特許 6424734 二相冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6424734

(24)【登録日】2018年11月2日

(45)【発行日】2018年11月21日

(54)【発明の名称】二相冷却装置

(51)【国際特許分類】

   G06F 1/20 20060101AFI20181112BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20181112BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20181112BHJP

【ＦＩ】

   G06F1/20 C

   G06F1/20 A

   H01L23/46 A

   H05K7/20 Q

【請求項の数】7

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-102591(P2015-102591)

(22)【出願日】2015年5月20日

(65)【公開番号】特開2016-218716(P2016-218716A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2018年2月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147164

【弁理士】

【氏名又は名称】向山 直樹

(72)【発明者】

【氏名】中西 輝

(72)【発明者】

【氏名】林 信幸

(72)【発明者】

【氏名】木村 孝浩

【審査官】 佐賀野 秀一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０７９４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２２９５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２２８２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−３３５５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０１７７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５０８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０１９９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６９５８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２０７８８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ １／２０

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

２３／３４ − ２３／３６

２３／３７３− ２３／４２７

２３／４４

２３／４６７− ２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から受熱して作動流体を蒸発させる蒸発器と、
外部に放熱して作動流体を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する第１管と、
第１接続部と第２接続部と第３接続部とを有する第１タンクと、
前記凝縮器と前記第１タンクの第１接続部とを接続する第２管と、
第１ポンプと、
前記第１タンクと前記第１ポンプとを接続する流路を有する第１ケースと、前記第１ケースの流路において移動可能な第１弁体と、前記第１ケースの流路において前記第１弁体より前記第１タンクに近い位置に設けられ、前記第１弁体より小さい径の開口を有する第１狭小部とを備え、前記第１タンクの前記第２接続部と前記第１ポンプとを接続する第１逆止弁と、
前記第１タンクの前記第３接続部と接続し、前記第１ケースの前記第１狭小部よりも前記第１タンクから離れた位置で前記第１逆止弁と接続する第３管と、
前記第１ポンプと前記蒸発器とを接続する第４管と、
を備える二相冷却装置。

【請求項2】

前記第１逆止弁は、前記第３管から離れるほど幅広となる窪みを有することを特徴とする請求項１に記載の二相冷却装置。

【請求項3】

前記窪みはすり鉢状もしくは半球状であることを特徴とする請求項２に記載の二相冷却装置。

【請求項4】

前記第１タンクは、前記第２管の熱伝達率以下の熱伝達率の外壁を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二相冷却装置。

【請求項5】

前記第１弁体は、前記作動流体の密度と同じ密度であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二相冷却装置。

【請求項6】

前記第１弁体は、球形もしくは略球形であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の二相冷却装置。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の二相冷却装置において、さらに、
第４接続部と第５接続部と第６接続部とを有する第２タンクと、
前記凝縮器と前記第２タンクの前記第４接続部とを接続する第５管と、
第２ポンプと、
前記第２タンクと前記第２ポンプとを接続する流路を有する第２ケースと、前記第２ケースの流路において移動可能な第２弁体と、前記第２ケースの流路において前記第２弁体より前記第２タンクに近い位置に設けられ、前記第２弁体より小さい径の開口を有する第２狭小部とを備え、前記第２タンクの前記第５接続部と前記第２ポンプとを接続する第２逆止弁と、
前記第２タンクの前記第６接続部と接続し、前記第２ケースの前記第２狭小部よりも前記第２タンクから離れた位置で前記第２逆止弁と接続する第６管と、
前記第２ポンプと前記蒸発器とを接続する第７管と、
を備える二相冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、作動流体により電子機器を冷却する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

真空脱気した密閉管などの容器の内部に作動流体を封入したヒートパイプが知られている。ヒートパイプは外部から加熱された蒸発部で蒸発した作動流体が凝縮部に流動して放熱凝縮することにより、作動流体の相変化による潜熱の吸収・放出のサイクルを利用して熱を輸送するものである。このうち、ループヒートパイプ（ＬＨＰ： Ｌｏｏｐ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ）は、外部から加熱されて作動流体の蒸発が生じる蒸発部と、外部に放熱して蒸気の凝縮が生じる凝縮部とが、蒸気管と液管によって環状流路を形成するように連結されたものである。

【0003】

近年、サーバなどの電子機器の高性能化により、電子機器に使用されるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の発熱量が増大し、最近では数百Ｗを超えるような発熱量のＣＰＵが使用され始めている。ＣＰＵは安定に動作可能な温度に冷却する必要があるが、従来の空冷方式では冷却しきれなくなってきている。空気より熱容量の大きい水を冷却に用いる水冷方式の冷却も用いられているが、さらなるＣＰＵの高発熱化を考えると近い将来冷却性能が不足する。そこで、ループヒートパイプをＣＰＵの冷却に利用することが考えられている。

【0004】

高発熱のＣＰＵはサーバ機に使用されることが多い。サーバ機は長時間稼働することが多く、冷却装置の故障によってＣＰＵが高温となり誤動作やサーバの故障が生じることは避けなければならない。液冷冷却装置では、故障の原因として可能性の高い駆動部分であるポンプを二重化することによって、冗長性をもたせ、冷却装置の安定動作を図っている（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平４−２４５６９７号公報

【特許文献2】特開平７−３２４７６１号公報

【特許文献3】特開２００５−２２８２３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＬＨＰにおいてもポンプを二重化することにより冗長化させる検討がなされている。例えば、ポンプを稼働させる運用系の流路と障害時の代替稼働のための待機系の流路とを並列に設ける。待機系のポンプは通常停止している。運用系の流路に設けられたポンプを稼働させると、運用系の流路から待機系の流路への逆流が発生して冷却効率が減少する。そのため、例えば待機系の流路のポンプのそばに逆止弁を設け、運用系から待機系への冷媒の逆流を防止する。逆止弁の制御のために制御機構を設けると、その機構の故障というリスクも想定されるため、冷媒の流れによって自動的に制御される逆止弁が好ましい。

