JP2015146381A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒流体の自励振動変位を伴い発熱体を冷却する冷却器であって、冷却能力の低下を防止することができる冷却器を提供する。
【解決手段】外部加熱器２０を有する放熱抑制部１９は、発熱体収容空間１４ａ内の熱が発熱体収容壁１４１を介して放熱されることを抑制する。従って、発熱体収容空間１４ａ内で気化された冷媒の再凝縮が抑制される。そのため、冷媒の自励振動における振幅に伴う加熱部１４から冷却部１６への熱移動が減少し難くなり、冷却器１０の冷却能力の低下を防止することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を用いて発熱体を冷却する冷却器に関するものである。

流体が封入された流体容器内の流体を加熱する加熱部と、その加熱部により加熱され気化した蒸気を冷却する冷却部とを有する蒸気エンジンが、特許文献１に開示されている。その特許文献１の蒸気エンジンは、蒸気の膨脹圧力により液体を流動変位させて機械的エネルギを出力するとともに、蒸気を冷却部にて冷却して液化することにより流体容器内の流体を自励振動変位させる。

特許第４４１１８２９号公報

特許文献１の蒸気エンジンは、上述のように機械的エネルギを出力するものであるが、機械的エネルギを得ることとは別の目的に活用することができる。例えば、発明者らは、加熱部から冷却部への熱移動が流体容器内での流体の自励振動変位により促進されるので、冷却すべき発熱体で加熱部を構成したとすれば、その発熱体を冷却するための冷媒流体として流体容器内の流体を用いることができると考えた。すなわち、特許文献１の蒸気エンジンを、その発熱体を冷却する冷却器として活用することが可能であると考えた。

しかし、特許文献１の蒸気エンジンのような構成を有する冷却器では、例えば加熱部まわりの外気温度の低下等に起因して加熱部内から加熱部の外部への放熱量が大きくなると、加熱部内において冷媒流体が発熱体の熱によって気化されても再凝縮し易くなる。そうなれば、流体容器内での流体の自励振動における振幅が小さくなり、その結果、加熱部から冷却部への熱移動が減少することにより冷却器の冷却能力が低下することになる。

本発明は上記点に鑑みて、冷媒流体の自励振動変位を伴い発熱体を冷却する冷却器であって、冷却能力の低下を防止することができる冷却器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の冷却器の発明では、発熱体（１２）が収容される発熱体収容空間（１４ａ）を形成している発熱体収容壁（１４１）を有し、発熱体からの熱により、発熱体収容空間内に入っている冷媒流体を加熱し気化させる加熱部（１４）と、
発熱体収容空間と連通している冷却部空間（１６ａ）を形成しており、加熱部で気化され冷却部空間へ流入してきた冷媒流体を冷却して液化させる冷却部（１６）と、
冷却部空間と連通している吸収部空間（２８ａ）を形成しており、冷媒流体の加熱および冷却による体積変化を吸収する吸収部（２８）と、
発熱体収容空間内の熱が発熱体収容壁を介して放熱されることを抑制する放熱抑制部（１９）とを備え、
発熱体収容空間、冷却部空間、及び吸収部空間は全体として、冷媒流体が封入された一空間（３２）を構成し、
加熱部および冷却部は、冷媒流体に気化と液化とを繰り返させることにより、上記一空間内で冷媒流体を自励振動させることを特徴とする。

上述の発明によれば、放熱抑制部は発熱体収容空間内の熱が発熱体収容壁を介して放熱されることを抑制するので、発熱体収容空間内で気化された冷媒流体の再凝縮が抑制される。そのため、冷媒流体の自励振動における振幅に伴う発熱体から冷却部への熱移動が減少し難くなり、冷却器の冷却能力の低下を防止することが可能である。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した括弧内の各符号は、後述する実施形態に記載した各符号に対応したものである。

第１実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図であり、その冷却器１０の断面図である。 図１の冷却器１０において冷媒の気液界面２６が自励振動しているときのタイムチャートである。 図１の冷却器１０において、発熱体収容壁１４１の温度と駆動補助装置１８の振幅との関係を示したイメージ図である。 図１に相当する図であって、第２実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図である。 図１に相当する図であって、第３実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図である。 図１に相当する図であって、第４実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図である。 図１に相当する図であって、第５実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図である。 図１に相当する図であって、第６実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図であり、断面図示されている。冷却器１０は、その冷却器１０内に封入された冷媒を利用して発熱体１２を冷却する。図１に示すように、冷却器１０は、加熱部１４、冷却部１６、駆動補助装置１８、および放熱抑制部１９等を備えている。冷却器１０の冷媒は、常温では液体で、発熱体１２により加熱されることにより沸騰する流体である。なお、図１の矢印ＤＲ１は、冷却器１０が設置された状態での上下方向ＤＲ１すなわち鉛直方向ＤＲ１を表している。

発熱体１２は、冷却器１０により冷却される部材であり、具体的には、冷却が必要な半導体素子などである。一例を挙げれば、インバータの半導体素子モジュールである。発熱体１２の電気端子１２ａ、１２ｂは加熱部１４から突き出ており、発熱体１２は、その電気端子１２ａ、１２ｂに通電されることにより発熱する。本実施形態では、発熱体１２は２つ設けられている。

