ヒートポンプはモバイル機器を冷却し、宇宙船内の熱を分配します

技術が進歩するにつれて、 熱管理 はますます重要になってきます。多くのアプリケーションでは、シンプルな ヒートシンク とファンで十分ですが、コンポーネントが実際に動作して大量の熱を発生するアプリケーションでは、追加の手順が必要になります。さらに、現代の電子機器にとって、エネルギーを節約すること以上に重要な機能はほとんどありません。これは、限られたバッテリー充電で稼働するモバイル機器であれ、宇宙を移動する探査機の部品であれ、同じです。最初は直感に反しているように聞こえますが、このようなシステムは、システムの重量をあまり増やさずに ファン の冷却負荷の大部分を取り除き、冷却に使用されていたはずのバッテリー電力を大幅に節約できます。

痛い肩に消毒用アルコールをかけ、すぐに冷たくなるのを感じたことはありませんか?これは、アルコールが皮膚表面の温度によって加熱され、液体から気体に変化し、肩から気体が抜けていくときに皮膚の熱の一部が蒸発して奪われるからです。同様に、缶入りの多くの種類のトイレタリー製品も、加圧ガスとして消費者が体に吹き付けることで冷たさを感じる製品として販売されています。これはガスの圧力が急激に低下した結果です。これらは、ヒートポンプと冷凍の両方の基礎となる基本原理です。

冷蔵庫の仕組み

図1: 基本的な冷凍モデル。(出典: Charchitecture)

上の図を見ると、まずコンプレッサー ポンプからコンデンサー、膨張弁、蒸発器を経て、最後にコンプレッサー ポンプに戻る閉回路に注目してください。ポンプは蒸発器からガスを吸い上げ、それを凝縮器に送り込みます。凝縮器は冷蔵庫の外側にあり、触ると温かい部分です。ガスが高圧で液体に凝縮するため、暖かくなります。膨張弁は、高圧の液体をゆっくりと蒸発器に送り込みます。蒸発器は、コンプレッサーの作用により低圧の領域になっており、コンプレッサーは蒸発器から凝縮器にガスを引き込みます。蒸発器では、低圧により液体が蒸発し、冷却効果を生み出します。最後に、コンプレッサーが蒸発器からガスを除去して低圧を作り出し、プロセスが継続されます。

ヒートパイプの仕組み

ヒートパイプの動作は少し異なりますが、最も重要な違いはポンプを必要としないことです。これにより、モバイル電子機器などの電力を節約するアプリケーションでの使用が可能になります。そして、実のところ、これは特に新しいアイデアではなく、ラップトップでは確立された技術です。

図2: ヒートパイプの図。(出典: eTray News)

CPUまたは保護されている過熱部分では、ヒートパイプ内の液体が加熱されて蒸気になり、図の左側の赤い矢印で示されているように、CPUの余分な熱を吸収します。加熱された蒸気は気密パイプのもう一方の端まで進み、ヒートシンクに接触したり、外気にさらされたりすることがあります。ファンによる補助がある場合とない場合があります。どちらの場合でも、2番目の赤い矢印で示されているように熱が伝達され、ガスは液体に戻ります。

ここで、ヒートシンクのCPUと接触する領域に液体を戻す必要があります。まず毛細血管と呼ばれる非常に細い管のネットワークに入ります。物理学者が毛細管現象と呼ぶプロセスにより、液体は毛細管に引き込まれ、重力に逆らって計算された一定の距離を移動します。このシステムは、毛細管現象によって液体がCPUに十分に戻り、サイクルが継続されるように設計されています。

タブレットにヒートパイプが内蔵されました

MicrosoftのSurface Pro IVのヒートパイプ システムは次のようになります。

図3: Microsoft Surface Pro IV内のヒートパイプ システム。(出典: Sean Org、Windows Central)

ここでの液体は水です。CPUの熱によって水が蒸気に変わり、パイプによってそれがデバイスのキックスタンドとファンに送られ、そこで再び水に凝縮されます。ヒートパイプ回路のおかげで、ファンを稼働させる必要はほとんどありません。

宇宙船用ヒートパイプ

宇宙船の熱制御システムには、2つの使命があります。地上の電子機器と同様に、熱を除去する必要がある場所がありますが、それに加えて、極寒の条件のため、熱を供給する必要がある領域もあります。これにより、いくつかのユニークな機会と困難が生まれます。

困難の1つは、デュアル ループ システムが必要になることです。最初のループは、私たちがすでに見たものと似ており、過剰な熱を発生することが知られている宇宙船内のすべての構成部品を網羅しています。中央交換ポイントでは、実行すべきタスクが2つあります。1つは、余分な熱を2番目のループに移すことです。これにより、宇宙の冷たい真空にさらされ、正常に機能するために余分な熱を必要とする領域に熱がもたらされます。2つ目は、加熱に必要のない熱を宇宙空間に放射することです。

こうしたタイプのシステムで重要な考慮事項となるのは、過剰な熱を発生するエリアにいる人間の宇宙飛行士の安全です。この最初のループでは、漏れが発生した場合に乗組員を保護するために、無毒の熱輸送流体を使用する必要があります。このループは毛細管現象に基づいており、基本的なレベルでは地上の電子機器で説明されているシステムと非常によく似ています。

宇宙船のトポロジーによってこのようなシステムが実現可能になると、設計者にとって独自の利点が生まれます。すでに発生している余剰熱を利用して、必要なエリアに暖房を提供することで、同じ熱を生成するために希少なシステム電力を使用するという唯一の選択肢よりも、莫大な電力を節約できます。これにより、加熱に消費されるはずだった電力が、より多くの機器や搭載機能に電力を供給するために自由に使えるようになり、より実りある宇宙ミッションが可能になり、すべての人にとって有利になります。

あなたはリストに載っていますか？

特別オファー、製品発表、最新の業界ニュースを受け取るにはサインアップしてください。