流れ制御体
【課題】管構造体において管壁と流体との間で効率的な熱交換を実現する流れ制御体を提供する。
【解決手段】本発明に係る流れ制御体１は、流体が流通する管構造体１００の内部に配置される流れ制御体１であって、前記流体の流れを径方向外側に導く無孔板１０と、前記無孔板１０の下流側に配置されて前記流体の流れを径方向に分散する多孔板２０と、を有する。
【解決手段】本発明に係る流れ制御体１は、流体が流通する管構造体１００の内部に配置される流れ制御体１であって、前記流体の流れを径方向外側に導く無孔板１０と、前記無孔板１０の下流側に配置されて前記流体の流れを径方向に分散する多孔板２０と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流れ制御体に関し、特に、管構造体において管壁と流体との間で効率よく熱交換を行うための流れの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１に記載されているように、内部を流体が流通する配管において、管壁の外周にヒータが配置され、当該ヒータで加熱された管壁によって当該流体を加熱することがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−００２９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来、ヒータで加熱された管壁により流体を加熱する配管においては、当該流体を必ずしも効率よく加熱することができなかった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであって、管構造体において管壁と流体との間で効率的な熱交換を実現する流れ制御体を提供することをその目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る流れ制御体は、流体が流通する管構造体の内部に配置される流れ制御体であって、前記流体の流れを径方向外側に導く無孔板と、前記無孔板の下流側に配置されて前記流体の流れを径方向に分散する多孔板と、を有することを特徴とする。本発明によれば、管構造体において管壁と流体との間で効率的な熱交換を実現する流れ制御体を提供することができる。
【０００７】
また、前記多孔板の外径は、前記無孔板の外径以上であることとしてもよい。また、前記無孔板の外径に対する前記無孔板と前記多孔板との距離の比は、０．３以下であることとしてもよい。また、前記流体の流れ方向において直列的に配置された複数の前記多孔板を有することとしてもよい。
【０００８】
また、前記流体を加熱又は冷却するために加熱又は冷却された管壁を有する下流部と、前記下流部の上流側に設けられた上流部と、を有する前記管構造体の前記上流部に配置されることとしてもよい。この場合、前記上流部の内径に対する前記無孔板の外径の比は、０．７以上、０．９５以下であることとしてもよい。また、前記上流部の内径に対する前記上流部の長さの比は、３以下であることとしてもよい。また、前記管構造体は、前記上流部の上流側に設けられ、その内径が前記上流部の内径より小さい、前記流体が流出する流入口部を有することとしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、管構造体において管壁と流体との間で効率的な熱交換を実現する流れ制御体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る流れ制御体が配置された管構造体の断面の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る流れ制御体の一例の外観を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る流れ制御体に含まれる多孔板の一例を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る流れ制御体の管構造体への取り付け構造の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る流れ制御体が配置された管構造体の断面の他の例を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る実施例１〜４及び比較例１において温度分布を評価した結果を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る実施例１〜４及び比較例１において各測定点での温度を評価した結果を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る実施例２，３及び比較例２，３において温度分布を評価した結果を示す説明図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態に係る実施例２及び比較例２において各測定点での温度を評価した結果を示す説明図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態に係る実施例３及び比較例３において各測定点での温度を評価した結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の一実施形態について説明する。なお、本発明は、本実施形態に限られるものではない。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る流れ制御体１が配置された管構造体１００の断面の一例を示す説明図である。図２は、流れ制御体１の一例の外観を示す説明図である。図３は、流れ制御体１に含まれる多孔板２０の一例を示す説明図である。
【００１３】
図１に示すように、流れ制御体１は、流体が流通する管構造体１００の内部に配置される。本実施形態において、管構造体１００は、内部が中空の管状の構造体である。図１に示す例において、管構造体１００の内部には、矢印Ｆの指す方向（流れ方向）に流体が流通する。流体は、気体や液体等、管構造体１００の内部を流通することができるものであれば特に限られない。
【００１４】
管構造体１００は、内部に流体が流通する管状の構造体であれば特に限られない。すなわち、管構造体１００は、例えば、流体を輸送するための配管構造体とすることができる。また、管構造体１００は、例えば、内部を流体が流通する装置又はその一部とすることもできる。なお、本実施形態において、管構造体１００の断面形状は円形であるが、これに限られず、例えば、多角形であってもよい。
【００１５】
管構造体１００は、流体を加熱又は冷却するために加熱又は冷却された管壁１３２を有する下流部１２０と、当該下流部１２０の上流側に設けられた上流部１１０と、を有している。
【００１６】
すなわち、管構造体１００を構成する管壁１３０は、その長手方向（すなわち、流れ方向）における下流側の一部として、流体を加熱又は冷却するために加熱又は冷却された管壁１３２を有している。
【００１７】
本実施形態において、下流部１２０の管壁１３２は、その内部を流通する流体を加熱するために加熱されている。すなわち、図１に示すように、下流部１２０の管壁１３２の外周には、当該管壁１３２を加熱するための加熱部１４０が設けられている。
【００１８】
具体的に、図１に示す例において、加熱部１４０は、通電により発熱する発熱線１４１と、当該発熱線１４１を被覆する断熱材１４２と、を有するヒータである。本実施例において、加熱部１４０は、管壁１３２の外周方向全域を被覆するように配置されている。
【００１９】
なお、内部の流体を冷却するために下流部１２０の管壁１３２が冷却される場合には、例えば、当該管壁１３２の外周に、内部を冷媒が流通する冷却装置等からなる冷却部が配置される。
【００２０】
下流部１２０には、流体が通過することのできる充填材が充填されていてもよい。充填材は、流体に含有される所定の物質の除去等、任意の目的で使用される。下流部１２０に充填材が充填される場合、例えば、当該下流部１２０の上流端（上流部１１０と下流部１２０との境界）は、当該充填材の上流端とすることができる。
【００２１】
上流部１１０は、管構造体１００の長手方向において、下流部１２０の上流側に連なって設けられている。上流部１１０は、管構造体１００において、下流部１２０に流入する流体の流れを予め制御するために確保された領域である。
【００２２】
図１に示す例において、上流部１１０の管壁１３１には、加熱部１４０は設けられていない。ただし、上流部１１０の管壁１３１は、例えば、その下流側の一部が加熱又は冷却されてもよい。すなわち、上流部１１０の管壁１３１は、例えば、その少なくとも上流側の一部が加熱又は冷却されていない、管壁１３０の一部とすることができる。なお、管構造体１００の管壁１３０は、例えば、金属から構成される。
【００２３】
流れ制御体１は、このような管構造体１００の上流部１１０に配置される。流れ制御体１は、図１〜図３に示すように、流体の流れを径方向外側に導く無孔板１０と、当該無孔板１０の下流側に配置されて当該流体の流れを径方向に分散する多孔板２０と、を有している。
