JP6794735B2

JP6794735B2 - 冷却ユニットおよび空気除去装置

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Publication number: JP6794735B2
Application number: JP2016183380A
Authority: JP
Inventors: 水季和田; 有仁松永; 佐藤　正典; 正典佐藤; 孔一轟
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: JP2018048757A

Description

本発明は、冷却ユニット等に関し、例えば、空気より気相密度が大きい冷媒を用いる冷却ユニット等に関する。

特許文献１には、冷却装置の技術として、沸騰式吸熱部（蒸発器）と、放熱部（凝縮器）と、蒸気用管と、液用管とを備えたものが、開示されている。

沸騰式吸熱部および放熱部は、蒸気用管および液用管により接続されている。また、沸騰式吸熱部、放熱部、蒸気用管および液用管は閉管路を構成しており、この閉管路内部には冷媒が充填されている。冷媒は、液相冷媒および気相冷媒に相変化しながら、沸騰式吸熱部、蒸気用管、放熱部、液用管の順に循環する。沸騰式吸熱部は、発熱体に取り付けられており、冷媒の気化熱を利用して発熱体の熱を吸熱し、気相冷媒を蒸気管へ流出する。放熱部は、沸騰吸熱部から蒸気管を介して流入される気相冷媒を受け取り、気相冷媒に含まれる発熱体の熱を放熱する。

ここで、たとえば、冷却装置に冷媒を注入する際などに、空気が冷却装置内に混入する場合がある。

特許文献２に記載の技術には、循環ポンプを用いて水を循環させる配管ユニットにて、空気排出機能を用いて、配管ユニット内の空気を排出している。このとき、空気排出機構は、空気溜まりとなるタンクと、タンクに接続された真空タンクと、真空ポンプと有する。配管ユニットの配管路に混入した空気はタンクに導かれる。そして、空気排出機構は、タンク内の空気量に応じて真空ポンプを作動させて、タンク内から自動的に空気を排出している。これにより、配管ユニット内に空気が混入することを抑制している。

特開２００８−２４９３１４号公報特開２０１２−２２０１０４号公報

特許文献１に記載の冷却装置では、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いている。液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合、水を冷媒に用いた場合と比較して、少量の冷媒で発熱体の熱を輸送することができる。このため、近年、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒が、一般的に広く冷却装置に用いられている。

しかしながら、特許文献２に記載の配管ユニット（冷却ユニット）では、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いることはできず、冷却装置内を循環する冷媒として、水を用いている。

このように、特許文献２に記載の技術では、冷却装置内を循環する冷媒として、空気より十分に密度が大きい水が用いられているため、空気排出機構に接続された配管内は常に水で満たされている。このため、空気排出機構のタンク内の空気が、空気排出機構に接続された配管へ流入することは少ない。

しかし、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒の気相冷媒は、一般的に水ほど密度は高くない。このため、特許文献２に記載の技術に、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合、空気排出機構に接続された配管内は常に冷媒で満たされているとは限らない。このため、空気排出機構のタンク内の空気が、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒とともに、空気排出装置に接続された配管へ流れ込んでしまう場合があった。また、特許文献２に記載の技術に、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合、冷却装置内の冷媒は、水ほど密度が高くないため、空気とともに上昇して、空気排出機構内に流入してしまうことがあった。このため、冷却装置内の冷媒が外気に放出されてしまい、冷却装置内の冷媒が減少してしまう場合があった。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合であっても、冷却装置内の冷媒の減少を抑制しつつ、冷却装置内に混入した空気を効率よく排出することができる冷却ユニット等を提供することにある。

本発明の冷却ユニットは、空気より気相密度が大きくて液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒を循環させる冷却ユニットであって、発熱体の熱を受熱する蒸発器と、前記蒸発器により受熱された熱を放熱する凝縮器と、前記蒸発器および前記凝縮器を接続し、前記冷媒を前記蒸発器から前記凝縮器へ導く蒸気管と、前記蒸発器および前記凝縮器を接続し、前記冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器へ導く液管と、前記蒸気管内に含まれる空気を除去する空気除去部と、を備え、前記空気除去部は、前記蒸気管内に含まれる空気を貯留するタンクと、前記タンクの鉛直方向の下方側に設けられ、前記タンクと前記蒸気管を接続し、前記蒸気管内に含まれる空気を前記蒸気管から前記タンクへ導く接続管と、前記接続管を開閉する接続管バルブとを有する。

本発明の空気除去装置は、空気より気相密度が大きくて液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒が流れる配管に接続され、前記配管内に含まれる空気を除去する空気除去装置であって、前記配管内に含まれる空気を貯留するタンクと、前記タンクの鉛直方向の下方側に設けられ、前記タンクと前記配管を接続し、前記配管内に含まれる空気を前記配管から前記タンクへ導く接続管と、前記接続管を開閉する接続管バルブとを有する。

本発明にかかる冷却ユニット等によれば、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合であっても、冷却装置内の冷媒の減少を抑制しつつ、冷却装置内に混入した空気を効率よく排出することができる。

本発明の第１の実施の形態における冷却ユニットの構成を概略的に示す図である。本発明の第１の実施の形態における冷却ユニットの空気除去部の構成を概略的に示す拡大図である。本発明の第１の実施の形態における冷却ユニットの冷却装置に含まれる空気を除去する方法を説明するためのフローである。本発明の第２の実施の形態における冷却ユニットの構成を概略的に示す図である。本発明の第２の実施の形態における冷却ユニットの空気除去部の構成を概略的に示す拡大図である。本発明の第２の実施の形態における冷却ユニットの冷却装置に含まれる空気を除去する方法を説明するためのフローである。本発明の第３の実施の形態における冷却ユニットの構成を概略的に示す図である。本発明の第３の実施の形態における冷却ユニットの空気除去部の構成を概略的に示す拡大図である。本発明の第３の実施の形態における冷却ユニットの冷却装置に含まれる空気を除去する方法を説明するためのフローである。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態における冷却ユニット１００の構成について説明する。図１は、冷却ユニット１００の構成を概略的に示す図である。なお、図１には、説明の便宜上、鉛直方向Ｇを示す。