加熱部１４には、発熱体１２が収容される発熱体収容空間１４ａが形成されており、加熱部１４は、その発熱体収容空間１４ａ内に発熱体１２を有している。そして、加熱部１４は、その発熱体１２からの熱により、発熱体収容空間１４ａ内に入っている冷媒すなわち冷媒流体を加熱し沸騰気化させる。

詳細には、加熱部１４は、加熱部空間としての発熱体収容空間１４ａを形成している箱状の発熱体収容壁１４１を備えている。そして、その発熱体収容壁１４１内において、発熱体１２は、発熱体１２まわりが気体または液体の冷媒で満たされるように収容されている。例えば本実施形態では、発熱体収容空間１４ａ全体が気体または液体の冷媒で満たされており、その冷媒が全て液体となっているときには２つの発熱体１２全体もしくは一部が液体の冷媒に漬かるようになっている。なお、発熱体収容空間１４ａの冷却部１６側である一端は後述の冷却部１６の冷却部空間１６ａに連通しているが、発熱体収容空間１４ａの他端は閉塞されている。

冷却部１６は、発熱体収容空間１４ａと連通している冷却部空間１６ａを形成しており、加熱部１４で気化され冷却部空間１６ａへ流入してきた気体の冷媒を冷却して液化させる。具体的に冷却部１６は、冷却部壁１６１と冷却装置１６２とを備えている。冷却部１６は、加熱部１４に対し水平方向に並んで配置されている。

冷却部壁１６１は管状の形状を成しており、その内側に冷却部空間１６ａを形成している。冷却装置１６２は、冷却部壁１６１の周りに設けられた多数の冷却フィン１６２ａから構成されている。そして、冷却装置１６２は、冷却部空間１６ａ内の冷媒を、外気と熱交換させることにより冷却する。すなわち、冷却部１６は、冷媒を冷却する際に、その冷媒からの熱を、冷却部１６の外部すなわち冷却部１６まわりの外部空間１６ｂへ放熱する。

冷却部壁１６１は、高い放熱性能が得られるように、例えば薄肉の金属、好ましくは薄肉のアルミニウム合金で構成されている。また、冷却部壁１６１、冷却装置１６２、および発熱体収容壁１４１は一体となって、アルミニウム合金等の金属から成り冷媒が収容される１つの冷媒容器を構成している。

冷却部空間１６ａは管状に形成された空間であり、その長手方向に直交する管路断面積が極めて小さい管路で構成されている。そのため、冷却部空間１６ａ内に冷媒の気液界面２６が存在する場合には、その気液界面２６は、重力方向に拘わらず、冷媒の表面張力により、冷却部空間１６ａの長手方向を向くように維持される。すなわち、冷却部空間１６ａの長手方向において、気液界面２６を境に加熱部１４側には気体冷媒が存在し、その反対側には液体冷媒が存在する。

例えば、冷媒が加熱部１４で加熱されることにより、気体になった冷媒の体積が増すほど、冷却部空間１６ａ内において気液界面２６は、発熱体収容空間１４ａから遠ざかる方向すなわち図１の左方向に移動する。そうすると、冷却部１６は、液体冷媒も冷却するが、それと共に、加熱部で気化された気体冷媒も冷却し凝縮させる。

駆動補助装置１８は、一軸方向または略一軸方向へ伸縮する伸縮部２８と、錘３０とを備えている。伸縮部２８は、冷媒の加熱および冷却によって発熱体収容空間１４ａ内および冷却部空間１６ａ内で生じる冷媒の体積変化を吸収する。すなわち、伸縮部２８は、その冷媒の体積変化を吸収する吸収部として機能する。そして、伸縮部２８は、伸縮部２８の内側に、冷却部空間１６ａと連通している吸収部空間としての伸縮部空間２８ａを形成している。

伸縮部２８は、例えば蛇腹等で構成されており、本実施形態では上下方向ＤＲ１に伸縮する。駆動補助装置１８は機械的な動作を行う部分であるので、冷却器１０における駆動部と呼んでもよい。伸縮部２８が上下に伸縮すると、それに伴い、伸縮部空間２８ａも上下に伸縮する。伸縮部空間２８ａ内は液体冷媒で満たされている。

また、伸縮部２８の下端は冷却部壁１６１に対して固定されており、伸縮部空間２８ａの下端は冷却部空間１６ａに連通している。その一方で、伸縮部２８の上端には錘３０が固定されており、伸縮部空間２８ａの上端は閉塞されている。従って、この伸縮部空間２８ａ、上述の発熱体収容空間１４ａ、および冷却部空間１６ａは全体として、冷媒が封入された一空間としての気密な冷媒封入空間３２を構成している。そして、冷却部空間１６ａ内の冷媒が伸縮部空間２８ａ内へ流入すると、伸縮部空間２８ａが伸びて伸縮部２８の上端および錘３０が上昇する。逆に、伸縮部空間２８ａが縮んで伸縮部２８の上端および錘３０が下降すると、伸縮部空間２８ａ内の冷媒が冷却部空間１６ａ内へ流出する。すなわち、その冷媒は、伸縮部２８を伸縮作動させる作動流体として機能している。

