冷凍・氷蓄熱に関する研究

流れる氷　アイススラリーの流動に関する研究

　微細氷と水・水溶液が共存したシャーベット状のものはアイススラリーと呼ばれ，流動性をもつ，熱交換性が高い，熱容量が大きいなどの利点を有します． 右の写真がアイススラリーです． 簡単に言うと，アイススラリーは配管を流すことができる氷です． その優れた特徴をいかして， アイススラリーを機械の冷却のための二次冷媒に用いれば高い冷却能力が発揮され， 蓄熱材に用いれば熱エネルギーをより使いやすい形で蓄えることができます． しかしながら，アイススラリーのような液体と固体の混ざったもの， いわゆる固液二相流は，水などの単相の液体に比べて 流れを制御するのが大変難しいというのが問題点です． 例えば，アイススラリーに含まれる氷の量が多くなるほど冷却性能は向上しますが， その反面流れにくくなり， 氷の量が多すぎると氷が配管に詰まり事故の原因になってしまいます．
　本研究室では，アイススラリーの効果的な活用方法を明らかにするため， アイススラリーの流動と熱交換に関する研究を行っています．

環境に優しい冷凍機の研究

　家庭用の冷蔵庫やエアコン（クーラー）などは 電気を使ってものを冷やす装置であり冷凍機と呼ばれます． その動作原理は物質の蒸発現象を利用しています． 液体は圧力が低い条件では（温度が低くても）蒸発して気体になろうとします． このとき周囲から蒸発潜熱（気化熱）を奪うため周囲は冷却されます． このように液体から気体に変化し熱を奪う物質は冷媒と呼ばれ， 現在多くの冷凍機ではフロン類（フルオロカーボン）が使われいます． フロン類は，フッ素を含む炭素・塩素・水素などの化合物で 人工的に作られた物質です． 安定した性質をもちほとんどのものは無毒・不燃であり大変便利な物質ですが， ものによってはオゾン層破壊や地球温暖化の原因になることがあると言われています．
　本研究室では，将来のクリーンで環境に優しい社会の実現を目指し， フロン類を使わずに水や水溶液を冷媒とする冷凍機について研究しています． また，このような水溶液を使った冷凍機は アイススラリーを効率的に生成する用途に適しています． 右上の写真は，減圧することで（加熱はしていません）水溶液が沸騰して， その際の気化熱により冷却されて，凍結する様子を示しています. 左側の図の大小の丸いものは沸騰により生じた水蒸気の気泡です． 右側の図の細かい白いものは凍結により生じた氷です． （両写真の真ん中の白い棒は攪拌装置です．） このように，この原理では特別な装置がなくても 自然にアイススラリーを生成することができます． この特徴をうまく使えば，次に示すようなエネルギーの有効利用の技術にも 応用できると考えています．

未利用エネルギーの有効利用
～吸収式アイススラリー生成装置の試作～

　本研究室では，上記の冷凍機の原理で 連続的にアイススラリーを生成する装置の試作に取り組んでいます． この装置により， 今まで利用されることが少なかった工業用としては温度の低い（80～200℃）廃熱， いわゆる未利用エネルギーを有効利用することを目指しています．
　この装置では，冷媒を減圧するための原理として， 吸収式冷凍機の原理を使っています． 吸収式冷凍機は，比較的低い温度の熱を主な動力源として動作するため， ほとんど電気を使わずに動作させることができます． 従って，この吸収式アイススラリー生成装置を使えば，電気をほとんど使わずに， 未利用エネルギーを冷凍や冷房に利用可能な（価値の高い） 0℃以下の氷に生まれ変わらせて， 有効に利用することができます．
　右の写真は，本研究室の学生たちが作った 吸収式アイススラリー生成装置の試作機です． 吸収式冷凍機は，蒸発器，吸収器，再生器，凝縮器の4つの部分から成り， それらの部分はいずれも気密性・耐圧性を保持したうえで 適切な温度管理が必要であるため， 試作機は写真のような大掛かりなものになっています． 実用化のためにはもっと無駄をなくして小さくしなくてはいけません． また，この装置を安定して動作させるためにもさまざまな工夫が必要であり， 現在も改良を重ねています．

