水道水のマイクロチャンネル内での流動沸騰熱伝達

広島工業大学紀要研究編
第4
1巻 (
2
0
07
)p
p
.1
9
2
6
論
文
水道水のマイクロチャンネル内での流動沸騰熱伝達
橋詰健ーヘ結城隆洋 * *
(平成 1
8年 8月1
7日受理)
FlowB
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7，2
Abstract
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s，two-phasef
l
.ow，experiment
1.緒
mmを想定している
モ量子
コ
E
O
この程度の等価直径を持つ直線状の
流路であれば流動沸騰現象に関しては通常の流路と見倣さ
筆者らは簡易型の過熱蒸気発生器の開発を目指してい
れる場合が多いが，大気圧下の水では飽和蒸気の比体積が
る。これはらせん状の講を有する薄い円盤に蓋をして流路
非常に大きいので発生する蒸気泡は流路の影響を大きく受
を形成し，その中心部に水道水を流入させる O そして下面
l
l
が推奨しているマイクロチャンネルとし
ける。 Thomei
から電磁誘導加熱して外周部から過熱蒸気を取り出すもの
ての次の判定基準
である。水道水は流路内で圧縮水(過冷却液)の状態から
II'
2
=
1
~{~ "~ ¥
A
2
1 三0
.
5一一 (
1
)
L
g
(
ρLs 一 ρv
)
d
/J
気液二相流を経て過熱蒸気の状態へと変化するが，この場
合の流動沸騰現象には次のような特徴がある。
①マイクロチャンネル内の現象である
によれば大気圧下での流動沸騰水の流路としてマイクロ
流路幅は数 mm~ 数十 mm で，過冷却域で狭く，蒸気
チャンネルとして扱うべき等価直径 4は 5mm以下とい
クオリテイの増加に伴って広くなってゆく。流路高さは数
うことになり，本研究で対象としている流動沸騰の熱伝達
*広島工業大学工学部知能機械工学科
日広島工業大学大学院工学研究科機械システム工学専攻
(現・東洋熱工業株式会社)
-19一
橋詰健一・結城隆洋
はマイクロチャンネル内の現象になる 3
②i
弗騰流体は i
容存空気を含んで、いる大気圧下の水道水で
ある
PH
:予熱部
V
・飽和蒸気
W
.伝熱面
水道水は加熱流路に流入して加熱されるとすぐに溶存空
2
.
きに過冷却状態であっても空気/水の二成分系二相流にな
実
気を放出するので容存空気を含まないとして計算したと
装
験
置
実験系統を図 1に示す。水道水(l)は流量調節弁を有
るc
③上面が非加熱の矩形流路である
する流量計 (
2
) を経て予熱部 (
3
) に流入し蒸気クオリ
開発対象としている過熱蒸気発生器では溝の蓋がガス
4
) を経て測定部 (
5
) へ流
ティが設定されてから助走部 (
ケットを介して流路を構成するので上面は実質的に非加熱
入する O ここで熱伝達率が測定された後，後流部 (
6
)を
になる。
経て大気開放されている排出管 (
7
) へ流出する。
④流路がらせん状である
流路の曲率半径が流れ方向に大きくなってゆく
1
C
これらの特徴のうち，①のマイクロチャンネル内での
2
流れや流動沸騰現象に関しては，空気/水系 (2).(3) 冷媒
4
i，冷媒 R
lO
J，冷媒 R
R_1
l3i
_
1
2
3
I
S
i
n
o
¥ 冷媒 R_llI
-134a!1lI
G
についての研究は発表されているが，②の大気圧下の水/
/
¥
一一一ムーム
同亡二計
一
7
M
4」」サ。
国皿山町::sssill'i国間
I
水蒸気系についての研究は見当たらない。しかもこれまで
に得られた実験結果の間には定性的にさえ不一致がみられ，
l
:
T
a
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w
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ぽ 2
:
F
1
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町w
i
1
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l
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加
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v
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v
e3
:
日油開町
伝熱機構が解明されているとはいい難い。③については藤
4
i
田らが冷媒 R_1
l31
1
2
3
(
6
)を用いた実験を行って
および R
4
:
E
r
r
国間r
e
g
i
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関山田r
e
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n6
:
E
x
主r
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:
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1E
x
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p
p
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t
u
s
いるが，④のらせん状流路についての研究は見当たらない。
このような背景の下に筆者らは基礎研究として下面のみ
を加熱する直線状および円弧状の矩形流路における流動沸
G
:質量流束
g
:重力加速度
H
:流路高さ
h
:比エンタルピー
Q
:加熱熱量
q
:熱流束
R
:流路の曲率半径
T
:温度
W
:質量流量
x
-クオリテイ
α
:熱伝達率
!
