特許 7543447 液体ブリッジを備えたマルチサイフォン受動冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-23

(45)【発行日】2024-09-02

(54)【発明の名称】液体ブリッジを備えたマルチサイフォン受動冷却システム

(51)【国際特許分類】

   F03D 80/60 20160101AFI20240826BHJP

   H01F 27/10 20060101ALI20240826BHJP

   H02S 40/42 20140101ALI20240826BHJP

【ＦＩ】

F03D80/60

H01F27/10

H02S40/42

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2022575709

(86)(22)【出願日】2020-06-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-25

(86)【国際出願番号】 US2020036905

(87)【国際公開番号】W WO2021251957

(87)【国際公開日】2021-12-16

【審査請求日】2023-06-01

(73)【特許権者】

【識別番号】513131419

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック レノバブレス エスパーニャ， エセ．エレ．

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(72)【発明者】

【氏名】シアガラジャン，ナヴィーナン

(72)【発明者】

【氏名】ピーター，アンドリュー・マックスウェル

(72)【発明者】

【氏名】サラマー，サミール

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２２６４６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０７４５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０９０８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２０２４２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７７０４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３７３７７６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ １／００－８０／８０

Ｈ０１Ｆ ２７／１０

Ｈ０２Ｓ ４０／４２

Ｆ２５Ｂ ４１／１０

Ｆ２８Ｄ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受動冷却システムであって、
二相冷却媒体と、
エンクロージャ内に設置された発熱部品に熱的に接続された熱交換器と、
熱交換器の下に配置された分配マニホールドと、
熱交換器、分配マニホールド、および凝縮ユニットに流体的に接続される第１の導管と、
凝縮ユニットと分配マニホールドに流体的に接続された第２の導管と、
エンクロージャの外部で熱交換器の上部に配置され、第１の導管から二相冷却媒体を受け取り、第２の導管へ二相冷却媒体を送る凝縮ユニットと、
第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体的に接続された液体ブリッジと、
を含み、
二相冷却媒体は、第１の導管、液体ブリッジ、凝縮ユニット、第２の導管、熱交換器、および分配マニホールドによって画定されるループを循環し、
液体ブリッジが、液体状態の冷却媒体を、第１の導管から第２の導管または分配マニホールドに凝縮ユニットを通さずに移送する、受動冷却システム。

【請求項2】

複数の発熱部品に熱的に接続された複数の熱交換器と、分配マニホールドと凝縮ユニットとの間に互いに並列に接続された複数の第１の導管とを備え、複数の第１の導管の各々は、複数の熱交換器のうちの１つと流体的に接続されている、請求項１に記載の受動冷却システム。

【請求項3】

第１の導管の１つに沿って直列に接続された２つ以上の熱交換器を備える、請求項１または２に記載の受動冷却システム。

【請求項4】

複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体的に接続された複数の液体ブリッジを備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の受動冷却システム。

【請求項5】

複数の液体ブリッジのうちの１つは、複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドの各々に流体的に接続されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の受動冷却システム。

【請求項6】

液体ブリッジが、第１の導管と第２の導管または分配マニホルドとの間に傾斜した角度で配置された管状部材を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の受動冷却システム。

【請求項7】

管状部材は、少なくとも１つのトラップを備える、請求項６に記載の受動冷却システム。

【請求項8】

エンクロージャは、風力タービンまたは太陽光発電システムのナセルである、請求項１乃至７のいずれかに記載の受動冷却システム。

【請求項9】

風力タービンであって、
タワーと、
タワーの上に取り付けられ、密閉された内部容積を画定するナセルと、
回転可能なハブとそれに取り付けられた少なくとも１つのロータブレードを備え、ナセルに取り付けられたロータと、
ナセルの内部容積内に配置された少なくとも１つの発熱部品と、
ナセルの内部容積を冷却するための受動冷却システムと、を含み、
受動冷却システムは、
二相冷却媒体と、
少なくとも１つの発熱部品に熱的に接続された熱交換器と、
発熱部品の下方に配置された分配マニホールドと、
少なくとも１つの発熱部品に熱的に接続され、分配マニホールドおよび凝縮ユニットに流体的に接続された第１の導管と、
凝縮ユニットと分配マニホールドとに流体的に接続された第２の導管と、
ナセルの外部で発熱部品の上方に配置され、第１の導管から二相冷却媒体を受け取り、第２の導管へ二相冷却媒体を送る凝縮ユニットと、
第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体的に接続された液体ブリッジと、
を備え、
二相冷却媒体は、第１の導管、液体ブリッジ、凝縮ユニット、第２の導管、熱交換器、および分配マニホールドによって画定されるループを循環し、
液体ブリッジが、液体状態の冷却媒体を、第１の導管から第２の導管または分配マニホールドに凝縮ユニットを通さずに移送する、風力タービン。

【請求項10】

複数の発熱部品に熱的に接続された複数の熱交換器と、分配マニホールドと凝縮ユニットとの間に互いに並列に接続された複数の第１の導管とを備え、複数の第１の導管の各々は、複数の熱交換器のうちの１つと流体的に接続されている、、請求項９に記載の風力タービン。

【請求項11】

第１の導管の１つに沿って直列に接続された２つ以上の熱交換器を備える、請求項９または１０に記載の風力タービン。

【請求項12】

複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体的に接続された複数の液体ブリッジを備える、請求項９乃至１１のいずれかに記載の風力タービン。

