG. 3 shows the configuration of the cooling device 300 using the piping structure according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a view of the server rack 210 shown in FIG. 2 as viewed from the back side.
  • a plurality of evaporation sections 310 are provided in the heat exhaust section of the electronic device 212.
  • a fin-and-tube heat exchanger can be used for the evaporation unit 310.
  • the fin-and-tube heat exchanger is composed of fins and heat transfer tubes, and heat exchange is performed between the air flowing between the fins and the refrigerant flowing in the heat transfer tubes.
  • the evaporation unit 310 is disposed so as to cover the exhaust side of the server rack 210.
  • the evaporating unit 310 receives heat from the exhaust that has been warmed by cooling the electronic device 212, and the refrigerant stored inside vaporizes the heat and exhausts the cooled exhaust to the outside of the server rack 210. .
  • a vapor pipe 321 and a liquid pipe 322 are connected to the evaporation unit 310.
  • the steam pipe 321 is connected to an external steam pipe 331 extending outside the server room.
  • the refrigerant vapor evaporated in the evaporation unit 310 flows into the steam pipe 321, is transported to the outside of the server room through the steam pipe 321 and the external steam pipe 331, and flows into the radiator 340 installed outside the server room.
  • the refrigerant vapor radiates and condenses into liquid by exchanging heat with the cooling water supplied by the cold water pipe 341 in the radiator 340, and returns to the server room through the external liquid pipe 332.
  • the configuration of the radiator 340 is not particularly limited as long as it has a function of removing heat from the refrigerant vapor and causing it to condense and liquefy.
  • the water cooling system which uses a liquid as a medium used for heat exchange but an air cooling system may be used.
  • the refrigerant that has returned to the server room flows again into the evaporation section 310 via the distribution structure 350.
  • the distribution structure 350 is arranged at the same height in the vertical direction as each of the evaporators 310, and has an outlet at a position having a different height. Therefore, the liquid refrigerant that has flowed into the distribution structure 350 first flows out from the outlet located below toward the evaporation unit 310. When the liquid level of the evaporation section 310 rises to the height of the other outlet of the distribution structure 350, the refrigerant flows out of the other outlet and is supplied to the distribution structure 350 positioned one step below.
  • the distribution structure 350 distributes the refrigerant liquefied in the radiator 340 to at least one evaporation unit among the plurality of evaporation units 310. With such a configuration, it is possible to supply an arbitrary amount of refrigerant to each evaporation unit 310.
  • a refrigerant having a saturated vapor pressure equal to or lower than atmospheric pressure at zero degrees Celsius can be used.
  • a refrigerant for example, an organic refrigerant such as hydrofluorocarbon, hydrofluoroether, or hydrofluoroketone can be used.
  • the piping structure 400 at the connection point between the evaporation section 310 and the steam pipe 321 will be described with reference to FIGS.
  • the piping structure 100 described in the first embodiment can be used for the piping structure of the present embodiment.
  • FIG. 4 shows a region surrounded by a circle B in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view in which a connection point between the steam pipe 321 and the steam outlet 311 that is the outlet of the evaporation unit 310 is cut along a plane perpendicular to the central axis C of the steam pipe 321.
  • the piping structure 400 of this embodiment includes a block shape 420 as an introduction portion between the outer shell portion constituting the steam pipe 321 and the steam discharge port 311.
  • a connecting portion 430 having a plane parallel to the end face of the steam discharge port 311 is disposed at the end of the block shape 420 and on the end opposite to the steam pipe 321.
  • the block shape 420 constitutes a part of the outer shell of the steam pipe 321.
  • the outer surface of the block shape 420 may have a portion formed of a curved surface.
  • the block shape 420 includes a flow path (second flow path) that connects the steam outlet 311 and the tubular portion (first flow path) of the steam pipe 321 therein.
  • the extending direction of the flow path (second flow path) can be configured not to intersect the central axis C of the tubular portion.
  • the extension of the central axis D of the flow path (second flow path) connected to the steam discharge port 311 and the central axis C of the steam pipe 321 can be shifted. In this manner, by disposing the central axes of the respective flow paths, it is possible to avoid a collision in a region where the flow velocity of the moving fluids to be joined is the highest, and to suppress an increase in fluid pressure.
  • connection part 430 can be configured to have an opening through which the refrigerant flows, and the cross-sectional area of the flow path (first flow path) of the steam pipe 321 is larger than the cross-sectional area of the opening. That is, the cross-sectional area of the flow path by the steam pipe 321 can be made larger than the cross-sectional area of the steam discharge port 311.
  • the effect by having such a structure is demonstrated below.
  • the refrigerant vapor that flows in and joins from the plurality of steam discharge ports 311 flows.
