(57)【要約】【課題】長尺にすることができ、作動流体に対する制限が少ない熱輸送装置を提供する。【解決手段】可撓性部材２２を有する低温部側のリザーバー２０と、可撓性部材３２を有する高温部側のリザーバー３０と、リザーバー２０とリザーバー３０とに連通する複数のパイプ４０と、可撓性部材２２または可撓性部材３２に結合され、固定子１０５と可動子１０７を有する加振装置１０とを備える。固定子１０５は、９０度ずつ磁極が変化するように配列された永久磁石列１１１と、永久磁石列１１１に対向して配置され、９０度ずつ磁極が変化するように配列された永久磁石列１１５とを有し、可動子１０７は、永久磁石列１１１と永久磁石列１１５との間に配置されたコイル１３１を有する【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の可撓性部材を有する低温部側の作動流体を充填するリザーバーと、
第２の可撓性部材を有する高温部側の作動流体を充填するリザーバーと、
一端が前記低温部側のリザーバーに連通し、他端が前記高温部側のリザーバーに連通する複数のパイプと、
前記第１の可撓性部材または前記第２の可撓性部材に結合され、第１の方向に互いに相対的に移動する第１の部材および第２の部材を有する加振装置と、を備える熱輸送装置であって、
前記第１の部材は、互いに対向して配置された第１の永久磁石列と第２の永久磁石列とを有し、前記第１の永久磁石列は、前記第１の方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化し、前記第２の永久磁石列側の磁場が強めあい前記第２の永久磁石列側と反対側の磁場が弱めあうように前記第１の方向に配列された複数の第１の永久磁石を有し、前記第２の永久磁石列は、前記第１の方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化し、前記第１の永久磁石列側の磁場が強めあい前記第１の永久磁石列側と反対側の磁場が弱めあうように前記第１の方向に配列された複数の第２の永久磁石を有し、
前記第２の部材は、前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列との間に配置されたコイルを有する熱輸送装置。
【請求項２】
前記複数の第１の永久磁石の磁極の方向が前記第１の方向に９０度ずつ回転するように前記複数の第１の永久磁石が前記第１の方向に配列され、
前記複数の第２の永久磁石の磁極の方向が前記第１の方向に９０度ずつ回転するように前記複数の第２の永久磁石が前記第１の方向に配列され、
前記複数の第１の永久磁石の磁極の方向と前記複数の第２の永久磁石の磁極の方向が、前記第１の方向と垂直な方向については同じ方向であり、前記第１の方向の磁極の方向については反対方向である請求項１記載の熱輸送装置。
【請求項３】
前記熱輸送装置がドリームパイプ型の熱輸送装置である請求項１または２記載の熱輸送装置。
【請求項４】
前記第１の部材が固定子であり、前記第２の部材が可動子である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱輸送装置。
【請求項５】
前記複数のパイプが第１の方向に延在している請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱輸送装置。
【請求項６】
前記低温部側のリザーバー全体が前記第１の可撓性部材で構成され、前記高温部側のリザーバー全体が前記第２の可撓性部材で構成されている請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱輸送装置。
【請求項７】
前記第１の永久磁石および第２の永久磁石がリング状であり、前記第１の方向が前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の中心軸方向である請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱輸送装置。
【請求項８】
前記作動流体をさらに備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の熱輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱輸送装置に関し、特に、ドリームパイプを用いた熱輸送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱を輸送する熱輸送装置、例えば、高温部から低温部に熱を輸送する（移動させる）装置には、ヒートパイプがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６４９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートパイプは、作動液の蒸発・凝縮のサイクルを利用して高温部の熱を低温部に移動させる。高温部で加熱されて作動液は液体から気体に相変化して蒸発潜熱を吸収し、気体の状態で低温部に移動して、凝縮し、気体から液体に相変化して潜熱を放出する。ヒートパイプは、高温部と低温部を繋ぐパイプ内に、毛細管現象が働くような毛細管構造を備えており、全容積の５％程度の作動液を使用する。ヒートパイプは、パイプ内の毛細管構造のために、長尺にするのが困難である。また、毛細管構造の清浄度管理のために、作動液が限定されるという問題がある。
