管道结构、使用管道结构的冷却装置及制冷剂蒸气输送方法

摘要

当使用管道结构的冷却装置的尺寸大时，在不造成能耗增加的情况下难以避免冷却能力的降低。本管道结构具有：管状部分，该管状部分设有允许制冷剂流过的第一流动通道和围绕第一流动通道的壳体区域；引入部分，该引入部分构成壳体区域的一部分，并设有连接到第一流动通道的第二流动通道；以及连接部，该连接部布置在引入部分的两端中的一端处，所述一端位于与引入部分的第二流动通道连接到第一流动通道的一端相背的一侧上。

说明书

技术领域

本发明涉及用于半导体装置、电子装置等的冷却装置的管道结构， 具体地涉及一种管道结构、包括该管道结构的冷却装置以及输送制冷 剂蒸气的方法，其用于采用蒸发冷却系统的冷却装置，其中通过制冷 剂的蒸发和冷凝循环进行热输送和热辐射。

背景技术

近年来，随着信息处理技术的改进和网络环境的进化，所需的信 息处理量越来越大。为了处理巨量的数据，已经在多个区域建立并运 行数据中心(DC)。数据中心(DC)定义为服务器和数据通信装置在 其中安装并运行的专用设施。为了稳定地操作这种数据中心(DC)， 必须保持设施内服务器机房中恒定的温度和湿度。这造成如果服务器 的发热量增加则空调的能耗显著增大的问题。

为了解决上述问题，一直在研发降低空调能耗的技术，且专利文 献1中描述了技术的实例。专利文献1中描述的相关冷却单元具有冷 却单元可附连到服务器机架的后门的结构。相关冷却单元由辐射单元、 风机单元和框架单元组成，辐射单元移除从后表面排出的热空气的热 量，风机单元中布置有强制排出热空气的风机，框架单元将这些单元 组装成一体。一体构造的所述冷却单元构成机架的后门。

图6示出包括在相关冷却单元的辐射单元内的管总成的构造。管 总成500包括横向管510和一组纵向管521和522，横向管510侧向蜿 蜒布置成具有多个曲折形状，一组纵向管521和522纵向布置并连接 到横向管510。纵向管521和522分别连接到一组下部管531、532和 上部管541、542，以使制冷剂循环。

下部管531、纵向管521、以及上部管541构成流入管，以在热吸 收之前使制冷剂沿由箭头C1指示的方向流动。下部管532、纵向管522、 以及上部管542构成流出管，以在热吸收之后使制冷剂沿由箭头C2指 示的方向流动。下部管531和532的另一端通过软管连接到放置在室 外的热交换器。形成了使制冷剂循环的冷却系统，其中已吸收热量并 流回流出管的下部管532的制冷剂流出到热交换器。此时，采取驱动 泵以强制使制冷剂循环。

这样，管总成500具有横向管510的总结构，且横向管510的功 能带来冷却效果。横向管510是多个横向管组511、512至51n的集合， 其中具有三个曲折的蜿蜒管道结构是成对的，例如如图6所示。形成 了管总成500的构架，以沿纵向管521和522从顶部向底部布置多个 横向管组511至51n，并将每个横向管组的管端焊接到各纵向管。

据说，根据相关冷却单元，这种构造能够形成具有增强冷却效率 的冷却系统。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开第2010-041007号(第[0017]至[0043] 段以及图3)

发明内容

技术问题

如上所述，专利文献1中描述的相关冷却单元具有其中冷却单元 可附连到服务器机架的后门的结构。因为用于电子装置的机架、诸如 服务器机架的一些后门在高度上等于或大于2米，所以冷却单元尺寸 增加。

另一方面，在相关冷却单元的辐射器单元中，通过将多个横向管 组的管端焊接和连接到纵向管而形成管总成。因而，如果冷却单元尺 寸增加，则制冷剂流过的每个管(制冷剂管道)的连接点增加，且连 接部分内制冷剂蒸气的压力损失也增加。结果，当在相关冷却单元中 采用管总成(管道结构)时，在大型冷却单元中存在冷却能力降低的 问题。

