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2013 Fiscal Year Annual Research Report

微細流路内沸騰における界面挙動と熱伝達特性の高精度把握・冷却能力評価方法の確立

Research Project

Project/Area Number 25289040
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

大田 治彦  九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50150503)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 新本 康久  九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30226352)
Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords熱工学 / 沸騰二相流 / 狭あい流路 / 高性能熱交換 / 混合媒体 / 強制流動沸騰 / プール沸騰
Research Abstract

本研究では、微細流路における強制流動沸騰時の流動および熱伝達の詳細を把握し、冷却条件に応じた最適な流路配列方法に関する普遍的な指針を見出す。初年度の研究結果は以下のとおりである。
1.単成分媒体の微細管内強制流動沸騰熱伝達に関する実験条件に関する検討:①単成分媒体の種類と圧力範囲の検討:自己浸潤液体の熱伝達特性を明らかにして、単成分媒体のそれとの比較を行うことが一つの重要な目的であり、表面張力の温度依存性が通常とは逆となる濃度・温度範囲を持つ炭素数4のブタノール水溶液を対象とする。高濃度成分となる純水を参照データの取得に用い、出口圧力を0.1MPaで固定する。②加熱長さ、熱流束範囲、質量速度範囲の検討:加熱長さは100mm、直接通電加熱により熱流束上限値は100kW/m^2、表面張力に比して慣性力を低く抑えるため50~200kg/m^2sとする。
2.単一微細管のテストセクション製作と実験装置本体の製作:①テストセクション内径と加熱長さの組み合わせに関する検討:内径は使用する成分液体(純水・ブタノール)とのボンド数を参照して微細管の性質が現れる0.1~1mmとする。②計測精度向上のための対策:微細管外表面にハンダ付けされた微細熱電対列からの熱損失の評価方法を見出した。③各テストセクション製作:内径0.51mmのステンレス管を使用してテストセクションを製作した。④真空断熱容器の製作:熱損失の大幅低減による加熱熱流束の精度確保と定常データ取得までの時間短縮のために内径192mmの容器内にテストセクションを格納した。⑤試験装置本体の製作:シリンジポンプを使用した非循環型の実験装置を組立てた。
3.単成分媒体に関する単一微細管内熱伝達の予備実験:①管外面温度分布の計測:ほぼ正常な温度データを取得した。さらなる精度向上を目指して熱損失の補正方法および熱電対温接点の接触状況について検討中。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究計画調書の初年度実施計画の項目別達成度の自己評価結果は以下のとおりである。
1-1.単成分媒体の微細管内強制流動沸騰熱伝達に関する実験条件に関する検討 ①単成分媒体の種類と圧力範囲の検討:達成、②加熱長さ、熱流束範囲、質量速度範囲の検討:達成
1-2.単一微細管のテストセクション製作と実験装置本体の製作 ①テストセクション内径と加熱長さの組み合わせに関する検討:達成、②計測精度向上のための対策:達成、ただし最も重要な管外面温度分布データの精度向上を目指して熱損失の補正方法および熱電対温接点の接触状況について、さらなる精度向上の検討を継続して行っている。③各テストセクション製作:ステンレス管は達成、透明伝熱管は製作依頼検討中、④真空断熱容器の製作:達成、⑤試験装置本体の製作:達成
1-3.単成分媒体に関する単一微細管内熱伝達に及ぼす入口流量変動の影響 ①:入口流量変動と熱伝達係数の関係:実験実施中、②入口流量変動と限界熱流束の関係:実験実施中
以上、小項目9のうち、達成7.5、実施中2.5であること、すでに項目1-3についても予備実験を行って熱伝達データの一部を取得していることにより、“おおむね順調に進行している”と判断した。

