JP2015175569A

JP2015175569A - 熱輸送システム

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Publication number: JP2015175569A
Application number: JP2014053510A
Authority: JP
Inventors: 哲崎道; Toru Sakimichi; 小原　公和; Kimikazu Obara; 公和小原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: JP6160523B2

Abstract

【課題】流路内を流れる流体に積極的に脈動を発生させる技術において、流路の一部が熱交換器内を流通している場合に、熱交換器の熱交換性能の悪化を抑える。【解決手段】熱交換器１３と、流体を流通させると共に熱交換器と接続する外部配管２１、２２と、流体を駆動すると共に流体に脈動を発生させる駆動部１１と、を備え、熱交換器１３内には、外部配管２１、２２と連通する熱交換流路１３１、１５１が形成されており、熱交換流路１３１、１５１は、流体が駆動部１１によって脈動して当該熱交換流路１３１、１５１を流れるときに平均レイノルズ数が２０００以下となるよう形成されている。【選択図】図８

Description

本発明は、熱輸送システムに関するものである。

流路内を流れる流体に脈動を発生させることで、流路内の乱流を層流化させ、それにより、流路の内壁と流体との摩擦抵抗を低減させ、流体の圧力損失を低減する技術が、特許文献１に開示されている。

国際公開第２００９／００４４７６４号

しかし、流路の一部が熱交換器内を流通している場合、流路のうち熱交換器内の部分において乱流が層流化されると、流体と流路の間の熱伝達率が低下して熱交換器の熱交換性能が悪化するおそれがある。

本発明は上記点に鑑み、流路内を流れる流体に脈動を発生させる技術において、流路の一部が熱交換器内を流通している場合に、熱交換器の熱交換性能の悪化を抑えることを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、熱交換器（１３、１５）と、流体を流通させると共に前記熱交換器の外にある外部配管（２１〜２３）と、前記流体を駆動すると共に前記流体に脈動を発生させる駆動部（１１）と、を備え、前記熱交換器内には、前記外部配管と連通する熱交換流路（１３１、１５１）が形成されており、前記熱交換流路は、前記流体が前記駆動部によって脈動して当該熱交換流路を流れるときに平均レイノルズ数が２０００以下となるよう形成されていることを特徴とする熱輸送システムである。

一般に、層流と乱流の遷移領域は、レイノルズ数が２０００から３０００の範囲であることが知られており、レイノルズ数が２０００以下では流体は層流となり、３０００以上では流体は乱流となる。したがって、熱交換流路で平均レイノルズ数が２０００以下であるということは、熱交換流路で流体が層流状態にあるということである。このような状況で、流体に脈動が発生して流体のレイノルズ数が変動すると、流体の最大レイノルズ数は、２０００に近づくか２０００を超えるので、熱交換流路で流体の流れの乱れが促進される可能性が高い。熱交換流路で流れの乱れが促進されると、熱交換流路と流体の間で熱伝達率が高くなるので、熱交換器の熱交換性能の悪化を抑えることができる。

また、請求項２に記載の発明は、熱交換器（１７）と、流体を流通させると共に前記熱交換器と接続する外部配管（３１〜３３、４１〜４３）と、前記流体を駆動すると共に前記流体に脈動を発生させる駆動部（１１）と、を備え、前記熱交換器内には、前記外部配管と連通する熱交換流路（１７１）が形成されており、前記熱交換流路は、前記流体が前記駆動部によって脈動して当該熱交換流路を流れるときに最小レイノルズ数が３０００以上となるよう形成されていることを特徴とする熱輸送システムである。

上述の通り、レイノルズ数が３０００以上では流体は乱流となる。したがって、仮に脈動が発生しても熱交換流路で最小レイノルズ数が３０００以上であれば、熱交換流路で流体が再層流化せず、流れの乱れが促進される可能性が高い。熱交換流路で流れの乱れが促進されると、熱交換流路と流体の間で熱伝達率が高くなるので、熱交換器の熱交換性能の悪化を抑えることができる。

なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。

本願の発明者が行った実験に用いた実験装置の構成図である。実験においてポンプ５２に印加される電圧を示す図である。実験における第１流体のレイノルズ数変化の例を示す図である。熱伝達率比についての実験結果を示す等高線図である。圧損比についての実験結果を示す等高線図である。第１実施形態の熱交換流路におけるレイノルズ数の目標値を示す図である。第１実施形態の外部配管におけるレイノルズ数の目標値を示す図である。第１実施形態に係る熱輸送システム１の構成図である。各部のレイノルズ数等を示す表である。第２実施形態の熱交換流路におけるレイノルズ数の目標値を示す図である。第２実施形態に係る熱輸送システム２の構成図である。各部のレイノルズ数等を示す表である。第２実施形態における熱伝達率比を示す図である。第２実施形態における圧損比を示す図である。第３実施形態に係る熱輸送システム３の構成図である。各部のレイノルズ数等を示す表である。第３実施形態における熱伝達率比を示す図である。第３実施形態における圧損比を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。まず、本願の発明者が行った実験について説明する。図１に示す実験装置において、内部を第１流体（具体的には水）が循環する主管５０の一部に、第１流体の温度を調整する恒温水槽５１が取り付けられている。また、恒温水槽５１の下流には、第１流体を駆動するポンプ（より具体的にはＤＣポンプ）が配置され、制御装置５３によってこのポンプ５２の作動が制御される。なお、制御装置５３は、例えば、ＤＣ電源およびファンクションジェネレータによって構成される。

また、ポンプ５２の下流には、第１流体の流量を計測する流量計５４が配置されている。また、流量計５４の下流には、第１流体の温度を検出する第１温度センサ５５が配置され、更にその下流には、第１流体の圧力を検出する第１圧力センサ５６が配置されている。また、第１圧力センサ５６の下流には、第１流体の圧力を検出する第２圧力センサ５７が配置されている。

主管５０内で第１圧力センサ５６が配置される位置から第２圧力センサ５７が配置される位置までが、圧損測定部６１となる。差圧計５８によって、この圧損測定部６１における圧力損失、すなわち、第１圧力センサ５６が検出する圧力と第２圧力センサ５７が検出する圧力との差が、検出される。

なお、圧損測定部６１における主管５０は、直線円管流路を形成し、主管５０の内径は９ｍｍであり、長手方向（流体の流れる方向）の長さは２０００ｍｍである。また、第２圧力センサ５７の下流には、更に第１流体の温度を検出する第２温度センサ５９が配置されている。

また、実験装置には、内部を第２流体が循環する副管７０が設けられ、副管７０の一部に、第２流体の温度を調整する恒温槽７１が配置され、恒温槽７１の下流には、第２流体を駆動するポンプ７２が配置されている。また、ポンプ７２の下流には、第２流体の流量を計測する流量計７３が配置されている。また、流量計７３の下流には、第２流体の温度を検出する第３温度センサ７４が配置されている。

また、副管７０は、第３温度センサ７４の下流において、外管７０ａを含んでいる。この外管７０ａは、圧損測定部６１中の主管５０の一部に接触して主管５０を取り囲んで配置されている。これにより、主管５０の当該一部と外管７０ａとが、対向流型二重管式熱交換器を構成する。なお、外管７０ａの内径は１４ｍｍであり、対向流型二重管式熱交換器の長手方向の長さは５００ｍｍである。この対流型二重管式熱交換器は、第１流体の熱伝達率を計測するために用いられる熱伝達率測定部７６に該当する。

発明者は、このような実験装置を用いて、次のような実験を行った。まず、制御装置５３によってポンプ５２の作動を制御することで、主管５０内の第１流体に脈動流を発生させる。脈動流は、周期的に流量が変化する流れであり、バルクとして一方向に流れる流れである。

より具体的には、制御装置５３からポンプ５２に、図２に示すような電圧を印加する。具体的には、各周期Ｔにおいて、まず加速期間ａにおいて、印加電圧を最小値Ｖｍｉｎから最大値Ｖｍａｘまで直線的に上昇させる。そして続く維持期間ｃにおいて、印加電圧を最大値Ｖｍａｘに維持し、続く減速期間ｂにおいて、印加電圧を最大値Ｖｍａｘから最小値Ｖｍｉｎまで直線的に下降させる。そしてその後、今回の周期Ｔが終了するまで印加電圧を最小値Ｖｍｉｎに維持する。

