この装置の動作原理を教えてください。

質問

別の質問（http://okwave.jp/qa/q7977039.html）の中で（＃６、＃９、＃１１）、ジェットクーラーというものを紹介されたのですが、これの原理を教えていただけませんか。
http://www.nihonseiki.com/product_contents/cooler.html

単純に圧縮空気を吹き出す（ジュールトムソン冷却）よりも、この装置を通すことで、より低い温度の空気を得られますか？
もし、そうならそれは何故ですか。また、そのエントロピー減少分の仕事はどこから来たものですか？

上の質問の＃11の補足では、私は、二重になってる円筒を外力で回転させているのだと勘違いしていまたが、そうではなく、単に圧縮空気を吹き込むだけで、空気自身が回転運動を作り出して、冷気と暖気に分離されると言っているようです。。

この装置の動作原理の本質は、空気が回転することですか？、それとも、圧縮空気を吹き込むこたですか？
もし、前者が正しいとすると、空気を円筒形の缶の中に密閉して缶を回転させると、缶の外側に暖かい空気、内側に冷たい空気が集まる、ということですか？

可能なら定性的なミクロ（微視的）な説明ではなく、なるべく、マクロな熱力学・流体力学の言葉を使って説明していただけるとありがたいです。

気になってしまって夜も眠れません。よろしくお願いします。

回答No.6

unyaakurousa0

熱力学、流体力学とか何それなんですが、カーブした壁に沿って気体の流れが曲がるときに、
スピードが速い気体分子は曲がりにくい（運動量保存？）ために、
カーブの外側に集まり、遅い分子が内側に集まるということだと想像します。

回答No.5

tetsumyi

失礼しました、確かに不可能ではないかもしれません。失言でした。
私には不可能に思えるとすべにでした。
yaksa さんは熱力学・流体力学に関して研究し尽くし数式で解明できる能力をお持ちのようですから、是非ご自身で解析してみてください。
実際に起きている、物理現象ですからエセ科学でないのなら可能なはずです。
結果を公表してくださることを期待しています。

回答No.4

tetsumyi

前の回答でも説明しましたが、このジェットクーラーの機能はエネルギーの高い状態からエネルギーが解放される過程でミクロ的な分子運動の挙動を巧みに利用した高度な技術ですから、この過程をマクロな熱力学・流体力学の言葉を使って説明しなさいと言われても不可能です。
円筒内に吹き出すエアーの流れは空気分子の一方の衝突が無くなって開放されて、非常に不完全ではありますが分子運動が１方向になることから生じる現象です。
そうして、円筒内で運動速度がばらついた分子がどのような挙動をするか、これを解析するにはコンピュータに拠るシュミレーション等の手法を取り入れなければ難しいでしょう。
良くあることですが実際の物理現象を分析する場合、どの分野の解析が適切か洞察力を持って方向性を決めなければ混乱しますよ。

お礼

＞この過程を マクロな熱力学・流体力学の言葉を使っ て説明しなさいと言われても不可能で す。
これだけは断言できますが、この主張だけは絶対にウソです。
本気で、そう主張されるのであれば、この装置の動作をモデル化してシミュレーションで再現するのに本質的に必要な要素のうちで、
・ミクロなモデル化では考慮されているのに、マクロなモデル化では考慮されない要素
が、何なのかを提示してください。
例えば、
・この装置の動作には、気体原子の量子効果を考慮することが、本質的に必要だ
とか、
・この装置の動作の本質は、量子統計的なグローバルなエネルギーの最小化だ
といった感じでしょうか。

おそらくは、何社もが作っているところを見ると、この装置自体は、多分、本当に動作はするんだろうな、とは思っています。
また、動作原理を文章で説明しようとすると、ミクロ的な話でごまかして説明する以外の方法がない、という可能性は大いにありえる、とも思います。
なにしろ、流体力学的は、基礎方程式が非線形ですから、ある現象を説明するときに、
根本の原因→その結果、現象１が起こる→現象１が原因で、現象２が起こる→…→最終的な現象が発生
みたいな、分かりやすい説明ができることはほとんどあり得ない、とは思っています。