【００２４】
本実施形態において、多孔板２０は、一方の表面から他方の表面まで貫通する多数の孔２１が形成された円盤である。図３に示すように、多孔板２０においては、内径Ｄ２１の多数の円形の孔２１が規則的に配置されている。具体的に、図３に示す例において、多数の孔２１は、一定の中心間距離Ｄ２２，Ｄ２３で格子状に配置されている。
【００２５】
多孔板２０は、例えば、金属から構成される。具体的に、本実施形態において、多孔板２０は、パンチングメタルである。なお、多孔板２０は、流体が通過できる多孔構造を有するものであれば特に限られず、例えば、エキスパンドメタルや金網等のメッシュ構造体とすることもできる。また、多孔板２０及び孔２１の形状は、本実施形態において円形であるが、これに限られず、例えば、それぞれ独立に、円形又は多角形であってもよい。
【００２６】
無孔板１０は、上述の多孔板２０のように流体が通過できる構造を有しない。すなわち、本実施形態において、無孔板１０は、流体が通過できる構造を何ら有しない円盤である。無孔板１０は、例えば、金属から構成される。なお、無孔板１０の形状は、本実施形態において円形であるが、これに限られず、例えば、多角形であってもよい。
【００２７】
管構造体１００の上流部１１０において、無孔板１０は上流側に配置され、多孔板２０は、当該無孔板１０と離隔してその下流側に配置される。すなわち、図１に示す例において、多孔板２０は、無孔板１０の下流側に隣接して配置されており、当該多孔板２０と当該無孔板１０との間に他の部材は配置されていない。
【００２８】
ここで、無孔板１０は、図１に示すように、上流部１１０の径方向（流れ方向を横切る方向）の中央部分を塞ぐように配置されている。すなわち、無孔板１０は、上流部１１０の径方向の中央部分における流体の流れを遮るように配置されている。このため、無孔板１０は、流体の流れを当該無孔板１０の外周側に導くこととなる。したがって、上流部１１０に流入した流体は、まず無孔板１０に衝突し、当該無孔板１０と、上流部１１０の管壁１３１と、の間から下流側に流れる。
【００２９】
無孔板１０の外径Ｄ１０は、上流部１１０の内径Ｄ１１０より小さく、流体の流れを径方向外側に偏らせることのできる範囲であれば特に限られない。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する無孔板１０の外径Ｄ１０の比Ｄ１０／Ｄ１１０は、例えば、０．７以上、０．９５以下とすることができ、０．８以上、０．９５以下とすることが好ましい。無孔板１０が上述の範囲の外径Ｄ１０を有することにより、流体の流れを径方向外側に効果的に導くことができる。
【００３０】
なお、本実施形態において、管構造体１００及び流れ制御体１に関する内径及び外径は、円形については直径を意味し、他の形状については流れ方向と直交する方向における代表寸法（例えば、偶数多角形については対角線の長さ）を意味する。
【００３１】
無孔板１０の高さ（流れ方向の長さ）Ｈ１０は、当該無孔板１０を上流部１１０に配置できる範囲であれば特に限られない。すなわち、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する当該無孔板１０の高さＨ１０の比Ｈ１０／Ｄ１０は、例えば、０．０２以下とすることができ、０．００１５以上、０．０２以下とすることもできる。
【００３２】
多孔板２０は、無孔板１０と同様、上流部１１０の径方向の中央部分に配置されている。すなわち、上流部１１０の流れ方向において、多孔板２０と無孔板１０とは直列的に配置されている。より具体的に、図１に示す例において、多孔板２０は、無孔板１０と同心に配置されている。
【００３３】
多孔板２０は、上述のとおり多孔構造を有しているため、流体の流れを径方向に適度に分散させることができる。したがって、無孔板１０の径方向外側から流入した流体は、その一部が多孔板２０と上流部１１０の管壁１３１との間を通過して下流側に流れ、他の一部は、当該多孔板２０と衝突して径方向に分散され、当該多孔板２０の多数の孔２１を通過して下流側に流れる。
【００３４】
多孔板２０の外径Ｄ２０は、流体の流れを径方向に分散することのできる範囲であれば特に限られない。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する多孔板２０の外径Ｄ２０の比Ｄ２０／Ｄ１１０は、例えば、０．８以上、１以下とすることができ、０．９以上、１以下とすることが好ましい。多孔板２０が上述の範囲の外径Ｄ２０を有することにより、流体の流れを径方向に効果的に分散することができる。
【００３５】
また、多孔板２０の外径Ｄ２０は、無孔板１０の外径Ｄ１０以上であることが好ましい。すなわち、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する多孔板２０の外径Ｄ２０の比Ｄ２０／Ｄ１０は、特に限られないが、例えば、１以上、１．５以下とすることが好ましく、１以上、１．１以下とすることがより好ましい。また、多孔板２０の外径Ｄ２０は、無孔板１０の外径Ｄ１０より大きいこととしてもよい。この場合、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する多孔板２０の外径Ｄ２０の比Ｄ２０／Ｄ１０は、例えば、１超、１．５以下とすることが好ましく、１超、１．１以下とすることがより好ましい。この比Ｄ２０／Ｄ１０が上述の範囲であることにより、流体を効率よく多孔板２０に衝突させて、当該多孔板２０による流体の径方向への分散を効果的に達成することができる。
【００３６】
多孔板２０の高さＨ２０は、当該多孔板２０を上流部１１０に配置できる範囲であれば特に限られない。すなわち、多孔板２０の外径Ｄ２０に対する当該多孔板２０の高さＨ２０の比Ｈ２０／Ｄ２０は、例えば、０．０２以下とすることができ、０．００１以上、０．０２以下とすることもできる。
【００３７】
無孔板１０と多孔板２０とは、図１に示すように、比較的近接して配置することができる。すなわち、例えば、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する当該無孔板１０と多孔板２０との距離Ｌ１２の比Ｌ１２／Ｄ１０は、０．３以下とすることができる。より具体的に、この比Ｌ１２／Ｄ１０は、例えば、０．０６以上、０．３以下とすることができる。この比Ｌ１２／Ｄ１０が上述の範囲であることにより、多孔板２０による流体の流れの径方向への分散を効果的に達成することができる。
【００３８】
上流部１１０は、比較的短い、限られた領域であってもよい。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する当該上流部１１０の長さＬ１１０の比Ｌ１１０／Ｄ１１０は、例えば、５以下とすることができ、３以下とすることもできる。より具体的に、この比Ｌ１１０／Ｄ１１０は、例えば、０．２以上、５以下とすることができ、０．３以上、３以下とすることもできる。
【００３９】
無孔板１０は、図１に示すように、上流部１１０の上流端に比較的近接して配置することができる。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する、当該上流部１１０の上流端と無孔板１０との距離Ｌ１の比Ｌ１／Ｄ１１０は、例えば、０．２以下とすることができ、０．１５以下とすることもできる。より具体的に、この比Ｌ１／Ｄ１１０は、例えば、０．０５以上、０．２以下とすることができ、０．０７以上、０．１５以下とすることもできる。
【００４０】
多孔板２０は、図１に示すように、下流部１２０の上流端（すなわち、上流部１１０の下流端）に比較的近接して配置することができる。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する、下流部１２０の上流端と多孔板２０との距離Ｌ２の比Ｌ２／Ｄ１１０は、例えば、０．０５以下とすることができ、０．０４以下とすることもできる。より具体的に、この比Ｌ２／Ｄ１１０は、例えば、０．０１以上、０．０５以下とすることができ、０．０２以上、０．０４以下とすることもできる。
【００４１】
下流部１２０は、上流部１１０の下流端からさらに下流に向けて延びている。本実施形態において、下流部１２０の内径Ｄ１２０は、上流部１１０の内径Ｄ１１０と同一となっている。なお、下流部１２０の内径Ｄ１２０は、これに限られず、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する当該下流部１２０の内径Ｄ１２０の比Ｄ１２０／Ｄ１１０は、例えば、０．７〜１．３とすることができる。
【００４２】
下流部１２０の長さＬ１２０は、流体の加熱に適した範囲であれば特に限られない。すなわち、下流部１２０は、例えば、上流部１１０より長い領域とすることができる。
【００４３】
下流部１２０は、加熱された管壁１３２によって、上流部１１０から流入してきた流体を加熱する。すなわち、下流部１２０においては、温度Ｔｉｎの流体と、当該温度Ｔｉｎより高い温度Ｔｈに加熱された管壁１３２と、が接触することにより、当該流体の温度Ｔｆが上昇する。
