コンパクトなフィンレス気液熱交換器 ~ 低圧力損失 高伝熱性 ~ 金沢大学理工研究域機械工学系 助教大西元 Kanazawa University 1
研究背景 Kanazawa University エネルギーの大量消費 化石燃料の高騰 枯渇 新クリーンエネルギーの開発 + 省エネルギー化の推進 温室効果ガス (CO 2 ) の排出量削減 温暖化 砂漠化 解決策 深刻なエネルギー 環境問題 ヒートポンプが キーテクノロジー 2
ヒートポンプとは 自然界に存在する平均的な状態における温度より高い温度 低い温度を電気やガスのエネルギーを供給することにより生成する機械の総称 ヒートポンプの長所 - 低い温度を生み出すことが出来る - 燃焼式に比べ加熱時のエネルギー効率が高い 身の回りにあるヒートポンプ 冷凍冷蔵庫, エアコン, エコキュート, 除湿機 etc 3
ヒートポンプの原理 Kanazawa University 湿り蒸気 低温 低圧 吸熱 熱交換器 ( 蒸発器 ) 膨張弁 飽和液 高圧 放熱 熱交換器 ( 凝縮器 ) 飽和蒸気 冷媒の流れ 過熱蒸気圧縮機高温 高圧電力供給 4
研究背景 Kanazawa University 地球温暖化, 石油資源の枯渇問題 省エネルギー化の推進 産業部門から民生部門まで幅広く応用されている熱交換器が果たす役割は大きい Tube 熱交換器の高性能化 Plate Fin Louvered Fin 伝熱量増大 フィン ( 拡大伝熱面 ) の付設 trade-off 圧力損失増大 ( ポンプ動力増大 ) 5
コンパクト気液熱交換器の利用用途 Kanazawa University 6
フィンアンドチューブ熱交換器 気液熱交換器の高性能化 フラットチューブ熱交換器 Refrigerant Refrigerant Air Smooth Air Flow Air 伝熱促進法 Fin Tube 管配置, フィン形状変化 メリット デメリット フィンを利用 複雑な構造 伝熱面積大 圧力損失大 熱交換量大 ファン動力大 チューブ形状を扁平型することで 1. 伝熱面積ある程度大 2. 作動流体が通りやすい形状 ファン動力小 圧力損失の増大を防ぎ性能向上が期待できる Flat tube 7
研究目的 ~ フィンレスコンパクト熱交換器の高性能化 ~ フィンレスコンパクト熱交換器 1. 伝熱管の細径化 集積化 2. フィンの除去 圧力損失低減 による性能向上 更なる高性能化 従来のフィンレスチューブ形状フラットチューブ翼型チューブ形状の提案 マイクロベアチューブ 数値解析を用いて翼型チューブ熱交換器を性能評価細径管を集積する 扁平なチューブを用いる ( 鹿園 他 3 名, 機論 B, 72-717(2006), pp.187-194) 8
翼型形状を用いた性能向上の原理 Kanazawa University 流れ フラットチューブ ブラフボディ ( 非流線形状 ) 流れの剥離圧力抗力の増大 流れ 翼型チューブ 流線形状流れが剥離しにくい圧力抗力の低減 更なる 圧力損失の低減 効率の良い熱伝達 9
計算領域 10 P T /L = 0.3 10 Re L = 2000 10
性能評価指標 11 1. 熱伝達 Colburn s j factor Heat Transfer rate Q j rc U p Num Re Pr in Dh A 1/3 in( Tout Tin) 時間空間平均ヌセルト数 Nu m hd λ h h : 平均熱伝達率 l : 空気の熱伝導率 2. 圧力損失 Fanning friction factor f f 2ΔP ρu 2 max D h 4L c ΔP : 流入口と流出口の静圧差 Pumping Power W ΔP U in A in A in : 自由流路断面積 水力直径, 水力直径基準のレイノルズ数 Re D h Dh 4A ρu min A max μ L c D h A : 全伝熱面積 A min : 最小流路断面積 L c : 熱交換器長さ r : 空気の密度 U max : 最小流路を通る流速 m : 空気の粘性係数 フラットチューブの場合 : チューブスパン方向の流路の隙間 翼型チューブの場合 : 翼の最大厚み位置における流路の隙間 P L /L < 1.0 の条件でも A min は一定 チューブ 1 列目先端から 2 列目後端まで 11
フラットチューブ NACA66 ある瞬間の温度場 Re L =2000, P T /L =0.3 P L /L =0.75 チューブ 1 列目の隙間に 2 列目が入り込む NACA66, a = 10 o NACA63-010 12
流路の狭小化 フラットチューブ NACA66 P L /L =0.75 狭い NACA66, a = 10 o NACA63-010 広い P L 小 フラットチューブ 流路 狭小化 圧力損失の大幅な増大 翼型チューブ 流路が狭小化されにくい 圧力損失が増大しにくい 翼型チューブ チューブ間隔が小さくても圧力損失が増大しにくい コンパクト性 : 良 13