錘３０は、伸縮部２８が上下に伸縮する際の慣性を増すために設けられている。錘３０は、高密度の部材であれば良く、例えば鉄で構成されている。

放熱抑制部１９は、発熱体収容空間１４ａ内が発熱体１２の発熱によって高温になるので、その発熱体収容空間１４ａ内の熱が発熱体収容壁１４１を介して発熱体収容空間１４ａの外部すなわち加熱部１４の外部へ放熱されることを抑制する。具体的に放熱抑制部１９は、外部加熱器２０と壁温度センサ２１と発熱体温度センサ２２と制御器２４とから構成されている。

外部加熱器２０は電気ヒータなどの発熱装置である。外部加熱器２０は、発熱体収容壁１４１の外側を覆っている。詳細には、発熱体収容壁１４１の外側の全部を覆っている。そして、外部加熱器２０は、その発熱体収容壁１４１の外側から発熱体収容壁１４１を加熱する。例えば外部加熱器２０は、外部加熱器２０を制御する制御部としての制御器２４からの制御信号に従って発熱量を調節し、外部加熱器２０の発熱動作のオンオフは制御器２４によって切り替えられる。なお、発熱体収容壁１４１の外側の全部とは、詳細に言えば、発熱体収容壁１４１には冷却部壁１６１が連結されているので、発熱体収容壁１４１において冷却部壁１６１に連結されている部位を除いた外側の全部である。

壁温度センサ２１は、発熱体収容壁１４１の温度たとえば発熱体収容壁１４１の内側壁面の温度を検出し、その発熱体収容壁１４１の温度を示す検出信号を制御器２４へ出力する。

発熱体温度センサ２２は、それぞれの発熱体１２に対して設けられている。そして、発熱体温度センサ２２は、それぞれの発熱体１２の温度を検出し、その検出した温度を示す検出信号を制御器２４へ出力する。発熱体温度センサ２２は、詳細には発熱体１２の表面に設けられており、発熱体１２の表面温度を発熱体１２の温度として検出する。

制御器２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路とから構成された電子制御装置であり、ＲＯＭ等に予め記憶されたコンピュータプログラムに従って種々の制御処理を実行する。

具体的に、制御器２４は、壁温度センサ２１により検出される発熱体収容壁１４１の温度と、発熱体温度センサ２２により検出される発熱体１２の温度とに基づいて外部加熱器２０の発熱量を調節する。詳細には、制御器２４は、発熱体収容壁１４１の温度を発熱体１２の温度に近付けるように、外部加熱器２０に発熱体収容壁１４１を加熱させる。なお、発熱体１２は複数設けられているので、例えば個々の発熱体１２の温度の平均値が、外部加熱器２０の温度制御に用いられる。

このように構成された冷却器１０では、発熱体収容空間１４ａ内の液体冷媒が発熱体１２により加熱され沸騰させられると冷媒の気体部分が増し、それと共に冷媒全体の体積が増加し伸縮部２８の上端が上昇する。冷媒の気体部分がある程度増し例えば気液界面２６が図１のように冷却部空間１６ａ内に入ると、冷却部１６が、その冷媒の気体部分を冷却し凝縮させる。

冷媒の気体部分が凝縮することにより気体部分が少なくなると、それと共に冷媒全体の体積が減少し伸縮部２８の上端が下降する。そして、発熱体１２の一部または全部が液体の冷媒に浸かるようになる。発熱体１２が液体の冷媒に浸かると、上述したように再び発熱体収容空間１４ａ内の液体の冷媒が沸騰し蒸発する。

このように、冷却器１０において加熱部１４および冷却部１６は、冷媒に蒸発と凝縮とを繰り返させることにより、冷媒封入空間３２内で冷媒の気液界面２６を自励振動させる。要するに、冷媒封入空間３２内で冷媒を自励振動させる。そして、伸縮部２８は、その冷媒の自励振動に伴う冷媒全体の体積変化を吸収する。更に、伸縮部２８は、所定のばね定数を持っているので、その伸縮部２８の伸縮方向における釣合い点に向って伸縮量に応じた反力を生じ、冷媒の自励振動を補助する役割を果たす。

この気液界面２６の自励振動すなわち冷媒の自励振動に伴い冷媒が蒸発と凝縮とを繰り返すことで、発熱体１２から冷媒を介し外気に至る熱伝達経路において高い熱伝達率を得つつ、発熱体１２の熱を、冷媒と冷却部壁１６１と冷却装置１６２とを介し、冷却部１６から外気へ放出させることができる。

また、冷却部空間１６ａ内および伸縮部空間２８ａ内において気液界面２６から離れた部位の液体冷媒はサブクール状態になっている。従って、そのサブクール状態の液体冷媒が、伸縮部２８の上端が下降すると共に発熱体１２まわりに流れ込むので、発熱体１２を冷却する高い冷却性能を得ることができる。

図２は、冷媒の気液界面２６が自励振動しているときのタイムチャートである。この図２では、発熱体収容壁１４１の温度すなわち加熱部壁温、冷媒の凝縮に伴い加熱部壁１４１としての発熱体収容壁１４１へ放熱される凝縮熱量、冷媒封入空間３２内の圧力すなわち冷媒の圧力、駆動部である駆動補助装置１８の変位すなわち錘３０の変位が、上から順に示されている。また、図２では、外部加熱器２０を含む放熱抑制部１９の効果を説明するために、外部加熱器２０による加熱がある場合を実線のタイムチャートで示し、外部加熱器２０による加熱が無い場合を破線のタイムチャートで示している。また、加熱部壁温のタイムチャート内には、発熱体１２の温度が一点鎖線で示されている。

