Improvement of the heat exchanger performance by recucing frost formation on nano unever surface using an anodic osidation method

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K22019
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: Sato Tetsuya 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80249937)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 十川 悟 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (50822136)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 着霜 / 除霜 / 極低温熱交換器 / 陽極酸化 / 超撥水 / 着霜シミュレーター

Outline of Final Research Achievements

We demonstrated the frost formation reduction effect by the nanostructured superhydrophobic material using anodization, and developed a simulator of the frost layer growth that supports a wide cooling surface temperature range.
As a result, by imparting super-hydrophobicity to the aluminum material, frost formation delay was confirmed on the cooling plate with a relatively high temperature (-8℃) because of the delay in freezing of the supercooled droplets. On the other hand, the frost formation was delayed on the ultra-low temperature circular tube (-180℃) due to the frost blowing off.
We constructed the simulator by incorporating a model that combines the sublimation condensation and the mist generation to be applied to a wide range of cooling surface temperatures from freezing points to extremely low temperatures.

Free Research Field

航空宇宙推進工学、熱流体科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

液体水素を燃料とすることにより、高性能で二酸化炭素を排出しない航空宇宙輸送システムが実現できる。しかしながら、極低温水素熱交換器への着霜が主要な技術課題となっている。極低温熱交換器は、水蒸気が気流中でミストになるという特徴があり、従来の冷凍空調用熱交換器での着霜現象と異なる。そこで、本研究では、冷却面にナノスケールの微細表面処理を施すことにより着霜を低減する方法を試みた。さらに、一般動力学方程式を用いて、ミスト化現象を含む新しい着霜予測シミュレータを開発した。極低温冷却面における着霜メカニズムについての知見を得たことは学術的意義があり、今後の水素社会における波及効果も高い。