JP4275933B2 - 細管ヒートパイプ及び温度調整装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器、エンジン等の内燃機関、真空ポンプの駆動系等の発熱体から生じる熱を放散するヒートパイプ、及び、このヒートパイプを使用した温度調整装置に関する。特には、受熱部と放熱部が離れており、両部の途中に十分なスペースが存在しない場合にも適用できる細管ヒートパイプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器や内燃機関、真空ポンプ等の発熱体の冷却には、従来より放熱器が使用されている。放熱器の中で、ヒートパイプ式のものは熱輸送性能が高いことで知られている。一般的なヒートパイプ式放熱器は、発熱体が取り付けられるベース板と、このベース板に一部（受熱部）が取り付けられているヒートパイプとから主に構成されている。ヒートパイプとは、中空体内部の密閉空間を真空に引いた後に、水やブタン、アルコール等の作動流体を封入したものである。発熱体からベース板に伝えられた熱は、ベース板に接するヒートパイプの受熱部に伝えられ、同部の細管内の作動流体を蒸発させる。発生した蒸気は、ヒートパイプのベース板が取り付けられていない部分（放熱部）に移動し、同部において蒸気が放熱して液体に戻る。この密閉空間内の作動流体の相の変化や移動により、発熱体の熱を放熱する。放熱部にはフィンが設けられる場合もあり、熱を有効に拡散させる。
【０００３】
このようなヒートパイプの種類の一つである、ヒートパイプが受熱部と放熱部間を蛇行するように配置された蛇行細管ヒートパイプは、熱の輸送能力が高く特に有効である。蛇行細管ヒートパイプは、例えば、特開平４−１９００９０号に開示されている。
図１１は、特開平４−１９００９０号に開示されている蛇行細管ヒートパイプの構造を示す一部断面平面図である。
このヒートパイプ１００は、以下の特性を有する。
（Ａ）細孔の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉されている（閉ループ型）。
（Ｂ）細孔の一部は受熱部Ｈ、他の一部は放熱部Ｃとなっている。
（Ｃ）受熱部Ｈと放熱部Ｃが交互に配置されており、両部の間を細孔が蛇行している。
（Ｄ）細孔内には二相凝縮性流体（作動流体）１０１が封入されている。
（Ｅ）細孔の内壁は、上記作動流体１０１が常に孔内を閉塞した状態のままで循環または移動することができる最大直径以下の径をもつ。
【０００４】
ヒートパイプ１００内で作動流体１０１の循環流が発生し、受熱部から放熱部へ熱（温熱）が輸送される。循環流の発生する方向はヒートパイプ１００の姿勢によって異なる。
ヒートパイプ１００が水平に配置された状態では、受熱部Ｈで発生した蒸気泡１０３の圧力が放熱部Ｃで減圧縮小されるため、作動流体１０１は受熱部Ｈから最も近い放熱部Ｃに向かって流れ、作動流体１０１が図の実線矢印方向に循環する。一方、垂直に配置されてボトムヒートとした状態では、受熱部Ｈで発生した蒸気泡１０３は、最も抵抗の少ない連結部１０５を通って上昇し、一方、これらの蒸気泡１０３の多くが凝縮した作動流体１０１は重力により蛇行部を下降し、作動流体１０１が図の破線矢印方向に循環する。なお、受熱部から放熱部に冷熱を送る場合には、上記とは逆に受熱部で作動流体の凝縮が生じ、放熱部で作動流体の蒸発が生じる。
【０００５】
このような閉ループ型蛇行細管ヒートパイプの熱輸送特性として、粘性係数の小さい液体（Ｒ１４１ｂ）を作動流体として用いた場合、細管の内径を０．８ｍｍと細径化しても十分な熱輸送特性を有することが確認されている（例えば、後記の非特許文献１参照）。また、ヒートパイプ製作時の初期真空について、ウィック型ヒートパイプは０．０１０ｍｍＨｇ前後の高真空を要するのに対して、閉ループ型細管ヒートパイプは６０ｍｍＨｇ程度の低真空であっても十分な熱輸送能力を有する。
【０００６】
さらに、この文献では、作動流体の蒸気相と液相の移動を可視化して、循環流の発生を考察している。その結果、２往復閉ループ型ヒートパイプにおいて、同パイプ内に３つの主蒸気プラグと３つの主液柱が交互に形成され、これらの加熱及び冷却による成長や凝縮により、受熱部と放熱部間で循環流の駆動力が発生している。
【０００７】
ヒートパイプは、冷熱輸送（冷却装置）に用いることもできる。ヒートパイプの受熱部に冷熱発生体を取り付けると、この冷熱発生体が発生する冷熱がヒートパイプの受熱部に伝えられ、熱輸送部を経由して冷熱が輸送され、放熱部で放出される。ここで、放熱部に冷却したい対象物（被冷却物）を取り付けると、この被冷却物に冷熱発生体からの冷熱がヒートパイプを経由して輸送され、被冷却物が冷却される。
【０００８】
【非特許文献１】
「ＳＥＭＯＳ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅの熱輸送特性」（永田、西尾、白樫、馬場、第３８回日本伝熱シンポジウム講演論文集（２００１−５））
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
受熱部と放熱部が離れており、かつ、両部の間に十分なスペースが存在しない環境下で、蛇行細管ヒートパイプを使用する場合、どのような機器構成とするかについては、過去に提案がなされていない。また、上述の非特許文献１には、２往復閉ループ型ヒートパイプの場合には、循環流の駆動力が発生し熱輸送を滑らかに行えることが示されているが、１往復の場合については言及していない。
