JP7508424B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の流量調整弁からなる流量調整弁ユニットを備える冷却装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車にはモータやインバータ等の発熱を伴う発熱部品が搭載されている、あるいは、大型のコンピュータシステムやサーバ等にはＣＰＵやメモリ等の発熱量の大きい発熱部品が搭載されている。

これらの発熱部品を冷却するために、構成部材が比較的少なく、軽量かつ信頼性の高い水冷式の冷却装置が採用されている。この水冷式の冷却装置は、冷やした冷媒をポンプで循環させ、対象物を冷却するものである。

例えば、特許文献１（特に、図１０参照）には、水冷式の冷却装置であって、冷媒を所定方向に送り出すポンプと、冷媒を通過させるとともに冷却対象から受熱する冷却器と、通過する冷媒の流量を調整する流量調整弁と、冷媒の熱を放熱する放熱器と、を備え、１組の冷却器及び流量調整弁が複数並列に接続されており、コントロールユニットが、温度計により検出した冷却器の出口温度に基づいて、流量調整弁の弁開度を制御するものが記載されている。

しかしながら、特許文献１には、１台の冷却器に対して、１台の流量調整弁のみが設けられているため、仮に、流量調整弁において、弁閉固着や少し弁開した状態での固着等の不都合が発生した場合には、この流量調整弁に接続された冷却器を冷却することはできず、冷却対象が異常発熱するおそれがあった。

そこで、例えば、特許文献１の水冷式の冷却装置において、冗長性を持たせるために、１台の冷却器に対して、複数の流量調整弁を設けることも考えられる。しかしながら、特許文献１では、温度計及びコントロールユニットを用いて、流量調整弁を電子的に制御しているため、制御対象である流量調整弁の数が増加すると、制御が複雑化し、流量調整弁に誤動作が生じる問題（以下、「従来の問題点（流量調整弁の誤動作）」という）や、処理能力低下のために、冷却対象の温度変化に対する流量調整弁の応答性が低くなる問題（以下、「従来の問題点（流量調整弁の応答性の低下）」という）が生じるおそれがあった。

特開２００６－３８３０２号公報

本発明の目的は、高い信頼性の流量調整弁ユニットを備える冷却装置を提供することである。

上記課題を解決するために、冷媒を所定方向に送り出す送流体手段と、前記冷媒を通過させるとともに冷却対象から受熱する受熱部と、前記冷却対象の温度に応じて、通過する前記冷媒の流量を調整する流量調整弁ユニットと、前記冷媒の熱を放熱する放熱手段と、を備え、前記送流体手段、前記受熱部、前記流量調整弁ユニット、及び、前記放熱手段を接続し、前記冷媒を循環させる冷却装置であって、前記流量調整弁ユニットは、複数の流量調整弁からなり、前記複数の流量調整弁は、前記冷媒が導入される第１ポート、前記第１ポートから流入した前記冷媒を通過させる弁ポート、及び、前記弁ポートを通過した前記冷媒を送り出す第２ポートを有する弁ハウジングと、前記弁ハウジングに移動自在に設けられ、前記弁ポートの弁開度を調整する弁体と、前記弁体に所定の弁閉方向の力を付与する弁閉力付与手段と、前記弁体を駆動する駆動エレメントと、をそれぞれ備え、前記駆動エレメントは、封入ガスが封入される封入空間を形成する感温部と、前記封入空間と前記冷媒が導入される空間とを区画するとともに、前記弁体に対して弁開力を付与可能な密封部材と、を備え、前記複数の流量調整弁が前記受熱部に対して、前記感温部を介して熱的に接触した状態で、並列に配置されるものである。

また、上記冷却装置であって、前記複数の流量調整弁は、１台の通常使用時に流量調整を行う流量調整弁と、少なくとも１台の緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁と、を含み、通常使用時の温度調整範囲は、緊急使用時の温度調整範囲と重複しないように設定されているものとしてもよい。

また、上記冷却装置であって、前記流量調整弁ユニットには、前記通常使用時に流量調整を行う流量調整弁の前記弁ポートが全閉となる場合でも、前記受熱部と前記放熱手段との連通を確保するブリード流路が設けられているものとしてもよい。

また、上記冷却装置であって、前記通常使用時の温度調整範囲と、前記緊急使用時の温度調整範囲との間には、前記緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁が作動しない不感帯が設定されているものとしてもよい。

また、上記冷却装置であって、前記緊急使用時の温度調整範囲における上限流量は、少なくとも前記通常使用時の温度調整範囲における上限流量と一致するように設定されているものとしてもよい。

また、上記冷却装置であって、前記緊急使用時の温度調整範囲における上限温度は、前記緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁の流量可変域の中央付近に設定されているものとしてもよい。

