(57)【要約】  本発明は、構成部材（４１）を冷却するための装置であって、ケーシング（１）を有しており、該ケーシング内には中空室（３）が形成されていて、該中空室内には相変化材料（５）が収容されており、ケーシング（１）は、冷却したい構成部材（４１）に接触可能な少なくとも１つの面（１１）と、少なくとも１つの放熱面（１３）とを有している形式のものに関する。相変化材料（５）を含んでいる中空室（３）が少なくとも１つのコイル（１７，１８）によって取り囲まれていて、相変化材料（５）が強磁性又は磁化可能な粒子（７）を含んでいる。さらに本発明は、この装置を使用して構成部材（４１）を冷却するための方法に関する。
2011527511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部材（４１）を冷却するための装置であって、ケーシング（１）を有しており、該ケーシング内には中空室（３）が形成されていて、該中空室内には相変化材料（５）が収容されており、ケーシング（１）は、冷却したい構成部材（４１）に接触可能な少なくとも１つの面（１１）と、少なくとも１つの放熱面（１３）とを有している形式のものにおいて、
相変化材料（５）を含んでいる中空室（３）が少なくとも１つのコイル（１７，１８）によって取り囲まれていて、相変化材料（５）が強磁性又は磁化可能な粒子（７）を含んでいることを特徴とする、構成部材を冷却するための装置。
【請求項２】
相変化材料（５）を含んでいる中空室（３）が円形の横断面を有するように形成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
相変化材料（５）を含んでいる中空室（３）が少なくとも２つのコイル（１７，１８）によって取り囲まれていて、これら少なくとも２つのコイル（１７，１８）は、これらコイル（１７，１８）によって発生される磁場（１９）が相変化材料（５）において同じ方向に向けることができるように互いに方向付けられている、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
コイル（１７，１８）によって相変化材料（５）内に形成される磁場（１９）が、放熱面（１３）に対して垂直に向けられることができる、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
相変化材料（５）を含んでいる少なくとも２つの中空室（３）が熱の搬送方向で相前後して配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
複数のコイル（１７，１８，３１）がケーシング内に収容されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項記載の装置を使用して構成部材（４１）を冷却するための方法であって、
（イ）コイル（１７，１８）に給電することにより相変化材料（５）に磁場（１９）を発生させ、
（ロ）冷却したい構成部材（４１）に面した側で熱を吸収することにより、相変化材料（５）の一部を融解させ、
（ハ）コイル（１７，１８，３１）の給電の方向を逆にすることにより磁場（１９）を逆にし、相変化材料（５）の融解していない部分を回転させ、これにより融解された相変化材料（５）を放熱面（１３）の方に動かし、固相の相変化材料（５）を、熱を吸収する表面（１１）の方に動かし、
（ニ）冷却したい構成部材（４１）に面した固相の相変化材料（５）の一部を融解させ、コイル（１７，１８，３１）の磁場（１９）において、放熱面（１３）に面した液相の相変化材料（５）を方向付けて凝固させ、
（ホ）場合によっては、上記（ハ）、（ニ）のステップを繰り返す、ステップを有していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置を使用して構成部材（４１）を冷却するための方法。
【請求項８】
相変化に基づく、相変化材料（５）に含まれる強磁性又は磁化可能な粒子（７）の磁化の変化から、流入する若しくは排出される熱流及び吸収される若しくは放出される熱量を決定する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
磁化の変化をコイルインダクタンスの変化により決定する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
流入する若しくは排出される熱流と、吸収される若しくは放出される熱量から、どの周波数で磁場を逆にするかを決定する、請求項８又は９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の構成部材を冷却するための装置を起点とする。さらに本発明は、該装置を使用して構成部材を冷却するための方法に関する。
【０００２】
