2016 Fiscal Year Research-status Report
二成分流体の沸騰における特異な気液構造発現およびCHF促進の機構解明
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16K06103
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
坂下 弘人 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00142696)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 二成分流体 / 限界熱流束 / プール沸騰 / 可視化 / 濃度分布 / マランゴニ対流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水に微量のアルコールを添加した二成分流体を沸騰媒体として用いると，限界熱流束は飛躍的に促進される．このため，限界熱流束の受動的促進法として非常に有望である．しかし，二成分流体の沸騰では伝熱面近傍の気液構造に特異な変化が現れ（具体的には，蒸気塊底部に形成される液層厚さが，2-プロパノール濃度の増加とともに顕著に厚くなる），限界熱流束の発生は従来の知見では説明することができない．本研究の目的は，伝熱面上近傍の気液挙動の可視化計測，および局所濃度分布の高精度測定を通して，二成分流体の気液構造に特異な変化を生じさせる要因を解明し，限界熱流束の発生と促進の機構を明らかにすることにある．
本年度は，伝熱面の沸騰様相を下面から可視化するための実験系を作成し，水，および二成分流体として2-プロパノール水溶液を用いて可視化実験を実施した．その結果，伝熱面の乾燥領域割合は2-プロパノール濃度によって大きく異なり，2-プロパノール濃度が増加すると乾燥領域割合は急激に減少することが判明した．
また，伝熱面から発生する一次気泡の生成から離脱までの時間（一次気泡成長時間）を見積った結果，2-プロパノール濃度の増加とともに一次気泡成長時間は大幅に短くなることが明らかとなった．この結果は，気泡周囲に誘起されるマランゴニ対流によるものと考えられる．
以上，本年度に得られた結果より，二成分流体の気液構造に特異な変化が発現する要因は，気泡周囲のマランゴニ効果が原因であり，これによって気泡離脱が促進されることで伝熱面上に厚い液層が形成され，伝熱面のドライアウトが抑制されているものと推察される．
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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
本研究の目的は，伝熱面近傍の気液挙動の可視化測定および濃度分布の高精度測定によって，二成分流体の沸騰における特異な気液構造の発現機構を明らかにすることである．
初年度は，可視化測定のための実験装置を製作した．この装置を用いた実験により，伝熱面のドライアウト挙動と一次気泡の離脱挙動の観察が可能であることを確認した．また，前年度までの予備実験で得られている濃度分布の概略値から，気泡周囲のマランゴニ対流強度を見積った．その結果，マランゴニ対流によって気泡に働く上向きの力は，伝熱面近傍では浮力をはるかに凌ぐ可能性のあることが明らかになった．このマランゴニ効果によって気泡の離脱が促進されることで，2成分流体の沸騰に特異な気液構造を発現させている公算が大きい．以上の結果より，次年度以降に予定している濃度分布の高精度測定，および気泡挙動の詳細な観察によって，本研究の目的を達成できる見通しを得ることができた．
以上，本研究は，当初の予定通りおおむね順調に進展していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に実施した可視化実験の結果，伝熱面に用いたサファイア基板は，その高い熱膨張率のため水の限界熱流束近傍（二成分流体の限界熱流束の60%程度に相当）の熱流束で破損することが判明した．そこで，本年度は，二成分流体の限界熱流束までの測定を可能にするために，基板に石英ガラスを用いた伝熱面を新たに作成する．
また，2-プロパノールの局所濃度の高精度測定を可能にするための温度・ボイド同時測定系を作成する．この測定系を用いて，2成分流体で伝熱面近傍に形成される濃度分布を求め，マランゴニ対流強度の評価に必須の表面張力分布を求める．同時に，可視化実験によって伝熱面上の一次気泡の離脱挙動を測定する．以上の測定を，2-プロパノールの濃度を広範囲に変化させて限界熱流束近傍までの熱流束域で実施し，マランゴニ効果が気泡挙動に与える影響を明らかにする．また，伝熱面奥行き方向の気泡同士の合体を避けるために，加熱幅2mmのサファイア製矩形伝熱面（昨年度に作成済）を用いて低～中熱流束域で一次気泡を発生させ，PIV法を用いて一次気泡周囲の液の流動状況を可視化する．これにより，二成分流体の沸騰で，実際にどの程度のマランゴニ対流が生じているかを定量的に評価する．
次年度は，今年度の測定を続行するとともに，2成分流体の沸騰でのマクロ液膜形成を説明可能なモデルを構築し，２成分流体で特異な気液構造が発現する要因の解明を目指す．
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| Causes of Carryover |
当初計画では，PIV法による気泡周囲の流動可視化実験のため，市販のPIV測定用のソトウェアを購入する予定としていた．しかし，その後の検討で画像処理用のフリーソフトウェアを用いることで同様の測定が可能であることが判明したため，ソフトウェア購入に係る経費が不要となった．一方，サファイア基板にITO膜を蒸着させた透明伝熱面の作成に当初予算を超過する費用が発生した．この差額を次年度に持ち越すことになった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
昨年度は，透明伝熱面にサファイア基板を用いていたが，2成分流体の限界熱流束よりもかなり低い熱流束域で破損することが判明した．これはサファイアの高い熱膨張率によって発生する熱応力によるものと推察された．そこで本年度は，基板に石英ガラスを用いた新たな伝熱面を作成する．次年度に持ち越した助成金は，この伝熱面の作成に充てる予定である．
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