JP2020060327A - 熱輸送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強制振動流型ヒートパイプの加振仕事に必要な動力エネルギを低減することの可能な熱輸送装置を提供する。【解決手段】強制振動流型ヒートパイプ２は、熱源で発生した熱を吸熱する吸熱部１４と熱を放熱する放熱部１５との間を蛇行かつ隣接するように構成された閉ループ状の流路により構成されるヒートパイプ本体１０、および、そのヒートパイプ本体１０の流路内に封入された封入流体に振動流を生じさせる加振機構２０を有する。熱音響装置３は、音響エネルギを伝達する作業ガスが封入された音響伝達管３０、および、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を熱音響自励振動により音響伝達管３０内の作業ガスの音響に変換するエネルギ変換装置４０を有する。動力伝達部４は、音響伝達管３０内の作業ガスの音響エネルギを加振機構２０を駆動するためのエネルギに変換し、加振機構２０に伝達する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱源で発生した熱を放熱部に輸送する熱輸送装置に関するものである。

従来、熱源で発生した熱を放熱部に輸送する熱輸送装置として、種々のヒートパイプが知られている。ヒートパイプは、封入流体を流動させて大量の熱を輸送することができる装置であり、例えば、電子回路基板に搭載される半導体素子等の発熱体の冷却などに用いられる。

ヒートパイプの典型例として、ウィック型ヒートパイプが挙げられる。これは、封入流体の蒸発と凝縮とを利用し、放熱部で凝縮した封入流体の吸熱部（蒸発部）への還流を、ウィック（wick；灯心）等の毛管力の作用によって行うものである。ところが、ウィック型ヒートパイプは、以下に述べる欠点を有している。
（ａ）熱輸送量に上限界があり、その上限値がパイプ径の減少とともに急速に低下する。
（ｂ）ヒートパイプの内部構造が、封入流体を還流させるためにやや複雑で特殊になる。
（ｃ）熱輸送量が不凝縮性ガス濃度に影響され易い。
（ｄ）ウィック型ヒートパイプはいわゆる受動型デバイス（外部から動力供給を行わずに作動するデバイス）であり、トップヒート（top heat；吸熱部が重力方向の上部にある状態）や微小重力場では作動することが困難である。

ウィック型ヒートパイプは、前記（ａ）あるいは（ｂ）の欠点を有するため、細径化やフレキシブル化が困難である。そのため、前記（ａ）〜（ｄ）の欠点を解消した新たなヒートパイプが求められている。

このような状況下で、封入流体の振動流によって効果的に熱輸送を行うことができる振動流型ヒートパイプが注目されている。この振動流型ヒートパイプは、以下に述べる（Ｉ）、（ＩＩ）のタイプに大きく分けることができる。

（Ｉ）封入流体の相変化を利用するタイプ
このタイプは、蛇行閉ループに液体とその蒸気とをある割合で封入し、自励的に発生する二相振動流や脈動流を利用するものであり、自励振動流型ヒートパイプと呼ばれる。

（ＩＩ）封入流体の相変化を利用しないタイプ
このタイプは、強制振動流における拡散促進効果を利用するものであり、強制振動流型ヒートパイプと呼ばれる。強制振動流型ヒートパイプは、ウィック式や相変化式のヒートパイプに比べて、トップヒートへの対応性が高い。さらに、振動流の振幅や周波数を変えることで熱輸送量をコントロールできるので、発熱体の温度コントロールが可能であるという利点もある。さらには、パイプの細径化やフレキシブル化への対応も可能と考えられる。なお、強制振動流型ヒートパイプには、隣接する流路内の振動流を同位相とする同位相式と、隣接する流路内の振動流を逆位相とする逆位相式とがある。

特許文献１には、逆位相式の強制振動流型ヒートパイプが記載されている。この強制振動流型ヒートパイプは、加振仕事に対して１００倍近くの熱輸送も可能であり、銅の４０倍近くの熱輸送力がある。

特開２００２−３６４９９１号公報

しかしながら、強制振動流型ヒートパイプは、ウィック型ヒートパイプや自励振動型ヒートパイプと異なり、ヒートパイプ本体の流路内に封入された封入流体に振動流を生じさせる加振機構を必要とする。そのため、強制振動流型ヒートパイプは、熱源で発生した熱を放熱部に輸送する際に、加振機構を駆動するための動力エネルギが必要となる。

