【特集】伝熱工学が導く熱利用・熱マネジメント技術最前線
Leading-edge Techniques in Utilization and Management of Heat Conducted
by Heat Transfer Engineering

-------------------------------------------------------------------------

特集にあたって
Introduction

-------------------------------------------------------------------------
門出政則((公社)日本伝熱学会　第51 期会長
佐賀大学　海洋エネルギー研究センター　教授)
宇高義郎((公社)日本伝熱学会　特定推進研究企画委員会　委員長
横浜国立大学 大学院　工学研究院　教授)
-------------------------------------------------------------------------

排熱有効利用に寄与する化学蓄熱技術
Contributions of Thermochemical Energy Storage Technologies to Waste Heat Utilization

-------------------------------------------------------------------------
加藤之貴(東京工業大学　原子炉工学研究所　准教授)

　日本の省エネルギーにおいて排熱の回収,有効利用技術は重要であり,とくに200 〜
400℃域の中温熱の有効利用が量的にも効果があることを指摘し,その利用への化学蓄熱
の寄与性を示した。化学蓄熱は従来の蓄熱,熱利用技術にない広い操作温度域,長時間熱
貯蔵性などを持ち,排熱回収に柔軟に対応できる可能性がある点で有用である。無機反応
系化学蓄熱に可能性があり,反応材料開発には種々の複合技術の導入により,より広範な
熱回収分野に応用が期待できる。また,化学蓄熱装置の実用化においては材料と熱交換器
のパッケージ化が必要であり,包括的な熱交換性能向上が重要である。このための高伝熱
性化学蓄熱材料の開発事例を示した。

1.緒言
2.蓄熱ハイブリッド型熱プロセスの提案
3.化学蓄熱の原理と構成
4.化学蓄熱むけの反応系の探索
5.化学蓄熱材料の開発事例
5.1　反応温度の広域化
5.2　繰り返し反応耐久性の向上
5.3　高伝熱性化
6.まとめ

-------------------------------------------------------------------------

エクセルギー損失削減に貢献する伝熱促進技術
Heat Transfer Enhancement for Exergy Loss Reduction

-------------------------------------------------------------------------
鹿園直毅(東京大学　生産技術研究所　エネルギー工学連携研究センター　教授)

　膨大なエクセルギー損失を削減するためには,様々なプロセスに存在する温度差を低減
する必要があるが,コストとのトレードオフという大きな障壁がある。その解決のための
有効な手段の一つが伝熱促進である。特に,熱伝導率の低い気相の伝熱促進が重要であり,
本稿では,壁面凹凸形状による単相伝熱促進手法について紹介する。

1.はじめに
2.温度差とコストのトレードオフ
3.単相伝熱促進技術
4.おわりに

-------------------------------------------------------------------------

相変化伝熱流動の技術的諸課題を考える
On Technological Issues of Phase Change Heat Transfer

-------------------------------------------------------------------------
小澤　守(関西大学　社会安全学部　教授)

　相変化伝熱流動現象はエネルギー機器にとっては基幹技術であり,また材料創成や空調
にとってもその品質を確保するうえで極めて重要な技術である。しかし相変化伝熱流動が
単独で技術として存在するのではなく,必ず周囲に関連システムがあり,さまざまな要因
との摺合せの中で存在するものである。将来の展開を考えるうえで,個別要素研究の重要
性は紛れもないが,同時にシステムとして組み上げる際の問題や商品としての価値につい
ても俯瞰したうえでの研究が望まれる。

1.はじめに
2.相変化(沸騰)伝熱技術の位置付け
3.沸騰伝熱研究の経緯
4.沸騰二相流の特徴
5.沸騰二相流研究開発の各段階と課題
6.個別要素・基礎的研究段階における問題
7.組合せ・システム化段階の課題
8.商品化段階の課題
9.おわりに

-------------------------------------------------------------------------

熱ふく射の放射波長制御とエネルギー変換─周期的微細構造によるメタマテリアル創成の可能性─
Energy Conversion through Spectral Controlled Far-fi eld and Near-fi eld Radiations
─Approach to Meta-materials by Periodical Nanostructured Surfaces─

