| 研究課題/領域番号 |
17K06200
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| 研究機関 | 大分大学 |
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研究代表者 |
岩本 光生 大分大学, 理工学部, 教授 (80232718)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ナノ流体 / 自然対流 / ミスト噴流冷却 / 自然対流熱伝達 |
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| 研究実績の概要 |
ナノ流体とは，ベース流体中にナノサイズの固体粒子を安定して分散させたものであり，これを用いた伝熱促進について研究を行った。
（１）ナノ流体自然対流のナノ粒子材料の影響：昨年度製作した実験装置を用い，ナノ粒子材料の違いが熱伝達率に与える影響を見るため，グラフェン，SiO2, CuO, Fe2O3, TiO2ナノ粒子を水に分散させたナノ流体を用いた円筒容器内自然対流実験を行った。この結果，ナノ流体の熱伝導率はベース流体より高いにも関わらず，熱伝達率の低下が見られ，それはナノ流体は水より粘性係数が大きく，さらに体膨張係数が小さいことに起因することを明らかにした。
（２）Al2O3－水ナノ流体自然対流の数値解析的研究：円筒容器内Al2O3－水ナノ流体の自然対流について詳細に検討するため，数値解析を行った。ナノ粒子の濃度を0～3vol.%まで変化させ，このときの流れはセル状を呈し，また熱伝達率は濃度の上昇と共に減少し，昨年度行った実験と同じ傾向が得られた。体積濃度3%のAl2O3－水ナノ流体の場合，水に対して熱伝導率は7%上昇するが，粘性係数は44%上昇し，また体膨張係数は30%減少する。これが熱伝達率の低下をもたらしていることを示した。
（３）ナノ流体ミスト噴流冷却実験：昨年Al2O3－水ナノ流体のミストを窒素ガスと共に高温加熱面上に衝突させるミスト噴流冷却実験装置の製作と実験を行い，噴射時間が長くなると熱伝導率の低下が見られることを報告した。このため，加熱面上にSiO2やCuOナノ粒子を堆積させ，その層厚さが異なる場合の水ミスト衝突噴流冷却の実験を行い，このときの熱伝達率の変化を熱電対とサーモビューアにより測定した。その結果，堆積層が無い場合に対し，ナノ粒子堆積層が存在すると熱伝達率は向上するが，堆積層が厚くなりすぎると熱伝達率は低下することを示した。
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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
（１）自然対流におけるナノ流体の熱伝達の測定：H29年度に円筒容器内，下面加熱－上方冷却による自然対流における熱伝達率を測定するための実験装置を製作し，純水による信頼性の確認，Al2O3－水ナノ流体自然対流の実験を行った。H30年度はナノ粒子材料の違いによる影響を検討するため，物性値の異なる幾つかのナノ粒子を水に分散させた場合の自然対流実験を行い，どの材料においてもベース流体に対し熱伝達率の低下がみられた。
（２）密閉円筒容器内ナノ流体自然対流の数値解析的研究：H30年度は，H29年度行ったAl2O3－水ナノ流体による円筒容器内自然対流実験の流れを数値解析的に検討した。その結果，セル状の流れが生じていることを示し，さらにナノ粒子濃度，上下面温度差による流れの変化を明らかにした。
（３）ナノ流体ミスト衝突噴流冷却の実験的研究：高温面上への水スプレー冷却ではライデンフロスト現象が起き，熱伝達率が低下する。ライデンフロスト現象の防止のため，ナノ流体を用いたナノ流体ミストスプレー冷却装置をH29年度に製作し，Al2O3ナノ流体を用いた実験を行ったが，スプレー時間が長くなると冷却性能が低下した。これはナノ粒子堆積層厚さの影響と考えられ，このためH30年度はナノ粒子体積層厚さにより伝熱性能がどのように変化するかを検討した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成３１年度は最終年度として，下記の研究を予定している。
（１）自然対流におけるナノ流体の流れの測定
ナノ流体槽内の流れを超音波ドップラー法で測定し，併せて行う数値シミュレーションとの比較を行う。これにより，ナノ流体を用いた自然対流冷却における伝熱特性の予測を行うための基礎を築く。
（２）ナノ流体を用いたミスト噴流冷却
グラフェンなど熱伝導率の優れたナノ粒子を用いたミスト噴流冷却を行い，最適堆積層厚さの決定を行う。これにより高温加熱面上へのナノ流体ミスト噴流冷却がどの程度性能の向上が望めるかを明らかにする。
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