(57)【要約】【課題】振動子を用いることなく固体壁に沿って流れる流体を振動させる伝熱促進装置およびこれを用いた伝熱促進方法を提供する。【解決手段】伝熱促進装置１０Ａは、流体３が流動する流路１の内部へ開口する一端と閉止された他端とを有する筒状体２１を備え、流体１の流動に因って流体３を伝搬する音波５を筒状体２１から発生させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流動する流路と、
前記流路の内部へ開口する一端と閉止された他端とを有し、前記流体の流動に因って前記流体を伝搬する音波を発生させる筒状体と、
を具備することを特徴とする伝熱促進装置。
【請求項２】
前記筒状体は、当該筒状体内を往復移動可能なピストンを備え、当該ピストンが閉止された前記他端を構成することを特徴とする請求項１記載の伝熱促進装置。
【請求項３】
前記ピストンを前記筒状体内で往復自在に移動させる駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の伝熱促進装置。
【請求項４】
前記流体および前記流体を伝搬する音波の少なくとも一方の物理量を取得するセンサと、当該センサから取得される前記物理量に基づいて、前記ピストンを移動させる指令を前記駆動部へ与える駆動制御部をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の伝熱促進装置。
【請求項５】
前記筒状体が発生させる音波とは異なる音波を前記流路内に発生させる音波発生手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の伝熱促進装置。
【請求項６】
前記筒状体が発生させる音波の圧力振幅および周波数を検出する音波センサと、前記音波センサが検出した前記圧力振幅および周波数に基づいて前記筒状体が発生させる音波を打ち消す音波を前記音波発生手段から発生させる音波発生部を備えることを特徴とする請求項５記載の伝熱促進装置。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項に記載の伝熱促進装置を用いた伝熱促進方法であって、
前記流路に流体を通過させ、前記筒状体から流路内に音波を発生させ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】
本発明は、伝熱促進装置およびこれを用いた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ける熱の移動は、固体壁と当該固体壁に沿って流れる流体の間の温度差による熱の移動、すなわち、対流熱伝達と呼ばれるものである。対流熱伝達には、流れの状態や固体壁の形状などにより様々な形態があるが、多くの場合、固体壁の壁面近くには温度境界層と呼ばれる比較的温度勾配の大きい流体の層が形成される。例えば高温の固体壁からの対流熱伝達による熱移動では、固体壁の壁面近くの温度境界層中の流体の温度は比較的高くなる。
【０００３】
固体壁の壁面近くに温度境界層が形成されると、この温度境界層によって、温度境界層の外側にある固体壁との温度差の大きい流体が固体壁に接触できなくなる現象が発生し、固体壁と流体との間での熱移動が阻害される。熱移動の阻害が生じると、固体壁と流体との接触面積を増大させる必要が生じるため、熱機器の大型化につながるという課題がある。従って、従来、固体壁の表面に加工を施したり、流体の流れを乱す装置を設置したりするなどして、固体壁表面近傍の比較的温度が高い流体の層を乱すことが提案されている。
【０００４】
一方、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比較的温度が高い層を乱す技術が提案されている。一例として、発熱体に接着され冷媒入口と冷媒出口が設けられた流路ブロックの底面に振動子ブロックを設け、振動子ブロックを振動子駆動制御装置により振動させることで、流路ブロック内の冷媒を振動させて対流熱伝達を向上させているものなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、上述したような従来の技術では、振動や音波を発生させるために振動子を使用しているため、当該振動子を駆動させるための動力が必要になるという課題がある。