(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
土を封入したパイプ、該パイプ内部の圧力を変化させることができる装置を含む、パイプ内部の圧力変化により土の熱伝導率を調節可能であることを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記土は、飽和度0.30〜0.50であ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】
前記パイプは、内部を飽和水蒸気圧まで減圧したパイプであることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記土は、赤黄色土である請求項１〜３のいずれか１に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
前記パイプは、熱を吸収するための吸熱部及び熱を放出するための放熱部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のヒートパイプ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載のヒートパイプは、下記に導入されていることを特徴とする熱輸送装置。
（１）地中熱を利用したハウスの冷暖房装置
（２）地中熱を利用した室内空調装置
（３）地中熱を利用した融雪装置
（４）海水熱を利用した冷暖房装置
（５）地中熱及び／又は下水熱を利用した路面冷却加温装置
（６）地中熱を利用した農地の水温及び／又は地温制御装置
（７）地中熱を利用した畜舎の冷暖房装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土のヒートパイプ現象を示すことを特徴とするヒートパイプ及び該パイプを含む熱輸送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（ヒートパイプ）
ヒートパイプは、中空構造をした金属製パイプで、内部を真空状態にし、そこへ液体（作動液と呼ばれる）を封入して作られる。該パイプ両端に温度差が生じると、高温部で作動液は熱吸収して蒸発し、低温部への蒸気流が生じる。そして、低温部に到達した蒸気は、熱を放出すると同時に凝縮し、その液体は壁面を通じて高温部へ戻る。ヒートパイプは、高温部と低温部とで作動液が相変化を繰り返し循環するため、パイプ両端の温度差がなくなるまで永続的に熱を伝えることができる。
ヒートパイプの液体が高温部へ戻る仕組みには２つある。１つは、重力を利用する方法（サーモサイホン式ヒートパイプ）、もう１つは、毛管力を利用する方法（ウィック式ヒートパイプ）である。いずれのヒートパイプも温度差のみを駆動力とし、高い熱輸送能を持つため、地中熱を利用した融雪技術やノートパソコンのＣＰＵ冷却装置など、幅広い分野に応用されている。
【０００３】
（先行特許文献）
ヒートパイプを利用した熱輸送装置は、下記のように多数報告されている。
特許文献１は、「真空容器と、その真空容器の内周面に外周面を沿わせて配置された銅粉からなる焼結金属体と、前記真空容器の内部に封入されかつ加熱されて蒸発するとともに放熱して凝縮する作動液とを備えたヒートパイプであって、前記真空容器の内周面と前記焼結金属体の外周面との境界部分に、前記作動液を流動させるための流路が形成されていることを特徴とするヒートパイプ。」を開示している。
特許文献２は、「作動媒体(4)が封入されている真空パイプ(1)と、該真空パイプ(1)を長手方向に貫通し、熱源となる流体が通される熱源パイプ(2)と、常に重力方向を向いて前記作動媒体(4)に接触するようにして前記熱源パイプ(2)に取り付けられている伝熱部材(3)と、を備えている、ヒートパイプ。」を開示している。
特許文献３は、「内部に作動流体を封入して真空状態に保持した管状本体と、該管状本体の基端側に形成された二重管状凹部を有する加熱部とから成り、該加熱部の加熱面積比率を高めた事を特徴とするヒートパイプ。」を開示している。
【０００４】
先行特許文献では、土のヒートパイプ現象を利用した熱輸送装置は、開示又は示唆をされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2009-115346
【特許文献２】特開2008-281268
【特許文献３】特開2004-108749
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のサーモサイホン式ヒートパイプの欠点は、熱輸送方向が限られることである。詳しくは、パイプ下側から上側への熱輸送しか行えない。パイプ上側が高温になったとしても、パイプ下側に作動液が存在するため、上から下への蒸気流は生じない。
従来のウィック式ヒートパイプは、毛管力によって作動液を運ぶことが可能なため、熱輸送方向が自在である。しかし、ウィックの毛管力に限界があるので、パイプ長は限定されており、数十ｃｍが限界である。
