8.　熱　工　学

8・1　伝熱及び熱力学

8・1・1　概説

熱工学は機械工学の基幹学問のひとつであり工業上，熱設計，除熱を扱うためには伝熱と熱力学を基盤とする熱工学的知見は重要である．近年では発電，電子機器，医療，生体など多岐にわたる分野でかかわっている．第5期科学技術基本計画[1]において経済・社会的課題への対応の中に「エネルギーの安定的な確保とエネルギー利用の効率化」が挙げられており，その中でより一層の省エネルギー技術等の研究開発や再生可能エネルギーの高効率化・低コスト化技術が盛り込まれており，今後ますます高効率エネルギー利用の対策が要求されることとなり，本分野への社会的要請は高まっていくであろう．

日本機械学会熱工学コンファレンス（2016年10月22日～23日，愛媛）が開催され，オーガナイズドセッションとして，「沸騰・凝縮伝熱および混相流の最近の進展」，「多孔質体内の伝熱・流動現象とその応用」，「革新的技術のための燃焼研究」，「ふく射輸送制御」，「凝固・融解伝熱および結晶成長の新展開」，「地中熱利用システムにおける次世代技術」，「プラズマプロセッシング」，「エネルギー・ハーベスティングの新展開」，「電子機器・デバイスのサーマルマネジメント」，「火災・爆発」，「燃料電池・二次電池関連研究の新展開」，「熱化学的バイオマス利用技術の新展開」，「外燃機関・排熱利用技術」が企画された．また，昨年度まで実施されたプレコンファレンスセミナーの趣旨を受け継いで，「熱工学ワークショップ」が行われた．熱工学コンファレンス2016と並行して22日のお昼の時間帯を利用してランチョンセミナーが開催され，産業界を中心とした講師によって「熱マネジメント」をキーワードに講演が行われた．

さらに，日本機械学会2016年度年次大会（2016年9月11日～14日，福岡）においては，ジョイントオーガナイズドセッションとして，「電子情報機器，電子デバイスの強度・信頼性評価と熱制御」，「流れの先端可視化計測」，「乱流における運動量，熱，物質の輸送現象」，「マイクロ・ナノスケールの熱流体現象」，「分散型エネルギーシステム」，「燃料電池・二次電池とマイクロ・ナノ現象」，「医工学テクノロジーによる医療福祉機器開発」が企画された．これ以外には関連する国内会議としては，第53回日本伝熱シンポジウム（2016年5月24日～26日，大阪），第37回日本熱物性シンポジウム（2016年11月28日～30日，岡山），第54回燃焼シンポジウム（2016年11月23日～25日，仙台）が開催された．

本会熱工学部門に関連する国際会議として，1983年から4年ごとに日米で実施されてきたASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference（AJTEC）が新たな枠組みに発展し，第1回Pacific Rim Thermal Engineering Conference（PRTEC）として，2016年3月にハワイにて開催された．このほかThe Fourth International Forum on Heat Transfer（IFHT2016）（2016年11月2～4日，仙台）がある．IFHT2016は日本伝熱学会が主催する第4回目の国際会議で，過去にIFHT2004（京都），IFHT2008（東京），IFHT2012（長崎）が開催されている．内容の詳細については，日本伝熱学会誌[2]の特集で紹介されているので参照されたい．

このほか，伝熱および熱力学に関連する国際会議としては，5月にイタリアでInternational Conference on Multiphase Flow（ICMF 2016），6月に韓国でInternational Heat Pipe Conference，6月にアメリカでInternational Conference on Nuclear Engineering（ICONE24），9月にハワイでThe 27th International Symposium on Transport Phenomena（ISTP-27），9月にイタリアで11th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements（ETMM11），10月に横浜でThe 11th Asian Thermophysical Properties Conference（ATPC2016）などが開催された．

また，熱工学部門と日本伝熱学会が共同編集しているオンライン英文誌Journal of Thermal Science and Technology（JTST）では，2016年には49編の論文が掲載された．

〔佐竹　信一　東京理科大学〕

8・1・2　熱力学・熱物性

2016年に開催された，熱物性に関わるいくつかの国内講演会・国際会議に関して，その傾向を俯瞰してみる．なお，熱物性に関する学会・講演会は，下記で取り上げた他にも多数開催されており，本稿がそれらのすべてを網羅しているものではないことを予めお断りしておく．また，講演論文数などの情報は，参考文献に付記した各会議のプロシーディングスや学会誌の実施報告記事を参考にさせて頂いた．

2016年5月24日から26日まで，大阪府立国際会議場（大阪市）にて第53回日本伝熱シンポジウムが開催された[1]．熱物性に関するセッションは一つで，5件の講演があった（講演番号I111～I115）．各講演の内容を見ると，熱伝導率および熱拡散率に関する発表が4件，ふく射物性に関する発表が1件であった．また，3件が薄膜・複合材料，2件は原子力に関わる熱物性の研究であった．プログラム上は，熱物性のセッション（講演数）が少ないように見えるが，熱物性以外のセッションにおいても熱物性に関連する発表が少なからずあった．このことは，熱物性が熱研究の全域に深く関与し，それ自体では目立たないながらも重要な分野であることの証左であると言える．