【００１０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、受熱部と放熱部が離れており、かつ、両部の間に十分なスペースが存在しない対象に適用することのできる細管ヒートパイプ及び温度調整装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の細管ヒートパイプは、 受熱部（５５）と、該受熱部から離隔している放熱部（５３ａ）と、前記両部をつなぐ熱輸送部（５３ｂ）と、を具備し、 全体として閉ループをなす細管からなる細管ヒートパイプであって、 前記熱輸送部（５３ｂ）が、１往復のみの細管により構成されており、 前記受熱部（５５）又は放熱部（５３ａ）が、複数のターンを有する蛇行細管（蛇行ターン部（５５））により構成されており、 前記蛇行ターン部（５５）の一方のターン端部（５５Ｒ）が加熱され、他方のターン端部（５５Ｌ）が冷却されるか、あるいは、前記蛇行ターン部（５５）の一方のターン端部（５５Ｒ）が冷却され、他方のターン端部（５５Ｌ）が加熱され、 これにより受熱部又は放熱部である１箇所の蛇行ターン部（５５）内で温度の低い部分と高い部分とが形成されて作動流体が蒸発・凝縮され、もって前記蛇行ターン部（５５）内の作動流体の流動力を高めることにより、受熱部（５５）と放熱部（５３ａ）間での流動力を増大させたことを特徴とする。
１往復のみとすることにより、熱輸送部を細くできるため、狭い空間を隔てて離れている受熱部と放熱部間で熱輸送を行うことができる。ここで、ループ型の細管ヒートパイプは、熱輸送部を１往復としても十分な熱輸送能力を発揮することができることは、試作品で確認済である。なお、本発明における“熱”は温熱及び冷熱の双方を含み、ヒートパイプの受熱部は、いずれの場合でも輸送させたい熱を発生する側を指す。
【００１２】
本発明においては、 前記受熱部及び／又は放熱部を、複数のターンを有する蛇行細管（蛇行ターン部）で構成すれば、受熱部と放熱部の表面積が大きくなり、熱輸送量を多くすることができる。
【００１３】
本発明においては、 前記蛇行ターン部の一方のターン端部が加熱又は冷却され、他方のターン端部が冷却又は加熱され、該蛇行ターン部において作動流体を蒸発・凝縮させ、もって前記蛇行ターン部内の作動流体の流動力を増すことが好ましい。
受熱部及び／又は放熱部内での作動流体の流動力を高めることにより、受熱部と放熱部間での本来の蒸発・凝縮による流動力が増大され、細管ヒートパイプ全体での作動流体の流動力がアップする（ブースター効果）。これにより、遠くまで相当量の作動流体を流せるので、熱輸送可能量を増やすことができ、熱輸送可能距離を長くできる。
【００１４】
本発明においては、 前記受熱部及び／又は放熱部に、該ヒートパイプ細管と被加熱物・被冷却物との間の熱伝導を中継する良熱伝導性の伝熱部材（ボス）が取り付けられており、 該ボスが、前記受熱部及び／又は放熱部をなすヒートパイプ細管が埋め込まれる溝を有することが好ましい。
良熱伝導性の伝熱部材を介在させることにより、ヒートパイプの受熱部及び／又は放熱部と、被加熱物・被冷却物との間の熱伝導性が良好になり（接触面積が大きくなることによる）、輸送させたい熱を発生する側（温熱の場合は被冷却物、冷熱の場合は被加熱物）から同熱を放熱する側（温熱の場合は被加熱物、冷熱の場合は被冷却物）へ効率的に熱（温熱又は冷熱）を輸送できる。また、細管がボスの溝内に埋め込まれているため、細管−ボス間の熱伝導が良くなるとともに、ボスを被加熱・被冷却部に取り付ける際にボスに機械的な圧縮力がかかっても、細管が変形しない。
【００１５】
本発明の温度調整装置は、 ペルチェユニット等の冷熱・温熱発生装置（熱発生装置（８３））と、該熱発生装置と被冷却物・被加熱物との間に配置可能な細管ヒートパイプ（５１）と、を備える温度調整装置であって、 前記細管ヒートパイプ（５１）が、前記熱発生装置（８３）に接続される受熱部（５５）と、該受熱部から離隔しており被冷却物・被加熱物に接続される放熱部（５３ａ）と、前記両部をつなぐ熱輸送部（５３ｂ）と、を具備する、全体として閉ループをなす細管からなり、 前記熱輸送部（５３ｂ）が、１往復のみの細管により構成されており、 前記受熱部又は放熱部が、複数のターンを有する蛇行細管（蛇行ターン部（５５））により構成されており、 前記蛇行ターン部（５５）の一方のターン端部（５５Ｌ）が前記熱発生装置（８３）によって冷却され、他方のターン端部（５５Ｒ）が前記熱発生装置（８３）の素子放熱媒体で加熱されるか、あるいは、前記蛇行ターン部（５５）の一方のターン端部（５５Ｌ）が前記熱発生装置（８３）によって加熱され、他方のターン端部（５５Ｒ）が前記熱発生装置（８３）の素子放熱媒体で冷却され、 これにより受熱部又は放熱部である１箇所の蛇行ターン部（５５）内で温度の低い部分と高い部分とが形成されて作動流体が蒸発・凝縮され、もって前記蛇行ターン部（５５）内の作動流体の流動力を高めることにより、受熱部（５５）と放熱部（５３ａ）間での流動力を増大させたことを特徴とする。
上記熱発生装置としては、冷熱のみを発生するもの、温熱のみを発生するもの、冷熱と温熱の両方を発生可能なもの、のいずれでもよい。ペルチェユニットは、流す電流の向きを変えることにより、冷熱発生装置としても温熱発生装置としても切替えて使用できる。
【００１６】
本発明においては、 前記受熱部及び／又は放熱部が、複数のターンを有する蛇行細管（蛇行ターン部）により構成されることが好ましい。そして、 前記蛇行ターン部の一方のターン端部が前記熱発生装置によって冷却又は加熱され、他方のターン端部が周囲の空気により加熱又は冷却されることが好ましい。そして、一方のターン端部が熱発生装置によって冷却される場合には、他方のターン端部は該熱発生装置の素子放熱媒体（例えば空気）で加熱されることが好ましい。これにより、蛇行ターン部の両端部を冷却又は加熱しない場合と比べて、さらに熱輸送可能量や熱輸送可能距離が向上する。なお、素子放熱媒体とは以下のようなものである。熱発生装置が例えばペルチェ素子の場合は素子が板状をしており、その片側の面がヒートパイプ受熱部と接する熱的な作用面（例えば冷熱発生面）となり、その作用面の反対側の面（放熱面）に上記作用面と反対の熱的現像（例えば温熱）を生じる。この反対側の面に温熱が生じる場合は、過熱による素子の損傷を防ぐため、この面に風などの素子放熱媒体を当てて放熱させてやる必要がある。ここでは、その素子放熱媒体を前記蛇行ターン部におけるブースター効果を増大させるための補助的な熱源として用いるのである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明のベースとなる細管ヒートパイプの構造を説明する図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は側面図である。以下の説明で挙げる寸法は一例である。