また、上記冷却装置であって、前記緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁における温度に対する流量変化率は、前記通常使用時に流量調整を行う流量調整弁における温度に対する流量変化率と比べ、大きく設定されているものとしてもよい。

本発明によれば、高い信頼性の流量調整弁ユニットを備える冷却装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る冷却装置の概略図である。 図１の破線ＩＩで囲まれる部分拡大上面図である。 図２の流量調整弁（メイン弁）を示す縦断面図である。 通常使用時における流量調整弁ユニットの流量特性を示す図である。 緊急使用時における流量調整弁ユニットの流量特性を示す図である。

本発明の実施形態について、図１から図５を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は本実施形態の態様に限定されるものではない。

＜用語について＞
本明細書及び特許請求の範囲の記載において、「上」、「下」、「右」、「左」は、図面の縦断面図に対応する方向を示す。本明細書および特許請求の範囲の記載において、「通常使用時」とは、メイン弁が正常に機能している状態を示す。本明細書および特許請求の範囲の記載において、「緊急使用時」とは、メイン弁に、弁閉固着や少し弁開した状態での固着等の不都合が発生した状態を示す。本明細書および特許請求の範囲の記載において、「通常使用時の温度調整範囲」とは、通常使用時において、メイン弁を用いた流量調整により、冷却対象の温度がシステム停止温度とならないように、積極的に調整する温度範囲を示す。本明細書および特許請求の範囲の記載において、「緊急使用時の温度調整範囲」とは、緊急使用時において、サブ弁を用いた流量調整により、冷却対象の温度がシステム停止温度とならないように、積極的に調整する温度範囲を示す。

＜冷却装置について＞
図１を用いて、本発明の実施形態に係る冷却装置１について説明する。なお、図中における直線矢印は、冷媒の送液方向を示している。

冷却装置１は、通過する冷媒の流量を複数の冷却対象Ａ１～Ａ４の温度に応じて調整する複数の流量調整弁ユニット１００と、複数の冷却対象Ａ１～Ａ４から受熱する複数の冷却器（受熱部）２００と、冷媒（液冷媒）を所定方向に送り出すポンプ（送流体手段）３００と、冷媒の熱を放熱する放熱器（放熱手段）４００と、を備え、これらを接続して冷媒を循環させる。ここで、図１に示すように、１組の冷却器２００及び流量調整弁ユニット１００を並列に４つ備えている。

この冷却装置１は、電気自動車やハイブリッド車等に搭載される発熱部品（例えば、モータやインバータ等）である各冷却対象Ａ１～Ａ４Ａを冷却する。あるいは、大型のコンピュータシステムやサーバ等に搭載される発熱部品（例えば、ＣＰＵやメモリ等）である各冷却対象Ａ１～Ａ４を冷却する。本実施形態においては、説明のために、冷却対象を４箇所とし、流量調整弁ユニット１００及び冷却器２００は、この冷却対象の数と同数をそれぞれ設けるものである。しかしながら、これに限らず、冷却対象は、１箇所を含む任意の数であるとともに、流量調整弁ユニット１００及び冷却器２００は、この冷却対象の数と同数をそれぞれ設けるものであってもよい。以下、冷却装置１のそれぞれの構成について順に説明する。

流量調整弁ユニット１００の一次側継手１０ａは、冷却器２００の出口側配管に接続され、流量調整弁ユニット１００の二次側継手１０ｂは、放熱器４００の入口側配管に接続される。また、流量調整弁ユニット１００は、冷却器２００に熱的に接触し、この冷却器２００を介して、各冷却対象Ａ１～Ａ４の温度を感知することにより、冷却器２００を通過する冷媒の流量調整を行っている。

冷却器２００は、コールドプレートなどから構成されており、冷媒との熱交換を促進させるために、ジグザグに蛇行する内部流路や、冷媒と衝突するようにピンなど設けられた内部流路を有している。この冷却器２００の一側には、発熱部品である各冷却対象Ａ１～Ａ４が接触して配置され、他側には、流量調整弁ユニット１００が熱的に接触して配置される。なお、本実施形態における冷却器２００は、冷媒を通過させるとともに冷却対象Ａ１～Ａ４から受熱し、冷媒へと熱伝達させ得るものであれば、どのような形態であってもよい。また、本実施形態における冷却器２００は、冷却対象Ａ１～Ａ４と直接接触するものであるが、これに限らず、例えば、熱伝達部材を介して、冷却対象Ａ１～Ａ４から冷却器２００に熱伝達されるものであってもよい。

