(57)【要約】      （修正有）【課題】一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、伝熱面から冷媒への熱伝達率を向上させることができる熱交換システムを提供する。【解決手段】管体１４の熱交換部１４Ａを流れている冷媒３０において、フッ素系不活性液体などの分散相の体積分率、及び冷媒の混合レイノルズ数を予め定められた範囲となるように、駆動部１２を用いて管体に冷媒を流す。一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、熱交換部の内周面から冷媒への熱伝達率を向上させることができる。【選択図】図１
2018096623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに非相溶な分散相と分散媒との二流体を含む冷媒が内部を流れる管体であって、外部との熱交換が行われる熱交換部を有する前記管体と、
前記管体の前記熱交換部を流れている前記冷媒において、分散相の体積分率、及び前記冷媒の混合レイノルズ数が下記の範囲となるように、前記管体に前記冷媒を流す駆動部と、
を備える熱交換システム。
分散相の体積分率が０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が１５００以上３０００以下、
分散相の体積分率が０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数が１０００以上３０００以下、
分散相の体積分率が０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数が２５００以上３５００以下、
又は、分散相の体積分率が０．３５、かつ、混合レイノルズ数が３５００以上４５００以下とする。
【請求項２】
互いに非相溶な分散相と分散媒との二流体を含む冷媒が内部を流れる管体であって、外部との熱交換が行われる熱交換部を有する前記管体と、
前記管体の前記熱交換部を流れている前記冷媒において、分散相の体積分率、及び前記冷媒の混合レイノルズ数が下記の範囲となるように、前記管体に前記冷媒を流す駆動部と、
を備える熱交換システム。
分散相の体積分率が０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が１５００以上３０００以下、
分散相の体積分率が０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数が１０００以上３０００以下、
分散相の体積分率が０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数が２５００以上３５００以下、
又は、分散相の体積分率が０．３５、かつ、混合レイノルズ数が３５００以上４０００以下とする。
【請求項３】
前記管体は、前記熱交換部と前記駆動部との間に配置されている非熱交換部を有し、
前記駆動部は、前記管体の前記熱交換部を流れている前記冷媒を、分散相の体積分率が０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が１５００以上３０００以下とした状態で、前記管体の前記非熱交換部を流れている前記冷媒を、分散相の体積分率が０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が４０００以上とする請求項２に記載の熱交換システム。
【請求項４】
前記管体の前記熱交換部には、前記冷媒が流れるＮ個の流路が形成され、前記管体の前記非熱交換部には、前記冷媒が流れると共に、Ｎ個より少ない数の流路が形成されている請求項３に記載の熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の冷媒液組成物は、液体を主成分として、成分中に固体であるカーボンナノチューブを含有した構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９１００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一流体の場合、熱伝達率を上げるとその分圧力損失が増大するという課題がある。また、固体を添加する場合についても一流体と同様、圧力損失が増大する課題があるとともに、粒子が流路に固着するなど実用上の性能の安定性に課題がある。
【０００５】
本発明の課題は、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、伝熱面から冷媒へ伝達される熱の熱伝達率を大幅に、かつ、安定的に向上させることである。また、熱伝達率の向上に対して、圧力損失の増大を抑えることも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係る熱交換システムは、互いに非相溶な分散相と分散媒との二流体を含む冷媒が内部を流れる管体であって、外部との熱交換が行われる熱交換部を有する前記管体と、前記管体の前記熱交換部を流れている前記冷媒において、分散相の体積分率、及び前記冷媒の混合レイノルズ数が下記の範囲となるように、前記管体に前記冷媒を流す駆動部と、を備える。
