2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of Novel Cooling System by Combination of Flow Pulsation and Boiling Heat Transfer
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19K14916
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
福江 高志 金沢工業大学, 工学部, 講師 (80647058)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 脈動流 / 強制水冷 / 沸騰冷却 / 伝熱促進 / 気泡制御 / 高熱流束 / 電子機器の冷却 / 沸騰実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は，2019年度に構築を終えることが出来た強制水冷実験系について，高熱流束の実験を実現するためのヒータユニットが完成し，実験系への実装を完了した．あわせて，より自在な気液相変化条件を設定するため，冷媒として用いる水のサブクール度を条件として設定できるよう合わせて改良を実施した．
改良を終えた強制水冷実験系を用い，1 cm × 1 cm の正方形断面のテストセクション内部に実装した直径 8 mm の円柱発熱体を実装し，発熱体周囲に脈動流を誘起した場合の円柱発熱体の伝熱性能を評価した．まずサブクール度 50 deg. C.の条件で円柱発熱体を 200 W/cm^2 で加熱した．Reynolds 数 1500 の定常流を与えたところ，沸騰による気泡の発生と，発生した気泡が受熱により成長し流路に拡がり，一部の条件では円柱の後流側を塞いで行く様子が可視化できた．これを電磁弁を使い脈動化させた．このときポンプ動力はそのままに，ただ電磁弁を開閉させ脈動を誘起した．したがって，脈動の加速期間の流速は定常流のときと等しい一方，減速期間は速度が減少するため，脈動時の時間平均流量は定常流より低いという前提の実験である．結果を見ると，脈動の減速期間での圧力変動の影響で主流が入り込み，成長した気相が円柱から離脱したり，逆に円柱の上流側に移動したりして，円柱周囲の流れの混合を促進する傾向を可視化することが出来た．さらには時間平均の伝熱性能について，弁の開閉期間を変化させながら比較したが，脈動化による時間平均流量の低減にもかかわらず，脈動化時の伝熱性能が定常流と拮抗する様子が得られた．脈動化により円柱まわりで成長した気泡が適切に離脱したり移動したりすることで，主流の流れを混合し，また円柱まわりに新たな液相を流入させることにも繋がり，伝熱促進に寄与できるというメカニズムが明らかになった．
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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
強制水冷実験系での沸騰冷却の実験系の構築に成功し，発生する気泡を流れの脈動化により移動・離脱させることによる主流混合について流れの可視化に成功し，また伝熱性能の定量的に評価に至るところまで実現することが出来た．沸騰を伴う強制水冷において，脈動化によるはく離領域への逆流生成や主流の混合に加え，気液相変化で発生した気泡を排除するというプロセスが加わることで伝熱促進に一定の効果が現れることを実験的に立証できたことは大きな成果と考えている．沸騰を伴う強制水冷における脈動流による伝熱促進の可能性とそのメカニズムに振れることが出来たことから，実際の冷却デバイスを想定したパラメタサーベイへと研究の段階を進められる期待が持てた．一方，そのパラメタサーベイの実現については遅れている．実験条件等の構想は出来ているため，設計製作を急ぎ実験系への実装を急ぎたい．以上の理由から，脈動流と沸騰伝熱を融合した伝熱促進のメカニズムを可視化した一方で，パラメタサーベイの検証に向けたステップについて継続的に対応が必要な状況から，達成度を「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 |
実験手法の構築が達成されたことから，次のステップとして流量，サブクール度，熱流束，流路や発熱体の寸法，脈動条件などを変更しながらパラメタサーベイを進め，沸騰と脈動流の融合による伝熱促進の効果の範囲を明らかにする．高速度カメラを用いた流れの可視化により気泡の発生・成長・離脱のプロセスと流量の時間変動の関係について精査し，伝熱性能への影響を議論する．流量や寸法など，実装に直接関係するパラメタが流れ場や伝熱性能に与える影響を精査し，伝熱促進のスケール効果について明らかにしていく．これらの実験を通じ，脈動流による沸騰伝熱の促進に関する体系的な情報を蓄積し整理することで，冷却デバイスへの応用に向けた技術構築に寄与できるよう検証を進める．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額については，実験装置の運用に必要な消耗品類や実験条件変更のための購入部品の購入の一部を，令和２年度から令和３年度に変更したことにより発生している．令和３年度分の補助金と合わせて，実験推進のために必要な追加部品の設計製作や購入，消耗品の補充のために使用する．
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