(57)【要約】  高温熱源と高温熱源よりも低温の低温熱浴との間に跨るように配設され、閉空間内に気体が封入され、内部に両端部が閉塞された管路が形成された容器と、管路内に配設され、両端部間を連通する細孔が形成されると共に容器の外部から断熱された蓄熱器と、管路内で蓄熱器の高温熱源側端部に隣接して設けられ、高温熱源の熱を蓄熱器に移動させる第１熱交換器と、管路内で蓄熱器の低温熱浴側端部に隣接して設けられ、蓄熱器の熱を低温熱浴に移動させる第２熱交換器と、を備え、蓄熱器は、管路上において、管路の高温熱源側端部から管路長の１２．５％〜２５％の位置に蓄熱器の管路延在方向中心が位置する熱輸送デバイスが提供される。
2018216472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温熱源と前記高温熱源よりも低温の低温熱浴との間に跨るように配設され、閉空間内に気体が封入され、内部に両端部が閉塞された管路が形成された容器と、
前記管路内に配設され、両端部間を連通する細孔が形成されると共に前記容器の外部から断熱された蓄熱器と、
前記管路内で前記蓄熱器の高温熱源側端部に隣接して設けられ、前記高温熱源の熱を前記蓄熱器に移動させる第１熱交換器と、
前記管路内で前記蓄熱器の低温熱浴側端部に隣接して設けられ、前記蓄熱器の熱を前記低温熱浴に移動させる第２熱交換器と、
を備え、前記蓄熱器は、前記管路上において、前記管路の前記高温熱源側端部から管路長の１２．５％〜２５％の位置に当該蓄熱器の管路延在方向中心が位置する熱輸送デバイス。
【請求項２】
前記管路は、その一部が前記容器内の高温熱源側と低温熱浴側とを連通させる内管と、前記内管の外側に形成され高温熱源側の端部が閉塞されていると共に低温熱浴側で前記内管に連通する外管とを含み、
前記外管には、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記蓄熱器が配設されている請求項１記載の熱輸送デバイス。
【請求項３】
前記容器の低温熱浴側端部に前記容器内部に進退自在に配設され、前記容器内部に進入することにより熱音響自励波によって前記管路内に生ずる定在波の波形を変形させる調整手段を有する請求項１又は２項記載の熱輸送デバイス。
【請求項４】
断熱材から構成された炉壁と、
前記炉壁で囲まれた炉内に配置され、前記炉内を加熱するヒータと、
少なくとも冷却時に前記蓄熱器が前記炉壁に配置され、前記第１熱交換器が前記炉内に配置され、前記第２熱交換器が炉外に配置された請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱輸送デバイスと、
を備える炉。
【請求項５】
前記炉内の輻射を反射して前記炉内に配置された前記熱輸送デバイスに入射させる反射鏡を備える請求項４記載の炉。
【請求項６】
前記炉内で前記反射鏡を支持し、前記炉内から前記炉外まで延在する軸体を備える請求項５記載の炉。
【請求項７】
前記軸体の軸方向を中心として、前記反射鏡が前記軸体と一体的に回転可能とされた請求項６記載の炉。
【請求項８】
前記軸体には軸方向に延在する孔部が形成されており、前記孔部内に前記熱輸送デバイスが配設され、少なくとも前記炉の冷却時に前記孔部内から前記反射鏡の反射面側に前記熱輸送デバイスの第１熱交換器配設位置よりも端部側が露出されている請求項６又は７記載の炉。
【請求項９】
前記熱輸送デバイスの前記第１熱交換器配設位置よりも端部側の一部は、少なくとも炉の冷却時に、前記反射鏡の反射面の焦点に位置する請求項８記載の炉。
【請求項１０】
前記反射鏡は、前記軸体と一体的に前記軸方向に沿って前記炉壁に対して進退可能に構成されている請求項８又は９記載の炉。
【請求項１１】
前記熱輸送デバイスは、その軸方向に沿って前記炉壁に対して進退可能に構成されている請求項４〜１０のいずれか１項記載の炉。
【請求項１２】
前記容器は、前記炉内の輻射の入射位置から前記第１熱交換器の配設位置までの板厚が、当該容器の他の部分の板厚と比較して局所的に厚くしてある請求項４〜１１のいずれか１項記載の炉。
【請求項１３】
前記容器は、前記第１熱交換器の外周側に位置する部分が輻射透過性の部材で形成されている請求項４〜１２のいずれか１項記載の炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱輸送デバイス及びこれを用いた炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な熱輸送デバイスが用いられている。熱輸送デバイスとして、（Ａ）相変化を用いるものと、（Ｂ）熱媒を強制的に流すことによる対流熱伝達（強制冷却）を利用するものが存在する。【０００３】
（Ａ）の熱輸送デバイスの代表例として、ヒートパイプが挙げられる。ヒートパイプは、内部に作動流体が入れられており、高温部で液相から気相へ変化（沸騰）することにより熱源から作動流体が熱を受け取り、低温部で気相から液相へ変化（凝縮）することにより熱浴に放熱する装置である（例えば、特開２０１４−４７９７９号公報参照）。このヒートパイプは、電源不要（投入仕事無し）で駆動される点が優れている。【０００４】
（Ｂ）の熱輸送デバイスは、一般的には熱媒として液体が用いられ、特に水による冷却が沸点以下の冷却に有効である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、（Ａ）の熱輸送デバイスの代表例であるヒートパイプは、熱源（高温部）と低温部との温度差が小さいとヒートパイプが駆動せず、温度差が大きいとドライアウトする問題がある。【０００６】
また、熱源が高温（例えば５００℃）の場合には、その高温下で液体であることを維持できる作動流体の選定が困難となる。作動流体に金属（例えば、ナトリウム等）を選択すれば上記条件はクリアするが、その物性から爆発の危険性がある。【０００７】
さらに、熱輸送により熱源の温度が徐々に低下する場合には、ヒートパイプの利用が困難である。すなわち、作動流体の相変化を生ずる温度が決っているため、初期温度（例えば５００℃）で効率的に熱輸送させるように設定されたヒートパイプは、温度低下に伴いヒートパイプの熱輸送効率が低下していくと考えられるためである。【０００８】
一方、（Ｂ）の熱輸送デバイスでは、熱媒として液体を選択した場合には、熱源が高温（例えば５００℃）の場合、ヒートパイプと同様に熱媒が爆発するおそれがある。【０００９】
熱媒として気体を選択して場合には、熱源が高温でも適用は可能である。しかしながら、相変化による駆動力が存在しないため密閉された空間内で熱媒（不活性ガス）を循環させることが必要になる。また、熱媒が高温となるため、耐圧、耐熱（耐高温）の高価なポンプが必要になる。したがって、熱媒として気体を選択した場合には、導入コストが高価になると共に、ポンプ駆動によるランニングコスト、及びポンプ等のメンテナンスコスト等がかかるという問題がある。【００１０】
本開示は、安全性が高く、かつ低コストで導入及び使用できる熱輸送デバイス、並びに、これを用いた炉を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の第１の態様は、高温熱源と前記高温熱源よりも低温の低温熱浴との間に跨るように配設され、閉空間内に気体が封入され、内部に両端部が閉塞された管路が形成された容器と、前記管路内に配設され、両端部間を連通する細孔が形成されると共に前記容器の外部から断熱された蓄熱器と、前記管路内で前記蓄熱器の高温熱源側端部に隣接して設けられ、前記高温熱源の熱を前記蓄熱器に移動させる第１熱交換器と、前記管路内で前記蓄熱器の低温熱浴側端部に隣接して設けられ、前記蓄熱器の熱を前記低温熱浴に移動させる第２熱交換器と、を備え、前記蓄熱器は、前記管路上において、前記管路の前記高温熱源側端部から管路長の１２．５％〜２５％の位置に当該蓄熱器の管路延在方向中心が位置する熱輸送デバイスである。【００１２】
上記第１の態様によれば、高温熱源側と低温熱浴間を跨ぐように配設された閉空間からなる容器内には、気体が封入されると共に、両端部が閉塞された管路が形成されている。この管路内には、容器外部から断熱され両端部間を連通する細孔が形成された蓄熱器と、蓄熱器の高温熱源側端部（以下、「第１端部」という）に隣接して高温熱源の熱を蓄熱器に移動させる第１熱交換器と、蓄熱器の低温熱浴側端部（以下、「第２端部」という）に隣接して蓄熱器の熱を低温熱浴に移動させる第２熱交換器とが配設されている。【００１３】
したがって、蓄熱器において第１端部から第２端部に向かって温度勾配を生じ、第１端部と第２端部の温度比が閾値を超えると、蓄熱器の細孔内の気体が熱音響自励振動を生ずる。この結果、管路内に定在波が発生する。【００１４】
ここで、蓄熱器は、管路上で高温熱源側端部から管路長の１２．５％〜２５％の位置に蓄熱器の管路延在方向中心が位置しているため、この熱音響自励波の定在波（１／２波長モード）の圧力振幅が第１端部から第２端部に向かって単調減少するように配置されている。【００１５】
この結果、蓄熱器の細孔内の気体と細孔壁部との間の熱交換により、蓄熱器内の第１端部側から第２端部側に熱を輸送することが可能となる。特に、管路上の上記位置に蓄熱器が配置されることによって、定在波の圧力振幅と速度振幅との積が増大する。これにより、蓄熱器による熱輸送効率が一層高められる。【００１６】
すなわち、高温熱源の熱を第１熱交換器、蓄熱器、第２熱交換器を介して低温熱浴に効率高く取り出すことができる。【００１７】
なお、この熱輸送デバイスは、駆動源が不要であるため、ランニングコストやメンテナンスコストが不要であり低コストで導入及び使用が可能であると共に、気液の相変化等を用いないため、相変化を用いるものと比較して安全性が高い。【００１８】
本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記管路は、その一部が前記容器内の高温熱源側と低温熱浴側とを連通させる内管と、前記内管の外側に形成され高温熱源側の端部が閉塞されていると共に低温熱浴側で前記内管に連通する外管とを含み、前記外管には、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記蓄熱器が配設されている熱輸送デバイスである。【００１９】
