WO2017170009A1

WO2017170009A1 - 冷却装置

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Publication number: WO2017170009A1
Application number: PCT/JP2017/011323
Authority: WO
Inventors: 明日華松葉; 寿人佐久間; 正樹千葉; 雅人矢野; 広瀬　賢二
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-10-05
Also published as: JPWO2017170009A1

Abstract

発熱体の熱を冷却する冷却装置（１０００）は、蒸発器（１０）と、凝縮器（４０Ａ）とを備えている。蒸発器（１０）は、発熱体（Ｎ）の熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を発熱体（Ｎ）の熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を流出する。凝縮器（４０Ａ）は、蒸発部（１０）から流出する気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を蒸発部（１０）へ流出する。このとき、混合冷媒は、蒸発器（１０）内に貯留されている液相状態の混合冷媒が減少した場合に、混合冷媒の沸点が低下するように構成されている。

Description

冷却装置

　本発明は、冷却装置に関し、例えば、蒸発器および凝縮器の間で冷媒を循環させて発熱体を冷却する冷却装置に関する。

　近年、冷媒の相変化現象を利用する方式（相変化冷却方式）を用いて、電子装置からの排気熱を輸送する技術が知られている。これは、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって、液相と気相に冷媒の相が変化する際の潜熱を利用するもので、熱移動量が大きいという特徴がある。

　たとえば、蒸発器は、発熱体の熱を受けて、内部に貯留されている液相冷媒を発熱体の熱により蒸発させて、気相冷媒を流出させる。蒸発器から流出する気相冷媒は、凝縮器へ流入する。凝縮器は、蒸発器から流出する気相冷媒を受け取る。そして、凝縮器は、蒸発器から流出する気相冷媒を凝縮して、液相冷媒を流出する。このとき、凝縮器は、冷媒を介して発熱体の熱を蒸発器から受熱し、受熱した発熱体の熱を外気に放熱する。すなわち、凝縮器は、冷媒により吸熱された発熱体の熱と、外気の熱とを熱交換する。また、凝縮器から流出する液相冷媒は、蒸発器へ向けて流出する。

　このように、相変化冷却方式では、蒸発器および凝縮器の間で、冷媒を相変化（液相冷媒←→気相冷媒）させながら循環させる動作を繰り返して、発熱体の熱を冷却する。

　相変化冷却方式に関する技術が、たとえば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の技術では、蒸発器および凝縮器（放熱器）の間に、減圧器（膨張弁）および圧縮器（圧縮機）を設けて、蒸発器および凝縮器間の冷媒の循環を促進している。また、特許文献１に記載の技術では、複数のバイパス管と複数の流量調整弁を用いて、冷媒の流量を調整している。これにより、冷却効率の低下を抑制していた。

　なお、本発明に関連する技術が、特許文献２－４にも開示されている。

特開２０１３－２８００号公報特開２００４－５３１９１号公報特許第４２５３７４７号公報特開平０５－２１５４２４号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、複数のバイパス管および複数の流量調整弁を設ける必要がある。また、これらを制御する機器をさらに設ける必要がある。このため、特許文献１に記載の技術には、構成が複雑となり、多くのコストがかかるという問題があった。

　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、簡単な構成で、発熱体の熱を冷却することができる冷却装置を提供することにある。

　本発明の冷却装置は、発熱体の熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を前記発熱体の熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を流出する蒸発器と、前記蒸発部から流出する前記気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を前記蒸発部へ流出する凝縮器とを備え、前記混合冷媒は、前記蒸発器内に貯留されている前記液相状態の混合冷媒が減少した場合に、前記混合冷媒の沸点が低下するように構成されている。

　本発明にかかる冷却装置によれば、簡単な構成で、発熱体の熱を冷却することができる。

本発明の第１の実施の形態における冷却装置の構成を示す図である。混合冷媒の特性を示す図である。混合冷媒の沸点と、低沸点の冷媒のモル比率の関係の一例を示す図である。本発明の第２の実施の形態における冷却装置の構成を示す図である。

＜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装置１０００の構成について説明する。図１は、冷却装置１０００の構成を示す図である。

