WO2015056290A1 - 流体流動特性の改善方法、該改善方法が施された熱交換器、蒸留装置、脱臭装置及び前記改善方法に使用される切延板 - Google Patents

流体流動特性の改善方法、該改善方法が施された熱交換器、蒸留装置、脱臭装置及び前記改善方法に使用される切延板 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for improving fluid flow characteristics, a heat exchanger (condenser, absorber, regenerator, etc.) subjected to the improvement method, a distillation apparatus, a deodorizing apparatus, and a cut plate used in the improvement method, More specifically, a method for improving fluid flow characteristics that greatly improves the flow characteristics of a fluid flowing through a channel sandwiched between two planes with a very simple configuration, and heat transfer efficiency and mass transfer efficiency by applying the improvement method
  • the present invention relates to a heat exchanger, a distillation apparatus, a deodorizing apparatus, and a cut plate used for the improvement method.
  • One is a single-phase flow in which a gas and a liquid each flow in a single phase
  • the other is a gas-liquid two-phase flow in which a gas and a liquid are mixed.
  • a heat exchanger that performs heating or cooling, and improvements to reduce a thermal resistance between a heat source and a fluid are continued.
  • Patent Document 1 the invention related to the shape of the radiating fin for directly cooling by the liquid flow (see Patent Document 1), or the cooling medium flowing between the standing walls of the comb-tooth member is swirled by a plurality of guide portions
  • Patent Document 2 An invention (see Patent Document 2) that makes it difficult to generate a non-uniform temperature distribution of the cooling medium is proposed.
  • Examples of the equipment related to the gas-liquid two-phase flow include an evaporator, an absorber, a regenerator, and a condenser of a lithium bromide-based (LiBr) absorption refrigerator.
  • a lithium bromide absorption refrigerator includes an evaporator, an absorber, a regenerator, and a condenser.
  • three heat exchangers excluding the regenerator are located inside the shell. It is a shell and tube type in which the heat transfer tubes are arranged in the horizontal direction. Water is allowed to flow in the heat transfer tube, and the heat transfer tube functions as a heating tube or a cooling tube.
  • the device is devised to increase its ability by devising the arrangement and number of heat transfer tube groups.
  • the lithium bromide aqueous solution film flowing down the surface of the cooling tube absorbs water vapor evaporated by the evaporator, and the system in which the absorber and the evaporator communicate with each other is kept at a high vacuum.
  • the water vapor absorption into the lithium bromide aqueous solution absorption heat is generated, so the lithium bromide aqueous solution is cooled by the cooling water flowing in the cooling pipe.
  • water vapor generated in the regenerator is returned to water (liquid) by condensation on the surface of the cooling pipe and sent to the evaporator.
  • a distillation apparatus can also be mentioned as an apparatus with which a gas-liquid two-phase flow is concerned.
  • the distillation apparatus is intended to separate a low-boiling component and a high-boiling component.
  • a distillation column is installed on the reboiler, and a condenser is arranged near the top of the column.
  • the semiconductor power module mounting water channel forming body described in Patent Document 1 and the power module heat sink described in Patent Document 2 have a very complicated structure in order to increase the heat transfer rate. There was a problem that the production of the machine required very high technology and high cost.
  • a high-performance and expensive heat transfer tube having an improved inner and outer surface shape is used as the heat transfer tube of the shell-and-tube heat exchanger in the above-described lithium bromide absorption refrigerator.
  • the heat transfer rate of these heat transfer tubes is usually less than 5000 W / m 2 ⁇ K (tube area standard)
  • a large number of heat transfer tubes are effectively installed in the shell. There was a problem that it had to be disposed and the cost would be increased.
  • a temperature boundary layer and a concentration boundary layer are formed in the liquid film of the lithium bromide aqueous solution flowing down the heat transfer tube, so that absorption and diffusion of the refrigerant vapor into the lithium bromide aqueous solution liquid film. There has been a problem that is suppressed.
  • the condenser when the condensate flows down the heat transfer tube surface as a liquid film, heat transfer occurs between the liquid film surface and the steam due to convective heat transfer, and the liquid film interior and the heat transfer surface There is a problem in that heat transfer is caused by heat conduction, the condensation heat transfer coefficient is determined by the thickness of the liquid film, and the condensation heat transfer coefficient decreases as the liquid film becomes thicker.
  • the water channel forming body for mounting the semiconductor power module and the heat sink for the power module have a very complicated structure in order to increase the heat transfer coefficient, The production required very high technology and high cost.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for improving fluid flow characteristics which can greatly improve the flow characteristics of a fluid flowing through a flow path sandwiched between two planes with a very simple configuration. And applying the improved method to a heat exchanger, a distillation apparatus, and a deodorizing apparatus, to provide a heat exchanger, a distillation apparatus, and a deodorizing apparatus in which the heat transfer efficiency and the mass transfer efficiency are greatly enhanced, and The object is to provide a sheet metal used for the improvement method.
  • a method (1) for improving fluid flow characteristics includes disposing a cut plate in a flow path formed between two opposed flat surfaces.
  • the local fluid flow guided to the slit plate is applied to various boundary layers formed between the two planes and the fluid, and the flow characteristics of the fluid related to heat transfer and / or mass transfer are promoted locally. It is characterized by improvement by action.
  • the flow characteristics of the fluid related to heat transfer and / or mass transfer are improved in the flow path formed between two opposed planes.
  • a cut plate is disposed, and a local fluid flow guided to the cut plate acts on various boundary layers formed between these two planes and the fluid.
  • the flow characteristics relating to heat transfer and / or mass transfer in the fluid can be greatly improved by local turbulence promoting action.
  • the fluid flow characteristics relating to heat transfer and / or mass transfer can be greatly improved with a very simple configuration in which the cut plate is disposed in a flow path formed between two planes. Therefore, unlike the conventional case described above, the heat transfer portion does not need to have a very complicated structure, and advanced technology and high cost are not required for manufacturing, and a significant cost reduction can be achieved. it can.
  • the fluid flow characteristic improving method (2) according to the present invention is an aspect in which the long direction of the elongated plate mesh is orthogonal to the fluid flow direction in the fluid flow characteristic improving method (1).
  • the cut plate is disposed in the flow path.
  • the local turbulence promoting action is further increased, and the fluid flow characteristics relating to heat transfer and / or mass transfer in the fluid are greatly improved. It can be.
  • the fluid flow characteristic improving method (3) is the above-described fluid flow characteristic improving method (1) or (2), wherein the cut width W of the slit plate is wider than that of a standard product, It is characterized in that the overall thickness D of the cut sheet is increased.
  • the flow resistance of the fluid in the flow path can be reduced, and the turbulent flow promoting action of the local fluid flow guided to the slit plate is enhanced. And the improvement of fluid flow characteristics with respect to heat transfer and / or mass transfer in the fluid can be greater.
  • the fluid flow characteristic improving method (4) according to the present invention is the above-mentioned fluid flow characteristic improving method (3), which is an isosceles right-angled triangle having two sides of the cut width W of the slit plate.
  • the length of the hypotenuse is set to a length that is half the short-way center distance SW of the elongated plate mesh.
  • the total thickness of the cut plate can be maximized, the flow resistance of the fluid in the flow path can be reduced, and the local fluid guided to the cut plate
  • the enhancement of the turbulence promoting action of the flow and the improvement of the fluid flow characteristics with respect to heat transfer and / or mass transfer in the fluid can be made larger and more reliable.
  • the heat exchanger according to the present invention is characterized in that the fluid flow characteristic improving method described in any one of the fluid flow characteristic improving methods (1) to (4) is applied.
  • the cut plate for improving the flow characteristics of the fluid relating to heat transfer is disposed in the flow path formed between the two planes arranged opposite to each other, and these two planes are arranged.
  • the local fluid flow guided to the slit plate acts on various boundary layers formed between the fluid and the fluid, and the fluid flow characteristics related to the heat transfer in the fluid are greatly improved by the local turbulence promoting action. be able to.
  • it has a very simple configuration in which the cut plate is disposed in a flow path formed between two planes, and the heat transfer portion is very complicated as in the conventional case described above. There is no need for a structure, and advanced technology and high cost are not required for manufacturing, and a significant cost reduction can be achieved.
  • distillation apparatus is characterized in that the fluid flow characteristic improving method described in any one of the fluid flow characteristic improving methods (1) to (4) is applied.
  • the cut plates for improving the flow characteristics of the fluid relating to heat transfer and mass transfer are disposed in the flow path formed between the two flat surfaces arranged opposite to each other.
  • the local fluid flow guided to the slit plate acts on various boundary layers formed between the two planes and the fluid, and the local fluid turbulence promoting action on the fluid flow characteristics related to heat transfer and mass transfer in the fluid Can greatly improve.
