総合研究所・都市減災研究センター（UDM）研究報告書（平成２２年度）
テーマ４ 小課題番号4.2-4
非常時にも対応した自然エネルギー活用による電源と通信網の構築 自然エネルギー利用による効率的な非常電源の開発
『都市型コジェネレーションシステムに関する研究
（地震振動下におけるサブクール流動沸騰熱伝達に関する研究）』
キーワード 大竹 浩靖＊ 地震振動 熱流動 冷却限界 沸騰気泡発生条件 コジェネレーション
１．緒言
地球環境およびエネ ルギー セキュリティーの観点 から、都市の高層ビル群を 中心に都市型コジェネレ ーション【熱併給発電：メ タン を主成分とする CO2 負荷の低い地球環境にやさ しい燃料（天然ガス）の 燃焼ガスによる小型ガスタ ービンにて発電。その排 熱を給湯に利用し、高い総 熱効率を実現した、高効 率な分散化電源】システム の導入が広がっている。
このシステムは、地震発生 後の救援拠点でもある都 道府県庁施設および大規模 総合病院でもその導入が 行われている。また、その システムは、年々高性能
（高出力・高効率）化し、OA 化に伴う大きな電力需 要に対応するため商用高層 ビル群では、天然ガス利 用ガスタービンと廃熱ボイ ラーで構成されるコジェ ネレーション型【CO2 負荷 の低 い地球環境にやさし い天然ガスによる小型ガス タービンにて発電、その 排熱を利用して（廃熱ボイ ラー）蒸気を生成しさら に小型蒸気タービンを運転 して、高い熱効率かつ大 出力（大電力）にも対応し た高効率な分散化電源】
のものもあり、商用発電シ ステムと類似のシステム を持つものもある。
本研究は、この都市 型コジ ェネレーション（熱併 給発電）システムの地震防 災の評価システムを熱水 力学観点から検討するもの である。具体的には、地 震振動時にあっても、各種 熱機器が過熱状態になら ないことを確認するととも に、特に、水から水蒸気 へ の 相 変 化 現 象 を 伴 う 機 器 の 地 震 時 の 安 全 性 を 評 価：水で冷却されている状 態で、局所に水蒸気が接 する時の安全性および設計 の余裕度を定量的に検討 する。すなわち、分散化電 源である都市型コジェネ レーションシステムを、非 常時にも対応した自然エ ネルギー活用による電源同 等の自立型電源かつ熱併 給発電および廃熱をさらに 利用するコンバインサイ
クルを地球環境に優れた効 率的な電源である有効性 を検討するとともに、当該 電源の都市防災の健全性
（熱的安全性、大地震時の 安全な停止および地震後 の速やかなる復帰）を検討することを目的とする。
２．実験装置および方法
実験装置はFig. 1に示すよ うな開放循環ループ系 である。試験流体には十分 に脱気したイオン交換水 を用い、マグネットポンプ により試験液を試験部に 送り込む。実験パラメータ である、液サブクール度 は20K、液流速は0.3, 1.3, 3.0および3.9 m/sである 。 試験部には上部に可視部が 設けてあり、沸騰様相及 び流動様相が観測可能となっている。試験流路は10
×10×500mm(水 力 等 価 直 径 0.01m)の 矩 形 流 路 で あ る。伝熱面は電気回路用プリント基板を幅 3mm、長 さ 26mm の 長 さ に エ ッ チン グ し た銅 薄 膜(銅 箔 厚 さ 35m)を 使 用 し 定 電 流 電 源 に よ り 直 接 通 電 加 熱 す る 。 計測部は、電圧タップ線にはさまれた 3×10mmの領 域である。伝熱面加熱量（ 平均熱流束）はジュール 発 熱 量 （=電 圧 ×電 流 ） か ら 求 め 、 伝 熱 面 温 度 は 電 流と電圧の計測値とあらか じめ得た銅薄膜の温度と 電気抵抗値の較正直線から求めた。
振動は、試験部を振動台（工学院大学 EECプロジ ェクト仕様 。水平方 向最大 振動加速度 5m/s2）に載 せることで実現させた。振 動は、正弦波状に与えた。
実験パラメータである加速度 a および振動周波数 f は、a=1.3および4.15m/s2、f= 2, 4および20Hzであ る。この実験条件の一部は 、過去に筆者らが報告し た 脈 動 流 の 実 験 条 件 に 対 応 す る 条 件 （2kHz 時 の
a=4.15m/s2 と振動 振幅=主 流比 25%とが対応）であ
る。なお、今年度は、昨年 度行った加熱面と水平方 向の振動条件に加え、加熱 面と垂直方向の振動が除 熱 限 界 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 し た 。 す な わ ち 、Fig. 2
＊ ：工学院大学工学部機械工学科教授
総合研究所・都市減災研究センター（UDM）研究報告書（平成２２年度）
テーマ４ 小課題番号4.2-4 に示すように、加熱面を垂 直に配置し、水平方向の
