JP6423736B2

JP6423736B2 - 冷却装置

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Publication number: JP6423736B2
Application number: JP2015028556A
Authority: JP
Inventors: 景介宮田; 智彦大形
Original assignee: OHM Electric Co Ltd
Current assignee: OHM Electric Co Ltd
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2035-02-17
Also published as: JP2016151374A

Description

本発明は、被冷却物と接触する吸熱部材を冷媒によって冷却する冷却装置に関する。

従来、高密度の熱源を冷却する従来の冷却装置としては、チラーと呼ばれる冷却装置（以下、単にチラー装置という）や、特許文献１に記載されたものなどがある。チラー装置は、冷凍サイクルを利用して冷却水を冷却し、この冷却水によって被冷却物を冷却するものである。このチラー装置は、冷媒を圧縮するコンプレッサや冷却水を循環させる冷却水ポンプなどの電動部品を備えている。

特許文献１に記載された冷却装置は、被冷却物が接触する吸熱部材を冷凍サイクルの原理で冷却するものである。吸熱部材は、冷凍サイクルの冷媒が流れる冷媒室を有している。冷凍サイクルは、冷媒を圧縮するコンプレッサと、冷媒を冷却するコンデンサと、冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁の下流側に設けられた気液分離器、アキュムーレータおよびエバポレータなどを備えている。

気液分離器は、液状の冷媒とガス状の冷媒とを分離する気液分離室を有している。この気液分離室の下端部は、第１の冷媒通路によって吸熱部材の冷媒室の上端部に接続されている。気液分離室の上部は、第２の冷媒通路によって吸熱部材の冷媒室の上端部に接続されている。このため、気液分離室内に溜められた液状の冷媒は、第１の冷媒通路を通って吸熱部材内に流下する。吸熱部材内の冷媒は、被冷却物の熱が伝達されることにより気化する。この冷媒ガスは、第２の冷媒通路を通って気液分離室に流入する。気液分離室内の冷媒ガスは、アキュムレータとエバポレータを通ってコンプレッサに吸い込まれる。

特開２００７−２９４８８７号公報

上述した従来のチラー装置では、冷却水の温度が大気温度より低くなるために、結露により生じた凝縮水で被冷却物や周辺の電気機器に不具合が生じるおそれがある。また、コンプレッサ駆動用モータや冷却水ポンプ駆動用のモータなどの動力を発生させる電気機器が必要で、消費電力が多くなるという問題もあった。消費電力が多くなるという問題は、特許文献１に開示されている冷却装置にも同様に生じる。
チラー装置では、冷却水が漏洩するおそれがあった。冷却水が漏洩してしまうと、被冷却物や周辺の電気機器に不具合が生じるおそれがある。しかも、この種の冷却装置は、いわゆる顕熱変化により冷却するものであるために、冷却効率を高くするにも限界があった。

本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、結露を防止しながら高い冷却能力が得られ、しかも、消費電力が少なくなる冷却装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る冷却装置は、第１の冷媒が流れる冷媒室を有し、被冷却物の熱が伝達される吸熱部材と、ガス状の前記第１の冷媒と液状の前記第１の冷媒とを分離させる気液分離室を有する気液分離器と、前記冷媒室の下端部と前記気液分離室の下端部とを接続する第１の冷媒通路と、前記冷媒室の上端部と前記気液分離室の上端部とを接続する第２の冷媒通路と、前記第２の冷媒通路の途中であって、前記吸熱部材および前記気液分離器より高い位置に設けられ、前記第１の冷媒を大気によって冷却する第１の凝縮器と、前記第２の冷媒通路に前記第１の凝縮器と並列に設けられているとともに、前記第１の冷媒とは異なる第２の冷媒が流れる第３の冷媒通路の途中に設けられ、前記第１の冷媒の熱を前記第２の冷媒に伝達させる熱交換器と、前記第３の冷媒通路における前記熱交換器より下流側に設けられ、前記第２の冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記第３の冷媒通路における前記コンプレッサより下流側に設けられ、前記コンプレッサから吐出された第２の冷媒を冷却する第２の凝縮器と、前記第３の冷媒通路における第２の凝縮器と前記熱交換器との間に設けられた膨張弁と、前記コンプレッサの回転を制御する制御装置とを備え、前記第１の冷媒は、前記冷媒室内で被冷却物の熱によって加熱されることにより気化しかつ前記第１の凝縮器内で大気によって冷却されて液化するものであり、前記第２の冷媒は、第２の凝縮器で冷却されることにより液化し、前記膨張弁を通って膨張して熱交換器内で気化されるものであることを特徴とするものである。

