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 研究内容

 
ファインバブルに関する研究

 直径100μm以下の気泡をファインバブルと呼ばれています。さらに、直径1〜100μmの気泡をマイクロバブル、直径1μm以下の気泡はウルトラファインバブルと呼ばれています。

   


 ファインバブルは三菱電機社製の”バブルのお風呂”や、東芝社製の洗濯機”ウルトラファインバブル洗浄”などの製品も販売されており、一般的にも耳にする機会も多くなりました。
  ファインバブルの発生方法には様々ありますが、超高速旋回方式、加圧溶解方式が主要な発生方式となります。現在、本研究室では、旋回方式(OKエンジニアリング社製)、加圧溶解方式(三相電機社製)、旋回+加圧の複合方式(西山ポンプ社製)の3種類を使用しております。下記は、複合方式によるマイクロバブル発生の一例となります。

   
  複合(旋回+加圧)方式
(西山ポンプ社製
 

 ファインバブルは、一般的な数mm以上の気泡とは違い、様々な効果を秘めています。過去にさかのぼると、2000年頃に、広島のカキ養殖にマイクロバブルを適用し、非常に大きな成長促進効果が得られたというところから、大きな広がりを見せています。当時は、”魔法の泡”と呼ばれ、以降、ファインバブルには様々な効果があることが報告されています。代表的な効果や実用例は以下の通りです。

効果 実用例
成長促進作用
生理活性(殺菌)効果
農業(野菜・果物他)、水産業(カキ・真珠他)
温泉、各種菌の殺菌 など
洗浄効果 トイレ・お風呂・配管洗浄、野菜・食品洗浄 など
環境改善効果 分離浮上、溶存酸素量の向上 など
医療 造影剤、医薬品 など
工業的利用 摩擦低減効果(配管、船舶)、エネルギー低減 など

 実は、まだそのメカニズムが明らかにされていないことも多く、また、適用例もどんどんと増えていっているため、またまだ、広がり続ける技術となっています。
 本校では、ファインバブルに関する研究として、大学・高専・企業と連携のもと、以下のテーマを行っています。

1.マイクロバブルを用いた分離浮上に関する基礎研究
 マイクロバブルを汚水中で発生させると、固形物を浮上分離することが可能で、この技術は食品を扱う工場や、下水処理場などで応用されています。一方で、マイクロバブルと固形物の相性(気泡径やゼータ電位など)が悪ければ、効率的に浮上分離をすることは出来ません。しかし現状では、装置の多くが経験則から作られており、浮上分離に適した、詳細な関係性が明らかにされていません。そこで、本研究では、マイクロバブルと固形物の関係が、分離浮上特性に及ぼす影響について調べています。

   
  小麦粉の浮上分離の様子 小麦粉粒子とマイクロバブルの付着の様子  

2.ウルトラファインバブルによる床面洗浄に関する研究
 ファインバブルは、配管内の洗浄、食品(野菜等)の洗浄、シリコンウエハーの洗浄など、様々な洗浄に用いられています。また、洗剤を利用しなくても良い(大幅に削減可能)という利点もあります。その中で、ウルトラファインバブルを用いた洗浄の代表例として、NEXCO西日本管轄区域における高速道路SAのトイレ洗浄がある。本研究では、更なる応用として,自動洗浄機へウルトラファインバブルを適用した場合の、洗浄効果等を明らかにするための研究を行っています。
   
  駅構内で使用されている自動洗浄機例  

3.ファインバブルによる配管洗浄
 ファインバブルは、三菱電機社製の”バブルのお風呂”にも代表されるように、配管内の洗浄にも用いられています。しかし、洗浄にファインバブルが有効かどうかは洗浄対象となる物質の性質が重要になってによるところが大きく、また、学術的な観点からその詳細なメカニズムについても、明らかにされていません。本研究では、配管内洗浄を対象として洗浄性や洗浄メカニズムを解明すること目的としています。また、実用的な応用として、温泉施設における配管スケール防止・除去を検討しています。
流体機械に関する研究

.右心補助人工心臓ポンプ内の軸振動に関する研究
 補助人工心臓ポンプは機能不全の心臓の補助として心臓に直結される形で利用されています。心臓の機能不全は約80%が左心側で生じていることから、左心補助人工心臓(LVAD)がまず開発され、既に実用化されています。一方で、右心補助には現状LVADが流用されていますが、右心側は肺の循環がその役割であり、体全体に循環する左心側より流量や圧力が大きくないため、LVADは非設計点(低流量側)で運転されています。一般的にポンプを非設計点で運転する場合には多くの不安定現象が生じることが知られており、人工心臓ポンプの場合も、同様の問題が生じることが考えられます。そこで、右心補助人工心臓ポンプの確立にむけ、国立循環器病センターと大阪大学が共同で体内植込み型右心補助人工心臓を開発しています。本ポンプでは、血液の破壊溶血を防止するために,下部と上部に磁気駆動と動圧軸受システムを設けることで、完全非接触での運転が実現されていますが、運転時における羽根車とケーシングの接触やその安全性は不明となっています。また、軸受隙間が羽根車の安定性に及ぼす影響も、明らかにされていません。そこで本研究では、羽根車の軸振動を測定し、その安定性を解明することをはじめ、その安定性に影響を及ぼすロータダイナミック流体力などを調べています。
開発中の右心補助人工心臓
(左)全体 (右)羽根車
羽根車の軸振動測定例 数値流体解析による高せん断領域の予測
(羽根先端付近で高いせん断応力が発生)