図１に示されるように、冷却ユニット１００は、冷却装置１０と、空気除去部５０とを備えている。冷却装置１０は、蒸発器１１と、凝縮器１２と、蒸気管１３と、液管１４とを備えている。

また、冷却装置１０は、蒸発器１１、蒸気管１３、凝縮器１２および液管１４を順に循環する冷媒を有する。すなわち、蒸発器１１および凝縮器１２の内部には、空洞が設けられている。

冷媒は、蒸発器１１、凝縮器１２、蒸気管１３および液管１４により形成される閉鎖空間内に、密閉された状態で閉じ込められる。この冷媒は、密閉された状態で、蒸発器１１および凝縮器１２の間を、蒸気管１３および液管１４を介して、循環する。

冷媒は、例えば高分子材料などにより構成されている。また、空気より気相密度が大きくて液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒を用いる。すなわち、冷媒は、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。

ここで冷媒には、たとえば、ハイドロフルオロカーボン（Hydrofluorocarbon）、ハイドロフルオロエーテル（Hydrofluoroether）、ハイドロフルオロオレフィン（Hydrofluoroolefin）を用いることができる。

図１に示されるように、蒸発器１１は、蒸気管１３および液管１４によって、凝縮器１２に接続されている。蒸発器１１は、発熱体ＨＥ（Heating Element）に、取り付けられている。蒸発器１１は、発熱体ＨＥの熱を受熱する。蒸発器１１は、受熱した発熱体ＨＥの熱を、冷媒を用いて、凝縮器１２へ伝達する。なお、蒸発器１１は発熱体ＨＥに取り付けられると説明したが、これに限定されない。すなわち、蒸発器１１は発熱体ＨＥの熱を受熱できればよく、蒸発器１１および発熱体ＨＥ間の相対的な位置は限定されない。また、蒸発器１１は、たとえば、アルミニウム合金等により形成されている。

なお、発熱体ＨＥは、稼働すると熱を発する部品であって、たとえば中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）や集積回路（Multi-chip Module：ＭＣＭ）などである。発熱体ＨＥは、冷却装置１０の冷却対象である。

図１に示されるように、凝縮器１２は、蒸気管１３および液管１４によって、蒸発器１１に接続されている。図１に示されるように、凝縮器１２は、蒸発器１１よりも鉛直方向Ｇの上方に配置されている。凝縮器１２は、蒸発器１１により受熱された発熱体ＨＥの熱を受け取り、この熱を冷却装置１０の外へ放熱する。すなわち、凝縮器１２は、冷媒を介して、蒸発器１１から発熱体ＨＥの熱を受け取る。そして、凝縮器１２は、受け取った発熱体ＨＥの熱を冷却装置１０の外へ放熱する。なお、凝縮器１２は、たとえば、アルミニウム合金等により形成されている。

蒸気管１３は、蒸発器１１および凝縮器１２を接続する。同様に、液管１４は、蒸発器１１および凝縮器１２を接続する。蒸気管１３および液管１４は、蒸発器１１および凝縮器１２の間で、冷媒を循環させるために用いられる。すなわち、蒸気管１３は、蒸発器１１で気化した気相冷媒を、蒸発器１１から凝縮器１２へ導く。逆に、液管１４は、凝縮器１２で凝縮液化した液相冷媒を、凝縮器１２から蒸発器１１へ導く。なお、蒸気管１３および液管１４は、たとえば、アルミニウム合金等により形成されている。

これにより、冷媒は、蒸発器１１、蒸気管１３、凝縮器１２および液管１４を順に循環できる。すなわち、発熱体ＨＥの熱により蒸発器１１内で気化した気相冷媒は、蒸気管１３内を流れ、凝縮器１２内に流入する。次に、凝縮器１２内で凝縮液化された液相冷媒は、液管１４内を流れ、蒸発器１１に流入する。以降、上述した処理を繰り返す。

図１に示されるように、空気除去部５０は、蒸気管１３に取り付けられる。空気除去部１５は、蒸気管１３に対して取り付け取り外しが行える。図２は、空気除去部５０の構成を概略的に示す拡大図である。なお、空気除去部５０は、本発明の空気除去装置でもある。空気除去部５０は、蒸気管１３内に含まれる空気を除去する。好ましくは、空気除去部５０は、蒸気管１３のうちで、鉛直方向Ｇで最も高い場所で、蒸気管１３に接続されている。また、さらに、好ましくは、空気除去部５０は、蒸発器１１および凝縮器１２よりも、鉛直方向Ｇで高い場所に設けられている。

図１および図２に示されるように、空気除去部５０は、タンク５１と、接続管５２と、接続管バルブ５３と、排気用配管５４と、排気用バルブ５５とを備えている。

図１および図２に示されるように、タンク５１は、外観上、円柱の鉛直方向Ｇの下方側に円錐を連結した形状に形成されている。タンク５１内は、空洞が形成されている。したがって、タンク５１を鉛直方向Ｇに対して切断したときのタンク５１の内壁に囲われた領域の断面積は、鉛直方向Ｇの下方側において、鉛直方向Ｇの下方に向けて徐々に小さくなる。タンク５１は、蒸気管３０内（冷却装置１０内）に含まれる空気を貯留する。タンク５１は、たとえば、アルミニウム合金等により形成されている。タンク５１の最下部は、接続管５２の鉛直方向Ｇの上方側に接続されている。

