トップヒートとボトムヒートを 切替可能なヒートパ...
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トップヒートとボトムヒートを 切替可能なヒートパイプ
福井大学 大学院工学研究科機械工学専攻
教授 永井 二郎
第３回 関西ものづくり技術シーズ発表会（2015.5.26, 国民会館, 近畿経済産業局）
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弁の切替あるいは逆止弁設置により、トップヒート状態（上部で吸熱、下部で放熱）とボトムヒート状態（下部で吸熱、上部で放熱）を切替可能なヒートパイプ。 作動液の沸騰蒸気泡浮力に誘起される液循環により作動。 全長は数ｍまで可。 熱輸送量は温度差に依存するが、数十～数百Ｗ。
技術概要と説明の構成
１．ヒートパイプとは？ （ヒートポンプとの違い） ２．新型ヒートパイプＢＡＣＨとは？ ３．本技術（切替可能ＢＡＣＨ）とは？ ４．本技術の特徴 ５．想定される用途 （従来技術との比較も含めて） ６．実用化に向けた課題 と 企業への期待
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ヒートポンプ と ヒートパイプの違い
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高温部 TH
低温部 TC
ヒートポンプ or
冷凍機 電力 L
吸熱 QC
放熱 QH COP=QH/L
COP=QC/L
ヒートパイプ
吸熱 Q
放熱 Q
消費電力 ゼロ
１．ヒートパイプとは？
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従来の代表的ヒートパイプ
ウィック式 （サーモサイフォン式） ヒートパイプ
自励振動式ヒートパイプ
蒸発と凝縮による潜熱移動により熱輸送
ウィック（金網）を用いた毛細管作用で液を循環させる。サーモサイフォン式は、重力により液を還流させる。
毛細管力には限界があり
姿勢や熱輸送量に限界
（トップヒートでは性能激減）
自励振動による液の顕熱・潜熱輸送
ウィック等の機構が不必要で、比較的高い
熱輸送特性
太いパイプでは作動しない姿勢や熱輸送量に限界
（長距離トップヒートでは性能激減）
ウィック（金網）
（熱抵抗0.05K/W程度、5千円/m程度）
CPU冷却、ボトムヒート地中熱利用、等で実用
宇宙関連機器等で利用
ヒートパイプとは、高温と低温の温度差があれば、外から電力や動力を加えなくても、熱エネルギーを〔高温→低温〕に輸送する機器
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新型ヒートパイプＢＡＣＨ 気泡駆動型循環式ヒートパイプ
Bubble-Actuated Circulating Heat pipe BACH Ｈ１８に若狭湾エネルギー研究センター（新宮所長）が発明
(特許第4771964号,特開2008-194899,特開2009-52757)
・熱輸送の促進に限界 ・１ｍ以上の長さでのトップヒートを実現できない。 ・実用対象が限られており、未利用熱利用or環境対応技術
としての新たな展開が期待されている。
従来ヒートパイプの課題
その状況下で
２．新型ヒートパイプＢＡＣＨとは？
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・密閉ループ配管内を真空にした後、 作動液を注入
・吸熱部周辺を加熱、放熱部周辺を冷却 （温度差をつける）
・気泡生成部より、効率よく連続的に蒸気泡が発生
・その気泡の浮力により液循環が誘起
・蒸発による熱輸送に加えて、液循環の熱輸送がプラスされる
吸熱部
放熱部
気泡浮力により
液循環が誘起さ
れ、熱輸送
気泡生成部 new!
ボトムヒートBACH作動の概要
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• 左図のように、吸熱部から一部、上方へ管を伸ばすことによって液循環を誘起。再び管を下方に伸ばすことによって、擬似的にトップヒートが実現。
上昇管
トップヒートBACHは下方熱輸送距離に関わらず、作動液を揚液する必要がない。（必要体積力≒0）
熱を長距離（数ｍ～）下方に輸送できる（従来型ヒートパイプの欠点克服）
トップヒートBACH作動の概要
気泡生成部
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気泡生成部の効用（低過熱度で蒸気泡生成）
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
0.1 1 10 100
r [mm] 水r [mm] エタノール
蒸気泡半径（臨界半径） r [mm]
過熱度 ∆Tsat [K]
Tsat=320K
通常の金属表面の凹み
BACH気泡生成部の出口半径
沸騰気泡半径と過熱度の関係
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ＢＡＣＨと従来型ヒートパイプの性能比較
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15
Q [W] BACH
Q [W] 従来型
Q [W] 従来型２本分熱
輸送
量
Q [
W]
吸熱部と放熱部の平均温度差 ∆T [K]
（全てに共通の条件）作動液 HFC-134a管内径 22mm全長 約5m
本システムでの適用温度範囲
熱輸送量２．５倍！
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越前市内防火水槽の融雪状況
ＢＡＣＨ設置側
従来型ヒートパイプ設置側 • ２つのヒートパイプ
設置部は、良好に融雪。
→ 迅速な投入孔の発見が可能
• BACH設置側の方
が、良好に融雪。 → 熱輸送特性の違
