JP2001168567A

JP2001168567A - 電子機器の冷却装置

Info

Publication number: JP2001168567A
Application number: JP34833399A
Authority: JP
Inventors: Takehide Itoyama; 武秀糸山; Keiji Oshima; 恵司大嶋; Akio Adachi; 昭夫安達; Ko Yamaguchi; 香山口; Masakazu Oshima; 正和大嶋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2001-06-22
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JP3758074B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな冷却負荷変動を伴う電子機器の冷却装置
において、発熱素子を一定温度に、かつ温度分布を発生
させることなく冷却できるようにする。【解決手段】圧縮機３の出口のホットガス冷媒を電子式
バルブ１１を介して、発熱素子１を冷却するコールドプ
レート２の出口側にバイパスさせ、発熱素子１の発熱量
に応じて電子式バルブ１１の弁開度を調節することによ
り、冷凍能力を発熱素子１の冷却負荷に応じて変える。
また、コールドプレート２の出口側配管を加熱するヒー
タ１４を設け、温度膨張弁５の感温筒６をヒータの下流
側に設置して、発熱素子１の発熱量に応じてヒータ１４
の発熱量を調節することにより、コールドプレート出口
で冷媒に過熱度がつかないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、冷凍機を用いて
電子機器の発熱素子を冷却する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大型電子計算機などを対象に、通電に伴
う発熱量（熱損失）の大きな発熱素子（主として半導体
素子）に伝熱結合したコールドプレートを冷凍機の蒸発
器として、この発熱素子の冷却を行う装置が特開平４−
１９６３９５号公報などにより公知である。図６に、従
来実施されている電子機器の冷却装置の冷凍回路図を示
す。図６において、１は電子機器の発熱素子（半導体素
子など）、２はヒートシンクとして発熱素子１に取り付
けられたコールドプレートで、コールドプレート２を蒸
発器として、これに圧縮機３、凝縮器４及び温度膨張弁
５が組み合わされることにより冷凍サイクルが構成され
ている。なお、６はコールドプレート２の出口側配管に
設置された温度膨張弁５の感熱筒、７は圧縮機３の運転
制御部、８はコールドプレート２の出口側の冷媒圧力を
検出する圧力センサ、９は圧縮機３の電源、１０は冷媒
配管である。

【０００３】このような冷凍サイクルの動作は周知であ
り、圧縮機３から吐出された高温、高圧の冷媒ガスは、
凝縮器４で凝縮、液化された後、膨張弁５で減圧されて
コールドプレート２に送られ、ここで蒸発してコールド
プレート２に冷熱を発生した後に、再び圧縮機３に戻る
ように循環する。この冷凍サイクルでは、発熱素子１の
発生熱の変化に応じて、常に冷媒蒸発圧力あるいは冷媒
蒸発温度を一定に保つために、圧力センサ８による蒸発
圧力の検出値がある設定値になるように、運転制御部７
により圧縮機の運転条件を変化させて発生熱を処理し、
また温度膨張弁５及び感温筒６によりコールドプレート
２の出口にある程度の設定過熱度をつけ、液相の残った
状態で冷媒が圧縮機３に戻る（液バック運転）のを防ぐ
ようにして、冷凍システムが安定して運転されるように
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電子機器を
安定した状態で稼動させるためには、素子温度により動
作特性の変わる発熱素子を常に許容温度内の一定温度に
維持することが必要である。この場合に、発熱素子の発
熱量は通電に伴う消費電力（電流）によって変動するこ
とから、素子の発熱量（冷却負荷）と冷凍能力とがバラ
ンスするように冷凍機を運転制御する必要があり、更に
素子表面に温度分布が発生しないよう均一に冷却するた
めに、コールドプレートの出口において冷媒に過熱度が
つかないように冷媒流量を制御する必要がある。しか
し、従来装置は冷凍回路構成及びその制御面で、以下の
ような問題点を有している。