振動子を用いることなく振動や音波を発生させることができれば、振動子を駆動させる動力が不要となり、装置の小型化や消費電力等の観点からも好ましい。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、固体壁に沿って流体が流れる流路の壁面の少なくとも一部を伝熱面として熱伝達を行なう際に、振動子を用いることなく流路を流動する流体を振動させることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態に係る伝熱促進装置は、上述した課題を解決するため、流体が流動する流路に設けられ、前記流路の内部へ開口する一端と閉止された他端とを有する筒状体を備え、前記流体の流動に因って前記流体を伝搬する音波を前記筒状体から発生させる第１の音波発生手段を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、振動子等を用いることなく流路を流動する流体を振動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る伝熱促進装置の概略的な構成を、流路の流体移動方向に沿う方向の断面とともに示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る伝熱促進装置の概略的な構成を、流路の流体移動方向に沿う方向の断面とともに示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る伝熱促進装置および伝熱促進方法について、図面を参照して説明する。
【００１２】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る伝熱促進装置の一例である伝熱促進装置１０Ａの概略的な構成を、流路１の流体移動方向（図中左から右へ向かう方向）に沿う方向の断面とともに示す構成図である。
【００１３】
伝熱促進装置１０Ａは、例えば、壁２（伝熱面）に沿って流体３が流動する流路１を備え、壁２と流体３との間の温度差によって壁２（伝熱面）と流体３との間で熱移動を生じる際の熱伝達を促進する。なお、本実施形態においては、壁２と対向する対向面５０に伝熱促進装置１０Ａが設けられているが、これに限らず、伝熱面である壁２に伝熱促進装置１０Ａを設けることもできる。
【００１４】
伝熱促進装置１０Ａは、例えば、流路１に設けられ、流路１の内部へ開口する一端と閉止された他端とを有する筒状体２１と、筒状体２１内を往復移動可能に構成されるピストン２２と、ピストン２２を筒状体２１内で往復運動させる駆動部２３と、センサ２４から取得される物理量に基づいて、ピストン２２を筒状体２１内で移動させる指令を生成し、駆動部２３へ与える駆動制御部２５とを備える。
【００１５】
筒状体２１は、流体３が流動する流路１に対して、一端が流路１の内部へ開口しており、他端が閉止されている。筒状体２１の開口部は、流路１内の流体３が当該開口部を横切って流動するように設けられる。筒状体２１の開口部の開口面積については、流体３の圧力や温度等の状態量、流体３の密度や粘度等の物性、また流路１を流動する流体３の想定される流速に応じて、流体３が筒状体２１の開口部を横切るように流動するときに筒状体２１の開口部にて自励振動が生じる大きさに設定される。すなわち、筒状体２１は、流路１内を流体３が流動することに因って流体３を伝搬する音波５を発生させるよう構成されている。
【００１６】
ピストン２２は、筒状体２１の内部を筒状体２１の筒軸方向（図１における上下方向）に往復移動可能に構成されており、開口部からピストンヘッド（先端面）２２ａまでの距離ｄを調整する。本実施形態においては、ピストンヘッド（先端面）２２ａが筒状体２１の開口部の反対側に設けられる閉止された他端を構成する。
【００１７】
駆動部２３は、ピストン２２を筒状体２１内で移動させる駆動力を発生させる機能を有する。駆動部２３からの駆動力を受けて筒状体２１内を往復自在に移動する。駆動部２３からの駆動力を受けることによって、ピストン２２が移動し、開口部からピストンヘッド（先端面）２２ａまでの距離ｄが調整される。
【００１８】