【0007】

しかしながら、冷媒の流れによって制御される逆止弁は、その構造から逆止弁が含有する弁体によって運用系の流路が妨げられる問題が生じる。

【0008】

本発明は、かかる運用系の流路を妨げず、冷媒の流れによって制御される逆止弁を用いた二相冷却装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本明細書に開示する二相冷却装置の一形態によれば、外部から熱を受ける蒸発器と、外部に熱を放出する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器とを連通する第１管と、第１接続部と第２接続部と第３接続部とを有する第１タンクと、前記凝縮器と前記第１タンクの第１接続部とを連通する第２管と、第１ポンプと、前記第１タンクと前記第１ポンプとを連通する流路を有する第１ケースと、前記第１ケースの流路において移動可能な第１弁体と、前記第１ケースの流路において前記第１弁体より前記第１タンクに近い位置に設けられ、前記第１弁体より小さい径の開口を有する第１狭小部とを備え、前記第１タンクの前記第２接続部と前記第１ポンプとを連通する第１逆止弁と、前記第１タンクの前記第２接続部と連通し、前記第１ケースの前記第１狭小部よりも前記第１タンクから離れた位置で前記第１逆止弁と連通する第３管と、前記第１ポンプと前記蒸発器とを連通する第４管と、を有する二相冷却装置である。

【発明の効果】

【0010】

上述した本明細書に開示する二相冷却装置の一形態によれば、運用系の流路を妨げず、冷媒の流れによって制御される逆止弁を用いた二相冷却装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本明細書に開示する二相冷却装置が備える逆止弁などの構成の一実施例を説明する図である。

【図2】本明細書に開示する二相冷却装置が備える吸着管による弁体の吸着を説明する図である。

【図3】本明細書に開示する二相冷却装置が備える逆止弁による逆止動作を説明する図である。

【図4】本明細書に開示する二相冷却装置が備える吸着管による弁体の吸着の動作原理を説明する図である。

【図5】本明細書に開示する二相冷却装置が備える逆止弁で逆流を逆止している弁体が、吸着管に吸着するまでの動作を説明する図である。

【図6】本明細書に開示する二相冷却装置が備える吸着管に吸着する弁体が、作動流体の逆流を逆止するまでの動作を説明する図である。

【図7】逆流時の弁体の脱着にかかる実施例を示す図である。

【図8】本明細書に開示する二相冷却装置が備える逆止弁などの構成の変形例を説明する図である。

【図9】従来の二相冷却装置を説明する図である。

【図10】従来の二相冷却装置の弁の動作を説明する図その１である。

【図11】従来の二相冷却装置の弁の動作を説明する図その２である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本実施形態の二相冷却装置を説明する前に、比較実施形態の、ポンプを並列の流路にそれぞれ設けることで冗長化した二層冷却装置を、図９〜１１を用いて説明する。

【0013】

図９は、ポンプを並列の流路にそれぞれ設けることで冗長化した二層冷却装置の俯瞰図である。システムボード９００に設置された二相冷却装置は、閉ループ系をなしている。二相冷却装置は、蒸発器９１３と凝縮器９０９と液分岐タンク９０７とを有する。

【0014】

凝縮器９０９は蒸気管９１８を介して蒸発器９１３と接続される。液分岐タンク９０７は、液管９０８を介して凝縮器９０９と接続される。

【0015】

比較実施形態の二相冷却装置は、更に逆止弁９０３、９０４と、ポンプ９０１、９０２とを有する。

【0016】

ポンプ９０１は、逆止弁９０３を介して液分岐タンク９０７に接続され、ポンプ９０２は逆止弁９０４を介して液分岐タンク９０７に接続される。

【0017】

蒸発器９１３は、液戻管９１１を介してポンプ９０１、９０２に接続される。

【0018】

蒸発器９１３、蒸気管９１８、凝縮器９０９、液管９０８、液分岐タンク９０７、逆止弁９０３、ポンプ９０１、液戻管９１１、蒸発器９１３の順序で第一環状流路が形成される。蒸発器９１３、蒸気管９１８、凝縮器９０９、液管９０８、液分岐タンク９０７、逆止弁９０４、ポンプ９０２、液戻管９１１、蒸発器９１３の順序で第二環状流路が形成される。第一環状流路と第二環状流路によりポンプ９０１、９０２が冗長化される。

【0019】

二相冷却装置には作動流体が封入されている。作動流体には、例えば、水やアルコールの他、スリーエム社製ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ（登録商標）やＮＯＶＥＣ（登録商標）などのフッ素系不活性液体を利用することができる。作動流体の選択は二相冷却装置の用途に応じて、作動流体の沸点や発熱体の熱量に応じて選択する。

【0020】

蒸発器９１３は発熱部品９１２と熱的に接続されて配置される。発熱部品９１２は、例えば、サーバに内蔵されるＣＰＵである。蒸発器９１３の内部には、気体の作動流体が通過可能で、液体の作動流体を毛細管現象によって吸い上げるウィック（図示せず）が設けられている。ウィックが吸い上げた液体の作動流体は、ウィックの表面で発熱部品９１２から得た熱によって蒸発（気化）する。発熱部品９１２は、液体の作動流体に対して潜熱を与えることにより冷却される。