2016年9月11日から14日にかけて，九州大学伊都キャンパス（福岡市）で開催された日本機械学会2016年度年次大会[2]では，約1 350件の学術講演があったが，熱物性に関する講演は10件で，それらは熱工学部門のセッションではなく，材料加工，生産技術，マイクロ・ナノ分野のセッションにおいて，各分野の研究対象の熱伝導率や粘度に関する報告であった．このことも，熱物性研究の特徴の一つを表しており興味深い．

2016年10月2日から6日まで，横浜市パシフィコ横浜アネックスホールにて，第11回アジア熱物性会議（ATPC2016）が開催された[3]．アジア熱物性会議は，アメリカおよびヨーロッパにおける熱物性会議と並ぶ国際熱物性会議の一つであり，これら三つの国際会議が毎年交代で開催される．すなわち，3年毎にアジア地区で開催され，これまで，日本，中国，韓国，インドで開催されている．

ATPC2016では，アジア地区のみならず世界28カ国から415名の参加があり，3件のPlenary Lecture（それぞれ，『純・混合流体の高精度の熱力学性質』，『ナノフォトニクスによる黒体ふく射』，『バイオセンシング』に関する講演）をはじめとして，そのほかに，招待，Keynote，一般，ポスターの各講演を合わせて286件の講演があった．

講演は，20のOSより構成されており，OSは『状態方程式』から『MEMS』『バイオ材料』まで広範囲の領域をもれなく網羅している．そのため，基幹研究から応用研究にわたる幅広い分野の講演があった．講演件数の多さからは，『ナノ・マイクロスケールの物性』が42件で群をぬいて多かった．続いて，『計測技術』，『界面物性』，『高温融体』，『固体の物性』などがそれぞれ20～25件程度，その他『状態方程式』，『イオン流体の物性』，『分子シミュレーション』，『低GWP冷媒と作動流体』のOSでは講演がそれぞれ十数件と並んでいた．『バイオ』関連の講演が6件と意外に少なかった．なお，上記のセッション名称は正式名称ではない．各OSの正式名称，ならびに，それらのOSの開催状況などの報告は，日本熱物性学会誌における報告記事[3]に詳述されているので，そちらを参照されたい．

本学会熱工学部門企画，熱工学コンファレンス2016が愛媛大学（松山市）にて，2016年10月22，23日に開催され[4]，OSおよび一般セッション併せて233件中，熱物性および熱測定に関する講演は18件であった．内訳は，熱伝導率の測定3件，温度，濃度，ゼータ電位の測定に関する講演が併せて6件，熱拡散率，粘度の測定，三重点の測定が各1件，表面張力に関する講演，ふく射物性に関する講演がそれぞれ2件，その他2件となっている．熱物性に関する講演は全体の1割に満たなかった．

第4回伝熱国際フォーラム（IFHT2016）が，2016年11月2日から11月4日にかけて，仙台国際センター（仙台市）において開催された[5]．熱物性のセッション（OS-12）は，燃焼のOSとカップリングで行われ，熱物性に関しては11件の講演があった．2件はMEMSセンサーによる熱流束測定など応用に関するもので，そのほか，断熱材の伝熱特性を含んで，熱伝導率に関する講演が6件あり，非定常細線法や，ラマン分光法などの光学的方法による測定，レーザー励起誘電泳動による拡散係数の光学測定など，測定方法や対象がマイクロ・ナノテクノロジーに関連している．そのほか，表面物性の濡れ性の制御や，数値解析ではコンポジット材の熱伝導率の評価にパーコレーションの影響を考慮したものなどが興味深い．また，分子動力学を用いた熱媒流体の粘度の決定（OS-9）や，OS-01（Bio Medical）のセッションでは，人体皮膚の有効熱伝導率の非侵襲測定に及ぼす肌組織とその温度分布の影響に関して報告があった．

2016年11月28日から30日まで，第37回日本熱物性シンポジウムが岡山国際交流センターで開催された[6]．9件のOSと7件の一般セッションで118件の講演があった．オーガナイズドセッションは，熱物性学会の活動の一つである，研究分科会（5分科会）のテーマのセッションを含み，「材料の高温プロセッシングに関わる融体の物理化学的性質」，「先進材料の熱物性と宇宙システムデザイン」，「食品ならびに生物資源における熱物性」など，実問題への適用に着目しつつ，基礎となる物性値の測定やシミュレーションなどが網羅されていた．一方，一般セッションでは，「標準物質・標準化・データベース」や「固体の熱力学性質・輸送性質」，「流体の熱力学性質・輸送性質」，「ふく射物性」「新測定技術」など，熱物性研究の基幹テーマと言えるものが大きな偏りなく網羅されていた．講演内容を俯瞰すると，マイクロ・ナノ，バイオ，原子・分子シミュレーションをキーワードに含む研究が次第に増しているが，新しい流れに偏らず，熱物性研究の基幹と新展開の両面を捉えた構成となっていた．2016年10月に日本で開催されたアジア熱物性会議の直後でありながら，大きな影響を受けることなく，非常に活発な講演がなされたと思われる．

