JP2004108645A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプなどの駆動装置を設けることなく発熱体を冷却できる冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置１は燃料電池２を冷却するものであって、内部空間３を有し燃料電池２に接続するラジエータ部４と、ラジエータ部４の内壁部６に設けられたスリット部７と、内部空間３に配置され、燃料電池２の発熱に基づき気化する冷媒５とを備えている。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱体を冷却する冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、負極に燃料としての水素、正極に酸化剤としての酸素又は空気を供給して、水素と酸素とを化学反応させ、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池を用いた発電設備に関する技術が、例えば下記特許文献に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３５４１３２号公報
【０００４】
ところで、燃料電池は発熱するため、冷却装置を用いて冷却する必要がある。
従来において、燃料電池を冷却する際には、ポンプなどの駆動装置を用いて冷媒を燃料電池に供給することにより、燃料電池を冷却していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したように、ポンプなどの駆動装置を用いて燃料電池を冷却する場合、回転部や摺動部などの駆動部が発生するため、機械故障が発生しやすく、装置の信頼性低下、短寿命化という不都合が生じる。更に、燃料電池を宇宙空間において使用することが検討されているが、ポンプなどの駆動装置を用いた場合、振動が発生して宇宙機に対して影響を及ぼすとともに、十分な冷却効果が得られないという問題も生じる。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、ポンプなどの駆動装置を設けることなく発熱体を冷却できる冷却装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の冷却装置は、発熱体を冷却する冷却装置において、内部空間を有し、前記発熱体に接続するラジエータ部と、前記ラジエータ部の内壁部に設けられたスリット部と、前記内部空間に配置され、前記発熱体の発熱に基づき気化する冷媒とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、ラジエータ部の内部空間に配置されている冷媒が発熱体の発熱に基づき気化することにより、この気化熱で発熱体を冷却できる。そして、気化して内部空間に分散した冷媒はラジエータ部の内壁部と接することにより冷却されて液化する。液化した冷媒は、毛細管現象により内壁部に形成されたスリット部に沿って移動し、ラジエータ部の内壁部のうち発熱体との接続部に相当する位置に再び供給され、発熱体を冷却する。このように、本発明の冷却装置は機械的動作を伴わないので、高い信頼性が得られ長寿命化を実現できる。
【０００８】
本発明の冷却装置において、前記スリット部は、前記ラジエータ部の内壁部のうち前記発熱体との接続面に対応する第１の位置に設けられた第１スリット部と、前記内壁部のうち前記第１の位置以外の第２の位置に設けられ、前記第１スリット部と連続する第２スリット部とを有することを特徴とする。
これによれば、第１スリット部に配置されている冷媒が発熱体の発熱により気化して発熱体を冷却できる。気化して分散した冷媒は第１の位置以外の第２の位置に設けられている第２スリット部に接し、冷却されて液化する。そして、第２スリット部において液化した冷媒は第２スリット部に沿って移動し、この第２スリット部に連続する第１スリット部に再び配置され、発熱体を冷却する。
【０００９】
本発明の冷却装置において、前記第２スリット部は、前記接続面の略法線方向に延びていることを特徴とする。
これによれば、その一端部を第１スリット部に連続させている第２スリット部の他端部は発熱部である第１の位置より遠方に配置されることになるので、気化した冷媒は第２スリット部の他端部近傍に接することにより確実に液化される。
【００１０】
本発明の冷却装置において、前記内部空間に配置される前記冷媒の量は、前記内部空間の容積より少ないことを特徴とする。
