JP5493949B2 - Heat transfer member and heat exchanger using the same - Google Patents
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Description
本発明は、伝熱部材及びそれを用いた熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat transfer member and a heat exchanger using the heat transfer member.
一般に熱交換器は、高温流体の流路と低温流体の流路とが隔壁により互いに隔離された構成を有している。例えばラジエータでは、高温流体である冷却水の流路はチューブの内側に形成され、低温流体である空気の流路はチューブの外側に形成される(例えば、特許文献1参照)。冷却水の熱エネルギーは、チューブ内壁面での熱交換によってチューブに伝達され、さらにチューブ外壁面やフィン表面での熱交換によって空気に伝達される。このように熱交換器では、固体層と流体層との界面における2層間の熱交換によって熱エネルギーの伝達が行われるようになっている。 Generally, a heat exchanger has a configuration in which a flow path for a high-temperature fluid and a flow path for a low-temperature fluid are separated from each other by a partition wall. For example, in a radiator, a flow path of cooling water that is a high-temperature fluid is formed inside the tube, and a flow path of air that is a low-temperature fluid is formed outside the tube (see, for example, Patent Document 1). The heat energy of the cooling water is transmitted to the tube by heat exchange on the inner wall surface of the tube, and further transferred to the air by heat exchange on the outer wall surface of the tube and the fin surface. As described above, in the heat exchanger, heat energy is transmitted by heat exchange between the two layers at the interface between the solid layer and the fluid layer.
上記のような固体層と流体層との間での熱エネルギーの伝達は、固体層の表面原子と流体層の分子との間の相互作用によって一方の熱振動が他方に伝搬されることによって生じる。2層間での熱振動の伝搬は、両層の熱振動周波数が互いに近いほど起き易くなる。図8は、固体層(金属)の表面原子及び流体層(液体)の分子のそれぞれにおける熱振動の周波数分布の例を示すグラフである。図8に示すように、固体の熱振動の周波数分布のピーク(1012Hzオーダ)と、液体の熱振動の周波数分布のピーク(109Hzオーダ)とは、それぞれの分布の幅に比較して大きく乖離している。このため、それぞれの振動周波数分布が互いに重複する部分は極めて小さくなっている(図8のK部)。したがって、固液界面では、固体層と液体層との間で熱振動が伝搬され難くなるため、伝達すべき熱エネルギーが減衰してしまうという問題がある。また、気体の熱振動周波数は液体の振動周波数とほぼ同じオーダであるため、固気界面においても同様に、伝達すべき熱エネルギーが減衰してしまうという問題がある。 The transfer of thermal energy between the solid layer and the fluid layer as described above is caused by the propagation of one thermal vibration to the other due to the interaction between the surface atoms of the solid layer and the molecules of the fluid layer. . Propagation of thermal vibration between the two layers is more likely to occur as the thermal vibration frequencies of both layers are closer to each other. FIG. 8 is a graph showing an example of the frequency distribution of thermal vibration in each of the surface atoms of the solid layer (metal) and the molecules of the fluid layer (liquid). As shown in FIG. 8, the frequency distribution peak (10 12 Hz order) of the solid thermal vibration and the frequency distribution peak (10 9 Hz order) of the liquid thermal vibration are compared with the width of each distribution. Is greatly different. For this reason, the portions where the respective vibration frequency distributions overlap each other are extremely small (part K in FIG. 8). Therefore, at the solid-liquid interface, it is difficult for thermal vibrations to propagate between the solid layer and the liquid layer, so that there is a problem that the thermal energy to be transmitted is attenuated. Further, since the thermal vibration frequency of the gas is almost the same order as the vibration frequency of the liquid, there is a problem that the thermal energy to be transmitted is attenuated at the solid-gas interface as well.
本発明の目的は、固体層と流体層との間で熱エネルギーを効率良く伝達できる伝熱部材及びそれを用いた熱交換器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a heat transfer member capable of efficiently transferring heat energy between a solid layer and a fluid layer, and a heat exchanger using the heat transfer member.
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明は、流体層(80)との界面(75)において流体層(80)と熱交換を行う固体層(70)と、界面(75)に設けられ、固体層(70)の表面原子との間及び流体層(80)の分子との間で熱振動が伝搬され得る振動体(92)と、振動体(92)を固体層(70)に対して弾性支持する弾性支持部(91)とを備えた振動子(90)とを有し、振動子(90)の振動周波数のピーク(Wv)は、流体層(80)の分子の振動周波数のピーク(Wl)よりも高く、固体層(70)の表面原子の振動周波数のピーク(Ws)よりも低いことを特徴とする伝熱部材である。 According to the first aspect of the present invention, the solid layer (70) that exchanges heat with the fluid layer (80) at the interface (75) with the fluid layer (80), and the solid layer (70) provided at the interface (75). ) And the vibration body (92) capable of propagating thermal vibration between the surface atoms and the molecules of the fluid layer (80), and the elasticity for elastically supporting the vibration body (92) with respect to the solid layer (70). A vibrator (90) including a support portion (91), and the vibration frequency peak (Wv) of the vibrator (90) is greater than the vibration frequency peak (Wl) of the molecules of the fluid layer (80). The heat transfer member is characterized in that it is higher than the peak (Ws) of the vibration frequency of the surface atoms of the solid layer (70).
