微細加工技術を用いた人工沸騰面の創成 -機構解明とモデル化、伝熱特性の制御-

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350101
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 庄司 正弘 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (00011130)
• 研究分担者: 松本 壮平 独立行政法人産業技術総合研究所, 機械システム研究部門, 主任研究員 (70358050) ; 井上 満 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (30010854)
• キーワード: プール沸騰 / 核沸騰 / 気泡生成 / 気泡核干渉 / 人工キャビティ / 非線形特性

研究概要

難解な沸騰現象とその熱伝達機構のより理解を目指し、(1)できるだけ単純化した形で研究すること、(2)機能的な沸騰面創成のためのデータベースを蓄積すること、を主たる目的として、加熱面上に人工的なキャビティを設け、実験的および理論的な研究を行なった。具体的には、プール核沸騰における1)キャビティ形状の影響、2)キャビティ寸法の影響を調べるために単一キャビティの実験を行ない、気泡発生核の相互干渉を調べるために対キャビティを用いて3)キャビティ間隔の影響、4)加熱面の材質(熱伝導性)と厚さ(熱容量)の影響について実験し、さらに実際の沸騰に近い5)マルチキャビティの沸騰挙動に関する5つの実験を同時並行的に行なった。また、これらとは別に、気泡の力学挙動を明らかにするため、水-空気等温系において単一および2個の対オリフィスから気泡を生成させ、その非線形特性を調べる実験も行なった。これらの実験研究により、円筒状およびリエントラント状キャビティからは安全な発泡が起こること、キャビティ口径の影響は顕著ではなく、深さの影響が大きく、深いキャビティからは規則的で安全な気泡が生成すること、気泡の相互干渉は、離脱気泡の3倍以内で顕著であり、異なった傾向をもつ4つの干渉領域に分けられるが、それらは流体力学的、熱的、気泡合体の3つの影響因子の競合関係で定まっていること、伝熱促進のためには最適なキャビティ配置があるが空間的なスケール則が存在することなどが明らかになった。また、等温系のオリフィスを用いた単純系にあっても気泡の発生と干渉は複雑であり、独特の分岐現象やスケール則が存在することなどを明らかにした。こうした成果は適宜国内外の学会および雑誌に公表した。

研究成果

• [文献書誌] Masahiro Shoji: "Boiling Features on the Artificial Surface"Fifth International Conference on Boiling Heat Transfer, Montogo Bay, Jamaica, (May 4-8, 2003). (招待基調講演予定). (2003)
• [文献書誌] Lei Zhang, Masahiro Shoji: "Nucleation Site Interaction in Pool Boiling -Experimental Study by Employing Artificial Boiling Surface -"5^<th> ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, Hawaii, (March 16-20, 2003). (発表予定). (2003)
• [文献書誌] Li Hei Chai, Masahiro Shoji: "Thermodynamics Bifurcation of Boiling Structure"Int. J. Heat Mass Transfer. (掲載決定)(印刷中). (2003)
• [文献書誌] Lei Zhang, Masahiro Shoji: "Nucleation Site Interaction in Pool Boiling on the Artificial Surface"Int. J. Heat Mass Transfer. 46. 513-522 (2003)
• [文献書誌] Masahiro Shoji, R.Mosdorf, Lei Zhang, Yuto Takagi, Koji Yasui, Masanori Yokota: "Features of Boiling on an Artificial Surface -Bubble Formation, Wall Temperature Fluctuation and Nucleation Site Interaction -"First International Symposium on Thermal Science and Engineering, Beijing, China, (October 23-26, 2002). 293-302 (2002)
• [文献書誌] Msahiro Shoji, Lei Zhang: "Boiling on an Artificial Surface -Bubbling Features and Nucleation Site Interaction -"Invited lecture at the 20^<th> UIT National Heat Transfer Conference, Maratea Italy, (June 27-29, 2002). 37-42 (2002)
• [文献書誌] Masahiro Shoji: "Boiling Chaos : Experiments and Models"HEAT 2002, edited by M.E, Poniewski, Invited lecture at the the 3^<rd> International Conference on Transport Phenomena in Multiphase Systems, Baranow Sandomierski, Poland (June 24-27, 2002). 129-142 (2002)
• [文献書誌] Masahiro Shoji: "Pool Boiling on an Artificial Surface -Characteristics of Bubble Formation and Nucleation Site Interaction -"Fourth Pacific Rim Thermal Science and Energy Engineering Workshop, Kyoto, Japan, (May 31 to June 2, 2002). (2002)
• [文献書誌] 張蕾, 庄司正弘: "人工キャビティ面からの沸騰における気泡核干渉に関する研究"第39回日本伝熱シンポジウム講演論文集,札幌. Vol.3・E337. 725-726 (2002)
• [文献書誌] 横田正憲, 対馬将示, 庄司正弘: "人工キャビティ面からの沸騰挙動"第39回日本伝熱シンポジウム講演論文集,札幌. Vol.3・E336. 723-724 (2002)
• [文献書誌] 安井康二, 庄司正弘: "単一キャビティからの発泡特性"第39回日本伝熱シンポジウム講演論文集,札幌. Vol.3・E335. 721-722 (2002)
• [文献書誌] Li-Hei Chai, Masahiro Shoji, X.F.Peng: "Bubble Interaction in Thermal Boundary Layers"Tsinghua Science and Technology. Vol.7・No.2. 160-164 (2002)
• [文献書誌] Masahiro Shoji: "Nonlinear Bubbling and Micro-convection at a Submerged Orifice"Tsinghua Science and Technology. Vol.7・No.2. 97-108 (2002)
• [文献書誌] Li Hei Chai, Masahiro Shoji: "Self-Organization and Self-Similarity of Boiling System"J. Heat Transfer. Vol.124・No.3. 507-515 (2002)
• [文献書誌] 庄司正弘: "沸騰のカオス研究"機械の研究,養賢堂. 第54巻・第1号. 151-157 (2002)
• [文献書誌] 阿部憲幸, 佐井嵐子, 野上重利, 庄司正弘: "非線形気泡生成"機械の研究,養賢堂. 第54巻・第1号. 103-107 (2002)