2018 Fiscal Year Annual Research Report
Design of microfluidic distributor with the ability to monitor blockage
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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, 工学研究科, 助教 (70402956)
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2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マイクロリアクタ / モニタリング / 閉塞検出 / 流体分配 / 設計 / センサ配置 / 最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロリアクタによる物質生産の実現に向けて，“処理量増大のための装置並列化法”や“安定運転のためのモニタリング手法”の開発が重要である。本研究では「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」を目的とした。
昨年度までは単相流を対象とした。直管路の完全発達層流を仮定した単位モデルを結合して構築した流動モデルを用い，流体分配装置の設計手法を開発した。リアクタ並列数，閉塞数（単一or複数），流体分配構造，処理量，（圧力or流量）センサ数が与えられたとき，正常時に等流量分配を達成し，閉塞時に閉塞検出性能を最大化するように，流体分配装置の流路抵抗およびセンサ位置を導出する問題を組合せ最適化問題として定式化した。その応用として5並列カップリング反応プロセスを設計・構築し，正常時の等流量分配性（誤差5%以下）と90分の安定した連続運転を確認し，閉塞検出性と反応成績の関係を定量的に評価し，開発した手法の有用性・必要性を実証した。
最終年度は系を単相流から多相流に拡張した。流体圧縮性などに由来する不安定流動が正常時に観察されたため，その解決に取り組んだ。構築した流動モデルとスラグ生成モデルを組合せてシミュレーションを行い，実験で観測された不安定流動を再現した。次に，設計・操作条件と流動安定性の関係を整理し，それに基づいて安定操作を実現する流体分配部の設計指針を提示した。
以上の成果をもとに並列リアクタシステムの設計論と操作論の体系化に展開していく。マイクロ化学プロセスの重要課題である閉塞を検出・診断できる機能を備えた装置並列化による生産量増大いう考え方は他に類を見ない本研究の特色である。その実用に向け，流体分配構造・流路抵抗・センサ位置の最適化を図るアルゴリズムを開発し，計測・制御のし易さを評価に加えた装置設計に取り組んだ本研究は極めて独創的であり意義深い。
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