ある瞬間の温度場 ( フィン付設 ) Re L =2000, P T /L =0.3 P L /L =0.5 NACA63-010 fin 0 y/l 0.2 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 x/l NACA63-010+fin フィンにより拡大伝熱面効果と偏向流の抑制効果を得る 0 y/l 0.2 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 x/l 14
j/f 伝熱性能 ( j/f ) Kanazawa University 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Flat tube NACA66 NACA66, a = 10 o NACA63-010 800 1000 1200 1400 1600 P L /L<1.0 Re Dh チューブ 1 列目の隙間に 2 列目が入り込む条件 1. フラットチューブと翼型チューブ同一 Re Dh 条件で翼型チューブ > フラットチューブ圧力損失を小さく抑えつつ熱伝達できる 2. NACA66の迎角の有無 Re Dh が低い条件 (P L /L<1.0の条件) 迎角を付けた場合 > 劇的な圧力損失の低減伝熱性能が向上 迎角を付けない場合 3. NACA63-010 優れた伝熱バランス 15
単位体積 単位温度差当たりの伝熱量 Q / A in L c T LM [W/m 3 K] コンパクトネス Kanazawa University 10 5 水力直径の異なる熱交換器流路におけるコンパクト性を含めた伝熱性能の評価 さらに省ファン動力もっともコンパクトな形状同一体積 同一伝熱量 1:NACA66, 迎角の有無迎角を付けた場合小さいファン動力で同等の伝熱量性能向上 2: NACA63-010の性能 他のチューブ形状と比較すると 約 1/2 のポンプ動力で得られる 10 4 10 2 10 3 Flat tube NACA66 NACA66, a = 10 o NACA63-010 NACA63-010+fin W / A in L c [W/m 3 ] 単位体積当たりのファン動力 同じ体積でみたとき, 同一伝熱量を小さいファン動力で得られる 3: フィンの有無 単位体積当たりで優れた伝熱性能 コンパクト性に優れている フィンを付けると さらに性能向上 16
従来技術とその問題点 従来, 気液熱交換器においては, 気相側の熱抵抗が大きいので, 熱交換器の高性能化には気相側の伝熱性能向上が不可欠 課題 問題点 フィンアンドチューブの利用 多種多様なフィンが用いられてきたが, 複雑な幾何形状は熱伝達が良くなると同時に圧力損失も大幅に増大 円形伝熱管も圧力損失の増大要因 17
新技術の特徴 従来技術との比較 気相側において, 省ファン動力で伝熱量を増大させる熱交換技術の開発に成功した. 翼型チューブの利用により, 圧力損失の増大を大幅に抑制しつつ熱交換させることができたため, 伝熱性能を向上させることが可能となった. 本技術の適用により, 従来の熱交換器より大幅なコンパクト化に繋がることが期待される. 18
想定される用途 空調機器に適用することで, 省エネ コンパクト性がメリットである本技術の特徴を生かすことができると考えられる. 上記以外に, 冷凍冷蔵庫 冷凍機への適用も期待される. また, 排熱回収等のエネルギー有効利用技術に展開することも可能と思われる. 19
想定される業界 利用者 対象冷凍 空調機器製造メーカー微細加工業その他, 熱エネルギーの有効利用等... 20
実用化に向けた課題 現在, 気相側について省ファン動力で熱交換量が多いチューブ形状であるところまで確認済みである. しかし, 冷媒側の流路形状, 圧力損失を含めた総合性能評価の点が未解決である. 今後, ヒートポンプとしての実験データを取得し, 実機に適用していく場合の課題を探っていく. 実用化に向けて, 安価 高精度にチューブを製作できる技術を確立する必要もある. 21
企業への期待 未解決のチューブ加工技術については, 押し出し加工や拡散接合の技術により克服できると考えている. 微細加工の技術を持つ企業との共同研究を希望する. また, 高性能コンパクト熱交換器を開発中の企業, 冷凍 空調分野への展開を考えている企業には, 本技術の導入が有効と思われる. 22
本技術に関する知的財産権 Kanazawa University 発明の名称 : 熱交換器の伝熱管配列構造 出願番号 : 特願 2011-159027 出願人 : 金沢大学 発明者 : 大西元, 瀧本昭, 多田幸生 23
お問い合わせ先 ( 有 ) 金沢大学ティ エル オー (KUTLO/ キュトロ ) シニアライセシングアソシエイト中村尚人 TEL 076-264-6115 FAX 076-234-4018 e-mail e-mail-to@kutlo.incu.kanazawa-u.ac.jp 24