JP6750611B2 - 相変化冷却装置および相変化冷却方法 - Google Patents

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Description

本発明は、相変化冷却装置および相変化冷却方法に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う相変化冷却装置および相変化冷却方法に関する。
近年のクラウドサービスの発展とともに、必要とされる情報処理量が増大し続けている。膨大なデータを処理するため、サーバやネットワーク機器を一箇所に集約し、エネルギー効率を高めたデータセンターが各地で運用されている。しかし、データセンター内の情報処理量の増加とともに、データセンターの電力消費量も増加している。
データセンターには、中央演算処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）や集積回路（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：ＬＳＩ）などの電子機器が収容されている。これらの電子機器は発熱を伴うので、データセンター内を適切な温度に保つために空調機が使用されているが、情報処理量の増加とともに、このような空調機にも膨大な電力が必要となっている。
したがって、データセンターの運用コストを低減するために、空調機用の電力を削減することが急務となっている。空調機用の電力を削減する試みの一つとして、電子機器を収容する筐体であるラックから排出される熱を、空調機を介さずに直接屋外へ輸送し外気へ放熱する方法が開発されている。このような方法を用いることにより、データセンターの空調電力を削減することが可能である。
電子機器を収容するラックから排気される熱を屋外に輸送する方法としては、外部から供給される冷水をポンプによって循環させる方法の他に、冷媒の相変化現象を利用する方法が知られている。この方法においては、冷媒が液相から気相へ相変化する際に生じる蒸発現象と、冷媒が気相から液相へ相変化する際に生じる凝縮現象が絶えず起こることによって冷媒が循環している。この相変化現象を用いる方法は、冷媒の潜熱を利用するので熱輸送量が大きいという特徴がある。そのため、データセンターの空調機用の電力を削減する手段として期待されている。
このような冷媒の相変化現象による冷媒循環サイクルを用いた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に記載された関連する電子機器の冷却システムは、サーバの近傍に蒸発器を設けている。蒸発器の内部には冷却コイルが設けられ、冷却コイル内を流れる冷媒液体がサーバから発生する熱風で蒸発することにより周囲から気化熱を奪いガス化する。蒸発器には、サーバから排出された熱風が蒸発器で冷却された後の風の温度を測定する温度センサが設けられている。冷却コイルの入口には、冷却コイルに供給する冷媒の供給流量を調整するための膨張弁が設けられている。そして、温度センサによる測定温度に基づいて膨張弁の開度が自動調整される。
また、蒸発器には戻し配管および供給配管が接続され、戻し配管および供給配管には開閉弁を介して冷却塔と熱交換器が設けられている。そして、外気の温湿度に基づいて、冷媒の流れを冷却塔と熱交換器とで切り替える構成としている。
特開２００９−１９３２４５号公報（段落［００２０］〜［００３２］）
上述したように、特許文献１に記載された関連する電子機器の冷却システムは、放熱のために冷却塔と熱交換器を備えている。そして、外気の温度が低く、冷却塔の熱交換性能が大きい場合には、冷却塔のみに冷媒が流れるように制御し、反対に外気の温度が高く、冷却塔の熱交換性能が不足する場合には、冷媒が熱交換器にも流れるように制御することとしている。このように、関連する電子機器の冷却システムにおいては、放熱能力を余剰に備えた構成とすることにより、安定した冷却性能を実現している。しかし、放熱用に冷却塔と熱交換器を共に備える構成とすると、設備投資費（Ｃａｐｉｔａｌ Ｅｘｐｅｎｄｉｔｕｒｅ：ＣＡＰＥＸ）が増大してしまうので、実際の採用は限られる。
このように、相変化冷却装置においては、熱交換性能の変化により安定した高効率の冷却性能を得ることが困難である、という問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、相変化冷却装置においては、熱交換性能の変化により安定した高効率の冷却性能を得ることが困難である、という課題を解決する相変化冷却装置および相変化冷却方法を提供することにある。
本発明の相変化冷却装置は、冷媒を収容する受熱器と、受熱器に収容されている冷媒の気液二相流界面に関する情報である受熱器冷媒情報を取得するセンサと、受熱器で受熱し気化した冷媒の冷媒蒸気の熱を放熱し、液化した冷媒液を受熱器に還流させる放熱器と、冷媒液の流量を制御するバルブと、バルブの開度を制御する制御部、とを有し、制御部は、受熱器冷媒情報に基づいて、冷媒の気液二相流界面が受熱器の鉛直方向における端部に位置するようにバルブの開度を制御する。
本発明の相変化冷却方法は、容器に収容されている冷媒の気液二相流界面に関する情報である冷媒情報を取得し、受熱し気化した冷媒の冷媒蒸気の熱を放熱させて液化することにより冷媒液を生成し、冷媒情報に基づいて、冷媒の気液二相流界面が容器の鉛直方向における端部に位置するように冷媒液の流量を制御する。
本発明の相変化冷却装置および相変化冷却方法によれば、熱交換性能に応じて、安定した高効率の冷却性能を得ることができる。
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側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置の構成の一部を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置の別の構成を模式的に示す側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置の別の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置のさらに別の構成を模式的に示す正面図である。 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側面図である。 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正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却装置が備える制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る相変化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。 本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却装置が備える制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る相変化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。 本発明の第４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側面図である。 本発明の第４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正面図である。 本発明の第４の実施形態に係る相変化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。 本発明の第５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側面図である。 本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却装置が備える制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却装置における、最高冷却性能の外気温度依存性を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却装置における、温度差のバルブ開度依存性を示す図である。
