2023 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 – 2025-03-31
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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の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」，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」，2021年度（令和3年度）は「スラグサイズシフトのモニタリング」に取り組んだ。これまでの研究成果を踏まえて多流路デバイスを用いたスラグ流実験システムを構築した際，流路並列数を増加するにつれて流体均等分配の制御性が低下したことから，2022年度（令和4年度）は，数値流体力学（CFD）シミュレーションにより，デバイスへの流体供給部の設計を変更し，流体均等分配制御，および，スラグ流生成周期・サイズのモニタリング手法の有用性を検証した。2023年度（令和5年度）は，2/4//8流路を並列化した実験を行い，フィード圧力解析結果と画像解析結果のピーク周波数が一致し，フィード圧力解析による生成周期モニタリングが可能であることを確認した。そして，フィード圧力解析における課題を解決するべく，音声分野で用いられる信号分離法やピーク周波数値による判別法について検討し，後者を用いた方法の利用可能性を確認した。
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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，おおむね順調に進展している。本年度は，研究実績の概要欄に記載した内容に加えて，狭隘部の有無によってフィード圧力振動が強調されているのかについて実験により検証した。圧力計測データを周波数解析した結果，狭隘部の有無により，波形の違いが観測された。また，周波数解析結果では，狭隘部を設けた流路のピークの方が高くなっていることが確認できた。これらの結果より，狭隘部の有無で圧力波形は変化しており，狭隘部通過時の圧力振動がフィード圧力に現れていると考えられる。以上より，区分（２）を選択した。
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| Strategy for Future Research Activity |
スラグ流を伴う多流路デバイスを用いた粒子合成もしくは晶析操作を対象として，スラグ生成周期（周波数）やスラグサイズの違いが反応成績や製品品質に与える影響を評価することに加え，提案する制御・モニタリング手法の有用性を検証する。
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| Causes of Carryover |
多流路デバイスを用いたスラグ流実験システムの構築において，デバイス関連の資材供給不足や造形失敗による造形条件の見直しなどの影響を受けたため，次年度使用が生じた。今後の研究の推進方策欄で記した通り，流量シフト検出・診断を実施するため，マニホールド式の代わりに分合式の流体分配装置を設計して用いる。その材料・製作費そして研究成果発表に次年度使用額を充てる。
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