高機能熱電デバイス設計のためのトポロジー最適設計法の構築

高性能热电器件设计优化拓扑设计方法的构建

• 批准号: 17J09036
• 负责人: 古田 幸三
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17J09036/
• 关键词: 構造最適化; 微視系熱伝導; 微視構造; ボルツマン輸送方程式; レベルセット法; 設計感度

本研究では，微視構造に着目することで，従来に無い材料特性を伴った高機能熱電デバイス設計のための最適設計法の構築を目的としている．本研究は，従来の最適設計法ではほとんど扱われてこなかったサブミクロン，ナノメートルオーダーと呼ばれるような微視構造設計に着目するものであり，微視構造内特有の熱伝導を考慮した最適設計法の構築が本研究課題の最も重要な部分になる．昨年度は主にボルツマン輸送方程式に基づく微視系熱伝導問題を対象とした設計感度の導出方法を構築した．その続きとして，今年度前半には，様々な目的を扱えるような，より一般的な設計感度の導出方法の構築を行い，数値例を通し，提案した手法の妥当性および有効性の検証を行った．その成果の一部について，中国の大連で開かれたACSMO2018にて口頭発表を行った．その後，最適設計法への拡張を行うために，微視系熱伝導を対象とした設計問題の中で最も単純な温度最小化を目的とした構造最適設計法の構築を行った．そして，数値例を通し，本手法の妥当性の検証を行った．本成果については，アメリカのニューヨークで開催された"the 13th WCCM"にて口頭発表を行った．以上，今年度の前半では本課題達成のための基礎となる構造最適設計法の構築を行った．そして，今年度の後半からは実際の熱電デバイスの高性能化を目的とした最適設計法の構築を行った．熱電デバイスの性能向上には，系内における高温部と低温部の温度差を大きくする必要がある．そのため，本研究ではレベルセット法を用いた微視系熱伝導における系内の温度差最小化を目的とした構造最適設計法の構築を行い，本成果を関西大学で開催された「2018年度日本機械学会年次大会」の招待講演にて発表を行った．以上が今年度の研究実績の概要である．

This study aims to construct an optimal design method for Weishi app structures with high performance thermoelectric properties. In this study, the most important part of this research topic is to consider the thermal conduction characteristic of Weishi app and construct the optimal design method. The main transmission equation of the year is the construction of the thermal conduction problem of the Weishi app system. However, in the first half of this year, we have been working hard to achieve our goals. During the construction of general design sensitivity derivation methods, several examples have been introduced, and the appropriateness and effectiveness of the proposal methods have been demonstrated. ACSMO2018 was launched in Dalian, China. After that, the optimal design method is applied to the problem of temperature minimization. The Weishi app is a thermal conduction system. In addition, several examples are available to demonstrate the appropriateness of this technique. The results of this study were published as "the 13th WCCM" and "the 13th WCCM". Above, the first half of this year is the realization of this topic. In the second half of this year, the construction of optimal design method for high performance thermoelectric devices was carried out. Thermoelectric performance is upward, and the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part in the system is large. This study was conducted to minimize the temperature difference in the thermal conduction system by using the Weishi app method. The results were presented at the opening ceremony of Kansai University's "2018 Annual Meeting of Japan Mechanical Society." The above is a summary of this year's research achievements.

项目成果

Shape sensitivity for a two-phase heat conduction problem considering nanoscale effects

考虑纳米级效应的两相热传导问题的形状敏感性

• 发表时间: 2018
• 期刊: Journal of Advanced Mechanical Design Systems and Manufacturing
• 影响因子: 0.9
• 作者: K. Furuta;A. Sato;K. Izui;M. Matsumoto;T. Yamada and S. Nishiwaki
• 通讯作者: T. Yamada and S. Nishiwaki

Level set-based topology optimization for thermoelectric nanostructures considering the temperature discontinuity based on the Boltzmann transport equation

基于玻尔兹曼输运方程考虑温度不连续性的热电纳米结构水平集拓扑优化

• 发表时间: 2017
• 作者: K. Furuta;A. Sato;K. Izui;M. Matsumoto;T. Yamada and S. Nishiwaki
• 通讯作者: T. Yamada and S. Nishiwaki

微視熱伝導系を対象とした構造最適設計法

微观热传导系统的优化结构设计方法

• 发表时间: 2018
• 作者: Kozo Furuta;Ayami Sato;Kazuhiro Izui;Takayuki Yamada;Mitsuhiro Matsumoto and Shinji Nishiwaki;古田幸三
• 通讯作者: 古田幸三

フォノンによる微視系熱輸送におけるエネルギー最小化問題を対象とした感度解析

针对声子微观热传输能量最小化问题的灵敏度分析

• 发表时间: 2018
• 期刊: 計算数理工学論文集
• 作者: Furuta Kozo;Sato Ayami;Izui Kazuhiro;Matsumoto Mitsuhiro;Yamada Takayuki;Nishiwaki Shinji;古田幸三，佐藤綾美，泉井一浩，山田崇恭，松本充弘，西脇眞二
• 通讯作者: 古田幸三，佐藤綾美，泉井一浩，山田崇恭，松本充弘，西脇眞二

Structural Optimization of Thermoelectric Nanomaterials Using the Level Set Method

使用水平集方法优化热电纳米材料的结构

• 发表时间: 2018
• 作者: Kozo Furuta;Ayami Sato;Kazuhiro Izui;Takayuki Yamada;Mitsuhiro Matsumoto and Shinji Nishiwaki
• 通讯作者: Mitsuhiro Matsumoto and Shinji Nishiwaki