長崎大学工学部研究報告 第39巻 第73号 平成21年8月
半球状の凸上面を 有する 有限垂直円柱ま わり の 膜沸騰熱伝達の実験
山田 *∗ ・ 荒木憲一∗∗ ・ 茂地 徹∗ ・ 豊田 香∗∗∗ ・ 桃木 悟∗∗ ・ 山口朝彦∗
Experiments on Film Boiling Heat Transfer around
a Vertical Finite-Length Cylinder with a Convex Hemispherical Top
by
Takashi YAMADA
∗, Kenichi ARAKI
∗∗, Toru SHIGECHI
∗Kaoru TOYODA
∗∗∗, Satoru MOMOKI
∗∗and Tomohiko YAMAGUCHI
∗The film boiling heat transfer around a vertical finite-length silver cylinder with a convex hemispherical top was investigated experimentally for quiescent water at atmosphereric pressure.
The experiments have been carried out by a transient method, i.e., quenching method. The diameter of test cylinder is 32mm and the total length is 48mm with 32mm length of vertical part. The test cylinder was heated to about 600˚C in an electric furnace and then cooled in saturated and subcooled water with the immersion depth of about 100mm. The degree of liquid subcooling was varied from 0 to 30K. The film boiling heat transfer increased in terms of heat flux by 236% with an increase in 20K liquid subcooling at the wall superheating of 300K. The wall superheating and heat flux at the lower limit of film boiling increased with an increase in liquid subcooling.
Key Words : Film Boiling, Vertical Cylinder, Convex Hemispherical Top, Heat Transfer
1. ま え がき
3次元物体ま わ り の 膜沸騰は 金属の 焼入れ， 材料の 製造工程， 原子炉の 炉芯の 緊急冷却等で 生じ る ． 液体 中で 冷却さ れ る 3次元物体ま わ り の 膜沸騰に 関し て ， 伝熱の メ カ ニ ズ ム を 研究し 熱伝達特性を 予測する た め に は， 現象の 観察や実験データ の 蓄積が 不可欠で あ る ． 著者ら はこ れま で に 大気圧下の イ オ ン 交換水を 用い て 飽和状態およ びサ ブ ク ール状態で ， 水平の 底面と 上面 を 有する 形状の 円柱1,2)並びに 円柱底面が 半球状の 凸 面で 上面が 水平な 面を 有する 形状の 円柱3,4)に 対し て 実験を 行い ， 有限円柱ま わ り の 膜沸騰現象の 詳細な 観 察と 実験データ の 蓄積を 図っ た ． ま た ， そ れぞ れの 円 柱形状に 対し て 理論解析を 行い ， 取得し た 壁面熱流束 の 測定値を ±15%以内で 相関で き る 伝熱整理式を 作成 平成21年8月21日受理
∗ 機械シ ス テ ム 工学講座(Department of Mechanical Systems Engineering)