本発明は、前記冷却装置において、さらに、前記吸熱部材の温度を検出するセンサを備え、前記制御装置は、前記センサによって検出された前記吸熱部材の温度が予め定めた設定温度以下である場合は、前記コンプレッサを停止させ、かつ前記吸熱部材の温度が前記設定温度より高い場合には、前記コンプレッサを運転状態とする機能を有していてもよい。

本発明は、前記冷却装置において、前記制御装置は、前記センサによって検出された前記吸熱部材の温度が前記設定温度より高い場合に、前記コンプレッサの回転数を徐々に上昇させる機能と、前記センサによって検出された前記吸熱部材の温度が前記設定温度以下である場合に、前記コンプレッサの回転数を徐々に低下させる機能とを有していてもよい。

本発明は、前記冷却装置において、さらに、前記第２の冷媒通路に大気を吹き付けるファンを備えていてもよい。

本発明は、前記冷却装置において、前記第１の冷媒および第２の冷媒が代替フロンであってもよい。

本発明に係る冷却装置は、コンプレッサが停止している第１の運転形態と、コンプレッサが運転されている第２の運転形態とを採ることができる。
第１の運転形態が採られているときは、被冷却物の熱は、吸熱部材の冷媒室内貯留されている第１の冷媒に伝達される。この第１の冷媒は、被冷却物の熱によって気化する。このとき、吸熱部材は、第１の冷媒が気化するときの気化潜熱に相当する熱エネルギーが奪われて冷却される。吸熱部材が冷却されることは、被冷却物が冷却されることを意味する。気化潜熱を利用して冷却することにより奪われる熱エネルギーは、冷却が顕熱反応である場合と較べて多くなる。

また、このように気化潜熱を利用して冷却が行われることにより、吸熱部材を均一に冷却することが可能になる。水で顕熱反応によって冷却する場合には、入口から流入した低温の水が出口に到達するときには温度が相対的に高い水になる。このため、入口側と出口側では温度差が生じることになる。しかし、気化潜熱を利用して冷却が行われると、冷媒が吸熱部材内で略均等に蒸発するため、上述したように吸熱部材の温度分布が略均等になる。
すなわち、この冷却装置によれば、冷却水を使用して冷却する場合より効率よく冷却することができる。

冷媒室内で第１の冷媒が気化することにより生じた冷媒ガスは、液体の冷媒より比重が小さいために冷媒室内で上昇し、冷媒室の上部から第２の冷媒通路を通って第１の凝縮器に流入する。そして、この冷媒は、第１の凝縮器で冷却されることにより一部あるいは大部分が液化し、重力によって第２の冷媒通路を通って気液分離器の気液分離室に流下する。液状の冷媒とガス状の冷媒は、気液分離器室内で分離される。

液状の冷媒は、重力によって気液分離器から第１の冷媒通路を通って吸熱部材の冷媒室に流入する。このため、第１の冷却形態においては、循環用のポンプを使用することなく、第１の冷媒が吸熱部材と第１の凝縮器および気液分離器を通って循環する。この冷却装置において、第１の冷媒がこのように循環するために必要な電力は０である。
第１の凝縮器は大気によって第１の冷媒を冷却するものである。このため、この冷却装置は、第１の冷却形態では第１の冷媒の温度が大気温度以下になることはないから、結露が生じ難いものである。

第２の運転形態が採られている場合は、コンプレッサから第３の冷媒通路に吐出された第２の冷媒の第２の凝縮器で冷却され、さらに、膨張弁を通って熱交換器内で気化する。熱交換器には、第２の冷媒通路も存在している。このため、熱交換器内において、第２の冷媒が気化するときの気化潜熱に相当する熱エネルギーが、第２の冷媒通路を流れている第１の冷媒から奪われる。すなわち、熱交換器内で第１の冷媒が冷却される。このため、第２の運転形態が採られることにより、第１の冷媒の液化および冷却が促進され、吸熱部材の冷却能力が高くなる。

この冷却装置によれば、第１の運転形態を採ることにより、少ない消費電力でかつ冷却水を使用する場合と較べて高効率の冷却を行うことが可能で、しかも、結露が生じることがない。第１の運転形態では冷却能力が不足する場合には、第２の運転形態を採ることによって、冷却能力の不足分を補うことができる。第２の運転形態ではコンプレッサが運転されて消費電力が増大する。しかし、消費電力は、常にコンプレッサが運転されている従来の冷却装置より少なくなる。
したがって、本発明によれば、結露を防止しながら高い冷却能力が得られ、しかも、消費電力が少なくなる冷却装置を提供することができる。

