2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Uni-directional Porous Copper Heat Sink with Energy and Carbon saving
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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 | ポーラス体 / 高熱流束 / 流動沸騰 / プール沸騰 / ユニポーラス / インバータ / 冷却 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次代の省エネルギー・低炭素化社会の実現を大きく牽引するパワーエレクトロニクスの自立型ポンプレス冷却もしくは極低ポンプ動力冷却技術を開発するため、一方向性ユニポーラス型ヒートシンクの飽和プール沸騰・流動沸騰特性を評価し、最適なポーラス構造とパワーデバイスへの適用性について明らかにする。具体的には、SiC型車載用インバータのポンプレス冷却を可能にするため、核沸騰熱伝達の大幅な促進と水飽和プール沸騰・限界熱流束の約3倍となる300W/cm^2の達成を目的とする。更に近年問題となっているパワー素子のホットスポット直接冷却にも対応するため、極低ポンプ動力で1000W/cm^2の限界熱流束を達成することを目的とする。
導入する銅製のユニポーラス材の製造方法として、量産性に優れる様々な製作手法に着目し検討を繰り返したが、当初予定から変更し、製作精度に優れる3Dプリンターを用いた一方向ポーラス銅を製作し、マイクロチャンネルを有する一方向性ポーラス体の製作に成功した。並行して機械加工によって製作されたユニポーラス体を用い、従来技術よりも低いポンプ動力で、1000W/cm^2の冷却性能を実証した。冷却性能の更なる向上を目指し、ユニポーラス体内流路における沸騰蒸発現象の可視化実験ならびにMARS法を用いたシミュレーションを実施し、特に相変化領域の発達状況について明らかにした。一方、ポーラス体内で想定以上の流量分配があり、今後改善する必要があることを明らかにした。一方、飽和プール沸騰試験では、機械加工による沸騰伝熱面（グルーブとユニポーラス構造を再現）を製作し、限界熱流束300W/cm^2を達成するとともに、プール沸騰環境においてもユニポーラス上部から自発的に液が供給されていることを明らかにした。得られた知見から、飽和プール沸騰で更なる限界熱流束向上の指針を得ることができた。
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