また、駆動部２３は、自らピストン２２を移動させる駆動力を発生させる自動モードと、外部から与えられた力に基づいてピストン２２を移動させる駆動力を発生させる手動モードとを有する。自動モードが選択されている場合、駆動部２３は自身で発生させた駆動力をピストン２２に与える。手動モードが選択されている場合、駆動部２３は外部から作用する力そのもの、または外部から作用する力によって発生する力を、ピストン２２を移動させる駆動力とし、ピストン２２に与える。
【００１９】
センサ２４は、流体３の温度、流速および時間平均の圧力、並びに音波５の圧力振幅および周波数から選択される少なくとも何れかの物理量を検出する検出部２４ａを有する。検出部２４ａが検出した物理量は、駆動制御部２５へ与えられ、駆動制御部２５が駆動部２３に対してピストン２２を移動させる指令を生成する際に用いられる。
【００２０】
駆動制御部２５は、検出部２４ａが検出した物理量に基づいてピストン２２を筒状体２１内で移動させる指令（制御信号）を生成し、駆動部２３へ与える。駆動制御部２５からピストン２２を筒状体２１内で移動させる指令（制御信号）が駆動部２３に与えられると、駆動部２３は、当該指令（制御信号）に応じた駆動力を発生させ、発生させた駆動力をピストン２２へ与える。
【００２１】
続いて、上述した筒状体２１、ピストン２２、駆動部２３、および駆動制御部２５を具備する伝熱促進装置１０Ａの作用について、伝熱促進装置１０Ａが、壁２（伝熱面）に沿って流体３が流動する流路１を備え、壁２と流体３との間の温度差によって壁２（伝熱面）と流体３との間での熱伝達を例に説明する。ここでは、伝熱面である壁２が高温であり、壁２から低温の流体３へ熱移動が生じる場合として説明する。
【００２２】
通常、流路壁面の少なくとも一部を構成する伝熱面に沿って低温の流体が流れるような体系の熱伝達では、流路内において伝熱面の表面近傍に比較的温度が高い流体が流動する温度境界層が形成される。この温度境界層が流体の冷熱が伝熱面に到達することを妨げている。
【００２３】
一方、本実施形態においては、対向面５０では、伝熱促進装置１０Ａに具備される音波発生手段１１が流体３の流動に因って流体３を伝搬する音波５を発生させる。より詳細に説明すれば、筒状体２１が設けられる対向面５０では、筒状体２１の一端となる開口部に流体３が衝突することで、流れの周期的な変動が生じ、生じた流れの周期的な変動によって圧力の周期的な変動が生じる。さらに、圧力の周期的な変動が自励振動となり開口部で音波５が発生する。
【００２４】
開口部で発生した音波５は流路１内（流体３）を伝搬して、やがて、壁２（伝熱面）の表面近傍に形成される温度境界層、そして、壁２（伝熱面）に到達する。その際、音波５の圧力変動が温度境界層を乱すため、低温側の流体３が高温側の伝熱面に到達しやすくなる。
【００２５】
また、対向面５０のような流体３の主な流動方向に対して異なる方向に開口部を有する伝熱体では、筒状体２１の一端となる開口部で発生する音波５の周波数および圧力振幅は、流体の種類による物性の違い、圧力、温度などの状態量の条件によって変化することから、本実施形態においては、流体３の状態量、物性、また想定される流速に応じて、流体３が筒状体２１の開口部を横切るように流動するときに筒状体２１の開口部にて自励振動が生じるように筒状体２１の寸法を、必要に応じて実験やシミュレーションなどを行なって予め定めておく。
【００２６】
さらに、開口部の口径や筒状体２１の両端（開口部と閉止された他端）の距離を変化させた場合に、音波５の圧力振幅および周波数が変動する。音波５によって伝熱面への熱伝達を向上させるためには、周波数が１０〜１００ｋＨｚ程度の音波５で伝熱面近傍に圧力振幅が大きい箇所を形成させることが有効である一方、上述したように、流体の種類、圧力、温度などの条件は実際には変化することから、想定される条件から予め筒状体２１の寸法を定めておいたとしても実際に発生する音波５の周波数および圧力振幅が変化し、熱伝達に好適な条件の音波５を発生させる条件も流体の種類、圧力、温度などの条件の変化に伴い変化してしまう。
【００２７】
そこで、本実施形態の伝熱促進装置１０Ａでは、ピストン２２の筒状体２１内の位置を変化させることで、開口部からピストン２２（より詳細にはピストンヘッド２２ａ）までの距離ｄを変化させ、発生する音波５の周波数および圧力振幅を変化させることができる。従って、筒状体２１内にピストン２２が設けられている対向面５０では、流体の種類、圧力、温度などの条件の変化に伴って熱伝達に好適な条件から音波５の周波数および圧力振幅が変化した場合においても、ピストンヘッド２２ａの筒状体２１内の位置を動かすことで、熱伝達に好適な条件または当該条件により近い条件の音波５を発生させることができる。
