2020 Fiscal Year Research-status Report
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19K04246
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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, 教授 (30350987)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 酸化剤噴流の効果 / 高温・長時間加熱 / 難融解物の融解 / 超高温 / 粒子の球状化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロバーナにより形成される微小拡散火炎では，通常のバーナで形成される火炎に比べ対流の影響が小さく，分子拡散や熱拡散の効果が大きい．このような反応場を無次元数を用いて「低ペクレ数場」と定義することができる．本年度は，低ペクレ数場の微小拡散火炎群内へ噴出させる酸化剤の酸素濃度および噴出速度が，火炎帯分布ならびに火炎合成に及ぼす効果について明らかにした．
本研究では，6本のマイクロノズルにより形成された燃料の雲の中に，細い酸化剤噴流が導入されている状態で火炎が形成される．酸化剤噴流が燃料の雲を突き抜けない条件では還元合成が可能であるが，酸化合成を目的とした際には，効率のよい酸化と加熱のために酸化剤噴流を突き抜けさせ，火炎のトンネルを形成するのが望ましい．このような火炎を形成するには二つの方法があり，一つは移流輸送速度を増加させること，もう一つは拡散輸送速度を増加させることである．本年度はこれらの方法により，酸化合成に適した火炎を形成できること，ならびにその形成条件を示した．後者の方法を採用し，高酸素濃度かつ低流速の酸化剤噴流とすることでトンネル状の火炎を形成すると，微小拡散火炎群を用いた酸化火炎合成の制御範囲が，より高温・長時間加熱に拡大されることが示された．具体的にはメタン燃料の利用下において，融点が2145Kと高温な五酸化タンタルを融解させるまでの加熱を実現した．その結果，球状の五酸化タンタル粒子の形成に成功し，このように形成した半径１~２mm程度の細いトンネル状の火炎を用いて火炎合成を行うことの有効性を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は，低ペクレ数場となる微小拡散火炎群内へ噴出させる酸化剤噴流の酸素濃度が，微小拡散火炎群による火炎帯分布ならびに火炎合成に及ぼす効果について明らかにした．高酸素濃度かつ低流速の酸化剤噴流とすることでトンネル状の火炎を形成すると，微小拡散火炎群を用いた酸化火炎合成の制御範囲が，より高温・長時間加熱に拡大されることを示した．この効果が火炎合成に及ぼす具体例としては，融点が2145Kと高温な五酸化タンタルを融解させる加熱を実現し，窒化タンタル粒子から球状の五酸化タンタル粒子を合成できることを示した．また，昨年度，燃料にジメチルエタン（DME）を用いることで，球状の低次酸化チタンを合成したが，高酸素濃度の酸化剤噴流を用いることで，メタン燃料でも球状の低次酸化チタンが合成できることを示した．微小噴流に適した液滴の添加機構の改良も進み，ナノ粒子の合成もできるようになった．
しかしながら，新型コロナウィルスの感染拡大や緊急事態宣言の影響により，実験室へのアクセスが制限されたことや，コロナ対応のため大学教育業務の増加などもあった．そのため，酸化合成に適したトンネル状の火炎を形成する条件の割り出しなどはできたものの，計画をしていた実験計測には未達成の部分が生じたため，やや遅れているとの判断になった．
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| Strategy for Future Research Activity |
近年，材料合成のニーズの高まりとともに火炎合成も注目されつつあり，また申請者らの継続的な情報発信により，材料分野の研究者らとのつながりも増えつつある．次年度は産学や官学の共同研究の開始も見込まれる．具体的な材料合成のニーズを取り込みながら，低ペクレ数場を利用した火炎合成技術によりこれまで困難であった合成を実現し，その優位性を実証したいと考えている．
また計測系，特に温度計測系の改善もはかりたい．これまで添加粒子が加熱された際の温度計測は，粒子からの連続スペクトルを多地点同時計測し，プランク曲線と比較することで，多点同時温度計測を実施してきたが，今後は多点スペクトル1地点計測系といった計測の簡素化と迅速化により，今後の実験計測を加速したいと考えている．
加えて，地味な成果ではあるが，液滴や固体粒子の気流への添加技術の進化，サンプリングプローブやフィルターの構造を含めたサンプリング技術の進化を，今年度はかることができた．これまで，ラボスケールの実験であるため実験開始までのリードタイムは短いものの，十分な収量を得るまでに時間がかかっていたが，添加とサンプリング技術の進化を活かすことで，収集時間を短縮し，実験を加速することができると考えている．また，現在は同時に合成に使えるのは１つのバーナユニットであるが，今後は複数のバーナユニットを配置した装置を組むことで，収集時間を半分以下に短縮する方策を考えている．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスのパンデミックの影響により，国内外の出張が全くできなかった影響や緊急事態宣言などによる実験室へのアクセス制限などが大きく影響した．今後のコロナウィルスの感染状況にもよるが，次年度は国内外の出張が可能となることを見込んでおり出張経費での使用，ならびに計画していた実験を次年度に実施することで消耗品費での使用見込んでいる．
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