〔山田　雅彦　北海道大学〕

8・1・3　伝熱

最近の研究動向を把握するために，学術論文の状況について，2015年と同様のカテゴリーを用いて，日本機械学会が発行する和文および英文の論文集（伝熱工学関連のみに限定）について分類し，それぞれのカテゴリーの2016年の論文数を表1にまとめた．

ASME J. Heat Transferの論文総数は165件となっており，2015年の150件より微増している．掲載論文数が多い分野は，蒸発・沸騰・凝縮，熱・物質輸送，強制対流，自然対流・複合対流，マイクロ・ナノ伝熱となっており，2015年の傾向と同様であるが，強制対流，自然対流・複合対流の論文が増加している特徴がみられる．次に，日本機械学会が発行する和文誌の日本機械学会論文集，英文誌のMechanical Engineering Journalならびに熱工学部門と日本伝熱学会が共同編集を行うJournal of Thermal Science and Technologyを総計した伝熱工学に関連する論文数は，2015年よりは増加しているが，50～60件程度に留まっている．分野については，各カテゴリーに分散しているが，蒸発・沸騰・凝縮とマイクロ・ナノ伝熱がやや多い傾向がみられる．特に，Mechanical Engineering Journalに含まれている伝熱工学関連の論文が少ないことも分かる．これらの日本機械学会が発行する和文・英文誌に掲載された伝熱関連の論文数とその分野別数をみるかぎり，後述する国際会議や国内会議における各分野別研究発表数と明らかに差異がみられる．特に，表1中のカテゴリーにあるマイクロ・ナノ伝熱，実験・計測技術，燃料電池，熱システム等は，日本機械学会が主催・共催する国際会議や国内会議で研究発表数は多いが，日本機械学会が発行する和文・英文誌での発表数は少ない．また，最近の傾向として，伝熱面の表面特性[1]，または，作動流体の熱物性（NanofluidsやPhase Change Materialなど）[2]のいずれか，または両方を人工的に変えることで伝熱制御を試みる研究が多い．今後，一般性のある包括的な学理の解明が切望される．次に，日本機械学会論文集に目を移すと，Nanofluidsの熱物性値が自然対流へ与える影響を論じた研究[3]や自励振動型ヒートパイプの作動流体の影響を論じた研究[4]など興味深い研究論文が含まれている．

次に，国際会議における研究発表状況について概略を述べる．2016年3月13日から17日まで，第1回環太平洋熱工学会議（PRTEC2016）がハワイ島で開催された．本会議は，7件のPlenary Lecture，17件のKeynote lecture，450件を超える一般研究発表から構成されており，熱工学に関する包括的かつ専門的な情報収集や国際的な情報交換に最適な会議であると感じた．また，本会議はこれまでAJTECとして1983年から4年毎に開催されてきた会議を受け継ぐものであり，JSME，KSME，ASTFE（the American Society of Thermal and Fluids Engineers）の3者が共同で開催する新しいシリーズの国際会議でもある．一般研究セッションは，（a）Fundamentals of Heat and Mass Transfer，（b）Heat and Mass Transfer in Energy Systems，（c）Micro/Nano Scale Phenomena and Thermo-Physical Propertiesの3つのテクニカルトラックから構成されており，11室のパラレルセッションとして開催された．PRTEC2016における伝熱に関係する一般研究発表を表1のカテゴリーに分類してみたところ，先述の学術論文と同様の結果となり，蒸発・沸騰・凝縮とマイクロ・ナノ伝熱が多く，続いて，二相流と伝熱，伝熱促進，燃料電池が多くなっていた．Journal of Thermal Science and TechnologyのVo.11, No.3はPRTEC2016の特集号となっているので，代表的な論文についてはそちらを参照されたい．その中で，個人的には粒子状物質を凝縮核として用いて除去する実験的研究[5]や非均質核生成時の粒子形状の影響を論じた数値解析的研究[6]に興味を感じた．

次に，2016年11月2日から4日にかけて，仙台国際センターにて，IFHT2016（the Fourth International Forum on Heat Transfer）が開催された．IFHTは，日本伝熱学会が4年毎に主催している国際会議であるが，今後はACTS（Asian Conference on Thermal Sciences）として，KSMEならびにHeat and Mass Transfer Society of Chinaとの共催となるとのことである．本会議は，6件のKeynote Lecture以外の185件の一般研究発表はすべて，ショートプレゼンテーション＋ポスターの発表形式となっており，短時間で密度の濃い研究情報収集とディスカッションを行うことができる形式となっていた．