本発明は上記点に鑑みて、強制振動流型ヒートパイプの加振仕事に必要な動力エネルギを低減することの可能な熱輸送装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
熱源で発生した熱を放熱部（１５）に輸送する熱輸送装置において、
熱源で発生した熱を吸熱する吸熱部（１４）と熱を放熱する放熱部との間を蛇行かつ隣接するように構成された閉ループ状の流路により構成されるヒートパイプ本体（１０）、および、ヒートパイプ本体の流路内に封入された封入流体に振動流を生じさせる加振機構（２０）を有する強制振動流型ヒートパイプ（２）と、
音響エネルギを伝達する作業ガスが封入された音響伝達管（３０）、および、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を熱音響自励振動により音響伝達管内の作業ガスの音響に変換するエネルギ変換装置（４０）を有する熱音響装置（３）と、
音響伝達管内の作業ガスの音響エネルギを加振機構を駆動するためのエネルギに変換し、加振機構に伝達する動力伝達部（４）と、を備える。

これによれば、強制振動流型ヒートパイプが有する加振機構は、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱により駆動する。熱源で発生した熱の一部とは、ヒートパイプ本体の吸熱部に配置される熱源で発生する熱の一部である。別の熱源として、例えば、燃料電池システムの排熱、車両走行用エンジンの排熱、電子機器の排熱、または、太陽光などを利用することが可能である。そのため、熱輸送装置は、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を用いる以外に電力などの動力エネルギを用いることなく、加振機構を駆動し、熱源で発生した熱を強制振動流型ヒートパイプにより放熱部に輸送することが可能である。したがって、この熱輸送装置は、強制振動流型ヒートパイプの加振仕事に必要な動力エネルギを低減することができる。

また、強制振動流型ヒートパイプと熱音響装置はいずれも、重力に対する取付姿勢の制約がなく、さらに、ヒートパイプ本体と音響伝達管のフレキシブル化も可能である。そのため、この熱輸送装置は、車両、人工衛星または建造物など、種々の構造物に対して重力に対する取付姿勢の制約を受けることなく容易に搭載することができる。

さらに、この熱輸送装置は、熱音響装置が有するエネルギ変換装置への入熱量などを調整することで、強制振動流型ヒートパイプによる熱源から放熱部への熱輸送量を制御することが可能である。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る熱輸送装置の概略構成図である。 第２実施形態に係る熱輸送装置の概略構成図である。 第２実施形態に係る熱輸送装置の動力伝達部の拡大図である。 双方向タービンの説明図である。 第３実施形態に係る熱輸送装置の概略構成図である。 第４実施形態に係る熱輸送装置の概略構成図である。 第５実施形態に係る熱輸送装置の概略構成図である。 第６実施形態に係る熱輸送装置の概略構成図である。 第７実施形態に係る熱輸送装置の概略構成図である。 第８実施形態に係る熱輸送装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１を参照しつつ説明する。本実施形態の熱輸送装置１は、熱源で発生した熱を放熱部に輸送する装置である。なお、以下の説明では、図１の上側、下側、左側、右側といった用語を使用して説明するが、これは説明の便宜上用いるものにすぎず、熱輸送装置１の搭載方向を限定するものではない。

図１に示すように、熱輸送装置１は、強制振動流型ヒートパイプ２、熱音響装置３および動力伝達部４などを備えている。

強制振動流型ヒートパイプ２は、ヒートパイプ本体１０、および、加振機構２０を有している。ヒートパイプ本体１０は、蛇行かつ隣接するように構成された閉ループ状の流路により構成されている。具体的には、ヒートパイプ本体１０は、図１の上側から下側に延びる複数の壁部１１と、図１の下側から上側に延びる複数の壁部１２とを交互に有することで、蛇行かつ隣接する流路を構成している。そして、図１の最も左側の流路と最も右側の流路とが上側の連結流路１３を通じて連通することで、閉ループ状の流路となっている。ヒートパイプ本体１０の流路内には、封入流体が封入されている。この封入流体には、例えば、ナトリウムカリウム合金、水、エタノールなど、様々な流体を用いることができる。

加振機構２０は、ヒートパイプ本体１０の流路内に設けられており、ヒートパイプ本体１０内に封入された封入流体に振動流を生じさせることが可能である。本実施形態では、加振機構２０は、連結流路１３に設けられている。加振機構２０には、ソレノイドやダイヤフラム等のバイブレータを用いることができる。上述したようにヒートパイプ本体１０は蛇行かつ隣接する流路を構成しているので、互いに隣接する流路内に封入された封入流体の振動流同士は逆位相となる。

