(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１エリアと前記第１エリアよりも温度の低い第２エリアとにわたって複数往復し、少なくとも一部にその軸方向が水平面に対して交差して配される重力発生部を有する管路と、
前記管路内に封入された作動流体と、を備え、
前記管路は、
前記第１エリアで熱交換する受熱部と、
前記第２エリアで熱交換する放熱部と、
前記第１エリアに配される管路の一部が断熱または冷却され、あるいは前記第２エリアに配される前記管路の一部が断熱または加熱されて構成され、前記第１エリア側において前記受熱部より受熱量が小さく、あるいは前記第２エリア側において前記放熱部より放熱量が小さく構成された規制部と、を有し、
前記管路の軸方向において、前記受熱部、前記放熱部、及び前記規制部が、前記管路が折り返されるターン部分の軸方向における一方側と他方側とで圧力状態が異なるように配置されることを特徴とする自励振動ヒートパイプ。
【請求項２】
前記管路は、前記放熱部、前記受熱部、及び前記規制部を軸方向に順番に有し、
前記管路内において、前記作動流体は、前記受熱部にて蒸発し、前記放熱部にて凝縮し、圧力振動を発生させて熱輸送を行い、前記重力発生部の高低差による重力で前記蒸発した作動流体が上位へ移動するとともに、前記ターン部分の前記一方側と前記他方側との圧力状態の違いにより作動流体の動作方向が規制されることを特徴とする請求項１記載の自励振動ヒートパイプ。
【請求項３】
前記管路が屈曲して前記重力発生部を構成することを特徴とする請求項１または２記載の自励振動ヒートパイプ。
【請求項４】
前記重力発生部は、前記管路が高低差を有するように水平方向に対して傾斜して構成されることを特徴とする請求項１または２記載の自励振動ヒートパイプ。
【請求項５】
前記管路は両端部が互いに連通するループ型であり、
前記管路の複数箇所に前記重力発生部が設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の自励振動ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励振動ヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
管路内の流体の圧力変動を利用して熱輸送を行う自励振動ヒートパイプがある。自励振動ヒートパイプは加熱部と冷却部とを複数回往復する細管にその内容積の半分程度の作動流体を封入した構造である。作動流体が加熱部で蒸発し冷却部で凝縮することにより、熱は潜熱として加熱部から冷却部へ運ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４―３８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、自励振動ヒートパイプは振動流の振幅に限界があり、熱輸送性能に限界があるため、大型の伝熱面に適用することが困難となる。
【０００５】
実施形態では、単純な構成で高い熱輸送性能を維持できる自励振動ヒートパイプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態にかかる自励振動ヒートパイプは、第１エリアと前記第１エリアよりも温度の低い第２エリアとにわたって複数往復し、少なくとも一部にその軸方向が水平面に対して交差して配される重力発生部を有する管路と、前記管路内に封入された作動流体と、を備え、前記管路は、前記第１エリアで熱交換する受熱部と、前記第２エリアで熱交換する放熱部と、前記第１エリアに配される管路の一部が断熱または冷却され、あるいは前記第２エリアに配される前記管路の一部が断熱または加熱されて構成され、前記第１エリア側において前記受熱部より受熱量が小さく、あるいは前記第２エリア側において前記放熱部より放熱量が小さく構成された規制部と、を有し、前記管路の軸方向において、前記受熱部、前記放熱部、及び前記規制部が、前記管路が折り返されるターン部分の軸方向における一方側と他方側とで圧力状態が異なるように配置されることを特徴とする自励振動ヒートパイプ。
【発明の効果】
【０００７】
実施形態によれば、単純な構成で高い熱輸送性能を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる自励振動ヒートパイプの構造を示す斜視図。
【図２】同自励振動ヒートパイプの内部構造を示す説明図。
【図３】同自励振動ヒートパイプの内部構造を示す説明図。