  • it has an extremely simple configuration in which the cut plate is disposed in a flow path formed between two planes, and the heat transfer and mass transfer portions are very difficult as in the conventional case described above. Therefore, it is not necessary to have a complicated structure, and advanced technology and high cost are not required for manufacturing, and the cost can be greatly reduced.
  • the deodorizing apparatus is characterized in that the fluid flow characteristic improving method described in any one of the fluid flow characteristic improving methods (1) to (4) is applied.
  • the cut plate for improving the flow characteristics of the fluid related to mass transfer is disposed in the flow path formed between the two planes arranged opposite to each other.
  • the local fluid flow guided to the slit plate acts on various boundary layers formed between the fluid and the fluid flow characteristics related to mass transfer in the fluid are greatly improved by local turbulence promoting action.
  • it has a very simple configuration in which the cut plate is disposed in a flow path formed between two planes, and the mass transfer portion is very complicated as in the conventional case described above. There is no need for a structure, and advanced technology and high cost are not required for manufacturing, and a significant cost reduction can be achieved.
  • the cut plate (1) according to the present invention is a cut plate used in the method (3) for improving fluid flow characteristics, and the step width W is set wider than that of the standard product, and the overall thickness D Is set to be thicker than standard products.
  • the cut plate (1) it is possible to reduce the fluid flow resistance in the flow path formed by being sandwiched between the two planes arranged opposite to each other, and the local fluid guided to the cut plate The action of the flow can be enhanced and the improvement in fluid flow characteristics with respect to heat and / or mass transfer in the fluid can be greater.
  • a slitting plate (2) according to the present invention is a slitting plate used in the method (4) for improving fluid flow characteristics, and is an isosceles right angle having two lengths of the step width W. It is characterized in that the length of the hypotenuse of the triangle is set to a half length of the mesh center distance SW in the short direction.
  • the total thickness of the cut plate is maximized, and the fluid flow resistance is reduced in the flow path formed by being sandwiched between two opposed planes.
  • the enhancement of the action of the local fluid flow led to and the improvement of the fluid flow characteristics with respect to heat transfer and / or mass transfer in the fluid can be made larger and more reliable.
  • (1) to (3) are graphs showing the heat flow measurement results according to the embodiment and the comparative example. It is a graph which shows the heat flow measurement result which concerns on embodiment and a comparative example.
  • (1) to (3) are graphs showing the heat flow measurement results according to the embodiment and the comparative example. It is a graph which shows the heat flow measurement result which concerns on embodiment and a comparative example. It is a disassembled perspective view which shows the cooler (heat exchanger) which concerns on embodiment. It is a perspective view which shows the flat plate type heat exchanger tube which concerns on embodiment.
  • (1) to (3) are perspective views showing a part of a cylindrical heat transfer tube according to a cylindrical type, a comparative example, and an embodiment.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view showing a fluid flow characteristic improving method type II according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view showing type I
  • FIG. 3 is used in these methods.
  • FIG. 2 is a front view and a cross-sectional view taken along line AA showing a cut sheet.
  • reference numeral 11 denotes a flow path plane.
  • a flow path 12 is formed between the flow path planes 11 and 11, and a cut plate 13 is disposed in the flow path 12.
  • Reference numeral 14 denotes a fluid flow. In the fluid, various boundary layers 15 are formed in the flow path 12, and a local fluid flow 16 is formed under the influence of the cut plate 13.
  • type I and type II the arrangement method of the cut plate 13 with respect to the fluid flow 14 is different.
  • type II shown in FIG. Are arranged in the flow path 12 in such a manner that they are orthogonal to each other.
  • the cut plate 13 is disposed in the flow path 12 in such a manner that the long direction of the cut plate mesh is parallel to the fluid flow 14. Since the cut plate 13 is manufactured by forming a mesh in a zigzag arrangement using a blade shape on a steel plate and simultaneously stretching it, the cut plate 13 has a structure as shown in FIG.
  • the distance between centers in the mesh long direction is LW
  • the distance between centers in the short mesh direction is SW
  • the thickness is T
  • the step width is W
  • the total thickness is D.
  • the thin part of the mesh is called strand 18, and the thick part where the mesh intersects is called bond 19.
  • various cut plates 13A and 13B which are different from standard products as shown in (2) (3) in FIG. 4 and (2) (3) in FIG. 5, are also manufactured and used.
  • the effects of the invention can be amplified.
  • the cut plate 13A shown in (2) of FIG. 4 and (2) of FIG. 5 has a step width W larger than that of the standard, and (3) of FIG. 4 and (3) of FIG.
  • a plate having a thickness T smaller than that of the standard is used.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing a heat flow measuring device according to the embodiment
  • FIG. 7 is an exploded perspective view showing a fixed flow path portion of the heat flow measuring device
  • FIG. 8 is a variable flow of the heat flow measuring device.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view showing a path portion
  • FIG. 9 is an assembled perspective view showing a heat flow measuring device
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line HH showing the heat flow measuring device.
  • Reference numeral 20 denotes a fixed flow path section.
  • the fixed flow path section 20 has a fluid inlet pipe 21 and a fluid outlet pipe 22 connected to opposite side surfaces, and a plurality of bolt insertion holes 23 are formed vertically from the upper surface.
  • a header 24 is connected to the fluid inlet pipe 21, and a header 25 is connected to the fluid outlet pipe 22.
  • a fluid supply port 26 is connected to the header 24, and a fluid outlet 27 is connected to the header 25.
  • a fixed cut plate 28 and a heat transfer plate 29 are disposed between the lower surface of the header 24 and the lower surface of the header 25.
  • the variable flow path portion 30 has fluid inlet pipes 31 and fluid outlet pipes 32 connected to opposite side surfaces, and a plurality of bolt insertion holes 33 formed in a vertical direction from the upper surface. It is formed at a location corresponding to the plurality of bolt insertion holes 23.
  • a header 34 is connected to the fluid inlet pipe 31, and a header 35 is connected to the fluid outlet pipe 32.
  • a fluid supply port 36 is formed in the header 34, and a fluid outlet 37 is formed in the header 35.
  • a rectangular flow path plane 38 is formed between the upper surface of the header 34 and the upper surface of the header 35, a fixed gasket 42 is disposed surrounding the rectangular flow path plane 38, and a variable slit plate 39 is disposed on the rectangular flow path plane 38.
  • the variable gasket 41 is disposed around the variable slit plate 39, and the variable spacer 40 is disposed around the variable gasket 41.
  • the bolts 43 are respectively inserted into the plurality of bolt insertion holes 23 and the plurality of bolt insertion holes 33, and fixed with nuts 44. As shown in FIG. 10, a cold water channel 45 is formed on the upper surface of the heat transfer plate 29, and a hot water channel 46 is formed on the lower surface of the heat transfer plate 29.
  • a hot water storage tank 50, a pump 51, a valve 52, and the like are further connected to the fluid inlet pipe 31 of the heat flow measuring device shown in FIGS. 6 to 10, and a cooler 53 is connected to the fluid outlet pipe 32.
  • a valve 54 is interposed in the cooling water supply pipe of the cooler 53 that is connected.
  • thermocouples 55, 56, 57, and 58 are arranged in the headers 24, 25, 34, and 35 so that the hot water temperature and the cooling water temperature at each location can be detected.
  • Hot water (about 50 ° C.) from the boiler is stored in the hot water storage tank 50, and the water supplied by the pump 51 is adjusted to an arbitrary flow rate M [ml / sec] by opening and closing the valve 52.
  • the flowing water temperature in each header 24, 25, 34, 35 is measured using thermocouples 55, 56, 57, 58 installed in the outlets of each header 24, 25, 34, 35. Cooling flowing into the cooler 53 so that the temperature difference between the flowing water temperature tH2 [° C.] of the header 35 and the flowing water temperature tL1 [° C.] of the header 24 is 5 [K] ⁇ (tL1 ⁇ tH2) ⁇ 7 [K].
  • the water flow rate is adjusted by a valve 54.
  • the cold water channel 45 side heat transfer surface average heat transfer coefficient hLm [W / (m 2 ⁇ K)] at an arbitrary flow rate M [ml / sec] in the fixed channel unit 20 is obtained.
  • a fixed slit plate 28 shown in FIG. 11 is fixed to the fixed flow path portion 20 in such a manner that the fluid flow direction shown in FIG. 2 is parallel to the long direction of the mesh ([Type I]).
  • the cross section of the flow path is a rectangle having a long side length of 100 [mm] and a short side length of 3.3 [mm].
  • the variable flow path section 30 is provided with the same variable slit plate 39 as that of the fixed flow path section 20 in the form of [Type I].
  • the factors that affect the heat transfer coefficient in the variable flow path section 30 and the fixed flow path section 20 are the same except for the flowing water temperature. If the difference in running water temperature is 10 ° C or less, hLm ⁇ hHm when the hot water channel 46 side heat transfer surface average heat transfer coefficient is hHm [W / (m 2 ⁇ K)] It becomes.