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。なお、図面中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却装置１０の構成を模式的に示す側面図である。図２は、本実施形態による相変化冷却装置１０の構成の一部を模式的に示す斜視図である。
本実施形態による相変化冷却装置１０は、冷媒を収容する受熱器１１、センサ１２、放熱器１３、バルブ１４、および制御部１５を有する。
受熱器１１は、冷却対象である電子機器などの発熱体２１を通過して暖気となった送風から受熱し、内部に収容した冷媒が気化することにより送風から熱を奪う。センサ１２は、受熱器１１に収容されている冷媒の気液二相流界面Ａに関する情報である受熱器冷媒情報を取得する。放熱器１３は、受熱器１１で受熱し気化した冷媒の冷媒蒸気の熱を放熱し、液化した冷媒液を受熱器１１に還流させる。バルブ１４は、この冷媒液の流量を制御する。そして、制御部１５は、受熱器冷媒情報に基づいて、冷媒の気液二相流界面Ａが受熱器１１の鉛直方向における端部に位置するようにバルブ１４の開度を制御する。ここで、図１に示した場合においては、冷媒の気液二相流界面Aは気相状態の冷媒と気液二相状態の冷媒との界面であるが、冷媒の気液二相流界面には液相状態の冷媒と気液二相状態の冷媒との界面も含まれる。
なお、図１に示すように、受熱器１１と放熱器１３は、受熱器１１で気化した冷媒蒸気が主として流動する蒸気管１６と、放熱器１３で液化した冷媒液が主として流動する液管１７とにより接続された構成とすることができる。ここで、バルブ１４は液管１７を通る冷媒液の流路内に配置される。
このように本実施形態による相変化冷却装置１０は、冷媒の相変化を利用した相変化冷却方式を用いる。この場合、発熱体２１からの熱量に相当する潜熱分の冷媒が受熱器１１に流入しているとき、その時の受熱器１１および放熱器１３の熱交換性能における、最大の冷却効率が得られる。これは、このとき受熱器１１の全領域において冷媒の潜熱のみによって吸熱が行われる状態になるからである。したがって、このときには、冷媒の気液二相流界面は受熱器１１の鉛直方向における端部に位置することになる。
上述したように本実施形態の相変化冷却装置１０は、制御部１５が冷媒の気液二相流界面Ａが受熱器１１の鉛直方向における端部に位置するようにバルブ１４の開度を制御する構成としている。したがって、本実施形態の相変化冷却装置１０によれば、熱交換性能が変化した場合であっても、その時点における熱交換性能に応じて、安定した高効率の冷却性能を得ることができる。
センサ１２として具体的には例えば、温度センサを用いることができる。温度センサは、冷却対象である発熱体２１を通過する送風の温度であって、受熱器１１から排気された後の温度である排気温度を測定する構成とすることができる。この場合、制御部１５は、排気温度と基準温度との差である送風温度差を受熱器冷媒情報とする。そして、制御部１５は、送風温度差が、受熱器１１および放熱器１３の熱交換性能に基づいて定まる判別値以下である時、冷媒の気液二相流界面が受熱器１１の鉛直方向における端部に位置すると判断する。
次に、本実施形態の相変化冷却装置が備えるセンサとして、温度センサを用いた場合について、さらに詳細に説明する。
図３、図４にセンサとして温度センサ３００ｂを用いた相変化冷却装置１１００の構成を模式的に示す。図３は側面図であり、図４は正面図である。
相変化冷却装置１１００は、受熱器１００、放熱器１１０、蒸気管１２０、液管１３０、およびバルブ４００を備え、電子機器２１０を通過した送風を冷却する。
電子機器２１０は、例えば、サーバやルータ、無停電電源装置（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ：ＵＰＳ）などであり、これらはＣＰＵやＬＳＩなどの発熱部品を備えている。電子機器２１０は様々なデータ処理を行い、データ処理の負荷により内部の発熱部品が熱を発生する。電子機器２１０の吸気側には、発熱部品を通過する前の送風の温度を基準温度として測定する温度センサ３００ａが配置されており、受熱器１００を挟んで電子機器２１０と反対側に温度センサ３００ｂが配置されている。
受熱器１００は電子機器２１０の背面側に設置されている。受熱器１００は蒸気管１２０および液管１３０を介して放熱器１１０と接続されている。受熱器１００の内部には冷媒が密閉されている。受熱器１００は電子機器２１０からの熱を、冷媒を介して受熱する。このとき、冷媒液が沸騰し、気相状態の冷媒蒸気に相変化する。相変化した冷媒蒸気は浮力によって蒸気管１２０を通って放熱器１１０に移動する。
放熱器１１０は冷媒蒸気によって輸送された熱を放熱する。すなわち、蒸気管１２０を通って流入した冷媒蒸気は、放熱器１１０内で水や空気などと熱交換する。水を用いる場合は、暖められた水はチラーやクーリングタワーなどによって冷却され、ポンプ等によって循環する。空気と熱交換する場合は、ファンなどによって空気を放熱器１１０に送ることにより、冷媒蒸気を冷却する。冷却された蒸気は、凝縮し冷媒液に相変化する。
ここで、図３および図４に示すように、放熱器１１０は受熱器１００および電子機器２１０よりも上方側に設けられている。具体的には例えば、図３に示したように、放熱器１１０はオフィス等の居室の天井５００に設けた構成とすることができる。このように、放熱器１１０を天井に設置することにより、受熱器１００が放熱器１１０よりも鉛直方向の下方側に配置している構成とすることができるので、自然循環の冷却方式を用いることが可能である。なお、ポンプなどを用いて冷媒液を循環する場合は、上述した配置関係には制限されない。
放熱器１１０で生成された冷媒液は液管１３０を通って重力により降下し、受熱器１００に還流する。なお、冷媒液が蒸気になるときに体積が２００倍程度に増大するので、蒸気管１２０の配管径は液管１３０の配管径よりも大きいことが望ましい。
冷媒は、例えば高分子材料などにより構成されており、高温になると気化し低温になると液化する特性を有している。冷媒には、例えば、ハイドロフルオロカーボン（Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ：ＨＦＣ）やハイドロフルオロエーテル（Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｅｔｈｅｒ：ＨＦＥ）などの低沸点冷媒を用いることができる。
蒸気管１２０と液管１３０は、例えばアルミニウム合金等の金属やゴム材等により形成されている。なお、蒸気管１２０および液管１３０の接続には、カプラやフランジなどが用いられる。
次に、図４を用いて、受熱器１００の構成について詳細に説明する。
受熱器１００は、上部ヘッダ１０１および下部ヘッダ１０２と、これらの間に配置された中空状のチューブ１０３と、チューブ間に設けられたフィン（不図示）から構成されている。受熱器１００は冷媒液が相変化した冷媒蒸気が流動する蒸気管１２０と、上部ヘッダ１０１の側面において蒸気支流管１２１を介して連結される。また、受熱器１００は冷媒液が流動する液管１３０と、下部ヘッダ１０２の側面において液支流管１３１を介して連結される。これにより、下部ヘッダ１０２を通ってチューブ１０３内に冷媒液が供給されることになる。液管１３０に設けられているバルブ４００の開度を変更させることによって、受熱器１００を通過する熱量に応じた流量の冷媒液を供給することができる。