【００２８】
なお、本実施形態の伝熱促進装置１０Ａにおいて、ピストンヘッド２２ａの筒状体２１内の位置は、手動または自動で変化させることができる。自動で変化させる場合、駆動部２３が、ピストン２２を筒状体２１内で移動させる駆動力を発生させてピストン２２へ与える。ピストン２２を筒状体２１内で移動させる駆動力の大きさは、ユーザによって与えられる条件、または駆動制御部２５から与えられるピストン２２を筒状体２１内で移動させる指令（制御信号）に基づいて決定される。
【００２９】
上述したように、本実施形態に係る伝熱促進装置１０Ａによれば、流体３を流動させる以外の動力（外部動力）を要することなく、流路１内を流動する流体３を伝搬する音波５を発生させることができる。つまり、例えば振動子のような外部動力を必要とする構成要素を用いることなく、流路１内の壁２の表面（流路内壁面）の近傍に形成される温度境界層を乱す（破壊する）ことが可能な音波５を発生させることができる。
【００３０】
また、伝熱促進装置１０Ａに、ピストン２２が設けられている場合、ピストン２２と筒状体２１の一端となる開口部との距離ｄを調整することによって音波５の圧力振幅および周波数を調整することができる。従って、ピストン２２が設けられている伝熱促進装置１０Ａでは、音波５の圧力振幅および周波数を、熱伝達を向上させる（温度境界層を乱す）のに好適な条件により近づけることができる。
【００３１】
さらに、伝熱促進装置１０Ａに筒状体２１内を往復移動可能なピストン２２と、ピストン２２を駆動させる駆動部２３が設けられている場合、（手動ではなく）機械的にピストン２２の位置（距離ｄ）を変更することができる。
【００３２】
さらに、伝熱促進装置１０Ａにおいて、筒状体２１内を往復移動可能なピストン２２と、ピストン２２を駆動させる駆動部２３と、駆動部２３を制御する駆動制御部２５とが設けられている場合、流体３の温度、流速および時間平均の圧力、並びに音波５の圧力振幅および周波数から選択される少なくとも何れかの物理量に基づいて制御することができ、熱伝達を向上させる（温度境界層を乱す）のに好適な条件となるように、ピストン２２の位置を自動的に制御（位置調整）することができる。
【００３３】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る伝熱促進装置の一例である伝熱促進装置１０Ｂの概略的な構成を、流路１の流体移動方向（図中左から右へ向かう方向）に沿う方向の断面とともに示す構成図である。
【００３４】
伝熱促進装置１０Ｂは、例えば、伝熱促進装置１０Ａに対して、音波発生手段としての音波打消手段３１をさらに具備する点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、第２の実施形態の説明では、音波打消手段３１を中心に説明し、伝熱促進装置１０Ａが具備する構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３５】
伝熱促進装置１０Ｂは、例えば、音波打消手段３１（音波発生手段）を具備する。音波打消手段３１は、流路１内で生じた音波５を、例えば、音波５の打消を所望する音波打消箇所７等の流路１内の所望の位置で打ち消す音波８を発生させる手段（音波発生手段）である。ここで、音波打消箇所７は、例えば、流路１内における、音波５の圧力振動により損傷が懸念される箇所等である。
【００３６】
音波打消手段３１は、例えば、音波打消箇所７の近傍における音波５の圧力振幅および周波数を検出する音波センサ４１の検出部４１ａから得られる音波５の圧力振幅および周波数に基づき、音波打消箇所７において音波５を打ち消す音波８を発生させる音波発生部４３を備える。なお、音波発生部４３は、音波センサ４１から得られる音波５の圧力振幅および周波数の代わりに、センサ２４から得られる音波５の圧力振幅および周波数を用いることもできる。
【００３７】