上記第２の態様によれば、管路の一部が内管と内管の外側に形成された外管からなる二重管構造とされており、外管の高温熱源側端部が閉塞されている。また、外管に蓄熱器、第１熱交換器、第２熱交換器が配設されている。なお、外管及び内管は、低温熱浴側端部で連通されている。すなわち、容器内には、外管の高温熱源側端部（閉塞部分）から外管、容器の低温熱浴側端部、内管を介して容器の高温熱源側端部に到る管路が形成されている。【００２０】
したがって、外管に配設された蓄熱器において第１端部から第２端部に向かって温度勾配を生じ、第１端部と第２端部の温度比が閾値を超えると、蓄熱器の細孔内に気体が熱音響自励振動を生ずる。この結果、管路内に定在波が発生する。【００２１】
ここで、蓄熱器は、管路上で高温熱源側端部（外管の閉塞部分）から管路長の１２．５％〜２５％の位置に蓄熱器の管路延在方向中心が位置しているため、この熱音響自励波の定在波（１／２波長モード）の圧力振幅が第１端部から第２端部に向かって単調減少するように配置されている。【００２２】
この結果、蓄熱器の細孔内の気体と細孔壁部との間の熱交換により、蓄熱器内の第１端部側から第２端部側に熱を輸送することが可能となる。特に、管路上の上記位置に蓄熱器を配置することによって、定在波の圧力振幅と速度振幅との積が増大する。これにより、熱輸送効率が最大化されている。【００２３】
すなわち、高温熱源の熱を第１熱交換器、蓄熱器、第２熱交換器を介して低温熱浴に効率高く取り出すことができる。【００２４】
なお、この熱輸送デバイスは、駆動源が不要であるため、ランニングコストやメンテナンスコストが不要であり低コストで製造及び使用が可能であると共に、気液の相変化等を用いないため、相変化を用いるものと比較して安全性が高い。【００２５】
この際、外管の高温熱側端部から容器の低温熱浴側端部、内管を介して容器の高温熱源側端部まで到る管路が構成されるため、低温熱浴側に突出する容器体積を減少させることができる。すなわち、この熱輸送デバイスを熱排出手段として利用する場合に、高温熱源、例えば炉の外部に突出する部分の体積を抑制する（小型化する）ことができる。【００２６】
本開示の第３の態様は、前記第１または第２の態様において、前記容器の低温熱浴側端部に前記容器内部に進退自在に配設され、前記容器内部に進入することにより熱音響自励波によって前記管路内に生ずる定在波の波形を変形させる調整手段を有する。【００２７】
上記第３の態様によれば、容器内に対して進退する調整手段によって熱音響波自励波により管路内で生ずる１／２波長モードの定在波の波形（波長や振幅）が変更される。例えば、調整手段の挿入により定在波の波形が変更され、蓄熱器位置における定在波の圧力振幅（圧力振幅と速度振幅の積）が変更されることにより、熱輸送量を調整することができる。あるいは、蓄熱器の第１端部から第２端部に向かって圧力振幅が単調減少しなくなることによって、蓄熱器における熱音響自励波の発生を阻止し、熱輸送デバイスの熱輸送を停止させることができる。【００２８】
本開示の第４の態様は、断熱材から構成された炉壁と、前記炉壁で囲まれた炉内に配置され、前記炉内を加熱するヒータと、少なくとも冷却時に前記蓄熱器が前記炉壁に配置され、前記第１熱交換器が前記炉内に配置され、前記第２熱交換器が炉外に配置された請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱輸送デバイスと、を備える炉である。【００２９】
上記第４の態様によれば、ヒータの駆動によって昇温された炉の内部温度と外部温度に差を生ずる。ここで、炉に適用された熱輸送デバイスは、少なくとも炉の冷却時に、炉壁に蓄熱器が配設され、第１熱交換器が高温の炉内に配設され、第２熱交換器が低温の炉外に配設されている。したがって、炉内と炉外の温度差により、蓄熱器１８の両端部（第１端部（第１熱交換器側端部）と第２端部（第２熱交換器側端部））の温度比が閾値を超えると蓄熱器で熱音響自励振動を生ずる。この熱音響自励振動により熱輸送デバイスの管路上に定在波を生じる。また、管路上で高温熱源（炉内）側端部から管路長の１２．５％〜２５％の位置に蓄熱器の中心が位置することで、第１熱交換器から第２熱交換器へ圧力振幅が単調減少する。この結果、第１熱交換器から第２熱交換器へ向かって熱が効率的に移動する。すなわち、熱輸送デバイスを介して炉内の熱が炉外へ効率的に排出される。【００３０】
また、炉の冷却手段として配設された熱輸送デバイスは、駆動源が不要であるため、ランニングコストやメンテナンスコストが不要であり、炉に低コストで導入及び使用が可能であると共に、気液の相変化等を用いないため、相変化を用いるものと比較して安全性が高い。【００３１】
本開示の第５の態様は、前記第４の態様において、前記炉内の輻射を反射して前記炉内に配置された前記熱輸送デバイスに入射させる反射鏡を備える炉である。【００３２】
上記第５の態様によれば、炉の冷却時に炉内の輻射を反射鏡で反射させて熱輸送デバイスに入射させることにより、熱輸送デバイスの第１熱交換器が効率的に加熱される。すなわち、熱輸送デバイスによって、炉内の熱が炉外に一層効率的に排出される。【００３３】
本開示の第６の態様は、前記第５の態様において、前記炉内で前記反射鏡を支持し、前記炉内から前記炉外まで延在する軸体を備える炉である。【００３４】
上記第６の態様によれば、炉壁を貫通する軸体が反射鏡を支持するため、炉内の任意の位置に反射鏡を設置することができる。【００３５】
本開示の第７の態様は、前記第６の態様において、前記軸体の軸方向を中心として、前記反射鏡が前記軸体と一体的に回転可能とされた炉である。【００３６】
上記第７の態様によれば、反射鏡が軸体によって回転可能とされている。したがって、例えば、炉の加熱時にはヒータからの輻射の反射が熱輸送デバイスに入射することが抑制される方向に反射鏡を向ける。これにより、炉の昇温時等にヒータからの輻射が反射鏡を介して熱輸送デバイスに入射し、炉内から炉外まで延在する熱輸送デバイスの熱伝導等によって炉内の熱が炉外に排出されることを抑制することができる。すなわち、炉内の加熱（昇温）を効率的に行うことができる。【００３７】
あるいは、炉の加熱時に例えば、ヒータからの輻射を反射して加熱対象である被加工材に入射するように反射鏡を向ける。これにより、ヒータからの輻射が効率的に被加工材に入射され、被加工材の加熱効率が向上する。【００３８】
一方、炉の冷却時には炉内からの輻射を反射して熱輸送デバイスに入射する方向に反射鏡を向けることで、炉内の輻射を集約して熱輸送デバイスに入射させることができる。すなわち、輻射を介して炉内の熱を熱輸送デバイスに効率的に移動させることができる。【００３９】
特に、炉の冷却時に反射鏡を軸体の軸回りに回転させることにより、炉内の広範囲から輻射によって熱輸送デバイスに熱を移動させることができる。すなわち、炉内を均一に冷却することができる。【００４０】
このように、炉の加熱時には熱輸送デバイスを介した炉外への熱の排出を抑制することによって加熱効率を向上させると共に、冷却時には熱輸送デバイスにおける熱音響自励振動の定在波を用いることによって効率的に炉を冷却することができる。【００４１】
本開示の第８の態様によれば、前記第６又は第７の態様において、前記軸体には軸方向に延在する孔部が形成されており、前記孔部内に前記熱輸送デバイスが配設され、少なくとも前記炉の冷却時に前記孔部内から前記反射鏡の反射面側に前記熱輸送デバイスの第１熱交換器配設位置よりも端部側が露出されている炉である。【００４２】
上記のように、軸体の孔部に配置された熱輸送デバイスの端部が反射鏡の反射面側に露出している場合、炉内の輻射が反射面で反射されて熱輸送デバイスの端部に入射されやすくなる。換言すれば、炉内の輻射を集約して熱輸送デバイスの端部に入射することが可能となる。この結果、熱輸送デバイスの第１熱交換器側が加熱され、炉内から第１熱交換器への熱の移動が効率的となる。この結果、炉を効率的に冷却することができる。【００４３】
本開示の第９の態様は、前記第８の態様において、前記熱輸送デバイスの前記第１熱交換器配設位置よりも端部側の一部は、少なくとも炉の冷却時に、前記反射鏡の反射面の焦点に位置する炉である。【００４４】
上記第９の態様によれば、反射鏡の反射面の焦点位置に熱輸送デバイスの一部が配置されている。したがって、冷却時に炉内の輻射が反射鏡で反射され、反射鏡の反射面の焦点位置に配置された熱輸送デバイスの部分に入射される。すなわち、炉内の輻射の反射が熱輸送デバイスの第１熱交換器側の端部に一層集約されて入射される。この結果、炉内の熱が一層効率的に熱輸送デバイスに移動し、炉外に排出される。【００４５】
本開示の第１０の態様は、前記第８又は第９の態様において、前記反射鏡は、前記軸体と一体的に前記軸方向に沿って前記炉壁に対して進退可能に構成されている炉である。【００４６】
上記第１０の態様によれば、炉の加熱時には、反射鏡を炉壁から離間させる方向、すなわち軸体を炉内に進入させることで、軸体の内部（孔部）に熱輸送デバイスの第１熱交換器を収容する。これにより、炉内に位置する熱輸送デバイスの第１熱交換器の温度上昇が抑制され、蓄熱器の両端部の温度比が閾値以下に抑制される。この結果、熱輸送デバイスの蓄熱器に熱音響自励振動を生ずることが防止され、熱輸送デバイスの熱音響自励振動による排熱が防止される。この結果、炉の加熱時の排熱が抑制され、炉の加熱効率が向上する。【００４７】
一方、炉の冷却時には、反射鏡を炉壁に接近させる方向、すなわち、軸体を炉外に退出（変位）させることで、軸体の端部から反射鏡の反射面側に熱輸送デバイスの容器の第１熱交換器側端部を露出させる。この結果、炉内の輻射が反射鏡（の反射面）で反射されて熱輸送デバイスの容器の第１熱交換器側端部に入射される。すなわち、炉内の熱が熱輸送デバイスに一層効率的に移動され、熱音響自励振動によって効率的に炉外に排出される。【００４８】
本開示の第１１の態様によれば、前記第４〜第１０の態様において、前記熱輸送デバイスは、その軸方向に沿って前記炉壁に対して進退可能に構成されている。【００４９】
上記第１１の態様によれば、炉の加熱時に熱輸送デバイスを炉外側に移動させ、少なくとも熱輸送デバイスの第１熱交換器まで炉壁に配置（収容）される。これにより、炉の加熱時に炉内の輻射によって熱輸送デバイスの第１熱交換器が直接加熱されることが抑制される。この結果、熱輸送デバイスの蓄熱器の両端部の温度比が閾値未満に抑制され、蓄熱器で熱音響自励振動を生ずることが防止される。この結果、熱輸送デバイスを介して炉内の熱が炉外に移動することが抑制される。すなわち、効率的に炉を加熱することができる。【００５０】
