JP2006038302A - 冷却装置及び冷却制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被冷却体を効率的に冷却して高い冷却性能を得る。
【解決手段】 冷却器を流れる作動流体の上流および下流における圧力差または流速差に基づいて、冷却器を流れる作動流体の物性状態が斜線部領域になるように、すなわち、作動流体の圧力が臨界圧（７．３７ＭＰａ）以上であり擬臨界点温度以下５℃の温度範囲内になるように、流体駆動装置や放熱器を制御することにより、高い冷却性能を得るとともに、被冷却体の温度の均一化を図る。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ＣＰＵ、レーザーダイオード、インバータ用ＩＧＢＴ等の発熱密度が大きい電子機器等を冷却するのに用いて好適な冷却装置及び冷却制御方法に係り、特に、冷却器に流入する作動流体の物性状態を制御することで被冷却体を冷却する冷却装置及び冷却制御方法に関する。

冷却用作動流体としては、優れた熱物性をもつ水や、油、フロン系冷媒等が広く利用さ れている。

超臨界流体を用いた冷却は、超臨界水による軽水炉冷却、超臨界ヘリウムによる超伝導マグネット冷却といった特定の環境場で実施されている。前者は超臨界流体が単相であるため気水分離機等の設備が不要であることや、密度大による蒸気流量低減によるタービン小型化を狙ったものであり、後者は極低温作動流体としての利用法であった。

通常、場の冷却作動流体として超臨界流体を利用した例としては、自然循環型伝熱管に適用した例（例えば、特許文献１を参照。）や、強制循環方式で作動流体を駆動させる例（例えば、特許文献２を参照。）が挙げられる。

特許文献１に記載された熱搬送装置は、超臨界流体の密度差に起因した浮力と低粘性特性を利用した自然循環方式である。上記熱搬送装置は、具体的には、外装の内部空間に超臨界領域で使用する熱媒体を封入し、受熱した部分と外装の他の部分との密度差により外装の他の部分へ熱を搬送し、放熱するものである。

特許文献２に記載された伝熱装置は、特許文献１の問題点（作動流体を循環させるため必要な駆動力が低下する点）を解決するため、作動流体を密閉流路内で移動させる流体駆動装置を備えたものである。
特開２００１−０９１１７０号公報 特開２００３−２３２５９６号公報

超臨界流体は、圧力・温度状態により、物性値が大きく変化する。特に、比熱が極大値をとる擬臨界点近傍では、数度の温度範囲であっても物性値は数倍も変化する。

しかし、特許文献１及び２に記載された装置は、熱負荷や環境温度の変動等に対応して、作動流体の物性値を管理していない。このため、安定した冷却性能確保が困難という問題があり、特に温度管理が厳しい電子機器では過熱・温度変動に伴う急激な温度上昇・温度不均一により性能低下や寿命低下をもたらした。

また、特許文献１及び２に記載された装置は、システム内圧力・温度の適正な制御を行っていないため、超臨界流体において最大熱伝達率を発現できる擬臨界点において十分な冷却性能を得ることができなかった。そこで、作動流体の流量を増大させて冷却性能を確保しようとすると、圧損の増大を引き起こし、システム動力の増大、および流体駆動装置の高容量化やコスト増が不可避となってしまった。

さらに、近年では、冷却装置の伝熱性能を向上させるために、冷却流路の微細化が図られている。このため、作動流体の流量を増大させることによって冷却性能を確保しようとすると、圧損増大（動力増大）の点から、効率低下を招いてしまう。

本発明は、上記問題点を鑑みて提案されたものであり、被冷却体を効率的に冷却して高い冷却性能を得る冷却装置及び冷却制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、冷却装置で用いる作動流体の次のような特性に着目したものである。

超臨界流体は、擬臨界点近傍で比熱が急激に増加する。その結果、熱伝達寄与への物性値指標となるプラントル数も急激に増加（プラントルオベリスク）するため、熱伝達率が著しく上昇し、冷却性能が向上する。また、超臨界状態では密度が大きく、粘性が小さいため圧力損失が小さくなり、その結果、流体駆動装置の動力（＝圧力損失＊流量）の低減が図れる。すなわち、冷却システムとして圧損同等で比較した場合、より多くの作動流体を循環させることができるため熱伝達率が向上し、冷却性能が向上する。

擬臨界点（＝比熱が極大値をとる点）では、比熱が著しく高い値をとる。従って、冷却に際して作動流体温度の上昇が抑えられ、冷却器内の作動流体温度が流入温度で維持される。その結果、冷却器の作動流体流れ方向に対する被冷却体−作動流体温度分布がなくなり被冷却体の温度均一化が図れる。

