JP2010054122A - Variable conductance heat pipe - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、非動作時の機器温度を省電力で任意の温度に保持するための可変コンダクタンスヒートパイプに関するものである。 The present invention relates to a variable conductance heat pipe for maintaining a device temperature during non-operation at an arbitrary temperature with power saving.
投影機器や印刷機器などは、所望の機能を得るために光源などの主要部の温度を適正な温度にしなければならない。適正な温度に保つための温度調節装置としては、ヒータ加熱により温度調節(以下温調という)するヒータ式温調器、ヒータ加熱またはヒートポンプ加熱およびヒートポンプ冷却により温調するヒートポンプ式温調器、ペルチェ効果を利用し電流制御または電流反転により温調するペルチェ素子式温調器などがある。上記機器の動作時において、非動作時の主要部温度と動作時の主要部設定温度に差が生じている場合、機器のスイッチを入れてから上記温調器により主要部温度を設定温度に調節するため、温調に要する時間(待ち時間)が発生する。上記温度差が大きいほど、待ち時間も長くなり、ユーザーの利便性を損ねる。そのため、非動作時においても温調器を動作させ予め温調し、待機時間を短縮する工夫がなされたものもある。 In order to obtain a desired function, a projection device, a printing device, and the like have to set the temperature of a main part such as a light source to an appropriate temperature. Temperature control devices for maintaining an appropriate temperature include a heater temperature controller that adjusts the temperature by heating the heater (hereinafter referred to as temperature control), a heat pump temperature controller that adjusts the temperature by heater heating or heat pump heating and heat pump cooling, and Peltier. There is a Peltier element type temperature controller that uses the effect to control the temperature by current control or current reversal. When there is a difference between the main part temperature during non-operation and the main part set temperature during operation when the above equipment is operating, the main part temperature is adjusted to the set temperature with the above temperature controller after turning on the equipment. Therefore, time (waiting time) required for temperature control occurs. The larger the temperature difference, the longer the waiting time and the convenience for the user is impaired. For this reason, some devices have been devised to operate the temperature controller in advance even during non-operation to control the temperature in advance to shorten the standby time.
さらに、画像形成装置において、ユーザーからの要求のない状態が継続している時間を検知し、運転モード及び設定加熱温度を変更することによって省電力を実現するとともに、ユーザーからの要求に対して迅速な出力を可能とするものもある。(例えば、特許文献1)、
温調を必要とする電子機器を有する装置においては、ユーザーからの要求に対し迅速な出力を可能にするため、電子機器の温度を常に動作時の設定温度に近い状態で保持しておくことが望ましいが、常に電子機器の温度を維持する場合、必要とする消費電力が大きく、無駄な電力を消費することになる。そこで、特許文献1の画像形成装置においては、ユーザーからの要求のない状態が継続している時間を検知し、運転モードを変更、電子機器の設定加熱温度を低くするなどして非動作時の消費電力を小さくする工夫もされている。しかしながら、この手法においては、ユーザーからの入力を検知する機器やそれに応じた制御機構が必要となるため、これらの制御に要する電力が別途必要になるとともに、電子機器用の放熱器からの放熱と並行して設定温度に温調(加熱)するため、消費電力の削減効果はそれほど高くない。
In an apparatus having an electronic device that requires temperature control, the temperature of the electronic device must always be kept close to the set temperature during operation in order to enable quick output in response to a request from the user. Although it is desirable, if the temperature of the electronic device is always maintained, a large amount of power is required and wasteful power is consumed. Therefore, in the image forming apparatus disclosed in
また、性能の高い加熱冷却装置を併用することにより、設定温度までの温度制御速度を速める手法もあるが、応答時間の短い高度な制御が必要となる上に、小型の装置には適用が難しい。 There is also a method to increase the temperature control speed up to the set temperature by using a high performance heating / cooling device together, but it requires advanced control with a short response time and is difficult to apply to small devices. .
この発明は、受熱部と放熱部を有する密閉容器に作動流体と不凝縮ガスを封止した可変コンダクタンスヒートパイプにおいて、待機動作時に受熱部に熱量を与えるものである。 In the variable conductance heat pipe in which a working fluid and a non-condensable gas are sealed in a sealed container having a heat receiving portion and a heat radiating portion, heat is given to the heat receiving portion during standby operation.
