圧縮ガスを高温流と低温流に分離する 渦管 （ランケ・ヒルシュ渦管 とも呼ばれる）は、圧縮ガスを高温流と低温流に分離する 機械装置 である。高温側から出るガスは200 ℃（390 °F） に達し、低温側から出るガスは-50 ℃（-60 °F） に達する。[ 1 ] 可動部品 はないが、エネルギー効率は低い。[ 2 ]
加圧ガスは、管の一端付近にある旋回室 に接線方向に 注入され、管の内面に沿って遠端まで移動するにつれて、急速な回転（最初の渦）が生じます。 円錐形の ノズル によって、この外層のガスだけがバルブを通してその端から排出されます。残りのガスは、外渦の内側にある直径が小さくなった内渦に押し戻されます。内渦のガスは外渦のガスにエネルギーを伝達するため、遠端では外層の温度が初期よりも高くなります。同様に、中央の渦のガスは、出発点に戻って管から放出される際に温度が低くなります。
操作方法 渦管内の温度分離を説明するには、主に2つのアプローチがあります。
基本的なアプローチ：物理学 このアプローチは、第一原理物理学のみに基づいており、渦管に限らず、一般的に移動する気体に適用できます。移動する気体における温度分離は、移動する座標系における エンタルピー 保存則のみに起因することを示しています。
渦管内の熱過程は、以下のように推定できる。
渦管の主な物理現象は、冷たい渦の中心部と暖かい渦の周辺部との間の温度分離です。「渦管効果」は、オイラーの仕事方程式[ 3 ] [ 4 ]
T − v → ⋅ ω → × r → c p = const {\displaystyle T-{\frac {{\vec {v}}\cdot {\vec {\omega }}\time {\vec {r}}}{c_{p}}}={\mbox{const}}}
どこT {\displaystyle T} 停滞温度です。 r → {\displaystyle {\vec {r}}} v → {\displaystyle {\vec {v}}} 角速度 はω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} c p {\displaystyle c_{p}}
上記の式は断熱タービン通路に有効です。中心に向かって移動するガスは冷たくなりますが、通路の周辺部のガスは「速くなっている」ことが明確に示されています。したがって、渦の冷却は角推進によるものです。ガスが中心に到達するほど冷たくなり、渦に供給される回転エネルギー が増えるため、渦はさらに速く回転します。この説明は、エネルギー保存の法則から直接導き出されます。室温 の圧縮ガスは、ノズルを通過する際に速度を上げるために膨張します。その後、回転の遠心障壁を登りますが、その際にもエネルギーが失われます。失われたエネルギーは渦に供給され、渦の回転を加速させます。渦管では、円筒形の周囲壁が周辺部の流れを閉じ込めるため、運動エネルギーが内部エネルギー に変換され、高温の出口で高温の空気が生成されます。
したがって、ボルテックスチューブはローターレスターボエキスパンダー である。[ 5 ] 遠心圧縮機 （高温端、周辺）で構成されている。タービンの仕事出力は、高温端の圧縮機によって熱に変換される。
現象学的アプローチ このアプローチは、観測と実験データに基づいています。渦管の幾何学的形状と流れの詳細に特化して設計されており、複雑な渦管の流れの特定の観測量、すなわち乱流、音響現象、圧力場、空気速度などに適合するように設計されています。以前に発表された渦管モデルは現象論的なものです。それらは以下のとおりです。
半径方向の圧力差：遠心圧縮と空気膨張 角運動量 の半径方向伝達放射状音響 エネルギーの流れ 放射状熱ポンプ これらのモデルの詳細については、渦管に関する最近のレビュー記事を参照してください。[ 6 ] [ 7 ]
現象論的モデルは、オイラーのタービン方程式が十分に解析されていなかった初期の頃に開発されました。工学文献では、この方程式は主にタービンの仕事出力を示すために研究されています。一方、タービン冷却は発電とは異なり用途が限られているため、温度解析は行われていません。発電はタービンの主な用途です。過去の渦管の現象論的研究は、経験的データを示すのに役立ってきました。しかし、渦流の複雑さのため、この経験的アプローチでは効果の一面しか示すことができず、その動作原理を説明することはできませんでした。経験的な詳細に重点を置いた経験的研究は、長い間、渦管効果を謎めいたものにし、その説明を議論の対象としてきました。
歴史 渦管は、1931 年にフランスの物理学者ジョルジュ・J・ランク によって発明されました。[ 8 ] [ 9 ] 1934 年に、ポール・ディラックが 同位体分離 を行う装置を探しているときに、渦管が再発見され、ヘリコン渦分離プロセス の開発につながりました。[ 10 ] ルドルフ・ヒルシュは 設計を改良し、1947 年にこの装置に関する広く読まれた論文を発表しました。彼はこれをヴィルベルロール （文字通り、渦管）と呼びました。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 19 ] 二酸化炭素 とヘリウム、二酸化炭素と空気などの混合ガスを分離するために使用された。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
アプリケーション
現在のアプリケーション 市販のボルテックスチューブは、最大 71°C (128°F) の温度低下を実現する産業用途向けに設計されています。可動部品、電気、冷媒がないため、ボルテックスチューブは、100 psi (6.9 bar) のろ過された圧縮空気を毎分 100 標準立方フィート (2.832 m 3 /分) 使用して、最大 1,800 W (6,000 BTU /h) の冷却能力を生み出す ことが でき ます 。 これらは、冷風銃、密閉型クーラー、冷却ベストで使用される主要な技術です。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
ボルテックスチューブは、切削加工中の切削工具（旋盤 やフライス盤など 、手動式およびCNC式 機械の両方）の冷却に使用されます。ボルテックスチューブはこの用途に最適です。機械工場では一般的に圧縮空気を使用しており、高速の冷気噴射によって工具の冷却と切削屑の除去の両方が実現します。これにより、扱いにくく、高価で、環境にも有害な液体冷却剤の必要性がなくなるか、大幅に削減されます。
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外部リンク GJ Ranqueの米国特許 渦管効果の詳細な解説（多数の図解付き） オーバリン大学の物理学デモ 渦管の作り方（This Old Tony、YouTube） Vortex'n 2 This Old Tony、YouTube モールド、スティーブ （2021年9月17日）。「確かにこれは第二法則を破っている」 。2026年3月9日 取得– YouTube経由。
