PowerPoint プレゼンテーション

エネルギー機器の可視化

神戸大学大学院 工学研究科 機械工学専攻

浅野 等，村川 英樹，杉本 勝美，竹中 信幸

西崎 柾峻，馬場 美咲，宮崎 猛，弘中 茂夫

（卒業生）村田 健太，中村 俊裕，澤田 将貴，古野 正晃，北村 信樹

中性子イメージング専門研究会 2017年1月6日（金）

Multi-Phase Thermo-Fluid Dynamics Laboratory Department of Mechanical Engineering, Kobe University

中性子ラジオグラフィ

2

実機と同じ素材，同じ構造内の作動流体の機器動作時の状態を

可視化・計測

できる唯一の技術

機械のレントゲン

 動作診断

 動作メカニズムの解明

作動流体の存在量の定量計測

 気液二相流のボイド率

 吸着量

 湿分分布

現象のモデリング

数値解析のベンチマーク

X線ラジオグラフィ

金属容器の可視化は困難

比較的大きな系での低ボイド率気液二相流の可視化

これまでの可視化計測事例

3

 原子力

 冷凍・ヒートポンプサイクル内冷媒流れ

 吸着式冷凍機

 熱交換器内熱流動特性

 電子機器冷却システム

 固体高分子形燃料電池（PEFC）

 ロッドバンドル内気液二相流 －ボイド率分布，CT計測

 内燃機関（ディーゼルエンジン）

 内部機構およびオイルポンプの可視化 －オイルの流動挙動  燃料噴霧ノズル －ノズル内キャビテーション  JARIセル（単セル，3セルスタック）の可視化 －液水分布  膜厚方向分布の可視化 －高空間分解能での液水分布計測  コンプレッサー，アキュムレータ －起動時の液冷媒およびオイル挙動  キャピラリーチューブ －ボイド率分布，沸騰開始点  冷媒分流器 －内部の流動構造，ボイド率分布  ヒートパイプ －起動特性と動作原理，不具合事象の解明  宇宙機器用コールドプレート －動作特性，不具合事象の解明  スパイラルチューブ －内部の流動構造，ボイド率分布  プレート熱交換器 －ボイド率分布，冷媒偏流  ワイヤーコイルを有する伝熱促進管内気液二相流 －ボイド率分布，CT計測  シリカゲル吸着器 －シリカゲル粒子層内湿分分布，粒子層バインダーの影響

Membrane

50 µm Electrode 30 µm Electrode

30 µm

Gas Diffusion Layer (GDL) 190～300 µm Gas Channel 1 mm Gas Channel 1 mm

Cathode

e- e- H+ H+ H₂ O2 O₂ H+ Channel 1mm Channel 1mm Current Collector Current Collector H₂ e−

Anode

Gas Diffusion Layer (GDL)

190～300 µm

Rib (Land) 1mm

MPL

Micro Porous Layer (MPL)

の利用

電極近傍での液水の生成・滞留を防ぐことを目的とする．

燃料電池での水分管理

4

H₂ → 2H+ _{+ 2e}− _O 2 + 4H+ + 4e− → 2H2O 固体高分子膜はH+ _{輸送のため湿らせておく必要があるため，カソードには酸化剤として湿} り空気が供給される． カソードでは電池反応でH₂Oが生成されるため過飽和となり，結露する．

発電時の液水分布の過渡変化の同時計測

水輸送のモデリング

実機

（A4サイズ）

JARI標準

小型電池

マイクロCT

単セル スタック

単セル

ダイナミックCT

MEA，GLD内 膜厚方向2次元， 3次元分布の計測 GLD内，並列流路内 3次元分布の可視化 面方向 2次元分布の計測 流路部，リブ部の差異 過渡変化可視化

発電特性，圧力損失

MEA内水輸送 過渡変化を計測

100

10

20

30

50

70

200

可視化領域 [mm]

