2017 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，昨年度に作成した可視化実験装置を用いて，2-プロパノール水溶液の濃度を広範囲に変化させた実験を実施した．その結果，伝熱面の乾燥領域割合は2-プロパノール濃の増加とともに急激に減少し，3~4mol%で最小値を取った後に増加する傾向を示すことが判明した．これは，2-プロパノール水溶液の沸騰における蒸気塊下の液層厚さの濃度依存性と類似の傾向である．
また，局所温度測定系の高精度化を行い，蒸気塊下の液層厚さが最大値を取る濃度3mol%において局所温度を測定し，その結果から伝熱面近傍の2プロパノール局所濃度分布を決定した．得られた結果から表面張力分布を見積ることで，マランゴニ効果によって気泡に働く力の定量的評価を行った．その結果，伝熱面から発生した一次気泡には，直径1mm程度まで成長する過程で浮力をはるかに凌ぐ上向きの力が働くことが明らかとなった．
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．
昨年度は，伝熱面を下方から可視化する実験系を構築し，伝熱面上のドライアウトの可視化測定が可能であることを確認した．本年度は，この実験系を用いて，伝熱面のドライアウト挙動の2-プロパノール濃度依存性を検討した．また，温度測定系の高精度化を行い，2-プロパロールの局所濃度を求め，その結果から表面張力分布を決定した．これによって，気泡に働くマランゴニ効果の定量的な見積もりを可能にした．
以上の結果より，二成分流体の沸騰における特異な気液構造発現はマランゴニ効果によって生じており，これによって限界熱流束が促進されていることを強く示唆する結果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で，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よりも低い熱流束（二成分流体の限界熱流束の60%程度に相当）で破損することが判明した．このため，限界熱流束近傍での測定は行えなかった．本年度は，限界熱流束までの測定を可能にするための新たな伝熱面を作成する．これにより，熱流束の増大とともにドライアウト過程がどのように進展して限界熱流束に至るのか，その過程が2-プロパノール濃度の変化によってどのような影響を受けるか，を明らかにする．
また，昨年度に作成した高精度温度測定系を用いて，広範囲の2-プロパノール濃度に渡って局所濃度分布を求める．この測定によって，マランゴニ効果が気泡挙動に与える影響の濃度依存性を明らかにする．
以上の測定により，２成分流体で特異な気液構造が発現する要因と限界熱流束促進機構の解明を目指す．
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| Causes of Carryover |
「次年度使用額が生じた理由」 昨年度は，伝熱面となるITO蒸着基板の製作を外部業者に委託していた．この伝熱面は，サファイア基板上にITO導電膜を蒸着し，その上にチタン，銅の順で電極部を蒸着して作成するため，非常に高額である．このため，本年度は本学共同利用施設である微細加工プラットフォームを利用して伝熱面の作成を行った．このため，伝熱面作成のかかる費用が大幅に減額となり，差額を次年度に持ち越すことになった．
「使用計画」 昨年度まで使用していた伝熱面は，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，サファイアを裏面から加熱し，非ITO蒸着面を沸騰面としていたために，サファイア厚さ方向に大きな温度勾配が形成され，これによって発生する熱応力が原因と推察された．これを避けるためには，ITO蒸着面を沸騰面とする必要があるが，ITOが水と接した状態で直流加熱すると，水との化学反応によりITOが変質してしまう．これを避けるために，ITO蒸着後に，さらに保護膜(Al2O3を予定)を蒸着した伝熱面を新たに作成する．この加工は，本学の共同利用施設では行えないため，外部業者に委託する．次年度に持ち越した助成金は，この伝熱面の作成費用に充てる予定である．
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