⑧差替え2_新技術説明会_神戸大_川南

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たみえみしま
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1 固体冷媒をいた次世代磁気ヒートポンプの研究開発神学学院学研究科機械学専攻准教授川南剛

2 発表概要 p 研究開発の動機および研究の意義 p 新技術の特徴従来技術との較 p これまでの研究成果 p 技術の問題点 p 企業への期待 p まとめ 1

3 研究開発の動機と意義国内の排出削減吸収量の確保により 2030年度に2013 年度ｰ26.0% 2005 年度比ｰ25.4% の水準約10億 4,200万トン-CO2 にすることとする本の約束草案 2030年度温室効果ガス排出削減標地球温暖化対策推進本部決定平成27年7 17 約3.6億トン-CO2の温室効果ガス削減が求められる固体冷媒磁気ヒートポンプシステムの実現による寄与 p 冷凍ヒートポンプ装置における温室効果ガスの保有量および排出量をゼロにすることが可能である p 従来のガス冷媒ヒートポンプにべい成績係数COPを期待でき省エネルギー化による温室効果ガスの削減が可能である 2

4 磁気冷凍法 ( ヒートポンプ動作の基礎原理 ) 3 システムの最適化磁気熱量効果を利する磁気モーメント Magnetic moment 磁気熱量効果材料 ( 磁性材料 ) Magnetocaloric material 1 熱移動の促進と制御系の温度上昇 ΔS 系の温度低下 2 材料開発磁気回路 Magnetic circuit N S N S (a) 消磁 Demagnetization (b) 励磁 Magnetization 3

5 新技術磁気冷凍法の特徴 p冷媒が固体ノンフロンガス冷媒の使排出なし冷媒の漏洩による事故性能低下なし p 理論的効率が高い消費電が少なくCO2削減に貢献 p 低騒音低振動特殊環境への途へ展開 p 温度差を大きくとれるカスケード化 4

6 エントロピー変化と断熱温度変化 S H 0 S 0 (S 0, T 0 ) (S 0, T 1 ) H 1 ΔS = ΔS M S 1 (S 1, T 0 ) T 0 T 1 ΔT ad T 5

7 磁気冷凍法と気体圧縮冷凍法の相似性因磁気冷凍式気体圧縮式冷凍式エネルギー磁場 H 0 圧 p 作磁化 M 体積 v 外部仕事 ( 閉じた系 ) dw = m 0 H 0 dm dw = p dv 業仕事 ( 開いた系 ) dw = m 0 M dh 0 dw = v dp 概念図 N S H 0 磁気熱量効果材料 dw H, M H 0 N S p, v dw 気体 6

8 AMR の構成および磁気冷凍サイクルの 4 程 AMR:Active Magnetic Regenerator 能動的磁気再器磁気作業物質が吸熱発熱と蓄熱再器の役割を同時に担う cold end magnet hot end magnet displacer magnet AMR bed magnet magnet 1. 励磁過程 2. 熱交換媒体移動低温端温端 magnet magnet magnet 4. 熱交換媒体移動温端低温端 3. 消磁過程 7

9 AMR 内の動作 ( 動画 ) 磁気回路 AMR 試験部 30 ディスプレーサー (a) 装置の動作 (b) 温度変化 8

10 1サイクル間の温度変化励磁過程 Cold end Tcold bed Hot end Tcenter Thot 励磁および消磁過程では磁気熱量効果により充填層内の温度は急激に変化する温側と低温側の温度差はサイクルが経過するに伴い拡する Vw = 2.5 x 10-6 m3, Fw = 2.5 x 10-6 m3/s 9

11 1サイクル間の温度変化低温端温端 Cold end Tcold bed Hot end Tcenter Thot 励磁および消磁過程では磁気熱量効果により充填層内の温度は急激に変化する温側と低温側の温度差はサイクルが経過するに伴い拡する Vw = 2.5 x 10-6 m3, Fw = 2.5 x 10-6 m3/s 10

12 1サイクル間の温度変化消磁過程 Cold end Tcold bed Hot end Tcenter Thot 励磁および消磁過程では磁気熱量効果により充填層内の温度は急激に変化する温側と低温側の温度差はサイクルが経過するに伴い拡する Vw = 2.5 x 10-6 m3, Fw = 2.5 x 10-6 m3/s 11