作動流体温度が擬臨界点温度より高くなると、急激な密度低下に伴う流速増加により、圧力損失が増大して流量が低下し、冷却性能の低下を招く。従って、作動流体の温度を擬臨界点以下に制御することで低圧損・高冷却性能を維持できる。また、制御の際、この圧損増大や体積流量、物性値の急激な変化を擬臨界点温度超過の判定基準とすることができる。

よって、請求項１に記載の冷却装置は、被冷却体と熱的に接続され、内部を作動流体が流れることにより前記被冷却体を冷却する冷却手段と、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する作動流体制御手段と、を備えている。

請求項９に記載の冷却制御方法は、被冷却体と熱的に接続され前記被冷却体を冷却する冷却手段の内部を流れる作動流体を、臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する。

冷却手段の内部に作動流体が流れことによって、被冷却体と熱的に接続され前記被冷却体を冷却する。このとき、作動流体を何ら管理しないと、作動流体の物性値が変化してしまい、冷却手段が効率的に被冷却体を冷却できなくなる。

したがって、上記発明は、冷却手段を流れる作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御することにより、高い冷却性能を得ると共に被冷却体の温度分布の均一化を図ることができる。

請求項２に記載の冷却装置は、請求項１に記載の発明であって、前記作動流体制御手段は、前記冷却手段を流れる作動流体の上流及び下流における圧力差または流速差に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する。

請求項１０に記載の冷却制御方法は、請求項９に記載の発明であって、前記冷却手段を流れる作動流体の上流及び下流における圧力差または流速差に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する。

圧力が一定の場合に作動流体温度が擬臨界点温度Ｔｐｃ以上になると、密度の急激な減少にともなう流速増加に起因して、冷却手段での圧損が急激に増大し、流量低下による性能低下がおこる。すなわち、このように物性が大きく変化することで、作動流体温度が擬臨界点温度Ｔｐｃ以上になったか否かが分かる。

そこで、上記発明は、前記冷却手段を流れる作動流体の上流及び下流における圧力差または流速差に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御することで、高い冷却性能を得ると共に被冷却体の温度分布の均一化を図ることができる。

請求項３に記載の冷却装置は、請求項１に記載の発明であって、前記作動流体圧力を計測する圧力計測手段と、前記作動流体温度を計測する温度計測手段と、前記冷却手段から流出した作動流体を循環駆動させて、前記冷却手段に前記作動流体を供給する前記流体駆動手段と、を更に備え、前記作動流体制御手段は、圧力計測手段により計測された作動流体圧力と、温度計測手段により計測された作動流体温度と、に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する
請求項１１に記載の冷却制御方法は、請求項９に記載の発明において、作動流体圧力及び作動流体温度を計測し、前記計測された作動流体圧力と、前記計測された作動流体温度と、に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する。

擬臨界点か否かを判定するために、作動流体圧力及び作動流体温度を用いることができる。そこで、上記発明は、前記計測された作動流体圧力と、前記計測された作動流体温度と、に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する。

ここで、作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御するためには、作動流体の温度、圧力、流量のいずれかを制御すればよい。

そこで、請求項４に記載の冷却装置は、請求項３に記載の発明であって、前記作動流体温度を調整する温度調整手段を更に備え、前記作動流体制御手段は、前記流体駆動手段、前記温度調整手段の少なくとも一方を制御することで、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御している。

請求項１２に記載の冷却制御方法は、請求項１１に記載の発明であって、前記冷却手段から流出した作動流体を循環駆動させて前記冷却手段に前記作動流体を供給する前記流体駆動手段、前記作動流体温度を調整する温度調整手段の少なくとも一方を制御することで、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御している。

前記作動流体制御手段は、請求項５及び請求項１３に記載のように、作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下に制御するとよい。

また、前記作動流体制御手段は、請求項６及び請求項１４に記載のように、前記作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下５℃の範囲に制御するとよい。

さらに、前記作動流体制御手段は、請求項７及び請求項１５に記載のように、前記作動流体の物性値の変化、または前記作動流体の透過光量の変化に基づいて、前記前記作動流体が作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下か否かを判定し、判定結果を用いて前記作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下に制御してもよい。

前記作動流体制御手段は、請求項８及び請求項１６に記載のように、前記作動流体圧力を臨界圧力以上に制御してもよい。

本発明に係る冷却装置及び冷却制御方法によれば、冷却手段を流れる作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御することにより、高い冷却性能を得ると共に被冷却体の温度分布の均一化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［本発明の概要］
本発明は、超臨界流体による高性能冷却法として、擬臨界点近傍の物性値に着目したものである。

