エネルギー・環境分野　Okawa Laboratory

気体と液体が混ざり合う場の不思議を解き明かす

水だけや空気だけの流れを《単相流》、水と空気が混在する流れを《気液二相流》と呼びます。単相流でも流れや熱移動を理解するのは簡単ではありませんが、気液二相流では、気体と液体の境界が時々刻々変化するので、現象はさらに複雑になります。気が遠くなりそうですが、狙いを定めて一つ一つ丁寧に紐解いていけば、気液二相流の理解も決して夢ではありません。

大川研究室では、大規模エネルギーシステムの安全性向上や次世代電子機器の高効率冷却を目的として、《熱流動工学》、特に《相変化熱伝達》と《気液二相流》に関する最先端の研究を行っています。

現在進行中の主な研究テーマを紹介します。

【キーワード】熱流動、気液二相流、沸騰熱伝達、実験、数値シミュレーション、原子炉熱流動、電子機器冷却

Ⅰ．強制対流サブクール沸騰 (Subcooled flow boiling)

強制対流サブクール沸騰は、軽水炉や核融合炉などのエネルギープラント、さらに高性能CPUや医療用X線CTなどの電子機器の冷却に利用される超高効率の熱伝達機構です。大川研究室では、透明伝熱面を用いた高度な実験技術を用いて、強制対流沸騰中のボイド率（蒸気の体積割合）を決定する上で、気泡合体に引き続く大気泡形成が重要な役割を果たしていることを発見しました。この成果を基に、強制対流サブクール沸騰による冷却性能の向上と除熱限界の高精度予測を目的とする研究を、国家プロジェクトとして実施しています。

Ⅱ．液滴スプラッシュ (Splashing)

液滴が液膜に衝突すると、ミルククラウンでよく知られているように、王冠状の液体構造物が形成され、その先端から微小な二次液滴が飛散（スプラッシュ）します。この現象は、見た目に美しいだけでなく、空気中二酸化炭素の海水への溶解促進を通して地球温暖化とも密接に関連する重要な流体現象です。大川研究室では、スーパーコンピューターを用いた大規模数値シミュレーションと高時間・高空間分解能の高速度カメラを用いた可視化実験を行い、液滴スプラッシュの時間進展には、表面張力と粘性の他、これまで無視されてきた重力も大きく寄与していることを明らかにしました。この発見を基に、液滴スプラッシュの発生条件と二次液滴発生量の予測精度を飛躍的に高めるための研究を実施中です。

Ⅲ．高温固体の急速冷却 (Quenching)

熱したフライパンに水を注ぐと、水はフライパンに接触できずに飛び散ってしまい、フライパンの温度はなかなか低下しません。これをライデンフロスト効果と呼び、事故時に高温となった燃料棒をどのくらい速やかに冷却できるかを決定するため、原子力発電所の安全性を考える上できわめて重要な現象です。大川研究室では、シリコンウェハと赤外線サーモグラフィーを併用することで、冷却水が高温の固体面と接触を開始（クエンチ）するときの熱流動構造を観察することに世界で初めて成功しました。この成果を用いて、高温固体の冷却速度を物理法則に基づいて正確に予測するための手法を開発中です。

通常のクエンチ実験で用いる伝熱面は一つですが、原子炉には多数の燃料棒が装荷されるため、対向する伝熱面が存在します。このため、原子炉では対向面から飛散してくる衝突が冷却を加速する可能性があります。この効果を調べるため、対向面を配置して実験したところ、単一伝熱面体系よりも短時間で冷却が進むことがわかりました。このため、複数面体系における冷却速度の予測手法を鋭意開発中です。また、伝熱面にティッシュペーパーのように毛細管力に優れたナノ粒子層を形成して、冷却速度を向上させる研究も行っています。

Ⅳ．プール沸騰熱伝達 (Pool boiling)

電子機器の発熱密度が上昇するのに伴い、従来の空冷や液冷では除熱が間に合わず、さらに高効率の沸騰冷却の利用が必要になっています。沸騰冷却では、加熱量が除熱限界であるCHFを超えると伝熱面が蒸気膜に覆われて壁温が急上昇してしまいます。電子機器冷却では、通常の沸騰実験とは異なり、加熱壁がきわめて薄くかつ熱入力が空間的に非均一になります。大川研究室では、高出力レーザーを用いて金属薄膜を加熱することで、電子機器冷却で生じる特殊体系に適用可能な高精度のCHF予測手法を開発しています。さらに、加熱壁にティッシュペーパーのように毛細管力に優れたナノ粒子層を形成して、CHFを向上させる研究も行っています。

Ⅴ．気液混合流による高効率冷却 (Cooling by gas-liquid two-phase flow)

 製鉄所に代表される高温プラントの冷却は、その内部に張り巡らされた水管に冷却水を流すことで行われます。より高い冷却性能を得るには、冷却水の流量を増やすことが一番単純な方法ですが、この方法では圧力損失が大きく増大するため、大容量の循環ポンプが必要となり、経済的でありません。大川研究室では、企業との共同研究により、冷却水に空気を混入して気液混合流とすることで、圧力損失の増加を最低限に抑えつつ冷却性能を向上できることを示しました。現在、冷却性能の向上には空気混入による流動構造の変化と蒸発による液温の低下が寄与していると考え、機構論的な冷却性能予測モデルの開発を行っています。

Ⅵ．流下液膜からの液滴発生 (Boiling entrainment)

 発電用蒸気発生器の加熱流路では、加熱壁に沿って液膜が流れ、流路中央部を大量の液滴を含んだ蒸気が流れる環状噴霧流と呼ばれる流動状態となります。もし環状噴霧流中で液膜が消失して加熱壁が蒸気流に露出すると、お風呂の空焚きのような状態となって壁温が急上昇し、危険な状態に陥ります。このため、液膜から発生する液滴量を正確に予測するための技術が必要となります。大川研究室では、これまで各所で研究されてきた高速蒸気流の影響に加えて、液膜内沸騰による蒸気泡の生成も液滴発生の要因になると考え、企業との共同研究により、液膜内沸騰に起因する液滴発生量を実験的に把握するとともに、予測式の開発を行っています。

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