ポンプ３００は、液体状態の冷媒を循環させ、各冷却対象Ａ１～Ａ４を冷却する。この冷媒は、絶縁性の冷媒、例えば、純水やフッ素系不活性液体（例えば、フロリナート（登録商標）や、ガルデン（登録商標）、ノベック（登録商標））等を用いるものである。本実施形態の冷媒は、冷却器２００及び流量調整弁ユニット１００を通過する際に、液体であるが、これに限らず、冷却装置１の流路の一部において、気液混合状態に遷移する液体であってもよい。

放熱器４００は、自然対流や強制対流により周囲環境と熱交換する空冷方式である。本実施形態の放熱器４００は、空冷方式であるが、これに限らず、水冷方式や油冷方式など、周囲環境と熱交換できるものであれば、どのような形態であってもよい。

＜冷却装置の冷却動作について＞
ポンプ３００によって送り出された冷媒は、各冷却対象Ａ１～Ａ４に接触するように設けられた各冷却器２００内を通過することで各冷却対象Ａ１～Ａ４と熱交換した後、各流量調整弁ユニット１００を通過し、放熱器４００によって放熱され、再び、ポンプ３００に戻る。この際、各々の冷却器２００を通過する冷媒の流量は、各流量調整弁ユニット１００によって独立して調整され、温度が高い冷却対象Ａ１～Ａ４に対して設けられた冷却器２００には、より多くの冷媒が流れる一方、温度が低い冷却対象Ａ１～Ａ４に対して設けられた冷却器２００には、少ない冷媒が流れる。なお、冷却対象Ａ１～Ａ４の合計の発熱量に基づいて、ポンプ３００が送り出す冷媒の流量が調整されてもよい。

＜流量調整弁ユニットについて＞
図２を用いて、流量調整弁ユニット１００について説明する。流量調整弁ユニット１００は、１台の冷却器２００に対して、通常使用時に流量調整を行う流量調整弁（以下、「メイン弁」という）１００ｍと、緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁（以下、「サブ弁」という）１００ｓとを、２台並列に設けるものである。このメイン弁１００ｍ及びサブ弁１００ｓは、同一の冷却器２００に対して熱的に接触して配置される。

ここで、詳細は後述するが、本実施形態の流量調整弁ユニット１００は、メイン弁１００ｍ及びサブ弁１００ｓ自体が、それぞれ感温部を有し、外部からの指令信号による制御なしで、自立的に流量調整を行うことにより、従来の問題点（流量調整弁の誤動作）及び従来の問題点（流量調整弁の応答性の低下）を解消し、流量調整弁ユニットの信頼性を高めることができる。なお、本実施形態の流量調整弁ユニット１００は、１台のメイン弁１００ｍと、１台のサブ弁１００ｓを並列に設けるものであったが、これに限らず、例えば、１台のメイン弁１００ｍと、複数（２台以上）のサブ弁１００ｓを互いに並列に設けるものであってもよい。

＜流量調整弁について＞
図３を用いて、通常使用時に流量調整を行う流量調整弁であるメイン弁１００ｍについて説明する。なお、詳細は後述するが、緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁であるサブ弁１００ｓは、ブリード流路１６を設けていない点で、メイン弁１００ｍと相違するが、その他の構成は、メイン弁１００ｍと同一であるため、説明は省略する。なお、図中における直線矢印は、冷媒の送液方向を示している。また、図中における一点鎖線で示す軸線Ｌは、後述の弁ポート１４の中心線であるとともに、弁体２０の移動方向に対応している。

メイン弁１００ｍは、弁ハウジング１０と、弁体２０と、弁体２０に所定の弁閉方向の力を付与する調整ばねユニット（弁閉力付与手段）３０と、駆動エレメント４０と、から主に構成される。以下、メイン弁１００ｍのそれぞれの構成について順に説明する。

弁ハウジング１０は、ＳＵＳ等の金属部材によって構成され、一次側継手１０ａに接続される第１ポート１１と、二次側継手１０ｂに接続される第２ポート１２と、弁室１３と、が形成される。第１ポート１１は、弁室１３に連通され、弁室１３と第２ポート１２との間には、弁ポート１４が形成される。この弁ポート１４における弁室１３側の開口端には、弁座部１５が形成される。また、弁ハウジング１０には、弁座部１５が弁体２０により全閉となっても、弁室１３と第２ポート１２とを連通するためのブリード流路１６と、第２ポート１２と後述の均圧室４５とを連通する均圧路１７とが形成される。さらに、弁ハウジング１０には、弁ポート１４の軸線Ｌ上で第２ポート１２から均圧室４５側に開口するガイド部１８が形成され、このガイド部１８は軸線Ｌを中心とする円筒状の形状をしている。なお、本実施形態の流量調整弁ユニット１００には、メイン弁１００ｍの弁ポート１４が全閉となる場合でも、冷却器２００と放熱器４００との連通を確保するために、ブリード流路１６が、弁ハウジング１０に形成された軸線Ｌ方向に延在する貫通孔として設けられている。しかしながら、これに限らず、例えば、弁ポート１４、又は、後述する弁体２０のニードル部２２に設けた溝や、弁体２０を弁ポート１４に着座させない形態であってもよいし、メイン弁１００ｍ自体にはブリード流路を設けず、例えば、メイン弁１００ｍとサブ弁１００ｓとの分岐点（図２中の黒点参照）を接続するように、メイン弁１００ｍと並列にオリフィスやキャピラリチューブ等を設けてもよい。

