JP2011099599A

JP2011099599A - 熱輸送管

Info

Publication number: JP2011099599A
Application number: JP2009253636A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Nogawa; 正文野川
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-19

Abstract

【課題】高温側熱交換部から低温側熱交換部へ熱を輸送する熱輸送管であって、熱輸送の制御ができ、仕事を取出せると共に、設置姿勢の制約が少なく、かつ被加熱体との接続が容易で、構成が簡素で低コストの熱輸送管を提供すること。
【解決手段】スタック４と、スタック４の高温端４ｃに設けた高温側熱交換器５と、スタック４の低温端４ｄに設けた低温側熱交換器３と、低温側熱交換器３へ連通された膨張室２ｄを有する膨張機２とを備え、膨張機２により作動流体に圧力振動と往復流動とが発生され、高温側熱交換器５から前記スタックの高温端４ｃに伝達された熱Ｑ１が蓄熱体４ｂを介在して低温端４ｄへ伝達され、熱Ｑ１の一部は低温側熱交換器３より放出され、残りは低温端４ｄの仕事流であって、膨張室２ｄへ伝達され、膨張機２より出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、入熱源からの熱を入熱源から離れた場所へ輸送する熱輸送管に関する。

従来技術の熱輸送管として、図７に示すように、両端が閉じた管３１にウイック３３を内張りする共に、動作媒体を封入し、僅かな温度差で熱を高温から低温へ輸送するヒートパイプ３０が知られている。ヒートパイプ３０は、管３１の一端側の高温部（蒸発部）３１ａを加熱するとウイック３３中の動作媒体３２の液３２ａが蒸発して蒸気３２ｂとなって、他端側の低温部（凝縮部）３１ｂへ移動する。低温部３１ｂへ移動した蒸気３２ｂは、そこで冷却され液体となって、ウイック３３の毛細管作用により高温部３１ａへ戻る。このようにして動作媒体は管３１内で相変化して熱を高温部３１ａから低温部３１ｂへ輸送する。

また、図８に示すように、高温側媒体４４と低温側媒体４５とを隔絶する隔壁４６を貫通する密閉器４１を隔壁４６に対して軸点４３をもって回転可能に取付けられ、密閉器４１に動作媒体４２を封入したサーモサイホン４０が開示されている。サーモサイホン４０は、密閉器４１内にウイックが無く、動作媒体４２の液４２ａと蒸気４２ｂとの密度差と利用して重力により動作媒体４２を循環させる。即ち、密閉器４１内の密度の大きな液４２ａが下方へ移動し、密度の小さな蒸気４２ｂが上方へ移動することにより、動作媒体４２がサーモサイホン４０の高温部（蒸発部）４１ａと低温部（凝縮部）４１ｂとの間で循環する。従って、動作媒体４２の液４２ａが蒸発する密閉器４１の高温部４１ａは、蒸気４２ｂが凝縮する低温部４１ｂより下方に位置する。そして、サーモサイホン４０は隔壁４６に対して高温側媒体４４と低温側媒体４５とが入代わった場合に、高温側媒体４４の熱を低温側媒体４５へ輸送するため、軸点４３を中心に一点鎖線で示すように高温部４１ａを低温部４１ｂより上方に位置するように回転する（例えば、特許文献１参照）。

また、図９に示すように、膨張機５１が備えるピストン５１ａとシリンダ５１ｂとで形成された膨張室５２と、常温側熱交換器５３と、パルス管５４と、高温側熱交換器５５と、蓄熱材５６ａを充填した再生器（蓄熱器）５６と、常温側熱交換器５７とを順に接続した熱音響エンジン５０が開示されている（例えば、特許文献２の図２を参照）。

また、再生器５６内において生じる圧力振動が定在波より進行波が大幅に多くなるようにするために、図１０に示す熱音響エンジン６０が開示されている。即ち、熱音響エンジン６０は、膨張機６１が備えるピストン６１ａとシリンダ６１ｂとで形成された膨張室６２と、第２常温側熱交換器６３と、パルス管６４と、高温側熱交換器６５と、蓄熱材６６ａを充填した再生器６６と、第１常温側熱交換器６７と、圧縮機６８のピストン６８ａとシリンダ６８ｂとで形成された圧縮室６９とを順に接続して成る。本来、熱音響エンジン６０は、仕事を得るために、高温側熱交換器６５を高温（例えば、略６００℃）に加熱し、第１常温側熱交換器６７および第２常温側熱交換器６３を常温（例えば、略６０℃）に冷却する（例えば、特許文献２の図３を参照）。

特開昭５８−１８２０８６号公報特開２００６−１１２２６０号公報

しかしながら、図７に示すヒートパイプ３０は、ウイック３３の毛細管作用により動作媒体３２が循環され熱を輸送するので、ヒートパイプ３０の高温部３１ａに取付けた機器が発生する熱を低温部３１ｂから放熱する熱輸送は、常時、作動状態である。このため、機器の熱源の状態変化に対応した放熱量（熱輸送量）の制御ができない問題がある。また、前述と同じ理由により、ヒートパイプ３０は、管３１を傾けて凝縮部である低温部３１ｂの位置が蒸発部である高温部３１ａより下側になる位置でも熱を輸送できるが、低温部３１ｂを下側にする角度によって、熱輸送能力が低下する問題がある。

