2018 Fiscal Year Annual Research Report
加熱壁面上のマイクロバブルとマランゴニ対流発生が流体加熱効率に与える影響の解明
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17H04904
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
名村 今日子 京都大学, 工学研究科, 助教 (20756803)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | マランゴニ対流 / マイクロバブル / 金ナノ粒子薄膜 / 沸騰 / 水冷 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現代の産業全般において，水冷技術は非常に重要な役割を担っている．特に，宇宙空間に漂う機器類や高集積化する電子デバイス内での熱のマネジメントは急務となっている．水冷技術において鍵となるのは加熱壁面から流体への熱伝達率と流体中の熱伝導・熱輸送である．本研究では，加熱壁面上に生成するバブルとその周辺に発生する対流が，壁面から流体への熱の移動にどのように影響を与えているかを明らかにすることを目的としている．本年度は，バブルの挙動に大きな影響を与える水中溶存気体量を調節し，その場でバブルの観察を行う手法を確立した．また，水中溶存空気量を2 mg/L以下まで下げ，その場でバブルの生成を試すことに成功した．この装置を用いて，バブルの中に取り込まれる気体の量を調節し，バブルの大きさや周辺に発生する対流のと関係を明らかにした（論文準備中）．この結果は，加熱壁面上のバブルが急激な対流を伴うメカニズムの解明に貢献する．また一方で，バブルの周りに生じる対流の向きを制御することは，加熱壁面の効率的な冷却に欠かせない．そこで，レーザー多点同時照射法を用いてバブル周辺の温度勾配を変化させて，対流の向きを制御する方法を明らかにした（論文発表済）．この方法を用いることで，マイクロ流路内に壁面に平行な向きの流れを発生させることができる．小型デバイスの冷却においては，このようなマイクロ流路を用いた冷却方法の確立が望まれており，本成果はその実現に貢献する．
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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
本年度は当初の研究計画に基づいて，光熱流体現象観察用実験系の製作及び局所加熱されたマイクロバブル周辺の温度に関する研究を行った．
まず，前年度の試みから，流体中の溶存気体量を保つことが光熱流体現象観察を行う上で重要であることがわかっていた．そこで，流体の脱気を行なったのち，その場で光熱流体現象を観察できるように設計した装置を作製した．ガスクロマトグラフィーを用いて，装置内の脱気水中に残存する溶存気体量の定量し水を一度大気暴露した時と比較して溶存気体量を低減できることがわかった．また，準備した脱気水の圧力を4kPaから100kPa程度で任意に設定し，その場で光熱流体現象を観察することに成功した．開発した装置を用いて，水中溶存気体量がバブルの成長と対流発生に与える影響を明らかにした．さらに，レーザー多点同時照射法を用いてバブル周辺の温度勾配を変化させて，対流の向きを制御する方法を明らかにした．
一方で，マイクロバブルの周辺の温度を調べることは，対流の発生に関する理解を深め，冷却効果を明らかにする上で重要である．そこで，小型の温度計，熱流束計，および感温薄膜を用いたバブル周辺の温度・温度変化の定量を試みた．まず，小型の温度計および熱流束計を用いた実験では，バブルの大きさに比べてそれらのセンサーが大きかったため，その周りの熱の移動を測定することが困難であった．そこで，室温から70℃程度で相転移することが知られているWドープVO2薄膜を作製し，バブルの極近傍の温度を可視化することを試みた．その結果，緩やかな流れを伴う空気バブルと激しい流れを伴う水蒸気バブルとの間で，バブル周辺の温度分布に著しい差が見られることがわかった．そして得られた結果から，水蒸気バブルの高い冷却効果が明らかになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，前年度に作成した光熱流体現象観察用実験系を用いて，加熱壁面から流体への熱伝達効率の評価及びバブルを用いた熱伝達効率向上をめざす．具体的な研究計画は以下の通りである:
前年度は光熱流体現象観察用実験系の改良と熱伝達効率測定のための予備実験を行なった．その結果，タングステンドープした酸化バナジウム薄膜を使ってバブルのごく近傍の温度分布を測定できることがわかった．本年度は熱流束計を用いた評価に加えて，微小領域温度分布測定を利用して熱伝達効率の評価を行う．
前年度までの取り組みの結果，バブルの大きさや周辺に発生する対流の強さは，レーザー強度，強度空間分布，液体中溶存気体量，液体の種類などによって大きく変化することがわかっている．そこで，これらの要素が加熱壁面から液体への熱伝達効率にどう影響しているかを調べる．そして熱伝達効率向上に最適な条件を明らかにする．特に，強度空間分布によってバブルの周りの流れの向きを様々に変化できることがわかっている．そのため，マイクロ流路を使って微小領域の冷却を行う手法として最適化することにも取り組む．また，流体の種類の最適化については，すでに水－アルコール混合液について大まかに最適な濃度の範囲がわかっている．しかし，なぜこの範囲でバブルの大きさや周辺対流速度に大きな変化が現れるのかが明らかになっていない．そこで，熱伝達効率向上のための水－アルコールの混合比最適化と並行して，なぜそのような変化が現れるかをより詳しく明らかにする．
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