熱輸送デバイス/熱電エンジンによる熱回収システム化技術

• 研究課題/領域番号: 13852008
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 西尾 茂文 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00111568)
• 研究分担者: 相澤 龍彦 東京大学, 国際・産学共同研究センター, 教授 (10134660) ; 白樫 了 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (80292754)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 122,980千円 (直接経費: 94,600千円、間接経費: 28,380千円); 2005年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円); 2004年度: 18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円); 2003年度: 33,930千円 (直接経費: 26,100千円、間接経費: 7,830千円); 2002年度: 24,700千円 (直接経費: 19,000千円、間接経費: 5,700千円); 2001年度: 37,050千円 (直接経費: 28,500千円、間接経費: 8,550千円)
• キーワード: エネルギー有効利用 / 低温排熱 / ヒートパイプ / 熱電素子 / ソフトエンジン / 低温廃熱 / 排熱回収 / 熱電モジュール / 固相合成プロセス / 熱電シート

研究概要

各種調査結果を基に温度レベルごとの排熱量を推計し、300℃以上の排ガスが少なくとも一次エネルギーの7%、85〜300℃の排ガスが少なくとも4%存在することが分かった。
排熱回収用の熱輸送デバイスとして、細径化による外側熱伝達特性の改善が最も期待できるSEMOS-heat-pipeを選定し、R141bを作動流体として、高温部・低温部間の短尺化(20mm程度)と内径0.5mmへの細径化とにより姿勢自由度の高いSEMOS-heat-pipeを開発した。これを原型として、250℃までの温度範囲で作動する細径・短尺・自由姿勢SEMOS-heat-pipeの開発に成功した。さらに、熱輸送特性を予測しSEMOS-heat-pipeに関する設計指針を得るため、蒸気プラグ部と液体スラグ部とを作動流体ユニットとするシミュレーションモデルを構築した。
中間温度域で従来使用されてきたPb-Te系に代わって利用できる高効率熱デバイス材料の探査と創製実験とを行い、p型に関しては、Zn-Sb系において、700K程度まで高効率で、ZT=0.91の数値を達成できることを確認した。次に、出発元素粒素材から微細組織制御された熱電合金・熱電化合物シート材までのデバイス化プロセスを開発した。特にBi-Te系においては、溶解-鋳造過程、単結晶創製過程なしに、単結晶と同程度の熱電特性と単結晶材の7倍強の強度を有する熱電シートを創製できた。最後に、p型・n型デバイスと電極とをバッファー材を介して直接拡散接合させることで、半田フリーのプロセスを開発した。
ビスマス・テルル系汎用熱電モジュールの両面にSEMOS heat pipeをそれぞれ1本ずつ加熱用、冷却用として配置したモデルエンジンを試作し、変換効率0.86%が得られることを示した。SEMOS heat pipeの実効熱伝導率は銅の100倍程度に達しているが、接合部における熱抵抗の軽減が課題として残った。

研究成果

• [雑誌論文] Solid state synthesis of ternary thermoelectric magnesium alloy, Mg^2Si^1^-^XSn^X (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa.R.Song, A.Yamamoto
  • 雑誌名: Materials Transactions (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Mechanically induced reaction for solid-state synthesis of Mg^2Si and Mg^2Sn (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, R.Song
  • 雑誌名: Journal of Intermetallics 14(4) ページ: 382-391
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Solid state synthesis of ternary thermoelectric magnesium alloy, Mg2Sil-xSnx (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, R.Song, A.Yamamoto
  • 雑誌名: Materials Transactions (accepted ; in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Mechanically induced reaction for solid-state synthesis of Mg2Si and Mg2Sn (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, R.Song
  • 雑誌名: J. Intermetallics 14(4) ページ: 328-391
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Texture control of bulk mechanical alloyed Bi-Te thermoelectric materials via shear extrusion (2005)
  • 著者名/発表者名: S.S.Kim, T.Aizawa
  • 雑誌名: Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials 24-25 ページ: 197-200
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Solid-state synthesis of Mg^2Si^1^-^XY^X (Y = Ge and Si) thermoelectric materials via bulk mechanical alloying (2005)
  • 著者名/発表者名: R.B.Song, T.Aizawa, A.Yamamoto, T.Obara
  • 雑誌名: Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials 24-25 ページ: 347-350
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Solid-state synthesis of Mg-Si-Ge ternary thermoelectric materials (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, R.Song, A.Yamamoto
  • 雑誌名: Materials Transactions 46(7) ページ: 1490-1496
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 電子・通信機器の統合熱管理システム (2005)
  • 著者名/発表者名: 西尾茂文
  • 雑誌名: ヒートパイプ技術 28(1) ページ: 10-26
