| 研究課題/領域番号 |
22KF0026
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| 補助金の研究課題番号 |
21F51736 (2021-2022)
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 (2023)
補助金 (2021-2022) |
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| 応募区分 | 外国 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
小宮 敦樹 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (60371142)
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| 研究分担者 |
LOMBARDI GIULIA 東北大学, 流体科学研究所, 外国人特別研究員
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| 研究期間 (年度) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2022年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2021年度: 500千円 (直接経費: 500千円)
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| キーワード | 弾性熱量効果 / 冷却機構 / 弾性体 / 熱交換 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の概要は，天然ゴム等の弾性体変形時におけるエントロピー変化と力学的負荷の関係を明らかにし，非定常熱移動を効率よく利用して冷却機器の実現を目指すものである．この目的達成のためには伝熱工学的なアプローチの他，材料工学的な知見も重要なものとなるため学際的な研究コミュニティを形成する．天然ゴム応力負荷時の非一様と推定される温度勾配の評価とその過渡性について定量評価を行い，高効率に熱交換が実現できる弾性体の素材評価を行う．
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| 研究実績の概要 |
本研究では，弾性熱量効果を用いたエネルギーの有効利用が可能な冷却機器の実現を目指すことを目的としている．研究2年目の本年度は，弾性体と作動流体間の熱交換システム伝熱モデルを構築し，マルチチューブにおける弾性熱量効果実験をパラメトリックに行った．具体的なパラメータとしては，弾性体伸長率，弾性体の伸縮周期，応力負荷量，作動流体の流速，流体使用率，周囲温度および弾性体の並列本数である．また，並行して弾性体の耐性試験も実施した．
熱交換システムの伝熱モデルに関しては，研究初年度に「弾性体」と「作動流体」を評価し，本年度は評価した内容から弾性体はラテックス（天然ゴム）の物性を用い，また作動流体は「水」を用いることとした．これは水の熱容量が他の作動流体に比して大きく，本研究で提案する熱交換系では効率的な熱の輸送が可能となるからである．これらの素材を用いて伝熱モデルを構築し，モデルによる数値シミュレーションの結果，弾性体の伸長率は4-6倍程度，伸縮周期は0.1Hz，また作動流体の使用率は100%，つまり初期の内包流体を全て用いることで最大の効率を得られることが明らかとなった．
この運転条件を基に，シングルおよびマルチチューブでの性能実験を実施した．性能評価には2つの熱交換器を用い，高温側および低温側に運ばれてくる流体温度の差から効率を算出した．その結果，提案した運転条件による試験では，1.5W程度（1kgの弾性体を用いた場合は、140W/kg）の出力が期待できることが分かった．これを成績係数に置き換えると5程度となり，現行の冷凍機器とほぼ同等の性能を示すことが実験的に明らかとなった．本研究成果は国際学術雑誌Applied Thermal Engineeringに掲載され、同時に国内およびフランス国においてプレスリリースを行った．次年度以降は，更なる効率向上の運転条件を検討していく．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
交付申請書に記載した研究計画に照らし合わせて，本年度は概ね順調に進展していると判断することができる．本年度は具体的目標として「伝熱モデルの構築」と「弾性熱量効果実験の実施および性能評価」を掲げたが，ともにほぼ計画通り，一部は計画を超える進展となった．このうち「伝熱モデルの構築」においては，具体的な弾性体と作動流体の組み合わせを決定し，その運転条件を決定した．多数のパラメータが存在する運転条件にて，最適な条件をモデルにより確定することができたのは十分な成果であったと言える．また，「実験実施/評価」においては，モデルにて検討した運転条件に則した実験装置を組上げ，定量的な性能評価を行うことができた．天然ゴムなど弾性体は他の金属系弾性体に比して効率が期待できなかったが，最適条件にて諸々を作動させることにより，その性能は他の素材に劣らないことが分かった．また，これらの成果を論文発表およびプレスリリースすることにより，複数の国内ゴム製造企業から共同研究の打診を受けるなど，成果のインパクトも大きかったことがわかる．以上をまとめると，次年度の研究につながる十分な研究成果の取得ができたと判断できる．
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度の研究の進展がおおむね順調に進展したことから，次年度以降も研究計画に大きな変更を加えることなく，申請書の内容を維持し研究を進めていく．また，本年度までは最大温度差を作る基本部分の評価であったことから，次年度は研究計画書に記載の「冷却システム実現」に注力した研究を展開していく．具体的にはこれまで2つの熱交換器に代替していた部分に冷却機構の機能を付加し，冷却能としてどの程度の性能を得ることができるかを定量評価し，産業界への応用を出口目標に据えた装置全体のパッケージ化，縮小化等も並行して検討を進めていく．装置の縮小化のキーとなるのは弾性体の物性であることから，次年度は本年度同様，材料工学を専門とする海外研究者との連携を密にし，弾性体の物性評価を進めていく．これまではオンライン会議を軸に間欠的な議論を紡ぎ合わせての研究推進であったが，次年度以降はオンサイトの会議を積極的に進めていく．
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