本実施形態のように外部加熱器２０によって発熱体収容壁１４１が加熱されると、図２の１段目の加熱部壁温のタイムチャートに示すように、外部加熱器２０による加熱が無い場合よりも、その発熱体収容壁１４１の温度が発熱体１２の温度に近づけられる。そうなると、発熱体１２の温度と発熱体収容壁１４１の温度との温度差が小さくなるので、２段目の凝縮熱量のタイムチャートに示すように、発熱体収容壁１４１へ放熱される凝縮熱量が減少する。

その凝縮熱量が減少すると、発熱体収容空間１４ａで冷却部空間１６ａへ流れずに再凝縮する冷媒の凝縮量が減るので、３段目の冷媒の圧力のタイムチャートに示すように、冷媒封入空間３２内において変動する冷媒圧力の最高値が高くなり、それと共に、冷媒が高圧で保持される期間が長くなる。その一方で、変動する冷媒圧力の最低値は、外部加熱器２０による加熱があると、加熱がない場合と比較して僅かに増加するものの、その増加幅は僅かである。

従って、外部加熱器２０によって発熱体収容壁１４１が加熱されると、外部加熱器２０による加熱が無い場合と比較して、４段目の駆動補助装置１８の変位のタイムチャートに示すように、駆動補助装置１８の変位における振幅すなわち冷媒の自励振動における振幅が増大する。その結果、加熱部１４の発熱体収容空間１４ａと冷却部１６の冷却部空間１６ａとの間で往復する冷媒量すなわち冷却器１０の作動流体供給量が増加するので、冷却器１０が発熱体１２を冷却する冷却能力が大きくなる。すなわち、駆動補助装置１８の振幅は冷却器１０の冷却能力を示す指標値であり、駆動補助装置１８の振幅が増大するほど、冷却器１０の冷却能力は大きくなる。

上述したように、発熱体収容壁１４１の温度が高くなるほど発熱体収容空間１４ａ内の冷媒の再凝縮が防止され易くなるので、発熱体収容壁１４１の温度を発熱体１２の温度に比して遙かに高温にしない限り、冷却器１０の冷却能力は基本的に大きくなる傾向にある。この発熱体収容壁１４１の温度と駆動補助装置１８の振幅との関係が図３に示されている。

図３に示すように、発熱体収容壁１４１の温度を高くするほど駆動補助装置１８の振幅を増大させることができるが、発熱体収容壁１４１の温度が、図３でＴＭＰｘとして示す発熱体１２の温度を超えた場合には、発熱体１２の温度以下の場合と比較して、発熱体収容壁１４１の温度に対する駆動補助装置１８の振幅の増大率が小さくなる。この図３の関係は実験的に求められたものである。

この図３の関係から、効率良く冷却器１０の冷却能力を大きくするためには、発熱体収容壁１４１の温度を発熱体１２の温度に一致させるように外部加熱器２０の発熱量を制御するのが良いと考えられる。従って、本実施形態では、上述したように、外部加熱器２０は、発熱体収容壁１４１の温度を発熱体１２の温度に近付けるように制御されている。

上述したように、本実施形態によれば、放熱抑制部１９は発熱体収容空間１４ａ内の熱が発熱体収容壁１４１を介して放熱されることを抑制するので、発熱体収容空間１４ａ内で気化された冷媒の再凝縮が抑制される。そのため、冷媒の自励振動における振幅に伴う加熱部１４から冷却部１６への熱移動が減少し難くなり、冷却器１０の冷却能力の低下を防止することが可能である。このように発熱体１２の冷却に寄与する部位である加熱部１４をその周りから敢えて加熱することにより、発熱体１２の冷却が促進される。本実施形態の冷却器１０はこの点において独創性がある。

また、本実施形態によれば、放熱抑制部１９は、発熱体収容壁１４１の外側からその発熱体収容壁１４１を加熱する外部加熱器２０を有しているので、外気温等の影響を抑えて、発熱体収容壁１４１の温度制御を容易に行うことが可能である。

また、本実施形態によれば、放熱抑制部１９は、発熱体収容壁１４１の温度を発熱体１２の温度に近付けるように発熱体収容壁１４１を加熱するので、冷却器１０の冷却能力を大きくするように適度に外部加熱器２０を発熱させることが可能である。

また、本実施形態によれば、放熱抑制部１９は、発熱体収容壁１４１の温度と発熱体１２の温度とに基づいて外部加熱器２０の発熱量を調節するので、発熱体収容壁１４１の温度を発熱体１２の温度へ精度良く近づけることが可能である。

また、本実施形態によれば、発熱体１２からの発熱が止まっているときには、発熱体１２が液体の冷媒に浸るので、発熱体１２からの熱が発熱開始時点において冷媒に伝わり易く、冷媒の自励振動を開始させ易いという利点がある。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明する。また、前述の実施形態と同一または均等な部分については省略または簡略化して説明する。後述の第３実施形態以降でも同様である。

