JEMEA Bulletin Vol.6 No.2 (2021.9)

進歩賞受賞記念マイクロ波照射による界面での局所加熱の無次元数評価
Evaluation by dimensionless number of local heating at
the interface by microwave irradiation
兵庫県立大学大学院工学研究科 朝熊 裕介
University of Hyogo, Yusuke Asakuma〒671-2280 兵庫県姫路市書写 2167
e-mail: asakuma@eng.u-hyogo.ac.jp
1. はじめに
私は、東北大学の化学工学専攻において、三浦隆可能になった。近年は、卒論および修論におけるテ利名誉教授、青木秀之教授の下でプロセス工学（特ーマの多くが、プロセス工学と関連したマイクロ波に熱工学）を学んだ。兵庫県立大学に着任後は、新関連研究となり、現在に至っている。

たな実験装置を立ち上げる際に、新規現象の発見やこのように、筆者の専門である化学工学と融合し高効率プロセスの構築を目指し、オリジナルの研究ユニークな研究を発案することを重視してきた。ま

テーマを考案しつつ、実験装置の作成やプログラムた、他の研究の追随ではなく、世界的に見ても類を解析コードの作成に取り組んでいる。その過程で見ない装置を作成することを心掛けてきた。さらに、10 年程前に、マイクロ波の研究と出会い徐々に研プロセス工学的な視点を重視しながら学術的検証を究テーマを増やしていった。当初は、化学工学の分行っている。

野では、マイクロ波は加熱効率や加熱速度の向上と今回、次節で示すようなプロセス工学的な視点かいう認識が強く特殊効果には懐疑的で、マイクロ波らの研究テーマ「マイクロ波照射による界面での局の研究に挑戦することはチャレンジングな面もあっ所加熱の無次元数評価」で日本電磁波エネルギー応た。一方で、化学プロセス構築に向けて基礎的な研用学会の進歩賞の栄誉を賜り、大変光栄に思ってい究が不足しているという直感を信じ、次節に示すマる。同時に、受賞に際し、一緒に実験を行った学生

イクロ波関連テーマを立ち上げていった。特に、反諸子をはじめ多くの共同研究者の皆様のご支援に深応促進のテーマは多いものの、化学工学の分野におく感謝する。

いて熱や物質の移動現象的な視点からマイクロ波の2. マイクロ波照射下での観察事例効果を検証した研究は皆無であったことから、専門の熱工学的視点からマイクロ波研究の問題点や必要現在の主要なテーマとして、マイクロ波と専門の性を中心に学会などで報告している。マイクロ波は熱・流体の分野と融合し、新しい現象の発見や解明

高効率加熱、急速加熱、選択加熱等の特徴があり、を目指している。特に、化学プロセスに関する「特熱的な効果の考察や装置作成の際は学生時代からの殊環境下における界面を含む対流や特殊効果」に注知識や経験は有用であった。異分野からの挑戦であ目している。初期の研究として、浮力が駆動力となったものの、研究が進展するにつれて基礎データのる対流(レイリー・ベナール対流)の観察に挑戦し、蓄積から新たな知見も見つかるようになった。そのマイクロ波によって対流や相分離が制御可能である

結果、学際領域という特徴を活かし助成金申請等でことを発見した。この経験から、他の微細な領域で独創性をアピールすることで、資金やテーマの連続の対流も外部因子によって影響されると確信し、マ性の点で好循環となり、研究テーマの新たな展開がイクロ波が局所的にマランゴニ効果にとって重要な

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界面での温度勾配や濃度勾配に影響を及ぼすと予想活性剤の脱着のような界面での移動現象を特徴づけした。さらに、流体工学で流れの可視化として多用る指標として学術的に認められ、更なる学問的な体される PIV(Particle image velocimetry)技術を駆使し、系化に向けて検証を進めている。

マイクロ波照射下において、温度勾配や濃度勾配に4. 無次元数を用いた今後の研究よる表面張力差が駆動力となる対流(マランゴニ対流)の観察を行い、非接触で微細領域を攪拌できる

