JP2007194255A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却特性を向上させ、装置の小型化が可能な冷却装置を提供する。
【解決手段】磁性を有する金属体７を収容した管５を垂直方向に配置し、管５の下部の外周には発熱体１が取り付けられた受熱部２を設ける。反対側の管５の上部には、電磁石８を配置し、その電磁石８には、スイッチ１０を介して直流電源９を接続するとともに、管５の上部の外周にフィン６が取り付けられる。発熱体１から受熱部２を介して伝導された熱を金属体７が蓄積したところで、スイッチ１０をオンとすることで、電磁石８の電磁力が働き、金属体７は発熱体１と反対側に運ばれ、電磁石８と金属体７が結合している間はフィン６に熱が伝導し、フィン６から熱が放出される。熱を放出した金属体７は、スイッチ１０をオフとすることで自重による落下で、受熱部２側に戻る。このように熱の輸送に金属体を使用し、熱伝導特性を向上させることで、冷却特性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電力用半導体素子などの発熱体を冷却する冷却装置に関するものである。

従来、熱伝送に液体を使用し、熱を受けたことによる気化現象を利用して電力用半導体素子などの発熱体を冷却する冷却装置は、広く知られている（例えば、特許文献１参照）。

この従来の冷却装置について図面を参照して説明する。

図６は従来の冷却装置の構成の例を示すものである。

図６に示すように、発熱体１が有り、発熱体１の熱を受ける受熱部２の反対側には液化した冷媒３が管５内部に収容されており、管５の受熱部２側とは反対側すなわち管５の上部にフィン６を配置している。

発熱体１の熱は、受熱部２を経由して熱輸送されるため、管５内部に入っている液化した冷媒３に熱が伝導される。液化した冷媒３は、受熱後、熱により気化して気化した冷媒４となり、管５の上部へ移動する。管５の上部に移動した気化した冷媒４は蓄積した熱を管５の先端に配置しているフィン６に熱伝導し、フィン６から空気中に熱伝達される。フィン６に蓄積した熱を伝導した気化冷媒４は熱を奪われたことで液化して自重により落下し、受熱部２側に戻る。上記の動作を繰返すことで冷却を行う。
特開平１１−１３２６７８号公報

しかしながら、上記従来の冷却装置では、熱輸送に液化した冷媒を使用したため、冷媒の気化状態が能力の限界を越えると、受熱部に液化した冷媒が減少し、管内で気化した状態のままの冷媒が増加するために熱輸送の動作が行われなくなり、ドライアウトの状態になる問題点、及び冷媒が液体であるために熱伝導には限界があるため冷却装置の熱特性に限界があり、冷却特性を上げようとすると冷媒の量を増すために管の長さが長くなり、小型化も困難になる問題点があった。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて為されたもので、発熱体の熱量が増加しても、熱輸送が問題無く行われ、ドライアウトの状態にならないこと、及び冷媒を液体から磁性を有する金属体である固体としたことにより、熱伝導特性を向上させることで、冷却特性を向上させ、装置全体を小型化することが可能である冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の本発明に係る冷却装置は、内部に磁性を有する複数の金属体が収容され、垂直方向または垂直方向に対して所定角度傾斜した方向に配置された管と、この管の下部に設けられ、発熱体が取り付けられた受熱部と、管の上部に設けられたフィンと、管の上部に取り付けられた電磁石と、この電磁石に、スイッチを介して接続された直流電源と、スイッチをオン・オフ制御する手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明に係る冷却装置は、内部に磁性を有する複数の金属体が収容され、水平方向または水平方向に対して所定角度傾斜した方向に配置された管と、この管の一端部に設けられ、発熱体が取り付けられた受熱部と、管の他端部に設けられたフィンと、管の一端部および他端部にそれぞれ取り付けられた電磁石と、これらの電磁石に、それぞれスイッチを介して接続された直流電源と、スイッチが交互にオンとなるように、スイッチをそれぞれオン・オフ制御する手段とを備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明に係る冷却装置は、内部に磁性を有する複数の金属体が収容され、環状に形成された管と、この管の所定の第１の箇所およびこの第１の箇所に対向する第２の箇所にそれぞれ設けられ、発熱体が取り付けられた受熱部と、管の第１の箇所と第２の箇所の中間の第３および第４の箇所にそれぞれ設けられたフィンと、管の第１乃至第４の箇所にそれぞれ取り付けられた第１乃至第４の電磁石と、これらの第１乃至第４の電磁石に、それぞれ第１乃至第４のスイッチを介して接続された第１乃至第４の直流電源と、第１乃至第４のスイッチが、所定の順序で順次一定の期間オンとなるように、スイッチをそれぞれオン・オフ制御する手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、熱の輸送において磁性を有する金属体を選択しているために、液体の熱伝導率と比較して、数百倍も熱伝導が良く、発熱体との温度差が小さくなるために発熱体の熱が効率良く放出されることにより、冷却装置の冷却特性を向上させることが可能となり、冷却装置の小型化が可能となる。