冷却しなければならない構成部材とは例えば、高い損失出力密度が生じる恐れのある高集積回路（ＡＳＩＣｓ）やデジタルマイクロコントローラを備えたコンパクトな電子的構成群である。高い電気的な入力の際、特に一過性の負荷状態では、高集積回路は、回避できない抵抗又は誘電損失によりすぐに加熱されてしまう。しかしながら半導体のｐｎ接合における許容できないほど高い内部温度は、誤作動、早期の劣化、構成群全体の故障につながる恐れがある。従って、内部の熱エネルギはシステム周辺に放出されなければならない。
【０００３】
熱の排出は、例えば受動的な拡散冷却、又は技術的に手間のかかるターボポンプ又は容積型ポンプによる対流冷却媒体循環により行われる。この場合、循環される冷却液は、構成エレメントの熱い表面の熱を吸収し、この熱を、大きな表面積を有する熱交換装置に伝達する。通常、熱交換装置の表面は、システム表面上に複数の薄いひれやリブを有している。外側表面で媒体流は有利に作用し、熱伝達を妨げる境界層効果に反作用する。
【０００４】
熱の伝達はその都度、高温の表面から低温の表面へと行われる。熱的な均衡においては、システム周辺とのエネルギ交換は行われない。
【０００５】
拡散冷却や対流冷却の他に、ペルチエ素子による電気的な冷却も公知である。しかしながらこれは比較的高価であり、電子機器の電気的な入力を拡大し、状況によっては、冷却したい電子構成エレメント自体よりも大きな構成スペースが必要である。このような理由により、ペルチエ素子を広く使用することは考えられていない。
【０００６】
ターボポンプ又は容積型ポンプによる対流式冷却媒体循環の他に、いわゆるサーモサイフォンとしての自己保持する対流の原理による受動的な冷却液循環も公知である。しかしながらこれは、熱流の方向付けが重力の場に対して平行であることが前提である。コンピュータ電子機器においては冷却のために熱管（ヒートパイプ）が使用され、これも受動的な冷却液循環の原理で機能している。熱管は蒸発冷却と自己保持する冷却媒体対流による熱搬送のための気密に閉じられたシステムである。熱管で使用される冷却液の沸点は、冷却すべき熱源の熱的な稼動範囲にある。液相は薄い管の内壁を湿し、気相は、管内におけるガス圧によって駆動されてヒートシンクへと流れ、気化熱はここで熱交換機へと放出される。この場合、蒸気は結露する。液体は管内壁を湿し、毛管作用により駆動されて熱源へと戻る。毛管作用による流れを改善するために、熱管の内壁には通常、毛管構造が設けられている。
【０００７】
しかしながらシステムの周辺への熱的な接触が不可能である又は望ましくない場合には、熱源からの熱を吸収する潜熱蓄熱器を使用することができる。これは特に、使用の負荷プロフィールにおける一時的な熱的出力ピークを補償すべき場合には特に有利である。従って例えば、例えばエンジンの全負荷領域における長時間の運転後の車両の低速走行や停止中に周囲の温度が一時的に急激に上昇して、自動車のエンジンルームにおいて電子的な制御機器からの拡散又は空気対流による冷却がもはや十分ではない場合である。このような場合、潜熱蓄熱器の利点が有効である。損失熱を例えば拡散又は冷却媒体対流によりシステム表面へ伝達するのではなく、相変化材料（Phase  Change  Material,  PCM、潜熱蓄熱材）へと放出する。ＰＣＭの固相及び液相が共存する領域又は液相及び気相が共存する領域では、熱供給は温度上昇ではなく、例えば磁気的な極性の低下又は結晶の長距離秩序の損失による、凝集状態又は配列状態の変化におけるエントロピの変化を生ぜしめる。
【０００８】
熱吸収又は熱放出による相変化の際には、ＰＣＭの温度はほぼ一定に保たれる。しかしながら、熱源との境界層では、例えば液相の局所的な温度が、固相に比べて熱伝導性が悪いことに基づき、層厚さの増加に伴い、融点よりも高くなる。これにより、固相と冷却したい構成部材との間に温度の落差が生じる。
【０００９】
相変化材料を含む、冷却のために使用される潜熱蓄熱器は、例えばＷＯ−Ａ２００７／０７５１３０号明細書又はＵＳ−Ａ２００２／０１６４２７７号明細書により公知である。
【００１０】
発明の開示
発明の利点
本発明により形成された構成部材を冷却するための装置は、ケーシングを有しており、該ケーシング内には中空室が形成されており、該中空室内には相変化材料が収容されている。ケーシングは、冷却したい構成部材に接触可能な少なくとも１つの面と、少なくとも１つの放熱面とを有している。相変化材料を含む中空室は少なくとも２つのコイルによって取り囲まれており、相変化材料を強磁性又は磁化可能な粒子を含んでいる。
【００１１】