分散相の体積分率が０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が１５００以上３０００以下、分散相の体積分率が０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数が１０００以上３０００以下、分散相の体積分率が０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数が２５００以上３５００以下、又は、分散相の体積分率が０．３５、かつ、混合レイノルズ数が３５００以上４５００以下とする。
【０００７】
上記構成によると、管体の熱交換部を流れている二流体の冷媒において、分散相の体積分率、及び冷媒の混合レイノルズ数が下記の範囲となっている。このため、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、熱交換部における管体の内周面から、冷媒へ伝達される熱の熱伝達率を向上させることができる。
【０００８】
分散相の体積分率が０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が１５００以上３０００以下、分散相の体積分率が０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数が１０００以上３０００以下、分散相の体積分率が０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数が２５００以上３５００以下、又は、分散相の体積分率が０．３５、かつ、混合レイノルズ数が３５００以上４５００以下とする。
【０００９】
本発明の請求項２に係る熱交換システムは、互いに非相溶な分散相と分散媒との二流体を含む冷媒が内部を流れる管体であって、外部との熱交換が行われる熱交換部を有する前記管体と、前記管体の前記熱交換部を流れている前記冷媒において、分散相の体積分率、及び前記冷媒の混合レイノルズ数が下記の範囲となるように、前記管体に前記冷媒を流す駆動部と、を備える。
分散相の体積分率が０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が１５００以上３０００以下、分散相の体積分率が０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数が１０００以上３０００以下、分散相の体積分率が０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数が２５００以上３５００以下、又は、分散相の体積分率が０．３５、かつ、混合レイノルズ数が３５００以上４０００以下とする。
【００１０】
上記構成によると、管体の熱交換部を流れている二流体の冷媒において、分散相の体積分率、及び冷媒の混合レイノルズ数が下記の範囲となっている。このため、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、熱交換部における管体の内周面から、冷媒へ伝達される熱の熱伝達率を向上させることができる。
【００１１】
分散相の体積分率が０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が１５００以上３０００以下、分散相の体積分率が０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数が１０００以上３０００以下、分散相の体積分率が０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数が２５００以上３５００以下、又は、分散相の体積分率が０．３５で、かつ、混合レイノルズ数が３５００以上４０００以下とする。
【００１２】
本発明の請求項３に係る熱交換システムは、請求項２に記載の熱交換システムにおいて、前記管体は、前記熱交換部と前記駆動部との間に配置されている非熱交換部を有し、前記駆動部は、前記管体の前記熱交換部を流れている前記冷媒を、分散相の体積分率が０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が１５００以上３０００以下とした状態で、前記管体の前記非熱交換部を流れている前記冷媒を、分散相の体積分率が０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が４０００以上とする。
【００１３】
上記構成によると、管体の非熱交換部を流れている冷媒は、分散相の体積分率が０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数が４０００以上とされている。このため、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、非熱交換部を流れる冷媒の圧力損失を低くすることができる。
【００１４】
本発明の請求項４に係る熱交換システムは、請求項３に記載の熱交換システムにおいて、前記管体の前記熱交換部には、前記冷媒が流れるＮ個の流路が形成され、前記管体の前記非熱交換部には、前記冷媒が流れると共に、Ｎ個より少ない数の流路が形成されている。
