フジタ技術研究報告㻌第㻡㻣号㻌 㻌 㻞㻜㻞㻝年㻌
㻌㻌

ヒートパイプとアルミニウム材料を用いたクーリング工法の開発㻌㻌㻌髙 橋 㻌 直 希㻌㻌㻝㻕㻌
小 島 㻌 秋㻌*1平 野 㻌 勝 識㻌㻌㻌 手 㻌 一 雄㻌㻌
井㻌

㻌㻌㻌

㻌
㻌
概㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 要㻌㻌
マスコンクリートの温度ひび割れの対策の１つとして、アルミニウムで構成したヒートパイプを用いたクーリング工法を開発した。アルミ製ヒートパイプの効果を確認するため、アルミ製ヒートパイプ単体の性能試験と、マスコンクリートを模擬した試験体においてクーリングを実施した。また、本工法適用時において、事前にコンクリートの温度推定が精度良く行えるよう、解析手法についても検討した。㻌
その結果、室内実験において、コンクリートの断面平均温度が約㻝㻜℃低下した。また、アルミ製ヒートパイプの単体性能試
験の結果から算出した物性値と、熱流体解析によって算出した熱伝達率を用いることで、アルミ製ヒートパイプを使用した場合のコンクリート内部の温度を精度よく推定可能であることがわかった。㻌
㻌㻌㻌
Development of cooling method using heat pipe made of aluminum materials
㻌Abstract
As one measure to prevent cracks due to thermal stress of mass concrete, we have developed a coolingmethod using a heat pipe made of aluminum materials. In order to confirm the cooling effect of the aluminumheat pipe, a performance test of the aluminum heat pipe alone and cooling were performed on a test specimen
simulating mass concrete. In addition, when applying this method, as it is necessary to accurately estimate
the temperature of concrete in advance, an analysis method was also examined.
As a result, in the laboratory experiment, the average temperature in the cross section of concrete decreased
by about 10 °C. Furthermore, by using the physical property values calculated from the results of the unit
performance test of aluminum heat pipe and the heat transfer coefficient calculated by thermo-fluid analysis,
it was also found that the temperature of concrete when using an aluminum heat pipe can be estimatedaccurately.

キーワード：㻌

マスコンクリート、ヒートパイプ、ア㻌㻌

ルミニウム、熱抵抗、クーリング㻌㻌 㻌㻌−59−㻖㻝㻌 東日本支社㻌 土木統括部㻌

フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻣号㻌§１．㻌 はじめに㻌

【単位mm】

㻌
マスコンクリートの温度ひび割れの対策の１つとして、ヒートパイプを用いたクーリング工法に関する報告が行われている㻝、㻞㻕。ヒートパイプは、熱抵抗および熱容量が小さいために、小さな温度差で多量の熱輸送が可能である㻟㻕。著者ら㻞㻕は、ヒートパイプの高い熱伝導性を生かすため、熱伝導性が高く、形状の自由度が有り軽量であるアルミニウム材料を用いて、集熱性と放熱性を向上させた新たなヒートパイプ㻔以下、アルミ製ヒートパイプ㻕を開発した。㻌
本稿では、アルミ製ヒートパイプの効果を確認するために実施した、アルミ製ヒートパイプ単体の性能試験結果と、マスコンクリートを模擬した試験体におけるアルミ製ヒートパイプのクーリング効果を示す。また、クーリング工法

図１ 放熱フィン（左上 、集熱パイプ（左下）
アルミ製ヒートパイプ構成概念図 右 を適用する場合には、事前の温度解析により、対策効果を確認しながら計画する必要があり、物性値を適切に設定する必要がある。そこで、アルミ製ヒートパイプ単体の性能試験から得られた熱伝導率と、熱流体解析によって得られた熱伝達率を用いて、一般的な非定常熱伝導解析ソ㻌フトによる解析を実施し、実験結果との比較により解析手

