超流動ヘリウムの沸騰熱伝達とそれに伴う振動/カオス現象の研究

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2003年の会計年度に「超流動ヘリウムの沸騰熱伝達とそれに伴う振動/カオス現象の研究」のいくつかの研究結果を日本学術振興会(JSPS)の経済的援助の下で得られた。超流動ヘリウム(He II)中での沸騰現象は、通常流体での沸騰とは非常に多くの差違があり、かなり特徴的なものである。我々は、可視化のみならず、圧力振動測定、超伝導温度センサーによる温度振動測定、という多方向からの観測をHe II中での沸騰現象の研究に用いた。その結果:1.ノイジー膜沸騰中の温度振動と、圧力振動の間の強い相関が検出され、その振動は、continuous wavelet analysis(CWT)法によって解析された。それにより、ノイジー膜沸騰での支配的な20-30Hzの圧力振動が、信号全体に拡がっている事が分かった。この支配的な周波数は、より小さな泡が振動する事によりt<0.1sではより高くなる。圧力振動の第二高調波における支配的な周波数もまた、スケイログラム(尺度分析)よりはっきりと分かる。一方で、温度振動のCWT分析の結果は、圧力振動と違う特色を示す。温度振動の支配的な周波数は、基本的に圧力振動と同じであり、この二つの振動に強い相関がある事を示す。温度振動の支配的な周波数は、加熱を止めた後すぐに上昇する。これは、圧力振動が局地的な蒸気泡の流体力学と、全体のそれを示すのに対し、温度振動が局地的な蒸気泡の流体力学を示す事を表している。このようにCWTは、フーリエ解析ではできない、詳細な定量的な情報を与えた。2.挿入深さ(ヒーターと水面との距離)が沸騰状態に影響する重要な要因である事が分かった。約38cm以上の深さでは、沸騰状態は、十分に発達しきっていない膜沸騰状態である。挿入深さの減少にともない、沸騰状態は熱伝達係数が深さに弱く依存するノイジー膜沸騰領域に変化する。熱伝達係数が約25cmまで増加するのは、より頻繁にヒーターの表面と接触し熱伝達能力が向上する為と考えられる。熱伝達係数が散乱し始め、その後より高い値に急増する挿入深さ約15cmに減少すると、沸騰状態は遷移沸騰領域に変化する。沸騰状態は、それより挿入深さが減少すると、サイレント膜沸騰状態に遷移する。サイレント膜沸騰では、熱伝達係数は連続的に減少する。ノイジー膜沸騰領域では、圧力振動の支配的周波数と熱之達係数の間に、相関がある事も観測された。3.ヒーター表面の温度の測定による熱伝達能力の測定を行なった。膜沸騰時の熱伝達能力はヒータ表面にかかる圧力ヘッドと、ヘリウムのバス温度に依存している事が分かった。バス温度がlambda温度に近い時は、深さにほとんど依存せず、Breen-Westwater相関で関連させる事ができるのに対し、バス温度が低い時は、熱伝達係数は挿入深さに依存し、二つの領域に分ける事ができる。ノイジー膜沸騰領域の境界とサイレント膜沸騰領域の境界との距離は、バス海度が上昇するに伴い接近する。これは、lambda温度に近い温度の時、サイレント膜沸騰への遷移が、より深い挿入深さで起こるという事を示している。