この発明によれば、受熱部への入熱により、小さな電力で可変コンダクタンスヒートパイプを断熱型ヒートパイプとして動作させることができ、可変コンダクタンスヒートパイプに封止する不凝縮ガスの量により受熱部温度を任意の温度に設定でき、受熱部に設けた被冷却体温度を任意の温度に容易に調節することができる。 According to the present invention, the variable conductance heat pipe can be operated as an adiabatic heat pipe with small power by heat input to the heat receiving section, and the temperature of the heat receiving section depends on the amount of non-condensable gas sealed in the variable conductance heat pipe. Can be set to an arbitrary temperature, and the temperature of the cooled object provided in the heat receiving section can be easily adjusted to an arbitrary temperature.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による可変コンダクタンスヒートパイプを示す断面図である。図1において、密閉容器1の端部から、受熱部2(蒸発部)、断熱部3(輸送部)、放熱部4(凝縮部)、不凝縮ガス溜め部5が形成されており、密閉容器1内部には作動流体(液体6とその蒸気7)と不凝縮ガス8が封止された可変コンダクタンスヒートパイプ20において、その受熱部2にヒータ40と被冷却体9を設けた。
FIG. 1 is a sectional view showing a variable conductance heat pipe according to
次に、本発明の可変コンダクタンスヒートパイプの動作について説明する。被冷却体9の所望の機能を得るために被冷却体9が動作すると、被冷却体9内部で熱が発生し、被冷却体9の温度が上昇する。受熱部2は被冷却体9と接し、放熱部4は冷熱源10と接することにより、より高温の被冷却体9から受熱部2に熱が伝わる。熱は、さらに受熱部2内の液体6に伝えられ、液体6が潜熱の形態で吸熱し蒸発または沸騰し、蒸気7が生成される。蒸気7または蒸気7と液体8が断熱部3を経て放熱部4へ流入し、蒸気7が凝縮しつつ、蒸気7が保有する潜熱を放熱部4に放出し、この放出された熱を放熱部4からより低温の冷熱源10へ放熱する。その際、蒸気7が凝縮して生成された凝縮液(液体6)は、重力または毛細管力により放熱部4から断熱部3を経て再び受熱部2へ還流される。これら蒸気7および液体6の循環により、被冷却体9において発生した熱は冷熱源10に連続的に伝えられる(排熱される)。
Next, the operation of the variable conductance heat pipe of the present invention will be described. When the cooled
一方、密閉容器1内に封止された不凝縮ガス8は、蒸気7または蒸気7と液体8の移動に伴い、断熱部3および放熱部4を経て、不凝縮ガス溜め部5または不凝縮ガス溜め部5側の放熱部4へ移動させられ、集積され停滞する。不凝縮ガス8が停滞すると、蒸気7は不凝縮ガス8内に進入し難くなり、蒸気7と不凝縮ガス8の界面11を形成する。蒸気7は、不凝縮ガス8を連続的に押しつつ上記界面11が移動し、蒸気7と不凝縮ガス8の圧力が平衡に達することにより、界面11の移動が停止し、その位置が安定する。したがって、(1)界面11が不凝縮ガス溜め部5に位置すると、放熱部4全体にわたり蒸気7が凝縮するため100%の放熱能力が得られ、(2)界面11が放熱部4内に位置すると、蒸気7の凝縮する面積(放熱面積)が減少するため放熱能力が低下し(0<放熱能力<100%で可変)、(3)界面11が断熱部3または受熱部2に位置すると断熱(放熱能力0%)することができる。但し、密閉容器1の壁を伝わる熱伝導により一部熱の移動が生じるため、実際には僅かであるが放熱する能力がある。
On the other hand, the
上記は可変コンダクタンスヒートパイプ20の動作原理で、被冷却体9の動作により被冷却体9の温度が不凝縮ガス8の膨張・収縮により調節され、任意の設定温度に保持されるようになる。しかし、被冷却体9の動作が停止すると、上記蒸気7の生成が停止し、不凝縮ガス溜め部5、放熱部4、断熱部3、受熱部2それから被冷却体9が冷却され、それらは冷熱源10と同等の温度まで低下してしまう。この状態では、被冷却体9が再び動作するときに、被冷却体9の温度が設定温度になるまで遅れ時間(待ち時間)が生じてしまう。そこで、本発明では、上記界面11の位置が上記(2)または(3)の状態になる発熱量を、受熱部2に設けたヒータ40により供給し、おおよそ放熱部4が断熱された状態で可変コンダクタンスヒートパイプを動作させ、小さな熱量で受熱部2の温度を任意の設定温度に保持するものである。なお、被冷却体9の動作に係わらずヒータ40を動作させても良く、被冷却体9の非動作に連動し(例えば、被冷却体9用電源とヒータ40用電源をスイッチにより切り替える)または非動作を感知してヒータ40を動作させても良い(電気的に被冷却体9の動作がOFFになったことを検知して、または温度センサーにより検知して、ヒータのスイッチを入れる)。
The above is the operation principle of the variable