本発明に係る冷却装置の構成を示す系統図である。本発明に係る冷却装置の要部を示す斜視図である。冷凍サイクル部を示す斜視図である。自然循環サイクル部を示す斜視図である。吸熱部分の状態を模式的に示す断面図である。インバータ制御部の構成を示すブロック図である。本発明に係る冷却装置の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の冷却装置とチラー装置との能力を比較するためのグラフである。図８（Ａ）は本発明の冷却装置の能力を示すグラフ、図８（Ｂ）はチラー装置の能力を示すグラフ、図８（Ｃ）は本発明の冷却装置とチラー装置の能力を示すグラフである。冷却速度を比較するためのグラフである。冷却速度を比較するためのグラフである。

以下、本発明に係る冷却装置の一実施の形態を図１〜図１０によって詳細に説明する。
図１に示す冷却装置１は、高密度の熱源である被冷却物２を冷却するためのもので、被冷却物２と接触する冷却プレート３を備えている。被冷却物２の熱は、伝導によって冷却プレート３に伝達される。また、この冷却装置１は、冷却プレート３を除く他の構成部品を囲む筐体４（図２参照）を備えている。

冷却プレート３は、図２および図３に示すように、熱伝導率が高い金属によって板状に形成されており、主面が水平方向を指向する状態で筐体４の下部に立てて配置されている。この冷却プレート３は、筐体４の一側部に露出している。また、この冷却プレート３は、温度センサ５（図１参照）を備えている。温度センサ５は、冷却プレート３の温度を信号として後述する制御装置６に送る。この実施の形態においては、この冷却プレート３によって、本発明でいう「吸熱部材」が構成されている。

この冷却プレート３の内部には、冷媒室１１が形成されている。この冷媒室１１の中には液状の第１の冷媒１２（図１参照）が溜められている。この実施の形態による第１の冷媒１２は、代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）である。なお、第１の冷媒１２の種類は、代替フロンに限定されることはなく、例えばアンモニアや水でもよい。水を使用する場合は、沸点を下げるために冷媒室１１内を減圧させる。

冷却プレート３に被冷却物２から伝達された熱は、図５に模式的に示すように、冷媒室１１内の液状の第１の冷媒１２に伝達され、この第１の冷媒１２を加熱する。この液状の第１の冷媒１２は、温度が上昇することにより沸騰して気化し、冷媒ガス１２ａになる。すなわち、冷却プレート３は、第１の冷媒１２が気化するときの気化潜熱に相当する熱エネルギーが奪われて冷却される。このように冷却プレート３が第１の冷媒１２によって冷却されることにより、被冷却物２が冷却される。気化潜熱を利用して冷却することにより奪われる熱エネルギーは、冷却が顕熱反応である場合と較べて多くなる。

冷媒ガス１２ａは、液状の第１の冷媒１２より比重が小さいために、冷媒室１１内で上昇する。この冷媒室１１内は、液状の第１の冷媒１２が溜められた冷媒液体層１１ａと、冷媒ガス１２ａが溜められた冷媒気体層１１ｂとに分けられる。冷媒室１１内の冷媒ガス１２ａは、冷媒室１１の上端部から後述する第２の冷媒通路１４に流出する。

冷却プレート３の冷媒室１１の下端部は、図１に示すように、第１の冷媒通路１５によって気液分離器１６の下端部に接続されている。第１の冷媒通路１５は、図３に示すように、複数の管部材１７によって形成されている。
気液分離器１６は、ガス状の第１の冷媒１２と液状の第１の冷媒１２とを分離させる気液分離室１８を有しており、図２および図３に示すように、冷却プレート３と水平方向に隣り合う位置に配置されている。

この実施の形態による気液分離器１６は、その上端部が冷却プレート３の上端部と同じ高さに位置する状態で設置されている。この気液分離器１６と冷却プレート３とに貯留されている液状の冷媒の液面は、図１に示すように、冷却プレート３の上部であって、被冷却物２と接触する部位より上に位置している。冷却プレート３内の第１の冷媒１２が気化して冷媒室１１から流出したときは、気液分離器１６内から新たに第１の冷媒１２が冷媒室１１に補充される。

気液分離器１６（気液分離室１８）の上端部は、第２の冷媒通路１４を介して冷却プレート３（冷媒室１１）の上端部に接続されている。
第２の冷媒通路１４は、冷却プレート３の上端部に接続された複数の管部材２１（図３参照）からなる上流側管路２２と、気液分離器１６の上端部に接続された複数の管部材２３からなる下流側管路２４と、これら両管路２２，２４どうしの間に設けられた第１の凝縮器２５および熱交換器２６などによって構成されている。

