JP2002286386A - Heat conveying apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートパイプにお
ける熱搬送効率が使用環境条件にかかわらず常に高効率
になるように制御可能にした熱搬送装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat transfer apparatus capable of controlling the heat transfer efficiency of a heat pipe so that the heat transfer efficiency is always high regardless of the use environment.
【０００２】[0002]
【従来の技術】今日、電子機器等においては冷却技術の
効率化は、エネルギ利用の効率化と伴い重要な技術課題
となっている。2. Description of the Related Art At present, in electronic equipment and the like, increasing the efficiency of cooling technology has become an important technical problem along with the efficiency of energy utilization.
【０００３】通常、電子機器の冷却には、ファンによる
強制空冷やフィンによる自然対流空冷が行われており、
かかる冷却方法では十分な冷却能力を得ることが困難な
場合にはペルチェ素子による冷却が行われるようになっ
ている。また、大型の装置においては、冷却水や冷媒が
用いられたりする。Normally, electronic devices are cooled by forced air cooling by a fan or natural convection air cooling by fins.
When it is difficult to obtain a sufficient cooling capacity by such a cooling method, cooling by a Peltier element is performed. Further, in a large-sized device, cooling water or a refrigerant is used.
【０００４】しかし、小型化された電子機器等において
は、これらの冷却手段による冷却を行うことが困難な場
合があり、近年ヒートパイプによる熱搬送で冷却する技
術が注目されている。[0004] However, in the case of miniaturized electronic equipment and the like, it may be difficult to perform cooling by these cooling means, and in recent years, a technique of cooling by heat transfer using a heat pipe has attracted attention.
【０００５】かかるヒートパイプ１００の一般原理を図
３を参照して説明する。ヒートパイプ１００は、密閉さ
れたパイプ１０１内に作動流体が封入されると共にその
内壁にウィック材１０４が挿着されている。The general principle of the heat pipe 100 will be described with reference to FIG. In the heat pipe 100, a working fluid is sealed in a sealed pipe 101, and a wick member 104 is inserted into an inner wall thereof.
【０００６】そして、作動流体は高温部１０２で吸熱し
て蒸発し、それが中央部１０５を通り低温部１０３に移
動して当該低温部１０３に放熱して凝縮する。凝縮した
作動流体は、極細線のウィック材１０４を濡らし、毛細
管現象により速やかに高温部１０２に戻り、同様のサイ
クルを繰返される。Then, the working fluid absorbs heat in the high-temperature portion 102 and evaporates, moves through the central portion 105 to the low-temperature portion 103, releases heat to the low-temperature portion 103, and condenses. The condensed working fluid wets the extra fine wire wick material 104, returns to the high temperature part 102 promptly by capillary action, and repeats the same cycle.
【０００７】即ち、作動流体は、高温部１０２と低温部
１０３との間を相変化しながら往復するサイクルを繰返
すことにより高温部１０２の熱を低温部１０３に搬送し
て、高温部１０２を冷却する。That is, the working fluid conveys the heat of the high-temperature section 102 to the low-temperature section 103 by repeating a cycle of reciprocating between the high-temperature section 102 and the low-temperature section 103 while changing the phase, thereby cooling the high-temperature section 102. I do.
【０００８】このように、熱搬送において外部から電力
を供給する必要がなく、作動流体が相変化を繰返すこと
にのみに基づき行われるため、高い搬送効率が得られる
特徴がある。[0008] As described above, since there is no need to supply electric power from the outside in the heat transfer and the heat transfer is performed only based on the repetition of the phase change of the working fluid, a high transfer efficiency is obtained.
【０００９】作動流体が高温部１０２と低温部１０３と
を効率的に循環することは、熱搬送効率を高くするため
に重要であることは容易に推察できるが、作動流体とし
て純水を用いると（例えば特開平８−３０３９７０号公
報参照）、その粘性抵抗のために毛細管現象による移動
力が減少して、熱搬送効率を十分に高めることができな
い。It is easy to guess that it is important for the working fluid to efficiently circulate between the high temperature section 102 and the low temperature section 103 in order to increase the heat transfer efficiency. (For example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-303970), the moving force due to the capillary phenomenon is reduced due to the viscous resistance, and the heat transfer efficiency cannot be sufficiently increased.