∗∗ 生産科学研究科(Graduate School of Science and Technology)
∗∗∗中国職業能力開発大学校(Chugoku Polytechnic College)
し た1∼4)．
本研究で は， 円柱の 底面が 水平で 上面が 半球状の 凸 面を 有する 場合の 有限垂直円柱ま わ り の 飽和並びに サ ブ ク ール膜沸騰熱伝達の 伝熱特性に 関し て 知見を 得る た め に 有限垂直円柱ま わ り の 現象観察を 行う と と も に 冷却曲線を 実測し ， 沸騰曲線を 確定し た の で そ の 結果 に つい て 報告する ． ま た ， 膜沸騰領域と 遷移沸騰領域 の 境界点(膜沸騰下限界点)に おけ る 伝熱面過熱度と 壁 面熱流束の 測定値に つい て も 報告する ．
2. 実験装置お よ び 実験方法
Fig.1は本研究で 使用し た 実験装置の 概略図で あ る ． 装置は沸騰槽， 供試円柱加熱装置， 昇降装置， 温度測定 装置およ び沸騰現象観察装置か ら 構成さ れて い る ． 沸
騰槽はス テ ン レ ス 製で ，450mm(L)×450mm(W)×750 mm(H)の 大き さ を 有する 直方体の 容器で あ る ．沸騰槽 の 側面およ び底面の そ れぞ れの 中央部に 沸騰現象の 目 視観察や写真およ びビ デオ 撮影が で き る よ う に4つの 観察窓が 設け ら れて い る ． 沸騰槽の 底面の コ ーナ ー付 近に バルク 水(大気圧下の イ オ ン 交換水)昇温用と し て ， 2kW容量の 浸漬型加熱器を2個設置し て い る ． こ の 加 熱器で 発生する 気泡が 供試円柱周囲の バルク 水を 乱さ な い よ う に ， 沸騰槽の 内側に300mm(L)×300mm(W)
×600mm(H)の 大き さ の 透明な ガ ラ ス 箱を 設け て 二重 水槽に し て い る ． 実験中の バ ルク 水の 温度は温度制御 装置に よ っ て 一定に 保た れて い る ．
Fig.2は 本実験で 使用し た 供試円柱の 断面図を 示し た も の で ， 供 試 円 柱 の 直 径D は32mm， 全 長LT は 48mm， 円柱の 垂直部分の 長さ Lは32mmで あ る ． こ の 供 試 体 の 底 面 は 水 平 に ， 上 面 は 半 球 状 に 加 工 さ れ て お り ， 材 質 に は 酸 化 防 止 と 高 熱 伝導 率(常 温 に て 約 410[W/(m·K)]) の 観 点 か ら 純 度99.99%の 銀 を 使 用 し た ． 供試円柱の 冷却時の 温度履歴は ， 円柱の 中心軸上 に 円柱頂部よ り 32mmの 位置ま で 挿入さ れて い る シ ー ス 径1mmのK型熱電対で 測定さ れる ． 円柱の 温度は 横河·ヒ ュ ーレ ッ ト ·パッ カ ード (株)製の データ 集録/ 制御ユ ニッ ト (YHP3852A)に よ り 0.25秒の サ ン プ リ ン グ 間隔で 計測さ れる ．
6
7
1 4
3
9 8
12
12 5 2
10
13 14 15
YHP 3852A
VA
11
1. Test cylinder 2. Boiling bath 3.Lifting device 4. Temperature controller 5. Power controller 6. Heater 7. Glass box 8. K-type thermocouple 9. K-type thermocouple 10. Data acquisition/con- trol unit 11. Electric furnace 12. Video camera 13. Video cassette recorder 14. Digital AV mixer 15. Video monitor
Fig.1 Schematic of experimental apparatus
D
L g
2 D
L T
1. silver cylinder
2. K-type sheath thermocouple (φ1mm)