【０００５】
本発明の主な目的は、長尺にすることができ、作動流体に対する制限が少ない熱輸送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、
第１の可撓性部材を有する低温部側の作動流体を充填するリザーバーと、
第２の可撓性部材を有する高温部側の作動流体を充填するリザーバーと、
一端が前記低温部側のリザーバーに連通し、他端が前記高温部側のリザーバーに連通する複数のパイプと、
前記第１の可撓性部材または前記第２の可撓性部材に結合され、第１の方向に互いに相対的に移動する第１の部材および第２の部材を有する加振装置と、を備える熱輸送装置であって、
前記第１の部材は、互いに対向して配置された第１の永久磁石列と第２の永久磁石列とを有し、前記第１の永久磁石列は、前記第１の方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化し、前記第２の永久磁石列側の磁場が強めあい前記第２の永久磁石列側と反対側の磁場が弱めあうように前記第１の方向に配列された複数の第１の永久磁石を有し、前記第２の永久磁石列は、前記第１の方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化し、前記第１の永久磁石列側の磁場が強めあい前記第１の永久磁石列側と反対側の磁場が弱めあうように前記第１の方向に配列された複数の第２の永久磁石を有し、
前記第２の部材は、前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列との間に配置されたコイルを有する熱輸送装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、長尺にすることができ、作動流体に対する制限が少ない熱輸送装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施の形態の熱輸送装置を説明するための概略図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施の形態の熱輸送装置に好適に使用される加振装置を説明するための概略斜視図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は、図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図５は、図２のＣ−Ｃ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【００１０】
本発明者達は、ヒートパイプに代わる熱輸送装置として、ドリームパイプ（特許文献１参照）を検討した。ドリームパイプは、高温部と、低温部と、高温部と低温部とを接続する複数のパイプと、高温部と低温部と複数のパイプ内に充填された作動流体と、作動流体に振動を加える加振装置とを備えている。加振装置により、作動流体に振動を加えると、振動によって、熱が高温部から低温部に移動する。
【００１１】
ドリームパイプでは、高温部から低温部への熱の移動のしやすさが振動によって増進される。このように振動によって増進された作動流体の実効的な熱伝導率をκｅとし、作動流体の熱伝送率をκとすると、熱伝達増加割合Ｒ（＝κｅ／κ）は、
Ｒ∝（Δｚ／ａ）２            （１）
となる（Masao Furukawa, Journal of Heat Transfer, August 2011, Vol. 133, 101701-1〜101701-9参照）。なお、ここで、Δｚは、振動のストローク長（振動を加えると作動流体が移動する距離）であり、ａは、パイプの内半径である。
【００１２】
このように、ドリームパイプでは、熱伝導率が、振動のストローク長の２乗に比例し、パイプの内半径の２乗に反比例する。従って、実効的な熱伝導率を高めるためには、パイプの内半径は小さい方がよく、振動のストローク長が大きいほうがいいことがわかる。そこで、本発明者達は、ドリームパイプの加振装置として、永久磁石がハルバッハ配列をしたリニア電動機を使用することを案出した。