在采用专利文献1中描述的相关冷却单元和热交换器的冷却系统 中，采取驱动泵以强制使制冷剂循环。但是，在该情况下，存在冷却 系统的能耗增加的问题。

因此，在使用附连到电子装置的机架后门的冷却装置的情况下， 如果包括管道结构的冷却装置尺寸增大，则存在难以在不造成能耗增 加的情况下避免冷却能力减小的问题。

本发明的目的是提供一种管道结构，包括管道结构的冷却装置以 及用于输送制冷剂蒸气的方法，以解决如果包括管道结构的冷却装置 尺寸增加则难以在不造成能耗增加的情况下避免冷却能力减小的问 题。

解决问题的方案

根据本发明示例方面的管道结构包括：管状部分，所述管状部分 包括制冷剂流过的第一流动通道和围绕第一流动通道的壳体区域；引 入部分，所述引入部分构成壳体区域的一部分，并包括连接到第一流 动通道的第二流动通道；以及连接部，在所述引入部分的两个端部中， 所述连接部位于在与第二流动通道连接到第一流动通道的一侧上的端 部相背的一侧上的端部处。

根据本发明的示例方面用于输送制冷剂的方法包括：使第一制冷 剂沿第一方向流动；使第二制冷剂沿不同于第一方向的第二方向流动； 以及使第一制冷剂和第二制冷剂汇合，使得第一方向与第二方向之间 在同一平面上的角度可以是锐角。

本发明的有利效果

即使冷却装置尺寸增大，根据本发明的管道结构、包括管道结构 的冷却装置、以及用于输送制冷剂蒸气的方法也能够在不造成能耗增 加的情况下避免降低冷却能力。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的管道结构的构造的 剖视图。

图2是示出包括冷却装置的服务器模块的构造的示意图，所述冷 却装置包括根据本发明的第二示例性实施例的管道结构。

图3是示出服务器机架的后视图的示意图，所述服务器机架容纳 使用根据本发明的第二示例性实施例的管道结构的冷却装置。

图4是解释根据本发明的第二示例性实施例的管道结构的构造的 剖视图。

图5是解释根据本发明的第二示例性实施例的管道结构的另一构 造的剖视图。

图6是示出管总成的构造的后视图，所述管总成包括在相关冷却 单元的辐射器单元内。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的各示例性实施例。

[第一示例性实施例]

图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的管道结构100的构 造的剖视图。根据本示例性实施例的管道结构100包括管状部分110、 引入部分120和连接部130。

管状部分110包括第一流动通道111和围绕第一流动通道111的 壳体区域112，制冷剂流过第一流动通道111。引入部分120构成壳体 区域112的一部分，并包括连接到第一流动通道111的第二流动通道 121。在引入部分120的两个端部中，连接部130位于在与第二流动通 道121连接到第一流动通道111的一侧上的端部相背的一侧上的端部。

根据本示例性实施例的管道结构100，流过第一通道111的制冷 剂与通过第二流动通道121流到第一流动通道111中的制冷剂汇合， 第二流动通道121被包括在构成壳体区域112的一部分的引入部分120 内。因此，能够避免冷却能力的下降，因为可通过引入部分120控制 汇合时的压力损失。也就是说，即使通过在管状部分110的多个位置 处放置引入部分120扩大了冷却装置，也能够避免压力损失的增加， 且因此不必要通过驱动泵等强制使制冷剂循环。结果，即使冷却装置 尺寸增大，也能够在不造成能耗增加的情况下避免冷却能力的减小。

连接部130的外表面可以是平面，且连接部130可构造成具有密 封结构。根据管道结构100的该构造使得能够以简单的结构将管道结 构100连接到另一管道。

[第二示例性实施例]