図８のサーモサイホン４０は、重力を利用して動作媒体４２を循環させるので、サーモサイホン４０の設置姿勢は高温部４１ａの位置が低温部４１ｂの位置より低くなり、構成上の制約がある。また、ヒートパイプ３０、サーモサイホン４０は、作動流体の相変化を利用している。蒸発部と凝縮部とに温度差つけるには、それに応じた蒸発部と凝縮部間とに圧力差をつける必要があるが、ポンプなどで積極的に差圧をつけているのではないため、圧力差は小さい。従って、従来技術の熱輸送デバイスは、蒸発温度と凝縮温度との温度差が小さい状態での熱輸送に限定される。また、作動流体の凝縮温度は、作動流体の種類によって決まる特定の温度であるので、従来技術の熱輸送デバイスが使用される温度領域も限定される。

図９の熱音響エンジン５０は、高温側熱交換器５５（入熱部）が装置の中央部に存在し、入熱部を被加熱体と接続する場合に構成上有利ではない。すなわち、熱音響エンジン５０の入熱する高温側熱交換器５５の両端は、パルス管５４と再生器５６に接続されているので、高温側熱交換器５５への入熱は高温側熱交換器５５の外周面を介して行われる。このため、入熱源である機器などを設置し難く、かつ入熱ための伝達面積が減少し、外周面を介して行われる入熱の際に温度差が増大する。また、熱音響エンジン５０は、パルス管５４、常温側熱交換器５３を備えるため、構成が複雑で、コスト高となる問題がある。

図１０の熱音響エンジン６０においても、高温側熱交換器６５（入熱部）が装置の中央部に存在し、入熱部を被加熱体と接続する場合に構成上有利ではない。すなわち、熱音響エンジン６０の入熱する高温側熱交換器６５の両端は、パルス管６４と再生器６６に接続されているので、高温側熱交換器６５への入熱は高温側熱交換器６５の外周面を介して行われる。このため、入熱源である機器などを設置し難く、かつ入熱ための伝達面積が減少し、外周面を介して行われる入熱の際に温度差が増大する。また、熱音響エンジン６０は、パルス管６４と第２常温側熱交換器６３と膨張機６１とを備えると共に、膨張室６２と圧縮室６９との間に位相差を付ける手段が必要であるため、構成が複雑で、コスト高となる問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、高温側熱交換部から低温側熱交換部へ熱を輸送する熱輸送管であって、熱輸送の制御が可能で、仕事を取出せると共に、設置姿勢の制約が少なく、かつ被加熱体との接続が容易で、構成が簡素で低コストな熱輸送管を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、蓄熱体を備え高温から低温へ向けて温度勾配のついたスタックと、前記スタックの高温側に設けられた高温側熱交換部と、前記スタックの低温側に設けられた低温側熱交換部と、前記低温側熱交換部に隣接し連通する膨張室を有する膨張機とを備えた熱輸送管であって、前記膨張機は、前記スタック内の作動流体に圧力振動と往復流動とを発生し、前記スタックは、前記作動流体と前記蓄熱体との温度差とに起因して前記高温側熱交換部から前記スタックの高温側に伝達された熱が、前記スタックの高温側から低温側に向けて前記蓄熱体を介して輸送され、前記スタックの低温側から前記低温側熱交換部に伝達され、前記低温側熱交換部に伝達された熱は、一部が前記低温側熱交換部より放熱され、残りは前記膨張室へ伝達されて前記膨張機より出力される構成である。

請求項２に記載の発明は、前記高温側熱交換部は前記スタックの高温端に設けられ、一端が前記スタックに開口し他端が閉じた流路孔を複数本備えた高温側熱交換器であり、
前記低温側熱交換部は前記スタックの低温端に設けられ、一端が前記スタックに開口し他端が前記膨張室に開口した流路孔を複数本備えた低温側熱交換器である。

請求項３に記載の発明は、前記膨張機は、モータの機能と発電機の機能とを備える構成である。

請求項４に記載の発明は、前記作動流体は、気体と凝縮性流体とが混在しているを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、前記高温側熱交換部と、前記低温側熱交換部または前記膨張室との間を前記作動流体がバイパスするバイパス通路を備える構成である。

請求項１に記載の発明では、高温側熱交換部に流入する熱Ｑ１と膨張機がなす往復動とにより、熱輸送管内の作動流体（例えば、ヘリウムあるいは空気などの気体）に圧力振動と、往復流動とが生じる。すると、高温側熱交換部へ流入した高温の熱はスタックの高温側へ伝達される。伝達された高温の熱は、往復流動する作動流体と蓄熱体との熱交換によって温度が降下されてスタックの低温の熱となって低温側へ輸送される。この低温の熱Ｑ１は、スタックの低温側から低温側熱交換部へ伝達され、一部の熱Ｑ２は、低温側熱交換部より放熱される。残りの熱（Ｑ１−Ｑ２）＝Ｗ_Ｂは、スタックの低温側における仕事流（ＰＶ仕事に相当）であって、仕事流は作動流体と蓄熱体との熱交換の際の作動流体の往きと戻りとの温度差によって生じる圧力差に起因するものである。そして、残りの熱（Ｑ１−Ｑ２）＝Ｗ_Ｂは低温側熱交換部を通過して、膨張室へ仕事流Ｗ_Ｂとなって伝達され、仕事流Ｗ_Ｂが膨張機より出力される。以上により、本発明の熱輸送管は、高温側熱交換部へ入熱した熱Ｑ１のうち、熱Ｑ２＝（Ｑ１−Ｗ_Ｂ）を低温側熱交換部から外部へ放出すると共に、膨張機より仕事流Ｗ_Ｂを出力できる。