-------------------------------------------------------------------------
花村克悟(東京工業大学 大学院　理工学研究科　機械制御システム専攻　教授)

　ふく射の放射(emission of radiation)にかかわる波長制御は,新たなエネルギー変換
手法につながる可能性がある。ここでは,プランクの法則に従う伝播成分に加え,これに
従わない近接場成分についても,周期的な表面微細構造を施すことにより,ある程度自由
にふく射性質(メタマテリアル)を創成できることについて概説する。

1.はじめに
2.周期的マイクロキャビティによるふく射の放射波長制御
3.グレーティング構造によるふく射の指向性放射
4.薄膜系によるふく射の指向性放射
5.ピラーアレイ構造による近接場光の波長制御エネルギー輸送
6.エネルギー変換への応用
7.まとめ

-------------------------------------------------------------------------

次世代大フラックス電池に求められる輸送現象の解明と制御
Understanding and Control of Transport Phenomena in Fuel Cells and Batteries
under Large Flux Operation

-------------------------------------------------------------------------
津島将司(東京工業大学 大学院　理工学研究科　機械制御システム専攻　准教授)
平井秀一郎(東京工業大学 大学院　理工学研究科　機械制御システム専攻　教授)

　本稿では,次世代大フラックス電池において,輸送現象の解明と制御が重要であること
を示し,固体高分子形燃料電池とリチウムイオン二次電池における低エネルギーX 線を
用いたin situ(その場)可視化による輸送現象の解明、ならびにフロー電池の流動制御
による高性能化について述べる。

1.はじめに
2.固体高分子形燃料電池
2.1　固体高分子形燃料電池における輸送現象
2.2　固体高分子形燃料電池の軟X 線in situ 可視化
2.3　固体高分子形燃料電池における輸送現象の制御と促進に向けて
3.リチウムイオン二次電池
3.1　リチウムイオン二次電池における輸送現象
3.2　リチウムイオン電池の低エネルギーin situ可視化
4.バナジウムレドックスフロー電池
4.1　バナジウムレドックスフロー電池における輸送現象
4.2　櫛刃構造流路によるバナジウムレドックスフロー電池の性能向上
5.まとめ

-------------------------------------------------------------------------

次世代自動車に期待される伝熱工学
Heat and Mass Transfer Research for Next Generation Automobile

-------------------------------------------------------------------------
飯山明裕(日産自動車　総合研究所　EV システム研究所　エキスパートリーダ)

　ハイブリッド自動車(HEV),電気自動車(BEV)や燃料電池自動車(FCEV)などの
次世代自動車は,電動化がすすみ,車載する限られたエネルギーを効率よく利用するクル
マである。本稿では,次世代自動車において,熱と物質の移動現象を扱う伝熱工学に期待
される課題について概観し,特に今後実用化が期待される燃料電池自動車における課題に
ついて述べる。

1.はじめに
2.次世代自動車の伝熱工学に関する課題
3.燃料電池スタックの低コスト化
3.1　現状の到達レベル
4.伝熱工学に期待するブレークスルー
4.1　GDL の物質輸送の課題と現状
4.1.1　基材
4.1.2　マイクロポーラス層(MPL)
4.2　触媒層
4.3　触媒近傍の物質輸送課題
5.まとめ

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Material Report -R&D-

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機能紙「トッパンFS シリーズ」の開発
Development of Functional Paper “TOPPAN FS Series”

-------------------------------------------------------------------------
溝渕　隆(凸版印刷　マテリアルソリューション事業本部　事業戦略本部　
新市場開発部　新商品開発チーム　課長)
三木祐二(凸版印刷　マテリアルソリューション事業本部　事業戦略本部　
新市場開発部　新商品開発チーム)

　凸版印刷では,機能性材料をパルプに高担持させた機能紙「トッパンFS シリーズ」の
開発を行っている。機能性粉材料をパルプに高担持させることで,紙の特性と機能性材料
の特性とを併せ持つ新しい材料を生み出すことができる。「トッパンFS シリーズ」は多
様なラインナップを持つが,本稿ではタングステン機能紙,ゼオライト機能紙について紹
介する。

