JP2018048790A - 伝熱面構造及び伝熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の構成では、リブレットを設けることの主たる目的は抵抗低減であり、伝熱性の向上は副次的な効果として位置づけられており、抵抗低減を目的として最適化された通常のリブレットを形成した伝熱面の伝熱性能はむしろ低下する傾向にあるため、伝熱性の促進効果に優れる伝熱面構造及びこれを備える伝熱装置を提供する。
【解決手段】伝熱面に、前記伝熱面上を流動する流体の主流方向に沿ってリブレットを有し、前記リブレットの幅が、熱伝達率（ヌセルト数）の増大率ＨＴＲと流動抵抗の増大率ＤＲとがＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たす範囲内にある、伝熱面構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝熱面構造及び伝熱装置に関する。

流体と接触する物体の幅表面にリブレットと称される流体の主流方向に沿った溝を形成して流体の摩擦抵抗を低減する技術は広く知られており、流体用流入管の内壁、船体などの種々な分野に応用されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

流体と接触する面にリブレットを形成する目的は主として流体の摩擦抵抗の低減であるが、伝熱性の維持又は向上をあわせて追及する技術も検討されている。例えば、特許文献３には、冷媒の流路内壁にリブレットを形成して冷媒の摩擦抵抗を低減した熱交換器において、リブレットによって内壁の表面積が拡大し、伝熱効果も高まると記載されている。特許文献４には、冷媒の流路内壁にリブレットを形成し、主流方向における渦の発生を抑制して摩擦抵抗を低減するとともに、主流方向に垂直な方向の渦を誘起することで伝熱効果を高めたガス液化装置が記載されている。

特開２０００−９７２１１号公報 特開２００４−３５２０２４号公報 特開２０１０−８４９８２号公報 特開２０１２−２３３６５２号公報

特許文献３及び特許文献４に記載された構成では、抵抗低減と伝熱促進の両立が意図されているが、リブレットを設けることの主たる目的は抵抗低減であり、伝熱性の向上は副次的な効果として位置づけられている。また、流体の流れ（抵抗）と熱（熱伝達率）にはアナロジーが成り立つことが知られており、抵抗低減を目的として最適化された通常のリブレットを形成した伝熱面の伝熱性能はむしろ低下する傾向にある。
このように、伝熱性の促進という観点からのリブレットの構成に関する検討は、これまで充分になされていない。本発明は、伝熱性の促進効果に優れる伝熱面構造及びこれを備える伝熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための具体的手段には、以下の実施態様が含まれる。
＜１＞伝熱面に、前記伝熱面上を流動する流体の主流方向に沿ってリブレットを有し、前記リブレットの幅が、熱伝達率（ヌセルト数）の増大率ＨＴＲと流動抵抗の増大率ＤＲとがＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たす範囲内にある、伝熱面構造。
＜２＞前記流体の壁面摩擦速度と動粘性係数で無次元化した値で表される前記リブレットの幅ｓ^＋が３０〜１５０である、＜１＞に記載の伝熱面構造。
＜３＞前記流体の主流方向に直交する方向に切断したときの前記リブレットの断面形状が三角形である、＜１＞又は＜２＞に記載の伝熱面構造。
＜４＞前記三角形の頂角は１２０°〜４５°である、＜３＞に記載の伝熱面構造。
＜５＞前記流体は流動時に乱流状態である、＜１＞〜＜４＞のいずれか１項に記載の伝熱面構造。
＜６＞前記流体のプラントル数は１より大きい、＜１＞〜＜５＞のいずれか１項に記載の伝熱面構造。
＜７＞＜１＞〜＜６＞のいずれか１項に記載の伝熱面構造を備える伝熱装置。

本発明によれば、伝熱性の促進効果に優れる伝熱面構造及びこれを備える伝熱装置が提供される。

本発明の伝熱面構造の一例を示す図である。 リブレットの断面形状の一例を示す図である。 リブレットの幅ｓ^＋とＤＲの関係を示すグラフである。 リブレットの幅ｓ^＋とＨＴＲの関係を示すグラフである。 リブレットの幅ｓ^＋とＨＴＲ／ＤＲの関係を示すグラフである。 ＨＴＲが一定となる条件でのリブレットの幅ｓ^＋とＤＲの関係を示すグラフである。 本発明の伝熱装置の一例である、熱交換器の伝熱管の構成を示す概略断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。
本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。

＜伝熱面構造＞
本発明の伝熱面構造は、図１に示すように、伝熱面に、前記伝熱面上を流動する流体の主流方向に沿ってリブレットを有している。そして、リブレットの幅が、熱伝達率（ヌセルト数）の増大率ＨＴＲと流動抵抗の増大率ＤＲとがＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たす範囲内にある。本明細書においてリブレットとは、流体の主流方向（図中のｘで示す方向）に沿って伝熱面に形成される溝（凹部）を意味する。

