WO2017110683A1 - 冷媒循環装置および冷媒循環方法 - Google Patents

Abstract

室内機と室外機からなる相変化冷却装置においては、室内機の結露を防止する構成とすると、冷却性能が低下するため、本発明の冷媒循環装置は、受熱手段から流入する気液二相冷媒に含まれる液相冷媒である第１冷媒液と、気液二相冷媒が放熱手段によって冷却されることにより生じる第２冷媒液とを混合し、第１冷媒液および第２冷媒液からなる還流冷媒液を送出するように構成された冷媒液熱平衡手段と、気液二相冷媒および還流冷媒液が、受熱手段と冷媒液熱平衡手段との間を循環するように構成された冷媒流路と、冷媒流路を通して還流冷媒液を受熱手段に還流させる冷媒液還流手段と、還流冷媒液の流量を制御する冷媒液流量制御手段と、を有する。

Description

冷媒循環装置および冷媒循環方法

　本発明は、冷媒循環装置および冷媒循環方法に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う冷却装置に用いられる冷媒循環装置および冷媒循環方法に関する。

　近年、インターネットサービスなどの拡大に伴い、情報処理を行うサーバやネットワーク機器を一箇所に集約したデータセンターの役割が大きくなってきている。データセンターにおいては、取り扱う情報処理量の増大に伴って電力消費量も増大している。そのため、相変化冷却方式による冷却装置（相変化冷却装置）を空調機と併用することによって、データセンター等の空調機の電力を削減する試みが行われている。ここで、相変化冷却装置とは、冷媒が液相から気相、または気相から液相に変化する際の潜熱を利用して熱輸送を行う冷却装置である。

　相変化冷却装置は、室内機で受熱した室内の熱を、室外の放熱器（室外機）まで気相状態の冷媒で輸送する。室外機において排熱した冷媒は液相状態に変化し、さらに冷媒液の温度が外気の温度まで過冷却された状態で室内に還流する。そのため、冬季のように外気温度が低い場合は、室内機の表面に結露が生じるという問題がある。

　このような問題点を解決する技術が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された関連する冷房システム５００は、図１４に示すように、室内ＩＮに設置される室内熱交換ユニット５１０、室外ＯＵＴに設置される室外熱交換ユニット５２０、および内部熱交換器５３０を有する。

　関連する冷房システム５００は、さらに、室内熱交換ユニット５１０と室外熱交換ユニット５２０との間で冷媒を自然循環させる配管システム５４０を有する。配管システムには、第１の供給管５４１と第２の供給管５４２が含まれる。第１の供給管５４１は、室内熱交換ユニット５１０から室外熱交換ユニット５２０へ供給される気化冷媒と内部熱交換器５３０により熱交換して加温された液冷媒を、室外熱交換ユニット５２０から室内熱交換ユニット５１０へ供給する。第２の供給管５４２は、内部熱交換器５３０をバイパスして室外熱交換ユニット５２０から室内熱交換ユニット５１０へ液冷媒を供給する。

　関連する冷房システム５００においては、第１の供給管５４１を使用し、内部熱交換器５３０により気化冷媒と熱交換して加温された液冷媒を室内熱交換ユニット５１０に供給することができる。したがって、室外熱交換ユニット５２０から供給される液冷媒の温度が室内熱交換ユニット５１０において結露を発生させる温度以下であっても、内部熱交換器５３０により液冷媒を加温することで室内熱交換ユニット５１０の結露を抑制できる、としている。

特開２０１１－２４７５７３号公報

　上述したように、関連する冷房システム５００は、内部熱交換器５３０によって気相状態の冷媒と液相状態の冷媒（冷媒液）との間で熱交換を行い、これにより冷媒液を露点温度以上に加熱する構成としている。しかしながら、熱交換することによって気相状態の冷媒は凝縮し液化してしまう。凝縮液化した冷媒液が気相管内に存在すると気相管内の圧力損失が増大するため、熱輸送性能が低下する。その結果、関連する冷房システム５００においては、冷却性能が低下するという問題があった。

　このように、室内機と室外機からなる相変化冷却装置においては、室内機の結露を防止する構成とすると、冷却性能が低下する、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、室内機と室外機からなる相変化冷却装置においては、室内機の結露を防止する構成とすると、冷却性能が低下する、という課題を解決する冷媒循環装置および冷媒循環方法を提供することにある。

　本発明の冷媒循環装置は、受熱手段から流入する気液二相冷媒に含まれる液相冷媒である第１冷媒液と、気液二相冷媒が放熱手段によって冷却されることにより生じる第２冷媒液とを混合し、第１冷媒液および第２冷媒液からなる還流冷媒液を送出するように構成された冷媒液熱平衡手段と、気液二相冷媒および還流冷媒液が、受熱手段と冷媒液熱平衡手段との間を循環するように構成された冷媒流路と、冷媒流路を通して還流冷媒液を受熱手段に還流させる冷媒液還流手段と、還流冷媒液の流量を制御する冷媒液流量制御手段と、を有する。