一方、炉の冷却時には、熱輸送デバイスを炉内側に移動させ、熱輸送デバイスの第１熱交換器から端部側を反射鏡の反射面側に露出させる。この結果、炉内の輻射が反射鏡で反射され反射面側に露出された熱輸送デバイスの端部側を効率的に加熱する。したがって、熱輸送デバイスの第１熱交換器が効率的に加熱され、蓄熱器の両端部の温度比が閾値を超えることで、炉内の熱が炉外に効率的に排出される。【００５１】
本開示の第１２の態様は、前記第４〜第１１の態様において、前記容器は、前記炉内の輻射の入射位置から前記第１熱交換器の配設位置までの板厚が、当該容器の他の部分の板厚と比較して局所的に厚くしてある炉である。【００５２】
前記第１２の態様によれば、炉の冷却時に、炉内の輻射が反射鏡で反射され、熱輸送デバイスの容器の第１熱交換器から端部側に入射される。この輻射の入射により熱輸送デバイスの容器が加熱される。熱輸送デバイスの容器において、輻射の入射位置から第１熱交換器の配設位置までの板厚が局部的に厚くされているため、熱輸送デバイスにおける熱伝導量が増加され、輻射により熱輸送デバイスに移動した熱を第１熱交換器に効率的に移動させることができる。すなわち、炉内の熱を効率的に炉外に排出できる。【００５３】
本開示の第１３の態様によれば、前記第４〜第１２の態様において、前記容器は、前記第１熱交換器の外周側に位置する部分が輻射透過性の部材で形成されている炉である。【００５４】
上記第１３の態様によれば、炉の冷却時に炉内の輻射が直接、又は炉内の輻射が反射鏡で反射されて熱輸送デバイスの容器に入射される。この際、容器の第１熱交換器配設位置に入射された輻射は、容器の輻射透過性部材で形成された部位を透過して、第１熱交換器に入射される。すなわち、炉内の輻射が直接、又は反射鏡で反射されて第１熱交換器に入射されることにより、熱輸送デバイス内の熱伝導を介さずに炉内の熱が第１熱交換器に移動する。この結果、炉内の熱を一層効率的に炉外に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１実施形態に係る熱輸送デバイスの概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る熱輸送デバイス内に生ずる１／２波長モードの定在波の圧力振幅と蓄熱器との位置関係を示すグラフである。
【図３】第１実施形態に係る熱輸送デバイスにおいて、調整弁の内管閉塞時を示す概略構成図である。
【図４】内管閉塞時の熱輸送デバイス内に生ずる１／２波長モードの定在波の圧力振幅と蓄熱器との位置関係を示すグラフである。
【図５】第１実施形態に係る熱輸送デバイスにおいて、調整弁の管路長調整時を示す概略構成図である
【図６】管路長調整時の熱輸送デバイス内に生ずる１／２波長モードの定在波の圧力振幅と蓄熱器との位置関係を示すグラフである。
【図７】第１実施形態に係る熱輸送デバイスを炉に適用した例の概略説明図である。
【図８Ａ】第１実施形態に係る熱輸送デバイスを炉に適用した例の昇温時の熱輸送を説明する模式図である。
【図８Ｂ】第１実施形態に係る熱輸送デバイスを炉に適用した例の保温時の熱輸送を説明する模式図である。
【図８Ｃ】第１実施形態に係る熱輸送デバイスを炉に適用した例の降温時の熱輸送を説明する模式図である。
【図９Ａ】比較例に係る炉の昇温時の熱輸送を説明する模式図である。
【図９Ｂ】比較例に係る炉の保温時の熱輸送を説明する模式図である。
【図９Ｃ】比較例に係る炉の降温時の熱輸送を説明する模式図である。
【図１０】第２実施形態に係る熱輸送デバイスの概略構成図である。
【図１１】第２実施形態に係る熱輸送デバイスを炉に適用した例の概略説明図である。
【図１２】第２実施形態に係る熱輸送デバイス内における蓄熱器位置と熱効率及び熱輸送量との関係を示した数値計算結果並びに試験結果を示すグラフである。
【図１３】第３実施形態に係る炉の加熱状態を示した概略斜視図である。
【図１４】第３実施形態に係る反射鏡ユニットと熱輸送デバイスを示した分解斜視図である。
【図１５】第３実施形態に係る炉の加熱状態における反射鏡ユニット、熱輸送デバイス、ヒータとの位置関係を示した拡大断面図である。
【図１６】第３実施形態に係る炉の加熱状態を示した断面図である。
【図１７】第３実施形態に係る炉の冷却状態を示した概略斜視図である。
【図１８】第３実施形態に係る炉の冷却状態における反射鏡ユニット、熱輸送デバイス、ヒータとの位置関係を示した拡大断面図である。
【図１９】第３実施形態に係る炉の冷却状態を示した断面図である。
【図２０】第３実施形態の他の例に係る炉の加熱状態における反射鏡ユニット、熱輸送デバイス、ヒータとの位置関係を示した拡大断面図である。
【図２１】第３実施形態の他の例に係る炉の加熱状態を示した断面図である。
【図２２】第４実施形態に係る炉の加熱状態における反射鏡ユニット、熱輸送デバイス、ヒータとの位置関係を示した拡大断面図である。
【図２３】第４実施形態に係る炉の冷却状態における反射鏡ユニット、熱輸送デバイス、ヒータとの位置関係を示した拡大断面図である。
【図２４】第４実施形態の他の例に係る炉の冷却状態における反射鏡ユニット、熱輸送デバイスの位置関係を示した要部拡大断面図である。
【図２５】第５実施形態に係る炉の加熱状態を示した概略斜視図である。
【図２６】第５実施形態に係る炉の加熱状態を示した断面図である。
【図２７】第５実施形態に係る炉の冷却状態を示した断面図である。
【図２８】第５実施形態の他の例に係る炉の加熱状態を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
以下、図面を参照して、本開示の実施形態を詳細に説明する。先ず、第１実施形態に係る熱輸送デバイスについて説明し、その熱輸送デバイスが炉に適用された例について説明する。次に、第２実施形態に係る熱輸送デバイスについて説明し、その熱輸送デバイスが炉に適用された例について説明する。さらに、第１実施形態の熱輸送デバイスが適用された炉について第３〜第５実施形態として説明する。
【００５７】
［第１実施形態］
（装置構成）
先ず、図１を参照して本開示に係る熱輸送デバイス１０について説明する。熱輸送デバイス１０は、円筒形の容器である筒状体１２と、筒状体１２の内部に配設された第１熱交換器１４及び第２熱交換器１６と、筒状体１２の内部で第１熱交換器１４と第２熱交換器１６の間に配設された蓄熱器１８と、筒状体１２の内部に対して進退自在に取り付けられた調整弁２０と、を備えている。
【００５８】
（筒状体１２）
筒状体１２は、円筒形形状をしており、その内部が閉空間とされている。この筒状体１２の内部には、気体、例えば窒素ガスが充填されている。
【００５９】
筒状体１２は、軸方向一端の第１端部１２Ａから他端の第２端部１２Ｂまで延在しており、軸方向の一部に筒状体１２と同軸で筒状体１２よりも径の小さい内管２２が形成されている。内管２２は、両端部が開口されており、筒状体１２の第１端部１２Ａ側と第２端部１２Ｂ側とを連通している。
【００６０】
また、内管２２の径方向外側に位置する筒状体１２の一部と内管２２で囲まれた部分を便宜的に外管２４という。
【００６１】
この外管２４は、第１端部１２Ａ側端部が閉塞面２６で閉塞されている一方、第２端部１２Ｂ側端部が筒状体１２の第２端部１２Ｂ側に開放されている。すなわち、内管２２と外管２４は、筒状体１２の第２端部１２Ｂ側で連通されている。したがって、筒状体１２の内部には、外管２４の閉塞面２６から外管２４、筒状体１２の第２端部１２Ｂ側、内管２２を介して筒状体１２の第１端部１２Ａに到る両端部が閉塞された管路Ｘが形成されていることになる。管路Ｘの閉塞面２６から第１端部１２Ａに到る管路Ｘに沿った長さ（管路長）がＬ０とされている。
【００６２】
また、外管２４の内部には、第１端部１２Ａ側から第２端部１２Ｂ側に向かって順に第１熱交換器１４、蓄熱器１８、第２熱交換器１６が配設されている。
【００６３】
筒状体１２の第１端部１２Ａ側は、軸方向において第１熱交換器１４の位置まで高温熱源２８内に配置されている。一方、筒状体１２の第２端部１２Ｂ側は、軸方向において第２熱交換器１６の位置が高温熱源２８よりも低温な低温熱浴３０内に配置されている。
【００６４】
なお、本実施形態において、「高温熱源」とは、熱輸送デバイス１０に熱を供給する外界のことであり、「低温熱浴」とは、熱輸送デバイス１０から熱を排出する外界のことを意味する。
【００６５】
さらに、筒状体１２において蓄熱器１８が配設された部分の周囲（外周）には、断熱部材３２が配設されている。したがって、蓄熱器１８は、筒状体１２の外部と断熱されている。
【００６６】
また、筒状体１２の第２端部１２Ｂ側には、後述する調整弁２０が配設されている。
【００６７】
（第１熱交換器１４）
第１熱交換器１４は、図１に示すように、外管２４の断面を塞ぐようにリング形状をしており、外管２４において蓄熱器１８の第１端部１２Ａ側に隣接して配設されている。また、第１熱交換器１４は高温熱源２８の内部に配設されている。第１熱交換器１４は、高温熱源２８の熱を蓄熱器１８に移動させるものであって、一例として内部に作動流体を流すことによって熱を移動させても良いし、他の例として流体を流さずに輻射又は熱伝導を利用して熱を移動させても良い。
【００６８】
（第２熱交換器１６）
第２熱交換器１６は、図１に示すように、外管２４の断面を塞ぐようにリング形状をしており、外管２４において蓄熱器１８の第２端部１２Ｂ側に隣接して配設されている。また、第２熱交換器１６は、低温熱浴３０の内部に配設されている。すなわち、第２熱交換器１６は内部に作動流体を流すこと、又は輻射若しくは熱伝導により蓄熱器１８の熱を低温熱浴３０に移動させるものである。
【００６９】
（蓄熱器１８）
蓄熱器１８は、図１に示すように、外管２４の断面を塞ぐようにリング形状をした構造体３３であり、構造体３３には、軸方向に沿って第１端部１２Ａ側から第２端部１２Ｂ側に貫通する多数の細孔３４が形成されている。
【００７０】
細孔３４の径は、無次元化流路径ｒ＝Ｒ／Ｄが２程度となるように設定されている。ここで、Ｒは細孔３４の直径であり、Ｄは細孔３４内に形成される熱境界層の厚さである。
【００７１】
また、蓄熱器１８は、図１及び図２に示すように、管路上において、閉塞面２６から管路長Ｌ０の２５％（０．２５Ｌ０）の位置に管路延在方向（軸方向）中心が位置するように外管２４に配置されている。
【００７２】