本発明者らの検討の結果、伝熱面構造がＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たすか否かは伝熱面に設けられるリブレットの幅に依存することがわかった。すなわち、本発明の伝熱面構造は、伝熱面に特定の幅を有するリブレットが形成されていることで、ＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たしている。

流動抵抗の低減を目的とするリブレットが流体と接触する面に形成された従来の構成では、流動抵抗が低減する反面、伝熱性能も低下する。伝熱性能の向上を目的とする本発明の伝熱面構造は、リブレットを設けることによって流動抵抗が増大するが、熱伝達率（ヌセルト数）の増大率ＨＴＲが流動抵抗の増大率ＤＲを上回るほどに向上する。従って、流動抵抗の低減よりも伝熱性能の向上の重要度が相対的に大きい用途に本発明の伝熱面構造を好適に用いることができる。

本発明においてＨＴＲは、伝熱面にリブレットを設けたときのヌセルト数（Ｎｕ_{ｒｉｂｌｅｔ}）と、伝熱面にリブレットを設けていないときのヌセルト数（Ｎｕ_ｆｌａｔ）とから下記式により算出される。
ＨＴＲ＝Ｎｕ_{ｒｉｂｌｅｔ}／Ｎｕ_ｆｌａｔ

伝熱面にリブレットを設けたときのヌセルト数（Ｎｕ_{ｒｉｂｌｅｔ}）と伝熱面にリブレットを設けていないときのヌセルト数（Ｎｕ_ｆｌａｔ）は、それぞれ下記式により算出する。

Ｎｕ_{ｒｉｂｌｅｔ}＝α_{ｒｉｂｌｅｔ}×Ｈ／λ
Ｎｕ_ｆｌａｔ＝α_ｆｌａｔ×Ｈ／λ

上の式において、α_{ｒｉｂｌｅｔ}は伝熱面にリブレットを設けたときの熱伝達率であり、α_ｆｌａｔは伝熱面にリブレットを設けていないときの熱伝達率であり、λは流体の熱伝導率であり、Ｈは代表長さ（例えば、流路高さ、流路直径）である。

ＨＴＲの値が１を超えていることは、伝熱面にリブレットを設けることによる伝熱向上効果が生じていることを意味する。

本発明において流動抵抗の増大率ＤＲは、伝熱面にリブレットを設けたときの抵抗係数（Ｃｆ_{ｒｉｂｌｅｔ}）と、伝熱面にリブレットを設けていないときの抵抗係数（Ｃｆ_ｆｌａｔ）とから下記式により算出される。
ＤＲ＝Ｃｆ_{ｒｉｂｌｅｔ}／Ｃｆ_ｆｌａｔ

伝熱面にリブレットを設けたときの抵抗係数（Ｃｆ_{ｒｉｂｌｅｔ}）と、伝熱面にリブレットを設けていないときの抵抗係数（Ｃｆ_ｆｌａｔ）は、それぞれ下記式により算出する。

Ｃｆ_{ｒｉｂｌｅｔ}＝ΔＰ／Ｌ／（１／２×ρ×ｕ_{ｒｉｂｌｅｔ} ^２）
Ｃｆ_ｆｌａｔ＝ΔＰ／Ｌ／（１／２×ρ×ｕ_ｆｌａｔ ^２）

上の式において、ΔＰは流路の入口における圧力と出口における圧力の差であり、Ｌは流路の入口と出口の間の距離であり、ρは流体の密度であり、ｕ_{ｒｉｂｌｅｔ}は伝熱面にリブレットを設けたときの平均流速であり、ｕ_ｆｌａｔは伝熱面にリブレットを設けていないときの平均流速である。

ＤＲの値が１を超えていることは、伝熱面にリブレットを設けることによって抵抗が増大していることを意味するといえる。このため、抵抗の増大を抑える観点からは、ＤＲの値は小さい方が好ましい。

本発明においてＨＴＲ／ＤＲの値は１より大きく、この値が大きいほど伝熱性の向上効果が大きいといえる。ＨＴＲ／ＤＲの値は、所望の伝熱性の向上効果と抵抗低減効果の程度に応じて設定できる。

ＨＴＲ／ＤＲの値を大きくする観点からは、流体の壁面摩擦速度と動粘性係数で無次元化した値で表されるリブレットの幅ｓ^＋が３０以上であることが好ましく、５０以上であることがより好ましい。ｓ^＋の上限は特に制限されないが、２００以下であることが好ましく、１５０以下であることがより好ましく、１００以下であることがさらに好ましい。

