本 章 で は ， 流 路 間 の 熱 負 荷 が 不 均 一 な 条 件 を 含 め て ， 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル 内 で 生 じ る 不 安 定 流 動 に つ い て ， 主 に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル を 用 い て 検 討 を 行 っ た ． そ の 結 果 ， 以 下 の 結 論 を 得 た ．
1. 開 発 し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル が ， 入 口 二 相 条 件 お よ び 逆 流 が 生 じ る 条 件 を 含 め て ，2 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル で 生 じ る 流 量 お よ び 圧 力 損 失 の 時 間 変 動 を 予 測 し ， 密 度 波 振 動 の 発 生 機 構 を 再 現 で き る こ と が 確 認 さ れ た ．さ ら に ，計 算 に よ り 得 ら れ た 振 動 発 生 限 界 お よ び 振 動 特 性 は ，実 験 結 果 を 定 量 的 に よ く 再 現 し ，本 モ デ ル の 妥 当 性 が 確 認 さ れ た ．
2. 均 一 熱 負 荷 条 件 に つ い て ，流 量 振 動 の 発 生 に 与 え る 熱 流 束 ，質 量 速 度 お よ び 入 口 ク オ リ テ ィ の 影 響 に つ い て 検 討 を 行 い ， 質 量 速 度 お よ び 入 口 ク オ リ テ ィ が 大 き い ほ ど ，振 動 が 生 じ る 最 小 熱 流 束 は 増 大 し た ．こ の と き ，入 口 二 相 条 件 の 振 動 発 生 限 界 は ，平 均 流 量 に よ ら ず ，平 均 出 口 ク オ リ テ ィ と 入 口 ク オ リ テ ィ の 関 係 で よ く 整 理 で き る こ と が 明 ら か に な っ た ．
3. 入 口 速 度 の 振 動 周 期 は ，入 口 ク オ リ テ ィ お よ び 熱 流 束 に よ ら ず ，流 路 の 平 均 通 過 時 刻 に 対 し て お お よ そ 比 例 し て 増 大 す る こ と が 確 認 さ れ た ．ま た ，振 動 周 期 は ， 加 熱 区 間 と 出 口 側 非 加 熱 区 間 を 通 過 す る の に 要 す る 時 間 よ り は 長 く ， 入 口 側 非 加 熱 区 間 を 含 め た 全 区 間 を 通 過 す る の に 要 す る 時 間 よ り は 短 い こ と が 分 か っ た ．
4. 均 一 熱 負 荷 時 に は 流 量 振 動 が 生 じ な い 熱 流 束 条 件 で あ っ て も ， 同 じ 平 均 熱 流 束 の 不 均 一 熱 負 荷 条 件 下 で は 流 量 振 動 が 生 じ 得 る こ と を 明 ら か に し た ． こ の と き ， 高 熱 負 荷 側 の 熱 流 束 が ， 均 一 熱 負 荷 条 件 下 で も 振 動 が 生 じ る 熱 流 束 域 に 達 す る と 振 動 が 生 じ た ．す な わ ち ，高 熱 負 荷 側 流 路 の 熱 負 荷 が ，振 動 発 生 の 主 な 要 因 と な る こ と を 明 ら か に し た ．
5. 入 口 サ ブ ク ー ル 条 件 を 対 象 と し た ， サ ブ ク ー リ ン グ 数 お よ び フ ェ ー ズ チ ェ ン ジ 数 の 関 係 で 整 理 さ れ た 従 来 の 安 定 判 別 線 図 を ，入 口 二 相 条 件 に 拡 張 し て ，よ り 一 般 性 の 高 い 安 定 判 別 線 図 を 示 し た ．そ の 結 果 ，こ れ ま で 不 明 で あ っ た 入 口 二 相 の 場 合 の 密 度 波 振 動 発 生 限 界 が ， 入 口 サ ブ ク ー ル の 場 合 の 特 性 と な め ら か に 繋 が る こ と を 明 ら か に し た ．