【0021】

凝縮器９０９は、作動流体が流通する流路の周辺に熱的に接続されたフィン（図示せず）を有している。フィンは、例えば板状のプレートフィンを、流路にそって平行に流路を中心とする放射状に設けたり、板状のプレートフィンを流路に垂直に流路にそって複数配置することが考えられる。このフィンに、冷却ファン９１０から送風が行われ、作動流体が冷やされる。気体の作動流体が冷やされることで、潜熱が放出され、作動流体は凝縮（液化）する。

【0022】

蒸気管９１８は、蒸発器９１３の作動流体の出口と凝縮器９０９の作動流体の入り口とを連結し、蒸発器９１３で加熱された作動流体を凝縮器９０９へと導く。蒸気管９１８は、銅などの金属を用いて形成することができる。

【0023】

冷却ファン９１０は、凝縮器９０９にそって配置される。冷却ファン９１０は、発熱部品９１２の発熱量に応じて冷却ファン９１０そのものの数を増減したり、送風する風量を増減させたりすることで、発熱部品９１２の温度を一定の値に保つことが可能である。

【0024】

液分岐タンク９０７は、作動流体の中で凝縮しきれなかった気体の作動流体を分離し、液体の作動流体を流路に残す。凝縮器９０９の冷却能力を超えて、気体の作動流体が凝縮器９０９に送られると、気体の作動流体は凝縮器９０９の中で完全に凝縮されず、気体のまま凝縮器９０９を出ることになる。気体の作動流体がポンプ９０１、９０２に到達すると、ポンプ９０１、９０２が空回りし、作動流体を送り出すことができなくなる。したがって、ポンプ９０１、９０２に気体の作動流体が送り込まれないよう、ポンプ９０１、９０２と凝縮器９０９の間に液分岐タンク９０７を設けて、気体の作動流体を分離している。液分岐タンク９０７は、銅などの金属を用いて形成することができる。

【0025】

液管９０８は、凝縮器９０９の作動流体の出口と液分岐タンク９０７の作動流体の入り口とを連結し、凝縮器９０９で冷却された作動流体を液分岐タンク９０７へと導く。液管９０８は、銅などの金属を用いて形成することができる。

【0026】

ポンプ９０１、９０２は、扁平の遠心ポンプである。液分岐タンク９０７で凝縮した液体の作動流体は、ポンプ９０１、９０２内の羽根車９１９、９２０の回転によって、蒸発器９１３へ送られる。この時の作動流体の流れを順流と呼ぶ。一方で、ポンプ９０１、９０２の動作が停止し、蒸発器９１３側から液分岐タンク９０７へ向かう作動流体の流れを逆流と呼ぶ。第一環状流路と第二環状流路は、ポンプ９０１とポンプ９０２が並列になるよう設けられている。二相冷却装置の動作時において、ポンプ９０１が動作する際は、動作するポンプ９０１を運用系と呼ぶ。このとき、停止しているポンプ９０２を待機系と呼ぶ。

【0027】

逆止弁９０３、９０４は、液分岐タンク９０７の作動流体の出口と、ポンプ９０１、９０２の吸込口とを連結する。逆止弁９０３、９０４は、管状のケースの内側に弁体９０５、９０６を有し、ポンプ９０１、９０２の吸込口側に弁体９０５、９０６を逆止弁９０３、９０４内にとどめるための網９１６、９１７と、液分岐タンク９０７側に弁体９０５、９０６の直径よりも小さい開口径となるように狭められたテーパ部９１４、９１５を有する。運用系のポンプ９０１が動作しているとき、図１０に示されるように、弁体９０５は、ポンプ９０１側の網９１６に接している。待機系のポンプ９０２は動作せず、ポンプ９０１が吐出した液体の作動流体が、液戻管９１１を経由して待機系のポンプ９０２に流入し逆流する。逆流した液体の作動流体がそのまま液分岐タンク９０７に流入すると、液体の作動流体が液分岐タンク９０７とポンプ９０１、９０２の間で循環することとなり、作動流体が二層冷却装置全体に行き渡らず冷却効率が低下する。逆止弁９０４において、弁体９０６をテーパ部９１５に密着させることにより、液体の作動流体の流路が塞がれ、逆流が止められる。

【0028】

液戻管９１１は、ポンプ９０１、９０２の吐出口と蒸発器９１３の作動流体の入口とを連結し、運用系のポンプ９０１が吐出した液体の作動流体を蒸発器９１３に送る。液戻管９１１は、銅などの金属を用いて形成することができる。

【0029】

図１０は、図９において一点鎖線で囲まれた部分を拡大した俯瞰図であり、二相冷却装置の順流時の動作を示す図である。気体と液体との混合した作動流体は、液管９０８から液分岐タンク９０７へ送られる。気体の作動流体は、液分岐タンク９０７で分離される。液体の作動流体は運用系のポンプ９０１に吸い上げられる。待機系のポンプ９０２は動作を停止しており、液分岐タンク９０７から作動流体を吸い上げることはない。運用系のポンプ９０１が吸い上げた作動流体は、待機系のポンプ９０２を経由して液分岐タンク９０７に向って逆流しようとする。しかし、待機系の逆止弁９０４において、弁体９０６がテーパ部９１５を塞ぐことによって、かかる逆流を防ぐ構成となっている。

【0030】

図１１は、図１０において二点鎖線Ａ−Ａ’に沿った高さ方向の断面図であり、二相冷却装置の断面図の一部である。液分岐タンク９０７は、液管９０８から気体と液体の混合した作動流体が送られ、そのうちの気体の作動流体を分離し、液体の作動流体をポンプ９０１側に送り出している。このとき、弁体９０５はテーパ部９１４から離れているため弁として作動流体の流路を塞ぐことはない。しかし、弁体９０５が流路上に存在することによって流路を狭める。さらに、作動流体の中で振動するため作動流体の流路を乱し流速の低下を招いている。

