(57)【要約】【課題】熱輸送距離を長くすることが可能なヒートパイプを提供する。【解決手段】外パイプ２および内パイプ３を備え、外パイプ２と内パイプ３との間に形成された第１流路Ｌ１と内パイプ３の内側に形成された第２流路Ｌ２とが両端で連通する二重管構造のヒートパイプ１であって、外パイプ２の一端側の外周を加熱して、外パイプ２内に加熱領域を形成する加熱手段４と、内パイプ３の一端部に設けられ、第１流路Ｌ１および第２流路Ｌ２に磁場を印加する筒状の磁場印加手段６と、温度上昇に伴い磁化が減少する磁性粒子およびベース液を含み、外パイプ２内に封入されて第１流路Ｌ１および第２流路Ｌ２を循環する磁性流体と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2019120432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端および他端を有する外パイプと、
一端が前記外パイプの前記一端側に位置し、他端が前記外パイプの前記他端側に位置するように、前記外パイプ内に配置された内パイプと、を備え、
前記外パイプと前記内パイプとの間に形成された第１流路と前記内パイプの内側に形成された第２流路とが両端で連通する二重管構造のヒートパイプであって、
前記外パイプの前記一端側の外周を加熱して、前記外パイプ内に加熱領域を形成する加熱手段と、
前記内パイプの一端部に設けられ、前記第１流路および前記第２流路に磁場を印加する筒状の磁場印加手段と、
温度上昇に伴い磁化が減少する磁性粒子およびベース液を含み、前記外パイプ内に封入されて前記第１流路および前記第２流路を循環する磁性流体と、を備える
ことを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記内パイプは、
第１パイプと、
前記第１パイプの内側に配置された第２パイプと、を備え、
前記第１パイプと前記第２パイプとの間には、前記磁場印加手段と筒状の断熱手段とが軸方向に並置されている
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記外パイプの前記一端から前記磁場印加手段の一端までの領域を加熱して前記加熱領域を形成し、
前記磁性流体は、前記第１流路を前記外パイプの前記他端から前記一端に向かって流れ、前記第２流路を前記内パイプの前記一端から前記他端に向かって流れる
ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記加熱手段は、前記磁場印加手段の他端から前記外パイプの前記他端に向かってのびる所定の領域を加熱して、前記加熱領域を形成し、
前記磁性流体は、前記第１流路を前記外パイプの前記一端から前記他端に向かって流れ、前記第２流路を前記内パイプの前記他端から前記一端に向かって流れる
ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
前記磁場印加手段は、一端側に第１極性を有し、他端側に第２極性を有する少なくとも１つの磁石である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートパイプ。
【請求項６】
前記磁場印加手段は、一方側部分の内側および他方側部分の外側に第１極性を有し、前記他方側部分の内側および前記一方側部分の外側に第２極性を有する少なくとも１つの磁石である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートパイプ。
【請求項７】
前記磁場印加手段は、前記磁石の内側または外側に設けられた少なくとも１つの電磁石を含む
ことを特徴とする請求項５または６に記載のヒートパイプ。
【請求項８】
前記磁性流体は、前記ベース液よりも低沸点の低沸点溶媒を含む
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のヒートパイプ。
【請求項９】
前記磁性粒子は、マンガン亜鉛フェライトを含み、
前記ベース液は、炭化水素系オイルを含み、
前記低沸点溶媒は、炭化水素化合物を含む
ことを特徴とする請求項８に記載のヒートパイプ。
【請求項１０】
前記内パイプは、前記外パイプの内側に設けられたハニカム構造の支持部により支持されている
