蓄熱潜熱カプセル-水系混相流を利用したマイクロ熱交換器設計に関する基礎研究

2006 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17560657
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 栗山 雅文 山形大学, 工学部, 教授 (90107178)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 門叶 秀樹 山形大学, 工学部, 助手 (30272082)
• Keywords: コンパクト熱交換器 / 潜熱蓄熱材 / 蓄熱カプセル / 熱伝達係数 / 固液混相流

Research Abstract

潜熱蓄熱材をマイクロカプセル化した微粒子を水に分散させ,これを熱媒体とすることでカプセル内蓄熱材の融解凝固に伴う潜熱を利用したマイクロ熱交換器の設計を試みた。まず,基礎実験として,キャピラリー内に蓄熱カプセルスラリーを流し,キャピラリー内の流動伝熱測定を行った。その結果,蓄熱カプセルスラリーの流動特性は,弱い非ニュートン性を示すことを明らかにし,さらにキャピラリー内で相変化が生じない場合には,従来の非ニュートン性流体の円管内熱伝達の実験式で熱伝達係数が予測可能であることを確認した。一方,キャピラリー内で相変化を伴う場合には,カプセル内蓄熱材の融解に伴う潜熱吸収により,交換熱量が大幅に上昇し,熱伝達係数が2〜3倍も大きくなることがわかった。また,従来の熱伝達実験式に含まれる無次元数中の各物性値に,上述の潜熱に伴う見掛けの比熱の増大を,昨年度までの本研究で得られた蓄熱カプセルの物性値から評価する手法を提案し,既往の実験式を用いて熱伝達係数が表示できることを明らかにした。
以上の知見に基づいて,実際にコンパクト熱交換器を試作し,熱媒体に蓄熱カプセルスラリーを用いることで,その有用性を確認した。すなわち,小型の二重ら旋型小型熱交換器(流路幅2ミリ,流路高さ5ミリ,1つの流路の巻き数が10)を作製し,これの一方の流路に低温の蓄熱カプセルスラリーを,他方に高温の水を流動させて向流接触させて熱交換を行い,熱伝達係数を測定した。その結果,カプセル内蓄熱材の融解に伴う潜熱吸収とともに,渦巻型流路内の流動による流れの複雑化によって,キャピラリー内の熱伝達係数よりもさらに大きな値を示し,コンパクト熱交換器の熱媒体としても多大な優位性を示すことを確認した。