在本示例性实施例中，将描述安装在装于数据中心(DC)等的服 务器机架内的、包括管道结构的冷却装置。

图2示出安装在数据中心(DC)内的服务器模块200的示意性构 造。在数据中心(DC)内，通常安装有多个这种服务器模块200。服 务器模块200包括服务器机架210和装载在服务器机架210的后门211 内的热传输模块220。热传输模块220是采用蒸发冷却系统的冷却装置， 其中通过制冷剂的蒸发和冷凝循环来进行热传输和热辐射，且可使用 包括根据本示例性实施例的管道结构的冷却装置。在服务器机架210 内，安装有多个电子装置212和多个风机213。

空调将冷却空气沿图2中箭头A的方向供给到服务器机房内。服 务器机架210内的风机213吹出冷却空气，电子装置212被所述冷却 空气冷却。在冷却电子装置212之后，冷却空气从服务器机架210的 后门211排出。排出的冷却空气被空调抽吸并冷却，并再次供给到服 务器机房。

图3示出包括根据本示例性实施例的管道结构的冷却装置300的 构造。图3是从后侧观察的图2所示服务器机架210的视图。多个蒸 发单元310用作电子装置212的排热单元。翅片管型热交换器可用作 例如蒸发单元310。翅片管型热交换器由翅片和传热管组成。热交换在 翅片之间流动的空气与在传热管内流动的制冷剂之间进行。

蒸发单元310被设置为覆盖服务器机架210的排气侧。蒸发单元 310从已经在冷却电子装置212的影响下被加热的排气中接收热量，通 过存储在蒸发单元310内的制冷剂的蒸发将来自排气的热量带走，并 将冷却的排气排放到服务器机架210的外部。

蒸发单元310连接到蒸气管321和液体管322。蒸气管321连接 到延伸到服务器机房外部的外部蒸气管331。

从蒸发单元310内的蒸发产生的制冷剂蒸气流入蒸气管321，制 冷剂蒸气通过蒸气管321和外部蒸气管331被输送到服务器机房外部， 并流入安装在服务器机房外部的热辐射器340。制冷剂蒸气通过与经由 热辐射器340内冷水管341供给的冷却水交换热量而放热、冷凝并液 化，然后通过外部液体管332流回服务器机房。热辐射器340的构造 不受具体限制，只要热辐射器340具有通过从制冷剂蒸气带走热量而 使制冷剂蒸气冷凝和液化的功能即可。热辐射器340并不限于使用液 体作为用于热交换的介质的水冷却系统，也可使用空气冷却系统。

已经流回到服务器机房的制冷剂通过分配结构350再次流入蒸发 单元310。在竖直方向上分配结构350位于与每个蒸发单元310相同高 度处，并具有在不同高度位置的出口。因此，已流入分配结构350的 液体制冷剂最初从位于下方的出口朝向蒸发单元310流出。当蒸发单 元310的液位升高到分配结构350的另一出口的高度时，制冷剂从另 一出口流出并被供给到位于下部的分配结构350。也就是说，分配结构 350将在热辐射器340内液化的制冷剂分配到多个蒸发单元310中的至 少一个。像这样的构造使得任意液体量的制冷剂能够供给到每个蒸发 单元310。

可使用在零摄氏度下其饱和蒸气压力等于或低于大气压的制冷 剂。能够使用诸如氢氟烃、氢氟醚、氢氟醚酮等的有机制冷剂作为制 冷剂。

接着，将参照图4和图5描述在蒸发单元310与蒸气管321连接 位置处的管道结构400。在第一示例性实施例中描述的管道结构100可 用作本示例性实施例的管道结构。

图4示出图3所示圆形B所圈住的区域。图4是通过以与蒸气管 321的中心轴线C垂直的平面切割蒸气管321与蒸气出口311(即，蒸 发单元310的出口)连接的位置得到的剖视图。

