JP6464918B2 - Fluid transport device - Google Patents

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Description

本発明は、流体輸送装置に関するものである。   The present invention relates to a fluid transportation device.

特許文献1には、流体(具体的には空気)を脈動させることで流体の流れに乱れを発生させ、その乱れによって流体から他の物への熱伝達効率を高めることが記載されている。   Patent Document 1 describes that a fluid (specifically, air) is pulsated to generate a turbulence in the flow of the fluid, and the turbulence increases the efficiency of heat transfer from the fluid to other objects.

特開2008−292743号公報JP 2008-292743 A

しかし、特許文献1では、流体の流れに乱れを発生させて熱伝達率を高めるために、どのような脈動を発生させるかについては、具体的なことが記載されていない。   However, Patent Document 1 does not describe any specific pulsation in order to increase the heat transfer rate by generating disturbance in the fluid flow.

本発明は上記点に鑑み、流体の流れに乱れを発生させて熱伝達率を高めるのに適した脈動を流体に発生させることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to generate a pulsation suitable for increasing the heat transfer rate by generating a disturbance in the flow of the fluid.

上記目的を達成するための請求項1に記載の発明は、流体が流れる流路を有すると共に前記流体と他の物とを熱交換させる熱交換器(76)と、前記流路内の前記流体を脈動させる脈動発生手段(52、53)と、を備え、前記流路において前記流体の流れが流れ方向に流れる定常流となっているとき、前記流路の少なくとも一部における前記流体の流れは層流となり、前記流路の前記流れ方向上流端における前記流体の圧力から前記流路の前記流れ方向下流端における前記流体の圧力を減算した結果を前後圧力差とすると、前記脈動発生手段は、前記流路内の前記流体を脈動させることで、前記流体の流速が低下して前記前後圧力差が負になる逆勾配期間(T3)を発生させると共に、前記逆勾配期間において、前記流路の中央部からの距離よりも前記流路に面する内壁面(51a)からの距離の方が近い位置で、前記流れ方向とは逆方向に進む逆流を前記流体に発生させることを特徴とする流体輸送装置である。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a heat exchanger (76) having a flow path through which a fluid flows and exchanging heat between the fluid and another object, and the fluid in the flow path. Pulsation generating means (52, 53) for pulsating the fluid, and when the fluid flow is a steady flow that flows in the flow direction in the flow path, the fluid flow in at least a part of the flow path is When it becomes a laminar flow, and the result of subtracting the pressure of the fluid at the downstream end in the flow direction of the flow path from the pressure of the fluid at the upstream end in the flow direction of the flow path, the pulsation generating means By pulsating the fluid in the flow path, a reverse gradient period (T3) in which the flow velocity of the fluid decreases and the front-rear pressure difference becomes negative is generated, and in the reverse gradient period, Distance from center In the position it is close to the distance from the inner wall surface (51a) facing the flow path than the to the flow direction is a fluid transport device, characterized in that to generate a reverse flow traveling in the opposite direction to the fluid.

このように、脈動発生手段が、流路内の流体を脈動させることで、前後圧力差が負になる逆勾配期間において、内壁面の近傍で流体に逆流を発生させる。逆流が発生すると、流路における流体の流れに乱れが発生し、その結果、流体と他の物との間の熱伝達率が向上する。つまり、流体に逆流を発生させるように流体を脈動させることで、流体の流れに乱れを発生させて熱伝達率を高めるのに適した脈動を実現できる。   Thus, the pulsation generating means pulsates the fluid in the flow path, thereby generating a backflow in the fluid in the vicinity of the inner wall surface in the reverse gradient period in which the front-rear pressure difference is negative. When the backflow occurs, the fluid flow in the flow path is disturbed, and as a result, the heat transfer coefficient between the fluid and other objects is improved. That is, by pulsating the fluid so as to generate a backflow in the fluid, it is possible to realize pulsation suitable for increasing the heat transfer rate by generating turbulence in the fluid flow.

また、請求項7に記載の発明は、流体が流れる流路を有すると共に前記流体と他の物とを熱交換させる熱交換器(76)と、前記流路内の前記流体を脈動させる脈動発生手段(52、53)と、を備え、前記流路において前記流体の流れが流れ方向に流れる定常流となっているとき、前記流路の少なくとも一部における前記流体の流れは層流となり、
前記脈動発生手段は、所定の条件が満たされたことに基づいて、前記流路において前記流体の流れが流れ方向に流れる定常流となっている状態から、前記流路内の前記流体を脈動させることで、前記流体の流れに乱れが生じた状態にすることを特徴とする流体輸送装置である。
In addition, the invention according to claim 7 includes a heat exchanger (76) having a flow path through which the fluid flows and exchanging heat between the fluid and another object, and generation of pulsation to pulsate the fluid in the flow path. Means (52, 53), and when the fluid flow is a steady flow in the flow direction in the flow path, the fluid flow in at least a part of the flow path is a laminar flow,
The pulsation generating means pulsates the fluid in the flow path from a state where the flow of the fluid in the flow path is a steady flow flowing in a flow direction based on a predetermined condition being satisfied. Thus, the fluid transport device is characterized in that the fluid flow is disturbed.

脈動を発生するのに必要な動力エネルギーは、定常流を発生させるのに必要な動力エネルギーよりも高いことが多い。したがって、このように、所定の条件が満たされたときを選んで、すなわち、熱交換器の伝熱性能が増加が必要となる条件が満たされたときを選んで、脈動流を発生することにより、動力エネルギーを効果的に節約することができる。   The power energy required to generate pulsation is often higher than the power energy required to generate a steady flow. Therefore, by selecting a time when a predetermined condition is satisfied, that is, when a condition that requires an increase in the heat transfer performance of the heat exchanger is satisfied, a pulsating flow is generated. Power energy can be saved effectively.

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。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis in the said and the claim shows the correspondence of the term described in the claim, and the concrete thing etc. which illustrate the said term described in embodiment mentioned later. .

第1実施形態に係る実験装置の構成図である。It is a block diagram of the experimental apparatus which concerns on 1st Embodiment. 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。It is a figure which shows the voltage applied to the pump 52 in experiment. 第1流体のレイノルズ数Reおよび圧力勾配−dp/dxの変化の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the change of Reynolds number Re of 1st fluid, and pressure gradient -dp / dx. 1つの実験における第1流体のレイノルズ数Reおよび圧力勾配−dp/dxの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of Reynolds number Re and pressure gradient -dp / dx of the 1st fluid in one experiment. 実験結果の平均レイノルズ数Reaveと熱伝達率比を表すグラフである。It is a graph showing the average Reynolds number Reave of an experimental result, and heat-transfer coefficient ratio. 加速期間における第1流体の流速ベクトルを示す図である。It is a figure which shows the flow velocity vector of the 1st fluid in an acceleration period. 減速期間初期における第1流体の流速ベクトルを示す図である。It is a figure which shows the flow velocity vector of the 1st fluid in the deceleration period initial stage. 図7のVIII部分の拡大図である。It is an enlarged view of the VIII part of FIG. 減速期間中期における第1流体の流速ベクトルを示す図である。It is a figure which shows the flow velocity vector of the 1st fluid in the deceleration period middle period. 図10のX部分の拡大図である。It is an enlarged view of the X part of FIG. 流路内の第1流体の流れの変化を例示する図である。It is a figure which illustrates the change of the flow of the 1st fluid in a channel. 実験結果の無次元化圧力勾配と熱伝達率比を表すグラフである。It is a graph showing the dimensionless pressure gradient and heat transfer coefficient ratio of an experimental result. 第2実施形態において制御装置が実行する処理のフローチャートである。It is a flowchart of the process which a control apparatus performs in 2nd Embodiment. 第3実施形態において制御装置が実行する処理のフローチャートである。It is a flowchart of the process which a control apparatus performs in 3rd Embodiment. 第4実施形態における内壁面50aの形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the inner wall surface 50a in 4th Embodiment. 第5実施形態における内壁面50aの形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the inner wall surface 50a in 5th Embodiment. 第6実施形態における流路およびその周辺の形状を示す図である。It is a figure which shows the flow path in 6th Embodiment, and the shape of the periphery. 第6実施形態における流路およびその周辺の形状を示す図である。It is a figure which shows the flow path in 6th Embodiment, and the shape of the periphery.

(第1実施形態)
以下、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(流体輸送装置の一例に相当する)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流体を冷却する恒温水槽51が取り付けられている。また、主管50における恒温水槽51の下流には、第1流体を駆動する電動式のポンプ(より具体的にはDCポンプかつ容積型のギヤポンプ)が配置される。そして、制御装置53によってこのポンプ52にポンプ供給電圧が印加され、ポンプ52は、このポンプ供給電圧が増大するほど大きくなる出力で作動する。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、制御装置53からポンプ52への供給電圧が可変となっている。
(First embodiment)
The first embodiment will be described below. First, an experiment conducted by the inventor of the present application will be described. In the experimental apparatus shown in FIG. 1 (corresponding to an example of a fluid transport apparatus), a constant temperature water tank 51 for cooling the first fluid is provided in a part of the main pipe 50 through which the first fluid (specifically water) circulates. It is attached. In addition, an electric pump (more specifically, a DC pump and a positive displacement gear pump) that drives the first fluid is disposed downstream of the constant temperature water tank 51 in the main pipe 50. Then, a pump supply voltage is applied to the pump 52 by the control device 53, and the pump 52 operates with an output that increases as the pump supply voltage increases. The control device 53 is constituted by, for example, a DC power source and a function generator, and the supply voltage from the control device 53 to the pump 52 is variable.

また、主管50におけるポンプ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、主管50における流量計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。   A flow meter 54 for measuring the flow rate of the first fluid is disposed downstream of the pump 52 in the main pipe 50. In addition, a first temperature sensor 55 that detects the temperature of the first fluid is disposed downstream of the flow meter 54 in the main pipe 50, and a first pressure sensor 56 that detects the pressure of the first fluid is further downstream of the first temperature sensor 55. Has been placed. A second pressure sensor 57 that detects the pressure of the first fluid is disposed downstream of the first pressure sensor 56.

主管50の第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、圧力勾配測定部61となる。差圧計58によって、この圧力勾配測定部61における圧力勾配、すなわち、第1圧力センサ56が検出する圧力から第2圧力センサ57が検出する圧力を減算した値が、検出される。   From the position where the first pressure sensor 56 of the main pipe 50 is disposed to the position where the second pressure sensor 57 is disposed is the pressure gradient measuring unit 61. The differential pressure gauge 58 detects a pressure gradient in the pressure gradient measuring unit 61, that is, a value obtained by subtracting the pressure detected by the second pressure sensor 57 from the pressure detected by the first pressure sensor 56.

なお、圧力勾配測定部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、主管50における第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。   The main pipe 50 in the pressure gradient measuring unit 61 forms a straight circular pipe flow path, the inner diameter of the main pipe 50 is 9 mm, and the length in the longitudinal direction (fluid flow direction) is 2000 mm. Further, a second temperature sensor 59 for detecting the temperature of the first fluid is disposed downstream of the second pressure sensor 57 in the main pipe 50.

また、圧力勾配測定部61のうち、上流端から1000mmの位置から1100mmの位置までの部分は、長さ100mmの透明アクリル管から成る可視化部62である。圧力勾配測定部61のうち可視化部62以外の部分は、ステンレス鋼の管(すなわち、SUS管)で構成される。   Further, in the pressure gradient measuring unit 61, the part from the position of 1000 mm to the position of 1100 mm from the upstream end is a visualization unit 62 made of a transparent acrylic tube having a length of 100 mm. The portion other than the visualization unit 62 in the pressure gradient measurement unit 61 is configured by a stainless steel tube (that is, a SUS tube).