IFHT2016における一般研究発表を表1のカテゴリーに分類してみると，先述の傾向のとおり，マイクロ・ナノ伝熱，蒸発・沸騰・凝縮のカテゴリーが多く，つづいて熱システム，熱交換器，燃料電池・反応の順となっている．拝聴したKeynote lectureはいずれも印象深かったが，特にProfessor Evelyn N. Wangの「Liquid-Vapor Phase-Change via Nanoengineered Surfaces」[7]と題するKeynote lectureは表面特性による相変化伝熱の制御の一つの方向性を示しており，興味深く感じられた．

次に，国内会議における研究発表状況について概略を述べる．第53回日本伝熱シンポジウムが，2016年5月24日から26日まで大阪府立国際会議場で開催された[8]．3日にわたり80セッションに分かれて，346件の研究発表が行われたが，2015年の第52回伝熱シンポジウム（福岡）と比べると，40件ほど減少している．セッションは，一般セッションとして，沸騰，ヒートパイプ，バイオ伝熱，熱物性，ふく射，多孔体内の伝熱，物質移動，空調・熱機器，電子機器の冷却，融解・凝固，計測技術，強制対流，分子動力学，マイクロ伝熱，自然対流，自然エネルギー，混相流，熱音響があり，オーガナイズドセッションとして，「燃焼研究の最前線」，「熱エネルギー材料・システムのための熱・物質輸送促進」，「水素・燃料電池・二次電池」，「非線形熱流体現象と伝熱」，「ナノスケール伝熱機能発現とその応用への展望」，「化学プロセスにおける熱工学」，「伝熱工学が作る医工学と医療機器の新展開」，「外部空間の環境設計のための熱環境解析」があった．伝熱に関する一般セッションとオーガナイズドセッションで構成されるシンポジウム形式は，近年の形式がそのまま継承されている．さらに，特別セッションして，「関西企業からの製品開発・技術開発の紹介」，「大阪近郊の地元企業による技術紹介」が，今回はじめて開催された．特定推進研究特別セッションでは，「波長選択ふく射輸送とエネルギー変換」，「次世代鉄鋼材料創製技術の研究」，「ナノスケール伝熱機能発現とその応用への展望」などの先導的な研究テーマの産業・社会への進展状況について，11件の講演が行われて，活発な議論が行われていた．また，一般セッション，オーガナイズドセッション，優秀プレゼンテーション賞の研究発表を表1のカテゴリーに分類すると，マイクロ・ナノ伝熱と燃料電池・反応が多く，次に蒸発・沸騰・凝縮，電子機器冷却，強制対流と続く．これらの一般セッションの研究発表の中には，毎年，着実な進展がみられる継続的な研究課題が多く存在している．

2016年9月11日から14日にかけて，2016年度日本機械学会年次大会が九州大学伊都キャンパスで開催された．その中で，熱工学部門一般セッションが開催されるとともに，他部門との7つのジョイントのセッション，「電子情報機器，電子デバイスの強度・信頼性評価と熱制御」，「流れの先端可視化計測」，「乱流における運動量，熱，物質の輸送現象」，「マイクロ・ナノスケールの熱流体現象」，「分散型エネルギーシステム」，「燃料電池・二次電池とマイクロ・ナノ現象」，「医工学テクノロジーによる医療福祉機器開発」が開催された．一般セッションでは，伝熱を主題とした研究発表は20数件程度であったが，他部門と熱工学部門とのジョイントセッションでは，電子機器冷却，マイクロ・ナノ伝熱，燃料電池・反応，実験技術，強制対流などの伝熱と関連が深い研究発表が行われていた．

2016年10月22日から23日にかけて，熱工学コンファレンス2016が愛媛大学城北キャンパスで開催された．また，10月22日の昼には，「熱マネジメント」をキーワードとして産業界を中心とした講師による熱工学ワークショップも開催された．熱工学コンファレンスでは，「沸騰・凝縮伝熱および混相流の最近の進展」，「多孔質体内の伝熱・流動現象とその応用」，「革新的技術のための燃焼研究」，「ふく射輸送制御」，「凝固・融解伝熱および結晶成長の新展開」，「地中熱利用システムにおける次世代技術」，「プラズマプロセッシング」，「エネルギー・ハーベスティングの新展開」，「電子機器・デバイスのサーマルマネジメント」，「火災・爆発」，「燃料電池・二次電池関連研究の新展開」，「熱化学的バイオマス利用技術の新展開」，「外燃機関・排熱利用技術」の13のオーガナイズドセッションを含む54セッションにおいて，熱工学に関する233件の研究成果の報告がなされた．熱工学コンファレンスの研究発表を表1のカテゴリーに分類すると，燃料電池・反応，電子機器冷却の研究発表件数が多く，つづいて蒸発・沸騰・凝縮，二相流と伝熱，マイクロ・ナノ伝熱の順となっている．熱工学コンファレンスでは，伝熱シンポジウムと比べて，オーガナイズドセッションにおける発表件数が多いことも関連して，熱工学の新技術に関する応用展開まで見通した研究発表が多いように感じられた．