【0031】

以下、第一実施形態の二相冷却装置を図１〜７を用いて説明する。

【0032】

図１は、本明細書で開示する二相冷却装置の俯瞰図である。システムボード１００に設置された二相冷却装置は、閉ループ系をなしている。二相冷却装置は、蒸発器１１６と凝縮器１１２と液分岐タンク１０７、１０８とを有する。凝縮器１１２は蒸気管１１７を介して蒸発器１１６と接続される。液分岐タンク１０７、１０８は、液管１１１を介して凝縮器１１２と接続される。

【0033】

第一実施形態の二相冷却装置は、更に逆止弁１０３、１０４と、吸着管１０９、１１０と、ポンプ１０１、１０２とを有する。

【0034】

ポンプ１０１は、逆止弁１０３を介して液分岐タンク１０７に接続され、ポンプ１０２は逆止弁１０４を介して液分岐タンク１０８に接続される。

【0035】

蒸発器１１６は、液戻管１１４を介してポンプ１０１、１０２に接続される。

【0036】

蒸発器１１６、蒸気管１１７、凝縮器１１２、液管１１１、液分岐タンク１０７、逆止弁１０３、ポンプ１０１、液戻管１１４、蒸発器１１６の順序で第一環状流路が形成される。蒸発器１１６、蒸気管１１７、凝縮器１１２、液管１１１、液分岐タンク１０８、逆止弁１０４、ポンプ１０２、液戻管１１４、蒸発器１１６の順序で第二環状流路が形成される。第一環状流路と第二環状流路によりポンプ１０１、１０２が冗長化される。

【0037】

二相冷却装置の第一環状流路及び第二環状流路の内部には作動流体が封入されている。作動流体には、例えば、水やアルコールの他、スリーエム社製ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ（登録商標）やＮＯＶＥＣ（登録商標）などのフッ素系不活性液体を利用することができる。作動流体は、二相冷却装置の用途や、作動流体の沸点や発熱体の熱量等に応じて選択される。

【0038】

蒸発器１１６は発熱部品１１５と熱的に接続されて配置される。発熱部品１１５は、例えば、サーバに内蔵されるＣＰＵである。蒸発器１１６の内部には、気体の作動流体が通過可能で、液体の作動流体を毛細管現象によって吸い上げるウィック（図示せず）が設けられている。ウィックが吸い上げた液体の作動流体は、ウィックの表面で発熱部品１１５から得た熱によって蒸発（気化）する。発熱部品１１５は、液体の作動流体に対して潜熱を与えることにより冷却される。

【0039】

凝縮器１１２は、作動流体が流通する流路の周辺に熱的に接続されたフィン（図示せず）を有している。フィンは、例えば板状のプレートフィンを、流路にそって複数配置することが考えられる。このフィンに、冷却ファン１１３から送風が行われ、作動流体が冷やされる。気体の作動流体が冷やされることで、潜熱が放出され、作動流体は凝縮（液化）する。

【0040】

蒸気管１１７は、蒸発器１１６の作動流体の出口と凝縮器１１２の作動流体の入り口とを連結し、蒸発器１１６で加熱された作動流体を凝縮器１１２へと導く。蒸気管１１７は、銅などの金属を用いて形成することができる。

【0041】

冷却ファン１１３は、凝縮器１１２にそって配置される。冷却ファン１１３は、発熱部品１１５の発熱量に応じて冷却ファン１１３そのものの数を増減したり、送風する風量を増減させたりすることで、発熱部品１１５の温度を一定の値に保つことが可能である。

【0042】

液分岐タンク１０７、１０８は、作動流体の中で凝縮器１１２において凝縮しきれなかった気体の作動流体を分離し、液体の作動流体を流路に残す。凝縮器１１２の冷却能力を超えて、気体の作動流体が凝縮器１１２に送られると、気体の作動流体は凝縮器１１２の中で完全に凝縮されず、気体のまま凝縮器１１２を出ることになる。気体の作動流体がポンプ１０１、１０２に到達すると、ポンプ１０１、１０２が空回りし、作動流体を送り出すことができなくなる。したがって、ポンプ１０１、１０２に気体の作動流体が送り込まれないよう、ポンプ１０１、１０２と凝縮器１１２の間に液分岐タンク１０７、１０８を設けて、気体の作動流体を分離している。液分岐タンク１０７、１０８は、銅などの金属を用いて形成することができる。

【0043】

液管１１１は、凝縮器１１２の作動流体の出口と液分岐タンク１０７、１０８の作動流体の入り口とを連結し、凝縮器１１２で冷却された作動流体を液分岐タンク１０７、１０８へと導く。液管１１１は、銅などの金属を用いて形成することができる。

【0044】

ポンプ１０１、１０２は、扁平の遠心ポンプである。液分岐タンク１０７、１０８で凝縮した液体の作動流体は、ポンプ１０１、１０２内の羽根車１１８、１１９の回転によって、蒸発器１１６へ送られる。この時の作動流体の流れを順流と呼ぶ。一方で、ポンプ１０１、１０２の動作が停止し、蒸発器１１６側から液分岐タンク１０７、１０８へ向かう作動流体の流れを逆流と呼ぶ。第一環状流路と第二環状流路は、ポンプ１０１とポンプ１０２が並列になるよう設けられている。二相冷却装置の動作時において、ポンプ１０１が動作する際は、動作するポンプ１０１を運用系と呼ぶ。このとき、停止しているポンプ１０２を待機系と呼ぶ。

【0045】

第一環状経路の逆止弁１０３は、液分岐タンク１０７の作動流体の出口と、ポンプ１０１の吸込口とを連結する。逆止弁１０３は、管状のケースの内側に弁体１０５を有し、ポンプ１０１の吸込口側に弁体１０５を逆止弁１０３内にとどめるための網２０２と、液分岐タンク１０７側に弁体１０５の直径よりも小さい開口径となるように狭められたテーパ部２０１を有する。吸着管１０９は、逆止弁１０３の上部と液分岐タンク１０７の上部とを連結する。

