| 研究課題/領域番号 |
18H01766
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
汲田 幹夫 金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (60262557)
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| 研究分担者 |
児玉 昭雄 金沢大学, 機械工学系, 教授 (30274690)
東 秀憲 金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (40294889)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 金属塩複合材料 / 収着冷凍 / 結晶性制御 / 熱・物質移動 |
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| 研究実績の概要 |
本研究で対象とする金属塩／陽極酸化アルミニウム複合材は，ケミカル冷凍機の主要素である反応材熱交換器を構成する高伝熱性蓄熱材料であり，冷媒蒸気の収着と熱移動がほぼ同じ場所で進行し得る点が最大の特徴である。本研究では，本複合材の冷媒蒸気収着能を最大化するために多孔質酸化皮膜内に添着する金属塩の結晶性を向上させる調製法を確立し，本複合材のケミカル冷凍機への適用性について検討することを目的としている。今年度の研究実績は以下に示す通りである。
金属塩の添着担体となる多孔質酸化アルミニウム皮膜を，シュウ酸およびリン酸を用いる陽極酸化処理により調製し，皮膜細孔の拡大処理を施した後に，塩化カルシウム（CaCl2）を溶液含浸法で細孔内に添着した。その結果，CaCl2添着複合材の水蒸気収着平衡は担体皮膜の細孔容積とCaCl2添着量の影響を受け，収着速度は皮膜細孔の直径と開孔率が大きい場合に速くなることを明らかにした。また，CaCl2添着量が少ない複合材は水蒸気収着容量が減少し，結晶性CaCl2単体とは異なる収着挙動を示すことを確認した。一方で，CaCl2添着複合層のX線回折結果から，CaCl2の結晶性は複合材調製条件の影響を受け，特に，含浸溶液中のCaCl2濃度が高く，そして，含浸後の焼成温度を200℃とする場合に，高い結晶性を有するCaCl2を皮膜細孔内に添着できることを明らかにした。
CaCl2添着アルミニウム複合材に対する水蒸気収着挙動を理論的に検討する第一段階として，蒸気吸着平衡ならびに速度データの蓄積がある活性炭素繊維成形体／メタノール吸着系の熱・物質移動モデルを構築し，吸着速度定数をパラメータとする数値解析を実施した結果，成形体への蒸気吸着と熱移動の過渡的挙動を良好に再現できることを確認した。そして，CaCl2添着複合材／水蒸気収着系に展開するために本モデルの修正を行った。
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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
アルミニウム平板を酸性浴中で電解処理することにより得られる酸化アルミニウム皮膜には直径数十nmオーダーの無数のシリンダー状細孔が生成する。この細孔内に水蒸気等の冷媒蒸気を収着する金属塩を添着することで，蒸気収着と熱移動が迅速に進行する高伝熱性蓄熱材が得られる。今年度は，塩化カルシウム（CaCl2）添着アルミニウム複合材の水蒸気収着能の向上を目指し，酸化アルミニウム皮膜担体およびCaCl2添着複合材の調製条件を広範囲に変化させて，複合材の水蒸気収着平衡，収着速度ならびに添着CaCl2の結晶性について実験的検討を行った。皮膜担体の調製では，電解浴種，通電条件，そして，細孔径拡大処理時のカソード分極操作条件を適切に組み合わせることで，所望の細孔構造を有する酸化アルミニウム皮膜を得ることができた。そして，調製したCaCl2添着複合材の水蒸気収着特性（平衡および速度）と複合材調製条件の関連性を系統的に明らかにするとともに，細孔内CaCl2の結晶性に及ぼす影響因子を概ね把握することでき，特に，高結晶性のCaCl2を析出させるためには，一定濃度以上のCaCl2溶液が必要であり，溶液含浸後の試料焼成には最適温度が存在することを見出した。一方で，CaCl2添着アルミニウム複合材の水蒸気収着挙動の理論解析に関しては，その第一段階として多くの実験データを保有する活性炭素繊維成形体／メタノール吸着系に対して１次元熱・物質移動モデルを構築し，成形体への蒸気吸着と熱移動が平衡に至るまでの過渡的挙動を良好に再現できることを実証した（論文発表）。そして，本モデルをCaCl2添着複合材／水蒸気収着系に展開するために，皮膜細孔内の水蒸気拡散速度と添着CaCl2の水蒸気収着速度を加味した２次元モデルの構築を行った。以上より，本研究の進展はおおむね順調と考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度得られた研究結果を踏まえて今後は以下に示すように，冷凍操作により好適な金属塩／陽極酸化アルミニウム複合材の調製に取り組み，本複合材を適用する高出力収着冷凍システムの構築に向けた検討を進める。なお，金属塩と冷媒の組み合わせは塩化カルシウム－水系を第一候補とし，研究の進展に基づいて，塩化カルシウム－メタノール系，塩化リチウム－水系等の検討も視野に入れる。
金属塩添着複合材の蒸気収着容量の増大には，添着担体となる多孔質酸化アルミニウム皮膜の細孔容積や比表面積が大きく，より多くの金属塩を添着することが望まれ，これに加えて，高い結晶性の金属塩の析出が重要となる。一方で，収着速度の向上には，細孔内の蒸気拡散空間の確保と複合材中の熱授受の基となるアルミニウム基材部のある程度の残存が必要である。これらに鑑み，陽極酸化アルミニウム皮膜担体と金属塩添着複合材の調製条件を高度に制御することで冷凍操作に最適な複合材を取得する。また，添着金属塩の結晶性は析出処理条件のみならず細孔壁との相互作用により変化する可能性があり，皮膜細孔内での金属塩の結晶化過程（核形成，結晶成長）についても検討し，金属塩の蒸気収着促進に繋げる。収着冷凍システムの構築に関しては，金属塩／アルミニウム複合材を適用する収着熱交換器を設計・試作するために，複合材の蒸気収着および伝熱特性を理論的に明らかにする。ここでは，最適化した複合材の蒸気収着平衡と収着速度をそれぞれ定式化し，これらを数値解析モデルに組み込み，その妥当性を検証した上で，冷凍操作に最適な収着熱交換器の設計指針を得る。そして，実際に調製した金属塩添着アルミニウム複合材を適用した収着冷凍システムにより冷凍出力の評価を定量的に行う。
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