　本発明の冷媒循環方法は、受熱側で発生する気液二相冷媒に含まれる液相冷媒である第１冷媒液と、気液二相冷媒が放熱側で冷却されることにより生じる第２冷媒液とを熱平衡状態とし、熱平衡状態にある第１冷媒液および第２冷媒液からなる還流冷媒液を生成し、還流冷媒液を受熱側に還流させ、還流冷媒液の流量を制御する。

　本発明の冷媒循環装置および冷媒循環方法によれば、室内機と室外機からなる相変化冷却装置の冷却性能の低下を招くことなく、室内機の結露を防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷媒循環装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒循環装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒循環装置が備えるタンクの構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒循環装置を備えた相変化冷却装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒循環装置の別の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒循環装置が備えるタンク近傍の別の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒循環装置のさらに別の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒循環装置が備えるタンク近傍のさらに別の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る冷媒循環装置が備えるタンク近傍の構成を示す断面図である。 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示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る相変化冷却装置が備えるタンク近傍の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る相変化冷却装置の別の構成を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る相変化冷却装置が備えるタンク近傍の別の構成を示す断面図である。 関連する冷房システムの概略構成を示す模式図である。

　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。

　〔第１の実施形態〕
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷媒循環装置１００の構成を示す模式図である。本実施形態による冷媒循環装置１００は、冷媒液熱平衡手段１１０、冷媒流路１２０、冷媒液還流手段１３０、および冷媒液流量制御手段１４０を有する。

　冷媒液熱平衡手段１１０は、受熱手段１０から流入する気液二相冷媒に含まれる液相冷媒である過剰冷媒液（第１冷媒液）と、気液二相冷媒が放熱手段２０によって冷却されることにより生じる過冷却冷媒液（第２冷媒液）とを混合することにより、均一の温度とする。すなわち、過剰冷媒液と過冷却冷媒液とを熱平衡状態とする。そして、冷媒液熱平衡手段１１０は、熱平衡状態にある過剰冷媒液および過冷却冷媒液からなる還流冷媒液を送出するように構成されている。

　冷媒流路１２０は、気液二相冷媒および還流冷媒液が、受熱手段１０と冷媒液熱平衡手段１１０との間を循環するように構成されている。冷媒液還流手段１３０は、冷媒流路１２０を通して還流冷媒液を受熱手段１０に還流させる。そして、冷媒液流量制御手段１４０は、還流冷媒液の流量を制御する。

　上述したように、本実施形態による冷媒循環装置１００は、冷媒液熱平衡手段１１０が熱平衡状態にある過剰冷媒液および過冷却冷媒液からなる還流冷媒液を送出する構成としている。ここで、過剰冷媒液は気液二相冷媒に含まれる液相冷媒であり、受熱手段１０において顕熱によって温度が上昇している。そして、この過剰冷媒液の流量は、受熱手段１０に流入する還流冷媒液の流量に依存するので、冷媒液流量制御手段１４０が還流冷媒液の流量を制御する構成とすることにより、還流冷媒液の温度を制御することができる。

　その結果、室外に設置された放熱手段２０によって、凝縮液化した冷媒液がさらに外気の温度まで過冷却されて過冷却冷媒液となる場合であっても、室内の受熱手段１０に還流する還流冷媒液の温度を室内の露点温度よりも高くすることが可能になる。

　また、上述した構成によれば、過剰冷媒液は冷媒液熱平衡手段１１０において還流冷媒液となって受熱手段１０に還流するので、過剰冷媒液が放熱手段２０側に流出するのを回避することができる。したがって、放熱手段２０側に過剰冷媒液が存在することによる熱輸送性能の低下は生じないので、冷却性能の低下を招くことはない。

　このように、本実施形態の冷媒循環装置１００によれば、室内機と室外機からなる相変化冷却装置の冷却性能の低下を招くことなく、室内機の結露を防止することができる。

　なお、還流冷媒液は熱平衡状態にある過剰冷媒液および過冷却冷媒液からなるので、還流冷媒液の流量は、過冷却冷媒液と熱平衡状態となる過剰冷媒液の流量を制御することによっても制御することが可能である。

　冷媒液熱平衡手段１１０は、過剰冷媒液と過冷却冷媒液を熱平衡状態とする熱平衡部と、過剰冷媒液と過冷却冷媒液を合流させる合流部とを備えた構成とすることができる。具体的には例えば、二股（二分岐）配管等を用いた構成とすることができる。これに限らず、冷媒液熱平衡手段１１０は、過剰冷媒液と過冷却冷媒液を貯留する容器部、例えばタンクを備えた構成としてもよい。