この装置は、電子的又は機械的機器の損失熱を排出し潜熱を蓄えるために特に適している。従ってこの装置は、例えば、特に基本負荷と同時に一時的な熱負荷ピークを有する運転中に、自動車の電子的な制御機器を冷却し、温度を安定化させるために使用することができる。このようなことは例えば、エンジンにおいて空気対流の悪化と同時に高温が生じた際に、エンジンの電子的に制御される複数の後噴射を伴うディーゼル粒子フィルタの再生運転中又は、エンジンの全負荷領域における長時間の運転後に引き続き低速走行又は停止・発進走行の際に生じる。
【００１２】
この装置は特に、潜熱を蓄えると同時に損失熱を搬送するために働く。潜熱の蓄熱と損失熱の搬送とは、構成部材を冷却するための本発明の方法によれば、この装置を使用して行われる。この方法は以下のステップを有している。即ち、
（イ）コイルに給電することにより相変化材料に磁場を発生させ、
（ロ）冷却したい構成部材に面した側で熱を吸収することにより、相変化材料の一部を融解させ、
（ハ）コイルの給電の方向を逆にすることにより磁場を逆にし、相変化材料の融解していない部分を回転させ、これにより融解された相変化材料を放熱面の方に動かし、固相の相変化材料を、熱を吸収する表面の方に動かし、
（ニ）冷却したい構成部材に面した固相の相変化材料の一部を融解させ、コイルの磁場において、放熱面に面した液相の相変化材料を方向付けて凝固させ、
（ホ）場合によっては、上記（ハ）、（ニ）のステップを繰り返す、ステップである。
【００１３】
コイルと、相変化材料内に含まれる強磁性又は磁化可能な粒子とによって、相変化材料の融解していない部分を、コイルの給電方向を逆にしこれにより磁場が逆になることによって回転させることができることにより、本発明による装置は一方では潜熱蓄熱器として、他方では、磁気的に駆動される摩耗しない容積型ポンプとして働く。この容積型ポンプの回転ピストンは相変化材料の固相から成っており、付加的な機械的部分なしに働く。回転ピストンは、周期的な融解と方向付けられた凝固により、作業サイクルにおいて常に新たに形成される。この装置は例えば、容積型ポンプ又はターボポンプにより駆動される、液体又は気体の冷却媒体の循環が不可能な使用例において使用することができる。この装置は、一時的な負荷プロフィールを有する使用例において、損失熱を同時に伝達し、潜熱的に蓄えることができるので、平均的な熱損失出力であるように設計することもできる。通常は滅多に生じない、受動的な拡散冷却の場合のような極端な例に合わせた設計は必要ない。
【００１４】
さらなる利点は、本発明による装置は騒音なしに働き、機械的又は化学的作用に対して抵抗力があり、さらに摩耗する部材を有していないことにある。容積型ピストンとして働く、相変化材料の、方向付けられて磁化された固体部分の回転のために必要な消費電力は極めて僅かである。
【００１５】
さらなる利点は、対流式冷却システムで必要であるようなポンプ、ホース接続部、グランドパッキン、又はねじ締結部が不要であることにある。相変化材料は、内実のケーシング内に気密に収納されている。相変化材料の液相及び気相は、ケーシングの相応の内圧強度のもとでは流出することはできない。
【００１６】
磁場を逆にするためにコイルを相応に制御することにより、潜熱蓄熱から熱搬送部への伝熱は滑らかに制御され、調整される。両プロセスは同時に行うことができる。熱源と相変化材料の固相との間には、熱流バリアとしては薄い液体層しか存在しないので、常に高い搬送熱流が保証される。
【００１７】
相変化材料内に含まれる強磁性又は磁化可能な粒子により、相変化材料内に含まれる強磁性又は磁化可能な粒子の磁気的な配列が融解により減じられることによって、この装置は、融解熱に加えて付加的に、エントロピ上昇による熱エネルギも吸収する。
【００１８】
相変化材料内の強磁性又は磁化可能な粒子のさらなる利点は、融解及び凝固により吸収若しくは放出される熱並びに流出する及び流入する熱流が、これに伴う相変化材料の磁化の変化により、簡単かつ正確に、コイルインダクタンスの変化に基づき測定することができることにある。熱流バランス及びケーシングと相変化材料の既知の熱的な材料パラメータから、ヒートシンク及び熱源の温度を検出することができる。このような値により、循環サイクルのクロック周波数が制御され、これにより、常に十分に相変化材料の固相が熱源のすぐ周辺に存在し、熱源における高い熱流が維持されることが保証される。
【００１９】
相変化材料の循環を保証するために有利には、相変化材料を含む中空室は円形の横断面を有するように形成されている。相変化材料を含む中空室を取り囲む２つのコイルは有利には、互いに、コイルによって発生される磁場が同じ方向であるように方向付けられる。有利にはこれらのコイルは、一方のコイルが中空室の中央平面よりも上方に、第２のコイルが中空室の中央平面よりも下側に配置されているように配置される。コイルのこのような配置により、磁場を相応に制御し、方向付けることにより、相変化材料の融解されていない磁気的に方向付けられた部分の回転が実現される。
【００２０】
