宇宙構造物用二相流体ループ式熱制御システムの開発
−国際宇宙ステーションでの沸騰二相流実験−
目的
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近年，宇宙開発の進行に伴い，宇宙構造物における電子機器の発熱密度の増大と熱輸送距離の長大化が問題となっている．これらに対応するため，冷媒の蒸発潜熱を利用した二相流体ループ式熱制御システムの適用が検討されている．
二相流体ループでは除熱熱流束の増大，熱輸送密度の増大による冷媒循環量の低減が期待されるが，沸騰熱伝達では伝熱面上の液膜が消失するドライアウトや伝熱面が薄い蒸気層で覆われる膜沸騰への遷移が発生し，発熱部の大きな温度上昇を招く恐れがある．
浮力が消失する微小重力場では蒸気泡の挙動が通常重力場と大きく異なると考えられるため，微小重力場での環騰二相流の熱流動特性の解明が必要となる．
本研究では，国際宇宙ステーション (ISS) の安定した微小重力環境を利用して二相流体ループの実証実験をJAXAプロジェクトとして実施した．我々の研究グループでは，主に加熱伝熱管出口で観察された管内沸騰で形成された気液界面構造に着目し，
詳細な計測分析に基づき地上重力場との差異を明らかにする．
研究内容
ギアポンプで作動流体が循環される二相流体ループが製作された．加熱試験部は銅製直円管と透明ガラス製直円管の2系統あり，流路径はいずれも4 mmとした．作動流体には沸点が57℃のPerfluorohexaneを使用した．
実験ループ内の圧力はポンプ入口に設置されたアキュムレータによってキャビン圧力に保たれた．それぞれの加熱試験部の直下流には観察部を設置し，気液界面の3次元構造を高速度カメラによって観察した．
沸騰によって蒸気の割合が大きくなれば，体積の増大によって流速が増大し，流動は慣性力支配となるため重力の影響は小さくなると考えられる．しかし，蒸気の割合が小さい条件では，映像に示すような地上場では見られない流動構造が観察された．
蒸気泡が合体することなく密集して流れていた．通常重力場での垂直上昇流の場合，浮力によって気泡径が大きい方が流速が速くなるので，気泡は合体して大きな気泡が形成され，気液が交互に流れるようになるが，この流動では，
気泡合体が抑制され同一断面に複数の気泡が流れていた．加熱壁面で生成，離脱した小気泡が同じ速度で移動しながら成長したためと考えられる．浮力がない微小重力環境での特徴的な流動様式である．
発表論文
H. Ohta, H. Asano, O. Kawanami, et al.
Development of Boiling and Two-Phase Flow Experiments on Board ISS (Research
Objectives and Concept of Experimental Setup), International Journal of
Microgravity Science and Application 33(1) (2016), 330102. https://doi.org/10.15011/ijmsa.33.330102
R. Imai, K. Suzuki, H. Kawasaki, H. Ohta, Y. Shinmoto, H. Asano, et al.
Development of Boiling and Two-Phase Flow Experiments on Board ISS (Condensation
Section), International Journal of Microgravity Science and Application
33(1) (2016), 330103. https://doi.org/10.15011/ijmsa.33.330103
T. Gomyo, H. Asano, H. Ohta, Y. Shinmoto, et al.
Development of Boiling and Two-Phase Flow Experiments on Board ISS (Void
Fraction Characteristics in the Observation Section just at the Downstream
of the Heating Section), International Journal of Microgravity Science
and Application 33(1) (2016), 330104. https://doi.org/10.15011/ijmsa.33.330104
T. Hirokawa, D. Yamamoto, D. Yamamoto, Y. Shinmoto, H. Ohta, H. Asano, et al.
Development of Boiling and Two-Phase Flow Experiments on Board ISS (Investigation
on Performance of Ground Model), International Journal of Microgravity
Science and Application 33(1) (2016), 330105. https://doi.org/10.15011/ijmsa.33.330105
K. Sawada, T. Kurimoto, A. Okamoto, S. Matsumoto, H. Takaoka, H. Kawasaki, M. Takayanagi, Y. Shinmoto, H. Asano, et al.
Development of Boiling and Two-phase Flow Experiments on Board ISS (Dissolved Air Effects on Subcooled Flow Boiling Characteristics),
International Journal of Microgravity Science and Application 33(1) (2016), 330106. https://doi.org/10.15011/ijmsa.33.330106
M. Okubo, O. Kawanami, K. Nakamoto, H. Asano, H. Ohta, et al.
Development of Boiling and Two-phase Flow Experiments on Board ISS (Temperature Data Derivation and Image Analysis of a Transparent Heated Short Tube in the Glass Heated Section),
International Journal of Microgravity Science and Application 33(1) (2016), 330107. https://doi.org/10.15011/ijmsa.33.330107
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