高温と低温の空気流れを分離した傾斜型矩形フィン付熱交換器の自然対流熱伝達特性(熱工学, 内燃機関, 動力など)
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(2) 高温 と低温 の空気流 れ を分離 した傾斜型矩 形 フィン付 熱交換器 の自然 対流熱伝 達特性. 248. れ るた め,上 流 で暖 め られ た 空気 流 が 下 流 の フ ィ ン に 影 響 を及 ぼ す こ と は な い.ま た,フ ィ ンに よっ て 境 界. フ ィ ン付 熱 交換 器 の加 熱 に は ラバ ー 製 の絶 縁 性 電 気 ヒ ー タ を用 い た .ア ル ミ基板 と電 気 ヒー タ とは シ リ コ ン. 層 の分 断 が 実 現 され,前 縁 効 果 に よる伝 熱 促 進 も期 待. グ リー ス を介 して接 触 して い る.. で き る. 図1Φ)は,傾. 斜 型 矩 形 フ ィ ン の配 置 の影 響 に つ い て. 検 討 す るた め の もの で,(a)と 区別 す る た め に 交 互傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン と呼 ぶ.. H=W=50,T=1,B=10,C;45(Unit:mm). Fig.3Rectangularfhmedsu血. 1・・1蜘 ・n＼Fl・pit・h(P)V。. ㏄. 由、三mnTh・m・lb…d町. angle(θ)Inclincdfヨn畳ayer (a)hclined丘med(b)Alternatlveinclined(c)Ve腫ical行 surface盛 ㎜edsur飴cesu漁ce. ㎜ed. FiglNewlydeveloped㎞c㎞edf㎞edsur飴. 3.実. ㏄. 験装置 および方法. 実 験 装置 に用 い た 基板 を 図2に 示 す.250mm× 240㎜. ×3㎜. 合 計84個. の ア ル ミ基 板 の 上 に,田. の ね じ穴 を. 作成 した. Fig.4Exper㎞. 【enla直apparatus. アル ミ基 板 の 電気 ヒー タ側 に素 線 径02㎜. の 銅 ・コ. ン ス タ ンタ ン熱 電 対 を6点 接 着 し,ア ル ミ基 板 の温 度 を測 定 した.ア ル ミ基 板 は厚 さが3㎜. で あ り,6点 の. 平 均 温度 に対 す る ば らつ き は,+L3%∼-1.8%で た.し た が って,ア ル ミ基 板 温度(電 等 温 面 と考 え,6点. あっ. 気 ヒー タ側)は. の 平 均 で基 板 温 度 を 定 義 した 。. 電 気 ヒー タか ら後 方 に逃 げ る放 熱 量(臨. を求 め るた. め に,電 気 ヒー タの 後 ろ に密 着 して銅 板 を置 き,柔 か い熱 伝 導性 ラバ ー(熱 伝 導 率2.32Wi(m・K))を して3㎜. ら 介. 厚 さの ア ク リル 板(熱 伝 導 率021W酒(m・K)). を 置 い た.ア ク リル 板 の 前後 面 の 温 度 を素 線径02㎜ の銅 ・コ ン ス タ ン タ ン熱 電 対 を 用 い て 各 々9点 測 定 し, Fig2Al㎜. 血㎜bおepl蹴. そ の平 均 温 度 差 とア ク リル 板 の 熱 伝 導 率 を用 い て フー リエ の熱 伝 導 の法 則 に よ り放 熱 量(き螂 を求 め た.銅 板. そ の ね じ穴 に,図3に. 示 す1㎜. 厚 み の ア ル ミ製 の. は ア ク リル 板 上 で の温 度 分布 をマ 様 にす る ため に 置 い. 矩 形 フ ィ ン を シ リコ ン グ リー ス を介 して アル ミ基板 上. た 。熱 伝導 性 ラバ ー は銅 板 とア ク リル 板 の 密 着 度 を上. に ね じ止 め し,図4に. げ るた め に用 い た.断 熱 材 で あ る発 泡 ス チ ロー ル の 厚. 器 を製 作 した.ね. 示 す傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン付 熱 交換. じ止 め で あ るた め,傾 斜 角 度 は 容易. に 変 更 で き る.傾 斜 角度 とは,図4に. み は30mmで. 示 す よ うに水 平. あ る.上 下左 右 の側 面 も前 述 の 電気 ヒー. タの裏 面 と同 様 の 構 造 と した.. 面 か らの フ ィ ン の 取 り付 け 角 度 θをい う.傾 斜 型 矩形. 18一.
