(57)【要約】【課題】  部材に入り込もうとする熱、あるいは部材から出ようとする熱を当該表面において阻止し得るようにでき、部材の表面と雰囲気との間で生じる対流熱伝達および熱放射そのものを抑制でき、コスト面に有利性がある熱移動抑制板体を提供すること【解決手段】  熱移動抑制板体１は表面に多数の凹部２を設け、それら凹部２は当該表面における雰囲気の対流と交差する配列とし、自然対流する流体がそれら凹部２で停留を起こすようにした構成にする。この板体１は熱放射率が小さい金属板材料等から形成し、凹部２は円形状として多数をジグザグ状に配列することができる。板体１の表面で雰囲気の自然対流があると、自然対流する流体が凹部２で停留を起こし、このため温度境界層が発達する。その結果、対流熱伝達を抑制することができる。熱放射については、よく磨いた金属板材料を部材に使用することで熱放射率を小さくでき、抑制が行える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状部材であって、表面に複数の凹部を設け、前記凹部は当該表面における雰囲気の対流が当該表面に沿って前記凹部を横切って流れる配列とすることを特徴とする熱移動抑制板体。
【請求項２】
前記板状部材は、低熱放射率の金属板材料から形成し、前記凹部は円形状或いは多角形であり、ジグザグ状に配列することを特徴とする請求項１に記載の熱移動抑制板体。
【請求項３】
前記凹部は、くぼみ部位が帯状に長く延びる溝部であることを特徴とする請求項１に記載の熱移動抑制板体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対流熱伝達および熱放射による熱移動を抑制する熱移動抑制板体に関するもので、より具体的には、熱移動抑制板体の表面について温度境界層の発達を促進させるようにした改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
よく知られるように、保温容器や保冷容器の断熱対策には、容器壁に高断熱材を使用したり、また、容器壁の厚さを増やすなどによって熱伝導抵抗を大きくしたりすることが行われている。
【０００３】
また容器壁として、二重壁構造で内部が中空の断熱パネルもよく使われている。断熱パネルは、壁内に空気層を有し、空気の熱伝導率が小さいため断熱性に優れている。さらに容器壁には、二重壁構造で内部を真空とした真空パネルを利用することも行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、容器壁に高断熱材を使用する場合、高断熱材とは言っても断熱性能には限界があり、断熱性を高く得るには部材厚さを厚く増やす対策になるため、容器が大型化してしまう問題がある。
【０００５】
断熱パネルは、壁内の空気層での自然対流によって熱移動が生じてしまうため、中空の壁内にハニカム等の間仕切りを施すなど、対流熱伝達の防止のため付加構造を必要とし、コストが高くなる問題がある。一方、真空パネルを利用した場合には、確かに自然対流は阻止でき、断熱効果の向上を期待できるが、真空パネルの利用はコストがさらに高くなる問題があり、熱放射による熱移動は阻止できない。
【０００６】
また、上述した何れにおいても、断熱のプロセスは壁内に入り込んだ熱を、熱伝導抵抗を大きくして阻止しようとするものであり、自ずと素材および付加構造などの面からコストが高くなる。
【０００７】
この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、部材に入り込もうとする熱、あるいは部材から出ようとする熱を当該表面において阻止し得るようにでき、部材の表面と雰囲気との間で生じる対流熱伝達および熱放射そのものを抑制でき、低コスト化をはかることができる熱移動抑制板体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明に係る熱移動抑制板体は、（１）板状部材であって、表面に複数の凹部を設け、それら凹部は当該表面における雰囲気の対流が当該表面に沿って前記凹部を横切って流れる配列（これを交差する配列という）とする構成にする。
【０００９】
また、（２）低熱放射率の金属板材料から形成し、凹部は円形状或いは多角形であり、ジグザグ状に配列する構成にするとよい。配列パターンについては、仮に板状部材表面のある部分に凹部が全然無い場合には、ストレートに流れが流下することになり、その凹部が無い領域では部分的に伝熱が促進してしまう。従って、ストレートな流れが生じないようにジグザグにするのが好ましい。従って、凹部が連結せず、部分的にもストレートな流れ部分を最小に押さえ、ジグザグ状に配列するのが、最適パターンとなる。もちろん、仕様・要求される熱の抑制効果に伴い、最適パターンでなくてもよい。また、（３）凹部はくぼみ部位が帯状に長く延びる溝部としてもよい。
