JP2013194919A - 自励振動ヒートパイプ及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】始動性のよい自励振動ヒートパイプを提供する。
【解決手段】発熱部３と冷却部５との間を、閉ループをなした空洞の１本の細管７を複数回、往復させる。そして、発熱部３に配した発熱源２３と冷却部５に設けた冷却装置２５との間に、例えば、カートリッジヒータ６を埋め込んだ加熱装置２４を配置する。そして、加熱装置２４によって冷却部５を加熱することにより、冷却部５において作動液の蒸発が過剰に凝縮して気栓が消滅して、液柱の運動が阻害されるのを防ぎ、始動性の向上、発熱部３における液枯れによるバーンアウトを回避する。
【選択図】図３

Description

本発明は、自励振動ヒートパイプ及び自励振動ヒートパイプにおける温度制御をするプログラムに関する。

発熱体の冷却を小空間で有効に行うための放熱器としてヒートパイプ方式の放熱器が知られている。この種の放熱器のうち、自励振動型ヒートパイプは、液体（作動液）の沸騰による液体の圧力振動を利用して液体を移動させるものである。例えば、特許文献１によれば、ループ型細管ヒートパイプに充填される作動液として、蒸発及び凝縮の潜熱が小さ過ぎ、熱輸送能力が低いとされた作動液であっても、ヒートパイプの使用温度で動粘性係数が小さく、かつ飽和蒸気圧が大きい作動液は、作動液循環速度の増加により、冷却能力を飛躍的に増大できるとしている。

具体的には、作動液としてフレオン１１を使用した場合の熱輸送能力が、純水を使用した場合に比較して数分の一に過ぎないとされていたが、特許文献１に記載のループ型細管ヒートパイプでは、フレオン１１を使用した場合、純水を使用した場合よりも、１０〜５０％大きな熱輸送能力が発揮されるとしている。

また、特許文献２は、特にトップヒートモードにおける冷却性能を改善したループ型細管ヒートパイプを開示している。

特開昭６３−３１８４９３号公報 特開平４−１４８１９０号公報

上述した従来のループ型細管ヒートパイプでは、作動液としての水は蒸発及び凝縮潜熱が大きいため、熱輸送能力が高いにもかかわらず、蒸発及び凝縮潜熱の小さいフレオン１１と比較して、水を使用した場合の本来的な熱輸送能力が発揮されていないという問題があった。この原因として、従来のループ型細管ヒートパイプにおいて作動液（水）が冷却部で冷やされ過ぎて、冷却部で気泡が消滅し、加熱部に気泡が集中することが考えられる。

その結果、従来のヒートパイプでは、蒸発すべき作動液（水）が枯渇して蒸発が起こらなくなり、自励振動も発生しないため温度輸送がされなくなり、加熱部の温度が上昇するという問題があった。すなわち、従来のヒートパイプでは、低沸点（２４℃）の作動液であるフレオン１１と、高沸点（１００℃）の作動液としての水とに対して、ヒートパイプの冷却部がほぼ同温度（例えば、約１８〜２４℃）で冷却されているため、沸点の高い作動液（水）では、始動性を確保できないという問題があった。

また、ループ型細管ヒートパイプにおいて、熱輸送能力が不足している状態で、急激に大きな熱負荷がかかると、受熱部の金属細管内面で液柱、または液膜が蒸発して乾く「ドライアウト現象」が起こり、ヒートパイプの自励振動が抑制される。これに伴って、受熱部の温度が上昇し、冷却対象素子の熱破壊（バーンアウト）が起きる。そして、これら一連の動作・現象は、特にヒートパイプの始動時において問題となる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたもので、受熱部の過熱によるドライアウト、及びバーンアウトを回避し、高い冷却能力を発現可能な自励振動ヒートパイプを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の自励振動ヒートパイプは、外部からの熱を吸収する吸熱部と、外部に熱を放出する放熱部と、前記吸熱部と前記放熱部との間を往復し、冷媒が充填された閉ループの流路を形成する管路部と、前記放熱部に対して外部から熱を加える加熱部と、前記放熱部の温度を検知する温度検知部と、前記温度検知部による温度検知結果に基づいて、前記加熱部からの加熱により前記放熱部の温度が所定温度に保持されるように該加熱部を制御する制御部と、を備える。これにより、自励振動ヒートパイプの始動性が向上し、吸熱部におけるバーンアウトを回避することができる。

請求項２に記載の自励振動ヒートパイプでは、前記加熱部が前記放熱部を加熱するように前記管路部に熱を加える。また、請求項３に記載の自励振動ヒートパイプでは、前記制御部が、前記冷媒が前記管路部の循環を開始する時に前記放熱部の温度が前記所定温度よりも低い所定の温度に達していない場合、前記加熱部を制御する。

