(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置を提供する。【解決手段】吸熱板に設けられた伝熱促進エレメントとしての多重Ｖ字状リブの構造を最適化することにより、この多重Ｖ字状リブを構成するＶ字状部材の最適開口幅を、ｗ＝Ｃ０＋３５×（Ｈ／Ｈ０−１）−１２×（ｅ／ｅ０−１）＋２×（Ｐ／Ｐ０−１）＋９×（α／α０−１）（ｍｍ）（式Ｉ）とする。本発明によれば、チャネルとリブの高さ、リブピッチとリブの迎角に基づいて無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置の総合伝熱能力を向上できる最適Ｖ字状部材の開口幅を得ることができ、それによって環境への熱損失を減少させ、太陽熱空気集熱装置の集熱効率を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直方体筐体構造である本体と、前記本体の上部に配置される透明カバープレートと、を備え、前記本体内には前記本体を第１キャビティと第２キャビティに二分割する吸熱板が設置され、前記第２キャビティの一端部には吸気口が設けられ、他端には排気口が設けられ、前記吸熱板の下面には所定の間隔を空けて複数のリブが互いに平行するように配置される太陽熱空気集熱装置であって、
集熱媒体である空気が前記リブと接触し、且つ前記太陽熱空気集熱装置の長手方向に沿って流れ、
前記リブは、複数のＶ字状部材が前記太陽熱空気集熱装置の幅方向に沿って順次に接続されて延在することにより形成され、
前記Ｖ字状部材の開口幅ｗは式Ｉで表し、
ｗ＝Ｃ０＋３５×（Ｈ／Ｈ０−１）−１２×（ｅ／ｅ０−１）＋２×（Ｐ／Ｐ０−１）＋９×（α／α０−１）  （ｍｍ）・・（式Ｉ）
式Ｉにおいて、Ｈは吸熱板下面と第２キャビティ底板内壁との間の距離であり、ｅはＶ字状部材の高さであり、Ｐはリブピッチであり、αはリブの迎角であり、Ｈ＝２０〜３０ｍｍであり、ｅ＝１〜３ｍｍであり、Ｐ／ｅ＝８〜１２であり、α＝３０〜４５°であり、Ｃ０＝３０〜３７．５であり、Ｈ０＝２５ｍｍであり、ｅ０＝２ｍｍであり、Ｐ０＝２０ｍｍであり、α０＝４５°であることを特徴とする、太陽熱空気集熱装置。
【請求項２】
式ＩにおいてＨ＝２５ｍｍであり、ｅ＝２ｍｍであり、Ｐ／ｅ＝１０であり、α＝３０°であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【請求項３】
前記αは、Ｖ字状部材の二つの枝の間の交角の１／２であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【請求項４】
前記第１キャビティと前記第２キャビティとは互いに独立した空間であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【請求項５】
前記Ｖ字状部材の材料は熱伝導性金属であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【請求項６】
前記Ｖ字状部材は等辺Ｖ字状であり、各前記リブは、複数の同じＶ字状部材が前記太陽熱空気集熱装置の幅方向に沿って順次に接続されて延在することにより形成され、前記各リブにおいて、全てのＶ字状部材は、同一平面上に位置し、且つ全てのＶ字状部材開口部の端点は、前記太陽熱空気集熱装置の側壁に垂直する直線上に位置することを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽熱利用技術分野に属し、具体的には無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置のリブ構造の最適化に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽エネルギーは、無尽蔵のクリーンエネルギーとして注目されている。太陽熱空気集熱装置は、空気を集熱媒質とし、太陽の放射エネルギーを熱エネルギーに転換する装置であり、太陽熱暖房と太陽熱乾燥等に利用される。無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置は、筐体、透明カバープレート、吸熱板と断熱層等の部材により構成される。空気は、吸熱板と底板との間の矩形チャネル内を流れる。空気の伝熱能力が低いため、吸熱板の温度が高くなり、環境への熱損失が大きくなる。
【０００３】
吸熱板の温度を下げることによって太陽熱集熱装置の集熱効率を向上させるために、空気チャネル側の吸熱板下面にリブ（ｒｉｂ）を設置することができ、これにより伝熱面積を大きくすることができるだけでなく、空気に対する外乱の増強によって対流熱伝達率を向上させることもできる。無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置に採用されるリブの形態として、横リブ、斜めリブ、Ｖ字状リブ（チャネルの幅方向に沿って一つのＶ字状部材よりなるリブ）、及び多重Ｖ字状リブ（チャネルの幅方向に沿って複数のＶ字状部材が連結されてなるリブ）等があり、その中、多重Ｖ字状リブの伝熱促進効果が最も良い。多重Ｖ字状リブは、チャネル内で複数の螺旋状の縦方向の渦を生成することができ、吸熱板近傍の熱流体と主流の冷流体との混合を促進する一方で、隣接する二つのリブの間の空間において２次渦を発生させ、さらに吸熱板近傍の流体の混合を促進することができる。