【請求項13】

複数の液体ブリッジのうちの１つは、複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドの各々に流体的に接続されている、請求項９乃至１２のいずれかに記載の風力タービン。

【請求項14】

液体ブリッジが、第１の導管と第２の導管または分配マニホルドとの間に傾斜した角度で配置された管状部材を含む、請求項９乃至１３のいずれかに記載の風力タービン。

【請求項15】

管状部材は、少なくとも１つのトラップを備える、請求項１４に記載の風力タービン。
の風力発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に風力タービンに関し、より詳細には、風力タービン用のマルチサイフォン受動冷却システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

風力発電は、最もクリーンで環境に優しいエネルギー源の一つと考えられており、風力タービンはこの点で注目されている。風力タービン（風力発電機）は、タワー、発電機、ギアボックス、ナセル、および１枚以上のロータブレードから構成されている。ロータブレードは、既知のホイルの原理を利用して風の運動エネルギーを取り込む。ロータブレードは、ロータブレードをギアボックスに、あるいはギアボックスが使用されていない場合は発電機に直接結合しているシャフトを回転させるように、運動エネルギーを回転するエネルギーの形で伝達する。発電機は、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換し、電力網に供給する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第１０５９０９１６号

【0004】

電力の変換には多くの公知の装置（発電機、整流器、インバータ、変圧器など）が使用される。整流器は交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換するために使用され、インバータは直流電流を交流電流に変換するために使用される。整流器やインバータは、太陽光発電所や風力発電所などの再生可能エネルギー発電設備で使用される全電力変換装置（full power conversion assemblies：すなわちパワーコンバータ）に組み込まれるのが一般的である。これらの装置は、発電時に大量の熱を発生させるのが一般的である。少なくともいくつかの既知の発電装置は、主要な発熱部品（熱生成コンポーネント）を冷却するために液体冷却システムを使用している。これらの液体冷却システムは、パワーデバイスを冷却するための作動液体を圧送するためのアクティブポンプを含み、これらのシステムは、ファンおよびバルブも含むことができる。このようなシステムにおいて、液体冷却システムの２つ以上の分岐における作動流体（working liquid）の流量を維持することは、他の分岐における作動流体の流れに対する低い抵抗と比較して、いくつかの分岐における作動流体の流れに対する高い抵抗のために問題がある場合がある。

【0005】

ポンプ、ファンおよび／またはバルブを使用する液冷システムは、アクティブシステム（能動システム）に分類される。アクティブという用語は、ポンプによる液体冷却媒体の循環、またはファンによる強制的な空気の流れの機械的な動作を指す。すべてのアクティブシステムには定期的なメンテナンスが必要であり、これはシステムの信頼性を高めるために重要である。例えば、ポンプが故障すると、冷却システム全体が熱を発生する部品を十分に冷却することができなくなる。このことは、アクセスやメンテナンスの機会が限られる洋上風力タービンでは特に問題となる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の特徴および利点は、以下の説明で部分的に述べられるか、または説明から明らかであるか、または本発明の実施を通じて知ることができるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一態様において、本開示は、受動冷却システム（パッシブ冷却システム）を対象とする。受動冷却システムは、エンクロージャ内に位置する発熱部品に熱的に結合された熱交換器と、熱交換器の下に位置する分配マニホールドと、エンクロージャの外部で熱交換器の上に位置する凝縮ユニット（condensing unit）と、熱交換器に熱的に接続された第１の導管と、を含む。第１の導管は、分配マニホールドと凝縮ユニットとに流体的に接続されている。冷却システムはまた、凝縮ユニットと分配マニホールドに流体接続された第２の導管と、第１の導管と第２の導管または分配マニホールドに流体接続された液体ブリッジと、第１の導管、液体ブリッジ、凝縮ユニット、第２の導管、熱交換器、および分配マニホールドによって規定されるループを通って循環する二相冷却媒体（two-phase cooling medium）を含む。このように、液体ブリッジは、液体状態の冷却媒体を第１の導管から第２の導管または分配マニホールドに移送する。

【0008】

実施形態において、冷却システムは、複数の発熱部品に熱的に接続された複数の熱交換器と、分配マニホールドと凝縮ユニットとの間に並列に接続された複数の第１の導管とを含んでもよい。このような実施形態では、複数の第１の導管の各々は、複数の熱交換器のうちの１つと流体的に接続されてもよい。別の実施形態では、冷却システムは、第１の導管の１つに沿って直列に接続された２つ以上の熱交換器を含んでもよい。

【0009】

さらなる実施形態では、冷却システムは、複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体接続された複数の液体ブリッジを含むこともできる。

【0010】

追加の実施形態において、複数の液体ブリッジのうちの１つは、複数の第１の導管及び第２の導管の各々又は分配マニホールドに流体的に接続されてもよい。

【0011】

特定の実施形態において、液体ブリッジは、第１の導管と第２の導管又は分配マニホルドとの間に傾斜した角度で配置された管状部材であってよい。代替の実施形態において、管状部材は、少なくとも１つのトラップを含んでもよい。

【0012】

実施形態において、エンクロージャは、風力タービンまたは太陽光発電システムのナセルを含んでもよい。このような実施形態では、凝縮ユニットは、ナセルの頂部に固定されてもよい。別の実施形態では、発熱部品（複数可）は、発電機ロータ、発電機ステータ、ギアボックス、変圧器、インバータ、コンバータ、またはそれらの組合せを含んでもよい。さらに別の実施形態では、冷却システムは、エンクロージャ内のポンプまたはファンを欠いていてもよい。エンクロージャ内にポンプもファンも有していない冷却システムが提供できる。

