2021 Fiscal Year Research-status Report
Significant enhancement of critical heat flux with three-dimensional porous-media manufacturing and surface modification technologies of heat-transfer surface structure
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21K04945
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
古谷 正裕 早稲田大学, 理工学術院, 教授(任期付) (80371342)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 沸騰熱伝達 / 限界熱流束 / 付加造形 / 急冷凝固 / 多孔質体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱流束を最大10 MW/m2まで増大させるために、熱流束を集中させる加熱構造や耐熱材を用いて既存設備を改良した。予熱器と凝縮器を追設し、効率的且つ精度良い沸騰伝熱実験が可能になった。
金属3Dプリンターを用いてサブミリの多孔質体で格子形状や放射形状の構造を有する伝熱面を7体、三次元造形した。造形パラメータは形状とポロシティーとした。沸騰伝熱実験を行った結果、実験範囲内ではポロシティーの影響は限定的であるが、放射状に多孔質体を配置し、伝熱面中央に効率的に水供給できる構造が最も高い限界熱流束を得られることが判明した。構造を設けない平滑面の限界熱流束が1.08 MW/m2に対し、前記構造は2.29 MW/m2に到達した（令和3年度大野倫太郎氏修士論文、並びに学術論文投稿済）。
対比試験として、溶融金属を急冷凝固法させた数ミリの不定形多孔質体構造の伝熱面を4体作製した。沸騰伝熱実験を行った結果、限界熱流束は0.71 MW/m2に減少することを確認した。しかしながら限界熱流束に至るまでの沸騰熱伝達は平滑面よりやや高い値を示している。急冷凝固させた数ミリの不定形多孔質体構造は、伝熱面への水供給を促進するが、気泡の離脱を阻害することが顕著となり、限界熱流束は低下すると考えられる（国際会議NUREH19にて公表済み）。
以上より、伝熱面上の構造としてはサブミリの多孔質体で気泡の離脱を阻害しない構造が重要であり、次年度以降の伝熱面構造の最適化に資する結果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当所計画では初年度として沸騰伝熱装置を設計・製作して基礎試験を行う予定であった。順調に研究が進捗し、サブミリの多孔質体で格子形状や放射形状の構造を3Dプリンターで三次元造形し、また急冷凝固試験体を製作し、沸騰伝熱実験により限界熱流束が2倍以上に向上する結果が得られた。
初年度ながら論文投稿（査読中）や国際会議（発表済み）に繋がる成果が得られたことから、計画以上に進展し、次年度以降の伝熱面の最適化に資する成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
得られた成果を基に、限界熱流束増大のために最適な伝熱面の多孔質体構造を見出し、実験結果を系統的に説明できる数理モデルを作成する。得られた成果を学会等で公表し、議論等を通じて得られた知見を、本研究の推進に反映する。
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Research Products
(1 results)