【０００４】
多重Ｖ字状リブの伝熱促進効果は、Ｖ字状リブより良好であるが、チャネルの幅方向のＶ字状部材の数は多いほどよいわけではない。チャネルの幅方向においてＶ字状部材の数が増加すると、隣接する二つのリブの間で再成長される熱境界層の長さが小さくなり、伝熱において有利である一方、チャネルの幅方向のＶ字状部材の数が増えると渦の強度が低下し、伝熱に不利である。これらの有利及び不利の要素の共同作用により、伝熱性能が最大になるチャネルの幅方向のＶ字状部材の数、即ち最適のＶ字状部材の数、及びこれに対応する最適な単一Ｖ字状部材の開口幅があるはずである。従って、集熱装置の伝熱を促進するために多重Ｖ字状リブを採用する場合、適切なリブの高さ、ピッチ、及び迎角等のパラメータを選択すると共に、最適なチャネルの幅方向でのＶ字状部材の個数、または最適の単一Ｖ字状部材の開口幅の選択が必要である。しかしながら、従来の技術おいて公開された最適となる単一Ｖ字状部材の開口幅は一定値であるため、集熱装置の最適な設計要件を満たすことができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、吸熱板に設けられた伝熱促進エレメントである多重Ｖ字状リブの構成を最適化することにより、集熱装置の総合伝熱能力を向上させて環境への熱損失を低減し、集熱効率を向上させた無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様である無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置は、直方体筐体構造である本体と、前記本体の上部に配置される透明カバープレートと、を備え、前記本体内には前記本体を第１キャビティと第２キャビティに二分割する吸熱板が設置され、前記第２キャビティの一端部には吸気口が設けられ、他端には排気口が設けられ、前記吸熱板の下面には所定の間隔を空けて複数のリブが互いに平行するように配置され、集熱媒体である空気が前記リブと接触しながら前記集熱装置の長手方向に沿って第２キャビティ内を流れるようになっている太陽熱空気集熱装置であって、前記リブは、複数の同じＶ字状部材が集熱装置の幅方向に沿って順次に接続されて延在することにより形成され、
前記Ｖ字状部材の開口幅ｗは式Ｉで表し、
ｗ＝Ｃ０＋３５×（Ｈ／Ｈ０−１）−１２×（ｅ／ｅ０−１）＋２×（Ｐ／Ｐ０−１）＋９×（α／α０−１）  （ｍｍ）・・（式Ｉ）
式Ｉにおいて、Ｈは吸熱板下面と第２キャビティ底板内壁との間の距離であり、ｅはＶ字状部材の高さであり、Ｐはリブピッチであり、αは迎角であり、Ｈ＝２０〜３０ｍｍであり、ｅ＝１〜３ｍｍであり、Ｐ／ｅ＝８〜１２であり、α＝３０〜４５°であり、Ｃ０＝３０〜３７．５であり、Ｈ０＝２５ｍｍであり、ｅ０＝２ｍｍであり、Ｐ０＝２０ｍｍであり、α０＝４５°である。
【０００７】
上記の太陽熱空気集熱装置において、式Ｉにおいて、Ｈ＝２５ｍｍ、ｅ＝２ｍｍ、Ｐ／ｅ＝１０、α＝３０°であるのが好ましい。
【０００８】
上記の態様において、前記αは、Ｖ字状部材の二つの枝の間の交角の１／２である。
【０００９】
上記太陽熱空気集熱装置において、第１キャビティと第２キャビティは互いに独立した空間であるのが好ましい。
【００１０】
上記の太陽熱空気集熱装置において、Ｖ字状部材の材質は熱伝導性金属材料であるのが好ましい。
【００１１】
上記の太陽熱空気集熱装置において、Ｖ字状部材は等辺Ｖ字状であり、各リブは、複数の同じＶ字状部材が集熱装置の幅方向に沿って順次に接続されて延在することにより形成され、各リブにおいて、全てのＶ字状部材は、同一平面上に位置し、且つ全てのＶ字状部材開口部の端点は、集熱装置の側壁に垂直する直線上に位置するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は多重Ｖ字状リブを有する平板型太陽熱空気集熱装置の設計において、良好な集熱装置総合伝熱効果を得るリブの設計方法を提供し、この設計方法によって異なる集熱装置構造（異なる空気チャネル仕様等）、及びリブ高さ、リブピッチとリブの迎角に応じる単一Ｖ字状部材の最適な開口幅を獲得できる。これにより、従来の技術において開示された欠点である、単一Ｖ字状部材の最適な開口幅の全てが一定値で、リブ及びチャネルにおけるその他のパラメータが与える影響を考慮せず、集熱装置の最適な設計要求を満たすことができないという欠点を克服することができる。本発明によれば、異なる空気チャネルとリブの高さ、リブピッチとリブの迎角に応じる、無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置の総合伝熱能力を向上できる単一Ｖ字状部材の最適な開口幅を得ることができ、環境への熱損失を減少させ、集熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る太陽熱空気集熱装置の正面断面を示す概略図。
