JP7347984B2 - 温度式膨張弁及び冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置等の冷凍サイクルシステムにおいて蒸発器の冷却能力を制御する温度式膨張弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、例えば情報処理分野において、サーバ等の大量に発熱するシステムを冷却することが行われている。この際、発熱素子を許容温度内の一定温度に維持する必要があるため、冷却装置の蒸発器の冷却能力を制御する必要がある。このような冷却装置として、温度式膨張弁により冷却能力を制御するものが、例えば特許第３７５８０７４号公報（特許文献１）に開示されている。この特許文献１のものは、蒸発器（コールドプレート）の後段に加熱部を設け、加熱部の下流に感温筒を取り付けて過熱度を制御することにより、蒸発器出口における冷媒状態を湿り蒸気となるようにするものである。

特許第３７５８０７４号公報

特許文献１の従来の技術では、冷却装置のシステムに加熱部と加熱制御部とを設ける必要があり、システム構成が煩雑になるという問題がある。

本発明は、簡単な構成で、蒸発器出口での冷媒状態を安定して湿り蒸気となるように制御できる温度式膨張弁及び冷凍サイクルシステムを提供することを課題とする。

本発明の温度式膨張弁は、圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた絞り装置と、を含む冷凍サイクルシステムにおける前記絞り装置として用いられる感温部を備えた温度式膨張弁において、冷却対象であるとともに前記蒸発器に接触して併設される発熱体の使用温度範囲にて、蒸発器出口冷媒が湿り蒸気となり、蒸発器出口が常に過熱度がつかない状態となるように、前記感温部に所定量かつ所定種別のガスが封入されることで、前記発熱体の前記使用温度範囲の全域において二次圧力に対する弁開き始め温度が冷媒飽和温度より低く設定されていることを特徴とする。

このような本発明の温度式膨張弁によれば、感温部で検知される温度が高いほど冷媒流量が増加するように設定されており、冷却対象である発熱体の使用温度範囲にて、蒸発器出口冷媒が湿り蒸気となり、蒸発器出口が常に過熱度がつかない状態となるように、二次圧力に対する弁開き始め温度が冷媒飽和温度より低く（すなわち冷媒の液相の範囲に）設定されている。したがって、この温度式膨張弁を用いた冷凍サイクルシステムにより冷凍装置を構成すると、蒸発器出口の冷媒状態が安定して湿り蒸気となり、発熱体を均一に冷却できて発熱体の温度分布を均一に保つことができる。

この際、前記発熱体の熱負荷変動時に弁が公称能力時の開度となった場合でも、前記蒸発器出口における冷媒が常に湿り蒸気となるように、弁が公称能力時の開度となる温度を、冷媒飽和温度よりも低く設定されていることを特徴とする温度式膨張弁が好ましい。

また、前記発熱体の熱負荷変動時に弁が全開になった場合でも、前記蒸発器出口における冷媒が常に湿り蒸気となるように、弁全開となる温度が、冷媒飽和温度よりも低く設定されていることを特徴とする温度式膨張弁が好ましい。

また、この際、内部均圧式であることを特徴とする温度式膨張弁が好ましい。

また、前記蒸発器出口における冷媒が常に湿り蒸気となるように、二次圧力に対する弁開き始め温度が、冷媒飽和温度よりも前記蒸発器の圧力損失分の冷媒飽和相当温度だけ低く設定されていることを特徴とする温度式膨張弁が好ましい。

また、本発明の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた絞り装置とを含む冷凍サイクルシステムであって、前記いずれかの温度式膨張弁が、前記絞り装置として用いられていることを特徴とする。

本発明の温度式膨張弁及び冷凍サイクルシステムによれば、簡単な構成で、蒸発器出口での冷媒状態を安定して湿り蒸気となるように制御でき、冷却装置において発熱体を均一に冷却できて発熱体の温度分布を均一に保つことができる。

本発明の実施形態の温度式膨張弁を用いた冷却装置の冷凍サイクルシステムの要部を示す図である。 実施形態の温度式膨張弁における空気特性を示す図である。 従来の温度式膨張弁における空気特性を示す図である。

