| 研究課題/領域番号 |
16K06121
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
浅野 等 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10260647)
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| 研究分担者 |
村川 英樹 神戸大学, 工学研究科, 助教 (40467668)
杉本 勝美 神戸大学, 工学研究科, 助教 (40420468)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 高熱流束除熱 / 沸騰伝熱促進 / 局所ボイド率 / 膜沸騰遷移 / 静電容量 / 強制流動沸騰 / 表面沸騰 |
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| 研究実績の概要 |
小温度差での高熱流束除熱には沸騰熱伝達が必要不可欠である．しかし，一般の平滑面では伝熱面上の沸騰気泡核数密度が小さく，熱移動は主に過熱液層への移動が支配的であり，沸騰気泡核数密度の増大が必要とされる．一方，伝熱面上での沸騰気泡核数密度の増大は，伝熱面近傍の蒸気生成量の増大につながるため，局所ボイド率を増大させ，膜沸騰に遷移する懸念もある．
本研究では，伝熱面に溶射加工によって多孔質構造を形成し，沸騰熱伝達率の促進，サブクール沸騰での限界熱流束増大効果が得られることを明らかとしてきた．しかしながら，沸騰伝熱促進面での核沸騰や膜沸騰遷移時の伝熱面近傍の局所ボイド率が不明であった．そこで，平成28年度には伝熱面近傍の局所ボイド率計測を目的として，浸漬型静電容量プローブを開発した．浸漬型の場合，伝熱面近傍に配置するため沸騰二相流動に極力影響を及ぼさないようにプローブを小型化するとともに，ノイズ対策を施した．まず，浸漬型プローブによるボイド率計測の妥当性を，アクリルプレートを模擬液体として利用した校正実験で確認した．その結果，プローブと伝熱面間距離を2 mm とした場合，計測区間内で気泡分布が一様である場合，静電容量と平均ボイド率には線形の関係があることを明らかにした．
一方，開発した浸漬型静電容量プローブによって，サブクール沸騰実験を行い，沸騰伝熱面における局所ボイド率の特性を明らかにした．伝熱促進面の場合，高サブクール度（50 K）の条件においても，低熱流束条件において表面沸騰が得られ，発生気泡が離脱することなく凝縮することで高い熱伝達率が得られることが明らかとされた．また，高熱流束条件では，平均ボイド率の時間変動が小さいのに対し，局所ボイド率では大きな変動が確認された．伝熱面近傍で，気泡が合体成長，離脱を繰り返しているためと考えられる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
当初計画では，研究項目として，① 静電容量式ボイドプローブの空間および時間分解能の向上，② 浸漬型静電容量プローブの開発，③ サブクール沸騰での平均および局所ボイド率と沸騰熱伝達の評価，④ 沸騰遷移時の平均および局所ボイド率と限界熱流束の評価，そして⑤ 低沸点純冷媒HFC134aを用いた実験，の5項目を設定していた．現状，浸漬型静電容量プローブを開発し，静電容量センサによる計測の妥当性を評価するとともに，サブクール沸騰での適用と計測を進めている．これは，研究計画における予定に合致するものであり，順調に研究が進んでいると言える．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成28年度に引き続き，項目③ サブクール沸騰での平均および局所ボイド率と沸騰熱伝達の評価を進めるが，特に，膜沸騰遷移に焦点を当てた計測を進める．平成28年度での計測では，膜沸騰遷移が伝熱面下流から進行するとの推定のもと局所熱伝達率を伝熱面最下流部で計測したが，本年度は計測位置を変えて伝熱面入口からの位置の影響を分析する．
また，平成28年度での実験では，作動流体としてフロリナートFC72を使用した．これは，FC72の沸点が57℃と室温よりやや高く，系の圧力を低く運用できること，潜熱が小さいので大きな加熱量を必要とせず，表面沸騰から膜沸騰遷移まで幅広い実験条件を容易に実現できること，が理由であった．しかし，一方では高サブクール度，高熱流束時に他の研究者によって広く確認されている気泡微細化沸騰は確認されなかった．要因の一つとしてFC72の蒸発潜熱の低さが挙げられる．すなわち，FC72では大気泡に成長せず，凝縮が進行したためと考えられる．そこで，当初計画の項目⑤ 低沸点純冷媒HFC134aを用いた実験の準備を進める．低沸点流体の場合，系が高圧になるため，局所プローブの設置方法，平均計測用の場合，流路カバーの材質，厚さ設計が必要となる．
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