(57)【要約】【課題】冷却装置において、発熱体が発熱しているときは、発熱体を冷却し、発熱体が発熱しなくなったときは、発熱体を保温する。【解決手段】冷却装置１０は、発熱体１２が発熱しているとき、蒸発器１４に蓄えられる冷媒が発熱体１２から熱を受けて蒸発して凝縮器１６で放熱されることにより、発熱体１２を冷却する。一方、冷却装置１０は、発熱体１２が発熱しなくなると、蒸発器１４の冷媒が蒸発しなくなるので、冷媒による冷却が停止する。そして、蒸発器１４内の真空中空粒子３２が断熱層になり、発熱体１２を保温する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を蓄え、この冷媒を、発熱体により加熱し、蒸発させる蒸発器と、
蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器を接続し、冷媒が循環する循環路と、
を有する冷却装置であって、
前記蒸発器は、
発熱体との間に、冷媒を蓄えるチャンバを形成する容器と、
前記チャンバ内に保持される、内部を真空にした真空中空粒子と、
を含み、
冷媒は前記真空中空粒子間の隙間を通って流れることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記循環路は、
前記凝縮器から前記蒸発器に凝縮した冷媒が流れる液体流路と、
前記液体流路を開閉するバルブと、
を含み、
発熱体の温度が所定値以下の場合、前記バルブが閉じることを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の冷却装置であって、
前記各真空中空粒子は、発熱体及び隣接する前記真空中空粒子に対して点接触または線接触するように配列されることを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記蒸発器の容器は、柔軟性を有する膜により形成されることを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
この冷却装置内に封入される冷媒は、減圧されていることを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体を冷却する冷却装置に関し、特に冷媒により熱を移動させるヒートパイプを用いた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートパイプは、パイプの中を移動する冷媒により、パイプの高温の部分から低温の部分へ熱を移動させる装置である。高温部分では液相の冷媒が蒸発し、気相となった冷媒が低温部分に送られ、ここで液化し高温部分に戻る。ヒートパイプには、高温の部分から低温の部分へ向かう流路と、低温部分から高温部分に戻る流路とを別個に設け、この流路を冷媒が一方向に循環する形式のものが知られている。この循環型のヒートパイプを用いた冷却装置が提案されている。ヒートパイプの、発熱体からの熱を受ける部分が、前記の高温部分となり、放熱する部分が低温部分となって、発熱体から熱を奪い冷却する。
【０００３】
下記特許文献１には、循環型のヒートパイプを用いて太陽光により暖められる自動車内装材の熱を車室外部に移動させて放熱する冷却装置が示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２５７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒートパイプを用いた冷却装置は、発熱体を冷却するときには、効率よく冷却が行われる。しかし、発熱体が発熱しなくなり、それまでの温度を維持する（保温する）要求がある場合においては、ヒートパイプの放熱性の良さから、かえって不利となる。一般的に、対象物を保温するには、対象物の表面に断熱材からなる断熱層を設ける技術が知られており、上記のヒートパイプを用いた冷却装置の冷却対象となる発熱体においても、同様に断熱層を設ければ、保温性を改善することができる。しかし、発熱体周囲にヒートパイプと、断熱材を配置する構成となり、装置外形が大きくなる。
【０００６】
本発明は、発熱体が発熱しているときは、高い冷却性能を有し、発熱体が発熱しなくなったときは、それまでの温度の高い状態を維持するための高い保温性能も有する冷却装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、冷媒を蓄え、この冷媒を、発熱体により加熱し、蒸発させる蒸発器と、蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を接続し、冷媒が循環する循環路と、を有する冷却装置であって、前記蒸発器は、発熱体との間に、冷媒を蓄えるチャンバを形成する容器と、前記チャンバ内に保持される、内部を真空にした真空中空粒子と、を含み、冷媒は前記真空中空粒子間の隙間を通って流れることを特徴とする。