【0013】

別の態様において、本開示は、風力タービンを対象としている。風力タービンは、タワーと、タワーの頂上に取り付けられ、囲まれた内部容積を画定するナセルと、ナセルに取り付けられ、回転可能なハブ及びそれに取り付けられた少なくとも１つのロータブレードを有するロータと、ナセルの内部容積内に配置された少なくとも１つの発熱部品と、ナセルの内部容積を冷却する受動冷却システムとを含んでいる。冷却システムは、少なくとも１つの発熱部品に熱的に結合された熱交換器と、熱交換器の下に位置する分配マニホールドと、ナセルの外部で熱交換器の上に位置する凝縮ユニットと、熱交換器、分配マニホールドおよび凝縮ユニットに流体接続された第１の導管と、凝縮ユニットと分配マニホールドに流体接続された第２の導管と、第１の導管と第２の導管または分配マニホールドに流体接続された液体ブリッジと、第１の導管、液体ブリッジ、凝縮ユニット、第２の導管、熱交換器、分配マニホールドによって画定されたループを通って循環する二相冷却媒体とを備えている。したがって、液体ブリッジは、液体状態の冷却媒体を第１の導管から第２の導管または分配マニホールドに移送する。風力タービンは、本明細書に記載された追加の特徴のいずれかを含むこともできることをさらに理解されたい。

【0014】

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の請求項を参照することにより、よりよく理解されるであろう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示し、説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つものである。

【0015】

当業者に向けられた、その最良の態様を含む本発明の完全かつ有効な開示は、添付の図を参照する明細書に記載されている。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示による風力タービンの一実施形態を示す透視図である。

【図2】本開示による冷却システムの一実施形態を示す概略図である。

【図3】本開示による冷却システムの他の実施形態を示す概略図である。

【図4】本開示による第１の導管と、発熱部品に熱的に接続された熱交換器とを示す概略図である。

【図5】本開示による受動冷却システムのさらに別の実施形態の概略図であり、特に、第１の導管および分配マニホールドに流体的に接続された液体ブリッジを図示している。

【図6】本開示による受動冷却システムの液体ブリッジの一実施形態の概略図である。

【図7】本開示による受動冷却システムの他の実施形態を示す概略図である。

【図8】本開示による受動冷却システムの液体ブリッジの別の実施形態の概略図である。

【図9】本開示による受動冷却システムのさらに別の実施形態の概略図であり、特に、複数の第１の導管および分配マニホールドに流体接続された複数の液体ブリッジを図示している。

【発明を実施するための形態】

【0017】

次に、本発明の実施形態について詳細に言及するが、その１つ以上の例が図面に示されている。各実施例は、本発明の説明のために提供されるものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明において様々な修正および変形を行うことができることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として図示または説明された特徴は、別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に入るような修正および変形を包含することを意図している。

【0018】

一般に、本開示は、発熱部品を冷却するための少なくとも１つの液体ブリッジを有するマルチサイフォン冷却システムに向けられている。本明細書に記載される冷却システムは、風力タービンに特に適している場合がある。しかし、冷却システムは、太陽光、水力、エネルギー貯蔵など、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない、追加の用途にも適している可能性があることを理解されたい。

【0019】

一般に熱サイフォン（thermosiphon：サーモサイフォン）とは、液体から蒸気への相変化（例えば沸騰）によって電気機械や電子部品から熱を放散させる受動的な単相または二相冷却システムのことを指す。液体と蒸気の混合物は浮力により受動的に上昇し、凝縮器に至り、そこで混合物は液体に戻り、重力により再び発熱部品に流れ落ちる。このサイクルは、部品から熱を受動的に除去し続ける。本開示では、この概念を、それぞれがそれに関連する熱交換器を有する複数の発熱部品に拡張し、それらを並列／直列構成で接続して、受動的な高熱伝達冷却システム（マルチサイフォンと呼ぶ）を形成している。実施形態において、冷却システムは、完全に受動的であってもよく、したがって、例えばエンクロージャ内で冷却流体を循環させるためのポンプもファンも必須ではない。したがって、風力タービン機械ヘッドにマルチサイフォンシステムを提供することによって、ポンプ及び／又はブロワを排除し、熱交換器のサイズを小さくし、それによって機械ヘッドの全体の体積及び重量を減少させることができる。また、冷却液の循環に必要な電力が不要になる。このように、本明細書に記載された冷却システムは、信頼性が高く、メンテナンスが必要であるとしても、ほとんど必要ない。

