第 1 節 実 験 装 置 設 備 の 確 認 1.1 実 験 装 置 本 実 験 では 業 務 用 ガスコンロ(FUJIMAK 製 ガスローレンジ PGTL6-75A 14kw) 業 務 用 IH クッキングヒーター(FUJIMAK 製 電 磁 ローレンジ FICL5A 5kw) および IH 対

第 二 章 IH 加 熱 時 の 伝 熱 特 性 調 理 は 単 に 食 材 を 加 熱 するだけではなく 食 材 出 来 上 がりのこげ 加 減 など 視 覚 的 に 食 欲 を 促 進 させるためには 加 熱 性 能 も 重 要 な 要 素 になる IH とガス 加 熱 で 調 理 した 場 合 に 味 が 変 わると 言 われているが IH とガス 加 熱 で 直 接 味 に 影 響 す ることは 考 えにくい この 原 因 として 加 熱 出 力 と 加 熱 面 の 位 置 の 違 いによる 対 流 の 大 きさと 方 向 が 違 うことによって 昇 温 速 度 および 調 味 液 の 拡 散 速 度 に 影 響 し 結 果 として 味 や 物 性 が 変 わるものと 考 えられる そこで 本 章 では 業 務 用 ガスコンロと 業 務 用 IH クッキングヒーターを 用 いて 加 熱 位 置 が 対 流 の 大 きさと 方 向 にどのように 影 響 するか 検 討 を 行 う そのために まず 鍋 を 空 焚 きしたとき 放 射 温 度 計 により 加 熱 面 温 度 分 布 の 測 定 を 行 った また 鍋 内 対 流 のシミュレーションを 行 う 境 界 条 件 としての 熱 流 束 を 決 めるために 熱 流 束 センサーで 鍋 8 箇 所 の 熱 流 束 値 を 測 定 した なお 熱 流 束 センサー(CAPTEC 製 )は センサー 表 面 に 流 入 出 する 伝 導 対 流 輻 射 熱 流 束 が 高 精 度 に 計 測 でき センサー 部 は 高 密 度 薄 膜 サーモパイルで 構 成 さ れており 高 感 度 と 低 熱 抵 抗 を 共 に 実 現 する 熱 流 束 センサーである また このセ ンサーは 熱 損 失 を 最 小 限 に 抑 えられ 温 度 変 化 による 感 度 の 変 動 が 全 くなく 真 の 熱 流 束 値 を 直 接 記 録 できる また 放 射 温 度 計 は 物 体 から 放 射 される 赤 外 線 や 可 視 光 線 の 強 度 を 測 定 ( 非 接 触 で 測 定 可 能 )して 物 体 の 温 度 を 測 定 する 温 度 計 であ る 本 研 究 で 用 いた 放 射 温 度 計 (NEC 製 TH712WV)は 高 速 短 時 間 で 温 度 測 定 が 可 能 となっている 8

第 1 節 実 験 装 置 設 備 の 確 認 1.1 実 験 装 置 本 実 験 では 業 務 用 ガスコンロ(FUJIMAK 製 ガスローレンジ PGTL6-75A 14kw) 業 務 用 IH クッキングヒーター(FUJIMAK 製 電 磁 ローレンジ FICL5A 5kw) および IH 対 応 業 務 用 ステンレス 三 層 寸 胴 鍋 ((46ι)φ39 H39 mm)と 半 寸 胴 鍋 ((3ι)φ39 H25 mm)を 用 いて 実 験 を 行 った 図 2-1 に 外 観 を 表 1 に IH と ガスの 設 置 パラメータを 示 した 図 2-1 装 置 外 観 表 1 IH とガスの 設 置 パラメータ IH ガス 外 形 寸 法 (mm) 6(W) 75(D) 7(H) 62.4(W) 75(D) 7(H) 加 熱 方 式 電 磁 誘 導 加 熱 (コイル 径 29cm) 輻 射 加 熱 ( 二 重 バーナー) エネルギー 供 給 5kW 12kcal/h 製 品 重 量 5kg 6kg 1.2 鍋 周 りの 風 速 各 コンロの 上 にはフードとファンが 取 り 付 けられているが 各 コンロを 使 用 する 場 合 は それぞれのファンをまわした 鍋 周 りの 風 速 を 以 下 のように 計 測 した 9