冷媒の相変化を利用してサーバ等の電子機器２１０の排気熱を吸熱する場合、上述したように、発熱量に応じて潜熱分の冷媒の流量が受熱器１００に供給されているときが最も冷却効率がよい。この理由は、潜熱分以下の流量の場合は、受熱器１００の上部側（冷媒の流れの下流側）において冷媒液の量が不足するため相変化が起こらず、全ての排気熱を吸熱することができないからである。また、潜熱分以上の流量の場合は、冷媒液の量が過剰となり、顕熱による液冷となる。そのため、単位流量あたりの吸熱量が減ってしまい、排気熱を効率的に吸熱することができなくなるからである。
次に、本実施形態による相変化冷却装置１１００の動作について説明する。
潜熱分の流量の冷媒液が受熱器１００に供給されているときは、温度センサ３００ａと３００ｂのそれぞれの測定結果の差が最小となる。すなわち、この状態において、電子機器２１０が発熱した熱を受熱器１００が最も効率的に吸熱しているので、このときのバルブ４００の開度が最適な開度となる。この時の温度センサ３００ａと温度センサ３００ｂの測定温度の差をΔＴminとする。受熱器１００が電子機器２１０の排気熱を全て吸熱できる場合、すなわち受熱器１００の熱交換性能が１００％であれば、ΔＴminはゼロ（０）となる。
これに対して、温度センサ３００ａと温度センサ３００ｂの測定温度の差（ΔＴ）が、このΔＴminよりも一定値以上、例えばＴcだけ大きい場合（ΔＴ＞ΔＴmin＋Ｔc）、制御部（不図示）は受熱器１００の熱交換性能が低下したと判断する。そして、制御部は受熱器１００内の冷媒の液面（流量）を推定し、液面（流量）が最適になるようにバルブ４００を制御する。すなわち、ΔＴが最小になるようにバルブ４００の開度を制御し、受熱器１００に流入する冷媒液の流量を調節する。このように制御することにより、電子機器２１０の発熱量が変化した場合であっても、バルブ４００の開度を変更することにより、受熱器１００に必要な流量の冷媒液を供給することができるので、安定した冷却性能を保つことができる。
制御部は、居室等に設置されたローカルサーバ等に配置することができる。これに限らず、制御部をクラウドシステム上に設けた構成としてもよい。
上述したＴcの値は冷却性能の低下を許容する範囲を示し、必要となる冷却性能に応じて設定することができる。Ｔcの値が大きいほど、制御を行う必要がない範囲が増えるので制御は容易になるが、冷却性能は低下する。一方、Ｔc の値が小さいほど、制御を行う範囲が増えるので制御は困難になるが、冷却性能の低下は回避することができる。
ここで、複数の温度センサ３００ａが設けられている場合、複数の温度センサ３００ａの各々で測定された温度の最高値を吸気温度とすることができる。また、複数の温度センサ３００ａの各々で測定された温度の最低値や平均値を吸気温度として設定してもよい。
また、複数の温度センサ３００ｂが設けられている場合、複数の温度センサ３００ｂの各々で測定された温度の最高値を受熱器の排気温度とすることができる。また、複数の温度センサ３００ｂの各々で測定された温度の最低値や平均値を受熱器の排気温度として設定することとしてもよい。ただし、温度センサ３００ａで最高値を吸気温度とした場合は、温度センサ３００ｂでも同様に最高値を受熱器排気温度とし、最低値や平均値を受熱器の排気温度とはしない。同様に、温度センサ３００ａにおいて最低値や平均値を吸気温度とした場合は、温度センサ３００ｂでも同様に最低値や平均値を受熱器の排気温度とする。
制御に用いられるΔＴminの値は、受熱器１００および放熱器１１０等の熱交換性能によって変化する。例えば、受熱器１００や放熱器１１０の面積が増えると熱交換性能が上がるので、冷却システムの冷却性能は向上する。また、放熱器１１０において水と熱交換する構成の場合には、水の温度を下げた場合や流量を増大した場合にも熱交換性能が上がるので、冷却システムの冷却性能は向上する。冷却性能が向上すると、電子機器２１０の熱をより多く吸熱することが可能になるので、ΔＴminの値は小さくなる。逆に冷却性能が低下すると、ΔＴminの値は増大する。
次に、ΔＴminの値の決定方法について説明する。ΔＴminの値は、バルブ４００の開度を変化させることにより決定することができる。具体的には、バルブ開度を０〜１００％まで、例えば、５％区切りで変化させる。このとき、バルブ４００の開度を変化させると冷媒の循環が変化し冷却性能も変わるため、冷却性能が安定するまで一定時間待機した後に温度センサ３００ａと温度センサ３００ｂを用いて送風温度を測定する。このプロセスをバルブの全ての開度で行い、温度センサ３００ａと温度センサ３００ｂの測定値の差からΔＴminの値を決定する。ΔＴminの決定は、相変化冷却装置１１００を電子機器２１０に装着する前に事前に実験することにより行ってもよいし、相変化冷却装置１１００を用いた冷却システムの運用開始時に行うこととしてもよい。
上記の実施形態では、相変化冷却装置１１００が１個の受熱器１００を備えた構成について説明したが、これに限らず、図５に示すように、受熱器が鉛直方向に配置した複数個の受熱器からなる構成としてもよい。そして、複数個の受熱器１００ごとに温度センサ３００ｂおよびバルブ４００を備えた構成とすることができる。この場合は、ポンプ６００を用いて冷媒液を循環させることとしてもよい。
上述の実施形態では、相変化冷却装置１１００がセンサとして温度センサ３００ｂを用い、温度センサ３００ａと温度センサ３００ｂの測定温度の差に基づいてバルブ４００の開度を制御する構成について説明した。しかし、これに限らず、電子機器２１０の消費電力と冷媒流量に基づいてバルブ４００の開度を制御することとしてもよい。すなわち、電力センサによって電子機器２１０の消費電力を、流量センサ（流量計）を用いて冷媒の流量をそれぞれ測定し、これらの測定値から消費電力に対応した流量を供給するようにバルブ開度を制御する構成とすることができる。
次に、本実施形態による相変化冷却方法について説明する。
本実施形態の相変化冷却方法では、まず、容器に収容されている冷媒の気液二相流界面に関する情報である冷媒情報を取得する。また、受熱し気化した冷媒の冷媒蒸気の熱を放熱させて液化することにより冷媒液を生成する。そして、この冷媒情報に基づいて、冷媒の気液二相流界面が容器の鉛直方向における端部に位置するように冷媒液の流量を制御する。
このとき、冷媒情報は、冷却対象である発熱体を通過する送風の温度であって、容器を通過した後の温度である排気温度と、基準温度との差である送風温度差とすることができる。この場合、送風温度差が、冷媒が受熱し放熱する際の熱交換性能に基づいて定まる判別値以下である時、冷媒の気液二相流界面が容器の鉛直方向における端部に位置すると判断する。
上述したように、本実施形態の相変化冷却装置および相変化冷却方法によれば、熱交換性能に応じて、安定した高効率の冷却性能を得ることができる。
〔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。本実施形態による相変化冷却装置は、センサとして第１の温度センサと第２の温度センサを含む構成とした。その他の構成は、第１の実施形態による相変化冷却装置１１００と同様である。
図６、図７に、センサとして第１の温度センサ３００ｂ１と第２の温度センサ３００ｂ２を用いた相変化冷却装置１２００の構成を模式的に示す。図６は側面図であり、図７は正面図である。
図７に示すように、受熱器１００は冷媒液を鉛直方向の下側から流入し、冷媒蒸気を鉛直方向の上側から流出する構成とした。
第１の温度センサ３００ｂ１は、受熱器１００の鉛直方向の上側（冷媒液の流れの下流側）に位置し、受熱器１００の排気温度である第１の排気温度を測定する。そして、この第１の排気温度を受熱器冷媒情報として制御部に出力する。