3. supporting stainless tube (φ4mmxφ3mm) D=32mm(diameter)
L=32mm(vertical part) LT=48mm(total)
Fig.2 Test cylinder
実験前の 表面条件を 一定に する た め に 供試円柱表面 に 金属研磨材を 塗り ， バ フ 研磨に て 鏡面仕上げし ， ア ルコ ールで 洗浄し た ． 供試円柱は 垂直の 姿勢で 電気炉 に よ っ て 約600˚Cま で 加熱さ れた 後， 昇降装置を 介し て 静止し た 大気圧下の バルク 水中へ円柱の 水平底面の 位置が 水面よ り 100mmと な る ま で 静か に 浸漬さ れ 冷 却さ れる ． な お， 冷却中の 円柱ま わ り の 沸騰の 様相を 目視， 高速ビ デオ およ び写真撮影に よ り 観察し た ．
3. 伝熱面温度と 壁面熱流束の測定
供試円柱の 材質に は熱伝導率の 高い 銀を 使用し て い る の で ， 円柱の 温度は 集中定数系， つま り ， 空間的に 一様に 冷え て い く と 仮定する ． 従っ て ， 円柱の 中心部 の 温度は 伝熱体の 表面温度と 等し く ， 全表面平均の 壁 面熱流束qは 次式に よ っ て 与え ら れる ．
q = −ρcV A
dT
dτ
(1)
こ こ に ，Aは 供試円柱の 全伝熱面積，V は 体積で 次式 で 与え ら れる ．
A = 3
4πD2+πD(LT−D/2) (2)
V = 1
12πD2
3(LT−D/2) +D
(3) な お，cは 比熱(=234.5J/(kg·K))，dT/dτ は 冷却速度, ρは 密度(=10490kg/m3)で あ る ． 本実験で 採用し た 銀 製の 円柱の 場合に は ， 膜沸騰時の ビ オ ー数が 飽和膜沸 騰で は0.02以下， サ ブ ク ール膜沸騰で は0.04以下と 評 価で き る の で ， 集中定数系の 仮定は 妥当な も の で あ る と 考え る ．
本研究で は膜沸騰下限界点を 冷却速度dT /dτが 最小 と な る 点と 定め ， そ の と き の 伝熱面過熱度∆Tminと 壁 面熱流束qminを そ れぞ れ次式の よ う に 評価する ．
∆Tmin = (T−Tsat) dT
dτ
min
(4)
qmin = −ρcV A
dT dτ min
(5)
こ こ に ，T は 伝熱面温度(円柱の 中心温度)，Tsatは バ ルク 水の 飽和温度で あ る ．
4. 膜沸騰の様相
半球状の 凸上面を 有する 垂直円柱の 表面に 形成さ れ る 蒸気膜の 生成か ら 崩壊ま で の 沸騰の 様相をFig.3お よ びFig.5に 示す．Fig.3は 飽和膜沸騰(∆Tsub=0K)の 場合で ，Fig.5は サ ブ ク ール膜沸騰(∆Tsub=20K)の 場 合で あ る が ， こ こ に 示す∆Tsubは液体の サ ブ ク ール度 で ， 実験水の 飽和温度と バ ルク 温度と の 差と し て 与え ら れる ． ま た ，Fig.3およ びFig.5に パ ラ メ ータ と し て
半球状の 凸上面を 有する 有限垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達の 実験
(a)τ=0sec,T≈595˚C (b)τ=35sec,T≈445˚C (c)τ=60sec,T≈360˚C
(d)τ=95sec,T≈275˚C (e)τ=110sec,T≈240˚C (f)τ=115sec,T≈230˚C
Fig.3 Photographs of film boiling around a vertical cylinder with a convex hemispherical top at ∆Tsub=0K
0 100 200 300 400 500 600
0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30
T [o C] -dT/dτ [K/sec]
τ [sec]
water at 0.1MPa D=32mm, LT=48mm silver cylinder