図１は、ＣＯ₂の超臨界域物性値の温度特性を示す図である。

超臨界流体には、各圧力において比熱が極大値をとる擬臨界点が存在する。この擬臨界点では、著しく比熱が増大することにより、プラントル数（物質の熱伝達寄与の指標となる無次元数：Ｐｒ＝Ｃｐ・μ／λ；Ｃｐ比熱、μ粘性係数、λ熱伝導率）も急増する（プラントルオベリスクという。）。このため、熱伝達率α（∝Ｐｒ^0.4）が著しく上昇し、冷却性能が向上する。

図２は、ＣＯ₂の熱伝達率及び比熱特性を示す図である。このように、熱伝達率は比熱の挙動に対応する。

さらに、この擬臨界点では比熱が大きいことにより、作動流体は熱交換においても温度変化が極めて小さくなる。作動流体が擬臨界点から離れた場合や、汎用の水冷方式では、比熱レベルが小さい。このため、冷却とともに顕熱変化分の作動流体温度上昇がおこり、流れ方向に向かって冷却器温度も上昇していく。

これに対して、擬臨界点近傍で用いた場合は、冷却器内で流体温度がほぼ一定となるため、冷却器と熱的に接続された被冷却体の温度分布が均一化される。

そこで、本発明は、冷却器へ流入する超臨界作動流体を擬臨界点及びその近傍に制御することにより、高い冷却性能（熱伝達率）と被冷却体の均一温度化を図っている。

図３は、擬臨界点近傍におけるＣＯ₂の冷却器内の圧力損失を示す図である。

圧力が一定の場合に作動流体温度が擬臨界点温度Ｔｐｃ以上になると、密度の急激な減少にともなう流速増加に起因して、図３に示すように、冷却器での圧損が急激に増大し、流量低下による性能低下がおこる。従って、実用上、流入温度条件としては擬臨界点温度以下が好ましい。

このように、本発明は、冷却器へ流入する超臨界作動流体の流入条件を擬臨界点温度以下に制御することにより、低圧損・高熱伝達性能を高くすることができる。この擬臨界点の判定法としては、作動流体の圧力や温度から直接演算するだけでなく、それ以外に、擬臨界点における冷却器前後での圧損・流速の急激な増加の他、密度・粘性係数・熱伝導率といった物性値の急激な変化率、作動流体の透過光量の低下といった光学的特性も利用できる。

作動流体の擬臨界点の制御としては、冷却器前後の圧力・温度を検出し、冷却器内の作動流体が擬臨界点温度以下になるようにすればよい。例えば、流体駆動装置、放熱器、圧力調整装置で流量・放熱量・圧力を制御する方法の他、冷却器での圧損等をモニターし、その変化の割合から擬臨界点温度を超過しているか否か判定し、流体駆動装置、放熱器、圧力調整装置により、擬臨界点温度以下へ復帰させてもよい。また、冷却器前後の圧力差に応じて弁開度が変化する機構を設けた自己制御型流量調整装置も有効である。

［第１の実施形態］
図４は、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。

第１の実施形態に係る冷却装置は、作動流体を強制循環させるための流体駆動装置１１と、流体駆動装置１１によって循環させられた作動流体によって被冷却体１２を冷却すべく当該被冷却体１２と熱的に接続された冷却器１３と、冷却器１３に対する作動流体の流動方向上流（以下単に「上流」という。）に配置された圧力計１４及び温度計１５と、を備えている。

また、冷却装置は、冷却器１３に対する作動流体の流動方向下流（以下単に「下流」という。）に配置された温度計１６と、冷却器１３の入口及び出口における作動流体の差圧を計測する差圧計１７と、冷却器１３から流出された作動流体の温度を所定の温度まで冷却するための放熱器１８と、を備えている。なお、放熱器１８によって冷却された作動流体は再び流動駆動装置１１に供給され、作動流体に関する閉ループ回路が構成されている。

さらに、冷却装置は、圧力計１４、温度計１５、１６、差圧計１７の計測結果に基づいて、流体駆動装置１１及び放熱器１８を制御するコントロールユニット１９を備えている。つまり、流体駆動装置１１から吐出される作動流体のＣＯ₂供給量、及び放熱器１８によって冷却された後の作動流体の温度は、コントロールユニット１９によって制御される。

作動流体としてはＣＯ₂が用いられ、超臨界圧状態で閉ループ回路内に封入されている。流体駆動装置１１としては、例えばダイアフラム式、ギヤ式、ファン式の任意のポンプでよい。放熱器１８としては、フィン−チューブ式、シェルアンドチューブ式、もしくは二重管式熱交換器が用いられる。

