核沸騰と膜沸騰の共存による超高速液体水素予冷の実現

核态沸腾与薄膜沸腾并存实现超高速液氢预冷

基本信息

批准号：
21K04477
负责人：
吹場活佳
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04477/
关键词：
沸騰伝熱促進極低温液体水素

项目摘要

本研究では極低温流体による配管などの金属部品を高速で冷却する手法を開発した。核沸騰と膜沸騰を同時に発生させることにより金属近傍の固液接触を促進し予冷時間を削減した。具体的には低熱伝導率被膜と金属面が交互に露出する伝熱面を作成した。断熱層と金属冷却面が交互に露出するような伝熱面を作ることにより、断熱層で核沸騰、金属部分で膜沸騰となるような冷却面を作り出した。核沸騰と膜沸騰の共存により伝熱を阻害する要因となる膜沸騰の気相の膜を崩壊させる。本研究では2021年度までに提案する加工を施した伝熱面を用いて、プール沸騰実験、すなわち液体窒素の液槽に金属を沈め沸騰伝熱により冷却する実験を行った。2022年度はこの伝熱面を配管内部に施すための研究を行った。2021年度の実験では銅板に縦横の溝を掘り、この溝をシリコーンシーラントで埋めることで目的の伝熱面を作り出した。この方法によりプール沸騰実験における冷却時間を1/5に低減することに成功した。一方、配管の内面にこの伝熱面を加工するのは困難である。特に横方向の溝を施工するのが難しい。そこで2022年度の実験では、縦方向のみ溝を加工し、これをシリコーンシーラントで埋めた伝熱面を作成した。2021年度と同様の実験により、液体窒素を用いたプール沸騰では予冷時間を大幅に削減することができることを確認した。次に放電加工を用いて配管の内部に溝を加工し、これをシリコーンシーラントで埋めた配管を作成し実験を行った。内部に液体窒素を流す実験を行い、冷却時間が大幅に削減することを確認した。最終的にこれをJAXA能代実験場に持ち込み、液体水素を用いて実験を行った。しかし液体水素を用いた実験では、無垢の配管と比較して同程度の冷却時間となり、優位性が確認できなかった。このような結果になった理由として、液体水素の特異な物性が原因であることが考えられ、現在も検証中である。

在这项研究中，我们开发了一种用于使用高速低温流体的管道（例如管道）冷却金属零件的方法。同时产生核沸腾和膜沸腾，以促进金属附近的固液接触，从而减少了预冷却时间。具体而言，制备了传热表面，其中低热导率涂层和金属表面交替暴露。通过创建一个传热表面，在其中交替暴露绝缘层和金属冷却表面，将隔热层成核并煮沸的冷却表面。成核和薄膜沸腾的共存使薄膜沸腾的蒸气相膜瓦解，这是抑制传热的因素。在这项研究中，我们进行了一个池沸腾实验，即将金属浸入液态氮气罐中的实验，并使用2021年提议的传热表面煮沸，并通过沸腾进行冷却。在2022年，我们进行了研究，以在管道内应用此热传递表面进行研究。在2021年的实验中，我们将垂直和水平凹槽挖入铜板中，并用硅酮密封剂填充，以形成所需的传热表面。该方法已用于将池沸腾实验中的冷却时间减少1/5。另一方面，很难处理管道内表面上的传热表面。安装横向凹槽特别困难。因此，在2022年的实验中，仅在垂直方向上处理凹槽，并通过用硅酮密封剂填充它来产生传热表面。在与2021年的同一实验中，我们确认使用液氮煮沸时可以显着减少冷却时间。接下来，使用电气加工在管道内部制造凹槽，并通过将其填充有机硅密封剂来形成管道，并进行实验。进行了一项实验，以将液氮内部流动，并确认冷却时间显着减少。最终将其带到了Jaxa Noshiro实验部位，并使用液体氢进行了实验。但是，在使用液体氢的实验中，与固体管道相比，冷却时间相似，并且没有证实优势。该结果的原因被认为是由于液体氢的独特物理特性所致，并且仍在研究中。