JP2016151409A - ヒートパイプ、並びにヒートパイプを備えたピストン及び吸排気バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 往復動する装置への適用が可能なヒートパイプを提供する。
【解決手段】 ヒートパイプ１であって、所定の軸線Ａに沿って往復動される本体３と、本体に形成された閉環状の流路２と、流路に封入され、当該ヒートパイプの使用温度範囲において沸点を有する作動流体とを有し、流路は、軸線に沿った一側に設けられ、加熱される受熱部５と、軸線に沿った他側に設けられ、冷却される放熱部６と、軸線に沿って延びる部分を含み、受熱部と放熱部とを接続する第１通路７及び第２通路８と、受熱部、放熱部、第１通路及び第２通路の少なくとも１つに設けられ、当該流路の長さ方向における一方から他方に向かう作動流体の流れよりも逆向きの作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生する抵抗要素１０とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートパイプ、並びにヒートパイプを備えたピストン及び排気バルブに関する。

ヒートパイプは、流路に封入された作動流体が流路内を移動し、流路の受熱部（蒸発部）で熱を吸収して蒸発し、放熱部（凝縮部）で熱を放出して凝縮することによって、受熱部から放熱部に熱を効率良く移動させることができる。ヒートパイプは、作動流体を受熱部及び放熱部間で輸送する方法によって、ウィック式、サーモサイフォン式、及び自励振動式等に分類されている。ウィック式は表面張力を駆動力とし、サーモサイフォン式は重力を駆動力とし、自励振動式は圧力差を駆動力とする（例えば、特許文献１〜３）。

特開平５−５２４９２号公報 特開平５−１０６９７６号公報 特開２０１３−１６０４２０号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載のヒートパイプを、内燃機関のピストンや吸排気バルブ等の比較的高速で往復動（振動）する装置に組み込む場合、作動流体には表面張力や重力、圧力差等によって生じる駆動力よりも大きい慣性力が加わり、作動流体の挙動は慣性力に大きな影響を受けるようになる。そのため、ピストン等の往復動する装置に適用するヒートパイプは、装置の挙動を考慮して作動流体の輸送方法を構築する必要がある。

本発明は、以上の背景を鑑み、往復動する移動体への適用が可能なヒートパイプを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ヒートパイプ（１）であって、所定の往復動方向（Ａ）に往復動され、前記往復動方向における一側が加熱され、他側が冷却される本体（３）と、前記本体に形成された閉環状の流路（２）と、前記流路に封入され、当該ヒートパイプの使用温度範囲に沸点を有する作動流体とを有し、前記流路は、前記往復動方向における一側に設けられた受熱部（５）と、前記往復動方向における他側に設けられた放熱部（６）と、前記往復動方向に延びる部分を含み、前記受熱部と前記放熱部とを接続する第１通路（７）及び第２通路（８）と、前記受熱部、前記放熱部、前記第１通路及び前記第２通路の少なくとも１つに設けられ、当該流路の長さ方向における一方から他方に向かう前記作動流体の流れよりも逆向きの前記作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生する抵抗要素（１０）とを有することを特徴とする。

この構成によれば、往復動方向に往復動する本体において、往復動方向の一側に受熱部が配置され、他側に放熱部が配置されるため、本体の往復動に伴う慣性力によって作動流体が第１通路及び第２通路を通過して受熱部及び放熱部間を移動する。また、受熱部、第１通路、放熱部、及び第２通路の少なくとも１つに、流路の長さ方向における一方から他方に向かう作動流体の流れよりも逆向きの作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生する抵抗要素、すなわち方向性を有する抵抗要素が設けられているため、作動流体は流路の長さ方向における一方から他方へと一方向に流れ、循環する。これにより、第１通路及び第２通路における作動流体どうしの衝突が抑制され、作動流体が円滑に流れる。

また、上記の発明において、前記抵抗要素は、前記第２通路において前記放熱部側から前記受熱部側に向う前記作動流体の流れよりも逆向きの前記作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生するように、かつ前記第２通路の長さ方向に互いに間隔をおいて前記第２通路に複数配置され、前記第２通路における前記抵抗要素の間隔は、前記受熱部に近いほど大きいとよい。

この構成によれば、放熱部に存在する作動流体の液相が第２通路を円滑に流れ、受熱部に移動し易くなる。第２通路では受熱部に近いほど各抵抗要素の間隔が大きく、抵抗要素間の体積が大きい。そのため、作動流体の液相は、第２通路を受熱部側に移動するほど流路抵抗が小さくなって円滑に流れ易くなる。

また、上記の発明において、前記抵抗要素は、前記第１通路において前記受熱部側から前記放熱部側に向う前記作動流体の流れよりも逆向きの前記作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生するように、かつ前記第１通路の長さ方向に互いに間隔をおいて前記第１通路に複数配置され、前記第１通路における前記抵抗要素の間隔は、前記受熱部に近いほど大きいとよい。

この構成によれば、受熱部に存在する作動流体の気相が第１通路を円滑に流れるようになる。気相は、圧力差によって第１通路内を移動するため、流路の体積が大きいほど移動し易い。そのため、最も圧力が高くなる受熱部に近いほど、抵抗要素間の距離を大きくして抵抗要素間の体積を大きくすることによって、圧力差が生じ易くなり、気相の流れが円滑になる。

また、上記の発明において、前記抵抗要素は、前記流路の長さ方向における一方から他方にかけて前記流路の断面積を小さくする第１面（１０Ａ）と、前記流路の長さ方向における他方から一方にかけて前記流路の断面積を小さくする第２面（１０Ｂ）とを有し、前記第１面は、前記第２面よりも前記流路の長さ方向に対する角度が小さいとよい。

