撃力による液体ジェットの制御と高粘度液滴を用いた革新的インクジェット技術の開発

• 研究課題/領域番号: 16J08521
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 流体工学
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 木山 景仁 東京農工大学, 大学院工学府, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 3,400千円 (直接経費: 3,400千円); 2018年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2017年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2016年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: 液体ジェット / キャビテーション / 流体力学

研究実績の概要

当該年度は本課題の最終年度であり，これまでに研究成果を挙げてきた撃力による液体ジェットの応用へ向けた研究の実施と，研究成果発表に力点を置いた．
具体的には，医療機器・生体印刷用途に向けたマイクロジェット研究，および高粘度液体吐出機構開発に関する研究を進めた．まず，マイクロ液体ジェットを用いて，ゼラチンゲル（生体模擬材料）および動物皮膚へ対するマイクロ液体ジェットの衝突・浸透過程の実験的解析を行った．ゼラチンゲルを用いた実験では模擬材料に対する液体浸透過程について，動物皮膚に対する実験では皮膚内部に浸透するに要する条件について，それぞれ知見を得た．上記の結果は，医療機器・生体印刷等，幅広い応用へ向けた基礎的な知見となり得るものと期待される．上記の知見は，査読付き英文学術誌（Journal of Visualization）に論文として発表した．
また，高粘度液体を吐出するための機構開発のため，撃力により生じるキャビテーション制御手法の実験的検討を行った．液体中に通常生じるキャビテーション(例：Pan & Kiyama, et al., PNAS, 2017)は制御が非常に困難であるのに対し，予め気泡を含有するゲルを系内部に配置することで，その制御を試みた．その結果，ゲルに予め含有される気泡が圧力変動に伴って膨張・収縮することに伴い，通常のキャビテーション気泡と類似の効果が認められ，ジェット射出能が向上した．これは，高粘度液体の吐出機構開発に資するものだと期待される．上記の知見は，査読付き学術雑誌に論文として発表した（前嶋，木山ら，日本画像学会誌，2019）．

