(57)【要約】［課題］冷媒の相変化を用いる冷却装置において、制御負荷が高くなることなく、蒸発器へ流入する冷媒の量を速やかに最適化できる冷却装置および流量制御方法を提供する。［解決手段］本発明の冷却装置１０は、冷媒７０を液相状態から気相状態に相変化させる蒸発器２０、冷媒７０を気相状態から液相状態に相変化させる凝縮器３０、蒸発器２０および凝縮器３０と接続され、内部を気相状態の冷媒７０が通過する蒸気管５０、凝縮器３０および蒸発器２０と接続され、内部を液相状態の冷媒が通過する液管６０、および、冷媒に応じた蒸気表から過熱度を取得し、取得した過熱度に応じて液管６０から蒸発器２０へ流入させる液相状態の冷媒の量を制御する流量制御手段４０を備える。
2017051525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を液相状態から気相状態に相変化させる蒸発器と、
前記冷媒を気相状態から液相状態に相変化させる凝縮器と、
一端が前記蒸発器に、他端が前記凝縮器に接続され、内部を前記気相状態の冷媒が通過する蒸気管と、
一端が前記凝縮器に、他端が前記蒸発器に接続され、内部を前記液相状態の冷媒が通過する液管と、
前記冷媒に応じた蒸気表から過熱度を取得し、取得した前記過熱度に応じて前記蒸発器へ流入させる液相状態の冷媒の量を制御する流量制御手段と、
を備える冷却装置。
【請求項２】
前記流量制御手段は、
入力された設定量が大きい程、前記蒸発器へ流入させる前記液相状態の冷媒の量を大きくするバルブと、
前記蒸発器内の圧力を計測する圧力計測手段と、
前記圧力を計測した領域の温度を計測する温度計測手段と、
前記蒸気表を保持し、前記計測された圧力に応じた飽和温度を前記蒸気表から抽出し、前記計測された温度から前記抽出された飽和温度を減算した演算結果を前記過熱度とし、演算した過熱度に応じた設定量を前記バルブへ出力する流量設定手段と、
を備える請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記流量設定手段は、前記過熱度がゼロの場合は前記設定量を小さくし、前記過熱度がゼロより大きい場合は前記設定量を大きくする、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記流量設定手段は、前記設定量を大きくした場合に過熱度を新たに取得し、
新たに取得した過熱度が前回取得した過熱度より大きい場合は前記設定量を元に戻し、
新たに取得した過熱度が前回取得した過熱度より小さい場合は前記設定量をさらに大きくする、
請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記流量設定手段は、前記計測された圧力を間に挟む１組の圧力に応じた１組の飽和温度を前記蒸気表から抽出し、抽出した１組の飽和温度の加重平均値を前記計測された温度から減算する、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記流量設定手段は、複数の前記計測された温度の平均値から、前記抽出された飽和温度を減算する、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記流量設定手段は、前記過熱度に応じた設定量を出力する代わりに、計測された温度に応じた飽和圧力を蒸気表から抽出し、前記抽出された飽和圧力から計測された圧力を減算した物理量に応じた設定量を出力する、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記蒸気管内を通過している前記気相状態の冷媒を圧縮する圧縮手段と、
前記液管内を通過している前記液相状態の冷媒の圧力を下げる膨張手段と、
をさらに備える請求項１乃至７のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記蒸発器は複数あり、
前記流量制御手段は、前記複数の蒸発器ごとの過熱度を取得し、取得した複数の過熱度に応じて前記複数の蒸発器へ流入させる前記液相状態の冷媒の量を独立に制御する、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１０】
放熱することによって冷媒を気相状態から液相状態に相変化させる凝縮器から、吸熱することによって前記冷媒を液相状態から気相状態に相変化させる蒸発器へ向かう冷媒の流量を制御する冷媒の流量制御方法であって、
前記冷媒に応じた蒸気表から過熱度を取得し、
取得した前記過熱度に応じて前記蒸発器へ流入させる液相状態の冷媒の量を制御する、
冷媒の流量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置および冷媒の流量制御方法に関し、特に、冷媒の相変化を用いる冷却装置および該冷媒の流量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバールーム等においては、一般的に、パーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器は、１台のラック内にまとめて収容される。このようなラックとして、例えば、米国電子工業会（ＥＩＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  Ａｌｌｉａｎｃｅ）規格に準じた１９インチラックがある。近年、パーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器の高性能化、高機能化等に伴い、それらの発熱量が増加している。そこで、特許文献１には、複数の電子機器がまとめて収容されているラックに、冷媒循環式の冷却装置を搭載することが提案されている。【０００３】