  • the heat transfer surface heat flux is q [W / m 2 ]
  • the logarithmic average temperature difference of the hot and cold water flow is ⁇ Tm [K]
  • the heat passage rate is k [W / (m 2 ⁇ K)].
  • Fig. 3 shows the average heat transfer coefficient hLm [W / (m 2 ⁇ K)] for the cold water flow channel 45 side at an arbitrary flow rate M [ml / sec] in the fixed flow channel section 20 obtained from the measured value and the calculation formula. 14.
  • variable spacers equal in thickness to each of the cut plate (a) and the cut plate (b).
  • Fixed flow channel 20 heat transfer surface average heat transfer coefficient hLm [W / (m 2 ⁇ K)] is obtained from the solid line of the graph shown in FIG. 14, and the hot water flow path 46 side heat transfer surface average heat transfer coefficient hHm [by flow path type at an arbitrary flow rate M [ml / sec] in the variable flow path section 30.
  • W / (m 2 ⁇ K)] is obtained from the following equation.
  • FIG. 15 shows the hot water flow path 46 side heat transfer surface average heat transfer coefficient hHm [W / (m 2 ⁇ K)] for each flow path type with respect to the cut plate (a).
  • a broken line drawn parallel to the y-axis in the graph indicates the maximum flow rate when the valve 52 is fully opened.
  • FIG. 16 shows the hot water flow path 46 side heat transfer surface average heat transfer coefficient hHm [W / (m 2 ⁇ K)] for each flow path type with respect to the cut plate (b).
  • a broken line drawn parallel to the y-axis in the graph indicates the maximum flow rate when the valve 52 is fully opened.
  • the thick two-dot chain lines in FIGS. 15a and 16a indicate [Type III] fluid in a channel having a rectangular channel cross section with a long side length a [m] and a short side length b [m] shown in the respective drawings.
  • the heat transfer coefficient for an arbitrary flow rate M [ml / sec.] Of the flow is obtained by calculation.
  • the heat transfer coefficient is obtained by obtaining the Nusselt number Nu from the Petukov equation shown in the following [Equation 3] and using the relational equation shown in the following [Equation 4].
  • ⁇ p [Pa] The fluid flowing in the horizontal pipe loses energy due to friction with the pipe wall. Assuming that the pressure loss associated therewith is ⁇ p [Pa], ⁇ p [Pa] can be expressed by the following [Equation 5] using the Darcy-Weisbach equation.
  • the heat transfer coefficient of the circle 2 or 3 can be obtained with the pump power of the circle 1, and the extremely large effectiveness (176 times efficiency) of the present invention due to the local turbulent flow promoting action. It is shown.
  • the pump power of W5 / W4 24 times is required for the circle 5 compared to W4 for the circle 4.
  • the heat transfer coefficient of the circle 5 or 6 can be obtained with the pump work rate of the circle 4, and the extremely large effectiveness (364 times the efficiency) of the present invention due to the local turbulence promoting action. It is shown. The heat transfer coefficient increases as the temperature boundary layer thickness decreases and the thermal resistance of the temperature boundary layer portion decreases.
  • the local fluid flow 16 diverted at the upstream strand edge (indicated by a thick solid line) and directed to the flow path plane 11 is limited to one side, and upstream of the cross section of the strand parallel to the flow.
  • the flow resistance increases because the wedge angle of the side strand edge (indicated by a thick solid line) is large, the turbulent flow promoting effect of thinning the temperature boundary layer 15 is extremely large and excellent.
  • (1) in FIG. 4 shows a general standardized cut plate 13, and even if the mesh size is the same as shown in (2) and (3) in FIG. If W is widened, the total thickness D can be increased. Further, in the case where the length of the hypotenuse of the right-angled isosceles triangle having the step width W as two sides is set to half of the mesh center distance SW in the short direction of the mesh, the total thickness D becomes maximum when the mesh size is the same. .
  • (1) in FIG. 5 is a perspective view of the slitting plate 13 shown in (1) in FIG. 4, but the step width W is increased as shown in (2) and (3) in FIG.
  • the mesh size can be reduced while keeping the full thickness D.
  • the local fluid flow 16 toward the flow path plane 11 is increased in density, thereby promoting the local turbulent flow promoting action of the cut plate. Can be increased.
  • the local turbulent flow promoting action of the cut plates 29 and 38 shown in this embodiment works effectively not only in a single-phase flow in which a gas or liquid flows in a single phase but also in a gas-liquid two-phase flow.
  • the temperature boundary layer and the concentration boundary layer in the liquid film flowing along the plane are stirred by the turbulent gas, and the heat transfer and mass transfer in the liquid film are promoted.
  • FIG. 17 shows an embodiment of a cooling device for cooling a heating element such as a semiconductor power module to which the method for improving fluid flow characteristics according to the present invention is applied.
  • a heat radiating plate 61 is disposed in contact with the heating element 60, a cut plate 63 surrounded by an O-ring 62 is disposed below the heat radiating plate 61, and a cooling unit 68 having a thin box shape is formed on the cut plate 63. Is connected.
  • a cooling water inlet pipe 64 and a cooling water outlet pipe 65 are connected to the side surface of the cooling unit 68, and a fluid supply port 66 and a fluid outlet 67 are formed on the upper surface of the cooling unit 68.
  • the cooling flow path 69 through which cooling water flows has a rectangular shape with a long side length of 100 [mm] and a short side length of 1.5 [mm], and the flow path length is 100 [mm]. 12 is disposed in the cooling channel 69 in the [Type II] mode shown in FIG.
  • the heat radiating surface on the cooling channel 69 side of the heat radiating plate 61 is directly cooled by cooling water, and the heat generating body 60 is mounted on the other surface of the heat radiating plate 61 by brazing or soldering.
  • the heat transfer coefficient of the cooling water is about 50000 [W / (m 2 ⁇ K)] from the graph of FIG.
  • a high-performance cooling device 59 having a thermal resistance of 0.002 [K / W] between the surface and the cooling water can be produced. That is, if there is a temperature difference of 10 [K] between the surface temperature of the heat radiating plate 61 and the cooling water, cooling of 5 [kW] is possible with a cooling area of 100 [cm 2 ].
  • M 200 [ml / sec]
  • 10 [K] the temperature difference between the surface temperature of the heat radiating plate 61 and the cooling water.
  • about 10 [kW] can be cooled with a cooling area of 100 [cm 2 ].
  • the length of the short side of the rectangular channel must be 0.2 [mm], and pressure loss and clogging are major issues.
  • FIG. 18 shows a flat plate heat transfer tube according to the embodiment.
  • the flat plate heat transfer tube 70 includes heat transfer surfaces 71 and 71, and a plurality of fluid flows near one end of the heat transfer surfaces 71 and 71.
  • An inlet 72 is formed, and a plurality of fluid outlets 73 are formed in the vicinity of the opposite end.
  • FIG. 18a (1) to (3) of FIG. 18a are a heat transfer tube group (FIG. 18a (1)) having a circular tube as a heat transfer tube, a flat plate heat transfer tube (FIG. 18a (2)), and an embodiment of the present invention.
  • the flat plate type heat transfer tube Fig. 18a (3)
  • the heat transfer performance (FIG. 18 a (3)) in the flat plate heat transfer tube according to the present embodiment is greatly improved by about 25 times compared to that of the heat transfer tube group (FIG. 18 a (1)). I understand.
  • the heat transfer performance outside the flat plate heat transfer tube 70 is improved, the characteristics of the flat plate heat transfer tube 70 according to the present embodiment cannot be fully utilized.
  • FIG. 19 shows a condenser used for the lithium bromide-based absorption refrigerator according to the embodiment configured using the above-described flat plate heat transfer tube 70, and the condenser 75 includes a large number of flat plate heat transfer tubes.
  • 70 is laminated in the front-rear direction.
  • End plates 76 and 80 are arranged on both front and rear end faces of the laminated flat plate type heat transfer tubes 70, cooling water pipes 77 and 77 are connected to one end plate 76, and the end plates 76 and 80 are connected to the flat plate type.
  • a cut plate 78 and a communication tube 79 are disposed, respectively.
  • the communication pipe 79 is disposed so as to surround the plurality of fluid inlets 72 and the plurality of fluid outlets 73, and cooling water pipes 77, 77 are connected to the communication pipes 79, 79.
  • FIG. 20 shows the condenser 75 in a state in which a large number of flat plate heat transfer tubes 70 and end plates 76 and 80 are assembled. Inside the condenser 75, water vapor and cooling water flow as shown in FIG. 21, and the water vapor is cooled and condensed very efficiently.
