早稲田大学大学院 環境・エネルギー研究科
博 士 論 文 概 要 博 士 論 文 概 要 博 士 論 文 概 要
博 士 論 文 概 要 書 書 書 書
論 論 論
論 文 文 文 文 題 題 題 題 目 目 目 目
自動車空調用熱交換器 自動車空調用熱交換器 自動車空調用熱交換器
自動車空調用熱交換器の の の高性能化 の 高性能化 高性能化に 高性能化 に関 に に 関 関する 関 する する する研究 研究 研究 研究
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－ －最適設計手法 最適設計手法 最適設計手法 最適設計手法の の の の確立 確立 確立 確立による による開発効率 による による 開発効率 開発効率 開発効率の の の の向上 向上 向上 向上－ － － －
Research on Performance Improvement of Heat Exchangers for Automobile Air Conditioning
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－ Improvement of Development Efficiency by Establishing Optimal Design Method － － － －
申 請 者
金子 智
Akira Kaneko
環境・エネルギー研究科
2 0 1 2 年 11 月 氏 名
研究科・研究指導 (課程内のみ)
1 1 . ははははじじじじめめめめにににに
自 動車 空調の 分野 にお いて ， 近年 ，P H E V や E V の普 及に より空 調シ ステ ムの 変
化， つま り H P 暖房へ の対 応が 求め られて いる ．一 方で 温暖 化の 観点か ら は，低
G W P 冷媒 への 代替 が求め られ てお り，H F O 1 2 3 4 y f に対 応し たシス テム を各 社が 開
発 して いる 現 状に ある ． この よう な 状況 の中 ， 熱交 換器 の 果た す役 割 は益 々大 き く なっ てお り ，高 性能 化 と開 発リ ード タ イム の 短縮 が同 時 に求 めら れて い る． こ の よう な現 状 に対 応す るた め には 熱 交換 器の 性 能予 測シ ミュ レ ーシ ョン が 有効 で あ り， シミ ュレ ー ショ ン によ る事 前検 証 を行 う こと で， 最 適化 設計 や 試作 工数 の 削 減等 が可 能 とな る． 本 研究 は， 熱 交換 器の 性 能を 高精 度 で予 測可 能 なシ ミュ レ ーシ ョン ツール の 開発を 目的 とし てい る．そ の よう なツ ールを 開発 する ため には ， 熱 交換 器の 伝 熱特 性や 圧 力損 失特 性 の把 握が 重 要と なる ． 特に 冷媒 と 空気 の熱 交 換 を考 えた 場 合， 熱抵 抗 は空 気側 の 方が はる かに 大 きい た め， 空気 側 の伝 熱特 性 の 把握 がシ ミュ レ ーシ ョン や 最適 設計 を 行う 上 でも 重要 な 要素 とな る ．そ こで 本 研 究で は， 熱 交換 器の 空 気側 の伝 熱特 性 及び 圧 力損 失特 性 に着 目し ， 従来 から カ ー エア コン 用 の熱 交換 器 とし て広 く 使わ れて いる コ ルゲ ート ル ーバ フィ ン を用 い た マル チフ ロー タ イプ の 熱交 換器 及 び次 世代 熱交 換 器と して 期 待さ れる フ ィン レ ス 熱交 換器 に つい ての 基 礎特 性を 明 らか にす る ．こ れに より ， 先述 の シミ ュレ ー ショ ンツ ールを 用 いた従 来熱 交換 器及 び新 型熱交 換器 の最 適化 が可 能と なる ．
2 . 論論論論文文文文のののの構構構構成成成成
本 論文 は全 6 章 で構 成さ れる． 第 1 章 では 序論 とし て，本 研究 の背 景及 び目 的 につ いて 述べた ． 第 2 章 では ，現在 ，カ ーエ アコ ン用 の熱 交換器 のフ ィン とし て 広 く用 いら れて い るコ ルゲ ー トル ーバ フ ィン に つい て， 熱 伝達 特性 及 び圧 力損 失
