JP3726743B2 - Thermal resistance control device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発熱部と放熱部とが接触する部分の熱抵抗を制御する熱抵抗制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の高集積化に伴い発生する熱の処理が大きな問題となっている。精密な機器では動作時および非動作時の許容温度範囲が制限される場合が多い。特に人工衛星等に搭載される機器において、太陽光を受ける部分と受けない部分とで、大きな温度差が生じ熱的に厳しい条件となる。こうした熱的に厳しい条件で使用される機器は通常、機器側の熱放射面または衛星構体側の放熱体取付部までの放熱経路における熱抵抗をできるだけ小さくするように機器を取り付け、機器の高温側で許容温度範囲内になるようにしている。
【０００３】
しかし、衛星の軌道や姿勢変更によっては放熱量が大きく増大し、高温側の対策のために機器が冷却過剰になり、逆に機器の一部を低温側許容温度範囲内に収まるようにヒータを取り付けて暖めるケースがある。これは放熱経路の熱抵抗が一定となっていることが１つの原因である。放熱経路の熱抵抗を制御し、高温時には熱抵抗の値を小さくして機器からの放熱量を大きくし、低温時には熱抵抗の値を大きくして機器からの放熱量を小さくすることができれば、保温用のヒータが必要なくなるとともに、電力量を減らすことができる。
【０００４】
熱抵抗を変化させる装置の一例が、特開平０５−２５１５９５号公報に記載されている。この公報に記載された可変熱抵抗装置は、圧電素子の発生する力を利用して電気的に熱抵抗を変化させる装置である。放熱経路にある２つの熱伝導体間の接触面に圧電素子を配置し、圧電素子に印加する電圧により接触面を加圧制御し、熱抵抗を変化させる装置である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報記載の技術には、次のような問題点がある。第１は、熱抵抗値を最も小さいままの状態で維持するためには、常に圧電素子に最大電圧を加えつづけなければならないことである。これは最も熱を放熱したいときに、圧電素子からの発熱量が最も大きくなり、放熱のために逆に熱を発生させていることになる。第２は、熱抵抗を小さくしにくく放熱能力の増大が困難な構造になっていることである。圧電素子の発生する応力は、そのまま接触圧にはならず、熱伝導体を変形させるために使われてしまう。一般に熱伝導率のよい物質としては銅やアルミニウムなどの金属であるが、熱抵抗を小さくするためにはできるだけ厚い金属（銅やアルミニウムなど）を使用することが望ましい。しかしそのような金属を変形させるに大きな力が必要となる。変形をよくするためには厚さの薄い部分を設ける必要があるが、その部分では熱抵抗が大きくなってしまい、金属の熱伝導率の良さを活かせない。より多くの力を発生させるために、圧電素子を多量に用いれば、この部分からの発熱量が増大する。したがって、放熱能力を増大させるために、単に圧電素子を増設することは解決策とはならない。一方、放熱シートのような変形しやすい物質の熱伝導率は、金属とは数桁以上悪いため、全体としては熱抵抗を小さくすることは困難である。
【０００６】
本発明は、以上の課題に鑑み、むだな電力を発生させず効率よく熱抵抗を制御できる熱抵抗制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の熱抵抗制御装置は、互いに直接接触または所定間隔で近接して配置された発熱体取付部および放熱体取付部と、これら取付部が接触または近接している領域の周縁部の複数個所においてこれら取付部間に配置された柱状部と、該柱状部を加熱するヒータと、該ヒータを制御する制御部を備える。この装置は、柱状部を介して発熱体取付部と放熱体取付部とが固定接続することができる。発熱体取付部と柱状部の間、および放熱体取付部と柱状部の間にはそれぞれ断熱材を配置することができる。あるいは、発熱体取付部と柱状部は直接接触し、放熱体取付部と柱状部の間に断熱材を配置することができる。
【０００９】
上記熱抵抗制御装置では、発熱体取付部と柱状部がボルトで固定し、柱状部と放熱体取付部は該柱状部に形成されたネジ部により該放熱体取付部に固定することができる。発熱体取付部と柱状部、および放熱体取付部と柱状部とは両部分ともボルトで固定することができる。また発熱体取付部は発熱体の一部であり、放熱体取付部は放熱体の一部であることが可能である。
【００１０】
上記装置では、熱抵抗を外部から効率的に制御でき、また電力を効率的に使用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図６は、本発明の熱抵抗制御装置の配置例を示す。本発明の熱抵抗制御装置１は、図６に示すように発熱体１４と放熱体２４の間に取り付けられ、発熱体１４から放熱体２４への放熱量を制御するものである。図６では、発熱体１４と熱抵抗制御装置１、及び放熱体２４と熱抵抗制御装置１とはそれぞれ別個の構成部分である。図６の構成では、熱抵抗制御装置は、発熱体１４及び放熱体２４とは別個の発熱体取付部及び放熱体取付部を備える。しかし、発熱体取付部は発熱体１４の一部であってもよく、放熱体取付部は放熱体２４の一部であってもよい。この場合、発熱体１４及び放熱体２４のそれぞれの一部が直接接触あるいは非常に近接して配置し、これら接触部又は近接部の周縁部において発熱体１４と放熱体２４の間に後述する柱状部を配置する構成となる。