.数値流体解析(CFD)を用いた渦流ポンプの高効率化に関する研究
 ポンプには、羽根車を回転させて流体を送るターボ型と、ピストンなどの容積変化で流体を送る容積型に大別されますが、特殊系ポンプとして渦流ポンプがあります。渦流ポンプは、羽根車の先端に多数の溝を設け、溝とケーシングの間に発生する渦のエネルギーで昇圧を行うポンプであり、ターボ型と同様、比較的簡単な構造で容積型と同程度の高揚程が得られます。また、ターボ型に比べエアロックしにくいため空気を含む流体の輸送にも応用されています。しかし、渦流ポンプは流量が小さく、効率も30 %程度以下と低いという致命的な欠点を有しています。一方で、渦流ポンプにおけるこれまでの研究において、実験的に形状による影響が検討されています。また、数値流体解析(CFD)を用いて理論式の改善も報告されているものの、2000年初め以降、一般的な渦流ポンプの効率改善に関する研究は報告されていません。これは、2000年代に入りCFD技術が急速に発展し、ターボ機械の性能改善に大きく寄与してきましたが、渦流ポンプに対しては検討されておらず、性能改善の余地が大きく残されていることを示しています。そこで本研究では、CFDを用いて,渦流ポンプの性能改善を行うことを目的としています。
 
渦流ポンプの形状 CFDによる揚程予測 羽根間に生じる渦構造の一例

平成31年度追加予定テーマ
数値流体解析による波力発電用タービンの高効率化に関する研究(平成31年度から予定)
・汎用ポンプへのファインバブル適用による省エネ化に関する研究(平成31年度から予定)


その他

1.航空機翼に対するねじり下げによる翼端失速改善に関する可能性の検討
 近年、航空機の構造に対するブレイクスルーにより抜本的な機体性能の向上を模索する動きが加速しています。中でも、飛行中、翼の形状を連続的に変形させるモーフィング翼は最も革新的な技術といえます。本研究では、モーフィング翼技術のひとつとして、航空機翼のねじり下げに注目しています。ねじり下げとは、翼根から翼端にかけて迎え角が徐々に小さくなるように翼を設計することで、翼端失速を防ぎ翼根から失速が始まるようにすることです。本研究では、数値流体解析を用いて、このねじり下げによる翼端失速改善の可能性の検討を行っています。

2.鉛直管内における旋回気液二相流に関する研究

 気体と液体が混ざった流体を気液二相流と呼んでおり、工学的には色々なところで見れらます。その代表的な利用例にはエアリフトポンプがあります。エアリフトポンプは垂直に置いた鉛直管内に水を満たし、下部から空気を送り込むとで、密度差により上昇流が発生させることが可能であり、海底にある土砂などを引き上げることが可能となります。しかし、上昇させる力は弱いため、比重の小さなものしか上昇させることができません。本研究室ではこれまで、鉛直させる液体に旋回力を加えることで、上昇性能が向上することを明らかにしています。そこで、本研究では、鉛直管内を気泡がどのように流動するかという流動特性を初め、旋回気液二相流中の圧力損失特性や単一粒子の浮上効果などについて調べています。

旋回気液二相流に流動様式
←気体量小      気体量大→
単一流浮遊の様子

.工学教育用ホバークラフトに関する研究
 ホバークラフトは空気の力を用いて、浮上して移動する装置です。過去には、海上移動用フェリー等に利用されていましたが、現在は維持コストの面から一般に乗車できる機会はなく、救助用の特殊車両としての利用のみとなっています。しかし、ホバークラフトは浮上して移動できるため、非常に面白い乗り物であることは事実であり、工学教育用としても非常に価値がある装置です。また、ホバークラフトの原理を用いて、重量物の浮上移動装置への応用も期待されます。
 本研究室では、これまで、掃除機を用いた簡易的なホバークラフトを製作し、オープンキャンパスや各種公開講座での乗車体験を行っています。非常に小さい力で押すことができ、滑りながら移動できるため、体験者からは非常に好評を得ています。本研究ではこのホバークラフトの改良を年々行っており、無線化や自走可に向けて研究を行っています。

ホバークラフトの外観 自走システムを装着 ホバークラフトの乗車体験の様子



 設備


流体実験室

 流体実験室は全国の高専や大学の中でも数少ない高さ方向に余裕を持った実験室となっており、高さ10mの実験装置が設置可能となっています。

 

高速度ビデオカメラ

 高速現象を撮影可能なビデオカメラとなります。ミルククラウンの撮影例は公開講座のページにありますので、是非ご覧ください。

メーカー:株式会社フォトロン

型番:FASTCAM MC2.1

 

レーザードップラー流速計(1次元)

 流れの中の流速や乱流変動成分を非接触で取得することができます。

メーカー:Dantec Dynamics A/S

型番:3230H-PC

風洞実験装置

 風速(〜30 m/s)、試験領域30cm角の汎用の風洞実験装置です。

 

可視化用煙発生装置

 流れの可視化用の可視化用煙発生装置です。

メーカー:KANOMAX

型番:Model 8304

 

レーザーライトシート装置  

 可視化用の、100mW、1Wのレーザライトシート装置です。

数値流体解析用ソフトANSYS

 ANSYSは流体解析の分野で、多く利用されているソフトであり、様々な流体解析が可能です。上記、研究内容の各研究テーマ内にいくつかの解析例も紹介していますので、ご参考下さい。

   

 

 

数値流体解析用ソフトOpenFOAM

 OpenFOAMはオープンソースの熱流体解析ソフトであり、無料で使用できるという大きなメリットがあります。また、近年、解析精度も急速に発達しており利用する企業も増えています。本研究室でも、本ソフトを用いて、その精度等の検証をしています。ご興味のある方は、お声掛け下さい。

 

その他

 精密電子天秤、粘度計、溶存酸素計などの測定装置があります。


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