JP6919712B2 - 相変化冷却装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、相変化冷却装置および制御方法に関し、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制御方法に関する。

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（CPU: Central Processing Unit）や集積回路（LSI: Large Scale Integration）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

特許文献１の冷却システムは、放熱のため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（CAPEX: Capital Expenditure）が増大してしまうので、実際の採用は限られるという課題が生じる。

本発明の目的は、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、相変化冷却装置および制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る相変化冷却装置は、冷媒を収容し、冷却対象である発熱体からの熱を受ける受熱器と、上記受熱器で受熱し気化した上記冷媒の冷媒蒸気の熱を放熱し、液化した冷媒液を上記受熱器に還流させる放熱器と、上記冷媒液の流量を制御するバルブと、上記バルブの開度を制御する制御手段と、を含み、
上記制御手段は、上記受熱器から排気された後の温度である排気温度と上記放熱器の近傍の温度とを参照して、上記バルブの開度を制御することを特徴とする。

本発明に係る相変化冷却装置の制御方法は、冷媒を収容し、冷却対象である発熱体からの熱を受ける受熱器と、上記受熱器で受熱し気化した上記冷媒の冷媒蒸気の熱を放熱し、液化した冷媒液を上記受熱器に還流させる放熱器と、上記冷媒液の流量を制御するバルブと、を含む相変化冷却装置の制御方法であって、
受熱器から排気された後の温度である排気温度と上記放熱器の近傍の温度とを参照して、上記バルブの開度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、熱交換性能に応じて、安定した高効率の冷却性能を実現することができる。

本発明の上位概念による実施形態の相変化冷却装置の構成図である。 第１実施形態による相変化冷却装置の構成図である。 図２の制御部８００の構成図である。 第１実施形態のバルブ開度決定のフローチャートである。 図４のステップＳ１２０のより詳細なフローを説明するためのフローチャートである。 データテーブルの構成図であり、初期テーブルおよびデータ作成後のテーブルの一例を示す。 データテーブルの構成図であり、初期テーブルおよびデータ作成後のテーブルの一例を示す。 第２実施形態による相変化冷却装置の構成図である。 第３実施形態による相変化冷却装置の構成図である。 第４実施形態による相変化冷却装置の構成図である。 第５実施形態による相変化冷却装置の構成図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

具体的な好ましい実施形態について説明する前に、本発明の上位概念による実施形態の相変化冷却装置および制御方法について、説明する。図１は、本発明の上位概念による実施形態の相変化冷却装置の構成図である。

図１の相変化冷却装置は、冷媒を収容し、冷却対象である発熱体からの熱を受ける受熱器１１と、受熱器１１で受熱し気化した上記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に還流させる放熱器１２と、上記冷媒液の流量を制御するバルブ１３と、上記バルブ１３の開度を制御する制御手段１４と、を含む。さらに図１の相変化冷却装置では、制御手段１４は、上記受熱器１１から排気された後の温度である排気温度と上記放熱器１２の近傍の温度とを参照して、上記バルブ１３の開度を制御する。

図１の放熱器１２による放熱能力は、放熱器１２が設置されている環境の温度によって変化する。よって図１の相変化冷却装置の冷却性能は、放熱器１２が設置されている環境の温度ごとに異なる。図１の相変化冷却装置では、制御手段１４が、受熱器１１から排気された後の温度である排気温度と上記放熱器１２の近傍の温度とを参照して、バルブ１３の開度を制御する。これにより、放熱器１２が設置されている環境の温度ごとにバルブ１３の開度を最適に制御し、受熱器１１に最適な流量の冷媒液を供給することが可能となり、安定した高効率の冷却性能を実現することができる。以下、より具体的な実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態による相変化冷却装置および制御方法について、説明する。

（構成）
図２は、本発明の第１実施形態による相変化冷却装置１０００Ａの構成図である。図３は、図２の制御部８００の構成図である。図４は、第１実施形態のバルブ開度決定のフローチャートである。図５は、図４のステップＳ１２０のより詳細なフローを説明するためのフローチャートである。図６Ａおよび図６Ｂは、データテーブルの構成図である。

