水‐油混合液の冷却壁面への氷結力と印加電圧の関係の解明
Clarification of relationship between ice adhesion force of water-oil mixture to cooling wall and applied voltage
精密工学専攻
9
号大瀧 久義
Hisayoshi Otaki
1．緒言
氷の付着・氷結現象は，様々な分野で問題となっている．
その中の一例であるダイナミック型氷蓄熱システムは，流動 性のある氷を用いることから熱負荷追従性に優れ，冷熱の運 搬も容易であり，優れたシステムである．しかし問題点も多 く，その中に管内閉塞，壁面氷結などがある．これらの問題 は，システムのストップやエネルギーのロスに繋がり，その 解決手段の検討は急務である．
我々はダイナミック型氷蓄熱の蓄熱材として水‐油混合 液を撹拌冷却して氷スラリ‑を生成してきた．このとき，攪 拌によって混合液には静電気が発生する．帯電した油に電圧 を印加することによって油を容器壁面に引き寄せることが できれば，生成された氷と伝熱面との間に油が介することと なり，伝熱壁面への氷結力の抑制につながる可能性がある．
そこで本研究では，帯電した水‑油混合液中の油の電場内に おける挙動を観察し，ステンレス管内に生成される氷への印 加電圧の効果について検討する.
2.予備実験
2.1 伝熱面と水との間に油が介在する場合の氷の成長観察 我々は，本研究の妥当性を確認するため，伝熱面と水との 間に油が介在する場合，油の効果によって伝熱面への氷の付 着を防ぐことが可能であるか確認する実験を行った．
伝熱面と水との間に油の層を介在させ，氷を生成した．水 の過冷却解消後の画像を Fig.1 に示す．上部が伝熱面で，銅 製，表面温度は約‑10[℃]である．油層（約 0.5[mm]）を介し て水の層である．観察の結果，油層から過冷却解消が生じ，
その後氷を成長させても伝熱面に氷が付着することは無か った．伝熱面に油を引き寄せることで氷の付着を抑制するこ とが期待できる．
2.2 攪拌混合液に生じる帯電現象
今回の攪拌・混合系における静電気の発生の機構は，液体 の流動帯電，混合・攪拌帯電，接触分離による静電気の発生 が混ざり合ったものである．攪拌液体と容器壁および攪拌翼 との流動による液滴同士や，液‐固間の相対運動によって静 電気が発生する．ここで，流動帯電とは，電気伝導率が低い 液体が配管を流動するときに生じる帯電現象で，油単独の場 合，金属との接触で油は負に，絶縁物との接触で正に帯電す ると言われている．実験系ではこれらの現象が混ざり合って いるため，実験系の特性を確認する必要がある．
本研究での攪拌系に関する帯電現象について文献[1]で検 討されている．今回の系に関しては，油が負に帯電すること，
含水率による帯電量の違い，翼の大きさによる帯電量の違い，
一定時間で帯電量が最大値をとること，攪拌を止めると帯電 量が減少することなどがわかっている(1)．研究に使用してい る攪拌翼の大きさ，攪拌速度は，帯電量を最大にするための
Cooling wall
検討が行われた結果からの値である．例として液表面電位の 含水率による比較の結果を Fig.2 に示す．含水率 40〜60[%]
で最大値をとることが確認できる(1)．本研究を遂行するにあ たり，帯電量を考慮して含水率 50[%]の混合液を用いること とする．
3.実験・実験方法
3.1 常温における水‐油混合液の挙動観察実験
実際に，帯電した水‐油攪拌混合液が電場を発生させた円 筒管内においてどのような挙動を示すのか観察する実験を 行った．実験装置を Fig.3 に示す．実験容器は内径 80[mm]，
高さ 100[mm]のステンレス製で接地である．また，底部はア クリル製で非接地である．定電圧発生装置のプラス端子を接 地，マイナス端子を電極である攪拌棒（ステンレス製）に接 続する．すると，負に帯電した油が壁面側に引き寄せられる 方向に電場が発生する．
ステンレス容器に油を 200[ml]入れ，180[rpm]で攪拌しな がら水を 3.5[ml/sec]の速さで入れる．30[min]攪拌した後に 定電圧発生装置により電場を発生させ，その挙動を下からデ ジタルビデオカメラで観察を行った．また，実際の組成を確 認するため，壁面近傍の混合液を採取し，組成を測定した．
Oil film Ice Water
Fig.1 Dissolution of supercooling interface between oil and water on cooling wall（1）
0 20 40 60 80 100
-1
-0.5
0
Water content [%]
Static electricity [kV]
Fig.2 Relation between amount of static electricity and water content（1）
