JP7028191B2 - バルブ制御装置、冷却装置およびバルブ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置に備えられているバルブを制御する技術に関する。

近年の情報社会の進展に伴い、扱うべき情報量が大幅に増加している。その大量の情報を取り扱うために、情報処理能力の高いサーバなどの電子機器を多数設置したデータセンタが設けられている。このようなデータセンタを安定的かつ経済的に運用することが要求されている。

一般に、情報処理能力の高い電子機器は消費電力が多く、その消費電力のほとんどが熱となる。そのため、データセンタ内に多数の情報処理能力の高い電子機器を設置すると、その排熱のためにデータセンタ内の温度が上昇する。電子機器の機能維持のために、空調機によりデータセンタ内の温度を下げる必要があるが、その空調機での消費電力が多く、経済的な面から空調機の消費電力を削減することが課題となっている。

そこで、電子機器の熱を吸熱して他所に輸送することによって、電子機器から室内への放熱量を抑え、これにより、データセンタ内の室内温度上昇を抑制する結果、空調機の負荷を軽減し、当該空調機の消費電力を削減する方法が提案されている。例えば、電子機器の排気熱を、空調機を介さずに直接屋外に輸送して外気に放熱する手法が提案されている。

そのような電子機器の排熱の全てまたは一部を吸熱し輸送する手法として、冷媒の相変化時の吸熱を利用する相変化方式の冷却方法を用いた技術が開発されている。相変化方式の冷却方法では、潜熱を利用することから、当該相変化方式の冷却方法は、水冷方式に比べて、循環する冷媒量を少なくできる。このため、相変化方式の冷却方法は、水冷方式に比べて、冷媒循環の動力が小さくて済むので、経済的である。また、相変化方式の冷却方法は、絶縁性の冷媒を用いることで、内部冷媒が破損等の理由で漏れたとしても電子機器に与える影響が水冷方式に比べて小さい。このように、相変化方式の冷却方法は、停止することの許されないデータセンタ内のサーバ等の電子機器の排熱を吸熱し輸送する手法として注目されている。

特許文献１には、相変化方式の冷却システムが開示されている。この冷却システムでは、サーバの近傍に受熱部が設けられ、その受熱部内を流れる液相冷媒がサーバからの排気熱を気化熱として奪いながら気化する。また、受熱部よりも高所に放熱部が設けられ、受熱部で気化された気化冷媒が上昇し放熱部に流れ、当該放熱部で外気によって冷却・凝縮されることで、サーバの排気熱が外部へ放出される。冷却・凝縮された冷媒は、再び受熱部に供給され、当該受熱部でサーバの排気熱を吸熱する。このような冷却システムにおいて、冷媒の流路にバルブが設けられ、当該バルブの開度を調節することによって冷媒流量が調節され、これにより、排気の冷却具合が調整されることが行われる。例えば、特許文献１では、冷却後の排気温度が目標温度よりも低くなりすぎた場合には、バルブの開度を絞り冷媒の供給流量を減少させる制御手法が開示されている。

なお、特許文献２には、冷媒の循環ラインに冷媒圧縮機を介設し、夏などの外気温が高い場合に冷媒圧縮機を稼働することにより凝縮器での外気温上昇に起因した放熱能力低下を抑制しつつ、年間を通じてランニングコストの低減を図る構成が示されている。また、特許文献３には、温熱空気を冷却することにより冷却対象のサーバに冷風を供給する蒸発器が示され、また、当該蒸発器の異常を検知する構成が示されている。さらに、特許文献４には、冷媒温度がハンチングして安定しない場合に、冷媒の流量を制御する室内膨張弁の開度を固定する技術が開示されている。

特開２００９－１９４０９３号公報 特開２０１２－１４６３３１号公報 特開２０１２－０３７１８５号公報 特開２００８－１６４２５０号公報

特許文献１に記載された相変化冷却方式の冷却システムでは、受熱部で冷却された排気の温度が計測され、当該計測温度に基づいてバルブの開度が調整される。このようなバルブの開度調整は、冷却対象のサーバの負荷に応じた適切な冷媒量を受熱部に供給することによって、冷却効率の効率化を図ることができる。つまり、受熱部における液相冷媒量が多くなりすぎると、冷媒の圧力によって相変化が阻害され、熱移動量の大きな潜熱ではなく顕熱による通常の液冷却となってしまうので、冷却効率が低下してしまう。また反対に液相冷媒量が不足しても、冷媒による熱輸送量が低下し冷却効率が低下してしまう。このようなことから、バルブの開度調整により冷媒量を調整することは、冷却効率の効率化を図ることを容易にする。

しかしながら、そのようなバルブの開度調整は以下のような問題を招く虞がある。すなわち、少量の冷媒が多量の熱を吸熱する相変化冷却方式においては、排気の計測温度が変動し易いことから、バルブの開度が細かく調整される。このため、バルブの弁が頻繁に可動し、これにより、バルブの機械的な劣化が早くバルブの寿命が短くなる傾向にあり、これに起因して冷却システムの設備の耐久年数が短くなってしまう虞がある。また、冷却システムの安定稼働のために設備のメンテナンスを行うタイミングの間隔を狭くする必要が生じ、これにより、メンテナンスコストが増大するという問題が生じる。