また、本発明においては、熱を蓄積した金属体は、外力を与えなければ移動が不可能であるためフィンまで移動させるための外力として電磁力を選択しているが、電磁力で金属体を移動させるために、従来のように、液体が気体に変化することによる気化現象において過度に熱を受けることで冷媒が最初から気体状態となり、液体の量が減少することによるドライアウト現象を防止することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、従来例を示す図４を含めて、同符号は同一部分または対応部分を示す。

(第１の実施形態)
図１は本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。

図１に示すように、この実施形態の冷却装置は、磁性を有する複数の金属体（例えば金属球あるいは金属粉）７を収容した例えば銅製あるいはアルミニウム製の管５が設けられる。その管５を、垂直方向に配置し、管５の下部の外周には、金属体７が熱を受ける受熱部２が設けられる。なお、管５は例えば複数本並べて配置してもよい。受熱部２には複数個の例えば電力用半導体素子などの発熱体１が取り付けられている。また発熱体１が取り付けられている受熱部２とは反対側の管５の上部の先端には電磁石８を配置し、その電磁石８には直流電源９とスイッチ１０を接続し、スイッチ１０のオン・オフにより、電磁石８の電気を入り切りすることが可能なように構成する。更に発熱体１とは反対側の電磁石８が取り付けられている箇所すなわち管５の上部には、金属体７の熱を伝達させ放出させるために管５の外周上に、例えば銅製あるいはアルミニウム製のフィン６が取り付けられている。

このように構成した冷却装置において、発熱体１が発生した熱は受熱部２を介して熱伝導され、管５内部の金属体７まで伝わり、金属体７が熱を蓄積したところで、管５の反対側にある電磁石８はスイッチ１０をオンとして直流電源９を入れることで、電磁力が働き、金属体７は発熱体１と反対側に運ばれ、電磁石８と電磁力にて結合される。電磁石８と金属体７が結合している間は電磁石側の管５の外周上に配置されているフィン６に熱が伝導し、フィン６から空気中に熱伝達されることで、金属体７に蓄積された熱が放出される。熱を放出した金属体７は、スイッチ１０をオフとして電磁石８の電源を切ることで、自重による落下で受熱部２側に戻り、再び発熱体１の熱を蓄積し、上記の動作を繰返すことで冷却が可能となる。なお、この繰返し動作において、スイッチ１０は、例えばオン期間２〜５分、オフ期間２〜５分でオン・オフを繰返す。

上記のように、本実施形態においては、熱の輸送において磁性を有する金属体７を選択している。下記の熱伝導の基本式（１）から熱の伝導量は物体の熱伝導率に比例する。本実施形態では熱の蓄積及び移動させる物質としては金属体を選択しており、金属体の熱伝導率が液体の熱伝導率と比較して、数百倍も熱伝導が良いため、発熱量が同一であり、発熱体からの距離が同一の位置では基本式（１）から発熱体との温度差が小さくなる。温度差が小さくなるということから発熱体の熱が効率良く伝導し、放出されることにより、冷却装置の冷却特性を向上させることが可能となる。

