(57)【要約】  駆動源を用いて冷媒液を循環させる相変化冷却装置は、起動時直後に冷却能力が著しく低下するため、本発明の相変化冷却装置は、発熱源から受熱する冷媒液を収容する蒸発器と、冷媒液が蒸発器で気化することにより発生した冷媒蒸気の熱を放熱し冷媒液を生成する凝縮器と、冷媒液を循環させる冷媒液駆動手段と、蒸発器と凝縮器を接続する第１の配管部と、凝縮器と冷媒液駆動手段を接続する第２の配管部と、冷媒液駆動手段と蒸発器を接続する第３の配管部と、一端が第１の接続点において第１の配管部と接続し、他端が第２の接続点において第２の配管部と接続する第４の配管部、とを有し、第１の接続点が、冷媒液駆動手段の起動時における、第１の配管部内の冷媒液と冷媒蒸気の界面の位置よりも下方に位置している。
2017051531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源から受熱する冷媒液を収容する蒸発手段と、
前記冷媒液が前記蒸発手段で気化することにより発生した冷媒蒸気の熱を放熱し冷媒液を生成する凝縮手段と、
前記冷媒液を循環させる冷媒液駆動手段と、
前記蒸発手段と前記凝縮手段を接続する第１の配管部と、
前記凝縮手段と前記冷媒液駆動手段を接続する第２の配管部と、
前記冷媒液駆動手段と前記蒸発手段を接続する第３の配管部と、
一端が第１の接続点において前記第１の配管部と接続し、他端が第２の接続点において前記第２の配管部と接続する第４の配管部、とを有し、
前記第１の接続点が、前記冷媒液駆動手段の起動時における、前記第１の配管部内の前記冷媒液と前記冷媒蒸気の界面の位置よりも下方に位置している
相変化冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載した相変化冷却装置において、
前記第２の接続点が、前記第２の配管部によって保持されている前記冷媒液と前記冷媒蒸気の界面の、前記冷媒液駆動手段の起動時における位置よりも下方に位置している
相変化冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した相変化冷却装置において、
前記冷媒液と前記冷媒蒸気の界面の前記冷媒液駆動手段の起動時における位置が、前記凝縮手段よりも下方にある
相変化冷却装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
前記第１の接続点は前記第２の接続点よりも上方に位置している
相変化冷却装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
前記凝縮手段は前記蒸発手段および前記冷媒液駆動手段よりも上方に位置している
相変化冷却装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
前記第２の配管部によって構成される流路内に、前記冷媒液をためる冷媒貯留手段をさらに有する
相変化冷却装置。
【請求項７】
請求項５に記載した相変化冷却装置において、
前記冷媒貯留手段は、前記冷媒液駆動手段の停止時における前記冷媒液と前記冷媒蒸気の界面が、前記冷媒貯留手段の上端よりも下方に位置するように配置している
相変化冷却装置。
【請求項８】
請求項５または６に記載した相変化冷却装置において、
前記冷媒貯留手段は、前記冷媒液駆動手段よりも上方に位置している
相変化冷却装置。
【請求項９】
請求項５から７のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
前記冷媒貯留手段は、前記第１の接続点よりも下方に位置している
相変化冷却装置。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項に記載した相変化冷却装置において、
複数の前記蒸発手段を備え、
前記第１の配管部は、前記蒸発手段と前記第１の接続点の間の一部に、前記複数の蒸発手段が共通に接続する共通輸送手段を備え、
前記共通輸送手段は、前記第１の接続点に近接する側が前記蒸発手段に近接する側よりも下方に位置する状態で傾斜している
相変化冷却装置。
【請求項１１】
発熱源から受熱する冷媒液を収容する蒸発手段と、
前記冷媒液が前記蒸発手段で気化することにより発生した冷媒蒸気の熱を放熱し冷媒液を生成する凝縮手段と、
前記冷媒液を循環させる冷媒液駆動手段と、
