技術紹介

マイクロフローリアクタ試験装置の開発（高圧下での燃焼）
尾木一馬 *1

Ogi Kazuma

田中宏一 *2

佐瀬

Tanaka Koichi

昭 *3

松井

Sase Akira

邦雄 *4

Matsui Kunio

燃料の自己着火過程を把握することは燃焼特性の基礎研究、さらには、エンジン開発を行ううえで重要と考えられる。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、大気圧から高圧環境下での燃焼状態を観察できるよう技術開発を行ってきた。広範囲の温度分布に加えエンジン内を見据えたチャンバ内での高圧下燃焼試験を実施し、大気圧下では自己着火による微弱光を観察できることを確認するとともに、燃料の有無による温度差と自己着火との関係を明らかにした。
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

加熱式から電気ヒータ式へと変更することとし、

1. はじめに高圧チャンバ内での水素バーナ使用の危険性を除自動車のような内燃機関の高効率化のために去するとともに、観察温度範囲の拡大等、最適方

は、燃料固有の着火や燃焼といった特性を綿密に式へと改良を加えた。

（1）

調べる必要があるといわれている 。株式会社

本稿では、チャンバ内に収納した電気ヒータ式

IHI と共同研究中の東 北大 学 丸田教 授の研究グによるリアクタにて燃焼試験を行った状況を報告

ループでは、温度分布制御型マイクロフローリアする。

クタ（以下リアクタとする）に着目し、この技術

2. 高圧下での実験装置概略

を使った各種燃料や環境条件に対する燃焼・着火
（1）
（3）
-

特性が研究されている

2.1 リアクタへのガス供給方法。

当社では、この技術を製品化する役割を担って液体燃料をガス状態でリアクタへ供給するたおり、燃料の自己着火の観察や、燃焼状況の写真め、あらかじめ加熱し、気化させる。また燃料の（3）撮影を行ってきた 。この発展形態として、内燃キャリアとして N2 ガスを使用し、N2 にて加圧す機関の燃焼状況に近づけるために、高圧環境化でる。このために、混合タンクで、加熱と加圧を行のリアクタを使った燃焼状況の観察を行うことをうシステムとした。図 1 に配管系統概略図を示す。

計画した。計画内容では、実績のある水素バーナ燃料を混合タンクの加熱ヒータで加熱すること*1：ジャプス事業部*2：ジャプス事業部*3：ジャプス事業部*4：ジャプス事業部

技術部
技術部 次長技術部 部長
事業部長

—38—

図1

配管系統概略図
2.1 節で準備した混合ガスとを混ぜ合わせリアクタで気化させ、N2 加圧でリアクタへと送気する。
混合タンクで気化された燃料は、チャンバまでへと送気される。燃料 / 空気ガス中のガス化しての搬送経路にてガス温度が下がり、配管内で液化いる燃料はリアクタに入り、順次下流側へと供給することが懸念される。そのため搬送配管に保温される。

ヒータを巻き付け、約 75℃にて保温加熱した。
2.3 予備試験
2.2 ガス供給（1）実験装置

リアクタへと供給するガスは、等量比（燃料 /

図 2 に実験装置の概略を示す。実験装置は、
チャ

空気の割合）を 1 として、演算から求めた酸素量と、ンバ内にリアクタ、電気ヒータ等が設置されてい図2

実験装置概略図—39—

IIC REVIEW/2016/04. No.55

る。リアクタは、このヒータで温度勾配が作られ流速による温度の差は、低温側で数℃見られるるように設計されている。電気ヒータは、1000℃が、高温側へ行くにつれ小さくなる。これは、低で安定的、かつ連続的に使用できる円筒形を用い温側は外気からの影響を顕著に受け、高温側はた。

ヒータ加熱の影響が支配的であるためと考えられる。

また円筒形電気ヒータ中央部に熱電対を設置することで、外部制御器で目標温度を維持すること

3. 高圧下での実験方法が可能である。この熱電対は、リアクタ内の温度分布が燃料 / 空気の上流から下流にかけて昇温す

高圧化の実験ではリアクタ等を容器（= チャンるように温度制御し、リアクタの温度分布は、リバ）内に収納し、最大圧力 2.8MPa（G）状態で自アクタ内の計測用熱電対を用いて計測される。リ

己着火現象を画像と温度差で確認した。

アクタ内の熱電対は移動機構を持ち、任意の位置に移動することができる。本稿内で示す位置（mm）
は、移動機構による熱電対の移動量である。
（2）大気中でのリアクタ内温度計測
リアクタ、ヒータ等をチャンバ内に収納し、大気圧中でリアクタ内の温度分布を計測した。チャンバの外観を図 3 に示す。
目標温度を 1000℃とし、N2 ガス（燃料無し）による低速流速と高速流速の場合で温度分布を計測した。その結果を図 4 に示す。下流側に行くに従い温度が上昇するようにリアクタの温度勾配