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートパイプとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載のヒートパイプは、熱輸送方向が長手方向であるコンテナと、コンテナ内に封入された作動流体と、コンテナの内面に設けられたウィック構造体と、ウィック構造体に設けられた蒸気流路と、蒸気流路とウィック構造体との間に設けられた隔離部材と、を有する。特許文献１に記載のヒートパイプは、ウィック構造体の毛細管現象を利用することで、コンテナに封入された作動流体の循環を促している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１４６０２４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、ウィック構造体の毛細管現象を利用するヒートパイプでは、作動流体の静水圧や表面張力に限界があるため、１０ｍ程度の距離しか熱輸送できないという問題がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、熱輸送距離を長くすることが可能なヒートパイプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係るヒートパイプは、
一端および他端を有する外パイプと、
一端が前記外パイプの前記一端側に位置し、他端が前記外パイプの前記他端側に位置するように、前記外パイプ内に配置された内パイプと、を備え、
前記外パイプと前記内パイプとの間に形成された第１流路と前記内パイプの内側に形成された第２流路とが両端で連通する二重管構造のヒートパイプであって、
前記外パイプの前記一端側の外周を加熱して、前記外パイプ内に加熱領域を形成する加熱手段と、
前記内パイプの一端部に設けられ、前記第１流路および前記第２流路に磁場を印加する筒状の磁場印加手段と、
温度上昇に伴い磁化が減少する磁性粒子およびベース液を含み、前記外パイプ内に封入されて前記第１流路および前記第２流路を循環する磁性流体と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記ヒートパイプにおいて、
前記内パイプは、
第１パイプと、
前記第１パイプの内側に配置された第２パイプと、を備え、
前記第１パイプと前記第２パイプとの間には、前記磁場印加手段と筒状の断熱手段とが軸方向に並置されていることが好ましい。
【０００８】
上記ヒートパイプにおいて、
前記加熱手段は、前記外パイプの前記一端から前記磁場印加手段の一端までの領域を加熱して前記加熱領域を形成し、
前記磁性流体は、前記第１流路を前記外パイプの前記他端から前記一端に向かって流れ、前記第２流路を前記内パイプの前記一端から前記他端に向かって流れるように構成することができる。
【０００９】
上記ヒートパイプにおいて、
前記加熱手段は、前記磁場印加手段の他端から前記外パイプの前記他端に向かってのびる所定の領域を加熱して、前記加熱領域を形成し、
前記磁性流体は、前記第１流路を前記外パイプの前記一端から前記他端に向かって流れ、前記第２流路を前記内パイプの前記他端から前記一端に向かって流れるように構成することができる。
【００１０】
上記ヒートパイプにおいて、
前記磁場印加手段は、一端側に第１極性を有し、他端側に第２極性を有する少なくとも１つの磁石であってもよい。
【００１１】
上記ヒートパイプにおいて、
前記磁場印加手段は、一方側部分の内側および他方側部分の外側に第１極性を有し、前記他方側部分の内側および前記一方側部分の外側に第２極性を有する少なくとも１つの磁石であってもよい。
【００１２】
上記ヒートパイプにおいて、
前記磁場印加手段は、前記磁石の内側または外側に設けられた少なくとも１つの電磁石を含んでもよい。
【００１３】
上記ヒートパイプにおいて、
前記磁性流体は、前記ベース液よりも低沸点の低沸点溶媒を含んでもよい。
【００１４】
上記ヒートパイプにおいて、
前記磁性粒子は、マンガン亜鉛フェライトを含み、
前記ベース液は、炭化水素系オイルを含み、
前記低沸点溶媒は、炭化水素化合物を含んでもよい。
【００１５】
上記ヒートパイプにおいて、
前記内パイプは、前記外パイプの内側に設けられたハニカム構造の支持部により支持されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱輸送距離を長くすることが可能なヒートパイプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒートパイプの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るヒートパイプの内パイプの構成を示す図である。