【００４４】
なお、管壁１３２が、その内部を流通する流体を冷却するために冷却されている場合には、下流部１２０は、冷却された当該管壁１３２によって、上流部１１０から流入してきた流体を冷却する。すなわち、下流部１２０においては、温度Ｔｉｎの流体と、当該温度Ｔｉｎより低い温度Ｔｈに冷却された管壁１３２と、が接触することにより、当該流体の温度Ｔｆが下降する。
【００４５】
管壁１３２の温度Ｔｈと、下流部１２０に流入してくる流体（上流部１１０内を流通する流体）の温度Ｔｉｎと、の差（Ｔｈ−Ｔｉｎ）は特に限られず、例えば、１０℃以上とすることができ、５０℃以上とすることもできる。
【００４６】
加熱された管壁１３２の温度Ｔｈは、例えば、１００℃以上とすることができ、５００℃以上とすることもできる。
【００４７】
このような流れ制御体１を管構造体１００に配置する方法は特に限られない。図４は、流れ制御体１の管構造体１００への取り付け構造の一例を示す説明図である。図４には、上流部１１０の上流側から見た平面視の流れ制御体１及び管構造体１００を示している。
【００４８】
図４に示す例において、無孔板１０及び多孔板２０の外周から管壁１３０まで径方向に延びて、当該無孔板１０及び多孔板２０と当該管壁１３０とをそれぞれ連結する複数（具体的には、周方向に等間隔に設けられた３つ）の支持部材１６０，１６１により、流れ制御体１は管構造体１００に固定されている。
【００４９】
なお、流れ制御体１の管構造体１００への取り付け構造は、この例に限られない。すなわち、例えば、上流部１１０の上流側にフランジが形成される場合には、一端が当該フランジに固定され、他端が無孔板１０及び多孔板２０にそれぞれ固定された、流れ方向に延びる棒状の支持部材を設けることにより、流れ制御体１を管構造体１００に固定することができる。
【００５０】
図５は、流れ制御体１が配置された管構造体１００の断面の他の例を示す説明図である。図５に示す例において、流れ制御体１は、流体の流れ方向において直列的に配置された複数（具体的には、３つ）の多孔板２０ａ，２０ｂ，２０ｃを有している。すなわち、流れ制御体１は、最も上流側に配置される最上流多孔板２０ａ、最も下流側に配置される最下流多孔板２０ｃ、及びこれらの間に配置される中間多孔板２０ｂを有している。
【００５１】
３つの多孔板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの一部又は全部は、それぞれ互いに独立に、上述した多孔板２０の条件を満たすものとすることができる。すなわち、例えば、多孔板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの外径Ｄ２０ａ，Ｄ２０ｂ，Ｄ２０ｃ、高さＨ２０ａ，Ｈ２０ｂ，Ｈ２０ｃ、無孔板１０との距離Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂ，Ｌ１２cは、それぞれ互いに独立に、上述した範囲とすることができる。
【００５２】
具体的に、例えば、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する当該無孔板１０と最上流多孔板２０ａとの距離Ｌ１２ａの比Ｌ１２ａ／Ｄ１０が上述の範囲である場合、当該最上流多孔板２０ａより下流側の他の多孔板２０ｂ，２０ｃは、それぞれ独立に、上述の範囲であり又は上述の範囲外である距離Ｌ１２ｂ，Ｌ１２ｃをおいて当該無孔板１０の下流側に配置されてもよい。
【００５３】
また、例えば、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する当該無孔板１０と最下流多孔板２０ｃとの距離Ｌ１２ｃの比Ｌ１２ｃ／Ｄ１０は上述の範囲である場合、当該最下流多孔板２０ｃより上流側の他の多孔板２０ａ，２０ｂもまた同様に、上述の範囲の距離Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂをおいて当該無孔板１０の下流側に配置されてもよい。
【００５４】
図５に示す例において、無孔板１０及び３つの多孔板２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、等間隔で配置されている。ただし、無孔板１０と最上流多孔板２０ａとの距離Ｌ１２ａ、当該最上流多孔板２０ａと中間多孔板２０ｂとの距離Ｌａｂ、当該中間多孔板２０ｂと最下流多孔板２０ｃとの距離Ｌｂｃ等、複数の多孔板２０間の距離はこれに限られず、それぞれ任意に設定することができる。なお、流れ制御体１が複数の多孔板２０を有する場合、当該多孔板２０の数は２以上であれば特に限られない。
【００５５】
また、図５に示す例において、管構造体１００は、上流部１１０の上流側に設けられ、その内径Ｄ１５０が当該上流部１１０の内径Ｄ１１０より小さい、流体が流出する流入口部１５０を有している。すなわち、小径の流入口部１５０から流出した流体が、大径の上流部１１０に流入し、流れ制御体１に衝突する。
【００５６】
流入口部１５０の内径Ｄ１５０は、上流部１１０の内径Ｄ１１０より小さければ特に限られない。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する流入口部１５０の内径Ｄ１５０の比Ｄ１５０／Ｄ１１０は、例えば、０．５以下とすることができ、０．２以下とすることもできる。より具体的に、この比Ｄ１５０／Ｄ１１０は、例えば、０．０２以上、０．５以下とすることができ、０．０５以上、０．２以下とすることもできる。
【００５７】
なお、管構造体１００がこのような流入口部１５０を有する場合、上述した上流部１１０の上流端と無孔板１０との距離Ｌ１は、当該流入口部１５０の下流端と当該無孔板１０との距離Ｌ１とすることができる。また、流入口部１５０を有する管構造体１００に配置される流れ制御体１は、複数の多孔板２０を有するものに限られず、無孔板１０と多孔板２０とをそれぞれ少なくとも１つ有すればよい。
【００５８】
上述したような流れ制御体１によれば、管壁１３０を介して流体を加熱又は冷却する管構造体１００において当該流体の効果的な加熱又は冷却を実現することができる。すなわち、流れ制御体１によれば、限られた領域である上流部１１０において、まず無孔板１０によって流体の流れを径方向外側に偏らせ、次いで、多孔板２０によって当該流体の流れを径方向に適度に分散することにより、下流部１２０における管壁１３２と当該流体との接触による熱交換に適した流れを効果的に形成することができる。
【００５９】
特に、図５に示すように、小径の流入口部１５０から、大径の下流部１２０に向けて流体が流出する急拡大構造においては、当該流入口部１５０と当該下流部１２０との間に設けられた上流部１１０の長さが短い場合、当該下流部１２０において管壁１３２と当該流体との間で効率よく熱交換を行うことは容易でない。
【００６０】
この点、流れ制御体１によれば、上流部１１０の長さが限られた急拡大構造においても、上述のように流体の流れを適切に制御して、下流部１２０における管壁１３２と当該流体との効率的な熱交換を実現することができる。
【００６１】
次に、本実施形態に係る具体的な実施例について説明する。
【実施例】
【００６２】
後述する実施例１〜４及び比較例１〜３の流れ制御体による流体流れの制御効果を数値計算シミュレーションにより評価した。管構造体１００は、図１に示すように、一定の内径Ｄ１１０，Ｄ１２０で直線的に延びる円筒状の金属製配管とした。すなわち、管構造体１００は、内径Ｄ１５０（Ｄ１５０／Ｄ１１０＝０．１２）の流入口部１５０と、長さＬ１２０（Ｌ１２０／Ｄ１２０＝２．６）の下流部１２０と、当該流入口部１５０と当該下流部１２０との間に設けられた長さ（当該流入口部１５０の下流端から当該下流部１２０の上流端までの距離）Ｌ１１０（Ｌ１１０／Ｄ１１０＝２．８２）の上流部１１０と、を有する円筒構造体とした。管構造体１００の内部を流通する流体は、空気とした。
【００６３】
無孔板１０は、外径Ｄ１０（Ｄ１０／Ｄ１１０＝０．９１）、厚さＨ１０（Ｈ１０／Ｄ１０＝０．００９２３）の金属製の円盤とした。多孔板２０は、外径Ｄ２０（Ｄ２０／Ｄ１１０＝０．９３）、厚さＨ２０（Ｈ２０／Ｄ２０＝０．００９０９）であって、図３に示すように、内径Ｄ２１（Ｄ２１／Ｄ２０＝０．０３）の複数の孔２１が一定の中心間距離Ｄ２２，Ｄ２３（Ｄ２２／Ｄ２０＝Ｄ２３／Ｄ２０＝０．０６）で格子状に形成された円形のパンチングメタル（ＰＭ）とした。したがって、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する多孔板２０の外径Ｄ２０の比Ｄ２０／Ｄ１０は、１．０２であった。
【００６４】
［実施例１：円盤×１＋ＰＭ×１］
上流部１１０において、流入口部１５０から距離Ｌ１（Ｌ１／Ｄ１１０＝０．０６７）だけ下流側に１つの無孔板１０を配置した。また、無孔板１０から距離Ｌ１２（Ｌ１２／Ｄ１０＝０．２５）だけ下流側、且つ下流部１２０から距離Ｌ２だけ上流側（Ｌ２／Ｄ１１０＝０．０３１）に１つの多孔板２０を配置した。
