(57)【要約】【課題】高い対流熱伝達の効果を得ることのできる、熱交換器および伝熱促進方法を提供すること。【解決手段】実施形態の熱交換器は、熱交換を行う流体が流れる流路部と、前記流路部内に超音波を照射する超音波照射器と、前記流路部内に設置され前記超音波の状態を検知するセンサーと、前記センサーによって検知された前記超音波の状態に基づいて、前記超音波照射器から照射される前記超音波の周波数を制御する超音波制御部と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換を行う流体が流れる流路部と、
前記流路部内に超音波を照射する超音波照射器と、
前記流路部内に設置され前記超音波の状態を検知するセンサーと、
前記センサーによって検知された前記超音波の状態に基づいて、前記超音波照射器から照射される前記超音波の周波数を制御する超音波制御部と、
を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記センサーは、前記超音波により前記流路部に形成される定在波の腹の位置に設置された、前記超音波の圧力振幅を検知する圧力センサーであり、
前記超音波制御部は、前記圧力振幅に基づき、前記超音波の周波数を制御することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記センサーは前記流体の温度を検知する温度センサーであり、
前記超音波制御部は前記温度に基づき、前記超音波の周波数を制御することを特徴とする請求項１記載の熱交換器
【請求項４】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記超音波照射器は、第１の超音波照射器と、前記第１の超音波照射器に前記流路部を介して対向して設置された第２の超音波照射器を備え、前記第１の超音波照射器が前記第２の超音波照射器に向けて前記超音波を照射するとともに前記第２の超音波照射器が前記第１の超音波照射器に向けて超音波を照射するように構成されることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項４に記載の熱交換器において、
前記超音波制御部は、前記第１の超音波照射器および前記第２の超音波照射器からそれぞれ照射される前記超音波の位相を変化させることを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項５に記載の熱交換器において、
前記超音波制御部は、前記位相を連続的に変化させることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
前記流路部内に設置され、前記超音波照射器から照射される前記超音波を反射する反射体を備えることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項８】
熱交換を行う流体が流れる流路部と、
前記流路部内に超音波を照射する超音波照射器と、
を有する熱交換器を用いた伝熱促進方法において、
前記超音波照射器により前記流路部内に照射される前記超音波の状態を検知し、
前記超音波の状態に基づき、前記超音波照射器から照射される前記超音波の周波数を制御することを特徴とする伝熱促進方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熱交換器および伝熱促進方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器、加熱器、冷却器などの熱機器においては、固体壁とその固体壁に沿って流れる流体の温度差に基づき、対流熱伝達により熱の移動が生じる。流路内を流れる流体と固体壁の間では、流体の粘性により固体壁近傍の流体の流れが阻害され、固体壁近傍に境界層と呼ばれる温度や速度の勾配のある層が形成される。対流熱伝達を促進するためには固体壁と流体との接触面積の増大が必要となり、熱機器の大型化につながるという課題があった。このため、従来固体壁の表面に加工を施したり、流体の流れを乱す構造物を設置するなどしたりして固体壁表面近傍の温度や速度の勾配のある流体の層である境界層を乱す取り組みが広く行われてきた。
【０００３】
