自励振動型ヒートパイプの流動様式決定機構の解明とその制御による熱輸送特性向上

Research Project

Project/Area Number	21K03906
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	Japan Aerospace EXploration Agency
Principal Investigator	安藤麻紀子国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (60748094)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	永井大樹東北大学, 流体科学研究所, 教授 (70360724)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000) Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Keywords	自励振動型ヒートパイプ / 逆止弁 / 流動抵抗 / Diodicity / 循環流
Outline of Research at the Start	自励振動型ヒートパイプ（Oscillating Heat Pipe, OHP）は，高発熱化が進む電子機器からの排熱デバイスとして期待されている。OHPは流れが循環流の時に高い熱輸送性能を示し，宇宙用逆止弁付きOHP（実効熱伝導率6000W/mK）が実証されたが，汎用的に使用するにはより簡易な方法で循環流化を図る必要がある。本研究では，数値解析と可視化実験により，未だ完全には解明されていない循環流化のメカニズムを解明する。またその結果に基づき，逆止弁のような駆動機構によらずに循環流を実現する方法を見出し，より簡易な構造で高い熱輸送性能を持つOHPの設計指針を獲得する。
Outline of Annual Research Achievements	逆止弁によって自励振動型ヒートパイプ（OHP）の内部流動を循環流化し熱輸送性能を向上させるために必要な条件を明らかにすることを目的とし，初年度に行った検討を更に発展・深堀りする検討を行った。まず，検討に用いているOHP数値解析モデルの妥当性を検証するため，流動抵抗特性を測定済の逆止弁を用いて動作特性試験を実施し，数値解析モデルでの予測結果との比較を行った。その結果，当該OHPが動作可能な熱負荷範囲の全域においてOHP蒸発部の予測温度が2,3℃以内の差で一致したことから，本数値解析モデルの妥当性を確認できた。また，初年度に行った逆止弁の逆方向／順方向流動抵抗係数の比（Diodicity）とOHP熱抵抗の相関に関する検討では解析条件が限定的であったため，条件が変わった場合の影響を数値解析により調べた。その結果，逆止弁によるOHP高性能化効果の最大化に必要なDiodicityの閾値が50であるという結論には影響しないが，Diodicityだけではなく順方向／逆方向流動抵抗係数の値そのものについても，ある一定の条件を満たす必要があることがわかった。検討の結果からは「Diodicity：50以上」，「順方向流動抵抗係数：100以下」，「逆方向流動抵抗係数：1000以上」が望ましい条件であることが導出されている。高い定常熱輸送性能を得るには，長い液体スラグがターンを跨いで循環する流動様式が望ましく，そのためには順方向流動抵抗係数が前述の閾値以下の低い値である必要がある。一方，逆方向流動抵抗係数が一定以上の大きな値でなければ，スタートアップに長い時間を要することを明らかにした。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 初年度から2年目までにおいて，OHPの高性能化に必要な逆止弁の特性を明らかにすることができた。数値解析検討にやや時間を要したものの，次のステップである，より簡易な構造での循環流化方法の探索を行うための素地は整ったため，概ね順調に進展していると考える。
Strategy for Future Research Activity	2年目までの検討で明らかにした望ましい逆止弁の条件に基づき，現在前提としているフローティングタイプの逆止弁に代わる，より簡易な逆止弁的構造でのOHP高性能化を目指す。新たな逆止弁的構造の流動特性の設計解析・単体での特性評価を行うとともに，OHPに組み込んだ状態での熱輸送性能評価試験を実施する。最終的には，得られた知見を循環流化による高性能OHPの設計指針としてまとめていく方針である。