WO2014184964A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2014184964A1
WO2014184964A1 PCT/JP2013/063859 JP2013063859W WO2014184964A1 WO 2014184964 A1 WO2014184964 A1 WO 2014184964A1 JP 2013063859 W JP2013063859 W JP 2013063859W WO 2014184964 A1 WO2014184964 A1 WO 2014184964A1
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heat exchanger
heat
gas
treatment
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利則 川村
広 中野
和明 木藤
明紀 田村
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger.
  • Patent Documents 1 and 2 describe new heat transfer enhancement technologies that improve the heat transfer performance of heat exchangers.
  • the heat transfer enhancement technique described in Patent Document 1 is to improve convective heat transfer by forming a nanoparticle porous layer on the heat transfer surface and promoting molecular diffusion in the heat conduction region in the boundary layer. is there.
  • Patent Document 1 includes a dense solid and a porous lower layer formed of fine particles of copper oxide having an average diameter of 1 ⁇ m or less formed on a surface of the solid and formed of a first particle group having a substantially spherical shape.
  • a heat transfer medium comprising a porous upper layer composed of a second group of particles formed of nano-sized particles of copper oxide having an average diameter of 0.1 ⁇ m or less and having various shapes. .
  • Patent Document 2 has a nanoporous layer formed on at least a part of a heat transfer surface that is thermally connected to a heat exchanger such as a semiconductor element or air, and this nanoporous layer is formed.
  • a heat exchanger is described in which at least a part of the heat transfer surface is provided in a laminar run-up section.
  • Patent Document 1 Although the technique described in Patent Document 1 is technological in terms of improving heat transfer performance without being based on the boundary layer theory, there is room for improvement in terms of improving heat transfer performance.
  • Patent Document 2 describes the relationship between the heat transfer performance and the boundary layer thickness, but does not discuss the shape and size of the microstructure forming the nanoporous layer. There was room for improvement in terms of improvement.
  • An object of the present invention is to provide a heat exchanger with improved heat transfer performance.
  • the heat exchanger of the present invention includes a heat transfer unit that performs heat exchange by contacting with a gas, and a contact surface where the heat transfer unit contacts the gas has a height of 10 ⁇ m or less, and It is characterized by having a fine structure whose surface area is 10 times or more of a smooth surface.
  • a heat exchanger with improved heat transfer performance can be provided.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line AA in FIG. 7.
  • the heat exchanger according to the present embodiment is a so-called air-cooled heat exchanger that performs heat exchange with gas.
  • a heat exchanger examples include a shell-and-tube heat exchanger, a power semiconductor fin-type heat exchanger (heat sink), and a cross-fin heat exchanger for an air conditioner or an automobile radiator. It is not limited to these.
  • the heat transfer section provided in the heat exchanger takes various forms depending on the form of the heat exchanger.
  • a tube material heat transfer tube
  • fins may be provided on at least one of the outer surface and the inner surface in parallel or spirally along the major axis direction, preferably so as not to disturb the airflow. Alternatively, such fins may not be provided.
  • the fin provided in multiple numbers on the back surface of the surface attached to a heat source, the base-material surface between fins, etc. correspond.
  • tube connected with the hollow U-shaped pipe penetrated in multiple times corresponds.
  • the microstructure of a specific condition is provided in the surface where a heat-transfer part contacts gas, ie, the surface of a heat exchanger tube, the fin surface, and the base-material surface between fins. Note that the microstructure under specific conditions will be described later.
  • Gas can be flowed by forced convection or natural convection.
  • Forced convection refers to the flow of gas when it is forcibly generated by an external force
  • natural convection refers to the flow of gas when the flow due to external force is small or there is no external force.
  • turbulence tends to occur when the Reynolds number (Re) is large (for example, Re is 4000 or more), and laminar flow occurs when the Reynolds number is small (for example, Re is 2300 or less). It is said that it is easy.
  • natural convection tends to be laminar.
  • the turbulent flow refers to an irregular flow in time and space
  • the laminar flow refers to, for example, a flow in which a gas streamline in a tube is always parallel to the tube axis.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an aspect of a heat exchanger 100 according to the present embodiment.
  • this heat exchanger 100 is a shell and tube type heat exchanger.
  • tube plates 103 and 104 for supporting the heat transfer unit 102 are installed on the upper side and the lower side of a circular or polygonal shell 101.
  • a large number of tube holes 105 for passing the heat transfer section 102 are arranged in a staggered pattern in the tube plates 103 and 104.
  • the heat transfer section 102 is inserted into these tube holes 105 and fixed to the tube plates 103 and 104 at both ends.
  • this heat-transfer part 102 is provided in a shell and tube type heat exchanger, as above-mentioned, it is a heat exchanger tube with a circular or square cross section.
  • a water chamber 106 is provided on the upper tube sheet 103.
  • the water chamber 106 is provided with a nozzle 108 that introduces water vapor 107 that is a heat exchange target and is a high-temperature fluid.
  • a water chamber 109 is provided below the lower tube sheet 104.
  • the water chamber 109 is provided with a nozzle 111 for discharging condensed water 110 formed by condensing the heat-exchanged water vapor 107 to the outside of the apparatus.
  • a nozzle 113 for introducing a gas (air) 112, which is a low-temperature fluid, into the apparatus is provided on the lower side surface of the shell 101.
  • a nozzle 114 for discharging the gas 112 ′ introduced into the apparatus to the outside of the apparatus is provided on the upper side surface of the shell 101.
  • each component other than the heat transfer section 102 constituting the heat exchanger 100 may be formed using stainless steel, copper, aluminum, nickel, titanium, or an alloy thereof.
  • a plurality of steams 107 introduced into the apparatus from above the shell 101 are introduced into the apparatus from below while flowing down in the heat transfer section 102.
  • Heat exchange is performed through the tube wall of the heat transfer section 102 by the gas 112 rising upward through the heat transfer section 102.
