JP2003279171A

JP2003279171A - 熱輸送システム

Info

Publication number: JP2003279171A
Application number: JP2002082383A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Miyamoto; 俊輔宮本; Kanichi Kadotani; 門谷▲かん▼一
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】被冷却物の発熱量が変化した場合にも、これ
を効率的に冷却することが可能な熱輸送システムを提供
する。【解決手段】熱輸送システムにおいて、圧縮手段(11)
と、凝縮部(12)と、絞り手段(13)と、蒸発部(14)と、こ
れらを互いに接続して閉回路を構成する循環流路(15)
と、循環流路(15)の内部に封入された冷媒とを備え、圧
縮手段(11)の前後を冷媒が導通する圧縮導通手段と、絞
り手段(13)の前後を冷媒が導通する絞り導通手段とのう
ち少なくとも一つを有することにより、圧縮手段(11)が
圧縮動作をしない場合には、ヒートパイプ動作を行なう
ことを特徴とする熱輸送システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱輸送システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、被冷却物の冷却などに用いら
れる、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用した熱輸送システ
ムが知られている。図９は、従来技術に係る熱輸送シス
テム１０を表しており、以下図９に基づいて従来技術を
説明する。図９において、熱輸送システム１０は、例え
ば圧縮機１１などの圧縮手段と、例えば凝縮器１２など
の凝縮部と、例えば膨張弁１３などの絞り手段と、例え
ば蒸発器１４などの蒸発部とを備え、これらを循環配管
１５などの循環流路によって互いに接続している。循環
配管１５の内部には、代替フロンなどの冷媒が封入され
ている。

【０００３】圧縮機１１を運転させると、循環配管１５
内に封入されている冷媒が、気体の状態で圧縮機１１に
吸い込まれて圧縮され、高温高圧の気体となって凝縮器
１２に送られる。この気体は、凝縮器１２において、例
えば空気や冷却水によって冷却され、凝縮して液体とな
る。冷却されて液化した冷媒は、膨張弁１３を通過する
際に断熱膨張され、蒸発器１４に入る。蒸発器１４に入
った冷媒は、徐々に蒸発することによって、周囲から熱
を奪う。蒸発して気体となった冷媒は、圧縮機１１に吸
入される。

【０００４】このように、図９に係る熱輸送システム１
０は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成している。そし
て、蒸発器１４において、被冷却物との熱交換を行な
い、ここで奪った熱を凝縮器１２で捨てることにより、
被冷却物の効率的な冷却が可能となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術には、次に述べるような問題がある。即ち、蒸気
圧縮式冷凍サイクルは、高効率で大量の熱を冷却するこ
とができるが、圧縮機１１を常に動作させなければ冷却
できない。従って、被冷却物の発熱が変化して、発熱量
が小さくなった場合には、冷却に要するエネルギーが大
きく、効率が低下する。

【０００６】例えば、このような蒸気圧縮式冷凍サイク
ルを、パソコンのＣＰＵの冷却に用いた場合、ＣＰＵが
複雑な計算を行なっているような場合には、ＣＰＵが高
熱になるため、好適な冷却が可能である。ところが、簡
単な計算しか行なっていなかったり、何もしないような
場合には、ＣＰＵがさほど発熱せず、圧縮機１１を動か
して冷却すると、冷却のためのエネルギーが過大となる
ばかりか、過冷却を起こしてしまうこともある。

【０００７】また、例えば特開平９−１１３１５８号公
報には、ヒートパイプを用いて、ＣＰＵを冷却するシス
テムが紹介されている。しかしながら、ヒートパイプの
みを用いるのでは、内部の作動流体を冷却するために広
い放熱面積を必要とするばかりか、冷却能力が低く、Ｃ
ＰＵがフル稼働している場合には冷却が不十分となるこ
とがある。さらに、ヒートパイプでは、被冷却物の温度
を室温以下に下げることは原理的に不可能であり、冷却
できる温度範囲が限られる。

【０００８】本発明は、上記の問題に着目してなされた
ものであり、被冷却物の発熱量が変化した場合にも、こ
れを効率的に冷却することが可能な熱輸送システムを提
供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、本発明は、熱輸送システムにおい
て、圧縮手段と、凝縮部と、絞り手段と、蒸発部と、こ
れらを互いに接続して閉回路を構成する循環流路と、循
環流路の内部に封入された冷媒とを備え、圧縮手段が圧
縮動作をしない場合には、ヒートパイプ動作を行なうよ
うにしている。これにより、被冷却物の発熱量や、冷却
目標温度に合わせて、蒸気圧縮式冷凍サイクルによる熱
輸送とヒートパイプによる熱輸送とを使い分けることが
できる。従って、目的に応じて、効率の良い冷却が可能
である。

