コンパクト熱交換器におけるフィンの伝熱促進に関する研究

(1)

コンパクト熱交換器におけるフィンの伝熱促進に関する研究

著者平松道雄

雑誌名静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

巻 13

ページ 152‑153

発行年 1992‑03‑30

出版者静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1748

(2)

氏名。(本籍

)

平

松

^道

^雄 (愛知県

)

学位の種類工学博士学位記番号

工博乙第

32

^号

引圏鶏0日付

平成 3年 1月 28日難授与の要件

^{学位規則第}^5条^第^2項^該当

学位論文題ロ

コンパクト熱交換器におけるフィンの伝熱促進に関する研究

論文審査委員 (委員長

)

教授

^児 ^山

^仁

教授清水

^孝

^{教授} 荒木信幸教授内田重男

^助教授 ^{中山}

^顕

論文内容の要旨

ここで取り上げるコンパクト熱交換器は,自動車用の空調機器やエンジンの冷却,家庭用の空調機などに,幅広く用いられている。その生産台数もかなりの数にのぼり,産業界への波及効果も大きいことから,小形,高性能化への要求が一段と強くなってきている。とくに,自動車用に代表されるコンパクト熱交換器では,ルーバ付のコルゲートフィン形熱交換器が多く採用されている。この理由は^, ルーバなど伝熱促進のためのフィン加工がコルゲート成形と同時にでき,他のフィンに比べ生産性が高いこと,および,偏平チュープとを組み合わせることによって,小形軽量化が容易であること,などである。

このルーバフィンは,1950年代に米国で採用されたのに続いて,わが国でも広まり,性能向上に関する基礎的研究をはじめ,いくつかの検討がなされてきた。しかしながら, これらの報告は,ある限られたフィン仕様での実験データであったり,データそのものも仕様が古くなっているため,汎用性に欠けることが多い。また,解析も細部にわたったものではなく,フィンの熱伝達性能に関する具体的な改良方法や,ルーバの角度,寸法,配列ピッチなど,いくつかある形状因子を含めた理論的な性能予測手段については,あまり,報告例をみないのが実状である。

ルーバフィンのように,断続したフィン断面をもつフィンは,基本的には層流境界層に支配される熱伝達特性を有し,ルーバによる境界層の分断により,フィンの伝熱促進を図っている。しかし,個^々のルーバを単なる平板群の集まりとして扱うには無理がある。たとえば,今までのルーバフィンに関する性能測定において,平板境界層理論から逸脱するような伝熱特性を示すこともあり得る。これは^, ルーバ間における流線の挙動と,フィンの伝熱性能との因果関係にある。ルーバに沿うような流れの

(3)

場合,平板に近い特性を示すが,そ^{うでないときには},当^{然ながら},熱伝達率は低下するようになる。

また, フィンの伝熱性能に関し,境界層の発達に伴うフィン後流の影響も重要な役割を担っている。

しかし,複数のルーバがある角度やピッチで配列されているとき,それぞれのフィン配列構成が流れや熱伝達におよぼす影響については,まだ詳細には明らかにされていない。

以上の背景にもとづき,本研究は,従来あまり研究がなされていないと思われる熱交換器のフィン設計に必要な技術ノウハウを構築するために,膨大な時間を要する実験のみに頼ることなく,い^ろいろなフィンの特性が理論的に解析できる汎用性のある数値解析方法の確立をはかり,ルーバフィンをはじめ各種フィン形状の熱伝達と圧力損失の特性および最適条件を明らかにしようとしたものである。

本研究のベースとなる数値解析法では,フィンの傾斜に合わせた差分格子の採用と,それに伴う座標変換をそれぞれの格子点に対して行い,対象となるフィンの形状の自由度を増している。

その解析方法を用いて,流体が常にルーバ角度に沿って流れるとは限らないというルーバフィン特有の現象を,.流れの可視化と数値計算の両面から考察し,従来からみられたルーバフィンに関する性能低下の原因を理論的に解明した。

また,各種のフィンの幾何学的配列状態が流れと熱伝達に及ぼす影響を検討したところ, ここで取り上げたすべてのフィンの熱伝達率および圧力損失の特性は,ルーバ角鹿ルーバピッチ,フィンピッチで定義される無次元のパラメータである流路其によって,相関づけられることがわかった。その結果,フィンの熱伝達率が最大となる条件,お^よび,圧力損失当りの熱伝達性能でみた場合の最適条件が明らかになった。

・最後に,熱交換器の幅広い用途を考慮して,流れの非定常性を含めた検討を行った。通常の使用条件において,コンパクト熱交換器の空気側のフィンは,ほとんど流れの安定な層流状態におかれていると考えても差し支えない。しかし,熱交換器の管内側は,単相流,二相流を問わず,流れが非定常になることが多い。

とくに,熱交換器の管内側に用いられるインナーフィンは,熱交換器の空気側のフィンに比べ,一

―桁大きい風速で使用される。したがつて,完全な乱流にはならなくとも,フィン後端部では非定常な流れの剥離を伴ったものとなるので,非定常状態の流れと伝熱の計算が必要になる。ここでの解析は^,

フィン表面の境界層を乱流とは考えずに層流とみなして,フィン後流の乱れた流れが後方のフィンに及ぼす影響について検討したものであり,その後流が乱れることによつてフインの熱伝達が促進され

ることを,理論的に明らかにしたものである。

一‑158‑―

コンパクト熱交換器におけるフィンの伝熱促進に関 する研究