【０００５】(1) 冷却負荷の変動に合わせて冷凍機を運
転制御する場合に、従来は冷媒の蒸発圧力を検出し、こ
の検出値をもとに圧縮機をオンオフ制御するか、あるい
は電動圧縮機の電源にインバータを組み合わせて、検出
値がある設定値になるように圧縮機の回転数を制御する
などの方法を採っている。ところが、オンオフ制御方式
では、圧縮機の停止中、過渡的にコールドプレートの温
度が上昇するため、発熱素子の温度を常に一定に保つこ
とが困難である。また、インバータ制御方式では、回転
数が低すぎると共振が発生することから、回転数の可変
範囲は、30〜80Hzに制限され、冷却負荷の変動幅が大き
い場合にはインバータ制御だけでは負荷変動に追従でき
ない。 (2) 膨張弁として図６におけるように温度膨張弁（蒸発
器の出口温度が一定になるように弁開度を自動調整する
メカニカル式の自力制御弁）を使用する場合、従来のよ
うに蒸発器出口に感温筒を設けたのでは、コールドプレ
ートの出口で必ず過熱度が発生するように冷媒量が調整
されるため、コールドプレート内ではすでに液冷媒量が
不足してしまい、その結果、コールドプレートの冷媒入
口から出口にかけて温度勾配が発生することが避けられ
ない。このため、発熱素子面内にも同様の温度勾配が発
生し、素子を均一に冷却することが困難である。 (3) 一方、蒸発器への冷媒流量を調整する膨張弁とし
て、蒸発圧力が一定になるように弁開度を自動調整する
メカニカル式の低圧膨張弁があるが、これは負荷変動が
比較的小さい用途に適しており、冷却負荷の変動が大き
くなるとその制御が負荷変動に追従できなくなるという
問題がある。この発明は上記問題点に鑑みてなされたも
ので、その課題は、大きな発熱負荷変動を伴う素子にお
いても、その作動中の温度変化を最小限に抑え、かつ素
子内に温度分布を発生させることなく良好に冷却するこ
とのできる電子機器の冷却装置を得ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、電子機器の発熱素子にコールドプレー
トを伝熱的に結合し、このコールドプレートを蒸発器と
して、これに圧縮機、凝縮器及び膨張弁を組み合わせて
冷凍サイクルを構成した電子機器の冷却装置において、
前記圧縮機出口のホットガス冷媒を電子式バルブを介し
て前記コールドプレートの出口側配管にバイパスさせる
ホットガスバイパス配管を設け、前記発熱素子の発熱量
に応じて前記電子式バルブの弁開度を調節するようにす
るものである（請求項１）。

【０００７】すなわち、圧縮機出口のホットガス冷媒を
電子式バルブを介してコールドプレートの出口側にバイ
パスさせ、発熱素子の発熱量に応じて電子式バルブの弁
開度を調節することにより、冷却負荷の変動に応じて冷
凍システムの冷凍能力を容易に変えることができ、その
結果、蒸発圧力（ないしは蒸発温度）を冷却負荷の変動
に関係なく一定に保つことが可能になる。ホットガスバ
イパス配管に設置した電子式バルブは、例えばバルブ内
部に設けられたロータが制御部から与えられるパルス信
号のパルス数に合わせて回転し、ロータの回転数に応じ
て弁開度を変えるバルブであり、コールドプレートの冷
媒蒸発圧力あるいは冷媒温度を検出し、この検出値が一
定となるようにパルス数を設定することで、冷却負荷の
変動に関わらず、コールドプレートでの冷媒蒸発圧力が
常に一定となるように弁開度が調節される。

【０００８】また、この発明は、前記コールドプレート
の出口側配管を加熱する冷媒過熱用ヒータを設けるとと
もに、前記膨張弁として温度膨張弁を用いて、その感温
筒を前記コールドプレート出口配管の前記ヒータが設け
られた部分の下流側に設置し、前記発熱素子の発熱量に
応じて前記ヒータの発熱量を調節するようにするもので
ある（請求項２）。

