トップヒートモードで作動する伝熱促進素子の動作特性

顶热模式下强化传热元件的工作特性

基本信息

批准号：
13750177
负责人：
山口義幸
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は上方で加えられた熱を下方へ効率よく輸送するシステムの開発に関する研究である.本研究課題では特に,加熱により可逆的に収縮する密閉容器(以下,NTEカプセルと呼ぶ)について,安定した動作を行う機構を開発し,その動作特性を実験により明らかにすることを目的とする.申請者はこれまでに,形状記憶合金製のばねを用いて温度が上昇すると密閉容器内の空気を圧縮する装置を考案した.しかし,水中では水圧によって密閉容器が押され,得られる浮力が減少するため,水槽が深くなると,密閉容器が膨張出来ず動作が不安定になり,最悪の場合再浮上しなくなるという欠点があった.そこで申請者は,形状記憶合金ばねに替えて相変化物質(使用温度の高温側で蒸発する液体)を用いたNTEカプセルを考案した.この新型NTEカプセルは,空気を充填した大きな密閉容器の圧縮・膨張を小さな密閉容器内の相変化物質の蒸発・凝縮によって行い,装置に作用する浮力を変化させる仕組みで,形状記憶合金を用いたNTEカプセルの欠点を克服すると期待されるが,実機による検証実験ははまだ行われていなかった.そこで平成13年度は,相変化物質を用いたNTEカプセルを製作して,水深1mの水槽において動作を確認した.本年度は深い水槽中での相変化物質を用いたNTEカプセルの動作特性を,動作模擬装置(シミュレータ)を用いた模擬実験により調べた.PCMを用いたNTEカプセルは水深の深い水槽でも動作することが特徴であるが,その動作確認を実際の伝熱管と同様の上下に長い水槽をいて行うことは非能率で,現実的でない.そこで,装置を固定し周囲環境をコントロールして装置に作用する浮力および温度・圧力を計測するようなシミュレータを開発し,深い水深でも充分な浮力を得るための条件を調べた.シミュレータは圧力容器とコンプレッサー,クーラ,ヒータおよび温度を均一にするための攪拌機からなり,圧力容器内にNTEカプセルを,支持棒を介して細紐で水中に吊り下げた.測定項目は,圧力容器内の温度・圧力,空気および相変化物質を充填したそれぞれの伸縮密閉容器内の圧力・温度およびNTEカプセルに作用する浮力である.浮力は支持に作用する荷重の変化を,ロードセルを用いて検出することで測定した.その結果,・実験に使用したNTEカプセルは,3mの水深までは特別な調整をしなくても浮上可能であること.・NTEカプセルの浮力は,周囲流体の温度変化に応じて,ほとんど遅れなく変化すること.などが,明らかになった.ただし残念ながら,使用したヒータおよびクーラの容量が充分でなく,NTEカプセルの沈降/浮上をリアルタイムでシミュレートするまでには至らなかった.これについては,ヒータおよびクーラを容量のより大きなものに交換し,さらに温度制御を圧力容器内だけでなく圧力容器内外周からも行うことで,リアルタイムの動作模擬試験が可能になると考えている.

这项研究是关于开发一种能够有效地向上向下传输热量的系统。特别是，本研究课题的重点是开发一种在加热时可逆收缩的稳定密封容器（以下简称 NTE 胶囊）。就是开发一种执行特定动作的机制，并通过实验阐明其运行特性。他们设计了一种装置，当温度升高时，利用水箱压缩密封容器内的空气。然而，在水下，水压会推动密封容器，从而减少可以获得的浮力，因此随着水箱越深，因此，申请人决定使用相变材料（在工作温度下）代替形状记忆合金弹簧。我们设计了一种使用在高温下蒸发的液体的 NTE 胶囊。这种新型 NTE 胶囊通过在小型密封容器中蒸发和冷凝相变物质来压缩和膨胀充满空气的大型密封容器。预计这种改变作用在设备上的浮力的机制将克服使用形状记忆合金的 NTE 胶囊的缺点，但目前还无法使用实际设备进行验证。因此，我们在2001年使用相变材料制造了NTE胶囊，并在1 m深度的水族箱中验证了其运行特性，并通过运动模拟器进行了模拟实验研究了所使用的NTE胶囊的运行特性。虽然其特点是可以在水箱中运行，但通过上下与实际传热管相同的长水箱来确认其运行效率低且不切实际。因此，我们决定修复该装置并控制我们开发了一个模拟器，可以测量作用在设备上的浮力、温度和压力，并研究了即使在深水深处也能获得足够浮力的条件。它由压力容器、压缩机、冷却器、加热器和均衡温度的搅拌器组成。压力容器内的NTE胶囊通过支撑杆用细绳悬浮在水中。测量项目为：浮力是每个充满空气和相变材料的可膨胀密封容器中的压力/温度，以及作用在NTE胶囊上的浮力。我们使用称重传感器测量了作用在容器上的载荷的变化。结果表明，实验中使用的 NTE 胶囊无需任何特殊调整即可漂浮到 3m 的深度。・很明显， NTE 胶囊几乎不会延迟响应周围流体温度的变化而发生变化。然而，不幸的是，加热器和冷却器的容量不足以实时模拟NTE胶囊的下沉/漂浮。为此，将加热器和冷却器更换为更大容量的加热器和冷却器，并且改善了温度控制。不仅可以在压力容器内部进行时间操作模拟试验，还可以从压力容器的内部和外部进行。