2019 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of solid-liquid interfacial heat transfer influenced by the complex mobility of colloidal particles in the vicinity of a solid wall
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19K04223
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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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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | コロイド流体 / 粒子運動 / 電気運動学 / 固液境界 / ブラウン運動 / マイクロ・ナノスケール / 流体計測 / 近接場光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、熱輸送や物質輸送を担うコロイド粒子の流動挙動が伝熱特性等に及ぼす影響に着目する。着目するコロイドとして、液体にナノサイズ粒子を添加したナノ流体や、液体に不溶性の相変化微粒子を分散させた相変化エマルションがあり、流動性をもつ輸送媒体として有力である。分散粒子は周囲の流れに追従して流動するとともに、表面荷電状態に基づく電気運動学的挙動とブラウン運動を伴い複雑に運動する。熱輸送媒体としての利用場面では固液境界での伝熱を伴う観点から、壁面近傍で異方性が高まると予想されるブラウン運動を含め、固液境界近傍での流動挙動の把握が重要である。
本研究の粒子挙動の計測では2種類の光学手法を併用する。片方はレーザードップラー原理に基づく周波数計測（EWLDV）、もう片方は顕微鏡観察に基づく粒子画像計測で、どちらも粒子の流動速度を計測する。特に固体壁近傍での計測実現のため、固液境界での全反射によるエバネッセント（EW）光を利用する。EW光は境界面から流体側への浸透距離が極めて短く，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。
本研究ではこれまでにEWLDV計測を実現し、粒径1 um未満の粒子計測の安定実現を目指している。粒子画像計測では蛍光粒子と蛍光顕微鏡、産業用カメラを用いて自作2次元流路で計測し、結果の妥当性を実証した。また、温度境界条件の確立に向け、温度制御可能な試験部を製作し、動作の検証を継続している。さらに、計測に際する粒子の駆動手法に、これまでの直流電場印加による電気泳動・浸透に加え、交流不均一電場の印加による誘電泳動を試行した。誘電泳動による駆動も可能なことが示された一方で、試験部構造の複雑化が予想され、今後は圧力駆動を試行する方針である。
計測手法と装置の確立後は、粒径と温度境界条件による粒子流動への影響を中心に、2つの計測手法を活かし多角的視点から調べる。
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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
本研究は、エバネッセント光の干渉を用いたレーザードップラー計測（EWLDV）と、マイクロ粒子画像流速計測を併用し、壁面近傍の粒子流動が伝熱特性に及ぼす影響を3年間で調べる計画である。1年目はEWLDVシステムによる粒径1 um未満の粒子の流動計測と、試験流路の構築と検証、マイクロ粒子画像流速計測の準備、粒子駆動法の検討を計画した。
EWLDV計測システムによる粒径1 um未満の粒子計測では信号が不安定で、検証に多くの手間と時間を費やした。粒径1 um以上では概ね安定して信号を得たが、1 um未満では不安定であった。原因は壁面での全反射が粒子の散乱光を相対的に上回ることで信号が埋もれたと考えられる。以前から信号コントラストが上がらずSN比が低い状態が続く点も、原因究明と改善策を検討している。
試験流路の構築と検証では、試験部温度を循環式冷却水と加熱ヒーターで制御する方法を採用し構築した。温度境界条件の確立と装置の動作（液漏れ）について検証を継続する。
マイクロ粒子画像流速計測では、2年目に予定する高感度カメラ導入に向け、手持ちの産業用カメラで準備を進めた。蛍光粒子をトレーサーとして、産業用カメラと粒子追跡を利用して倒立型蛍光顕微鏡で流動計測を実現した。自作2次元流路に直流電場を印加した計測では、理論と概ね一致する結果が得られた。バルク領域での計測は十分可能だが、今後の壁面近傍の計測では感度不足が予想され、高感度カメラの導入が不可欠である。
粒子の駆動には、これまで直流電場の印加による電気泳動・浸透を用いてきたが、計測時間が数十秒間に限られることから、誘電泳動の導入を試みた。誘電泳動では不均一な交流電場の印加で一定方向に粒子を駆動できる。誘電泳動による粒子の駆動に成功し、周波数特性などを調べたが、今後の応用では不均一電場を実現すると流路形状の形成が難しいと予想され、圧力駆動を推進する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究では、エバネッセント光によるレーザードップラー計測（EWLDV）とマイクロ粒子画像計測の併用推進にあたり、各計測システムの安定稼働が必要である。また、計測には温度の影響が予想され、試験部の温度境界条件の確立が重要である。2年目以降は両者の実現と検証により、本格的な粒子流動計測に繋げる。
EWLDV計測システムでは粒径1 um未満の粒子で信号が不安定となり、全反射に付随する散乱光強度に対し、粒径の微小化に伴う散乱光強度の減少が相対的に下回るのが原因と考えられる。以前から信号コントラストが上がらずSN比が低い状態が続く傾向がある。これらを解決できれば高SN比の信号を取得でき、安定計測の実現に繋がる。現状では入射光の偏光状態が影響したと考えられ、偏光を制御することで問題解決を図る。全反射面での散乱光を低減する方策には蛍光粒子の利用もあるが、蛍光粒子の添加は試験対象のコロイドの性質を変える可能性があり、慎重な検討を要する。
マイクロ粒子画像計測では、高感度カメラの導入で壁面近傍での計測を実現する。最初にエバネッセント光を使わない蛍光顕微鏡原理で壁面近傍での計測を進めた後、エバネッセント光を用いて分解能をさらに向上させる。流速の算出には粒子パターンの相関よりも粒子追跡を用いる方針である。
このほか構築した試験部の動作検証では、温度分布と試験流体の漏れを検証する。さらに粒子の駆動方法は、安定した計測実現の観点から、印加電場による泳動でなくシリンジポンプによる圧力駆動の導入を中心に進める。
計測システムと試験部の確立後は、粒径と温度条件を変化させて流動挙動を調べる。粒径の減少と溶液温度の上昇により、ブラウン運動の活発化が考えられる。また、壁面近傍では拡散係数に異方性が生じ、複雑な流動が予想される。各計測手法とも長所と限界があるため、それぞれの特徴を活かし、多角的視点から計測を進める。
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| Causes of Carryover |
1年目は主に計測システムの検証と、コロイド粒子径によるブラウン運動への影響の確認に多くを費やしたため、新たな物品の購入が少なかった。試験部の動作確認があまり進められなかったことで消耗品の支出も少なかった。また、研究成果発表のための国際会議への参加登録費および旅費を科研費でない予算から支出したことで科研費からの支出を抑制した。そのほか、粒子の駆動方法として、これまでの直流の電気泳動に加えて誘電泳動について検討した。誘電泳動の試験には交流電場の印加が必要であったため、任意信号発生器を1台購入した。当初計画では、2年目は高感度カメラを導入の予定で支出が増えると予想される。カメラは外国製が多く、為替変動の影響を受けて価格が変動する場合があり、予め2年目のカメラ導入に向けて予算を残すよう心掛けた。新型コロナ肺炎の影響でカメラ選定における問合せおよびデモなどが十分に実施できないことに加え、感染拡大防止に向けた大学構内への立ち入り制限措置などで実験を全く進められない時期があったことが憂慮される。2年目には、試験部の検証で消耗品支出が見込まれる。最終年度の3年目にも流路調整のための部品購入が必要と予想される。2年目までに構築した計測システムを用いて計測を進める計画だが、装置の改良や計測粒子の購入などで消耗品の支出が予想され、使用可能な予算を残しておく必要がある。
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