循環流動層を適用したヒートポンプの無着霜蒸発器の開発に関する基礎研究

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近年、寒冷地における空気熱源式ヒートポンプの需要が急速に高まっている。しかし、寒冷地においては、低温空気からの採熱となるため、伝熱面温度が0℃以下となり、霜が付着成長し、伝熱性能は低下する。そこで、本研究では流動層の粒子によって伝熱面上に付着成長している霜層を取り除く機構を明らかにするため、流動層内に単一円管を挿入し、流動化粒子として硅砂を用い、伝熱面温度、空気温度、空気湿度及びガス空塔速度を種々変えることにより付着成長する霜の性状を変化させ、霜の性状の違いによって除霜特性がどのよう変化するのかを考慮した。その結果、流動層中に置かれた単一円管まわりに付着成長する霜層の状態は4つに分類できた。(1)霜が付着していない状態(2)薄い氷の層が電熱管の周囲を覆っている状態(3)薄い氷の層の上に硅砂が付着している状態、硅砂は簡単に手で取れる状態である。(4)ベトベトした霜層内に硅砂がくい込んだ形の硅砂と霜の混合氷結多孔質が生成している状態。しかし、このような流動層熱交換器には除霜能力があるが、流動層の気泡相の中には空気中の水蒸気が存在し、前述のように操作条件によっては着霜する可能性がある等の問題点がある。そこで著者らは、流動層に比べ空気流れの少ない移動層内に蒸発器を置くと、着霜が生じないのではないかと考え、循環流動層を熱交換器に適用した粒子循環型熱交換器(特許出願中)の流動、伝熱及び除霜特性について実験的に検討を行った。この粒子循環型熱交換器はライザーと移動層から構成されており、この間を粒子が熱媒体として循環するものである。その結果、ある空塔速度には最大粒子循環器が存在し、終末速度の大きい硅砂の方がAl粒子より大きな空塔速度を必要とした。また移動層内の伝熱系数の値は流動層の場合により2/3〜1/2小さくなった。更にいずれの粒子を用いても熱交換器表面には着霜は認められなかった。