【0046】

第二環状経路の逆止弁１０４は、液分岐タンク１０８の作動流体の出口と、ポンプ１０２の吸込口とを連結する。逆止弁１０４は、管状のケースの内側に弁体１０６を有し、ポンプ１０２の吸込口側に弁体１０６を逆止弁１０４内にとどめるための網３０２と、液分岐タンク１０８側に弁体１０６の直径よりも小さい開口径となるように狭められたテーパ部３０１を有する。吸着管１１０は、逆止弁１０４の上部と液分岐タンク１０８の上部とを連結する。

【0047】

運用系のポンプ１０１が動作しているとき、待機系のポンプ１０２は動作せず、ポンプ１０１が吐出した液体の作動流体が、液戻管１１４を経由して待機系のポンプ１０２に流入し逆流する。逆流した液体の作動流体がそのまま液分岐タンク１０８に流入すると、液体の作動流体が液分岐タンク１０７、１０８とポンプ１０１、１０２の間で循環することとなり、作動流体が二層冷却装置全体に行き渡らず冷却効率が低下する。逆止弁１０４において、弁体１０６をテーパ部３０１に密着させることにより、液体の作動流体の流路が塞がれ、逆流が止められる。

【0048】

液戻管１１４は、ポンプ１０１、１０２の吐出口と蒸発器１１６の作動流体の入口とを連結し、運用系のポンプ１０１が吐出した液体の作動流体を蒸発器１１６に送る。液戻管１１４は、銅などの金属を用いて形成することができる。

【0049】

図２は、図１において一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った高さ方向の断面図である。液管１１１から気体と液体が混ざった作動流体が送られ、液分岐タンク１０７で気体の作動流体を上部に集めることによって気液を分離し、液体の作動流体をポンプ１０１で送り出している。液分岐タンク１０７の上部に蓄積された気体の作動流体は、液分岐タンク１０７内で自然放熱することにより冷却され液化する。従って、液分岐タンク１０７内の気体の作動流体は減圧状態となっている。液分岐タンク１０７の上部から逆止弁１０３の上部を吸着管１０９によって接続する。液分岐タンク１０７の気体の作動流体の減圧状態による吸着力が、吸着管１０９を経由して、逆止弁１０３で弁体１０５を吸着する力となる。

【0050】

逆止弁１０３は、液管１１１と同径の管構造からなり、液分岐タンク１０７側に向かって絞りのあるテーパ部２０１とポンプ１０１側に網２０２と管の内部に弁体１０５を有する。テーパ部２０１は、弁体１０５の直径よりも小さい内径まで絞られる。テーパ部２０１は、弁体１０５によって塞がれることにより、逆流を止める。網２０２は、順流時に弁体１０５がポンプ１０１へ送られるのを防止するために設けられる。さらに、網２０２は、順流の流速が早く、気体の作動流体が液分岐タンク１０７を超えて、ポンプ１０１にたどり着くような場合に、気体の作動流体の塊を細分化して、ポンプ１０１での空回りを防止する。

【0051】

逆止弁１０３は、吸着管１０９と接続する部分に、下に向かって垂直方向に広がる湾曲部２０３を有してもよい。かかる湾曲部２０３で吸着管１０９と接続しているため、液分岐タンク１０７内の気体の作動流体が冷却されることにより、吸着管１０９の内部に、逆止弁１０３から液分岐タンク１０７に向かう吸着力が生じて、弁体１０５は湾曲部２０３に吸着される。湾曲部２０３が流路に対して湾曲している割合によって、弁体１０５も順流の流路上の体積を減らし、順流の阻害の度合いを減少させる。また、湾曲部２０３は後述するように、弁体１０５の周囲の作動流体の流れに影響して、弁体１０５を湾曲部２０３に引き寄せる機能を発揮する。かかる機能を発揮するために、湾曲部２０３の形状は、半球状でもすり鉢状でもよい。

【0052】

図１の説明に戻る。

【0053】

第二環状流路、すなわち凝縮器１１２、液管１１１、液分岐タンク１０８、逆止弁１０４、ポンプ１０２、液戻り管１１４、蒸発器１１６、蒸気管１１７により構成される流路を用いて、逆流時の逆止弁１０４の動作の説明を行う。ポンプ１０２は運転を停止しており、液体の作動流体を蒸発器１１６に送る働きをしていない。すなわち、ポンプ１０２は待機系であり、運用系であるポンプ１０１の動作に障害があった場合などに運用系に切り替わるための冗長構成である。運用系のポンプ１０１から送られた液体の作動流体が、液戻管１１４の合流点から待機系のポンプ１０２に向かって逆流すると、冷却装置全体の作動流体の流量の低下を招き、冷却効率が悪化する。本実施例の二相冷却装置においては、逆止弁１０４によって上記逆流を防ぐ。

【0054】

図３は図１において一点鎖線Ｂ−Ｂ’に沿った高さ方向の断面図である。ポンプ１０２は停止しているため凝縮器１１２から蒸発器１１６への液体の作動流体の流れはない。従って、液分岐タンク１０８に新たに加わる気体の作動流体はなく、液分岐タンク１０８内で気液の平衡状態となる。逆止弁１０４の中では、運用系のポンプ１０１から送られた作動流体が、液戻管１１４の合流点から待機系のポンプ１０２に向かって流れようとする液体の作動流体の圧力によって、弁体１０６はテーパ部３０１に押さえつけられ、逆流を逆止する。