潜熱蓄熱能を向上させるために、本発明の一構成では、相変化材料を含む少なくとも２つの中空室を熱の搬送方向で相前後して配置することができる。この場合、各中空室に含まれる相変化材料により熱が吸収され蓄えられる。回転及びそれに続く凝固により、この熱は再び放出される。冷却したい表面積が大きい場合、相変化材料を含む複数の中空室を隣接して配置することも可能である。表面が扁平でない場合でも、このような形式で、最適な冷却を保証する配置が得られる。何故ならば、相変化材料を含む互いに隣接して配置された中空室では、これらの中空室を異なる高さに設けることもでき、これにより、冷却したい構成部材の表面に適合させることができるからである。
【００２１】
構成スペースを節約し、コイルの損傷を回避するために有利には、コイルはケーシング内に収容されている。しかしながら選択的に、コイルを例えばケーシングの外側に配置することもできる。
【００２２】
自動車における電子的制御機器を冷却し温度を安定化させる以外でも、構成部材を冷却するためのこの装置は、構成群の質量容量及び熱容量が僅かであるために、熱的な負荷ピークですぐに加熱されてしまい、駆動式の対流式冷却装置のためには構成スペースがなく、又は十分な電気的駆動出力が得られず、及び／又は、熱的に不都合な組み込み場所又は構造的な周辺条件によりシステムのすぐ周辺には熱を移送することができないような、コンパクトに集積された電気的なマイクロメカニックな電子構成群を冷却するためにも適している。システムのすぐ周辺への熱移送は例えば、一時的に高い周辺温度又は機械的な負荷が存在する場合、又は高い伝熱抵抗により熱伝導性が不十分であるような場合に不可能である。このことは例えば、自動車の電子的な制御機器の他に、製造装置、処理装置、又は機械製作装置のすぐ近傍における制御コンピュータなどについても考えられる。
【００２３】
ケーシングの複数の面を介して熱が導出されるならば、この装置は、熱源、即ち冷却したい構成部材から発生する熱流を種々異なるヒートシンクへと変向させ分配することができる熱分岐装置として使用することもできる。分配はこの場合、継続的に制御し調整することができる。
【００２４】
融解された相変化材料を、相変化材料の融解されていない部分の回転により、放熱面の方向に回転させるために、少なくとも２つのコイルが、コイルにより発生される磁場が相変化材料において、放熱面に対して垂直に向けられるように互いに方向付けられている。この場合、回転はその都度、相変化材料内に含まれる強磁性又は磁化可能な粒子が、コイルにより発生される磁場の磁力線の方向で方向付けられるまで行われる。
【００２５】
熱源からヒートシンクへの伝熱は、本発明によれば、相変化材料の液相の循環サイクルのクロック周波数によって制御され、熱流バランスの誘導性の検出を介して制御される。この装置が電子的な構成群の冷却のために使用される場合、コイルは、変圧器、ＥＭＶ絞りにおいて、又は可変磁化のコイルコアを有したインダクタンスとして使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１の構成の装置による、構成部材を冷却するための方法ステップを示した図である。
【図２】第１の構成の装置による、構成部材を冷却するための方法ステップを示した図である。
【図３】第１の構成の装置による、構成部材を冷却するための方法ステップを示した図である。
【図４】第１の構成の装置による、構成部材を冷却するための方法ステップを示した図である。
【図５】第１の構成の装置による、構成部材を冷却するための方法ステップを示した図である。
【図６】第１の構成の装置による、構成部材を冷却するための方法ステップを示した図である。
【図７】構成部材を冷却するための装置の第２の構成を示した図である。
【図８】相変化材料を充填され、平行かつ列を成して配置された複数の中空室を備えた、構成部材を冷却するための装置を示した図である。
【図９】相変化材料を充填され、平行かつ列を成して配置された複数の中空室を備えた、構成部材を冷却するための装置の第２の構成を示した図である。
【００２７】
発明の実施の形態
図１から図６には、第１の実施の形態における、構成部材を冷却するための装置における構成部材の冷却方法が示されている。
【００２８】
本発明により構成された、構成部材を冷却するための装置は、熱伝導性の良い材料から製造されたケーシング１を有している。ケーシング１のための材料としては特に金属材料が適している。例えば銅やアルミニウムが特に適している。ケーシング１には中空室３が形成されている。図示した実施の形態では中空室３は円形の横断面を有して構成されている。円形の横断面を有する中空室３は例えば円筒状、球状、又は円錐状又は切頭円錐状に形成することができる。しかしながら有利には中空室３は球状又は円筒状である。中空室３内には相変化材料５が含まれている。使用される相変化材料５は、この場合、冷却したい構成部材の温度に応じたものである。相変化材料としては、例えば、パラフィン、ワックス、脂肪、脂肪酸、金属合金、例えばビスマス・鉛合金、又は低融点の塩が適している。どの相変化材料がどの温度範囲に適しているかということは当業者には公知である。相変化材料５は強磁性または磁化可能な粒子７を含む。
