| 研究課題/領域番号 |
19K22019
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
佐藤 哲也 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80249937)
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| 研究分担者 |
十川 悟 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (50822136)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| キーワード | 着霜 / 超撥水性 / 熱交換器 / 陽極酸化法 / 着霜シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
2020年度は、アルミニウム材（Al材）を用い、超撥水Al材による極低温下での着霜低減効果について基礎研究を行った。過去の研究で、液体窒素を冷媒とした強制対流下での超撥水円管の試験にて着霜質量が減少することが確認され、その原因を円管後方に発生した主流の乱れにより、超撥水性により付着力の弱くなった霜が伝熱管表面から剥がされ、主流によって吹き飛ばされること（吹き飛び効果）であるという仮説を立てた。2020年度は、この仮説を明確にするため、過去の研究と同条件でAl平板を用いて実験を行った。なお、平板は着霜試験用風洞内に水平に設置し、伝熱面温度-180℃、主流流速2m/s、主流空気温度27℃、主流絶対湿度16g/m3の条件下で実験を行った。その結果、平板では着霜質量が非処理材と比較し変化が見られなかった。以上の結果から、極低温下における超撥水性による着霜低減効果は吹き飛び効果によるもので、熱交換器のような円管にて有効であることが結論付けられた。また、温度境界層にて空気中の水分が凝結する現象（ミスト化）を捉えることに成功した。これらの結果は、着霜低減、抑制といった研究において意義の大きく、本研究を遂行する上で重要な成果である。霜層成長シミュレーターの開発については、既存霜層への昇華凝結による着霜が支配的な比較的高温の冷却面上での着霜現象を対象に、気液界面での凝縮・蒸発量に関するHeltz-Kunudsen-Laminarモデルを応用した着霜解析手法を構築した。平板において霜層成長予測について妥当性の検証を行った結果、冷却面温度-30℃までの範囲で本解析手法の有効性が確認された。ミストの影響が確認されているより低温の冷却面上での着霜現象の予測のため、ミストの生成や挙動を考慮できる一般動力学方程式を導入した着霜解析手法の構築にも着手した。
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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
アルミニウム製熱交換器の着霜問題解決についての研究を進め、極低温域での着霜低減メカニズムを見出した。研究の中で、今後、極低温化での着霜のメカニズムにも言及するためには、より精密な実験が必要であることがわかり、以下のような、風洞設備、計測装置の改良を行った。従来、実験室の空気を直接精密空調機に取り込み、風洞に供給していたが、空気中の埃などの粒子が着霜に影響を与える可能性がある。そこで、クリーンな空気を供給するための空気浄化設備を導入した。また、霜層表面の温度を非接触で測定するための装置や変異センサーを利用した霜層の厚さをリアルタイムで記録するための装置を導入した。超撥水性の付与に関する研究では、撥水性の評価に用いる接触角計をより高精度なものへと変更し、陽極酸化処理に関する研究では、陽極酸化被膜の膜厚や膜形状を測定するための試料作成に用いる真空含浸装置を作製した。霜層成長シミュレーターの開発については、古典的核生成理論や気液界面での凝縮・蒸発量に関するHeltz-Kunudsen-Laminarモデルを基に、霜層への水蒸気凝結量を評価するモデルを構築し着霜解析を行ってきた。冷却面温度-30℃以上の比較的高温の冷却面上での着霜現象について検証を進めており、今後さらなる高精度化に向け、霜物性の評価モデルの改良が必要である。また、計算の高速化のために、プログラムの並列化や最適化、ワークステーションの導入などを行い、計算時間を大幅な削減を達成した。ミスト化の影響が確認されているより低温の着霜現象に対する解析手法としては、ミストの生成とその挙動を考慮した新たな解析手法を構築したが、本解析手法の検証のための実験データが不足しており、十分な検証が実施できていない。そのため、低温冷却面上での着霜現象を対象に実験による比較用データの取得に向け準備を行っている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後も引き続き、アルミニウム円管、平板を用いた研究を中心に行っていく。2021年度上旬は、今までの研究で取得できていなかった、高温域（氷点付近）や中温域（-80℃前後）での超撥水円管に対する着霜低減効果を実験にて取得する。陽極酸化処理を用いた超撥水伝熱管が極低温域では有効であることが示されたが、高温域や中温域でも有効であるか実験で検証する。2021度中旬からは、高温域での超撥水平板の過冷却液滴の凍結遅延現象（2019年度実施）について、より正確なデータを取得するために実験装置を作製し、自然対流下にて実験を行う予定である。2019年度は30分間を上限に実験を行ったが、それを超えても超撥水表面上では過冷却液滴が解消しないことが分かった。今後は上限時間を設けず、振動などの外乱により過冷却解消が起きないよう工夫し基礎的研究を行う。実験的研究においては、陽極酸化処理を用いた超撥水アルミニウム材の着霜現象について、全温度域にてより深く研究を行っていく予定である。霜層成長シミュレーターの開発については、冷却面温度-30℃以上の比較的高温の冷却面上での着霜現象に対して有効性が確認されており、今後さらに低温の冷却面上での検証を進め、本手法が適用可能な冷却面温度範囲を明らかにする。霜物性の評価モデルの改良としては、様々な実験式や理論式が提案されている霜層の熱伝導率や霜層内での物質拡散係数などについて、各評価モデルを用いた解析を実施し解析結果への影響を調査し、解析精度の向上を図る。また、2021年度ではミスト化の影響を考慮した着霜解析手法の研究を本格的に進め、ミスト発生による着装現象への影響を定量的に再現可能なシミュレーターの開発を目指す。また同時に、シミュレーターの検証のために必要な実験データの取得を行う。
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