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態をより詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の好ましい実施の形態の熱輸送装置１を説明するための概略図である。熱輸送装置１は、低温部側のリザーバー２０と、高温部側のリザーバー３０と、低温部側のリザーバー２０と高温部側のリザーバー３０とに連通する複数のパイプ４０と、加振装置１０とを備えている。リザーバー２０と、リザーバー３０と、リザーバー２０とリザーバー３０とに連通する複数のパイプ４０内には、水が充填されている。水は作動流体の一例である。リザーバー２０は、パイプ４０が連通する側面とは反対側の側面に可撓性部材２２を備えており、加振装置１０は可撓性部材２２に結合している。リザーバー３０は、パイプ４０が連通する側面とは反対側の側面に可撓性部材３２を備えている。加振装置１０で可撓性部材２２を振動させる。それに応じて作動流体が振動し、作動流体を介して可撓性部材３２も振動する。可撓性部材２２、３２としては、ベローズ等が好適に使用される。また、弾性のある板、例えば、ダイヤフラムを使用してもよい。また、リザーバー２０全体やリザーバー３０全体を可撓性部材で構成してもよい。リザーバー２０全体やリザーバー３０全体を、例えば、樹脂の袋で構成してもよい。なお、複数のパイプ４０は、後述するリング状の永久磁石１１２、１１６の中心軸方向に延在している。本実施の形態では、加振装置１０は低温部側に設けているが、高温部側に設けてもいい。リザーバー２０には、インレット側のパイプ２４と、アウトレット側のパイプ２６が連通して取り付けられている。パイプ２４の途中にはバルブ２５が設けられ、パイプ２６の途中にはバルブ２７が設けられている。
【００１５】
次に、加振装置１０について説明する。図２は、本発明の好ましい実施の形態の熱輸送装置１に好適に使用される加振装置１０を説明するための概略斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、図４は、図２のＢ−Ｂ線断面図であり、図５は、図２のＣ−Ｃ線断面図である。
【００１６】
加振装置１０は、ハルバッハ配列した永久磁石を備えるリニア電動機として構成されている。加振装置１０は、円筒状の固定子１０５と、固定子１０５の軸方向に可動し、切欠き部を有する円筒状の可動子１０７と、可動子１０７に外部の電源１０８からの電力を供給する駆動装置１０９とを備えている。
【００１７】
固定子１０５は、リング状の永久磁石１１２の磁極がその中心軸を含む断面において９０度ずつ回転するように永久磁石１１２を隣接させて構成される第１の永久磁石列としての外側永久磁石列１１１と、リング状の永久磁石１１６の磁極がその中心軸を含む断面において９０度ずつ回転するように永久磁石１１６を隣接させて構成される第２の永久磁石列としての内側永久磁石列１１５と、内側内面に第１の永久磁石列１１１が固定される第１の円環状固定部材としての外側パイプ１１３と、外側面に内側永久磁石列１１５が固定される第２の円環状固定部材としての内側パイプ１１７と、可動子１０７と干渉しないように切欠きが設けられ外側パイプ１１３と内側パイプ１１７を固定する固定板１２３とを備えている。
【００１８】
さらに、固定子１０５では、外側パイプ１１３の外側上部および外側下部に、ガイド棒１２１がガイド棒支持部材２１１、２１３を介して取り付けられている。ガイド棒１２１の表面にはガイド棒支持部材２１１側の端部から当該ガイド棒支持部材２１１までの範囲で上下に２分割された電極２０３、２０５、２０７、２０９が固着されており、各電極からの引出し線１４１は束ねられてガイド棒支持部材２１１に設けられた導出路１４３を経由して駆動装置１０９に導入されている。
【００１９】
可動子１０７は、三相コイル１３１が巻装された巻装環１３３と、巻装環１３３の両端に固定され切欠き部を有する出力環１３７と、出力環１３７の切欠き部を固定する切欠き固定板１３９と、出力環１３７の端部に取付けられ巻装環１３３をガイド棒１２１に沿って案内するリニアブッシュ１３５とを備えている。リニアブッシュ１３５はガイド棒１２１の表面に設けられた電極２０３、２０５、２０７、２０９のそれぞれに接触する摺動電極２０１を具備しており、片端が三相コイル１３１に接続された引出し線１４１が出力環１３７およびリニアブッシュ１３５に設けられた導出路１４３を介して摺動電極２０１に接続されている。これにより、三相コイル１３１は固定子１０５側の各電極２０３、２０５、２０７、２０９を介して駆動装置１０９と電気的に接続される。ここで、各電極２０３、２０５、２０７、２０９のそれぞれには、駆動装置１０９の発生する三相交流電圧に応じた三相交流電流のＵ相，Ｖ相，Ｗ相および中性点電流が流れ、三相コイル１３１が励磁されて所定の推力で可動子１０７が軸方向に移動する。
【００２０】