気流分布の解析 膜圧方向分布 目標空間分解能 5 µm 目標空間分解能 30 µm以下 ３次元連続計測 ２次元定量計測

単セル

２次元定量計測 起動、凍結時の 水分布計測

燃料電池の評価項目

5

PEFC

Air in Air out H₂ in H₂ out Anode 9-parallel channel

Neutron source : B4-port in KUR

Exposure time : 60 sec

Pixel size : 8.8 µm

遮蔽 Camera Mirror Mirror Dark box collimator D L = 1720 l PEFC Converter 10mm 19 mm Cathode 1 mm Rib Channel 1mm

中性子ラジオグラフィシステム

6

中性子源: B4-port in KUR

露光時間 : 60 sec

画素寸法 : 8.8 µm

遮蔽 Camera Mirror Mirror Dark box collimator D L = 1720 l PEFC Converter PEM GDL リブ 流路 CL PEM + CL : 90 µm GDL : 190 µm

厚さ

Without MPL

With MPL

PEM MPL GDL リブ 流路 CL PEM + CL : 90 µm MPL : 約 50 µm GDL : 190 µm

中性子ラジオグラフィシステム

7

厚さ

Anode Cathode Anode Cathode

Without MPL

With MPL

5th _channel 6th _channel 4th _channel 3rd _channel セル温度 ： 30~35 ℃ 電流密度 ： 158 mA/cm2 H₂ 流量 : 28 Ncc/min Air 流量 : 66 Ncc/min 0 10 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 With MPL Without MPL Time [min] V ol tage [ V ] 158mA/cm2 実験条件

液水の二次元分布（発電特性との比較）

8

Anode Cathode Anode Cathode 0 10 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 With MPL Without MPL Time [min] V ol tage [ V ] 158mA/cm2

Without MPL

With MPL

液水の二次元分布（発電特性との比較）

9

セル温度 ： 30~35 ℃ 電流密度 ： 158 mA/cm2 H₂ 流量 : 28 Ncc/min Air 流量 : 66 Ncc/min 実験条件

0 10 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 With MPL Without MPL Time [min] V ol tage [ V ] 316 mA/cm2

Without MPL

With MPL

Anode Cathode Anode Cathode

液水の二次元分布（発電特性との比較）

10

セル温度 ： 30~35 ℃ 電流密度 ： 316 mA/cm2 H₂ 流量 : 28 Ncc/min Air 流量 : 66 Ncc/min 実験条件

-1000 0 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Channel Channel GDL PEM+CL GDL

Distance from the center of the PEM [ µm]

W at er t hi c k nes s [ µm] 6min 9min 12min 15min 18min Anode Cathode i=158 mA/cm2 Without MPL -1000 0 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 W at er t hi c k nes s [ µm]

Distance from the center of the PEM [ µm] GDL PEM+CL MPL GDL Channel Channel 6min 9min 12mim 15min 18min Anode Cathode i=158 mA/cm2 With MPL

Without MPL

With MPL

-1000 0 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Channel Channel GDL PEM+CL GDL

Distance from the center of the PEM [ µm]

W at er t hi c k nes s [ µm] 3min 6min 9min 12min 15min Anode Cathode i=316 mA/cm2 Without MPL -1000 0 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 W at er t hi c k nes s [ µm]

Distance from the center of the PEM [ µm] GDL PEM+CL MPL GDL Channel Channel 3min 6min 9min 12mim 15min Anode Cathode i=316 mA/cm2 With MPL

液水の水平方向分布（流路部）

11

158 mA/cm2 316 mA/cm2

-1000 0 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 W at er t hi c k nes s [ µm]

Distance from the center of the PEM [ µm] GDL PEM+CL MPL GDL Rib Rib 6min 9min 12mim 15min 18min Anode Cathode i=158 mA/cm2 With MPL -1000 0 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Rib Rib GDL PEM+CL GDL

Distance from the center of the PEM [ µm]

W at er t hi c k nes s [ µm] 6min 9min 12min 15min 18min Anode Cathode i=158 mA/cm2 Without MPL

Without MPL

With MPL

-1000 0 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 W at er t hi c k nes s [ µm]