【００１２】
図１は、本発明の熱抵抗制御装置の構成例を示す。発熱体取付部１１の接触面１３と放熱体取付部２１の接触面２３とが接触して、または非常に近接して対向配置されている。この接触領域の周縁部には柱状部３１が２個所に配置されている。柱状部３１は板状の断熱材３２、３３を介して発熱体取付部１１と放熱体取付部２１の間に取り付けられる。さらに発熱体取付部１１と柱状部３１は、ボルト（またはネジ）４１で固定されている。柱状部３１の側面にはヒータ３４が接合されており、ヒータ３４には温度制御部３５が接続する。
【００１３】
図３は、柱状部が配置された領域の拡大断面図である。柱状部３１は断熱材３３、３２を介してそれぞれ発熱体取付部１１と放熱体取付部２１の間に配置されている。発熱体取付部１１と柱状部３１はボルト４１で結合固定されている。また放熱体取付部２１と柱状部３１は、該柱状部３１に形成された雄ネジが放熱体取付部２１に形成された雌ネジに嵌めこまれ、結合固定されている。ヒータ３４は柱状部３１の側面に接合している。
【００１４】
上記構成において、既に述べたように発熱体取付部１１は発熱体の本体の一部であってもよい。また放熱体取付部２１は放熱体の本体の一部であってもよい。断熱材３２、３３は、セラミクスのような熱伝導率の小さいものが望ましい。柱状部３１をできるだけ効率よく加熱し、また発熱体取付部１１および放熱体取付部２１への影響を最小にするためである。柱状部３１はできるだけ線膨張率の大きな材料を用いる。図１では柱状部３１は２個所であるが、必要に応じて３個所以上でもよい。また発熱体取付部１１と放熱体取付部２１の接触しまたは近接する領域の面積は放熱量に応じて設計時に適宜変更する。図３の例では、柱状部３１と発熱体取付部１１とが独立のボルト４１で固定されているが、柱状部３１に下側にも雌ネジを形成して柱状部３１と放熱体取付部２１も同じようにボルトで固定することもできる。
【００１５】
本熱抵抗制御装置１の動作について、図１、２を参照して説明する。本装置の初期状態では、発熱体取付部１１の接触面１３と放熱体取付部２１の接触面２３は、ボルト４１の締め付けにより加圧されて接触している。すなわち初期状態において、接触面１３と接触面２３の熱抵抗は最も小さい状態になっている。ただし加圧程度によって熱抵抗はある程度変動する。また接触面の表面粗さをできるだけ小さくすることにより初期状態での熱抵抗をより小さくできる。
【００１６】
熱抵抗制御装置１の熱抵抗を大きくする場合、ヒータ３４を加熱することにより、柱状部３１を熱膨張させる。温度制御部３５からの制御信号によりヒータ３４が発熱し、柱状部３１の温度が上昇する。温度上昇に伴い柱状部３１は熱膨張し、接触面１３と接触面２３の間の接触圧が減少し、さらに図２に示されるように隙間ができる。接触面１３と接触面２３が接触している場合でも、接触圧が減少すれば熱抵抗は大きくなる。柱状部３１の熱膨張により発生する隙間は、空気等の媒体を介しての熱伝導になり、真空中では放射となる。いずれも初期状態に比べ熱抵抗が大きくなる。
【００１７】
上記構成では熱抵抗を大きくして機器（発熱体）から熱を逃さない、すなわち対象機器を暖める場合にヒータ加熱により熱抵抗を大きくするため、電力の効率利用が図られる。
【００１８】
図４に示された構成例では、柱状部３１と発熱体取付部１１の間に断熱材が挿入されていない。これは、通常熱抵抗を大きくするときは機器等を暖めたい場合が多いためである。熱抵抗制御装置１の熱抵抗を大きくするため、ヒータ３４により柱状部３１を加熱し熱膨張させるが、そのヒータの熱の一部を積極的に発熱体取付部１１側に逃がすことにより、発熱体取付部１１に取り付けられている機器をも暖めることができる。
【００１９】
図５の構成例では、柱状部３１にはヒータが接合しておらず、また温度制御部も取り付けられていない。また、初期状態で接触面１３と接触面２３の間に隙間ができるような形状となっている。この構成では、発熱体取付部１１に取り付けられた機器（発熱体）からの熱のみにより、発熱体取付部１１が熱膨張により変形する。接触面１３と接触面２３とが、発熱体が所定の温度以上になったときに接触し、発熱体から放熱できるように、その間隔を調整しておく。接触面同士が接触すると、接触面２３を介して発熱体の熱が放熱され、発熱体取付部１１および発熱体の温度を低下させることができる。一定以上の放熱がされれば、発熱体取付部１１の温度が下がるため熱収縮がおき、再び接触面１３と接触面２３の間に隙間ができる。したがって、柱状部３１に取り付けていたヒータ等を備えず、初期状態で接触面１３と接触面２３の間の隙間を調整することにより、放熱量を制御できる。このように図５の構成では一層簡易な構成で熱抵抗を制御できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本熱抵抗制御装置では、発熱体取付部と放熱体取付部との間隔をその間に配置された柱状部の熱膨張により制御するので放熱部への熱抵抗を外部から電気的に効率的に制御できる。熱抵抗を大きくする（機器を暖める）場合にヒータを発熱させるので無駄な電力の消費が少ない。
