2016 Fiscal Year Research-status Report
省エネルギー・低炭素化社会を支える一方向性ユニポーラス銅ヒートシンクの開発
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16K06134
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Yamaguchi |
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Principal Investigator |
結城 和久 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 教授 (90302182)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ポーラス / 高熱流束 / 冷却 / ヒートシンク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ユニポーラス銅をグルーブ伝熱面に接合し、流動沸騰性能とプール沸騰性能を評価する。研究初年度となる平成28年度では、計画通りに以下の項目(1),(2)を実施した。
(1) 流動沸騰試験部を製作し、ユニポーラス構造、伝熱面グルーブ構造をパラメータとした性能試験を実施する（シェイクダウン＆伝熱試験開始）
(2) プール沸騰試験部を製作し、ユニポーラス構造、伝熱面グルーブ構造をパラメータとした性能試験を実施する（シェイクダウン＆伝熱試験開始）
先ず(1)の流動伝熱試験に関し、機械加工によって製作されたユニポーラス銅（孔径0.5mm）とグルーブ伝熱面（グルーブ幅1mm、深さ0.5mm）を半田によって接合し、伝熱流動試験を実施した。これにより本冷却技術が、同条件の衝突噴流系の核沸騰熱伝達に比べて低過熱度側に大きく移動し、更に限界熱流束も2.1倍に向上することを実証した。また過去に開発した冷却デバイスと比較しても最大熱流束が1.5倍に向上し、ユニポーラス体を用いた新しい冷却デバイスのポテンシャルの高さを実証した。一方、項目(2)の飽和プール沸騰についても、平均孔径0.36mmのユニポーラス体（ロータス体）に対して伝熱面グルーブの大きさについて、主として蒸気の流動抵抗をベースにグルーブサイズを検討した。結果として、核沸騰領域での沸騰曲線が低過熱度側に大幅に移動した。具体的には過熱度5Kのとき熱流束が約15倍上昇することを確認した。蒸気の排出と液体供給がより改善され、効率よく熱が輸送されていることを表している。また限界熱流束に関しては、装置の限界で限界熱流束までは取得できなかったが最大熱流束が2倍近く上昇することを確認した。
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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
導入を進めているユニポーラス体とグルーブ伝熱面の接合に関し、当初、接触熱抵抗の低減のため拡散接合による接合を予定していた。しかしながらポーラス形状やグルーブ形状など、パラメータが多い本研究において、研究室内で接合できる技術を開発することを検討し、最終的に半田による接合方法を選択した。銅部材と銅部材のはんだ接合に関しては、接合温度や接合時間など未明な点が多く、試行錯誤に多くの時間を要した。結果として適切な接合条件を見出し、現在に至っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究二年目以降となる平成29、30 年度では、高気孔率ポーラス体としてロータス型ポーラスを、また低気孔率ポーラス銅として爆縮形成ポーラス体を導入する。全ての知見を総括し、プール沸騰試験ではユニポーラスの気孔率、孔サイズ、グルーブ構造に関する最適化を図り、300 W/cm^2の限界熱流束の達成を目指す。また流動沸騰試験でも同様の最適化を図り、発熱密度1000 W/cm^2に対し、従来の狭隘フィン冷却技術の1/20 以下のポンプ動力となる2W以下での冷却を実証する。そのためにもポーラス体内の二相流動状態の可視化実験は必須であり、平成29年度において流動沸騰試験に対する可視化試験を実施する。加熱銅ブロック円柱部分を半円柱型にして縦断面表面上にグルーブとユニポーラス孔（一辺0.2mm および0.6mm の矩形溝）を放電加工により形成する。その上にカバーガラスを設置し、ガラス越しに二相流状態を現有のモーションアナライザ（キーエンス製VW6000）により可視化する。これにより供給液がユニポーラス体内で相変化する様子を明確に可視化することができ、ポーラスとグルーブの最適化へ資することが可能となる。更に並行してSPH法によるシミュレーションのコーディングを開始するとともに、定性的な二相流動状態についても把握するため、熱流体解析ソフトSTREAMを用いたCFD解析を実施する。
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| Causes of Carryover |
本年度における消耗品の購入において、上記票の「次年度使用額」を併せて購入する予定のため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
熱電対（直径0.5mm、K型）の購入費として使用予定。
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