　図１に示されるように、冷却装置１０００は、蒸発器１０と、圧縮器２０と、熱利用用熱交換器３０と、凝縮用熱交換器４０と、減圧器５０とを備えている。また、それぞれの間には、配管６１～６５が設けられている。また、蒸発器１０、圧縮器２０、熱利用用熱交換器３０、凝縮用熱交換器４０および減圧器５０は、内部が密閉されるように、配管６１～６５により連結されている。なお、凝縮用熱交換器４０は、第２の実施形態の凝縮器に相当する。

　また、冷却装置１０００は、蒸発器１０、圧縮器２０、熱利用用熱交換器３０、凝縮用熱交換器４０および減圧器５０を循環する混合冷媒を有する。すなわち、蒸発器１０、圧縮器２０、熱利用用熱交換器３０、凝縮用熱交換器４０および減圧器５０の内部には、空洞が設けられている。

　また、混合冷媒は、蒸発器１０、減圧器２０、熱利用用熱交換器３０、凝縮用熱交換器４０、圧縮器５０および配管６１～６５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。この混合冷媒は、密閉された状態で、蒸発器１０、圧縮器２０、熱利用用熱交換器３０、凝縮用熱交換器４０、減圧器５０および配管６１～６５を介して、循環する。

　混合冷媒は、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。混合冷媒の具体的な組成については、後述する。

　冷却装置１０００の前記閉鎖空間内に混合冷媒を充填する方法については、たとえば、次の通りである。まず、蒸発器１０、減圧器２０、熱利用用熱交換器３０、凝縮用熱交換器４０、圧縮器５０および配管６１～６５により形成される閉鎖空間内に冷媒注入用の開口穴（不図示）から混合冷媒を注入する。なお、冷媒注入用の開口穴は、たとえば、発熱体Ｎおよび減圧器５０の間に配置された配管６５に、設けられている。ただし、これに限定されず、冷媒注入用の開口穴は、配管６５以外の部材にもうけられてもよい。次に、真空ポンプ（不図示）などを用いて、前記閉鎖空間内から空気を排除して、この当該閉鎖空間内に冷媒を密閉する。これにより、前記空間内の圧力は冷媒の飽和蒸気圧と等しくなり、前記閉鎖空間内に密閉された混合冷媒の沸点が室温近傍となる。以上の通り、冷却装置１０００の前記閉鎖空間内に混合冷媒を充填する方法を説明した。なお、ここで説明した充填方法は、たとえば、国際公開第２０１５／１３３５４８号にも記載されている。

　図１に示されるように、蒸発器１０は、配管６１によって、圧縮器２０に接続されている。また、蒸発器１０は、配管６５によって、減圧器５０に接続されている。蒸発器１０は、発熱体Ｎの近傍に設けられており、発熱体Ｎの熱を受ける。蒸発器１０は、内部に液相状態の混合冷媒を貯留する。蒸発器１０は、図１の矢印で示されるように、発熱体Ｎの熱を吸熱する。すなわち、蒸発器１０は、発熱体Ｎの熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を発熱体Ｎの熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を流出する。蒸発器１０は、配管６１を介して、気相状態の混合冷媒を圧縮器２０へ流出する。

　図１に示されるように、圧縮器２０は、配管６２によって、熱利用用熱交換器３０と接続している。また、圧縮器２０は、配管６１によって、蒸発器１０に接続されている。圧縮器２０は、蒸発器１０から流出する気相状態の混合冷媒を加圧して、熱利用用熱交換器３０へ流出する。

　図１に示されるように、熱利用用熱交換器３０は、配管６３によって、凝縮用熱交換器４０と接続されている。また、熱利用用熱交換器３０は、配管６２によって、圧縮器２０に接続されている。熱利用用熱交換器３０は、図１で太い矢印で示されるように、圧縮器２０により流出された気相状態の混合冷媒から、２次利用するための熱を放熱する。すなわち、熱利用用熱交換器３０は、圧縮器２０により流出された気相状態の混合冷媒から、２次利用するための熱を取り出す。そして、熱利用用熱交換器３０は、２次利用するための熱を取り出した後、気相状態の混合冷媒を凝縮用熱交換器４０へ流出する。なお、熱利用用熱交換器３０には、一般的な熱交換器（たとえば、プレート式熱交換器）を用いることができる。