【００２１】
またヒータ等を用いない非常に簡易な構成によっても必要な熱抵抗の制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱抵抗制御装置の構成例であって初期状態を示す側面図。
【図２】本発明の熱抵抗制御装置の構成例であって熱抵抗の高い状態を示す側面図。
【図３】本発明の熱抵抗制御装置の周縁部の構成例を示す拡大断面図。
【図４】本発明の熱抵抗制御装置の他の構成例を示す側面図。
【図５】 熱抵抗制御装置の他の構成例を示す側面図。
【図６】本発明の熱抵抗制御装置の配置を示す図。
【符号の説明】
１１ 発熱体取付部
１２ 放熱体取付部
１３、２３ 接触面
３１ 柱状部
３２、３３ 断熱材
３４ ヒータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal resistance control device that controls the thermal resistance of a portion where a heat generating portion and a heat radiating portion are in contact with each other.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the treatment of heat generated with high integration of electronic devices has become a major problem. In precision equipment, the allowable temperature range during operation and non-operation is often limited. In particular, in a device mounted on an artificial satellite or the like, a large temperature difference occurs between a portion that receives sunlight and a portion that does not receive sunlight, which is a severe thermal condition. Equipment that is used under such severe thermal conditions is usually installed so that the thermal resistance in the heat radiation path to the heat radiation surface on the equipment side or the radiator mounting part on the satellite structure side is as small as possible. The temperature is within the allowable temperature range.
[0003]
However, the amount of heat dissipation increases greatly depending on the satellite's orbit and attitude change, and the equipment is overcooled as a countermeasure for the high temperature side, and conversely, the heater is installed so that a part of the equipment falls within the allowable temperature range on the low temperature side. There is a case to attach and warm. One reason for this is that the thermal resistance of the heat dissipation path is constant. If you can control the thermal resistance of the heat dissipation path, decrease the heat resistance value at high temperatures to increase the heat dissipation from the equipment, and increase the thermal resistance value at low temperatures to reduce the heat dissipation from the equipment, A heater for heat insulation is not necessary, and the amount of electric power can be reduced.
