| 研究課題/領域番号 |
21K03923
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 神奈川大学 |
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研究代表者 |
原村 嘉彦 神奈川大学, 工学部, 教授 (80175546)
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| 研究分担者 |
諸隈 崇幸 神奈川大学, 工学部, 助教 (00756059)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 沸騰 / 限界熱流束 / プール沸騰 / 温度制御 / 熱流束分布 / 熱流束変動 / 熱伝導逆問題 / マクロ液膜 / 沸騰限界熱流束 / ぬれ性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
気液挙動と伝熱の関係，特にぬれ・乾きの広がり方について実験的に研究する．伝熱面は，発生する気泡塊の位置がさほどぶれないように小さめにし，周囲からの液の流入の影響をできる限り排除できるように中央部分と外周部分とで構成する．これを，遷移沸騰に少し入った点も含め，限界熱流束点近傍で動作させる．中央の円柱には多数の（30本またはさらに多い数の）応答性の高い微細熱電対を埋め込み，その信号をもとに熱伝導の逆問題を解いて，表面温度と熱流束の変化を捉える．その結果を高速カメラやボイドセンサによって把握する気液の挙動と比較して，これらの関係性を明らかにする．
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| 研究実績の概要 |
内外を0.1mmの空隙を持ち底部が接続している二重円柱を用いて伝熱特性の取得と温度制御の達成について３通りの中心部径について測定を行った．
１．伝熱面の製作 2021年度に伝熱面を製作して測定を行ったが，接合方法の検証を行った結果，従来の方法では接合の欠陥が多かったので，接合過程の直前に水素で表面を還元することにした．またそこでは空隙に銀ろうが流れ込む問題点が発生したので，空隙を構成する内外の円筒面に耐熱塗料を塗布した．
２．伝熱特性 外径を11.6mmで固定し，中心部径を5.8mm, 8.8mmとした伝熱面で伝熱特性の測定を行った．試験液体は，大気圧の精製水を用いている．核沸騰から設定温度を上昇させる場合，中心部が先に限界熱流束を迎えて遷移沸騰に移行し，周囲部が核沸騰を維持する状況がすべての伝熱面においで生じることを確認した．中心径5.8mmの場合は，中心部の限界熱流束が，十分大きな伝熱面上の限界熱流束を表すとされているZuberのモデルによる値に比べてやや小さく，また直径35mm伝熱面を使って温度を制御した状況で測定したAuracherらの実験値に比べて小さい1.0MW/m2程度の値になった．中心部直径が8.8mmの場合の中心部の限界熱流束は約1.5MW/m2でありAuracherらの値に近い．一方，周囲部の限界熱流束は，中心径5.8mmの場合に1.7MW/m2，8.8mmの場合に2.3MW/m2であり，周囲からの液の流入によって高い限界熱流束となることがわかった．
3．温度制御性 浅いフィードバック点の場合，周期数秒のリミットサイクルが生じる不安定な状態であった．中心部直径5.8mmで深さ4.4mmでは，かなり広い遷移沸騰範囲で安定な温度制御が実現できたが，制御不能の温度範囲が存在する．フィードバック点が7mmより深い場合は，急な負の勾配の領域で逸走型の不安定が生じた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初は中心部径を変化させた単純な二重円柱での測定を終わり，熱流束の分布・変動を測定できる伝熱面を製作し測定を開始する予定であった．しかし，2022年度の伝熱面の製作時に，本来ワイヤーカット放電加工で切断して表面出しをすべきところを通常の切削加工で行ったため，バリが中心部と周囲部の間に食い込んで残る伝熱面になった．この実験を行っていたため，中心部径を変化させる実験に長期間を要した．ただ，中心部と周囲部の熱的接触が限界熱流束に大きな影響を与えることが明らかにできた．
さらに熱電対を密に配置する伝熱面の製作も以下の理由で予定より遅くなっている．伝熱面直下に0.35mmの間隔の6行6列の格子点に熱電対を設置して表面の熱流束分布とその時間変化を測定することを目指している．熱電対は多肢熱電対で，側面を絶縁したコンスタンタン線を穴に固定し，その表面に銅を接合する方法で設置する．ノイズを低減し，また素線の延長を容易にするために直径0.2mmであるが先端付近の直径を0.05mmとしたコンスタンタン線を設置する．伝熱面底面に設置するヒータ線と干渉しないように1つの穴から8つに分岐させた穴を通して上述の8本のコンスタンタン素線を大きな穴側から通す必要がある．その治具として極細のニッケルパイプを外注で製作した．そこに不具合がありこれを修正するのに4ヶ月費やしてしまった．
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| 今後の研究の推進方策 |
従来の実験の延長と熱流束分布・変動の測定 2023年度は，先ず，取り残している中心部径7.3mmの伝熱面を用いた2022年度と同様な測定を行う．この伝熱面は製作の最終段階まで来ているので，比較的早い時期に測定が終わると見込まれる．一方で伝熱面直下に多肢熱電対を設置した熱電対を製作し，これを用いた測定を行う．この多肢熱電対の信号は，合計48点ありそれをほぼ同時計測するが，その計測系は以前使用したものがあり，構築は容易である．その一方で，伝熱面の製作には1ヶ月半ほどの時間が必要である．年度前半には伝熱面，計測系の構築が完成すると見込んでいる．
高速カメラによる観察 以前は，茸状気泡の内部に差し込んだ観察窓からのみ，すなわち上方からのみ高速カメラによる撮影を行っていた．しかし，茸状気泡の挙動との関係がわかりにくい問題点があった．そこで，2022年度の末に1000fps以上で撮影可能な高速カメラを購入し，さらにトリガを従来の高速カメラと共有するシステムを構築した．これによって従来から使っている上方からの50,000fps程度の撮影と新しい高速カメラによる側方からの1000fpsでの撮影を同期させて行うことが可能になった．これをさらに高速な熱電対信号の測定と同期させて，伝熱面上の液の動きと熱流束の変化の相関をとるめどは立っている．測定温度から熱伝導の逆問題を解いて表面温度と熱流束を求める方法も実績がある．
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