  • the high-temperature water vapor 107 is cooled and condensed by the gas 112, becomes condensed water 110, and is discharged from the nozzle 111 to the outside of the apparatus.
  • the gas 112 ′ whose temperature has increased as a result of the heat exchange is discharged from the nozzle 114 to the outside of the apparatus.
  • the heat-transfer part 102 is provided with the contact surface 102a which contacts the gas 112.
  • FIG. 2 is an enlarged schematic view of the surface on the side where the heat transfer section 102 contacts the gas 112 in order to explain the microstructure 102b.
  • 3 to 6 are scanning electron microscope (SEM) images showing specific examples of the microstructure 102b, and FIG. 3 is an SEM obtained by imaging the surface of the microstructure 102b according to one embodiment.
  • FIG. 4 is an SEM image obtained by imaging the same cross section.
  • FIG. 5 is an SEM image obtained by imaging the surface of the fine structure 102b according to another embodiment, and
  • FIG. 6 is an SEM image obtained by imaging the same cross section.
  • the scale bar indicates 1 ⁇ m.
  • the microstructure 102b shown in FIGS. 2 to 6 has a height h (see FIG. 2) of 10 ⁇ m or less and a surface area of 10 times or more of a smooth surface. If the conditions that the height h of the microstructure 102b is 10 ⁇ m or less and the surface area is 10 times or more that of a smooth surface are satisfied simultaneously, the heat transfer performance can be improved.
  • the heat transfer performance cannot be improved.
  • the height h of the fine structure 102b exceeds 10 ⁇ m or the surface area is less than 10 times that of the smooth surface, the heat transfer performance cannot be improved.
  • the boundary layer is a thin layer that exists in the vicinity of the boundary of the contact surface 102a and cannot ignore the viscosity of the gas (it is strongly influenced by the viscosity of the gas).
  • the heat transfer performance of the heat exchanger 100 can be improved, but a turbulent flow is preferable because the heat transfer performance of the heat exchanger 100 can be further improved. More preferably, the Reynolds number of the gas is 30000 or more. If it does in this way, the heat transfer performance of the heat exchanger 100 can be improved more reliably. In order to set the gas Reynolds number to 30000, the flow rate of the gas introduced from the nozzle 113 into the apparatus may be increased.
  • the fine structure 102b is preferably the same material as the base material of the heat transfer section 102, that is, copper or a copper alloy, and more preferably not an oxide thereof.
  • the microstructure 102b is an oxide of copper or a copper alloy, the thermal conductivity is lowered, and the heat transfer performance of the heat exchanger 100 is lowered.
  • the microstructure 102b is the same material as the base material of the heat transfer section 102, it can have a thermal conductivity equal to or higher than that of the base material. That is, the heat transmitted through the heat transfer unit 102 can be efficiently transferred to the gas.
  • the shape of the fine structure 102b is preferably a dendritic structure or a needle-like structure.
  • the dendritic structure refers to a structure having a plurality of branches from the center toward the outside
  • the needle-shaped structure literally refers to a structure having a needle-like structure.
  • the length L of the heat transfer section 102 provided with the microstructure 102b is 25 times or more of the representative length of the flow.
  • the representative length of the flow in the present embodiment is a hydraulic equivalent diameter of the flow along the group of tube holes 104 (tube group).
  • the hydraulic equivalent diameter means a diameter of a circular tube equivalent to a cross section of a certain flow path, and can be represented by 4S 1 / L 1 .
  • S 1 is the flow passage cross-sectional area
  • L 1 is a cross-sectional length.
  • the contact surface that contacts the water vapor 107 which is the back surface of the contact surface 102a, is not particularly limited, and a fine structure similar to the fine structure 102b described above may or may not be provided.
  • a microstructure having a shape, a size, a surface area, a height, or the like different from that of the microstructure 102b can be provided on the contact surface in contact with the water vapor 107.
  • the fine structure 102b described above on the surface of the heat transfer section 102 there is a multi-bond process or a blackening reduction process, and the fine structure 102b is formed by these processes. preferable.
  • the multi-bond treatment can be performed by, for example, using a cleaning liquid, a pre-dip liquid, and a multi-bond liquid manufactured by Nihon McDermid Co., Ltd. in this order.
  • the treatment with the cleaning liquid can be, for example, a liquid temperature of 50 ° C. and a treatment time of 3 minutes
  • the treatment with the pre-dip liquid can be, for example, a liquid temperature of 25 ° C. and a treatment time of 1 minute.
  • the treatment with the bond liquid can be performed at, for example, a liquid temperature of 32 ° C. and a treatment time of 2 minutes.
  • these conditions can be changed suitably, and it is also possible to perform water washing and drying suitably after each process.
  • the blackening reduction treatment is, for example, after degreasing with a degreasing solution containing NaOH, etching with a copper etching solution containing ammonium persulfate, and subsequently removing the oxide film with an oxide film removing solution containing sulfuric acid. Subsequently, blackening treatment is performed with a blackening treatment solution containing sodium chlorite, sodium hydroxide, and sodium phosphate, and then reduction treatment is performed with a reduction treatment solution containing dimethylamine borane. It is good to do.
  • the treatment with the degreasing liquid can be, for example, a liquid temperature of 60 ° C.
  • the treatment with the copper etching liquid can be, for example, a liquid temperature of 25 ° C. and a treatment time of 1 minute.
  • the treatment with the oxide film removing liquid can be, for example, a liquid temperature of 25 ° C. and a treatment time of 3 minutes
  • the treatment with the blackening treatment liquid is, for example, a liquid temperature of 70 ° C. and a treatment time of 8 minutes. be able to.
  • the treatment with the reducing treatment liquid can be, for example, a liquid temperature of 25 ° C. and a treatment time of 5 minutes.