前記蒸発手段と前記凝縮手段を接続する第１の配管部と、
前記凝縮手段と前記冷媒液駆動手段を接続する第２の配管部と、
前記冷媒液駆動手段と前記蒸発手段を接続する第３の配管部と、
一端が第１の接続点において前記第１の配管部と接続し、他端が第２の接続点において前記第２の配管部と接続する第４の配管部、とを有する相変化冷却装置を、
前記第１の配管部によって保持されている前記冷媒液と前記冷媒蒸気の界面の、前記冷媒液駆動手段の起動時における位置が、前記第１の接続点よりも上方に位置するように制御する
相変化冷却装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器などの冷却に用いられる相変化冷却装置およびその制御方法に関し、特に、駆動源を用いて冷媒液を循環させる相変化冷却装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、高性能化にともなって、その発熱量および発熱密度が増大している。このような電子機器等を効率的に冷却するため、冷却能力が高い冷却方式を採用する必要がある。冷却能力が高い冷却方式の一つとして、冷媒の相変化を用いた相変化冷却方式が注目されている。【０００３】
相変化冷却方式による冷却装置（相変化冷却装置）の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された電子機器用冷却モジュールはポンプ循環型の相変化冷却装置であり、発熱体と熱的に接続して熱を吸収するジャケット（蒸発器）、放熱器、気液分離機能を兼ねたタンク、および電動ポンプにより構成される冷却液駆動部を有する。【０００４】
このジャケットの入口には冷媒が液状で流れる管が、ジャケットの出口には気液混合液が流れる管がそれぞれ設けられている。ジャケットの入口配管の手前には冷却液駆動部が取り付けられ、ジャケットの出口近傍には気液分離機能を兼ねたタンクが接続されている。このタンクにおいて分離された冷媒蒸気は蒸気管へ流れ込み、その後、放熱器で凝縮されて配管を介して冷却液駆動部へ戻ることにより冷媒の閉ループを形成している。【０００５】
気液分離機能を兼ねたタンクは、多孔体によって、冷媒液が保持される領域とジャケットから吸入される気液混合状態の冷媒が存在する気液混合領域とに仕切られている。冷媒液が保持される領域は、バイパス管によって放熱器と冷却液駆動手段の間に接続されている。【０００６】
このような構成としたことにより、関連する冷却モジュール（相変化冷却装置）によれば、ジャケットと放熱器間の配管内に冷媒液が付着するのを抑制することができる。その結果、ジャケットと放熱器間の圧力損失を低減することができ、効率的な冷却が可能になる、としている。【０００７】
また、関連技術としては、特許文献２に記載された技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１３０７４６号公報（段落〔００２１〕〜〔００３６〕、図１）
【特許文献２】国際公開第２０１５／０７５９１６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した関連する相変化冷却装置のように、ポンプ等の駆動源を用いて冷媒液を循環させるポンプ循環型相変化冷却装置の一般的な構成例を図４Ａに示す。図４Ａに示した関連する相変化冷却装置５００は、ラジエータ等の蒸発器５１０、熱交換器や室外機等の凝縮器５２０、ポンプ等の駆動源５３０、蒸気管５４０、および液管５５０を有する。関連する相変化冷却装置５００では、ポンプＰ等を用いて冷媒液ＬＲを蒸発器５１０へ供給し、蒸発器５１０では冷媒液ＬＲが蒸発するときの潜熱によって受熱するとともに冷媒蒸気ＶＲを発生させる。蒸発器５１０から流出した冷媒蒸気ＶＲは凝縮器５２０で放熱することにより凝縮して冷媒液ＬＲに戻り、液管５５０を通じてポンプＰ等の駆動源５３０に送られる。【００１０】
しかしながら、このようなポンプ循環型相変化冷却装置には、起動時直後に冷却能力が著しく低下するという問題点がある。その理由を以下に説明する。【００１１】
