気液相変化による液体の凍結のエクセルギー高効率利用への応用

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エネルギー変換効率の向上のためには安定な低温熱源を効率よく得ることが重要である。この意味で相変化物質の潜熱を利用したいわゆる氷蓄熱は有効な冷熱源たり得るが、従来の氷蓄熱では相変化物質をその凝固点以下の温度とした冷媒によって冷却して凍結させているため、その際の温度差に基づくエクセルギー損失が無視し得なかった。これは相変化物質の凍結潜熱を顕熱の形で取り去っているためである。そこで本研究では相変化物質の蒸発潜熱を利用して滴状の相変化物質そのものを冷却し凍結にいたらしめる手法を提案した。この方法では相変化物質の凍結潜熱を蒸発潜熱によって取り去るため、原理的には熱移動に温度差を要せず、エクセルギー損失の小さな冷熱製造が実現し得る。本年度はこの概念の実現可能性を探るため、相変化物質としての水を低圧雰囲気中で蒸発させその温度挙動を計測するとともに、氷晶生成の様子や過冷却現象の発現、その制御手法などを検討した。具体的には、金属細線に支持された水滴を低圧雰囲気中においた場合の水滴の温度変化ならびに凍結挙動の観察と、水滴を高さ約5mの低圧用忌中を自由落下させたときの凍結の様子の観察を行い、雰囲気圧力がある程度低ければ水滴はきわめて速やかに凍結にいたること、蒸発凍結時の液滴には明確な過冷却現象が生じること、その過冷却は水滴内部からの沸騰(いわゆるフラッシュ現象)によって解除され凍結確率が向上することなどを明らかにした。さらに、本手法の有効性を熱力学的見地から検討し、雰囲気を低圧にするための真空ポンプから排気される水蒸気は真空ポンプを十分に断熱すれば理論的には970Kの過熱水蒸気となり、これが炭化水素系燃料の改質などに利用されることを前提とすれば、本手法は同様の動作をする従来のヒートポンプより高効率であることを示唆した。