JP2005513410A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

「黄金分割」に従った少なくとも１つの対数曲線にほぼ一致する彎曲を呈する作用面（１）上に流体が流れて、この作用面（１）と、この流体間で熱交換を行う熱交換器。

Description

本発明は、熱エネルギーを、固形物から、または固形物へ分散させるのに役立ち、しかも、熱エネルギーを、熱分散構造物を取り巻く流体へ、または、そのような流体から（あるいは、その逆に）、最新式のヒートシンクまたは熱伝導体（サーマル・コンダクタ）の場合よりも効率的に伝達する働きを最大限に利用する熱分散構造物（ヒートシンクまたは熱交換器、あるいはラジエータ）に関する。本発明はまた、２つの固体または流体のプラズマ・コンダクタが互いに隣り合い、かつ一方の物質から他方の物質への熱伝達が求められている場所にも使用されることがある。他の用途の中でもとりわけ、本発明は、電子回路基板用のヒートシンク、ラジエータ、コンプレッサ、内燃機関用の冷却フィン、ラジエータや熱交換器、空調システムや冷凍システム、プラズマ発生器用の流体搬送チューブ、および、流体式またはバイメタル式の熱交換器に関する。

固形物と流体間の熱エネルギーの伝達に役立つように、かなり多くの構造物が案出されてきた。これらの構造物のほんの数例として、ヒートシンク、ラジエント・ヒータ、自動ラジエータ、空調熱交換器がある。ヒートシンクは、一般に、固形物の冷却に関連するものと見なされ、その固形物に結合されている一そろいのフィンから成っている。このような装置の主要目的は、その流体に接触する固形物の表面積を大きくし、それにより、その流体への熱エネルギーの伝達を増加させることであった。もちろん、フィン状に並んだものは、流体を加熱することを目的とする加熱器具にも使用できることがよく知られている。自動車のラジエータは、熱エネルギーを冷却液からラジエータのコアに伝達し、次に、熱エネルギーをラジエータのコアから大気に伝達することで、エンジンから大気に熱を分散させるように設計されている。この場合も、フィンで表面積を大きくすることが、このように熱エネルギーを、ラジエータのコアから大気に伝達することに役立っている。同様な配置構成が、他の多数の用途において見出される。

通常、固体と流体との間で熱エネルギーを伝達するのに用いられる上記構造物の設計は、固体と流体間に提供される表面積を最大限にすることを対象としてきた。それにもかかわらず、熱伝達を行う際の上記構造物の効率は、固形物上の流体の流れによっても決まる。多くの構造物が案出されてきたが、それらの構造物は、かなりの表面積を与えるとはいえ、この構造物を通り過ぎる流体の流れが限定されているために、特に効率的であるわけではない。多くの場合に、この自然流れは、熱交換器を通り過ぎる強制流体流れによって補われる。

自然界は、人間にわかっているもっとも効率的なエネルギー伝達システムを使用しているものと理解される。いつも、自然界は、乱流運動で熱を伝播する。この乱流は、もっとも効率的なものとして、三次元の特異（singular）渦運動に集中する。この対流流体流れの形状は、等角対数螺旋で表わされ、その収縮比または膨脹比は、ほぼ１：０．６１８であり、すなわち、有名な「黄金比」である。流体中のこのような流れ構造物の一例として、トルネードがある。別の例として、ファイア・ストームから生じる炎と煙のパターンがある。従来の技術は、このような自然流れの特性をほとんど顧慮していない。

自然界は、つねに、抵抗のもっとも少ない経路をたどるものと言われてきた。自然界での移動および成長は、特殊で、特有な対数の等比数列（三次元の黄金比すなわち等角螺旋のもの）で流れる。本発明の意図は、自然界の等角、対数の移動経路に完全にまたは一部、従うことで、流体を、その自然流れ傾向に向けて、最適なエネルギー伝達をもたらすことである。本発明は、自然渦流の幾何形状を利用している。