また、膨張機の作動停止状態では、作動流体に往復流動が生じないので、高温側熱交換部へ熱が流入した状態でも、スタックを介在して高温側熱交換部から低温側熱交換部への熱輸送と、膨張機への仕事の伝達は停止される。従って、高温側熱交換部の状態変化あるいは低温側熱交換部の状態変化に応じて、膨張機の運転、停止を制御することで、本発明の熱輸送管は高温側熱交換部に流入される熱の輸送と、低温側熱交換部からの放熱、および膨張機からの仕事の出力とを適宜、制御できる。

さらに、膨張機の振動数（回転数）あるいは膨張室の掃気容積を変えることにより、スタックの低温側における仕事流Ｗ_Ｂを調整でき、高温側熱交換部から低温側熱交換部への熱輸送量Ｑ２および膨張機から出力される仕事流Ｗ_Ｂが調整できる。結果、本発明の熱輸送管は、低温側熱交換部への熱輸送量（低温側熱交換部の放熱量）Ｑ２および膨張機により出力される仕事流Ｗ_Ｂを適宜、制御できる。

また、本発明の熱輸送管は、高温側熱交換部から低温側熱交換部への熱輸送が、膨張機により生じる作動流体の往復流動と圧力振動とにより行われるので、熱輸送管の設置姿勢は重力方向に制約されず自由であると共に、無重力環境においても使用可能である。

さらに、本発明の熱輸送管は、作動流体の相変化を利用せず、膨張機を使用して作動流体の往復流動と圧力振動とを発生させて熱を輸送するので、使用される温度領域は作動流体の相変化の温度（凝縮温度、蒸発温度）に限定されない。

また、従来技術の熱音響エンジンに比べて、本発明の熱輸送管は、熱交換部が高温側と低温側の２つで構成されるので、構成が簡素で低コストになる。また、高温側熱交換部が装置の端に位置するので、被加熱体との接続が容易で、かつ入熱ための伝達面積を大きくとることができる。

さらに、本発明の熱輸送管は、従来のヒートパイプのように高い真空度で使用する必要がなく、空気が流入しても性能低下を防止できる。また、作動流体に空気を使用する場合には、平均圧力を大気圧にすることで、空気の流出入がなく、熱輸送管の作動流体の平均圧力は大気圧を保持できる。結果、本発明の熱輸送管は低温側熱交換部への熱輸送能力と膨張機による仕事能力とが維持できる。

請求項２に記載の発明では、スタックの高温端に高温側熱交換器を接続することで、高温側熱交換器の端面と外周面とを入熱の伝熱面にできるので、熱源の熱を伝熱する面積が増大し伝熱の際に生じる温度差が減少する。さらに、高温側熱交換器を流動する作動流体に熱源から高温側熱交換器へ流入する熱を均等に伝達できる。

また、スタックの低温端に低温側熱交換器を接続することで、低温側熱交換器を流動する作動流体にスタックの低温端から流出する熱を均等に伝達できる。

請求項３に記載の発明では、膨張機は発電機と、モータの機能とを備えているので、本発明の熱輸送管を作動させる際、モータとして機能させ、膨張機のスタータに使用し、熱輸送の際には発電機として使用する。これにより本発明の熱輸送管は、確実に始動できると共に、使い勝手が良く、且つ低温熱交換部への熱輸送および膨張機より出力される仕事の制御性が向上する。

請求項４に記載の発明では、スタック内の作動流体は気体と凝縮性流体とが混在している。このため凝縮性流体が高温側熱交換部ならびに低温側熱交換部において相変化することで各熱交換部での伝熱促進できる。蒸発ならびに凝縮による伝熱は一般に気体単層による伝熱より大きな伝熱性能が得られるからである。すなわち、凝縮性流体は、高温側熱交換部では蒸気化し、低温側熱交換部では凝縮し、それぞれで相変化を起こし伝熱を促進する。これにより、本発明は、従来技術のヒートポンプあるいはサーモサイホンと同じように、熱輸送温度差が小さく、且つ使用される温度領域が凝縮性流体の相変化温度に略等しい限定された熱輸送も可能となる。しかもその際に従来技術のヒートポンプあるいはサーモサイホンのように内部圧が負圧となることはない。

請求項５に記載の発明では、高温側熱交換部と、低温側熱交換部または膨張室との間を作動流体がバイパスすることで、高温端で発生した仕事流が膨張部で回収でき、出力性能が向上する。

本発明の実施例１に係る熱輸送管の説明図である。図１のスタックのＸ_０位置における作動流体要素の変位に対する温度と圧力およびスタック全長に亘る蓄熱体の平均温度を示す図である。図１の熱輸送管およびスタックの仕事流を示す図である。図１の高温側熱交換器の一実施例の断面図である。図１の低温側熱交換器の一実施例の断面図である。本発明の実施例２に係る熱輸送管の説明図である。本発明に係る熱輸送管の従来技術の説明図である。本発明に係る熱輸送管の他の従来技術の説明図である。本発明に係る熱輸送管に関連する従来技術の説明図である。本発明に係る熱輸送管に関連する他の従来技術の説明図である。

以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る熱輸送管の説明図であり、図中の黒塗りの矢印は熱の流れ方向、および仕事の方向を示す。図１に示すように、熱輸送管１は、膨張機２に設けた膨張室２ｄと、低温側熱交換器（低温側熱交換部）３と、スタック４と、高温側熱交換器（高温側熱交換部）５とがこの順に接続される。