　冷媒流路１２０は、典型的には金属製または樹脂製の配管である。冷媒液還流手段１３０は、典型的にはポンプである。また、冷媒液流量制御手段１４０は、典型的には流量可変バルブである。

　次に、本実施形態による冷媒循環方法について説明する。

　本実施形態の冷媒循環方法においては、まず、受熱側で発生する気液二相冷媒に含まれる液相冷媒である過剰冷媒液と、この気液二相冷媒が放熱側で冷却されることにより生じる過冷却冷媒液とを熱平衡状態とする。そして、この熱平衡状態にある過剰冷媒液および過冷却冷媒液からなる還流冷媒液を生成し、この還流冷媒液を受熱側に還流させる。このとき、この還流冷媒液の流量を制御する。

　ここで、過剰冷媒液は気液二相冷媒に含まれる液相冷媒であり、受熱側で顕熱によって温度が上昇している。そして、この過剰冷媒液の流量は、受熱側に流入する還流冷媒液の流量に依存するので、還流冷媒液の流量を制御する構成とすることにより、還流冷媒液の温度を制御することができる。その結果、室外の放熱側で凝縮液化した冷媒液がさらに外気の温度まで過冷却されて過冷却冷媒液となる場合であっても、室内に還流する還流冷媒液の温度を室内の露点温度よりも高くすることが可能になる。

　また、過剰冷媒液が放熱側に流入することを回避できるので、放熱側に過剰冷媒液が存在することによる冷却性能の低下を招くことはない。

　以上説明したように、本実施形態の冷媒循環装置１００および冷媒循環方法によれば、室内機と室外機からなる相変化冷却装置の冷却性能の低下を招くことなく、室内機の結露を防止することができる。

　〔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。図２に、本実施形態による冷媒循環装置２０１の構成を模式的に示す。

　本実施形態の冷媒循環装置２０１は、冷媒液熱平衡手段としてのタンク２１０、冷媒流路としての気相管２２１および液相管２２２、冷媒液還流手段としてのポンプ２３０、および冷媒液流量制御手段としてのバルブ２４０を有する。

　図３に、冷媒液熱平衡手段としてのタンク２１０の構成を示す。同図に示すように、タンク２１０には、受熱部（受熱手段）１０および放熱部（放熱手段）２０にそれぞれつながる気相管２２１と液相管２２２がそれぞれ接続されている。

　本実施形態の冷媒循環装置２０１は、さらに、受熱部（受熱手段）１０に還流する還流冷媒液の温度を測定し冷媒液温度を出力する冷媒液温度測定手段としての温度計２５０と、制御手段（図示せず）とを有する。制御手段は、この冷媒液温度に基づいてバルブ（冷媒液流量制御手段）２４０を制御する。

　ここで、本実施形態の冷媒循環装置２０１においては、バルブ（冷媒液流量制御手段）２４０は、受熱部（受熱手段）１０に流入する還流冷媒液の流量を制御する第１の冷媒液流量制御手段としての第１のバルブ２４１とした。すなわち、第１のバルブ２４１は、受熱部１０の近傍の液相管２２２に配置された構成とした。

　このとき、制御手段は、冷媒液温度が所定の温度以下である場合、受熱部（受熱手段）１０に流入する還流冷媒液の流量を増加させるように第１のバルブ（第１の冷媒液流量制御手段）２４１を制御する。ここで、上述の所定の温度は、典型的には受熱部（受熱手段）１０が位置する環境における露点温度である。

　本実施形態の冷媒循環装置２０１では、受熱部１０に接続された液相管２２２の第１のバルブ２４１を制御することにより、潜熱分に対応する流量以上の冷媒液をポンプ２３０で受熱部１０に送流することができる。これにより、受熱部１０を通過して、顕熱によって温度上昇した余剰の冷媒液である過剰冷媒液も、気相管２２１に送出される。そして、この過剰冷媒液は、室外機に配置された放熱部（放熱手段）２０から還流した過冷却冷媒液とタンク２１０で混合し熱平衡状態となる。そのため、室内に配置された受熱部１０に還流する冷媒液の温度を露点温度よりも高くすることができる。

　したがって、本実施形態の冷媒循環装置２０１によれば、室内機と室外機からなる相変化冷却装置の冷却性能の低下を招くことなく、室内機の結露を防止することができる。

　ここで、図４に示すように、本実施形態の冷媒循環装置２０１と、受熱部（受熱手段）１０、および放熱部（放熱手段）２０とにより、相変化冷却装置３００が構成される。ここで、受熱部（受熱手段）１０は、冷媒を収容し、受熱することにより気液二相冷媒を生成する蒸発器を備える。放熱部（放熱手段）２０は、この気液二相冷媒を凝縮液化させ、外気温度まで過冷却した過冷却冷媒液を生成する凝縮器を備える。なお、図４に示したように、相変化冷却装置３００は複数個の受熱部１０を備えた構成とすることができる。