【００１０】そこで、作動流体として低粘性で、表面張
力が「ゼロ」のある超臨界状態の二酸化炭素を用いる構
成が提案されている。図４は二酸化炭素のモリエル線図
を示し、同図からわかるように臨界点（圧力７．３ＭＰ
ａ、温度３１℃）以上で二酸化炭素は超臨界流体とな
る。なお、図４において臨界点ａより高温高圧領域（ｂ
領域）が超臨界流体の存在する領域を示している。[0010] Therefore, a configuration using carbon dioxide in a supercritical state having a low viscosity and a surface tension of “zero” as a working fluid has been proposed. FIG. 4 shows a Mollier chart of carbon dioxide, and as can be seen from the figure, the critical point (pressure 7.3MPa)
a, at a temperature of 31 ° C. or higher), carbon dioxide becomes a supercritical fluid. Incidentally, in FIG.
Area) indicates the area where the supercritical fluid exists.
【００１１】従って、二酸化炭素は、温度３１．０５℃
以上、圧力７．３ＭＰａ以上で超臨界状態を示し、粘性
が小さくなるので高温部１０２と低温部１０３とを効率
的往復することが可能になって熱搬送効率を高めること
ができる。Therefore, carbon dioxide has a temperature of 31.05 ° C.
As described above, the supercritical state is exhibited at a pressure of 7.3 MPa or more, and the viscosity is reduced, so that the high-temperature portion 102 and the low-temperature portion 103 can be efficiently reciprocated, and the heat transfer efficiency can be increased.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな熱搬送能力は圧力に依存し、当該圧力は使用環境温
度により変動してしまうため、常に最適な熱搬送能力で
動作させることができない問題があった。However, such a heat transfer capacity depends on the pressure, and the pressure fluctuates depending on the use environment temperature. Therefore, there is a problem that the heat transfer capacity cannot always be operated with the optimum heat transfer capacity. there were.
【００１３】即ち、図５からわかるようにパイプ内の圧
力が上昇するに従い、温度−エンタルピー曲線は緩やか
に変化するようになる。なお、図５は温度に対するエン
タルピーを圧力をパラメータとして示した図である。That is, as can be seen from FIG. 5, the temperature-enthalpy curve gradually changes as the pressure in the pipe increases. FIG. 5 is a diagram showing enthalpy with respect to temperature with pressure as a parameter.
【００１４】例えば、低温部及び高温部の温度をそれぞ
れ３０℃、４０℃とした場合を考える。この場合、作動
流体が９ＭＰａのときのエンタルピーは２６５．９（ｋ
Ｊ／Ｋ−ｋｇ）、３４４．７（ｋＪ／Ｋ−ｋｇ）で、そ
の差は７８．８（ｋＪ／Ｋ−ｋｇ）であり、７．５ＭＰ
ａのときのエンタルピーは２９１．９（ｋＪ／Ｋ−ｋ
ｇ）、４２０．３（ｋＪ／Ｋ−ｋｇ）で、その差は１２
８．４（ｋＪ／Ｋ−ｋｇ）である。この差が大きいほど
熱搬送能力が高いので、最適な圧力が存在することがわ
かる。For example, consider the case where the temperatures of the low temperature section and the high temperature section are 30 ° C. and 40 ° C., respectively. In this case, the enthalpy when the working fluid is 9 MPa is 265.9 (k
J / K-kg), 344.7 (kJ / K-kg), the difference of which is 78.8 (kJ / K-kg), and 7.5 MP
The enthalpy at the time of a is 291.9 (kJ / Kk)
g), 420.3 (kJ / K-kg), and the difference is 12
8.4 (kJ / K-kg). The greater this difference is, the higher the heat transfer capacity is, so it can be seen that an optimum pressure exists.