一方、このような熱機器の大型化を防止するための対流熱伝達の促進技術として、伝熱面近傍に音波や振動を与えることで固体壁表面近傍の境界層を乱す手段が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３２５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の音波や振動を用いた技術では、冷媒に与える振動が対流熱伝達の向上に最適化されていなかったため、熱伝達の効果が、固体壁表面に加工を施したり、流体の流れを乱す構造を設置したりする技術と比べて低いという課題があった。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、高い対流熱伝達の効果を得ることができる熱交換器および伝熱促進方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の熱交換器は、熱交換を行う流体が流れる流路部と、前記流路部内に超音波を照射する超音波照射器と、前記流路部内に設置され前記超音波の状態を検知するセンサーと、前記センサーによって検知された前記超音波の状態に基づいて、前記超音波照射器から照射される前記超音波の周波数を制御する超音波制御部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高い対流熱伝達の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態にかかる熱交換器の構成図。
【図２】第２の実施形態にかかる熱交換器の構成図。
【図３】第３の実施形態にかかる熱交換器の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる熱交換器の構成図である。本実施形態にかかる熱交換器１００は伝熱面８、固体壁９、流路部１０、固体壁９に取付けられた超音波照射器１２、超音波照射器１２に接続された超音波制御部１５と、超音波制御部１５に接続され流路部１０内に設置される圧力センサー１４から構成される。
【００１２】
本実施形態においては、流路部１０は、第１の平面を構成する伝熱面８と、伝熱面８と平行に対向する面が第２の平面を構成する固体壁９との間に形成される。図１には図示しないが、伝熱面８と固体壁９の間には互いに対向する側面が設けられており、伝熱面８、固体壁９と図示しない２つの側面によって本実施形態の流路部１０は断面が矩形状に形成される。伝熱面８は加熱されており、伝熱面８から与えられた熱が熱伝達により流路部１０内を流れる流体に伝わる。
【００１３】
超音波照射器１２は、超音波照射部分が流路部１０の固体壁９から伝熱面８へ垂直に超音波を照射するように、外側から固体壁９に設置されている。超音波制御部１５は超音波照射器１２に接続され、設定した周波数、振幅、位相をもつ信号を超音波照射器１２に印加し、超音波を制御する。
【００１４】
圧力センサー１４は超音波の状態を検知するセンサーで、本実施形態では、流体中の超音波による圧力振幅を検知するマイクロフォンである。圧力センサー１４は、流路部１０内に形成される超音波の定在波１３の任意の腹の位置に設置される。定在波１３の腹の位置は、流体中における超音波音速と設定した超音波の周波数から計算した波長と、流路部１０の伝熱面８と固体壁９の間の距離から求めることができる。圧力センサー１４が検知した圧力信号は超音波制御部１５に入力される。
【００１５】
このような構成からなる本実施形態にかかる熱交換器１００の作用および伝熱促進方法について以下に説明する。
【００１６】
熱交換器１００において、流路部１０の中に流体を流すとともに、伝熱面８を加熱する。これにより、流路部１０内の流体に伝熱面８より熱伝達による熱の移動が生じる。
【００１７】
この状態で超音波照射器１２から超音波を照射する。超音波照射器１２から照射される超音波の周波数は、流路部１０内の伝熱面８と固体壁９の間の距離と、流体中における超音波の音速と、形成したい波長の長さから計算し設定する。
【００１８】
超音波照射器１２から照射される超音波の周波数としては１０ｋＨｚから１００ｋＨｚが適している。例えば、水中での音速は１５００ｍ／ｓほどであることを考えると、超音波の周波数が１０ｋＨｚよりも低いと波長が１５ｃｍよりも長くなり、流路部１０内に定在波１３を形成することが難しくなる。また周波数が１００kHzよりも高いと、超音波の減衰が大きくなり、伝熱促進効果が低くなる。
【００１９】
このように設定した周波数の信号を超音波制御部１５から超音波照射器１２に印加し、発生した超音波を流路部１０内に照射する。超音波照射器１２から照射された超音波は、固体壁９より伝熱面８に対して垂直に伝わって伝熱面８で反射し、流路部１０内の流れと垂直な方向に超音波の定在波１３が形成される。この定在波１３の腹における圧力変動により、伝熱面８近傍に形成される境界層が乱される。
【００２０】
