金属繊維層の異方性を利用した対流熱伝達の促進
1. はじめに
エネルギーの有効利用の観点から，
新しいエネルギー変換システムの開発 も大切であるが，既存システムの熱交 換過程や排熱回収過程の高効率化は極 めて重要な意味をもつ．その鍵となる 機器の一つが熱交換器であり，高性能 化と小型化は，発熱部の冷却問題とも 関連して重要な課題である．
本稿では，熱交換器への応用を念頭 に著者らが行っている，金属繊維層を 利用した空気流の対流熱伝達促進につ いての研究事例（1）（2）を紹介する．
2. 背景と着眼点
対流熱伝達の促進手法には種々の方 法があるが，熱交換器の空気側流路へ の応用を考えると，拡大伝熱面（フィ ン）の設置が大きな流れである．フィ ン面密度（比表面積）が 700 m2/m3を 超える要素をコンパクト型と呼んでい るが，高密度化とフィン前縁効果によ り，その性能は年々上がっている．
他方，最近では，多孔質体を利用した 研究例が提案されている．多孔質体は，
これまで触媒反応装置，流動層，蓄熱・
断熱層等の用途で研究されてきた．独 特な構造を持ち，製法や空隙数にもよ るが，代表的なアルミ発泡体の比表面 積は 1 000～3 000 m2/m3にも達する．
熱伝導率も高いため，伝熱面に接触さ せれば，熱は熱伝導でも発泡体を介し て運ばれ，空気へと熱伝達で伝わり，優 れたフィンとなり得る．ただし今のと ころ，製造業者が限られ，割高である．
筆者は，発泡体と同程度の比表面積 をもつ直径数百 μm 程度の金属繊維 に注目している．それは，繊維軸を流 路の中でうまく配置すれば，繊維中を 伝わる熱の伝導方向を変え，この異方 性を利用して細かい伝熱制御が可能に なると考えるためである．アルミ繊維 は一般的に伸縮性と加工性が高く，軽 量で劣化が少ない．換気フィルタ，吸 音材，電磁波シールド，触媒担体，ろ 過材等に使われ安価である．現在，直 径 100 μm の不織布状のアルミ繊維を 層状に重ね，流路内に設置し，その性 能を調べている．
3. 実験結果
図 1にアルミ繊維層の一例を示す．
（a）の SEM 写真のように繊維は互い に絡み合っている．（b）のように流 路に設置して実験を行う．（c）は X 線 CT 写真，（d）は繊維軸配向度であ り，伝熱面に垂直な方向ほど明るい色 で示した．X 型（左図）は配向度が低 く，伝熱面に平行な繊維が多い．一方，
Y 型（右図）は配向度が高く，垂直方 向の繊維を多く含む．高さ 10 mm，
幅 150 mm，長さ 150 mm の流路に設 置し，下壁を加熱して壁温を測定し，
局所熱伝達率を求め，設置前の壁面に 対する熱伝達促進比を調べた．
図 2は熱伝達促進比の一例である．
その比は，伝熱面への垂直配向度が高 い Y 型が上流側で約 20 倍と最も高い．
X 型が約 8 倍，アルミ発泡体が約 5 倍 であった．アルミ発泡体との比較は，
今後も検討する必要があるが，アルミ 繊維層の伝熱異方性の影響が大きく，
最適配置方法についてさらに検討すべ きと考えている．
4. おわりに
アルミ繊維層の伝熱異方性により，
10倍を超える伝熱促進率を達成した．
一般的に，気体流路の熱伝達率は液体 流路に対して 1～2 桁程度低いが，さ らなる改善で，液体流路と同等な性能 を発揮できる可能性がある．熱交換器 へと展開するには，圧力損失との関係，
単位体積当たりの伝熱量評価，伝熱面 への接合方法等，検討課題が多くある．
今後さらに研究を進めたいと思う．
（原稿受付 2015 年 2 月 2 日）
〔稲岡恭二 同志社大学〕
●文 献
（ 1 ）岡崎圭佑・山本光佑・阪上雅昭・千田 衞・稲岡恭二，アルミニウム繊維層を設置 した流路の熱伝達と圧力損失特性，日本機 械学会論文集，79-800，B（2013），649- 659．
（ 2 ）Imai, K., Yamamoto, M., Sakagami, M., Senda, M. and Inaoka, K., Heat Transfer Performance of a Channel Flow with Alu- minum Fiber Layers （Comparison with Aluminum Porous Foams）, Proc. 15th Int.
Heat Trans. Conf., （2014-8）, IHTC15- 9080.
（b）熱移動の概要 （d）アルミ繊維軸の垂直配向度（明るい色：配向度大）
（c）Ｘ線 CT イメージ [X86.9+]
[X86.9+]
伝熱面 アルミニウム 繊維層
熱伝逹 熱伝導
[Y82.8-]
[Y82.8-]
配向度 大
小
（a）アルミ繊維 SEM 写真
図１ アルミ繊維層サンプルの一例
図２ 熱伝達促進比の一例 0.000
5 10 熱伝逹促進比 h（x）／ho（x）
15 20 25
0.05
アルミ繊維層（Y81.8－空隙率 81.8％）
アルミ繊維層（Y82.8－空隙率 82.8％）
アルミ繊維層（X81.5＋空隙率 81.5％）
アルミ発泡体（40PPI 空隙率 83.0％）
流れ方向座標 x（m）
0.10
ReD＝4600
0.15
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日本機械学会誌 2015. 7 Vol. 118 No.1160 423
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