　図１に示されるように、凝縮用熱交換器４０は、配管６４によって、減圧器５０に接続されている。また、凝縮用熱交換器４０は、配管６３によって、熱利用用熱交換器３０に接続されている。凝縮用熱交換器４０は、蒸発部１０から流出する気相状態の混合冷媒を凝縮して、減圧器５０を介して液相状態の混合冷媒を蒸発部１０へ流出する。図１の例では、凝縮用熱交換器４０は、熱利用用熱交換器３０から気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を減圧器５０へ流出する。より具体的には、凝縮用熱交換器４０は、図１の太い白抜きの矢印で示されるように、熱利用用熱交換器３０から気相状態の混合冷媒の余剰熱を冷却（放熱）することにより、気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を生成する。そして、凝縮用熱交換器４０は、生成された液相状態の混合冷媒を減圧器５０へ流出する。なお、凝縮用熱交換器４０には、一般的な熱交換器（たとえば、プレート式熱交換器）を用いることができる。

　図１に示されるように、減圧器５０は、配管６５によって、蒸発器１０に接続されている。また、減圧器５０は、配管６４によって、凝縮用熱交換器４０に接続されている。減圧器５０は、凝縮用熱交換器４０から流出する液相状態の混合冷媒を減圧して蒸発器１０へ流出する。凝縮用熱交換器４０から流出する液相状態の混合冷媒は、減圧により膨張し、温度および圧力が低下する。

　以上、冷却装置１０００の構成について、図１に基づいて説明した。

　ここで、本発明で使用する混合冷媒について、具体的に説明する。混合冷媒は、一般的に、複数の冷媒を含む冷媒をいう。本実施の形態の混合冷媒は、蒸発器１０内に貯留されている液相状態の混合冷媒が減少した場合に、混合冷媒の沸点が低下するように構成されている。

　また、本実施の形態の混合冷媒は、共沸または共沸様の混合冷媒である。共沸とは、ある比率で混合された冷媒が沸騰する際に、液相および気相の組成が一致することをいう。また、共沸様とは、ある比率で混合された冷媒が沸騰する際に、液相および気相の組成がほぼ一致し、且つ、蒸発および凝縮を繰り返した際にも組成がほとんど変化しないことをいう。すなわち、本実施の形態の混合冷媒は、所定の混合比で混合された複数種類の冷媒を含み、大気圧下で極小共沸点を呈する。本実施の形態の混合冷媒は、気相および液相の組成が同一となり、あたかも一成分であるかのような相変化をする。また、本実施の形態の混合冷媒は、当該混合冷媒に含まれる複数種類の冷媒のうちで、最低沸点の冷媒の濃度が、共沸濃度よりも高く設定されている。すなわち、混合冷媒に含まれる複数種類の冷媒のうちで、最低沸点の冷媒の濃度が、共沸濃度よりも高くなるように、所定の混合比が設定されている。なお、共沸濃度は、混合冷媒の共沸点における濃度である。

　また、混合する冷媒によって、共沸点が各冷媒の沸点よりも高い場合、共沸点は極大共沸点と呼ばれている。一方、共沸点が各冷媒の沸点よりも低い場合、共沸点は極小共沸点と呼ばれている。

　図２は、混合冷媒の特性を示す図である。図２では、低沸点の冷媒のモル分率（－）を横軸とし、沸点（℃）を縦軸とした。なお、（－）は単位がないことを示す。図２の混合冷媒の例では、２種類の冷媒を混合して得られるものとした。

　図２には、低沸点の冷媒のモル分率（－）および沸点（℃）の関係が、示されている。図２に示されるように、共沸点は、混合冷媒の特性を示す曲線の頂点に対応している。なお、図２では、エタノールとベンゼンの混合冷媒の例を示している。エタノールは、ベンゼンと比較して低沸点の冷媒である。

　本実施の形態の混合冷媒では、図２にて網掛け領域で示すように、２種類の冷媒のうち、低沸点冷媒（沸点が低い冷媒）の濃度は、共沸濃度よりも高くなるように設定されている。ただし、低沸点冷媒（沸点が低い冷媒）の濃度は、１００％未満である。

　つぎに、２種類の冷媒から混合冷媒を製造する方法について、２つの方法を説明する。

　混合冷媒の製造方法の１つ目では、混合冷媒を冷却装置１０００に封入する前に、２種類の冷媒を所定の混合比で混合する。この所定の混合比は、混合冷媒に含まれる複数種類の冷媒のうちで、最低沸点の冷媒の濃度が、共沸濃度よりも高く設定されているように、設定される。