図2に可変コンダクタンスヒートパイプ20の受熱部2温度の熱負荷依存性の一例を示す。図中に示す◆印は通常のヒートパイプ(不凝縮ガスが無いもの)で、熱負荷の増加と共に受熱部温度が線形的に増大する(通常の冷却器においても同様)が、図中の■印は本発明による可変コンダクタンスヒートパイプで5W程度の熱負荷でおおよそ設定温度(被冷却体9の動作時の温度、例えば53℃)に近い50℃なる。すなわち、被冷却体9の動作が停止している状態で動作開始を待っている時、すなわち待機時にヒータ40に5Wの熱量を発生させておけば、待機時に被冷却体9を50℃にすることができる。この状態で被冷却体9を動作させて、動作時の発熱量が例えば50Wとなった場合でも、被冷却体9は53℃と3℃しか昇温しないため、定常状態に到達するまでの時間が短い。また大抵の機器では被冷却体9が50℃〜53℃でほとんど同じ動作ができるため、動作開始直後から被冷却体9は安定な動作となる。図2で判るように、通常のヒートパイプで53℃に設定するためには約65Wの熱負荷が必要であり、本発明によれば通常のヒートパイプの1/13の熱負荷で設定温度に極近い温度にできることになる。通常のヒートパイプで冷却した場合は、設定温度と周囲温度の差が33Kも発生するため、加熱ヒータによる温調の場合、待機時において常に65Wの熱負荷を入熱しなければならない。このため、エネルギーの大きな無駄が発生し、また実現するためには大容量のヒータおよび大電流用の配線、電源を設けなければならず、小型機器に対しては実施が困難である。
FIG. 2 shows an example of the heat load dependency of the temperature of the
上記の如く、本発明によれば、省エネで待機状態から定常状態、すなわち所望の機能を得るまでの時間が短く、確実な温調が実施可能である。また、待機時はほぼ断熱状態であることから、待機時に与える熱量は特に放熱器の能力には関係ないことから、被冷却体9の動作時設定温度をより低温で保持するように、高効率な放熱器を設けても良い。
As described above, according to the present invention, it is possible to perform reliable temperature control with a short time from energy saving to a steady state, that is, a desired function. In addition, since it is almost insulative during standby, the amount of heat applied during standby is not particularly related to the ability of the radiator, so it is highly efficient to keep the set temperature during operation of the
なお、本発明においては、待機時の受熱部の温度が、被冷却体9の動作時の温度Tr(図2の例では53℃)と周囲温度Te(図2の例では20℃)の間の温度になるような熱量を、ヒータ40に与えれば良い。好ましくは、待機時の受熱部の温度が、TrとTeの中央値、すなわち(Tr+Te)/2(図2の例では36.5℃)以上となる熱量を与えれば良い。図2からわかるように、待機時の受熱部の温度が(Tr+Te)/2となる熱量を与えるだけでも、被冷却体9が動作開始して数W以上の熱量を発生すれば、直ぐに50℃以上となり、本発明の効果が発揮できることがわかる。また、それ以上の熱量、すなわち待機時の受熱部の温度が、Te+0.8(Tr−Te)(周囲温度と動作時の温度の間で80%動作時寄りの温度)以上となる熱量を与えれば、被冷却体9がさらに速く動作時の定常温度に達し、より好ましいことがわかる。
In the present invention, the temperature of the heat receiving unit during standby is between the temperature Tr during operation of the cooled object 9 (53 ° C. in the example of FIG. 2) and the ambient temperature Te (20 ° C. in the example of FIG. 2). What is necessary is just to give the amount of heat | fever so that it may become this temperature to the
ここで、被冷却体9が例えば半導体レーザ(Laser Diode,LD)の場合、発振閾値よりも小さい電流をこのLDに流しておくことで、ヒータで発熱させる代わりに、LDすなわち被冷却体9自身で発熱させることができる。LDでは、流れる電流が発振閾値よりも小さい場合はレーザ発振せず、レーザ光が出力されない、すなわちレーザ発振は非動作状態ということになる。また、この状態のときLDに入力された電力は損失となって流れた電流値に応じてLD自身が発熱する。この構成においては、ヒータ40を設けずに、LDの温度を非動作時(レーザ非発振時、待機時)と動作時(レーザ発振時)でほぼ一定の温度に保つことが出来る。よって、LDの発振状態を発振動作開始直後から一定の動作、すなわち発振波長や出力の変動のない動作をさせることができるので、本発明の効果が特に発揮できる。
