撥水・超親水混合電熱面におけるプール沸騰熱伝達

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

撥水・超親水混合電熱面におけるプール沸騰熱伝達

バンバン, ジョコ, スロト

http://hdl.handle.net/2324/1441233

出版情報：Kyushu University, 2013, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：Public access to the fulltext file is restricted for unavoidable reason (3)

（別紙様式

2)

三ι

日岡 文 要 旨

区分｜甲｜氏名｜ ^{パンパンジョコスロト}

論文題名

P o o l  B o i l i n g  H e a t  T r a n s f e r  o f  Mixed H y d r o p h o b i c ‑ S u p e r h y d r o p h i l i c  S u r f a c e  

（援水・超親水混合伝熱面におけるプール沸騰熱伝達）

論 文 内 容 の 要 旨

The c o n t i n u o u s  t r e n d  i n  m i n i a t u r i z a t i o n  a n d  c o m p a c t  d e s i g n ,  p a r t i c u l a r l y  i n  t h e  c o o l i n g  t e c h n o l o g y ,   h a s  a n  i m p a c t  on i n c r e a s i n g  o f  t h e  power d e n s i t y .  At p r e s e n t ,  t h e  e l e c t r o n i c  d e v i c e  s u c h  a s  p r o c e s s o r   P e n t i u m  h a s  a  power d e n s i t y  e q u a l  t o  t h e  n u c l e a r  power d e n s i t y .  I n  a  h e a v y  c o o l i n g  d u t y ,  two i s s u e s  a r e   becoming s o  u r g e n t ,  i . e .   r e d u c t i o n  i n  s i z e  o f  t h e  c o o l a n t  a n d  c o o l a n t  pumping power ( p a r a s i t i c  r e d u c e   p o w e r ) .  B o i l i n g  h e a t  t r a n s f e r  i s   o n e  o f  p r o m i s i n g  c o o l i n g  s c h e m e s  b e c a u s e  o f  i t s   h i g h  e f f i c i e n c y  where  e n e r g y   t r a n s f e r   i s   d o m i n a t e d   by t h e   l a t e n t   h e a t   o f  e v a p o r a t i o n .   As w i d e l y   known,  h e a t   t r a n s f e r   c h a r a c t e r i s t i c   i n   n u c l e a t e   p o o l   b o i l i n g   d e p e n d s   on t h e   number o f  a c t i v e   n u c l e a t i o n   s i t e s   a n d  w a l l   s u p e r h e a t i n g .  R e c e n t l y ,  many t e c h n i q u e s  h a v e  b e e n  u s e d  t o  e n h a n c e  t h e  e f f i c i e n c y  o f  b o i l i n g  h e a t  t r a n s f e r .   To i n c r e a s e  a c t i v e  n u c l e a t i o n  s i t e s ,   two m e t h o d s  o f  s u r f a c e  m o d i f i c a t i o n  a r e  commonly u s e d  a s   t h e   e n h a n c e m e n t  t e c h n i q u e ;  o n e  i s  t o  c o n t r o l  w e t t a b i l i t y  a n d  t h e  o t h e r  i s  r o u g h n e s s .  

The main g o a l  o f  t h e  s t u d y  f o c u s e s  on t h e  e f f e c t  o f  t h e  w e t t a b i l i t y  on t h e  e n h a n c e m e n t  o f  n u c l e a t e   p o o l  b o i l i n g  h e a t  t r a n s f e r .  I n  o r d e r  t o  s u c c e s s

l l ya c h i e v e  t h e  g o a l  o f  t h e  s t u d y ,  some s a m p l e  s u r f a c e s   h a v e  b e e n  d e v e l o p e d  a n d  e x a m i n e d  i t s  h e a t  t r a n s f e r  p e r f o r m a n c e  e x p e r i m e n t a l l y .   l h  t h e  p r e s e n t  s t u d y   s a m p l e   s u r f a c e s   d e v e l o p e d   a r e   s u r f a c e s   o f  u n i f o r m   w e t t a b i l i t y ,   s i n g l e   PTFE h y d r o p h o b i c ‑ s p o t ,   mixedw e t t a b i l t y  pa

emon p o l i s h e d ‑ c o p p e r  a n d  s u p e r h y d r o p h i l i c  ( T i 0 2 ) .  

