小型高効率回転機の最適設計手法の構築を目指した伝熱流動特性の解明

• Project/Area Number: 16J02119
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 湯淺 朋久 筑波大学, システム情報工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 回転電気機械 / 対流熱伝達 / モータ / 発電機 / 回転二重円筒 / テイラー渦 / CFD / PIV / EVモータ

Outline of Annual Research Achievements

回転電気機械（以下回転機）は発電機あるいはモータとして、広く社会で使用されている。回転機の効率化、小型化のためには、回転機を冷却するための伝熱流動特性の把握が必要不可欠である。本研究は、回転機の伝熱流動特性を、実験的、数値解析的に把握し、対流熱伝達機構の解明を含む最適冷却設計手法の構築を目的とする。
平成30年度は，回転機を模擬した構造として，内円筒に溝を有する二重円筒，噴流を付加した内円筒に溝を有する二重円筒を対象として，流動可視化実験と伝熱実験，三次元数値解析を行った．内円筒に溝を有する二重円筒に対して可視化実験と三次元数値解析を行った結果，溝内部において循環する渦の形成と回転方向の後方側壁面において剥離して逆流する渦の形成を確認した．この壁面から流れが剥離した領域では，高温の流体が滞留することで伝熱が妨げられ，これにより溝壁面の回転方向によって伝熱性能が変化したことが明らかとなった．噴流を付加した内円筒に溝を有する二重円筒に対して，流動可視化実験と三次元数値解析を行った結果，噴流Reynolds数と回転Reynolds数の比によって流動様式を分類可能なことを示し，通風冷却による空冷式発電機の冷却性能を向上できることを示した．モデル化した回転電気機械に熱回路網法を適用し，熱回路網法の実機適用性について調べた．その結果，構築した熱回路網法から予測される各部品の温度分布と伝熱実験装置から実測した温度分布は良い一致を示し，熱回路網の実機への適用性を確認した．
以上より，回転電気機械の円筒面の形状変化が及ぼす伝熱流動特性への影響を明らかとし，小型高効率な回転電気機械の実現に向けた最適設計手法の構築を達成した．以上の実験的ならびに解析的知見は，工学分野だけでなく社会に対してもグリーンイノベーションへの貢献としてインパクトを与えることが予想される．

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Heat transfer characteristics in rotating coaxial cylinders with axial slits (2017)
  • Author(s): 湯淺朋久、阿部豊、平野覚
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 83 Issue: 856 Pages: 17-00309-17-00309
  • DOI: 10.1299/transjsme.17-00309
  • NAID: 130006282068
  • ISSN: 2187-9761
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of flow behavior in rotating coaxial cylinders with axial slits (2017)
  • Author(s): 湯淺 朋久、阿部 豊、平野 覚
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 83 Issue: 849 Pages: 16-00551-16-00551
  • DOI: 10.1299/transjsme.16-00551
  • NAID: 130005679753
  • ISSN: 2187-9761
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 溝付内円筒を有する回転電気機械の対流熱伝達機構 (2018)
  • Author(s): 湯淺朋久, 本間優斗, 江尻光良, 金子暁子, 阿部豊
  • Organizer: 第23回動力・エネルギー技術シンポジウム
• [Presentation] Effect of heat transfer enhancement with jet cooling between outer and slotted inner cylinders in an electrical rotating machine (2018)
  • Author(s): Tomohisa Yuasa, Yuto Honma, Mitsuyoshi Ejiri, Akiko Kaneko, Yutaka Abe
  • Organizer: 16th International Heat Transfer Conference(IHTC-16)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プールスクラビング時のエアロゾル移行モデルの評価 (2018)
  • Author(s): 湯淺朋久, 藤原広太, 菊池航, 中村優樹, 齋藤慎平, 金子暁子, 阿部豊
  • Organizer: 日本機械学会2018年度年次大会
• [Presentation] 内円筒に溝を有する回転電気機械の温度場速度場同時可視化計測 (2018)
  • Author(s): 西部 周平、湯淺 朋久、本間 優人、江尻 光良、金子 暁子、阿部 豊
  • Organizer: 日本機械学会関東支部第24期総会講演会
• [Presentation] 溝付内円筒を有する回転電気機械の伝熱流動特性 (2017)
  • Author(s): 湯淺朋久、本間優人、江尻光良、金子暁子、阿部豊
  • Organizer: 第22回動力・エネルギー技術シンポジウム
• [Presentation] Flow Behavior and Heat Transfer Characteristics of Jet Cooling between Outer and Slotted Inner Cylinders in an Electrical Rotating Machine (2017)
  • Author(s): Tomohisa Yuasa, Yuto Honma, Mitsuyoshi Ejiri, Akiko Kaneko, Yutaka Abe
  • Organizer: The Ninth JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference(TFEC9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 回転電気機械の溝付円筒間における複雑流動と伝熱との関係 (2016)
  • Author(s): 湯淺 朋久、山本 美有紀、本間 優人、平野 覚、江尻 光良、金川 哲也、金子暁子、阿部豊
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2016
  • Place of Presentation: 愛媛大学城北キャンパス（愛媛県松山市）
  • Year and Date: 2016-10-22
• [Presentation] Heat transfer through complex flow between outer and slotted inner cylinder in an electrical rotating machine (2016)
  • Author(s): Tomohisa Yuasa, Miyuki Yamamoto, Yuto Honma, Satoru Hirano, Mitsuyoshi Ejiri, Tetsuya Kanagawa, Akiko Kaneko, Yutaka Abe
  • Organizer: The 27th International Symposium on Transport Phenomena
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2016-09-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二重円筒を有する回転電気機械の伝熱特性 (2016)
  • Author(s): 湯淺 朋久、山本 美有紀、本間 優人、平野 覚、江尻 光良、金川 哲也、金子暁子、阿部豊
  • Organizer: 第21回 動力・エネルギー技術シンポジウム
  • Place of Presentation: 横浜市開港記念会館（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-06-16
• [Presentation] 回転電気機械の流動特性に及ぼす内部形状の影響 (2016)
  • Author(s): 山本 美有紀、湯淺 朋久、本間 優人、平野 覚、江尻 光良、金川 哲也、金子暁子、阿部豊
  • Organizer: 第21回 動力・エネルギー技術シンポジウム
  • Place of Presentation: 横浜市開港記念会館（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-06-16