　次に、本実施形態による冷媒循環装置２０１の動作について、さらに詳細に説明する。

　図２に示すように、ポンプ２３０によって送出された冷媒液（図中の実線矢印）は、受熱部１０で受熱することにより気化し、気相冷媒（図中の破線矢印）となって気相管２２１を流動する。気相冷媒は気相管２２１を通って室外機に配置された放熱部２０に輸送され、放熱部２０において放熱することにより凝縮液化し液相冷媒となる。そして、液相冷媒は液相管２２２を通ってポンプ２３０に戻る。

　相変化冷却方式においては、受熱部１０に送り込む冷媒量をバルブ２４０によって制御することにより、気相管２２１には気相冷媒だけが流動する動作状態とすることができる。このとき、受熱部１０に送り込む冷媒量は、相変化によって抜熱するのに必要なだけの冷媒液量、すなわち、冷媒の潜熱だけで抜熱するのに必要なだけの流量となる。

　それに対して、本実施形態の冷媒循環装置２０１においては、温度計２５０によって監視した冷媒液の温度が露点温度以下である場合は、冷媒液の流量を、潜熱だけで抜熱するのに必要なだけの流量よりも多くする。そして、冷媒液の温度が露点温度よりも高くなるように、バルブ２４０を制御する。

　受熱部１０において気相に相変化しなかった冷媒液（過剰冷媒液）は、顕熱によって温度が上昇した状態で気相管２２１内を流動する。この冷媒液（過剰冷媒液）は、室外機に配置された放熱部２０に流入せずに、途中に配置されているタンク２１０に流れ込む。

　タンク２１０には、図３に示すように、放熱部２０に接続された液相管２２２を通って、放熱部２０で過冷却された液相冷媒（過冷却冷媒液）が流入する。この過冷却冷媒液は、温度が上昇した状態で気相管２２１内を流動した冷媒液（過剰冷媒液）と混合し、露点温度よりも高い温度となってポンプ２３０に還流する。

　このように、気相管２２１を流動してきた冷媒液（過剰冷媒液）はタンク２１０を通過する際に排出されるので、気相の冷媒だけが高温の状態で放熱部２０に向けて気相管２２１を流動する。この気相の冷媒は熱交換することはないため、気相管２２１の途中で凝縮することはない。そのため、気相管２２１内で凝縮液化した冷媒液によって熱輸送性能が低下することはない。

　第１のバルブ２４１は受熱部１０に流入する還流冷媒液の流量が、以下の流量になるように制御する。潜熱によって抜熱するのに必要な流量Ｑ１の冷媒は、室外に配置された放熱部２０において外気温度となる。そこで、この外気温度となった流量Ｑ１の冷媒液（過冷却冷媒液）が、受熱部１０において顕熱によって温度上昇した流量Ｑ２の冷媒液（過剰冷媒液）と混合して露点温度よりも高い温度の冷媒液（還流冷媒液）となるのに必要な流量に制御する。

　ここで、潜熱によって熱輸送するのに必要な冷媒の流量は、顕熱によって熱輸送するのに必要な冷媒の流量と比較して、通常はかなり少ない。そのため、気相管２２１を流動する冷媒液の流量は少ない。しかし、気相管２２１の圧力損失の増加を抑制するため、気相管２２１の内径は、管内を流れる冷媒液による圧損の上昇を考慮した径とすることが望ましい。

　図５に、本実施形態による冷媒循環装置の別の構成を模式的に示す。

　図５に示した冷媒循環装置２０２は、タンク（冷媒液熱平衡手段）２１０に流入する過剰冷媒液の流量を制御する第２の冷媒液流量制御手段として第２のバルブ２４２を備えた構成とした。図６に、タンク２１０および第２のバルブ２４２の配置および構成を示す。同図に示すように、冷媒循環装置２０２は、気相管２２１とタンク２１０の間にバイパス管２２３を設け、このバイパス管２２３に第２のバルブ２４２を配置した構成とした。

　ここで、制御手段（図示せず）は、温度計２５０が測定した冷媒液温度が所定の温度以下である場合、タンク（冷媒液熱平衡手段）２１０に流入する過剰冷媒液の流量を増加させるように第２のバルブ（第２の冷媒液流量制御手段）２４２を制御する。

