1

伝熱面の機械的制御による潜熱蓄熱の革新的高速熱交換技術

東北大学 多元物質科学研究所

サステナブル理工学研究センター

助教 丸岡 伸洋共同研究者：堤太一、菊池亮、伊藤昭久

早坂美穂、埜上洋

2

日本のエネルギーフロー図(2013)

日本の1次エネルギーのうち68.5％が廃熱として排出

Nuclear0.4

Naturalenergy 7.5

25.1Coal

Petroleum

Naturalgas

13.8

11.3

42.8

2.2

40.6

24.216.3

7.9

Power Generation

Others

Energyloss

Municipal use

Transportation

Industry Utilizedenergy

45.1

54.9

24.4

8.7

8.4

15.0

12.0

33.1

21.5

16.0

29.4

9.9

15.7

20.6

8.8

0.3

14.4

4.013.1

68.5

31.5

[%]

Total: 20,100 PJ

(資源エネルギー庁総合エネルギー統計 2013より作成)

※Natural energy は水力と再生可能エネルギーの合計

3

日本の工業排熱の温度分布

熱エネルギーの有効活用には，時間的，空間的ギャップを埋める蓄熱が必要

0

100

200

300

400

500

600

～150 ～250 ～350 ～500 ～1000 1000～

Am

ou

nt

of

wa

ste

he

at

[PJ]

Temperature [oC]

Solid

Hot water

Gas

( 省エネルギーセンター, 工場群の排熱実態調査)

82%

250oC以下の低温排熱が全体の 82%を占める。

4

蓄熱技術の分類

顕熱蓄熱 Sensible Heat Storage (SHS)

化学蓄熱 Chemical Heat Storage

潜熱蓄熱 Latent Heat Storage (LHS)

Q

蓄熱

放熱

Q固体 液体

溶融

凝固

5

潜熱蓄熱 Latent Heat Storage (LHS)

高密度蓄熱 一定温度の熱源に変換

相変化物質Phase Change Material (PCM)

を用いて高密度に蓄熱。

Temperature (oC)

Enth

alp

y (J

)

ΔHL

T1 T2

QSHS

QLHS

Tm

SHS

LHS

特徴

Time (s)

Tem

pera

ture

(oC

)

Tm

Solid

Solid+

LiquidLiquid

6

従来技術とその問題点

http://www.sanki.co.jp/product/thc/mechanism/

直接接触熱交換式 間接接触熱交換式

5～10時間かけて熱交換。熱交換速度が3倍になれば経済性成立。

7

従来技術とその問題点

Inlet

Outlet

Inlet

Outlet

放熱開始前 放熱開始後（凝固開始後）

PCM

(液相)

潜熱放出(液相固相)

伝熱管

PCM

(凝固層)

放熱時に伝熱管表面に凝固層が生成。 強い伝熱阻害。低放熱速度、低放熱率

8

凝固層の総括伝熱係数に及ぼす影響

0 1 2 3 4 5

500

1000

1500

Thickness of solidified PCM layer [mm]

Overa

ll heat

transfe

rcoeff

icie

nt

[W m

-2 K

-1]

U0 = 1500 U0 = 1000 U0 = 500-68%

PCM

PCM

2w

w

1 λ

1

λ

11 x

h

x

hU

=U0

λPCM = 0.70 [W m-1 K-1]

TUAQ Q: Heat release rate

A: Heat transfer area

ΔT: Temperature

difference

凝固層厚み:わずか 1 mm U : 1/3に減少！！

9

新技術：伝熱面の機械的制御による潜熱蓄熱の革新的高速熱交換技術凝固層剥ぎ取り型潜熱蓄熱槽

回転する伝熱管

PCM凝固層

PCM (液層)

熱媒体（水、オイルなど）

固定羽根

剥ぎ取られたPCM凝固層

PCM凝固層を回転伝熱管および固定羽根で除去

10

放熱速度測定実験

Thermocouple

恒温槽

PCM槽

恒温槽

固相剥取用固定羽根

流量計温水

冷水 水道栓

伝熱管

カメラ

モーター

PCM：酢酸ナトリウム3水和物 （融点58℃） 1 kg

11

無回転時の放熱（凝固）挙動「従来型潜熱蓄熱槽に相当」

放熱実験前 1分経過後

60分経過後 120分経過後

120分経過後も

液相が存在。(放熱は未完了)