【００６５】
［実施例２：円盤×１＋ＰＭ×２］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に無孔板１０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら無孔板１０と最下流の多孔板２０との中間の位置に、さらに１つの多孔板２０を配置した。
【００６６】
［実施例３：円盤×１＋ＰＭ×３］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に無孔板１０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら無孔板１０と最下流の多孔板２０との間に、等間隔で、さらに２つの多孔板２０を配置した。
【００６７】
［実施例４：円盤×１＋ＰＭ×４］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に無孔板１０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら無孔板１０と最下流の多孔板２０との間に、等間隔で、さらに３つの多孔板２０を配置した。
【００６８】
［比較例１：円盤×１］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に無孔板１０を配置した。
【００６９】
［比較例２：ＰＭ×３］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に最上流の多孔板２０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら最上流の多孔板２０と最下流の多孔板２０との中間の位置に、さらに１つの多孔板２０を配置した。
【００７０】
［比較例３：ＰＭ×４］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に最上流の多孔板２０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら最上流の多孔板２０と最下流の多孔板２０との間に、等間隔で、さらに２つの多孔板２０を配置した。
【００７１】
［温度分布の評価］
下流部１２０の管壁１３２の温度Ｔｈを、流体を加熱するために適した所定値とした。また、この管壁１３２の温度Ｔｈを１とした場合における流入口部１５０から上流部１１０に流入してくる流体の温度Ｔｉｎを０．２７とした。そして、上述の実施例１〜４及び比較例１〜３について、共通の条件（例えば、流体、無孔板１０、多孔板２０等の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）や、管壁の発熱量（Ｗ／ｍ２）、当該流体の流量（ｋｇ／ｓ）等）を適用した数値計算（有限体積法）を実行し、下流部１２０内の当該流体の温度分布を求めた。
【００７２】
［評価結果］
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ及び図６Ｅには、比較例１、実施例１、実施例２、実施例３及び実施例４において温度分布を評価した結果をそれぞれ示す。図７には、実施例１〜４及び比較例１において、下流部１２０内の１３箇所の測定点（図６Ａ〜図６Ｅに示す（１）〜（１３））で得られた流体の温度Ｔｆを示す。図７において、横軸は測定点を示し、縦軸は、管壁１３２の温度Ｔｈに対する各測定点における流体の温度Ｔｆ（温度Ｔｈを１とした場合の温度Ｔｆ）である相対温度（−）を示す。図７において、黒塗りの丸印は比較例１の結果を示し、白抜きの丸印は実施例１の結果を示し、白抜きの菱形印は実施例２の結果を示し、白抜きの四角印は実施例３の結果を示し、白抜きの三角印は実施例４の結果を示す。
【００７３】
図６Ａ及び図７に示すように、無孔板１０のみを配置して多孔板２０を配置しなかった比較例１では、下流部１２０内における流体の温度が著しく不均一になった。すなわち、比較例１においては、下流部１２０の一部（特に、測定点（１１）、（１２）及び（１３））において流体の温度が著しく低くなり、流体を効率よく加熱することができなかった。
【００７４】
これに対し、図６Ｂ〜図６Ｅ及び図７に示すように、無孔板１０の下流側に多孔板２０を配置することにより、下流部１２０内における流体の温度を効果的に均一化することができた。そして、多孔板２０の数を増加させることにより、下流部１２０内の流体の温度を、目標とする温度により近い範囲で、より効果的に均一化することができた。
【００７５】
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、及び図８Ｄには、比較例２、実施例２、比較例３及び実施例３において温度分布を評価した結果をそれぞれ示す。なお、図８Ｂ及び図８Ｄには、それぞれ上述の図６Ｃ及び図６Ｄと同一の結果を示す。
【００７６】
図９Ａには、実施例２及び比較例２において、下流部１２０内の１３箇所の測定点（図８Ａ及び図８Ｂに示す（１）〜（１３））で得られた流体の温度Ｔｆを示す。図９Ｂには、実施例３及び比較例３において、下流部１２０内の１３箇所の測定点（図８Ｃ及び図８Ｄに示す（１）〜（１３））で得られた流体の温度Ｔｆを示す。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、横軸は測定点を示し、縦軸は、上述の図７と同様、各測定点における流体の相対温度（−）を示す。図９Ａにおいて、白抜きの丸印は比較例２の結果を示し、黒塗りの丸印は実施例２の結果を示す。図９Ｂにおいて、白抜きの丸印は比較例３の結果を示し、黒塗りの丸印は実施例３の結果を示す。
【００７７】
図８Ａ及び図９Ａに示すように、無孔板１０を配置せず多孔板２０のみを３つ配置した比較例２では、下流部１２０内における流体の温度が著しく不均一になった。すなわち、比較例２においては、下流部１２０の多くの測定点において流体の温度が著しく低くなり、流体を効率よく加熱することができなかった。
【００７８】
これに対し、図８Ｂ及び図９Ａに示すように、最上流の位置に無孔板１０を配置し、その下流側に２つの多孔板２０を配置した実施例２においては、下流部１２０内における流体の温度を、目標とする温度に近い範囲で効果的に均一化することができた。
【００７９】
同様に、図８Ｃ及び図９Ｂに示すように、無孔板１０を配置せず多孔板２０のみを４つ配置した比較例２では、下流部１２０内における流体の温度が著しく不均一になった。
【００８０】
これに対し、図８Ｄ及び図９Ｂに示すように、最上流の位置に無孔板１０を配置し、その下流側に２つの多孔板２０を配置した実施例３においては、下流部１２０内における流体の温度を、目標とする温度に近い範囲で効果的に均一化することができた。
【符号の説明】
【００８１】
１ 流れ制御体、１０ 無孔板、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 多孔板、２１ 孔、１００ 管構造体、１１０ 上流部、１２０ 下流部、１３０ 管壁、１３１ 上流部の管壁、１３２ 下流部の管壁、１４０ 加熱部、１４１ 発熱線、１４２ 断熱材、１５０ 流入口部、１６０，１６１ 支持部材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流れ制御体に関し、特に、管構造体において管壁と流体との間で効率よく熱交換を行うための流れの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１に記載されているように、内部を流体が流通する配管において、管壁の外周にヒータが配置され、当該ヒータで加熱された管壁によって当該流体を加熱することがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−００２９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来、ヒータで加熱された管壁により流体を加熱する配管においては、当該流体を必ずしも効率よく加熱することができなかった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであって、管構造体において管壁と流体との間で効率的な熱交換を実現する流れ制御体を提供することをその目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る流れ制御体は、流体が流通する管構造体の内部に配置される流れ制御体であって、前記流体の流れを径方向外側に導く無孔板と、前記無孔板の下流側に配置されて前記流体の流れを径方向に分散する多孔板と、を有することを特徴とする。本発明によれば、管構造体において管壁と流体との間で効率的な熱交換を実現する流れ制御体を提供することができる。
【０００７】
また、前記多孔板の外径は、前記無孔板の外径以上であることとしてもよい。また、前記無孔板の外径に対する前記無孔板と前記多孔板との距離の比は、０．３以下であることとしてもよい。また、前記流体の流れ方向において直列的に配置された複数の前記多孔板を有することとしてもよい。
