2014 Fiscal Year Annual Research Report
超音速マイクロジェットの生成・制御手法の確立と医工学応用への展開
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26709007
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
田川 義之 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70700011)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 医工学応用 / マイクロジェット / 撃力 / レーザー誘起衝撃波 / 液滴浮遊 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者が発見した超音速マイクロジェットの生成・制御手法を確立し，医工学応用へ展開することを目的として，研究を進めた．
まず，レーザー投入エネルギーを高効率で利用し，安定してマイクロジェットを生成するために，細管内の水中衝撃波の挙動解明に取り組んだ．これまで細管内の衝撃波は，音速(約1500 m/s)以上の高速で伝播するため計測が非常に難しく，未解明な部分が残されていた．そこで超高速度カメラ(撮影速度 5 Mfps)を用いてBackground Oriented Schlieren (BOS) 法を世界で初めて水中衝撃波に適用し，衝撃波を可視化した（Yamamoto et al. 2015 Experiments in Fluids）．その結果，水中衝撃波はこれまで仮定されてきた球対象な構造を持つのではなく，多重構造を有することを明らかにした（Yamamoto et al. 2015 submitted）．
また，マイクロジェットの生成・制御手法につながる知見を得るため，計測が容易なメゾスケールの実験を並行して行った．具体的には液体を充填した試験管を自由落下させ，床と衝突した撃力によってジェットを生成する．その結果，メゾスケールのジェット生成メカニズムがマイクロジェットと共通することを示した（木山ら，2014，日本機械学会論文集）．さらに，水中キャビテーションが生じた場合，ジェットの速度が最大２倍まで増速することを明らかにした（Kiyama et al. 2015 submitted）．
さらに，マイクロジェットを医工学応用する際の液滴飛散に関わる液滴浮遊に関する研究を行った．回転円筒を用いた実験系を構築し，マイクロ３次元計測を行うことにより，液滴浮遊の原因について定量的に議論した（斎藤ら，2015，日本機械学会論文集）．
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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
本研究の最終的な目標は，超音速マイクロジェットを利用した革新的医工学マイクロ技術を創成することである．この目標に対し，四年計画を立てている．初年度である本年度の最終目標に対する達成度は約４分の１であり，おおむね順調に進展している．本年度は医工学応用の基盤となる，高効率かつ高操作性を有するジェット生成・制御システムの構築を中心に進めた．
本年度の主な成果は３つある．
まず，マイクロジェット生成装置を立ち上げ，超高速度計測装置を組み入れた実験システムを構築できたことである．超高速度カメラを用いて，球状のレーザー誘起衝撃波を３次元性も考慮して可視化することに成功した（Yamamoto et al. 2015 Experiments in Fluids)．
次に，撃力を考慮したメゾスケールの液体ジェット生成手法に着目し，系統的実験を行うことにより，本研究対象であるマイクロジェットと生成メカニズムや形状が共通することを明らかにした．このメゾスケールの実験では，液体を充填した試験管を自由落下させ，床と衝突させる．これにより流体に加速度変化を与え，液体ジェットを生成させる．この実験によって，実験計測が容易になり，これまで観測困難な現象を発見した．具体的には，液中キャビテーションがジェット生成に大きな影響を与えていることを明らかにした（木山ら，2015，日本機械学会論文集，Kiyama et al. 2015 submitted）．
最後に，移動壁面上で浮遊する液滴を対象に実験的研究を行った．これは，ジェットが衝突した際に付随して生じる液滴の挙動を明らかにする上で重要である．マイクロ３次元計測と潤滑理論により，定量的に解析した．結果，本実験においては浮遊液滴底面と壁面間に存在する空気薄膜に生じる揚力が，液滴を浮遊させる主要因であることを示した（斎藤ら，2015，日本機械学会論文集）．
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| Strategy for Future Research Activity |
各実験パラメータがジェット速度/体積/形状に及ぼす影響を実験的に調べ，制御手法を確立する．これまでの研究からジェット速度に影響を与える主要な因子は，気液界面形状，マイクロ管直径，レーザーの投入エネルギーであることが明らかになっている．しかし，ジェット体積/形状はジェット速度が同じ場合でも，表面張力や粘度などによって大きく異なる場合がある．そこで上記のパラメータを変化させ，体積と形状の決定因子を実験的に明らかにする．実験は大学院生２名（野口悠斗，早坂啓祐）および学部卒論性３名（河本仙之介，栗原千尋，大井雄登）の協力を得て行う．最終的に，体積制御と，それと独立した形状制御を目指す．さらに海外共同研究者(Prosperetti教授, Lohse教授, Twente大学, オランダ)の数値計算結果と比較し，理論的側面を中心に議論する．数値計算に関しては大学院生２名（木山景仁，大貫甫）の協力を得て進める．すでに申請者は共同研究を行っており，協力体制は確立されている．
また，液滴浮遊現象においても表面張力や粘度等をパラメータとして実験を行い，普遍的な浮遊メカニズムを解明する．実験は大学院生１名（築山誉）および学部卒論生２名（澤口英理奈，濱開）の協力を得る．
成果はDroplets2015，APS/DFD，日本機械学会流体工学部門講演会，混相流シンポジウム2015などの国内外の学会において発表を予定している．また，Journal of Fluid Mechanics誌などの論文公表を予定している．
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| Causes of Carryover |
本年度主な物品として挙げていたパルスレーザーを購入しなかったためである．本年度に入り，購入手続き前に，現有の実験装置を工夫するアイデアを得たことにより，本年度の実験範囲に対応可能と判明した．そのため，本年度は現有のパルスレーザーによって研究を進めていた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
パルスレーザーの購入費用に充てる．本年度は実験装置の工夫により対応出来る範囲の実験が主であったが，次年度の実験においては当初の候補のパルスレーザーを購入することで研究が飛躍的に進展することが期待される．ただし，購入の前に，波長・パルス照射時間・出力に関して，ジェットの射出に適した機種を改めて検討し，研究費を効果的に使用していく予定である．
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