　このとき、常温常圧下で複数の冷媒を混合することもできるが、混合の割合（所定の混合比）が指定の割合（混合比）から外れてしまう可能性がある。このため、複数の冷媒を液相状態にしてから、密閉された空間内（密閉系）で複数の冷媒を混合することが、好ましい。

　すなわち、複数の冷媒を混合する際に設定される圧力に対応する低沸点冷媒の沸点よりも低い温度を維持しながら、密閉された空間で複数の冷媒を混合することが好ましい。または、複数の冷媒を混合する際に設定される温度に対応する低沸点冷媒の飽和蒸気圧よりも高い圧力を維持しながら、密閉された空間で複数の冷媒を混合することが好ましい。

　混合冷媒の製造方法の２つ目では、複数種類の冷媒を別々に冷却装置１０００に封入する。

　この場合も、常温常圧下で２種類の冷媒を混合することもできるが、混合の割合（所定の混合比）が指定の割合（混合比）から外れてしまう可能性がある。このため、２種類の冷媒を液相状態にしてから、冷却装置１０００に封入することが、好ましい。また、冷却装置１０００を動作させる際の初期状態として、混合冷媒に含まれる２種類の冷媒が蒸発器１０に、指定の割合（混合比）で存在しなければならない。

　なお、混合冷媒に含まれる冷媒は、２種類に限らず、３種類以上であってもよい。具体的には、複数種類の冷媒を所定の混合比で混合した場合に、混合冷媒に含まれる複数種類の冷媒のうちで、最低沸点の冷媒の濃度が、共沸濃度よりも高く設定されていればよい。混合冷媒に含まれる冷媒として、例えば、複数種類の物質を混合した場合に極小となる共沸点を持つ冷媒や、混合冷媒に発泡剤や、安定剤や、潤滑剤等を加えた冷媒が、挙げられる。また、混合冷媒として、例えば、１，１，１，２，３，３－ヘキサフルオロ－３－（２，２，２－トリフルオロエトキシ）プロパン（８５．０～９９．９重量％）と２－ブタノール（０．１～１５．０重量％）の混合液が、挙げられる（たとえば、特開２００３－２３８９９２号公報参照）。また、（１，１，２，２－テトラフルオロエチル）メチルエーテル（９４．２～９７．４重量％）とメタノール（２．６～５．８重量％）の混合液が、挙げられる（たとえば、特開２００６－１１７８１１号公報参照）。また、２，３，３，３－テトラフルオロプロパン（５０．６～５４．６重量％）と１，１－ジフルオロエタン（９．１～１３．１重量％）とシクロプロパン（３４．３～３８．３重量％）の混合液が、挙げられる（たとえば、特開２０１５－１１０７９５号公報参照）。また、１，１，１，２－テトラフルオロプロペン（たとえば、７０～９９重量％）と１，１，１，２－テトラフルオロエタン（１～３０重量％）の混合液に発泡剤としてポリウレタンフォームなどを加えた液が、挙げられる（たとえば、特表２０１２－５００３２３号公報参照）。

　次に、冷却装置１０００の動作について、説明する。

　図１に示されるように、蒸発器１０は、まず、発熱体Ｎの熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を発熱体Ｎの熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を生成する。そして、蒸発器１０は、配管６１を介して、気相状態の混合冷媒を圧縮器２０へ流出する。

　次に、圧縮器２０は、蒸発器１０から流出する気相状態の混合冷媒を加圧して、加圧後の混合冷媒を熱利用用熱交換器３０へ流出する。

　次に、熱利用用熱交換器３０は、圧縮器２０により流出された気相状態の混合冷媒から、２次利用するための熱を取り出す。そして、熱利用用熱交換器３０は、２次利用するための熱を取り出した後、気相状態の混合冷媒を凝縮用熱交換器４０へ流出する。

　凝縮用熱交換器４０は、熱利用用熱交換器３０から気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を減圧器５０へ流出する。

　そして、減圧器５０は、凝縮用熱交換器４０から流出する液相状態の混合冷媒を減圧して蒸発器１０へ流出する。

　以上の通り、冷却装置１０００では、蒸発器１０および凝縮用熱交換器４０の間で、混合冷媒を相変化（液相状態の混合冷媒←→気相状態の混合冷媒）させながら循環させる動作を繰り返して、発熱体Ｎの熱を冷却する。