  • NAID: 40006601934
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Experimental and theoretical evalution on thermoelecricity for SPS-joined p-n module in Bi-Te system (2005)
  • 著者名/発表者名: S.S.Kim, S.Yamamoto, T.Aizawa, A.Yamamoto
  • 雑誌名: Materials Transactions 46(7) ページ: 1506-1513
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Texture control of bulk mechanical alloyed Bi-Te thermoelectric materials via shear extrusion (2005)
  • 著者名/発表者名: S.S.Kim, T.Aizawa
  • 雑誌名: J. Metastable and Nanocrystalline Materials 24-25 ページ: 197-200
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Solid-state synthesis of Mg2Sil-xYx (Y=Ge and Si) thermoelectric materials via bulk mechanical alloying (2005)
  • 著者名/発表者名: R.B.Song, T.Aizawa, A.Yamamoto, T.Obara
  • 雑誌名: J. Metastable and Nanocrystalline Materials 24-25 ページ: 347-350
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Integrated Thermal-Control System for Electronic and Information Equipments (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Nishio
  • 雑誌名: Heat Pipe Technology 28(1) ページ: 10-26
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Experimental and theoretical evaluation on thermoelectricity for SPS-joined p-n module in Bi-Te system (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Kim, S.Yamamoto, T.Aizawa, A.Yamamoto
  • 雑誌名: Materials Transactions 46(7) ページ: 1506-1513
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Heat Transport Characteristic in Closed Loop Oscillating Heat Pipes (2005)
  • 著者名/発表者名: S.F.Wang, S.Nishio
  • 雑誌名: Proc.ASME Heat Transfer Conference
• [雑誌論文] Study on Closed Loop Oscillating Heat Pipe (2005)
  • 著者名/発表者名: S.F.Wang, S.Nishio
  • 雑誌名: International Conference On Micro Energy Systems ページ: 83-83
• [雑誌論文] 電子・通信機器の統合熱管理システム (2005)
  • 著者名/発表者名: 西尾 茂文
  • 雑誌名: ヒートパイプ技術 28・2 ページ: 10-26
  • NAID: 40006601934
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of anisotropy-controlled p-type Bi-Te-Sb system via bulk mechanical allying and shear extrusion (2004)
  • 著者名/発表者名: S.S.Kim, S.Yamamoto, T.Aizawa
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 375(1-2) ページ: 107-113
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] critical Heat Transport Rate of Micro SEMOS Heat Pipe (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Nagata, S.Wang, J.Xu, S.Nishio
  • 雑誌名: Thermal Science and Enginerin g 12・4 ページ: 65-66
  • NAID: 10013430263
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Crystallographic anisotropy control of n-type Bi-Te-Se thermoelectric material via bulk mechanical alloying and shear extrusion (2004)
  • 著者名/発表者名: S.S.Kim, T.Aizawa
  • 雑誌名: Materials Transaction 45(3) ページ: 918-924
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of Bi-Te based materials prepared by bulk mechanical alloying (2004)
  • 著者名/発表者名: S.S.Kim, S.Yamamoto, T.Aizawa
  • 雑誌名: Trans. MRS-Japan 29(6) ページ: 2789-2792
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Solid state synthesis of non-equilibrium phase in Mg-Co and Mg-Fe systems via bulk mechanical alloying (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, K-I.Hasehira, C.Nishimura
  • 雑誌名: Mater. Trans 44(4) ページ: 2003-2003
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of anisotropy-controlled p-type Bi-Te-Sb system via bulk mechanical alloying and shear extrusion (2004)
  • 著者名/発表者名: S.S.Kim, S.Yamamoto, T.Aizawa
  • 雑誌名: J. Alloys and Compounds 375(1-2) ページ: 107-113