図１および図２に示されるように、接続管５２は、タンク５１の鉛直方向Ｇの下方側に設けられている。接続管５２は、タンク５１と蒸気管３０を接続する。接続管５２は、たとえば、円筒状に形成されている。接続管５２の鉛直方向Ｇの上方側は、タンク５１内の空洞に連結されている。接続管５２の鉛直方向Ｇの下方側は、蒸気管１３の空洞に連結されている。ここで、蒸気管１３のうち、接続管５２との接続部には、開閉自在な蓋（不図示）が設けられている。接続管５２を蒸気管１３に取り付けていないときは、蒸気管１３の蓋は閉じられている。接続管５２を蒸気管１３に取り付けているときは、蒸気管１３の蓋は開かれている。したがって、蒸気管１３の蓋を開いた状態で接続管５２を蒸気管１３に取りつけることにより、接続管５２の鉛直方向Ｇの下方側は、蒸気管１３の空洞に連結される。接続管５２は、蒸気管１３内に含まれる空気を蒸気管１３からタンク５１へ導く。接続管バルブ５３は、たとえば、アルミニウム合金等により形成されている。

図１および図２に示されるように、接続管バルブ５３は、接続管５１に設けられている。接続管バルブ５３は、接続管５１を開閉する。すなわち、接続管バルブ５３が開かれているときには、蒸気管１３内に含まれる空気が、蒸気管１３からタンク５１へ向かって鉛直方向Ｇの上方へ流れる。このとき、蒸気管１３内（冷却装置１０内）の冷媒は、空気よりも気相密度が大きいため、基本的には、蒸気管１３からタンク５１へ向かって鉛直方向Ｇの上方へ流れることはない。これにより、蒸気管１３内の空気を効率よくタンク５３に流入させることができる。ただし、接続管バルブ５３の開口によって、接続管５１および蒸気管１３の接続部で乱流が生じることがある。このような乱流が生じた場合、蒸気管１３内（冷却装置１０内）の冷媒も、空気とともに、タンク５１へ向かって流れる場合がある。接続管バルブ５３が閉じられているときには、蒸気管１３内（冷却装置１０内）に含まれる空気が蒸気管１３からタンク５１へ向かって流れる流動は、接続管バルブ５３により遮断される。

図１および図２に示されるように、排気用配管５４は、タンク５１の鉛直方向Ｇの上方側に設けられている。排気用配管５４の排気用配管５４の鉛直方向Ｇの下方側は、タンク５１の鉛直方向Ｇの上方側に接続されている。排気用配管５４は、タンク５１の空洞に連結されている。排気用配管５４は、たとえば、円筒状に形成されている。また、排気用配管５４の鉛直方向Ｇの上方側は、真空ポンプＰに接続されている。排気用配管５４は、タンク５１内に貯留された空気を真空ポンプＰへ導く。排気用配管５４は、たとえば、アルミニウム合金等により形成されている。

図１に示されるように、真空ポンプＰは、排気用配管５４の鉛直方向Ｇの上方側に接続されている。真空ポンプＰは、排気用配管５４を介して、タンク５１内の空気を吸入して、タンク５１内を真空にすることができる。

図１および図２に示されるように、排気用バルブ５５は、排気用配管５４に設けられている。排気用バルブ５５は、排気用配管５４を開閉する。すなわち、排気用バルブ５５が開かれているときには、タンク５１内に貯留されている空気が、タンク５１から真空ポンプＰへ向かって鉛直方向Ｇの上方へ流れる。排気用バルブ５５が閉じられているときには、タンク５１内に貯留されている空気がタンク５１から真空ポンプＰへ向かって流れる流動は、排気用バルブ５５により遮断される。

以上、冷却ユニット１００の構成を説明した。

つぎに、冷却装置１０の動作について説明する。発熱体ＨＥが動作すると、冷却装置１０が発熱体ＨＥの熱を冷却し始める。まず、蒸発器１１は、発熱体ＨＥの熱を受熱する。そして、蒸発器１１は、受熱した発熱体ＨＥの熱を、冷媒を用いて、凝縮器１２へ伝達する。つぎに、凝縮器１２は、蒸発器１１により受熱された発熱体ＨＥの熱を受け取り、この熱を冷却装置１０の外へ放熱する。すなわち、凝縮器１２は、冷媒を介して、蒸発器１１から発熱体ＨＥの熱を受け取る。そして、凝縮器１２は、受け取った発熱体ＨＥの熱を冷却装置１０の外へ放熱する。これにより、発熱体ＨＥの熱が冷却される。

以上、冷却装置１０の動作について説明した。

つぎに、空気が冷却装置内に混入した場合に、冷却装置１０に含まれる空気を除去する方法について、説明する。

図３は、冷却ユニット１００の冷却装置１０に含まれる空気を除去する方法を説明するためのフローである。

まず、冷却装置１０内に空気が混入したとの疑いが発生したことを認識する（ステップ（ＳＴＥＰ：以下、単にＳと称する。）１０）。ここで、この空気混入の認識は、冷却装置１０内の圧力の上昇を検知することにより、行われる。冷媒の他に空気が冷却装置１０内に混入すると、空気の分の分圧により冷却装置１０内の圧力が上昇することが知られている。ここでは、この現象を利用して、冷却装置１０内の圧力が所定値以上に上昇したことを検知した場合に、冷却装置１０内に空気が混入したと判断する。なお、冷却装置１０内に空気が混入する要因に関して、たとえば、経年変化により蒸気管１３等に小さな穴が形成された場合に、この穴から冷却装置１０内に空気が混入することが知られている。また、冷却装置１０に冷媒を注入する際に、冷媒注入口から冷却装置１０内に空気が混入することが知られている。

つぎに、空気除去部５０の接続管バルブ５３を閉口して、排気用バルブ５５を開口した状態で排気用配管５４を介して真空ポンプＰで真空引きを行う（Ｓ２０）。これにより、タンク５１内の空気が除去され、タンク５１内が真空状態となる。