これによると、固体層(70)と流体層(80)との間では、振動子(90)を介して熱振動が間接的に伝搬され得る。振動子(90)の振動周波数のピーク(Wv)は、固体層(70)の表面原子の振動周波数のピーク(Ws)と流体層(80)の分子の振動周波数のピーク(Wl)との間に存在する。これにより、固体層(70)の振動周波数分布と振動子(90)の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、固体層(70)と振動子(90)との間での熱エネルギーの減衰を抑えることができる。また、振動子(90)の振動周波数分布と流体層(80)の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、振動子(90)と流体層(80)との間での熱エネルギーの減衰を抑えることができる。したがって、固体層(70)と流体層(80)との間において、振動子(90)を介して熱エネルギーを効率良く伝達することができる。 According to this, thermal vibration can be indirectly propagated between the solid layer (70) and the fluid layer (80) via the vibrator (90). The vibration frequency peak (Wv) of the vibrator (90) is between the vibration frequency peak (Ws) of the surface atoms of the solid layer (70) and the vibration frequency peak (Wl) of the molecules of the fluid layer (80). Exists. Thereby, since the overlapping part of the vibration frequency distribution of the solid layer (70) and the vibration frequency distribution of the vibrator (90) can be enlarged, the solid layer (70) and the vibrator (90) can be overlapped. Attenuation of thermal energy can be suppressed. Moreover, since the overlapping part of the vibration frequency distribution of the vibrator (90) and the vibration frequency distribution of the fluid layer (80) can be enlarged, the heat between the vibrator (90) and the fluid layer (80) can be increased. Energy attenuation can be suppressed. Therefore, heat energy can be efficiently transferred between the solid layer (70) and the fluid layer (80) via the vibrator (90).
さらに請求項1に記載の発明は、振動子(90)は、第1振動子(100)と第2振動子(110)とを含んでおり、第1振動子(100)は、固体層(170)の表面原子との間で熱振動が伝搬されるとともに、第2振動子(110)を介して流体層(180)の分子との間で熱振動が伝搬され、第2振動子(110)は、流体層(180)の分子との間で熱振動が伝搬されるとともに、第1振動子(100)を介して固体層(170)の表面原子との間で熱振動が伝搬され、第1振動子(100)の振動周波数のピーク(Wv2)は、第2振動子(110)の振動周波数のピーク(Wv1)よりも高いことを特徴としている。 Further, in the first aspect of the invention, the vibrator (90) includes a first vibrator (100) and a second vibrator (110), and the first vibrator (100) is a solid layer ( 170) and thermal vibrations are propagated between the molecules of the fluid layer (180) via the second vibrator (110) and the second vibrator (110). ) Propagates thermal vibration between the molecules of the fluid layer (180) and thermal vibration between the surface atoms of the solid layer (170) via the first vibrator (100), The vibration frequency peak (Wv2) of the first vibrator (100) is higher than the vibration frequency peak (Wv1) of the second vibrator (110).
