2017 Fiscal Year Research-status Report
流れの脈動による複雑流路内の伝熱促進機構の解明とホットスポット直冷技術への展開
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16K18022
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| Research Institution | Iwate University |
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Principal Investigator |
福江 高志 岩手大学, 理工学部, 助教 (80647058)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 脈動流 / 伝熱促進 / 伝熱効率 / 脈動波形 / 電子機器冷却 / 水冷デバイス / 熱設計 / スケール効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度の結果を踏まえ，脈動流による伝熱促進が冷却システムの寸法や作動流体に依らないかどうか，スケール効果の検証を進めた。特に脈動風洞による実験と，水冷を想定した数値シミュレーションを主に，脈動流の伝熱促進効果と作動流体や寸法の関係についての検証を行った。
特に水冷の検証では，水冷デバイスを想定した 5 mm×5 mmの流路に伝熱促進のためのリブ（突起）を設置し脈動水流を付与した場合の流れ場および温度場を評価した。とりわけ，流路全体の伝熱促進の効果，圧力損失も加味した伝熱効率の改善効果，リブを複数設置した場合の変化を評価した。本研究の検証の範囲において以下の結果が得られた。
まず，時間平均流量が同じ定常流と比較して，作動流体や寸法を問わず，脈動流による大幅な伝熱促進が実現できることを明らかにできた。また，生成する脈動波形の最適な制御を行うことで，脈動の加速期間において見られる圧力損失の増加を抑制することができ，伝熱効率の最適化につながることもわかった。２点のリブを適正な間隔で流路に設置した場合には，双方のリブで発生する逆流が適度に干渉することで，リブ単体で見られた効果より高い伝熱促進効果が得られることを明らかにできた。実際の水冷デバイスにおいて散見されるＴ字分岐の周りにおいても，脈動流の伝熱促進効果が得られることも併せて確認した。
以上から，冷却対象のスケールを変更した場合でも，脈動流の生成により高い伝熱促進が実現できる可能性を明らかにできた。脈動流による伝熱効率の向上がスケールを問わずに実現できる流量制御指針について，一連の重要な情報が得られた。
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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
平成28年度の成果を踏まえ，よりホットスポット直冷機構に近づけた検証を行うために，対象の作動流体の変更と冷却流路のダウンサイジングを無事実施し，１年間の検証を行うことができた。とりわけ，寸法や作動流体の変更によらず，脈動化による伝熱促進が実現できること，複数のリブが設置された場合に発生する伝熱促進効果の拡大，水冷における効率最適化を実現するための脈動波形指針，分岐部においても脈動化による伝熱促進ができることの確認など，ホットスポット直冷への応用に向けた一連の情報を得ることができた。とりわけ圧力損失も含めた伝熱効率の観点からも脈動流の優位性が確認できた。これらは次年度に計画している，実際の冷却システムを想定したより具体的な検証を実施する上で，最適化を進める評価パラメタの抽出に繋がる情報になった。
一方，より信頼度の高い評価には，実験系のより弾力的な運用が必要であり，次年度の効率的な研究推進に向け継続して調整を実施する。以上の進捗状況から，研究目的の達成度について「おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度の成果を基に，実際の脈動冷却システムを想定したテストセクションを設計・製作し，実験と数値シミュレーションの双方により，脈動流の有用性および実機応用の可能性を検証する。作動流体としては空気と水の双方を引き続き検証する。テストセクションは，伝熱促進体として複数のリブまたはフィンを設置したものとする。これまで得られた，伝熱効率を向上させる脈動波形の情報に基づき，テストセクション内部に付与する脈動流の制御を行う。伝熱促進体まわりの流れの可視化や，温度場の過渡応答の評価を通じ，複数の伝熱促進体が設置される場合の脈動流による伝熱促進のメカニズムの解明と，伝熱効率最大化のための流路設計情報の取得を計画する。検証を通じ，脈動流によるホットスポットの温度制御を実現する一連の冷却機構の設計指針を整理し提案していく予定である。
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