壁面微細構造によるマイクロチャンネル内沸騰流安定化・伝熱特性向上

点击翻译按钮获取中文摘要

本研究は、マイクロチャンネル内沸騰流の安定化及び伝熱特性を向上させることを目的としている。平成24年度までの研究によって、スラグ流の場合には流動の安定性は流速およびTジャンクション(沸騰流の場合にはnucleation cavity)に依存することが明らかになっており、これらの条件が理想的でない場合においてより安定性の高い流動を得るためには流動形態を気泡流へと転換させる必要があると考えられる。そこで平成25年度は、生成気泡の大きさを制御することによって従来は困難であった気泡流をマイクロチャンネル内で得ることを可能とするべく、機能性壁面によって気泡離脱メカニズムを変化させることを目的として研究を行った。本年度は鋸歯状壁面から生成される気泡をマイクロスコープと高速度カメラにより可視化する実験を行った。鋸歯状壁面は開口角が30°、60°、90°、120°の4種類を用意し、更に比較のために平滑面から生成される気泡の可視化も行った。気泡は、鋸歯状壁面を炭酸水中に沈めることによって壁面上から自発的に生成されるものを撮影した。また、撮影は壁面の側面方向及び上面方向の2方向から行い、発泡点の3次元的な座標を取得した。更に、壁面上方から顕微鏡によるスキャンを行うことで各発泡点におけるnucleation cavityの直径を測定した。実験と理論解析の結果、鋸歯状壁面からは平滑面から生成される気泡とは異なる気泡離脱メカニズムが観察された。これは、(a)壁面の傾斜による浮力と表面張力のバランスの変化、(b)気泡が成長しうる空間の壁面による物理的な制限、(c)鋸歯の先端部、という3種類の影響があることが明らかになった。また、これによって気泡は平滑面の場合と比較して約30%程度の直径で壁面を離脱することが可能となり、また気泡離脱周期も大幅に短縮することが可能となった。