2017 Fiscal Year Annual Research Report
導体と誘電体を統合する電荷移動モデルの構築と帯電微粒子の状態・運動制御への応用
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17H03442
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
松坂 修二 京都大学, 工学研究科, 教授 (10219420)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 粉粒体操作 / 電荷移動 / 帯電 / 粒子 / 運動制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，実験，数値計算，理論的考察を行い，外部電場制御方式を基礎として，導体と誘電体を統合する全材料対応型電荷移動モデルを構築するとともに，大気圧および減圧下で帯電させた微粒子の状態・運動を制御する応用技術を開発を3年間で実施する。本年度は，粒子の帯電制御，粒子の離脱，浮遊，静電分散の実験を包括できる装置を試作した。粒子に対して，接触帯電，誘導帯電を行わせるために平行平板電極を用い，上部電極あるいは下部電極のいずれかに電圧を印加し，他方を接地する構造とした。応用分野の拡張性を考慮し，大気圧だけではなく減圧下でも実験ができるように工夫した。電圧を印加すると平行平板間には鉛直方向に静電場が形成され，電界強度に応じて粒子は接触帯電あるいは誘導帯電によって電荷が付与された。帯電した粒子には重力および付着力とは逆向きにクーロン力を作用させた。ズームレンズ付高速度カメラを用いて粒子の浮遊現象を録画・再生し，粒子の軌跡と速度をデジタル画像解析が可能なようにした。 粒子の供給は，手動および連続供給の２方式とした。手動方式では，平行平板電極間に粒子層を形成させた。連続供給方式では，傾斜振動板を用いて，粒子を跳躍移動させながら平行平板電極間に粒子を導くこととした。上部電極には，粒子の分散実験を可能にするために網状電極を使用した。浮遊粒子は，吸引式ファラデーカップに粒子捕集し，エレクトロメータで電荷を測定して捕集量から比電荷を求めた。個々の粒子の電荷は，静電場における粒子軌跡の理論解析を応用して求めた。粒子の電荷の推算に必要な静電場は有限要素法を基礎とする数値計算で求め，粒子の運動方程式を基礎として粒子の位置を逐次計算し，粒子の電荷をパラメータとして算出した。粒子の電荷と電界強度の関係および粒子の電荷移動の時間経過から，接触帯電と誘導帯電の違いを評価した。
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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
基礎実験の結果，当初計画の実験装置では，限定された操作変数のため，十分な改良を一度で完了できないことが判明したので，改良の再検討及び性能評価を行う必要が生じたが，計画の遅れは短期間で解消しており，おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
粒子の帯電制御，粒子の離脱，浮揚，静電分散の実験を包括できる装置を使用し，大気圧下，減圧下および窒素置換環境下で詳細な実験的検討を実施する。電極に電圧を印加して静電場を形成し，電界強度に応じて接触帯電あるいは誘導帯電によって粒子に電荷を付与する。帯電した粒子には重力，ファンデルワールス力，電気影像力，分極力，グレーディエント力，クーロン力が作用するが，力の総和として上向きの力が下向きの力を超えさせることにより，粒子を離脱・浮揚させる。ズームレンズ付高速度カメラを用いて粒子の浮揚現象を録画・再生し，粒子の軌跡と速度をデジタル画像解析によって求める。粒子の供給は，手動および自動連続の２方式とする。手動供給方式では，平板電極上に粒子層を形成させて，粒子の浮揚過程を解析する。自動連続供給方式では，傾斜振動板を用いて，粒子を跳躍移動させながら静電場に粒子を導き，粒子の分散性を評価する。浮揚粒子は，吸引式ファラデーカップ内の繊維フィルターで捕集し，エレクトロメータで電荷を測定して捕集量から比電荷を求める。個々の粒子の電荷は，静電場における粒子軌跡の理論解析により求める。多数の粒子を取り扱うため，自動演算処理システムを構築する。粒子の電荷の推算に必要な静電場は有限要素法を基礎とする3次元数値計算で求め，粒子の運動方程式を基礎として粒子の位置を逐次計算し，粒子の電荷をパラメータとして算出する。鎖状凝集粒子近傍の電界は，粒子の配置および誘電率を考慮して不均一電界を高精度で解析するとともに，粒子の電荷移動の時間経過から帯電様式の違いを評価する。
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