この構成によれば、簡単な構成で方向性を有する抵抗要素を形成することができる。第１面は流路の長さ方向における一方側を向き、第２面は流路の長さ方向における他方側を向いているため、流路を長さ方向において一方から他方に流れる作動流体は第１面から抵抗を受け、逆方向に流れる作動流体は第２面から抵抗を受ける。第１面は、第２面よりも流路の長さ方向に対する角度が小さいため、作動流体に与える抵抗が第２面よりも小さくなる。

また、上記の発明において、前記抵抗要素は、前記流路内に設けられる筒部材（１１）によって形成され、前記筒部材は両端が開口した内孔（１１Ａ）を有し、前記第１面は前記内孔の壁面に形成され、前記第２面は前記筒部材の端面に形成されているとよい。

この構成によれば、本体と別部材である筒部材を流路に配置するという簡単構成で、流路に方向性（指向性）を有する抵抗体を設けることができる。

また、本発明の他の側面は、上記の発明に係るヒートパイプ（１）を備えたピストン（３１）であって、前記往復動方向（Ｂ）に沿った中心軸を有する筒部（４１）と、前記筒部の一端に設けられた頭頂部（４２）とを有し、前記ヒートパイプの前記本体は、前記筒部及び前記頭頂部によって形成され、前記受熱部は前記頭頂部に配置され、前記放熱部は前記筒部に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、ヒートパイプの作動流体はピストンの往復動によって生じる慣性力によって輸送され、頭頂部の熱を筒部の頭頂部と相反する側に移動させることができる。

また、上記の発明において、前記受熱部は、前記頭頂部において、当該ピストンが設けられる内燃機関（４０）の点火プラグ（５９）の発火部（５９Ａ）との距離が最も近い位置に配置されているとよい。また、上記の発明において、前記受熱部は、前記頭頂部の中央部に配置されているとよい。

この構成によれば、点火プラグを起点とした燃料の燃焼によって頭頂部の内で最も温度が高くなる部分を、ヒートパイプによって冷却することができる。

また、上記の発明において、前記第１通路及び前記第２通路は、前記筒部において前記往復動方向と平行に延びる第１部分（７Ｂ、８Ｂ）と、前記頭頂部において前記往復動方向と直交する方向に延びる第２部分（７Ａ、８Ａ）とを有するとよい。

この構成によれば、第１通路及び前記第２通路が筒部において往復動方向と平行に延びる第１部分を有するため、その部分の作動流体がピストンの往復動に起因する慣性力を受けて第１通路及び第２通路内を移動し、作動流体が流路内を移動する。また、第１通路及び前記第２通路が頭頂部において往復動方向と直交する方向に延びる部分を有するため、受熱部を頭頂部のうちで最も高温となる部分に配置することができる。

また、上記の発明において、前記受熱部は、前記第１通路及び前記第２通路のそれぞれの前記第２部分のなす角度が鋭角になるように、前記第１通路及び前記第２通路を接続するとよい。

この構成によれば、１つのヒートパイプが占める体積を小さくすることができ、ピストンに複数のヒートパイプを配置することが可能になる。

また、上記の発明において、前記筒部の外周面における前記放熱部と対応する部分に凹設され、周方向に延在して環状をなすリング溝（６１）と、前記リング溝に装着され、当該ピストンが受容されるシリンダの内周面と摺接するリング（６２）とを更に有するとよい。

この構成によれば、リングを介して筒部の放熱部に対応した部分と、シリンダの内壁との熱交換が促進され、放熱部の放熱（冷却）が促進される。

また、本発明の他の側面は、上記の発明に係るヒートパイプ（１）を備えた吸排気バルブ（４８）であって、前記往復動方向に延びる軸部（４８Ａ）と、前記軸部の一端に設けられ、内燃機関の燃焼室と排気ポートとの境界部を開閉する傘部（４８Ｂ）とを有し、前記本体は、前記軸部及び前記傘部によって形成され、前記受熱部は前記傘部に配置され、前記放熱部は前記軸部に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、ヒートパイプの作動流体は吸排気弁の往復動によって生じる慣性力によって輸送され、傘部の熱を軸部の傘部と相反する側に移動させることができる。

また、上記の発明において、前記第１通路及び前記第２通路は、前記往復動方向に延びる軸線を中心とした２重らせんをなすとよい。

この構成によれば、第１通路及び第２通路を長くすることができる。

以上の構成によれば、往復動する移動体への適用が可能なヒートパイプを提供することができる。

第１実施形態に係るヒートパイプの断面図 （Ａ）〜（Ｄ）抵抗要素の例を示す断面図 第２実施形態に係るヒートパイプを備えたピストンを含む内燃機関の断面図（図４のIII−III断面図） 第２実施形態に係るヒートパイプを備えたピストンの透視斜視図 第２実施形態の変形例に係るヒートパイプを備えたピストンの断面図 第３実施形態に係るヒートパイプを備えた排気バルブの断面図

以下、図面を参照して、本発明に係るヒートパイプの実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、ヒートパイプ１は、閉環状の流路２が形成された本体３と、流路２に封入された作動流体とを有する。本体３は、アルミニウムや銅、鉄、ステンレス、チタン等の熱伝導率の高い金属から形成されている。作動流体は、ヒートパイプ１の使用温度範囲において沸点を有する媒体であり、例えば、水、エタノール、アンモニア、アセトン等である。