振動を付加させ、地震時の この条件における振動が 熱 流 体 特 性 に 及 ぼ す 影 響 を 実 験 的 に 検 討 し た 。Post EEC期(1)の実験条件である 加熱面と水平方向の振動 条件（地震時の縦波）およ び加熱面と垂直方向の振 動条件（地震時の横波）に 加え、実際の地震波振動 の条件を加えた。振動実験 のパラメータは、昨年度 同様、加速度aおよび振動周波数fは、a=0.4（40 Gal）、
1.3（130 Gal）および4.15m/s2（415 Gal：震度６相
当）、f= 2, 4および20Hzで ある。
Fig. 1 Experimental Apparatus
３．実験結果及び考察 3.1振動下の熱伝達特性
Fig.2 に、加熱面に対し て水平方向振動の付加時 の沸騰熱伝達特性を、Fig.3 に、加熱面に対して垂 直方向振動の付加時の沸騰熱伝達特性を示す。Figs.
2 および 3 中の矢印記号は 、限界熱流束であり、伝 熱面が焼損する直前の熱流 束である。 Figs. 2 およ び 3 に示すように、加熱面の振動の付加により、限 界熱流束、冷却限界が上昇することがわかる。
3.2 振動下の限界熱流束
Figs. 4 および 5 に、振 動実験の各条件に対する 冷却限界、すなわち CHF の測定値を質量流束に対し て示す。Fig.4 には、加熱 面に対して水平方向振動 の付加時の CHF 特性を、Fig.5 には、加熱面に対し て垂直方向振動の付加時の CHF 特性を示す。Figs. 4 および 5 より、質量流量の増加とともに CHF が増加 すること、振動の付加によ り 冷却限界、すなわち CHF が向上することがわかる。
次に、冷却限界（CHF）に 及ぼす加熱面振動の影響 を検討するため、Fig.6 に CHF の振動加速度の依存 性を示す。Fig.6 中には、Lee ら(2)の実験結果を併記 した。なお、Lee らの実験 は、垂直円柱状の加熱管
であり、振動方向は主流方 向に対して垂直であり、
Figs.3 および 5 の実験体系に 対応する。
Fig.6 より、本実験結果 も Lee らの実験結果も、
振動加速度（振動振幅、振動速度）の増加とともに、
Fig. 2 Boiling curves under horizontal vibration condition for 1.33 m/s
Fig. 3 Boiling curves under vertical vibration condition for 1.33 m/s
Fig. 4 Relation between mass flux and CHF under horizontal vibration condition
P P
Tank
T
Pump
T T
DC Power supply Oscillating table
Rotameter
Highspeed video camera
P P
Tank
T
Pump
TT
DC Power supply
Vibration table Rotameter
Highspeed video camera
Vertical vibration experiments
102 103 104
106 107
Mass flux G kg/m2s Critical Heat flux q CHF W/m2
Ivey-Morris for pool boiling Steady flow
Oscillatory flow 2Hz ±25%
Oscillatory flow 2Hz ±50%
Oscillatory flow 4Hz ±25%
Oscillatory flow 4Hz ±50%
Oscillatory flow 6Hz ±25%
Oscillatory flow 6Hz ±50%
oscillating table（2Hz,40Gal）
oscillating table（2Hz,130Gal）
oscillating table（2Hz,415Gal）
10
010
110
210
310
410
510
610
7Wall superheat Tsat K Heat flux qw W/m2
Dittus-Boelter(single phase flow) ONB Bergles-Rohsenow FDB-Rohsenow(Csf=0.013)
4.096E+06 3.990E+06
Tsub=20K u=1.33m/s
Vibration condition(2Hz,415Gal) Steady flow
10
010
110
210
310
410
510
610
7Wall superheat Tsat K Heat flux qw W/m2
Dittus-Boelter(single phase flow) ONB Bergles-Rohsenow FDB-Rohsenow(Csf=0.013)
3.785E+06 4.214E+06
Vertical direction vibration to flow
Tsub=20K u=1.33m/s
