低沸点冷媒で駆動するMEMS超小型タービン発電機

由低沸点制冷剂驱动的 MEMS 超紧凑涡轮发电机

• 批准号: 21K14214
• 负责人: 金子 美泉
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Nihon University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14214/
• 关键词: MEMS; タンク; 流路; テスラバルブ; タービン; マイクロ流路; 温度分布; 一体化; 発電機; 低沸点冷媒

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。

The purpose of this study is to utilize low-grade heat sources below 100℃ and to realize the development of circulating small-scale power generation systems. The heat source below 100℃ can be used for actuating fluid, low boiling point medium can be used for miniaturization, structural components can be used for miniaturization, and the feasibility of realization can be improved. In the past year, the relationship between energy transmission and circulation was important. The temperature of the heating part is lower than that of the low boiling point medium. The fluid analysis of the reverse flow path and the storage of low boiling point media in the fourth year of this year are focused on the operation of the system. Fluid analysis of flow path is carried out in small fields using finite element method. The results of the test and the results of the test show that the optimal shape is clear. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) engineering uses up to 10mm angle shapes to design and develop structures for storage and storage of low boiling point media. Open the door to open the door. The inner part of the device is compressed and transported to the lower boiling point. Open the door, open the door. The direction of heat transfer is different from the direction of heat transfer. Magnetic circuits are composed of magnetic coils and low boiling point media.

项目成果

Rotational Experiment of MEMS Turbine for Miniature Organic Rankin Cycle Generator

微型有机朗金循环发电机MEMS涡轮旋转实验

• 发表时间: 2021
• 作者: Yuya Kobayashi;Yuya Niki;Kenji Takeda;Megumi Aibara;Minami Kaneko;Fumio Uchikoba
• 通讯作者: Fumio Uchikoba

Research and Development of MEMS Turbine Generator for Miniature Organic Rankine Cycle System

微型有机朗肯循环系统MEMS涡轮发电机的研发

• 发表时间: 2021
• 作者: Minami Kaneko;Yuya Kobayashi;Kenji Takeda;Megumi Aibara;Katsuyuki Tanaka;Fumio Uchikoba
• 通讯作者: Fumio Uchikoba

熱回収を目的とした小型発電システムのためのマイクロ流路

用于小型发电系统热回收的微通道

• 发表时间: 2021
• 作者: 金子美泉;小林 祐也;仁木雄哉;武田健嗣;粟飯原萌;内木場文男
• 通讯作者: 内木場文男

Development of MEMS Structures for Miniature Organic Rankine Cycle System

微型有机朗肯循环系统MEMS结构的开发

• 发表时间: 2022
• 作者: Minami Kaneko;Yuya Niki;Kenji Takeda;Megumi Aibara;Fumio Uchikoba;M. Kaneko; K. Takeda; M. Aibara; F. Uchikoba
• 通讯作者: M. Kaneko; K. Takeda; M. Aibara; F. Uchikoba

日本大学 内木場・金子研究室

日本大学内木场/金子实验室