第１の凝縮器２５は、第２の冷媒通路１４を流れる第１の冷媒１２を大気によって冷却するもので、図３に示すように、第１の冷媒１２が流れるパイプ２７と冷却フィン（図示せず）とを有している。パイプ２７は、第１の凝縮器２５の内部を水平方向に横切る複数の冷却部（図示せず）と、これらの冷却部どうしを接続する屈曲部２７ａとによって形成されている。第１の凝縮器２５の上端部に位置するパイプ２７の上流側端部が上流側管路２２に接続されている。また、第１の凝縮器２５の下端部に位置するパイプ２７の下流側端部が下流側管路２４に接続されている。この実施の形態による第１の冷媒１２は、第１の凝縮器２５内で大気によって冷却されて液化するものが用いられている。

この第１の凝縮器２５は、図２および図３に示すように、第２の冷媒通路１４の途中であって、冷却プレート３よび気液分離器１６より高い位置に設けられている。このため、第１の凝縮器２５で冷却されて液化した第１の冷媒１２は、重力によって下流側管路２４を通って気液分離器１６に流れ下りる。

熱交換器２６は、図１に示すように、第２の冷媒通路１４に第１の凝縮器２５と並列に設けられて第１の冷媒１２が流れる第１の冷媒部２８と、第１の冷媒１２とは異なる第２の冷媒（図示せず）が流れる第２の冷媒部２９とを有している。第２の冷媒は、第１の冷媒１２と同等のもので、後述する第３の冷媒通路３１に封入されている。すなわち、熱交換器２６は、第２の冷媒通路１４に第１の凝縮器２５と並列に設けられているとともに、第３の冷媒通路３１の途中に設けられている。
熱交換器２６の第１の冷媒部２８と第２の冷媒部２９は、第１の冷媒１２の熱を第２の冷媒に伝達させる機能を有している。
以下においては、冷却プレート３と、気液分離器１６と、第１の凝縮器２５と、熱交換器２６などの第１の冷媒１２が通る部位を単に「自然循環サイクル部３２」という。

熱交換器２６の第２の冷媒部２９は、第２の冷媒を用いる冷凍サイクルの気化行程が行われるものである。冷凍サイクルは、第３の冷媒通路３１における熱交換器２６より下流側に位置するコンプレッサ３３によって行われる圧縮行程と、このコンプレッサ３３より下流側に設けられた第２の凝縮器３４によって行われる冷却工程と、この第２の凝縮器３４と熱交換機との間に設けられた電子膨張弁３５によって行われる膨張行程と、上述した熱交換器２６の第２の冷媒部２９で行われる気化行程などによって構成されている。

第２の冷媒部２９の下流側端部は、熱交換器２６の上端部に位置しており、図４に示すように、複数の管部材３６からなる第１の管路３７によってコンプレッサ３３の冷媒入口部３３ａに接続されている。コンプレッサ３３の冷媒出口部３３ｂは、複数の管部材３８からなる第２の管路３９によって第２の凝縮器３４の上端部に接続されている。

コンプレッサ３３は、図示していないモータによって駆動されることにより第２の冷媒を圧縮して第２の管路３９に吐出する。このコンプレッサ３３は、回転軸の回転を検出するセンサを備えていない、いわゆるセンサレスのものである。コンプレッサ駆動用のモータは、コンプレッサハウジング４０の内部に収容されている。このモータの動作（コンプレッサの回転）は、後述する制御装置６によって制御される。

第２の凝縮器３４は、コンプレッサ３３から吐出された第２の冷媒を大気によって冷却するもので、第２の冷媒が流れるパイプ４１と冷却フィン（図示せず）とを有している。第２の冷媒は、第２の凝縮器３４によって冷却されることにより液化される。第２の凝縮器３４のパイプ４１は、第２の凝縮器３４の内部を水平方向に横切る複数の冷却部（図示せず）と、これらの冷却部どうしを接続する屈曲部４１ａとによって形成されている。第２の凝縮器３４の上端部に位置するパイプの上流側端部が第２の管路３９に接続されている。また、第２の凝縮器３４の下端部に位置するパイプ４１の下流側端部は、複数の管部材４２からなる第３の管路４３と電子膨張弁３５とを介して熱交換器２６の下端部（第２の冷媒部２９の上流側端部）に接続されている。