The p r e s e n t  d i s s e r t a t i o n  c o n s i s t s  o f  f o u r  c h a p t e r s .  C h a p t e r  1  i n t r o d u c e s  t h e  b o i l i n g  r e g i m e ,  i n t e r n a l  

b o i l i n g  c h a r a c t e r i s t i c  a n d  c u

e n ts t a

so f  e n h a n c e m e n t  o f  b o i l i n g  h e a t  t r a n s f e r  which i s   c l o s e l y  r e l a t e d  

w i t h  w e t t a b i l i t y .  Based on t h e  p r e v i o u s  s t u d i e s  i n  r e g a r d  t o  t h e  b u b b l e  n u c l e a t i o n  f r o m  m i x e d ‑ w e t t a b l i t y  

p a t t e r n ,  t h e  g o a l  of t h e  s t u d y  h a s  b e e n  p r e s e n t e d .  The n o v e l t y  o f  t h e  p r e s e n t  s t u d y  f o c u s e s  on t h e  e f f e c t s  

o f  t h e  e d g e  ( m i c r o  s t r u c t u r e s  a n d  l e n g t h )  o f  t h e  PTFE h y d r o p h o b i c ‑ s p o t  a n d  d e g r e e  o f  s u b c o o l i n g  on  b o i l i n g  c h a r a c t e r i s t i c s .  

I n  c h a p t e r  2 ,   t h e   s t a t e ‑ o f ‑ a r t   o f  t h e   e x p e r i m e n t a l  a p p a r a t u s ,   method and f a b r i c a t i o n  o f  s a m p l e   s u r f a c e s  a r e  d e s c r i b e d .  The p o o l  b o i l i n g  e x p e r i m e n t  i s   c o n d u c t e d  by i m m e r s i n g  t h e  s a m p l e  s u r f a c e  i n t o   l i q u i d  w i t h  v a r y i n g  t h e  d e g r e e  o f  s u b c o o l i n g  i n  t h e  p o o l  b o i l i n g  v e s s e l .   The f a b r i c a t i o n s  o f  s a m p l e   s u r f a c e s  a r e  e x p l a i n e d  a n d  a l s o  t h e  new a p p r o a c h  i s   p r o p o s e d  f o r  d e s i g n  o f  m i x e d ‑ w e t t a b i l i t y  p a t t e r n   s u r f a c e .  O b s e r v a t i o n s  o f  p h y s i c a l  p r o p e r t i e s  i n c l u d e  a  t o p o g r a p h y ,  r o u g h n e s s  and w e t t a b i l i t y  c o n f i r m e d   by u s i n g  SEM, l a s e r  s c a n n i n g  m i c r o s c o p e  a n d  g o n i o m e t e r ,  r e s p e c t i v e l y .  The e x p e r i m e n t s  a r e  c o n d u c t e d   i n   s t e a d y  s t a t e   c o n d i t i o n  w h i l e  o n e  d i m e n s i o n a l  h e a t  c o n d u c t i o n  i s   u s e d  t o   d e t e r m i n e  t h e   s u r f a c e   t e m p e r a

r ea n d  h e a t  f l u x .  