第２の温度センサ３００ｂ２は、受熱器１００の鉛直方向の下側（冷媒液の流れの上流側）に位置し、受熱器１００の排気温度である第２の排気温度を測定する。そして、この第２の排気温度を受熱器冷媒情報として制御部に出力する。
制御部は、第１の排気温度と基準温度との差である第１の送風温度差と、第２の排気温度と基準温度との差である第２の送風温度差のいずれもが、判別値以下となるようにバルブ４００の開度を制御する。
なお、第１の温度センサ３００ｂ１は、送風が排気される受熱器１００の受熱領域に対向して配置し、受熱領域の上端から１割以内に位置している構成とすることができる。また、第２の温度センサ３００ｂ２は、送風が排気される受熱器１００の受熱領域に対向して配置し、受熱領域の下端から１割以内に位置している構成とすることができる。
図８に、本実施形態の相変化冷却装置１２００が備える制御部１５０Ａの構成を示す。制御部１５０Ａは、温度取得部１５１、中央制御部１５２、および記憶部としてのデータテーブル１５３を含む判断部と、バルブ制御を行うバルブ制御部１５４を備える出力部から構成される。
次に、本実施形態による相変化冷却装置１２００の動作について説明する。図９は、本実施形態による相変化冷却装置１２００の動作を説明するためのフローチャートである。なお、以下の説明では、第１の温度センサ３００ｂ１および第２の温度センサ３００ｂ２を、単にそれぞれ温度センサ３００ｂ１および温度センサ３００ｂ２と言う。
制御部１５０Ａは、まず、カウンタのカウントをゼロ「０」にして動作を開始する。
制御部１５０Ａが備える中央制御部１５２は、データテーブル１５３からバルブ４００の規定開度データを取り出し、バルブ制御部１５４に受け渡す。バルブ制御部１５４は規定開度データに基づいてバルブ４００の開度を変更する。その後、制御部１５０Ａは冷媒液の循環が安定するまで一定時間、例えば１分間程度、待機する（ステップＳ３０１）。
データテーブル１５３は、ΔＴmin、Ｔc、後述するＴ１、およびバルブの規定開度、最小開度、最大開度などの設定データを保持している。バルブの規定開度は、想定される発熱量に適した流量となる開度などに設定する。この規定開度が正確であるほど、制御が収束する時間が短く、高い冷却性能を保持できる時間が増大する。Ｔ１は、冷却システムが液冷になっているときに、潜熱分の流量が供給されているときに達成できる温度差ΔＴminから上昇する温度であり、例えば４℃などに設定する。最大開度は典型的には１００％であり、最小開度は例えば５％程度である。
一定時間待機した後に、温度取得部１５１が温度センサ３００a、３００ｂ１、３００ｂ２からデータを取得する。以下では、温度センサ３００aの測定値をＴａ、温度センサ３００ｂ１の測定値をＴout,t、温度センサ３００ｂ２の測定値をＴout,bとする。
中央制御部１５２は、温度取得部１５１からＴａ、Ｔout,t、Ｔout,bの値を取得し、Ｔout,tからＴａを引いた値であるΔＴ,tと、Ｔout,bからＴａを引いた値であるΔＴ,bをそれぞれ算出し、ΔＴmin＋Ｔcとの大小をそれぞれ比較する（ステップＳ３０２）。
ΔＴ,tおよびΔＴ,bのいずれもΔＴmin＋Ｔcよりも小さい場合（ステップＳ３０２／ＮＯ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要はないと判断する。この場合は、カウンタのカウントを０にし、一定時間待機（ステップＳ３１１）した後にステップＳ３０２に戻る。
ΔＴ,tおよびΔＴ,bのいずれかがΔＴmin＋Ｔcよりも大きい場合（ステップＳ３０２／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要があると判断する。この場合、中央制御部１５２はカウンタのカウントを１だけ増加させ、ΔＴ,tおよびΔＴ,bとΔＴmin＋Ｔ１との大小をそれぞれ比較する（ステップＳ３０３）。
ΔＴ,tおよびΔＴ,bのいずれもΔＴmin＋Ｔ１より大きい場合（ステップＳ３０３／ＹＥＳ）、受熱器１００の全領域で液冷になっていると判断できるので、バルブの開度を減少させる処理（ステップＳ３０５、Ｓ３０７）に移行する。
ΔＴ,tおよびΔＴ,bのいずれかがΔＴmin＋Ｔ１よりも小さい場合（ステップＳ３０３／ＮＯ）、中央制御部１５２は、受熱器１００の全領域で液冷になっていることはないと判断する。この場合、中央制御部１５２はΔＴ,tとΔＴ,bの大小を比較する（ステップＳ３０４）。このとき、受熱器１００の全領域で液冷となっていることはないので、冷媒の流量は最適量よりも若干少ないか、若干多くなっている。最適量よりも冷媒の流量が若干多くなっている場合、受熱器１００内の冷媒の流れの上流側で液冷となるので、ΔＴ,t＜ΔＴ,bとなる（ステップＳ３０４／ＮＯ）。一方、冷媒の流量が最適量よりも少ない場合は、受熱器１００内の冷媒の流れの下流側で液量が少なくなっており吸熱量が減るので、ΔＴ,t＞ΔＴ,bとなる（ステップＳ３０４／ＹＥＳ）。
ステップＳ３０４においてΔＴ,tがΔＴ,bよりも大きいと判断された場合（ステップＳ３０４／ＹＥＳ）、受熱器１００内の冷媒の流れの下流側で冷媒液の液量が少なくなっていると判断できる。その場合、制御部１５０Ａはバルブ４００の開度が最大開度以下かどうかを判断する（ステップＳ３０６）。バルブ４００の開度が最大開度より小さいと判断した場合（ステップＳ３０６／ＹＥＳ）、バルブ４００の開度を一定値だけ増加し（ステップＳ３０８）、受熱器１００に供給する冷媒液の流量を増大する。
バルブ４００の開度が最大開度以上であると判断した場合（ステップＳ３０６／ＮＯ）、ステップＳ３０１に戻る。
ステップＳ３０４において、ΔＴ,tがΔＴ,b以下であると判断された場合（ステップＳ３０４／ＮＯ）、受熱器１００内の冷媒の流れの上流側で冷媒液の液量が過剰になっていると判断できる。この場合、制御部１５０Ａはバルブ４００の開度が最小開度より大きいか否かを判断する（ステップＳ３０５）。バルブ４００の開度が最小開度より大きいと判断した場合（ステップＳ３０５／ＹＥＳ）、バルブ４００の開度を一定値だけ減少させる（ステップＳ３０７）。バルブ４００の開度が最小開度以下であると判断した場合（ステップＳ３０５／ＮＯ）、ステップＳ３０１に戻る。
バルブ４００の開度を一定値だけ減少させる（ステップＳ３０７）か、または一定値だけ増加（ステップＳ３０８）させた後に、制御部１５０Ａはカウンタのカウントが一定値、例えば１００よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ３０９）。カウントが一定値以下である場合（ステップＳ３０９／ＮＯ）、一定時間待機（ステップＳ３１１）した後にステップＳ３０２に移行する。
カウントが一定値より大きい場合（ステップＳ３０９／ＹＥＳ）、制御部１５０Ａはエラー警告を出力する（ステップＳ３１０）。カウントが一定値より大きいということは、冷媒液の流量を長時間制御できていないことを示すからである。このような現象が生じるのは、ポンプの冷媒輸送量が過少であるか過剰である場合、またはバルブ４００に不具合が生じて開度が調整できない場合などである。
以上述べた、相変化冷却装置１２００が備える制御部１５０Ａの動作により、電子機器２１０の発熱量が変化した場合でも、バルブ４００の開度を上述した制御方法によって変更することにより、受熱器１００に必要となる流量の冷媒液を供給することができる。したがって、本実施形態の相変化冷却装置１２００によれば、熱交換性能に応じて、安定した高効率の冷却性能を得ることができる。特に、本実施形態による相変化冷却装置１２００は、受熱器１００の排気側に温度センサを２個設置した構成としているので、より精度が高く、収束速度が速い制御プロセスにより上記効果を得ることができる。