ポンプ循環型相変化冷却装置において、ポンプが停止すると重力の作用により冷媒液は蒸発器および蒸気管にも溜まる。その後、再度起動させると、蒸気管に溜まった冷媒液の液柱の圧力によって蒸発器における冷媒液の蒸発が抑制されるので、蒸発器では冷媒液の顕熱による受熱となる。液相状態で凝縮器に流入した冷媒は、凝縮器で冷却されて蒸発器に還流する。そのため、冷媒液の温度は沸点に至るまで上昇しないので、蒸発器では蒸発による潜熱ではなく、冷媒液の顕熱による冷却が行われることになる。一般に、顕熱による受熱は潜熱による受熱に比べて効率が低いため、このような場合、ポンプ循環型相変化冷却装置の冷却能力が著しく低下する。【００１２】
上述したポンプ循環型相変化冷却装置の問題点について、さらに詳細に説明する。【００１３】
図４Ａに、上述したポンプ循環型の関連する相変化冷却装置５００の正常運転時における冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの分布状態を模式的に示す。上述したように正常運転時には、ポンプＰによって蒸発器５１０に供給された冷媒液ＬＲは蒸発器５１０で蒸発して冷媒蒸気ＶＲになる。冷媒蒸気ＶＲは蒸気管５４０を介して凝縮器５２０に輸送され、凝縮器５２０において冷却されて凝縮し冷媒液ＬＲになる。この冷媒液ＬＲは液管５５０を通って再度ポンプＰに供給される。このように正常運転時では、相変化冷却装置５００は蒸発器５１０において冷媒液ＬＲの蒸発によって熱を奪うので、冷却効率は高い。正常運転時においては図４Ａに模式的に示したように、蒸気管５４０は冷媒蒸気ＶＲで満たされ、また液管５５０は冷媒液ＬＲで満たされた状態となっている。【００１４】
図４Ｂに、ポンプＰが停止している時の冷媒の分布を模式的に示す。ここで停止状態とは、ポンプＰが停止して冷媒の循環が止まった状態をいう。このとき、冷媒液ＬＲは重力の作用により下方に溜まる。図４Ｂは、冷媒の気液界面ＩＮＴが蒸発器５１０と凝縮器５２０の鉛直方向の間にあり、蒸気管５４０および液管５５０がそれぞれ冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの両方で満たされている場合を示している。【００１５】
次に、停止状態からポンプＰを起動したときの冷媒の分布を、図５Ａおよび５Ｂに模式的に示す。図５Ａは冷媒の量が少ない場合、図５Ｂは冷媒の量が多い場合をそれぞれ示す。【００１６】
図５Ａに示した冷媒の量が少ない場合、ポンプＰの吸引側の冷媒液ＬＲが存在しなくなり、そのため冷媒の循環は停止する。ポンプＰを起動した直後には、蒸発器５１０において冷媒液ＬＲの顕熱による吸熱が起きる。このとき、冷媒液ＬＲの循環が生じないため冷媒液ＬＲの温度は上昇する。しかし、蒸気管５４０に溜まっている冷媒液ＬＲの圧力により冷媒液の沸点が上昇しているので、蒸発器５１０内の冷媒液ＬＲは沸点に到達する前に吸熱対象である発熱体の温度と等しくなってしまう場合がある。その結果、蒸発器５１０における吸熱が停止することになる。【００１７】
一方、冷媒の量が多い場合には図５Ｂに示したように、冷媒液ＬＲは凝縮器５２０を介して循環する。しかし、冷媒液ＬＲは凝縮器５２０で冷却されているので、蒸発器５１０において冷媒液の温度は沸点まで上昇せず蒸発は起こらない。そのため、冷媒液ＬＲの顕熱のみによる受熱となるので、冷却効率は著しく低下する。【００１８】
以上説明したように、冷媒の量の多少にかかわらず、ポンプＰを停止状態から起動させて正常運転状態（図４Ａ）に移行させることは困難であり、ポンプＰの起動時直後に冷却能力が著しく低下する。【００１９】
このように、駆動源を用いて冷媒液を循環させる相変化冷却装置は、起動時直後に冷却能力が著しく低下する、という問題があった。【００２０】
本発明の目的は、上述した課題である、駆動源を用いて冷媒液を循環させる相変化冷却装置は、起動時直後に冷却能力が著しく低下する、という課題を解決する相変化冷却装置およびその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】
【００２１】
本発明の相変化冷却装置は、発熱源から受熱する冷媒液を収容する蒸発器と、冷媒液が蒸発器で気化することにより発生した冷媒蒸気の熱を放熱し冷媒液を生成する凝縮器と、冷媒液を循環させる冷媒液駆動手段と、蒸発器と凝縮器を接続する第１の配管部と、凝縮器と冷媒液駆動手段を接続する第２の配管部と、冷媒液駆動手段と蒸発器を接続する第３の配管部と、一端が第１の接続点において第１の配管部と接続し、他端が第２の接続点において第２の配管部と接続する第４の配管部、とを有し、第１の接続点が、冷媒液駆動手段の起動時における、第１の配管部内の冷媒液と冷媒蒸気の界面の位置よりも下方に位置している。【００２２】
