(57)【要約】【課題】比較的限られた時間帯に大容量の冷却を必要とする被冷却体を小型の設備と小さな消費電力で冷却することができる。【解決手段】被冷却体の高いピーク値を有する発生熱を相変化材料（ＰＣＭ）１２の固相から液相への変化を利用して蓄熱し、この相変化材料１２は、サーモモジュール２２と放熱側ヒートシンク２４と冷却ファン２６とによって固相に強制的に戻され、ピーク時に大きな消費電力を必要とすることなく、高いピーク発生熱を吸収し冷却することができる。【選択図】                図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相変化材料から成る蓄熱手段と、前記蓄熱手段の吸熱側に設けられて被冷却体からの熱を前記蓄熱手段に伝達する吸熱側熱交換手段と、前記蓄熱手段の放熱側に設けられて前記蓄熱手段からの熱を放散する放熱側熱交換手段とを備え、前記放熱側熱交換手段は、サーモモジュールと放熱側ヒートシンクと冷却ファンとから成っていることを特徴とする電子冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電子冷却装置であって、前記蓄熱手段の相変化材料は、固体とゲルと液体との間を相変化する物質から成っており、前記蓄熱手段は、前記相変化材料を収納する熱伝導性容器から成っていることを特徴とする電子冷却装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電子冷却装置であって、前記サーモモジュールは、前記蓄熱手段の熱伝導性容器に取付けられ、前記放熱側ヒートシンクは、前記サーモモジュールに取付けられ、前記冷却ファンは、前記放熱側ヒートシンクに冷却空気を吹き付けたり前記放熱側ヒートシンクから冷却空気を吸い込んだりするように配置されていることを特徴とする電子冷却装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電子冷却装置であって、前記吸熱側熱交換手段は、吸熱側ヒートシンクと吸熱ファンとから成っていることを特徴とする電子冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電子冷却装置であって、前記吸熱側ヒートシンクは、前記蓄熱手段の熱伝導性容器に設けられ、前記吸熱ファンは、前記被冷却体からの熱を吸引して前記吸熱側ヒートシンクに加熱空気を吹き付けたり前記吸熱側ヒートシンクから冷却空気を吸い込んだりするように配置されていることを特徴とする電子冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、大容量の熱を発生する被冷却体、特に、比較的限られた時間に加熱ピークが発生する制御盤の如き被冷却体を冷却するのに好適な電子冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、大容量の冷却を行うためには、冷媒コンプレッサーを用いた圧縮機型の冷却装置が用いられている。この冷却装置は、被冷却体を冷却する冷媒（液体又は気体）を収納した冷熱回路から成っており、この冷熱回路は、被冷却体から吸熱して冷媒を加熱する吸熱側熱交換機と、加熱された冷媒を圧縮するコンプレッサーとを含んでおり、コンプレッサーの圧縮時に放散される熱は放熱側熱交換機によって放熱される。
【０００３】
この圧縮機型冷却装置は、被冷却体からの大容量の熱を吸収することができるので大容量冷却に好適であるが、冷媒を循環する冷媒管路と大型のコンプレッサーとを必要とするので設備が大掛かりとなる欠点があった。
【０００４】
また、一般に、制御盤の如き被冷却体は、常に同じ容量の熱を発生するのではなく、一日の中の数時間の時間帯に発熱のピークに達してこの時間帯だけ冷却を必要とし  、それ以外の時間帯は、必ずしも冷却を必要としない。
【０００５】
しかし、圧縮機型の冷却装置は、この発熱のピークの時間帯に発生する熱量を吸収するのに必要な容量を有することが要求されるので、装置の構成部品もそれに見合った大容量のものとなる欠点があった。
