JP2005156026A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換デバイスを使用した冷却装置において、価格、冷却性能、騒音、信頼性を改善する。
【解決手段】吸熱面１１ｄと発熱面１１ｃを持つ熱電変換デバイス１１と、発熱面１１ｃと熱交換し、冷熱または温熱を搬送する熱搬送手段としての自然冷媒１６と、発熱面１１と接し内部に自然冷媒１６を備えるチャンバー１２と、放熱器１４と、放熱器１４とチャンバー１２を連結する複数の配管１５ａ，１５ｂによって自然冷媒の循環回路を構成しており、自然冷媒１６が相変化による気液の密度差によって循環駆動することにより、ポンプ等の稼働部を必要としないため、静音、低振動であり、長寿命な冷却装置を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷蔵庫や空調機等に使用する熱電変換デバイスを使用した冷却装置に関するものである。

従来、この種の冷却装置としては、ポンプで流体を循環させるものがある。（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の冷却装置を示すサイクル図である。図４に示すように、従来の冷却装置は、相対向する外面１ａ，１ｂを備えた熱電モジュール１と、熱電モジュール１の外面１ａ，１ｂにそれぞれ取り付けられてそれぞれ空間を形成するマニフォールド２ａ，２ｂと、マニフォールド２ａ，２ｂにそれぞれ接続された熱交換器３ａ，３ｂと、マニフォールド２ａ，２ｂと熱交換器３ａ，３ｂの間にそれぞれ流体を循環させるポンプ４ａ，４ｂと、熱交換器３ａ，３ｂにそれぞれ気流を送風するファン５ａ，５ｂとからなり、各流体がポンプ４ａ，４ｂによってマニフォールド２ａ，２ｂと熱交換器３ａ，３ｂの間をそれぞれ循環することによって、熱電モジュール１の外面１ａ，１ｂからの冷熱や温熱を遠方の熱交換器３ａ，３ｂに送風される気流まで効率良く容易に伝熱することができるとしている。
特許第３２６８７５８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、部品点数が多く高価であるばかりでなく、流体を循環させるためのポンプ４ａ，４ｂへの電気入力を余分に必要とし、さらには冷蔵庫のような閉空間の冷却に使用した場合にはポンプ４ａ，４ｂの発熱自体が冷却負荷の増大にも繋がり、これらのことにより期待できるほどの冷却性能が得られないという課題を有していた。またポンプ４ａ，４ｂから発生する騒音や、ポンプ４ａ，４ｂの寿命によって生じる信頼性の課題も有していた。

本発明は従来の課題を解決するもので、価格、冷却性能、騒音、信頼性を改善できる冷却装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の冷却装置は、吸熱面と発熱面を持つ熱電変換デバイスと、前記吸熱面または前記発熱面の少なくともいずれか一方と熱交換し、冷熱または温熱を搬送する熱搬送手段としての自然冷媒を備え、前記自然冷媒が相変化による気液の密度差によって循環駆動するものである。

これによって、ポンプ等の稼働部を必要とせずに、自然冷媒を循環させることができる。

また本発明の冷却装置は、前記発熱面と接し内部に自然冷媒を備えるチャンバーと、放熱器と、前記放熱器と前記チャンバーを連結する複数の配管によって自然冷媒の循環回路を構成したものである。

これによって、流れが一方向の循環回路を構成することができるので、自然冷媒が循環し易くなる。

本発明の冷却装置は、ポンプ等の稼働部を必要とせずに、自然冷媒を循環させることができるので、静音、低振動であり、長寿命である。

また本発明の冷却装置は、流れが一方向の循環回路を構成することができるので、自然冷媒が循環し易くなり、自然冷媒の循環量が増え、冷却性能が向上する。

請求項１に記載の発明は、吸熱面と発熱面を持つ熱電変換デバイスと、前記吸熱面または前記発熱面の少なくともいずれか一方と熱交換し、冷熱または温熱を搬送する熱搬送手段としての自然冷媒を備え、前記自然冷媒が相変化による気液の密度差によって循環駆動することにより、ポンプ等の稼働部を必要とせずに自然冷媒を循環させることができるので、静音、低振動であり、長寿命である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明における前記自然冷媒を、炭化水素系冷媒とすることにより、地球温暖化係数が低い冷媒の使用によって、冷媒が万が一大気に放出された場合にも地球温暖化の影響が小さい冷却装置を実現できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明における炭化水素系冷媒を、プロパンとすることにより、圧力が高いために蒸気密度が大きく、圧力損失を小さくできるので、小さい高低差でも自然循環し易く、コンパクトにできる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明における前記自然冷媒を、二酸化炭素とすることにより、冷媒が万が一洩れた場合にも引火する心配は無く、安全性がより高い冷却装置を提供することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記発熱面と接し内部に自然冷媒を備えるチャンバーと、放熱器と、前記放熱器と前記チャンバーを連結する複数の配管によって自然冷媒の循環回路を構成することにより、流れが一方向の循環回路を構成することができるので、自然冷媒が循環し易くなり、自然冷媒の循環量が増え、冷却性能が向上する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記放熱器を前記チャンバーよりも重力方向に対して同じ高さもしくは上部に配置することにより、重力によって自然冷媒の循環が容易になり、自然冷媒の循環量が増え、冷却性能が向上する。