  • these conditions can be changed suitably and it is also possible to wash and dry suitably after each process.
  • the microstructure 102b shown in FIGS. 3 and 4 can be obtained, and when the blackening reduction process is performed, the microstructure 102b shown in FIGS. 5 and 6 can be obtained. .
  • the gas flow is a laminar flow because the contact surface 102a in contact with the gas 112 in the heat transfer section 102 includes the fine structure 102b. Even if it exists, high heat transfer performance can be demonstrated. Further, when the gas flow is turbulent, higher heat transfer performance can be exhibited. Therefore, the heat exchanger 100 according to the present embodiment can improve the heat transfer performance without increasing the number of heat transfer units. Therefore, in obtaining the target heat transfer performance, the number of heat transfer sections can be reduced, and the cost of the heat exchanger can be reduced. In addition, the size of the heat exchanger can be reduced and the weight can be reduced.
  • Process No. 1 Processing by multi-bond processing 1, a dendritic structure smaller than the boundary layer thickness is formed on the surface of a test piece made of a copper plate (C1020 defined in JIS H 3100) having the same chemical composition as a copper tube used as a heat transfer tube of a shell-and-tube heat exchanger. Formed body.
  • a copper plate C1020 defined in JIS H 3100
  • Such a dendritic structure was formed using a multi-bond manufactured by Nihon McDermid. Specifically, it was formed as follows. First, the copper plate was treated with a cleaning liquid (MB-115; concentration 100 mL / L) at a liquid temperature of 50 ° C. for a treatment time of 3 minutes, and then washed with water. Next, the copper plate was treated with a pre-dip solution (MB-100B; concentration 20 mL / L, MB-100C; concentration 29 mL / L) at a liquid temperature of 25 ° C. for a treatment time of 1 minute.
  • a cleaning liquid MB-115; concentration 100 mL / L
  • MB-100C concentration 29 mL / L
  • the SEM image shown in FIG. 3 is obtained by imaging the surface of the copper plate after the multi-bonding treatment with the SEM, and the SEM image shown in FIG. 4 is obtained by imaging the cross section.
  • Process No. 2 treatment by blackening reduction treatment 2, process no. A needle-like structure smaller than the boundary layer thickness was formed on the surface of a test piece made of the same copper plate as 1.
  • Such a needle-like structure was formed by subjecting a copper plate to a blackening reduction treatment. Specifically, it was formed as follows. First, the copper plate was treated with a degreasing liquid (NaOH concentration 40 g / L) at a liquid temperature of 60 ° C. for a treatment time of 3 minutes, and then washed with water. Next, the copper plate was treated with a copper etching solution (ammonium persulfate concentration 200 g / L, sulfuric acid concentration 5 mL / L) at a liquid temperature of 25 ° C. for a treatment time of 1 minute, and then washed with water.
  • a degreasing liquid NaOH concentration 40 g / L
  • a copper etching solution ammonium persulfate concentration 200 g / L, sulfuric acid concentration 5 mL / L
  • the copper plate was treated with an oxide film removing solution (sulfuric acid concentration 30 mL / L) at a liquid temperature of 25 ° C. for a treatment time of 3 minutes, and then washed with water.
  • the copper plate was treated with a blackening treatment liquid (sodium chlorite concentration 90 g / L, sodium hydroxide concentration 30 g / L, sodium phosphate concentration 15 g / L) at a liquid temperature of 70 ° C. and a treatment time of 8 minutes. After that, it was washed with water.
  • the copper plate was treated with a reduction treatment solution (dimethylamine borane concentration of 30 g / L) at a liquid temperature of 25 ° C. and a treatment time of 5 minutes, and then washed with water and dried.
  • the SEM image shown in FIG. 5 is obtained by imaging the surface of the copper plate after the blackening reduction treatment with the SEM, and the SEM image shown in FIG. 6 is obtained by imaging the cross section.
  • Process No. 3 No reduction process, only blackening process No. 3, process no. No. 1 on the surface of the test piece made of the same copper plate as that of No. 1. In the same manner as in No. 2, a needle-like structure smaller than the boundary layer thickness was formed. However, Process No. The treatment with the reduction treatment liquid described in 2 was not performed, and the copper plate was blackened with the blackening treatment liquid, then washed with water and dried to complete the whole treatment.
  • the surface of the copper plate after such blackening treatment is treated with No. As in the case of No. 2, an image was taken with SEM. It was confirmed that the fine needle-like structures similar to 2 were densely formed.
  • a treatment No. As in the case of copper plate 2 it was confirmed that a needle-like structure having a width of 0.1 ⁇ m or less was formed continuously with the base material of the copper plate.
  • the needle-like structure is copper oxide.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a test apparatus 200 used for conducting a heat transfer test.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the test apparatus 200 includes a rectangular tube 201, an air compressor 202, a panel heater 203 (see FIG. 8), an inlet thermometer 204, a test piece thermometer 205, and a mass flow meter 206.
  • the rectangular tube 201 is made of stainless steel, and the upstream portion is a layer running section 207 and the central portion is a heating section 208.
  • the heat transfer enhancement effect appears even when the airflow state is a laminar flow, but is more pronounced in a sufficiently developed turbulent boundary layer region.
  • the test piece 209 treated in 1 to 3 was installed, and the panel heater 203 was installed on the upper surface of the test piece 209.
  • the test piece 209 is processed No ..
  • the surface treated in 1 to 3 (contact surface 102a in the present invention) was installed so as to be inside the rectangular tube 201.
  • the surface on which the panel heater 203 is installed is a smooth surface.
  • One of the thermocouples for temperature measurement is installed as an inlet thermometer 204 in the layer run-up section 207 of the rectangular tube 201, and another thermocouple is installed as a test piece thermometer 205 inside the test piece 209.
  • the outside of the rectangular tube 201 was insulated with a glass wool material in order to prevent heat conduction to the outside.