　ここで、発熱体Ｎの熱量が急激に増加した場合を想定する。この場合、蒸発器１０から凝縮用熱交換器４０へ流出する気相状態の混合冷媒の量が、凝縮用熱交換器４０から蒸発器１０へ流入する混合冷媒の量よりも、一時的に多くなる。このとき、蒸発器１０内では、最低沸点の冷媒の蒸発量が、他の冷媒の蒸発量よりも多くなる。たとえば、エタノールとベンゼンの混合冷媒である場合、ベンゼンと比較して低沸点の冷媒であるエタノールの蒸発量が、ベンゼンの蒸発量よりも多くなる。このため、蒸発器１０内の混合冷媒中における最低沸点の冷媒の割合が減少する。エタノールとベンゼンの混合冷媒である場合、エタノールの割合が減少する。このとき、混合冷媒の沸点が低下する。

　このため、蒸発器１０内での混合冷媒の蒸発が促進される。そして、気相状態の混合冷媒が、圧縮器２０を介して、熱利用用熱交換器３０および熱凝縮用熱交換器４０に流入する。気相状態の混合冷媒は、凝縮用熱交換器４０により凝縮され、液相状態の混合冷媒となる。液相状態の混合冷媒は、凝縮用熱交換器４０から、減圧器５０を介して、蒸発器１０へ流出する。この結果、蒸発器１０内の液相状態の混合冷媒の液量も回復する。

　このように、冷却装置１０００では、発熱体Ｎの熱量が急激に増加して、蒸発器１０内の混合冷媒が一時的に減少した場合であっても、混合冷媒の沸点を低下させ、蒸発器１０内での混合冷媒の蒸発を促進し、蒸発器１０内の混合冷媒の量を回復させることができる。すなわち、冷却装置１０００では、冷却能力を極端に落とすことなく、発熱体Ｎを継続して冷却することができる。この結果、冷却装置１０００では、発熱体Ｎの熱量が急激に増加して、蒸発器１０内の混合冷媒が一時的に減少した場合であっても、効率よく発熱体Ｎの熱を冷却することができる。

　一般的な冷却装置のように１種類の冷媒を使用している場合、発熱体Ｎの発熱量が急激に増加して一時的に蒸発器内の液量が一定量以上減少した際に、タンクを使用して冷媒を追加しない限り冷媒の蒸発量は変化しないので、発熱体Ｎの熱を冷却しきれなくなってしまう。しかし、本発明では、一時的に蒸発器１０内の液量が減少した際に、冷媒の組成変化によって沸騰が促進されるため、一般的な冷却装置と比べて冷却能力の劣化を防ぐことができる。

　（実施例）
　たとえば、環境温度１５℃、大気圧の実験室にて、（１，１，２，２－テトラフルオロエチル）メチルエーテル（９７．４重量％）とメタノール（２．６重量％）を混合して、混合冷媒を生成した。図３は、混合冷媒の沸点と、低沸点の冷媒のモル比率の関係の一例を示す図である。具体的には、図３は、１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンおよびメタノールの混合冷媒の沸点と、１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンのモル比率の関係を示す図である。なお、１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンは、（１，１，２，２－テトラフルオロエチル）メチルエーテルと同一物質である。

　冷却装置１０００内を真空状態にして、この混合冷媒を当該冷却装置１０００内に封入した。このとき、蒸発器１０内の液相状態の冷媒の液量が、蒸発器１０の容積に対して、８割になるように調整した。

　例えば、冷却装置１０００が正常な動作をしている際には、蒸発器内１０では、ある量の１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンと、ある量のメタノールが蒸発して、気相状態の冷媒に相変化する。また、凝縮用熱交換器４０内では、蒸発器１０内での蒸発量と等量の１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンと、蒸発器１０内での蒸発量と等量のメタノールとが凝縮して、液相状態の冷媒へ相変化する。そして、液相状態の混合冷媒は、凝縮用熱交換器４０から、蒸発器１０に流入する。このように、冷却装置１０００が正常な動作をしている際には、蒸発器１０および凝縮用熱交換器４０の間で、混合冷媒を相変化（液相状態の混合冷媒←→気相状態の混合冷媒）させながら循環させる動作を繰り返して、発熱体Ｎの熱を冷却する。

