(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、圧力損失の増加なく、多孔質層と振動による伝熱面の伝熱促進効果を得ることである。【解決手段】  本発明は、熱交換対象の気体に接した伝熱面と、伝熱面の表面に備えた微細多孔質層と、伝熱面に直接的または間接的に振動を付加する振動発生機構とを備えたことを特徴とする。【効果】本発明によれば、圧力損失の増加なく、空冷式熱交換器の伝熱面全体の伝熱性能を向上させることができる。【選択図】  図１
2017198347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換対象の気体に接した伝熱面と、
前記伝熱面の表面に備えた微細多孔質層と、
前記伝熱面に直接的または間接的に振動を付加する振動発生機構とを備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記微細多孔質層の凹凸高さが１０μｍ以下、且つ表面積が平滑面の１０倍以上であることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱交換器において、
前記振動機構により、前記伝熱面が伝熱面に垂直方向に強制振動されることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項３に記載の熱交換器において、
前記伝熱面の振動振幅が１ｍｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、
前記振動機構として、バネ構造を有する弾性体を備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項５において、
前記弾性体は、前記伝熱面の重力または熱交換対象の気体の流れにより、前記伝熱面に振動を付加可能であることを特徴とする熱交換器の振動発生方法。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の振動機構として、
回転数を制御可能である慣性式振動器を備えたこと特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の振動機構として、
音波を発生させることが可能な音波発生器を備え、
前記音波を前記伝熱面に照射可能としたことを特徴とする熱交換器の振動発生方法。
【請求項９】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、
前記伝熱面を内側と外側とのいずれか、または両方に備えた伝熱管と、
前記振動機構として、前記伝熱管に接続された共鳴振動発生機構とを備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項１０】
請求項９に記載の共鳴振動発生機構において、
前記伝熱管内を流れる流体の流量の周期変動を発生させることを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の熱交換器において、
前記共鳴振動発生機構で発生した前記流体の流量の周期変動により、前記伝熱管と前記流体とを共鳴振動させることを特徴とする熱交換器の振動発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及び熱交換器の振動発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱交換器の伝熱性能を向上させる技術として、特開２０１５−０１０７４９（特許文献１）がある。この従来技術は、伝熱面として伝熱管を用い、微細多孔質層と複数の伝熱促進構造を備えた伝熱管により、熱伝導層を薄くし、流体の対流による伝熱促進効果を得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０１０７４９号
【特許文献２】ＷＯ２０１４／１８４９６４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の伝熱促進技術では、流体の流れ方向に対して垂直に突起状の伝熱促進構造を設置しており、流れを剥離させ乱れを発生させるため、実際の熱交換器では、通風抵抗の増加が問題となる可能性がある。また、突起状の伝熱促進構造は、設置数が伝熱管長さに制限される。熱交換器のさらなる性能向上効果を得るためには、流体の圧力損失の増加を抑制し、且つ伝熱面全体で伝熱性能を向上させる必要がある。