また、実験装置には、内部を第2流体(具体的には水)が循環する副管70が設けられ、副管70の一部に、第2流体を加熱する恒温槽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、副管70におけるポンプ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、副管70における流量計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
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、圧力勾配測定部61のうち上流端から1100mmの位置から1600mmの位置までの部分に接触することで主管50を取り囲んで配置されている。これにより、主管50の当該部分と外管70aとが、対向流型二重管式熱交換器76を構成する。なお、外管70aの内径は14mmであり、熱交換器76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76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に該当する。
Further, the experimental apparatus is provided with a sub pipe 70 in which a second fluid (specifically, water) circulates, and a thermostat 71 for heating the second fluid is disposed in a part of the sub pipe 70, A pump 72 that drives the second fluid is disposed downstream of the thermostatic chamber 71. A flow meter 73 for measuring the flow rate of the second fluid is disposed downstream of the pump 72 in the sub pipe 70. Further, a third temperature sensor for detecting the temperature of the second fluid is provided downstream of the flow meter 73 in the sub pipe 70. The sub pipe 70 includes an outer pipe 70 a downstream of the third temperature sensor 74. The outer pipe 70a is disposed so as to surround the main pipe 50 by contacting a portion of the pressure gradient measuring unit 61 from a position 1100 mm to a position 1600 mm from the upstream end. Thereby, the said part of the main pipe 50 and the outer pipe 70a comprise the counterflow type double pipe type heat exchanger 76. FIG. The inner diameter of the outer tube 70a is 14 mm, and the length of the heat exchanger 76 in the longitudinal direction is 500 mm. This convection type double tube heat exchanger 76 corresponds to a heat transfer coefficient measuring unit used for measuring the heat transfer coefficient of the first fluid.

また、副管70における外管70aの下流には、当該位置における第2流体の温度を検出する第4温度センサ75が配置されている。   Further, a fourth temperature sensor 75 for detecting the temperature of the second fluid at the position is disposed downstream of the outer tube 70a in the sub tube 70.

また、副管70を流れる第2流体の流量は1.5×10−5/sであり、外管70aに流入する第2流体の温度(第3温度センサ74の検出温度)が333Kとなるよう、恒温槽71の温度は調整される。また、圧力勾配測定部61の入口における第1流体の温度(第1温度センサ55の検出温度)が288Kとなるよう、恒温水槽51の温度が調整される。また、第1流体の流れを可視化する場合、第1流体には平均粒径55μm、比重1.02のポリスチレン粒子が混入される。 The flow rate of the second fluid flowing through the secondary pipe 70 is 1.5 × 10 −5 m 3 / s, and the temperature of the second fluid flowing into the outer pipe 70a (the temperature detected by the third temperature sensor 74) is 333K. Thus, the temperature of the thermostatic chamber 71 is adjusted. Further, the temperature of the constant temperature water tank 51 is adjusted so that the temperature of the first fluid at the inlet of the pressure gradient measuring unit 61 (the temperature detected by the first temperature sensor 55) is 288K. When the flow of the first fluid is visualized, polystyrene particles having an average particle diameter of 55 μm and a specific gravity of 1.02 are mixed in the first fluid.

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。   The inventor conducted the following experiment using such an experimental apparatus. First, the control device 53 controls the operation of the pump 52 to generate a pulsating flow in the first fluid in the main pipe 50. The pulsating flow is a flow whose flow rate periodically changes, and is a flow that flows in one direction as a bulk.

より具体的には、制御装置53からポンプ52に、図2に示すようなポンプ供給電圧を周期的に印加することで、ポンプ52の出力を周期的に変動させる。具体的には、個々の1周期Tにおいて、まず第1期間aにおいて、ポンプ供給電圧を最小値Vminから最大値Vmaxまで直線的に上昇させる。そして続く第2期間cにおいて、ポンプ供給電圧を最大値Vmaxに維持し、続く第3期間bにおいて、ポンプ供給電圧を最大値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が終了するまでポンプ供給電圧を最小値Vminに維持する。   More specifically, by periodically applying a pump supply voltage as shown in FIG. 2 from the control device 53 to the pump 52, the output of the pump 52 is periodically changed. Specifically, in each one cycle T, first, in the first period a, the pump supply voltage is linearly increased from the minimum value Vmin to the maximum value Vmax. In the subsequent second period c, the pump supply voltage is maintained at the maximum value Vmax, and in the subsequent third period b, the pump supply voltage is linearly decreased from the maximum value Vmax to the minimum value Vmin. Thereafter, the pump supply voltage is maintained at the minimum value Vmin until the current cycle T ends.

実験では、ポンプ52の出力を増大させる第1期間a、ポンプ52の出力を維持させる第2期間cの長さとして、それぞれ0.27秒を採用した。また、ポンプ52の出力を減少させる第3期間bの長さは、0秒、0.09秒、0.18秒、0.27秒の4種類を採用した。また、1周期Tの長さは1.82秒、周波数は0.55Hzである。   In the experiment, 0.27 seconds was adopted as the length of the first period a for increasing the output of the pump 52 and the length of the second period c for maintaining the output of the pump 52, respectively. Further, the length of the third period b for reducing the output of the pump 52 is 4 types of 0 seconds, 0.09 seconds, 0.18 seconds, and 0.27 seconds. Further, the length of one cycle T is 1.82 seconds, and the frequency is 0.55 Hz.

発明者は、上述の条件の下で複数の実験を行い、各実験において、熱伝達率比、ならびに、図3に例示するような第1流体のレイノルズ数Reの変化および圧力勾配−dp/dxの変化を、計測した。第1流体のレイノルズ数Re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。具体的には、Re=u[m/s]×De[m]/ν[m/s]という式で得られる。ここで、uは第1流体の流速、Deは圧力勾配測定部61の代表直径(具体的には内径)、νは第1流体の動粘度である。 The inventor conducted a plurality of experiments under the above-described conditions. In each experiment, the heat transfer ratio, the change in the Reynolds number Re of the first fluid and the pressure gradient −dp / dx as illustrated in FIG. The change of was measured. The Reynolds number Re of the first fluid is calculated based on the previously known characteristics of the first fluid, the known inner diameter of the main pipe 50, and the flow rate measured by the flow meter 54. Specifically, it is obtained by the equation Re = u [m / s] × De [m] / ν [m 2 / s]. Here, u is the flow velocity of the first fluid, De is the representative diameter (specifically, the inner diameter) of the pressure gradient measuring unit 61, and ν is the kinematic viscosity of the first fluid.

図3に示すように、ポンプ供給電圧が図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流体も同じ周期Tで周期的に脈動し、第1流体のレイノルズ数Reおよび圧力勾配−dp/dxもポンプ供給電圧と同じ周期Tで周期的に変動する。ここで、各周期Tにおける流体のレイノルズ数Reの変化において、最大レイノルズ数Rmaxと最小レイノルズ数Reminとの差をレイノルズ数振幅dReとし、このレイノルズ数振幅dRを平均レイノルズ数Reaveで除算した結果を、振幅比と呼ぶ。 As shown in FIG. 3, when the pump supply voltage fluctuates periodically as shown in FIG. 2 and a pulsating flow is generated in the first fluid, the first fluid also periodically pulsates with the same period T, and the first fluid The Reynolds number Re and the pressure gradient -dp / dx also periodically vary with the same period T as the pump supply voltage. Here, the change of the Reynolds number Re of a fluid in each period T, the difference between the maximum Reynolds number Rmax and the minimum Reynolds number Re min and Reynolds number amplitude DRE, and dividing the Reynolds number amplitude dR an average Reynolds number Re ave The result is called the amplitude ratio.

後述する実験結果としては、平均レイノルズ数Reaveが500以上2000以下となり、かつ、振幅比が1.5となるもののみを採用している。平均レイノルズ数Reaveのこのような領域は、多数個の流路が並列に配置され、かつ、個々の流路の水力直径が小さい熱交換器内部の流路において実現する。 As experimental results to be described later, only those having an average Reynolds number Re ave of 500 to 2000 and an amplitude ratio of 1.5 are used. Such a region having an average Reynolds number Re ave is realized in a flow channel inside a heat exchanger in which a large number of flow channels are arranged in parallel and the hydraulic diameter of each flow channel is small.

ここで、各実験において計測される圧力勾配−dp/dx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、圧力勾配の変化、および熱伝達率が計測される。   Here, the pressure gradient −dp / dx and the heat transfer coefficient ratio measured in each experiment will be described. In each experiment, the Reynolds number change, pressure gradient change, and heat transfer coefficient of the first fluid are measured.

圧力勾配は、ポンプ差圧計58の計測値を圧力勾配測定部61の全長(すなわち2000mm)で除算した値(単位はN/m)が採用される。 As the pressure gradient, a value (unit: N / m 3 ) obtained by dividing the measured value of the pump differential pressure gauge 58 by the total length (that is, 2000 mm) of the pressure gradient measuring unit 61 is adopted.

本実験では、第1流体として非圧縮性流体でありかつ液体である水を使用しているので、圧力勾配測定部61のどの部分においても、圧力勾配は同じである。したがって、本実験で得られた圧力勾配−dp/dxは、熱交換器76の任意の部分における第1流体の局所的な圧力勾配と一致し、また、熱交換器76の任意の区間全体における第1流体の圧力勾配と一致する。例えば、二重管式熱交換器76の前後圧力差を当該前後の距離で除算した値と一致する。   In this experiment, water that is an incompressible fluid and a liquid is used as the first fluid, and therefore the pressure gradient is the same in any part of the pressure gradient measurement unit 61. Therefore, the pressure gradient −dp / dx obtained in this experiment is consistent with the local pressure gradient of the first fluid in any part of the heat exchanger 76, and in the entire arbitrary section of the heat exchanger 76. It corresponds to the pressure gradient of the first fluid. For example, it matches the value obtained by dividing the pressure difference between the front and rear of the double-pipe heat exchanger 76 by the distance between the front and rear.

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Remin、最大レイノルズ数Remax、平均レイノルズ数Reave、および振幅比が特定される。 The heat transfer coefficient is specified based on the temperature of the second fluid measured by the third temperature sensor 74 and the temperature of the first fluid measured by the second temperature sensor 59. Further, from the Reynolds number change of the first fluid, the minimum Reynolds number Re min , maximum Reynolds number Re max , average Reynolds number Re ave , and amplitude ratio per cycle T are specified.

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流体の流れが定常流となっているときの熱伝達率で除算した値である。   The heat transfer coefficient ratio in each experiment is the steady flow of the flow of the first fluid having the same Reynolds number as the average Reynolds number measured in the experiment. It is the value divided by the heat transfer coefficient when

ここで、第1流体の流れが定常流となっているときの熱伝達率は、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流体を一定流量で駆動した状態で、上記実験と同様に計測される。その際、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。なお、第1流体は、流れが定常流となっている場合、主管50の圧力勾配測定部61の全体において、流れが層流となる。ここで、層流とは、規則正しく流線上を運動する流れをいう。これに対し、流れの乱れは、流れが時間的空間的に不規則に運動することをいう。   Here, the heat transfer coefficient when the flow of the first fluid is a steady flow is a state in which the first fluid is driven at a constant flow rate by applying a constant voltage to the pump 52 in the experimental apparatus in FIG. It is measured in the same manner as the above experiment. At that time, by adjusting the output of the pump 52, a steady flow having a desired Reynolds number by the first fluid can be realized. When the flow of the first fluid is a steady flow, the flow is a laminar flow in the entire pressure gradient measuring unit 61 of the main pipe 50. Here, the laminar flow refers to a flow that moves regularly on the streamline. On the other hand, the disturbance of the flow means that the flow moves irregularly in time and space.

