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新型ボルテックスチューブ
山藤鉄工は、最先端の研究施設が多数立地する東海村で、地域企業とも協働し、産官連携で研究開発を進めています。
金属の加工で発生する歪みを減らすことを目的とした、スポット冷却技術の研究開発に関してご紹介します。
※簡易的な実験の動画です。
ボルテックスチューブって？
ものづくりの現場では、機械を動作させるために圧縮した空気を使用します。そのため、工場の中には空気を圧縮するための装置（コンプレッサー）が導入されています。
ボルテックスチューブはその圧縮された空気を通すだけで冷気を作り出すことができる不思議なチューブです。
金属加工などの現場では、加工中に工具の刃先や材料(ワーク)が高温になると、工具の消耗や、加工精度が悪化してしまうことがあります。
そこで、冷気を送ることにより温度を下げた加工ができるため、製品の高品質化を狙えます。
また、温室効果ガスであるフロンを利用しない冷却装置であるため、環境にやさしいことも特徴です。
ボルテックスチューブの原理は非常に難しく、未だ解明されていない部分もあります。空気を熱気と冷気に分ける現象は、"マクスウェルの悪魔"と呼ばれるパラドックスによく似ており、より冷たい空気を作り出すためには、この問題に挑戦することが必要となりました。
金属加工などの現場では、加工中に工具の刃先や材料(ワーク)が高温になると、工具の消耗や、加工精度が悪化してしまうことがあります。冷気を送ることで温度を下げて加工することで、加工している製品の高品質化につながることから、様々な現場で用いられています。
物理学者のJ.C.マクスウェルが1867年頃に「もし、仮に気体分子の動きを観察できる”悪魔”がいたならば、熱力学第二法則で禁じられるエントロピーの減少が可能になるのではないか？」と提唱しました。
金属切粉から得た着想
今回開発したボルテックスチューブの最大の特徴は、らせん状のフィンを円管の中に内蔵しているところです。
フィンの形状は、金属の切削加工で生じる切粉の形状から着想を得ており、内蔵させることで円管の長さを半分としても、冷却性能が24％向上する結果が得られました。（出入口温度差がΔ41℃からΔ51℃）
※特許共同出願中
らせん状フィンの実物
どうやって、こんな研究開発ができたの？
東海村発！産官連携プロジェクト
東海村って？
東海村は、茨城県の県央地域の村であり、全国の村の中でも２番目に人口が多い大きな村です。
日本の原子力発祥の地であり、現在も日本原子力研究開発機構（JAEA）、日本原子力東海発電所・東海第二発電所など多くの原子力施設が村内に所在しているほか、発電システムに関連する産業施設が多数立地し、技術の集積がなされています。
研究×解析×製造のプロによる共創
山藤鉄工は、茨城県東海村のイノベーション創出事業を通じて、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（JAEA）、株式会社アート科学と、産官連携による研究開発チームを編成して、この研究開発を行いました。
研究開発に日々携わる日本原子力研究開発機構 、優れた解析技術を有するアート科学、そして、金属加工を日々生業としている山藤鉄工が、それぞれの強みを活かすことで、難解な"マクスウェルの悪魔"の問題にも立ち向かい、新型のボルテックスチューブを開発することができたのです。
国立研究開発法人
日本原子力研究開発機構（JAEA）
研究開発手法の提案、
研究開発の支援
JAEA-Researchで成果公開
株式会社アート科学
乱流数値シミュレーションの
解析条件の決定
山藤鉄工の役割と強み
山藤鉄工は、開発計画の策定と評価、試験の実施、プロトタイプの開発を担当し、ボルテックスチューブの研究開発を行っております。
社内完結の一貫生産体制により実現できた
開発プロセスの高速化
山藤鉄工は、製作にかかる一連の工程を社内完結で行える設備と技術者を持っています。新型ボルテックスチューブのプロトタイプ開発は、トライエンドエラーがたくさん発生しましたが、この体制が整っていたため、形状の変更等をスピーディに行うことができ、性能の試験、評価および検討の時間を十分に確保することができました。また、社内の団結力が強いからこそ、仲間の支援を受けて研究を進めることができました。
「まずは、やってみよう！」の精神が導いた
研究開発という新たなる挑戦と成功
今回の研究は、何事も”初めて”が多く、ほぼ手探りで行ってきました。しかし、山藤鉄工は、メインの金属加工の事業でも、少量生産や、一品物の生産の対応を行っており、製作方法の模索から始まり、実際の加工まで行うこともあります。そんな時に、社長がよく口にするのは「まずは、やってみよう」という言葉。この言葉が、失敗を恐れずにチャレンジできる社風につながり、ボルテックスチューブの研究開発を行う中でも、この精神で取り組むことで、ボルテックスチューブの完成までたどり着くことができました。
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