倉田奨励金研究報告書｜2016 年度（第 48 回）助成■受領№1321

二層構造ハニカム多孔質体による沸騰冷却限界の飛躍的な促進

代表研究者

森 昌司
1．緒

横浜国立大学准教授

言

体供給効果がqCHF到達の支配的な要因であること

沸騰現象は相変化を伴わない場合の冷却技術とを報告している。一方で、丸岡他（3）は、HPPの比較して、その熱伝達率は大きく、産業上で広く構造体の厚さ（以下、板厚h）がマクロ液膜厚さ利用されている。近年、電子機器の高集積化に伴（~100m）と同程度の厚さになると、HPP上部

う高発熱密度化、大型半導体レーザーのようなパに形成される合体大気泡の滞留時間中（100msオワーデバイスの冷却、原子炉事故時の冷却など要ーダー）に多孔質体内部で液枯れ現象が生じ、こ求される除熱流束は増大しており、それらのニーの液枯れ現象がqCHF到達の律速要因となることをズに対応して、限界熱流束（以下、qCHF）の向上報告した。また、マクロ液膜と同程度の板厚のHPPが求められている。特に、福島原子力発電所の事でも、その上部に液体保持用のHPPを設置するこ故を契機に、大伝熱面・高熱流束除熱が可能な冷とで、液枯れを防ぐことが可能となり、qCHFが向却手法による過酷事故回避技術の高度化が切望さ上することを示している（3）。また、Suazlan et al.

れている。そのような背景下、原子力の分野では、（4）

原子炉事故時に圧力容器外部を冠水させ、炉心溶実験的に検討した結果、下向き伝熱面において、融 物 を 圧 力 容 器 内 部 に 閉 じ 込 め る In Vessel

合体大気泡の影響はより顕著となり、水平上向きRetention（以下、IVR）が過酷事故回避の手法と伝熱面の場合に比べてqCHFが低下することを報告して注目されており、最近では、AP1000のようにしている。

は、HPP装着時の伝熱面姿勢の影響について実機に導入されたケースも存在する。しかし、大本報では、合体大気泡の影響に有効であると示型のPWRにおいてIVRを成立させるためには、下唆された、毛管力による液体供給部と液体保持部向き大伝熱面のqCHFを向上させることが必須であの2種類のHPPからなる二層構造HPPを用い、飽はこれまでにハニカム多孔質体（以下、和プール沸騰下向き伝熱面下においての有効性にHPP）を用いることで、大気圧下、飽和プール沸ついて、実験的に検討した結果について述べる。

る。森他

（1）

騰における qCHF を裸面の約2倍に向上することを実験的に示した。また、丸岡他（2）は、HPP装着時のqCHFには主な向上要因である、（1）毛管力による液体供給効果と（2）蒸気排出孔に直接流入する液体供給効果について、（1）の液体供給機構に着目し、提案する一次元モデルと実験結果がよく一致し、高熱流束下においては、毛管力による液倉田奨励金研究報告書｜2016 年度（第 48 回）助成

２．研究概要設置した予備ヒータでバルク液体を加熱し、伝熱

2.1 実験装置および方法面周囲に設置したK型シース熱電対（TC5）によ2.1.1 実験装置概要

り、バルク液体が飽和温度に維持されていること

図1（a）に、実験装置概略図を示す。伝熱面は銅円柱体の端面であり、#2000のサンドペーパーを確認した。また、高速度カメラにより沸騰様相を観察した。

で研磨した面を伝熱面として使用した。加熱は底部に埋め込んだカートリッジヒータにより行った。

2.1.2 ハニカム多孔質体

試験部容器は、内径87mm、⻑さ200mmのホウケ

本報で用いた二層構造HPPを図2に示す。図2

イ酸ガラス管、銅円柱体、SUS製フランジからな（a）、（b）はそれぞれ、毛管力による液供給部をり、内部の沸騰様相の観察が可能である。水平上担うHPP（以下、NHPP）、液保持部を担うHPP