1.タングステン機能紙
1.1　概要
1.2　タングステン機能紙の特長
1.3　タングステン機能紙の基本物性
1.4　タングステン機能紙の放射線遮蔽性能
1.5　タングステン機能紙の活用例
1.6　今後の展開
2.ゼオライト機能紙
2.1　概要と特長
2.2　FS-ZEO シリーズの基本物性
2.3　吸着性能評価
2.3.1　セシウム(安定同位体)イオンに対する吸着試験
2.3.2　汚染土水に対する吸着試験
2.4　除染対策への活用事例

-------------------------------------------------------------------------

幅広い温度域で柔軟性をもつ多孔性材料・マシュマロゲルの合成と分離媒体への応用
Synthesis of Marshmallow-like Gels with Wide-temperature Flexibility
and their Applications to Separation Media

-------------------------------------------------------------------------
早瀬　元(京都大学 大学院　理学研究科　化学専攻)
金森主祥(京都大学 大学院　理学研究科　化学専攻　助教)
中西和樹(京都大学 大学院　理学研究科　化学専攻　准教授)

　幅広い温度域において柔軟性と超撥水性を示す,シリコーン(有機ポリシロキサン)組
成のマクロ多孔性ゲルを開発し,マシュマロゲルと名付けた。マシュマロゲルは,一般的
なゾル―ゲル法において用いられる2 種類のアルコキシシランを大気雰囲気下,ワンポッ
トで反応させる簡便な手法によって得られ,超撥水性を活かした水―油の高効率分離媒体
としても有用である。本稿では,マシュマロゲルの基本的な物性と応用展開の可能性につ
いて簡潔に紹介する。

1.はじめに
2.研究のきっかけ
3.マシュマロゲルの合成
4.超撥水性・油―水分離媒体としての応用
5.広い温度域での柔軟性
6.表面機能の拡張性
7.今後の展望

-------------------------------------------------------------------------

機能材料マーケットデータ

-------------------------------------------------------------------------

レアアース関連の動向
The Trend about a Rare Earth

-------------------------------------------------------------------------
1.需給動向
2.業界動向
2.1　供給先確保
2.2　リサイクル関連
2.3　使用量低減・代替材料関連
【特集】伝熱工学が導く熱利用・熱マネジメント技術最前線
Leading-edge Techniques in Utilization and Management of Heat Conducted
by Heat Transfer Engineering

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特集にあたって
Introduction

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門出政則((公社)日本伝熱学会　第51 期会長
佐賀大学　海洋エネルギー研究センター　教授)
宇高義郎((公社)日本伝熱学会　特定推進研究企画委員会　委員長
横浜国立大学 大学院　工学研究院　教授)
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排熱有効利用に寄与する化学蓄熱技術
Contributions of Thermochemical Energy Storage Technologies to Waste Heat Utilization

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加藤之貴(東京工業大学　原子炉工学研究所　准教授)

　日本の省エネルギーにおいて排熱の回収,有効利用技術は重要であり,とくに200 〜
400℃域の中温熱の有効利用が量的にも効果があることを指摘し,その利用への化学蓄熱
の寄与性を示した。化学蓄熱は従来の蓄熱,熱利用技術にない広い操作温度域,長時間熱
貯蔵性などを持ち,排熱回収に柔軟に対応できる可能性がある点で有用である。無機反応
系化学蓄熱に可能性があり,反応材料開発には種々の複合技術の導入により,より広範な
熱回収分野に応用が期待できる。また,化学蓄熱装置の実用化においては材料と熱交換器
のパッケージ化が必要であり,包括的な熱交換性能向上が重要である。このための高伝熱
性化学蓄熱材料の開発事例を示した。

1.緒言
2.蓄熱ハイブリッド型熱プロセスの提案
3.化学蓄熱の原理と構成
4.化学蓄熱むけの反応系の探索
5.化学蓄熱材料の開発事例
5.1　反応温度の広域化
5.2　繰り返し反応耐久性の向上
5.3　高伝熱性化
6.まとめ