渦状構造物は、「ヒートポンプ」として働く。すなわち、渦状構造物は、温度差がある場合にのみ存在することもあり、逆も同じである。本発明は、渦の優れた冷却機能を利用しようと努めている。渦の効力の一部は、渦の幾何形状が、高い無乱流断熱膨脹比を提供できる点である。すなわち、最適な時間および距離において、熱を放出するか、あるいは、得ることができる。

渦のもっとも単純で、本質的で、かつもっとも普通の形状は、渦輪（vortex ring）またはトロイドである（図１３と図１４）。

渦輪の興味深い利用可能な性質の１つは、この渦輪が、著しく小さい摩擦を持ち、かつ、流体および熱の高速で、かつ非常にエネルギー効率の良いトランスポータ（移送物）である点である。

任意のラジエータ、熱交換器、またはヒートシンクの冷却効率を最大限に利用するために、個々の渦構造物を確立し、維持し、利用することが有益である。流体流れは、内部でも外部でも、トロイド（環状体）形状、ベナールセル、対流渦の形状、あるいは、ポテンシャル渦であることもある。上記のすべては、ほぼ、三次元の「黄金分割」すなわち等角螺旋に従っている。

従来技術におけるこの申し分のない例は、ランク・ヒルシュ管（Ranque-Hilsch tube）（図１３）である。

本発明のこれらの実施形態の設計基準を、全面的に、または部分的に用いることにより、現行の熱伝導体（サーマル・コンダクタ）構造物の性能が向上することになる。

よって、本発明は、「黄金分割」に従った少なくとも１つの対数曲線にほぼ一致する彎曲を呈する作用面上に流体が流れて、この作用面と、この流体間で熱交換を行う熱交換器に備わっている。

さらに好ましい特徴により、この作用面は、自然渦のものに従った作用面上の流体流れを発生させるために、自然渦の渦度にほぼ一致している。

本発明の好ましい特徴により、この作用面は、作用面を横切って流れる流体の渦状回転運動をもたらすようにしている。

好ましい実施形態により、この熱交換器は、流体から流体への熱の交換を容易ならしめるために、２組の流体流れの間に境界を設けて、その境界の両面に、その作用面を含める。

好ましい実施形態により、この熱交換器は、１つまたは複数のベーン（vane）を含む。

本発明の好ましい特徴により、その作用面は、軟体動物門（phylum Mollusca）、腹足綱（class Gastropoda）、または頭足綱（class Cephalopoda）の貝殻の外部形状に従った形状を呈している。本発明の特定の形態により、その作用面は、ヒタチオビガイ属（genera Volutidae）、アオイガイ属（genera Argonauta）、オウムガイ属（genera Nautilus）、イモガイ属（genera Conidae）、またはリュウテンサザエ属（genera Turbinidea）から選択された貝殻の外部形状に従っている。

本発明のさらに好ましい特徴により、その作用面は、軟体動物門、腹足綱、または頭足綱の貝殻の内部形状に従った形状を呈している。本発明の特定の形態により、その作用面は、ヒタチオビガイ属、アオイガイ属、オウムガイ属、イモガイ属、またはリュウテンサザエ属から選択された貝殻の内部形状に従っている。

さらに好ましい特徴により、この熱交換器は、入口と出口を有する概ね球状または楕円体の形状のダクトを含み、その構造物のうち、上記入口と出口の間の内面の彎曲が、実質的に、あるいは大部分において「黄金分割」の特性に従った対数曲線に一致している。

本発明の好ましい特徴により、その作用面の彎曲は、一次元である。

本発明の好ましい特徴により、その作用面の彎曲は、ニ次元である。

本発明の好ましい特徴により、その作用面の深さは、「黄金分割」に応じて様々である。

好ましい実施形態により、この熱交換器はヒートシンクを含み、また、その作用面は、本体から延びている１つまたは複数のベーンを含んで、それらのベーンに対して熱交換が行われることになっている。