6. 本 モ デ ル が ， 流 量 振 動 発 生 時 の 加 熱 区 間 内 ク オ リ テ ィ 分 布 の 時 間 変 化 を 予 測 で き る こ と を 確 認 し た ． 安 定 流 動 時 に は ド ラ イ ア ウ ト が 生 じ な い 出 口 ク オ リ テ ィ と な る 熱 流 束 条 件 で あ っ て も ，流 量 振 動 の 発 生 に よ り ，ド ラ イ ア ウ ト が 生 じ る 高 ク オ リ テ ィ の 領 域 が ， 周 期 的 に 広 い 区 間 に 渡 る こ と が 確 認 さ れ た ．
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第 6 章
総 括
本 研 究 は ， 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル を 有 す る 高 性 能 蒸 発 器 の 設 計 指 針 を 得 る た め に ， 実 験 に よ り 均 一 ・ 不 均 一 熱 負 荷 場 に お け る 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル 内 冷 媒 流 の 沸 騰 熱 伝 達 お よ び 流 量 分 配 ・ 不 安 定 流 動 現 象 の 基 礎 特 性 を 明 ら か に す る と と も に ， こ れ ら を 予 測 す る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル を 開 発 し た も の で あ る ． 本 研 究 で 得 ら れ た 成 果 を 以 下 に 要 約 す る ．
第 1 章 で は ， 不 均 一 熱 負 荷 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル 内 の 沸 騰 熱 伝 達 お よ び 流 量 分 配 ・ 不 安 定 流 動 現 象 の 特 性 解 明 の 重 要 性 に つ い て 説 明 し ， 本 研 究 に 関 連 す る 従 来 の 研 究 を 概 説 し て ， 本 論 文 の 目 的 を 明 ら か に し た ．
第 2 章 で は ， 各 流 路 の 熱 負 荷 を 通 電 加 熱 で 与 え た 不 均 一 熱 負 荷 2 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル を 対 象 に 実 験 を 行 い ，流 量 分 配 お よ び 沸 騰 熱 伝 達 特 性 に 与 え る 熱 負 荷 不 均 一 度 ， 平 均 流 量 ， 分 岐 前 ク オ リ テ ィ お よ び 冷 媒 物 性 値 の 影 響 に つ い て 検 討 を 行 っ た ． そ の 結 果 ， 流 量 分 配 お よ び 熱 伝 達 特 性 に 関 し て ， そ れ ぞ れ 以 下 の 結 論 を 得 た ．
1. 均 一 熱 負 荷 で ド ラ イ ア ウ ト が 発 生 し て い な い 状 態 か ら ， 一 方 の 流 路 の 熱 流 束 の み 低 下 さ せ る と ， 他 方 の 熱 流 束 を 固 定 し て い る 流 路 の 下 流 で ド ラ イ ア ウ ト が 発 生 し ，管 外 壁 温 度 が 上 昇 し た ．こ れ は ，流 路 間 の 熱 負 荷 が 不 均 一 に な る こ と に よ っ て 不 均 一 な 流 量 分 配 が 生 じ ，熱 流 束 の 大 き い 流 路 の 流 量 が ，熱 負 荷 の 小 さ い 流 路 と 比 べ て 減 少 し た た め で あ る ．
2. 不 均 一 熱 負 荷 条 件 下 の 流 量 ・ ク オ リ テ ィ の 不 均 一 分 配 量 を 精 度 よ く 推 定 す る 方 法 を 検 討 し ， 均 一 熱 負 荷 時 の 局 所 熱 伝 達 率 と ク オ リ テ ィ の 関 係 お よ び 単 一 ミ ニ チ ャ ン ネ ル の 断 熱 気 液 二 相 流 圧 力 損 失 の 再 現 式 を 用 い て 推 定 可 能 で あ る こ と を 示 し た ． 質 量 速 度 は 最 大±3 kg/(m2·s)以 内 ， 入 口 ク オ リ テ ィ は 最 大±0.015 以 内 の 精 度 で あ る ．
