所属：釧路工業高等専門学校機械工学科物体の加熱・冷却・凍結・融解・乾燥を制御する研究タイトル：氏名：赤堀匡俊/AKAHORI Masatoshi E-mail： akahori mech.kushiro-ct.ac.jp 職名：准教授学位：博士（工学）所属学会・協会：日本機械学会，日本伝熱学会キーワード：マイクロ波加熱，多孔質体の伝熱，熱・物質移動，凍結，融解，乾燥技術相談提供可能技術：・マイクロ波を用いた加熱制御（乾燥，融解を含む）・電磁場および熱移動の数値シミュレーション・多孔質体内熱・物質移動の数値シミュレーション機械工学科研究内容：マイクロ波を用いた物体加熱の高効率化および最適化【研究の背景および概要】【マイクロ波の特徴】マイクロ波加熱では，気・液・固相による誘電物性の違いが加熱特性に重要な意味を持ち、従来の表面からの熱伝導による加熱とは大きく異なる。本研究室では、電波制御による導波管方式および電波分散によるキャビティ方式の両加熱方式に対し、電磁場と熱の複合解析による物体内部の温度変化および温度制御の可能性を理論的・実験的に追求している。 ●マイクロ波の反射・吸収・透過マイクロ波による液相の加熱【水の場合】媒質の境界面反射波 D e p t h z [m m ] 入射波 20 30 P=300[W] t=60[s] 40 透過波反射波 Power 300W Elapsed time 60s 10 被加熱物体空気 50 Water 81.915 Waveguide water 109.22 20+ 18 to 20 16 to 18 14 to 16 12 to 14 10 to 12 8 to 10 6 to 8 4 to 6 2 to 4 0 to 2 20 30 40 Packed Beds 50 1 0 27.305 54.61 Width x[mm] 81.915 時間経過 (a) t=30[s] ６６℃ water （ａ）解析結果 (b) t=60[s] 0 20 40 60 80 100 Depth z[mm] 120 water 0 （ｂ）実験結果 27.305 54.61 水層内温度分布の解析および実験結果の比較 81.915 コロイド溶液の凍結【研究の背景および概要】【凝固界面上での粒子の (b) t=60[s] ice ９３℃ 導波管中央部における電界強度分布（導波管の内部に被加熱物が存在する場合） ice ４１℃ water water 109.22 (c) t=90[s] ice ４９℃ 融解過程が大きく異なる (c) t=90[s] 【粒子の掃き出しには】水－ガラス粒子系の凝固過程掃き出し・捕捉挙動】微粒子を含む液体が凝固するとき、 Particle 条件によりその粒子が凝固層に捕捉される場合と掃き出される場合が生じる。この現象は、食品の凍結、粒初期状態 Liquid 子強化複合材料の高品質化、凍結分 Solid Freezing 離、凍土・凍上など広い分野に関連 Freezing velocity する重要な問題である。 front V 本研究室では、凝固により生じる凝固の進行に伴い粒子の掃き出し・捕捉挙動を解明す Trapped state Swept state るため、微粒子を含む液体の一方向凝固を行うとともに、粒子と凝固界面の間に作用する分子間力や電気二 Liquid Liquid Solid Solid 重層力や粒子に作用する粘性力や重力などを考慮したモデルによる解析 Freezing Freezing front front により、微粒子を含む液体の凝固過粒子の捕捉粒子の掃き出し程を理論的・実験的に検討している。凝固層と粒子の間に何らかの斥力が必要 Particle Water Water Liquid Solid Freezing front 凝固層と粒子の間に常に液相が存在しなければならない。【凝固速度と粒子径を変化させた【粒子の掃き出し・捕捉状況の観察結果】ときの粒子の掃き出し・捕捉状況】 Particle Water Freezing velocity V [mm/h] Cavity (b)キャビティ方式 ice 0 -2 ice (a) t=30[s] 109.22 -1 (a)導波管方式３６℃ water 61 Width x[mm] 10 D e pth z[m m ] Electric Field Intensity Ey /E y,in Waveguide x=54.61mm ice Width x[mm] 0 マイクロ波の反射により定在波が形成される 2 ４０℃ 水層内の速度分布（解析結果） 5[wt%]NaCl 0 マイクロ波の吸収マイクロ波加熱による氷層の融解【氷層の下部に水層を設置【氷層の上部に水層を設置した場合の温度分布】した場合の温度分布】 0 Trapped Swept Dc=a0 Dc=3a0 Dc=5a0 100 10 1 Swept Freezing front 1mm 0.1 0.01 0.1 Ice 1 10 Particle diameter d [ m] 図中の線はvan der Waals力，粘性抵抗力，重力および浮力の釣り合いより得られた理論値。 100 （ａ）粒子の掃き出し状況（粒子の平均直径：1.65µm，凝固速度：3.0mm/h） Water Ice Particle Trapped Freezing front 1mm （ｂ）粒子の捕捉状況（粒子の平均直径：1.65µm，凝固速度：10.0mm/h）提供可能な設備・機器：名称・型番（メーカー） ―　29 ―