図２の相変化冷却装置１０００Ａは、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって、局所冷却器２００の受熱器２１０と室外機５００との間で熱の輸送・放熱を行う。図２の相変化冷却装置１０００Ａでは、筐体９００内に、ラック１００などに搭載された電子機器の排気熱を受けて、内部の冷媒が沸騰する複数の受熱器２１０と、冷媒を循環させるためのポンプ７１０が配置されている。また、筐体９００外に、熱を受けて気化した気相冷媒を冷却する室外機５００が配置されている。室外機５００は、熱交換器５２０と、空気を熱交換器５２０に送るファン５１０と、を含む。蒸気管４１０は、受熱器２１０と室外機５００を接続し、第１の液管４２０は室外機５００の熱交換器５２０とポンプ７１０を接続し、第２の液管４４０は、ポンプ７１０と受熱器２１０を接続している。それぞれの管の内部には冷媒が通るようになっている。第２の液管４４０には、バルブ２２０が接続されている。

さらに本実施形態では、受熱器排気温度センサ３２０が受熱器２１０を挟んでラック１００と反対側に配置されている。受熱器排気温度センサ３２０は、受熱器２１０を通った後の温度である受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏの情報を得る。さらに、室外機５００の周辺に外気温度センサ５３０が配置されている。外気温度センサ５３０は、室外機５００の周辺の外気温度Ｔｏの情報を得る。

制御部８００は、バルブ２２０の開度を制御する。本実施形態では、制御部８００は受熱器２１０を通った後の温度である受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏの情報と、外気温度Ｔｏの情報を用いて、バルブ２２０の開度をＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Control）に基づいて変更する。ＰＩＤ制御では、検出温度（受熱器排気温度）を目標温度に近づけようとする制御をする。

図２の制御部８００のより詳細な構成について、図３を参照して説明する。制御部８００は、温度取得部８１１、中央制御部８１２、および記憶部としてのデータテーブル８１３を含む判断部と、バルブ制御を行うバルブ制御部８２１を備える出力部から構成される。温度取得部８１１は、受熱器排気温度センサ３２０、外気温度センサ５３０からデータを取得する。バルブ制御部８２１は、バルブ２２０の開度を制御する。

データテーブル８１３の一例を、図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明する。

図６Ａの初期テーブルは、外気温度Ｔｏとバルブ開度ＯＲ,ｍｅｍとの対応を示すテーブルと、保持される受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍと、保持される目標温度Ｔｓｐ，ｍｅｍのデータを保持している。図６Ａでは、外気温度Ｔｏとバルブ開度ＯＲ,ｍｅｍとの対応を示すテーブルの一例として、外気温度Ｔｏを５℃毎にバルブ開度ＯＲ,ｍｅｍとを対応付けている場合を示している。図６Ａのデータ作成後のテーブルでは外気温度Ｔｏが０℃以下のときはバルブ開度ＯＲ,ｍｅｍは８０％、外気温度Ｔｏが０℃を超えて５℃以下のときはバルブ開度ＯＲ,ｍｅｍは７５％とし、外気温度Ｔｏが２５℃を超えているときはバルブ開度ＯＲ,ｍｅｍは０％とする。

一例として、図６Ａのデータ作成後のテーブルでは、保持される受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍを２９℃、保持される目標温度Ｔｓｐ，ｍｅｍを２８℃としている。この場合、受熱器排気温度Ｔｒ_ｏが２９℃であるのに対して、目標温度Ｔｓｐを２８℃として、受熱器排気温度Ｔｒ_ｏが２８℃となるように、バルブ開度ＯＲを制御する。

外気温度と受熱器排気温度との差が大きいほど相変化冷却装置の冷却能力が大きく、外気温度と受熱器排気温度との差が小さいほど相変化冷却装置の冷却能力は小さい。本発明の実施形態では、外気温度Ｔｏとバルブ開度ＯＲ＿ｍｅｍとの対応を示すテーブルを用意しておき、外気温度Ｔｏが低く冷却能力が大きくなるほどバルブ開度ＯＲを大きく、外気温度Ｔｏが高く冷却能力が小さくなるほどバルブ開度ＯＲを小さくなるよう、バルブ開度ＯＲを制御する。

