JP3803708B2 - ボルテックスチューブ - Google Patents

Description

本発明は、圧縮空気を高温と低温とに分離する機能を有するボルテックスチューブに関する。

圧縮空気を高温空気と低温空気とに分離できるボルテックスチューブは、電機制御盤内の冷却や機械加工における冷却など各種産業分野で広く利用されている。

図２１にボルテックスチューブの従来構成を示す。この図において、１０は渦流管である。渦流管１０は、円筒状に形成されており、その一端部１２には低温空気出口１５が設けられている。この渦流管１０の一端部１２の近傍には、圧縮空気を接線方向から当該管１０内に噴出させるノズル１９が設けられている。そして、渦流管１０の他端部１３には、円錐型の高温側端面１７Ｐおよび流量調整弁１６Ｐならびに高温空気出口１８が設けられている。なお、上記した高温空気出口１８は、図２１に示した他に、渦流管１０の軸心で高温側端面に外部方向に貫通穴をあけて流量調整弁を接続する構造などがある。

図２１の流場Ａは、渦流管１０の内壁に遠心力によって押さえつけられながら高温空気出口へ向けて進む高速で高圧の空気の回転渦流である。流量調整弁１６Ｐによって外部に排出されない流場Ａの空気流は、進行方向を反転し、内側の低圧な流場Ｂに入り低温空気出口１５に向かう。外側の流場Ａの高速回転渦流から、図中点線の境界付近で同方向に回転するように力を受けて、再び高速回転渦流となって減圧され低温空気出口１５より出てゆく。ここで、外側の流場Ａと内側の流場Ｂとの間でエネルギ−交換（熱交換）が行なわれ熱分離する。

従来のボルテックスチューブの一般構成は以上のとおりであるが、最近では熱分離性能の向上を目指して内部構成に工夫を凝らしたものが提案されている。

例えば、図２１中２点鎖線で示すように、高温空気出口１８の手前中央部に流れ制御用円板２を配設し、中央部での流れを遮断して渦流管内面１０ａに沿った円環状の部分３で高温空気のみが流れるようにしたボルテックスチューブが公開されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２０７７５６号公報

しかし、従来のボルテックスチュ−ブの性能は未だ十分とは言えず、より一層の性能向上が求められている。

本発明は、このような問題を解決しようとするもので、熱分離性能を向上させることができるボルテックスチュ−ブを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、圧縮空気を接線方向から噴出させて発生した渦流管内の高速回転渦流を利用して、回転渦流中心の冷気を一端部の低温空気出口から吐出し、熱を帯びた空気を噴出する高温空気出口が他端部に設けられるとともに、前記高温側端面に、前記渦流管の軸線から少なくとも一部が偏心するとともに前記低温空気出口へ向けて突出して当該渦流管内の回転渦流が直接当たる前面側を凸形状とし、その背面側を平面又は凹形状とする突起を設けたものである。

上記請求項１の発明の場合、上記回転渦流が上記突起の前面側から背面側へ通過すると、背面側に低圧を生じて回転渦流は減圧される。また、上記突起が渦流管内の回転渦流の抵抗となって、外側の回転渦流と内側の回転渦流との境界付近でのエネルギ−交換が一段と促進される。そのため、熱分離性能が従来例よりも大幅に向上する。すなわち、従来例よりも低温空気出口から一段と低温の空気を取り出すことができるとともに、高温空気出口から一段と高温の空気を取り出せる。

請求項２の発明は、圧縮空気を接線方向から噴出させて発生した渦流管内の高速回転渦流を利用して、回転渦流中心の冷気を一端部の低温空気出口から吐出し、熱を帯びた空気を噴出する高温空気出口が他端部に設けられるとともに、前記渦流管内の他端部に高温側端面および流量調整弁が設けられたボルテックスチューブにおいて、前記渦流管の軸線から少なくとも一部が偏心しかつ前記高温側端面から前記低温空気出口方向へ伸びた所定本数の軸部材を形成したものである。

上記請求項２の発明の場合、従来のボルテックスチューブの作用に加えて、渦流管の内壁に遠心力によって押さえつけられながら高温側出口方向へ進む外側流と、その内側の低温空気出口に向かう内側流を渦流管内の渦流とすると、高温側端面に、前記渦流管の軸線から少なくとも一部が偏心し、低温空気出口へ向けて突出して、渦流管内の回転渦流が軸部材の前面側から背面側へ通過すると、背面側に低圧を発生する軸部材を設けたことにより、渦流管内の渦流の抵抗となって、外側流と内側流の境界付近でのエネルギ−交換を促進し、従来のボルテックスチューブの作用である内側の低圧な渦流との相乗効果によって、減圧効果が高まって低温空気出口から一段と低い温度の空気を取り出すことができる。熱分離効率が、従来のボルテックスチューブに比べて大幅に向上する。