本体３は、所定の往復動方向Ａに沿って往復動される機械要素の一部として形成される。本体３は、例えば、内燃機関のピストンや、内燃機関のポペット型の吸排気バルブ等であってよい。本体３の往復動方向Ａに沿った一側には加熱源が配置され、他側には冷却源が配置される。

流路２は、本体３における往復動方向Ａに沿った一側に設けられた受熱部５と、本体３における往復動方向Ａに沿った他側に設けられた放熱部６と、往復動方向Ａに沿って延びる部分を含み、受熱部５と放熱部６とを接続する第１通路７及び第２通路８とを有する。本実施形態では、第１通路７及び第２通路８は長さ方向における全域が往復動方向Ａと平行に延びる直線状に形成されている。また、受熱部５及び放熱部６はヘアピン形（Ｕ字形）に形成されている。流路２は、受熱部５、第１通路７、放熱部６、第２通路８、受熱部５の順序で接続され、連続した循環路を形成する。本実施形態では、受熱部５、第１通路７、放熱部６、及び第２通路８の各横断面は円形に形成されている。なお、他の実施形態では、各横断面は任意の形状に設定されてよい。

受熱部５、放熱部６、第１通路７及び第２通路８の少なくとも１つには、流路２の長さ方向における一方から他方に向かう作動流体の流れよりも逆向きの作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生する抵抗要素１０が設けられている。すなわち、抵抗要素１０は、流体の流れの方向によって流路抵抗の大きさが異なる、方向性を有する抵抗要素である。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、抵抗要素１０は、例えば、流路２の壁面２Ａに設けられた凸部又は凹部であり、流路２の長さ方向における一方から他方にかけて前記流路２の断面積を小さくする第１面１０Ａと、流路２の長さ方向における一方から他方にかけて流路２の断面積を大きくする第２面１０Ｂとを有する。そして、第１面１０Ａは第２面１０Ｂよりも前記流路２の長さ方向に対する角度が小さく設定されている。図２（Ａ）に示すように、抵抗要素１０が凸部を形成する場合、流路２の長さ方向における一方から他方への方向において、第１面１０Ａ、第２面１０Ｂの順で設けられる。図２（Ｂ）に示すように、抵抗要素１０が凹部を形成する場合、流路２の長さ方向における一方から他方への方向において、第２面１０Ｂ、第１面１０Ａの順で設けられる。図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示すように、第２面１０Ｂに代えて、壁面２Ａ（凹部の場合は壁面２Ａと平行な底面）と９０°以下の角度をもって対向する第３面１０Ｃを設けてもよい。第３面１０Ｃは、壁面２Ａ（凹部の場合は壁面２Ａと平行な底面）に対してオーバーハングする面をなす。以上のような抵抗要素１０は、流路２の壁面２Ａに一体に形成されてもよく、壁面２Ａと別部材に形成されてもよい。抵抗要素１０は、壁面２Ａの周方向に連続的に形成されてもよく、断続的に形成されてもよい。

図１に示すように、本実施形態に係る抵抗要素１０は、別部材である筒部材１１によって形成されている。筒部材１１は、流路２に配置され、流路２の流路断面積を小さくする凸部を構成する。筒部材１１は、その中心軸が流路２の長さ方向と一致し、その外周面が流路２の内周面と全周にわたって接触するように配置されている。筒部材１１の内側に形成された内孔１１Ａは、両端が開口し、流路２と連続する通路を形成する。

筒部材１１の内孔１１Ａは、流路２の長さ方向における一方から他方にかけて、内孔１１Ａの内径が漸減する第１面１１Ｂを形成する。第１面１１Ｂはテーパ面に形成されている。筒部材１１の他方側の端面は、流路２の長さ方向に対して直交する第２面１１Ｃとなっている。これにより、一方側から筒部材１１に流れる流体は第１面１１Ｂに沿って中央側に移動しつつ他方側に円滑に流れることができ、他方側から筒部材１１に流れる流体は第２面１１Ｃに衝突して流れが阻害される。このようにして、筒部材１１は、方向に応じて異なる流路抵抗を発生する。

本実施形態では、抵抗要素１０は第１通路７及び第２通路８に配置されている。第１通路７に配置された筒部材１１（抵抗要素１０）は、第１面１１Ｂが受熱部５側に配置され、第２面１１Ｃが放熱部６側に配置されている。第１通路７に配置された抵抗要素１０は、受熱部５側から放熱部６側に向かう作動流体の流れよりも逆向きの作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生する。

第１通路７に設けられた複数の抵抗要素１０は、第１通路７の長さ方向に互いに間隔をおいて配置されている。第１通路７において隣り合う抵抗要素１０の間隔は、受熱部５に近いほど大きい。これにより、第１通路７において隣り合う抵抗要素１０間に形成される体積は、受熱部５に近いほど大きい。

第２通路８に配置された筒部材１１（抵抗要素１０）は、第１面１１Ｂが放熱部６側に配置され、第２面１１Ｃが受熱部５側に配置されている。第２通路８に配置された抵抗要素１０は、放熱部６側から受熱部５側に向かう作動流体の流れよりも逆向きの作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生する。

第２通路８に設けられた複数の抵抗要素１０は、第２通路８の長さ方向に互いに間隔をおいて配置されている。第２通路８において隣り合う抵抗要素１０の間隔は、受熱部５に近いほど大きい。これにより、第２通路８において隣り合う抵抗要素１０間に形成される体積は、受熱部５に近いほど大きい。