(3) 高温 と低 温の空気 流れ を分離 した傾斜型矩形 フ ィン付 熱交換器 の 自然対流 熱伝 達特性 自然 対 流 の 実 験 を行 な うこ とか ら,図4に. 示 した 熱. 交 換 器 の 周 囲 を横450× 高 さ450× 奥 行 き320mmの. 箱. で お お った.箱 の 上 面 は開 放 して お り,ま た,下 側 の 側 面 に は 空 気 の 流 通 孔 が 設 け られ て い る.. 直 フ ィ ン付 熱 交 換 器 に つ い て も実 験 を行 な っ た.垂 直 に は 図3に 示 した フ ィ ン を4枚. 設 置 した.す な わ ち 垂 直 フ ィ ンの 全 長 は200mmと る.表1に. で は,Q翻Q圃. は1%程. 放 散 され る熱 量Q㎜. 度 で あ り,自 然 対 流 熱 伝 達 で は,Q㎜ ノQ圃=80∼58%で. あ っ た.. 自然 対 流 熱 伝達 率hは 次 式 で 求 め た.. 実 験 方 法 の 正確 さ を確 か め るた め に,垂 直 平板 と垂. フ ィ ンは4列 で,1列. σ:ス テ フ ァ ン ボル ツマ ン 定数 で あ る.本 実 験 の 範 囲. 実験 に用 い た フ ィ ン形 状 を示 す.フ. な ィンの. 形状 ・ 寸 法 は,大 型 の 電 気 機 器 の 冷 却 性 能 改 善 を 目的 に. Q㎜=h・(Ab十 こ こで,Ab:基. φ ・Af)・(Tw-T、)(2) 板 の 面 積Af:フ. ィ ン部 の 面積. φ:フ ィ ン効 率 で あ る. フ ィン効 率 は,熱 伝 達 率 を仮 定 して矩 形 状 の 直線 フ ィ ン(6)と して 計 算 で求 め,(2)式 を 満 足 す る よ うに繰 り返 し計 算 を行 な って 求 めた.. して決 め た.. 5.実 5・1垂. 験結果 および考察. 直平板 および垂 直 フィン付熱交換器の 自然. 対流熱伝達特性. 垂 直平板 と垂直 フィン付熱交換. 器 の熱伝達特性 を図5に 示す.. 図 中実 線 は,甲 藤 の 式(7). 4.自. Nu=0.56(G,・Pr)1/4(3). 然対流熱伝達率 の決 定. で あ る.代 表 寸 法 は垂 直 平板 の 高 さL=250mmで 電 気 ヒー タ の発 熱 量Q㎞1をlo∼60wの. 範囲で変化. させ,ア ル ミ基板 の 温度(電 気 ヒー タ側)を2プ ℃ か ら 73℃ の 範 囲 で変 化 させ た.ア ル ミ基 板 の 表 面 側 温 度 す なわ ち伝 熱 面 温 度Twは,ア (=Q醐. ル ミ基 板 の 前 面 へ の 伝 熱 量. 一(≧螂)を 用 い て,フ ー リエ の熱 伝 導 の法 則 よ. り決 定 した.ア ル ミ基 板 の表 裏 面 の 温 度 差 は 最 大 で 0ρ1℃ 程 度 で あ る.周 囲 空気 温 度T、は18∼21℃ で あ る. アル ミ基 板 の 後 方 お よ び 側 面 に逃 げ る熱 量Qb、 、は, Ql。s/Q㎞1=19∼41%で. あ った.. Nu〒h・L/k(5) gは 重 力 の加 速度,β の動 粘 性 係 数hは. は空気の体膨張係数. 熱 伝 達 率,kは. γは 空 気. 空 気 の熱 伝導 率,. P,は 空 気 の プ ラ ン トル 数 で あ る.各 物 性 値 は境 膜 温度 (Tw+T。)!2で 評価 した.実 験 結 果 は ±10%の. 範 囲内. で(3)式 と一 致 して い る. 垂 直 フ ィ ンで は,基 板 とフ ィ ン間 の接 触 熱 抵 抗 を無. 代 表 寸 法 をLと. す る と,1垂直 平 板 と とも に(3)式で よ く. 整 理 で き る こ とが わ か る.フ ィ ン 間 が59mmで. Q㎡ ・σ ・ε ・A姻 ・(Tw4-Ta4)(1) ル ミ基 板 の 放 射 率 でon3,舳:フ. あ る.. β ・L3・(Tw-T、)/γ2(4). 視 し,(2)式 を 用 い て熱 伝 達 率 を求 め た.実 験 結 果 は,. ま た,放 射 伝 熱 で放 散 す る熱 量Q函 は次 式 で求 め た.. こ こで,ε:ア. こ こ で,G声g・. ィン. 部 の 包 絡 面 積 とフ ィ ン の な い部 分 の伝 熱 面積 の 和,. 後述す. る よ うに修 正 レー レー 数 が か な り大 き い垂 直 フ ィ ン付 き熱 交 換 器 で は,フ. ィ ン間 の 境 界 層 の干 渉 は ほ とん ど.
