微小重力下における界面張力差駆動対流の機構とその制御に関する研究

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06650866
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 平田 彰 早稲田大学, 理工学部, 教授 (00063610)
• Keywords: マランゴニ対流 / 界面張力差駆動対流 / 微小重力環境 / 結晶成長 / フローティングゾーン法(FZ法) / 水平ブリッヂマン法 / 落下塔 / 移動現象

Research Abstract

本研究では、微小重力下における材料作製プロセスに対し高品質化のための提言を行うために、微小重力下で顕在化する界面張力差駆動対流(マランゴニ対流)の機構を厳密に解明し、それに基づいた界面張力差駆動対流の抑制・促進等の制御法を確立することを目的として研究を行った。
本研究では、フローティングゾーン法および水平ブリッヂマン法(共に半導体単結晶育成法の一種)を模擬し、通常重力下において、(1)常温流体を用いた層流・振動流時における運動量・熱移動現象、(2)半導体融液を用いた層流時、及び磁場印可時における運動量・熱移動現象に関する実験的研究を行い、航空機・落下塔を利用した本格的な微小重力下においては、特に上記(1)に対応する実験的研究を行った。さらに上記(1)、(2)に対応する二次元数値計算コードを開発し、上記実験的研究との比較を行った。
これらの研究により、(1)試料物性(プラントル数)および各種操作条件(温度差、自由界面長さ、融液深さ、磁場)が界面張力差駆動対流に及ぼす影響、(2)重力および各種操作条件(自由界面長さ、融液形状)が層流-振動流間の遷移臨界条件に及ぼす影響、(3)重力および各種操作条件(温度差、自由界面長さ、融液形状)が速度・温度振動特性に及ぼす影響を明らかにした。
本研究により、微小重力下における材料作製時の融液内諸移動現象が明確化され、これに基づく界面張力差駆動対流の抑制・促進等の制御を行うことにより、微小重力下のみならず通常重力下においても高品質材料の作製が可能になるものと期待される。

Research Products

• [Publications] A. Hirata, S. Nishizawa, M. Noguchi, M. Sakurai, N. Imaishi, S. Yasuhiro: "Marangoni Convection in a Liquid Bridge under Microgravity Conditions during Parabolic Flight" J. Chem. Eng. Japan. 27. 65-71 (1994)
• [Publications] Y. L. Yao, J. Z. Shu, J. C. Xie, Z. M. Tang W. R. Hu, A. Hirata, S. Nishizawa and M. Sakurai: "Drop Shaft Experiment of Oscillatory Floating Zone Convection" Proc. Drop Tower Days 1994 in Bremen. 34-37 (1994)
• [Publications] 平田彰,西澤伸一,桜井誠人,大石直哉: "マランゴニ対流による液柱内流動・伝熱現象" 第11回宇宙利用シンポジウム. 187-190 (1994)
• [Publications] A. Hirata, S. Nishizawa and M. Sakurai: "Oscillatory Marangoni Convection in Liquid Bridge under Normal and Microgravity Conditions" Proc. 2nd Japan-China Workshop on Microgravity Science. 111-112 (1994)
• [Publications] W. R. Hu, J. Z. Shu, Y. L. Yao, J. C. Xie, Z. M. Tang, A. Hirata, S. Nishizawa and M. Sakurai: "Drop Shaft Experiment of Thermocapillary Oscillatory Convection" Proc. 2nd Japan-China Workshop on Microgravity Science. 121-128 (1994)
• [Publications] A. Hirata: "Mixing of Melt of Multicomponent of Compound Semiconductor" In Space '94. 63-74 (1994)
• [Publications] 平田 彰: "多元系化合物半導体融液の均一分散・混合化" 日本マイクログラビティ応用学会誌. 11. 130-131 (1994)
• [Publications] 西澤伸一,平田彰: "微小重力下におけるマランゴニ対流現象" まてりあ. 33. 1015-1019 (1994)
• [Publications] 平田彰,西澤伸一: "スペースシャトルの宇宙実験に参加して1" 電気学会誌. 114. 399-402 (1994)
• [Publications] 平田彰,西澤伸一: "スペースシャトルの宇宙実験に参加して2" 電気学会誌. 115. 338-341 (1995)
• [Publications] 平田彰,西澤伸一: "マランゴニ対流と宇宙化学工学" 化学工学. 59. 822-823 (1995)
• [Publications] 平田彰,桜井誠人,大石直哉,丹治彰,鈴木寿幸,類家誠,柳川孝二,大西伸和: "液柱内マランゴニ対流の3次元その場観察" パラボリックフライト. 5. 17-24 (1995)
• [Publications] Y. L. Yao, J. Z. Shu, J. C. Xie, Z. M. Tang, W. R. Hu, A. Hirata, S. Nishizawa and M. Sakurai,: "Transition on Oscillatory Features of Thermocaillary Convection from One-G to Micro-G Environment" Proc. 33rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 1-9 (1995)
• [Publications] Y. L. Yao, J. C. Xie, J. Z. Shu, Z. M. Tang, W. R. Hu, A. Hirata, S. Nishizawa and M. Sakurai,: "Microgravity Experiment on Oscillatory Convection in Liquid Bridge of Half Floating Zone" Acta Mechanica Simica. 27. 663-670 (1995)
• [Publications] A. Hirata, S. Nishizawa, M. Sakurai and N. Ohishi: "Oscillatory Marangoni Convection in a Silicone Oil Liquid Bridge under Microgravity Drop Shaft Experiment" Proc. 3rd China-Japan Workshop on Microgravity Sciene. 16-16 (1995)
• [Publications] J. Z. Shu, Y. L. Yao, J. C. Xie, Z. M. Tang, W. R. Hu, A. Hirata, S. Nishizawa and M. Sakurai: "Oscillatory Features in Marangoni Convection in a Half Floating Zone under Microgravity Drop Shaft Experiment" Proc. 3rd China-Japan Workshop on Microgravity Science. 12-12 (1995)
• [Publications] 興津和彦,早川泰弘,山口一六夫,熊川征司,岡野泰則,酒井奨,平田彰,西澤伸一,藤原省悟,今石宜之,依田真一,大井田俊彦: "微小重力下に於けるIn-Sbの分散混合実験" 第12回宇宙利用シンポジウム. 239-242 (1995)
• [Publications] 興津和彦,早川泰弘,山口一六夫,熊川征司,岡野泰則,酒井奨,平田彰,西澤伸一,藤原省悟,今石宜之,依田真一,大井田俊彦: "微小重力下におけるIn-GaSb-Sbの分散混合実験" 第12回宇宙利用シンポジウム. 243-246 (1995)
• [Publications] 平田彰,桜井誠人,大石直哉: "落下塔を用いた微小重力場における液柱内マランゴニ対流" 第12回宇宙利用シンポジウム. 227-230 (1995)
• [Publications] A. Hirata, N. Imaishi, M. Kumagawa, Y. Hayakawa, Y. Okano, T. Osaka, M. Tachibana and S. Nishizawa: "Uniform Mixing of Melt of Compound Semiconductor with Marangoni Convection" In Space'95. 343-350 (1995)
• [Publications] Y. L. Yao, J. Z. Shu, J. C. Xie, W. R. Hu, A. Hirada, S. Nishizawa and M. Sekurai: "Transition of Oscillatory Floating Half Zone Convection from Earths Gravity to Microgravity" to be published in Int. J. Heat and Mass Transfer. (1996)