2016 Fiscal Year Annual Research Report
静電場・超音波ハイブリット浮遊法を用いた非接触無容器プロセス制御技術の開発
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15H03925
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
阿部 豊 筑波大学, システム情報系, 教授 (10241720)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北畑 裕之 千葉大学, 大学院理学研究科, 准教授 (20378532)
西成 活裕 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40272083)
金子 暁子 筑波大学, システム情報系, 准教授 (40396940)
渡辺 正 福井大学, 附属国際原子力工学研究所, 教授 (50391355)
金川 哲也 筑波大学, システム情報系, 助教 (80726307)
松本 聡 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 有人宇宙技術部門, 主任研究開発員 (90360718)
長谷川 浩司 工学院大学, 工学部, 准教授 (90647918)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 音場浮遊 / 静電浮遊 / 無容器プロセッシング / 非接触マニピュレーション / 液滴 / 宇宙環境利用 / 非線形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
異なる流体を混合・撹拌し、濃縮・反応・相分離させた後に、混合流体を蒸発・乾燥させるなどのプロセスは、創薬などの医学バイオ分野ならびに化学分析分野などにおいて不可欠のものである。しかしながら、超高純度の微量成分を取り扱おうとする場合、溶媒の容器壁への付着や不純物の残留の問題の顕在化が指摘されており、非接触での熱流体プロセス制御技術の実現が切望されている。本研究では、超音波浮遊法と静電浮遊法をハイブリッドに用いることで、非接触無容器でのプロセス制御技術の実現を目指している。今年度は、昨年度に設計・製作した浮遊制御システムを運用し、液体の浮遊制御実験を行って、浮遊液滴の合体・混合・撹拌・分離がどのように行われるかについての実験的知見を収集した。さらに、蒸発挙動と内外部流動が共存する浮遊液滴の浮遊安定性ならびに界面輸送特性を評価するための手法を構築した。
液滴の非接触マニピュレーションの実現を目指し、超音波フェーズドアレイを用いた音響浮遊システムを開発した。音場制御により任意の位置に2つの局所定在波を形成し、複数の液滴の同時浮遊が実現された。さらに、2つの定在波を水平方向に移動させることで、定在波中に捕捉された液滴を移動させ、非接触で合体させる事に成功した。また、音波に振幅変調を施すことで合体後の液滴に対して高次のモード振動を誘起させ、液滴を非接触で高効率に混合する手法実現した。また、非線形音響効果による複雑現象を最小化可能である微小重力環境を用いて、流体マニピュレーションのキーとなる要素技術の開発や液滴に生じる物理現象を解明することを目的とし、航空機を用いた短時間微小重力実験を行った。その結果、微小重力環境において、2つの液滴を同時に浮遊させることに成功し、さらには、液滴を非接触で合体させることに成功した。これにより、液滴の非接触制御技術の更なる開発に有効となる技術が構築された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成28年度は、音場による液滴の浮遊制御実験を行って、揮発性を有する浮遊液滴の合体・撹拌・混合・分離がどのように行われるかについての実験情報を取得し、多成分流体における静電浮遊液滴の界面変形および分裂挙動に関する実験的知見を収集する計画であった。
それに対し、液滴の蒸発挙動と内外部流動の相関に関する実験情報を取得するために、ステレオPIVならびにマッハツェンダー干渉計による計測体系を構築した。飽和蒸気圧の異なる試料に対してステレオPIVを実施し、3次元的な速度場を計測した結果から、音場浮遊液滴の内部流動は揮発性や液滴径に依存して流動構造が遷移することが明らかとなった。さらに、マッハツェンダー干渉計を導入し、非接触密度分布計測を実施した結果、液滴周囲に存在する揮発成分が液滴内・外部の流動構造に影響を与えていることが示された。
静電浮遊法においては、多成分の静電浮遊液滴の内部流動に関する実験情報を取得した。静電浮遊した液滴に対してPIV計測を行った結果、単成分液滴では流動が生じない一方で、多成分液滴では液滴内部に複雑な流動場が生じることが明らかとなった。
また、超音波フェーズドアレイを用いた音響浮遊システムにより、液滴の搬送・合体を実現したのに加えて、液滴に界面振動を誘起することで、液滴の混合効率が向上することを明らかとした。さらに、当初計画には含まれていなかった、短時間微小重力実験を実施し、微小重力下での液滴の浮遊・搬送・合体に成功した。これにより、液滴に生じる物理解明のために理想的な実験環境である微小重力環境での実験を可能とするシステムが構築された。
以上の結果は、浮遊液滴の蒸発過程における非線形でダイナミックな流動挙動の影響について、解析的に定量評価する手法を確立するものであり、多成分液滴の合体・混合・分離などのプロセス制御を実現するための極めて重要な知見を与えるものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度では、静電場・超音波ハイブリッド液滴浮遊システムを実現するために必要となる装置用件ならびに最適条件の同定を行い、多成分液滴の合体・混合・分離などのプロセス制御を実現する。
静電浮遊法においては、多成分流体の液滴を静電浮遊法により浮遊させ、回転による変形・分裂挙動および内部流動挙動を可視化観測するとともに、レーザー粒子蛍光法 (LIF)を用いた多成分液滴の濃度分布計測、粒子イメージ流速計測法 (PIV)による内部流動場の計測を行う。また、浮遊液滴を様々な形状に変形させることによって様々な径の液滴の生成を可能とするための高次モード制御の可能性を探索する。
音場浮遊法においては、音場浮遊装置によって生じる非線形でダイナミックな液滴内外部の流動が、浮遊液滴界面からの蒸発挙動にどう影響するか実験結果と解析の統合を行うことにより、非接触熱流体プロセスに求められる装置の要件ならびに最適条件を同定し、装置の最適化を行う。
また、薬物送達システム(DDS)に使われるマイクロカプセル等を製造する際に必須となる原材料液体の混合・撹拌・相分離ならびに蒸発・乾燥などの全工程を、非接触・無容器で行う技術の実現に際して、製剤工学を専門とする研究者との有機的な連携を行い、ターゲットとする液滴のサイズや物性について検討する。
最終的には、浮遊液滴制御によって、異なる液体を混合・撹拌し、濃縮・反応・相分離させた後に、混合流体を蒸発・乾燥させるなどのプロセスを実現するために必要な科学的・技術的知見を集約する。
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Research Products
(19 results)
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[Presentation] 静電浮遊液滴内の流動と振動挙動2016
Author(s)
野口正晴、松本 聡、金川哲也、金子暁子、阿部 豊
Organizer
日本混相流シンポジウム2016
Place of Presentation
同志社大学 今出川キャンパス（京都府京都市）
Year and Date
2016-08-08 – 2016-08-10
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