新興国の大気環境改善のための液滴微粒化コントロールに向けた微細構造加工の設計・手法
東海大学 機械システム工学科 教授
落合 成行
東海大学 総合科学技術研究所 研究員 野原 徹雄（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019215-B2）
キーワード：表面微細構造，液滴微粒化制御，低出力レーザ加工，バイオミメティクス，尿素 SCR システム

１．研究の目的と背景
経済発展の著しい新興国ではインフラ整備や農業開発が加速する中，それらに必要不可欠なトラックや建設機械，農耕機などは乗用車のような電動化が困難とされている．そのため，それらの動力源であるディーゼルエンジンのカーボンニュートラル化として近年はバイオ燃料や e-fuel（大気中や工場で排出された CO2 と再生可能エ
ネルギーにて水から生成された水素の合成液体燃料）等の代替燃料による研究開発も加速している．しかし,代替燃料を使用しても排ガス中には NOx（窒素酸化物）と呼図 1 尿素 SCR システムおよび液滴衝突・微粒化

ばれる光化学スモッグや酸性雨を引き起こす有害物質は含まれており，大幅な排出低減が求められている．これ

図を示す．既存のミキサープレートは未加工の金属プレらに対応するための排ガス後処理装置として NOx を発生ートに液滴を衝突させているため，ライデンフロスト現させて NOx 浄化率の高い尿素 SCR（選択還元触媒）シス象下における蒸気層が発生し加熱壁面の熱が衝突液滴にテムの搭載が注目されている 1)．

伝わり難く表面張力が優勢になり跳ね返ってしまう.この

尿素 SCR システムは噴霧された尿素水をミキサーと呼衝突壁面の特性を変えることにより液滴を微粒化させる

ばれる特殊プレート壁面に衝突→微粒化→気化を経て新たな手法として規則的な微細構造を施した表面微細加NH3（アンモニア）に変化させ，排ガス中の NOx と反応工を筆者らは検討している 3)．しかしライデンフロスト後に無害な水と窒素に変換させている．しかし，始動時現象下における表面微細加工の適用事例として，液滴径や低速走行時における低温域では，噴霧された尿素水が2~3 mm と大きい核沸騰時における微粒化現象は可視化さミキサー衝突部の蒸気膜により熱伝達が阻害されるライれているものの 4) ，尿素水を衝突させて 20μm 以下のレ

2) により尿素水が微粒化せず気化にかベルに分散させるような微粒化制御は他に例が無い．そデンフロスト現象

かる時間も増加し浄化率が低下する問題が起きている．

こで自然界にある植物や生物が有する表面微細構造を参そこで本研究では，これまで筆者らが研究してきた軸考にしたバイオミメティクス技術を応用し，液滴衝突時受などの摩擦低減を目的にしたディンプルや突起などのの微粒化およびライデンフロスト現象の抑制を主眼に，微細構造を施す表面微細加工

3) をライデンフロスト現象

図 2 のような様々な表面微細構造を創生している．

が起こる加熱壁面へ施し，衝突液滴の新たな微粒化手法として提案した．排気管内やミキサーの材料片へ,超撥水性の蓮の葉や水分吸収が高いサボテンのとげ等を参考にしたバイオミメティクス(生体模倣)表面微細加工にて液滴微粒化最適デザインを用い，液滴の微粒化制御を促進させた．また，それらの様々な微粒化促進デザインを精度良く加工可能にする新たな印字・微細加工をレーザマーカ加工機に 2D データ入力するだけで試験材表面へ具現化出来る手法も確立した.

２．実験方法2・1

バイオミメティックス表面微細加工について

図１に尿素 SCR システムおよび液滴衝突・微粒化の模式

図 2 バイオミメティクス表面微細加工例

2・2

レーザ加工による最適微粒化用ディンプル製作

噴霧液滴による液滴衝突時の微粒化およびライデンフロスト現象の抑制を主眼に，図 3 にあるような QR コー
ド等を印字する低出力タイプの YVO₄レーザ加工機を用いてミキサーの材料と同材料（SUS430）に様々な表面微細構造を創生している.
本研究では衝突液滴を微粒化させる事に特化した“蓮の葉表面”を模倣したディンプル表面微細加工を施した．これらの最適化デザインのために YVO4 レーザ加工機の出力，印字回数やスキャンスピード，Q スイッチ周波数を検討し，ディンプルの穴径や深さ，加工時のデブリ抑制，溝部の粗さや溝部傾き精度向上にて低コストでのレーザ加工による新規形状の作製を可能とした（表 1）．それらの相関例を図 4 に表す．穴径 60μm 以下のディンプルの場合， 1 ショット時のスポット径指示，レーザ出力および Q スイッチ周波数により 30～60μm 程度までは調整可能となる．しかし穴径 60μm 以上の場合は調整幅が鈍化
してしまいスポット径の調整だけでは加工不可となる．
そのため今回の実験評価でも使用した穴径 90μm のディレーザスポット径の半径分を外側に照射する新たな手法

