JP6217835B1 - 液浸冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒槽と冷媒冷却装置との間で循環するフッ素系絶縁性冷媒の単位時間流量を確保することを課題とする。【解決手段】液浸冷却装置は、電子機器を浸すフッ素系絶縁性冷媒を貯留する冷媒槽と、前記冷媒槽と冷媒冷却装置との間に設けられている前記フッ素系絶縁性冷媒の循環路と、前記循環路に配置され、前記フッ素系絶縁性冷媒を前記冷媒槽と冷媒冷却装置との間で循環させるマグネットポンプと、を備え、前記フッ素系絶縁性冷媒の沸点を６０℃以上とするとともに、前記フッ素系絶縁性冷媒の２５℃における動粘度を１ｃＳｔ以下としている。【選択図】図１

Description

本明細書開示の発明は、液浸冷却装置に関する。

従来、フッ化炭素系冷却液を用いた電子機器の冷却システムが知られている（特開２０１６−４６４３１号公報）。

特開２０１６−４６４３１号公報

特許文献１で用いられているフッ化炭素系冷却液等のフッ素系絶縁性冷媒は、一般的に浸透性が高く、軸流ポンプ等に用いられているシール材を侵食し、冷媒漏れを生じさせる可能性がある。このような冷媒漏れに対応すべく、例えば、マグネットポンプやキャンドポンプのように、インペラが設けられたロータ軸及びその軸受部を送液中に浸した状態で密閉ケース内に密閉する密閉ポンプを採用することが考えられる。

しかしながら、密閉ポンプは、その構造上、軸流ポンプ等と比較して駆動力が弱く、冷媒の単位時間流量を得難いと考えられる。冷媒の単位時間流量が少ないと、冷媒を適切に冷却することが困難となる可能性がある。

１つの側面では、本明細書開示の液浸冷却装置は、冷媒槽と冷媒冷却装置との間で循環するフッ素系絶縁性冷媒の単位時間流量を確保することを課題とする。

本明細書開示の液浸冷却装置は、電子機器を浸すフッ素系絶縁性冷媒を貯留する冷媒槽と、前記冷媒槽と冷媒冷却装置との間に設けられている前記フッ素系絶縁性冷媒の循環路と、前記循環路に配置され、インペラが設けられたロータ軸及び当該ロータ軸の軸受部を前記フッ素系絶縁性冷媒に浸した状態で密閉ケース内に密閉し、前記フッ素系絶縁性冷媒を前記冷媒槽と前記冷媒冷却装置との間で循環させる密閉ポンプと、を備え、前記フッ素系絶縁性冷媒の２５℃における動粘度は１ｃＳｔ以下である。

本明細書開示の液浸冷却装置によれば、冷媒槽と冷媒冷却装置との間で循環するフッ素系絶縁性冷媒の単位時間流量を確保することができる。

図１は第１実施形態に係る液浸冷却システムを示すシステム構成図である。 図２は図１に示される冷媒槽及び封止槽を示す斜視図である。 図３は図２に示される冷媒槽及び封止槽を示す縦断面図である。 図４は図３に示される冷媒槽蓋部及び封止槽蓋部が開けられた状態を示す縦断面図である。 図５は図４に示される冷媒槽に電子機器を収容する過程を示す縦断面図である。 図６は第１実施形態の液浸冷却装置が備えるマグネットポンプの概略構成を模式的に示す説明図である。 図７は図５に示される封止槽を示す拡大断面図である。 図８は図７に示される封止槽蓋部が閉じられた状態を示す断面図である。 図９は図８の６−６線断面図である。 図１０はマグネットポンプ性能曲線例を示すグラフである。 図１１はマグネットポンプに代えて採用することができるキャンドポンプの概略構成を模式的に示す説明図である。 図１２は市販されているフッ素系絶縁性冷媒の２５℃における動粘度と沸点との関係を示すグラフである。 図１３は実施形態と比較例の流量及び冷却能力を示すグラフである。 図１４は第２実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。 図１５（Ａ）は第２実施形態において、伸縮容器が伸張した様子を模式的に示す説明図であり、図１５（Ｂ）は第２実施形態において、伸縮容器が収縮した様子を模式的に示す説明図である。 図１６は第３実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。 図１７は第４実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。 図１８は第５実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。 図１９は第６実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。 図２０は第７実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。 図２１は第８実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。 図２２は第９実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。 図２３は第９実施形態における制御の一例を示すフローチャートである。 図２４は第１０実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。

（第１実施形態）
まず、図１〜図９を参照して、第１実施形態の液浸冷却装置１２を含む液浸冷却システム１０の概略構成について説明する。図１は第１実施形態に係る液浸冷却システムを示すシステム構成図である。図２は図１に示される冷媒槽及び封止槽を示す斜視図である。図３は図２に示される冷媒槽及び封止槽を示す縦断面図である。図４は図３に示される冷媒槽蓋部及び封止槽蓋部が開けられた状態を示す縦断面図である。図５は図４に示される冷媒槽に電子機器を収容する過程を示す縦断面図である。図６は実施形態の液浸冷却装置が備えるマグネットポンプの概略構成を模式的に示す説明図である。図７は図５に示される封止槽を示す拡大断面図である。図８は図７に示される封止槽蓋部が閉じられた状態を示す断面図である。図９は図８の６−６線断面図である。

（液浸冷却システム）
図１に示されるように、実施形態に係る液浸冷却システム１０は、液浸冷却装置１２と、冷媒冷却装置４０とを備える。液浸冷却装置１２は、後に詳説するように冷媒槽２０を備え、この冷媒槽２０と冷媒冷却装置４０との間を接続する循環路１６を備えている。