実験では、加速期間ａ、維持期間ｃ、減速期間ｂの長さは同じである。また、１周期Ｔの長さに対する加速期間ａと維持期間ｃを合わせた期間の長さ（すなわち、デューティ）は、０．３である。また、１周期Ｔの長さは１．８２秒、周波数は０．５５Ｈｚである。また、第１温度センサ５５で検出される第１流体の温度が一定の１２℃となるよう、恒温水槽５１の温度が調整される。また、第３温度センサ７４で検出される第２流体の温度が一定の４０℃となるよう、恒温槽７１の温度が調整される。

発明者は、上述の最小値Ｖｍｉｎと最大値Ｖｍａｘについて多数の組み合わせで実験を行い、各実験において、図３に例示するような第１流体のレイノルズ数変化、圧損比、および熱伝達率比を、計測した。第１流体のレイノルズ数については、予め知られている第１流体の特性と、予め知られている主管５０の内径と、流量計５４で計測される流量とに基づいて算出される。

図３に示すように、ポンプ５２への印加電圧が図２のように周期的に変動して第１流体に脈動流が発生すると、第１流体のレイノルズ数も印加電圧と同じ周期Ｔで変動する。ここで、各周期Ｔにおける流体のレイノルズ数変化において、最大レイノルズ数Ｒｍａｘと最小レイノルズ数Ｒｍｉｎとの差をレイノルズ数振幅ｄＲとし、このレイノルズ数振幅ｄＲを平均レイノルズ数Ｒａｖｅで除算した結果を、振幅比と呼ぶ。

ここで、各実験において計測される圧損比および熱伝達率比について説明する。各実験では、第１流体のレイノルズ数変化、圧力損失、および熱伝達率が計測される。圧力損失は、ポンプ差圧計５８の計測値である。熱伝達率は、第３温度センサ７４で計測される第２流体の温度と、第２温度センサ５９で計測される第１流体の温度とに基づいて特定される。また、第１流体のレイノルズ数変化からは、１周期Ｔ当たりの最小レイノルズ数Ｒｍｉｎ、最大レイノルズ数Ｒｍａｘ、平均レイノルズ数Ｒａｖｅ、および振幅比が特定される。

各実験における圧損比は、当該実験において計測された第１流体の圧力損失と、当該実験において計測された平均レイノルズ数と同じレイノルズ数を有する第１流体の定常流の圧力損失とに基づいて算出される。具体的には、前者の圧力損失を後者の圧力損失で除算した値が、当該実験における圧損比となる。

また同様に、各実験における熱伝達率比は、当該実験において計測された第１流体の熱伝達率を、当該実験において計測された平均レイノルズ数と同じレイノルズ数を有する第１流体の定常流の熱伝達率で除算した値である。

ここで、第１流体の定常流の圧力損失および熱伝達率は、図１における実験装置においてポンプ５２に一定の電圧を印加して第１流体を一定速度で駆動した状態で、上記実験と同様に計測される。ポンプ５２の出力を調整することで、第１流体による所望のレイノルズ数の定常流を実現することができる。

このようにして計測された結果を、図４、図５に示す。図４では、圧損比が１である等高線を太線で表し、図５では、熱伝達率比が１である等高線を太線で表している。

本実施形態では、この実験結果に基づいて、機器間を繋ぐ外部配管内では圧力損失が低く、かつ、熱交換器内の流路（以下、熱交換流路という）では熱伝達率が高くなるよう、作動流体の流路形状を設定している。具体的には、熱交換器内では、図６に示すように平均レイノルズ数を２０００以下にするよう、熱交換器を形成する。更に、熱交換器の外部にある外部配管内では、図７に示すように平均レイノルズ数が２５００以上かつ最小レイノルズ数が２０００以下となるよう、外部配管内の流路を形成する。

一般に、管内流における層流と乱流の遷移領域は、レイノルズ数が２０００から３０００の範囲であることが知られており、レイノルズ数が２０００以下では流体は層流となり、３０００以上では流体は乱流となる。したがって、熱交換流路で平均レイノルズ数が２０００以下であるということは、熱交換流路で流体が層流状態にあるということである。このような状況で、流体に脈動が発生して流体のレイノルズ数が変動すると、流体の最大レイノルズ数は、２０００に近づくか２０００を超えるので、熱交換流路で流体の流れの乱れが促進される可能性が高い。熱交換流路で流れの乱れが促進されると、熱交換流路と流体の間で熱伝達率が高くなるので、熱交換器の熱交換性能の悪化を抑え、熱交換性能を向上することができる。