この細管ヒートパイプ１は、両端のターン部（受熱部、放熱部）３−１、３−２と、両ターン部３間を延びる直線部（熱輸送部）５とから構成され、１本のパイプの両端を連通させた閉ループを形成している。両ターン部３は、熱伝導性の高い銅等で作製される。
【００１８】
両ターン部３は、長さ１４０ｍｍ、外径２．８ｍｍ、内径２．１ｍｍのパイプを、パイプのほぼ中心に径が１８ｍｍのほぼ円形のループ３ａが形成されるように湾曲させたものである。ループ３ａの基部３ｂでは、２本のパイプが接して平行に延びている。
直線部５は、長さ２２０ｍｍ、外径が１．９ｍｍ、内径が１．７ｍｍの直線状の２本のパイプ（ステンレス鋼製）７、９から構成される。このように熱輸送部を熱伝導率の比較的小さいステンレス鋼としたのは、同部５ではヒートパイプと外界との熱交換を極力少なく抑えたいからである。この意味から、熱輸送部を断熱部と呼ぶこともある。
【００１９】
直線部５のパイプ７、９の両端は、２つのターン部３の基部３ｂの端に挿入されてロウ付けにより気密接続される。これにより、直線部５とループ部３が接続し、直線部５の２本のパイプ７、９の内孔と２つのターン部３の内孔が連通して閉ループを形成する。このとき、直線部５がターン部３の基部３ｂに挿入される長さは、一方が２０ｍｍ、他方が２８ｍｍである。直線部５の２本のパイプ７、９は、両ターン部３間を、互いに接触して平行に延びる。そして、両端から８５ｍｍの位置で、パイプ７、９は幅１５ｍｍの耐熱性のテープ１１で固定される。ヒートパイプ１の全長は３００ｍｍである。
図中の符号１３は、作動流体をヒートパイプ１の内孔に注入するための注入口で、封入後密閉される。
【００２０】
この細管ヒートパイプ１は、両ターン部３が受熱部又は放熱部として作用し、直線部５が熱輸送部として作用する。熱輸送部は２本の直線状のパイプ７、９から構成されているので、この細管ヒートパイプ１は受熱部と放熱部を１往復で接続している。この例では、両ターン部３（すなわち受熱部と放熱部）が約２２０ｍｍ程度離れているが、十分な熱輸送能力を発揮することができる。また、ターン部３をつないでいる直線部５は、幅が３．８ｍｍ、高さが１．９ｍｍ程度と小さく、狭いスペースにも設置することができる。また、この直線部５は途中で湾曲していても、同等の効果を得ることができる。
【００２１】
図２は、本発明のベースとなる他の細管ヒートパイプの構造を説明する図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は側面図である。
この例の細管ヒートパイプ２１は、図１の細管ヒートパイプとほぼ同様の構成を有するが一方のループ部の構造が異なる。この細管ヒートパイプ２１は、図の右端の一ターン部２３と、図の左端の蛇行ターン部２９と、両部をつなぐ直線部２７とから構成され、１本のパイプの両端を連通させた閉ループを形成している。
【００２２】
一ターン部２３は、長さ１００ｍｍ、外径２．８ｍｍ、内径２．１ｍｍのパイプを、パイプのほぼ中心に径が１８ｍｍのほぼ円形のループ２３ａを形成するように湾曲させたものである。ループ２３ａの基部２３ｂでは、２本のパイプが接して平行に延びている。一ターン部２３は、直線部２７の図の右端に接続されている。
【００２３】
直線部２７の図の左端には、蛇行ターン部２９が接続されている。直線部２７と蛇行ターン部２９は、長さ５００ｍｍ、外径２．０ｍｍ、内径１．６ｍｍの一対のパイプ３１、３３から構成される。直線部２７では、各パイプ３１、３３が直線状に延びている（符号３１ａ、３３ａ）。蛇行ターン部２９は、直線パイプ部３１ａ、３１ｂから蛇行型に折り曲げられて、２つのターンと１つの湾曲部を形成する。一つ目のターン３１ｂ、３３ｂは、直線パイプ部３１ａ、３３ａからヘアピン状に折り返されて形成され、二つ目のターン３１ｃ、３３ｃは、直線パイプ部３１ａ、３３ａとほぼ平行となるように半円状に外方向に折り返されて形成される。湾曲部３１ｄ、３３ｄは直角方向に１／４円状に湾曲している。蛇行ターン部２９のパイプ端部は、接続パイプ３５の両端に挿入されてロウ付けにより気密接続されている。これにより、両パイプ３１、３３が接続し、内孔が連通する。接続パイプ３５は、長さ２０ｍｍ、外径２．８ｍｍ、内径２．１ｍｍであり、蛇行ターン部２９の端部の挿入長さは７ｍｍである。
【００２４】
このように、蛇行ターン部２９には、ターン３１ｂ、３１ｃ、３３ｂ、３３ｃの４つのターンと、湾曲部３１ｄ、３３ｄと接続パイプ３５で構成される１つのターンの、合計５個のターンが形成される。直線部２７の長さは約２３０ｍｍ、蛇行ターン部２９の長さは７０ｍｍで幅は４４ｍｍである。
【００２５】
２本のパイプ３１、３３の他方の端部は、一ターン部２３の基部２３ｂの端に挿入されてロウ付けにより気密接続される。これにより、直線部２７及び蛇行ターン部２９と一ターン部２３が接続し、直線部２７及び蛇行ターン部２９の内孔と一ターン部２３のパイプの内孔が連通する。このとき、直線部２７が一ターン部２３に挿入される長さは、約１６ｍｍ程度である。そして、一ターン部２３の端から７０ｍｍ、蛇行ターン部２９の端から７５ｍｍの位置で、直線部２７のパイプ３１、３３が幅１５ｍｍの耐熱性のテープ３７で固定される。ヒートパイプ２１の全長は３４０ｍｍである。