混合液の含水率は 50[%]とし，印可電圧は‑50,‑100,‑200[V]
と変化させて実験を行った．使用した油は，シリコンオイル TSF451‑100 である．
3.2 冷却時における攪拌混合液への電圧印加実験
当研究では，例えば氷蓄熱のような氷を作る系を想定して いるため，冷却状態における水‐油混合液の挙動を検討する 必要がある．今回，氷が生成されない温度下で，極力温度を 下げた状態すなわち 1[℃]の液温で同様に電場内における攪 拌混合液の挙動を確認した．使用するシリコンオイル粘度を 変化させて，その影響についても確認した．
実験方法としては，予め 1[℃]に冷やしてある容器に恒温層 で 1[℃]に冷やした水とシリコンオイルを入れ 3.1 同様に混 合液を作成し，30[min]撹拌した後，電圧を印加して電場を 発生させ，混合液の挙動を観察した．また，電圧印加時の容 器内壁面の含油率を測定した.垂直方向の濃度を確認するた め，Fig.3 に示すように容器壁面の上部(A)・中部(B)・下部 (C)の 3 箇所をシリンジで採取した．混合液の含水率を 50[%]
とし，使用したシリコンオイルは 45,90,140[mm2/s]の 3 種類 で，印加電圧は 0,‑50,‑100.‑200.‑300,‑400,‑500[V]の 7 種 類を中心に実験を行い比較した．電圧は必要に応じて細かく 設定した．尚，4.3 節冒頭にオイル粘度の選定に関して記載 した．
3.3 混合液の冷却面への氷結力の測定
そこで，実際に氷を生成する系において攪拌混合液に電圧 を印加して，円筒管内壁面近傍の油の含有率が高い状態にお いて円筒管内に氷を生成し，印加する電圧と氷の付着力との 関係を確認した．
実験装置については，冷却装置を Fig.4 に，付着力測定装 置を Fig.5 に示した．Fig.4 は冷蔵庫，実験容器，定電圧発 生装置，恒温層，データロガー，パソコンから成っている．
Fig.5 は容器，モーター，ロードセル，スイッチング電源，
データロガーから成っている．
実験方法は，攪拌までは 3.1 と同様である．冷却済みのそ れぞれの粘度のシリコンオイルと水を 180[rpm]で攪拌し，
30[min]攪拌後，‑4.0[℃]のブラインを冷却系内に流し，冷 却を開始する.混合液温度が 0.5[℃]になったら電圧を印加 し始め，‑0.5[℃]まで液温が下がったら過冷却を解消させる ために氷核を投入する.過冷解消後，30[min]攪拌冷却し，
Fig.5 に示すように，生成された円筒状の氷を上に引き上げ，
円筒状の氷とステンレス容器との間の付着力を測定する．モ
ーターの送り速度は 1[mm/s]で，フックとモーターの間にロ ードセルを挟むことで，氷がずれたときの最大付着力を測定 した．
Plus terminal
Constant-voltage Generating equipment Grounding
4.実験結果・考察
4.1 常温における水‐油混合液の挙動観察実験実験結果 混合液の電場内における挙動の様子として，電圧印加前の 様子と‑100[V]印加後の様子を容器下部から撮影した結果を Figs.6‑(a),(b)に示した．オイルレッドにより，油のみが染 色されている．Fig.6‑(a)は電圧を印加する前の画像で，
Fig.6‑(b)は電圧印加後 60[sec]の様子である．電圧印加前に おいては水‐油が均一に分散している様子がわかる．電圧印 加後，徐々に中央部の透明な部分が大きくなり，約 60[sec]
で変化がなくなる．Fig.6‑(b)では電極から壁面にかけて色 が薄くなっていて壁面近傍の色が濃くなっている．色の透明 な部分は着色されていないので水である．観察結果としては，
電圧を印加することで，壁面方向への油の引き寄せ効果が確 認できた．
4.2 容器壁面の液の組成について．
次に，実際に壁面近傍の混合液を採取し，その組成を確認 した．尚，混合液液面の水平方向の組成を確認した結果，
Fig.6‑(b)における透明な部分の含油率は下がっていた．次 に垂直方向の組成を確認するため，Fig.3 に示すように，壁 面近傍の上部(A)（液面から20[mm]）・中部(B)（液面から Fig.3 Experimental apparatus for observation of
behavior of stirred mixture in electric field (A)
Minus terminal Metallic conduit
Sample (B)
Acrylics board (C)
Grounding
Fig.４ System overview
Fig.5 Measuring equipment of adhesion force