このようにして得た実験結果においては、第1流体を脈動させた場合の圧力勾配−dp/dxは、ポンプ供給電圧と同じ周期Tで変動する。典型的には、図3に示すように変化する。具体的には、第1の期間aにおいて、最初はポンプ供給電圧の増加と共に圧力勾配−dp/dxも上昇するが、ある時点において圧力勾配−dp/dxがピークに到達し、その後はポンプ供給電圧が増加しながらも圧力勾配−dp/dxは減少する。   In the experimental results obtained in this way, the pressure gradient −dp / dx when the first fluid is pulsated fluctuates at the same period T as the pump supply voltage. Typically, it changes as shown in FIG. Specifically, in the first period “a”, the pressure gradient −dp / dx first increases with an increase in the pump supply voltage, but the pressure gradient −dp / dx reaches a peak at a certain point in time, and thereafter the pump supply is increased. The pressure gradient -dp / dx decreases as the voltage increases.

また、第2の期間cにおいてポンプ供給電圧が維持される間は圧力勾配−dp/dxが概ね正のまま全体的には減少する。その後、第3の期間bにおいて圧力勾配−dp/dxがそれまでよりも急激に減少して負に転じる。その後、第3の期間bが終了して次の第1の期間が始まるまでは、圧力勾配−dp/dxは緩やかに増加する。   Further, while the pump supply voltage is maintained in the second period c, the pressure gradient −dp / dx generally decreases while being generally positive. Thereafter, in the third period b, the pressure gradient −dp / dx decreases more rapidly than before and turns negative. Thereafter, the pressure gradient −dp / dx gradually increases until the third period b ends and the next first period starts.

ここで、圧力勾配−dp/dxの変化に応じて、一周期T、加速期間T1と減速期間T2に分割する。加速期間T1は、第1の期間aの開始時点(すなわち、ポンプ供給電圧の増加開始時点)から第2の期間bにおいて圧力勾配−dp/dxが初めて正から負に転じる時点までの期間である。減速時間T2は、第2の期間bにおいて圧力勾配−dp/dxが初めて正から負に転じる時点から次の第1の期間の開始時点(すなわち、ポンプ供給電圧の増加開始時点)までの期間である。   Here, according to the change of pressure gradient -dp / dx, it divides | segments into one period T, acceleration period T1, and deceleration period T2. The acceleration period T1 is a period from the start point of the first period a (that is, the increase start point of the pump supply voltage) to the point when the pressure gradient −dp / dx first changes from positive to negative in the second period b. . The deceleration time T2 is a period from the time point when the pressure gradient −dp / dx first changes from positive to negative in the second period b to the start point of the next first period (that is, the increase start point of the pump supply voltage). is there.

このようにして得られた実験結果について、以下説明する。まず、実験結果の1つとして、Reaveが2000で、第3期間bの長さが0.09秒の場合におけるレイノルズ数Reと圧力勾配−dp/dxの波形を図4に示す。 The experimental results thus obtained will be described below. First, as one of the experimental results, FIG. 4 shows waveforms of Reynolds number Re and pressure gradient −dp / dx when Re ave is 2000 and the length of the third period b is 0.09 seconds.

1周期開始時点(t=0)直後に圧力勾配−dp/dxは大きく増加し、それに伴いレイノルズ数Reも増加した。その後、ポンプ供給電圧は増加したまま圧力勾配−dp/dxは減少に転じるが、圧力勾配−dp/dxが正であるため、レイノルズ数Reは増加を続ける。   Immediately after the start of one cycle (t = 0), the pressure gradient −dp / dx greatly increased, and the Reynolds number Re also increased accordingly. Thereafter, the pressure gradient −dp / dx starts to decrease while the pump supply voltage increases, but the Reynolds number Re continues to increase because the pressure gradient −dp / dx is positive.

その後、レイノルズ数Reが最大レイノルズ数に到達した直後に、圧力勾配−dp/dxが僅かな期間だけ負となる。これは、ポンプ供給電圧が増加状態から一定状態に変化した結果である。   Thereafter, immediately after the Reynolds number Re reaches the maximum Reynolds number, the pressure gradient −dp / dx becomes negative for a short period. This is a result of the pump supply voltage changing from an increased state to a constant state.

その後、t=0.54秒の時点において、ポンプ供給電圧が減少し始めることにより、圧力勾配−dp/dxがそれまでよりも急激に低下し始める。その後、圧力勾配−dp/dxが負となりレイノルズ数Reが低下する。この、圧力勾配−dp/dxが負となる時点(t=0.58秒)が、加速期間T1から減速期間T2に移行する時点である。   Thereafter, at time t = 0.54 seconds, the pressure gradient −dp / dx begins to decrease more rapidly than before, as the pump supply voltage begins to decrease. Thereafter, the pressure gradient −dp / dx becomes negative and the Reynolds number Re decreases. This time point (t = 0.58 seconds) when the pressure gradient −dp / dx becomes negative is a time point when the acceleration period T1 shifts to the deceleration period T2.

なお、減速期間T2においては、圧力勾配−dp/dxが一端下限値に達した後に上昇し、負から正に転じるが、減速期間T2の開始時点から、その後最初に圧力勾配が正に転じる時点までの期間を、逆勾配期間T3(図3参照)という。   In the deceleration period T2, the pressure gradient −dp / dx rises after reaching the lower limit value once and turns from negative to positive, but from the start of the deceleration period T2, the time point when the pressure gradient first turns positive after that. This period is referred to as a reverse gradient period T3 (see FIG. 3).

次に、上記1つの実験結果を含む複数の実験結果について、縦軸を熱伝達率比とし横軸を平均レイノルズ数Reaveとする座標平面上にプロットした結果を図5に示す。なお、図5中の菱形は第3期間bが0.0秒の実験結果を示し、四角形は第3期間bの長さが0.09秒の実験結果を示し、三角形は第3期間bが0.18秒の実験結果を示し、円形は第3期間bが0.27秒の実験結果を示している。これらすべての実験で熱伝達率比は1より大きいので、脈動流により、定常流に対し熱伝達率が増加したことになる。 Next, FIG. 5 shows a result of plotting a plurality of experimental results including the above one experimental result on a coordinate plane with the vertical axis representing the heat transfer coefficient ratio and the horizontal axis representing the average Reynolds number Re ave . In addition, the rhombus in FIG. 5 shows the experimental result when the third period b is 0.0 seconds, the square shows the experimental result when the length of the third period b is 0.09 seconds, and the triangle shows the experimental result when the third period b is The experimental result of 0.18 seconds is shown, and the circle shows the experimental result of the third period b being 0.27 seconds. In all these experiments, the heat transfer coefficient ratio is greater than 1, which means that the heat transfer coefficient increased with respect to the steady flow due to the pulsating flow.

図4に示した実験結果について、可視化により得られた速度ベクトルを図6〜図10に示す。図6〜図10の各々において、紙面左から右への方向が、圧力勾配測定部61の流れ方向(すなわち、流路の長手方向に沿った上流から下流への方向)に相当する。ここで、流れ方向は、第1流体の流れが定常流となっている状態においてポンプ52が第1流体を付勢する方向と同じである。また、各図6、図7、図9の上下端が、主管50のうち流路に面する内壁面50aに相当する。また、各図において、矢印の向き及び長さは、それぞれ、第1流体の流速の向きおよび速度の大きさを表している。   FIG. 6 to FIG. 10 show velocity vectors obtained by visualization with respect to the experimental results shown in FIG. 6 to 10, the direction from the left to the right in the drawing corresponds to the flow direction of the pressure gradient measurement unit 61 (that is, the direction from the upstream to the downstream along the longitudinal direction of the flow path). Here, the flow direction is the same as the direction in which the pump 52 urges the first fluid in a state where the flow of the first fluid is a steady flow. 6, 7, and 9 correspond to the inner wall surface 50 a that faces the flow path in the main pipe 50. Moreover, in each figure, the direction and length of the arrow represent the direction and speed of the flow rate of the first fluid, respectively.

可視化においては、上述の通り第1流体にポリスチレン粒子(平均粒径55μm、比重1.02)を混入し、高速度カメラにより可視化部62の撮影を行った。そして、撮影画像をPIV処理することで、第1流体の流速ベクトルを得た。撮影時の光源としてはメタルハライドランプの透過光を用いた。   In visualization, polystyrene particles (average particle size 55 μm, specific gravity 1.02) were mixed in the first fluid as described above, and the visualization unit 62 was photographed with a high-speed camera. And the flow velocity vector of the 1st fluid was obtained by carrying out the PIV process of the picked-up image. As a light source at the time of photographing, transmitted light from a metal halide lamp was used.

なお、可視化部62は、熱交換器76の外側にある。しかし、可視化部62は熱交換器76のすぐ上流にあり、かつ、熱交換器76内の主管50の流路形状と可視化部62の流路形状とは、全く同じである。したがって、可視化部62における第1流体の流速ベクトルの特徴は、熱交換器76内の第1流体の流速ベクトルの特徴でもある。   The visualization unit 62 is outside the heat exchanger 76. However, the visualization unit 62 is located immediately upstream of the heat exchanger 76, and the flow channel shape of the main pipe 50 in the heat exchanger 76 and the flow channel shape of the visualization unit 62 are exactly the same. Therefore, the characteristic of the flow velocity vector of the first fluid in the visualization unit 62 is also the characteristic of the flow velocity vector of the first fluid in the heat exchanger 76.

図6に示すように、加速期間T1から減速期間T2に転じるt=0.58秒までは、第1流体の速度ベクトルは、主管50の長手方向に平行なもののみである。すなわち、第1流体の流れは、乱れの無い層流の状態にある。   As shown in FIG. 6, the velocity vector of the first fluid is only parallel to the longitudinal direction of the main pipe 50 until t = 0.58 seconds when the acceleration period T1 changes to the deceleration period T2. That is, the flow of the first fluid is in a laminar flow state without disturbance.

逆圧力勾配が加わり始めた直後のt=0.7秒以降の逆勾配期間T3において、図7、図8に示すように、主管50の内壁面近傍(流路の中央部からの距離よりも内壁面からの距離の方が近い位置)の流路で、ポンプ52の付勢方向とは逆方向に第1流体が進む逆流(図8の楕円枠内参照)が生じた。ポンプ52の付勢方向とは、定常流を実現する際における付勢方向である。   In the reverse gradient period T3 after t = 0.7 seconds immediately after the reverse pressure gradient starts to be applied, as shown in FIGS. 7 and 8, the vicinity of the inner wall surface of the main pipe 50 (rather than the distance from the center portion of the flow path). In the flow path at a position closer to the inner wall surface), a reverse flow (see the oval frame in FIG. 8) in which the first fluid travels in the direction opposite to the biasing direction of the pump 52 occurred. The energizing direction of the pump 52 is an energizing direction when realizing a steady flow.