これによると、固体層(170)と流体層(180)との間では、第1振動子(100)及び第2振動子(110)を介して熱振動が間接的に伝搬され得る。第1振動子(100)の振動周波数のピーク(Wv2)及び第2振動子(110)の振動周波数のピーク(Wv1)はいずれも、固体層(170)の表面原子の振動周波数のピーク(Ws)と流体層(180)の分子の振動周波数のピーク(Wl)との間に存在し、かつ第1振動子(100)の振動周波数のピーク(Wv2)は、第2振動子(110)の振動周波数のピーク(Wv1)よりも高くなっている。これにより、固体層(170)の振動周波数分布と第1振動子(100)の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、固体層(170)と第1振動子(100)との間での熱エネルギーの減衰を抑えることができる。また、第1振動子(100)の振動周波数分布と第2振動子(110)の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、第1振動子(100)と第2振動子(110)との間での熱エネルギーの減衰を抑えることができる。さらに、第2振動子(110)の振動周波数分布と流体層(180)の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、第2振動子(110)と流体層(180)との間での熱エネルギーの減衰を抑えることができる。したがって、固体層(170)と流体層(180)との間において、第1振動子(100)及び第2振動子(110)を介して熱エネルギーを効率良く伝達することができる。 According to this, thermal vibration can be indirectly propagated between the solid layer (170) and the fluid layer (180) via the first vibrator (100) and the second vibrator (110). The vibration frequency peak (Wv2) of the first vibrator (100) and the vibration frequency peak (Wv1) of the second vibrator (110) are both peaks (Ws) of the vibration frequency of the surface atoms of the solid layer (170). ) And the vibration frequency peak (Wl) of the molecule of the fluid layer (180), and the vibration frequency peak (Wv2) of the first vibrator (100) is the same as that of the second vibrator (110). It is higher than the peak (Wv1) of the vibration frequency. Thereby, since the overlapping part of the vibration frequency distribution of the solid layer (170) and the vibration frequency distribution of the first vibrator (100) can be enlarged, the solid layer (170) and the first vibrator (100) Attenuation of thermal energy between the two can be suppressed. Moreover, since the overlapping part of the vibration frequency distribution of the first vibrator (100) and the vibration frequency distribution of the second vibrator (110) can be enlarged, the first vibrator (100) and the second vibrator ( 110), the attenuation of thermal energy can be suppressed. Furthermore, since the overlapping part of the vibration frequency distribution of the second vibrator (110) and the vibration frequency distribution of the fluid layer (180) can be enlarged, the second vibrator (110) and the fluid layer (180) Attenuation of thermal energy between the two can be suppressed. Therefore, thermal energy can be efficiently transferred between the solid layer (170) and the fluid layer (180) via the first vibrator (100) and the second vibrator (110).
請求項2に記載の発明は、上記発明の伝熱部材が用いられていることを特徴とする熱交換器である。これにより、固体層(70)と流体層(80)との間で熱エネルギーを効率良く伝達できる熱交換器が得られる。 The invention according to claim 2 is a heat exchanger characterized in that the heat transfer member of the invention is used. Thereby, the heat exchanger which can transfer a thermal energy efficiently between a solid layer (70) and a fluid layer (80) is obtained.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係の一例を示している。