以上のように，日本機械学会が発行する和文・英文論文集，日本機械学会主催・共催の国際会議や国内会議において，2016年に発表された伝熱関連の研究論文と研究発表について，概観を述べた．その結果，日本機械学会が発行する論文集については，近年の傾向を踏襲しており，強制対流や自然対流などの一般的伝熱分野の論文に加えて，蒸発・沸騰・凝縮ならびにマイクロ・ナノ伝熱に関する研究論文の割合が比較的高いこと，国際会議・国内会議の研究発表については，それらに加えて，燃料電池・反応，熱システム，実験計測技術，二相流と伝熱に関する研究論文の割合が高いことが分かった．国内会議においては，伝熱の関連する先導的な研究テーマの産業・社会への進展を議論するオーガナイズドセッションや特別セッションが開催されており，研究の最終目標を見据えた研究発表や具体的な議論が行われている．従来からの伝熱の基礎・応用研究に加えて，研究の最終目標や社会への還元を見据えた研究が増加することが考えられる．

〔芝原　正彦　大阪大学〕

8・1・4　熱交換器

2016年の熱交換器に関する研究動向について述べる．熱交換器の研究に関連する学術論文および講演論文は多岐におよぶ．ここでは熱交換器に関連する基礎的・応用的な研究について着目することとし，熱交換器に関連する研究の中で伝熱現象に関わる基礎的な研究動向は前述の「8.1.3 伝熱」に譲る．まず熱交換器に関する研究動向を調べるため2016年に国内で開催された熱工学関連の主な講演会・シンポジウム等について調査した．なお調査方法としては，講演論文集のタイトルおよび緒言等を参考に「熱交換」および「熱交換器」をキーワードとして抽出した．なお単に実験装置の一部として熱交換器を使用している場合は，対象外とした．さらに国内外の主要学術雑誌の掲載論文について調査し，熱交換器に関連する論文数ならびに研究動向について調べた．海外学術雑誌については，文献データベースを利用して調査を行った．

国内の講演会として5月に大阪で開催された第53回日本伝熱シンポジウムでは，沸騰，ヒートパイプ，多孔質内の伝熱，空調・熱機器，電子機器の冷却，融解・凝固，強制対流，マイクロ伝熱，自然エネルギー，熱音響，OS：熱エネルギー材料・システムのための熱・物質輸送促進，OS：水素・燃料電池・二次電池等の各セッションにおいて熱交換器関連の発表が行われた．熱交換器を対象とした講演論文は，全347件中46件であった．また10月に愛媛で開催された本会主催 熱工学コンファレンス2016では，一般セッションの他にOSである沸騰・凝縮伝熱および混相流の最近の進展，多孔質体内の伝熱・流動現象とその応用，凝固・融解伝熱および結晶成長の新展開，地中熱利用システムにおける次世代技術，電子機器・デバイスのサーマルマネジメント，熱化学的バイオマス利用技術の新展開，外燃機関・排熱利用技術等が熱交換器関連のセッションであった．熱交換器を対象とした講演論文は，全233件中32件であった．さらに9月に神戸で開催された日本冷凍空調学会年次大会では，OS：デシカント・調湿・オープンサイクル空調，OS：吸収，吸着，ケミカル系冷凍機・ヒートポンプ，OS：熱交換器における技術展開，OS：霜・雪・氷の諸現象と利用技術，国際セッション：アジアにおけるHVAC&R技術の進展，ワークショップ：熱交換器の技術開発動向と開発事例，ワークショップ：浅層における地中熱利用，セミナー：圧縮機セミナー等において熱交換器に関する報告が行われた．熱交換器を対象とした講演論文は，全208件中89件であった．

以上，国内で開催された三つの講演会より研究動向をまとめると，次世代冷媒に対応した熱交換器の開発，熱交換フィンの着霜対策に関連する研究，および地下熱利用の熱交換器に関する構造関連研究が数多く見られた．また熱交換器の構成要素に関連した扁平多孔管やミニチャンネルを用いた沸騰・凝縮伝熱に関する研究も多く発表されていた．中でも日本伝熱シンポジウムと熱工学コンファレンスでは，応用研究よりも基礎的研究に関する報告が多い印象を受けた．一方，日本冷凍空調学会年次大会では，熱交換器に関するワークショップおよびオーガナイズドセッションが準備されており，当該分野に関して実用形態に近い応用研究を中心に活発に議論が行われていることが伺えた．