筒部材１１の材質は、任意に選択してよいが、本体３と同じ材質であることが好ましい。本体３は、流路２を通過する分割面によって分割された複数の部材を組み合わせて形成されている。流路２に抵抗要素１０を組付けた後に、本体３を構成する各部材を組み合わせることによって、抵抗要素１０が配置された閉環状の流路２を本体３の内部に形成することができる。流路２への抵抗要素１０の固定は、溶接や凹凸による係合等の公知の手法を適用することができる。

以上のように構成されたヒートパイプ１は、本体３の往復動方向Ａに沿った一側が加熱されることによって受熱部５が作動流体の沸点以上の高温となり、他側が放熱する（冷却される）ことによって放熱部６が作動流体の沸点より低い低温となる。これにより、作動流体は、受熱部５において本体３から熱を吸収して蒸発し、放熱部６において本体３に熱を放出して凝縮する。作動流体が蒸発及び凝縮するときには潜熱分の熱量が必要となるため、作動流体は、受熱部５及び放熱部６において本体３と比較的大きな熱量の授受を行うことができる。

本体３は、往復動方向Ａに往復動しているため、作動流体には慣性力が働く。第１通路７及び第２通路８では作動流体の液相は慣性力によって往復動方向Ａに移動しようとする。このとき、第１通路７には受熱部５から放熱部６に向かう流れよりも逆の流れに対して大きな流路抵抗を発生するように抵抗要素１０が配置され、第２通路８には放熱部６から受熱部５に向かう流れよりも逆の流れに対して大きな流路抵抗を発生するように抵抗要素１０が配置されているため、放熱部６側に存在する主に液相の作動流体は慣性力によって主に第２通路８を通って放熱部６から受熱部５に流れる。受熱部５に存在する主に気相の作動流体は、第２通路８を通って受熱部５に流入する主に液相の作動流体に押されて第２通路８側に流れることができないため、圧力差を駆動力として第１通路７を通って受熱部５から放熱部６に流れる。これにより、作動流体が流路２を一方向に流れ、受熱部５において作動流体の液相が蒸発して本体３から熱を吸収し、放熱部６において作動流体の気相が凝縮して本体３に熱を放出する。以上のように、作動流体によって、本体３の往復動方向Ａにおける一側に加えられた熱が、本体３の往復動方向Ａにおける他側に輸送される。

第２通路８では受熱部５に近いほど各抵抗要素１０の間隔が大きく、抵抗要素１０間の体積が大きい。そのため、主に液相の作動流体は、第２通路８を受熱部５側に移動するほど流路抵抗が小さくなって円滑に流れ易くなる。

第１通路７では受熱部５に近いほど各抵抗要素１０の間隔が大きく、抵抗要素１０間の体積が大きい。そのため、第１通路７における抵抗要素１０間の空間は、受熱部５側ほど気相の圧力差が生じ易くなる。圧力が最も高くなる受熱部５に近い部分ほど、抵抗要素１０間の体積を大きくすることによって、主に気相の作動流体が第１通路７を通って放熱部６側に移動し易くなる。

（第２実施形態）
図３及び図４を参照してヒートパイプ１を内燃機関３０のピストン３１に適用した第２実施形態について説明する。図３に示すように、内燃機関３０は、シリンダ３２が形成されたシリンダブロック３３と、シリンダブロック３３に結合されたシリンダヘッド３４とを有する。シリンダヘッド３４のシリンダ３２の上端部に対応する部分には燃焼室凹部３６が形成されている。ピストン３１は、シリンダ３２の軸線Ｂに沿って往復動可能にシリンダ３２に受容されている。

ピストン３１は、円筒形の筒部４１と、筒部４１の一端を閉じる円板状の頭頂部４２とを有する。ピストン３１は、筒部４１の中心軸がシリンダ３２の軸線Ｂと同軸になり、頭頂部４２が筒部４１の燃焼室凹部３６側（上側）となるようにシリンダ３２に配置される。頭頂部４２は、シリンダ３２及び燃焼室凹部３６と協働して燃焼室４４を形成する。頭頂部４２の外周面は、筒部４１の外周面と連続し、シリンダ３２の内周面と対向している。頭頂部４２及び筒部４１は、例えばアルミニウム合金から形成されている。

燃焼室凹部３６には、吸気ポート４５及び排気ポート４６の一端が開口している。吸気ポート４５と燃焼室凹部３６との境界部には吸気ポート４５を開閉する吸気バルブ４７が設けられている。排気ポート４６と燃焼室凹部３６との境界部には排気ポート４６を開閉する排気バルブ４８が設けられている。吸気バルブ４７及び排気バルブ４８を総称して吸排気バルブという。

頭頂部４２の外周面には、上端側から順に第１〜第３溝５１、５２、５３が凹設されている。第１〜第３溝５１、５２、５３は、それぞれ周方向に延在し、環状をなす。第１及び第２溝５１、５２にはコンプレッションリング５４が装着され、第３溝５３にはオイルリング５５が装着されている。

筒部４１には、一対のピン孔５７が形成されている。各ピン孔５７は、筒部４１の中心軸と直交する直線に沿って形成され、筒部４１を貫通している。ピン孔５７には、ピストンピン（不図示）が挿入され、ピストンピンにはコンロンド（不図示）の小端部が回転可能に軸支される。