【０００５】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、圧力損失の増加なく、伝熱面の伝熱性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、熱交換対象の気体に接した伝熱面と、伝熱面の表面に備えた微細多孔質層と、伝熱面に直接的または間接的に振動を付加する振動機構とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、圧力損失の増加なく、空冷式熱交換器の伝熱面全体の伝熱性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１に係る熱交換器の一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る熱交換器における、伝熱面表面近傍の構造を表す断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る熱交換器の一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【図４】本発明の実施例３に係る熱交換器の一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明の各実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本実施例に係る熱交換器の一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【００１１】
図１に示すように、本実施例に係る熱交換器は伝熱面１０４、振動機構１０１ａおよび１０１ｂ、固定部１０２aおよび１０２ｂを備えている。
【００１２】
伝熱面１０４は、伝熱面と接して流れる気体１０３に面しており、伝熱面よりも温度の低い気体１０３に熱輸送１０５する。
【００１３】
振動機構１０１ａまたは１０１ｂは、伝熱面１０４に直接接続されており、例えばバネ構造を有する弾性体である。振動機構１０１ａまたは１０１ｂは、固定部１０２ａおよび１０２ｂに接続され、伝熱面１０４に振動１０６を付加する。固定部１０２ａまたは１０２ｂは、伝熱面１０４に振動１０６を与えるための振動機構１０１ａまたは１０１ｂを支持する固定端であり、例えばシェルアンドチューブ型熱交換器におけるシェルにあたる。振動機構１０１ａおよび１０１ｂには、例えば重力、または気体１０３の流れによる誘起振動が付加される。伝熱面１０４は、円管または平板でもよく、熱交換器内に水平または垂直に設置されるものとする。なお、伝熱面が気体より温度が低い場合でも、熱輸送される。また、振動機構として、例えば慣性式振動器を接続した場合では、モーター回転数を制御し、発生する振動の周波数、加速度を制御することが可能である。振動機構そのものが電気駆動で伝熱面に強制振動を付加することを可能とする場合には、振動機構は固定部に必ずしも接続されなくてもよい。また、振動機構は流体自体の振動を利用してもよく、その場合には、固定部を必要としない。
【００１４】
図２は、実施例１に係る熱交換器における伝熱面１０４を拡大した図であり、伝熱部表面近傍の構造を表す断面図である。図２に示すように、伝熱部２０１の表面は、主流気体２０４に面し、微細多孔質層２０２を備える。微細多孔質層２０２は、特許文献１および特許文献２に記載のナノ粒子多孔質層であり、凹凸高さＨおよび平滑面に対する表面積増加率で定義する。特許文献２によれば、伝熱促進効果を得るためには、微細多孔質層２０２は、高さＨが１０μｍ以下、且つ表面積が平滑面の１０倍以上となることが望ましいとされる。また、伝熱促進技術としては、伝熱部２０１および微細多孔質層２０２の材質は、アルミニウム、銅等の金属である。特許文献１によれば、微細多孔質層２０２は、空気の分子運動を活性化させ、熱伝導を促進することができる。これにより、伝熱部表面には、高温の熱伝導層２０６が形成される。熱伝導層は、主流気体２０４の対流熱伝達よりも熱伝導による熱輸送が支配する伝熱部表面からの領域であり、主流気体２０４との間で熱輸送が行われない。熱伝導層は、伝熱部が主流気体よりも高温の場合に、主流気体よりも高温である。伝熱部２０１に振動２０３が付加すると、熱伝導層も振動するため、熱伝導層の境界では、熱伝導層と主流気体２０４との間で熱交換２０５ａおよび２０５ｂが活発になる。したがって、熱伝導層の温度が低下し、結果として、熱伝導層は薄くなる。熱伝導層の厚さは、対流熱伝達率に逆比例するため、多孔質層による熱伝導の促進効果に加えて、振動により対流熱伝達率が向上する。通常、空気の熱伝導層の厚さは、主流が低流速の場合、数百μｍオーダーとなるため、伝熱部に付加する最大振動振幅が１ｍｍであれば伝熱促進効果が十分に得られる。また、多孔質層による熱伝導の促進により、熱伝導層の厚さは平滑面の場合と比較して大きくなるため、振動による伝熱促進効果は平滑面の場合よりも大きくなり、多孔質層と振動との相乗効果が得られる。なお、伝熱部表面が主流気体より温度が低い場合でも、伝熱促進効果は得られる。また、伝熱部の振動は、伝熱面に平行な熱伝導層境界での熱交換を活発にする目的のため、伝熱面に対して垂直方向に振動させることで最も効率良く伝熱促進効果を得られる。
