ボルテックスチューブの高速冷風の温度測定法に関する研究

摘要

ボルテックスチューブ（Vortex Tube; 以下VT）は常温の高圧気体から冷風と温風を得るための便利でシンプルな装置である．1930 年代にGeorge Ranque がVT 内に生じる熱エネルギー分離現象を発見し，その後，1947 年にHilsch によりVT 内の流動メカニズムの研究が行われた．そのため，Ranque-HilschVT とも呼ばれている．VT は小型軽量であり，可動部品がなく，メンテナンスが不要で直ちに冷却エアを供給できるなど様々な利点がある．VT は電気制御機器，操作機器，CCTV カメラ，ハンダ箇所，電子部品の冷却など工業的に幅広い分野で用いられている．VT 内の気体の流れを図1 に示す．圧縮気体が複数の接線ノズルから渦室内に供給され，そのとき渦室内に高速旋回流が生じる．旋回流は管壁に沿って螺旋状に流れるとともに温度が上がり，温風となって右端の調整バルブから流出する．中心部には逆流が生じ，冷風となって他端から流出する．これまで，VT 内の熱エネルギー分離に関する理論が多くの研究者により提唱されてきた．その中で，冷風発生の原理は圧縮気体が断熱膨張することによる気体の温度減少であることが広く認められている．しかし，温風発生の原理は未だに解明されていないなど，未解決の問題がある．VT の熱エネルギー分離特性の定量的評価を行うには，冷風と温風の温度を正確に測定する必要がある．特に，冷風は高速で旋回しながらVT から流出するため，その温度測定法については慎重に吟味する必要がある．そこで，本研究では熱電対を用いて全温度プローブを製作し，流れの角度と全温度の測定誤差の関係を調べる．また，その全温度プローブを用いてVT の冷風温度の測定を行い，冷風の特性を明らかにする．