その後、図9、図10に示すように、t=1.0秒において、主管50の内壁面近傍から離脱するように、主管の長手方向に垂直な方向の流れ(図10の楕円枠内参照)が生じた。すなわち、第1流体の流れに乱れが発生した。なお、t=1.0秒の時点は、既に逆勾配期間T3を過ぎている。   Thereafter, as shown in FIGS. 9 and 10, at t = 1.0 second, the flow in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the main pipe is separated from the vicinity of the inner wall surface of the main pipe 50 (see the inside of the ellipse frame in FIG. 10). ) Occurred. That is, the first fluid flow was disturbed. Note that the reverse gradient period T3 has already passed at the time point of t = 1.0 seconds.

このt=1.0秒の時点においては、図4に示すように、第1流体のレイノルズ数Reは2000よりも低く、更に1500よりも低いにも関わらず、第1流体の流れに乱れが発生している。   At the time point of t = 1.0 seconds, as shown in FIG. 4, although the Reynolds number Re of the first fluid is lower than 2000 and further lower than 1500, the flow of the first fluid is disturbed. It has occurred.

従来、定常流においては、レイノルズ数2000以下の流れは層流であり、レイノルズ数3000以上の流れは乱流であるというのが常識であった。しかしながら、本実施形態では、2000よりも低く、更に1500よりも低いレイノルズ数で乱れが発生している。したがって、脈動流により逆流を発生させることで、従来に比べ、低いレイノルズ数においても流れに乱れを発生させ、それにより第1流体の伝熱性能を向上させることができる。   Conventionally, in a steady flow, a flow having a Reynolds number of 2000 or less is a laminar flow, and a flow having a Reynolds number of 3000 or more is a turbulent flow. However, in this embodiment, the disturbance occurs at a Reynolds number lower than 2000 and further lower than 1500. Therefore, by generating the backflow by the pulsating flow, the flow is disturbed even at a low Reynolds number as compared with the conventional case, thereby improving the heat transfer performance of the first fluid.

さらに、この乱れは流れに沿って下流へと伝播する様子が観察された。その後、次周期の加速期間T1の前には、速度ベクトルは主管50の長手方向に平行なもののみに戻った。すなわち、第1流体は層流状態に復帰した。なお、本実験結果における熱伝達率比は1.35であった。   In addition, this turbulence was observed to propagate downstream along the flow. Thereafter, before the acceleration period T1 of the next cycle, the velocity vector returned to only one parallel to the longitudinal direction of the main pipe 50. That is, the first fluid returned to the laminar flow state. The heat transfer coefficient ratio in this experimental result was 1.35.

以下、上記のような実験結果の意義について説明する。第1流体の脈動流は、減速期間T2において、逆圧力勾配が加わることにより主管50の内壁面近傍において、主流(ポンプ52の付勢方向と同じ方向の主管50に沿った流れ)に対し逆流が生じた。これは、定常層流流れに逆圧力勾配が加わった際に見られる剥離と同様の現象と考えられる。   Hereinafter, the significance of the above experimental results will be described. The pulsating flow of the first fluid is reverse to the main flow (flow along the main pipe 50 in the same direction as the urging direction of the pump 52) in the vicinity of the inner wall surface of the main pipe 50 by applying a reverse pressure gradient in the deceleration period T2. Occurred. This is considered to be a phenomenon similar to the separation observed when a reverse pressure gradient is applied to a steady laminar flow.

上記のような実験結果によれば、図11に示すような現象が熱交換器76の内部の第1流体に発生している。図11の(a)〜(d)では、熱交換器76における主管50の内壁50aに囲まれた流路における第1流体の流速ベクトル80a〜80d、主管50の長手方向に垂直な面内における第1流体の流速分布81a〜81d、当該面内における第1流体のせん断力の分布82a〜82dを表している。   According to the above experimental results, the phenomenon shown in FIG. 11 occurs in the first fluid inside the heat exchanger 76. 11A to 11D, the flow velocity vectors 80 a to 80 d of the first fluid in the flow passage surrounded by the inner wall 50 a of the main pipe 50 in the heat exchanger 76, in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the main pipe 50. The flow velocity distributions 81a to 81d of the first fluid and the shear force distributions 82a to 82d of the first fluid in the plane are shown.

図11(a)、(b)に示すように、加速期間T1の初期および中後期(レイノルズ数Reが最大の時点を含む)においては、流速ベクトル80a、80bが主流の方向を向いており、第1流体が層流状態となっている。また、流速は、流路の中央部分が一番高く、内壁面51aに近づく程低下している。   As shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), in the early and middle late periods of the acceleration period T1 (including the time when the Reynolds number Re is maximum), the flow velocity vectors 80a and 80b are directed in the mainstream direction. The first fluid is in a laminar flow state. Further, the flow velocity is highest at the central portion of the flow path and decreases as it approaches the inner wall surface 51a.

その後、減速期間T2の初期(逆勾配期間T3)において、図11(c)に示すように、流路全体において第1流体の流速が低下することに伴い、主管50の内壁面50a近傍に逆流80cが生じる。すると、せん断力82c方向が流路中央の主流と反対方向となり、また、せん断力82cの最大値と最小値の差も最も大きくなる。したがって、第1流体が内壁面50a近傍において渦を生じやすい状態となる。   Thereafter, in the initial stage of the deceleration period T2 (reverse gradient period T3), as shown in FIG. 11C, the flow rate of the first fluid decreases in the entire flow path, so that the reverse flow near the inner wall surface 50a of the main pipe 50 occurs. 80c is produced. Then, the direction of the shearing force 82c becomes the opposite direction to the main flow at the center of the flow path, and the difference between the maximum value and the minimum value of the shearing force 82c becomes the largest. Therefore, the first fluid is likely to generate a vortex in the vicinity of the inner wall surface 50a.

その結果、図11(d)に示すように、減速期間T2の中後期において、内壁面50a近傍において第1流体の流れ80dに乱れが生じる。そしてさらに、その乱れが流路中央にも伝播し、その結果、レイノルズ数Reが大きく低下して最小になるので、熱伝達率比が増加する。   As a result, as shown in FIG. 11D, in the middle and late stages of the deceleration period T2, the first fluid flow 80d is disturbed in the vicinity of the inner wall surface 50a. Further, the disturbance is propagated to the center of the flow path, and as a result, the Reynolds number Re is greatly reduced and minimized, so that the heat transfer coefficient ratio is increased.

次に、上記1つの実験結果を含む複数の実験結果について、縦軸を熱伝達率比とし横軸を減速時無次元圧力勾配とする座標平面上にプロットした結果を図12に示す。ここで、無次元化圧力勾配は、減速期間T2における圧力勾配−dp/dxの平均値を、脈動の1周期Tにおける圧力勾配−dp/dxの平均値で、除算した値である。この値は、熱交換器76の流路の前後圧力差を減速期間T2について平均した値を、当該前後圧力差を1周期Tについて平均した値で除算した結果と、同じである。   Next, FIG. 12 shows a result of plotting a plurality of experimental results including the above one experimental result on a coordinate plane in which the vertical axis represents the heat transfer coefficient ratio and the horizontal axis represents the dimensionless pressure gradient during deceleration. Here, the dimensionless pressure gradient is a value obtained by dividing the average value of the pressure gradient −dp / dx in the deceleration period T2 by the average value of the pressure gradient −dp / dx in one cycle T of pulsation. This value is the same as the result obtained by dividing the value obtained by averaging the pressure difference across the flow path of the heat exchanger 76 for the deceleration period T2 by the value obtained by averaging the pressure difference before and after the period T.

ここで、熱交換器76の前後圧力差は、熱交換器76における第1流体の流路の流れ方向上流端における第1流体の圧力から、当該流路の流れ方向下流における第1流体の圧力を減算した結果の量である。   Here, the pressure difference between the front and rear of the heat exchanger 76 is the pressure of the first fluid downstream in the flow direction of the flow path from the pressure of the first fluid at the upstream end of the flow path of the first fluid in the heat exchanger 76. Is the result of subtracting.

減速期間T2における圧力勾配−dp/dxの平均値は、図3および図12において、−dp/dxの上に平均を示す横棒を付すと共に下付き添字T2を付した記号で表されている。また、脈動の1周期Tにおける圧力勾配−dp/dxの平均値は、図3および図12において、−dp/dxの上に平均を示す横棒を付すと共に下付き添字Tを付した記号で表されている。   The average value of the pressure gradient −dp / dx in the deceleration period T2 is represented by a symbol in FIG. 3 and FIG. 12 with a horizontal bar indicating the average above −dp / dx and a subscript T2. . Further, the average value of the pressure gradient -dp / dx in one cycle T of pulsation is a symbol in which a horizontal bar indicating the average is added above -dp / dx and a subscript T is added in FIG. 3 and FIG. It is represented.

また、図12中の菱形は平均レイノルズ数Reaveが2000の実験結果を示し、アスタリスク(*)は平均レイノルズ数Reaveが1500の実験結果を示し、円形は平均レイノルズ数Reaveが1000の実験結果を示し、三角形は平均レイノルズ数Reaveが750の実験結果を示し、四角形は平均レイノルズ数Reaveが500の実験結果を示す。 In addition, diamonds in FIG. 12 indicate experimental results with an average Reynolds number Re ave of 2000, asterisks (*) indicate experimental results with an average Reynolds number Re ave of 1500, and circles indicate an experiment with an average Reynolds number Re ave of 1000. Results are shown, triangles show experimental results with an average Reynolds number Re ave of 750, and squares show experimental results with an average Reynolds number Re ave of 500.

このグラフから示されるように、減速時無次元圧力勾配と熱伝達率比との間には、強い負の相関がある。具体的には、減速時無次元圧力勾配が小さくなるほど、熱伝達率比が大きくなる傾向がある。   As shown from this graph, there is a strong negative correlation between the dimensionless pressure gradient during deceleration and the heat transfer coefficient ratio. Specifically, the heat transfer coefficient ratio tends to increase as the dimensionless pressure gradient during deceleration decreases.

減速時無次元圧力勾配が小さいということは、減速期間T2における平均圧力勾配−dp/dxが周期Tにおける平均圧力勾配−dp/dxに対して小さいことを示している。つまり、減速期間T2における第1流体の減速度合いが大きいほど、減速時無次元圧力勾配が小さくなり、その結果、熱伝達率比が大きくなり、伝熱性能が向上する。   The small dimensionless pressure gradient during deceleration indicates that the average pressure gradient −dp / dx in the deceleration period T2 is smaller than the average pressure gradient −dp / dx in the period T. That is, the greater the degree of deceleration of the first fluid in the deceleration period T2, the smaller the dimensionless pressure gradient during deceleration. As a result, the heat transfer coefficient ratio increases and the heat transfer performance improves.

また、減速時無次元圧力勾配が−0.4以上の例については、減速期間T2において可視化部62の内壁面51a近傍に逆流の発生が確認されなかった。逆流の発生が確認されなかったのは、流速が非常に微小だったからであり、必ずしも逆流していないとは限らない。つまり、無次元化圧力勾配が−0.4以上の例については、減速期間T2において内壁面51a近傍に逆流が僅かに発生している可能性もあれば全く発生していない可能性もある。一般的には、弱い減速をごく短時間だけかけるような脈動では、逆流が生じず、乱れが生じ難い。   Further, in the example in which the dimensionless pressure gradient during deceleration was −0.4 or more, no backflow was observed in the vicinity of the inner wall surface 51a of the visualization unit 62 during the deceleration period T2. The generation of the backflow was not confirmed because the flow velocity was very small, and the backflow did not always occur. That is, in the example in which the non-dimensional pressure gradient is −0.4 or more, there is a possibility that a slight backflow is generated in the vicinity of the inner wall surface 51a during the deceleration period T2, or there is a possibility that no backflow is generated at all. In general, in a pulsation in which a weak deceleration is applied for a very short time, backflow does not occur and turbulence hardly occurs.