∆Tsub= 0K
lower limit of film boiling
bulk temp.(100 oC) (a)
(b) (c)
(d) (e) temperature (f)
cooling rate
Fig.4 Cooling curve and cooling rate at ∆Tsub=0K
93
(a)τ=0sec,T≈595˚C (b)τ=8sec,T≈505˚C (c)τ=15sec,T≈450˚C
(d)τ=18sec,T≈425˚C (e)τ=21sec,T≈400˚C (f)τ=27sec,T≈350˚C
Fig.5 Photographs of film boiling around a vertical cylinder with a convex hemispherical top at ∆Tsub=20K
0 100 200 300 400 500 600
0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30
T [o C] -dT/dτ [K/sec]
τ [sec]
water at 0.1MPa D=32mm, LT=48mm silver cylinder
∆Tsub=20K lower limit of
film boiling
bulk temp.(80 oC) (a)
(b) (c) (d)
(e) (f)
temperature cooling rate
Fig.6 Cooling curve and cooling rate at ∆Tsub=20K
半球状の 凸上面を 有する 有限垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達の 実験
示すτは 冷却経過時間で あ る ． こ れら の 蒸気膜の 写真 観 察 結 果 か ら 以 下 の こ と が 明 ら か に なっ た ． Fig.3に 示 す 飽 和 膜 沸 騰(∆Tsub=0K)の 場 合 ， 浸 漬 後 約60秒 間 に わ た る 伝 熱 面 温 度 が 350˚C以 上 の 温 度 領 域 で は Fig.3(a)，Fig.3(b)およ びFig.3(c)の よ う に ， 円柱の 側 面(垂直面)およ び円柱側面と 滑ら か に 接続さ れて い る 半球状の 凸上面で 発生し た 蒸気は 激し く 混合し 合い ， 気液界面は撹乱し て い る ．Fig.3(d)は浸漬し て95秒経 過し た 時の 膜沸騰の 様相で ， 伝熱面温度が270˚C程度 ま で 低下する と ， 伝熱面の 高温領域で 観察さ れた 円柱 表面を 覆う 蒸気の 混合は な く な り ， 安定し た 蒸気膜層 が 形成さ れか つ気液界面の 乱れが 弱ま っ て い る こ と が わ か る ． さ ら に ， 時間が 経過し 伝熱面温度が 低下し た 膜沸騰の 崩壊前で は ，Fig.3(e)の よ う に ， 円柱側面の 下端部よ り 5mm程度の 領域は 平滑な 気液界面が 形成 さ れて い る が ，5mm以上の 側面領域およ び側面と 滑ら か に 接続さ れる 半球状の 凸上面に 形成さ れる 蒸気膜の 界面は 乱れた 様相を 呈し て い る ． こ の よ う な 沸騰の 様 相は蒸気膜の 崩壊(蒸気膜崩壊の 伝熱面温度233˚C)ま で 持続する ．Fig.3(f)は 蒸気膜崩壊後(約230˚C)の 遷 移沸騰の 様相で ， そ の 後， 核沸騰へ移行する ． 膜沸騰 下限界点に 関係する と 考え ら れる 蒸気膜崩壊の 起点は 垂直円柱下端部の 角の 部分で ， 崩壊は 円柱全面に 斉時 的に 伝播する ．
