高温面の超高速冷却実現に向けたクエンチ現象予測モデルの構築

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液体による高温面の急速冷却は、鋼材の材質改善（熱処理）や原子炉の緊急冷却など極めて重要な事象である。一般的に、高温面の冷却速度は高温面で生じる沸騰現象に支配されており、冷却初期段階において遅く、ある地点で急激に速くなることが知られている。この冷却速度の遷移をクエンチ現象と呼ぶ。本研究の目的は、クエンチ現象を促進する因子を操作し、急速冷却が実現された際の冷却速度を正確に予測するクエンチモデルを構築することである。２０２２年度は、高温物体側の促進因子を変更し、クエンチ実験を実施するための実験装置の製作および実験データの取得を行った。液体窒素を冷却水に用いて、銅ブロックを高温物体とし、底面のみを接触させ冷却した。その際の温度変化を熱電対で計測し、その様相を高速度カメラで撮影した。クエンチを促進するために、銅ブロック底面に様々なもの（HPP（ハニカム多孔質体）やCPP（銅多孔質体）、霜）を取り付け、それによるクエンチ促進の影響を裸面と比較調査した。HPPは、裸面に比べて冷却時間を半分に短縮できた。しかし、クエンチ温度は、大きく変化せず、膜沸騰熱伝達を向上させただけであった。CPPおよび霜がもっとも短時間で冷却することができた。これは、沸騰状態が壁面温度が高い状態で遷移をしたことによるもの、つまりクエンチ温度が大きく上昇したことに起因する。クエンチ温度が大きく上昇した要因として取り付けた物体の持つ熱伝導率が小さく、接触面温度がHPPや裸面に比べて小さくなったため、壁面温度が高温の場合でも冷却を促進することができたと考えられる。