【0020】

本明細書で議論される態様は、１つ以上の冷却ループを含む熱サイフォンを有する冷却及び放熱システムを開示し、各冷却ループは、発熱部品と熱的に結合された少なくとも１つの熱交換器を含む。このような冷却システムは、例えば、風力タービン、太陽光発電システムなどの電力コンバータ（電力変換器）、インバータ、変圧器、ギアボックス、または発電機の熱管理に使用することができる。さらに、冷却及び放熱システムは、密閉型モータ（例えば、ピッチ又はヨードドライブ）等の熱管理に用いられてもよい。冷却システムは、第１の導管、凝縮ユニット、第２の導管、分配マニホールド、及び、ループに接続された少なくとも１つの液体ブリッジを含む。液体ブリッジは、蒸発器からの液体－蒸気上昇塔（ライザー：riser）と液体凝縮下降塔（ダウンカマー：downcomer）の間の流体接続を意味する。このように、液体ブリッジは上昇する液－蒸気混合物から液体を分離し、入口側に戻す役割を果たす。また、液体ブリッジは、流体のための並列経路を提供することにより、システム内の圧力損失を低下させる。ブリッジは、斜めに傾いた単一のチューブでライザーとダウンカマーをつなぐか、熱源（蒸発器など）ごとに少なくとも１つまたは複数のブリッジをつなぐことができる。ブリッジは、液体－蒸気分離を改善するために、Ｐトラップなどの１つ以上のトラップによって強化することも可能である。さらに、本開示の液体ブリッジは、蒸発器を通って流れる総冷媒質量流量を低減し、したがって、蒸発器の熱負荷を低減し、それによって、そのサイズ及び／又はコストを低減することもできる。

【0021】

凝縮器は、発熱部品に関連する第１及び第２の導管及び熱交換器の上方に配置される。本明細書で使用される「上方」という用語は、凝縮器が第１の導管及び発熱部品に対して物理的に高い位置に配置されることを意味することに留意されたい。したがって、凝縮器は、第１の導管から二相流体を受け取り、抽出された熱を周囲雰囲気に放散して単相流体を生成するために使用される。本明細書では、「単相流体」という用語は、液体媒体を指すことに留意されたい。同様に、用語「二相流体」は、液体媒体と気体媒体の混合物又は気体媒体のみを指す場合がある。

【0022】

ここで図面を参照すると、図１は、風力タービン１０の側面図を示している。図示されるように、風力タービン１０は、一般に、支持面１４（例えば、地面、コンクリートパッド、海上プラットフォーム、または他の任意の適切な支持面）から延びるタワー１２を含む。さらに、風力タービン１０は、タワー１２に取り付けられたナセル１６と、ナセル１６に結合されたロータ１８とを含むこともできる。ロータ１８は、回転可能なハブ２０と、ハブ２０に結合され、ハブ２０から外側に延びる少なくとも１つのロータブレード２２とを含む。例えば、ロータ１８は、（図示のように）３つのロータブレード２２を含んでもよい。しかしながら、ロータ１８は、３つよりも多い又は少ないロータブレード２２を含んでもよい。各ロータブレード２２は、ロータ１８を回転させて風の運動エネルギーを使用可能な機械エネルギー、次いで電気エネルギーに変換できるようにするために、ハブ２０に対して間隔を空けて配置されている。例えば、ハブ２０は、ナセル１６内に配置された電気発電機（図示せず）に回転可能に結合されて、電気エネルギーが生成されることを可能にする。

【0023】

ここで図２を参照すると、本開示による受動冷却システム２００の一実施形態の概略図が図示されている。風力タービンのナセル（またはエンクロージャ）１６内の様々な構成要素は、冷却される必要がある。例えば、そのような熱を発生する構成要素は、変圧器２０１、コンバータ２０２、ギアボックス２０３、又は発電機２０４（発電機ロータ及び／又は発電機ステータの両方を含む）を含むことができる。図２に示された特定の構成要素は一例であり、ナセルは、特定の発熱構成要素を省略してもよいし、他の構成要素を追加してもよい。例えば、ダイレクトドライブ風力タービンは、ロータが発電機に直接接続されているため、ギアボックスを有さず、本実施形態ではギアボックスが省略されることになる。図２に示すように、すべての発熱部品２０１－２０４は、エンクロージャ１６内に配置または収容される。

【0024】

各発熱部品２０１－２０４は、第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’に熱的に接続され、第１の導管は、エンクロージャ１６の外部で発熱部品２０１－２０４の上に位置する分配マニホールド２２０及び凝縮ユニット２３０に流体的に接続されている。第２の導管２４０は、凝縮ユニット２３０と分配マニホールド２２０とに流体的に接続されている。導管２１０、２４０の１つ以上には、発熱部品２０１－２０４から熱エネルギーを吸収して発熱すると気体状になって上昇し、凝縮ユニット２３０で冷却すると冷却媒体が液体状に戻る二相冷却媒体が収容されている。

【0025】

第１のループは、第１の導管２１０’、変圧器２０１、凝縮ユニット２３０、第２の導管２４０、及び分配マニホールド２２０で構成される。第２のループは、第１の導管２１０’’、コンバータ２０２、凝縮ユニット２３０、第２の導管２４０、および分配マニホールド２２０で構成される。第３のループは、第１の導管２１０’’’、ギアボックス２０３、発電機２０４、凝縮ユニット２３０、第２の導管２４０、及び分配マニホールド２２０で構成される。複数の第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’は、分配マニホールドと凝縮ユニットとの間に並列流路を形成する。個々の経路は、第１の導管２１０’’’とギアボックス２０３と発電機２０４とで示すように、直列に接続された発熱部品を有していてもよい。冷却媒体は、分配マニホールド２２０において液体状態であり、重力が液体冷却媒体を集めて分配マニホールド２２０に戻すのに使用されるので、分配マニホールド２２０はシステムにおいて最も低位置の要素である。液体冷却媒体は、第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’の下側部分にも存在する。風力タービン１０が作動すると、発熱部品２０１－２０４が熱を発生し、それが冷却媒体に伝達される。冷却媒体は、気体状態に相変化し、気体が凝縮ユニット２３０に向かって第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’内を上昇する際に、自然に熱サイフォンを形成することになる。