【０００９】すなわち、コールドプレートの出口側配管
を冷媒過熱用ヒータで過熱するとともに、温度膨張弁の
感温筒をコールドプレート出口配管のヒータが設けられ
た部分の下流側に設置することにより、温度膨張弁は過
熱用ヒータで加熱された冷媒の過熱度に基づいて冷媒流
量を自動調節するため、過熱用ヒータの上流側、つまり
コールドプレートの出口では過熱用ヒータの発熱量だけ
冷媒の持つエンタルピが小さくなり、過熱用ヒータの容
量（発熱量）を調節することでコールドプレートの出口
で冷媒に過熱度がつかないようにすることができる。そ
の場合、冷却負荷が変化し、電子式バルブが作動してホ
ットガスバイパス量が変化すると、温度膨張弁の感温筒
部の温度も変動するため、温度膨張弁が作動してコール
ドプレート部への冷媒供給量が変化し、蒸発圧力がばら
つく可能性がある。そこで、感温筒部の温度を検出し
て、その検出値がある一定値になるように過熱用ヒータ
の発熱量を調節すれば、温度膨張弁の動作を抑えて蒸発
圧力のばらつきをなくすことができる。上記の請求項１
と請求項２とは、同時に実施することが可能である（請
求項３）。

【００１０】また、この発明は、上記冷却装置におい
て、前記凝縮器の出口側配管を流れる液冷媒と前記コー
ルドプレートの出口側配管を流れるガス状冷媒との間で
熱交換を行う液ガス熱交換器を設けるものとする（請求
項４）。このような液ガス熱交換器を設けることによ
り、コールドプレートに流入する冷媒をコールドプレー
ト出口側の低温の冷媒で冷却して過冷却状態にし、発熱
素子の発熱量が増加した際にも、過渡的にコールドプレ
ート出口の冷媒が乾いてしまう（過熱度がつく）ことを
抑えることができる。

【００１１】上記冷却装置における前記電子式バルブの
弁開度の調節は、前記コールドプレートの冷媒蒸発圧力
又は冷媒温度を検出する手段と、この検出値が設定値と
一致するように前記電子バルブの弁開度を調節する制御
手段とを設けて行うのがよい（請求項５）。また、前記
ヒータの発熱量の調節は、前記感温筒設置部分の冷媒温
度を検出する手段と、この検出値が設定値と一致するよ
うに前記ヒータの発熱量を調節する制御手段とを設けて
行うのがよい（請求項６）。

【００１２】ところで、上記したようにホットガスバイ
パスを設けることにより、冷却負荷の変動に応じて冷凍
システムの能力を変化させることができるが、その一方
でホットガスバイパスは圧縮機の余剰な能力分を無駄に
していることになるため、圧縮機の能力面から考えると
効率の悪い運転になる。そこで、この発明は、前記圧縮
機にその回転数を制御するインバータ装置を組み合わせ
るとともに、前記発熱素子の発熱量に応じて、前記イン
バータ装置により前記圧縮機の回転数を調節するか、前
記電子式バルブの弁開度及び前記ヒータの発熱量を調節
するかを切り替える制御手段を設けるものとする（請求
項７）。

【００１３】このようにホットガスバイパスとインバー
タ装置とを併用することで、冷却負荷の変動がインバー
タ装置による圧縮機回転数制御で対応可能な範囲にある
場合には、インバータ装置による圧縮機回転数制御によ
り圧縮機の能力自体を変化させることで効率的な圧縮機
運転を行い、また冷却負荷の変動がインバータ装置での
制御可能な範囲を外れた場合には、ホットガスバイパス
を用いることで冷凍システムとしての運転効率を向上さ
せることができる。前記電子バルブの弁開度及び前記圧
縮機の回転数の調節は、前記蒸発器の冷媒蒸発圧力又は
冷媒温度を検出する手段と、この検出値が設定値と一致
するように前記電子バルブの弁開度及び前記圧縮機の回
転数を調節する制御手段とを設けて行うのがよい（請求
項８）。

