JPH0325291A - 流体振動熱輸送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、高温容器と低温容器との間を熱輸送管で連結
したものに作動流体を充填し、この作動流体に振動を与
えることにより熱輸送管を通して両容器間の熱暢送を行
う流体振動熱暢送装置に関する。

（従来の技術） 前記形式の従来の流体振動熱暢送装置の断面図（Ｘｕｒ
ｚｗｃｇ．Ｕ．Ｈ．．ｌｊｎｇ　ｄｅ　Ｚｈａｏ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｐｌｕｌｄｓ　２７−１１　（１９８４），Ｉ）
２Ｂ２４参照）を第７図に示す。

この装置は、円筒状の上下２つの液１／シーバ−１０．
２０を有し、両レシーバー間が熱輸送管３ｏで連結され
ている。上方の高温液レシーバーｌＯの上面と下方の低
７Ｍ　ｉ＆レシーバー２０の下面とには、それぞれ例え
ばゴム製の弾性膜１２．２２が取付けられている。熱輸
送管３０は、長さ２０ｃｍ，内径１．２　７　ｃ　ｍの
１本のアクリル製連結管３２内に内径１ｍｍの３１本の
ガラス製キャビラリチューブ３４の束を保持したもので
ある。熱輸送管３０の全有効断面積は、キャビラリチュ
ーブ３４の内部とキャビラリチューブ３４どおしの間に
形成される断面三角形の間隙部分とを合せて０．　　６
　７　ｃ　ｍ２である。低温液レシーハー２０の下面に
設けられた弾性膜２２は、加振装置４５によって振動が
与えられる。壁面を介した熱損失を最小にするために、
この弾性膜加振部分を除いて高温液レシーバーＩＯ、低
温液レシーバー２０及び熱輸送管３０の外面は全て断熱
材７０で覆われる。

上下両レシーバー１０．２０と熱輸送管３０との中の全
空間には非圧縮性作動流体である水８０が充填され、こ
の水８０が加振装置４５による弾性８２２の振動にとも
なって振動させられる。このために、まず低ｉｌＭ液レ
シーバー２０内に着色した冷水（２２℃）が満たされる
。ただし、後に説明するように着色は作動流体の移動状
況を確認することを目的としている。次に、システム内
に空気が残留しないように熱輸送管３０内すなわちキャ
ビラリチューブ３４及びこれらチューブ間の隙間の内部
並びに高ＩＭ液レシーハー１０の内部を不着色の温水（
７８℃）で満たす。両レシーバー１０．２０内の温度は
、温ｒｆｉ；ｆｆｉｔ゛９１．９２でそれぞれ監視する
。

さて、加振装置４５によって弾性膜２２に振動を与える
と、低ｍｌレシーバー２０内の冷水が振動を受ける。こ
れにともなって熱輸送管３０内の水に往復動が生じる。

振動周波数は２〜８Ｈｚであって、熱輸送管３０内の変
位の大きさすなわち振幅は２〜１２．５ｃｍである。つ
まり、低温液レシーバー２０内の着色水が高温液レシー
バーｌＯに達することはない。

以上に説明した流体振動熱輪送装置では、高温液レシー
バー１０内の温水の温度が毎分数度の割合で下降する一
方、低温液レシーバー２０内の冷水の温度が毎分数・度
の割合で上昇する。作動流体のうち往複動が生じるのは
キャビラリチューブ３４の内部とこれらチューブ間の隙
間内部との各中心軸上の部分すなわちバルク部分であっ
て、これらのバルク部分を取巻く壁面近傍の静止境昇層
を介して熱が輸送されるものと解される。測定された最
大熱流束は７０ｃａｌ／ｓｅｃ−ｃｍ２　（−２９２０
ｋＷ／ｍ２）である。この値は、同径の銅棒て得られる
値の約２７倍であって、ヒートパイプで達成される値に
匹敵する。

