Quantitative Evaluation and Phenomena of Heat Transport and Internal Flow in Environmentally Green Micro Heat Transport Devices
| Project/Area Number |
21K03926
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan College of Industrial Technology |
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Principal Investigator |
齋藤 博史 東京都立産業技術高等専門学校, ものづくり工学科, 准教授 (40401450)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村田 章 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60239522)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 伝熱機器 / 気液二相流 / 内部流動の可視化 / 熱工学 / 流体工学 / 可視化 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究で対象とする並列細管熱輸送デバイスは，内部に封入した作動流体の相変化を利用した外部動力を必要としないパッシブ型の沸騰駆動熱輸送デバイスである．その特徴は加熱冷却のためのヘッダ構造を持つことで内部流動の自由度を高め，高い実効熱伝導率と高い熱輸送量を有する点にある．
本研究では，その仕組みを利用して高まる小空間での冷却ニーズに対応できる高熱輸送量で高速な熱移送システムを実現する為に，環境負荷を配慮した環境対応型冷媒を用いた薄型マイクロ並列細管熱輸送デバイスの開発することと，相変化を伴う気液二相流の流動伝熱特性の定量的評価と現象の解明をすることを目的としている．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の並列細管熱輸送デバイスは，作動流体の相変化を利用した外部動力を必要としないパッシブ型の沸騰駆動熱輸送デバイスであり，既存の蛇行細管型ループヒートパイプと異なり，細管部の他にヘッダ構造を持つことで内部流動の自由度を高め，蛇行細管型と比べ高い実効熱伝導率と高い熱輸送量を有している点にある．これまでにデバイスサイズや作動流体の種類などを変化させ，熱輸送量と内部流動の同時計測を行い，熱輸送量と流動様式の関係など，熱輸送特性を調査してきた．本課題では近年のAIブームでさらに要求が高まる小空間での冷却ニーズに対応できる高熱輸送量熱移送システムを実現する為，環境負荷を配慮した環境対応型冷媒を用いた薄型マイクロ並列細管熱輸送デバイスの開発，及び相変化を伴う気液二相流の流動伝熱特性の定量的評価と現象解明を目的とする．
今年度は基本形状となる加熱・冷却ヘッダとヘッダ間を繋ぐ矩形溝型複数細管流路をもつテストコアに，作動流体であるアルコール水溶液を脱気封入した内部流動の可視化が可能なプレート型並列細管熱輸送デバイスを用い，半導体発熱を模擬したセラミックヒーターにより局所加熱し，熱輸送量の計測と同時に内部流動の可視化による流動様式の判定を行い，内部流動様式の時空間分布と熱輸送性能の相関関係について調べた．その中では内部流動様式の判定制度の向上を図りつつ，加熱冷却条件をこれまでより広く設定し内部流動様式の出現割合等の変化を評価した．その結果，周期的変動を伴う特徴的な変化が現れることを確認した．また細管部を金属製パイプで構成したパイプ型コアでは形状的特徴を生かし，並列細管熱輸送デバイスのその仕組みを有するピンフィン型ヒートシンクを製作して実験を行い，高いフィン効率を示すことを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験は金属板への溝加工によって作成した矩形溝型複数細管型テストコア（細管流路断面積1.0×4.0平方mm，細管長さ100mm，細管本数12本，ヘッダ断面積1.0×6.0平方mm，ヘッダ幅72mm）を用い，実験は鉛直設置条件で行い，作動流体には2-プロパノール 50%水溶液を用い封入率50%で伝熱実験および内部流動の可視化実験を行った．加熱ヘッダ部には半導体発熱を模擬した小型セラミックヒーターを用いた局所加熱を行い，加熱および冷却条件を変化させ実験を行った．そして熱輸送性能評価と内部流動の可視化画像から画像処理による内部流動様式の判定を行い，熱輸送特性評価を行った．実験結果より加熱量を変化させていくと細管部で相変化を伴う周期的な振動を伴う特徴的な内部流動が生じることがわかった．
細管部を金属製パイプで構成したパイプ型複数細管型テストコアについては，その形状的特徴を生かしてピンフィン型ヒートシンクに応用した試作コアを製作し，高いフィン効率が得られることを確認した．また細管部の内部流動状況を確認できるようにヘッダ部には観察窓を設け，細管部を通過して到達した作動流体の流動を可視化できるようにし，細管からの突沸など様子とパイプ表面の瞬時温度変化との関係を評価した．それらの結果から高フィン効率を有するピンフィン型ヒートシンクへの応用が可能であることを確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
並列細管型熱輸送デバイスのテストコアの幾何学的形状寸法を変更したテストコアを製作し，作動流体の種類，封入率，加熱量，加熱位置，設置角度などの種々の実験条件を変化させ実験を行う．各実験条件における熱輸送性能評価と内部流動様式の出現時間割合をデータベース化して，相変化を伴う気液二相流の流動伝熱特性を明らかにしていく．そして内部流動様式の判定の精度をより向上させるため，機械学習を用いた画像処理の適用を試すなど，データベースの高精度化を目指す．また，パイプ型についてはピンフィン型ヒートシンクに応用した高フィン効率ピンフィン型ヒートシンクコアについては，フィン高さなどを変化させフィン効率の変化を評価する．
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