燃焼室凹部３６の中央部には、点火プラグ５９の発火部５９Ａが配置されている。燃料の燃焼は、点火プラグ５９の発火部５９Ａを起点として発生するため、ピストン３１の頭頂部４２は燃焼によって発生する熱を受けて加熱される。特に、発火部５９Ａに最も近い位置に配置された頭頂部４２の中央部が最も高温になる。

筒部４１の外周面であって、シリンダ３２の軸線Ｂに沿った方向において頭頂部４２と相反する下端部には、第４溝６１が凹設されている。第４溝６１は、周方向に延在し、環状をなす。第４溝６１には、摺接リング６２が装着されている。摺接リング６２は、公知のコンプレッションリング等と同様の形状を有し、一部に合口を有する略環状に形成されている。摺接リング６２は、熱伝導率が高く、かつ耐摩耗性が高い材料から形成されていることが好ましい。摺接リング６２は、横断面が略長方形に形成され、外周面、内周面、上端面、及び下端面を有する。摺接リング６２は、外周面においてシリンダ３２の内周面に摺接し、上端面又は下端面において第４溝６１の上壁及び下壁に接触する。これにより、筒部４１は、摺接リング６２を介してシリンダ３２と熱交換し、筒部４１の下端部の放熱（冷却）が促進される。このため、筒部４１の下端部は、ピストン３１内において比較的低温になる。なお、筒部４１の外周面もシリンダ３２の内周面に摺接するが、クランク角に応じて接触状態が変化する。一方、摺接リング６２は、筒部４１とシリンダ３２の内周面との接触状態が変化する場合にも、シリンダ３２の内周面との摺接を維持することができる。

図３及び図４に示すように、ピストン３１には、複数のヒートパイプ１が形成されている。各ヒートパイプ１は、第１実施形態に係るヒートパイプ１と同様の構成を有し、流路２の形状がピストン３１に適合するように変更されている。各ヒートパイプ１は、ピストン３１の中心軸を中心とした回転対称形に形成されている。ヒートパイプ１は、筒部４１及び頭頂部４２に形成された閉環状の流路２と、流路２に封入された作動流体とを有する。作動流体は、例えば、水、エタノール、アンモニア、アセトン等であってよい。

流路２は、頭頂部４２の中央部に設けられた受熱部５と、筒部４１の下端部に設けられた放熱部６と、受熱部５及び放熱部６を接続する第１通路７及び第２通路８を有する。第１通路７及び第２通路８は、頭頂部４２内を受熱部５からシリンダ３２の軸線Ｂを中心とした径方向外方に延びる径方向部分７Ａ、８Ａと、径方向部分７Ａ、８Ａの外端から筒部４１内をシリンダ３２の軸線Ｂと平行に延びて放熱部６に接続する軸方向部分７Ｂ、８Ｂとを有する。受熱部５及び放熱部６はヘアピン形に形成されている。特に、受熱部５は、第１通路７及び第２通路８の径方向部分７Ａ、８Ａのなす角度が鋭角になるように、ヘアピン形に形成されている。流路２は、受熱部５、第１通路７、放熱部６、第２通路８、受熱部５の順序で接続され、連続した循環路を形成する。本実施形態では、受熱部５、第１通路７、放熱部６、及び第２通路８の各横断面は略長方形に形成されている。なお、各横断面は任意の形状に変更してもよい。

放熱部６は、シリンダ３２の軸線Ｂを中心とした径方向において、第４溝６１と対向する部分に配置されている。すなわち、放熱部６は、ピストン３１の比較的低温となる部分に配置されている。

第１通路７の軸方向部分７Ｂ及び第２通路８の軸方向部分８Ｂには、第１実施形態と同様に方向性を有する抵抗要素１０が複数設けられている。抵抗要素１０は、第１通路７の軸方向部分７Ｂにおいて、受熱部５から放熱部６に向う流れよりも放熱部６から受熱部５に向う流れに対して大きな流路抵抗を発生するように配置されている。また、抵抗要素１０は、第２通路８の軸方向部分８Ｂにおいて、放熱部６から受熱部５に向う流れよりも受熱部５から放熱部６に向う流れに対して大きな流路抵抗を発生するように配置されている。

第１通路７の軸方向部分７Ｂに設けられた複数の抵抗要素１０は、第１通路７の長さ方向（シリンダ３２の軸線Ｂに沿った方向）に互いに間隔をおいて配置されている。第１通路７において隣り合う抵抗要素１０の間隔は、受熱部に近いほど大きい。これにより、第１通路７において隣り合う抵抗要素１０間に形成される体積は、受熱部５に近いほど大きい。

第２通路８の軸方向部分８Ｂに設けられた複数の抵抗要素１０は、第２通路８の長さ方向（シリンダ３２の軸線Ｂに沿った方向）に互いに間隔をおいて配置されている。第２通路８において隣り合う抵抗要素１０の間隔は、受熱部５に近いほど大きい。これにより、第２通路８において隣り合う抵抗要素１０間に形成される体積は、受熱部５に近いほど大きい。

ピストン３１を構成する筒部４１及び頭頂部４２は、流路２を通過する分割面によって分割された複数の部材を組み合わせて形成されている。例えば、ピストン３１は、筒部４１の内周側部分及び頭頂部４２の下面側部分を含む第１のピースと、筒部４１の外周側部分及び頭頂部４２の上面側部分を含む第２のピースとを有し、第２のピースの内側に第１のピースを嵌め込むことによって形成されてもよい。流路２は、第１のピースと第２のピースの接触面（境界面）に形成されるとよい。詳細には、第１のピースの筒部４１の内周側部分の外周面及び頭頂部４２の下面側部分の上面に流路２の一部を形成する第１の溝を凹設し、第２のピースの筒部４１の外周側部分の内周面及び頭頂部４２の上面側部分の下面に流路２の一部を形成する第２の溝を凹設し、第１の溝と第２の溝とを整合させて流路２を形成するとよい。抵抗要素１０は、第１のピース及び第２のピースを組み合わせる前に、第１の溝又は第２の溝に配置されることによって、ピストン３１が形成されたときに閉環状の流路２の内部に配置される。ここで説明した第１のピース及び第２のピースは例示であり、各ピースの個数や形状は、適宜変更することができる。

