JP2000262876A - 流体の伝熱・混合促進機構および同機構を用いた流体機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２次的装置を必要とせず、比較的簡便な手段に
よって、発生させる乱れの強さおよび分布を的確に制御
することができる流体の伝熱・混合促進機構および同機
構を用いた流体機器を提供する。 【解決手段】流体通路１５の一部に設置され、流体通路
１５内を流通する流体に乱れを与えて流体の伝熱または
混合を促進する流体の伝熱・混合促進機構１６におい
て、流体に乱れを与える乱れ生成手段１７として、複数
の孔１８を有する孔あき板１９と、この孔あき板１９の
孔１８を通過した流体が衝突する衝突体２０と、この衝
突体２０に衝突した流体を流体通路１５内に流出させる
流出口２１とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同種もしくは異種
の流体を混合させてその流体に含まれる熱的または成分
的な要素の均一化等を図る場合に好適な乱れ生成技術に
係るものであり、特に試験装置または実機の設備機器に
おける流路内で流通する流体に持続的な乱れを生じさせ
るうえで有効な流体の伝熱・混合促進機構および同装置
を用いた流体機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、ジェットエンジン、ガス
タービン等の機関やその燃焼器内で流通する燃料、空気
または燃焼ガス、あるいは蒸気タービン内における蒸気
等の流体は、高い乱れを有している。そこで、各種流体
機器の性能検証のために実機流体機械の乱れ条件を模擬
する流体機器における流体の乱れ条件を制御する必要が
ある。またガスタービンの燃焼器等では、燃焼用ガスと
燃料とを短時間で混合させる必要があり、乱流拡散によ
る迅速な混合が必要となる。また燃焼器内における火炎
伝播の迅速化とＮＯｘ低下のための予混合過程において
も迅速かつ一様な混合が必要となり、乱流拡散による混
合が要される。さらに半導体プロセスにおける温度の一
様化は重要であり、迅速な温度安定化のためには乱流拡
散の伝熱促進による温度拡散が必要となる。

【０００３】従来、上述した実機流体機械の乱れ条件を
模擬する流体機器における乱れ条件を制御する１つの手
段として、グリッド状に構成された細管内部に流体を流
通させるとともに、細管表面に小さな孔を設けて、この
小さな孔から前記細管内を流通する流体を噴き出させる
ようにした細管グリッドによる乱れ生成手法が知られて
いる（例えば「国際ガスタービン学会発行（ＩＧＴＣ−
１９８７−７３），ＩＩＩ−２１７〜２２２」）。

【０００４】図１３に、このような細管グリッドにより
乱れを生成するようにした風洞試験装置の全体構成が示
され、図１４にその細管グリッドが拡大して示されてい
る。

【０００５】この風洞試験装置は図１３に示されるよう
に、風洞本体１と、この風洞本体１の上流側に設置され
た整流格子２と、風洞本体１の下流側に設けられたノズ
ル３および試験部４とを備えている。そして、風洞本体
１の流体通路内の途中に、乱れ生成手段として細管グリ
ッド６が設置され、この細管グリッド６に流体を供給す
るためのブロワ５が接続されている。そして図１４に示
されるように、細管グリッド６の周壁には多数の孔７が
穿設されている。

【０００６】試験時には、風洞本体１内に流体ａを流通
させるとともに、細管グリッド６に乱れ生成用の流体ｂ
を導く。細管グリッド６に導かれた流体ｂは、周壁の孔
７から風洞本体１の下流側に向かって噴出され、風洞本
体１の上流側より流れてくる流体ａと混合しながら乱れ
を生成させる。この流体の乱れを、試験部４において観
察する。

【０００７】また、他の風洞試験装置として、回転する
三角翼によって乱れ生成を行わせる手法も知られている
（例えば「Ｊ．Ｆｌｉｄ Ｍｅｃｈ．（１９９６），ｖ
ｏｌ．３２０，ｐｐ．３３１−３６８」）。

【０００８】図１５に、三角翼とこの翼を回転させるた
めのモータとを有する乱れ生成機構を組み込んだ風洞試
験装置が示され、図１６に三角翼およびモータが拡大し
て示されている。

【０００９】これらの図に示されるように、この風洞試
験装置も、風洞本体１と、この風洞本体１の上流側に設
置された整流格子２と、風洞本体１の下流側に設けられ
たノズル３および試験部４とを備えている。そして、風
洞本体１の流体通路内の途中に、乱れ生成手段として、
モータ８によって回転される多数の三角翼９が設置され
ている。各三角翼９は、図１６に示されるように、格子
状に配列した複数のモータ８の回転軸８ａに取付けら
れ、その各軸心まわりで回転するようになっている。

【００１０】試験時には、風洞本体１内に流体ａを流通
させるとともに、モータ８の駆動によって三角翼９を回
転させ、この三角翼９の回転によって風洞本体１の上流
側より流れてくる流体ａが攪拌されて乱れが生成され
る。この流体の乱れを、試験部４において観察する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ように細管グリッド７や三角翼９およびモータ８を有す
る乱れ生成手段を有する従来の機構にあっては、次のよ
うな問題があった。

【００１２】すなわち、細管グリッド７の場合は、発生
する乱れ強さが最大で５％前後と低い値であり、しかも
細管内に流体を導くためのブロワ５等が必要で装置が高
額になっていた。

【００１３】また、三角翼９およびモータ８を有する乱
れ生成手段を有する機構では、発生する乱れ強さを高く
することは可能であるが、そのための制御が複雑であ
り、かつモータ８とそのモータ８を駆動するための電
源、および制御装置等が必要であり、装置が非常に高額
になるという問題があった。

【００１４】上述の如く、実機流体機械の乱れ条件を模
擬する乱れ生成機構や伝熱促進、および乱流拡散促進を
はかる流体機器にあっては、発生する乱れ強さが低かっ
たり、複雑な制御が必要であったり、ブロワやモータお
よび電源などの２次的装置が必要であるため部品数が多
く、製作および運用上で高コストになる等の問題があっ
た。