また、例えば、図７の平均レイノルズ数８１ａかつ脈動範囲８１ｂの脈動、平均レイノルズ数８２ａかつ脈動範囲８２ｂの脈動、平均レイノルズ数８３ａかつ脈動範囲８３ｂの脈動は、平均レイノルズ数が２５００以上かつ最小レイノルズ数が２０００以下となる。このようにすれば、外部配管内では、レイノルズ数が平均的には２５００以上の遷移領域または乱流領域にあり、かつ、レイノルズ数が一旦２０００以下の層流領域に落ちる。したがって、作動流体の再層流化が実現され、外部配管の内壁と流体との摩擦抵抗が低減され、外部配管内の流体の圧力損失が低減される。つまり、同じ流体が流れる外部配管と熱交換流路において、流体に同じ脈動が発生しても、前者では圧力損失が低減され、後者では熱伝達率が上昇する。

なお、目標の平均レイノルズ数および最小レイノルズ数を決め、作動流体の脈動の振る舞いを決めたたときに、作動流体が流れる外部配管および熱交換流路をどのような形状および大きさにするかは、当業者であれば容易に設計可能である。決められた作動流体の脈動の振る舞い（脈動範囲）に対して外部配管および熱交換流路の形状（内径、本数等）を調整することで、平均レイノルズ数および最小レイノルズ数の任意の組を実現することができる。または同様に、平均レイノルズ数および振幅比の任意の組を実現することができる。

一例として、図８に、上記目標値を実現する熱輸送システム１の構成を示す。この熱輸送システム１は、ポンプ１１、制御装置１２、冷却器１３、発熱体１４、放熱器１５、ファン１６、外部配管２１〜２３等を有している。冷却器１３および放熱器１５の各々が、熱交換器の一例に相当する。

外部配管２３は外部配管２１と連通し、外部配管２１は、冷却器１３内に形成された熱交換流路１３１と連通し、熱交換流路１３１は外部配管２２と連通する。また、外部配管２２は放熱器１５内に形成された熱交換流路１５１と連通し、熱交換流路１５１は外部配管２３と連通する。したがって、作動流体は、外部配管２１、熱交換流路１３１、外部配管２２、熱交換流路１５１、外部配管２３内を流通する。

この熱輸送システム１で作動流体として用いられるのは、動粘度が１．３５×１０^−６ｍ^２／ｓの流体である。このような動粘度は、６０℃のエチレングリコール５０％水溶液で実現可能である。

外部配管２３と外部配管２１の間に配置されたポンプ１１は、制御装置１２の制御に従って作動するポンプである。このポンプ１１は、例えば、インバータ駆動によって制御されるＤＣブラシレスモータポンプ等のＤＣポンプであってもよいし、制御可能なポンプであればＤＣポンプに限られない。このポンプ１１は、図２を用いて説明したのと同じ内容（同じ周期Ｔ、加速期間ａ、維持期間ｃ、減速期間ｂ、デューティ）で周期的に作動する。したがって、ポンプ１１は、図２を用いて説明したのと同じ内容で作動流体を駆動すると共に脈動を発生させる。これにより、作動流体は、ポンプ１１によって駆動されると共に脈動流を発生しながら、外部配管２１、熱交換流路１３１、外部配管２２、熱交換流路１５１、外部配管２３内を、この順に循環する。

そして、外部配管２２内から熱交換流路１３１に流入した作動流体は、熱交換流路１３１内において発熱体１４によって加熱されて外部配管２２内に流入する。そして作動流体は、外部配管２２内から熱交換流路１５１内に入り、熱交換流路１５１内において、ファン１６によって供給される熱輸送システム１外部からの風によって冷却され、外部配管２３内に流入する。

ここで、放熱器１５、加熱器１７の外にある外部配管２１、２２、２３は、それぞれ、内径が１５ｍｍの１本の円管から構成される。また、熱交換流路１３１は、水力直径が１．５ｍｍの管路が２２本並列に配置された形状となっている。また、熱交換流路１５１は、水力直径が２．５ｍｍの管路が１０本並列に配置された形状となっている。