なお、本実施形態では蓄熱器１８の構造体３３に第１端部１２Ａ側から第２端部１２Ｂ側に軸方向に沿って貫通する多数の細孔３４が形成されたものとしたが、第１端部１２Ａ側の端面から第２端部１２Ｂ側の端面まで連通する多数の孔部が形成された多孔質体からなる板状のスタックを軸方向に沿って複数積層することによって、第１端部１２Ａ側から第２端部１２Ｂ側まで連通する孔部を形成したものでも良い。この孔部も本開示の細孔に含まれる。
【００７３】
（調整弁２０）
調整弁２０は、筒状体１２の内部に配設され、第１端部１２Ａ側を向いて先細形状とされた円錐（コーン）形状の弁体３６と、弁体３６の第２端部１２Ｂ側端部から軸方向に延在する軸体３８とを有する。弁体３６は、内管２２の端部を閉塞可能な大きさ（径）を有する形状とされている。軸体３８は、筒状体１２の第２端部１２Ｂに形成された孔部３９から筒状体１２の外部に延出されている。また、軸体３８は、図示しない駆動手段によって軸方向に進退自在とされている。すなわち、軸体３８の先端に取り付けられた弁体３６が筒状体１２の内部に進退自在とされている。
【００７４】
（作用）
このように構成される熱輸送デバイス１０の作用を説明する。
【００７５】
図１のように配置された熱輸送デバイス１０の蓄熱器１８では、高温熱源２８に配置された第１熱交換器１４と低温熱浴３０に配置された第２熱交換器１６との間に配置された蓄熱器１８に温度勾配を生じる。この蓄熱器１８において高温側となる第１端部１２Ａ側端部の温度と低温側となる第２端部１２Ｂ側端部の温度との比（温度比）が閾値を超えると、蓄熱器１８の細孔３４内の気体が熱音響自励振動を生ずる。
【００７６】
この熱音響自励振動により筒状体１２の内部、具体的には、外管２４の閉塞面２６から筒状体１２の第２端部１２Ｂ側に至り、第２端部１２Ｂ側から内管２２を介して第１端部１２Ａに至る管路Ｘに定在波が形成される。
【００７７】
ここで、筒状体１２の管路上に１／２波長モードで定在波が形成された場合を図２に示す。図２において、Ｘ軸は、管路上における閉塞面２６からの距離を表している。ここで、Ｌ０は、閉塞面２６から筒状体１２の第１端部１２Ａに到る管路長を示す。
【００７８】
なお、図２のＸ軸の下に配置された蓄熱器１８は、管路上における位置、特に定在波との位置関係を示している。
【００７９】
すなわち、図２に示すように、筒状体１２の内部に定在波が形成された場合に、上記管路長Ｌ０に対して閉塞面２６から蓄熱器１８の管路延在方向（軸方向）中心までの距離を０．２５Ｌ０としているため、圧力振幅と速度振幅との積が最も大きい部分に蓄熱器１８が配置され、熱輸送量が最大化されている。
【００８０】
このように、本実施形態に係る熱輸送デバイス１０では、蓄熱器１８の内部に温度勾配を生じさせ、蓄熱器１８の両端部間の温度比が閾値を超えることで熱音響自励振動を生じさせると共に、筒状体１２の内部に熱音響自励振動に基づく定在波を発生させる。さらに、管路上で閉塞面２６から管路長Ｌ０の２５％（０．２５Ｌ０）の位置に蓄熱器１８の管路延在方向中心を配置したため、蓄熱器１８の高温側から低温側に向かって定在波の圧力振幅が単調減少し、蓄熱器１８内で高温側から低温側に熱輸送させることができる。すなわち、高温熱源２８の熱を第１熱交換器１４、蓄熱器１８、第２熱交換器１６を介して低温熱浴３０に輸送することができる。
【００８１】
また、管路上で閉塞面２６から０．２５Ｌ０の位置に蓄熱器１８の管路延在方向中心を配置したため、定在波の圧力振幅と速度振幅の積が最大となる位置に蓄熱器１８の管路延在方向中心が配置され、蓄熱器１８による熱輸送量が最大化される。したがって、熱輸送デバイス１０は、高温熱源２８から低温熱浴３０に効率的に熱輸送できる。
【００８２】
さらに、熱輸送デバイス１０は、筒状体１２の一部が内管２２、外管２４を有する二重管構造とされており、外管２４の高温熱源側端部（閉塞面２６）から筒状体１２の高温熱源側端部（第１端部１２Ａ）に到る管路Ｘが形成されている。したがって、筒状体１２のうち、低温熱浴３０側に突出している部分の容積の全体の容積に占める割合が抑制される（小型化される）。換言すれば、筒状体１２の高温熱源２８側に突出している部分の容積が大きくなるため、高温熱源２８から筒状体１２への伝熱面積が増大して、熱輸送デバイス１０の熱輸送効率がさらに向上する。
【００８３】
なお、蓄熱器１８の高温側端部と低温側端部との温度差が閾値よりも大きく上回った場合には、管路Ｘ内に音響自励波による１波長モードの定在波が発生する場合がある。この場合には、１波長モードの定在波によっても蓄熱器１８内の熱輸送が行われ、熱輸送デバイス１０の熱輸送効率がさらに向上する。
【００８４】
また、熱輸送デバイス１０では、熱音響自励振動を用いることによって、ポンプ等の駆動源（電源）無しで熱輸送を行うことかできる。したがって、熱輸送デバイス１０の製造コストやランニングコストを低減することができる。また、熱輸送自体には駆動源がないためメンテナンスフリーである。
【００８５】
さらに、熱輸送デバイス１０は、筒状体１２の内部に封入された窒素ガスを気体のまま使用するものであり、液体から気体への相変化を用いないので作動流体（本実施形態では窒素ガス）が爆発するおそれがなく、安全性が高い。
【００８６】
さらに、熱輸送デバイス１０では、調整弁２０の図示しない駆動源で駆動することにより、弁体３６を内管２２の端部側に接近・離間させることができる。図３に示すように、内管２２の端部（開口部）を弁体３６が閉塞することにより、定在波が形成される管路Ｘが閉塞面２６から弁体３６までに短縮される。すなわち、管路長がＬ０からＬ１に短縮される。
【００８７】
この結果、図４に示すように、１／２波長モードの定在波の波形（波長）が短縮され、定在波に対する蓄熱器１８の相対的位置が変化し、蓄熱器１８の高温側から低温側に圧力振幅が単調減少する関係ではなくなる。すなわち、蓄熱器１８の両端部間に温度勾配を生じても熱音響自励振動を生ずることがなくなる。これにより、蓄熱器１８の熱輸送が停止される。
【００８８】
さらに、図５に示すように、調整弁２０の筒状体１２の内部への進入量（内管２２の端部に対する接近量）を内管２２の端部に当接しない程度に調整することにより、定在波の波形（振幅）を変化させることができる。具体的には、図６に示すように、定在波の圧力振幅を全体的に変更（例えば、低減）させることができる。この結果、蓄熱器１８が配置される位置の圧力振幅と速度振幅の積を変化させ、蓄熱器１８による熱輸送量（熱伝導率）を調整することができる。
【００８９】
（適用例）
このような熱輸送デバイス１０を工業用の炉４０に適用してものについて図７〜図９Ｃを参照して説明する。なお、熱輸送デバイス１０の構成要素については、上述の実施形態と同様の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００９０】
炉４０は、図７に示すように、断熱材４２で閉空間である矩形体形状に形成されており、その上壁から内部にヒータ４４と熱輸送デバイス１０の一部が挿入されている。ヒータ４４は、図示しない駆動源により駆動されることにより断熱材４２の内部の気体を加熱し、炉４０の内部を所定温度まで昇温させ、所定温度に維持（保温）するものである。
【００９１】
一方、熱輸送デバイス１０は、炉４０の駆動終了後、炉４０内の温度を低下させるため、炉内の熱を外部に排出するために用いられる。熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側が炉４０の内部に挿入され、第２端部１２Ｂ側が炉４０の外部に突出して配置されている。具体的には、熱輸送デバイス１０（筒状体１２）の軸方向において、筒状体１２の第１端部１２Ａから第１熱交換器１４の端部までが炉４０の内部に挿入されており、第２熱交換器１６の端部から第２端部１２Ｂまでが炉４０の外部に配置されている。また、炉４０の断熱材４２の位置には熱輸送デバイス１０の蓄熱器１８が配設されている。
【００９２】
このように炉４０に熱輸送デバイス１０が配設されることによる作用について、熱輸送デバイス１０が配設されていない比較例の炉４６との比較で説明する。
【００９３】
比較例に係る炉４６では、熱を排出する熱輸送デバイスが存在しないため、図９Ｃに示すように、炉内と炉外との温度差に基づく断熱材４２を介した自然放熱によって炉内の冷却が行われる。自然放熱による熱量Ｑ２３の増加を図るには、断熱材４２の厚さを低減して断熱性を低下させることが考えられる。しかしながら、自然放熱による熱量Ｑ２３の増加は、図９Ａに示すように、昇温時にヒータ４４から炉内に投入される熱量Ｑ２１や図９Ｂに示すように、保温時にヒータ４４から炉内に投入される熱量Ｑ２２の増加につながる。したがって、炉内の熱を効率的に排出することが困難である。
【００９４】
一方、熱輸送デバイス１０が配設された炉４０では、炉４０の内部温度を昇温させる場合には、図８Ａに示すように、ヒータ４４が駆動され、熱量Ｑ１１が炉内に投入される。炉４０の内部と外部の温度差によって断熱材４２を介して炉内から熱量Ｑ１３が排出される。なお、熱輸送デバイス１０は、調整弁２０の弁体３６が内管２２の端部を閉塞する（図３参照）ことにより、蓄熱器１８で熱音響自励振動を生じず、熱輸送が停止された状態とされている。したがって、炉４０の内部温度は、入力される熱量Ｑ１１と排出される熱量Ｑ１３の差に応じて上昇していく。
【００９５】
次に、炉４０の内部温度を維持する（保温）する場合には、図８Ｂに示すように、ヒータ４４が駆動され、炉４０から排出される熱量Ｑ１３と等しい熱量Ｑ１２が炉内に投入される。この場合も、熱輸送デバイス１０は、熱輸送を停止された状態とされている。したがって、炉４０の内部温度は、そのまま維持（保温）される。
【００９６】
さらに、炉４０の内部温度を降温させる場合には、熱輸送デバイス１０の調整弁２０の弁体３６を筒状体１２の第２端部１２Ｂに移動させ、内管２２の端部を開放する（図１参照）。これにより、図８Ｃに示すように、熱輸送デバイス１０は、炉４０の内部温度と外部温度との差に基づいて熱音響自励振動を生じ、炉内から炉外へ熱量Ｑ１４を輸送（排出）する。このように、熱輸送デバイス１０によって排出される熱量Ｑ１４と断熱材４２からの自然放熱によって排出される熱量Ｑ１３とが炉内から炉外へ排出されるため、炉内を効率的に降温することができる。また、比較例の炉４６のように断熱材４２からの自然放熱のみの場合と比較して排熱量が大きいため、放熱のために断熱材４２を薄くする必要がなく、昇温時や保温時の熱効率を高く維持することができる。