【図２】本発明に係る太陽熱空気集熱装置の側面断面を示す概略図。
【図３】本発明に係る太陽熱空気集熱装置の吸熱板下面を示す概略図。
【図４】本発明に係る太陽熱空気集熱装置の計算モデルを示す図。
【図５】本発明に係る太陽熱空気集熱装置の吸熱板下面の一部の拡大図。
【図６】平均ヌセルト数と摩擦係数の格子依存性検査結果を示す図。
【図７】格子依存性検査におけるヌセルト数の分布を示す図。
【図８】Ｖ字状部材の開口幅とリブの迎角が平均ヌセルト数に対する影響を示す図。
【図９】Ｖ字状部材の開口幅とリブの迎角が摩擦係数に対する影響を示す図。
【図１０】Ｖ字状部材の開口幅とリブの迎角が熱水力性能係数に対する影響を示す図。
【図１１】Ｈ＝２５ｍｍ、ｅ／Ｄｈ＝０．０４３、Ｐ／ｅ＝１０、α＝４５°、及びｗ＝６０．０ｍｍである場合のヌセルト数の分布を示す図。
【図１２】Ｈ＝２５ｍｍ、ｅ／Ｄｈ＝０．０４３、Ｐ／ｅ＝１０、及びα＝４５°である場合、Ｖ字状部材の開口幅がヌセルト数の分布に対する影響を示す図。
【図１３Ａ】Ｖ字状部材の開口幅（ｗ）が６０．０ｍｍである場合の流線を示す図。
【図１３Ｂ】Ｖ字状部材の開口幅（ｗ）が３３．３ｍｍである場合の流線を示す図。
【図１３Ｃ】Ｖ字状部材の開口幅（ｗ）が２３．１ｍｍである場合の流線を示す図。
【図１４】リブ迎角がヌセルト数の分布に対する影響を示す図。
【図１５】リブピッチが熱水力性能係数に対する影響を示す図。
【図１６】Ｈ＝２５ｍｍ、ｅ＝２ｍｍ、α＝４５°、ｗ＝３７．５ｍｍである場合、リブピッチが主渦のピッチに対する影響を示す図であり、その中、図１６（ａ）と図１６（ｂ）でリブピッチはそれぞれ２０ｍｍと４０ｍｍである。
【図１７】リブの高さが熱水力性能係数に対する影響を示す図。
【図１８】Ｈ＝２５ｍｍ、Ｐ＝２０ｍｍ、α＝４５°、ｗ＝３７．５ｍｍである場合、リブの高さが主渦のピッチに対する影響を示す図であり、その中、図１８（ａ）と図１８（ｂ）でのリブ高さはそれぞれ２ｍｍと４ｍｍである。
【図１９】チャネルの高さが熱水力性能係数に対する影響を示す図。
【図２０】Ｐ＝２０ｍｍ、ｅ＝２ｍｍ、α＝４５°、ｗ＝３７．５ｍｍである場合、チャネルの高さが主渦のピッチに対する影響を示す図であり、その中、図２０（ａ）と図２０（ｂ）でのチャネルの高さはそれぞれ２０ｍｍと２５ｍｍである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の非限定的な実施例は、本発明を当業者が十分に理解するための説明であり、いかなる方式においても本発明を限定するわけではない。
【００１５】
（実施例１）
図１と図２に示すように、無孔吸熱平板型太陽熱集熱装置は、直方体筐体構造である本体１と本体１の上部に配置される透明カバープレート２とを備え、本体１内には本体１を第１キャビティ４と第２キャビティ５に二分割する吸熱板３が設置される。第２キャビティ５の一端部には吸気口６が設けられ、他端には排気口７が設けられ、吸熱板３の下面には所定の間隔を空けて複数のリブ８が互いに平行するように配置される。太陽熱空気集熱装置は、集熱媒体である空気をリブ８と接触させながら集熱装置の長手方向に沿って第２キャビティ５に流す。リブ８は、複数のＶ字状部材が集熱装置の幅方向に沿って順次に接続されて延在されることにより形成される。
【００１６】
太陽熱空気集熱装置において、透明カバープレート２以外の外層に厚さ３５〜５０ｍｍの保温断熱層（図示せず）を設置して熱損失を減少させるようにしてもよい。
【００１７】
吸熱板３は、銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属により製造するのが好ましい。吸熱板３の上面は、化学的、電解メッキなどのプロセスによってスペクトル選択性を用いる吸収表面とすることができる。吸熱板３は、集熱装置を互いに独立した二つのキャビティ、すなわち第１キャビティ４と第２キャビティ５とに分割する。第１キャビティ４は透明カバープレート２を有し、透明カバープレート２、側板、及び吸熱板３によって密閉された第１キャビティ４を構成する。側板の表面は平滑である。第２キャビティ５は、吸熱板３、側板、及び底板により構成される。吸熱板３は、透明カバープレート２を通過して照射される太陽の放射エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換し、吸熱板３の下を流れる空気に伝達する。空気は吸気口６から第２キャビティ５に入り、集熱装置の長手方向に沿って流れるとともに、吸熱板３の下面により加熱される。加熱されて暖められた空気は排気口７から流出する。吸熱板３の下面に設けられたリブ８は空気の流動を乱して乱流の強度を高めながら渦を引き起こし、それによりチャネル内の流体の混合が促進され、伝熱性能が向上される。
【００１８】