【０００８】
また、前記流体を加熱又は冷却するために加熱又は冷却された管壁を有する下流部と、前記下流部の上流側に設けられた上流部と、を有する前記管構造体の前記上流部に配置されることとしてもよい。この場合、前記上流部の内径に対する前記無孔板の外径の比は、０．７以上、０．９５以下であることとしてもよい。また、前記上流部の内径に対する前記上流部の長さの比は、３以下であることとしてもよい。また、前記管構造体は、前記上流部の上流側に設けられ、その内径が前記上流部の内径より小さい、前記流体が流出する流入口部を有することとしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、管構造体において管壁と流体との間で効率的な熱交換を実現する流れ制御体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る流れ制御体が配置された管構造体の断面の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る流れ制御体の一例の外観を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る流れ制御体に含まれる多孔板の一例を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る流れ制御体の管構造体への取り付け構造の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る流れ制御体が配置された管構造体の断面の他の例を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る実施例１〜４及び比較例１において温度分布を評価した結果を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る実施例１〜４及び比較例１において各測定点での温度を評価した結果を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る実施例２，３及び比較例２，３において温度分布を評価した結果を示す説明図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態に係る実施例２及び比較例２において各測定点での温度を評価した結果を示す説明図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態に係る実施例３及び比較例３において各測定点での温度を評価した結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の一実施形態について説明する。なお、本発明は、本実施形態に限られるものではない。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る流れ制御体１が配置された管構造体１００の断面の一例を示す説明図である。図２は、流れ制御体１の一例の外観を示す説明図である。図３は、流れ制御体１に含まれる多孔板２０の一例を示す説明図である。
【００１３】
図１に示すように、流れ制御体１は、流体が流通する管構造体１００の内部に配置される。本実施形態において、管構造体１００は、内部が中空の管状の構造体である。図１に示す例において、管構造体１００の内部には、矢印Ｆの指す方向（流れ方向）に流体が流通する。流体は、気体や液体等、管構造体１００の内部を流通することができるものであれば特に限られない。
【００１４】
管構造体１００は、内部に流体が流通する管状の構造体であれば特に限られない。すなわち、管構造体１００は、例えば、流体を輸送するための配管構造体とすることができる。また、管構造体１００は、例えば、内部を流体が流通する装置又はその一部とすることもできる。なお、本実施形態において、管構造体１００の断面形状は円形であるが、これに限られず、例えば、多角形であってもよい。
【００１５】
管構造体１００は、流体を加熱又は冷却するために加熱又は冷却された管壁１３２を有する下流部１２０と、当該下流部１２０の上流側に設けられた上流部１１０と、を有している。
【００１６】
すなわち、管構造体１００を構成する管壁１３０は、その長手方向（すなわち、流れ方向）における下流側の一部として、流体を加熱又は冷却するために加熱又は冷却された管壁１３２を有している。
【００１７】
本実施形態において、下流部１２０の管壁１３２は、その内部を流通する流体を加熱するために加熱されている。すなわち、図１に示すように、下流部１２０の管壁１３２の外周には、当該管壁１３２を加熱するための加熱部１４０が設けられている。
【００１８】
具体的に、図１に示す例において、加熱部１４０は、通電により発熱する発熱線１４１と、当該発熱線１４１を被覆する断熱材１４２と、を有するヒータである。本実施例において、加熱部１４０は、管壁１３２の外周方向全域を被覆するように配置されている。
【００１９】
なお、内部の流体を冷却するために下流部１２０の管壁１３２が冷却される場合には、例えば、当該管壁１３２の外周に、内部を冷媒が流通する冷却装置等からなる冷却部が配置される。
【００２０】
下流部１２０には、流体が通過することのできる充填材が充填されていてもよい。充填材は、流体に含有される所定の物質の除去等、任意の目的で使用される。下流部１２０に充填材が充填される場合、例えば、当該下流部１２０の上流端（上流部１１０と下流部１２０との境界）は、当該充填材の上流端とすることができる。
【００２１】
上流部１１０は、管構造体１００の長手方向において、下流部１２０の上流側に連なって設けられている。上流部１１０は、管構造体１００において、下流部１２０に流入する流体の流れを予め制御するために確保された領域である。
【００２２】
図１に示す例において、上流部１１０の管壁１３１には、加熱部１４０は設けられていない。ただし、上流部１１０の管壁１３１は、例えば、その下流側の一部が加熱又は冷却されてもよい。すなわち、上流部１１０の管壁１３１は、例えば、その少なくとも上流側の一部が加熱又は冷却されていない、管壁１３０の一部とすることができる。なお、管構造体１００の管壁１３０は、例えば、金属から構成される。
【００２３】
流れ制御体１は、このような管構造体１００の上流部１１０に配置される。流れ制御体１は、図１〜図３に示すように、流体の流れを径方向外側に導く無孔板１０と、当該無孔板１０の下流側に配置されて当該流体の流れを径方向に分散する多孔板２０と、を有している。
【００２４】
本実施形態において、多孔板２０は、一方の表面から他方の表面まで貫通する多数の孔２１が形成された円盤である。図３に示すように、多孔板２０においては、内径Ｄ２１の多数の円形の孔２１が規則的に配置されている。具体的に、図３に示す例において、多数の孔２１は、一定の中心間距離Ｄ２２，Ｄ２３で格子状に配置されている。
【００２５】
多孔板２０は、例えば、金属から構成される。具体的に、本実施形態において、多孔板２０は、パンチングメタルである。なお、多孔板２０は、流体が通過できる多孔構造を有するものであれば特に限られず、例えば、エキスパンドメタルや金網等のメッシュ構造体とすることもできる。また、多孔板２０及び孔２１の形状は、本実施形態において円形であるが、これに限られず、例えば、それぞれ独立に、円形又は多角形であってもよい。
【００２６】
無孔板１０は、上述の多孔板２０のように流体が通過できる構造を有しない。すなわち、本実施形態において、無孔板１０は、流体が通過できる構造を何ら有しない円盤である。無孔板１０は、例えば、金属から構成される。なお、無孔板１０の形状は、本実施形態において円形であるが、これに限られず、例えば、多角形であってもよい。
【００２７】
管構造体１００の上流部１１０において、無孔板１０は上流側に配置され、多孔板２０は、当該無孔板１０と離隔してその下流側に配置される。すなわち、図１に示す例において、多孔板２０は、無孔板１０の下流側に隣接して配置されており、当該多孔板２０と当該無孔板１０との間に他の部材は配置されていない。
【００２８】
ここで、無孔板１０は、図１に示すように、上流部１１０の径方向（流れ方向を横切る方向）の中央部分を塞ぐように配置されている。すなわち、無孔板１０は、上流部１１０の径方向の中央部分における流体の流れを遮るように配置されている。このため、無孔板１０は、流体の流れを当該無孔板１０の外周側に導くこととなる。したがって、上流部１１０に流入した流体は、まず無孔板１０に衝突し、当該無孔板１０と、上流部１１０の管壁１３１と、の間から下流側に流れる。
【００２９】
無孔板１０の外径Ｄ１０は、上流部１１０の内径Ｄ１１０より小さく、流体の流れを径方向外側に偏らせることのできる範囲であれば特に限られない。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する無孔板１０の外径Ｄ１０の比Ｄ１０／Ｄ１１０は、例えば、０．７以上、０．９５以下とすることができ、０．８以上、０．９５以下とすることが好ましい。無孔板１０が上述の範囲の外径Ｄ１０を有することにより、流体の流れを径方向外側に効果的に導くことができる。