向きを傾斜角度=0°として、試験部全体を0°、（以下、MHPP）を示す。NHPPの組成は、CaO・90°、135°、180°に傾斜させ、実験を行った。

Al2O3 （ 30-50wt% ）、 SiO2 （ 40-60wt% ）、 TiO2

図1（b）に示すように、伝熱面から下方へ90°間（5-20wt%）であり、MHPPはSUS316Lからなる。

隔でずらしながら、それぞれ10mm（TC1）、15mm

表1に二層構造HPPの特性値（有効細孔半径reff、（TC2）、20mm（TC3）、25mm（TC4）の中心軸透過係数K、空隙率）及び幾何寸法（セル幅dg、上に1mmのK型シース熱電対を設置し、指示温度

壁厚s、板厚h、開口率）を示す。二層構造HPPから一次元性を確認した上で伝熱面表面温度を、は伝熱面上に直径0.3mmのSUS製のワイヤーによ

また、フーリエの法則を用いて、伝熱面熱流束をり固定した。

算出した。伝熱面上で発生した蒸気は、試験部と貯水タンクを繋ぐ蒸気排出流路を通過し、貯水タ

2.1.3 実験手順

ンク上部に設置したコンデンサーにより還流され、実験は、裸面及び二層構造HPPの場合の2種類還流された液体は、貯水タンク底部に設置した液に関して行った。カートリッジヒータに所定の電体供給路を通して、試験部に戻される。試験液体

圧を印加して加熱を行い、TC1およびTC2の温度には蒸留水を用い、試験部および貯水タンク内に変化が、10分間で0.25 K以下となった場合に定常

図 1．実験装置概要

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表 1．使用したハニカム多孔質体の特性
NA honeycomb(NHPP)
1.8

Metal porous plate(MHPP)
3.4

K ×10 [m ] [-]d g [mm]

2.40.25
1.3

100.501.3

 s [mm]

0.50.5

δ h [mm] [-]0.500.52

1.40.52r eff [μm]142変化させて実験を行った。図3中の○は裸面の実験
図 2．実験に用いたハニカム多孔質体

結果、△は二層構造HPPの実験結果を示す。裸面の場合、傾斜角度が0°、90°、135°180°の時、状態に達したとみなし、測定を行った。以上の操

qCHF はそれぞれ1.2 MW/m2 、1.1 MW/m2 、1.1作を、定常状態が維持できなくなり、壁温が急上

MW/m2、0.41 MW/m2で、0~135°の範囲では、昇を開始して、TC1の温度が200 ℃を超えるまでqCHF の減少は0°の時の値と比して10%程度に収繰り返した。また、壁温が急上昇を開始して、TC1まるのに対し、180°では60%以上減少した。ここの温度が200 ℃を超えた場合には、直ちに加熱をで、合体気泡の滞留時間を、合体気泡が伝熱面上中止し、その直前の加熱条件下での伝熱面熱流束から切り離されて、次の合体気泡が伝熱面上からをqCHFとした。

切り離される時間と定義し、高速度カメラでの観察結果から測定すると、傾斜角度の増加に伴い、合体気泡の滞留時間も増加することが確認された。

2.2 実 験 結 果
図3に伝熱面姿勢とqCHF の関係を示す。横軸はさらに、180°の場合は高速度カメラで合体気泡の傾斜角度、縦軸は限界熱流束qCHFである。なお、離脱を判別することが難しく、限界熱流束付近で傾斜角度は図中にも示すように水平上向き面をの熱負荷時には、常に蒸気膜に覆われている様子

=0°と定義し、を0°、90°、135°、180°にが確認され、180°において、qCHFが急激に低下し

図 3．二層構造ハニカム多孔質体が設置角度に与える影響

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たのは、合体気泡の滞留時間の増加が主な原因とBoiling Using Honeycomb Porous Media,

考えられる。一方、二層構造HPP装着時には、傾International Journal of Multiphase Flow, Vol.

斜角度が0°、90°、135°180°の時のqCHFはそ35, (2009), pp. 946-951.

れぞれ2.5 MW/m 、2.1 MW/m 、1.8 MW/m 、1.4

（2）丸岡成、森昌司、奥山邦人、ハニカム多孔質

MW/m2で、傾斜角度の増加に伴い、裸面の場合と体上部に形成される合体大気泡が飽和プール同様にqCHFは減少傾向にあるが、=180°におい沸騰限界熱流束向上に与える影響、混相流、ても、裸面の場合のような急激な減少は生じず、

Vol. 27, No.5, (2014), pp. 631-638.