無孔吸熱平板型太陽熱空気集熱装置において、吸熱板３の下面に複数のリブ８が互いに平行になるように固定設置されており、複数のリブ８の間の間隔が同一であることが好ましい。リブ８は、複数のＶ字状部材が、集熱装置の幅方向に沿って延在するように順次に連結されることにより形成される。本発明で言う「リブ」は、従来技術における「多重Ｖ字状リブ」と概念的に同じである。リブ８（すなわち「多重Ｖ字状リブ」）の長さは、吸熱板３の幅と同じであることが好ましく、多重Ｖ字状リブは吸熱板３の下面に固設される。Ｖ字状部材は等辺Ｖ字状であり、各リブ８は、複数の同じＶ字状部材が順次に結合且つ集熱装置の幅方向に沿って延在されることにより形成される。各リブ８において、全てのＶ字状部材は、同一平面上に位置し、且つ全てのＶ字状部材開口部の端点は、集熱装置の側壁に垂直する直線上に位置する。即ち、各リブ８において、全てのＶ字状部材の開口は全部同じ方向へ向き、且つ全てのＶ字状部材の頂点が同じ直線上に位置し、この直線は集熱装置の側壁に垂直である。複数の同じＶ字状部材とは、各Ｖ字状部材の形状及びその他の全部のパラメータ、例えば寸法仕様等が同じであることを意味する。Ｖ字状部材の断面は、矩形または円形であることが好ましく、ワイヤ状、シート状の熱伝導性金属材料を用いて製造することができる。Ｖ字状部材の開口幅ｗは、式Ｉに示される。
ｗ＝Ｃ０＋３５×（Ｈ／Ｈ０−１）−１２×（ｅ／ｅ０−１）＋２×（Ｐ／Ｐ０−１）＋９×（α／α０−１）  （ｍｍ）・・（式Ｉ）
【００１９】
式Ｉにおいて、Ｈは吸熱板３の下面と第２キャビティ５の底板内壁との間の距離（チャネルの高さ）であり、ｅはＶ字状部材の高さであり、Ｐはリブピッチであり、αは迎角であり、Ｈ＝２０〜３０ｍｍ、ｅ＝１〜３ｍｍ、Ｐ／ｅ＝８〜１２、α＝３０〜４５°、Ｃ０＝３０〜３７．５、Ｈ０＝２５ｍｍ、ｅ０＝２ｍｍ、Ｐ０＝２０ｍｍ、α０＝４５°である。
【００２０】
図５に示すように、式Ｉに記載されたリブピッチＰは、二つの隣接するリブ輪郭上の対応する点の間の距離であり、αは、Ｖ字状部材の二つの枝の間の交角の１／２である。
【００２１】
式Ｉにおいて、Ｈ＝２５ｍｍであり、ｅ＝２ｍｍ、Ｐ／ｅ＝１０であり、α＝３０°であることが好ましい。
【００２２】
（実施例２）
本発明は数値シミュレーションと解析によって、図１〜３に示す無孔吸熱平板型太陽熱集熱装置において、多重Ｖ字状リブの最適化サイズを得る。数値シミュレーションは、数値流体力学専用ソフトウェアであるＡＮＳＹＳ  ＦＬＵＥＮＴを使用する。
【００２３】
図４及び図５は、計算用の物理モデルを示す概略図である。多重Ｖ字状リブの観察を容易にするために、図４及び図５の概略図において、集熱装置を上下方向で１８０°反転させて示す。計算用チャネルは、入口区間、作業区間及び出口区間の三つの部分から構成される。作業区間は実際の空気集熱装置におけるチャネルに相当し、本計算モデルでその長さは１０００ｍｍである。作業区間の入口から上流へ５００ｍｍ延長させて得られる区間を入口区間として、作業区間の入口で流動が完全に発達するようにする。作業区間の出口から下流へ５００ｍｍ延長させて得られる区間を出口区間として、出口で逆流が発生しないようにする。本計算モデルにおいて、チャネルの幅（Ｗ）は３００ｍｍにし、リブの厚さ（ｔ）は１ｍｍにする。
【００２４】
パラメータの定義：
（１）レイノルズ数：Ｒｅ＝ＵＤｈ／ν・・（式ＩＩ）
式ＩＩにおいて、Ｕは主流方向（図４でのｘ方向）での空気平均速度（ｍ／ｓ）であり、Ｄｈはチャネルの等価直径（ｍ）であり、νは空気の動粘性係数（ｍ２／ｓ）である。
【００２５】
（２）局所熱伝達率ｈｌｏｃ：ｈｌｏｃ＝ｑ／（Ｔｗ−Ｔｂ，ｘ）・・（式ＩＩＩ）
式ＩＩＩにおいて、Ｔｂ，ｘ＝Ｔｉ＋ｘ（Ｔｏ−Ｔｉ）／Ｌであり、ｑは局所熱流束（Ｗ／ｍ２）であり、Ｔｗは局所壁面温度（Ｋ）であり、Ｔｂ，ｘは空気の局所平均温度（Ｋ）であり、ＴｉおよびＴｏはそれぞれ作業区間入口および出口における空気平均温度（Ｋ）であり、ｘは主流方向の座標（ｍ）であり、Ｌは作業区間の長さ（ｍ）である。
【００２６】
（３）局所ヌセルト数Ｎｕｌｏｃ：Ｎｕｌｏｃ＝ｈｌｏｃＤｈ／ｋ・・（式ＩＶ）
式ＩＶにおいて、ｋは空気の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。
平均ヌセルト数Ｎｕ：ＦＬＵＥＮＴにおいて、面積加重平均機能を用いてＮｕｌｏｃを平均して求める。
【００２７】
（４）摩擦係数ｆ：ｆ＝（Δｐ／Ｌ）Ｄｈ／（２ρＵ２）・・（式Ｖ）
式Ｖにおいて、Δｐは、空気が作動区間を通過するときの圧力降下（Ｐａ）であり、ρは空気の密度（ｋｇ／ｍ３）である。
【００２８】
（５）熱水力性能因子η：
熱水力性能因子ηを用いて伝熱と圧力損失の影響を統合して、リブの伝熱性能を総合的に評価する。
η＝（Ｎｕ／Ｎｕｓ）／（ｆ／ｆｓ）１／３・・（式ＶＩ）
【００２９】
式ＶＩにおいて、Ｎｕｓおよびｆｓは、それぞれ平滑チャネルの平均ヌセルト数および摩擦係数である。熱水力性能因子は、ファン消費電力が同じであるとき、リブを有するチャネルと平滑チャネルとの熱伝達能力の比率である。η＞１であるとき、リブを有するチャネルを使用する方が有利である。ηが大きいほど、伝熱性能の上向が大きい。
【００３０】
乱流モデルの選択：
太陽熱集熱装置において、チャネル内の流動は乱流であり、乱流モデルを使用して計算する必要がある。ＲＮＧ  ｋ−εモデルは、多重Ｖ字状リブを有するチャネル内の流動と熱伝達を最も正確にシミュレーションすることができるので、ＲＮＧ  ｋ−εモデルを選択する。
【００３１】
境界条件と流体の物性：
