2016 Fiscal Year Research-status Report
迅速な水蒸気吸着と熱移動を可能にする多孔質シリカ／金属複合吸着体の開発
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15K06682
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
汲田 幹夫 金沢大学, 自然システム学系, 准教授 (60262557)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
児玉 昭雄 金沢大学, 機械工学系, 教授 (30274690)
東 秀憲 金沢大学, 自然システム学系, 准教授 (40294889)
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| Project Period (FY) |
2015-10-21 – 2018-03-31
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| Keywords | メソポーラスシリカ吸着材 / 水蒸気吸着 / 吸着冷凍 / 複合構造体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱駆動型吸着式冷凍機のエネルギー出力密度の向上には，その主要素である吸着材熱交換器内の伝熱促進が不可欠である。本研究では，高熱伝導性のアルミニウムの表面に，優れた水蒸気吸着能を有するメソポーラスシリカ（MPS）を強固に成膜した伝熱促進型複合構造体を調製し，その吸着冷凍システムへの適用性について検討することを目的としている。今年度の研究実績は以下に示す通りである。
ホウ酸陽極酸化処理によって厚み200 nmの酸化皮膜を施したアルミニウム平板表面に，サブミクロンサイズのMPS粒子をシランカップリング剤（CPTS: 3-chloropropyltrimethoxysilane）の導入により成膜（浸漬被覆法を採用）した結果，CPTS濃度5 v/v%，MPS/CPTS比0.7のMPS分散系エタノール溶液を用いた場合に，昨年度実績値の1.5倍の厚み30μm，見掛け密度0.6 g/cm3のMPS層を形成させることができた。なお，調製した複合構造体の剥離試験からMPS層が強固に固定化されていることを確認した。
シリカ－アルミニウム複合構造体の新たな作製法として，テトラエトキシシラン（TEOS）からゾル・ゲル法でシリカゾル懸濁液を調製し，電気泳動によってアルミニウム平板上にシリカ粒子を直接成膜する検討を行った結果，単分散サブミクロン粒子からなる強固なシリカ層（最大析出量19.8 mg/cm2）を形成させることができ，これが水蒸気吸着能を有することを確認した。
また，複合構造体の吸着冷凍システムへの適用性を検討するために，その水蒸気吸着と熱移動の過渡的特性評価が可能な測定系を構築した。さらには，本複合構造体の熱・物質移動解析に応用可能な数値モデルを構築し，多くの実験データを保有する活性炭／メタノール吸着系に適用した結果，その蒸気吸着量と吸着材温度の変化を良好に再現できることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，吸着式冷凍機の主要素である吸着材熱交換器の大幅な伝熱促進を図るために，金属アルミニウムとシリカ系吸着材粒子をシランカップリング剤を用いて強固な一体型複合構造体にし，その吸着冷凍システムへの適用性について検討を進めている。吸着式冷凍機の冷熱出力密度の向上の観点から見れば，複合構造体の作製はもとより，冷媒水蒸気の吸着と熱移動を阻害しない範囲で吸着材成膜量の増大を図ることが重要である。今年度は，シランカップリング剤CPTSを添加したメソポーラスシリカ（MPS）分散系エタノール溶液の組成や浸漬被覆操作の条件を種々変化させることで，アルミニウム基材上のMPS成膜厚みを昨年度実績値の1.5倍の30μmまで上昇させることができ，このMPS層が基材に強固に固定化されていることを確認した。また，ゾル・ゲル法と電気泳動析出法を併用してシリカ層をアルミニウム表面に直接合成する新規の複合構造体作製法を提案し，最大シリカ密度19.8 mg/cm2の複合体を得た（論文投稿中）。本法はMPS－アルミニウム複合体の調製にも応用可能と考えられる。さらに，複合構造体の吸着冷凍システムへの適用性の検証には，その水蒸気吸着能を平衡論及び速度論的に評価検討する必要があり，そのための測定系を構築した。そして，本複合構造体の熱・物質移動解析に応用可能な数値モデルを構築し，既存の吸着系の冷媒蒸気吸着量と吸着材温度の変化を良好に再現できることを確認した。以上より，本研究の進展はおおむね順調と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究結果を踏まえて今後は以下に示す事項について検討を行う予定である。
現在検討を進めているメソポーラスシリカ（MPS）－アルミニウム複合構造体について，シランカップリング剤やMPSの種類を変更することも含めて複合構造体の調製手順を細部にわたって見直すことで膜厚100μm程度までのMPS成膜量の増大を目指す。同時に，MPSの成膜状態の観察，細孔特性や化学結合状態の評価ならびに剥離試験を行うことで，本手法によるMPSの成膜機構を明らかにする。また，MPS粒子分散溶液を用いた電気泳動析出法によりシランカップリング剤フリーの複合構造体の調製を試み，シランカップリング剤導入複合材との諸特性の比較を行う。
蒸気吸着量と試料温度の同時測定が可能な試験装置を用いて，MPS－アルミニウム複合構造体の水蒸気吸着容量を確認するとともに，標準的な吸着冷凍操作条件における過渡的吸脱着試験を実施して本複合構造体の吸着冷凍システムへの適用性について検討を行う。また，これまでに構築した数値モデルを適用して複合構造体の熱・物質移動解析を行い，実測データとの比較に基づいて本複合構造体における水蒸気吸着と熱移動機構を明らかにするとともに，これを適用する吸着材熱交換器の設計指針を得る。
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Research Products
(3 results)