次に、本発明の温度式膨張弁及び冷凍サイクルシステムの実施形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態の温度式膨張弁を用いた冷却装置の冷凍サイクルシステムの要部を示す図である。図１において、１０は温度式膨張弁、２０は圧縮機、３０は凝縮器、４０は蒸発器、５０はアキュムレータであり、これらは配管で環状に接続することにより冷凍サイクルシステムを構成している。温度式膨張弁１０は、弁本体部１、ダイヤフラム装置２、例えば従来の感温筒と同様な感温部３、及びキャピラリチューブ４を有している。弁本体部１の一次側継手管１ａは凝縮器３０の出口側配管３０ａに接続され、二次側継手管１ｂは蒸発器４０の入口側配管４０ａに接続されている。そして、蒸発器４０は冷却対象である発熱体１００に接触して併設され、この蒸発器４０の出口側配管４０ｂに感温部３（感温筒）が取り付けられている。なお、発熱体１００は、例えばメモリやＣＰＵ等の発熱素子などであり、この発熱体１００の発熱体熱負荷の挙動は既知である。なお、以下の説明で、「温度式膨張弁」を適宜「膨張弁」とも表現する。

圧縮機２０は冷凍サイクルシステムを流れる冷媒を圧縮し、圧縮された冷媒は凝縮器３０で凝縮液化され、一次側継手管１ａを通して弁本体部１に流入される。弁本体部１は流入される冷媒を減圧（膨張）して二次側継手管１ｂから蒸発器４０に流入させる。蒸発器４０は冷媒の一部を蒸発気化し、気液混合状態の冷媒がアキュムレータ５０に流入し、このアキュムレータ５０から気相冷媒が圧縮機２０に循環される。そして、蒸発器４０は、冷媒の一部を蒸発気化することで、発熱体１００から熱を吸収する。これにより発熱体１００が冷却される。また、感温部３には、吸着チャージによりガスが封入されており、この感温部３はキャピラリチューブ４によりダイヤフラム装置２に連結されている。

温度式膨張弁１０の機械的な構成としては、広く知られている一般的なものを採用することができる。例えば、ダイヤフラム装置２は、キャピラリチューブ４によって感温部３に接続された受圧室と均圧室とを、ダイヤフラムにより区画するよう構成されている。なお、この実施形態の温度式膨張弁１０は内部均圧式であるが、外部均圧式の場合は均圧室は蒸発器４０の出口側配管４０ｂに導通される。弁本体部１は、ダイヤフラムに連結された弁体により、一次側継手管１ａと二次側継手管１ｂとの間に形成された弁ポートの弁開度を調整するよう構成されている。そして、感温部３による感知温度に応じて変化する受圧室の内圧に応じて冷媒を流す弁ポートの弁開度を変化させ、蒸発器４０へ供給する冷媒の流量制御を行う。

また、実施形態の温度式膨張弁１０は以下のように設定されている。図２は実施形態の温度式膨張弁１０における空気特性の概略図、図３は従来の温度式膨張弁における空気特性の概略図の一例であり、これらの空気特性は、感温部３で検知される感温部温度「Ｔ」と二次側継手管１ｂの圧力である二次圧力「Ｐ」に対して、弁が全開となる「全開特性」のライン、「公称能力弁開特性」のライン、弁の開き始めを示す「静止過熱度（ＳＳＨ）」のラインを図示したものである。

図２に示すように、実施形態の温度式膨張弁１０においては、発熱体１００における使用温度範囲は予め決められている。そして、この使用温度範囲において、「静止過熱度」（ＳＳＨ）が、冷媒飽和線よりも左側（液相側）に設定されている。すなわち、この使用温度範囲において、二次圧力に対する弁開き始め温度が冷媒飽和温度（冷媒飽和線上の温度）より低く設定されている。また、「公称能力弁開特性」のラインと「全開特性」のラインも、同様に、使用温度範囲において冷媒飽和線よりも左側（液相側）に設定されている。したがって、蒸発器４０の出口の冷媒状態が安定して湿り蒸気となるため、発熱体１００の温度分布を均一に保つことができ、発熱体１００の部分劣化が回避できる。