また、１本の軸部材でも効果があり、さらに、軸部材を上記内側流に突出した場合、低温空気出口の流量が少ない時に、軸部材の突出長が短い場合でも、低温空気出口へ向けて十倍長く伸びているのと同じ効果がでる。この現象は、テイラー・プラウドマンの柱に似ている。少ない突出高さの１本の軸部材でも効果があり、渦流管内の渦流が高速になるほど有利である。

請求項３の発明は、前記軸部材が、その先端部が折り返し部分とされ又は接合されかつ基端部が前記高温側端面に固定されたものである。

上記請求項３の発明の場合、請求項２の発明の場合と同様な作用・効果を奏し得る他、軸部材の構造強度を一層高めることができるとともに、振動が抑制されて一段と騒音減少を図ることができる。

請求項１の発明によれば、渦流管内の高温側端面に前面凸形状で背面が平面又は凹形状の突起を設けたので、熱分離効率を従来のボルテックスチューブに比べて大幅に向上させることができる。

請求項２の発明によれば、高温側端面に所定本数の軸部材を設けたので、熱分離効率が従来のボルテックスチューブに比べて大幅に向上する。また、構造の簡単化・コスト低減を一段と確実に達成できる。また、軸部材の突出長を短くして運転時の振動を抑制しても熱分離効率向上を図れるので、騒音の減少および耐久性の向上も併せて達成できる。また、軸部材は、細くしても又１本でも効果が出るので、軸部材の突出長を短くできることと相俟って、小径の渦流管や短い渦流管にも無理なく適用できる。

請求項３の発明によれば、先端部が折り返し部分とされ又は接合され基端部が高温側端面に固定された軸部材を設けたので、請求項２の発明の場合と同様な効果を奏し得る他、軸部材の構造強度を一層高めることができる。また、運転時の軸部材の振動が抑制されて、一段と騒音減少を図れるとともに耐久性が向上する。

本発明の最良の実施形態を図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）

本発明に係るボルテックスチューブは、図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、基本的構成は図２１に示す従来例と同様であるが、渦流管１０内の高温側端面１７に突起５０を設け、渦流管１０内における外側の回転渦流と内側の回転渦流との境界付近でのエネルギ交換（熱交換）を促進して熱分離効率向上を達成する構成とされている。

なお、従来例（図２１）と共通する構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

以下、本ボルテックスチューブの各構成要素について詳述する。

まず、渦流管１０は、図１（Ａ）に示すように、円筒状とされており、金属材料（例えば、アルミニウム合金）や合成樹脂で形成されている。なお、図１（Ａ）において、矢印Ａ１は、外側の回転渦流の進行方向を示す。また、矢印Ｂ１は、内側の回転渦流の進行方向を示す。

高温側端面１７は、図１（Ａ）に示すように、流量調整弁１６の先端面を利用して形成されている。流量調整弁１６は、渦流管１０の他端部１３に螺合されており、その先端面（高温側端面１７）は平面形状とされている。この調整弁１６を回動操作することにより、高温空気出口１８からの高温空気の排出量を調整するものとされている。

次に、本発明の特徴部である突起５０は、渦流管１０の軸線１０xから少なくとも一部が偏心するとともに低温空気出口１５へ向けて突出して当該渦流管１０内の回転渦流が直接当たる前面５１a側が凸形状とされ、その背面５１b側が平面又は凹形状とされている。詳しくは、突起５０は、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、先細り形状で前面５１ａが半円状とされ背面５１ｂが平面状とされている。

次に、この実施形態の作用について説明する。

本発明に係るボルテックスチューブの渦流管１０内に、圧縮空気供給源（図示省略）からノズル１９を介して圧縮空気が供給されて運転が開始されると、突起５０が渦流管１０内の回転渦流の抵抗となって、図５に示すように、図中矢印で示す回転渦流が当該突起５０の前面５１ａ側から背面５１ｂ側へ通過すると背面５１ｂ側に低圧を発生する。これにより、渦流管１０内における外側の回転渦流と内側の回転渦流との境界付近でのエネルギ−交換（熱交換）が促進される。そのため、熱分離性能が向上する。すなわち、従来例よりも低温空気出口１５から一段と低温の空気を取り出すことができるとともに、高温空気出口１８から一段と高温の空気を取り出せる。例えば、夏場のようにボルテックスチューブに供給される圧縮空気が３０℃を超えても、熱分離性能があまり低下せず高水準を維持できる。また、構造の簡単化・コスト低減を一段と確実に達成できる。

