トポロジー最適化に基づく熱電素子のナノ複合構造設計

• 研究課題/領域番号: 26246047
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 計算科学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 泉井 一浩 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90314228)
• 研究分担者: 松本 充弘 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10229578) ; 西脇 眞二 京都大学, 工学研究科, 教授 (10346041) ; 山田 崇恭 京都大学, 工学研究科, 助教 (30598222)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 40,820千円 (直接経費: 31,400千円、間接経費: 9,420千円); 2017年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円); 2016年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円); 2015年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2014年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円)
• キーワード: 熱電素子 / 構造最適化 / ナノ複合構造 / フォノン / 電子 / 最適設計 / トポロジー最適化 / 最適化 / 設計 / 設計工学

研究成果の概要

本研究では，熱電素子のナノ構造に着目し，抜本的に高性能な素子材料を設計するための，構造最適化法の開発を行った．熱電素子のナノ複合構造の特性は格子振動（フォノン）と電子の挙動の両者に依存するため，その複雑な挙動を解明するための，ボルツマン輸送方程式に基づいた数値解析法の開発と，その数値解析法を利用した形状最適化法の開発を行った．これらの方法を用いることで，物理的，及び，数学的な根拠に基づいて最適なナノ複合構造の設計を行う可能性を示した．

研究成果

• [雑誌論文] Shape sensitivity for a two-phase heat conduction problem considering nanoscale effects (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Furuta, A. Sato, K. Izui, M. Matsumoto, T. Yamada and S. Nishiwaki
  • 雑誌名: Journal of Advanced Mechanical Design Systems and Manufacturing 巻: 12
  • NAID: 130006304344
  • 査読あり
• [雑誌論文] Level Set-based Topology Optimization for the Design of a Peltier Effect Thermoelectric Actuator (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Furuta, K. Izui, K. Yaji, T. Yamada and S. Nishiwaki
  • 雑誌名: Structural and Multidisciplinary Optimization 巻: 55 ページ: 1671-1683
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sensitivity analysis for energy minimization problems in phonon heat transfer systems (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Furuta, A. Sato, K. Izui, T. Yamada, M. Matsumoto and S. Nishiwaki
  • 雑誌名: Japan Society of Computational Methods in Engineering 巻: 17 ページ: 143-148
  • NAID: 40021431318
  • 査読あり
• [学会発表] 質境界面における温度不連続性を考慮したナノスケール熱伝導のトポロジー最適化手法の構築 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古田幸三，佐藤綾美，泉井一浩，山田崇恭，西脇眞二
  • 学会等名: 2017年度精密工学会春季大会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2017-03-13
• [学会発表] ボルツマン輸送方程式に基づく最適設計に関する一考察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古田幸三，佐藤綾美，泉井一浩，山田崇恭，西脇眞二
  • 学会等名: 日本応用数理学会2017年研究部会連合発表会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2017-03-06
• [学会発表] Level set-based topology optimization for thermoelectric nanostructures considering the temperature discontinuity based on the Boltzmann transport equation (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Furuta, A. Sato, K. Izui, M. Matsumoto, T. Yamada and S. Nishiwaki
  • 学会等名: 12th World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimisation,
  • 国際学会
• [学会発表] Shape sensitivity for thermal design problem based on the Boltzmann Transport Equation (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Furuta, A. Sato, K. Izui, M. Matsumoto, T. Yamada and S. Nishiwaki,
  • 学会等名: The 9th US and Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena
  • 国際学会
• [学会発表] 高機能熱電デバイスのトポロジー最適化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 古田幸三，折井将彦，泉井一浩，山田崇恭，西脇眞二
  • 学会等名: 第26回設計工学・システム部門講演会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2016-10-08
• [学会発表] opology Optimization of Nanoscale Heat Conduction with the Boltzmann Transport Equation (2016)
  • 著者名/発表者名: Kozo Furuta, Kazuhiro Izui, Mitsuhiro Matsumoto, Takayuki Yamada, Shinji Nishiwaki
  • 学会等名: the 7th International Conference on Computational Methods (ICCM2016)
  • 発表場所: Berkeley, CA, USA
  • 年月日: 2016-08-01
• [学会発表] Topology Optimization of Heat Conduction Considering Phonon Dynamics at the Nano Scale (2016)
  • 著者名/発表者名: Kozo Furuta, Kazuhiro Izui, Mitsuhiro Matsumoto, Takayuki Yamada, Shinji Nishiwaki,
  • 学会等名: The 12th World Congress on Computational Mechanics (WCCM 2016)
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 年月日: 2016-06-24
• [学会発表] 熱電素子ナノ構造のトポロジー最適化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 古田幸三，泉井一浩，松本充弘，山田崇恭，西脇眞二
  • 学会等名: 第21回計算工学講演会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 2016-05-31
• [学会発表] Level set-based topology optimization for thermoelectric devices (2016)
  • 著者名/発表者名: Kozo Furuta, Masahiko Orii, Kazuhiro Izui, Takayuki Yamada, Shinji Nishiwaki
  • 学会等名: Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization 2016 (ACSMO 2016)
  • 発表場所: Nagasaki
  • 年月日: 2016-05-22
  • 国際学会
• [学会発表] BTE-Based Modelling of Phonon/Electron Transport (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Mukai, Satoshi Seo, Mitsuhiro Matsumoto
  • 学会等名: Proceedings of the First Pacific Rim Thermal Engineering Conference (PRTEC2016)
  • 発表場所: Hawaii
  • 年月日: 2016-03-13
  • 国際学会
• [学会発表] 固体中のエネルギー輸送のマイクロスケールモデリング (2015)
  • 著者名/発表者名: 向井峻介，妹尾悟志，松本充弘
  • 学会等名: 第29回分子シミュレーション討論会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 2015-11-30
• [学会発表] ペルチェ効果を用いた熱アクチュエータのトポロジー最適 化 (2015)
  • 著者名/発表者名: (288)古田幸三，泉井一浩，山田崇恭，西脇眞二
  • 学会等名: 第25回設計工学・システム部門講演会
  • 発表場所: 長野
  • 年月日: 2015-09-23
• [学会発表] 固体中のエネルギー輸送のマイクロスケールモデリング (2015)
  • 著者名/発表者名: 向井峻介，妹尾悟志，松本充弘
  • 学会等名: 第52回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 博多
  • 年月日: 2015-06-03
• [学会発表] Microscale Modeling of Energy Transport in Solids (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Mukai, Satoshi Seo, Mitsuhiro Matsumoto
  • 学会等名: Proceedings of the 5th International Symposium on Micro and Nano Technology (ISMNT5)
  • 発表場所: Calgary
  • 年月日: 2015-05-18
  • 国際学会