【００９７】
また、熱輸送デバイス１０は、筒状体１２の一部を内管２２と外管２４の二重管構造とし、外管２４に蓄熱器１８や第１熱交換器１４や第２熱交換器１６を配置したため、炉４０の外部に配置される第２端部１２Ｂ側の筒状体１２の部分の容積及び全体に対する割合が抑制され、既存の炉４０に対する熱輸送デバイス１０の取付性に優れる。
【００９８】
熱輸送デバイス１０の筒状体１２のうち、炉内に配置される容積が大きいため、炉４０（内部の気体）から筒状体１２に対する伝熱面積が増加する。これにより、熱輸送デバイス１０の炉内から炉外への熱輸送効率が一層向上する。
【００９９】
さらに、熱輸送デバイス１０は、筒状体１２の中に作動流体である気体（窒素ガス）を封入しているため、炉内の気体と熱輸送デバイス１０の気体が混合することはなく、炉内環境が保護される。
【０１００】
また、熱輸送デバイス１０は、内部の窒素ガスが気体のままで利用されるので、すなわち液体から気体への相変化を用いないため、気体の爆発等の危険性が回避され、使用温度が高い工業用の炉４０等（例えば、５００℃）に用いられても、安全性が高い。
【０１０１】
［第２実施形態］
（装置構成）
本開示の第２実施形態に係る熱輸送デバイスについて図１０を参照して説明する。第１実施形態と同様の構成要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。なお、第１実施形態と異なる点のみを説明する。
【０１０２】
熱輸送デバイス５０は、図１０に示すように、熱輸送デバイス１０の筒状体１２の一部に形成されていた二重管構造を取り除いた単管構造としたものである。したがって、この熱輸送デバイス５０では、筒状体１２の第１端部１２Ａから第２端部１２Ｂに向かって管路Ｘが形成されている。なお、熱輸送デバイス５０では、管路（軸方向）に沿って第１端部１２Ａから第２端部１２Ｂ側の調整弁２０に到る距離が管路長Ｌ０とされている。
【０１０３】
第１熱交換器１４、第２熱交換器１６、蓄熱器１８は、筒状体１２の断面の全域に配置されている。蓄熱器１８は、管路Ｘにおいて、第１端部１２Ａから管路長Ｌ０の２５％（０．２５Ｌ０）の位置に管路延在方向（軸方向）中心が位置するように配設されている。この結果、筒状体１２は、高温熱源２８内に配置された軸方向長さよりも低温熱浴３０（断熱部材３２よりも外側）に配置された軸方向長さが長くなっている
【０１０４】
また、熱輸送デバイス５０において、調整弁２０は筒状体１２の第２端部１２Ｂに配設されている。調整弁２０の弁体５２は、筒状体１２の断面形状（例えば、円形）と同じ円板状とされている。また、調整弁２０は、図示しない駆動源によって軸体３８が軸方向に進退自在とされている。すなわち、調整弁２０の弁体５２が筒状体１２の軸方向に進退することにより、管路長を調整するものである。
【０１０５】
（作用）
このように構成される熱輸送デバイス５０の作用を説明する。なお、熱輸送デバイス１０と同様の作用については、説明を簡略化又は省略する。
【０１０６】
熱輸送デバイス５０では、蓄熱器１８内で熱音響自励振動を生じさせると共に、筒状体１２の内部に熱音響自励振動に基づく定在波を発生させる。また、熱輸送デバイス５０では、高温側から低温側に向かって定在波の圧力振幅が単調減少するように蓄熱器１８が配設されている（図２参照）ため、高温熱源２８から低温熱浴３０に熱輸送することができる。
【０１０７】
しかも、管路上で第１端部１２Ａから０．２５Ｌ０の位置に蓄熱器１８の管路延在方向中心を配置したため、定在波の圧力振幅と速度振幅の積が最大となる位置に蓄熱器１８の管路延在方向中心が配置され、蓄熱器１８による熱輸送量が最大化される。したがって、熱輸送デバイス１０は、高温熱源２８から低温熱浴３０に効率的に熱輸送できる。
【０１０８】
また、熱輸送デバイス５０では、調整弁２０の図示しない駆動源を駆動することにより、弁体５２を筒状体１２の第１端部１２Ａ（第２熱交換器１６）側に接近・離間させることができる。これにより、定在波が形成される管路Ｘの管路長が変更され、定在波と蓄熱器１８との相対的位置関係を変化させる。この結果、蓄熱器１８が配置される位置の圧力振幅と速度振幅の積を変化させ、熱輸送デバイス５０（蓄熱器１８）による熱輸送量を調整することができる。
【０１０９】
さらに、定在波と蓄熱器１８との相対的位置関係の変化によっては、蓄熱器１８の高温側から低温側に定在波の圧力振幅が単調減少する関係ではなくなる。すなわち、蓄熱器１８に温度勾配が生じても熱音響自励振動を生ずることがなくなり、熱輸送デバイス５０(蓄熱器１８）の熱輸送が停止される。
【０１１０】
すなわち、熱輸送デバイス５０では、調整弁２０を軸方向に進退させることにより、熱輸送の停止（定在波の発生の停止）又は熱輸送量（熱伝導率）の調整を行うことができる。
【０１１１】
（適用例）
このような熱輸送デバイス５０を工業用の炉４０に適用してものについて図１１を参照して説明する。なお、熱輸送デバイス５０の構成要素については、上述の実施形態と同様の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、工業用の炉についても、熱輸送デバイス１０が適用された炉と同様の構成なので、同様の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１１２】
炉４０に取り付けられた熱輸送デバイス５０は、第１端部１２Ａ側が炉４０の内部に挿入され、第２端部１２Ｂ側が炉４０の外部に突出して配置されている。具体的には、熱輸送デバイス１０の軸方向において、第１端部１２Ａから第１熱交換器１４の端部までが炉４０の内部に挿入されており、第２熱交換器１６の端部から第２端部１２Ｂまでが炉４０の外部に配置されている。したがって、断熱材４２の位置には蓄熱器１８が配設されている。
【０１１３】
このように炉４０に熱輸送デバイス１０が配設されることにより、炉４０内の温度と炉４０の外部の温度との温度差に基づいて蓄熱器１８で熱音響自励振動を生じ、筒状体１２の内部に定在波を発生させると共に、定在波の圧力振幅の勾配に基づいて第１熱交換器１４から蓄熱器１８を介して第２熱交換器１６に炉４０内の熱が効率的に排出される。
【０１１４】
また、熱輸送デバイス５０は、単管である筒状体１２の内部に第１熱交換器１４、第２熱交換器１６、蓄熱器１８等を配設しているだけなので、構造が単純で製造が容易である。
【０１１５】
さらに、熱輸送デバイス５０は、筒状体１２のうち、炉４０の内部に挿入されている割合が小さくできるというメリットがある。
【０１１６】
［試験例・数値計算例］
第２実施形態のような単管（筒状体）の熱輸送デバイスを用いて、筒状体内における蓄熱器の管路延在方向中心位置を変更した各熱輸送デバイスに対して、それぞれ熱効率（％）と熱輸送量（ｋＷ）を熱音響理論に基づいて数値計算で求めた（図１２及びKenta NAKAMURA、Yuki UEDA、「Design and Construction of aStanding-Wave Thermoacoustic Engine with Heat Sources Having a Given Temperature Ratio」、Journal of Thermal Science and Technology、2011、vol6、No3、p416-p423参照）。
【０１１７】
具体的には、熱輸送デバイスにおける筒状体の直径を０．１ ｍ、全長を３．５ ｍとし、この中に挿入された蓄熱器の軸（管路延在）方向長さを０．０９ ｍとした。また、高温熱源の温度を４５０℃，低温熱源の温度は６０℃に設定した。
【０１１８】
筒状体の内部（管路）には、１／２波長モードの定在波が発生し、圧力振幅は閉端（図１０、筒状体の第１端部１２Ａ参照）で２０ ｋＰａとし，閉端から蓄熱器軸方向中心までの距離をパラメーターとして熱輸送量と熱効率を数値計算で求めた。
【０１１９】
ここで、熱効率とは、出力仕事／入熱量である。また、出力仕事＝入熱量−排熱量となる。すなわち、熱効率＝（入熱量−排熱量）／入熱量となる。また、熱輸送量＝入熱量を意味している。すなわち、高温熱源から第１熱交換器を介して蓄熱器に到った熱量を熱輸送量としている。
【０１２０】
図１２に示すように、熱効率は蓄熱器の高温側端部（閉端）から１／３２波長に蓄熱器中心が位置するように配置する場合が最大となり、それ以降漸減している。
【０１２１】
一方、熱輸送量は、蓄熱器の高温側端部から１／４８波長に蓄熱器中心が位置するように配置した場合から、蓄熱器中心を高温側端部から離間させるに従って増大している。
【０１２２】
従来の熱音響エンジンは、熱効率を高めることが求められているため、図１２のグラフにおいて、管路の高温側端部から１／３２波長程度から３／６４波長程度までの範囲Ａに蓄熱器中心が配置されている。
【０１２３】
これに対して本実施形態の熱輸送デバイスは、熱輸送を行うものであるため、熱輸送量が大きいほど好ましい。蓄熱器中心を管路の高温側端部から離間させるほど、熱輸送量は大きくなるが、熱効率が１％未満になった場合に数値計算で考慮していない熱の散逸等によって熱音響自励波自体が発生しなくなるおそれがある。そこで、蓄熱器中心が管路の高温側端部から１／１６波長〜１／８波長の範囲（図１２のＢの範囲）に蓄熱器中心を設置することによって、熱輸送量が大きい（熱輸送に適した）熱輸送デバイスを求めることができることが確認された。
【０１２４】
なお、図中の白三角は、数値計算と同様のサイズの試験用の熱輸送デバイスで熱効率を計測したものであり、図中の白四角は、試験用の熱輸送デバイスで熱輸送量を計測したものである。これにより、数値計算結果が実際の試験結果と良好に近似していることが確認された。
【０１２５】
［第３実施形態］
（装置構成）
本開示の第３実施形態として、第１実施形態に係る熱輸送デバイスを適用した工業用の炉について図１３〜図１９を参照して説明する。第１実施形態と同様の構成要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【０１２６】
炉１００は、図１３に示すように、断熱材からなる矩形状の炉壁１０２と、炉壁１０２で囲まれた内部（以下、「炉内」という）で加工されるワークＷ（図１６参照）が載置されるワーク台１０４と、炉内を所定温度に調整（昇温）するヒータ１０６と、熱輸送デバイス１０（図１５、図１６参照）と、反射鏡ユニット１０８と、を備えている。
【０１２７】