【００１５】
圧力損失の増加は、多孔質層の凹凸高さが、気体の速度境界層よりも小さいために無視できる。速度境界層とは、気体の粘性の影響を無視できない伝熱部表面からの領域である。
【００１６】
微細多孔質層を有する伝熱面が振動すれば、上記の伝熱促進効果により伝熱部表面全体で伝熱促進効果が得られる。
【００１７】
このように、熱交換対象の気体に接した伝熱面と、伝熱面の表面に備えた微細多孔質層と、伝熱面に直接的または間接的に振動を付加する振動機構とを備えると、微細多孔質層の凹凸高さが、気体の速度境界層よりも小さいために圧力損失の増加を抑えるとともに、微細多孔質層を有する伝熱面が振動することで空冷式熱交換器の伝熱面全体の伝熱性能を向上させることができる。
【実施例２】
【００１８】
図３は、本実施例に係る熱交換器の一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【００１９】
本実施例と実施例１との違いは、音波を流体あるいは固体に伝播させることにより伝熱面を振動させる点であり、熱交換器の内部に振動機構を設置する必要がなく、校正が簡易になるため、費用を低減させることができる。
【００２０】
図３に示すように、本実施例に係る熱交換器は伝熱面３０２、音波発生器３０６aまたは３０６ｂ、固定部３０３ａまたは３０３ｂを備えている。伝熱面３０２は、表面に微細多孔質層を備え、伝熱面に接して流れる気体３０１に面しており、伝熱面よりも温度の低い気体３０１に熱輸送３０７する。音波発生器３０６ａまたは３０６ｂは、固定部３０３ａまたは３０３ｂに支持または固定され、伝熱面に向けて音波３０５ａまたは３０５ｂを発生する。音波発生器から発生した音波は、気体３０１を媒体として伝熱面に伝播し、強制振動３０４を与える。伝熱面３０２が振動することにより、実施例１と同じ原理で伝熱促進効果が得られる。音波を伝播する媒体は、熱交換の対象となる気体以外の流体および固体でもよい。固定部３０３ａまたは３０３ｂは、振動発生器を固定するものであり、例えばシェルアンドチューブ型熱交換器におけるシェルにあたる。伝熱面が気体より温度が低い場合でも、伝熱は促進される。
【実施例３】
【００２１】
図４は、本実施例に係る熱交換器の一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【００２２】
本実施例と実施例１との違いは、本来熱交換のために用いられる流体自体の振動を利用して、伝熱面を振動させる点であり、熱交換器の内部に振動機構を増設するための費用を低減させることができる。
【００２３】
図４に示すように、本実施例に係る熱交換器は伝熱管４０１、共鳴振動発生機構４０６を備えている。伝熱管４０１は、内側表面に微細多孔質層を備え、伝熱管４０１よりも温度の低い熱交換対象の気体流れ４０２に熱輸送４０７をする。共鳴振動発生機構４０６は、伝熱管入口または流路途中に接続される。共鳴振動発生機構４０６は、通過した気体４０３の流量を周期的に変動させるものである。流量の変動周期、気体の音速、伝熱管長さおよび内径が共鳴する条件に一致すると、気体４０３と伝熱管４０１が共鳴振動することで、伝熱管４０１に振動４０５ａおよび４０５ｂを付加し、実施例１と同じ原理で伝熱促進効果が得られる。なお、多孔質層は、伝熱管の内側、外側のうち、熱交換対象の気体と接している側の面、あるいは両方に備えられていればよい。また、熱交換対象の気体が伝熱管外側を流れる場合、伝熱管と共鳴振動する伝熱管内側流体は、液体でもよい。また、伝熱管の温度が熱交換対象の気体の温度よりも低い場合でも、伝熱は促進される。
【符号の説明】
【００２４】
１０１  振動機構
１０２  固定部
１０３  気体
１０４  伝熱面
１０５  熱輸送
１０６  振動
２０１  伝熱部
２０２  微細多孔質層
２０３  振動
２０４  主流気体
２０５  熱交換
２０６  熱伝導層
３０１  気体
３０２  伝熱面
３０３  固定部
３０４  強制振動
３０５  音波
３０６  音波発生器
３０７  熱輸送
４０１  伝熱管
４０２  気体流れ
４０３  気体
４０５  振動
４０６  共鳴振動発生機構
４０７  熱輸送
Ｈ      凹凸高さ
【図１】
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【図２】
2017198347.tif 000004
【図３】
2017198347.tif 000005
【図４】
2017198347.tif 000006