流動抵抗低減効果による熱交換性能低下を防ぐ微細粗面伝熱面の開発

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05830
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 春木 直人 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (10311797)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 流動抵抗低減効果 / 界面活性剤 / PIV / 粗面 / 熱伝達低減

研究実績の概要

エネルギーの有効利用の観点からみると，熱輸送媒体（水，各種ブライン等）を用いた熱エネルギー輸送システムには，「輸送のためのエネルギーが余分に必要」という根本的な問題を抱えている．このため，熱輸送媒体への流動抵抗低減剤の添加によって得られる流動抵抗低減効果を用いた輸送エネルギーの削減技術が検討されているが，欠点として，流動抵抗の低減と同時に配管内壁との熱伝達が減少することが指摘されており，実用化における一つの問題となっている．本研究は，熱交換器の伝熱面にμ･nmサイズの粗面加工を施すことによって，流動抵抗低減効果時の熱交換器の熱伝達特性を向上させるとともに，粗面化による流動抵抗の増加をできるだけ抑制するという２つを目的として研究を行うものである．平成27年度では，まず本研究費で購入したPIV2D流体解析システムを用いた配管内速度分布測定装置の作成と，測定ノウハウの把握を行った．その結果，流動抵抗低減効果を示す界面活性剤水溶液での配管内速度分布の測定が，層流域，および乱流域ともに可能であることを確認した．
さらに平成27年度では，既に製作していた流動抵抗・熱伝達測定装置の予備測定を行った際に，特に熱伝達率の測定において十分な精度の測定が困難であることが確認された．そのため，熱流束，壁面温度の測定の修繕を行った結果，最終的には，任意の温度範囲（-20℃～常温域）において十分な精度での測定に問題がないことを確認した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

熱輸送媒体への流動抵抗低減剤の添加による流動抵抗低減効果を用いた輸送エネルギーの削減技術では，流動抵抗低減と同時に配管内壁との熱伝達が減少する欠点を有している．このため本研究の目的である「流動抵抗低減効果による熱交換性能低下を防ぐ微細粗面伝熱面の開発」を行うためには，十分な精度での流動抵抗と熱伝達率の測定と，粗面化に伴う管内流動状態の把握を行う必要がある．
この当初の研究計画において，平成27年度に行う予定であった粗面化した新たな実験装置の作成については，従来の流動抵抗と熱伝達測定装置の改修が急遽必要になり，それを先行して行ったため，十分に作製することはできなかった．しかしながら，平成28年度以降に行う予定であったPIV２D測定装置の作成と，測定ノウハウの確認が先行して完了している．このため，現在までの達成度としては，おおむね順調に進展していると判断した．

今後の研究の推進方策

平成27年度に十分な作製を行うことができなかった伝熱面の粗面化について，従来の金属ビーズと接着剤による作製方法に加えて，新たに放電加工機を用いて作製した粗面（粗面粗さをパラメータとする予定）を用いて試験部を作製し，界面活性剤水溶液での流動抵抗と熱伝達率の測定を行う予定である．また，従来使用されてきた界面活性剤に加えて，界面活性剤の棒状構造と粗面粗さとの相関を確認するため，流動抵抗低減剤である各種界面活性剤の棒状構造の測定を平行して行う予定である．