　このとき、過剰冷媒液は、バイパス管２２３内を第２のバルブ２４２を通って流動し（図６中のハッチング部分）、タンク２１０内に滴下する（図６中の下向き矢印）。

　一方、冷媒液温度が所定の温度よりも高い場合、タンク（冷媒液熱平衡手段）２１０に流入する過剰冷媒液の流量を減少させるように第２のバルブ（第２の冷媒液流量制御手段）２４２を制御する。ここで、上述の所定の温度は、典型的には受熱部（受熱手段）１０が位置する環境における露点温度である。

　このように、冷媒液温度が露点温度よりも高くなる外気環境の下では、第２のバルブ２４２を閉じることが可能である。そのため、タンク２１０が気相管２２１の間に介在することによる配管の圧力損失を低減することができる。したがって、外気温度が高い夏季においては、熱輸送性能の低下を確実に防止することが可能になる。

　図７に、本実施形態による冷媒循環装置のさらに別の構成を模式的に示す。

　図７に示した冷媒循環装置２０３は、タンク（冷媒液熱平衡手段）２１０を通過し放熱部（放熱手段）２０に流出する過剰冷媒液の流量を制御する第３の冷媒液流量制御手段として第３のバルブ２４３を備えた構成とした。図８に、タンク２１０および第３のバルブ２４３の配置および構成を示す。同図に示すように、冷媒循環装置２０３は、気相管２２１のバイパス管２２３よりも放熱部２０側に第３のバルブ２４３を備えた構成とした。

　このとき、制御手段（図示せず）は、冷媒液温度が所定の温度以下である場合、放熱部２０に流出する過剰冷媒液の流量を減少させるように第３のバルブ（第３の冷媒液流量制御手段）２４３を制御する。ここで、上述の所定の温度は、典型的には受熱部（受熱手段）１０が位置する環境における露点温度である。

　このように、冷媒循環装置２０３では、第３のバルブ２４３をさらに備えた構成とすることにより、受熱部１０から流入する過剰冷媒液が放熱部２０側に流出するのを防止し、より確実に受熱部１０側に還流させることができる。これにより、冷媒循環装置２０３によれば、冷却性能の低下をより確実に防止することが可能になる。

　この場合においても、過剰冷媒液は、バイパス管２２３内を第２のバルブ２４２を通って流動し（図８中のハッチング部分）、タンク２１０内に滴下する（図８中の下向き矢印）。

　次に、本実施形態による冷媒循環方法について説明する。

　本実施形態の冷媒循環方法においては、まず、受熱側で発生する気液二相冷媒に含まれる液相冷媒である過剰冷媒液と、この気液二相冷媒が放熱側で冷却されることにより生じる過冷却冷媒液とを熱平衡状態とする。そして、この熱平衡状態にある過剰冷媒液および過冷却冷媒液からなる還流冷媒液を生成し、この還流冷媒液を受熱側に還流させる。

　本実施形態の冷媒循環方法においては、さらに、受熱側に還流する還流冷媒液の温度を測定して冷媒液温度を取得する。そして、この冷媒液温度に基づいて還流冷媒液の流量を制御する。

　このとき、冷媒液温度が所定の温度以下である場合、受熱側に流出する還流冷媒液の流量を増加させることができる。

　また、冷媒液温度が所定の温度以下である場合、還流冷媒液を構成する過剰冷媒液の流量を増加させ、冷媒液温度が所定の温度よりも高い場合、還流冷媒液を構成する過剰冷媒液の流量を減少させることとしてもよい。

　さらに、冷媒液温度が所定の温度以下である場合、放熱側に流出する過剰冷媒液の流量を減少させることとしてもよい。

　なお、上述した所定の温度は、典型的には受熱側の環境における露点温度である。

　以上説明したように、本実施形態の冷媒循環装置２０１、２０２、２０３および冷媒循環方法によれば、室内機と室外機からなる相変化冷却装置の冷却性能の低下を招くことなく、室内機の結露を防止することができる。

　〔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。本実施形態による冷媒循環装置の構成は、図５に示した第２の実施形態による冷媒循環装置２０２の構成と同様である。すなわち、本実施形態の冷媒循環装置は、タンク（冷媒液熱平衡手段）２１０に流入する過剰冷媒液の流量を制御する第２の冷媒液流量制御手段として第２のバルブ２４２を備えた構成である。

　図９に、タンク２１０および第２のバルブ２４２の配置および構成を示す。同図に示すように、本実施形態の冷媒循環装置は、気相管２２１とタンク２１０の間にバイパス管２２３を設け、このバイパス管２２３に第２のバルブ２４２を配置した構成とした。

　本実施形態の冷媒循環装置は、制御手段（図示せず）の動作が第２の実施形態による冷媒循環装置２０２と異なる。制御手段は、温度計２５０が測定した冷媒液温度が所定の温度よりも高い場合、タンク２１０に流入する過剰冷媒液の流量を減少させるように第２のバルブ２４２を制御する。ここで、上述の所定の温度は、典型的には受熱部（受熱手段）１０が位置する環境における露点温度である。このとき、本実施形態の制御手段は、第２のバルブ２４２の流入側に過剰冷媒液（第１冷媒液）の液面が形成されるように、第２のバルブ２４２の開度を制御する。