好ましい実施形態により、その作用面は、渦巻の形状を呈している。

本発明は、いくつかの特定実施形態の下記説明に照らして見れば、より完全に理解されよう。

これらの実施形態はそれぞれ、固形面と流体間の熱伝達を行うようにした熱交換器を対象としている。

前述のように、あらゆる流体は、自然界の自然力の影響のもとに移動しているときに、螺旋状に、または渦状に移動しがちである。これらの螺旋または渦は、一般に、「黄金分割」すなわちフィボナッチ数列として知られている数列に従う。これらの実施形態はそれぞれ、流体が、それらの自然に好まれるやり方で移動できるようにするのに役立ち、それにより、このような熱交換器に常用されている装置内で、普通見出される乱流および摩擦を通じてもたらされる非能率な点が減らされる。以前に開発された技術は、一般に、自然の流体流れ傾向には、これほど従っていない。

本明細書に述べられる実施形態のそれぞれの熱交換器は、一般に、あらゆる点で、「黄金分割」に基づいて設計され、それゆえ、螺旋状に進行する形態の流体経路で、かつ少なくとも概ね「黄金分割」の特性に従う流体経路を熱交換器が備えていることが、これらの実施形態のそれぞれの特徴である。「黄金分割」の特性は、図１に示されている。図１は、「黄金分割」による螺旋曲線の展開を示すものである。この螺旋を展開すると、等角半径（例えば、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ）で測定された螺旋曲線の半径の成長オーダ（order of growth）は一定である。これは、ａ：ｂ＝ｂ：ａ＋ｂの公式に従う各シーケンス間のそれぞれの半径を三角形で表現することから図示できる。この公式は、１：０．６１８の比に一致し、しかも、この曲線全体にわたって終始一貫している。

熱交換器を形成する表面の彎曲が、二次元または三次元の形状を取り、かつ、「黄金分割」の特性にほぼ一致することと、上記流体経路の断面積のいかなる変化も、「黄金分割」の特性にほぼ一致していることが、これらの実施形態のそれぞれの特徴である。さらに、「黄金分割」の特性は、本来、軟体動物門、腹足綱、および頭足綱の貝殻の外部形状および内部形状として見出されることが判明した。また、熱交換器で定められる流体経路は、軟体動物門、腹足綱、および頭足綱の属の１つまたは複数の貝殻の外部形状または内部形状に概ね一致することが、これらの実施形態の少なくとも一部の共通の特徴である。

彎曲が「黄金分割」のものとほぼ一致するような経路を通る流体流れを起こさせるときに、表面上の流体流れが、ほぼ無乱流となり、その結果、空洞ができる傾向が少なくなることが流体流れの特徴であると判明した。

その結果、この表面上の流体流れは、この経路が実質的には「黄金分割」の経路と一致しないような以前の事例で遭遇したものよりも効率的である。そのような経路を通じて、その経路中の流体にもたらされる乱流の程度が少なくなった結果として、様々な実施形態による熱交換器は、同等な寸法特性の従来の熱交換器を用いて、以前可能であったものよりも高い効率で、固形物と流体間に熱を伝達する。この表面上の流体流れは層流となり、この流体のすべてが流れる。このような形態により、従来のシステムに共通の問題となっている「停滞」流体のデッド・ポケット（dead pocket）が避けられる。

図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２は、本発明による熱交換器の様々な実施形態を示している。これらの実施形態はそれぞれ、異なる外観を呈しているが、ヒートシンクとして、それらの動作に共通の特徴を共有している。それゆえ、これらの図面では、同じ特徴を示すために、同じ番号が用いられている。

それぞれの実施形態では、熱交換器は、渦の空洞中心、あるいは、ヒタチオビガイ科巻貝（volute）、イモガイ（cone）、または他の海産貝の中心巻き（centre winding）または隔壁（septa）と同様なやり方で形成した作用面を持っている。それぞれの実施形態は、基部２を持っている。基部２は、熱エネルギー源に取り付けられて、そこから延出するようにしている。基部（２）から、装置の作用面上に流れる流体に熱が伝達されると、この流体は、装置の遠い方の端に向けて加速し、また、流体が加速すると、流体は、断熱的に冷却して、熱交換器の作用面とこの流体との間の温度差を維持するのに役立って、さらなる熱交換を容易ならしめる。