請求項４に記載の自励振動ヒートパイプでは、前記制御部が、前記放熱部の温度が前記所定温度を超えた場合、前記加熱部による前記放熱部への加熱を抑制するか、あるいは前記放熱部への加熱を停止するように該加熱部を制御する。

請求項５に記載の自励振動ヒートパイプにおいて、前記制御部は、前記放熱部の温度が前記所定温度を超え、かつ前記所定温度よりも所定値高い温度よりも低いとき、前記加熱部による前記放熱部への加熱を抑制し、かつ、前記放熱部の温度が前記所定値高い温度に達したとき、前記加熱部による前記放熱部への加熱を停止するように前記加熱部を制御する、

請求項６に記載の自励振動ヒートパイプでは、前記発熱源を前記管路部の一方端側に配置し、前記放熱部を冷却する冷却装置を前記管路部の他方端側に配置し、前記発熱源と前記冷却装置との間の前記管路部上に前記加熱部を配置するとともに、該発熱源、該冷却装置、及び該加熱部を前記管路部の同一面上に配置した。

また、請求項７に記載の自励振動ヒートパイプは、前記発熱源を前記管路部の一方端側に配置し、前記加熱部を前記管路部の他方端側に配置し、前記発熱源と前記加熱部との間の前記管路部上に前記放熱部を冷却する冷却装置を配置するとともに、該発熱源、該冷却装置、及び該加熱部を前記管路部の同一面上に配置した。

請求項８に記載の自励振動ヒートパイプは、前記発熱源を前記管路部の一方端側に配置し、前記放熱部を冷却する冷却装置を、前記発熱源と離間させて前記管路部上の前記発熱源を除く領域に配置するとともに、前記発熱源と前記冷却装置を前記管路部の一方の面上に配置し、前記加熱部を前記管路部の他方の面上であって前記冷却装置の反対側の位置に配置した。

請求項９に記載の自励振動ヒートパイプにおいて、前記管路部が熱伝導可能な部材で形成されている。また、請求項１０に記載の自励振動ヒートパイプにおいて、前記冷媒が水であることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、コンピュータを、外部からの熱を吸収する吸熱部と、外部に熱を放出する放熱部と、前記吸熱部と前記放熱部との間を往復し、冷媒が充填された閉ループの流路を形成する管路部と、前記放熱部を加熱する加熱部とを備える自励振動ヒートパイプの前記放熱部の温度を検知する温度検知部による温度検知結果に基づいて、前記加熱部からの加熱により前記放熱部の温度が所定温度に保持されるように該加熱部を制御する制御部、として機能するためのプログラムである。

本発明に係る自励振動ヒートパイプは、始動性が向上し、吸熱部におけるバーンアウトを回避できるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示す図である。 第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構造を示す分解斜視図である。 第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価装置の構成を模式的に示した断面構成図である。 第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価装置の温度制御部における制御手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示す図である。 第３の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示す図である。 第４の実施形態に係るヒートパイプの温度制御部における制御手順を示すフローチャートである。 （ａ）は、実施形態の変形例に係る自励振動ヒートパイプの全体構成を示す斜視図であり、（ｂ）はその側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ（単にヒートパイプともいう）の構成を模式的に示している。また、図２は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプにおけるヒートパイプの構造を示す分解斜視図である。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３０は、図１及び図２に示すように、全体が平板構造のヒートパイプ１の一方端側に発熱部（受熱部、あるいは吸熱部ともいう）３が配置され、他方端側に冷却部（放熱部ともいう）５が配置されている。また、発熱部３と冷却部５との間には、後述する加熱装置２４が配置されている。

さらに、発熱部３と冷却部５との間には、冷媒（熱媒体、又は作動液ともいう）が封入された、閉ループ状をなす１本の細管７が往復している。細管７は、封入された冷媒が図中の矢印方向に流れるとした場合、冷却部５から発熱部３に至る往路７ａと、発熱部３から冷却部５に至る復路７ｂと、これら往路７ａと復路７ｂとを連結する連結部分７ｃとで構成され、連結部分７ｃで折り返す構造になっている。

ここで、「閉ループ状」とは、往路７ａ、復路７ｂ、及び連結部分７ｃを含む細管７の経路が、同一平面上で一筆書きできることを意味しており、かつ、その一筆書きが閉じている状態を指す。また、細管７について、発熱部３と冷却部５との間を往復する回数に制限はない。