【００１５】ところが、熱搬送装置の制作時に使用環境
温度を想定して最適な熱搬送能力を持つように圧力設定
しても、現実には当該使用環境温度が変動するので圧力
変動が生じてしまい、常に最適な夏搬送能力を達成する
ことができなくなってしまう。However, even if the pressure is set so as to have an optimum heat transfer capability by assuming the use environment temperature when the heat transfer device is manufactured, the change in pressure actually occurs because the use environment temperature fluctuates. However, it is not always possible to achieve the optimum summer carrying capacity.
【００１６】そこで、本発明は、使用環境条件に関わら
ず常に最高の熱搬送能力で動作できるようにした熱搬送
装置を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a heat transfer apparatus which can always operate at the highest heat transfer capacity regardless of the use environment conditions.
【００１７】[0017]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、作動管のと連通して設け
られて、作動流体を貯留する圧力調整タンクと、作動管
内を作動している作動流体の温度を検出する温度検出器
と、圧力調整タンクを加熱又は冷却する温度調整器と、
温度検出器からの検出信号に基づき、作動管内の圧力を
演算し、当該演算した圧力が予め設定された圧力より低
い場合には温度調整器に圧力調整タンクを加熱させ、ま
た演算した圧力が予め設定された圧力より高い場合には
温度調整器に圧力調整タンクを冷却させて、当該圧力調
整タンクに貯留する作動流体量を制御することにより作
動管内の圧力調整を行う制御器とを有して、使用環境条
件に関わらず常に最高の熱搬送能力で動作できるように
したことを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a pressure control tank provided in communication with a working pipe for storing a working fluid, and operating in the working pipe. A temperature detector for detecting the temperature of the working fluid being heated, and a temperature controller for heating or cooling the pressure regulating tank,
Based on the detection signal from the temperature detector, the pressure in the working pipe is calculated, and if the calculated pressure is lower than a preset pressure, the temperature controller heats the pressure adjustment tank, and the calculated pressure is When the pressure is higher than the set pressure, the temperature controller cools the pressure adjustment tank, and controls the pressure in the working pipe by controlling the amount of working fluid stored in the pressure adjustment tank. In addition, it can always operate at the highest heat transfer capacity regardless of the use environment conditions.
【００１８】請求項２にかかる発明は、温度検出器が、
ループ状の作動管における平均的な温度を検出するよう
に、高温部と低温部との間に設けられていることを特徴
とする。According to a second aspect of the present invention, the temperature detector comprises:
It is provided between the high temperature part and the low temperature part so as to detect the average temperature in the loop-shaped working tube.
【００１９】請求項３にかかる発明は、圧力調整タンク
が、低温部で冷却されて流動する作動流体が流入できる
ように当該低温部に近接して設けられていることを特徴
とする。The invention according to claim 3 is characterized in that the pressure adjusting tank is provided close to the low-temperature part so that a working fluid cooled and flowing in the low-temperature part can flow in.
【００２０】請求項４にかかる発明は、作動流体が二酸
化炭素であり、かつ、動作時には超臨界流体として作用
することを特徴とする。The invention according to claim 4 is characterized in that the working fluid is carbon dioxide, and acts as a supercritical fluid during operation.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は本発明に係る熱搬送装置１０の概略
構成を示す図である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a heat transfer device 10 according to the present invention.
【００２２】当該熱搬送装置１０は、ループ状に密封形
成されて内部に作動流体として二酸化炭素が封入された
作動管１１、該作動管１１の低温部Ｌ側に当該作動管１
１と連通して設けられた圧力調整タンク１２、該圧力調
整タンク１２の温度調整を行う温度調整器１３、作動流
体の平均温度を検出する温度検出器１４、該温度検出器
１４からの信号に基づき温度調整器１３を制御する制御
器１５等を有している。The heat transfer device 10 includes a working tube 11 which is formed in a loop-like shape and sealed with carbon dioxide as a working fluid therein, and the working tube 1 is provided on the low temperature portion L side of the working tube 11.
