2015 Fiscal Year Research-status Report
閉塞監視機能を備えたマイクロ流体分配デバイスの設計
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15K18264
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
殿村 修 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70402956)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | マイクロリアクタ / 閉塞検出・診断 / 流体分配 / 設計 / センサ配置 / 最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度（H27年度）は，均一相の流体分配を例にとり，モデルの構築，構築したモデルに基づく最適設計手法を開発した。それらの有効性を実験とシミュレーションの両面から検証した。
＜１．流体分配部の流動モデルの開発＞ 流体分配部の流動パターンは圧力バランスによって支配される。直管路の完全発達層流を仮定し，設計・操作条件（流路幅・深さ・長さ，流速，物性）と圧力損失の関係を表す単位モデルを作成した。そして，単位モデル同士を結合して流体分配部の流動パターンを表現する全体モデルを構築した。数値流体力学シミュレーション結果と照らし合わせて，開発したモデルの妥当性を確認した。
＜２．最適化問題の定式化＞ リアクタの並列化数，流体分配構造，処理量，利用可能な流量／圧力センサ数が与えられたとき，正常運転時に等流量分配を達成し，かつ，閉塞診断性能を最大化するように，流体分配部の流路サイズおよび流量／圧力センサ位置を最適化する問題を組み合わせ最適化問題として定式化した。定式化の後，multistart scatter search 付き非線形ソルバを活用し，効率的に最適解を導出した。
＜３．実験検証用プラントの作製と提案法の有効性評価＞ 設計結果を反映したデバイスを作製し，流量／圧力センサ・配管・継手・バルブを用いて実験検証用プロセスを作製した。定常特性（例えば，流体均等分配性）および閉塞診断特性（バルブの開閉により閉塞を摸擬）を評価した。
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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
研究目的の達成に向け，初年度（H27年度）に掲げた研究実施計画通り，順調に進展している。研究実績欄に記載したことに加えて，「流体分配部の流動モデルの開発」においては，並列数を与えれば流体分配部の流動モデルを自動生成できるように工夫を図った。さらに，「最適化問題の定式化」においては，リアクタの単一閉塞，さらには複数閉塞に対する診断手法について検討し，物理的考察を加える（測定値の変化量ベクトルの向きを考慮する）ことで閉塞リアクタ群の候補を効率的に絞り，診断成功率を向上させることに成功した。また，「実験検証用プラントの作製と提案法の有効性評価」において，鈴木カップリング反応を対象とした５並列プロセスを構築し，90分の連続運転，閉塞診断手法の有効性を確認した。このように，研究実施計画の項目をクリアし，次年度の計画に踏み込んだ成果も出すことができている。以上より，区分（２）を選択した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度に得られた結果を基にして，流体混合・反応操作を備えたリアクタを並列化したプラントを対象に，閉塞診断機能を備えた並列化構造を提案し，平成２７年度に開発した設計アルゴリズムを用いた構造とセンサ位置の最適化を行う。その際，プロセス全体の圧力損失に対してリアクタ並列部の差圧が支配的である場合，連続運転を停止することなく閉塞状態から正常状態へ回復する操作が可能であるという既往の成果を踏まえて，圧力損失制約を新たに考慮し，設計アルゴリズムを拡張する。そして，最適化されたプラントを実際に構築し，閉塞検出・診断法，並列部差圧制御法を実装し，閉塞検出・診断，閉塞状態から正常状態への回復操作から成る本研究の開発技術の有効性の検証および改善を図る。続いて，均相系プロセスから混相系プロセスへ拡張し，気液スラグ流を伴うリアクタを並列化したプラントを対象に，閉塞診断機能を備えた並列化構造を提案し，その構造とセンサ位置の最適化を行う。最適化時に用いる流動モデルを均相系から混相系へ拡張する必要がある。そのモデルを物理モデルベースで構築するが，モデルの精度が低い場合，実験データからモデルパラメータを決定してモデルの精度を向上させる。以上を踏まえて，並列マイクロリアクタの設計論と操作論の体系化に展開していく。
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| Causes of Carryover |
当該年度は，流体分配デバイスの基本構造を提案し，閉塞診断性能を最大化する設計アルゴリズムのプロトタイプを構築するため，第一ステップとして，既存のシミュレーション環境で対応可能な５並列プロセスを対象とした。また，検証実験時には，デバイスの調整の自由度の高さを考慮して，既存の配管と継ぎ手を用いて流体分配デバイスを構築することにした。以上の経緯から次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当該年度の成果を踏まえて，次年度以降，リアクタ並列数を増やすとともに，２流体混合・反応操作を備えた並列プロセス，気液２相流などの多相系並列プロセスへと対象を広げ，閉塞監視機能を備えた流体分配デバイスの設計法を研究・開発していく。その際，設計問題が複雑かつ大規模になることから，モデリング・シミュレーション・最適化を効率的に進めるために，高速演算が可能で大容量メモリを搭載した計算機が必要となる。また，実験システム構築において，リアクタ並列数が増えるにつれて，流体分配デバイスの材料・加工費，気／液用流体計測・制御装置の購入等も必要となる。以上の品目に次年度使用額を充てる。
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Research Products
(5 results)