すなわち、熱輸送方向及びパイプ長の制限がない新しいヒートパイプの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するために、特定の飽和度の土を封入しかつ内部を減圧したパイプは非常に高い熱伝導率を示すことを確認して、本発明を完成した。より詳しくは、パイプ内の土の間隙をヒートパイプとして機能させ、土全体にひとつながりのヒートパイプを作り出すことに成功した。
【０００８】
本発明は以下の通りである。
［１］飽和度0.30〜0.50の土を封入しかつ内部を減圧したパイプを含む、土のヒートパイプ現象を示すことを特徴とするヒートパイプ。
［２］前記減圧は、飽和水蒸気圧まで減圧することを特徴とする前項［１］に記載のヒートパイプ。
［３］前記土は、赤黄色土である前項［１］又は［２］に記載のヒートパイプ。
［４］前記パイプは、熱を吸収するための吸熱部及び熱を放出するための放熱部を有することを特徴とする前項［１］〜［３］のいずれか１に記載のヒートパイプ。
［５］飽和度0.30〜0.50の土を封入したパイプ、該パイプ内部の圧力を変化させることができる装置を含む、パイプ内部の圧力変化により土の熱伝導率を調節可能であることを特徴とするヒートパイプ。
［６］前記［１］〜［５］のいずれか１に記載のヒートパイプは、下記に導入されていることを特徴とする熱輸送装置。
（１）地中熱を利用したハウスの冷暖房装置
（２）地中熱を利用した室内空調装置
（３）地中熱を利用した融雪装置
（４）海水熱を利用した冷暖房装置
（５）地中熱及び／又は下水熱を利用した路面冷却加温装置
（６）地中熱を利用した農地の水温及び／又は地温制御装置
（７）地中熱を利用した畜舎の冷暖房装置
【発明の効果】
【０００９】
本発明の土のヒートパイプ現象を示すことを特徴とするヒートパイプは、以下の効果を有する。
（１）パイプの方向に限定されずに熱輸送ができる。
（２）個々の間隙をヒートパイプとして機能させるのでパイプ長（熱輸送距離）に制限されない。
（３）実用可能な高い熱伝導率を示す。
（４）熱伝導率を調節可能である。
（５）安価な材質である土を使用するのでコストが安い。
（６）ランニングコストゼロである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】土の熱伝導率の水分依存性。
【図２】土の熱伝導率の気圧依存性。
【図３】温室模型。
【図４】本発明のヒートパイプの性能評価。
【図５】パイプ内部の大気圧および1.7 kPaにおける温度分布。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の土のヒートパイプ現象を示すことを特徴とするヒートパイプ（以後、「本発明のヒートパイプ」と称する場合がある）及び該ヒートパイプが導入されている熱輸送装置（以後、「本発明の熱輸送装置」と称する場合がある）を詳細に説明する。
【００１２】
（本発明のヒートパイプ）
本発明のヒートパイプは、少なくも飽和度0.30〜0.50の土を封入（好ましくは、真空封入）し、内部を減圧したパイプを含み、土のヒートパイプ現象を示すことを特徴とする。
なお、減圧は、熱伝導率を最大にするためには、飽和水蒸気圧まで減圧する。
【００１３】
（土）
本発明で使用する「土」は、飽和度0.30〜0.50であれば、特に限定されないが、赤黄色土が好ましい。
なお、赤黄色土は、洪積世に生成した古土壌であり、長期間の風化作用を受けた土であるため、１次鉱物には風化に強い石英を、２次鉱物にはFe、Alを多く含む土を意味する。
【００１４】
本発明での固相率（単位体積あたりの土に含まれる固相の体積）は、25％〜50％、好ましくは30％〜45％、より好ましくは35％〜40％である。固相率の算出方法は、〔乾燥密度 / 土粒子密度〕である。乾燥密度の算出方法は、〔容器に入れた乾燥土の質量 / 容器体積〕である。土粒子密度の測定方法は、ピクノメータ法を使用できる。なお、ピクノメータ法は、文献（土質試験のてびき [改訂版], 土木学会, 2003.  p.14-18, 丸善）に記載されている。
本発明での間隙率（土の全体積に対する間隙体積の比）は、50％〜75％、好ましくは55）％〜70％、より好ましくは60％〜65％である。間隙率の算出方法は、〔１−固相率〕である。
本発明での水分率（単位体積あたりの土に含まれる水の体積）は、20％〜40％、好ましくは23％〜35％、より好ましくは25％〜30％である。水分率の算出方法は、〔容器に入れた水の質量 / 水密度 (1g/cm3) / 容器体積〕である。
【００１５】
本発明での飽和度（土の間隙中に含まれる水の量）は、下記の実施例の結果より、0.30〜0.50、好ましくは0.32〜0.45、より好ましくは0.36〜0.40であり、最も好ましくは約0.38である。飽和度の算出方法は、〔水分率 / 間隙率〕である。
【００１６】
（パイプ）