次に学術雑誌の掲載状況より熱交換器の関する国内外の研究動向を調査した．調査した学術雑誌は，「日本機械学会論文集」，「Journal of Thermal Science and Technology」，「International Journal of Heat and Mass Transfer」，「Applied Thermal Engineering」および「International Journal of Thermal Sciences」の5つである．調査方法は，論文題目，抄録，キーワードのいずれかに「Heat Exchanger」等を含む論文を検索した．国内発刊の「日本機械学会論文」と「Journal of Thermal Science and Technology」では，シェルアンドチューブやプレート式熱交換器ならびにTwistedプレートを用いた熱交換器に関する掲載論文があるが，両者ともに，その論文数は全体の10％以下と少ない．一方，国外では熱交換器の基礎分野に関する研究が国内より多く，年間掲載論文は全体の10％以上を占めていた．特に「Applied Thermal Engineering」は，熱交換器に関する論文の掲載割合が20％以上であった．全体的な研究概要としては，従来から多く検討されてきた構造も未だ根強く研究されている．またマイクロやナノ構造を扱った熱交換器の研究が多いようである．一方，作動流体としてナノ流体および各種次世代冷媒を用いたものが散見された．最後に，より詳細な熱交換器の研究動向に関しては，2016年度に掲載された熱交換器に関するレビュー論文[1, 2]を参照されたい．

〔麓　耕二　青山学院大学〕

8・2　燃焼及び燃焼技術

8・2・1　燃焼

COP21にて各国が人為起源のCO₂削減への具体的な対策を取ることが確認され，我が国でもそれに向けた試みが求められている．その中で，特に燃焼の技術革新によるCO₂削減に寄せられる期待は大きい．例えば水素燃焼，バイオマス燃焼，アンモニア燃焼の導入などがその一例である．これらに共通する特徴は，従来の化石燃料に限らず，多種原料から生成される二次燃料を利用することにある．これまでと異なる燃料を燃焼させることから，実装時に問題になる燃焼安定性，エミッション等に関する基礎検討に加え，それらの燃焼に適した新しい燃焼法の提案も必要となる．以前はコスト高で実現が疑問視されていた酸素富化燃焼（Oxyfuel燃焼もこの一部）も，例えば自然エネルギーで得られた余剰電力を用いた水の電気分解などで容易に得られることから，その実用化が再注目されている燃焼方式の一つである．省エネルギー燃焼技術としては内閣府による戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）事業としての内燃機関の熱効率向上のための基礎研究が各研究組織で精力的に実施されている．

上記は低環境負荷を実現する上で「燃焼利用」の観点から実施されるものであるが，その一方で，「燃焼（被害）抑制」の観点も重要である．すなわち，自然災害などにより発生するCO₂の削減を可能とする減災研究がそれに該当する．例えば2015年にインドネシアでの起きた森林火災では44日分で米国1年分のCO₂排出量にもなると報告されている[1]．燃焼研究の一部として展開されている火災研究が排出権取引の担い手となることが期待される．

このような背景の中，具体的に2016年に開催された学会（国内・国際）および主な学術論文・国際ジャーナルから当該年度における燃焼研究の動向ならびに傾向をまとめる．

本会主催の会議としては年次大会（9月　福岡），熱工学カンファレンス（10月　松山）の他，共催・協賛として伝熱シンポジウム（5月　大阪），燃焼シンポジウム（11月　仙台）が開催された．海外では隔年で開催される国際燃焼シンポジウム（韓国）に加え，第1回環太平洋熱工学会議（PRTEC　ハワイ），輸送に関する国際会議（ISTP-27　9月）でも燃焼に関する研究発表がなされた．

全国大会では熱工学部門のセッションでは液体燃料（ヘプタン，パーム油），PMMA，石炭ガス化燃料など，多種多様な燃料を対象にした発表がなされた．エンジンシステム部門のセッションでは，燃焼研究の範疇ではディーゼル機関に関わるもの（噴霧特性や燃料種の影響評価　等）に加え，点火に関わるもの（化学反応），エミッション対策（EGR効果，NOx排出特性）が報告された．環境工学部門では燃焼振動に関する研究発表，宇宙工学部門ではハイブリッドロケットの推力制御と燃焼特性に関する研究発表があった．

熱工学カンファレンスでは「革新的技術のための燃焼研究」「火災・爆発」という2つのOSにて燃焼利用と安全の両面における研究発表がなされた．前者では，バイオガスの燃焼，高温空気燃焼，アンモニア燃焼，金属（アルミニウム）燃焼などの多種燃料に対する基礎検討に加え，乱流燃焼の直接数値シミュレーション，乱流燃焼場の詳細計測などの燃焼モデリングに関する報告があった．後者では水素爆発，スモルダリング，電線上火炎燃え拡がり，プール火災の消火，火災モデル評価，瓦礫火災モデル検討など，非常に多岐にわたる研究成果が紹介された．安全研究は特に未解決の問題が多いことが提示された．