弁体２０は、フランジ部２１と、円錐状のニードル部２２と、作動軸２３と、を有している。この弁体２０は、弁ハウジング１０内に配置される。具体的には、弁体２０において、フランジ部２１が弁室１３内に配設され、ニードル部２２が弁ポート１４内に配設され、作動軸２３が第２ポート１２内及びガイド部１８内に配設される。この作動軸２３は、ガイド部１８の内周面に対してクリアランスを有して嵌挿される。これにより、弁体２０は、ガイド部１８内を軸線Ｌ方向に移動自在に収容され、この軸線Ｌ方向の移動によりニードル部２２が弁ポート１４の弁座部１５との弁開度を調整する。

調整ばねユニット３０は、圧縮ばねからなる調整ばね３１と、金属部材で構成され、弁ハウジング１０と螺合する調整ねじ３２と、を備える。調整ばね３１は、軸線Ｌ方向に延在するコイル状に形成され、弁体２０のフランジ部２１と、調整ねじ３２との間に挟持される。この調整ねじ３２を、弁ハウジング１０と螺合させ、調整ねじ３２のねじ込み量を調整することで、調整ばね３１を介して、弁体２０に付与される所定の弁閉力（付勢力）が調整されて、弁ポート１４の弁開圧力を設定することができる。この弁開圧力を設定した後は、調整ねじ３２と弁ハウジング１０とを溶接や接着等で全周を固着し気密封止する。

駆動エレメント４０は、金属製からなりケース体を構成する上蓋４１及び下蓋（感温部）４２と、ダイヤフラム（密封部材）４３と、当金４７と、封入管４８と、吸着材内包体４９と、を備える。

上蓋４１は、開口が形成された環形状の板部と、板部の外周縁から下方に向かって延びる筒状部と、筒状部の下端から外方に向かって延びるフランジ部と、を有している。この上蓋４１は、弁ハウジング１０の下方側端部に対して加締め及びろう付けによって気密に固定される。

下蓋４２は、有底筒形状であり、円形状の平板部４２ａと、平板部４２ａの外周縁から上方に向かって延びる壁部４２ｂと、壁部４２ｂの上端から外方に向かって延びるフランジ部と、を有している。この平板部４２ａは、冷却対象Ａ１～Ａ４（図１参照）に熱的に接触されて、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度を感知している。また、壁部４２ｂには、後述の密閉室４６に封入ガス３を封入するために、外方に向かって延在する封入管４８が設けられており、封入管４８は、封入ガス３の封入後に封止される。なお、本実施形態の封入管４８は、外方に延在するものであるが、これに限らず、例えば、封入管４８の長さを比較的短くし、壁部４２ｂと略面一の様態としてもよい。

ダイヤフラム４３は、弁体２０に対して弁開力を付与可能なものであって、外周縁部が上蓋４１及び下蓋４２の間に挟持された後、溶接やろう付けによって気密に固定されることにより鍔部４４が形成される。このダイヤフラム４３により、上蓋４１の内側空間が、冷媒が導入される空間である均圧室４５に区画され、また、下蓋４２の内側空間が、封入ガス３が封入される封入空間である密閉室４６に区画される。

当金４７は、上方に窪み部と、下方に平坦部と、を有する。この当金４７は、均圧室４５内に配置され、下方の平坦部が、ダイヤフラム４３に当接するとともに、上方の窪み部が、弁体２０の作動軸２３と接続する。

吸着材内包体４９は、不織布等の袋状の仕切り部材４９ａと、仕切り部材４９ａに内包された粒状の活性炭等の吸着材４９ｂと、を備える。この吸着材内包体４９は、封入ガス３が封入される密閉室４６内、つまり、平板部４２ａの内壁４２ａ１に接触して配置される。これにより、吸着材４９ｂは、冷却対象Ａ１～Ａ４に対して熱的に接触している。

吸着材４９ｂは、封入ガス３に対して、二酸化炭素のみに吸着・脱着特性を示す。これにより、封入ガス３は、冷却すると吸着量が増加して密閉室４６内の圧力が減少し、加熱すると吸着量が減少して密閉室４６内の圧力が増加するような温度－圧力特性を持つ。即ち、温度に応じて吸着材４９ｂが、封入ガス３を吸着する吸着量が変化する。本実施形態の封入ガス３は、主成分ガスを二酸化炭素とし、漏れ検知ガスをヘリウムとし、これらを混入したガスを採用するものであるが、これに限らない。例えば、熱的安定性や環境負荷等を考慮して、使用される温度域で気体状態として存在する封入ガス３を選択するとともに、この封入ガス３を吸着する吸着材４９ｂをさらに選択してもよい。