【図３】（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るヒートパイプの加熱部を示す断面図である。（Ｂ）は、（Ａ）の軸（１）および軸（２）における磁場分布図である。
【図４】（Ａ）は、加熱領域と非加熱領域との境界を磁場印加手段の一端に一致させたときの磁性流体の流れを示す図である。（Ｂ）は、加熱領域と非加熱領域との境界を磁場印加手段の他端に一致させたときの磁性流体の流れを示す図である。
【図５】（Ａ）は、磁場印加手段の第１変形例を示す図である。（Ｂ）は、磁場印加手段の第２変形例を示す図である。
【図６】磁場印加手段の第３変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るヒートパイプの実施形態について説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態に係るヒートパイプ１を示す。ヒートパイプ１は、外パイプ２と、内パイプ３と、加熱手段４と、冷却手段５と、磁場印加手段６と、断熱手段７と、を備える。ヒートパイプ１内には、磁性流体が封入されている。
【００２０】
ヒートパイプ１は、加熱手段４を含む加熱部と、冷却手段５を含む冷却部と、加熱部と冷却部の間の中間部と、に大別される。加熱部、冷却部、中間部は、それぞれ分離させて交換することができる。例えば、中間部の長さを変えることで、ヒートパイプ１の長さを変えることができる。
【００２１】
外パイプ２は、円筒形状の本体部と、本体部の一端側を塞ぐ円形状の蓋部２ａと、本体部の他端側を塞ぐ円形状の蓋部２ｂと、を含む。また、外パイプ２は、加熱部と中間部との境界に加熱部と中間部とを固定する円環形状のフランジ部を有し、中間部と冷却部との境界に中間部と冷却部とを固定する円環形状のフランジ部を有する。
【００２２】
外パイプ２は、耐熱性および磁性流体に対する耐薬品性を有することが好ましい。外パイプ２として、本実施形態ではアルミニウムを用いているが、アルミニウム以外の金属でもよいし、樹脂（例えば、フッ素樹脂）でもよい。
【００２３】
内パイプ３は、円筒形状の第１パイプ３１および円筒形状の第２パイプ３２からなる本体部と、本体部の一端に設けられた円環形状の蓋部３ａと、本体部の他端に設けられた円環形状の蓋部３ｂと、を含む。図２に示すように、第１パイプ３１と第２パイプ３２の間には、筒状の磁場印加手段６と筒状の断熱手段７とが内パイプ３の軸方向に並置されている。
【００２４】
内パイプ３は、耐熱性および磁性流体に対する耐薬品性を有することが好ましい。内パイプ３として、本実施形態ではアルミニウムを用いているが、アルミニウム以外の金属でもよいし、樹脂（例えば、フッ素樹脂）でもよい。
【００２５】
図１に示すように、内パイプ３は、一端（蓋部３ａ）が外パイプ２の一端側（蓋部２ａ側）に位置し、他端（蓋部３ｂ）が外パイプ２の他端側（蓋部２ｂ側）に位置し、かつ蓋部３ａと蓋部２ａとが離間し、蓋部３ｂと蓋部２ｂとが離間した状態で、外パイプ２内に配置される。内パイプ３は、外パイプ２の内側に設けられた複数の支持部８により支持されている。支持部８は、磁性流体の流れをできるだけ妨げないように、ハニカム構造をしている。
【００２６】
外パイプ２と内パイプ３との間には、第１流路Ｌ１が形成され、内パイプ３の内側には、第２流路Ｌ２が形成される。第１流路Ｌ１と第２流路Ｌ２とは、両端で連通する。磁性流体は、第１流路および第２流路を循環する。
【００２７】
磁性流体は、磁性粒子およびベース液を含む。磁性流体は、さらに、ベース液よりも低沸点の低沸点溶媒を含んでもよい。磁性粒子は、常温域において温度上昇に伴い磁化が減少する性質をもつ。このため、磁性流体も、常温域において温度上昇に伴い磁化が減少する性質をもつ。
【００２８】
磁性粒子は、マンガン亜鉛フェライトが好ましい。マンガン亜鉛フェライトは、常温域における磁化が大きく、磁化の温度依存性が高く、組成の制御によりキュリー温度を調整できる。磁性粒子は、マンガン亜鉛フェライトの代わりに、またはマンガン亜鉛フェライトに加えて、酸化鉄系微粒子、スピネルフェライト、またはγ−ヘマタイトを含んでもよい。
【００２９】
ベース液は、例えば、炭化水素系オイル、フッ素系オイル、水等を用いることができる。磁性粒子としてマンガン亜鉛フェライトを用いる場合、ベース液は、炭化水素系オイルのケロシンを用いることが好ましい。
【００３０】