1.2.1 実 験 方 法 寸 胴 鍋 または 半 寸 胴 鍋 を IH コンロとガスコンロにおき 加 熱 時 と 非 加 熱 時 で 熱 線 式 風 速 計 (45-V1( 使 用 雰 囲 気 温 度 -5 ))を 用 いて 寸 胴 鍋 または 半 寸 胴 鍋 の 周 り 度 ( 手 前 側 )から 315 度 まで 逆 時 計 方 向 へ 45 度 間 隔 で 寸 胴 と 半 寸 胴 の 上 中 下 部 の 風 速 分 布 を 測 定 した 1.2.2 結 果 と 考 察 IH コンロおよびガスコンロに 火 をつけない 状 態 で 鍋 周 りの 風 速 を 測 定 した 結 果 を 図 2-2-1 から 図 2-2-4 に 示 した 図 から IH コンロとガスコンロでその 風 速 はほ ぼ 等 しいことがわかる また 両 者 とも 円 周 方 向 の 風 速 はほぼ 等 しく 軸 対 象 性 は 成 り 立 つと 言 える 一 方 高 さ 方 向 には 風 速 に 分 布 があり 上 部 のほうが 風 速 は 大 きい これは 鍋 はコンロ 台 ( 天 板 )の 上 に 置 かれているため 真 下 から 風 は 来 る ことがなく 回 り 込 んでくるためと 考 えられる 同 様 に IH コンロに 電 力 を 供 給 したときの 結 果 を 図 2-3-1 図 2-3-2 に 示 した 図 から 電 力 を 供 給 しても 風 速 に 大 きな 影 響 はないことがわかる なお ガスコン ロの 場 合 火 をつけると 鍋 周 りの 温 度 が 上 がり 風 速 計 の 使 用 条 件 を 超 えてしまう ため 風 速 の 測 定 は 行 わなかった 1

.3.3 上 中 下 上 中 下.2.2 風 速 (m/s).1 風 速 (m/s).1. 9 18 27 度. 9 18 27 度 図 2-2-1 寸 胴 周 りの 風 速 分 布 (IH) 図 2-2-2 寸 胴 周 りの 風 速 分 布 (ガス).3 上 中 下.3 上 中 下 風 速 (m/s).2.1 風 速 (m/s).2.1. 9 18 27 度. 9 18 27 度 図 2-2-3 半 寸 胴 周 りの 風 速 分 布 (IH) 図 2-2-4 半 寸 胴 周 りの 風 速 分 布 (ガス).3.3 上 中 下 上 中 下 風 速 (m/s).2.1 風 速 (m/s).2.1. 9 18 27 度. 9 18 27 度 図 2-3-1 寸 胴 周 りの 風 速 分 布 (IH) 図 2-3-2 半 寸 胴 周 りの 風 速 分 布 (IH) 11

1.3 IH とガスの 出 力 調 整 IH とガス 加 熱 を 比 較 する 場 合 加 熱 方 式 が 異 なるため 条 件 を 全 く 同 じとする ことはできないが 基 準 となる 条 件 を 設 定 する 必 要 がある 本 研 究 では 鍋 に 投 入 するエネルギーが 等 しい 条 件 下 で 比 較 実 験 を 行 った そこで IH およびガスコン ロにおいて その 出 力 目 盛 りと 投 入 エネルギーの 相 関 を 求 めるため 以 下 の 実 験 を 行 った 1.3.1 方 法 直 径.39m の 寸 胴 鍋 および 半 寸 胴 鍋 にそれぞれ 3L 2L の 水 を 入 れ IH の 出 力 を 調 節 して 加 熱 を 行 った その 際 中 心 付 近 に 熱 電 対 を 設 置 し 攪 拌 しながら 水 温 を 測 定 した 一 方 ガスコンロについては 最 大 火 力 ( 瞬 時 流 量 1.16m 3 /h)で 3 から 4 までの 昇 温 時 間 を 測 定 した 1.3.2 結 果 と 考 察 IH コンロの 出 力 を 変 えて 投 入 熱 量 を 測 定 した 結 果 を 図 2-4 に 示 した 図 から 寸 胴 半 寸 胴 鍋 で 大 きな 差 はなく 出 力 と 投 入 熱 量 は 直 線 関 係 にあることがわかる ガスコンロで 寸 胴 半 寸 胴 また 外 輪 鍋 を 3 から 4 まで 加 熱 した 場 合 の 所 要 時 間 はそれぞれ 35 秒 253 秒 144 秒 で 流 入 熱 量 は 3.54kJ/s 3.26kJ/s 2.9kJ/sであった これらは IH88% 84% 8%の 出 力 ( 瞬 時 電 力 4.31kw 4,11kw 3.95kw)で 加 熱 する 場 合 に 相 当 する 図 2-4 IH 出 力 と 鍋 流 入 熱 量 の 関 係 (.39m 寸 胴 鍋 ) 12

