マイクロ燃焼

マイクロ燃焼とは、燃料と酸化剤の間で発生する発熱 化学反応の連続であり、ミクロレベルでの熱発生と化学種の変換を伴います。熱の発生は、白熱灯または炎の形で光を発生させます。対象となる燃料には、気相、液相、または固相の有機化合物（特に炭化水素）が含まれることがよくあります。マイクロ燃焼の主な問題は、表面積と体積の比が高いことです。表面積と体積の比が大きくなると、燃焼器の壁への熱損失が増加し、炎の消炎につながります。

マイクロロボット、ノートパソコン、超小型航空機、その他の小型デバイスなどの小型製品の開発は、日常生活においてますます重要になっています。電気化学バッテリーに比べてエネルギー密度が高く、熱と物質の移動係数が高く、再充電時間が短いという固有の利点があるため、これらのマイクロデバイスに電力を供給するための小型燃焼器の開発に関心が高まっています。[1] [2]炭化水素燃料のエネルギー密度は、最先端のリチウムイオンコンセプトに基づく電気化学バッテリーの20～50倍です。マイクロ熱エンジンの概念は、1997年にEpsteinとSenturiaによって提案されました。[3]それ以来、炭化水素燃料の燃焼によって電力を生成するこのような小型デバイスの開発と応用に向けて、かなりの量の研究が行われてきました。マイクロ燃焼器は、表面積と体積の比が大きいため、大量の熱が壁を通して伝達され、火炎の消火につながるため、バッテリーの魅力的な代替品です。 [4]しかし、固体壁を介した熱伝達率の増加は、水素製造に使用される水蒸気改質器の場合には有利である。[5]

B. Khandelwal らは、2 段式マイクロ燃焼器の火炎安定性限界およびその他の特性を実験的に研究しました。 [6]彼らは、多段式燃焼器は火炎安定性限界が高くなることに加え、燃焼によって発生した熱の利用に役立つ高温プロファイルも提供することを発見しました。 Maruta らは、流れ方向に沿って正の壁温度勾配を持つ直径 2.0 mm の直線石英チャネルにおける予混合メタン 空気 混合物の火炎伝播特性を実験的に研究しました。 [7]これは、マイクロチャネルにおける火炎安定化特性 を研究するための単純な 1 次元構成でした。他の研究者は、スイスロール燃焼器、[8]マイクロガスタービンエンジン、[9]マイクロ熱光起電システム、[10]フリーピストンノックエンジン、[11]マイクロチューブ燃焼器、[12]ラジアルチャネル燃焼器、[13]およびその他のさまざまなタイプのマイクロ燃焼器における火炎安定化挙動と燃焼性能を研究しました。[14] [15]

参考文献

  1. ^ Kuo, CH; Ronney, PD (2007年1月). 「非断熱熱再循環燃焼器の数値モデリング」. Proceedings of the Combustion Institute . 32 (2): 3277– 3284. Bibcode :2007PComI..31.3277K. doi :10.1016/j.proci.2006.08.082.
  2. ^ キム・ナム・イル; 加藤壮一郎; 片岡卓也; 横森健; 丸山重直; 藤森俊郎; 丸田薫 (2005年5月). 「ヒーターとしての小型ロール燃焼器の炎の安定化と排出」.燃焼と炎. 141 (3): 229– 240. Bibcode :2005CoFl..141..229K. doi :10.1016/j.combustflame.2005.01.006.
  3. ^ Epstein, AH; Senturia, SD (1997年5月23日). 「マイクロマシンからのマクロパワー」. Science . 276 (5316): 1211. doi :10.1126/science.276.5316.1211. S2CID  110839795.
  4. ^ Fernandez-Pello, A. Carlos (2002). 「燃焼を利用したマイクロ発電：課題とアプローチ」（PDF） . Proceedings of the Combustion Institute . 29 (1): 883– 899. Bibcode :2002PComI..29..883F. doi :10.1016/S1540-7489(02)80113-4.
  5. ^ Pattekar, AV; Kothare, MV (2004年2月). 「マイクロ燃料電池用途における水素製造用マイクロリアクター」. Journal of Microelectromechanical Systems . 13 (1): 7– 18. Bibcode :2004JMemS..13....7P. doi :10.1109/JMEMS.2004.823224. S2CID  19243473.
  6. ^ Khandelwal, Bhupendra; Sahota, Gur Partap Singh; Kumar, Sudarshan (2010年8月27日). 「メタン-空気予混合気体を用いた後進ステップ式マイクロスケール燃焼器における炎の安定性限界の調査」. Journal of Micromechanics and Microengineering . 20 (9) 095030. Bibcode :2010JMiMi..20i5030K. doi :10.1088/0960-1317/20/9/095030.
  7. ^ 丸田 健; 片岡 剛; キム・ニイエル; ミナエフ・スールシャー; フルセンコ・ルソー (2005年1月). 「温度勾配のある狭隘流路における燃焼特性」. Proceedings of the Combustion Institute . 30 (2): 2429– 2436. Bibcode :2005PComI..30.2429M. doi :10.1016/j.proci.2004.08.245.
  8. ^ Weinberg, Felix (2004年9月). 「熱電変換装置のための熱再循環燃焼システムの最適化」.燃焼と炎. 138 (4): 401– 403. Bibcode :2004CoFl..138..401W. doi :10.1016/j.combustflame.2004.06.007.
  9. ^ Shih, Hsin-Yi; Huang, Yen-Chin (2009年6月). 「革新的なマイクロガスタービンのためのスイスロール式回収熱交換器の熱設計とモデル解析」.応用熱工学. 29 ( 8–9 ): 1493–1499 . Bibcode :2009AppTE..29.1493S. doi :10.1016/j.applthermaleng.2008.06.029.
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  12. ^ Li, Junwei; Zhong, 北京 (2008年5月). 「メタン/酸素マイクロチューブ燃焼器における熱損失と燃焼に関する実験的研究」.応用熱工学. 28 (7): 707– 716. Bibcode :2008AppTE..28..707L. doi :10.1016/j.applthermaleng.2007.06.001.
  13. ^ Kumar, Sudarshan; Maruta, Kaoru; Minaev, S. (2007年4月3日). 「新しいマイクロスケールラジアル燃焼器構成におけるメタン-空気混合気の燃焼挙動に関する実験的研究」. Journal of Micromechanics and Microengineering . 17 (5): 900– 908. Bibcode :2007JMiMi..17..900K. doi :10.1088/0960-1317/17/5/008.
  14. ^ Kumar, S.; Minaev, S.; Maruta, SK (2007年1月). 「希薄メタン-空気混合気における放射状マイクロチャネル内における複数の回転ペルトン型炎構造の形成について」. Proceedings of the Combustion Institute . 31 (2): 3261– 3268. Bibcode :2007PComI..31.3261K. doi :10.1016/j.proci.2006.07.174.
  15. ^ Khandelwal, Bhupendra; Kumar, Sudarshan (2010年12月). 「メタン-空気予混合気体を用いたマイクロチャネル拡散における炎の安定化挙動に関する実験的研究」.応用熱工学. 30 ( 17–18 ): 2718–2723 . Bibcode :2010AppTE..30.2718K. doi :10.1016/j.applthermaleng.2010.07.023.
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