【００１５】
上記構成によると、熱交換部に、冷媒が流れるＮ個の流路が形成され、非熱交換部に、冷媒が流れると共に、Ｎ個より少ない数の流路が形成されている。これにより、熱交換部を流れている冷媒の混合レイノルズ数と、非熱交換部を流れている冷媒の混合レイノルズ数とを変えることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、冷媒が接触する伝熱面から冷媒へ伝達される熱の熱伝達率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを示した概略構成図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係る熱交換システムの管体を流れる二流体の模式図と、比較形態に係る一流体の模式図である。
【図３】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第１実施形態に係る熱交換システムの管体を流れる二流体の模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置の全体図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置の一部を拡大した拡大図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置によって得た、実験結果をグラフで示した図面である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置によって得た、実験結果をグラフで示した図面である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置によって得た、実験結果をグラフで示した図面である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置によって得た、実験結果を表で示した図面である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置によって得た、実験結果を表で示した図面である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置によって得た、実験結果を表で示した図面である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る熱交換システムを評価するのに用いた実験装置によって得た、実験結果を表で示した図面である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る熱交換システムを示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る熱交換システムの一例について図１〜図１２を用いて説明する。先ず、熱交換システムの全体構成を説明し、次に、熱交換システムに用いられる冷媒について説明する。
【００１９】
（全体構成）
熱交換システム１０は、図１に示されるように、駆動部材の一例としてのポンプ１２と、内部に冷媒３０が流れる管体１４と、熱交換部材２０と、冷却部材２２とを備えている。なお、図１に示す矢印ＵＰは、鉛直方向の上方を示す。
【００２０】
管体１４の一端は、ポンプ１２の吐出口１２Ａに接続され、管体１４の他端は、ポンプ１２の吸込口１２Ｂに接続されている。これにより、ポンプ１２の駆動力によって、冷媒３０は、管体１４の一端から管体１４の他端に向けて（図中矢印Ａ方向）流れている。そして、管体１４は、熱交換部材２０の内部に配置されている熱交換部１４Ａと、熱交換部１４Ａ以外の非熱交換部１４Ｂとを有している。
【００２１】
熱交換部材２０は、管体１４の一部に配置されている。そして、熱交換部材２０は、管体１４の熱交換部１４Ａを外側から覆うと共に、一例として、両端部が閉止された円筒状の本体２０Ａを有している。さらに、熱交換部材２０は、管体１４の熱交換部１４Ａを流れている冷媒３０との間で熱交換が行われる高温の流体Ｆ１を本体２０Ａの内部に流入させる流入口２０Ｂと、冷媒３０との間で熱交換が行われた流体Ｆ１を排出させる排出口２０Ｃとを有している。
【００２２】
冷却部材２２は、管体１４の非熱交換部１４Ｂで、冷媒３０の流れ方向において、熱交換部材２０の下流側、かつ、ポンプ１２の上流側に配置されている。そして、冷却部材２２は、流体Ｆ１との熱交換によって温度が上昇した冷媒３０を冷却するようになっている。
【００２３】
（冷媒）
冷媒３０は、非相溶な二流体を含んで構成されており、本第１実施形態では、分散媒としての純水と、分散相としてのフッ素系不活性液体である住友３Ｍ（株）製のフロリナート（登録商標）のＰＦ−５０５２とが用いられている。ここで、非相溶な二流体とは、二種の流体が混合せずに、相が分離している状態の流体である。なお、純水とは、電気導電率が、０．０５〔ｍ・Ｓ／ｍ〕以上、１〔ｍ・Ｓ／ｍ〕以下の水である。
【００２４】