  • the cut plate 78 in the flow path through which the water vapor flows along the heat transfer surface 71 on the outer side of the flat plate type heat transfer tube 70, the local fluid flow of the water vapor flows is condensed through the heat transfer surface 71.
  • the liquid film can be agitated to cause forced convection heat transfer in the condensed liquid film, thereby greatly improving the condensation heat transfer coefficient.
  • the absorber used for the lithium bromide-based absorption refrigerator also has the same configuration as that of the present embodiment, and the lithium bromide aqueous solution (absorption liquid) is formed along the heat transfer surface 71 outside the flat plate heat transfer tube 70. This can be realized by letting the liquid film flow down. Absorption and diffusion of water vapor into the absorbing liquid film are promoted by increasing the disturbance between the temperature boundary layer and the concentration boundary layer in the absorbing liquid film where the local fluid flow of the water vapor flows down the heat transfer surface 71. .
  • FIG. 22 shows a state in which the condenser 75 is reinforced by the pressure resistant frame 81, and the condenser 75 is sandwiched and fixed to the pressure resistant frame 81 using bolts 82.
  • FIG. 23 shows an exploded perspective view of the distillation column according to the embodiment.
  • the distillation column 85 is configured by stacking a number of shelves 88 in the vertical direction between a top plate 86 and a bottom plate 87.
  • the shelf 88 is constituted by a cut plate 89 and a tray 90, and the tray 90 is formed with a bank 91 that forms the pool 93 by dividing the tray 90 into a number of sections.
  • a plurality of openings 92 are formed in the vicinity of both ends in the length direction of the tray 90, and each shelf stage 88 is connected to the steam supply port 94 and the steam discharge port 95 formed in the bottom plate 87 through these openings 92. It is communicated to.
  • the bottom plate 87 is slightly higher on the steam discharge port 95 side than the steam supply port 94 side as compared with the horizontal surface 97 (higher with a small inclination of one tenth to one hundredth of the horizontal surface 97). It is installed, and the steam supplied from the steam supply port 94 side slowly rises to the steam discharge port 95 side. Pressure loss can be made extremely small by flowing steam slowly.
  • the height of the reflux liquid surface 96 of each pool 93 is regulated by a dike 91, and the height of the dike 91 is determined by considering the total thickness D of the cut plate 89 and the steam and the reflux liquid. It is set to a height that allows sufficient contact.
  • the vertical load applied to the shelf 88 is not applied to the bank 91, and the reflux liquid is supplied to the uppermost pool 93 on the tower top side of each shelf 88 by a distributor (not shown). The reflux liquid slowly flows down while staying in each pool 93.
  • the concentration boundary layer in the vapor phase formed by decreasing the high boiling point component in the vapor phase near the gas-liquid interface becomes thin, and the vapor phase toward the gas-liquid interface The diffusion resistance of the inner high boiling point component is reduced, and mass transfer is promoted.
  • the distillation column 85 shown in FIG. 23 can also be used as a deodorization device.
  • an deodorizing apparatus capable of performing deodorization extremely efficiently can be obtained by using an adsorbing liquid that easily adsorbs odorous components in the gas phase instead of the reflux liquid.
  • the condenser and the absorber are not limited to the condenser and the absorber in the absorption refrigerator, and can be applied to an independent condenser and absorber other than the absorption refrigerator.
  • the present invention can be widely used not only in the electronic equipment industry but also in the equipment industry field involving heat transfer and mass transfer such as plant industry and various equipment industries.

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Abstract

　半導体パワーモジュール搭載用水路形成体や、パワーモジュール用ヒートシンクは、熱伝達率を上げるため、その伝熱部分が非常に複雑な構造となっており、それらの製作には非常に高度な技術と高いコストが要求されている。　対向して配置される２平面１１，１１に挟まれて形成された流路１２に切延板１３を配設し、これら２平面１１，１１と流体との間に形成される種々の境界層１５に、切延板１３に導かれる局所流体流れ１６を作用させ、熱移動及び／又は物質移動に関する流体の流動特性を局所的な乱流促進作用で改善する。