図６Ｂにデータテーブル８１３の他の一例を示す。図６Ｂの初期テーブルは、外気温度Ｔｏとバルブ開度ＯＲ，ｍｅｍおよび保持される受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍとの対応を示すテーブルと、保持される目標温度Ｔｓｐ，ｍｅｍを保持している。外気温度Ｔｏとバルブ開度ＯＲ＿ｍｅｍおよび受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍとの対応を示すテーブルの一例として、外気温度Ｔｏを５℃毎にバルブ開度ＯＲ＿ｍｅｍおよび受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍとを対応付けている場合を示している。図６Ｂのデータ作成後のテーブルでは外気温度Ｔｏが０℃以下のときはバルブ開度ＯＲ＿ｍｅｍは８０％で受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍは２７℃、外気温度Ｔｏが０℃を超えて５℃以下のときはバルブ開度ＯＲ＿ｍｅｍは７５％で受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍは２７．５℃とし、外気温度Ｔｏが２５℃を超えているときはバルブ開度ＯＲ＿ｍｅｍは０％で受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍは３５℃とする。一例として、図６Ｂのデータ作成後のテーブルでは、保持される目標温度Ｔｓｐ，ｍｅｍを２８℃としている。

（動作）
以下、動作を説明する。

図４は、バルブ２２０の開度を受熱器排気温度センサ３２０、外気温度センサ５３０の情報に基づいて自動で変更するアルゴリズムである。図４では、制御の部分にＰＩＤ制御を使っているが、制御の方法はこれによらない。

まず、Ｓ１０４で外気温度Ｔｏを取得した後、データテーブル８１３に、外気温度Ｔｏごとのバルブ開度ＯＲ，ｍｅｍのデータがあるか（初期値である０以外のデータがあるか）を判断する（Ｓ１０５）。言い換えると、Ｓ１０５では外気温度Ｔｏごとに、初期値である０以外のバルブ開度ＯＲ，ｍｅｍのデータがデータテーブル８１３に存在しているか否かを判断する。図６Ｂの初期テーブルは、外気温度Ｔｏごとの、バルブ開度ＯＲ，ｍｅｍのデータがない場合に対応している。外気温度Ｔｏごとの、バルブ開度ＯＲ，ｍｅｍのデータがない場合（Ｓ１０５のＮＯ）、図６Ｂのデータ作成後のテーブルのようなデータテーブル８１３に書き込まれている受熱器排気温度データＴｒ＿ｏ，ｍｅｍを取得し、バルブ開度をテーブルに書き込まれている指定のバルブ開度ＯＲ，ｍｅｍに変更する（Ｓ１０６）。一定時間待機して（Ｓ１０７）時間経過後、Ｓ１０４に戻り外気温度Ｔｏを取得する。

外気温度Ｔｏごとの、受熱器排気温度データＴｒ＿ｏ，ｍｅｍがある場合（Ｓ１０５のＹＥＳ）、受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏの目標温度Ｔｓｐを目標温度初期値Ｔｓｐ，ｉｎｉとし、時間Ｔｉｍｅを０とし、受熱器排気温度データＴｒ＿ｏ，ｍｅｍを受熱器排気温度初期値Ｔｒ＿ｏ，ｉｎｉとする（Ｓ１０８）。その後、ステップＳ１１１に移行する。ここで、目標温度初期値Ｔｓｐ，ｉｎｉは高めに設定する。つまり、相変化冷却装置１０００Ａで外気温度Ｔｏ、電子機器の発熱量に関わらず達成できる値とする。相変化冷却装置１０００Ａは、外気温度Ｔｏ、電子機器の発熱量によって、冷却性能が異なってくる。つまり、受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏの達成できる下限値が変化するからである。

ステップＳ１２０では、受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏと、データテーブル８１３に保存されている受熱器排気温度データＴｒ＿ｏ，ｍｅｍとの差の絶対値が、閾値Ｔｒ＿ｏ，ｔｈより大きいかを判断する（Ｓ１２２）。Ｓ１２２でＹＥＳと判断された場合、受熱器２１０の冷却性能（受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ）が変化したと判断されるので、データテーブル８１３を更新するためＳ１２３に移行する。ここでの受熱器２１０の冷却性能の変化とは、例えば、ラック１００の発熱量が増大したりしてバルブ開度が適切でなくなった場合等が考えられる。一方、Ｓ１２２でＮＯの場合には、以前と性能が変化していないと判断されるので、データテーブル８１３を更新する必要がないため、ステップＳ１０４に戻る。

