2020 Fiscal Year Research-status Report
マイクロ翼型チューブを利用した低温環境ヒートポンプ用高性能熱交換器の開発
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20K04324
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
大西 元 金沢大学, 機械工学系, 助教 (80334762)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多田 幸生 金沢大学, 機械工学系, 教授 (20179708)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱交換器 / 冷凍・空調 / 翼型チューブ / 着霜低減 / 吸着剤 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現代社会に欠かせないヒートポンプの性能向上・省エネルギー化に向け，低温環境下の熱交換器における着霜低減技術は重要な課題である．そこで本研究では，耐着霜性向上のために吸着剤を塗布したマイクロ翼型チューブ熱交換器の空気側と冷媒側の伝熱性能向上を追究する．氷点下の吸着剤への水蒸気の吸着が着霜挙動に与える影響を詳細に検討し，伝熱面での詳細な熱と物質伝達メカニズムを明らかにする．また，マイクロ翼型チューブに対して，さらなる空気側伝熱促進が期待できる方策を検討する．さらに，冷媒側細径流路内の相変化熱伝達を詳細に検討する．以上のことにより，低温ヒートポンプ用高性能熱交換器に関する知見を得ることを目的とする．
本年度は，吸着剤が塗布されたマイクロ翼型チューブ熱交換器の着霜伝熱実験を行い，吸着剤の有無による伝熱特性の違いを定量的に評価し，吸着剤塗布の有効性と吸着剤による水蒸気吸着が霜成長に与える影響を詳細に検討した．その結果，吸着剤の有用性を示すことができた．また，翼型チューブ熱交換器において，スリットにより伝熱促進されることで顕著になる拡張部の端部方向への熱伝導抵抗低減効果におよぼすブリッジの影響について数値解析的に検討し，ブリッジの有効性を示した．さらに，翼型チューブの内部微細冷媒流路を模した2本の異径ステンレス管において，流量，加熱量，加熱量比をパラメータとし，流路長さが冷媒の分配と圧力損失，蒸発熱伝達に与える影響を実験的に調査した．その結果，同じ加熱区間でのクオリティ変化を等しくするという観点で，流路長さにかかわらず最適な内径比は同程度であることが示された．また，冷媒内部の相変化熱伝達を模擬するため，ポンプで駆動する細い流路で構成された相変化熱輸送デバイスを提案し，VOF法に温度回復法を組み合わせた計算手法により相変化を伴う熱流動特性を数値解析的に検討し，基礎的な知見を得た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り，着霜の原因である水蒸気の除去技術に着眼し，吸着剤が塗布された熱交換器を直接蒸発器として利用することを提案し，着霜低減に繋がる知見が得られた．また，提案しているマイクロ翼型チューブ熱交換器の気相側の伝熱性能をさらに向上すべく，ブリッジを含めた各パラメータの及ぼす影響に関する数値解析的検討を行い，十分な成果が得られた．さらに，内径と長さの違う冷媒側の細径流路内二相流の相変化を伴う熱流動特性を実験的に評価できる装置を製作することができ，さらにはそれを利用して冷媒側の伝熱基礎特性の把握ができた．そして，次年度に可視化を行うべくその準備ができた．その上，冷媒の相変化熱伝達に関する数値シミュレーションにも目処が立った．以上により，ほぼ当初の予定通りに進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，翼型チューブ伝熱面を模擬した氷点下に冷却された吸着剤塗布水平平板を使用して，氷点下で機能する吸着剤の探究と塗布方法の検討を行い，基礎的知見を蓄積する．そして，着霜しない吸着剤構造の提案，吸着剤の氷点下における水蒸気吸着挙動の解明と吸着性能の基礎的な評価を行う．また，塗布位置の最適化により流れの妨げにならない位置にのみ霜成長させることが可能かについて評価する．さらに，提案するマイクロ翼型チューブ熱交換器のさらなる気相側伝熱性能向上を図るため，形状を工夫した翼型チューブ熱交換器に関する検討を数値シミュレーションと実験の両面から進め，最適形状を追究する．次に，冷媒流路の細径化に伴うマイクロスケール熱流動の理解を目的に，マイクロスコープとハイスピードカメラを組合わせて冷媒の蒸発挙動を観察し，マイクロスケール領域における流量・熱流束条件と流動様相の関係を把握する．さらに，得られた結果を基に，冷媒の分配特性を流路径と関連づけて検討し，流路の冷媒分配モデルを構築するとともに，実際の翼型チューブにおける複数流路設計の指針を得る．あわせて，冷媒の相変化熱伝達に関する数値シミュレーションも引き続き行い，数値解析的に相変化挙動を捉えるようにしていく．
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| Causes of Carryover |
当初予定していた学会発表がコロナ禍ですべてオンライン開催となったため，旅費に未使用額が生じた．また，必要に応じて物品費を執行したところ当初の見込み額と執行額は少し異なった．
次年度の研究計画に変更はなく，前年度の研究費は計算ソフトウェアライセンスを増やす費用に充てることも含め，当初予定通りの計画で研究を進めていく．
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