本発明の相変化冷却装置の制御方法は、発熱源から受熱する冷媒液を収容する蒸発器と、冷媒液が蒸発器で気化することにより発生した冷媒蒸気の熱を放熱し冷媒液を生成する凝縮器と、冷媒液を循環させる冷媒液駆動手段と、蒸発器と凝縮器を接続する第１の配管部と、凝縮器と冷媒液駆動手段を接続する第２の配管部と、冷媒液駆動手段と蒸発器を接続する第３の配管部と、一端が第１の接続点において第１の配管部と接続し、他端が第２の接続点において第２の配管部と接続する第４の配管部、とを有する相変化冷却装置を、第１の配管部によって保持されている冷媒液と冷媒蒸気の界面の、冷媒液駆動手段の起動時における位置が、第１の接続点よりも上方に位置するように制御する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の相変化冷却装置およびその制御方法によれば、駆動源を用いて冷媒液を循環させる構成であっても、起動時直後における冷却能力の低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置の構成を模式的に示す概略図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置における冷媒の循環状態を模式的に示す概略図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置における冷媒の状態を模式的に示す概略図であって、相変化冷却装置が備える冷媒液駆動部が停止状態である場合を示す。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置の構成を模式的に示す概略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却装置の構成を模式的に示す概略図である。
【図４Ａ】関連する相変化冷却装置の構成および正常運転時における冷媒の分布を模式的に示す図である。
【図４Ｂ】関連する相変化冷却装置の構成およびポンプが停止している状態における冷媒の分布を模式的に示す図である。
【図５Ａ】関連する相変化冷却装置において、ポンプを停止状態から起動したときの冷媒の分布を模式的に示す図であり、冷媒の量が少ない場合を示す。
【図５Ｂ】関連する相変化冷却装置において、ポンプを停止状態から起動したときの冷媒の分布を模式的に示す図であり、冷媒の量が多い場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
〔第１の実施形態〕
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置１００の構成を模式的に示す概略図である。また、図１Ｂは、本実施形態に係る相変化冷却装置１００における冷媒の循環状態を模式的に示す概略図である。
【００２７】
本実施形態による相変化冷却装置１００は、図１Ａに示すように、蒸発器１１０、凝縮器１２０、および冷媒液駆動部（冷媒液駆動手段）１３０を有する。相変化冷却装置１００はさらに、第１の配管部１４０、第２の配管部１５０、第３の配管部１６０、および第４の配管部１７０を有する。
【００２８】
蒸発器１１０は、発熱源から受熱する冷媒液ＬＲを収容する。蒸発器１１０は典型的にはラジエータ等により構成される。凝縮器１２０は、冷媒液ＬＲが蒸発器１１０で気化することにより発生した冷媒蒸気ＶＲの熱を放熱し冷媒液ＬＲを生成する。凝縮器１２０は典型的には熱交換器や室外機等により構成される。また、冷媒液駆動部１３０は、冷媒液ＬＲを循環させる。冷媒液駆動部１３０は典型的にはポンプＰ等により構成される。
【００２９】
第１の配管部１４０は、蒸発器１１０と凝縮器１２０を接続する。第２の配管部１５０は、凝縮器１２０と冷媒液駆動部１３０を接続する。そして、第３の配管部１６０は、冷媒液駆動部１３０と蒸発器１１０を接続する。
【００３０】
第４の配管部１７０は、一端が第１の接続点１７１において第１の配管部１４０と接続し、他端が第２の接続点１７２において第２の配管部１５０と接続する。ここで、第１の接続点１７１は、冷媒液駆動部１３０の起動時における、第１の配管部１４０内の冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの界面の位置（ＩＮＴ１）よりも下方に位置している。