図 4 レーザ出力と穴径(上)/印字回数と深さの関係一例（スキャンスピード 500mm/s，Q スイッチ周波数 35kHz）を見出している．但し，今回の結果は測定時の使用機2・3器・使用度合いや加工材料での条件のため，YVO4 レー新たなディンプル形状による微粒化促進・ライデンフ

ザ加工機の経年劣化による出力低下や，加工用ステージロスト現象抑制を検証するため，加熱壁面への液滴衝突の傾き，加工中の振動，試験片表面硬さや粗さ，ディスによる液滴衝突実験を実施した．図 5 に実験装置概略をタンスポインタの微妙なズレ，加工用 CAD 図面により変示す．単孔型インジェクタ&SCR ドージングシステム化する事を考慮する必要がある．

（Tenneco XNOxTMSCR）にて噴霧量を調整し，噴霧液滴

ンプル加工では加工図面を直径 30μm の円として作成し実験装置および微粒化促進用ディンプル形状比較をライデンフロスト現象の領域と言われる 270℃までホットプレート上にて試験材を加熱し壁面に衝突させる．
その際の衝突前後挙動をバックライト法で拡大計測用顕微鏡レンズを取り付けた高速度カメラと LED ライト（ナックイメージテクノロジー：HX-6 & L/L BK-55）を対角設置にて撮影した．実験条件として表 2 のように液滴径および衝突速度の数値解析用として条件 1 を，液滴挙動の詳細な画像評価用では衝突前液滴径を平均粒径に近い70µm に固定した高時間分解能の条件 2 にて実施した．

図 3 表面微細加工用 YVO4 レーザ加工機
表 1 最適微粒化用ディンプルPC (噴霧制御)

レーザ加工条件
インジェクタ

試験材

噴射装置

LED ライト

データロガー

ホットプレート
高速度カメラ

図 5 液滴衝突可視化実験 概略

表 2 実験条件

図 6 微粒化促進用ディンプル 形状比較用試験材
図 6 に本実験に用いた各試験片の諸元，実画像と白色干渉顕微鏡による 3 次元画像を示す．テクスチャ形状には穴径および深さ違いのディンプルを施している．穴径d は 30 μm，60 μm，90 μm，深さ h は 5 μm，10 μm，15μm とし，各形状をそれぞれディンプル 1 から 5 と定義した．材料には，ミキサーと同様の SUS430 を選定し，テクスチャの加工には YVO₄レーザ加工機（KEYENCE：MD-V9900）を使用した．これらの試験材および実験装

図 7 臨界ウェーバ数算定用 可視化撮影判定例(撮影速度 30,000fps, 試験材温度 270℃)

置を使用した実験条件を表 2 に示す．また，実際の車両
では尿素水を使用しているが，本実験条件では尿素析出

突後 2 粒以上に微粒化した液滴を，菱青色のプロットはによる固着や表面微細加工部への目詰まりが発生する可

衝突後に微粒化しなかった液滴を示す．衝突後に微粒化能性があるため，先行研究でも使用されている模擬性のしなかった液滴において，図 8 に実線で示したウェーバ

高い精製水を用いた 5)．

数が最大となるプロットを臨界ウェーバ数 Wec と定義し，各試験材における微粒化効果を比較する指標とした．一
般的に低ウェーバ数（小液滴径且つ低速度）の液滴は微３．実験結果および考察
3・1 臨界ウェーバ数による微粒化効果の評価・数値化

粒化しにくくなることから，ディンプルを施した試験材

壁面衝突後における液滴挙動の評価・数値化として，の臨界ウェーバ数が未加工よりも低ければ，ディンプル慣性力と表面張力の比を表す無次元数であるウェーバ数による微粒化効果が高いと言える．図 8 より，未加工で5)．ウェーバ数 We は液は Wec = 91.8 であるのに対しディンプルでは全ての場合

滴径 Dp [m]，液滴の衝突速度 V [m/s]，液滴の密度 ρで大幅にそれを下回っており，ディンプルによる微粒化[kg/m3]，液滴の表面張力 σ [N/m]より次式で表される．