膨張機２は、シリンダ２ａと、ロッド２ｃの一端に連結したピストン２ｂと、ロッド２ｃの他端に連結した出力回収手段２ｅを備え、シリンダ２ａとピストン２ｂとにより膨張室２ｄが形成される。出力回収手段２ｅの形態は、ピストン２ｂの往復動と同じ移動量、往復動するリニア方式、あるいはピストン２ｂの往復動をクランク機構などより回転運動に変換するロータリー方式のいずれでも良い。より具体的には、出力回収手段２ｅは例えば発電機あるいはファンなどである。発電機は、リニア方式の場合にはリニア発電機、ロータリー方式の場合にはロータリー発電機の形態をとる。

スタック４は、高温側熱交換器５からの熱を低温側熱交換器３へ熱輸送するために設けられ、作動流体が流動する流路断面積が微小な多数の流路と、往復流動する作動流体と再生熱交換する蓄熱機能とを備える。より具体的には、スタック４は、例えば５〜１００メッシュ程度の金網の蓄熱体４ｂが管４ａ内に積層される。あるいは、管４ａに断面が円形状で細長い線材を多数個、充填しても良い。この場合、線材間のスキマが流路を形成し、線材が蓄熱体４ｂとして機能する。スタック４の両端間の流路抵抗は小さいことが好ましく、実施例１および後述する実施例２、３において、作動条件（作動流体の圧力の振動数、温度、圧力）の下、スタック４の両端間の圧力損失は非常に小さい。

高温側熱交換器５は、高温側熱交換器５に設置される機器などの熱源（図示せず）から流入した熱Ｑ１を作動流体に伝達するために設けられ、外周面５ａと端面５ｂとは熱源（図示せず）からの熱Ｑ１が伝達される伝熱面５ａｂを形成する。端面５ｂは熱源である機器を設置し易くするためにフラットな面である。

低温側熱交換器３はスタック４の低温端４ｄから流出する作動流体の熱Ｑ２を外部へ放出するために設けられ、外周面３ａが熱Ｑ２を外部へ放出する伝熱面を形成する。また、低温側熱交換器３と高温側熱交換器５は、それぞれ両端間の流路抵抗は小さことが好ましく、実施例１および後述する実施例２、３において、作動条件の下、各熱交換器３、５の両端間の圧力損失は非常に小さい。

熱輸送管１に充填する作動流体は空気を使用した。しかし作動流体は、空気以外にもヘリウム、水素、窒素、アルゴンなどの気体で良く、複数種類の気体を混合させても良い。作動流体の封入圧力は高圧にすることにより、熱輸送量は増大できるが、大気圧以下でも良い。しかし、熱輸送量および熱輸送管１の密閉性の関点から大気圧以上が好ましい。作動流体として空気を使用する場合、平均圧力を大気圧にすることで、熱輸送管１は厳密な密閉構造にしなくても良い。

次に、本発明の実施例に係る熱輸送管１の作動と効果について説明する。図２は、図１のスタック４の位置Ｘ_０（図１）の作動流体要素６の変位に対する圧力、温度および蓄熱体の平均温度を示す図である。図中、Ｘ_０〜Ｘ_４は図１に示す作動流体要素６の各位置を示し、ＡおよびＢは図１のスタック４のＡ位置（高温端４ｃ）およびＢ位置（低温端４ｄ）を示す。以下、膨張機２の出力回収手段２ｅが発電機２ｅ１の場合について述べる。

発電機２ｅ１は、発電機の機能とモータの機能とを備え、熱輸送管１の作動開始時には、発電機２ｅ１をモータとして機能させ、ピストン２ｂを往復動させるスタータに使用する。これにより、熱輸送管１に作動流体の圧力振動と往復流動が発生する。圧力振動発生後は、発電機２ｅ１は発電機として作動する。尚、外部より熱輸送管１への軽い衝撃力で作動流体とピストン２ｂとに微小振動を発生させて膨張機２を起動さても良い。この場合、発電機２ｅ１は発電機としてのみ機能する。

高温側熱交換器５、スタック４、低温側熱交換器３、そして膨張室２ｄの各流路抵抗は、非常に小さいので、高温側熱交換器５、スタック４、低温側熱交換器３、そして膨張室２ｄの各圧力はほぼ等しい。また、スタック４の管４ａの外周面は断熱材(図示せず)で覆われ、周囲に対して断熱されており、そして管４ａの熱伝導率の低い材質で形成され、管４ａの軸方向の伝導熱は非常に小さい。さらに、高温端４ｃから低温端４ｄ方向への蓄熱体４ｂの伝導熱も非常に小さい。なお、実施例ではスタック４の管４ａの外周面を断熱材で覆っているが、必ずしも厳重な断熱は必要ないため、断熱材で覆わなくても使用できる。

高温側熱交換器５の伝熱面５ａｂから流入した高温の熱は、高温側熱交換器５を往復流動する作動流体に伝達され、スタック４の高温端４ｃへ伝達される。スタック４の高温端４ｃへ伝達された高温の熱は、往復流動する作動流体と蓄熱体４ｂとの熱交換によって温度が降下しながら、低温の熱となってスタック４の低温端４ｄへ輸送される。この低温の熱は、低温端４ｄから低温側熱交換器３へ伝達され、低温の熱の一部（熱Ｑ２）は低温側熱交換器３より放熱される。残りの熱（Ｑ１−Ｑ２）＝Ｗ_Ｂは、膨張室２ｄへ仕事流Ｗ_Ｂとなって伝達され、仕事流Ｗ_Ｂが膨張機２より出力される。

