Thermal and Functional evaluation of a Heat Sink Structured by Additive Manufacturing Technique

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06120
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 川南 剛 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (20281793)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平野 繁樹 地方独立行政法人北海道立総合研究機構, 産業技術研究本部工業試験場, 研究主任 (40469680)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 熱交換 / 熱輸送 / 機能性流体 / エマルション

Outline of Annual Research Achievements

本申請課題では，高機能ヒートシンクとして空隙率を制御した金属多孔体と蓄熱機能を有する相変化エマルションの技術融合による，新たな蓄熱式高度熱交換デバイスの開発とその特性評価を目的としている．このデバイスを実現し技術展開を行うためには，金属多孔質体である高機能ヒートシンクの造形手法の確立，相変化エマルションの基礎物性の把握，およびデバイスとしての特性評価が必要となる．平成28度の研究内容および実績の概要を以下に述べる.
（1）金属多孔質構造体の製作手法の確立　　金属多孔質構造体については，形状および材料の両面より実験的に検討を行っている．形状については，マルエージング鋼を用いて空隙率の異なる多孔体の試作を行い，最適形状の評価を進めている．一方材料については，熱伝導率の高いアルミニウム系粉体材料および銅系粉体材料についても検討を行っている．アルミニウム系材料については基礎的なレーザー照射による粉体積層造形条件試験の結果，反射率が高いなどの理由により現有機器による造形は難しいことがわかった．また，銅系粉体材料の基礎的なレーザー照射による粉体積層造形条件試験の結果，良好な造形条件が得られた．
（2）相変化エマルションの基礎物性の評価　　本研究では，分散層に相変化物質であるn-ヘキサデカン（融点18℃）を，分散媒に水を選択したO/W型エマルションを，D相乳化法により作成した．10mass%および20mass%の相変化物質の含有量において回転式粘度計を用いて粘度測定を行った結果， 10mass%および20mass%のそれぞれの条件において，水の粘度の約2.3倍および4.1倍の値となることがわかった．また，示差走査熱量計を用いて熱量分析を行った結果，エマルションでは過冷却が大きく現れることがわかった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究は当初の計画どおりおおむね順調に進んでいる．当初予期していない点として，作成したエマルションの過冷却が挙げられる．過冷却現象は，液相の相変化物質を比較的ゆっくり冷却した際に，凝固点よりも低い温度で凝固が起こることであるが，エマルションのような微細物質が分散している系では，確率的に過冷却が起こりやすく，本年度の実験ではn-ヘキサデカンの融点である18℃に対し，条件によっては4℃で凝固が起こる結果も見られた．このような過冷却現象は，システムの信頼性および効率を低下させる要因となるため対策が必要である．過冷却を抑制する手段として，次年度以降の研究では，過冷却解除の効果が期待される複数の界面活性剤を試す予定である．一方，金属多孔質体の造形に関しては一般的な造形材料であるマルエージング鋼による造形手法により可能となっており，空隙率の異なる多孔質体の試作を行った．しかしながら，アルミニウム系粉体材料を利用した場合は，材料特性などから非常に難しいことがわかった．また，銅系粉体材料は良好な造形条件が得られることがわかったため，今後は銅系粉体材料を活用し研究を進める予定である．

Strategy for Future Research Activity

現状で当初の予定どおりに研究が進んでいるため，今後も計画の変更なく進める予定である．しかしながら，分担研究者の所属機関が所有するレーザー金属焼結装置金属造形装置は，既設の共有設備であるため本研究で占有しての使用が難しい状況である．そのため，今後はレーザー金属焼結装置の稼働スケジュールにより，予定を前後しながら進めることも考える必要がある．

Causes of Carryover

主に試薬および実験装置構造材等の消耗品の購入金額が，当初の見積より低く済んだこと，および外注を予定していた実験装置の加工を，大学の設備を使うことにより，加工費が低く抑えられたため次年度使用額が生じた．

Expenditure Plan for Carryover Budget

熱交換器造形のための金属材料の購入が次年度以降増加することが予想されるため，次年度使用額である154,180円は，主に実験装置構築に必要な部材および金属粉等のヒートシンク構造素材に充てる計画である.