（液浸冷却装置）
図２に示されるように、液浸冷却装置１２は、冷媒槽２０と、封止槽５０とを備える。冷媒槽２０は、フッ素系絶縁性冷媒（以下、冷媒液という）１４を収容する密閉容器（気密容器）とされる。この冷媒槽２０は、冷媒槽本体部２２と、冷媒槽蓋部２６とを有する。冷媒槽本体部２２は、上部に収容口３０（図４参照）を有する箱状の容器とされる。

冷媒槽本体部２２は、４つの側壁部２２Ｓを有する。図３に示されるように、冷媒槽本体部２２の４つの側壁部２２Ｓのうち所定の側壁部２２Ｓ１の上部には、接続口２４が形成される。接続口２４は、例えば、側壁部２２Ｓを厚み方向に貫通する矩形状の貫通孔とされる。

冷媒槽本体部２２には、冷媒液１４が収容（貯留）される。冷媒液１４は、接続口２４から漏れないように、収容口３０から冷媒槽本体部２２に収容される。また、冷媒槽本体部２２に冷媒液１４が収容された状態で、冷媒槽本体部２２（冷媒槽２０）の上部は、冷媒液１４がない空間（以下、「上部空間２０Ｕ」という）とされる。

冷媒液１４は、電気絶縁性及び熱伝導性を有し、かつ、常温で蒸発し易い液体（液状冷媒）である。なお、常温とは、例えば、液浸冷却装置１２が設置される地域の年間の平均気温を意味する。このような冷媒液１４としては、例えば、３Ｍ社製のフロリナート（３Ｍ社の商標）や、同じく３Ｍ社製のノベック（３Ｍ社の商標）がある。さらに、ＡＧＣ旭硝子社のアサヒクリン（ＡＧＣ旭硝子社の商標）や、ＳＯＬＶＡＹ社のガルデン（ＳＯＬＶＡＹ社の商標）等がある。このような冷媒液１４は、電気絶縁性を有することから、電子機器３２を浸漬させて冷却する用途に好適である。冷媒液１４については、後に詳説する。

冷媒槽蓋部２６は、冷媒槽本体部２２の上端部に、ヒンジ部２８を介して取り付けられる。そして、図４に示されるように、冷媒槽本体部２２に対して冷媒槽蓋部２６がヒンジ部２８を中心として回動することにより、冷媒槽本体部２２の収容口３０が開閉される。また、冷媒槽本体部２２の収容口３０の周縁部には、図示しないシール材が設けられる。これにより、冷媒槽蓋部２６が閉じられた状態では、冷媒槽蓋部２６と収容口３０の周縁部との隙間がシール材によって密閉される。冷媒槽２０は、液浸冷却装置１２の稼働時に密閉状態とされ、冷媒液１４の蒸発が抑制される。

図３に示されるように、冷媒槽２０には、冷却対象物としての複数の電子機器３２が収容される。各電子機器３２は、収容口３０から冷媒槽本体部２２内に収容される。また、各電子機器３２は、冷媒液１４に浸けられた状態で、冷媒槽本体部２２に収容される。

各電子機器３２は、例えば、複数の電子部品が実装されたプリント基板と、プリント基板を収容する筐体とを有するサーバとされる。また、電子機器３２のプリント基板には、ケーブル３４が電気的に接続される。このケーブル３４は、図５に示すように冷媒槽２０の上部空間２０Ｕから接続口２４を介して後述する封止槽５０の上部空間５０Ｕに配線される。

図１に示されるように、冷媒槽２０には、循環路１６を介して冷媒冷却装置４０が接続される。循環路１６は、冷媒槽２０と冷媒冷却装置４０との間で冷媒液１４を循環させる。このため、循環路１６は、内部に冷媒液１４が流れる配管等で形成されている。また、循環路１６には、ポンプ１７が設けられる。このポンプ１７が駆動されると、冷媒槽２０と冷媒冷却装置４０との間で冷媒液１４が循環される。なお、図１に示される矢印ａは、冷媒液１４の循環方向を示す。

本実施形態におけるポンプ１７は、マグネットポンプである。マグネットポンプは、密閉ポンプの一例である。図６を参照すると、ポンプ１７は、モータ１７１を備えている。モータ１７１は、モータ軸１７２に装着された回転ケース１７３を備えている。回転ケース１７３は、筒状をなしており、その内周に外部磁石１７３ａを備えている。ポンプ１７は、密閉ケース１７４を備える。密閉ケース１７４には、冷媒液１４の導入口１７４ａと導出口１７４ｂが設けられている。

密閉ケース１７４の内部には、ロータ１７５が収納されている。ロータ１７５の外周面には、内部磁石１７５ａが配置されている。ロータ１７５は、ロータ軸１７６を備えている。ロータ軸１７６は、密閉ケース１７４の内部に設けられている第１軸受け部１７７と第２軸受け部１７８とによって回転可能に支持されている。第１軸受け部１７７と第２軸受け部１７８は、いずれも、密閉ケース１７４を貫通することなく設けられている。

ロータ軸１７６の先端部には、インペラ１７９が装着されている。内部磁石１７５ａは、密閉ケース１７４を隔てて、外部磁石１７３ａと対向するように配置されている。これにより、モータ１７１が回転すると、ロータ１７５が回転し、ひいてはインペラ１７９が回転することで、導入口１７４ａから密閉ケース１７４内に導入された冷媒液１４が導出口１７４ｂから吐出される。このように、本実施形態のポンプ１７は、インペラ１７９が設けられたロータ軸１７６、第１軸受け部１７７及び第２軸受け部１７８を冷媒液１４に浸した状態で密閉ケース１７４内に密閉している。

