低沸点冷媒で駆動するMEMS超小型タービン発電機

本研究は100℃以下の低品位な熱源を利用した循環型小型発電システムを実現するための要素開発を目的としている。100℃以下の熱源を利用するために作動流体には低沸点媒体を利用するが、小型化のために利用するミリメートルスケールの構造部品との相性や実現可能性について要素毎に検討を進めている。昨年度までの検討から、発電に大きく関係するタービンの回転数向上には密封性と循環流路の関係が重要であることが明らかになった。また、低沸点媒体を貯蔵している加熱部が実験においてはタービン構造に比べ大きいことから、内部の相変化に伴い温度低下が懸念されていた。このことから、令和４年度は流路の流体解析および低沸点媒体貯蔵庫となるタンクの検討を重点的に行った。流路の流体解析についてはテスラバルブについて最適形状を検討するために有限要素法により使用する低沸点媒体の流体解析を微小領域において実施した。その結果、逆止弁の役割を示す最適な形状が明らかになった。また、低沸点媒体の貯蔵タンクについてはタービン構造と同様のシリコン微細加工技術であるMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）工程を利用して10mm角程度の外形をもつ構造について設計・開発を行った。開発したタンクはシリコンでできたモノリシック構造内部に貯蔵タンクを形成し、外部から加熱することで内部で相変化を起こさせる構造とした。また、内部にはタンクと同時に気相の低沸点媒体を圧縮し運搬するための流路を形成することで全体の小型化を図った。開発したタンクは内部に低沸点媒体を貯蔵し加熱することで排出口からの気相での排出を確認した。また、貯蔵タンクに対して加熱する方向を変えることで排出量に差が出ることを流体解析と実験の双方から確認できた。磁気回路については磁性コアと巻線を組み合わせMEMSタービンの低沸点媒体による発電を確認した。

本研究は100℃以下の低品位な熱源を利用した循環型小型発電システムを実現するための要素開発を目的としている。100℃以下の熱源を利用するために作動流体には低沸点媒体を利用するが、小型化のために利用するミリメートルスケールの構造部品との相性や実現可能性について要素毎に検討を進めている。昨年度までの検討から、発電に大きく関係するタービンの回転数向上には密封性と循環流路の関係が重要であることが明らかになった。また、低沸点媒体を貯蔵している加熱部が実験においてはタービン構造に比べ大きいことから、内部の相変化に伴い温度低下が懸念されていた。このことから、令和４年度は流路の流体解析および低沸点媒体貯蔵庫となるタンクの検討を重点的に行った。流路の流体解析についてはテスラバルブについて最適形状を検討するために有限要素法により使用する低沸点媒体の流体解析を微小領域において実施した。その結果、逆止弁の役割を示す最適な形状が明らかになった。また、低沸点媒体の貯蔵タンクについてはタービン構造と同様のシリコン微細加工技術であるMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）工程を利用して10mm角程度の外形をもつ構造について設計・開発を行った。開発したタンクはシリコンでできたモノリシック構造内部に貯蔵タンクを形成し、外部から加熱することで内部で相変化を起こさせる構造とした。また、内部にはタンクと同時に気相の低沸点媒体を圧縮し運搬するための流路を形成することで全体の小型化を図った。開発したタンクは内部に低沸点媒体を貯蔵し加熱することで排出口からの気相での排出を確認した。また、貯蔵タンクに対して加熱する方向を変えることで排出量に差が出ることを流体解析と実験の双方から確認できた。磁気回路については磁性コアと巻線を組み合わせMEMSタービンの低沸点媒体による発電を確認した。