請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６に記載の発明において、前記チャンバー内の前記自然冷媒が前記発熱面の少なくとも一部と直接接することにより、発熱面と自然冷媒が直接接するために発熱面と自然冷媒の間の熱抵抗が小さくなり、発熱面と自然冷媒の温度差が小さくなり、冷却性能が向上する。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記発熱面と接する部分が少なくとも液冷媒で満たされるように前記自然冷媒を封入することにより、熱伝導率の大きい液との熱交換によって、発熱面と自然冷媒の間の熱抵抗を大幅に低減し、発熱面と自然冷媒の温度差を非常に小さくして、冷却性能を飛躍的に向上させることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の発明における前記放熱器が、蛇行した管と、前記管の周囲に螺旋状に巻き付けられた螺旋フィンとから構成されることにより、一本の連続した管からフィン付きの放熱器を形成できるので、溶接等の接続箇所を減らすことができ、自然冷媒が洩れる可能性がある箇所を減らすことができ、より安全性を高めることができるだけでなく、工数削減によって低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷却装置のサイクル図を示すものである。図２は、図１のチャンバーが熱電冷却デバイスと接続されている構成を示す断面図である。

図１と図２において、熱電変換デバイス１１は、ｐ型とｎ型の２種類からなる半導体熱電素子１１ａと、半導体熱電素子１１ａを交互に接続し電気回路を構成する電極１１ｂと、電極１１ｂを表面に備える発熱面１１ｃと吸熱面１１ｄを備え、発熱面１１ｃがチャンバー１２と、また吸熱面１１ｄが冷却器１３とそれぞれ接続されている。

チャンバー１２は内部に自然冷媒１６が充填されており、放熱面１１ａの一部が自然冷媒１６と直接接すると共に、その面は液冷媒１６ａで満たされている。またチャンバー１２は自然冷媒１６の流出口１２ａと流入口１２ｂを備えている。自然冷媒１６の具体例としては、炭化水素系冷媒または二酸化炭素で、炭化水素系冷媒の中では特にプロパンが推奨できる。

放熱器１４は、蛇行した管１４ａと管１４ａの周囲に螺旋上に巻かれた螺旋フィン１４ｂとからなり、内部に流路を備える。またチャンバー１２と放熱器１４は二本の配管１５ａ、１５ｂによって放熱器１４がチャンバー１２よりも重力方向に対して上部に配置するように相互に接続され、チャンバー１２と放熱器１４を含むループ状の循環回路が形成されている。冷却器１３は基板１３ａと基板１３ａ上のフィン１３ｂとからなり、フィン１３ｂにはファン１７が近接している。

以上のように構成された冷却装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず熱電変換デバイス１１は、電流を流すことでペルチェ効果によって吸熱面１１ｄが冷却され、発熱面１１ｃが加熱される。そして吸熱面１１ｄによって冷却器１３が冷却され、ファン１７によってフィン１３ｂの間に送風される気流が冷却される。

一方、発熱面１１ｃによってチャンバー内１２内の自然冷媒１６は加熱されて、液冷媒１６ａは沸騰し蒸気冷媒１６ｂとなる。そして蒸気となった自然冷媒１６は、気液の密度差によって上昇し、流出口１２ａ、配管１５ａを経て放熱器１４に入る。

放熱器１４内の自然冷媒１６は、放熱器１４の外部の気流によって管１４ａや螺旋フィン１４ｂを介して冷却され徐々に凝縮する。放熱器１４内で凝縮し液化した自然冷媒１６は、重力によって下降し、配管１５ｂ、流入口１２ｂを経てチャンバー１２に戻る。なお、放熱器１４の外部の気流は自然冷媒１６によって温められるので、自然対流によって上昇流を生じる。

以上のように、本実施の形態においては、吸熱面１１ｄと発熱面１１ｃを持つ熱電変換デバイス１１と、発熱面１１ｃと熱交換し、冷熱または温熱を搬送する熱搬送手段としての自然冷媒１６を備え、自然冷媒１６が相変化による気液の密度差によって循環駆動することにより、ポンプ等の稼働部を必要としないため、静音、低振動であり、長寿命な冷却装置を提供できる。

また自然冷媒１６を炭化水素系冷媒とすることにより、地球温暖化係数が低い冷媒の使用によって、冷媒が万が一大気に放出された場合にも地球温暖化の影響が小さい冷却装置を実現できる。