ｑ=−λ（ｄＴ／ｄｘ）…………………………（１）
λ：材料（金属体）の熱伝導率
ｑ：発熱体の単位面積当りの発熱量
Ｔ：発熱体の温度
ｘ：発熱体から金属体までの熱伝達の距離
一方、熱を蓄積した金属体７は、従来のような液体が気体に変化することによる移動が不可能であり、外力を与えなければならない。そこで熱を蓄積した金属体７は熱を放出するためにフィン６のある箇所まで移動させるための外力として電磁力を選択した。電磁力で磁性を有する金属体７を移動させるために、従来のような、気化現象において過度に熱を受けることで冷媒が最初から気体状態となり、液体の量が減少することによるドライアウト現象を防止することが可能となる。

なお、上述の説明では、管５を垂直方向に配置したが、金属体７が自重で受熱部２側に戻ることが可能であれば、管５は垂直方向に対して所定角度傾斜した方向に配置してもよい。

(第２の実施形態)
図２は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。

図２に示すように、この実施形態の冷却装置は、磁性を有する複数の金属体（例えば金属球あるいは金属粉）７を収容した例えば銅製あるいはアルミニウム製の管５が設けられる。その管５を、水平方向に配置し、管５の一端部（例えば図の左端部）の外周には、金属体７が発熱体１の熱を受ける受熱部２が設けられる。なお、管５は例えば複数本並べて配置してもよい。受熱部２には複数個の発熱体１が取り付けられている。また管５の両端には金属体７を移動させるための電磁石８（８Ａ、８Ｂ）を配置し、それぞれの電磁石８（８Ａ、８Ｂ）には直流電源９（９Ａ、９Ｂ）とスイッチ１０（１０Ａ、１０Ｂ）を配置し、スイッチ１０（１０Ａ、１０Ｂ）のオン・オフにより、電磁石８（８Ａ、８Ｂ）の電気を入り切りすることが可能なように構成する。更に管５の他端部（例えば図の右端部）すなわち発熱体１とは反対側の電磁石８Ｂが取り付けられている箇所には、金属体７の熱を伝達させ放出させるために管５の外周上に、例えば銅製あるいはアルミニウム製のフィン６が取り付けられている。なお、上述の第１の実施形態においては、熱を放出した金属体７はスイッチ１０をオフとして電磁石８の電源を切ることで自重による落下で、受熱部２側に戻ることができるが、この第２の実施形態の場合、管５が水平方向に配置されており、熱を放出した金属体７が自重で受熱部２側に戻ることができないので、受熱部２側にも電磁石８Ａを配置している。

このように構成した冷却装置において、最初に管５の一端部すなわち受熱部側にある電磁石８Ａはスイッチ１０Ａを入れることで、金属体７は電磁石８Ａに電磁力で結合されている。この状態で発熱体１が発生した熱は受熱部２を介して熱伝導し、管５内部の金属体７まで伝わり、金属体７が熱を蓄積したところで、受熱部側にある電磁石８Ａのスイッチを切ることで、金属体７は電磁力が無くなり、受熱部側にある電磁石８Ａと結合しなくなり、受熱部と反対側にある電磁石８Ｂのスイッチ１０Ｂをオンとすることで直流電源９Ｂが入り、電磁力が働き、金属体７は発熱体１と反対側に運ばれ、受熱部２と反対側の電磁石８Ｂと電磁力にて結合される。電磁石８Ｂと金属体７が結合している間は電磁石８Ｂ側の管外周上に配置されているフィン６に熱が伝導し、フィン６から空気中に熱伝達されることで、金属体７に蓄積された熱が放出される。熱を放出した金属体７は、受熱部２と反対側のスイッチ１０Ｂをオフとして電磁石８Ｂの電源を切り、受熱部２側のスイッチ１０Ａをオンとして電磁石８Ａの電源を入れることで、受熱部２側に戻り、再び発熱体１の熱を蓄積し、上記の動作を繰返すことで冷却が可能となる。なお、この繰返し動作において、スイッチ１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ例えば図３に示すように、オン期間２〜５分、オフ期間２〜５分でオン・オフを繰返す。