【0026】

前述のように、凝縮ユニット２３０は、エンクロージャ１６（又はナセル）の外部に配置され、風による自然対流冷却に曝される。いくつかの実施形態では、凝縮ユニット２３０は、二相流体又はガスと周囲空気との間の熱伝達を強化するために、ナセル１６の外部にファンを含むこともできる。このようなシステムは、ナセル内部に存在する発熱部品から全ての熱を除去するには風速が不十分である場合に有用である可能性がある。凝縮ユニット２３０内の気体冷却媒体は、冷却されて、気体状態よりも高密度である液体状態に相変化して戻る。この液体冷却媒体は、第２の導管２４０を通って分配マニホールド２２０に向かって流れる。対流の自然力（natural forces of convection）は、冷却媒体の循環の駆動力となる。高温の蒸気は凝縮ユニット２３０まで上昇し、低温の液体は第２の導管２４０を経由して分配マニホールド２２０に流れる。したがって、冷却システム２００は、システム２００全体、すなわちナセル１６内で冷却媒体を循環させるために、ポンプまたはファンを使用する必要がない。より高温の発熱部品（hotter components）はまた、第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’を通過する冷却媒体の流量を自己制御する。

【0027】

依然として図２を参照すると、冷却システム２００は、第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’と凝縮ユニット２３０との間に介在され、流体的に接続された蒸気拡散器（vapor spreader）２５０も含んでもよい。特定の実施形態では、蒸気拡散器２５０は、気体の冷却媒体が膨張して凝縮ユニット２３０を効率的に満たすことを可能にするディフューザであってよい。さらに、実施形態において、蒸気拡散器２５０は、蒸気の圧力を低下させ、その凝縮温度を低下させることもできる。さらに、蒸気拡散器２５０は、エンクロージャ１６内に収容されてもよく、一部のみがエンクロージャ１６内に収容され、外部に出る部分があってもよく、全体がエンクロージャの外部に出ていてもよい。別の実施形態では、蒸気拡散器２５０は、（図２に示すように）エンクロージャ／ナセル１６に取り付けられてもよく、又は凝縮ユニット２３０は、エンクロージャ／ナセル１６に取り付けられてもよい。

【0028】

本明細書に記載の二相冷却媒体は、非限定的な例として、約６ｂａｒ以下の典型的な動作圧力において、約６０℃以下の沸点を有していてもよい。さらに、沸点の温度範囲は、電子部品（例えば、変圧器、コンバータなど）を十分に冷却し、それらが過熱するのを防ぐように選択されてもよい。より高い沸点を有する冷却剤（例えば、１００℃の沸点を有する水）は、気体に相変化する前に熱くなりすぎ、電子部品の温度超過の状況をもたらす。したがって、満足できる冷却媒体の例としては、ドデカフルオロ－２－メチルペンタン－３－オン（例えば、３Ｍ社のＮｏｖｅｃ６４９、「Ｎｏｖｅｃ」は３Ｍ社の商標）、Ｎｏｖｅｃ７０００、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ１２３３ｚｄ（ｅ）、または化学組成がＣＦ３ＣＦ２Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２である流体を挙げることができる。他の環境に優いとは言えない代替物ではあるが、１、１、１、２－テトラフルオロエタン、Ｒ－１３４ａ、２、３、３、３－テトラフルオロプロペン、またはＨＦＯ－１２３４ｙｆ（1,1,1,2-tetrafluoroethane, R-134a, 2,3,3,3-Tetrafluoropropene, or HFO-1234yf）であり得るが、これらは所望の期間または所望の温度範囲において液体状態で存在しない可能性がある。

【0029】

ここで図３を参照すると、本開示による冷却システム３００の別の実施形態の概略図が示されている。図示のように、凝縮ユニット２３０は、エンクロージャ又はナセル１６に取り付けられ、蒸気拡散器（図２に示されるように）は省略される。さらに、示されるように、第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’は、凝縮ユニット２３０に流体的に直接接続する。この実施形態（及び図２に示す実施形態）の利点は、ナセル１６を密閉することができることである。ナセル１６に空気を入れる外部通気口は必要なく、これは、砂地、埃の多い、または塩水の多い環境（salt-water environments）において利点となり得る。さらに、密閉されたナセルは、汚染物質がナセルの内部に入ることを低減または排除することができ、これは、そこに収容される様々な構成要素（すなわち、発電機ロータ、発電機ステータ、変圧器、コンバータなど）にとって有利になる。本明細書に記載の冷却システム２００、３００の別の利点は、自然対流を可能にするために、凝縮ユニット２３０が第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’の上部より高くあればよいということであろう。これにより、凝縮ユニット２３０は、ナセル１６の上部に直接取り付けることができる。言い換えれば、システムが適切に機能するために、凝縮ユニット２３０と発熱部品２０１－２０４との間の大きなまたは実質的な高さの差は必要ない。ナセル１６より上の高さで受ける風の荷重を考慮すると、凝縮ユニット２３０を恒久的に（例えば、ポールの上に）持ち上げておくことは問題がある場合がある。したがって、凝縮ユニット２３０は、ナセルに直接、または蒸気拡散器２５０を介してナセルに取り付けられると、より安定し、安全で信頼性が高い。さらに、凝縮ユニット２３０を風の流れに垂直な方向に向けることで、電動ファンの必要性がなくなる。風が減少した速度で吹いているとき、放散するための関連する熱負荷もまた減少することになる。