㻌法の妥当性を検討した。㻌

㻌㻌

㻌

㻌

㻌

§２．㻌 アルミ製ヒートパイプの概要㻌㻌㻌
ヒートパイプは小さな温度差で大きな熱量を輸送できる㻌

高性能な伝熱素子であり、コンテナと呼ばれる密閉容器お㻌

よび作動流体で構成される。このヒートパイプの一部を加熱㻌し、他の部分を冷却することで、作動流体は加熱部から冷㻌却部へ流れる蒸気の流れと冷却部から加熱部への液の還㻌流とからなる液―蒸気のサイクルを構成する㻌 㻠㻕 。このような㻌

作動流体の流れによって、熱の輸送が可能であり、熱交換㻌

器や電子装置などの冷却または均熱化に使用されている。㻌

㻌

迅速な熱移動を可能とするヒートパイプの特徴を活かす㻌

ためには、外部から熱が伝わる部分（以下、入熱部）と移動した熱を放出する部分（以下、放熱部）の性能が重要であり、入熱部および放熱部の形状や材質によっても性能が変化すると考えられる。そのため、熱伝導性の高いアルミニウム材料を使用し、入熱部にはコンクリートからヒートパイプへ効率的に熱を取り込むための集熱パイプ、放熱部には集熱パイプから外部へ効率的に熱を放出するための放熱フィンを取り付けた。ヒートパイプのパイプの径はφ㻝㻡㼙㼙、材質はアルミ材㻭㻝㻜㻡㻜とし、作動流体は㻴㻲㻯㻙㻝㻟㻠㼍とした。集熱パイプおよび放熱フィンの材質はアルミ材㻭㻢㻜㻢㻟とした。集熱パイプおよび放熱フィンの構成を、図１に示す。また集熱パイプおよび放熱フィンを、写真㻝に示す。㻌

D  集熱パイプ㻌E  放熱フィン
写真１ アルミ製ヒートパイプ㻌§３．㻌 アルミ製ヒートパイプの単体性能試験㻌
㻌
㻟．㻝㻌 実験方法㻌
ヒートパイプの重要な特性の㻝つである熱抵抗特性について、ヒートパイプに集熱パイプを取り付けたもの（以下、フィン無し㻴㻼）と、集熱パイプと放熱フィンを取り付けたもの（以下、フィン有り㻴㻼）の㻞水準で検討した。単体性能試験
は、図㻞に示すように、集熱パイプの下部から㻝㻜㻜㻜㼙㼙の位置までヒーターを巻き付け、フィン無し㻴㻼のヒートパイプ表面の温度が㻢㻜℃となるよう熱を与えることとし、ヒーターの㻌−60−－㻞－㻌ヒートパイプとアルミニウム材料を用いたクーリング工法の開発㻌

㻌

図３ 実験概念図㻌
表２ コンクリートの配合

㻌㻌
㻌

㻌

図２ 試験概念図

㻌㻌
㻌

㻌

表１ 実験結果一覧

㻌

入熱部

室内

温度差 入熱量
(℃)
(W)

(℃/W）

㻌フィン無しHP

65.5

20.7

44.80.39

㻌フィン有りHP

44.5

20.823.7

項目

㻌

温度(℃)

115

単位量（kg/m3）

W/C
(%)

s/a(%)

WCSG

58.3

46.3

170292838990

熱抵抗0.21

㻌の上から断熱材を巻き付けた。熱電対による測定は、入熱部の集熱パイプ表面に㻞箇所と、室内温度とした。ヒートパイプの熱抵抗は、蒸発部と凝縮部に生じる温度差を熱輸送量で除したもの であるが、本実験においてはヒートパイプ単体ではなく、アルミ製ヒートパイプ全体としての熱抵抗として評価するため、入熱部と実験室内の温度差を入熱量で除して算出した。
㻌
㻟．㻞㻌 実験結果㻌
試験結果を、表１に示す。放熱フィンを取り付けることに㻌