  • Heat conductivity improvement rate The heat transfer rate calculated from the temperature measured in the heat transfer test was evaluated as a heat conductivity improvement rate based on a test piece having a smooth surface not subjected to surface processing.
  • Table 1 shows the evaluation results of the thermal conductivity improvement rate and the surface area ratio.
  • the height of the fine structure calculated from the SEM image and the material of the fine structure and the base material of the copper plate (described as “fine structure / base material” in Table 1) are shown. Indicated.
  • the thermal conductivity improvement rate is the processing number. No. 1 is 11%, treatment no. 2 is 10%, treatment no. 3 was 0%.
  • the surface area ratio is determined according to the treatment no. 1 is 58 times, processing No. In 2 and 3, it was 48 times.
  • the height of the fine structure is determined according to the process No. No. 1 is 2.3 ⁇ m, treatment no. In 2 and 3, it was 0.7 ⁇ m.
  • the fine structure / substrate is processed No. 1 and 2 are copper / copper, treatment no. 3 was copper oxide / copper.
  • the heat conduction improvement rate is high even in a dendritic or needle-like microstructure smaller than the boundary layer thickness, the heat transfer promoting effect in Patent Document 1 and Patent Document 2 is It was considered not unique to the porous layer.
  • the heat conduction improvement rate is the processing No. having the largest surface area ratio regardless of the shape of the fine structure. Since 1 was high, it was shown that there is a correlation between the heat transfer performance and the surface area ratio.
  • the thermal conductivity improvement rate is the processing No. 1 in which the thermal conductivity is lower than that of the base material. Since it was not improved by 3, it was shown that the heat transfer performance is affected by the thermal conductivity of the microstructure.
  • the main factor of the heat transfer enhancement effect by the fine structure was related to the surface area ratio, that is, the expansion of the heat transfer area. That is, it was considered that the fine structure acts as a heat transfer area in the heat transfer member. From the above, in order to improve the heat transfer performance, it is considered that a fine structure having a thermal conductivity equal to or higher than that of the substrate, smaller than the fluid boundary layer, and capable of expanding the surface area is effective.
  • the height is 10 ⁇ m or less and the surface area is Desirably 10 times or more with respect to a smooth surface, and if the base material and the material are the same microstructure, or if the microstructure and the material of the base material are different, the thermal conductivity is equal to or higher than the base material It was confirmed that it was desirable.