【００１５】また従来、実機の流体機器、例えば内燃機
関もしくは外燃機関、それらの燃料混合器もしくは燃焼
器、蒸気機関もしくはその付属機器、空気調和機、また
は温度管理を行う半導体製造装置もしくはその付属機器
等においても、発生させる乱れの強さおよび分布を制御
するためには複雑な機構が必要であり、比較的簡便な手
段によって乱れの強さおよび分布を制御することができ
る機構は知られていない。

【００１６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、２次的装置を必要とせず、比較的簡便な手
段によって、発生させる乱れの強さおよび分布を的確に
制御することができる流体の伝熱・混合促進機構および
同機構を用いた流体機器を提供することを目的としてい
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】発明者において、上述し
た従来技術における乱れ強さについての検討を行ったと
ころ、乱れ生成手段によって流体に与えられる速度の変
動成分が小さく、その結果乱れの持続性が低下していた
ことが分かった。

【００１８】速度の変動成分について、図１７を用いて
説明する。図１７には、流体の速度（縦軸）と、時間
（横軸）との関係が示されている。

【００１９】普通流体における速度は、平均流速（Ｕｍ
／ｓ）と、変動速度（ｕｍ／ｓ）とに分かれる。平均速
度とは、ある時間幅における速度の平均値であり、変動
速度とは平均速度に対する瞬時のばらつき速度を指す。

【００２０】変動速度は流体通路を流れる実際の流体に
必ず存在し、０．５×密度×ｕ^２が変動速度のエネルギ
になる。この変動速度のエネルギが乱れを生成する。ま
た、変動速度は速度勾配が大きい場合に、より大きな値
になる。

【００２１】上述した従来技術を例にとると、グリッド
による乱れ生成機構の場合、主流に対し、グリッドの各
噴き出し孔から噴き出した噴流のそれ自体のもつ速度勾
配による乱れ生成と、隣合う噴き出し流の干渉による乱
れ生成との２通りを利用した乱れ生成機構を有してい
る。しかし、速度勾配は、下流に進むほどエネルギの輸
送により平滑化する。また、隣り合う噴流の干渉も下流
に進むほど拡散する。

【００２２】これに対し、乱れ生成の機構として、噴き
出し流の平均速度と変動速度との両方のエネルギ（＝
０．５×密度×（平均速度Ｕ^２＋変動速度ｕ^２））の全
てが変動速度に変換するようにすれば、衝突後の流れが
もつ速度勾配、および変動速度自体がグリッドによる速
度勾配および変動速度に比較して非常に大きな値にな
る。したがって、変動速度のもつエネルギにより生成さ
れる乱れが非常に大きくなり、下流方向の乱れの持続も
強くなるはずである。

【００２３】三角翼による乱れ生成機構をもつ別の従来
技術では、モータという外部のエネルギ供給体により流
れにエネルギが与えられるとともに、モータに接続され
た三角翼により、モータから与えられたエネルギを変動
速度のエネルギに変換するので、大きな乱れを生成する
ことが可能である。しかし、モータや三角翼を設置する
ために非常に高額となる。また型燃焼器等の実際の流体
機械に組み込むことはかなり困難となる（価格面、構造
面の両観点から）。

【００２４】そこで、発明者は静的な機構のみによっ
て、噴き出し流の平均速度と変動速度との両方のエネル
ギ（＝０．５×密度×（平均速度Ｕ^２＋変動速度
ｕ^２））の全てを変動速度に変換することを鋭意検討し
た。

【００２５】そして、その結果、主流となる流体自体に
激しい衝突を行わせることによって、衝突後の流れがも
つ速度勾配、および変動速度自体がグリッドによる速度
勾配および変動速度に比較して非常に大きな値になると
の着想を得たものである。この場合、衝突を行わせる手
段として、静的な機構のみによって十分に実現すること
も可能である。

【００２６】本発明は以上の着想に基づいてなされたも
のであり、請求項１の発明では、流体通路の一部に設置
され、前記流体通路内を流通する流体に乱れを与えて前
記流体の伝熱または混合を促進する流体の伝熱・混合促
進機構において、前記流体に乱れを与える乱れ生成手段
として、複数の孔を有する孔あき板と、この孔あき板の
孔を通過した流体が衝突する衝突体と、この衝突体に衝
突した流体を前記流体通路内に流出させる流出口とを備
えたことを特徴とする流体の伝熱・混合促進機構を提供
する。

【００２７】このような構成の本発明によると、流体は
孔あき板の孔を流通し、衝突体に衝突し乱れを生成し、
さらに隣り合う流れと混合しながら乱れが一様化しなが
ら流出口より流出する。すなわち、乱れ生成の機構とし
て、噴き出し流の平均速度と変動速度との両方のエネル
ギ（＝０．５×密度×（平均速度Ｕ^２＋変動速度
ｕ^２））の全てが衝突体に対する衝突により変動速度に
変換するようになり、衝突後の流れがもつ速度勾配、お
よび変動速度自体が従来のグリッドによる速度勾配およ
び変動速度に比較して非常に大きな値になる。したがっ
て、変動速度のもつエネルギにより生成される乱れが非
常に大きくなり、下流方向の乱れの持続も強くなる。

【００２８】しかも、構成は静的部品のみからなり、余
分な駆動機構や制御装置を必要としない。したがって、
比較的簡便な手段によって、生成される乱れの強さおよ
び分布を的確に制御することができ、機能性の高い低廉
な流体の伝熱・混合促進機構が実現できる。

【００２９】請求項２の発明では、請求項１記載の流体
の伝熱・混合促進機構において、乱れ生成手段の上流側
に上流壁が設置されるとともに、複数の孔があいた孔あ
き板が当該乱れ生成手段の周壁になる構成とされ、かつ
前記衝突体が前記孔あき板で囲まれた領域の内部に前記
孔あき板に正対するように設けられるとともに、前記流
体の流出口が前記領域の下流部に位置しており、さらに
前記流出口以外の部分を流通する流体の流量を制御する
ための流量調整板が備えられていることを特徴とする流
体の伝熱・混合促進機構を提供する。