したがって、第1流体を強く減速させる程、逆流が顕著になり、ひいては、第1流体の流れに発生する乱れが大きくなる。また、第1流体の流れに発生する乱れが大きくなると、第1流体のうち壁面50a近傍で他の物(本実験では第2流体)と熱交換した部分が壁面50aから遠ざかるように運動するので、熱伝達が促進され、熱伝達効率が向上する。この効果が、図12の実験結果に現れている。   Therefore, as the first fluid is decelerated more strongly, the back flow becomes more conspicuous, and the turbulence generated in the flow of the first fluid becomes larger. Further, when the turbulence generated in the flow of the first fluid increases, the portion of the first fluid that exchanges heat with another object (second fluid in this experiment) near the wall surface 50a moves away from the wall surface 50a. , Heat transfer is promoted and heat transfer efficiency is improved. This effect appears in the experimental results of FIG.

なお、上記実験で用いている容積型のギヤポンプは、遠心型のポンプに比べて、構造上、ポンプ供給電圧を低下させた際に第1流体を減速させる度合いが高いので、脈動を利用して伝熱性能を向上させる目的には比較的適している。   Note that the positive displacement gear pump used in the above experiment has a higher degree of deceleration of the first fluid when the pump supply voltage is lowered than the centrifugal pump. It is relatively suitable for the purpose of improving heat transfer performance.

以上説明した通り、本実施形態では、第1流体が流れる流路を有すると共に第1流体と第2流体(他の物の一例に相当する)とを熱交換させる熱交換器76と、当該流路内の第1流体を脈動させるポンプ52および制御装置53と、を備えている。そして、当該流路において第1流体の流れが流れ方向に流れる定常流となっているとき、当該流路における第1流体の流れは層流となる。また、ポンプ52は、流路内の第1流体を脈動させることで、前記前後圧力差が負になる逆勾配期間(T3)を発生させると共に、前記逆勾配期間において、前記流路の中央部からの距離よりも前記流路に面する内壁面からの距離の方が近い位置で、前記流れ方向とは逆方向に進む逆流を前記第1流体に発生させることを特徴とする流体輸送装置。   As described above, in the present embodiment, the heat exchanger 76 that has a flow path through which the first fluid flows and exchanges heat between the first fluid and the second fluid (corresponding to an example of another object), and the flow A pump 52 and a control device 53 that pulsate the first fluid in the passage are provided. When the flow of the first fluid in the flow path is a steady flow that flows in the flow direction, the flow of the first fluid in the flow path becomes a laminar flow. The pump 52 pulsates the first fluid in the flow path to generate a reverse gradient period (T3) in which the pressure difference between the front and rear is negative, and in the reverse gradient period, a central portion of the flow path A fluid transporting device that causes the first fluid to generate a backflow that travels in a direction opposite to the flow direction at a position closer to the flow path from the inner wall surface that faces the flow path than the distance from the flow path.

このように、脈動発生手段が、流路内の第1流体を脈動させることで、前後圧力差が負になる逆勾配期間において、内壁面の近傍で第1流体に逆流を発生させる。逆流が発生すると、流路における第1流体の流れに乱れが発生し、その結果、第1流体と他の物との間の熱伝達率が向上する。つまり、第1流体に逆流を発生させるように、脈動周期T、加速期間T1、減速時間T2、および、減速期間T2における熱交換器76前後の圧力差を制御して第1流体を脈動させることで、流体の流れに乱れを発生させて熱伝達率を高めるのに適した脈動を実現できる。   In this way, the pulsation generating means pulsates the first fluid in the flow path, thereby generating a back flow in the first fluid in the vicinity of the inner wall surface in the reverse gradient period in which the front-rear pressure difference is negative. When the backflow occurs, the flow of the first fluid in the flow path is disturbed, and as a result, the heat transfer coefficient between the first fluid and another object is improved. That is, the first fluid is pulsated by controlling the pressure difference before and after the heat exchanger 76 in the pulsation cycle T, the acceleration period T1, the deceleration time T2, and the deceleration period T2 so as to generate a backflow in the first fluid. Thus, it is possible to realize pulsation suitable for increasing the heat transfer coefficient by generating disturbance in the fluid flow.

また、定常流の状態において当該流路の少なくとも一部が層流となっているからこそ、定常流時には層流であった箇所の流れに脈動および逆流による乱れが発生することで、熱伝達率が向上する。なお、本実施形態では、定常流の状態において当該流路の全部が層流となっている。   In addition, because at least a part of the flow path is laminar in the steady flow state, turbulence due to pulsation and backflow occurs in the flow where the flow was laminar during steady flow, resulting in a heat transfer coefficient. Will improve. In the present embodiment, the entire flow path is a laminar flow in a steady flow state.

なお、本実施形態および以降の各実施形態では、主管50のうち恒温水槽51内に存在する部分および恒温水槽51が、全体として第1流体の熱を放出する放熱器(熱交換器でもある)の一例に相当する。また、熱交換器76が、第2流体を冷却する冷却器の一例に相当する。また、主管50のうち、熱交換器76を構成する部分と恒温水槽51内に存在する部分の両方を除いた部分が、外部配管部の一例に相当する。また、恒温槽、副管70、第2流体が全体として発熱部の一例に相当する。また、ポンプ52と制御装置53の全体が、脈動発生手段の一例に相当する。   In addition, in this embodiment and each subsequent embodiment, the part which exists in the constant temperature water tank 51 in the main pipe 50 and the constant temperature water tank 51 discharge | release the heat | fever of the 1st fluid as a whole (it is also a heat exchanger). It corresponds to an example. The heat exchanger 76 corresponds to an example of a cooler that cools the second fluid. Moreover, the part except both the part which comprises the heat exchanger 76 in the main pipe 50, and the part which exists in the constant temperature water tank 51 corresponds to an example of an external piping part. The constant temperature bath, the sub pipe 70, and the second fluid correspond to an example of the heat generating portion as a whole. The pump 52 and the entire control device 53 correspond to an example of pulsation generating means.

(第2実施形態)
次に第2実施形態について説明する。本実施形態の流体輸送装置は、第1実施形態で実験装置として用いた流体輸送装置の一部を変更するものである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The fluid transportation device of this embodiment is a modification of a part of the fluid transportation device used as the experimental device in the first embodiment.

具体的には、第1実施形態に対して、制御装置53に第4温度センサ75(発熱部温度センサの一例に相当する)から検出信号が入力されるように変更されている。第4温度センサ75としては、サーミスタを有するセンサを用いてもよいし、熱電対を有するセンサを用いてもよい。制御装置53は、この検出信号に基づいて、当該第4温度センサ75が検出した第2流体の温度を取得することができる。   Specifically, the control device 53 is changed so that a detection signal is input from the fourth temperature sensor 75 (corresponding to an example of a heat generating part temperature sensor) to the first embodiment. As the fourth temperature sensor 75, a sensor having a thermistor may be used, or a sensor having a thermocouple may be used. The control device 53 can acquire the temperature of the second fluid detected by the fourth temperature sensor 75 based on the detection signal.

また、制御装置53は、図示しないCPU、RAM、ROM等を備えたマイクロコンピュータであり、CPUがROMから読み出したデータを実行し、その実行の際にRAMを作業領域として使用することで、図13に示す処理を実行する。   The control device 53 is a microcomputer provided with a CPU, RAM, ROM, etc. (not shown). The CPU executes data read from the ROM and uses the RAM as a work area during the execution. The process shown in FIG. 13 is executed.

図13の処理においては、まずステップ110で、ポンプ定常流制御を行う。ポンプ定常流制御では、ポンプ52に対するポンプ供給電圧を一定値に保つことで、主管50全体における第1流体の流れを一定にする。このとき、熱交換器76内の流路では、第1実施形態で示した通り、第1流体の流れが層流になっている。   In the process of FIG. 13, first, in step 110, pump steady flow control is performed. In the pump steady flow control, the flow of the first fluid in the entire main pipe 50 is made constant by keeping the pump supply voltage to the pump 52 at a constant value. At this time, in the flow path in the heat exchanger 76, as shown in the first embodiment, the flow of the first fluid is a laminar flow.

続いてステップ120では、第4温度センサ75からの検出信号に基づいて特定した第2流体の現在の温度Tj(外管70aの下流における温度)が130℃(第1温度の一例に相当する)未満であるか否か判定する。130℃未満である場合、ステップ110に戻ってポンプ供給電圧を一定値に保ち、再度ステップ120に進む。   Subsequently, in step 120, the current temperature Tj of the second fluid specified based on the detection signal from the fourth temperature sensor 75 (the temperature downstream of the outer tube 70a) is 130 ° C. (corresponding to an example of the first temperature). It is determined whether it is less than. When the temperature is lower than 130 ° C., the process returns to step 110 to keep the pump supply voltage at a constant value, and the process proceeds to step 120 again.

このように、制御装置53は、ポンプ供給電圧を一定値に保っているときは、第2流体の温度Tjが130℃に到達するまでは、ポンプ供給電圧を一定値に保つ制御を引き続き継続する。   As described above, when the pump supply voltage is maintained at a constant value, the control device 53 continues to maintain the pump supply voltage at a constant value until the temperature Tj of the second fluid reaches 130 ° C. .

その後、温度Tjが130℃を超えると、制御装置53は、ステップ120で温度が130℃以上である(所定の条件が満たされた)と判定し、ステップ130に進み、ポンプ脈動制御を行う。具体的には、第1実施形態の図12で無次元化圧力勾配が−0.04未満の実験例と同様のポンプ供給電圧を、ポンプ52に印加する。このとき、熱交換器76内の流路では、第1実施形態で示した通り、第1実施形態の当該実験結果と同等の圧力勾配−dp/dxおよびレイノルズ数Reの変動が発生し、逆勾配期間T2において逆流が発生する。そして、逆流の発生に伴い減速期間T2において第1流体の流れに乱れが発生する。したがって、定常流制御の場合に比べ、第1流体と第2流体の間の熱伝達率が向上し、外管70aの下流における第2流体の温度が低下する。   Thereafter, when the temperature Tj exceeds 130 ° C., the control device 53 determines in step 120 that the temperature is 130 ° C. or higher (a predetermined condition is satisfied), proceeds to step 130, and performs pump pulsation control. Specifically, a pump supply voltage similar to that in the experimental example in which the dimensionless pressure gradient is less than −0.04 in FIG. 12 of the first embodiment is applied to the pump 52. At this time, in the flow path in the heat exchanger 76, as shown in the first embodiment, fluctuations in the pressure gradient −dp / dx and the Reynolds number Re that are equivalent to the experimental result of the first embodiment occur, and the reverse Backflow occurs in the gradient period T2. As the reverse flow occurs, the flow of the first fluid is disturbed in the deceleration period T2. Therefore, compared with the case of steady flow control, the heat transfer coefficient between the first fluid and the second fluid is improved, and the temperature of the second fluid downstream of the outer tube 70a is lowered.

ステップ130に続いては、ステップ140において、現在の温度Tjが120℃(第1温度よりも低い第2温度の一例に相当する)未満であるか否かを判定し、120℃でなければステップ130に戻り、ポンプ脈動制御が継続し、再度ステップ140に進む。   Following step 130, in step 140, it is determined whether or not the current temperature Tj is less than 120 ° C. (corresponding to an example of a second temperature lower than the first temperature). Returning to 130, the pump pulsation control is continued, and the routine proceeds to step 140 again.