密閉ケース１７４は、外部と遮断されており、冷媒液１４を金属封止している。このため、ポンプ１７は、浸透性の高い冷媒液１４を用いても、液漏れ等を極力抑制することができる。

（冷媒冷却装置）
冷媒冷却装置４０は、例えば、冷凍サイクルを利用して冷媒液１４を冷却する冷凍機とされる。この冷媒冷却装置４０によって冷却された冷媒液１４と電子機器３２とが熱交換することにより、電子機器３２が冷却される。

具体的には、冷媒冷却装置４０は、凝縮器４２及び熱交換器４４を備える。凝縮器４２及び熱交換器４４は、冷媒循環路４６を介して互いに接続される。冷媒循環路４６は、例えば、内部に冷媒が流れる配管等によって形成される。なお、図１に示される矢印ｂは、冷媒の循環方向を示す。

また、冷媒循環路４６には、圧縮機（コンプレッサ）４８が設けられる。圧縮機４８は、熱交換器４４から凝縮器４２へ流れる気相状態の冷媒を圧縮する。凝縮器４２は、圧縮機４８で圧縮された気相状態の冷媒を冷却する図示しない冷却ファンを有する。この冷却ファンによって気相状態の冷媒を冷却することにより、冷媒が凝縮される。

また、冷媒循環路４６には、膨張弁４９が設けられる。膨張弁４９は、凝縮器４２から熱交換器４４へ流れる液相状態の冷媒を膨張し、減圧させる。熱交換器４４は、膨張弁４９で減圧された液相状態の冷媒と、循環路１６を流れる冷媒液１４とを熱交換させ、冷媒を気化させる。これにより、冷媒の気化潜熱が冷媒液１４から奪われ、当該冷媒液１４が冷却される。

熱交換器４４で気化された冷媒は、圧縮機４８によって圧縮された後、前述した凝縮器４２で凝縮される。このように圧縮機４８、凝縮器４２、膨張弁４９、及び熱交換器４４に冷媒を循環させることにより、冷媒液１４が冷却される。

なお、冷媒冷却装置４０は、冷媒液１４を冷却することができるものであれば、他の構成であってもよい。

（封止槽）
図７及び図８に示されるように、封止槽５０は、冷媒槽２０に隣接して設けられる。封止槽５０は、封止液５８を収容する容器とされる。この封止槽５０は、封止槽本体部５２と、封止槽蓋部６０とを有する。封止槽本体部５２は、上部に封止槽開口５４を有する箱状の容器とされる。この封止槽本体部５２は、複数の側壁部５２Ｓ（図２参照）を有する。なお、封止槽本体部５２は、前述した冷媒槽本体部２２と側壁部２２Ｓ１を共有する。

また、封止槽本体部５２は、側壁部２２Ｓ１と対向する側壁部５２Ｓ１を有する。この側壁部５２Ｓ１の上部には、ケーブル３４を封止槽５０の外部へ引き出すためのケーブル引出口５６が形成される。ケーブル引出口５６は、例えば、側壁部５２Ｓ１を厚み方向に貫通する矩形状の開口とされる。

封止槽本体部５２の内部には、封止液５８が収容（貯留）される。封止液５８は、常温で蒸発し難く、冷媒液１４が溶け難い水又は油等の液体（液状封止材）が用いられる。この封止液５８は、接続口２４及びケーブル引出口５６から漏れないように、封止槽開口５４から封止槽本体部５２に収容される。なお、封止液５８には、例えば、藻及び苔等の発生を抑制する添加剤が添加されても良い。また、封止液５８は、封止材の一例である。

また、封止槽本体部５２に封止液５８が収容された状態で、封止槽本体部５２の上部は、封止液５８がない空間（以下、「上部空間５０Ｕ」という）とされる。この封止槽５０の上部空間５０Ｕは、接続口２４を介して前述した冷媒槽２０の上部空間２０Ｕと接続（連通）される。

封止槽蓋部６０は、封止槽本体部５２の上端部に、ヒンジ部６２を介して取り付けられる。この封止槽本体部５２がヒンジ部６２を中心として回動することにより、封止槽本体部５２の封止槽開口５４が開閉される。また、封止槽開口５４の周縁部には、図示しないシール材が設けられる。これにより、封止槽蓋部６０が閉じられた状態では、封止槽蓋部６０と封止槽開口５４の周縁部との隙間がシール材によって密閉される。

図７に示されるように、封止槽蓋部６０には、仕切部材７０が設けられる。仕切部材７０は、仕切部７２と、押し部７６とを有する。仕切部７２は、板状に形成される。この仕切部７２は、封止槽蓋部６０が閉じられた状態で、封止槽蓋部６０の下面から下方へ延出するとともに、冷媒槽本体部２２の側壁部２２Ｓ１と対向する。

液浸冷却装置１２を真上から見た図９に示されるように、仕切部７２の横幅方向両側の端部７２Ｅには、シール材７４が設けられる。シール材７４は、仕切部７２の端部７２Ｅに沿って設けられる。このシール材７４は、封止槽蓋部６０が閉じられた状態で、封止槽本体部５２の側壁部５２Ｓの内壁面５２ＳＡに圧接される。これにより、封止槽蓋部６０が閉じられた状態で、仕切部７２の端部７２Ｅと封止槽本体部５２の内壁面５２ＳＡとの隙間が密閉される。

また、図８に示されるように、封止槽蓋部６０が閉じられた状態で、仕切部７２の下端部（延出方向の先端部）は、封止液５８に接触される（浸けられる）。これにより、仕切部材７０の仕切部７２によって、封止槽５０の上部空間５０Ｕが、第１空間５０Ｕ１と第２空間５０Ｕ２とに仕切られる。