さて、ヒートバイプは作動液の蒸発・凝縮によって熱を
暢送するのに対して、上記流体振動熱暢送装置は作動流
体のバルク部分と静止境界層との間の温度勾配に基づい
て作動する。したがって、ヒートバイブと違って任意の
温度で作動可能である。更に、ヒートパイブに比べて低
い内圧で作動可能であること、熱輸送のオン・オフ制御
が可能であること、製作が容易であること等の利点があ
る（塩冶震太郎　日本機械学会誌９０−８２４　（１９
８７）．１）９１１参照）。

（発明がＭ決しようとする課題） 以上に説明した従来の流体振動熱輸送装置では、作動流
体である水８０に対して弥性膜２２を介して外部から振
動を与える方式を採用していた。しかも作動流体を密封
していたから、内圧の上昇を防ぐために高温液レシーバ
ー１ロにも弾性膜ｌ２を設けていた。ところが、密閉構
造であるために作動温度条件が変わると内圧変動が生じ
る。また、２枚の弾性膜ｉ２．２２の硬さが不揃いであ
ると、作動流体の往復動に際して往動と復動との間に内
圧差が生じる。

従来は、これらの要因による内圧変動が加振装置４５の
負荷変動をもたらしていた。そこで、従来は最大負荷に
みあった能力の加振装置４５を採用する必要があった。

つまり、加振装置４５の能力に余裕を持たせておく必要
があった。

本発明は、以上の事情を考慮してなされたものであって
、内圧の変動があっても加振装置の負荷変動が生じない
流体振動熱輸送装置を提供して、加振装置の能力低減を
はかることを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係る流体振動熱輸送装置は、前記の目的を達成
するために、高温容器と低温容器との間を２組の熱輸送
管で連結したものの内部に作動流体を充填し、ピストン
を備えた複動形加振装置で一方の容器内の作動流体を介
して両熱輸送管内の作動流体に交互に押圧振動を与える
ことにより、ピストンの両側にそれぞれ連通する両熱輸
送管を通して両容器間の熱輸送を行うものである。一方
の容器内にピストンを配してこの容器と複動形加振装置
εを一体にしても良いし、両容器とは別体の複動形加振
装置を使用しても良い。

本発明に係る他の流体振動熱輸送装置は、加振装置を両
容器とは別体としたものであって、高温容器と低温容器
とのうちの一方の容器を互いに独立した２室に分割し、
両室と他の容器との間をそれぞれ熱輪送管で連結し、更
に前記両室をそれぞれ連通管を介して１つのシリンダに
連結し、このシリンダ内にピストンを配して複動形加振
装置を構成し、内部に作動流体を充填したものである。

複動形加振装置でシリンダ内の作動流体、２本の連通管
内の作動流体及び２室に分割された容器内の作動流体を
介して両熱輸送管内の作動流体に交互に押圧振動を与え
ることにより、シリンダ内のピストン両側にそれぞれ連
通ずる両熱輸送管を通して両容器間の熱暢送を行う。

（作　用） 本発明に係る流体振動熱輸送装置では、複動形加振装置
が、一方の容器内の作動流体を介Ｉ５て２組の熱輸送管
内の作動流体に交互に押圧振動を与える。つまり、両熱
輸送管内の作動流体の振動が１８０＠の位相差を有する
。両熱輸送管は、いずれも一方の端部が高温容器に、他
方の端部が低温容器にそれぞれ連結されている。したが
って、両熱輸送管を通して両容器間の熱輸送が達成され
る。しかも、両熱輸送管の一端は、複動形加振装置が備
えるピストンの両側にそれぞれ連通する。

また、両熱輸送管の他端は、一方の容器を介して連通す
る。したがって、ピストンの両側は、常にほぼ同じ圧力
に保持される。つまり、作動温度条件が変わって内圧変
動が生じてもピストンの両面に加わる力が平衡するから
、内圧変動の影響が打ｌｒｌされる。また、外圧の影響
もない。したがって、このピストンを備える複動形加振
装置の負荷が一定となる。