1h，
:蒸発潜熱
ρ
.密度
σ
:表面張力
号
﹃
巴
目
-
騰の熱伝達について実験を行ったので報告する O
12mm
" 司
H
5
v
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3
6
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lHousing2 H
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1
記a
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l
巴
F
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.
2Measurements
e
c
t
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n
予熱部は内径 4 m m~ 17mmの鋼管で，その外局にマ
イクロヒーターを巻き付けて半田付けし
添え字
さらに厚さ 5
z
n
:予熱部入口
m mにサーモセメントを塗り，その外側を厚さ lOmmの
Ls
・飽和液
グラスウールで断熱したものである。測定部は水平に設置
MS
.測定部
された幅 12mmの矩形流路である。予熱部と測定部との
MSC :測定部中央
聞には非加熱の助走部が設けられている。これは円形断面
-20-
水道水のマイクロチャンネル内での流動沸騰熱伝達
の予熱部から矩形断面の測定部へ流れを滑らかに導く丸角
るものとし沸騰域ではこれに発生蒸気を加えた実際のク
ダクトと，測定部と同じ断面形状を持つ長さ 80mmの矩
オリティを見積もって，ボ、イド率 εを均質流モデルおよび
形ダクトとから成る。後流部も測定部と同ーの断面形状を
Z
i
v
iモデル(12
1で計算した結果が図 3である。マイクロチャ
AU
内U
1
持つ長さ 80mmの矩形ダクトと流れを滑らかに導く角丸
ダクトとから成り，排出管へ接続されている O
図 2に測定部を示す。ベークライト製のハウジング(1)
ω10
一l
。
2
) を有するアルミ製の加熱ブロッ
の中にはシースヒータ (
口
言
3
)が埋め込まれている。ハウジングの上面にはスベー
ク(
サ (
4
) を介して透明ユーピロンガラス (
5
) が載せられ，
占
コ
マ
幅 12mmの矩形流路を形成している O 流路高さ H はスベー
〉
1
0
.2
。
ハ
リ
l
3
サの厚さにより1.0mm~ 3.0mmに設定される。流路の曲
率半径 R は R=∞(直線状流路).R=64mmおよび 32mm(円
1
0
.4
0
.
2
弧状流路)の 3種類であり，測定部の流れ方向長さはいず
れも 100mmである o f!l.し • R=64mmの流路については
心
o
0
.
1
0
.
2
Vaporq
u
a
l
i
t
y Xv
加熱部を 3分割し中央の部分を長さ 100mmの測定部と
F
i
g
.
3V
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od
i
s
s
o
l
v
e
da
i
r
した。伝熱面温度測定のために測定部の中央位置に表面か
ら 2.5mmごとに T型シース熱電対
(
6
) を 3本埋め込んで
いる O
3
. 実験データの評価方法
実験は定常状態で、行った。測定部中央における蒸気クオ
リテイ
Xvはエンタルピーから算出した。
ノ四 1
J
J
2
知 =h
(
2
)
XV
=
玩竺k
hMS
伝熱面の温度1'.，は加熱ブロックに埋め込まれた 3点の
.
l
F
i
g
.
4Flowc
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C
u
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v
e
dc
h
a
n
n
e
R=64mm，H=lふnm.qw=50kW1m 2• xv
=
0.