第１空間５０Ｕ１は、仕切部７２に対する冷媒槽２０側に形成される。この第１空間５０Ｕ１は、接続口２４を介して冷媒槽２０の上部空間２０Ｕに接続（連通）される。また、冷媒槽蓋部２６及び封止槽蓋部６０が閉じられた状態では、冷媒槽２０の上部空間２０Ｕ及び封止槽５０の第１空間５０Ｕ１が、密閉空間（気密空間）とされる。なお、第１空間５０Ｕ１の下側は、封止液５８の液面５８Ｆによって塞がれる。

第２空間５０Ｕ２は、仕切部７２に対して冷媒槽２０と反対側に形成される。この第２空間５０Ｕ２は、ケーブル引出口５６を介して封止槽５０の外部に接続（連通）される。

仕切部７２の下端部には、押し部７６が設けられる。押し部７６の横断面形状は、半円形状を成す。この押し部７６は、封止槽５０の底部５０Ｌから離れた状態で、封止液５８に浸けられる。これにより、封止槽蓋部６０が閉じられた状態では、押し部７６と封止槽５０の底部５０Ｌとの間に、ケーブル３４の配線スペース７８が形成される。換言すると、仕切部材７０は、封止槽５０の底部５０Ｌとの間にケーブル３４の配線スペース７８を空けた状態で、封止槽５０の上部空間５０Ｕを仕切る。この配線スペース７８は、仕切部材７０の横幅方向（図２の矢印Ｗ方向）の全長に亘って形成される。

また、押し部７６の下面７６Ｌは、下方へ凸を成す湾曲面とされる。この下面７６Ｌによって、ケーブル３４が封止液５８中に沈められる。これにより、ケーブル３４の一部３４Ｘが、湾曲した状態で封止液５８に浸される。なお、押し部７６は、仕切部材７０の下端部の一例である。

ここで、湾曲したケーブル３４の一部（湾曲部）３４Ｘの曲率が所定値以上になると、当該一部３４Ｘが破損する可能性がある。この対策として本実施形態では、押し部７６の下面７６Ｌの曲率が、ケーブル３４が破損する所定の曲率未満とされる。これにより、押し部７６の下面７６Ｌに沿ってケーブル３４の一部３４Ｘが湾曲した場合に、当該一部３４Ｘの破損が抑制される。

以上が、本実施形態の液浸冷却システム１０の概略構成である。ここで、本実施形態に用いられている冷媒液１４について詳細に説明する。本実施形態の液浸冷却システム１０は、冷媒液１４の非沸騰の状態が保たれるように稼働する。本実施形態における冷媒液１４は、フッ素系絶縁性冷媒であり、その沸点は、６０℃以上であり、２５℃における動粘度が１ｃＳｔ以下である。沸点を６０℃以上としているのは、電子機器３２の作動時の温度を考慮したものである。すなわち、電子機器３２が作動しているときに、冷媒液１４の温度がその沸点を超えてしまうと、冷媒液１４が沸騰し、適切な冷却ができなくなるため、これを回避するためである。このように、冷媒液１４の沸点を６０℃以上とすることにより、液浸冷却システム１０を非沸騰のシステムとすることができる。

また、２５℃における動粘度が１ｃＳｔ以下であるとの条件は、ポンプ１７の流量、具体的には単位時間流量を確保する観点から定められている。動粘度に関し、２５℃のときの値を基準としているのは、電子機器３２の作動時の冷媒液１４の温度を考慮したものである。電子機器３２の作動時の冷媒液１４の温度は、電子機器３２を適切に作動させるべく、２５℃〜４０℃位に制御される。そこで、電子機器３２の作動時の冷媒液１４の温度における動粘度を条件としている。

そして、動粘度に関する条件を設定しているのは、冷媒液１４の動粘度が液浸冷却装置１２の冷却能力に関わる冷媒液１４の流速、すなわち、単位時間流量と相関関係を有しているからである。電子機器３２には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の高発熱素子を実装しており、その冷却には、冷媒液１４の流量（流速）を向上させて、液浸冷却装置１２の冷却能力を向上させる必要がある。しかしながら、その一方で、流量（流速）を上昇させると、圧力損失が大きくなる。そして、圧力損失は、冷媒液１４の動粘度に比例する。例えば、流体が層流の場合は、圧力損失は動粘度に比例し、また、流体が乱流の場合は、圧力損失は動粘度の１／４乗に比例することが知られている。動粘度が高い液体を用いた状態で、流量（流速）を上げようとすると、圧力損失が大きくなり、強力で大型なポンプが必要となる。ところが、本実施形態におけるポンプ１７には、冷媒液１４の漏れや、冷媒液１４によるシール部の浸食の影響を考慮して、マグネットポンプが採用されている。マグネットポンプは軸流ポンプと比較して非力である。すなわち、マグネットポンプは、軸力が弱いので、吐出する液体の比重が高く、粘度が高い場合においては、液体の輸送力が著しく低下する特性を有する。

以下の表１及び図１０に示すグラフを参照して、マグネットポンプの特性を説明する。表１は、本実施形態のポンプとして採用することができるマグネットポンプが発揮することができる性能の一例を纏めたものであり、図１０は表１の数値をグラフ化したものである。

表１及び図１０に示すグラフによれば、例えば、揚程高さが２４．７ｍの場合と２４ｍの場合とでは、流量（短時間流量）がそれぞれ２５Ｌ／ｍｉｎと、５０Ｌ／ｍｉｎとなる。従って、揚程高さ０．７ｍ（＝７ｋＰａ）の小さな圧力損失差改善によって、２倍の流量（２５Ｌ／ｍｉｎ増加）が得られることがわかる。冷媒液１４の流量が２倍となると、熱量が２倍輸送できることになる。この結果、例えば、冷媒槽２０に電子機器３２を２倍程度投入しても適切な冷却が可能となる。