【００３１】
なお、第１の配管部１４０、第２の配管部１５０、第３の配管部１６０、および第４の配管部１７０は、典型的には金属製配管等により構成される。
【００３２】
図１Ｂ中の矢印は、冷媒液駆動部１３０の起動時において、相変化冷却装置１００内を循環する冷媒液ＬＲを示す。ここで冷媒液駆動部１３０の起動時とは、冷媒液駆動部１３０が動作状態であって、かつ、蒸発器１１０が収容している冷媒液ＬＲが発熱源から受熱していない状態をいう。
【００３３】
上述したように、本実施形態による相変化冷却装置１００は、第１の接続点１７１および第２の接続点１７２において第１の配管部１４０および第２の配管部１５０とそれぞれ接続している第４の配管部１７０を備える。そして、第１の接続点１７１が、冷媒液駆動部１３０の起動時における第１の配管部１４０内の冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの界面（ＩＮＴ１）よりも下方に位置する構成としている。
【００３４】
このような構成としたことにより、図５Ａに示したように冷媒の量が少ない場合であっても、第１の配管部１４０内の冷媒液ＬＲが第４の配管部１７０を介して冷媒液駆動部１３０に供給される。そのため、冷媒液ＬＲの循環を持続させることができるので、正常運転状態に移行させることが可能になる。
【００３５】
また、図５Ｂに示したように冷媒の量が多い場合であっても、冷媒液ＬＲは第４の配管部１７０を介して循環することが可能である。そのため、冷媒液ＬＲが凝縮器１２０を介して循環することにより冷媒液ＬＲが冷却され、蒸発器１１０における冷媒液ＬＲの蒸発が生じなくなる状態を回避することができる。その結果、正常運転状態への移行が可能になる。
【００３６】
正常運転状態の相変化冷却装置１００においては、冷媒液駆動部１３０によって冷媒液ＬＲが蒸発器１１０へ供給され、蒸発器１１０において冷媒液ＬＲは発熱源から受熱することにより温度が上昇し沸点に達する。このとき、冷媒液ＬＲが蒸発して冷媒蒸気ＶＲとなるときの潜熱によって発熱源から受熱するので、効率の良い受熱が可能である。蒸発器１１０で発生した冷媒蒸気ＶＲは第１の配管部１４０を通って凝縮器１２０に流入し、凝縮器１２０において放熱することにより凝縮し冷媒液ＬＲとなる。
【００３７】
凝縮器１２０において凝縮した冷媒液ＬＲは第２の配管部１５０を通って冷媒液駆動部１３０に流入する。すなわち、凝縮器１２０と第２の接続点１７２との間の第２の配管部１５０を通って冷媒液ＬＲが流動するようになる。そのため、第１の配管部１４０における冷媒液ＬＲの量が減少し液柱による圧力が下がるので、蒸発器１１０における冷媒液ＬＲの蒸発が促進される。その結果、相変化冷却装置１００は正常運転状態への移行が容易になる。
【００３８】
凝縮した冷媒液ＬＲは冷媒液駆動部１３０によって第３の配管部１６０を介して再び蒸発器１１０に供給される。これにより冷媒による相変化冷却サイクルが完結し、冷却能力が高い相変化冷却が実現される。
【００３９】
上述したように、本実施形態の相変化冷却装置１００によれば、冷媒の量の多少にかかわらず、冷媒液駆動部１３０を停止状態から起動させ、相変化冷却装置を正常運転状態に移行させることが可能になる。そのため、冷媒液駆動部１３０などの駆動源を用いて冷媒液を循環させる構成であっても、起動時直後における冷却能力の低下を回避することができる。
【００４０】
また、本実施形態の相変化冷却装置１００によれば、正常運転時において第１の配管部１４０内に存在する冷媒液ＬＲを、第４の配管部１７０によって第２の配管部１５０に還流させることができる。その結果、第１の配管部１４０の圧損を低減することができるので、正常運転時における冷却能力の低下を抑制することも可能となる。
【００４１】