(4) 高温 と低温 の空気流 れ を分離 した傾 斜型矩形 フィン付熱 交換器 の自然 対流熱伝達特性. 250. ない と考 えて 良く,垂 直平板 と同様 の特性が得 られた. した もの で あ る.傾 斜 角 度 に よっ て 特 性 が 異 な る こ と. と考え られ る。. が わ か る.図10は. また,本 実験 の よ うに シ リコー ング リー スを介 して,. 傾 斜 角 度 の影 響 を 更 に 詳 細 に 議 論 す. るた め に 示 した もの で あ る.. 基板 とフィ ンをね じ止めで固定す る方法 は接触 熱抵抗 が無視 でき るほ ど小 さく,自 然空冷熱交換器 を簡易 に 製作す る方 法 として有効 であ る. 5・2傾. 斜 型 矩 形 フ ィ ン付 熱 交 換 器 の 自然 対流. 熱伝達特性 て,ピ. 図6,図7は,傾. ッチPを. 斜 角 度 θを一 定 に し. 変化 させ た 場 合 の 実 験 結 果 で あ る.各. 一. 無 次 元 数 は(4),(5)式 で 定 義 した も の で あ る.θ80, 60° の 各 場 合 と も,P≠20mmの. Smallfinp並chLafgefhlp並ch. 場 合 に レー レー数. Fig・8㎞t㎞. ㏄of出e㎜a匹bounda琢. 切er. 恥=G,・P,が 低 下す る と,ヌ セ ル ト数N。 が 大 き く減 少 す る こ とが わ か る. 1n2. 1uG. 10°. rPr Fig7Ef㎞toffillpi￠hatθ. lnc豊matlonang量eθC) 尋D°. Fig10Efibctof㎞c1㎞onang墨eonheat1鵬f銚 ㎝㎞. ㏄mentrado. 図8は 煙 を用 い た 空 気 流 れ の 可 視 化 実験 の結 果 よ り、 温 度 境 界 層 の干 渉 の 状 態 を推 定 した も の で あ る.た だ. す な わ ち,図10に. し、 観 察 され た煙 の流 れ が 温度 境 界 層 と直 接 対 応 す る. フ ィ ン(P崎Omm>の. もの で は な い.ピ. 示 す.図9よ. ッチPが. 小 さ く,レ ー レー 数 が小 さ. 垂 直 フ ィ ン に対 す る傾 斜 型 矩 形 伝 熱 促 進 率 を傾 斜 角 度 に対 して. り各 実 験 値 に対 して近 似 曲線 を 最小 自乗. くな る と浮 力 が 小 さ くな り,各 フ ィ ンで発 達 す る温度. 法 で求 め,レ ー レー 数 瓦=G,・P.が. 境 界 層 の 干 渉 が 大 き くな っ て熱 伝 達 特 性 が低 下 す る と. 直 フ ィ ン の ヌ セ ル ト数N㎜ に 対 す る傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン. 考 え られ る.. の ヌ セ ル ト数N、 が どの よ うに変 化 す る か を 求 め た も. 図9は,ピ. ッチP=60mmの. 場 合 の傾 斜 角 度 の影 響 を. 示 した実 験 結 果 で あ る.各 無 次 元 数 は(4),(5)式 で 定 義. 一 定 の も とで,垂. の で あ る.傾 斜 角 度 が30° ∼60° の 間 で は傾 斜 角 度 の 増 大 と とも に熱 伝達 特 性 が よ くな る傾 向 を示 す.し. )一. か.