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Critical Heat Transport Rate of Micro SEMOS Heat Pipe (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Nagata, S.Wang, J.Xu, S.Nishio
  • 雑誌名: Thermal Science and Engineering 12(4) ページ: 65-66
  • NAID: 10013430263
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Critical Heat Transport Rate of Micro SEMOS Heat Pipe" (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Nagata, S.Wang, J.Xu, S.Nishio
  • 雑誌名: Thermal Science and Enginering 12・4 ページ: 65-66
  • NAID: 10013430263
• [雑誌論文] Study of themal characteristics of bubble-driven heat-transport device (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Nisio, S.Nagata, S.Numata, R.Shirakashi
  • 雑誌名: Hear Transfer-Asian Research 32(2) ページ: 167-177
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Solid state synthsis of non-equilibrium Mg2Co via bulk mechanical alloying (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, H.Hasehira
  • 雑誌名: Materials Science Forum 419-422 ページ: 989-994
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Micro Thermal System (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Nishio
  • 雑誌名: Thermal Science and Engineering 11(3) ページ: 1-7
  • NAID: 10011242880
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Cold coating of magnesium base alloy films by ion beam sputtering (2003)
  • 著者名/発表者名: A.Mitsuo, T.Aizawa
  • 雑誌名: Materials Science Forum 419-422 ページ: 927-930
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] マイクロ熱システムの内包 (2003)
  • 著者名/発表者名: 西尾茂文
  • 雑誌名: 日本機会学会論文集 69(B編)(679) ページ: 53-540
  • NAID: 110002387902
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Study of thermal characteristics of bubble-driven heat-transport device (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Nishio, S.Nagata, S.Numata, R.Shirakashi
  • 雑誌名: Heat Transfer-Asian Research 32(2) ページ: 167-177
  • NAID: 110002395743
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Solid state synthesis of non-equilibrium Mg2Co via bulk mechanical alloying (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, H.Hasehira
  • 雑誌名: Materials Science Forum 419-422 ページ: 989-994
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Solid state synthesis of non-equilibrium phase in Mg-Co and Mg-Fe systems via bulk mechanical alloying (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, K-I.Hasehira, C.Nishimura
  • 雑誌名: Mater. Trans 44(4) ページ: 601-610
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Micro Thermal Systems (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Nishio
  • 雑誌名: Thermal Science and Engineering 11(3) ページ: 1-7
  • NAID: 10011242880
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Connotation of Micro thermal systems (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Nishio
  • 雑誌名: Trans. JSME 69B(679) ページ: 535-540
  • NAID: 110002387902
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] SEMOS Heat Pipeに関する研究 (2002)
  • 著者名/発表者名: 西尾茂文, 永田真一, 馬場文朗
  • 雑誌名: 日本機会学会論文集 68(B編)(671) ページ: 2086-2092
  • NAID: 110002387367
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Study of SEMOS Heat Pipe (2002)
  • 著者名/発表者名: S.Nishio, S.Nagata, S.Baba
  • 雑誌名: Trans. JSME 68B(671) ページ: 2086-2092
  • NAID: 110002387367
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Nano-Structured materials via bulk mechanical alloying (2001)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, K.Kondoh
  • 雑誌名: Scripta Materia. 44 ページ: 1751-1755