先 の 研 究 で 使 用 し た 供 試 円 柱 の 上 面 が 水 平 な 場 合1,4)と 比較する と ， 円柱の 上面が 水平な 場合の 様相 は ， 蒸気膜の 気液界面は 不安定で はあ る も の の 上面が 凸面の 場合の よ う な 撹乱は 生じ て い な い ． こ れは 円柱 上面端部の『 角』 の 有無が 側面か ら の 蒸気の 上向き 流 れに 大き く 影響を 及ぼし て い る も の と 思わ れる ． 本研 究の 供試円柱で は ， 円柱の 底面下で 発生し た 蒸気は 円 柱の 底面端部(角の 部分)か ら 側面に 沿っ て 上昇し ， 凸 面頂部の 供試円柱の 支持管を 覆う か た ち で 気泡が 生成 さ れ離脱する が ， 円柱の 直径が 同じ 大き さ の 上面が 水 平な 場合で は ， 上面に3個の 蒸気溜が 形成さ れそ れぞ れの 蒸気溜か ら 交互に 離脱し ， 両者で は 気泡の 離脱の 仕方が 異なっ て い る ．
一方，Fig.5に 示すサ ブ ク ール 膜沸騰(∆Tsub=20K) の 場合に は，Fig.3に 示し た 飽和膜沸騰の 様相と は顕著 に 異なっ て い る こ と がFig.3(a)と Fig.5(a)の 伝熱面温 度が 同じ 約595˚Cの 観察結果か ら 明ら か で あ る ． こ れ は実験水が サ ブ ク ール水で あ る た め 飽和水に 比べて 蒸 気の 生成量が 少な い こ と に よ る も の で ，Fig.5(a)の 浸 漬直後の 垂直円柱ま わ り の 膜沸騰の 様相写真か ら 円柱 の 全表面を 覆う 蒸気膜の 界面の 乱れは 少な く ， 水平底 面 お よ び 円 柱 側 面 の 下 端 側 は 平 滑な 界面 状態 に あ り ， 安定し た 薄い 蒸気膜が 形成さ れ て い る こ と が わ か る ． し か し ， 円柱側面の 下端側を 除く 部分の 側面領域およ び側面と 滑ら か に 接続さ れる 半球状の 凸面の 蒸気膜は
不安定で 波状界面に なっ て おり ， 凸面頂部の 気液界面 か ら 小 さ な 気 泡 が 離 脱 し て い る ． 浸 漬 後8秒 か ら 21 秒 に 至 る 膜 沸 騰 の 様 相[Fig.5(b)か ら Fig.5(e)]に 大 き な 変化は 見ら れず， 円柱底面およ び円柱側面の 垂直部 分は安定で 薄い 蒸気膜で 覆わ れ平滑な 界面が 形成さ れ て い る ． 伝熱面温度の 低下と と も に 側面の 平滑な 界面 領域が 拡大し て い る ．Fig.5(f)は 浸漬し て27秒経過し た 膜沸騰の 様相を 示し て おり ， 伝熱面温度は 約350˚C で ， 円柱の 下端部の 角の 部分で 蒸気膜の 崩壊が すで に 始ま っ て い る ． ち な みに ， 蒸気膜崩壊の 伝熱面温度は 373˚Cで ， そ の 後は 遷移沸騰さ ら に 核沸騰の 様相へと 移行する ．Fig.5の 液体サ ブ ク ール度∆Tsub=20Kで 観 察さ れた 円柱側面の 蒸気膜の 気液界面に 発生し て い る リ ン グ 状の し わ は 約6mmの 間隔で 形成さ れ ， 気液界 面上を 約0.6m/sの 速度で 上昇し て い る ． サ ブ ク ール膜 沸騰に おけ る 蒸気膜崩壊の 起点は， 飽和の 条件下と 同 じ よ う に 垂直円柱下端部の 角の 部分[Fig.5(f)参照]で ， 蒸気膜の 崩壊は 円柱全面に 斉時的に 伝播する ．
5. 結果と 考察
5.1 冷却曲線お よ び 冷却速度曲線
Fig.4およ びFig.6は供試円柱を 大気圧下で 飽和水中 およ びサ ブ ク ール水中へ浸漬冷却し た 場合の 伝熱面温 度と 冷却時間の 関係を 示し た 冷却曲線(太線)と 冷却速 度曲線(細線)の 実測値の 一例で ，Fig.4は約600˚Cの 供 試円柱を バ ルク 水温度100˚C (∆Tsub=0K)の イ オ ン 交 換水中へ焼入れた 場合，Fig.6は約600˚Cの 供試円柱を バ ルク 水温度80˚C (∆Tsub=20K)の 水中へ焼入れた 場 合で あ る ． 時間の 経過と と も に 供試円柱は単調に 冷却 さ れる が ， 両図の 冷却曲線上に 示す•印を 過ぎ た 後は 急激に 冷却さ れる ． 冷却曲線上の•印の 記号は ， 冷却 速度(冷却経過時間に 対する 温度降下)が 最小と な る 点 で3節で 述べた よ う に 本研究で はこ の 点を 膜沸騰の 下 限界と 定義し て い る ． ま た 両図中の 冷却曲線上に は6 個の ＋印が 記さ れて い る が ， こ れはFig.3およ びFig.5 の 沸騰の 様相写真の 撮影時刻を 示し て い る ． 