図１に示す自励振動型ヒートパイプ３０は、細管７内に封入した冷媒（熱媒体）を循環させる駆動力として、細管７内で発生する圧力振動を用いている。すなわち、細管７のうち発熱部３に位置する部分に流入した液相の冷媒は、発熱体（不図示）における発熱量の増加とともに発熱部３の温度が上昇し、沸騰して（蒸気泡を発生して）気相へと変化し、同時に圧力が上昇する。封入された冷媒は、細管７内において気相状態と液相状態が交互に存在し、その気相の膨張により液相と気相が熱とともに冷却部５の方へ移動する。

冷却部５は、細管７を経由して送られてきた気相の冷媒の熱を受け取り、その熱を外部に放出する。つまり、細管７のうち冷却部５に位置する部分で冷媒が冷却されると気相が収縮して（蒸気泡が収縮、または凝縮して）、圧力の降下と冷媒の温度降下が生じ、冷媒は気相から液相へ変化する。そして、冷却された液相が細管７を通って発熱部３の方へ戻る。

自励振動型のヒートパイプ１は、液相の冷媒が蒸発して、それが冷媒の循環流の駆動力である圧力変動をもたらし、発熱部３と冷却部５の圧力差により自励的に発生する圧力振動により、細管７内に閉じ込められた気相と液相の冷媒が、圧力の高い発熱部３から圧力の低い冷却部５へ移動する自励振動によって熱を輸送する。このように、自励振動型ヒートパイプ３０では、細管７内での冷媒の循環が繰り返され、熱媒体の移動により潜熱と顕熱の両方の熱が同時に輸送されることで、外部の発熱体の冷却が連続して行われる。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプのヒートパイプ１は、図２に示すように、熱伝導性の良好な金属、例えば銅製のケース（筐体）２１内に溝８を形成し、その溝８を流路としている。ケースの寸法は、例えば、長辺Ｌが２００ｍｍ、短辺Ｗが５０ｍｍ、厚さＴ１が２．５ｍｍである。また、流路である溝８は、幅が約１ｍｍ、発熱部３と冷却部５間での長さＬｐが約１９０ｍｍである。各流路は、互いに隣接する端部が、発熱部３と冷却部５において１つおきに連結され、全体として、一筆書きのループ状をなした蛇行細管となっている。

さらに、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプは、上記の筐体２１に密着しながら溝８を覆う銅製のケース（蓋）２２を被せ、これら筐体２１と蓋２２とを拡散接合により気密性及び水密性を保ちながら一体化する。蓋２２の寸法は、例えば、長辺Ｌが２００ｍｍ、短辺Ｗが５０ｍｍ、厚さＴ２が０．５ｍｍである。なお、ここでは、図示を省略するが、ケース２１の端部の一個所に穴をあけた後、直径約３ｍｍのＳＵＳ製パイプを差し込んで、例えば、ロウ付けする。このパイプを介して流路内の真空引きを行うとともに、作動液の注入口とする。また、冷媒の充填率は、例えば５０％とし、冷媒充填後、注入口を封止して平型自励振動ヒートパイプを完成させる。

図３は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの全体構成を模式的に示す断面構成図である。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３０は、図３において一点鎖線で囲んで示すように、ヒートパイプ１、加熱装置２４、熱電対１９、マルチメータ１７、及び温度制御部１５を含んで構成される。また、図３に示す電源検知部１２、発熱源２３、冷却装置２５等は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価のために付加された部材である。よって、図３に示す構成は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３０を含む性能評価装置と位置づけることもできる。なお、ヒートパイプ１には、図３では省略したが、発熱部３と冷却部５間を往復する管路が配置されている。

発熱源２３は、平型自励振動ヒートパイプ３０による冷却対象であり、ヒートパイプ１の一端部に配置される。発熱源２３は、例えば、動作時の発熱量が大きく、電力制御等に用いられる電子素子（例えば、半導体チップ）であるＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びダイオードを回路基板にはんだ付けして固定した後、配線のためアルミニウム線でワイヤーボンドし、樹脂で封止したもの（パワーモジュール）を、熱伝導シートを介してヒートパイプ１の発熱部３に固定する構成が考えられる。なお、ＩＧＢＴは、例えば、縦が約１０ｍｍ、横が約１０ｍｍ、厚さが約１００μｍの大きさを有する矩形の素子である。

本実施形態では、平型自励振動ヒートパイプ３０の基礎データを測定するため、上述したパワーモジュールに代えて、直径約６ｍｍのカートリッジヒータを銅ブロックに埋め込んで構成した発熱源２３を使用した。そして、この発熱源２３に対する電源１０からの投入電力を変えることで、発熱源２３における発熱量を制御した。また、電源１０と発熱源２３との間に電源検知部１２を配置することによって、電源１０から発熱源２３への電力の入力状態を検知する。電源検知部１２として、例えば、光絶縁型の電圧／電流検知器等を用いることができる。

