2019 Fiscal Year Research-status Report
development of new system for energy recovery on Low-temperature waste heat using Leidenfrost phenomena
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18K19125
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中島 章 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (00302795)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
酒井 宗寿 茨城大学, 研究・産学官連携機構, 准教授 (00392928)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | ライデンフロスト / 酸化亜鉛 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高さとピッチを変化させたラチェット構造を形成した亜鉛板を加熱してその上での水滴の動的ライデンフロスト現象を調査したところ、移動の速度は構造に依存し。ラチェットの傾斜が大きくなると速度が遅くなること、またそれぞれの構造で、水滴の移動速度が最大となる最適な温度が存在し、その温度より高くても低くても水滴の移動速度が小さくなることを見出した。これは水滴内部の熱流束と円周部のジェットの吹き出しによる推進力のバランスが最適の条件があることを意味しており、素子の設計を行う上での重要な知見である。またこれらに対して水熱処理を行い、酸化亜鉛ナノロッドを形成する最適条件を見出した。さらに、マスキングテープを用いた水熱処理により、ラチェット構造を持つ亜鉛表面に部分的にこれらの酸化亜鉛ナノロッドを形成する手法も考案できた。動的ライデンフロスト現象から回転動力を得るための手段を構築するために、円盤の中心から放射状に伸びる様に鋸状の構造を配したライデンフロストリング（ 外径：38 mm、内径18 mm）を準備し、単位時間当たりの熱と水の供給量について検討を行った。実際、ライデンフロストリングの表面温度が385 oCの際に、0.06 ～ 6 ml/min の範囲の流量で水滴の回転運動が維持される条件探索を行い、数Hz程度の持続的な回転運動が得られる条件（流量：0.24 ml/min，一つの水滴の量：0.06 ml）を把握した。この結果と、上記の構造による最適温度の関係を加味し、今後、素子の最適化を図っていく。
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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100～300oCの比較的低温の温度領域で発現する「ライデンフロスト現象」に着目し、この現象を効果的に固体材料表面上に発現させ、液滴の高速回転運動を誘起することで、低温廃熱を回収する「新規熱電変換デバイス」の開発を試みることを目的としている。
そのため本研究では、ライデンフロスト現象による水滴運動を効果的に発現させる固体表面の構造や濡れ性の設計指針の構築と、ライデンフロスト現象を用いた水滴の回転運動に関する流動ダイナミクスの解明、並びに得られた知見に基づく熱電変換デバイスの試作に焦点を当てて進めることにしており、最終的には材料科学、表面科学、熱流体科学の融合により、低温廃熱からのエネルギー回収に関する学理の構築に繋げていく。
平成30年度に得られた動的ライデンフロスト現象における水滴の内部流動中に見られる、対抗する二層流の存在結果を踏まえ、令和元年度はラチェット構造の違いによる、上記のトレードオフの関係について、より詳細な調査を行うとともに、液滴の回転運動を駆動力にして、実際に磁石やコイル等の発電要素を含むフライホイールを回転させるための動力部の設計を行うことを目的としていた。その結果、ラチェット構造に応じて、水滴が高速で移動する最適温度が存在することを明らかにし、合わせて水滴の移動でフライホイールを回転させるだけのトルクを得るための基礎的知見を得ることができた。これらは素子を設計する上での基礎的かつ重要な知見である。対抗する二層流についてのモデル計算の準備も始まっており、部分的に酸化亜鉛ナノロッドを形成する試みもスタートしている。全体を通じて概ね予定通りに研究は進行していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、素子の設計については今年度までの知見を活かしつつ、動的ライデンフロスト現象を用いる熱電変換デバイスの構築を進めていきたい。また現象の解明については、対抗する二層流について、モデル計算を行うとともに、酸化亜鉛ナノロッドの最適配置部位とその量を見極める。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの発生で、予定していた学会への参加や物品の納入に支障がでたため、使用額に差異が生じた。
次年度は、ライデンフロスト現象を利用した発電デバイスの試作に重点を置き、その経費に充てる予定である。
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