2019 Fiscal Year Research-status Report

Heat transfer at the contact point of rolling and heat generating elements

Research Project

Project/Area Number	19K04225
Research Institution	Toyota Technological Institute
Principal Investigator	武野計二豊田工業大学, 工学部, 教授 (70705201)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	古谷克司豊田工業大学, 工学部, 教授 (00238685)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	接触熱抵抗 / 転動体
Outline of Annual Research Achievements	弾性変形による発熱パターンの詳細を把握しその分配を明確にするため，平面と球面の接触部位を要素現象と捉え，詳細な温度計測と実験パラメータの関係に基づく伝熱モデルを構築することを本研究提案の目的としている。初年度は上下の端面を一定温度に制御した球体-平面間の接触熱抵抗の大気中における静的実験により，球体や平板内部の温度分布を計測することで接触点を通過する熱流束と接触熱抵抗を求め，接触熱抵抗，熱伝導度，および接触面積の関係を記述できる伝熱モデルの構築とシミュレーションによる検証を実施した。荷重を71，710，2150，および3600N と変化させた場合の，球体中心軸の温度分布の計測結果では，曲率がある半球の部分で熱流が縮流し，接触部位近傍で大きな温度変化を呈すること，そして荷重が小さくなる程，その温度変化は大きくなり熱抵抗が増加することがわかった。総括熱抵抗（RT）と荷重の関係は，荷重が大きくなるに従いRTは減少すること，また曲率半径が大きくなると熱抵抗は減少することがわかった。これらのデータ解析より，総括熱抵抗（RT）は局所的接触熱抵抗（Rc），熱流の縮流による熱抵抗（Rd），接触面積（A）の関数となるものと考えた。実験で荷重を変化させると，RcとAが同時に変化することから，計算機シミュレーションを用いて，Rc，Rd，およびAの影響を個別に評価した。上記の考え方に基づき，総括熱抵抗（RT）を，RT=dT/Q=αRc+β　で表記し，計算機シミュレーションによってAとα，およびAとβの関係を求めると，前者は－1乗（反比例）の関係が，後者はほぼ－0.5乗の関係があることがわかった。局所的接触熱抵抗（Rc）が10E-5 K・m2/kWと極めて小さい値を用いた時に実験値と計算値は良く一致することがわかった。以上の通り，初年度の研究は目標をほぼ達成することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 初年度は球体-平面間の接触熱抵抗の静的実験により，球体と平面間の接触熱抵抗を実験的に求め，伝熱モデルの構築と計算機シミュレーションによる検証を目的としたが，実験，モデル化，計算機シミュレーションとも順調に計画を遂行できた。但し，2年目以降に用いる真空環境での実験装置の製作まで計画していたが，コロナ禍の影響もあり納期が間に合わず，計画していた設備備品費の納品が年度末までにできなかったが，全体計画には影響は無い。
Strategy for Future Research Activity	荷重を掛け実際に運動させる弾性変形発熱実験を予定通り実施する。更に，既存の真空容器を遠隔操作できるように改造し，真空雰囲気中の接触熱抵抗のデータ取得，および物理モデルを構築を行う。金属同士を接触させ加重を掛けると，微視的な凹凸が削れ，酸化し，酸化物の脱離や凝着が起こり，これが接触熱抵抗をゼロ近くまで低下させない要因となっていると予想される。真空中，および種々の不活性ガス中で接触熱抵抗の実験を行うことにより，接触空間における分子運動，接触面における酸化など，本現象に重要な影響を与える因子を個々に検証する。
Causes of Carryover	初年度は球体-平面間の接触熱抵抗の静的実験により，球体と平面間の接触熱抵抗を実験的に求め，伝熱モデルの構築と計算機シミュレーションによる検証を目的としたが，実験，モデル化，計算機シミュレーションとも順調に計画を遂行できた。但し，2年目以降に用いる真空環境での実験装置の製作まで計画していたが，コロナ禍の影響もあり納期が間に合わず，計画していた設備備品費の納品が年度末までにできなかった。なお，全体計画には影響しない。