【００１０】また、本発明は、圧縮手段が圧縮動作をし
ない場合には、圧縮手段の前後を冷媒が導通する圧縮導
通手段を設けている。これにより、圧縮手段が圧縮動作
をしない場合には、冷媒が圧縮されず、ヒートパイプと
して好適に作用する。

【００１１】また、本発明は、前記圧縮導通手段が、圧
縮手段をバイパスするバイパス手段である。これによ
り、圧縮手段が圧縮動作をしない場合には、冷媒が圧縮
手段をバイパスして流量が増加し、ヒートパイプとして
好適に作用する。

【００１２】また、本発明は、前記圧縮導通手段が、停
止時に冷媒を導通させる構造となっている圧縮手段であ
る。これにより、例えばバイパス手段を設けなくても冷
媒が導通するので、構成が単純になる。

【００１３】また本発明は、圧縮手段が圧縮動作をしな
い場合には、絞り手段の前後を冷媒が導通する絞り導通
手段を設けている。これにより、圧縮手段が圧縮動作を
しない場合には、冷媒が絞り手段によって妨げられるこ
となく導通し、ヒートパイプとして好適に作用する。

【００１４】また、本発明は、前記絞り導通手段が、絞
り手段をバイパスするバイパス手段である。これによ
り、圧縮手段が圧縮動作をしない場合には、冷媒が絞り
手段をバイパスして流量が増加し、ヒートパイプとして
好適に作用する。

【００１５】また、本発明は、前記絞り導通手段が、絞
り度合いを可変とした可変絞り手段である。絞り度合い
を変更することにより、ヒートパイプとして好適に作用
するように、冷媒の流量を最適化することができる。特
に、圧縮導通手段と絞り導通手段とを両方設けた場合に
は、ヒートパイプがループ型となって、より効率の良い
熱輸送が可能となる。

【００１６】また本発明は、循環流路の内壁にウィック
を設けている。これにより、冷媒が毛細現象によってウ
ィックの内部を効率良く移動するため、ヒートパイプの
効率を向上させられる。

【００１７】また本発明は、被冷却物の発熱が大きい場
合には、圧縮手段を圧縮動作させ、小さい場合には圧縮
動作させないようにしている。これにより、被冷却物の
発熱が大きい場合には、蒸気圧縮式冷凍サイクルとして
大量の熱を冷却できる。また発熱が小さい場合には、圧
縮機を停止すると、冷媒が圧縮機内部を通って移動する
ので、ヒートパイプとして作用させることができる。従
って、発熱量に応じて、効率の良い冷却が可能である。

【００１８】また本発明は、被冷却物の冷却目標温度
が、所定温度以下である場合には、圧縮手段を圧縮動作
させ、所定温度以上である場合には圧縮動作させないよ
うにしている。ヒートパイプは、被冷却物を室温以下に
冷却することが不可能であるのに対し、蒸気圧縮式冷凍
サイクルは、被冷却物を室温よりも低い温度まで冷却す
ることが可能である。従って、被冷却物を低温まで冷却
したい場合には、蒸気圧縮式冷凍サイクルを用い、室温
かそれよりも高い温度まで冷却すればよいような場合に
は、ヒートパイプ動作をさせることにより、効率の良い
冷却が可能である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しながら、本発明
に係る実施形態を詳細に説明する。まず、第１実施形態
を説明する。図１は、本実施形態に係る熱輸送システム
１０の構成図を示している。図１において、熱輸送シス
テム１０は、例えば圧縮機１１などの圧縮手段と、例え
ば凝縮器１２などの凝縮部と、例えば膨張弁１３などの
絞り手段と、例えば蒸発器１４などの蒸発部とを備え、
これらを循環配管１５などの循環流路によって互いに接
続している。循環配管１５の内部には、代替フロンなど
の冷媒が封入されている。尚、絞り手段としては膨張弁
１３に限られるものではなく、例えば単なる絞り部や、
キャピラリーチューブを設けてもよい。

【００２０】また熱輸送システム１０は、圧縮機１１を
バイパスする圧縮機バイパス配管１６と、膨張弁１３を
バイパスする膨張弁バイパス配管１７とを備えている。
圧縮機バイパス配管１６及び膨張弁バイパス配管１７に
は、コントローラ２０の指示に基づいて開閉自在の圧縮
部バイパス弁１８及び膨張部バイパス弁１９が、それぞ
れ介挿されている。このバイパス弁１８，１９を開閉す
ることにより、冷媒をバイパス配管１６，１７にバイパ
スさせることが可能である。