冷媒循環式の冷却装置においては、気相状態と液相状態とに相変化する冷媒を、電子機器の近傍に配置された蒸発器と外気等の放熱領域近傍に配置された凝縮器との間で配管を用いて循環させることにより、電子機器から発せられた熱を外気に放熱する。【０００４】
ここで、冷媒の相変化を利用して電子機器から発せられた熱を蒸発器で受ける際、発せられた熱の量に対応する潜熱分だけ冷媒を送ることが望ましい。例えば、特許文献２には、過熱度に基づいて、蒸発器へ流入させる冷媒の流量を調整する流量調整弁の動作を制御するランキンサイクル装置が開示されている。【０００５】
特許文献２のランキンサイクル装置は、ｐ−ｈ線図上の複数の曲線を予め記憶しておき、圧力センサによって計測された冷媒の圧力値Ｐがｐ−ｈ線図上の乾き飽和蒸気線Ｂ上となる点Ｂｐの座標を取得する。そして、等温線ＴＬから点Ｂｐを通る等温線ＴＬｐを選定し、選定した等温線ＴＬｐの温度Ｔｐを、圧力値Ｐでの冷媒の乾き飽和蒸気温度Ｔｐとする。さらに、温度センサによって計測された冷媒の温度Ｔから取得した上記の飽和蒸気温度Ｔｐを減じた値を過熱度とし、算出した過熱度に基づいて流量調整弁の動作を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１３２５９２号
【特許文献２】特開２０１２−６７６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の手順に従ってｐ−ｈ線図に基づいて飽和蒸気温度Ｔｐを抽出して過熱度を算出し、該過熱度に応じて流量調整弁の動作を制御する場合、精度の高い制御ができるものの、発熱量の変化速度が大きく、計測される圧力や温度の変化速度が大きい場合には、制御が追随できない可能性が生じると共に、演算負荷が大きく、ランキンサイクル装置のコストが高くなる。【０００８】
本発明の目的は、上述した課題を鑑み、冷媒の相変化を用いる冷却装置において、制御負荷が高くなることなく、蒸発器へ流入する冷媒の量を速やかに最適化できる冷却装置および冷媒の流量制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係る冷却装置は、冷媒を液相状態から気相状態に相変化させる蒸発器と、前記冷媒を気相状態から液相状態に相変化させる凝縮器と、一端が前記蒸発器に、他端が前記凝縮器に接続され、内部を前記気相状態の冷媒が通過する蒸気管と、一端が前記凝縮器に、他端が前記蒸発器に接続され、内部を前記液相状態の冷媒が通過する液管と、前記冷媒に応じた蒸気表から過熱度を取得し、取得した前記過熱度に応じて前記蒸発器へ流入させる液相状態の冷媒の量を制御する流量制御手段と、を備える。【００１０】
上記目的を達成するために本発明に係る冷媒の流量制御方法は、放熱することによって冷媒を気相状態から液相状態に相変化させる凝縮器から、吸熱することによって前記冷媒を液相状態から気相状態に相変化させる蒸発器へ向かう冷媒の流量を制御する冷媒の流量制御方法であって、前記冷媒に応じた蒸気表から過熱度を取得し、取得した前記過熱度に応じて前記蒸発器へ流入させる液相状態の冷媒の量を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本発明の態様によれば、冷媒の相変化を用いる冷却装置において、制御負荷が高くなることなく、蒸発器へ流入する冷媒の量を速やかに最適化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る冷却装置１０の正面図である。
【図２】第２の実施形態に係る冷却装置１００の斜視図である。
【図３】第２の実施形態に係る冷却装置１００の（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。
【図４】第２の実施形態に係る冷却装置１００のｐ−ｈ線図の一例である。
【図５】第２の実施形態に係る流量設定部５４０の開度決定手順を示すフローチャートである。
【図６】第２の実施形態に係る冷却装置１００の開度とＳＨとの関係を示す図である。
【図７】第３の実施形態に係る冷却装置１００Ｂの側面図である。
【図８】第３の実施形態に係る冷却装置１００Ｂのｐ−ｈ線図の一例である。
【図９】第４の実施形態に係る冷却装置１００Ｃの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る冷却装置の正面図を図１に示す。図１において、冷却装置１０は、蒸発器２０、凝縮器３０、流量制御手段４０、蒸気管５０、液管６０および冷媒７０によって構成される。
【００１４】