冷却装置２５は、ヒートパイプ１の放熱を行うために付加される装置であり、ヒートパイプ１の他方端部に配置される。ここでは、銅ブロックの内部に円筒状に孔をあけ、それらの孔を水路とした冷却装置を用いた。そして、この冷却装置２５を、図示しない熱伝導シートを介してヒートパイプ１の冷却部５に接触させ、恒温水槽から水を循環させて温度制御を行った。

発熱源２３と冷却装置２５との間に配置した加熱装置２４は、ヒートパイプ１の冷却部５を加熱するための装置である。図３に示す平型自励振動ヒートパイプ３０では、加熱装置２４によって、冷却対象である発熱源２３の設置領域を除く、ヒートパイプ１上の所定領域に熱を加え、加えられた熱がヒートパイプ１を伝導して放熱部を加熱する。ここでは、加熱装置２４として、直径が約６ｍｍのカートリッジヒータ２６を、長辺が５０ｍｍ、短辺が３０ｍｍ、厚さが１０ｍｍの銅ブロックに埋め込んだ装置を使用した。そして、この加熱装置２４を、熱伝導グリースを介してヒートパイプ１に押し当て、後述する温度制御部１５により、カートリッジヒータ２６への投入電力を変えて、そのヒータの発熱量を制御した。なお、加熱装置２４は、銅ブロックにヒータを埋め込んだ構成に限定されず、例えば、電熱ヒータ、温水ヒータ、ダンパー等を使用することができる。

さらに、ヒートパイプ１上の加熱装置２４を配置した箇所と冷却部５それぞれに対して温度検知手段を配置した。具体的には、ヒートパイプ１の表面であって、加熱装置２４のヒートパイプ１を挟んだ反対側の位置に銀ペーストによって熱電対１８を貼り付けるとともに、冷却部５の中央部分に銀ペーストによって熱電対１９を貼り付けた。これらの熱電対１８，１９は、例えば、テフロン被覆（「テフロン」は、登録商標）の細線（０．４×０．７ｍｍ）Ｋ型の熱電対を使用する。また、熱電対１８，１９からの出力電圧をマルチメータ１７で検知し、その検知結果は、ヒートパイプ１の加熱装置２４が配置された箇所と冷却部５それぞれの温度として温度制御部１５に入力される。

なお、ヒートパイプ１は、上述したように厚さが３ｍｍ程度であり、熱伝導性に優れた材料（金属）で作製されている。そのため、熱電対１８，１９の貼り付け位置については、図３に示すように、ヒートパイプ１の加熱装置２４及び冷却装置２５を配置した面と同一の面ではなくても、ヒートパイプ１の加熱装置２４が配置された箇所と冷却部５の温度検知に影響はない。また、冷却部５等の温度を検知する手段として、上述した熱電対の他、例えば、サーミスタ、温度上昇に伴う圧力変化を計測する圧力計等を用いることができる。

温度制御部１５は、電源検知部１２で検知された、電源１０から発熱部３への電力の入力状態（投入電力）、マルチメータ１７で検知された冷却部５の温度等をもとに、加熱装置２４における発熱量を制御する。温度制御部１５は、例えば、汎用のマイクロプロセッサ、あるいは専用のＩＣ（集積回路）からなり、不図示のメモリに格納されたプログラムに従って所定の温度制御を行う。

次に、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの動作について説明する。図４は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプにおける温度制御手順を示すフローチャートである。なお、平型自励振動ヒートパイプ３０の性能評価と効果の検証のため、図３に示すように、ヒートパイプ１の表面であって、ヒートパイプ１を挟んで発熱源２３の反対側に熱電対２０を貼り付け、その熱電対２０で検知した温度を発熱源２３の温度として温度計２２で実測（例えば、目視で確認）できるようにした。

また、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価と効果の検証は、ヒートパイプ１を鉛直方向に維持しながら、発熱源２３が下方、冷却装置２５が上方となる、いわゆるボトムヒートとした。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３０の温度制御部１５は、図４のステップＳ１１において、電源検知部１２からの検知信号をもとに、電源１０から発熱源２３へ電力投入されたことを確認する。そして、発熱源２３への電力投入が確認された場合、温度制御部１５は、続くステップＳ１３で、マルチメータ１７における温度検知結果をもとに、ヒートパイプ１の冷却部５の温度を監視する。温度制御部１５は、ステップＳ１３において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ１（例えば、５０℃）を超えていないと判断した場合、ステップＳ１５において、加熱装置２４に制御信号を送って、その加熱装置２４に埋め込まれたカートリッジヒータ２６に対して所定の電力を投入する。

