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 [email protected] 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）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 企業への期待ヒートポンプ と ヒートパイプの違い
3高温部 T
H低温部 T
C 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？
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 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？
・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
• 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！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）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（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
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。
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16 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）
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
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