また、図９に示すように、ポンプ１１によって駆動される作動流体の脈動については、最小流量が１．９リットル／分、平均流量が５リットル／分、最大流量が８．１リットル／分となるよう、ポンプ１１への印加電圧の最小値Ｖｍｉｎおよび最大値Ｖｍａｘが調整される。

この場合、図９に示すように、外部配管２１〜２３における作動流体の最小レイノルズ数、平均レイノルズ数、および振幅比はそれぞれ１３６０、３６４０および１．２５になる。つまり、平均レイノルズ数が２５００以上かつ最小レイノルズ数が２０００以下となるので、上述の通り外部配管２１〜２３内における目標値が達成され、作動流体の圧力損失が低減される。

この平均レイノルズ数と振幅比の組は、図６、図７の点Ａに該当するが、図７に示すように、圧損比は０．８００から０．８５０の範囲内の値となる。このことからも、外部配管２１〜２３内における作動流体の圧力損失が定常流に比べて低減されることが明らかである。なお、図６に示すように、点Ａの熱伝達率比は０．６００から０．６５０の範囲内の値になるので、外部配管２１〜２３内における作動流体の熱伝導率は定常流に比べて低減される。

このように、外部配管２１〜２３は、定常流であってもレイノルズ数が高い乱流になりがちな形状になっており、そのような形状の外部配管２１〜２３内を、最低レイノルズ数が２０００以下の脈動が発生すると、乱流が再層流化され、定常流の場合よりも圧力損失が低減される。

また、図９に示すように、冷却器１３の熱交換流路１３１における作動流体の平均レイノルズ数および振幅比はそれぞれ２６０および１．２５になる。つまり、平均レイノルズ数が２０００以下となるので、上述の通り熱交換流路１３１内における目標値が達成され、作動流体の熱伝達率の悪化を抑え、熱交換性能を向上することができる。

この平均レイノルズ数と振幅比の組は、図６、図７の点Ｂに該当するが、図６に示すように、熱伝達率比は１．１５０から１．２００の範囲内の値となる。このことからも、熱交換流路１３１内における作動流体の熱伝達率が定常流に比べて向上することが明らかである。なお、図７に示すように、点Ｂの圧損比は１．４５０から１．５００の範囲内の値になるので、熱交換流路１３１内における作動流体の圧損比は定常流に比べて大きくなる。

また、図９に示すように、放熱器１５の熱交換流路１５１における作動流体の平均レイノルズ数および振幅比はそれぞれ６９０および１．２５になる。つまり、平均レイノルズ数が２０００以下となるので、上述の通り熱交換流路１３１内における目標値が達成され、作動流体の熱伝達率の悪化を抑え、熱交換性能を向上することができる。

この平均レイノルズ数と振幅比の組は、図６、図７の点Ｃに該当するが、図６に示すように、熱伝達率比は１．１５０から１．２００の範囲内の値となる。このことからも、熱交換流路１５１内における作動流体の熱伝達率が定常流に比べて向上することが明らかである。なお、図７に示すように、点Ｃの圧損比は１．４００から１．４５０の範囲内の値になるので、熱交換流路１５１内における作動流体の圧損比は定常流に比べて大きくなる。

このように、熱交換流路１３１、熱交換流路１５１は、定常流であってもレイノルズ数が低い層流になりがちな形状になっており、そのような形状の熱交換流路１３１、熱交換流路１５１内を流れる作動流体に脈動が発生すると、流れの乱れが促進され、定常流の場合よりも熱伝達率が向上する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態においても、第１実施形態で説明した図４、図５の実験結果に基づいて流路形状を設定している。具体的には、熱交換流路で熱伝達率が高くなるよう、作動流体の流路形状を設定している。より具体的には、熱交換器内では、図１０に示すように最小レイノルズ数が３０００以上となるよう、熱交換器内の流路を形成する。

第１実施形態で説明した通り、レイノルズ数が３０００以上では流体は乱流となる。したがって、仮に脈動が発生しても熱交換流路で最小レイノルズ数が３０００以上であれば、熱交換流路で流体が再層流化せず、流れの乱れが促進される可能性が高い。熱交換流路で流れの乱れが促進されると、熱交換流路と流体の間で熱伝達率が高くなるので、熱交換器の熱交換性能の悪化を抑え、熱交換性能を向上することができる。例えば、図１０の平均レイノルズ数８４ａかつ脈動範囲８４ｂの脈動、平均レイノルズ数８５ａかつ脈動範囲８５ｂの脈動、平均レイノルズ数８６ａかつ脈動範囲８６ｂの脈動は、最小レイノルズ数が３０００以上となる。