写真２ 実験状況

㻌

より、入熱部の温度が㻞㻜℃以上低下し、入熱部と放熱部のあり、φ㻝㻡㼙㼙のヒートパイプと、φ㻠㻡㼙㼙の集熱パイプを一温度差は小さくなった。熱抵抗はフィン無し㻴㻼が㻜㻚㻟㻥㻔℃体化した構造とし、全長㻞㼙のうち上部先端の㻜㻚㻡㼙には放㻛㼃㻕、フィン有り㻴㻼で㻜㻚㻞㻝㻔℃㻛㼃㻕であり、放熱フィンによっ熱フィンを取り付けた。集熱パイプおよびアルミ製ヒートパて熱が移動しやすくなり、熱輸送能力の向上が確認でき

イプの構成は、図１のものと同様である。コンクリート試験た。なお、ヒートパイプの熱輸送特性は、温度条件や長さ体の寸法は1m×1m×1mの立方体とし、型枠は木製としによっても変化する㻟㻕ため、引き続き検討を進めていく予定た。マスコンクリートを模擬するため、コンクリートの周囲をである。㻌 㻌

厚さ㻠㻜㻜㼙㼙の断熱材により被覆することとし、側面および㻌㻌

底面の断熱材はあらかじめ設置、上面はコンクリートの打込み完了後に被覆した。また、アルミ製ヒートパイプは、コ§４．㻌 アルミ製ヒートパイプのクーリング効果の検証㻌

ンクリートの打込み直後に挿入し、クーリングを開始する。

㻌

そのため、アルミ製ヒートパイプを挿入するためのシース管

㻠．㻝㻌 実験概要㻌

をあらかじめコンクリートの中央に設置し、コンクリートを打製作したアルミ製ヒートパイプのクーリング効果を実験的に検証した。使用するアルミ製ヒートパイプは、全長㻞㼙で㻌ち込んだ。シース管の直径は㻡㻜㼙㼙であり、アルミ製ヒートパイプ挿入後は、シース管の内部を水で充填した。㻌

−61−－㻟－㻌㻌

㻌㻌㻌

㻌

㻌㻌㻌

温度(℃)

フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻣号㻌

㻌㻌㻌

㻌

㻌㻌㻌

㻌

706050403020100㻌㻌㻌㻌

写真３ 送風状況

㻌
㻌
温度(℃)

㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌

706050403020100㻌

㻌

クーリング無し
クーリング有り㻌㻌㻌

23材齢 日456㻌㻌

7温度(℃)

㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌

㻌
㻌

クーリング無し
クーリング有り

0123

材齢 日

4567G 中心からPP㻌

23材齢(日)4567

クーリング無し

クーリング有り

0

12345

材齢(日)

67F 中心からPP

㻌 70

温度(℃)

㻌70
60
50
4030201001

㻌E 中心からPP

㻌

70
60
50403020100

㻌

10D 中心からPP

㻌0クーリング有り

㻌温度(℃)

㻌

クーリング無し

㻌 60㻌 50㻌 40㻌 30㻌 2010㻌0㻌
0㻌

クーリング無し
クーリング有り

1㻌

234

材齢(日)

567

H 中心からPP

図４ 各温度計測位置における温度履歴㻌㻌㻌㻌

試験水準は、“クーリング無し”と、“クーリング有り”の２㻠．㻞㻌 実験結果㻌

種類とし、“クーリング有り”は、コンクリートを打ち込んだ後各温度測定箇所における温度履歴の比較を、図４に示に、シース管内にアルミ製ヒートパイプを挿入し、クーリンす。中心から離れるほど、温度低下の程度は小さくなるもの

グを開始した。熱電対は、高さ方向は中央の㻡㻜㻜㼙㼙地点の、いずれの箇所においても、クーリングによってコンクリーで、試験体中心から㻞㻡、㻡㻜、㻝㻞㻡、㻞㻡㻜および㻡㻜㻜㼙㼙の㻡箇ト内部の温度低下が確認できた。㻌