次に、温度制御部１５は、ステップＳ１７において、熱電対１９で検知され、マルチメータ１７で測定された冷却部５の温度を判定する。冷却部５の温度が所定温度Ｔ２（例えば、８０℃）を超えていなければ、処理をステップＳ１５に戻して、加熱装置２４のカートリッジヒータ２６への電力投入を継続する。また、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２であれば、処理をステップＳ１３に戻して、再度、冷却部５の温度を監視する。

一方、温度制御部１５は、ステップＳ１７において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２を超えていると判断した場合には、ステップＳ２３で、その冷却部５の温度が所定温度Ｔ２から、さらに上昇する傾向にあるかどうかを判断する。ステップＳ２３において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２を超えているが、さらに上昇する傾向にはないと判断された場合、温度制御部１５は、冷却部５の温度を徐々に下げるために、ステップＳ２０において、加熱装置２４のカートリッジヒータ２６への電力投入を減少させる。そして、ステップＳ１７において、再び冷却部５の温度を判定する。

また、温度制御部１５は、ステップＳ２３において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２を超えており、その温度がさらに上昇する傾向にあると判断した場合には、ステップＳ２５において、加熱装置２４のカートリッジヒータ２６への電力投入を停止する。これにより、冷却部５の温度が過剰に高くなるのを回避できる。

温度制御部１５は、ステップＳ１３において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ１を超えていると判定した場合、ステップＳ１９で、平型自励振動ヒートパイプ３０が始動時にあるか否かを判断する。ここでは、例えば、温度制御部１５が、ステップＳ１１における電源１０から発熱源２３への電力投入が最初のものであるか否かを情報として記憶しておき、その情報をもとに、平型自励振動ヒートパイプ３０が始動時にあるか否かを判断する。なお、平型自励振動ヒートパイプ３０が始動時にあるか否かの判断は、上述した電力投入に基づく情報による判断に限定されない。例えば、温度制御部１５に始動スイッチを設け、そのオン／オフ状態をもとに始動時か否かを判断するようにしてもよい。

ステップＳ１９において、平型自励振動ヒートパイプ３０が始動時にあると判断された場合、温度制御部１５は、加熱装置２４に対する制御を行わず、ステップＳ１７において、冷却部５の温度を判定する。しかし、平型自励振動ヒートパイプ３０が始動時ではなく、既に稼動状態にあると判断された場合には、温度制御部１５は、ステップＳ２０において、加熱装置２４のカートリッジヒータ２６への電力投入を減少させる。そして、ステップＳ１７において、再び冷却部５の温度を判定する。

また、上記のステップＳ２０における処理によって加熱装置２４に対する電力投入を減少させ、あるいは、ステップＳ２５において、加熱装置２４への電力投入を停止した後において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２よりも下がった場合には、再度、温度制御部１５によって加熱装置２４に対する制御が行われ（ステップＳ１５，Ｓ１７）、冷却部５の温度がＴ２に保持される。

なお、温度制御部１５は、ステップＳ１１において、電源１０から発熱源２３への電力投入がないと判断した場合には、ステップＳ２５で、加熱装置２４への電力投入を停止する（加熱装置２４を不動作状態にする）。また、インバータを搭載した車両が停止したり、車両の変電機が停止した場合にも、ヒートパイプによる冷却が不要となるため、加熱装置２４への電力投入が停止される。

上述した所定の温度Ｔ１，Ｔ２は、ヒートパイプ内の作動液の蒸気圧特性、粘性等の物性と関連しており、ヒートパイプの仕様により異なることが分かっている。そこで、本実施形態では、所定の温度Ｔ１，Ｔ２を予め実験により求めておく。

次に、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと、比較例としてのヒートパイプとについて、それぞれの冷却性能を対比する。比較例としたヒートパイプは、冷却部を加熱するための加熱装置と、その加熱装置による加熱を制御する温度制御部とを有しない。そのため、比較例のヒートパイプは、室温２５℃で、冷却部の水温を２５℃にしてヒートパイプを冷却したところ、発熱部に１００ワットの電力を供給したときには、ヒートパイプは動作せず、伝熱による熱輸送のみが観察された。このときの発熱部の温度は、約９５℃になった。

なお、比較例に係るヒートパイプにおいて、発熱部に、上記１００ワットの２倍の２００ワットの電力を供給した場合においてもヒートパイプは動作せず、そのときの発熱部の温度は１５０℃を超え、バーンアウトが起こる危険な状態となった。

これに対して、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプは、温度制御部１５による上述した温度処理によって、冷却部５が約８０℃に保持される。その結果、発熱源２３に１００ワットの電力を供給したときにヒートパイプが動作し、発熱部３の温度は、約８５℃となった。したがって、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプは、上記比較例のヒートパイプよりも、発熱部３の温度を約１０℃低くすることができた。