さらに、最近では、サーバの運用状況により時々刻々と変動する発熱量に応じて、より能動的に吸熱を行い、その排気熱を室外に強制的に熱輸送するために、冷媒の循環に冷媒ポンプを用いた強制循環方式が開発されている。そのような冷却システムにおいては、より細かなバルブの開度調整がなされるため、バルブの寿命に起因した問題がより顕著となる。

本発明は上記課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明の主な目的は、冷却システムにおいて、冷却効率の低下を招くことなく、バルブの寿命の短縮化を抑制する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のバルブ制御装置は、
冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路における前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の計測温度の情報を受け取る受取部と、
前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブの開度を、前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて可変制御する開度制御部と、
前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度制御部の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定する固定制御部とを備える。

本発明の冷却装置は、冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路と、
前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブと、
前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の温度を計測する温度計測器と、
前記バルブの開度を制御するバルブ制御装置と
を備え、
前記バルブ制御装置は、
前記温度計測器により計測された前記流体の計測温度の情報を受け取る受取部と、
前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて前記バルブの開度を制御する開度制御部と、
前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度制御部の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定する固定制御部とを備える。

本発明のバルブ制御方法は、
冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路における前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の計測温度の情報を受け取り、
前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブの開度を、前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて可変制御し、
前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定する。

本発明によれば、冷却効率の低下を招くことなく、バルブの寿命の短縮化を抑制できる。

本発明に係る第１実施形態のバルブ制御装置の機能構成を説明するブロック図である。 第１実施形態のバルブ制御装置を備える冷却装置の構成を説明する図である。 第２実施形態の冷却装置の構成を説明する図である。 第２実施形態におけるバルブ制御装置の機能構成を説明するブロック図である。 第２実施形態におけるバルブ制御装置の固定制御部の動作例を説明するフローチャートである。 第２～第４の実施形態における冷却装置の構成を説明する図である。

以下に、本発明に係る実施の形態を図面を参照しながら説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る第１実施形態のバルブ制御装置の機能構成を表すブロック図である。図２は、第１実施形態のバルブ制御装置が組み込まれる冷却装置の構成を説明する図である。

第１実施形態のバルブ制御装置１は、図２に表される冷却装置１０に備えられているバルブ１２を制御する装置である。すなわち、冷却装置１０は、冷媒の循環路１１と、バルブ１２と、温度計測器１３とを備えている。

循環路１１は、冷媒が循環する流路であり、蒸発器１６と凝縮器１５が介設されている。蒸発器１６は、冷却対象の流体（例えば、電子機器の熱を吸熱し当該電子機器を冷却した排気）と冷媒との熱交換により冷却対象の流体を冷却する部位である。凝縮器１５は、蒸発器１６から冷媒が流れ込み当該冷媒の熱を放熱させる部位である。つまり、循環路１１において、冷媒は、蒸発器１６にて、冷却対象の流体の熱を受熱（吸熱）することにより冷却対象の流体を冷却する。そして、当該冷媒は、蒸発器１６から凝縮器１５に流れ、当該凝縮器１５にて放熱し、再び、冷却対象の流体を冷却すべく蒸発器１６に流れる。

温度計測器１３は、例えば、蒸発器１６により冷却された冷却後の流体が流れる経路に設けられ、当該流体の温度を計測する構成を備えている。

バルブ１２は、循環路１１に介設されており、その開度が可変することにより循環路１１を流れている冷媒の流量を可変制御する構成を備えている。

バルブ制御装置１は、バルブ１２の開度を制御する機能を備えている。第１実施形態では、バルブ制御装置１は、図１に表されているように、受取部２と、開度制御部３と、固定制御部４とを備えている。受取部２は、循環路１１における蒸発器１６にて冷却された冷却対象の流体の計測温度を温度計測器１３から受け取る機能を備えている。開度制御部３は、温度計測器１３による計測温度と、予め与えられている目標温度との差分に応じてバルブ１２の開度を制御する機能を備えている。固定制御部４は、温度計測器１３による計測温度と目標温度との差分およびバルブ１２の開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合に、開度制御部３の可変制御よりも優先的にバルブ１２の開度を固定制御する機能を備えている。

第１実施形態のバルブ制御装置１は、冷却対象の流体の温度が目標温度となるように開度制御部３の機能によりバルブ１２を制御することによって、循環路１１の流体の流量が制御され、これにより、冷却対象の流体を目標温度に向けて冷却できる。その上、バルブ制御装置１は、固定条件が満たされる場合には、固定制御部４の機能によって、開度制御部３よりも優先的にバルブ１２の開度を固定する。例えば、冷却装置１０による冷却状況が安定していることを表す条件が固定条件として設定されている場合には、バルブ制御装置１は、目標の冷却状況を維持しつつ、バルブ１２の開度の固定によりバルブ１２の可動を抑えることができる。これにより、バルブ制御装置１は、バルブ１２の寿命の短縮化を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
以下に、本発明に係る第２実施形態を説明する。

図３は、第２実施形態のバルブ制御装置を備えている冷却装置の構成を説明する図である。この冷却装置２０は相変化冷却装置であり、蒸発器である受熱部２２と、凝縮器である放熱部２３と、蒸気通路２４と、液通路２５と、冷媒ポンプ２６と、バルブ２７と、温度計測器２８とを備え、さらに、バルブ制御装置３０を備えている。

