新技術説明会 様式例

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1 1 第 3 回関西ものづくり技術シーズ発表会 ( , 国民会館, 近畿経済産業局 ) 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 nagai@u-fukui.ac.jp

2 2 技術概要と説明の構成 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 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

3 1. ヒートパイプとは? ヒートポンプとヒートパイプの違い 高温部 T H COP=Q H /L 放熱 Q H 吸熱 Q 電力 L COP=Q C /L ヒートポンプ or 冷凍機 吸熱 Q C ヒートパイプ 放熱 Q 消費電力ゼロ 低温部 T C 3 3

4 従来の代表的ヒートパイプ 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 高温蒸発と凝縮による潜熱移動により熱輸送 低温 に輸送する機器 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 ウィック ( 金網 ) ウィック式 ( サーモサイフォン式 ) ヒートパイプ ( 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宇宙関連機器等で利用 自励振動式ヒートパイプ 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 ) 4

5 2. 新型ヒートパイプ BACH とは? 従来ヒートパイプの課題 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 その状況下で 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 号, 特開 , 特開 ) 5

6 れ 熱輸送液循環が誘起さ気泡浮力によりボトムヒート BACH 作動の概要 放熱部 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 new! 気泡生成部 吸熱部 6

7 上昇管7 トップヒート BACH 作動の概要 気泡生成部 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 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 )

8 気泡生成部の効用 ( 低過熱度で蒸気泡生成 ) 10 蒸気泡半径 ( 臨界半径 ) r [mm] BACH 気泡生成部の出口半径 r [mm] 水 r [mm] エタノール 通常の金属表面の凹み Tsat=320K 過熱度 Tsat [K] 沸騰気泡半径と過熱度の関係 8

9 9 BACH と従来型ヒートパイプの性能比較 熱輸送量 Q [W] Q [W] BACH Q [W] 従来型 本システムでの適用温度範囲 Q [W] 従来型 2 本分 ( 全てに共通の条件 ) 作動液 HFC-134a 管内径 22mm 全長約 5m 熱輸送量 2.5 倍! 吸熱部と放熱部の平均温度差 T [K]

10 越前市内防火水槽の融雪状況 2010/1/16 午後 3 時の写真 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 BACH 設置側の方が 良好に融雪 熱輸送特性の違 いに起因 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 ) 10

11 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 弁の状態トップ時 :SV-1= 開 SV-3= 閉ボトム時 : 逆 構成 -ロ弁の状態トップ時 :SV-1= 開ボトム時 : = 閉 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 11

12 ( 色付きの部分は ほぼ常時流れがある管をしめす ) 12

13 13 ( 構成 - イ ) の熱輸送 作動流体 : エタノール + 水 ( エタノール =70%) 熱輸送量 (kw) 熱輸送量 ( 冷水が得た熱量 ) ループ No3: ボトムヒート SV-1 閉冷水の温度は ホ トム SV-1 閉 12/ 高温水入口温度 ( ) ボトムヒート時 トップヒート時 ( 構成 - ロ ) でも同様の熱輸送量を確認

14 14 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

15 5. 想定される用途 ( 従来技術との比較も ) 本技術を地中熱利用空調に適用 ( 実証試験中 ) 夏季 : 吸熱部 冬季 : 放熱部年夏季 : 中間放熱部冬季 : 動作無し 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) 地中約間16 通じ定て 一約5 m夏季 : 放熱部冬季 : 吸熱部 松本鉄工所 ( 若狭湾エネ研 ) 共和製作所 MDI 福井大学 15

16 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 ) 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 16 16

17 17 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

18 18 BACH 地中埋設部吸熱部 ( ホ トム時 ) 放熱部 ( トッフ 時 ) BACH 地上熱交換部放熱部 ( ホ トム時 ) 吸熱部 ( トッフ 時 ) 4m 2m 6m BACH 配管 SUS304 作動液 HFC134a ボトムヒートで Q=0~180W トップヒートで Q=0~120W

19 19 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

20 20 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

21 21 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

22 22 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 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

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