【００２１】蒸気圧縮式冷凍サイクルを稼働させる場合
には、バイパス弁１８，１９をいずれも閉状態とし、圧
縮機１１を運転する。これにより、循環配管１５内に封
入されている冷媒が、気体の状態で圧縮機１１に吸い込
まれて圧縮され、高温高圧の気体となって凝縮器１２に
送られる。この気体は、凝縮器１２において、例えば空
気や冷却水や、他の低温物体との接触などによって冷却
され、凝縮して液体となる。

【００２２】冷却されて液化した冷媒は、膨張弁１３を
通過する際に断熱膨張され、蒸発器１４に入る。蒸発器
１４に入った冷媒は、徐々に蒸発することによって、周
囲から熱を奪う。蒸発して気体となった冷媒は、圧縮機
１１に吸入される。このように、図１に係る熱輸送シス
テム１０は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成している。
即ち、蒸発器１４において、被冷却物との熱交換を行な
い、ここで奪った熱を凝縮器１２で捨てることにより、
被冷却物の効率的な冷却が可能となっている。

【００２３】また熱輸送システム１０は、被冷却物又は
冷媒の温度を測定する温度センサ２１を備えている。そ
して、被冷却物の発熱量と冷却システムの熱輸送能力と
を判断し、被冷却物の発熱量が少ない場合には、バイパ
ス弁１８，１９に信号を出力し、圧縮機１１の圧縮動作
を停止させるとともに、バイパス配管１６，１７側を開
状態とする。これにより、熱輸送システム１０は、冷媒
を作動流体としたループ型ヒートパイプとして作用す
る。即ち、被冷却物が発熱すると、冷媒は蒸発器１４で
その熱を受け取って蒸発し、蒸気となる。蒸気は、破線
の矢印に示すように、例えば図１中時計回りに循環配管
１５を流れ、圧縮機バイパス配管１６を通って、凝縮器
１２に達する。ここで作動流体は、凝縮熱を放出して液
体に戻る。そして、毛細管現象に代表される表面張力に
よって膨張弁バイパス配管１７を通って、蒸発器１４に
戻る。

【００２４】或いは、被冷却物の冷却目標温度に応じ
て、圧縮機１１に圧縮動作を行なわせるか否かを判定す
る場合もある。即ち、ヒートパイプは室温以下に被冷却
物を冷却することができないので、冷却目標温度が室温
よりも低い場合には、必ず圧縮機に圧縮動作を行なわせ
る必要がある。バイパス配管１６，１７側を開状態とす
る

【００２５】以上説明したように第１実施形態によれ
ば、圧縮機１１及び膨張弁１３をバイパスするバイパス
配管１６，１７を設けることにより、蒸気圧縮式冷凍サ
イクルの熱搬送システムを、ヒートパイプとしても作用
させることができる。蒸気圧縮式冷凍サイクルは、冷却
能力が高いが、冷却のために必要なエネルギーも大き
く、被冷却物の発熱が小さい場合には、エネルギーの無
駄が生じることがある。

【００２６】従って、被冷却物の発熱が小さい場合に
は、圧縮機１１を止めてヒートパイプとして作用させる
ことにより、小さなエネルギーによって、充分な冷却を
行なうことが可能となっている。また、コントローラ２
０によって被冷却物の温度を測定し、圧縮機１１を動作
させるか否かを決定しているので、常に適切な冷却手段
の選択が可能である。

【００２７】また、第１実施形態の他の例として、図２
に示すように、膨張弁バイパス配管１７を設けず、絞り
手段を例えばＰＺＴ素子などを用いて絞り度合いを可変
とした、可変膨張弁２８としてもよい。即ち、圧縮機１
１を動作させる場合には、膨張弁１３を絞り気味にして
断熱膨張が好適に行なわれるようにする。また圧縮機１
１を止めた場合には、膨張弁１３を開き気味にして冷媒
の通過をスムーズにし、ヒートパイプの動作効率を向上
させる。

