ヒートポンプ用熱交換器の高性能化に関する実験的研究

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Title

ヒートポンプ用熱交換器の高性能化に関する実験的研究( 内

_{容の要旨(Summary) )}

Author(s)

中田, 春男

Report No.(Doctoral

Degree)

博士(工学) 甲第008号

Issue Date

1995-03-24

Type

博士論文

Version

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12099/1729

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いは建築群として口の総和屈荷重のこなる｡力最適配掛けられ ≡はプレ署を悩ま設計を行と示して )手法がと認めら氏名(本籍) 学位の種類学位記番号学位授与年月日専攻学位論文題目学位論文審査委員中田春男(大阪府) 博士(工学) 甲第 8 号平成 7 年 3 月 24 日生産開発システム工学専攻ヒートポンプ用熱交換器の高性能化に関する実験的研究 (主査)教授熊田雅蘭 (副査)教授隅田勲教授山下新太郎助教授桧和田宗彦論文内容の要旨伝熱面を界して冷媒と空気間で熱移動を行う空調用熱交換器において､空気と接するフィン面､冷媒と接する伝熱管内面での伝熱特性および高性能化に関する研究､さらにはヒートポンプ特有の伝熱面での着霜･除霜の改善に関する研究は､ヒートポンプ用熱交換器を最適設計する上で非常に重要である｡本研究は､ヒートポンプ用熱交換器に焦点を合わせて､空気傭､冷媒側における高性能化および着霜制御に関する検討を行ったものである｡第1章｢緒論｣では､空調用熱交換器､特にヒートポンプ用熱交換器の高性能化に関する従来の研究を総括し､本研究の背景と目的および内容について述べている｡第2章｢後流中の小さなストリップ群からの強制対流熱伝達｣では､空気側において､多数の切り起しを設けた伝熱面を平行に重ねた熱交換器で遭遇する後流中のストリップの熱伝達について実寸法のストリップを用いた実際上の低Re域での実験を行い､後流中のストリップの速度分布･湿度分布により考察を加えた｡後流中の単一ストリップおよびストリップ群の熱伝達率は､ストリップの境界層の中で伝熱面近傍の速度分布を決める等価速度および後流の温度分布より定義される等価温度を導入することにより､一様流中の単一ストリップの熱伝達率に対する整理式で続一的に表されることを明らかにした｡第3章｢管内熱伝達と圧力損失｣では､冷媒側について､内面らせん溝付管を中心に熱交換器の性能に影響を与える二相流域での蒸発､凝縮熱伝達率および熱交換器出入口に存荏する単相流での強制対流熱伝達率､さらには冷媒系路の曲部を構成するリターンベンド部の圧力損失について実験を行い､形状の伝熱性能への影響について考察した｡内面らせん溝付管の平均蒸発管内熱伝達率および平均凝縮管内熱伝達率は､内面形状で定義される蒸発パラメータおよび凝縮パラメータを導入することにより整理でき､また単相流熱伝達率は平滑管における粘性底層より定義される仮想内表面積を用いることにより､平滑管の熱伝達率を与える式で整理できることを示した｡さらに､内面らせん溝付管のリターンベント部の圧力損失は､直管部の圧力損失に比して約2倍程度大きくなるが､平滑管の場合に比べると､この倍率は小さく乾き度が大きくなるに従い平滑管よりも小さくなることを明らかにした｡第4章｢ヒートポンプ用熱交換器の最適化｣では､第2章と第3章での空気側および冷媒側の高性能化の検討結果をもとに､ヒートポンプ用熱交換器の最適化の検討を行った｡切り起しフィン面については､前述の後流中のストリップの熱伝達率の整理式を用