このように、制御装置53は、ポンプ脈動制御中は、第2流体の温度Tjが120℃未満まで下降するまでは、ポンプ脈動制御を引き続き継続するので、その間、外管70aの下流における第2流体の温度の低下が続く。   In this way, during the pump pulsation control, the control device 53 continues the pump pulsation control until the temperature Tj of the second fluid drops below 120 ° C., so that the second downstream of the outer pipe 70a during that time. The fluid temperature continues to drop.

その後、温度Tjが120℃未満にまで低下すると、制御装置53は、ステップ140で温度が120℃未満であると判定し、ステップ110に戻ってポンプ定常流制御を実行し、ステップ120に進む。このポンプ定常流制御により、熱交換器76内の流路において、第1流体の流れが定常流に戻ると共に、層流に戻る。   Thereafter, when the temperature Tj decreases to less than 120 ° C., the controller 53 determines in step 140 that the temperature is less than 120 ° C., returns to step 110 to execute the pump steady flow control, and proceeds to step 120. By this pump steady flow control, the flow of the first fluid returns to the steady flow and returns to the laminar flow in the flow path in the heat exchanger 76.

以上の通り、本実施形態では、制御装置53は、所定の条件が満たされたこと(発熱部の温度が第1温度以上になったこと)に基づいて、流路において第1流体の流れが定常流となっている状態から、第1流体を脈動させることで、第1流体の流れに乱れが生じた状態にする。   As described above, in the present embodiment, the control device 53 causes the flow of the first fluid in the flow path based on the fact that the predetermined condition is satisfied (the temperature of the heat generating part has become equal to or higher than the first temperature). By pulsating the first fluid from the steady flow state, the flow of the first fluid is disturbed.

脈動を発生するのに必要な動力エネルギーは、定常流を発生させるのに必要な動力エネルギーよりも高いことが多い。したがって、このように、所定の条件が満たされたときを選んで、すなわち、熱交換器の伝熱性能を増加すべき条件が満たされたときを選んで、脈動流を発生することにより、動力エネルギーを効果的に節約することができる。   The power energy required to generate pulsation is often higher than the power energy required to generate a steady flow. Therefore, by selecting when the predetermined condition is satisfied, that is, selecting when the condition for increasing the heat transfer performance of the heat exchanger is satisfied and generating the pulsating flow, Energy can be saved effectively.

(第3実施形態)
次に第2実施形態について説明する。本実施形態の流体輸送装置は、第1実施形態で実験装置として用いた流体輸送装置の一部を変更するものである。
(Third embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The fluid transportation device of this embodiment is a modification of a part of the fluid transportation device used as the experimental device in the first embodiment.

具体的には、第1実施形態に対して、制御装置53に第2温度センサ59(流体温度センサの一例に相当する)から検出信号が入力されるように変更されている。制御装置53は、この検出信号に基づいて、当該第2温度センサ59が検出した第1流体の温度を取得することができる。   Specifically, the control device 53 is changed so that a detection signal is input from the second temperature sensor 59 (corresponding to an example of a fluid temperature sensor) with respect to the first embodiment. The control device 53 can acquire the temperature of the first fluid detected by the second temperature sensor 59 based on the detection signal.

また、制御装置53は、図示しないCPU、RAM、ROM等を備えたマイクロコンピュータであり、CPUがROMから読み出したデータを実行し、その実行の際にRAMを作業領域として使用することで、図14に示す処理を実行する。   The control device 53 is a microcomputer provided with a CPU, RAM, ROM, etc. (not shown). The CPU executes data read from the ROM and uses the RAM as a work area during the execution. 14 is executed.

図14の処理においては、まずステップ210で、ポンプ定常流制御を行う。ポンプ定常流制御の内容は第2実施形態と同じであるので、説明は省略する。このとき、熱交換器76内の流路では、第1実施形態で示した通り、第1流体の流れが層流になっている。   In the process of FIG. 14, first, in step 210, pump steady flow control is performed. The details of the pump steady flow control are the same as those in the second embodiment, and a description thereof will be omitted. At this time, in the flow path in the heat exchanger 76, as shown in the first embodiment, the flow of the first fluid is a laminar flow.

続いてステップ220では、第2温度センサ59からの検出信号に基づいて特定した第1流体の現在の温度Tf(熱交換器76の下流における温度)が65℃(第1温度の一例に相当する)未満であるか否か判定する。65℃未満である場合、ステップ210に戻ってポンプ供給電圧を一定値に保ち、再度ステップ220に進む。   Subsequently, at step 220, the current temperature Tf of the first fluid specified based on the detection signal from the second temperature sensor 59 (temperature downstream of the heat exchanger 76) corresponds to 65 ° C. (an example of the first temperature). ) Is determined whether or not. When the temperature is lower than 65 ° C., the process returns to step 210 to keep the pump supply voltage at a constant value, and then proceeds to step 220 again.

このように、制御装置53は、ポンプ供給電圧を一定値に保っているときは、第1流体の温度Tfが65℃に到達するまでは、ポンプ供給電圧を一定値に保つ制御を引き続き継続する。   As described above, when the pump supply voltage is maintained at a constant value, the control device 53 continues to maintain the pump supply voltage at a constant value until the temperature Tf of the first fluid reaches 65 ° C. .

その後、温度Tfが65℃を超えると、制御装置53は、ステップ220で温度が65℃以上である(所定の条件が満たされた)と判定し、ステップ230に進み、ポンプ脈動制御を行う。ポンプ脈動制御の内容は第2実施形態と同じなので、説明は省略する。このとき、熱交換器76内の流路では、第1実施形態で示した通り、第1実施形態の当該実験結果と同等の圧力勾配−dp/dxおよびレイノルズ数Reの変動が発生し、逆勾配期間T3において逆流が発生する。そして、逆流の発生に伴い減速期間T2において第1流体の流れに乱れが発生する。したがって、定常流制御の場合に比べ、第1流体と第2流体の間の熱伝達率が向上し、外管70aの下流における第2流体の温度が低下する。   Thereafter, when the temperature Tf exceeds 65 ° C., the controller 53 determines in step 220 that the temperature is 65 ° C. or higher (a predetermined condition is satisfied), and proceeds to step 230 to perform pump pulsation control. Since the contents of the pump pulsation control are the same as those in the second embodiment, description thereof is omitted. At this time, in the flow path in the heat exchanger 76, as shown in the first embodiment, fluctuations in the pressure gradient −dp / dx and the Reynolds number Re that are equivalent to the experimental result of the first embodiment occur, and the reverse A backflow occurs in the gradient period T3. As the reverse flow occurs, the flow of the first fluid is disturbed in the deceleration period T2. Therefore, compared with the case of steady flow control, the heat transfer coefficient between the first fluid and the second fluid is improved, and the temperature of the second fluid downstream of the outer tube 70a is lowered.

ステップ230に続いては、ステップ240において、現在の温度Tfが60℃(第1温度よりも低い第2温度の一例に相当する)未満であるか否かを判定し、60℃でなければステップ230に戻り、ポンプ脈動制御が継続し、再度ステップ240に進む。   Subsequent to step 230, in step 240, it is determined whether or not the current temperature Tf is less than 60 ° C. (corresponding to an example of a second temperature lower than the first temperature). Returning to 230, the pump pulsation control continues, and the process proceeds to step 240 again.

このように、制御装置53は、ポンプ脈動制御中は、第1流体の温度Tfが60℃未満まで下降するまでは、ポンプ脈動制御を引き続き継続するので、その間、熱交換器76の下流における第1流体の温度の低下が続く。   In this way, during the pump pulsation control, the control device 53 continues the pump pulsation control until the temperature Tf of the first fluid drops below 60 ° C. During this time, the control device 53 continues the pump pulsation control downstream of the heat exchanger 76. The temperature of one fluid continues to decrease.

その後、温度Tfが60℃未満にまで低下すると、制御装置53は、ステップ240で温度が60℃未満であると判定し、ステップ210に戻ってポンプ定常流制御を実行し、ステップ220に進む。このポンプ定常流制御により、熱交換器76内の流路において、第1流体の流れが定常流に戻ると共に、層流に戻る。   Thereafter, when the temperature Tf decreases to less than 60 ° C., the control device 53 determines that the temperature is less than 60 ° C. in step 240, returns to step 210, executes pump steady flow control, and proceeds to step 220. By this pump steady flow control, the flow of the first fluid returns to the steady flow and returns to the laminar flow in the flow path in the heat exchanger 76.

以上の通り、本実施形態では、制御装置53は、所定の条件が満たされたこと(第1流体の温度が第1温度以上になったこと)に基づいて、流路において第1流体の流れが定常流となっている状態から、第1流体を脈動させることで、第1流体の流れに乱れが生じた状態にする。   As described above, in the present embodiment, the control device 53 causes the flow of the first fluid in the flow path based on the fact that the predetermined condition is satisfied (the temperature of the first fluid has become equal to or higher than the first temperature). From the state in which the flow is a steady flow, the first fluid is pulsated so that the flow of the first fluid is disturbed.

これにより、第2実施形態と同等の効果を得ることができる。また、発熱体の温度を検出することが困難な場合(例えば、発熱体が本実施形態とは違って車両のエンジンであった場合)において、発熱体の温度を直接検出する必要なく、動力エネルギーを効果的に節約することができる。   Thereby, the effect equivalent to 2nd Embodiment can be acquired. Further, when it is difficult to detect the temperature of the heating element (for example, when the heating element is a vehicle engine unlike the present embodiment), it is not necessary to directly detect the temperature of the heating element, and the power energy Can be effectively saved.

(第4実施形態)
次に第4実施形態について説明する。本実施形態の流体輸送装置は、第1〜第3実施形態の流体輸送装置に対し、熱交換器76における第1流体の流路に面した内壁面50aの形状を変更するものである。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. The fluid transport device of the present embodiment changes the shape of the inner wall surface 50a facing the flow path of the first fluid in the heat exchanger 76 with respect to the fluid transport devices of the first to third embodiments.

図15に、本実施形態の当該内壁面50aの断面形状を示す。この図に示すように、内壁面50aは凸凹に形成されている。内壁面50aがこのような形状になっていることで、熱交換器76内の流路は、上流から下流に向かって比較的緩やかに縮径し、その後比較的急激に拡径するという形状が繰り返される。   In FIG. 15, the cross-sectional shape of the said inner wall surface 50a of this embodiment is shown. As shown in this figure, the inner wall surface 50a is formed to be uneven. Because the inner wall surface 50a has such a shape, the flow path in the heat exchanger 76 has a shape in which the diameter gradually decreases from the upstream toward the downstream and then increases relatively rapidly. Repeated.

本実施形態において、制御装置53からポンプ52に印加するポンプ供給電圧を一定にし、ポンプ52の出力を一定にした場合、すなわち、熱交換器76内の流路における流量を一定(すなわち、時間的に不変)にした場合、図15に矢印で示すような流れが流路内に発生する。   In the present embodiment, when the pump supply voltage applied to the pump 52 from the control device 53 is made constant and the output of the pump 52 is made constant, that is, the flow rate in the flow path in the heat exchanger 76 is constant (that is, temporally). In this case, a flow as indicated by an arrow in FIG. 15 is generated in the flow path.

具体的には、上述の通り拡径した箇所の内壁面近傍において、第1流体が内壁面側に回り込んで渦を形成する。なお、流路内で渦が発生していない部分(中央部および内壁面近傍の一部)における第1流体の流れは、定常流かつ層流である。   Specifically, in the vicinity of the inner wall surface at the location where the diameter has been expanded as described above, the first fluid wraps around the inner wall surface to form a vortex. Note that the flow of the first fluid in the portion where the vortex is not generated in the flow path (the central portion and a portion near the inner wall surface) is a steady flow and a laminar flow.