ヒータ１０６は、ワーク台１０４の上側で対向する側方の炉壁１０２間を貫通して平行に２本配置されると共に、同様にワーク台１０４の下側で対向する側方の炉壁１０２間を貫通して平行に２本配置されている。
【０１２８】
反射鏡ユニット１０８は、図１４に示すように、軸方向に貫通する孔部１１０が形成された円筒状のパイプ部１１２と、パイプ部１１２の先端に取り付けられた放物面からなる反射面１１４Ａ（図１５参照）が形成された反射鏡１１４と、を備えている。このパイプ部１１２が「軸体」に相当する
【０１２９】
反射鏡１１４は、図１５に示すように、パイプ部１１２の軸方向に対して所定角度傾斜した状態で取り付けられている。また、反射鏡１１４には、パイプ部１１２の孔部１１０の一端が開口している（図１３参照）。
【０１３０】
このように構成された反射鏡ユニット１０８は、パイプ部１１２が上又は下の炉壁１０２を貫通し、パイプ部１１２の一端に設けられた反射鏡１１４が炉内に位置するように炉１００に配置されている。一方、パイプ部１１２の他端が炉壁１０２の外側（以下、「炉外」という）に配置されている。
【０１３１】
反射鏡ユニット１０８は、パイプ部１１２の他端を回転させることにより、反射鏡１１４をパイプ部１１２の軸回りに回転させることが可能とされている。また、反射鏡ユニット１０８は、パイプ部１１２を炉壁１０２に対して進退させることにより、反射鏡１１４を炉壁１０２に向かって接近・離間させることが可能とされている。
【０１３２】
さらに、反射鏡ユニット１０８のパイプ部１１２の孔部１１０には、図１５に示すように、熱輸送デバイス１０が配設されている。熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側が炉１００（炉壁１０２）の内部に挿入され、第２端部１２Ｂ側が炉１００（炉壁１０２）の外部に突出して配置されている。具体的には、熱輸送デバイス１０（筒状体１２）の軸方向において、第１端部１２Ａから第１熱交換器１４までが炉内に挿入されており、第２熱交換器１６から第２端部１２Ｂまでが炉外に配置されている。また、炉１００の炉壁１０２には、熱輸送デバイス１０の蓄熱器１８が配設されている。なお、図１５では、図の説明の都合上、炉壁１０２の厚さを薄く記載している。
【０１３３】
また、熱輸送デバイス１０は、炉壁１０２に対して固定されている。したがって、図１５、図１６に示すように、反射鏡ユニット１０８（パイプ部１１２）を炉内に前進させることにより、熱輸送デバイス１０を孔部１１０内に収容することが可能とされている。また、図１８、図１９に示すように、反射鏡ユニット１０８（パイプ部１１２）を炉外へ後退させることにより、熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側を反射鏡ユニット１０８の孔部１１０から反射鏡１１４の反射面１１４Ａ側に突出させ、炉内へ露出させることも可能とされている。
【０１３４】
また、熱輸送デバイス１０の筒状体１２は、図１５に示すように、軸方向に沿った第１端部１２Ａから第１熱交換器１４までの範囲の板厚が、他の部分よりも厚い厚板部１２Ｃとされている。なお、他の部分を薄板部１２Ｄという。
【０１３５】
このように構成された反射鏡ユニット１０８と熱輸送デバイス１０は、図１３に示すように、炉１００の上側の炉壁１０２に一定の間隔をおいて２本（セット）ずつ二列に配置されると共に、炉１００の下側の炉壁１０２に一定の間隔をおいて２本（セット）ずつ二列に配置されている。すなわち、炉１００を平面視した場合に、反射鏡ユニット１０８及び熱輸送デバイス１０がヒータ１０６の外側となるように配置されている。
【０１３６】
（作用）
炉１００の作用について説明する。先ず、炉１００を加熱する場合について説明する。
【０１３７】
この場合には、図１３、図１５、図１６に示すように、反射鏡ユニット１０８のパイプ部１１２を炉内に前進させ、反射鏡１１４を炉壁１０２から離間する方向に移動させる。
【０１３８】
この結果、図１５に示すように、パイプ部１１２の孔部１１０内に熱輸送デバイス１０の全体が収容される。すなわち、熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側が炉内（反射鏡１１４の反射面１１４Ａ側）に露出していない状態とされる。また、調整弁２０で熱輸送デバイス１０の内管２２の端部を閉塞する（図３参照）。
【０１３９】
さらに、図１６に示すように、反射鏡ユニット１０８のパイプ部１１２を軸回りに回転させ、反射鏡１１４の反射面１１４Ａを隣接するヒータ１０６とワーク台１０４（ワークＷ）に向ける。
【０１４０】
この状態で、炉内のワーク台１０４上に加工対象であるワークＷが挿入され、ヒータ１０６が付勢されることにより、炉内が所定温度まで昇温される。
【０１４１】
この際、図１６に示すように、ヒータ１０６が付勢されて炉内と炉外との温度差が大きくなっても、熱輸送デバイス１０は調整弁２０によって内管２２の端部が閉塞されているため、蓄熱器１８で熱音響自励振動を生ずることはない。すなわち、熱輸送デバイス１０の管路に熱音響自励振動による定在波が発生し、炉内の熱が炉外に排出されることが防止される。
【０１４２】
また、パイプ部１１２の孔部１１０内に熱輸送デバイス１０の全体が収容されているため、炉内の輻射が直接、又は反射鏡１１４の反射面１１４Ａで反射され熱輸送デバイス１０に入射されることが抑制される。
【０１４３】
すなわち、炉内の輻射が熱輸送デバイス１０に入射されることを抑制することによって、炉内から炉外まで延在している熱輸送デバイス１０の筒状体１２を介して炉内の熱が炉外に熱伝導で排出されることを抑制することができる。
【０１４４】
このように、熱輸送デバイス１０を介して炉内の熱が炉外に排出されることを抑制できるため、炉１００の炉内温度を所定温度まで効率的に昇温することができる。
【０１４５】
さらに、図１５及び図１６に示すように、隣接するヒータ１０６とワーク台１０４に反射鏡１１４の反射面１１４Ａを向けている。これにより、ヒータ１０６からの輻射が反射鏡１１４の反射面１１４Ａで反射され、ワーク台１０４上に載置されたワークＷへ入射されることになる。この結果、ワーク台１０４上に載置されたワークＷが効率的に加熱されることになる。
【０１４６】
次に、炉１００を冷却する場合について説明する。
【０１４７】
先ず、炉１００では、炉内を所定温度に調整した後、ワークＷの加熱処理が終了すると、ヒータ１０６を滅勢する。次に、熱輸送デバイス１０の調整弁２０を後退させ、内管２２の端部を開放する。
【０１４８】
続いて、図１７〜図１９に示すように、反射鏡ユニット１０８のパイプ部１１２を炉外に後退させ、反射鏡１１４を炉壁１０２に接近させる。この結果、図１８に示すように、炉壁１０２に対して固定されている熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側（炉内側）がパイプ部１１２の孔部１１０から炉内（反射鏡１１４の反射面１１４Ａ側）に露出する。すなわち、反射鏡１１４（反射面１１４Ａ）の焦点位置に熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側が位置することになる。
【０１４９】
さらに、図１９に示すように、反射鏡ユニット１０８のパイプ部１１２を回転させることにより、反射鏡１１４の反射面１１４Ａ（図１８参照）をワークＷや炉壁１０２に向ける。この結果、図１８に示すように、高温となった炉壁１０２やワークＷからの輻射（赤外線）（図１８、破線参照）が反射鏡１１４の反射面１１４Ａで反射され、孔部１１０から反射鏡１１４内へ突出した熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側に入射される（焦点を結ぶ）。この結果、熱輸送デバイス１０の入射位置近傍の筒状体１２が加熱される。金属製の筒状体１２は、第１端部１２Ａ側から第１熱交換器１４まで区間が他の部分（薄板部１２Ｄ）と比較して局部的に板厚が厚い厚板部１２Ｃとされているため、輻射の入射位置から第１熱交換器１４の配設位置まで効率的に熱伝導することができる。
【０１５０】
このように、炉内の輻射が熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側に入射されることによって第１熱交換器１４が加熱されると、蓄熱器１８の両端部（第１熱交換器１４側と第２熱交換器１６側）の温度比が閾値を超える。これにより、調整弁２０によって内管２２の端部が開放された熱輸送デバイス１０では、蓄熱器１８で熱音響自励振動を生じ、管路に定在波が発生する。ここで、蓄熱器１８が管路において閉塞面２６から管路長の２５％の位置にあるため、炉内の第１熱交換器１４から炉外の第２熱交換器１６に熱が効率的に移動する。
【０１５１】
この際、各反射鏡ユニット１０８は、図１９に示すように、反射鏡１１４をパイプ部１１２の軸回りに回転させる。これにより、ワークＷや炉壁１０２等の広範囲からの輻射を反射して熱輸送デバイス１０に入射させることができ、炉内を均一に冷却することができる。
【０１５２】
このように、炉１００では、熱輸送デバイス１０の熱音響自励振動による定在波を用いて炉内の熱を炉外に排出しているため、熱を排出するためにポンプやアクチュエータの駆動が不要となり、装置構成が簡便になると共に、効率的に熱を排出することができる。
【０１５３】
また、炉の冷却時に反射鏡１１４で炉内（炉壁１０２、ワークＷから）の輻射を反射させ、反射鏡１１４の焦点位置に位置する熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側に集約して入射させるため、熱輸送デバイス１０を効率的に加熱することができる。すなわち、炉内の熱を熱輸送デバイス１０に効率的に移動させることができる。
【０１５４】
さらに、熱輸送デバイス１０では、筒状体１２において、第１端部１２Ａ側の輻射入射位置から第１熱交換器１４までを他の部分（薄板部１２Ｄ）と比較して局所的に板厚が大きい厚板部１２Ｃとしたため、筒状体１２における輻射入射位置から第１熱交換器１４まで効率的に熱伝導することができる。
【０１５５】
この結果、炉１００では、炉内の熱を一層効率的に炉外に排出することができる。
【０１５６】