【００３０】本発明によると、流体は孔あき板の孔を流
通し、衝突体に衝突し乱れを生成し、さらに隣り合う流
れと混合しながら乱れが一様化しながら流出口より流出
するので、前記同様の機能が得られる。

【００３１】請求項３の発明では、請求項２記載の流体
の伝熱・混合促進機構において、乱れ生成手段の上流側
に設置された上流壁に、流体の流量を制御するための流
量調整孔を設けたことを特徴とする流体の伝熱・混合促
進機構を提供する。

【００３２】本発明によると、流体は孔あき板の孔を流
通し、衝突体に衝突し乱れを生成し、隣り合う流れと混
合しながら乱れが一様化し、さらに上流壁の流量調整孔
より流入した流体と混合しながら乱れを一様化して流出
口より流出する。

【００３３】請求項４の発明では、請求項１記載の流体
の伝熱・混合促進機構において、乱れ生成手段の孔あき
板は、当該乱れ生成手段の内部を流通する流体に正対す
るように当該乱れ生成手段の上流部に位置するととも
に、衝突体は前記孔あき板に正対しており、かつ前記流
体の流出口が周方向に位置しており、さらに前記流出口
以外の部分を流通する前記流体の流量を制御するための
流量調整板を備えたことを特徴とする流体の伝熱・混合
促進機構を提供する。

【００３４】本発明によると、流体は孔あき板の孔を流
通し、衝突体に衝突し乱れを生成し、さらに隣り合う流
れと混合しながら乱れが一様化しながら流出口より流出
し、流出した後流出口から流出した流体が垂直方向に偏
向することにより拡散することでさらに一様な乱れにな
る。

【００３５】請求項５の発明では、請求項４記載の流体
の伝熱・混合促進機構において、乱れ生成手段の衝突体
に、流体の流量を調整する流量調整孔を設けたことを特
徴とする流体の伝熱・混合促進機構を提供する。

【００３６】本発明によると、流体は孔あき板の孔を流
通し、衝突体に衝突し乱れを生成し、さらに隣り合う流
れと混合しながら乱れが一様化しながら流出口より流出
し、流出した後流出口から流出した流体が垂直方向に偏
向することにより拡散することでさらに一様な乱れにな
る。

【００３７】請求項６の発明では、請求項１から５まで
のいずれかに記載の流体の伝熱・混合促進機構におい
て、乱れ生成手段は、流出する流体の乱れ度分布、およ
び乱れスケールを均一に分布させるために、前記流出口
の下流から当該乱れ生成手段の下流端の間にグリッド状
の板を備えたことを特徴とする流体の伝熱・混合促進機
構を提供する。

【００３８】本発明によると、流体の伝熱・混合促進機
構から流出する流体の乱れ度分布、および乱れスケール
を均一に分布させることができる。

【００３９】請求項７の発明では、請求項１から６まで
のいずれかに記載の流体の伝熱・混合促進機構におい
て、孔あき板における孔の配置が、流体通路内を流れる
流体の流通方向に対して直交配置であることを特徴とす
る流体の伝熱・混合促進機構を提供する。

【００４０】本発明によると、流体は孔あき板の孔を流
通し、衝突体に衝突し乱れを生成し、さらに隣り合う流
れと混合しながら乱れが一様化しながら流出口より流出
する。

【００４１】請求項８の発明では、請求項１から６まで
のいずれかに記載の流体の伝熱・混合促進機構におい
て、孔あき板における孔の配置が、流体通路内を流れる
流体の流通方向に対して千鳥配置であることを特徴とす
る流体の伝熱・混合促進機構を提供する。

【００４２】本発明によると、流体は孔あき板の孔を流
通し、衝突体に衝突し乱れを生成し、さらに隣り合う流
れと混合しながら乱れが一様化しながら流出口より流出
する。

【００４３】請求項９の発明では、請求項１から８まで
のいずれかに記載の乱れ生成手段を複数組み合わせたこ
とを特徴とする流体の伝熱・混合促進機構を提供する。

【００４４】本発明によると、各乱れ生成手段から発生
した乱れが相互に干渉し、一様な乱れを形成する。

【００４５】請求項１０の発明では、請求項１から９ま
でのいずれかに記載の伝熱・混合促進機構を、流体通路
内に適用したことを特徴とする流体機器を提供する。

【００４６】請求項１１の発明では、請求項１０記載の
流体機器は、流体の乱れを試験するための流体試験装
置、内燃機関・外燃機関の燃料混合器もしくは燃焼器、
空気調和器、または温度管理を行う半導体製造用その他
の設備機器であることを特徴とする流体機器を提供す
る。

【００４７】また、以上に記した流体の伝熱・混合促進
機構においては、孔あき板の孔数や孔径、および孔あき
板と衝突体との距離や、グリッドの板のグリッド間隔、
およびグリッドの枚数を変えることにより、乱れの強さ
および乱れのスケールを自由に変更することができる。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態では、本
発明に係る流体の伝熱・混合促進機構を流体試験装置と
しての風洞試験装置に適用した場合について説明する。

【００４９】第１実施形態（図１〜図３） 図１には本発明の第１実施形態による風洞試験装置の全
体構成が示され、図２には同装置内に設けられた流体の
伝熱・混合促進機構が斜視図として示されている。図３
には、本実施形態によって得られる流体の乱れ度が従来
例との比較において示されている。

【００５０】図１に示されるように、本実施形態の風洞
試験装置は、ブロワ１０およびそれにより供給される流
体（空気流）を通す風洞本体してのダクト１１と、この
ダクト１１の上流側に設置された整流格子１２と、ダク
ト１１の下流側に設けられたノズル１３および試験部１
４とを備えている。そして、ノズル１３内の流体通路１
５の途中に、伝熱・混合促進機構１６が設けられてい
る。

