核沸騰を用いた液膜蒸発の安定化により高熱流束熱輸送を実現する伝熱促進機構の解明

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熱機器の省冷媒化と大容量・高熱流束徐熱を両立するにあたり，伝熱面に冷媒液をかけ流し気化させる「流下液膜蒸発熱伝達」の活用が有望視される．流下液膜を用いた熱輸送では，流量分布を均一化し液膜流を安定化することが重要である．本研究では，沸騰気泡の細径化と沸騰核密度の増大に着目し，伝熱面に核沸騰促進を施した際の熱伝達特性および沸騰気泡による液膜流安定化の効果を解明する．2022年度は，昨年度製作した実験装置により，傾斜平面上の液膜厚さおよび液膜蒸発熱伝達の評価を進めた．伝熱面として，平滑面に加え，無酸素銅をアークワイヤー溶射した溶射面（表面粗さRa = 20 μm）のデータを取得した．非加熱時の平均膜厚は，溶射面であっても平滑面と同等の値を示し，Ref < 2000の範囲ではNusseltの層流液膜理論と良好に一致し，それ以上の流量域では液膜が厚くなる乱流遷移の傾向が確認された．加熱時は，沸騰開始前は溶射面も平滑面と同程度の平均膜厚であったが，沸騰開始後は溶射面の方が液膜内の気泡数密度が高くなり，平滑面に対し3 ~ 4倍の平均膜厚となった．特に，100kW/m2の最高熱流束を経たのち熱流束を低減させた場合，沸騰核が維持されることで液膜が厚い状態が保たれた．なお，平滑面の平均膜厚については，傾斜角，熱流束，液膜流量のべき関数で整理されることを明らかにした．溶射面の熱伝達率について，こちらも熱流束低減過程で沸騰核密度の増大効果が強く現れ，平滑面に対し最大2.5倍の伝熱促進が得られた．また，ドライパッチが発生しない条件において，溶射面では沸騰核が広範囲に分布するため伝熱面温度分布が均一化した．以上より，溶射面の核沸騰促進効果が流下液膜の安定形成に有効であることが示された．平滑面の結果は国際誌の学術論文1編と国内会議の口頭発表1件で公開し，溶射面の結果は国内会議の口頭発表1件で公開した．