1.4 熱 流 束 センサーの 検 定 鍋 の 壁 面 から 流 入 する 熱 量 を 測 定 するために 本 研 究 では 熱 流 速 センサーを 用 い た 測 定 にあたって 熱 流 束 センサー 自 体 に 抵 抗 があるため センサーによる 測 定 値 は 鍋 の 熱 流 束 値 ( 貼 っていない 場 所 )と 値 が 異 なる そこで 熱 流 束 センサーの 値 を 検 定 し 補 正 係 数 を 求 めた 1.4.1 方 法 使 用 した 鍋 と 熱 流 速 センサーは 以 下 に 示 すとおりである 直 径.24m 高 さ.24m のステンレス 寸 胴 CAPTEC 製.3.3m 2 熱 流 束 センサー( 耐 熱 温 度 -2~2[ ] 熱 流 束 範 囲 -5~5[kw/m 2 ]) 寸 胴 の 周 りを 断 熱 するために 厚 さ.1m の 発 泡 スチロールで 寸 胴 を 覆 い テー プで 固 定 した 寸 胴 と 発 泡 スチロールの 隙 間 に 水 が 入 らないようにシリコーンシ ーラントを 注 入 した 熱 流 束 センサーは 裏 面 にペーストを 薄 く 塗 って 寸 胴 底 面 の 中 心 に 固 定 した また 熱 流 束 センサーのすぐ 隣 にシート 型 熱 電 対 も 固 定 し K 型 熱 電 対 を 水 の 中 心 に 設 置 した( 図 2-5) 直 径.39m の 鍋 に 水 をいれ 沸 騰 させた 後 その 鍋 に 6L の 水 道 水 を 入 れた 寸 胴 を 迅 速 に 入 れ 加 熱 し 攪 拌 しながら 寸 胴 内 熱 流 束 と 温 度 を 記 録 した 寸 胴 内 中 心 付 近 温 度 が 2 上 昇 した 時 点 で 加 熱 と 測 定 を 停 止 した 熱 流 束 センサーと 熱 電 対 の 値 から 水 の 吸 収 熱 量 を 求 めた (a) 斜 め (b) 側 面 (c) 底 面 図 2-5 実 験 装 置 図 13

1.4.2 結 果 と 考 察 熱 流 速 および 鍋 底 面 鍋 中 心 の 温 度 測 定 結 果 を 図 2-6 に 示 した この 結 果 より 以 下 のようにセンサー 補 正 係 数 を 求 めた 加 熱 前 の 水 温 は 26.3 加 熱 後 の 水 温 は 46.3 )で 寸 胴 の 底 面 積 は A =4.523 1-2 m 2 であるから 加 熱 前 後 の 温 度 差 から 計 算 した 入 熱 量 は Qr=4.951 4.951*1 1 5 J である 熱 流 束 (w/m 2 ) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 底 熱 流 束 中 心 水 温 底 温 度 6 12 18 24 3 36s 8 7 6 5 4 3 2 1 温 度 ( ) 図 2-6 寸 胴 と 水 における 熱 流 束 及 び 温 度 分 布 一 方 熱 流 束 センサーの 値 による 入 熱 量 はセンサーの 1 秒 ごとの 測 定 値 を 足 し 合 わせることにより 得 られる Qs=A (q1+q2+q3+ )=1.193 1.193*1 1 5 J し た が っ て セ ン サ ー 補 正 係 数 は f=qr/qs=4.15 と な る 14

第 2 節 発 熱 分 布 測 定 ( 放 射 温 度 計 による 鍋 温 度 の 測 定 ) IH コンロおよびガスコンロにおいて 加 熱 時 にどこの 部 分 が 加 熱 されるかを 確 認 するために 放 射 温 度 計 (NEC 製 TH712WV)を 用 いて 加 熱 時 の 鍋 温 度 分 布 を 計 測 した 鍋 は 直 径.39m の 寸 胴 鍋 で 行 った 2.1 方 法 寸 胴 鍋 の 底 面 の 中 心 にシート 型 の 熱 電 対 を 取 り 付 け IH( 出 力 88%)とガス( 最 大 火 力 )で 加 熱 し その 時 の 底 面 側 面 の 温 度 分 布 を 放 射 温 度 計 で 撮 影 した なお 熱 電 対 測 定 温 度 と 放 射 温 度 計 測 定 値 が 一 致 するように 放 射 率 を 補 正 したところ 底 面 側 面 の 放 射 率 はそれぞれ.16.21 であった 2.2 結 果 と 考 察 鍋 底 面 の 加 熱 時 間 と 温 度 の 関 係 を 図 2-7 鍋 側 面 の 結 果 を 図 2-8 に 示 した 赤 い 暖 色 は 温 度 が 高 く 色 が 青 い 寒 色 は 温 度 が 低 い IH で 加 熱 した 鍋 の 底 面 をみると コイルのある 部 分 の 温 度 上 昇 が 大 きく くっきりとドーナツ 状 に 発 熱 していること がわかる また そのほかの 部 分 は 加 熱 されないため 加 熱 箇 所 とそれ 以 外 の 領 域 で 温 度 差 は 大 きい 一 方 ガスは 炎 が 鍋 底 部 を 覆 うように 出 ているため 鍋 底 の 角 の 部 分 の 温 度 上 昇 が 大 きくなっている しかし IH に 比 べて 全 体 的 に 加 熱 されて いるため 温 度 差 は 小 さい 15

