2015 Fiscal Year Annual Research Report
液膜内流れの3次元4成分温度速度同時計測法開発による濃度温度差表面張力対流の解明
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26289039
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
染矢 聡 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 省エネルギー研究部門, 上級主任研究員 (00357336)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 熱工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では機能性中空マイクロカプセルを利用し，濃度変化を伴う作動流体に適用可能な，微小スケール流れの温度と速度を同時計測する手法を開発する．低入熱高輝度で出力の安定した高出力パルス光源を開発する．強度法，二色法や寿命法による温度計測と断面スキャン法及びデフォーカス法等による3次元速度計測を組合せて温度速度計測を実現し，手法の適用可能範囲を明らかにする．開発手法を用いて熱・物質移動を伴う液膜内流れの温度速度を同時計測することにより，温度速度相関など現象の詳細を解明し，車載用吸収式冷凍機の小型化，エネルギー高効率利用技術に寄与する．
平成２６年度までにピエゾアクチュエータで対物レンズ位置を視線方向に移動させながら，二次元的な温度速度同時計測を行った．ピンホールを用いたデフォーカス法や寿命法，二色法についても試験を実施した．その結果，寿命法，二色法，デフォーカス法はいずれも検出可能な光量が非常に小さくなり，画像中のノイズや大きく，信号強度の変動幅が大きな画像しか取得できなかった．一方，単波長の強度法を用いてS/N比の高い測定をした場合の測定分解能が高いことがわかった．
平成２７年度は，断面スライス法による温度速度同時計測法をベースとして液膜流れの温度速度計測を行った．T字型の合流部を持つ金属製マイクロチャネルとペルチェ素子を用いて局所的に最大4℃ほどの温度差を持つ流れを作成し，その温度や速度分布を測定した．その結果，ペルチェ素子のON，OFFの瞬間に極めて大きな速度変化が生じる現象を見出した．特別な機械的構造を必要とせずペルチェモジュールの通電のみの非接触な方法で流速に大きな変化が生じることからポンプやマイクロミキサとしての応用を期待でき，また，液膜流れでも同様の現象が生じ得る．これまでに報告例のない興味深い現象であるため，この現象の詳細について更に研究を進める．
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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
平成２７年度はＴ字型の合流部を持つマイクロチャネルを用いて温度差を持つ流れを作成し，その温度と速度分布の計測を計画し，これを予定通り遂行できた．複数のペルチェ素子による加熱冷却と金属製チャネルを利用することによって，合流前の液体温度を制御し，これらに２～４℃の温度差を与えることにも予定通り成功した．
実験では，ペルチェ素子への通電開始または遮断と同時に，温度に変化が現れるより早く，急激な速度変動が生じる現象を見出した．また，Ｔ字型合流部に流入する温度差のある水が，極低レイノルズ数流れであるにも関わらず，合流部で成層する現象，合流後には旋回しながら流出する現象も見出すなど，順調に進展した．
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| Strategy for Future Research Activity |
前項に示したとおり，Ｔ字型の合流部を持つマイクロチャネルを用いて温度差を持つ流れを作成し，その流れの詳細を調べた結果，これまでに報告例がなく，興味深い３つの現象を発見した．これらの現象は液膜流れを含む，微小スケールの温度差，濃度差流れにも生じうるものであり，これらの現象の理解は重要である．平成２８年度も引き続き，これらの現象の詳細解明を目指す．
具体的には，チャネルのサイズ，ペルチェ印加電圧，流速などを変更し，各現象の発生条件を明確にする．
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| Causes of Carryover |
研究教育業務および国内学会活動を優先し，当初予定していた国際会議への参加を見送ったため，出張費及び学会参加費などが不要となった．発表を予定していた成果については，平成２８年度に参加する国際学会において発表する予定である．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２８年度は感温性中空マイクロカプセルの性能及び計測法の最適化を進める．同時にサブミリスケール流れ場の解析を行う．これらの作業を円滑に進めるため，研究補助員をフルタイムで雇用する．これにより単一の蛍光物質を含むカプセル，複数の蛍光物質を含むカプセルの作成と最適化を進める．最適化の過程では，蛍光スペクトルとその温度依存性の評価，光学的劣化特性の評価，粒子径分布，これらに適した分散媒や，カプセルの母材となるポリマーの影響評価などを行う．継続的にこれを実施する計画である．
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