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エクセルギー損失削減に貢献する伝熱促進技術
Heat Transfer Enhancement for Exergy Loss Reduction

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鹿園直毅(東京大学　生産技術研究所　エネルギー工学連携研究センター　教授)

　膨大なエクセルギー損失を削減するためには,様々なプロセスに存在する温度差を低減
する必要があるが,コストとのトレードオフという大きな障壁がある。その解決のための
有効な手段の一つが伝熱促進である。特に,熱伝導率の低い気相の伝熱促進が重要であり,
本稿では,壁面凹凸形状による単相伝熱促進手法について紹介する。

1.はじめに
2.温度差とコストのトレードオフ
3.単相伝熱促進技術
4.おわりに

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相変化伝熱流動の技術的諸課題を考える
On Technological Issues of Phase Change Heat Transfer

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小澤　守(関西大学　社会安全学部　教授)

　相変化伝熱流動現象はエネルギー機器にとっては基幹技術であり,また材料創成や空調
にとってもその品質を確保するうえで極めて重要な技術である。しかし相変化伝熱流動が
単独で技術として存在するのではなく,必ず周囲に関連システムがあり,さまざまな要因
との摺合せの中で存在するものである。将来の展開を考えるうえで,個別要素研究の重要
性は紛れもないが,同時にシステムとして組み上げる際の問題や商品としての価値につい
ても俯瞰したうえでの研究が望まれる。

1.はじめに
2.相変化(沸騰)伝熱技術の位置付け
3.沸騰伝熱研究の経緯
4.沸騰二相流の特徴
5.沸騰二相流研究開発の各段階と課題
6.個別要素・基礎的研究段階における問題
7.組合せ・システム化段階の課題
8.商品化段階の課題
9.おわりに

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熱ふく射の放射波長制御とエネルギー変換─周期的微細構造によるメタマテリアル創成の可能性─
Energy Conversion through Spectral Controlled Far-fi eld and Near-fi eld Radiations
─Approach to Meta-materials by Periodical Nanostructured Surfaces─

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花村克悟(東京工業大学 大学院　理工学研究科　機械制御システム専攻　教授)

　ふく射の放射(emission of radiation)にかかわる波長制御は,新たなエネルギー変換
手法につながる可能性がある。ここでは,プランクの法則に従う伝播成分に加え,これに
従わない近接場成分についても,周期的な表面微細構造を施すことにより,ある程度自由
にふく射性質(メタマテリアル)を創成できることについて概説する。

1.はじめに
2.周期的マイクロキャビティによるふく射の放射波長制御
3.グレーティング構造によるふく射の指向性放射
4.薄膜系によるふく射の指向性放射
5.ピラーアレイ構造による近接場光の波長制御エネルギー輸送
6.エネルギー変換への応用
7.まとめ

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次世代大フラックス電池に求められる輸送現象の解明と制御
Understanding and Control of Transport Phenomena in Fuel Cells and Batteries
under Large Flux Operation

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津島将司(東京工業大学 大学院　理工学研究科　機械制御システム専攻　准教授)
平井秀一郎(東京工業大学 大学院　理工学研究科　機械制御システム専攻　教授)

　本稿では,次世代大フラックス電池において,輸送現象の解明と制御が重要であること
を示し,固体高分子形燃料電池とリチウムイオン二次電池における低エネルギーX 線を
用いたin situ(その場)可視化による輸送現象の解明、ならびにフロー電池の流動制御
による高性能化について述べる。

1.はじめに
2.固体高分子形燃料電池
2.1　固体高分子形燃料電池における輸送現象
2.2　固体高分子形燃料電池の軟X 線in situ 可視化
2.3　固体高分子形燃料電池における輸送現象の制御と促進に向けて
3.リチウムイオン二次電池
3.1　リチウムイオン二次電池における輸送現象
3.2　リチウムイオン電池の低エネルギーin situ可視化
4.バナジウムレドックスフロー電池
4.1　バナジウムレドックスフロー電池における輸送現象
4.2　櫛刃構造流路によるバナジウムレドックスフロー電池の性能向上
5.まとめ

