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日本伝熱学会 特定推進研究特別セッション
２０１４
「エネルギー・環境戦略と特定推進研究による伝熱研究の展開」
『波長選択ふく射輸送とエネルギー変換』
東京工業大学 大学院理工学研究科
花村克悟
Tokyo Institute of Technology
特定推進研究グループ構成
花村 克悟（主査）
森本 賢一（幹事）
牧野 俊郎
宮崎 康次
高原 淳一
鈴木 雄二
若林 英信
戸谷 剛
鈴木 基史
芹澤 良洋
若林 勉
黒坂 俊雄
桑原 正史
東京工業大学
東京大学
近畿職業訓練大学校
九州工業大学
大阪大学
東京大学
京都大学
北海道大学
京都大学
新日本製鐵
大阪ガス
神鋼リサーチ
産業総合研究機構
Tokyo Institute of Technology
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短波長選択ヒータ
➤石英管のふく射透過性（波長3.5μm以下をほぼ透過）
低温で短波長放射を実現
➤複数石英管と流体との熱交換
Tokyo Institute of Technology
3
溶媒（メチル・ピロリドン）の吸収帯
3.39 mm
5.93 mm
Tokyo Institute of Technology
4
波長選択放射による加熱
5
400
1
黒体の単色放射能
NMP の吸収率
NMP の単色吸収量
350
300
0.9
0.8
0.7
波長制御しない場合：プランクの法則（498
K）
250
0.6
200
0.5
150
0.4
0.3
100
0.2
50
0
1
0.1
3
5
7
9 11 13 15 17 19
波長 , μm
0
吸収率
単色放射能, 単色吸収量，W/m2 μm
波長制御しない場合との比較
6 μm吸収帯のピークに放射のピークをあわせると、
NMPの6 μm付近での
吸収量
フィルタを使って波長制
御した場合、2.1 %（69.7
W/m2）の熱量のみ
Tokyo Institute of Technology
5
波長選択放射エミッターの製作手法
樹脂キャビティ
金スパッタ
実際の構造表面
100
80
60
高分子フィルムの低温（～
５００K）高速乾燥が可能
40
20
0
mm
0 2 4波長
6 8λ10121416
1mm
マイクロキャビティによる
単色放射率の一例
SiO2
シリカによるマイクロキャビティの製作（メートル
オーダーの放射体の製作が可能）
Tokyo Institute of Technology
6
7
マイクロキャビティーによる放射波長制御
Ni平滑面、８００℃
1 mm
放射率
２mm × ２mm
マイクロキャビティ表面
の放射率
L
光の半波長が
Lより小さい
光の半波長
がLより長い
Tokyo Institute of Technology
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白熱電球の復権
ふく射（82％）
白熱電球
（ガス入り）
100W
可視光
ガ
ス
h=7mm
赤外線
端
子
ガラス、口金
ふく射（93.5％）
端
子
赤外線
w=150nm
白熱電球
（ガス無）
10W
可視光
ガラス、口金
ふく射（58％）
赤外線
陽光柱
d=500nm
a=350nm
白熱電球
蛍光灯
可視光
ふく射（50％）
LED電球
160lm/W
可視光
端
子
その他
損失
bｙ Takahara
Tokyo Institute of Technology
白熱電球の復権（スプリットリング共鳴体）
Period = 5mm
Lx = Ly = 3.2mm
w = 0.7mm
Lx
Ly
w
y
500 X 500 SRR array
（Cr/Au）
on glass substrate
z
x
Y. Ueba and J. Takahara,
APEX 5, 122001 (2012).
Tokyo Institute of Technology
9
10
プラズモン共鳴モード
5
x
SRR x pol.
185℃
SRR y pol.
208℃
plane
4
Power [a.u.]
y
10W
3
2
1
0
30
40
50
60
70
Frequency [THz]
80
90
ceramic heater
T~200℃
SRRs enhance emissivity.
６５ THz（５ｔｈ）
８０ THz（６ｔｈ）
90 THz（７ｔｈ）
プラズモン共鳴モード（数値計算）
Y. Ueba and J. Takahara,
APEX 5, 122001 (2012).
Tokyo Institute of Technology
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鉄鋼業におけるふく射エネルギー損失
転炉(Rotational furnace)
切断(Cutting)
連続鋳造(Continuous casting)
線材圧延
(Wiring)
圧延(Rolling)
Tokyo Institute of Technology
給湯器におけるトッピング発電（壁掛けコジェネ）
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排ガス（～５０℃） 排熱エネルギー ＜10％
温水 （～80℃）
エネルギー変換率
（＞90％、潜熱回収
も可能）
冷水（～20℃）
放射体（～１５００℃）
冷却水
冷却水
光電池
光電池
エクセルギー率
（＜10％）
電気
エクセルギー率（100％）
燃焼ガス（～２０００℃）
エクセルギー率（～70％）
都市ガス
エクセルギー率（～94％）
屋外壁掛け給湯器
空気ファン
Tokyo Institute of Technology
シュバンクバーナとTPVセルによる燃焼熱からの発電
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1000℃レベルの
輻射温度で、
発電密度＝
約0.3W/cm2
Tokyo Institute of Technology
給湯器におけるトッピング発電（光電池の利用）
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GaSb光電池（入射光条件； 45W/cm2）
発電密度： 5W/cm2
変換効率： 33％ （波長0.8～1.8mm）
光電池としては高いポテンシャルを有する
GaSb光電池
放射体温度
伝ぱ光による入射条件
要求される入射光条件
１０００K
0.85W/cm2 （波長 ～1.8mm）
45/0.85= ～50倍
１５００K
7.0W/cm2 (波長 ～1.8mm）
45/7.0= ～７倍
放射体 (1000K, 1500K)
光電池 (300K)
近接場光による入射光強度の増大
Tokyo Institute of Technology
近接場光を用いた小型光（赤外線）発電
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- 伝ぱ光と近接場光 近接場光
波長以下の隙間
放射体表面にのみ存在し、
伝ぱしない。
放射体表面に近づくにつ
れて指数関数的に強度大
P N
伝ぱ光
高密度エネルギー輸送
様々な熱源
要求事項
赤外放射体
1. ナノスケール粗さ平滑面
2. 平面電池（電極の高さ）
光電池
－
＋
電気
GaSb, InGaSb,
InAsPSb, etc.
Tokyo Institute of Technology
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発電実験の1例
放射体
Current density[A/cm2]
GaSb電池によるI-V特性
光電池
dark
0μm
1.1μm
1.2μm
1.5μm
0.03
0.02
0.01
発電特性に変化なし
0
-0.05
0
0.05
0.1
0
0.15
伝ぱ光条件、形態係数がほぼ１
-0.01
電流密度が2.5倍
-0.02
-0.03
Voltage[V]
近接場光条件
変換効率 η: ～2.1%
Tokyo Institute of Technology
周期的ピラーアレイ構造による近接場光の波長制御
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高さの増加とともに
ピーク周波数は減少
周期的ピラーアレイ構造により、平滑面に比べて約10倍の輸送量
Tokyo Institute of Technology
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