Strategy for Future Research Activity

第二年度は初年度の残項目(1-2③, 1-3)に加えて以下を実施する
2-1.単成分媒体に関する各種条件下における単一微細管のデータ取得(水平流)①水平流における質量速度の影響(熱流束、乾き度を変化)、②水平流における管内径の影響(熱流束、乾き度を変化)、③水平流における系圧力の影響(質量速度、熱流束、乾き度を変化)、④ 水平流における系圧力の影響(管内径、熱流束、乾き度を変化)
2-2.単成分媒体に関する各種条件下における単一微細管のデータ取得(垂直流)①垂直上昇流における質量速度の影響(熱流束、乾き度を変化)、②垂直上昇流における管内径の影響(熱流束、乾き度を変化)
2-3.自己浸潤性混合媒体の性質に関する計算・検討①アルコール(C>=4)水溶液に対する相平衡データの整理、②相平衡データによる低沸点成分の最小可能濃度、および最大可能界面温度に関する検討、③表面張力データの整理、④濃度差による表面張力勾配の最大値、⑤温度差による表面張力勾配の最大値、⑥マランゴニ数の定義の最適化、⑦各混合媒体に対する各濃度での表面張力以外の熱物性推算 ※本項目では、表面張力勾配と得られた熱伝達データとの関連を調べるために、相平衡計算を行い、各濃度・温度に対する表面張力および表面張力勾配の関係を見出す。
2-4.自己浸潤性混合媒体に関する各種条件下における単一微細管のデータ取得①水平流における質量速度の影響(熱流束、乾き度を変化)、②水平流における管内径の影響(熱流束、乾き度を変化) ※微細管内では発生気泡が管内に充満して気泡スラグとなる傾向が通常管よりも顕著で、より局所的かつ周期的なドライアウトの発生がより低い乾き度域において見込まれる。この点において、強制流動沸騰の低・中乾き度における自己浸潤液体の効果は通常管よりも顕在化するものと考えられる。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

初年度の交付申請書では物品費6,832,000円のうち使用額は4,235,477円、また旅費2,836,000円のうち使用額は644,358円で、他費目とあわせて合計5,000,000円の残額を生じている。これは先に述べた初年度の実験実施の若干の遅れによるところが大きい。すなわち物品費に関しては、1-2③の微細透明伝熱管はコーティングヒータによる外部加熱と内部加熱の両方の得失について検討中であり、製作依頼検討段階であるため残額を生じており、また旅費に関しては1-3の入口流量変動と熱伝達係数・限界熱流束の関係について実験実施中であるため、発表時期がずれ込んで残額を生じている。しかし、微細透明伝熱管は第二年度に製作する予定であり、また流動変動の影響についてもデータ解析後に成果発表を行う予定であるため、残額を繰り越さんとするものである。
上記理由を踏まえ、平成26年度は以下の予算使用計画で進める予定である。尚、※印は学術研究助成基金助成金の繰越額(計:5,000,000円)を表す。物品費(4,280,000円, うち※4,000,000円)は主に微細透明伝熱管製作費(※2,500,000円)とし、他、配管材料、試験液体等の消耗品(1,780,000円, うち※1,500,000円)とする。国内外の学会発表のための旅費(2,120,000円, うち※800,000円)を、国内旅費として 640,000円(うち※320,000円)、外国旅費として 1,480,000円(うち※480,000円)を使用する。人件費・謝金として計上するものは無い(0円)。その他、会議参加登録費用等として 300,000円(うち※200,000円)を使用する予定である。

  • Research Products

    (3 results)

All 2013

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (2 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Boiling Experiments under Microgravity Conditions2013

    • Author(s)
      Haruhiko OHTA, Soumei BABA
    • Journal Title

      Experimental Heat Transfer: A Journal of Thermal Energy Generation, Transport, Storage, and Conversion, Taylor and Francis

      Volume: 26 Pages: pp.266-295

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 非共溶性混合媒体を用いた革新的高性能沸騰冷却2013

    • Author(s)
      大田 治彦
    • Organizer
      九州大学新技術説明会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      20131008-20131008
    • Invited
  • [Presentation] 混合媒体による沸騰熱伝達特性の改善について2013

    • Author(s)
      大田 治彦
    • Organizer
      日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト 「将来冷媒の先進熱交換器に関する調査研究」
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      20130926-20130926
    • Invited

URL: 

Published: 2015-05-28  

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