技術紹介

マイクロフローリアクタ試験装置の開発
田中宏一 *1

Tanaka Koichi

佐瀬昭 *2

松井Sase Akira

邦雄 *3

Matsui Kunio

燃料の自己着火過程の把握は燃焼特性の基礎研究、さらには、エンジン開発を行う上で重要である。当社では、温度分布制御型マイクロフローリアクタを使い、加熱方式を水素バーナ式として、リアクタ内の火炎発生状況を観察できる装置を開発してきた。一方、エンジン開発を見据えたリアクタ内の高圧化要請もあり、水素バーナ式から電気ヒータ式へと装置構成を変更することによって、その可能性を模索してきた。
本稿では電気ヒータ式とした温度分布制御型マイクロフローリアクタ試験装置による燃焼試験によって、微弱光（Weak flame）を観察できることを確認した状況を紹介する。また、燃焼中のリアクタ内温度変化量の計測という、画像観察以外の燃焼過程計測方法を提案する。
キーワード：マイクロフローリアクタ、自己着火、n- ヘプタン、i- オクタン

として、内燃機関の燃焼状況に近づけるために、

1. 緒言

3MPa までの高圧条件化でのマイクロフローリア予混合圧縮自己着火燃焼（Homogeneous-Charge

クタを使った燃焼状況の観察を行うことを計画

Compression-Ignition combustion、HCCI 燃焼）を用し、まず、実績のある水素バーナ式から電気ヒーいた HCCI エンジンをはじめとして、内燃機関のタ式へと変更することとした。

高効率化のためには、燃料固有の着火・燃焼特性、本稿では、この電気ヒータ式によるマイクロフおよびその化学反応状況を調べる必要がある。従ローリアクタにて燃焼試験を行った状況、さらに来の試験方法ではさまざまな外乱や可変パラメー

は、試作した高圧化のためのチャンバを使った大タが存在することから着火過程の予測を困難にさ気圧条件下での燃焼・発光を観察した状況につい

（1）
（2）
（4）

。IHI と共同研究中の東北大学 丸

せているて、報告する。

田教授の研究グループでは、温度分布制御型マイ2. 計測原理

クロフローリアクタに着目し、この技術を使った、

図 1 を使って、今回試作したマイクロフローリ

各種の燃料や環境条件に対する燃焼・着火特性を（1）（3）-

調べている。

アクタ試験装置での計測原理を説明する。

当社では、そのマイクロフローリアクタを使っ燃料ガス生成タンク内気化方式により、燃料 /た試験装置を構成し、燃料の自己着火観察や、燃空気の混合気を作り、マイクロフローリアクタへ

（4）

（4）

焼状況の写真撮影を行ってきた 。その発展形態*1：ジャプス事業部*2：ジャプス事業部*3：ジャプス事業部

技術部 次長技術部 部長
事業部長—

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供給する 。

73—

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このとき、マイクロフローリアクタ内温度が燃

3. 電気ヒータ式加熱

料ガスの流れ方向に対して昇温するような温度勾

3.1 電気ヒータの選定配を持つように、マイクロフローリアクタをその（4）外部から加熱しておく 。次に、マイクロフロー

マイクロフローリアクタをその外周部から加熱

リアクタの下流側から温度センサを挿入し、燃料し、長時間連続して 1000℃以上の発熱状態を維持ガス流れ方向のマイクロフローリアクタ内温度分できる炭化ケイ素製電気ヒータを選定した。

布を計測する。最後に、マイクロフローリアクタ

図 2 に電気ヒータの構成を示す。電気ヒータのへ燃料混合気を供給し、前述の温度勾配部を進行

外観は円筒形であり、その内部に配置されるマイしていく過程で、自己着火・発光した様子を電気

クロフローリアクタは半径方向外側から加熱されヒータよりも外側に配置したデジタルカメラにてる。また、周囲を断熱材で覆い、安全性に配慮した。

撮影し、着火位置を求める。

電気ヒータ部の軸方向中央付近が発熱部（前述の一方、高圧化のためのチャンバを用いる場合に1000℃以上となる部位）となっている。それよりは、チャンバ（図示無し）内部にカメラ以外を収も左側（マイクロフローリアクタ上流側）には燃納する。温度計測については同様であるが、自己焼状況の撮影のためのスリット加工が施された非着火・発光した様子についてはチャンバに備えた発熱部を持つ。今回、この非加熱部をマイクロフ観察窓を通して観察し、カメラ撮影する。

