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マイクロ熱流束計を用いた管内流量計

国立大学法人電気通信大学

情報理工学研究科

知能機械工学専攻

准教授 小泉 博義

電気通信大学/JST 新技術説明会

2011. 5. 17. (火) JSTホール

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研究背景

工業用大流量計測

カルマン渦流量計・コリオリ流量計などが実用化

⇒ 一般的に高価

安価、かつ高い感度と広い流量計測範囲を有する

管内気体・液体用加熱式流量計の提案

流量： 20～300 Nm3/hr

・小泉博義： 流量計及び流量測定方法、特許出願

（特願2010-106761） (2010. 5. 6)

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発明の概要

市販の マイクロホイル熱流束計 ( HFS: Micro-foil Heat Flow Sensor )

を用いた安価・高精度の大流量計測 (空気流では，Qv < 300 Nm3/hr)

円管中心に設置された加熱小球前方よどみ点に接着された HFS

⇒ よどみ点ヌセルト数 Nu0 ～流量 Qv の線形関係 ⇒ Qv 計測

測定対象： すべての気体・液体

Q [m3/hr]

NU0

HFS円管

加熱球発達乱流 d=Φ 20 mm

D= Φ 107 mm

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新技術の基となる研究成果・技術 (1)

・微小流量計 ( 1 cc/min 以下）

(1·a) 小泉博義： 流量計測方法ならびに流量計測装置、特許出願（特願2001-128757）(2001. 4. 26)

(1·b) 小泉博義： 流量計測方法および流量計測装置、国際出願番号PCT/JP02/04081 (2002. 4. 24)

・ Hiroyoshi Koizumi and Masaya Serizawa: A micro flowmeter based on the velocity measurement of a locally accelerated thermal flow in an upwardly directed Hagen-Poiseuille flow, Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 19, Issue 6, pp. 370-376 (2008).

(2) 小泉博義・内記陽一： 管内上向き流中の加熱拡散温度測定に基づく微小流量計、特許出願（特願2007-101335） (2007. 4. 9) 特許公開（特開2008-256633） (2008.10.23)

(3) 小泉博義： 微少流量計及び微少流量測定方法、特許出願（特願2008-288732） (2008. 11. 11) 、特許公開（特願2010-117159） (2010. 5. 27)

・ 小泉博義・寺島卓・松田和也・内記陽一： 管内上向き流中の加熱拡散温度測定に基づく微小流量計、第45回日本伝熱シンポジウム講演論文集、pp. 369-370 (2008. 5).

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新技術の基となる研究成果・技術 (2)

・工業用大流量計 ( 20 Nm3/hr～）

・ 小泉博義： 流量計及び流量測定方法、特許出願

（特願2010-106761） (2010. 5. 6)

・ Hiroyoshi Koizumi, Naoki Imamura: A flowmeter based on the measurement of the

local heat transfer coefficient at the forward stagnation point of a heated sphere in a

turbulent pipe flow using a micro-foil flow sensor, Proceedings of the 8th International

Conference on Computational Fluid Dynamics in Oil & Gas, Metallurgical and Process

Industries, pp. 1-8 (2011. 6. 21-23)

・ O社と共同研究 「質量流量計の高性能化」 2008年 - 2009年

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ブロアー

面積流量計

PC HFS 増幅回路10,000 倍

アクリルパイプ

発達乱流

D = Φ 107 mm

d

θ

r

加熱球

加熱球: d =Φ 20 mm熱流束計: HFS

実験装置全体図

乱流域：

5,000 ＜ ReD

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Micro-foil Heat Flow Sensor

受感部寸法 : 1.5 ×4 mm2

マイクロ熱流束計を用いた流量計の開発研究

電気通信大学 情報理工学部 小泉 博義

・HFSを用いた流量計[1]

高精度=高価

・既存の工業用大流量流量計

例： カルマン渦流量計コリオリ流量計

安価1 ml/min≦ Q ≦ 500 m2/hr

高精度

[1]特許出願(特願2010-106761) [2]特許出願(特願2007-101335)

・拡散温度による微少流量計[2]

応答性 : 50 Hz

厚さ : 75 μ m

4 mm

1.5 mm

出力 : 0.04μ V/(W/m2)

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HFS用 非反転増幅回路

増幅度: 1×104

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θ

r Vr

物体適合座標

円管内に球の存在する流動系

↓物体適合座標系 (CFD2000)

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乱流の数値計算

Storm/CFD2000, Adaptive Research 社製 (日本代理店購入)

基礎式： レイノルズ方程式、エネルギー式

乱れ場モデル： 低レイノルズ数 k-ε ２方程式モデル( 乱流モデルの提案を組み込む )

壁面境界条件： 平均流速・乱れ量 = 0

ＰＣにて、非定常３次元数値計算

（数値計算の詳細は、資料参照ください。）

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計測原理のCFDによる計算と実験による検証

0

100

200

0 2 4 6

ReD×104

Qv [Nm3/hr]

182910 273

実験

計算 (CFD)

Nu0

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換算係数

換算係数( CFD )

密度( kg/m3 )

He 0.312 0.16

CO2 1.348 1.8

H2 0.331 0.25

測定気体 と 空気の HFS 出力比

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従来技術とその問題点

既存の大流量計測 ⇒ 高価

新技術の特徴・従来技術との比較

本技術の適用により、単純な計測装置構成となる

⇒ 製造コストが 1/10 以下程度まで削減される期待

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想定される業界

燃焼用機器 （電力・化学・製鉄・・・・）

上下水道 （使用企業・・・・）

実用化に向けた課題

実験・CFDによる流量計測原理と精度を確認済

⇒ すぐに実用化可能

空気 ⇒ 換算係数 ⇒ H2、He、 CO2 ・・の計測

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企業への期待と提案

・ 熱流体工学を基礎とする技術全般についての共同研究を希望

・ 企業より大学へ必要な問題提起を期待

・ 大学では、解析・数値計算能力を提供

・ “市販ソフトのCFD” の積極的な利用が有効 ⇒

機器の開発・高性能化が短時間で可能 （複雑物体の乱流伝熱解析可能）

・現製品の高性能化、企業（企業規模より）では実施が困難な問題

⇒ 大学への共同研究の相談歓迎

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称： 流量計及び流量測定方法

• 出願番号： 特願2010-106761

• 出願人 ： 国立大学法人電気通信大学

• 発明者 ： 小泉 博義

※特許出願から1.5年未満の未公開特許情報を含んだ説明会ですので、情報の取り扱いに十分ご注意下さい。公開する情報の範囲につきましては、特許出願人（知財本部、TLO等）とご相談ください。

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産学連携の経歴

・ 2001年 - 2007年 流量計メーカーと「微小流量計 ( 1 cc/min以下)」

の共同研究 （国際出願有り）

・ 2008年 - 2009年 Ｏ社と共同研究

「質量流量計の高性能化」

・ 2009年 - 2010年 Ｎ社と共同研究（第48回日本伝熱シンポ、2011. 6）

「水冷ＰＣ用微細フィン付きヒートシンクの高性能化」

・ 2010年 – 現在 Ｃ社と共同研究実施中

「フライドポテトの伝熱解析」

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お問い合わせ先

国立大学法人電気通信大学

産学連携コーディネーター

小島 珠世

ＴＥＬ 042－443 － 5780

ＦＡＸ 042－443 － 5108

e-mail onestop@sangaku.uec.ac.jp