一方向性ポーラス銅を用いた省エネ冷却デバイスの開発と応用

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18J15537
• Research Institution: Tokyo University of Science, Yamaguchi
• Principal Investigator: 高井 貴生 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2020-03-31
• Keywords: ポーラス体 / 高熱流束 / 流動沸騰 / 冷却 / CFD / インバータ

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、300~500W/cm^2の高い発熱を伴う次世代の電気自動車用車載インバータを対象として、将来の省エネ・低炭素社会に適するため、一方向性ポーラス銅を用いた省エネ冷却デバイスの開発を目的としている。本年度は前年度の研究成果を踏まえ、次の項目を実施した。[1]一方向性ポーラス体の最適設計に向けた伝熱実験、[2] 一方向性ポーラス体内における二相流動現象の解明。
[1]前年度報告書において冷却性能の向上と実用化のために挙げられた課題を解決するため、本年度は一方向のグルーブ構造を有する伝熱面を用いた新たな冷却デバイスと、金属3Dプリンターを用いて造形した一方向性ポーラス体を用いて、伝熱性能を評価した。3Dプリンターで製作された銅製の一方向性ポーラス体は、直径0.47mmの気孔を202個有し、機械加工に比べ精密なポーラス構造を容易に製作することに成功した。伝熱実験は、本ポーラス体をグルーブ伝熱面上にはんだで接合し実施された。結果として、最大熱流束は360W/cm^2であり、高い熱流束が得られなかった。
[2] 一方向性ポーラス体の最適設計に向けた指針を得るため、伝熱実験と並行して数値流体解析を実施した。先ず、前述の冷却デバイスについて単相流動現象を直接的にシミュレートすることで、一方向気孔への流体の流量分配が不均一であることを明らかにした。以上の現象が沸騰・蒸発現象に与える影響を調べるため、MARS法を用いた沸騰解析を、流量分配が均一または不均一な場合において実施した。結果として、流量分配が不均一な場合、流量が大きい領域の流れにより、蒸気の排出が阻害されている様子を捉えることに成功した。前述の伝熱実験では、流量分配の偏りに影響され、高い熱流束が得られなかったと考えられる。一方で、流量分配を均一化させることで、蒸気の排出障害を解決し高熱流束化が期待できることを明らかにした。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。