3. 流 路 間 の 熱 流 束 差 と 流 量・ク オ リ テ ィ 分 配 の 定 量 的 関 係 に つ い て ，2 流 路 の 平 均 流 量 ，分 岐 前 ク オ リ テ ィ お よ び 冷 媒 物 性 の 影 響 を 含 め て 明 ら か に し た ．不 均 一 熱 負 荷 条 件 下 で は ，流 路 間 の 熱 負 荷 差 が 拡 大 す る ほ ど 流 量 偏 向 量 は 増 大 し た ．こ の と き ，各 流 路 の 流 量 は ，熱 負 荷 の 大 き い 流 路 で 減 少 ，熱 負 荷 の 小 さ い 流 路 で 増 大 し た ．平 均 流 量 に 対 す る 流 量 偏 差 の 割 合 は ，流 量 に よ ら ず ほ ぼ 一 定 で あ り ，熱 流 束 比 q2/q1 = 0.5 の と き 約 8%，q2/q1 < 0.4 で は 10~17%程 度 で あ っ た ． ま た ， 分 岐
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前 ク オ リ テ ィ が 小 さ い ほ ど 流 量 分 配 量 は 幾 分 大 き く ，HFC134a の 分 配 量 は HFC32 と 比 べ て 若 干 大 き か っ た ．ま た ，流 量 の 不 均 一 分 配 と と も に ，ク オ リ テ ィ の 不 均 一 分 配 が 生 じ ，各 流 路 へ 分 配 さ れ る ク オ リ テ ィ は ，流 量 が 増 大 す る 流 路 で 増 加 ，流 量 が 減 少 す る 流 路 で 低 下 し た ．ク オ リ テ ィ の 不 均 一 分 配 は ，分 岐 前 ク オ リ テ ィ が 小 さ い ほ ど ，ま た 気 相 密 度 が 大 き い 冷 媒 で 大 き か っ た が ，平 均 流 量 の 影 響 は ほ と ん ど 見 ら れ な か っ た ． こ の よ う な 流 量 分 配 に 対 す る ク オ リ テ ィ 分 配 の 傾 向 は ， バ ル ブ で 流 動 抵 抗 を 制 御 す る 従 来 の T 字 分 岐 対 象 の 研 究 と 定 性 的 に 一 致 し た ．
4. 不 均 一 熱 負 荷 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル の 流 量 ・ ク オ リ テ ィ 分 配 を 予 測 す る 実 験 再 現 式 を 作 成 し た ．式 中 に は ，流 路 間 の 熱 流 束 差 が パ ラ メ ー タ と し て 含 ま れ る ．作 成 し た 式 に よ る 予 測 値 は ，流 量 分 配 の 実 験 値 を±5%以 内 ，ク オ リ テ ィ 分 配 の 実 験 値 を±0.015 以 内 で 精 度 よ く 再 現 し た ．
5. 流 路 間 の 熱 負 荷 が 不 均 一 な 場 合 ，2 流 路 の 全 平 均 熱 伝 達 率 は ，同 じ 流 路 間 平 均 熱 流 束 の 均 一 熱 負 荷 時 と 比 べ て 同 等 も し く は 低 下 す る こ と を 明 ら か に し た ． こ の と き ，熱 負 荷 の 不 均 一 度 が 大 き い ほ ど ，ま た ，平 均 熱 流 束 が 大 き い ほ ど ，熱 負 荷 の 大 き い 流 路 で ド ラ イ ア ウ ト が 生 じ や す く な る た め ， 平 均 熱 伝 達 率 の 低 下 割 合 が 大 き か っ た ．し た が っ て ，並 列 流 路 の 熱 交 換 性 能 を 正 確 に 予 測 す る た め に は ， 流 路 間 平 均 の 熱 負 荷 だ け で は な く ， 流 路 間 の 熱 負 荷 差 に つ い て も 考 慮 す る 必 要 が あ る ．