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means has shown an example of the corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図1乃至図4を用いて説明する。図1は、本実施形態における熱交換器としてラジエータ1の全体構成を示す図である。図1に示すように、ラジエータ1は、空気との熱交換によりエンジン冷却水を冷却する金属製のコア部40と、コア部40に取り付けられた例えば樹脂製の一対のタンク52、62を有している。タンク52には外部からエンジン冷却水を流入させる流入口53が設けられ、タンク62にはエンジン冷却水を外部に流出させる流出口63が設けられている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a radiator 1 as a heat exchanger in the present embodiment. As shown in FIG. 1, the radiator 1 includes a
コア部40は、概ね鉛直方向に延伸し、エンジン冷却水が内部を流通する複数の扁平チューブ10と、扁平チューブ10に熱的に接続され、空気に対する伝熱面積を増大させる複数のコルゲートフィン30とが交互に積層された構造を有している。扁平チューブ10及びコルゲートフィン30は、所定の伝熱部材により構成されている。扁平チューブ10の内周面は伝熱部材とエンジン冷却水との固液界面となり、扁平チューブ10の外周面及びコルゲートフィン30の表面は伝熱部材と空気との固気界面となる。
The
またコア部40の上端辺には、タンク52と共に上部ヘッダ50を構成するコアプレート51が設けられている。コア部40の下端辺には、タンク62と共に下部ヘッダ60を構成するコアプレート61が設けられている。コアプレート51、61にはそれぞれ複数の嵌入孔が形成されており、嵌入孔にはそれぞれ扁平チューブ10の長手方向先端部が嵌入されている。上部ヘッダ50と下部ヘッダ60との間は、複数の扁平チューブ10を介して連通している。
A
図2は、本実施形態の伝熱部材の構成として、扁平チューブ10内部に形成される固液界面を模式的に示している。図2に示すように、固体層70(扁平チューブ10)と液体層80(エンジン冷却水)との固液界面75(扁平チューブ10内周面)近傍には、固体層70及び液体層80の双方からの熱ノイズにより振動が励起される複数の微小な振動子(熱ノイズアクチュエータ)90が設けられている(図2では1つの振動子90のみを示している)。振動子90は、所定の振動周波数で振動する振動体92と、振動体92を固体層70に対して弾性支持する弾性支持部91とを有している。
FIG. 2 schematically shows a solid-liquid interface formed inside the
振動体92は、例えば、アルミナナノ粒子により形成され、一辺1nmの略立方体状の形状を有している。振動体92は、固液界面75よりも液体層80側に配置されており、固液界面75に対し所定の間隙を介して近接している。
The vibrating
弾性支持部91は、例えばカーボンナノチューブにより形成され、直線状(棒状)の形状を有し、ばねのような剛性を持っている。弾性支持部91の一端部91aは、固体層70表面に固定された固定端となっている。弾性支持部91の他端部91bは自由端となっており、振動体92に接続されている。弾性支持部91は、固体層70表面に対し斜めに延伸している。
The
ここで、振動子90を固体層70表面に固定する方法の一例について説明する。まず、粉末状のC60フラーレンを固体層70表面及び振動体92の所定部位に塗布し、塗布したC60フラーレンに弾性支持部91の一端部91a及び他端部91bをそれぞれ当接させる。この状態でC60フラーレンに対し電子線を照射すると、C60フラーレンがグラファイトに変化し、この構造変化によって固体層70表面と一端部91aとの間、及び振動体92と他端部91bとの間がそれぞれ固着される。これにより、振動子90を固体層70表面に固定することができる。
Here, an example of a method for fixing the
図2中の両矢印Aで示すように、固体層70の表面原子(図示せず)と振動体92との間では、分子間力等の相互作用により熱振動が直接伝搬され得るようになっている。また、両矢印Bで示すように、振動体92と液体層80の液体分子(図示せず)との間では、分子間力等の相互作用により熱振動が直接伝搬され得るようになっている。すなわち、固体層70の表面原子と液体層80の分子との間では、振動体92を介して間接的に熱振動が伝搬され得るようになっている。
As indicated by a double arrow A in FIG. 2, thermal vibration can be directly propagated between surface atoms (not shown) of the
振動子90の振動周波数Wは、振動体92の質量Mと弾性支持部91のばね定数Kとを用いて、
W=√(K/M)
と表される。ただし、弾性支持部91の質量は振動体92の質量Mよりも十分に小さいものとする。また、振動子90の振動周波数Wは、振動体92の形状を立方体状とすると、振動体92の一辺の長さrと密度ρとを用いて、
W=√(K/ρr3)
と表される。このように、振動子90の振動周波数Wは、振動体92の質量M(密度ρ及び一辺の長さr)及び弾性支持部91のばね定数Kを変えることにより、比較的容易に調節され得る。
The vibration frequency W of the
W = √ (K / M)
It is expressed. However, the mass of the
W = √ (K / ρr 3 )
It is expressed. As described above, the vibration frequency W of the
図3は、本実施形態の固体層70の表面原子、液体層80の分子及び振動子90のそれぞれにおける熱振動の周波数分布の一例を示すグラフである。グラフの横軸は振動周波数(Hz)を対数で表し、縦軸は発生頻度を表している。図3に示すように、固体層70の表面原子、液体層80の分子及び振動子90の熱振動の振動周波数は、いずれも所定の分布に従っている。液体層80の分子の振動周波数のピークWlは一般に数GHz(109Hzオーダ)であり、固体層70の表面原子の振動周波数のピークWsは一般に数THz(1012Hzオーダ)である。振動子90の振動周波数のピークWvは、液体層80の振動周波数のピークWlよりも高く、固体層70の振動周波数のピークWsよりも低くなるように設定されている(Wl<Wv<Ws)。これにより、固体層70の振動周波数分布と振動子90の振動周波数分布との重複部分(図中のC部)、及び振動子90の振動周波数分布と液体層80の振動周波数分布との重複部分(D部)を、図8に示した重複部分(K部)と比較して拡大することができる。