この実施の形態による第２の凝縮器３４は、図２に示すように、上述した第１の凝縮器２５と水平方向に並べて設置されている。また、第２の凝縮器３４を挟んで第１の凝縮器２５とは反対側には、第１および第２の凝縮器２５，３４に大気を吹き付ける電動式の冷却ファン４４が配置されている。この冷却ファン４４の動作は、制御装置６によって制御される。
電子膨脹弁３５は、第２の凝縮器３４によって冷却されて液化した第２の冷媒を減圧させる。電子膨脹弁３５で減圧された第２の冷媒は、熱交換器２６内で気化され、気化するときの気化潜熱に相当する熱エネルギーを第１の冷媒部２８から奪う。このため、熱交換器２６内の第１の冷媒部２８を流れる第１の冷媒１２は、熱交換器２６内で冷却されて液化され、重力によって下流側管路２４を通って気液分離器１６に流れ下りる。
以下においては、熱交換器２６と、コンプレッサ３３と、第２の凝縮器３４および電子膨脹弁３５などの第２の冷媒が通る部位を単に「冷凍サイクル部４５」という。

制御装置６は、後述する複数の機能部を有し、コンプレッサ３３が停止している第１の運転形態と、コンプレッサ３３が運転されている第２の運転形態とを切替える構成が採られている。第１の運転形態が採られると、自然循環サイクル部３２のみによって冷却が行われる。第２の運転形態が採られると、自然循環サイクル部３２と、冷凍サイクル部４５との両方を使用して冷却が行われる。

制御装置６の複数の機能部とは、図１に示すように、膨張弁制御部５１と、冷却ファン制御部５２と、温度設定部５３と、インバータ制御部５４である。膨張弁制御部５１は、電子膨脹弁３５の開度を制御する。冷却ファン制御部５２は、冷却ファン４４のオン、オフを切替える。温度設定部５３は、作業者（図示せず）が目標とする冷却温度を設定するためのものである。

インバータ制御部５４は、図６に示すように、回転指令部５５と、制御電圧変換部５６と、ＰＷＭ変換部５７と、巻線電圧値および巻線電流値取得部５８と、位相推定部５９などを備え、コンプレッサ駆動用モータの回転、停止および回転速度（周波数）の上昇、低下などの動作を制御する。

次に、上述したように構成された冷却装置１の動作を制御装置６の動作説明を含めて図７に示すフローチャートを用いて説明する。
この実施の形態による冷却装置１は、ステップＳ１においてメインスイッチ（図示せず）がＯＦＦ状態からＯＮ状態に移行することにより、動作を開始する。制御装置６は、メインスイッチがＯＮ状態となることにより起動する。
制御装置６は、起動後にステップＳ１において、電子膨脹弁３５の開度を所定の開度に設定するとともに、冷却ファン４４を回転させる。また、制御装置６は、ステップＳ１においては、コンプレッサ駆動用モータを停止した状態に保つ。すなわち、運転開始時は、自然循環サイクル部３２のみを使用する第１の運転形態で冷却装置１が運転される。このように冷却装置１が第１の運転形態で運転されている状態で冷却プレート３に被冷却物２が接触させられる。

次に、制御装置６は、ステップＳ２において、現在の冷却プレート３の温度が予め定めた設定温度より高いか否かを判別する。この設定温度は、作業者が温度設定部５３によって設定した目標とする温度である。冷却プレート３の温度が設定温度より低い場合、制御装置６は、ステップＳ３において、コンプレッサ３３が動作しているか否かを判別する。コンプレッサ３３が動作していない場合は、ステップＳ２に戻って上述した制御フローが繰り返される。すなわち、第１の運転形態で被冷却物２を充分に冷却できる場合は、ステップＳ２とステップＳ３とを繰り返し、自然循環サイクル部３２のみによって冷却されることになる。

第１の運転形態が採られているときは、冷却プレート３の冷媒室１１内で生じた冷媒ガス１２ａが主に第１の凝縮器２５で冷却される。第１の冷媒１２は、第１の凝縮器２５内で一部あるいは大部分が液化し、重力によって気液分離器１６の気液分離室１８に流下する。液状の第１の冷媒１２とガス状の第１の冷媒１２は、気液分離器１６室内で分離される。

液状の第１の冷媒１２は、冷却プレート３内の第１の冷媒１２が減少したときに、重力によって気液分離器１６から第１の冷媒通路１５を通って冷却プレート３の冷媒室１１に流入する。このため、第１の運転形態において、第１の冷媒１２は、循環用のポンプを使用することなく、自然循環サイクル部３２を循環する。この冷却装置１において、第１の冷媒１２がこのように循環するために必要な電力は、冷却ファン４４を駆動するための電力のみである。
第１の凝縮器２５は大気によって第１の冷媒１２を冷却するものである。このため、この冷却装置１は、第１の冷却形態では第１の冷媒１２の温度が大気温度以下になることはないから、結露が生じ難いものである。