6. 従 来 の 単 管 対 象 の 沸 騰 熱 伝 達 整 理 式 ， ド ラ イ ア ウ ト 開 始 ク オ リ テ ィ 予 測 式 お よ び 本 研 究 で 作 成 し た 流 量・ク オ リ テ ィ 分 配 の 実 験 再 現 式 を 用 い ，各 流 路 お よ び 2 流 路 平 均 の 熱 伝 達 率 を 予 測 し た 結 果 ，計 算 値 は 実 験 値 を よ く 再 現 し た ．ま た ，流 量・ク オ リ テ ィ 分 配 を 考 慮 し な い 場 合 に は ，計 算 値 と 実 験 値 の 一 致 は 良 く な い こ と を 確 認 し た ．す な わ ち ，並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル の 沸 騰 熱 伝 達 の 予 測 に は ，流 量 ・ ク オ リ テ ィ 分 配 を 考 慮 す る こ と が 重 要 で あ る こ と が 明 ら か と な っ た ．
第 3 章 で は ， 二 重 管 の 内 管 と 外 管 の 隙 間 を 流 れ る 温 水 に よ っ て 内 管 を 流 れ る 冷 媒 が 加 熱 さ れ る 2 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル 対 象 に 実 験 を 行 い ， 実 機 蒸 発 機 を 想 定 し た 平 均 流 量 ・ 平 均 壁 温 条 件 に お い て ， 流 路 間 の 壁 面 過 熱 度 が 不 均 一 に な っ た 場 合 ， 均 一 熱 負 荷 時 と 比 べ て ， 各 流 路 お よ び 2 流 路 平 均 の 冷 媒 へ の 伝 熱 量 が ど の よ う に 変 化 す る か 検 討 を 行 っ た ． そ の 結 果 ， 以 下 の 結 論 を 得 た ．
1. 流 路 間 の 壁 面 過 熱 度 差 が 拡 大 す る に つ れ て ， 壁 面 過 熱 度 が 増 加 す る 流 路 で は 伝 熱 量 は あ ま り 変 化 せ ず ，壁 面 過 熱 度 が 低 下 す る 流 路 で は 著 し く 低 下 し た ．こ れ は ， 高 過 熱 度 流 路 で は ，壁 面 過 熱 度 が 増 加 す る も の の ，流 量 が 減 少 し て ド ラ イ ア ウ ト 発 生 区 間 が よ り 一 層 拡 大 す る た め で あ り ，一 方 で ，低 過 熱 度 流 路 で は ，過 熱 度 の
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低 下 と と も に 熱 流 束 が 低 下 す る た め で あ る ．結 果 と し て ，流 路 間 の 壁 面 過 熱 度 差 が 拡 大 す る と と も に ，2 流 路 平 均 の 冷 媒 へ の 伝 熱 量 は 低 下 し た ．す な わ ち ，実 際 の 蒸 発 器 に お い て も ，同 じ 平 均 壁 面 過 熱 度 で 比 較 し た 場 合 ，不 均 一 熱 負 荷 時 の 平 均 伝 熱 量 は ， 均 一 熱 負 荷 時 と 比 べ て 確 実 に 低 下 す る こ と を 明 ら か に し た ．
2. 均 一 熱 負 荷 時 に 対 す る 不 均 一 熱 負 荷 時 の 平 均 伝 熱 量 の 低 下 割 合 ， す な わ ち 平 均 熱 伝 達 率 の 低 下 割 合 は ， 壁 面 過 熱 度 比 ΔT2/ΔT1 が 0.6 よ り 大 き い 範 囲 で は 5%以 下 と 小 さ く ， 一 方 で ， ΔT2/ΔT1 ≤ 0.6 の 範 囲 で は ， ΔT2/ΔT1の 低 下 と と も に 顕 著 に 増 大 し た ． そ の 低 下 割 合 は ， 平 均 流 量 が 大 き い ほ ど 大 き く ， 壁 面 過 熱 度 比 ΔT2/ΔT1 = 0.2 の と き 均 一 熱 負 荷 時 と 比 較 し て ，Ga v e = 50 kg/(m2·s)の と き 28%,