FIG. 3 is a graph showing an example of the frequency distribution of thermal vibration in each of the surface atoms of the
一般に、固体層70の振動周波数Wsは、液体層80の振動周波数Wlの約1000倍程度である。このため、振動子90の振動周波数分布と、固体層70の振動周波数分布及び液体層80の振動周波数分布の双方との重複部分を拡大するためには、振動子90の振動周波数Wvを、液体層80の振動周波数Wlの10〜100倍程度(数十GHz〜数百GHz)とすることが望ましい。
In general, the vibration frequency Ws of the
図4は、立方体状の振動体92の一辺の長さと振動子90の振動周波数との関係の一例を示すグラフである。グラフの横軸は振動体92の一辺の長さr(m)を対数で表し、縦軸は振動周波数(Hz)を対数で表している。線L1は振動子90の振動周波数を示し、線L2は固体層70の表面原子の振動周波数Wsを示し、線L3は液体層80の分子の振動周波数Wlを示している。本例では、振動体92の密度ρを2.7×103kg/m3とし、弾性支持部91のばね定数Kを0.1N/mとし、固体層70の表面原子の振動周波数Wsを7THzとし、液体層80の分子の振動周波数Wlを1GHzとした。
FIG. 4 is a graph showing an example of the relationship between the length of one side of the
図4に示すように、振動子90の振動周波数Wvは、振動体92の一辺の長さrが小さくなるほど高くなり、一辺の長さrが約1×10−8mのときに液体層80の振動周波数と等しくなる。一辺の長さrがそれを下回ると、振動子90の振動周波数Wvは液体層80の振動周波数よりも高くなる。一方、振動体92の構成分子又は構成原子の大きさを考慮すると、一辺の長さrの事実上の下限は10−10〜10−9mオーダとなる。一辺の長さrをこの下限まで小さくしたとしても、振動子90の振動周波数Wvは固体層70の振動周波数Wsよりも低くなっている。すなわち、本例の条件の場合、Wl<Wv<Wsの関係を満たすためには、振動体92の一辺の長さrを約1×10−8m未満とすればよく、一辺の長さrの下限は実質的に考慮する必要がない。
As shown in FIG. 4, the vibration frequency Wv of the
以上説明したように、本実施形態によれば、固体層70と液体層80との間では、熱エネルギーが振動子90を介して間接的に伝搬され得る。振動子90の振動周波数のピークWvは、固体層70の表面原子の振動周波数のピークWsと液体層80の分子の振動周波数のピークWlとの間に存在する。これにより、固体層70の振動周波数分布と振動子90の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、固体層70と振動子90との間で熱エネルギーが伝達する際の減衰を抑えることができる。また、振動子90の振動周波数分布と液体層80の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、振動子90と液体層80との間で熱エネルギーが伝達する際の減衰を抑えることができる。したがって、固体層70と液体層80との間において、振動子90を介して熱エネルギーを効率良く伝達することができる。すなわち本実施形態によれば、熱交換器において高い熱交換性能が得られ、エンジン冷却水を冷却するラジエータ1の場合には高い冷却性能が得られる。
As described above, according to the present embodiment, thermal energy can be indirectly propagated between the
また本実施形態では、振動子90が振動体92と弾性支持部91とを有している。これにより、振動体92の質量Mや弾性支持部91のばね定数Kを変えることによって、振動子90の振動周波数を容易に調節することができる。したがって、振動子90の振動周波数のピークWvを、液体層80の振動周波数のピークWlと固体層70の振動周波数のピークWsとの間に容易に設定することができる。
In the present embodiment, the
本実施形態では、固体層70の表面原子と振動子90の振動体92との間に所定の相互作用を生じさせるために、固体層70表面と振動体92とを近接させる必要がある。一方、振動子90の振動周波数を低下させて液体層80の振動周波数に近づけるためには、弾性支持部91の長さを長くしてばね定数Kを小さくするのが有効である。本実施形態では、弾性支持部91が固体層70表面に対して斜めに延伸しているため、固体層70表面と振動体92との間を近接させつつ弾性支持部91の長さを長くするのが容易になる。
In the present embodiment, in order to cause a predetermined interaction between the surface atoms of the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図5乃至図7を用いて説明する。図5は、本実施形態の伝熱部材の構成として、扁平チューブ10内部に形成される固液界面を模式的に示している。図5に示すように、固体層170(扁平チューブ10)と液体層180(エンジン冷却水)との固液界面175には、複数の高周波振動子(第1振動子)100と、複数の低周波振動子(第2振動子)110とが設けられている(図5では、高周波振動子100及び低周波振動子110をそれぞれ1つのみ示している)。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 schematically shows a solid-liquid interface formed inside the