加振装置と両容器とを別体とした本発明に係る流体振動
熱輸送装置では、複動形加振装置がシリンダ内の作動流
体、２本の連通管内の作動流体及び２室に分割された容
器内の作動流体を介して両熱輸送管内の作動流体に交互
に押圧振動を与える。つまり、この場合にも両熱輸送管
内の作動流体の振動が１８０”の位ｔ目差を有する。両
熱輪送管は、いずれも一方の端部が高温容器に、他方の
端部が低温容器にそれぞれ連結されている。したがって
、両熱輸送管を通して両容器間の熱暢送が達成される。

しかも、両熱輸送管の一端は、２室に分割された一方の
容器と連結管とを通して、複動形加振装置を構成するシ
リンダ内のピストンの両側にそれぞれ連通する。また、
両熱輸送管の他端は、他方の容器を介して連通ずる。し
たがって、この場合にもピストンの両側は常にほぼ同じ
圧力に保持され、作動温度条件が変わって内圧変動が生
じても複動形加振装置の負荷変動が生じない。

（実施例） 第１図は、本発明の実施例に係る流体振動熱暢送装置の
縦断面図！ある。

この装置は、高温液レシーバー１０の下方に２つの互い
に独立した低温液レシー／＜　−　２０ａ，　２０ｂを
有する。すなわち、従来とは違って本実施例では低温液
レシーバーが左室２０ａと右室２０ｂとの２室に分割さ
れている。高温液レシーバー１ｏと低混戚レシーバー左
室２０ａとの間は熱輸送管３０ａで、同高ｍ液レシーバ
ーｌＯと低温液レシーバー右室２　０　１）との間は他
の熱輸送管３０ｂでそれぞれ連結されている。各液レシ
ーバー１０　．　２０ａ．　２０ｂのＪ４面には、熱交
換面積を大きくするためにそれぞれフィン１１．２ｉａ
．２ｌｂが設けられている。左右の熱輸送管３０ａ，３
０ｂは、それぞれ長さ５０ｃｍ〜ｉｍ−．内径３ｍｍの
ほぼ同数のチューブの束からなる。

低温液レシーバーの左室２０ａ及び右室２０ｂの各下面
から連通管４１．４２がそれぞれ下方に伸び、両室２０
ａ，　２Ｑｂがこれらの連通管４１．４２を介して１つ
のシリンダ４３に連通ずる。このシリンダ４３は、内部
に配されたピストン５０によって左右の側室４３ａ．４
３ｂに区画されている。この際、左側室４３ａが左連通
管４１を通して低温液レシーバー左室２０ａに連通し、
右側室４３ｂが右連通管４２を通して低温液レシーバー
右室２０ｂに連通ずる。ピストン５０には、磁性体から
なるピストンロッド５２が左右両側方に伸びている。シ
リンダ４３の左右側面は中央部が外方に突出して、ピス
トンロッド５２のための案内部４３ｃ，４３ｄを形威し
ている。すなわち、ピストンロッド５２の左右両端部は
、これらの案内部４３ｃ，４３ｄに挿入されている。つ
まり、シリンダ４３は、Ｏリング等の手段によるシール
部分がなく、完全に密閉されている。電磁コイル５４．
５５が、シリンダ４３の左右案内部４３ｃ，４３ｄをそ
れぞれ取巻いている。以上のシリンダ４３、ピストン５
０及びピストンロッド５２並びに電磁コイル５４．５５
は、複動形加振装置６０を構成する。なお、左右熱輸送
管３０ａ，　３０ｂの周囲はそれぞれ断熱材７０ａ．７
０ｂで覆われる。

以上に説明した装置の内部には、水８０が作動流体とし
て充填される。つまり、シリンダ４３の左右側室４３ａ
，４３ｂ　，左右の連通管４１．４２　、低温液レシー
バー左右室２０ａ，２０ｂ　，左右の熱輸送管３０ａ、
３０ｂ及び高温液レシーバー１０の内部に水８０が充填
される。単位重量当たりの熱容量すなわち比熱が大きく
、しかも粘性係数が小さくて複動形加振装置６０の負担
になりにくいから、水８０の使用が好ましい。ただし、
図示のように高温液レシーバーｌＯ内に空気が封止され
ても良い。