【０００８】
また、前記循環路は、前記凝縮器から前記蒸発器に凝縮した冷媒が流れる液体流路と、  前記液体流路を開閉するバルブと、を含み、発熱体の温度が所定値以下の場合、前記バルブを閉じることができる。
【０００９】
また、前記各真空中空粒子を、発熱体及び隣接する前記真空中空粒子に対して点接触または線接触するように配列することができる。
【００１０】
また、前記蒸発器の容器を、柔軟性を有する膜により形成することができる。
【００１１】
また、この冷却装置内に封入される冷媒を、減圧することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の冷却装置は、発熱体が発熱しているときは、高い冷却性能を有し、発熱体が発熱しなくなったときは、それまでの温度の高い状態を維持するための高い保温性能も有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図に従って説明する。図１は、本実施形態に係る冷却装置１０の構成を示す図である。
【００１４】
冷却装置１０は、冷媒を、発熱体１２により加熱して蒸発させる蒸発器１４と、蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器１６と、凝縮した冷媒を溜めるタンク１８とを有する。蒸発器１４、凝縮器１６及びタンク１８は、冷媒が循環する循環路２０により接続される。蒸発器１４は、発熱体１２を囲うように設けられた容器３０を有し、発熱体１２との間に冷媒を蓄えるチャンバ２８が形成されている。
【００１５】
循環路２０は、蒸発器１４で蒸発して気相となった冷媒（気体冷媒）が凝縮器１６へと流れる気体流路２２と、凝縮器１６で凝縮して液相となった冷媒（液体冷媒）がタンク１８を介して蒸発器１４へと戻る液体流路２４とを有する。凝縮器１６は、蒸発器１４より高い位置に配置される。したがって、気体流路２２および液体流路２４の凝縮器１６に接続する端部は、蒸発器１４に接続する端部に比べ高い位置となる。タンク１８は、蒸発器１４と凝縮器１６の間の高さに配置される。蒸発器１４で気体となり、軽くなった冷媒は、気体流路２２を上昇して凝縮器１６に達する。凝縮器１６で液体となった冷媒は、重力により液体流路２４をタンク１８へと流れ、更に蒸発器１４に戻る。このように、冷媒が循環路２０を循環する。
【００１６】
タンク１８と蒸発器１４の間に接続される液体流路２４には、これを開閉するバルブ２６が設けられている。バルブ２６の構成の一例について図を用いて説明する。図２は、閉止状態のバルブ２６の構成を示す断面図であり、図３は、開放状態のバルブ２６の構成を示す断面図である。
【００１７】
バルブ２６は、弁体３６と、これにより内部の空間を二つに仕切られた弁箱３８と、対象の温度に応じて弁体３６を駆動するサーモエレメント３４を含む。弁箱３８の、弁体３６により仕切られた二つの空間の一方にはタンク１８につながる液体流路２４が、他方には蒸発器１４につながる液体流路２４が接続されている。二つの空間は、弁体３６の位置により、連通した状態（図３参照）、分離した状態（図２参照）となり、この状態を選択することで液体流路２４の開閉が行われる。
【００１８】
サーモエレメント３４には、ワックスが封入されており、また対象である発熱体１２に接触し、熱を受け入れる受熱部４０が設けられている。また、サーモエレメント３４のワックスが封入された空間には、弁体３６と一体となっている弁軸３６ａが挿入されている。受熱部４０が発熱体１２の熱を受けて加熱されると、ワックスも加熱され、ワックス自体の体積が増える。このワックスの膨張により、弁軸３６ａがサーモエレメント３４から押し出されるようにして移動し、これと共に弁体３６が図３の位置に移動し、バルブ２６が開放状態となる。発熱体１２の温度が下がると、受熱部４０およびワックスの温度が低下し、不図示の弾性要素の付勢力により、弁体３６および弁軸３６ａが図２の位置に移動し、バルブ２６が閉止状態となる。
【００１９】
本実施形態においては、熱の移動を促進するため、冷媒の循環する経路内を気体冷媒と液体冷媒のみにする必要がある。また、放熱の効率を高めるため、冷媒の相変化を利用する必要がある。このために、冷媒の循環する経路内の圧力を低下させる。この減圧により、経路内の不要なガス（空気など）が除去されると同時に、飽和蒸気圧が低下し、沸点が下がり、所望の温度で冷媒の相変化を生じさせることができる。冷媒種類および冷媒圧力は、発熱体の発生する熱量、環境の温度等に基づき決定される。冷媒の例としては、フロリナート（登録商標）などの代替フロンを用いることができる。また、水を用いることもできる。
【００２０】