伝熱面８と固体壁９の間に超音波の定在波１３を形成させた状態で流体の温度変化が生じると、流体の音速の変化により超音波照射器１２から照射される超音波の波長が変わるため、流路部１０内に形成された定在波１３が乱れる可能性がある。そのため、音速変化に応じて、流路部１０内に定在波１３を形成するように超音波の周波数を制御する必要がある。
【００２１】
本実施形態においては、圧力センサー１４はマイクロフォンであり、定在波１３の腹の位置において圧力振幅を受けると、マイクロフォンの中に備えられた圧電体が機械的に歪み、歪み量に応じた電気信号を出力する。
【００２２】
超音波制御部１５は、圧力センサー１４が出力する電気信号により、定在波１３の腹の位置における圧力振幅の変化を検知する。さらに、超音波制御部１５は、圧力センサー１４からの電気信号により検知した圧力振幅に基づき、伝熱面８と固体壁９の間の距離に応じて、反射面である伝熱面８近傍に圧力の変動が大きい定在波１３の腹が形成されるような周波数の信号を超音波照射器１２に入力する。超音波制御部１５は、圧力センサー１４で検知された圧力振幅が小さくなった場合には、圧力振幅が大きくなるように調整した信号を超音波照射器１２に印加し、定在波１３の乱れを防止する。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態によれば、超音波照射器１２によって流路部１０内に定在波１３が形成され、伝熱面８近傍の境界層が乱されることで流体が撹拌され、伝熱面８から離れた位置を流れる流体が伝熱面８近傍に到達しやすくなり、対流熱伝達の効果を高めることができる。さらに、圧力センサー１４により定在波１３の腹の位置における圧力振幅を検知し、圧力振幅が小さくなった場合に圧力振幅が大きくなるように超音波制御部１５によって超音波照射器１２から照射される超音波の周波数を制御することで、流路部１０を流れる流体の温度が変化した場合でも流路部１０内に定在波１３を安定して形成することが可能となる。
【００２４】
なお、上述の本実施形態においては、伝熱面８を加熱面として説明しているが、伝熱面８は冷却面であっても同様の作用効果を得ることができる。
【００２５】
また本実施形態において、超音波の状態を検知するセンサーとしては、圧力センサー１４の代わりに温度センサーを用いてもよい。この場合、流路部１０のうち伝熱面８近傍の境界層が形成される位置に温度センサーを設置する。温度センサーは超音波制御部１５に接続される。
【００２６】
流路部１０の流体の温度が変化すると、超音波の音速が変化するために定在波１３が乱れる可能性がある。流体の温度変化を温度センサーで検知し、その変化を電気信号として出力し、超音波制御部１５に入力する。温度変化により超音波の音速が分かるため、伝熱面８と固体壁９の間の距離に応じて、反射面である伝熱面８近傍に圧力の変動が大きい定在波１３の腹が形成されるような周波数の信号を計算し、超音波制御部１５から超音波照射器１２に入力する。
【００２７】
このように、流路部１０内の流体の温度変化による音速変化に応じて、超音波の周波数を制御することで、定在波１３を流路部１０内に安定して形成することが可能となる。
【００２８】
さらに本実施形態において、流路部１０の断面形状は矩形ではなく円筒形でもよい。この場合でも、流路部１０の断面形状が矩形の場合と同様の作用効果が得られる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態にかかる熱交換器の構成図である。図２において、図１の第１の実施形態の熱交換器の各部と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明を省略する。本実施形態においては、超音波照射器１２Ａ，１２Ｂが伝熱面８と固体壁９にそれぞれ取り付けられている。２台の超音波照射器１２Ａ，１２Ｂは流路部１０を挟んで対向するように設置されており、超音波照射器１２Ａは超音波照射器１２Ｂに向かって超音波を照射し、超音波照射器１２Ｂは超音波照射器１２Ａに向かって超音波を照射するように配置される。
【００３０】
このような構成からなる本実施形態にかかる熱交換器１００の作用および伝熱促進方法について以下に説明する。なお、第１の実施形態の熱交換器１００と同様な部分については説明を省略し、相違点のみ述べる。
【００３１】
