Clarificaion of the relation between wetting front propagation velocity and pool boiling CHF

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03895
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 小泉 安郎 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 客員研究員 (20215156)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大川 富雄 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20314362)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 沸騰熱伝達 / 限界熱流束 / 濡れ進展速度

Outline of Annual Research Achievements

核沸騰による除熱は、きわめて高い熱伝達率を示す高効率の冷却手法だが、限界熱流束を超過すると、沸騰様式が膜沸騰に移行して、熱伝達率が大きく低下する。このため、より高い限界熱流束値を示す高性能伝熱面の開発が、世界各所で精力的に行われている。限界熱流束に至るとき、伝熱面からの入熱によって蒸気泡が生成され、その底部に乾き域が形成される。この後、乾き域外縁の固気液三相界線が内向きに移動して、乾き域が消滅すれば、伝熱面温度は飽和温度近くに維持される。一方、乾き域が際限なく拡大すると、伝熱面の冷却が長期間途絶えて温度上昇し、限界熱流束状態に至る。本考察より、固気液三相界線が内向きに移動する速度（濡れ進展速度）が大きい伝熱面では、乾き域が成長しにくいため、CHFが向上すると考えられる。本研究では、常温条件と核沸騰中の両方で、各種伝熱面の濡れ進展速度を計測し、別途計測するプール沸騰限界熱流束との関係を調べる。得られた結果より、濡れ進展速度を主要変数とする限界熱流束相関式を開発することを目的とする。このため、様々な濡れ進展速度を有する伝熱面を対象に、限界熱流束及び限界熱流束状態に至るときに気泡底部に形成される乾き域の動的挙動を実験的に調べることを目的として、薄板を伝熱面にするとともに、その底部よりレーザー光を入射することで、試験流体中で核沸騰を生じさせる実験系を構築した。また、本実験装置を用いて、限界熱流束時における伝熱面温度の急上昇を良好に計測可能であることを確認した。また、乾き状態にある伝熱面に試験流体を接触させることで、濡れ進展速度を実験的に定量化できることを示した。以上の手続きにより、各種伝熱面について限界熱流束と濡れ進展速度を個別に計測するとともにその関係を系統的に調査するための準備を整えた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

様々な濡れ進展速度を有する伝熱面を対象に、限界熱流束及び限界熱流束状態に至るときに気泡底部に形成される乾き域の動的挙動を実験的に調べるため、薄板を伝熱面にするとともに、その底部よりレーザー光を入射することで、試験流体中で核沸騰を生じさせる実験系を構築した。また、本実験装置を用いて、限界熱流束時における伝熱面温度の急上昇を良好に計測可能であることを確認した。また、乾き状態にある伝熱面に試験流体を接触させることで、濡れ進展速度を実験的に定量化できることを確認した。以上の手続きにより、各種伝熱面について限界熱流束と濡れ進展速度を個別に計測するとともにその関係を系統的に調査するための準備を整えた。

Strategy for Future Research Activity

前年度までに構築した実験装置及び実験手法を用いて、伝熱面表面性状をパラメーターとして、限界熱流束と濡れ進展速度に関する系統的な実験データを取得する。得られた実験データを用いて、限界熱流束に及ぼす濡れ進展速度の影響を明らかにするとともに、より高い濡れ進展速度を示す伝熱面の特徴について検討する計画とする。