特性 につ いて実 験 ，C F D 解 析の両 面か ら検 討を 行い ，j フ ァクタ ー，f ファ クタ ー
に関 する 相関式 の 作成を 実施 した ．第 3 章で は， フィ ンレ ス熱交 換器 を対 象と し
て， 流 れ方 向に 周期 的な 凹凸を 有す る平 行平 板間 流れ につ いて実 験及 び C F D 解 析
から 熱伝 達特性 及 び圧力 損失 特性 につ いて の基礎 検討 を行 い， j ファク ター ，f フ ァク ター につい て の相関 式の 作成 を行 った ．第 4 章で は， 熱交換 器の 性能 予測 手 法の 開発 につい て 述べた ．こ こで 第 2 章 及び第 3 章で 得ら れた相 関式 を用 いる こ と で， コル ゲー ト フィ ン を用 いた 従 来熱 交換 器及 び フィ ンレ ス 熱交 換器 の 性能 予
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測を 可能 とした ． 第 5 章で は， 第 4 章で 作成 した 性能 予測 ツール を用 い， 従来 型 熱交 換 器と フィ ン レス 熱交 換 器に つい て ，最 適化 検 証を 実施 し ，そ れぞ れ の熱 交 換器 の性 能限界 に ついて 検討 を行 った ．最 後に， 第 6 章で は結論 とし て本 研究 で 得ら れた 知見を ま とめた ．
3 . 研研研研究究究究のののの概概概概要要要要
本 研 究で は， 熱 交換 器の 高 性能 化を 目 的と して ， カー エア コ ン用 熱交 換 器と し て広 く 採用 され て いる コル ゲ ート ルー バ フィ ンと 扁 平チ ュー ブ を用 いた パ ラレ ル フロ ー タイ プの 熱 交換 器及 び チュ ーブ の みで 構成 さ れた フィ ン レス 熱交 換 器を 対 象と し て， 空気 側 の伝 熱促 進 に着 目し て 研究 を行 い ，熱 交換 器 の最 適化 に つい て の検 討を 実施し た ．
コ ル ゲー トル ーバ フ ィン は ，現 在カ ー エア コン 用 のみ なら ず ，エ コキ ュ ート 等 の定 置 用の 室外 熱 交換 器に も 用い られ て いる フィ ン であ り， 多 くの 研究 例 が示 さ れて い るが ，フ ィ ン形 状と 伝 熱・ 圧力 損 失特 性の 関 係を 系統 的 にま とめ た 研究 例 は少 な い． コル ゲ ート ルー バ フィ ンの 設 計パ ラメ ー タと して ， フィ ンピ ッ チ， フ ィン 高さ ， フィ ン幅 ， ルー バピ ッチ ， ルー バ角 度， ル ーバ 長さ 等が挙 げ られ るが， これ ら のパ ラメ ー タが 伝熱 や 圧力 損失 に どの よう に 作用 して い るか を系 統 的に 把 握し ， フィ ンの 性 能を 予測 し てお くこ と は， フィ ン の最 適設 計 を行 う上 で 非常 に 重要 とな る． 第 2 章 では ，数値 解析 と実 験計 画法 を用 いた パラメ ータ スタ ディ を 実施 し ，各 パラ メ ータ とフ ィ ン性 能と の 関係 を明 ら かに した ． その 中で ル ーバ ピ ッチ Lp， ルー バ角 度 Lα，フ ィン ピッ チ Fp 間 の交 互作 用の 存在を 統計 的に 明ら か にし た． こ れらの 交互 作用 を流 路比 ε= ( Fp/ Lp) t a n ( Lα)で 整理 し， 相 関式 に組 み込む こと で， 定性的 か つ定量 的な フィ ン性 能の 予測が 可能 にな るこ とを 示し た．
一 方 で， 従来 の 熱交 換器 は 細径 化・ 高 密度 化に よ り性 能を 向 上し てき た 経緯 が あ るが ，こ れを さ らに 発 展さ せる こと で ，フ ィン レ ス化 が可 能 にな ると 考 えら れ る． 第 3 章 では ，フ ィン レス熱 交換 器と して ，表 面に 凹凸 溝を有 する 扁平 チュ ー