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effect of processing parameters on thermoelectric properties of p-type (Bi2Te3)0.25 (Sb2Te3)0.75 prepared via BMA-HP method (2001)
  • 著者名/発表者名: J.Y.Yang, T.Aizawa, A.Yamamoto, T.Ohta
  • 雑誌名: Materials Chemistry and Physics 70 ページ: 90-94
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Nano-structured materials via bulk mechanical alloying (2001)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa, K.Kondoh
  • 雑誌名: Scripta materia. 44 ページ: 1751-1755
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Nano-Structuring for materials processing and metal forming. Recent Advancement of Nanometals and Their Applications (Ch.3)
  • 著者名/発表者名: T.Aizawa
  • 雑誌名: CMC ページ: 201-208
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] ナノメタルの最新技術と応用開発(3章) (2003)
  • 著者名/発表者名: 相澤 龍彦
  • 総ページ数: 8
  • 出版者: シーエムーシー出版
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Nishio: "Micro Thermal Systems"Thermal Science and Engineering. 11・3. 1-7 (2003)
• [文献書誌] S.Nishio: "Single-Phase Laminar-Flow Heat Transfer and Two-Phase Oscillating-Flow Heat Transport in Microchannels"Proc.the First International Conference on Microchannels and Minichannels. 129-140 (2003)
• [文献書誌] S.S.Kim, S.Yamamoto, T.Aizawa: "Thermoelectric properties of anisotropy-controlled p-type Bi-Te-Sb system via bulk mechanical alloying and shear extrusion."J.Alloys and compounds. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] T.Aizawa, K-I.Hasehira, C.Nishimura: "Solid state synthesis of non-equilibrium phase in Mg-Co and Mg-Fe systems via bulk mechanical alloying."Materials Transaction. 44・4. 601-610 (2003)
• [文献書誌] T.Aizawa, R.Song, K.Kondoh, A.Yamamoto, H.Obara: "Solid state synthesis of magnesium base thermoelectric semi-conducting materials. Proc.ASM International (Pittsburgh, Oct.15^<th> 2003)."Proceedings ASM International Conference. X1. 312-328 (2003)
• [文献書誌] 相澤 龍彦: "ナノメタルの最新技術と応用開発 (3章)"シーエムシー出版. 8 (2003)
• [文献書誌] 西尾茂文, 永田真一, 馬場史朗: "SEMOS heat pipeに関する研究"日本機械学会論文集. 68・671B. 2086-2092 (2002)
• [文献書誌] Y.Kojima, T.Aizawa, S.Kamado, K.Higashi: "Progressive steps in the platform science and technology for advanced magnesium alloys"Materials Science Forum. 419・422. 3-20 (2002)
• [文献書誌] K.Kondoh, E.Yuasa, T.Aizawa: "Solid-state synthesis of Mg2Si intermetallic compound via powder metallurgy Process"Materials Science Forum. 419・422. 745-750 (2002)
• [文献書誌] A.Mitsuo, T.Aizawa: "Cold coating of magnesium base alloy films by ion beam sputtering"Materials Science Forum. 419・422. 927-930 (2002)
• [文献書誌] T.Aizawa, K.Hasehira: "Solid state synthesis of non-equilibrium Mg2Co via bulk mechanical alloying"Materials Science Forum. 419・422. 989-994 (2002)
• [文献書誌] W.Du, K.Kondoh, E.Yuasa, R.Tsuzuki, T.Aizawa: "Insitu solid-state synthesis of Mg2Si/MgO/Mg composites"Materials Science Forum. 419・422. 783-788 (2002)
• [文献書誌] 西尾茂文, 永田真一, 馬場史朗: "SEMOS Heat Pipeに関する研究"日本機械学会論文集. (掲載予定). (2002)
• [文献書誌] J.Ye.Yang, T.Aizawa, A.Yamamoto, T.Ohta: "Effect of processing parameters on thermoelectric properties of p-type (Bi_2Te_3)_<0.25> (Sb_2Te_3)_<0.75> prepared via BMA-HP method"Materials Chemistry and Physics. 70. 90-94 (2001)
• [文献書誌] T.Aizawa, K.Kondoh: "Nano-structured materials via bulk mechanical alloying"Scipta Mater. 44. 1751-1755 (2001)
• [文献書誌] J.Ye.Yang, T.Aizawa, A.Tamamoto, T.Ohta: "Preparation of p and n type materials for one-step consolidation of thermoelectric pn junction"Proc. 2000 Powder Metallurgy World Comgress. Jpn. Powder and Powder Metallurgy. 1381-1384 (2001)