人間情報システム工学科 研究室見学 エネルギー 86 高効率エネルギー利用技術 ～環境負荷低減用燃焼器と宇宙用プラズマロケット～ 教授 安里勝雄，准教授 宮坂武志 e-mail: [email protected] 高校生・一般向け 近年，地球温暖化やエネルギー問題が大きな社会問題となっています．私たち安里・宮坂研究室では， これらの問題に対処するために，「高効率」，「環境に優しく」をテーマに，家庭用給湯器から 自動車・航空機用エンジン，さらには宇宙用ロケットまで幅広い分野の研究を行っています． 家庭用給湯器分野 「環境負荷低減」とは？ 環境に優しい家庭用給湯器バーナの実験とシミュレーション 家庭用給湯器・暖房ガス燃焼器は日常的に使用されているので， 当然多くの環境汚染ガスが排出されています.濃淡バーナはこの排 環境汚染ガスを抑制する効果があります. 燃料濃度の 薄い淡火炎 燃料濃度の 濃い濃火炎 混合気とは、 燃料（CH4） ＋空気 燃料濃度の 濃い混合気 燃料濃度の 薄い混合気 濃淡バーナの火炎形状 化石燃料の節約 CO2の排出を抑制 排ガスをクリーンに!! CO2 etc コンピュータシミュレーション による火炎の温度分布 パルスデトネーションエンジン 爆発の発生により得られるエネルギーをロケット，航空機， 発電用へ利用することを目的とする次世代エンジンのこと を言います． 回転流中に安定化された倒立火炎に注目！ 回転倒立火炎をいかに安定させるかを解明 し，実用化に向けたデータを収集していま す. 「渦輪」中の火炎の速度 研究目的 渦の中では火が素早く燃え るということに着目し、少 ない燃料で，より大きなエ ネルギーを得るための研究 をしています． 進行方向 ＆ 実用化 回転倒立火炎の形状 渦核と呼ばれ るものを中心 にして，ぐる ぐると渦を巻 いているのが 見て取れます. 「環境負荷低減」とは 図のように燃焼するこ とによって排出される， 有害ガスや環境汚染 物質を低減すること です． わたしたちは，この環 境負荷低減を第一の 目的に，より効率よく エネルギーが得られ るような燃焼方式の 開発を行っています． 自動車・航空機用エンジン分野 くびれが 発生して いる それを実現するために、、、 本研究では すす NOx (窒素酸化物) 地球温暖化 回転流 飛行機のジェットエンジン として使用されている ガスタービン 呼吸器系疾患 人体や地球環境への 影響を小さくする バーナの性能を良くするためにはどうすればい いか？を実験やコンピュータシミュレーションを 用いて明らかにする研究を進めています. 「回転流中」に形成される火炎 の実用化研究 燃費が良く、有害 ガスNOxを低減し た、コンパクトな燃 焼器の開発が必 要！ 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 500 300 給湯器用バーナの性能をさらにUP!! 熱効率UP!! 光化学スモッグ 酸性雨 (K) 燃焼時に発生する「環境汚染物質」 のプラズマによる除去研究 環境汚染物質とは。。。 爆発による波⇒デトネーション 爆発によって 発生する大き ・ダイナマイトによる爆発 ・ガソリン・ガス漏れによる爆発 なエネルギー ・炭鉱の爆発 etc… をエンジンに 利用 研究目的 パルスデトネーションエンジン(PDE)には，他の航空機エン ジンにくらべて小型・軽量という利点がある．わたしたちは 燃料注入方法を工夫することにより，その利点をいかした PDEの実用化を目指しています． トラックやバスから吐き出される黒 い煙（すす）や，酸性雨や光化学 スモッグの原因（ＮＯｘ）は人体や 地球環境に悪影響を与えます. 研究目的 プラズマ プラズマ 4kV 8kV 同軸型パルスプラズマスラスタ 燃焼時にはNOxとすすが発生し てしまいます。わたしたちはプラズ マを利用してNOxとすすの発生量 を減らすことを目指しています. 0kV 電圧をかけるとプラズマが発生し火炎の形 は大きく変化し，黄色（すす）の発光は弱く なっていきます. 同軸型パルスプラズマスラスターは人工衛星や宇宙ステーション の姿勢制御などに用いられる、宇宙用電気推進機です スラスターの構造 実験の様子 「渦輪」の断面図 「渦輪」とは？ ドーナッツのような形をしてい る渦巻き状の気体のことを言 います．最近，ＴＶ等で見かけ る段ボールから発射される空 気砲というのも「渦輪」です． 「渦輪」の燃え方 真空実験装置 燃料と空気に よって作られ た渦輪に沿っ て燃え広がる 様子が映って います. イグナイタ 陽極 + － プラズマ テフロン管 宇宙ロケット分野 私たちの研究室で扱っているロケットは「プラズマロケット」（電気 推進機）と呼ばれるもので、従来の燃やしたガスを噴射して飛ぶロ ケット（化学ロケット）に比べて燃費が10倍程度良いという特徴を 持っています。