2018 Fiscal Year Research-status Report
低環境負荷を考慮した並列細管熱輸送デバイスの高効率化・ 高熱輸送量化
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17K06214
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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, 助教 (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) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 流体工学 / 可視化 / 伝熱機器 / 気液二相流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コンピュータやパワーデバイスなどに代表される電子機器は，電子素子の微細化に伴う高密度実装および高性能化に伴い，発熱密度は増大の一途をたどりその結果発熱量も増加している．これらの熱を取り除くために一般的に用いられてきた空冷や液冷による強制対流冷却の冷却性能は限界に近づき，発熱体からの除熱のために高い熱輸送能力をもつ熱輸送デバイスが必要となっている．一般的に幅広く利用されているヒートパイプは，高い見掛けの熱伝導率を有するものの小径化に伴い熱輸送能力は低下し，ある一定の入力熱流束を超えると封入している作動流体が蒸発部で完全に気化してしまうドライアウトが発生し，急激に性能が低下する問題を有する．そこで，本研究で提案する加熱・冷却ヘッダを並列に並べられた複数の細管でつないだ構造をもつ並列細管熱輸送デバイスは，内部に封入された作動流体が気液の相変化による上昇流および下降流を個々の細管で非定常に行い作動流体を循環させ，より高い実効熱伝導率と熱輸送量を可能としている．
3年の研究期間の2年目は，初年度に明らかとなったプレート型並列細管熱輸送デバイスの薄型化による熱輸送量の低下を改善するため，アルコール（ブタノールまたはプロパノール）を用いた二成分水溶液を作動流体として用い熱輸送性能を調べた．その結果，内部流動が薄型化する前と同様に活発に行われドライアウトの発生が抑制され，熱輸送量も薄型化する前と同等の性能を有することが確認された．パイプ型並列細管熱輸送デバイスでは，HFC（R-134a）冷媒に代わる新冷媒として，低環境負荷冷媒であるHFO（R1234yf）冷媒を用い熱輸送性能について調べ，約30%の熱輸送量の低下が確認された．
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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
プレート型並列細管熱輸送デバイスについて，基本サイズとしているヘッダ部深さ2mm，細管幅2mm×細管溝深さ2mmのコアについて，作動流体に水，アルコール（ブタノール，プロパノール）およびその二成分水溶液を用い熱輸送性能について調べた．その結果，熱物性値が劣るアルコール純物質（100％）は水と比較し熱輸送量が最大80％低下したものの，二成分水溶液とした場合には約20％の低下であった．それに対し薄型化されたヘッダ部深さ1mm，細管幅4mm×細管溝深さ1mmのコアでは，アルコール100％および二成分水溶液ではドライアウトの発生は抑制され，アルコール100％では水と同等の熱輸送量，プロパノール50%水溶液では水の約3倍の熱輸送量が得られ，薄型化前の基本サイズと同等の性能が得られた．これは作動液の表面張力が関与していると考えられ，内部流動の観察結果から気泡サイズは水に比べ二成分水溶液では大きく，気泡駆動によるポンプ作用で内部流動が活発に行われ，潜熱・顕熱の両方の作用によって熱輸送が行われたと考えられる．
パイプ型並列細管熱輸送デバイスについては，基本形状（ヘッダ内径6mm，細管内径2mm，細管本数6本）についてHFC冷媒およびHFO冷媒を使用した熱輸送性能評価を終え，約30%の熱輸送量の低下が確認された．
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| Strategy for Future Research Activity |
プレート型並列細管熱輸送デバイスについては，ドライアウト発生原因である加熱部ヘッダから冷却部ヘッダへの液戻りの不足に着目し，濃度差マランゴニ対流の効果による液戻りの促進を考え，アルコール水溶液を用いた2液混合液体を用いた実験を行い，熱輸送特性の変化と熱輸送性能向上が確認されたことから，作動流体の物性値の中でも表面張力に着目し，界面活性剤を添加することによる熱輸送特性の変化と熱輸送性能の向上について確認する．パイプ型並列細管熱輸送デバイスについては，従来型のR134aに代表されるHFC冷媒と低環境負荷冷媒であるHFO冷媒を用い，冷媒封入量や細管サイズなど変化させ熱輸送特性を調べる．これらの実験を行うにあたり，3班体制3名から2班体制4名へと変更し体制を強化して研究ペースのさらなる向上を図る．
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| Causes of Carryover |
2年目では計画していた多点同時温度計測ついて必要チャンネル数などを見極めるため，まずは最小構成で実験を行うこととした．その結果を見て多点同時温度計測システムの拡張について計画したため，追加ユニットなどの購入費用は次年度に繰り越すこととした．
使用計画：多点同時温度計測ユニットの追加購入を行う予定である．
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Research Products
(5 results)