さて、以上に説明した流体振動熱輸送装置は、例えば高
温液レシーバーｌＯが低温液レシーバー左右室２０ａ．
２０−ｂより高い温度雰囲気中に品置される。

発熱体の冷却に使用する場合は、高温液レシーバーｌＯ
を発熱体に接触させる。この際、高温液レシーバー１０
内の水８０は、外部から吸熱して温水となる。

一方、複動形加振装置ＢＯの電磁コイル５４．５５は交
互に通電される。この際、電磁コイル５４．５５は、磁
性体からなるピストンロツド５２を電磁力によって交互
に吸引するので、ピストン５０が左右に往複動する。た
だし、非磁性体からなるピストンロツド５２の両端部に
永久磁石を取付けておいて、このピストンロツド５２の
移動を電磁コイル５４．５５で駆動しても良い。一方の
電磁コイル５４．５５の通電ｐ；ｔ止から他方の電磁コ
イル５５．５４の通電開始までに多少のタイムラグを設
けても良い。

ピストン５０の往復動は、連通管４１．４２を介して低
温液レシーバー左右室２０ａ，　２Ｏｂ内の水８ｏに交
互に押圧振動を与える。両熱輸送管３０ａ．３０ｂ内に
は、これら低温液レシーバー左右室２０ａ．２０ｂを介
して交互に仲圧振動が与えられる。振動させられた両熱
輸送管３０ａ，　３０ｂ内の水８０は、高２！ｉ液レシ
ーバーＩＯから低温液１ノシーバー左右室２０ａ．２０
ｂにそれぞれ熱を輪送し、これら左右室２０ａ．２０ｂ
から外部に放熱がなされる。振動周波数は１〜５Ｈｚが
適当である。ピストン５０のストロークは、低温液レシ
ーバー左右室２０ａ，２Ｏｂ内の冷水が高温液１ノシー
バーＩＱに達することがない程度とする。この際、各組
の熱輸送管３０ａ，Ｂｏｂを構成する各チューブの壁面
近傍の水８０が、その静止境界層を介して熱暢送を達或
する。ただし、高温液レシーバーｌＯは、各熱輸送管３
０ａ。３０ｂから流入し、これらの熱輸送管に流入する
水８０によってこの高温液レシーバー１０内の水８０が
大幅に入替らないような十分な容量とする。仮に高温液
レシーバーｌＯの容量が不足して入替ることになると、
この高温液レシーバー１０自体も輸送管の一部として作
用してしまい、一方の熱輸送管３０ａ又は３０ｂが熱輸
送の機能を停止してしまうからである。

さて、シリンダ４３の左右側室４３ａ，　４３ｂは、左
右の連通管４１，４２　、低温液レシーバー左右室２０
ａ．２０ｂ１左右の熱輸送管３０ａ，３０ｂ及び高温液
レシーバー１０を介して連通ずる。したがって、ピスト
ン５０の両側は、常にほぼ同じ圧力に保持される。つま
り、作動温度条件が変わって内圧変動が生じてもピスト
ン５０の両面に加わる力が平衡するから、内圧変動の影
響が打消される。また、抜動形加振装置６０にとって流
路抵抗がほぼ対称になっているので、弾性膜を使用して
いた従来とは違って往動、翅動の方向による差異がない
。更にまた、外圧の影響もない。したがって、複動形加
振装置８０の負Ｇｆが一定となる。なお、ピストン５０
の周縁とシリンダ４３の内壁との間に若干の間隙があっ
ても、ピストン前後の圧力差がわずかであるためにこの
間隙を通して移動する水８０の量は小さいから、この間
隙が熱輸送に与える影響は小さい。かえって間隙を設け
る方がピストン５０にはたらく摩擦力が小さくなって、
復動形加振装置６０の負荷軽威になる。

