ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2023.4

No.435TODAY

産官学をすべて経験してのため課題は基板から電極をとる技術開発と寿命改善

三重大学 みえの未来図共創機構兼 工学研究科教授 中村 孝夫

成功させました。自分のみで成果をだすより、組織で成果を出す醍醐味を経験しました。2007 年ごろからはで両方に関与しました。前者は個人の技量で開発に成功したのですが、後者は課長として課員全員で取り組み当時世界中で開発競争が繰り広げられていた緑色レーザー開発を部長として主導しました。住友電工には世界２月１日付けで三重大学において産官学連携による大学シーズの社会実装推進をミッションとする みえの未来図共創機構および工学研究科の教授職を拝命しま

初で GaN 基板を量産した技術があり、その技術を活用した。現役として最後となるポジションでこれまの仕 して部員全員で協力することで緑色レーザーに適した事で得たいろいろな知識と経験、人脈を活用しミッショ これまでにない結晶面を発見し、後発ではありましたが世界初の純緑色レーザーの発振に成功しました。このンに貢献してゆきたいと考えています。
私は、1986 年に住友電気工業株式会社（以下住友 成果は日経新聞の 1 面に掲載され、経済的なインパクト電工）に入社し、一貫してデバイス開発・製品化に従 も相当大きい成果となりました。その後ソニーとの共同事してきました。大学の専門は金属だったのですが、 開発で緑色レーザーの特性改善・製品化を推進しまし入社後の仮配属では専門に近い研究グループの所属と た。当初共同開発は難航し両社の役員から叱責を受け、なり、金属の研究開発に従事すると思っていました。 ソニーとも相談し進め方を大きく変更させ非常に順調に開発を進めることができました。ここでは文化の違う
本配属では住友電工が強化していた半導体デバイス部門に配属され非常に驚いたことを昨日のように覚え 組織間の連携について学んだと考えます。その後、世界ています。ただ振り返るとこのときにそれ以降のキャ 最小 RBG レーザーモジュール開発に成功し、大手電機メーカー向に量産化のため事業部に異動したのですがリアに向かって賽は投げられたと考えています。
最初はシリコン LSI の 3 μ m プロセスの薄膜工程に なかなか売上が立たず、2017 年 10 月に NEDO へ出向おける技術開発を担当したのですが、半導体の王道は と な り ま し た。 た だ 事 業 部 で は コ ス ト、ISO 関 連 のやはりシリコンであり、その後のデバイス開発の基礎 品質保証の重要性を身をもって経験しました。
NEDO での業務は省エネに寄与できる大型助成事業のを得たと考えています。その後、酸化物超電導体フィーバーが巻き起こり、当時の新機能素子協会が事業主体を 採択、事業マネージメントに加え、他部門と連携し国担ったデバイス開発の大型プロジェクトがあり、まだ プロ立案を進めました。NEDO の審査過程、民間機関の入社して 4 - 5 年目ですが、新規デバイスの提案を行い 現地視察などは住友電工では経験できないことばかり採択されました。この採択過程では旧工技院院長 梶村 であり、非常に有意義な経験となりました。また NEDO先生からデバイス動作原理について疑問がなげかかれ、 所属時には住友電工時代の化合物半導体関連の業績住友電工内でも疑問視されたのですが、相当頭を使い、 から応用物理学会からフェローの称号を受けたこともだれもが納得するロジックを考え出し、直接 梶村先生 あり、住友電工を退職し、2020 年４月より東京大学にご説明し、無事採択された経緯があります。この経験 生産技術研究所の特任教授、2020 年 6 月には三重大はいまから考えるとその後の研究活動であきらめない 学 客員教授に就任しました。その後大学において社会ことが刷り込まれたと考えます。大型プロジェクトを 実装を目指した研究を推進し、短期間ではありますが成功裏に終了した 1998 年ごろから化合物半導体分野 大きな成果を出せ、現在に至っています。
社会人として産官学すべて経験し、ものの見方が複眼の開発に取り組んできました。当時は大手メーカーがこぞって次世代記憶媒体の書込用青色レーザーに向け 的になり、かつ連携スキームの構想やアプローチ方法がに ZnSe を用いた開発を進め、住友電工でも ZnSe 単結 自然に頭の中でてくるためより大きな成果を出せるよう晶基板上のレーザー開発を進めていました。ただ GaN に感じます。地域課題はどの地域でも共通なものが多く、系材料開発の進展からレーザー開発から蛍光体フリー 合算するとその経済効果は相当大きくなります。全体への独自の白色 LED 開発にシフトしていました。製品化 の寄与を目指しミッションを完遂したいと考えます。

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JRCM REPORTTherMAT プロジェクトにおける産業分野の排熱実態調査とヒートポンプ技術等の統合解析シミュレーション技術の構築活動の振り返り
一般財団法人金属系材料研究開発センター

