| 研究課題/領域番号 |
21K14214
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
金子 美泉 日本大学, 理工学部, 助教 (30755418)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
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| キーワード | MEMS / オーガニックランキンサイクル / タービン / 冷却 / タンク / 流路 / テスラバルブ / マイクロ流路 / 温度分布 / 一体化 / 発電機 / 低沸点冷媒 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
従来、IoT遠隔デバイスの電源にはリチウム二次電池などが用いられているが、交換が必要であり、普及に対して一つのボトルネックになっている。そこで、交換が不要な発電システムとして、出力が大きく、なおかつ普遍的な環境エネルギーから電力を得る電源が望まれている。本研究では低沸点媒体を用い，より普遍的に存在する100℃以下の廃熱を利用し、3mW 程度の出力を得られる超小型発電システムへの開発を目標にする。小型タービンのシステムを密閉型にし、低沸点媒体の蒸発、液化サイクルを利用して100℃以下の廃エネルギーの利用を可能とする。将来的にはボイラ、冷却器などを組み合わせて作動流体循環式発電機に発展させる。
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| 研究実績の概要 |
本研究テーマは100℃以下の低品位な熱源を利用した循環型発電システムを小型化するための要素開発を目的としている。廃熱として100℃以下を利用することを想定していることから、作動流体には低沸点媒体を利用し、また構造の小型化のためにシリコンの微細加工技術であるMEMS（Micro Elerctro Mechanical Systems）技術を導入した。初年度はタービン機構について、シリコン構造内にタービン翼と作動流体の流入・排出流路を形成し回転動作について解析行った。この結果から、循環流路と回転数の関係性を明らかにした。また、低沸点媒体が貯蔵部内で加熱される際の相変化が確認されたことから、次年度は流体解析と貯蔵部のシリコン構造化を目的に研究を行い、ミリメートルスケールで貯蔵部、加圧部を形成したMEMSボイラーを設計・作製した。作製したボイラーについて有限要素法により流体解析を行い、加熱方向によって気相状態の作動流体がどのような挙動を示すかを明らかにした。また、これまで開発を行ってきたタービンに接続し約2千回転の回転数を得た。この時、ボイラーは100℃程度で加熱した。これらの結果からシリコンボイラーにより廃熱回収が可能なことも明らかになった。最終年度はこれまで開発を行ってきたタービン機構（回転部）、流路、貯蔵部を含む加熱部についてモノリシック構造内部に形成する一体化型の設計と作製を行った。この際にタービン構造についても低背化と磁石の内蔵化を行った。開発した低背・磁石内蔵型タービンについて外部より加熱した低沸点媒体を流入し加熱温度が82.9℃の時、約5万回転を示した。研究期間を通して、小型循環型発電システムのシリコン化、タービン、流路、貯蔵部を含むボイラーの要素開発、さらにモノリシック構造での一体化の設計を行い、小型発電システムの実現性を示した。
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