  • a method for forming a microstructure having a height of 10 ⁇ m or less and a surface area of 10 times or more with respect to a smooth surface is not limited to the above-described method, and may be formed by machining or the like.

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Abstract

伝熱性能を向上させた熱交換器を提供する。本発明に係る熱交換器（１００）は、気体（１１２）と接触して熱交換を行う伝熱部（１０２）を備え、当該伝熱部（１０２）が前記気体（１１２）と接触する接触面（１０２ａ）に、高さ１０μｍ以下、且つ、表面積が平滑面の１０倍以上となる微細構造体（１０２ｂ）を備えていることを特徴とする。前記気体（１１２）のレイノルズ数は３００００以上であるのが好ましく、前記微細構造体（１０２ｂ）は、前記接触面（１０２ａ）を形成する基材と同じ素材で形成されているのが好ましい。また、前記微細構造体（１０２ｂ）は、前記接触面（１０２ａ）を形成する基材と同等以上の熱伝導率を有しているのが好ましい。

Description

熱交換器
　本発明は、熱交換器に関する。
　熱交換器の伝熱性能を向上させる新しい伝熱促進技術が特許文献１、２に記載されている。特許文献１に記載されている伝熱促進技術は、伝熱面にナノ粒子多孔質層を形成させ境界層内の熱伝導領域における分子拡散を促進することによって対流熱伝達を向上させるというものである。特許文献１には、具体的には、緻密な固体と、その固体表面に形成され、平均直径１μｍ以下の酸化銅の微粒子からなりほぼ球状をなす第一の粒子群からなる多孔質の下層と、その上に形成され、平均直径０．１μｍ以下の酸化銅のナノサイズ粒子からなり多様な形状をなす第二の粒子群からなる多孔質の上層とを備えた熱伝達媒体が記載されている。
　また、特許文献２に記載されている伝熱促進技術は、ナノポーラス層を伝熱面に形成するというものである。特許文献２には、具体的には、半導体素子や空気などの被熱交換体と熱的に接続された伝熱面の少なくとも一部に形成されたナノポーラス層を有し、このナノポーラス層が形成されている伝熱面の少なくとも一部が、層流の助走区間内に設けられている熱交換器が記載されている。
特許第３６２９０２９号公報 特開２００６－１３２８４１号公報
　特許文献１に記載されている技術は、境界層理論に基づかずに伝熱性能を向上させるという点で画期的といえるが、伝熱性能を向上させる点で改善の余地があった。
　また、特許文献２には、伝熱性能と境界層厚さの関係は記載されているものの、ナノポーラス層を形成する微細構造体の形状やサイズについては何ら検討されておらず、伝熱性能を向上させる点で改善の余地があった。
　本発明の目的は、伝熱性能を向上させた熱交換器を提供することにある。
　前記課題を解決するため、本発明の熱交換器は、気体と接触して熱交換を行う伝熱部を備え、当該伝熱部が前記気体と接触する接触面に、高さ１０μｍ以下、且つ、表面積が平滑面の１０倍以上となる微細構造体を備えていることを特徴としている。
　本発明によれば、伝熱性能を向上させた熱交換器を提供することができる。
本実施形態に係る熱交換器の一態様を示す断面図である。 伝熱部１０２が気体１１２と接触する側の表面を拡大した模式図である。 一態様に係る微細構造体１０２ｂの表面を撮像したＳＥＭ像である。なお、図中のスケールバーは１μｍを示す。 図３と同じ微細構造体１０２ｂの断面を撮像したＳＥＭ像である。なお、図中のスケールバーは１μｍを示す。 他の態様に係る微細構造体１０２ｂの表面を撮像したＳＥＭ像である。なお、図中のスケールバーは１μｍを示す。 図５と同じ微細構造体１０２ｂの断面を撮像したＳＥＭ像である。なお、図中のスケールバーは１μｍを示す。 伝熱試験を行うために用いた試験装置の構成図である。 図７のＡ－Ａ線断面図である。
　以下、適宜図面を参照して、本発明に係る熱交換器の一実施形態について詳細に説明する。
　本実施形態に係る熱交換器は、気体で熱交換を行う、いわゆる空冷熱交換器である。このような熱交換器としては、例えば、シェルアンドチューブ型熱交換器、パワー半導体のフィン型熱交換器（ヒートシンク）、空調機や自動車のラジエータのクロスフィン型熱交換器などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
　本実施形態に係る熱交換器が備えている伝熱部は、熱交換器の形態に応じてさまざまな形態をとる。例えば、シェルアンドチューブ型熱交換器の場合の伝熱部としては、断面が円形又は角形のチューブ材（伝熱管）が該当する。なお、このようなチューブ材とする場合、その外表面及び内表面の少なくとも一方に、長軸方向に沿って並行に又は螺旋状に、望ましくは気流を妨げないようにフィンが設けられていてもよいし、そのようなフィンが設けられていなくてもよい。また、ヒートシンクの場合の伝熱部としては、発熱源に取り付けられる面の裏側の面に複数設けられているフィンや、フィンとフィンの間の基材表面などが該当する。そして、クロスフィン型熱交換器の場合の伝熱部としては、中空のＵ字管にて連結された中空の直状管が複数回貫通されたフィンが該当する。そして、本発明においては、伝熱部が気体と接触する面に、つまり、伝熱管の表面、フィン表面及びフィンとフィンの間の基材表面などに特定の条件の微細構造体が備えられる。なお、特定の条件の微細構造体については後述する。
　気体は、強制対流にて流すこともできるし、自然対流にて流すこともできる。強制対流とは、外力により強制的に発生させたときの気体の流れをいい、自然対流とは、外力による流れが小さいか、又は外力がないときの気体の流れをいう。一般的に、強制対流とした場合は、レイノルズ数（Ｒｅ）が大きい（例えば、Ｒｅが４０００以上）と乱流になり易く、レイノルズ数が小さい（例えば、Ｒｅが２３００以下）と層流になり易いと言われている。また、自然対流の場合は層流となり易いと言われている。なお、乱流とは、時間空間的に不規則な流れをいい、層流とは、例えば、管内の気体の流線が常に管軸と平行である流れをいう。
　図１は、本実施形態に係る熱交換器１００の一態様を示す断面図である。なお、この熱交換器１００は、シェルアンドチューブ型熱交換器である。
