ＯＴＥＣ
Vol. 18 (2013)，37〜43

表面微細加工を施したプレート式蒸発器による伝熱促進効果に関する研究⾲㠃ᚤ⣽ຍᕤࢆ᪋ࡋࡓࣉ࣮ࣞࢺᘧ⵨Ⓨჾ࡟ࡼࡿఏ⇕ಁ㐍ຠᯝ࡟㛵ࡍࡿ◊✲ᕝ⏿ భ௓*1㸪ᒸᮏ ᫂ኵ*2㸪㐓ぢ ⩏⏨*2㸪᭷㤿 ༤ྐ*1㸪ụୖ ᗣஅ*1
Heat transfer enhancement using micro fabrication surface on plate evaporatorYusuke KAWABATA*1, Akio OKAMOTO*2, Yoshio ITSUMI*2,Hirohumi ARIMA*1 and Yasuyuki IKEGAMI*1*1*2

Institute of Ocean Energy, Saga University, 1-Honjo, Saga, 840-8502, Japan

KOBE STEEL, LTD., 2-4, Wakinohama-Kaigandori 2-chome, Chuo-ku, Kobe, Hyogo

A Low-grade Thermal Energy Conversion (LTEC) is refocused as one of the renewable energy. For the LTEC andRefrigerator/Heat Pump, it is very important to enhance the heat transfer on heat exchanger though the available
temperature deference is smaller than conventional thermal system. In the paper, the micro fabrication surface on plate
heat exchanger is proposed as one method for enhanced heat transfer coefficient. The manufacture for micro fabrication
surface on plate heat exchanger is introduced using surface configuration. The experimental performance test asevaporator is evaluated on comparison with normal surface heat exchanger using HFC245fa. The results show theboiling heat transfer coefficient of micro fabrication surface was larger than that of normal surface.