【0030】

ここで図４を参照すると、本開示による発熱部品２０３に熱的に接続された第１の導管２１０’’及び熱交換器４６０の概略図が示されている。示されるように、熱交換器４６０は、部品２０３と熱的に接続された第１の導管２１０’’’のループ又はスパイラルであってもよく、又は熱交換器は、熱伝達媒体を循環させる別個の冷却ループを含んでもよい。例えば、熱交換器４６０は、構成要素２０３内又はその周囲を通過する熱伝達ループ４６１を含んでもよい。ループ４６１は、第１の導管２１０’’’に対して対向流配置（counter-flow arrangement：図示のように）、又はループ４６１内の熱伝達媒体が第１の導管２１０’’’内の流れに対して概ね直交して移動する交差流配置（cross flow arrangement）で構成されてもよい。ループ４６１及び導管２１０’’’はまた、両方の流れが同じ方向に移動する並列流配置（parallel-flow arrangement）で構成されてもよい。ループ４６１内の熱伝達媒体は、空気又は流体であってよく、流体ループ２０３及び第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’内の流体が、並列方向又は互いに交差する交互の通路を流れる平行プレート熱交換器を用いて、第１の導管２１０’、２１０’’’を流れる流れと熱交換することができる。他のタイプの熱交換器もまた、クロスフロー熱交換器（cross-flow heat exchangers）を含むことができるが、これらに限定されるものではない。部品２０３から熱交換器４６０への熱伝達は、放射性または伝導性の効果によって起こることもある。例えば、高熱伝導性材料（例えば、銅又はアルミニウム）を構成部品２０３に取り付けることができ、第１の導管２１０’、２１０’’、２１０’’’は、高熱伝導性材料内に埋め込まれるか又は高熱伝導性材料に取り付けられてもよい。部品２０３に接続された高熱伝導性材料は、入口及び出口で第１の導管２１０に流体的に接続された内部流導管又はチャネルを有することもできる。内部流導管又はチャネルは、発熱部品から流体への熱伝達を強化する表面積を増加させるために、拡張された表面を有していてもよい。追加の熱交換器４６０（及びそれぞれの第１の導管）は、冷却されることが望まれる各発熱部品に熱的に取り付けられてもよい。

【0031】

ここで図５を参照すると、本開示による受動冷却システム４００のさらに別の実施形態の概略図が図示されている。示されるように、受動冷却システム４００は、例えば風力タービン１０のナセル１６などのエンクロージャ４０４内に配置された１つ以上の熱生成部品に関連する１つ以上の熱交換器４０２を含む。例えば、本明細書で説明するように、実施形態では、発熱部品（複数可）は、風力タービン１０の発電機２０４（例えば、発電機ロータ又は発電機ステータ）、ギアボックス２０３、変圧器２０１、コンバータ２０２、又はそれらの任意の組み合わせを含んでもよい

【0032】

さらに、図示のように、冷却システム４００は、熱交換器４０２の下方に位置する分配マニホールド４０６と、エンクロージャ４０４の外部で熱交換器４０２の上方に位置する凝縮ユニット４０８とを含む。さらに、図示のように、冷却システム４００は、熱交換器４０２の各々に流体的に接続された第１の導管４１０を含む。さらに、図示のように、第１の導管４１０は、分配マニホールド４０６及び凝縮ユニット４０８に流体的に接続されている。例えば、図示のように、冷却システム４００は、分配マニホールド４０６と凝縮ユニット４０８との間に並列に接続された複数の第１の導管４１０を含んでもよい。このような実施形態では、示されるように、複数の第１の導管４１０の各々は、複数の熱交換器４０２のうちの１つと流体的に接続されてもよい。別の実施形態では、冷却システム４００は、第１の導管４１０の１つに沿って直列に接続された２つ以上の熱交換器４０２を含んでもよい。

【0033】

依然として図５を参照すると、冷却システム４００は、凝縮ユニット４０８及び分配マニホールド４０６に流体的に接続された第２の導管４１２も含む。更に、示されるように、冷却システム４００は、第１の導管４１０及び第２の導管４１２の各々又は分配マニホールド４０６に流体的に接続された少なくとも１つの液体ブリッジ４１４を含む。より具体的には、示されるように、冷却システム４００は、複数の第１の導管４１０及び第２の導管４１２又は分配マニホルド４０６に流体接続された複数の液体ブリッジ４１４を含んでもよい。特定の実施形態では、示されるように、複数の液体ブリッジ４１４のうちの１つは、複数の第１の導管４１０及び第２の導管４１２の各々又は分配マニホールド４０６に流体的に接続されてもよい。したがって、二相冷却媒体（例えば、蒸気から液体）は、熱交換器４０２、第１の導管４１０、液体ブリッジ４１４、凝縮ユニット４０８、第２の導管４１２、及び分配マニホールド４０６によって画定されるループを通って循環させることができる。このように、液体ブリッジ４１４は、液体状態の冷却媒体を第１の導管４１０から第２の導管４１２又は分配マニホールド４０６に移送する。