このように、音波打消箇所７において音波８が音波５を打ち消すので、音波５の圧力振動に起因する衝撃が音波打消箇所７に加わるのを防ぐことができる。従って、流路１内に損傷または損傷箇所をより悪化させる懸念がある箇所が存在する場合等において、当該箇所における損傷発生または損傷箇所の悪化を防ぐことができる。
【００３８】
上述したように、伝熱促進装置１０Ｂによれば、音波打消手段３１が音波センサ４１から取得される音波５の圧力振幅および周波数に基づき、音波５の打ち消しを所望する音波打消箇所７において音波５を打ち消す音波８を発生させるので、音波５の圧力振動に起因する衝撃が音波打消箇所７に加わるのを防ぐことができる。
【００３９】
以上、伝熱促進装置１０Ａおよび１０Ｂによれば、流体３を流動させる以外の動力（外部動力）を要することなく、流路１内を流動する流体３を伝搬する音波５を発生させることができる。つまり、伝熱促進装置１０Ａ，１０Ｂおよび対向面５０が、外部動力を必要とする構成要素（例えば振動子）を備えていなくても、流路１内の壁２の表面（流路内壁面）の近傍に形成される温度境界層を乱す（破壊する）ことが可能な音波５を発生させることができる。
【００４０】
また、ピストン２２が設けられている伝熱促進装置１０Ａおよび１０Ｂでは、ピストン２２と筒状体２１の一端となる開口部との距離ｄを調整することによって音波５の圧力振幅および周波数を調整することができるので、流体の圧力や温度などの条件が時間の経過と共に変化した場合であっても、伝熱を促進する（温度境界層を乱す）のに好適な条件の音波５を発生させることができる。
【００４１】
さらに、筒状体２１内を往復移動可能なピストン２２と、ピストン２２を駆動させる駆動部２３とが設けられている伝熱促進装置１０Ａおよび１０Ｂでは、機械的にピストン２２の位置（距離ｄ）を変更することができる。
【００４２】
さらに、筒状体２１内を往復移動可能なピストン２２と、ピストン２２を駆動させる駆動部２３と、駆動部２３を制御する駆動制御部２５とが設けられている伝熱促進装置１０Ａおよび１０Ｂでは、流体３の温度、流速および時間平均の圧力、並びに音波５の圧力振幅および周波数から選択される少なくとも何れかの物理量に基づいて制御することができ、伝熱を促進するのに好適な条件となるように、ピストン２２の位置を自動的に制御することができる。
【００４３】
また、伝熱促進装置１０Ｂによれば、音波打消手段３１が音波センサ４１から取得される音波５の圧力振幅および周波数に基づき、音波５の打ち消しを所望する音波打消箇所７において音波５を打ち消す音波８を発生させるので、音波５の圧力振動に起因する衝撃が音波打消箇所７に加わるのを防ぐことができる。
【００４４】
なお、上述した伝熱促進装置１０Ａおよび１０Ｂは、高温側の伝熱面（壁２の少なくとも一部）と低温側の流体３との間の温度差によって伝熱面と流体３との間で熱移動を生じる場合を例に説明したものであるが、逆に低温側の伝熱面と高温側の流体３との間の温度差によって伝熱面と流体３との間で熱移動を生じる場合であっても同様に作用する。
【００４５】
つまり、伝熱促進装置１０Ａおよび１０Ｂは、伝熱面が高温側となり流体３が低温側となる場合に限らず、伝熱面が高温側となり流体３が低温側となる場合においても、発生させる音波５によって流路１内の壁２の表面（流路内壁面）の近傍に形成される温度境界層を乱す（破壊する）ことができ、流体３と伝熱面との間における伝熱を促進することができる。
【００４６】
本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能である。また、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、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】
【００４７】
１  流路
２  壁
３  流体
５，８  音波
７  音波打消箇所
１０Ａ，１０Ｂ  伝熱促進装置
１１  音波発生手段（第１の音波発生手段）
２１  筒状体
２２  ピストン
２２ａ  ピストンヘッド（先端面）
２３  駆動部
２４  センサ
２４ａ  検出部
２５  駆動制御部
３１  音波打消手段（第２の音波発生手段）
４１  音波センサ
４１ａ  検出部
４３  音波発生部
５０  対向面
【図１】
2016200345.tif 000003
【図２】
2016200345.tif 000004