| 研究課題/領域番号 |
25420141
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
坂下 弘人 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00142696)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 二成分流体 / 限界熱流束 / プール沸騰 / 可視化 / レーザー誘起蛍光法 |
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| 研究実績の概要 |
水に微量のアルコールを添加した二成分流体を沸騰媒体として用いると，限界熱流束は飛躍的に促進される．本研究の目的は，伝熱面上の液膜ドライアウトの可視化計測，および伝熱面近傍の局所濃度分布測定を通して，二成分流体の気液構造に特異な変化を生じさせる要因を解明し，限界熱流束の発生と促進の機構を明らかにすることにある．
本年度は，昨年度に着手した微細熱電対プローブを用いた局所濃度測定を引き続き実施するとともに，レーザー誘起蛍光法による伝熱面ドライアウト過程の可視化用実験系の構築を行った．沸騰容器は断面150mm×150mm，深さ140mmのポリカーボネート製であり，容器底面に伝熱面を設置してある．伝熱面は幅20mm，長さ40mm，厚さ１mmのサファイアガラス製で，裏面に幅10mm，長さ40mmの範囲に導電性透明電極(ITO膜)を蒸着してある．伝熱面裏面にはプリズムを密着させて設置した．可視化用光学系は，レーザー，コリメータ，ビームエクスパンバー，各種ミラー，光学フィルターによって構築した．沸騰面の可視化は以下のように行った．ITO膜を本年度に購入した直流電源を用いて通電加熱し伝熱面上面で沸騰を生じさせ，プリズムを通して伝熱面裏面にレーザー光を照射する．伝熱面が液で覆われている場合のみレーザーが液中を透過する条件を設定することにより，沸騰媒体に溶解させた蛍光剤を誘起発光させて，下部から伝熱面のドライアウト挙動を撮影最大速度4000fpsの高速度ビデオカメラによって可視化した．蛍光剤には，100℃でも十分な蛍光強度を維持するローダミン110を用いた．本年度は，沸騰媒体に水を用いた実験を実施し，伝熱面上での気泡の発生や気泡底部のドライアウト挙動が本実験系により可視化可能であることが明らかとなった．以上，レーザー誘起蛍光法による沸騰様相の可視化実験系を構築することができた．
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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
本研究は，微細熱電対プローブによる局所濃度測定と，レーザー誘起蛍光法による伝熱面のドライアウト過程の可視化測定を通して，二成分流体による限界熱流束の促進機構を明らかにすることを目的としている．初年度は，二成分流体として2-プロパノール水溶液を用いて，微細熱電対プローブによる局所濃度測定を実施した．その結果，局所温度の測定から2-プロパノールの局所濃度を特定することが可能であることを示し，当初の目的を達成することができた．本年度は，レーザー誘起蛍光法による可視化のための実験装置の製作と光学系の構築を行った．二成分流体の沸点近傍の高温域でも十分な蛍光を発する蛍光剤の選択も終わり，水を用いた可視化予備実験を実施した．その結果，当初目的の可視化測定が十分に実施可能であることが判明した．以上，本研究は，当初の予定通りおおむね順調に進展していると判断できる．
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は，2-プロパノール水溶液を用いてレーザー誘起蛍光法による伝熱面の可視化実験を実施する．2-プロパノール水溶液の沸騰では，蒸気塊と伝熱面間に存在するマクロ液膜の厚さが径方向に大きな不均一を持ち，伝熱面中央部では水の場合の約20倍に達する．このような不均一なマクロ液膜の形成とドライアウトの過程を可視化実験により観察する．平成25年度に実施した微細熱電対プローブによる局所濃度測定の結果より，伝熱面のごく近傍には高さ方向および径方向に非常に大きな濃度分布が存在することが分かっている．高さ方向濃度分布によって生じる表面張力の不均一は，気液界面で強いマランゴニ対流を発生させるため，伝熱面からの気泡の離脱を著しく促進させることになる．このことが，伝熱面中央部で厚いマクロ液膜の形成の要因であると予想されるが，本年度に実施する可視化実験により，この予想の妥当性を検証する．また，2-プロパノールの濃度を変えた実験により，濃度分布によって生じるマランゴニ対流の強度とマクロ液膜形成およびドライアウト過程との関連を明らかにする．
以上の検討によって，二成分流体の限界熱流束促進機構の解明を目指す．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
計画では，昨年度に可視化用レーザーを購入する予定であったが，蛍光剤の誘起波長ピーク(590nm)前後で可視化可能なレーザーの波長と出力範囲を特定するため，メーカーから各種レーザーを借用して使用した．このため，レーザーの購入費用に相当する額を次年度に持ち越すことになった．
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度に持ち越した助成金は，可視化用レーザーの購入に充てることになる．また，翌年度分の助成金は，実験の消耗品の購入，学会参加費および旅費に充てる予定である．
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