なお、本実施形態では、反射鏡１１４による焦点位置が熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４よりも第１端部１２Ａ側の位置であったが、反射鏡１１４の焦点位置が熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４の位置とすれば、筒状体１２の軸方向に沿って熱伝導させる必要性がなくなり、厚板部１２Ｃが不要となると共に、熱輸送デバイス１０を介して一層効率的に熱を炉外に排出することができる。
【０１５７】
また、本実施形態では、炉１００の加熱時に反射鏡１１４の反射面１１４Ａをヒータ１０６とワーク台１０４に向けたが、図２０及び図２１に示すように、反射鏡ユニット１０８のパイプ部１１２を軸回りに回転させ、反射鏡１１４の背面１１４Ｂを隣接するヒータ１０６に向けることもできる。
【０１５８】
この場合には、図２０及び図２１に示すように、隣接するヒータ１０６に対して反射鏡１１４を背面１１４Ｂを向けているため、隣接するヒータ１０６からの輻射が熱輸送デバイス１０に入射されることが抑制される。また、パイプ部１１２の孔部１１０内に熱輸送デバイス１０の全体が収容されているため、炉内の輻射が反射鏡１１４の反射面１１４Ａで反射されても、熱輸送デバイス１０に入射することが抑制される。この結果、熱輸送デバイス１０に入射される輻射が一層制限され、熱輸送デバイス１０の筒状体１２を介して熱伝導により炉内の熱が炉外に移動することが一層抑制される。
【０１５９】
このように反射鏡ユニット１０８を作動させることによっても、炉１００が効率的に加熱することができる。
【０１６０】
［第４実施形態］
（装置構成）
本開示の第４実施形態として、第１実施形態に係る熱輸送デバイス１０を適用した工業用の炉について図２２及び図２３を参照して説明する。第３実施形態と同様の構成要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。なお、第３実施形態と異なるのは、反射鏡の形状のみなので、当該部分についてのみ説明する。
【０１６１】
炉２００の反射鏡ユニット１０８に用いられる反射鏡２０２は、図２２及び図２３に示すように、径方向断面が左右非対称であり、非焦点タイプの反射鏡である。径方向断面において軸方向により立ち上がっている側を高曲率部２０４とし、反対側を低曲率部２０６とする。
【０１６２】
なお、反射鏡ユニット１０８の反射鏡２０２は、パイプ部１１２が回転することにより軸回りに回転される構成であるが、軸方向に進退するものではない。一方、熱輸送デバイス１０がパイプ部１１２の孔部１１０内を軸方向に沿って進退可能に構成されている。
【０１６３】
また、本実施形態の熱輸送デバイス１０には、調整弁がないものである。
【０１６４】
（作用）
このように構成された炉２００では、図２２に示すように、加熱時に熱輸送デバイス１０を炉外側に後退させる。具体的には、熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４の位置まで炉外に配置され、第１端部１２Ａ側のみが反射鏡２０２の反射面２０２Ａ側に露出される。
【０１６５】
したがって、炉２００では、ヒータ１０６による加熱により炉内と炉外とに温度差が生じても、熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４、第２熱交換器１６、蓄熱器１８のいずれもが炉外に配置されているため、蓄熱器１８の両端部の温度比が閾値以上とならず、蓄熱器１８に熱音響自励振動を生ずることはない。すなわち、熱輸送デバイス１０において、熱音響自励振動による定在波により、炉内の熱が炉外に排出されることが防止される。
【０１６６】
また、反射鏡２０２の高曲率部２０４がヒータ１０６側を向いているため、隣接するヒータ１０６からの輻射が高曲率部２０４で遮蔽され、熱輸送デバイス１０に入射されることが抑制される。
【０１６７】
したがって、加熱時に熱輸送デバイス１０がヒータ１０６からの輻射により筒状体１２の第１端部１２Ａ側が加熱され、筒状体１２を熱伝導することにより、炉内の熱が炉外に排出されることを抑制することができる。
【０１６８】
一方、炉２００の冷却時には、先ず、ヒータ１０６が滅勢される。次に、熱輸送デバイス１０を炉内に進入させる。具体的には、図２３に示すように、熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａから第１熱交換器１４までが炉内に配置され、蓄熱器１８が炉壁１０２に配設され、第２熱交換器１６から第２端部１２Ｂまでが炉外に配置される。
【０１６９】
続いて、反射鏡２０２をワークＷや炉壁１０２に向けることで、ワークＷや炉壁１０２から出射された輻射及び反射鏡２０２の反射面２０２Ａで反射された輻射（図２３、破線参照）が熱輸送デバイス１０の第１端部１２Ａ側に入射する。熱輸送デバイス１０の筒状体１２の輻射入射位置が加熱され、厚板部１２Ｃを介して第１熱交換器１４に熱伝導される。これにより、第１熱交換器１４が効率的に加熱される。この結果、蓄熱器１８の両端部の温度比が閾値を超え、蓄熱器１８で熱音響自励振動を生じ、熱輸送デバイス１０の管路に定在波を生ずる。これにより、炉内の熱を炉外に効率的に排出することができる。すなわち、炉２００を効率的に冷却することができる。
【０１７０】
このように、炉２００では、加熱時に熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４まで炉外に配置することで、炉２００の内外の温度差によって熱輸送デバイス１０の蓄熱器１８に熱音響自励振動が生ずることを防止して炉内の熱が炉外へ移動することを抑制することができる。すなわち、熱輸送デバイス１０に調整弁２０がない構造でも、炉２００の加熱時に熱輸送デバイス１０による排熱を抑制することができる。
【０１７１】
また、炉２００では、加熱時に、反射鏡ユニット１０８の反射鏡２０２の高曲率部２０４の背面２０２Ｂを隣接するヒータ１０６に向けることで、ヒータ１０６からの輻射が熱輸送デバイス１０に入射することを抑制し、熱輸送デバイス１０の熱伝導による排熱（熱移動）を抑制することができる。
【０１７２】
一方、炉２００の冷却時には、熱輸送デバイス１０を炉内に前進させ、第１熱交換器１４を炉内、第２熱交換器１６を炉外に配置することで、炉２００の内外の温度比に基づいて熱輸送デバイス１０の蓄熱器１８に熱音響自励振動を生じさせ、熱輸送デバイス１０の管路に定在波を発生させることで、炉内の熱を炉外に効率的に排出することができる。
【０１７３】
また、炉２００の反射鏡ユニット１０８では非焦点タイプの反射鏡２０２を用いたが、非焦点タイプでも反射した輻射を熱輸送デバイス１０に入射させることによって炉内から熱輸送デバイス１０に効率的に熱が移動させることができる。
【０１７４】
なお、本実施形態では、炉２００の加熱時に、反射鏡２０２の高曲率部２０４の背面２０２Ｂを隣接するヒータ１０６に向けることで、ヒータ１０６からの輻射が熱輸送デバイス１０に入射することを抑制したが、第３実施形態と同様に、反射鏡２０２の反射面２０２Ａをヒータ１０６とワーク台１０４（ワークＷ）に向けることで、ヒータ１０６からの輻射を反射鏡２０２の反射面２０２Ａで反射してワークＷに入射させる構成でも良い。この場合には、炉２００の加熱時におけるワークＷの加熱効率が向上する。
【０１７５】
次に、炉２００の他の例について説明する。熱輸送デバイス１０のみが異なるので、当該部分のみを説明する。図２４に示すように、熱輸送デバイス１０において金属から形成された筒状体１２のうち、第１熱交換器１４の外周側に位置する部分のみ輻射透過性の材料、例えばガラスから形成された輻射透過部２１０が形成されたものが考えられる。
【０１７６】
第１熱交換器１４は、熱輸送デバイス１０の内管２２と外管２４の間に嵌合される金属から形成されたドーナツ形状のリング体２１２であり、その内部に軸方向に延在する多数の孔部２１４が形成されている。
【０１７７】
このように熱輸送デバイス１０が形成されることにより、炉２００の冷却時に炉内の輻射、あるいは反射鏡１１４で反射された輻射が輻射透過部２１０を透過して第１熱交換器１４に直接入射される。このように、第１熱交換器１４（リング体２１２）が輻射で直接加熱されるため、炉内の熱が第１熱交換器１４に一層効率的に移動されることになる。
【０１７８】
［第５実施形態］
本開示の第５実施形態として、第１実施形態に係る熱輸送デバイス１０を適用した工業用の炉について図２５〜図２８を参照して説明する。第３実施形態と同様の構成要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。なお、第３実施形態と異なるのは、反射鏡の形状とヒータの配置なので、当該部分についてのみ説明する。
【０１７９】
（装置構成）
炉３００の反射鏡ユニット１０８を構成する反射鏡３０２は、図２５に示すように、第３実施形態の放物面からなる反射鏡１１４と同様の放物面部３０４と、放物面部３０４の下端部から下方に連続して形成された断面半円形のトラフ部３０６と、トラフ部３０６の下端部から下方に連続して形成された断面半円形の円錐部３０８とが形成されている。
【０１８０】
この反射鏡ユニット１０８のパイプ部１１２の孔部１１０には、熱輸送デバイス１０が収容されている。熱輸送デバイス１０は、図２６に示すように、第３実施形態と同様に炉壁１０２に対して固定されており、第１端部１２Ａから第１熱交換器１４までが炉内に配置され、蓄熱器１８が炉壁１０２に配置され、第２熱交換器１６から第２端部１２Ｂまでが炉外に配置されている。
【０１８１】
一方、反射鏡ユニット１０８は、パイプ部１１２が軸回りに回転可能とされており、パイプ部１１２と一体的に反射鏡３０２が回転可能とされている。ただし、反射鏡ユニット１０８は、炉壁１０２に対して進退するものではない。
【０１８２】
また、炉３００では、ワーク台１０４の下方には、側方の炉壁１０２から水平方向に延在する片側２本のヒータ１０６が互いに対向するように配置される一方、上方の炉壁１０２から下方に延在する２本のヒータ１０６Ａと２本の反射鏡ユニット１０８（熱輸送デバイス１０）からなる片側計４本が平面視で平行に２列配置されている。
【０１８３】
（作用）
このように構成された炉３００の作用について説明する。先ず、加熱時の作用について説明する。
【０１８４】
炉３００の加熱時には、熱輸送デバイス１０の調整弁２０によって内管２２の端部を閉塞する（図３参照）。次に、パイプ部１１２を軸回りに回転させることにより、反射鏡３０２のトラフ部３０６及び円錐部３０８の背面３０２Ｂを隣接するヒータ１０６Ａに向ける。