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一15-いフィン効率を考慮したフィン面平均熱伝達率の簡易予測方法を提案し､実験結果との比掛こよる精度確認の上で､ストリップ幅およびストリップ枚数の最適化を行い結果としてストリップ幅1m以下､ストリップ段数3段以上で熱伝達率が飽和することを明らかにした0内面らせん溝付管については､ヒートポンプ用として蒸発･凝縮性能の両立化の要求に対して､らせん角20度でかつ経済性を考慮すると台形溝､三角フィン形状が最も適していることを示し､上記の最適切り起しフィンとの組み合せで平滑管に比べて経済性能が13%向上することを示した｡第5章｢一様流中に置かれた単一円管周りの着霜特性と電場付与による霜成長の制御｣では､暖房低外気湿時に室外熱交換器の空気側伝熱面に生ずる着霜に関して､高性能化との両立の可能性のある電場付与による着霜抑制について､単一円管を用いた自然対流下および強制対流下における実験を行い､伝熱面での着霜状況について考察した｡電場付与による霜層成長抑制効果は､霜構造的には伝熱面温度が低い場合に形成される脆い霜居に対して有効であり､円管周りでは剥離域での霜層の成長抑制に効果的である｡また強制対流よりも自然対流の方がより抑制効果があることを明らかにした｡第6章｢結論｣では､第2章から第5章で得られた結果について総括した｡論文審査の結果の要旨本論文は､ヒートポンプ用熱交換器に焦点を合わせて､空気臥冷媒側における高性能化および着霜制御に関する実験的研究をしたものである｡第1章では､空調用熱交換器､特にヒートポンプ用熱交換器の高性能化に関する従来の研究を総括し､本研究の背景と目的および内容について述べている0本研究は､技術的に成熟段階にある熱交換器要素の最適化を､諸因子の影響を実器スケールで実験的に詳細に検討し､最適設計のための普遍的関係式を導出することに特徴がある｡第2章では､管外空気側において､前縁効果の期待できるストリップ群の熱伝達について実寸法のストリップを用い､かつ実際上の低Re域での実験を行い､後流中のストリップの速度分布･湿度分布により考察を加えた｡後流中の単一ストリップおよびストリップ群の熱伝達率は､ストリップの境界層の中で伝熱面近傍の速度分布を決める等価速度および後流の温度分布より定義される等価湿度を導入することにより､一様流中の単一ストリップの熱伝達率に対する整理式で統一的に表されることを明らかにした○この普遍式の導出は､学術的に評価されるものである｡弟3章では､管内冷媒側について､内面らせん溝付管を中心に熱交換器の性能に影響を与える二相流域での蒸発､凝縮熱伝達率および熱交換器出入口に存荏する単相流での強制対流熱伝達率､さらには冷媒系路の曲部を構成するリターンベンド部の圧力損失について実験を行い､らせん溝形状の伝熱性能への影響について考察した｡内面らせん溝付管の平均蒸発管内熱伝達率および平均凝縮管内熱伝達率は､内面形状で定義される蒸発パラメータおよび凝縮パラメータを導入することにより整理でき､また単相流熱伝達率は平滑管における粘性底居より定義される仮想内表面積を用いることにより､平滑菅の熱伝達率を与える式で整理できることを明らかにした0さらに､内面らせん溝付皆のリターンベント部の圧力損失は､直管部の圧力損失に比して約2倍程度大きくなるが､平滑管の場合に比べると､この倍率は小さく乾き度が大きくなるに伴い平滑管よりも小さくなることを明らか第4章では､第2章と第3章での管内外の高性能化の結果をもとに､ヒートポンプ用熱交換器の最適化の具体的検討を行っている0切り起しフィン面については､ストリップ群の熱伝達率の一般的整理式を用い､かつフィン効率を考慮したフィン面平均熱伝達率の簡易予測方法を提案し､実験結果との比較による精度確認の上で､ストリップ幅およびスト