以上のように構成されたヒートパイプ１を備えたピストン３１は、燃料の燃焼により頭頂部４２が加熱されることによって受熱部５が作動流体の沸点以上の高温となり、筒部４１の下端部が放熱する（冷却される）ことによって放熱部６が作動流体の沸点より低い低温となる。これにより、作動流体は、受熱部５において頭頂部４２から熱を吸収して蒸発し、放熱部６において筒部４１に熱を放出して凝縮する。

ピストン３１は、シリンダ３２の軸線Ｂに沿った方向に往復動しているため、作動流体にはシリンダ３２の軸線Ｂに沿った方向の慣性力が働く。第１通路７の軸方向部分７Ｂ及び第２通路８の軸方向部分８Ｂでは作動流体の液相は慣性力によって軸線Ｂに沿った方向に移動しようとする。このとき、第１通路７の軸方向部分７Ｂには受熱部５から放熱部６に向かう流れよりも逆の流れに対して大きな流路抵抗を発生するように抵抗要素１０が配置され、第２通路８の軸方向部分８Ｂには放熱部６から受熱部５に向かう流れよりも逆の流れに対して大きな流路抵抗を発生するように抵抗要素１０が配置されているため、放熱部６側に存在する主に液相の作動流体は慣性力によって第２通路８を通って放熱部６から受熱部５に流れる。受熱部５に存在する主に気相の作動流体は、第２通路８を通って受熱部５に流入する主に液相の作動流体に押されて第２通路８側への流れが阻止され、圧力差を駆動力として第１通路７を通って受熱部５から放熱部６に流れる。このようにして、作動流体が流路２を一方向に流れ、受熱部５において作動流体の液相が蒸発して本体３から熱を吸収し、放熱部６において作動流体の気相が凝縮して本体３に熱を放出する。これにより、作動流体によって、ピストン３１の頭頂部４２の熱が、筒部４１の下端部に輸送される。

第２通路８の軸方向部分８Ｂでは受熱部５に近いほど各抵抗要素１０の間隔が大きいため、第１実施形態と同様に、作動流体の液相は第２通路８を放熱部６側から受熱部５側に円滑に移動するようになる。また、第１通路７の軸方向部分７Ｂでは受熱部５に近いほど各抵抗要素１０の間隔が大きいため、第１実施形態と同様に、作動流体の気相は第１通路７を放熱部６側から受熱部５側に円滑に移動するようになる。

第１通路７及び第２通路８に径方向部分７Ａ、８Ａを設けたため、受熱部５を頭頂部４２の最も高温になる部分に配置することができる。頭頂部４２において最も高温になる部分は、点火プラグ５９とシリンダ３２の軸線Ｂに沿った方向において対向する部分である。点火プラグ５９の発火部５９Ａは燃焼室凹部３６の中央部に配置された場合には、頭頂部４２の中央部が最も高温となる。第２通路８の径方向部分８Ａでは、主に液相の作動流体は軸方向部分８Ｂを通過したときの慣性力によって、そのまま受熱部５に流れる。第１通路７の径方向部分７Ａでは、作動流体の気相は圧力差によって放熱部６側に流れる。

ピストン３１は、筒部４１の外周面の下端部に、シリンダ３２の内周面と摺接する摺接リング６２を有するため、筒部４１とシリンダ３２の内壁との熱交換が促進され、筒部４１の放熱（冷却）が効率良く行われる。

第２実施形態に係るピストン３１では、第１通路７及び第２通路８の軸方向部分８Ｂに抵抗要素１０を設けた例を示したが、抵抗要素１０は第１通路７及び第２通路８の径方向部分７Ａ、８Ａや受熱部５、放熱部６に設けられてもよい。また、抵抗要素１０は第１実施形態において示したように様々な構成とすることができる。

また、頭頂部４２において最も高温となる部分が中央から偏倚している場合には、それに合わせて受熱部５の位置を変更してもよい。

受熱部５をヘアピン形にし、第１通路７及び第２通路８の径方向部分７Ａ、８Ａのなす角度が鋭角になるように流路２を形成したため、１つのヒートパイプが占める体積を小さくすることができ、ピストンに複数のヒートパイプを配置することが可能になる。

図５に第２実施形態の変形例を示す。この変形例では、第１通路７及び第２通路８の軸方向部分７Ｂ、８Ｂが中間部にクランク部７Ｃ、８Ｃを有し、クランク部７Ｃ、８Ｃよりも上側（頭頂部４２側）の部分である上側部分に対して、クランク部７Ｃ、８Ｃよりも下側の部分である下側部分がシリンダ３２の軸線Ｂを中心とした径方向外側に配置されている。また、第４溝６１は、放熱部６よりも筒部４１の下端側に形成され、放熱部６と第４溝６１に装着された摺接リング６２とはシリンダ３２の軸線Ｂ方向において対応して配置されている。以上のように構成した変形例では、放熱部６と筒部４１の外周面との距離を小さくすることができ、筒部４１の外周面とシリンダ３２の内周面との接触による熱交換によって放熱部６の放熱が促進される。