しかしながら、もし、この装置が本物であるなら、マクロな熱流体シミュレーションを行えば、確実に、現象を再現できるはずです。
まだ、誰もそれをしていないから、今現在、そういう結果がない、というならあり得ますが、マクロな熱流体シミュレーションではこの装置の動作を再現できない、と主張されるのであれば、残念ながら、それは１００％エセ科学ですね。

回答No.3

drmuraberg

この原理を流体力学や熱力学の理論の観点から説明するのは難かしいと思います。
流体力学的には渦現象ですから。熱力学的には圧縮空気と開放空気のエントロピー差
位しか計算できないのではと思います。
管内の渦現象は管楽器が代表例ですが、解析的な試みはほとんど有りません。
管楽器製作者は経験で管内の気流（渦）を感じている訳です。

あの管の特長は、ああいう渦を形成する形状（管内径、長さ、吹き込み口、排出口等）
にあるわけです。
最初知った時は驚き、早速購入しました。工場の圧縮空気ラインに繋いで、
冷気と暖気が出てくるのには感激し、竹笛を弄繰り回す猿の様に覗いたりしました。

さてそれが使えるかと云うのは別物でした。
樹脂成形の金型は小さいもので、25x25x25cmの鉄のサイコロの様なものです。
この中空部に融けた温度180～250℃の樹脂が注入されるわけですから、金型温度は
放って置けば上昇します。これを押えるために、金型内に冷却孔を作り低温の水や
油を循環させて冷やします。その為に、温度調整機を使います。

この水や油を冷気で置き換える事ができれば、現場作業は簡単で清潔になります。
しかし、そうはいきませんでした。
熱に関しては、温度だけではなく、熱容量や比熱や伝熱を考えなければなりません。
3～7気圧の細いチューブからの冷気量では何ともなりません。
原理と実用は違うのです。

ジュールトムソン効果の方はというと、標準的なリンデマシンでは空気を200気圧
に圧縮し20気圧に減圧すると45K（℃）温度低下するとされています。
この場合の圧力差は180気圧ですからジェットクーラーの25～60倍です。
更に供給空気数量を増やすこともできます。
これだけの熱量の交換が出来るわけですから、製氷にも更に直列にしてより低温の
達成にも使えます。

ジェットクーラーを直列接続し、大容量の熱交換が可能なら、高価な高圧縮率の
コンプレッサーは不要となっている訳です。しかし、聞いたことはありません。
原理と実際には大きな差が有ることに注意してください。

回答No.2

drmuraberg

ジェットクーラーの原理に付いては次の図をごらんください。
http://www.micronix-jp.com/Products/Electromagnetic%20anechoic%20box/MTH_document1.pdf#search='%E3%83%9C%E3%83%AB%E3%83%86%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%83%81%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%83%96'

＜単に圧縮空気を（円筒に）吹き込むだけで、空気自身が回転運動を作り出して、冷気と暖気に分離される＞
で正しいです。
元々のエネルギは圧縮空気の持つエネルギーです。圧縮状態で気体はエントロピーの低い状態です。
この気体が筒内で回転する様にし、その際に筒外側と芯側で図の様な渦流が形成されれば、外側の気体の
速度は早く（より高温）、芯側の気体の速度は遅く（遅く）、高温と低温の気体に分離されます。
この間、エントロピーの変化は僅かです。
排気口から気体が出て膨張する段階でエントロピーは増加し、過程全体でエントロピーは増大します。

作動圧力は3～7気圧の圧縮空気です。
供給エアに対しカタログでは-60~-40℃と有りますが、経験的には冷却効果は限られています。
理由は、供給エアは圧縮空気の為に温度が高い。(カタログではどの温度を参照しているか不明。）
冷気と冷却媒体（液体や金属）との熱交換が悪い。
それほど高いものではないので、購入して金型冷却を試みたことが有ります。20年程前です。
放置で120℃位になる金型を100℃以下にしたかったのですが、効果は殆ど有りませんでした。
耳障りな音も問題でした。
金型は水冷（冷却効率がよい）又は油冷（冷却効率は水より劣るが100℃以上でも安定）で、
冷気だけでは小型の金型も冷やせませんでした。
もし出来ていたら、成形現場は水も油もないクリーンな物になっていたかも知れません。
下記URLで金型から出てきた熱い成形品をフウフウと冷ます程度の応用が示されています。
http://www.nihonseiki.com/product_contents/cooler.html