Description

流体流動特性の改善方法、該改善方法が施された熱交換器、蒸留装置、脱臭装置及び前記改善方法に使用される切延板
　本発明は流体流動特性の改善方法、該改善方法が施された熱交換器（凝縮器、吸収器，再生器など）、蒸留装置、脱臭装置及び該改善方法に使用される切延板に関し、より詳細には、２平面に挟まれた流路を流れる流体の流動特性を極めて簡単な構成でもって大幅に改善する流体流動特性の改善方法、該改善方法の適用により熱移動効率、物質移動効率が大幅に高められた熱交換器、蒸留装置、及び脱臭装置、及び前記改善方法に使用される切延板に関する。
　流路内を流れる流体の流れには二通りの流れがある。一つは気体や液体がそれぞれ単相で流れる単相流であり、もう一つは気体と液体が混在して流れる気液二相流である。
単相流が関係する機器としては、加熱あるいは冷却を行う熱交換器があり、熱源と流体との間の熱抵抗を小さくする改良が続けられている。
　近年、電気自動車、ハイブリッドカー、大型風力発電機、あるいは鉄道車両などにおける電力変換装置に組み込まれる半導体パワーモジュールの発熱量の増大、大型化に伴い、より高性能な冷却能力を有する熱交換器としての冷却器が求められている。
　これに対し、液流により直接冷却するための放熱フィンの形状に関する発明（特許文献１参照）、あるいは櫛歯部材の立壁間を流通する冷却媒体が複数の案内部によって旋回され、冷媒流路内における冷却媒体の不均一な温度分布を生じにくくした発明（特許文献２参照）などが提案されている。
気液二相流が関係する機器としては、臭化リチウム系（ＬｉＢｒ）吸収式冷凍機の蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器を挙げることができる。
臭化リチウム系の吸収式冷凍機は蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器を含んで構成され、これら４つの熱交換器のうち、再生器を除く３つの熱交換器は、シェルの内側に伝熱管を水平方向に配置するシェルアンドチューブ型となっている。伝熱管内には水が流され、伝熱管は加熱管あるいは冷却管として機能し、伝熱管群の配置、本数などを工夫することでその能力を高める工夫がなされている。
　吸収器では、冷却管表面を流下する臭化リチウム水溶液液膜が蒸発器で蒸発した水蒸気を吸収し、吸収器と蒸発器とが連通した系内は高真空に保たれている。臭化リチウム水溶液への水蒸気吸収においては吸収熱が発生するため、冷却管内を流れる冷却水により臭化リチウム水溶液を冷却している。
　凝縮器では、再生器で発生した水蒸気が冷却管表面での凝縮により水（液体）に戻され、蒸発器に送られる。
　また、気液二相流が関係する機器としては、蒸留装置も挙げることができる。
蒸留装置は低沸点成分と高沸点成分の分離を目的としており、通常、リボイラの上に蒸留塔が設置され、塔頂付近にコンデンサが配置されている。
リボイラで加熱され、発生した蒸気は、塔底から塔内を上昇し、コンデンサに至り、コンデンサで冷却され、凝縮液となる。凝縮液の一部は留出され、残りは塔頂へと還流される。流下する還流液と上昇していく蒸気とが向流接触し、上昇していく蒸気はエンタルピーが大きいため、下降する還流液に熱を与えて還流液の一部を蒸発させる。
その際、還流液の組成よりも低沸点成分に富んだ蒸気が発生するため、精留効果が生じる。また、蒸気は還流液に熱を与えるため、還流液との接触面付近で急激に温度が下がり、その付近の蒸気の一部は凝縮する。この凝縮した部分は、蒸気本体よりも高沸点成分に富んでいるため、ここでも精留効果が生じる。このように生じる精留効果を、塔軸方向に多段に積み上げていくことにより、低沸点成分と高沸点成分との分離が行われ、低沸点成分は塔頂部に、高沸点成分は塔底部に濃縮されることとなる（上記蒸留装置原理説明部分の出典：名古屋大学大学院工学研究科博士論文「水素同位体分離用充填水蒸留塔の分離性能解析手法の開発」杉山貴彦著）。
　蒸留装置では、気液接触面積を拡大させ、また気液向流各相の乱れを増大させて多段的精留効果を高めた棚段塔や充填塔が開発され、塔高が５０ｍもある蒸留塔も実用化されている。
　上記した特許文献１記載の半導体パワーモジュール搭載用水路形成体や、特許文献２記載のパワーモジュール用ヒートシンクは、熱伝達率を上げるため、その伝熱部分が非常に複雑な構造となっており、それらの製作には非常に高度な技術と高いコストが要求されるといった課題があった。
　また、上記した臭化リチウム系の吸収式冷凍機におけるシェルアンドチューブ型熱交換器の伝熱管には、内外面の形状が改良された高性能で高価な伝熱管が使用されている。しかしながら、これら伝熱管の熱通過率は通常５０００Ｗ／ｍ２・Ｋ（管内面積基準）以下であるため、十分な伝熱面積を確保するためには、シェル内に大量の伝熱管を効果的に配設しなければならず、やはりコスト高になってしまうといった課題があった。
　また、吸収器においては、伝熱管を流れ下る臭化リチウム水溶液の液膜内に、温度境界層と濃度境界層が形成されるため、冷媒蒸気の臭化リチウム水溶液液膜内への吸収、拡散が抑制されるといった課題があった。
　また、凝縮器においては、凝縮液が液膜となって伝熱管面を流れ下る時、液膜表面と蒸気との間では対流熱伝達により熱移動が生じており、液膜内部と伝熱面との間では熱伝導により熱移動が生じており、凝縮熱伝達率は液膜の厚さで決まり、液膜が厚くなると凝縮熱伝達率が小さくなるといった課題があった。
　また、蒸留塔においては、還流液と蒸気とが気液向流接触する際の、両流体の流れをゆっくりしたものにすると、蒸発・凝縮が十分に繰り返され、物質移動効率が良くなり、精留効果が高まり、圧力損失も小さくなり、塔高を低くできる。しかしながら、工業的に実際に使用されている棚段式蒸留塔においては、圧力損失が大きく、しかも保守点検が可能な構造にするために塔高が高くなってしまうという課題があった。また、充填式蒸留塔においては、還流液に偏流が生じやすく、流下速度の制御も困難であるといった課題があった。
特開２０１１－１７７００４号公報 特開２０１２－３３９６６号公報
課題を解決するための手段及びその効果
　上記特許文献に記載されているように、半導体パワーモジュール搭載用水路形成体や、パワーモジュール用ヒートシンクは、熱伝達率を上げるため、その伝熱部分が非常に複雑な構造となっており、それらの製作には非常に高度な技術と高いコストが要求されていた。
　本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、２平面に挟まれた流路を流れる流体の流動特性を極めて簡単な構成でもって大幅に改善することのできる流体流動特性の改善方法を提供し、該改善方法を熱交換器、蒸留装置、及び脱臭装置に適用して熱移動効率、物質移動効率が大幅に高められた熱交換器、蒸留装置、及び脱臭装置を提供し、さらには前記改善方法に使用する切延板を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明に係る流体流動特性の改善方法（１）は、対向して配置される２平面に挟まれて形成された流路に切延板を配設し、これら２平面と流体との間に形成される種々の境界層に、前記切延板に導かれる局所流体流れを作用させ、熱移動及び／又は物質移動に関する流体の流動特性を局所的な乱流促進作用で改善することを特徴としている。
　上記流体流動特性の改善方法（１）によれば、対向して配置される２平面に挟まれて形成された流路に、熱移動及び／又は物質移動に関する流体の流動特性を改善するための切延板を配設し、これら２平面と流体との間に形成される種々の境界層に前記切延板に導かれる局所流体流れを作用させる。この作用により、前記流体における熱移動及び／又は物質移動に関する流動特性を局所的な乱流促進作用で大幅に改善することができる。しかも２平面に挟まれて形成される流路に前記切延板を配設するだけの極めて簡単な構成で、熱移動及び／又は物質移動に関する流体流動特性を大幅に改善することができる。従って、上記した従来の場合のように、伝熱部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
　また、本発明に係る流体流動特性の改善方法（２）は、上記流体流動特性の改善方法（１）において、前記流体の流れ方向に対し、切延板メッシュの長目方向を直交させる態様で、前記切延板を前記流路に配設することを特徴としている。
　上記流体流動特性の改善方法（２）によれば、局所的な乱流促進作用をより大きくして前記流体における熱移動及び／又は物質移動に関する流体流動特性の大幅な改善をより安定的なものとすることができる。
　また、本発明に係る流体流動特性の改善方法（３）は、上記流体流動特性の改善方法（１）または（２）において、前記切延板の刻み幅Ｗを規格品よりも広くし、前記切延板の全体厚みＤを厚くすることを特徴としている。
　上記流体流動特性の改善方法（３）によれば、前記流路における前記流体の流通抵抗を低減させることができ、しかも、前記切延板に導かれる局所流体流れの乱流促進作用を強化することができ、前記流体における熱移動及び／又は物質移動に関する流体流動特性の改善をより大きなものとすることができる。
　また、本発明に係る流体流動特性の改善方法（４）は、上記流体流動特性の改善方法（３）において、前記切延板の刻み幅Ｗの長さを２辺とする直角２等辺三角形の斜辺の長さを前記切延板メッシュの短目方向中心間距離ＳＷの半分の長さに設定することを特徴としている。
　上記流体流動特性の改善方法（４）によれば、前記切延板の全厚を最大とすることができ、前記流路における前記流体の流通抵抗の低減、前記切延板に導かれる局所流体流れの乱流促進作用の強化、及び前記流体における熱移動及び／又は物質移動に関する流体流動特性の改善をより大きく、確実なものとすることができる。
　また、本発明に係る熱交換器は、上記流体流動特性の改善方法（１）～（４）のいずれかに記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴としている。
　上記熱交換器によれば、対向して配置される２平面に挟まれて形成された流路に、熱移動に関する流体の流動特性を改善するための切延板が配設され、これら２平面と流体との間に形成される種々の境界層に前記切延板に導かれる局所流体流れが作用し、前記流体における熱移動に関する流体流動特性を局所的な乱流促進作用で大幅に改善することができる。しかも２平面に挟まれて形成される流路に前記切延板が配設されただけの極めて簡単な構成となっており、上記した従来の場合のように、伝熱部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
　また、本発明に係る蒸留装置は、上記流体流動特性の改善方法（１）～（４）のいずれかに記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴としている。
　上記蒸留装置によれば、対向して配置される２平面に挟まれて形成された流路に、熱移動及び物質移動に関する流体の流動特性を改善するための切延板が配設され、これら２平面と流体との間に形成される種々の境界層に前記切延板に導かれる局所流体流れが作用し、前記流体における熱移動及び物質移動に関する流体流動特性を局所的な乱流促進作用で大幅に改善することができる。しかも２平面に挟まれて形成される流路に前記切延板が配設されただけの極めて簡単な構成となっており、上記した従来の場合のように、熱移動及び物質移動部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
　また、本発明に係る脱臭装置は、上記流体流動特性の改善方法（１）～（４）のいずれかに記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴としている。
　上記脱臭装置によれば、対向して配置される２平面に挟まれて形成された流路に、物質移動に関する流体の流動特性を改善するための切延板が配設され、これら２平面と流体との間に形成される種々の境界層に前記切延板に導かれる局所流体流れが作用し、前記流体における物質移動に関する流体流動特性を局所的な乱流促進作用で大幅に改善することができる。しかも２平面に挟まれて形成される流路に前記切延板が配設されただけの極めて簡単な構成となっており、上記した従来の場合のように、物質移動部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
　また、本発明に係る切延板（１）は、上記流体流動特性の改善方法（３）に使用される切延板であって、刻み幅Ｗが規格品よりも広く設定され、全体厚みＤが規格品よりも厚く設定されていることを特徴としている。
　上記切延板（１）によれば、対向して配置される２平面に挟まれて形成された流路における流体流通抵抗を低減することができ、しかも、該切延板に導かれる局所流体流れの作用を強化することができ、前記流体における熱移動及び／又は物質移動に関する流体流動特性の改善をより大きなものとすることができる。
　また、本発明に係る切延板（２）は、上記流体流動特性の改善方法（４）に使用される切延板であって、前記刻み幅Ｗの長さを２辺とする直角２等辺三角形の斜辺の長さがメッシュの短目方向中心間距離ＳＷの半分の長さに設定されていることを特徴としている。
　上記切延板（２）によれば、前記切延板の全厚が最大となり、対向して配置される２平面に挟まれて形成された流路における流体流通抵抗の低減、該切延板に導かれる局所流体流れの作用の強化、及び前記流体における熱移動及び／又は物質移動に関する流体流動特性の改善をより大きく、確実なものとすることができる。
本発明の実施の形態に係る流体流動特性の改善方法を説明するための、２平面に挟まれて形成された流路に切延板が配設された状態を示す部分断面斜視図である。 実施の形態に係る流体流動特性の改善方法を説明するための、２平面に挟まれて形成された流路に切延板が配設された状態を示す部分断面斜視図である。 実施の形態に係る切延板を示す正面図及びＡ-Ａ線断面図である。 （１）～（３）は実施の形態に係る３種の切延板を示す正面図及び側断面図である。 （１）～（３）は実施の形態に係る３種の切延板を示す部分拡大斜視図である。 実施の形態に係る熱流量測定装置を示す分解斜視図である。 実施の形態に係る熱流量測定装置の固定流路部を示す分解部分断面斜視図である。 実施の形態に係る熱流量測定装置の可変流路部を示す分解部分断面斜視図である。 実施の形態に係る熱流量測定装置を示す斜視図である。 実施の形態に係る熱流量測定装置を示すＨ－Ｈ線断面図である。 実施の形態に係る切延板（ａ）を示す正面図である。 実施の形態に係る切延板（ｂ）を示す正面図である。 実施の形態に係る熱流量測定システムを示す断面図である。 実施の形態に係る熱流量測定結果を示すグラフである。 （１）～（３）は実施の形態及び比較例に係る熱流量測定結果を示すグラフである。 実施の形態及び比較例に係る熱流量測定結果を示すグラフである。 （１）～（３）は実施の形態及び比較例に係る熱流量測定結果を示すグラフである。 実施の形態及び比較例に係る熱流量測定結果を示すグラフである。 実施の形態に係る冷却器（熱交換器）を示す分解斜視図である。 実施の形態に係る平板型伝熱管を示す斜視図である。 （１）～（３）は円筒型、比較例及び実施の形態に係る平板型伝熱管の一部を示す斜視図である。 実施の形態に係る凝縮器（熱交換器）を示す分解斜視図である。 実施の形態に係る凝縮器（熱交換器）を示す斜視図である。 実施の形態に係る凝縮器（熱交換器）を示す部分断面斜視図である。 実施の形態に係る凝縮器がシェル内に格納された状態を示す斜視図である。 実施の形態に係る蒸留塔を示す分解斜視図である。 実施の形態に係る蒸留塔の棚段を示す分解斜視図である。 （１）～（２）は実施の形態に係る蒸留塔の２段の棚段を示す部分断面斜視図及び断面図である。
　図１は、本発明の実施の形態に係る流体流動特性の改善方法タイプIIを示す部分断面斜視図であり、図２はタイプＩを示す部分断面斜視図であり、図３はこれら方法に用いられる切延板を示す正面図及びＡ－Ａ線断面図である。
　図中１１は流路平面を示しており、これら流路平面１１，１１に挟まれて流路１２が形成され、流路１２内には切延板１３が配設されている。
１４は流体流れを示しており、流体は流路１２内では、種々の境界層１５が形成され、また、切延板１３の影響を受けて局所流体流れ１６が形成されている。
　タイプＩとタイプIIとでは、流体流れ１４に対する切延板１３の配設方法が異なっており、図１に示したタイプIIの場合は、流体流れ１４に対して切延板メッシュの長目方向を直交させる態様で、切延板１３を流路１２に配設している。
　図２に示したタイプIの場合は、流体流れ１４に対して切延板メッシュの長目方向を平行にする態様で、切延板１３を流路１２に配設している。
切延板１３は、鋼板に刃型を用いて千鳥配列の押し切り目を入れ、同時にこれを引き延ばしながら網目を形成して製造されるため、図３に示したような構造となっている。
　メッシュ長目方向中心間距離をＬＷとし、メッシュ短目方向中心間距離をＳＷとし、板厚をＴとし、刻み幅をＷとし、全厚をＤで表す。メッシュの細い部分をストランド１８といい、メッシュの交差している太い部分をボンド１９という。
　実施の形態では、図４の（２）（３）及び図５の（２）（３）に示すような規格品とは異なる、種々の切延板１３Ａ，１３Ｂも製造し、用いることで本発明の効果を増幅することができる。
　図４の（２）及び図５の（２）に示した、切延板１３Ａは、規格のものより刻み幅Ｗが大きくとられており、図４の（３）及び図５の（３）に示した切延板１３Ｂでは、板厚Ｔが規格のものより薄いものが用いられている。
　図６は実施の形態に係る熱流量測定装置を示す分解斜視図であり、図７は熱流量測定装置の固定流路部を示す分解斜視図であり、図８は熱流量測定装置の可変流路部を示す分解斜視図であり、図９は熱流量測定装置を示す組立斜視図であり、図１０は熱流量測定装置を示すＨ－Ｈ線断面図である。
　２０は固定流路部を示しており、固定流路部２０は、相対向する側面に流体入口配管２１、流体出口配管２２が接続され、上面から垂直方向に複数個のボルト挿通孔２３が形成されている。流体入口配管２１にはヘッダー２４が接続され、流体出口配管２２にはヘッダー２５が接続されている。ヘッダー２４には流体供給口２６が接続され、ヘッダー２５には流体流出口２７が接続されている。ヘッダー２４の下面とヘッダー２５の下面との間には固定切延板２８及び伝熱板２９が配設されている。
　可変流路部３０は、相対向する側面に流体入口配管３１、流体出口配管３２が接続され、上面から垂直方向に複数個のボルト挿通孔３３が形成されており、これらボルト挿通孔３３は、上記の複数個のボルト挿通孔２３と対応する箇所に形成されている。流体入口配管３１にはヘッダー３４が接続され、流体出口配管３２にはヘッダー３５が接続されている。ヘッダー３４には流体供給口３６が形成され、ヘッダー３５には流体流出口３７が形成されている。ヘッダー３４の上面とヘッダー３５の上面との間には矩形流路平面３８が形成され、矩形流路平面３８を囲み固定ガスケット４２が配置され、矩形流路平面３８には可変切延板３９が配置され、可変切延板３９の周囲には可変ガスケット４１が配置され、可変ガスケット４１の周囲には可変スペーサ４０が配置されるようになっている。
　複数個のボルト挿通孔２３及び複数個のボルト挿通孔３３にそれぞれボルト４３が挿通され、ナット４４で固定される。図１０に示したように、伝熱板２９の上面には冷水流路４５が形成され、伝熱板２９の下面には温水流路４６が形成される。
　切延板として図１１及び図１２に示したものを採用し、図１３に示すシステムを使用して実施の形態に係る流体流動特性の改善方法の効果を確認した。
図１３に示したシステムでは、図６～図１０に示した熱流量測定装置の流体入口配管３１にさらに貯湯槽５０、ポンプ５１、バルブ５２などが接続され、流体出口配管３２に冷却器５３が接続され、冷却器５３の冷却水供給管にはバルブ５４が介装されている。
