無重力下での材料製造過程におけるマランゴニ対流の研究

• Material Type: 文書・図像類
• Title: 無重力下での材料製造過程におけるマランゴニ対流の研究
• Author/Editor: 塩冶, 震太郎; 桑原, 啓一; 内田, 博幸; 落合, 淳一; 秋吉, 亮; 小原, 明子; Enya, Shintaro; Kuwahara, Keiichi; Uchida, Hiroyuki; Ochiai, Junichi; Akiyoshi, Ryo; Ohara, Akiko
• Author Heading: 塩冶, 震太郎; 桑原, 啓一; 内田, 博幸; 落合, 淳一; 秋吉, 亮; 小原, 明子; Enya, Shintaro; Kuwahara, Keiichi; Uchida, Hiroyuki; Ochiai, Junichi; Akiyoshi, Ryo; Ohara, Akiko
• Publication, Distribution, etc.: 宇宙開発事業団
• Publication Date: 1994-10-20
• Publication Date (W3CDTF): 1994-10-20
• Alternative Title: Study on Marangoni convection in material processing process under microgravity environment
• Periodical title: 宇宙開発事業団技術報告 = NASDA Technical Memorandum
• Pages: 851-893
• ISSN (Periodical Title): ISSN : 1345-7888
• Text Language Code: jpn
• Subject Heading: 微小重力環境; マランゴニ対流; 1方向凝固; 結晶成長; 流れの可視化; パラフィン; トレーサ法; 自由表面; 液柱; 界面活性剤; 融解; ビデオ画像; 画質; 温度分布; ブリッジマン法; microgravity environment; Marangoni convection; unidirectional solidification; crystal growth; flow visualization; paraffin; tracer technique; free surface; liquid column; surfactant; melting; video image; image quality; temperature distribution; Bridgeman method
• Target Audience: 一般
• Note (General): 宇宙での微小重量状態を利用した材料製造において、融液の表面に温度差が存在するため表面張力差に起因した対流(マランゴニ対流)が発生して、凝固成長する結晶の性質に大きな影響を与える可能性がある。この流れの解明を目的として、1方向性の結晶成長過程(アンプル内に結晶を封入し軸方向に結晶成長させるブリッジマン法)を模擬した系で流動可視化実験を行った。実験結果を別に行う数値シミュレーションと融合すれば、マランゴニ対流およびそれによる熱伝達、物質伝達の予測が可能となる。さらに流れ、熱伝達、物質伝達と結晶成長の関係を明らかにすれば、それらを制御することにより良質の結晶を得ることが期待できる。実験は、微小重量状態で融液がアンプルの壁面と接触せず自由表面が円柱面に一様な幅で成長結晶側に生じる場合をモデル化した。その中で発生する流れを可視化するために透明なパラフィン液を使用した。微小重量状態でパラフィンを融解後、温度差を持つ自由表面を形成し、液柱内のトレーサの動きをテレビカメラで撮影した。実験の目的は要約すれば、(1)自由表面を持つ液柱の形成、(2)流れの可視化、(3)マランゴニ対流および結晶成長を模擬した凝固現象の観察であり、これらをシリーズ化して実施した。得られた主な結果を以下に述べる。(1)宇宙の微小重量状態を利用して直径25mm,長さ24mmの液柱の低温側に長さ6.5mmの自由表面を形成し、実験中継続して安定に保持することができた。(2)実験ではビデオに液柱の可視化画像(液柱形状、液柱内のトレーサ)を記録することができた。但し、画像の鮮明さは不十分であった。(3)自由表面上の温度差の形成、微小重量下での浮力対流抑制という条件が満たされたにも拘らず、マランゴニ対流が発生しなかった。試料を回収し成分分析や地上実験を行った結果、界面活性剤が外部から試験液体に混入して自由表面が汚染されたことによりマランゴニ対流が発生しなかった可能性が非常に高いことがわかった。(4)無対流下での凝固現象においては凝固界面が平坦に進行し、融解現象においては未融解部が液体中に浮遊し地上よりも融解が遅くなることが確認された。今回、マランゴニ対流が発生せずその観察ができなかったので、主目的の1つが残ったことになる。そこで、汚れの混入防止対策および撮影機器と光学系の性能向上を図り、宇宙での再実験が是非とも必要である。; Owing to generation of convection due to difference of surface tension based on temperature difference of surface of melts (Marangoni convection) in material processing utilizing microgravity in space, properties of crystal to be solidified and grown may be greatly affected. For the purpose of elucidating the liquid flow, experiment of flow visualization was carried out on system which simulated process of unidirectional crystal growth (Bridgeman method which seals crystal in an ample and makes crystal grow along axis). By combining the results of experiment and results of separately performed numerical simulation, it is possible to predict Marangoni convection and thereby heat transfer and mass transfer. In addition, if the relationship between heat transfer or mass transfer and crystal growth become clear, it is expected to obtain high quality crystal by controlling these parameters. The experiment was performed which simulated the case of forming the free surface at the grown crystal side with uniform width without contact of fused liquid to the ample wall under microgravity. Transparent paraffin liquid was used to visualize the flow in the liquid. After the paraffin was melted under microgravity, the free surface with temperature difference was formed and the movement of the tracer was took a picture by TV camera. In summary, the objects of the experiments are as follows: formation of liquid column with free surface, flow visualization, and observation of solidification phenomenon which simulate Marangoni convection and crystal growth. These experimental items were carried out in series. Under microgravity, the liquid column (25 mm in diameter, 24 mm in length) with the free surface (6.5 mm in length) was formed and maintained stably. The visualized images of the liquid column (shape of the liquid column, tracer in the liquid column) had been recorded in the video tape. But, the image quality was not sufficient. In spite of provision of requirements of formation of temperature difference on the free surface and suppression of buoyancy convection under microgravity, Marangoni convection did not occur. As result of constituents analysis and ground surface test after recovery of the samples from space, it was found that there was high possibility which Marangoni convection was suppressed by contamination of the free surface due to mixing of surfactant from outside into the liquid to be tested. Under no flow condition it was observed that solidification of interface developed flatly in solidification phenomena and the melting speed became slower than on ground surface because of floating of solid part of sample. In the present experiment, Marangoni convection did not occur and it was not observed. therefore, further experiments must be done after prevention of contamination and improvement of optical system and camera.; 資料番号: AA0004116019; レポート番号: NASDA-TMR-940002 V.2
• Source: https://jaxa.repo.nii.ac.jp/?action=repository_action_common_download&item_id=41093&item_no=1&attribute_id=31&file_no=1
• Access Restrictions: 限定公開
• Data Provider (Database): 国立情報学研究所 : 学術機関リポジトリデータベース（IRDB）（機関リポジトリ）; https://irdb.nii.ac.jp
• Original Data Provider (Database): 宇宙航空研究開発機構 : 宇宙航空研究開発機構リポジトリ