低沸点溶媒は、炭化水素化合物（例えば、ヘキサン）が好ましい。低沸点溶媒は、ベース液よりも低沸点を有し、ベース液中に安定して分散されるのであれば、ヘキサン以外の炭化水素化合物を用いてもよいし、炭化水素化合物以外のものを用いてもよい。
【００３１】
本実施形態では、磁性粒子としてマンガン亜鉛フェライト、ベース液としてケロシン、低沸点溶媒としてヘキサンを用いる。ケロシン（マンガン亜鉛フェライトを含む。）が８０ｗｔ％で、ヘキサンが２０ｗｔ％である。
【００３２】
加熱手段４は、外パイプ２の一端側の外周を加熱して外パイプ２内に加熱領域を形成する。本実施形態では、加熱手段４は、外パイプ２の一端側の外周全体に設けられたヒーターと、当該ヒーターの加熱領域および加熱温度を制御する制御装置と、を含む。加熱手段４は、当該加熱手段４が設けられた領域のうち、任意の領域を選択的に加熱することができる。言い換えれば、加熱手段４は、加熱領域と非加熱領域との境界を、ヒーターが設けられた範囲内で外パイプ２の軸方向に任意に移動させることができる。
【００３３】
冷却手段５は、外パイプ２の他端側の外周を冷却して外パイプ２内に冷却領域を形成する。本実施形態では、冷却手段５は、ポンプを含む水冷装置（図示略）から供給される冷却水を利用して、外パイプ２の他端側の外周全体を冷却する水冷式の冷却手段である。なお、冷却手段５は、空冷式のものでもよい。
【００３４】
磁場印加手段６は、詳細は後述するが、第１流路Ｌ１および第２流路Ｌ２を循環する磁性流体に磁場を印加する。磁場印加手段６は、永久磁石（本実施形態では、ネオジウム磁石）を複数個（本実施形態では、８個）連結したものを用いている。ネオジウム磁石は、一端側にＮ極を有し、他端側にＳ極を有するものを用いている。
【００３５】
断熱手段７は、内パイプ３の内側から外側への熱移動および内パイプ３の外側から内側への熱移動、言い換えれば、内パイプ３を介する第１流路Ｌ１−第２流路Ｌ２間の熱移動を防ぐ。断熱手段７は、本実施形態ではグラスウールを用いているが、セラミックでもよいし、真空層でもよい。
【００３６】
図３（Ａ）に、ヒートパイプ１の加熱部の断面図を示す。図３（Ｂ）に、ヒートパイプ１の加熱部における磁場分布（１）および（２）を示す。磁場分布（１）は、ヒートパイプ１の第１流路Ｌ１の中心位置（軸（１））で測定したものであり、磁場分布（２）は、ヒートパイプ１の第２流路Ｌ２の中心位置（軸（２））で測定したものである。
【００３７】
同図に示すように、円筒形の磁場印加手段６は、両端の２箇所で磁場が最大になる。このため、温度の境界（加熱領域と非加熱領域との境界）を磁場印加手段６の一端または他端に一致させることで、磁性流体を循環させるための駆動力が得られる。
【００３８】
図４（Ａ）に、加熱領域と非加熱領域との境界Ｂ１を磁場印加手段６の一端に一致させたときの磁性流体の流れを示す。図４（Ａ）では、加熱手段４は、外パイプ２の一端（蓋部２ａ）から磁場印加手段６の一端までの領域（Ｂ１の左側領域）を加熱して、当該領域に加熱領域を形成する。
【００３９】
加熱領域（Ｂ１の左側領域）では、磁性流体の磁化は外パイプ２の外周面に近づくほど減少し、磁性流体に働く磁気体積力（磁化と磁場勾配の積）も外パイプ２の外周面に近づくほど減少する。一方、非加熱領域（Ｂ１の右側領域）では、磁気体積力はほとんど変化しない。また、境界Ｂ２の両側の磁気体積力は、ほとんど変化することなく、釣り合っている。
【００４０】
このため、図４（Ａ）では、主に、第１流路Ｌ１における境界Ｂ１の両側の磁気体積力の差分が、磁性流体を循環させるための駆動力となる。すなわち、磁性流体は、第１流路Ｌ１を外パイプ２の他端から一端に向かって流れ、第２流路Ｌ２を内パイプ３の一端から他端に向かって流れる。
【００４１】
図４（Ｂ）に、加熱領域と非加熱領域との境界Ｂ２を磁場印加手段６の他端に一致させたときの磁性流体の流れを示す。図４（Ｂ）では、加熱手段４は、磁場印加手段６の他端から外パイプ２の他端に向かってのびる所定の領域（Ｂ２の右側領域）を加熱して、当該領域に加熱領域を形成する。
【００４２】
加熱領域（Ｂ２の右側領域）では、第１流路Ｌ１において、磁性流体の磁化が減少し、磁性流体に働く磁気体積力（磁化と磁場勾配の積）が減少する。一方、第２流路Ｌ２においては、断熱手段７の効果により、磁気体積力はほとんど変化しない。また、非加熱領域（Ｂ２の左側領域）では、磁気体積力はほとんど変化しない。当然ながら、境界Ｂ１の両側の磁気体積力は、ほとんど変化することなく、釣り合っている。
【００４３】
このため、図４（Ｂ）では、主に、第１流路Ｌ１における境界Ｂ２の両側の磁気体積力の差分が、磁性流体を循環させるための駆動力となる。すなわち、磁性流体は、第１流路Ｌ１を外パイプ２の一端から他端に向かって流れ、第２流路Ｌ２を内パイプ３の他端から一端に向かって流れる。