作用面（１）は、図６、図７、図１０、図１１、図１２に示されるように、ただ１つのベーンまたはリブを含むか、あるいは、別法として、複数のベーンを含むことがある。熱交換器（１）はまた、所望の用途に応じて、完全に、または一部「黄金分割」に一致させて、外形幅を大きくしたり、あるいは、小さくすることがある（図６および図８を、図４と比較して）。これらのベーンは、中実であるか、中空であるか、あるいは、図１４と図１６に示されるように、渦巻形の空隙（void）を表わすこともある。

本発明による熱交換器は、広範な用途に使用されることもある。例えば、図４、図６、図８に示される実施形態に基づいて設計されたヒートシンクは、２、３例を挙げると、半導体、電源トランス、冷凍、加熱器具などの広範な熱源を冷却させるようにする。このような用途では、さらに効率的な熱伝達は、熱交換器の表面上に渦状流体流れを確立することで、行われる。このような効率的な流体流れは、熱交換器をさらに効率的に、かつ効果的に利用することを意味し、それゆえ、この熱交換器は、従来の設計よりも小さいこともある。

前に示されたように、熱交換器の表面を横切る流体流れを向上する恩恵以外に、本発明は、本体の前後間に温度差をもたらすさらなる機構も提供する。図４〜図１２に示される実施形態では、流体が、このシステムの基部２に入ると、流体は、半径方向に急速に加速されて、遠い方の端３に向かって移動し、最高速度および最小圧力が得られる。その結果、この流体の温度は、断熱的に低下し、それにより、この渦の前後間に温度差がもたらされる。この温度差は、渦状流れ中において固有のものである。適切な設計により、本体は、この温度差を利用するように構築されることがある。

図１３は、圧縮空気が１３にて接線方向に入るランク・ヒルシュ管（Ranque-Hilsch tube）を示している。半径方向に、このチューブを横切って温度差がもたらされて、流体が、中心軸線では、冷たくなる。さらに、このチューブに沿って、中心部の流体の流れは、外周部のものとは逆向きである。それゆえ、ランク効果の結果として、冷たい空気が一端１４から出てゆき、また、熱い空気が他端１５から出てゆく。このような機構では、摂氏−５０度の温度が、容易に得られる。これらの装置は、今のところ、たいしてエネルギー効率が良くない。これらの装置は、渦温度差を利用しようと努めているが、まだ、Ｐｈｉ渦幾何形状により設計されてはいない。その結果、内部で発生する摩擦や乱流を通じて、かなりのエネルギーが消費される。図１４に示される第５の実施形態は、本発明に基づいて設計されたランク・ヒルシュ管（Ranque-Hilsch tube）と同様な冷凍装置を含む。しかしながら、この第５の実施形態は、図１３に示されるような平行面パイプを使用していないが、ただし、図４〜図１２に示される実施形態のうちの１つを中空にしたものとなり、すべての表面は、「黄金分割」による三次元曲線とほぼ同じである。気体は、入口１を通じて、中空螺旋状ベーン５に入れられて、出口３へ流れる。途中で、ガスは加速して、圧力降下を受け、その結果、温度が低下する。ランク・ヒルシュ管（Ranque-Hilsch tube）の場合と同様に、熱い空気が、出口２を通じて排出され、また、冷たい空気が、出口３を通じて放出される。

このような装置が、本発明の原理に基づいて設計し直されるときには、著しい効率利得が得られる。

図１５と図１６は、ベーンまたは小開口（vent）（７）を通す液体タンクまたはガス・タンクを示しており、このベーンまたは小開口（７）は、他の流体媒体が、ベーンを介して、そのタンク内に進むことができるように、前部または後部の壁面に取り付けられている。別法として、ブロック（６）は、小開口（７）を切り開く金属などの材料でできた固形ブロックである場合もある。図１４と図１５に示されるベーンまたは小開口は、上述の原理に従って、図１６に示される砂時計のような形状であることもある。流体を小開口（７）に通すことにより、タンクすなわちブロック（６）の一方の側（８）と、反対の側（９）との間に、温度差がもたらされ、それにより、このブロックを横切って、熱の授受がもたらされる。

