2019 Fiscal Year Research-status Report
機能表面による気泡の捕獲・輸送・生成技術の構築と混相熱流動機構の究明
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19K04217
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
北川 石英 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (80379065)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 混相流 / 対流熱伝達 / 機能表面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
気泡はスケール別に微細なマイクロバブルから大変形を伴うミリバブルに分類され，機械・化学・船舶・医療など幅広い分野で利用されている．このような状況のもと，多くの場合では，壁面近傍の気泡挙動が利用効果や機器性能に直接的影響を与える．このため，壁面近傍の気泡挙動が制御できれば，気泡利用効果が飛躍的に向上する．本研究では，表面性状が部分的に異なる「機能表面」を利用した気泡の捕獲・輸送・生成技術を構築，及び利用時における混相熱流動機構の究明を目的とし，研究①「自然対流気液二相流」，研究②「水平チャネル内気液二相流」，研究③「マイクロチャネル内固気液三相流」を対象とした実験を行った．研究①：温度計測，及び気泡分布・速度計測の結果から，熱流束が533，1480 W/m2の条件では，機能表面の撥水部の長さが8 mmの場合，撥水面での気泡の捕獲がスームズに生じ，熱伝達率および気泡注入効率が最も高くなることがわかった．研究②：高速度カメラを利用した気泡の可視化計測の結果から，超撥水面の配置角度が流れ方向に対して30°の条件では，レイノルズ数が2000～5000の範囲において，全ての移流気泡を捕獲・輸送できることがわかった．研究③：大学設置の装置を利用し，マイクロチャネルを作製したところ，多くの条件に対して，ポケット内での安定的な気液界面の生成には至らなかった．そこで，ピラー群を有するマイクロチャネルを新たに作製し，顕微鏡による粒子捕獲率を計測した結果，流量を固定した条件では，気液界面の利用による粒子捕獲法と同程度の捕獲率が得られた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究①「自然対流気液二相流」：機能表面の撥水部の長さが0，2，8 mmの３条件，そして，壁面熱流束が533，1480 W/m2の２条件に対して，温度計測，及び気泡分布・速度計測を行い，自然対流気泡流に対する機能表面利用の有効性を確認することができた．研究②「水平チャネル内気液二相流」：レイノルズ数が2000～5000の４条件，撥水面の配置角度が30，45，60 °の３条件に対して，高速度カメラを利用した気泡輸送率の計測を行い，移流気泡の捕獲・輸送効果を確認することができた．研究③「マイクロチャネル内固気液三相流」：大学設置の装置を利用し，マイクロチャネルを作製した場合，多くの条件に対して，ポケット内での安定的な気液界面の生成には至らなかった．これは，研究の前段階としてマイクロチャネルの試作にて利用したイギリスの大学の装置と本学の装置の性能差に強く依存する．現状，この差を補うことが困難であることから，気液界面の利用による粒子捕獲法からピラー群の利用による粒子捕獲法へ移行することによりこの問題の打開を図る．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究①「自然対流気液二相流」：伝熱板に沿う自然対流気液二相流の速度・温度計測を行う．具体的には，「PTV：粒子追跡速度計測法」「SIT：投影画像法」を用いた光複合計測技術とマイクロ熱電対を組み合わせることにより，液体速度・気泡位置・気泡速度・気泡径と伝熱面表面温度の同時計測を行う．研究②「水平チャネル内気液二相流」：機能表面での捕獲気泡の可視化結果をもとに気泡捕獲条件の導出を行う．具体的には，高速度カメラ２台を利用した気泡のステレオ撮影を行い，気泡に作用する抗力と付着力を算出する．抗力の算出に必要な液体速度データはPTVから，一方，付着力の算出に必要な気泡の前進・後退接触角，気泡幅，気泡高さは気泡を画像処理することによって得る．研究③「マイクロチャネル内固液二相流」：フィルタ構造が異なるマイクロチャネルを作製し，顕微鏡を用いた粒子捕獲率の計測を行う．具体的には，ピラーの形状，配置構造，表面性状，そして粗密構造に対して，粒子捕獲率およびその一様性を評価する．
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| Causes of Carryover |
理由：①本学設置の装置では，当初予定したマイクロチャネルを作製することができなかった．このため，気液界面の利用による粒子捕獲法からピラー群の利用による粒子捕獲法へ移行する．これにより，ピラーの形状，配置構造，表面性状，そして粗密構造が異なるマイクロチャネルを新たに製作する必要があり，当初の想定以上の費用が必要となる．②2020年10月に米国にて開催される「Proc. 31th International Symposium on Transport Phenomena」において今回得られた成果を発表する．現在のところ，３件もしくは４件の研究発表を予定しており，当初の想定以上の旅費が必要であることがわかった．
使用計画：前年度の未使用金を，マイクロチャネルの作製に必要な「シリコン基板」，「フォトレジスト剤」，「SU-8 Developer」などの素材の購入，そして，国際会議での成果発表のための「旅費」に使用する．
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