つぎに、排気用バルブ５５を閉口する。そして、排気用バルブ５５を閉口した状態で、接続管バルブを開口し、冷却装置１０を一定時間運転させて、冷却装置１０内の空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）をタンク５１内に充填する（Ｓ３０）。このとき、冷却装置１０内の空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）は、冷媒よりも気相密度が小さいため、鉛直方向Ｇの上方側へ流れて、タンク５１へ流入する。これにより、タンク５１内は、空気によって充填される。よって、冷却装置１０内の空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）を除去することができる。なお、Ｓ３０の一定時間は、冷媒が冷却装置１０内を循環することにより、冷却装置１０に含まれる空気（特に蒸気管に含まれる空気）をタンク５１内に充填できる時間であればよい。具体的には、Ｓ３０の一定時間は、冷媒量と、発熱体ＨＥの発熱量に応じて、調整される。

つぎに、接続管バルブ５３を閉口する（Ｓ４０）。これにより、元々冷却装置１０内に含まれていた空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）は、タンク５１内に閉じこめられる。したがって、タンク５１内に貯留されている空気が、蒸気管１３へ流入することはない。

最後に、排気用配管５４を介して真空ポンプＰで真空抜きすることで、タンク５１内の空気を除去する（Ｓ５０）。具体的には、排気用バルブ５５を開口して、真空ポンプＰで真空抜きを行う。これにより、タンク５１内に貯留された空気を外気へ放出することができる。この結果、冷却装置１０内の圧力は冷媒の飽和蒸気圧と等しくなり、冷却装置１０内に密閉された冷媒の沸点が室温近傍となる。

以上、冷却装置１０に含まれる空気を除去する方法について、説明した。このようにして、冷却装置１０内に含まれる空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）を、冷却装置１０内から除去することができる。

以上のように、本発明の第１の実施の形態における冷却ユニット１００は、空気より気相密度が大きくて液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒を循環させる。また、冷却ユニット１００は、蒸発器１１と、凝縮器１２と、蒸気管１３と、液管１４と、空気除去部５０とを備えている。蒸発器１１は、発熱体ＨＥの熱を受熱する。凝縮器１２は、蒸発器１１により受熱された熱を放熱する。蒸気管１３は、蒸発器１１および凝縮器１２を接続し、冷媒を蒸発器１１から凝縮器１２へ導く。液管１４は、蒸発器１１および凝縮器１２を接続し、冷媒を凝縮器１２から蒸発器１１へ導く。空気除去部５０は、蒸気管１３内に含まれる空気を除去する。空気除去部５０は、タンク５１と、接続管５２と、接続管バルブ５３とを有する。タンク５１は、蒸気管１３内に含まれる空気を貯留する。接続管５２は、タンク５１の鉛直方向Ｇの下方側に設けられている。接続管５２は、タンク５１と蒸気管１３を接続する。接続管５２は、蒸気管１３内に含まれる空気を蒸気管１３からタンク５１へ導く。接続管バルブ５３は、接続管５２を開閉する。

このように、冷却ユニット１００では、空気より気相密度が大きくて液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒を用いている。また、接続管５２は、タンク５１の鉛直方向Ｇの下方側に設けられており、タンク５１と蒸気管１３を接続する。すなわち、タンク５１は、蒸気管１３よりも鉛直方向Ｇの上方側に設けられている。したがって、蒸気管１３内に含まれる空気は、接続管５２内を鉛直方向Ｇの上方側へ向けて上昇し、タンク５１内に流入する。また、接続管バルブ５３は、接続管５２を開閉することができる。このため、接続バルブ５３を閉口することにより、タンク５１内の空気が、冷媒とともに、鉛直方向Ｇの下方に流れてしまい、蒸気管１３に戻ってしまうことを抑制することができる。液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒の気相冷媒は、一般的に水ほど比重は高くない。このため、接続管バルブ５３を設けなければ、タンク５１内の空気が冷媒とともに、蒸気管１３へ流れ込んでしまう場合があった。一方、冷却ユニット１００では、上述の通り、接続管５２を開閉する接続管バルブ５３を設けることにより、接続バルブ５３を閉口することができるようにした。これにより、タンク５１内に空気が貯留された状態で接続管バルブ５３を閉口したとき、タンク５１内の空気が冷媒とともに鉛直方向Ｇの下方に流れてしまい、蒸気管１３に戻ってしまうことを抑制することができる。また、接続管バルブ５３を閉口することにより、冷却装置１０内の冷媒が上昇してタンク５１内に流入することを抑制できる。このため、接続管バルブ５３を設けない場合と比較して、冷却装置１０内からタンク５１内に流入する冷媒の量を減少させることができる。したがって、排気用配管５４を介して外気へ放出される冷媒の量を減少することができる。このように、接続管バルブ５３を設けたことにより、冷却装置１０内の冷媒の減少を抑制することができる。

したがって、本発明の第１の実施の形態における冷却ユニット１００によれば、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合であっても、冷却装置内の冷媒の減少を抑制しつつ、冷却装置１０内に混入した空気を効率よく排出することができる。

また、接続管バルブ５３の開閉は、冷却装置１０が動作している間でも、行える。このため、冷却装置１０の運転を停止することなく、冷却装置１０内に混入した空気を排出することができる。この結果、冷却装置１０の故障を抑止でき、冷却装置１０を安定的に継続して動作し続けることができる。

とくに、液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒を冷却装置１０に用いた場合に、冷却装置１０内に空気が混入すると、次のような２つの問題が生じる。

すなわち、まず、１つ目の問題として、冷媒に相変化が生じると、液相冷媒と気相冷媒との間で大きく体積が異なる。このため、たとえば、冷媒が液相冷媒から気相冷媒に相変化すると、冷却装置１０内の圧力が上昇する。そして、冷却装置１０内の圧力が上昇した状態で空気が冷媒に混入すると、冷却装置１０内において、冷媒による圧力に、空気による分圧が加わる。このため、冷却装置１０内の圧力がより上昇する。冷却装置１０内の圧力の上昇は、冷却装置１０自体の故障の原因となる。