ステップＳ１１１では、バルブ開度を固定するか判断する。バルブ開度の固定をするか判断する理由は、例えばバルブ２２０に機械式バルブを用いた場合には、バルブ開閉回数の制限があり、バルブ開度を変更し続けると故障するリスクが非常に高くなるので、開度を固定できればリスクを低減できるからである。バルブ開度を固定すると判断した場合（Ｓ１１１、ＹＥＳ）、一定時間待機する（Ｓ１１３）。一方、バルブ開度を固定しないと判断した場合（Ｓ１１１、ＮＯ）、バルブ開度を変更し（Ｓ１１２）、ステップＳ１１３に移行する。

ここで、バルブ固定の判断は、ある一定時間さかのぼった受熱器排気温度の値の偏差が小さいことや、目標温度に近づいている等から判断する。バルブ開度の変更に関しては、受熱器排気温度と目標温度の差ｅが小さくなるようにバルブの開度を変える。具体的には、ＰＩＤ制御等を使い、開度を変える。

ステップＳ１１３で一定時間待機した後、時間Ｔｉｍｅがある一定時間であるＴｉｍｅＰＩＤより大きいか判断する（Ｓ１１４）。ＴｉｍｅＰＩＤは、相変化冷却装置１０００Ａの制御が収束するまでの典型的な時間である。ＴｉｍｅがＴｉｍｅＰＩＤより大きいと判断された場合（Ｓ１１４、ＹＥＳ）、ステップＳ１２０に行く。ＴｉｍｅがＴｉｍｅＰＩＤより小さいと判断された場合（Ｓ１１４、ＮＯ）、制御が収束していないと考えられ、ステップＳ１１１に戻る。ステップＳ１２０では、目標温度Ｔｓｐを変更するか判断する。目標温度Ｔｓｐの変更の具体的なフローは、図５に記載されている。

図５に記載しているように、ステップＳ１２１では、受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏを取得する。次に、受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏとデータテーブル８１３に保存されている受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，ｍｅｍとの差の絶対値が、閾値Ｔｒ＿ｏ，ｔｈより大きいかを判断する（Ｓ１２２）。Ｓ１２２でＹＥＳと判断された場合、性能が上昇するので、目標温度Ｔｓｐ，受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ，バルブ開度ＯＲをデータテーブルに保存する（Ｓ１２３）。次に、新しい目標温度ＴｓｐをステップＳ１２４の式に従って計算し、またＴｉｍｅ＝０として、Ｓ１１１に戻り再度制御する。Ｓ１２２でＮＯと判断された場合、現条件（現在の外気温度Ｔｏと電子機器の発熱）で性能が収束したと判断しステップＳ１０４に戻る。

（効果）
図２の熱交換器５２０による放熱能力は、熱交換器５２０が設置されている外気温度によって変化する。よって図２の相変化冷却装置１０００Ａの冷却性能は、熱交換器５２０が設置されている環境の温度ごとに異なる。図２の相変化冷却装置１０００Ａでは、制御部８００が、受熱器２１０から排気された後の温度である排気温度と上記熱交換器５２０の近傍の温度とを参照して、バルブ２２０の開度を制御する。これにより、熱交換器５２０が設置されている環境の温度ごとにバルブ２２０の開度を最適に制御し、受熱器２１０に最適な流量の冷媒液を供給することが可能となり、安定した高効率の冷却性能を実現することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による相変化冷却装置および制御方法について、説明する。図７は、第２実施形態による相変化冷却装置の構成図である。第１実施形態の相変化冷却装置１０００Ａと同様な構成については同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。

図７の相変化冷却装置１０００Ｂは、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって、局所冷却器２００の受熱器２１０と室外機５００との間で熱の輸送・放熱を行う。図７の相変化冷却装置１０００Ｂは、第１実施形態の相変化冷却装置１０００Ａと同様な構成に、ラック吸気温度センサ３００とラック排気温度センサ３１０とが加えられている。ラック吸気温度センサ３００は、ラック１００を挟んで受熱器２１０と反対側に配置されており、ラック吸気温度Ｔａの情報を得る。ラック排気温度センサ３１０は、ラック１００と受熱器２１０との間に配置されており、ラック排気温度Ｔｒ＿ｉの情報を得る。

