固体壁面に接触する液体メニスカスの形状と熱伝達

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06452181
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 小林 康徳 筑波大学, 構造光学系, 教授 (10132995)
• キーワード: 液体メニスカス / ヒートパイプ / 蒸発熱伝達 / マクロ領域 / マイクロ領域

研究概要

ヒートパイプやサーモサイフォンに代表される潜熱授受による高効率熱輸送素子の伝熱性能を向上させることを目的として、作動液体のメニスカス端部と固体壁の接触部近傍での液膜の形状と厚さ、その重力による影響などを実験的・解析的に詳細に調べた。具体的には大略以下のような要領で研究を行った。
実験では既存の実験装置と供試体容器を改良して、He-Neガスレーザーを光源とする薄膜測定法の原理を用いてエタノール作動液の「蒸発しない液膜」厚さを測定した。この液膜は固体壁に接触する作動液の自由界面のうち分子間力が支配的な領域(マイクロ領域)での最小液膜厚さを意味し、実験値は20〜50ナノメータの大きさであった。従来この種の定量的な測定結果はほとんど得られていなかった。壁面からの蒸発伝熱量の大小と液膜厚さの関係も調べられた。さらに、二重露光レーザーホログラフ干渉法を用いた液体メニスカス端部の形状も調べられたが、これまでの結果では定性的な情報を得るに止まっている。
一方、理論解析ではこれまで我々の研究室で開発されてきた解析モデルを改良して、溝型ヒートパイプの熱輸送性能のシミュレーション解析を行った。計算上の流れ場は分子間力が支配的な固体壁近傍の微小区間(マイクロ領域)と通常の伝熱現象が支配する残り大部分の区間(マクロ領域)に分けられている。流れ場の濃度、温度、渦度などの物理パラメータがマイクロ/マクロ領域でスムーズにつながることとメニスカス形状が前もって仮定されるのではなく、計算の過程で求められるようになっていることがこのモデルの大きな特徴になっている。計算結果は過去に得られた実験結果と比較されて、妥当であることが確認された。

研究成果

• [文献書誌] Y.Kobayashi: "Heat and Mass Transfer from Thin Liquid Film in the Vicinity of the Interline of Meniscus" Thermal Science and Engineering. 2. 45-51 (1994)
• [文献書誌] Y. Kobayashi: "Film Condensation of the Vapor Flow Behind a Shock Wave on the Shock-Tube Wall" Waves in Liquid/Gas and Liquid/Vapor Two-Phase Systems. 343-353 (1995)
• [文献書誌] Y. Kobayashi: "Vapor Flow Behavior in the Condenser of a Thermosyphon Containing Noncondensable Gas Heavier Than Vapor" Proceedings of ASME/JSME Thermal Engineering Conf.2. 407-414 (1995)
• [文献書誌] Y.Kobayashi: "Evaporative Heat Transfer at the Evaporative Section of a Grooved Heat Pipe" Journal of Thermophysics and Heat Transfer. AIAA. 10. 83-89 (1996)
• [文献書誌] Y. Kobayashi: "Condensation of the Vapor Flow Behind a Shock Wave on the Shock-Tube Side Wall" Int. Journal of Shock Waves, Detonation and Explosions. 6 (in Press). (1996)
• [文献書誌] Y. Kobayashi: "A Study on Heat Transfer at the Meniscus Region of a Groove Heat Pipe" Proceedings of 9th International Heat Pipe Conference. 1 (in Press). (1996)