核沸騰と膜沸騰の共存による超高速液体水素予冷の実現

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本研究では極低温流体による配管などの金属部品を高速で冷却する手法を開発した。核沸騰と膜沸騰を同時に発生させることにより金属近傍の固液接触を促進し予冷時間を削減した。具体的には低熱伝導率被膜と金属面が交互に露出する伝熱面を作成した。断熱層と金属冷却面が交互に露出するような伝熱面を作ることにより、断熱層で核沸騰、金属部分で膜沸騰となるような冷却面を作り出した。核沸騰と膜沸騰の共存により伝熱を阻害する要因となる膜沸騰の気相の膜を崩壊させる。本研究では2021年度までに提案する加工を施した伝熱面を用いて、プール沸騰実験、すなわち液体窒素の液槽に金属を沈め沸騰伝熱により冷却する実験を行った。2022年度はこの伝熱面を配管内部に施すための研究を行った。2021年度の実験では銅板に縦横の溝を掘り、この溝をシリコーンシーラントで埋めることで目的の伝熱面を作り出した。この方法によりプール沸騰実験における冷却時間を1/5に低減することに成功した。一方、配管の内面にこの伝熱面を加工するのは困難である。特に横方向の溝を施工するのが難しい。そこで2022年度の実験では、縦方向のみ溝を加工し、これをシリコーンシーラントで埋めた伝熱面を作成した。2021年度と同様の実験により、液体窒素を用いたプール沸騰では予冷時間を大幅に削減することができることを確認した。次に放電加工を用いて配管の内部に溝を加工し、これをシリコーンシーラントで埋めた配管を作成し実験を行った。内部に液体窒素を流す実験を行い、冷却時間が大幅に削減することを確認した。最終的にこれをJAXA能代実験場に持ち込み、液体水素を用いて実験を行った。しかし液体水素を用いた実験では、無垢の配管と比較して同程度の冷却時間となり、優位性が確認できなかった。このような結果になった理由として、液体水素の特異な物性が原因であることが考えられ、現在も検証中である。