2018 Fiscal Year Research-status Report
電磁スピニング粘性測定システムによる超臨界流体のレオロジー計測法開発
Project/Area Number |
18K03569
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Research Institution | Tokyo Denki University |
Principal Investigator |
細田 真妃子 東京電機大学, 理工学部, 准教授 (40366406)
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Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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Keywords | 粘性 |
Outline of Annual Research Achievements |
本研究では独自に開発した粘性測定法である電磁駆動回転(Electro Magnetically Spinning: 以下EMS)システムを、通常の粘度測定手法を用いることができない特殊環境下にある超臨界状態の流体の粘性計測に適用する。超臨界状態の流体、例えば超臨界二酸化炭素はすでに物質の高効率の抽出技術などに応用されているが、その状態のモニタリング技術、特にレオロジー計測技術は現在も限定的である。申請者を含む研究グループは最近、磁気浮上型EMSシステムを開発し、水の粘性の1/1000程度の気体の粘性を精度よく計測することに成功した。本研究ではこれを超臨界状態の流体に適用し、超臨界状態にある物質のレオロジー特性を明らかにするとともに、将来的に超臨界状態を利用した工学プロセスに提供するため物質の抽出状態のモニタリングなどの応用を行う。本年度は圧力容器など大きな壁厚を有する試料容器内部に回転子を設置し、その外部におかれた動磁場発生機構により内部の回転プローブに遠隔でトルクを印加し、これを回転駆動する技術の開発を行った。研究では比較的小型の数㎝程度の圧力容器を仮定し、50mmの遠隔距離での回転プローブの駆動を目標とした。動磁場を生成する磁石の形状および表面の磁化強度の分布から、3次元空間中のベクトル磁場強度を計算し、50mmの距離で十分な磁場強度を実現するための磁石形状を求め、これを作製した。実際のその周囲の磁場強度分布を測定し、数値計算とのよい一致を確認した後、遠隔距離を掃引しながら回転プローブに加わるトルクを測定した。この結果、50mmの距離において直径20mm、厚さ0.3mmのアルミ円板の回転プローブに対し、10μNmの大きさのトルクを印加することに成功した。このトルクは超臨界状態における二酸化炭素の粘性を測定する目的のために十分な大きさである。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
上記の通り、粘性の遠隔測定に必要なトルク印加については数値シミュレーションで確認の後、実際にトルク印加機構を設計製作してその能力を検証することができた。これと併せて高温・高圧を実現する圧力セルの設計に関する知見も得ることができた。以上の通り本研究は当初の計画以上に進展している。
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Strategy for Future Research Activity |
今後の研究ではまず比較的に低圧・低温域に気液臨界点を有し、かつ工業的に最も応用が進んでいる二酸化炭素を念頭に、磁気浮上EMSシステムによる低粘性の精密測定を行う。高圧環境下におかれる構成要素は直径1cm、厚み1mmのグラファイトとほぼ同直径で厚み5mmの円筒型磁石であり、そのためセルの内部空間サイズは 2cm立方で十分で、これを非磁性ステンレスの切削加工により作製する。回転トルクを与える永久磁石はこのセル外部に設置し、回転子の運動はセルに取り付けられる窓を通して観察する。
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Causes of Carryover |
当初の計画を進める過程で、超臨界状態でのレオロジー測定に用いるための新しい回転子形状の着想を得た。これが実現すれば、磁気浮上型を採用する際の空間的な制約を大幅に低減することができる。このためこれを優先するために消耗品材料の購入に予算を使用し、さらなる高性能化のためのディスク作製等を計画後半に行うこととした。今後の計画では将来的に超臨界状態の利用が工業的に強く期待されている二酸化炭素水について、超臨界状態を実現するために必要な耐高圧力・高温セルの設計を進める。非常に高精度の加工になるため、マイクロ放電加工を用いる。この方法で試料セルを各種加工・製作するために70万円使用し、残りを国内外研究者と討論を行うための旅費とする。
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Research Products
(3 results)