【0034】

より詳細には、図６に示すように、マルチサイフォン冷却システム４００の一部の詳細な概略図が図示されており、特に液体ブリッジ４１４の一実施形態が描かれている。図示された実施形態では、例として、液体ブリッジ４１４は、熱交換器４０２の１つからの上昇液体・蒸気カラム（rising liquid-vapor column、すなわち、１つまたは複数の第１の導管４１０）と下降液体凝縮カラム（descending liquid condensate column、すなわち、第２の導管４１２又は分配マニホルド４０６）との間に流体接続を提供する。より具体的には、図示のように、１つまたは複数の第１の導管４１０は、液体を捕捉するためのスプリッタ４１６を含んでもよい。例えば、特定の実施形態では、スプリッタ４１６は、サイクロン式スプリッタ又はシェブロン式デミスタ（cyclonic splitter or a chevron demister）であってもよい。同様に、第２の導管４１２又は分配マニホルド４０６は、捕捉された液体を受け取り、当該液体を下降する液体凝縮液と混合するためのミキサー４１８を含んでもよい。このように、本明細書に記載される液体ブリッジ（複数可）４１４は、上昇する液体－蒸気混合物から液体を分離し、当該液体を冷却システム４００の入口側に戻す役割を果たす。本明細書に記載される液体ブリッジ（複数可）４１４はまた、流体のための並列な経路を提供することによって、システム４００における圧力損失を低下させる。

【0035】

ここで図７を参照すると、冷却システム４００の別の実施形態の模式図が示されている。示されるように、冷却システム４００の発熱部品は、発電機２０４のステータ２０５であってよい。より詳細には、図示するように、ステータ２０５は、ステータの外径を包む熱サイフォン・ジャケット２０６を含む。更に、図示のように、ジャケット２０６は、その外周に沿ってステータ２０５の底部から頂部まで延びる１つ又は複数のチャネル２１１を含むこともできる。より具体的には、図示のように、複数のチャネルは並列に配置され、入口及び出口マニホールド２０７、２０９によって上部及び下部において接続されてもよい。したがって、このような実施形態では、ステータ２０５からの熱によって、ジャケット２０６内の液体が蒸気に変換される。さらに、図示のように、蒸気は、ステータ２０５の上部に受動的に上昇し、マニホールド２０７で収集される。収集された蒸気は、浮力と凝縮ユニット４０８での低温の空気との熱接触により、さらに受動的に上昇する。蒸気は凝縮して液状に戻り、入口マニホールド２０９に戻されてサイクルが継続される。図７には図示されていないが、冷却システム４００は、本明細書に記載されるような液体ブリッジを含むこともでき、これは、出口マニホールド２０７において液体を蒸気から分離し、それによって、凝縮器を通過させて液体を入口マニホールド２０９に戻す役割を果たす。このやり方（provision）は、熱サイフォン質量流量（thermosiphon mass flow rate）を改善するためにシステムの圧力損失を低減し、したがって、システムの熱性能を向上させる。

【0036】

ここで図８及び図９を参照すると、本明細書に記載される受動冷却システム４００の液体ブリッジ４１４の異なる実施形態が図示されている。特に、図８に示すように、本明細書に記載の液体ブリッジ（複数可）４１４は、第１の導管４１０と第２の導管４１２または分配マニホルド４０６との間に角度（例えば０－９０度の範囲）で傾斜した管状部材４２０であってもよい。別の実施形態では、図９に示すように、本明細書に記載の液体ブリッジ（複数可）４１４は、液体・蒸気分離を改善するために、Ｐトラップまたはランニングトラップなどの１つまたは複数のトラップ４２２も含んでもよい。したがって、そのような実施形態では、そのようなトラップ（複数可）４２２は、液体ブリッジを通る蒸気の流れを阻止するように構成される。

【0037】

本明細書および特許請求の範囲を通して使用される近似語は、それが関連する基本機能の変化をもたらすことなく許容的に変化し得る任意の定量的表現を修正するために適用されることができる。したがって、「約」、及び「実質的に」などの用語によって修正された値は、指定された正確な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似的な言語は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。本明細書および特許請求の範囲全体を通じて、範囲の限定は、組み合わせおよび／または交換することができ、そのような範囲は、文脈または言語が他に示さない限り、特定され、そこに含まれるすべての下位範囲を含む。範囲の特定の値に適用されるこのような用語は、両方の値に適用され、値を測定する機器の精度に依存しない限り、記載された値（複数可）の±１０％を示すことがある。