【００１０】
係る構成にすることにより本発明では、板状部材の表面で雰囲気の自然対流があると、自然対流する流体が凹部で停留を起こし、このため温度境界層が発達する。その結果、対流熱伝達を抑制することができる。熱放射については、よく磨いた金属板材料を部材に使用することで熱放射率を小さくでき、抑制が行える。
【００１１】
低熱放射率に該当する金属板材料は、例えば熱放射率が０．１以下と小さい銅板やアルミ板が適している。そして、コストの面や加工性の面を考慮すれば、アルミ板が最適である。なお、プラスチック類等の熱放射率は０．６以上と大きく、不向きである。
【００１２】
冷凍庫のような保冷容器が室温程度の高温雰囲気に置かれた場合、高温雰囲気と保冷容器外壁間の熱放射と自然対流によって熱は容器外壁から侵入し、内壁を通過し、さらに内壁と容器内低温雰囲気間の熱放射と自然対流によって熱が入り込む。逆に、保温容器に貯蔵された高温物体の場合は、容器内雰囲気と内壁間の熱放射と自然対流によって内壁から外壁へと多量の熱が移動し、さらに外壁と低温外気間の熱放射と自然対流によって熱が放出される。このとき、容器内外の雰囲気温度差があまり大きくなければ、熱移動は自然対流による対流熱伝達が主となり支配的となる。物体と雰囲気との間に温度差があれば、上述のような熱移動の法則に基づいて熱の出入りが行われる。
【００１３】
したがって、物体と雰囲気との間に温度差がある場合、もし、なんらかの工夫によって対流熱伝達と熱放射を阻止することができれば、容器壁を通じた熱移動が阻止できたことになり、壁材として断熱性のよい材料を使用したり、壁の厚さを増やして熱伝導抵抗を大きくするなどの断熱の工夫は不必要となる。その点、本発明にあっては、部材に入り込もうとする熱、あるいは部材から出ようとする熱を当該表面において阻止する技術であり、従来の壁面内において熱を阻止する技術とは大きく異なると言える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る熱移動抑制板体では、表面に多数の凹部を設け、それら凹部は当該表面における雰囲気の対流と交差する配列とすることから、表面で雰囲気の自然対流があると、その自然対流する流体が凹部で停留を起こし、このため温度境界層が発達する。その結果、対流熱伝達を抑制することができ、断熱が行える。熱放射については、よく磨いた金属板材料を部材に使用することで熱放射率を小さくでき、抑制が行える。
【００１５】
したがって、部材に入り込もうとする熱、あるいは部材から出ようとする熱を当該表面において阻止し得るようにでき、部材の表面と雰囲気との間で生じる対流熱伝達および熱放射そのものを抑制できる。この場合、熱移動抑制板体の表面において熱移動を抑制することができ、従来の二重壁構造の構成などとは根本的に相違し、単なる板状部材の構成になるためコスト面においても有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明の好適な一実施の形態を示している。本形態において、熱移動抑制板体１は、表面に多数の凹部２を設け、それら凹部２は当該表面における雰囲気の対流と交差する配列とし、自然対流する流体がそれら凹部２で停留を起こすようにした構成になっている。
【００１７】
凹部２は所定の形状で所定の深さに形成し、本形態では円形状の多数をジグザグ状に配列させて設けている。例えば、後述する実験による検証では、凹部２は円形状で直径を約１４ｍｍとし、縦方向の間隔が約３５ｍｍで横方向の間隔が約２４ｍｍとなるジグザグ状の配列にしている。凹部２の深さは約１ｍｍから数ｍｍ程度が好ましい。
【００１８】
凹部２の配列は、熱移動抑制板体１の表面を削り加工することで形成できるが、これに限られるものではない。例えば所定厚みの薄板材に貫通させて多数の孔部を加工し、この薄板材をベース板材に貼り付ける構成にすることもできる。あるいは、孔部を加工した薄板材は、熱移動の抑制対象の本体壁面へ直接に貼り付ける構成にしてもよい。凹部２の形状は円形状には限らず、適宜な形状を採ることができる。また例えば、熱移動の抑制対象の本体壁面が鉛直面となる場合は、水平方向に延びる溝部を多数設ける構成でもよく、自然対流は上下方向の流れとなるのでその対流方向と交差する水平方向の溝部が凹部２として機能することになる。すなわち、熱移動抑制板体１には凹部２が流体の流れと交差する状態に多数存在すればよい。