以上のように構成された冷却装置において、流体駆動装置１１から吐出されたＣＯ₂は、冷却器１３において加熱されながら熱交換を行い、その後、放熱器１８で所定の温度まで冷却され、流体駆動装置１１に戻される。このとき、コントロールユニット１９は、圧力計１４、温度計１５、１６、差圧計１７において検出された信号を用いて、予め設定されたプログラムに従って、放熱器１８で設定される温度、流体駆動装置１１からのＣＯ₂供給流量を制御する。

最初に、コントロールユニット１９は、放熱器１８の出口温度が、ＣＯ₂の冷却器１３流入圧力（圧力計１４の計測値）に対する擬臨界点温度以下（擬臨界点温度以下５℃以内が望ましい。）になるように、放熱器１８を制御する。例えば、圧力計１４の計測値が８．９１ＭＰａの場合、コントロールユニット１９は、ＣＯ₂の温度が３５〜４０℃になるように（後述の図５によると、８．９ＭＰａの場合、擬臨界点温度は４０℃）、放熱器１８を制御する。

次に、コントロールユニット１９は、冷却器１３の出口温度（温度計１６の計測値）が、擬臨界点温度を超えて上昇する場合、冷却器１３の出口温度が擬臨界点温度以下になるように、流体駆動装置１１にＣＯ₂供給流量を増加させる。

コントロールユニット１９は、以上のように流体駆動装置１１及び放熱器１８を制御することによって、冷却器１３内のＣＯ₂温度が常に擬臨界点温度以下約５℃の温度範囲内（後述する図５の斜線部領域）になるようにすることができる。

図５は、ＣＯ₂のモリエル線上での冷却器の圧力及び温度設定領域を示す図である。コントロールユニット１９は、ＣＯ₂の物性状態が同図斜線部領域になるように、すなわち、作動流体の臨界圧力が７．３７ＭＰａ以上であり擬臨界点温度以下５℃の温度範囲内になるように、流体駆動装置１１及び放熱器１８を制御する。

以上のように、第１の実施形態に係る冷却装置は、常時、冷却器１３内でのＣＯ₂状態を擬臨界点温度以下約５℃以内に制御することにより、擬臨界点温度以上になってＣＯ₂圧損が増大してしまうことを回避して、擬臨界点近傍の大きな熱伝達率による高性能冷却が可能となる。同時に、擬臨界点近傍の大きな比熱による被冷却体の均一冷却が達成される。

（比較例）
図６は、圧力７．３８ＭＰａのＣＯ₂と同一質量流量での水による冷却器（水力直径１ｍｍ以下の微細多穴型ヒートシンク）性能の一例を示す図である。

ここで、
流体駆動力Ｐｗ＝冷却器圧損×流量
熱抵抗Ｒｔ＝｛（被加熱体温度−作動流体温度）／被加熱体熱流束｝
である。

同図によると、擬臨界点近傍の特性を利用した超臨界流体冷却は、従来の水冷方式より冷却性能で上回っており、作動流体の流入温度が擬臨界点に近いほど冷却性能が向上している。

図７は、図６と同一条件で実験した場合における冷却器（ヒートシンク）の温度分布を示す図である。水冷方式の場合、冷却に伴う顕熱増加により、流れ方向に向かって流体温度が上昇する。その結果、冷却器温度分布が不均一になる。

これに対して、ＣＯ₂冷却方式の場合、大きな比熱の効果により冷却器温度が比較的均一に保たれる。例えば、被冷却体がレーザーダイオードの場合、超臨界流体冷却では高い熱伝達率と均一冷却効果により、高効率かつ安定した発振が達成され、素子の寿命も格段に延長できる。

（変形例１）
上記実施形態では、コントロールユニット１９は、冷却器１３の出口温度を測定することにより擬臨界点温度を判定した。ここでは、コントロールユニット１９は、図１及び図３に示したような擬臨界点での物性値やそれに起因した圧損、流速の急激な変化に基づいて、擬臨界点温度を判定する。

図８は、擬臨界点温度Ｔｐｃ近傍での物性値Ｘの温度変化、及び変化割合を示す図であり、（Ａ）は温度に対するＸの変化、（Ｂ）は温度に対するＸの一次微分、（Ｃ）は温度に対するＸの二次微分である。ここでは、Ｘとして、密度ρ、粘性係数μ、熱伝導率λ、圧損ΔＰ、流速Ｖを挙げた。

圧損ΔＰを例にとると、ΔＰは擬臨界点で急激に増加する。温度に対する変化割合をみると、温度に対するΔＰの一次微分は擬臨界点で極大値をとり、ΔＰの二次微分は擬臨界点を境に符号が変わる。このように、ΔＰは擬臨界点温度以上になると倍以上の値になる。一方、密度ρ、粘性係数μ、熱伝導率λの物性値Ｘは、擬臨界点温度以上になると１／２以下の値になる。