蒸発器２０は、図１には図示されない冷却対象の発熱体の近傍に配置される箱体であり、内部に冷媒７０が収容されている。ここで、冷媒７０は、低沸点を有する媒体であり、例えば、ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon：ハイドロフルオロカーボン）やＨＦＥ（Hydro Fluoro Ether：ハイドロフルオロエーテル）等を適用することができる。蒸発器２０は、発熱体から発せられた熱を液相状態の冷媒７０へ伝熱させることによって、冷媒７０を液相状態から気相状態へ相変化させる。気相状態へ相変化した冷媒７０は、蒸気管５０を介して凝縮器３０へ流入する。
【００１５】
凝縮器３０は、内部に気相状態の冷媒７０が収容される箱体である。凝縮器３０は、蒸気管５０を介して蒸発器２０から流入された気相状態の冷媒７０を冷却する。気相状態の冷媒７０は、凝縮器３０内において冷却されることにより、気相状態から液相状態へ相変化する。液相状態へ相変化した冷媒７０は、液管６０および流量制御手段４０を介して蒸発器２０へ流入する。
【００１６】
流量制御手段４０は、冷媒７０に応じた蒸気表を用いて蒸発器２０内の過熱度を取得し、取得した過熱度に応じて蒸発器２０へ流入させる液相状態の冷媒７０の量を制御する。ここで、蒸気表は、冷媒７０の性質によって定まり、圧力、温度、顕熱（物質の状態を変えずに温度を変化させるために費やされる熱量）、潜熱（温度変化を伴わずに吸収または放出される熱量）等の関係を表す数表である。
【００１７】
具体的には、流量制御手段４０は、使用されている冷媒７０に応じた蒸気表から蒸発器２０内の圧力に対応する飽和温度を読み取り、圧力を取得した領域の温度から、読み取った飽和温度を減算した演算結果を過熱度とする。なお、本実施形態に係る流量制御手段４０は、蒸発器２０内の圧力と一致する値が蒸気表にない場合、蒸発器２０内の圧力を間に挟む１組の圧力を蒸気表から抽出し、該抽出した１組の圧力に対応する１組の飽和温度の加重平均を、演算に用いる飽和温度とする。なお、蒸発器２０内の圧力または温度の計測が困難な場合には、蒸発器２０との接続部近傍の蒸気管５０内の圧力および温度を代替として用いることもできる。
【００１８】
ここで、蒸発器２０へ流入される液相状態の冷媒７０の量が多過ぎると、液相状態の冷媒７０の顕熱として余分に使用され、蒸発潜熱として使用される熱量が小さくなることから、単位流量あたりの吸熱量が減少し、効率が悪くなる。上述のように、過熱度は、冷媒７０の温度から飽和温度を減じた値であることから、気相状態の冷媒７０の顕熱として使用されない場合の過熱度はゼロとなる。従って、流量制御手段４０は、過熱度がゼロの場合は蒸発器２０へ流入させる液相状態の冷媒７０の量を少なくする。
【００１９】
一方、蒸発器２０へ流入される液相状態の冷媒７０の流量が蒸発潜熱分以下であると、発熱体から発せられた熱を十分に吸熱できない。この場合、過熱度は気相状態の冷媒７０が顕熱を受けた分だけ大きくなる。従って、流量制御手段４０は、過熱度がゼロより大きい場合は蒸発器２０へ流入させる液相状態の冷媒７０の量を多くする。
【００２０】
流量制御手段４０が上述の制御を行うことにより、蒸発器２０へ流入させる液相状態の冷媒７０の量が最適となり、冷却装置１０を効率よく機能させることができる。
【００２１】
上記のように構成された冷却装置１０において、流量制御手段４０は、蒸発器２０内の圧力に対応する飽和温度を冷媒７０に応じた蒸気表から読み取り、圧力を取得した領域の温度から、読み取った飽和温度を減算した演算結果を過熱度とする。この場合、負荷が高くなることなく、速やかに過熱度を決定することができる。
【００２２】
そして、流量制御手段４０は、上記の手順で取得した過熱度が、ゼロの場合は蒸発器２０へ流入させる液相状態の冷媒７０の量を少なくし、ゼロより大きい場合は蒸発器２０へ流入させる液相状態の冷媒７０の量を多くする。従って、本実施形態に係る冷却装置１０は、制御負荷が高くなることなく、蒸発器２０へ流入させる冷媒の量を速やかに最適化できる。
【００２３】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る冷却装置の斜視図を図２に示す。また、本実施形態に係る冷却装置１００の正面図を図３（ａ）に、側面図を図３（ｂ）に示す。図２および図３に示すように、冷却装置１００は、蒸発器２００、凝縮器３００、蒸気管４１０、液管４２０、流量制御手段５００および冷媒６００によって構成される。
【００２４】
蒸発器２００は、図２において点線で示した、冷却対象のサーバ等の電子機器８００の近傍に配置される。図３（ａ）に示すように、蒸発器２００は、蒸発器上部ヘッダ２１０、蒸発器下部ヘッダ２２０および複数の蒸発器フィン・チューブ２３０によって構成される箱体であり、その内部に冷媒６００が収容される。蒸発器２００は、電子機器８００から放出された排気熱を、複数の蒸発器フィン・チューブ２３０を介して、蒸発器２００の内部に収容されている液相状態の冷媒６００へ伝熱させる。液相状態の冷媒６００に電子機器８００から放出された排気熱が伝熱されることにより、冷媒６００が液相状態から気相状態へ相変化する。気相状態へ相変化した冷媒６００は、蒸気管４１０を介して凝縮器３００へ流入する。
【００２５】
凝縮器３００は、蒸発器２００の上方に配置され、蒸気管４１０を介して蒸発器２００から流入した気相状態の冷媒６００を冷却する。本実施形態において、凝縮器３００は、図示しない複数の管状体や、管状体の長手方向に沿って積層された放熱体等によって構成される。放熱体として、一般的に、金属製の平板状のフィンなどが用いられる。気相状態の冷媒６００が凝縮器３００の管状体内を通過することにより、冷媒６００の熱が平板状のフィンを介して外気へ放熱され、冷媒６００が気相状態から液相状態へ相変化する。