強制振動流型ヒートパイプ２は、ヒートパイプ本体１０の長手方向の一方に熱源で発生した熱を吸熱する吸熱部１４が配置され、長手方向の他方に熱を放熱する放熱部１５が配置される。吸熱部１４には、熱源として、例えば車両に搭載されるインバータまたは電池などを設置することが可能である。一方、放熱部１５には、例えば、熱を大気に放熱するための放熱フィンなどが設けられる。或いは、放熱部１５には、例えば、冷却水などの熱媒体が循環する熱交換器を配置してもよい。

次に、熱音響装置３は、音響伝達管３０、および、エネルギ変換装置４０を有している。
音響伝達管３０は、ループ状に形成されたループ管３１と、直線状に形成された枝管３２とを有するいわゆる枝付きループ型である。ループ管３１の一部に、枝管３２の一方の端部が連通している。音響伝達管３０の内側には、音響エネルギを伝達可能な作業ガスが封入されている。作業ガスには、例えば、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが用いられる。作業ガスは、例えば０．１〜３．０ＭＰａ程度の圧力で充填される。なお、作業ガスとして、後述する第４実施形態で説明するように、音響伝達管３０内で気液相変化を生じる凝縮性流体を単独または混合して用いてもよい。

エネルギ変換装置４０は、音響伝達管３０のうちループ管３１に設けられている。エネルギ変換装置４０は、蓄熱器４１、高温熱交換器４２、および、低温熱交換器４３を有している。
蓄熱器４１は、音響伝達管３０内に微小間隔で微細な作業ガスの通路を形成する。蓄熱器４１はスタックとも呼ばれる。蓄熱器４１は、例えば、金属メッシュを複数枚積層した構造体により構成してもよく、或いは、多数の細孔が形成されたセラミックスまたは焼結金属からなるハニカム構造体により構成してもよい。

高温熱交換器４２は、蓄熱器４１の一方側に設けられ、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を用いて音響伝達管３０内のうち蓄熱器４１の一方側の作業ガスを加熱する。熱源で発生した熱の一部とは、例えば、強制振動流型ヒートパイプ２の吸熱部１４に配置されるインバータまたは電池などから生じた熱の一部である。別の熱源で発生した熱として、例えば、燃料電池システムの排熱、車両走行用エンジンの排熱、電子機器の排熱、または、太陽光などを利用することが可能である。

低温熱交換器４３は、蓄熱器４１の他方側に設けられ、音響伝達管３０内のうち蓄熱器４１の他方側の作業ガスを冷却する。低温熱交換器４３は、例えば、冷却水などの熱媒体が循環するチューブにより構成してもよい。或いは、低温熱交換器４３は、例えば、音響伝達管３０内の作業ガスの熱を大気に放熱するための放熱フィンにより構成してもよい。

高温熱交換器４２と低温熱交換器４３により、蓄熱器４１の通路壁にはループ管３１の配管軸方向に温度勾配が生じる。蓄熱器４１の微細通路内の作業ガスがその温度勾配に沿って移動すると、熱音響効果によって作業ガスに自励的な圧力変動が発生する。それにより、蓄熱器４１は、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる。これにより、エネルギ変換装置４０は、配管軸方向の温度勾配をつけることで、熱を、熱音響自励振動により音響伝達管３０内の音響に変換する。音響伝達管３０には、作業ガスの１／４波長の共鳴が起こる。

音響伝達管３０の有する枝管３２のうちループ管３１とは反対側の端部に動力伝達部４が設けられている。動力伝達部４は、音響伝達管３０内の作業ガスの音響エネルギを所定のエネルギに変換し、その所定のエネルギを強制振動流型ヒートパイプ２が有する加振機構２０に伝達する機能を有している。第１実施形態の動力伝達部４は、音響伝達管３０内の作業ガスの音響エネルギを振動エネルギに変換し、その振動エネルギを磁力により加振機構２０に伝達するものである。

具体的には、動力伝達部４は、第１磁石５０と、弾性部材としてのばね５１を有している。第１磁石５０は、音響伝達管３０内の作業ガスの振動に応じて振動するように設置されている。ばね５１は、その一端が音響伝達管３０の内壁に固定され、他端が第１磁石５０に固定されており、第１磁石５０を音響伝達管３０内に振動可能に設置している。なお、弾性部材としては、ばね５１に代えて、ゴムを使用してもよい。