図中の符号３９は、作動流体の注入口で、封入後密閉される。
【００２６】
この細管ヒートパイプ２１は、一ターン部２３又は蛇行ターン部２９が受熱部又は放熱部として作用し、直線部２７が熱輸送部として作用する。直線部２７は２本のパイプ３１、３３から構成されているので、受熱部と放熱部を１往復で接続している。受熱部又は放熱部としてどちらのターン部を用いてもよい。蛇行ターン部２９は一ターン部２３より表面積が大きいため、図１の細管ヒートパイプ１に比べて、数倍〜数十倍の高い熱輸送能力を期待できる。
【００２７】
また、本実施の形態の細管ヒートパイプは、上述のように、ターンの数が多いほど高い受熱能力又は放熱能力を有するので、被冷却物・被加熱物の発生熱量に応じてターンの数を設定すれば、最適な熱輸送装置を構成できる。なお、この例の細管ヒートパイプでは熱輸送部の最大有効長さは１０００ｍｍ程度である。
【００２８】
図３は、本発明のベースとなる他の細管ヒートパイプの構造を説明する図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は側面図である。
図４は、図３の細管ヒートパイプのターン部の側面断面図である。
この例の細管ヒートパイプ４１は、図１の細管ヒートパイプ１の両方のターン部にボス（伝熱部材）を設けたものである。図３において、図１の細管ヒートパイプと同様の構成・作用を有する部材は同一の符号を付して説明を省略する。なお、図３においては、テープ１１を省略している。図１及び図２のヒートパイプ１、２１においても、テープ１１、３７を省略することができる。各部の寸法は、図１の細管ヒートパイプ１の寸法と同様である。
【００２９】
両ターン部３−１、３−２には、各々ボス（伝熱部材）４５が取り付けられている。各ボス４５は、銅等の良熱伝導性の材料で作製され、一例で、径が２４ｍｍ、厚さが６ｍｍの円盤状である。各ボス４５の外周面には溝４６が形成されている。この溝４６に、ターン部３のループ３ａの細管が埋め込まれる。この際、図４に示すように、まず、ループ３ａの細管を溝４６に沿って湾曲させながら埋め込む。そして、ループ３ａの細管の外側の面と溝４６との間にハンダ４７を流し込み、両者を固定する。これにより、ループ３ａの細管とボス４５とを十分な熱伝導性をもって固定できる。
【００３０】
ボス４５の中央には、２つの貫通孔４８が形成されている。図４に示すように、ボス４５は、これらの貫通孔４８に通されたネジ４９によって、受熱体や放熱体へ取り付けられる。このように、ボス４５の端面が受熱体や放熱体に接するため、ヒートパイプと受熱体又は放熱体との間の接触面積が大きくなり、伝熱性を良くすることができ、熱輸送量が大きくなる。また、取り付けの際にネジ４９を締め付けてもパイプには大きな負荷がかからないため、パイプが変形してパイプ内の作動流体の循環に悪影響を与えるようなことがない。さらに、２本のネジ４９を用いることにより、各ネジを締め付ける際にネジとともにボス４５（ヒートパイプ）が回転せず、ヒートパイプが損傷するようなことがない。
【００３１】
図５は、図３の細管ヒートパイプをスクリュー式真空ポンプに適用した状態を説明する図であり、図５（Ａ）は側面断面図、図５（Ｂ）は正面断面図である。
スクリュー式真空ポンプ２００のケーシング２１０内には、メインスクリューロータ２２０（図の左側に示す）とサブスクリューロータ２３０（図の右側に示す）が収容されている。メインスクリューロータ２２０は雌雄のスクリューロータ２２０ｆ、２２０ｍから構成され、サブスクリューロータ２３０も雌雄のスクリューロータ２３０ｆ、２３０ｍから構成されている。雄スクリューロータ２２０ｍ、２３０ｍは軸２２２に取り付けられており、雌スクリューロータ２２０ｆ、２３０ｆは軸２２１に取り付けられている。各軸は、軸受２３１、２３２、２３３、２３４、２３５等によってケーシング２１０に回転可能に取り付けられている。なお、メインスクリューロータ２２０とサブスクリューロータ２３０は歯数比が異なる。ケーシング２１０の、各スクリューロータの先端側（図の左側）には吸気口２１０ａが形成されており、同ロータの基端側（図の右側）のケーシング側壁には排気口２１０ｃが形成されている。
【００３２】
雄スクリューロータ軸２２２の基端側の端部２２２ａにはタイミングギア２４２が取り付けられている。このタイミングギア２４２は、雌スクリューロータ軸２２１の端部２２１ａに取り付けられたタイミングギア２４２´とかみ合う。また、雄スクリューロータ軸２２２は、モータ２４３の回転軸（図示されず）に接続されている。モータ２４３が回転すると雄スクリューロータ２２０ｍ、２３０ｍが回転し、タイミングギア２４２、２４２´のかみ合いにより雌スクリューロータ２２０ｆ、２３０ｆも回転する。
各スクリューロータ２２０、２３０の回転により、空気が吸気口２１０ａから吸い込まれ、各ロータ間で圧縮・移送されて、排気口２１０ｃから外部に排出される。
【００３３】
このような真空ポンプ２００においては、モータ２４３の駆動によるタイミングギア２４２の回転により熱が発生しやすく、タイミングギア２４２が収容されている部分（図の右側）のケーシング２１０Ｒの温度が上昇する。ケーシング２１０の温度上昇により、空気漏れに起因する効率低下等の不具合が生じるため、ケーシング２１０には冷却手段が設けられている。この冷却手段に、上述の実施形態に係る細管ヒートパイプが用いられる。
【００３４】
細管ヒートパイプ４１は、ケーシング２１０の吸気口２１０ａの側２１０Ｌ（図の左側）に設けられた台座２５１に一方のボス４５Ｌが取り付けられ、タイミングギア２４２の側方（図の右側）に設けられた台座２５３に他方のボス４５Ｒが取り付けられ、直線部５は両台座間を延びる。台座２５１、２５３は高熱伝導性の材料で作製され、受熱板として作用する。台座２５１、２５３はケーシング２１０と一体に設けられればなおよい。吸気口２１０ａ側のボス４５Ｌが放熱部、タイミングギア２４２側のボス４５Ｒが受熱部となる。細管ヒートパイプの両ボス４５Ｌ、４５Ｒは、各々台座に２個のボルト４９により固定される。なお、図５（Ｂ）に示すように、細管ヒートパイプは、ケーシング２１０の外周に複数個配置される。