磁性・先進技術研究部長

豊田 俊介

100%
1 . はじめに90%
未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合
80%
70%(TherMAT) では、国立研究開発法人新エネルギー・60%
産業技術総合開発機構 (NEDO) からの委託・助成
50%
40%(JPNP15007) により、未利用熱エネルギーを効果30%的に、再利用（ヒートポンプ技術）、削減（蓄熱、 20%10%
断熱、遮熱）、変換利用（熱電変換、排熱発電）す0%るための技術と、これらの技術を横断的に取り組む基盤技術と熱マネージメント技術を開発し、本プロジェクトは 2022 年度をもって終了した。
排ガス熱量
温水排熱
固体顕熱
ここでは、JRCM がプロジェクトにおける関連調
図１．業種別排熱の内訳 ( 全国推計値 )査・基盤技術の位置づけで、関係機関 ( 産総研他 )・用途温度帯
企業 ( 前川製作所他 )・大学 ( 早稲田大学 ) と連携し取り組んだ「産業分野の排熱実態調査と導入シナリオの検討」と「ヒートポンプ等の統合解析シミュレーション技術の構築」について振り返る。
2. 産業分野の排熱実態調査と導入シナリオの検討
本プロジェクトの第 1 期（2013 年 10 月～ 2018
事業所回答数︓149
事業所回答数︓147
年 3 月）には、現在の工場のエネルギー利用状況
図２．ヒートポンプで代替する場合の用途、温度帯を把握することを目的に、熱利用量の多い 15 業種を対象に、温度帯や量、排出される場所がさまざま 3. ヒートポンプ等の統合解析シミュレーションな未利用熱エネルギーの排出・活用状況に関する 技術の構築
アンケートを実施し、1273 のエネルギー管理指定
第 2 期（2018 年 4 月～ 2023 年 3 月）には、ヒー工場からの回答に基づく工場設備の排熱実態調査 トポンプ技術等の統合解析シミュレーション技術を実施した。この結果、全国で未利用の 743PJ/y の構築を、本プロジェクト内で開発が進められての排ガスと 2711PJ/y の温排水が排出されている いる 160℃以上の熱供給可能な高温ヒートポンプと推定され、排熱の温度帯については 200℃未満 にも対応した基盤技術として位置づけ実施するとと 500 ℃ 以 上 が 多 い こ と を 確 認 し た。 図 １ に 業 ともに、高温ヒートポンプの適用ポテンシャルを把種別の排熱の内訳を示す。本調査では、従来型の 握するために、工場のエネルギー利用状況調査を排熱利用設備の導入状況、未利用熱活用設備の導 実施した。うちヒートポンプを組み入れている工入の可能性など、未利用熱の活用状況についても 場のエネルギーデータは、開発したシミュレーターアンケートを行った。図２にその１例としてヒー の精度検証に使わせて頂いた。第 2 期では高温ヒートポンプを既存のボイラーから代替する場合の用 トポンプ技術等のモデルケース検討 WG にて進捗
途、温度帯についての回答結果を示す。用途では や内容について議論を行った。
蒸気、熱水、熱風の順に多く、温度帯では本プロジェ 3-1. 産業用ヒートポンプ単体シミュレーターのクトで開発に取り組んだ高温ヒートポンプに対応 開発、機能の向上する熱需要ニーズも多くあることが確認された。
早稲田大学により、空調機等圧縮式ヒートポンプ
本調査では、排熱利用の実用化・導入検討 WG、 を念頭に開発されたエネルギーシステム汎用シミュ
排熱利用モデル製造ライン WG、外部有識者を交え レーター「Energy flow + M」の考え方をベースに、た産業排熱調査検討委員会をそれぞれ開催し、議 産業用ヒートポンプの導入効果を定量評価できる論を重ね、産業分野の排熱実態調査報告書 (2019 「産業用ヒートポンプ単体シミュレーター」を開発
年 3 月公開 ) として取り纏めた。
し、2020 年 12 月に web 公開した 1)-4)。シミュレー

JRCM NEWS No.435

2ターは、様々なシステムの構成と運転条件下で年間性能を精度の信頼性を持ちつつ評価するために、連続方程式、エネルギー方程式、圧力損失に対応する運動方程式をベースとした汎用的解析理論に基づいており、システムを構成する要素ごとに数理モデルを構築し、これらを接続することによりシステ
ム全体の数値解析行うモジュラー解析手法が用いられている。計算速度の観点からは、熱交換器の設定が容易となるピンチ温度による数理モデルを採用し、冷媒や空気、水などの物性値は REFPROPをベースとし、これを予め csv 形式のデータベース化して用いている。単体シミュレーターでは、①利用パターンを選択し、②定格加熱能力・給水温度・流量・冷媒等を入力することで、１次エネルギー消費量・CO2 排出量等のヒートポンプ導入効果を、短時間に高精度で試算することが可能である。
今 回 さ ら に、 よ り 高 温 の ヒ ー ト ポ ン プ も 念 頭に、２元冷媒サイクルの計算、HFO 系冷媒であるR1336mmz(Z) 等など冷媒の追加、指定時刻における冷媒の飽和曲線 (P-h 線図 )、温度 - 比エントロ
ピー (T-s) 線図の表示、LCCP( 製品寿命気候負荷 )評価計算、経済性評価計算、などの機能を追加した。
図 3 に最新版の単体シミュレーターのユーザーイ
ンターフェース画面の例を、図 4 にダウンロードの要領をそれぞれ示す。
3-2. 産業用エネルギー統合シミュレーターの開発
単 体 シ ミ ュ レ ー タ ー で 構 築 し た パ タ ー ンやロジックを基に、ヒートポンプやボイラー、ポンプ、タンク、弁などの補機等のモジュールを GUI 上で接続してフロー図を作成しシステムの性能評価計
入力部分