【００２９】
冷却したい構成部材の冷却したい面９がケーシング１の表面１１に接触している。冷却したい構成部材からケーシング１へのできるだけ良好な伝熱を得るためには、冷却したい構成部材の冷却したい面９とケーシング１の表面１１との間にギャップが形成されていないと有利である。均一な接触を得るために、例えば、冷却したい構成部材の冷却したい面９とケーシング１の表面１１との間に熱伝導ペーストを装入することができる。
【００３０】
冷却したい構成部材の冷却したい面９に接触しているケーシング１の表面１１の他に、ケーシング１は少なくとも１つの放熱面１３を有している。放熱面１３を拡大するために、放熱面１３に有利には複数のリブ１５が形成されている。これらのリブ１５はこの場合、通常、ケーシングと同じ熱伝導性の材料から製造されている。選択的にはリブ１５を、ケーシング材料とは異なる、ただし同様に熱伝導性の良好な材料から製造することもできる。
【００３１】
相変化材料５を含んでいる中空室３は少なくとも１つのコイル１７によって取り囲まれている。図示した実施の形態では、中空室３は２つのコイル１７によって取り囲まれている。この場合、中空室３の中心線の上方に１つのコイル１７が、中空室３の中空室３下方に１つの第２のコイル１７が配置されている。コイル１７に電圧を加えることにより磁場が形成される。この場合これらのコイル１７は、まずコイル１７によって形成される磁場が、相変化材料５を含む中空室３内で同じ方向に向けられるように接続されている。コイル１７によって形成される磁場は矢印１９で示されている。コイル１７によって形成される磁場はこの場合、同じ方向、又は逆の方向に向けることができる。図示した構成ではコイル１７の磁場１９は同じ方向に向けられている。
【００３２】
冷却したい構成部材の冷却したい面９からの熱導出の開始時には、相変化材料５は固相にある。相変化材料５内に含まれている強磁性または磁化可能な粒子は、磁場１９の磁場線に沿って方向付けられている。強磁性または磁化可能な粒子７の方向付けを得るために、相変化材料５は、コイル１７の磁場１９において凝固する。粒子７の方向付けは矢印２１で示されている。
【００３３】
強磁性または磁化可能な粒子７の材料としては、ポジティブな磁化率を有したいかなる強磁性または常磁性材料でも良い。適当な材料は、例えば鉄・ニッケル合金、鉄・アルミニウム・ニッケル・コバルト合金、又はビスマス・マンガン合金である。強磁性または磁化可能な粒子７は、一般的に１μｍよりも小さい平均粒径を有したミクロ粒子が有利である。
【００３４】
有利な実施の形態では、相変化材料５内に含まれる粒子は強磁性である。この場合、相変化材料５は固相では残留磁化されている。
【００３５】
冷却したい構成部材の冷却したい面９とケーシング１の表面１１とが接触していることにより、冷却したい構成部材からケーシング１へと熱が伝達され、ケーシング１による熱伝導により相変化材料５へと熱が伝達される。相変化材料５は相変化材料５の融点に達するとすぐに融解し始める。融解により、相変化材料５は、冷却したい構成部材から熱を吸収する。冷却したい面９に面した側では、相変化材料５は融解により液相２３に移行する。相変化材料５のうち残っている固相２５は偏心的な回転ピストンを形成し、この回転ピストンはコイル１７と接続した状態で、所定のサイクルで作業する磁気駆動される容積型ポンプの形式で、液相２３の相変化材料５を、回転により、冷却したい面９から放熱面１３の方向に圧送する。この過程は図２、図３、図４に示されている。
【００３６】
融解した相変化材料５は通常、膨張し、液相２３は相変化材料５の固相２５と中空室３の壁２７との間に進入する。放熱面１３の領域における中空室３の壁２７への固相２５の付着を克服し、固相２５によって形成される回転ピストンを完全に中空室３の壁２７から離すために、冷却したい面９の側のコイル１８によっては、相変化材料５の双極子モーメントと同じ方向の磁場が発生され、放熱面１３の側のコイル１７によっては、逆方向の、有利には脈動する磁場が発生される。磁場強度の僅かな時間的な脈動により、中空室３の壁２７からの解離及び磁場１９における回転モーメントの上死点及び下死点の克服が助成される。これにより固相２５は、循環ポンプの回転ピストンとして、中空室３の壁２７から離され、今や中空室３の壁２７全体を湿す液膜において自由に回転できるようになる。このような回転は図３に矢印２９で示されている。固相２５の回転２９により、相変化材料５の液相２３は放熱面１３の方向に動かされる。固相２５を回転２９させるために、コイル１７，１８によって発生される磁場１９は、もともとの方向に対して１８０°回転される。これにより磁場１９は初期磁場とは逆方向となる。