即ち、高温側熱交換器５の伝熱面５ａｂから流入した高温の熱は、高温側熱交換器５を往復流動する作動流体に伝達され、スタック４の高温端４ｃでは、１サイクルにおいて熱Ｑ１に等しい高温状態の全エンタルピーＨ（＝Ｑ１）が流入する。この全エンタルピーＨは、スタック４を通過してスタック４の低温端４ｄから低温になって流出する。そして、スタック４の各断面を通過する全エンタルピー、および低温端４ｄから流出する全エンタルピーは、高温端４に流入する全エンタルピーＨに等しい。即ち、高温の熱の熱量と同じ熱量の低温になった熱が低温端４ｄへ伝達される。

ところで、スタック４の蓄熱体４ｂの熱容量と、蓄熱体４ｂと作動流体との熱伝達率とが、それぞれ有限であるため、蓄熱体４ｂと作動流体との熱交換は不十分で、蓄熱体４ｂと作動流体との間に温度差を生じる。このため、往復流動する作動流体の往きと戻りの温度に差を生じる。蓄熱体４ｂの熱容量は有限であるが比較的大きいので、１サイクルにおける蓄熱体４ｂの温度変動は比較的小さく、スタック４の全長に亘る各位置の蓄熱体４ｂの平均温度は、図２に示すように右下がりの温度勾配の略直線で示される。

ここで、スタック４の位置Ｘ_０を中心に往復流動する作動流体要素６に着目する。作動流体要素６の１サイクルの温度は、蓄熱体４ｂの平均温度の略直線（図２）に交差すると共に、長軸が右下がりに傾き略楕円（図２の太破線）で示される。即ち、作動流体要素６が位置Ｘ_３から位置Ｘ_０、Ｘ_１を経由して位置Ｘ_２へ移動する際は、作動流体要素６の温度は、蓄熱体４ｂの平均温度より低く、そして位置Ｘ_２から位置Ｘ_０、Ｘ_４を経由して位置Ｘ_３へ移動する際は、蓄熱体４ｂの平均温度より高くなり、矢印に示す右回りの不可逆変化になる。

１サイクルにおける作動流体要素６の右回りの温度により、１サイクルの作動流体要素６の圧力は、位置Ｘ_１から位置Ｘ_４へ移動する際の圧力が位置Ｘ_４から位置Ｘ_１へ移動する際の圧力より高く、図２において長軸が略右下がりに傾いた右回り（矢印方向）の略楕円で示される。この略楕円は、作動流体要素６のＰＸ線図（圧力・変位線図）を示し、作動流体要素６の変位Ｘにスタック４の断面積を掛けると断面ＭＭを中心に往復流動する作動流体の仮想のＰＶ線図になる。この仮想ＰＶ線図は断面ＭＭにおける仕事流Ｗ_Ｍであり、仮想ＰＶ線図の面積値は断面ＭＭの仕事流Ｗ_Ｍの値を示す。

図３は、熱輸送管１とスタック４内の作動流体の流動方向に直交する各断面における仕事流Ｗを示す図である。図３に示すように、仕事流Ｗは、スタック４の高温端４ｃの近傍の位置Ｃにおいて０、スタック４の高温端４ｃにおいてマイナスの僅かな値で、右上がりに略直線的に増加し、スタック４の低温端４ｄにおいてプラスの最大値Ｗ_Ｂになる。この最大値の仕事流Ｗ_Ｂは、低温側熱交換器３を通過し膨張室２ｄへ伝達され、膨張室２ｄにおいてピストン２ｂが往復動して仕事流Ｗ_Ｂに等しい膨張仕事をなす。この膨張仕事より、発電機２ｅ１は電力を出力する。なお、仕事流は、その向かう方向にプラス・マイナスを取って表示しており、プラス域が低温側に向かう仕事流、マイナス域が高温側に向かう仕事流を表している。

一方、熱源から高温側熱交換器５へ流入した高温の熱の熱量Ｑ１は、全エンタルピーＨ（＝Ｑ１）の形態となってスタック４の高温端４ｃへ流入し、全エンタルピーＨの一部は仕事流Ｗとなり、残りの熱（Ｈ−Ｗ）即ち熱（Ｑ１−Ｗ）は、温度と熱量を減少しながらスタック４を通過して低温の熱（Ｈ−Ｗ_Ｂ）となって低温端４ｄへ至る。この低温の熱（Ｈ−Ｗ_Ｂ）は（Ｑ１−Ｗ_Ｂ）に等しく、低温側熱交換器３へ流入し、低温側熱交換器の放出熱Ｑ２となって外周面３ａから外部へ放出される。ここで放出熱Ｑ２は、Ｑ２＝（Ｑ１−Ｗ_Ｂ）で示される。

図４は、図１の高温側熱交換器５の断面図である。図４に示すように、高温側熱交換器５は、熱伝導率の高い材質（例えば、銅）からなる円柱形状のブロック５ｃに一端が開口し他端が閉じた流路孔５ｄを均等に複数本備え、前述するように高温側熱交換器５の外周面５ａとフラットな端面５ｂは、熱源からの熱Ｑ１が入熱する伝熱面５ａｂを形成する。そして、流路孔５ｄが開口する側の高温側熱交換器５の端面はスタック４の高温端４ｃに接続される（図１）。高温側熱交換器５の伝熱面５ａｂへ流入した熱Ｑ１は、熱伝導でブロック５ｃを通過して流路孔５ｄの内周面から作動流体に伝達され、スタック４の高温端４ｃへ流入する。より詳しくは、高温端４ｃへ流入する熱Ｑ１は、前述したようにスタック４の高温端４ｃを流出入する１サイクルの作動流体の全エンタルピーＨである。