Vibration condition(2Hz,415Gal) Steady flow
総合研究所・都市減災研究センター（UDM）研究報告書（平成２２年度）
テーマ４ 小課題番号4.2-4
Fig. 5 Relation between mass flux and CHF under horizontal vibration condition
Fig. 6 Effect of CHF on acceleration under vibration
限界熱流束が上昇することがわかる。紙面の都合上、
CHF に及ぼす振動振幅およ び最大振動速度の依存性 に関する図示は割愛するが、限界熱流束の上昇率 En に与える振動特性の主とな るパラメータは、 Lee ら
(2)の提案する 振動振幅 d[mm]（Lee らの相関式：En = 0.06825 (d0.61683)×100 [%]）でなく、振動加速度で あることが確認された。Fig.6 より、振動周波数に より系統的な係数の差異が 認められるものの、本実 験結果および Lee らの実験結果より、CHF 増加率 En と振動加速度 a[m/s2] との間には、
En=C(f)×a0.5
where C(f)：f[Hz]で決まる定数 (1) の関係があることがわかる。
3.3 振動下の液体速度分布変動の推算
本節では、前出の『振動下 の冷却限界の向上化 』 に関する機構について、既 存モデルに基づき定量 的 に考察する。
まず、Fig.7 に、加熱面振 動条件下で想定される 流路内の速度境界層の時間 変動を示す。 Fig.7 内の 速度分布の算出に当たり、Stokes の第２問題(3)、
y t U e nt
u ,
0cos
(2)と、乱流境界層に対する 1/7 乗則
Fig. 7 Velocity profile under vibration condition
0
17max
y r
u
u
(3)の重ね合わせで評価した。Fig.7に示すように、加熱 面近傍に大きな速度変動が確認できる。
3.4 Liquid sub-layer model による考察
本節では、前出の『加熱面 近傍に大きな速度変動 の確認』に基づき、Liquid sub-layer model を通し た振動下の冷却限界の向上 化に関する機構について 定量的に考察する。
Liquid sub-layer model とは、流れがないプール 沸騰の冷却限界（ CHF）をモデル解析的に扱った著名 な原村－甲藤のマ クロ液膜 モデル(4)を、 流動沸騰系 に拡張したものである。す なわち、加熱面上に生成 される大きな蒸気泡（合体 気泡あるいは２次気泡）
の下に存在する薄い液膜（ マクロ液膜）の消耗が冷 却限界へと達する考えである。このモデルによると、
冷却限界（CHF）は、下式
w v
fgmacro l w CHF
dq A A A h
(4)
で与えられる。前出の『加 熱面近傍に大きな速度変 動』により、加熱面直上の マクロ液膜内に、付加的 な液体の供給が期待され、この付加液体供給量は、
w d vib
macro
v A
(5)と推算される。ここで、d は 合体気泡の特性時間（プ ール沸騰では離脱周期）を 示し、ここでは合体気泡 の長さの計測値の平均値lbを合体気泡の代表速度の
10-1 100 101
0 5 10
Critical Heat Flux ratio qCHF %
Acceleration m/s2
5Hz Lee's date 2.010m/s 10Hz Lee's date 2.010m/s 30Hz Lee's date 2.010m/s 40Hz Lee's date 2.010m/s 2Hz vibration condition 1.33m/s 4Hz vibration condition 1.33m/s 20Hz vibration condition 1.33m/s 2Hz vibration condition 2.99m/s 4Hz vibration condition 2.99m/s 2Hz vibration condition 1.33m/s (Vertical vibration) 4-5 Hz
10-20 Hz 30-40 Hz
102 103 104
106 107
Mass flux G kg/m2s Critical Heat flux q CHF W/m2
Ivey-Morris for pool boiling
Vertical direction vibration condition to flow Steady flow
Oscillating table(2Hz,415Gal)
-0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006
-0.5 0 0.5 1 1.5 2
Ve loc ity m/s
Length from the center m 0s
