ゼーベック効果を利用した低温流体用熱交換器の改良

• Project/Area Number: 20H01169
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: 4120:Environmental analyses and evaluation, environmental conservation measure and related fields and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Tada Kohei 京都大学, 工学研究科, 技術職員
• Project Period (FY): 2020-04-01 –
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥410,000 (Direct Cost: ¥410,000); Fiscal Year 2020: ¥410,000 (Direct Cost: ¥410,000)
• Keywords: 熱交換器 / ペルチェ素子 / ゼーベック効果 / 極低温寒剤

Outline of Research at the Start

外気との熱交換をおこなう熱交換器に液化窒素などの低温ガスが多量に流れた場合、熱交換器の外表面が低温となり凍りつくことで、熱交換の効率が低下する場合がある。ゼーベック素子を利用して熱交換器内部と外気との温度差から起電力を得、電熱線等で熱交換器自体を加熱することができれば、自動で熱交換の効率を維持できるシステムを構築できると考えられる。本研究では、このような熱交換器加熱システムの開発を試みる。

Outline of Final Research Achievements

低温ガスが多量に流れる熱交換器では、それ自体が凍りつくことで熱交換の効率が低下してしまう。この問題を解決するため、必要に応じて電熱線での加熱を自動で入切できる、外部電源を使用しない熱交換器加熱システムを開発することを最終目標とした。低温ガスと外気との温度差からゼーベック効果により起電力を得て電熱線を稼働させれば、求めるようなシステムを開発できると考えた。実験ではモデルとして、金属容器に液化窒素を溜め、容器外表面にペルチェ素子を貼り付け、温度差から生じる起電力を測定した。ペルチェ素子の個数や接続・設置方法を工夫すれば、ゼーベック効果を用いて目標とするシステムを開発できる可能性を確認できた。

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ペルチェ素子を用いたゼーベック効果による発電は、発電それ自身は温度差のみで行うことができクリーンである、可動部分がなく振動・騒音・疲労破壊といった心配がない、電気配線のみで取り扱いが容易、一般に小型・軽量である、といった多くの利点がある。本研究はまだ試行段階ではあるが、ゼーベック効果による発電をインフラ等へ応用する一例を示すことができたのではないかと考えている。