音波共鳴管実験に基づく混合状態の蒸発係数測定法の開発と実験式の確立

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K21576
• Research Institution: Nara National College of Technology
• Principal Investigator: 中村 篤人 奈良工業高等専門学校, 電子制御工学科, 講師 (80619867)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 相変化 / 蒸発係数 / 凝縮係数 / 音波

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，申請者が開発した共鳴音波を用いた蒸発係数測定法を基盤として，混合状態に対応した蒸発係数測定法の開発，ならびに蒸発係数を高精度に求めるための実験式を構築することを目的として実施している．今年度は研究実施計画に基づき，既存の装置，実験方法の改良に取り組んだ．混合状態での測定を可能にするために，試料蒸気生成用の蒸気タンク，圧力計，および真空ポンプを導入した．従来は，実験系内に試料液膜を生成した状態で排気を行っていたため，試料物質の蒸気圧以下まで圧力を下げることが難しく，十分な排気が行えない状況であった．今回，試料液膜，蒸気生成用の圧力タンクを導入したことにより，実験系内に液膜を形成せずに排気を行うことが可能となり，これにより十分な排気を実施することが可能となった．排気を実施した後，液膜，蒸気生成タンクから試料液体，および試料蒸気を実験系内に導入し，実験を行う．また混合状態での測定に関しても，蒸気導入時に試料蒸気の分圧，混合させる別種の気体，例えば空気の分圧，を圧力計により測定することで，従来と比較し，高精度に混合状態を実現することが可能となった．今後，改良した装置，実験方法により，初めに単一物質の蒸発係数を測定し，従来の結果と比較し，精度向上を確認するとともに，混合状態における蒸発係数測定に取り組む．なお，今年度の取り組み，および実験結果をまとめた上で，国際会議等にて発表を行う予定である．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実施計画書に記載した，混合気体に対応した実験装置，実験系の改良について，ほぼ予定通り実現できたことからおおむね順調に進展している，と考える．なお，実験系の真空度を改善するために導入を検討していた油拡散ポンプについてはポンプの冷却に水が必要であり，導入にあたっては，配管が必要なことから，空冷での運用が可能なターボ分子ポンプの導入を検討している．また，多原子分子の混合気体に対応した理論解の導出については，単原子分子に対応したモデル方程式を参考とし，引き続き継続して取り組む予定である．

Strategy for Future Research Activity

前年度までに行った実験装置，実験方法の改良を踏まえ，改良後の装置を用いて混合気体の蒸発係数測定に取り組む．初めに，実験装置改良の効果を評価するために，単一物質の蒸発係数測定に取り組む．その結果をこれまでに取得した，実験装置改良前の結果と比較し，装置改良の効果を確認する．
続いて，混合気体の蒸発係数測定に取り組む．本研究では試料と混合気体（例えば水と水蒸気および空気）で満たされた，初期状態において気液平衡状態にある実験系を対象とする．この時，試料蒸気とその他の気体の混合比は試料蒸気の分圧から求める．蒸気中にランジュバン型振動子（音源）を設置し，振動子を一定周期，一定振幅で連続的に振動させる．音波によって生じた蒸発，凝縮発生による音圧の変化を液膜下に設置した受信器により測定する．測定した音圧値を分子気体力学に基づき導出した蒸発係数に対する音圧値（理論解）と比較し，蒸発係数を決定する．
次に実験式構築に関しては，蒸発係数の測定結果から実験式を構築するために，実験条件を同一に設定し，液膜の有無のみ変更した状態で実験を行う．この実験により，蒸発，凝縮による効果のみを抽出することが可能となる．液膜なし（固体壁）条件の結果を基準として，液膜あり条件の結果を整理し，液膜温度と蒸発，凝縮による音圧変化，のグラフを作成する．液膜温度，音圧変化のグラフに対して適切な関数でフィッティングを行い，実験式を構築する．

Causes of Carryover

油拡散ポンプの導入を検討していたが，冷却に関して問題が生じたため，ターボ分子ポンプ導入に変更し，検討を行っているが，検討に時間を要したため，当該年度における購入が困難となり，次年度使用額が生じた．

Expenditure Plan for Carryover Budget

現在の装置の改良結果を評価した上で，更に実験系の真空度を向上させるためにターボ分子ポンプ導入に充当する予定である．