制御部８００Ｂは、バルブ２２０の開度を制御する。本実施形態の制御部８００Ｂは、受熱器２１０を通った後の温度である受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏの情報、外気温度Ｔｏの情報、ラック吸気温度Ｔａの情報、およびラック排気温度Ｔｒ＿ｉの情報を用いて、バルブ２２０の開度をＰＩＤ制御に基づいて変更する。

具体的には、η＝（Ｔｒ＿ｉ−Ｔｒ＿ｏ）／（Ｔｒ＿ｉ−Ｔａ）＊１００で計算される性能ηを定義する。そして、ラック吸気温度Ｔａとラック排気温度Ｔｒ＿ｉが変化するような環境でも、ラック吸気温度Ｔａ、ラック排気温度Ｔｒ＿ｉ、受熱器排気温度Ｔｒ＿ｏ、外気温度Ｔｏから、バルブ２２０の開度をＰＩＤ制御に基づいて変更する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、熱交換器５２０が設置されている環境の温度ごとにバルブ２２０の開度を最適に制御し、受熱器２１０に最適な流量の冷媒液を供給することが可能となり、安定した高効率の冷却性能を実現することができる。さらに、本実施形態では、ラック吸気温度Ｔａの情報、およびラック排気温度Ｔｒ＿ｉの情報をも用いてバルブ２２０の開度を制御するので、第１実施形態と比べて、より精密な制御が実現できる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態による相変化冷却装置および制御方法について、説明する。図８は、第３実施形態による相変化冷却装置の構成図である。第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂと同様な構成については同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。

図８の相変化冷却装置１０００Ｃは、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって、局所冷却器２００の受熱器２１０と室外機５００との間で熱の輸送・放熱を行う。図８の相変化冷却装置１０００Ｃは、第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂと同様な構成に、リザーブタンク６１０が加えられている。リザーブタンク６１０は、室外機５００の熱交換器５２０とポンプ７１０とを接続する第１の液管４２０の途中に配置されている。

本実施形態の相変化冷却装置１０００Ｃでは、第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂと同様により精密な制御が実現できる。

さらに本実施形態によれば、追加されたリザーブタンク６１０のバッファー機能により、ポンプ７１０の能力と、配管構成等から系内に充填する冷媒量を正確に決めなくてもよくなる。また、バルブ開度等が変化して冷媒流量が変化した場合にも容易に対応可能となる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態による相変化冷却装置および制御方法について、説明する。図９は、第４実施形態による相変化冷却装置の構成図である。第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂと同様な構成については同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。

図９の相変化冷却装置１０００Ｄは、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって、局所冷却器２００の受熱器２１０と室外機５００との間で熱の輸送・放熱を行う。図９の相変化冷却装置１０００Ｄは、第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂの蒸気管４１０の代わりに、蒸気管４１０Ａ、蒸気管４１０Ｂを含む。さらに蒸気管４１０Ａと蒸気管４１０Ｂとの接続点と、第１の液管４２０とを繋ぐバイパス管４５０を含む。バイパス管４５０には、受熱器２１０内で蒸発されずに蒸気管４１０Ａ内に押し出された液相冷媒が第１の液管４２０へと流れる。

本実施形態の相変化冷却装置１０００Ｄでは、第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂと同様により精密な制御が実現できる。

さらに本実施形態では、受熱器２１０内で蒸発されずに蒸気管４１０Ａ内に押し出された液相冷媒を、第１の液管４２０へバイパス管４５０経由で戻すことができ、室外機５００までの蒸気管４１０Ｂでの圧損を減らすことができる。

〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態による相変化冷却装置および制御方法について、説明する。図１０は、第５実施形態による相変化冷却装置の構成図である。第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂと同様な構成については同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。