＜流量調整弁の動作について＞
メイン弁１００ｍにおいて、一次側継手１０ａに導入された冷媒は、第１ポート１１から弁室１３に流入し、弁室１３からブリード流路１６、第２ポート１２及び均圧路１７を介して均圧室４５に導入される。また、第２ポート１２の冷媒は、二次側継手１０ｂから流出される。これにより、弁ポート１４が全閉状態でも、所定の冷媒流量Ｑｍｂ（以下、「ブリード流量」という）（図４参照）が得られる。一方、サブ弁１００ｓにおいては、ブリード流路１６が設けられていないため、弁ポート１４が全閉状態では、一次側継手１０ａに導入された冷媒が、第２ポート１２に導入されることはない。

また、駆動エレメント４０の下蓋４２において、平板部４２ａの感知温度に応じて密閉室４６内の封入ガス３の圧力が上昇又は低下すると、ダイヤフラム４３が変位する。そして、このダイヤフラム４３の変位に伴い、当金４７を介して、弁体２０の作動軸２３が軸線Ｌ方向に移動し、弁ポート１４の弁座部１５と弁体２０のニードル部２２との隙間すなわち弁開度が変化する。この弁開度、つまり、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度に応じて、一次側継手１０ａから二次側継手１０ｂに流れる冷媒の流量が調整される。

なお、本実施形態の冷却装置１は、１台のポンプ３００及び放熱器４００に対し、１組の冷却器２００ａ及び流量調整弁ユニット１００を並列に複数備えるものであるが、これに限らず、例えば、１台のポンプ３００及び放熱器４００に対し、１組の冷却器２００ａ及び流量調整弁ユニット１００を１台備えてもよいし、ポンプ３００を直列に複数又は並列に複数備えてもよい。

本実施形態において、サブ弁１００ｓは、ブリード流路１６を備えるものではないが、これに限らず、例えば、サブ弁１００ｓに、ブリード流路１６を設けることにより、メイン弁１００ｍとサブ弁１００ｓのトータルのブリード流量を増加させ、冷却対象Ａ１～Ａ４への最低限の冷却をより確実に行うものであってもよい。

本実施形態の流量調整弁ユニット１００において、並列に配置されたメイン弁１００ｍ及びサブ弁１００ｓが、それぞれ感温部を有しており、外部からの指令信号による制御なしで、自立的に流量調整を行うことができるため、従来の問題点（流量調整弁の誤動作）及び従来の問題点（流量調整弁の応答性の低下）を解消し、流量調整弁ユニットの信頼性を高めることができる。

＜通常使用時における流量調整弁ユニットの流量特性について＞
図４は、図２の実施形態の、１台の冷却器２００に対して、通常使用時に流量調整を行うメイン弁１００ｍと、緊急使用時に流量調整を行うサブ弁１００ｓとを、２台並列に設けた流量調整弁ユニット１００において、通常使用時、つまり、メイン弁１００ｍが正常に機能している状態の流量特性を説明する示す図であり、横軸に、システム停止温度ＴＳまでの冷却対象Ａ１～Ａ４の温度を示すとともに、縦軸に、流量調整弁ユニット１００を介した流量を示す。なお、図中において、通常使用時における流量調整弁ユニット１００の流量特性（メイン弁１００ｍの流量特性）を実線で示し、参考のために、緊急使用時における流量調整弁ユニット１００の流量特性（メイン弁１００ｍのブリード流量Ｑｍｂにサブ弁１００ｓの流量特性を加えたもの）などを破線及び括弧書きで示す。

まず、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、通常使用時の弁開開始温度Ｔｍｏ未満の温度領域Ｒｂ（以下、「通常使用時のブリード域」という）にある場合には、メイン弁１００ｍの弁体２０が弁座部１５に着座しており、弁ポート１４を介して、冷媒が通過することはないが、ブリード流路１６を介して、第１ポート１１から第２ポート１２に冷媒が通過する。よって、この通常使用時のブリード域Ｒｂでは、温度によらず一定のブリード流量Ｑｍｂが流れため、冷却対象Ａ１～Ａ４への最低限の冷却を確保することができる。

次に、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、通常使用時の弁開開始温度Ｔｍｏ以上かつ通常使用時の弁全開温度Ｔｍｆ未満の温度領域Ｒａ（以下、「通常使用時の流量可変域」という）にある場合には、温度上昇とともに、メイン弁１００ｍの弁体２０が、弁座部１５から離間し、弁開度が上昇する。よって、通常使用時の流量可変域Ｒａでは、温度変化に対応する流量が流れる。