２つ目の問題として、空気の気相密度は冷媒の気相密度よりも小さいため、冷却装置１０内に空気が混入した場合、空気は冷却装置１０の上部に溜まる。このため、冷却装置１０内の冷媒の循環を阻害し、冷却装置１０の冷却機能を低下させたりする、また、ポンプで強制循環を行う場合には、ポンプの電力を上昇させてしまう。

一方、本発明の第１の実施の形態における冷却ユニット１００では、上述の通り、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合であっても、冷却装置１０内に混入した空気を排出することができるので、上記２つの問題についても解決することができる。

すなわち、１つ目の問題については、冷却ユニット１００では、上述の通り、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合であっても、冷却装置１０内に混入した空気を排出することができるので、冷却装置１０内で空気による分圧が加わることを抑制できる。したがって、冷却装置１０の圧力の上昇も抑制できる。この結果、冷却装置１０自体の故障の発生も抑制できる。

２つ目の問題については、冷却ユニット１００では、上述の通り、液相冷媒および気相冷媒の間で相変化する冷媒を用いた場合であっても、冷却装置１０内に混入した空気を排出することができるので、空気が冷却装置１０の上部に溜まることを抑制できる。したがって、冷却装置１０内の冷媒の循環が冷却装置１０内の空気を要因として阻害されることを抑制でき、冷却装置１０の冷却機能を低下も抑制できる、また、ポンプで強制循環を行う場合には、ポンプの電力の上昇を抑制できる。

また、本発明の第１の実施の形態における冷却ユニット１００において、接続管５２は、蒸気管１３のうちで、鉛直方向Ｇで最も高い場所で、蒸気管１３に接続されている。空気は、冷媒よりも気相密度が低い。このため、空気は、蒸気管１３のうちで、鉛直方向Ｇで最も高い場所に溜まる。したがって、蒸気管１３のうちで、鉛直方向Ｇで最も高い場所に、空気除去部５０の接続管５２を接続することにより、蒸気管１３内に含まれる空気をタンク５１内により効率よく流入させることができる。この結果、冷却装置１０内に混入した空気をより効率よく排出することができる。

また、本発明の第１の実施の形態における冷却ユニット１００は、排気用配管５４と、排気用バルブ５５とをさらに有する。排気用配管５４は、タンク５１の鉛直方向Ｇの上方側に接続されている。排気用配管５４には、真空ポンプＰが接続されている。また、排気用配管５４は、タンク５１内に貯留された空気を真空ポンプＰへ導く。排気用バルブ５５は、排気用配管５５を開閉する。これにより、排気用バルブ５５を開口することにより、排気用配管５５を介して、タンク５１内の空気を外気へ放出することができる。したがって、冷却ユニット１００内の空気を除去することができる。

また、本発明の第１の実施の形態における空気除去装置（空気除去部５０）は、空気より気相密度が大きくて液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒が流れる配管（蒸気管１３）に接続され、配管内に含まれる空気を除去する。空気除去装置（空気除去部５０）は、タンク５１と、接続管５２と、接続管バルブ５３とを有する。タンク５１は、配管（蒸気管１３）内に含まれる空気を貯留する。接続管５２は、タンク５１の鉛直方向Ｇの下方側に設けられている。接続管５２は、タンク５１と蒸気管１３を接続する。接続管５２は、蒸気管１３内に含まれる空気を蒸気管１３からタンク５１へ導く。接続管バルブ５３は、接続管５２を開閉する。この空気除去装置（空気除去部５０）も、上述した冷却ユニット１００と同様の効果を奏することができる。

また、本発明の第１の実施の形態における空気除去装置（空気除去部５０）において、接続管５２は、配管（蒸気管１３）のうちで、鉛直方向Ｇで最も高い場所で、配管（蒸気管１３）に接続されている。この空気除去装置（空気除去部５０）も、上述した冷却ユニット１００と同様の効果を奏することができる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態における冷却ユニット１００Ａの構成について説明する。図４は、冷却ユニット１００Ａの構成を概略的に示す図である。なお、図４には、説明の便宜上、鉛直方向Ｇを示す。図４は、図１に対応する。なお、図４では、図１〜図３で示した各構成要素と同等の構成要素には、図１〜図３に示した符号と同等の符号を付している。

図４に示されるように、冷却ユニット１００Ａは、冷却装置１０と、空気除去部５０Ａとを備えている。冷却装置１０は、蒸発器１１と、凝縮器１２と、蒸気管１３と、液管１４とを備えている。

図４に示されるように、空気除去部５０Ａは、蒸気管１３に取り付けられる。空気除去部１５Ａは、蒸気管１３に対して取り付け取り外しが行える。図５は、空気除去部５０Ａの構成を概略的に示す拡大図である。なお、空気除去部５０Ａは、本発明の空気除去装置でもある。空気除去部５０Ａは、蒸気管１３内に含まれる空気を除去する。好ましくは、空気除去部５０Ａは、蒸気管１３のうちで、鉛直方向Ｇで最も高い場所で、蒸気管１３に接続されている。また、さらに、好ましくは、空気除去部５０Ａは、蒸発器１１および凝縮器１２よりも、鉛直方向Ｇで高い場所に設けられている。

図４および図５に示されるように、空気除去部５０は、タンク５１と、接続管５２と、接続管バルブ５３と、排気用配管５４と、排気用バルブ５５と、気体検知センサー５７を備えている。気体検知センサー５７は、本発明の気体検知部である。

ここで、図１に記載の冷却ユニット１００と、図４に記載の冷却ユニット１００Ａとを対比する。図４に記載の冷却ユニット１００Ａでは、空気除去部５０Ａが気体検知センサー５７を有している点で、図１に記載の冷却ユニット１００と異なる。