Key Words : Micro Fabrication Surface, Plate type heat exchanger,HFC245fa1. ⥴ゝἨỈⓎ㟁ࡸᾏὒ ᗘᕪⓎ㟁࡞࡝ࡢప⇕※ ᗘᕪⓎ㟁(LTEC)ࡀ㸪࢚ࢿࣝࢠ࣮ၥ㢟ࡸ⎔ቃၥ㢟ࡀ⥭ᛴࡢㄢ㢟࡜ࡋ࡚ᅜෆ࠾ࡼࡧᾏእ࡛ྲྀࡾἋửࡉࢀࡿ୰㸪ࡑࡢ㧗ᛶ⬟໬ࡀᮇᚅࡉࢀ࡚࠸ࡿ㸬ࡇࢀࡽࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࢩࢫࢸ࣒ࡣ㸪ᚑ᮶ࡢⅆຊⓎ㟁➼࡜ẚ㍑ࡋ࡚฼⏝ࡍࡿ ᗘᕪࡀᑠࡉ࠸ࡓࡵ⇕஺᥮ჾࡢ㧗ᛶ⬟໬ࡣᴟࡵ࡚㔜せ࡛࠶ࡿ㸬ᚑ᮶࠿ࡽ㸪ࡇࡢࡼ࠺࡞ LTEC ࡸ෭෾ᶵ࡟࠾࠸࡚ࣉ࣮ࣞࢺᘧ⇕஺᥮ჾࡀ⏝࠸ࡽࢀ㸪ᩘከࡃࡢ㧗ᛶ⬟໬ࢆ┠ᣦࡋࡓ◊✲㛤Ⓨࡀ⾜ࢃࢀ࡚࠸ࡿ㸬≉࡟㸪ఏ⇕㠃ࡢᙧ≧ࡸ⾲㠃࡟࣏࣮ࣛࢫ࡞࡝ఏ⇕㠃ຍᕤࢆ᪋ࡍ᪉ἲࡣ㸪ᵝࠎ⾜ࢃࢀ࡚࠸ࡿ㸬୰࡛ࡶࣉ࣮ࣞࢺࢆࣉࣞࢫຍᕤᚋ࡟⾲㠃࡟࣏࣮ࣛࢫ࡞࡝ࢆ᪋ࡍᢏ⾡ࡣ㸪ຠᯝࡣ᫂ࡽ࠿࡟࠶ࡿࡶࡢࡢ⤒῭ᛶࡸ㐠⏝ࡢ㠃࡛㸪࠶ࡲࡾᐇ⏝໬ࡉࢀ࡚࠸࡞࠸ࡢࡀ⌧≧࡛࠶ࡿ㸬ࡇࡢࡼ࠺࡞≧ἣࡢ୰㸪ⴭ⪅ࡽࡣ㸪ࣉ࣮ࣞࢺᘧ⇕஺᥮ჾ⏝ࡢⷧᯈࢆ〇㐀ࡍࡿẁ㝵࡛ᚤ⣽ຍᕤࢆ᪋ࡋ㸪ࡑࡢఏ⇕㠃ࡢఏ⇕ಁ㐍࡟㛵ࡍࡿ◊✲ࢆ⾜ࡗ࡚࠸ࡿ(1-4)㸬ᮏ◊✲࡛ࡣᚤ⣽ຍᕤࢆ᪋ࡋࡓⷧᯈ࡟ࣉࣞࢫຍᕤࡋࡓఏ⇕㠃ࢆᣢࡘ࣮࣊ࣜࣥ࣎ࣥࡢࣉ࣮ࣞࢺᘧ⇕஺᥮ჾ࡜㸪ᐇ㝿࡟⏝࠸ࡽࢀ࡚࠸ࡿᚤ⣽ຍᕤ࡞ࡋࡢ⇕஺᥮ჾ࡜ࡢఏ⇕ಁ㐍ຠᯝ࡟㛵ࡍࡿホ౯ヨ㦂ࢆ⾜࠺ࡇ࡜ࢆ┠ⓗ࡜ࡍࡿ㸬
2. ⾲㠃ᚤ⣽ຍᕤࢆ᪋ࡋࡓఏ⇕ᯈ⇕ఏ㐩ຠ⋡ࢆྥୖࡉࡏࡿࡓࡵ㸪㏻ᖖࡢࣉ࣮ࣞࢺ⇕஺᥮ჾ࡛ࡣ࣮ࣘࢨ࣮ࡢ௙ᵝ࡟ࡼࡾ࣮࣊ࣜࣥ࣎ࣥ➼ࡢᙧ≧࡟ᡂᙧຍᕤࡀ௜୚ࡉࢀࡿ㸬ࡇࢀ࡟ᑐࡋ࡚ᮏ◊✲࡛ࡣ㸪ࢳࢱࣥⷧᯈ⮬㌟ࡢ⾲㠃࡟ᚤ⣽࡞✺㉳ࢆ௜୚ࡍࡿࡇ࡜࡟ࡼࡾ⇕ఏ㐩ຠ⋡ࡢྥୖ㸦⾲㠃✚ᣑ኱ຠᯝ㸪஘ὶಁ㐍ຠᯝ㸪᰾Ἓ㦐ಁ㐍ຠᯝ㸧ࢆ┠ᶆ࡜ࡋࡓࢳࢱࣥⷧᯈࡢ〇㐀ᢏ⾡ࢆ⏝࠸ࡿ (ᅗ1)㸬ࡇࡢᚤ⣽࡞✺㉳ࡣ㸪⏕⏘ᛶ࠾ࡼࡧ〇㐀ࢥࢫࢺࢆ⪃៖ࡋ࡚㸪㧗㏿ຍᕤࡀྍ⬟࡞෭㛫ᅽᘏᕤ⛬࡛ࡢ㌿෗ᅽᘏ(࣮࣡*ཎ✏ཷ௜ 2013 ᖺ 7 ᭶ 31 ᪥
బ㈡኱Ꮫ ᾏὒ࢚ࢿࣝࢠ࣮◊✲ࢭࣥࢱ࣮㸦ࠛ840-8502 బ㈡ᕷᮏᗉ 1㸧
*2⚄ᡞ〇㗰
E-mail: kawabata@ioes.saga-u.ac.jp
*137

