微細構造を有する繊維集合体からの熱伝達特性と伝熱制御に関する研究

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本研究では、極細線繊維集合体を用いた高応答性加熱器による気体の伝熱制御に関する基礎研究として、繊維群の熱伝達特性を解明するため、素線径8μmのカ-ボン繊維集合体の常温域における極低レイノルズ数域での熱伝達特性を実験的に明らかにした。つまり、本研究を遂行するために、下記の手順で実験・解析を行った。1.実験装置の製作 まず常温域のガス流を対象とする小型風洞を製作した。この装置は、線径8μmのカ-ボン繊維を多数並列に配列した極細線繊維群加熱器を内臓するもので、空気を作動流体として、非定常加熱による応答特性を測定することによって、極低レイノルズ数域における熱伝達特性を簡便に測定するものである。2.測定原理の確立 実験で用いた繊維は8μmのカ-ボンファイバ-のため、細線表面の温度計測を行うことは不可能である。そこで本研究では、予め繊維群の熱伝達率を仮定して繊維群加熱器の非定常伝熱特性について数値解析を行い、任意の入力パルス形状に対する加熱器の出口ガス温度の推定値と実験値を比較することによって、繊維群の熱伝達率を推定する手法を取った。3.極細線群の熱伝達率の評価 上記の実験を種々のガス流速について行い、例えばガス流速=14cm/sで熱伝率h=約12W/(m^2K)の測定値を得た。流速14cm/における単一極細線の熱伝達率を本実験条件に対して見積ると、h=1300となり、両者に大きな隔たりがある。これらの結果は、低レイノルズ数で単一粒子や単一細線に漸近する充填層等で用いられている熱伝達率の実験式と矛盾し、極低レイノルズ数域での充填層や繊維郡の熱伝達率は、単一粒子や繊維の熱伝達率に漸近しないことが明らかとなった。以上要するに、本年度の研究目的は、ほぼ達成されたものと考える。