伝熱面表面に凝固層が生成。少しずつ成長。

12

回転時の放熱（凝固）挙動「提案型潜熱蓄熱槽」

Heat Transfer Tube

(Rotating)

Ou

ter

Bla

de

(Te

flo

n)

PCM Bath

Thermocou

ple

02:48～凝固開始スラリー状に凝固。徐々に固相率が増加。

約5分で放熱完了。

伝熱面に生成した凝固層は固定羽根で除去。 PCMはスラリー状に凝固。

– 100 rpm

13

放熱速度におよぼす回転数の影響

0 20 40 60 80 1000

500

1000Tin = 40[

oC]

0 rpm 100 rpm 300 rpm 500 rpm

Heat

rele

ase r

ate

[W

]

Heat release ratio [%]

×130

回転により放熱速度は100倍以上高速化 高い放熱率まで効率よく放熱可能。

14

新技術の特徴・従来技術との比較

回転伝熱管および固定羽根による凝固層剥ぎ取り技術により

• 従来技術の問題点であった、凝固層生成による放熱速度の著しい低下の抑制に成功し、100

倍超の放熱速度を実現。

• 従来は伝熱管近傍のみ放熱するため低い放熱率で放熱速度が低速化していたが、本技術により放熱率が約80%まで放熱性能を維持。

• 本技術は様々なPCMと組み合わせ可能。（汎用的な技術）

15

想定される用途①• 高速熱交換型熱輸送

新技術搭載熱輸送車

熱排出プロセス 熱利用プロセス

・ 高速熱供給・ 高熱利用率・ 高運用サイクル

16

想定される用途①• 定置式蓄熱槽

新技術搭載蓄熱槽

熱排出プロセス 熱利用プロセス

・ 高速熱供給・ 高熱利用率・ 高運用サイクル

17

想定される用途④• 高粘度流体の熱交換（スケールの付着しやすい流体にも可）

回転する伝熱管

加熱された高粘性流体高粘性流体（ペンキなど）

熱媒体（水、オイルなど）

固定羽根

剥ぎ取られた高粘性流体

18

想定される用途④

• 自動車用

• 発電用

• プラント用

• 反応プロセス

など様々なアイデアあり。

多種多様な用途に展開可能な技術。

皆様のお困りの点をお聞かせ頂き、解決策を共に考えさせて頂きたい。

19

開発状況

恒温槽

PCM槽

恒温槽

固相剥取用固定羽根

流量計温水

冷水 水道栓

伝熱管

カメラ

モーター

蓄熱材酢酸ナトリウム

3水和物酢酸ナトリウム

3水和物様々なPCM

融点（℃） 58 58 各種温度

充填量(kg) 1 60 kg ～ t

研究期間科研費萌芽

(2016.4-2018.3)

NEDO

(2016.12-2018.2)将来

特徴・目的凝固溶融過程を観察可能。

片持ち式の熱交換器。スケールメリットを調査。

様々な温度に対応。スケールアップ。

a) 装置外観の3D図 b) 装置の断面図

蓄熱槽

モーター

昇降ユニット

伝熱管

固定羽根(外)固定羽根(内)

導水管

500

mm

600

mm

1800

mm

20

実用化に向けた課題

• これまでに伝熱管長さ・径・回転数、熱媒流量、固定羽根枚数の放熱/蓄熱速度におよぼす影響を調査済み。

今後の課題

• 数値計算による装置設計の最適化、スケールアップ設計。

• 様々なPCMへの適用を実験的に調査。

21

企業への期待

• 高い設計力、加工技術を有する（もしくは取引がある）企業との共同研究/開発を希望。

–高精度（真円度、直線度）の回転伝熱管使用によりさらなる高性能化が期待。

–高度なシール設計により種々のPCMが選択可。

• 熱交換器、熱回収システムを開発中の企業、展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

22

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：潜熱蓄熱装置

• 出願番号 ：特願2016-161454

PCT/JP2017/ 29687

• 出願人 ：東北大学

• 発明者 ：丸岡伸洋, 埜上洋,

伊藤昭久, 堤太一

23

お問い合わせ先

東北大学 産学連携機構 総合連携推進部

産学連携コーディネーター 松野、菅田

ＴＥＬ 022－217－6043

ＦＡＸ 022－217－6047

e-mail liaison＠rpip.tohoku.ac.jp