2016 Fiscal Year Research-status Report
二相熱流動制御を目的とした高機能表面の創製と壁面気泡挙動操作技術の開発
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16K06119
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
北川 石英 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (80379065)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 気泡 / 機能表面 / 熱伝達 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
気泡は，スケール別に，マイクロバブルから大変形を伴うミリバブルに分類され，現在，機械・化学・船舶・医療の分野において盛んに利用されている．このような状況のもと，多くの場合では，壁面近傍の気泡挙動が，利用効果や機器性能に直接的影響を与える．このため，壁面近傍気泡挙動の人工的制御が可能となれば，気泡注入効果のさらなる向上が期待できる．研究①では，鉛直加熱平板自然対流熱伝達の促進を目的として，親水面と撥水面を組み合わせた「機能表面」と「気泡注入法」を複合利用した．機能表面の撥水部の幅WHが0.0，0.5，1.0 mm の条件のもと，温度計測・気泡速度計測を行った結果，WH=0.5 mmの場合の熱伝達率および，気泡注入効率が最も高くなることがわかった．特に，この条件では，機能表面を利用しない場合に比して，最大11%の熱伝達の向上を図ることができた．この機能表面の利用に伴う熱伝達率の増加は，伝熱面近傍における気泡存在頻度と密接に関係する．WH=0.5 mmの場合では，撥水部での一時的な気泡の付着により，伝熱面近傍の気泡数密度が増加する．一方， WH=1.0 mmの場合では，撥水部での残留気泡が肥大化し，壁から遠方へ離脱する際，他の気泡の拡散を促すため，結果として，伝熱面近傍の気泡数密度が低下する．また，研究②では，マイクロチャネルを利用し，外部エネルギ供給を必要としない自立型気泡生成法の開発を行った．その結果，マイクロチャネル内壁に撥水性のポケットを多数設けることにより，ポケット部での恒常的な空気貯蔵を行うことができた．
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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
①「気泡注入法と機能表面の複合利用による自然対流熱伝達の促進」：親水部と撥水部を組み合わせた機能表面の作製に成功し，機能表面での撥水部の幅が0.5 mmの場合，機能表面を利用しない場合に比して，最大11%の熱伝達の向上を図ることができた．また，撥水部でのコーティングに関しては，成分の配合を微調整し，性能評価を繰り返し行った結果，水中での浸漬時間・気泡の付着時間に依存せず，高い持続性・耐久性を有することを確認できた．一方，親水部に関して，熱水処理法によって製作された親水面上のベーマイト構造の耐久性が，研究当初の想定よりも低いことが明らかとなった．ベーマイトの構造の変化は，表面性状に直接的影響を及ぼすことから，結果として，機能表面利用時の温度計測データに大きなばらつきが生じた．
②「外部エネルギ供給を必要としない自立型気泡生成法の開発」：マイクロチャネル内壁に撥水性のポケットを設けることにより，ポケット部での恒常的な空気貯蔵を行うことができた．しかし，ポケット部からの気泡生成の際，条件によっては，生成気泡同士の合体が頻繁に生じ，チャネル内の圧損が増加した．
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| Strategy for Future Research Activity |
①「気泡注入法と機能表面の複合利用による自然対流熱伝達の促進」：今回得られた結果を踏まえ，親水面の作製に関して，今後は，熱水処理法ではなく，親水性を有する金属箔の直接利用を考えている．具体的には，複数の企業から，成分の異なるアルミニウム箔およびステンレス箔を購入し，その中から機能表面に最適な金属箔を選定する．機能表面の利用は，親水部での気泡の滑らかな運動と，撥水部での気泡の捕獲を目的としていることから，親水部の接触角が40～60°程度であっても，気泡の付着が生じなければ，気泡の上昇運動を制御できる．これまでに多くの金属箔を試験した経験をもとに，機能表面に最適な金属箔の選定は可能であると考えている．
②「外部エネルギ供給を必要としない自立型気泡生成法の開発」：マイクロチャネル内のポケットを対面配置した際，ポケット部からの生成気泡の合体が頻繁に生じたことを踏まえ，ポケットを千鳥配置した新たなマイクロチャネルの作製を実施する．
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| Causes of Carryover |
機能表面の親水部の持続性の低さが明らかとなり，それに関する追加調査が必要になったため．また，マイクロチャネル内において，気泡のスムーズな移動が生じないケースが明らかとなり，新たなマイクロチャネルの作製が必要となったため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
前年度の未使用金を，成分の異なるアルミニウム箔およびステンレス箔の購入，そして，ポケットを千鳥配置した新たなマイクロチャネルの作製費に使用する．
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