高周波振動子100は、所定の振動周波数で振動する振動体102と、振動体102を固体層170に対して弾性支持する弾性支持部101とを有している。振動体102は、例えば、アルミナナノ粒子により形成され、一辺0.5nmの略立方体状の形状を有している。振動体102は、固体層170表面に対し所定の間隙を介して近接して配置されている。弾性支持部101は、例えばカーボンナノチューブにより形成され、直線状の形状を有し、ばねのような剛性を持っている。弾性支持部101の一端部101aは、固体層170表面に固定された固定端となっている。弾性支持部101の他端部101bは自由端となっており、振動体102に接続されている。
The high-
低周波振動子110は、所定の振動周波数で振動する振動体112と、振動体112を固体層170に対して弾性支持する弾性支持部111とを有している。振動体112は、例えば、アルミナナノ粒子により形成され、振動体102より大きい一辺1nmの略立方体状の形状を有している。振動体112は、振動体102に近接して配置されている。振動体112と固体層170表面との間には振動体102が位置しており、振動体112と固体層170との間は比較的離れている。弾性支持部111は、例えばカーボンナノチューブにより形成され、弾性支持部101よりも長い直線状の形状を有し、ばねのような剛性を持っている。弾性支持部111の一端部111aは、固体層170表面に固定された固定端となっている。弾性支持部111の他端部111bは自由端となっており、振動体112に接続されている。
The low-
図5中の両矢印Eで示すように、固体層170の表面原子と高周波振動子100の振動体102との間では、分子間力等の相互作用により熱振動が直接伝搬され得るようになっている。また、両矢印Fで示すように、高周波振動子100の振動体102と低周波振動子110の振動体112との間では、分子間力等の相互作用により熱振動が直接伝搬され得るようになっている。さらに、両矢印Gで示すように、低周波振動子110の振動体112と液体層180の分子との間では、分子間力等の相互作用により熱振動が直接伝搬され得るようになっている。すなわち、固体層170の表面原子と液体層180の分子との間では、高周波振動子100及び低周波振動子110を介して間接的に熱振動が伝搬され得るようになっている。
As indicated by a double-headed arrow E in FIG. 5, thermal vibration can be directly propagated between the surface atoms of the
低周波振動子110の振動周波数W1は、振動体112の質量M1と弾性支持部111のばね定数K1とを用いて、
W1=√(K1/M1)
と表される。ただし、弾性支持部111の質量は振動体112の質量M1よりも十分に小さいものとする。また、低周波振動子110の振動周波数W1は、振動体112の形状を立方体状とすると、振動体112の一辺の長さr1と密度ρ1とを用いて、
W1=√(K1/(ρ1×r13))
と表される。このように、低周波振動子110の振動周波数W1は、振動体112の質量M1(密度ρ1及び一辺の長さr1)及び弾性支持部111のばね定数K1を変えることにより、比較的容易に調節できるようになっている。
The vibration frequency W1 of the
W1 = √ (K1 / M1)
It is expressed. However, the mass of the
W1 = √ (K1 / (ρ1 × r1 3 ))
It is expressed. As described above, the vibration frequency W1 of the low-
高周波振動子100の振動周波数W2は、振動体102の質量M2と弾性支持部101のばね定数K2とを用いて、
W2=√(K2/M2)
と表される。ただし、弾性支持部101の質量は振動体102の質量M2よりも十分に小さいものとする。また、高周波振動子100の振動周波数W2は、振動体102の形状を立方体状とすると、振動体102の一辺の長さr2と密度ρ2とを用いて、
W2=√(K2/(ρ2×r23))
と表される。このように、高周波振動子100の振動周波数W2は、振動体102の質量M2(密度ρ2及び一辺の長さr2)及び弾性支持部101のばね定数K2を変えることにより、比較的容易に調節できるようになっている。
The vibration frequency W2 of the high-
W2 = √ (K2 / M2)
It is expressed. However, it is assumed that the mass of the
W2 = √ (K2 / (ρ2 × r2 3 ))
It is expressed. Thus, the vibration frequency W2 of the high-
図6は、固体層170の表面原子、液体層180の分子、高周波振動子100及び低周波振動子110のそれぞれにおける熱振動の周波数分布の一例を示すグラフである。グラフの横軸は振動周波数(Hz)を対数で表し、縦軸は発生頻度を表している。図6に示すように、固体層170の表面原子、液体層180の分子、高周波振動子100及び低周波振動子110の熱振動の周波数分布は、いずれも所定の分布に従っている。低周波振動子110の振動周波数のピークWv1、及び高周波振動子100の振動周波数のピークWv2はいずれも、液体層180の振動周波数のピークWlよりも高く、固体層170の振動周波数のピークWsよりも低くなるように設定されている。また高周波振動子100の振動周波数のピークWv2は、低周波振動子110の振動周波数のピークWv1よりも高くなるように設定されている(Wl<Wv1<Wv2<Ws)。
FIG. 6 is a graph showing an example of the frequency distribution of thermal vibration in each of the surface atoms of the
これにより、固体層170の振動周波数分布と高周波振動子100の振動周波数分布との重複部分(図中のH部)、高周波振動子100の振動周波数分布と低周波振動子110の振動周波数分布との重複部分(I部)、及び低周波振動子110の振動周波数分布と液体層180の振動周波数分布との重複部分(J部)を、図3に示した第1実施形態の重複部分(C部、D部)と比較してさらに拡大することができる。
Thereby, the overlapping part (H part in the figure) of the vibration frequency distribution of the