Ga v e = 100 kg/(m2·s)の と き 31%, Ga v e = 200 kg/(m2·s)の と き 42%低 下 し た ． こ の 原
因 に つ い て ，各 流 路 の 加 熱 区 間 平 均 熱 伝 達 率 の 変 化 か ら 検 討 し た ．以 下 に ，各 流 路 の 検 討 結 果 を 示 す ．
・ 高 過 熱 度 流 路 で は ， 壁 面 過 熱 度 が 増 加 す る に つ れ て 熱 伝 達 率 が 低 下 し ， 平 均 流 量 が 大 き い ほ ど ， 均 一 熱 負 荷 時 と 比 べ た 不 均 一 熱 負 荷 時 の 熱 伝 達 率 の 低 下 割 合 が 大 き か っ た ． こ れ は ， 流 量 が 大 き い ほ ど 高 過 熱 度 流 路 の 流 量 減 少 割 合 が 増 大 す る た め ， ド ラ イ ア ウ ト 発 生 区 間 が よ り 拡 大 し た た め と 考 え ら れ る ．
・ 低 過 熱 度 流 路 で は ， 壁 面 過 熱 度 が 低 下 す る に つ れ て ，Gave = 50, 100 kg/(m2·s)で は 熱 伝 達 率 が 増 大 し ，Gave = 200 kg/(m2·s)で は 熱 伝 達 率 が 低 下 し た ．Gave = 200 kg/(m2·s)で は ， 過 熱 度 の 低 下 に 伴 っ て ， 熱 伝 達 率 が 比 較 的 高 い 核 沸 騰 熱 伝 達 か ら 強 制 対 流 蒸 発 あ る い は 液 膜 熱 伝 導 蒸 発 に 伝 熱 様 式 が 変 化 し た こ と が 主 な 原 因 で あ る ．ま た ，Gave = 50 kg/(m2·s)で は ，熱 流 束 の 低 下 と と も に ，熱 伝 達 率 が 同 じ も し く は 増 大 す る 傾 向 が あ り ， 一 方 で ，Gave = 100 kg/(m2·s)で は ， 熱 伝 達 率 が 低 下 す る 傾 向 が あ る た め ，Gave = 50 kg/(m2·s)の 方 が ，Gave = 100 kg/(m2·s)と 比 べ て 熱 伝 達 率 の 増 加 割 合 が 大 き か っ た ．
第 4 章 で は ， 流 路 間 の 熱 負 荷 が 不 均 一 な 並 列 ミ ニ チ ャ ン ネ ル に つ い て ， 沸 騰 熱 伝 率 お よ び 流 量 分 配 を 予 測 す る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル を 開 発 し ， 計 算 結 果 に つ い て 検 討 を 行 っ た ． そ の 結 果 ， 以 下 の 結 論 を 得 た ．
1. 開 発 し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル が ， 流 路 間 の 熱 負 荷 が 不 均 一 な 条 件 を 含 め ，2 並 列 流 路 各 流 路 の 加 熱 区 間 流 れ 方 向 局 所 の ク オ リ テ ィ ，熱 伝 達 率 ，熱 流 束 を 予 測 で き る と と も に ，各 流 路 の 冷 媒 へ の 伝 熱 量 お よ び 流 量 分 配 も 予 測 で き ，実 験 結 果 と 同 じ 傾 向 を 示 す こ と を 確 認 し た ．均 一 熱 負 荷 条 件 か ら ，片 側 流 路 の 壁 面 過 熱 度 を 増 加 ，も う 一 方 を 低 下 さ せ て 不 均 一 な 熱 負 荷 条 件 と し た 場 合 ，高 過 熱 度 流 路 で は ，上 流 側 の 熱 流 束 の 増 加 に 伴 い ，均 一 熱 負 荷 時 と 比 べ て 上 流 側 で ド ラ イ ア ウ ト が 発 生 し ，熱 伝 達 の 悪 い 区 間 が 拡 大 し た ．そ の 結 果 ，冷 媒 へ の 伝 熱 量 は ，均 一 熱 負 荷 時 と ほ ぼ 等 し か っ た ．一 方 で ，低 過 熱 度 流 路 で は ，ド ラ イ ア ウ ト は 生 じ ず ，