高圧水素物性および水素急速充填放出

高圧水素物性および水素急速充填放出

水素社会構築のためには,水素の熱物性値は必要不可欠であり,知的基盤情報としての役割を担います.本研究室では最大100 MPaまでの高圧域における水素の熱物性(PVT性質,粘性係数,熱伝導率など)を精密測定し,状態方程式や相関式を作成して,これらを計算する水素物性データベースを開発,提供しています.さらに水素ステーション全体を対象として,蓄圧器からFCVの車載容器まで各機器を流れる水素の温度,圧力,流量等を計算するHRS(HydrogenRefuelingStation)ダイナミックシミュレーションを開発しています.水素ステーションにおける安全でより効率的な水素の充填方法の検証に貢献します.

本研究は水素材料先端科学研究センターHYDROGENIUSと連携して行っています.

次世代冷媒の熱力学的性質

次世代冷媒の熱力学的性質

現在,冷凍・空調機器などで広く用いられているHydrofluorocarbon (HFC)系冷媒は地球温暖化への寄与が大きく,これを軽減させるため,オゾン層破壊係数(ODP)が限りなくゼロであり,地球温暖化係数(GWP)が小さく,かつ可燃性が低い新冷媒の探索が世界中で進められています.HFO(Hydrofluoroolefin) 系冷媒はGWP が小さく,HFC の代替冷媒として期待されていますが,その多くは主に可燃性の問題が見られます.

本研究では,HFO系冷媒の中でも標準沸点温度の低い,R1123 に注目し,この可燃性や不均化反応を抑制ために,R1234yf やR32 の混合系について注目しています. これらの冷媒を対象として2成分系,あるいは3成分系の混合冷媒の気液平衡を測定して,混合冷媒の状態方程式の改善に努めています.

本研究は国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)による「高効率低GWP 冷媒を使用した中小型空調機器技術の開発」の一環として,附属次世代冷媒物性評価研究センターNEXT-RPと連携して行っています.

スプレー急速冷却

Typical spray cooling curve and droplet behaviour at each boiling region

スプレー急速冷却

スプレー冷却は,噴霧される微小液滴の沸騰・蒸発による潜熱輸送と強制対流熱伝達により優れた冷却特性を発揮します.そのため,製鋼冷却,原子炉事故や火災における緊急冷却で活躍しており,近年では電子機器冷却への応用研究も進んでいます.熱流体物理研究室では,スプレー冷却の素過程である単一液滴の衝突・蒸発現象からマクロの冷却特性にわたる広範な実験的研究を展開し,スプレー冷却に伴う諸現象の解明および熱伝達予測モデルの開発を目指します.

現在は鉄鋼材料の熱間圧延における水冷却に着目しています.製鉄プロセスでは,熱間圧延後の水冷却により鉄鋼材料のミクロ組織を造り込むので,鋼板内の温度履歴によって最終的な特性が決まります.したがって所望の材質を得るためには,熱間圧延加工におけるスプレー冷却特性の把握・制御が重要です.また,製品の変形・割れといった事故の原因である残留応力の発生を抑えるため,鋼板の均一な冷却が望まれます.

私たちは,高温面に衝突する単一液滴の沸騰・蒸発挙動を詳細に観察し,スプレー冷却の素過程解明に取り組んでいます.具体的には数あるスプレー冷却の影響因子;液滴寸法・衝突速度・固体表面粗さ・濡れ性・酸化被膜をパラメータとして独立に制御できる実験系を構築し,それぞれが液滴挙動および冷却特性に及ぼす影響を調査しています.さらに大型のスプレー冷却実験装置も有しており,ミクロ液滴レベルでの知見をマクロのスプレー冷却特性に反映させたマルチスケール的なアプローチを展開しています.

濡れ性と沸騰

Aimed boiling heat transfer performance and comparison between numerical simulations and experiments

濡れ性と沸騰

沸騰現象は火力・原子力発電,電子機器冷却,ヒートポンプなどの伝熱過程において重要な役割を果たしています.世界中でCO2排出量の削減・省エネルギー化が求められている現在,沸騰熱伝達の高効率化がキーとなっています.

しかしながら,沸騰熱伝達は複雑な流動形態を伴い,流体の種類,圧力,伝熱面構造や濡れ性などの影響を含め,未解明な部分が多い現象です. よって,科学的な観点から沸騰伝熱過程の詳細な理解および高性能沸騰伝熱面の設計が求められています.

本研究グループでは,表面濡れ性(親水性・撥水性)の制御を用いて,種々の圧力下および作動流体における沸騰伝熱過程の現象解明・効率化を目指した実験的および理論的研究を行っています.さらに,得られた実験データを基に,優れた伝熱面をループ型ヒートパイプに応用し,実機の熱輸送性能評価も行っています.

微細構造と凝縮

Microscopic observation of condensation via an Environmental Scanning Electron Microscope

微細構造と凝縮

空調・冷凍,発電,蒸留など相変化伝熱を利用した工業プロセスでは,沸騰とセットとなって凝縮現象が重要な役割を果たします.したがって,沸騰と同様に凝縮伝熱の高効率化が省エネルギーおよび二酸化炭素の排出量削減の重要なキーとなります.

熱流体物理研究室では,凝縮現象の物理理解を目指した基礎研究に取り組んでいます. 具体的には,伝熱面の濡れ性や表面構造,および非凝縮性ガスの有無による凝縮性能の影響を調べています. これまでに,環境制御走査型電子顕微鏡(ESEM),光学顕微鏡およびマクロスケール観察を通して,親水・撥水パターン面,微細構造面,マイクロ・ナノ生体模倣面などの凝縮特性を明らかにしました.

本研究は,ウォータールー大学(カナダ),上海交通大学(中国),イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校(米国),インド工科大学マンディ校(インド),アイオワ州立大学(米国)および三菱重工業株式会社と共同で進めています.

本研究の一部は公益財団法人JKAの補助(オートレース)を受けて実施しています.

微小液滴の蒸発・濡れ・流れ

Topics on drops/droplets i.e. wetting, phase change and flows

微小液滴の相変化・濡れ・流れ

私たちが普段の生活や自然界で目にする液滴は,熱輸送,インクジェット技術,マイクロ流体デバイス等の素過程として重要な役割を果たしています. これらの応用技術の開発・最適化には,相変化,対流,濡れ,伝熱といった,微小液滴内外で起きている物理現象の理解が必要不可欠です.

本研究グループでは,赤外線(IR)サーモグラフィによる熱流動可視化,温度・湿度を制御した環境下での相変化プロセスの観察等を通して,微小液滴に起きる諸現象の体系的理解を目指しています.

本研究は日米英の国際共同研究として,米国メリーランド大学と英国エディンバラ大学の研究者らと連携しながら進めています.