Here, when the object to be cooled 9 is, for example, a semiconductor laser (Laser Diode, LD), by passing a current smaller than the oscillation threshold to the LD, instead of generating heat by the heater, the LD, that is, the object to be cooled 9 itself Can generate heat. In the LD, when the flowing current is smaller than the oscillation threshold, laser oscillation does not occur, and laser light is not output, that is, laser oscillation is in a non-operating state. Further, in this state, the LD itself generates heat according to the value of the electric current input to the LD as a loss. In this configuration, without providing the
LDの応用として、赤色や青色といった可視光を発生するLDを映像機器の光源に利用する装置がある。映像機器の場合、この光源の光は人間の目によって色彩や輝度といった感覚で捕らえる。色彩すなわち波長や輝度すなわち出力の変化は人間の感覚に大きな変化として捕らえられるので、映像機器では光源の安定性が特に要求される。このため、LDを映像機器の光源に利用する装置では、機器の立ち上がり時のLDの動作の変化を抑制する本発明の効果は特に大きい。また、被冷却体9がLDの場合であっても、別にヒータ40を設けてよいのは言うまでもない。
As an application of the LD, there is an apparatus that uses an LD that generates visible light such as red or blue as a light source of a video device. In the case of video equipment, the light from this light source is captured by human eyes with a sense of color and brightness. Since changes in color, that is, wavelength and brightness, that is, output, are captured as large changes by human senses, video equipment is particularly required to have stability of the light source. For this reason, in an apparatus using an LD as a light source of a video device, the effect of the present invention that suppresses a change in the operation of the LD when the device starts up is particularly great. Needless to say, a
ここでは、昇温ヒータ40を別に設けず、被冷却体9自身を発熱させる構成として、LDを例にとって説明したが、この構成はLDに限られない。被冷却体9自身に動作時に比較して十分小さい電力を入力させて発熱させる構成であれば、被冷却体9がLD以外の半導体、あるいはその他の電子機器など、電気入力を有する素子や機器であればどのようなものであっても良い。
Here, the LD has been described as an example of a configuration that does not provide the
また、昇温ヒータを設けない構成は、後述の実施の形態2〜4においても適用可能であることは言うまでもない。
Needless to say, the configuration in which the temperature raising heater is not provided is also applicable to
密閉容器1は、液体6と蒸気7と不凝縮ガス8を収納する気密容器であり、好ましくは液体6および蒸気7と密閉容器1内壁の間で化学反応がほとんどない金属である方が良い。たとえば、液体6が水の場合は密閉容器1の材料は銅が好ましく、アンモニアの場合はアルミニウムやステンレスなど、化学反応により不凝縮ガスを発生しない材料が良い。
The sealed
断熱部3は、液体6、蒸気7および不凝縮ガス8が移動する通路である。断熱部3は、その周囲を空気などの流体にさらし、また構造体と接触し放熱しても良く、逆に断熱材を設けて断熱しても良い。
The
放熱部4は、蒸気7が凝縮し液化させ、その際放出する潜熱を冷熱源10に放出する役割を有する。内面には、凝縮を促進させるために伝熱面積を大きくする突起を設けても良く、また凝縮液膜を薄くするため凝縮液を吸引する通路を設けても良く、一方放熱部4外周面には冷熱源10への放熱を促進するために伝熱面積を大きくするフィンを設けても良い。なお、断熱部3および放熱部4は、上記した通り気液界面15がその内部に位置することがあり、その一部は不凝縮ガス8を収容する通路または容器の役割を担う。
The
不凝縮ガス溜め部5は、不凝縮ガス8を収容する役割を有する。非動作時においては、液体6および蒸気7および不凝縮ガス8を収容することもある。可変コンダクタンスヒートパイプの通流路に関して受熱部2から最も離れた端部に設けられ、好ましくは、構成部位の最上部に設けられ、流入した液体6が放熱部4へ流下する構造である方が良い。
The
液体6は、沸騰および蒸発し凝縮する液体であり、水、アンモニアなどの単一成分流体でも良く、不凍液などの多成分流体でも良い。蒸気7は、液体6または液体6の一部が気化した気体である。不凝縮ガス8は、使用環境下において凝縮しない気体であり、通常環境下では、ヘリウム、アルゴン、ネオン、窒素などである。好ましくは、密閉容器1の材料、液体6、蒸気7と化学反応しない気体であり、不活性ガスである方が好ましい。なお、封入初期に、敢えて密閉容器1と液体6を化学反応させ発生した不凝縮ガスでも良い。
The
実施の形態2.