38

川畑佑介，岡本明夫，逸見義男，有馬博史，池上康之

クロールに凸凹形状付与し，チタン板を 2 本のロールで圧下する時に凸凹形状を板に転写する)にて製造される．
しかしながら，高い突起形状(数十m)を圧延工程で作るためには，適切な凸凹形状とその圧延条件の選択および，製品素材としての板厚や平坦度を実現するための高度な圧延技術とプロセス全体の設計が必要になる．岡本らは(1,2)，小型圧延機による実験と実機試作を通して，圧延理論を用いた圧延荷重予測や平坦度の改善により，表面微細加工を施したチタン板を実現した．通常，薄板表面の微細加工は，圧延過程後に金属球などの吹付を行うことにより形成されるが，神戸製鋼では，圧延過程中に表面に微細加工を施す技術を開発した．図 2 に，微細加工部分の拡大図と，凹凸の深さを示すグラフを示す．この図より，表面に数十m の凹凸を持つ薄板を安価で形成することが可能である．

耐力 170MPa 級(既開発材)

凹凸高さ(μm)35

耐力 170MPa 級
耐力 220MPa 級
耐力 280MPa 級

25155-5Fig.1 Micro Fabrication Surface

圧延長手方向(μm)

Fig.2 Cross-section of micro fabrication surface

3. 実験装置および実験方法
図 3 に，実験装置のフロー線図を示す．実験装置は，蒸発器，凝縮器および作動流体ポンプからなる．熱源は，一定温度に制御された温水および冷水を用いた．定常を確認し，5 分間のデータを算術平均し，それを 3 回行いデータ整理した．図 4 に装置の全体図を示す．蒸発器は，微細加工を施したプレートを用いた蒸発器 A (EX-A)と微細加工を施していない通常のプレートを用いた蒸発器 B (EX-B)を並列に設置して比較を行った．プレートは，チタン製(=17 W/m･K)で長さ H=270mm，w=幅 137mm，厚さ t=0.45mm，プレート間の隙間=2.5mm，プレート枚数は，それぞれ 7 枚である．総伝熱面積は，蒸発器 A，B ともに 0.39m2 である．
表 1 に本研究の実験条件を示す．実験では，作動流体の質量流束 G を 5～20kg/m2･s で行った．今回の質量流束は，一般的にプレート式熱交換器で利用されている質量流束の範囲である．なお，この範囲は，一般的に円管式の熱交換器で用いられている質量流束 100～400 kg/m2･s と比較するとかなり小さい．作動流体にはフロン媒体である HFC-245fa を用いる．

Table 1 Experimental Condition
EX-AEX-B

温水入口温度：Twsi [℃]19.1~31.8

27.5~32.0

冷水入口温度：Tsci [℃]12.5~13.5

5.7~6.5

温水流量：mws [t/h]

3.2

3.2

冷水流量：mcs [t/h]

3.8

4.2

5.0～20.4

4.9～20.42

質量流束：G [kg/m s]

39

表面微細加工を施したプレート式蒸発器による伝熱促進効果に関する研究

Fig.3 Schematic diagram of Experimental Apparatus

凝縮器
蒸発器

作動流体タンク
Fig.4 Overall view of Experimental Apparatus

40

川畑佑介，岡本明夫，逸見義男，有馬博史，池上康之

4. ࢹ࣮ࢱᩚ⌮᪉ἲᮏ◊✲࡛⏝࠸ࡓࢹ࣮ࢱࡢᩚ⌮᪉ἲ࠾ࡼࡧ௦⾲ⓗ࡞ࣃ࣓࣮ࣛࢱࡢᐃ⩏ᘧࢆ♧ࡍ㸬⇕㏻㐣ಀᩘ UE ࡣ㸪ḟᘧࢆ⏝࠸ࡿ㸬⁄( ∙ ∆=)(1)