如图4所示，本示例性实施例的管道结构400包括块状420，该 块状420作为在构成蒸气管321的壳体区域与蒸气出口311之间的引 入部分。在块状420的与蒸气管321相背侧上的端部处，设置连接部 430，该连接部430包括平行于蒸气出口311的端面的平面。块状420 构成蒸气管321的壳体区域的一部分。块状420的外表面可包括由弯 曲表面组成的部分。

块状420内部包括将蒸气出口311连接到蒸气管321的管状部分 (第一流动通道)的流动通道(第二流动通道)。流动通道(第二流 动通道)的延伸方向可构造成不与管状部分的中心轴线C相交。也就 是说，能够构造成将蒸气出口311附接到蒸气管321，其中在连接到蒸 气出口311的流动通道(第二流动通道)的中心轴线D的延伸部与蒸 气管321的中心轴线C之间存在一些偏差。因此，使流动通道的中心 轴线之间存在一些偏差地布置流动通道，以避免在待汇合的移动流体 具有最高流速的汇合区域中发生碰撞，并抑制流体压力的增加。

连接部430可包括开孔，制冷剂流动通过该开孔，且管道结构400 可构造成使得蒸气管321的流动通道(第一流动通道)的横截面面积 可变得大于开孔的横截面面积。也就是说，由蒸气管321形成的流动 通道的横截面面积可做成大于蒸气出口311的横截面面积。下文将描 述通过这种构造实现的有利效果。已经从多个蒸气出口311流入并汇 合的制冷剂蒸气流过蒸气管321和外部蒸气管331。此时，能够抑制汇 合在一起的制冷剂蒸气的内部压力增加，以使得由蒸气管321形成的 流动通道的横截面面积大于蒸气出口311的横截面面积。

一般而言，在采用诸如该热传输模块220的蒸发冷却系统的冷却 装置中，制冷剂的蒸发温度影响冷却性能。内部压力的增加造成制冷 剂沸点的增加。但是，在根据本示例性实施例的热输送模块中，因为 能够如上所述抑制制冷剂的内部压力增加，所以能够防止冷却性能劣 化。

如上所述，在块状420的端部，设置包括平行于蒸气出口311的 端面的平面的连接部430。因此，连接部430能够包括简单密封结构 440。作为密封结构440，可采用其中例如夹放密封材料并且用螺钉固 定密封材料的构造。优选的是使用耐受制冷剂的材料作为密封材料， 且能够使用例如氢化丁腈橡胶(HNBR)、金属O型环等。

即使使用夹放密封材料并且用螺钉固定密封材料的构造，使用具 有低饱和蒸气压力的制冷剂能够使热输送模块220由于内部压力的增 加而被破坏。该构造能够无需诸如焊接和钎焊的过程来生产热输送模 块220，即使多个蒸发单元310设置在服务器机架210的后门211内。 上述构造使得在热输送模块220维修期间能够拆解该装置。

图5示出管道结构400在蒸发单元310与蒸气管321连接位置处 的另一构造。图5是用包括蒸气出口311的中心轴线D且平行于蒸气 管321的中心轴线C的平面切割图4中的管道结构400得到的剖视图。

如图5所示，可构造管道结构400，其中蒸气管321的管状部分 (第一流动通道)的延伸方向F1与连接到蒸气出口311的块状420内 流动通道(第二流动通道)的延伸方向F2之间在同一平面上的角度是 锐角。该角度优选地等于或小于45度，且通常可以是45度。

该构造使得当制冷剂蒸气从蒸气出口311流动时，制冷剂蒸气易 于流动到蒸气管321内的行进方向F1并在蒸气管321内汇合。此外， 减小了对从下侧的制冷剂蒸气流流动的阻挡，能够抑制由于流体之间 的碰撞造成的压力增加。抑制制冷剂蒸气的压力增加使得能够抑制制 冷剂的沸点增加，并避免冷却性能的劣化。