ローリアクタに温度勾配を与える区間と想定した。さらに、発熱部温度を計測するための熱電対を備えており、外部制御器（図示無し）によって、目標温度（可変）を維持することができる。

図1

マイクロフローリアクタ—

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計測原理（大気圧条件）—

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図2

電気ヒータの形状

3.2 マイクロフローリアクタ内温度分布の計測

して、従来ヒータ（水素バーナ式）に関する当社

電気ヒータ構成のうち、非発熱部長さを 40mm

実績を合わせて示す。図中、「発熱部端面」と示とし、生成された温度分布を計測した。

した位置から左側に上述の非発熱部（スリット有

図 3 に電気ヒータ目標温度を 900℃、1000℃、り）がある（電気ヒータに限る）。

1100℃と変化させた際の計測結果を示す。比較と

図3

マイクロフローリアクタ内温度分布（非発熱部長さ 40mm）—

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図 3 について、燃料ガスの自己着火をカメラ観ができるものと考えている。

察できる区間（0 ～ 40mm）に着目する。

次に、温度勾配や最低温度の選択可能性につい電気ヒータの目標温度を変化させることで、最て、電気ヒータの形状寸法を一部変更し、試験に高到達温度を変化させることができた。従来ヒーよって確認した。今回、非発熱部長さを 60mm とタでの水素バーナとマイクロフローリアクタ間のした電気ヒータを構成し、同様の試験によって、距離を変化させていた方式と比較すると、より簡マイクロフローリアクタ内温度分布を計測した。

便な方法によって、最高到達温度を変化させるこ

図 4 に非発熱部長さ 40mm および 60mm に関しとができるものと考える。て、電気ヒータ目標温度を 900℃とした際の計測

目標温度を変更しても最高温度に達するまでの結果を示す。先と同様に、図中に「発熱部端面」変化傾向は、ほぼ一致している。これにより、評位置を示している。

価したい燃料ガスに応じて、区間内で必要な最高非発熱部長さ 60mm の電気ヒータについては、温度を選択もしくは調整できると考えられる。

非発熱部寸法が拡大したため、その延長範囲を含燃料ガス流れ方向に対して、マイクロフローリめた位置 -20mm ～ +40mm までの区間に着目する。

アクタ内温度が上昇するような温度勾配を生成でまた、温度計測ピッチ寸法を細かくし、非発熱部き（全目標温度条件ともに）、その勾配は従来ヒー

長さ 40mm の電気ヒータについて、温度分布を再タと比較して 1/5 倍程度となった（15 ～ 40mm 付度計測した。

近の区間、目標温度 900℃にて）。これにより、温非発熱部長さを 60mm としたことにより、非発度分解能が約 5 倍となり、燃料ガスの自己着火・熱部端面までの区間において最低温度が 203℃へ発光した様子を従来よりも高い分解能で温度評価と低下した（非発熱部長さ 40mm 条件では最低温

図4

マイクロフローリアクタ内温度分布（非発熱部長さ 40mm/60mm）—

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15:10:30表1度 321℃）。また、その温度勾配は、非発熱部長さn- ヘプタン燃料による燃焼画像

40mm 条件と比較し、10％程度大きくなっている。
ここで、温度センサの位置計測器材により、非発熱部長さ 60mm 品に関する位置 32mm よりも右側の温度データを取得できていない。同 40mm 品での計測実績から、同 60mm 品においても同様な直線状の温度分布を示すものと推測している。
これらから、より広い温度範囲にてマイクロフローリアクタを使った実験観察ができる可能性が
表 1 に各条件にて写真撮影した画像を示す。各あるものと考えられた。
しかしながら、カメラでの画像撮影の範囲に制写真の左側がマイクロフローリアクタ上流側（マ約があるため、今後の装置化する際の課題とする。

イクロフローリアクタ内温度が低い側）である。
画像からは、燃料の有無やガス流速、電気ヒー4. 燃焼試験

タ目標温度によらず、画像の右側付近において、燃料ガス生成タンク内気化方式にて、燃料ガ白い発光状態を観察できる。これは電気ヒータかス / 空気の混合気を作り、マイクロフローリアクらの輻射光と考えている。