図５は、図１の低温側熱交換器３の断面図である。低温側熱交換器３は、熱伝導率の高い材質（例えば、銅）からなる円柱形状のブロック３ｂに貫通した流路孔３ｃを均等に複数本備える。低温側熱交換器３の両端は、それぞれスタック４の低温端４ｄと膨張機２の膨張室２ｄとに接続される（図１）。前述するように低温側熱交換器３の外周面３ａは熱Ｑ２を外部へ放出する伝熱面を形成する。そして、スタック４の低温端４ｄから低温側熱交換器３へ流入する全エンタルピーＨ（＝Ｑ１）のうち熱Ｑ２（＝Ｑ１−Ｗ_Ｂ）が、流路孔３ｃの内周面から流入し、熱伝導によりブロック３ｂ内を通過して外周面３ａから放熱される。低温側熱交換器３へ流入する全エンタルピーＨのうち仕事流Ｗ_Ｂは流路孔３ｃを経由して膨張室２ｄへ伝達される。

以上により、本実施例１の熱輸送管１は、高温側熱交換器５へ流入した熱Ｑ１を低温側熱交換器３へ輸送し、低温側熱交換器３から外部へ熱Ｑ２＝（Ｑ１−Ｗ_Ｂ）を放出すると共に、新たな有効エネルギーとして活用できる仕事流Ｗ_Ｂを膨張機２より出力する。

さらに、蓄熱体４ｂである例えば金網のメッシュ数、充填量あるいは蓄熱体４ｂの材質等を変えることにより、膨張機２から出力される仕事流Ｗ_Ｂを調整できる。

また、熱輸送管１は、作動流体に生じた圧力振動と往復流動とにより熱を輸送するので、膨張機２が停止した状態では、熱輸送は停止される。従って、熱源である機器に高温側熱交換器５を設置し、例えば、機器の立ち上げ時間短縮のため、立ち上げ時には暖気しておくことが望ましい場合、暖気終了まで膨張機２を停止させ熱輸送を停止して、機器の暖気を促進させ、機器の暖気終了後、膨張機２を作動させて機器から熱を低温側熱交換器３から放熱し、熱輸送を制御する。即ち、高温側熱交換器５の状態変化あるいは低温側熱交換器３の状態変化に応じて、膨張機２の運転、停止を制御することにより、本実施例１の熱輸送管１は高温側熱交換器５に流入する熱の輸送（低温側熱交換器３からの放熱）、および膨張機２からの仕事の出力とを適宜、制御できる。

また、機器の作動状態の変化に対応して膨張機２の作動状態、例えば振動数（回転数）、あるいはピストン２ｂのストローク（膨張室２dの掃気容積に相当）等を制御することにより、スタック４の低温端４dにおける仕事流Ｗ_Ｂの値を調整でき、高温側熱交換器５から低温側熱交換器３への熱輸送量（放熱量）Ｑ２（＝Ｑ１−Ｗ_Ｂ）の値も調整できる。結果、本実施例１の熱輸送管１は、低温側熱交換器３への熱輸送量（低温側熱交換器３の放熱量）Ｑ２および膨張機２より出力される仕事流Ｗ_Ｂを適宜、制御できる。

さらに、膨張機２は、出力回収手段２ｅが発電機２ｅ１の機能と、モータの機能を備えているので、熱輸送管１を作動させる際、発電機２ｅ１がモータとして機能し、膨張機２のスタータに使用し、熱輸送の際は発電機２ｅ１を本来の発電機として使用する。これにより熱輸送管１は、確実に始動できると共に、使い勝手が良く、且つ低温熱交換器３への熱輸送および膨張機２より出力される仕事の制御性が向上する。

また、スタック４の高温端４ｃには、高温側熱交換器５の一端が接続されているので、高温側熱交換器５の他端の端面５ｂと外周面５ａとを熱源からの入熱のための伝熱面５ａｂとして使用している。これにより、熱源の熱を伝熱する面積が増大し伝熱の際に生じる温度差が減少する。また、高温側熱交換器５は熱輸送管の一端に設けられているので、被加熱体との接続が容易であり、幅広い用途に利用できる。高温側熱交換器５に熱が流入する伝熱面である端面５ｂは、フラットな伝熱面であるので、高温側熱交換器５へ入熱する熱源である機器（図示せず）を容易に設置できる。なお、実施例１では端面５ｂをフラットな面で構成したが、端面５ｂや外周面５ａは適宜、様々な構造を選択できる。例えば、外周面５ａ、端面５ｂを放熱フィン構造にして被加熱流体との間で熱伝達しやすい構造にしてもよい。また端面５ｂを凹凸を有する構造にして被加熱体の凹凸構造と嵌め合わせるようにしてもよい。こうすれば被加熱体との間の伝熱面積を大きくすることができる。

さらに、高温側熱交換器５は作動流体が流動する複数本の流路孔５ｄを均等に備えているので、作動流体に熱Ｑ１を伝熱する広い伝熱面を確保できる。また、高温側熱交換器５の中央部分の流路孔５ｄを流動する作動流体にも熱を伝達できるので、複数の流路孔５ｄを流動する作動流体へ熱が均等に伝達される。結果、熱源の熱が流入する高温側熱交換器５の伝熱面５ａｂと作動流体との温度差を減少できると共に、作動流体の流れに直交する高温側熱交換器５の断面を流動する作動流体の温度が均一になる。