受熱部２２は、例えば、高発熱量を発するサーバ等の電子機器が収納されている収納体（図示せず）の排気側に配置されている。つまり、電子機器の収納体の内部には、ファン３８の回転駆動による吸排気が行われており、電子機器から発せられた熱を吸熱した風（排気）が収納体から排出されている。この収納体から排出された排気が通る経路に受熱部２２が配置されている。

受熱部２２は、複数のチューブを備えている。これらチューブは、対を成すヘッダ間に並設され、両端部がそれぞれ共通のヘッダに接続されている。また、チューブ間にはフィンが配設されている。対を成すヘッダの一方側には冷媒が流れ込み、当該冷媒はヘッダから各チューブに分岐して流れ、さらに、各チューブを流れた冷媒は、他方側のヘッダで合流し受熱部２２から流れ出ていく。

このような受熱部２２において、電子機器の熱を吸熱した排気は、フィン間の隙間を通り抜けることにより、フィンを介してチューブを流れる冷媒と熱交換し、これにより、冷却される。すなわち、受熱部２２は、排気と冷媒との熱交換により排気を冷却する構成を備えている。

第２実施形態では、冷媒は、受熱部２２にて排気から受け取る熱によって液相から気相に相変化する材料が採用されている。例えば、冷媒の具体例として、電子機器での使用であることを考慮し、絶縁性の材料であるハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ：Hydrofluorocarbon）や、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ：Hydrofluoroether）を挙げることができる。

このような冷媒を採用することにより、受熱部２２において、冷媒は、排気からの熱を吸熱することにより、液相から気相に相変化し、当該気相の冷媒が受熱部２２から流れ出ていく。

受熱部２２における冷媒の出側には、蒸気通路２４の一端側が連通され、蒸気通路２４の他端側は放熱部２３に連通されている。放熱部２３は、受熱部２２よりも高所に配設されており、受熱部２２から流れ出た気相（蒸気）の冷媒は、蒸気通路２４を通って放熱部２３に向けて流れる。

放熱部２３は、蒸気通路２４から流れ込んだ気相の冷媒と、水や空気との熱交換によって、気相の冷媒を冷却し液相に相変化させる構成を備えている。冷媒から熱を受け取った水や空気は、例えば、チラーや冷却塔によって冷却され、当該チラーや冷却塔により当該水や空気の熱は、冷却装置２０が配設されている室内から室外に運搬される。つまり、電子機器で発せられた熱は、ファン３８による通風と、受熱部２２と蒸気通路２４と放熱部２３とを順に通る冷媒と、放熱部２３を冷却する水あるいは空気とによって、電子機器から例えば室外に伝搬されて排出される。

放熱部２３における冷媒の出側には液通路２５の一端側が連通され、液通路２５の他端側は、冷媒ポンプ２６とバルブ２７を介して受熱部２２における冷媒の入側に連通されている。なお、冷媒は、受熱部２２において、液相から気相に相変化することにより体積が１０００倍程度に膨張する。このことを考慮し、蒸気通路２４は液通路２５よりも太い通路と成している。

冷媒ポンプ２６は、液通路２５に介設されており、液通路２５において、冷媒を放熱部２３から受熱部２２に向かう方向に流す機能を備えている。

第２実施形態では、受熱部２２と蒸気通路２４と放熱部２３と液通路２５と冷媒ポンプ２６によって、冷媒が循環する循環路２１が構成されている。循環路２１において、液相の冷媒は、受熱部２２にて吸熱により排気を冷却しつつ液相から気相に相変化し、気相の冷媒は放熱部２３にて冷却され気相から液相に相変化し、液相の冷媒が受熱部２２に戻るという如く、相変化しながら循環路２１を循環する。なお、循環路２１は、冷媒が注入された後に気密封止され、真空引きによって減圧されている。

バルブ２７は、循環路２１に介設され、冷媒が流れる流路の断面積（開度）を可変することによって循環路２１を流れる冷媒の流量を制御する機能を備えている。

バルブ２７には、大概して、電動バルブと電磁バルブがある。電動バルブは、モータとギアによって弁を回転運動させることにより、流体（冷媒）が流れる流路の断面積（開度）を可変し、これにより、流体の流量を制御する構成を備えている。この電動バルブは、弁が回転することにより開閉するボールバルブやバタフライバルブと組み合わせられることが多い。電磁バルブは、ソレノイドによって弁を、流路を開閉する方向に直線状に動かすことにより、流路の断面積（開度）を可変し、これにより、流体の流量を制御する構成を備えている。電動バルブも電磁バルブも、電気信号によりモータやソレノイドが制御されることにより開度が可変制御される。

電磁バルブは、ソレノイドにより弁を動かしていることから、開度を可変するために弁を動かす時だけでなく、開度を維持している状態においても電力が必要である（つまり、電力を消費している）。これに対し、電動バルブは、弁を動かす時に電力を消費し、開度を変更しない場合には電力を消費しないことから、電磁バルブに比べて、消費電力が少ないという利点がある。一方、電動バルブは、電磁バルブよりも可動部位が多いことから、摩擦等に因る部品の劣化が電磁バルブよりも発生し易く、電磁バルブよりも寿命が短い傾向にある。

