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コンパクトなフィンレス気液熱交換器 ～低圧力損失・高伝熱性～
Kanazawa University
金沢大学 理工研究域 機械工学系
助教 大西 元
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Kanazawa University
深刻なエネルギー・環境問題
研究背景
砂漠化 温暖化
エネルギーの大量消費
化石燃料の高騰・枯渇
• 省エネルギー化の推進
• 温室効果ガス（ＣＯ２）の排出量削減
新クリーンエネルギーの開発
＋
ヒートポンプが
キーテクノロジー
解決策
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ヒートポンプとは
• 自然界に存在する平均的な状態における温度より高い温度、低い温度を電気やガスのエネルギーを供給することにより生成する機械の総称
• ヒートポンプの長所
－低い温度を生み出すことが出来る
－燃焼式に比べ加熱時のエネルギー効率が高い
• 身の回りにあるヒートポンプ
冷凍冷蔵庫，エアコン，エコキュート，除湿機 etc
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ヒートポンプの原理
膨張弁
熱交換器
（蒸発器）
熱交換器
（凝縮器）
圧縮機
湿り蒸気
低温・低圧
飽和蒸気
飽和液
高圧
過熱蒸気
高温・高圧 冷媒の流れ
電力供給
吸熱 放熱
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研究背景
省エネルギー化の推進
熱交換器の高性能化
地球温暖化， 石油資源の枯渇問題
伝熱量 増大 trade-off 圧力損失 増大
（ポンプ動力 増大）
フィン（拡大伝熱面）の付設
産業部門から民生部門まで幅広く応用されている熱交換器が果たす役割は大きい
Louvered Fin Plate Fin
Tube
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コンパクト気液熱交換器の利用用途
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気液熱交換器の高性能化 フラットチューブ熱交換器
・管配置,フィン形状変化・・・
伝熱促進法
フィンアンドチューブ熱交換器
フィンを利用
熱交換量 大
圧力損失 大
複雑な構造
ファン動力 大
メリット
圧力損失の増大を防ぎ
性能向上が期待できる
2. 作動流体が通りやすい形状
1. 伝熱面積 ある程度大
ファン動力 小
チューブ形状を扁平型することで
Air
Refrigerant
Flat tube
Air
Refrigerant
Tube Fin
SmoothAir Flow
伝熱面積 大
デメリット
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従来のフィンレスチューブ形状
扁平なチューブを用いる 細径管を集積する （鹿園・他3名, 機論B, 72-717(2006）, pp.187-194）
マイクロベアチューブ フラットチューブ
研究目的
～フィンレスコンパクト熱交換器の高性能化～
2. フィンの除去
1. 伝熱管の細径化・集積化 による性能向上 圧力損失低減
フィンレスコンパクト熱交換器
更なる高性能化・・・
翼型チューブ形状の提案
数値解析を用いて翼型チューブ熱交換器を性能評価
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ブラフボディ（非流線形状） 流れの剥離 圧力抗力の増大
流線形状 流れが剥離しにくい 圧力抗力の低減
フラットチューブ
翼型チューブ
圧力損失の低減 更なる → 効率の良い熱伝達
流れ
流れ
翼型形状を用いた性能向上の原理
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計算領域 10
PT/L = 0.3
ReL = 2000
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性能評価指標
λ
hDNu h
m 3/1PrDh
m
Re
Nuj
h ：平均熱伝達率 l ：空気の熱伝導率
1. 熱伝達
c
h
max L
D
ρU
PΔf
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ΔP ：流入口と流出口の静圧差
2. 圧力損失
時間空間平均ヌセルト数 Colburn’s j factor
Fanning friction factor f
inin AUPΔW Ain：自由流路断面積 Pumping Power
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A
LAD cmin
h
4
μ
DUρRe hmax
Dh
A ：全伝熱面積 Amin：最小流路断面積 Lc ：熱交換器長さ
r ：空気の密度 Umax：最小流路を通る流速
m ：空気の粘性係数
水力直径，水力直径基準のレイノルズ数
チューブ1列目先端から2列目後端まで
フラットチューブの場合： チューブスパン方向の流路の隙間
翼型チューブの場合： 翼の最大厚み位置における流路の隙間
PL/L < 1.0の条件でもAminは一定
)( inoutininp TTAUCQ rHeat Transfer rate
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チューブ1列目 の隙間に2列目 が入り込む
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フラットチューブ
NACA66
NACA63-010
PL/L =0.75
ある瞬間の温度場
NACA66, a = 10o
ReL=2000, PT/L =0.3
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流路の狭小化
圧力損失が増大しにくい
圧力損失の大幅な増大
フラットチューブ NACA66
NACA66, a = 10o NACA63-010
流路 → 狭小化 PL → 小
流路が狭小化されにくい
フラットチューブ
翼型チューブ
狭い
広い
翼型チューブ → チューブ間隔が小さくても圧力損失が増大しにくい → コンパクト性：良
PL/L =0.75
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NACA63-010
NACA63-010+fin
PL/L =0.5
フィンにより拡大伝熱面効果と偏向流の抑制効果を得る
ある瞬間の温度場（フィン付設）
ReL=2000, PT/L =0.3
x/L 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0
0.2
y/L
x/L 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0
0.2
y/L
fin
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800 1000 1200 1400 16000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Flat tube
NACA66
NACA66, a = 10o
NACA63-010
j/f
ReDh
伝熱性能 ( j/f )
PL/L<1.0
同一ReDh条件で
フラットチューブ 翼型チューブ ＞
NACA63-010
迎角を付けた場合
ReDhが低い条件 （PL/L<1.0の条件）
チューブ1列目の隙間に2列目が入り込む条件
迎角を付けない場合
圧力損失を小さく抑えつつ熱伝達できる
優れた伝熱バランス
1. フラットチューブと翼型チューブ
2. NACA66の迎角の有無
3.