なお、突起の形状は種々変更可能である。例えば、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、高温側端面１７に、それぞれ前面５２ａが凸状とされるとともに背面５２ｂが凹形状とされた逆羽根状の３本の突起５０Ａを設けてもよい。また、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、高温側端面１７に、前面５３ａが凸状とされるとともに背面５３ｂが平面状とされた突起５０Ｂを設けてもよい。なお、図３（Ａ）中、１７ａは、高温側端面１７に形成された凹み部である。また、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、高温側端面１７の凹み部１７ａに、円筒形状の台座５５を介して前面５４ａが凸状とされるとともに背面５４ｂが凹形状とされた２本の突起５０Ｃを設けてもよい。

上記した図２〜図４に示す各突起（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）は、上記した突起５０と同様な効果（熱分離効率の向上など）を奏する。

（第２の実施形態）

第２の実施形態は、図６〜図１７に示される。第２の実施形態に係るボルテックスチューブは、図６（Ａ）に示すように、高温側端面１７に、渦流管１０の軸線１０ｘから少なくとも一部が偏心するとともに低温空気出口１５へ向けて突出して基端部２２が高温側端面１７に固定された所定本数（例えば２本）の軸部材２０から形成されている。つまり、各軸部材２０は、渦流管１０の軸線１０ｘから少なくとも一部が偏心しかつ高温側端面１７から低温空気出口１５方向へ伸びたものである。軸部材２０は、渦流管１０内の回転渦流がその前面２５側から背面２６側へ通過すると背面２６側に低圧を発生するように形成されている。図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す各軸部材２０は、丸軸で小径とされている。

次に、この実施形態の作用について説明する。

上記した渦流管１０内に、圧縮空気供給源（図示省略）からノズル１９を介して圧縮空気が供給されて運転が開始されると、各軸部材２０が渦流管１０内の回転渦流の抵抗となって、図１１に示すように、図中矢印で示す回転渦流が当該各軸部材２０の前面２５側から背面２６側へ通過すると、当該各軸部材20の背面２６側に低圧を発生する。これにより、渦流管１０内における外側の回転渦流と内側の回転渦流との境界付近でのエネルギ−交換（熱交換）が促進される。そのため、熱分離性能が向上する。すなわち、従来例よりも低温空気出口１５から一段と低温の空気を取り出すことができるとともに、高温空気出口１８から一段と高温の空気を取り出せる。例えば、夏場のようにボルテックスチューブに供給される圧縮空気が３０℃を超えても、熱分離性能があまり低下せず高水準を維持できる。また、構造の簡単化・コスト低減を一段と確実に達成できる。

なお、軸部材２０は１本でも効果があり、さらに、軸部材２０を上記内側回転渦流に突出した場合、低温空気出口１５の流量が少ないときに、軸部材２０の突出長が短い場合でも、低温空気出口１５へ向けて十倍長く伸びているのと同じ効果がでる。この現象は、テイラー・プラウドマンの柱に似ている。短い突出長の１本の軸部材２０でも効果があり、渦流管１０内の回転渦流が高速になるほど有利である。軸部材２０の突出長が熱分離性能にどのように影響するかの実験結果を次の表１に示す。なお、実験では、軸部材を図６（Ａ）と同様に２個平行配置した。また、１本でもほぼ同等の結果であった。

軸部材２０は短くすればするほど、運転時の振動が抑制されることになり、耐久性向上および騒音減少の面からは有利である。また、軸部材２０は、細くしてもまた１本でも効果が出るので、軸部材２０の突出長を短くできることと相俟って、小径の渦流管や短い渦流管にも無理なく本発明を適用できる。

なお、上記した実施形態では、軸部材２０を直径が一様な丸軸としたが、これに限定されるものではない。例えば、軸部材２０を、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、先細りとなるテーパー状に形成してもよい。これにより、構造強度が一段と増すとともに運転時の振動を一層確実に抑制できる。また、軸部材２０を、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、前面側が尖り背面側が平面の三角柱形状としてもよい（なお、図８では高温側端面１７が円錐形状とされている。）。これにより、回転渦流が軸部材２０の前面側から背面側へ通過すると当該背面側に発生する低圧の程度を一段と大きくできる。

また、この実施形態では、軸部材２０の本数を２本としたが、１本でも３本以上でもよい。例えば、図９に示すように、３本の軸部材２０を設けてもよい。図９の軸部材２０は、基端部側が先端部側よりも太い段付きの丸軸とされている。また、図１０に示すように、高温側端面１７に凹み部１７ａを設け、この凹み部１７ａに上記した軸部材２０を台座２７を介して設けてもよい。かかる構成とすることにより、軸部材２０の構造強度を一層高めることができるとともに、振動が抑制されて一段と騒音減少を図ることができる。