外側永久磁石配列１１１の永久磁石１１２の数と内側永久磁石配列１１５の永久磁石１１６の数は同じである、外側永久磁石配列１１１の永久磁石１１２のうち径方向に着磁した永久磁石１１２の磁極方向と、永久磁石配列１１５の永久磁石１１６のうち径方向に着磁した永久磁石１１６の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は同じである。外側永久磁石配列１１１の永久磁石１１２のうち軸方向に着磁した永久磁石１１２の磁極方向と、内側永久磁石配列１１５の永久磁石１１６のうち軸方向に着磁した永久磁石１１６の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は反対である。
【００２１】
外側永久磁石配列１１１では、永久磁石１１２の磁極を軸方向に９０度ずつ回転させながら配列しているので、配列の一方の側（本実施の形態では外側）の磁場が弱まり、その配列の他方の側（本実施の形態では内側、内側永久磁石配列１１５側）では、その分磁場が強くなって、外側永久磁石配列１１１の片側（本実施の形態では内側）に強い磁場を発生させることができる。また、内側永久磁石配列１１５では、永久磁石１１６の磁極を軸方向に９０度ずつ回転させながら配列しているので、配列の一方の側（本実施の形態では内側）の磁場が弱まり、その配列の他方の側（本実施の形態では外側、外側永久磁石配列１１１側）では、その分磁場が強くなって、内側永久磁石配列１１５の片側（本実施の形態では外側）に強い磁場を発生させることができる。
【００２２】
このように外側磁石配列１１１と内側永久磁石配列１１５とを構成しているので、外側永久磁石配列１１１と内側永久磁石配列１１５との間の空間の磁場は強くなり、その一方では、外側永久磁石配列１１１の外側と内側永久磁石配列１１５の内側には、磁場は殆ど漏れなくなる。そして、外側永久磁石列１１１と内側永久磁石列１１５との間の空隙中に半径方向の磁束が極めて多く分布するようになる。半径方向の磁束が極めて多く分布するこの空隙中に三相コイル１３１が配置されており、磁束の大部分が三相コイル１３１と直角に鎖交するので、駆動装置１０９から供給される電力を効率よく推力に変換できる。このように、三相コイル１３１が配置される領域の磁場が強くなるので、三相コイル１３１に鉄心を使用しなくても、三相コイル１３１が強く励磁され、大きい推力で可動子１０７を軸方向に移動することができる。そして、鉄心を使用しないので、コギングをなくすかまたは小さくできる。
【００２３】
上述の実施の形態では、三相コイル１３１が、半径方向の磁束が極めて多く分布する空隙中に配置されるので磁束の大部分が三相コイル１３１と直角に鎖交し、より少ない電流で大きな推力が発生する。外側永久磁石配列１１１では、永久磁石１１２の磁極を軸方向に９０度ずつ回転させながら配列して、外側永久磁石配列１１１の外側の磁場が弱まり、外側永久磁石配列１１１の内側では、その分磁場が強くなって、外側永久磁石配列１１１の内側に強い磁場を発生させ、また、内側永久磁石配列１１５では、永久磁石１１６の磁極を軸方向に９０度ずつ回転させながら配列して、内側永久磁石配列１１５の内側の磁場が弱まり、内側永久磁石配列１１５の外側では、その分磁場が強くなって、内側永久磁石配列１１５の外側に強い磁場を発生させたが、磁極を軸方向に９０度ずつ回転させなくても、例えば、４５度ずつ回転させてもよく、軸方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化するように複数の第１の永久磁石を軸方向に配列して、第１の永久磁石の配列の内側の磁場が強めあい、外側の磁場が弱めあうようにし、軸方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が第１の永久磁石の配列とは反対方向に変化するように複数の第２の永久磁石を軸方向に配列して、第１の永久磁石の配列の内側に配置し、第２の永久磁石の配列の外側の磁場が強めあい、内側の磁場が弱めあうように配置してもよい。
【００２４】
また、上述の実施の形態では、永久磁石配列１１１、１１５を固定子側とし、三相コイル１３１を可動子側としたが、永久磁石配列１１１、１１５を可動子側とし、三相コイル１３１を固定子側とすることもできる。さらに、永久磁石配列１１１、１１５および三相コイル１３１の両方を可動子側とし、これらが相対的に移動するように構成することもできる。
【００２５】
次に、本実施の形態の熱輸送装置１の動作について説明する。
外部の制御装置（図示せず）から、可動子１０７を振動させる指示が駆動装置１０９に与えられると、駆動装置１０９は三相コイル１３１に周期的な励磁電流を供給し、三相コイル１３１は周期的に励磁されて推力を発生し、可動子１０７は振動する。このようにして、加振装置１０によって可撓性部材２２を振動させると、作動流体としての水に振動が加えられ、振動によって、熱が高温部側のリザーバー３０から低温部側のリザーバー２０に移動する。
【００２６】
例えば、高温部側のリザーバー３０には、６０℃の水が入っており、低温部側のリザーバー２０には、２０℃の水が入っている場合に、低温部側のリザーバー２０の水が４０℃に加熱されると、バルブ２５、２７を開いて、４０℃の水を排出し、その後、２０℃の水を新たに低温部側のリザーバー２０に入れ、再び加熱する。