【図４】同自励振動ヒートパイプの動作を示す説明図。
【図５】他の実施形態にかかる自励振動ヒートパイプの構造を示す斜視図。
【図６】他の実施形態にかかる自励振動ヒートパイプの構造を示す説明図。
【図７】他の実施形態にかかる自励振動ヒートパイプの構造を示す説明図。
【図８】他の実施形態にかかる自励振動ヒートパイプの構造を示す説明図。
【図９】他の実施形態にかかる自励振動ヒートパイプの構造を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態かかる自励振動ヒートパイプ１について、図１乃至図４を参照して説明する。各図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。図１は自励振動ヒートパイプの構造を示す外観斜視図であり、図２及び図３は側方から見た自励振動ヒートパイプ１の内部構造を示す説明図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態にかかる自励振動ヒートパイプ１は、加熱部２０（第１エリア）と加熱部２０よりも温度が低い冷却部３０（第２エリア）を複数回往復するように配された管路１０と、管路１０内に封入された作動流体４０とを備えて構成される。この自励振動ヒートパイプ１は、温度変化によって生じる圧力変動により自励的に発生する圧力振動で作動流体４０を駆動するヒートパイプ１である。
【００１１】
ヒートパイプ１は一本の長い管路１０からなり、この管路１０が加熱部２０と冷却部３０とにわたって複数回往復して蛇行状に配されて構成されている。ヒートパイプ１は、Ｙ方向両端にそれぞれＵ字状に折り返されるターン部１１ａ、１１ｂを複数形成し、これら複数のターン部１１ａ、１１ｂが両端部でそれぞれＸ方向に並んでいる。ヒートパイプ１の両端は互いに連通されてループ状になっており、循環する一つの流路を構成している。
【００１２】
Ｙ方向一方側（放熱側）は管路１０の軸が水平面（図中ＸＹ平面）に沿って配置される水平部１０Ａを構成し、Ｙ方向他端側（受熱側）は屈曲部１１ｃから下方に折曲され、軸が上下方向（図中Ｚ軸）に沿って配置される鉛直部１０Ｂ（重力発生部）を構成している。
【００１３】
なおここでは一例として、Ｙ方向一端側の鉛直部１０Ｂの側方に高温部となる加熱部２０の熱源としてヒータ２１を設置し、その他の低温部となる冷却部３０は自然空冷とした例を示すが、加熱部２０及び冷却部３０の構成はこれに限られるものではない。例えば加熱部２０と冷却部３０は温度差があればよく、また加熱部２０と冷却部３０の間に断熱部などの他の温度領域が介在していてもよい。
【００１４】
管路１０は例えば銅などの熱伝導性の金属で構成される断面円形状の細管である。管路１０は、毛細管現象により蒸気泡と液柱とが管軸方向に交互に分布するように、直径５ｍｍ以下に設定する。本実施形態では例えば材質：銅、外径：３mm、内径：２mmとした。図１に示す例では、ターン数：１４ターン（２８チャンネル）、配設幅Ｗ：約４０５ｍｍ、配設ピッチＰ：１５ｍｍ、水平部長さＬ１：約１５００ mm、鉛直部長さＬ２：約１００ ｍｍ、加熱部長さＬ３：５０ｍｍ、となるように配置した。さらに内部の作動流体４０：R-134a、封入量割合：５３％（９０ｇ）とした。
【００１５】
管路１０は、軸方向に沿って、冷却部３０と熱交換する放熱部１３と、加熱部２０と熱交換する受熱部１２と、加熱側において受熱部１２より受熱量が小さく構成され作動流体４０の動作を規制する規制部１４と、が順番に配される駆動部５０が設けられる。規制部１４は、例えば管路の一部を熱源であるヒータ２１から断熱してなる。
【００１６】
この実施形態では、水平部１０Ａに放熱部１３が配され、鉛直部１０Ｂにおいて受熱部１２と規制部１４が一本おきに交互に並列している。
【００１７】
受熱部１２は加熱部２０において熱源に近接配置されて熱交換可能になっており、規制部１４は加熱部２０に配されるが熱源から離間配置されて断熱されている。したがって規制部１４では作動流体４０の受熱が抑制され、膨張（蒸発）が抑制される。なお、規制部１４の構成は断熱に限られず、例えば放熱部１３と同様に冷却される構成としてもよい。この規制部１４によって、軸方向におけるターン部１１ａの一方側と他方側とで圧力状態を異ならせている。
【００１８】
