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OK! ウェンジ・フアンがジャンタオ・チェンの研究室で材料サンプルを検査しています。写真提供: バージニア工科大学のアレックス・パリッシュ。
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ウェンジ・フアンはジャンタオ・チェンの研究室で材料サンプルを検査している。写真提供：バージニア工科大学のアレックス・パリッシュ。
熱いフライパンに水を数滴たらすと、フライパンが十分に熱くなっていれば、水がジュージューと音を立て、水滴が転がって浮いて表面の上に浮かんでいるように見えます。
ライデンフロスト効果と呼ばれるこの現象が発生する温度は予測可能で、通常は摂氏230度以上で発生します。バージニア工科大学機械工学部の准教授、ジャンタオ・チェン氏のチームは、はるかに低い温度で水中浮遊を生み出す方法を発見し、その結果はネイチャー・フィジックス誌に掲載されました。
チェン氏のチームは、第一著者であり博士課程の学生でもあるウェンジ・フアン氏とともに、オークリッジ国立研究所および大連理工大学と共同で研究の一部を担当した。
この発見は、産業機械の冷却や表面汚れの洗浄などの熱伝達用途に大きな可能性を秘めています。 熱交換器また、原子力機器の損傷や災害の防止にも役立つ可能性があります。
現在、米国には認可を受けて稼働可能な原子炉が 90 基以上あり、数千万世帯に電力を供給し、地域社会の支えとなっているほか、米国のクリーン エネルギー発電の半分を実際に占めています。原子炉を安定させ、冷却するには資源が必要であり、正常な運転には熱伝達が不可欠です。
浮遊する水の物理学
ライデンフロスト効果は、3世紀にわたって物理学者の間ではよく知られた現象であり、水滴が自身の層の上に浮かぶ温度を規定するものである。 蒸気230℃から始まると広く文書化されているが、チェン氏と彼のチームはその限界をはるかに低く押し下げた。
この効果は、2 つの異なる状態の水が共存しているために発生します。もし私たちが水を液滴レベルで見ることができれば、液滴のすべてが表面で沸騰するのではなく、一部だけが沸騰していることがわかります。熱は液滴の底部を蒸発させますが、エネルギーは液滴全体に伝わりません。蒸気の上にある液体部分は、そのエネルギーのほとんどが底部を沸騰させるのに使われるため、受け取るエネルギーが少なくなります。その液体部分はそのまま残り、それが蒸気の層の上に浮かんでいるのが見えます。これは 18 世紀に発見されて以来、ドイツの医師ヨハン ゴットロープ ライデンフロストにちなんでライデンフロスト効果と呼ばれています。
その高温は水の沸点である 100 度をはるかに上回っています。なぜなら、瞬時に蒸気層を形成するには熱が十分高くなければならないからです。熱が低すぎると、水滴は浮かびません。熱が高すぎると、水滴全体が蒸発してしまいます。
表面での新たな作業
ライデンフロスト効果の従来の測定では、加熱された表面が平らであると仮定しており、熱は 水滴 均一に。バージニア工科大学流体物理学研究所で研究するチェン氏のチームは、マイクロピラーで覆われた表面を作り出すことで、効果の開始点を下げる方法を発見した。
「蓮の葉の乳頭のように、マイクロピラーは表面を装飾する以上の役割を果たします」とチェン氏は言う。「マイクロピラーは表面に新しい特性を与えます。」
チェン氏のチームが設計したマイクロピラーの高さは 0.08 ミリメートルで、人間の髪の毛の幅とほぼ同じです。マイクロピラーは 0.12 ミリメートル間隔で規則的に配置されています。水滴 1 個にはマイクロピラーが 100 個以上集まっています。これらの小さなピラーが水滴を圧迫し、水滴内部に熱を放出して水滴をより早く沸騰させます。
ライデンフロスト効果は230℃で発生するという従来の見解と比較すると、フィンアレイのようなマイクロピラーは、平らな表面よりも多くの熱を水に押し付けます。これにより、マイクロ液滴は数ミリ秒以内に浮上し、表面から飛び出します。 気温が低い 柱の高さを変えることで沸騰の速度をコントロールできるからです。
ライデンフロストの限界を下げる
テクスチャ加工された表面を加熱すると、浮遊効果が達成される温度は、 平面130℃から始まります。
これはライデンフロスト効果を理解する上で新しい発見であるだけでなく、これまで考えられていた限界をひねり出すものでもある。 2021年調査 エモリー大学の研究者らは、加熱された表面の温度が140度まで下がると、水の性質によりライデンフロスト効果が失われることを発見した。チェン氏のチームが作成したマイクロピラーを使用すると、その効果は10度下でも持続する。
「マイクロピラーがこのよく知られた現象の挙動を変えるだろうと考えていましたが、結果は私たちの想像をはるかに超えるものでした」とチェン氏は言う。「観察された気泡と液滴の相互作用は、沸騰熱伝達に関する大きな発見です。」
ライデンフロスト効果は、観察するだけの興味深い現象ではなく、熱伝達の重要なポイントでもあります。水が沸騰すると、表面から最も効率的に熱が除去されます。機械の冷却などの用途では、チェン氏のチームが提案したテクスチャ アプローチを熱い表面に適用すると、熱がより速く除去され、機械が熱くなりすぎたときに発生する損傷の可能性が低くなります。
「私たちの研究は、産業に大きな脅威となる蒸気爆発などの災害を防ぐことができます。 熱伝達 「蒸気爆発は、液体内の蒸気泡が近くに強力な熱源があるために急速に膨張すると発生します。このリスクが特に関連する例の 1 つは原子力発電所です。原子力発電所では、熱交換器の表面構造が蒸気泡の成長に影響し、爆発を引き起こす可能性があります。論文の理論的調査を通じて、表面構造が蒸気泡の成長モードにどのように影響するかを調査し、蒸気爆発のリスクの制御と緩和に関する貴重な洞察を提供します。」
チームが取り組んでいるもう 1 つの課題は、液体が粗い表面のテクスチャに残す不純物で、これがセルフクリーニングの課題となっています。スプレー洗浄またはすすぎ洗浄の条件下では、従来のライデンフロスト法も室温の冷液滴も、表面の粗さから堆積した微粒子を完全に除去することはできません。
Cheng 氏の戦略を使用すると、蒸気泡の生成によってこれらの粒子を表面の粗さから取り除き、液滴内に浮遊させることができます。つまり、沸騰する泡によって熱と不純物の両方が表面から除去されるのです。
詳しくは：
自然物理学（2024年）。
ジャーナル情報:
自然物理学
1716542894
#新しい方法によりはるかに低い温度で水中浮遊を実現でき原子炉の冷却に影響を与える可能性がある
2024-05-24 09:00:01