本発明でのパイプは、特に材質、形状、パイプ長等は限定されず、飽和度0.30〜0.50の土を封入できかつ内部を減圧できれば良い。例えば、円筒形状のアクリル容器、塩化ビニル容器等を利用することができる。
加えて、パイプは、熱を吸収するための吸熱部及び熱を放出するための放熱部を有す。なお、本発明のヒートパイプは、重力を利用するサーモサイホン式ヒートパイプとは異なり、熱輸送方向が限定されないので、重力方向の反対方向（パイプ下側から上側）だけでなく、重力方向（パイプ上側から下側）にも熱輸送を行うことができる。これにより、吸熱部及び放熱部は、パイプのいかなる位置にも設置することができる。
【００１７】
（熱伝導率を調節可能なヒートパイプ）
本発明のヒートパイプは、従来のヒートパイプとは異なり、容易に、熱伝導率を調整することができる。より詳しくは、本発明のヒートパイプは、パイプ内部の圧力を変化させることができる装置をさらに含み、パイプ内部の圧力変化により土のヒートパイプ現象の熱伝導率を調節できる。なお、パイプ内部の圧力を変化させることができる装置は、特に限定されないが、自体公知のレギュレーター付真空ポンプを利用することができる。
【００１８】
（添加物）
本発明のヒートパイプは、より高い熱伝導率を得るために、土に、伝導率が高い物質である金、銀、銅、鉄、アルミニウム等を添加剤として混合しても良い。
【００１９】
（本発明の熱輸送装置）
本発明のヒートパイプは、以下の分野の装置に導入可能である。導入方法は、自体公知のヒートパイプでの導入方法と同様である。しかし、本発明のヒートパイプは、従来のヒートパイプとは異なり、パイプの方向に限定されずに熱輸送ができ、個々の間隙をヒートパイプとして機能させるのでパイプ長（熱輸送距離）に制限されず、実用可能な高い熱伝導率を示し、安価な材質である土を使用するのでコストが安く、さらに熱伝導率を調節可能であるので、今までに導入できなかった分野や装置にも利用可能である。
農業分野：地中熱を利用したハウスの冷暖房装置、農地の水温及び／又は地温制御装置、畜舎の冷暖房装置
建築分野：地中熱を利用した室内空調装置、床暖房及び／又は床冷房装置
建設分野：地中熱を利用した融雪装置、地中熱及び／又は下水熱を利用した路面冷却加温装置
漁業分野：海水熱を利用した冷暖房装置
【００２０】
地中熱を利用したハウスの冷暖房装置では、本発明のヒートパイプの吸熱部を地中に埋設することにより、地中の熱を放熱部から放射することにより、ハウス内を暖めることができる。また、夏期間はハウスや畜舎内の熱を地中へ排熱することにより、建物内に冷熱源を作り出すことができる。同様の原理で、農地の温度（例えば水田の水温や畑の地温など）の加温・冷却が可能となる。
地中熱を利用した室内空調装置では、本発明のヒートパイプの吸熱部を地中に埋設することにより、地中の熱を放熱部から放射することにより、室内に暖気を供給することができる。また、夏期間は室内の熱を地中へ排熱することにより、室内に冷熱源を作り出すことができる。
地中熱を利用した融雪装置では、本発明のヒートパイプの吸熱部を地中に埋設することにより、地中の熱を放熱部から放射することにより、雪を融かすことができる。また、夏期間は、地表に蓄積した熱を地中へ排熱することにより、路面温度を下げることができる。
海水熱を利用した冷暖房装置では、本発明のヒートパイプの吸熱部を海水に浸けることにより、海水の熱を放熱部から放射することにより、冷暖房装置の熱源として利用することができる。
【００２１】
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
（本発明のヒートパイプに用いる最適な土及び条件の決定）
本実施例では、本発明のヒートパイプに用いる最適な土及び条件を決定した。詳細は、以下の通りである。
【００２３】
（方法）
本発明のヒートパイプに用いる土は、できるだけ大きな熱伝導率を持つものが好ましい。さまざまな土のなかから、これまでの前実験を考慮して、赤黄色土が適していると判断した。赤黄色土は、石川県農林総合研究センター・能登分場の赤黄色土を採取し、風乾し2mm篩を通過したものを用いた。
土がヒートパイプとして機能するかどうかは、水分率（体積水分率）が重要であることを確認している。そこで、乾燥から飽和まで、幅広い水分率に調整した試料（赤黄色土）を用意し、それらの熱伝導率を大気圧・室温条件下（15℃）で測定した。
次に、大気圧から飽和水蒸気圧（1.7 kPa）までの減圧条件下で熱伝導率を測定し、最大の熱伝導率となる水分率を決定した。熱伝導率測定には、双子型非定常ヒートプローブ法を使用した。なお、双子型非定常ヒートプローブ法は、文献（Kasubuchi, T. 1992. Development of in-situ soil water measurement by heat probe method. Japan Agricultural Research Quarterly, 26, 178-181. 土壌物理学, 宮崎毅, 長谷川周一, 粕渕辰昭, 2005. p.109-111, 朝倉書店）に記載されている。
【００２４】