そして、管体１４の熱交換部１４Ａの内部を流れる冷媒３０の分散相の体積分率αが下記の範囲の場合に、混合レイノルズ数Ｒｅｍが下記の範囲となるように、ポンプ１２の駆動力を調整することで、冷媒３０が管体１４の内部を流れている。
【００２５】
分散相の体積分率αが０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１５００以上３０００以下、
分散相の体積分率αが０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１０００以上３０００以下、
分散相の体積分率αが０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが２５００以上３５００以下、
又は、分散相の体積分率αが０．３５、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが３５００以上４５００以下である。
【００２６】
ここで、体積分率αについては、標準状態（温度：２３℃、湿度：５０％、気圧：１１.０１３×１０５Ｐａ）で測定した値である。
【００２７】
また、混合レイノルズ数Ｒｅｍについては、下記式（１１）、式（１２）、式（１３）、式（１４）より算出される。具体的には、冷媒３０の主流速度Ｕｍ〔ｍ／ｓ〕を算出し、下記式（１３）より、冷媒３０の密度ρｍ〔ｋｇ／ｍ３〕を算出し、下記式（１４）より、冷媒３０の粘度μｍ〔Ｐａ・ｓ〕を算出することで、混合レイノルズ数Ｒｅｍが、下記式（１１）より算出される。
【００２８】
なお、式中のＤは、管体１４の内側の直径Ｄ〔ｍ〕であり、Ｒは、管体１４の内側の半径Ｒ〔ｍ〕であり、Ｑ１は、分散相の流量Ｑ１〔ｍ３／ｓ〕であり、Ｑ２は、分散媒の流量Ｑ２〔ｍ３／ｓ〕であり、αは、分散相の体積分率αである。また、ρ１は、分散相の密度ρ１〔ｋｇ／ｍ３〕であり、ρ２は、分散媒の密度ρ２〔ｋｇ／ｍ３〕であり、μ１は、分散相の粘度μ１〔Ｐａ・ｓ〕であり、μ２は、分散媒の粘度μ２〔Ｐａ・ｓ〕である。
【００２９】
Ｒｅｍ＝（ρｍ・Ｕｍ・Ｄ）／μｍ・・・・・・（１１）
Ｕｍ＝（Ｑ１＋Ｑ２）／（π・Ｒ２）・・・・・（１２）
ρｍ＝αρ１＋（１−α）ρ２・・・・・・・・（１３）
μｍ＝αμ１＋（１−α）μ２・・・・・・・・（１４）
【００３０】
（作用）
次に、熱交換システム１０の作用ついて説明する。
【００３１】
熱交換システム１０では、図１に示されるように、ポンプ１２が、吸込口１２Ｂから吸い込んだ冷媒３０を、吐出口１２Ａから吐出させることで、管体１４内の冷媒３０が、図中矢印Ａ方向に流れる。
【００３２】
さらに、熱交換部材２０の流入口２０Ｂから流入した高温の流体Ｆ１と、管体１４の熱交換部１４Ａを流れている冷媒３０との間で熱交換が行われる。そして、冷媒３０との間で熱交換が行われた流体Ｆ１は、流入口２０Ｂから流入したときの温度よりも低くなり、排出口２０Ｃから排出される。
【００３３】
一方、流体Ｆ１との間で熱交換が行われた冷媒３０は、熱交換が行われる前の温度よりも高くなり、管体１４内を流れる。さらに、冷却部材２２が、熱交換が行われる前の温度よりも高くなった冷媒３０を冷却する。
【００３４】
熱交換システム１０では、以上の工程が繰り返される。
【００３５】
（実験）
次に、熱交換システム１０で使用した冷媒３０等を用いて、管体の内周面である伝熱面から冷媒に伝達される熱の熱伝達率、及び管体を流れる冷媒の圧力損失等を評価した実験について説明する。
【００３６】
〔実験装置〕
先ず、実験装置１００について、図４、図５に従って説明する。図中の矢印ＵＰは、鉛直方向の上方を示す。
【００３７】
実験装置１００は、冷媒となる液体が貯留されているタンク１０２と、分散相であるフロリナートが流れる管体１０４と、分散媒である純水が流れる管体１０６とを備えている。さらに、実験装置１００は、管体１０４に配置されたポンプ１０８、及び流量計１１０と、管体１０６に配置されたポンプ１１２、及び流量計１１４とを備えている。なお、流量計１１０、１１４には、ホリバ社製のＳＴＥＣ、ＬＤ５−ＴＡＴＡＡＡ−ＲＣが用いられている。また、タンク１０２中では、比重の違いから、フロリナートと純水とが分離している。
【００３８】
また、実験装置１００は、分散相としてのフロリナートと、分散媒としての純水とを合流させて冷媒とする合流部１２０と、合流部１２０から冷媒を上方へ流す、銅製で、内側の直径（内径）が７〔ｍｍ〕の管体１２２とを備えている。さらに、実験装置１００は、管体１２２を流れた冷媒をタンク１０２に導く管体１２６と、管体１２６に配置された冷却部１２８と、管体１２２に配置されている評価部１３０とを備えている。なお、評価部１３０については、詳細を後述する。
【００３９】
そして、管体１０４の基端は、タンク１０２において、フロリナートの層の部分に接続され、管体１０６の基端は、タンク１０２において、純水の層の部分に接続されている。さらに、管体１０４の先端、及び管体１０６の先端は、合流部１２０に接続されている。そして、分散相であるフロリナートが分散媒である純水に囲まれた冷媒が、合流部１２０から管体１２２へ流れている（図５参照）。
【００４０】
［評価部］