【００２８】尚、上記実施形態では、圧縮機の非圧縮動
作時に、圧縮機１１及び膨張弁１３をいずれも冷媒が導
通するようにするように説明したが、圧縮機１１及び膨
張弁１３のうち、いずれか一方のみをバイパスするよう
にしてもよい。即ち、バイパス配管１６，１７のうち、
例えば圧縮機バイパス配管１６のみを設けて、膨張弁バ
イパス配管１７を設けなくてもよい。この場合、循環配
管１５が、気体状態の冷媒と液体状態の冷媒が、同時に
逆方向に流れるだけの太さを有しているならば、非ルー
プ型のヒートパイプが形成され、熱交換は行なわれる。
しかしながら、第１実施形態及び以下の実施形態のよう
に、圧縮機１１の非圧縮動作時に、圧縮機１１及び膨張
弁１３をいずれも冷媒が導通するようにすることによ
り、ループ型のヒートパイプが構成される。これによ
り、例えば単管などの非ループ型ヒートパイプに比べて
冷媒の流量が増大し、熱輸送能力が非常に高まるという
優れた効果がある。

【００２９】また、第１実施形態の他の例として、図３
に示すように、バイパス配管１６，１７と循環配管１５
とを、それぞれ三方弁２９，３０によって接続してもよ
い。このようにするならば、三方弁２９，３０の開方向
を切り替えることにより、冷媒は、圧縮機１１及び膨張
弁１３を通過するか、バイパス配管を通過するかのいず
れか一方となる。その結果、ヒートパイプ動作の際に、
冷媒が圧縮機１１や膨張弁１３を通過することがない。

【００３０】次に、第２実施形態を説明する。図４に、
第２実施形態に係る熱輸送システム１０の構成図を示
す。図４において、熱輸送システム１０は、圧縮機２２
をバイパスする圧縮機バイパス配管１６を備えていな
い。また、圧縮機２２は、ターボファンなどの、停止時
にも内部を冷媒が通過することの可能なタイプのものを
採用する。圧縮機２２作動時の作用は、第１実施形態と
同様であるので、説明を省略する。

【００３１】被冷却物の発熱が小さい場合には、コント
ローラ２０は圧縮機２２を止め、膨張弁１３両端部の膨
張部バイパス弁１９，１９を、膨張弁バイパス配管１７
側が開状態となるようにする。このとき圧縮機２２が停
止しても、その内部を冷媒（作動流体）が通過可能とな
っているので、蒸発器１４で蒸発させられた冷媒は、蒸
発器１４でその熱を受け取って蒸発し、蒸気となる。蒸
気は、例えば図１中時計回りに循環配管１５を流れ、圧
縮機２２の内部を通り抜けて、凝縮器１２に達する。こ
こで冷媒は、凝縮熱を放出して液体に戻る。そして、膨
張弁バイパス配管１７を通って、蒸発器１４に戻る。

【００３２】以上説明したように第２実施形態によれ
ば、圧縮機２２として、停止時にも冷媒がその内部を通
過可能なタイプのものを用いている。これにより、圧縮
配管を敢えて設けなくても、冷媒が圧縮機２２の内部を
通過するので、停止時にヒートパイプとして動作させる
ことが可能である。また、第２実施形態の応用例とし
て、図２に示したものと同様に、膨張弁バイパス配管１
７及び膨張部バイパス弁１９を除去し、膨張弁１３の代
わりに可変膨張弁２８を設置してもよい。

【００３３】次に、以上の第１、第２実施形態におい
て、ヒートパイプ動作を好適に行なわせるための技術に
ついて、説明する。図５に、循環配管１５の断面の一例
を示す。図５に示すように、循環配管１５の内部には、
毛細現象促進手段の一例として、ウィック２３と呼ばれ
る約１０μｍ〜１mm程度の幅の溝が、長手方向に刻まれ
ている。これにより、圧縮機１１が停止した際にも、冷
媒はこのウィックの内部を伝って、毛細現象によって効
率良く移動する。

【００３４】図６に、循環配管１５の断面の他の例を示
す。図６に示すように、循環配管１５の内壁は、多孔質
体又はメッシュのウィック２３によって覆われている。
これにより、圧縮機１１が停止した際にも、冷媒はこの
多孔質体又はメッシュの内部を伝って、毛細現象によっ
て効率良く移動する。或いは、循環配管１５の直径を、
冷媒が毛細現象によって移動するのに必要なだけ細くす
るようにすれば、ウィック２３を設けなくても、ヒート
パイプ動作が行なわれる。

【００３５】図７に、このような熱輸送システム１０の
配置例を示す。図７において、熱輸送システム１０は、
下段に蒸発部１０Ｃを、中段１０Ｂに圧縮機１１、膨張
弁１３、図示しないバイパス配管１６，１７及び図示し
ないバイパス弁１８，１９を、そして上段１０Ａに凝縮
器１２を、それぞれ配置してある。このように配置する
ことにより、コンパクトな構成が可能である。第１実施
形態に係る熱輸送システムの他の構成例。

