エネルギー動態研究分野

未到エネルギー研究センター

Innovative Energy Research Center

エネルギー動態研究分野

Energy Dynamics Laboratory

教 授
丸田 薫
Professor
Kaoru
Maruta
准教授
中村 寿
Associate Professor
Hisashi
Nakamura
助 教
森井 雄飛
Assistant Professor
Youhi
Morii

エネルギー・環境問題やエネルギー科学への貢献を目指し、種々のエネルギーとその動態に関する基礎及び応用研究を推進します。熱物質再循環をキーワードに、新コンセプト技術を視野に入れた、燃焼・反応性熱流体現象の基礎研究を柱として進めていきます。基礎研究をベースに、産学官連携や国際共同研究パートナーとの学際的・分野横断融合を通じて問題解決を測り、実験および数値計算の融合に加えて、直感力醸成の礎となる理論解析にも重点を置き、下記のテーマに取り組みます。
・マイクロ・マイルド・マイクログラビティ燃焼
・温度分布制御マイクロフローリアクタによる多段酸化反応
・代替燃料・バイオマス・合成燃料の燃焼
・分子レベル反応デザイン

We pursue research and development on effective energy conversion and energy process in combustion and reactive thermal fluid systems with new technology concepts. By taking heat and/or mass regenerations as keywords, interdisciplinary researches are conducted with domestic and international collaboration partners in academic and industry.
・Micro-, Mild and Microgravity combustions
・Multi-stage oxidation by micro flow reactor with prescribed temperature profile
・Combustion with surrogate fuels, biomass, and synthetic fuels
・Molecular level reaction design

マイクロリアクタによる着火・低温酸化反応解析
Study on Ignition and Low-Temperature Oxidation by Micro Reactor

定常温度勾配を有する微小径リアクタを用いることで、代替燃料・バイオ燃料の多段酸化反応の定在化に成功し、従来決定的な手法の無かった燃料固有の最低着火温度、低温域の反応特性の特定を可能としました。高精度・厳密な理論的背景の下で、実設計に貢献する分子レベル反応デザインへの展開を図っています。

Stationary multi-stage oxidation of alternative fuels and biofuels was realized by the micro flow reactor with controlled temperature profile. By this method, the lowest ignition temperature and low-temperature reaction path could be identified. A high fidelity molecular level reaction design is being developed with solid theoretical basis.

熱源用スイスロールマイクロコンバスタ
Swissroll Microcombustors for Heat Sources

スイスロールバーナにより徹底した熱再生を行う手法を新たに開発し、微小スケール下で安定な燃焼を実現することに成功しました。燃焼式でありながら電気ヒータ並みの温度制御性(±1℃)に加え、条件によっては電気ヒータの2倍を越える熱効率を有する、熱源用マイクロコンバスタの開発に成功しました。裸火が無いのであらゆる雰囲気で使用でき、無磁場加熱も可能です。最小サイズは一円玉(直径20 mm)サイズです。

We have developed Swissroll microcombustor heaters with ±1℃ temperature controllability whereas it is combustion-based. Since gaseous hydrocarbon fuels are directly introduced into combustors, total thermal efficiencies of the heaters are twice or even larger compared with those of conventional electric heaters. Besides this, the microcombustor heaters can be operated in any atmospheres because it is sealed. They are advantageous of electromagnetic induction free as well. We have also succeeded in developing coin-size combustor.

マイクロ燃焼
Microcombustion

マイクロ燃焼とは、系の代表寸法がいわゆる消炎距離と同程度か、それ以下であるような燃焼現象を意味します。私たちは、熱再生を模擬した基礎研究の系として、「温度勾配を有するマイクロまたはメゾスケールチャネル」を提案しています。これまでに、火炎が自発的な着火消炎を繰り返す現象(FREI: Flames with Repetitive Extinction and Ignition)を初めて見いだしたほか、微弱火炎やその限界の特定に成功しています。二次元円形チャネルでは安定燃焼よりも、火炎によるパターン形成(Pelton-like, spiral, broken and triple-branch flames)が優勢となることがわかりました。

We study 'microcombustion', i.e. combustion with representative length scales equivalent to or smaller than the ordinary quenching distance. Since heat recirculation is extensively employed as a thermal management for achieving stable combustion in micro scale, we introduced a new experimental geometry of "micro and meso scale channels with temperature gradients" as a simplified model of heat recirculation condition. Results showed FREI (Flames with Repetitive Extinction and Ignition) as well as normal and weak flames. Then, 2-D radial microchannel was also introduced and various flame pattern formations, such as Pelton-like, spiral, broken and triple-branch flames, were observed for the first time.

「きぼう」実験棟と航空機による微小重力環境下における極低伸長対向流火炎
Ultra low-Stretched Counterflow Flames under Microgravity Environment in“Kibo”Japanese Experimental Module and Airplane

国際宇宙ステーション「きぼう」実験棟での燃焼実験候補テーマに選定されました。酸素燃焼条件の対向流火炎を極低伸長まで低下させることでFlame ballの実現条件に近づけ、Flame ballと伝播火炎の限界を統一的に扱う理論構築・検証を目標としています。

Our proposal on space combustion experiment was selected as a candidate project at the “Kibo” Japanese Experimental Module in the International Space Station. The objective is to construct the unified combustion limit theory of propagating flame and flame ball under the oxy-fuel combustion condition using ultra low-stretched counterflow flames.

エネルギー動態研究分野野