劇的な圧力損失の低減
伝熱性能が向上
＞
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同一体積・同一伝熱量
102
10310
4
105
Flat tube
NACA66
NACA66, a = 10o
NACA63-010
NACA63-010+fin
Q /
AinL
cT
LM [
W/m
3K
]
W / AinL
c [W/m
3]
さらに省ファン動力
Kanazawa University
単位体積当たりのファン動力
単位体積・単位温度差当たりの伝熱量
コンパクトネス 水力直径の異なる熱交換器流路におけるコンパクト性を含めた伝熱性能の評価
1：NACA66, 迎角の有無
迎角を付けた場合
小さいファン動力で同等の伝熱量
性能向上
単位体積当たりで優れた伝熱性能
2： NACA63-010の性能
コンパクト性に優れている
他のチューブ形状と比較すると・・・
同じ体積でみたとき， 同一伝熱量を小さいファン動力で得られる
約1/2のポンプ動力で得られる
もっともコンパクトな形状
3：フィンの有無
さらに性能向上 フィンを付けると
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Kanazawa University 従来技術とその問題点
従来，気液熱交換器においては，
気相側の熱抵抗が大きいので，熱交換器の
高性能化には気相側の伝熱性能向上が不可欠
• 多種多様なフィンが用いられてきたが，複雑な幾何形状は熱伝達が良くなると同時に圧力損失も大幅に増大
• 円形伝熱管も圧力損失の増大要因
フィンアンドチューブの利用
課題・問題点
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 気相側において，省ファン動力で伝熱量を増大させる熱交換技術の開発に成功した．
• 翼型チューブの利用により，圧力損失の増大を大幅に抑制しつつ熱交換させることができたため，伝熱性能を向上させることが可能となった．
• 本技術の適用により，従来の熱交換器より大幅なコンパクト化に繋がることが期待される．
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想定される用途
• 空調機器に適用することで，省エネ・コンパクト性がメリットである本技術の特徴を生かすことができると考えられる．
• 上記以外に，冷凍冷蔵庫・冷凍機への適用も期待される．
• また，排熱回収等のエネルギー有効利用技術に展開することも可能と思われる．
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Kanazawa University 想定される業界
• 利用者・対象
冷凍・空調機器製造メーカー
微細加工業
その他，熱エネルギーの有効利用等．．．
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Kanazawa University 実用化に向けた課題
• 現在，気相側について省ファン動力で熱交換量が多いチューブ形状であるところまで確認済みである．しかし，冷媒側の流路形状，圧力損失を含めた総合性能評価の点が未解決である．
• 今後，ヒートポンプとしての実験データを取得し，実機に適用していく場合の課題を探っていく．
• 実用化に向けて，安価・高精度にチューブを製作できる技術を確立する必要もある．
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企業への期待
• 未解決のチューブ加工技術については，押し出し加工や拡散接合の技術により克服できると考えている．
• 微細加工の技術を持つ企業との共同研究を希望する．
• また，高性能コンパクト熱交換器を開発中の企業，冷凍・空調分野への展開を考えている企業には，本技術の導入が有効と思われる．
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Kanazawa University 本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：熱交換器の伝熱管配列構造
• 出願番号 ：特願2011-159027
• 出願人 ：金沢大学
• 発明者 ：大西 元，瀧本 昭，多田幸生
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お問い合わせ先
(有)金沢大学ティ･エル･オー
（ＫＵＴＬＯ/キュトロ）
シニア ライセシング アソシエイト
中村 尚人
ＴＥＬ ０７６－２６４－６１１５
ＦＡＸ ０７６－２３４－４０１８
e-mail [email protected]