マイクロコンバスタ内の振動燃焼を利用した超小型圧電素子発電デバイスの開発

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高エネルギー密度を有する化石燃料をMEMSエネルギー供給源(Power MEMS)等の小型デバイスに有効利用することを目的とし、微小空間領域で発生する振動燃焼を利用した圧電素子発電デバイスの新規開発を目的として研究を行った。実験は、外部ヒーターにより加熱された微小石英管内にメタン/空気予混合気を流入させ、その内部における燃焼挙動について検討した。当量比を0.85に設定した場合、混合気流速が約40cm/s以上もしくは3.5cm/s以下では火炎が定在・安定し、振動燃焼は起こらないが、その中間領域(3.5〜40cm/s)では振動燃焼が観察された。振動燃焼時における火炎の位置変動の振幅は2mmから30mm程度、振動周波数は数十Hzから数百Hz程度の範囲内で、設定条件に応じて変化した。また、高速度ビデオカメラによって、その挙動を詳細に観察したところ、安定・不安定の境界条件付近では、火炎が流れ方向に2mm度の僅かな振動変動をするが、一方、それ以外の不安定領域においては、下流側で着火した火炎が上流側へ伝播し消炎するという特異な挙動を繰り返した振動現象であることが明らかとなった。また、この着火・消炎を繰り返す振動現象での変動振幅は10mm以上と比較的大きく、圧力変動に起因すると考えられる振動音も伴っていた。このことから、着火・消炎を繰り返す振動現象の方が、圧電素子を周期的に変位させるための駆動力に適していると考えられる。これらの知見は、振動燃焼を利用した小型発電デバイスにおける燃焼条件の最適化に有用で、今後の開発に大きく貢献するものである。