　かかる熱交換器１００は、円形または多角形のシェル１０１の上側と下側に伝熱部１０２を支えるための管板１０３、１０４が設置されている。
　管板１０３、１０４には、伝熱部１０２を通すための多数の管穴１０５が千鳥状に配列されている。伝熱部１０２はこれらの管穴１０５に挿入されて両端で管板１０３、１０４に固着されている。なお、かかる伝熱部１０２は、シェルアンドチューブ型熱交換器に備えられるものであるので、前記したように、断面が円形又は角形の伝熱管である。
　また、上側の管板１０３の上部には水室１０６が設けられている。この水室１０６には、熱交換される対象であり、高温流体である水蒸気１０７を導入するノズル１０８が設けられている。
　他方、下側の管板１０４の下部には水室１０９が設けられている。この水室１０９には、熱交換された水蒸気１０７が凝縮してできた凝縮水１１０を装置外に排出するノズル１１１が設けられている。
　そして、シェル１０１の下方側面には、低温流体である気体（空気）１１２を装置内に導入するためのノズル１１３が設けられている。
　他方、シェル１０１の上方側面には、装置内に導入された気体１１２’を装置外に排出するためのノズル１１４が設けられている。
　なお、前記した伝熱部１０２は、熱伝導性に優れる銅又は銅合金で形成するのが好ましい。熱交換器１００を構成する伝熱部１０２以外の各構成部品は、ステンレスや、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン又はこれらの合金を用いて形成してもよい。
　このような構成の熱交換器１００では、シェル１０１の上方から装置内に導入された水蒸気１０７が伝熱部１０２内を下方へ流下する間に、下方から装置内に導入され、複数設けられている伝熱部１０２の間をぬって上方に上昇する気体１１２により、当該伝熱部１０２の管壁を介して熱交換を行う。その結果、高温だった水蒸気１０７は気体１１２によって冷やされて凝縮し、凝縮水１１０となってノズル１１１から装置外に排出される。他方、熱交換した結果、温度が高くなった気体１１２’はノズル１１４から装置外に排出される。
　そして、本発明に係る熱交換器１００では、図２～６に示すように、伝熱性能を向上させるため、伝熱部１０２が気体１１２と接触する接触面１０２ａを備えている。
　なお、図２は、微細構造体１０２ｂを説明するために、伝熱部１０２が気体１１２と接触する側の表面を拡大した模式図である。また、図３～６は、微細構造体１０２ｂの具体例を示す走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscopy；ＳＥＭ）像であって、図３は、一態様に係る微細構造体１０２ｂの表面を撮像したＳＥＭ像であり、図４は、これと同じものの断面を撮像したＳＥＭ像である。また、図５は、他の態様に係る微細構造体１０２ｂの表面を撮像したＳＥＭ像であり、図６は、これと同じものの断面を撮像したＳＥＭ像である。なお、いずれの図面においても、スケールバーは１μｍを示している。
　図２～６に示す微細構造体１０２ｂは、高さｈ（図２参照）が１０μｍ以下、且つ、表面積が平滑面の１０倍以上となっている。
　微細構造体１０２ｂの高さｈが１０μｍ以下、且つ、表面積が平滑面である場合の１０倍以上という条件を同時に満たすようにすると、伝熱性能を向上させることができる。
　微細構造体１０２ｂの高さｈが１０μｍを超えたり、表面積が平滑面の１０倍未満となったりすると、伝熱性能を向上させることができない。なお、微細構造体１０２ｂの高さｈが境界層を超えると高い冷却効果を得ることができるが、これとトレードオフするかたちで圧力損失が生じてしまう。圧力損失が生じると、トータルとしては伝熱性能が向上しない場合がある。また、表面積が平滑面の１０倍未満であると、高い伝熱性能を得ることができない。なお、境界層とは、接触面１０２ａの境界近傍に存在する、気体の粘性を無視することができない（気体の粘性の影響を強く受ける）薄い層をいう。
　また、気体の流れは層流であっても熱交換器１００の伝熱性能を向上させることができるが、乱流とすると熱交換器１００の伝熱性能をより向上させることができるので好ましい。さらに好ましくは、気体のレイノルズ数を３００００以上とすることである。このようにすると、より確実に熱交換器１００の伝熱性能を向上させることができる。気体のレイノルズ数を３００００とするには、ノズル１１３から装置内に導入される気体の流量を大きくすればよい。
　微細構造体１０２ｂは、伝熱部１０２の基材と同じ素材、つまり、銅又は銅合金であるのが好ましく、これらの酸化物でないのがより好ましい。微細構造体１０２ｂが銅又は銅合金の酸化物であると、熱伝導率が低くなり、熱交換器１００の伝熱性能が低下する。言い換えれば、微細構造体１０２ｂが伝熱部１０２の基材と同じ素材であれば、当該基材と同等以上の熱伝導率を有することができる。つまり、伝熱部１０２を伝わってきた熱を効率良く気体に伝えることができる。
　微細構造体１０２ｂの形状は、樹状構造又は針状構造であるのが好ましい。ここで、樹状構造とは、中心から外側に向けて複数分岐した構造をしたものをいい、針状構造とは、文字どおり針状の構造をしたものをいう。これらの構造とすると、表面積を大きくすることが可能であり、熱交換器１００の伝熱性能をより確実に向上させることができる。
　図１に戻って説明を続ける。図１に示すように、微細構造体１０２ｂ（図２参照）を備えた伝熱部１０２の長さＬは、流れの代表長さの２５倍以上とする。なお、本実施形態における流れの代表長さとは、管穴１０４の群（管群）に沿った流れの水力等価直径をとる。水力等価直径とは、ある流路の断面と等価な円管の直径のことをいい、４Ｓ1／Ｌ1で表すことができる。なお、Ｓ1は流路断面積、Ｌ1は断面長である。このように、伝熱部１０２の長さＬを流れの代表長さの２５倍以上とすると、気流状態が乱流の場合に伝熱性能をより向上させることができる。
　一方で、接触面１０２ａの裏面となる、水蒸気１０７と接触する接触面については特に限定はなく、前記した微細構造体１０２ｂと同様の微細構造体を設けてもよいし、設けなくてもよい。また、水蒸気１０７と接触する接触面には、微細構造体１０２ｂとは異なる形状、大きさ、表面積、高さなどを有する微細構造体を設けることもできる。
　伝熱部１０２の表面に前記した微細構造体１０２ｂを形成する好適な手法としては、マルチボンド処理又は黒化還元処理があり、微細構造体１０２ｂはこれらの処理によって形成されたものであるのが好ましい。
　マルチボンド処理は、例えば、日本マクダーミッド社製のクリーニング液、プレディップ液、マルチボンド液を用いて、この順に処理することで行うことができる。