格子の数を減らすため、チャネル幅方向の中心面ｙ＝Ｗ／２において対称境界条件を使用し、チャネル幅の半分（ｙ＝０〜０．５Ｗ）だけをシミュレーションする。入口条件は速度入口（ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｉｎｌｅｔ）を使用し、温度が３００Ｋである空気を入口区間の入口から流入させる。出口条件は圧力出口（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｏｕｔｌｅｔ）を選択し、出口のゲージ圧は０Ｐａに設定する。空気の入口及び出口での乱流強度はいずれも５％とする。壁面はスリップフリーの境界条件とする。吸熱板表面に１０００Ｗ／ｍ２の均一な熱流束を与えて太陽からの放射を模擬し、吸熱板３の表面以外の他のすべての壁面及びリブ表面は断熱壁とする。
【００３２】
基準圧力は１ａｔｍとする。空気が集熱装置を通過する際の温度変化が大きくないことを考慮して、空気の物性は定値とし、上記入口温度と基準圧力の条件下での乾燥空気物性値を使用する。
【００３３】
解析方法：
流動は定常状態とし、熱放射と粘性消散は無視するようにする。圧力に基づいた分離式ソルバを用いて計算する。圧力と速度の結合方式は、ＳＩＭＰＬＥアルゴリズム選択する。圧力に対しては、標準スキームを用いて離散化を行い、その他の変数に対しては２次風上スキームを用いて離散化を行う。
【００３４】
格子生成および依存性テスト：
ＡＮＳＹＳ  ＩＣＥＭ  ＣＦＤソフトウェアを用いて整列格子（structured grid）を生成し、その中、チャネル及びリブの壁面附近においては格子をより密化する。Ｈ＝２５ｍｍ、ｅ＝２ｍｍ、Ｐ＝２０ｍｍ、α＝４５°、Ｗ／ｗ＝６、及びＲｅ＝１００００である場合、格子数がそれぞれ４４８万、６５７万、９９７万、１４０２万及び２０５６万である格子を用いて格子依存性テストを行う。図６は、格子数に従う平均ヌセルト数及び摩擦係数の変化を示しており、図７は、格子数が局所ヌセルト数の分布に与える影響を示している。最大の格子数２０５６万の場合と比較して、格子数が１４０２万の場合には、平均ヌセルト数と摩擦係数との偏差は０．４０％と０．１４％だけ（図６）であり、局所ヌセルト数の分布もほぼ一致している（図７）。したがって、計算の精度を保証し、計算量を減少するために、格子数が１４０２万である格子を選択する。チャネルとリブの幾何学的パラメータが他の値の場合にも上で選択した格子と同等な格子密度を有する格子を使用する。
【００３５】
結果及び結論：
チャネル幅（Ｗ＝３００ｍｍ）、リブ厚さ（ｔ＝１ｍｍ）及びレイノルズ数（Ｒｅ＝１００００）の値を固定した上で、チャネル高さＨ、リブピッチＰ、リブ高さｅ、リブ迎角α、及び単一Ｖ字状部材の開口幅が集熱装置の伝熱性能に対する影響を調べて、多重Ｖ字状リブでの単一Ｖ字状部材の最適開口幅ｗｏｐｔの変化パターンを解析した。
【００３６】
図８は、チャネル高さＨ＝２５ｍｍ、相対的なリブ高さｅ／Ｄｈ＝０．０４３及び相対的なリブピッチＰ／ｅ＝１０である時、Ｖ字状部材の開口幅ｗとリブの迎角αに従う平均ヌセルト数Ｎｕの変化状況を示す。図８に示すように、リブの迎角が一定である場合、Ｖ字状部材の開口幅の変化に対して、平均ヌセルト数は一つの最大値が存在するパターンを示す。該平均ヌセルト数の最大値は、リブの迎角が増加するにつれて先は増加して後では減少するパターンを示し、α＝４５°である時、最大になる。平均ヌセルト数の最大値に対応するＶ字状部材の開口幅は、リブ迎角が増加するに従って増加する。即ち、リブの迎角がそれぞれ３０°、４５°及び６０°である時、平均ヌセルト数の最大値に対応するＶ字状部材の開口幅は、それぞれ２７．２ｍｍ、３０．０ｍｍ、４２．９ｍｍである。
【００３７】
図９及び図１０は、図８と同じ条件下で、摩擦係数ｆおよび熱水力性能因子ηが、Ｖ字状部材の開口幅ｗとリブの迎角αに従う変化状況を示しているが、Ｖ字状部材の開口幅ｗに従う変化パターンは図８に示す平均ヌセルト数の変化パターンと類似する。図１０から分かるように、リブの迎角が大きくなるにつれて、熱水力性能係数の最大値は低下する。さらに、図８と図１０を比較すると分かるように、平均ヌセルト数の最大値と熱水力性能因子の最大値は、必ずしも同じＶ字状部材の開口幅の値で存在するのではない。
【００３８】
熱水力性能係数が平均ヌセルト数より全面的にリブの総合伝熱性能を反映することを考慮して、熱水力性能係数が最大値を有するときの幾何学的パラメータを最適な幾何パラメータとする。図１０から分かるように、α＝３０°である場合、最大熱水力性能因子ηｍａｘは２．３であり、これに対応する最適なＶ字状部材の開口幅ｗｏｐｔは３０．０ｍｍであり、α＝４５°である場合、ηｍａｘ＝２．２、ｗｏｐｔ＝３３．３ｍｍであり、α＝６０°である場合、ηｍａｘ＝２．０、ｗｏｐｔ＝４２．９ｍｍである。
【００３９】