【0055】

図４は吸着管１０９による弁体１０５の吸着の原理を説明する図である。吸着管１０９の断面積をＳ、液分岐タンク１０７の内圧をＰ１としたときに、弁体１０５の吸着にかかる力Ｆ１はＦ１＝Ｐ１×Ｓとして表される。また、内圧Ｐ１は、液相の作動流体の冷媒密度ρと、弁体１０５を吸着する位置と液分岐タンク１０７内の作動流体の気液界面との高さ方向の差ｈを用いて、Ｐ１＝ρｇｈと表される（ｇは重力加速度）。従って、弁体１０５の吸着にかかる力Ｆ１は式（１）のように表される。

【0056】

【数1】

一方で、作動流体の流れによって弁体１０５の吸着を阻害する力が発生する。この力を揚力Ｆ２とすると、Ｆ２は式（２）で表される。

【0057】

【数2】

ここで、μは作動流体の粘性係数、νは作動流体の動粘性係数、ａは弁体１０５の半径、Ｖは作動流体の流れの平均速度、ｋは速度勾配である。

【0058】

吸着にかかる力Ｆ１と揚力Ｆ２との関係が、Ｆ１＞Ｆ２となっているときに弁体１０５は吸着管１０９に吸着する。具体的には、液相の作動流体の冷媒密度ρ＝０．９９５６４６ｇ／ｃｍ^３、重力加速度９．８ｍ／ｓ^２、高さ方向の差ｈ＝１５ｍｍ、吸着管の断面積Ｓ＝１．０πｍｍ^２であるので、Ｆ１＝０．４６０ｍＮである。作動流体の粘性係数μ＝０．００６５６μｇ／ｃｍ・ｓ、作動流体の動粘性係数ν＝０．００６６１ｃｍ^２／ｓ、弁体の半径ａ＝１．５ｍｍ、作動流体の流れの平均速度Ｖ=０．２ｍ／ｓ、速度勾配ｋ＝１８１．８であるので、Ｆ２＝０．３９８ｍＮである。従って、Ｆ１＞Ｆ２である。

【0059】

弁体１０５が液体の作動流体の流れに影響されず、吸着管１０９に吸着しやすくするため、弁体１０５は樹脂で球型もしくは略球形に形成されていることが望ましい。弁体１０５の密度は、液相の作動流体に対して浮いたり沈んだりすることがないよう、液体の作動流体の冷媒密度ρとほぼ等しいことが望ましい。吸着管１０９を始め蒸気管１１７、液管１１１などの管は、形状の加工の観点から銅などの金属で形成されていることが望ましい。液分岐タンク１０７は、形状の加工の観点と、気体の作動流体の凝縮の観点から、加工が容易で熱伝導率の高い銅で形成されていることが望ましい。式（１）にあるように、吸着管１０９の断面積Ｓが弁体１０５の吸着に影響を与える。吸着管１０９の断面積以外の形状については吸着に影響を与えないため、吸着管１０９は、二相冷却装置の実装の形態に合わせて適宜形状を変化させうる。実施例にかかる吸着管１０９は、逆止弁１０３との接続部と液分岐タンク１０７との接続部の中間付近で垂直に曲がった形状を示すが、形状はこれにこだわるわけではない。

【0060】

図５Ａ〜図５Ｄを用いて、弁体１０６が逆止弁１０４として機能している状態から吸着管１１０に吸着固定されている状態へ遷移する原理を説明する。図５Ａ〜図５Ｄは、図１において一点鎖線Ｂ−Ｂ’に沿った高さ方向の断面図である。

【0061】

図５Ａは逆止弁１０４が弁体１０６で塞がれている状態を示す。逆止弁１０４のテーパ部３０１に弁体１０６が密着して、ポンプ１０２側から送られてくる作動流体を逆止している状態である。このとき、ポンプ１０２は待機系である。

【0062】

図５Ｂは、ポンプ１０２が稼働し逆止弁１０４の系が待機系から運用系へと切り替わった際の状態である。ポンプ１０２の稼働により作動流体の流れが変わり、弁体１０６をテーパ部３０１へ抑えている力がなくなり、弁体１０６をポンプ１０２側に流すようになる。逆止弁１０４は、ポンプ１０２側に湾曲部３０３を有している。かかる湾曲部３０３の影響で、弁体１０６は流れの下流に向かって直進するのではなく、ベルヌーイの法則にしたがって、流れが早く静圧が低い湾曲部３０３へ誘導される。弁体１０６はポンプ１０２の手前に設けられた網３０２によってポンプ１０２側への移動を制限される。

【0063】

図５Ｃは、弁体１０６が湾曲部３０３へ近接した状態を示す図である。弁体１０６が湾曲部３０３へ近づくと、弁体１０６と湾曲部３０３上部との隙間は狭くなる。同じ密度の作動流体がより狭い部分を通過しようとするため、流速が高まりさらに湾曲部３０３に接するように動く。弁体１０６が湾曲部３０３へ接触すると弁体１０６と湾曲部３０３との間の隙間の流れがなくなり、弁体１０６を湾曲部３０３に近づける働きがなくなるため、弁体１０６は流れの中心部、すなわち湾曲部３０３から離れる方向へ向かう力が働く。弁体１０６が湾曲部３０３から離れると、再度弁体１０６を湾曲部３０３へ近づける力が働くため、弁体１０６は湾曲部３０３に接するように動く。このようにして、弁体１０６は湾曲部３０３の近傍で微小な上下運動を行うことになる。この微小な上下運動によって、液体の作動流体の流れを乱すこととなる。