　クリーニング液での処理は、例えば、液温５０℃、処理時間３分とすることができ、プレディップ液での処理は、例えば、液温２５℃、処理時間１分とすることができ、マルチボンド液での処理は、例えば、液温３２℃、処理時間２分などすることができる。なお、これらの条件は適宜変更可能であり、各処理後に適宜水洗や乾燥を行うことも可能である。
　また、黒化還元処理は、例えば、ＮａＯＨを含んだ脱脂液による脱脂後、過硫酸アンモニウムを含んだ銅エッチング液によるエッチングを行い、これに続けて、硫酸を含む酸化膜除去液で酸化膜を除去し、さらにこれに続けて、亜塩素酸ナトリウムと、水酸化ナトリウムと、リン酸ナトリウムと、を含む黒化処理液による黒化処理を行い、次いで、ジメチルアミンボランを含む還元処理液により還元処理を行うとよい。
　脱脂液での処理は、例えば、液温６０℃、処理時間３分とすることができ、銅エッチング液での処理は、例えば、液温２５℃、処理時間１分とすることができる。また、酸化膜除去液での処理は、例えば、液温２５℃、処理時間３分とすることができ、黒化処理液での処理は、例えば、液温７０℃、処理時間８分とすることができる。そして、還元処理液での処理は、例えば、液温２５℃、処理時間５分とすることができる。なお、これらの条件は適宜に変更可能であり、各処理後に適宜水洗や乾燥を行うことも可能である。
　前記したマルチボンド処理を行うと、図３及び図４に示す微細構造体１０２ｂを得ることができ、黒化還元処理を行うと、図５及び図６に示す微細構造体１０２ｂを得ることができる。
　以上に説明した本実施形態に係る熱交換器１００によれば、伝熱部１０２における気体１１２と接触する接触面１０２ａに前記した微細構造体１０２ｂを備えているので、気体の流れが層流であっても高い伝熱性能を発揮することができる。また、気体の流れが乱流である場合は、さらに高い伝熱性能を発揮することができる。
　そのため、本実施形態に係る熱交換器１００は、伝熱部の本数を増加しなくても伝熱性能を向上させることができる。従って、目標の伝熱性能を得るにあたって、伝熱部の本数を削減できることから、熱交換器のコストを低くすることができる。また、熱交換器のサイズも小型化、軽量化することもできる。
　次に、実施例により本発明に係る熱交換器について具体的に説明する。
〔１〕処理Ｎｏ．１；マルチボンド処理による処理
　処理Ｎｏ．１では、シェルアンドチューブ型熱交換器の伝熱管として用いられる銅管と同じ化学組成の銅板（ＪＩＳ　Ｈ　３１００に規定のＣ１０２０）で作製した試験片の表面に、境界層厚さより小さい樹状構造体を形成した。
　かかる樹状構造体は日本マクダーミッド社のマルチボンドを用いて形成した。具体的には、次のようにして形成した。
　最初にクリーニング液（ＭＢ－１１５；濃度１００ｍＬ／Ｌ）にて、液温度５０℃、処理時間３分で銅板を処理した後、水洗を行った。
　次に、プレディップ液（ＭＢ－１００Ｂ；濃度２０ｍＬ／Ｌ、ＭＢ－１００Ｃ；濃度２９ｍＬ／Ｌ）にて、液温度２５℃、処理時間１分で銅板を処理した。
　そして、最後に、マルチボンド液（ＭＢ－１００Ａ；濃度１００ｍＬ／Ｌ、ＭＢ－１００Ｂ；濃度８０ｍＬ／Ｌ、ＭＢ－１００Ｃ；濃度４３ｍＬ／Ｌ、硫酸濃度５０ｍＬ／Ｌ）にて、液温度３２℃、処理時間２分で銅板を処理した後、水洗し、乾燥させた。
　前記マルチボンド処理を行った後の銅板の表面をＳＥＭにて撮像したものが、図３に示すＳＥＭ像であり、断面を撮像したものが、図４に示すＳＥＭ像である。
　図３のＳＥＭ像から約１～５μｍの微細な構造体（微細構造体）が不規則に形成されていることが確認された。また、図４のＳＥＭ像から一つの微細構造体は数ヶ所で枝分かれしている樹状構造であり、銅板の基材と連続して形成されていることが確認された。なお、樹状構造体は基材と同じ銅である。
〔２〕処理Ｎｏ．２；黒化還元処理による処理
　処理Ｎｏ．２では、処理Ｎｏ．１と同じ銅板で作製した試験片の表面に、境界層厚さより小さい針状構造体を形成した。
　かかる針状構造体は銅板を黒化還元処理することにより形成した。具体的には、次のようにして形成した。
　最初に脱脂液（ＮａＯＨ濃度４０ｇ／Ｌ）にて、液温度６０℃、処理時間３分で銅板を処理した後、水洗を行った。
　次に、銅エッチング液（過硫酸アンモニウム濃度２００ｇ／Ｌ、硫酸濃度５ｍＬ／Ｌ）にて、液温度２５℃、処理時間１分で銅板を処理した後、水洗を行った。
　次に、酸化膜除去液（硫酸濃度３０ｍＬ／Ｌ）にて、液温２５℃、処理時間３分で銅板を処理した後、水洗を行った。
　次に、黒化処理液（亜塩素酸ナトリウム濃度９０ｇ／Ｌ、水酸化ナトリウム濃度３０ｇ／Ｌ、リン酸ナトリウム濃度１５ｇ／Ｌ）にて、液温度７０℃、処理時間８分で銅板を処理した後、水洗を行った。
　そして、最後に、還元処理液（ジメチルアミンボラン濃度３０ｇ／Ｌ）にて、液温度２５℃、処理時間５分で銅板を処理した後、水洗し、乾燥させた。
　前記黒化還元処理を行った後の銅板の表面をＳＥＭにて撮像したものが、図５に示すＳＥＭ像であり、断面を撮像したものが、図６に示すＳＥＭ像である。
　図５のＳＥＭ像から針状の微細構造体（針状構造体）が密に形成されていることが確認された。また、図６のＳＥＭ像から、幅が０．１μｍ以下の針状構造体が銅板の基材と連続して形成されていることが確認された。なお、針状構造体は基材と同じ銅である。
〔３〕処理Ｎｏ．３；還元処理を行わない、黒化処理のみによる処理
　処理Ｎｏ．３では、処理Ｎｏ．１と同じ銅板で作製した試験片の表面に、処理Ｎｏ．２と同様にして境界層厚さより小さい針状構造体を形成した。ただし、処理Ｎｏ．２で説明した還元処理液での処理は行わず、黒化処理液で銅板を黒化処理した後、水洗して乾燥させて全処理を終了した。
　かかる黒化処理を行った後の銅板の表面を処理Ｎｏ．２と同様、ＳＥＭにて撮像したところ、処理Ｎｏ．２と同様の微細な針状構造体が密に形成されていることが確認された。また、かかる銅板の表面には、処理Ｎｏ．２の銅板と同じように、幅が０．１μｍ以下の針状構造が銅板の基材と連続して形成されていることが確認された。なお、この針状構造体は酸化銅である。
〔４〕伝熱試験
〔４－１〕伝熱試験で用いる試験装置の構成
　処理Ｎｏ．１～３で処理した銅板を用いて伝熱試験を行った。図７は、伝熱試験を行うために用いた試験装置２００の構成図である。また、図８は、図７のＡ－Ａ線断面図である。
　図７に示すように、かかる試験装置２００は、矩形管２０１とエアコンプレッサー２０２、パネルヒータ２０３（図８参照）、入口温度計２０４、試験片温度計２０５、質量流量計２０６を備えている。矩形管２０１はステンレス製であり、上流部が層助走区間２０７、中央部が加熱区間２０８となっている。
