(57)【要約】【課題】ヒートパイプの構造強度を低下させることなく被加熱部の過熱を防止する。【解決手段】内燃機関の排気通路３とエアダクト等の被加熱部５とをヒートパイプ１で接続し、ヒートパイプ１の受熱部１ｃで排気の熱により蒸発させたヒートパイプ作動流体（水）をヒートパイプ１の放熱部１ｄで凝縮させ、排気の熱により被加熱部を加熱する。ヒートパイプ１のケーシング１ａ周囲を覆う外筒１０を設け、断熱材１３、１５を介して排気通路３と被加熱部５と連結するとともに断熱材１１を介してヒートパイプ本体を支持する。これにより、外筒により構造強度を維持するこどができヒートパイプ自体には負荷がかからないためケーシングの肉厚を低減することができる。また、断熱材により外筒を通る加熱部から被加熱部への熱伝導が抑制されるため高温時の被加熱部の過熱が抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱部と放熱部とを備え、高温の加熱部から前記受熱部に入熱する熱を前記放熱部から低温の被加熱部に放熱するヒートパイプであって、
前記ヒートパイプ管壁とは別体に形成され前記加熱部と被加熱部とを接続する補強部材と、前記加熱部から前記放熱部に前記補強部材の熱伝導により熱が伝達されることを防止する断熱部材とを備えたことを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記補強部材は、前記ヒートパイプ管壁外周を覆う外筒として形成され、前記加熱部及び被加熱部と断熱材を介して接続されている、請求項１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】
高温部から低温部に大きな熱伝達率で熱を移動させることができるヒートパイプが知られている。
ヒートパイプは、内部に作動流体を封入しており、高温部（加熱部）に配置した受熱部で内部の作動流体を蒸発させ、蒸発した作動流体蒸気を低温部（被加熱部）に配置した放熱部で凝縮させることにより加熱部から被加熱部への熱伝達を行う。放熱部で凝縮した作動流体は再度受熱部に導かれ、上記した蒸発と凝縮とのサイクルを繰返すようにされる。
【０００３】
ヒートパイプでは、作動流体の蒸発と凝縮とにより熱伝達が行われるため、単なる物質内の熱伝導による熱伝達率よりはるかに大きい熱伝達率を達成することができる。
この種のヒートパイプの例としては、例えば特許文献１に記載のものがある。
特許文献１はヒートパイプを用いて自動車エンジン排気ガスの熱を回収し、車室暖房を行う構成を開示している。
【０００４】
また、特許文献２は、ヒートパイプ外側にフィンを有する外筒を嵌装し二重管構造のフィン付きヒートパイプを構成する方法を開示している。すなわち、特許文献２の方法では、ヒートパイプ全体を加熱することにより内部に封入した作動流体を蒸発させ、内圧によりヒートパイプ管壁を塑性変形させてフィン付きの外筒内面に密着させ、簡易にフィン付きヒートパイプを得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特公平１−２６８８７号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３６０３号公報
【特許文献３】実公平６−１２３６６号公報
【特許文献４】特許第２６７４２９１号公報
【特許文献５】特開平１０−３３９５９２号公報
【特許文献６】特公平７−３１０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の装置では、排気通路と車室空調用エアダクトとをヒートパイプで接続することにより、排気ガスの熱で空調用エアを効果的に加熱している。
ところが、特許文献１のヒートパイプのように熱源としてエンジン排気ガスを使用すると問題が生じる場合がある。
【０００７】
すなわち、ヒートパイプの作動流体としては通常、価格や環境問題等から有利な水が使用される。ところが、エンジン排気ガスは低負荷運転時と高負荷運転時との温度差が極めて大きく、高負荷運転時には１２００度Ｋ以上の温度になる場合がある。このため、ヒートパイプの作動流体として水を使用していると高温時にヒートパイプ内圧（蒸気圧）が極めて高くなり、ヒートパイプが破損する可能性がある。