11
4，T
，， =
6
9
"
C)
熱電対による測定温度から外挿して求めた。そしてこれと
伝熱面での熱流束 q"および測定部中央における液の温度
九
:
I
'
C を用いて熱伝達率 αを算出した。
ンネルでは低流速域では扇平気泡流 (elongatedbubble
f
i
o
w
) が，高流速域では環状流 (annularf
i
o
w
) が支配的
α-T，，.今函~"""(3)
な流動様式になることが従来の研究において一致してお
り，このときのボイド率は前者では均質流モデルが，後
ここで温度，
Tu
s
cは過冷却域 (
X
v:
'
S0
) ではエンタルピ-
者では Z
i
v
iモデルが大まかな予測値としては妥当と思わ
h
u
s
cから算出される測定部中央における液の温度弗騰域
れる。図 3よか過冷却域では均質流モデルによるボイド
(
XVど0
) では飽和温度とする。
率が実際のボイド率に近い値とみても，放出空気はボイド
率については決して無視できない量であることになる。と
4. 溶存空気の影響
ころが実際に流れの状態を目視観察すれば図 4のようで
水道水には空気が溶存しているので，予熱部で水温が
あり，流れは確かに扇平気泡流であるが気泡は伝熱面に付
2
) による蒸気クオ
上昇すれば溶存空気が放出されて式 (
着して液よりもかなり遅い速度で移動するので，ボイド率
リティが負の値であっても流れは空気/水の二成分系二
は均質流モデルによる値よりもさらに大きいものと思われ
相流になる(実際のクオリティは正)。本実験で使用した
るO
図 3において，沸騰が始まれば放出空気のボイド率への
水道水に含まれる溶存空気量は常温で飽和空気量に対し
8の過飽和状態である。水道水が温度上昇したと
て約1.0
寄与は無視でき，蒸気クオリテイ
き，液の温度に相当する飽和空気量以上の空気は放出され
らのモデルによってもボイド率は 1に近い値になる O
-21ー
Xvが
0
.
2を超えるとどち
橋詰健一・結城隆 i
羊
パッチが発生する，
5
. 直線状流路についての実験結果
という流れになっている O 熱流束が大
きいときには一度発生したドライパッチには液が供給され
5・1 蒸気クオリティに対する熱伝達率変化の傾向と熱
にくくなって，これが熱伝達率の低下をもたらしている O
しかしながら細管についての Kandlikar(l3)の整理式，菅
流東の影響
図 5に実験結果の代表例を示す。熱伝達率の変化は過冷
谷ら (8:や Baoら(!o)のデータではこれとは逆に熱流束が大
弗
却域では過冷却度が減少するに従って急上昇している。 i
きいほど熱伝達率が高くなって核沸騰支配の様相を示して
騰域になると蒸気クオリテイの増加とともに一度低下した
おり，また，藤田らげ)のデータでは質量流束の大小によっ
.Ommでは蒸気
後，緩やかに上昇している O 流路高さ H=l
て熱流束の影響が逆転している。マイクロチャンネル内で
.
7付近になると熱伝達率が急激に低下
クオリティが Xv = 0
の流動沸騰熱伝達の研究を展望した Thome¥lIは今後の更
する。同様の傾向はマイクロチャンネル内での冷媒を用い
なる実験的・解析的な研究が必要，としながらも，この領
た従来の研究 141
.(
6
)
.(
7
)
.1
1
0
1においてもみられている O
域が核沸騰支配という見方には実験データの健全性にまで
遡って疑問を呈している。一方，下面加熱の矩形流路の実
各領域における熱伝達率の変化の様子は次のように考察
される C
験を行った藤田ら (
4
)は流路高さが 1-2mmでは熱流束が
(
a
) 過冷却域 (
xv三 0
)
大きいほど熱伝達率が大きいが. 0.5mm以下になればこ
この領域における熱伝達率の急上昇については，同様の
れが逆転することを見出した。彼らはこの理由を，流路高
現象が見られた従来の研究ではサブクール沸騰の影響 (1)
さが小さく熱流束が大きいときには伝熱面への液膜の供給
(
1
0
)
と説明されてきた。しかしながら本実験の結果では，
が遅れるため，と推察しているが，前述した筆者らの目視
観察の結果もこの説明を裏付けている O
流路高さや熱流束，質量流束の顕著な影響は認められてい
ない(図 5において過冷却域の実験点を貫く実線はすべて
5・2 流路高さと質量流束の影響
0 本実験では溶存空気が放出されるときにサブクー
同一 )
ル沸騰に似た効果が現れ，さらに，放出溶存空気による二
図 6は流路高さの影響を調べたものである。 i
弗騰域では
相流効果(図 3に示したボイド率に対応)が加わってこの
流路高さが小さいほど熱伝達率が大きくなっている。藤田
ような急上昇をもたらしているものと思われる。
ら(6)はこの理由を，流路高さが小さければ気泡成長に十分
xv三 0
)
(
b
) 沸騰域 (
な空間がないので気泡が合体して早く環状流に遷移するた
この領域では最初は蒸気クオリテイの増加に伴って一
めと説明しているが，筆者らの目視観察でもこの説明は正
=
O
.
