ループヒートパイプにおけるウィック内蒸発に関する研究

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26420139
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 長崎 孝夫 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (30155923)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ループヒートパイプ / ウィック / 蒸発

Outline of Annual Research Achievements

ループヒートパイプにおけるウィック内の蒸発現象を基礎的に解明するため，目視観察可能な測定部に設置した幅50mm，高さ20mm，奥行き5mmの焼結金属性ウィックの上面に断面5mm×5mmの銅製角柱を押し付け，その根本をマイクロセラミックヒーターで加熱するとともに，ウィック下側の空間を作動液（エタノール）で満たして蒸発実験を行った。銅角柱の軸方向４カ所に極細熱電対（素線径0.1mm）を取り付け，その温度分布を外挿してウィック上面の加熱領域の温度を求めた。系内を予め真空排気して単成分系とし，測定部と接続した凝縮器の冷却水温度を一定に保つことにより系内の圧力（すなわち飽和温度）を調節した。焼結金属ウィックとしてステンレス製およびブロンズ製（焼結粒径約150μmおよび約70μm，空隙率 0.4程度）を用いた実験を行い，加熱部の熱流束（最大48 kW/m2）と過熱度（最大20℃程度）から蒸発熱伝達率を求めた。その結果，ステンレス製ウィックでは2.6 kW/m2℃，ブロンズ製ウィックでは7 kW/m2℃程度の熱伝達率となり，ウィック材の熱伝導率が大きい方が，蒸発熱伝達率が大きいことが分かった。さらに銅製角柱とウィックを合わせた伝熱の数値解析を行った。その結果，銅製角柱とウィックの接触部の近傍では蒸発熱流束が極めて大きく界面蒸発熱抵抗を考慮する必要のあること，またその領域では局所的に非常に細かい計算格子を用いる必要のあることが分かった。解析により得られた熱伝達率は実験結果の50～90%の値であり概ね妥当であるが，実験値との一致の程度が条件により異なる原因，ここで用いた解析モデルおよび蒸発係数の妥当性など，今後さらに検討を要する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画に沿って実験装置を設計・製作し，孔径および材質が異なるウィックについての実験結果を得ることができた。また次年度に予定していた数値解析にも着手し，ウィックが液で充満している場合について実験値と概ね一致する結果が得られた。なお実験においてウィック下部の液相からの気泡発生など想定外の事象が発生し，その解決に時間を要したため，当初予定の作動流体を変えた実験は次年度に行うこととした。

Strategy for Future Research Activity

作動流体を変えた実験，およびウィックの厚さを変えた実験を行う。今年度は実験結果が確実に得られるよう高熱負荷の実験は行わなかったが，今後は加熱限界を調べる実験も行う。解析についてもウィックの内部での蒸発を扱えるよう拡張し，加熱限界付近での実験結果との比較を行う。さらに加熱部（銅製角柱）の幅を変えた実験を行い，その影響を明らかにするとともに，ピンフィン型の加熱板の有効性についても検討を行う。