また、図１２〜図１５に示すように、高温側端面１７に、先端部３１が折り返し部分とされ又は接合され基端部３２が高温側端面１７に固定された軸部材３０を設けてもよい。詳しくは、図１２（Ａ），（Ｂ）は折り返し部分（３１）が円弧形状の軸部材３０を、図１３（Ａ），（Ｂ）は折り返し部分（３１）が図８よりも小さい円弧形状の軸部材３０を、図１４（Ａ），（Ｂ）は折り返し部分（３１）が更に小さい円弧形状の軸部材３０を示す。図１５は先端部３１が接合された軸部材３０を示す。かかる軸部材３０とすることにより、構造強度を一層高めることができるとともに、運転時の振動が抑制されて一段と騒音減少を図ることができる。

なお、上記した第１および第２の実施形態では、高温空気出口１８を渦流管１０の他端部１３に貫通穴を開けることにより形成したが、例えば図１６および図１７に示すように、高温側端面１７に外部方向に貫通穴５を開けて流量調整弁６を接続する構造としてもよい。

図１８は、渦流管１０の一端部１２と他端部１３と中間部１１とが別体とされ、当該中間部１１が全光線透過率の高い材料〔例えば、アクリル樹脂（約92％）やポリカ−ボネ−ト樹脂（約86％）など〕で形成されたものである。

図１９は、渦流管１０の他端部１３と中間部１１とが一体とされ、当該一体部分が全光線透過率の高い材料〔例えば、アクリル樹脂（約92％）やポリカ−ボネ−ト樹脂（約86％）など〕で形成されたものである。

図２０は、渦流管１０の一端部１２と他端部１３と中間部１１とが一体とされ、当該一体部分（管全部）が全光線透過率の高い材料〔例えば、アクリル樹脂（約92％）やポリカ−ボネ−ト樹脂（約86％）など〕で形成されたものである。

本発明の第１の実施形態を説明するための図である。 突起の変形例（１）を説明するための図である。 突起の変形例（２）を説明するための図である。 突起の変形例（３）を説明するための図である。 本発明の原理を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態を説明するための図である。 軸部材の変形例（１）を説明するための図である。 軸部材の変形例（２）を説明するための図である。 軸部材の変形例（３）を説明するための図である。 軸部材の変形例（４）を説明するための図である。 本発明の原理を説明するための図である。 先端部が折り返し部分とされた軸部材を説明するための図である。 先端部が折り返し部分とされた軸部材の変形例（１）を説明するための図である。 先端部が折り返し部分とされた軸部材の変形例（２）を説明するための図である。 先端部が接合された軸部材を説明するための図である。 高温空気出口構造の変形例を説明するための図である。 高温空気出口構造の変形例を説明するための図である。 渦流管の構成を説明するための図である。 同じく、他端部と中間部とが全光線透過率の高い材料で形成された渦流管を示す図である。 同じく、全部が全光線透過率の高い材料で形成された渦流管を示す図である。 ボルテックス・チューブの従来例を説明するための図である。

符号の説明

１０ 渦流管
１０x 軸線
１０ａ 内面
１１ 渦流管の中間部
１２ 渦流管の一端部
１３ 渦流管の他端部
１５ 低温空気出口
１６ 流量調整弁
１７ 高温側端面
１７ａ 高温側端面の凹み部
１８ 高温空気出口
１９ ノズル
２０ 軸部材
２１ 先端部
２２ 基端部
２５ 前面
２６ 背面
２７ 台座
３０ 軸部材
３１ 先端部
３２ 基端部
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ 突起
５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ 前面
５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂ 背面
５５ 台座

Claims (3)

1. 圧縮空気を接線方向から噴出させて発生した渦流管内の高速回転渦流を利用して、回転渦流中心の冷気を一端部の低温空気出口から吐出し、熱を帯びた空気を噴出する高温空気出口が他端部に設けられるとともに、前記渦流管内の他端部に高温側端面および流量調整弁が設けられたボルテックスチューブにおいて、
   前記高温側端面に、前記渦流管の軸線から少なくとも一部が偏心するとともに前記低温空気出口へ向けて突出して当該渦流管内の回転渦流が直接当たる前面側を凸形状とし、その背面側を平面又は凹形状とする突起を設けたことを特徴とするボルテックスチューブ。
2. 圧縮空気を接線方向から噴出させて発生した渦流管内の高速回転渦流を利用して、回転渦流中心の冷気を一端部の低温空気出口から吐出し、熱を帯びた空気を噴出する高温空気出口が他端部に設けられるとともに、前記渦流管内の他端部に高温側端面および流量調整弁が設けられたボルテックスチューブにおいて、
   前記渦流管の軸線から少なくとも一部が偏心しかつ前記高温側端面から前記低温空気出口方向へ伸びた所定本数の軸部材を形成したボルテックスチューブ。
3. 前記軸部材が、その先端部が折り返し部分とされ又は接合されかつ基端部が前記高温側端面に固定された請求項２記載のボルテックスチューブ。

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