伝熱面に設けられるリブレットの形状は、伝熱面構造がＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たすのであれば特に制限されない。例えば、図２に示すように、流体の主流方向（図中のｘで示す方向）と直交する方向（図中のｚで示す方向）に切断したときの断面形状が三角形（Ｖ字型）であっても、その他の形状（四角形、Ｕ字型等）であってもよい。本明細書においてリブレットの幅とは、リブレットの両側面の間の距離が最大となる部分（図中のｓで示す部分）の距離を意味する。

伝熱面に設けられるリブレットの深さ（図中のｙで示す方向）は、伝熱面構造がＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たすのであれば特に制限されない。例えば、リブレットの幅ｓとリブレットの深さｄの比（ｓ／ｄ）が１〜２の範囲内となるように設定することができる。

個々のリブレットの断面形状は、流体の主流方向に沿って一定である（断面形状が切断場所によって変化しない）ことが好ましいが、本発明の効果が達成される範囲において一部異なっていてもよい。
隣接するリブレット間の距離は、伝熱面に設けられるリブレットの全てにおいて一定であることが好ましいが、本発明の効果が達成される範囲において一部異なっていてもよい。

伝熱面構造の材質は特に制限されず、金属、セラミック、カーボン等の無機材料であっても、樹脂等の有機材料であってもよい。また、リブレットは伝熱面に直接形成されていても、伝熱面とは別の部材に形成（例えば、リブレットを形成したシート状物を伝熱面に貼り付ける）されていてもよい。リブレットが伝熱面とは別の部材に形成される場合、両者の材質は同じであっても異なっていてもよい。

伝熱面上を流動する流体は、流動時に乱流状態であることが好ましい。流体が乱流状態であると、本発明の効果がより顕著に得られる。乱流状態の維持の観点からは、流体の流動時の平均流速と流路高さ（又は流路直径）に基づくレイノルズ数は３０００以上であることが好ましく、５０００以上であることがより好ましい。

流体の種類は特に制限されず、伝熱面構造の用途に応じて選択できる。本発明の効果は、プラントル数が１を超える流体であれば達成されうる。本発明の効果を増大させる観点からは、流体のプラントル数が２以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましい。例えば、一般的な自動車用冷却液のプラントル数は６〜７である。流体の温度は、伝熱面構造の周囲温度より高くても、低くてもよい。

本発明の条件を満たすリブレットの幅は、流体の流路の断面積、流体のプラントル数、流体の流速等に応じて変化する。例えば、流体が水であり、流路が円管で、その直径が１０ｍｍであり、流体の平均流速が０．５ｍ／ｓである場合、リブレットの幅の実寸法は０．８ｍｍ〜４ｍｍの範囲内に設定することができる。

以下、本発明の伝熱面構造の特性を数値シミュレーションにより検証した結果について、図面を参照して説明する。数値シミュレーションでは、図２に示すような三角形のリブレットの頂角の角度（図中にαで示す角度）が６０°の場合と９０°の場合についてそれぞれ実施した。

数値シミュレーションの計算条件は、壁面摩擦速度と流路半幅に基づく摩擦レイノルズ数（Ｒｅτ）を１８０（平均流速と流路高さに基づくバルクレイノルズ数が約５５００に相当）とし、流体のプラントル数を６．７とした。数値シミュレーションは、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を用いて行った。

図３は、リブレットの幅ｓ^＋と流動抵抗の増大率ＤＲとの関係を示すグラフである。 図４は、リブレットの幅ｓ^＋と熱伝達率（ヌセルト数）の増大率ＨＴＲの関係を示すグラフである。図３に示すように、リブレットの幅ｓ^＋が０より大きく２０以下の範囲内ではＤＲの値がマイナスであり、リブレットを設けることにより抵抗が低減することがわかる。一方、リブレットの幅ｓ^＋が３０を超えるとＤＲがプラスに転じ、リブレットを設けることにより抵抗が増大することがわかる。図４に示すように、リブレットの幅ｓ^＋が０より大きく２０以下の範囲内ではＨＴＲの値もＤＲと同様にマイナスであり、リブレットを設けることにより伝熱性能が低下することがわかる。一方、リブレットの幅ｓ^＋が３０を超えるとＨＴＲもＤＲと同様にプラスに転じ、リブレットを設けることにより伝熱性能が向上することがわかる。
なお、リブレットの形状や高さが異なる場合であっても概ね共通した傾向がみられることから、リブレットの形状や高さがＨＴＲ又はＤＲに与える影響はリブレットの幅に比べると小さいと考えられる。