また、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、通常使用時の弁全開温度Ｔｍｆ以上の温度領域Ｒｆ（以下、「通常使用時の全開域」という）にある場合には、ガイド部１８の下端と当金４７の窪み部とが当接し、弁開度が最大となる。よって、この通常使用時の全開域Ｒｆは、温度によらず流量は一定である、通常使用時の流量調整弁ユニット最大流量Ｑｍｆが流れる。

ここで、通常使用時において、メイン弁１００ｍを用いた流量調整により、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度がシステム停止温度ＴＳとならないように、積極的に調整する範囲Ｒｎ（以下、「通常使用時の温度調整範囲」という）が設定されている。この通常使用時の温度調整範囲Ｒｎにおいて、上限温度Ｔｍｕは、通常使用時の流量可変域Ｒａの中央付近に設定されており、この上限温度Ｔｍｕでは、上限流量Ｑｍｕが流れる。

本実施形態の流量調整弁ユニット１００において、通常使用時の温度調整範囲Ｒｎは、後述の緊急使用時の温度調整範囲Ｒｅと重複しないように設定されている。これにより、通常使用時においては、メイン弁１００ｍのみを用いて流量調整を行う一方、メイン弁１００ｍに不都合が発生した緊急使用時においては、サブ弁１００ｓを用いて流量調整を行うことにより、冷却対象Ａ１～Ａ４の異常発熱を確実に防ぐことができる。

また、本実施形態の流量調整弁ユニット１００において、通常使用時の温度調整範囲Ｒｎと、緊急使用時の温度調整範囲Ｒｅとの間には、所定の温度範囲（Ｔｍｕ～Ｔｓｏ）を有するサブ弁１００ｓの不感帯Ｒｄが設定されている。ここで、仮に、サブ弁１００ｓの不感帯Ｒｄを設けない場合には、通常使用時において、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、通常使用時の温度調整範囲Ｒｎにおける上限温度Ｔｍｕを僅かに超える度に、サブ弁１００ｓが頻繁に作動し、弁開及び弁閉を繰り返すため、サブ弁１００ｓの作動耐久性の低下、及びウォーターハンマー等の脈動が生じるおそれがある。よって、サブ弁１００ｓが頻繁に作動しないように、サブ弁１００ｓの不感帯Ｒｄを設けることにより、サブ弁１００ｓの作動耐久性を確保するとともに、脈動の発生を抑制することができる。このサブ弁１００ｓの不感帯Ｒｄは、通常使用時の流量可変域Ｒａ内に含まれているため、メイン弁１００ｍが、通常使用時の温度調整範囲Ｒｎに加え、サブ弁１００ｓの不感帯Ｒｄにおいても、継続して流量調整を行うことができる。

＜緊急使用時における流量調整弁ユニットの流量特性について＞
図５は、図４と同様のものであり、図２の実施形態の流量調整弁ユニット１００において、緊急使用時、つまり、メイン弁１００ｍに弁閉固着による不都合が発生した状態の流量特性を説明する示す図である。図中において、緊急使用時における流量調整弁ユニット１００の流量特性（メイン弁１００ｍのブリード流量Ｑｍｂにサブ弁１００ｓの流量特性を加えたもの）を実線で示し、参考のために、通常使用時における流量調整弁ユニット１００の流量特性（メイン弁１００ｍの流量特性）などを破線及び括弧書きで示す。

ここで、本実施形態は、図５に示すように、フェールセーフの観点から、メイン弁１００ｍに不都合が発生した状態として、最も少ない流量、つまり、ブリード流量Ｑｍｂのみが流れる弁閉固着を想定したものである。この状況下においても、サブ弁１００ｓを機能させることにより、不都合が発生した流量調整弁ユニット１００の、冷却対象Ａ１～Ａ４の何れかが、メイン弁１００ｍの通常使用時の温度調整範囲Ｒｎを超える温度まで上昇しても、システム停止温度ＴＳまで異常発熱することを防ぐことができる。なお、本実施形態において、メイン弁１００ｍに不都合が発生した状態として、最悪状態の弁閉固着を想定したが、これに限らず、例えば、少し弁開した状態で弁固着するものであってもよい。ここで、メイン弁１００ｍにおいて、少し弁開した状態で弁固着する場合は、弁閉固着する場合と比べ、メイン弁１００ｍにより多くの流量（ブリード流量Ｑｍｂ超）が流れるため、サブ弁１００ｓを用いて、より安全側で流量調整することができる。また、本実施形態において、緊急使用時におけるサブ弁１００ｓを用いた流量調整は、長い期間行われるものではなく、メイン弁１００ｍの不都合がセンシングされ、このメイン弁１００ｍが交換されるまでの間の応急処置として行われる。