図 2-7-1 鍋 上 部 からの 写 真 図 2-7-2 IH 6 秒 図 2-7-3 ガス 6 秒 図 2-7-4 IH 9 秒 図 2-7-5 ガス 9 秒 16

図 2-7-6 IH 12 秒 図 2-7-7 ガス 12 秒 (5.) 24. 21. 18. 15. 12. 9. 6. 3.. (.) (5.) 24. 21. 18. 15. 12. 9. 6. 3.. (.) 図 2-7-8 IH 15 秒 図 2-7-9 ガス 15 秒 図 2-7-1 ガス 2 秒 図 2-7-11 ガス 3 秒 17

図 2-8-1 鍋 側 面 の 写 真 図 2-8-2 IH 6 秒 図 2-8-3 ガス 6 秒 図 2-8-4 IH 9 秒 図 2-8-5 ガス 9 秒 図 2-8-6 IH 15 秒 (5.) 1. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. (.) (5.) 1. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. (.) 図 2-8-7 ガス 15 秒 18

第 3 節 加 熱 時 の 熱 流 束 測 定 および 温 度 測 定 3.1 熱 流 束 センサーの 再 検 定 熱 流 束 センサーの 検 定 について すでに 1.4 熱 流 束 センサーの 検 定 で 述 べた し かし 鍋 底 面 の 発 熱 分 布 測 定 からも 分 かるとおり IH コイルの 直 上 の 領 域 は 発 熱 量 が 大 きく 高 温 となる そのため 熱 流 束 センサーの 使 用 限 界 温 度 を 越 え センサーが 破 損 した そこで 高 温 となる 場 所 においては 熱 抵 抗 をつけるためにセンサーの 下 にア ルミのテープを 貼 り センサーが 高 温 になるのを 防 いだ このとき センサーの 補 正 係 数 はさらに 小 さくなるので 再 検 定 を 行 った 3.1.1 方 法 使 用 した 鍋 と 熱 流 速 センサーは 以 下 に 示 すとおりである 直 径.24m 高 さ.24m のステンレス 寸 胴 CAPTEC 製.3.3m 2 熱 流 束 センサー( 耐 熱 温 度 -2~2[ ] 熱 流 束 範 囲 -5~5[kw/m 2 ]) IH で 加 熱 した 場 合 底 面 に 貼 り 付 けた 熱 流 束 センサーが 破 損 した これは セ ンサー 自 体 に 熱 抵 抗 があるため 鍋 との 接 触 部 分 の 温 度 が 高 くなりすぎたものと 考 えられる そこで センサーの 下 にアルミテープを 貼 り 付 け 過 度 の 温 度 上 昇 を 防 いだ センサーの 取 り 付 け 方 は 図 2-9 に 示 したように 鍋 の 底 面 に 熱 電 対 を 設 置 し アルミテープを 覆 い さらに 上 にペーストを 薄 く 塗 った 熱 流 束 センサーを 取 り 付 け た 熱 流 束 センサー ペースト 熱 電 対 鍋 の 底 アルミテープ 図 2-9 熱 流 束 センサーの 取 り 付 け 断 面 図 19

3.1.2 結 果 と 考 察 水 温 上 昇 から 求 めた 流 入 熱 量 と 熱 流 束 センサーから 求 めた 熱 流 量 が 一 致 するよ うに 決 めた 補 正 係 数 は 各 センサーによってその 値 は 若 干 異 なるものの 全 てのセ ンサーについて 約 8であった この 値 はアルミテープを 貼 らない 場 合 よりも 2 倍 ほ ど 大 きい また 88%IH 出 力 の 時 最 大 温 度 が 175 ガスの 場 合 全 火 力 で 最 大 温 度 は 15 であった 3.2 鍋 壁 面 の 温 度 測 定 3.2.1 方 法 図 2-1 の 位 置 に 熱 電 対 を 設 置 し 水 の 入 った 鍋 を IH およびガスで 加 熱 し 鍋 壁 面 の 温 度 分 布 を 測 定 した 鍋 には 寸 胴 鍋 ( 直 径.39m 高 さ.39m) 半 寸 胴 鍋 (( 直 径.39m 高 さ.25m) 外 輪 鍋 ( 直 径.39m 高 さ.13m)の 3 種 類 を 使 用 した 熱 電 対 8 熱 流 束 センサー8 23 251 39 熱 電 対 1 熱 流 束 センサー1 図 2-1 熱 流 束 センサーと 熱 電 対 の 設 置 3.2.2 結 果 と 考 察 図 2-11 に 寸 胴 鍋 壁 面 の 温 度 変 化 を 示 した IH の 場 合 ( 図 2-11-1) 鍋 底 面 にお けるコイル 近 傍 の 測 定 点 (1,2,3)は 加 熱 直 後 の 温 度 上 昇 が 大 きい これは 加 熱 開 始 とともに 底 面 が 発 熱 するためである 一 方 鍋 側 面 の 測 定 点 (5,6,7,8)は 徐 々に 温 度 が 上 昇 するが これは 温 まった 水 により 間 接 的 に 加 熱 されるためである そのため これらの 点 の 温 度 上 昇 はほぼ 等 しい 底 面 のコイルから 外 れている 測 定 点 (4)は 側 面 より 若 干 高 いものの 側 面 と 同 じように 温 度 上 昇 している この 2

