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MEMSセンサによる核沸騰熱伝達メカニズムの解明

Research Project

Project/Area Number 11J10651
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Thermal engineering
Research InstitutionMeiji University
Research Fellow 矢吹 智英  明治大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY) 2011 – 2013
Project Status Completed (Fiscal Year 2013)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywords沸騰熱伝達 / MEMS / 孤立気泡 / 局所温度計測 / ミクロ液膜 / プール沸騰 / 熱伝達メカニズム / 伝熱工学 / 干渉法
Research Abstract

本年度は, 昨年度までに取得した気泡底部局所温度データからミクロ液膜初期厚さを算出し, 従来提案されてきた二つの流体力学モデルを基に液膜形成機構を調べた. まず, 壁面温度を用いた伝熱解析により得られた伝熱面表面の局所熱流束をミクロ液膜時間内で積分することにより, センサ位置におけるミクロ液膜初期厚さを算出し, 液膜初期厚さの空間分布に関する相関式を作成した. 次に, 気泡に押しのけられた液体が壁面上に作る速度境界層の厚さが液膜初期厚さを決定するとする境界層モデルと, 静的メニスカスとミクロ液膜の間に形成される動的メニスカスにおけるラプラス圧力勾配と粘性力の釣り合いが液膜初期厚さを決定するとする動的メニスカスモデルの二つを用いて液膜形成特性を調べた. 結果として, ボンド数Boによって液膜形成機構が異なることが示され, 比較的液膜形成速度の大きなBo>15の領域では境界層モデルによって液膜形成特性が説明され, 一方, 比較的液膜形成速度の小さなBo<15の領域では動的メニスカスモデルによって液膜形成特性が説明可能なことが明らかとなった. また, 二つの液膜形成モデルに基づいた実験結果のフィッティングにより90%以上の実験結果を30%以内の誤差で予測可能な無次元液膜厚さに対する実験相関式を作成した. さらに本年度は, プール沸騰実験で構築したMEMS計測技術を応用して, 垂直伝熱面のサブクール流動沸騰における気泡底部伝熱面温度の計測を実施し, 単一気泡流動沸騰における伝熱素過程を観察した. 実験では, 流速0.25m/s, サブクール度10K以下の条件で気泡下の伝熱挙動を詳細に示す温度データが取得され, 垂直伝熱面の流動沸騰においてもプール沸騰と同様にミクロ液膜の蒸発ドライアウト, ドライアウト領域のリウェッティングが生じていることが明らかとなった. 今後は, 数値計算技術の検証に資するデータの取得, サブクール流動沸騰伝熱特性の解明を目的として, 流速, サブクール度, 過熱度を変化させた系統的な実験を行うことを考えている.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画通りミクロ液膜形成の流体力学的特性を調べることが出来た. レーザー干渉法による液相熱輸送計測実験では有効なデータが取得できなかったが, サブクール流動沸騰のMEMS計測では気泡底部の伝熱現象を詳細に示す温度データが取得され, 計画以上の成果が得られた.

Strategy for Future Research Activity

(抄録なし)

Report

(3 results)
  • 2013 Annual Research Report
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report

Research Products

(16 results)

All 2013 2012 2011

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (15 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Interferometric Measurement of the Liquid-Phase Temperature Field around an Isolated Boiling Bubble2012

    • Author(s)
      T. Yabuki, T. Hamaguchi, O. Nakabeppu
    • Journal Title

      JTST

      Volume: 7 Issue: 3 Pages: 463-474

    • DOI

      10.1299/jtst.7.463

    • NAID

      130002068922

    • ISSN
      1880-5566
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Study on Microlayer beneath Flat Boiling Bubble in Mini-channel with MEMS Sensor2013

    • Author(s)
      T. Saitoh, T. Yabuki, O. Nakabeppu
    • Organizer
      24th International Symposium on Transport phenomena
    • Place of Presentation
      山口東京理科大学
    • Year and Date
      2013-11-03
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] MEMS技術の沸騰研究への展開2013