Distance from the center of the PEM [ µm] GDL PEM+CL MPL GDL Rib Rib 3min 6min 9min 12mim 15min Anode Cathode i=316 mA/cm2 With MPL -1000 0 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Rib Rib GDL PEM+CL GDL

Distance from the center of the PEM [ µm]

W at er t hi c k nes s [ µm] 3min 6min 9min 12min 15min Anode Cathode i=316 mA/cm2 Without MPL 158 mA/cm2 316 mA/cm2

液水の水平方向分布（リブ部）

12

熱交換器内冷媒二相流

13

熱伝達特性， 圧力損失特性

冷媒が気液二相流として流動する場合には， その界面構造が熱流動特性に強く影響を及ぼす． ボイド率 ＝ 蒸気の体積割合  質量流束，乾き度（蒸気の質量割合）が既知であれば， 各相の平均流速を計算できる．  沸騰開始点の計測  ドライアウトの計測

 シェル・チューブ熱交換器

 積層型熱交換器

（プレート型，プレートフィン型，マイクロチャネル熱交換器）

Generator Turbine Pre- heater Geothermal water Condenser Cooling tower Evaporator Geothermal

binary power generation

シェル-チューブ式熱交換器

 化学プラントや地熱バイナリ発電の蒸発器として利用  胴側ー水平管群内プール沸騰

Vapor outlet Vapor outlet

Hot fluid inlet

Hot fluid outlet Liquid outlet Liquid _inlet

Liquid inlet

Typical kettle reboiler

⇒管配列の影響

ケトル型リボイラ

14

管群内ボイド率

 気泡撹拌による伝熱促進  循環流の強度

研究目的

従来の研究

局所の評価結果が少ない

伝熱管周りのボイド率分布と熱伝達率分布の相関評価

ガンマ線

Dowlati, R, et al., AIChE Journal, Vol.36, No.5 (1990), pp.765-772.

 空間平均ボイド率計測

 平均熱伝達率計測

水平管群試験部（奥行き

90 mm）

空気

-水二相流

低ボイド率（気泡流，間欠流）

研究対象

X線ラジオグラフィによる

可視化・計測

研究目的

15

 気泡撹拌による伝熱促進

⇒管配列の影響

X-ray beam

X-ray

generator

Image Intensifier

High Speed Camera

空状態 二相流状態 満水状態

輝度分布

二次元

ボイド率分布

フレームレート 30 fps X線印加 80 kV 0.5 mA 平行度 L / D = 225 L D 0.75 0 α 90×90 mm2

X線ラジオグラフィによるボイド率計測

16

作動流体 ： 水-空気

圧力 ： 大気圧

水温 ： 20～25℃

液相見かけ速度: J_{L 0.1～0.3 m/s} 気相見かけ速度 _{: JG 0.08～ 0.89 m/s} 最小断面積で定義

8 rows

P/D=1.5

正方配列 千鳥配列

P＝22.5mm

D=15mm

60°

試験部詳細

Air Compressor F Channel:90×90mm2

水平管群実験装置

17

局所熱伝達率の計測

18

 熱伝達計測箇所

3列で流れは発達

上面 90 mm 30 mm 銅ブロック 側面 白金細線 (直径:0.1mm) アクリル パイプ

直接通電による熱流束と白金の温度

から熱伝達率を計測

0.1 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

Gas superficial velocity [m/s]

0.1 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 気泡流 遷移域 間欠流 気相見かけ速度 [m/s] 液相 見かけ 速度 [m /s ] フレームレート 1000 fps 再生レート 30 fps J_L = 0.2 m/s

間欠流

J_G = 0.89 m/s J_G [m/s] J L [m/ s]

気泡流

J_G = 0.16 m/s

高速度カメラによる撮影画像

19

ボイド率 [-] 0 1

間欠流

J_G = 0.89 m/s フレームレート 30 fps 再生レート 10 fps

気泡流

J_G = 0.16 m/s J_L = 0.2 m/s

管周りボイド率分布

20

-180 -90 0 90 180 0 1 2 0 1 2 -180 -90 0 90 180 0.8 0.9 1 1.1 1.2 0 -90 90 ±180 [deg] 液単相 ボイド率 [-] 0 0.75

