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