このように、本実施形態では、内壁面53aが凸凹に形成されていることで、熱交換器76内の流路における第1流体の流量が一定になっているときに、当該流路内の一部(内壁面近傍)において第1流体が渦を形成する。   Thus, in this embodiment, when the flow rate of the 1st fluid in the flow path in the heat exchanger 76 is constant because the inner wall surface 53a is formed in unevenness, The first fluid forms a vortex in a part (near the inner wall surface).

したがって、第1〜第3実施形態のように脈動を発生させて逆勾配期間T3において逆流を発生させた場合においても、逆流に起因して発生した乱れが、元々あった渦によって更に拡大する。これにより、第1流体の流れに乱れが発生する現象がより顕著になり、その結果、伝熱性能が更に向上する。   Therefore, even when the pulsation is generated and the backflow is generated in the reverse gradient period T3 as in the first to third embodiments, the turbulence generated due to the backflow is further expanded by the original vortex. As a result, the phenomenon in which the flow of the first fluid is disturbed becomes more prominent, and as a result, the heat transfer performance is further improved.

なお、本実施形態では、熱交換器76における第1流体の流路に面した内壁面50aの形状が、第1〜第3実施形態とは異なるので、脈動により逆勾配期間T3に逆流が発生するための条件も第1〜第3実施形態とは同じではない。しかし、基本的には、第1実施形態で説明した減速時無次元圧力勾配が十分小さくなるよう、少なくとも−0.4未満になるよう、脈動のパラメータ(周期T、振幅(すなわち(Vmax−Vmin)/Vmax)、期間a、b、cの長さ)を調整するのは容易である。基本的には、振幅を大きくすればするほど減速時無次元圧力勾配が小さくなる傾向にあり、また、第3期間bの長さを短くすればするほど減速時無次元圧力勾配が小さくなる傾向にある。このことは、後述する第5、第6実施形態および変形例においても同じである。   In the present embodiment, the shape of the inner wall surface 50a facing the flow path of the first fluid in the heat exchanger 76 is different from those in the first to third embodiments, and therefore, backflow occurs in the reverse gradient period T3 due to pulsation. The conditions for doing this are not the same as those in the first to third embodiments. However, basically, the pulsation parameters (period T, amplitude (ie, (Vmax−Vmin) are set so that the dimensionless pressure gradient during deceleration described in the first embodiment is sufficiently small to be less than −0.4. ) / Vmax) and the lengths of periods a, b, and c) are easy to adjust. Basically, the greater the amplitude, the smaller the decelerationless dimensionless pressure gradient, and the shorter the length of the third period b, the smaller the decelerationless dimensionless pressure gradient. It is in. This is the same in the fifth and sixth embodiments and modifications described later.

(第5実施形態)
次に第5実施形態について説明する。本実施形態の流体輸送装置は、第1〜第3実施形態の流体輸送装置に対し、熱交換器76における第1流体の流路に面した内壁面50aの形状を変更するものである。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. The fluid transport device of the present embodiment changes the shape of the inner wall surface 50a facing the flow path of the first fluid in the heat exchanger 76 with respect to the fluid transport devices of the first to third embodiments.

図16に、本実施形態の当該内壁面50aの断面形状を示す。この図に示すように、内壁面50aは凸凹に形成されている。内壁面50aがこのような形状になっていることで、熱交換器76内の流路は、上流から下流に向かって比較的緩やかに拡径し、その後比較的急激に縮径するという形状が繰り返される。   In FIG. 16, the cross-sectional shape of the said inner wall surface 50a of this embodiment is shown. As shown in this figure, the inner wall surface 50a is formed to be uneven. Since the inner wall surface 50a has such a shape, the flow path in the heat exchanger 76 has a shape in which the diameter gradually increases from the upstream toward the downstream and then decreases relatively rapidly. Repeated.

本実施形態において、制御装置53からポンプ52に印加するポンプ供給電圧を一定にし、ポンプ52の出力を一定にした場合、すなわち、熱交換器76内の流路における流量を一定(すなわち、時間的に不変)にした場合、図16に矢印で示すような流れが流路内に発生する。   In the present embodiment, when the pump supply voltage applied to the pump 52 from the control device 53 is made constant and the output of the pump 52 is made constant, that is, the flow rate in the flow path in the heat exchanger 76 is constant (that is, temporally). 16), a flow as shown by an arrow in FIG. 16 is generated in the flow path.

具体的には、上述の通り拡径した箇所の内壁面に沿って第1流体が広がった後、縮径した箇所の内壁面に第1流体がぶつかることで、第1流体が渦を形成する。なお、流路内で渦が発生していない部分(中央部および内壁面近傍の一部)における第1流体の流れは、定常流かつ層流である。   Specifically, as described above, after the first fluid spreads along the inner wall surface of the enlarged diameter portion, the first fluid collides with the inner wall surface of the reduced diameter portion, so that the first fluid forms a vortex. . Note that the flow of the first fluid in the portion where the vortex is not generated in the flow path (the central portion and a portion near the inner wall surface) is a steady flow and a laminar flow.

このように、本実施形態では、内壁面53aが凸凹に形成されていることで、熱交換器76内の流路における第1流体の流量が一定になっているときに、当該流路内の一部(内壁面近傍)において第1流体が渦を形成する。   Thus, in this embodiment, when the flow rate of the 1st fluid in the flow path in the heat exchanger 76 is constant because the inner wall surface 53a is formed in unevenness, The first fluid forms a vortex in a part (near the inner wall surface).

したがって、第1〜第3実施形態のように脈動を発生させて逆勾配期間T3において逆流を発生させた場合においても、逆流に起因して発生した乱れが、元々あった渦によって更に拡大する。これにより、第1流体の流れに乱れが発生する現象がより顕著になり、その結果、伝熱性能が更に向上する。   Therefore, even when the pulsation is generated and the backflow is generated in the reverse gradient period T3 as in the first to third embodiments, the turbulence generated due to the backflow is further expanded by the original vortex. As a result, the phenomenon in which the flow of the first fluid is disturbed becomes more prominent, and as a result, the heat transfer performance is further improved.

(第6実施形態)
次に第6実施形態について説明する。本実施形態の流体輸送装置は、第1〜第3実施形態の流体輸送装置に対し、熱交換器76における第1流体の流路に面した内壁面50aに、部材を追加したものである。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment will be described. The fluid transport device of the present embodiment is obtained by adding members to the inner wall surface 50a facing the flow path of the first fluid in the heat exchanger 76 with respect to the fluid transport devices of the first to third embodiments.

図17に、本実施形態の流路およびその周辺の断面形状を示す。この図に示すように、本実施形態の当該内壁面50aには、複数個の可変抵抗部が配置されている。可変抵抗部の各々は、可動板50b、回転軸50c、軸受部材50d、回り止め部材50eを有している。   In FIG. 17, the cross-sectional shape of the flow path of this embodiment and its periphery is shown. As shown in this figure, a plurality of variable resistance portions are arranged on the inner wall surface 50a of the present embodiment. Each of the variable resistance portions includes a movable plate 50b, a rotating shaft 50c, a bearing member 50d, and a rotation preventing member 50e.

可動板50bは、平板形状の部材であり、長手方向の一端の辺において回転軸50cに固定されている。回転軸50cは、可動板50bの上記辺に平行に延びた棒形状の部材であり、両端が軸受部材50dによって回転可能に指示されている。軸受部材50dは、内壁面50aに固定されるともに、回転軸50cを回転可能に軸支する部材である。回り止め部材50eは、軸受部材50dと一体に形成された板形状の部材である。可動板50bの法線方向と回り止め部材50eの法線方向の両方に垂直な方向は、流路の長手方向と垂直になっている。   The movable plate 50b is a flat plate-like member, and is fixed to the rotating shaft 50c at one end in the longitudinal direction. The rotating shaft 50c is a rod-shaped member extending in parallel with the side of the movable plate 50b, and both ends thereof are instructed to be rotatable by the bearing member 50d. The bearing member 50d is a member that is fixed to the inner wall surface 50a and rotatably supports the rotary shaft 50c. The rotation preventing member 50e is a plate-shaped member formed integrally with the bearing member 50d. The direction perpendicular to both the normal direction of the movable plate 50b and the normal direction of the rotation preventing member 50e is perpendicular to the longitudinal direction of the flow path.

各可変抵抗部が、このような構造になっていることで、可動板50bは、回転軸50cを中心に回動自在になっていると共に、板面の一面側が内壁面50aに当接した位置で内壁面50aによって回動が制限され、板面の他面側が回り止め部材50eに当接した位置で回り止め部材50eによって回動が制限される。   Since each variable resistance portion has such a structure, the movable plate 50b is rotatable about the rotation shaft 50c, and a position where one surface of the plate surface abuts against the inner wall surface 50a. Thus, the rotation is restricted by the inner wall surface 50a, and the rotation is restricted by the anti-rotation member 50e at the position where the other side of the plate surface is in contact with the anti-rotation member 50e.

本実施形態において、ポンプ52の出力を一定にした場合、すなわち、熱交換器76内の流路における流量を一定(すなわち、時間的に不変)にした場合、図17に矢印で示すような流れが流路内に発生する。第1流体を脈動させた場合における加速期間T1においても同じである。   In this embodiment, when the output of the pump 52 is made constant, that is, when the flow rate in the flow path in the heat exchanger 76 is made constant (that is, unchanged in time), the flow shown by the arrow in FIG. Is generated in the flow path. The same applies to the acceleration period T1 when the first fluid is pulsated.

この場合、流路内における第1流体の流れに逆流が発生していないので、可動板50bは定常流の場合の流れ方向に付勢される。したがって、図17に示すように、板面の一面側が内壁面50aに当接した位置で可動部材50bが停止した状態になる。この結果、可動部材50bの板面が第1流体の流れ方向にほぼ平行になるので、可動部材50bは第1流体の流れを殆ど阻害しない。   In this case, since no reverse flow is generated in the flow of the first fluid in the flow path, the movable plate 50b is urged in the flow direction in the case of a steady flow. Accordingly, as shown in FIG. 17, the movable member 50b is stopped at a position where one surface side of the plate surface is in contact with the inner wall surface 50a. As a result, since the plate surface of the movable member 50b is substantially parallel to the flow direction of the first fluid, the movable member 50b hardly obstructs the flow of the first fluid.

一方、第1流体を脈動させた場合における減速期間T1においては、内壁面近傍において逆流または流れの乱れが発生する。したがって、図18に示すように、板面の他面側が回り止め部材50eに当接した位置で可動部材50bが停止した状態になる。このとき、可動部材50bが第1流体の逆流を堰き止めるような姿勢になっているので、逆流している第1流体が渦を発生し易くなる。すなわち、乱れが発生し易くなる。これにより、第1流体の流れに乱れが発生する現象がより顕著になり、その結果、伝熱性能が更に向上する。   On the other hand, in the deceleration period T1 when the first fluid is pulsated, backflow or flow disturbance occurs in the vicinity of the inner wall surface. Accordingly, as shown in FIG. 18, the movable member 50b is stopped at the position where the other surface side of the plate surface abuts against the rotation preventing member 50e. At this time, since the movable member 50b is in such a posture as to block the backflow of the first fluid, the backflowing first fluid is likely to generate a vortex. That is, disturbance is likely to occur. As a result, the phenomenon in which the flow of the first fluid is disturbed becomes more prominent, and as a result, the heat transfer performance is further improved.