【０００８】
これを防止するためには、ヒートパイプ管壁の肉厚を厚くしてヒートパイプの強度を増大させる必要があるが、ヒートパイプには高温時の耐水素脆性を考慮して比較的高価なニッケル合金が多く使われるため、ヒートパイプ管壁の肉厚を増大するとヒートパイプの製作コストが上昇してしまう問題がある。
【０００９】
また、ヒートパイプには、本来自動的な過熱抑制作用が備わっている。
すなわち、例えば排気ガス温度が極めて高くなるとヒートパイプの放熱部からの熱放散もそれに応じて増大する。このため、ヒートパイプにより加熱される部分（被加熱部）で過熱が生じるおそれがあるが、実際にはヒートパイプの作動流体として水を使用した場合には、排気ガス温度が高くなるとヒートパイプ内の水の全量が蒸発し、液体の状態の水が存在し得なくなるため、放熱部での水の凝縮も受熱部での水の蒸発も生じなくなる。
【００１０】
このため、排気ガス温度が高くなると蒸発／凝縮サイクルによるヒートパイプとしての熱伝達機能か失われてヒートパイプ全体としての熱伝達率が低下するため、放熱部からの放散される熱量が低下するようになり、自動的に過熱が抑制されるようになるのである。
【００１１】
ところが、ヒートパイプ管壁の肉厚が大きいと、管壁の熱伝導により高温部から低温部に流れる熱量も大きくなる。このため、管壁の肉厚を増大した場合には、ヒートパイプ内の水の全量が気化した場合でも比較的多量の熱が管壁を通じて高温部から低温部に移動してしまい、被加熱部の過熱抑制が不十分になる問題が生じてしまうのである。
【００１２】
また、上記の問題を防止するためには、ヒートパイプ内部に封入する水などの作動流体の量を調節して、作動流体が全て気化した状態で排気ガス温度が高温になった場合にもヒートパイプ内圧が比較的小さくなるようにすることにより、ヒートパイプ管壁の肉厚を小さくすることも可能である。
【００１３】
しかし、実際にはヒートパイプ管壁は、高温部（加熱部）と低温部（被加熱部）とを連結する構造部材としての役割を果す必要がある場合が多く、管壁の肉厚はヒートパイプ内圧だけではなく、必要とされる構造上の強度により定ってしまう場合も多い。このため、実際には構造強度上の問題からヒートパイプ肉厚を薄くすることが困難な場合が生じ、過熱抑制作用を充分に得ることができない場合も生じる。
【００１４】
本発明は上記問題に鑑み、ヒートパイプの強度を損うことなく被加熱部における過熱が生じることを防止可能なヒートパイプを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、受熱部と放熱部とを備え、高温の加熱部から前記受熱部に入熱する熱を前記放熱部から低温の被加熱部に放熱するヒートパイプであって、前記ヒートパイプ管壁とは別体に形成され前記加熱部と被加熱部とを接続する補強部材と、前記加熱部から前記放熱部に前記補強部材の熱伝導により熱が伝達されることを防止する断熱部材とを備えたことを特徴とするヒートパイプが提供される。
【００１６】
すなわち、請求項１の発明ではヒートパイプ管壁と別体の補強部材が設けられている。このように補強部材を設けたことにより、加熱部と放熱部とを接続する構造部材としてのヒートパイプの負担が軽減されるため、ヒートパイプ管壁厚さを削減することが可能となる。
また、補強部材は補強部材を通る熱伝導により加熱部から放熱部に熱が伝達されることを防止する断熱部材を備えているため、高温時にも補強部材を通って伝達する熱のために被加熱部の過熱が生じることが防止される。
【００１７】
なお、本発明の断熱部材は加熱部及び被加熱部と補強部材との間に配置され、加熱部から被加熱部への直接補強部材を通る熱伝達を防止するものの他、補強部材からヒートパイプ管壁を経由する熱伝達、例えばヒートパイプ受熱部、ヒートパイプ管壁、補強部材、ヒートパイプ管壁、放熱部の順路の熱伝達をも防止するものをも含むことが好ましい。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、前記補強部材は、前記ヒートパイプ管壁外周を覆う外筒として形成され、前記加熱部及び被加熱部と断熱材を介して接続されている、請求項１に記載のヒートパイプが提供される。