燃料を減らしたり，長く使うことが出来ます． 化学ロケット 化学燃焼を利用、推力が高く地上打ち上げに使用される 例）H-ⅡAロケット スラスター作動時 陰極 「プラズマロケット」とは？ イオンエンジン ホールスラスタ 小惑星探査機「はやぶさ」（2003年5月打ち上げ～2010年帰還予 定）のメインエンジンとして実際に使われているプラズマロケット. 排気速度 4200m/s 推力 1100kN 比推力（燃費） 110s 役割 コンピュータシミュレーション 人工衛星が軌道からずれな いように姿勢を制御する. 人工衛星のエンジン として使用されている. 提供：JAXA 人工衛星の例(きく8号) プラズマロケット 電気エネルギーを利用、燃費が良いため長距離ミッション に使用される 例）イオンエンジンμ10 排気速度 30000m/s 投入電力 350W 推力 9mN 比推力（燃費） 3000s 私たちはＪＡＸＡのプロジェクトに参加して 電気ロケットの研究を行っています. 提供：JAXA 小惑星探査機「はやぶさ」 特徴 イオンエンジン 燃費が良いという性質から， 「はやぶさ」のように時間を かけて遠くまで行くミッション に適しています.長期使用に なるので耐久性が重要です. 研究内容 「はやぶさ２」に向けたJAXAのプ ロジェクトに参加し，コンピュータ シミュレーションによってイオンエ ンジンの耐久性を調べています. 使用 研究 提供：JAXA 実験での放電の様子 放電位置 当研究室にあるホールスラスタ コンピュータ シュミレーショ ン・実験によ りプラズマの 様子を細かく 調べ性能の 向上を目指し ています. コンピュータシミュレーションで得られたプラズマの様子 人間情報システム工学科 研究室見学 エネルギー 86 高効率エネルギー利用技術 ～環境負荷低減用燃焼器と宇宙用プラズマロケット～ 教授 安里勝雄，准教授 宮坂武志 e-mail: [email protected] 企業関係者向け 近年，地球温暖化やエネルギー問題が大きな社会問題となっています．私たち安里・宮坂研究室では， これらの問題に対処するために，「高効率」，「環境に優しく」をテーマに，家庭用給湯器から 自動車・航空機用エンジン，さらには宇宙用ロケットまで幅広い分野の研究を行っています． 家庭用給湯器分野 環境負荷低減 新型濃淡燃焼バーナの燃焼特性に関する実験および数値解析 境界領域 制御用空気 境界領域を制御した濃淡バーナ の火炎形状と境界領域詳細 境界領域を制御した濃淡バー ナは、従来の濃淡燃焼バーナ に比べて，広い安定燃焼範囲 を有し，さらに，排ガス特性 （NOx, CO）に優れ、高負荷や 低負荷燃焼が可能である．そ のため，家庭用給湯器だけで なく，ブンゼン燃焼に替わる次 世代のバーナになる可能性が 高い． 環境問題に対応できる新型濃 淡バーナの開発を目指して， 研究を進めています． Exit : 光化学スモッグ 酸性雨 ∂V y ∂Vx ∂Y ∂T = 0, = 0, = 0, i = 0 ∂x ∂x ∂x ∂x (K) Axisymmetry : Wall : Vx = 0, ∂Vx = 0, ∂y V y = 0, V y = 0, Tw = 500K , ∂Yi =0 ∂y Lean flame ∂T = 0, ∂y ∂Yi =0 ∂y Rich flame V y 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 500 300 CO2 etc 地球温暖化 Burner plate 数値シミュレーション による温度分布 自動車・航空機用エンジン分野 パルスデトネーションエンジン(PDE) PDEとは、高温・高圧のエネルギーを航空宇宙推進力用あるい は発電用へ利用することを目的とした新しいタイプﾟのエンジンで， 日本・米国・欧州で研究が進んでいるエンジンです. PDE内での 渦輪を伝播する火炎の伝播機構 研究目的 渦流中では火炎は高速 で伝播する．この伝播 機構を解明することに よって，火炎安定性を 向上させ，高負荷で環 境負荷低減を目指した 燃焼器の開発が可能． 渦輪発生装置 渦輪の断面図 渦輪に着火した際の映像 CCDカメラ (1317×1035pixel )とレーザー(出力 15mJ）を用いて撮 影した断面図.渦 輪の周速度などを 調べることができ る. プラズマによる主な効果 80000 ・安定燃焼領域の拡大 ・放電によって生成されたラジ カルによる排ガス中のNＯxの 酸化、還元による除去とすす の低減 研究目的 例）H-ⅡAロケット 排気速度 4200m/s 推力 1100kN 比推力（燃費） 110s 4 6 V (kV) 8 電圧の増加に伴いすすの数密度は急激 に増えるが、更に電圧を高めると一気に 減少し、プラズマが燃焼化学反応に影響 を及ぼしていることが分かる. 