マイクロ化学プラント用無脈動ポンプの開発と積層円板間の不安定流動

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本研究は,将来的な高効率マイクロ化学プラントの発展に向けて,試薬等流体を一定流量で連続・安定供給できる多層円板ポンプの開発を目的としている.本年度は,昨年度製作した実機規模の外径50mmのモデルポンプについて,その性能計測,脈動度調査を行うとともに,形状,特に脈動度に大きく寄与する円板支持ピンの影響を実験的に調査した.また,モデルポンプの内部流れ計測は小形故に困難であるため,数値流体力学(CFD)解析により内部流れ場を調査にした実験ではまず,モデルポンプの性能計測,無脈動度調査を,低回転数(1,000rpm)から設計回転数(2,700rpm)の複数の回転数で実施した.その結果,1,000rpm近傍の低回転数時を除いて,ポンプ性能は回転数によらず円板周速で無次元化した無次元性能で整理できることが判明した.このことは,内部流れが多層円板ローター入口では層流であるものの速やかに乱流に遷移することを意味している.また,ポンプ出口圧力変動において,円板支持ピンの本数と回転数の積に相当する周波数の圧力変動が確認された.この圧力変動を元に流量変動を一次元モデルで評価したところ低流量運転時を除いて脈動度が1%以下となることが推算され,さらに円板支持ピンの本数を減ずることにより脈動度の低減が図れることが確認されたCFD解析では,子午面流れ解析により,ローター入口シュラウド側で大規模な再循環流が形成されるものの,ローターを構成する円板間の流れはほぼ一様であることが分かった.さらに,非軸対称であるボリュートケーシングを考慮した二次元解析により,ケーシングと出口流れのマッチングによりポンプ性能の良否が大きく左右されることが判明した以上より,多層円板ポンプは無脈動定量ポンプとして有用であり.内部流れが乱流であることを想定した設計が有効であることが判明した