お礼

＃１のお礼に書きましたが、そこに書かれている原理の説明が、理解できないというか、全く納得できないんですよね。。もう少し、まともな説明はないですかね。

もちろん全く物理の背景がない一般人向けに説明しようとすれば、そこに書いてあるような煙に巻くような説明しかできないのは当然で仕方がないことだと思います。

＞この気体が筒内で回転する様にし、その際に筒外側と芯側で図の様な渦流が形成されれば、外側の気体の速度は早く（より高温）、芯側の気体の速度は遅く（遅く）、高温と低温の気体に分離されます。
この間、エントロピーの変化は僅かです。

正直、なぜ、渦流が形成されると高温と低温の気体に分離されるのか、というのが、全く理解できないです。

結果的に、そうなっているということなんでしょうが。それこそ、飛行機の飛ぶ原理を、ベルヌーイとか渦とかの話を定性的に（≒あいまいにごまかして）使って、説明しようとしているのと同じくらい無理がある説明だと思います。

そのような定性的な（ごまかした）説明ではなくて、一応、大学教養程度の熱力学・流体力学程度の知識を前提として上で、ある程度数式を使って、あるいは、（おそらく数式を使って解析的には解けない可能性が高いと思われるので）数値計算等の結果を示して、きちんと真面目に、説明してある資料・論文等はないでしょうか。

あるいは、内部の流体の挙動を計算するのは、それなりに大変でしょうから、その前に、前提として、まず、システム全体で、エントロピー・エンタルピー等の熱力学のマクロの状態量が、どのように変化しているのか、定量的に示すことはできないでしょうか。

補足

drmurabergさんは、この装置を実際に使ったことがある、ということなんですよね。

もし実際に使ったことがおありになるでしたら、単なるジュールトムソン効果だけよりもより冷えた、あるいは、（こっちのほうがより確実だと思いますが）、ホットエンドから、入力した圧縮空気よりも高い温度の熱気が排出された、かどうかを教えて頂けませんか？
（この装置自体がエセ科学ではなく、実際に、動作するものだ、ということを一応確認したいので）

とりあえず、圧縮空気を吹き出せば、それだけでジュールトムソン効果で冷えるので、単に冷えた空気が出た、ってだけでは弱いんですよね。

回答No.1

noname#182106

これあたりかな？
http://www.riam.kyushu-u.ac.jp/gikan/report/03/cyouteion_kuuki.pdf

お礼

なんか、提示していただいたpdfは、ボルテックスチューブ（一般名称は、これなんですね）自体の説明ではなくて、ボルテックスチューブで作った冷風でモノ（この例では風洞）を冷やすときの熱設計の話みたいです。

ボルテックスチューブ自体の原理を、もう少し真面目に解説している資料、論文等はないでしょうか。
場合によっては英語でもよいです、、。

補足

すいません。pdfの後ろのほうを見ていませんでした。ボルテックスチューブ自体の説明があるんですね。

うーん。分かったような分からないような、やっぱり良くわからない。
なんか、説明を読むと、つまり、ホットエンドには入力した圧縮空気自体よりも高い温度の空気が出てくるということですか、、。
うーん。それって第二法則に反してないか（ある温度の圧縮空気が勝手に熱い空気と冷たい空気に分離する）？
もし反してないとするなら、単なる空気じゃなくて圧縮空気だから、以外にはないわけですが、
少なくとも、装置全体でみれば、やってることは圧縮空気を大気圧に吐き出しているだけだから、断熱・等エンタルピー膨張なことは間違いないはず。
ずいません。分かりません。頭痛くなってきた。