【００１９】
すなわち、請求項２の発明では、補強部材はヒートパイプ管壁外周を覆う外筒の形をしている。このため、例えば断熱部材を介してヒートパイプ外周を覆うことにより補強部材によりヒートパイプを内圧に対して補強することが可能となり、更にヒートパイプ管壁の肉厚を薄くすることができるため、ヒートパイプ強度を低下させることなくヒートパイプ管壁を通って受熱部から放熱部に伝達される熱の流れを大幅に低減することが可能となる。
【００２０】
なお、この場合には外筒を密閉構造とし、断熱部材として外筒とヒートパイプ管壁との間に加圧気体（不活性気体など）を封入するようにすれば、断熱と同時に温度に応じた外圧をヒートパイプに加えることができるため、より効果的にヒートパイプ内圧に対する補強を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
各請求項に記載の発明によれば、ヒートパイプの強度を低下させることなく被加熱部における過熱が生じることを防止可能とする共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した例を示す図である。
図１において、１はヒートパイプ全体を示す。ヒートパイプ１はニッケル系耐蝕合金製の両端が密閉されたチューブ状ケーシング１ａから成り、ケーシング１ａ内の空間１ｂには、本実施形態ではヒートパイプ作動流体として水が封入されている。
【００２３】
本実施形態では、ヒートパイプ１は、一端１ｃを自動車用内燃機関（図示せず）の排気通路３内の高温の排気３ａに接する位置に配置されている。
【００２４】
また、ヒートパイプの他端１ｄは低温の被加熱媒体５ａと接する位置に配置されている。
【００２５】
本実施形態では、被加熱媒体５ａとして、例えば車室暖房用のエアダクト５内を通る空調用空気などが用いられるが、必要に応じて燃料油、潤滑油その他の媒体を被加熱媒体５ａとして用いることもできる。
【００２６】
図１の例では、ヒートパイプ１の端部１ｃは、機関排気から熱を受ける受熱部として、もう一方の端部１ｄは被加熱媒体５ａに熱を与える放熱部として、それぞれ機能する。
また、排気管３はヒートパイプ１の受熱部１ｃを加熱する加熱部、被加熱媒体５ａが流れるダクト５等は放熱部により加熱される被加熱部として機能している。
【００２７】
上記したように、ヒートパイプ１のキャビティ１ｂ内には作動流体（本実施形態では水）が封入されている。
この水は受熱部１ｃで高温の排気により加熱され蒸発する。これにより生成した蒸気は次に低温の放熱部１ｄで被加熱媒体に熱を与えて凝縮し、液状の水になる。この水はヒートパイプ１の管壁１ａを伝って重力により受熱部１ｃに戻り、再度そこで沸騰し、沸騰、凝縮のサイクルを繰返す。又は、重力の代わりに、多孔質のウィック（芯）を用いて凝縮した水を受熱部１ｃに戻すようにしても良い。
【００２８】
ここで、ヒートパイプにおける水とケーシング１ａとの熱伝達は、受熱部１ｃでは沸騰熱伝達となり、放熱部１ｄでは凝縮熱伝達となる。このため、受熱部１ｃ及び放熱部１ｄにおける水及び蒸気とケーシング１ａとの間の熱伝達率は、通常の水、或は蒸気と金属との接触熱伝達における熱伝達率に較べて非常に大きくなり、ヒートパイプ１により加熱部３から被加熱部５に多量の熱を伝達することができる。
【００２９】
ところが、本実施形態のように自動車用内燃機関の排気を用いてヒートパイプの受熱部１ｃを加熱していると問題が生じる場合がある。
【００３０】
前述したように、自動車用内燃機関は走行状態に応じて負荷が大きく変化するため、機関排気温度も極めて広い範囲で（例えば４００度Ｋ程度の比較的低い温度から１１００度Ｋ程度の高温まで）変化する。
【００３１】
このため、排気温度が高くなるとヒートパイプ１内に液体の状態の水が存在できなくなり、ヒートパイプ内の水が全て蒸気の状態でヒートパイプ内に充満する状態になる場合がある。この場合には、放熱部１ｄでの蒸気の凝縮は生じないため、ヒートパイプ温度（排気温度）の上昇とともにヒートパイプ内圧も上昇するようになる。
【００３２】
このため、ヒートパイプ内に封入した水の量によっては高温時のヒートパイプ内圧が大きくなり、ヒートパイプの破損を防止するためにケーシング１ａの肉厚を増大してケーシング１ａの耐圧強度を増大させる必要が生じる。