図５はリブレットの幅ｓ^＋と、ＨＴＲ／ＤＲの値との関係を示すグラフである。図５に示すように、リブレットの幅ｓ^＋が３０を超えるとＨＴＲ／ＤＲの値がプラスに転じ、リブレットを設けることによる伝熱性能（ヌセルト数）の増大率ＨＴＲが流動抵抗の増大率ＤＲを上回っている。また、ＨＴＲ／ＤＲの値はリブレットの幅ｓ^＋が３０〜１５０の範囲で最大となり、一定の値を超えると減少に転じている。従って、リブレットの幅ｓ^＋を３０〜１５０の範囲内に設定することで、抵抗の増大を抑えつつ伝熱性能の向上が達成されると考えられる。

なお、図５には摩擦レイノルズ数（Ｒｅτ）を３００としたこと以外は同じ条件で行った数値シミュレーションの結果も示す。これによると、レイノルズ数が異なる場合であってもリブレットの幅ｓ^＋が３０〜１５０の範囲でＨＴＲ／ＤＲの値が最大になるという傾向は共通しており、レイノルズ数がＨＴＲ／ＤＲの値に与える影響は比較的小さいと考えられる。

リブレットの幅ｓ^＋が３０〜１５０の範囲でＨＴＲ／ＤＲの値が最大となる理由について、本発明者らは次のように推察している。リブレットが設けられていない流路を流体が流動するとき、乱流に伴って生じる渦（縦渦）は、流路壁からの無次元距離が約２０の位置に渦中心を有し、その渦の無次元直径は３０程度であることが知られている。また、この渦直径よりも幅ｓ^＋が３０よりも小さい（例えば、２０以下）リブレットを流路壁に設けることで、縦渦がリブレットに進入できなくなり、渦のスイープ（高速流体が流路壁近傍に向かう流れ）にさらされる領域がリブレットの外部に限定されることで、抵抗が低減することが知られている。

一方、流路に設けられるリブレットの幅ｓ^＋が３０〜１５０の範囲内である場合には、リブレットに１個〜数個の縦渦が進入できるとともにリブレット内に二次流れも形成される。その結果、リブレット内の温度場が適度に撹拌されて、抵抗の著しい増大をもたらすことなく伝熱性能が向上するものと考えられる。

図６は、一般的な熱交換器の伝熱管を想定し、直管（曲がりや絞りがない）とし、伝熱量（ヌセルト数）を一定とした条件でのリブレットの幅ｓ^＋とＤＲの関係を試算したグラフである。伝熱量は、流体の流量を調節（伝熱量が増大する場合は流量を下げる）ことで一定となるようにした。
図６に示すように、リブレットの幅ｓ^＋が３０〜１５０の範囲内である場合にはＤＲの値が最小になるという傾向がみられた。このことは、リブレットの幅ｓ^＋を３０〜１５０の範囲内とすることで、熱交換器に必要となる伝熱量を維持しつつ、流量を低減することで抵抗の低減効果も得られることを示している。

＜伝熱装置＞
本発明の伝熱装置は、上述した伝熱面構造を備える。伝熱装置において伝熱面構造が設けられる位置は特に制限されず、伝熱装置の用途に応じて設定できる。伝熱装置の用途は特に制限されない。例えば、自動車用冷却装置、タービン、ボイラー等の種々の熱交換器として用いることができる。

本発明の伝熱装置の一例として、熱交換器の伝熱管の構成を図７に示す。図７に示す伝熱管１は、流路の内壁（伝熱面）にリブレット２を有し、リブレット２の幅がＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たす範囲内にある。このような条件を満たすリブレット２を内壁に有する伝熱管１に流体（自動車用冷却液等）を流すことで、熱交換を効率よく行うことができる。伝熱管及びリブレットの材質としては、アルミニウム等の熱伝導率の高い材料が挙げられる。

１：伝熱管
２：リブレット

Claims (7)

1. 伝熱面に、前記伝熱面上を流動する流体の主流方向に沿ってリブレットを有し、前記リブレットの幅が、熱伝達率（ヌセルト数）の増大率ＨＴＲと流動抵抗の増大率ＤＲとがＨＴＲ＞ＤＲの関係を満たす範囲内にある、伝熱面構造。
2. 前記流体の壁面摩擦速度と動粘性係数で無次元化した値で表される前記リブレットの幅ｓ^＋が３０〜１５０である、請求項１に記載の伝熱面構造。
3. 前記流体の主流方向に直交する方向に切断したときの前記リブレットの断面形状が三角形である、請求項１又は請求項２に記載の伝熱面構造。
4. 前記三角形の頂角は１２０°〜４５°である、請求項３に記載の伝熱面構造。
5. 前記流体は流動時に乱流状態である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の伝熱面構造。
6. 前記流体のプラントル数は１より大きい、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の伝熱面構造。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の伝熱面構造を備える伝熱装置。