  • the cross-sectional area of the flow path by the steam pipe 321 larger than the cross-sectional area of the steam discharge port 311, it is possible to suppress an increase in internal pressure when the refrigerant vapor merges.
  • the vaporization temperature of the refrigerant affects the cooling performance.
  • the increase in internal pressure causes an increase in the refrigerant boiling point.
  • the increase in the internal pressure of the refrigerant can be prevented as described above, so that the deterioration of the cooling performance can be prevented.
  • connection part 430 having a plane parallel to the end face of the steam discharge port 311 is disposed at the end of the block shape 420. Therefore, a simple seal structure 440 can be provided at the connection portion 430.
  • seal structure 440 for example, a configuration in which a seal material is sandwiched and fixed with screws can be employed.
  • the sealing material is preferably made of a material resistant to the refrigerant, and for example, hydrogenated nitrile rubber (HNBR) or metal O-ring can be used.
  • HNBR hydrogenated nitrile rubber
  • the heat transport module 220 can be manufactured without performing processing such as welding or brazing. Become. According to the above-described configuration, the apparatus can also be disassembled during maintenance of the heat transport module 220 or the like.
  • FIG. 5 shows another configuration of the piping structure 400 at the connection point between the evaporation section 310 and the steam pipe 321.
  • 5 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the central axis C of the steam pipe 321 including the central axis D of the steam outlet 311 in FIG.
  • the piping structure 400 includes an extending direction F1 of the tubular portion (first flow path) of the steam pipe 321 and a flow path (second flow path) inside the block shape 420 connected to the steam discharge port 311.
  • the extending direction F2 of the flow path) can be configured to have an acute angle on the same plane. The angle at this time is preferably 45 degrees or less, and typically 45 degrees.
  • the flow path is provided inside the block shape 420 (introduction portion) corresponding to the thick portion of the tubular portion of the steam pipe 321. Therefore, it is possible to easily adjust the angle at which the refrigerant vapors merge by this flow path. And since it can be set as the structure which has arrange
  • the refrigerant vapor flowing in from the vapor discharge port 311 spirals in the moving direction of the refrigerant vapor flowing from below. It becomes possible to merge like drawing. Thereby, generation
  • Piping structure 400 can be formed using an extrusion process. According to the extrusion method, it is possible to form a planar shape at an arbitrary location and to form a part of the tubular portion thick. Not only this but the piping structure 400 can be formed also by attaching a block material to a part of piping by welding or brazing.
  • the piping structure 400 according to the present embodiment is not limited to the cooling device, and can be applied to the connection of piping for the purpose of transporting a fluid whose pressure loss affects performance.
  • a configuration in which a plurality of pipes are sealed in a steam pipe through which refrigerant vapor flows can be formed by a low-cost means such as a connecting means using screws.
  • a low-cost means such as a connecting means using screws.
  • the refrigerant vapor can be transported suitably without the need for flow rate control using a drive source such as a pump or a valve. Therefore, it is possible to improve the heat absorption performance of the cooling device using the piping structure.
  • the refrigerant vapor transport method of the present embodiment first, the first refrigerant is caused to flow in the first direction, and the second refrigerant is caused to flow in a second direction different from the first direction. Then, the first refrigerant and the second refrigerant are merged so that the angle formed by the first direction and the second direction on the same plane is an acute angle. Furthermore, the first refrigerant and the second refrigerant may be merged so that the first direction and the second direction do not intersect.
  • the cooling device is enlarged by providing the block shape 420 as the introduction portion at a plurality of locations of the steam pipe 321, An increase in loss can be avoided. Therefore, it is not necessary to forcibly circulate the refrigerant by driving a pump or the like. As a result, even when the cooling device is enlarged, it is possible to avoid a decrease in cooling capacity without causing an increase in power consumption.

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Abstract

　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ため、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。

Description

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
　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 (11)

  1. 冷媒が流動する第１の流路と、前記第１の流路を囲む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の流路を備えた導入部と、
    　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、とを有する
    　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しない
    　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において、
    　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。
  7. 請求項１から６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。
  8. 請求項１から７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。
  9. 請求項８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。
  10. 第１の冷媒を第１の方向に流動させ、
    　第２の冷媒を前記第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る
    　冷媒蒸気輸送方法。
  11. 請求項１０に記載した冷媒蒸気輸送方法において、
    　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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