【００３０】
なお、本実施形態において、管構造体１００及び流れ制御体１に関する内径及び外径は、円形については直径を意味し、他の形状については流れ方向と直交する方向における代表寸法（例えば、偶数多角形については対角線の長さ）を意味する。
【００３１】
無孔板１０の高さ（流れ方向の長さ）Ｈ１０は、当該無孔板１０を上流部１１０に配置できる範囲であれば特に限られない。すなわち、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する当該無孔板１０の高さＨ１０の比Ｈ１０／Ｄ１０は、例えば、０．０２以下とすることができ、０．００１５以上、０．０２以下とすることもできる。
【００３２】
多孔板２０は、無孔板１０と同様、上流部１１０の径方向の中央部分に配置されている。すなわち、上流部１１０の流れ方向において、多孔板２０と無孔板１０とは直列的に配置されている。より具体的に、図１に示す例において、多孔板２０は、無孔板１０と同心に配置されている。
【００３３】
多孔板２０は、上述のとおり多孔構造を有しているため、流体の流れを径方向に適度に分散させることができる。したがって、無孔板１０の径方向外側から流入した流体は、その一部が多孔板２０と上流部１１０の管壁１３１との間を通過して下流側に流れ、他の一部は、当該多孔板２０と衝突して径方向に分散され、当該多孔板２０の多数の孔２１を通過して下流側に流れる。
【００３４】
多孔板２０の外径Ｄ２０は、流体の流れを径方向に分散することのできる範囲であれば特に限られない。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する多孔板２０の外径Ｄ２０の比Ｄ２０／Ｄ１１０は、例えば、０．８以上、１以下とすることができ、０．９以上、１以下とすることが好ましい。多孔板２０が上述の範囲の外径Ｄ２０を有することにより、流体の流れを径方向に効果的に分散することができる。
【００３５】
また、多孔板２０の外径Ｄ２０は、無孔板１０の外径Ｄ１０以上であることが好ましい。すなわち、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する多孔板２０の外径Ｄ２０の比Ｄ２０／Ｄ１０は、特に限られないが、例えば、１以上、１．５以下とすることが好ましく、１以上、１．１以下とすることがより好ましい。また、多孔板２０の外径Ｄ２０は、無孔板１０の外径Ｄ１０より大きいこととしてもよい。この場合、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する多孔板２０の外径Ｄ２０の比Ｄ２０／Ｄ１０は、例えば、１超、１．５以下とすることが好ましく、１超、１．１以下とすることがより好ましい。この比Ｄ２０／Ｄ１０が上述の範囲であることにより、流体を効率よく多孔板２０に衝突させて、当該多孔板２０による流体の径方向への分散を効果的に達成することができる。
【００３６】
多孔板２０の高さＨ２０は、当該多孔板２０を上流部１１０に配置できる範囲であれば特に限られない。すなわち、多孔板２０の外径Ｄ２０に対する当該多孔板２０の高さＨ２０の比Ｈ２０／Ｄ２０は、例えば、０．０２以下とすることができ、０．００１以上、０．０２以下とすることもできる。
【００３７】
無孔板１０と多孔板２０とは、図１に示すように、比較的近接して配置することができる。すなわち、例えば、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する当該無孔板１０と多孔板２０との距離Ｌ１２の比Ｌ１２／Ｄ１０は、０．３以下とすることができる。より具体的に、この比Ｌ１２／Ｄ１０は、例えば、０．０６以上、０．３以下とすることができる。この比Ｌ１２／Ｄ１０が上述の範囲であることにより、多孔板２０による流体の流れの径方向への分散を効果的に達成することができる。
【００３８】
上流部１１０は、比較的短い、限られた領域であってもよい。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する当該上流部１１０の長さＬ１１０の比Ｌ１１０／Ｄ１１０は、例えば、５以下とすることができ、３以下とすることもできる。より具体的に、この比Ｌ１１０／Ｄ１１０は、例えば、０．２以上、５以下とすることができ、０．３以上、３以下とすることもできる。
【００３９】
無孔板１０は、図１に示すように、上流部１１０の上流端に比較的近接して配置することができる。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する、当該上流部１１０の上流端と無孔板１０との距離Ｌ１の比Ｌ１／Ｄ１１０は、例えば、０．２以下とすることができ、０．１５以下とすることもできる。より具体的に、この比Ｌ１／Ｄ１１０は、例えば、０．０５以上、０．２以下とすることができ、０．０７以上、０．１５以下とすることもできる。
【００４０】
多孔板２０は、図１に示すように、下流部１２０の上流端（すなわち、上流部１１０の下流端）に比較的近接して配置することができる。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する、下流部１２０の上流端と多孔板２０との距離Ｌ２の比Ｌ２／Ｄ１１０は、例えば、０．０５以下とすることができ、０．０４以下とすることもできる。より具体的に、この比Ｌ２／Ｄ１１０は、例えば、０．０１以上、０．０５以下とすることができ、０．０２以上、０．０４以下とすることもできる。
【００４１】
下流部１２０は、上流部１１０の下流端からさらに下流に向けて延びている。本実施形態において、下流部１２０の内径Ｄ１２０は、上流部１１０の内径Ｄ１１０と同一となっている。なお、下流部１２０の内径Ｄ１２０は、これに限られず、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する当該下流部１２０の内径Ｄ１２０の比Ｄ１２０／Ｄ１１０は、例えば、０．７〜１．３とすることができる。
【００４２】
下流部１２０の長さＬ１２０は、流体の加熱に適した範囲であれば特に限られない。すなわち、下流部１２０は、例えば、上流部１１０より長い領域とすることができる。
【００４３】
下流部１２０は、加熱された管壁１３２によって、上流部１１０から流入してきた流体を加熱する。すなわち、下流部１２０においては、温度Ｔｉｎの流体と、当該温度Ｔｉｎより高い温度Ｔｈに加熱された管壁１３２と、が接触することにより、当該流体の温度Ｔｆが上昇する。
【００４４】
なお、管壁１３２が、その内部を流通する流体を冷却するために冷却されている場合には、下流部１２０は、冷却された当該管壁１３２によって、上流部１１０から流入してきた流体を冷却する。すなわち、下流部１２０においては、温度Ｔｉｎの流体と、当該温度Ｔｉｎより低い温度Ｔｈに冷却された管壁１３２と、が接触することにより、当該流体の温度Ｔｆが下降する。
【００４５】
管壁１３２の温度Ｔｈと、下流部１２０に流入してくる流体（上流部１１０内を流通する流体）の温度Ｔｉｎと、の差（Ｔｈ−Ｔｉｎ）は特に限られず、例えば、１０℃以上とすることができ、５０℃以上とすることもできる。
【００４６】
加熱された管壁１３２の温度Ｔｈは、例えば、１００℃以上とすることができ、５００℃以上とすることもできる。
【００４７】
このような流れ制御体１を管構造体１００に配置する方法は特に限られない。図４は、流れ制御体１の管構造体１００への取り付け構造の一例を示す説明図である。図４には、上流部１１０の上流側から見た平面視の流れ制御体１及び管構造体１００を示している。
【００４８】
図４に示す例において、無孔板１０及び多孔板２０の外周から管壁１３０まで径方向に延びて、当該無孔板１０及び多孔板２０と当該管壁１３０とをそれぞれ連結する複数（具体的には、周方向に等間隔に設けられた３つ）の支持部材１６０，１６１により、流れ制御体１は管構造体１００に固定されている。
【００４９】
なお、流れ制御体１の管構造体１００への取り付け構造は、この例に限られない。すなわち、例えば、上流部１１０の上流側にフランジが形成される場合には、一端が当該フランジに固定され、他端が無孔板１０及び多孔板２０にそれぞれ固定された、流れ方向に延びる棒状の支持部材を設けることにより、流れ制御体１を管構造体１００に固定することができる。
【００５０】
図５は、流れ制御体１が配置された管構造体１００の断面の他の例を示す説明図である。図５に示す例において、流れ制御体１は、流体の流れ方向において直列的に配置された複数（具体的には、３つ）の多孔板２０ａ，２０ｂ，２０ｃを有している。すなわち、流れ制御体１は、最も上流側に配置される最上流多孔板２０ａ、最も下流側に配置される最下流多孔板２０ｃ、及びこれらの間に配置される中間多孔板２０ｂを有している。
【００５１】