この特性を利用し、図４に示すコントロールユニット１９は、冷却器１３前後の圧損（又は流速）を差圧計１７でモニタリングし、冷却器１３の入口側から微小な操作量（流量等）の変化が与えられたときに、その圧損の変化割合（極大値または符号変化）から擬臨界点を判定することもできる。

（変形例２）
光学的手法によって擬臨界点温度を判定することもできる。

図９は、冷却器（微細多穴型ヒートシンク）出口におけるＣＯ₂の流れ場を撮影した図であり、（Ａ）はＣＯ₂の温度ＴCO₂が２６℃の場合、（Ｂ）はＣＯ₂の温度ＴCO₂が３１℃の場合である。但し、ＣＯ₂の圧力Ｐは７．３８ＭＰａとした。

冷却器の出口温度が臨界点温度より数℃低い（もしくは高い）場合、ＣＯ₂はほぼ透明であるが（同図（Ａ）を参照）、臨界点に近づくと白濁化する（同図（Ｂ）を参照）。これは、臨界点極近傍の密度の急激な変化にともなう「密度ゆらぎ」に起因した光の散乱現象（「臨界タンパク光」と呼ばれる。）による。

この現象を利用して、図４に示す冷却器１３の出口部の配管に光源及び受光部を設置すればよい。このとき、コントロールユニット１９は、受光部で検出される透過光量の低下に基づいて、臨界点温度を判定すればよい。

（変形例３）
本実施形態では、冷却器は１個であったが、複数個の冷却器を並列に接地してもよい。

図１０は、第１の実施の形態に係る冷却器の他の構成を示す図である。なお、図４と同一の部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

同図に示すように、冷却器１３、その下流側に配置された温度計１６、新たに追加された流量調整バルブ２０が直列に配置されている。そして、これらと同じ組合せのもの（例えば、冷却器１３ａ、温度計１６ａ、流量調整バルブ２０ａ）が複数個並列に接続されている。なお、冷却器１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃの上流には、共通して、圧力計１４及び温度計１５が設けられている。

この場合、コントロールユニット１９は、各冷却器１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃの出口温度、もしくは圧力損失等を各々検出して、流体駆動装置１１及び放熱器１８だけでなく、各並列流路の流量調整バルブ２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃの開度を制御すればよい。

また、作動流体としては、ＣＯ₂以外に、エタン・エチレン等のハイドロカーボンやフレオン１２・２３等のフロン系冷媒であってもよい。

（変形例４）
冷却器としては、次のように様々なものを用いることができる。

図１１は、冷却器１３の斜視図である。図１２は、図１１に示した冷却器１３をＡ−Ａ断面からみたときの流路断面形状を示す図であり、（Ａ）は矩形、（Ｂ）は半円、（Ｃ）は円形、（Ｄ）は三角（流路密度が疎）、（Ｅ）は三角（流路密度が密）、（Ｆ）は台形（流路密度が疎）、（Ｇ）は台形（流路密度が密）の場合である。

冷却器内の作動流体流路は、複数の溝または穴が並列に配置されたのもであり、図１２（Ａ）から（Ｇ）に示すように、各流路断面が矩形・台形・三角・半円のいずれの形状であってもよい。

また、冷却器としては、次の図１３及び図１４のような構成でもよい。

図１３は、円柱状の伝熱促進体２１が配置された冷却器１３の要部斜視図である。伝熱促進体２１は、その軸方向が作動流体の流動方向に直交するように配置されている。なお、伝熱促進体２１の形状は、図１３に示したのものに限定されず、例えばピンフィン、突起のようなものでもよい。図１４は、衝突噴流から構成される冷却器１３の流路を示す断面図である。この冷却器１３内では、作動流体は噴流化されている。

なお、上述した変形例１、２、４については、後述する第３の実施形態においても同様に適用することができる。

［第２の実施形態］
つぎに、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一の部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１５は、本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。第２の実施形態に係る冷却装置は、擬臨界点温度での急激な圧損の増加特性を利用して作動流体の流量を調整するものである。

上記冷却装置は、被冷却体１２を冷却するために当該被冷却体１２と熱的に接続された冷却器１３と、冷却器１３に対する作動流体上流側及び下流側で生じる圧力差によって変位するダイヤフラム３１と、ダイヤフラム３１に接続された流量調整弁３２と、流量調整弁３２に所定の力を加えるバネ３３と、バネ３３に加える力を調整するアジャスタ３４と、を備えている。

ダイヤフラム３１の一方側には、冷却器１３に接続された上流側配管４０の作動流体の圧力がかかる。ダイヤフラム３１の他方側には、冷却器１３に接続された下流側配管４１の作動流体の圧力がかかる。また、ダイヤフラム３１は、流量調整弁３２に接続している。

