環境対応型熱エネルギー変換システムの基礎研究-冷媒の擬固メカニズムに関する研究-

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750155
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 寶積 勉 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助手 (30293038)
• Keywords: 凝固 / 水 / 過冷却 / 氷 / 衝撃波 / 氷核発生 / キャビテーション

Research Abstract

水への動的な外乱の付与は、過冷却水の凝固に最も効果的な方法の一つである。本研究では、微弱な衝撃波を付与することによって、過冷却水を凝固させ、その効果・メカニズムについて検討することを目的としている。本年度は、過冷却水に衝撃波を付与し、凝固に与える影響を観察・分析した。サンプル容器には円柱型のシリンジを採用した。シリンジ内部には目視できる直径100μm以上の大きさの気泡を除去した超純水1cm^3が注入されており、水上面をオイルで覆われた構造になっている。また、シリンジ全体は冷却槽内に一定過冷度で保持されている。このオイル上面にピストンを落下し、オイルおよび水の内部に衝撃波を伝播させ、サンプル温度および衝撃波の圧力を測定した。その結果、衝撃波を付与しない場合、平均過冷度12Kで自然解消した。一方、衝撃波を付与した場合は、比較的高い圧力の衝撃波を付与した時に過冷度1K〜5Kの範囲でほぼ100%凝固し、低い圧力の衝撃波を付与した時はほとんど凝固しないことがわかった。一方、目視できる気泡を水中に設置したサンプルでは、比較的低い圧力でも凝固することが分かった。気泡を水中に設置した場合について、凝固した箇所をビデオカメラで確認した結果、気泡が砕ける現象が確認でき、砕けた無数の気泡から氷核が生成していることがわかった。また、衝撃波の波形について解析した結果、キャビテーションを発生する超音波と同程度の周波数と音波強度を持つことが分かった。以上のことから、衝撃付与による過冷却解消のメカニズムは、キャビテーションによる氷核生成と考えられる。また、目視できないような気泡が存在する水中においては、微小な気泡のキャビテーションを発生させるために、衝撃波の圧力を比較的高くする必要があったと考えられる。