評価部１３０は、図５に示されるように、管体１２２の一部を囲む断熱材１３２と、断熱材１３２と管体１２２との間に配置されたヒータ１３４と、差圧計１３６とを備えている。また、評価部１３０は、評価部１３０において、冷媒の流れ方向の上流側の部分（以下「入口部分」）で、冷媒の温度を検出する熱電対１４０、及び管体１２２の温度を検出する熱電対１４２を備えている。さらに、評価部１３０は、評価部１３０において、冷媒の流れ方向の下流側の部分（以下「出口部分」）で、冷媒の温度を検出する熱電対１４４、及び管体１２２の温度を検出する熱電対１４６を備えている。
【００４１】
断熱材１３２は、鉛直方向に延びる円筒状で、管体１２２の長手方向の一部を径方向外側から囲んでおり、断熱材１３２の上端及び下端は、閉止されている。この断熱材１３２で囲まれた管体１２２の一部が、管体１２２の内周面から冷媒に熱を伝達する伝熱部１２２Ａである。
【００４２】
ヒータ１３４は、鉛直方向に延びる円筒状で、管体１２２の外周面と、断熱材１３２の内周面との間の断熱空間に配置されている。なお、ヒータ１３４には、坂口電熱社製のＥ１Ｅ４３が用いられている。
【００４３】
差圧計１３６は、本体１３６Ａと、評価部１３０の入口部分で基端が管体１２２と接続され、先端が本体１３６Ａと接続されているチューブ１３６Ｂと、評価部１３０の出口部分で基端が管体１２２と接続され、先端が本体１３６Ａと接続されているチューブ１３６Ｃとを備えている。なお、差圧計１３６には、バリダイン社製のＤＰ２１５−４０Ｔ３Ｗ７Ｂが用いられている。
【００４４】
〔冷媒〕
冷媒として、純水から構成される一流体と、非相溶な純水とフロリナートとから構成される二流体とを用いた。ここで、一流体とは、分子レベルで完全に混ざり合っている状態の流体である。また、二流体については、純水を分散媒とし、フロリナートを分散相とした。
【００４５】
〔測定方法〕
ポンプ１０８、１１２を稼動させて、管体１２２の下方側から冷媒を管体１２２に流入させた。そして、ヒータ１３４を用いて発熱量Ｑで、管体１２２の外部から冷媒を加熱した。そして、冷媒の混合レイノルズ数Ｒｅｍ、又はレイノルズ数Ｒｅを変えながら、入口部の冷媒の温度、入口部の管体１２２の温度、出口部の冷媒の温度、出口部の管体１２２の温度、及び入口部と出口部との差圧を測定した。
【００４６】
なお、冷媒が一流体である場合は、ポンプ１１２のみを駆動させた。また、一流体の場合は、ポンプ１１２の駆動力を変えることで、評価部１３０での冷媒のレイノルズ数Ｒｅを変えた。
【００４７】
さらに、冷媒が二流体である場合は、ポンプ１０８、１１２の駆動力を夫々変えることで、評価部１３０での冷媒の混合レイノルズ数Ｒｅｍ、及び分散相の体積分率αを変えた。
【００４８】
〔評価項目〕
夫々の冷媒の熱伝達率ｈ〔Ｗ／（ｍ２・Ｋ）〕、及び圧力損失ΔＰ〔Ｐａ〕について、測定結果を用いて算出した。さらに、これらの値から、同一のポンプ動力［Ｗ］（圧力損失×全体積流量）条件下での一流体の場合の熱伝達率に対する、二流体の場合の熱伝達率の比（以下「熱伝達率比Ｆ」）を算出した。
【００４９】
熱伝達率ｈについては、下記式（２２）より、冷媒の熱流速ｑ〔Ｗ／ｍ２〕を算出し、下記式（２３）より、壁温度〔Ｋ〕と流体温度〔Ｋ〕との対数平均温度差を算出した。そして、下記式（２１）より、熱伝達率ｈ〔Ｗ／（ｍ２・Ｋ）〕を算出した。
【００５０】
なお、Ｑは、ヒータ１３４の発熱量Ｑ〔Ｗ〕であり、Ｓは、管体１２２の伝熱部１２２Ａの内周面の表面積Ｓ〔ｍ２〕である。また、ΔＴ１〔Ｋ〕は、入口部の冷媒の温度と、入口部の管体１２２の温度との差（絶対値）であり、ΔＴ２〔Ｋ〕は、出口部の冷媒の温度と、出口部の管体１２２の温度との差（絶対値）である。
【００５１】
ｈ＝ｑ／（Ｔｗａｌｌ−Ｔｆｌｕｉｄ）・・・・・（２１）
ｑ＝Ｑ／Ｓ・・・・・・・・・・・・・・・（２２）
Ｔｗａｌｌ−Ｔｆｌｕｉｄ＝（ΔＴ１−ΔＴ２）／（ｌｎΔＴ１−ｌｎΔＴ２）・・・（２３）
【００５２】
圧力損失ΔＰについては、下記式（３１）より算出した。なお、Ｐは、差圧計１３６によって測定された差圧Ｐであり、ｇは、重力加速度ｇ〔ｍ／ｓ２〕であり、Ｌは、差圧計の測定間距離Ｌ〔ｍ〕（図５参照）である。また、前述したように、αは、分散相の体積分率αあり、ρ１は、分散相の密度ρ１〔ｋｇ／ｍ３〕であり、ρ２は、分散媒の密度ρ２〔ｋｇ／ｍ３〕である。また、圧力損失ΔＰを測定する部位の主流方向が、鉛直上向きであるため、圧力損失ΔＰについては、下記式（３１）となる。
【００５３】
なお、一流体の場合は、密度ρ１＝密度ρ２で、体積分率αは、０である。
【００５４】
ΔＰ＝Ｐ−｛αρ１＋（１−α）ρ２｝・ｇ・Ｌ・・・・・（３１）
なお、前述したように、図４、図５に示す矢印ＵＰは、鉛直方向の上方を示す。
【００５５】
〔評価結果〕
［図１１、図１２に示す表］
図１１、図１２には、一流体から構成される冷媒のレイノルズ数Ｒｅ、熱伝達率ｈ、及び圧力損失ΔＰが表で示されている。
【００５６】
［図９、図１０に示す表］
図９、図１０には、二流体から構成される冷媒の混合レイノルズ数Ｒｅｍ、体積分率α、熱伝達率ｈ、及び圧力損失ΔＰが表で示されている。さらに、図９、図１０には、熱伝達率比Ｆが表で示されている。
【００５７】
［図７に示すグラフ］