ヒートパイプ１は鉛直部１０Ｂの各ターン部１１ａの最も下端部分で折り返され、受熱部１２と規制部１４が折り返し点を挟んで連通しているとともに、各受熱部１２及び規制部１４の上側がそれぞれ放熱部１３に連通している。この鉛直部１０Ｂ付近において、放熱部１３と受熱部１２と規制部１４とが順番に連続配置されて駆動部５０を構成している。すなわち、一往復分の管路１０において、受熱部１２を基準として上流側に規制部１４が、下流側に放熱部１３が配置される構成となっている。このため、下方に向かうＵ字状のターン部１１ａにおいて折り返し点を中心とした両側の部分のうち一方のみ加熱され他方が断熱されることとしたので、両側が同様に加熱される場合と比べて加熱される部分は蒸気が多く、断熱される部分は液が多くなる。このような気液分布では加熱によって発生した蒸気は上方へ流れ、液の多い部分に逆流することは難しく、流の方向が一方向に規制される。この結果、振動流の振幅による流の距離の限界がなくなり、熱輸送性能が改善される。
【００１９】
この実施形態では管路１０の一往復毎に駆動部５０が設けられ、計１４の駆動部５０が等間隔で配置されている。例えば本実施形態の設定では駆動部５０同士の間隔は軸方向の長さで３０００ｍｍ（一往復）程度となる。
【００２０】
以下、本実施形態にかかる自励振動ヒートパイプ１の作用について図４を参照して説明する。図４は自励振動ヒートパイプ１の管路１０の内部の状態を示す説明図である。自励振動ヒートパイプ１の管路１０の内部には作動流体４０として、蒸気泡４１（気体）と液柱４２（液体）とが分布している。作動流体４０は加熱部２０での加熱により蒸発して蒸気泡４１となり、冷却部３０での冷却により凝縮して液柱４２となる。
【００２１】
作動流体４０は加熱部２０に配される受熱部１２で加熱されて気相リッチとなり、冷却部３０に配される放熱部１３において冷却されて液相リッチとなる。液が多い部分では蒸発が優勢であるので圧力が高くなり、蒸気が多い部分では凝縮が優勢であるので圧力は低下する。一方、圧力が高い部分からは作動流体４０が流出するので液が減少し、圧力の低い部分では作動流体４０が流入するので液が増加する。このような圧力と液量との相互作用によって自励的に発生する圧力振動が持続し、熱輸送を行う。すなわち、蒸気泡４１と液柱４２の圧力差により自励的に発生する圧力振動により、作動流体４０が継続的に管路１０内を移動することで、熱は潜熱として、加熱部２０から冷却部３０へ運ばれ、熱輸送が行われる。
【００２２】
さらに駆動部５０では、低位の受熱部１２で膨張した蒸気が重力の作用により高位の放熱部１３側に移動する。このとき、受熱部１２の軸方向一方側は放熱部１３に連通し、他方側はターン部１１ａを通って規制部１４に連通している。規制部１４は断熱されていて受熱部１２よりも受熱量が小さくあるいは受熱しないので、液相リッチ状態となり受熱部１２よりも圧力が高い状態となる。このためターン部１１ａの一方側に設けられた受熱部１２の蒸気泡４１が重力の作用で上方の放熱部１３側に移動する方向に方向付けられ、他方側の管路では液柱４２が下降する方向に方向付けられる。
【００２３】
すなわち、駆動部５０は、管路１０を一本おきに断熱するだけの単純な構成で、作動流体４０の流れの方向をコントロールする。この駆動部５０によって、自励的に発生する振動流の一方向の流れを許容し、反対方向の流れを抑制することにより、管路１０内に作動流体４０の循環流を発生させ、自励振動を持続させることができる。作動流体４０の流れは、図４の矢印で示す方向に方向付けられ、振動しながら流れる脈動循環流となる。
【００２４】
本実施形態によれば、単純な構成で作動流体４０の動作をコントロールして高い熱輸送性能を維持できる。すなわち、通常自励振動ヒートパイプ１は水平状態では振動流の振幅に限界があるため熱輸送距離は数百ｍｍとされているが、本実施形態では高低差を有する重力発生部を設けて重力により作動流体４０を駆動することで熱輸送性能を格段に向上できる。
【００２５】
また、管路１０の一部を断熱させて規制部１４とする簡単な構成で作動流体４０の動作方向を規制できる。
【００２６】
なお、実験として、自励振動ヒートパイプ１の一部を透明な管で構成し、内部の状況を観察するとともに、ヒートパイプ１における複数個所で温度測定を行った。４０Ｗでのヒータ２１起動時は自励振動が作動せず受熱部１２の温度だけが上昇したが、起動時後一定時間経過後に自励振動動作開始とともに受熱部１２の温度低下と放熱部１３の温度上昇が起こり、受熱部１２と放熱部１３の温度差が縮小した。このとき、受熱部１２では放熱部１３へ向かう気泡流が、規制部１４では垂直面に向かう方向に微小な気泡をわずかに含む液体のゆっくりとした流れが、観察され、循環流の発生が確認された。
【００２７】
