2020 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of the frost growth process by means of the heat and mass transfer analysis bases on the frost micro structure measurement by using X-ray micro CT
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18K03994
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
松本 亮介 関西大学, システム理工学部, 教授 (50268314)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小田 豊 関西大学, システム理工学部, 准教授 (50403150)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 霜 / 氷結晶 / X線マイクロCT / 3次元構造 / 熱物質輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の研究対象である霜層では，霜の成長とともに内部の温度分布と水蒸気分圧が時間的にも変化し，霜層内にて複雑に結晶構造を変化させながら，霜層が成長する．霜結晶構造と霜層内の熱物質輸送の関係を解明することにより，霜成長過程を明らかにする．研究方法は，「X線マイクロCTを用いた霜層微細構造評価」と「霜層内熱物質輸送解析と霜成長過程の解明」の２つに大別される．
「X線マイクロCTを用いた霜層微細構造評価」については，シリコン表面チップ伝熱面の表面性状が霜層微細構造に与える影響を観察した．接触角が96.2°のはっ水面，15.0°の親水面の表面性状において実験を行った．表面性状に関わらず，霜層で形成される氷結晶構造は樹枝状晶に成長する柱状結晶と平板型の結晶の2種類のみが存在することが明らかとなった．ただし，親水面の場合には直径が約220μmの半球状の氷滴が伝熱面に接触するのに対し，はっ水面の場合には着霜初期の滴状氷滴が約70μmの微小な球状であり，伝熱面との熱的な接触が阻害されたために氷結晶構造が変化し，氷滴を覆うような平板型結晶が主として形成された．その結果，その後の霜成長がゆるやかとなり，霜層密度が疎となることが見いだせた．
「霜層内熱物質輸送解析と霜成長過程の解明」については，実験データを用いて「氷結晶と霜層内の湿り空気の複合熱伝導」の熱物質輸送を解析した．幅1.5mm×奥行0.4mm×高さ1.15mmの微小領域について，氷結晶と湿り空気の3次元熱伝導の数値計算を行った．その結果，氷の熱伝導による霜層内の熱移動が支配的であることが明らかとなった．霜層の成長と共に霜層表面の結晶先端温度が上昇し，霜成長が鈍化する一方，霜層底部の氷結晶が占める体積割合（霜密度）が増加することで，霜層底部の温度が低下する．そのため，霜層内上部で昇華，下部で逆昇華が生じることが明らかとなった．
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