〔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。本実施形態による相変化冷却装置１３００は、センサとして受熱器の鉛直方向の上側に位置する第３の温度センサ３００ｂｕを備えた構成とした。また、制御部の構成が第２の実施形態による相変化冷却装置１２００と異なる。その他の構成は、図３および図４に示した第１の実施形態による相変化冷却装置１１００と同様である。
図４に示したように、受熱器１００は冷媒液を鉛直方向の下側から流入し、冷媒蒸気を鉛直方向の上側から流出する構成とした。
第３の温度センサ３００ｂｕは、受熱器１００の鉛直方向の上側に位置し、受熱器１００の排気温度である第３の排気温度を測定する。そして、この第３の排気温度を受熱器冷媒情報として制御部１５０Ｂに出力する。なお、以下の説明では、第３の温度センサ３００ｂｕを単に温度センサ３００ｂｕと言う。
制御部１５０Ｂは、第３の排気温度と基準温度との差である第３の送風温度差が、判別値以下となるまでバルブ４００の開度が段階的に増大するように制御する。
図１０に、本実施形態の相変化冷却装置１３００が備える制御部１５０Ｂの構成を示す。制御部１５０Ｂは、温度センサ３００ｂｕおよび温度センサ３００ａから測定温度を取得する温度取得部１５１、中央制御部１５２、および記憶部としてのデータテーブル１５３を含む判断部と、バルブ制御を行うバルブ制御部１５４を備える出力部から構成される。
ここで、第３の温度センサ３００ｂｕは、送風が排気される受熱器１００の受熱領域に対向して配置し、受熱領域の上端から１割以内に位置している構成とすることができる。また、判別値として、送風温度差の最小値に、所定の定数である許容値を加算した値を用いることができる。
本実施形態による相変化冷却装置１３００のように冷媒の相変化を利用する冷却装置においては、温度センサの位置が安定な冷却性能を得るために極めて重要である。その理由は以下の通りである。温度センサが、例えば受熱器の中央に配置されている場合、温度センサの測定値が目標値と等しくなっていれば、適正な流量の冷媒液が供給されていると判断することができる。しかし、この場合、温度センサに対応する受熱器内の位置では冷媒液の流量が適正であっても、温度センサより下流側の位置では冷媒液の流量が不足し冷却性能が低下している可能性がある。しかし、本実施形態による相変化冷却装置１３００は、温度センサ３００ｂｕを、受熱器１００の冷媒液の流れの下流側に配置した構成としている。このような構成としたことにより、温度センサ３００ｂｕの位置よりも上流側（受熱器１００の下側）では全て潜熱を用いた冷却を行うように制御することが可能となる。その結果、安定した高効率の冷却性能を得ることができる。
次に、本実施形態による相変化冷却装置１３００の動作について説明する。図１１は、本実施形態による相変化冷却装置１３００の動作を説明するためのフローチャートである。
制御部１５０Ｂは、まず、カウンタのカウントをゼロ「０」にして動作を開始する。
制御部１５０Ｂが備える中央制御部１５２は、データテーブル１５３からバルブ４００の最小開度データを取り出し、バルブ制御部１５４に受け渡す。バルブ制御部１５４はバルブ４００の開度を最小開度に設定する。その後、制御部１５０Ｂは冷媒液の循環が安定するまで一定時間、例えば１分間程度、待機する（ステップＳ１０１）。
データテーブル１５３は、ΔＴmin、Ｔc、およびバルブの最小開度、最大開度などの設定データを保持している。バルブの最小開度は、バルブ４００の周辺にバイパス経路を有する構成であれば、０％とすることができる。しかし、バイパス経路を有さない構成である場合は、バルブの開度を０％にすると冷媒液が循環しないので、この場合は例えば５％等に設定すればよい。
一定時間待機した後に、温度取得部１５１が、温度センサ３００ａおよび温度センサ３００ｂｕからデータを取得する。以下では、温度センサ３００ａの測定値をＴａ、温度センサ３００ｂｕの測定値をＴoutとする。
中央制御部１５２は、温度取得部１５１からＴａ、Ｔout の値を取得し、ＴoutからＴａを引いた値であるΔＴを算出し、ΔＴmin＋Ｔcとの大小を比較する（ステップＳ１０２）。ここでＴcは、データテーブル１５３から取得した、冷却性能の低下を許容する範囲を示す値である。
ΔＴがΔＴmin＋Ｔcよりも大きい場合（ステップＳ１０２／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要があると判断する。この場合、中央制御部１５２はカウンタのカウントを１だけ増加させ、バルブ制御部１５４に一定値、例えば５％だけバルブの開度を増加させるように指示してバルブ４００の開度を変更し、一定時間待機する（ステップＳ１０３）。
ΔＴがΔＴmin＋Ｔc以下である場合（ステップＳ１０２／ＮＯ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要はないと判断し、カウンタのカウントを０にし、一定時間待機（ステップＳ１０７）した後にステップＳ１０２に戻る。
ステップＳ１０３で一定時間待機した後に、中央制御部１５２はΔＴとΔＴmin＋Ｔcとの大小を再度比較する（ステップＳ１０４）。このとき、ΔＴがΔＴmin＋Ｔcよりも大きい場合（ステップＳ１０４／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要があると判断する。この場合、中央制御部１５２はカウンタのカウントを１だけ増加させ、ステップＳ１０５に移行する。
ステップＳ１０４において、ΔＴがΔＴmin＋Ｔc以下である場合（ステップＳ１０４／ＮＯ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要はないと判断する。この場合は、カウンタのカウントを０にし、一定時間待機（ステップＳ１０７）した後にステップＳ１０２に戻る。
ステップＳ１０４において、中央制御部１５２がバルブ４００の開度を変更する必要があると判断した場合（ステップＳ１０４／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はカウントが一定値、例えば１００よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１０５）。
カウントが一定値より大きい場合（ステップＳ１０５／ＹＥＳ）、制御部１５０Ｂはエラー警告を出力する（ステップＳ１０６）。カウントが一定値より大きいということは、冷媒液の流量を長時間制御できていないことを示すからである。このような現象が生じるのは、ポンプの冷媒輸送量が過少であるか過剰である場合、またはバルブ４００に不具合が生じて開度が調整できない場合などである。
カウントが一定値以下である場合（ステップＳ１０５／ＮＯ）、中央制御部１５２はデータテーブル１５３からバルブの最大開度（例えば９５％）の値を取得し、現時点におけるバルブ４００の開度と最大開度の値の大小を比較する（ステップＳ１０８）。
現時点におけるバルブ４００の開度が、最大開度の値より大きいと判断した場合（ステップＳ１０８／ＹＥＳ）、ステップＳ１０１に移行する。一方、現時点におけるバルブ４００の開度が、最大開度の値以下であると判断した場合（ステップＳ１０８／ＮＯ）には、ステップＳ１０３に移行する。
以上述べた、相変化冷却装置１３００が備える制御部１５０Ｂの動作により、電子機器２１０の発熱量が変化した場合でも、バルブ４００の開度を上述した制御方法によって変更することにより、受熱器１００に必要となる流量の冷媒液を供給することができる。したがって、本実施形態の相変化冷却装置１３００によれば、熱交換性能に応じて、安定した高効率の冷却性能を得ることができる。また、本実施形態による相変化冷却装置１３００は、受熱器１００の排気温度を測定する温度センサとして１個の温度センサ３００ｂｕだけを備えた構成としている。そのため、相変化冷却装置１３００のコストを低減することができる。