流量調整弁３２は、下流側配管４１を流れる作動流体の流量を調整するものであり、作動流体の流動方向に直交する方向に移動可能に構成されている。また、流量調整弁３２は、ダイヤフラム３１の変位に応じて、作動流体の流動方向に直交する方向に移動する。さらに、流量調整弁３２は、バネ３３によって、下流側配管４１を流れる作動流体の流量が小さくなるような方向に付勢されている。

これにより、例えば、ダイヤフラム３１が流量調整弁３２を押圧すると、流量調整弁３２はバネ３３の弾性力に抗して下流側配管４１を開くようになる。

以上のように構成された冷却装置において、被冷却体１２の熱量が増加して、冷却器１３から出た作動流体の温度が擬臨界点温度に達すると、冷却器１３内の圧損が急増する。そして、冷却器１３の出口圧力は低下して、上流との圧力差によりダイヤフラム３１が変位する。その結果、ダイヤフラム３１に接続された流量調整弁３２が下方に移動することによって、弁開度が大きくなって流量が増加する。これにより、冷却器１３の冷却能力が増加して、冷却器１３の出口温度は擬臨界点温度以下へと自動的に復帰する。

なお、冷却器１３の出口温度が擬臨界点温度以下へと自動的に復帰するような弁開度になるように、バネ３３のバネ定数や、ねじ込み式アジャスタ３４の送り位置を設定しておく。

以上のように、第２の実施形態に係る冷却装置は、冷却器１３に対する作動流体の上流側及び下流側の差圧に応じて下流側配管４１の弁開度を調整することにより、作動流体の温度を常時擬臨界点温度以下に制御することができる。

また、上記冷却装置は、擬臨界点温度における超臨界流体の特性を利用した自己制御型であるため、第１の実施形態で用いたようなコントロールユニットが不要になり、例えば図１０に示したような冷却器が複数個設置された系でのシステム制御の簡素化に特に有効である。

［第３の実施形態］
つぎに、本発明の第３の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる部位について主に説明するものとし、第１の実施形態と同一の部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１６は、本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係る冷却装置は、同図に示す各構成要素による閉ループ系冷凍サイクルを構成している。

第３の実施形態に係る冷却装置は、冷却器１３の下流側に配置されて作動流体を減圧するための圧力調整器（膨張弁）５０と、減圧された作動流体を単相蒸気まで加熱するための蒸発器５１と、高圧側流体と低圧側流体を熱交換させるための内部熱交換器５２と、を備えている。

圧力調整器５０の弁開度は、コントロールユニット１９の予め設定されたプログラムによって調整される。内部熱交換器５２は、蒸発器５１から供給される低圧側作動流体と流体駆動装置１１で昇圧された高圧側作動流体との熱交換を行う。そして、低圧側作動流体は流体駆動装置１１に供給され、高圧側作動流体は放熱器１８に供給される。

放熱器１８は、昇圧後の作動流体を所定温度まで冷却して、冷却した作動流体を冷却器１３に供給する。なお、圧力計１４及び温度計１５は、冷却器１３と放熱器１８の間の配管に設けられている。作動流体としてはＣＯ₂が用いられ、閉ループ回路内に封入されている。

流体の昇圧・駆動装置である流体駆動装置１１（ダイアフラム式、斜板式、スクロール式、ロータリー式、スクリュー式のいずれでもよい。）から吐出されたＣＯ₂は、放熱器１８（フィン−チューブ式、シェルアンドチューブ式、もしくは二重管式熱交換器のいずれでもよい。）により所定温度まで冷却され、冷却器１３へ導かれる。

ＣＯ２は、冷却器１３において加熱されながら熱交換を行い、そのあとで圧力調整器５０で減圧され低圧・低温の二相状態となり、蒸発器５１および内部熱交換器５２で加熱され単相状態で流体駆動装置１１へ戻される。

以上のように構成された冷却装置において、最初に、コントロールユニット１９は、放熱器１８の出口温度が、ＣＯ₂の冷却器１３流入圧力（圧力計１４の計測値）に対する擬臨界点温度以下（擬臨界点温度以下５℃以内が望ましい。）になるように、放熱器１８を制御する。次に、コントロールユニット１９は、冷却器１３の出口温度（温度計１６の計測値）が、擬臨界点温度を超えて上昇する場合、冷却器１３の出口温度が擬臨界点温度以下になるように、流体駆動装置１１にＣＯ₂供給流量を増加させる。

