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

实现高温表面超快冷却的淬火现象预测模型构建

• 批准号: 22K20411
• 负责人: 梅原 裕太郎
• 金额: $ 1.83万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-08-31 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K20411/
• 关键词: 沸騰; クエンチ現象促進; 金属多孔質体; 限界熱流束; クエンチ; クエンチ温度; 熱伝達率分布

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。

通过液体快速冷却高温表面是一个极为重要的事件，例如改善钢材材料的材料（热处理）和核反应堆的紧急冷却。通常，高温表面的冷却速率由发生在高温表面的沸腾现象主导，并且已知在冷却的早期阶段和某个时候迅速迅速较慢。这种冷却速率的过渡称为淬灭现象。这项研究的目的是构建一个淬火模型，该模型操纵因素，从而促进淬火现象，并在快速冷却时准确预测冷却速率。在2022财年，更改了高温物体侧的促进因素，并制造了实验设备，并获得了进行淬火实验的实验数据。液氮被用作冷却水使铜块成为热物体，并且只有底部表面彼此接触以冷却它。此时的温度变化是用热电偶测量的，并用高速摄像头拍摄了外观。为了促进淬火，将各种物体（HPP（多孔蜂窝状体），CPP（多孔铜体）和霜冻）连接到铜块的底部，并将淬灭促销的效果与裸露的表面进行了比较。与裸露的表面相比，HPP能够将冷却时间减少一半。但是，淬灭温度没有显着变化，只能改善薄膜沸腾的传热。 CPP和Frost能够在最短的时间冷却。这是由于以下事实：高壁温度下的沸腾状态过渡，即淬灭温度显着升高。淬灭温度升高的原因是，附着的物体的热导率很小，接触表面温度小于HPP和裸露的表面温度，因此即使壁表面温度高，也可以促进冷却。

项目成果

Liquid nitrogen quenching of copper surface with porous structure

多孔结构铜表面液氮淬火

• 发表时间: 2023
• 作者: YUTARO UMEHARA