一例として、図１１に、上記目標値（レイノルズ数が３０００以上）を実現する熱輸送システム２（給湯器用水熱交換器）の構成を示す。この熱輸送システム１は、ポンプ１１、制御装置１２、加熱器１７、貯湯タンク１８、外部配管３１〜３３等を有している。加熱器１７が、熱交換器の一例に相当する。

外部配管３１は外部配管３２と連通し、外部配管３２は、加熱器１７内に形成された熱交換流路１７１と連通し、熱交換流路１７１は外部配管３３と連通し、外部配管３３は貯湯タンク１８に連通する。したがって、作動流体は、外部配管３１、外部配管３２、熱交換流路１７１、外部配管３３内を流通して貯湯タンク１８内に貯留される。

この熱輸送システム１で作動流体として用いられるのは、動粘度が１．００×１０^−６ｍ^２／ｓの流体である。このような動粘度は、２０℃の水で実現可能である。

外部配管３１と外部配管３２の間に配置されたポンプ１１および制御装置１２は、構成も作動も第１実施形態のポンプ１１および制御装置１２と同じである。これにより、作動流体は、ポンプ１１によって駆動されると共に脈動流を発生しながら、外部配管３１、外部配管３２、熱交換流路１７１、外部配管３３内をこの順に流れ、最終的に貯湯タンク１８内に貯留される。

そして、外部配管３２内から熱交換流路１７１に流入した作動流体は、熱交換流路１７１において加熱器１７によって加熱されて外部配管３３内に流入する。なお、加熱器１７は、例えばＣＯ_２冷媒と熱交換流路１７１中の水を二重管式熱交換器にする構成であってもよいし、その他の構成であってもよい。

ここで、加熱器１７の外にある外部配管３１、３２、３３は、それぞれ、内径が１８ｍｍの１本の円管から構成される。また、熱交換流路１７１も同じく、内径が１８ｍｍの１本の円管から構成されている。

また、図１２に示すように、ポンプ１１によって駆動される作動流体の脈動については、最小流量が３．１リットル／分、平均流量が５リットル／分、最大流量が６．９リットル／分となるよう、ポンプ１１への印加電圧の最小値Ｖｍｉｎおよび最大値Ｖｍａｘが調整される。

この場合、図１２に示すように、外部配管２１〜２３における作動流体の最小レイノルズ数、平均レイノルズ数、および振幅比はそれぞれ３６７０、５８７０および０．７５になる。つまり、最小レイノルズ数が３０００以上となるので、上述の通り熱交換流路１７１内における目標値が達成され、作動流体の熱伝達率の悪化を抑えて熱伝達率を向上することができる。

この平均レイノルズ数と振幅比の組は、図１３、図１４の点Ｄに該当するが、図１３に示すように、熱伝達率比は１．０５０から１．１００の範囲内の値となる。このことからも、熱交換流路１７１内における作動流体の熱伝達率が定常流に比べて向上することが明らかである。なお、図１４に示すように、点Ｄの圧損比は１．０５０から１．１００の範囲内の値になるので、熱交換流路１７１内における作動流体の圧力損失は定常流に比べて大きくなる。

なお、本実施形態では、熱交換流路１７１のみならず、外部配管３１〜３３においても、脈動によって熱伝達率が向上すると共に圧力損失が上昇してしまう。しかし、本実施形態のような、圧力損失が問題にならないような熱輸送システムにおいては、このような外部配管３１〜３３が用いられてもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態に係る熱輸送システム３（給湯器用水熱交換器）は、第２実施形態の熱輸送システム２における外部配管３１、３２、３３を、図１５に示すように、それぞれ、外部配管４１、４２、４３に置き換えたものである。他の構成は、第２実施形態と同じである。加熱器１７の外にある外部配管４１、４２、４３は、それぞれ、内径が熱交換流路１７１よりも太い２５ｍｍの１本の円管から構成される。