（4）

タへ供給した 。

次に、目標温度 1000℃の場合に、燃料ガスを供マイクロフローリアクタによる火炎観察技術の給すると、画像中央からやや右側において、点状特長は、燃料の着火・発光という燃焼過程を、温の発光箇所を確認できる。同目標温度 1100℃ / 流度尺度で空間的に分離し、継続的に観察できるこ

速 2.5cm/s の場合には、画像のほぼ中央付近に、（2）（3）とである。

同様の点状の発光箇所を確認できる。この発光は、三段目の Weak Flame と呼ばれる現象によるもの（1）

4.1 画像による燃焼観察結果と考えている 。その Weak Flame の上流側（画像電気ヒータにて加熱したマイクロフローリアクの左側）に、左右方向に伸びた青い帯状の発光部

タに対し、燃料ガスを供給し、マイクロフローリ位と推測できる範囲を確認できる。ただし、画像アクタ内での自己着火・発光状態を、そのレンズ右側からの白い発光状態の延長の可能性もあり、に CH フィルタを装着したデジタルカメラでの写その判別は困難である。

（1）

（5）

真撮影にて観察した 。

そこで、画像処理ソフト「ImageJ」 を利用し、今回適用した燃料は n- ヘプタンである。当量比

無燃料ガス画像を基準として、燃料ガスが燃焼しを 1.0（燃料 / 空気の割合）とし、低流速域（2.5cm/s、ている際の画像との差分を演算にて求めることと3.0cm/s）での微弱火炎の発生状況を観察した。ました。ただし、その演算にあたっては、電気ヒーた、電気ヒータについては、非発熱部長さ 40mm

タの目標温度条件を一致させている。とし、目標温度を 1000℃および 1100℃とした。
なお、後述する画像処理のために、無燃料状態においても写真撮影を行っている。

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表2n- ヘプタン燃料による演算後画像（1000℃）

4.2 リアクタ内温度差計測
画像による燃焼観察とは別に、燃焼時のマイクロフローリアクタ内の温度を計測し、無燃焼時との温度差を抽出した。さらに、その温度差分布と燃焼画像とを比較した。
試験条件は、電気ヒータ非発熱部長さ 40mm とし、目標温度 1000℃とした。また、燃料ガスについては、n- ヘプタン、i- オクタンとし、流速 3.0cm/s、2.5cm/s とした。

表3

図 5 に n- ヘプタンに対する温度差分布を、図 6n- ヘプタン燃料による演算後画像（1100℃）に i- オクタンに対する温度差分布をそれぞれ示す。図中には相当する燃焼画像（演算処理後）を、リアクタ内位置を一致させて、示している。
いずれの温度差分布についても、画像から確認できる Weak Flame 位置（n- ヘプタンの場合 26mm付近。i- オクタンの場合 32mm 付近）と温度差ピークの位置とは、よく一致している。また、燃料ガスの中間生成物に対する燃焼現象としての発光位置（n- ヘプタンの場合 10 ～ 20mm 付近。i- オク

表 2 および表 3 に演算処理後の画像を示す。各タンの場合 13 ～ 20mm 付近）と、なだらかな温

画像には、基準位置からの距離とリアクタ内温度度差の盛り上がり区間もまた、よく一致している。とを、前項を基に作成した指標として合わせて示

一方、発光していない区間についても、前述の温している。この演算により、各画像右側の白い発度差の盛り上がり区間の一部として、計測されて光部位が無くなったことを確認することができいる。このことから、画像観察だけでは判別しにる。次に、810 ～ 840℃付近における Weak Flame

くい燃焼状況についても、マイクロフローリアク

発光を演算前と比較して、明瞭に確認することがタ内温度を計測することにより、その状況を把握できる。

できる可能性があることが示されたものと考えてまた、700 ～ 800℃付近にかけての帯状青色発いる。

光部位についても、同様に、演算前と比較して、これらの温度差計測は、画像観察と同時に使用明瞭に確認することができる。この温度帯での発することにより、燃料ガスの燃焼状況をより詳し

光現象については、燃料ガスが温度上昇した環境く知るための手立てとなる可能性があると考えらに流入し、CH ラジカルによる発光現象を捉えた

れる。

（1）
（3）
-

ものと考えている。

このように、画像間の演算という方法を用いることにより画像観察を阻害する電気ヒータの発光の影響を取り除くことができた。
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15:10:37図5