【００１４】前記温度膨張弁の代わりとして、電子式膨
張弁を用いることもでき、これにより安定かつ高精度の
冷媒蒸発圧力一定制御（ないしは冷媒蒸発温度一定制
御）を行うことが可能になる（請求項９）。温度膨張弁
は、感温筒に封入した冷媒の相変化により弁開度が変化
する構造となっていることから、感温筒への伝達遅れに
よりハンチングと呼ばれる不安定動作が発生する。その
ため、温度膨張弁は高寿命かつ安価で使用しやすい反
面、制御精度の要求度合いによっては使用できない場合
が生じる。また、温度膨張弁では、ホットガスをバイパ
スさせる電子式バルブの作動中に感温筒温度が変化し、
その間、コールドプレートへの流入冷媒流量が変動する
ため、過熱ヒータにより感温筒温度の変動を抑える必要
があり、過熱ヒータの制御に高い応答性や制御精度が要
求される。

【００１５】これに対して、電子式膨張弁は、例えば弁
内部に設けられたロータが制御部から与えられるパルス
信号のパルス数に合わせて回転し、その回転数により弁
開度が変わる構造であるため、弁開度を外部から制御し
てハンチングを小さく抑えることができ、更にホットガ
スバイパス配管の電子バルブの作動中に弁開度を一時的
に固定し、コールドプレートへの流入冷媒流量を一定に
保つなどの制御を行うことができるので、制御の応答性
や安定性及び制御精度の向上が可能となる。前記電子式
膨張弁の弁開度を調節は、前記コールドプレート入口の
冷媒温度及び前記コールドプレート出口配管の前記ヒー
タが設けられた部分の下流側の冷媒温度をそれぞれ検出
する手段と、それら検出値の温度差が設定値と一致する
ように、前記電子式膨張弁の弁開度を調節する制御手段
とを設けて行うのがよい（請求項１０）。

【００１６】膨張弁として電子式膨張弁を用いた請求項
１０の冷却装置において、前記発熱素子又はコールドプ
レートの入口側温度及び出口側温度をそれぞれ検出する
手段と、これらの検出値が互いに一致するように前記電
子式膨張弁の弁開度を調節する制御手段とを設けてもよ
い（請求項１１）。発熱素子又はコールドプレートの入
口側温度と出口側温度とに温度差が生じないように弁開
度を調節することにより、出口側で過熱度がつかないよ
うにして、発熱素子を均一に冷却することができる。ま
た、発熱素子の温度を直接検出して電子膨張弁の弁開度
を調整できるため、制御の応答性も向上させることがで
きる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図５に基づいて、こ
の発明の実施の形態を説明する。なお、従来例と対応す
る部分には同一の符号を用い、従来例と実質的に同一構
成部分については説明を省略する。

【００１８】実施形態１まず、図１は請求項１〜３,５の発明に対応する実施形
態を示す冷凍回路図である。この実施形態では、コール
ドプレート２を蒸発器として、これに定速運転を行う電
動圧縮機３、凝縮器４、温度膨張弁５を組み合わせた冷
凍サイクルにおいて、圧縮機出口のホットガス冷媒を電
子バルブ１１を介して、コールドプレート出口配管にバ
イパスさせるホットガスバイパス配管１３と、コールド
プレート２の出口側配管を加熱する冷媒過熱用ヒータ１
４とを設けるとともに、温度膨張弁５の感温筒６をコー
ルドプレート出口配管のヒータ１４が設けられた部分の
下流側に設置したものである。電子式バルブ１１の弁開
度は、バルブ制御部１２から与えられるパルス信号で調
節され、また過熱用ヒータ１４は、ヒータ制御部１５
（例えば電子式サーモスタット）で電流、電圧波形が制
御されることにより発熱量が調節される。

