山梨大学 工学部機械工学科武田研究室

研究室紹介

主な研究テーマ

多成分気体の分子拡散と対流による混合過程

次世代原子力システムの１つである高温ガス炉の１次冷却系配管破断事故時の第１段階において、圧力容器と固定反射体との環状流路部で発生する局所的な自然対流は、第１段階の持続時間を決定する重要なファクターの１つである。しかし、２成分気体を用いた二重拡散対流の研究はその難しさからあまり行われていない。

そこで、本研究では片面を加熱、もう一方を冷却した鉛直平板により鉛直流体層を構成し、上部空間には軽い成分気体が、下部空間には重い成分気体を充填した場合について、重い気体がどのような過程を経て上部空間に運ばれるかを調べることが目的である。下記写真の実験装置を作成し、その装置を用いてHe,Ar,Ne,N2の４種類の気体について組み合わせを変えながら実験を行う。その実験結果を元に、数値解析の結果との比較検討を行っている。

鉛直矩形管の伝熱に関する研究

高温に加熱された容器を周囲から冷却する際に、一般的な冷却方法として、強制対流や水の沸騰熱伝達を採用することが多い。しかしながら、原子炉を格納する圧力容器の冷却などの原子力設備を冷却する場合には、受動的かつ安全な方法で冷却することが望まれる。このため、受動的な冷却方法として気体の密度差に起因して発生する自然対流の利用を検討している。 　一般に自然対流は沸騰や単層流の自然対流に比べて冷却能力が劣ることが知られている。そこで伝熱促進の手段として、高温の壁面近傍に高空隙率の多孔性材料層を設置した。この方法は自然対流の乱れを促進すること、及び放射熱伝達の利用を促進することなどから、伝熱促進の可能性があると考えられる。 　本研究では多孔性材料が伝熱特性に与える影響を評価するために２つのアプローチを行っている。

1. 鉛直矩形流路の片面を加熱し、流路内を自然対流によって冷却する。流路内に銅細線を挿入した場合の変化を、壁面と流路内気体の温度変動から考察する。
2. Phoenicsを用いて数値解析を行い、主に圧力損失の観点から、多孔性材料が自然対流に与える影響を調査する。

公募型研究の詳細

現在実施中の公募型研究（受託研究を含む）

1. H23年9月から独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が進める「再生可能エネルギー熱利用計測技術実証事業」において、（株）萩原ボーリングが担当する地中熱利用設備を対象とする熱利用計測技術実証事業のうち熱量計測の実証を山梨大学での受託研究として武田研究室にて実施しています。
2. 現在、1次系が不凍液、2次系が冷媒方式の地中熱ヒートポンプシステムを工学部A1号館の103号室及び105号室に導入するための工事を進めています。室内には3台の空調機器及び床暖房とパネルヒータを設置し、1次系及び2次系の流量、温度等の連続運転データを取得します。H24年4月から連続運転を行い、実用化に必要な熱量計測基礎データを取得するとともに、各種計測機器から算出した熱量計測の精度評価を行い、経済性の観点から計測機器の有効性の評価を行います。

これまでに終了した公募型研究（受託研究を含む）

1. H20-H22科学研究費補助金研究　基盤研究C
   「自然対流が発生する二成分気体系安定密度成層内の分子拡散挙動の研究」
2. H21シーズ発掘試験　発掘型研究
   「ヘリウムガスによる自然循環流のパッシブ制御法の開発」
3. H27RING！RING！プロジェクト
   「直接膨張方式地中熱ヒートポンプの開発実証補助事業」
4. H28RING！RING！プロジェクト
   「直接膨張方式地中熱ヒートポンプの空調給湯性能向上と地盤環境評価補助事業」
5. 2019年度競輪とオートレースの補助事業
   「浅層地中熱を利用する家庭用及び産業用直接膨張方式地中熱ヒートポンプの空調給湯性能実証試験補助事業」

研究室の指導方針

卒研生や大学院生に対する共通の教育方針として、自分自身で研究計画を立てて進めることの難しさを経験してもらうために、可能な限り学生の自主性に任せた研究の進め方を取り入れています。もちろん、研究の進め方について大枠は指示しますが、予定通り進められない、期日までに予定したことが達成できないと判断した時は、何が悪かったのかということを理解させるとともに、その後は厳しく指導することとしています。卒研生に対しては、研究というよりも研究活動を通じて、検討したことを文書にまとめること、まとめたことを的確に他の人に伝えられるよう発表できること、を重視しています。大学院生に対しては、原則として機械学会の学生員になって、少なくとも2回以上は国内外の学会において、研究成果を発表することにしています。