ことから 底 面 においても 鍋 自 体 の 熱 伝 導 よりも 水 を 通 して 加 熱 されることがわか る ガスにおいては( 図 2-12-2) 鍋 の 底 面 (1,2,3,4)が 速 く 加 熱 されるが IH に 比 べると 遅 い また 側 面 は 下 の 位 置 ほど 加 熱 速 度 は 大 きく 炎 によって 鍋 の 側 面 も 加 熱 されていることがわかる 同 様 に 半 寸 胴 鍋 および 外 輪 鍋 の 結 果 も 図 2-12-3~2-12-6 に 示 した 12 1 2 8 3 温 度 ( ) 6 4 4 1 5 6 7 8 2 4 8 12 16 2 24 28 時 間 (s) 図 2-11-1 寸 胴 鍋 の 温 度 変 化 (IH 出 力 88%) 12 1 8 2 3 1 温 度 ( ) 6 4 5 6 4 7 8 2 4 8 12 16 2 24 28 時 間 (s) 図 2-11-2 寸 胴 鍋 の 温 度 変 化 (ガス 1% 出 力 ) 21

12 1 8 2 3 温 度 ( ) 6 1 4 4 5 6 7 2 4 8 12 16 時 間 (s) 図 2-11-3 半 寸 胴 鍋 の 温 度 変 化 (IH 出 力 84%) 12 1 温 度 ( ) 8 6 3 2 4 1 5 6 4 5 2 7 4 8 12 16 2 時 間 (s) 図 2-11-4 半 寸 胴 鍋 の 温 度 変 化 (ガス 1% 出 力 ) 22

12 1 2 1 8 3 4 温 度 ( ) 6 5 4 2 4 8 時 間 (s) 図 2-11-5 外 輪 鍋 の 温 度 変 化 (IH 出 力 8%) 12 1 8 4 2 温 度 ( ) 6 3 1 5 4 2 4 8 時 間 (s) 図 2-11-6 外 輪 鍋 の 温 度 変 化 (ガス 1% 出 力 ) 23

3.3 鍋 壁 面 の 熱 流 束 測 定 3.3.1 方 法 図 2-1 の 位 置 に 熱 流 束 センサーを 設 置 し 寸 胴 鍋 ( 水 量 3L)を IH およびガスで 加 熱 し 鍋 の 熱 流 束 を 測 定 した 3.3.2 結 果 と 考 察 3.3.2.1 熱 流 束 の 時 間 変 化 図 2-12 に 鍋 底 面 の 熱 流 束 変 化 を 示 した IH の 場 合 ( 図 2-12-1) 鍋 底 面 にお けるコイル 直 上 の 測 定 点 (2,3)の 熱 流 束 は 大 きく コイルから 外 れている 点 (4) の 熱 流 束 は 小 さいことがわかる これらの 結 果 は 鍋 底 面 における 温 度 測 定 データと 一 致 する しかし 鍋 底 中 心 点 (1)においては 熱 流 束 値 は 小 さいものの 温 度 測 定 値 は 大 きくなっている これは 測 定 点 (4)に 比 べてコイルに 近 く 鍋 自 体 の 熱 伝 導 により 温 度 が 上 昇 したものと 思 われる 一 方 ガスの 場 合 ( 図 2-12-2) 各 測 定 点 における 熱 流 束 はほぼ 均 一 であるが 外 周 辺 部 の 測 定 点 (4)の 熱 流 束 はほ かの 測 定 点 より 比 較 的 に 大 きかった 業 務 用 ガスコンロの 場 合 外 輪 の 火 力 が 強 く 炎 が 外 側 に 向 かって 進 行 するためと 考 えられる 図 2-13 に 鍋 側 面 の 熱 流 束 変 化 を 示 した IH の 場 合 ( 図 2-13-1) 加 熱 初 期 から 熱 流 束 の 値 はマイナスとなっている これは 鍋 の 側 壁 をとおして 熱 が 逃 げている すなわち 冷 却 面 になっていることを 示 す また 時 間 とともにマイナスの 値 が 大 き くなっているが これは 水 の 温 度 が 上 昇 するために より 熱 が 逃 げていくためであ る 一 方 ガスの 場 合 ( 図 2-13-2)は 側 壁 下 部 における 測 定 点 (5)の 熱 流 束 が 大 きい 底 面 外 周 部 の 熱 流 束 が 大 きいのと 同 じ 理 由 で 炎 が 鍋 側 壁 株 に 当 たってい るためである 測 定 点 が 上 部 にいくに 従 い(6,7,8) 熱 流 束 の 値 は 小 さくなる さらに 測 定 点 (7,8)においては 途 中 で 熱 流 束 がマイナスとなるが 加 熱 によ って 水 温 が 高 くなり 放 熱 量 が 加 熱 量 よりも 大 きくなるためと 考 えられる 24