図１Ａ、１Ｂでは、第４の配管部１７０の第２の接続点１７２が、第２の配管部１５０によって保持されている冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの界面の、冷媒液駆動部１３０の起動時における位置（ＩＮＴ２）よりも下方に位置した構成としている。また、冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの界面の冷媒液駆動部１３０の起動時における位置（ＩＮＴ１、ＩＮＴ２）はいずれも、凝縮器１２０よりも下方にある構成とすることができる。これにより、冷媒液ＬＲは第４の配管部１７０を通って循環するので、冷媒液ＬＲが凝縮器１２０を経由して冷媒液駆動部１３０に還流するのを防止することができる。上述したように、凝縮器１２０を通ると冷媒液ＬＲは冷却されるので、蒸発器１１０において冷媒液ＬＲが沸点まで温度上昇する妨げとなる。上述した構成とすることにより、このような影響を回避することができ、効率的な冷却が可能になる。
【００４２】
なお、冷媒液駆動部１３０が停止状態である時には、冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの気液界面ＩＮＴは図１Ｃに示すように、冷媒液駆動部１３０よりも上方に位置していればよい。
【００４３】
また、第４の配管部１７０の第１の接続点１７１が、第２の接続点１７２よりも上方に位置している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、第１の接続点１７１から第４の配管部１７０に流入した冷媒液ＬＲは、重力の作用によって第２の接続点１７２に流動することが可能になる。そのため、冷媒液駆動部１３０の仕事量を軽減することができる。
【００４４】
さらに、凝縮器１２０が蒸発器１１０および冷媒液駆動部１３０よりも上方に位置している構成とすることができる。これにより、重力の作用による冷媒の自然循環をも利用できるので、冷媒液駆動部１３０の仕事量を軽減することができる。
【００４５】
なお、第４の配管部１７０が第１の配管部１４０と接続する第１の接続点１７１は、蒸発器１１０に近接した位置であることが望ましい。これは、第１の配管部１４０に溜まっている冷媒液ＬＲの液柱によって蒸発器１１０内の冷媒液ＬＲに働く圧力が、第１の接続点１７１の蒸発器１１０上端からの高さに比例するからである。第１の接続点１７１を蒸発器１１０に近接した位置とすることにより、第１の接続点１７１の高さを低減することができ、これにより冷媒液ＬＲの液柱による圧力上昇を抑制することができる。その結果、上述した、冷媒液ＬＲの圧力上昇により冷媒液の沸点が上昇し、冷媒液ＬＲの蒸発が生じなくなるという問題を回避することができる。
【００４６】
次に、本実施形態による相変化冷却装置の制御方法について説明する。
【００４７】
相変化冷却装置の構成は、上述した相変化冷却装置１００と同様である。この相変化冷却装置を、第１の配管部１４０によって保持されている冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの界面の、冷媒液駆動手段１３０の起動時における位置（ＩＮＴ１）が、第１の接続点１７１よりも上方に位置するように制御する。
【００４８】
このように相変化冷却装置１００を制御することにより、上述したように、冷媒液駆動手段１３０のような駆動源を用いて冷媒液を循環させる構成であっても、起動時直後における冷却能力の低下を回避することができる。
【００４９】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２に、本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置２００の構成を模式的に示す。同図中の矢印は、冷媒液駆動部１３０の起動時において、相変化冷却装置２００内を循環する冷媒液ＬＲを示す。
【００５０】
本実施形態による相変化冷却装置２００は、蒸発器１１０、凝縮器１２０、および冷媒液駆動部１３０を有する。相変化冷却装置２００はさらに、第１の配管部１４０、第２の配管部１５０、第３の配管部１６０、および第４の配管部１７０を有する。ここまでの構成は、第１の実施形態による相変化冷却装置１００の構成と同様である。
【００５１】
本実施形態による相変化冷却装置２００は、第２の配管部１５０によって構成される流路内に、冷媒液ＬＲをためる冷媒貯留部（冷媒貯留手段）２１０をさらに有する。冷媒貯留部２１０は、典型的にはタンク等の金属製容器により構成される。
【００５２】