図7は、振動体102の一辺の長さを振動体112の半分とした場合における、振動体112の一辺の長さと高周波振動子100及び低周波振動子110の振動周波数との関係の一例を示すグラフである。グラフの横軸は振動体112の一辺の長さr(m)を対数で表し、縦軸は振動周波数(Hz)を対数で表している。線L4は高周波振動子100の振動周波数を示し、線L5は低周波振動子110の振動周波数を示し、線L6は固体層170の表面原子の振動周波数Wsを示し、線L7は液体層180の分子の振動周波数Wlを示している。本例では、振動体112、102の密度ρ1、ρ2をいずれも2.7×103kg/m3とし、弾性支持部111、101のばね定数K1、K2をいずれも0.1N/mとし、固体層170の表面原子の振動周波数Wsを7THzとし、液体層180の分子の振動周波数Wlを1GHzとした。
FIG. 7 shows an example of the relationship between the length of one side of the vibrating
図7に示すように、低周波振動子110の振動周波数は、振動体112の一辺の長さrが約1×10−8mを下回ると、液体層180の振動周波数を上回る。一方、振動体112の一辺の長さr(振動体102の一辺の長さの2倍)を事実上の下限(10−10〜10−9mオーダ)まで小さくしても、高周波振動子100の振動周波数は、固体層70の振動周波数Wsを下回っている。したがって、本例の条件の場合、Wl<Wv1<Wv2<Wsの関係を満たすためには、振動体112の一辺の長さrを約1×10−8m未満とすればよい。
As shown in FIG. 7, the vibration frequency of the low-
以上説明したように、本実施形態によれば、固体層170と液体層180との間では、高周波振動子100及び低周波振動子110を介して熱エネルギーが間接的に伝達され得る。高周波振動子100の振動周波数のピークWv2及び低周波振動子110の振動周波数のピークWv1は、固体層170の表面原子の振動周波数のピークWs及び液体層180の分子の振動周波数のピークWlに対して、Wl<Wv1<Wv2<Wsの関係を満たすように設定されている。
As described above, according to the present embodiment, thermal energy can be indirectly transmitted between the
これにより、固体層170の振動周波数分布と高周波振動子100の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、固体層170と高周波振動子100との間で熱エネルギーが伝達する際の減衰を抑えることができる。また、高周波振動子100の振動周波数分布と低周波振動子110の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、高周波振動子100と低周波振動子110との間で熱エネルギーが伝達する際の減衰を抑えることができる。さらに、低周波振動子110の振動周波数分布と液体層180の振動周波数分布との重複部分を拡大することができるため、低周波振動子110と液体層180との間で熱エネルギーが伝達する際の減衰を抑えることができる。したがって、固体層170と液体層180との間において、高周波振動子100及び低周波振動子110を介して、熱エネルギーを第1実施形態よりもさらに効率良く伝達することができる。すなわち本実施形態によれば、熱交換器の熱交換性能を第1実施形態よりもさらに向上させることができる。
Thereby, since the overlapping part of the vibration frequency distribution of the
(その他の実施形態)
上記実施形態では、固液界面となる扁平チューブ10内周面を例に挙げて説明したが、固気界面となる扁平チューブ10外周面やコルゲートフィン30表面にも当然に適用可能である。固気界面に形成される振動子は、その振動周波数のピークが気体層の分子の振動周波数のピークよりも高く、固体層の表面原子の振動周波数のピークよりも低くなるように設定される。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the inner peripheral surface of the
気体層の分子の振動周波数は、液体層の分子の振動周波数と同様に数GHz(109Hzオーダ)である。例えば、気体を単原子分子理想気体と仮定し、気体分子の熱振動周波数を、気体分子の平均速度Vを平均自由行程Lで除したものと定義する(熱振動周波数=平均速度V/平均自由行程L)。平均速度Vは、原子質量Ma、ボルツマン定数kB(=1.38×10−23J/K)及び温度Tを用いて、
V=√((3kB×T)/Ma)
と表される。原子質量Maを4.65×10−23(=28/(6.02×1023))gとし、温度Tを300Kとすると、平均速度Vは約516m/sとなる。
The vibration frequency of molecules in the gas layer is several GHz (on the order of 10 9 Hz), similar to the vibration frequency of molecules in the liquid layer. For example, assuming that the gas is a monoatomic molecule ideal gas, the thermal oscillation frequency of the gas molecule is defined as the average velocity V of the gas molecule divided by the average free path L (thermal oscillation frequency = average velocity V / mean free). Process L). Average velocity V is determined using atomic mass Ma, Boltzmann constant kB (= 1.38 × 10 −23 J / K) and temperature T,
V = √ ((3 kB × T) / Ma)
It is expressed. When the atomic mass Ma is 4.65 × 10 −23 (= 28 / (6.02 × 10 23 )) g and the temperature T is 300 K, the average speed V is about 516 m / s.