　ここで、発熱体Ｎの熱量が急激に増加した場合を想定する。この場合、蒸発器１０から凝縮用熱交換器４０へ流出する気相状態の混合冷媒の量（蒸発量）が、凝縮用熱交換器４０から蒸発器１０へ流入する混合冷媒（戻り量）の量よりも、一時的に多くなる。

　このとき、蒸発器１０内では、発熱体Ｎの熱量が急激に増加する前と比較して、最低沸点の冷媒である１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンの蒸発量が、他の冷媒であるメタノールの蒸発量よりも多くなる。このため、蒸発器１０内の混合冷媒中における最低沸点の冷媒である１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンの割合が減少する。このとき、図３の矢印で示されるように、モル比率の減少に伴って、１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンおよびメタノールの混合冷媒の沸点が低下する。

　このため、蒸発器１０内での混合冷媒の蒸発が促進され、気相状態の混合冷媒が、圧縮器２０を介して、熱利用用熱交換器３０および熱凝縮用熱交換器４０に流入する。そして、気相状態の混合冷媒は、凝縮用熱交換器４０により凝縮され、液相状態の混合冷媒となる。液相状態の混合冷媒は、凝縮用熱交換器４０から、減圧器５０を介して、蒸発器１０へ流出する。この結果、蒸発器１０内の液相状態の混合冷媒の液量も回復する。

　一般的な冷却装置のように１種類の冷媒を使用している場合、発熱体Ｎの発熱量が急激に増加して一時的に蒸発器内の液量が一定量以上減少した際に、タンクを使用して冷媒を追加しない限り冷媒の蒸発量は変化しないので、発熱体Ｎの熱を冷却しきれなくなってしまう。しかし、本実施形態では、一時的に蒸発器１０内の液量が減少した際に、冷媒の組成変化によって沸騰が促進されるため、一般的な冷却装置と比べて冷却能力の劣化を防ぐことができる。

　このように、冷却装置１０００では、発熱体Ｎの熱量が急激に増加して、蒸発器１０内の１－メトキシ－１、１、２、２－テトラフルオロエタンおよびメタノールの混合冷媒が一時的に減少した場合であっても、混合冷媒の沸点を低下させ、蒸発器１０内での混合冷媒の蒸発を促進し、効率よく発熱体Ｎの熱を冷却することができる。

　以上の通り、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１０００は、蒸発器１０と、凝縮用熱交換器４０（凝縮器）とを備えている。蒸発器１０は、発熱体Ｎの熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を発熱体Ｎの熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を流出する。凝縮用熱交換器４０は、蒸発部１０から流出する気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を蒸発部１０へ流出する。このとき、混合冷媒は、蒸発器１０内に貯留されている液相状態の混合冷媒が減少した場合に、混合冷媒の沸点が低下するように構成されている。

　このように、混合冷媒は、蒸発器１０内に貯留されている液相状態の混合冷媒が減少した場合に、混合冷媒の沸点が低下するように構成されている。このため、たとえば、発熱体Ｎの熱量が急激に増加して、蒸発器１０内の混合冷媒が一時的に減少した場合であっても、混合冷媒の沸点を低下させ、蒸発器１０内での混合冷媒の蒸発を促進し、蒸発器１０内の混合冷媒の量を回復させることができる。この結果、冷却装置１０００では、発熱体Ｎの熱量が急激に増加して、蒸発器１０内の混合冷媒が一時的に減少した場合であっても、効率よく発熱体Ｎの熱を冷却することができる。また、特許文献１に記載の技術のように、複数のバイパス管や、複数の流量調整弁や、これらを制御する機器を設ける必要がない。

　したがって、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１０００では、簡単な構成で、発熱体Ｎの熱を冷却することができる。

　また、上述の通り、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１０００では、蒸発器１０内での混合冷媒の蒸発量（気化量）が減少することを抑制できるので、冷却装置１０００の冷却性能が悪化することを抑制することができる。

