| 研究課題/領域番号 |
19K04340
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| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
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研究代表者 |
高畑 一也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (10216773)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 過熱液体 / 突沸現象 / サブクール窒素 / 過熱限界 / クエンチ検出 / 超伝導機器 |
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| 研究実績の概要 |
細管に液体を封入し外部から加熱すると，液体が飽和温度に達しても沸騰せず液相を保ち，準安定な過熱状態になることが知られている。さらに温度を上げるとある決まった温度(過熱限界)で急激な沸騰(突沸)を起こす。液体窒素の過熱限界は110 Kである。この細管内の突沸現象を応用することにより、超伝導機器に おける局所温度上昇を細管端部に取り付けた圧力計で検出できると考えた。検証実験では，サブクール窒素を封入した長さ約16 mのステンレス細管(外径1.59 mm，内径 0.99 mm)に対し，端部のいずれかを局所的に加熱する実験を行い，細管内で発生する突沸現象を端部の圧力計で検出できることを実証した。さらに，加熱パワー，ヒーターの長さを変えた実験も行い，それぞれの影響を調べた。加熱パワーの増加，ヒーターの長さの減少によって，突沸温度が過熱限界より低くなった。これは液体内部の温度分布が影響していると考えられる。
次に最長30mの細管を用いて，圧力の伝播速度を測定した。その結果，圧力が音速に近い速度で伝播することが分かった。このことから，キロメートルオーダーの細管でも局所温度上昇を検出できると考えられる。圧力伝播速度が正確に分かると，両端に圧力計を取り付け，圧力変化開始の時間差を測定することで，局所温度上昇の位置を同定できることが分かった。
液体の種類と圧力によって過熱限界が変化するため，検出する設定温度の自由度もある。この手法が超伝導・低温機器のクエンチや温度異常検出に応用できる可能性は高い。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
研究開始時は，サブクール液体が飽和温度に達した時点の通常の沸騰による圧力変化を圧力計で検出することを想定していた。ところが，実際に細管で実験を開始すると，通常の沸騰は起こらず準安定な過熱液体になることが分かった。そして過熱限界において爆発的な突沸現象を起こし，急激な圧力上昇をもたらすことも分かった。文献調査から過熱限界が液体の種類によって既知であること，突沸が大きな圧力変動をもたらすことから，当初提案した検出法より信頼性があり，実用化に適していることが明らかになった。さらに当初，位置の同定はできないと考えていたが，圧力伝播速度を用いれば，位置の同定も可能であることが分かった。研究2年目において原理実証が完了し，さらなる発展も見出したことから，当初の計画以上に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験結果を説明できるような解析，文献調査を進め，論文発表する。解析等で説明できない現象については，追試験を行うなど検証を行う。
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