なお、本実施例では低温液レシーバーの左右室２０ａ．
２０ｂと複動形加振装置６０とを別体としたうえで両者
間を連通管４１．４２で連結しているから、例えば放熱
を促進するために低温液レシーバー左右室２０ａ．　２
０ｂを水槽内に配する場合であっても、加振装置６０を
水の外に出しておくことができる。

したがって、この加振装置８０の電気系統、例えば７は
磁コイル５４．５５の電気絶縁が容易である。また、Ｏ
リング等のシール手段を使用しない密閉構造のシリンダ
４３を採用すると同時に電磁コイル５４．５５を用いて
シリンダ４３内のピストン５０の往復動を非接触で駆動
しているから、作動流体である水８０の偏れをほぼ完全
に防止できるばかりでな＜、７は気絶縁が容易であり、
装置の信頼性が高い。

ところで、第２図に示すように高温液レシーハー１０内
に仕切壁ｔ４を設けて、この液レシーバーｉｏ内を左右
２室に分割しても良い。両室間は、仕切壁ｌ４の上方に
おいて水面８０ａより高い位置で連通している。各室内
の水而８ロａはピストン５０の往復動にともなって上下
動するが、両室間の水８０が混りあうことはない。この
ようにすれば、高ｍＭレシーバーｌＯを小型化できる。

同じ目的で第３図に示すように高温液レシーバーを互い
に独立した左右２室１０ａ，　ｌｏｂに分割し、両室上
方間をバイパス管１Ｂで連通させても良い。

第１図の複動形加振装置６０の変形例を、第４図〜第６
図に基づいて説明する。

この変形例に係る複動形加振装置６１では、ピストン５
０の周辺部において８つの円柱状永久磁石５８がほぼ同
一円上に埋設されている。これらの永久磁石５８の極性
は、いずれもピストン５０の一方の面側がＮ極であり、
他方の面側かＳ極である。シリンダ４３の左右方向ほぼ
中央には、このシリンダ４３を取巻くように１つの電磁
コイル５Ｂが設けられる。前記の実施例とは違って、本
実施例のピストンロツド５２はピストン５０の軸ずれを
防止するためにシリンダ４３の案内部４３ｃ．４３ｄに
案内されるのであって、このロツド５２を磁性体で構成
する必要はない。シリンダ４３の左側室４３ａが左連通
管４ｌを通して低温岐レシーバー左室２０ａに連通し、
右側室４３ｂが右連通管４２を通して低温液レシーバー
右室２０ｂに連通する点は前記と同様である。

以上に説明した複動形加振装置６ｌでは、電磁コイル５
６の通電方向か所定時間ごとに交互に変更され、図示の
ように軸方向の極性が人替る。これによって、永久磁石
５８を備えるピストン５０が左右に往曳動する。したが
って、この加振装置６１でも低温ｒｆｊｃ＋７シーバー
左右室２０ａ，２Ｏｂ内の水８０を介して両熱輸送管３
０ａ，３Ｏｂ内の水８０に振動を与えることができ、所
望の熱輸送が達成される。この複動形加振装置６ｌでも
、０リング等のシール手段を使用しない密閉構造のシリ
ンダ４３を採用すると同時に電磁コイル５Ｂを用いてシ
リンダ４３内のピストン５０の往復動を非接触で駆動し
ているから、作動流体である水８０の妬れをほぼ完全に
防止できるばかりでなく、電気絶縁が容易であり、装置
の信頼性が高い。ただし、ピストン５０に使用する永久
磁石５８の数及び形状は、前記のものに限られない。例
えば、１つのリング状永久磁石をピストン５０の周而に
外神しても良い。

なお、以上の説明では低温液レシーバー左右室２０ａ，
２０ｂに連通した別体のシリンダ４３を設けて、このシ
リンダ４３で複動形加振装置６０又は６ｌを横成してい
たが、低温液１ノシーバーを１室に統合し、左右両熱輸
送管３０ａ，３０ｂに連桔されたこの室内に複動形のピ
ストンを配して同様の加振装置を構成しても良い。この
場合は、低温液レシーバーと複動形加振装置とが一体と
なる。また、以上の説明では？３２　！ｉＩＪ形加振装
置ｃｏ，ｅｉで低温液レシーバー側を加振していたが、
高温液レシーバー側を加振しても良い。更に、高温液レ
シーバー１０．　ｌＯａ，　ｌＯｂを低温液レシーバー
２０ａ．２０ｂの上方に設けていたが、この配置に限ら
れるものでもない。