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態による相変化冷却装置１４００は、センサとして受熱器の鉛直方向の下側に位置する第４の温度センサ３００ｂｄを備えた構成とした。
図１２、図１３に、センサとして第４の温度センサ３００ｂｄを用いた相変化冷却装置１４００の構成を模式的に示す。図１２は側面図であり、図１３は正面図である。
図１３に示したように、受熱器１００は冷媒液を鉛直方向の下側から流入し、冷媒蒸気を鉛直方向の上側から流出する構成とした。
第４の温度センサ３００ｂｄは、受熱器１００の鉛直方向の下側に位置し、受熱器１００の排気温度である第４の排気温度を測定する。そして、この第４の排気温度を受熱器冷媒情報として制御部１５０Ｃに出力する。なお、以下の説明では、第４の温度センサ３００ｂｄを単に温度センサ３００ｂｄと言う。
制御部１５０Ｃは、第４の排気温度と基準温度との差である第４の送風温度差が、判別値以下となるまでバルブ４００の開度が段階的に縮小するように制御する。制御部１５０Ｃの構成は、図１０に示した第３の実施形態による相変化冷却装置１３００が備える制御部１５０Ｂの構成と同様である。ただし、制御部１５０Ｂが備える温度取得部１５１が、温度センサ３００ｂｕに替えて温度センサ３００ｂｄから測定温度を取得する構成としている点が異なる。
次に、本実施形態による相変化冷却装置１４００の動作について説明する。図１４は、本実施形態による相変化冷却装置１４００の動作を説明するためのフローチャートである。
制御部１５０Ｃは、まず、カウンタのカウントをゼロ「０」にして動作を開始する。
制御部１５０Ｃが備える中央制御部１５２は、データテーブル１５３からバルブ４００の最大開度データを取り出し、バルブ制御部１５４に受け渡す。バルブ制御部１５４はバルブ４００の開度を最大開度に設定する。その後、制御部１５０Ｃは冷媒液の循環が安定するまで一定時間、例えば１分間程度、待機する（ステップＳ２０１）。
データテーブル１５３は、ΔＴmin、Ｔc、およびバルブの最小開度、最大開度などの設定データを保持している。バルブ４００の最大開度は、例えば１００％とすることができる。
一定時間待機した後に、温度取得部１５１が、温度センサ３００ａおよび温度センサ３００ｂｄからデータを取得する。以下では、温度センサ３００ａの測定値をＴａ、温度センサ３００ｂｄの測定値をＴoutとする。
中央制御部１５２は、温度取得部１５１からＴａ、Ｔout の値を取得し、ＴoutからＴａを引いた値であるΔＴを算出し、ΔＴmin＋Ｔcとの大小を比較する（ステップＳ２０２）。ここでＴcは、データテーブル１５３から取得した、冷却性能の低下を許容する範囲を示す値である。
ΔＴがΔＴmin＋Ｔcよりも大きい場合（ステップＳ２０２／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要があると判断する。この場合、中央制御部１５２はカウンタのカウントを１だけ増加させ、バルブ制御部１５４に一定値、例えば５％だけバルブの開度を減少させるように指示してバルブ４００の開度を変更し、一定時間待機する（ステップＳ２０３）。
ΔＴがΔＴmin＋Ｔc以下である場合（ステップＳ２０２／ＮＯ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要はないと判断し、カウンタのカウントを０にし、一定時間待機（ステップＳ２０７）した後にステップＳ２０２に戻る。
ステップＳ２０３で一定時間待機した後に、中央制御部１５２はΔＴとΔＴmin＋Ｔcとの大小を再度比較する（ステップＳ２０４）。このとき、ΔＴがΔＴmin＋Ｔcよりも大きい場合（ステップＳ２０４／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要があると判断する。この場合、中央制御部１５２はカウンタのカウントを１だけ増加させ、ステップＳ２０５に移行する。
ステップＳ２０４において、ΔＴがΔＴmin＋Ｔc以下である場合（ステップＳ２０４／ＮＯ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要はないと判断する。この場合は、カウンタのカウントを０にし、一定時間待機（ステップＳ２０７）した後にステップＳ２０２に戻る。
ステップＳ２０４において、中央制御部１５２がバルブ４００の開度を変更する必要があると判断した場合（ステップＳ２０４／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はカウントが一定値、例えば１００よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ２０５）。
カウントが一定値より大きい場合（ステップＳ２０５／ＹＥＳ）、制御部１５０Ｃはエラー警告を出力する（ステップＳ２０６）。カウントが一定値より大きいということは、冷媒液の流量を長時間制御できていないことを示すからである。このような現象が生じるのは、ポンプの冷媒輸送量が過少であるか過剰である場合、またはバルブ４００に不具合が生じて開度が調整できない場合などである。
カウントが一定値以下である場合（ステップＳ２０５／ＮＯ）、中央制御部１５２はデータテーブル１５３からバルブの最小開度（例えば５％）の値を取得し、現時点におけるバルブ４００の開度と最小開度の値の大小を比較する（ステップＳ２０８）。
現時点におけるバルブ４００の開度が、最小開度の値より小さいと判断した場合（ステップＳ２０８／ＹＥＳ）、ステップＳ２０１に移行する。一方、現時点におけるバルブ４００の開度が、最小開度の値以上であると判断した場合（ステップＳ２０８／ＮＯ）には、ステップＳ２０３に移行する。
以上述べた、相変化冷却装置１４００が備える制御部１５０Ｃの動作により、電子機器２１０の発熱量が変化した場合でも、バルブ４００の開度を上述した制御方法によって変更することにより、受熱器１００に必要となる流量の冷媒液を供給することができる。したがって、本実施形態の相変化冷却装置１４００によれば、熱交換性能に応じて、安定した高効率の冷却性能を得ることができる。また、本実施形態による相変化冷却装置１４００は、受熱器１００の排気温度を測定する温度センサとして１個の温度センサ３００ｂｄだけを備えた構成としている。そのため、相変化冷却装置１４００のコストを低減することができる。
〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態による相変化冷却装置１５００は、上述した実施形態による相変化冷却装置の構成に、第５の温度センサと第６の温度センサをさらに追加した構成とした。
図１５は、本実施形態による相変化冷却装置１５００の構成を示す側面図である。
第５の温度センサ３００ｃは、放熱器１１０の周囲の温度である放熱器周囲温度を測定する。第６の温度センサ３００ｄは、発熱体としての電子機器２１０を通過して受熱器１００に流入する前の送風の温度である流入送風温度を測定する。なお、以下の説明では、第５の温度センサ３００ｃおよび第６の温度センサ３００ｄを、それぞれ単に温度センサ３００ｃおよび温度センサ３００ｄと言う。また本実施形態では、温度センサ３００ｂが、第３の実施形態による相変化冷却装置１３００の構成と同様に、受熱器１００の鉛直方向の上側（冷媒液の流れの下流側）に位置している構成とした場合について説明する。
ここで、複数の温度センサ３００ｃが設けられている場合、複数の温度センサ３００ｃの各々で測定された温度の最高値を放熱器周囲温度とすることができる。また、複数の温度センサ３００ｃの各々で測定された温度の最低値や平均値を放熱器周囲温度として設定してもよい。