【００５１】この伝熱・混合促進機構１６は、図２に示
されるように、ノズル１３内の流体通路１５に流通され
る流体ａに乱れを与える乱れ生成手段１７として、複数
の孔１８を有する孔あき板１９と、この孔あき板１９の
孔１８を通過した流体ａが衝突する衝突体２０と、この
衝突体２０に衝突した流体ａを流体通路１５内に流出さ
せる流出口２１とを備えた構成とされている。

【００５２】孔あき板１９は、流体通路１５内の一定の
領域を囲む周壁として構成され、例えば断面四角形をな
す流体通路１５内の中心部の領域を、流体ａの流通方向
に沿って一定長さに亘って周囲から区画する四角筒状の
隔壁とされている。図示の例では、この孔あき板１９に
より構成される周壁の各面が、ノズル１３の内面と正対
しており、図示しない適宜の取り付け具によってに固定
されている。この孔あき板１９の複数の孔１８は、それ
ぞれ円形状をなし、流体ａの流れ方向に対して千鳥状の
配列で穿設されている。

【００５３】衝突体２０は、四角柱状（または全面が閉
塞された四角筒状）のもので、孔あき板１９によって囲
まれる領域内に、その外周の４面を孔あき板１９の内周
面にそれぞれ正対させた状態で配置され、図示しない適
宜の取り付け具によって孔あき板１９内に固定されてい
る。

【００５４】孔あき板１９の上流側端部には、流体ａの
流れ方向と正対する上流板２３が孔あき板１９と一体的
に設けられ、この上流板２３によって、衝突体２０が配
置される孔あき板１９の内部領域はその外部の領域から
区画されている。

【００５５】孔あき板１９および衝突体２０の下流側の
端部には、流体ａの流れに対して正対する流量調整板２
２が接合されている。この流量調整板２２は、ノズル１
３内の空間全体を閉鎖する四角形状の板であり、孔あき
板１９の外周側に突出しており、孔あき板１９の外周側
を流通する流体ａの流動はここで阻止される。

【００５６】流出口２１は、この流量調整板２２を穿っ
て設けられた孔として形成されている。すなわち、図２
に示すように、孔あき板１９の内周側で、かつ衝突体２
０の外周側に該当する範囲の四角枠状の孔として、流出
口２１が形成されている。

【００５７】以上の本実施形態の構成によると、流体通
路１５の上流側から流通してきた流体ａは上流板２３に
一部衝突しながら周囲の孔あき板１９の孔１８より乱れ
生成手段１７の内部に入り、衝突体２０に衝突して乱れ
を生成する。さらに、隣り合う衝突噴流と混合しながら
一様な乱れを生成する。そして、流体ａは衝突体２０に
衝突した後、流出口２１より流出し、３次元的に対象な
乱れが生成される。

【００５８】この場合、孔あき板１９の孔１８からの噴
き出し流の平均速度と変動速度との両方のエネルギ（＝
０．５×密度×（平均速度Ｕ^２＋変動速度ｕ^２））の全
てが衝突体２０に対する衝突により変動速度に変換する
ようになる。したがって、衝突後の流れがもつ速度勾
配、および変動速度自体が非常に大きな値になり、変動
速度のもつエネルギにより生成される乱れが非常に大き
くなり、下流方向の乱れの持続も強くなる。

【００５９】このような本実施形態によって得られる流
体ａの乱れ度を、従来のグリッドによる構成の場合と比
較したものが、図３の特性図に示されている。図３にお
いては、縦軸に乱れ度（＝（ｕ／Ｕ）×１００％（図１
７参照））、横軸に下流方向位置をそれぞれとり、乱れ
生成時から流出後の乱れの持続性を特性線（Ｘ１：従来
例，Ｘ２：本実施形態）として示してある。

【００６０】なお、この試験条件は下記の通りである。

【００６１】

【外１】

【００６２】この図３に示されるように、本実施形態
（Ｘ２）の場合には１０％という高い乱れ度が得られる
とともに、それが後流側まで持続する。これに対し、従
来例（Ｘ１）の場合は得られる乱れ度が本実施形態に比
較して低いうえ、後流側では非常に大きく減衰する。こ
のことから、本実施形態の構成によると、従来の構成に
比較して、格段に優れた乱れ生成の特性が得られること
が分かる。

【００６３】しかも、本実施形態によると、構成は静的
部品のみからなり、余分な駆動機構や制御装置を必要と
しない。したがって、生成される乱れの強さおよび分布
を、孔１８の大きさや配置、数量および孔あき板１９と
衝突体２０との間の距離等の設定により、流体の種類や
流量等に応じて的確に制御することができ、比較的簡便
な手段によって、機能性の高い低廉な流体の伝熱・混合
促進機構を実現することができる。

【００６４】第２実施形態（図４） 図４には本発明の第２実施形態による流体の伝熱・混合
促進機構が斜視図として示されている。

【００６５】本実施形態においては、基本的な構成要素
は第１実施形態と同様であるが、乱れ生成手段１７の形
状が異なっている。

【００６６】すなわち、図４に示されるように、本実施
形態では乱れ生成手段１７を構成する孔あき板１９が円
筒形に形成され、その内部の領域が円形の上流板２３に
よって密閉されている。孔あき板１９の孔１８は、流体
ａの流通方向に対して千鳥状配列で円周上の全体に亘っ
て設けられている。

【００６７】そして、孔あき板１９内の領域に配置され
た衝突体２０は、その孔あき板１９と同軸的な円筒形に
形成され、外周面が孔あき板１９の内周面に正対する構
成とされている。また、流出口２１は孔あき板１９と衝
突体２０との間の円筒形状の空間に沿って流量調整板２
２に円環状に形成され、下流側に開放されている。