図3を制御した。

図4チャンバ外観図

無燃料、大気圧におけるリアクタ内温度分布—40—リアクタの温度分布を、図 2 に示す移動機構

チャンバ圧に依らず位置 0 ～ 20mm まではややしゅんにて熱電対を移動させて、計測した。この移動機

急峻な傾きを持った温度勾配であり、その後（位構は、チャンバ外からの遠隔操作で、熱電対の位置 20 ～ 50mm）はそれより鈍化した傾きの温度置を変えることができる。

上昇となる。従来型の水素バーナ加熱式の温度勾

またチャンバ内の圧力を図 1 で示すようにリ

配は、 位置 35 ～ 40mm の範囲で 313℃ /cm であアクタへの燃料 / 空気供給とは別系統で制御しり（図 5 参照）、円筒形電気ヒータでは、位置 18た。

～ 50mm の範囲で 68℃ /cm であった 。 従来型（4）

最後にリアクタに加熱した燃料 / 空気を供給と比較すると、円筒形電気ヒータの温度分解能は、し、温度勾配のあるリアクタ内をガスが進行する

4 倍（円筒形電気ヒータ：位置 18 ～ 50mm 区間、中で、自己着火・発光するようすをヒータとチャ

従来型水素バーナ加熱式：35 ～ 45mm 区間）程のぞンバに設けた覗き窓を通し、チャンバ外に設置し度となった。これより、自己着火による燃料有 /たデジタルカメラにて撮影し、発光位置を求めた。

無の違いを高い温度分解能により評価することが可能であると考える。

4. リアクタ内の圧力条件を変更した際の温度分布の結果

また図 6 に示すとおり、チャンバの圧力を高リアクタには燃料を供給せず、目標温度 1000℃くするに従い、大気圧の場合との温度差は大きくの条件でチャンバ内圧力を 0.0 ～ 1.5MPa（G）のなる傾向にある。これは、高圧になるほど、圧力範囲で変化させて、リアクタ内の温度分布を計測制御ガスである N2 の密度が増加し、交換熱量がした。

増加するためであり、論理的物理現象と合致する。

温度分布の計測結果を図 5 に示す。またこの時、このチャンバ圧による温度差が明らかになれ画像の撮影も実施した。これは、自己着火現象のば、これを基に大気圧条件でのみ無燃料温度分布発光を画像処理するための撮影であり、5 章にてを取ることにより、加圧状態に換算でき、実験手記述する。

順の省略化が可能となる。

図5

無燃料におけるマイクロフローリアクタ内温度分布—41—

IIC REVIEW/2016/04. No.55

図6

大気圧を基準にした温度差分布10L/min で混合タンク圧を、0.6、0.8、1.0、1.5MPa（G）

5. 燃焼試験結果に変化させたときの結果を示す。

燃料を添加したガス（以下燃料ガスとする）を試験番号 1（燃料無しガスの場合）での画像はリアクタへと供給した画像を撮影し、かつこの画右端が白く発光している。これは電気ヒータの輻像と 4 章で述べた燃料を添加しないガス（以下射光と考えられる。燃料ガス時の各圧力での画像燃料無しガスとする）の画像とを画像処理ソフトを試験番号 2 ～ 6 に示す。

ふく

試験番号 2 の画像では、画像中央やや右寄りがである ImageJ を利用して比較し、自己着火によ（4）る発光を確認した 。同時に燃料ガスと燃料無し黄色の発光となっている。これが自己着火現象にガスとの温度差も記録した。

おける発光と考えられる。
次に試験番号 3 の画像を見ると、画像幅の約5.1 画像による自己着火観察60％程度が黄色の帯状発光となっている。試験

円筒形電気ヒータで加熱したリアクタに対し、

番号 2 と 3 の試験における条件の差異は、燃料ガ燃料ガスを供給し、リアクタ内の自己着火によるスの送気途中における保温ヒータの有無である。

発光状態をデジタルカメラで撮影観察した。デジ

これより、保温ヒータが無い試験番号 2 では、燃タルカメラのレンズに CH フィルタを使用し、限料が送気途中に液化することで、ガスの燃料成分（3）定的な可視光のみを撮影した 。

が減少し、自己着火温度が高温側（右側）へと移

本稿にて報告する結果の燃料は n- ヘプタンで動したと推測できる。

ある。混合タンク（燃料ガス）の温度は 100℃、

また試験番号 3 ～ 6（保温ヒータ有）の画像では、等量比は 1.0（燃料 / 空気の割合）、リアクタ用ヒー左端の発光が徐々に右方向へと移動している。混タのコントロール温度は 1000℃とした。

合タンクを高圧にすると飽和蒸気圧が下がり、燃

表 1 にチャンバ圧：大気圧、加圧用 N2 流量：—料は送気中に液化し、自己着火温度は高温側へと42—

表1大気圧における n- ヘプタン試料による発光画像

番号 混合タンク圧 配管保温
1無燃料0.6MPa（G）

有20.6MPa（G）

無30.6MPa（G）

有40.8MPa（G）

有51.0MPa（G）

有61.5MPa（G）

有条 件・チャンバ圧：0.0MPa（G） ・加圧用 N2 流量：10L/min

たためと考えられる。

移動したと考えられる。これは、配管保温ヒータを 90℃以上の高温（100℃程度）にすることで、5.2 温度差による自己着火観察改善できる。

5.1 節にて説明した試験条件にて、各位置にお次に、チャンバ圧を高圧化させ、同様に撮影画ける燃料ガスと燃料無しガスの温度差を比較す像の画像処理を行った。
チ ャ ン バ 圧 を 0.0MPa（G） か ら 1.5MPa（G）、る。温度差が大きい箇所について、「なにかがエさらに 2.8MPa（G）へと加圧して試験を実施した。