【００１９】バルブ制御部１２は、コールドプレート出
口の冷媒圧力を圧力センサ８で検出し、その検出値が予
め設定された設定値になるように電子式バルブ１１の弁
開度を調節する。例えば、蒸発圧力Peの設定値に対し、
検出値が小さい場合には、ホットガス循環量が少ないた
めに蒸発圧力Peが設定値より低下したと判断し、弁開度
を大きくしてホットガス循環量を増やし、蒸発圧力Peが
設定値と一致するように制御する。反対に、検出値が設
定値より大きい場合には、ホットガス循環量が多過ぎる
ために蒸発圧力Peが設定値より増加したと判断し、弁開
度を小さくしてホットガス循環量を減らし、蒸発圧力Pe
が設定値と一致するように制御する。この場合、蒸発圧
力Peのパルス信号への変換は、平均化処理、ローパスフ
ィルタなどにより圧力波形のリップルを取り除いた圧力
検出値に基づいて、比例制御やＰＩＤ制御などの制御方
法により行う。なお、蒸発圧力Peの検出位置は、コール
ドプレート内の圧力損失が大きい場合はコールドプレー
ト２の入口とし、小さい場合はコールドプレート２の出
口とするのがよく、また蒸発圧力Peの代わりに蒸発圧力
検出位置の冷媒温度を検出し、コールドプレートの検出
温度をもとに電子式バルブ１１の弁開度を調節してもよ
い。

【００２０】一方、ヒータ制御部１５は、温度膨張弁５
の感温筒設置部分の冷媒温度Tshを温度センサ１６で検
出し、その検出値が設定値となるように過熱用ヒータ１
４の発熱量を調節する。例えば、コールドプレート２の
入口での冷媒温度設定値を−20℃とし、温度膨張弁５で
の過熱度設定を５Ｋとした場合、感温筒設置部分の温度
設定は−15℃であり、過熱ヒータ１４は常に感温筒設置
部分の冷媒温度Tshが−15℃となるように、その発熱量
を増減する。この場合、ヒータ制御部１５での電流、電
圧波形の調整は検出温度に基づいて、ＰＩＤ制御などの
制御方法により行う。

【００２１】実施形態２図２はこの発明の請求項４に対応する実施形態を示すも
のである。この実施形態では、冷凍回路内において、凝
縮器４の出口側を流れる膨張弁流入前の高温の液冷媒
と、コールドプレート２の出口側配管を流れるホットガ
ス合流後のガス状冷媒との間で、熱交換を行う液ガス熱
交換器１７を設けている。その他の点は図１のものと同
じである。この実施の形態によれば、コールドプレート
２に流入する高温液冷媒は、コールドプレート出口側の
ガス状冷媒で冷やされることで過冷却状態（液相割合の
多い状態）となり、発熱素子１の発熱量が増大してもコ
ールドプレート出口でまだ液相分が残った状態を保つこ
とができ、これにより発熱素子１の発熱量が増加した
際、過渡的にコールドプレート出口の冷媒が乾いてしま
う（過熱度がつく）のを防ぐことができ、発熱素子１を
温度分布を生じさせることなく均一に冷却することがで
きる。

【００２２】液ガス熱交換器１７としては、例えば液冷
媒が流れるフィンチューブの外側をガス冷媒が洗流する
構成の公知のものを使用することができる。液ガス熱交
換器１７の設置位置は、それ自体に圧縮機３からのホッ
トガスとコールドプレート２からの流出冷媒ガスとを均
一に混合させるミキシング機能を持たせることができる
ことから、図示の通りホットガス合流後とするのがよ
く、またコールドプレート出口で冷媒に過熱度が確実に
つかないように調整するためには、少なくとも膨張弁感
温筒６の手前（上流側）とする必要がある。

【００２３】実施形態３図３は実施形態２をベースにしたこの発明の請求項７，
８に対応する実施形態を示すものである。この実施形態
は、電動圧縮機３の電源９にインバータ装置１８を組み
合わせ、冷媒蒸発圧力の調整をホットガスバイパス配管
１３の電子バルブ制御と組み合わせて行うようにしたも
のである。インバータ装置１８は、コールドプレート出
口の冷媒圧力を圧力センサ８で検出し、その検出値が設
定値となるように圧縮機３の回転数を調節する。例え
ば、蒸発圧力Peの設定値に対し、検出値が小さい場合に
は、圧縮機３の回転数が高すぎるために蒸発圧力Peが設
定値よりも低下したと判断し、インバータ装置１８は圧
縮機３の回転数を低くして、蒸発圧力Peが設定値と一致
するように制御する。反対に、検出値が設定値よりも大
きい場合には、圧縮機３の回転数が低すぎるために蒸発
圧力Peが設定値よりも上昇したと判断し、インバータ装
置１８は圧縮機3の回転数を高くして蒸発圧力Peが設定
値と一致するように制御する。

