単分散粒子規則配列を用いた高効率マイクロチャンネル集熱器の研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25630320
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 川崎 亮 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50177664)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 粉末プロセス / 粉末冶金 / 廃熱 / マイクロチャンネル / 粒子配列

Outline of Annual Research Achievements

廃熱（未利用エネルギー）を伴った流体から極めて高い効率で熱エネルギーを回収するための革新的マイクロチャンネル集熱器を研究開発する。その構造は、単分散金属粒子（単一粒径球状金属粒子、粒径数100μm）を規則的・周期的に積層配列し、隣接粒子間に焼結ネックを形成して連結した３次元人工結晶であり、その３次元空隙を流路とするものである。従来の直線流路やフィンタイプの熱交換器とは全く異なり、同じ流路断面積比であっても流路数が飛躍的に増加し熱流体が壁面近くを流れる割合が非常に高まることになり、特に大きな比表面積と平滑な表面により熱交換（回収）効率を非常に高くすることができる。単分散銅粒子の作製、規則的粒子配列体の作製プロセスについての研究開発を行い、熱流体シミュレーションと廃熱回収実験によって熱回収効率および廃熱利用のための応用上の優位性を明らかにする。
熱流体シミュレーションでは、単位格子を流れ方向にどれだけ積層するか、結晶方位また流体に対する断面積をどの程度にするかを変化させて、圧力損失と熱エネルギー回収効率の関係を求めて、単分散粒子マイクロチャンネル集熱器の特徴を数値的に明らかにした。単分散金属粒子を人工結晶構造（例えばfcc構造）にパッキングし焼結ネック形成して、マイクロチャンネル集熱器とするための3次元駆動型微小振動充填法を検討した。隣接粒子間焼結および接合面積は、極めて重要なファクターであり、これを制御するための焼結方法を確立するため、表面拡散支配の焼結について、雰囲気の効果も含めて詳細に検討した。
最適化された３次元構造を有する単分散粒子配列焼結体を作製し、その人工結晶から方位を選定して切り出し単分散粒子マイクロチャンネル集熱器としての性能を確認を試みた。その結果から単分散マイクロチャンネル集熱器の有効性および高効率熱エネルギー回収の可能性について考察した。