　また、上述の通り、特許文献１に記載の技術のように、複数のバイパス管や、複数の流量調整弁や、これらを制御する機器を設ける必要がないので、混合冷媒の量を調整するために流路を切り替える必要もない。これにより、混合冷媒の量を調整するためのバイパス流路等が不要となり、冷却装置１０００をより簡単な構成にすることができる。この結果、冷却装置１０００の低コスト化や省スペース化を実現することができる。また、流路を切り替えるための制御機器も不要となるため、低コスト化に加えて、故障のリスクを下げることもできる。

　また、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１０００において、混合冷媒は、所定の混合比で混合された複数種類の冷媒を含み、大気圧下で極小共沸点を呈する。また、複数種類の冷媒のうちで、最低沸点の冷媒の濃度が、混合冷媒の共沸点における濃度である共沸濃度よりも高く設定されている。これにより、蒸発器１０内に貯留されている液相状態の混合冷媒が減少した場合に、混合冷媒の沸点が低下するように、混合冷媒を簡単に生成することができる。

　また、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１０００において、複数種類の冷媒のうち少なくとも１種類の冷媒は、フッ素原子を含んでもよい。フッ素を含む冷媒は、一般的な冷媒と比較して比熱が大きく、冷却効率が高い。このため、蒸発器１０内に貯留されている液相状態の混合冷媒が減少した場合に、混合冷媒の沸点が効率よく低下する。この結果、発熱体Ｎをより効率よく冷却することができる。フッ素原子を含む冷媒の一例として、たとえば、１，１，１，２，３，３－ヘキサフルオロ－３－(２，２，２-トリフルオロエトキシ)プロパンや、ペンタフルオロジメチルエーテルや、１、１－ジフルオロエタンや、トリフルオロジメチルエーテルや、１，１，１，２－テトラフルオロプロペンや、１、１、１、２－テトラフルオロエタンや、２，３，３，３－テトラフルオロ－１－プロペンが、挙げられる。

　また、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１０００において、複数種類の冷媒のうち少なくとも１種類の冷媒は、酸素原子を含んでもよい。この結果、蒸発器１０内に貯留されている液相状態の混合冷媒が減少した場合に、混合冷媒の沸点が低下するように、混合冷媒を簡単に生成することができる。酸素原子を含む冷媒の一例として、たとえば、２－ブタノールや、ペンタフルオロジメチルエーテルや、トリフルオロジメチルエーテルや、１，１，２，２，２－ペンタフルオロエチルケトンが、挙げられる。

　また、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１０００は、圧縮器２０と、減圧器５０とをさらに備えている。圧縮器２０は、蒸発器１０から流出する気相状態の混合冷媒を加圧して凝縮用熱交換器４０（凝縮器）へ流出する。減圧器５０は、凝縮用熱交換器４０から流出する液相状態の混合冷媒を減圧して蒸発器１０へ流出する。これにより、蒸発器１０および凝縮用熱交換器４０の間で、混合冷媒をより効率よく循環させることができる。

　＜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装置１０００Ａの構成について説明する。図４は、冷却装置１０００Ａの構成を示す図である。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、冷却装置１０００Ａは、蒸発器１０と、凝縮器４０Ａとを備えている。また、それぞれの間には、配管７１、７２が設けられている。また、蒸発器１０および凝縮器４０Ａは、内部が密閉されるように、配管７１、７２により連結されている。なお、凝縮器４０Ａの一例として、たとえば、第１の実施の形態の冷却装置１０００で用いられた凝縮用熱交換器４０を使用することができる。

　ここで、図１と図４を対比する。図４では、圧縮器２０、熱利用用熱交換器３０および減圧器５０が設けられていない点で、図１と相違する。また、図１では、配管６１～６５の５本であるのに対して、図４では、配管７１、７２の２本である点で、両者は互いに相違する。また、図１の凝縮用熱交換器４０に代えて、凝縮器４０Ａを設けている。

　また、冷却装置１０００Ａは、蒸発器１０および凝縮器４０Ａを循環する混合冷媒を有する。すなわち、蒸発器１０および凝縮器４０Ａの内部には、空洞が設けられている。

　混合冷媒は、蒸発器１０、凝縮器４０Ａおよび配管７１、７２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。この混合冷媒は、密閉された状態で、蒸発器１０および凝縮器４０Ａを、配管７１、７２を介して、循環する。