【００３７】
誘導により規定された相変化材料５の融解体積、ひいては流れる熱量が所定の値に達すると、固相２５の回転２９が開始される。このことは、図示されていない制御システムによって検出される。この値に達するとすぐに、コイル１７，１８の同じ方向の磁場が逆にされる。相変化材料５の双極子モーメントはこれにより一定磁場に対して非平行となり、これには磁場強度の僅かな時間的な脈動が重畳され、相変化材料５の固相２５によって形成された回転ピストンを、磁場における回転モーメントの不安定な死点から変位させる。固相２５は今や、固相２５の双極子モーメントが磁場に対して平行となる、反対側の安定した死点へと回転する。これにより、相変化材料５の液相２３は放熱面１３の領域へと回転する。相変化材料５の磁気的な固相２５に加えられる回転モーメントは、固相２５の角度位置、ひいては粒子２１の向き、相変化材料５の磁気的な固相２５の双極子モーメントの強さに依存する。この駆動は、接続されたリラクタンスモータのように働く。
【００３８】
相変化材料５の固相２５が半分回転すると、液相２３は、放熱面１３に面した側に位置する。固相２５における粒子７の方向付けは、再び、磁場１９の方向に相応する。固相２５は安定的な位置に位置し、固相２５の回転は終了する。このことは図４に示されている。
【００３９】
相変化材料５がこの安定位置に達するとすぐに、相変化材料５の液相２３は、熱を放熱面１３とリブ１５とを介して放出する。このために、例えば放熱面１３とリブ１５とに冷却液を噴射することもできるが、通常、熱は周囲に放出される。これにより周囲の空気は加熱され、熱は自由対流により運び去られる。熱放出により、液相２３は凝固し始める。コイル１７によって発生された、相変化材料５の液相２３を取り囲む磁場１９により、相変化材料５の液相２３内に含まれる粒子は磁場において整列される。これにより、凝固した相変化材料５は引き続き方向付けられた磁化を有する。相変化材料５の融解潜熱に加えて付加的に、粒子は、エントロピの低いもともとの状態への相転移に基づく方向付けによって、熱エネルギを放熱面１３とリブ１５とに放出する。冷却される側における相変化材料５の凝固と同時に、冷却したい構成部材の冷却したい面９から、冷却したい構成部材の冷却したい面９と熱伝導的に接続されたケーシング１の表面１１を介して熱が相変化材料５の固相２５へと伝達される。相変化材料５の固相２５は融解し始める。このことは図５に示されている。相変化材料５によって、放熱面１３において放熱することができるのと同量の熱が吸収され、放出された場合、凝固した相変化材料５の体積は、融解した相変化材料５の体積に相当する。熱が、相変化材料５によって吸収されるよりも速く周囲に放出されるならば、同量の相変化材料５が再び融解される前に、凝固過程は終了する。
【００４０】
相変化材料５の固相２５を安定位置に維持するためには、コイル１７，１８の僅かなコイル電流しか必要ない。これは、相変化材料５内に含まれる強磁性又は磁化可能な粒子７が、凝固過程中に整列されるためには十分である。放熱により相変化材料５の凝固が進行することにより、相変化材料５の固相２５の磁化は増大し、所定の最大値に達する。放熱面１３側のコイル１７のインダクタンスも同様に定常最大値に達する。同時に、相変化材料５の融解と、これに伴う、冷却したい面９の側の液相２３の体積増加により、冷却したい面９の側のコイル１８のインダクタンスは減少する。この原因は、方向付けられて磁化された固相２５の体積を減少させる、相変化材料５の液相２３における磁気的な極性の減少である。コイル１７，１８のインダクタンスの変化は、例えば、制御電子機器における誘導性のホイートストンブリッジ回路及び電子的な測定ジェネレータによって当業者には公知の形式で極めて正確に検出される。制御ユニット、例えば電子的な制御計算機によって、中空室３とケーシング１の形状に応じて、２次元的又は３次元的に簡略化された熱拡散モデルがフィックの法則に基づき数値的にシミュレートされる。相変化材料５のインダクタンスにより検出された凝固速度及び融解速度から、このモデルによって流入する熱流及び流出する熱流が算出され、相変化材料５とケーシング１の公知の初期温度とにより、冷却したい面９と熱を放出する放熱面１３とリブ１５の温度及び吸収された熱エネルギが算出される。
【００４１】
コイル１７，１８のインダクタンスを検出するために誘導性のホイートストンブリッジ回路及び電子的な測定ジェネレータを使用するほか、所定の振幅及び周波数の交流がかけられた際に測定されたコイル電流をアナログ・デジタル変換することもできる。
【００４２】