[0004]
An example of a device for changing the thermal resistance is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 05-251595. The variable thermal resistance device described in this publication is a device that electrically changes thermal resistance using the force generated by a piezoelectric element. This is a device in which a piezoelectric element is arranged on a contact surface between two heat conductors in a heat radiation path, and the contact surface is subjected to pressure control by a voltage applied to the piezoelectric element to change a thermal resistance.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the technique described in the above publication has the following problems. First, in order to keep the thermal resistance value at the lowest state, the maximum voltage must always be applied to the piezoelectric element. This means that when the heat is most desired to be dissipated, the amount of heat generated from the piezoelectric element is the largest, and heat is conversely generated for heat dissipation. The second is that it has a structure in which it is difficult to reduce the thermal resistance and to increase the heat dissipation capability. The stress generated by the piezoelectric element does not directly become contact pressure, but is used to deform the heat conductor. In general, a material having good thermal conductivity is a metal such as copper or aluminum, but it is desirable to use a metal (such as copper or aluminum) that is as thick as possible in order to reduce the thermal resistance. However, great force is required to deform such a metal. In order to improve the deformation, it is necessary to provide a thin portion, but the thermal resistance increases at that portion, and the good thermal conductivity of the metal cannot be utilized. If a large amount of piezoelectric elements are used to generate more force, the amount of heat generated from this portion increases. Therefore, simply increasing the number of piezoelectric elements in order to increase the heat dissipation capability is not a solution. On the other hand, since the thermal conductivity of a material that is easily deformed, such as a heat radiating sheet, is several orders of magnitude worse than that of a metal, it is difficult to reduce the thermal resistance as a whole.
[0006]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a thermal resistance control device that can efficiently control thermal resistance without generating wasteful power.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The thermal resistance control device of the present invention that solves the above problems includes a heating element mounting portion and a radiator mounting portion that are arranged in direct contact with each other or close to each other at a predetermined interval, and an area in which these mounting portions are in contact with or close to each other. A columnar portion disposed between the mounting portions at a plurality of positions on the peripheral portion, a heater for heating the columnar portion, and a control unit for controlling the heater are provided. In this device, the heating element mounting portion and the radiator mounting portion can be fixedly connected via the columnar portion. A heat insulating material can be disposed between the heating element mounting portion and the columnar portion, and between the radiator mounting portion and the columnar portion, respectively. Or a heat generating body attachment part and a columnar part can contact directly, and a heat insulating material can be arrange | positioned between a heat radiator attachment part and a columnar part.
[0009]
In the thermal resistance control device, the heating element mounting part and the columnar part can be fixed with bolts, and the columnar part and the radiator mounting part can be fixed to the heatsink mounting part with a screw part formed in the columnar part. Both the heating element mounting part and the columnar part, and the radiator mounting part and the columnar part can be fixed with bolts. The heating element mounting portion may be a part of the heating element, and the radiator mounting portion may be a part of the radiator.
[0010]
In the above apparatus, the thermal resistance can be controlled efficiently from the outside, and the power can be used efficiently.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 6 shows an arrangement example of the thermal resistance control device of the present invention. As shown in FIG. 6, the thermal
[0012]
FIG. 1 shows a configuration example of a thermal resistance control device of the present invention. The
[0013]
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a region where the columnar portion is disposed. The
[0014]
In the above configuration, as already described, the heating
[0015]
The operation of the thermal
[0016]
When increasing the thermal resistance of the thermal
[0017]
In the above configuration, the heat resistance is increased so as not to release heat from the device (heating element), that is, when the target device is warmed, the heat resistance is increased by heater heating, so that the power can be used efficiently.
[0018]
In the configuration example shown in FIG. 4, no heat insulating material is inserted between the
[0019]
In the configuration example of FIG. 5, no heater is joined to the
[0020]
【The invention's effect】
As described above, in the present thermal resistance control device, the distance between the heating element mounting portion and the radiator mounting portion is controlled by the thermal expansion of the columnar portion disposed therebetween, so that the thermal resistance to the heat dissipation portion is electrically Can be controlled efficiently. When the thermal resistance is increased (the device is warmed), the heater is heated so that useless power consumption is reduced.
[0021]
In addition, the necessary thermal resistance can be controlled with a very simple configuration that does not use a heater or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an initial state of a configuration example of a thermal resistance control apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a configuration example of the thermal resistance control device according to the present invention and showing a state of high thermal resistance.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a configuration example of a peripheral portion of the thermal resistance control device of the present invention.
FIG. 4 is a side view showing another configuration example of the thermal resistance control device of the present invention.
FIG. 5 is a side view showing another configuration example of the thermal resistance control device.
FIG. 6 is a diagram showing an arrangement of a thermal resistance control device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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