2018 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of colloidal flow behavior in the vicinity of solid-liquid interface using laser measurement based on the interference of evanescent waves
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17K17875
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
白井 克明 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (00634916)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | コロイド / 伝熱 / 固液境界 / 電気運動学 / 粒子流動 / マイクロ・ナノスケール / 近接場光 / レーザー計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではコロイド粒子の流動と伝熱特性の関連に注目した。不溶性粒子が分散したナノ流体や相変化エマルションはコロイドであり、高い流動性を有することで熱輸送媒体として期待される。利用においては固液境界での伝熱を伴うため、伝熱特性の解明と向上には境界近傍での粒子の電気運動学的挙動の把握が重要と考えた。
固体壁近傍での流動挙動の補足には粒径程度の高空間分解能が要求され、本研究では固液境界の全反射で発生させたエバネッセント（EW）光の干渉を利用し、粒子による散乱光を基にレーザードップラー原理で流動速度を求める手法を採用した。EW光は流体側への浸透距離が数百nm程度と短く、境界面垂直方向に回折限界を超える高空間分解能を実現できる。また、他の手法と違い、計測体積が常に壁面に固定されるので境界面に対する位置の不確かさに影響を受けない。さらに、粒径の小さなレイリー散乱域では散乱強度が粒径の6乗に比例して著しく減衰するのに対し、本手法では光電子増倍管など高感度検出器を利用でき、画像計測で観測不能な粒径での計測が期待される。
本研究は2年計画で進め、計測手法を確立し、その応用を推進した。1年目に計測システムを設計・構築し、性能を評価した。自作プローブを用いた実験で原理の成立を確認し、速度計測の不確かさを評価した。さらにコロイド試験部に直流電場を印加し、電気泳動・浸透による粒子流動速度への影響を調べた。2年目には粒径と粒子濃度、印加電場強度による流速への影響を調べた。電場強度に比例した流速が計測され、理論に一致する結果が得られたことからコロイド流動計測の妥当性が確認された。また、粒径が小さい場合に単一の周波数ピークが得られにくく、ブラウン運動の影響が相対的に強まったことが示唆された。さらに温度勾配による熱泳動とブラウン運動の温度依存を調べるため、温度境界条件を確立したうえで計測可能な試験部を製作した。
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