ブを 想定 し，そ の空 気側 の伝熱・圧 力損 失特 性につ い て実験 及び C F D 解析 によ る
検 討を 実施 し た． 実験 で は凹 凸平 板間 の 空気 流れ に つい て， タ グチ メソ ッ ドを 用 い たパ ラメ ータ ス タデ ィ によ り， 凹凸 の 形状 と伝 熱 ・圧 力損 失 特性 の関 係 を明 確 にし た． 凹凸 平板 間の 流れ におい て ，j フ ァクタ ー及 び f フ ァクタ ーの アナ ロジ 値
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に 対し て凸 部高 さ が特 に大 き く影 響す る こと を示 し ，こ れら の 最適 化が 高 能力 ・ 低 圧力 損失 な熱 交 換器 を設 計 する ため に 重要 なフ ァ クタ ーと な るこ とを 示 した ．
また ，凹 凸形状 と 伝熱・ 圧力 損失 特性 の関 係につ いて ，C F D 解 析を用 いた パラ メ
ータ スタ ディに よ り明ら かに し， 凹 凸形状 をパ ラメ ータ とし た j ファ クタ ー，f フ ァ クタ ーの 予 測式 の作 成 を行 った ． 特に 凹凸 部高 さ ，テ ーパ 角 度等 か ら定 義し た
縮流 比，膨張 比，な す角を 説明 変数 とす るこ とで j フ ァク ター，f フ ァク ター を± 1 5 %
以内 に整 理する こ とが可 能と なっ た．
熱 交換 器の性 能は ，空気 側の 伝熱 特性 や圧力 損失 だけ でな く，冷媒 側の 熱伝 達・ 圧 力損 失等 に 左右 され る ．特 にフ ィン レ ス熱 交換 器 のチ ュー ブ の場 合に は ，空 気 側 のチ ュー ブ 形状 が冷 媒流 路 の形 状 に制 約を 与 えて しま うた め ，空 気側 の 伝熱 促 進 と熱 交換 器 の高 性能 化 が必 ずし も 一致 しな いこ と が考 えら れ る． そこ で ，第 4 章 では ，冷 媒側 伝 熱特 性 も含 めた 熱 交換 器の 性 能予 測手 法の 開 発を 実施 し た． 数 種 類の 熱交 換器 に 対し て 実機 検証 を 行い ，本 予測 手 法を 適用 す るこ とで 実 験値 を 精 度よ く予 測 する こと が 可能 であ るこ と を示 し た． これ によ り 本性 能予 測 シミ ュ レ ーシ ョン を 用い るこ とで ， 従来 熱交 換 器の みな ら ず， フィ ン レス 熱交 換 器の 性 能予 測及 び熱交 換 器全体 とし ての 最適 設計 が可能 とな った ．
第 5 章で は， 従来 熱交 換器及 びフ ィン レス 熱交 換器 を対 象とし た最 適設 計に つ いて 検 討を 実施 し た． 熱交 換 器の 性能 は ，伝 熱性 能 だけ では な く， 冷媒 側 ・空 気 側そ れ ぞれ の圧 力 損失 によ っ て複 合的 に 決ま る． そ こで これ ら の影 響を 加 味し た 性能 評価 指標 Y を定 義す ること で， 伝熱 性能 だけ では なく ，熱交 換器 の総 合的 な 評価 を可 能とし た ．最適 化検 討で は， 第 4 章 で構 築し た性 能予測 シミ ュレ ーシ ョ ンと タ グチ メソ ッ ドを 用い た パラ メー タ 設計 を行 っ た． 熱交 換 器の 性能 は ，冷 凍 サイ ク ルの 運転 状 態に よっ て 変化 する ． そこ で， 冷 媒側 の境 界 条件 を誤 差 因子 と する こと で， 運 転状 態に よる Y のば らつき （ S N 比 ） 及 び感 度の評 価を 行っ た． 園 結果 ， 本論 文に お ける 条件 範 囲内 では ， 従来 熱交 換 器の 方が 最 大性 能は 高 いが ，
S N 比 を最大 化し た場 合に は， フ ィン レス 熱交 換器 の方 が高 い性能 を得 るこ とが 可
能で ある ことを 示 した．
