流動流体中における運動精子の挙動に関する実験的研究

講演番号４３
流動流体中
流動流体中における運動精子
における運動精子の
運動精子の挙動に
挙動に関する実験的研究
する実験的研究
米子工業高等専門学校
機械工学科
遠藤弘樹
１．緒言
現在少子化の原因として不妊症が挙げられるが，その要因
として男性側の精子の異常や欠如が半数を占めている．そん
な中で不妊治療への利用を目的に開発された，運動良好精子
分離装置の更なる高効率化を目的とする研究において，流動
流体中におけるせん断応力（粘性力）が精子運動に影響を与
えている可能性があることが報告されている[1]．そこで本研
究では，流れにおける粘性力や遠心力が運動精子に影響を及
ぼすメカニズムを実験的に調べることを目的として，テイラ
ー・クエット流れ内の運動精子の挙動に関して実験的研究を
行っている．新規研究の立ち上げに伴い，本年度は実験装置
の設計開発，テイラー・クエット流れ中における流速分布お
よび運動精子の挙動に関して PIV / PTV 計測を行った．
流入させ充填する．流路はケーシングとロータによって形成
されており，移動壁面であるロータを回転させることにより
移動壁面と固定壁面の間に速度勾配が生じ，それによってせ
ん断応力を発生させる（図 1 参照）
．
可視化方法は図 2 のように，流路側面へ波長 532nm の CW
レーザシート（LaVision 社:CW-532-3W）を照射し，流路底
面よりハイスピードカメラ（LaVision 社：HSS4G）で撮影し
た．撮影に際して，レンズは対物レンズを使用した．またハ
イパスフィルタ（透過波長 570nm 以上）を取り付けること
で，PTV を行うときは精子の発光のみを，PIV を行うときは
牛の精子の代わりに蛍光粒子（粒子径 15µm，比重 1.1）を用
いてそれのみの像を取得し速度分布を算出した．ロータの回
転にはモータを用いた．
２．記号及び
記号及び関連する
関連する式
する式
本研究で使用した実験装置の寸法は，ロータとケーシング
のすき間（流路幅）a = 1mm，流路高 h = 9.7mm，ロータの半
径 R = 20mm である（図 1，図 2 参照）．本研究ではロータ
の回転数 ω [rad/s]から，以下のテイラー数 Ta[2]を求めた．
４．実験結果
図 3 に Ta = 40 での実験装置内の流路部における，無次元
流速分布の実験値と理論値の比較を示す．縦軸 u / U は流速 u
をロータ周速度 U で無次元化したものであり，横軸 x / a は
ロータ壁面からの距離 x を流路幅 a で無次元化したものであ
る．理論値に対する実験値の平均誤差率は約 11%であった．
従って，本実験においての計測値の信頼性は 89%程度である．
a
ν
R
ここで，νは作動流体の動粘度[mm2/s]である．Schlichting[2]
は，テイラー数によって次のように流れを分類している．
本研究においても下記の条件を基準に実験を実施した．
(1) Ta < 41.3：層流クエット流れ
(2) 41.3 < Ta < 400：テイラー渦を伴う層流
本年度は，せん断応力（粘性力）が運動精子に及ぼす影響
を調べるために，Ta < 41.3 における層流クエット流れで実験
を実施した．
Rωa
1.2
理論値
実験値
1.0
0.8
u/U
Ta =
指導教員：早水庸隆
0.6
0.4
0.2
0.0
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
x/a
３．実験方法
図 3 テイラー・クエット流れの流速分布（Ta = 40）
各 Ta における精子の移動速度を図 4 に示す．縦軸 v / U は
精子の移動速度 v をロータ周速度 U で無次元化したものであ
り，横軸は Ta である．テイラー・クエット流れ中における
運動精子の挙動に関して，テイラー数（せん断応力）が大き
くなるにつれ精子の移動速度は増加していく傾向にあり，そ
の方向は流れと逆向きであることが明らかとなった．
v/U
図 1 流路詳細図
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
-0.3
-0.35
-0.4
-0.45
10
20
30
40
50
Ta
図 4 テイラー・クエット流れ中における精子の速度
参考文献
[1] 橘 度羽，他 6 名，「流動流体中における運動精子の挙
動に関する実験的研究」，日本機械学会中国四国支部第 49
期総会・講演会講演論文集，No.115-1，(2011), pp.171-172.
[2] Schlicting, H., Boundary Layer Theory, 7th ed., (1987),
pp. 525-529, McGraw-Hill Pub. Co..
図 2 実験装置概略図
実験手順としては，流路内に試料である作動流体（牛の精
液を蛍光染料で染色し緩衝液によって 6 倍希釈したもの）を
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