【００６８】なお、他の構成については、図４の対応箇
所に図２と同一の符号を付して、説明を省略する。

【００６９】このように構成された本実施形態の場合に
も、乱れ生成手段１７の上流側から流通してきた流体ａ
は、上流板２３に一部衝突しながら周囲の孔あき板１９
の孔１８より内部領域に流入し、衝突体２０に衝突して
乱れを生成する。さらに隣り合う衝突噴流と混合しなが
ら一様な乱れを生成する。そして衝突後の流体は、流出
口２１より流出し、３次元的に対象な乱れを生成する。

【００７０】したがって、本実施形態によっても、第１
実施形態と同様に、優れた乱れ生成の特性が得られると
ともに、余分な駆動機構や制御装置を必要とせず、比較
的簡便な手段によって、生成される乱れの強さおよび分
布を的確に制御することができ、機能性の高い低廉な流
体の伝熱・混合促進機構が実現できる。

【００７１】第３実施形態（図５） 図５には本発明の第３実施形態による流体の伝熱・混合
促進機構が斜視図として示されている。

【００７２】本実施形態においても、基本的な構成要素
は第１実施形態と同様であるが、乱れ生成手段１７とし
ての孔あき板１９の配置や形状、および乱れ生成手段１
７の上流側に流量調整機能を付加した点等が異なってい
る。

【００７３】すなわち、図４に示されるように、本実施
形態では乱れ生成手段１７が、孔あき板１９を対向する
２面に配した直方体状のものとして形成されており、孔
１８は流体ａの流通方向に対して直交配置で設けられて
いる。

【００７４】孔あき板１９に隣接して直方体を構成する
他の対向する２面の板材２４には、孔が設けられていな
い。これらの板１９，２４からなる周壁によって囲まれ
た領域内に状衝突体２０が配置され、この衝突体２０
は、孔あき板１９に正対するように例えば板状に構成さ
れ、その平坦な２つの表面で流体ａの衝突が行われるよ
うになっている。この衝突が行われる空間に対応して、
流出口２１が流量調整板２２に平行な長方形状の孔とし
て形成され、下流側に開放されている。

【００７５】また、本実施形態では上流板２３に流量調
整孔２５が設けられている。この流量調整孔２５は、流
体ａを孔あき板１９によって囲まれる領域に直接通過さ
せるとともに流出口２１から直接流出させるもので、こ
の流量調整孔２５の大きさや数の設定によって、孔あき
板１９の孔１８を介して衝突体２０に衝突する流体ａの
流量を制御することができる。

【００７６】なお、他の構成については、図５の対応箇
所に図２と同一の符号を付して、説明を省略する。

【００７７】このような本実施形態の構成によると、流
体通路１５内を流通する流体ａは一部上流板２３に設け
られた流量調整孔２５を通過し、その他の流体は周囲の
孔あき板１９の孔１８より乱れ生成手段１７の内部に入
り、衝突体１２に衝突して乱れを生成する。さらに隣り
合う衝突噴流と混合し、かつ上流板２３に設けられた流
量調整孔２５から流入した流体と混合しながら一様な乱
れを生成する。そして、衝突した後に流出口２１より流
出し、２次元的に対象な乱れを生成することができる。

【００７８】本実施形態によっても、優れた乱れ生成の
特性が得られるとともに、余分な駆動機構や制御装置を
必要とせず、比較的簡便な手段によって、生成される乱
れの強さおよび分布を的確に制御することができ、さら
に上流板２３の流量調整孔２５によって流体ａの流量制
御を行うことで、機能性を高めることができる。

【００７９】第４実施形態（図６） 図６には本発明の第４実施形態による流体の伝熱・混合
促進機構が斜視図として示されている。

【００８０】本実施形態においても、基本的な構成要素
は第１実施形態と同様であるが、衝突体２０の形状およ
び下流側における流量調整板２２等が異なっている。

【００８１】すなわち、図６に示されるように、本実施
形態では、上流板２３が密閉されている。また孔あき板
１９は乱れ生成手段１７の周囲面を構成し、孔あき板１
９の孔１８は千鳥配置とされている。また、衝突体２０
は乱れ生成手段１７の内部に設けられ、孔あき板１９に
正対するように例えば断面十字形に構成されている。こ
の断面十字形の衝突体２０によって、乱れ生成手段１７
の内部の領域は、４つの流路に区分されている。下流側
に設けられる流量調整板２２には、乱れ生成手段１７の
内部の４つの流路に対応して流出孔２１が形成され、下
流側に開放されている。さらに流量調整板２２には、孔
あき板１９の外周側に流れる流体ａを通過させるための
流量調整孔２６が設けられている。他の構成について
は、図６の対応箇所に図２と同一の符号を付して、説明
を省略する。

【００８２】このような構成の場合も、流体通路１５内
に流通してきた流体ａは上流板２３に一部衝突しながら
周囲の孔あき板１９の孔１８より乱れ生成手段１７の内
部に入り、衝突体２０に衝突して乱れを生成する。さら
に隣り合う衝突噴流と混合しながら一様な乱れを生成す
る。このように、流体ａは衝突後に流出口２１より流出
し、３次元的に対象な乱れを生成することができる。さ
らに流量調整板２２に設けられた流量調整孔２６より、
流出する流体と混合しながら、さらに一様な乱れを形成
することができる。そして、これらの作用により、前記
各実施形態と同様の効果が奏される。

【００８３】第５実施形態（図７） 図７には本発明の第５実施形態による流体の伝熱・混合
促進機構が斜視図として示されている。

【００８４】本実施形態は、乱れ生成手段１７が直方体
状の周壁を有する構成とした点では前記第１実施形態等
とほぼ同様であるが、孔あき板１９、衝突体２０および
流出口２１等の配置構成が異なっている。

【００８５】すなわち、図７に示されるように、複数の
孔１８が設けられた孔あき板１９が、流体通路１５内を
流通する流体ａに正対する状態で、乱れ生成手段１７の
最上流側に配置されている。この孔あき板１９の周辺に
連設された他の４面を構成する周壁２７には孔が形成さ
れず、その周壁２７の下流側の部分が流量調整板２２を
貫通して、その流量調整板２２の下流側に突出してい
る。