図3は本発明の実施の形態2を示す構成図である。実施の形態1は、受熱部2の温度を小さなエネルギーで任意の温度にすることができる特徴を有するが、被冷却体9の中の主要部12(温調を必要とする部分)が受熱部2から離れている場合(熱介在物13が存在する場合)、実施の形態1の場合においても非動作時に熱介在物13の熱抵抗分だけの温度差が生じる。そこで、本実施の形態では、被冷却体9中の主要部12近傍にヒータ40を設けることにより、ヒータ40からの熱入力と熱介在物13の熱抵抗により発生する温度差分だけ補うことができ、動作/非動作時の温度差をより小さくすることができる。
FIG. 3 is a block
なお、この場合上記ヒータ40からの熱入力と熱介在物13の熱抵抗により発生する温度差は、動作時においても発生させることができることから、被冷却体9の主要部12の温度をヒータ40への熱入力により精密に温調することができる。
In this case, since the temperature difference generated by the heat input from the
また、被冷却体9の中にヒータ40を搭載することにより、冷却器(可変コウンダクタンスヒートパイプ20)から配線が無くなり、メンテナンス性が向上する。さらに、被冷却体9の外部に設けられた電源や制御回路を被冷却体9の内部に設けると、さらにメンテナンス性が向上する。この被冷却体9の中にヒータ40を搭載する構成は、被冷却体9と受熱部2の間に熱介在物13がない、すなわち図1の構成の被冷却体9に適用することができるのは言うまでもない。
Further, by mounting the
実施の形態3.
図4は本発明の実施の形態3を示す構成図である。可変コンダクタンスヒートパイプ20の放熱部4に冷却流体を通流するファン14を設け、被冷却体9内に温度センサー15を設け、ファン14とヒータ40を温度センサー15と制御回路16で出力制御し、温調を最適化する構成である。ファン14は冷却流体を放熱部に通流するポンプであっても良い。すなわち、ファン14は、放熱部4を冷却する冷却装置であればどのようなものであっても良い。
FIG. 4 is a block
この構成により、可変コンダクタンスヒートパイプ20を介して被冷却体9を加熱/冷却により調節することができ、設定温度への移行時間及びユーザーの待ち時間を短縮することができるとともに、被冷却体9の動作時温度をより精度良く調節することができる。さらに、最適制御により、ポンプまたはファン14のような冷却装置およびヒータ40の出力を最小限にし、省エネ温調することができる。
With this configuration, the object to be cooled 9 can be adjusted by heating / cooling via the variable
なお、上記では、ヒータ40を設けた場合を説明したが、実施の形態1で述べたように、ヒータ40を設けずに、被冷却体9自身を発熱させるようにしても良く、この場合は、被冷却体と冷却装置を連動させて出力制御すれば良い。
In addition, although the case where the
実施の形態4.
図5は本発明の実施の形態4を示す構成図である。可変コンダクタンスヒートパイプ20の受熱部2とヒータ40を含む被冷却体9両方を断熱材17で覆った構造である。この構成により、被冷却体9の温調効率を高めることができるとともに、設定温度保持時の放熱を小さくし、待機時に必要とされる消費電力量を少なくすることができる。詳述すれば、図2は、断熱材で覆わない場合の特性であったが、受熱部2とヒータを含む被冷却体9両方を断熱材で覆えば、図2において、VCHPの特性の立ち上がり部分が左にシフトした特性となる。したがって、待機時の受熱部の温度を、断熱材で覆わない場合と同じにするために必要な熱量が、断熱材で覆わない場合より少なくなる。
FIG. 5 is a block
なお、ここでは、受熱部2とヒータを含む被冷却体9両方を断熱材17で覆った構成を示したが、受熱部2または被冷却体9のいずれか一方だけを断熱材で覆う構成でも、断熱材がない構成に比較して待機時に必要とされる消費電力量を少なくする効果がある。
In addition, although the structure which covered both the
1 密閉容器、2 受熱部、3 断熱部、4 放熱部、5不凝縮ガス溜め部、6 液体、7 蒸気、8 不凝縮ガス、9 被冷却体、10 冷熱源、11 界面、12 主要部、13 熱介在物、14 ファン、15 温度センサー、16 制御回路、17 断熱材、20 可変コンダクタンスヒートパイプ、40 ヒータ。
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