Rotated angle [deg.]

h / h av e, L [-]

気泡流

J_G = 0.16 m/s 0.8 0.9 1 1.1 1.2 0 -90 90 ±180 [deg] 液単相 気泡流

管周り熱伝達率分布

21

ボイド率 [-]

0 0.75

間欠流

J_G = 0.89 m/s

Rotated angle [deg.]

h / h av e, L [-] -180 -90 0 90 180 0.8 0.9 1 1.1 1.2 0 -90 90 ±180 [deg] 液単相 気泡流 間欠流 -180 -90 0 90 180 0 1 2

管周り熱伝達率分布

22

X-ray

generator Image Intensifier

High Speed Camera 90 mm Gap L D Empty Full Lead mask

新しいＸ線源でのダイナミックレンジ

23

Flame rate [fps]

Applied condition Brightness

Dynamic range Voltage [kV] Current [mA] Empty Full 新X線源 + X線I.I. (4 inch) 30 100 3.5 634 145 490 60 100 3.5 298 50 248 旧X線源 + X線I.I. (4 inch) 30 80 5 525 103 422 旧X線源 + 中性子I.I. (9 inch) 30 80 5 307 43 265

吸着熱の除去 容器内は冷媒蒸気 で満たされている 加熱による蒸気再生 バッチ処理で 流路切り替え

吸着式冷凍サイクル

24

排熱駆動の冷凍サイクル

低圧での冷媒の蒸発 熱で冷水を冷やす 吸着材への冷媒吸着で 容器内を低圧に保持

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 相対圧力　 [-] 吸 着 率 　 [-]

吸着材の

温度が高い

吸着材の

温度が低い

吸着率 吸着量 吸着材の質量 相対圧力 吸着材まわりの圧力 吸着材温度に対する冷媒の飽和圧力

=

吸着時における

吸着材層の熱拡散が課題

吸着時に発生する吸着熱によって

吸着量の低下

吸着等温線

=

25

→ 冷却水 →

伝熱面

吸着材層

問題

吸着材は粒子層であるので，

熱伝導が悪い

フィンを設置することで，吸着材層の熱拡散向上

バッチ運転時に，吸着材＋

フィンの熱容量がロス

過渡変化時の

吸着量分布を評価したフィン配置の設計

が必要

吸着材層内の熱移動

26

→ 冷却水 →

伝熱面

吸着材層（

活性炭

）

問題

吸着材は粒子層であるので，

熱伝導が悪い

フィンを設置することで，吸着材層の熱拡散向上

バッチ運転時に，吸着材＋

フィンの熱容量がロス

過渡変化時の

吸着量分布を評価したフィン配置の設計

が必要

フィン（

アルミニウム

）

吸着材層内の熱移動

27

中性子ラジオグラフィで可視化・計測

冷媒（

エタノール

）

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0.01 0.1 1 10 100 1000 原子番号 質量 減衰係数 , µm [ cm 2 /g ] H Be C O F Ne Mg Si P Zr Pb Bi Pm Sm Tb Er Lu Ir Ra Ac Pa Li B Rh Ag Cd In Xe Eu Gd Dy Tm Au Hg Pu He N Na Al S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Nb Mo Ru Pd Sn Sb Te I Cs Ba La Ce Pr Nd Ho Yb Hf Ta W Re Os PtTl Th U H2O

物質を構成する元素の中性子線の透過率の差異を利用した可視化・計測手法

:

ρ

密度 [g/cm

3

_]

:

m

μ

質量減衰係数 [cm

2

_/g]

厚さ [cm]

中性子線の減衰特性

:

t

)

-(

exp

_m 0

ρμ

t

I

I

=

_I

t

0

I

各元素の質量減衰係数

中性子線 吸着器 _ミラー コンバータ カメラ 可視光

中性子ラジオグラフィシステム

暗箱

実験場所

：京都大学研究用原子炉

E-2 port

中性子ラジオグラフィ

28

G

S

:輝度,

w

:容器,

O

:オフセット

ads

:吸着材（活性炭）,

r

:冷媒（エタノール）, :撮像装置のゲイン,

dry

:乾燥状態

画像処理で得られる吸着量

( )