ＨａｎｓＶＳ等により開示された文献（Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  ２０１０；８４：８９８-９１１、文献１）において、最大平均ヌセルト数に対応するＶ字状部材の開口幅は５０ｍｍ（Ｗ／ｗ＝６）であり、これは、その他の幾何学的パラメータの変化に伴って変化しない定値である。さらに、該文献における最適なリブの迎角は６０°の定値である。一方、本発明において、図１０に示すリブの高さとピッチを有する条件下で、これらパラメータの最適値はそれぞれｗ＝３０．０ｍｍとα＝３０°である。したがって、図８及び図１０に示すリブの高さとピッチを用いる条件下で、本発明における最適な幾何パラメータを選択する場合、文献１に記載された最適なパラメータを使用した場合に比べ、平均ヌセルト数及び熱水力学性能係数はそれぞれ４．２％及び１５．０％増加する。
【００４０】
図１１〜１２はＨ＝２５ｍｍ、ｅ／Ｄｈ＝０．０４３、Ｐ／ｅ＝１０、及びα＝４５°である場合のヌセルト数の分布を示す図である。図１１から分かるように、チャネルの幅方向において、局所ヌセルト数は、Ｖ字状部材の開口幅ｗに等しい周期を有する周期的な変化特性を示す。一方、チャネルの長さ方向において、ヌセルト数の局所ピークは、ｘの増加に伴ってまずは徐々に増加し、最大値に達した後は徐々に減少し、大体ｘ＝２／３Ｌの先からヌセルト数はリブピッチを一周期として周期的に変化する。Ｖ字状部材の先端近傍には局所的に高いヌセルト数領域が存在し、Ｖ字状部材の後端近傍には局所的に低いヌセルト数領域が存在する。図１２は、Ｖ字状部材の開口幅ｗがヌセルト数の分布に与える影響を示す。図１２から分かるように、ｗが６０．０ｍｍから３３．３ｍｍに減少された場合、Ｖ字状部材先端近傍の高ヌセルト数領域の面積変化は大きくないが、該高ヌセルト数領域が隣接するリブの間の全体領域で占める面積比率は増加するため、平均ヌセルト数が増加する。ｗが３３．３ｍｍから２３．１ｍｍに減少し続けると、局所ヌセルト数のピークは顕著に減少し、高ヌセルト数領域はほぼ消失されるため、平均ヌセルト数が低下することとなる。従って、図８に示すように、Ｖ字状部材の開口幅が減少するにつれて、平均ヌセルト数はまずは増加し、後で減少する変化パターンを示す。
【００４１】
図１３Ａ〜図１３Ｃは、Ｈ＝２５ｍｍ、ｅ／Ｄｈ＝０．０４３、Ｐ／ｅ＝１０、及びα＝４５°である場合、異なるＶ字状部材の開口幅における流線図である。説明を容易にするために、チャネルの中心面ｙ＝Ｗ／２に隣接する一つのＶ字状部材の開口幅範囲の流線のみを示す。図１３Ａ〜図１３Ｃにおいて、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）および（ｉｖ）はそれぞれ正面図、正面図において破線枠部分の拡大図、正面図において破線枠部分の平面拡大図および右側面図である。図１３Ａ〜図１３Ｃから分かるように、チャネルの長さ方向に沿って配列された各列のＶ字状部材は、いずれも回転方向が反対である螺旋状の縦方向の一対の渦を誘発する。そこで、ｎ重Ｖ字状リブは、チャネルの幅方向に沿って流動を２ｎ個の互いに独立した２次流れセル（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｆｌｏｗ  ｃｅｌｌ）に分割する２ｎ個の縦方向の渦の発生を誘発し、隣接する２次流れセル内でこれら渦の回転方向は反対である。ｗが減少する（またはｎが増加する）と、渦の流線は徐々に発散し、ｚ方向において、主流領域に対する外乱の距離も徐々に小さくなり、これらの現象は、ｗが小さい時より顕著になると同時に、渦のピッチも次第に小さくなる。縦方向渦（主渦）の流体が二つの隣接するリブの間の領域を通って流れると、この領域内で２次渦がさらに生成される（図１３Ａ〜図１３Ｃの流線１）。さらに、流体がリブを通過する時、ｚ方向及びｙ方向の両方のいずれにおいてもＶ字状部材の先端に隣接する流体の一部分のみが２次渦（流線１）を形成する一方で、その他の流体（流線２、３、４）は、該２次渦を乗り越えた後で、リブの間の領域に入ることができ、これにより、流動の分離が引き起こされる。
【００４２】
流体は、主渦によって回転しながら吸熱板に向かって移動し、Ｖ字状部材の先端から二つの隣接するリブの間の空間に流入し、リブ間の領域を流れ、その後、Ｖ字状部材の後端の近傍から流出する。主渦に乗って来る主流領域の冷流体がＶ字状部材の先端領域で吸熱板をフラッシングすることで、吸熱板の温度が低下し、該処での局所ヌセルト数を向上させる。一方、流体はリブの間の領域を通過する時、吸熱板により加熱され、Ｖ字状部材の後端領域に到達すると比較的高温になり、これにより、該処での吸熱板の温度も上昇され、該処での局所ヌセルト数が減少される。したがって、図１１に示すように、局所ヌセルト数がｙ方向において激しく変化する。また、２次渦は、流体の局所的混合をさらに促進し、これにより、２次渦発生点附近で、ヌセルト数の局所的なピークが出現する。
【００４３】