冷媒液１４の動粘度は、これらの事情を考慮して規定されている。動粘度を１ｃＳｔ以下としているのは、水の動粘度とほぼ一致する値としたものである。一般的に使用されているマグネットポンプは、水を吐出することを想定して設計されている。このため、動粘度が１ｃＳｔ以下の液体を冷媒液１４として採用すれば、市販されているマグネットポンプを利用し易くなる。すなわち、汎用性が高まり、液浸冷却装置１２のコスト低減にも資する。なお、動粘度は低ければ低いほど圧力損失を低減できるため、都合がよい。

なお、本実施例におけるポンプ１７は、マグネットポンプであったが、マグネットポンプに代えて、図１１に示すようなキャンドポンプ２７を用いてもよい。キャンドポンプ２７も密閉ポンプの一例である。

図１１を参照すると、キャンドポンプ２７は、密閉ケース２７１を備える。密閉ケース２７１には、冷媒液１４の導入口２７１ａと導出口２７１ｂが設けられている。また、密閉ケース２７１は、ロータ２７２を収容する有底筒状のロータ収容部２７１ｃを備える。ロータ２７２は、ロータ軸２７３に設けられている。ロータ軸２７３は、ロータ収容部２７１ｃの底部に設けられている第１軸受け部２７４とロータ収納部２７１ｃの開口部に設けられている第２軸受け部２７５とによって回転可能に支持されている。第１軸受け部２７４と第２軸受け部２７５は、いずれも、密閉ケース２７１を貫通することなく設けられている。

ロータ収容部２７１ｃの周囲には、密閉カバー２７６が設けられている。密閉カバー２７６内には、ステータ２７７が設けられている。ステータ２７７は、密閉カバー２７６を介してロータ２７２の周囲を覆うような状態で配置されている。すなわち、キャンドポンプ２７は、ロータ２７２とステータ２７７との組み合わせによりモータを形成し、ロータ軸２７３を回転させる。

ロータ軸２７３の先端部には、インペラ２７８が装着されている。これにより、ロータ軸２７３の回転に伴って、インペラ２７８が回転し、導入口２７１ａから密閉ケース２７１内に導入された冷媒液１４が導出口２７１ｂから吐出される。このように、キャンドポンプ２７は、インペラ２７８が設けられたロータ軸２７３、第１軸受け部２７４及び第２軸受け部２７５を冷媒液１４に浸した状態で密閉ケース２７１内に密閉している。

密閉ケース２７１は、外部と遮断されており、冷媒液１４を金属封止している。このため、キャンドポンプ２７は、浸透性の高い冷媒液１４を用いても、冷媒液１４の漏れや、冷媒液１４によるシール部の浸食の問題に対応することができる。

つぎに、以下の表２及び図１２に示すグラフを参照して、市販されているフッ素系絶縁性冷媒の中から本実施形態における冷媒液１４として採用することができる製品の選定について考察する。３Ｍ社からは、製品名フロリナート、ＡＧＣ旭硝子社からは製品名アサヒクリン、ＳＯＬＶＡＹ社からは製品名ガルデンが市販されており、それぞれ、沸点及び２５℃における沸点が異なる製品が展開されている。表２は、各メーカの品番毎に沸点と２５℃における動粘度を一覧に纏めたものである。図１２は、表２における沸点を横軸にとり、２５℃における動粘度を縦軸にとってグラフ化したものである。

表２及び図１２に示すグラフによれば、各社のいずれの製品も、沸点と２５℃における動粘度とが相関関係を有し、沸点が高い製品ほど、２５℃における動粘度も高いことがわかる。特に、沸点が概ね１５０℃以上である高沸点の製品は動粘度が高く、２５℃における動粘度が１ｃＳｔよりも高くなっており、マグネットポンプを用いた本実施形態の液浸冷却装置１２には使用し難いと判断される。

本実施形態の冷媒液１４の選定にあっては、沸点が６０℃以上ということも条件となる。これらの条件に基づいて、冷媒液１４として利用可能な製品を選定すると、３Ｍ社にあっては、品番ＦＣ−７７０と品番ＦＣ−３２８３が適合する。ＡＧＣ旭硝子社にあっては、品番ＡＣ−２０００と品番ＡＣ−６０００が適合する。ＳＯＬＶＡＹ社にあっては、品番ＨＴ７０、ＨＴ８０、ＨＴ１１０及びＨＴ１３５が適合する。なお、３Ｍ社の品番ＰＦ−５０５２、品番ＦＣ−７２、ＡＧＣ旭硝子社の品番ＡＥ−３０００及びＳＯＬＶＡＹ社の品番ＨＴ５５は、２５℃における動粘度が低いが、沸点が６０℃以下であることから除外される。

図１３は、本実施形態の冷媒液１４としてフロリナートＦＣ−３２８３を採用した場合と、比較例としてフロリナートＦＣ−４３を採用した場合の流量及び冷却能力を示すグラフである。フロリナートＦＣ−４３は、沸点が１７４℃であり、２５℃における動粘度が２．８ｃＳｔである。フロリナートＦＣ−４３は、沸点及び２５℃における動粘度が高い。このため、ポンプ１７による単位時間流量を稼ぐことができず、これを反映して冷却能力も低い。一方、本実施形態において採用することができるフロリナートＦＣ−３２８３は、沸点及び２５℃における動粘度が低い。このため、比較例と同一のマグネットポンプを用いた場合であっても、単位時間流量が多く、非常に高い冷却能力を発揮することができる。