【0064】

図５Ｄは、微小な上下運動を行っている弁体１０６を吸着管１１０に吸着し固定する状態を示す図である。作動流体の流れに従って、気相の作動流体（蒸気）が運搬される。液分岐タンク１０８において、蒸気は浮力により液分岐タンク１０８の上方に分離され蓄積される。液分岐タンク１０８に蓄積された蒸気は、液分岐タンク１０８内で自然放熱することにより冷却され液化し、減圧することになる。かかる減圧によって、吸着管１１０内に吸着力Ｆ１が発生する。吸着力Ｆ１により弁体１０６が吸着管１１０に吸着し固定される。この結果弁体１０６の上下運動が止まり、液体の作動流体の流れを見出さないため、液体の作動流体が滑らかに流れることとなる。

【0065】

次に、図６Ａ〜図６Ｄを用いて、弁体１０５が吸着管１０９に吸着しているときに、待機系へ切り替わった場合、すなわち作動流体が逆流となったときの動作を説明する。図６Ａ〜図６Ｄは、図１において一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った高さ方向の断面図である。

【0066】

図６Ａは吸着管１０９に弁体１０５が吸着している状態を示す図である。この状態では、液分岐タンク１０７において、新たな蒸気の流入があり、蒸気の液化による内圧の低下が継続する。この時の液分岐タンク１０７の内圧をＰ１と表す。

【0067】

図６Ｂは作動流体の流れが逆流になった時点を示す図である。作動流体の流れが逆流になったため、液分岐タンク１０７に新たな蒸気が流入することはなく内圧の低下が止まる。一方で、作動流体の液相からの蒸発が発生しており、式（３）で表される。

【0068】

【数3】

ここで、Ｎは単位あたりの蒸発量、Ｄは蒸気の拡散係数、Ｃ_ｓは飽和蒸気圧、Ｃ_ｔは液分岐タンク１０７内の蒸気圧、δは蒸気の濃度が変化する層（境膜）の厚さである。

【0069】

作動流体の液相からの蒸発が継続すると、やがて液分岐タンク１０７内の減縮に勝り、液分岐タンク１０７の内圧が上昇を始める。弁体１０５にかかる吸着力Ｆ１が弁体１０５を吸着管１０９から浮かせようとする揚力Ｆ２より大きい間は、弁体１０５は吸着管１０９に吸着・固定される。この時の液分岐タンク１０７の内圧をＰ２と表す。

【0070】

図６Ｃは液分岐タンク１０７の内圧が増加し、吸着力Ｆ１が揚力Ｆ２より小さくなった時点を示す図である。弁体１０５は吸着管１０９への吸着・固定ができず、作動流体の逆流に沿って流される。この時の液分岐タンク１０７の内圧をＰ３と表す。

【0071】

図６Ｄは、弁体１０５が最終的に逆止弁１０３のテーパ部２０１に押し付けられて作動流体の逆流が止まった状態を示す図である。この時の液分岐タンク１０７の内圧をＰ４と表す。Ｐ４は作動流体の液温での平衡蒸気圧となっている。図６Ａ〜６Ｄの液分岐タンク１０７の内圧Ｐ１〜Ｐ４の関係は式（４）のとおりとなる。

【0072】

【数4】

【0073】

図７は、逆流時の弁体１０５の脱着にかかる実施例を示す図である。作動流体の液温を３０℃、液分岐タンク１０７内の蒸気も液温と平衡して３０℃、弁体１０５を吸着する位置と液分岐タンク１０７内の作動流体の気液界面との高さ方向の差ｈは１２．７ｍｍという条件で弁体１０５が吸着されていると仮定する。このとき、水蒸気の拡散係数Ｄ＝２．８８×１０^−５（ｍ^２／ｓ）、飽和蒸気圧Ｃｓ＝４．０ｋＰａ＝７．２ｍｏｌ／ｍ^３、液分岐タンク１０７内蒸気圧Ｃｔ＝Ｐ１＝ρｇｈ＝１５００Ｐａ＝０．５６ｍｏｌ／ｍ^３、境膜の厚さδ＝０．１ｍｍを式（３）に代入すると、Ｎ＝１．９ｍｏｌ／ｍ^２・ｓを得る。弁体１０５を吸着する位置と液分岐タンク１０７内の作動流体の気液界面との高さ方向の差ｈが１１．７ｍｍの時にちょうどＦ１＝Ｆ２となり釣り合うと仮定すると、ｈが１２．７ｍｍから１１．７ｍｍに変化するため、１ｍｍ気液界面が下がるのに要する時間が吸着状態を脱するために要する時間と考えられる。ここで、１ｍｍ気液界面が下がるのに要する時間を算出する。水１ｍｏｌの質量は１８ｇである。単位時間面積あたり蒸発する水の質量は、上で求めたＮに１８ｇ／ｍｏｌを乗じて、１．９ｍｏｌ／ｍ^２・ｓ×１８ｇ／ｍｏｌ＝３４．２ｇ／ｍ^２・ｓとなる。水の質量から体積を近似して、単位時間面積あたり蒸発する体積は、約３４．２ｃｍ^３／ｍ^２・ｓである。単位を整理して、単位時間あたりに減少する気液界面の高さを算出すると、約３４．２×１０^−３ｍｍ／ｓとなる。したがって、気液界面が１ｍｍ減少する時間は、１ｍｍ÷３４．２×１０^−３ｍｍ／ｓ＝２９．２ｓとなる。すなわち、逆流に切り替わった瞬間から約２９秒後に弁体１０５は吸着状態を脱し、逆止弁１０３のテーパ部２０１に向けて流されることとなる。ポンプ１０１を停止してから作動流体の流れが止まるまでにも数秒かかる。ポンプ１０１を停止しただけでは、惰性で作動流体が流れ続けることは止められないからである。運用系のポンプ１０２から送り出された作動流体が合流点を回ってポンプ１０１から惰性で流れる作動流体に打ち勝つ瞬間が逆流に切り替わった瞬間である。ポンプ１０１が停止してからこの時点までは、約１〜３秒である。この時点から弁体１０５の脱着までが約２９秒であり、脱着した弁体１０５は逆流の作動流体に流されて逆止弁１０３のテーパ部２０１へたどり着く。弁体１０５がテーパ部２０１に辿り着いたときに逆流の作動流体の逆止ができる。弁体１０５が脱着からテーパ部２０１へ到達するまでが約１〜２秒である。従って、ポンプ１０１が止まってから逆止するまでは約３１〜３４秒かかる。

