ラボの開発

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6421 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

液体窒素などの極低温液体は、エンジニアリング、食品および製薬産業の多くのプロセスに関連しています。 しかし、周囲条件での蒸発が激しいため、研究目的や実験での取り扱いはこれまでのところ面倒です。 本研究では、液体窒素の供給装置に対する独自の設計アプローチが開発され、詳細に特徴付けられます。 この装置を使用すると、純粋な液体窒素が、液体自体の蒸気や霜による汚染なしに、加圧デュワー瓶から皮下注射針に供給され、最終的に、非液体窒素の取り扱いと同等の方法で、自由な液体ジェットまたは単一の液滴を生成することが可能になります。注射器と皮下注射針を使用して極低温液体を注入します。 科学研究において液体窒素液滴を生成するためのこれまでのアプローチは、主に重力によって底部出口で液滴が形成される液体窒素のリザーバに依存していたものと比較して、本設計では大幅に優れた方法で液滴と自由液体ジェットを生成することができます。制御された、より柔軟な方法。 この装置は、自由液体ジェットの生成中のさまざまな動作条件に対して実験的に特性評価されており、実験室研究目的でのその多用途性がさらに簡単に実証されています。

自然界や工学におけるさまざまなプロセスにとって重要であるため、液滴のダイナミクス、より具体的には液滴の衝撃は、ほぼ 1 世紀半にわたって実験的に広範囲に研究されてきました 1,2。 液滴生成の場合、必要な場所に液滴を配置するには、注射器と付属の皮下注射針でも十分な場合があります。 液滴は重力によって針から離れるだけです。 液滴のサイズは針のサイズに依存し、理論的には針の直径に比例して変化します。 取り外しの瞬間に針が正しい位置にあれば、その単純なアプローチで液滴衝撃実験を行うのに十分である可能性があります。 しかし、より洗練された目的、例えば制御された液滴生成周波数や液滴サイズを達成するため、または非ニュートン液体を扱う場合には、過去数十年にわたって液滴生成器の多数の設計アプローチが文献で報告されてきました3、4、5、6、7。 、8。 これらは、特定の産業用途で特定の目的を果たすように設計されているか、または液滴とその周囲との相互作用に関与する基礎を研究するために実験室環境で使用されます。 ただし、これまでに述べたものはすべて、非極低温液体にのみ関係しています。 液滴生成には基本的に注射器と針で十分ですが、特定の用途から生じる特定の要件を満たす液滴生成器の設計には多大な労力が費やされてきました。

これまでの説明に基づいて、液体窒素などの極低温液体からの液滴生成を実際に可能にするシステムの開発に投資された努力を正当化するために、これ以上明確にする必要はありません。 極低温液体、つまり周囲圧力で沸点が -150\(\,^\circ \)C 未満の液体は、工学、食品、製薬産業などのさまざまな分野で使用されます。 極低温液体は周囲条件で扱われると永久に沸騰するため、かなり独特な挙動を示します。 特に、極低温液体と、より高温にある他の液体または固体との相互作用は、部分的に相互作用するさまざまな物理プロセスに関連しており、それらが関与する技術プロセスを潜在的に制御する可能性があります。基本的に、それらは技術的および医療的用途での利用が増加していますが、極低温液体を使用した進行中の研究の動機付けとなる一方、周囲条件での継続的な蒸発は実験における液体の取り扱いを非常に複雑にします。 特に、非極低温液体に対して十分に確立されている液滴生成のための古典的なアプローチの使用を妨げます。 市販の解決策は存在しますが、極低温液体からの液滴の生成については、これまで文献でほとんど報告されていません。 しかし、特に科学研究で使用される液体窒素の場合、これまでのところ、液滴は主に液体窒素用の固定された断熱リザーバーから液体を滴下させることによって生成されてきました9,10,11,12。これは、液体窒素の汎用性が大幅に低下することに関連しています。液体の柔軟性と制御性に限界があるため、このアプローチは困難です。