ステップＳ２において、冷却プレート３の温度が設定温度より高いと判別された場合、制御装置６は、ステップＳ４において、コンプレッサ３３が動作しているか否かを判別する。このとき、コンプレッサ３３が動作していない場合は、ステップＳ５に進み、制御装置６がコンプレッサ３３を始動させる。コンプレッサ３３の始動時の回転数は、予め定めた最低回転数Ｍｉｎである。コンプレッサ３３が動作を開始することによって、第１の運転形態から第２の運転形態に移行し、自然循環サイクル部３２と冷凍サイクル部４５との両方によって冷却が行われる。

制御装置６は、コンプレッサ３３を始動させた後にステップＳ６においてインバータ最適化制御を行う。このインバータ最適化制御とは、コンプレッサ駆動用モータの回転を安定させる制御である。
コンプレッサ３３が運転されることにより、コンプレッサ３３から第３の冷媒通路３１に吐出された第２の冷媒が第２の凝縮器３４で冷却され、さらに、電子膨脹弁３５を通って熱交換器２６内の第２の冷媒部２９で気化する。熱交換器２６内で第２の冷媒部２９と隣り合う位置には、第１の冷媒部２８が存在している。このため、熱交換器２６内において、第２の冷媒が気化するときの気化潜熱に相当する熱エネルギーが、第１の冷媒部２８を流れている第１の冷媒１２から奪われる。すなわち、熱交換器２６内で第１の冷媒１２が冷却される。このため、第２の運転形態が採られることにより、第１の冷媒１２の液化および冷却が促進され、冷却プレート３の冷却能力が高くなる。

第２の運転形態が採られてコンプレッサ３３が運転されている状態でも冷却プレート３の温度が設定温度より高い場合は、ステップＳ２からステップＳ４を経てステップＳ７に進み、制御装置６がコンプレッサ駆動用モータを駆動するための周波数を上げる。すなわち、コンプレッサ３３が運転されている状態で冷却プレート３の温度が設定温度より高い場合は、コンプレッサ３３の回転数が徐々に増大する。

一方、ステップＳ２で冷却プレート３の温度が設定温度以下であると判別された場合、制御装置６は、ステップＳ２からステップＳ３を経てステップＳ８に進み、コンプレッサ駆動用モータを駆動するための周波数が最低値であるか否かを判別する。この周波数が最低値ではない場合、制御装置６は、ステップＳ９において、コンプレッサ駆動用モータを駆動するための周波数を下げる。すなわち、コンプレッサ３３が運転されている状態で冷却プレート３の温度が設定温度以下である場合は、コンプレッサ３３の回転数が徐々に低下する。

ステップＳ８で周波数が最低値であると判別された場合は、ステップＳ１０において、制御装置６がコンプレッサ駆動用モータを停止させる。すなわち、制御装置６は、温度センサ５によって検出された冷却プレート３の温度が予め定めた設定温度以下である場合は、コンプレッサ３３を停止させ、かつ冷却プレート３の温度が設定温度より高い場合には、コンプレッサ３３を運転状態とする機能を有している。

この実施の形態による冷却装置１を試作して実際に動作させたところ、図８〜図１０に示すような結果が得られた。図８（Ａ）は、この実施の形態による冷却装置１の第１の運転形態のとき（自然循環サイクル部３２のみによって冷却を行ったとき）の能力と、第２の運転形態のとき（冷凍サイクル部４５も動作させて冷却を行ったとき）の能力とを示す。図８（Ｂ）は、チラー装置の冷却能力を示す。図８（Ｃ）は、図８（Ａ）と図８（Ｂ）とを重ねたものである。図８（Ａ）〜（Ｃ）の縦軸はヒータ負荷であり、横軸は冷却プレ−トと周囲の温度との温度差である。また、図８（Ａ）〜（Ｃ）中には、ＣＯＰ（成績係数）が記載されている。ＣＯＰは、冷却能力を消費電力で除して求めることができる。

図８（Ｂ）から分かるように、チラー装置のＣＯＰは低く、冷却能力と消費電力の比が３倍程度である。
しかし、この実施の形態による冷却装置１によれば、冷却プレート３との温度が周囲温度との温度差を許容できるのであれば、大きくＣＯＰを向上させることが可能である。
図８（Ｃ）から分かるように、自然循環サイクル部３２のみの動作では冷却能力が不足する場合には、インバータ制御されたコンプレッサ３３を有する冷凍サイクル部４５を動作させることにより、チラー装置と同等の冷却能力を得ることができる。この際、チラー装置と比較して大きくＣＯＰを向上させることができ、省エネ効果が得られる。