図４は、本実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図であり、図１と同様に断面図示されている。図４に示すように、本実施形態では、第１実施形態と比較して放熱抑制部１９が異なっている。具体的に、本実施形態の放熱抑制部１９は、外部加熱器２０（図１参照）と壁温度センサ２１と発熱体温度センサ２２と制御器２４とを備えておらず、それらに替えて、複数の副発熱体４２を備えている。そして、放熱抑制部１９は、その副発熱体４２からの熱によって発熱体収容壁１４１を加熱する。

放熱抑制部１９に設けられた副発熱体４２は、発熱体収容空間１４ａ内の発熱体１２と同様の半導体素子モジュールであるが、副発熱体４２の発熱量、例えば単位時間当たりの発熱量は、主発熱体としての発熱体１２よりも小さい。例えば、副発熱体４２は、発熱体１２と共に共通の装置を構成する電気部品である。

副発熱体４２は、副発熱体４２の熱が発熱体収容壁１４１へ伝わり易いように、発熱体収容壁１４１の外側に固定されている。例えば、副発熱体４２は、副発熱体４２と発熱体収容壁１４１との間で熱伝達させ易い接着剤によって発熱体収容壁１４１に固定されている。副発熱体４２は、このように配置されることにより、発熱体収容壁１４１の外側から発熱体収容壁１４１を加熱する。

本実施形態において冷媒の気液界面２６が自励振動しているときのタイムチャートを示したとすれば、第１実施形態の図２と同様の図になる。但し、図２において実線のタイムチャートは副発熱体４２による加熱がある場合を示し、破線のタイムチャートは副発熱体４２による加熱が無い場合を示す。

本実施形態でも、上述の第１実施形態のように発熱体収容壁１４１が加熱され、発熱体収容空間１４ａ内で気化された冷媒の再凝縮が抑制されるので、冷却器１０の冷却能力の低下を防止することが可能である。

また、本実施形態によれば、放熱抑制部１９は、副発熱体４２の熱によって発熱体収容壁１４１を加熱するので、その副発熱体４２の熱は発熱体収容壁１４１に放熱される。従って、発熱体１２の冷却に加えて、副発熱体４２も冷却することが可能である。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明する。

図５は、本実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図であり、図１と同様に断面図示されている。図５に示すように、本実施形態では、第１実施形態と比較して放熱抑制部１９が異なっている。具体的に、本実施形態の放熱抑制部１９は、外部加熱器２０（図１参照）と壁温度センサ２１と発熱体温度センサ２２と制御器２４とを備えておらず、それらに替えて、断熱性を有する部材すなわち断熱材４６を備えている。

放熱抑制部１９を構成している断熱材４６は、発熱体収容壁１４１の外側の全部を覆っている。その発熱体収容壁１４１の外側の全部とは、詳細に言えば、発熱体収容壁１４１には冷却部壁１６１が連結されているので、発熱体収容壁１４１において冷却部壁１６１に連結されている部位を除いた外側の全部である。断熱材４６は、例えば、金属よりも熱伝導率の低い材料、フッ素樹脂、グラスウール、または、発泡スチロール等の発泡体で構成されている。

本実施形態において冷媒の気液界面２６が自励振動しているときのタイムチャートを示したとすれば、第１実施形態の図２と同様の図になる。但し、図２において実線のタイムチャートは断熱材４６が設けられている場合を示し、破線のタイムチャートは断熱材４６が設けられていない場合を示す。

本実施形態でも、発熱体収容空間１４ａ内の熱が発熱体収容壁１４１を介して放熱されることが上述の第１実施形態のように抑制され、それにより、発熱体収容空間１４ａ内で気化された冷媒の再凝縮が抑制されるので、冷却器１０の冷却能力の低下を防止することが可能である。

また、本実施形態によれば、放熱抑制部１９は、発熱体収容壁１４１の外側の全部を覆う断熱材４６から構成されているので、例えば第１実施形態の外部加熱器２０は発熱のためのエネルギ源を必要とするところ、そのようなエネルギ源を必要としないという利点がある。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明する。

図６は、本実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図であり、図１と同様に断面図示されている。図６に示すように、本実施形態では、第１実施形態と比較して放熱抑制部１９が異なっている。具体的に言えば、第1実施形態の放熱抑制部１９は、外部加熱器２０（図１参照）と壁温度センサ２１と発熱体温度センサ２２と制御器２４とから構成されているが、本実施形態の放熱抑制部１９は、図６に示す外側空間加熱装置５０から構成されている。

外側空間加熱装置５０は、発熱体収容壁１４１の外側を取り巻く外側空間１４ｂを加熱する。すなわち、発熱体収容壁１４１周りの雰囲気温度を上昇させる。そのために、外側空間加熱装置５０は、送風空気流路５０１と送風機５０２とを備えている。発熱体収容壁１４１の外側空間１４ｂとは、言い換えれば、加熱部１４を取り巻いている加熱部１４周りの空間である。

送風空気流路５０１は、筒状のダクト内に形成され、熱媒体としての空気が流れる流路であり、Ｕ字状の流路となるように形成されている。詳細には、送風空気流路５０１は、冷却部１６まわりの外部空間１６ｂから発熱体収容壁１４１の外側空間１４ｂへと空気が流れるように形成されている。

送風機５０２は例えば軸流式の電動送風機である。送風機５０２は、送風空気流路５０１内において、冷却部１６まわりの外部空間１６ｂよりも空気流れ上流側に配置され、冷却部１６に向けて送風する。従って、送風空気流路５０１内においては、空気流れ上流側から、送風機５０２、冷却部１６、加熱部１４の順で配置されている。