【００２７】
作動流体として、気体も使用可能であるが、液体に比べると気体の熱伝導率は低いので、熱輸送能力が落ちてしまう。作動流体としては、液体が好ましく使用され、例えば、水が好適に使用される。
【００２８】
なお、パイプ４０には、毛細管構造等の内部構造を設ける必要がなく、内壁面は、平坦な状態でよく、加工する必要はない。従って本実施の形態の熱輸送装置１は安価に製造できる。また、パイプ４０を長尺にすることができ、それに応じて熱輸送装置１も長尺にすることができる。また、毛細管構造等の内部構造を設ける必要がないので、作動流体に対する制限が少なく、汚い水や放射能に汚染されている水等も使用可能である。また、重力の方が毛細管力よりもはるかに大きいので、ヒートパイプは立てたら動作しないが、本実施の形態の熱輸送装置１はパイプ４０が垂直方向に設けられていても動作する。例えば、地下１０ｍ程度の地温は、一年を通じて１５℃程度と一定であるので、本実施の形態の熱輸送装置１を使用して、地温を夏場に家に取り入れるならば、冷房に使用することができ、また冬場には暖房に使用することができる。
【００２９】
上述したように、ドリームパイプでは、熱伝導率が、振動のストローク長（Δｚ）の２乗に比例し、パイプの内半径（ａ）の２乗に反比例する。従って、実効的な熱伝導率を高めるためには、パイプの内半径は小さい方がよく、振動のストローク長が大きいほうがいい。
【００３０】
従って、パイプ４０は細管であることが好ましく、例えば、パイプ４０の内半径ａは、１〜１．５ｍｍとする。そして、このようなパイプ４０を例えば、２０〜３０本使用する。また、上述の論文（Masao Furukawa, Journal of Heat Transfer, August 2011, Vol. 133, 101701-1〜101701-9）では、圧電素子を使用しているが、本実施の形態の熱輸送装置１の加振装置１０では、圧電素子に比べてはるかに大きいストローク長が得られ、例えば、１０ｃｍ程度とすることができる。そうすると、上述の式（１）により、熱伝達増加割合Ｒ（＝κｅ／κ）は、１０の４乗程度となり、非常に大きな実効的熱伝導率が得られる。
【００３１】
また、本発明者達の研究によれば、振動の周波数は低い方がよく、周波数が高くなると、熱伝達増加割合Ｒが急に小さくなってしまうことが判明した。上述の論文（Masao Furukawa, Journal of Heat Transfer, August 2011, Vol. 133, 101701-1〜101701-9）を参照のこと。従って、加振装置１０は、なめらかな正弦波で駆動することが好ましい。高調波が含まれていると、基本の正弦波以外はロスになってしまい、効率が落ちてしまう。高調波が含まれていると、パイプ４０が細いので、基本波以外の余分の共振を起こす可能性がある。また、パイプ４０は細いので、周波数が高くなると、キャビテーション（気泡）が発生するという問題が起こる可能性もある。本実施の形態の加振装置１０はコアレスなので、コギングがなくあるいは少なく、トルクの脈動がないかあるいは少ない。従って、なめらかな正弦波で駆動することが可能であり、効率がよく、また、気泡の発生もなくすまたは抑制することができる。
【００３２】
さらに、外側永久磁石配列１１１では、永久磁石１１２の磁極を軸方向に９０度ずつ回転させながら配列して、外側永久磁石配列１１１の外側の磁場が弱まり、外側永久磁石配列１１１の内側では強い磁場が発生し、また、内側永久磁石配列１１５では、永久磁石１１６の磁極を軸方向に９０度ずつ回転させながら配列して、内側永久磁石配列１１５の内側の磁場が弱まり、内側永久磁石配列１１５の外側では、その分磁場が強くなって、内側永久磁石配列１１５の外側に強い磁場を発生させ、外側永久磁石列１１１と内側永久磁石列１１５との間の空隙中に半径方向の磁束が極めて多く分布している。そして、半径方向の磁束が極めて多く分布するこの空隙中に三相コイル１３１が配置されているので、磁束の大部分が三相コイル１３１と直角に鎖交し、駆動装置１０９から供給される電力を効率よく推力に変換できる。その結果、小型で力が強い加振装置１０を構成することができる。
【００３３】
以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００３４】
１    熱輸送装置
１０  加振装置
２０  リザーバー
２２、３２  可撓性部材
３０  リザーバー
４０  パイプ
１０５  固定子
１０７  可動子
１０８  電源
１０９  駆動装置
１１１  外側永久磁石列
１１２、１１６  永久磁石
１１５  内側永久磁石列
１３１  三相コイル
【図１】
2013167377.tif 000003
【図２】
2013167377.tif 000004
【図３】
2013167377.tif 000005
【図４】
2013167377.tif 000006
【図５】
2013167377.tif 000007