本実施形態の外部配管４１〜４３は、熱交換器内では、図７に示すように平均レイノルズ数が２５００以上かつ最小レイノルズ数が２０００以下となるよう、熱交換器内の流路を形成する。

本実施形態でこのようにするのは、第１実施形態で図７を参照して説明した通り、平均レイノルズ数が２５００以上かつ最小レイノルズ数が２０００以下となるよう、外部配管４１から４３外部配管内の流路を形成するためである。

本実施形態の場合、図１６に示すように、外部配管４１〜４３における作動流体の最小レイノルズ数、平均レイノルズ数、および振幅比はそれぞれ３６７０、５８７０および０．７５になる。つまり、平均レイノルズ数が２５００以上かつ最小レイノルズ数が２０００以下となるので、上述の通り外部配管４１〜４３内における目標値が達成され、作動流体の圧力損失が低減される。

この平均レイノルズ数と振幅比の組は、図１７、図１８の点Ｅに該当するが、図１８に示すように、圧損比は０．９００から０．９５０の範囲内の値となる。このことからも、外部配管４１〜４３内における作動流体の圧力損失が定常流に比べて低減されることが明らかである。なお、図１７に示すように、点Ｅの熱伝達率比は１．０００よりも大きく且つ１．０５０以下の範囲内の値になるので、外部配管４１〜４３内における作動流体の熱伝導率は定常流に比べて低減される。

このように、外部配管４１〜４３は、定常流であってもレイノルズ数が高い乱流になりがちな形状になっており、そのような形状の外部配管４１〜４３内を、最低レイノルズ数が２０００以下の脈動が発生すると、乱流が再層流化され、定常流の場合よりも圧力損失が低減される。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。例えば、以下のような変形例も許容される。なお、以下の変形例は、それぞれ独立に、上記実施形態に適用および不適用を選択できる。すなわち、以下の変形例のうち任意の組み合わせを、上記実施形態に適用することができる。

（変形例１）
上記第１実施形態では、熱交換流路１３１、１５１では平均レイノルズ数が２０００以下であり、外部配管２１〜２３では平均レイノルズ数が２５００以上かつ最小レイノルズ数が２０００以下となっている。しかし、必ずしもこのようになっておらずともよい。例えば熱交換流路１３１、１５１では平均レイノルズ数が２０００以下であるが、外部配管２１〜２３では平均レイノルズ数が２５００未満または最小レイノルズ数が２０００より大きくなっていてもよい。

（変形例２）
上記各実施形態では、作動流体は液体であるが、作動流体は気体であってもよい。

（変形例３）
上記実施形態では、作動流体を駆動すると共に作動流体に脈動を発生させる駆動部として、ポンプを用いているが、ポンプ以外のものを用いてもよい。

１、２、３熱輸送システム
１１ポンプ（駆動部）
１３冷却器（熱交換器）
１５放熱器（熱交換器）
１７加熱器（熱交換器）
２１〜２３、３１〜３３、４１〜４３外部配管
１３１、１５１、１７１熱交換流路

Claims

熱交換器（１３、１５）と、
流体を流通させると共に前記熱交換器の外にある外部配管（２１〜２３）と、
前記流体を駆動すると共に前記流体に脈動を発生させる駆動部（１１）と、を備え、
前記熱交換器内には、前記外部配管と連通する熱交換流路（１３１、１５１）が形成されており、
前記熱交換流路は、前記流体が前記駆動部によって脈動して当該熱交換流路を流れるときに平均レイノルズ数が２０００以下となるよう形成されていることを特徴とする熱輸送システム。
熱交換器（１７）と、
流体を流通させると共に前記熱交換器と接続する外部配管（３１〜３３、４１〜４３）と、
前記流体を駆動すると共に前記流体に脈動を発生させる駆動部（１１）と、を備え、
前記熱交換器内には、前記外部配管と連通する熱交換流路（１７１）が形成されており、
前記熱交換流路は、前記流体が前記駆動部によって脈動して当該熱交換流路を流れるときに最小レイノルズ数が３０００以上となるよう形成されていることを特徴とする熱輸送システム。
前記外部配管は、前記流体が前記駆動部によって脈動して当該外部配管を流れるときに平均レイノルズ数が２５００以上かつ最小レイノルズ数が２０００以下となるよう形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱輸送システム。
前記流体は液体であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱輸送システム。