強制振動流型ヒートパイプ２が有する加振機構２０は、動力伝達部４の有する第１磁石５０の磁界内に設けられた図示しない第２磁石または磁性体を有している。加振機構２０の有する第２磁石または磁性体は、第１磁石５０の磁界の範囲内に設けられている。そして、その第２磁石または磁性体は、第１磁石５０の振動に応じて振動するように構成されている。これにより、熱音響装置３では、エネルギ変換装置４０により熱エネルギが音響エネルギに変換され、その音響エネルギが動力伝達部４により第１磁石５０の振動エネルギに変換される。そして、その第１磁石５０の振動エネルギは、磁力により強制振動流型ヒートパイプ２が有する加振機構２０に伝達される。すなわち、加振機構２０は、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱により駆動すると言える。そのため、この熱輸送装置１は、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を用いる以外に電力などの動力エネルギを用いることなく強制振動流型ヒートパイプ２の加振機構２０を駆動し、熱源で発生した熱を放熱部１５に輸送することが可能である。したがって、この熱輸送装置１は、強制振動流型ヒートパイプ２の加振仕事に必要な動力エネルギを低減することができる。

以上説明したように、第１実施形態の熱輸送装置１が備える強制振動流型ヒートパイプ２は、ウィック型ヒートパイプのように受動的に作動せず、振動流を作るための加振機構２０が必要である。その加振仕事は、吸熱部１４と放熱部１５の温度勾配を１０Ｋ／ｍとすると、熱輸送量に対して１／１００になるので（特開２００２−３６４９９１参照）、電子機器の冷却などを想定すると１００Ｗ程度の冷却能力を得るために約１Ｗの仕事が必要となる。その加振仕事をつくる装置として本実施形態では熱音響装置３を用いている。熱音響装置３は加振部を持たないので耐久性が高く、外部動力不要で熱源があれば良い。

電子機器を想定すると、例えばＣＰＵ（〜９０℃）、インバータ（〜６０℃）というように、発熱温度や熱量が異なる複数の熱源があることが多い。その場合、熱音響装置３を高温となるＣＰＵによって駆動し、強制振動流型ヒートパイプ２を加振する。そのヒートパイプ２でインバータの熱を輸送することでＣＰＵとインバータをどちらも冷却できる。このように、本実施形態では、それぞれの熱源に対して効率的な冷却方法を設計でき、一つの装置で複数熱源を冷却できるので冷却装置すなわち熱輸送装置１自体を小型化できる。

また、本実施形態では、熱音響装置３と強制振動流型ヒートパイプ２とを磁力で接続することで、加振機構２０などにピストン等を用いたりするよりも簡素にヒートパイプ２を構成できる。ピストンの場合、流路からシールなどを入れて外部にピストンの軸を取り出す必要があるのでかなり構成は複雑になる。これに対し、本実施形態では、熱音響装置３と強制振動流型ヒートパイプ２とを簡素な構成で接続できる。

ちなみに、本実施形態の熱音響装置３では、熱と音響の変換効率は、理論比の１０％である（社内実測値）。蓄熱器４１の高温側が１５０℃、低温側２０℃の場合、熱と音響の変換効率の理論比は３０％であるので、実際の変換効率は３％となる。
一方、強制振動流型ヒートパイプ２は、吸熱部１４側と放熱部１５側との温度勾配１Ｋ／ｍのとき、冷却能力に対して加振仕事は１／８．９である。すなわち、強制振動流型ヒートパイプ２は、温度勾配１０Ｋ／ｍで冷却能力が２００Ｗとすると加振仕事は２．２Ｗ必要となる。その２．２Ｗの加振仕事を作るためには、熱音響装置３側で７３Ｗの入熱（冷却能力）エネルギが必要となる。

本実施形態の熱輸送装置１の適用事例として、例えば、パソコン冷却、または、電池冷却などが考えられる。特に電池冷却に関しては、仮にサーモサイフォンを使用する場合、駆動力が重力のため放熱器の位置を高く設置する必要がある。これに対し、本実施形態の熱輸送装置１ではそのような制限が無く設置自由度が高い。太陽光の熱で熱音響装置３を駆動すれば電池冷却が可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して動力伝達部４と加振機構２０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図２に示すように、第２実施形態では、動力伝達部４は、音響伝達管３０内の作動ガスの振動を電力エネルギに変換するように構成されている。動力伝達部４により生成された電力エネルギは、配線５２を通じて加振機構２０に伝達される。加振機構２０は、電力により駆動する図示しないリニアソレノイドを有している。そして、加振機構２０は、そのリニアソレノイドの駆動によりヒートパイプ本体１０内の封入流体に振動流を生じさせる。

図３に示すように、動力伝達部４は、双方向タービン５３、および、発電機５４を有している。双方向タービン５３は、音響伝達管３０内の作動ガスの振動によって回転するように構成されている。

