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− O2 + 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
1mm
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 GDL MPL
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 10 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
With MPL Without MPL
Time [min]
Vol
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 10 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
With MPL Without MPL
Time [min]
Vol
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 10 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
With MPL Without MPL
Time [min]
Vol
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 10000
1000
2000
3000
4000
5000Channel Channel
GDL PEM+CL GDL
Distance from the center of the PEM [ µm]
Wat
er th
ickn
ess
[µm
]
6min9min12min15min18min
Anode Cathode
i=158 mA/cm2
Without MPL
-1000 0 10000
1000
2000
3000
4000
5000
Wat
er th
ickn
ess
[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 10000
1000
2000
3000
4000
5000Channel Channel
GDL PEM+CL GDL
Distance from the center of the PEM [ µm]
Wat
er th
ickn
ess
[µm
]
3min 6min 9min 12min 15min
Anode Cathode
i=316 mA/cm2
Without MPL
-1000 0 10000
1000
2000
3000
4000
5000
Wat
er th
ickn
ess
[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 10000
1000
2000
3000
4000
5000
Wat
er th
ickn
ess
[ 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 10000
1000
2000
3000
4000
5000Rib Rib
GDL PEM+CL GDL
Distance from the center of the PEM [ µm]
Wat
er th
ickn
ess
[µm
]
6min9min12min15min18min
Anode Cathode
i=158 mA/cm2
Without MPL
Without MPL With MPL
-1000 0 10000
1000
2000
3000
4000
5000
Wat
er th
ickn
ess
[ 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 10000
1000
2000
3000
4000
5000Rib Rib
GDL PEM+CL GDL
Distance from the center of the PEM [ µm]
Wat
er th
ickn
ess
[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 満水状態 二相流状態 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: JL 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 10
0.1
0.2
0.3
0.4
Gas superficial velocity [m/s]
0.1 10
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
JL = 0.2 m/s
間欠流 JG = 0.89 m/s
JG [m/s]
J L [m
/s]
気泡流 JG = 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 JG = 0.89 m/s
フレームレート 30 fps 再生レート 10 fps
気泡流 JG = 0.16 m/s
JL = 0.2 m/s
管周りボイド率分布 20
-180 -90 0 90 1800
1
2
0
1
2
-180 -90 0 90 1800.8
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
ave,
L [-]
気泡流 JG = 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 JG = 0.89 m/s
Rotated angle [deg.]
h / h
ave,
L [-]
-180 -90 0 90 1800.8
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 1800
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 10
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 90 100.01
0.1
1
10
100
1000
原子番号
質量
減衰
係数
, µm
[cm
2 /g]
H
BeC
O
FNe
Mg
Si
P Zr
Pb Bi
Pm
Sm
Tb
Er
Lu
Ir
Ra
Ac
Pa
Li
B
Rh
Ag
Cd
In
Xe
Eu
Gd
DyTm Au
HgPu
He
N
Na
Al S
Cl
Ar
KCa
Sc
TiVCr
MnFe
CoNiCu
ZnGa
GeAs
SeBr
Kr
Rb
Sr
Y Nb
Mo
Ru
Pd
Sn
SbTe
I Cs
BaLa
Ce
Pr
Nd
HoYb
Hf
TaW
Re
OsPtTl ThU
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/cm3] :mμ 質量減衰係数 [cm2/g] 厚さ [cm]
中性子線の減衰特性
:t
)-(exp m0 tρμII =t
I0 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
GS :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
( )( ) ( )( ) ( )
−
−⋅=
yxOyxSyxOyxS
μyxtρ
,,,,
ln1, drydry
rm,rr
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) OtμρtμρtμρGIS += )---(exp rrm,radsadsm,adswwm,w0
dryadsadsm,adswwm,w0dry )(exp OtμρtμρGIS += --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
GS :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
( )( ) ( )( ) ( )
−
−⋅=
yxOyxSyxOyxS
μyxtρ
,,,,
ln1, drydry
rm,rr
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) OtμρtμρtμρGIS += )---(exp rrm,radsadsm,adswwm,w0
dryadsadsm,adswwm,w0dry )(exp OtμρtμρGIS += --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
中性子吸収体グリッド 31
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 ( )
( ) ( )( ) ( )
−
−=
yxOyxSyxOyxS
yxtμρ,,
,,ln,
adseqadseq
drydryrrm,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 20 250
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Thickness of the adsorbent/ethanol step [mm]
ρ r µ
m,r
δ r [-
]
With the compensation by the umbra method Liquid ethanol Adsorbed ethanolWithout the compensation Adsorbed ethanol
真影法による計測結果 33
adsads
adsrrs0 lnexp
VρAtρE
PPRTW
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:ρads 260 kg/m3
𝑊0:最大吸着量 𝑅:ガス定数 𝑇:吸着材温度 𝑃𝑠: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 0.700.10.20.30.40.50.60.7
過去
の文
献で
の平
衡吸
着量
ρrt r
[g/c
m2 ]
中性子ラジオグラフィによって計測された吸着量 ρrtr [g/cm2]
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 2020
40
60
80
時間 [min]
温度
[℃]
Tad1 [℃]Tad2 [℃]Tad3 [℃]Tw [℃]
Tc,in[℃]Tc,out[℃]
露光時間:40 s 撮影間隔:5 s
蒸気 吸着量
0 50 100 150 200
1
2
3
4
時間 [min]
圧力
[kP
a]
]cmg[ 2rr tρ
伝熱面
Tad1
Tad2
Tad3
Tw
試験部 Tc,out Tc,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 2020
40
60
80
時間 [min]
温度
[℃]
Tad1 [℃]Tad2 [℃]Tad3 [℃]Tw [℃]
Tc,in[℃]Tc,out[℃]
Tad1
Tad2
Tad3
Tw
試験部 Tc,out Tc,in
L1 R1
0 50 100 150 2000
0.1
0.2
0.3
0.4
C1C2C3C4
ρ rδ r
[g/c
m2 ]
Time [min]
L1R1
吸着量の時間変化 37
0 50 100 150 200 2500
0.05
0.10
0.15
0.20
Time [min]
ρ rδ r
[g/c
m2 ]
C1C2C3C4
L1R1
C2 C1
C4
C3 L1 R1
試験部 Tc,in
脱着量時間変化
0 50 100 150 200 2520304050607080
Ads
orbe
nt
tem
pera
ture
[℃
]
Time [min]
Tad1
Tad2
Tad3
Tw T ad1 [ ℃ ] T ad2 [ ℃ ] T ad3 [ ℃ ] T w [ ℃ ]
脱着量の時間変化
Tc,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