【００２６】
蒸気管４１０は、蒸発器２００と凝縮器３００とを接続する。図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る蒸気管４１０は蒸気支流管４１１を備え、蒸気支流管４１１と蒸発器２００の蒸発器上部ヘッダ２１０とが接続されている。そして、蒸発器２００内で気相状態となった冷媒６００は、蒸気支流管４１１および蒸気管４１０を通過して、凝縮器３００へ流入する。
【００２７】
液管４２０は、凝縮器３００と蒸発器２００とを接続する。図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る液管４２０は液支流管４２１を備え、液支流管４２１と蒸発器２００の蒸発器下部ヘッダ２２０とが接続されている。そして、凝縮器３００内で液相状態となった冷媒６００は、液管４２０および液支流管４２１を通過して、再び蒸発器２００へ流入する。
【００２８】
流量制御手段５００は、蒸発器２００内へ流入させる液相状態の冷媒６００の流量を制御する。本実施形態に係る流量制御手段５００は、バルブ５１０、圧力センサ５２０、温度センサ５３０および流量設定部５４０によって構成される。なお、図２および図３においては、流量設定部５４０の符号を便宜上、バルブ５１０のハンドルに付したが、これに限定されない。
【００２９】
バルブ５１０は、液管４２０に配置され、バルブ５１０の開度を大きくすることにより、蒸発器２００内へ流入する冷媒６００の流量が大きくなる。本実施形態に係るバルブ５１０は、段階的に開度を切替えることができ、具体的には、開度Ｖ０〜Ｖ９までの１０段階に流量を制御することができる。ここで、開度Ｖ９の時に、蒸発器２００内へ流入する冷媒６００の流量が最も大きくなる。
【００３０】
圧力センサ５２０は、蒸気支流管４１１と蒸気管４１０との接続部近傍の、蒸気管４１０内の圧力を計測し、圧力計測値Ｐｋを流量設定部５４０へ出力する。圧力センサ５２０として、管埋め込み式の圧力センサを適用することができる。ここで、蒸気支流管４１１と蒸気管４１０との接続部近傍の蒸気管４１０内の圧力計測値Ｐｋを取得することが困難な場合、蒸気管４１０内の任意の高さ位置での圧力計測値Ｐ’ｋを用いることもできる。この場合、蒸気支流管４１１の位置から計測位置までの高さＨと蒸気管４１０の半径ｄとから、蒸気支流管４１１と蒸気管４１０との接続部近傍の蒸気管４１０内の圧力計測値Ｐｋ＝Ｐ’ｋ＋Δｐ（ここで、Δｐ∝Ｈ／ｄ５）を計算で求める。
【００３１】
温度センサ５３０は、圧力センサ５２０の計測位置における気相状態の冷媒６００の温度を計測し、温度計測値Ｔｋを流量設定部５４０へ出力する。なお、気相状態の冷媒６００の温度の計測が困難な場合は、圧力センサ５２０の計測位置における蒸気管４１０の外周温度Ｔ’ｋを計測し、外周温度Ｔ’ｋから温度計測値Ｔｋを推定することでも良い。また、圧力センサ５２０の計測位置における気相状態の冷媒６００の温度を用いる代わりに、蒸気支流管４１１内外の温度や蒸発器上部ヘッダ２１０内外の温度の補正値を温度計測値Ｔｋとして用いることもできる。
【００３２】
流量設定部５４０は、使用されている冷媒６００に対応する蒸気表を保持している。蒸気表は、第１の実施形態で説明した通り、冷媒６００の性質によって定まり、飽和圧力Ｐｓ、飽和温度Ｔｓ、顕熱、潜熱等の関係を表す数表である。流量設定部５４０は、圧力センサ５２０から圧力計測値Ｐｋが入力されることにより、入力された圧力計測値Ｐｋに対応する飽和温度Ｔｓを保持している蒸気表から抽出する。そして、抽出した飽和温度Ｔｓと温度センサ５３０から入力された温度計測値Ｔｋとを（１）式に挿入することにより、過熱度（ＳＨ：Ｓｕｐｅｒｈｅａｔ）を算出する。
【００３３】
ＳＨ＝温度センサ５３０の温度計測値Ｔｋ−飽和温度Ｔｓ      （１）式
ここで、ＳＨは、（１）式から分かるように、特定の圧力下で気相状態の冷媒６００の温度が飽和温度Ｔｓから何度高いかを表わしたものである。流量設定部５４０はさらに、算出したＳＨに基づいて、バルブ５１０の開度Ｖ０〜Ｖ９を決定する。ＳＨおよび流量設定部５４０の詳細動作については後述する。
【００３４】
冷媒６００は、低沸点を有する媒体である。冷媒６００としては、例えば、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）やＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテル）等の有機冷媒を適用することができる。冷媒６００は、蒸発器２００内において電子機器８００から放出された排気熱を吸熱して液相状態から気相状態へと相変化する。気相状態の冷媒６００は、蒸気管４１０を介して凝縮器３００へ流入する。さらに、冷媒６００は、凝縮器３００内において熱が平板状のフィンを介して外気へ放出されることによって凝縮し、気相状態から液相状態へと相変化する。液相状態の冷媒６００は液管４２０を介して再び蒸発器２００内へ流入する。
【００３５】