日本語/英語選択

指定時刻における冷媒のP-h、T-s線図

冷媒選択

冷媒選択
CO2排出量の比較

一次エネルギー消費量の比較

一次消費エネルギーのトレンド表示

LCCP(製品寿命気候負荷)計算機能図 3．単体シミュレーターの画面の例②新規登録①シミュレターーダウンロードサイトURL
http://neheatpump.org/UHMS/④パスワードの発行、ログイン（使用許諾条件あり）(タイムラグ有り）③アフィリエーションの入力⑤ダウンロード

図 4．単体シミュレーターのダウンロード要領
JRCM NEWS No.435

3算を行う、産業用エネルギー統合シミュレーター
を開発した 5)-8)。図５に統合シミュレーターのシス
テムフロー図の例を示す。統合シミュレーターは、システム全体の性能・環境性・経済性の３つの指標から分析できるため、より具体的なヒートポンプ導入検討が可能となる。統合シミュレーターでの計算には配置するモジュールの接続や入力条件を工夫して構築する必要があるため、システム構築や計算を支援するためのツール、導入事例ライブラリを作成した。ヒートポンプ導入事例のシス
テム概要、システムフロー図、GUI 図、入力条件、解析結果などを参照することができる。
4 . おわりに工場などの産業部門で有効に活用されずに捨てられている熱を効果的に削減（断熱・蓄熱）、回収（熱電変換、排熱発電）、再利用 ( ヒートポンプ ) すファンる技術に取り組んだ、未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発プロジェクトは予定通り 2022年度をもって終了した。本プロジェクトが目指した開発技術の活用による省エネと 2030 年度における約 662 万 t/ 年の CO2 削減、さらには住みよく永続的な世界の実現に向け、開発技術がさらに発展・受容されてゆくことを祈念する。
[ 参考文献 ]1) 市川 , 鈴木 , 鄭 , 宮岡 , 齋藤；日本冷凍空調学会 2020 年度年次大会講演論文集 D234
2) 豊田：JRCM NEWS 第 410 号 (2020) pp.2-43) 武藤 , 丸山 , 鄭 , 宮岡 , 齋藤；日本機械学会第 31 回環境工学総合シンポジウム講演論文集 (2021) No.412
4) 占 部 , 宮 岡 , 鄭 , 齋 藤 , 渕 上 , 町 田 , 豊 田； エ レ ク ト ロ ヒ ー ト
No.239 (2021) pp.9-14、など
5) 丸山 , 武藤 , 鄭 , 宮岡 , 齋藤；日本冷凍空調学会 2021 年度年次大会講演論文集 D1236) 丸山 , 武藤 , 鄭 , 宮岡 , 齋藤；第 55 回空気調和・冷凍連合講演会
論文集 (2022) S27) 鄭 , 武藤 , 宮岡 , 齋藤；日本冷凍空調学会 2022 年度年次大会講演論
文集 A2118) 金井 , 武藤 , 宮岡 , 鄭 , 齋藤；第 56 回空気調和・冷凍連合講演会
論文集 (2023) No.21、など

ヒートポンプ
システム

バーナー

蓄熱槽
ポンプ

分離器
熱交換器

混合器

バルブ

図５．統合シミュレーターのシステムフロー図例
磁石材料に関する講演会のお知らせ
日時：2023 年 5 月 19 日（金） 10:00 ～ 11:30
場所：一般財団法人金属系材料研究開発センター (JRCM) 会議室（＋ web）
東京都港区西新橋 1-5-11 第 11 東洋海事ビル 6 階
内容 ( 予定 )：「低次元強磁性体の磁気硬化（Magnetic Hardening in Low-Dimensional Ferromagnets）」テキサス大学 J. Ping Liu 教授「磁性材料の特許 / 技術動向・レアアース磁石のサプライチェーン」JRCM 豊田
参加費：無料 ／ 参加申込み、問合せ：JRCM 多田 (mtada@jrcm.jp)

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS ／第 435 号

発 行
発行人
発行所

2023 年 4 月 1 日
小紫 正樹
一般財団法人 金属系材料研究開発センター

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