【００２４】この場合、蒸発圧力Peに基づく回転数の制
御は、ＰＩＤ制御などの制御方法により段階的に行う
が、圧縮機３の回転数制御は共振の関係から可変範囲に
制限があり、回転数を最小回転数（周波数）、例えば30
Hzにまで低下させても、蒸発圧力Peが設定値にまで至ら
ないことが生じる。そこで、最小回転数にしても蒸発圧
力Peが設定値と一致しない場合には、インバータ装置１
８による制御が不能であると判断して、上記した電子式
バルブ１１の弁開度制御によるホットガス循環量の調節
に切り替えて、蒸発圧力Peを設定値に一致させるように
する。このように、インバータ装置１８による圧縮機３
の回転数制御と、電子バルブ１１の弁開度制御とを組み
合わせることで、冷却負荷の変動に対して効率的に対応
し、省エネ高かを高めることができる。なお、蒸発圧力
Peの検出位置は実施形態１の場合と同様に、コールドプ
レート内の圧力損失が大きい場合はコールドプレート２
の入口とし、小さい場合はコールドプレート２の出口と
するのがよく、また蒸発圧力Peの代わりに蒸発圧力検出
位置の冷媒温度を検出し、コールドプレートの検出温度
をもとに電子式バルブ１１の弁開度を調節してもよい。

【００２５】実施形態４図４は、実施形態３をベースにしたこの発明のこの発明
の請求項９，１０に対応する実施形態を示すものであ
る。この実施形態は、冷凍サイクルの構成は基本的に図
３と同様であるが、コールドプレート２の入口側には温
度膨張弁に代えて電子式膨張弁１９が接続されており、
その弁開度は膨張弁制御部２０から与えられるパルス信
号で調節される。ここで、コールドプレート入口側及び
過熱用ヒータ設置部の下流側に温度センサ２１及び１６
が設置され、膨張弁制御部２０はそれらにより計測され
た冷媒温度Te及びTshを取り込んで、その温度差、つま
り冷媒過熱度（Tsh-Te）が設定値と一致するように電子
式膨張弁１９の弁開度を調整する。

【００２６】温度膨張弁は、感温筒が温度変化を感知し
てから弁の開閉動作が始まるまでに遅れが生じるが、上
記電子式膨張弁１９を使用すればこの問題は解消し、温
度膨張弁と同様の制御を応答性よく行うことができる。
また、図１において、温度膨張弁５では、ホットガスバ
イパス配管１３の電子式バルブ１１の動作中に感温筒温
度が変化し、その間、コールドプレート２への流入冷媒
流量が変動するため、過熱用ヒータ１４により感温筒温
度の変動を抑える必要があったが、電子式膨張弁１９を
用いることで、ホットガスバイパス配管１３の電子式バ
ルブ１１の動作中は一時的に膨張弁の弁開度を固定し、
流量の変動を完全に抑えることが可能なので、過熱用ヒ
ータ１４の制御に要する負担を改善でき、冷凍システム
をより安定的に運転することができる。電子式膨張弁と
して、例えばパルスモータ駆動方式の公知のものが使用
でき、その場合、冷媒温度差（Tsh-Te）からパルス信号
への変換は、比例制御やＰＩＤ制御などの制御方法によ
り行うことができ、制御フローにより制御精度の向上を
図ることもできる。