【０１８５】
この状態でワーク台１０４上にワークＷが載置されて炉内に収容され、ヒータ１０６、１０６Ａが付勢される。
【０１８６】
この際、炉３００においてヒータ１０６、１０６Ａが付勢されて炉内と炉外との温度差が大きくなっても、熱輸送デバイス１０は調整弁２０によって内管２２の端部が閉塞されているため、蓄熱器１８で熱音響自励振動を生ずることはない。すなわち、熱輸送デバイス１０の管路に熱音響自励振動による定在波を生じ、この定在波によって炉内の熱が炉外に排出されることが防止される。
【０１８７】
また、ヒータ１０６Ａは隣接する熱輸送デバイス１０と平行に配置されているが、炉３００の加熱時に反射鏡３０２のトラフ部３０６、円錐部３０８の背面３０２Ｂで遮蔽されているため、ヒータ１０６Ａからの輻射が熱輸送デバイス１０に直接あるいは反射鏡３０２で反射されて入射することが抑制される。
【０１８８】
したがって、熱輸送デバイス１０の筒状体１２を介して熱伝導によって炉内の熱が炉外に排出されることを抑制することができる。すなわち、炉３００の加熱効率を向上させることができる。
【０１８９】
次に、炉３００の冷却時の作用について説明する。
【０１９０】
先ず、炉３００のヒータ１０６、１０６Ａが滅勢される。次に、図２７に示すように、反射鏡ユニット１０８のパイプ部１１２を回転させ、ワークＷや炉壁１０２に反射鏡３０２の反射面３０２Ａを向ける。
【０１９１】
また、熱輸送デバイス１０の調整弁２０を移動させ、内管２２の端部を開放する。
【０１９２】
この状態で、ワークＷや炉壁１０２からの輻射が反射鏡３０２のトラフ部３０６、円錐部３０８等で反射されながら熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４から第１端部１２Ａ側に入射され、当該部分を加熱する。熱輸送デバイス１０の筒状体１２において、第１熱交換器１４よりも第１端部１２Ａ側は厚板部１２Ｃ（図１５参照）とされ、薄板部１２Ｄ（図１５参照）よりも熱伝導しやすくされている。したがって、熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４よりも第１端部１２Ａ側の熱を第１熱交換器１４に効率的に移動させることができる。
【０１９３】
また、反射鏡３０２の放物面部３０４では、ワークＷや炉壁１０２から入射した輻射が直接入射されると共に、トラフ部３０６や円錐部３０８で反射された輻射が入射され、熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４の配設位置に反射される。すなわち、ワークＷや炉壁１０２から輻射がより集約されて熱輸送デバイス１０の第１熱交換器部分に入射され、第１熱交換器１４が効率的に加熱される。
【０１９４】
すなわち、炉内の熱が輻射を介して第１熱交換器１４に効率的に移動する。
【０１９５】
また、蓄熱器１８の両端部（第１熱交換器１４側端部と第２熱交換器１６側端部）との温度比が閾値を超えると、熱輸送デバイス１０の蓄熱器１８で熱音響自励振動を生じ、熱輸送デバイス１０の管路に定在波を生じ、この定在波によって炉内の熱が効率的に炉外に排出される。
【０１９６】
このように、炉３００では、加熱時にヒータ１０６Ａに対して反射鏡３０２の背面３０２Ｂを向けているため、熱輸送デバイス１０に対するヒータ１０６、１０６Ａからの輻射の入射が抑制され、熱輸送デバイス１０の熱伝導による炉外への熱移動が抑制される。すなわち、加熱効率が向上する。
【０１９７】
また、炉３００では、上下方向に延在するヒータ１０６Ａを設けることによって、ワーク台１０４上に載置された上下方向高さのあるワークＷに対して効率的に加熱することができる。
【０１９８】
さらに、炉３００では、反射鏡３０２に放物面部３０４の下方に連続して断面半円形のトラフ部３０６と円錐部３０８を設けたため、炉壁１０２やワークＷからの輻射を反射させて熱輸送デバイス１０に集約して入射させることができる。この結果、炉内の熱を輻射を利用して一層効率的に熱輸送デバイス１０に移動させることができる。
【０１９９】
この炉３００の内部の熱が輻射を介して効率的に熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４に移動させられるため、熱輸送デバイス１０で熱音響波自励振動を介して第１熱交換器１４から第２熱交換器１６に熱が移動する。すなわち、炉３００の炉内の熱を効率的に炉外に排出することができる。
【０２００】
なお、図２８に示すように、熱輸送デバイス１０を炉壁１０２に対して進退自在とし、炉３００の加熱時に、熱輸送デバイス１０の第１熱交換器１４まで炉壁１０２に位置させることで、第１熱交換器１４の加熱を抑制して蓄熱器１８で熱音響自励振動を生ずることを一層抑制することができる。
【０２０１】
また、炉３００の加熱時に、反射鏡３０２の反射面３０２Ａを隣接するヒータ１０６ＡとワークＷに向けることで、ヒータ１０６Ａからの輻射を反射面３０２Ａで反射してワークＷに入射させ、ワークＷの加熱効率を向上させても良い。
【０２０２】
［その他］
（熱輸送デバイス）
以上、第１、第２実施形態に係る熱輸送デバイスについて説明したが、本開示はこれに限定されるものではない。
【０２０３】
例えば、第２実施形態の熱輸送デバイス５０では、調整弁２０を筒状体１２の第２端部１２Ｂ側に設けたが、筒状体１２の軸方向において、蓄熱器１８の軸方向中心から筒状体１２の第２端部１２Ｂ側に、蓄熱器１８の軸方向中心から筒状体１２の第１端部１２Ａまでの軸方向距離と等距離の位置に、径方向外側から弁体を挿入する構成としても良い。この場合には、蓄熱器１８の軸方向中心が定在波の節の位置となるため、弁体の挿入により熱輸送を停止することができる。
【０２０４】
また、蓄熱器１８の軸方向中心を管路長Ｌ０に対して高温側の端部（熱輸送デバイス１０の閉塞面２６、熱輸送デバイス５０の第１端部１２Ａ）から管路長Ｌ０の２５％の位置になるように配置したが、１２．５％〜２５％の範囲であれば、十分に熱輸送量が大きく、熱輸送デバイスとして実用可能である。
【０２０５】
なお、第１実施形態、第２実施形態の熱輸送デバイス１０、５０では、調整手段としての調整弁２０を備えていたが、熱輸送デバイスが調整弁を備えていなくても良い。例えば、廃熱から常時を熱を取り出す場合等、熱輸送を停止させる必要のない場合には、熱輸送デバイスに調整弁を備えないことが考えられる。
【０２０６】
さらに、熱輸送デバイスに発電装置を取り付けることも考えられる。例えば、炉４０に取り付けられた熱輸送デバイス５０の第２端部１２Ｂに、調整弁２０に換えてスピーカー型の発電装置を取り付け、熱音響自励波に基づく定在波によってスピーカーを振動させ、発電させることが考えられる。この場合には、調整弁を上記のように、径方向外側から筒状体１２の内部に挿入することによって熱輸送を停止させることが考えられる。
【０２０７】
（炉）
また、第３〜第５実施形態に係る炉１００、２００、３００について説明したが、本開示はこれに限定されるものではない。
【０２０８】
例えば、第３実施形態では、反射鏡１１４をニュートン式の放物面で構成し、その焦点位置に熱輸送デバイス１０を配置したが、同様に反射鏡で熱輸送デバイス１０に焦点を結ばせる方式としてカセグレン式、グレゴリー式、マーチン式等を採用することも可能である。
【０２０９】
さらに、第３実施形態では反射鏡ユニット１０８が炉１００に対して進退する構成、第４では熱輸送デバイス１０が炉２００、炉３００に対して進退する構成としたが、いずれが進退する構成でも良いし、双方が移動する構成でも良い。
【０２１０】
第３実施形態では、反射鏡１１４がパイプ部１１２の軸方向に対して傾斜した角度に固定されたものとして説明したが、傾斜角度を変更可能な構成としても良い。この場合には、反射鏡１１４の傾斜角度を変更しつつ回転させることにより、一層広い範囲で炉壁１０２やワークＷからの輻射等を熱輸送デバイス１０に入射させることができる。この結果、一層効率的に炉を冷却することができる。
【０２１１】
さらに、第３、第５実施形態では、炉の加熱時に蓄熱器１８で熱音響自励振動を生じないように、調整弁２０が内管２２の端部を閉塞する構成としたが、第４実施形態のように、熱輸送デバイス１０を炉外まで後退させることによって、蓄熱器１８の両端部（第１熱交換器１４側端部と第２熱交換器１６側端部）との温度比が閾値を超えないようにすることで、熱音響自励振動を生じさせない構成とすることも可能である。この場合には、熱輸送デバイス１０に、調整弁２０がなくても良い。
【０２１２】
また、第３〜第５実施形態では、炉が所定温度（所定温度範囲内）に維持されている場合について説明しなかったが、基本的に炉外に自然に排出される熱量に相当する熱量を供給するようにヒータで加熱する。ただし、炉によっては、ヒータで加熱しながら、調整弁２０によって熱輸送量を調整された熱輸送デバイス１０で、熱音響自励振動に基づく定在波で排熱することも考えられる。
【０２１３】
さらに、第３〜第５実施形態では、反射鏡ユニットのパイプ部１１２の孔部１１０内に熱輸送デバイス１０が配設されたが、炉においてパイプ部１１２と異なる位置に熱輸送デバイス１０が配設されていても良い。この場合には、反射鏡の反射面で反射された輻射が異なる位置にある熱輸送デバイス１０に入射することになる。
【０２１４】
第３、第５実施形態では、熱輸送デバイス１０に入射される輻射の集約性を考慮して、放物面等の焦点を有する反射鏡の場合について説明したが、反射鏡の反射面に焦点がなくても良い。
【０２１５】
また、熱輸送デバイス１０に厚板部１２Ｃを形成する点、輻射透過部２１０を形成する点や熱輸送デバイス１０を炉壁に対して進退させる構成は、反射鏡がない炉に対しても適用することが可能である。
【０２１６】
さらに、第３〜第５実施形態では、第１実施形態に係る熱輸送デバイス１０を適用したが、第２実施形態に係る熱輸送デバイス５０を適用しても良い。
【０２１７】
日本国特許出願２０１７−１０３７９４の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
【０２１８】
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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