また、各ヘッダー２４、２５、３４、３５には、熱電対５５，５６，５７，５８が配置されており、各場所の温水温度、冷却水温度を検出できるようになっている。
　（１）操作手順
ボイラからの給湯水（約５０℃）を貯湯槽５０に貯湯し、ポンプ５１による給水をバルブ５２の開閉により任意流量Ｍ[ml/sec]となるように調整する。
各ヘッダー２４，２５，３４，３５内の流水温を各ヘッダー２４，２５，３４，３５流出入口内に取り付けた熱電対５５，５６，５７，５８を用いて計測する。
ヘッダー３５の流水温tH2[℃]とヘッダー２４の流水温tL1[℃]の温度差が５[Ｋ]＜(tL1－tH2)＜７[Ｋ]となるように、冷却器５３に流入する冷却水の流量をバルブ５４により調整する。
　（２）固定流路部２０での任意流量Ｍ[ml/sec]における冷水流路４５側伝熱面平均熱伝達率hLｍ[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]を求める。
固定流路部２０には、図１１に示す固定切延板２８が、図２に示す流体流れ方向がメッシュの長目方向に平行（[タイプＩ]）となる形で固定されている。流路断面は、長辺長さ１００[mm]、短辺長さ３．３[mm]の矩形となっている。
可変流路部３０は固定流路部２０と同じ可変切延板３９を[タイプＩ]の形態で配置する。したがって、可変流路部３０と固定流路部２０での熱伝達率に影響するファクターは流水温度以外同じとなる。流水温度の違いが１０℃以下であれば、温水流路４６側伝熱面平均熱伝達率をhHｍ[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]とするとき、hLｍ≒hHｍ
となる。
伝熱板２９は18-Crステンレスで構成され、厚さｄ＝0.0003[ｍ]、熱伝導率λ＝26[Ｗ/(ｍ・Ｋ)]、伝熱面積Ｓ＝0.01[ｍ２]に設定されている。
伝熱面熱流束をｑ[Ｗ/ｍ２]、温冷水流の対数平均温度差をΔＴm[Ｋ]、熱通過率をｋ[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]とする。
上記記号に関して次式が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 計測値と計算式により求めた、固定流路部２０での任意流量Ｍ[ml/sec]における冷水流路４５側伝熱面平均熱伝達率hLｍ[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]を図１４に表している。
　（３）図１１、図１２に示す二種類の切延板(a)、切延板(b)それぞれについて、可変流路部３０での任意流量Ｍ[ml/sec]における流路タイプ別の温水流路４６側伝熱面平均熱伝達率hHｍ[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]を求める
[タイプＩ]：図２に示す、流体流れがメッシュの長目方向に平行
[タイプII]：図１に示す、流体流れがメッシュの長目方向と直交
[タイプIII]：[タイプＩ] 、[タイプII]に対する比較例に相当。空洞の直方体からなる断面矩形流路。空洞は切延板(a)、切延板(b)それぞれの厚さと等しい可変スペーサで確保。
任意流量Ｍ[ml/sec]に対する固定流路部２０伝熱面平均熱伝達率hLｍ[Ｗ/(ｍ２・
Ｋ)]を図１４に表したグラフの実線から求め、可変流路部３０での任意流量Ｍ[ml/sec]における流路タイプ別の温水流路４６側伝熱面平均熱伝達率hHｍ[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]を次式より求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　切延板(a)に対する流路タイプ別の温水流路４６側伝熱面平均熱伝達率hHｍ[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]を図１５に示す。グラフ中ｙ軸に平行に引かれた破線はバルブ５２を全開にしたときの最大流量を示している。
切延板(b)に対する流路タイプ別の温水流路４６側伝熱面平均熱伝達率hHｍ[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]を図１６に示す。グラフ中ｙ軸に平行に引かれた破線はバルブ５２を全開にしたときの最大流量を示している。
　図１５ａ、図１６ａにおける太い二点鎖線は、それぞれの図中に示す長辺長さａ[ｍ]、短辺長さｂ[ｍ]の流路断面矩形の流路における[タイプIII]の流体流れの任意流量Ｍ[ml/sec.]に対する熱伝達率を計算により求めたものを表している。熱伝達率は、下記の［数３］に示すPetukovの式からヌセルト数Nuを求め、下記の［数４］に示す関係式を用いて求めている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
水平管内を流れる流体は、管壁との摩擦によりエネルギー損失が生じる。それに伴う圧力損失をΔｐ[Pa]とすると、Δｐ[Pa]はDarcy-Weisbachの式を用いて下記の［数５］のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
この圧力損失に抗して流量Ｍ[ml/sec.]の流体を送り込むポンプの仕事率Ｗ[Ｗ]は、Ｗ＝Ｍ×10-6・Δｐ[Ｗ]で求められる。
図１５ａに示したように丸１のＷ１に対して、丸２ではＷ２/Ｗ１＝３０倍のポンプ仕事率が必要となる。丸３ではＷ３/Ｗ１＝１７６倍のポンプ仕事率が必要となる。
本実施例では、丸１のポンプ仕事率で丸２又は丸３の熱伝達率を得ることができており、局所的な乱流促進作用による本発明の極めて大きな有効性（１７６倍の効率）が示されている。
　図１６ａにおいても、丸４のＷ４に対して、丸５ではＷ５/Ｗ４＝２４倍のポンプ仕事率が必要となる。丸６ではＷ６/Ｗ４＝３６４倍のポンプ仕事率が必要となる。
本実施例では、丸４のポンプ仕事率で丸５又は丸６の熱伝達率を得ることができており、局所的な乱流促進作用による本発明の極めて大きな有効性（３６４倍の効率）が示されている。
熱伝達率は温度境界層の厚さが薄くなって温度境界層部分の熱抵抗が小さくなると大きくなる。
　図１５ａの丸２、丸３、図１６ａの丸５、丸６のように、流量が増してレイノルズ数Reが大きくなると乱流が促進され、温度境界層の厚さが薄くなって熱伝達率が大きくなる。
　本実施例では切延板(a)、切延板(b)が極めて大きな局所的な乱流促進作用を生じさせているといえる。
　図２に示した[タイプＩ]では、上流側ストランドエッジ（太い実線で表示）で分流されて流路平面１１に向かう局所流体流れ１６は両流路平面１１，１１に対して均等に作られ、また流れに平行なストランド断面の上流側ストランドエッジ（太い実線で表示）部分のくさび角度が小さいため局所流体流れ１６の流路平面１１への衝突角度が浅く、流通抵抗は小さいが温度境界層１５を薄くする乱流促進効果は図１に示した[タイプII]のものよりは劣る結果となっている。
　図１で示した[タイプII]では、上流側ストランドエッジ（太い実線で表示）で分流されて流路平面１１に向かう局所流体流れ１６は片方に限られ、また流れに平行なストランド断面の上流側ストランドエッジ（太い実線で表示）部分のくさび角度が大きいため流通抵抗は大きくなるが、温度境界層１５を薄くする乱流促進効果は極めて大きく優れたものとなる結果が得られた。
　図１５と図１６を比較考察すると、切延板のメッシュサイズが小さいほど乱流促進効果が大きいことが推察される。市販されている、規格化された切延板では小さなメッシュサイズを選ぶと相対的に全厚Ｄが薄くなってしまう。
　図４の（１）は一般的な規格化された切延板１３を表しており、図４の（２）、（３）に示したもののようにメッシュサイズが同じでも、規格外の刻み幅Ｗを広げたものでは全厚Ｄを厚くすることができる。また、刻み幅Ｗを二辺とする直角二等辺三角形の斜辺の長さをメッシュの短目方向中心間距離ＳＷの半分に設定したものでは、メッシュサイズが同じ場合、全厚Ｄは最大となる。
　図５の（１）は図４の（１）に示した切延板１３の斜視図であるが、図５の（２）、（３）に示したもののように、刻み幅Ｗを広げることで全厚Ｄを保ったままでメッシュサイズを小さくすることができる。
　図５の（１）に対して、図５の（２）、（３）では流路平面１１に向かう局所流体流れ１６の密度が増すことで、切延板の局所的な乱流促進作用を増大させることができる。
本実施例で示された切延板２９，３８の局所的な乱流促進作用は、気体や液体が単相で流れる単相流だけでなく、気液二相流においても有効に作用する。気液二相流では、平面に沿って流れる液膜内の温度境界層や濃度境界層が乱流気体により撹拌され、液膜内の熱移動・物質移動が促進される。
　図１７は本発明に係る流体流動特性の改善方法が適用された半導体パワーモジュール等の発熱体を冷却する冷却装置の一実施例を示している。発熱体６０に接触して放熱板６１が配置され、放熱板６１の下方にはＯリング６２に囲まれた切延板６３が配置され、切延板６３には薄箱形状をした冷却ユニット６８が接続されている。冷却ユニット６８側面には、冷却水入口配管６４、冷却水出口配管６５が接続され、冷却ユニット６８上面には、流体供給口６６及び流体流出口６７が形成されている。
　冷却水が流れる冷却流路６９は、長辺長さ１００[mm]、短辺長さ１．５[mm]の断面矩形で流路長さは１００[mm]である。冷却流路６９には図１２に示した切延板（ｂ）が、図１に示す[タイプII]の態様で配設されている。
　放熱板６１の冷却流路６９側放熱面は冷却水により直接冷却され、放熱板６１の他面にはロウ付け或いはハンダ付けにより発熱体６０が装着されている。