【００２７】実施形態５図５は、実施形態４をベースにしたこの発明の請求項１
１に対応する実施形態を示すものである。この実施形態
は、冷凍サイクルの構成は基本的に図４と同様である
が、コールドプレート入口側に設置された電子式膨張弁
１９の弁開度が、発熱素子１あるいはコールドプレート
２の入口側及び出口側の検出温度をもとに与えられるパ
ルス信号によって、膨張弁制御部２０により調節される
ようになっている。すなわち、２１は感温部がコールド
プレート２の入口側及び出口側にそれぞれ直接接触する
ように設けられた差動温度センサで、両測の温度差をパ
ルス信号として出力する。膨張弁制御部２０は、入口側
及び出口側の温度が互いに一致するように、つまり温度
差が生じないように、電子式膨張弁１９の弁開度を調節
する。これにより、コールドプレート２の出口側で過熱
度がつくことによる発熱素子１での温度勾配の発生が抑
えられ、またその際、発熱素子１の作動温度を直接的に
制御できるため、制御の応答性も向上させることができ
る。一方、ヒータ制御部１５は、ヒータ１４の下流側の
冷媒温度Tshを温度センサ１６で検出し、その検出値が
適度の過熱度がつく設定値となるように過熱用ヒータ１
４の発熱量を調節する。これにより、液相分を含む冷媒
が圧縮機３に吸引される液バックが防止される。

【００２８】

【発明の効果】以上の通り、この発明は、次の効果を有
するものである。 (1)圧縮機出口のホットガス冷媒を電子式バルブを介し
てコールドプレートの出口側にバイパスさせ、発熱素子
の発熱量に応じて電子式バルブの弁開度を調節すること
により、冷凍能力を容易に変えることが可能となり、ま
たコールドプレートの出口側配管を加熱する冷媒過熱用
ヒータを設け、温度膨張弁の感温筒をヒータの下流側に
設置して、発熱素子の発熱量に応じてヒータの発熱量を
調節することにより、コールドプレートの出口で冷媒に
過熱度がつかないようにすることが可能なので、冷却負
荷変動の非常に大きい電子機器においても発熱素子の動
作温度を一定に保ち、かつ素子内の温度分布を均一にし
て電子機器の安定運転を図ることができる。 (2)更に、凝縮器の出口側を流れる液冷媒とコールドプ
レートの出口側を流れるガス状冷媒との間で熱交換を行
う液ガス熱交換器を設けることにより、コールドプレー
トに流入する冷媒を過冷却状態にし、素子の発熱が増加
した際に過渡的にコールドプレート出口の冷媒が乾いて
しまう（過熱度がつく）のを防ぐことができる。 (3)一方、ホットガスをバイパスさせて冷凍能力を制御
する場合に、インバータ装置による圧縮機の回転数制御
を組み合わせることにより、より効率的な冷却を行い、
冷凍システムの省エネを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を示す冷凍回路図であ
る。