    • Author(s)
      中別府修, 矢吹智英
    • Organizer
      日本機械学会関西支部第14回秋季技術交流フォーラム
    • Place of Presentation
      大阪大学
    • Year and Date
      2013-10-26
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] MEMSセンサを用いたミニチャネル内の沸騰熱伝達機構に関する研究(ミクロ液膜の形成・ドライアウト特性2013

    • Author(s)
      齋藤拓也, 矢吹智英, 中別府修
    • Organizer
      熱工学コンファレンス2013
    • Place of Presentation
      弘前大学
    • Year and Date
      2013-10-19
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Contribution of Microlayer Evaporation to Bubble GroWth in Pool Saturated Boiling of Water2013

    • Author(s)
      T. Yabuki, T. Saitoh, O. Nakabeppu
    • Organizer
      ASME 2013 11th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2013-06-18
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] MEMSセンサによる核沸騰熱伝達機構の研究(水のプール飽和沸騰におけるミクロ液膜蒸発の気泡成長に対する寄与)2013

    • Author(s)
      矢吹智英, 齊藤拓也, 中別府修
    • Organizer
      第50回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      ウエスティンホテル仙台
    • Year and Date
      2013-05-29
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] MEMSセンサを用いたミニチャネル内の沸騰におけるミクロ液膜の形成・蒸発特性に関する研究2013

    • Author(s)
      齋藤拓也, 矢吹智英, 中別府修
    • Organizer
      第50回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      ウエスティンホテル仙台
    • Year and Date
      2013-05-29
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Micro-scale Measurement of Saturated and Subcooled Nucleate Boiling Heat Transfer2012

    • Author(s)
      T. Yabuki, O. Nakabeppu
    • Organizer
      3^<rd> International Forum on Heat Transfer
    • Place of Presentation
      長崎ブリックホール
    • Year and Date
      2012-11-15
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] MEMSセンサを用いた沸騰熱伝達の微視的計測2012

    • Author(s)
      矢吹智英, 斎藤拓矢, 中別府修
    • Organizer
      第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      北九州国際会議場
    • Year and Date
      2012-10-22
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] NEW EXPERIMENTAL APPROACH TO BOILING HEAT TRANSFER MECHANISM (MEMS SENSOR AND HIGH-RESOLUTION FAST INTERFEROMETRY)2012

    • Author(s)
      O. Nakabeppu, T. Yabuki, T. Hamaguchi
    • Organizer
      2012 Japan-U.S. seminar on Two-Phase Flow Dynamics
    • Place of Presentation
      東京海洋大学
    • Year and Date
      2012-06-10
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] MEMSセンサによる核沸騰熱伝達機構の研究(単一気泡沸騰の詳細計測に向けたセンサの改良)2012

    • Author(s)
      矢吹智英, 中別府修
    • Organizer
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山国際会議場
    • Year and Date
      2012-06-01
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 薄膜熱デバイスを用いたミニチャネル内の流動沸騰に関する研究2012

    • Author(s)
      斎藤拓矢, 矢吹智英, 中別府修
    • Organizer
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山国際会議場
    • Year and Date
      2012-06-01
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] MEMS伝熱面上の孤立気泡核沸騰における液相温度場の干渉計測2011

    • Author(s)
      矢吹智英, 濱口拓矢, 中別府修
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス2011
    • Place of Presentation
      浜松
    • Year and Date
      2011-10-29
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] MEMS熱センサとレーザー干渉法による沸騰熱伝達メカニズム研究2011

    • Author(s)
      矢吹智英, 濱口拓矢, 中別府修
    • Organizer
      日本機械学会第3回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2011-09-26
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Experimental study on heat transfer to boiling bubble from superheated liquid layer2011

    • Author(s)
      T.Yabuki, T.Hamaguchi, T.Kobayashi, O.Nakabeppu
    • Organizer
      The 4^<th> International Conference on Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2011-09-05
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] MEMSセンサによる核沸騰熱伝達機構の研究(干渉法と極細熱電対を用いた液相熱伝達計測の試み)2011

    • Author(s)
      矢吹智英, 濱口拓矢, 小林誉幸, 中別府修
    • Organizer
      日本伝熱学会第48回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      岡山
    • Year and Date
      2011-06-01
    • Related Report
      2011 Annual Research Report

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Published: 2011-12-11   Modified: 2016-04-21  

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