Thermofluid System Research Group, Research Institute for Energy Efficient Technologies, AIST
国立研究開発法人産業技術総合研究所 エネルギー・環境領域
省エネルギー技術研究部門 熱流体システム研究グループ
研究概要Concept
流体制御デバイスを用いた次世代モビリティのエネルギー効率改善技術の開発
混相流の数値シミュレーション技術に関する研究
気体・液体・固体が混在して流れる微小スケールの混相流体現象を高精度・高効率に解析可能な流体力学に基づく計算機シミュレーション技術を開発・適用し、シミュレーション解析、実験解析、理論解析の連携により複雑な熱流体現象を詳細に解明・予測することで様々な制御・利用デバイス・プロセスの創出を進めています（事例：気液二相流数値シミュレーション手法, ラピッドプロトタイピングされた流体MEMSデバイスによる液中単分散微細液滴連続生成(下図左)、微細加工された矩形ピラーアレイ構造表面によるマイクロ液滴の挙動制御(下図右)、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)(下動画)、マイクロ液滴レーザディスプレイ）。
◆キーワード：混相流、マイクロフルイディクス、数値流体力学（CFD:Computational Fluid Dynamics）、格子ボルツマン法（LBM:Lattice Boltzmann Method）、フェーズフィールド法（PFM:Phase-field Method）、計算機援用工学（CAE:Computer-Aided Engineering）
ナノ・マイクロ微細構造による沸騰・凝縮熱伝達の促進
沸騰や凝縮といった相変化現象に伴う熱伝達は、ボイラやエアコン、工業プロセス、電子機器冷却など、 動力・エネルギー機器を中心に私たちの身の回りで使われています。さらに、今後は環境保全、医療分野、 宇宙環境など新たな分野への応用にも期待されています。本研究では、ナノ〜マイクロメートルスケールの微細加工技術を応用した、 沸騰・凝縮熱伝達の促進に取り組んでいます。微細構造が沸騰挙動や凝縮液滴挙動に影響を及ぼす物理現象を解明し、 その知見を活用した熱制御技術の高度化を目指しています。
◆キーワード：沸騰、凝縮、伝熱促進、微細加工、超撥水、 Jumping droplet
感温性分子を用いた沸騰熱伝達の高速度可視化計測
沸騰が用いられているエアコンの熱交換器や電子機器冷却において、近年は、性能向上のために細径多管化された流路内の 気液二相流の詳細把握が大きな課題となっています。 流路内で発生・成長した気泡の圧力変動により誘起される流動不安定や、 局所的な乾き部（ドライパッチ）により熱交換量が低下することが知られており、高熱伝達率の実現やドライアウトによる機器破損を防ぐためには、 液膜形成現象とこれに伴う非定常な壁面温度変化を高速度で捉える必要があります。本研究では、感温性分子（Temperature Sensitive Paint、以下TSP） を用いた熱・流体計測手法に着目して、 沸騰熱伝達特性の高速可視化技術の開発に取り組んでいます。温度・圧力に依存性を持つTSPの発光強度変化を 高速度カメラで撮影し、画像処理を行うことにより、高い時空間速度での伝面温度分布および局所熱伝達率分布の定量評価を試みています。
◆キーワード：沸騰熱伝達、伝熱促進、可視化、Temperature Sensitive Paint
固体酸化物形燃料電池SOFCの高度熱利用技術に関する研究
次世代の分散型エネルギーシステムとして期待されるSOFCを実現するため、SOFCの未利用燃料を含む排ガス再循環技術や、 SOFC複合システムに関する研究開発を行っています。 高温ガス循環用に開発した流量可変エジェクタを小容量型SOFC実機に搭載して発電実験を行い、 SOFCの水自立運転を実証するとともに、発電効率向上を達成しました。
◆キーワード：分散型エネルギー，固体酸化物形燃料電池SOFC，排ガス再循環，エジェクタ
アニオン交換膜を用いた水電解装置開発
水素製造用の低コスト高性能水電解装置の開発を目指して，アルカリ性アニオン交換膜（AEM）水電解装置の開発を行っています．同装置は、再生可能エネルギーを利用した水素製造への適用も想定しています．
流体制御デバイスを用いた次世代モビリティのエネルギー効率改善技術の開発
誘電体バリア放電（DBD）を利用したプラズマアクチュエータ（PA）をはじめとする先進的な流体制御デバイスを開発し、流体機械のエネルギー効率を改善するための研究を行っています。流体制御技術を自動車、高速列車、航空機、ターボチャージャなどの流体機械に適用し、次世代モビリティにおいてコアになる革新的な流体制御システムの構築を目指します。 例えば、発電用ガスタービンや航空用ジェットエンジンの構成要素であるタービン翼列の空気力学的性能を向上させるため，プラズマアクチュエータを用いた能動流体制御の研究に取り組んでいます。
DF-eVTOL（ダクテッドファン電動垂直離着陸機）の開発
現在、電動の無人機(UAV: Unmanned Aerial Vehicle)が広く使われる様になり、AAM(Advanced Air Mobility)と言われる小型有人機の開発も進められています。特にeVTOL(electric Vertical Take-Off and Landing)と言われる垂直離着陸が可能な電動航空機の開発が盛んです。
高い航続性能を実現する為に固定翼を備えたeVTOLの実現が強く望まれています。そこで産総研では、DF-eVTOL(Ducted Fan-eVTOL)という独自のeVTOLを開発しています。その特徴は以下の通りです。
・シンプルな機体構造（操縦舵面はなく、推力調整で飛行制御）
・垂直離着陸可能
・推進効率が良いダクテッドファンを採用
数値流体力学解析や飛行シミュレーションなどにより空力性能の解明や機体形状の最適化をし、このeVTOLの実現に向けて研究開発を進めています。
●DF-eVTOLの数値流体力学解析例
（飛行速度20 m/sでの圧力分布と後流）
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