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―

2003 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、加熱面性状をできるだけ単純化して現象解明を進めるため、また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、前年度(平成14年度)の研究を推し進め、先ず、シリコンあるいは銅面に2個の人工キャビティを付与して1)キャビティ間隔の影響、2)加熱面の材質(熱伝導性)と厚さ(熱容量)の影響、特に気泡核干渉のメカニズムについて調べた。その結果、気泡核干渉の影響因子として1)気泡の合体、2)熱的干渉、3)流力的干渉の3つがあり、評価関数として気泡の離脱に注目したとき、それらの3要素が寄与する度合いにより、キャビティ間隔をパラメータとして4つの領域に区分されることを明らかにした。そして、この結果が一般性のあることを、3個のキャビティの場合、試験液体をイソプロパノールとした場合について実験的に検討した。
沸騰気泡の挙動の理解のために行った空気-水等温系における気泡生成の研究では、2個の対オリフィスから生成する気泡の発生挙動と干渉機構について実験的ならびに理論的に研究し、スケール則を有する特異な気泡発生パターンの発生を発見し、それを理論的に説明することに成功した。これらの成果は内外の学会や学術誌に発表し好評を得た。

研究成果

• [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] Lei Zhang, Masahiro Shoji: "Nucleation Site Interaction in Pool Boiling Experimental Study by Employing Artificial Boiling Surface-"5th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, Hawaii, March 16-20. (CD-ROM). (2003)
• [文献書誌] Masahiro Shoji, Lei Zhang: "Boiling Features on Artificial Surfaces"Fifth International Conference on Boiling Heat Transfer Montogo Bay, Jamaica, May 6, (招待基調講演). ICBHT-2003. (2003)
• [文献書誌] Lei Zhang, Masahiro Shoji: "Effects of Heated Surface Thermal Capacity on Nucleation Site Interaction in Pool Boiling- Experimental study by employing twin artificial cavities"第40回日本伝熱シンポジウム. 1・D155. 153-154 (2003)
• [文献書誌] Chatpun Surapon, Makoto Watanabe, Masahiro Shoji: "Characteristics of Pool Boiling on a Heated Surface with Artificial Cavities-Effects of cavity arrangement and nucleation site interaction"第40回日本伝熱シンポジウム. 1・D151. 145-146 (2003)
• [文献書誌] 丹下学, 宮崎大輔, 庄司正弘: "対オリフィスからの気泡発生特性とモデル"第40回日本伝熱シンポジウム. 2・D232. 437-438 (2003)
• [文献書誌] Renauld Mosdorf, Masahiro Shoji: "Chaos in Bubbling Nonlinear Analysis and Modelling-"Chemical Engineering and Science. 58・18. 3837-3846 (2003)
• [文献書誌] Masahiro Shoji: "Studies of Boiling Chaos : a review"Int.J.Heat Mass Transfer. 47・6,7. 1105-1128 (2004)
• [文献書誌] Renauld Mosdorf, Masahiro Shoji: "Chaos in Nucleate Boiling -Nonlinear Analysis and Modelling"Int.J.Heat Mass Transfer. 47・6,7. 1515-1524 (2004)
• [文献書誌] 丹下 学, 庄司正弘: "対オリフィスからの気泡発生特性とモデル"日本機械学会論文集. 70・690. 348-355 (2004)
• [文献書誌] Surapong Chatpun, Makoto Watanabe, Masahiro Shoji: "Nucleation Site Interaction in Pool Nucleate Boiling on a Heated Surface with Triple Artificial Cavities"Int.J.Heat Mass Transfer. (掲載決定、印刷中). (2004)
• [文献書誌] Surapong Chatpun, Makoto Watanabe, Masahiro Shoji: "Experimental Study on Characteristics of Nucleate Pool Boiling by the Effects of Cavity Arrangement"Int.J.Experimental Thermal and Fluid Science. (掲載決定、印刷中). (2004)
• [文献書誌] Mosdorf, R., Shoji, M.: "Dynamics of bubbles growth and departure in nucleate boiling Nonlinear analysis and modeling-"Int.J.Thermal Science. (掲載決定、印刷中). (2004)
• [文献書誌] 志村暢彦, 丹下学, 渡辺誠, 庄司正弘: "人工キャビティ面からのイソプロパノールの核沸騰特性"第41回日本伝熱シンポジウム. A151(5月,富山で発表予定). (2004)
• [文献書誌] 楠原誠, 鴨志田隼司, 渡辺誠, 庄司正弘: "2次元気泡の生成合体挙動"第41回日本伝熱シンポジウム. A222(5月,富山で発表予定). (2004)