| 研究課題/領域番号 |
17K06207
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| 研究機関 | 工学院大学 |
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研究代表者 |
大竹 浩靖 工学院大学, 工学部, 教授 (40255609)
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| 研究分担者 |
長谷川 浩司 工学院大学, 工学部, 准教授 (90647918)
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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 | 熱伝達 / 沸騰 / 金属結晶微粒子化 / 高速度撮影 / 二次元温度場計測 / 濡れ性 / 熱伝導逆問題 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、沸騰冷却分野の面より、次世代鉄鋼材料創製技術を構築するものである。すなわち、昨今広く利用できるようになったMEMS技術、赤外線サーモグラフィおよび高速度ビデオカメラを利用して、工業上頻繁に遭遇する高液サブクール度条件（液温約30℃以上）での、高温壁面上の濡れ開始瞬間の温度条件と局所濡れ域の熱流束（熱伝達率）の定量化と相関式化である。加えて、高液サブクール度条件での高い壁面温度条件での膜沸騰崩壊の物理的妥当性を有するモデルと同条件下の遷移沸騰熱伝達のモデルの構築も行う。
第２年度の平成30年度は、透明サファイアを加熱面とした前年度の実験結果、すなわち透明サファイア加熱面の裏面からの高速度ビデオカメラの直接観察結果を詳細に画像解析した。
実験の詳細は、600℃に加熱した透明サファイア伝熱面を直径3mmのノズルの水ノズルで非定常冷却をし、この時の冷却時の様相を、赤外線サーモグラフィ（温度計）および高速度ビデオカメラにて計測し、濡れ開始条件を直接定量化するものである。冷却方法は、液ノズルによるラミナー冷却であり、実験条件は、液サブクール度0～50Kである。
この結果、(1) 濡れ開始温度は、液サブクール度0, 10K条件で約400℃と、熱力学的過熱限界温度に近い、(2) 液サブクール度30, 50K条件では濡れ開始温度が約600℃と、熱力学的過熱限界温度より高い、これは透明サファイア加熱面の熱伝導率の低さ（20W/mK）と冷却速度の大きさより表面温度と裏面温度に差異があったと考えられる、(3) 固液接触線に不安定流動を観察し、その波長は0.2mmであり、ウェバー数We=約20であった、ことを明らかにした。
なお、追加実験も幾つか行った。
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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
特に、透明サファイアを加熱面として、液ジェットによるクエンチ実験、すなわち、赤外線サーモグラフィ（温度計）および高速度ビデオカメラにて計測し、濡れ開始条件を直接定量化を行ったことで、高温壁面上の濡れ開始瞬間の温度条件を直接定量化した。この結果、液サブクール度0, 10K条件で約400℃と、熱力学的過熱限界温度に近い、液サブクール度30, 50K条件では濡れ開始温度が約600℃と、熱力学的過熱限界温度より高いことを明らかにした。なお、後者の結果は、透明サファイア加熱面の熱伝導率の低さ（20W/mK）と冷却速度の大きさより加熱面表面温度と加熱面裏面温度に差異があったと考えられる。また、固液接触線に不安定流動を観察し、その波長は0.2mmであり、ウェバー数We=約20であったことを明らかにした。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後とも、透明サファイアを加熱面として、液ジェットによるクエンチ実験、すなわち、赤外線サーモグラフィ（温度計）および高速度ビデオカメラにて計測し、濡れ開始条件を直接定量化を行う。また、実機に近い、厚さ10mmのステンレス鋼加熱面によるクエンチ実験装置置より、様々な条件の実験を行う。特に、実機で想定される、液温の低い、高液サブクール度の実験を行う。併せて、非定常熱伝導解析を通して、真の固液接触温度を推算する。併せて、高液サブクール度条件での高い壁面温度条件での膜沸騰崩壊の物理的妥当性を有するモデルと同条件下の遷移沸騰熱伝達のモデルの構築も行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
第２年度は、昨年度の高速度画像および２次元温度画像の画像解析を主として行った。よって、実験は年度終わり近くに実施し、支出も年度末となった。なお、今年度の物品費として、実験中破損した消耗品ノンフレームトーチの購入に充てた。当該消耗品の購入にて、追実験が可能となった。以上、他の消耗品物品等の購入の支出に至らず、次年度使用額が生じた。次年度への使用計画は、今年度の使途しなかった消耗品物品（サファイア伝熱面（20,000円/枚）等）を充てる予定である。
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