2020 Fiscal Year Research-status Report
地熱発電具現化のためのアンチスケーリング法開発を目的としたロータス効果の応用展開
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20K12275
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| Research Institution | Tokyo National College of Technology |
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Principal Investigator |
小山 幸平 東京工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (40597845)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スケール / 温泉水 / 再生可能エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球温暖化や大気汚染などの環境問題は、持続可能な社会を構築するために人類が避けては通れない課題である。我が国は温泉大国であり、世界有数の地熱資源量を誇ることから、本研究では非化石エネルギーのうち、再生可能エネルギーのひとつである温泉水を利用する地熱発電に着目する。
地熱発電導入量が少ない要因のひとつに、熱水運搬中のスケール付着がある。スケールとは、温泉水や地熱発電で用いられる熱水に含まれる、炭酸カルシウムや硫黄といった含有成分が析出し沈殿したもののことである。スケールは地下から湧出する過程で容易に析出し、配管内壁や熱交換器内に付着し、配管の狭窄や熱交換効率の低下を引き起こす。そのため定期的な除去や配管の交換が必要である。
本年度の目的は、ロータス効果を有する材料を開発すること、接触角の測定に基づくロータス効果の定量評価を行うこと、スケール付着特性を解明することである。ここまでの研究では、材料表面に微細な溝加工を行った材料に対して、微小な粒子を懸濁させた液体に対するスケール付着特性を検討した。温泉スケールを想定し、蒸留水に炭酸カルシウムを懸濁させた液体を使用した。懸濁液流れ中に試験片を設置し、実験は断続的に計24時間分のデータを収集した。その結果、スケール付着抑制に対して、流体の流れに沿う向きの溝（縦溝）において効果があること、溝の向き、溝寸法、表面性状がスケール付着特性を支配していることを明らかにした。
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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
シリコンウエハ試験片表面にフォトリソグラフィによる微細加工を施した試験片を作成した。微細加工形状は、試験流体の流れに沿う向きに加工された溝（縦溝）と、流れに対して垂直な向きの（横溝）、千鳥状にキャビティが加工された千鳥状キャビティの3種類とした。試験流体には蒸留水に炭酸カルシウム粉末を懸濁させたものを使用した。タンクに貯えられた試験流体をポンプでくみ上げ、テスト部に供給する実験系を製作した。テスト部は透明アクリル材を使用し、可視化可能な構造とした。実験は、試験流体を45℃に加熱したのち、ポンプを起動し長期間運転を開始する。試験時間は24時間とした。試験終了後、テスト部上部を開放し試験片を乾燥させ、光学顕微鏡を用いて観察を行った。
実験の結果、汚れ付着要因として、溝形状、溝寸法、表面性状があることを示した。特に、流れに対して沿う向きの溝形状（縦溝）で汚れの付着抑制に対して効果が得られた。一方、流れと直角方向の横溝の場合、溝内部で渦が発生し、それによりスケール成分が滞留しスケールが付着することを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の計画
接触角の測定に基づくロータス効果の定量評価：2020年度に作成したロータス効果を有する試料に対して、接触角測定器を用いて加工面の接触角を測定する。特に温泉水を模擬した炭酸カルシウム懸濁液を用いることで、ロータス効果がスケール付着特性に与える影響に関する基礎データを収集する。
スケール付着特性の解明：改良した実験装置により懸濁液への浸漬実験を行う。これによりロータス効果がスケール付着防止に有効であることを明らかにする。スケール付着防止効果の向上のため、懸濁液の濃度、成分、温度などをパラメーターとした実験を行い、最も適したロータス効果付与条件を調査する。
2022年度の計画
スケール付着防止メカニズムの解明：試料表面の詳細な光学顕微鏡観察を行い、スケール付着防止に至るメカニズムを解明する。これと並行し、実際の地下熱水利用設備を想定した実験を進める。ロータス効果を有する材料を懸濁液に長期間浸漬させ、実際の設備を想定した長期間使用に対するスケール付着防止特性を評価する。その結果から、多様な不純物を含む温泉水などに耐久性がある材料などへの加工性や管内への加工法などの提言を行う。
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| Causes of Carryover |
研究当初に製作した試験片で取得したデータが非常に有益であり、その段階で多種多様な試験片を製作するよりも、当初の試験片を使用する実験を多く行う方が、研究全体が効果的に進むと判断した。今後は得られたデータを応用し、新たな試験片の開発および評価に取り組む。特に、当初に製作した試験片の加工方法は1種類であったが、得られたデータに基づき複数種類の加工法を検討する必要性を見出したことから、研究を深化させることができたといえる。
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Research Products
(1 results)