すなわち、内部空間は冷媒に満たされておらず、したがって、第１の位置に配置された冷媒は確実に気化される。ここで、配置される冷媒の量は、ラジエータ部の内壁部に設けられたスリット部の全部を充たす程度が好ましい。これにより、第１の位置の第１スリット部の冷媒が気化してなくなったら、第２の位置の第２スリット部の冷媒が連続的に第１スリット部に供給されるので、発熱体を常時冷却できる。
【００１１】
本発明の冷却装置において、前記発熱体に対して前記ラジエータ部を移動する移動装置を備えることを特徴とする。
これによれば、例えば太陽光などの熱源が存在した場合、移動装置によってラジエータ部を所望の位置に移動することにより、ラジエータ部が前記熱源により加熱することを抑えることができるので、内部空間において気化した冷媒がラジエータ部に接することにより液化される作用は妨げられない。
【００１２】
本発明の冷却装置において、前記発熱体は宇宙機構成用装置であることを特徴とする。すなわち、本発明の冷却装置は、従来のポンプなど機械的動作を伴う機構を有していないので振動の発生が抑えられており、したがって、微小重力環境下であっても冷却動作を妨げられない。
更に、本発明の冷却装置を燃料電池を冷却するための冷却装置に適用することもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の冷却装置について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の冷却装置の一実施形態を示す概略図であって、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。本実施形態において、冷却装置は燃料電池を冷却するものである。また、本実施形態に係る燃料電池は、宇宙機の構成用装置である。すなわち、本実施形態に係る燃料電池及びこの燃料電池を冷却する冷却装置は微少重力環境である宇宙空間に設けられている。
【００１４】
図１において、冷却装置１は発熱体である燃料電池２を冷却するものであって、燃料電池２に接続するラジエータ部４を備えている。本実施形態において、燃料電池２には２つのラジエータ部４が接続されている。燃料電池２は円柱状部材である。ラジエータ部４のそれぞれは直方体状部材であって内部空間３を有している。図１（ｂ）に示すように、内部空間３は正面視長方形状である。そして、ラジエータ部４のそれぞれはその１つの外面を燃料電池２に接続している。ここで、ラジエータ部４の燃料電池２に接続する外面（接続面）１０は円柱状部材である燃料電池２の外形に沿って僅かに湾曲している。そして、ラジエータ部４のそれぞれは、正面視長方形状の内部空間３の長手方向と円柱状部材である燃料電池２の放射方向とを一致させるように、燃料電池２に接続している。そして、図１（ｂ）に示すように、ラジエータ部４のそれぞれは、燃料電池２を挟んで対向するように設けられている。なお、本実施形態ではラジエータ部４は燃料電池２に対して２つ接続されている構成であるが、１つでもよいし、３つ以上の任意の複数であってもよい。
ここで、以下の説明において、接続面１０の法線方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し燃料電池２の軸線方向をＸ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
【００１５】
内部空間３には、冷媒５が配置されている。この冷媒５は、発熱体である燃料電池３の発熱に基づき気化し、且つ、宇宙空間の温度において凝固しない材料により構成されており、例えばアンモニアにより構成されている。冷媒５は内部空間３全体に充たされてなく、内部空間３に配置されている冷媒５の量は内部空間３の容積より少なく設定されている。
【００１６】
図２は、ラジエータ部４の断面斜視図である。
図２に示すように、ラジエータ部４の内壁部６にはスリット部７が設けられている。このスリット部７は、ラジエータ部４の内壁部６のうち燃料電池２との接続面１０に対応する第１の位置６Ａに設けられた第１スリット部７Ａと、内壁部６のうち第１の位置６Ａ以外の第２の位置６Ｂに設けられた第２スリット部７Ｂとを有する。ここで、以下の説明において、上記第１の位置６Ａを「底面」、上記第２の位置６Ｂを「側面」と適宜称する。
【００１７】
側面６Ｂに設けられた第２スリット部７Ｂは接続面１０の略法線方向（Ｚ方向）に延びている。そして、第２スリット部７Ｂは側面６Ｂの全面に形成されている。底面６Ａに設けられた第１スリット部７Ａは第２スリット部７Ｂと連続している。第１スリット部７Ａは、燃料電池２の軸線と交わる方向（Ｙ方向）に延びるように形成されており、底面６Ａの全面に形成されている。なお、ラジエータ部４の内壁部６のうち天井面６Ｃにも第１スリット部７Ａと同様のスリット部が形成されている。そして、冷媒５は第１スリット部７Ａ及び第２スリット部７Ｂを全部を充たす程度に（内壁部６の全面を濡らす程度に）内部空間３に配置されている。