温度計測器２８は、第２実施形態では、ファン３８の回転駆動によって電子機器側から受熱部２２を通り抜けた風（排気）の温度を計測できる位置に配置されている。すなわち、温度計測器２８は、受熱部２２を通った排気（つまり、受熱部２２により冷却された排気）の温度を計測する。温度計測器２８には、熱電対や白金測温抵抗体等の複数の種類がある。ここでは、設置環境や、想定される流体の計測温度や、要求される計測精度等を考慮した適宜な温度計が温度計測器２８として採用される。

バルブ制御装置３０は、バルブ２７の開度を制御する機能を備えている。図４は、バルブ制御装置３０の機能構成を表すブロック図である。すなわち、バルブ制御装置３０は、機能部として、受取部３２と、開度制御部３３と、固定制御部３４と、記憶装置３５とを備えている。記憶装置３５は、データやコンピュータプログラムを記憶することが可能な記憶媒体を備えている。

受取部３２は、温度計測器２８から出力された計測温度に応じた電気信号を受け取る機能を備えている。また、受取部３２は、計測温度（以下、計測温度をＴkを用いて表す場合もある）の情報を記憶装置３５に書き込む機能を備えている。バルブ制御装置３０は、例えば、時計機構（図示せず）を内蔵しており、受取部３２は、計測温度Ｔkの情報を記憶装置３５に書き込む際に、計測温度Ｔkに取得時刻（受取部３２が受け取った時刻）の情報を関連付ける。

開度制御部３３には、受熱部２２から流れ出る排気の目標温度（以下、目標温度をＴspを用いて表す場合もある）が与えられている。ここでは、受熱部２２が設置されている室内の温度（環境温度）や、ファン３８の風量や、冷却装置２０の冷却性能などを考慮し、受熱部２２が実現可能な排気の冷却温度が目標温度Ｔspとして設定される。

開度制御部３３は、受取部３２により受け取られた計測温度Ｔkを目標温度Ｔspに安定化すべく、計測温度Ｔkと目標温度Ｔspとの差分に応じてバルブ２７の開度を可変制御する機能を備えている。

バルブ２７の開度の可変制御には、例えば、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御手法が利用される。ＰＩＤ制御手法を利用する場合には、開度制御部３３は、次のような式（１）に基づいてバルブ２７の開度Ｏrを算出する。

ここで、式（１）におけるＯrはバルブ２７の開度を表す。ｅは計測温度Ｔkと目標温度Ｔspとの差分を表す。ｔは時間を表す。さらに、Ｇ，Ｔi，Ｔdは、それぞれ、比例項、積分項、微分項の相対的な寄与率を決定するパラメータであり、比例ゲイン、積分時間、微分時間とも呼ばれる。これらパラメータの値は、冷却装置２０の性能等を考慮して適宜設定される。

開度制御部３３は、バルブ２７の開度が算出した開度となるように、バルブ２７の弁を駆動する駆動機構（モータやソレノイドなど）３６に供給する電力のオンオフ制御や電力量制御を行う。また、開度制御部３３は、算出したバルブ２７の開度Ｏrの情報を算出時刻の情報に関連付けた状態で記憶装置３５に書き込む機能を備えている。

固定制御部３４は、予め設定されている固定条件が満たされる場合に、開度制御部３３によるバルブ２７の開度の可変制御よりも優先的にバルブ２７の開度を固定する機能を備えている。固定条件は、バルブ２７の開度の変動が小さく安定しており、かつ、受熱部２２により冷却される排気の温度が目標温度Ｔspを達成している状況であることを表す条件である。このような状況にある場合には、バルブ２７の開度を固定しても、受熱部２２にて排気の温度を目標温度Ｔsp以下に下げることができると想定される。換言すれば、固定条件を満たす場合には、冷却装置２０は、冷却性能を下げることなく、バルブ２７の開度を固定できる。

固定条件の具体例として、第２実施形態では、計測温度Ｔkに対する目標温度Ｔspの差分ｅ（ｅ＝Ｔk－Ｔsp）が零以下であり、かつ、バルブ２７の開度変動のばらつき（開度変動幅）を表す標準偏差σが閾値α以下であるという条件である。

この場合、固定制御部３４は、開度制御部３３の制御によるバルブ２７の開度変動の情報を記憶装置３５から取得し、設定の検知期間Ｄにおけるバルブ２７の開度変動の標準偏差σを算出する。検知期間Ｄは、例えば、直近の温度情報取得タイミングから予め設定された時間分を遡った時点までの期間である。

また、固定制御部３４は、温度計測器２８による計測温度Ｔkを受取部３２あるいは記憶装置３５から取得し、計測温度Ｔkと目標温度Ｔspの差分ｅ（ｅ＝Ｔk－Ｔsp）を算出する。そして、固定制御部３４は、式（２）に表される固定条件が満たされるか否かを判断する。

ただし、式（２）におけるαは閾値であり、開度制御部３３の可変制御によるバルブ２７の開度変動が小さく開度が安定しているか否かを判断する値であり、適宜設定される。

固定制御部３４は、式（２）における固定条件が満たされると判断した場合には、バルブ２７の開度を固定する。このように、固定制御部３４がバルブ２７の開度を固定することにより、バルブ２７の可動部位の可動が停止する。このため、第２実施形態の冷却装置２０は、バルブ２７の寿命の短縮化を抑制することができる。なお、固定制御部３４は、固定条件を満たしているか否かを判断する動作を予め設定された時間間隔毎に実行する。

また、固定制御部３４は、バルブ２７の開度固定中には、解除条件が満たされたか否かを判断し、解除条件が満たされた場合には、バルブ２７の開度固定状態を解除する機能を備えている。