　図４に示されるように、蒸発器１０は、配管７１および配管７２によって、凝縮器４０Ａに接続されている。蒸発器１０は、発熱体Ｎの近傍に設けられており、発熱体Ｎの熱を受ける。蒸発器１０は、内部に液相状態の混合冷媒を貯留する。蒸発器１０は、発熱体Ｎの熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を発熱体Ｎの熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を流出する。蒸発器１０は、配管７１を介して、気相状態の混合冷媒を凝縮器４０Ａへ流出する。

　図４に示されるように、凝縮器４０Ａは、配管７１および配管７２によって、蒸発器１０に接続されている。凝縮器４０Ａは、蒸発部１０から流出する気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を蒸発部１０へ流出する。図４の例では、凝縮器４０Ａは、蒸発器１０から気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を蒸発器１０へ流出する。

　配管７１および配管７２は、蒸発器１０および凝縮器４０Ａの間を接続する。

　以上、冷却装置１０００Ａの構成について、図１に基づいて説明した。

　なお、混合冷媒の構成については、たとえば、第１の実施の形態で説明した混合冷媒と同等にすることもできる。

　次に、冷却装置１０００Ａの動作について、説明する。

　図４に示されるように、蒸発器１０は、まず、発熱体Ｎの熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を発熱体Ｎの熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を生成する。そして、蒸発器１０は、配管７１を介して、気相状態の混合冷媒を凝縮器４０Ａへ流出する。

　次に、凝縮器４０Ａは、蒸発器１０から流入する気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を生成し、この液相状態の冷媒を蒸発器１０へ流出する。

　以上の通り、冷却装置１０００では、蒸発器１０および凝縮器４０Ａの間で、混合冷媒を相変化（液相状態の混合冷媒←→気相状態の混合冷媒）させながら循環させる動作を繰り返して、発熱体Ｎの熱を冷却する。

　以上の通り、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１０００は、蒸発器１０と、凝縮器４０Ａとを備えている。蒸発器１０は、発熱体Ｎの熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を発熱体Ｎの熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を流出する。凝縮器４０Ａは、蒸発部１０から流出する気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を蒸発部１０へ流出する。このとき、混合冷媒は、蒸発器１０内に貯留されている液相状態の混合冷媒が減少した場合に、混合冷媒の沸点が低下するように構成されている。

　なお、上記第１および第２の実施の形態において、蒸発器１０および凝縮器４０Ａの間を循環する混合冷媒の量を調整するためのタンクをさらに設けることもできる。

　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。

　この出願は、２０１６年３月２８日に出願された日本出願特願２０１６－０６３６１９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。

　１０００、１０００Ａ　　冷却装置
　１０　　蒸発器
　２０　　圧縮器
　３０　　熱利用用熱交換器
　４０　　凝縮用熱交換器
　４０Ａ　　凝縮器
　５０　　減圧器
　６１～６５　　配管
　７１、７２　　配管

Claims

　発熱体の熱を受けて、内部に貯留されている液相状態の混合冷媒を前記発熱体の熱により蒸発させて、気相状態の混合冷媒を流出する蒸発器と、
　前記蒸発部から流出する前記気相状態の混合冷媒を凝縮して、液相状態の混合冷媒を前記蒸発部へ流出する凝縮器とを備え、
　前記混合冷媒は、
　前記蒸発器内に貯留されている前記液相状態の混合冷媒が減少した場合に、前記混合冷媒の沸点が低下するように構成された冷却装置。
　前記混合冷媒は、
　所定の混合比で混合された複数種類の冷媒を含み、
　大気圧下で極小共沸点を呈し、
　前記複数種類の冷媒のうちで、最低沸点の冷媒の濃度が、前記混合冷媒の共沸点における濃度である共沸濃度よりも高く設定されている請求項１に記載の冷却装置。
　前記複数種類の冷媒のうち少なくとも１種類の冷媒は、フッ素原子を含む請求項１または２に記載の冷却装置。
　前記複数種類の冷媒のうち少なくとも１種類の冷媒は、酸素原子を含む請求項１または２に記載の冷却装置。
　前記蒸発器から流出する前記気相状態の混合冷媒を加圧して前記凝縮器へ流出する圧縮器と、
　前記凝縮器から流出する前記液相状態の混合冷媒を減圧して前記蒸発器へ流出する減圧器をさらに備えた請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却装置。