世界最大6.2kWの無電力熱エネルギーを輸送できるループヒートパイプを開発

2020-10-30

自動車や工場の排熱利用などへの適用で抜本的な省エネ化を目指す

自動車や工場の排熱利用などへの適用で抜本的な省エネ化を目指す

2020-10-29 新エネルギー・産業技術総合開発機構,未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合,東海国立大学機構名古屋大学

国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（以下、NEDO）は、エネルギーの供給過程で排出される未利用熱の革新的活用技術に関する研究開発に取り組んでおり、今般、未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合（以下、TherMAT）と、国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学（以下、名古屋大学）とともに、世界最大6.2kWの熱エネルギーを無電力で輸送できるループヒートパイプを開発しました。

開発したループヒートパイプは、大量の熱輸送を可能にするため、蒸発器構造をボックス構造に改良したほか、凝縮器の最適化を図ることで安定した動作を可能にしました。

今後、自動車のエンジンや工場からの排熱利用、電気自動車やデータセンターの機器類の熱マネジメント、大型発熱機器の冷却などへの適用を図り、抜本的な省エネルギー化を目指します。

図1　世界最大6.2kWの熱エネルギーを無電力で輸送できるループヒートパイプ

1．概要

近年、工場排熱や自動車エンジンからの排熱など、これまで未利用であった熱エネルギーを有効活用する技術が注目されています。このような熱は、排出されている場所が利用先から離れている場合が多く、有効利用するためには、高温の熱源から利用先まで熱を損失なく運ぶ熱輸送技術が極めて重要になります。これまでは熱輸送のために機械式のポンプが用いられてきましたが、機械式ポンプは、電力が必要、効率が悪い、機械的な機構の寿命が短いなど課題がありました。そのため、無電力で高効率に熱を輸送する技術が求められていました。

このような背景の中、2009年にNEDOの産業技術研究助成事業（若手研究グラント）^※1により、名古屋大学（当時は、国立大学法人）は、電力を用いることなく半永久的に大量の熱輸送を可能にするループヒートパイプ技術を開発^※2しました。ループヒートパイプ^※3は、多孔体が液を吸い上げる毛管現象^※4を駆動源としており、高温廃熱を動力源として駆動することができるため、電力不要の熱輸送技術として期待されており、近年、スマートフォンなどの電子機器への適用が広がっています。しかし、これまでは熱輸送量が数百ワット（W）程度と少なく、自動車や工場の排熱利用に適用できるような大量の熱輸送を行うことができませんでした。

そこでNEDOはTherMAT、名古屋大学とともに、未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発事業^※5の一環として、「ループ型ヒートパイプの研究開発」に取り組み、今般、大熱量ループヒートパイプを開発し、電力を用いずに6.2キロワット（kW）という世界最大の熱エネルギーを2.5m輸送することに成功しました。

今回開発したループヒートパイプは、大熱量を輸送するため、蒸発器^※6構造をボックス構造に改良して熱伝達性の向上を図り、熱源と平面での高効率な接触を可能にしたほか、凝縮器^※7内の気液二相流動^※8モデルを構築し、管内の圧力損失増大を抑えつつも気液の分離が起きない環状流の領域が確保できるサイズになるように管径を最適化しました。

この技術は、自動車分野においては、大量に放出されるエンジン排気熱の回収と利用、熱が不足する電気自動車でのモータ廃熱の空調活用といった熱マネジメントにより、省エネルギー化と燃費向上の効果が期待されます。また工場内の炉などで発生する大量排熱の輸送と熱利用設備での活用、蓄電設備やデータセンターなどの熱マネジメント、電動機や変圧器など大型発熱機器の冷却といった用途に適用することにより、設備機器の高効率化と抜本的な省エネルギー化が期待されます。

この技術の詳細は、2020年10月27日（日本時間）にElsevier B.V.の発行する学術論文誌「Applied Thermal Engineering^※9」に掲載されました。

2．今回の成果

ループヒートパイプは、蒸発器、蒸気管、凝縮器、液管から構成されており、蒸発器内に設置されたウィック（多孔質）の毛管現象により細い管（毛管）の内側を液体が表面張力を駆動力に移動し、ポンプの役割を果たします（図2）。

図2　一般的なループヒートパイプの仕組み

従来のループヒートパイプ蒸発器構造は円筒形が一般的でした。大型蒸発器構造を円筒形にするためには大型ウィックを高精度に加工する技術が必要ですが精度の限界により製造できませんでした。また、円筒形であるため、熱源との接触には金属ブロックを介す必要がある（図2 A-A）など、高効率な熱伝達ができませんでした。そこで、蒸発器をボックス構造にすることで、熱伝導性の向上を図り、熱源と平面での高効率な接触が可能となりました（図3）。

図3　今回開発したループヒートパイプの仕組み

そして大型化に伴い、輸送管も大口径化する必要があります。しかし、管径が大きいと凝縮器内で気体と液体が分離してしまい、媒体の循環が上手くいかない問題がありました。そこで、凝縮器内の気液二相流動モデルを構築し、圧力損失^※10増大を抑えつつも気液の分離が起きないサイズになるように管径を最適化しました（図4）。

このように蒸発器構造、凝縮器構造をそれぞれ工夫することにより、水冷自然放熱条件において6.2kWの熱輸送を達成することに成功しました（図5）。

図4　凝縮器内の気液流動の様式の違い

図5　実験結果（動作温度と熱輸送量の関係）

【注釈】

※1 産業技術研究助成事業（若手研究グラント）: 事業期間：2009年1月～2012年12月
実施者：名古屋大学大学院工学研究科長野方星教授
※2 ループヒートパイプ技術を開発: 次世代熱エネルギー輸送デバイス「ループヒートパイプ」を開発（2009年12月17日ニュースリリース）
※3 ループヒートパイプ: 高温廃熱を蒸発器に取り付けると多孔体表面の作動液体が蒸発します。多孔体で生じる毛管現象により再び作動液が多孔体表面に供給されるため、半永久的な動作が可能となります。
※4 毛管現象: 細い管（毛管）の内側を液体が表面張力を駆動力に移動する物理現象のことです。
※5 未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発事業: 事業期間：2013年度～2022年度（うち2013年度～2014年度は経済産業省にて実施）
事業予算：6.5億円（2020年度）
※6 蒸発器: 発熱部の熱で液体を相変化させ蒸気を生成する機器です。
※7 凝縮器: 蒸発器で生成された蒸気を液体に凝縮させることで、外部に放熱を行う機器です。
※8 気液二相流動: 気体と液体という異なった2種類の流体が同一流路管内に混在・移動している状態のことで、気液二相流動は両相の種類や流路形状および流量などに応じていろいろな流動様相をとることが知られています。流動様相の違いは二相流の流動特性や伝熱特性・圧力損失に大きな影響を及ぼします。
※9 Applied Thermal Engineering: 熱工学全般の技術分野をカバーし、査読を取り入れた専門性の高い学術雑誌です。
※10 圧力損失: 流体などが管内を通過するとき、摩擦などで生じるエネルギー損失をいいます。