| Project/Area Number |
23K26052
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| Project/Area Number (Other) |
23H01357 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
高田 保之 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 特命教授 (70171444)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
喜多 由拓 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 客員助教 (40840616)
梅原 裕太郎 九州大学, 工学研究院, 助教 (80961755)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
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| Keywords | クエンチ点 / 液滴 / 蒸発 / 表面性状 / スプレー冷却 / 固液接触 / 濡れ性 / 表面構造 / 表面性情 |
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| Outline of Research at the Start |
スプレー冷却における急冷開始点（クエンチ点）は，冷却速度を決定する最も重要な特性点であるが，液体側の流動条件(流量，液温，液滴径，衝突速度)だけでなく，固体側の条件(温度，熱物性，表面性状)の影響により実測データがばらついて予測が困難であった．本研究では，非定常熱伝導モデルにより得られる固液界面温度を用いて実験データを整理し，クエンチ点決定の物理モデルを構築する．その際，固体側の表面状態に着目し，粗さや酸化層を人工的に付与する状態での実験データから，個々の液滴の挙動をモデル化することで，クエンチ温度の物理的な意味を明らかにし，最終的には高温面の冷却速度を高精度に予測する伝熱モデルを開発する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，大きく分けて次のAとBの2つの項目についての検討を行っている．
A クエンチ点を予測する理論モデルを構築し，実験結果との比較によるモデルの妥当性の検証
B 熱力学的過熱限界温以上での固液接触の可能性に関する検討
Aについては，理論モデルを補強する意味で，同じサンプルによる定常および非定常スプレー冷却試験による比較を試みた．これまでの様々な文献調査により，非定常実験により得られたクエンチ点温度は定常実験の結果に比べてはるかに高く，非定常実験の精度の問題が指摘されている．そこで，同じサンプルを用いて定常実験および非定常実験を行い，両者の違いを確認することを試みた．まず，非定常実験のデータから逆問題解析により熱流束と表面温度の関係のグラフ（沸騰曲線）を作製した．次いで，同じサンプルで定常実験を試みた．試験装置はもともと非定常実験用に設計されていたため，定常で高温状態を維持することは困難で，今回は約450℃から徐々に温度を下げながら測定を行った．その結果，非定常によるクエンチ点温度は246～286℃なのに対し，定常の結果は366℃であった．これは予想を覆す結果となった．定常実験に問題があると考えられるので今後は装置の改造を含めた検討を行う予定である．
Ｂについては，固液接触に及ぼす表面粗さの影響評価を行った．人工的に作製したマイクロピラー構造のサンプルを準備し，ピラーのサイズや形状を変えながらスプレー冷却試験を実施した．現在，実験データを継続的に取得中であり，最終年度にはその全貌を明らかにしたい．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Aについては，伝熱モデルの検討に有用な種々のサンプルの実験データが蓄積されつつある．Bについては，マイクロピラーサンプルによる固液接触の観察等を中心に研究を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
Aクエンチ点を予測する理論モデルを構築し，実験結果との比較によるモデルの妥当性の検証
広範な温度範囲で定常実験を行えるように実験装置の改造を行う．これまでに取得したデータを詳細に吟味し，クエンチ発生のモデルと発生前後の伝熱モデルの高度化を目指す．これまでの研究から，伝熱理論モデルの大枠は，膜沸騰モデルと固液接触モデルの両者の組み合わせになる予定であり，この伝熱理論モデルにクエンチ発生条件を組み込むことでスプレー冷却の全体像が理論的に予測できるようになると考えている．
B 熱力学的過熱限界温以上での固液接触の可能性に関する検討
粗さの影響調査のためのマイクロピラー構造面による冷却実験により，見かけ上高温で発生するクエンチのメカニズムを明らかにする予定である．
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