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次世代自動車に期待される伝熱工学
Heat and Mass Transfer Research for Next Generation Automobile

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飯山明裕(日産自動車　総合研究所　EV システム研究所　エキスパートリーダ)

　ハイブリッド自動車(HEV),電気自動車(BEV)や燃料電池自動車(FCEV)などの
次世代自動車は,電動化がすすみ,車載する限られたエネルギーを効率よく利用するクル
マである。本稿では,次世代自動車において,熱と物質の移動現象を扱う伝熱工学に期待
される課題について概観し,特に今後実用化が期待される燃料電池自動車における課題に
ついて述べる。

1.はじめに
2.次世代自動車の伝熱工学に関する課題
3.燃料電池スタックの低コスト化
3.1　現状の到達レベル
4.伝熱工学に期待するブレークスルー
4.1　GDL の物質輸送の課題と現状
4.1.1　基材
4.1.2　マイクロポーラス層(MPL)
4.2　触媒層
4.3　触媒近傍の物質輸送課題
5.まとめ

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Material Report -R&D-

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機能紙「トッパンFS シリーズ」の開発
Development of Functional Paper “TOPPAN FS Series”

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溝渕　隆(凸版印刷　マテリアルソリューション事業本部　事業戦略本部　
新市場開発部　新商品開発チーム　課長)
三木祐二(凸版印刷　マテリアルソリューション事業本部　事業戦略本部　
新市場開発部　新商品開発チーム)

　凸版印刷では,機能性材料をパルプに高担持させた機能紙「トッパンFS シリーズ」の
開発を行っている。機能性粉材料をパルプに高担持させることで,紙の特性と機能性材料
の特性とを併せ持つ新しい材料を生み出すことができる。「トッパンFS シリーズ」は多
様なラインナップを持つが,本稿ではタングステン機能紙,ゼオライト機能紙について紹
介する。

1.タングステン機能紙
1.1　概要
1.2　タングステン機能紙の特長
1.3　タングステン機能紙の基本物性
1.4　タングステン機能紙の放射線遮蔽性能
1.5　タングステン機能紙の活用例
1.6　今後の展開
2.ゼオライト機能紙
2.1　概要と特長
2.2　FS-ZEO シリーズの基本物性
2.3　吸着性能評価
2.3.1　セシウム(安定同位体)イオンに対する吸着試験
2.3.2　汚染土水に対する吸着試験
2.4　除染対策への活用事例

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幅広い温度域で柔軟性をもつ多孔性材料・マシュマロゲルの合成と分離媒体への応用
Synthesis of Marshmallow-like Gels with Wide-temperature Flexibility
and their Applications to Separation Media

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早瀬　元(京都大学 大学院　理学研究科　化学専攻)
金森主祥(京都大学 大学院　理学研究科　化学専攻　助教)
中西和樹(京都大学 大学院　理学研究科　化学専攻　准教授)

　幅広い温度域において柔軟性と超撥水性を示す,シリコーン(有機ポリシロキサン)組
成のマクロ多孔性ゲルを開発し,マシュマロゲルと名付けた。マシュマロゲルは,一般的
なゾル―ゲル法において用いられる2 種類のアルコキシシランを大気雰囲気下,ワンポッ
トで反応させる簡便な手法によって得られ,超撥水性を活かした水―油の高効率分離媒体
としても有用である。本稿では,マシュマロゲルの基本的な物性と応用展開の可能性につ
いて簡潔に紹介する。

1.はじめに
2.研究のきっかけ
3.マシュマロゲルの合成
4.超撥水性・油―水分離媒体としての応用
5.広い温度域での柔軟性
6.表面機能の拡張性
7.今後の展望

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機能材料マーケットデータ

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レアアース関連の動向
The Trend about a Rare Earth

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1.需給動向
2.業界動向
2.1　供給先確保
2.2　リサイクル関連
2.3　使用量低減・代替材料関連