2019 Fiscal Year Research-status Report

超音波を用いた過冷却解除による航空機着氷抑制技術のフィールド実証

Research Project

Project/Area Number	18K18911
Research Institution	Shizuoka University
Principal Investigator	吹場活佳静岡大学, 工学部, 准教授 (50435814)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	中田大将室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (90571969)
Project Period (FY)	2018-06-29 – 2021-03-31
Keywords	着氷 / 航空機 / 超音波
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、超音波による過冷却解除を用いて氷の付着を抑制する新しい手法を提案し、これを屋外におけるフィールド実験にて実証する。令和元年度においては、平成30年度末に購入した内容積400Lクラスの福島工業製低温インキュベータ（冷凍庫）を用いて着氷実験を行った。庫内に直径数十μm程度の液滴を噴霧するためのノズルを取り付け、外部から圧縮空気および水を供給し、発生した液滴を円柱に衝突させ着氷させた。アルミ製の円柱表面に撥水コーティングおよび微細凹凸構造を施し、その影響を調査した。また、ハイスピードカメラにより液滴が円柱に衝突する様子を撮影し、表面の性状が液滴の衝突にどのような影響を及ぼすかを調べた。撥水コーティングおよび微細凹凸構造により、液滴が円柱表面に付着せず、衝突後すぐに跳ね返る様子が確認された。さらに2月に室蘭工業大学白老実験場にて、強制対流下での着氷実験を実施した。直径250 mm程度のファンを購入しダクト内に最大風速12 m/s程度の空気流を作成した。ノズルにより液滴を噴霧し、下流のΦ20 mm円柱へ衝突させ着氷状態を観察した。早朝4時頃から作業を開始し、外気温が-2～-4 ℃程度の環境で着氷実験を行った。冷凍庫を用いた実験と同様に、アルミ製の円柱表面に撥水コーティングおよび微細凹凸構造を施し、その影響を調査した。実験を行っていくうちに、ノズルに供給する水の温度が着氷状態に大きく影響を及ぼすことが分かった。実験開始時および終了時に円柱の質量を測定し着氷量を評価したが、表面性状の変化による着氷量への影響は小さかった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 申請時の計画では、2年目の令和元年度は除氷デバイスの製作、実験室での基礎実験、白老実験場におけるフィールド実験を予定していた。除氷デバイスの製作に関しては、スピーカーによる可聴音を用いた装置を製作し試したほか、供試体である円柱に撥水コーティングおよび微細凹凸構造を施し、付着力の低下を試みた。なお、可聴音を用いた装置による着氷抑制には今のところ成功しておらず、次年度は超音波発生装置を用いて着氷抑制を試みる。実験室での基礎実験に関しては、平成30年度末に内容積400Lクラスの冷凍庫を購入し、令和元年度にはこれを用いて着氷実験を実施して表面性状の影響を評価している。ノズルを用いた液滴噴霧装置が良好に稼働しており、実験は順調に進んでいる。白老実験場におけるフィールド実験に関して、昨年度から製作していた着氷風洞を完成させた。ファンを小型のものに変更したことで実験場への器材の輸送が一段と容易になった。令和2年2月には完成させた風洞を室蘭工業大学へ搬送し、白老実験場にて着氷実験を行った。外気温が-2～-4 ℃程度とあまり低温にはならなかったものの、屋外において良好なデータを取得することができた。以上の通り、一部予定より遅れている部分があるものの、先行しているものもあり、全体として「おおむね順調」であると判断する。
Strategy for Future Research Activity	令和元年度までに実験室での基礎実験、白老実験場におけるフィールド実験に関して装置の準備と基礎データの収集をほぼ完了し、着氷抑制手法の評価が可能な状態となった。令和2年度においては着氷抑制手法を開発・改良しつつ、研究成果の公表に努めていきたい。着氷抑制手法に関して、平成30年度から導入した撥水コーティングおよび微細凹凸構造による着氷力を低減する手法が一定の成果を示している。この手法は超音波による着氷抑制手法と組み合わせた場合でも有効であると考えられるため、令和2年度においても評価、改良を続けていく。また、超音波による着氷抑制手法については、令和元年度までに実施した可聴音を用いた装置では今のところ華々しい成果が得られていない。令和２年度はパラメトリックスピーカーを用いて音圧を上げ効果を検証する予定である。白老実験場におけるフィールド実験についても、令和元年度までに準備が整い、フィールド実証試験を実施可能となっている。これまでの経験により、ノズルに供給する水温が生成される氷に影響を及ぼすことが明らかになった。令和2年度は供給水温を制御する仕組みを追加し、最終的な着氷抑制手法の評価・実証を目指す。さらに最終年度である令和2年度は研究成果の公表にも力を入れていきたい。令和2年年明け以降、コロナウイルス蔓延の影響で学会等の開催が制限されている。今後の状況を注視しつつ、学会誌等への投稿を含めた結果の公表に努めていく。
Causes of Carryover	年度末に学会参加、打ち合わせ等の旅費の支出を見込んでいたが、コロナウイルス感染の蔓延に伴う出張の自粛などがあり、次年度に繰り越すことにした。次年度もコロナウイルス感染の収束状況次第では出張等ができなくなる恐れがあるが、その場合は実験室における着氷実験を充実させる目的で予算を使用したい。