また、低温側熱交換器３は作動流体が流動する複数本の流路孔３ｃを均等に備えているので、作動流体からブロック３ｂへ熱Ｑ２を伝熱する広い伝熱面を確保できる。また、低温側熱交換器３の中央部分の流路孔３ｃを流動する作動流体にも熱を伝達できるので、複数の流路孔３ｃを流動する作動流体へ熱が均等に伝達される。結果、流路孔３ｃを流動する作動流体とブロック３ｂと間の温度差を減少できると共に、作動流体の流れに直交する低温側熱交換器３の断面を流動する作動流体の温度が均一になる。

また、高温側熱交換器５に流入する熱Ｑ１は、膨張機により生じる作動流体の往復流動と圧力振動とによりスタック４を介して輸送されるので、熱輸送管１の設置姿勢は重力方向に制約されず自由である。また、熱輸送管１は無重力環境においても熱輸送使用可能である。

また、従来技術のヒートパイプあるいはサーモサイホン等の熱輸送デバイスは、作動流体の相変化を利用している。このため、従来技術の熱輸送デバイスは、高温側から低温側へ熱を輸送する際、高温側から低温側への熱輸送の温度差は小さく限定される。また、熱輸送デバイスが使用される温度領域は、作動流体の種類によって決まる相変化の温度（凝縮温度、蒸発温度）に限定される。しかし、本実施例１の熱輸送管１は作動流体として気体を使用しているので、高温側熱交換器５と低温側熱交換器３との温度差は、小さな温度差から大きな温度差の幅広い範囲に亘ることができる。さらに、本実施例１の熱輸送管１は、作動流体の相変化を利用せず、膨張機２を使用して作動流体の往復流動と圧力振動とにより輸送する。結果、熱輸送管１は、使用される温度領域は作動流体の相変化の温度に限定されることない。

また、実施例１の熱輸送管１は、従来技術の熱音響エンジン５０（図９）のパルス管５４と、常温側熱交換器５３とが不要である。また。従来技術の熱音響エンジン６０（図１０）のパルス管６４と、第２常温側側熱交換器６３と、膨張機６１と、膨張室６２と圧縮室６９との間に位相差を設ける手段とが不要である。従って、本実施例１の熱輸送管１は、構成が簡素で、低コストになる。

熱輸送管１は、従来のヒートパイプのように高い真空度で使用する必要がなく、空気が流入しても性能低下を防止できる。また、作動流体に空気を使用する場合で、平均圧力を大気圧にする場合には、多少の空気の流出入は動作上問題とはならない。結果、熱輸送管１は低温側熱交換部３への熱輸送能力と膨張機２による仕事能力が維持できる。

図６は、本発明の実施例２に係る熱輸送管の説明図である。図６において、図１と同じ名称、同じ形状の部品及び同じ名称、同じ形状の部位の符号は、図１と同じ符号を付す。図６に示すように、熱輸送管１０は、図１の熱輸送管１の低温側熱交換器３と、高温側熱交換器５とが削除される。即ち、熱輸送管１０は、順次膨張機２の膨張室２ｄと、スタック１４とが接続される。スタック１４の低温端１４ｄ側に低温側熱交換部１３（図６の太実線に囲まれた部分）が形成され、そしてスタック１４の高温端１４ｃ側に高温側熱交換部１５（図６の太実線に囲まれた部分）が形成される。低温側熱交換部１３および高温側熱交換部１５は、スタック１４の一部であり、スタックの機能と、熱交換器の機能とを備える。そして、高温側熱交換部１５および低温側熱交換部１３は、蓄熱体１４ｂである例えば金網を管１４ａの軸方向に複数枚積層し、金網の外周（金網を形成する線材の両端）を管１４ａの内周面に例えば拡散接合などにより熱接触させる。これにより、金網は、入熱あるいは放熱の熱伝導および熱伝達の媒体としての機能と、作動流体の再生熱交換の蓄熱体としての機能とを備える。熱輸送管１０の他の構成は、熱輸送管１と同じである。

高温側熱交換部１５の高温端外面１５ｂ（スタック１４の高温端１４ｃの外面）は、熱源の機器（図示せず）などを設置するためにフラットな面になっており、高温側熱交換部１５に入熱する伝熱面として機能する。また高温側熱交換部１５の外周面１５ａも入熱のための伝熱面として機能し、高温端外面１５ｂと外周面１５ａとにより高温側熱交換部１５へ流入する熱の伝熱面１５ａｂが形成される。高温側熱交換部１５の外周面１５ａに流入した熱は金網の線材の両端から線材の長手方向の中央へ熱伝導で流れると共に、線材の外周面から作動流体へ伝達される。また、スタック１４の高温端１４ｃの内面および高温側熱交換部１５の内周面から各々の面近傍を往復流動する作動流体に熱源からの熱が伝達される。以上により、高温側熱交換部１５の中央部分を往復流動する作動流体にも伝達され、作動流体の流れに直交する高温側熱交換部１５の断面を流動する作動流体の温度は略均一になる。

低温側熱交換部１３の中央部分を往復流動する作動流体からも金網の線材に熱が伝達され、作動流体の流れに直交する低温側熱交換部１３の断面を流動する作動流体の温度は略均一になる。そして、蓄熱体１４ｂでもある金網の線材および低温側熱交換部１３の内周面へ伝達された熱Ｑ２は、低温側熱交換部１３の外周面１３ａより放熱される。

