サーマルセルを用いた簡易型地下水流向流速センサの試作

• Project/Area Number: 21H04084
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: 2140:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, and related fields
• Research Institution: Akita University
• Principal Investigator: KOSUKEGAWA Hiroyuki 秋田大学, 国際資源学研究科, 技術長
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥410,000 (Direct Cost: ¥410,000); Fiscal Year 2021: ¥410,000 (Direct Cost: ¥410,000)
• Keywords: 地下水流速流向 / サーマルセル

Outline of Research at the Start

地中熱ヒートポンプシステムでは，地下水流れに伴う熱移流効果により熱交換量が大幅に向上することから，地下水の動向を知ることはシステム設計において重要である。
地下水流れにおいては，熱やトレーサーの濃度変化などの検出により流速や流向を直接計測する手法があるが，いずれも専門業者に委託する必要があるため，調査費用が発生する。
本研究では，円筒型の樹脂容器内にヒーターと温度センサを設置し水などの液体を充填したサーマルセルを用いて，地下水の流速および流向を簡易的に計測できる可能性を検討する。

Outline of Final Research Achievements

樹脂容器内にヒーターと温度センサを組み込んだサーマルセルを試作し，室内実験装置を用いて地下水の流速および流向の検出を試みた。地下水流れがない場合を含む3パターンの流速を設定して流速検出の実験を行ったところ，サーマルセル内温度は地下水流れの有無でわずかに変化したが，流速の違いは検出できなかった。同様にサーマルセルを円周上に6個設置して流向の検出を行ったが，明確な結果は得られなかった。これは，サーマルセルに熱伝導率の低い塩ビ材を用いたことにより，センサとしての感度が弱まったことが要因の一つとして考えられる。

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

地下水流れの状態を知ることは，建築や土木，地中熱利用など広い分野で需要がある。現在では地下水流向流速の計測手法は確立されているが，専門業者に調査を依頼する必要があるため，計測から解析までの費用が発生する。本研究で提案したサーマルセルを用いた地下水流向流速センサは，構造が単純であるため，比較的簡単な導入および計測が期待できる。試作したサーマルセルでは地下水流速・流向の検出には至らなかったが，材質や形状などを再検討して研究を継続する予定である。