2016 Fiscal Year Annual Research Report
渦流による可燃限界拡張・高速熱伝達現象のメカニズム解明と小型発電システムへの応用
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15H05509
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
下栗 大右 広島大学, 工学研究院, 准教授 (40432687)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 渦流 / 可燃限界 / 限界火炎温度 / 小型発電システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，(1)渦流を用いると従来の火炎伝播限界値である「可燃限界」を超えた条件で火炎が伝播可能となる現象に対して，渦中を伝播する火炎先端の温度・化学種(活性種・安定種)濃度・速度分布の測定を行い，いずれの因子が燃焼限界拡張に支配的であるかを特定してその機構を明らかにする．さらに(2)渦流を利用すれば，狭い流路でも乱流に近い壁面熱伝達が達成される現象に対し，ガス温度や被加熱面温度，壁面付近での流速分布を測定して詳細な伝熱解析を行い，渦流による狭小な空間での高速熱伝達機構を明らかにする．同時に，(3)基礎研究の結果を応用し，供給・冷却を完全自立とした「小型渦流燃焼発電システム」を構築し，エネルギー密度1.0 M Wh/m3を目標としてシステム試作・評価を行う．
上記項目(1)～(3)に対して，それぞれ(1)渦流中における火炎伝播限界については，平成28年度までに，火炎先端温度が1200℃を下回る場合に火炎が伝播不能となる事を明らかにした．さらに，これを確実なものとするため，平成28年度はラマン分光計測による温度計測を容易にするべく，3つのキャビティで構成されるパルスストレッチャーを構築した．(2)渦流による高速熱伝達については，平成28年度より被加熱面温度の計測を行い，渦流による狭小な空間での伝達を定量化する試みを開始している．(3)小型渦燃焼発電システムは，燃焼器の形状を変化させた小型燃焼器を提案し，試作，実験を行った．結果，最大出力が20Wにまで向上し，実質変換効率も4%に達した．現在，世界的に見ても出力が10Wを優に超える上に変換効率が4%を超える小型燃焼発電システムは，本システム以外存在せず，世界をリードする研究成果が得られている．
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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
本研究では，(1)渦中を伝播する火炎先端の温度・化学種(活性種・安定種)濃度・速度分布の測定を行い，いずれの因子が燃焼限界拡張に支配的であるかを特定してその機構を明らかにする．さらに(2)渦流による狭小な空間での高速熱伝達機構を明らかにする．同時に，(3)供給・冷却を完全自立とした「小型渦流燃焼発電システム」を構築し，試作・評価を行う．
上記項目(1)～(3)に対して，それぞれ(1)渦流中における火炎伝播限界については，平成28年度までに，火炎先端温度が1200℃を下回る場合に火炎が伝播不能となる事を明らかにした．これを確実なものとするため，平成28年度はラマン分光計測による温度計測を容易にするべく，3つのキャビティで構成されるパルスストレッチャーを構築し，それを用いることで強いラマン散乱光が得られることを確認した． (2)渦流による狭小な空間での伝達を定量化する試みを開始し，評価システムの構築を進めている．(3)小型渦燃焼発電システムは，まずは(2)の伝熱解析により，熱電素子越しの水冷により壁面温度が大幅に低下していること，それによって熱電素子の加熱面温度が最適温度の250℃よりも約100℃低い90℃に止まり，結果，出力が向上できない状態にあることを明らかにした．それを踏まえ，平成28年度は，燃焼による熱発生部分と，発電に用いる伝熱部分をコンパクトなスペースの中で切り分けることができるよう，燃焼器の形状を変化させた「伝熱制御型小型燃焼器」を提案し，試作，実験を行った．結果，加熱面温度が20～30℃上昇し，それにより最大出力が20Wにまで向上し，実質変換効率も4%に達した．現在，世界的に見ても出力が10Wを優に超える上に変換効率が4%を超える小型燃焼発電システムは，本システム以外存在せず，世界をリードする研究成果が得られている．
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| Strategy for Future Research Activity |
上記研究の目的の項目(1)～(3)に対して，それぞれ以下のような研究を行う計画である．
(1)渦流中における火炎伝播限界については，平成28年度にラマン分光計測による温度計測を容易にするべく，3つのキャビティで構成されるパルスストレッチャーを構築した．平成29年度は，このパルスストレッチャーを用い，Stokes光とAnti-stokes光の比を取ることで，火炎先端温度の詳細な計測を行う．
(2)渦流による高速熱伝達については，平成28年度より被加熱面温度の計測を行い，渦流による狭小な空間での伝達を定量化する試みを開始している．平成29年度は，いくつかの燃焼器を作成し，この定量化を進めていく．また，その一方で，熱伝達解析から得られた知見を，次項の渦燃焼発電システムの高効率化につなげる試みも続けていく．
(3)小型渦燃焼発電システムは，平成28年度は「伝熱制御型小型渦流燃焼器」の提案により，最大出力が20Wにまで向上し，実質変換効率も4%に達した．以上のように大きな成果が得られている．まずはこの高出力・高効率のシステムを実証段階まで持ち込む．一方で，高出力・高効率と言えど，以前，エネルギー変換効率が4%と低いことは否めない．そこで平成29年度は，発電効率の低い熱電素子に加えて，マイクロ燃焼発電システムでは過去導入された例のない，ミニチュアスターリングエンジンなど，他のエネルギー変換システムの導入を試みる．
なお，平成29年度は最終年度であるため，上記の項目それぞれについて得られた結果について，学術誌への投稿，国内・国際学会での発表を積極的に行う予定である．
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