【００３５】
温度が上昇したタイミングギア２４２側のケーシング２１０Ｒの熱は、台座２５３を介して、細管ヒートパイプ４１のボス４５Ｒに伝えられる。熱は、直線部５を通って吸気口側のボス４５Ｌに輸送され、台座２５１を介して吸気口２１０ａ側のケーシング２１０Ｌに伝えられて放熱する。なお、図５（Ａ）では、真空ポンプ２００の各ロータ２２０、２３０の軸の延びる方向は左右方向に描かれているが、実際には、各ロータ軸が重力方向（上下方向）に沿うような姿勢で真空ポンプ２００は設置される。
【００３６】
このように、細管ヒートパイプは、ボルトを用いる簡単な作業で、適宜な数だけ取り付けることができるため、従来のように、ヒートパイプをケーシングに埋め込むような複雑な加工を行う必要がない。
【００３７】
また、本実施形態の細管ヒートパイプ４１は、オートバイ等に搭載されるＶ字型エンジンにも適用できる。Ｖ字型エンジンとは、側面形状がＶ字型で、前後車輪間に配置される。このエンジンの進行方向前方のシリンダは、走行中に空気が当たりやすく良好に冷却されるが、後方のシリンダは、前方のシリンダに遮られて空気が当たりにくく、冷却の度合いが低下する。そこで、本実施の形態の細管ヒートパイプ４１の一方のボス４５（受熱部）を後方のシリンダに位置させ、他方のボス４５（放熱部）を前方のシリンダに位置させることにより、後方部から前方部へ熱輸送することができる。これにより、長時間の連続走行をしてもエンジンのオーバーヒートが起こりにくくなる。この際も、細管ヒートパイプはボルト等により簡単な作業で取り付けることができる。
【００３８】
図６は、本発明の実施の形態に係る細管ヒートパイプの構造を説明する図であり、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は側面図である。
この例の細管ヒートパイプ５１は、図２の細管ヒートパイプ２１とほぼ同様の構成を有するが、図２の細管ヒートパイプ２１より長さが大幅に長い。そして、蛇行ターン部のターン数が多くなっている。
【００３９】
直線部（熱輸送部）５３ｂ及び一ターン部５３は、長さ１７００ｍｍ、外径２．０ｍｍ、内径１．６ｍｍのパイプを、パイプのほぼ中心に径が１４ｍｍのほぼ円形のループ（放熱部）５３ａを形成するように湾曲させたものである。ループ５３ａの基部では、２本のパイプが接して平行に延びて直線部５３ｂを形成している。
【００４０】
蛇行ターン部（受熱部）５５は、長さ１７００ｍｍ、外径２．０ｍｍ、内径１．６ｍｍの一対のパイプ５７、５９から構成される。各パイプ５７、５９は、細管ヒートパイプ５１の長さ方向中心に対して対称形に配置される。パイプ５７、５９の一方の端部は、接続パイプ６３を介して別のパイプの端部に接続し、各パイプ５７、５９の内孔が連通する。また、他方の端部は、接続パイプ６１を介して直線部５３ｂの端部と接続し、蛇行ターン部５５のパイプの内孔と、直線部５３ｂ及び一ターン部５３のパイプの内孔が連通する。各パイプ５７、５９が接続パイプ６１、６３に挿入される長さは、約２０ｍｍ程度であり、各パイプ５７、５９と接続パイプ６１、６３とはロウ付けによって気密に接続される。接続パイプ６１、６３の長さは６０ｍｍ、外径２．８ｍｍ、内径２．１ｍｍである。
【００４１】
両端部の間には複数のターン部が形成される。詳しく説明すると、パイプ５７は接続パイプ６１から直線部５３ｂと同方向に延びて第１直線部５７ａとなる。そして第１直線部５７ａからやや外方向に拡がるように延びた先で第１直線部５７ａと平行に延びる第２直線部５７ｂとなる。そして、同第２直線部５７ｂから外方向にヘアピン状に折り返されて、一つ目のループ状ターン５７ｃを形成し、その先は第２直線部５７ｂと接して平行に延びる第３直線部５７ｄとなる。第３直線部５７ｄは、第２直線部５７ｂの基端まで延びて、外方向に半円状に折り返されて一つ目の半円状ターン５７ｅを形成し、その先は第２直線部５７ｂ及び第３直線部５７ｄと平行に延びる第４直線部５７ｆとなる。そして、同様に二つ目のループ状ターン５７ｇ、第５直線部５７ｈ、二つ目の半円状ターン５７ｉ、第６直線部５７ｊを形成する。第６直線部５７ｊの先は、直角内方向に１／４円状に湾曲する湾曲部５７ｋとなり、端部が接続パイプ６３の端部に挿入されている。
なお、他方のパイプ５９は、これと対称の形状を有する。
【００４２】
このように、蛇行ターン部５５には、４つのループ状ターン５７ｃ、５７ｇ、５９ｃ、５９ｇと、４つの半円状ターン５７ｅ、５７ｉ、５９ｅ、５９ｉとからなる８つのターン、２つの湾曲部５７ｋ、５９ｋと接続パイプ６３で構成される１つのターンの、合計９個のターンが形成される。蛇行ターン部５５の長さは３２０ｍｍ、幅は８７ｍｍである。また、細管ヒートパイプ５１の全長は１３００ｍｍであり、この内、半円状ターン部の端と一ターン部間の長さは９８０ｍｍである。
【００４３】
蛇行ターン部５５を受熱部、一ターン部５３を放熱部とする。受熱部においては、蛇行ターン部５５の全ての部分が受熱板６９に当てられるのではなく、蛇行ターン部５５の図の左側（Ｌ端部５５Ｌの側、ループ状ターン５７ｃや５７ｇの側、一ターン部５３の反対側）に受熱板６９が配置されて、蛇行ターン部５５と受熱板６９はハンダで固定される。一方、蛇行ターン部５５の右側（Ｒ端部５５Ｒの側、半円状ターン５７iや５７ｅの側）は大気中に露出される。つまり、受熱部（蛇行ターン部５５）内で温度の低い部分（受熱板６９に当てられているＬ端部５５Ｌ）と高い部分（大気中に露出されているＲ端部５５Ｒ）とを作る。
【００４４】