解除条件の具体例として、例えば、計測温度Ｔkに対する目標温度Ｔspの差分ｅが零よりも大きい（ｅ＞０）という条件が固定制御部３４に与えられる。この場合には、固定制御部３４は、バルブ２７の開度固定中に、計測温度Ｔkに対する目標温度Ｔspの差分ｅが零よりも大きいか（ｅ＞０）否かを判断する。この判断動作は、設定時間間隔毎に行われる。固定制御部３４は、計測温度Ｔkに対する目標温度Ｔspの差分ｅが零以下であると判断した場合には、バルブ２７の開度固定状態を継続させる。また、固定制御部３４は、計測温度Ｔkに対する目標温度Ｔspの差分ｅが零よりも大きい（ｅ＞０）と判断した場合には、冷却装置２０の良好な冷却状況を維持するために、バルブ２７の開度固定状態を解除する。

なお、固定制御部３４は、上述したように、ｅ＞０であると判断して直ちにバルブ２７の開度固定状態を解除する。あるいは、固定制御部３４は、バルブ２７の開度固定中における設定時間間隔毎の判断動作により、設定の上限値であるＮ回連続してｅ＞０であると判断した場合に、バルブ２７の開度固定状態を解除してもよい。上限値Ｎは、冷却装置２０が設置されている設置環境や、判断動作を行う時間間隔等を考慮して適宜設定される。例えば、冷却装置２０の設置環境が空調機により空調されている場合には、循環路２１の冷媒や、受熱部２２を通る排気の急激な変化が抑制されると想定されるので、設置環境が空調されていない場合に比べて、上限値Ｎは大きめに設定される。つまり、冷却装置２０は、冷媒の相変化を利用した冷却方式であるが、設置環境に起因した冷媒の状態変化は空調がある場合よりも無い場合の方が早く、バルブ２７の開度の可変制御を行わない場合に冷媒が相変化しない状態に陥る危険性がある。このことを考慮し、冷却装置２０の設置環境が空調されている場合には上限値Ｎが小さめに設定され、冷却装置２０の設置環境が空調されている場合には上限値Ｎは大きめに設定される。上限値Ｎが大きめに設定されることにより、バルブ２７の開度固定状態の時間が長くなるので、冷却装置２０は、バルブ２７の寿命短縮化を抑制する効果をより良く得ることができる。

バルブ制御装置３０を構成する受取部３２と開度制御部３３と固定制御部３４は上記のように構成されている。これら受取部３２と開度制御部３３と固定制御部３４は、例えば、それら機能の処理手順が示されているコンピュータプログラムをコンピュータ（ＣＰＵ（Central Processing Unit））が実行することにより実現される。あるいは、受取部３２と開度制御部３３と固定制御部３４は、ＰＩＤ制御を行う制御回路を含む演算回路により構成される。

以下に、バルブ制御装置３０における固定制御部３４の動作の一例を図５のフローチャートに基づいて説明する。例えば、固定制御部３４は、予め設定された情報取得タイミングで、受取部３２あるいは記憶装置３５から計測温度Ｔkの情報を取得し（ステップＳ１０１）、また、バルブ２７の開度情報を記憶装置３５から取得する（ステップＳ１０２）。この際、固定制御部３４が記憶装置３５から取得する開度情報は、このときの情報取得タイミングから設定の時間分を遡った時点までの検知期間Ｄにおける時刻情報が関連付けられている複数の開度情報である。

そして、固定制御部３４は、計測温度Ｔkに対する目標温度Ｔspの差分ｅ（ｅ＝Ｔk－Ｔsp）を算出する（ステップＳ１０３）。また、固定制御部３４は、検知期間Ｄにおける複数の開度情報に基づいた標準偏差σを算出する（ステップＳ１０４）。

その後、固定制御部３４は、算出した差分ｅが零以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。そして、固定制御部３４は、算出した差分ｅが零以下である場合には、算出した標準偏差σが閾値α以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。固定制御部３４は、算出した標準偏差σが閾値α以下である場合には、バルブ２７の開度を固定しても、冷却装置２０に対して要求される冷却性能を維持できる状態であると想定されることから、バルブ２７の開度を固定する（ステップＳ１０７）。そして、固定制御部３４は、バルブ２７の開度固定状態を維持しながら待機状態となる（ステップＳ１１２）。然る後に、予め設定された待機期間が終了したこと（換言すれば、設定の情報取得タイミングであること）を検知すると、固定制御部３４は、ステップＳ１０１以降の動作を繰り返す。

そして、固定制御部３４は、ステップＳ１０５の判断動作により、差分ｅが零以下であると判断した場合には、前述したようにステップＳ１０６にて、標準偏差σが閾値α以下であるか否かを判断する。ここでは、バルブ２７は開度固定中であることから、標準偏差σは閾値α以下である。このため、固定制御部３４は、ステップＳ１０７においてバルブ２７の開度固定状態を継続する。そして、固定制御部３４は、ステップＳ１１２において待機状態となる。