13 1サイクル間の温度変化温端低温端 Cold end Tcold bed Hot end Tcenter Thot 励磁および消磁過程では磁気熱量効果により充填層内の温度は急激に変化する温側と低温側の温度差はサイクルが経過するに伴い拡する Vw = 2.5 x 10-6 m3, Fw = 2.5 x 10-6 m3/s 12

14 AMR 内の温度勾配 MCM bed 13

15 連続運転時の温度変化 ( 流量の影響 ) V w = 2.5 x 10-6 m 3 F w = 2.5 x 10-6 m 3 /s DT center V w = 5.0 x 10-6 m 3 F w = 5.0 x 10-6 m 3 /s 11.4 after 500 cycles DT center 14

16 想定される途および形態 Summer mode CHEX AMR HHEX AMR Winter mode 15

17 実化へ向けての課題と企業への期待市場のニーズ : p 従来のヒートポンプと較してコストおよびエネルギー効率の点で競争がある p ガスおよび可燃性冷媒を使しない現状の課題と期待される技術 : p 実際のシステム効率が理論的効率と離れているモーターおよびポンプ等, 要素機器の効率改善 p システムが重くきい ( 磁場強度を上げると磁気回路が重くなる ) 磁場強度を 1T 以下程度にする充填する材料の量を 2kg 以下程度にする p システムに組み込まれた磁気熱量効果材料および要素機器の期耐久性が不明である p 固体冷媒材料の成形技術が確されていない 16

18 期的展望および市場投へ向けた課題実化に向けた期的 (10 年後程度から実化まで ) 標および展望 l 暖房給湯温度レベルにも対応する数 kw 級磁気ヒートポンプの実現 l 階層構造 AMRの確実化に向けた技術課題材料分類課題研究開発が必要な技術項システム性能化耐久性任意形状加性性能効率性の実現性巨磁気熱量効果を有する材料の開発キュリー点の任意制御磁場印加繰り返しによる耐久性能評価防技術の検討球, 薄板への加性, や溝加性の検証階層化 AMR による温度幅拡 AMR の熱交換構造の検証熱交換部設計ツールの確シミュレーションの度化複数材料組み合わせ技術の確ポンプやモータの効率改善検討搬送, サイズ磁回路のコンパクト化軽量化 ( 性能磁気回路の開発 ) コストコスト低減コスト試算評価運メンテナンス性有害物質不排出材料れ替え時の作業性の検討有害物質を含まないシステムの実現 17

19 磁気冷凍法の冷凍能冷媒 1kg あたりの冷凍能 [W/kg] サイクル速度 [Hz] 磁場の強さ [Tesla] 18

20 本技術に関する企業等共同研究の経歴 2016 年 9 1 現在 p 冷凍機器関連企業 (2016 年 4 現在 ) p 電装設備関連企業 (2016 年 4 現在 ) p 磁性材料関連企業 (2016 年 3 現在 ) p 家電関連企業 (2015 年 10 現在 ) p 動関連企業 (2015 年 6 現在 ) p 国研究機関 (2015 年年 3 ) p 家電関連企業 (2013 年年 3 ) p 家電関連企業 (2009 年年 12 ) p 国研究機関 (2006 年年 3 ) p 電関連会社 (2005 年年 3 ) 19

21 科学技術振興機構環境エネルギー研究開発推進部 TEL FAX alca@jst.go.jp

物理学 II( 熱力学 ) 期末試験問題 (2) 問 (2) : 以下のカルノーサイクルの p V 線図に関して以下の問題に答えなさい. (a) "! (a) p V 線図の各過程 ( ) の名称とそのと (& きの仕事 W の面積を図示せよ. # " %&! (' $! #! " $ %'!!!

物理学 II( 熱力学 ) 期末試験問題 (2) 問 (2) : 以下のカルノーサイクルの p V 線図に関して以下の問題に答えなさい. (a) ! (a) p V 線図の各過程 ( ) の名称とそのと (& きの仕事 W の面積を図示せよ. # %&! (' $! #! $ %'!!! 物理学 II( 熱力学 ) 期末試験問題 & 解答 (1) 問 (1): 以下の文章の空欄に相応しい用語あるいは文字式を記入しなさい. 温度とは物体の熱さ冷たさを表す概念である. 物体は外部の影響を受けなければ, 十分な時間が経過すると全体が一様な温度の定常的な熱平衡状態となる. 物体と物体が熱平衡にあり, 物体と物体が熱平衡にあるならば, 物体と物体も熱平衡にある. これを熱力学第 0