チャネルの四つの壁面のうち、リブを有する壁面のみが渦の生成を誘発することができる。チャネル高さＨが一定である場合、ｗの減少に従って、各２次流れセルの断面の幅も小さくなり、リブ付き辺の長さが２次流れセルの断面の周長において占める比率が減少するため、主渦を生成させる駆動力が小さくなり、主渦の強度が弱くなって、流線の発散及び主流領域に対する外乱の範囲が小さくなり、これにより、主流領域の低温流体と吸熱板近傍の熱流体との混合が弱くなって、ヌセルト数や流動抵抗を低下させる。一方、ｗが減少すると、Ｖ字状部材の辺の長さが短くなり、これに伴って隣接するリブの間で再成長する熱境界層の長さも短くなるため、平均ヌセルト数は増加する。さらに、ｗが減少すると、より多くの互いに独立した２次流れセルを生成するために、より多くのエネルギーを消費する必要があり、これにより、流動抵抗が増大する。また、上述したように、ｗが減少すると、主渦のピッチが小さくなり、これにより、主流領域の低温流体と吸熱板近傍の熱流体との混合回数が増加し、ヌセルト数と流動抵抗が増加する。
【００４４】
したがって、主渦の強さ、ピッチ、隣接するリブの間の熱境界層の長さなどの要因の相互作用で、平均ヌセルト数は、図８に示すように、ｗの変化に伴って一つの最大値を持っている。同時に、摩擦係数も、主渦の数、強さ、ピッチなどの要因の総合的な影響下で、ｗの変化に伴って一つの最大値を持っている（図９）。
【００４５】
ｗが大きい場合（ｗ＝６０．０ｍｍ）は、主流領域の低温流体と吸熱板近傍の熱流体との混合回数が少なく、且つ隣接するリブの間の熱境界層の長さも大きいので、平均ヌセルト数は低い。しかし、この場合、主流領域の流体と吸熱板近傍の流体との温度差が大きく、主渦も強いため、Ｖ字状部材の先端では比較的低温の流体による強いフラッシングが行われるため、この箇所での局所ヌセルト数ピークは大きい。ｗの減少（ｗ＝３３．３ｍｍ）に伴い、冷流体と熱流体との混合回数が増加するとともに隣接するリブの間の熱境界層の長さが減少するため、平均ヌセルト数は上昇するが、この場合、主渦の強度が弱くなるとともに冷流体と熱流体との間の温度差が小さくなるによって、Ｖ字状部材の先端での主渦によるフラッシングと流入する流体の低温による冷却効果が共に徐々に弱まるため、ｗ＝６０．０ｍｍの場合とほぼ等しい局所ヌセルト数のピークを維持することができる。しかし、ｗがさらに減少するにつれて（ｗ＝２３．１ｍｍ）、主渦が急速に弱くなるため、平均ヌセルト数が減少し始め、Ｖ字状部材の先端でのフラッシング強度及び流入する流体の低温による冷却効果も続いて低下するので、Ｖ字状部材の先端での局所ヌセルト数のピークも明らかに減少する（図１２参照）。
【００４６】
図１４は、Ｈ＝２５ｍｍ、ｅ／Ｄｈ＝０．０４３、Ｐ／ｅ＝１０、ｗ＝４２．９ｍｍである場合、異なるリブの迎角αでの局所ヌセルト数の分布グラフであり、左から右へのリブ迎角はそれぞれ６０°、４５°および３０°である。このときのＶ字状部材の開口幅の値は、α＝６０°であるときの最適値である。リブの迎角が減少するにつれて、局所的な高ヌセルト数領域が全領域にわたって占める面積比率が減少することが分かる。これは、Ｖ字状部材の開口幅が一定であると、リブの迎角が小さくなるにつれてＶ字状部材の辺が長くなり、従って、隣接するリブの間の熱境界層も長くなって、低ヌセルト数領域が大きくなるためである。図１４においての迎角が６０°未満のリブについては、平均ヌセルト数を増加させる観点から見ると、現在のＶ字状部材の開口幅に余裕があり、Ｖ字状部材の開口幅を小さくすることにより、低ヌセルト数領域の面積比重を小さくすることができる。したがって、リブの迎角が減少するにつれて、ｗｏｐｔも減少する（図１０）。
【００４７】
図１５は、チャネル高さＨ、相対的なリブ高さｅ／Ｄｈとリブ迎角αが一定である場合、即ちＨ＝２５ｍｍ、ｅ／Ｄｈ＝０．０４３、α＝４５°である場合の、熱水力性能因子ηに対するＶ字状部材の開口幅ｗと相対的なリブピッチＰ／ｅの影響を示す。Ｐ／ｅが６から１０に増加する時、ｗｏｐｔはほぼ変化しないが、Ｐ／ｅが１０から２０に増加する時、ｗｏｐｔは増加することが見出される。
【００４８】
リブピッチが大きくなると、主流方向のリブの数が少なくなって、主渦を生成させる駆動力が弱くなり、主渦の強さが低下する。一方、リブピッチが大きくなるにつれて、隣接するリブの間の主流方向に沿った熱境界層の長さも同様に増加する。また、図１６は、Ｈ＝２５ｍｍ、ｅ＝２ｍｍ、α＝４５°、ｗ＝３７．５ｍｍである場合、主渦のピッチに対するリブピッチの影響を示しており、図１６から分かるように、リブピッチの増加に伴って主渦のピッチも増加することになる。前述したように、熱水力学性能係数に影響を及ぼす要因、例えば主渦の数、強さ、ピッチ及び隣接するリブの間の熱境界層の長さ等はＶ字状部材の開口幅による影響を受ける。そこで、最大熱水力学性能係数と対応する最適Ｖ字状部材の開口幅ｗｏｐｔが存在するわけである。リブピッチの変化によってもたらされる熱水学的性能係数の影響要因の変化は、図１５に示すように、Ｖ字状部材の最適な開口幅の変化をもたらすことになる。
【００４９】
図１７は、チャネル高さＨ、相対的なリブピッチＰ／ｅとリブの迎角αが一定である場合、即ちＨ＝２５ｍｍ、Ｐ／ｅ＝１０、α＝４５°である場合の、Ｖ字状部材の開口幅ｗと相対的なリブ高さｅ／Ｄｈの変化に対する熱水力学性能因子ηの変化を示す。ｅ／Ｄｈが０．０２２から０．０４３に増加すると、ｗｏｐｔは減少するが、ｅ／Ｄｈが続いて０．０４３から０．０８７に増加すると、ｗｏｐｔは実質的に変化しないことが見出される。
【００５０】
