【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】16636004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生命システム / 伝熱 / 物質移動 / ホメオスタシス / システム生物学 / 統合性 / トランスファローム / 医工連携

【研究成果の概要】

生命システムは、呼吸循環系と代謝系を中心に、熱と物質の移動を極めて精密かつ緻密に制御し、深部温度を一定に保つことができ、さらに広範囲な分子量にわたる物質の移動を制御することによって、エネルギ代謝を行い、生命活動の原動力になっている。従って、生命システムは熱と物質移動の宝庫とも言うべきものであるが、従来は局所的な熱と物質移動の取り扱いがされているだけで、生命システム全体で、熱と物質移動現象が、生命システムの動的恒常性であるホメオスタシスを実現しているかが不明であった。生命システムの熱と物質移動現象は、生命活動に直接関わっているため、生命システム全体の熱と物質移動が明らかになることによって、医学における診断・治療や薬物輸送の薬理効果が明らかになり、革新的な医学が出現する可能性がある。生命システムにおける熱と物質移動の総体を、ここでトランスファロームと名づけ、これまでのシステム生物学では重点的に取り上げられていなかった熱と物質移動のダイナミクスをトランスファロームで明らかにすることを目標としている。そこで、まず本企画調査では、生命システムにおける熱と物質移動現象に関して、移動現象論、医学生物学および薬理学の立場から調査・討論を行い、トランスファロームのシステム生物学を確立するための研究計画をたてた。具体的には、5回の研究会(シンポジウムを2回)、幹事会を2回開催し、研究計画の独自性、ニーズ、特徴、社会への波及効果などを中心に議論を行った。その結果、十分に特定研究のテーマとして相応しいという結論に達し、今後特定研究の具体的な申請の手続きを行うこととした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】13450087 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ガス吸収 / ガス分離 / 物質移動 / 伝熱 / 環境保全 / エネルギー利用 / 二酸化炭素問題

【研究成果の概要】

本研究は,研究代表者らが"数珠状液滴列"(string-of-beads flow)と呼ぶワイヤ上の特異な液流様式を利用し,高い体積基準熱・物質伝達率,高い液体側の移軸効率(transfer efficiency),低いガス側圧力損失を併せ持つ新しい形式の気-液接触装置開発の可能性を探ることを目的としたものである.本研究全体は,それぞれ目標を限定したいくつかの個別研究から成る.それらの実施内容と得られた成果は以下の通りである.
1.CO_2/N_2混合ガスの流路中に懸垂された単一のワイヤ上を流下するMEA(モノエタノールアミン)水溶液の数珠状液滴列へのCO_2吸収について,パラメトリックな実験を行うと共に,二酸化炭素とMEAの化学反応を考慮した解析モデルを構築した.
2.均等に配列された109本のワィヤに沿ってMEA水溶液を流下させる濡れワイヤ塔のプロトタイプを試作し,CO_2/N_2混合ガスからのCO_2吸収に関する実験を実施した.濡れワイヤ塔のガス吸収性能は充填塔のそれにほぼ匹敵し,一方,ガス流の圧力損失は1/100のオーダーまで低減させ得ることが確認された.
3.各ワイヤ上を流下する吸収液の温度を制御する仕組みを考案した.この温度制御機能を付加した濡れワイヤ塔(ワイヤ109本内蔵)を試作し,上記構想の実現性を確認した.さらに140℃程度までのCO_2/N_2混合ガスを使用できる濡れワイヤ塔を製作し,これを用いた実験によって,ガス温度によっては吸収液の温度制御が吸収性能向上に寄与し得ることを確認した.
4.温度制御機能を持つ回流式風洞に109本のワイヤ束を組み込んだ気-液熱交換実験装置を製作した.ワイヤ上にはシリコン油を熱回収媒体として流下させて,加熱空気流からシリコン油への伝熱特性を調べ,産業廃ガスからの熱回収のような熱的操作への濡れワイヤ塔の適用性を確認した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】11,800千円 (直接経費: 11,800千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】10450088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クラスレート水和物 / ガスハイドレート / 結晶成長 / 物質移動 / 熱移動 / 伝熱 / 地球温暖化 / エネルギー貯蔵 / 蓄熱

【研究成果の概要】

本研究は,クラスレート水和物の生成・成長・分解の過程を熱・物質移動論の視点で調べたものである.得られた主な成果を以下に列記する.
(1)水の液相と非水溶性ゲスト物質の液相との界面に生成する膜状水和物層の厚さをレーザー光干渉法によって測定し,厚さの特異な経時変化挙動を見出した.
(2)二平板間の狭隘水路中に形成させたリング状水和物層の顕微鏡観察により,水和物層の性状に対する水流の顕著な影響を明らかにした.
(3)水の定常流に接する水和物層の定常厚さと,水和物層を介しての熱・物質同時移動とを結び付ける理論モデルを構築した.
(4)水中に静止させた疎水性ゲスト物質液滴の形状を解析することで,水和物層生成前と分解後の液-液界面張力を求め,水和物層形成の履歴が界面張力に対し検知し得るほどの影響を及ぼしていないことを確認した.
(5)平行二平板間を満たすTHF(テトラヒドロフラン)の化学量論的水溶液の相内に温度分布を与え,水和物層の成長あるいは分解の挙動を観察した.また,その挙動を伝熱解析によってシミュレートし得ることを示した..
(6)ゲスト物質気相中のスプレーノズルより対向する冷却壁上に水を噴霧させ,冷却壁上において水和物生成と生成熱の除去を同時に行わせる水和物の急速生成システムを考案し,そのシステム内での水和物生成挙動を観察した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】9,600千円 (直接経費: 9,600千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】05650206 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

伝熱 / エネルギー回収 / 界面輸送現象 / 濡れ / 液滴 / 物質移動

【研究成果の概要】

気相中に懸垂させたワイヤもしくは撚糸に液体をつたわらせ,数珠状の滴列の形で降下させるという新奇な気-液接触操作に関し,液の流下挙動と気-液間の熱移動特性の把握を目的として,以下のように研究を実施した。
可視化実験:感温液晶のマイクロカプセルをトレーサーとして懸濁させたシリコン油をナイロン糸上に流下させ,スリット光による液滴切断面内のマイクロカプセルの動きを高速ビデオカメラによって記録した.これより,各液滴とその前後の環状液膜との間の液の交換は確認されたが,液滴内に定在渦などの強い混合機構は認められなかった.
2.推算モデルの検討・改良:先に作成した熱(物質)移動推算モデルにおいては,明確な根拠なしに液滴間の環状液膜部において発達した定常流を仮定していたが,簡単な解析によりその妥当性を確認した.上記の可視化実験の結果からは,液滴-液膜間の混合に関しモデルの修正が必要と判断されるが,この面の検討は進んでいない.
3.溶融塩による実験:実験装置を新たに製作し,三元系溶融塩KNO_3-NaNO_2-NaNO_3(44-49-7mol%)-通称HTS-の流下挙動を観察した.単一の金属ワイヤの他に,ワイヤ対,金属網等の上の流下挙動を比較し、表面張力の大きなHTSの液滴列を安定に降下させるには網状の構造が必要との結論に達した。
4.溶融塩滴列に関する推算モデル:HTSの各液滴は網上のワイヤ交差部に小滴を残しながら,そして前の滴が残した小滴を飲み込みながら,定速度で降下していく.この過程を記述し得るように先の熱(物質)移動推算モデルを修正し,溶融塩による気相からの熱回収過程の推算例を得た.

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1993

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)