ࡇࡇ࡛㸪QE ࡣ஺᥮⇕㔞㸪A ࡣఏ⇕㠃✚࡛ǼTme ࡣᑐᩘᖹᆒ ᗘᕪ࡛࠶ࡿ㸬QE ࡣ㸪ḟᘧ࡛⟬ฟࡍࡿ㸬=(∙)−(2)CP ࡣỈࡢẚ⇕㸪mws ࡣὶ㔞㸪Twsi㸪Twso ࡣ Ỉࡢධཱྀ㸪ฟཱྀ ᗘ࡛࠶ࡿ㸬ǼTme ࡣ㸪ᘧ(3)࡛⾲ࡉࢀࡿ㸬=∆() (){()⁄()}(3)

ᘧ୰ࡢ T1 ࡣసືὶయࡢฟཱྀ ᗘ㸪T4 ࡣධཱྀ ᗘ࡛࠶ࡿ㸬⇕ὶ᮰ qE ࡣ㸪ᘧ(4)࡛ィ⟬ࡉࢀࡿ㸬=(4)

஝ࡁᗘ xE ࡣ㸪ḟᘧ࡛ồࡵࡿ㸬
=(5)h1 ࡣ QE ࡜⵨Ⓨჾධཱྀࡢ࢚ࣥࢱࣝࣆ࣮h4 ࠿ࡽ⟬ฟࡋࡓ⵨Ⓨჾฟཱྀࡢ࢚ࣥࢱࣝࣆ࣮࡛࠶ࡿ㸬h1’㸪 h1’’ࡣ⵨Ⓨჾฟཱྀࡢᅽຊ࠿ࡽ⟬ฟࡋࡓ࢚ࣥࢱࣝࣆ࣮࡛࠶ࡿ㸬సືὶయഃࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘ hwf ࡣ㸪Ỉഃࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘ hws ࢆ⏝࠸࡚ḟᘧࡼࡾᑟฟࡋࡓ㸬=−−(6)

⵨Ⓨჾ࡟࠾ࡅࡿỈࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘࡢ᥎⟬ᘧࢆ㸪Wilson Plot ἲ(5)ࡼࡾᑟฟࡍࡿ㸬⵨Ⓨჾ࡟ Ỉ࡜෭Ỉࢆྠࡌὶ㏿࡛ὶࡋ㸪ࡑࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘࡀ➼ࡋ࠸࡜⪃࠼ࡿ࡜㸪ᘧ(6)ࡣḟᘧࡢࡼ࠺࡟࡞ࡿ㸬=⁄2−(7) ᘧ(7)ࡼࡾ 1/hws ࡜ Ỉࡢὶ㏿ vws ࢆᘧ(8)ࡢࡼ࠺࡟ᐃ⩏ࡍࡿ㸬
=.

∙(8)

ࡇࡢᘧࢆኚᙧࡋ࡚㸪ᘧ(9)ࡢᙧ࡟ࡍࡿ㸬

.

=(9)

ࡇࡢᘧࡢ୧㎶࡟┦ᙜ┤ᚄ Deq (=2wG /(w+G) )࡜ࣉࣛࣥࢺࣝᩘ Prws ࢆ⏝࠸࡚㸪ᘧ(10)ࡢࡼ࠺࡞ Nu ᩘࡢᙧ࡟ࡍࡿ㸬

= 
.