この実施の形態による冷却装置１の冷凍サイクル部４５とチラー装置の１次側サイクル部は、ともにコンプレッサを用いる構成が採られているが、チラー装置の２次側サイクル部は冷却された水を送るためにポンプが必要である。この実施の形態による冷却装置１の自然循環部に用いられている冷却ファン４４の消費電力は。ポンプの消費電力より少ない。すなわち、チラー装置は、この消費電力の差分だけ、この実施の形態による冷却装置１と較べて電力消費が多くなる。
この実施の形態による冷却装置１は、冷却プレート３の温度と周囲温度との差を許容できるほど自然循環サイクル部３２の冷却能力が得られ、冷凍サイクル部４５のコンプレッサ３３の回転速度を低く抑えることができるため、大きな省エネ効果が得られる。

図９は、この実施の形態による自然循環サイクル部３２で冷却を行った場合とヒートシンク（図示せず）を使用して冷却を行った場合の冷却速度を比較したグラフである。ヒートシンクを使用して冷却するにあたっては、この実施の形態で用いた冷却ファン４４と同等の性能の冷却ファンでヒートシンクに大気を吹き付けて行った。
図９から分かるように、１００℃の冷却プレート３を５０℃まで冷却させるために必要な時間は、自然循環サイクル部３２で約８秒、ヒートシンクで約１８秒必要であった。自然循環サイクル部３２の冷却速度は、ヒートシンクの冷却速度の２倍以上であった。

図１０は、この実施の形態による自然循環サイクル部３２で冷却を行った場合と、チラー装置によって周囲温度の水で冷却する場合と、ファンで周囲温度に冷却された水をポンプで循環して冷却する場合とについて冷却速度を比較したグラフである。
図１０から分かるように、これらの３つの冷却方式の冷却速度は同等であった。このことは、この実施の形態による自然循環サイクル部３２は、水冷と同等の冷却速度で冷却でき、しかも、消費電力がこれらの３つの冷却方式のなかで最も少ないことを意味する。

上述したように構成されたこの実施の形態による冷却装置１において、冷却プレート３が気化潜熱を利用して冷却することにより奪われる熱エネルギーは、冷却が顕熱反応である場合と較べて多くなる。また、このように気化潜熱を利用して冷却が行われることにより、冷却プレート３を均一に冷却することが可能になる。水で顕熱反応によって冷却する場合には、入口から流入した低温の水が出口に到達するときには温度が相対的に高い水になる。このため、入口側と出口側では温度差が生じることになる。しかし、気化潜熱を利用して冷却が行われると、冷媒が冷却プレート３内で略均等に蒸発するため、上述したように冷却プレート３の温度分布が略均等になる。
すなわち、この冷却装置１によれば、冷却水を使用して冷却する場合より効率よく冷却することができる。
第１の凝縮器２５は、大気によって第１の冷媒１２を冷却するものである。このため、この冷却装置１は、第１の冷却形態では第１の冷媒１２の温度が大気温度以下になることはないから、結露が生じ難いものである。

このため、この冷却装置１によれば、第１の運転形態を採ることにより、少ない消費電力でかつ冷却水を使用する場合と較べて高効率の冷却を行うことが可能で、しかも、結露が生じることなく冷却を行うことができる。第１の運転形態では冷却能力が不足する場合には、第２の運転形態を採ることによって、冷却能力の不足分を補うことができる。第２の運転形態ではコンプレッサ３３が運転されて消費電力が増大する。しかし、消費電力は、例えばチラー装置のように常にコンプレッサが運転されている従来の冷却装置より少なくなる。
したがって、この実施の形態によれば、結露を防止しながら高い冷却能力が得られ、しかも、消費電力が少なくなる冷却装置を提供することができる。

この実施の形態による冷却装置１は、冷却プレート３の温度を検出する温度センサ５を備えている。制御装置６は、この温度センサ５によって検出された冷却プレート３の温度が予め定めた設定温度（目標温度）以下である場合は、コンプレッサ３３を停止させ、かつ冷却プレート３の温度が設定温度（目標温度）より高い場合には、コンプレッサ３３を運転状態とする機能を有している。
このため、この実施の形態によれば，第１の運転形態と第２の運転形態とが自動で切り替わるから電力消費を可及的少なく抑えながら被冷却物２を冷却することができる。