協賛事業である伝熱シンポジウムでは「燃焼研究の最前線」のOSで26件の発表がなされると共に，一般セッションでも燃焼関連研究の発表が散見された．発表内容のトレンドは前記学会と似ているが，マイクロ燃焼に関する研究発表が比較的多くなされた．壁と火炎との干渉問題に関する緻密な計測と表面モデリングなどスケールに依存した現象に関する知見が紹介された．

国内の燃焼研究者の多くが参加する燃焼シンポジウムでは，層流燃焼，乱流燃焼，化学反応，燃焼モデリング，火災，固体燃料，推進剤の燃焼，着火・消炎，微小重力燃焼，噴霧燃焼，超音速燃焼，燃焼計測，デトネーション，燃焼排出物，エンジン燃焼，新燃料，新燃焼法など多岐にわたるセッションで幅広い研究発表がなされた．SIP事業を反映し，エンジン燃焼，点火，化学反応の研究発表が多くなされた．特に最近では点火に関する研究事例が増えており，未解決の問題が山積していることを反映している．一方，数年前より増えてきた，新燃料の枠組みにおけるアンモニア燃焼・アンモニア利用に関する発表が目立った．当該研究報告の発表件数は近年3年間で3倍に増えており，本研究課題への期待が高いことを反映している．この急増はSIPエネルギーキャリアプロジェクト（主に水素キャリアとして）によるところが大きいが，エネルギーキャリアや燃料種の多様性の分だけ燃焼研究に関する必要性が高まることを明示している．ただしアンモニア燃焼の安全性についての検討例は多くなく，今後の進展が期待される．

国際会議では，反応解析に関する研究，乱流モデリングなどの継続的研究が現在も主流となっており，国内同様，エンジン燃焼や点火の研究の報告例も多い．国内会議と比較すると，煤や燃焼排出物に関する研究や，燃焼合成の枠組みで（機能性）ナノ粒子の生成に関する研究発表が多い．特に後者は従来の燃焼研究の枠組みを超えた新たな動きとして注視してゆくべきである．また火災に関するセッションも拡充傾向にあり，世界的にも安全研究への関心が高くなってきている．

国内外の燃焼系ジャーナル（Journal of Thermal Science and Technology，Progress in Energy and Combustion Science，Combustion and Flame，Combustion Theory and Modelling，Combustion Science and Technology等[2, 3, 4, 5, 6]）のトレンドは上記国内・国際学会のそれと大きく違わない．ただし，年間数本ではあるものの燃焼問題にMD（分子動力学）を導入するなど，学会発表では聞く機会のない風変りな研究例が散見される．化学反応研究では多くの共著者を伴う研究報告が強く目立つようになってきた．このことは個々の研究チームが個別に成果を発展するフェーズから，国際連携をベースにして統一的な反応モデルを確立しようとするフェーズへ移行していることを示唆する．

近年，燃焼可視化に関する専門研究，予測不能な不思議な現象に関する報告例や研究速報が減少しているが，2016年もその傾向は変わらない．速報が減ったことで「燃焼研究は既に成熟した」と誤解される面もあるが，エネルギー問題が各国で取り上げられ，代替燃料が次々に提案・実用化検討がされる中，それに対する燃焼特性把握などの基礎検討および災害対策の担い手としての役割は大きい．そのような社会的要請がある一方で，新機能材料創成などの試みも推進・推奨されている．この傾向は今後も継続してゆくであろう．

〔中村　祐二　豊橋技術科学大学〕

8・2・2　燃焼技術・燃料

世界のエネルギー消費量は増加し続けており，その需要を満たすのは，やはり化石燃料が主である．2016年の世界の一次エネルギーの消費量をみると，化石燃料（石油，天然ガス，石炭）はその約8割以上を占めており，2040年の段階でも約7割以上を占めると予測されている[1]．

石油価格は，2016年の年始に1バレル当たり30ドル以下まで下落していたが，その後は約50ドル前後で推移した[2]．石油価格の低下原因は，供給過剰によるものが大きい．ただし，2016年11月にOPECで減産を合意したことから，今後暫くの間，大幅な価格低下はないと考えられる．

2016年のLNGの価格は，価格が急騰した2011～2014年頃に比べると，1/4程度に下落したまま推移した．LNGが高価格のときに決定したプロジェクトが次々立ち上がることや，2016年2月から米国もシェールガスの輸出を始めたことなどから，今後も供給量が多い状態が続くと考えられ，短期的に大幅な価格上昇の可能性は低い[3]．このように石油も天然ガスも，短期的には価格も供給も安定しているが，これらの燃料はそもそも地域偏在性が高いことや，政治的な影響などで価格が変動しやすいという課題がある．