【図２】この発明の実施の形態２を示す冷凍回路図であ
る。

【図３】この発明の実施の形態３を示す冷凍回路図であ
る。

【図４】この発明の実施の形態４を示す冷凍回路図であ
る。

【図５】この発明の実施の形態５を示す冷凍回路図であ
る。

【図６】従来例を示す冷凍回路図である。

【符号の説明】

１コールドプレート２発熱素子３圧縮機４凝縮器５温度膨張弁６感温筒８圧力センサ１０冷媒配管１１電子式バルブ１２バルブ制御部１３ホットガスバイパス配管１４過熱用ヒータ１５ヒータ制御部１６温度センサ１７液ガス熱交換器１８インバータ制御部１９電子式膨張弁２０膨張弁制御部２１温度センサ２２温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安達昭夫神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者山口香神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者大嶋正和神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内Ｆターム(参考） 5E322 AA05 AB10 AB11 DA01 DA02 DB02 EA02 FA01 5F036 AA01 BA08 BA23 BB43 BF03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子機器の発熱素子にコールドプレートを
伝熱的に結合し、このコールドプレートを蒸発器とし
て、これに圧縮機、凝縮器及び膨張弁を組み合わせて冷
凍サイクルを構成した電子機器の冷却装置において、前記圧縮機出口のホットガス冷媒を電子式バルブを介し
て前記コールドプレートの出口側配管にバイパスさせる
ホットガスバイパス配管を設け、前記発熱素子の発熱量
に応じて前記電子式バルブの弁開度を調節するようにし
たことを特徴とする電子機器の冷却装置。
【請求項２】電子機器の発熱素子にコールドプレートを
伝熱的に結合し、このコールドプレートを蒸発器とし
て、これに圧縮機、凝縮器及び膨張弁を組み合わせて冷
凍サイクルを構成した電子機器の冷却装置において、前記コールドプレートの出口側配管を加熱する冷媒過熱
用ヒータを設けるとともに、前記膨張弁として温度膨張
弁を用いて、その感温筒を前記コールドプレート出口配
管の前記ヒータが設けられた部分の下流側に設置し、前
記発熱素子の発熱量に応じて前記ヒータの発熱量を調節
するようにしたことを特徴とする電子機器の冷却装置。
【請求項３】電子機器の発熱素子にコールドプレートを
伝熱的に結合し、このコールドプレートを蒸発器とし
て、これに圧縮機、凝縮器及び膨張弁を組み合わせて冷
凍サイクルを構成した電子機器の冷却装置において、前記圧縮機出口のホットガス冷媒を電子式バルブを介し
て前記コールドプレートの出口側配管にバイパスさせる
ホットガスバイパス配管と、前記コールドプレートの出
口側配管を加熱する冷媒過熱用ヒータとを設けるととも
に、前記膨張弁として温度膨張弁を用いて、その感温筒
を前記コールドプレート出口配管の前記ヒータが設けら
れた部分の下流側に設置し、前記発熱素子の発熱量に応
じて前記電子式バルブの弁開度及び前記ヒータの発熱量
を調節するようにしたことを特徴とする電子機器の冷却
装置。
【請求項４】前記凝縮器の出口側配管を流れる液冷媒と
前記コールドプレートの出口側配管を流れるガス状冷媒
との間で熱交換を行う液ガス熱交換器を設けたことを特
徴とする請求項1〜請求項３のいずれかに記載の電子機
器の冷却装置。
【請求項５】前記コールドプレートの冷媒蒸発圧力又は
冷媒温度を検出する手段と、この検出値が設定値と一致
するように前記電子バルブの弁開度を調節する制御手段
とを設けたことを特徴とする請求項1，請求項３及び請
求項４のいずれかに記載の電子機器の冷却装置。
【請求項６】前記感温筒設置部分の冷媒温度を検出する
手段と、この検出値が設定値と一致するように前記ヒー
タの発熱量を調節する制御手段とを設けたことを特徴と
する請求項２，請求項３及び請求項４のいずれかに記載
の電子機器の冷却装置。
【請求項７】前記圧縮機にその回転数を制御するインバ
ータ装置を組み合わせ、前記発熱素子の発熱量に応じ
て、前記インバータ装置により前記圧縮機の回転数を調
節するか、又は前記電子式バルブの弁開度を調節するか
を切り替える制御手段とを設けたことを特徴とする請求
項1，請求項３，請求項４及び請求項５のいずれかに記
載の電子機器の冷却装置。
【請求項８】前記コールドプレートの冷媒蒸発圧力又は
冷媒温度を検出する手段と、この検出値が設定値と一致
するように前記電子バルブの弁開度及び前記圧縮機の回
転数を調節する制御手段とを設けたことを特徴とする請
求項７記載の電子機器の冷却装置。
【請求項９】前記膨張弁として電子式膨張弁を用いたこ
とを特徴とする請求項1〜請求項８のいずれかに記載の
電子機器の冷却装置。
【請求項10】前記コールドプレート入口の冷媒温度及び
前記コールドプレート出口配管の前記ヒータが設けられ
た部分の下流側の冷媒温度をそれぞれ検出する手段と、
それら検出値の温度差が設定値と一致するように前記電
子式膨張弁の弁開度を調節する制御手段とを設けたこと
を特徴とする請求項９記載の電子機器の冷却装置。
【請求項11】前記発熱素子又はコールドプレートの入口
側温度及び出口側温度をそれぞれ検出する手段と、これ
らの検出値が互いに一致するように前記電子式膨張弁の
弁開度を調節する制御手段とを設けたことを特徴とする
請求項１０記載の電子機器の冷却装置。