| 研究課題/領域番号 |
17K06319
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| 研究機関 | 福井工業大学 |
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研究代表者 |
中尾 一成 福井工業大学, 工学部, 教授 (50586469)
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| 研究分担者 |
木村 紀之 大阪工業大学, 工学部, 教授 (00144428)
大村 直人 神戸大学, 工学研究科, 教授 (50223954)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 誘導加熱 / 翼伝熱特性 / 時定数 / 孤立混合領域 |
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| 研究実績の概要 |
(1)IH撹拌機の翼伝熱特性把握 本研究では 490<Re<54000 の範囲において誘導加熱された撹拌翼まわりの熱伝達特性を明らかにし、これらを基に熱伝達率をj因子の形に一般化し、他の撹壁伝熱や翼伝熱方式と比較した。また、電磁界－熱流体連成解析を行い、精度検証を実施した上でその手法を確立し、以下の結論を得た。1) IHMI(Induction Heating Mixing Impeller)の翼伝熱に関して、準定常状態における撹拌翼温度と槽内溶液温度の差から熱伝達率 h を求め、次の伝熱相関式を得た。j=Nu/(Pr^(1/3) Vis^(-0.14) )=4.13Re^0.53 2) IHMIの撹拌翼伝熱におけるj因子は、槽壁伝熱の5倍、従来の撹拌翼伝熱の2倍である。3) 電磁界－熱流体連成解析を行い、実験値と比較し誤差率は14.0 %、時定数τの誤差率は9.1 %の精度であり、電磁界・熱流体の連成解析手法が確立された。
(2)IH撹拌翼による非定常混合特性 2017年度は、外部コイルから翼を誘導加熱する構成であったが、2018年度ディスクタービン翼2枚に絶縁された誘導加熱コイルをパッキングした内部加熱ディスクタービン翼と、誘導加熱用高周波インバータを設計製作した。
(3)IH撹拌機への非接触給電システムの構築 1)円筒型コイル形状の給電効率や加熱効率を実験的、解析的に評価した。その結果、トランスレスにて給電効率95%以上、加熱効率90%以上と実用に供しうることを検証した。 2)巻数比2対1での変圧を確認し、周波数30[kHz]の場合に最適な効率が得られた。3)熱負荷を伴う等価回路を構築し、等価回路から算出された給電効率は十分な精度で実験値と一致した。
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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
IH撹拌翼の伝熱特性については、水、グリセリン60Wt%、グリセリン80wt%水溶液を用いて回転数10～60rpmの範囲において、翼溶液間の伝熱特性を把握した。その結果を欧州化学工学会のEuropean Conference on Mixing主催のMixing16に投稿、発表した。また、孤立混合領域の混合促進による消滅時間に関する実験に向けては、2017年度における外部からの誘導加熱レイアウトに代えて、新たに内部翼IH加熱装置を作製し、2019年度から実験開始の目途がたった。さらに、非接触給電に関しても、円筒コイル形の等価回路による理論値と実験値が十分に一致すること、また、給電効率95%以上、加熱効率90%以上と十分に実用に供しうる効率が実験的に得られた。
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| 今後の研究の推進方策 |
翼の伝熱特性に関しては実験的に基本的なデータが蓄積された。平成31年度は晶析装置を想定し、水、グリセリン水溶液による定常熱解析を行う。また、実用的な観点から、誘導加熱コイルが撹拌翼に囲まれた密閉撹拌翼を試作し、その伝熱特性、加熱時定数などを把握する。
内部翼加熱撹拌によるIMR(孤立混合領域)の除去に関しては、2018年度に試作したディスクタービン誘導加熱翼にて高粘性流体を用いた層流混合場での撹拌操作実験を新たに行い、IMR除去性能に関する基本データを蓄積する。同時に、その混合促進メカニズムについて考察する。
非接触給電方式に関しては、コンパクト化、高効率化を目指した円筒形の構成を提案し高効率な給電効率、加熱効率を実験的かつ等価回路モデルにより解析的に把握することが出きたので、発表・論文投稿する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2018年度にIMRの除去の検証実験用に撹拌翼、コイル及び高周波インバータを試作した。当初は外注にて製作予定であったが教育的効果も狙い、学生が自作したため経費が節減された。2019年度への繰り越しにあたっては冷却系の整備に計上する予定である。
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