A pressure regulating tank 12 provided in communication with 1; a temperature regulator 13 for regulating the temperature of the pressure regulating tank 12; a temperature detector 14 for detecting the average temperature of the working fluid; It has a controller 15 for controlling the temperature controller 13 based on this.
【００２３】作動管１１や圧力調整タンク１２は、アル
ミニュームや銅のような熱伝導度の高い金属を材料とし
て形成されて、上述したように作動管１１と圧力調整タ
ンク１２内とは連通している。The working tube 11 and the pressure regulating tank 12 are formed of a material having high thermal conductivity such as aluminum or copper, and the working tube 11 and the inside of the pressure regulating tank 12 communicate with each other as described above. ing.
【００２４】圧力調整タンク１２は低温部Ｌ側に近接し
て設けられて、当該低温部Ｌで冷却された作動流体が高
温部Ｈに流動する際に当該圧力調整タンク１２に溜る。
そして、熱平衡状態に達すると、圧力調整タンク１２内
の作動流体量も一定になる（変動が無くなる）。The pressure adjusting tank 12 is provided in the vicinity of the low temperature part L side, and accumulates in the pressure adjusting tank 12 when the working fluid cooled in the low temperature part L flows to the high temperature part H.
When the thermal equilibrium state is reached, the amount of working fluid in the pressure adjusting tank 12 also becomes constant (fluctuation disappears).
【００２５】なお、先にも述べたように、超臨界状態の
二酸化炭素は、表面張力が「ゼロ」であるので毛細管現
象により移動することはないが、温度差による密度の違
いにより浮上して移動するようになり、図１に示す構成
では、ループ状に形成された作動管１１内を循環するよ
うになる。As described above, carbon dioxide in a supercritical state does not move due to capillary action because the surface tension is “zero”, but floats due to a difference in density due to a temperature difference. 1 and circulates in the loop-shaped working tube 11 in the configuration shown in FIG.
【００２６】また、温度調整器１３は圧力調整タンク１
２に取付けられて、当該圧力調整タンク１２を加熱又は
冷却することにより、当該圧力調整タンク１２内の作動
流体量を調整して、作動管１１で作動している作動流体
量を調整することにより圧力調整を行う。The temperature controller 13 is provided in the pressure regulating tank 1.
2 by adjusting the amount of working fluid in the pressure adjusting tank 12 by heating or cooling the pressure adjusting tank 12 to adjust the amount of working fluid operating in the working pipe 11. Adjust pressure.
【００２７】温度検出器１４は、作動流体の平均温度が
検出できるように、高温部Ｈ及び低温部Ｌの略中間位置
に設けられて、その検出信号は制御器１５に送られる。
制御器１５には、この温度から作動管１１内の圧力を演
算する演算式が予め記憶されている。The temperature detector 14 is provided at a substantially intermediate position between the high-temperature portion H and the low-temperature portion L so that the average temperature of the working fluid can be detected.
An arithmetic expression for calculating the pressure in the working tube 11 from this temperature is stored in the controller 15 in advance.
【００２８】そして、この演算した圧力（以下、演算圧
力という）が最適な熱搬送能力を発揮する圧力（以下、
最適圧力という）より高い場合には、制御器１５は温度
調整器１３に圧力調整タンク１２を冷却するように制御
信号を出力する。これにより、圧力調整タンク１２に貯
留されている作動流体が増えて作動管１１内の圧力が下
がり、最適圧力になるとその状態を保持する。The calculated pressure (hereinafter, referred to as the calculated pressure) is a pressure (hereinafter, referred to as a calculated pressure) at which the optimum heat transfer capability is exhibited.