図４および図５に示されるように、気体検知センサー５７は、タンク５１に取り付けられている。気体検知センサー５７は、所定量の空気がタンク５１内に貯留されているか否かを検知する。なお、気体検知センサー５７を設けた場合において、冷却ユニット１００Ａには、気体検知センサー５７の検知結果に応じて接続管バルブ５３、排気用バルブ５５および真空ポンプＰを制御する制御部（不図示）を有する。

以上、冷却ユニット１００Ａの構成を説明した。

つぎに、冷却装置１０の動作については、第１の実施の形態で説明した通りであるので、ここでは説明を繰り返さないこととする。

つぎに、たとえば、冷却装置１０に冷媒を注入する際などに、空気が冷却装置内に混入する場合を想定して、冷却装置１０に含まれる空気を除去する方法について、説明する。

図６は、冷却ユニット１００Ａの冷却装置１０に含まれる空気を除去する方法を説明するためのフローである。なお、図６では、図１〜図５で示した各構成要素と同等の構成要素には、図１〜図５に示した符号と同等の符号を付している。図６は、図３に対応する。したがって、図３の説明と重複するステップについては、説明を簡略化する。

まず、冷却装置１０内に空気が混入したとの疑いが発生したことを認識する（ステップ（Ｓ１０）。

つぎに、排気用バルブ５５を閉口する。そして、排気用バルブ５５を閉口した状態で、接続管バルブを開口し、冷却装置１０を一定時間運転させて、冷却装置１０内の空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）をタンク５１内に充填する（Ｓ３０）。なお、Ｓ３０の一定時間は、冷媒が冷却装置１０内を循環することにより、冷却装置１０に含まれる空気（特に蒸気管に含まれる空気）をタンク５１内に充填できる時間であればよい。具体的には、Ｓ３０の一定時間は、冷媒量と、発熱体ＨＥの発熱量に応じて、調整される。

つぎに、気体検知センサー５７は、タンク５１内に貯留されている空気が所定量（たとえば、タンク５１の容量の３分の２）以下かを検知する。

タンク５１内に貯留されている空気が所定量以下であると気体検知センサー５７により検知された場合（Ｓ６０、ＹＥＳ）、冷却ユニット１００Ａの制御部（不図示）は、冷却装置１０内に空気が含まれていないと判断して（Ｓ７０）、接続管バルブ５３、排気用バルブ５５および真空ポンプＰに対する更なる制御を行わず、空気除去処理を終了する。

一方、タンク５１内に貯留されている空気が所定量以下であると気体検知センサー５７により検知されない場合（Ｓ６０、ＮＯ）、冷却ユニット１００Ａの制御部（不図示）は、冷却装置１０内に空気が含まれていると判断して（Ｓ８０）、Ｓ５０の処理を行った後、Ｓ３０以降の処理を行う。

ここで、タンク５１内に貯留されている空気がタンク５１の容量の３分の２以下となるということは、タンク内に貯留されている冷媒がタンク５１の容量の３分の１以上になることを意味する。空気よりも気相密度の大きい冷媒がタンク５１の容量の３分の１までタンク５１内に流入している場合、蒸気管１３を含めた冷却装置１０内には空気は含まれない。したがって、タンク５１内に貯留されている空気が所定量（たとえば、タンク５１の容量の３分の２）以下かを検知することにより、冷却装置１０内の空気の有無を検知することができ、この検知結果に基づいて空気除去処理を制御することができる。

なお、上記では、タンク５１内に貯留されている空気が所定量を、タンク５１の容量の３分の２としたが、これに限定されない。また、所定量の設定内容に応じて、気体検知センサー５７の設置位置をタンク５１の鉛直方向Ｇで調整したり、気体検知センサー５７の数を調整したりすることができる。

以上のように、本発明の第２の実施の形態における冷却ユニット１００Ａにおいて、空気除去部５０Ａは、気体検知センサー５７（気体検知部）をさらに有する。気体検知センサー５７は、タンク５１内に貯留されている空気が所定量以下か否かを検知する。また、排気用バルブ５５は、気体検知センサー５７の検知結果に基づいて、排気用配管５４を開閉する。このように、気体検知センサー５７を用いることにより、タンク５１内に貯留される空気が所定量以下か否かを検知することができる。また、タンク５１内に貯留されている空気が所定量以下であることを検知することで、蒸気管１３を含む冷却装置１０内の空気の有無を検知することができる。したがって、冷却ユニット１００Ａは、蒸気管１３を含む冷却装置１０内の空気の有無を確認したうえで、排気用配管５４を介して外タンク５１内の空気を外気へ放出することができる。この結果、冷却ユニット１００Ａによれば、冷却装置１０内の冷媒を外気へ放出することを抑制することができる。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態における冷却ユニット１００Ｂの構成について説明する。図７は、冷却ユニット１００Ｂの構成を概略的に示す図である。なお、図７には、説明の便宜上、鉛直方向Ｇを示す。図７は、図１、４に対応する。なお、図７では、図１〜図６で示した各構成要素と同等の構成要素には、図１〜図６に示した符号と同等の符号を付している。

図７に示されるように、冷却ユニット１００Ｂは、冷却装置１０と、空気除去部５０Ｂとを備えている。冷却装置１０は、蒸発器１１と、凝縮器１２と、蒸気管１３と、液管１４とを備えている。

図７に示されるように、空気除去部５０Ｂは、蒸気管１３に取り付けられる。空気除去部１５Ｂは、蒸気管１３に対して取り付け取り外しが行える。図８は、空気除去部５０Ｂの構成を概略的に示す拡大図である。なお、空気除去部５０Ｂは、本発明の空気除去装置でもある。空気除去部５０Ｂは、蒸気管１３内に含まれる空気を除去する。好ましくは、空気除去部５０Ｂは、蒸気管１３のうちで、鉛直方向Ｇで最も高い場所で、蒸気管１３に接続されている。また、さらに、好ましくは、空気除去部５０Ｂは、蒸発器１１および凝縮器１２よりも、鉛直方向Ｇで高い場所に設けられている。

