回転容器内におけるTiO₂-水ナノ流体の安定性と自然対流：実験的知見

概要

本研究では、-45°、0°、45°、90°に回転させた正方形容器内におけるTiO₂-水ナノ流体の安定性と自然対流熱伝達性能を調査しました。pH 8で6 wt%の分散剤を添加することで安定性を最適化し、最も低い透過率と最高の分散状態を得ました。実験ではナノ粒子濃度（0.1-0.5 wt%）と加熱電力（1-20 W）を変化させました。0°配向が最も高いヌセルト数を示し、次いで45°、90°の順で、-45°が最も低い結果となりました。熱伝達は粒子濃度と電力の増加に伴って向上しましたが、高電力では粘性効果により相対的な向上率は低下しました。

背景

ナノ流体は優れた熱伝導率を持つため、特に自然対流において熱伝達用途に魅力的です。Al₂O₃-水、CuO-水、TiO₂-水系について多数の数値研究が行われてきましたが、回転容器における実験データは乏しい状況でした。本研究は、回転がTiO₂-水ナノ流体の対流に及ぼす影響について実証的なエビデンスを提供することで、このギャップを埋めるものです。

手法

調製と安定性評価

TiO₂ナノ粒子（約10 nm、平板形状）を、機械攪拌（30分）と超音波処理（40分）の2段階プロセスで脱イオン水に分散させました。分散剤を6 wt%添加しpHを8に調整したところ、72時間後の沈殿が最小限で、透過率の最小値がτ ≈ 0.2となり、最も安定した懸濁液が得られました。粒子径分布はSEM、TEM、XRDで確認し、シェラー法による結晶子サイズは6-9 nmでした。

実験装置

銅製の長方形容器3種類（幅×高さ：10×20 cm、5×20 cm、20×20 cm）を用意し、左壁をシリコーンシートヒーターで加熱、右壁を水槽で冷却しました。6本の熱電対で壁面温度を測定し、流量計で熱損失を定量化しました。装置は重力に対する容器の回転を可能とし、-45°、0°、45°、90°の4角度で評価しました。

データ処理

主要な式：

• 熱入力：Q = UI
• 正味電力：Q_net = Q - Q_loss
• 高温側平均温度：T_h* = (T₁+…+T₆)/6
• 実効高温側温度：T_h = T_h* - Q_net·δ/(A·λ_w)
• 対流熱伝達係数：h = Q_net/[A(T_h-T_c)]
• ヌセルト数：Nu = h·W/λ_f

不確実性解析の結果、hで5.65%、Nuで6.34%となり、実験の信頼性が確認されました。

結果と考察

検証

純水のヌセルト数実測値は、アスペクト比A = 1:2、1:4、1:1において文献値と9%以内の誤差で一致し、システムの精度が確認されました。

アスペクト比 A = 1:2

ヌセルト数は0°まで回転角とともに増加し、45°と90°で減少しました。-45°では浮力駆動流れが制限されるため最も低いNuとなりました。粒子濃度を0.1から0.5 wt%に増加させると、1 Wで最大29%のNu向上が見られましたが、20 Wでは粘度上昇により相対的な利益は減少しました。加熱電力を1から20 Wに増加させると、Nuは最大581%増幅されました（0.5 wt%、0°）。

アスペクト比 A = 1:4

A = 1:2と同様の傾向でしたが、絶対的なNu値はより低くなりました。0°における0.5 wt%の向上率は、1 Wで6.5%、5 Wで20.7%の範囲でした。1から20 Wへの電力増加による熱伝達向上は242-702%に達しました。

アスペクト比の比較

Nuはアスペクト比の増大とともに上昇しました：A = 1:1 > A = 1:2 > A = 1:4。最良構成（A = 1:1、0°、20 W）では、0.5 wt%ナノ流体が純水に比べて最大701%高いNuを達成しました。0.1から0.3 wt%への向上は0.3から0.5 wt%より顕著で、伝導率と粘度のバランスを反映しています。

結論

1. 6 wt%分散剤とpH 8で安定性が最大化される
2. 回転角0°が最高Nu、-45°が最低Nuを示す
3. アスペクト比の増大が熱伝達を著しく改善（最大224%向上）
4. Nuは粒子濃度とともに増加するが、高電力では相対的メリットが減少
5. 全体としてNuを純水比で最大701%向上可能