以上により、実施例２の熱輸送管１０は、熱源の機器（被加熱体）などを容易に設置できると共に、熱源からの入熱の伝熱面積も増大し、さらには高温側熱交換部１５および低温側熱交換部１３において作動流体との熱伝達が良好に行われる。

また、高温側熱交換部１５と低温側熱交換部１３とは、スタック１４を兼ねているので、図１の熱輸送管１と比較して、熱輸送管１０の構成がさらに簡素で且つ低コストになる。特に、熱輸送管１０は小型で、熱輸送量の少ない場合に好適である。熱輸送管１０の他の作動および効果は熱輸送管１と同じである。

本実施例３は、実施例１の空気の変わりに作動流体として空気（気体）と水（凝縮性流体）を混在させたものを使用しており、図１を準用する。高温側熱交換器５の温度は約１００℃、低温側熱交換器３の温度は約３０℃となっている。この熱輸送管１が作動しているときには、水は、高温側熱交換器５で蒸発し液体から気体に相変化し、低温側熱交換器３で凝縮して気体から液体に相変化する。蒸発ならびに凝縮による伝熱は気体単層による伝熱より大きな伝熱性能が得られるから、高温側熱交換器５、低温側熱交換器３での伝熱促進できる。これにより、従来技術のヒートポンプあるいはサーモサイホンと同じように、熱輸送温度差が小さく、且つ使用される温度領域が凝縮性流体の相変化温度に略等しい限定された熱輸送も可能となる。しかもその際に従来技術のヒートポンプあるいはサーモサイホンのように内部圧が負圧となることはない。

なお、実施例３では、気体として空気を使用したが、低温側熱交換部の温度以上で気相であるものなら何でも使用できる。例えば、実施例１で例示した気体を使用できる。実施例３では、凝縮性流体として水を使用したが、低温側熱交換部では凝縮し、高温側熱交換部では蒸発する流体なら何でも使用できる。熱輸送管を使用するときの各熱交換部の温度によって使用する凝縮性流体は変わるが、フロン系流体,炭化水素系流体などが例示できる。

本実施例４は、図６で示す実施例２にバイパス通路を設けたものである。具体的には、高温側熱交換部１５と膨張室２ｄとを作動流体が流通可能なバイパス管（バイパス通路）で接続している。バイパス管はスタック１４の外部に設けられている。図３の仕事流Ｗのグラフから明らかなようにスタック４の位置Ｃよりも高温側熱交換器５側にスタック４ないでは仕事流Ｗはマイナス（すなわち高温側に向かう仕事流が存在する）となっている。これにより高温端部でもわずかながらでも仕事流が得られる（０からマイナス部との差分）。図３は実施例１の説明であるが、実施例６でも同様である。高温側熱交換部１５と膨張室２ｄとをバイパス通路で接続することにより高温端で発生した仕事流（０からマイナス部との差分）を膨張部で回収することができ、出力性能を向上できる。

なお、本実施例４では高温側熱交換部１５と膨張室２ｄとの間にバイパス通路を設けたが高温側熱交換部１５と低温側熱交換部１３との間にバイパス通路を設けても同様の効果が得られる。また本実施例４ではバイパス通路をスタック１４の外部に設けたが、スタックの内部に設けてもよい。その場合には、バイパス通路と蓄熱体１４ｂとの間で作動流体が流通しないようになっている。

１、１０、２０熱輸送管
２膨張機
２ｄ膨張室
２ｅ１発電機
３低温側熱交換器（低温側熱交換部）
４、１４、２４スタック
４ｂ、１４ｂ、２４ｂ蓄熱体
５高温側熱交換器（高温側熱交換部）
１３、２３低温側熱交換部
１５、２５高温側熱交換部
２４ｅ蒸気用流路（流路）

Claims

蓄熱体を備え高温から低温へ向けて温度勾配のついたスタックと、
前記スタックの高温側に設けられた高温側熱交換部と、
前記スタックの低温側に設けられた低温側熱交換部と、
前記低温側熱交換部に隣接し連通する膨張室を有する膨張機と
を備えた熱輸送管であって、
前記膨張機は、前記スタック内の作動流体に圧力振動と往復流動とを発生し、
前記スタックは、前記作動流体と前記蓄熱体との温度差とに起因して前記高温側熱交換部から前記スタックの高温側に伝達された熱が、前記スタックの高温側から低温側に向けて前記蓄熱体を介して輸送され、前記スタックの低温側から前記低温側熱交換部に伝達され、
前記低温側熱交換部に伝達された熱は、一部が前記低温側熱交換部より放熱され、残りは前記膨張室へ伝達されて前記膨張機より出力される
ことを特徴とする熱輸送管。
前記高温側熱交換部は前記スタックの高温端に設けられ、一端が前記スタックに開口し他端が閉じた流路孔を複数本備えた高温側熱交換器であり、
前記低温側熱交換部は前記スタックの低温端に設けられ、一端が前記スタックに開口し他端が前記膨張室に開口した流路孔を複数本備えた低温側熱交換器である
ことを特徴とする請求項１に記載の熱輸送管。
前記膨張機は、モータの機能と発電機の機能と
を備えることを特徴とする請求項項１又は２のいずれかに記載の熱輸送管。
前記作動流体は、気体と凝縮性流体とが混在している
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱輸送管。
前記高温側熱交換部と、前記低温側熱交換部または前記膨張室との間を前記作動流体がバイパスするバイパス通路
を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱輸送管。