図７および図８に示されるように、空気除去部５０Ｂは、タンク５１と、接続管５２と、接続管バルブ５３と、排気用配管５４と、排気用バルブ５５と、接続管上部バルブ５８とを備えている。

ここで、図４に記載の冷却ユニット１００Ａと、図７に記載の冷却ユニット１００Ｂとを対比する。図７に記載の冷却ユニット１００Ｂでは、空気除去部５０Ｂが接続管上部バルブ５８を有している点で、図４に記載の冷却ユニット１００Ａと異なる。

図７および図８に示されるように、接続管上部バルブ５８は、接続管バルブ５３よりも鉛直方向Ｇの上方で、接続管５２に取り付けられている。接続管上部バルブ５８は、接続管バルブ５３より鉛直方向Ｇの上方で、接続管５２を開閉する。

以上、冷却ユニット１００Ｂの構成を説明した。

冷却装置１０の動作については、第１の実施の形態で説明した通りであるので、ここでは説明を繰り返さないこととする。

図９は、冷却ユニット１００Ｂの冷却装置１０に含まれる空気を除去する方法を説明するためのフローである。なお、図９では、図１〜図８で示した各構成要素と同等の構成要素には、図１〜図８に示した符号と同等の符号を付している。図９は、図３、図６に対応する。したがって、図１および図３の説明と重複するステップについては、説明を簡略化する。

つぎに、空気除去部５０の接続管上部バルブ５８を開口し接続管バルブ５３を閉口して、排気用バルブ５５を開口した状態で排気用配管５４を介して真空ポンプＰで真空引きを行う（Ｓ２０Ａ）。これにより、タンク５１内の空気が除去され、タンク５１内が真空状態となる。

つぎに、排気用バルブ５５を閉口する。そして、排気用バルブ５５を閉口した状態で、接続管バルブ５３および接続管上部バルブ２８の両方を開口し、冷却装置１０を一定時間運転させて、冷却装置１０内の空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）をタンク５１内に充填する（Ｓ３０Ａ）。なお、Ｓ３０Ａの一定時間は、冷媒が冷却装置１０内を循環することにより、冷却装置１０に含まれる空気（特に蒸気管に含まれる空気）をタンク５１内に充填できる時間であればよい。具体的には、Ｓ３０Ａの一定時間は、冷媒量と、発熱体ＨＥの発熱量に応じて、調整される。接続管バルブ５３および接続管上部バルブ２８の両方を開口し、冷却装置１０を一定時間運転させることにより、冷媒よりも気相密度が低い空気は、タンク５１内に流入する。

つぎに、接続管バルブ５３のみを閉口する（Ｓ４０Ａ）。これにより、元々冷却装置１０内に含まれていた空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）は、タンク５１内に閉じこめられる。したがって、タンク５１内に貯留されている空気が、蒸気管１３へ流入することはない。

つぎに、接続管バルブ５３を閉口した後一定時間運転させた後、接続管上部バルブ５８を閉口する（Ｓ９０）。これにより、接続管バルブ５３および接続管上部バルブ５８の両方が閉口される。このとき、接続管バルブ５３を閉口した後の一定時間は、空気除去部５０Ｂ内に混在する冷媒および空気が両者の気相密度差によって鉛直方向Ｇの上方および下方に分離するのに十分な時間とする。これにより、空気除去部５０Ｂ内で、冷媒および空気が分離した状態となる。すなわち、冷媒は空気除去部５０Ｂの鉛直方向Ｇの下方側の接続管５２に溜まる。より具体的には、冷媒は、接続管５２の接続管バルブ５３および接続管上部バルブ５８の間に閉じこめられている。また、空気は空気除去部５０Ｂの鉛直方向Ｇの上方側のタンク５１に溜まる。なお、Ｓ９０の一定時間は、冷媒が冷却装置１０内を循環することにより、冷却装置１０に含まれる空気（特に蒸気管に含まれる空気）をタンク５１内に充填できる時間であればよい。具体的には、Ｓ９０の一定時間は、冷媒量と、発熱体ＨＥの発熱量に応じて、調整される。

最後に、排気用配管５４を介して真空ポンプＰで真空抜きすることで、タンク５１内の空気を除去する（Ｓ５０）。具体的には、排気用バルブ５５を開口して、真空ポンプＰで真空抜きを行う。これにより、タンク５１内に貯留された空気を外気へ放出することができる。この結果、冷却装置１０内の圧力は冷媒の飽和蒸気圧と等しくなり、冷却装置１０内に密閉された冷媒の沸点が室温近傍となる。このとき、Ｓ９０の処理により、空気除去部５０Ｂ内に含まれる冷媒は、空気と分離されて、接続管５２の接続管バルブ５３および接続管上部バルブ５８の間に閉じこめられている。したがって、冷却装置１０内の冷媒が外気へ放出することを抑制することができる。すなわち、冷却装置１０から外気へ放出される冷媒の量を減少することができる。

以上のように、本発明の第３の実施の形態における冷却ユニット１００Ｂにおいて、前記空気除去部５０Ｂは、接続管上部バルブ５８をさらに有する。接続管上部バルブ５８は、接続管バルブ５３より鉛直方向Ｇの上方で、接続管５２を開閉する。

このように、冷却ユニット１００Ｂでは、接続管バルブ５３に加えて、接続管上部バルブ２８が設けられている。このため、接続管バルブ５３および接続管上部バルブ２８の両方を開口し、冷却装置１０内の空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）をタンク５１内に充填することができる。このとき、接続管バルブ５３および接続管上部バルブ２８の両方を開口することによって、蒸気管１３および接続管５２の接続部付近は乱流状態となる。この状態で、冷却装置１０内では、冷媒が循環している。このため、冷却装置１０内で循環している冷媒が、蒸気管１３および接続管５２の接続部から、空気とともに空気除去部５０Ｂの接続管５３へ流入する場合がある。