従って、送風空気流路５０１は、冷却部１６から放熱された熱で加熱された空気を発熱体収容壁１４１の外側空間１４ｂへ導く。そして、外側空間加熱装置５０は、その送風空気流路５０１を流れる空気によって上記外側空間１４ｂを加熱する。

本実施形態において冷媒の気液界面２６が自励振動しているときのタイムチャートを示したとすれば、第１実施形態の図２と同様の図になる。但し、図２において実線のタイムチャートは、発熱体収容壁１４１周りの雰囲気温度が冷却器１０の設置場所の温度に対して外側空間加熱装置５０により上昇させられている場合を示し、破線のタイムチャートは、外側空間加熱装置５０が無く発熱体収容壁１４１周りの雰囲気温度が上記設置場所の温度になっている場合を示す。

本実施形態によれば、外側空間加熱装置５０は、発熱体収容壁１４１の外側空間１４ｂを加熱するので、外側空間加熱装置５０が無く発熱体収容壁１４１が単に露出している構成と比較して、発熱体収容壁１４１周りの雰囲気温度が高くなる。従って、本実施形態でも、発熱体収容空間１４ａ内の熱が発熱体収容壁１４１を介して放熱されることが上述の第１実施形態のように抑制され、それにより、発熱体収容空間１４ａ内で気化された冷媒の再凝縮が抑制されるので、冷却器１０の冷却能力の低下を防止することが可能である。また、発熱体収容壁１４１から外側空間１４ｂへの放熱を抑制するために、冷却部１６からの廃熱を活用することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明する。

図７は、本実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図であり、図１と同様に断面図示されている。図７に示すように、本実施形態では、第１実施形態と比較して放熱抑制部１９が異なっている。具体的に、第１実施形態の放熱抑制部１９は、外部加熱器２０（図１参照）と壁温度センサ２１と発熱体温度センサ２２と制御器２４とから構成されているが、本実施形態の放熱抑制部１９は、図７に示す介装部５４から構成されている。

放熱抑制部１９を構成している介装部５４は、発熱体収容壁１４１の外側を取り巻く外側空間１４ｂと発熱体収容壁１４１との間に介装されており、第１実施形態の外部加熱器２０（図１参照）と同様に発熱体収容壁１４１の外側の全部を覆っている。そして、介装部５４は、上記外側空間１４ｂと発熱体収容壁１４１との間での熱伝達を抑制する熱伝達抑制構造を有している。

詳細に言うと、介装部５４は、発熱体収容壁１４１の外側を覆う壁５４１を有しており、その壁５４１は、断熱性を有する介装空間５４ａを発熱体収容壁１４１周りにおいて気密に形成している。そして、その介装空間５４ａは真空に保持されている。すなわち、介装部５４は真空容器として機能し、発熱体収容壁１４１の外側空間１４ｂと発熱体収容壁１４１との間が真空に保持された構造を上記の熱伝達抑制構造として有している。なお、上記の介装空間５４ａの真空とは、絶対真空に限らず介装空間５４ａ内の圧力が大気圧よりも低い状態を意味するものである。

本実施形態において冷媒の気液界面２６が自励振動しているときのタイムチャートを示したとすれば、第１実施形態の図２と同様の図になる。但し、図２において実線のタイムチャートは介装部５４が設けられている場合を示し、破線のタイムチャートは介装部５４が設けられていない場合を示す。

本実施形態でも、発熱体収容空間１４ａ内の熱が発熱体収容壁１４１を介して放熱されることが上述の第１実施形態のように抑制され、それにより、発熱体収容空間１４ａ内で気化された冷媒の再凝縮が抑制されるので、冷却器１０の冷却能力の低下を防止することが可能である。

また、本実施形態によれば、放熱抑制部１９は、上記の熱伝達抑制構造を有する介装部５４から構成されているので、例えば第１実施形態の外部加熱器２０は発熱のためのエネルギ源を必要とするところ、そのようなエネルギ源を必要としないという利点がある。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明する。

図８は、本実施形態の冷却器１０の全体構成を示す図であり、図１と同様に断面図示されている。図８に示すように、本実施形態では、第１実施形態と比較して放熱抑制部１９が異なっている。具体的には、本実施形態の放熱抑制部１９が有する外部加熱器２０の取付位置が第１実施形態と異なっている。

発熱体１２は、上述したように、冷却が必要な半導体素子などであるので、発熱体１２の表面全体が一様に同じ温度で発熱するのではなく、発熱体１２の部位によって温度が異なる。すなわち、発熱体１２には、高温になる部位もあれば、それほど高温にならない部位もある。本実施形態では、図８に点ハッチングで示すように、発熱体１２は、その一部分に、発熱体１２の中で最も発熱する最発熱部位１２ｃを有している。このように発熱体１２が温度分布を有することは、上述の何れの実施形態でも同じである。図８では、発熱体１２の中央部分が最発熱部位１２ｃとなっている。