【0074】

以下、第二実施形態の二相冷却装置を、図８を用いて説明する。

【0075】

図８は本願発明の第二実施形態を示す図である。なお、第二実施形態の二相冷却装置は、上記第一実施形態を部分的に変更したものであり、第一実施形態と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

【0076】

第二実施形態の二相冷却装置は、蒸発器１１６と凝縮器１１２と液分岐タンク８０２とを有する。凝縮器１１２は蒸気管１１７を介して蒸発器１１６と接続される。液分岐タンク８０２は、液管１１１を介して凝縮器１１２と接続される。液分岐タンク８０２は、ポンプ８０１と接続し、ポンプ８０１は、液戻管１１４を介して蒸発器１１６と接続する。

【0077】

蒸発器１１６、蒸気管１１７、凝縮器１１２、液管１１１、液分岐タンク８０２、ポンプ８０１、液戻管１１４、蒸発器１１６の順序で第一環状流路が形成される。なお、第一実施形態と同様に、ポンプ８０１と同様のポンプ（図示せず）と液分岐タンク８０２と同様の液分岐タンク（図示せず）によって代替された第二環状流路が形成されるが、第二の実施形態の説明において省略する。以下、ポンプ８０１、液分岐タンク８０２の構造を説明するが、第二環状流路のポンプ（図示せず）と液分岐タンク（図示せず）も同様の構造である。

【0078】

ポンプ８０１は、扁平の遠心ポンプである。液分岐タンク８０２で凝縮した液体の作動流体は、ポンプ８０１内の羽根車８０９の回転によって、蒸発器１１６へ送られる。

【0079】

液分岐タンク８０２は、その内部に逆止弁８０３を含む構造となっている。液分岐タンク８０２とポンプ８０１との接合部において、逆止弁８０３によって接続されている。

【0080】

逆止弁８０３は、管構造からなり、液分岐タンク８０２と液管１１１との接続部側に向かって絞りのあるテーパ部８０６とポンプ８０１側に網８０７と管の内部に弁体８０５を有する。テーパ部８０６は、弁体８０５の直径よりも小さい内径まで絞られる。テーパ部８０６は、弁体８０５によって塞がれることにより、逆流を止める。網８０７は、順流時に弁体８０５がポンプ８０１へ送られるのを防止するために設けられる。さらに、網８０７は、順流の流速が早く、気体の作動流体がポンプ８０１にたどり着くような場合に、気体の作動流体の塊を細分化して、ポンプ８０１での空回りを防止する。また、逆止弁８０３は、吸着管８０４と接続する部分に、下に向かって垂直方向に広がる湾曲部８０８を有してもよい。

【0081】

液管１１１から気体と液体が混ざった作動流体が送られ、液分岐タンク８０２で気体の作動流体を上部に集めることによって気液を分離し、液体の作動流体をポンプ８０１で送り出している。液分岐タンク８０２の上部に蓄積された気体の作動流体は、液分岐タンク８０２内で自然放熱することにより冷却され液化する。従って、液分岐タンク８０２内の気体の作動流体は減圧状態となっている。液分岐タンク８０２の上部から逆止弁８０３の上部を吸着管８０４によって接続する。液分岐タンク８０２の気体の作動流体の減圧状態による吸着力が、吸着管８０４を経由して、逆止弁８０３で弁体８０５を吸着する力となる。

【0082】

かかる構成を取ることにより、二相冷却装置を搭載するスペースが限られた時でも、液分岐タンク８０２の容量を確保することができる。十分な容量を確保することで、気体の作動流体の凝縮による減圧の効果が増大し、十分な吸着力で弁体８０５を吸着管８０４に吸着することができる。

【0083】

なお、本発明は、上述した各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

【符号の説明】

【0084】

１００・・・システムボード
１０１，１０２・・・ポンプ
１０３，１０４・・・逆止弁
１０５，１０６・・・弁体
１０７，１０８・・・液分岐タンク
１０９，１１０・・・吸着管
１１１・・・液管
１１２・・・凝縮器
１１３・・・冷却ファン
１１４・・・液戻管
１１５・・・発熱部品
１１６・・・蒸発器
１１７・・・蒸気管
１１８，１１９・・・羽根車
２０１・・・テーパ部
２０２・・・網
２０３・・・湾曲部
３０１・・・テーパ部
３０２・・・網
３０３・・・湾曲部
８０１・・・ポンプ
８０２・・・液分岐タンク
８０３・・・逆止弁
８０４・・・吸着管
８０５・・・弁体
８０６・・・テーパ部
８０７・・・網
８０８・・・湾曲部
８０９・・・羽根車
９００・・・システムボード
９０１，９０２・・・ポンプ
９０３，９０４・・・逆止弁
９０５，９０６・・・弁体
９０７・・・液分岐タンク
９０８・・・液管
９０９・・・凝縮器
９１０・・・冷却ファン
９１１・・・液戻管
９１２・・・発熱部品
９１３・・・蒸発器
９１４，９１５・・・テーパ部
９１６，９１７・・・網
９１８・・・蒸気管
９１９，９２０・・・羽根車

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】