【００３３】
ところが、通常、ヒートパイプのケーシング１aは高熱における水素脆性による強度低下を防止するためにニッケル系の合金を用いているため、ケーシング１aの肉厚を増大するとヒートパイプ製作コストが増大する問題がある。
【００３４】
また、ヒートパイプケーシング１aの肉厚を増大すると、上記のコスト増大以外にも問題が生じる。
例えば、上述したように排気温度が高くなるとヒートパイプ１内の水の全量が蒸発してしまい、ヒートパイプ内に液体の水が存在しなくなる場合がある。本来、この状態では受熱部における水の蒸発も放熱部における水の凝縮も生じないため、水とケーシングとの間の熱伝達は通常の気体と金属との間の接触熱伝達となり、沸騰／凝縮が生じる場合に較べて熱伝達率が大幅に低下する。
【００３５】
このため、水を用いたヒートパイプでは、受熱部がヒートパイプ内で水の全量が蒸発するような高温になると、ヒートパイプ全体としての熱伝達率が大きく低下し、その結果放熱部の温度が低く維持されるようになる。すなわち、被加熱媒体５ａの過度の温度上昇が自然に抑制されるようになる。
【００３６】
ところが、上記のようにヒートパイプのケーシング１ａの肉厚が大きくなると、それに応じてケーシング１ａ管壁の金属を介して加熱部から被加熱部に熱伝導により伝達される熱量が増大してしまい、放熱部の温度上昇抑制効果が小さくなる。その結果、ヒートパイプケーシング１ａの肉厚を増大したことにより、被加熱部の過熱が生じやすくなる問題が起きるのである。
【００３７】
また、高温時のヒートパイプ内圧上昇を抑制するのみであれば、例えばヒートパイプに封入する水の量を低減することによっても内圧をある程度低く抑えることも可能であり、理論的にはヒートパイプのケーシング１ａ肉厚を低減することもできる。
【００３８】
しかし、実際にはヒートパイプケーシング１ａは、例えば加熱部３と被加熱部５とを連結する構造部材として機能することが要求される場合が多く、ケーシング１ａ肉厚は内圧のみでなく構造強度上ある程度大きくすることが要求されるため、ヒートパイプ内圧上昇を抑制し得たとしても直ちにケーシング１ａの肉厚を低減することはできない。
【００３９】
このため、自動車用内燃機関の排気などのように高温になる場合がある加熱媒体を使用するヒートパイプでは、被加熱部の過熱を完全には防止できない問題がある。
本実施形態では、以下に説明する方法で、ヒートパイプの構造強度を低下させることなくケーシング１ａの肉厚を小さく設定し、高温時にも被加熱部の過熱が生じることを抑制可能としている。
【００４０】
すなわち、本実施形態では、図１に示すようにヒートパイプ１のケーシング１ａ外側に補強部材としての外筒１０を設けた構成を採用している。
本実施形態では、外筒１０は構造用炭素鋼、ステンレススチール等のような、ヒートパイプケーシングに使用されるニッケル系合金に較べて安価な材料を用いて製作されている。
【００４１】
また、本実施形態では外筒１０はヒートパイプ１のケーシング１ａの外周全体を覆い、ケーシング１ａとは断熱材１１を介して、また、 排気管などの加熱部３とは断熱材１３を、空調エアダクトなどの被加熱部５とは断熱材１５を介して、それぞれ連結されており、加熱部３、被加熱部５、ヒートパイプ１を支持する構造材として機能している。
【００４２】
本実施形態では、補強部材としての外筒１０を設けて必要とされる構造強度を外筒１０により維持するようにしたことにより、ヒートパイプ１のケーシング１ａは高温時の内圧に耐えることができるだけの強度を有すれば良い。
【００４３】
作動流体が全て蒸発した状態での高温時のヒートパイプ内圧は、ヒートパイプ１内に封入する作動流体の量を変えることにより調節できる。従って、本実施形態ではヒートパイプとしての性能を維持できる最低限の量の作動流体をヒートパイプに封入するようにすれば、高温時のヒートパイプ内圧上昇をを低く抑えてヒートパイプケーシング１ａの肉厚を低減することができる。
【００４４】
本実施形態の断熱材１１、１３、１５としては、例えばセラミックファイバー、グラスファイバーなどが使用されるが、それ以外でも耐熱性のある断熱材であれば使用可能である。