【0038】

本発明の様々な態様および実施形態は、以下の番号付けされた実施態様によって定義される。
［実施態様１］
受動冷却システムであって、
エンクロージャ内に設置された発熱部品に熱的に接続された熱交換器と、
熱交換器の下に配置された分配マニホールドと、
エンクロージャの外部で熱交換器の上部に配置された凝縮器と、
熱交換器、分配マニホールド、および凝縮ユニットに流体的に接続される第１の導管と、
凝縮ユニットと分配マニホールドに流体的に接続された第２の導管と、
第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体的に接続された液体ブリッジと、
第１の導管、液体ブリッジ、凝縮ユニット、第２の導管、熱交換器、および分配マニホールドによって画定されるループを循環する二相冷却媒体と、
を含み、
液体ブリッジが、液体状態の冷却媒体を、第１の導管から第２の導管または分配マニホールドに移送する、受動冷却システム。
［実施態様２］
複数の発熱部品に熱的に接続された複数の熱交換器と、分配マニホールドと凝縮ユニットとの間に互いに並列に接続された複数の第１の導管とを備え、複数の第１の導管の各々は、複数の熱交換器のうちの１つと流体的に接続されている、実施態様１に記載の受動冷却システム。
［実施態様３］
第１の導管の１つに沿って直列に接続された２つ以上の熱交換器を備える、実施態様２に記載の受動冷却システム。
［実施態様４］
複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体的に接続された複数の液体ブリッジを備える、実施態様２に記載の受動冷却システム。
［実施態様５］
複数の液体ブリッジのうちの１つは、複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドの各々に流体的に接続されている、実施態様４に記載の受動冷却システム。
［実施態様６］
液体ブリッジが、第１の導管と第２の導管または分配マニホルドとの間に傾斜した角度で配置された管状部材を含む、実施態様１乃至５に記載の受動冷却システム。
［実施態様７］
管状部材は、少なくとも１つのトラップを備える、請求項６に記載の受動冷却システム。
［実施態様８］
エンクロージャは、風力タービンまたは太陽光発電システムのナセルである、実施態様１乃至７に記載の受動冷却システム。
［実施態様９］
凝縮ユニットは、ナセルの上部に固定される、実施態様８に記載の受動冷却システム。
［実施態様１０］
発熱部品は、発電機ロータ、発電機ステータ、ギアボックス、変圧器、インバータ、またはコンバータの少なくとも１つを含む、実施態様１乃至９に記載の受動冷却システム。
［実施態様１１］
冷却システムは、エンクロージャ内部にポンプまたはファンを有しないことを特徴とする実施態様１乃至１０に記載の受動冷却システム。
［実施態様１２］
風力タービンであって、
タワーと、
タワーの上に取り付けられ、密閉された内部容積を画定するナセルと、
回転可能なハブとそれに取り付けられた少なくとも１つのロータブレードを備え、ナセルに取り付けられたロータと、
ナセルの内部容積内に配置された少なくとも１つの発熱部品と、
ナセルの内部容積を冷却するための受動冷却システムと、を含み、
受動冷却システムは、
少なくとも１つの発熱部品に熱的に接続された熱交換器と、
発熱部品の下方に配置された分配マニホールドと、
ナセルの外部で発熱部品の上方に配置された凝縮ユニットと、
少なくとも１つの発熱部品に熱的に接続され、分配マニホールドおよび凝縮ユニットに流体的に接続された第１の導管と、
凝縮ユニットと分配マニホールドとに流体的に接続された第２の導管と、
第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体的に接続された液体ブリッジと、
第１の導管、液体ブリッジ、凝縮ユニット、第２の導管、熱交換器、および分配マニホールドによって画定されるループを循環する二相冷却媒体と、
を備え、
液体ブリッジが、液体状態の冷却媒体を、第１の導管から第２の導管または分配マニホールドに移送する、風力タービン。
［実施態様１３］
複数の発熱部品に熱的に接続された複数の熱交換器と、分配マニホールドと凝縮ユニットとの間に互いに並列に接続された複数の第１の導管とを備え、複数の第１の導管の各々は、複数の熱交換器のうちの１つと流体的に接続されている、実施態様１２に記載の風力タービン。
［実施態様１４］
第１の導管の１つに沿って直列に接続された２つ以上の熱交換器を備える、実施態様１３に記載の風力タービン。
［実施態様１５］
複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドに流体的に接続された複数の液体ブリッジを備える、実施態様１３に記載の風力タービン。
［実施態様１６］
複数の液体ブリッジのうちの１つは、複数の第１の導管および第２の導管または分配マニホールドの各々に流体的に接続されている、実施態様１５に記載の風力タービン。
［実施態様１７］
液体ブリッジが、第１の導管と第２の導管または分配マニホルドとの間に傾斜した角度で配置された管状部材を含む、実施態様１２乃至１６のいずれかに記載の風力タービン。
［実施態様１８］
管状部材は、少なくとも１つのトラップを備える、実施態様１７に記載の風力タービン。
［実施態様１９］
凝縮ユニットは、ナセルの上部に固定される、実施態様１２乃至１８のいずれかに記載の風力タービン。
［実施態様２０］
発熱部品は、発電機ロータ、発電機ステータ、ギアボックス、変圧器、インバータ、またはコンバータの少なくとも１つを含む、実施態様１２乃至１９のいずれかに記載の風力タービン。

【0039】

本明細書は、実施例を用いて、最良の態様を含む本発明を開示し、また、当業者が、任意の装置またはシステムの製造および使用ならびに組み込まれた任意の方法の実行を含む本発明を実施できるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に思い浮かぶ他の実施例を含むことができる。そのような他の例は、それらが請求項の文字通りの言語と異ならない構造要素を含む場合、またはそれらが請求項の文字通りの言語と実質的に異ならない同等の構造要素を含む場合、請求項の範囲に含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0040】

１０：風力タービン １２：タワー １４：支持面 １６：ナセル １８：ロータ ２０：ハブ ２２：ロータブレード ２００：受動冷却システム ２０１：変圧器 ２０２：コンバータ ２０３：ギアボックス ２０４：発電機 ２０５：ステータ ２０６：熱サイフォン・ジャケット ２０７：出口マニホールド ２０９：入口マニホールド ２１０’、２１０’’、２１０’’’：第１の導管 ２１１：チャネル ２２０：分配マニホールド ２３０：凝縮ユニット ２４０：第２の導管 ２５０：蒸気拡散器 ４００：受動冷却システム ４０２：熱交換器 ４０４：エンクロージャ ４０６：マニホールド ４０８：凝縮ユニット ４１０：第１の導管 ４１２：第２の導管 ４１４：液体ブリッジ ４１６：スプリッタ ４１８：ミキサー ４２０：管状部材 ４２２：トラップ ４６０：熱交換器 ４６１：ループ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】