以上のように構成された冷却装置１００は、液相状態の冷媒６００と気相状態の冷媒６００との密度差、および、蒸発器２００と凝縮器３００との高低差から生じるヘッド差を駆動力として、ポンプなどを使用することなく冷媒６００が冷却装置１００内を循環し続ける。これにより、電子機器８００から放出された排気熱が外気へ放熱され、電子機器８００が冷却される。
【００３６】
次に、ＳＨについて、ｐ−ｈ線図（モリエル線図）を用いて説明する。本実施形態に係る冷却装置１００のｐ−ｈ線図の一例を図４に示す。ｐ−ｈ線図は、冷却装置１００の各位置における冷媒６００の状態を表したものであり、横軸は比エンタルピーΔｈ（冷媒６００の単位質量あたりの熱量）、縦軸は冷媒６００の圧力Ｐである。
【００３７】
臨界点から左側の曲線は飽和液線と呼ばれ、この線上において冷媒６００はすべて飽和液（液体の限界）となっている。一方、臨界点から右側の曲線は飽和蒸気線と呼ばれ、この線上において冷媒６００はすべて飽和蒸気（気体の限界）となっている。すなわち、冷媒６００は、飽和液線および飽和蒸気線を境に左から、液相状態、気液混合状態、気相状態の３つの状態となっている。
【００３８】
そして、蒸発器２００内において、電子機器８００から放出された排気熱を冷媒６００へ伝熱させることによって、冷媒６００が液相状態から気液混合状態へ、さらに、気相状態へと相変化する過程は、図４のａ→ｂの経路に対応する。すなわち、蒸発器２００の内部の液相状態および気液混合状態の冷媒６００は、排気熱を吸熱することによって略等圧のまま蒸発潜熱によって飽和蒸気になり、さらに、顕熱を吸熱することによって高温の気相状態となる。ここで、蒸発潜熱は、気液混合状態の冷媒６００を加熱した時に、冷媒６００の温度は変化することなく飽和蒸気に相変化する時の熱量である。一方、顕熱は、気相状態の冷媒６００の温度上昇に費やされる熱量である。ここで、飽和温度Ｔｓは、飽和蒸気状態（図４に×印で示す。）の冷媒６００の温度であり、図４のｂ地点の時の冷媒６００の温度が、温度センサ５３０において計測される温度計測値Ｔｋである。従って、ＳＨは、ｐ−ｈ線図において、ｂ地点の温度Ｔｋと×地点の飽和温度Ｔｓとの差分である。
【００３９】
なお、気相状態の冷媒６００が、蒸気支流管４１１および蒸気管４１０を介して蒸発器２００から凝縮器３００へ流入する過程は、図４のｂ→ｃの経路に対応する。すなわち、蒸気管４１０内における圧力損失とガスヘッドの高低差により冷媒６００の圧力が低下する。
【００４０】
一方、凝縮器３００の管状体内を通過することによって、冷媒６００の熱が平板状のフィンを介して外気へ放熱され、気相状態から気液混合状態を経て液相状態へ相変化する過程は、図４のｃ→ｄの経路に対応する。すなわち、凝縮器３００内部の気相状態の冷媒６００は、冷却されることによって略等圧のまま凝縮潜熱によって飽和液になり、さらに、顕熱を放熱することによって低温の液相状態となる。ここで、凝縮潜熱は、気液混合状態の冷媒６００を冷却した時に、冷媒６００の温度は変化することなく飽和液に相変化する時の熱量である。一方、顕熱は、液相状態の冷媒６００の温度低下に費やされる熱量である。
【００４１】
さらに、液相状態の冷媒６００が、液管４２０および液支流管４２１を介して凝縮器３００から蒸発器２００へ流入する過程は、図４のｄ→ａに対応する。すなわち、液管４２０内において、液ヘッドの高低差により、冷媒６００の圧力が増加する。
【００４２】
次に、流量設定部５４０の詳細動作について説明する。ここで、液相状態の冷媒６００を蒸発器２００内へ供給する際に、電子機器８００から放出される排気熱の熱量と冷媒６００の熱量（蒸発潜熱と顕熱との和）とが一致するように、冷媒６００の流量を制御することが最も効率がよい。これは、全ての冷媒６００が飽和蒸気である状態で蒸発器２００から蒸気管４１０へ流出する状態であり、図４において、×印の位置とｂ地点とが一致する場合である。
【００４３】
一方、蒸発器２００内へ供給される液相状態の冷媒６００の流量が少なく、冷媒６００の熱量が排気熱よりも小さい場合、熱量を蒸気潜熱として十分に使用することができず、蒸発器２００の性能が低下する（図４のｂ’）。また、蒸発器２００内へ供給される液相状態の冷媒６００の流量が多い場合、熱量が液相状態の冷媒６００の顕熱として使用されてしまい、蒸発潜熱として使用することができない。従って、単位流量あたりの吸熱量が減ってしまい、この場合も蒸発器２００の性能が低下する（図４のｂ”）。
【００４４】
ここで、上述のように、電子機器８００から放出される排気熱が蒸発潜熱として使用されている間は（図４の×印よりも左側の領域）、冷媒６００の温度は変化しない。すなわち、その時の冷媒６００の温度Ｔｋは飽和温度Ｔｓと一致し、ＳＨはゼロとなる。一方、気相状態の冷媒６００が電子機器８００から放出される排気熱を吸熱することにより、冷媒６００の温度が上昇する場合（図４の×印よりも右側の領域）、ＳＨはゼロより大きい、顕熱に応じた値となる。この場合、ＳＨはなるべく小さい（×印とｂ地点との距離が小さい）方が望ましい。
【００４５】
そこで、本実施形態に係る流量設定部５４０は、ＳＨがゼロの場合、冷媒６００の流量が過大（ｂ”位置）である可能性が高いことから、現在設定されている開度Ｖｋを１段階小さくすることによって、蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を減少させる。一方、流量設定部５４０は、ＳＨがゼロより大きい場合、図４における×印とｂ地点との距離を小さくすべく、現在設定されている開度Ｖｋを１段階大きくすることによって、蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を増加させる。