また、固定制御部３４は、ステップＳ１０５の判断動作により、差分ｅが零よりも大きいと判断した場合には、バルブ２７の開度固定中であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。そして、固定制御部３４は、バルブ２７の開度が固定中である場合には、差分ｅが零よりも大きいと判断された回数を表す判断回数Ｃをカウントアップする（ステップＳ１０９）。その後、固定制御部３４は、判断回数Ｃが予め設定されている上限値Ｎ以下であるか否かを判断し（ステップＳ１１０）、判断回数Ｃが上限値Ｎ以下である場合には、バルブ２７の開度固定状態を維持しながら待機状態となる（ステップＳ１１２）。然る後に、予め設定された待機期間が終了したこと（換言すれば、設定の情報取得タイミングであること）を検知すると、固定制御部３４は、ステップＳ１０１以降の動作を繰り返す。

さらに、バルブ２７の開度固定中に、ステップＳ１１０の判断動作により、判断回数Ｃが上限値Ｎを超えた場合には、固定制御部３４は、判断回数Ｃをリセットすると共に、バルブ２７の開度固定状態を解除する（Ｓ１１１）。そして、固定制御部３４は、待機状態となり（ステップＳ１１２）、次の動作開始に備える。

第２実施形態の冷却装置２０は、固定制御部３４を有するバルブ制御装置３０を備えているので、冷却性能の低下を防止しつつ、バルブ２７の開度を固定することができる。これにより、バルブ２７の開度に関係する可動部位の可動を抑制できるため、可動部位の摩擦に起因した部品劣化が抑えられ、バルブ２７の寿命の短縮化が抑制される。このことにより、冷却装置２０は、バルブ２７における可動部位の部品劣化に起因して耐久年数が短くなるという問題を防止できる。電動バルブは、前述したように、電磁バルブに比べて、開度可変に関わる可動部位の摩擦が生じ易く当該摩擦に因る耐久年数の低下が懸念されるが、第２実施形態のバルブ制御装置３０を採用することにより、そのようなバルブの耐久年数の懸念を軽減できる。

このように耐久年数の懸念が軽減されることにより、電動バルブは冷却装置２０に採用され易くなり、しかも、電動バルブは電磁バルブよりも消費電力が少ないことから、冷却装置２０の消費電力の削減に寄与することができる。

また、冷却装置２０による冷却状態が安定している状態において、ＰＩＤ制御によりバルブ２７の開度が可変制御されていると、冷却状態に関係無い突発的な外乱が発生した場合に、バルブ２７の開度が大きく可変してしまうことがある。これにより、冷却装置２０による冷却状態が不安定になるという問題が発生する虞があるが、第２実施形態の冷却装置２０は、冷却状態が安定している場合にはバルブ２７の開度を固定することから、そのような問題を防止できるという効果をも得ることができる。

＜第３実施形態＞
以下に、本発明に係る第３実施形態を説明する。なお、第３実施形態の説明において、第２実施形態の冷却装置を構成する構成部分と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

図６は、第３実施形態の冷却装置の構成を簡略化して表す説明図である。第３実施形態の冷却装置２０は、複数の受熱部２２ａ～２２ｃを備えている。また、液通路２５は、冷媒ポンプ２６よりも放熱部側において各受熱部２２ａ～２２ｃにそれぞれ連通する分岐通路４０ａ～４０ｃに分岐し、各分岐通路４０ａ～４０ｃがそれぞれ受熱部２２ａ～２２ｃに接続されている。各分岐通路４０ａ～４０ｃにバルブ２７ａ～２７ｃが介設されている。

さらに、蒸気通路２４の放熱部側の端部は、例えば、マニホールド状の態様を備え、各受熱部２２ａ～２２ｃに接続されている。つまり、蒸気通路２４は、受熱部側の端部が各受熱部２２ａ～２２ｃにそれぞれ連通する分岐通路４１ａ～４１ｃに分岐し、各分岐通路４１ａ～４１ｃがそれぞれ受熱部２２ａ～２２ｃに接続されている。

さらに、各受熱部２２ａ～２２ｃよりも排気の下流側には、排気の温度を計測する温度計測器２８ａ～２８ｃが配置されている。

バルブ制御装置３０の受取部３２は、各温度計測器２８ａ～２８ｃから出力された計測温度に応じた電気信号を受け取る機能を備えている。また、受取部３２は、各温度計測器２８ａ～２８ｃの計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcの情報を記憶装置３５に書き込む機能を備えている。受取部３２は、計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcの情報を記憶装置３５に書き込む際に、計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcに取得時刻の情報と、計測した温度計測器２８ａ～２８ｃの識別情報とを関連付ける。

開度制御部３３には、受熱部２２ａ～２２ｃ（温度計測器２８ａ～２８ｃ）に共通の目標温度Ｔspが与えられている。開度制御部３３は、計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcと目標温度Ｔspとの差分ｅ_a，ｅ_b，ｅ_cに応じてバルブ２７ａ～２７ｃの開度を個別に例えばＰＩＤ制御により可変制御する。

固定制御部３４は、固定条件を満たす場合に、バルブ２７ａ～２７ｃの開度を個別に固定する。その固定条件とは、各バルブ２７ａ～２７ｃにおいて、計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcが目標温度Ｔsp以下（差分ｅ_a，ｅ_b，ｅ_cが零以下）であり、かつ、バルブ２７ａ～２７ｃの開度のばらつきを表す標準偏差σ_a，σ_b，σ_cが閾値α以下であるという条件である。

