Development of a new heat transport mechanism with autonomously variable heat transport direction by creating multi-functionality of porous materials

• Project/Area Number: 20K04308
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Watanabe Noriyuki 名古屋大学, 未来社会創造機構, 特任講師 (60569979)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 相変化 / 多孔体 / ループヒートパイプ / ループサーモサイフォン / 毛細管力 / 熱輸送

Outline of Research at the Start

本研究は，熱交換器などの吸熱側と排熱側の役割が，熱的条件に応じて自律的に可変し，運転条件が厳しいトップヒート(吸熱側が排熱側より重力的に高い位置に配置)においても，無電力で熱輸送を実現する新熱輸送物理の確立と実証を目的とする．提案する新熱輸送物理は，多孔体の多機能性（毛管力による駆動力と逆止弁機構）を新たに創出することにより実現し，よりコンパクトで高効率な熱輸送が期待される．多孔体の多機能性の物理モデルを明らかにするとともに，新熱輸送物理の確立と実証に向け，試作機を設計・製作し，熱輸送性能を検証する．

Outline of Final Research Achievements

By creating new multifunctionality through the capillary force of a porous material, a new type of heat transport mechanism that the role of heat receiving part and the heat dissipation part of a heat exchanger can be autonomously switched according to the thermal condition was developed. The porous material acts as a driving force in one direction of heat transport, and acts as a check valve in the opposite direction of heat transport, so that the heat transport direction can be switched autonomously without using a valve.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

エネルギー資源の乏しい我が国では，エネルギーの有効利用の観点から，排熱を含めた未利用熱エネルギーの有効活用は重要な課題である．熱エネルギーの有効活用において，高効率で省エネな熱輸送技術は欠かせない．今日までに様々な無電力駆動の熱輸送技術が確立されているが，いずれの技術においても機器の吸熱側と排熱側の役割が固定されているため，空調用ヒートポンプなどの双方向熱輸送を必要とするシステムなどに適用する場合には，電動バルブや中間熱交換器などの機器が必要となる．本提案の自律型の双方向熱輸送技術を用いることで，無電力で簡素な熱輸送技術を実現することができるため，脱炭素化への貢献が期待される．

Research Products

• [Journal Article] Experimental and analytical investigation of a 0.3-mm-thick loop heat pipe for 10 W-class heat dissipation (2022)
  • Author(s): (14)Takuji Mizutani, Noriyuki Watanabe, Shinobu Aso, Kazuki Sadakata, Shigeyuki Tanabe, and Hosei Nagano
  • Journal Title: International Journal of Heat and Mass Transfer Volume: 193 Pages: 122950-122950
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122950
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on a large capacity loop heat pipe with 10 kW-class heat transfer capability (2022)
  • Author(s): 冨田 樹、渡邉 紀志、上野 藍、長野 方星
  • Journal Title: Thermal Science and Engineering Volume: 30 Issue: 1 Pages: 13-21
  • DOI: 10.11368/tse.30.13
  • NAID: 130008162639
  • ISSN: 0918-9963, 1882-2592
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-performance energy-saving miniature loop heat pipe for cooling compact power semiconductors (2021)
  • Author(s): Watanabe Noriyuki、Mizutani Takuji、Nagano Hosei
  • Journal Title: Energy Conversion and Management Volume: 236 Pages: 114081-114081
  • DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114081
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development of miniature loop heat pipe for thermal management of high-heat-flux devices (2021)
  • Author(s): Noriyuki Watanabe, Takuji Mizutani and Hosei Nagano
  • Organizer: Joint 20th IHPC and 14th IHPS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高発熱素子冷却用小型ループヒートパイプの熱輸送特性 (2020)
  • Author(s): 渡邉紀志，水谷琢志，長野方星
  • Organizer: 熱工学コンファンレンス2020