(5) 高 温 と低温 の空気流れ を分 離 した傾斜 型矩 形 フィン付 熱交換器 の 自然対流 熱伝達特性 しな が ら,60°. を越 す と傾 斜 角 度 に よっ て そ の 特 性 が. 大 き く変 化 す る.レ ー レー 数 が5×107よ. り小 さい 場 合. 図 中,実. は,傾 斜 角 度. 線 は. NUs=(1/24)・(Gr,・Pr・SハV)・. は,傾 斜 角度 が60° よ り大 き くな る と熱 伝 達 特 性 が 悪 くな る 。 しか し,レ ー レー数 が5×107で. 251. 【1-exp{-125/(Grs・ で あ る.こ. こ で,傾. 唐 ・S!W)3/4}](6). 斜 角 度 θの 影 響 を 考 慮 し て,. が80° ま で は傾 斜 角 度 の 増 大 と と も に熱 伝 達 特 性 は. Gr、=g・cos(90一. よ くな る傾 向 を しめす.実 用 的 に は,広 範 囲 の レー レ ー 数 に対 して よい 熱 伝 達 特 性 を示 す 傾 斜 角 度60° が. Nu喜=h・S/k で あ る.(6)式. 最 適 で あ る とい え る.傾 斜 角 度 が60° の 時,傾 斜 型 矩. -20%の. 形 フ ィ ン付 熱 交 換 器 の 熱 伝 達 特 性 は,垂 直 フ ィ ン付 熱. ㎏*℃r,・Pr・Eywが. 交 換 器 に 比 して19%伝. て 範 囲 か ら外 れ て 熱 伝 達 特 性 が よ り低 下 す る 場 合 が あ. 熱 が促 進 され て い る.. 傾 斜 角 度 が30° で レー レー 数 が2×107の N4N酌. 場 合 に,. θ)・. に 対 し て,ほ. 範 囲 内 に あ る .た. β 。S3・(TバT、)/ッ2. と ん ど の 実 験 デ ー タ は+10%, だ し,修. 正 レ ー レー 数. 小 さ く な る と,傾. 斜 角 度 に よっ. る.. が1以 下 に な っ て い る.こ れ は各 フ ィ ンで 発 達. す る温 度 境 界 層 が 互 い に干 渉 しあ い,結 果 と して 図. 5・3交. 11(a)の破 線 で 示 す よ うに全 て の フ ィ ン を包 み 込 む よ. フ ィ ン(a)と交 互傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン(b)の熱 伝 達 特 性 を. うに な り,垂 直 フ ィ ンの 場 合(c)に比 して 温 度 境 界 層 が. 比 較 した 実 験結 果 を 図13に 示 す.い ず れ も,ピ. 厚 くな った た め と考 え られ る 。. 互 傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン との 比 較. P30,60n㎜. で は ピ ッチ の 影 響 は 少 な い. 傾 斜型矩形. ッチ. 交互傾斜 型. 矩 形 フ ィ ンで は,レ ー レー 数 が小 さ くな る と熱 伝 達 特 性 が や や 低 下 す る傾 向 を示 して い る.実 用 的 に考 え る と,広 範 囲 の レー レー数 に わ た っ て 良好 な 熱 伝 達 特 性 を 示 す傾 斜 型 矩 形 フ ィ ンの ほ うが よい とい え る. ま た,高 い レー レー数 で は,傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン と交 互 傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン の伝 熱 特性 は あ ま り変 わ らな い. この こ とは 、 高 い レー レー 数 で傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン を用 い る場 合 に は,フ 、vノ. 、鴨 ノ. FigllE伽ofi血c1㎞. 、uノ. ィ ン の配 置 の影 響 を厳 密 に 考 慮 す る. 必 要 が無 く製 造 管 理 上 の生 産 性 は 向 上 す る こ とを 意 味 して い る.. ぬonmgleon出e㎜lbomday. layer. 表1に 示 した傾 斜 型 矩 形 フ ィ ン(H=50mm)の. 実験. 結 果 を,垂 直 二 平 板 間 の 自、蓉 流熱 伝 達 に 関 す る 甲藤 (7)の 考 え方 を参 考 に して 無 次 元 整 哩 した も の を 図12 に示 す.