⁄(10)

表面微細加工を施したプレート式蒸発器による伝熱促進効果に関する研究

41

5. ᐇ㦂⤖ᯝ
5-1. Ỉࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘ
⵨Ⓨჾ࡟ὶ㏿ࡀ➼ࡋ࠸ Ỉ(Tws=34Υ)࡜෭Ỉ(Tcs=8Υ)ࢆὶࡋ㸪Wilson Plot ἲࡼࡾ Ỉࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘࡢ᥎⟬ᘧࢆồࡵࡿ㸬ᅗ 5 ࡟ vws ࡜(1/U - t /O)/2 ࡢ㛵ಀࢆ♧ࡍ㸬ᅗ୰ࡢᐇ⥺ࡣ㏆ఝ᭤⥺࡛࠶ࡾ㸪ࡇࡢ㏆ఝ᭤⥺ࡢಀᩘ࠿ࡽ㸪ᘧ(10)ࡢಀᩘ c ࢆồࡵࡿ࡜ᘧ(11)ࡢࡼ࠺࡞ᙧ࡜࡞ࡗࡓ㸬.

= 0.125⁄(11)ࡇࡢ᥎⟬ᘧ࠿ࡽồࡵࡓ Nu ᩘ࡜㸪ᐇ㦂್࠿ࡽ⟬ฟࡋࡓ Nu ᩘࢆẚ㍑ࡋࡓࡶࡢࢆᅗ 6 ࡟♧ࡍ㸬ᅗ 5 ࡼࡾ㸪᥎⟬ᘧ࡜ᐇ㦂್ࡣ࡯ࡰྠ➼࡛࠶ࡿ࡜ࡳ࡞ࡍࡇ࡜ࡀฟ᮶ࡿ㸬ࡲࡓ㸪Joker(6)ࡸ Muley(7)ࡢồࡵࡓᘧ࡜ẚ㍑ࡍࡿ࡜㸪௒ᅇࡢᐇ㦂࡛ᚓࡽࢀࡓᘧࡢ್ࡣ኱ࡁࡃ㸪᭱ࡶ್ࡢ㏆࠸ Muley ࡢᘧ࡜ẚ㍑ࡋ࡚ࡶ 60㸣࡯࡝኱ࡁࡃ࡞ࡗࡓ㸬
Joker ࡢᘧ.

= 0.089.

(12)

Muley ࡢᘧ= (0.2668 − 0.006967 + 7.244 × 10)×

[ .

{.

⁄. }]

⁄(13)

5-2. ㉁㔞ὶ᮰࡜⇕ఏ㐩ಀᩘࡢ㛵ಀ ᘧ(11)ࢆ⏝࠸࡚ Ỉࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘࢆ⟬ฟࡋ㸪ᘧ(6)ࡼࡾ HFC-245.fa ࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘ hwf ࢆồࡵࡓ㸬ᅗ 7 ࡟⇕ὶ᮰qE ࡜⇕ఏ㐩ಀᩘࡢ㛵ಀࢆ♧ࡍ㸬௒ᅇᐇ㦂ࡋࡓ㉁㔞ὶ᮰ᇦ G=5㹼20kg/m2㺃s ࡛ࡣ㸪඲యⓗ࡟⾲㠃ᚤ⣽ຍᕤࡢ᪋ࡉࢀ
࡚࠸ࡿ EX-A ࡢ᪉ࡀ㸪ᚑ᮶ࡢࣉ࣮ࣞࢺ࡛࠶ࡿ EX-B ࡼࡾࡶ⇕ఏ㐩ಀᩘࡣ኱ࡁࡃ㸪ᚤ⣽ຍᕤ࡟ࡼࡗ࡚ẆἛ㦐ࡀಁ㐍ࡋࡓࡓࡵ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿ㸬≉࡟㸪qE=5 kW/m2 ௜㏆࡛ࡣ㸪ࡑࡢᕪࡀ㢧ⴭ࡛࠶ࡾ㸪᭱኱࡛⣙ 2.6 ಸࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘࡢྥୖࡀぢࡽࢀࡓ㸬((1/U-t /O Pᨿ.
.:㻌\ [((((((