太陽熱の有効利用に関する研究

太陽熱の分離利用に関する研究

太陽光発電では発電効率を高めるために太陽電池の温度を下げることが有効です． 太陽光の中でも赤外線は，多くの太陽電池では発電に利用できないため， 太陽電池に入射させない方が温度上昇を抑えることができて有利であるといえます． 本研究では，反射する光を波長でわけることができる鏡を使って， 太陽電池への赤外線の入射を抑えることで 発電効率の向上を目指す研究をしています． また，ここで分離された赤外線は適切な方法で回収すれば， 熱エネルギーとして他の用途に有効利用することができるので， 赤外線の集熱方法も重要な研究課題です．
　右の写真は，太陽光を模擬したライトを使って， 光を分離することの効果について検討するための実験装置です． この装置で，入射する光の波長や太陽電池の温度によって， 太陽電池の発電効率がどのように変化するかを測定しています．

太陽熱の集熱と熱輸送に関する研究

　太陽光発電だけでなく， 太陽からの熱エネルギー（太陽熱）を適切に回収・利用することで， 太陽エネルギーをさらに有効に活用することができます．
　右の図の左側の写真は， エリスリトール水溶液スラリー （エリスリトールと水から成る固液二相流）であり， これを用いることで 高密度に太陽熱を蓄え，かつ高温を維持したまま 流動輸送することができると期待されています． 右側の写真は，太陽の光を放物線形状の鏡で集めて 高温にして蓄えるための実験装置です． 本研究室では，エリスリトール水溶液スラリーを使って 太陽熱を効果的に回収・輸送するための研究をしています． そのためには，エリスリトール水溶液スラリーの 性質を明らかにすることが重要であるため， 流動と熱輸送に関する研究を行っています．

熱物性値の測定

氷の融解潜熱の測定

　氷水による鮮魚の保存や氷蓄熱システムなど氷を工業的に利用する上で， 氷が融解する際に発生する熱量（融解潜熱）を正確に把握することは 大変重要です． 氷が融解し水に変化する際の融解潜熱はふるくから知られていますが， 水溶液中で氷が融解する場合には， 凝固点降下の影響や，水溶液の濃度変化に伴う希釈熱の影響で， 見かけ上融解潜熱が小さくなるという現象がおきます．
　本研究室では，実験により， 水溶液中での氷の見かけの融解潜熱を測定するとともに， 見かけの融解潜熱の算出式を理論的に導出し， 簡単に計算する方法を提案しました． この算出式は非常に簡便であるため， アイススラリー（水溶液と氷の混合物）を利用した 工業技術の試算の際などに多く利用されています．

伝熱に関わる諸問題の解決

微細氷の融解現象のシミュレーション

　雪やアイススラリーなどの微細な氷は， 体積あたりの表面積が大きいため熱交換性能に優れています． このことから，速やかに氷を融解させ被冷却物を早く冷やすためには， 微細氷を利用することが効果的です． その利用事例として，微細な氷粒子を充填した容器に温水を流すと， 氷が速やかに融解することで水が冷却され， 空調などに利用可能な冷水を得ることができます． しかし，現実的には氷粒子の充填率には必ずばらつきが生じるため， 氷は一様に融解せず，局所的に融解が進むという現象が生じます． このような一様でない融解過程では， 氷の融解速度の予測が困難であり， これを利用した冷却機器の性能を正しく見積もることができないという問題があります．
　このような問題に対し，本研究室では， 氷の融解を簡単なモデルにおきかえて数値解析を行うことにより， 融解形状や融解速度の予測を行いました． 右上の図は，そのシミュレーション結果の一例です． 赤い部分が氷が解けてなくなった領域を示していますが, 流路下部と中央部分に集中して氷の融解が進行している様子がわかります. また，この解析手法を使って， より効果的に氷を融解させる方法について検討しました．