この筆者らが提案の無次元数は、対流や界面でのことを発見した。また、この界面でのマイクロ波集特異現象だけでなく反応場にも応用できると考えら中によって、界面での微細な領域において熱拡散やれる。例えば、反応促進に関するマイクロ波特殊効

物質拡散、浸透圧を制御できることを発見した。一果は、「マイクロ波集中度合い」の指標となる本無方で、同時に行っていたマイクロ波照射中次元数が同程度の条件で比較しなければならない。

DLS(Dynamic Light Scattering:動的光散乱法)技術をつまり、吸熱・発熱特性や容器の断熱条件に関する用いた気泡（ナノバブル）の観察実験では、マイク

熱収支だけでなく、本無次元数が果たす役割が大き

ロ波が気相や極性のない油相を通過して界面に到達いと考えられる。

し、吸収・減衰する重要な現象を気泡生成から説明

また、プロセス工学が果たす役割として、種々のした。

化学プロセスにおいて、マイクロ波加熱や特殊効果発現の指標として本無次元数が用いられれば、加熱3. 無次元数の重要性および提案効率の向上やプロセスの安定化、ラボスケールから上記のように、マイクロ波照射炉内の熱的な移動のスケールアップに寄与できる。例えば、本無次元現象を検証するためには、関連するパラメータ数を数の利用価値を向上するためには、他の加熱操作で減らし、出力や溶液の種類が変更されても対応できの Nu 数と同様に、本無次元数が他の無次元数とのるよう、現象を一元的に評価する必要がある。つま関数であることを立証し、汎用性を高める必要があり、変数同士を組み合わせ、次元をもたない変数る。最終的に、マイクロ波プロセスを、化学プラン(無次元数)として物理現象を数式化する。例えば、

トにおける他のプロセスと同じように無次元数で制流体工学や伝熱工学の分野では、層流や乱流の指標御可能になることを期待している。このように、制には Re 数が、上記のレイリー・ベナール対流やマ御法が確立し熱効率がよいマイクロ波の工業利用がランゴニ対流の評価には Ra 数や Ma 数等の無次元進めば、省エネ化が達成できる。今回の無次元数の数が用いられる。また、対流伝熱は Re 数や Pr 数の発見が、この礎となれば幸いである。
5. 最後に関数となり Nu 数で制御される。このように、実際の物理量で個々に表現するより、操作パラメータや従来、熱工学や流体工学の分野において、無次元物理量との比で表したほうが流体挙動を予測するた数は Re 数や Nu 数をはじめ 40 個程度が 1800 年代かめには便利なので、熱工学や流体工学の分野では、ら 1900 年中ごろにかけて提案されている。近年の無次元数を用いることでプロセスの制御や現象の予報告例は皆無であり、筆者らによる新たな無次元数測と検証が達成されている。そこで、主に加熱の用の発見は学術的にも価値のある画期的な事例である。

途で用いられるマイクロ波に関しても、同様の無次上述の研究は国内外の化学工学関連や熱流体部門等元数が存在すると考えた。の研究者との共同研究の成果の結果であり、筆者のこのように、界面においてマイクロ波吸収だけでみでは達成できず、各研究者との活発な技術およびなく、熱移動の重要であると考え、熱物性値である知識の交流が研究レベルの向上に貢献したと確信じ界面張力をマイクロ波照射中で測定した。照射中にている。今後も、JEMEA の関係者の皆様をはじめ、熱効果以上の特異的な現象が発見され、それらを評国内外の学会においても、積極的な成果の公表によ価するために無次元数が提案された。この無次元数る研究者との意見交換を行い、新たなテーマの探索は、マイクロ波による発熱と界面からの熱拡散の比や問題解決ができることを楽しみにしており。同時で表され、「マイクロ波の界面での局所加熱」の指に、JEMEA 関連の学会業務の貢献に携われれば幸標となる。つまり、この値が大きい方が界面でよりせである。

マイクロ波が吸収し熱エネルギーが集中する。これにより、本無次元数は照射中の局所的な沸騰や界面17