コントロールユニット１９は、以上のように流体駆動装置１１及び放熱器１８を制御することによって、冷却器１３内のＣＯ₂温度が常に擬臨界点温度以下約５℃の温度範囲内（後述する図５の斜線部領域）になるようにすることができる。

なお、冷却器１３の出口温度を測定して擬臨界点温度を判定する方法以外に、冷却器１３内での圧損や物性値変化等に基づいて判断してもよい。

図１７は、冷却器１３に流入する流体温度を各圧力における擬臨界温度に設定した場合の被冷却体温度特性を示す図である。ここでは、作動流体の流量を固定して、圧力調整器５０の弁開度により高圧側の圧力を変化させている。

同図によると、被冷却体温度は、流体圧力の増加とともに徐々に増加していく。これは、作動流体の圧力増加とともに擬臨界点温度における熱伝達率ピーク値が低下すること（図２参照）と、擬臨界点温度自体も高温側にシフトしていくこと（図１参照）による。従って、冷却性能上の目標設定圧力としては、臨界圧が最適といえる。

但し、被冷却体の発熱量が大きくなり、冷却器の出口温度を擬臨界温度以下に抑えきれなくなった場合等では、冷却性能の急激な低下・圧損の急上昇を回避させるべく、高圧側圧力を上昇させて擬臨界点温度を高温側にシフトさせるのが有効である。

（変形例）
上記実施形態では、冷却器は１個であったが、冷却器は複数個並列に設置してもよい。

図１８は、第３の実施形態に係る冷却装置の他の構成を示す図である。

冷却器１３、その下流側に配置された温度計１６、流量調整バルブ２０が直列に配置されている。そして、これらと同じ組合せのもの（例えば、冷却器１３ａ、温度計１６ａ、流量調整バルブ２０ａ）が複数個並列に接続されている。なお、冷却器１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃの上流には圧力計１４及び温度計１５が設けられ、その下流には圧力調整器５０が設けられている。

この場合、コントロールユニット１９は、各冷却器１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃの出口温度もしくは圧力損失を各々の検出して、流体駆動装置１１及び放熱器１８だけでなく、各並列流路の流量調整バルブ２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃの開度を制御すればよい。また、作動流体としては、ＣＯ₂以外に、エタン・エチレン等のハイドロカーボンやフレオン１２・２３等のフロン系冷媒であってもよい。

以上のように、上述した冷却装置は、被冷却体の冷却性能を向上させることにより、例えば発熱密度の高い電子機器部品（ＣＰＵ，ＩＧＢＴ、レーザーダイオード等）を冷却する場合には、これらの高効率化、長寿命化を図ることができる。さらに、上記冷却装置は、被冷却体温度を均一化することができるので、例えば、温度依存性の高いレーザーダイオードを冷却する場合には、レーザーアレイ内の各エミッタ温度を１〜２℃の温度差範囲内に維持することが可能になり、高い発光効率を達成することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で設計変更されたものにも適用可能である。

例えば、擬臨界点温度以下５℃が望ましい作動流体として、ＣＯ₂を例に挙げて説明したが、他の作動流体、例えばハイドロカーボンとフロン系冷媒を用いることもできる。

図１９は、室温付近に臨界点を有する各作動流体の臨界圧近傍での熱伝達特性を示す比較図である。図２０は、各作動流体の臨界圧及び臨界温度を示す図である。なお、ハイドロカーボンとしてＣ₂Ｈ₆（エタン）、フロン系冷媒としてＲ１３（フレオン１３），Ｒ２３（フレオン２３）を用いた。熱伝達率は、各作動流体の臨界圧＋０．１ＭＰａの圧力条件下、質量流量４００ｋｇ／ｍ²ｓでヒートシンクに供給した場合の試算値（Ｄｉｔｔｕｓ−Ｂｏｅｌｔｅｒ式）である。

図１９及び図２０によると、擬臨界温度近傍で高熱伝達率ピークを示す温度範囲は、各作動流体とも約１０℃程度になった。すなわち、物質による差はあまりない。従って、擬臨界点を超えることなく高い熱伝達率を有する作動条件（低圧損・高熱伝達を達成するのに適正な温度範囲）としては、その半分の約５℃となる。