(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。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。特に、ある量について複数個の値が例示されている場合、特に別記した場合および原理的に明らかに不可能な場合を除き、それら複数個の値の間の値を採用することも可能である。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。また、本発明は、上記各実施形態に対する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。
(Other embodiments)
In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, In the range described in the claim, it can change suitably. Further, the above embodiments are not irrelevant to each other, and can be combined as appropriate unless the combination is clearly impossible. In each of the above-described embodiments, the elements constituting the embodiment are not necessarily essential unless explicitly stated as essential and clearly considered essential in principle. Further, in each of the above embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, quantity, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, it is clearly limited to a specific number when clearly indicated as essential and in principle. The number is not limited to the specific number except for the case. In particular, when a plurality of values are exemplified for a certain amount, it is also possible to adopt a value between the plurality of values unless specifically stated otherwise and in principle impossible. . Further, in each of the above embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the component, etc., the shape, unless otherwise specified and in principle limited to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to the positional relationship or the like. The present invention also allows the following modifications to the above embodiments. In addition, the following modifications can select application and non-application to the said embodiment each independently. In other words, any combination of the following modifications can be applied to the above-described embodiment.

(変形例1)
上記実施形態においては、熱交換器として、対向流型二重管式熱交換器76が例示されている。しかし、本発明の熱交換器は、このような例に限らず、どのような熱交換器であってよい。例えば、複数個(例えば10個以上の多数個)の流路が並列に配置され、かつ、個々の流路の水力直径が1mmと小さい熱交換器にも適用可能である。
(Modification 1)
In the said embodiment, the counterflow type | mold double tube type heat exchanger 76 is illustrated as a heat exchanger. However, the heat exchanger of the present invention is not limited to such an example, and may be any heat exchanger. For example, the present invention can be applied to a heat exchanger in which a plurality of (for example, 10 or more) flow paths are arranged in parallel and the hydraulic diameter of each flow path is as small as 1 mm.

(変形例2)
また、上記実施形態においては、主管50の内径はすべて同じであった。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、主管50のうち、熱交換器76を構成する部分と恒温水槽51内に存在する部分の両方を除いた外部配管部は、上記実施形態よりも太くしてもよい。
(Modification 2)
Moreover, in the said embodiment, all the internal diameters of the main pipe 50 were the same. However, this is not necessarily the case. For example, the external pipe part excluding both the part constituting the heat exchanger 76 and the part existing in the constant temperature water tank 51 of the main pipe 50 may be thicker than the above embodiment.

(変形例3)
上記第2、第3実施形態の第1温度、第2温度は、それぞれ130℃、120℃および65℃、60℃となっているが、第1温度、第2温度は、第1温度が第2温度と同じか第2温度よりも高ければ、どのような温度であってもよい。
(Modification 3)
The first temperature and the second temperature of the second and third embodiments are 130 ° C., 120 ° C., 65 ° C., and 60 ° C., respectively, but the first temperature and the second temperature are the first temperature. Any temperature may be used as long as it is equal to or higher than the second temperature.

(変形例4)
本発明においては、発熱部は上記実施形態に示したようなものである必要はなく、例えば、インバータでもよいし、車両のエンジンであってもよい。
(Modification 4)
In the present invention, the heat generating portion need not be as shown in the above embodiment, and may be an inverter or a vehicle engine, for example.

(変形例5)
上記第2、第3実施形態では、それぞれ、第2流体(発熱体)の温度、および、第1流体の温度に基づいて、制御装置53によるポンプ52の制御内容(具体的には、ポンプ脈動制御の実行、非実行)を切り替えている。しかし、制御装置53によるポンプ52の制御内容は、他の要因に基づいて変化させるようになっていてもよい。
(Modification 5)
In the second and third embodiments, the contents of control of the pump 52 by the control device 53 (specifically, pump pulsation) based on the temperature of the second fluid (heating element) and the temperature of the first fluid, respectively. Control execution / non-execution). However, the control content of the pump 52 by the control device 53 may be changed based on other factors.

例えば、流量計54の検出結果に基づいて、脈動における振幅(すなわち(Vmax−Vmin)/Vmax)、脈動の周期T等を変化させてもよい。より具体的には、熱の輸送に必要な平均流量よりも流量計54が検出した流量が低ければ、平均流量を増加させるよう、上記振幅を増加させてもよい。   For example, the amplitude in pulsation (that is, (Vmax−Vmin) / Vmax), the pulsation period T, and the like may be changed based on the detection result of the flow meter 54. More specifically, if the flow rate detected by the flow meter 54 is lower than the average flow rate required for heat transport, the amplitude may be increased so as to increase the average flow rate.

また例えば、第1圧力センサ56、第2圧力センサ57、または差圧計58の検出結果に基づいて、逆勾配期間T3における前後圧力差(負値)が減少するよう、脈動における振幅(すなわち(Vmax−Vmin)/Vmax)、脈動の周期T等を変化させてもよい。   Further, for example, based on the detection result of the first pressure sensor 56, the second pressure sensor 57, or the differential pressure gauge 58, the amplitude in the pulsation (that is, (Vmax) is set so that the pressure difference (negative value) before and after the reverse gradient period T3 decreases. -Vmin) / Vmax), the period T of pulsation, and the like may be changed.

51a 内壁面
52 ポンプ
53 制御装置
59 第2温度センサ
75 第4温度センサ
76 対向流型二重管式熱交換器
T1 加速期間
T2 減速期間
T3 逆勾配期間
51a Inner wall surface 52 Pump 53 Control device 59 Second temperature sensor 75 Fourth temperature sensor 76 Counterflow double-pipe heat exchanger T1 Acceleration period T2 Deceleration period T3 Reverse gradient period

Claims (6)

流体が流れる流路を有すると共に前記流体と他の物とを熱交換させる熱交換器(76)と、
前記流路内の前記流体を脈動させる脈動発生手段(52、53)と、を備え、
前記流路において前記流体の流れが流れ方向に流れる定常流となっているとき、前記流路の少なくとも一部における前記流体の流れは層流となり、
前記流路の前記流れ方向上流端における前記流体の圧力から前記流路の前記流れ方向下流端における前記流体の圧力を減算した結果を前後圧力差とすると、前記脈動発生手段は、前記流路内の前記流体を脈動させることで、前記流体の流速が低下して前記前後圧力差が負になる逆勾配期間(T3)を発生させると共に、前記逆勾配期間において、前記流路の中央部からの距離よりも前記流路に面する内壁面(51a)からの距離の方が近い位置で、前記流れ方向とは逆方向に進む逆流を前記流体に発生させることを特徴とする流体輸送装置。
A heat exchanger (76) having a flow path through which the fluid flows and exchanging heat between the fluid and another object;
Pulsation generating means (52, 53) for pulsating the fluid in the flow path,
When the flow of the fluid in the flow path is a steady flow that flows in the flow direction, the flow of the fluid in at least a part of the flow path becomes a laminar flow,
When the result of subtracting the pressure of the fluid at the downstream end in the flow direction of the flow path from the pressure of the fluid at the upstream end in the flow direction of the flow path is a front-rear pressure difference, the pulsation generating means Pulsating the fluid, a reverse gradient period (T3) in which the flow velocity of the fluid decreases and the front-rear pressure difference becomes negative is generated, and in the reverse gradient period, from the center of the flow path A fluid transporting device, wherein the fluid generates a backflow that travels in a direction opposite to the flow direction at a position closer to the flow path than the inner wall surface (51a) facing the flow path.
前記脈動発生手段は前記流体を駆動するポンプ(52)および前記ポンプを制御する制御装置(53)を有し、
前記制御装置は、前記ポンプの出力を周期的に変動させることにより前記流体を周期的に脈動させ、
前記流路の前記流れ方向上流端における前記流体の圧力から前記流路の前記流れ方向下流端における前記流体の圧力を減算した結果である前後圧力差を前記上流端から前記下流端までの長さで除算した結果を圧力勾配とし、前記ポンプの出力が低下している期間(b)において前記圧力勾配が初めて正から負に転じる時点から前記ポンプの出力が増加し始める時点までの期間を減速期間(T2)とすると、前記圧力勾配を前記減速期間について平均した値を、前記圧力勾配を前記流体の脈動の一周期(T)について平均した値で除算した結果が、−0.4未満であることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
The pulsation generating means has a pump (52) for driving the fluid and a control device (53) for controlling the pump,
The controller periodically pulsates the fluid by periodically varying the output of the pump,
A length from the upstream end to the downstream end is obtained by subtracting the pressure of the fluid at the downstream end in the flow direction of the flow path from the pressure of the fluid at the upstream end in the flow direction of the flow path. Is a pressure gradient, and a period from the time when the pressure gradient first changes from positive to negative in the period (b) in which the pump output is reduced to the time when the pump output starts to increase is a deceleration period. Assuming that (T2), the result of dividing the value obtained by averaging the pressure gradient for the deceleration period by the value obtained by averaging the pressure gradient for one period (T) of the pulsation of the fluid is less than −0.4. The fluid transport device according to claim 1.
前記脈動発生手段は前記流体を駆動するポンプ(52)を有し、
前記ポンプは容積型ポンプであることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
The pulsation generating means has a pump (52) for driving the fluid,
The fluid transport device according to claim 1, wherein the pump is a positive displacement pump.
前記脈動発生手段は、前記流路内の前記流体を脈動させることで、前記逆勾配期間において前記流路の中央部からの距離よりも前記流路に面する内壁面からの距離の方が近い位置で、前記流れ方向とは逆方向に進む逆流を前記流体に発生させ、それにより、2000より低いレイノルズ数で前記流体の流れに乱れを生じさせることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の流体輸送装置。   The pulsation generating means pulsates the fluid in the flow path, so that the distance from the inner wall surface facing the flow path is closer than the distance from the center of the flow path during the reverse gradient period. 4. The flow according to claim 1, wherein a reverse flow is generated in the fluid in a direction opposite to the flow direction at a position, thereby disturbing the flow of the fluid at a Reynolds number lower than 2000. 5. The fluid transport device according to claim 1. 前記内壁面が凸凹に形成されていることで、前記流路における前記流体の流量が一定になっているときに、前記流路内の一部において前記流体が渦を形成することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の流体輸送装置。   Since the inner wall surface is formed to be uneven, the fluid forms a vortex in a part of the flow path when the flow rate of the fluid in the flow path is constant. The fluid transport device according to any one of claims 1 to 4. 前記脈動発生手段は、所定の条件が満たされたことに基づいて、前記流路において前記流体の流れが前記流れ方向に流れる定常流となっている状態から、前記流路内の前記流体を脈動させ、それにより、前記逆勾配期間において前記流路の中央部からの距離よりも前記流路に面する内壁面からの距離の方が近い位置で、前記流れ方向とは逆方向に進む逆流を前記流体に発生させることで前記流体の流れに乱れが生じた状態にすることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の流体輸送装置。   The pulsation generating means pulsates the fluid in the flow path from a state in which the flow of the fluid in the flow path is a steady flow flowing in the flow direction based on a predetermined condition being satisfied. Thus, in the reverse gradient period, a reverse flow that travels in a direction opposite to the flow direction at a position closer to the distance from the inner wall surface facing the flow path than to a distance from the center of the flow path. The fluid transport device according to any one of claims 1 to 5, wherein the fluid flow is disturbed by being generated in the fluid.
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