JP5125889B2 - 可変コンダクタンスヒートパイプ - Google Patents

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。

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。

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）、
特開２００５−４９６２１号公報（１３頁、図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。

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。

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、おおよそ上記放熱部が断熱された状態で上記受熱部を昇温して保持するものである。

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。

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。

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）。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施の形態１に係る可変コンダクタンスヒートパイプを示す構成図である。 可変コンダクタンスヒートパイプと通常のヒートパイプの温度の熱負荷依存性を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る可変コンダクタンスヒートパイプを示す構成図である。 本発明の実施の形態３に係る可変コンダクタンスヒートパイプを示す構成図である。 本発明の実施の形態４に係る可変コンダクタンスヒートパイプを示す構成図である。

符号の説明

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。

Claims (9)

1. 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、上記受熱部に被冷却体を設置し、この被冷却体の待機時に上記受熱部に熱量を与え、おおよそ上記放熱部が断熱された状態で上記受熱部を昇温して保持することを特徴とする可変コンダクタンスヒートパイプ。
2. 受熱部または被冷却体に、待機時の受熱部の温度が、被冷却体の動作時の温度Ｔｒと周囲温度Ｔｅの中央値以上となる熱量を与えることを特徴とする請求項１記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。
3. 受熱部または被冷却体に、待機時の受熱部の温度が、被冷却体の動作時の温度Ｔｒと周囲温度Ｔｅの中央値以上となる熱量を与えるヒータを設けたことを特徴とする請求項２記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。
4. 被冷却体の待機時に、待機時の受熱部の温度が、被冷却体の動作時の温度Ｔｒと周囲温度Ｔｅの中央値以上となる熱量を、被冷却体が発生することを特徴とする請求項２記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。
5. 放熱部に冷却装置を設け、ヒータと上記冷却装置を連動させて出力制御することを特徴とする請求項３に記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。
6. 放熱部に冷却装置を設け、被冷却体と上記冷却装置を連動させて出力制御することを特徴とする請求項４に記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。
7. 被冷却体を断熱材で覆ったことを特徴とする請求項１記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。
8. 受熱部を断熱材で覆ったことを特徴とする請求項３記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。
9. 被冷却体が半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。

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