　すなわち、冷媒液温度が所定の温度よりも高い場合に、第２のバルブ２４２を全閉してしまうと、過剰冷媒液が気相管２２１内に滞留し、気相管２２１内を流動する気相冷媒の圧力損失が増大し、熱輸送性能が悪化する原因となる。しかし、本実施形態による冷媒循環装置では、バイパス管２２３内の第２のバルブ２４２の上に過剰冷媒液の液面が構成されるように第２のバルブ２４２の開度を制御する。具体的には例えば、第２のバルブ２４２を一旦全閉し、過剰冷媒液が第２のバルブ２４２より上流側のバイパス管２２３内に充填されたときに（図９中のハッチング部分）、第２のバルブ２４２の開口を拡げ、充填された過剰冷媒液の一部を滴下させる（図９中の下向き矢印）。その後、再度、第２のバルブ２４２を全閉し、過剰冷媒液をバイパス管２２３内に充填させる構成とすることができる。これにより、過剰冷媒液がバイパス管２２３との接続部を越えて、気相管２２１内の下流（放熱部２０）側に流動することを防止できるので、圧力損失の増大による熱輸送性能の悪化を回避することができる。

　気相管２２１を流動する気液二相冷媒に含まれる気相冷媒は、受熱部（受熱手段）１０と放熱部（放熱手段）２０の間の圧力勾配を駆動源として流動する。そのため、受熱部１０と放熱部２０を接続する配管系統の圧力損失などによって圧力勾配が減少すると、過剰冷媒液と共に気相冷媒もバイパス管２２３を通ってタンク２１０に流入する可能性がある。

　しかし、本実施形態の冷媒循環装置においては、図９に示すように、制御手段が、第２のバルブ２４２の流入側に過剰冷媒液の液面が形成されるように、第２のバルブ２４２の開度を制御する構成としている。これにより、気相管２２１を流動する気相冷媒は、過剰冷媒の液面によってタンク２１０へ流入することが妨げられる。そのため、外気温度が高くなり、受熱部１０と放熱部２０の間の圧力勾配が減少した場合であっても、気相冷媒は、タンク２１０に流入することなく放熱部２０に向かって流動することが可能である。その結果、熱輸送性能の低下を抑制することができる。

　また、本実施形態の冷媒循環装置によれば、第２の実施形態による冷媒循環装置２０２と同様に、室内機と室外機からなる相変化冷却装置の冷却性能の低下を招くことなく、室内機の結露を防止することができる。

　〔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。図１０に、本実施形態による相変化冷却装置３０１の構成を模式的に示す。

　本実施形態による相変化冷却装置３０１は、受熱部（受熱手段）１０、放熱部（放熱手段）２０、および冷媒循環装置を有する。冷媒循環装置として、第２の実施形態による冷媒循環装置２０２または冷媒循環装置２０３を用いることができる。すなわち、冷媒循環装置は、冷媒液熱平衡手段としてのタンク２１０、冷媒液還流手段としてのポンプ２３０、および冷媒液流量制御手段としてのバルブを備える。図１０には、冷媒液流量制御手段として第２のバルブ２４２および第３のバルブ２４３を備えた構成を示した。

　本実施形態による相変化冷却装置３０１はさらに、一端が受熱部１０と接続する第１の気相管３２１Ａ、第１の気相管３２１Ａの所定の箇所である分岐部３２０と放熱部２０を接続する第２の気相管３２１Ｂ、およびバイパス管３２３を有する。バイパス管３２３は、第１の気相管３２１Ａの他端とタンク２１０を接続する。図１１に、タンク２１０近傍の構成を示す。

　ここで、第２の気相管３２１Ｂは、図１０に示すように、気液二相冷媒に含まれる気相冷媒が、第１の気相管３２１Ａから放熱部２０に向かって上方に流動する流路を構成する。

　気液二相冷媒に含まれる過剰冷媒液は気相冷媒と比較して密度が大きいため、第１の気相管３２１Ａの断面方向の下側を流動する。上述したように、第２の気相管３２１Ｂは気相冷媒が放熱部２０に向かって上方に流動する流路を構成している。すなわち、第２の気相管３２１Ｂは上り勾配となっている。そのため、密度が大きい過剰冷媒液は第２の気相管３２１Ｂ内を上昇することができず、バイパス管３２３にそのまま流入する。