【００４６】
次に、本実施形態に係る流量設定部５４０が、圧力センサ５２０から入力された圧力計測値Ｐｋおよび温度センサ５３０から入力された温度計測値Ｔｋに基づいて、バルブ５１０の開度Ｖ０〜Ｖ９を決定する動作手順を図５に沿って説明する。
【００４７】
図５において、流量設定部５４０は、バルブ５１０が開度Ｖｋの時に圧力計測値Ｐｋおよび温度計測値Ｔｋが入力された場合（Ｓ１０１）、入力された圧力計測値Ｐｋを使用されている冷媒６００に応じた蒸気表に当てはめることによって、その時の飽和温度Ｔｓを取得する。ここで、流量設定部５４０は、圧力計測値Ｐｋと一致する値が蒸気表にない場合、圧力計測値Ｐｋを間に挟む１組の圧力値を蒸気表から抽出し、該抽出した１組の圧力値に対応する１組の飽和温度の加重平均を、演算に用いる飽和温度Ｔｓとする。
【００４８】
流量設定部５４０は、入力された温度計測値Ｔｋと取得した飽和温度Ｔｓとから、上述（１）式を用いてその時のＳＨｋを算出する（Ｓ１０２）。流量設定部５４０は、算出したＳＨｋがゼロの場合（Ｓ１０３のＮｏ）、蒸発器２００内へ供給される液相状態の冷媒６００の流量が多すぎる可能性が高いことから、開度を一つ小さくして（Ｖｋ−１）蒸発器２００内へ供給する液相状態の冷媒６００の流量を少なくする（Ｓ１０４）。
【００４９】
一方、流量設定部５４０は、算出したＳＨｋがゼロより大きい場合（Ｓ１０３のＹｅｓ）、ＳＨｋを記憶すると共に、開度を一つ大きくして（Ｖｋ＋１）、蒸発器２００内へ供給する液相状態の冷媒６００の流量を多くする（Ｓ１０５）。
【００５０】
流量設定部５４０は、開度Ｖｋ＋１の時の圧力計測値Ｐｋ＋１および温度計測値Ｔｋ＋１を圧力センサ５２０および温度センサ５３０から取得し、ＳＨｋ＋１を算出する（Ｓ１０６）。そして、算出したＳＨｋ＋１がゼロの場合（Ｓ１０７のＮｏ）は開度Ｖｋ＋１を元の開度Ｖｋに戻す（Ｓ１０８）。一方、ＳＨｋ＋１がゼロより大きい場合（Ｓ１０７のＹｅｓ）、Ｓ１０６で算出したＳＨｋ＋１とＳ１０５で記憶したＳＨｋとを比較する（Ｓ１０９）。そして、ＳＨｋ＋１の方が大きい場合（Ｓ１０９のＮｏ）は元の開度Ｖｋに戻し（Ｓ１０８）、ＳＨｋ＋１の方が小さい場合（Ｓ１０９のＹｅｓ）はＳ１０５へ移り、開度を一つ大きくする（Ｖｋ＋２）ことによって、蒸発器２００内へ供給する液相状態の冷媒６００の流量をさらに多くする。
【００５１】
上述の流量設定部５４０が制御フローを行っている時の、バルブの開度ＶとＳＨとの関係を図６に示す。図６には、電子機器８００から放出される排気熱が５ｋＷの時と１０ｋＷの時の２つの制御曲線を示した。図６において、電子機器８００から放出される排気熱が５ｋＷの時、バルブ５１０の開度Ｖは初期値Ｖ０から始まり、ＳＨ０＞０なので、徐々に開度Ｖを増加させていき、開度Ｖ６まで流量を上げる。開度Ｖ６の時にＳＨ６＝０となるので、流量を下げて開度Ｖ５に戻す。開度Ｖ５では、ＳＨ５＞０であることから、電子機器８００から放出される排気熱や周囲温度が変化しない期間は、流量設定部５４０は、バルブ５１０の開度Ｖを、開度Ｖ５と開度Ｖ６の間を行き来させる制御を行う。
【００５２】
そして、電子機器８００から放出される排気熱が５ｋＷから、例えば、１０ｋＷに上がった場合、流量設定部５４０は、バルブ５１０の開度Ｖを、開度Ｖ８と開度Ｖ９の間を行き来させる制御を行う。
【００５３】
上記のように、本実施形態に係る冷却装置１００において、流量設定部５４０は、圧力センサ５２０から入力された圧力計測値Ｐｋに対応する飽和温度Ｔｓを保持している蒸気表から抽出し、温度センサ５３０から入力された温度計測値Ｔｋから抽出した飽和温度Ｔｓを減じた値をＳＨとする。この場合、負荷が高くなることなく、速やかにＳＨを取得することができる。
【００５４】
本実施形態に係る流量設定部５４０はさらに、上記の手順で取得したＳＨがゼロの場合、バルブ５１０の開度Ｖを１つ下げて蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を少なくする。一方、流量設定部５４０は上記の手順で取得したＳＨがゼロより大きい場合、バルブ５１０の開度Ｖを１つ上げて蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を多くする。そして、流量設定部５４０はバルブ５１０の開度Ｖを、ＳＨｋがゼロより大きくなる開度ＶｋとＳＨｋ+1がゼロとなる開度Ｖｋ+1との間を行き来させる制御を行う。
【００５５】
従って、本実施形態に係る冷却装置１００は、制御負荷が高くなることなく、蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を、速やか且つ容易に、最適値に制御できる。
【００５６】
＜第２の実施形態の変形例＞
第２の実施形態の変形例について説明する。第２の実施形態に係る冷却装置１００においては、流量設定部５４０は、圧力センサ５２０から入力される圧力計測値Ｐｋに対応する飽和温度Ｔｓを保持している蒸気表から抽出し、温度センサ５３０から入力される温度計測値Ｔｋから抽出した飽和温度Ｔｓを減算してＳＨを算出した。ここで、温度センサ５３０を最適位置に配置できない等の理由によって温度センサ５３０から入力される温度計測値Ｔｋが安定しない場合は、複数回の温度の計測結果の平均値を温度計測値Ｔｋとして用いることもできる。