45[mm]）・下部(C) （液面から75[mm]）に分けて混合液の 採取を行った．結果の一例として‑100[V]印加した結果を Fig.7 に示す．縦軸が採取液中の油の含有率を表し，横軸が 採取位置を表している．図中●印が電圧を印加する前の結果 を，△が電圧印加後の結果を示している．尚，混合液の採取 は，攪拌中に行っている．
Fig.7 をみると，電圧を印加した結果，上部・中部・下部 共に含油率が上昇していることがわかる．この現象は他の電 圧を印加した場合についても同様になる．以上から，帯電し た攪拌混合液中の油を電場の影響により壁面に引き寄せる ことが出来ることが確認できた．Fig.8 に，上部・中部・下 部の 8 回ずつの実験の平均値を印可電圧により比較した．結 果から，電圧の上昇に伴い，油の引き寄せ効果も大きくなる ことが確認できた．
4.3 冷却時における攪拌混合液への電圧印加実験結果 TSF451‑100 を用いて 1[℃]における電圧実験を行った際，
壁面への油の引き寄せ効果がほとんど得られなかった．その 理由として，冷却したことによるシリコンオイルの粘度の上
昇が考えられた．TSF451‑100 は，1[℃]で 180[mm2/s]程にな る．そこで，実験に用いるシリコンオイルの粘度を低く設定 し，粘性の効果を確認した．
壁 面 近 傍 の 混 合 液 を 採 取 し た 結 果 の 代 表 例 と し て ， Fig.9‑(a),(b)に，45[mm2/s](1[℃])と 90[mm2/s]([1[℃]]の シリコンオイルを用いた 50[%]混合液にそれぞれの電圧を印 加した結果を示した．図中●は Fig.3 に示した内壁面上部(A) の含油率の結果を，△は中部(B)の結果を，◇は下部(C)の結 果をそれぞれ表している．Fig.9‑(a),(b)をみると，電圧を 印加した結果，電圧の上昇に伴って，上部・中部・下部共に 壁面近傍の含油率も上昇している．
Fig.9‑(a)に示した 45[mm2/s]の場合，‑250[V]あたりで壁 面近傍含油率が最大の値を取り，それ以上の電圧を印加して も壁面近傍の含油率が大きく変化することは無かった．電圧 を印加する前は均一に粒状に分散していた混合液が電圧を 印加することで壁面側に分離し，容器内壁面近傍に油の高含 有率層が出来る．挙動としては，‑50[V]〜‑500[V]の全ての 電圧で，Fig.6‑(b)のような壁面近傍に油の高含有率領域が 出来るような挙動を示す．電圧が高くなるとその領域の濃度 も上がり，‑250[V]あたりで最大値をとる．
Fig.9‑(b)に示した 90[mm2/s]の場合は，‑200[V]あたりで 最大値をとり，45[mm2/s]の場合同様，それ以降の大きな変 化は無くなる．粘度が上がったことによって分散した水滴が 移動するための抵抗が増し，電圧を印加した際，油の壁面方 向への挙動が小さくなると考えられる．‑50,‑100[V]程度の 小さな電圧では電圧を印加しても混合液は Fig.6‑(b)のよう に壁面近傍に層が形成されず，壁面近傍の含油率は上昇する が，水の滴が粒形状を保ったまま存在する．
-500 -400 -300 -200 -100 400
50 60 70 80 90
Voltage[V]
Oil content[%] Upper(A)
Middle(B) Lower(C)
(a)Before impression (b)-100[V]impressed Fig.6 Photographs of charged oil-water mixture in
electric field (Water content 50[%], -100[V])
20 40 60 80 100
Before impression Applied voltage-100[V]
Oil content[%]
(a) Result of 45[mm2/s]
0
(A) (B) (C)
-200 -100
00 20 40 60 80 100
-50
Voltage[V]
Oil content[%]
-500 -400 -300 -200 -100 400
50 60 70 80 90 100
Voltage[V]
Oil content[%]
Upper(A) Middle(B) Lower(C)
Fig.7 Composition of sampling mixture
(50[%],–100[V])
(b) Result of 90[mm2/s]
Fig.9 Composition of sampling mixture (TSF451-45,90,1[℃])
Fig.8 Comparison with impressed voltage
(TSF451-100, 50[%])
4.4 混合液の冷却面への氷結力の測定結果