2程度になると緩やかな上
度熱伝達率が低下するが.xv
しいと思われる O ドライパッチの部分が伝熱面全体に大き
昇に転じる。この傾向は，小蒸気クオリティ領域では核
く広がって熱伝達率が蒸気クオリティと共に低下する現象
沸騰支配，中
を“ドライアウトが発生しだ'ということにすれば，
大蒸気クオリテイ領域では対流支配とする
l
1
3
1
ドラ
イアウトの発生は流路高さが小さいほど早く .H=l
.Omm
Kandlikar の整理式の傾向と一致する O
熱流束の影響についてみると，熱伝達率は熱流束が大
のときは x
=
0
.
6以降ですでにドライアウト発生の兆候が
v
きいほど低い値となっている。目視観察によれば，伝熱面
.5mmになると x
v
=
0
.
8を過ぎるまでその
見られるが. H =1
上には部分的なドライパッチが発生し，ここに液が供給さ
兆候がみられない。この理由も液膜の供給により説明され
れてドライパッチが消滅しまた別の部分に新たなドライ
よう O しかしながら，
ドライアウトが発生する蒸気クオリ
ハリ
ハリ
ー
注品。
ENS¥
200
S
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a
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g
h
tc
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n
n
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l
H=1.0mm
S
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H=3.0mm
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50
50
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水道水のマイクロチャンネル内での流動沸騰熱伝達
[凶刊︻何回¥診﹄]己
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ハリ
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qw 200kW/rrt
二
2
G=45kglms
G=45kglms
G=45kglms
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流路と同じ )
0 しかし沸騰域に入ると蒸気クオリテイに対
ティについては熱流束の顕著な影響が認められなしミ。
図 7は質量流束の影響を調べたものである。 i
弗騰域では
する熱伝達率変化の様子は直線状流路とはかなり異なって
質量流束が大きいほど熱伝達率が大きくなっている O ドラ
くる O 目視観察によれば，未蒸発の液は流れに沿って内周
イアウト発生に質量流束の顕著な影響はみられない。
側に寄ってくる傾向にあり，伝熱面上のドライパッチは外
熱伝達率が質量流束に依存するのは，この領域では環
周側から次第に内周側へと広がってゆく。熱伝達率はドラ
状流になっていて熱伝達が対流支配になるためと考えられ
イパッチ部分の割合に密接に関連していて，熱流束が大き
る。しかしながら Kuwaharaら(11)のデータでは質量流束
くなるとドライパッチ部分には液が供給されにくくなるた
の影響は本実験の結果よりもはるかに顕著で、ある一方，藤
め，熱伝達率は熱流束が大きいほど低くなる。ドライアウ
6
)や Baoら
(
10
)のデータでは質量流束の影響が認めら
田ら (
トが発生する蒸気クオリティは熱流束に依存し熱流束が
れていない。熱流束の影響も含めて，伝熱機構の解明に更
大きくなるにつれて小さな蒸気クオリテイでドライアウト
なる研究が必要である。
が発生している。
6.2 流路高さと質量流束の影響
6
. 円弧状流路についての実験結果
0は流路高さの影響を調べたものである O 直線状流
図1
6・1 蒸気クオリティに対する熱伝達率変化の傾向と熱
路とは逆に，どちらの曲率半径についても流路高さが小さ
いほど熱伝達率が小さい。前述のように円弧状流路では流
流束の影響
図 8および図 9は実験結果の代表例を示したものであ
れと共に液が内周側に寄る傾向があって，伝熱面上に薄い
る。過冷却域の熱伝達率は直線状流路と同ーであり，曲
液膜が形成されて高い熱伝達率を示すが，流路高さが小さ
率半径や流路高さ，熱流束の影響は見られない(図 8お
くなれば液の移動が制限されて伝熱面上での液膜が薄くな
よび図 9における過冷却域の実験点を貫く実線は直線状
