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Development of boiling cooling enhancement technique using MEMS technology aided boiling bubble resonator

Research Project

Project/Area Number 22K03969
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 19020:Thermal engineering-related
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

佐竹 信一  東京理科大学, 先進工学部電子システム工学科, 教授 (90286667)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 谷口 淳  東京理科大学, 先進工学部電子システム工学科, 教授 (40318225)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywordsサブクール沸騰 / 沸騰気泡共振器 / 沸騰音 / 可視化計測 / 深層学習 / MEMS技術 / 沸騰冷却 / ナノインプリント
Outline of Research at the Start

本研究では既存のプール沸騰における沸騰熱伝達促進研究とは全く異なり、伝熱面への加工は一切行わない新手法を提案する:ある一部分だけを固定・支持して稼働できる状態にした干渉板を伝熱面直上に設ける手法である。気泡の凝縮崩壊時のエネルギーを沸騰熱伝達向上に積極的に有効利用し共振物体を伝熱面直上に設置することを考案した。沸騰気泡成長時の膨張圧力とサブクール環境下における気泡凝縮作用により伝熱面直上の干渉板に連続する加振力を与え、干渉板を自励振動させることが狙いである。さらに、振動する干渉板にMEMS技術を援用して濡れ性の制御も加味して実際に沸騰熱伝達にどのような影響を及ぼすのかを実験的に明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

沸騰気泡を利用した新たなコンセプトの伝熱促進手法として沸騰気泡共振器( Boiling bubble resonator, BBR)を申請者は開発した。本研究では,振動が伴う沸騰熱伝達現象でこのBBR振動板から噴出されるマイクロバブルの流動現象をPIV法で計測を行った。共振器の振動モードと沸騰バブルの発生の周期と流れの様子にPIV計測手法を用いることで、伝熱面へのサブクール液の供給過程と板の振動も直接評価できる。これにより沸騰伝熱現象を最大限に促進させる方法見出す。またMEMS技術をBBRの裏面に適用することで濡れ性を促進し振動板へのサブクール液の供給を増大させることにより高蒸発促進に最適なナノ構造を有する伝熱デバイス創製技術を確立する。本年度は、BBR内の濡れ性について検討して、濡れ性の違いによってBBR板から噴出されるマイクロバブルの3次元流れを観察した。本研究では,2台のカメラを用いた噴出のPIV計測法によるBBR近傍での流体の挙動の把握と水平方向からのBBRの動きのスペクトルをとり、BBR板と噴流の連成を確認した。なお、BBR板がない場合に関しての沸騰音に関して深層学習を用いて沸騰容器内の系を同定した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

カメラを用いたPIV計測法によるBBR近傍での流体の挙動の把握による計測法の確立し,実際に BBR 近傍から噴出した沸騰気泡の運動からも共振が確認された.したがって,BBRの振動周波数を沸騰気泡の凝縮サイクルに合わせることが,BBR の独自の設計仕様として重要であることが分かった.濡れ性が異なる場合の挙動について観察できた。さらにBBR板がない場合に深層学習を用いて音からの情報で沸騰容器内の系を同定するツールを開発した。

Strategy for Future Research Activity

BBR近傍の噴流についての挙動と同時にBBR裏面の構造を作製して次年度の計測の準備を完了させた。さらに次年度は実験計測このBBR板をいれた系に関して沸騰音を用いた深層学習を行い、CHF向上の最適な条件を見出す予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (4 results)

All 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (3 results)

  • [Journal Article] Acoustic state detection of microbubble emission boiling using a deep neural network based on cepstrum analysis2023

    • Author(s)
      Ono Junichiro、Aoki Yuta、Unno Noriyuki、Yuki Kazuhisa、Suzuki Koichi、Ueki Yoshitaka、Satake Shin-ichi
    • Journal Title

      International Journal of Multiphase Flow

      Volume: 166 Pages: 104512-104512

    • DOI

      10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104512

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ケプストラム解析と深層学習によるMEB音響予測2023

    • Author(s)
      青木 佑太, 小野 淳一郎, 海野 德幸, 結城 和久, 鈴木 康一, 植木 祥高, 佐竹 信一
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 沸騰気泡共振器における振動板の高速度撮影と沸騰音の計測2022

    • Author(s)
      小野 淳一郎, 海野德幸, 結城和久, 谷口淳, 佐竹信一
    • Organizer
      第59回 日本伝熱シンポジウム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 沸沸騰気泡共振器における噴出気泡と振動板の高速度計測2022

    • Author(s)
      小野 淳一郎, 海野德幸, 結城和久, 谷口淳, 佐竹信一
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス 2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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