【００５７】
一方、圧力センサ５２０から入力される圧力計測値Ｐｋが安定しない等の場合、圧力センサ５２０から入力される圧力計測値Ｐｋの平均値を用いることもできる。この場合、流量設定部５４０は、以下のような手順でバルブ５１０の開度Ｖを制御する。
【００５８】
すなわち、流量設定部５４０は、温度センサ５３０から入力される温度計測値Ｔｋに対応する飽和圧力Ｐｓを保持している蒸気表から抽出する。そして、抽出した飽和圧力Ｐｓから圧力センサ５２０から入力される圧力計測値Ｐｋの平均値を減算することによってＸｐ値を演算する。Ｘｐ値の算出式を（２）式に示す。
【００５９】
Ｘｐ値＝飽和圧力Ｐｓ−圧力センサ５２０の圧力計測値Ｐｋ      （２）式
Ｘｐ値は、ＳＨと対応する値であり、流量設定部５４０は、Ｘｐ値に基づいてバルブ５１０の開度Ｖを制御する。具体的には、Ｘｐ値がゼロの場合、バルブ５１０の開度Ｖを１つ下げて蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を少なくする。一方、Ｘｐ値がゼロより大きい場合、バルブ５１０の開度Ｖを１つ上げて蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を多くする。すなわち、流量設定部５４０は、バルブ５１０の開度Ｖを、Ｘｐ値がゼロより大きくなる開度ＶｋとＸｐ値がゼロとなる開度Ｖｋ+1との間を行き来させる制御を行う。
【００６０】
ＳＨの代わりにＸｐ値を用いる場合であっても、制御負荷が高くなることなく、蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を、速やか且つ容易に、最適値に制御できる。なお、圧力計測値Ｐｋの平均値ではなく、圧力計測値Ｐｋを用いて上述の制御を行うことができることは、言うまでもない。
【００６１】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る冷却装置の側面図を図７に示す。図７の冷却装置１００Ｂは、蒸発器２００、凝縮器３００、蒸気管４１０、液管４２０、流量制御手段５００、図７には図示されない冷媒６００、および、圧力制御手段７００によって構成される。すなわち、本実施形態に係る冷却装置１００Ｂは、第２の実施形態で説明した図２および図３の冷却装置１００に、圧力制御手段７００を追加することによって形成される。以下、第２の実施形態で説明した冷却装置１００と異なる点について説明する。
【００６２】
圧力制御手段７００は、圧縮機７１０および膨張弁７２０から成る。圧縮機７１０は、蒸気管４１０の途中に配置され、蒸気管４１０内を通過する気相状態の冷媒６００を圧縮する。気体は、圧力を高くすればするほど凝縮しやすくなり、凝縮する時に周囲に熱を放出して液体になる。従って、圧縮機７１０において気相状態の冷媒６００を圧縮することにより、凝縮器３００内における凝縮を促進させ、熱を高効率に放出させる。
【００６３】
一方、膨張弁７２０は、液管４２０の途中に配置され、液管４２０内を通過する液相状態の冷媒６００の圧力を下げる。液相状態の冷媒６００の圧力を下げることにより、蒸発器２００において蒸発しやすい状態となり、吸熱が促進される。
【００６４】
すなわち、圧縮機７１０の回転数や膨張弁７２０の開度を適切に制御することにより、凝縮器３００の性能に左右されることなく、冷却対象の電子機器から放出される排気熱を蒸発器２００において高効率に吸熱することが可能となる。
【００６５】
なお、圧力制御手段７００を配置した場合のｐ−ｈ線図（モリエル線図）を、図８に参考に示す。圧力制御手段７００を配置することにより、凝縮器３００内における冷媒６００の圧力の方が、蒸発器２００内における冷媒６００の圧力よりも大きくなる。ここで、全ての冷媒６００が飽和蒸気の状態で蒸発器２００から蒸気管４１０へ流出する地点を図８に×印で示す。×印より左側の気液混合領域においてはＳＨ＝０となり、×印より右側の気相状態領域では×印からの距離に応じてＳＨが大きくなる。
【００６６】
上記のように構成された冷却装置１００Ｂは、圧力制御手段７００が配置されることにより、凝縮器３００の性能に左右されることなく、冷却対象の電子機器から放出される排気熱を蒸発器２００において高効率に吸熱することができる。
【００６７】
また、本実施形態に係る冷却装置１００Ｂにおいても、流量設定部５４０は、計測した圧力計測値Ｐｋに対応する飽和温度Ｔｓを冷媒６００に応じた蒸気表から抽出し、計測した温度計測値Ｔｋから抽出した飽和温度Ｔｓを減じた値をＳＨとする。そして、流量設定部５４０は、ＳＨがゼロ以下の場合は蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を少なくし、ＳＨがゼロより大きい場合は蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を多くする。従って、本実施形態に係る冷却装置１００Ｂも、制御負荷が高くなることなく、蒸発器２００へ流入させる液相状態の冷媒６００の量を、速やか且つ容易に、最適値に制御できる。
【００６８】