【００４４】
結局、本実施形態に係るヒートパイプ１によれば、作動流体として磁性流体を用いており、さらに加熱手段４および磁場印加手段６によって磁性流体に駆動力を与えるので、熱輸送距離を長くすることが可能になる。より具体的には、本実施形態に係るヒートパイプ１によれば、磁性流体に磁場を印加することで、駆動力としての磁気圧が得られるため、磁場強度と磁場勾配を大きくすることで、磁気圧が大きくなり、静水圧や表面張力によらず、１０ｍ以上（例えば、１０〜２０ｍ）の長距離輸送が可能となる。
【００４５】
以上、本発明に係るヒートパイプの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４６】
本発明の外パイプは、一端および他端を有するのであれば、大きさや形状等は適宜変更できる。内パイプは、一端が外パイプの一端側に位置し、他端が外パイプの他端側に位置するように、外パイプ内に配置されているのであれば、大きさや形状等は適宜変更できる。すわなち、本発明の外パイプおよび内パイプは、外パイプと内パイプとの間に形成された第１流路と内パイプの内側に形成された第２流路とが両端で連通する二重管構造であれば、適宜構成を変更できる。
【００４７】
本発明の加熱手段は、外パイプの一端側外周の任意の領域を加熱して、外パイプ内に加熱領域を形成するのであれば、適宜構成を変更できる。例えば、熱風を当てることで、外パイプの一端側の外周を加熱するように構成されていてもよい。
【００４８】
上記実施形態の加熱手段４は、温度の境界（加熱領域と非加熱領域との境界）を磁場印加手段６の一端または他端に一致させるように、外パイプ２の一端側外周を加熱しているが、磁性流体に駆動力を与えるのであれば、温度の境界と磁場印加手段６の一端または他端とは、多少ずれていてもよい。
【００４９】
本発明の磁場印加手段は、内パイプの一端部に設けられ、第１流路および第２流路に磁場を印加するのであれば、適宜構成を変更できる。
【００５０】
例えば、本発明の磁場印加手段は、図５（Ａ）に示すように、一端側に第１極性（例えば、Ｎ極）を有し、他端側に第２極性（例えば、Ｓ極）を有する１つの永久磁石６Ａで構成されていてもよい。
【００５１】
本発明の磁場印加手段は、図５（Ｂ）に示すように、一方側部分（例えば、上側部分）の内側および他方側部分（例えば、下側部分）の外側に第１極性（例えば、Ｎ極）を有し、他方側部分の内側および一方側部分の外側に第２極性（例えば、Ｓ極）を有する少なくとも１つの永久磁石６Ｂで構成されていてもよい。
【００５２】
本発明の磁場印加手段は、図６に示すように、永久磁石６の外側に設けられた電磁石６Ｃおよび電磁石６Ｃを制御する制御装置（図示略）を含んでいてもよい。永久磁石６と電磁石６Ｃを併用することで、永久磁石６の磁場を電磁石６Ｃの磁場で強めたり、弱めたりすることが可能になる。なお、電磁石６Ｃは、永久磁石６の内側に設けられていてもよいし、円筒形以外の形状でもよい。電磁石６Ｃを制御する制御装置は、例えば、外パイプ２の外側に配置される。
【００５３】
本発明の磁性流体は、温度上昇に伴い磁化が減少する磁性粒子およびベース液を含み、外パイプ内に封入されて第１流路および第２流路を循環するのであれば、適宜構成を変更できる。
【００５４】
上記実施形態の冷却手段５は、省略することができる。しかしながら、熱輸送距離を長くするという観点では、冷却手段５を設けた方が好ましい。また、冷却手段５を設けた場合、加熱部と同様に、冷却部にも磁場印加手段を設けることができる。この構成によれば、温度の境界（冷却領域と非冷却領域との境界）を冷却部における磁場印加手段の一端または他端に一致させることで、磁性流体を循環させるための駆動力が得られる。その結果、熱輸送距離をさらに長くすることが可能になる。
【符号の説明】
【００５５】
１    ヒートパイプ
２    外パイプ
３    内パイプ
３１    第１パイプ
３２    第２パイプ
４    加熱手段
５    冷却手段
６    磁場印加手段
７    断熱手段
８    支持部
【図１】
2019120432.tif 000003
【図２】
2019120432.tif 000004
【図３】
2019120432.tif 000005
【図４】
2019120432.tif 000006
【図５】
2019120432.tif 000007
【図６】
2019120432.tif 000008