（第３実施形態）
図３及び図６を参照して本発明のヒートパイプ１を内燃機関３０の吸排気バルブ４７、４８に適用した第３実施形態について説明する。ヒートパイプ１が適用される吸排気バルブ４７、４８は、図３に示すように、内燃機関３０の吸気ポート４５を開閉する吸気バルブ４７、及び排気ポート４６を開閉する排気バルブ４８である。吸気バルブ４７及び排気バルブ４８は、ポペット型の弁であり、同様の構造を有する。以下、排気バルブ４８について説明し、吸気バルブ４７については排気バルブ４８の説明を援用する。

図６に示すように、排気バルブ４８は、軸部４８Ａと、軸部４８Ａの一端に設けられた傘部４８Ｂとを有する。傘部４８Ｂは、排気ポート４６と燃焼室４４の境界部を開閉する。排気バルブ４８は、軸部４８Ａの軸線Ｃに沿った方向に往復動可能にシリンダヘッド３４に支持されており、排気ポート４６と燃焼室４４の境界部に設けられた弁座（不図示）に傘部４８Ｂが着座する閉位置と、燃焼室４４側に移動して弁座から傘部４８Ｂが離れる開位置との間で往復動する。排気バルブ４８は、バルブスプリング（不図示）によって閉位置に付勢され、動弁機構（不図示）によって開位置側に押されたときに開位置に移動する。動弁機構は、クランク軸と同期しており、内燃機関３０が４ストローク内燃機関の場合クランク軸が２回転する間に排気バルブ４８を閉位置及び開位置の間で一往復させる。

排気バルブ４８に設けられるヒートパイプ１は、上記の第１実施形態に係るヒートパイプ１と同様である。ヒートパイプ１の受熱部５は傘部４８Ｂに配置され、放熱部６は軸部４８Ａに配置されている。第１通路７及び第２通路８は、軸部４８Ａ内を軸線Ｃの方向に沿って延びている。

第１通路７及び第１通路７には、第１実施形態と同様に方向性を有する抵抗要素１０が複数設けられている。抵抗要素１０は、第１通路７において、受熱部５から放熱部６に向う流れよりも放熱部６から受熱部５に向う流れに対して大きな流路抵抗を発生するように配置されている。また、抵抗要素１０は、第２通路８において、放熱部６から受熱部５に向う流れよりも受熱部５から放熱部６に向う流れに対して大きな流路抵抗を発生するように配置されている。

第１通路７に設けられた複数の抵抗要素１０は、第１通路７の長さ方向（軸部４８Ａの軸線Ｃに沿った方向）に互いに間隔をおいて配置されている。第１通路７において隣り合う抵抗要素１０の間隔は、受熱部５に近いほど大きい。

第２通路８に設けられた複数の抵抗要素１０は、第２通路８の長さ方向（軸部４８Ａの軸線Ｃに沿った方向）に互いに間隔をおいて配置されている。第２通路８において隣り合う抵抗要素１０の間隔は、受熱部５に近いほど大きい。

以上のように構成されたヒートパイプ１を備えた排気バルブ４８は、燃焼室４４側に配置された傘部４８Ｂが燃料の燃焼により加熱されることによって受熱部５が作動流体の沸点以上の高温となり、軸部４８Ａが放熱することによって放熱部６が作動流体の沸点より低い低温となる。これにより、作動流体は、受熱部５において傘部４８Ｂから熱を吸収して蒸発し、放熱部６において軸部４８Ａに熱を放出して凝縮する。

排気バルブ４８は、軸部４８Ａの軸線Ｃに沿った方向に往復動しているため、作動流体には軸部４８Ａの軸線Ｃに沿った方向の慣性力が働く。第１通路７及び第２通路８の抵抗要素１０は、第１通路７及び第２通路８を流れる作動流体の方向を規制し、第２通路８では主に液相である作動流体が放熱部６から受熱部５に流れ、第１通路７では主に気相である作動流体が受熱部５から放熱部６に流れる。このようにして、作動流体が流路２を一方向に流れ、受熱部５において作動流体の液相が蒸発して本体３から熱を吸収し、放熱部６において作動流体の気相が凝縮して本体３に熱を放出する。これにより、作動流体によって、排気バルブ４８の傘部４８Ｂの熱が、軸部４８Ａに輸送される。

第１及び第２実施形態に関する説明と同様に、第１通路７に設けられた複数の抵抗要素１０は、受熱部５に近いほど間隔が大きいため、作動流体の気相が受熱部５から放熱部６に円滑に流れるようになる。また、第２通路８に設けられた複数の抵抗要素１０は、受熱部５に近いほど間隔が大きいため、作動流体の液相が放熱部６から受熱部５に円滑に流れるようになる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記の実施形態で示した流路２の形状は例示であり、様々な形状を取ることができる。また、第２実施形態では、ピストン３１の筒部４１の形状を円筒形としたが、筒部４１の形状は様々な形状を適用することができる。例えば、筒部４１は、一対のスカート部と、各スカート部の側縁どうしを繋ぐ連結壁部とを有するとよい。スカート部は、その外面が円周面に形成され、シリンダ３２の内周面と摺接する。連結壁部は、シリンダ３２の内壁から離れて配置され、ピン孔５７が形成される。ヒートパイプ１の放熱部６、第１通路７及び第２通路８は、スカート部に配置されるとよい。このように、筒部４１がスカート部と連結壁部とを含むようにする場合、第４溝６１及び摺接リング６２は省略するとよい。