If the pressure is higher than the optimum pressure, the controller 15 outputs a control signal to the temperature controller 13 so as to cool the pressure regulating tank 12. As a result, the working fluid stored in the pressure adjusting tank 12 increases, and the pressure in the working pipe 11 decreases. When the working pressure reaches the optimum pressure, the state is maintained.
【００２９】一方、演算した圧力が最適圧力より低い場
合には、制御器１５は温度調整器１３に圧力調整タンク
１２を加熱するように制御信号を出力する。これによ
り、圧力調整タンク１２に貯留されている作動流体が減
少して作動管１１内の圧力が上がり、最適圧力になると
その状態を保持するOn the other hand, when the calculated pressure is lower than the optimum pressure, the controller 15 outputs a control signal to the temperature controller 13 so as to heat the pressure control tank 12. As a result, the working fluid stored in the pressure adjusting tank 12 decreases, the pressure in the working pipe 11 increases, and when the working pressure reaches the optimum pressure, the state is maintained.
【００３０】従って、使用環境温度が変動しても、常に
最適な圧力状態で熱搬送を行うことができるので、最高
の熱搬送能力を維持することが可能になる。Therefore, even if the temperature of the use environment fluctuates, the heat transfer can always be performed under the optimum pressure state, so that the highest heat transfer capability can be maintained.
【００３１】図２は、本発明に従い圧力調整を行った場
合（実線）と、従来の圧力調整を行わない場合（点線）
との熱搬送能力を高温部Ｈと低温部Ｌとの温度差に対し
て示した図である。FIG. 2 shows a case where pressure adjustment is performed according to the present invention (solid line) and a case where conventional pressure adjustment is not performed (dotted line).
FIG. 4 is a diagram showing the heat transfer capacity of the high temperature part H and the low temperature part L with respect to the temperature difference.
【００３２】同図から本発明に従い圧力調整を行うよう
にすると、熱搬送能力を向上させることが可能であるこ
とがわかる。It can be seen from FIG. 3 that when the pressure is adjusted according to the present invention, the heat transfer capability can be improved.
【００３３】[0033]
【発明の効果】以上説明したように請求項１にかかる発
明によれば、作動管内を作動している作動流体の温度を
検出して作動管内の圧力を演算し、当該演算した圧力が
予め設定された圧力より低い場合には温度調整器に圧力
調整タンクを加熱させ、また演算した圧力が予め設定さ
れた圧力より高い場合には温度調整器に圧力調整タンク
を冷却させて、当該圧力調整タンクに貯留する作動流体
量を制御することにより作動管内の圧力調整を行うよう
にしたので、使用環境条件に関わらず常に最高の熱搬送
能力で動作できるようになる。As described above, according to the first aspect of the present invention, the pressure in the working pipe is calculated by detecting the temperature of the working fluid operating in the working pipe, and the calculated pressure is set in advance. If the calculated pressure is lower than the predetermined pressure, the temperature controller heats the pressure control tank, and if the calculated pressure is higher than the preset pressure, the temperature controller cools the pressure control tank, and the pressure control tank is heated. The pressure in the working tube is adjusted by controlling the amount of working fluid stored in the working pipe, so that it is possible to always operate at the highest heat transfer capacity regardless of the use environment conditions.
【００３４】請求項２にかかる発明によれば、温度検出
器を高温部と低温部との間に設けたので、作動管におけ
る平均的な温度が検出できるようになり、圧力制御の信
頼性が向上する。According to the second aspect of the present invention, since the temperature detector is provided between the high temperature section and the low temperature section, the average temperature in the working tube can be detected, and the reliability of the pressure control is improved. improves.
【００３５】請求項３にかかる発明によれば、圧力調整
タンクを低温部に近接して設けたので、低温部で冷却さ
れて流動する作動流体が容易に流入できるようになり、
圧力制御が容易に行えるようになる。According to the third aspect of the present invention, since the pressure adjusting tank is provided near the low temperature section, the working fluid cooled and flowing in the low temperature section can easily flow in,
Pressure control can be easily performed.