本実施形態では、外部加熱器２０は、発熱体収容壁１４１の外側全体を加熱するのではなく、発熱体収容壁１４１の外側の一部分を加熱する。具体的に、外部加熱器２０は、最発熱部位１２ｃよりも冷却部１６寄りに配置され、その冷却部１６寄りの外側部分を覆っている。図８に示す外部加熱器２０は、発熱体収容壁１４１の外側を環状に取り巻くように設けられている。なお、その冷却部１６寄りの配置とは、最発熱部位１２ｃよりも冷却部１６側に限って外部加熱器２０が設けられているということではなく、最発熱部位１２ｃの中心位置に対して外部加熱器２０の中心位置が冷却部１６側にずれているということである。

このように外部加熱器２０が配置されている理由は、発熱体収容空間１４ａと冷却部空間１６ａとにわたって流れる冷媒は振動流であるため、発熱体収容壁１４１の内面の中で冷却部１６に近い領域は冷媒に触れている時間が長いからである。すなわち、外部加熱器２０が無いとすれば、その冷却部１６に近い領域の温度が最も低下し易いからである。従って、その冷却部１６に近い領域に応じた部位、要するに、上記の最発熱部位１２ｃよりも冷却部１６寄りの部位を加熱するのが有効である。

本実施形態において冷媒の気液界面２６が自励振動しているときのタイムチャートを示したとすれば、第１実施形態の図２と同様の図になる。

本実施形態でも、上述の第１実施形態のように発熱体収容壁１４１が加熱され、発熱体収容空間１４ａ内で気化された冷媒の再凝縮が抑制されるので、冷却器１０の冷却能力の低下を防止することが可能である。

また、本実施形態によれば、外部加熱器２０は、最発熱部位１２ｃよりも冷却部１６寄りに配置されているので、冷媒の再凝縮抑制に効果的な部位を効率良く加熱することが可能である。

（他の実施形態）
（１）上述の第１実施形態において、制御器２４は、発熱体収容壁１４１の温度と発熱体１２の温度とに基づいて外部加熱器２０の発熱量を調節するが、それらの温度の一方だけに基づいて外部加熱器２０の発熱量を調節してもよい。或いは、それらの温度が何れも検出されずに、外部加熱器２０の発熱量が一定値に保持されていてもよい。

（２）上述の第１実施形態において、制御器２４は、発熱体収容壁１４１の温度を発熱体１２の温度に近付けるように、外部加熱器２０に発熱体収容壁１４１を加熱させるが、そのような温度制御に限らず、例えば、発熱体収容壁１４１の温度の温度が発熱体１２の温度以上になるように、外部加熱器２０に発熱体収容壁１４１を加熱させても差し支えない。このようにしたとしても、図３から判るように、冷却器１０の冷却能力を十分に大きくすることが可能である。

（３）上述の第２実施形態において、副発熱体４２は複数設けられているが、副発熱体４２は１つであってもよい。

（４）上述の第２実施形態において、副発熱体４２は発熱体収容空間１４ａ内の発熱体１２と同様の半導体素子モジュールであるが、半導体素子モジュールではない部品であってもよいし、更に言えば電気部品でなくても差し支えない。

（５）上述の第３実施形態において、断熱材４６は発熱体収容壁１４１の外側の全部を覆っているが、発熱体収容空間１４ａ内での気体冷媒の再凝縮を十分に抑制できれば、その発熱体収容壁１４１の外側の一部分を覆っているだけでも差し支えない。

（６）上述の第４実施形態において、送風空気流路５０１を流れる熱媒体は空気であるが、熱交換できれば、水、冷媒等の液体もしくは気体であっても差し支えない。

（７）上述の第５実施形態において、介装部５４は、発熱体収容壁１４１の外側空間１４ｂと発熱体収容壁１４１との間が真空に保持された構造を上記の熱伝達抑制構造として有しているが、その熱伝達抑制構造は、そのように真空に保持された構造に限るものではない。例えば、介装空間５４ａ内は空気等の気体で満たされ、介装空間５４ａ内において、その気体の対流が抑制されていてもよい。

すなわち、介装部５４は、気体の対流が抑制された介装空間５４ａが外側空間１４ｂと発熱体収容壁１４１との間に設けられている構造を熱伝達抑制構造として有していてもよい。要するに、介装部５４は、その内部の気体の対流が抑制された対流抑制容器として機能してもよい。例えば、介装空間５４ａ内の気体の対流が抑制された構造としては、介装空間５４ａが気密に保持されその介装空間５４ａ内が仕切板等によって独立した多数の部屋に細かく仕切られている構造が考えられる。

（８）上述の各実施形態において、発熱体収容壁１４１は、アルミニウム合金等の金属で構成されているが、冷却部壁１６１と気密に接合でき冷媒封入空間３２の気密性を確保できるのであれば、樹脂や上述の断熱材４６と同じ材料で構成されていても差し支えない。

（９）上述の第１および第６実施形態において、外部加熱器２０は、発熱体収容壁１４１の外側から発熱体収容壁１４１を加熱するが、発熱体収容壁１４１の内壁面が加熱されればよいので、例えば、外部加熱器２０は、発熱体収容壁１４１に埋め込まれており、発熱体収容壁１４１を壁厚の内部から加熱しても差し支えない。

（１０）上述の各実施形態において、発熱体収容空間１４ａおよび冷却部空間１６ａは、その長手方向が水平方向となるように設けられているが、例えば冷媒封入空間３２が特許文献１に記載された流体容器のようにＵ字状に形成されていても差し支えない。