す ィ ン長Wと. な わ ち,分 断 され た フ ィ ンに お い て も,フ フ ィ ン間 隔Sの. 空 間 に お い て煙 突 効 果 が. 生 じる と考 え た. lu'G. lO°. .P, Figl3Ef陀ctoffnaπangem㎝t. 5・4フ 図14に. ィ ン高 さHの 影 響 示 す.レ. フ ィ ン高 さの影 響 を. ー レー 数 が 小 さい 領 域 で は,破 線 で. 示 す よ うに フ ィ ン高 さが 低 い と熱 伝達 特 性 が 低 下 す る 傾 向 を示 して い る.最 適 な フ ィ ン高 さが 存 在 す る と考 え られ る が今 後 の 課 題 で あ る..
(6) 高温 と低 温の空気 流れ を分 離 した傾斜 型矩 形 フ ィン付熱交換 器 の自然対 流熱伝 達特性. (4)Sasaki, S. and Ashiwake,N., Enhancementof Natural ConvectionHeat Transferfrom an Inclined HeatedPlate by Using Rectangular Grids, Trans.Japan.Soc. Mech.Engrs. Ser.B, Vo164,No.625(1998),PP.3021-3027(in Japanese). (5)Nakazato,N. et al. , Natural Convection Coolingof Vertical Finned Plates in an ElectronicCabinet, Trans.Japan.Soc. Mech. Engrs. Ser.B, Vo161,No.587(1995),pp.2677-2682(in Japanese). Fig.14Ef蜘offhlheig㎞. (6)JSME Data Book Heat Transfer,4thEdition,(2003) (in Japanese). 6.結. 論. 構 造が簡単,取 り付 けが容易 で伝熱 促進効果 を有す る儂斜型 矩形 フィン付 き 自然空冷熱 交換器 を提案 し, 以下の結果 を得た. (1)傾 斜型矩形 フィンを有す る自然空冷型熱交換器 は,実 用 的にはフ ィン釧 頃斜角度 が60° の時に '換. 最 もよい熱伝達特性 を示 し,垂 直 フィン付熱 交 器に比 して19%の 伝熱 促進 率が得 られ た.. (2)傾 斜型矩形 フ ィン付熱 交換器の熱伝達特性 は傾 斜角度 を考慮す ると概 ね(6)式で無 次元整 理で きる. (3)傾 斜型矩形 フ ィンは交互傾 斜型矩形 フィ ンに比 べて広範 囲の レー レー数に対 して良好 な熱伝 達特性 を示す.. 謝 辞 本研 究 を実施す るに当た り,元 近畿大学生で ある 竹 島拓史氏,田 中真之氏 の協力 を得 た.こ こに謝意 を 表す る.. 文 献 (1)Aihara,T., Heat transfer of the electronicdevices,Jr. of the Japan Societyof MechanicalEngineers,Vol.70, No.583(1967),pp.1197-1204(in Japanese). (2)Misumi,T. and Kitamura,K., EnhancementTechniquesfor Natural Convection Heat Transfer from VerticalFinned Plate, Trans. Japan.Soc. Mech. Engrs. Ser.B, Vo161, No.581(1995),pp245-250(in Japanese). (3)Misumi,T. and Kitamura,K., EnhancementofNatural ConvectiveHeat Transfer from Tall, VerticalHeated Plates, Trans. Japan.Soc. Mech. Engrs. Ser.B,Vo165, No.640(1999),pp.4041-4048(in Japanese).. (7)Katto,Y., Heat transfer,YoukendoCote. (1972)(in Japanese)..
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