また、固定制御部３４は、計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcが目標温度Ｔspよりも大きくなった（差分ｅ_a，ｅ_b，ｅ_cが零よりも大きくなった）場合に、バルブ２７ａ～２７ｃの開度固定状態を解除する。なお、第２実施形態と同様に、固定制御部３４は、差分ｅ_a，ｅ_b，ｅ_cが零よりも大きくなった場合に直ちにバルブ２７ａ～２７ｃの開度固定状態を解除してもよいし、設定期間を経過した後にバルブ２７ａ～２７ｃの開度固定状態を個別に解除してもよい。

第３実施形態における冷却装置２０の上記以外の構成は、第２実施形態と同様である。

第３実施形態の冷却装置２０は、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、冷却装置２０は、複数のバルブ２７ａ～２７ｃを個別に制御することができる。このため、例えば、受熱部２２ａ～２２ｃにより冷却される排気の熱の発生源が互いに異なる等の原因により、受熱部２２ａ～２２ｃの状況が異なる場合に、受熱部２２ａ～２２ｃの状況に応じてバルブ２７ａ～２７ｃの開度を制御することができる。

なお、第３実施形態では、受熱部として３つの受熱部２２ａ～２２ｃが配設されている例を示したが、受熱部の数は、限定されず、２個でもよいし、４個以上であってもよい。上記の如く、複数の受熱部が配置され、これに応じて複数のバルブが設けられる場合には、開度制御部３３と固定制御部３４は、各受熱部に対応するバルブの開度を個別に制御する。

＜第４実施形態＞
以下に、本発明に係る第４実施形態を説明する。なお、第４実施形態の説明において、第２と第３の実施形態の冷却装置を構成する構成部分と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

第４実施形態の冷却装置２０は、第３実施形態の冷却装置２０と同様に、複数の受熱部２２ａ～２２ｃを備えている。

第４実施形態では、バルブ制御装置３０の固定制御部３４がバルブ２７ａ～２７ｃの開度を固定するか否かをバルブ２７ａ～２７ｃ毎に判断し、その判断に利用する固定条件は次のような条件である。すなわち、第４実施形態では、固定条件は、計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcと目標温度Ｔspの差分ｅ_a，ｅ_b，ｅ_cの平均値Ｅが零以下であり、かつ、各バルブ２７ａ～２７ｃの開度のばらつきを表す標準偏差σ_a，σ_b，σ_cが閾値α以下であるという条件である。

また、固定制御部３４は、計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcと目標温度Ｔspの差分ｅ_a，ｅ_b，ｅ_cの平均値Ｅが零よりも大きくなった場合に、開度が固定されているバルブ２７ａ～２７ｃの開度固定状態を解除する。

第４実施形態における冷却装置２０の上記以外の構成は第３実施形態の冷却装置２０の構成と同様である。

第４実施形態の冷却装置２０は、受熱部２２ａ～２２ｃ毎ではなく、受熱部２２ａ～２２ｃ全体での冷媒の冷却を考慮し、計測温度Ｔka，Ｔkb，Ｔkcと目標温度Ｔspの差分ｅ_a，ｅ_b，ｅ_cの平均値Ｅを利用してバルブ２７ａ～２７ｃの開度を制御している。このため、第４実施形態の冷却装置２０は、受熱部２２ａ～２２ｃ全体で冷媒から受け取る熱量の最大化を図りつつ、バルブ２７ａ～２７ｃの開度を制御でき、かつ、開度を固定できる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は第１～第４の実施形態に限定されず、様々な実施の態様を採り得る。例えば、第２～第４の実施形態では、冷却装置２０を構成する冷媒の循環路２１には冷媒ポンプ２６が介設されている。これに代えて、本発明は、循環路２１における冷媒ポンプ２６が省略されているタイプの冷却装置やバルブ制御装置にも適用することができる。冷媒ポンプ２６が省略されている冷却装置２０は、冷媒ポンプ２６を駆動する消費電力が不要であることから、消費電力を低減することができる。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路における前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の計測温度の情報を受け取る受取部と、
前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブの開度を、前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて可変制御する開度制御部と、
前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度制御部の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定する固定制御部とを備えるバルブ制御装置。

（付記２）
前記固定条件は、前記計測温度が前記目標温度以下であり、かつ、予め定められた検知期間における前記開度制御部による前記バルブの開度変動幅が閾値以下であるという条件である付記１に記載のバルブ制御装置。

（付記３）
前記検知期間における前記開度制御部による前記バルブの開度変動幅の情報として前記バルブの開度の標準偏差が利用され、前記固定条件は、前記計測温度が前記目標温度以下であり、かつ、前記検知期間における前記開度制御部による前記バルブの開度の標準偏差が閾値以下であるという条件である付記２に記載のバルブ制御装置。

（付記４）
前記固定制御部は、前記バルブの開度を固定している開度固定状態において、前記計測温度に基づいた解除条件を満たす場合には、前記バルブの開度固定状態を解除する付記１乃至付記３の何れか一つに記載のバルブ制御装置。

（付記５）
前記解除条件は、前記計測温度が前記目標温度よりも高いという条件である付記４に記載のバルブ制御装置。

（付記６）
前記循環路に複数の前記蒸発器が並列状態で介設され前記蒸発器における冷媒の流量を制御するバルブが前記複数の蒸発器にそれぞれ対応させて設けられている場合に、固定制御部は、前記複数の蒸発器にそれぞれ対応する前記冷却対象の流体の計測温度と前記目標温度との差分、および、前記各バルブの開度変動状況に基づいた固定条件に基づいて、各バルブの開度を個別に制御する付記１乃至付記５の何れか一つに記載のバルブ制御装置。