（１１）上述の各実施形態では、冷却器１０は、冷却部空間１６ａの長手方向が水平方向を向くように設置されているが、冷却部空間１６ａ内の気液界面２６の向きは冷媒の表面張力により維持されるので、冷却器１０の設置向きに限定はない。

（１２）上述の各実施形態において、発熱体１２からの発熱が止まると、発熱体１２全体が液体冷媒に浸るが、発熱体１２の一部分が液体冷媒に浸るのでも差し支えない。

（１３）上述の各実施形態において、冷却部１６は、冷却部空間１６ａ内の冷媒を外気と熱交換させることにより冷却するが、冷却部１６まわりに冷却水が流れる配管を設け、冷媒を、その冷却水と熱交換させることにより冷却しても差し支えない。

（１４）上述の各実施形態において、駆動補助装置１８は錘３０を備えているが、錘３０は無くても差し支えない。或いは、錘３０が、冷媒の振動を助長するように慣性力を付加する他の部品又は装置に置き換わっていても差し支えない。

（１５）上述の各実施形態において、伸縮部２８は蛇腹等で構成され上下に伸縮するが、例えばダイヤフラム等で構成されていてもよいし、或いは、冷媒の振動を吸収できれば伸縮しない構成であっても差し支えない。

（１６）上述の各実施形態において、発熱体１２は、冷却が必要な半導体素子などであるが、電気部品である必要はない。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 冷却器
１２ 発熱体
１４ 加熱部
１４ａ 発熱体収容空間
１６ 冷却部
１６ａ 冷却部空間
１９ 放熱抑制部
２８ 伸縮部（吸収部）
２８ａ 伸縮部空間（吸収部空間）
３２ 冷媒封入空間（一空間）

Claims (13)

1. 発熱体（１２）が収容される発熱体収容空間（１４ａ）を形成している発熱体収容壁（１４１）を有し、前記発熱体からの熱により、前記発熱体収容空間内に入っている冷媒流体を加熱し気化させる加熱部（１４）と、
   前記発熱体収容空間と連通している冷却部空間（１６ａ）を形成しており、前記加熱部で気化され前記冷却部空間へ流入してきた前記冷媒流体を冷却して液化させる冷却部（１６）と、
   前記冷却部空間と連通している吸収部空間（２８ａ）を形成しており、前記冷媒流体の加熱および冷却による体積変化を吸収する吸収部（２８）と、
   前記発熱体収容空間内の熱が前記発熱体収容壁を介して放熱されることを抑制する放熱抑制部（１９）とを備え、
   前記発熱体収容空間、前記冷却部空間、及び前記吸収部空間は全体として、前記冷媒流体が封入された一空間（３２）を構成し、
   前記加熱部および前記冷却部は、前記冷媒流体に気化と液化とを繰り返させることにより、前記一空間内で前記冷媒流体を自励振動させることを特徴とする冷却器。
2. 前記放熱抑制部は、前記発熱体収容壁を加熱する外部加熱器（２０）を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 前記放熱抑制部は、前記発熱体収容壁の温度を前記発熱体の温度に近付けるように前記発熱体収容壁を加熱することを特徴とする請求項２に記載の冷却器。
4. 前記放熱抑制部は、前記発熱体収容壁の温度が前記発熱体の温度以上になるように前記発熱体収容壁を加熱することを特徴とする請求項２に記載の冷却器。
5. 前記冷却部は前記加熱部と並んで設けられており、
   前記外部加熱器は、前記発熱体の中で最も発熱する部位（１２ｃ）よりも前記冷却部寄りに配置されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の冷却器。
6. 前記放熱抑制部は、前記外部加熱器の発熱量を前記発熱体の温度または前記発熱体収容壁の温度に基づいて調節することを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の冷却器。
7. 前記放熱抑制部には、前記発熱体よりも発熱量が小さい副発熱体（４２）が設けられ、前記放熱抑制部は、その副発熱体からの熱によって前記発熱体収容壁を加熱することを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
8. 前記放熱抑制部は、前記発熱体収容壁の外側の全部または一部を覆い断熱性を有する部材（４６）から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
9. 前記放熱抑制部は、前記発熱体収容壁の外側を取り巻く外側空間（１４ｂ）を加熱する外側空間加熱装置（５０）から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
10. 前記冷却部は、前記冷媒流体を冷却する際にその冷媒流体からの熱を前記冷却部の外部へ放熱するものであり、
    前記外側空間加熱装置は、前記冷却部から放熱された熱で加熱された熱媒体を前記外側空間へ導く流路（５０１）を有し、その外側空間を前記熱媒体によって加熱することを特徴とする請求項９に記載の冷却器。
11. 前記放熱抑制部は、前記発熱体収容壁の外側を取り巻く外側空間（１４ｂ）と前記発熱体収容壁との間に介装された介装部（５４）から構成され、
    前記介装部は、前記外側空間と前記発熱体収容壁との間での熱伝達を抑制する熱伝達抑制構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
12. 前記介装部は、前記外側空間と前記発熱体収容壁との間が真空に保持された構造を前記熱伝達抑制構造として有していることを特徴とする請求項１１に記載の冷却器。
13. 前記介装部は、気体の対流が抑制された空間が前記外側空間と前記発熱体収容壁との間に設けられている構造を前記熱伝達抑制構造として有していることを特徴とする請求項１１に記載の冷却器。
    

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