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] アルバータ大学(カナダ)
• [国際共同研究] ユタ州立大学(米国)
• [国際共同研究] トウェンテ大学(オランダ)
• [国際共同研究] ユタ州立大学(米国)
• [国際共同研究] アルバータ大学(カナダ)
• [国際共同研究] ユタ州立大学(米国)
• [雑誌論文] PVAゲルを用いた新規インクジェット射出速度の制御手法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 前嶋麻緒，工藤帆乃香，大貫甫，栗原千尋，木山景仁，田川義之
  • 雑誌名: 日本画像学会誌 巻: 58 号: 1 ページ: 19-27
  • DOI: 10.11370/isj.58.19
  • NAID: 130007593393
  • ISSN: 1344-4425, 1880-4675
  • 年月日: 2019-02-10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualization of penetration of a high-speed focused microjet into gel and animal skin (2019)
  • 著者名/発表者名: Kiyama, A., Endo, N., Kawamoto, S., Katsuta, S., Oida, K., Tanaka, A., and Tagawa, Y.
  • 雑誌名: Journal of Visualization 巻: - 号: 3 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1007/s12650-019-00547-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Growth dynamics of surface nanodroplets during solvent exchange at varying flow rates (2018)
  • 著者名/発表者名: Dyett, B., Kiyama, A., Rump, M., Tagawa, Y., Lohse, D., and Zhang, X.
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 14 号: 25 ページ: 5197-5204
  • DOI: 10.1039/c8sm00705e
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancement of Focused Liquid Jets by Surface Bubbles (2018)
  • 著者名/発表者名: Yukisada Ryosuke、Kiyama Akihito、Zhang Xuehua、Tagawa Yoshiyuki
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 34 号: 14 ページ: 4234-4240
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b00246
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cavitation onset caused by acceleration (2017)
  • 著者名/発表者名: Pan Zhao、Kiyama Akihito、Tagawa Yoshiyuki、Daily David J.、Thomson Scott L.、Hurd Randy、Truscott Tadd T.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 114 号: 32 ページ: 8470-8474
  • DOI: 10.1073/pnas.1702502114
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of pressure impulse and peak pressure of a shockwave on microjet velocity in a microchannel (2017)
  • 著者名/発表者名: Hayasaka Keisuke、Kiyama Akihito、Tagawa Yoshiyuki
  • 雑誌名: Microfluidics and Nanofluidics 巻: 21 号: 11 ページ: 166-166
  • DOI: 10.1007/s10404-017-2004-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] PVAゲルを用いた新規インクジェット射出速度の制御手法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 前嶋麻緒，大貫甫，栗原千尋，木山景仁，田川義之
  • 学会等名: 第121回日本画像学会年次大会
• [学会発表] 壁面マイクロ/ナノバブルを用いた液体ジェットの増速 (2018)
  • 著者名/発表者名: 行貞良介，木山景仁，Xuehua Zhang, 田川義之
  • 学会等名: 混相流シンポジウム2018
• [学会発表] Acceleration-induced cavitation and surrounding pressure in a short liquid column (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiyama, A., Hayasaka, K., Nishida, H. and Tagawa, Y.
  • 学会等名: 71st Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Control of impact-induced cavitation using bubble-contained PVA gel (2018)
  • 著者名/発表者名: Onuki, H., Maeshima, M., Kurihara, C., Kiyama, A. and Tagawa, Y.
  • 学会等名: 71st Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Growth dynamics of surface nanodroplets (2018)
  • 著者名/発表者名: Dyett, B., Kiyama, A., Tagawa, Y., Lohse, D. and Zhang, X.
  • 学会等名: 71st Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] On the acceleration-induced cloud cavitation in water and the gel (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiyama, A., Kurihara, C., Hayasaka, K. and Tagawa, Y.
  • 学会等名: 12th European Fluid Mechanics Conference
  • 国際学会
• [学会発表] High-speed measurement of stresss fields in soft materials impacted by highly-focused microjets using photoelastic technique (2018)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, Y., Endo, N., Kawamoto, S., Kiyama, A. and Tagawa, Y.
  • 学会等名: 19th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics
  • 国際学会
• [学会発表] High-speed impact of the focused micro liquid jet onto liquid pool (2017)
  • 著者名/発表者名: Kiyama Akihito, Miyazaki Yuta, Pan Zhao, Mansoor M. Mujtaba, Truscott T. Tadd, Tagawa Yoshiyuki
  • 学会等名: 2nd International Symposium of Image based Metrology
  • 国際学会
• [学会発表] Cavitation onset of an accelerating liquid (2017)
  • 著者名/発表者名: Kiyama Akihito, Pan Zhao, Tagawa Yoshiyuki, Daily J. David, Thomson L. Scott, Hurd Randy, Truscott T. Tadd
  • 学会等名: 70th Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Pressure fluctuation caused by moderate acceleration (2017)
  • 著者名/発表者名: Tagawa Yoshiyuki, Kurihara Chihiro, Kiyama Akihito
  • 学会等名: 70th Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of focused liquid jets by using surface microbubbles (2017)
  • 著者名/発表者名: Yukisada Ryosuke, Kiyama Akihito, Zhang Xuehua, Tagawa Yoshiyuki
  • 学会等名: 70th Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Stress fields in soft material induced by injection of highly-focused microjets (2017)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki Yuta, Endo Nanami, Kawamoto Sennosuke, Kiyama Akihito, Tagawa Yoshiyuki
  • 学会等名: 70th Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] 液体急加速時における新しいキャビテーション数の提案 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木山景仁，Pan Zhao, 田川義之, Daily J. David, Thomson L. Scott, Hurd Randy, Truscott T. Tadd
  • 学会等名: 日本機械学会年次大会
• [学会発表] PVAゲルを用いたキャビテーション制御手法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 前嶋麻緒，工藤帆乃香，栗原千尋，木山景仁，田川義之
  • 学会等名: 日本機械学会年次大会
• [学会発表] 撃力付与時における液中圧力波伝播モデルの提案 (2017)
  • 著者名/発表者名: 栗原千尋，木山景仁，田川義之
  • 学会等名: 混相流シンポジウム2017
• [学会発表] 加熱平板への高速マイクロ液滴衝突 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤田裕太，木山景仁，田川義之
  • 学会等名: 混相流シンポジウム2017
• [学会発表] An application of the focused liquid jet: needle free drug injection system (2016)
  • 著者名/発表者名: Akihito Kiyama, Chihiro Katsuta, Sennosuke Kawamoto, Nanami Endo, Akane Tanaka, and Yoshiyuki Tagawa
  • 学会等名: 69th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 発表場所: Portland, USA
  • 年月日: 2016-11-20
  • 国際学会
• [学会発表] High-speed ethanol micro-droplet impact on a solid surface (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuta Fujita, Akihito Kiyama, and Yoshiyuki Tagawa
  • 学会等名: 69th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 発表場所: Portland, USA
  • 年月日: 2016-11-20
  • 国際学会
• [学会発表] 液体急加速時のキャビテーション発生条件 (2016)
  • 著者名/発表者名: 栗原千尋，工藤帆乃香，木山景仁，田川義之
  • 学会等名: 日本機械学会第94期流体工学部門講演会
  • 発表場所: 山口大学 常盤キャンパス（山口県宇部市）
  • 年月日: 2016-11-12
• [学会発表] Effects of a water hammer and cavitation on the motion of a gas-liquid interface (2016)
  • 著者名/発表者名: Akihito Kiyama, Chihiro Kurihara, Keisuke Hayasaka, and Yoshiyuki Tagawa
  • 学会等名: The 24th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics
  • 発表場所: Montreal, Canada
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] 液中圧力波が集束液体ジェット速度に及ぼす影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 木山景仁，早坂啓祐，田川義之
  • 学会等名: 日本混相流シンポジウム2016
  • 発表場所: 同志社大学 今出川キャンパス（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-08-08
• [備考] キャビテーションの発生条件を解明（東京農工大学プレスリリース）
  • URL: https://www.tuat.ac.jp/outline/disclosure/pressrelease/2017/20170801_01.html