【００３６】請求項４にかかる発明によれば、作動流体
を超臨界流体として作用する二酸化炭素としたので、効
率的な熱搬送が可能になる。According to the fourth aspect of the present invention, since the working fluid is carbon dioxide acting as a supercritical fluid, efficient heat transfer becomes possible.
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用される熱搬送
装置の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a heat transfer device applied to the description of an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の効果を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the effect of the present invention.
【図３】ヒートパイプの原理図である。FIG. 3 is a principle diagram of a heat pipe.
【図４】二酸化炭素のモリエル線図である。FIG. 4 is a Mollier diagram of carbon dioxide.
【図５】圧力をパラメータとする温度−エンタルピー曲
線を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a temperature-enthalpy curve using pressure as a parameter.
１０ 熱搬送装置 １１ 作動管 １２ 圧力調整タンク １３ 温度調整器 １４ 温度検出器 １５ 制御器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Heat transfer apparatus 11 Working pipe 12 Pressure regulation tank 13 Temperature regulator 14 Temperature detector 15 Controller
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名迫 賢二 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 3L044 AA01 AA04 BA02 EA03 JA01 KA01 KA02 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Kenji Nasako 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd. F-term (reference) 3L044 AA01 AA04 BA02 EA03 JA01 KA01 KA02
Claims (4)
体が封入され、当該作動流体が前記作動管の高温部で吸
熱して低温部に移動し、当該低温部で放熱することによ
り熱搬送を行う熱搬送装置において、 前記作動管と連通して設けられて、前記作動流体を貯留
する圧力調整タンクと、 前記作動管内を作動している作動流体の温度を検出する
温度検出器と、 前記圧力調整タンクを加熱又は冷却する温度調整器と、 前記温度検出器からの検出信号に基づき、前記作動管内
の圧力を演算し、当該演算した圧力が予め設定された圧
力より低い場合には前記温度調整器に前記圧力調整タン
クを加熱させ、また演算した圧力が予め設定された圧力
より高い場合には前記温度調整器に前記圧力調整タンク
を冷却させて、当該圧力調整タンクに貯留する作動流体
量を制御することにより前記作動管内の圧力調整を行う
制御器とを有することを特徴とする熱搬送装置。A working fluid is sealed in a working tube formed in a loop shape, and the working fluid absorbs heat in a high-temperature portion of the working tube, moves to a low-temperature portion, and radiates heat in the low-temperature portion to transfer heat. A pressure adjusting tank provided in communication with the working pipe to store the working fluid; a temperature detector for detecting a temperature of the working fluid operating inside the working pipe; A temperature controller for heating or cooling the pressure control tank; calculating a pressure in the working pipe based on a detection signal from the temperature detector; and when the calculated pressure is lower than a preset pressure, the temperature is calculated. An operation of causing the regulator to heat the pressure regulating tank and, if the calculated pressure is higher than a preset pressure, causing the temperature regulator to cool the pressure regulating tank and storing it in the pressure regulating tank. Heat transfer apparatus and having a controller which adjusts a pressure of the working tube by controlling the fluid volume.
管における平均的な温度を検出するように、前記高温部
と低温部との間に設けられていることを特徴とする請求
項１記載の熱搬送装置。2. The temperature detector according to claim 1, wherein the temperature detector is provided between the high temperature part and the low temperature part so as to detect an average temperature in the loop-shaped working tube. The heat transfer device as described in the above.
却されて流動する作動流体が流入できるように当該低温
部に近接して設けられていることを特徴とする請求項１
又は２記載の熱搬送装置。3. The pressure adjusting tank according to claim 1, wherein the pressure adjusting tank is provided near the low temperature part so that a working fluid cooled and flowing in the low temperature part can flow in.
Or the heat transfer device according to 2.
つ、動作時には超臨界流体として作用することを特徴と
する請求項１乃至３いずれか１項記載の熱搬送装置。4. The heat transfer device according to claim 1, wherein the working fluid is carbon dioxide, and acts as a supercritical fluid during operation.
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