　なお、過剰冷媒液は密度が大きいため慣性力も大きいので、第１の気相管３２１Ａの途中にバイパス管３２３が接続された構成とした場合、過剰冷媒液の一部はバイパス管３２３に流入せずに通過し、第１の気相管３２１Ａ内に滞留することになる。しかし、本実施形態による相変化冷却装置３０１においては、バイパス管３２３が第１の気相管３２１Ａの他端と接続された構成としているので、過剰冷媒液はすべてバイパス管３２３に流入し、タンク２１０に導入される。

　このような構成とすることにより、第２の気相管３２１Ｂの上り勾配を上昇せずに下方に滴下する過剰冷媒液と、上昇する気相冷媒が衝突することによる圧力損失の発生を回避することが可能になる。その結果、熱輸送性能の低下を抑制することができる。

　図１０では、分岐部３２０が第１の気相管３２１Ａの途中に位置する構成を示したが、これに限らず、図１２に示した相変化冷却装置３０２のように、第１の気相管３２１Ａの他端に分岐部３２０が位置する構成としても良い。すなわち、第１の気相管３２１Ａの他端と、第２の気相管３２１Ｂおよびバイパス管３２３が接続された構成とすることができる。図１３に、タンク２１０近傍の構成を示す。

　この場合、第１の気相管３２１Ａを流動してきた気液二相冷媒は、分岐部３２０の接続部で衝突した後、過剰冷媒液は重力の作用によりバイパス管３２３に滴下し、気相冷媒は第２の気相管３２１Ｂ内を圧力勾配に沿って上昇することが可能である。

　このような構成とすることにより、過剰冷媒液が気相管内に滞留することによる圧力損失の発生を回避することが可能になる。その結果、熱輸送性能の低下を抑制することができる。

　また、本実施形態の相変化冷却装置３０１、３０２は、第２の実施形態による冷媒循環装置２０２または冷媒循環装置２０３を備えた構成としている。そのため、室内機と室外機からなる相変化冷却装置の冷却性能の低下を招くことなく、室内機の結露を防止することができる。

　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　この出願は、２０１５年１２月２１日に出願された日本出願特願２０１５－２４８３００および２０１６年５月１９日に出願された日本出願特願２０１６－１００４４９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、２０１、２０２、２０３　　冷媒循環装置
　１１０　　冷媒液熱平衡手段
　１２０　　冷媒流路
　１３０　　冷媒液還流手段
　１４０　　冷媒液流量制御手段
　２１０　　タンク
　２２１　　気相管
　２２２　　液相管
　２２３、３２３　　バイパス管
　２３０　　ポンプ
　２４０　　バルブ
　２４１　　第１のバルブ
　２４２　　第２のバルブ
　２４３　　第３のバルブ
　２５０　　温度計
　３００、３０１、３０２　　相変化冷却装置
　３２０　　分岐部
　３２１Ａ　　第１の気相管
　３２１Ｂ　　第２の気相管
　５００　　関連する冷房システム
　５１０　　室内熱交換ユニット
　５２０　　室外熱交換ユニット
　５３０　　内部熱交換器
　５４０　　配管システム
　５４１　　第１の供給管
　５４２　　第２の供給管
　１０　　受熱手段（受熱部）
　２０　　放熱手段（放熱部）

Claims (17)