（結果）
大気圧下における赤黄色土の熱伝導率と水分率との関係を図１に示す。図１の結果から、３つの試料（水分率0.20, 0.25, 0.30）が減圧下で熱伝導率が劇的に増加すると判断した。
次に、３つの試料（水分率0.20, 0.25, 0.30）の各減圧下での熱伝導率を測定した結果を図２に示す。図２の結果から、水分率0.20の試料では熱伝導率は気圧の影響をあまり受けず、水分率0.25, 0.30の試料の熱伝導率は減圧に伴い増加した。特に、水分率0.25の試料は、大気圧下の0.61 Wm-1K-1から飽和水蒸気圧付近の4.6 Wm-1K-1へと8倍近く増大した。
【００２５】
本実施例の結果により、高い熱伝導率を得ることができる飽和度は、0.30〜0.50、好ましくは0.32〜0.45、より好ましくは0.36〜0.40であり、最も好ましくは約0.38であることを特定した。
【実施例２】
【００２６】
（本発明のヒートパイプの作製及び性能評価）
【００２７】
本実施例では、本発明のヒートパイプを作製して、さらに性能評価を行った。詳細は、以下の通りである。
【００２８】
（方法）
本発明のヒートパイプの作製は、以下の通りである。円筒アクリル容器（外径50mm, 内径44mm, 長さ200mm）に赤黄色土（固相率0.35, 水分率0.25）を充填し、容器上下面をアルミ丸板（直径70mm, 板厚2mm）で挟み、シリコンボンドで接着した。アクリル容器に1mm径の穴を開け、容器内気圧を制御できるようにした。気圧制御は、真空ポンプとレギュレーターで行った。
【００２９】
本発明のヒートパイプの性能評価を行うため、温室模型を作った（参照：図３）。該模型の作製は、以下の通りである。縦・横・高さがそれぞれ40cm, 30cm, 30cmのアクリル箱を作り、底面はアルミ板とし、上面はアクリル板とした。本発明のヒートパイプを垂直に設置し、底面から0cm, 5cm, 10cm, 15cm, 20cmに熱電対を取り付けた。本発明のヒートパイプが埋設されるよう底面から高さ20cmまで発泡スチロール材を充填した。このアクリル箱の底面を15℃に設定した水槽に接触させ一定温度にした。熱伝導率の低い発泡スチロール材を用いた理由は、本発明のヒートパイプの効果を測定するためである。底面を15℃に設定した理由は、地下10m付近の地温を想定したためである。
次に、該温室模型を室温27℃に設定した実験室内に設置した。本発明のヒートパイプ内を大気圧から15℃における飽和水蒸気圧（1.7 kPa）に減圧し、該ヒートパイプの各位置における温度変化を10分間隔で約25時間記録した。なお、減圧は、記録開始から約8時間後に真空ポンプを作動し、その13時間後に大気圧に戻した。
【００３０】
本発明のヒートパイプの性能評価を図４に示す。図４の結果から、温室模型の気温は約27℃でほぼ一定であり、本発明のヒートパイプの底面の温度（Bottom）も約15℃で一定であった。本発明のヒートパイプの上面の温度（Top）は、大気圧下で25℃であったのに対し、減圧するとともに急激に低下し、20℃で定常状態となった。底面から15cm, 10cmの温度もまた、減圧とともに低下し、20℃付近で定常状態となった。5cmの温度は、真空ポンプ作動後にわずかな上昇が見られ、その後、元の温度に近づいた。
大気圧および1.7 kPaにおける定常状態の温度分布を図5に示す。大気圧の温度勾配に比べ、1.7 kPaでは底面5cmから20cmにかけて温度勾配が小さくなった。
【００３１】
以上の結果から、本発明のヒートパイプは、高い熱伝導率を有するヒートパイプとして機能することを確認した。つまり、本発明のヒートパイプの上面の急激な温度低下の結果から、上面から下面への大きな熱輸送が生じること、その熱輸送は減圧下で増大する結果から、熱輸送の正体は水蒸気による潜熱輸送であること、その潜熱輸送の恒常性が維持される結果から、下面から上面への液状水の戻りがあることが示された。
さらに、今回の模型実験で、本発明のヒートパイプの上面温度は気温よりも約7℃低くなることが明らかとなった。この結果から、実際の温室内に冷熱源を作り出すことができる。
【００３２】
（総論）
本実施例により、本発明のヒートパイプは、以下の特性を有することを確認した。
（１）パイプの方向に限定されずに熱輸送ができる。
（２）個々の間隙をヒートパイプとして機能させるのでパイプ長（熱輸送距離）に制限されない。
（３）実用可能な高い熱伝導率を示す。
（４）熱伝導率を調節可能である。
（５）安価な材質である土を使用するのでコストが安い。
（６）ランニングコストゼロである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
新規なヒートパイプ及び該パイプを含む熱輸送装置を提供することができる。
【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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