2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K05843
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| Research Institution | Chubu University |
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Principal Investigator |
平沢 太郎 中部大学, 工学部, 准教授 (30350987)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 火炎合成反応場の制御 / 粒子温度履歴計測 / 3次元火炎構造 / 粒子温度計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
微小火炎相互の干渉によって，マイクロ径の燃料ノズル群の上には，対流の影響が少ない低Peclet数流れ場にCO濃度が高く還元性の高い微小火炎群を形成することができる．本研究はこの微小火炎群を粒子化学合成の反応場として利用し，その反応場を制御する技術の開発を目的としている．本年度は，合成パラメータのうち第一に重要な粒子の加熱温度ならびに加熱時間の制御方法について明らかにするべく，実験パラメータ（燃料及び空気の噴出速度）が粒子温度履歴に与える影響について検討を行った．
噴流に添加されたTaN粒子の600nmから1000nmの連続光スペクトルを分光計に取り付けたCCDにより20地点の同時に計測し，これらをTaN粒子の放射率を考慮しつつ，プランク放射のスペクトルと比較することで，粒子が添加された噴流の温度分布を得た．粒子が添加された噴流の速度分布については，粒子画像流束計測（PIV）法に基づきNd:YAGレーザーを添加粒子に照射し計測を行った．このようにして計測した噴流の温度分布および速度分布を基に，添加粒子の温度履歴を求めることに成功し，実験パラメータの影響が示された．
さらに，噴流の温度分布および速度分布と，微小拡散火炎群の火炎構造との対応関係について調べた．火炎構造については，微小拡散火炎群からのCH*発光の分光画像計測を40方向から行い，得られた画像を用いてCT法により3次元分布画像を得ることで，火炎の融合状態を詳細に評価した．これにより，ノズルピッチ2.5mmのバーナでは，メタンの流量を制御するだけで3種類の火炎構造を取らせることが可能であることが明らかとなった．この火炎構造と最高温度や最低速度となる位置とは密接な対応関係にあり，火炎構造の変化に対応して，粒子を含む噴流の速度分布や温度分布は大きく変化することも明らかとなった．
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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
第2年度の研究計画の柱であった「合成反応場の温度分布」の計測と「合成反応場の速度分布」の計測を実施することができ，これらの計測結果より「粒子の温度履歴」を得ることに成功した．
温度計測に用いたTaN粒子は高温に耐えるものの，火炎中で完全に不活性とは言えないことから，火炎を通過したTaN粒子をX線回折により分析するなど，温度計測の妥当性の評価に時間を費やすこととなったが，これにより，温度計測結果の信頼性向上に役立てることができた．特に1500℃以上となる気流中の超高温粒子温度計測の成功は，計測方法として様々な燃焼計測などへの応用も期待できる．粒子の「加熱温度」と「加熱時間」を制御することは，反応制御への第一歩であるが，実験パラメータにより加熱温度と加熱時間が如何に変化したかを得るには，「粒子の温度履歴」の計測が不可欠であった．したがって粒子の温度履歴計測の成功は，合成反応場を制御する技術の開発にとって重要な進展である．
火炎構造は，流量制御に加えノズルピッチによっても制御できるため，合成反応場を制御する上でノズルピッチは重要な実験パラメータである．第2年度においては，ノズルピッチ2.5mmの際の粒子温度履歴の計測に加えて，ノズルピッチ2.0mmおよび3.0mmのバーナ上に形成される微小拡散火炎群についての計測にも着手している．
実施した実験パラメータ（燃料噴出口の間隔，燃料噴出速度，粒子・空気噴出速度）範囲は現時点ではまだ限定的であるものの，実験パラメータによる，合成パラメータ（加熱温度，加熱時間）の制御方法について，順調に明らかになりつつある．
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| Strategy for Future Research Activity |
実験パラメータからの合成パラメータの制御方法については，これまで実施した研究成果により次第に明らかになりつつある．制御方法の開発と平行して，微小拡散火炎群による火炎合成反応場の制御により，酸化や還元の程度，粒子径や結晶構造などを制御した実証例を示すことは，その有用性を確認する上でも重要である．そこで今後，火炎合成により得られる粒子の酸化の程度の制御についても，その第1段として実施を試みる．
これまでの研究により，酸化する温度を遙かに上回る高温であったにもかかわらず，火炎に導入した微粒子表面が部分的な酸化にとどまる事象を確認した．粒子は1400K以上の超高温に加熱されるが，その時間は数十msオーダーのごく短時間であることが明らかとなっており，加熱時間や粒子雰囲気の影響で，全体的な酸化反応には至らなかった可能性が考えられる．そこで最終年度は，合成パラメータを系統的に変化させ，火炎合成により得られる粒子の酸化の程度がどのように影響を受けるか，合成粒子のX線解析などによる評価実験も計画に取り入れ，研究を推進していく．
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| Causes of Carryover |
ガス分析用の物品の消耗が予想よりも少なかったため，次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
最終年度は，ガス分析計測の増加や高精度化に伴い，必要となる物品の増加が見込まれるため，次年度使用額を最終年度に使用する予定であった物品費に加えて使用する計画である．
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