この図６のヒートパイプは、受熱部内での作動流体の流動力を高めて、ヒートパイプ全体での作動流体の流動力をアップさせ、長い距離を熱輸送できるように作用する。なお、より詳細には、図７及び図９を参照しつつ後述する。
【００４５】
図７は、本発明に係る温度調整装置を冷却装置として用いる場合の構成、及び、その冷却能力試験の様子を説明する図であり、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は側面図である。
図８は、本発明に係る温度調整装置を加熱装置として用いる場合の構成を説明する側面図である。
図９は、図７の温度調整装置の一部の構造を説明する斜視図である。
図７の温度調整装置８１では、冷却能力を評価するために、図６に示す細管ヒートパイプ５１を用いて、ペルチェユニット（熱発生装置）８３で作られる冷熱を、ヒータ９５で加熱されているステンレスバット９３内の温水に輸送している。細管ヒートパイプ５１の構造・作用は、図６の細管ヒートパイプと同様であり、説明を省略する。
【００４６】
テーブル８５上の一端には、ジャッキ８７が置かれ、同ジャッキ８７上にペルチェユニット８３が載置されている。同ユニット８３は、ジャッキ８７上で、水平に対して３０°の角度に傾斜し、排気ダクト８９が、傾斜方向下側となるように配置される。これは、ヒートパイプ５１を熱移動しやすいボトムヒートの姿勢とするためである（詳細後述）。排気ダクト８９からは、ペルチェユニット８３の素子放熱面に当った後の温風が吹き出される。この現象について図９を参照して詳細に説明する。
【００４７】
ペルチェユニット８３の熱発生源であるペルチェ素子は板状の形状であり、片側の面が所望の熱を発生させる熱的作用面（例えば冷熱発生面）となり、同面と反対側の面がその熱的作用と反対の熱的現象が発生する面（例えば放熱面）となる。このようなペルチェ素子において、冷熱発生面と放熱面とで４５℃の温度差を作る場合を考えて、例えば、同素子を冷熱発生源として使用する場合に、熱的作用面から−５℃の冷熱を発生させると、その反対側の面では＋４０℃の温熱が発生する。そこで、この反対側の面を冷風などによって冷やす必要がある。一方、同素子を温熱発生源として使用する場合に、熱的作用面から＋５０℃の温熱を発生させると、その反対側の面では温度が＋５℃の冷熱が発生する。そこで、この反対側の面を温風などによって温める必要がある。
【００４８】
図９の場合は、ペルチェ素子は冷熱発生源として使用される。図９に示すように、ペルチェ素子６６は、ペルチェユニット８３の上面に取り付けられており、上側の面が冷熱発生面、下側の面が放熱面６８となる。放熱面６８を冷却するために、ペルチェユニット８３にはファン８４が設けられている。ファン８４が回転すると、室内空気７０ａがユニット８３内に取り込まれてペルチェ素子６６の放熱面６８に当たり、同面６８を冷却する。ユニット８３内に取り込まれた室内空気７０ａは放熱面６８からの放熱によって温度が室温＋２〜３℃程度まで上昇し、この温度が上昇した空気７０ｂがユニット８３の排気ダクト８９から排出される。この排気温風７０ｂは、後述するようにヒートパイプ５１の熱輸送特性の向上のために用いられる。
【００４９】
ヒートパイプ５１のＬ端部５５Ｌは、受熱部である蛇行ターン部５５にペルチェユニット８３から冷熱が供給されるように、ペルチェユニット８３に取り付けられる。詳しく説明すると、Ｌ端部５５Ｌが固定されている受熱板６９がペルチェユニット８３の上面（ペルチェ素子６６の冷熱発生面）にネジ等で固定されており、同端部５５Ｌには、ペルチェ素子６６から受熱板６９を介して冷熱が伝えられる。一方、Ｒ端部５５Ｒは大気中に露出しており、排気ダクト８９から排出される、ペルチェ素子６６の放熱面６８からの放熱によって温度が上昇した空気７０ｂが当たる。
【００５０】
このように蛇行ターン部５５内で、温度の低い部分（Ｌ端部５５Ｌ）と温度の高い部分（Ｒ端部５５Ｒ）が形成されると、同部内で作動流体が活発に移動する。したがって、ペルチェユニット８３の作動によって付随的に発せられる、温度が上昇した空気を蛇行ターン部５５のＲ端部５５Ｒに当てることにより、Ｌ端部５５Ｌに冷熱を供給しただけの場合よりもＬ端部５５ＬとＲ端部５５Ｒとの温度差が大きくなり、その結果蛇行ターン部５５における作動流体の流動を活発化させてブースター効果をより増大させることができる。つまり、ペルチェ素子の素子放熱媒体（空気７０ａ、７０ｂ）をブースター効果を増大させるための補助的な熱源として利用するのである。
【００５１】
また、受熱部においては、上述のように、温度の低いＬ端部５５Ｌが上方、温度の高いＲ端部５５Ｒが下方に位置し、熱移動しやすいボトムヒートの姿勢をとっている。
【００５２】
図７に示すように、テーブル８５上の他端には、断熱材９１を介してステンレスバット９３が置かれている。同バット内には水道水が入れられている。水道水はヒータ（一例で出力２７Ｗ）９５で加熱される。
細管ヒートパイプ５１は、ペルチェユニット８３に取り付けられた蛇行ターン部５５から下方に傾斜し、その先でテーブル８５の上面と平行に水平に延びて、一ターン部５３の一部がバット９３内に沈められている。蛇行ターン部５５の先端のベース８５上からの高さは５２０ｍｍである。細管ヒートパイプ５１の水平に延びる部分の長さは４５０ｍｍであり、その内有効な熱交換部（水に浸されている部分）の長さは２８０ｍｍである。
【００５３】
一方、図８に示すような、本発明に係る温度調整装置を加熱装置として用いる場合は、ペルチェユニットに流す電流の向きを、図７に示す冷却装置の場合の反対方向に切替える。すると、同ユニットのペルチェ素子の上側の面が温熱発生面となり、下側の面が冷熱放熱面となる。この状態において、蛇行ターン部５５のＬ端部５５Ｌに当てられている受熱板６９をペルチェ素子６６の温熱発生面に固定し、Ｒ端部５５Ｒを大気中に露出させる。これにより、蛇行ターン部５５内で温度の高い部分（Ｌ端部５５Ｌ）と温度の低い部分（Ｒ端部５５Ｒ）が形成される。