中空室３が円筒状に形成されている場合、一般的には、シミュレーションのために二次元的な拡散モデルを使用すれば十分である。これに対し、中空室３が球状であって、ひいては、回転ピストンとして形成される固相２５が球形状である場合には三次元的な拡散モデルが必要である。
【００４３】
制御ユニットの求められる精度及び可能な計算出力に応じて、拡散モデルは、ケーシング１の材料の熱容量及び熱伝導性や、相変化材料５の凝集状態の他に、相変化材料５の熱的な膨張係数や、ケーシング１と固相２５と液相２３との間の境界面の伝熱抵抗を考慮することができる。
【００４４】
相変化材料５の融解により、まず固相２５内で方向付けられて存在している粒子７が、エントロピの低い規制された状態から、エントロピの高い規制されていない状態へと移行する。このようなエントロピの上昇は、冷却したい構成部材から冷却したい面９を介してさらに熱エネルギを奪う。有利な構成では、強磁性又は磁化可能な粒子７は僅かに膨張するので、相変化材料５の液相２３における磁気的な方向付けは、分子のブラウン運動と熱的な均衡を保って、静止状態で均一に分配され、ひいては、液相２３における相変化材料５の磁化はなくなる。
【００４５】
図６に示したように、相変化材料５の放熱面１３の側の液体部分が凝固し、冷却したい面９に面した液相２３の大きさが再び、以前に融解された量に相当すると、コイル１７，１８の磁場が再び、場合によっては脈動下で逆にされ、固相２５は再び回転し、融解された液相２３は再び放熱面１３へと動く。
【００４６】
相変化材料５の融解速度は凝固速度よりも速いので、相変化材料５を含む中空室３には、この中空室３から放出されるよりも多くの熱が流入する。このような状態はコイル１７，１８のインダクタンスを介して検出される。相変化材料５の固相２５によって形成される回転ピストンが、その偏心的な形状を失い、固相２５の回転が液相２３の十分な循環をもはや生ぜしめない程までは融解しないように、循環サイクルの周波数は、数値的にシミュレートされる動力学的な拡散モデル、ひいては熱転移流に応じても高められる。選択的には、ケーシング１が１つよりも多くの放熱面１３を有していることによっても、相変化材料５から周囲への付加的な放熱も得られる。これは例えば、図７に示したような３つの放熱面１３である。この場合、放熱面１３にはそれぞれ表面積を拡大するために複数のリブ１５が設けられる。この場合、各放熱面１３で相変化材料５からの熱が周囲に放熱され、同時に放熱する間に、冷却したい構成部材の冷却したい面９から熱が吸収される。別の放熱面１３に対する相変化材料５の安定的な方向付けを得るために、コイル１７，１８に対して垂直に配置されている付加的なコイル３１が設けられている。
【００４７】
しかしながら、コイル１７，１８及び３１の図示した配置の他に、中空室３内における固相２５の回転を可能にする、当業者には公知の適当な別の任意なコイルの配置を行うこともできる。
【００４８】
図８には、構成部材を冷却するための本発明による装置の選択的な構成が示されている。
【００４９】
図８に示した構成では、複数の中空室が相前後して平行にケーシング１内に配置されている。これにより、より広い面積から熱を放出することが可能である。固相２５の必要な回転を得るために、一方では各中空室にコイルを設けることが可能であるが、選択的かつ有利には、図８に示したように、それぞれ一列に並んでいる全ての中空室３を共通のコイル対３３によって取り囲むこともできる。この場合有利には、それぞれ隣接して配置された複数の中空室３を取り囲む第１のコイル対３３と第２のコイル対３５とが共通のコイル３７を有している。図８に示したように、相変化材料５を含む複数の中空室３が互いに隣接して列を成して配置されている配置では、各列３９の相変化材料５は同じ融点を有しているが、隣接して位置する列３９における相変化材料５は異なる融点を有していると有利である。融点は、この場合、有利には冷却したい面９から放熱面１３に向かって減少する。これにより、高い潜熱蓄熱能が得られ、装置の定常運転状態では、冷却したい構成部材の冷却したい面９と放熱面１３都の間の高い熱転移が実現される。
【００５０】
列を成して互いに隣接して配置された複数の中空室３を備えた別の選択的な構成が図９に示されている。この場合、中空室３は、冷却したい構成部材４１を取り囲んでケーシング１内に円形に配置されている。この場合、冷却したい構成部材は同様に円形の表面を有している。例えば球状の表面又は円筒状の表面である。従って、例えば、構成部材４１は半球として形成されていても良い。図９に示した構成でも、有利には、相前後して配置された中空室３内に含まれる相変化材料５は異なる融点を有しており、相変化材料５の融点は、冷却したい構成部材４１から放熱面１３に向かって減少する。
【００５１】
