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システムデザイン学部 机械システム工学科
キーワード
医疗や化学分析に利用できる「热変化を撮影する技术」
捨てられる热エネルギーの有効利用
私たちの身の回りには、使わずに捨てられてしまっている热エネルギーがたくさんあります。例えば、自动车に使われるエネルギーの60％以上は、热として逃げてしまっていますし、工场や家庭で発生する热も再利用されていません。地热も有効に使われていない自然の热エネルギーです。
最近は、こうした热エネルギーを回収して発电に使う研究が进められています。热エネルギーを効率よく、电気もしくは力学エネルギーに変换するには、热と物质の移动を「制御」することが重要になります。このことは、大规模な発电だけでなく、最近注目されている超小型の発电机においても変わりません。
わずかな热の移动を可视化する技术を开発
热の移动を制御するためには、まず、どのように热が移动するのかを知らなければなりません。热の移动は温度変化として表れますので、温度画像をとることが有効です。しかし、超小型の発电机の内部の温度を、外侧から直接测定することは、これまで不可能でした。サーモグラフィは、物体「表面」の温度画像を撮影する方法ですが、「内部」の温度は测定できません。そこで、现在开発が进められているのが、近赤外线を使って撮影する技术です。近赤外线はプラスチック、ガラス、生体などを透过しやすい性质がありますので、これらの材料で机器の内部构造を再现して、温度画像をとるのです。髪の毛ほどの细さの管の中で生じる热移动を、画像としてリアルタイムでとらえることができます。
がんの温热治疗や自然现象の解明にも役立つ
この技术が完成すれば、さまざまな分野への応用が考えられます。
例えば、がんの温热治疗がそのひとつです。温热疗法はがん细胞に磁性体をつけて、それを外から磁気で加热してがん细胞を破壊する治疗法ですが、この技术を使って温度を制御できれば、治疗の効果を高めることができます。また、化学反応や电磁波の吸収のように、热の発生や移动をともなうさまざまな现象の秘密を解き明かすことにも役立てることが期待されています。
温度と物质浓度をリアルタイムにとらえる新技术の开発
冷却は、热と物质を输送すること
冷蔵库やエアコンの冷却する仕组みがどうなっているか、知っていますか。
これらは、物质が気化するときに热を夺う性质を利用して空気を冷やしています。「冷媒」と呼ばれる物质をコンプレッサーで圧缩して液化し、それが気化するときに热を夺うことで、空気を冷やすことができるのです。このように、热の移动を仲介する物质の特性やどのように热を输送するかということを研究するのが、伝热工学、热物质输送工学という学问です。冷蔵库やエアコンのメーカーでは、冷媒や冷やす仕组みを改良するなど、より効率的に热を输送する研究が进められてきました。それが製品の开発につながっているのです。
超小型発电机の开発に使われる伝热工学
家电分野での热输送の技术は、ある程度成熟してきましたが、现在は、この技术をもっと小さい机器に応用する研究が始まっています。
例えば、手のひらにのるような超小型の燃料电池が现在开発されています。燃料电池は主に、水素と酸素を反応させて発电しますが、この反応をより効率的に行うためには、これらの物质の量や温度などを制御したり、流れる経路（流路）の设计を工夫したりする必要があります。しかし、流路は、数十ミクロンと、髪の毛ほどに细い场合が多く、その中を通る物质の浓度や温度を测定することは极めて困难でした。
物质の温度と浓度の変化をリアルタイムに撮影
そこで、现在行われているのが、化学反応で生じる物质の浓度と热の変化を、近赤外线カメラという特殊なカメラで撮影する技术の开発です。
水素と酸素の反応では水が生成されますが、この技术を用いると、その水の量を知ることができます。热の変化を知る方法には、サーモグラフィがありますが、サーモグラフィが「表面」の温度を撮影するものであるのに対し、この技术は、「流路の中」の物质の温度を撮影するものなので、内部で起きている化学変化をリアルタイムに把握することができます。この技术が完成すれば、効率的な超小型発电机や携帯用医疗机器の开発が可能になるでしょう。
高校生?受験生の皆さんへのメッセージ
伝热工学あるいは、热物质输送工学というと、物理の世界だと考える人が多いかもしれません。しかし、热の移动は、あらゆる理科の科目と関係しています。例えば、地热発电も、がんの温热疗法も热の移动が関係しています。さらに、燃料电池は、化学反応で発电する仕组みですが、その中で発生する热と物质の移动がとても重要です。ですから、もし、あなたが、特に物理に兴味がなくても、生物、地学、化学のいずれかの分野に兴味があれば、この学问もきっと面白いと感じるはずです。ぜひ、私と一绪に研究に取り组みましょう。
梦ナビ编集部监修
