液体を直接通電加熱した場合の発生気泡と液体の挙動に関する研究

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導電性インクを直接通電加熱し,発生する気泡の体積膨張を利用してインクをノズルから射出させ印字するという方式のインクジェットプリンタを開発するために,種々の形状の微小空間内で加熱した液体中における気泡の成長と崩壊およびそれに伴う液体の挙動について理論解析と実験を行い,以下の結果を得た。1.任意形状の自由界面を含む流れの数値解析に用いられているVOF(Volume of Fluid)法を,気液の相変化を伴い,しかも気液界面温度が時間とともに大きく変化する場合に適用できるように修正するとともに,その方法の妥当性を確かめた。2.障壁によって制限された空間内では気泡は極めて複雑な形状をとって成長し崩壊するので,解析は三次元で行わねばならないが,この場合に上述の修正したVOF法を適用して精度良い計算を行うためには,細かい格子分割が必要であり,極めて長い計算時間を要する。そこで,計算時間を短縮するために,比較的少ない格子数でも十分精度良く計算できる簡易計算方法を考案した。この簡易計算方法は,格子分割が不十分な場合には気液界面温度の見積もり精度が悪くことに着目して,エネルギー式を解くことを他の方法で代替したものである。3.圧力室,インク射出用ノズルおよびインク供給流路を備えた試作プリンタヘッドを用いて実験および上述の数値解析を行い,発泡開始時間と気泡の寿命およびインクの射出速度と射出量の各計算値が測定値と良く一致することを確認した。更に,このような微小な制限空間内で発生する気泡は,障壁のない広い空間の場合の1/2程度の体積になること,インク射出速度と射出量は主としてノズルの口径によって決まることなどを明らかにした。