図７には、図９、図１０、図１１、図１２に示す表の値を用いて、レイノルズ数Ｒｅ、又は混合レイノルズ数Ｒｅｍと、熱伝達率ｈとの関係がグラフで示されている。縦軸が、熱伝達率ｈで、横軸が、レイノルズ数Ｒｅ、混合レイノルズ数Ｒｅｍである。グラフ中の一流体の線（破線）に対して上方の範囲が、二流体の熱伝達率ｈが、一流体の熱伝達率ｈと比べて、高い範囲である。
【００５８】
図９、図１０、図１１、図１２に示す表、及び図７に示すグラフから、下記範囲では、二流体の熱伝達率ｈが、一流体の熱伝達率ｈと比べて、高いことが分かる。つまり、混合レイノルズ数Ｒｅｍが小さい程、二流体の熱伝達率ｈが一流体の熱伝達率ｈと比べて、高くなる。
【００５９】
分散相の体積分率αが０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１５００以上３０００以下の場合、
分散相の体積分率αが０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１０００以上３０００以下の場合、
分散相の体積分率αが０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが２５００以上３５００以下の場合、
又は、分散相の体積分率αが０．３５で、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが３５００以上４０００以下である。
【００６０】
［図８に示すグラフ］
図８には、図９、図１０、図１１、図１２に示す表の値を用いて、レイノルズ数Ｒｅ、又は混合レイノルズ数Ｒｅｍと、圧力損失ΔＰとの関係がグラフで示されている。縦軸が、圧力損失ΔＰで、横軸が、レイノルズ数Ｒｅ、混合レイノルズ数Ｒｅｍである。グラフ中の一流体の線（破線）に対して下方の範囲が、二流体の圧力損失ΔＰが、一流体の圧力損失ΔＰと比べて、低い範囲である。
【００６１】
図９、図１０、図１１、図１２に示す表、及び図８に示すグラフから、下記範囲では、二流体の圧力損失ΔＰが、一流体の圧力損失ΔＰと比べて、低いことが分かる。つまり、混合レイノルズ数Ｒｅｍが大きい程、二流体の圧力損失ΔＰが一流体の圧力損失ΔＰと比べて低くなる。
【００６２】
分散相の体積分率αが０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが４０００以上４５００以下の場合である。
【００６３】
なお、混合レイノルズ数Ｒｅｍが大きくなればより分散相の微細化が進み、圧力損失ΔＰは下がる。このため、分散相の体積分率αが０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが４０００以上であれば、二流体の圧力損失ΔＰが、一流体の圧力損失ΔＰと比べて、低くなる。
【００６４】
［図６に示すグラフ］
図６には、図９、図１０に示す表の値を用いて、熱伝達率比Ｆと、分散相の体積分率αとの関係がグラフで示されている。縦軸が、熱伝達率比Ｆで、横軸が、分散相の体積分率αである。グラフ中で、熱伝達率比Ｆが１より大きい範囲が、二流体の熱伝達率ｈが、一流体の熱伝達率ｈと比べて、高い範囲である。
【００６５】
分散相の体積分率αの大小、及び二流体の混合レイノルズ数Ｒｅｍの大小によって、熱伝達率比Ｆが変化する。
【００６６】
図９、図１０に示す表、及び図６に示すグラフから、下記範囲では、熱伝達率比Ｆが、１より大きいことが分かる。つまり、下記範囲では、二流体の熱伝達率ｈが、一流体の熱伝達率ｈと比べて、高いことが分かる。
【００６７】
分散相の体積分率αが０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１５００以上３０００以下の場合、
分散相の体積分率αが０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１０００以上３０００以下の場合、
分散相の体積分率αが０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが２５００以上３５００以下の場合、
又は、分散相の体積分率αが０．３５で、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが３５００以上４５００以下の場合である。
【００６８】
また、熱伝達率比Ｆが１より大きい上記の二流体の範囲については、前述したように、同一のポンプ動力での熱伝達率ｈが、一流体の場合より高いことを示している。また、前述の通りポンプ動力〔Ｗ〕＝圧力損失×全体積流量の関係がある。換言すると、同等の熱伝達率ｈを一流体で得ようとすると流量を増やす必要があり、より大きなポンプ動力が必要になる。つまり、熱伝達率比Ｆが、１より大きい上記二流体の範囲については、一流体の場合と比べて、圧力損失ΔＰが低くなっていることを示している。
【００６９】
〔考察〕
以上の評価結果について考察する。
【００７０】
図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）には、非相溶な二流体における流動場の模式図が示されている。混合レイノルズ数Ｒｅｍについては、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）の順で大きくなっている。