熱 流 束 ( w / m 2 ) 16 14 12 1 8 6 4 2-2 2 3 1 4 2 4 6 8 1 時 間 (s) 図 2-12-1 寸 胴 鍋 底 面 の 熱 流 束 変 化 (IH(88%)) 8 熱 流 束 ( w / m 2 6 4 2 4 1 2 3 2 4 6 8 1 時 間 (s) 図 2-12-2 寸 胴 鍋 底 面 の 熱 流 束 変 化 (ガス(1%)) 25

熱 流 束 ( w / m 2 ) -2-4 -6-8 -1-12 -14-16 4 8 12 16 2 24 28 8 7 6 5-18 -2 時 間 (s) 図 2-13-1 寸 胴 鍋 側 面 の 熱 流 束 変 化 (IH(88%)) 熱 流 束 ( w / m 2 ) 16 14 12 1 8 6 4 5 6 2-2 4 8 12 7 8 16 2 24 28 時 間 (s) 図 2-13 寸 胴 鍋 側 面 の 熱 流 束 変 化 (ガス(1%)) 26

3.3.2.2 熱 流 束 測 定 値 の 検 証 (1)で 求 めた 熱 流 束 について 妥 当 性 を 検 証 するために 水 温 上 昇 からの 熱 量 と 比 較 し 検 証 を 行 った 水 温 を 2 上 昇 させた 時 の 熱 量 :Q=2.475 2.475 1 6 J 底 面 各 位 置 の( 熱 流 束 時 間 J/m 2 )の 合 計 は 測 定 値 を 時 間 で 積 分 することによ り 得 られる さらに 熱 量 を 求 めるためには 面 積 が 必 要 であるが 各 センサーの 位 置 の 面 積 として 図 2-14 のように 近 似 した R4= 19.5cm 熱 流 束 センサーから 求 めた 熱 量 底 面 熱 流 束 センサー1 2 3 4 R3= 12.5cm Q1=2.43*1 4 J Q2=.85*1 6 J 4 3 2 1 R2= 7.5cm Q3=2.12*1 6 J Q4=2.73*1 5 J 側 面 の 損 失 熱 量 Q 損 =3.1*1 4 J R1= 2.5cm Q=Q1+Q +Q2+Q +Q3+Q +Q4-Q 損 =3.2*1 6 J 図 2-14 鍋 底 面 の 面 積 図 2-14 に 示 した 面 積 はかなり 概 算 的 であり 得 られた 熱 量 は 概 算 となる この 点 を 考 慮 すると 水 温 上 昇 から 求 めた 熱 量 とセンサーから 求 めた 熱 量 は 概 ね 一 致 す るといえる 3.3.2.3 熱 流 束 分 布 図 2-15 図 2-16 にそれぞれ 鍋 底 面 の 半 径 方 向 熱 流 束 分 布 鍋 側 面 の 鉛 直 方 向 熱 流 束 分 布 を 示 した 測 定 時 間 は 加 熱 後 5 分 と 1 分 を 示 している IH の 底 面 ( 図 2-15-1)においては ドーナツ 状 に 熱 流 束 が 大 きく ガスの 底 面 ( 図 2-15-2) では 外 周 部 が 大 きいことがわかる また 5 分 と 1 分 では 大 きな 差 はないが 若 干 1 分 のほうが 大 きい 27

1 8 5min 1min 熱 流 束 (w /m 2 ) 6 4 2-2 -15-1 -5 5 1 15 2 位 置 (cm) 図 2-15-1 鍋 底 面 半 径 方 向 の 熱 流 束 分 布 (IH) 8 5min 1min 6 熱 流 束 ( w / m 2 ) 4 2-2 -15-1 -5 位 置 (cm) 5 1 15 2 図 2-15-2 鍋 底 面 半 径 方 向 の 熱 流 束 分 布 (ガス) 28