【０００６】
一方、電子部品等の小容量の冷却を行うの好適な冷却装置としていわゆるサーモモジュールを有する冷却装置が一般に用いられている。この冷却装置は，小型のペルチエ効果素子（サーモモジュール）とフィンとファンとから成っているので、装置を全体的に小型化することができるが、短い時間であっても高い熱ピークを有する被冷却体を冷却するのに充分な冷却容量を得ることができない。
【０００７】
最近、ＣＰＵ等の電子部品の熱を蓄熱する相変化材料を含んだヒートシンクが提案されている（特許文献１及び２参照）。これらのヒートシンクは、被冷却体である電子部品を内部に埋め込むか（特許文献１参照）、電子部品に熱伝導関係を保って電子部品に取付けている（特許文献２参照）。
【０００８】
しかし、これらのヒートシンクは、電子部品が発生する熱を相変化材料に蓄熱し、この熱をヒートシンクの放熱部から自然放熱するので、比較的発熱量の小さな電子部品に好適であるが、この原理を大容量の冷却に応用することはできない。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第４，４４６，９１６号明細書
【００１０】
【特許文献２】
特開２００２−５７２６２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、比較的限られた時間帯に大容量の冷却を必要とする被冷却体を設備を大掛かりとすることなく冷却することができる電子冷却装置を提供することにある。
【００１２】
本発明が解決しようとする他の課題は、比較的限られた時間帯に大容量の冷却を必要とする被冷却体を小容量の冷却器で冷却することができる電子冷却装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題解決手段は、相変化材料から成る蓄熱手段と、この蓄熱手段の吸熱側に設けられて被冷却体からの熱を蓄熱手段に伝達する吸熱側熱交換手段と、蓄熱手段の放熱側に設けられて蓄熱手段からの熱を放散する放熱側熱交換手段とを備え、放熱側熱交換手段は、サーモモジュールと放熱側ヒートシンクと冷却ファンとから成っていることを特徴とする電子冷却装置を提供することにある。
【００１４】
蓄熱手段の相変化材料は、固体とゲルと液体との間を相変化する物質から成っており、この蓄熱手段は、物質を収納する熱伝導性容器から成っていものとすることができる。
【００１５】
サーモモジュールは、蓄熱手段の熱伝導性容器に取付けられ、放熱側ヒートシンクは、サーモモジュールに取付けられ、冷却ファンは、放熱側ヒートシンクに冷却空気を吹き付けたり放熱側ヒートシンクから冷却空気を吸い込んだりするように配置されるのが好ましい。
【００１６】
吸熱側熱交換手段は、吸熱側ヒートシンクと吸熱ファンとから成っているものとすることができる。吸熱側ヒートシンクは、蓄熱手段の熱伝導性容器に設けられ、吸熱ファンは、被冷却体からの熱を吸引して吸熱フィンに加熱空気を吹き付けたり吸熱側ヒートシンクから冷却空気を吸い込んで被冷却体に吹き付けたりするように配置されるのが好ましい。
【００１７】
このように、相変化材料（ＰＣＭ）の相変化を利用して大容量の熱を蓄熱すると、短い時間帯で高い熱ピークを発生してもこのピーク熱を確実に吸収することができ、また相変化材料は、サーモモジュールで元の相に強制的に戻されるので、コンプレッサーや冷媒管路の如き大掛かり設備と大きな電力消費を必要とすることなく、大容量冷却することができる。
【００１８】
また、相変化材料とサーモモジュールを組み合わせて、短時間の大きな蓄熱とこの蓄熱の強制放熱とによって相変化材料の相変化を促進するので、小容量の電子冷却器を用いて大容量冷却を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に述べると、図１は、本発明に係わる電子冷却装置１０を示し、この電子冷却装置１０は、相変化材料（ＰＣＭ）１２から成る蓄熱手段１４と、この蓄熱手段１４の吸熱側に設けられて被冷却体からの熱を蓄熱手段１４に伝達する吸熱側熱交換手段１６と、蓄熱手段１４の放熱側に設けられて蓄熱手段１４からの熱を放散する放熱側熱交換手段１８とを備えている。