リブの高さが増加すると、流路の断面が小さくなって、流体に対するリブの外乱が増大して、主渦を生成させる駆動力が増加し、主渦の強度が増加する。図１８は、Ｈ＝２５ｍｍ、Ｐ＝２０ｍｍ、α＝４５°、ｗ＝３７．５ｍｍの場合、リブ高さが主渦ピッチに対する影響を示しており、図１８から分かるように、リブ高さが増加するにつれて主渦のピッチは小さくなる。さらに、相対的なリブピッチＰ／ｅが一定である場合でも、リブの高さが増加すると、リブピッチも増加するので、この場合、主渦強度、ピッチ及び隣接するリブの間の熱境界層の長さは、リブピッチの増加の影響を受ける。したがって、相対的なリブ高さｅ／Ｄｈの変化は、最適なＶ字状部材の開口幅と関係のある主渦強度、主渦ピッチ、および隣接するリブの間の熱境界層の長さなどを変化させ、それにより、図１７に示すように、最適なＶ字状部材の開口幅ｗｏｐｔの値を変化させる。
【００５１】
図１９は、相対的なリブの高さｅ／Ｄｈ、相対的なリブピッチＰ／ｅとリブの迎角αが一定である場合、即ち、ｅ／Ｄｈ＝０．０４３、Ｐ／ｅ＝１０、α＝４５°である場合、Ｖ字状部材の開口幅ｗとチャネル高さＨが熱水力性能係数に及ぼす影響を示している。ｗｏｐｔはチャネル高さが増加するにつれて増加することが見出されている。
【００５２】
チャネル高さが増加すると、２次流れセルの高さが増加し、これにより、リブ付き辺の長さが２次流れセルの断面周長で占める比重が減少するので、主渦を生成させる駆動力が低下し、主渦で強度が低下する。図２０は、Ｐ＝２０ｍｍ、ｅ＝２ｍｍ、α＝４５°、ｗ＝３７．５ｍｍの場合、主渦ピッチに対するチャネル高さの影響を示しており、図２０から分かるように、チャネル高さの増加につれて主渦のピッチが大きくになる。さらに、相対的なリブの高さｅ／Ｄｈと相対的なリブピッチＰ／ｅが一定である場合でも、チャネル高さが増加すると、リブの高さとピッチも同様に増加するので、これにより、主渦の強度、ピッチ及び隣接するリブの間の熱境界層の長さもチャネル高さの増加の影響を受ける。したがって、チャネル高さの変化が、図１９に示すように、Ｖ字状部材の開口幅ｗｏｐｔの変化をもたらすことになる。
【００５３】
（付記）
（付記１）
直方体筐体構造である本体と、前記本体の上部に配置される透明カバープレートと、を備え、前記本体内には前記本体を第１キャビティと第２キャビティに二分割する吸熱板が設置され、前記第２キャビティの一端部には吸気口が設けられ、他端には排気口が設けられ、前記吸熱板の下面には所定の間隔を空けて複数のリブが互いに平行するように配置される太陽熱空気集熱装置であって、
集熱媒体である空気が前記リブと接触し、且つ前記太陽熱空気集熱装置の長手方向に沿って流れ、
前記リブは、複数のＶ字状部材が前記太陽熱空気集熱装置の幅方向に沿って順次に接続されて延在することにより形成され、
前記Ｖ字状部材の開口幅ｗは式Ｉで表し、
ｗ＝Ｃ０＋３５×（Ｈ／Ｈ０−１）−１２×（ｅ／ｅ０−１）＋２×（Ｐ／Ｐ０−１）＋９×（α／α０−１）  （ｍｍ）・・（式Ｉ）
式Ｉにおいて、Ｈは吸熱板下面と第２キャビティ底板内壁との間の距離であり、ｅはＶ字状部材の高さであり、Ｐはリブピッチであり、αはリブの迎角であり、Ｈ＝２０〜３０ｍｍであり、ｅ＝１〜３ｍｍであり、Ｐ／ｅ＝８〜１２であり、α＝３０〜４５°であり、Ｃ０＝３０〜３７．５であり、Ｈ０＝２５ｍｍであり、ｅ０＝２ｍｍであり、Ｐ０＝２０ｍｍであり、α０＝４５°であることを特徴とする、太陽熱空気集熱装置。
【００５４】
（付記２）
式ＩにおいてＨ＝２５ｍｍであり、ｅ＝２ｍｍであり、Ｐ／ｅ＝１０であり、α＝３０°であることを特徴とする、付記１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【００５５】
（付記３）
前記αは、Ｖ字状部材の二つの枝の間の交角の１／２であることを特徴とする、付記１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【００５６】
（付記４）
前記第１キャビティと前記第２キャビティとは互いに独立した空間であることを特徴とする、付記１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【００５７】
（付記５）
前記Ｖ字状部材の材料は熱伝導性金属であることを特徴とする、付記１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【００５８】
（付記６）
前記Ｖ字状部材は等辺Ｖ字状であり、各前記リブは、複数の同じＶ字状部材が前記太陽熱空気集熱装置の幅方向に沿って順次に接続されて延在することにより形成され、前記各リブにおいて、全てのＶ字状部材は、同一平面上に位置し、且つ全てのＶ字状部材開口部の端点は、前記太陽熱空気集熱装置の側壁に垂直する直線上に位置することを特徴とする、付記１に記載の太陽熱空気集熱装置。
【符号の説明】
【００５９】
１  本体
２  透明カバープレート
３  吸熱板
４  第１キャビティ
５  第２キャビティ
６  吸気口
７  排気口
８  リブ
９  Ｖ字状部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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