【００８６】衝突体２０は、流量調整板２２の下流側に
突出している周壁２７の最下流側端部を塞ぐ端壁として
設けられ、孔あき板１９と正対している。すなわち、孔
あき板１９と衝突体２０とは流体ａの流れ方向上流端と
下流端とに配置された状態で対向し、それらの間は空洞
となっている。

【００８７】そして、流体ａの流通方向における衝突体
２０の直前に位置する周壁２７部分で、かつ流量調整板
２２の下流側に突出した部分に、周方向全体に亘って流
出口２１が開口している。

【００８８】なお、流体通路１５のうち、周壁２７の外
周側の領域は、その下流側に配置した流量調整板２２に
よって塞がれており、流出口２１以外の部分からは流体
が流出しないようになっている。

【００８９】このような構成によると、流体通路内１５
を流れる流体ａが孔あき板１９に衝突し、その一部の流
体が孔１８から乱れ生成手段１７としての周壁２７内の
領域に流入する。そして、この孔１９から領域内に噴出
した流体が衝突体１２に達した時、衝突して乱れを生成
する。この衝突体に衝突した流体は、各種方向に反射し
て乱れを生成し、周方向に位置する流出口２１から流出
し、その流出後、流れを垂直な方向に変更されて、乱れ
を一様化しながら下流側に進む。

【００９０】これらの作用により、本実施形態において
も前記各実施形態と同様の効果が奏される。

【００９１】第６実施形態（図８） 図８には本発明の第６実施形態による流体の伝熱・混合
促進機構が斜視図として示されている。

【００９２】本実施形態の構成は、第５実施形態のもの
とほぼ同様であるが、衝突体および流量調整板に流量調
整孔が形成されている点が異なる。

【００９３】すなわち、図８に示されるように、本実施
形態においても、複数の孔１８が設けられた孔あき板１
９が、流体通路１５内を流通する流体ａに正対する状態
で、乱れ生成手段１７の最上流側に配置されている。こ
の孔あき板１９の周辺に連設された他の４面を構成する
周壁２７の下流側の部分が流量調整板２２を貫通して、
その流量調整板２２の下流側に突出している。

【００９４】衝突体２０は、流量調整板２２の下流側に
突出している周壁２７の最下流側端部を塞ぐ端壁として
設けられ、孔あき板１９と正対している。すなわち、孔
あき板１９と衝突体２０とは流体ａの流れ方向上流端と
下流端とに配置された状態で対向し、それらの間は空洞
となっている。この衝突体２０を穿って、流体ａを下流
側に流出させることができる複数の流量調整孔２８が設
けられている。

【００９５】そして、流体ａの流通方向における衝突体
２０の直前に位置する周壁２７部分で、かつ流量調整板
２２の下流側に突出した部分に、周方向全体に亘って流
出口２１が開口している。

【００９６】また、本実施形態では流量調整板２２に
も、流体を通過させて流量を調整することができる複数
の流量調整孔２９が設けられている。

【００９７】このような構成によっても、第５実施形態
の場合と同様に、流体通路内１５を流れる流体ａが孔あ
き板１９に衝突し、その一部の流体が孔１８から乱れ生
成手段１７としての周壁２７内の領域に流入する。そし
て、この孔１９から領域内に噴出した流体が衝突体１２
に達した時、衝突して乱れを生成する。この衝突体に衝
突した流体は、各種方向に反射して乱れを生成し、周方
向に位置する流出口２１から流出し、その流出後、流れ
を垂直な方向に変更されて、乱れを一様化しながら下流
側に進む。

【００９８】この場合、本実施形態では、衝突体２０に
設けられた流量調整孔２８および流量調整板２２に設け
られた流量調整孔２９からも流体が流出するので、これ
らの流量調整孔２８，２９から流出した流体が、流出口
２１から流出した流体と混合しながら、さらに一様な乱
れを生成する。

【００９９】この一様な乱れを加えた状態で、本実施形
態においても、前記各実施形態と同様の効果が奏され
る。

【０１００】第７実施形態（図９） 図９には本発明の第７実施形態による流体の伝熱・混合
促進機構が斜視図として示されている。

【０１０１】本実施形態の構成は、第１実施形態で示さ
れたものに、一様な乱れを生成する手段を加えたもので
ある。

【０１０２】すなわち図９に示されるように、複数の孔
１８を有する孔あき板１９が四角筒状に形成され、衝突
体２０は、四角柱状とされて孔あき板１９の内周面に正
対している。孔あき板１９および衝突体２０の下流側の
端部には、流体ａの流れに対して正対する流量調整板２
２が接合されている。流出口２１は、流量調整板２２を
穿って設けられた四角枠状の孔として形成されている。

【０１０３】このように構成された乱れ生成手段１７を
有する本実施形態において、衝突体２０は、孔あき板１
９によって囲まれる領域内の下流側部分がカットされた
短い構成とされている。そして、その領域内における衝
突体２０の下流側に、グリッド３０が設置されている。

【０１０４】なお、他の構成については、図９の対応箇
所に図２と同一の符号を付して、説明を省略する。

【０１０５】このような構成によると、流体通路内で流
通する流体ａが上流板１０に一部衝突しながら周囲の孔
あき板１９の孔１８より乱れ生成手段１７の内部に入
り、衝突体２０に衝突して乱れを生成し、さらに隣り合
う衝突噴流と混合しながら一様な乱れを生成することで
第１実施形態の場合と同様の作用効果が奏される。

【０１０６】そして、本実施形態ではこれに加えて、流
体が流出口２１より流出する際に、予めグリッド１７を
通過するため、衝突により乱れ生成がなされた流体が仮
に偏流している場合でも、グリッド３０通過の際の分散
作用等によって、さらに均一で一様な乱れが生成できる
ようになる。

