ヒートパイプ機構形成による高熱伝導性プラスチック薄板の開発と設計学理の構築

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04242
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 小糸 康志 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (70347003)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ヒートパイプ / 自励振動 / 伝熱促進 / 3Dプリンター / 可視化 / プラスチック / HFE

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，内部に自励振動式ヒートパイプを形成することにより，高熱伝導性プラスチック薄板を開発することを目的としている．
令和元年度は，まず，自励振動式ヒートパイプが内部に形成されたプラスチック薄板のプロトタイプを製作した．具体的には，長さ175mm，幅34mm，厚さ2.6mmのプラスチック薄板内に蛇行流路を設け，自励振動式ヒートパイプを形成した．ここでは，流路設計に関する検討を踏まえ，断面が1.3mm×1.1mmの矩形流路14本からなる蛇行流路を形成した．プロトタイプの製作には3Dプリンターを利用し，半透明のプリンター素材を用いることにより，ヒートパイプ内を可視化して作動液の自励振動現象を撮影できるようにした．作動液にはHFE（HydroFluoroEther）7100を用いた．
次に実験装置を構築し，プロトタイプの伝熱特性を評価した．実験では，プロトタイプの一端を加熱ヒーターにより加熱し，他端を冷却ジャケットにより冷却した．高速度ビデオカメラにより作動液の自励振動現象を撮影するとともに，熱電対により温度分布を測定して，プロトタイプの有効熱伝導率を評価した．また，ヒーターによる加熱量を段階的に増加させ，ヒートパイプの作動が不安定となる加熱量，すなわち，最大熱輸送量も評価した．実験結果から，ヒートパイプ内で作動液の自励振動が誘起され，熱が輸送されていることを確認した．本プロトタイプについて，プラスチック薄板であるものの，最大で1100W/(m・K)の有効熱伝導率，9Wの最大熱輸送量を得た．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(1)自励振動式ヒートパイプが内部に形成されたプラスチック薄板のプロトタイプを製作することができたこと，(2)実験結果から，ヒートパイプ内で作動液の自励振動が誘起され，熱が輸送されていることを確認できたこと，(3)本プロトタイプについて，最大で1100W/(m・K)の有効熱伝導率，9Wの最大熱輸送量が得られたことから，本研究の目的に照らし，「おおむね順調に進展している」と評価した．

Strategy for Future Research Activity

厚さの異なるプラスチック薄板のプロトタイプを製作し，薄型化を図る．各プロトタイプについて，ヒートパイプの流路設計を変化させて実験を行い，ヒートパイプの流路構造とプロトタイプの有効熱伝導率・最大熱輸送量との関係を明らかにする．また，高速度ビデオカメラで撮影した映像から，作動液の自励振動現象の解析も行う．自励振動現象と伝熱特性との関係を考察し，薄型化の影響ならびに作動限界についても明らかにして，自励振動式ヒートパイプの設計学理を構築する．

Causes of Carryover

本研究では，作動液の自励振動現象を解析する研究設備を整える．次年度使用額（B-A）は，このための物品購入の一部を令和元年度から令和2年度に変更したために生じたものである．次年度使用額（B-A）は，翌年度分として請求した助成金と合わせ，当該研究設備のために令和2年度に使用する．