| 研究課題/領域番号 |
21K04945
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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31010:原子力工学関連
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
古谷 正裕 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80371342)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
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| キーワード | 沸騰熱伝達 / 冷却 / 限界熱流束 / 付加造形 / 親水性 / 多孔質体 / 旋回流 / 急冷凝固 / 多孔質 / メニスカス / ナノ粒子 / 表面改質 / 多孔質構造 / 沸騰冷却 / 冷却限界 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
電子回路やプラント熱交換器では発熱密度の増大に伴い、冷却限界を一層増大させることが望まれている。水冷方式では沸騰を利用することで効率的な冷却が可能になる。しかしながら発熱密度がさらに増大すると、蒸気泡により水の供給が制限され、冷却面が蒸気で覆われ高温になり冷却限界に至る。本研究では冷却面を付加造形により蒸気泡を離脱しやすい構造とし、冷却水を伝熱面に効率的に供給する。また冷却面に親水性を付与する表面改質を施し、冷却面の乾燥を抑制させる。これらの表面構造及び表面状態の工夫により、冷却限界を飛躍的に向上させることを目的とする。
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| 研究成果の概要 |
伝熱面上にピッチの異なる螺旋構造を三次元付加造形し、プール沸騰熱伝達実験を行った。その結果、螺旋ピッチが長い場合には限界熱流束が40％増大した。フレーク状物質や球体を設置することで限界熱流束が30%低下したが、親水性を付与することで限界熱流束は一転して30%増大した。さらにハニカム多孔質体プレートと格子構造を組み合わせることで、限界熱流束は約3倍に増大した。伝熱促進効果と限界熱流束増大効果は、気泡の合体を抑制することで界面積濃度が増大し、伝熱面近傍の循環駆動力が増大することで伝熱面への液供給が増大することによりもたらされたと考えられる。作成した数理モデルにより提案する原理が確認された。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
3Dプリンターによる三次元付加造形技術はより自由に複雑な形状を造形できる。本研究では、プラントや電子回路などで高い熱負荷を受ける面に設置することで冷却性能と冷却限界の両方を向上させることができる形状を探索した。実験の結果、らせん構造やハニカム多孔質体、並びに格子構造を組み合わせた構造が最適で、さらに表面に親水性を付与することで冷却性能と冷却限界が向上することを解明した。発生する気泡の合体を抑制し、伝熱面への冷却水量を増加させることで向上効果がもたらされる原理をシミュレーションで確認した。
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