（付記７）
固定条件は、前記複数の蒸発器にそれぞれ対応する前記冷却対象の流体の計測温度と前記目標温度との差分の平均値を利用する条件である付記６に記載のバルブ制御装置。

（付記８）
冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路と、
前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブと、
前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の温度を計測する温度計測器と、
前記バルブの開度を制御するバルブ制御装置と
を備え、
前記バルブ制御装置は、
前記温度計測器により計測された前記流体の計測温度の情報を受け取る受取部と、
前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて前記バルブの開度を制御する開度制御部と、
前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度制御部の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定する固定制御部とを備える冷却装置。

（付記９）
前記蒸発器にて前記冷媒が液相から気相に相変化し、また、前記凝縮器にて前記冷媒が気相から液相に相変化する相変化冷却装置である付記８に記載の冷却装置。

（付記１０）
冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路における前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の計測温度の情報を受け取り、
前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブの開度を、前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて可変制御し、
前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定するバルブ制御方法。

（付記１１）
冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路における前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の計測温度の情報を受け取る処理と、
前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブの開度を、前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて可変制御する処理と、
前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定する処理とをコンピュータにより実行させる処理手順が示されているコンピュータプログラム。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１７年１月１６日に出願された日本出願特願２０１７－００５１８２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。

１，３０ バルブ制御装置
２，３２ 受取部
３，３３ 開度制御部
４，３４ 固定制御部
１０，２０ 冷却装置
１１，２１ 循環路
１２，２７ バルブ
１３，２８ 温度計測器
１５ 凝縮器
１６ 蒸発器
２２ 受熱部
２３ 放熱部

Claims (9)

1. 冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路における前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の計測温度の情報を受け取る受取手段と、
   前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブの開度を、前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて可変制御する開度制御手段と、
   前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度制御手段の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定する固定制御手段とを備え、
   前記固定条件は、前記計測温度が前記目標温度以下であり、かつ、予め定められた検知期間における前記開度制御手段による前記バルブの開度変動幅が閾値以下であるという条件である
   バルブ制御装置。
2. 前記検知期間における前記開度制御手段による前記バルブの開度変動幅の情報として前記バルブの開度の標準偏差が利用され、前記固定条件は、前記計測温度が前記目標温度以下であり、かつ、前記検知期間における前記開度制御手段による前記バルブの開度の標準偏差が閾値以下であるという条件である請求項１に記載のバルブ制御装置。
3. 前記固定制御手段は、前記バルブの開度を固定している開度固定状態において、前記計測温度に基づいた解除条件を満たす場合には、前記バルブの開度固定状態を解除する請求項１又は請求項２に記載のバルブ制御装置。
4. 前記解除条件は、前記計測温度が前記目標温度よりも高いという条件である請求項３に記載のバルブ制御装置。
5. 前記循環路に複数の前記蒸発器が並列状態で介設され前記蒸発器における冷媒の流量を制御するバルブが前記複数の蒸発器にそれぞれ対応させて設けられている場合に、前記固定制御手段は、前記複数の蒸発器にそれぞれ対応する前記冷却対象の流体の前記計測温度と前記目標温度との差分、および、前記バルブの各々の開度変動状況に基づいた固定条件に基づいて、前記バルブの各々の開度を個別に制御する請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載のバルブ制御装置。
6. 前記固定条件は、前記複数の蒸発器にそれぞれ対応する前記冷却対象の流体の前記計測温度と前記目標温度との差分の平均値を利用する条件である請求項５に記載のバルブ制御装置。
7. 冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路と、
   前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブと、
   前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の温度を計測する温度計測器と、
   前記バルブの開度を制御するバルブ制御装置と
   を備え、
   前記バルブ制御装置は、
   前記温度計測器により計測された前記流体の計測温度の情報を受け取る受取手段と、
   前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて前記バルブの開度を制御する開度制御手段と、
   前記計測温度と前記目標温度との差分および前記バルブの開度変動状況に基づいた固定条件を満たす場合には、前記開度制御手段の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定する固定制御手段とを備え、
   前記固定条件は、前記計測温度が前記目標温度以下であり、かつ、予め定められた検知期間における前記開度制御手段による前記バルブの開度変動幅が閾値以下であるという条件である
   冷却装置。
8. 前記蒸発器にて前記冷媒が液相から気相に相変化し、また、前記凝縮器にて前記冷媒が気相から液相に相変化する相変化冷却装置である請求項７に記載の冷却装置。
9. 冷却対象の流体と冷媒との熱交換により前記冷却対象の流体を冷却する蒸発器と、前記冷媒の熱を放熱させる凝縮器とが備えられている前記冷媒の循環路における前記蒸発器によって冷却された前記冷却対象の流体の計測温度の情報を受け取り、
   前記循環路に介設され前記循環路を循環する前記冷媒の流量を制御するバルブの開度を、前記計測温度と予め与えられている目標温度との差分に応じて可変制御し、
   前記計測温度が前記目標温度以下であり、かつ、予め定められた検知期間における前記バルブの開度変動幅が閾値以下であるという固定条件を満たす場合には、前記開度の可変制御よりも優先的に前記バルブの開度を固定するバルブ制御方法。

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