　伝熱促進効果は、気流状態が層流であっても発現するが充分に発達した乱流境界層領域ではより大きく発現するため、前記した層助走区間２０７を設けた。なお、この層助走区間２０７の距離ＬＬは、流れの代表長さをＤとすると式１で表すことができる（著者／編集：日本機械学会、ＪＳＭＥテキストシリーズ「流体力学」、出版社：日本機械学会、２０１１年５月発行、ｐ９０参照）。
　　ＬＬ＝（２５～４０）Ｄ　　　・・・（式１）
　そして、矩形管２０１の加熱区間２０８の上部に、図８に示すようにして処理Ｎｏ．１～３にて処理した試験片２０９を設置し、この試験片２０９の上面に前記パネルヒータ２０３を設置した。なお、試験片２０９は、処理Ｎｏ．１～３で処理した面（本発明でいうところの接触面１０２ａ）が矩形管２０１の内側となるように設置した。ちなみに、パネルヒータ２０３が設置される面は平滑面である。
　そして、温度測定用の熱電対の１つが、矩形管２０１の層助走区間２０７に入口温度計２０４として設置され、他のもう一つの熱電対が試験片２０９の内部に試験片温度計２０５として設置されている。
　なお、かかる試験装置２００では、外部への熱伝導を妨げるために矩形管２０１の外側はグラスウール材にて断熱した。
〔４－２〕伝熱試験の試験条件
　伝熱試験は、パネルヒータ２０３の出力を１６０Ｗとし、熱流束を固定して、エアコンプレッサー２０２の空気流量を変化させたときの入口空気温度と試験片２０９の壁面温度を測定した。
　なお、気体の流速は８～５５ｍ／ｓ、レイノルズ数は３００００～１８００００である。この条件での境界層厚さは６０～３００μｍと推測される。
〔４－３〕熱伝導向上率
　伝熱試験で測定した温度から算出される熱伝達率は、表面加工を施していない平滑な表面を有する試験片を基準とした熱伝導向上率として評価した。
〔４－４〕表面積比
　表面積の測定をクリプトンガス吸着法により行った。なお、クリプトンガス吸着法は、ＪＩＳ　Ｚ　８８３０に準拠して行った。測定された表面積は、表面加工を施していない平滑な表面を有する試験片を基準とした表面積比として評価した。
　熱伝導向上率と表面積比の評価結果を表１に示す。なお、表１には、これらと共に、ＳＥＭ像から算出される微細構造体の高さと、微細構造体及び銅板の基材の材質（表１において「微細構造体／基材」と記載）とを示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、熱伝導向上率は、処理Ｎｏ．１では１１％、処理Ｎｏ．２では１０％、処理Ｎｏ．３では０％であった。表面積比は、処理Ｎｏ．１では５８倍、処理Ｎｏ．２、３では４８倍であった。また、微細構造体の高さは、処理Ｎｏ．１では２．３μｍ、処理Ｎｏ．２、３では０．７μｍであった。そして、微細構造体／基材は、処理Ｎｏ．１、２では銅／銅、処理Ｎｏ．３では酸化銅／銅であった。
　表１に示すように、境界層厚さより小さい樹状や針状の微細構造体でも熱伝導向上率は高くなっていることから、特許文献１及び特許文献２における伝熱促進効果は、ナノ粒子多孔質層特有のものではないと考えられた。
　また、熱伝導向上率は、微細構造体の形状によらず、最も表面積比の大きい処理Ｎｏ．１が高くなっていることから、伝熱性能と表面積比に相関性のあることが示された。
　さらに、熱伝導向上率は、微細構造体が酸化銅で形成されているために熱伝導率が基材よりも低くなっている処理Ｎｏ．３では向上しないことから、伝熱性能は微細構造体の熱伝導率に影響されることが示された。
　これらの結果から、微細構造体による伝熱促進効果の主要因は、表面積比に関するもの、つまり、伝熱面積の拡大と考えられた。すなわち、微細構造体は伝熱部材における伝熱面積として作用していると考えられた。
　以上より、伝熱性能を向上させるためには、熱伝導率は基材と同等以上であり、流体境界層より小さく、且つ表面積を拡大可能な微細構造体が有効であると考えられる。
　従って、気体のレイノルズ数が３００００以上となる気流状態において、気体と伝熱部の間で熱交換を行う熱交換器の伝熱性能を向上させためには、高さ１０μｍ以下、且つ、表面積が平滑面に対して１０倍以上あることが望ましく、基材と素材が同じ微細構造体とするか、微細構造体と基材の素材が異なる場合には熱伝導率が基材と同等以上とするのが望ましいことが確認された。
　以上、発明を実施するための形態及び実施例により、本発明に係る熱交換器について詳細に説明したが、本発明の趣旨は前述した内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更例、変形例も含まれる。
　例えば、高さ１０μｍ以下、且つ、表面積が平滑面に対して１０倍以上となる微細構造体の形成方法は、前述した手法に限定されるものではなく、機械加工などにより形成してもよい。
　１００　熱交換器
　１０２　伝熱部
　１０２ａ　接触面
　１０２ｂ　微細構造体
　１１２　気体

Claims (7)

  1. 　気体と接触して熱交換を行う伝熱部を備え、当該伝熱部が前記気体と接触する接触面に、高さ１０μｍ以下、且つ、表面積が平滑面の１０倍以上となる微細構造体を備えていることを特徴とする熱交換器。
  2. 　前記気体のレイノルズ数が３００００以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　前記微細構造体は、前記基材と同じ素材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  4. 　前記微細構造体は、前記基材と同等以上の熱伝導率を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  5. 　前記微細構造体の形状が、樹状構造又は針状構造であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  6. 　前記伝熱部の長さを、流れの代表長さの２５倍以上としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  7. 　前記基材が銅又は銅合金であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
PCT/JP2013/063859 2013-05-17 2013-05-17 熱交換器 WO2014184964A1 (ja)

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