さらに、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの発熱源２３に６００ワットの電力を供給したときにもヒートパイプが動作し、発熱部３の温度は約１５０℃に抑えられていた。このとき、冷却部５の温度は、例えば、図４のステップＳ１７において、所定温度Ｔ２（８０℃）を超えていると判断される。そのため、加熱装置２４への電力投入が停止され（ステップＳ２５）、冷却部５の温度は、発熱源２３の熱量により１１０℃に保持された。

以上説明したように、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプは、閉ループをなした空洞の１本の細管（流路）を発熱部と冷却部との間を複数回、往復させ、発熱部に配した発熱源と冷却部に設けた冷却装置との間に、冷却部を加熱するための加熱装置を配置する。そして、冷却部が一定の温度に保持されるように、温度制御部によって加熱装置による加熱を制御する。こうすることで、冷却部において作動液が冷やされ過ぎることがないので、冷却部で気泡が消滅することがない。すなわち、冷却部において作動液の蒸発が過剰に凝縮して気栓が消滅して、液柱の運動が阻害されるのを防ぐことができる。

また、特に冷却部の温度が低いヒートパイプの始動時においても、加熱装置による冷却部の加熱により気柱の運動性が確保され、高い冷却能力が発揮される。その結果、自励振動ヒートパイプの始動性を確保するとともに、発熱部における液枯れによるバーンアウトを回避できる。

なお、ヒートパイプが車載用の場合、それを搭載する車種により、発熱源と冷却装置との間が離れている場合があり、発熱源と冷却装置間が熱の授受を行わない断熱部となっていることが多い。よって、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプのように、発熱源と冷却装置間に冷却部を加熱するための加熱装置を配置することで、単なる熱の通り道となっている断熱部をデッドスペースとせず、有効に利用できる。

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示している。なお、図５において、図３に示す第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと同一構成には同一符号を付して、ここでは、それらの説明を省略する。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ４０も、図５において一点鎖線で囲んで示すように、ヒートパイプ１、加熱装置２４、熱電対１９、マルチメータ１７、及び温度制御部１５を含んで構成される。なお、電源検知部１２、発熱源２３、冷却装置２５等は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価のために付加された部材である。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ４０では、加熱装置２４をヒートパイプ１の端部（冷却部５側）に配置し、発熱源２３と加熱装置２４との間に冷却装置２５を配置した構成となっている。また、冷却装置２５と加熱装置２４それぞれに対して、温度検知手段としての熱電対を配置した。具体的には、ヒートパイプ１の表面であって、加熱装置２４のヒートパイプ１を挟んだ反対側の位置に、銀ペーストによって熱電対１９を貼り付け、冷却部５の中央部分に銀ペーストによって熱電対１８を貼り付けた。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ４０では、発熱源２３と冷却装置２５とが、互いの距離が近くなるように配置されているので、加熱装置２４が作動していないときでも、伝熱によりヒートパイプ１の熱が冷却装置２５に伝わる。そのため、発熱源２３の始動とともに、ある程度の冷却が可能となる。

さらに、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ４０において、発熱源２３と加熱装置２４とを離して配置しているため、加熱装置２４に電力が供給されたとき、加熱装置２４（つまり、加熱装置２４に埋め込まれたカートリッジヒータ２６）で発生した熱の影響が発熱源２３に及ばない。そのため、ヒートパイプの冷却対象である発熱源２３を効率的に冷却できる。

また、発熱源２３と加熱装置２４とが離間して配置されていることによって、ヒートパイプの温度が十分高くなって加熱装置２４への電力投入を停止した後も、加熱装置２４の余熱により発熱源２３が加温されることがない。

＜第３の実施形態＞
図６は、本発明の第３の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示している。なお、図６において、図３に示す第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと同一構成には同一符号を付して、ここでは、それらの説明を省略する。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ５０も、図６において一点鎖線で囲んで示すように、ヒートパイプ１、加熱装置２４、熱電対１９、マルチメータ１７、及び温度制御部１５を含んで構成される。なお、電源検知部１２、発熱源２３、冷却装置２５等は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価のために付加された部材である。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ５０は、ヒートパイプ１の一方の面に発熱源２３と冷却装置２５とを配置し、ヒートパイプ１の他方の面であって、ヒートパイプ１を挟んで冷却装置２５と反対側の端部に加熱装置２４を取り付けた構成となっている。ここで、冷却装置２５は、例えば、ヒートパイプ１の他方の面のほぼ中央部から端部に渡る領域を占めるように配置されている。また、ヒートパイプ１の表面の中央部に銀ペーストによって熱電対１８を貼り付け、ヒートパイプ１の加熱装置２４を配置した側であって、冷却部５の中央部分に銀ペーストによって熱電対１９を貼り付けた。