図４は、双方向タービン５３の一例を説明するための説明図である。双方向タービン５３は、音響伝達管３０の内壁に設けられた案内羽根５３１と、音響伝達管３０内で軸周りに回転可能に設けられた動翼５３２を有している。音響伝達管３０内の作動ガスが矢印Ａの方向に移動すると、双方向タービン５３の動翼５３２は矢印Ｂの方向に回転する。音響伝達管３０内の作動ガスが矢印Ｃの方向に移動しても、双方向タービン５３の動翼５３２は矢印Ｂの方向に回転する。すなわち、双方向タービン５３は、音響伝達管３０内の作動ガスの振動流を動翼５３２の一方向回転力に変換する。双方向タービン５３の動翼５３２には、発電機５４のシャフト５４１が固定されている。

図３に示すように、発電機５４は、シャフト５４１、ロータ５４２およびステータ５４３を有している。双方向タービン５３の動翼５３２と共にシャフト５４１が回転すると、シャフト５４１と共にロータ５４２が回転し、電力が生じる。発電機５４により生成された電力が配線５２を通じて加振機構２０に伝達されると、加振機構２０が有するリニアソレノイドが駆動し、ヒートパイプ本体１０内の封入流体に振動流が生じる。

第２実施形態では、音響伝達管３０内の作動ガスの振動エネルギを一旦電気エネルギに変えることで、加振周波数などの調整がしやすくなるなどの利点がある。また、第２実施形態では、動力伝達部４と加振機構２０とを配線５２で接続することで、熱音響装置３と強制振動流型ヒートパイプ２とを離れた場所に配置することができる。

なお、第２実施形態の動力伝達部４の変形例として、音響伝達管３０内の作動ガスの振動エネルギをそのまま電気エネルギに変換できるリニア発電機を用いてもよい。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。第３実施形態は、第１実施形態等に対して熱音響装置３の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態等と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、第３実施形態では、熱音響装置３の音響伝達管３０は、ループ管により構成されたいわゆるシングルループ型である。音響伝達管３０には、エネルギ変換装置４０と動力伝達部４とが配置されている。エネルギ変換装置４０が有する蓄熱器４１からループ管の一方向回りにて動力伝達部４の第１磁石５０までの距離と、エネルギ変換装置４０が有する蓄熱器４１からループ管を逆方向回りにて動力伝達部４の第１磁石５０までの距離とは、同じ長さにされている。音響伝達管３０には、作業ガスの１波長の共鳴が起こる。

（第４実施形態）
第４実施形態について、図６を参照して説明する。第４実施形態は、第１実施形態等に対して音響伝達管３０に封入される作業ガス等を変更したものであり、その他については第１実施形態等と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

第４実施形態では、音響伝達管３０内に封入される作動ガスは、音響伝達管３０内で気液相変化を生じる凝縮性流体を含んでいる。具体的には、音響伝達管３０内に凝縮性の媒体（作動温度域で沸騰凝縮する媒体）を混入させそこに凝縮性流体（例えば水）を入れ、蓄熱器４１にて保持させることで入熱部の温度が低温度（高温側が水の沸騰温度（大気圧であれば１００℃））で熱音響現象が生じる。熱音響装置３は、通常は２００〜３００℃で駆動するので、それにより低い温度の熱源を利用することができるとともに、潜熱を利用することができるので凝縮性流体を封入しない場合よりも体格あたり出力を大きくできる。

蓄熱器４１の高温側で沸騰した水は水蒸気となり拡散する。水蒸気となった水がすべて蓄熱器４１の低温側で凝縮することができれば、熱音響装置３のどこかに低温部を設けて水を回収し、蓄熱器４１に戻すような機能を別途設ける必要はなく簡素な構成となる。しかし実際は、水蒸気が蓄熱器４１だけでなく配管側にも拡散してしまうため、配管途中でも水蒸気が凝縮してしまう。そこで、図６に示すように、凝縮水と蓄熱器４１とを接続する経路３３を設けることで、その水を回収して再び蓄熱器４１に戻すような構成にすれば継続的に蓄熱器４１の入熱側温度を低く駆動できる。なお、第４実施形態の変形例として、凝縮水が溜まる場所に加熱装置を設け、凝縮水を蒸発させるように構成してもよい。

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。第５実施形態は、熱輸送装置１の構成の一部を変更したものであり、その他については第１実施形態等と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、第５実施形態の熱輸送装置１は、第１実施形態等で説明した熱音響装置３に代えて、水スターリングエンジン６を備えている。熱音響装置３では封入ガスが仮想的にピストンとして駆動しているのに対して、水等の液柱が上下振動するものを水スターリングエンジン６と呼ぶ。第５実施形態の水スターリングエンジン６も、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を管内の液体の振動に変換することが可能である。