【００２０】
蓄熱手段１４の相変化材料１２は、熱を放散又は吸収して固体とゲルと液体との間を相変化する成分から成っており、この成分としては、相変化温度が比較的安定しており、２０℃乃至６０℃で液相に相変化する成分、例えばパラフィン（融点２８．２乃至４４℃）、塩化カルシウム水和物（融点２９．７℃）、硫酸ナトリウム水和物（融点３２．４℃）、チオ硫酸ナトリウム水和物（融点４８℃）、酢酸ナトリウム水和物（融点５８℃）等があるが、被冷却体の熱保有温度に応じてこれらの成分の中から適宜選択される。これらの成分の融点を微調整する目的でこれらの成分に適宜の調整剤を添加することができる。
【００２１】
蓄熱手段１４は、この相変化材料１２を収納する例えばアルミニウム等の熱伝導性容器２０から成っている。相変化材料１２は、相変化に応じて体積が変化するので最大体積で容器２０が破壊することがないように、容器２０は、その内部容量を設定する。
【００２２】
放熱側熱交換手段１８は、図１に示すように、ペルチエ効果素子から成るサーモモジュール２２と、放熱側ヒートシンク２４と、冷却ファン２６とを含んでいる。
【００２３】
サーモモジュール２２の吸熱面は、蓄熱手段１４の熱伝導性容器２０に直接取付けられ、放熱側ヒートシンク２４は、サーモモジュール２２の放熱面に取付けられ、冷却ファン２６は、ヒートシンク２４に冷却空気を吹き付けたりヒートシンク２４から冷却空気を吸い込んだりするように配置されている。
【００２４】
図示の形態では、放熱側ヒートシンク２４は、サーモモジュール２２の放熱面に取付けられる放熱板２４Ａとこの放熱板２４Ａから垂直に延びる多数のフィン２４Ｂとから成っており、これらのフィン２４Ｂは、相互に平行に配置されているが、フィン２４Ｂの配置は適宜に設定される。
【００２５】
放熱ファン２６は、図示の形態では、放熱側ヒートシンク２４のほぼ全面に冷却空気を吹き付けたり放熱側ヒートシンク２４のほぼ全面から冷却空気を吸い込むフラットファンから成っているが、ヒートシンク２４の全面に又は全面から冷却空気を誘導することができるような空気誘導手段を有すれば冷却空気の吐出口又は吸引口は、小さくてもよい。
【００２６】
吸熱側熱交換手段１６は、吸熱側ヒートシンク２８と吸熱ファン３０とから成っている。図示の形態では、吸熱側ヒートシンク２８は、蓄熱手段１４の容器２０の壁から垂直に延びるように一体に形成された多数のフィン２８Ａから成っており、これらのフィン２８Ａは、放熱側ヒートシンク２４のフィン２４Ｂと同様に、相互に平行に配置されているが、同様にして、フィン２８Ａの配置は適宜設定される。
【００２７】
吸熱ファン３０は、図示の形態では、冷却ファン２６と同様に、吸熱側ヒートシンク２８のほぼ全面に吸引空気を吹き付けるか吸熱側ヒートシンク２８のほぼ全面から空気を吸い込むフラットファンから成っているが、同様にして、ヒートシンク２８の全面に又は全面から吸引空気を誘導することができるような空気誘導手段を有すれば吸引空気の吸引口又は吐出口は、小さくてもよい。
【００２８】
図２に示すように、放熱側熱交換手段１６と吸熱側熱交換手段１８との運転をそれぞれ制御する放熱側制御手段３２と吸熱側制御手段３４とを備えている。
【００２９】
吸熱側制御手段３４は、被冷却体を冷却すべき指令を受けて吸熱側熱交換手段１６の吸熱ファン３０を適宜運転するが、例えば、被冷却体が屋外に設置された大きな制御盤であるとすると、夜間のように比較的発熱量が低い時間帯では吸熱ファン３０の運転を停止するか低速運転し、夏場の昼のように外部からの熱の侵入が加わる時間帯には吸熱ファン３０を高速運転するように制御し、冬場のように発熱量が比較的低い時には吸熱ファン３０を停止するように制御する。
【００３０】