ケーシング１内に複数の中空室３が配置されていることにより、図９に示した構成では、それぞれ１つの中空室３を１つのコイル対３３，３５によって取り囲む必要がある。図９に示したように相前後して配置された３つの中空室３が設けられている場合には、第１のコイル対３３のそれぞれ１つのコイルと、第２のコイル対３５のそれぞれ１つのコイルが、真ん中の中空室３で必要な磁場を形成するための真ん中の中空室３を取り囲む１つのコイル対を形成することができる。特に、半球状又は球冠として形成された放熱面１３を有する図９に示した構成では、流入する熱流及び流出する熱流と、冷却したい構成部材４１と放熱面１３の表面温度とを算出するために使用される拡散モデルと、吸収された熱エネルギはほぼ球対称的である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年3月30日(2011.3.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部材（４１）を冷却するための装置であって、ケーシング（１）を有しており、該ケーシング内には中空室（３）が形成されていて、該中空室内には相変化材料（５）が収容されており、ケーシング（１）は、冷却したい構成部材（４１）に接触可能な少なくとも１つの面（１１）と、少なくとも１つの放熱面（１３）とを有している形式のものにおいて、
相変化材料（５）を含んでいる中空室（３）が少なくとも１つのコイル（１７，１８）によって取り囲まれていて、相変化材料（５）が強磁性又は磁化可能な粒子（７）を含んでいることを特徴とする、構成部材を冷却するための装置。
【請求項２】
相変化材料（５）を含んでいる中空室（３）が円形の横断面を有するように形成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
相変化材料（５）を含んでいる中空室（３）が少なくとも２つのコイル（１７，１８）によって取り囲まれていて、これら少なくとも２つのコイル（１７，１８）は、これらコイル（１７，１８）によって発生される磁場（１９）が相変化材料（５）において同じ方向に向けることができるように互いに方向付けられている、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
コイル（１７，１８）によって相変化材料（５）内に形成される磁場（１９）が、放熱面（１３）に対して垂直に向けられることができる、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
相変化材料（５）を含んでいる少なくとも２つの中空室（３）が熱の搬送方向で相前後して配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
複数のコイル（１７，１８，３１）がケーシング内に収容されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項記載の装置を使用して構成部材（４１）を冷却するための方法であって、
（イ）コイル（１７，１８）に給電することにより相変化材料（５）に磁場（１９）を発生させ、
（ロ）冷却したい構成部材（４１）に面した側で熱を吸収することにより、相変化材料（５）の一部を融解させ、
（ハ）コイル（１７，１８，３１）の給電の方向を逆にすることにより磁場（１９）を逆にし、相変化材料（５）の融解していない部分を回転させ、これにより融解された相変化材料（５）を放熱面（１３）の方に動かし、固相の相変化材料（５）を、熱を吸収する表面（１１）の方に動かし、
（ニ）冷却したい構成部材（４１）に面した固相の相変化材料（５）の一部を融解させ、コイル（１７，１８，３１）の磁場（１９）において、放熱面（１３）に面した液相の相変化材料（５）を方向付けて凝固させる各ステップを有していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置を使用して構成部材（４１）を冷却するための方法。
【請求項８】
前記（ハ）、（ニ）のステップを繰り返すことを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
相変化に基づく、相変化材料（５）に含まれる強磁性又は磁化可能な粒子（７）の磁化の変化から、流入する若しくは排出される熱流及び吸収される若しくは放出される熱量を決定する、請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
磁化の変化をコイルインダクタンスの変化により決定する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
流入する若しくは排出される熱流と、吸収される若しくは放出される熱量から、どの周波数で磁場を逆にするかを決定する、請求項９又は１０記載の方法。
【国際調査報告】
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