【００５４】
そして、蛇行ターン部５５をボトムヒートの姿勢とするために、温度の高いＬ端部５５Ｌが下方、温度の低いＲ端部５５Ｒが上方となるように、同部５５をペルチェユニット８３上に傾斜して配置する。傾斜角度は一例で水平面に対して３０°である。このように、ヒートパイプ５１は、蛇行ターン部５５から一ターン部５３へ向けて上方に傾斜するように配置されている。なお、加熱装置として用いる場合、ペルチェユニット８３の排気ダクト８９は傾斜方向下側になるように位置させ、ペルチェユニット８３からの排気を蛇行ターン部５５のＲ端部５５Ｒに当てない。なぜなら、この場合の排気は冷熱であり、細管ヒートパイプがペルチェ素子から吸収した温熱を低下させる方向に作用してしまうからである。
【００５５】
ペルチェユニット８３は、上述のようにヒートパイプ５１をボトムヒートの姿勢とするために、テーブル８５上の一端に置かれたジャッキ８７上に、水平に対して３０°傾斜して配置されている。そして、テーブル８５上の他端には、断熱材９１及び支柱９２を介して水道水が入れられたステンレスバット９３が置かれている。細管ヒートパイプ５１は、蛇行ターン部５５から上方に傾斜し、その先でテーブル８５の上面と平行に水平に延びて、一ターン部５３の一部がバット９３内に沈められている。この装置は、バット９３内の水道水の温度を上昇させる場合に使用される。
【００５６】
次に、温度調整装置におけるヒートパイプの作用についてまとめて説明する。ここでは、温度調整装置を冷却装置として使用する場合について、図７、図９を参照しつつ説明する。
ペルチェユニット８３を作動させると、蛇行ターン部５５においては、Ｌ端部５５Ｌで冷熱が吸熱されて、同部のパイプ内で作動流体の凝縮が起こる。同時に、Ｒ端部５５Ｒが周囲の空気で温められて、同部のパイプ内で作動流体の蒸発が起こる。Ｌ端部５５ＬとＲ端部５５Ｒ間の距離は比較的短いので、このような作動流体の凝縮と蒸発により、作動流体は両端部間を活発に移動する。蛇行細管ヒートパイプ５１は一つの閉ループを成しているので、蛇行ターン部５５内の両端部間で作動流体が活発に移動すると、作動流体の流動力は、蛇行ターン部５５から一ターン部５３へ延びる直線部５３ｂ内の作動流体にも伝えられる（ブースター効果）。これにより、蛇行ターン部５５から一ターン部５３までの距離が離れている場合でも、作動流体は、蛇行ターン部５５から一ターン部５３まで直線部５３ｂ内を流れる力を得ることができる。この方式によると、熱輸送距離を２０００ｍｍ程度まで長くすることができる（別の試験で確認済み）。
【００５７】
なお、受熱部あるいは放熱部内での作動流体の往復数、すなわち、ターン数が多いほど作動流体の流動力が大きくなり熱輸送能力が高くなることは、通常の蛇行細管ヒートパイプと共通である。
【００５８】
次に、図７の冷却装置を使用した冷却実験の結果について説明する。
バット９３内の水道水の容積を５リットルとし、実験開始時における水の温度を３７℃とした。そして、この水道水を、ヒータ通電状態であっても、３２℃に冷却することを目標とした。なお、実験に使用したペルチェユニット８３の出力は４０Ｗである。
【００５９】
作動流体の熱輸送能力をさらに向上させるために、蛇行ターン部５５のＲ端部５５Ｒ側において、図９に示すように、熱輸送部５３ｂ（中央の２本の直線部５７ｂ、５９ｂを含む）に排気ダクト８９からの排気温風が当らないように遮蔽板９７を設けた。こうすることにより、ペルチェユニット８３から作り出される冷熱が、熱輸送部５３ｂを通過する間に、排気温風で加熱されてしまうことを防ぐ。したがって、ペルチェユニット８３で発生する冷熱を、熱輸送部５３ｂを通過中に減少させてしまうことなく、バット９３内の水道水まで輸送することができる。
【００６０】
図１０は、図７の冷却装置を用いて行った冷却実験の結果を示すグラフである。
図の縦軸は温度、横軸は経過時間を示す。また、◆はバット内の水道水の温度、●は室温を示す。
まず、ヒータによりバット９３内の水道水を３７．１℃の温度に加熱した。ペルチェユニット８３は予め起動させておき、一ターン部５３を水道水に浸けた時点を実験開始時間とし、水温が飽和した８時間後に一ターン部５３を水道水から引き上げた。
【００６１】
グラフから分かるように、水温は、実験開始から徐々に下降し、約６時間後には３１．３℃まで低下した。そして、冷熱輸送を停止するまでの約２時間はこの飽和温度を維持し続けた。ヒータ９５は、実験開始から終了までの１３時間、常に通電状態にしておいたので、一ターン部５３を水道水から引き上げた後は、初期の水温の３７℃に向かって、再び水温が上昇して行った。
【００６２】
この冷却装置の実験時間内の平均冷却能力は、
５０００ｇ×１ｃａｌ／ｇ・℃×（３７．１℃−３１．３℃）／（６ｈｒ×８６０ｃａｌ／ｈｒ）＝５．６Ｗであった。
また、図１０のグラフから分かるように、実験開始直後の１時間は特に温度降下が大きく（すなわち、冷却能力が大きく）、１時間で水温が２℃低下した。この間の冷却能力は、
５０００ｇ×１ｃａｌ／ｇ・℃×（３７．１℃−３５．１℃）／（１ｈｒ×８６０ｃａｌ／ｈｒ）＝１１．６Ｗであった。
これは、実験開始時点でペルチェユニット８３及び受熱板６９に溜まっていた冷熱が、一気に放出されたためと考えられる。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、熱輸送部を１往復のヒートパイプで形成することにより、受熱部と放熱部が離れており、かつ、両部の間に十分なスペースが存在しない対象に適用することのできる細管ヒートパイプ及び同ヒートパイプを使用した温度調整装置を提供することができる。また、受熱部及び／又は放熱部のターン数を多くすることにより、さらに大きな熱輸送能力を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のベースとなる細管ヒートパイプの構造を説明する図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は側面図である。