また、第３実施形態では、第１通路７及び第２通路８は軸線Ｃに沿って直線状に形成されているが、第１通路７及び第２通路８は軸線Ｃを中心とした２重らせん形状に形成されてもよい。

１ ：ヒートパイプ
２ ：流路
３ ：本体
５ ：受熱部
６ ：放熱部
７ ：第１通路
７Ａ ：径方向部分
７Ｂ ：軸方向部分
８ ：第２通路
８Ａ ：径方向部分
８Ｂ ：軸方向部分
８Ｃ ：クランク部
１０ ：抵抗要素
１０Ａ ：第１面
１０Ｂ ：第２面
１０Ｃ ：壁面
１１ ：筒部材
３０ ：内燃機関
３１ ：ピストン
３２ ：シリンダ
４１ ：円筒部
４２ ：頭頂部
４４ ：燃焼室
４７ ：吸気バルブ
４８ ：排気バルブ
４８Ａ ：軸部
４８Ｂ ：傘部
５９ ：点火プラグ
５９Ａ ：発火部
６１ ：第４溝
６２ ：摺接リング
Ａ〜Ｃ ：軸線

Claims (13)

1. ヒートパイプであって、
   所定の往復動方向に往復動され、前記往復動方向における一側が加熱され、他側が冷却される本体と、
   前記本体に形成された閉環状の流路と、
   前記流路に封入され、当該ヒートパイプの使用温度範囲に沸点を有する作動流体とを有し、
   前記流路は、前記往復動方向における一側に設けられた受熱部と、前記往復動方向における他側に設けられた放熱部と、前記往復動方向に延びる部分を含み、前記受熱部と前記放熱部とを接続する第１通路及び第２通路と、前記受熱部、前記放熱部、前記第１通路及び前記第２通路の少なくとも１つに設けられ、当該流路の長さ方向における一方から他方に向かう前記作動流体の流れよりも逆向きの前記作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生する抵抗要素とを有することを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記抵抗要素は、前記第２通路において前記放熱部側から前記受熱部側に向う前記作動流体の流れよりも逆向きの前記作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生するように、かつ前記第２通路の長さ方向に互いに間隔をおいて前記第２通路に複数配置され、前記第２通路における前記抵抗要素の間隔は、前記受熱部に近いほど大きいことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記抵抗要素は、前記第１通路において前記受熱部側から前記放熱部側に向う前記作動流体の流れよりも逆向きの前記作動流体の流れに対して大きな流路抵抗を発生するように、かつ前記第１通路の長さ方向に互いに間隔をおいて前記第１通路に複数配置され、前記第１通路における前記抵抗要素の間隔は、前記受熱部に近いほど大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 前記抵抗要素は、凸部又は凹部によって形成され、前記流路の長さ方向における一方から他方にかけて前記流路の断面積を小さくする第１面と、前記流路の長さ方向における他方から一方にかけて前記流路の断面積を小さくする第２面とを有し、
   前記第１面は、前記第２面よりも前記流路の長さ方向に対する角度が小さいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載のヒートパイプ。
5. 前記抵抗要素は、前記流路内に設けられる筒部材によって形成され、
   前記筒部材は両端が開口した内孔を有し、
   前記第１面は前記内孔の壁面に形成され、
   前記第２面は前記筒部材の端面に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のヒートパイプ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載のヒートパイプを備えたピストンであって、
   前記往復動方向に沿った中心軸を有する筒部と、前記筒部の一端に設けられた頭頂部とを有し、
   前記ヒートパイプの前記本体は、前記筒部及び前記頭頂部によって形成され、
   前記受熱部は前記頭頂部に配置され、
   前記放熱部は前記筒部に配置されていることを特徴とするピストン。
7. 前記受熱部は、当該ピストンが設けられる内燃機関の点火プラグの発火部との距離が最も近い位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のピストン。
8. 前記受熱部は、前記頭頂部の中央部に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のピストン。
9. 前記第１通路及び前記第２通路は、前記筒部において前記往復動方向と平行に延びる第１部分と、前記頭頂部において前記往復動方向と直交する方向に延びる第２部分とを有することを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１つの項に記載のピストン。
10. 前記受熱部は、前記第１通路及び前記第２通路のそれぞれの前記第２部分のなす角度が鋭角になるように、前記第１通路及び前記第２通路を接続することを特徴とする請求項９に記載のピストン。
11. 前記筒部の外周面における前記放熱部と対応する部分に凹設され、周方向に延在して環状をなすリング溝と、
    前記リング溝に装着され、当該ピストンが受容されるシリンダの内周面と摺接するリングとを更に有することを特徴とする請求項６〜請求項１０のいずれか１つの項に記載のピストン。
12. 請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載のヒートパイプを備えた吸排気バルブであって、
    前記往復動方向に沿って延びる軸部と、前記軸部の一端に設けられ、内燃機関の燃焼室と吸気ポート又は排気ポートとの境界部を開閉する傘部とを有し、
    前記ヒートパイプの前記本体は、前記軸部及び前記傘部によって形成され、
    前記受熱部は前記傘部に配置され、
    前記放熱部は前記軸部に配置されていることを特徴とする吸排気バルブ。
13. 前記第１通路及び前記第２通路は、前記往復動方向に延びる軸線を中心とした２重らせんをなすことを特徴とする請求項１２に記載の吸排気バルブ。

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