したがって、ＣＯ₂に限らず、ハイドロカーボンとフロン系冷媒についても、擬臨界点温度以下５℃にするとよい。

ＣＯ₂の超臨界域物性値の温度特性を示す図である。 ＣＯ₂の熱伝達率及び比熱特性を示す図である。 擬臨界点近傍におけるＣＯ₂の冷却器内の圧力損失を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。 ＣＯ₂のモリエル線上での冷却器の圧力及び温度設定領域を示す図である。 圧力７．３８ＭＰａのＣＯ₂と同一質量流量での水による冷却器の性能の一例を示す図である。 図６と同一条件で実験した場合の冷却器の温度分布を示す図である。 擬臨界点温度Ｔｐｃ近傍での物性値・状態量Ｘの温度変化、及び変化割合を示す図であり、（Ａ）は温度に対するＸの変化、（Ｂ）は温度に対するＸの一次微分、（Ｃ）は温度に対するＸの二次微分である。 冷却器出口におけるＣＯ₂の流れ場を撮影した図であり、（Ａ）はＣＯ₂の温度ＴCO₂が２６℃の場合、（Ｂ）はＣＯ₂の温度ＴCO₂が３１℃の場合である。 第１の実施の形態に係る冷却器の他の構成を示す図である。 冷却器の斜視図である。 冷却器１３をＡ−Ａ断面からみたときの流路断面形状を示す図であり、（Ａ）は矩形、（Ｂ）は半円、（Ｃ）は円形、（Ｄ）は三角（流路密度が疎）、（Ｅ）は三角（流路密度が密）、（Ｆ）は台形（流路密度が疎）、（Ｇ）は台形（流路密度が密）の場合である。 円柱状の伝熱促進体が配置された冷却器の要部斜視図である。 衝突噴流から構成される冷却器の流路を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。 冷却器に流入する流体温度を各圧力における擬臨界温度に設定した場合の被冷却体温度特性を示す図である。 第３の実施形態に係る冷却装置の他の構成を示す図である。 室温付近に臨界点を有する各作動流体の臨界圧近傍での熱伝達特性を示す比較図である。 各作動流体の臨界圧及び臨界温度を示す図である。

符号の説明

１１ 流体駆動装置
１２ 被冷却体
１３ 冷却器
１４ 圧力計
１５、１６ 温度計
１７ 差圧計
１８ 放熱器
１９ コントロールユニット
２０ 流量調整バルブ

Claims (16)

1. 被冷却体と熱的に接続され、内部を作動流体が流れることにより前記被冷却体を冷却する冷却手段と、
   前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する作動流体制御手段と、
   を備えた冷却装置。
2. 前記作動流体制御手段は、前記冷却手段を流れる作動流体の上流及び下流における圧力差または流速差に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する
   請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記作動流体圧力を計測する圧力計測手段と、
   前記作動流体温度を計測する温度計測手段と、
   前記冷却手段から流出した作動流体を循環駆動させて、前記冷却手段に前記作動流体を供給する前記流体駆動手段と、を更に備え、
   前記作動流体制御手段は、圧力計測手段により計測された作動流体圧力と、温度計測手段により計測された作動流体温度と、に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する
   請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記作動流体温度を調整する温度調整手段を更に備え、
   前記作動流体制御手段は、前記流体駆動手段、前記温度調整手段の少なくとも一方を制御することで、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する
   請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記作動流体制御手段は、前記作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下に制御する
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 前記作動流体制御手段は、前記作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下５℃の範囲に制御する
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の冷却装置。
7. 前記作動流体制御手段は、前記作動流体の物性値の変化、または前記作動流体の透過光量の変化に基づいて、前記前記作動流体が作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下か否かを判定し、判定結果を用いて前記作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下に制御する
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の冷却装置。
8. 前記作動流体制御手段は、前記作動流体圧力を臨界圧力以上に制御する
   請求項５または請求項６に記載の冷却装置。
9. 被冷却体と熱的に接続され前記被冷却体を冷却する冷却手段の内部を流れる作動流体を、臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する
   冷却制御方法。
10. 前記冷却手段を流れる作動流体の上流及び下流における圧力差または流速差に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する
    請求項９に記載の冷却制御方法。
11. 作動流体圧力及び作動流体温度を計測し、
    前記計測された作動流体圧力と、前記計測された作動流体温度と、に基づいて、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する
    請求項９に記載の冷却制御方法。
12. 前記冷却手段から流出した作動流体を循環駆動させて前記冷却手段に前記作動流体を供給する前記流体駆動手段、前記作動流体温度を調整する温度調整手段の少なくとも一方を制御することで、前記作動流体を臨界点もしくは擬臨界点近傍に制御する
    請求項１１に記載の冷却制御方法。
13. 前記作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下に制御する
    請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の冷却制御方法。
14. 前記作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下５℃の範囲に制御する
    請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の冷却制御方法。
15. 前記作動流体の物性値の変化、または前記作動流体の透過光量の変化に基づいて、前記前記作動流体が作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下か否かを判定し、判定結果を用いて前記作動流体を作動流体圧力に対する擬臨界点温度以下に制御する
    請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の冷却制御方法。
16. 前記作動流体圧力を臨界圧力以上に制御する
    請求項１３または請求項１４に記載の冷却制御方法。