水スターリングエンジン６の配管部は、ディスプレーサ６１、共鳴振動管６２およびパワーピストン６３により構成されている。ディスプレーサ６１は、ループ状に形成されている。共鳴振動管６２は、一方の端部がディスプレーサ６１に連通し、他方の端部がパワーピストン６３に連通している。パワーピストン６３は、重力方向に沿うように延びている。水スターリングエンジン６の配管部には、水などの液体が入れられている。

その配管部を構成するディスプレーサ６１の中で水に浸かっていない箇所に再生機７１、加熱部７２、冷却部７３が配置されている。再生機７１、加熱部７２、冷却部７３はそれぞれ、第１実施形態で説明した蓄熱器４１、高温熱交換器４２、低温熱交換器４３と実質的に同一の構成とすることが可能である。水スターリングエンジン６は、ディスプレーサ６１内の気体部分の膨張収縮により、共鳴振動管６２の長さで決まる周波数でパワーピストン６３の液柱が振動する。

パワーピストン６３の端部には、動力伝達部４が設けられている。動力伝達部４は、水スターリングエンジン６の管内の液体の振動エネルギを磁力などにより加振機構２０に伝達するように構成されている。

第５実施形態の熱輸送装置１が備える水スターリングエンジン６は、第４実施形態で説明した相変化利用型の熱音響装置３と同様に、小さい温度差で作動できる。さらに、水スターリングエンジン６を用いると加振する媒体が水等の液体になる。水等の液体はガスよりも質量が大きいので加振仕事を大きくとることができる。加振仕事を大きくできるので、熱輸送能力を大きくすることができる。ただし、水スターリングエンジン６は横置きでは作動しないなど、姿勢の制限がある。

（第６〜第８実施形態）
第６〜第８実施形態について説明する。第６〜第８実施形態は、第１実施形態等に対して熱音響装置３の構成をパルス管エンジン７に変更したものであり、その他については第１実施形態等と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、熱音響装置３のうち、音響伝達管３０が直管で構成されたものをパルス管エンジン７と呼ぶ。パルス管エンジン７は、配管の長さと波長に応じた共鳴周波数で作動するループ型の熱音響装置３と異なり、オリフィス８と下流のバネマスで決まるインピーダンスで決まる周波数で共振する。共振周波数は全長によらないので、配管長が短くても低周波数で共振することができる。

（第６実施形態）
図８に示すように、第６実施形態のパルス管エンジン７は、配管の一部に設けられたエネルギ変換装置４０を有している。エネルギ変換装置４０は、蓄熱器４１、高温熱交換器４２、低温熱交換器４３により構成されている。これらは、第１実施形態で説明したものと実質的に同一の構成である。高温熱交換器４２と低温熱交換器４３により、蓄熱器４１の通路壁に配管軸方向に温度勾配が生じると、熱音響効果によって作業ガスに自励的な圧力変動が発生する。これにより、配管内の作業ガスに熱音響自励振動による音波が発生する。

また、パルス管エンジン７は、エネルギ変換装置４０から離れた位置に設けられたオリフィス８を有している。そして、そのオリフィス８に対しエネルギ変換装置４０とは反対側に動力伝達部４が設けられている。動力伝達部４は、第１磁石５０と、弾性部材としてのばね５１を有している。これらは、第１実施形態で説明したものと実質的に同一の構成である。動力伝達部４は、音響伝達管３０内の作業ガスの音響エネルギを振動エネルギに変換し、その振動エネルギを磁力により加振機構２０に伝達する。そのため、強制振動流型ヒートパイプ２は、熱源で発生した熱を放熱部１５に輸送することが可能である。

（第７実施形態）
図９に示すように、第７実施形態のパルス管エンジン７が有するエネルギ変換装置４０は、高温熱交換器４２とバッファタンク４４により構成されている。高温熱交換器４２によって配管内の空気が加熱されると、バッファタンク４４内の作業ガスが共鳴し、配管内の作業ガスに熱音響自励振動による音波が発生する。

（第８実施形態）
図１０に示すように、第８実施形態のパルス管エンジン７が有するエネルギ変換装置４０は、複数の高温熱交換器４２１、４２２、４２３により構成されている。複数の高温熱交換器４２１、４２２、４２３は、それぞれ異なった温度に設定される。複数の高温熱交換器４２１、４２２、４２３によって配管内の空気がそれぞれ異なる温度に加熱されると、配管内の作業ガスに熱音響自励振動による音波が発生する。