冷却水流量をＭ＝１００[ml/sec]とするとき、図１６[タイプII]のグラフから冷却水の熱伝達率は約５００００[Ｗ/(ｍ２・Ｋ)]となり、放熱板６１放熱面と冷却水の間の熱抵抗が０．００２[Ｋ/Ｗ]という高性能な冷却装置５９を作ることができる。それは、放熱板６１放熱面表面温度と冷却水間に１０[Ｋ]の温度差があれば、冷却面積１００[cm2]で５[kW]の冷却を可能とするものである。
冷却水流量をＭ＝２００[ml/sec]とすればさらに高性能な冷却装置５９とすることが可能で、放熱板６１放熱面表面温度と冷却水間に１０[Ｋ]の温度差があれば、冷却面積１００[cm2]で約１０[kW]の冷却が可能となる
ちなみに、冷却流路６９に切延板６３を配設することなく同じ性能の冷却装置を作るためには、計算上、矩形流路の短辺長さを０．２[mm]としなければならず、圧力損失と目詰まりが大きな課題となる。
図１８は実施の形態に係る平板型伝熱管を示しており、平板型伝熱管７０は、伝熱面７１，７１を備え、伝熱面７１，７１の片側端部近傍に複数個の流体流入口７２が形成され、対向するもう片方の端部近傍には複数個の流体流出口７３が形成されている。
図１８ａの（１）～（３）は、円管を伝熱管とする伝熱管群（図１８ａ（１））と、平板型伝熱管（図１８ａ（２））と、本発明の実施の形態としての平板型伝熱管（図１８ａ（３））とについて、伝熱管内の熱抵抗が同じとなる伝熱管サイズを比較したものである。本実施の形態に係る平板型伝熱管内の伝熱性能（図１８ａ（３））は、伝熱管群（図１８ａ（１））のものと比較するとおよそ２５倍に大幅に改善されることが分かる。しかしながら、平板型伝熱管７０外側の伝熱性能を合わせて改善しなければ本実施の形態に係る平板型伝熱管７０の特性を十分に生かすことはできない。
図１９は上記した平板型伝熱管７０を用いて構成された実施の形態に係る臭化リチウム系の吸収式冷凍機に使用する凝縮器を示しており、凝縮器７５は多数の平板型伝熱管７０が前後方向に積層されて構成されている。これら積層された平板型伝熱管７０の前後両端面に端板７６、８０が配置され、一方の端板７６には冷却水配管７７，７７が接続され、また、端板７６、８０と平板型伝熱管７０との間、及び平板型伝熱管７０と平板型伝熱管７０との間には、それぞれ切延板７８及び連通管７９が配設されている。連通管７９は複数個の流体流入口７２、複数個の流体流出口７３をそれぞれ囲う態様で配置され、連通管７９、７９には冷却水配管７７，７７が接続されている。
図２０は多数の平板型伝熱管７０と端板７６、８０が組み立てられた状態の凝縮器７５を示している。凝縮器７５の内部では、水蒸気及び冷却水が図２１に示したように流れ、水蒸気は極めて効率的に冷却され、凝縮していく。
このように平板型伝熱管７０の外側の伝熱面７１に沿って水蒸気が流れる流路に切延板７８を配設することで、水蒸気流の局所流体流れが伝熱面７１を流れ下る凝縮液膜内を撹拌して凝縮液膜内に強制対流熱伝達を生じさせて凝縮熱伝達率を大幅に向上させることができる。
また、臭化リチウム系の吸収式冷凍機に使用する吸収器も、本実施の形態と同じ構成で、平板型伝熱管７０外側の伝熱面７１に沿って臭化リチウム水溶液（吸収液）の液膜を流下させるようにすることで実現できる。水蒸気流の局所流体流れが伝熱面７１を流れ下る吸収液膜内の温度境界層と濃度境界層との乱れを増大させることで、水蒸気の吸収液膜内への吸収、拡散が促進される。
尚、吸収式冷凍機の凝縮器や吸収器は高真空のシェル内に格納されるので、冷却水水圧により平板型伝熱管７０が破壊されるのを防ぐために図２２に示すような形態でシェル内に格納する必要がある。図２２は凝縮器７５が耐圧フレーム８１で補強された状態を示しており、凝縮器７５は、耐圧フレーム８１にボルト８２を用いて挟み付けられ、固定されている。
図２３は実施の形態に係る蒸留塔の分解斜視図を示している。蒸留塔８５は、天板８６と底板８７との間に棚段８８が上下方向に多数積層されて構成されている。棚段８８は図２４に示したように、切延板８９とトレイ９０とで構成され、トレイ９０にはトレイ９０を多数の区画に区分けしてプール９３を形成する堤９１が形成されている。また、トレイ９０の長さ方向両端部近傍には複数個の開口９２が形成され、これらの開口９２を介して各棚段８８は底板８７に形成された蒸気供給口９４と蒸気排出口９５とに連通されている。底板８７は蒸気排出口９５側が蒸気供給口９４側よりも少しだけ水平面９７と比較すると高くなる（水平面９７に対して数十分の一～数百分の一の小さな傾斜で高くなる）ように設置されており、蒸気供給口９４側から供給された蒸気がゆっくりと蒸気排出口９５側へ昇っていくようになっている。蒸気をゆっくり流すことで圧力損失を極端に小さくすることができる。
各プール９３の還流液面９６高さは図２５に示したように、堤９１で規制されており、この堤９１の高さは切延板８９の全厚Ｄを考慮して蒸気と還流液との接触が十分行われる高さに設定されている。棚段８８に掛かる垂直方向荷重は堤９１には掛からないようになっており、還流液は分配器（図示せず）により、各棚段８８の塔頂側最上部のプール９３に供給され、還流液は各プール９３に滞留しながらゆっくりと流下するようになっている。
切延板８９による局所的な乱流促進作用により、気液界面近傍の蒸気相内高沸点成分が減少して形成される蒸気相内の濃度境界層が薄くなり、気液界面への蒸気相内高沸点成分の拡散抵抗が小さくなり、物質移動が促進される。
また、図示していないが、別の実施の形態では、図２３に示した蒸留塔８５を脱臭装置としても使用することができる。脱臭装置として使用する場合には、還流液に代えて気相中の匂い成分を吸着し易い吸着液を用いれば、脱臭を極めて効率的に行える脱臭装置とすることができる。
また、上記実施の形態では、熱交換器の例として半導体パワーモジュール等の発熱体を冷却する冷却装置、吸収式冷凍機における凝縮器、吸収器を例に挙げて説明したが、本発明に係る凝縮器、吸収器は、吸収式冷凍機における凝縮器、吸収器に何ら限定されるものではなく、吸収式冷凍機以外の独立した凝縮器、吸収器にも適用可能であることは言うまでもない。
　本発明は、電子機器産業を始め、プラント産業、各種装置産業などの熱移動、物質移動を伴う機器産業分野において幅広い利用が可能である。
１１　　流路平面
１２　　流路
１３　　切延板
１３Ａ　切延板
１３Ｂ　切延板
１４　　流体流れ
１５　　境界層
１６　　局所流体流れ
１７　　切延板メッシュ
１８　　ストランド
１９　　ボンド
２０　　固定流路部
２１　　流体入口配管
２２　　流体出口配管
２３　　ボルト挿通孔
２４　　ヘッダー
２５　　ヘッダー
２６　　流体供給口
２７　　流体流出口
２８　　固定切延板
２９　　伝熱板
３０　　可変流路部
３１　　流体入口配管
３２　　流体出口配管
３３　　ボルト挿通孔
３４　　ヘッダー
３５　　ヘッダー
３６　　流体供給口
３７　　流体流出口
３８　　矩形流路平面
３９　　可変切延板
４０　　可変スペーサ
４１　　可変ガスケット
４２　　固定ガスケット
４３　　ボルト
４４　　ナット
４５　　冷水流路
４６　　温水流路
５０　　貯湯槽
５１　　ポンプ
５２　　バルブ
５３　　冷却器
５４　　バルブ
５５　　熱電対
５６　　熱電対
５７　　熱電対
５８　　熱電対
５９　　冷却装置
６０　　発熱体
６１　　放熱板
６２　　Ｏリング
６３　　切延板
６４　　冷却水入口配管
６５　　冷却水出口配管
６６　　流体供給口
６７　　流体流出口
６８　　冷却ユニット
６９　　冷却流路
７０　　平板型伝熱管
７１　　伝熱面
７２　　流体流入口
７３　　流体流出口
７５　　凝縮器
７６　　端板
７７　　冷却水配管
７８　　切延板
７９　　連通管
８０　　端板
８１　　耐圧フレーム
８２　　ボルト
８５　　蒸留塔
８６　　天板
８７　　底板
８８　　棚段
８９　　切延板
９０　　トレイ
９１　　堤
９２　　開口
９３　　プール
９４　　蒸気供給口
９５　　蒸気排出口
９６　　還流液面
９７　　水平面
ＬＷ　　メッシュ長目方向中心間距離
ＳＷ　　メッシュ短目方向中心間距離
Ｔ　　　板厚
Ｗ　　　刻み幅
Ｄ　　　全厚

Claims (9)

  1. 対向して配置される２平面に挟まれて形成された流路に切延板を配設し、これら２平面と流体との間に形成される種々の境界層に、前記切延板に導かれる局所流体流れを作用させ、熱移動及び／又は物質移動に関する流体の流動特性を局所的な乱流促進作用で改善することを特徴とする流体流動特性の改善方法。
  2. 前記流体の流れ方向に対し、切延板メッシュの長目方向を直交させる態様で、前記切延板を前記流路に配設することを特徴とする請求項１記載の流体流動特性の改善方法。
  3. 前記切延板の刻み幅Ｗを規格品よりも広くし、前記切延板の全体厚みＤを厚くすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の流体流動特性の改善方法。
  4. 前記切延板の刻み幅Ｗの長さを２辺とする直角２等辺三角形の斜辺の長さを前記切延板メッシュの短目方向中心間距離ＳＷの半分の長さに設定することを特徴とする請求項３記載の流体流動特性の改善方法。
  5. 請求項１～４のいずれかの項に記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴とする熱交換器。
  6. 請求項１～４のいずれかの項に記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴とする蒸留装置。
  7. 請求項１～４のいずれかの項に記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴とする脱臭装置。
  8. 請求項３記載の流体流動特性の改善方法に使用される切延板であって、刻み幅Ｗが規格品よりも広く設定され、全体厚みＤが規格品よりも厚く設定されていることを特徴とする切延板。
  9. 請求項４記載の流体流動特性の改善方法に使用される切延板であって、前記刻み幅Ｗの長さを２辺とする直角２等辺三角形の斜辺の長さがメッシュの短目方向中心間距離ＳＷの半分の長さに設定されていることを特徴とする切延板。
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