さらに、図５に示すように、緊急使用時の弁開開始温度Ｔｓｏは、通常使用時の温度調整範囲における上限温度Ｔｍｕより、高く設定されている。また、緊急使用時の弁全開温度Ｔｓｆは、通常使用時の弁全開温度Ｔｍｆより、低く設定されている。

なお、本実施形態において、緊急使用時の弁全開温度Ｔｓｆは、通常使用時の弁全開温度Ｔｍｆより、低く設定されているが、これに限らず、通常使用時の弁全開温度Ｔｍｆ以上かつシステム停止温度ＴＳ未満であってもよい。

まず、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、緊急使用時の弁開開始温度Ｔｓｏ未満の温度領域Ｒｂ’（以下、「緊急使用時のブリード域」という）にある場合には、サブ弁１００ｓは、弁全閉状態である一方、メイン弁１００ｍは、弁閉固着しているが、ブリード流路１６を介して、冷媒が流れる。よって、緊急使用時のブリード域Ｒｂ’では、温度によらず一定のブリード流量Ｑｍｂが流れる。

次に、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、緊急使用時の弁開開始温度Ｔｓｏ以上かつ緊急使用時の弁全開温度Ｔｓｆ未満の温度領域Ｒａ’（以下、「緊急使用時の流量可変域」という）にある場合には、温度上昇とともに、サブ弁１００ｓの弁体２０が、弁座部１５から離間し、弁開度が上昇する。よって、この緊急使用時の流量可変域Ｒａ’では、メイン弁１００ｍを介したブリード流量Ｑｍｂに、サブ弁１００ｓを介した温度変化に対応する流量を加えた冷媒が流れる。

また、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、緊急使用時の弁全開温度Ｔｓｆ以上の温度領域Ｒｆ’（以下、「緊急使用時の全開域」という）にある場合には、ガイド部１８の下端と当金４７の窪み部とが当接し、弁開度が最大となる。よって、この緊急使用時の全開域Ｒｆ’では、温度によらず流量は一定である、緊急使用時の流量調整弁ユニット最大流量Ｑｓｆが流れる。

ここで、緊急使用時において、サブ弁１００ｓを用いた流量調整により、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度がシステム停止温度ＴＳとならないように、積極的に調整する範囲Ｒｅ（以下、「緊急使用時の温度調整範囲」という）が設定されている。この緊急使用時の温度調整範囲Ｒｅにおいて、上限温度Ｔｓｕは、緊急使用時の流量可変域Ｒａ’の中央付近に設定されており、この上限温度Ｔｓｕでは、上限流量Ｑｓｕが流れる。

ここで、本実施形態において、緊急使用時の温度調整範囲Ｒｅにおける上限流量Ｑｓｕは、通常使用時の温度調整範囲Ｒｎにおける上限流量Ｑｍｕと少なくとも一致するように設定（Ｑｓｕ≧Ｑｍｕ）されている。これにより、緊急使用時において、システム停止温度ＴＳに達するまでに、流量調整弁ユニット１００を介して、少なくとも通常使用時の温度調整範囲Ｒｎにおける上限流量Ｑｍｕと同等の流量を流すことにより、冷却対象Ａ１～Ａ４を確実に冷却することができる。

本実施形態において、図５に示すように、緊急使用時の温度調整範囲Ｒｅにおける上限温度Ｔｓｕと、緊急使用時の弁全開温度Ｔｓｆとの間に、所定のマージンが設定され、サブ弁１００ｓを用いた流量調整を行うことができる。これにより、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、仮に、緊急使用時の温度調整範囲Ｒｅにおける上限温度Ｔｓｕを超えたとしても、サブ弁１００ｓが継続して流量調整を行うことにより、システム停止温度ＴＳに到達することを確実に抑制できる。

また、本実施形態において、サブ弁１００ｓの温度に対する流量変化率は、メイン弁１００ｍの温度に対する流量変化率と比べ、大きく設定されている。ここで、例えばメイン弁１００ｍの調整ばね３１ｍのばね定数に比べ、サブ弁１００ｓの調整ばね３１ｓのばね定数を小さく設定することで、それぞれの温度に対する流量変化率が所望の値へと設定される。このように、メイン弁１００ｍは、通常使用時において、比較的広い温度範囲で、高い精度の流量調整を行う一方、サブ弁１００ｓは、緊急使用時において、比較的狭い温度範囲で、感度の高い流量調整を行うことにより、冷却対象Ａ１～Ａ４の温度が、システム停止温度ＴＳに到達することを確実に抑制できる。