【００１８】
次に、上述した冷却装置１の作用について説明する。
燃料電池２が発熱すると、ラジエータ部４の内部空間３に配置されている冷媒５のうち、底面６Ａに配置されている冷媒５が気化する。ここで、冷媒５は内部空間３の全部に充たされていないため、冷媒５の気化は妨げられない。燃料電池２との接続面１０に対応する底面６Ａの冷媒５が燃料電池２の発熱に基づき気化することにより、燃料電池２はこの気化熱で冷却される。
【００１９】
気化した冷媒５は内部空間３において分散する。気化して分散した冷媒５はやがて側面６Ｂや天井面６Ｃに接する。ここで、ラジエータ部４は宇宙空間に設けられており、側面６Ｂや天井面６Ｃは底面６Ａに対して低温である。したがって、側面６Ｂや天井面６Ｃに接した冷媒５は冷却されて液化する。液化した冷媒５は毛細管現象により側面６Ｂに形成されている第２スリット部７Ｂに沿って底面６Ａに移動する。ここで、側面６Ｂの第２スリット部７Ｂと底面６Ａの第１スリット部７Ａとは連続しているため、液化状態の冷媒５の底面６Ａに対する移動は円滑に行われる。第２スリット部７Ｂ及び第１スリット部７Ａにより底面６Ａに移動した冷媒５は、再び燃料電池２を冷却する。
【００２０】
ここで、第２スリット部７Ｂは接続面１０の略法線方向に延びている構成であるため、天井面６Ｃ近傍に接した冷媒５が毛細管現象により第２スリット部７Ｂを移動する移動距離は長く設定される。したがって、燃料電池２の発熱により気化した冷媒５は、第２スリット部７Ｂのうち天井面６Ｃに接続する上端部（他端部）から底面６Ａに接続する下端部（一端部）に移動するまでの間に確実に液化される。
【００２１】
また、内部空間３に配置される冷媒５の量は、スリット部７（７Ａ、７Ｂ）の全部を充たす程度に設定されているため、底面６Ａの第１スリット部７Ａの冷媒５が気化してなくなったら、側面６Ｂの第２スリット部７Ｂの冷媒５が連続的に第１スリット部６Ｂに供給されるので、燃料電池２を常時冷却可能である。
【００２２】
以上説明したように、冷却装置１は冷媒５の移動により発熱体である燃料電池２を冷却する構成であり、駆動部の数が最小限に抑えられているので、故障などの不具合の発生は抑制され、高い信頼性を得ることができる。また、駆動部がないので長寿命化、低コスト化を実現できる。更に、駆動部がないため振動の発生を抑えることができ、発熱体や周辺装置に対する振動による不具合の発生を抑制できる。
【００２３】
更に、冷媒５の移動は、スリット部７による毛細管現象を利用したものであるので、微少重力環境である宇宙空間においても冷媒５の移動は妨げられず、発熱体を確実に冷却できる。
【００２４】
図３は、本発明の冷却装置の他の実施形態を示す概略図である。ここで、以下の説明において、上述した実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略もしくは省略する。
図３において、冷却装置１は、発熱体である燃料電池２に対してラジエータ部４を移動する移動装置２０を備えている。移動装置２０は、燃料電池２に対してラジエータ部４を燃料電池２の軸線まわり方向（Ｘ軸まわり方向）に回転移動自在に支持する支持部２１と、ラジエータ部４を駆動するアクチュエータ（モータなど）からなる駆動装置２２とを備えている。そして、駆動装置２２を駆動することにより、ラジエータ部４は燃料電池２の軸線まわり方向に移動する。
【００２５】
ラジエータ部４を燃料電池２に対して移動する移動装置２０を設けたことにより、この冷却装置１が宇宙空間に設けられている場合、例えば太陽光などの熱が作用されても、移動装置２０によってラジエータ部４を太陽光の熱が作用されにくい位置に移動することにより、ラジエータ部４の加熱を抑えることができる。
したがって、内部空間３において気化した冷媒５がラジエータ部４に接して液化される作用は妨げられない。このように、移動装置２０を設けたことにより、ラジエータ部４の温度管理を行うことができ、ひいては燃料電池２の冷却動作を円滑に行うことができる。
【００２６】
なお、この場合において、例えばラジエータ部４の一部に、温度検出装置（あるいは太陽光の照度検出装置）を設けておき、この検出装置の検出結果に基づいて移動装置２０が制御されるようにしてもよい。すなわち、例えば太陽光の照射によりラジエータ部４の温度が予め設定された設定値以上に加熱されたら、移動装置２０はラジエータ部４を太陽光が作用されにくい位置に移動する。