0.05s 0.10s 0.15s 0.20s 0.25s 0.30s 0.35s 0.40s 0.45s 0.50s
総合研究所・都市減災研究センター（UDM）研究報告書（平成２２年度）
テーマ４ 小課題番号4.2-4 計測値の平均値ubで除する
d = lb / ub (6)
ことで推算した。また、Awは、合体気泡の長さの代 表 値 lbに 対 応 す る 加 熱 面 面 積 で あ る 。 な お 、 式(4) 中Avは、合体気泡下に存在 する蒸気茎（一次気泡）
の占める割合を示す。以上 の考察より、振動 加熱面 下のマクロ液膜厚さは、
vib b
w
w v
vib
macro,
1 v u A A A
(7)にて見積もられる。前出の マクロ液膜理論によると、
冷却限 界（CHF） とマ クロ 液膜厚 さと には、 下記の 関係がある。
3 / 1 macro
q
CHF
(8)すなわち、マクロ液膜理論 と 加熱面近傍の速度境界 層の時間変動によると、振動下の冷却限界は、
1/3,
,vib CHFstesdy 1 vib b w w v
CHF q v u A A A
q
(9) で与えられる。
Fig. 8に、前出の考察にて 与えられた、式(9)の計
算結果を示す。Fig.8 中に は、Fig.6 中の実 験結果も 併記した。Fig. 8 に示すよ うに、定量的に多尐の差 異 は あ る も の の 、 本 論 文 の 考 察 の 結 果 で あ る 式(9) の計算値は、Fig.6中の本実 験結果と一致する ことが わかり、『振動下の冷却限界の向上化は、加熱面近傍 に大きな速度変動により、 加熱面直上のマクロ液膜 内に、付加的な液体の供給 が期待され、その結果 、 冷却限界が向上化した』と考えられる。
10-1 100 101
0 5 10
Critical Heat Flux ratio qCHF %
Acceleration m/s2
2Hz Vibration condition 1.33m/s 4Hz Vibration condition 1.33m/s 20Hz Vibration condition 1.33m/s 2Hz Vibration condition 3.00m/s 4Hz Vibration condition 3.00m/s 2Hz Liquid sublayer model 3.00m/s
Fig. 8 Comparison with predictions based on liquid sub-layer model and experimental results
４．結言
地震発生時の都市型コジェ ネレーション（熱併給 発電）システムの地震防災 の評価システムを熱水力 学観点から検討することを目的に、数 Hz オーダーの 振動が限界熱流束（Critical Heat Flux, CHF）に及 ぼす影響を実験的に検討し、 (1) 加熱部の加振によ り CHF は上昇する、(2) 振 動加速度が大きい程 CHF の上昇率は大きい、ことを 示した。(3) この機構に ついて、Liquid sub-layer model からの検討を加え、
実験事実の説明に成功を収 めた。すなわち、加熱面 振動により、その近傍の速 度境界層の時間変動によ り、加熱面直上のマクロ液 膜内に、付加的な液体の 供給がなされ、冷却限界が 向上化した。これに関し て、モデル解析的に、定量 的検討も行い、この事実 を検証した。
参 考 文 献
1) Ohtake, H., Uchida, N. and Koizumi, Y., Study on Subcooled Flow Boiling Heat Transfer under Vibration Conditions, ICONE17-75738, pp. 1-5, 2009.
2) Lee, Y. H., Kim, D. H. and Chang, S. H., An Experimental Investigation on the Critical Heat Flux Enhancement by Mechanical Vibration in Vertical Round Tube, Nucl. Eng. Des., Vol. 229, pp.
47-58, 2004.
3) Schlicting, H., Boundary Layer Theory, 1979.
4) Haramura, Y. and Katto, Y., A New Hydrodynamic Model of Critical Heat Flux, Applicable Widely to Both Pool and Forced Convection Boiling on Submerged Bodies in Saturated Liquid, Trans. JSME, B, Vol. 49, pp. 1919-1927, 1983.