【０１０７】第８実施形態（図１０） 図１０には本発明の第８実施形態による流体の伝熱・混
合促進機構が斜視図として示されている。

【０１０８】本実施形態は第７実施形態の変形例であ
り、図１０に示されるように、孔あき板１９の複数の孔
１８が流体ａの流通方向に対して千鳥配置に設置されて
いる。また、衝突体２０は、孔あき板１９によって囲ま
れる領域内の下流側部分がカットされた短い構成とされ
ている。そして、その領域内における衝突体２０の下流
側に、グリッド３０が設置されている。

【０１０９】その他の構成については、第７実施形態の
ものと同様であるから、図１０の対応箇所に図９と同一
の符号を付して、説明を省略する。

【０１１０】本実施形態の構成によっても、流体通路内
で流通する流体ａが上流板１０に一部衝突しながら周囲
の孔あき板１９の孔１８より乱れ生成手段１７の内部に
入り、衝突体２０に衝突して乱れを生成し、さらに隣り
合う衝突噴流と混合しながら一様な乱れを生成すること
で第１実施形態の場合と同様の作用効果が奏される。

【０１１１】そして、本実施形態ではこれに加えて、流
体が流出口２１より流出する際に、予めグリッド１７を
通過するため、衝突により乱れ生成がなされた流体が仮
に偏流している場合でも、グリッド３０通過の際の分散
作用等によって、さらに均一で一様な乱れが生成でき
る。

【０１１２】第９実施形態（図１１） 図１１には本発明の第９実施形態による流体の伝熱・混
合促進機構が斜視図として示されている。

【０１１３】本実施形態では図１１に示されるように、
複数（例えば３つ）の乱れ生成手段１７…を有してい
る。各乱れ生成手段１７は同一構成のもので、それぞれ
上流板２３は密閉されており、流出孔２１は開放されて
いる。孔あき板１９は四角筒状に構成され、乱れ生成手
段１７の周囲面になっている。孔あき板１９の複数の孔
１８は流体ａの流通方向に対して千鳥状に配列されてい
る。また衝突体２０は乱れ生成手段１７の内部に四角柱
状に設けられ、孔あき板１９に正対するように構成され
ている。そして、全ての乱れ生成手段１７に対して１枚
構成の流量調整板２２が設置されている。

【０１１４】このような構成によると、流体通路１５を
流通する流体ａは複数の乱れ生成手段１７の各上流板２
３に一部衝突しながら、周囲の孔あき板１９の孔１８よ
り乱れ生成手段１７の内部に入り、衝突体２０に衝突し
てそれぞれ乱れを生成する。さらに、隣り合う衝突噴流
と混合しながら一様な乱れを生成する。この流体は衝突
した後に、流出口２１を介して各乱れ生成手段１７から
流出し、３次元的に対象な乱れを生成するとともに、隣
り合う乱れ生成手段１７から流出した流体が相互干渉
し、さらに一様な乱れを形成することができる。

【０１１５】本実施形態の例として、第１実施形態で示
した試験装置と同様の寸法の乱れ生成部を有するもの
を、図１１に示したような並列配置で４個、それぞれ中
心間距離４３８．９ｍｍで設置し、乱れ生成部から３５
０ｍｍ下流側での乱れ度を調べたところ、２５％と大き
な値を得ることが認められた。

【０１１６】第１０実施形態（図１２） 図１２には本発明の第１０実施形態による流体の伝熱・
混合促進機構が斜視図として示されている。

【０１１７】本実施形態では図１２に示されるように、
複数（例えば７つ）の乱れ生成手段１７…を有してい
る。各乱れ生成手段１７は同一構成のもので、それぞれ
上流板２３は密閉されており、流出孔２１は開放されて
いる。孔あき板１９は円筒状に構成され、乱れ生成手段
１７の周囲面になっている。孔あき板１９の複数の孔１
８は流体ａの流通方向に対して千鳥状に配列されてい
る。また衝突体２０は乱れ生成手段１７の内部に円柱状
に設けられ、孔あき板１９に正対するように構成されて
いる。そして、全ての乱れ生成手段１７に対して１枚構
成の流量調整板２２が設置されている。

【０１１８】このような構成によっても、第９実施形態
と同様に、流体通路１５を流通する流体ａは複数の乱れ
生成手段１７の各上流板２３に一部衝突しながら、周囲
の孔あき板１９の孔１８より乱れ生成手段１７の内部に
入り、衝突体２０に衝突してそれぞれ乱れを生成する。
さらに、隣り合う衝突噴流と混合しながら一様な乱れを
生成する。この流体は衝突した後に、流出口２１を介し
て各乱れ生成手段１７から流出し、３次元的に対象な乱
れを生成するとともに、隣り合う乱れ生成手段１７から
流出した流体が相互干渉し、さらに一様な乱れを形成す
ることができる。

【０１１９】他の実施形態 なお、以上の各実施形態では、それぞれ個別的特徴を示
すために、各図に基づいてある程度具体的な構成として
説明したが、本発明は各実施形態で示した構成を組合わ
せた複合的な構成として実施することができ、また一つ
の実施形態で示した孔あき板、その孔の配置や形状、衝
突体の形状や配置等の要素を、他の実施形態のものと入
替えたり、種々変更したして実施することもできる（例
えば孔あき板の孔形状を円形以外のものとする等）。

【０１２０】さらに、種々の変形も可能である。例え
ば、孔を有しない上流板あるいは周壁として説明した部
分に、衝突用の孔を穿設したり、それに対応して衝突体
を設け、あるいは流出口の形状や配置、個数等を適宜変
更するすることもできる。

【０１２１】要するに、流体の種類や密度、流量等の条
件に対応して構成要素を変更することで、必要とする最
適な乱れ生成を可能とすることができる。

【０１２２】また、前記実施形態では流体試験装置を例
として説明したが、本発明は実機としての各種流体機
器、例えば内燃機関もしくは外燃機関、それらの燃料混
合器もしくは燃焼器、蒸気機関もしくはその付属機器、
空気調和器、または温度管理を行う半導体製造装置もし
くはその付属機器等として実施することができる。その
場合には、実際の設備機器の性能向上等が有効に図れる
ようになる。