222

いずれの傾斜角度においても、裸面の場合と比し（3）丸岡成、森昌司、奥山邦人、ハニカム多孔質て、qCHFが1.6倍以上に向上した。さらに、同じ傾体を用いたプール沸騰限界熱流束向上に与え斜角度での裸面の実測値と二層構造HPPの実測値

る毛管効果の影響、日本機械学会論文集、Vol.

を比較すると、合体気泡の影響がより顕著に現れ

82, No. 840, (2016), p. 16-00106.

る=180°の時のqCHF促進率が最も大きく、3倍以（4）S. Mt Aznam, S. Mori, F. Sakakibara and K.

上に向上する結果が得られ、下向き伝熱面下におOkuyama, Effects of heater orientation on

いては、伝熱面近傍でいかに液体を保持するかとcritical heat flux for nanoparticle-deposited

うことが重要であることが示唆された点は非常に

surface with honeycomb porous plate

興味深い。以上の結果から、>90°の下向き伝熱attachment in saturated pool boiling of water,

面において、合体気泡がqCHFに与える影響は水平International Journal of Heat and Mass

上向き面と比較して大きく、二層構造HPPを装着

Transfer, Vol. 102, (2016), pp. 1345-1355.

することがqCHF向上には有効な手段であることが3．発表論文示唆された。

1. S. Mori*, Suazlan Mt Aznam, Ryuta
2.3. 結言

Yanagisawa, Fumihisa Yokomatsu, and Kunito（1）下向き伝熱面下においては、裸面と二層構造

Okuyama, Measurement of a Heated Surface

HPPともに、傾斜角の増大とともに、qCHFが減

Temperature using a High-Speed IR Camera

少する。特に、裸面の場合には、合体気泡の滞

during CHF Enhancement by a Honeycomb

留による影響は顕著であり、qCHF向上には、高Porous Plate in a Saturated Pool Boiling of a

熱流束下において、いかに伝熱面近傍に液体をNanofluid, Journal of Heat Transfer, accepted,保持するかが重要であることがわかった。

2018.

（2）傾斜角度の増大とともに、合体気泡の滞留時

2. N. Maruoka, S. Mori, K. Okuyama,間も増大するが、二層構造HPPを用いることで、Improvement of structure in a honeycomb

伝熱面近傍に液体が保持されるため、qCHFの向porous plate for pool boiling chf上に繋がった。さらに、本報で使用した二層構

enhancement,the 25th International造HPPによるqCHF促進率は、水平下向き伝熱面

Conference on Nuclearの場合が最も大きいことが明らかとなった。

Engineering ,ICONE25, July 2-6, 2017,
Shanghai, China.

2.4 文

献

（1）S. Mori and K. Okuyama, Enhancement of
the Critical Heat Flux in Saturated Pool

3. S. Mori and K. Okuyama, Critical heat flux
enhancement using honeycomb porous plate ina saturated pool boiling of water-based

倉田奨励金研究報告書｜2016 年度（第 48 回）助成
nanofluid, 13th International Conference on
Heat Transfer, Fluid Mechanics andThermodynamics, July17-19, 2017, Portoroz,Slovenia. (キーノート講演)
4. Shoji Mori, Kunito Okuyama, CHF
enhancement of a large heated surface using ahoneycomb porous plate in saturated poolboiling,the ASME 2017 15th International
Conference on Nanochannels, Microchannels,and Minichannels, ICNMM2017, August27-31, 2017, Hyatt Regency Cambridge,Cambridge ,USA（キーノート講演）
5. 小林 哲、森 昌司、高橋 絵美、多々見 純一、丸岡 成、奥山 邦人、ハニカム多孔質体のマクロ・ミクロ孔構造がプール沸騰限界熱流束に与える影響、日本混相流学会混相流シンポジウム
2017年8月、東京
6. 丸岡 成、森 昌司、奥山 邦人、二層構造ハニ
カム多孔質体による下向き伝熱面の飽和プー
ル沸騰限界熱流束の向上、The CHF
enhancement on downward facing heatedsurface in a saturated pool boiling using ahoneycomb porous plate with two layers
structure,第22回 動力・エネルギー技術シンポ
ジウム,2017年6月, 豊橋