2020 Fiscal Year Research-status Report
発熱量が変動しても温度調整できる高熱流束対応冷却システムの開発
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19K04249
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| Research Institution | National Institute of Technology, Toyama College |
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Principal Investigator |
白川 英観 富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (00295122)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福江 高志 金沢工業大学, 工学部, 講師 (80647058)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 沸騰伝熱 / 脈流 / 電子機器 / 冷却技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
発熱量が変動しても電子デバイスなどの温度を一定にできる高熱流束対応の冷却システムを，ベンチュリー管形状の流路が狭くなる細管部に伝熱面を配置した構造で開発することが研究目的である．
本年度は，昨年度確認した流量や試験部流路内の圧力により沸騰様子が変化する条件を基に，ベンチュリー管型熱交換器の実験装置を設計・製作した．しかし，配管内圧損や配管部における熱損失などにより沸騰現象を実現するには，流体温度の制御が必要であり，さらに耐熱性のポンプや流量計などの機器が必要であることが分かった．そこで，流体温度を制御する加熱装置や，80℃の流体温度に耐えうるポンプや流量計などの選定を行った．当初の配管では耐熱に対応できないため，配管から再設計を行い，必要部品を製作した．そして，ベンチュリー管型熱交換器の実験装置を組み立てることができた．
脈流の細管における沸騰現象の実験では，定常流で高熱流束の時，気泡が成長し沸騰になった．さらに脈流にすると気泡が離脱させられる現象が確認された．実験装置の伝熱面とヒーターとの間の加熱部に熱電対を設置し，温度と熱流束を測定したところ，ヒーターからの熱の一部しか伝熱面に伝わっていなかった．また，装置の伝熱面への熱流束が足りず，膜沸騰現象まで観察できなかった．そこで，加熱部を再設計し，断熱性を向上させるように改良した．
本年度は，現象実現のために実験装置等の改良を行った．予備実験により多くの知見を得ることができ，実験等で得られた結果の一部は学会等で発表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ベンチュリー管型熱交換器の装置製作において，流体温度の制御と，流体温度に耐えうる機器の選定で時間を要した．その結果，ベンチュリー管型熱交換器の実験装置製作が遅くなった． 一方，細管部における沸騰現象では，熱流束が足りず，熱収支のための実験を行う対策を行ったため時間を要した．現在は，作動流体の温度調整およびヒーターの改良等を行っている．
数値解析において，OpenFOAMでは，温度一定でのキャビテーション問題は解析できた．また，圧力一定での沸騰現象も気液割合を変数とする解析はできた．しかし，本熱交換器の流路内での圧力に応じた沸騰現象をOpenFOAMで行おうとしたが，既存の解析モデルでは対応できなかった．モデル設定や初期条件等を今後検討する必要がある．
以上のように，想定外の実験装置の問題点を明確するのに時間を要したが，改良が進み，実験ができる段階にある．したがって，「やや遅れている」と判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
ベンチュリー管型熱交換器の実験装置の改良等も行い，実験できる状態になりつつある．実験装置の微調整後，実験を行う予定である．また，細管部における核沸騰での脈流による気泡の離脱から，膜沸騰時に脈流による気体剥離が確認できるように，加熱部の改良を行った．今後，実験により確認を行う予定である．
数値解析において，OpenFOAMの計算条件を再度確認し，数値解析できるか検討する予定である．
以上の方策で研究を進める．
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| Causes of Carryover |
製作した実験装置の改良設計に時間を要した．そのため，実験装置の材料等の購入ができず本年度末までの執行できなかった．また，新型ウィルスのため，学会発表や，研究打ち合わせ，共同実験を行うことができず旅費を執行できなかった．
以上のように，持ち越しとなった次年度使用額は，実験装置製作の材料費等で装置完成に向けて次年度予算と合わせて使用する計画である．
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