本実施形態では、ヒートパイプ１の一部を屈曲して高低差を設けるだけで高い熱輸送能力を得ることができるため、広範囲の水平面で熱交換を行う場合にも適用可能である。例えば広い範囲の水平面を加熱部または冷却部として利用し、一部を鉛直方向または水平面に傾斜するように傾けることにより、十分な熱輸送力が得られる。例えばヒートパイプ１の放熱部１３を床や道路に敷設して床暖房、道路融雪などの熱交換に用いることが可能である。また、例えばヒートパイプ１の受熱部１２を屋根に敷設してソーラーコレクタとして用いることが可能である。
【００２８】
また細管を蛇行状に往復させた自励振動ヒートパイプはフレキシブルであって敷設作業も単純であるため低コストで広範囲に適用できる。また配設エリアの形状も問わないため、様々な場所に適用でき、汎用性が高い。
【００２９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。また、各部の具体的構成や材質等は上記実施形態に例示したものに限られるものではなく適宜変更可能である。
【００３０】
例えば規制部１４として加熱部２０に配される管路の一部を熱源２１から離間配置されて断熱した構成を例示したが、これに限られるものではない。例えば熱源２１との間に断熱材を介して断熱してもよい。さらに規制部１４は、加熱部２０に配される管路１０の一部が冷却されて構成されるものであってもよいし、冷却部３０に配される管路１０の一部が断熱または加熱されて放熱部１４よりも放熱量が小さくなるように構成されるものであってもよい。これらの場合にも作動流体の圧力振動を規制して上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
例えば上記第１実施形態では一部に鉛直部１０Ｂを有する構成を例示したが、これに限られるものではない。例えばヒートパイプ１が縦あるいは水平面あるいは傾斜するように斜めに配置することでてヒートパイプ１を全体として重力発生部を構成してもよい。
【００３２】
例えば、他の実施形態として図５に示すヒートパイプ２のように、ヒートパイプ２を水平面（ＸＹ平面）に対して傾斜配置して重力発生部を構成することも可能である。このとき、傾斜の下部を受熱部１２として、上部を放熱部１３とすることで重力を発生させることができる。また、加熱部２０に配される管路１０の一部を断熱させて規制部１４を構成することで、循環流を発生させることができる。この実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００３３】
また、上記第１実施形態では鉛直部１０Ｂに受熱部１２、水平部１０Ａに放熱部１３を配置したが、逆であってもよい。例えば他の実施形態として図６に示すヒートパイプ３は、水平部１０Ａに受熱部１２を、上方に屈曲させた鉛直部１０Ｂに放熱部１３及び規制部１４を交互に配置した。このヒートパイプ３では上方に屈曲した放熱部１３に向かって受熱部１２で蒸発した蒸気泡が移動することで、作動流体４０が駆動され、放熱部１３で冷却されて再び凝縮する。この繰り返しによって、上記第１実施形態と同様に作動流体４０の動作が継続し、熱輸送能力が維持できる。
【００３４】
さらに、例えば他の実施形態として図７に示すヒートパイプ４は両側のターン部１１ａ，１１ｂがそれぞれ上方に屈曲して鉛直部１０Ｂを構成し、間の管路が水平部１０Ａを構成している。加熱側のターン部１１ａを加熱して受熱部１２とするとともに、冷却側のターン部１１ｂの一方側を冷却して放熱部１３とし、他方側を断熱して規制部１４としている。この実施形態においても、受熱部１２の作動流体４０が蒸発して上方に駆動され、放熱部１３で冷却されて再び凝縮する。この繰り返しによって、上記第１実施形態と同様に作動流体４０の動作が継続し、熱輸送能力が維持できる。
【００３５】
他の実施形態として図８に示すヒートパイプ５は、ヒートパイプ４とは反対に両側のターン部１１ａ，１１ｂを下方に屈曲して鉛直部１０Ｂを構成している。この場合、加熱側に規制部１４を設けることにより、駆動部５０を形成できる。この結果、受熱部１２の作動流体４０が蒸発して上方に駆動され、放熱部１３で冷却されて再び凝縮する。この繰り返しによって、上記第１実施形態と同様に作動流体４０の動作が継続し、熱輸送能力が維持できる。なお、駆動部５０を有効とするために、図７のように管路１０の折り返し部が上にある場合は冷却側に、図８のように下にある場合は加熱側に規制部１４を設けることとした。
【００３６】