ここで、冷媒貯留部２１０は、冷媒液駆動部１３０よりも上方に位置している構成とすることができる。また、冷媒貯留部２１０は、冷媒液駆動部１３０の停止時における冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲとの界面が、冷媒貯留部２１０の上端よりも下方に位置するように配置している構成とすることができる。すなわち、冷媒液駆動部１３０が停止状態にあるとき、冷媒貯留部２１０が冷媒液ＬＲのみによって充填されることがない位置に設置された構成とすることができる。
【００５３】
また、冷媒貯留部２１０は、第１の接続点１７１よりも下方に位置している構成とすることができる。これにより、冷媒貯留部２１０から第１の配管部１４０に冷媒液ＬＲが逆流するのを防止することができる。
次に、本実施形態の相変化冷却装置２００による効果について説明する。
【００５４】
本実施形態の相変化冷却装置２００は冷媒貯留部２１０を備えた構成としたことにより、正常運転状態に移行した場合であっても、冷媒液の量が過多であるため蒸発器１１０における受熱量が低下する、という問題を回避することができる。また、ポンプ等からなる冷媒液駆動部１３０に対して冷媒液を供給するための液柱圧力を確保することができる、という効果が得られる。
【００５５】
上述した冷媒液の量が過多であることによる影響を回避することができる効果について、さらに詳細に説明する。
【００５６】
相変化冷却装置においては、正常運転状態で蒸発器における受熱量が最大となる適正な冷媒量が存在する。このことについて以下に説明する。
相変化冷却装置が正常運転している状態において、蒸発器における受熱量を増大させるためには、蒸発器における冷媒の圧力を低減する必要がある。これは、蒸発器における冷媒の圧力が増大すると冷媒の沸点ＴＶが上昇するからである。すなわち、一般に、ある温度Ｔｈｅａｔの熱源からの熱を蒸発器において受熱する場合、熱源からの熱の温度と冷媒液の沸点との差Ｔｈｅａｔ−ＴＶが大きいほど、冷媒液の沸騰が促進されるので、蒸発器における受熱量は大きくなる。したがって、蒸発器における冷媒の圧力が増大し冷媒の沸点ＴＶが上昇すると、Ｔｈｅａｔ−ＴＶが減少し受熱量が減少することになる。
【００５７】
ここで、相変化冷却装置内の冷媒液の量が多すぎると冷媒液の圧力は増加する。具体的には例えば、図４Ｂに示したように、蒸発せず潜熱による受熱に寄与しない余分な冷媒液が蒸気管内にたまり、蒸発器内の冷媒液を押圧することにより冷媒液の圧力が増大する場合がある。また、余分な冷媒液が凝縮器にたまることによって、凝縮器における熱交換性能が低下し、蒸気管内の圧力が増大する場合がある。
逆に、冷媒液の量が過少である場合にも、蒸発器において充分に受熱することができないので、冷却性能は低下する。
したがって、相変化冷却装置においては、正常運転状態で蒸発器における受熱量が最大となる適正な冷媒量が存在することになる。
【００５８】
一方、上述したように、冷媒液駆動部が停止した状態から正常運転状態に移行するためにも必要な冷媒液の量が存在している。しかし、正常運転状態に移行するために必要な冷媒液の量は、正常運転状態において受熱量を最大化するための冷媒液の量と必ずしも一致しない。すなわち、一般的には、停止状態から正常状態に移行するために必要な冷媒液の量Ｌ１は、正常運転状態において受熱量を最大化するための冷媒液の量Ｌ２よりも多い（Ｌ１＞Ｌ２）。
【００５９】
このような場合であっても、本実施形態の相変化冷却装置２００は冷媒貯留部２１０を備えた構成としているので、正常運転状態においては余剰となる冷媒液を冷媒貯留部２１０に蓄えることができる。具体的には例えば、上述したＬ１＞Ｌ２である場合、相変化冷却装置２００にＬ１以上の量の冷媒液を導入する。これにより、冷媒液駆動部の停止状態から正常運転状態への移行が可能になる。また、正常運転状態に移行した後は、余剰となった冷媒液は冷媒貯留部２１０に蓄えられるため、凝縮器１２０や第１の配管部１４０内に過剰な冷媒液が溜まることはない。そのため、蒸発器１１０において冷媒液の圧力が上昇することを回避することができ、受熱量を最大化することが可能になる。
【００６０】
このように、本実施形態の相変化冷却装置２００によれば、駆動源を用いて冷媒液を循環させる構成であっても、起動時直後における冷却能力の低下を回避することができるとともに、正常運転状態における受熱量を最大化することが可能になる。
【００６１】