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ー16-いフィン効率を考慮したフィン面平均熱伝達率の簡易予測方法を提案し､実験結果との比掛こよる精度確認の上で､ストリップ幅およびストリップ枚数の最適化を行い結果としてストリップ幅1m以下､ストリップ段数3段以上で熱伝達率が飽和することを明らかにした0内面らせん溝付管については､ヒートポンプ用として蒸発･凝縮性能の両立化の要求に対して､らせん角20度でかつ経済性を考慮すると台形溝､三角フィン形状が最も適していることを示し､上記の最適切り起しフィンとの組み合せで平滑管に比べて経済性能が13%向上することを示した｡第5章｢一様流中に置かれた単一円管周りの着霜特性と電場付与による霜成長の制御｣では､暖房低外気湿時に室外熱交換器の空気側伝熱面に生ずる着霜に関して､高性能化との両立の可能性のある電場付与による着霜抑制について､単一円管を用いた自然対流下および強制対流下における実験を行い､伝熱面での着霜状況について考察した｡電場付与による霜層成長抑制効果は､霜構造的には伝熱面温度が低い場合に形成される脆い霜居に対して有効であり､円管周りでは剥離域での霜層の成長抑制に効果的である｡また強制対流よりも自然対流の方がより抑制効果があることを明らかにした｡第6章｢結論｣では､第2章から第5章で得られた結果について総括した｡論文審査の結果の要旨本論文は､ヒートポンプ用熱交換器に焦点を合わせて､空気臥冷媒側における高性能化および着霜制御に関する実験的研究をしたものである｡第1章では､空調用熱交換器､特にヒートポンプ用熱交換器の高性能化に関する従来の研究を総括し､本研究の背景と目的および内容について述べている0本研究は､技術的に成熟段階にある熱交換器要素の最適化を､諸因子の影響を実器スケールで実験的に詳細に検討し､最適設計のための普遍的関係式を導出することに特徴がある｡第2章では､管外空気側において､前縁効果の期待できるストリップ群の熱伝達について実寸法のストリップを用い､かつ実際上の低Re域での実験を行い､後流中のストリップの速度分布･湿度分布により考察を加えた｡後流中の単一ストリップおよびストリップ群の熱伝達率は､ストリップの境界層の中で伝熱面近傍の速度分布を決める等価速度および後流の温度分布より定義される等価湿度を導入することにより､一様流中の単一ストリップの熱伝達率に対する整理式で統一的に表されることを明らかにした○この普遍式の導出は､学術的に評価されるものである｡弟3章では､管内冷媒側について､内面らせん溝付管を中心に熱交換器の性能に影響を与える二相流域での蒸発､凝縮熱伝達率および熱交換器出入口に存荏する単相流での強制対流熱伝達率､さらには冷媒系路の曲部を構成するリターンベンド部の圧力損失について実験を行い､らせん溝形状の伝熱性能への影響について考察した｡内面らせん溝付管の平均蒸発管内熱伝達率および平均凝縮管内熱伝達率は､内面形状で定義される蒸発パラメータおよび凝縮パラメータを導入することにより整理でき､また単相流熱伝達率は平滑管における粘性底居より定義される仮想内表面積を用いることにより､平滑菅の熱伝達率を与える式で整理できることを明らかにした0さらに､内面らせん溝付皆のリターンベント部の圧力損失は､直管部の圧力損失に比して約2倍程度大きくなるが､平滑管の場合に比べると､この倍率は小さく乾き度が大きくなるに伴い平滑管よりも小さくなることを明らか第4章では､第2章と第3章での管内外の高性能化の結果をもとに､ヒートポンプ用熱交換器の最適化の具体的検討を行っている0切り起しフィン面については､ストリップ群の熱伝達率の一般的整理式を用い､かつフィン効率を考慮したフィン面平均熱伝達率の簡易予測方法を提案し､実験結果との比較による精度確認の上で､ストリップ幅およびスト

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ー16-リップ枚数の最適化を行い､ストリップ幅1m以下､ストリップ段数3段以上で熱伝達率が飽和することを明らかにした｡内面らせん溝付管については､ヒートポンプ用として蒸発･凝縮性能の両立化の要求に対して､らせん角20度でかつ経済性を考慮すると台形溝､三角フィン形状が最も適していることを示し､上述の最適切り起しフィンとの組み合せで平滑管に比べて経済性能が13%向上することを示した｡この結果は､ヒートポンプ用熱交換器のさらなる高性能化に対する指針を与えるものである｡第5章では､暖房運転の低外気温時に室外熱交換器の空気側伝熱面に生ずる着霜に関して､高性能化との両立の可能性のある方法として､電場付与による着霜抑制について､単一円管を用いた自然対流下および強制対流下における実験を行い､伝熱面での着霜状況について考察した0電場付与による霜層成長抑制効果は､霜構造的には伝熱面温度が低い場合に形成される脆い霜層に対して有効であり､円管周りでは剥離域での霜居の成長抑制に効果的であること､また強制対流よりも自然対流の方がより抑制効果があることを明らかにした0高性能化と背反するため永遠の課題と言われる着霜抑制に対し､その可能性を明らかにしたことは､学術的にも実用的にも評価されるものである｡以上の結果より､本論文は､ヒートポンプ用熱交換器の高性能化に関する設計指針および方向性に関する新しい知見を得たもので､学術的にも工業的にも貢献する内容を有し､学位論文に値すると判定される｡