いに起因
2010/1/16午後3時の写真
BACHは、同程度サイズの従来型ヒートパイプと比較して、高い熱輸送特性（２倍以上）
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外周は トップ時：高温 ボトム時：低温
外周は トップ時：低温 ボトム時：高温
外周は トップ時：高温 ボトム時：低温
外周は トップ時：低温 ボトム時：高温
弁の状態 トップ時：SV-1=開 SV-3=閉 ボトム時： 逆
弁の状態 トップ時：SV-1=開 ボトム時： =閉
構成－ロ 構成－イ
３．本技術（切替可能ＢＡＣＨ）とは？ １つの装置で、トップとボトム両方の状態を実現可能なＢＡＣＨ
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（構成－イ）の熱輸送 作動流体：エタノール＋水
（エタノール＝７０％）
トップヒート時
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
20 40 60 80 100
熱輸
送量
(kw
)
高温水入口温度（℃）
熱輸送量(冷水が得た熱量)
ﾎﾞﾄﾑ SV-１閉 12/7
ループNo3：ボトムヒート
SV-1閉
冷水の温度は２１℃
ボトムヒート時
（構成－ロ）でも同様の熱輸送量を確認
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４．本技術の特徴 • 簡易構造のヒートパイプとして、全長が数ｍの
トップヒート状態で初めて数百Ｗの熱輸送量を実現。
• そのトップヒート状態とボトムヒート状態を、簡単な弁切替操作や逆止弁設置により初めて切替可能とした。
• ヒートポンプを使用しないので、消費電力ゼロ。 その熱輸送能力は、吸熱部・放熱部間の温度差と物理法則に従い定まる。
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本技術を地中熱利用空調に適用（実証試験中）
地中
夏季:中間放熱部冬季:動作無し
夏季:吸熱部冬季:放熱部
年間通じて
約16℃
一定
約5ｍ
夏季:放熱部冬季:吸熱部
５．想定される用途 （従来技術との比較も）
H23～H24 NEDO新エネルギー
ベ ン チ ャ ー 技 術 革 新 事 業（フェーズＡ～Ｂ） ・松本鉄工所（若狭湾エネ研） ・共和製作所 ・ＭＤＩ ・福井大学
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本技術・システム 競合技術・従来技術
切替可能BACHによる地中熱源活用システム
地中熱利用ヒ ー ト ポ ンプシステム
空 気 熱 源ヒートポンプ
従来のヒートパイプ（ｻｰﾓｻ ｲ ﾌｫﾝ 式 、 ｳｨｯｸ式）
省電力性 ◎(ゼロ) ○ △ ◎(ゼロ)
新エネ利用 ◎ ◎ × ---
初期コスト ？⇒○ △ ◎ ○
運転コスト ◎ ○ △ ◎
冷暖房能力 △⇒○ ◎ ◎ ---
地上→地中放熱 △⇒○ ○ --- ×
普及率 ×⇒○ △ ◎ △
従来技術との比較 （本技術を地中熱利用空調に適用した場合）
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製作した切替可能BACH （地上部の写真） 切替可能BACH中間放熱部と切替弁
地中熱交換用の鋼管杭 外径165mm
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BACH地中埋設部 吸熱部（ﾎﾞﾄﾑ時）、放熱部（ﾄｯﾌﾟ時）
BACH地上熱交換部 放熱部（ﾎﾞﾄﾑ時）、吸熱部（ﾄｯﾌﾟ時）
BACH配管 SUS304 作動液 HFC134a
６ｍ
４ｍ ２ｍ
→ ボトムヒートでＱ＝０～１８０Ｗ、 トップヒートでＱ＝０～１２０Ｗ
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その他の想定される用途
• 地表から数ｍ下の地中熱源利用として、夏季のヒートアイランド対策や、冬季の路面凍結防止・融雪。
• 排熱の有効利用。 ヒートパイプの吸熱部は「冷却効果」を、放熱部は「加熱効果」を持つことになる。 離れた２地点間で、一方では「冷却」を必要とし、片方では「加熱」を必要とする用途があれば、ベスト。
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６．実用化に向けた課題と企業への期待 • 製品や用途に応じたＢＡＣＨの吸熱部・放熱部
の熱交換部の設計手法が確立していない。 → 今後、各種用途に応じたプロトタイプ装置
の設計・試験を行い、設計方法の確立を目指す（汎用的熱設計ツール作成も含めて）。
• トップヒート状態で作動する場合、中間放熱部の冷却方法が課題。
→ 空冷・水冷等、いくつかの方法を検討中。さらには中間放熱部が不要のタイプも検討中。
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• 無動力で作動するヒートパイプのメリットは大きいと思われるが、CPU冷却等の一部の実用化に留まっている。
→ これまでヒートパイプを全く利用する必要の
無かった業界・企業においても、ヒートパイプ（特に本技術）の特徴をふまえると、意外な用途が見つかる可能性もある。
ぜひヒートパイプ（特に本技術）適用のご検討と、
事業化へ向けた共同開発を希望しております。
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本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 ：熱輸送方向を切替可能なヒート パイプ、及び逆止弁により熱輸 送方向の自動切替が可能な ヒートパイプ • 出願番号 ：特願2011-75859 • 出願人 ：若狭湾エネルギー研究センター 福井大学 • 発明者 ：鳥取章二、永井二郎