【０１２３】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明に係る流
体の伝熱・混合促進機構によれば、乱れの強さおよび分
布を制御するための複雑な機構２次的装置等を必要とす
ることなく、比較的簡便な手段によって、高い乱れ成分
を生成し、流体の伝熱・混合を促進させることができる
とともに、発生する乱れの強さおよび分布を的確に制御
することができる。

【０１２４】また、本発明に係る流体の伝熱・混合促進
機構を用いた流体機器によれば、同機構を流体通路に適
用することによって、流通する流体の伝熱および混合等
を簡便な手段で促進させ、経済性の向上および機器性能
の向上等が有効に図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構を用い
た風洞試験装置の一実施形態を示す構成図。

【図２】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第１
実施形態を示す斜視図。

【図３】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の乱れ
度と従来例の乱れ度とを比較して示す特性図。

【図４】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第２
実施形態を示す斜視図。

【図５】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第３
実施形態を示す斜視図。

【図６】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第４
実施形態を示す斜視図。

【図７】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第５
実施形態を示す斜視図。

【図８】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第６
実施形態を示す斜視図。

【図９】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第７
実施形態を示す斜視図。

【図１０】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第
８実施形態を示す斜視図。

【図１１】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第
９実施形態を示す斜視図。

【図１２】本発明に係る流体の伝熱・混合促進機構の第
１０実施形態を示す斜視図。

【図１３】従来の風洞試験装置の一例を示す構成図。

【図１４】図１３に示した風洞試験装置のグリッドを示
す拡大図。

【図１５】従来の風洞試験装置の他の例を示す構成図。

【図１６】図１５に示した風洞試験装置の三角翼を示す
構成図。

【図１７】流体の平均速度と変動速度との関係を示す説
明図。

【符号の説明】

１０ ブロワ １１ ダクト １２ 整流格子 １３ ノズル １４ 試験部 １５ 流体通路 １６ 伝熱・混合促進機構 １７ 乱れ生成手段 １８ 孔 １９ 孔あき板 ２０ 衝突体 ２１ 流出口 ２２ 流量調整板 ２３ 上流板 ２４ 板材 ２５，２６ 流量調整孔 ２７ 周壁 ２８，２９ 流量調整孔 ３０ グリッド ａ 流体

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体通路の一部に設置され、前記流体通
   路内を流通する流体に乱れを与えて前記流体の伝熱また
   は混合を促進する流体の伝熱・混合促進機構において、
   前記流体に乱れを与える乱れ生成手段として、複数の孔
   を有する孔あき板と、この孔あき板の孔を通過した流体
   が衝突する衝突体と、この衝突体に衝突した流体を前記
   流体通路内に流出させる流出口とを備えたことを特徴と
   する流体の伝熱・混合促進機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の流体の伝熱・混合促進機
   構において、乱れ生成手段の上流側に上流壁が設置され
   るとともに、複数の孔があいた孔あき板が当該乱れ生成
   手段の周壁になる構成とされ、かつ前記衝突体が前記孔
   あき板で囲まれた領域の内部に前記孔あき板に正対する
   ように設けられるとともに、前記流体の流出口が前記領
   域の下流部に位置しており、さらに前記流出口以外の部
   分を流通する流体の流量を制御するための流量調整板が
   備えられていることを特徴とする流体の伝熱・混合促進
   機構。
3. 【請求項３】 請求項２記載の流体の伝熱・混合促進機
   構において、乱れ生成手段の上流側に設置された上流壁
   に、流体の流量を制御するための流量調整孔を設けたこ
   とを特徴とする流体の伝熱・混合促進機構。
4. 【請求項４】 請求項１記載の流体の伝熱・混合促進機
   構において、乱れ生成手段の孔あき板は、当該乱れ生成
   手段の内部を流通する流体に正対するように当該乱れ生
   成手段の上流部に位置するとともに、衝突体は前記孔あ
   き板に正対しており、かつ前記流体の流出口が周方向に
   位置しており、さらに前記流出口以外の部分を流通する
   前記流体の流量を制御するための流量調整板を備えたこ
   とを特徴とする流体の伝熱・混合促進機構。
5. 【請求項５】 請求項４記載の流体の伝熱・混合促進機
   構において、乱れ生成手段の衝突体に、流体の流量を調
   整する流量調整孔を設けたことを特徴とする流体の伝熱
   ・混合促進機構。
6. 【請求項６】 請求項１から５までのいずれかに記載の
   流体の伝熱・混合促進機構において、乱れ生成手段は、
   流出する流体の乱れ度分布、および乱れスケールを均一
   に分布させるために、前記流出口の下流から当該乱れ生
   成手段の下流端の間にグリッド状の板を備えたことを特
   徴とする流体の伝熱・混合促進機構。
7. 【請求項７】 請求項１から６までのいずれかに記載の
   流体の伝熱・混合促進機構において、孔あき板における
   孔の配置が、流体通路内を流れる流体の流通方向に対し
   て直交配置であることを特徴とする流体の伝熱・混合促
   進機構。
8. 【請求項８】 請求項１から６までのいずれかに記載の
   流体の伝熱・混合促進機構において、孔あき板における
   孔の配置が、流体通路内を流れる流体の流通方向に対し
   て千鳥配置であることを特徴とする流体の伝熱・混合促
   進機構。
9. 【請求項９】 請求項１から８までのいずれかに記載の
   乱れ生成手段を複数組み合わせたことを特徴とする流体
   の伝熱・混合促進機構。
10. 【請求項１０】 請求項１から９までのいずれかに記載
    の伝熱・混合促進機構を、流体通路内に適用したことを
    特徴とする流体機器。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載の流体機器は、流体の
    乱れ試験用の流体試験装置、内燃機関もしくは外燃機関
    またはそれらの燃料混合器もしくは燃焼器、蒸気機関も
    しくはその付属機器、空気調和器、または温度管理を行
    う半導体製造装置もしくはその付属機器であることを特
    徴とする流体機器。