実施形態の温度式膨張弁１０は内部均圧式であるが、外部均圧式の温度式膨張弁や、蒸発器の圧力損失が殆どない場合の内部均圧式の温度式膨張弁では、上記のように、二次圧力に対する弁開き始め温度を冷媒飽和温度より低く設定する、という構成でよい。なお、蒸発器（膨張弁から蒸発器出口までの間）の圧力損失が大きい場合の内部均圧式の温度式膨張弁では、二次圧力に対する弁開き始め温度を冷媒飽和温度よりも圧力損失分の冷媒飽和相当温度だけ低く設定する、という構成をさらに備えていればよい。これは、蒸発器の圧力損失が大きい場合、圧力損失分だけ、蒸発器４０の出口配管の内圧が二次圧力（膨張弁出口圧力）より下がるため、蒸発器４０の出口配管内の冷媒状態が、過熱蒸気となる可能性があるため、これを回避するためである。

したがって、このように弁開き始め温度を設定することで、圧力損失の大きい蒸発器４０で内部均圧式の温度式膨張弁であっても、蒸発器４０の出口の冷媒状態が安定して湿り蒸気となるため、発熱体１００の温度分布を均一に保つことができ、発熱体１００の部分劣化が回避できる。圧力損失の大きい蒸発器４０であっても、上述の様に、外部均圧方式の温度式膨張弁では圧力損失の影響を受けない為、内部均圧式の温度式膨張弁のように圧力損失分の冷媒飽和相当温度分だけ弁開き始め温度をさらに低く設定すること（ＳＳＨラインの左側へのシフト）は不要である。

なお、従来の温度式膨張弁では過熱度制御を行うため、図３に示すように、「静止過熱度（ＳＳＨ）」のラインを冷媒飽和線より右側（気相側）に設定している。「公称能力弁開特性」のラインと「全開特性」のラインも、同様に冷媒飽和線より右側（気相側）に設定している。このため、蒸発器の出口の冷媒状態を湿り蒸気とすることができず、発熱体の温度分布を均一に保つことができない。これに対して、本発明では、温度式膨張弁が前記のように設定されているので、発熱体の温度分布を均一に保つことができる。

また、感温部３は吸着チャージにより構成されているので、前記のようなＳＳＨライン等を冷媒飽和線よりも左側(液相側)にする設定が容易にできる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述し、その他の実施形態についても詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１ 弁本体部
２ ダイヤフラム装置
３ 感温部
４ キャピラリチューブ
１０ 温度式膨張弁
２０ 圧縮機
３０ 凝縮器
４０ 蒸発器
４０ａ 入口側配管
４０ｂ 出口側配管
５０ アキュムレータ
１００ 発熱体

Claims (6)

1. 圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた絞り装置と、を含む冷凍サイクルシステムにおける前記絞り装置として用いられる感温部を備えた温度式膨張弁において、
   冷却対象であるとともに前記蒸発器に接触して併設される発熱体の使用温度範囲にて、蒸発器出口冷媒が湿り蒸気となり、蒸発器出口が常に過熱度がつかない状態となるように、前記感温部に所定量かつ所定種別のガスが封入されることで、前記発熱体の前記使用温度範囲の全域において二次圧力に対する弁開き始め温度が冷媒飽和温度より低く設定されていることを特徴とする温度式膨張弁。
2. 前記発熱体の熱負荷変動時に弁が公称能力時の開度となった場合でも、前記蒸発器出口における冷媒が常に湿り蒸気となるように、弁が公称能力時の開度となる温度を、冷媒飽和温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の温度式膨張弁。
3. 前記発熱体の熱負荷変動時に弁が全開になった場合でも、前記蒸発器出口における冷媒が常に湿り蒸気となるように、弁全開となる温度が、冷媒飽和温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の温度式膨張弁。
4. 内部均圧式であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度式膨張弁。
5. 前記蒸発器出口における冷媒が常に湿り蒸気となるように、二次圧力に対する弁開き始め温度が、冷媒飽和温度よりも前記蒸発器の圧力損失分の冷媒飽和相当温度だけ低く設定されていることを特徴とする請求項４に記載の温度式膨張弁。
6. 圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた絞り装置とを含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温度式膨張弁が、前記絞り装置として用いられていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。

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