本研究では上記の利点をいかすため，素早く確実にデトネーション を作り出すために，渦流着火システムを考案し，エンジン本体の小 型化・軽量化による実用化を目指しています． 同軸型パルスプラズマスラスタ 10 同軸型パルスプラズマスラスター（PPT）はプラズマロケット の一種で，マイクロ衛星や宇宙ステーションなどの制御用推 進装置として利用が期待されています. 研究内容 推進剤であるテフロン管の形状による排気プラズマの状態の変化を 計測し，より効率的なプラズマの排出方法について研究をしています． 陽極 + － 実験条件 充電電圧：1000V～2000V テフロン管長さ：5～25mm テフロン管径：Φ2,3 実験環境:5×10⁻3Pa プラズマ テフロン管 陰極 スラスター作動の様子 スラスター概念図 高速度カメラによる排気プラズマの撮影（ ３３万コマ/1秒間） 宇宙用ロケット分野 特徴 イオンエンジン •小惑星探査機「はやぶさ」にメインエンジンとして搭載されており、 20,000時間以上の稼動時間を誇る． •エンジンの性能劣化の主要因として，イオン加速時におけるグ リッド（電極）の損耗が挙げられる． 提供：JAXA プラズマロケット PDE管(上)を１msの高速で火炎伝播 イグナイタ プラズマロケット 化学燃焼を利用、推力が高く地上打ち上げに使用される. 2950K ・圧力 1.6MPa 20000 高速度カメラ(1秒を 4500コマに分割)を 用いて撮影した火炎 伝播の映像．火炎の 伝播速度などを調べ ることができる． 私たちの研究室で扱っている宇宙用ロケットはプラズマロケット （電気推進機）と呼ばれるもので，従来の化学推進ロケットに比べ て燃費が10倍程度良いという特徴を持っている．つまりコストパ フォーマンスに優れたロケットエンジンであると言える． 化学推進ロケット 40000 0 火炎中で生成されるNOxとす すは人体に悪影響を与えるた め、プラズマを利用し、NOxと すす生成の低減を目指してい ます. ・温度 研究目的 すすの平均粒径 0.065(μm) 0.109(μm) 0.171(μm) 0.267(μm) 60000 3 燃焼器の外観 空気と燃料を接 回転倒立火炎の形状 線方向から流入 させ回転流れ場 火炎は希薄燃焼においても高い 流速で非常に安定している. を形成. 火炎におけるすす及びNＯx生成 に及ぼすプラズマの効果 Number (1/cm ) Fuel PDEの利点 ②高効率 ・伝播速度 M6 U0 0 (a) U0=5m/s (b) 10m/s (c) 15m/s (d) 20m/s (e) 25m/s 当量比 Φ=0.8 Air ①圧縮機構の削減 （H2+空気） デトネーション特性 [mm] 50 ノズル 図のような、燃焼す ることによって排出 される、有害ガスや 環境汚染物質を低 減することを第一の 目的とし，より効率 よくエネルギーが得 られるような燃焼方 式の開発を行ってい ます. λ2a , V2a λR , VR λBZ,VBZ λL, VL 高効率かつコンパクトな低NOx燃焼器の開発に向けて， 回転流中に安定化された倒立火炎に注目. 回転流発生部 すす NOx (窒素酸化物) O 解析モデル 回転流中に形成される非予混合 火炎の保炎特性 目的 回転倒立火炎の保炎特性を 明らかにし，実用化に向け た基礎データを収集します. 呼吸器系疾患 ホールスラスタ ホールスラスタは，人工衛星の南北姿勢制御用エンジンや惑星間 探査機の主エンジンなどとして用いられている． 提供：JAXA (左図：人工衛星きく8号、中図:当研究室にあるホールスラスタ、右図:数値シミュレー ションによる放電の様子) 真空排気チャート 真空実験設備概要 電気エネルギーを利用、燃費が良いため長距離ミッション に使用される. 例）イオンエンジンμ10 排気速度 31164m/s 投入電力 349W 推力 8.7mN 比推力（燃費） 3180s 私たちはＪＡＸＡのプロジェクト等に参加して プラズマロケットの研究を行っています. 提供：JAXA 小惑星探査機「はやぶさ」 イオンエンジン コンピュータシミュレーション 研究内容 「はやぶさ２」に向けたJAXAのプロジェクトの一環として，イオ ン加速グリッドの耐久評価用コンピュータシミュレーションツー ルの開発を行っている. 低密度風洞:Φ=1.0m 長さ:1.8m 素材:円筒型ステンレス製 真空度:10-2-10-3Pa 大気圧の107倍、高度100km 当研究室にある真空実験設備 に相当する. ULVAC製メカニカルブー スターPMB240C 油拡散ポンプDPF-14Z 拡散ジェットポンプDBP-14 主弁を開口
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