両図を 比 較する と ，•印で 示す下限界点の 時刻で の 伝熱面温度 と 冷却速度は液体サ ブ ク ール度∆Tsubが 大き く な る ほ ど 高く なって い こ と が わ か る ．ち な みに ，∆Tsub=0Kの 場合の 膜沸騰の 持続時間は114秒で ， こ の 膜沸騰領域 の 冷却速度の 大き さ は5.1K/secか ら 1.9K/secで あ る ． 一方，∆Tsub=20Kの 場合の 膜沸騰の 持続時間は 約25 秒で ， こ の 膜沸騰領域の 冷却速度の 大き さ は10.7K/sec か ら 7.7K/secで あ り ， 両者と も ほ ぼ直線的に 変化し て い る ．
Fig.7は 本実験で 取得し た 測定値を ， 座標の 縦軸に 無次元温度(T−T∞)/(Ti−T∞)， 横軸に 冷却時間τ[s]を と っ て 表わ し た 冷却曲線で あ る ． こ こ に ，Tiは 測定開 始時(τ=0)の 伝熱面温度，T∞は 大気圧下の バ ルク 水
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 20 40 60 80 100 120 140
(T - T∞)/(Ti - T∞) [-]
τ [sec]
water at 0.1MPa D=32mm, LT=48mm silver cylinder lower limit of
film boiling
∆Tsub= 0K
∆Tsub= 5K
∆Tsub=10K
∆Tsub=15K
∆Tsub=20K
∆Tsub=25K
∆Tsub=30K
Fig.7 Cooling curve
温度で あ る ． 図中の 各冷却曲線上の•印の 記号は 膜沸 騰の 下限界点を 示し て おり ， 各冷却曲線は 供試円柱の 伝熱面温度が バルク 水温度に 到達する ま で を 描い て い る ． 本研究は 膜沸騰領域を 対象と し て い る の で ， 次節 に 示す沸騰曲線の 考察に は 供試円柱の 冷却開始(τ=0) か ら •印の 記号で 示し た 下限界点ま で の データ を 使用 する ．
5.2 膜沸騰領域の沸騰曲線
Fig.8は 膜沸騰領域の 沸騰曲線を ， 液体サ ブ ク ール 度∆Tsub=0K, 5K, 10K, 15K, 20K, 25Kおよ び30Kを パ ラ メ ータ と し て 示し た も の で ，Fig.7に 示し た 冷却曲線 の データ を も と に 式(1)よ り 定め た も の で あ る ． こ の 図よ り ， 壁面熱流束qは 液体サ ブ ク ール度∆Tsubが 大 き く な る に 従っ て 高く な る と と も に•印の 記号で 示し た 膜沸騰の 下限界点で の 壁面熱流束が 高過熱度側へ移 動し て おり ， 遷移沸騰領域への 移行は 高い 壁面熱流束 で 生じ る こ と が わ か る ． サ ブ ク ール膜沸騰熱伝達を 評 価する 上で 基準と な る 飽和膜沸騰熱伝達に おけ る 壁面 熱流束は，475Kの 高過熱度か ら 200Kの 低過熱度に お い て 約70kW/m2か ら 37kW/m2の 値を と り ， サ ブ ク ー ルさ れた 膜沸騰領域の 壁面熱流束は飽和状態の 壁面熱 流束よ り ， 伝熱面過熱度∆Tsat=300K(伝熱面温度ーバ ルク 水の 飽和温度)に 対し て ，∆Tsub=5Kの 場合に は約 30%，∆Tsub=10Kの 場合に は約79%，∆Tsub=20Kの 場 合に は 約236%増大し ， 液体サ ブ ク ール度が 膜沸騰熱 伝達に 強く 影響し て い る こ と が わ か る ．
5.3 膜沸騰領域の平均熱伝達係数
Fig.9は 膜沸騰領域の 平均熱伝達係数hと 伝熱面過 熱 度∆Tsat の 関 係 を 液 体 サ ブ ク ー ル 度∆Tsubを パ ラ メ ータ と し て 示し た も の で あ る ． 平均熱伝達係数hは 壁面熱流束qを 伝熱面過熱度∆Tsatで 除すこ と でFig.7 に 示す沸騰曲線よ り 算出する こ と が で き る ． こ の 図よ