【００２７】
なお、上記各実施形態において、スリット部は７内壁部に形成した凹溝部でもよいしフィン部材を列設した構成でもよい。フィン部材を設けた場合、このフィン部材がラジエータ部４の補強部材としての機能を有する。更に、上記実施形態ではスリット部７により内壁部６における毛細管現象を実現しているが、例えば内壁部６に多孔質体を配置して毛細管現象を実現するようにしてもよい。
【００２８】
なお、上記実施形態では、第２スリット部７Ｂは接続面１０の略法線方向（Ｚ方向）に延びているように説明したが、側面６Ｂや天井面６Ｃで液化した冷媒５が毛細管現象により底面６Ａに移動可能であれば、第２スリット部７ＢはＺ方向以外の方向（ＸＹ方向）に延びていてもよい。
【００２９】
上記実施形態では、側面６Ｂの全部に第２スリット部７Ｂが形成されているように説明したが、一部に形成されている構成であってもよい。また、複数並んだスリット部は等間隔に並んでいてもよいし不等間隔で並んでいてもよい。また、上記実施形態では、底面６Ａの全部に第１スリット部７Ａが形成されているように説明したが、一部に形成されている構成であってもよいし底面６Ａにはスリット部はなくてもよい。また、上記実施形態では、第１スリット部７Ａと第２スリット部７Ｂとが連続しているが連続していなくてもよい。なお、第１スリット部７Ａと第２スリット部７Ｂとが連続していることにより側面６Ｂで液化した冷媒５は底面６Ａに円滑に移動可能である。
【００３０】
上記実施形態では、本発明の冷却装置を、燃料電池を冷却する場合の適用例について説明したが、冷却対象は燃料電池以外でももちろんよく、例えば発熱する電子機器であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の冷却装置によれば、機械的動作を最小限に抑えた状態で発熱体の冷却動作を行うことができるので、故障などの不具合の発生が抑制され、高い信頼性で冷却動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置の一実施形態を示す概略図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【図２】本発明の冷却装置の要部断面斜視図である。
【図３】本発明の冷却装置の他の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１…冷却装置、２…燃料電池（発熱体）、３…内部空間、４…ラジエータ部、
５…冷媒、６…内壁部、６Ａ…底面（第１の位置）、
６Ｂ…側面（第２の位置）、７…スリット部、７Ａ…第１スリット部、
７Ｂ…第２スリット部、１０…接続面、２０…移動装置

Claims (7)

1. 発熱体を冷却する冷却装置において、
   内部空間を有し、前記発熱体に接続するラジエータ部と、
   前記ラジエータ部の内壁部に設けられたスリット部と、
   前記内部空間に配置され、前記発熱体の発熱に基づき気化する冷媒とを備えることを特徴とする冷却装置。
2. 前記スリット部は、前記ラジエータ部の内壁部のうち前記発熱体との接続面に対応する第１の位置に設けられた第１スリット部と、
   前記内壁部のうち前記第１の位置以外の第２の位置に設けられ、前記第１スリット部と連続する第２スリット部とを有することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記第２スリット部は、前記接続面の略法線方向に延びていることを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
4. 前記内部空間に配置される前記冷媒の量は、前記内部空間の容積より少ないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の冷却装置。
5. 前記発熱体に対して前記ラジエータ部を移動する移動装置を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の冷却装置。
6. 前記発熱体は宇宙機構成用装置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の冷却装置。
7. 前記発熱体は燃料電池であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の冷却装置。

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