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態について説明する。本実施形態に係る冷却装置の正面図を図９に示す。図９の冷却装置１００Ｃは、４つの蒸発器２００ａ−２００ｄ、凝縮器３００、蒸気管４１０Ｂ、液管４２０Ｂ、流量制御手段５００Ｂ、図９に図示しない冷媒６００、および、圧力制御手段７００によって構成される。以下、第２の実施形態で説明した図２の冷却装置１００および第３の実施形態で説明した図７の冷却装置１００Ｂと異なる点について説明する。
【００６９】
４つの蒸発器２００ａ−２００ｄはそれぞれ、蒸発器上部ヘッダ２１０ａ−２１０ｄ、蒸発器下部ヘッダ２２０ａ−２２０ｄおよび蒸発器フィン・チューブ２３０ａ−２３０ｄを備える。蒸発器２００ａ−２００ｄは、図９には図示しない１つまたは複数の電子機器と対向配置され、４つの蒸発器２００ａ−２００ｄはそれぞれ、対向する電子機器から放出された排気熱を、内部に配置された複数の蒸発器フィン・チューブ２３０ａ−２３０ｄを介して、内部に収容されている液相状態の冷媒６００へ伝熱させる。
【００７０】
蒸気管４１０Ｂは、蒸発器２００ａ−２００ｄの蒸発器上部ヘッダ２１０ａ−２１０ｄとそれぞれ接続された、４つの蒸気支流管４１１ａ−４１１ｄを備える。蒸気管４１０Ｂは、一端が蒸気支流管４１１ａ−４１１ｄを介して蒸発器２００ａ−２００ｄに、他端が凝縮器３００に接続され、内部を気相状態の冷媒６００が通過する。
【００７１】
液管４２０Ｂは、蒸発器２００ａ−２００ｄの蒸発器下部ヘッダ２２０ａ−２２０ｄとそれぞれ接続された、４つの液支流管４２１ａ−４２１ｄを備える。液管４２０Ｂは、一端が凝縮器３００に、他端が液支流管４２１ａ−４２１ｄを介して蒸発器２００ａ−２００ｄに接続され、内部を液相状態の冷媒６００が通過する。
【００７２】
流量制御手段５００Ｂは、４つのバルブ５１０ａ−５１０ｄ、圧力センサ５２０、４つの温度センサ５３０ａ−５３０ｄ、および、図９には図示しない流量設定部５４０Ｂによって構成される。バルブ５１０ａ−５１０ｄはそれぞれ、液支流管４２１ａ−４２１ｄに配置され、蒸発器２００ａ−２００ｄへ流入させる液相状態の冷媒６００の液量を設定された開度Ｖに応じて調整する。圧力センサ５２０は、蒸気管４１０Ｂ内の圧力を計測し、圧力計測値Ｐｋを流量設定部５４０Ｂへ出力する。温度センサ５３０ａ−５３０ｄはそれぞれ、蒸気支流管４１１ａ−４１１ｄに配置され、蒸気支流管４１１ａ−４１１ｄ内外の温度を計測し、温度計測値Ｔｋ１−Ｔｋ４を流量設定部５４０Ｂへ出力する。流量設定部５４０Ｂは、圧力センサ５２０から入力された圧力計測値Ｐｋおよび温度センサ５３０ａ−５３０ｄから入力された温度計測値Ｔｋ１−Ｔｋ４に基づいて、バルブ５１０ａ−５１０ｄの開度Ｖを個別に決定する。
【００７３】
上記のように、複数の蒸発器を蒸気支流管および液支流管を用いて蒸気管および液管と接続し、蒸気支流管にそれぞれ温度センサを配置する一方、液支流管にそれぞれバルブを配置することにより、一つの圧力計測値と複数の温度計測値とに基づいて、複数のバルブの開度Ｖを個別に設定することができる。
【００７４】
本実施形態に係る冷却装置１００Ｃにおいても、流量設定部５４０Ｂは、使用されている冷媒６００に対応する蒸気表から抽出した飽和温度からＳＨを算出し、ＳＨの大きさに基づいて蒸発器２００ａ−２００ｄへ流入させる液相状態の冷媒の量をそれぞれ決定する。従って、本実施形態に係る冷却装置１００Ｃも、制御負荷が高くなることなく、蒸発器２００ａ−２００ｄへ流入させる液相状態の冷媒６００の量を、速やか且つ容易に、最適値に制御できる。
【００７５】
以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００７６】
この出願は、２０１５年９月２４日に出願された日本出願特願２０１５−１８６８７３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。
【符号の説明】
【００７７】
１０    冷却装置
２０    蒸発器
３０    凝縮器
４０    流量制御手段
５０    蒸気管
６０    液管
７０    冷媒
１００    冷却装置
２００    蒸発器
３００    凝縮器
４１０    蒸気管
４１１    蒸気支流管
４２０    液管
４２１    液支流管
５００    流量制御手段
５１０    バルブ
５２０    圧力センサ
５３０    温度センサ
５４０    流量設定部
６００    冷媒
７００    圧力制御手段
７１０    圧縮機
７２０    膨張弁
【図１】
2017051525.tif 000003
【図２】
2017051525.tif 000004
【図３】
2017051525.tif 000005
【図４】
2017051525.tif 000006
【図５】
2017051525.tif 000007
【図６】
2017051525.tif 000008
【図７】
2017051525.tif 000009
【図８】
2017051525.tif 000010
【図９】
2017051525.tif 000011
【国際調査報告】
2017051525.tif 000012
2017051525.tif 000013
2017051525.tif 000014
2017051525.tif 000015