10 20 30 40 50 60 70 80 10090 200
100 150 200 300 400 500
q [kW/m2 ]
∆Tsat [K]
water at 0.1MPa D=32mm, LT=48mm silver cylinder
lower limit of film boiling
∆Tsub=30K
∆Tsub=25K
∆Tsub=20K
∆Tsub=15K
∆Tsub=10K
∆Tsub= 5K
∆Tsub= 0K
Fig.8 Boiling curve
0 100 200 300 400 500
100 150 200 300 400 500
h [W/(m2 • K)]
∆Tsat [K]
water at 0.1MPa D=32mm, LT=48mm silver cylinder
∆Tsub= 0K
∆Tsub= 5K
∆Tsub=10K 0
100 200 300 400 500
100 150 200 300 400 500
h [W/(m2 • K)]
∆Tsat [K]
water at 0.1MPa D=32mm, LT=48mm silver cylinder
∆Tsub=15K
∆Tsub=20K
∆Tsub=25K
∆Tsub=30K
Fig.9 Relationship betweenhand ∆Tsat
り ， 平均熱伝達係数hは 液体サ ブ ク ール度∆Tsubが 大 き く な る と 増大し ， 伝熱面過熱度∆Tsatが 大き く な る と 低下する こ と が わ か る ． サ ブ ク ール膜沸騰熱伝達を 評価する 上で 基準と な る 飽和膜沸騰熱伝達に おけ る 平 均熱伝達係数は，450Kの 高過熱度か ら 200Kの 低過熱 度に おい て 約154W/(m2·K)か ら 187W/(m2·K)の 値を と り ， サ ブ ク ールさ れた 膜沸騰領域の 平均熱伝達係数 は ， 熱流束と 同様に 伝熱面過熱度∆Tsat=300Kに 対し て ，∆Tsub=5Kで は30%，∆Tsub=20Kで は236%増大 し ， 液体サ ブ ク ール度が 膜沸騰領域の 熱伝達係数に 強 く 影響し て い る こ と が わ か る ．
5.4 膜沸騰下限界点に お け る 伝熱面過熱度
Fig.10はFig.8に 示し た 沸騰曲線上の•印点(膜沸騰 下限界点)の 伝熱面過熱度∆Tminを 縦軸に ， 液体サ ブ ク ール度∆Tsubを 横軸に と り 測定値を 整理し た も の で あ る ．Fig.10に 示すよ う に ， 本実験範囲の•印で 示す
半球状の 凸上面を 有する 有限垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達の 実験
測定値の∆Tminは液体サ ブ ク ール度に 強く 依存し ， 液 体サブ ク ール度が 大き く な る に 従って 増大し て いる ．実 線は こ れら の 測定値を 最小二乗法で 補間し た1次曲線 [式(6)]よ り 計算さ れた 値で あ り ， 膜沸騰下限界点に お け る 伝熱面過熱度∆Tminの 測定値を ±5%程度で 整理 で き る ．
∆Tmin = 133 + 6.62∆Tsub [K] (6) 式(6)よ り 明ら か な よ う に ， 水平の 底面と 半球状の 凸 上面を 有する 垂直円柱の 場合の 飽和に おけ る 膜沸騰下 限界点の 伝熱面過熱度は133Kで ， 水平の 底面と 上面 を 有する 垂直円柱の 場合1)の136Kと 概ね一致し て い る ．
5.5 膜沸騰下限界点に お け る 壁面熱流束
Fig.11はFig.8に 示し た 沸騰曲線上の•印点(膜沸騰 下限界点)の 壁面熱流束qminを 縦軸に ， 液体サ ブ ク ー ル 度∆Tsubを 横 軸 に と り 測 定 値 を 整 理 し た も の で あ る ．Fig.11に 示すよ う に ， 本実験範囲の•印で 示す測 定値のqminは液体サ ブ ク ール度に 強く 依存し ， 液体サ ブ ク ール度が 大き く な る に 従っ て 増大し て い る ． 実線 はこ れら の 測定値を 最小二乗法で 補間し た1次曲線[式 (7)]よ り 計算さ れ た 値で あ り ， 膜沸騰下限界点に おけ る 壁面熱流束qminの 測定値を±5%程度で 整理で き る ．