促進効果が確認された．またディンプル穴径違いではデ2ィンプル 3 (d =90 μm, h =5 μm, Wec = 1.2）が，ディンプル

We にて微粒化度合いを確認した

We =Dp V ρσ(1)深さ違いではディンプル 4 (d =60 μm, h =10 μm, Wec =図 7 に条件 1 での代表的な液滴挙動の可視化結果を示0.9）が最も臨界ウェーバ数が低下しており，衝突前の噴す．同図のような可視化結果を基に壁面衝突前の焦点液霧液滴径が 40~120µm という一般的によく見られる条件滴を無作為に 200 粒抽出し，Image J（画像解析ソフト）下において，ディンプル形状の穴径と深さによる最適微と FlowExpert 2D（Particle Image Velocimetry：粒子画像流粒化制御の手法を提示することが出来た．

速測定法）を用いて測定した液滴径と衝突速度を式 (1)3・2に代入することで，各試験材における微粒化に必要な各次に，ディンプル形状による低臨界ウェーバ数での微液滴のウェーバ数を算出した．本実験では顕微鏡レンズ粒化効果が得られた理由について，高時間分解能での可を用いた拡大撮影を行っており，可視化位置によっては視化結果から考察を行った．衝突前における大粒径の液液滴同士の合一が起こる．そのため，誤計測の要因とな滴は慣性力が大きく衝突による微粒化が顕著なため，デる合一液滴や非焦点液滴は手作業による解析で除外した．

ィンプルによる微粒化効果の評価に適していない．そのまた噴霧液滴の温度を 20℃，液滴密度 ρ を 998.2 kg/m3，ため，衝突前の液滴径を 70 μm に統一し比較を行った．

表面張力 σ を 72.8 mN/m とした．

高時間分解能による液滴衝突前後の詳細確認

図 9 にその観察結果を示す．未加工では衝突後に微粒

図 8 に各試験材での衝突前における液滴径および速度化せずに跳ね返るのに対し，ディンプル形状ではディンの関係を示した実験結果を示す．丸橙色のプロットは衝

プル 1 を除いて，衝突後わずか 7 μs にて大きな変形や上図 8 高速度カメラ撮影結果を基にした臨界ウェーバ数によるディンプル径・深さ違いでの微粒化度合い数値化(撮影速度 30,000fps, 試験材温度 270℃,衝突前の液滴径 40～120µm)部に噴き上がるような挙動を示し，細かな液滴が既に千ディンプル 3（d =60 μm, h =10 μm, Wec = 1.9）は衝突後切れていることがわかる．またディンプル穴径違いで比14~28µs で垂直側（上向き）に微粒化された微小粒径の較すると，穴径の小さいディンプル 1（d =30 μm, h =5 μm,液滴が移動しており，微粒化後の移動位置による液滴合Wec = 7.7）は衝突時における噴き上がりはほぼ確認され一の抑制も推測されているのがわかる.

ず衝突後 21μs で初めて大きな変形および一部微粒化をし3・3ており，臨界ウェーバ数が他のディンプル形状に比べ大これまでの可視化実験による微粒化度合いの数値化やきくなる理由と推測される．一方，穴径が最も大きいデ液滴挙動詳細観察の結果より，ディンプル形状による微ィンプル 3（d =90 μm, h =5 μm, Wec = 1.2）ではディンプ粒化制御のメカニズムについて推定してみる. Fraser ら 6)

ル 2（d =60 μm, h =5 μm, Wec = 1.9）よりも激しい噴き上は液体の微粒化メカニズムについて効率的な微粒化にはがりが確認され大幅に微粒化が促進されていることがわ

外力により液体を棒状もしくは膜状に変形させた上で流かる．

体力学的な不安定性により分裂させることが望ましいとディンプル形状による微粒化制御メカニズム推定

次にディンプル深さ違いについて比較すると，深くなしている．このことから，図 9 に示すようにディンプルるほど噴き上がるような挙動が抑制されており，深さに壁面へ衝突した際に単位体積当たりの液滴と衝突壁面の比例して微粒化し難くなっていると言える．但しディン

接触表面積増加による液膜化が微粒化促進のきっかけに

プル 2（d =60 μm, h =5 μm, Wec = 1.9）に比べ深さのあるなったと考えられる．またディンプルの様な凹凸部への図 9 高時間分解能での可視化結果によるディンプル径・深さ違いでの液滴微粒化・挙動の観察結果(撮影速度 150,000fps, 試験材温度 270℃,衝突前の液滴径 70µm)
衝突による液滴挙動への影響について，Hatakenaka ら 7)
は衝突壁面が粗面の場合に表面にみられる微細な凹凸に化した様々なディンプル新規形状の作製を可能とした．
(2) 臨界ウェーバ数による評価から，ディンプルの穴径お存在する沸騰核により生成された気泡が液滴衝突時に急よび深さによる微粒化効果の違いを明らかにした．