また、複数の温度センサ３００ｄが設けられている場合、複数の温度センサ３００ｄの各々で測定された温度の最高値を流入送風温度とすることができる。また、複数の温度センサ３００ｄの各々で測定された温度の最低値や平均値を流入送風温度として設定することとしてもよい。ただし、温度センサ３００ａで最高値を吸気温度とした場合は、温度センサ３００ｄでも同様に最高値を流入送風温度とし、最低値や平均値を流入送風温度とはしない。同様に、温度センサ３００ａにおいて最低値や平均値を吸気温度とした場合は、温度センサ３００ｄでも同様に最低値や平均値を流入送風温度とする。
図１６に、本実施形態の相変化冷却装置１５００が備える制御部１５０Ｄの構成を示す。制御部１５０Ｄの構成は、第３の実施形態による相変化冷却装置１３００が備える制御部１５０Ｂの構成と同様である。ただし、制御部１５０Ｄが備える温度取得部１５１が、温度センサ３００ｃから放熱器周囲温度を、温度センサ３００ｄから流入送風温度をさらに取得する構成とした点が異なる。そして、制御部１５０Ｄは、放熱器周囲温度と流入送風温度に基づいて判別値を算出する。
次に、本実施形態による相変化冷却装置１５００の動作について説明する。以下では、図１１に示した、第３の実施形態による相変化冷却装置１３００の動作を説明するためのフローチャートを参照しながら説明する。
制御部１５０Ｄは、まず、カウンタのカウントをゼロ「０」にして動作を開始する。
制御部１５０Ｄが備える中央制御部１５２は、データテーブル１５３からバルブ４００の最小開度データを取り出し、バルブ制御部１５４に受け渡す。バルブ制御部１５４はバルブ４００の開度を最小開度に設定する。その後、制御部１５０Ｄは冷媒液の循環が安定するまで一定時間、例えば１分間程度、待機する（ステップＳ１０１）。
データテーブル１５３は、Ｔc、およびバルブの最小開度、最大開度などの設定データを保持している。バルブの最小開度は、バルブ４００の周辺にバイパス経路を有する構成であれば、０％とすることができる。しかし、バイパス経路を有さない構成である場合は、バルブの開度を０％にすると冷媒液が循環しないので、この場合は例えば５％等にすればよい。
一定時間待機した後に、温度取得部１５２が、温度センサ３００ａ、温度センサ３００ｂ、温度センサ３００ｃ、および温度センサ３００ｄからデータを取得する。以下では、温度センサ３００ａの測定値をＴａ、温度センサ３００ｂの測定値をＴout、温度センサ３００ｃの測定値をＴo、そして温度センサ３００ｄの測定値をＴinとする。
中央制御部１５２は、温度取得部１５１からＴａ、Ｔout、Ｔo、Ｔinの値を取得し、ＴoutからＴａを引いた値であるΔＴを算出し、ΔＴmin＋Ｔcとの大小を比較する（ステップＳ１０２）。ここでＴcは、データテーブル１５３から取得した、冷却性能の低下を許容する範囲を示す値である。
ここで、本実施形態の相変化冷却装置１５００においては、上述した実施形態による相変化冷却装置とは異なり、データテーブル１５３にはΔＴminの値が格納されておらず、制御部１５０Ｄが算出する構成とした。
ΔＴminは下記の式（１）により定義される。
ΔＴmin＝ΔＴr（１−ηmax／１００） （１）
ここで、ΔＴrはＴin からＴａを引いた値である。ηmaxは、放熱器１１０の熱交換性能が与えられているときに、冷却システムが達成できる最高冷却性能であり、百分率で表わされる。最高冷却性能とは、発熱体の発熱量（Ｐ）に対して最適な冷媒の流量、すなわち、必要な潜熱分の冷媒流量を受熱器１００に供給している時に、冷却システムが達成できる冷却性能である。つまり、放熱器１１０の熱交換性能によって、達成できる最高冷却性能は変化する。放熱器１１０の熱交換性能は、放熱器を空冷する風量が変化した場合などにも変化する。また、最高冷却性能は発熱体の発熱量によっても変化する。
図１７に、放熱器１１０が空冷型放熱器であるとした場合における、最高冷却性能ηmaxの外気温度Ｔo依存性を示す。空冷型放熱器の熱交換性能は、主として放熱器周囲温度と放熱器を空冷する風量によって変化する。ここで、外気に放熱する場合、放熱器周囲温度は外気温度となる。以下では、外気に放熱する場合について説明する。なお、図１７では、風量を一定値に固定した場合の外気温度Ｔo依存性を示している。
外気温度ＴoがＴin 以上であるときは、圧縮機等を備えていない冷却系では熱交換を行うことができないため、いずれの発熱量においても最高冷却性能はゼロ「０」になる。一方、外気温度Ｔoが低いほど放熱器１１０の熱交換性能が上がるため、最高冷却性能ηmaxは上昇する。また、発熱量Ｐが増えるほど、最高冷却性能ηmaxは低下する。
ここで、例えば、発熱量Ｐが１０ｋＷ、外気温度がＴ１のときに最高冷却性能がηmax10である場合、達成できる最小温度差ΔＴmin10は上記式（１）から下記式（２）のように算出することができる。
ΔＴmin10＝ΔＴr（１−ηmax10／１００） （２）
図１８に、固定風量Ｑ、外気温度Ｔ１における、温度差ΔＴのバルブ開度Ｖ依存性を示す。バルブ開度Ｖは百分率で定義される。バルブ開度Ｖが０％のときは、発熱量Ｐによらず、ΔＴはΔＴrと等しくなる。すなわち、Ｔout とＴin の値が等しくなり、受熱器１００は熱を吸熱していないことを示している。これは、バルブ開度Ｖが０％であるため、循環する冷媒が存在せず吸熱できないことを示している。一方、バルブ開度Ｖが１００％のときは液冷となり、ΔＴはΔＴrよりは小さくなるが、最小温度差ΔＴminよりも大きくなる。
最適なバルブ開度、すなわち、ΔＴの値が最小となるときの開度の値は発熱量に応じて変化する。一般的には、発熱量が大きいほど、最適なバルブ開度も大きくなる。これは、発熱量が増大すると、必要となる潜熱分の冷媒流量である最適な冷媒流量も増大するためである。例えば、発熱量Ｐが５ｋＷおよび１０ｋＷである場合、最適なバルブ開度はそれぞれＶmin5とＶmin10となり、Ｖmin5＜Ｖmin10の関係になる。
以下では、発熱量Ｐが１０ｋＷ、外気温度がＴ１である場合を例として、相変化冷却装置１５００の動作を説明する。達成できる最小温度差ΔＴmin10は上記式（２）から算出される。したがって、制御部１５０ＤはステップＳ１０２において、現時点のバルブ開度における温度差ΔＴの値が、図１８の斜線部分の領域（ΔＴmin10＋Ｔc）内にあるか否かを判断することになる。
例えば、現時点におけるバルブ開度がＶ２であるとき、ΔＴはΔＴＶ２，１０ｋＷであり、ΔＴＶ２，１０ｋＷ＞ΔＴmin10＋Ｔcとなるので（ステップＳ１０２／ＹＥＳ）、制御部１５０Ｄはバルブ４００の開度を変更する必要があると判断する。この場合、制御部１５０Ｄはカウンタのカウントを１だけ増加させ、ステップＳ１０３に移行する。また、例えば、現時点におけるバルブ開度がＶ６であるとき、ΔＴはΔＴＶ６，１０ｋＷであり、ΔＴＶ６，１０ｋＷ＜ΔＴmin10＋Ｔcとなるので（ステップＳ１０２／ＮＯ）、制御部１５０Ｄはバルブ４００の開度を変更する必要はない判断する。この場合、制御部１５０Ｄはカウンタのカウントを０にし、一定時間待機（ステップＳ１０７）した後にステップＳ１０２に戻る。
このように、本実施形態の相変化冷却装置１５００が備える制御部１５０Ｄは、ステップＳ１０２において、判断時の外気温度における最高冷却性能ηmaxから式（１）を用いてΔＴminを算出する。そして、判断時のバルブ開度における温度差ΔＴの値を求め、ΔＴとΔＴmin＋Ｔcとの大小を比較することにより、バルブ開度を変更する必要があるか否かを判断する。
ステップＳ１０３において、中央制御部１５２はバルブ制御部１５４に一定値、例えば５％だけバルブの開度を増加させるように指示してバルブ４００の開度を変更し、一定時間待機する。
一定時間待機した後に、中央制御部１５２はΔＴとΔＴmin＋Ｔcとの大小を再度比較する（ステップＳ１０４）。このとき、ΔＴがΔＴmin＋Ｔcよりも大きい場合（ステップＳ１０４／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要があると判断する。この場合、中央制御部１５２はカウンタのカウントを１だけ増加させ、ステップＳ１０５に移行する。