［発明の効果コ 以上に説明したように、本発明に係る流体振動熱暢送装
置は、高温容器と低温容器たの間を２組の熱輸送管で連
結したものの内部に作動流体を充填し、ピストンを備え
た複動形加振装置で一方の容器内の作動流体を介して両
熱輸送管内の作動流体に交互に押圧振動を与えることに
より、ピストンの両側にそれぞれ連通する両熱輸送管を
通して両容器間の熱輸送を行うものであるから、ピスト
ンの両側が両熱輸送管を通して常にほぼ同じ圧力に保持
される。つまり、作動温度条件が変わって内圧変動が生
じても、加振装置の負荷が変動することはない。したが
って、本発明によれば従来とは違って加振装置の能力に
余裕を持たせておく必要はなく、従来に比べて加振装置
の能力低減をはかることができる。つまり、加振装置の
小型化が可能となる。

特に複動形加振装置を両容器とは別体とした請求項２記
裁の流体振動熱輸送装置、すなわち、高温容器と低温容
器とのうちの一方の容器を互いに独立した２室に分割し
、両室と他の容器との間をそれぞれ熱輸送管で連桔し、
更に前記両室をそれぞれ連通管を介して１つのシリンダ
に連結し、このシリンダ内にピストンを配して複動形加
振装置を構成したものでは、両容器及び複動形加振装置
の配置自由度が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る流体振動熱幅送装置の縦
断面図、第２図は前図の流体振動熱輪送装置の変形例を
示す部分断面図、第３図は第１図の流体振動熱輸送装置
の他の変形例を示す部分断面図、第４図は第１図の流体
振動熱輸送装置の更に他の変形例を示す部分断面図、第
５図は前図の部分拡大図、第６図は前図のＶｌ−Ｖ［断
面図、第７図は従来の流体振動熱幅送装置の縦断而図で
ある。 符号の説明 １０．　ｌＯａ，　ｊｏｂ・・・高温液レシーバー、ｌ
４・・・仕切壁、ｔ６・・・バイパス管、２０．２０ａ
．２０ｂ・・・低ｍ液レシーバ、３０，３Ｑａ，３ロｂ
−・・熱輸送管、４　１　．　４　２−・・連通管、４
３・・・シリンダ、５０・・・ピストン、５２・・・ピ
ストンロッド、５４，５５．５８・・・電磁コイル、５
８・・・永久磁石、００，ＯＬ・・・複動形加振装置、
８０・・・作動流体（水）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高温容器と低温容器との間を２組の熱輸送管で連結
   したものの内部に作動流体を充填し、ピストンを備えた
   複動形加振装置で一方の容器内の作動流体を介して両熱
   輸送管内の作動流体に交互に押圧振動を与えることによ
   り、前記ピストンの両側にそれぞれ連通する両熱輸送管
   を通して両容器間の熱輸送を行うことを特徴とする流体
   振動熱輸送装置。 ２、高温容器と低温容器とのうちの一方の容器を互いに
   独立した２室に分割し、両室と他の容器との間をそれぞ
   れ熱輸送管で連結し、更に前記両室をそれぞれ連通管を
   介して１つのシリンダに連結し、このシリンダ内にピス
   トンを配して複動形加振装置を構成し、内部に作動流体
   を充填し、前記加振装置でシリンダ内の作動流体、２本
   の連通管内の作動流体及び２室に分割された容器内の作
   動流体を介して両熱輸送管内の作動流体に交互に押圧振
   動を与えることにより、前記ピストンの両側にそれぞれ
   連通する両熱輸送管を通して両容器間の熱輸送を行うこ
   とを特徴とする流体振動熱輸送装置。