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 冷却装置
３ 封入ガス
１０ 弁ハウジング
１０ａ 一次側継手
１０ｂ 二次側継手
１１ 第１ポート
１２ 第２ポート
１３ 弁室
１４ 弁ポート
１５ 弁座部
１６ ブリード流路
１７ 均圧路
１８ ガイド部
２０ 弁体
３０ 調整ばねユニット（弁閉力付与手段）
４０ 駆動エレメント
４１ 上蓋
４２ 下蓋（感温部）
４２ａ 平板部
４２ｂ 壁部
４２ａ１ 内壁
４３ ダイヤフラム（密封部材）
４４ 鍔部
４５ 均圧室
４６ 密閉室
４７ 当金
４８ 封入管
４９ 吸着材内包体
１００ 流量調整弁ユニット
１００ｍ 流量調整弁（メイン弁）
１００ｓ 流量調整弁（サブ弁）
２００ 冷却器（受熱部）
３００ ポンプ（送流体手段）
４００ 放熱器（放熱手段）

Ａ１～Ａ４ 冷却対象
Ｑｍｂ ブリード流量
Ｑｍｆ 通常使用時の流量調整弁ユニット最大流量
Ｑｍｕ 通常使用時の温度調整範囲における上限流量
Ｑｓｆ 緊急使用時の流量調整弁ユニット最大流量
Ｑｓｕ 緊急使用時の温度調整範囲における上限流量
Ｒａ 通常使用時の流量可変域
Ｒａ’ 緊急使用時の流量可変域
Ｒｂ 通常使用時のブリード域
Ｒｂ’ 緊急使用時のブリード域
Ｒｄ 不感帯
Ｒｅ 緊急使用時の温度調整範囲
Ｒｆ 通常使用時の全開域
Ｒｆ’ 緊急使用時の全開域
Ｒｎ 通常使用時の温度調整範囲
Ｔｍｆ 通常使用時の弁全開温度
Ｔｍｏ 通常使用時の弁開開始温度
Ｔｍｕ 通常使用時の温度調整範囲における上限温度
ＴＳ システム停止温度
Ｔｓｆ 緊急使用時の弁全開温度
Ｔｓｏ 緊急使用時の弁開開始温度
Ｔｓｕ 緊急使用時の温度調整範囲における上限温度

Claims (6)

1. 冷媒を所定方向に送り出す送流体手段と、
   前記冷媒を通過させるとともに冷却対象から受熱する受熱部と、
   前記冷却対象の温度に応じて、通過する前記冷媒の流量を調整する流量調整弁ユニットと、
   前記冷媒の熱を放熱する放熱手段と、
   を備え、
   前記送流体手段、前記受熱部、前記流量調整弁ユニット、及び、前記放熱手段を接続し、前記冷媒を循環させる冷却装置であって、
   前記流量調整弁ユニットは、複数の流量調整弁からなり、
   前記複数の流量調整弁は、
   前記冷媒が導入される第１ポート、前記第１ポートから流入した前記冷媒を通過させる弁ポート、及び、前記弁ポートを通過した前記冷媒を送り出す第２ポートを有する弁ハウジングと、
   前記弁ハウジングに移動自在に設けられ、前記弁ポートの弁開度を調整する弁体と、
   前記弁体に所定の弁閉方向の力を付与する弁閉力付与手段と、
   前記弁体を駆動する駆動エレメントと、
   をそれぞれ備え、
   前記駆動エレメントは、封入ガスが封入される封入空間を形成する感温部と、前記封入空間と前記冷媒が導入される空間とを区画するとともに、前記弁体に対して弁開力を付与可能な密封部材と、を備え、
   前記複数の流量調整弁が前記受熱部に対して、前記感温部を介して熱的に接触した状態で、並列に配置され、
   前記複数の流量調整弁は、
   １台の通常使用時に流量調整を行う流量調整弁と、
   少なくとも１台の緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁と、
   を含み、
   通常使用時の温度調整範囲は、緊急使用時の温度調整範囲と重複しないように設定されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記流量調整弁ユニットには、前記通常使用時に流量調整を行う流量調整弁の前記弁ポートが全閉となる場合でも、前記受熱部と前記放熱手段との連通を確保するブリード流路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記通常使用時の温度調整範囲と、前記緊急使用時の温度調整範囲との間には、前記緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁が作動しない不感帯が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記緊急使用時の温度調整範囲における上限流量は、少なくとも前記通常使用時の温度調整範囲における上限流量と一致するように設定されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記緊急使用時の温度調整範囲における上限温度は、前記緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁の流量可変域の中央付近に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記緊急使用時に流量調整を行う流量調整弁における温度に対する流量変化率は、前記通常使用時に流量調整を行う流量調整弁における温度に対する流量変化率と比べ、大きく設定されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の冷却装置。

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