1. 　受熱手段から流入する気液二相冷媒に含まれる液相冷媒である第１冷媒液と、前記気液二相冷媒が放熱手段によって冷却されることにより生じる第２冷媒液とを混合し、前記第１冷媒液および前記第２冷媒液からなる還流冷媒液を送出するように構成された冷媒液熱平衡手段と、
   　前記気液二相冷媒および前記還流冷媒液が、前記受熱手段と前記冷媒液熱平衡手段との間を循環するように構成された冷媒流路と、
   　前記冷媒流路を通して前記還流冷媒液を前記受熱手段に還流させる冷媒液還流手段と、
   　前記還流冷媒液の流量を制御する冷媒液流量制御手段と、を有する
   　冷媒循環装置。
2. 　請求項１に記載した冷媒循環装置において、
   　前記冷媒液熱平衡手段は、前記第１冷媒液と前記第２冷媒液を熱平衡状態とする熱平衡部と、前記第１冷媒液と前記第２冷媒液を合流させる合流部、とを備える
   　冷媒循環装置。
3. 　請求項１に記載した冷媒循環装置において、
   　前記冷媒液熱平衡手段は、前記第１冷媒液と前記第２冷媒液を貯留する容器部を備える
   　冷媒循環装置。
4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載した冷媒循環装置において、
   　前記受熱手段に還流する前記還流冷媒液の温度を測定し冷媒液温度を出力する冷媒液温度測定手段と、
   　前記冷媒液温度に基づいて前記冷媒液流量制御手段を制御する制御手段、とを有する
   　冷媒循環装置。
5. 　請求項４に記載した冷媒循環装置において、
   　前記冷媒液流量制御手段は、前記受熱手段に流入する前記還流冷媒液の流量を制御する第１の冷媒液流量制御手段を含み、
   　前記制御手段は、前記冷媒液温度が所定の温度以下である場合、前記受熱手段に流入する前記還流冷媒液の流量を増加させるように前記第１の冷媒液流量制御手段を制御する
   　冷媒循環装置。
6. 　請求項４または５に記載した冷媒循環装置において、
   　前記冷媒液流量制御手段は、前記冷媒液熱平衡手段に流入する前記第１冷媒液の流量を制御する第２の冷媒液流量制御手段を含み、
   　前記制御手段は、
   　　前記冷媒液温度が所定の温度以下である場合、前記冷媒液熱平衡手段に流入する前記第１冷媒液の流量を増加させるように前記第２の冷媒液流量制御手段を制御し、
   　　前記冷媒液温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記冷媒液熱平衡手段に流入する前記第１冷媒液の流量を減少させるように前記第２の冷媒液流量制御手段を制御する
   　冷媒循環装置。
7. 　請求項６に記載した冷媒循環装置において、
   　前記制御手段は、前記第２の冷媒液流量制御手段の流入側に前記第１冷媒液の液面が形成されるように、前記第２の冷媒液流量制御手段を制御する
   　冷媒循環装置。
8. 　請求項４から７のいずれか一項に記載した冷媒循環装置において、
   　前記冷媒液流量制御手段は、前記冷媒液熱平衡手段を通過し前記放熱手段に流出する前記第１冷媒液の流量を制御する第３の冷媒液流量制御手段を含み、
   　前記制御手段は、前記冷媒液温度が所定の温度以下である場合、前記放熱手段に流出する前記第１冷媒液の流量を減少させるように前記第３の冷媒液流量制御手段を制御する
   　冷媒循環装置。
9. 　請求項５から８のいずれか一項に記載した冷媒循環装置において、
   　前記所定の温度は、前記受熱手段が位置する環境における露点温度である
   　冷媒循環装置。
10. 　請求項１から９のいずれか一項に記載した冷媒循環装置と、
    　前記受熱手段と、
    　前記放熱手段、とを有し、
    　前記受熱手段は、冷媒を収容し、受熱することにより前記気液二相冷媒を生成し、
    　前記放熱手段は、前記気液二相冷媒を凝縮液化させ、外気温度まで過冷却した前記第２冷媒液を生成する
    　相変化冷却装置。
11. 　請求項１０に記載した相変化冷却装置において、
    　一端が前記受熱手段と接続する第１の気相管と、
    　前記第１の気相管の所定の箇所である分岐部と前記放熱手段を接続する第２の気相管と、
    　前記第１の気相管の他端と前記冷媒液熱平衡手段を接続するバイパス管、とを有し、
    　前記第２の気相管は、前記気液二相冷媒に含まれる気相冷媒が、前記第１の気相管から前記放熱手段に向かって上方に流動する流路を構成する
    　相変化冷却装置。
12. 　受熱側で発生する気液二相冷媒に含まれる液相冷媒である第１冷媒液と、前記気液二相冷媒が放熱側で冷却されることにより生じる第２冷媒液とを熱平衡状態とし、
    　熱平衡状態にある前記第１冷媒液および前記第２冷媒液からなる還流冷媒液を生成し、
    　前記還流冷媒液を前記受熱側に還流させ、
    　前記還流冷媒液の流量を制御する
    　冷媒循環方法。
13. 　請求項１２に記載した冷媒循環方法において、
    　前記受熱側に還流する前記還流冷媒液の温度を測定して冷媒液温度を取得し、
    　前記冷媒液温度に基づいて前記流量を制御する
    　冷媒循環方法。
14. 　請求項１３に記載した冷媒循環方法において、
    　前記冷媒液温度が所定の温度以下である場合、前記受熱側に流出する前記還流冷媒液の流量を増加させる
    　冷媒循環方法。
15. 　請求項１３または１４に記載した冷媒循環方法において、
    　前記冷媒液温度が所定の温度以下である場合、前記還流冷媒液を構成する前記第１冷媒液の流量を増加させ、
    　前記冷媒液温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記還流冷媒液を構成する前記第１冷媒液の流量を減少させる
    　冷媒循環方法。
16. 　請求項１３から１５のいずれか一項に記載した冷媒循環方法において、
    　前記冷媒液温度が所定の温度以下である場合、前記放熱側に流出する前記第１冷媒液の流量を減少させる
    　冷媒循環方法。
17. 　請求項１４から１６のいずれか一項に記載した冷媒循環方法において、
    　前記所定の温度は、前記受熱側の環境における露点温度である
    　冷媒循環方法。

Images