【００７１】
図３（Ａ）に示す模式図では、分散相が微細化して浮遊することなく、プラグのような集団を形成しながら流れており、二流体は、プラグ流となっている。また、図３（Ｂ）に示す模式図では、分散相の一部が微細化しており、二流体は、スラグ流となっている。さらに、図３（Ｃ）に示す模式図では、分散相が微細化して気泡のようになっており、二流体は、液泡流となっている。
【００７２】
以上のように、混合レイノルズ数Ｒｅｍが小さい場合は、分散相が集団を形成して、二流体は、プラグ流、又はスラグ流となる。一方、混合レイノルズ数Ｒｅｍが大きい場合は、分散相が微細化して、二流体は、液泡流となる。
【００７３】
また、図２（Ａ）には、管体の内周面から伝熱される二流体（プラグ流）の場合の、温度境界層が模式図として示され、図２（Ｂ）には、管体の内周面から伝熱されている一流体の場合の、温度境界層が模式図として示されている。なお、冷媒は、図中下方側から上方側に向かって流れている。
【００７４】
冷媒が一流体の場合（図２（Ｂ）参照）は、冷媒の分子による熱拡散によって、管体の内周面から冷媒へ熱が伝達される。このため、温度境界層は、冷媒の流れ方向の下流に位置する程、管体の内周面から離れるように形成される。
【００７５】
冷媒がプラグ流となって流れている二流体（図２（Ａ）参照）の場合は、分散相内の対流（図中矢印参照）、及び分散相の周りを流れる分散媒の相対的な流れ（図中矢印参照）によって、管体の内周面から冷媒へ熱が伝達される。このため、温度境界層は、分散相の周りを流れる分散媒と比べて、管体の内周面側に形成される。なお、冷媒がスラグ流となって流れている二流体の場合も、プラグ流となって流れている二流体の場合と同様に、分散相内の対流等によって、管体の内周面から冷媒へ熱が伝達される。
【００７６】
また、冷媒が液泡流となって流れている二流体の場合は、スラグ流やプラグ流に比べて対流の効果が小さくなるため、冷媒の分子による熱拡散によって、管体の内周面から冷媒へ熱が伝達される。
【００７７】
このため、冷媒がプラグ流又はスラグ流となって流れている二流体の場合は、冷媒が液泡流となって流れている二流体の場合、又は冷媒が一流体の場合と比べて、管体の内周面から冷媒へ、熱が効果的に伝達される。換言すれば、冷媒がプラグ流又はスラグ流となって流れている二流体の場合は、冷媒が液泡流となって流れている二流体の場合、又は冷媒が一流体の場合と比べて、熱伝達率ｈが高くなる。
【００７８】
一方、冷媒が液泡流となって流れている二流体の場合、又は冷媒が一流体の場合は、冷媒がプラグ流又はスラグ流となって流れている二流体の場合と比べて、管体の内周面と冷媒との間の速度勾配が滑らかになる。さらに、冷媒が液泡流となって流れている場合、又は冷媒が一流体の場合は、冷媒がプラグ流、又はスラグ流となって流れている二流体の場合と比べて、冷媒内の二次流れによる粘性応力が低くなる。
【００７９】
このため、冷媒が液泡流となって流れている二流体の場合、又は冷媒が一流体の場合は、冷媒がプラグ流、又はスラグ流となって流れている二流体の場合と比べて、圧力損失ΔＰが低くなる。
【００８０】
（まとめ）
本第１実施形態では、熱交換システム１０の管体１４の熱交換部１４Ａの内部を流れる冷媒３０の混合レイノルズ数Ｒｅｍ、及び分散相の体積分率αは、前述したように、下記に示す範囲である。
【００８１】
分散相の体積分率αが０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍを１５００以上３０００以下、
分散相の体積分率αが０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍを１０００以上３０００以下、
分散相の体積分率αが０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍを２５００以上３５００以下、
又は、分散相の体積分率αが０．３５で、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが３５００以上４５００以下である。
【００８２】
このため、図９、図１０に示す表の値、及び図６に示すグラフから分かるように、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、管体１４の熱交換部１４Ａの内周面から冷媒３０へ伝達される熱の熱伝達率ｈを向上させることができる。
【００８３】
さらに、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、管体１４に対する冷媒３０の圧力損失ΔＰを低くすることができる。
【００８４】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る熱交換システムの一例について説明する。なお、第２実施形態については、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
【００８５】