本実施形態では断熱材１３、１５を設けたため、補強部材としての外筒１０を通る熱伝導により加熱部３から被加熱部５に直接熱が伝達されることが防止される。また、ヒートパイプのケーシング１ａを断熱材１１を介して外筒１０により支持するようにしたことにより、ヒートパイプケーシング１ａの高温部から外筒１０の管壁を経由してヒートパイプケーシング１ａの低温部に熱が伝達されることが防止される。このため、高温時に加熱部から被加熱部に直接熱伝導により伝達される熱はヒートパイプケーシング管壁を通るもののみになり、上記のようにケーシング１ａの肉厚を低減したことにより、高温時に被加熱部の過熱が抑制されるようになる。
【００４５】
これにより、本実施形態では高温状態で使用するヒートパイプにも比較的蒸気圧の高い水などの安価な作動流体を使用することが可能となり、高温用ヒートパイプの製作コストを低減することが可能となる。
【００４６】
なお、上記ヒートパイプ高温時にケーシング１ａを通って加熱部から被加熱部に伝達される熱量Ｑは以下の式で近似的に表すことができる。
【００４７】
Ｑ≒（Ｔ1−Ｔ2）×λ×（π×ｄ×ｔ）／Ｌ
ここで、
Ｔ1：加熱部温度
Ｔ2：被加熱部温度
λ：ヒートパイプケーシングの熱伝導率
Ｌ：ヒートパイプケーシングの長さ
ｄ：ヒートパイプケーシングの直径
ｔ：ヒートパイプケーシング肉厚
である。
【００４８】
このため、Ｔ1として高温時の加熱部の到達最高温度を、Ｔ2として被加熱部の許容最高温度を、Ｑとして被加熱部の許容最高温度時の被加熱部における消費熱量をとることにより、上記の式の変形である以下の式を用いて、高温時にも被加熱部における過熱を防止可能なヒートパイプケーシング１ａの最大肉厚ｔｍａｘを定めることができる。
ｔｍａｘ＝Ｑ×Ｌ／（（Ｔ1−Ｔ2）×λ×π×ｄ）
【００４９】
すなわち、ヒートパイプケーシング肉厚を上記の式により算出された肉厚ｔｍａｘとすることにより、高温時にも被加熱部温度がＴ2を越えて上昇することが防止され、被加熱部の過熱を確実に防止することが可能となる。
【００５０】
なお、ここでｔｍａｘは、高温時にヒートパイプ内圧に耐えることができるだけの最小厚さｔｍｉｎ以上であることが必要となるが、補強部材としての外筒１０に構造強度のみでなく内圧に対する補強の機能をも持たせるようにすれば、上記肉厚ｔｍａｘを耐圧上の最小厚さｔｍｉｎより小さく設定することも可能である。
【００５１】
すなわち、図１の例ではヒートパイプケーシング１ａと外筒１０との間に配置された断熱材１１は外筒の両端付近にのみ配置されているが、断熱材１１をヒートパイプケーシング１ａと外筒１０との間の空隙全体に充填するようにすれば、ヒートパイプケーシング１ａが内圧により膨張することが抑制され、ケーシング１ａのの耐圧強度を低下させることなくケーシング１ａの肉厚を低減することが可能となる。
【００５２】
また、例えば図１のように断熱材１１をヒートパイプケーシング１ａの長手方向に部分的に配置した場合でも、外筒１０の両端部に気密シールを設け、外筒１０とヒートパイプケーシング１ａとの間の空隙のシールに挟まれた部分に窒素などの不活性ガスを封入することにより、ヒートパイプケーシング１ａの耐圧強度を低下させることなくケーシング１ａの肉厚を低減することができる。
【００５３】
すなわち、外筒１０とヒートパイプケーシング１ａとの間に封入された不活性ガスの圧力は、ヒートパイプ１の温度が上昇するにつれて増大する。このため、温度上昇により生じるヒートパイプ内圧の上昇によるケーシング１ａの引張応力増大を、ヒートパイプケーシング１ａと外筒１０との間に封入された不活性ガスの圧力上昇により打消すことができる。このため、ヒートパイプケーシング１ａの管壁のうち、上記不活性ガス圧力が作用する部分については耐圧強度を低下することなく肉厚を低減することが可能となるのである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    ヒートパイプ本体
１ａ    ヒートパイプケーシング
１ｃ    受熱部
１ｄ    放熱部
３    加熱部（排気通路）
５    被加熱部
１０    補強部材（外筒）
１１、１３、１５    断熱材
【図１】
2008020173.tif 000003