このように、本実施形態の液浸冷却装置１２では、沸点が６０℃以上であり、２５℃における動粘度が１ｃＳｔ以下である冷媒液１４を用いる。これにより、冷媒槽２０と冷媒冷却装置４０との間でマグネットポンプであるポンプ１７によって循環する冷媒液１４の単位時間流量を確保できる。このように、高効率の冷却能力を得ることで、低消費電力とすることもできる。

（第２実施形態）
つぎに、図１４、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）を参照して、第２実施形態について説明する。図１４は第２実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。図１５（Ａ）は第２実施形態において、伸縮容器が伸張した様子を模式的に示す説明図であり、図１５（Ｂ）は第２実施形態において、伸縮容器が収縮した様子を模式的に示す説明図である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と共通する構成要素には、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。また、第２実施形態を説明する各図面では、第１実施形態が備える封止槽５０は省略している。第２実施形態では、図面上、封止槽５０を省略しているのみであるが、実際に封止槽５０を装備しない態様とすることもできる。これらの方針については、第３実施形態以下においても同様である。

第２実施形態は、冷媒槽２０の上層部に気体貯留部２０ａを備える。そして、気体貯留部２０ａと連通された伸縮自在の拡張容器８０を備えている。気体貯留部２０ａは、第１実施形態における上部空間２０Ｕに相当する。

第２実施形態は、第１実施形態と同様に、冷媒液１４を非沸騰の状態で強制対流させている。ここで、冷媒液１４は、一般的に高価であることから、蒸発してしまうと補充しなければならず、そのメンテナンスにも費用がかかることが想定される。このため、冷媒槽２０は、冷媒液１４を収容する密閉容器（気密容器）とされている。密閉容器である冷媒槽２０を用いた場合、以下のような問題が生じる可能性がある。仮に、冷媒槽２０に圧力調整弁が無い場合、冷媒槽２０内の温度が上昇すると、気化した冷媒液１４と空気の圧力上昇、冷媒液１４からの溶存空気の発生、冷媒液１４自体の体積膨張に起因して内部圧力が上昇する。内部圧力の上昇が進むと、冷媒槽２０が破損する可能性がある。

また、仮に、冷媒槽２０に圧力調整弁を備えていると、圧力調整弁によって内部圧力の上昇を防ぐことができるが、その一方で、蒸発した冷媒液１４が冷媒槽２０の外に漏出することになるため、定期的な冷媒液１４の補充が必要となる。さらに、圧力調整弁を備える場合であっても、急激に内部圧力が上昇した場合には、圧力調整弁からの気体排出が追いつかず、冷媒槽２０が破損する可能性がある。また、冷媒槽２０の内部が冷えて負圧状態になると、冷媒槽蓋部２６等が開かなくなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、図１４に示すように、気体貯留部２０ａと連通された伸縮自在の拡張容器８０を備えている。気体貯留部２０ａと拡張容器８０とは、チューブ８１によって接続されている。本実施形態における拡張容器８０は、いわゆる蛇腹形状を備えているが、単に袋形状であってもよい。

伸縮自在な拡張容器８０は、設置の自由度が高い。例えば、冷媒槽２０内の圧力の変化を緩やかにするために、冷媒槽２０の容積を大きくすることも考えられる。しかしながら、冷媒槽２０の容積を大きくすると、液浸冷却装置１２が大型化してしまう。また、冷媒槽２０の容積に見合った冷媒液１４を供給しなければならず、コストが向上してしまう可能性がある。拡張容器８０であれば、設置がしやすく、液浸冷却装置１２の大型化を回避しつつ、冷媒槽２０の内部圧力の変化を抑制することができる。

冷媒槽２０を密閉状態とした場合に、冷媒槽２０内の温度が上昇すると、気体貯留部２０ａ内の気体が体積膨張したり、冷媒液１４中の溶存空気が発生したり、冷媒液１４自体が体積膨張したりする。この結果、拡張容器８０内に気体貯留部２０ａから気体が流れ込み、図１５（Ａ）に示すように、拡張容器８０が膨らむ。一方、冷媒槽２０内の温度が低下すると、気体貯留部２０ａ内の気体が体積収縮したり、冷媒液１４へ空気が溶け込んだり、冷媒液１４自体が体積収縮したりする。この結果、拡張容器８０内から気体が流れ出て、拡張容器８０が収縮する。このように、冷媒槽２０内の内部温度が変化すると、気体の体積は変化するが、冷媒槽２０内の圧力は拡張容器８０にかかる圧力（概ね、大気圧）に保つことができる。また、この際、冷媒液１４の系外への漏出を回避することができる。

第２実施形態によれば、冷媒槽２０内の温度変化があっても冷媒槽２０内の圧力を一定に保つことができる。これにより、冷媒槽２０内の温度が上昇しても冷媒液１４の漏出、冷媒槽２０の破損を回避することができる。また、冷媒槽２０内の温度が下降しても、冷媒槽蓋部２６等を開くことができる。

（第３実施形態）
つぎに、図１６を参照しつつ、第３実施形態について説明する。図１６は第３実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。

第３実施形態は、第２実施形態とほぼ同様の態様であるが、拡張容器８０の設置位置が異なっている。第３実施形態では、第２実施形態と同様に、気体貯留部２０ａと拡張容器８０とが、チューブ８１で接続されている。チューブ８１の第１接続端８１ａが気体貯留部２０ａへ接続されている。チューブ８１の台に第２接続端８１ｂが拡張容器８０へ接続されている。ここで、第１接続端８１ａは、第２接続端８１ｂよりも重力方向下側に設けられている。これにより、拡張容器８０内で凝縮した冷媒液１４を重力によって冷媒槽２０に戻すことができる。