対向するように設けられた２台の超音波照射器１２Ａ，１２Ｂに、超音波制御部１５から周波数、振幅が等しい信号を印加する。流路部１０内において、超音波照射器１２Ａが設置された固体壁９と超音波照射器１２Ｂが設置された伝熱面８の間を超音波が垂直に伝搬し、伝熱面８と固体壁９との間に定在波１３が形成される。超音波制御部１５は、２台の超音波照射器１２Ａ，１２Ｂから照射する超音波の位相をそれぞれ制御する。これにより、定在波１３の腹の位置を、流路部１０内の伝熱面８の近傍に形成される境界層の状態に応じた位置に制御する。このとき、超音波制御部１５は連続的に位相を変更するように構成してもよい。このようにすると、定在波１３の腹と節の位置が時間的に連続に変化し、境界層における流体の乱れを大きくすることができる。
【００３２】
なお、この場合は、超音波の状態を検知するセンサーとしては温度センサー２０を用い、温度センサー２０により流体の温度変化を観測して超音波照射器１２Ａ，１２Ｂから照射する超音波の周波数を制御することで定在波１３が乱れることを防止することが好ましい。
【００３３】
さらに、本実施形態においても、超音波の状態を検知するセンサーとして圧力センサーを用いることができる。この場合は、超音波制御部１５により、２台の超音波照射器１２Ａ，１２Ｂから照射する超音波の位相をそれぞれ制御した時の、圧力センサーで検知された圧力振幅の変化を予め観測し記録する。そして位相と圧力振幅の関係を位相‐振幅関数として超音波制御部１５に備える。
【００３４】
超音波制御部１５が超音波照射器１２Ａ，１２Ｂから照射する超音波の位相を変化させた時に、位相‐振幅関数を用いて圧力振幅を求める。圧力センサーで検知された圧力振幅が位相‐振幅関数を用いて求めた超音波の信号に近くなるように、超音波制御部１５が超音波の周波数を制御する。このようにして圧力センサーを用いた場合でも、流路部１０を流れる流体の温度が変化しても流路部１０内に定在波１３を安定して形成することが可能となる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、２台の超音波照射器１２Ａ，１２Ｂによって流路部１０内に定在波１３が形成され、伝熱面８近傍の境界層が乱されることで流体が撹拌され、伝熱面８から離れた位置を流れる流体が伝熱面８近傍に到達しやすくなり、対流熱伝達の効果を高めることができる。さらに、定在波１３の位相を変更し境界層の乱れを大きくすることで、更に対流熱伝達の効果を高めることが可能である。
【００３６】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態にかかる熱交換器の構成図である。図３において、図１に示した第１の実施形態の熱交換器１００の各部と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明を省略する。本実施形態においては、流路部１０内に反射体１７が設置される。反射体１７は伝熱面８に対向する面が平面状に形成される平板状の部材であり、棒状の反射体支持構造１８にボルト等で固定されて流路部１０内に設置される。本実施形態においては、反射体支持構造１８は伝熱面８の内面に設置される。反射体１７の伝熱面８に対向する面は伝熱面８と平行になるように配置される。
【００３７】
このような構成からなる本実施形態にかかる熱交換器１００の作用および伝熱促進方法について以下に説明する。なお、第１の実施形態の熱交換器１００と同様な部分については説明を省略し、相違点のみ述べる。
【００３８】
超音波制御部１５より、伝熱面８と反射体１７の間の距離と、流体中の超音波の音速から計算した、定在波１３が形成される周波数を持つ信号を超音波照射器１２に印加する。超音波照射器１２から照射した超音波は伝熱面８から反射体１７に流路部１０に垂直に伝わり反射体１７で反射し、伝熱面８と反射体１７の間に定在波１３が形成される。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、反射体１７を流路部１０内に設置することで、超音波照射器１２によって伝熱面８と反射体１７の間に定在波１３が形成される。このため、固体壁９と伝熱面８が離れている場合でも、定在波１３を形成することができ、第１の実施形態と同様に対流熱伝達の効果を高めることが可能である。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
８・・・伝熱面
９・・・固体壁
１０・・・流路部
１２・・・超音波照射器
１２Ａ，１２Ｂ・・・超音波照射器
１３・・・定在波
１４・・・圧力センサー
１５・・・超音波制御部
１７・・・反射体
１８・・・反射体支持構造
２０・・・温度センサー
１００・・・熱交換器
【図１】
2016057002.tif 000003
【図２】
2016057002.tif 000004
【図３】
2016057002.tif 000005