【００１９】
熱移動抑制板体１の素材は金属板材料とし、よく磨くことで表面の熱放射率を小さくし、熱放射を抑制するようにしている。例えば、アルミ材料は、入手が容易で安価であることから好ましい。プラスチック板材料は、凹部２の削り加工が容易であるが、熱放射率が大きいので熱放射の抑制には不向きである。容器内外の雰囲気の温度差があまり大きくなければ、熱移動は自然対流による対流熱伝達が主となり支配的ではあるが、熱放射は無視することはできない。例えば、保冷容器が炎天下に置かれた場合は自然対流に匹敵する量の熱放射が生じる。したがって、大なり小なり熱放射をカットするために、熱移動抑制板体１の素材は表面の熱放射率が小さいよく磨いた金属板材料を使用することになる。
【００２０】
このように、熱移動抑制板体１には表面に多数の凹部２を設け、それら凹部２は当該表面における雰囲気の対流と交差する配列とすることから、表面で雰囲気の自然対流があると、その自然対流する流体が凹部２で停留を起こし、このため温度境界層が発達する。その結果、対流熱伝達を抑制することができ、断熱が行える。熱放射については、よく磨いた金属板材料を部材に使用することで熱放射率を小さくでき、抑制が行える。
【００２１】
したがって、部材に入り込もうとする熱、あるいは部材から出ようとする熱を当該表面において阻止し得るようにでき、部材の表面と雰囲気との間で生じる対流熱伝達および熱放射そのものを抑制できる。この場合、熱移動抑制板体１の表面において熱移動を抑制することができ、従来の二重壁構造の構成などとは根本的に相違し、単なる板状部材の構成になるため低コストにできる。
【００２２】
（実験による検証）
図１に示す熱移動抑制板体に係る試料を製作し、自然対流による熱伝達について表面およびその近傍の温度測定を行うとともに数値解析を行い、熱移動特性について評価した。試料は、ステンレス板材料（縦２００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ９ｍｍ）から形成しており、凹部２は図１に示すように、円形状で直径を約１４ｍｍとし、縦方向の間隔が約３５ｍｍで横方向の間隔が約２４ｍｍとなるジグザグ状の配列にしている。ここでは凹部２の深さ３ｍｍのもの、および深さ６ｍｍのものを用意し、そして比較例として凹部２は加工しない、単なるステンレス板材料の平板も用意した。
【００２３】
実験は、垂直に立つ姿勢で壁面として機能させ、これを壁面温度が全面一様に２℃になるように設定し、２０℃の静止した雰囲気に放置し、表面およびその近傍の温度測定を細線熱電対法により行った。数値解析は、汎用数値計算ソフトＦＬＵＥＮＴを用い、実験と同じ条件を導入して演算を実行した。
【００２４】
図２は実験および数値解析の結果を示し、熱移動特性のグラフであり、横軸が壁面の上端部からの距離に対するレイリー数Ｒａｘ、縦軸はその位置についての局所ヌセルト数Ｎｕｘである。つまり、図２の横軸（Ｒａｘ）は壁面の上端部からの距離を壁面と雰囲気との一定の温度差等で無次元化した値である。そして、縦軸（Ｎｕｘ）は対流熱伝達による熱移動の能力を表す実験係数（熱伝達率）で無次元化してあり、この値が小さければ対流熱伝達を阻止する作用が大きいと言える。
【００２５】
図２において、（Ｅｘｐ．）は実験結果データであり、□印は凹部深さ３ｍｍのもの、●印は凹部深さ６ｍｍのもの、▲印は比較例の凹部なし平板である。各実験値は壁面の中央部での値である。そして、（ｓｉｍ．）は数値解析結果データであり、○印は凹部深さ３ｍｍのもの、＋印は凹部深さ６ｍｍのもの、△印は比較例の凹部なし平板である。
【００２６】
数値解析において、局所ヌセルト数Ｎｕｘを求めるための熱流束は、細線熱電対法により得た壁面近傍の温度分布に対して多項式近似曲線を描き、壁面温度勾配から算出した。実験による局所ヌセルト数Ｎｕｘは各壁面形状に対して壁面中央部（ｘ＝１００ｍｍ）における値であり、数値解析による局所ヌセルト数Ｎｕｘは、壁面中央を通る垂線上における最上端の凹部中央から下端の凹部中央にかけて等間隔に１１ヶ所の値である。そして、図２において実線は凹部なし平板における理論解析解であり、以下に示す整理式（１）から求めた。
【数１】
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【００２７】