vws-0.8 (m/s) -0.8㻌
Fig.5 (1/U-t /O  vs. vws-0.8





42

川畑佑介，岡本明夫，逸見義男，有馬博史，池上康之

⸮沢⊳㘷並㆞-RNHU

1XZV3UZV

0XOH\



Rews
Fig.6 (Nuws/ Prws1/3 vs. Rews

2hwf W/m 㺃K㻌(;$(;%

2qE kW/m 㻌Fig.7 hwf vs. qE







表面微細加工を施したプレート式蒸発器による伝熱促進効果に関する研究

6. ⤖ㄒ⾲㠃࡟ᚤ⣽ຍᕤࢆ᪋ࡋࡓࣉ࣮ࣞࢺᘧ⵨Ⓨჾࡢᛶ⬟ヨ㦂ࢆ⾜࠸㸪௨ୗࡢ⤖ᯝࢆᚓࡓ㸬(1)Ỉࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘࡢ᥎⟬ᘧࢆᚓࡓ㸬(2) ⾲㠃ᚤ⣽ຍᕤࢆ᪋ࡋࡓఏ⇕ᯈࢆ⏝࠸ࡓሙྜ㸪ᚑ᮶ࡢᖹ⁥࡞ఏ⇕ᯈ࡜ẚ㍑ࡋ࡚㸪᭱኱࡛⣙ 2.6 ಸࡢ⇕ఏ㐩ಀᩘࡢྥୖࡀほᐹࡉࢀࡓ㸬௒ᚋࡣ㸪HFC-245fa ௨እࡢసືὶయ࡛ࡶྠᵝࡢຠᯝࡀᚓࡽࢀࡿ࠿ࢆᐇ㦂ࡋ࡚࠸ࡃணᐃ࡛࠶ࡿ㸬ᩥ⊩(1) ᒸᮏ᫂ኵ, ᭷㤿༤ྐ, ụୖᗣஅ, ⚄ᡞ〇㗰ᢏሗ VOL.60, NO.2, (2010), pp.60-65.
(2) ⚄ᡞ〇㗰ࢢ࣮ࣝࣉ ⎔ቃ࣭♫఍ሗ࿌᭩, (2012), pp.39.
(3) ᭷㤿༤ྐ, ᒸᮏ᫂ኵ, ᯇᑿఙᙪ, ụୖᗣஅ, ᚤ⣽พฝ㠃ࢆ⏝࠸ࡓࣉ࣮ࣞࢺ⵨Ⓨჾࡢ࢔ࣥࣔࢽ࢔Ἓ㦐ఏ⇕ಁ㐍, ᪥ᮏ෭෾✵ㄪᏛ఍ ᖺḟ኱఍, VOL.2009, A211-1., (2009).
(4) Arima, H., Matsuo, N., Shigyou, K., Okamoto, A., Ikegami, Y., AJTEC2011-44026 Convective Boiling Heat Transfer
Enhancement by Microgrooves in Plate Evaporator, March 13-17, Honolulu, Hawaii, USA. ,(2011).
(5) ୰ᒸຮ, ᾆ⏣࿴ஓ, ụୖᗣஅ, す⏣ဴஓ, ኱ཎ㡰୍, ᇼ⏣ᑗྐ, OTEC ⏝ࣉ࣮ࣞࢺᘧจ⦰ჾࡢ⇕ఏ㐩࡜ᅽຊᦆኻ--సືὶయࡀ NH3/H2O ࡢሙྜ, బ㈡኱Ꮫᾏὒ࢚ࢿࣝࢠ࣮◊✲ࢭࣥࢱ࣮ሗ࿌ OTEC, Vol.15 (2010), pp.1 -8.
(6) A.Muley and R. M. Manglik, Experimental Study of Turbulent Flow Heat Transfer and Pressure Drop in a Plate HeatExchanger with Chevron Plates, Trans. ASME, J. Heat Transfer, 121, (1999), pp.110-117.
(7) A. Jokar, S. J. Eckels, M. H. Hosni and T.P. Gielda, Condensation Heat Transfer and Pressure Drop of Brazed Plate Heat
Exchangers Using Refrigerant R-134a, J.Enhanced Heat Transfer, 11-2, (2004), pp.161-182.

43