Exploration and development into formulation engineering of anomalous transport with high freedom

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揺らぎを伴うテイラー渦流系では高速熱・物質輸送，いわゆる異常輸送現象がしばしば観測され，化学プロセス強化技術への展開が期待できる。令和3年度から開始した科学研究費補助金若手研究「高分子流体系におけるテイラー渦流の異常輸送現象の解明と速度論構築」を発展させるために，本研究では高分子流体に制約されず，より高自由度な異常輸送を引き起こす系の探査とその応用について研究を行っている。令和4年度はカオス的な流動を利用した伝熱強化と，物質内部構造の制御を目的として，非定常撹拌槽内流れにおける液体凍結現象を検討した。撹拌システムはブラシレスDCモータ，減速機，PC制御システムで構成されるものを製作し，高精度に撹拌速度および方向(時計まわり，半時計まわり)を制御可能なシステムを構築した。液体には様々な濃度のスクロース水溶液を用いた。撹拌方向を周期的に変化させるカオス的な撹拌を行うことで過冷却度が大きくなることが示され，相変化（ここでは液体凍結）のような非平衡かつ不安定な熱力学的状態の遷移とカオス流動において何らかの因果関係があることが示された。また，本知見を応用し，非定常撹拌を用いたアイスクリームのフリージング実験を行った結果，定常撹拌に比べ，内部構造のより強固なアイスクリームサンプルの製造が可能となった。これは非定常攪拌による伝熱強化だけでなく，気泡の取り込みや脂肪球の凝集が促進されたことが一因と考えられ，今後さらなる検討を行う。