-2 5 1 15 2 25-4 熱 流 束 (w/m2) -6-8 -1-12 1min 2min 3min -14 位 置 (cm) 図 2-16-1 鍋 側 面 鉛 直 方 向 の 熱 流 束 分 布 (IH) 14 12 1 熱 流 束 (w/m2) 8 6 4 2-2 5 1 15 2 25 位 置 (cm) 1min 2min 3min 図 2-16-2 鍋 側 面 鉛 直 方 向 の 熱 流 束 分 布 (ガス) 29

3.3.2.4 熱 流 束 と 温 度 分 布 の 関 係 鍋 内 対 流 のシミュレーションを 行 うためには 境 界 条 件 として 熱 流 束 を 入 れる 必 要 があるが 熱 流 束 の 測 定 点 数 には 限 りがあり 半 径 方 向 の 関 数 として 表 すのには 点 数 が 少 ない そこで 測 定 点 数 の 多 い 温 度 測 定 データとの 比 較 を 行 った 比 較 結 果 を 図 2-17 に 示 した IH の 場 合 ( 図 2-17-1) ドーナツ 状 に 値 が 大 きく なる 傾 向 は 一 致 しているが その 大 きさには 差 がある これは 鍋 表 面 の 温 度 は 鍋 自 体 の 熱 伝 導 と 水 との 熱 伝 達 が 影 響 し 必 ずしもその 温 度 は 発 熱 量 あるいは 熱 流 束 と 相 関 がないものと 考 えられる ガスの 場 合 ( 図 2-17-2)も 同 様 に 鍋 底 面 温 度 と 熱 流 束 に 相 関 は 見 られない 水 を 入 れない 状 態 で 加 熱 したときの 放 射 温 度 計 で 求 めた 温 度 分 布 と 熱 流 束 を 比 較 した 結 果 を 図 2-18 に 示 した IH の 場 合 ( 図 2-18-1) 分 布 の 形 状 は 加 熱 時 間 15 秒 の 温 度 分 布 と 熱 流 束 分 布 はよく 一 致 していることがわかる 空 焚 きの 場 合 水 と の 熱 伝 達 もなく 加 熱 時 間 も 短 いため 発 熱 分 布 と 温 度 分 布 が 一 致 し 結 果 として 熱 流 束 と 一 致 するものと 思 われる また ガスの 場 合 ( 図 2-18-2)も 熱 流 束 と 温 度 分 布 が 一 致 した 傾 向 が 見 られた 3

12 1 9 1 8 温 度 ( ) 8 6 4 温 度 (5min) 熱 流 束 (5min) 温 度 (1min) 熱 流 束 (1min) 7 6 5 4 3 熱 流 束 ( w / m 2 ) 2 2 1-15 -1-5 5 1 15 位 置 (cm) 図 2-17-1 加 熱 時 の 底 面 温 度 分 布 と 熱 流 束 (IH) 8 7 7 6 6 5 温 度 ( ) 5 4 3 2 温 度 (5min) 熱 流 束 (5min) 温 度 (1min) 熱 流 束 (1min) 4 3 2 熱 流 束 ( w / m 2 ) 1 1-15 -1-5 5 1 15 位 置 (cm) 図 2-17-2 加 熱 時 の 底 面 温 度 分 布 と 熱 流 束 (ガス) 31

1 25. 8 I15s I12s 熱 流 束 (5min) 熱 流 束 (1min) I3s 2. 熱 流 束 (w/m 2 ) 6 4 I6s I9s 15. 1. 温 度 ( ) 2 I3s 5.. -2-15 -1-5 5 1 15 2 位 置 (cm) 図 2-18-1 空 焚 き 時 の 温 度 分 布 と 熱 流 束 の 比 較 (IH) 1 8 熱 流 束 (5min) G3s 熱 流 束 (1min) G6s G15s 12. 1. 熱 流 束 ( w / m 2 ) 6 4 2 8. 6. 4. 2. 温 度 ( ). -2-15 -1-5 5 1 15 2 位 置 (cm) 図 2-18-2 空 焚 き 時 の 温 度 分 布 と 熱 流 束 の 比 較 (ガス) 32