I n   c h a p t e r  3 ,   t h e  d i s c u s s i o n  s t a r t e d  w i t h  m a t e r i a l  c h a r a c t e r i z a t i o n  f o r  a l l   s a m p l e  s u r f a c e s  i n c l u d i n g   s u r f a c e  r o u g h n e s s  and w e t t a b i l i t y .  F u r t h e r m o r e ,  by making u s e  o f  a  h i g h  s p e e d  c a m e r a  t h e  e f f e c t  o f   w e t t a b i l i t y  on i n t e r n a l  b o i l i n g  c h a r a c t e r i s t i c  i s   o b s e r v e d  i n  r e g a r d  t o  two p a r a m e t e r s  t h a t  a r e  t h e  b u b b l e   d e p a r t u r e  d i a m e t e r  a n d  f r e q u e n c y ,  r e s p e c t i v e l y .   At t h e   same t i m e ,   t h e  e f f e c t   o f  c o n t a c t  a n g l e  a n d   t o p o g r a p h y   o f   t h e   h y d r o p h o b i c ‑ s p o t   s u r f a c e   on  b u b b l e   b e h a v i o r   i s   p r e s e n t e d .   S i n c e   t h e   m i x e d ‑ w e t t a b i l i t y  p a t t e r n  i s   a  c o m b i n a t i o n  o f  t h e  two m a t e r i a l s ,  t h e  b o i l i n g  h e a t  t r a n s f e r  c h a r a c t e r i s t i c  i s   d i f f e r e n t

om u n i f o r m   w e t t a b i l i t y ,   i . e .   h y d r o p h i l i c ,   s u p e r h y d r o p h i l i c   and  h y d r o p h o b i c   s u r f a c e s ,   r e s p e c t i v e l y .  Two c o n d i t i o n s  a r e  a p p l i e d  t h a t  a r e  s a t u r a t e d  a n d  s u b c o o l e d  c o n d i t i o n s ,  and i t   i s   u s e d  a s  a  r e f e r e n c e .   The p r e v i o u s  a n a l y s i s   showed t h a t  t h e  b u b b l e  dome on t h e  h y d r o p h o b i c ‑ s p o t  s u r f a c e  i s   merged f r o m  t h e  s m a l l e r  b u b b l e s .  The s t u d y  o f  t h e  b o i l i n g  r e g i m e  on s i n g l e  h y d r o p h o b i c ‑ s p o t  s u r f a c e   shows t h e  d e p e n d e n c y  o f  l o c a l  f i l m  b o i l i n g  on t h e  h y d r o p h o b i c ‑ s p o t  s i z e  a n d  d e g r e e  o f  s u b c o o l i n g .  

The r e s u l t  o f  t h e  m i x e d ‑ w e t t a b i l i t y  p a t t e r n  on t h e  p o l i s h e d  ‑c o p p e r  s u r f a c e  shows t h a t  t h e  d e c r e a s e   i n   h y d r o p h o b i c ‑ s p o t   s i z e   e n h a n c e s   b o i l i n g   h e a t   t r a n s f e r   p e r f o r m a n c e   a t   s a t u r a t e d   a n d   s u b c o o l e d   c o n d i t i o n s .   The r e a s o n  b e h i n d  t h e  d e s i g n  i s   s t i l l   o b s c u r e  f o r   m i x e d ‑ w e t t a b i l i t y  p a t t e r n  on p o l i s h e d   c o p p e r .  Based on t h e  m a t e r i a l  c h a r a c t e r i z a t i o n  o f  t h e  e d g e  a n d  b u b b l e  b e h a v i o r ,  t h e  e f f e c t  o f  t o p o g r a p h y   o f  h y d r o p h o b i c ‑ s p o t  a n d  t h e  n o v e l t y  d e s i g n  o f  t h e  m i x e d ‑ w e t t a b i l i t y  p a t t e r n  a r e  o b t a i n e d .  The l e n g t h  o f   h y d r o p h o b i c ‑ s p o t  p e r i p h e r y  i s   t h e  m o s t  i n f l u e n t i a l  f a c t o r  on t h e  e n h a n c e m e n t  of b o i l i n g  h e a t  t r a n s f e r .   The l o n g e s t  h y d r o p h o b i c ‑ s p o t  p e r i p h e r y  shows t h e  h i g h e s t  e n h a n c e m e n t  o f  b o i l i n g  h e a t  t r a n s f e r  a t   s a t u r a t e d  and s u b c o o l e d  c o n d i t i o n s .  

I n  c h a p t e r  4 ,  t h e  c o n c l u s i o n  of t h e  p r e s e n t  s t u d y  a n d  s u g g e s t i o n

r

r ework a r e  p r e s e n t e d .