図１０の相変化冷却装置１０００Ｅは、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって、局所冷却器２００の受熱器２１０と室外機５００との間で熱の輸送・放熱を行う。図１０の相変化冷却装置１０００Ｅは、第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂと同様な構成に、第３実施形態と同様なリザーブタンク６１０が加えられている。リザーブタンク６１０は、室外機５００の熱交換器５２０とポンプ７１０とを接続する液管の途中に配置されている。言い換えると、液管４２０Ａは室外機５００の熱交換器５２０とリザーブタンク６１０とを接続し、第３の液管４３０はリザーブタンク６１０とポンプ７１０とを接続している。さらに図１０の相変化冷却装置１０００Ｅでは、第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂの蒸気管４１０の代わりに、蒸気管４１０Ａ、蒸気管４１０Ｂを含む。さらに蒸気管４１０Ａと蒸気管４１０Ｂとの接続点と、リザーブタンク６１０とを繋ぐバイパス管４５０Ｂを含む。バイパス管４５０Ｂには、受熱器２１０内で蒸発されずに蒸気管４１０Ａ内に押し出された液相冷媒がリザーブタンク６１０へと流れる。

本実施形態の相変化冷却装置１０００Ｅでは、第２実施形態の相変化冷却装置１０００Ｂと同様により精密な制御が実現できる。

さらに第３実施形態と同様に、追加されたリザーブタンク６１０のバッファー機能により、ポンプ７１０の能力と、配管構成等から系内に充填する冷媒量を正確に決めなくてもよくなる。また、バルブ開度等が変化して冷媒流量が変化した場合にも容易に対応可能となる。

さらに本実施形態では、受熱器２１０内で蒸発されずに蒸気管４１０Ａ内に押し出された液相冷媒を、リザーブタンク６１０へバイパス管４５０Ｂ経由で戻すことができ、室外機５００までの蒸気管４１０Ｂでの圧損を減らすことができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

この出願は、２０１７年９月２９日に出願された日本出願特願２０１７−１８９３３７号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。

１００ ラック
２００ 局所冷却器
２１０ 受熱器
２２０ バルブ
３００ ラック吸気温度センサ
３１０ ラック排気温度センサ
３２０ 受熱器排気温度センサ
４１０ 蒸気管
４２０ 第１の液管
４３０ 第３の液管
４４０ 第２の液管
５００ 室外機
５１０ ファン
５２０ 熱交換器
５３０ 外気温度センサ
６１０ リザーブタンク
７１０ ポンプ
８００ 制御部

Claims (7)

1. 冷媒を収容し、冷却対象である発熱体からの熱を受ける受熱器と、
   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、を含み、
   前記制御手段は、前記放熱器の近傍の温度を参照し前記受熱器から排気された後の温度である排気温度の目標温度を更新すると共に、前記排気温度と前記放熱器の近傍の温度とを参照して、前記排気温度を前記排気温度の目標温度に近づけるように前記バルブの開度を制御する
   相変化冷却装置。
2. 請求項１に記載の相変化冷却装置において、
   前記制御手段は、前記発熱体を通過する送風の温度であって、前記発熱体への流入側温度と、前記発熱体からの流出側温度とをさらに参照して、前記バルブの開度を制御する
   相変化冷却装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の相変化冷却装置において、
   前記制御手段は、前記放熱器の近傍の温度を参照することにより、前記受熱器の前記排気温度の前記目標温度を所定時間毎に更新しながら、前記バルブの開度を制御する
   相変化冷却装置。
4. 請求項３に記載の相変化冷却装置において、
   前記制御手段は、前記受熱器の前記排気温度を前記目標温度に近づけるように、前記バルブの開度をＰＩＤ制御する
   相変化冷却装置。
5. 請求項４に記載の相変化冷却装置において、
   前記制御手段は、前記受熱器の前記排気温度と前記目標温度との差がしきい値以下となるように、前記バルブの開度を大きくする
   相変化冷却装置。
6. 請求項４に記載の相変化冷却装置において、
   前記制御手段は、前記受熱器の前記排気温度と前記目標温度との差がしきい値以下となるように、前記バルブの開度を小さくする
   相変化冷却装置。
7. 冷媒を収容し、冷却対象である発熱体からの熱を受ける受熱器と、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、を含む相変化冷却装置の制御方法であって、
   前記放熱器の近傍の温度を参照し前記受熱器から排気された後の温度である排気温度の目標温度を更新すると共に、前記排気温度と前記放熱器の近傍の温度とを参照して、前記排気温度を前記排気温度の目標温度に近づけるように前記バルブの開度を制御する
   相変化冷却装置の制御方法。

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