３つの多孔板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの一部又は全部は、それぞれ互いに独立に、上述した多孔板２０の条件を満たすものとすることができる。すなわち、例えば、多孔板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの外径Ｄ２０ａ，Ｄ２０ｂ，Ｄ２０ｃ、高さＨ２０ａ，Ｈ２０ｂ，Ｈ２０ｃ、無孔板１０との距離Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂ，Ｌ１２cは、それぞれ互いに独立に、上述した範囲とすることができる。
【００５２】
具体的に、例えば、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する当該無孔板１０と最上流多孔板２０ａとの距離Ｌ１２ａの比Ｌ１２ａ／Ｄ１０が上述の範囲である場合、当該最上流多孔板２０ａより下流側の他の多孔板２０ｂ，２０ｃは、それぞれ独立に、上述の範囲であり又は上述の範囲外である距離Ｌ１２ｂ，Ｌ１２ｃをおいて当該無孔板１０の下流側に配置されてもよい。
【００５３】
また、例えば、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する当該無孔板１０と最下流多孔板２０ｃとの距離Ｌ１２ｃの比Ｌ１２ｃ／Ｄ１０は上述の範囲である場合、当該最下流多孔板２０ｃより上流側の他の多孔板２０ａ，２０ｂもまた同様に、上述の範囲の距離Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂをおいて当該無孔板１０の下流側に配置されてもよい。
【００５４】
図５に示す例において、無孔板１０及び３つの多孔板２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、等間隔で配置されている。ただし、無孔板１０と最上流多孔板２０ａとの距離Ｌ１２ａ、当該最上流多孔板２０ａと中間多孔板２０ｂとの距離Ｌａｂ、当該中間多孔板２０ｂと最下流多孔板２０ｃとの距離Ｌｂｃ等、複数の多孔板２０間の距離はこれに限られず、それぞれ任意に設定することができる。なお、流れ制御体１が複数の多孔板２０を有する場合、当該多孔板２０の数は２以上であれば特に限られない。
【００５５】
また、図５に示す例において、管構造体１００は、上流部１１０の上流側に設けられ、その内径Ｄ１５０が当該上流部１１０の内径Ｄ１１０より小さい、流体が流出する流入口部１５０を有している。すなわち、小径の流入口部１５０から流出した流体が、大径の上流部１１０に流入し、流れ制御体１に衝突する。
【００５６】
流入口部１５０の内径Ｄ１５０は、上流部１１０の内径Ｄ１１０より小さければ特に限られない。すなわち、上流部１１０の内径Ｄ１１０に対する流入口部１５０の内径Ｄ１５０の比Ｄ１５０／Ｄ１１０は、例えば、０．５以下とすることができ、０．２以下とすることもできる。より具体的に、この比Ｄ１５０／Ｄ１１０は、例えば、０．０２以上、０．５以下とすることができ、０．０５以上、０．２以下とすることもできる。
【００５７】
なお、管構造体１００がこのような流入口部１５０を有する場合、上述した上流部１１０の上流端と無孔板１０との距離Ｌ１は、当該流入口部１５０の下流端と当該無孔板１０との距離Ｌ１とすることができる。また、流入口部１５０を有する管構造体１００に配置される流れ制御体１は、複数の多孔板２０を有するものに限られず、無孔板１０と多孔板２０とをそれぞれ少なくとも１つ有すればよい。
【００５８】
上述したような流れ制御体１によれば、管壁１３０を介して流体を加熱又は冷却する管構造体１００において当該流体の効果的な加熱又は冷却を実現することができる。すなわち、流れ制御体１によれば、限られた領域である上流部１１０において、まず無孔板１０によって流体の流れを径方向外側に偏らせ、次いで、多孔板２０によって当該流体の流れを径方向に適度に分散することにより、下流部１２０における管壁１３２と当該流体との接触による熱交換に適した流れを効果的に形成することができる。
【００５９】
特に、図５に示すように、小径の流入口部１５０から、大径の下流部１２０に向けて流体が流出する急拡大構造においては、当該流入口部１５０と当該下流部１２０との間に設けられた上流部１１０の長さが短い場合、当該下流部１２０において管壁１３２と当該流体との間で効率よく熱交換を行うことは容易でない。
【００６０】
この点、流れ制御体１によれば、上流部１１０の長さが限られた急拡大構造においても、上述のように流体の流れを適切に制御して、下流部１２０における管壁１３２と当該流体との効率的な熱交換を実現することができる。
【００６１】
次に、本実施形態に係る具体的な実施例について説明する。
【実施例】
【００６２】
後述する実施例１〜４及び比較例１〜３の流れ制御体による流体流れの制御効果を数値計算シミュレーションにより評価した。管構造体１００は、図１に示すように、一定の内径Ｄ１１０，Ｄ１２０で直線的に延びる円筒状の金属製配管とした。すなわち、管構造体１００は、内径Ｄ１５０（Ｄ１５０／Ｄ１１０＝０．１２）の流入口部１５０と、長さＬ１２０（Ｌ１２０／Ｄ１２０＝２．６）の下流部１２０と、当該流入口部１５０と当該下流部１２０との間に設けられた長さ（当該流入口部１５０の下流端から当該下流部１２０の上流端までの距離）Ｌ１１０（Ｌ１１０／Ｄ１１０＝２．８２）の上流部１１０と、を有する円筒構造体とした。管構造体１００の内部を流通する流体は、空気とした。
【００６３】
無孔板１０は、外径Ｄ１０（Ｄ１０／Ｄ１１０＝０．９１）、厚さＨ１０（Ｈ１０／Ｄ１０＝０．００９２３）の金属製の円盤とした。多孔板２０は、外径Ｄ２０（Ｄ２０／Ｄ１１０＝０．９３）、厚さＨ２０（Ｈ２０／Ｄ２０＝０．００９０９）であって、図３に示すように、内径Ｄ２１（Ｄ２１／Ｄ２０＝０．０３）の複数の孔２１が一定の中心間距離Ｄ２２，Ｄ２３（Ｄ２２／Ｄ２０＝Ｄ２３／Ｄ２０＝０．０６）で格子状に形成された円形のパンチングメタル（ＰＭ）とした。したがって、無孔板１０の外径Ｄ１０に対する多孔板２０の外径Ｄ２０の比Ｄ２０／Ｄ１０は、１．０２であった。
【００６４】
［実施例１：円盤×１＋ＰＭ×１］
上流部１１０において、流入口部１５０から距離Ｌ１（Ｌ１／Ｄ１１０＝０．０６７）だけ下流側に１つの無孔板１０を配置した。また、無孔板１０から距離Ｌ１２（Ｌ１２／Ｄ１０＝０．２５）だけ下流側、且つ下流部１２０から距離Ｌ２だけ上流側（Ｌ２／Ｄ１１０＝０．０３１）に１つの多孔板２０を配置した。
【００６５】
［実施例２：円盤×１＋ＰＭ×２］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に無孔板１０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら無孔板１０と最下流の多孔板２０との中間の位置に、さらに１つの多孔板２０を配置した。
【００６６】
［実施例３：円盤×１＋ＰＭ×３］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に無孔板１０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら無孔板１０と最下流の多孔板２０との間に、等間隔で、さらに２つの多孔板２０を配置した。
【００６７】
［実施例４：円盤×１＋ＰＭ×４］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に無孔板１０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら無孔板１０と最下流の多孔板２０との間に、等間隔で、さらに３つの多孔板２０を配置した。
【００６８】
［比較例１：円盤×１］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に無孔板１０を配置した。
【００６９】
［比較例２：ＰＭ×３］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に最上流の多孔板２０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら最上流の多孔板２０と最下流の多孔板２０との中間の位置に、さらに１つの多孔板２０を配置した。
【００７０】
［比較例３：ＰＭ×４］
上述の実施例１の無孔板１０と同一の位置に最上流の多孔板２０を配置した。上述の実施例１の多孔板２０と同一の位置に最下流の多孔板２０を配置した。これら最上流の多孔板２０と最下流の多孔板２０との間に、等間隔で、さらに２つの多孔板２０を配置した。
【００７１】
［温度分布の評価］
下流部１２０の管壁１３２の温度Ｔｈを、流体を加熱するために適した所定値とした。また、この管壁１３２の温度Ｔｈを１とした場合における流入口部１５０から上流部１１０に流入してくる流体の温度Ｔｉｎを０．２７とした。そして、上述の実施例１〜４及び比較例１〜３について、共通の条件（例えば、流体、無孔板１０、多孔板２０等の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）や、管壁の発熱量（Ｗ／ｍ２）、当該流体の流量（ｋｇ／ｓ）等）を適用した数値計算（有限体積法）を実行し、下流部１２０内の当該流体の温度分布を求めた。