放熱側制御手段３６は、夏場では蓄熱手段１４の相変化材料１２からの熱を放散するようにサーモモジュール２２及び冷却ファン２６を連続運転するか蓄熱手段１４の相変化材料１２の蓄熱量に応じて間欠的に運転するように制御し、冬場のように相変化材料１２の蓄熱量が低い時にはサーモモジュール２２と冷却ファン２６との運転を停止するか相変化材料の蓄熱量に応じて間欠運転するように制御することができる。
【００３１】
次に、本発明の電子冷却装置１０の使用状態を述べると、本発明の電子冷却装置１０は、例えば、屋外に設置された大型の制御盤を冷却するためにこの制御盤を囲むように取付けられたフードの放熱口に取付けられるが、この場合、電子冷却装置１０は、吸熱側熱交換手段１６がフードの内部にあり、放熱側熱交換手段１８がフードの外側に位置するように配置される。
【００３２】
この制御盤は、通常の連続運転での発熱量が１００Ｗであるが、夏場の昼間に約３時間のピーク時に４００Ｗの熱が外部から侵入するとすると、ピーク時に必要な冷却能力は、５００Ｗとなる。
【００３３】
本発明の電子冷却装置１０は、吸熱側制御手段３４によって夏場のピーク時以外には吸熱ファン３０を停止するか低速で連続又は間欠運転するが、ピーク時には吸熱ファン３０を高速運転して制御盤からの熱を吸収し蓄熱手段１４に蓄熱する。蓄熱手段１４は、その相変化材料１４が固相からゲルを介して液相に変換され、この相変化に伴って制御盤からの熱を吸収し蓄積する。
【００３４】
一方、放熱側制御手段３２は、夏場には蓄熱手段１４の相変化材料１２が液相から固相に戻るまで、サーモモジュール２２及び放熱ファン２６を連続運転する。
【００３５】
冬場はもちろん、夏場でも夜間は、フードからの漏洩熱量でほとんど冷却する必要がないので、吸熱側熱交換手段３４は停止し、放熱側熱交換手段３２は、蓄熱手段１４の相変化材料１２が固相に戻った後には停止する。
【００３６】
制御盤を冷却するためには、５００Ｗの冷却能力を必要とするので、通常の冷却装置ではこの冷却能力に見合った冷却容量を有することが必要であったが、本発明の電子冷却装置は、ピーク時の５００Ｗ×３時間＝１５００ワット時を２４時間かけて熱放散すればよいので、６２．５Ｗの冷却能力で足り、従って電子的に冷却するサーモモジュール２２によってピーク時に必要な５００Ｗ冷却を行うことができることが解る。
【００３７】
また、従来技術の冷却装置では、一時的に大きな電力を消費し、これは、エアコンディショナー等の他の機器の電力消費と重なるが、本発明の電子冷却装置は、ピーク時の電力消費のピーク値を低減する機能を有することが解る。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、上記のように、相変化材料（ＰＣＭ）の相変化を利用して大容量の熱を蓄熱するので、短い時間帯で高い熱ピークを発生してもこのピーク熱を確実に吸収することができ、相変化材料は、サーモモジュールで固相に強制的に戻されるので、コンプレッサーや冷媒管路の如き大掛かりな設備と大きな電力消費を必要とすることなく、大容量冷却することができる。
【００３９】
また、相変化材料とサーモモジュールとを組み合わせて、短時間の大きな蓄熱とこの蓄熱の強制放熱とによって相変化材料の相変化を促進するので、小容量の電子冷却器を用いて大容量冷却を行うことができる実益がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子冷却装置の概略断面図である。
【図２】図１の電子冷却装置の制御系統の系統図である。
【符号の説明】
１０  電子冷却装置
１２  相変化材料（ＰＣＭ）
１４  蓄熱手段
１６  吸熱側熱交換手段
１８  放熱側熱交換手段
２０  熱伝導性容器
２２  サーモモジュール
２４  放熱側ヒートシンク
２４Ａ  放熱板
２４Ｂ  フィン
２６  冷却ファン
２８  吸熱側ヒートシンク
２８Ａ  フィン
３０  吸熱ファン
３２  放熱側制御手段
３４  吸熱側制御手段
【図１】
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【図２】
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