リアクタ内の温度差分布（n- ヘプタン燃料）

図6

リアクタ内の温度差分布（i- オクタン燃料）—

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標温度 1000℃とした。また、チャンバ内は大気圧

5. 高圧チャンバを用いた燃焼試験として、表 2 の再現を行うこととした。

内圧 3MPa とするための高圧チャンバを製作し、今般、大気圧条件化にて前述の画像観察を再現で表4きた。その内容を以下に示す。

チャンバ外から撮影した燃焼中のリアクタ
内画像（演算処理後）

5.1 高圧チャンバの製作
内 圧 3MPa ま で 可 能 な チ ャ ン バ（ 代 表 寸 法：150A × 530mm）を製作した。写真 1 にチャンバ外観を示す。
このチャンバ内部には電気ヒータやマイクロフローリアクタを配置している。また、燃料ガス供給や燃焼ガス排出のためのポート、電気ヒータへの電力供給や熱電対接続のための電気コネクタをチャンバ外周部に設置している。さらに、チャン

表 4 に、チャンバ外から撮影したマイクロフローバ外に設置したカメラにてチャンバ内を撮影するリアクタ内の燃焼画像を示す。ただし、画像は 4.1ための観察窓も設置している。

項に示す演算処理を行っている。
画像からは中心よりもやや右側において、Weak

5.2 高圧チャンバでの燃焼試験結果

Flame による発光を確認できる。また、その左側（マ製作したチャンバにて、n- ヘプタンを燃料ガスイクロフローリアクタ上流側）において、中間生成とする燃焼状態を写真撮影した。条件として、流物による発光現象を確認できる。Weak Flame の位

速を 3.0cm/s、および 2.5cm/s とし、電気ヒータ目

置関係は、光学系配置の再現性の問題から、表 2

写真 1—

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チャンバ外観80—

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とは完全には一致していない。これらを基にする

設置する前の状況（燃料ガスの燃焼やその観と、チャンバ内に設置した電気ヒータによって、察）を再現することができたと考える。

表 2 を再現できていると考える。

今後は、燃焼実験条件を拡大させるために、製作したチャンバを用いて、高圧化にも対応した燃6. まとめ焼実験装置とするための検討（ガス圧力制御、マ・ 電気ヒータによるマイクロフローリアクタのイクロフローリアクタ内温度計測手法）および評加熱によって、マイクロフローリアクタ内の価を行っていく計画である。

最高到達温度を制御でき、また、温度勾配を参考文献生成することができた。その温度勾配は、水素バーナ式と比較して、約 1/5 倍となり、位（1） 中村、手塚、長谷川、丸田：日本燃焼学会誌

置に対する温度分解能が向上した。

第 55 巻 173 号、2013、pp.264-271

・ 燃料ガスを電気ヒータにて加熱されたマイク（2） Mikito Hori, Akira Yamamoto, Hisashi Nakamura,

ロフローリアクタに供給し、燃焼状態を写真

Takuya Tezuka, Susumu Hasegawa and Kaoru

撮影した。この写真画像と、無燃料時の写真

Maruta : Study on octane number dependence of

画 像 と の 差 分 抽 出（ 演 算 処 理 ） に よ っ て、

PRF/air weak flames at 1-5 atm in a micro flow

Weak Flame の発生温度といった燃焼状態を明reactor with a controlled temperature prof ile,

瞭に確認することができた。

Combustion and Flame, Vol.159, Issue 3, 2012,

・ 燃焼中のリアクタ内温度差分布と燃焼画像

pp.959-967（演算処理）とによって、画像単独よりもマ（3） 山本、押部、中村、長谷川、手塚、丸田：第イクロフローリアクタ内の燃焼状況より詳し

47 回燃焼シンポジウム、2009、pp.230-231（4） 松井、鈴木、佐瀬：マイクロフローリアクタ

く把握できる可能性がある。

試験装置の開発、IIC REVIEW No.48、2012、

・ 高圧化（3MPa）のためのチャンバを製作し、大気圧条件化にて、燃料ガスの発光現象を写

pp.76-81（5） http://imagej.nih.gov/ij/

真撮影できた。電気ヒータをチャンバへ収納

ジャプス事業部
技術部
次長

ジャプス事業部
技術部部長

田中 宏一

佐瀬

TEL. 0565-28-0581
FAX. 0565-27-9621

TEL. 03-6404-6615
FAX. 03-6404-6044

昭ジャプス事業部
事業部長

松井 邦雄
TEL. 0565-28-0581
FAX. 0565-27-9621—

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