りにくくなるためと思われる。
-23一
橋詰健一・結城隆洋
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および R=32mml における熱伝達率を代表例について比
図1
1は質量流束の影響を調べたものである O 直線状流
較したものである O 流路高さが小さいとき ( H
=l.Omml
路と同様に質量流束が大きいほど熱伝達率も大きくなって
いるが，影響の度合いは直線状流路よりも顕著であり，
し
には曲率半径が小さいほど熱伝達率が小さくなっている
かも質量流束が大きくなるほどドライアウトが発生しにく
.5mml と R=32mmの熱
が，流路高さが大きくなる (H=1
くなっている。
伝達率が直線状流路を上回以流路高さがさらに大きくな
H=3.0mml と R=64mmの熱伝達率も直線状流路を上
る (
6・3 流路曲率半径の比較
回るようになる O 円弧状流路において液が内周側による傾
図 12は直線状流路 (
R=∞) と円弧状流路 (R=64mm
-24一
向は伝熱面上での液膜を薄くするから，液膜の移動が制限
水道水のマイクロチャンネル内での流動i
弗騰熱伝達
ハリハリ
ハリハ
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きれない限り円弧状流路の方が直線状流路よりも熱伝達率
りも小さいが，流路高さが大きくなる
が高くなるものと考えられる。ドライアウトは曲率半径が
と逆転する。
(
H
=
3
.
0
m
m
)
5) ドライアウトが発生する蒸気クオリテイは流路高さ
小さいほど小さな蒸気クオリテイで発生している。
が小さいほど，質量流束が小さいほど，熱流東が大
7
. 結
きいほど小さな値となる。但し直線状流路におい
吉
ては熱流束の影響は顕著ではない。
簡易型過熱蒸気発生器の開発のための基礎研究として，
なお，本研究における実験には広島工業大学工学部知能
下面のみが加熱される矩形断面の直線状流路(曲率半径
機械工学科卒業研究として中俊典，細田恭史，両君の協力
R=∞)と円弧状流路 (R=64mmおよび 32mm) における
を得たことを記し感謝の意を表す。
水道水の流動沸騰熱伝達特性を実験により調べ，以下の事
文
項がわかった。
1)過冷却域の熱伝達率は過冷却度の減少とともに急激
に増加する。そしてその値は流路形状(曲率半径，
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(1) Thome，
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(2) Coleman，
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2) i
弗騰域に入ると熱伝達率は蒸気クオリティの増加と
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(3) Ueda，
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，Kyoto，2004，GS4-19
共に一度低下しその後ゆるやかな上昇に転じる。
3
)すべての流路において弗騰域の熱伝達率は熱流束
(4) 藤田恭仲・楊洋，第 40回日本伝熱シンポジウム，
2003年 5月. D311
が小さいほど，また，質量流束が大きいほど大きく
(5)巌子刻・ほか 3名
，第 39回日本伝熱シンポジウム，
なる 0
4) 流路高さが小さい
献
(
H
=l
.
Omm) ときには円弧状流
路の熱伝達率は同一流路高さを持つ直線状流路よ
， F221
2002年 6月
(6) 藤田恭仲・楊洋. 第 39回日本伝熱シンポジウム，
-25-
橋詰健一・結城隆 i
羊
2
0
0
2年 6月
， F234
(7)藤田恭伸・藤田奈美，第 4
0回日本伝熱シンポジウム，
2
0
0
3年 5月
， D312
1回日本伝熱シンポジウム，
(8)菅谷正則・ほか 3名，第 4
2
0
0
4年 5月
， I
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Kyoto，2004，GS3-01
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) Bao，
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) 技術資料，管路・ダクトの流体抵抗，日本機械学会，
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