3.4 加 熱 時 の 水 温 測 定 3.4.1 方 法 実 験 条 件 は 次 のとおりである 直 径 39m 高 さ 39m のステンレス 寸 胴 水 量 3l 投 入 熱 量 IH: 出 力 (88%)4.31kw/s ガス: 出 力 ( 全 火 力 )1.16m 3 /h 測 定 位 置 は 図 2-19 に 示 すように 鍋 中 央 3 深 度 ( 底 から 5mm 125mm 245mm) 鍋 中 央 から R/2 のところに 同 様 に 3 深 度 鍋 壁 から 5mm で 同 様 に 3 深 度 に 熱 電 対 (k 型 φ 1mm)を 設 置 した 1 4 7 5 2 5 8 12 3 6 9 5 R /2 5 12 R 図 2-19 測 定 位 置 3.4.2 結 果 と 考 察 温 度 測 定 結 果 を 図 2-2 に 示 した IH( 図 2-2-1)とガス( 図 2-2-2)でほぼ 同 じ ように 温 度 が 上 昇 している これは 平 均 温 度 上 昇 が 同 じになるように 出 力 を 調 整 しているためである しかし 両 図 を 比 較 すると IH のほうが 温 度 の 振 動 が 激 し い 特 に IH で 加 熱 した 水 の 位 置 6 の 温 度 が 他 の8 箇 所 より 明 らかに 高 く 振 動 していた この 近 くにちょうど 電 磁 コイルが 設 置 されたところであるため 熱 電 対 に 電 磁 コイルの 影 響 があったのか または 対 流 の 影 響 に 由 来 したのか 不 明 である そこで 電 磁 コイルの 影 響 を 検 証 するために 以 下 の 実 験 を 行 った IH で 2 分 間 加 熱 した 後 スイチを 消 し 1 分 経 過 後 また 2 分 間 加 熱 する この 操 作 を 3 回 繰 り 返 した その 結 果 を 図 2-21 に 示 した 図 から IH コイルに 通 電 して いるとき コイル 直 上 の 温 度 が 上 昇 し 激 しく 振 動 しているが 通 電 を 止 めると 温 度 が 下 がり 振 動 もなくなることがわかる この 結 果 から 通 電 時 に 温 度 上 昇 と 振 動 が 起 こることがわかるが 対 流 が 原 因 とも 考 えられる そこで 位 置 3 および 6 のと ころに 光 ファイバー 温 度 計 センサーを 加 え 熱 電 対 とともに 同 様 に 再 測 定 した( 図 2-22) 光 ファイバー 温 度 計 センサーはガラスであるため 電 磁 波 の 影 響 を 受 けない しかし 通 電 時 に 温 度 が 上 昇 し 熱 電 対 と 同 様 に 振 動 していることから 電 磁 波 の 33

影 響 でないことがわかる 以 上 の 結 果 から IH の 場 合 コイル 直 上 の 鍋 底 面 にお いて 対 流 が 起 きていることが 予 想 される 1 8 温 度 ( ) 6 4 6 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 12 18 24 時 間 (s) 図 2-2-1 加 熱 時 間 と 水 中 温 度 変 化 (IH) 1 8 温 度 ( ) 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 12 18 24 時 間 (s) 図 2-2-2 加 熱 時 間 と 水 中 温 度 変 化 (ガス) 34

4 35 3 6 温 度 ( ) 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 12 18 24 3 36 42 48 54 時 間 (s) 図 2-21 間 断 加 熱 による 水 温 変 化 (IH) 5 45 6 温 度 ( ) 4 35 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 1 2 3 4 5 6 時 間 (s) 図 2-22-1 熱 電 対 による 水 温 測 定 (IH) 35

5 45 温 度 ( ) 4 35 3 光 (3) 光 (6) 25 1 2 3 4 5 6 時 間 (s) 図 2-22-2 光 ファイバー 温 度 計 による 水 温 測 定 (IH) 36

結 言 放 射 温 度 計 により 鍋 空 焚 き 時 の 温 度 を 測 定 したところ ガス 加 熱 では 鍋 底 と 側 面 の 角 の 領 域 が 最 も 高 温 になり IH では 底 面 にドーナツ 状 の 高 温 領 域 ができるこ とを 確 認 した これは ガスの 場 合 炎 の 位 置 に 関 係 し IH ではコイルの 位 置 が 関 係 する また この 加 熱 面 の 位 置 の 違 いが 流 体 の 対 流 に 影 響 するものと 思 われる 底 面 と 側 面 に 熱 流 速 センサーを 取 り 付 け 熱 流 束 の 測 定 を 行 ったところ IH で は 底 面 コイル 上 部 の 熱 流 束 が 大 きくなり 放 射 温 度 計 による 測 定 結 果 と 一 致 した また 側 面 部 は 熱 流 束 の 値 がマイナスとなり 冷 却 面 となっていることがわかった 一 方 ガス 加 熱 においては 鍋 底 周 辺 と 側 面 下 部 の 領 域 の 熱 流 束 値 が 大 きくなった この 傾 向 は 放 射 温 度 計 による 測 定 結 果 と 傾 向 は 一 致 した 鍋 内 部 に 熱 電 対 を 設 置 し 鍋 内 部 の 温 度 上 昇 を 測 定 したところ 平 均 的 な 温 度 上 昇 は IH とガス 加 熱 で 変 わらないものの IH のコイル 上 部 の 温 度 は 他 点 よりも 高 く 激 しく 振 動 していた これは IH コイル 上 部 の 熱 流 束 は 大 きく 対 流 も 大 きい ためと 推 測 した 37