核沸騰と膜沸騰の共存による超高速液体水素予冷の実現
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21K04477
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
吹場 活佳 静岡大学, 工学部, 准教授 (50435814)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 沸騰伝熱促進 / 極低温 / 液体水素 |
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| Outline of Research at the Start |
配管表面に独自に提案する形状の低熱伝導率の被膜を塗布することで沸騰伝熱を促進し、流体により配管などの金属部品を高速・高負荷で冷却する手法を開発する。核沸騰と膜沸騰を同時に発生させることにより金属近傍の固液接触を促進し冷却時間を削減する。最終的にこれらの技術を液体水素予冷に適用する。安全のため防爆対応を施した実験装置を製作し、JAXA能代実験場に持ち込み、液体水素による予冷実験を行う。液体水素の沸騰伝熱に関して沸騰曲線など様々なデータを取得し、提案する予冷加速技術を実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では極低温流体による配管などの金属部品を高速で冷却する手法を開発した。核沸騰と膜沸騰を同時に発生させることにより金属近傍の固液接触を促進し予冷時間を削減した。具体的には低熱伝導率被膜と金属面が交互に露出する伝熱面を作成した。断熱層と金属冷却面が交互に露出するような伝熱面を作ることにより、断熱層で核沸騰、金属部分で膜沸騰となるような冷却面を作り出した。核沸騰と膜沸騰の共存により伝熱を阻害する要因となる膜沸騰の気相の膜を崩壊させる。
本研究では2021年度までに提案する加工を施した伝熱面を用いて、プール沸騰実験、すなわち液体窒素の液槽に金属を沈め沸騰伝熱により冷却する実験を行った。2022年度はこの伝熱面を配管内部に施すための研究を行った。2021年度の実験では銅板に縦横の溝を掘り、この溝をシリコーンシーラントで埋めることで目的の伝熱面を作り出した。この方法によりプール沸騰実験における冷却時間を1/5に低減することに成功した。一方、配管の内面にこの伝熱面を加工するのは困難である。特に横方向の溝を施工するのが難しい。そこで2022年度の実験では、縦方向のみ溝を加工し、これをシリコーンシーラントで埋めた伝熱面を作成した。2021年度と同様の実験により、液体窒素を用いたプール沸騰では予冷時間を大幅に削減することができることを確認した。次に放電加工を用いて配管の内部に溝を加工し、これをシリコーンシーラントで埋めた配管を作成し実験を行った。内部に液体窒素を流す実験を行い、冷却時間が大幅に削減することを確認した。最終的にこれをJAXA能代実験場に持ち込み、液体水素を用いて実験を行った。しかし液体水素を用いた実験では、無垢の配管と比較して同程度の冷却時間となり、優位性が確認できなかった。このような結果になった理由として、液体水素の特異な物性が原因であることが考えられ、現在も検証中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初期の研究計画では提案する伝熱面の優位性を確認するところまで進める予定であったが、この点は2021年度中に結果を出すことができた。そこで2022年度はさらに研究をすすめ、配管系にこれを適用するところまで進めることができた。また液体水素実験に関しても先行して実施することができた。2022年度中に配管系で実験することができたため、この技術がより実用化に近づいたと言える。また2021年度までの成果をまとめた論文を投稿し、2022年度に採択となり、著名な国際誌に掲載された。
さらに特筆すべき点として、液体水素を用いて配管系の流動実験を行った点が挙げられる。2021年度は液体水素によるプール沸騰実験を行ったが、プール沸騰実験に比べ配管系の流動実験は安全性確保の面ではるかにやりやすく、順調にデータを取得することができた。またその結果として、液体水素を用いた実験では提案する伝熱面が優位に作用しないという、ネガティブな結果ではあるが新しい知見を得ることができた。この結果により液体水素による沸騰伝熱に関する知見が深まることにつながることが期待される。また、現象を理解したうえで液体水素向けの新たな伝熱面の提案にもつながる。
以上のことを踏まえ「当初の計画以上に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度中に液体水素による配管予冷実験を実施することができたが、提案する伝熱面では予冷促進効果が得られないという予想外の結果となった。このことを踏まえ今後の研究の方針を以下のように定める。
伝熱面について、液体窒素予冷に関しては十分な予冷促進効果が得られた。これを配管系に適用した場合も予冷時間を大幅に削減することができた。今年度はまずこの成果をまとめ、国際誌で公表することとしたい。次に液体水素予冷の促進である。昨年度の配管系の流動実験より、一昨年度のプール沸騰実験と比較しはるかに容易に、かつ安全に実験を実施できることが分かった。そこで2023年度も引き続き配管系の流動実験により液体水素予冷の促進を図る。液体水素の独特な熱物性により、提案する伝熱面では十分な予冷促進効果が得られない。これに代わる新たな予冷促進方法を検討する必要がある。まずは簡単な伝熱解析を行い、熱物性の違いによる配管の冷え方の違いを理解する。これらの知見を得たうえで、新たな伝熱面を提案する。最近の海外文献より、液体水素の場合は予冷初期において噴霧流、すなわち管中心部分に液滴群が流れるような流れ場になっている可能性がある。この場合高さのあるフィンを外周から伸ばすことで伝熱が促進される可能性がある。いくつかの新しい伝熱面を提案し、年度後半にJAXA能代実験場において液体水素流動実験を行い伝熱促進効果を検証したい。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