Fig.11‑(a),(b)にそれぞれ，45,90[mm2/s](1[℃])のシリ コンオイルを用いた実験の結果を示した．測定から得られた 付着力と，予備実験において測定した氷の付着面積から出し た値を付着応力とし，その結果を示した．
45[mm2/s]の付着応力の結果である Fig.11‑(a)と，壁面近 傍含油率の測定結果の Fig.9‑(a)を比較すると，壁面含油率 の上昇と共に，氷の付着応力が低下していることがわかる．
Fig.9‑(a)において，0[V]から‑200[V]まで壁面含油率が上昇 し，それ以降はほぼ変化が無くなるが，Fig.11‑(a)において も電圧の印加をしない場合に最高の値をとり，電圧の上昇と 共に付着力は低下し，‑200[V]以降，付着応力がほぼ等しく なっている． 45[mm2/s]に関しては，Fig.9‑(a)に示す壁面 含油率との相関が見られた．壁面近傍の水の割合の低下が付 着応力の低下に繋がったと考えられる．
90[mm2/s]の結果に関して，電圧を印加した結果,付着力が 上昇してしまっている条件がある．例えば‑50[V]を印加した 場合である．これは，壁面の水滴の状態（粒径）に原因があ ると考えられる． 90[mm2/s]の混合液に‑50[V]のような低い 電圧を印加すると，壁面への油の引き寄せ効果が少ないこと に加え，Fig.12‑(b)のように，壁面近傍に大きな水の粒が留 まる(白矢印部)．このような大きな水滴は壁面近傍に留まり やすく，停滞した水滴が過冷解消と共に壁面に付着し，付着 力の増加に寄与していると考えられる．壁面近傍の液を採取 したものが Fig.10 である．Fig.10‑(a)に示した，‑50[V]を 印加した場合の採取液には大きな水滴が含まれているのに 対して，Fig.10‑(b)に示した‑400[V]の採取液に含まれてい る水滴は小さい．Fig.9 で測定した壁面近傍の水の割合と，
壁面近傍に存在する水の粒子の径が付着力にかかわってい ると考えられる．
そこで，採取した一定量の混合液中の水滴の粒径を測定し た．その結果，水滴 180 個の平均値が‑50[V]で 1.65[mm]とな り,‑400[V]で 0.83[mm]となっていた．この結果からも，壁面 近傍付近の水滴の大きさ，壁面近傍の水の割合が付着力に影 響しているのではないかと考えられる．
4.5 今後の課題
シリコンオイルの粘度や印可電圧のバランスによって，壁 面への油の引き寄せ効果が異なることや，壁面近傍の領域に 分散する水の径が異なることが明らかとなった．氷着を防ぐ ためにはさらに壁面近傍の水を排除する必要がある．そのた めの実験条件や，攪拌方法等を検討し，さらに高含水率の条 件下で効果を挙げることが今後の課題となる．
5.結言
① 帯電した混合液中の油を電場の影響により壁面近傍に 引き寄せられることが出来ることを明らかにした．
② 使用する油の粘度によって挙動が変化することを確認 した．
③ 水‐油混合液に電圧を印加することで，壁面に出来た氷 の付着力を低下させることが出来ることを確認した．
④ 壁面近傍の水滴の付着力への影響に関して検討した．
参考文献
(1) 櫻井英人,中央大学院修士論文,2004
(2) 管寿郎，石井敏次，宮本晃男，山田直也：日石レビュー，
23,2(1981)73‑83
(3) 北 林 宏 佳 ， 辻 孝 誠 ， 伊 藤 恵 一 ： 静 電 気 学 会 誌,27,4(2003)183‑187
(4) 高橋智，鳶尾誠一，藤原人司：静電気学会論文集，2004，
129‑132
(5) 渡辺彰：静電気学会誌，13，1，（1989）45‑51
(6) 矢野武夫ら，混合混錬技術，日刊工業新聞社，東京，
(1980)
(a) Result of 45[mm2/s]
-400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 00 10 20
Voltage[V]
Shearing stress[kPa]
45[cSt]
(b) Result of 90[mm2/s]
Fig.11 Comparison of adhesion force with difference between voltage
-400 -300
-200 -100
00 10 20
Shearing ｓtress[kPa]
Voltage[V]
90[cSt]
Fig. 10 Photographs of Sampled mixture
Fig.12 Comparison of the state of mixture near the surface of a wall( 90[mm2/s])
5[mm]
5[mm]
5[mm]
(a)Before impression (b)-50[V] (c)-400[V]
(a)-50[V] impressed (b)-400[V]impressed
10[mm] 10[mm]