【図２】 本発明のベースとなる他の細管ヒートパイプの構造を説明する図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は側面図である。
【図３】 本発明のベースとなる他の細管ヒートパイプの構造を説明する図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は側面図である。
【図４】 図３の細管ヒートパイプの一部の側面断面図である。
【図５】 図３の細管ヒートパイプをスクリュー式真空ポンプに適用した状態を説明する図であり、図５（Ａ）は側面断面図、図５（Ｂ）は正面断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態に係る細管ヒートパイプの構造を説明する図であり、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は側面図である。
【図７】 本発明に係る温度調整装置を冷却装置として用いる場合の構成、及び、その冷却能力試験の様子を説明する図であり、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は側面図である。
【図８】 本発明に係る温度調整装置を加熱装置として用いる場合の構成を説明する側面図である。
【図９】 図７の温度調整装置の一部の構造を説明する斜視図である。
【図１０】 図７の冷温度調整装置を用いて行った冷却実験の結果を示すグラフである。
【図１１】 特開平４−１９００９０号に開示されている蛇行細管ヒートパイプの構造を示す一部断面平面図である。
【符号の説明】
１ 細管ヒートパイプ ３ ターン部
５ 直線部 ７、９ パイプ
１１ 耐熱テープ １３ 注入口
２１ 細管ヒートパイプ ２３ 一ターン部
２７ 直線部 ２９ 複数ターン部
３１、３３ パイプ ３５ 接続パイプ
３７ 耐熱テープ ３９ 注入口
４１ 細管ヒートパイプ ４５ ボス（伝熱部材）
４６ 溝 ４７ ハンダ
４８ 貫通孔 ４９ ネジ
５１ 細管ヒートパイプ ５３ 一ターン部
５５ 蛇行ターン部 ５７、５９ パイプ
６１、６３ 接続パイプ ６６ ペルチェ素子
６８ 放熱面 ６９ 受熱板
８１ 温度調整装置 ８３ ペルチェユニット
８５ テーブル ８７ ジャッキ
８９ 排気ダクト ９１ 断熱材
９３ ステンレスバット ９５ ヒータ
２００ スクリュー式真空ポンプ ２１０ ケーシング
２２０ メインスクリューロータ ２２１、２２２ 軸
２３０ サブスクリューロータ
２３１、２３２、２３３、２３４、２３５ 軸受
２４１、２４２ タイミングギア ２４３ モータ
２４４ 回転軸 ２５１、２５３ 台座
２５５ ボルト

Claims (3)

1. 受熱部（５５）と、該受熱部から離隔している放熱部（５３ａ）と、前記両部をつなぐ熱輸送部（５３ｂ）と、を具備し、
   全体として閉ループをなす細管からなる細管ヒートパイプであって、
   前記熱輸送部（５３ｂ）が、１往復のみの細管により構成されており、
   前記受熱部（５５）又は放熱部（５３ａ）が、複数のターンを有する蛇行細管（蛇行ターン部（５５））により構成されており、
   前記蛇行ターン部（５５）の一方のターン端部（５５Ｒ）が加熱され、他方のターン端部（５５Ｌ）が冷却されるか、あるいは、前記蛇行ターン部（５５）の一方のターン端部（５５Ｒ）が冷却され、他方のターン端部（５５Ｌ）が加熱され、
   これにより受熱部又は放熱部である１箇所の蛇行ターン部（５５）内で温度の低い部分と高い部分とが形成されて作動流体が蒸発・凝縮され、もって前記蛇行ターン部（５５）内の作動流体の流動力を高めることにより、受熱部（５５）と放熱部（５３ａ）間での流動力を増大させたことを特徴とする細管ヒートパイプ。
2. 前記受熱部及び／又は放熱部に、該ヒートパイプ細管と被加熱物・被冷却物との間の熱伝導を中継する良熱伝導性の伝熱部材（ボス（４５））が取り付けられており、
   該ボス（４５）が、前記受熱部及び／又は放熱部をなすヒートパイプ細管が埋め込まれる溝（４６）を有することを特徴とする請求項１記載の細管ヒートパイプ。
3. ペルチェユニット等の冷熱・温熱発生装置（熱発生装置（８３））と、該熱発生装置と被冷却物・被加熱物との間に配置可能な細管ヒートパイプ（５１）と、を備える温度調整装置であって、
   前記細管ヒートパイプ（５１）が、前記熱発生装置（８３）に接続される受熱部（５５）と、該受熱部から離隔しており被冷却物・被加熱物に接続される放熱部（５３ａ）と、前記両部をつなぐ熱輸送部（５３ｂ）と、を具備する、全体として閉ループをなす細管からなり、
   前記熱輸送部（５３ｂ）が、１往復のみの細管により構成されており、
   前記受熱部又は放熱部が、複数のターンを有する蛇行細管（蛇行ターン部（５５））により構成されており、
   前記蛇行ターン部（５５）の一方のターン端部（５５Ｌ）が前記熱発生装置（８３）によって冷却され、他方のターン端部（５５Ｒ）が前記熱発生装置（８３）の素子放熱媒体で加熱されるか、あるいは、前記蛇行ターン部（５５）の一方のターン端部（５５Ｌ）が前記熱発生装置（８３）によって加熱され、他方のターン端部（５５Ｒ）が前記熱発生装置（８３）の素子放熱媒体で冷却され、
   これにより受熱部又は放熱部である１箇所の蛇行ターン部（５５）内で温度の低い部分と高い部分とが形成されて作動流体が蒸発・凝縮され、もって前記蛇行ターン部（５５）内の作動流体の流動力を高めることにより、受熱部（５５）と放熱部（５３ａ）間での流動力を増大させたことを特徴とする温度調整装置。

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