【００７２】
［評価結果］
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ及び図６Ｅには、比較例１、実施例１、実施例２、実施例３及び実施例４において温度分布を評価した結果をそれぞれ示す。図７には、実施例１〜４及び比較例１において、下流部１２０内の１３箇所の測定点（図６Ａ〜図６Ｅに示す（１）〜（１３））で得られた流体の温度Ｔｆを示す。図７において、横軸は測定点を示し、縦軸は、管壁１３２の温度Ｔｈに対する各測定点における流体の温度Ｔｆ（温度Ｔｈを１とした場合の温度Ｔｆ）である相対温度（−）を示す。図７において、黒塗りの丸印は比較例１の結果を示し、白抜きの丸印は実施例１の結果を示し、白抜きの菱形印は実施例２の結果を示し、白抜きの四角印は実施例３の結果を示し、白抜きの三角印は実施例４の結果を示す。
【００７３】
図６Ａ及び図７に示すように、無孔板１０のみを配置して多孔板２０を配置しなかった比較例１では、下流部１２０内における流体の温度が著しく不均一になった。すなわち、比較例１においては、下流部１２０の一部（特に、測定点（１１）、（１２）及び（１３））において流体の温度が著しく低くなり、流体を効率よく加熱することができなかった。
【００７４】
これに対し、図６Ｂ〜図６Ｅ及び図７に示すように、無孔板１０の下流側に多孔板２０を配置することにより、下流部１２０内における流体の温度を効果的に均一化することができた。そして、多孔板２０の数を増加させることにより、下流部１２０内の流体の温度を、目標とする温度により近い範囲で、より効果的に均一化することができた。
【００７５】
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、及び図８Ｄには、比較例２、実施例２、比較例３及び実施例３において温度分布を評価した結果をそれぞれ示す。なお、図８Ｂ及び図８Ｄには、それぞれ上述の図６Ｃ及び図６Ｄと同一の結果を示す。
【００７６】
図９Ａには、実施例２及び比較例２において、下流部１２０内の１３箇所の測定点（図８Ａ及び図８Ｂに示す（１）〜（１３））で得られた流体の温度Ｔｆを示す。図９Ｂには、実施例３及び比較例３において、下流部１２０内の１３箇所の測定点（図８Ｃ及び図８Ｄに示す（１）〜（１３））で得られた流体の温度Ｔｆを示す。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、横軸は測定点を示し、縦軸は、上述の図７と同様、各測定点における流体の相対温度（−）を示す。図９Ａにおいて、白抜きの丸印は比較例２の結果を示し、黒塗りの丸印は実施例２の結果を示す。図９Ｂにおいて、白抜きの丸印は比較例３の結果を示し、黒塗りの丸印は実施例３の結果を示す。
【００７７】
図８Ａ及び図９Ａに示すように、無孔板１０を配置せず多孔板２０のみを３つ配置した比較例２では、下流部１２０内における流体の温度が著しく不均一になった。すなわち、比較例２においては、下流部１２０の多くの測定点において流体の温度が著しく低くなり、流体を効率よく加熱することができなかった。
【００７８】
これに対し、図８Ｂ及び図９Ａに示すように、最上流の位置に無孔板１０を配置し、その下流側に２つの多孔板２０を配置した実施例２においては、下流部１２０内における流体の温度を、目標とする温度に近い範囲で効果的に均一化することができた。
【００７９】
同様に、図８Ｃ及び図９Ｂに示すように、無孔板１０を配置せず多孔板２０のみを４つ配置した比較例２では、下流部１２０内における流体の温度が著しく不均一になった。
【００８０】
これに対し、図８Ｄ及び図９Ｂに示すように、最上流の位置に無孔板１０を配置し、その下流側に２つの多孔板２０を配置した実施例３においては、下流部１２０内における流体の温度を、目標とする温度に近い範囲で効果的に均一化することができた。
【符号の説明】
【００８１】
１ 流れ制御体、１０ 無孔板、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 多孔板、２１ 孔、１００ 管構造体、１１０ 上流部、１２０ 下流部、１３０ 管壁、１３１ 上流部の管壁、１３２ 下流部の管壁、１４０ 加熱部、１４１ 発熱線、１４２ 断熱材、１５０ 流入口部、１６０，１６１ 支持部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する管構造体の内部に配置される流れ制御体であって、
前記流体の流れを径方向外側に導く無孔板と、
前記無孔板の下流側に配置されて前記流体の流れを径方向に分散する多孔板と、
を有する
ことを特徴とする流れ制御体。
【請求項２】
前記多孔板の外径は、前記無孔板の外径以上である
ことを特徴とする請求項１に記載された流れ制御体。
【請求項３】
前記無孔板の外径に対する前記無孔板と前記多孔板との距離の比は、０．３以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載された流れ制御体。
【請求項４】
前記流体の流れ方向において直列的に配置された複数の前記多孔板を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載された流れ制御体。
【請求項５】
前記流体を加熱又は冷却するために加熱又は冷却された管壁を有する下流部と、前記下流部の上流側に設けられた上流部と、を有する前記管構造体の前記上流部に配置される
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載された流れ制御体。
【請求項６】
前記上流部の内径に対する前記無孔板の外径の比は、０．７以上、０．９５以下である
ことを特徴とする請求項５に記載された流れ制御体。
【請求項７】
前記上流部の内径に対する前記上流部の長さの比は、３以下である
ことを特徴とする請求項５又は６に記載された流れ制御体。
【請求項８】
前記管構造体は、前記上流部の上流側に設けられ、その内径が前記上流部の内径より小さい、前記流体が流出する流入口部を有する
ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載された流れ制御体。
【請求項１】
流体が流通する管構造体の内部に配置される流れ制御体であって、
前記流体の流れを径方向外側に導く無孔板と、
前記無孔板の下流側に配置されて前記流体の流れを径方向に分散する多孔板と、
を有する
ことを特徴とする流れ制御体。
【請求項２】
前記多孔板の外径は、前記無孔板の外径以上である
ことを特徴とする請求項１に記載された流れ制御体。
【請求項３】
前記無孔板の外径に対する前記無孔板と前記多孔板との距離の比は、０．３以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載された流れ制御体。
【請求項４】
前記流体の流れ方向において直列的に配置された複数の前記多孔板を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載された流れ制御体。
【請求項５】
前記流体を加熱又は冷却するために加熱又は冷却された管壁を有する下流部と、前記下流部の上流側に設けられた上流部と、を有する前記管構造体の前記上流部に配置される
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載された流れ制御体。
【請求項６】
前記上流部の内径に対する前記無孔板の外径の比は、０．７以上、０．９５以下である
ことを特徴とする請求項５に記載された流れ制御体。
【請求項７】
前記上流部の内径に対する前記上流部の長さの比は、３以下である
ことを特徴とする請求項５又は６に記載された流れ制御体。
【請求項８】
前記管構造体は、前記上流部の上流側に設けられ、その内径が前記上流部の内径より小さい、前記流体が流出する流入口部を有する
ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載された流れ制御体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−６３０９６（Ｐ２０１２−６３０９６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０８６０２（Ｐ２０１０−２０８６０２）
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（０００１１０８０４）ニチアス株式会社 (432)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（０００１１０８０４）ニチアス株式会社 (432)
【Ｆターム（参考）】
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