2019 Fiscal Year Research-status Report
Monitoring and control of two-phase slug flow in microdevices with multi-channels
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19K05140
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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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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | マイクロリアクタ / 制御・モニタリング / スラグ流 / ナンバリングアップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロデバイスの特徴は流路寸法を大きくすると失われるため，流路のナンバリングアップ（並列化）によりデバイスの処理量が増大される。本研究では，気液二相スラグ流を伴う多流路デバイスを対象とする。スラグ流は，混ざり合わない流体が交互に流れる流動状態であり，従来デバイスよりも界面積が一様で大きく，かつ，スラグ内で循環流が生じることから，高い物質移動速度をもたらし，反応の高い空時収量を示す。その実用化に向けて，ナンバリングアップによる量産化技術，スラグ生成周期やスラグサイズが希望値を達成しているか，異常によりそれらがシフトしていないか，といった制御・モニタリング技術の方法論の構築が本研究の目的である。
2019年度（令和1年度）は「気液二相スラグ流生成・流動のモデリング」に取り組んだ。具体的には，まず，単一の気液二相スラグ流プロセスの実験システムを作製した。実験観測結果に基づき，システムを流体供給部，流体混合・スラグ生成部，スラグ流動部に分割し，各部で入出力関係を表す物理モデルを構築した。それらを連結して気液二相スラグ流生成・流動シミュレーションを可能にするモデル（モデルⅠ）を構築した。続いて，流体分配部の流路構造を分岐式に定め，物質・圧力収支に基づくモデル（モデルⅡ）を構築し，モデルⅠとⅡを組合せて二並列流路のスラグ流生成・流動シミュレーションを可能にした。これにより，本研究の以後の検討は，シミュレーションと実験の両輪で効率的に進めることが可能になった。
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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
研究目的の達成に向け，初年度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，「気液二相スラグ流生成・流動のモデリング」において，マイクロメートルスケールの流路とミリメートルスケールの流路でスラグ流生成機構が異なることを明らかにし，各々のスラグペア生成周期予測モデルを開発すると共に，仮想的な流路抵抗を導入することにより気体圧縮性に由来する2流体挙動を表現することに成功した。また，「気液二相スラグ流生成・流動シミュレーション」において，任意の並列数に対してシミュレーションできるようにモデル自動生成に工夫を図った。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 |
2020年度（令和2年度）は「多流路デバイスの気液二相スラグ流生成周期・サイズの制御・モニタリング」に取り組む。具体的には，気液二相スラグ流の多並列プロセスを対象とし，並列流路への供給流体均等分配を制御し，スラグ流生成周期・サイズをモニタリングするために，流体分配部の流路抵抗とセンサの数・位置について2019年度に構築したモデルにより最適設計する。最適設計結果に従って製作した流体分配器を多流路デバイスに取り付けて操作し，スラグ生成由来の圧力データ解析結果および並列流路への供給流量分布推定結果に基づいてスラグ生成周期・サイズを推定する。以上を踏まえて，制御・モニタリング技術の開発に繋げていく。
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| Causes of Carryover |
当該年度において，構築したモデルの検証実験を行う際，スラグ流の判別のし易さを優先して液を着色したため，導入予定の流量制御装置から既存のシリンジポンプへ切り替えた。また，スラグ流動画撮影の視野範囲などの制約から，並列数を２とし，計測点が限られたため，既存のデータロガーを利用した。以上の経緯から次年度使用額が生じた。
当該年度の成果を踏まえて，次年度以降，液を着色したモデル溶液から実際の溶液に切り替え，さらに並列数を増加する。そこで，高流量タイプの流量制御装置，多点同時計測タイプのデータロガーを導入する計画を立てた。以上の品目に次年度使用額を充てる。
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