このような構成とすることで、冷却装置２５を、ヒートパイプ１の発熱源２３を除く領域において広い面積を確保しながら設置でき、ヒートパイプ１の冷却能力をより高めることができる。

なお、図６に示す平型自励振動ヒートパイプ５０の構成において、冷却装置２５が作動した状態にあるときに加熱装置２４も稼動させると、冷却と加熱という相反する作用がヒートパイプ１の一方の側とその反対側とにおいて生起することになる。このような、冷却と加熱とのいわば競争状態は、エネルギー効率が悪い。そこで、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ５０では、加熱装置２４が稼動中は、冷却装置２５の機能を停止する。

例えば、冷却装置２５が水冷プレート（フィン式、噴射式）、水冷ジャケット、オイルジャケット等の循環型冷却器の場合、循環する冷媒を停止し、あるいはその流量を絞ることで、一時的に冷却装置２５を停止する。また、冷却装置２５が空冷の場合には、流入する冷気をダンパー等により絞ることで、冷却装置２５を一時的に停止する。一方、冷却装置２５がペルチェ素子式等の固体型冷却器の場合には、入力電力を切るか、あるいは減少させる等により、一時的に冷却装置２５を停止する。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプについて説明する。なお、本実施形態に係るヒートパイプの構成は、図１に示す第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成と同一構成をとるため、ここでは、それらの図示及び各部の説明を省略する。

上述した第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプでは、発熱源２３に６００ワットの電力を供給したとき、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２（８０℃）を超えているため、加熱装置２４への電力投入を停止した。また、発熱源２３の熱量により、冷却部５の温度は１１０℃に保たれていた。

しかし、発熱源２３の熱量が小さい場合、冷却部５の温度が所定温度（Ｔ２とする）に達した後、直ちに加熱装置２４への電力投入を停止する処理を行うと、発熱源２３の熱量による自己保温効果が十分でないときには、ヒートパイプが再び動作しなくなることが考えられる。このような不都合を回避するため、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプは、加熱装置２４への電力投入を制御する際の冷却部５の設定温度（所定温度）を、２段階構成とした。

図７は、本実施形態に係るヒートパイプの温度制御部における温度制御手順を示すフローチャートである。なお、図７において、図４に示す第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプにおける温度制御処理と同一の処理ステップには同一の符号を付して、ここでは、それらの説明を省略する。

本実施形態に係るヒートパイプの温度制御部１５は、図７のステップＳ１７において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２（例えば、８０℃）を超えていなければ、処理をステップＳ１５に戻して、加熱装置２４に電力を投入する。また、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２であれば、処理をステップＳ１３に戻して、再度、冷却部５の温度を監視する。

一方、温度制御部１５は、ステップＳ１７において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ２を超えていると判断した場合には、ステップＳ３３で、その冷却部５の温度が、所定温度Ｔ２よりも高い、所定温度Ｔ３（Ｔ３＞Ｔ２）に達しているかどうかを判断する。ステップＳ３３において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ３に達していないと判断された場合は、ステップＳ３５において、加熱装置２４への電力投入を減少させる（つまり、加熱装置２４へ投入する電力を小さめにする）。

その後、冷却部５の温度が上昇し、ステップＳ３３において、冷却部５の温度が所定温度Ｔ３に達したと判定された場合には、温度制御部１５は、ステップＳ２５において、加熱装置２４への電力投入を停止する。このように、冷却部５の温度が所定温度Ｔ３に達した後、加熱装置２４への電力投入を完全に絶つことで、発熱源２３の熱量が小さい場合であっても、加熱装置２４への電力投入の停止後、ヒートパイプが再び動作しなくなるのを回避できる。

本発明は、上記した実施形態に限定されず、種々の変更をして実施可能である。例えば、発熱源２３に入力される電力を正確に計測し、投入された電力が一定の電力以下であり、発熱源２３の温度上昇がないと判断された場合には、ヒートパイプの作動が不要であるとして、加熱装置２４による冷却部５の加温を行わないようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、平板構造（平型）のヒートパイプに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、板状のヒートパイプ全体をＳ字形状、又はＺ字形状に成形した構造の自励振動ヒートパイプとしてもよい。図８（ａ）は、本変形例に係る自励振動ヒートパイプの全体構成を示す斜視図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す自励振動ヒートパイプを矢印方向から見たときの側面図である。