また自然冷媒１６をプロパンとすることにより、圧力が高いために蒸気密度が大きく、圧力損失を小さくできるので、小さい高低差でも自然循環し易く、コンパクトにできる。

また自然冷媒１６を二酸化炭素とすることにより、冷媒が万が一洩れた場合にも引火する心配は無く、安全性がより高い冷却装置を提供することができる。

また発熱面１１ｃと接し内部に自然冷媒１６を備えるチャンバー１２と、放熱器１４と、放熱器１４とチャンバー１２を連結する複数の配管１５ａ、１５ｂによって自然冷媒１６の循環回路を構成することにより、流れが一方向の循環回路を構成することができるので、自然冷媒１６が循環し易くなり、自然冷媒１６の循環量が増え、冷却性能が向上する。

また放熱器１４をチャンバー１２よりも重力方向に対して上部に配置することにより、重力によって自然冷媒１６の循環が容易になり、自然冷媒１６の循環量が増え、冷却性能が向上する。

またチャンバー１２内の自然冷媒１６が発熱面１１ｃの少なくとも一部と直接接することにより、発熱面１１ｃと自然冷媒１６が直接接するために発熱面１１ｃと自然冷媒１６の間の熱抵抗が小さくなり、発熱面１１ｃと自然冷媒１６の温度差が小さくなり、冷却性能が向上する。

また発熱面１１ｃと接する部分が少なくとも液冷媒１６ａで満たされるように自然冷媒１６を封入することにより、熱伝導率の大きい液との熱交換によって、発熱面１１ｃと自然冷媒１６の間の熱抵抗を大幅に低減し、発熱面１１ｃと自然冷媒１６の温度差を非常に小さくして、冷却性能を飛躍的に向上させることができる。

さらに放熱器１４が蛇行した管１４ａと、管１４ａの周囲に螺旋状に巻き付けられた螺旋フィン１４ｂとから構成されることにより、一本の連続した管からフィン付きの放熱器１４を形成できるので、溶接等の接続箇所を減らすことができ、自然冷媒１６が洩れる可能性がある箇所を減らすことができ、より安全性を高めることができるだけでなく、工数削減によって低コスト化を図ることができる。

なお本実施の形態１の自然冷媒１６の液循環回路は熱電変換デバイス１１の放熱面１１ｃ側に設けたものであったが、自然冷媒１６の液循環回路は、熱電変換デバイス１１の吸熱面１１ｄ側、もしくは発熱面１１ｃ側と吸熱面１１ｄ側の両方に設けても良い。

また本実施の形態１のチャンバー１２は、内部の自然冷媒１６が発熱面１１ｃの一部と接する構造であったが、図３に示すように、チャンバー１２はその外面で発熱面１１ｃと接する構造としても良く、同時に発熱面１１ｃと接する内面近傍に、突起１８等の沸騰促進手段を用いても良い。

さらには本実施の形態１の放熱器１４は、蛇行した管１４ａと螺旋フィン１４ｂとからなる構造としたが、放熱器１４は、管１４ａのみから構成されても良い。

以上のように、本発明にかかる冷却装置は、価格、冷却性能、騒音、信頼性を改善できるので、情報通信機器、製造装置、理化学機器等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における冷却装置のサイクル図 同実施の形態におけるチャンバーの構成を示す断面図 同実施の形態におけるチャンバーの他の構成を示す断面図 従来の冷却装置のサイクル図

符号の説明

１１ 熱電変換デバイス
１１ｃ 発熱面
１１ｄ 吸熱面
１２ チャンバー
１４ 放熱器
１５ａ，１５ｂ 配管
１６ 自然冷媒
１６ａ 液冷媒

Claims (9)

1. 吸熱面と発熱面を持つ熱電変換デバイスと、前記吸熱面または前記発熱面の少なくともいずれか一方と熱交換し、冷熱または温熱を搬送する熱搬送手段としての自然冷媒を備え、前記自然冷媒が相変化による気液の密度差によって循環駆動する冷却装置。
2. 前記自然冷媒を炭化水素系冷媒とした請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記炭化水素系冷媒をプロパンとした請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記自然冷媒を二酸化炭素とした請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記発熱面と接し内部に自然冷媒を備えるチャンバーと、放熱器と、前記放熱器と前記チャンバーを連結する複数の配管によって自然冷媒の循環回路を構成した請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の冷却装置。
6. 前記放熱器を前記チャンバーよりも重力方向に対して同じ高さもしくは上部に配置した請求項５に記載の冷却装置。
7. 前記チャンバー内の前記自然冷媒が前記発熱面の少なくとも一部と直接接する請求項５または請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記発熱面と接する部分が少なくとも液冷媒で満たされるように前記自然冷媒を封入した請求項７に記載の冷却装置。
9. 前記放熱器が蛇行した管と、前記管の周囲に螺旋状に巻き付けられた螺旋フィンとから構成される請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の冷却装置。

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