成長し上方向へ液滴を押し上げることで液膜状になるこ(3) ディンプルを衝突壁面に施すことにより，未加工の状とを予測している．そのため本研究におけるディンプル態よりも気化に有効な手法として確認した．

形状での微粒化促進についても類似した現象が生じていると考えられ，ディンプルに液滴が入り込んだ際の生成謝

辞

気泡により噴霧液滴が液膜化し，穴径が大きいほどディ本研究は，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成

ンプル部への衝突割合が向上することで噴き上がりによ（AF-2019215-B2）を受け実施されたものであり，ここる微粒化を促進していると考えられる．一方，穴径およに謝意を表します．また，本研究の遂行において共同しび深さによって微粒化効果が変化した一つの要因として，た菊池飛鳥氏（修士課程・当時）及び杉山直輝氏(博士課

ディンプルにおけるエアトラップが考えられる．諸貫ら程）にも深く感謝致します．東海大学機械システム工学8)は液滴とテクスチャ形状による濡れ性の変化を評価して科 高橋俊准教授および同研究室の皆様，株式会社いすゞ

おり，深いもしくは小さい穴径ほどテクスチャに空気が中央研究所には液滴噴霧時の挙動解析にて多大なご協力

残留しやすくなることで液滴の侵入が阻害されると考察とご助言を頂きました．最後に実験装置についてご協力している．そのため本研究におけるディンプルが深い，頂きました株式会社ナックイメージテクノロジー 佐々木

もしくはディンプル穴径が小さい形状での結果もエアト裕康氏，カトウ光研株式会社 小林 賢之氏，テネコジャパ

ラップにより液滴の侵入が阻害された可能性も考えられ

ン株式会社 鈴木 伸幸氏に謹んでお礼申し上げます.

る．これにより噴き上がる挙動が抑制されることで，液滴の表面張力を上回ることができず微粒化効果が低下し参考文献た要因の一つとして挙げられる．但しある程度のディン1） 前川 弘吉, 大角 和生, 藤田 哲也, 板垣 裕, 佐藤 薫,
SCR 触媒の尿素分解過程が NOx 浄化性能に及ぼす影響, 自動車技術会論文集, 2013 年 44 巻 2 号 p. 275280, (2013)
2） Leidenfrost, J. G., De Aquae Communis Nonnullis
Qualitatibus Tractatus, Ovenius (1756).
3） 杉山直輝, 野原徹雄, 菊池飛鳥, 戸谷友輔, 落合成行,
マクロ～メソ～ミクロスケールでの排ガス・液滴挙動の確認－表面テクスチャ加工による微粒化メカニズムの検証－, 自動車技術会論文集, 2020 年 51 巻, 1号,(2020),72.
4） Liang, G. and Mudawar, I., Review of drop impact onheated walls, International Journal of Heat and MassTransfer, Vol. 106, (2017), 103.
5） 千田二郎，山田耕司，竹内貴一郎，三木英雄：高温
壁面に衝突する液滴の変形および分裂挙動，日本機プル深さにて垂直方向への微粒化吹き上がりも観察されており，ディンプル深さは浅過ぎず深すぎず，且つ噴霧液滴径よりも大きめのディンプル穴径を施すことが衝突液滴の微粒化に有効であると考えられる．

４．まとめ
本研究では新興国の大気改善を主眼とした尿素 SCR シ
ステムの新たな尿素水噴霧液滴の微粒化手法として，衝突壁面へ低出力レーザマーカ加工機を使用したディンプル形状の最適化コントロールを確立した．高速度カメラを用いた微粒化評価の数値化および高時間分解能での可視化結果より液滴挙動を考察し，微粒化制御メカニズムを推定した．得られた知見を以下に示す．
(1) YVO4 レーザ加工による低コストでの液滴微粒化に特械学会論文集 (B 編)，vol. 52, No. 481, p. 3372-3379(1986)
6） Fraser, R. P., Eisenklam, P., Dombrowski, N., and Hasson,
D.：Drop Formation from Rapidly Moving Liquid Sheets，
A.I.Ch.E Journal，vol. 8, No. 5, p.672-680, (1962)
7） Hatakenaka, R., Breitenbach, J., Roisman, I. V., Tropea, C.
and Tagawa, Y., Magic Carpet Breakup of a Drop Impacting

onto a Heated Surface in a Depressurized Environment,International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 145,118729 (2019).
8） 諸貫信行，高山明典，金子新：濡れ性制御のためのテクスチャ設計，日本機械学会論文集 (B 編)，vol. 70,
No. 693, p.1244-1249 (2004)