( )

( )

( )

( )



_









−

−

⋅

=

y

x

O

y

x

S

y

x

O

y

x

S

μ

y

x

t

ρ

,

,

,

,

ln

1

,

dry dry r m, r r

オフセットの要因

カメラ

コンバータ

吸着器

迷光

散乱

中性子線

吸着時の可視化画像の輝度

容器

吸着材（活性炭）

冷媒（エタノール）

O

t

μ

ρ

t

μ

ρ

t

μ

ρ

GI

S

=

₀

exp

(

-

_{w m,w w}

-

_{ads m,ads ads}

-

_{r m,r r}

)

+

dry ads ads m, ads w w m, w 0 dry

GI

exp

(

ρ

μ

t

ρ

μ

t

)

O

S

=

-

-

+

乾燥時の可視化画像の輝度

容器

吸着材（活性炭）

画像処理による吸着量の計測

29

中性子吸収体

カメラ

コンバータ

吸着器

中性子線

真影法によるオフセットの計測

画像処理による吸着量の計測

G

S

:輝度,

w

:容器,

O

:オフセット

ads

:吸着材（活性炭）,

r

:冷媒（エタノール）, :撮像装置のゲイン,

dry

:乾燥状態

画像処理で得られる吸着量

( )

( )

( )

( )

( )



_









−

−

⋅

=

y

x

O

y

x

S

y

x

O

y

x

S

μ

y

x

t

ρ

,

,

,

,

ln

1

,

dry dry r m, r r

吸着時の可視化画像の輝度

容器

吸着材（活性炭）

冷媒（エタノール）

O

t

μ

ρ

t

μ

ρ

t

μ

ρ

GI

S

=

₀

exp

(

-

_{w m,w w}

-

_{ads m,ads ads}

-

_{r m,r r}

)

+

dry ads ads m, ads w w m, w 0 dry

GI

exp

(

ρ

μ

t

ρ

μ

t

)

O

S

=

-

-

+

乾燥時の可視化画像の輝度

容器

吸着材（活性炭）

30

1次元計測の場合

2次元計測の場合

中性子

吸収体

TC

活性炭

A

A’

活性炭

㈱関西熱化学

高性能多孔質カーボン

(マックスソーブ®)

物性値

比表面積 3170 m2/g 平均粒子径 86 µm

100

中性子線

2 5 10 15 20

断面図 A-A’

アルミ容器

目的 ： 可視化画像による平衡吸着量の計測結果の検証

（従来の研究での計測値との比較）

吸着材層ステップ

吸着材層ステップ

32

露光時間:40s 計測領域 オフセット計測領域 中性子吸収体

dry:乾燥状態

adseq:平衡吸着状態

( )

( )

_{( )}

( )

_{( )}

_











−

−

=

y

x

O

y

x

S

y

x

O

y

x

S

y

x

t

μ

ρ

,

,

,

,

ln

,

adseq adseq dry dry r r m, r

中性子線の減衰

20 mm

15

10

5

2

可視化画像 （平衡吸着状態）

:50×50 pixel

0 5 10 15 20 25 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Thicknes s of the ads orbent/ethanol s tep [m m ]

ρr

µm,r

δr

[

-]

With the compensation by the umbra method Liquid ethanol

Adsorbed ethanol Without the compensation Adsorbed ethanol

ads ads ads r r s 0

exp

ln

V

ρ

A

t

ρ

E

P

P

RT

W

n

×

=





































−

※I.I. El-Sharkawy et al. , Experimental investigation on activated carbon-ethanol pair for solar powered adsorption cooling applications, International Journal of Refrigeration, 31(8), pp.1407-1413 (2008)

