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成果報告書詳細
管理番号20170000000496
タイトル平成28年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム 省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討 乱流伝熱における形状最適化技術を用いたカーエアコン用内部熱交換器の開発に関する技術課題調査
公開日2018/3/8
報告書年度2016 - 2016
委託先名株式会社デンソーエアシステムズ
プロジェクト番号P12004
部署名省エネルギー部
和文要約1)既存熱交換器の性能調査 現流動品の螺旋形状の性能ポテンシャルを明確にするために、溝深さと溝ピッチをパラメータに冷温水試験装置で性能を測定した。測定結果からSCX(商品名:Sub Cool Accelerator(X))内部熱交換器低温側、高温側の熱伝達率、管摩擦係数を算出した。j/f(伝熱性能/圧力損失)は溝ピッチに対してピーク値が存在することが判り、性能向上のための有用なデータとして活用する。2)目標性能の明確化および省エネルギー効果の精緻化 システム冷房性能計算プログラムを用いて、SCX内部熱交換器の性能と低圧側圧力損失をパラメータにコンプレッサ動力を計算した。車種は軽四、中型、大型で、負荷条件は走行、アイドルで行った。走行条件での中型車の計算結果から低圧側の圧力損失が現状と同等で単体性能を1.5倍にすると15%の省動力効果が見込まれる事を明らかにした。3)実機開発における技術課題調査 実機の曲げ部を分解調査した結果、曲げの内側では溝ピッチが縮小され外側では伸びて溝が無くなっていることが明らかになった。形状観察結果から、直管部に対して流れの剥離や淀みが発生することが予測されるため、これらを緩和する形状検討および製造方法の開発が必要である。4)性能評価実験における技術課題調査 実機の冷媒による性能を求める手段として、冷温水試験装置を導入し、熱伝達率、管摩擦係数を求め、実機性能の予測を行った。導入測定装置で円管の測定を実施し、円管の実験における相関式(Dittus-Boelterの式、ブラジウスの式)と良く一致し、冷温水試験装置の測定精度に問題ないことを確認した。5)性能評価のための数値解析技術の課題調査 SCX内部熱交換器の改善の方向付の為に数値計算手法について検討した。RANS(k-εモデル)を導入し、SCXの内側流路に対する計算手法を目処付けした。6)形状最適設計手法の導入調査 実使用のレイノルズ数域における大規模形状最適化解析を実施するための導入調査を行い、以下の知見を得た。a)形状最適化理論に適合する乱流モデルの選択指針を獲得し、乱流域における有効性を示す予備解析を実施した。b)最適化計算の必要計算規模を評価した。c)乱流熱流体解析技術をGPU搭載計算機に実装し、構築すべき計算機環境を決定した。d)国内外の最新研究動向を調査し、熱交換器の形状最適化に関する有益な情報を得た。
英文要約Title:Examination of neighboring techniques and allied problems for critical technology of the energy-saving project on Investigation of internal heat exchanger development using the shape optimization for a car air-conditioner (FY2016)Final Report

The following issues were investigated for early development of high-performance internal heat exchangers for car air conditioners based on shape optimization method in turbulent heat transfer. 1) Performance assessment of existing heat exchangers: The effects of the pitch and depth of the spiral groove in existing heat exchangers were investigated using the newly introduced test apparatus using hot and cold water flows. It was found that the j/f factor has a peak as a function of the groove pitch. 2) Determination of the target performance through detailed estimation of the energy-saving effect: The relation between the enhancement factor of the heat exchanger and the amount of energy saving was predicted for different car types and running conditions. 3) Investigation of technical issues in fabrication of actual devices: The issues related to the actual fabrication process were investigated. It is pointed out that, for further modification of the present groove structure of the internal pipe, special care should be taken for the curved section of the pipe. 4) Investigation of technical issues in performance evaluation experiments: In the measurement system in test apparatus using hot and cold water, the measured heat transfer coefficients and friction factors for a straight smooth pipe are in good agreement with those from conventional correlations. 5) Investigation of technical issues in numerical analysis for performance evaluation: The cost for numerical simulations in practical high Reynolds number conditions was estimated. With the downsized computational model and the appropriate turbulence model, it is possible for us to perform the simulations for performance evaluation. 6) Investigation of applicability of shape optimization method: The applicability of theory-based shape optimization method to the practical high-Reynolds number regime was examined. Firstly, the selection guideline of the turbulence model compatible to the shape-optimization theory was obtained, and preliminary analyses were performed, showing the effectiveness in the turbulent regime. Secondly, the computational cost necessary for the future shape optimization was estimated. Thirdly, the developed simulation techniques were implemented into GPU-based computer. Lastly, the latest research trends in heat-exchanger optimization studies were investigated.
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