この整理式（１）は凹部なし平板に沿う自然対流熱伝達を示し、αｘは局所熱伝達率、ｇは重力加速度、βは空気の体膨張係数、νは空気の動粘性係数、ｋは空気の熱伝導率、Χは壁面上端部からの距離、Ｐｒは空気のプラントル数である。ここではＰｒ＝０．７２の空気の雰囲気温度Ｔ∞ ＝２℃、壁面温度Ｔｗ＝２０℃とした。
【００２８】
比較例の凹部なし平板について、実験結果データ（▲印）と整理式（１）による理論曲線（実線）を比較すると、実験から得た局所ヌセルト数Ｎｕｘがほぼ理論曲線上にあり、ここでの実験結果データは、信頼性が高いことが確認できる。
【００２９】
図２から明らかなように、凹部あり板（本発明）では局所ヌセルト数Ｎｕｘが、凹部なし平板（比較例）よりも実験および数値解析でともに小さくなることが確認できる。これは、凹部あり板では、壁面に侵入する熱量を低減できることを意味する。凹部２を設けることで伝熱面積が増加するが、本発明に係る構成では、後述する図３から明らかなように、温度境界層が発達する作用が大きく、その結果、対流熱伝達を抑制することができる。断熱効果は、実験結果データから壁面中央部において凹部あり板では凹部なし平板よりも約３０パーセントの向上があることを確認した。
【００３０】
数値解析では各凹部深さにおいて、凹部２の底を表面温度とした場合と深さ０ｍｍの面を表面温度とした場合との２種類について計算を行った。後者は図２の○印および＋印の偶数番目データであり、この場合は凹部深さによる局所ヌセルト数Ｎｕｘの違いがあまり見られない。一方、前者は図２の○印および＋印の奇数番目データであり、この場合は、凹部深さ３ｍｍ（○印）と凹部深さ６ｍｍ（＋印）との差は大きく、凹部深さ６ｍｍでの局所ヌセルト数Ｎｕｘの方が明らかに低い。このことから、凹部深さが増すことで対流熱伝達の抑止効果がより大きく現れると言える。
【００３１】
凹部２を設けることで得られる断熱効果は、局所ヌセルト数Ｎｕｘを凹部なし平板のそれと比較することで検討でき、つまり
Ｎｕ０／Ｎｕdents
とおき、添え字０は凹部なし平板、dents は凹部あり板を示す。その結果、凹部２による断熱効果は、板体の上部（上流側）の方が、下部（下流側）よりも大きいことを確認した。
【００３２】
また、図３は、数値解析の結果を示しており、具体的には、温度分布のグラフである。図３に示す（ａ）は凹部なし平板（比較例）、（ｂ）は凹部深さ３ｍｍの試料、（ｃ）は凹部深さ６ｍｍの試料である。これらは側面から見ていて、それぞれ右側が壁面であり、壁面中央を通る垂線上における定常状態の温度分布の模様を示している。
【００３３】
図３から明らかなように、凹部あり板（本発明）の方が凹部なし平板（比較例）よりも温度境界層が発達しているのが確認できる。凹部深さの違いでは、凹部深さ６ｍｍの方が凹部深さ３ｍｍよりも全体的に温度境界層の発達が見られる。凹部２が深くなることで、凹部２の内部に流体が停留し、温度境界層内の流れが抑制され、その結果、熱の侵入が阻止できるものと考える。
【００３４】
すなわち、実験結果から言えることは、本発明に係る凹部あり板によれは対流熱伝達を抑制でき、凹部２を設けることで得られる断熱効果は板体の上部ほどその傾向が強い。また、数値解析の結果からは、凹部あり板の凹部内部では対流熱伝達が小さくなることがわかる。凹部深さを増すことでは温度境界層の厚さが増し、凹部内部での滞留渦が増えることから、対流熱伝達がよりさらに小さくなる。
【００３５】
本発明にあっては、対流熱伝達を抑制でき、断熱効果が達成できることから、様々な分野での応用が期待できる。例えば、冷凍庫や冷蔵庫の内壁あるいは外壁、部屋の内壁あるいは外壁、保温容器や保冷容器等の内壁あるいは外壁そのもの、そしてまたそれら従来の製品等の壁部への付加的な貼り付けも好ましく行える。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る熱移動抑制板体の好適な一実施の形態を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図２】実験および数値解析の結果を示し、熱移動特性のグラフであり、横軸が壁面の上端部からの距離に対するレイリー数Ｒａｘ、縦軸はその位置についての局所ヌセルト数Ｎｕｘである。
【図３】数値解析の結果を示し、温度分布のグラフであり、（ａ）は凹部なし平板（比較例）、（ｂ）は凹部深さ３ｍｍの試料、（ｃ）は凹部深さ６ｍｍの試料である。
【符号の説明】
【００３７】
１    熱移動抑制板体
２    凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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