一方，石炭は世界中に広く存在し，発熱量あたりの価格も安いという特徴があることから，多くの国で利用されている．しかし，石炭は燃焼によって発生するCO₂の量が他の燃料に比べて多く，地球温暖化の観点から使用を制限する要求も強い．そのため先進国を含め，中国などでも石炭の使用量を抑制する方向であるが，新興国では利用量が増加すると考えられる．従って，石炭だけではなく，化石燃料は高効率に燃焼させることが求められている[4]．

2015年にパリで開催されたCOP21では，温室効果ガスの発生量の多い国々も，その削減に取組むことが義務づけられた．このため，発電事業から発生するCO₂発生量を抑制する技術開発はますます重要となっている．

そこで，本節ではCO₂発生量を削減するための発電に関する燃焼技術について述べる．CO₂発生量を削減するための主な燃焼技術としては，発電効率を高めて単位発電量あたりのCO₂発生量を減らす燃焼技術，CO₂を回収する燃焼技術，カーボンニュートラル/カーボンフリーな燃料を使用する燃焼技術などがある．以下のそれぞれの技術開発状況について説明する．

発電効率を高める燃焼技術として，天然ガスを燃料とするガスタービンでは，燃焼温度の高温化の技術開発が進められている．国内では2004年から国家プロジェクトとして1700℃級の大型ガスタービンの開発を継続しており，実機開発と実証の段階に進んでいる[5]．米国においても2015年から1700℃（3100°F）級ガスタービンの開発にDOEから予算がつけられ，複合サイクル熱効率として65％を目指している[6]．いずれも，高温化に伴うサーマルNOxの発生量の増加をいかに減らすかが大きな課題である．次に，石炭を高効率で燃焼する方法として，石炭ガス化複合発電Integrated coal Gasification Combined Cycle（IGCC）がある．IGCCとは，石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガスを，ガスタービンの燃料とする複合発電システムである．ガス化剤としては空気や酸素を利用するタイプがある[7]．国内では，空気吹きIGCCは2013年に発電出力250 MW規模で商用運転を開始しており，酸素吹きIGCCは2016年に170 MW規模での実証運転に向けた試運転を開始した．石炭ガス化ガスは水素含有燃料であり，燃焼速度が速く，予混合燃焼では逆火のリスクがある．この逆火リスクに対応可能なマルチクラスタ燃焼器が，酸素吹きIGCCにおいて実証段階に進んでいる[8]．

CO₂を回収する燃焼技術として，天然ガスを燃料とし，従来のガスタービンと同程度の発電効率を有しながら，CO₂を回収できる超臨界圧CO₂火力発電システムがある．30 MPaの場で，酸素，燃料，循環したCO₂を燃焼する燃焼器において，安定に燃焼可能であることを確認している．現在は，出力250 MW級のCO₂タービン及び燃焼器実現を目指した検証試験計画を通して，商用化へのプロセスに進んでいることが報告されている[9, 10]．

カーボンニュートラルな燃料を使用する燃焼技術としては，バイオマス混焼技術がある．国内では，2016年4月から，省エネルギー法の改正によって，石炭発電所を新設する場合に発電効率の算出時において，総発電量÷（投入エネルギー量−投入バイオマス分のエネルギー量）で算出する方法が認められた．これによりバイオマスを混焼することで，発電効率を向上できる[11]．バイオマス混焼発電方式には，気泡型流動層ボイラ，循環流動層ボイラ，ストーカボイラ，微粉炭焚きボイラなどがある．特に微粉炭焚きボイラは，現在の石炭火力発電の大半を占める方式であり，微粉炭焚きボイラでバイオマスの混焼率を増加させることは，CO₂削減の観点から大きな意味を持つ．国内では150 MW級商用機での木質バイオマスの高比率混焼実証試験が実施され，バイオマス混焼率25 cal％が達成されている．バイオマスの粉砕方法を工夫し，適切な燃焼を可能にしている[12]．

カーボンフリーな燃料を使用する燃焼技術としては，水素専焼やアンモニア直接燃焼の技術がある．新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）は2016年7月に，大型水素発電に使用される水素専焼タービン燃焼器の研究開発の着手を発表した．前述のように水素は逆火のリスクがあるため，それに対応する燃焼器の開発や，水素燃料の保存や輸送にかかるコストを減らす技術開発の必要がある．燃焼器としては，発電効率を下げずに低NOxを達成するドライ型水素専焼ガスタービン燃焼器を開発予定である．本研究の実用化は2030年以降が目指されている[13, 14]．

また，アンモニアは再生可能エネルギーの水素キャリアとして期待されているが，一方で燃料としてそのまま燃焼させるアンモニア直接燃焼ガスタービンの開発が，イノベーション創造プログラム（SIP）で取り組まれている．本研究は2013年から開始され，2016年度からは燃焼器テストリグによる燃焼器の改良試験が進められている[15]．

以上のように2016年は，CO₂発生量を削減するための発電に関する燃焼技術が，実証や商用の規模に進んだものが多い印象がある．

〔岡崎　輝幸　三菱日立パワーシステムズ（株）〕

 

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