如果流动通道倾斜地形成且使得流体如上所述汇合，则传统上必 须对流动通道进行机加工，以便使一个管的外周的形状与另一管的末 端配合，然后通过焊接或钎焊将这些管连接。但是，本示例性实施例 的管道结构400构造成将对应于蒸气管321的管状部分的厚壁部分的 流动通道包括在块状420(引入部分)内。因此，流动通道使得能够方 便地调节制冷剂蒸气流汇合的角度。此外，管道结构400可构造成设 置在块状420的端部处包括平面的连接部430，且因此可使用诸如螺钉 的简单连接装置。这使得能够以低成本形成热输送模块220，从而避免 蒸发单元310的热接收性能降低，即使包括多个蒸发单元310。

通过结合参照图4和图5描述的管道结构400的相应构造，从蒸 气出口311流入的制冷剂蒸气能够汇合成在从下侧流动的制冷剂蒸气 流的移动方向上形成螺旋形。这使得能够抑制由于制冷剂蒸气流之间 的碰撞而产生压力，并防止热吸收性能变差。

可使用挤压工艺方法形成管道结构400。挤压工艺方法使得能够 在任意位置形成平面的形状，并使管状部分的一部分成形为具有厚壁。 不限于此，还可通过将块体材料通过焊接或钎焊安装在管的一部分上 而形成管道结构400。

根据本示例性实施例的管道结构400不仅可应用于冷却装置，而 且还可应用于管道之间的连接部，所述管道用于输送其压力损失影响 性能的流体。

根据本示例性实施例的管道结构400，能够形成这样的构造：其 中多个管通过使用诸如螺钉的连接装置的低成本装置密封地连接到制 冷剂蒸气流过的蒸气管。因为能够降低制冷剂蒸气的汇合部分内的压 力损失，制冷剂蒸气可被有利地输送，而无需诸如泵的驱动源、使用 阀的流速控制等。因此，能够改进包括管道结构的冷却装置的热吸收 性能。

接着，将描述根据本示例性实施例的、输送制冷剂蒸气的方法。 在根据本示例性实施例的输送制冷剂蒸气的方法中，首先，使第一制 冷剂沿第一方向流动，并使第二制冷剂沿与第一方向不同的第二方向 流动。使第一制冷剂和第二制冷剂汇合，使得第一方向与第二方向在 同一平面上的角度可以是锐角。可使第一制冷剂和第二制冷剂在第一 方向可不与第二方向相交的情况下汇合。

如上所述，根据本示例性实施例的管道结构400和输送制冷剂蒸 气的方法，即使当通过在蒸气管321的多个位置放置块状420作为引 入部分而扩大了冷却装置，也能够避免压力损失增加。因此，不必通 过驱动泵等强制使制冷剂循环。结果，即使当冷却装置尺寸增大时， 也能够在不造成能耗增加的情况下避免冷却能力的减小。

已经参照上述示例性实施例作为示例实例描述了本发明。但是， 本发明并不限于上述示例性实施例。也就是说，在不偏离本发明的范 围的情况下，本发明可应用于本领域技术人员可理解的各个方面。

本申请基于且要求2013年11月14日提交的日本专利申请第 2013-235565号的权益，其公开内容通过参考全文纳入本文。

[附图标记列表]

100,400管道结构

110管状部分

111第一流动通道

112壳体区域

120引入部分

121第二流动通道

130,430连接部

200服务器模块

210服务器机架

211后门

212电子装置

213风机

220热输送模块

300使用管道结构的冷却装置

310蒸发单元

311蒸气出口

321蒸气管

322液体管

331外部蒸气管

332外部液体管

340热辐射器

341冷水管

350分配结构

420块状

440密封结构

500管总成

510横向管

511,512至51n横向管组

521,522竖向管

531,532下部管

541,542上部管