2022 Fiscal Year Annual Research Report
天然氷の成長過程に学ぶ～放射冷却を用いた単結晶氷の製氷技術の検討～
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21K14091
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
杉原 幸信 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (00824335)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 放射冷却 / 製氷技術 / 高電圧印加 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
放射冷却が優位な条件で形成される天然氷は、一つ一つの結晶粒径が大きく、結晶方位が揃っており、透明度が高いという特徴を持つ。そこで本研究では、天然氷継承者への取材を通して得られた知見を参考に、ラボベースで天然氷の成長過程を人工的に再現する放射冷却装置を構築し、学術研究に使える直径10cm以上の単結晶氷を安定的に短期間で製造する技術の開発に挑戦している。中でも、初晶形成から薄い氷板へ成長する製氷初期に着目し，氷の透明度を下げる主因の一つである製氷初期に発生する微気泡群の抑制に取り組んでいる。
2021年度は放射冷却下の原料水へ電撃を印加し、意図的に過冷却を解消した際の結晶の成長の様子を観察した。その結果，（１）電撃を印加した場合はしない場合に比べて、過冷却が解消するまでの時間および過冷却度が半減した。（２）電撃印加によって小さい過冷却度で初晶を生じさせることにより、デンドライト（樹枝状晶）の水深方向への成長量が減少した。（３）過冷却度が大きくなるにつれて、初晶成長速度は指数関数的に増加した。これはLindenmeyerら（1957）によるデンドライトの自由成長速度の測定結果とおよそ一致した。（４）初晶成長速度と氷の透明度には負の相関、平均結晶面積には正の相関がみられた。
そして、2022年度は印加電圧が理論上6000V、9000V、12000Vとなる高電圧パルス印加装置を作製し、印加電圧の大きさが過冷却解消に及ぼす影響を検討した。その結果，以下の知見を得た。本実験条件の範囲では，（１）印加電圧6000V以上であれば過冷却の解消を促進させるのに十分である。（２）9000Vを印加した場合において過冷却度2℃以内で安定して過冷却を解消し、小さい初晶成長速度を実現した。すなわち、9000Vの高電圧パルス印加が，製氷初期における微気泡群析出抑制に有効であった。
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Research Products
(3 results)