（第４実施形態）
つぎに、図１７を参照しつつ、第４実施形態について説明する。図１７は第４実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。

第４実施形態は、拡張容器８０を冷媒槽蓋部２６に備えている。冷媒槽蓋部２６は、連通孔２６ａを備え、この連通孔２６ａを介して拡張容器８０の内部と気体貯留部２０ａとが連通している。このような構成としても第２実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、拡張容器８０は、冷媒槽２０の側壁に設けるようにしてもよい。

（第５実施形態）
つぎに、図１８を参照しつつ、第５実施形態について説明する。図１８は第５実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。

第５実施形態は、複数の拡張容器、すなわち、拡張容器８０１、８０２を備えている。拡張容器８０１は、チューブ８１１を介して気体貯留部２０ａと接続されている。拡張容器８０２は、チューブ８１２を介して気体貯留部２０ａと接続されている。本実施形態では、拡張容器の数は、２個であるが、それ以上であってもよい。複数の拡張容器を備えることで、一つ一つの拡張容器のサイズを小さくすることができる。拡張容器のサイズを小さくすることで、拡張容器の設置の自由度を向上させることができる。

（第６実施形態）
つぎに、図１９を参照しつつ、第６実施形態について説明する。図１９は第６実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。

第６実施形態は、第２実施形態と同様に拡張容器８０を備えると共に、気体貯留部２０ａに冷却器８２を備えている。冷却器８２には、冷却水通路８３が接続されており、冷却器８２内に冷却水が循環するようになっている。本実施形態において冷却水通路８３は、循環路１６から分岐させているが、循環路１６とは異なる循環路を形成するようにしてもよい。冷却器８２で冷媒液１４の温度を低下させ、もしくは凝縮させることで気体貯留部２０ａ内の気体の体積を低減することができる。この結果、冷媒槽２０のサイズを小さくすることができる。これにより、冷媒槽２０内に貯留する冷媒液１４の量を抑制できるため、コスト面で有利となる。

（第７実施形態）
つぎに、図２０を参照しつつ、第７実施形態について説明する。図２０は第７実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。

第７実施形態は、第２実施形態と同様に拡張容器８０を備えると共に、冷媒槽２０の外側に放熱フィン８４ａを備える。放熱フィン８４ａは、放熱部の一例である。放熱部として放熱フィン８４ａを採用することで、放熱面積を拡大することができる。本実施形態の放熱フィン８４ａは、冷媒槽蓋部２６の外側に設けられている。このように、放熱フィン８４ａを設けることで、冷媒槽２０を冷却し、ひいては、冷媒液１４を冷却することができる。第７実施形態は、さらに、冷媒槽２０の内側に集熱フィン８４ｂを備える。集熱フィン８４ｂは、集熱部の一例である。集熱部として集熱フィン８４ｂを採用することで、集熱面積を拡大することができる。本実施形態の集熱フィン８４ｂは、冷媒槽蓋部２６の内側に設けられている。集熱フィン８４ｂを備えることで、気体貯留部２０ａ内の気体から熱を奪い、気体貯留部２０ａ内の気体の温度を低下させることができる。集熱フィン８４ｂに集められた熱は、冷媒槽蓋部２６や冷媒槽２０の側壁部２２Ｓを介して、放熱される。本実施形態にあっては、冷媒槽蓋部２６に放熱フィン８４ａを備えているので、より効果的に放熱することができる。なお、本実施形態では、放熱フィン８４ａと集熱フィン８４ｂを備えているが、いずれか一方を装備するようにしてもよい。

（第８実施形態）
つぎに、図２１を参照しつつ、第８実施形態について説明する。図２１は第８実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。

第８実施形態は、第２実施形態と同様に拡張容器８０を備えると共に、冷媒槽２０の内側に向かって突出した突起部８５を備えている。突起部８５は、気体貯留部２０ａに複数個設けられている。突起部８５を備えることで、気体貯留部２０ａ内の容積を小さくすることができる。気体貯留部２０ａ内の容積を小さくすることで、気体貯留部２０ａ内の気体の体積を減らすことができ、この結果、冷媒槽２０のサイズを小さくすることができる。

（第９実施形態）
つぎに、図２２を参照しつつ、第９実施形態について説明する。図２２は第９実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。図２３は第９実施形態における制御の一例を示すフローチャートである。

第９実施形態は、第６実施形態と同様に、気体貯留部２０ａに冷却器８２を備えている。冷却器８２には、冷却水通路８３が接続されており、冷却器８２内に冷却水が循環するようになっている。第９実施形態は、さらに、気体貯留部２０ａ内の温度を測定する温度計８６と、気体貯留部２０ａ内の圧力を測定する圧力計８７を備える。そして、温度計８６、圧力計８７及び冷却器８２と電気的に接続された制御部８２ａにより、温度計８６の測定値及び圧力計８７の測定値に基づいて、冷却器８２の出力が制御される。これにより、冷媒液１４の状態を適切に制御することができる。

ここで、図２３に示すフローチャートを参照しつつ、冷却器８２の制御の一例について説明する。なお、冷却器８２は、内部を流通する冷却水の循環量を調整できるようになっており、この循環量を調整することで、その出力が制御される。冷却器８２は、予め設定されたポーリング間隔で制御が行われている。まず、ステップＳ１では、温度測定値及び圧力測定値を取得する。そして、ステップＳ２において、予め設けられている温度閾値テーブル及び圧力閾値テーブルが読み込まれる。