以上説明した第６〜第８実施形態では、熱音響装置３としてパルス管エンジン７を用いることで、配管長を短くすることができる。したがって、熱輸送装置１全体を小型化することができる。

なお、第６〜第８実施形態のパルス管エンジン７は、空気利用を想定して開放管になっているが、パルス管エンジン７は、閉じられた配管を使用するものであってもよい。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、熱源で発生した熱を放熱部に輸送する熱輸送装置は、強制振動流型ヒートパイプ、熱音響装置、および動力伝達部を備える。強制振動流型ヒートパイプは、熱源で発生した熱を吸熱する吸熱部と熱を放熱する放熱部との間を蛇行かつ隣接するように構成された閉ループ状の流路により構成されるヒートパイプ本体、および、そのヒートパイプ本体の流路内に封入された封入流体に振動流を生じさせる加振機構を有する。熱音響装置は、音響エネルギを伝達する作業ガスが封入された音響伝達管、および、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を熱音響自励振動により音響伝達管内の作業ガスの音響に変換するエネルギ変換装置を有する。動力伝達部は、音響伝達管内の作業ガスの音響エネルギを加振機構を駆動するためのエネルギに変換し、加振機構に伝達する。

第２の観点によれば、動力伝達部は、エネルギ変換装置で生成された音響エネルギを物体の振動エネルギに変換し、その振動エネルギを磁力により加振機構に伝達するように構成されている。
これによれば、動力伝達部から加振機構への振動エネルギの伝達に磁力を用いることで、動力伝達部と加振機構との接続箇所の構成を簡素なものにすることができる。

第３の観点によれば、動力伝達部は、音響伝達管内の作業ガスの振動によって振動する第１磁石、および、その第１磁石を音響伝達管内に振動可能に設置する弾性部材を有する。加振機構は、第１磁石の磁界内に設けられ、第１磁石の振動に応じて振動するように構成された第２磁石または磁性体を有する。
これによれば、音響伝達管内の作業ガスの振動によって第１磁石が振動すると、その第１磁石の振動に応じて加振機構が有する第２磁石または磁性体が振動する。したがって、この構成により、動力伝達部と加振機構との間の振動エネルギの伝達に磁力を用いることができる。

第４の観点によれば、動力伝達部は、音響伝達管内の作業ガスの振動によって回転するように構成された双方向タービン、および、その双方向タービンの回転により電力を発生する発電機を有する。加振機構は、発電機で発生した電力が供給されて駆動するように構成されたリニアソレノイドを有する。
これによれば、動力伝達部から加振機構へのエネルギの伝達に電力を用いることで、加振周波数などの調整がしやすくなる。また、動力伝達部と加振機構とを配線で接続することで、動力伝達部と加振機構とを離れた場所に配置することができる。

第５の観点によれば、エネルギ変換装置は、音響伝達管内に微小間隔で微細な作業ガスの通路を形成する蓄熱器、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を用いて蓄熱器の一方側の作業ガスを加熱する高温熱交換器、および、蓄熱器の他方側の作業ガスを冷却する低温熱交換器を有し、蓄熱器の一方側と他方側に温度勾配をつけることで熱音響自励振動により熱を音響伝達管内の作業ガスの音響に変換するものである。
これによれば、エネルギ変換装置は、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を熱音響自励振動により音響伝達管内の作業ガスの音響に変換することが可能である。そのため、熱輸送装置は、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を用いる以外に電力などの動力エネルギを用いることなく、加振機構を駆動し、強制振動流型ヒートパイプにより熱源で発生した熱を放熱部に輸送することができる。

第６の観点によれば、強制振動流型ヒートパイプが有するヒートパイプ本体は、互いに隣接する流路内に封入された封入流体の振動流同士が逆位相となるように構成されたものである。
これによれば、強制振動流型ヒートパイプは、互いに隣接する流路内に封入された封入流体同士の振動流が同位相となるように構成されたものに対し、加振機構による加振仕事に対する熱輸送量を大きいものとすることが可能である。

第７の観点によれば、熱音響装置が有する音響伝達管内に封入される作業ガスは、音響伝達管内で気液相変化を生じる凝縮性流体を含んでいる。
これによれば、音響伝達管内に配置されたエネルギ変換装置の蓄熱器で凝縮性流体が沸騰するように高温熱交換器の温度を調整することで、凝縮性流体が沸騰する程度の比較的低温で熱音響装置を駆動することが可能である。また、熱音響装置の体格に対して作業ガスの音響エネルギを大きくすることが可能である。そのため、熱音響装置の体格を小型化し、搭載性を向上することができる。