また、正常運転時に受熱量を最大化する冷媒液の量を超える冷媒液も冷媒貯留部２１０において吸収することが可能であるため、相変化冷却装置２００に投入する冷媒液の量のトレランスを向上させることができる。
【００６２】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図３に、本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却装置３００の構成を模式的に示す。同図中の矢印は、冷媒液駆動部３３０の起動時において、相変化冷却装置３００内を循環する冷媒液ＬＲを示す。
【００６３】
本実施形態による相変化冷却装置３００は、複数の蒸発器３１０、凝縮器３２０、および冷媒液駆動部３３０を有する。相変化冷却装置３００はさらに、第１の配管部３４０、第２の配管部３５０、第３の配管部３６０、および第４の配管部３７０を有する。
【００６４】
第１の配管部３４０は、複数の蒸発器３１０と凝縮器３２０を接続する。第２の配管部３５０は、凝縮器３２０と冷媒液駆動部３３０を接続する。第３の配管部３６０は、冷媒液駆動部３３０と複数の蒸発器３１０を接続する。
【００６５】
第４の配管部３７０は、一端が第１の接続点３７１において第１の配管部３４０と接続し、他端が第２の接続点３７２において第２の配管部３５０と接続する。第１の接続点３７１は、第１の配管部３４０によって保持されている冷媒液ＬＲと冷媒蒸気ＶＲの界面の、冷媒液駆動部３３０の起動時における位置よりも下方に位置している。
【００６６】
ここで、第１の配管部３４０は、複数の蒸発器３１０と第１の接続点３７１の間の一部に、複数の蒸発器３１０が共通に接続する共通輸送部（共通輸送手段）３４２を備える。そして、共通輸送部３４２は、第１の接続点３７１に近接する側が蒸発器３１０に近接する側よりも下方に位置する状態で傾斜した構成としている。すなわち、共通輸送部３４２を通る軸と水平面上の軸とがなす角度θはゼロ度よりも大きい。
【００６７】
このような構成としたことにより、冷媒液駆動部３３０が停止している状態から正常運転状態に移行するために必要な冷媒液の量を低減することができる。その理由を以下に説明する。
【００６８】
相変化冷却装置３００が正常運転している状態において、第１の配管部３４０を流動する冷媒蒸気ＶＲの圧損を抑制するため、第１の配管部３４０は内径の大きな配管等により構成される。一方、冷媒液駆動部３３０の起動時には、第４の配管部３７０を介して冷媒液ＬＲを循環させるため、第１の接続点３７１に冷媒液ＬＲが達している必要がある。この場合、第１の配管部３４０として内径の大きな配管等を用いると、必要となる冷媒液の量が増大する。
【００６９】
しかし、本実施形態の相変化冷却装置３００では、第１の配管部３４０の一部を構成する共通輸送部３４２が、下方の第１の接続点３７１に向かって傾斜した構成としている。そのため、冷媒液ＬＲは共通輸送部３４２内を第１の接続点３７１まで流動することが可能である。その結果、正常運転状態に移行するために必要な冷媒液の量を低減することができる。
【００７０】
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。
【００７１】
この出願は、２０１５年９月２５日に出願された日本出願特願２０１５−１８８２２４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】
【００７２】
１００、２００、３００    相変化冷却装置
１１０、３１０、５１０    蒸発器
１２０、３２０、５２０    凝縮器
１３０、３３０    冷媒液駆動部
１４０、３４０    第１の配管部
１５０、３５０    第２の配管部
１６０、３６０    第３の配管部
１７０、３７０    第４の配管部
１７１、３７１    第１の接続点
１７２、３７２    第２の接続点
２１０    冷媒貯留部
３４２    共通輸送部
５００    関連する相変化冷却装置
５３０    駆動源
５４０    蒸気管
５５０    液管
ＬＲ    冷媒液
ＶＲ    冷媒蒸気
ＩＮＴ    気液界面
ＩＮＴ１、ＩＮＴ２    界面
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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