ステップＳ２に引き続いて行われるステップＳ３では、温度測定値≧温度閾値かつ圧力測定値≧圧力閾値の条件が満たされているか否かを判断する。ステップＳ３でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、冷却器８２の出力を上昇させる。気体貯留部２０ａ内の温度も高く、圧力も高い場合は、冷却器８２の出力を向上させて、気体貯留部２０ａ内の温度を低下させ、ひいては、圧力をさせる。ステップＳ４の後は、処理は終了となり、所定のポーリング間隔を経て、再度ステップＳ１からの処理が実行される。

ステップＳ３でＮｏと判断したときは、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、温度測定値≧温度閾値かつ圧力測定値＜圧力閾値の条件が満たされているか否かを判断する。ステップＳ５でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、冷却器８２の出力を維持する。気体貯留部２０ａ内の温度が高い場合であっても、圧力が閾値未満である場合は、冷却器８２の出力を維持して、気体貯留部２０ａ内の状態を保つ。ステップＳ６の後は、処理は終了となり、所定のポーリング間隔を経て、再度ステップＳ１からの処理が実行される。

ステップＳ５でＮｏと判断したときは、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、温度測定値＜温度閾値かつ圧力測定値≧圧力閾値の条件が満たされているか否かを判断する。ステップＳ７でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、冷却器８２の出力を維持する。気体貯留部２０ａ内の圧力が高い場合であっても、温度が閾値未満である場合は、冷却器８２の出力を維持して、気体貯留部２０ａ内の状態を保つ。ステップＳ８の後は、処理は終了となり、所定のポーリング間隔を経て、再度ステップＳ１からの処理が実行される。

ステップＳ７でＮｏと判断したときは、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、冷却器８２の出力を低下させる。気体貯留部２０ａ内の状態が適切である場合に、冷却器８２の出力を低下させることで、エネルギ消費を抑制することができる。ステップＳ９の後は、処理は終了となり、所定のポーリング間隔を経て、再度ステップＳ１からの処理が実行される。

（第１０実施形態）
つぎに、図２４を参照しつつ、第１０実施形態について説明する。図２４は第１０実施形態の概略構成を模式的に示す説明図である。

第１０実施形態は、第２実施形態と同様に拡張容器８０を備えると共に、気体貯留部２０ａ内の圧力を調整する圧力調整弁８８を備えている。圧力調整弁８８は、気体貯留部２０ａ内の気体の圧力が所定の値以上となると、開弁する。これにより、拡張容器８０の膨張では対応できないほどの圧力上昇が起こった際に、冷媒槽２０内の圧力を逃がして、冷媒槽２０の破損を抑制することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１０ 液浸冷却システム
１２ 液浸冷却装置
１４ 冷媒液
１６ 循環路
１７ ポンプ（マグネットポンプ）
２０ 冷媒槽
２０ａ 気体貯留部
２７ キャンドポンプ
３２ 電子機器
４０ 冷媒冷却装置
５０ 封止槽
８０ 拡張容器
８２ 冷却器
８４ａ 放熱フィン
８４ｂ 集熱フィン
８５ 突起部
８６ 温度計
８７ 圧力計
８８ 圧力調整弁

Claims (12)

1. 電子機器を浸すフッ素系絶縁性冷媒を貯留する冷媒槽と、
   前記冷媒槽と冷媒冷却装置との間に設けられている前記フッ素系絶縁性冷媒の循環路と、
   前記循環路に配置され、インペラが設けられたロータ軸及び当該ロータ軸の軸受部を前記フッ素系絶縁性冷媒に浸した状態で密閉ケース内に密閉し、前記フッ素系絶縁性冷媒を前記冷媒槽と前記冷媒冷却装置との間で循環させる密閉ポンプと、を備え、
   前記フッ素系絶縁性冷媒の２５℃における動粘度は１ｃＳｔ以下である、液浸冷却装置。
2. 前記密閉ポンプは、キャンドポンプ又はマグネットポンプである請求項１に記載の液浸冷却装置。
3. 前記フッ素系絶縁性冷媒の沸点は６０℃以上である請求項１又は２に記載の液浸冷却装置。
4. 前記液浸冷却装置の動作中は、前記冷媒冷却装置によって前記フッ素系絶縁性冷媒が沸騰しない状態に冷却される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液浸冷却装置。
5. 前記冷媒槽は、上層部に気体貯留部を備え、前記気体貯留部と連通された伸縮自在の拡張容器をさらに備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液浸冷却装置。
6. 前記気体貯留部と前記拡張容器とはチューブで接続され、当該チューブの前記気体貯留部への接続端は、前記拡張容器への接続端よりも重力方向下側に設けられた請求項５に記載の液浸冷却装置。
7. 前記拡張容器は、前記冷媒槽の側壁又は蓋部に設けられた請求項５に記載の液浸冷却装置。
8. 前記気体貯留部に冷却器をさらに備えた請求項５乃至７のいずれか一項に記載の液浸冷却装置。
9. 前記気体貯留部内の温度を測定する温度計と、前記気体貯留部内の圧力を測定する圧力計と、前記温度計の測定値及び前記圧力計の測定値に基づいて、前記冷却器の出力を制御する制御部を、さらに備える請求項８に記載の液浸冷却装置。
10. 前記気体貯留部内の圧力を調整する圧力調整弁を備えた請求項５乃至９のいずれか一項に記載の液浸冷却装置。
11. 前記冷媒槽の外側に放熱部を備え、前記冷媒槽の内側に集熱部を備えた請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の液浸冷却装置。
12. 前記冷媒槽の内側に向かって突出した突起部を備えた請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の液浸冷却装置。

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