ネルギー的に発生した」と考え、自己着火現象と表 2 に 試 験 結 果 を 示 す。 試 験 番 号 7（1.5MPaの関係を検討した。

（G））、試験番号 8（2.8MPa（G））のようにチャ

表 1 の試験番号 3 ～ 6 のうち、すべてが、図 7ンバの圧力を上げると、発光を確認することがで～図 10 で示すように位置 5 ～ 15mm の間においきなくなった。これはチャンバ内の N2 分子が混て温度差ピークを確認することができた。また混在し、光としてカメラまで届くことができなかっ

合タンク圧が高圧になるにつれ、温度差ピークの

表2番号

チャンバ圧

71.5MPa（G）

82.8MPa（G）

高圧状態における n- ヘプタン試料による発光画像

条 件
・混合タンク圧：3.5MPa ・加圧用 N2 流量：10L/min ・配管保温：有—43—

IIC REVIEW/2016/04. No.55

位置は高温側（右方向）へと移動している。この6. まとめ

傾向は、5.1 節の結果と合致している。
個別に温度差ピークと、発光画像とを比較する

マイクロフローリアクタ試験装置の開発においと、温度差ピークと発光帯の左端とが合致していて以下のことが明らかになった。

ることがわかる。また、燃料ガスと燃料無しガス① リアクタ、ヒータ、熱電対、および熱電対移との温度差が大きい箇所で自己着火現象を光とし動機構をチャンバ内に収納し、その外側からて観察できることがわかる。

覗き窓を通し、カメラにて自己着火現象の撮

5.2 節により、チャンバが高圧下にあり光が届影が可能となった。円筒形電気ヒータによりかなくとも自己着火発生箇所は温度差をもって、約 300 ～ 1000℃の温度分布を 50mm の区間で観察することが可能であると考えられる。

持つことができた。また、水素バーナ加熱式（313℃ /cm）と比較し、温度分解能（68℃ /cm）

図 7 試験番号 3 燃料ガス / 燃料無しガスの温度差

図 9 試験番号 5 燃料ガス / 燃料無しガスの温度差

図 8 試験番号 4 燃料ガス / 燃料無しガスの温度差

図 10 試験番号 6 燃料ガス/ 燃料無しガスの温度差—

44—

が向上し、より詳細に温度差による自己着火

参考文献

（4）

現象を評価することが可能となった 。

（1） 中村、手塚、長谷川、丸田：日本燃焼学会誌、② チャンバ内にリアクタを収納することにより、第 55 巻、173 号、2013、pp.264-271

リアクタに圧力をかけることが可能となり、内燃機関の環境を模擬することができた。

（2） 山本、押部、中村、長谷川、手塚、丸田：第燃料送気経路を保温することで、送気中に液47 回燃焼シンポジウム、2009、pp.230-231

化することが少なくなり、発光現象を画像と（3） Shogo Kikui, Taiki Kamada, Hisashi Nakamura,

して確認することができた。

Takuya Tezuka, Susumu Hasegawa, Kaoru Maruta③ チャンバ圧が大気に近いほど発光現象は鮮：Characteristics of n-butane weak flames at

やかであり、チャンバ圧を高圧にするほど発

elevated pressures in micro flow reacter with a

光はおぼろげとなる。これはチャンバ内の分

controlled temperature prof ile ScienceDirect,

子数が増加し、光がカメラまで到達しにくい

2015, pp.3405-3412（4） 田中宏一、佐瀬昭、松井邦雄：マイクロフローためと考えられる。

リアクタ試験装置の開発、IIC REVIEW、No.52、④ 燃料を添加したガス（有燃料）と燃料を添加しないガス（無燃料）との各位置による温度

2014/10、pp.73-81

差をもって自己着火現象を確認できることがわかった。これより、チャンバ圧に依存せず、自己着火現象を確認することができると考える。
今後、気体燃料（メタン）やガソリンを燃料として自己着火現象を評価することも課題となる。

ジャプス事業部
技術部

尾木

ジャプス事業部
技術部次長

一馬

田中

TEL. 0565-86-1501
FAX. 0565-86-1502

TEL. 0565-86-1501
FAX. 0565-86-1502

ジャプス事業部
技術部
部長

佐瀬宏一

ジャプス事業部
事業部長

松井昭

邦雄

TEL. 0565-86-1501
FAX. 0565-86-1502

TEL. 03-6404-6615
FAX. 03-6404-6044—45—

IIC REVIEW/2016/04. No.55