本第２実施形態の熱交換システムの管体１４の熱交換部１４Ａを流れる冷媒３０の混合レイノルズ数Ｒｅｍ、及び分散相の体積分率αが下記の範囲となるように、ポンプ１２の駆動力を調整することで、冷媒３０が管体１４の内部を流れている。
【００８６】
分散相の体積分率αが０．１５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１５００以上３０００以下、
分散相の体積分率αが０．２０以上０．４０以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１０００以上３０００以下、
分散相の体積分率αが０．１０以上０．３５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが２５００以上３５００以下、
又は、分散相の体積分率αが０．３５で、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが３５００以上４０００以下である。
【００８７】
このため、図９、図１０、図１１、図１２に示す表、及び図７に示すグラフから分かるように、熱交換部１４Ａを流れる冷媒の圧力損失ΔＰの値に係らず、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、熱交換部１４Ａの内周面から冷媒３０へ伝達される熱の熱伝達率ｈを向上させることができる。
【００８８】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る熱交換システムの一例について説明する。なお、第３実施形態については、第２実施形態と異なる部分を主に説明する。
【００８９】
本第３実施形態の熱交換システム１５０では、図１３に示されるように、管体１４の熱交換部１４Ａでは、冷媒３０が流れる流路が２個に分割されている。つまり、管体１４の熱交換部１４Ａには、冷媒３０が流れる２個の流路が形成され、管体１４の非熱交換部１４Ｂには、冷媒３０が流れる１個の流路が形成されている。これにより、熱交換部１４Ａを流れる冷媒３０の混合レイノルズ数Ｒｅｍと非熱交換部１４Ｂを流れる冷媒３０の混合レイノルズ数Ｒｅｍとが変えられている。
【００９０】
そして、熱交換システム１５０において、熱交換部１４Ａを流れる冷媒３０は、分散相の体積分率αが０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが１５００以上３０００以下とされている。
【００９１】
一方、熱交換システム１５０において、非熱交換部１４Ｂを流れる冷媒３０は、分散相の体積分率αが０．３５以上０．６５以下、かつ、混合レイノルズ数Ｒｅｍが４０００以上とされている。
【００９２】
このため、図９、図１０、図１１、図１２に示す表、及び図８に示すグラフから分かるように、管体１４の非熱交換部１４Ｂを流れる冷媒の熱伝達率ｈの値に係らず、一流体から構成される冷媒を用いる場合と比べて、管体１４の非熱交換部１４Ｂに対する冷媒３０の圧力損失ΔＰを低くすることができる。
【００９３】
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、冷媒３０は、分散媒としての純水と、分散相としてのフロリナートとを含んで構成されたが、冷媒が非相溶な二流体を含んで構成されていれば、他の流体であってもよい。
【００９４】
また、上記第３実施形態では、管体１４の熱交換部１４Ａには、冷媒３０が流れる２個の流路が形成され、管体１４の非熱交換部１４Ｂには、冷媒３０が流れる１個の流路が形成されたが、熱交換部１４Ａに、冷媒３０が流れるＮ個の流路が形成された場合に、非熱交換部１４Ｂに、冷媒３０が流れる、Ｎ個より少ない数の流路が形成されればよい。
【００９５】
また、上記第３実施形態では、熱交換部１４Ａの流路の数と、非熱交換部１４Ｂの流路の数とを変えることで、冷媒３０の混合レイノルズ数Ｒｅｍを変えたが、例えば、流路の断面形状等を変えることで、混合レイノルズ数Ｒｅｍを変えてもよい。
【符号の説明】
【００９６】
１０        熱交換システム
１２        ポンプ（駆動部の一例）
１４        管体
１４Ａ      熱交換部
１４Ｂ      非熱交換部
３０        冷媒
１５０      熱交換システム
α          体積分率
Ｒｅｍ      混合レイノルズ数
【図１】
2018096623.tif 000003
【図２】
2018096623.tif 000004
【図３】
2018096623.tif 000005
【図４】
2018096623.tif 000006
【図５】
2018096623.tif 000007
【図６】
2018096623.tif 000008
【図７】
2018096623.tif 000009
【図８】
2018096623.tif 000010
【図９】
2018096623.tif 000011
【図１０】
2018096623.tif 000012
【図１１】
2018096623.tif 000013
【図１２】
2018096623.tif 000014
【図１３】
2018096623.tif 000015