| Project/Area Number |
21K03825
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18030:Design engineering-related
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| Research Institution | Kochi National College of Technology |
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Principal Investigator |
竹島 敬志 高知工業高等専門学校, ソーシャルデザイン工学科, 嘱託教授 (10179632)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小崎 裕平 高知工業高等専門学校, ソーシャルデザイン工学科, 准教授 (50819315)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 凍結濃縮 / 撹拌性能 / 伝熱性能 / 可視化 / 数値シミュレーション / 製氷実験 / 混合性能 / PIV解析 / 可視化実験 |
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| Outline of Research at the Start |
液状食品に含有する成分の変質及び損失が極めて少ない濃縮操作である、凍結濃縮システムの製氷ユニット（製氷部、冷媒循環部、制御部等から構成）について設計手法を構築する。その製氷ユニットにおいて、安定してより多くの氷粒子を長時間連続製造するため、製氷部の撹拌性能が製氷能力に及ぼす影響に関する調査が求められている。
本研究では、製氷時における可視化実験と数値シミュレーションを併用して製氷器内の氷粒子の流動を調べ、撹拌に最適な掻き取り刃形状について検討し、その掻き取り刃を用いて製氷効率について調査を行い、氷粒子の固着がなく、また長時間高い製氷能力を有する製氷部の設計指針の確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
液状食品に含有する成分の変質及び損失が極めて少ない濃縮操作である、凍結濃縮システムの製氷ユニット（製氷部、冷媒循環部、制御部等から構成）について設計手法を構築する。その製氷ユニットにおいて、安定してより多くの氷粒子を長時間連続製造するため、製氷器内の攪拌性能および攪拌性能の向上が製氷能力に及ぼす影響に関する調査が求められている。
本研究では、安定製氷に重要な一様流動化に適した製氷器内の掻き取り刃の形状について、脱色法による攪拌性能の評価、製氷時の伝熱性能の評価および製氷時の流れの可視化と数値シミュレーションを併用した調査を行っている。
令和５年度は、刃の後端の形状が異なる３種類の掻き取り刃を用いて、掻き取り刃の回転数を変えて製氷実験を行った。糖度が10、20、30°Brixのスクロース水溶液を用い、製氷器の伝熱性能（熱通過率と見かけの熱伝達率）を測定した。その結果、刃の後端が45°内向きの掻き取り刃は、他の掻き取り刃と比べ、最も高い伝熱性能を示し、生成された氷粒子は製氷器内に滞留することが少なく、最もスムーズに排出することを確認した。掻き取り刃の回転数が高いほど、伝熱性能は高く、水溶液の糖度が高いほど、伝熱性能は低くなることも確認した。さらに、掻き取り刃の回転数が大きいほど、氷粒子径が小さくなり、氷粒子の排出もスムーズであった。
並行して、数値シミュレーションを用いて、製氷器内の氷粒子の挙動解析を行うために必要な攪拌流れの非定常解析を行っている。その攪拌流れの非定常データを取得し、掻き取り刃の後端の形状が異なる場合について比較し、流動状況の違いを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
製氷実験は、実験室の冷房能力の関係で、11月から5月までの冬場しか実験ができない。また、低温恒温水槽の冷却能力が低く、実験開始（氷ができる）までに長時間を要する。
令和５年度は、後端の形状が異なる３種類の掻き取り刃について、掻き取り刃の回転数とスクロース水溶液の糖度を変化させた実験を複数回行い、データの取得を行った。また、製氷器内の攪拌性能と製氷時の伝熱性能との関連についても確認できた。
また、数値シミュレーションの結果、刃の後端が45°内向きの掻き取り刃が他の掻き取り刃と比較し、刃の後端部周辺に流速の大きい領域が広くなっていることが確認でき、このことが攪拌性能および伝熱性能を高める要因になっていると考えている。
製氷実験においては、生成された氷の量の測定が、数値シミュレーションにおいては、解析の妥当性の確認および氷粒子の挙動特性を明らかにすることが残されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
刃の後端形状が異なる３種類の掻き取り刃の他に、以前の研究において、攪拌性能の向上を確認した、①中心軸直径を増大させた太軸式と、②中心軸の下半分に上端になるほど細いテーパー形状の板を取り付けたテーパー板付太軸式の２種類の掻き取り刃について、製氷実験（伝熱性能）を行い、攪拌性能の向上による製氷への影響について調査する。また、ハイスピードマイクロスコープを用いて、製氷時に掻き取られた氷粒子の動きに関する調査を実施し、PIVを用いた製氷器内の流れ場の調査結果と併用して数値シミュレーションの解析の妥当性を確認する。解析の妥当性の確認後は、形状が異なる５種類の掻き取り刃について、数値シミュレーションを行い、製氷器内の氷粒子の分散・攪拌特性を掻き取り刃の回転によって生まれる流れから調査する。
これらの結果をもとに、製氷器内の流れが、攪拌および製氷に及ぼす影響を明らかにし、掻き取り刃の回転数が低くでも、安定してより多くの氷を長時間連続製造できる製氷器内の掻き取り刃の形状に関する設計指針を検討する。
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