2015 Fiscal Year Research-status Report
ソーレ効果を用いたガス分離デバイスの微細連続構造による高性能化
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15K05841
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小野 直樹 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (20407224)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 辰矢 茨城大学, 理学部, 准教授 (10302324)
松本 壮平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (70358050)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ソーレ効果 / ガス分離 / 水素ガス / MEMS / マイクロデバイス / 物質移動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
この研究は温度勾配の印加により物質拡散を生じるソーレ効果を利用し、化学的処理を用いずに混合ガスの成分分離を行う高性能なガス分離デバイスの実現を目指す研究である。平成24年～26年度（萌芽研究）での研究の知見をもとに、平成27年度からは大規模な微細連続構造をもつ新デバイスの試作と数値流体シミュレーションによる解析に取り組んでいる。平成27年度は、まずこの大規模な流体ネットワーク構造の簡略化モデルを解析したところ、可解で理論的に興味深いモデルであると分かり、日本物理学会の英文誌速報や国際応用数理会議等に発表した。一方、第1次実証デバイスとして、厚み約40μｍ、幅約100μｍ、長さ約200μｍの六角形の細胞状ガス分離ユニットを幅方向に36列、流れ方向に360段連結したデバイスの試作を、産業技術総合研究所にて実施した。さらにこの実証デバイスを用いて、水素50%と二酸化炭素50%の混合ガスの分離実験を実施した。混合ガスの流量は、15~27ml/minであった。高温面80℃、低温面0℃と、温度差として80℃までの印加を実施したところ、ガス分離効果が確認できる結果を得た。ただし、水素の分離（濃縮）濃度は、入口濃度から0.7％と、理論予測値の１／10以下の値にとどまった。この原因として、数値流体シミュレーションから、１）実際にガスに加わる温度差が80℃から28℃～51℃へ低下した点、２）デバイスの構造や精度の不完全性によるガス流れの変化、等が示唆された。しかし今回の実験から、ソーレ効果によるガス分離と濃縮効果は生じていることが確認できたので、大規模ネットワーク構造のアイディアの方向性は妥当であると確信できた。今後は、微細な単ユニット内での流れや濃度分離の確認や分離向上のための改良や、印加温度差を大幅に大きくするデバイス構造や使用材料の検討を実験と数値シミュレーションの双方から推進していく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、ソーレ効果ガス分離素子の大規模ネットワーク構造による高性能化の理論構築と実験的検証を目的としている。理論に関しては、多数の分離素子を接続した大規模流体ネットワーク構造の簡略化モデルの構築を完了し、数学的な解析を実施した。これにより、提案する分離デバイスにおける基本的な濃度分布形成メカニズムが明らかとなり、所定の性能を得るために必要なネットワーク規模などの基本仕様決定の指針を得た。実験的検証では、上記提案構造を有する第1次実証デバイスの試作と、実験による性能評価、およびそれらを支援する数値シミュレーションを実施した。第1次実証デバイスは、理論で予想される濃度分布の発達過程の確認を目的に、分離素子を幅方向に36列・流れ方向に360段連結した構造をMEMS加工技術によって作成する。シリコン基板およびガラス基板にそれぞれ微細溝を加工し、それらを位置合わせ・接合することで3次元構造の流路を形成するプロセスにより、デバイスの試作を完了した。実験では、試験ガスとして、水素50%と二酸化炭素50%の混合ガスを用い、混合ガスの流量15~27ml/minの範囲で性能評価を行った。また並行して、単一分離素子の分離効果およびデバイス全体の温度分布形成に関する数値シミュレーションを実施した。現在までに実験では、水素の分離（濃縮）効果は0.7％と予測値より小さい値であるが、この大規模ネットワークデバイスにおいても、ソーレ効果の発生と濃縮プロセスの基本的な確認には成功しており、初年度としてはおおむね予定通りの進捗と言えるであろう。
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| Strategy for Future Research Activity |
新デバイスでの水素の分離（濃縮）効果が、理論予測値の１／10以下となっていることが分かったので、次年度ではまず１）単ユニットひとつ（もしくは少数）の内部での流れや濃度分離の確認や、２）ガス分離向上のための流路形状の改良、また、３）印加温度差を数百度程度まで大幅に大きくするデバイス構造や使用材料の検討を行う予定である。具体的には、デバイスに用いる材料を金属系の材料に変更したり、デバイスとガス供給チューブとの接合部を再検討するなどして高温に耐えるデバイスを試作したり、また上下面に印加した大きな温度差が、劣化することなく流路内ガスに印加されるように、熱の回り込みを防ぐべく流路を熱的に絶縁する形状等の検討を予定している。
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| Causes of Carryover |
平成27年度は、第1次実証デバイスを作成して実験を行った。当初はさらに第2次のデバイスの作成まで予定していたが、実験のための準備や関連作業が予想以上に多く、結果的に第1次実証デバイスでのデータ取得までにとどまった。このため予想していた予算が若干残った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は、前年度の研究から明らかとなったガス分離過程の課題点を追求するために、基礎的なデバイス等の製作を計画している。また進捗が予定通りに行けば、耐熱性を高めた材料での実証デバイスの設計製作にも取り組む予定である。
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