本実施形態の冷却装置は、第１の実施形態の冷却装置と同様に、熱の輸送及び移動に磁性を有する金属体を選択し、金属体は外力が無ければ移動できないので、熱を輸送するための外力としては電磁力を選択したことで、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上述の説明では、管５を水平方向に配置したが、管５は水平方向に対して任意の角度傾斜した方向に配置してもよい。

（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。

図４に示すように、この実施形態の冷却装置は、磁性を有する複数の金属体（例えば金属球あるいは金属粉）７を収容した環状の管５を例えば垂直面上に配置している。その管５の左右両側の箇所の外周に発熱体１（１Ａ、１Ｂ）の熱を受ける受熱部２（２Ａ、２Ｂ）を配置した。受熱部２（２Ａ、２Ｂ）にはそれぞれ複数個の発熱体１（１Ａ、１Ｂ）が取り付けられている。また管５の左右両側の受熱部２（２Ａ、２Ｂ）には金属体７を移動させるための電磁石８（８Ａ、８Ｂ）を配置し、それぞれの電磁石８（８Ａ、８Ｂ）には直流電源９（９Ａ、９Ｂ）とスイッチ１０（１０Ａ、１０Ｂ）を配置し、スイッチ１０（１０Ａ、１０Ｂ）のオン・オフにより、電磁石８（８Ａ、８Ｂ）の電気を入り切りすることが可能なように構成する。更に左右両側受熱部２の中間の箇所、すなわち管５が垂直面上に配置されている場合の上下の箇所には金属体７の熱を伝達させ放出させるために管５の外周上にフィン６（６Ｃ、６Ｄ）が取り付けられている。その上下フィン６（６Ｃ、６Ｄ）の箇所にも電磁石８（８Ｃ、８Ｄ）を配置し、それぞれの電磁石８（８Ｃ、８Ｄ）には直流電源９（９Ｃ、９Ｄ）とスイッチ１０（１０Ｃ、１０Ｄ）を配置し、スイッチ１０（１０Ｃ、１０Ｄ）のオン・オフにより、電磁石８（８Ｃ、８Ｄ）の電気を入り切りすることが可能なように構成する。

このように構成した冷却装置において、最初に左側の受熱部２Ａにある電磁石８Ａはスイッチ９Ａをオンとすることで、金属体７は電磁石８Ａに電磁力で結合されている。この状態で発熱体１Ａが発生した熱は受熱部２Ａを介して熱伝導し、管５内部の金属体７まで伝わる。金属体７が熱を蓄積したところで、左側の受熱部２Ａにある電磁石８Ａのスイッチ１０Ａをオフとすることで、金属体７は電磁力が無くなり、左側の受熱部２Ａにある電磁石８Ａと結合しなくなり、スイッチ１０Ａをオフとする直前に上部フィン６Ｃにある電磁石８Ｃのスイッチ１０Ｃをオンとして直流電源９Ｃを入れることで、電磁力が働き、上部フィン６Ｃにある電磁石８Ｃに金属体７は運ばれ、上部フィン６Ｃにある電磁石８Ｃと電磁力にて結合される。

電磁石８Ｃと金属体７が結合している間は電磁石８Ｃ側の管５の外周上に配置されているフィン６Ｃに熱が伝導し、フィン６Ｃから空気中に熱伝達されることで、金属体７に蓄積された熱が放出される。

熱を放出した金属体７は上部フィン６Ｃにある電磁石８Ｃのスイッチ１０Ｃをオフとし、電磁石８Ｃのスイッチ１０Ｃをオフとする直前に右側の受熱部２Ｂにある電磁石８Ｂのスイッチ１０Ｂをオンとすることで、金属体７は電磁石８Ｂに電磁力で結合される。

この状態で発熱体１Ｂが発生した熱は受熱部２Ｂを介して熱伝導し、管５内部の金属体７まで伝わり、金属体７が熱を蓄積したところで、右側の受熱部２Ｂにある電磁石８Ｂのスイッチ１０Ｂをオフとすることで、金属体７は電磁力が無くなり、右側の受熱部２Ｃにある電磁石８Ｂと結合しなくなる。電磁石８Ｂのスイッチ１０Ｂをオフとする直前に下部フィン６Ｄにある電磁石８Ｄのスイッチ１０Ｄをオンとして直流電源９Ｄを入れることで、電磁力が働き、下部フィン６Ｄにある電磁石８Ｄに金属体７は運ばれ、下部フィン６Ｄにある電磁石８Ｄと電磁力にて結合される。