所に設置した。試験体の断面と温度比較位置を、図３に、クーリングの有無によるコンクリート内部の各計測位置の今回使用したコンクリートの配合を、表２に示す。コンクリー

最高温度の比較を、図５に示す。“クーリング無し”の場合、ト打込み後の状況を、写真２に示す。㻌

断面内の最高温度はほぼ一定であるが、“クーリング有り”

放熱フィン部分は大気との間に熱の出入りがある熱伝達の場合には、断面内には温度勾配が生じ、中心に近いほど境界であり、熱伝達境界の特性である熱伝達率は、周囲最高温度が顕著に低下した。また、各計測位置の最高温度の風速によっても変化する。そのため本実験においては、をもとに算出した断面平均温度は、“クーリング無し”で屋外での使用を想定し、風速が㻞～㻟㼙㻛㼟となるよう送風機

℃、“クーリング有り”で℃であり、クーリングによを用いて調整した（写真３）。㻌って、コンクリート内部の温度は約℃低下した。㻌
−62−－㻠－㻌ヒートパイプとアルミニウム材料を用いたクーリング工法の開発㻌

§５．㻌 解析手法の検討㻌㻌㻌㻌㻡．㻝㻌 物性値の算出実験概要㻌

㻌

アルミ製ヒートパイプを用いた際のコンクリート温度を推㻌定することを目的に、実験で得られた熱伝導率と、熱流体

㻌

解析により得られた熱伝達率を用いた数値解析を実施し、㻌実験結果との比較により解析手法の妥当性を検討した。熱㻌伝導率λ(W/m℃)は、式㻔㻝㻕を用いて算出した。㻌

㻌㻌㻌
𝜆𝜆 = 𝐿𝐿/𝑅𝑅𝑅𝑅㻌㻌㻌㻌㻔㻝㻕㻌㻌㻌㻌

ここに、㻌 㻸：長さ㻔㼙㻕㻌㻌㻌㻌㻾：熱抵抗(℃/W)㻌

図５ 各温度計測位置における最高温度

㻌㻞

㻭：断面積㻔㼙 㻕㻌

表３ アルミ製ヒートパイプの試験結果

㻌

㻌

温度差

熱抵抗

㻌 (W)

入熱部

放熱部(℃)(℃/W）

熱伝導率は、集熱部から放熱部までの鉛直方向の熱の㻌 49.3

39.4

36.4

3.00.061

伝わりやすさとして考慮するため、放熱フィンを除いたヒー㻌 115.5

65.5

59.5

6.00.052

トパイプおよび集熱パイプの物性値として評価する。長さ

㻌は入熱部と放熱部の各中間点の距離である㻝㻚㻞㻡㻔㼙㻕とし、㻌

断面積は、φ㻝㻡㼙㼙のヒートパイプを含むφ㻠㻡㼙㼙の集熱㻌

パイプ部分として、㻝㻚6×㻝㻜㻙㻟㻔㼙㻞㻕とした。㻌

㻌

入熱量

温度(℃)

表４ 解析に用いた物性値

項目

熱抵抗はアルミ製ヒートパイプ単体の性能試験結果から㻌算出した。アルミ製ヒートパイプの試験結果を、表３に示㻌す。熱抵抗の算出は、アルミ製ヒートパイプの入熱部と放㻌コンクリート

熱部の各平均温度の差を入熱量で除すこととし、入熱量

㻌



㻌



ℎ = 𝐴𝐴0 × 𝜂𝜂㻌

㻌

㻌

㻌

㻔㻞㻕㻌

㻌

密度(kg/m )2290

比熱(J/g℃)

1.15
0.58

W/C
単位セメント量(kg/m )
3292

実測値

アルミ製

熱伝導率(W/m℃)

ヒートパイプ

13700

集中熱伝達率(W/℃)