この実施の形態による制御装置６は、温度センサ５によって検出された冷却プレート３の温度が設定温度（目標温度）より高い場合に、コンプレッサ３３の回転数を徐々に上昇させる機能と、温度センサ５によって検出された冷却プレート３の温度が設定温度（目標温度）以下である場合に、コンプレッサ３３の回転数を徐々に低下させる機能とを有している。
このため、この実施の形態によれば、被冷却物２の温度に応じてコンプレッサ３３の回転数が変化するから、電力消費量が必要最小限になる。

この実施の形態よる第１の凝縮器２５は、第１の冷媒通路１４に大気を吹き付ける冷却ファン４４を備えている。このため、第１の冷媒１２を冷却する効率が高くなるから、より一層冷却効率が高くなる冷却装置を提供できる。また、小型の第１の凝縮器２５を使用できるから、コンパクトな冷却装置を実現できるという効果もある。

この実施の形態による第１の冷媒１２および第２の冷媒は代替フロンである。このため、冷却水を使用する場合とは異なり、第１および第２の冷媒１２が漏洩したとしても電気機器に不具合が生じることはない。したがって、この実施の形態によれば、使用する場所に制約を受けることがない冷却装置を提供することができる。

１…冷却装置、２…被冷却物、３…冷却プレート（吸熱部材）、５…温度センサ（センサ）、６…制御装置、１１…冷媒室、１２…第１の冷媒、１２ａ…冷媒ガス（ガス状の第１の冷媒）、１４…第２の冷媒通路、１５…第１の冷媒通路、１６…気液分離器、１８…気液分離室、２５…第１の凝縮器、２６…熱交換器、３１…第２の冷媒通路、３３…コンプレッサ、３４…第２の凝縮器、３５…電子膨脹弁、４４…冷却ファン（ファン）。

Claims

第１の冷媒が流れる冷媒室を有し、被冷却物の熱が伝達される吸熱部材と、
ガス状の前記第１の冷媒と液状の前記第１の冷媒とを分離させる気液分離室を有する気液分離器と、
前記冷媒室の下端部と前記気液分離室の下端部とを接続する第１の冷媒通路と、
前記冷媒室の上端部と前記気液分離室の上端部とを接続する第２の冷媒通路と、
前記第２の冷媒通路の途中であって、前記吸熱部材および前記気液分離器より高い位置に設けられ、前記第１の冷媒を大気によって冷却する第１の凝縮器と、
前記第２の冷媒通路に前記第１の凝縮器と並列に設けられているとともに、前記第１の冷媒とは異なる第２の冷媒が流れる第３の冷媒通路の途中に設けられ、前記第１の冷媒の熱を前記第２の冷媒に伝達させる熱交換器と、
前記第３の冷媒通路における前記熱交換器より下流側に設けられ、前記第２の冷媒を圧縮するコンプレッサと、
前記第３の冷媒通路における前記コンプレッサより下流側に設けられ、前記コンプレッサから吐出された第２の冷媒を冷却する第２の凝縮器と、
前記第３の冷媒通路における第２の凝縮器と前記熱交換器との間に設けられた膨張弁と、
前記コンプレッサの回転を制御する制御装置とを備え、
前記第１の冷媒は、前記冷媒室内で被冷却物の熱によって加熱されることにより気化しかつ前記第１の凝縮器内で大気によって冷却されて液化するものであり、
前記第２の冷媒は、第２の凝縮器で冷却されることにより液化し、前記膨張弁を通って膨張して熱交換器内で気化されるものであることを特徴とする冷却装置。
請求項１記載の冷却装置において、
さらに、前記吸熱部材の温度を検出するセンサを備え、
前記制御装置は、
前記センサによって検出された前記吸熱部材の温度が予め定めた設定温度以下である場合は、前記コンプレッサを停止させ、かつ前記吸熱部材の温度が前記設定温度より高い場合には、前記コンプレッサを運転状態とする機能を有していることを特徴とする冷却装置。
請求項２記載の冷却装置において、
前記制御装置は、
前記センサによって検出された前記吸熱部材の温度が前記設定温度より高い場合に、前記コンプレッサの回転数を徐々に上昇させる機能と、
前記センサによって検出された前記吸熱部材の温度が前記設定温度以下である場合に、前記コンプレッサの回転数を徐々に低下させる機能とを有していることを特徴とする冷却装置。
請求項１ないし請求項３のうちいずれか一つに記載の冷却装置において、
さらに、前記第２の冷媒通路に大気を吹き付けるファンを備えていることを特徴とする冷却装置。
請求項１ないし請求項４のうちいずれか一つに記載の冷却装置において、
前記第１の冷媒および前記第２の冷媒は代替フロンであることを特徴とする冷却装置。