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Dynamics of liquid-solid contact on a hot solid surface that determines quenching point

Research Project

Project/Area Number 21H01264
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 19020:Thermal engineering-related
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

KOHNO MASAMICHI  九州大学, 工学研究院, 教授 (50311634)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高田 保之  九州大学, 工学研究院, 教授 (70171444)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Keywords相変化伝熱 / スプレー冷却 / 液滴蒸発 / 鋼板冷却 / 濡れ性 / 気液相変化 / クエンチ点 / 鋼板製造 / ライデンフロスト / 気液相変化伝熱 / 鉄鋼製造 / 酸化皮膜
Outline of Research at the Start

高温面を液体で冷却するスプレー冷却は,液体の蒸発潜熱を利用することにより大量のエネルギーを伝達することが可能なため,鉄鋼製造プロセスにおける高品質化などの要求に対応して,その高度化が望まれ続けている.この冷却プロセスの制御性は急冷開始温度(クエンチ点)をいかに自在に制御できるかにかかっているが,クエンチ点の発生メカニズムは科学的に未解明な点が多く,各種冷却プロセスにおけるクエンチ点の予測と制御が長年切望されている.冷却側(液体)と被冷却側(固体表面)の各種制御因子がクエンチ点に及ぼす影響を明らかにし,クエンチ点を予測および制御する手法を確立することを目的とする.

Outline of Final Research Achievements

Spray cooling is the leading technology for rapid cooling, and the controllability of this cooling process depends on how freely the quench temperature (quench point) can be controlled. Therefore, in this study, we developed an environment-controlled spray cooling device and focused on examining the effects of various control factors of the ambient environment (pressure and gas types) on the quench point temperature and droplet evaporation behavior.
In spray cooling with varying ambient pressure, the cooling rate increased as the pressure increased, and the quench temperature also rose with higher pressure. Additionally, it was found that the quench temperature could be accurately estimated using a model that assumes upward-facing pool film boiling.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

スプレー冷却は急速冷却技術の本命であり,この冷却プロセスの制御性は急冷開始温度(クエンチ点)をいかに自在に制御できるかにかかっている.特に鉄鋼製造プロセスでは,冷却速度によって材質の微細構造を制御し,その材質の特性を決定するため,スプレー冷却の高精度制御が望まれている.
本研究にて,上向き平板のプール膜沸騰を想定したモデルからクエンチ温度を良好に推算できることが分かったため,今後このモデルを行動することで,鋼板製造プロセスのさらなる発展に貢献することが期待される. また得られた知見は半導体装置および電子機器の冷却など,広範な冷却プロセスへの応用も可能である.

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Quenching mechanism of spray cooling and the effect of system pressure2022

    • Author(s)
      Kita Yutaku、Nakamatsu Mikiya、Hidaka Sumitomo、Kohno Masamichi、Takata Yasuyuki
    • Journal Title

      International Journal of Heat and Mass Transfer

      Volume: 190 Pages: 122795-122795

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122795

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 高温固体面のスプレー冷却2022

    • Author(s)
      河野正道,喜多由拓
    • Journal Title

      エアロゾル研究

      Volume: 37 Pages: 261-267

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanistic Insights into Nanobubble Merging Studied Using In Situ Liquid-Phase Electron Microscopy2021

    • Author(s)
      Nag Sarthak、Tomo Yoko、Takahashi Koji、Kohno Masamichi
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 37 Issue: 2 Pages: 874-881

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.0c03208

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dynamic interplay between interfacial nanobubbles: oversaturation promotes anisotropic depinning and bubble coalescence2021

    • Author(s)
      Nag Sarthak、Tomo Yoko、Teshima Hideaki、Takahashi Koji、Kohno Masamichi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 23 Issue: 43 Pages: 24652-24660

    • DOI

      10.1039/d1cp03451k

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 環境雰囲気が高温面上の液滴蒸発挙動に及ぼす影響2024

    • Author(s)
      竹崎 悠晟
    • Organizer
      日本機械学会 九州支部 第55回 学生員 卒業研究発表講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Prediction of Quench: Applicability of Droplet Model to Spray Cooling2023

    • Author(s)
      Yutaku KITA, Masamichi KOHNO, Yasuyuki TAKATA
    • Organizer
      8th Micro and Nano Flows Conference
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Surrounding Pressure on Spray Cooling of Hot Surface2023

    • Author(s)
      Masamichi KOHNO, Yutaku KITA, Mikiya NAKAMATSU, Sumitomo HIDAKA, Yasuyuki TAKATA
    • Organizer
      11th Int. Conf. Boiling Condensation Heat Transfer 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 加熱履歴による表面性状変化が液滴蒸発時間に及ぼす影響2023

    • Author(s)
      尾上 樹,木田 健介,有吉 隆晃,河原 朋美,日高 澄具,喜多 由拓,高田 保之,河野 正道
    • Organizer
      第60回日本伝熱シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 温度履歴による濡れ性変化が及ぼす液滴衝突挙動および クエンチ点への影響2022

    • Author(s)
      喜多 由拓
    • Organizer
      第59回日本伝熱シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 濡れ性の加熱履歴依存性と液滴衝突挙動に関する研究2022

    • Author(s)
      尾上 樹
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 熱処理における“熱科学・熱技術”2022

    • Author(s)
      河野 正道
    • Organizer
      第59回日本伝熱シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 高温面のスプレー冷却における 急冷開始点の決定因子に関する研究2021

    • Author(s)
      河野正道,仲松幹弥,日高澄具,喜多由拓,高田保之
    • Organizer
      第58回日本伝熱シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] スプレー冷却の急冷開始点に及ぼす雰囲気圧力の影響2021

    • Author(s)
      木田健介,喜多由拓,仲松幹弥, 日高澄具,河野正道,高田保之
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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