第８の観点によれば、熱輸送装置は、熱音響装置に代えて、熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を管内の液体の振動に変換する水スターリングエンジンを備える。動力伝達部は、水スターリングエンジンの管内の液体の振動エネルギを加振機構に伝達する。
これによれば、熱音響装置は、水スターリングエンジンを用いることで、液体の振動による大きな加振振幅を得ることが可能である。振幅の２乗で熱輸送能力が増やせる。したがって、小型装置を考えた時に、低周波数で強制振動流型ヒートパイプの出力がでやすい条件（例えばウオマスリー数が０．４〜７程度）で運転できるので熱輸送能力を大きくすることができる。

第９の観点によれば、熱音響装置は、音響伝達管が直管で構成されたパルス管エンジンである。
これによれば、パルス管エンジンは、音響伝達管が直管で構成されているので、装置全体を小型化することができる。

１ 熱輸送装置
２ 強制振動流型ヒートパイプ
３ 熱音響装置
４ 動力伝達部
１０ ヒートパイプ本体
１４ 吸熱部
１５ 放熱部
２０ 加振機構
３０ 音響伝達管
４０ エネルギ変換装置

Claims (9)

1. 熱源で発生した熱を放熱部（１５）に輸送する熱輸送装置において、
   前記熱源で発生した熱を吸熱する吸熱部（１４）と熱を放熱する前記放熱部との間を蛇行かつ隣接するように構成された閉ループ状の流路により構成されるヒートパイプ本体（１０）、および、前記ヒートパイプ本体の流路内に封入された封入流体に振動流を生じさせる加振機構（２０）を有する強制振動流型ヒートパイプ（２）と、
   音響エネルギを伝達する作業ガスが封入された音響伝達管（３０）、および、前記熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を熱音響自励振動により前記音響伝達管内の作業ガスの音響に変換するエネルギ変換装置（４０）を有する熱音響装置（３）と、
   前記音響伝達管内の作業ガスの音響エネルギを前記加振機構を駆動するためのエネルギに変換し、前記加振機構に伝達する動力伝達部（４）と、を備える熱輸送装置。
2. 前記動力伝達部は、前記エネルギ変換装置で生成された音響エネルギを物体の振動エネルギに変換し、その振動エネルギを磁力により前記加振機構に伝達するように構成されている、請求項１に記載の熱輸送装置。
3. 前記動力伝達部は、前記音響伝達管内の作業ガスの振動によって振動する第１磁石（５０）、および、前記第１磁石を前記音響伝達管内に振動可能に設置する弾性部材（５１）を有し、
   前記加振機構は、前記第１磁石の磁界内に設けられ、前記第１磁石の振動に応じて振動するように構成された第２磁石または磁性体を有する、請求項１または２に記載の熱輸送装置。
4. 前記動力伝達部は、前記音響伝達管内の作業ガスの振動によって回転するように構成された双方向タービン（５３）、および、前記双方向タービンの回転により電力を発生する発電機（５４）を有し、
   前記加振機構は、前記発電機で発生した電力が供給されて駆動するように構成されたリニアソレノイドを有する、請求項１に記載の熱輸送装置。
5. 前記エネルギ変換装置は、前記音響伝達管内に微小間隔で微細な作業ガスの通路を形成する蓄熱器（４１）、前記熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を用いて前記蓄熱器の一方側の作業ガスを加熱する高温熱交換器（４２）、および、前記蓄熱器の他方側の作業ガスを冷却する低温熱交換器（４３）を有し、前記蓄熱器の一方側と他方側に温度勾配をつけることで熱音響自励振動により熱を前記音響伝達管内の作業ガスの音響に変換するものである、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱輸送装置。
6. 前記強制振動流型ヒートパイプが有する前記ヒートパイプ本体は、互いに隣接する流路内に封入された封入流体の振動流同士が逆位相となるように構成されたものである、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱輸送装置。
7. 前記音響伝達管内に封入される作業ガスは、前記音響伝達管内で気液相変化を生じる凝縮性流体を含んでいる、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱輸送装置。
8. 前記熱輸送装置は、前記熱音響装置に代えて、前記熱源で発生した熱の一部または別の熱源で発生した熱を管内の液体の振動に変換する水スターリングエンジン（６）を備え、
   前記動力伝達部は、前記水スターリングエンジンの前記管内の液体の振動エネルギを前記加振機構に伝達する、請求項１に記載の熱輸送装置。
9. 前記熱音響装置は、前記音響伝達管が直管で構成されたパルス管エンジン（７）である、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱輸送装置。
   

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