他の実施形態として図９に示すヒートパイプ６は、全体として鉛直方向に沿って配置され、下部を加熱側として受熱部１２を配し、上部を冷却側として放熱部１３を配している。さらに加熱側及び冷却側のそれぞれの管路１０の一部を断熱させて規制部１４を構成している。この実施形態では、規制部１４、受熱部１２、および放熱部１３を軸方向に順番に有する駆動部５０により、重力を利用して作動流体４０の循環流を発生させることができる。この実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００３７】
上記実施形態では加熱部２０と冷却部３０を備え、軸方向に沿って、放熱部１３と、受熱部１２と、規制部１４と、が連続して順番に配される駆動部５０を例示したが、例えば放熱部１３と受熱部１２の間に他の温度エリアとして断熱部などがあってもよい。
【００３８】
さらに、一本おきではなく複数本おきに規制部１４を設けてもよいし、規制部１４と受熱部１２の高さ位置が異なっていてもよい。さらに管路１０に作動流体４０の流れを規制する逆止弁を併用し、循環流の効果を高めることも可能である。
【００３９】
上記第１実施形態においては、一例として、加熱部２０は加熱源としてヒータ２１を用い、冷却部３０は自然空冷として熱輸送の効果を検証したが、加熱部２０冷却部３０の例はこれらに限られるものではない。例えば加熱部（第１エリア）はCPUなどの発熱電子機器、太陽熱吸収面、温水や高温排ガス等とし、冷却部（第２エリア）は水冷、放射放熱面、融雪面等とすることが可能であり、電子機器の冷却、冷暖房、ソーラーコレクタ、融雪装置を含む様々な用途に適用できる。
【００４０】
さらに、上記実施形態の構成要件のうち一部を省略しても本発明を実現可能である。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
（１）
第１エリアと前記第１エリアよりも温度の低い第２エリアとにわたって複数往復し、少なくとも一部にその軸方向が水平面に対して交差して配される重力発生部を有する管路と、
前記管路内に封入された作動流体と、を備え、
前記管路には、前記第１エリアで熱交換する受熱部と、前記第２エリアで熱交換する放熱部と、前記第１エリア側において前記受熱部より受熱量が小さく、あるいは前記第２エリア側において前記放熱部より放熱量が小さく、構成された規制部と、を有する駆動部が設けられることを特徴とする自励振動ヒートパイプ。
（２）
前記規制部は、前記第１エリアに配される管路の一部が断熱または冷却され、あるいは前記第２エリアに配される前記管路の一部が断熱または加熱されて構成され、
前記駆動部は、前記放熱部、前記受熱部、及び前記規制部を軸方向に順番に有して構成され、
前記駆動部において、前記作動流体は、前記受熱部にて蒸発し、前記放熱部にて凝縮し、圧力振動を発生させて熱輸送を行い、前記重力発生部の高低差による重力で前記蒸発した作動流体が上位へ移動するとともに、前記規制部により前記作動流体の動作方向が規制されることを特徴とする（１）記載の自励振動ヒートパイプ。
（３）
前記管路が屈曲して前記重力発生部を構成することを特徴とする（２）記載の自励振動ヒートパイプ。
（４）
前記重力発生部は、前記管路が高低差を有するように水平方向に対して傾斜して構成されることを特徴とする（２）記載の自励振動ヒートパイプ。
（５）
前記管路は両端部が互いに連通するループ型であり、
前記管路の複数箇所に前記駆動部及び前記重力発生部が設けられるとともに、
前記管路が折り返されるターン部分における前記往路側と前記復路側とで圧力条件が異なるように前記規制部が設けられることを特徴とする（２）記載の自励振動ヒートパイプ。
【符号の説明】
【００４１】
１〜５…自励振動ヒートパイプ、１０…管路、１０Ａ…水平部、１０Ｂ…鉛直部（重力発生部）、１１ａ．１１ｂ…ターン部、１１ｃ…屈曲部、１２…受熱部、１３…放熱部、１４…規制部、２０…加熱部（第１エリア）、２１…ヒータ（熱源）、３０…冷却部（第２エリア）、４０…作動流体、４１…蒸気泡、４２…液柱、５０…駆動部。
【図１】
0005882666.tif 000002
【図２】
0005882666.tif 000003
【図３】
0005882666.tif 000004
【図４】
0005882666.tif 000005
【図５】
0005882666.tif 000006
【図６】
0005882666.tif 000007
【図７】
0005882666.tif 000008
【図８】
0005882666.tif 000009
【図９】
0005882666.tif 000010