電磁石８Ｄと金属体７が結合している間は電磁石８Ｄ側の管外周上に配置されているフィン６Ｄに熱が伝導し、フィン６Ｄから空気中に熱伝達されることで、金属体７に蓄積された熱が放出される。

熱を放出した金属体７は下部フィン６Ｄにある電磁石８Ｄのスイッチ１０Ｄをオフとし、電磁石８Ｄのスイッチ１０Ｄをオフとする直前に再び左側の受熱部２Ａにある電磁石８Ａのスイッチ１０Ａをオンとすることで、金属体７は電磁石８Ａに電磁力で結合されて、左側の受熱部２Ａに戻り、上記の動作を繰返すことで循環した冷却が可能となる。なお、この繰返し動作において、スイッチ１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｂ、１０Ｄは、それぞれ例えば図５に示すように、順次、前のスイッチがオフとなる５秒前にオンとなり、２〜５分のオン期間を経過した後、オフとなる。

本実施形態の冷却装置は、第１の実施形態の冷却装置と同様に、熱の輸送及び移動に磁性を有する金属体を選択し、金属体は外力が無ければ移動できないので、熱を輸送するための外力としては電磁力を選択したことで、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上述の説明では、環状の管５を垂直面上に配置したが、環状の管５は水平面上に配置してもよく、さらに垂直面あるいは水平面に対して任意の角度傾斜した平面上に配置してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図。 本発明の第２の実施形態におけるスイッチの動作を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図。 本発明の第３の実施形態におけるスイッチの動作を示す図。 従来例の構成を示す図。

符号の説明

１（１Ａ、１Ｂ）…発熱体
２（２Ａ、２Ｂ）…受熱部
３…液体の冷媒
４…気体の冷媒
５…管
６（６Ｃ、６Ｄ）…フィン
７…磁性を有する金属体
８（８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ）…電磁石
９（９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ）…直流電源
１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）…スイッチ

Claims (3)

1. 内部に磁性を有する複数の金属体が収容され、垂直方向または垂直方向に対して所定角度傾斜した方向に配置された管と、この管の下部に設けられ、発熱体が取り付けられた受熱部と、前記管の上部に設けられたフィンと、前記管の上部に取り付けられた電磁石と、この電磁石に、スイッチを介して接続された直流電源と、前記スイッチをオン・オフ制御する手段とを備えたことを特徴とする冷却装置。
2. 内部に磁性を有する複数の金属体が収容され、水平方向または水平方向に対して所定角度傾斜した方向に配置された管と、この管の一端部に設けられ、発熱体が取り付けられた受熱部と、前記管の他端部に設けられたフィンと、前記管の一端部および他端部にそれぞれ取り付けられた電磁石と、これらの電磁石に、それぞれスイッチを介して接続された直流電源と、前記スイッチが交互にオンとなるように、前記スイッチをそれぞれオン・オフ制御する手段とを備えたことを特徴とする冷却装置。
3. 内部に磁性を有する複数の金属体が収容され、環状に形成された管と、この管の所定の第１の箇所およびこの第１の箇所に対向する第２の箇所にそれぞれ設けられ、発熱体が取り付けられた受熱部と、前記管の前記第１の箇所と前記第２の箇所の中間の第３および第４の箇所にそれぞれ設けられたフィンと、前記管の前記第１乃至第４の箇所にそれぞれ取り付けられた第１乃至第４の電磁石と、これらの第１乃至第４の電磁石に、それぞれ第１乃至第４のスイッチを介して接続された第１乃至第４の直流電源と、前記第１乃至第４のスイッチが、所定の順序で順次一定の期間オンとなるように、前記スイッチをそれぞれオン・オフ制御する手段とを備えたことを特徴とする冷却装置。
   

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