25.8




㻞

ここに、㻌 㻭㻜㻦放熱面積㻔㼙 㻕㻌㻌

2.7

断熱温度上昇量(℃)

集中熱伝達率㼔(W/℃)は、式㻔㻞㻕により算出した㻢㻕。㻌

熱伝導率(W/m℃)
3によって熱抵抗値に違いが生じることから、平均値である㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌㻜㻚㻜㻡㻣(℃/W)を採用した。㻌

物性値㻞η㻦表面熱伝達率㻔㼃㻛㼙 ℃)㻌

㻌

㻌

㻌

放熱面積および表面熱伝達率は、風速を考慮した熱流㻌

体 解 析 に よ っ て 算 定 し 、 そ れ ぞ れ 㻝㻚㻝㻞㻡㻔㼙㻞㻕 お よ び㻌㻞㻞㻞㻚㻥㻡㻔㼃㻛㼙 ℃)とした。なお、風速は、実験期間中の観測㻌した風速の平均値である、㻞．㻤㻔㼙㻛㼟㻕とした。㻌

㻌

解析に用いた物性値を、表４にまとめる。㻌

㻌㻌㻌㻡．㻞㻌 実験結果と解析値の比較㻌

㻌

前節で算出した物性値を用いた解析値と実験値の比較

図６ 温度履歴比較 中心からの距離ｍｍ 㻌

を、図６に示す。なお、コンクリートの断熱温度上昇量は、イプの単体性能試験の結果から算出した物性値と、熱流断熱温度上昇試験による実測値を用いた。温度履歴は、体解析によって算出した熱伝達率を用いることで、アルミ比較的良く一致しており、この他の温度計測位置において製ヒートパイプを使用した場合のコンクリート内部の温度をも同様の結果となった。したがって、アルミ製ヒートパ㻌

精度よく推定可能であることが確認できた。㻌
−63−－㻡－㻌フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻣号㻌§６．㻌 まとめ㻌㻌㻔㻝㻕 放熱フィンを取り付けることにより、入熱部と放熱部の温度差は小さくなったことから、放熱フィンによって熱が移動しやすくなり、熱輸送能力が向上した。㻌
㻔㻞㻕 コンクリート試験体の寸法は1m×1m×1mの立方体とした場合、中心にアルミ製ヒートパイプを使用することで、コンクリートの断面平均温度が約㻝㻜℃低下した。㻌
㻔㻟㻕 アルミ製ヒートパイプの単体性能試験の結果から算出した物性値と、熱流体解析によって算出した熱伝達率を用いることで、アルミ製ヒートパイプを使用した場合のコンクリート内部の温度を精度よく推定可能である。㻌
㻌㻌
参㻌 考㻌 文㻌 献㻌

伊吹真一、船本恵一、前田智宏、飯塚隆博：ヒートパイプを利用したパイプクーリング、コンクリート工学年次
論文集、9RO、1R、SS、髙橋直希、小島秋、平野勝識、井手一雄、田川義孝：ヒートパイプとアルミニウム材料を用いたクーリングに関する検討、土木学会第  回年次学術講演会、9、
高岡道雄、馬渡恒明、坂谷益司、望月正孝、益子耕一、
伊藤雅彦：長尺ヒートパイプの開発とヒートパイプの応用製品、藤倉電線技報、第  号、SS、
日刊工業新聞社：実用ヒートパイプ、日本ヒートパイプ協会、
伊藤謹司：ヒートパイプ+HDW3LSH、学献社、SS、



伊吹真一ほか：ヒートパイプを用いたパイプクーリングの  次元要素を用いた温度解析、土木学会第  回年次学術講演会、9、㻌㻌㻌㻌ひとこと㻌㻌

アルミニウム材料を用いて集熱性と放熱性を向上させたヒートパイプによる新しいクーリング工法を開発した。これまでの実験結果をまとめ、実用化に向けて検討を進めていきたい。㻌
㻌髙橋㻌 直希㻌㻌−64−－㻢－㻌