図８（ａ），（ｂ）において、例えば、細管からなるヒートパイプ６０は、Ｓ字形状（又は、Ｚ字形状）の伸縮自在なバネ構造（又は、折り曲げ構造）をなし、ヒートパイプ６０の上平面（発熱部）には、冷却対象として、回路基板６５にはんだ付けして固定された半導体チップ等の発熱素子６３が伝熱接着材によって伝熱的に接着されている。また、ヒートパイプ６０の下平面（冷却部）は、冷却装置としての放熱用の金属平板６７と、伝熱接着材によって一体化されている。すなわち、図８は、トップヒートモードでの使用状態を示している。

そこで、図８に示す自励振動ヒートパイプにおいて、上記各実施形態と同様に冷却部を加熱するための加熱装置を配置することで、バネ構造体のヒートパイプのバネ圧によって、ヒートパイプの発熱部と発熱源（冷却対象）、ヒートパイプの冷却部と冷却装置がそれぞれ加圧接触されるとともに、冷却部において作動液が冷やされ過ぎることを回避して、自励振動ヒートパイプの始動性を確保することができる。

１ 平型自励振動ヒートパイプ
３ 発熱部
４ 加熱部
５ 冷却部
６ カートリッジヒータ
７ 細管
８ 溝
１０ 電源
１２ 電源検知部
１５ 温度制御部
１７ マルチメータ
１８，１９ 熱電対
２１ ケース（筐体）
２２ ケース（蓋）
２３ 発熱源
２４ 加熱装置
２５ 冷却装置
２６ カートリッジヒータ
３０，４０，５０ 平型自励振動ヒートパイプ

Claims (11)

1. 外部からの熱を吸収する吸熱部と、
   外部に熱を放出する放熱部と、
   前記吸熱部と前記放熱部との間を往復し、冷媒が充填された閉ループの流路を形成する管路部と、
   前記放熱部に対して外部から熱を加える加熱部と、
   前記放熱部の温度を検知する温度検知部と、
   前記温度検知部による温度検知結果に基づいて、前記加熱部からの加熱により前記放熱部の温度が所定温度に保持されるように該加熱部を制御する制御部と、
   を備えた自励振動ヒートパイプ。
2. 前記加熱部は、前記放熱部を加熱するように前記管路部に熱を加える
   請求項１に記載の自励振動ヒートパイプ。
3. 前記制御部は、前記冷媒が前記管路部の循環を開始する時に前記放熱部の温度が前記所定温度よりも低い所定の温度に達していない場合、前記加熱部を制御する
   請求項１又は請求項２に記載の自励振動ヒートパイプ。
4. 前記制御部は、前記放熱部の温度が前記所定温度を超えた場合、前記加熱部による前記放熱部への加熱を抑制するか、あるいは前記放熱部への加熱を停止するように該加熱部を制御する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
5. 前記制御部は、前記放熱部の温度が前記所定温度を超え、かつ前記所定温度よりも所定値高い温度よりも低いとき、前記加熱部による前記放熱部への加熱を抑制し、かつ、前記放熱部の温度が前記所定値高い温度に達したとき、前記加熱部による前記放熱部への加熱を停止するように前記加熱部を制御する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
6. 前記発熱源を前記管路部の一方端側に配置し、前記放熱部を冷却する冷却装置を前記管路部の他方端側に配置し、前記発熱源と前記冷却装置との間の前記管路部上に前記加熱部を配置するとともに、該発熱源、該冷却装置、及び該加熱部を前記管路部の同一面上に配置した
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
7. 前記発熱源を前記管路部の一方端側に配置し、前記加熱部を前記管路部の他方端側に配置し、前記発熱源と前記加熱部との間の前記管路部上に前記放熱部を冷却する冷却装置を配置するとともに、該発熱源、該冷却装置、及び該加熱部を前記管路部の同一面上に配置した
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
8. 前記発熱源を前記管路部の一方端側に配置し、前記放熱部を冷却する冷却装置を、前記発熱源と離間させて前記管路部上の前記発熱源を除く領域に配置するとともに、前記発熱源と前記冷却装置を前記管路部の一方の面上に配置し、前記加熱部を前記管路部の他方の面上であって前記冷却装置の反対側の位置に配置した
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
9. 前記管路部は、熱伝導可能な部材で形成された
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
10. 前記冷媒は水である
    請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
11. コンピュータを、
    外部からの熱を吸収する吸熱部と、外部に熱を放出する放熱部と、前記吸熱部と前記放熱部との間を往復し、冷媒が充填された閉ループの流路を形成する管路部と、前記放熱部を加熱する加熱部とを備える自励振動ヒートパイプの前記放熱部の温度を検知する温度検知部による温度検知結果に基づいて、前記加熱部からの加熱により前記放熱部の温度が所定温度に保持されるように該加熱部を制御する制御部、
    として機能させるためのプログラム。

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