一方、平均自由行程Lは、気体体積V0、アボガドロ数Nb(=6.02×1023)及び気体分子の直径σを用いて、
L=V0/(√2×π×Nb×σ2)
と表される。気体体積V0を22.4lとし、直径σを3nmとすると、平均自由行程Lは約93nmとなる。したがって、単原子分子理想気体の熱振動周波数は、約5.5GHz(=516(m/s)/(93×10−9(m)))となる。
On the other hand, the mean free path L is obtained by using the gas volume V0, the Avogadro number Nb (= 6.02 × 10 23 ), and the diameter σ of the gas molecule,
L = V0 / (√2 × π × Nb × σ 2 )
It is expressed. If the gas volume V0 is 22.4 l and the diameter σ is 3 nm, the mean free path L is about 93 nm. Therefore, the thermal oscillation frequency of the monoatomic molecule ideal gas is about 5.5 GHz (= 516 (m / s) / (93 × 10 −9 (m))).
また上記実施形態では、振動体92、102、112の材質としてアルミナナノ粒子を例に挙げたが、他の材質で形成してもよい。
In the above embodiment, alumina nanoparticles are taken as an example of the material of the
さらに上記実施形態では、振動体92、102、112の形状を略立方体状としたが、球状、あるいは構成分子の分子構造に基づく形状等の他の形状であってもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the shapes of the
また上記実施形態では、弾性支持部91の材質としてカーボンナノチューブを例に挙げたが、他の材質で形成してもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the carbon nanotube was mentioned as an example as a material of the
さらに上記第2実施形態では、振動周波数の異なる2種の振動子(高周波振動子100及び低周波振動子110)が用いられているが、振動周波数の異なる3種以上の振動子を用いてもよい。
Further, in the second embodiment, two types of vibrators (
また上記実施形態では、熱交換器としてラジエータ1を例に挙げたが、他の熱交換器にも適用可能である。 Moreover, in the said embodiment, although the radiator 1 was mentioned as an example as a heat exchanger, it is applicable also to another heat exchanger.
1 ラジエータ(熱交換器)
10 扁平チューブ
70、170 固体層
75、175 固液界面
80、180 液体層(流体層)
90 振動子
91、101、111 弾性支持部
92、102、112 振動体
100 高周波振動子(第1振動子)
110 低周波振動子(第2振動子)
1 Radiator (heat exchanger)
10
90
110 Low frequency oscillator (second oscillator)
Claims (2)
前記界面(75)に設けられ、前記固体層(70)の表面原子との間及び前記流体層(80)の分子との間で熱振動が伝搬され得る振動体(92)と、前記振動体(92)を前記固体層(70)に対して弾性支持する弾性支持部(91)とを備えた振動子(90)とを有し、
前記振動子(90)の振動周波数のピーク(Wv)は、前記流体層(80)の分子の振動周波数のピーク(Wl)よりも高く、前記固体層(70)の表面原子の振動周波数のピーク(Ws)よりも低く構成され、
前記振動子(90)は、第1振動子(100)と第2振動子(110)とを含んでおり、
前記第1振動子(100)は、前記固体層(170)の表面原子との間で熱振動が伝搬されるとともに、前記第2振動子(110)を介して前記流体層(180)の分子との間で熱振動が伝搬され、
前記第2振動子(110)は、前記流体層(180)の分子との間で熱振動が伝搬されるとともに、前記第1振動子(100)を介して前記固体層(170)の表面原子との間で熱振動が伝搬され、
前記第1振動子(100)の振動周波数のピーク(Wv2)は、前記第2振動子(110)の振動周波数のピーク(Wv1)よりも高いことを特徴とする伝熱部材。 A solid layer (70) that exchanges heat with the fluid layer (80) at an interface (75) with the fluid layer (80);
A vibrating body (92) provided at the interface (75) and capable of propagating thermal vibrations between surface atoms of the solid layer (70) and molecules of the fluid layer (80); An oscillator (90) provided with an elastic support portion (91) for elastically supporting (92) with respect to the solid layer (70),
The vibration frequency peak (Wv) of the vibrator (90) is higher than the molecular vibration frequency peak (Wl) of the fluid layer (80), and the vibration frequency peak of surface atoms of the solid layer (70). Configured lower than (Ws),
The vibrator (90) includes a first vibrator (100) and a second vibrator (110),
The first vibrator (100) propagates thermal vibrations between surface atoms of the solid layer (170) and molecules of the fluid layer (180) through the second vibrator (110). Thermal vibration is propagated between
In the second vibrator (110), thermal vibration is propagated between molecules of the fluid layer (180), and surface atoms of the solid layer (170) are passed through the first vibrator (100). Thermal vibration is propagated between
The vibration frequency of the peak of the first oscillator (100) (wv 2), the heat transfer member you being higher than the peak (WV1) of the oscillation frequency of the second oscillator (110).
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