実験条件

吸着材温度：T 21.47 ℃ 雰囲気圧力：P 4.095 kPa 吸着材かさ密度：ρ_ads 260 kg/m3

𝑊

₀

:最大吸着量

𝑅:ガス定数

𝑇:吸着材温度

𝑃

_𝑠

:Tにおける飽和蒸気圧

𝑃:雰囲気圧力

E:吸着特性エネルギー

吸着特性エネルギー: E ₅₅₃₈ 最大吸着量 :W₀ 1.2 吸着等温線の指数:n 1.75

I.I. El-Sharkawyらによる吸着等温線

※

吸着等温線のパラメーター

0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

過去

の

文献

での

平衡

吸

着量

ρ

r

t

r

[

g

/c

m

2

]

中性子ラジオグラフィによって

計測された吸着量

ρ

_r

t

_r

[g/cm

2

]

過去の文献値との比較による計測結果の検証

34

試験部材質

:純アルミ

試験部厚さ

:20 mm

10 20 36 30 50 TC×4 84 TC

冷却水

/温水

アルミニウム製フィン _{t=1 mm} 23 23

エタノール蒸気

_活性炭

TC:熱電対 TC

断面図 A-A’

:温度計測点

熱電対挿入方法

A A’

試験部

35

リザーバー温度 冷却水_{/温水温度} 吸着過程 10 ℃ 30 ℃ 脱着過程 10 ℃ 70 ℃～80 ℃ 20

0

50

100

150

20

20

40

60

80

時間 [min]

温度

[

℃

]

T

_T

ad1

[℃]

ad2

[℃]

T

_ad3

[℃]

T

_w

[℃]

T

_c,in

[℃]

T

_c,out

[℃]

露光時間：40 s

撮影間隔：5 s

蒸気

吸着量

0

50

100

150

20

0

1

2

3

4

時間 [min]

圧力

[k

P

a

]

]

cm

g

[

2 r r

t

　　

ρ

伝熱面

T

_ad1

T

_ad2

T

_ad3

T

_w

試験部

T

c,out

T

_c,in

吸着過程の定量計測

36

C2 C1

C4

C3

吸着量時間変化

0

50

100

150

20

20

40

60

80

時間 [min]

温度

[

℃

]

T

_T

ad1

[℃]

ad2

[℃]

T

_ad3

[℃]

T

_w

[℃]

T

_c,in

[℃]

T

_c,out

[℃]

T

_ad1

T

_ad2

T

_ad3

T

_w

試験部

T

c,out

T

_c,in

L1

R1

0

50

100

150

200

0

0.1

0.2

0.3

0.4

C1

C2

C3

C4

ρ

r

δ

r

[g

/c

m

2

]

Time [min]

L1

R1

吸着量の時間変化

37

0

50

100

150

200

250

0

0.05

0.10

0.15

0.20

Time [min]

ρ

r

δ

r

[

g

/c

m

2

]

C1 C2 C3 C4 L1 R1

C2 C1

C4

C3

L1

R1

試験部

T

_c,in

脱着量時間変化

0

50

100

150

200

25

20

30

40

50

60

70

80

A

d

sor

be

nt

te

m

p

e

ra

tur

e [

℃

]

Time [min]

T

_ad1

T

_ad2

T

_ad3

T

w

T

_ad1

[ ℃ ]

T

_ad2

[ ℃ ]

T

_ad3

[ ℃ ]

T

_w

[ ℃ ]

脱着量の時間変化

T

_c,out

38

まとめ

39

中性子ラジオグラフィ

実機と同じ素材，同じ構造内の作動流体の機器動作時の状態を

可視化・計測

できる唯一の技術

機械のレントゲン

 動作診断

機器構造の機能， 冷媒偏流，

PEFC

のGDL，MCPの構造

 動作メカニズムの解明

自励振動ヒートパイプの液の動き

作動流体の存在量の定量計測

 気液二相流のボイド率

 吸着量

 湿分分布

現象のモデリング

数値解析のベンチマーク

中性子線源 撮像システム（視野，カメラ） 照射室環境 時間分解能 空間分解能 ダイナミックレンジ 可視化対象の設定 大きさ，素材 評価項目