エネルギー機器の可視化typical kettle reboiler ⇒管配列の影響...
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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-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
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-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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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-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
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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
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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
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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
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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
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→ 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
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→ 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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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