ステップＳ１０４において、ΔＴがΔＴmin＋Ｔc以下である場合（ステップＳ１０４／ＮＯ）、中央制御部１５２はバルブ４００の開度を変更する必要はないと判断する。この場合は、カウンタのカウントを０にし、一定時間待機（ステップＳ１０７）した後にステップＳ１０２に戻る。
ステップＳ１０４において、中央制御部１５２がバルブ４００の開度を変更する必要があると判断した場合（ステップＳ１０４／ＹＥＳ）、中央制御部１５２はカウントが一定値、例えば１００よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１０５）。
カウントが一定値より大きい場合（ステップＳ１０５／ＹＥＳ）、制御部１５０Ｄはエラー警告を出力する（ステップＳ１０６）。カウントが一定値より大きいということは、冷媒液の流量を長時間制御できていないことを示すからである。このような現象が生じるのは、ポンプの冷媒輸送量が過少であるか過剰である場合、またはバルブ４００に不具合が生じて開度が調整できない場合などである。
カウントが一定値以下である場合（ステップＳ１０５／ＮＯ）、中央制御部１５２はデータテーブル１５３からバルブの最大開度（例えば９５％）の値を取得し、現時点におけるバルブ４００の開度と最大開度の値の大小を比較する（ステップＳ１０８）。
現時点におけるバルブ４００の開度が、最大開度の値より大きいと判断した場合（ステップＳ１０８／ＹＥＳ）、ステップＳ１０１に移行する。一方、現時点におけるバルブ４００の開度が、最大開度の値以下であると判断した場合（ステップＳ１０８／ＮＯ）には、ステップＳ１０３に移行する。
以上述べた、相変化冷却装置１５００が備える制御部１５０Ｄの動作により、電子機器２１０の発熱量が変化した場合でも、バルブ４００の開度を上述した制御方法によって変更することにより、受熱器１００に必要となる流量の冷媒液を供給することができる。したがって、本実施形態の相変化冷却装置１５００によれば、熱交換性能に応じて、安定した高効率の冷却性能を得ることができる。
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。
この出願は、２０１５年３月２３日に出願された日本出願特願２０１５−０５９１８０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。
１０、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００ 相変化冷却装置
１１、１００ 受熱器
１２ センサ
１３、１１０ 放熱器
１４、４００ バルブ
１５、１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｄ 制御部
１６、１２０ 蒸気管
１７、１３０ 液管
２１ 発熱体
１０１ 上部ヘッダ
１０２ 下部ヘッダ
１０３ チューブ
１２１ 蒸気支流管
１３１ 液支流管
１５１ 温度取得部
１５２ 中央制御部
１５３ データテーブル
１５４ バルブ制御部
２１０ 電子機器
３００ａ、３００ｂ、３００ｂ１、３０２ｂ２、３００ｂｕ、３００ｂｄ、３００ｃ、３００ｄ 温度センサ
５００ 天井

Claims (9)

  1. 冷媒を収容する受熱器と、
    前記受熱器に収容されている前記冷媒の気液二相流界面に関する情報である受熱器冷媒情報を取得するセンサと、
    前記受熱器で受熱し気化した前記冷媒の冷媒蒸気の熱を放熱し、液化した冷媒液を前記受熱器に還流させる放熱器と、
    前記冷媒液の流量を制御するバルブと、
    前記バルブの開度を制御する制御手段、とを有し、
    前記受熱器は、前記冷媒液が下側から流入し、前記冷媒蒸気が上側から流出するように構成され、
    前記センサは、冷却対象である発熱体を通過する送風の温度であって、前記受熱器から排気された後の温度である排気温度を測定する温度センサであり、第１の温度センサと第２の温度センサを含み、
    前記第１の温度センサは、前記受熱器の上側に位置し、前記受熱器の排気温度である第１の排気温度を測定し、前記第１の排気温度を前記受熱器冷媒情報として前記制御手段に出力し、
    前記第２の温度センサは、前記受熱器の下側に位置し、前記受熱器の排気温度である第２の排気温度を測定し、前記第２の排気温度を前記受熱器冷媒情報として前記制御手段に出力し、
    前記制御手段は、前記受熱器冷媒情報に基づいて、前記冷媒の気液二相流界面が前記受熱器の鉛直方向における端部に位置するように、また、前記第１の排気温度と基準温度との差である第１の送風温度差と、前記第２の排気温度と前記基準温度との差である第２の送風温度差のいずれもが、前記受熱器および前記放熱器の熱交換性能に基づいて定まる判別値以下となるように、前記バルブの開度を制御し、
    前記制御手段は、前記排気温度と前記基準温度との差である送風温度差を前記受熱器冷媒情報とし、前記送風温度差が、前記判別値以下である時、前記冷媒の気液二相流界面が前記受熱器の鉛直方向における端部に位置すると判断する
    相変化冷却装置。
  2. 前記第１の温度センサは、前記送風が排気される前記受熱器の受熱領域に対向して配置しており、前記受熱領域の上端から１割以内に位置している
    請求項１に記載の相変化冷却装置。
  3. 前記第２の温度センサは、前記送風が排気される前記受熱器の受熱領域に対向して配置しており、前記受熱領域の下端から１割以内に位置している
    請求項１に記載の相変化冷却装置。
  4. 前記放熱器の周囲の温度である放熱器周囲温度を測定する第５の温度センサと、前記発熱体を通過して前記受熱器に流入する前の前記送風の温度である流入送風温度を測定する第６の温度センサをさらに有し、
    前記制御手段は、前記放熱器周囲温度と前記流入送風温度に基づいて前記判別値を算出する
    請求項１から３のいずれか１項に記載の相変化冷却装置。
  5. 前記制御手段は、前記送風温度差の最小値を記憶する記憶手段を有する
    請求項１から３のいずれか１項に記載の相変化冷却装置。
  6. 前記基準温度は、前記発熱体を通過する前の前記送風の温度である
    請求項１から５のいずれか１項に記載の相変化冷却装置。
  7. 前記判別値は、前記送風温度差の最小値に、所定の定数である許容値を加算した値である
    請求項１から６のいずれか１項に記載の相変化冷却装置。
  8. 前記受熱器は、鉛直方向に配置した複数個の受熱器からなり、
    前記複数個の受熱器ごとに前記センサおよび前記バルブを備える
    請求項１から７のいずれか１項に記載の相変化冷却装置。
  9. 容器に収容されている冷媒の気液二相流界面に関する情報である冷媒情報として、冷却対象である発熱体を通過する送風の温度であって、前記容器を通過した後の温度である排気温度と、基準温度との差である送風温度差を取得し、
    受熱し気化した前記冷媒の冷媒蒸気の熱を放熱させて液化することにより冷媒液を生成し、
    前記冷媒液を前記容器の下側から流入させ、前記冷媒蒸気を前記容器の上側から流出させ、
    前記容器の上側の位置における前記排気温度である第１の排気温度を取得し、
    前記容器の下側の位置における前記排気温度である第２の排気温度を取得し、
    前記冷媒情報に基づいて、前記冷媒の気液二相流界面が前記容器の鉛直方向における端部に位置するように、また、前記第１の排気温度と前記基準温度との差である第１の送風温度差と、前記第２の排気温度と前記基準温度との差である第２の送風温度差のいずれもが、前記冷媒が受熱し放熱する際の熱交換性能に基づいて定まる判別値以下となるように、前記冷媒液の流量を制御し、
    前記送風温度差が、前記判別値以下である時、前記冷媒の気液二相流界面が前記容器の鉛直方向における端部に位置すると判断する
    相変化冷却方法。
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