qmin = 30 + 4.07∆Tsub [kW/m2] (7) 式(7)よ り 明ら か な よ う に ， 水平の 底面と 半球状の 凸 上面を 有する 垂直円柱の 場合の 飽和に おけ る 膜沸騰下 限界点の 壁面熱流束は30kW/m2 で ， 水平の 底面と 上 面を 有する 垂直円柱の 場合1)で の ア ス ペク ト 比(円柱 長さ/円柱直径)=1近傍の 場合の30kW/m2と 同じ 値で あ る ．
6. 結論
半球状の 凸上面を 有する 銀製の 供試円柱を 垂直の 姿 勢で 大気圧下の 静止し た 飽和およ びサ ブ ク ールの 水中 に 浸漬し て 冷却し た 際の 膜沸騰熱伝達に 関し て 実験を 行い ， 本実験範囲で 以下の こ と が 明ら か に なっ た ． (1) 飽和膜沸騰領域の 壁面熱流束は 伝熱面過熱度の 降
下と と も に 約70kW/m2か ら 37kW/m2の 範囲で 推 移し ， 液体サ ブ ク ール度の 大き さ に よ って 伝熱面過 熱度300Kで30%か ら 236%の 増加が 得ら れた ． (2) 膜沸騰領域の 平均熱伝達係数は 伝熱面過熱度の 増
大と と も に 減少する が ， 液体サ ブ ク ール度が 高く な る と 増大する ．
(3)膜沸騰の 下限界点は 液体サ ブ ク ール度が 高く な る 程， 高過熱度側に 移動し ， 遷移沸騰領域への 移行 は 高い 壁面熱流束で 生じ る ．
100 150 200 250 300
0 5 10 15 20 25 30
∆Tmin [K]
∆Tsub [K]
water at 0.1MPa silver cylinder
+5%
-5%
∆Tmin=133+6.62∆Tsub D=32mm, LT=48mm correlation:
Fig.10 Relationship between ∆Tmin and ∆Tsub
0 20 40 60 80 100 120 140
0 5 10 15 20 25 30
qmin [kW/m2 ]
∆Tsub [K]
water at 0.1MPa silver cylinder
+5%
-5%
qmin=30+4.07∆Tsub D=32mm, LT=48mm correlation:
Fig.11 Relationship betweenqmin and ∆Tsub
(4)膜沸騰下限界点の 伝熱面過熱度およ び壁面熱流束 の 測定値は±5%程度で ， 液体サ ブ ク ール度に 対す る 1次の 補間式で 相関で き る ．
参考文献
1)山田 (,茂地 徹,桃木 悟,金丸邦康,山口朝彦; 有 限長の 垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達,日本機械学 会論文集(B編),70, 695, (2004), 1762-1768.
2)山田 (,茂地 徹,桃木 悟,金丸邦康,山口朝彦; 有 限垂直円柱ま わ り の サ ブ ク ール膜沸騰熱伝達,日本 機械学会論文集(B編),73, 732, (2007), 1715-1722.
3)山田 (,豊田 香,茂地 徹,桃木 悟,山口朝彦,金丸 邦康;有限垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達(第1報: 半球状の 凸底面の 場合),第46回日本伝熱シ ン ポ ジ ウ ム 講演論文集,1, (2009), 5-6.
4)山田 (,豊田 香,茂地 徹,桃木 悟,金丸邦康,山口 朝彦;半球状の 凸底面を 有する 有限垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達,日本機械学会論文集(B編),75, 756, (2009), 1649-1654.
