Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

凝固 / 水 / 過冷却 / 氷 / 電場 / 電極

水への動的な外乱の付与は、過冷却水の凝固に最も効果的な方法の一つである。本研究では、微弱な電場を付与することによって、過冷却水を凝固させ、その効果・メカニズムについて検討することを目的としている。平成15年度の結果から、炭素に銅メッキを施した電極では、銅が腐食した場合でも、再度メッキを施せば繰り返しの使用が可能であることが分かった.一方、銅デンドライトの形成によって、過冷却解消効果の低下が生じていることが分かった.このデンドライト形成は、加工したメッキ表面の性状に左右されることから、本年度は、炭素への金属メッキを止め、表面が鏡面加工された金属のみを電極に使用して実験を行うこととした.金属にはアルミニウムを使用した.アルミニウムは昨年度使用した銅よりも腐食しにくいことから、繰り返しの使用にも耐えられると考えられる.実験は、試料容器内に設置した過冷却水に電場を付与し、凝固に与える影響を観察・分析した。装置は温度制御・測定系、氷核発生箇所の観察系および電場付与系の3つに区分される。温度制御・測定系では、試料の温度を高精度に制御・測定する。氷核発生箇所の観察系では、凝固の瞬間映像をビデオカメラで記録する。電場付与系では、過冷却水に挿入した電極によって、電場を付与する。実験結果を分析した結果、電場付与によって極めて解消効果を高めることが可能であり、電極は繰り返し使用にも耐えうることを確認した.測定した電流値も銅電極と同様に微弱であり、安全に過冷却水を凝固できることを確認した.撮影した画像を分析した結果、解消個所の多くは陽極であることが分かった.この凝固の要因として、陽極で電気分解したアルミニウムイオンと水分子が水和し、氷結晶構造に類似した構造をとることが考えられる.

氷蓄熱 / 過冷却 / 氷核発現 / 凝固の制御 / 結晶成長速度 / 閉塞過程 / 過冷却水 / 凝固 / 管内流 / 制御 / 不均質核生成 / 固体表面 / 電極 / 直流低電圧 / 確率的

氷蓄熱の高性能化に資する目的で、過冷却水を不均質核生成により凝固させる確率的条件、電気的方法により凝固を瞬時に制御する方策、さらには、過冷却管内流の氷発生に伴う熱流体的過渡現象を基礎的に解明した。
過冷却水を凝固させる確率的条件の研究においては、純水が不均質核生成によって固体表面で凝固する際の冷却速度、固体の表面物性、表面積、表面状態と過冷却解消温度の関係の実験結果をもとに、過冷却水の凝固を支配する各固体に固有な性質を示すパラメータを検討し、各種条件下での過冷却水の凝固現象を一般的に整理できる式について考察した。
電気的方法により凝固を瞬時に制御する方策の研究においては、電圧、電極間距離、電極面形状、過冷度を実験条件として変化させる実験を行い、電気的な方法が過冷却水の凝固を誘発する効果のあることを明らかにした。純水中に微弱に流れる電流値を測定し、凝固過冷度と電流値、時間の関係に基づく確率的概念を導入することにより、凝固が生じる条件を明らかにした。
過冷却管内流の氷発生に伴う熱流体的過渡現象の研究においては、管内を流動する過冷却水中に氷が発現した後の、デンドライト結晶および稠密固相の成長過程を観察するとともに、詳細な測定・解析結果をもとに、稠密な固相の成長速度を律則する一般的な物理現象を示した。また、流動水の過冷却度分布、稠密固相の成長、デンドライト結晶の成長・消滅が複雑に相互依存する、流動過冷却水の過冷却緩和過程のメカニズムを明らかにした。

【研究分担者】
大河誠司	東京工業大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)