本発明の範囲は、上述の実施形態の特定の範囲に限定される必要がないと理解されよう。

本明細書の全体にわたり、その前後関係から特に求められない限り、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」の語、あるいは、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変形語は、所定の整数または整数グループを含めるが、他の任意の整数または整数グループも除外しないという意味に解される。

「黄金分割」すなわちフィボナッチ数列のチャートである。 「黄金分割」に従った自然渦の略側面図である。 「黄金分割」渦の構造物の等比数列比を描いたグラフである。 本発明の第１の実施形態による熱交換器の側立面図である。 図４に示される第１の実施形態による熱交換器の端面図である。 本発明の第２の実施形態による熱交換器の側立面図である。 図６に示される第２の実施形態の熱交換器の端立面図である。 第３の実施形態による熱交換器の側立面図である。 図８に示される第３の実施形態の熱交換器の端立面図である。 本発明による熱交換器の第４の実施形態の側面図である。 第４の実施形態の切断側面図である。 第４の実施形態の端立面図である。 ランク・ヒルシュ管（Ranque-Hilsch tube）の略図である。 第５の実施形態による冷凍装置の略図である。 内燃機関および冷凍システム用の冷却ラジエータの略図である。 図１４と図１５のラジエータに見られるように、本発明の一形態のベーンをクローズアップした略図である。 流体すなわち熱エネルギーの渦流態様を示す渦輪の中央の略図である。

符号の説明

なし

Claims (18)

1. 「黄金分割」に従った少なくとも１つの対数曲線にほぼ一致する彎曲を呈する作用面上に流体が流れて、前記作用面と前記流体間で熱交換を行うことを特徴とする熱交換器。
2. 前記作用面は、自然渦のものに従った前記作用面上の流体流れを発生させるために、自然渦の渦度にほぼ一致していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記作用面は、前記作用面を横切って流れる流体の渦状回転運動をもたらすようにしていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 熱伝達が求められる二次媒体との関係で、三次元の対数渦運動で熱エネルギーを伝播させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 一方の流体から他方の流体への熱交換を容易ならしめるために、２組の流体流れの間に境界を設けて、前記境界の両面に、前記作用面を含めることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の熱交換器。
6. 自然渦の構造物中に想像された渦度ラインにほぼ一致することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記作用面の彎曲は、一次元であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の熱交換器。
8. 前記作用面の彎曲は、二次元であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の熱交換器。
9. 前記作用面の深さは、「黄金分割」に応じて様々であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の熱交換器。
10. １つまたは複数のベーンを備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の熱交換器。
11. 前記作用面は、軟体動物門、腹足綱、または頭足綱の貝殻の外部形状に従った形状を呈していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の熱交換器。
12. 前記作用面は、ヒタチオビガイ属、アオイガイ属、オウムガイ属、イモガイ属、またはリュウテンサザエ属から選択された貝殻の外部形状に従っていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の熱交換器。
13. 前記作用面は、軟体動物門、腹足綱、または頭足綱の貝殻の内部形状に従った形状を呈していることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の熱交換器。
14. 前記作用面は、ヒタチオビガイ属、アオイガイ属、オウムガイ属、イモガイ属、またはリュウテンサザエ属から選択された貝殻の内部形状に従っていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１つに記載の熱交換器。
15. 熱交換器が、入口と出口を有する概ね球状または楕円体の形状のダクトを備えることと、前記構造物のうち、前記入口と前記出口の間の内面の彎曲が、実質的に、あるいは大部分において「黄金分割」の特性に従った対数曲線に一致していることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の熱交換器。
16. 本体から延びている１つまたは複数のベーンから成るヒートシンクを備えて、前記ヒートシンクに対して熱交換が行われることになっていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の熱交換器。
17. 渦巻の形状を呈していることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の熱交換器。
18. 実質的に本明細書に述べられる通りの熱交換器。

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