そこで、接続管バルブ５３および接続管上部バルブ２８の両方を開口した後、接続管バルブ５３のみを先に閉口し、一定時間をかけて、空気除去部５０Ｂ内で冷媒および空気を分離させ、接続管上部バルブ５８を閉口して、接続管５２の接続管バルブ５３および接続管上部バルブ５８の間に冷媒を閉じこめる。なお、一定時間は、冷媒が冷却装置１０内を循環することにより、冷却装置１０に含まれる空気（特に蒸気管に含まれる空気）をタンク５１内に充填できる時間であればよい。具体的には、一定時間は、冷媒量と、発熱体ＨＥの発熱量に応じて、調整される。

すなわち、接続管バルブ５３および接続管上部バルブ２８の両方を開口した後、接続管バルブ５３のみを先に閉口することにより、元々冷却装置１０内に含まれていた空気（とくに、蒸気管１３内に含まれる空気）は、タンク５１内に閉じこめられる。したがって、タンク５１内に貯留されている空気が、蒸気管１３へ流入することはない。

そして、接続管バルブ５３を閉口した後一定時間運転させた後、接続管上部バルブ５８を閉口することにより、接続管バルブ５３および接続管上部バルブ５８の両方が閉口される。これにより、空気除去部５０Ｂ内で、冷媒および空気が分離した状態となる。すなわち、冷媒は空気除去部５０Ｂの鉛直方向Ｇの下方側の接続管５２に溜まる。より具体的には、冷媒は、接続管５２の接続管バルブ５３および接続管上部バルブ５８の間に閉じこめられている。また、空気は空気除去部５０Ｂの鉛直方向Ｇの上方側のタンク５１に溜まる。なお、一定時間は、冷媒が冷却装置１０内を循環することにより、冷却装置１０に含まれる空気（特に蒸気管に含まれる空気）をタンク５１内に充填できる時間であればよい。具体的には、一定時間は、冷媒量と、発熱体ＨＥの発熱量に応じて、調整される。

このように、空気除去部５０Ｂ内で、冷媒および空気が分離した状態となる。すなわち、空気除去部５０Ｂ内に含まれる冷媒は、空気と分離されて、接続管５２の接続管バルブ５３および接続管上部バルブ５８の間に閉じこめられている。このため、タンク５１内を真空ポンプＰ等により真空抜きした際に、空気除去部５０Ｂのタンク５１内の空気のみが外気へ放出され、空気除去部５０Ｂの接続管５２の接続管バルブ５３および接続管上部バルブ５８の間に閉じこめられた冷媒は外気へ放出されない。この結果、冷却装置１０内の冷媒が外気へ放出することを抑制することができる。すなわち、冷却装置１０から外気へ放出される冷媒の量を減少することができる。

なお、上記実施の形態の説明では、空気除去部５０は、蒸気管３０に対して取り付け取り外しが行えると説明したが、取り外し出来ないように蒸気管３０に固定されてもよい。

以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。実施の形態は例示であり、本発明の主旨から逸脱しない限り、上述各実施の形態に対して、さまざまな変更、増減、組合せを加えてもよい。これらの変更、増減、組合せが加えられた変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０冷却装置
１１蒸発器
１２凝縮器
１３蒸気管
１４液管
５０空気除去部
５１タンク
５２接続管
５３接続管バルブ
５４排気用配管
５５排気用バルブ
５７気体検知センサー
５８接続管上部バルブ
１００、１００Ａ、１００Ｂ冷却ユニット
Ｐ真空ポンプ

Claims

空気より気相密度が大きくて液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒を循環させる冷却ユニットであって、
発熱体の熱を受熱する蒸発器と、
前記蒸発器により受熱された熱を放熱する凝縮器と、
前記蒸発器および前記凝縮器を接続し、前記冷媒を前記蒸発器から前記凝縮器へ導く蒸気管と、
前記蒸発器および前記凝縮器を接続し、前記冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器へ導く液管と、
前記蒸気管内に含まれる空気を除去する空気除去部と、を備え、
前記空気除去部は、
前記蒸気管内に含まれる空気を貯留するタンクと、
前記タンクの鉛直方向の下方側に設けられ、前記タンクと前記蒸気管を接続し、前記蒸気管内に含まれる空気を前記蒸気管から前記タンクへ導く接続管と、
前記接続管を開閉する接続管バルブと、
前記接続管バルブより鉛直方向の上方で、前記接続管を開閉する接続管上部バルブとを有する冷却ユニット。
前記接続管は、前記蒸気管のうちで、鉛直方向で最も高い場所で、前記蒸気管に接続されている請求項１に記載の冷却ユニット。
前記タンクの鉛直方向の上方側に接続され、真空ポンプが接続され、前記タンク内に貯留された空気を前記真空ポンプへ導く排気用配管と、
前記排気用配管を開閉する排気用バルブとをさらに有する請求項１または２に記載の冷却ユニット。
前記空気除去部は、前記タンク内に貯留されている空気が所定量以下か否かを検知する気体検知部をさらに有し、
前記排気用バルブは、前記気体検知部の検知結果に基づいて、前記排気用配管を開閉する請求項３に記載の冷却ユニット。
空気より気相密度が大きくて液相冷媒および気相冷媒に相変化する冷媒が流れる配管に接続され、前記配管内に含まれる空気を除去する空気除去装置であって、
前記配管内に含まれる空気を貯留するタンクと、
前記タンクの鉛直方向の下方側に設けられ、前記タンクと前記配管を接続し、前記配管内に含まれる空気を前記配管から前記タンクへ導く接続管と、
前記接続管を開閉する接続管バルブと、
前記接続管バルブより鉛直方向の上方で、前記接続管を開閉する接続管上部バルブとを有する空気除去装置。
前記接続管は、前記配管のうちで、鉛直方向で最も高い場所で、前記配管に接続されている請求項５に記載の空気除去装置。