【００３６】図８に、このような熱輸送システム１０
を、ノートパソコン２４のＣＰＵ冷却に用いた例を示
す。図８において、圧縮機１１及び膨張弁１３はキーボ
ード２６の下部に、凝縮器１２は液晶ディスプレイ２７
の裏面に、それぞれ配置されている。そして、蒸発器１
４をＣＰＵ２５に接触させることにより、被冷却物であ
るＣＰＵ２５から熱を奪い、その熱を凝縮器１２から液
晶ディスプレイ２７の裏面に放出する。尚、バイパス配
管やバイパス弁等は、図示を省略する。

【００３７】このように、ノートパソコン２４に熱輸送
システム１０を組み込むことにより、コンパクトで、か
つ冷却効率良くＣＰＵ２５の冷却が可能である。このよ
うな場合には、例えばＣＰＵ２５がコントローラ２０を
兼ねるようにしてもよい。即ち、ＣＰＵ２５の負荷が大
きくて発熱が大きいと予測されるような場合には、圧縮
機１１を動作させるようにすれば、ＣＰＵ２５の過熱が
起きにくくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る熱輸送システムの構成図。

【図２】第１実施形態に係る熱輸送システムの他の構成
例。

【図３】第１実施形態に係る熱輸送システムの他の構成
例。

【図４】第２実施形態に係る熱輸送システムの構成図。

【図５】循環配管の断面の一例を示す説明図。

【図６】循環配管の断面の他の例を示す説明図。

【図７】熱輸送システムの配置例を示す説明図。

【図８】熱輸送システムの応用例を示す説明図。

【図９】従来技術に係る熱輸送システムの構成図。

【符号の説明】

１０：熱輸送システム、１１：圧縮機、１２：凝縮器、
１３：膨張弁、１４：蒸発器、１５：循環配管、１６：
圧縮機バイパス配管、１７：膨張弁バイパス配管、１
８：圧縮部バイパス弁、１９：膨張部バイパス弁、２
０：コントローラ、２１：温度センサ、２２：圧縮機、
２３：ウィック、２４：ノートパソコン、２５：ＣＰ
Ｕ、２６：キーボード、２７：液晶ディスプレイ、２
８：可変膨張弁、２９：三方弁、３０：三方弁。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱輸送システムにおいて、圧縮手段(11)と、凝縮部(12)と、絞り手段(13)と、蒸発部(14)と、これらを互いに接続して閉回路を構成する循環流路(15)
と、循環流路(15)の内部に封入された冷媒とを備え、圧縮手段(11)が圧縮動作をしない場合には、ヒートパイ
プ動作を行なうことを特徴とする熱輸送システム。
【請求項２】請求項１に記載の熱輸送システムにおい
て、圧縮手段(11)が圧縮動作をしない場合には、圧縮手段(1
1)の前後を冷媒が導通する圧縮導通手段を設けたことを
特徴とする熱輸送システム。
【請求項３】請求項２に記載の熱輸送システムにおい
て、前記圧縮導通手段が、圧縮手段(11)をバイパスするバイ
パス手段(16)であることを特徴とする熱輸送システム。
【請求項４】請求項２に記載の熱輸送システムにおい
て、前記圧縮導通手段が、停止時に冷媒を導通させる構造と
なっている圧縮手段(22)であることを特徴とする熱輸送
システム。
【請求項５】請求項１〜４に記載の熱輸送システムに
おいて、圧縮手段(11)が圧縮動作をしない場合には、絞り手段(1
3)の前後を冷媒が導通する絞り導通手段を設けたことを
特徴とする熱輸送システム。
【請求項６】請求項５に記載の熱輸送システムにおい
て、前記絞り導通手段が、絞り手段(13)をバイパスするバイ
パス手段(17)であることを特徴とする熱輸送システム。
【請求項７】請求項５に記載の熱輸送システムにおい
て、前記絞り導通手段が、絞り度合いを可変とした可変絞り
手段(28)であることを特徴とする熱輸送システム。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の熱輸送
システムにおいて、循環流路(15)にウィック(23)を設けたことを特徴とする
熱輸送システム。
【請求項９】請求項１〜８に記載の熱輸送システムに
おいて、被冷却物の発熱が大きい場合には、圧縮手段(11)を圧縮
動作させ、小さい場合には圧縮動作させないようにした
ことを特徴とする熱輸送システム。
【請求項１０】請求項１〜９に記載の熱輸送システム
において、被冷却物の冷却目標温度が、所定温度以下である場合に
は、圧縮手段(11)を圧縮動作させ、所定温度以上である
場合には圧縮動作させないようにしたことを特徴とする
熱輸送システム。