図４および図５は、発熱体温度と凝縮器温度の時間変化の様子を示す図であり、図４は冷媒圧力が大気圧のとき、図５は冷媒圧力を減圧したときのものを示す。発熱体温度の時間変化が符号５０で示す曲線で表され、凝縮器温度の時間変化が符号５２で示す曲線で表されている。冷媒圧力が大気圧のとき、図４に示されるように凝縮器温度は約２０℃で変化がなく、発熱体１２の熱が移動していない、つまり発熱体１２が冷却されていないことが分かる。冷媒圧力を減圧したときには、図５に示されるように凝縮器温度が約２０℃から約６０℃まで上昇しており、熱の移動が生じていることが分かる。
【００２１】
凝縮器１６は、外周の表面積を広くして、冷媒の熱を放熱する放熱構造を有する。この放熱構造は、凝縮器１６の外周に設けられる例えば放熱フィン（図示せず）である。放熱フィンは、熱伝導性が良好な材質、例えば金属製（銅、アルミなど）である。この放熱フィンにより、気体冷媒の熱が外部に放熱されて、気体冷媒が凝縮して液体冷媒になる。
【００２２】
蒸発器１４の容器３０は、柔軟性を有する材質からなる膜状材からなる。これは、例えば高分子フィルムとすることができる。容器３０は、柔軟性を有するので、発熱体１２の形状に合わせて、容易にチャンバ２８を形成することができる。容器３０は、その外層に、金属を付着させて形成される金属膜（図示せず）を有する。この金属膜は、蒸発器１４内部からの放射熱を反射する。よって、蒸発器１４が発する放射熱が減少するので、保温性能が向上する。
【００２３】
チャンバ２８内には、内部を真空にした真空中空粒子３２が設けられている。真空中空粒子３２は、ガラス製であり、真空炉でその形状が成形される。図６には、真空中空粒子３２の形状の一例が示されている。図６に示されるように、真空中空粒子３２は、球形、円筒形または直方体にすることができる。なお、本実施形態における真空中空粒子３２は、球形である。真空中空粒子３２は、発熱体１２の形状に対応可能な大きさ、例えば１〜３ｍｍの大きさである。また、真空中空粒子３２は、その内部が中又は高真空状態であり、内部圧力が例えば０．０１〜１Ｐａである。このような真空中空粒子３２は断熱材の要素となり、これが複数集まることで、断熱層が形成される。
【００２４】
図７及び図８は、発熱体１２の外周面とこれに配列される真空中空粒子３２の一例を示す図である。図７には、発熱体１２の外周面に、等間隔に配置されるワイヤ６０が示されている。ワイヤ６０の間隔は、真空中空粒子３２の外径と同じである。ワイヤ６０間に形成されるくぼみに真空中空粒子３２を配置することにより、発熱体１２の外周面に、真空中空粒子３２を容易に配列することができる。また、図８には、発熱体１２の外周面に、等間隔に形成される溝６２が示されている。溝６２の間隔は、真空中空粒子３２の外形と同じである。この溝６２に真空中空粒子３２を配置することにより、発熱体１２の外周面に、真空中空粒子３２を容易に配列することができる。
【００２５】
発熱体１２の外周面に配列される真空中空粒子３２に、さらに真空中空粒子３２を積み重ねることにより、真空中空粒子３２からなる断熱層が形成される。この断熱層には、真空中空粒子３２内の真空部分が含まれるので、保温性が良好である。また、この断熱層においては、真空中空粒子３２間に隙間が形成される。この隙間を、冷媒が通って流れることができる。
【００２６】
真空中空粒子３２は、接着剤により発熱体１２及び隣接する真空中空粒子３２に固定される。この接着剤は、毛管現象が生じにくい高粘度のものが用いられる。これにより、接着剤が、冷媒の流路となる真空中空粒子３２間の隙間に入り込んで、そこを塞ぐことを抑制することができる。この接着剤により、真空中空粒子３２が発熱体１２及び隣接する真空中空粒子３２に固定されるので、チャンバ２８内から循環路２０への真空中空粒子３２の流出が防止される。すなわち、接着剤により、真空中空粒子３２がチャンバ２８内に保持される。なお、循環路２０が蒸発器１４に接続する接続口に、真空中空粒子３２より小さい穴を有する網状部材を設けることにより、接着剤を用いなくてもチャンバ２８内から循環路２０への真空中空粒子３２の流出が防止され、真空中空粒子３２をチャンバ内に保持することができる。
【００２７】
真空中空粒子３２により形成される断熱層は、粒子本体の接触する部分が少なくなるよう構成される。具体的には、真空中空粒子３２が、発熱体１２及び隣接する真空中空粒子３２に対して点接触または線接触するように配列されて構成される。真空中空粒子３２が球形の場合、接触する相手が球面、平面または立体の角など点接触となる。真空中空粒子３２が円筒形の場合、軸を平行にして並べられた円筒形の筒部の曲面同士の接触や円筒形の筒部の曲面と平面との接触が線接触となる。このように、真空中空粒子３２が点接触または線接触するように配列されることにより、固体と固体とが接触する部分の面積が小さくなる。その結果、固体を介する熱伝導が抑制される。一般的に、固体は気体に比べて熱伝導が良好であり、この部分の熱伝導を抑えることで、効果的に保温性を高めることができる。
【００２８】
次に、冷却装置１０の動作について、発熱体１２が発熱しているときと、発熱体１２が発熱しなくなったときとに分けて説明する。
【００２９】
まず、発熱体１２が発熱しているときの冷却装置１０の動作について説明する。発熱により発熱体１２の温度が高くなるので、その温度を感知したバルブ２６が開放状態になり、液体冷媒がタンク１８から液体流路２４を介して蒸発器１４に送られる。蒸発器１４に送られた液体冷媒は、発熱体１２の熱を受けて蒸発して気体冷媒に相変化する。気体冷媒は、気体流路２２を介して蒸発器１４から凝縮器１６に移動する。凝縮器１６では、気体冷媒の熱が外部に放熱され、気体冷媒が凝縮して液体冷媒に相変化する。そして、液体冷媒は、液体流路２４を介してタンク１８に流れ、そこに溜められる。このように、冷媒が相変化をしながら循環路２０を循環することにより、発熱体１２の熱が外部に放熱され、発熱体１２が冷却される。
【００３０】
次に、発熱体１２が発熱しなくなったときの冷却装置１０の動作について説明する。発熱体１２が発熱しなくなると、冷媒により発熱体１２が冷却されて発熱体１２の温度が低下する。その温度が所定値以下になると、その温度を感知したバルブ２６が閉止状態になり、液体流路２４の液体冷媒の流れが止まるので、蒸発器１４に液体冷媒が供給されなくなる。蒸発器１４内の残っている液体冷媒は、発熱体１２の余熱により蒸発し、蒸発器１４内の液体冷媒は、なくなるか、または僅かとなる。液体冷媒がなくなると、冷媒による発熱体１２の冷却が止まる。また、蒸発器１４内の真空中空粒子３２が断熱層になり、まだ温度が高い状態の発熱体１２を保温する。
【００３１】
本実施形態に係る冷却装置１０によれば、蒸発器１４がここに蓄えられる冷媒と、真空中空粒子３２からなる断熱層とを有するので、冷媒により発熱体１２を冷却することができ、さらに真空中空粒子３２により発熱体１２を保温することもできる。また、真空中空粒子３２の内部は、保温性能が良好な真空状態であるので、断熱層の厚さを小さくすることができ、冷却装置１０の装置外形を小さくすることができる。
【００３２】
本発明の冷却装置１０は、高い冷却性能を有し、かつ保温性能を有するので、雰囲気環境が厳しい場所の発熱体、例えば自動車に搭載される発熱体に適用することができる。自動車に搭載される発熱体、例えばトランスミッションは、それの温度が所定温度以下になると性能も低下する。よって、冬期の車両始動時には、トランスミッションの温度を上昇させる暖機運転が一定時間必要になる。このトランスミッションに、冷却装置１０を適用することにより、トランスミッションの発熱時には効率よく冷却することができ、発熱しなくなったときには、その時の温度を維持、すなわち保温することができる。よって、冬期の雰囲気温度によるトランスミッションの温度低下を抑制し、車両始動時の暖機運転の時間を短縮することができる。また、本発明の冷却装置１０によれば、トランスミッションのような複雑な形状であっても、蒸発器１４はトランスミッションとの間に、容器３０により容易にチャンバ２８を形成することができる。なお、自動車に搭載される発熱体は、トランスミッションに限らず、所定の温度領域内の維持が必要なバッテリであってもよい。
【００３３】
この実施形態においては、サーモエレメント３４が発熱体１２の温度に応じて弁体３６を駆動し、バルブ２６が液体流路２４を開閉する場合について説明したが、この構成に限定されるものではない。発熱体１２の温度を検出する温度センサを発熱体１２に設け、この検出結果に応じてアクチュエータが弁体３６を駆動し、バルブ２６が液体流路２４を開閉してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。
【図２】閉止状態のバルブの構成を示す断面図である。
【図３】開放状態のバルブの構成を示す断面図である。
【図４】冷媒圧力が大気圧のとき、発熱体温度と凝縮器温度の時間変化の様子を示す図である。
【図５】冷媒圧力を減圧したとき、発熱体温度と凝縮器温度の時間変化の様子を示す図である。
【図６】真空中空粒子の形状を示す図である。
【図７】発熱体の外周面とこれに配列される真空中空粒子の一例を示す図である。
【図８】発熱体の外周面とこれに配列される真空中空粒子の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  冷却装置、１２  発熱体、１４  蒸発器、１６  凝縮器、１８  タンク、２０  循環路、２２  気体流路、２４  液体流路、２６  バルブ、２８  チャンバ、３０  容器、３２  真空中空粒子。
【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】
2008292116.tif 000007
【図６】
2008292116.tif 000008
【図７】
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【図８】
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