超機能デバイスシステム創成を目指した統合的熱管理システムの研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13025214
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 西尾 茂文 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00111568)
• 研究分担者: 高野 清 東京大学, 生産技術研究所, 助手 (60302626) ; 永田 真一 東京大学, 生産技術研究所, 助手 (60013182)
• キーワード: 熱拡散 / 熱拡散板 / ヒートパイプ / 熱輸送デバイス / ヒートシンク / マイクロチャネル / 冷却制御

研究概要

半導体デバイス統合的熱管理を提案し、振動流型ヒートパイプ内蔵熱拡散板、マイクロチャネルヒートシンク、およびマイクロミニチュア冷却器について研究し、3年間の総括として以下の結果を得た。
(1)COSMOS-HPに関する最適化解析を行い、COSMOS-HPは細径化に適していることを示した。振動流を外部駆動するCOSMOS-HPにおいて、銅の熱伝導率の190倍に相当する実効熱伝導率を達成した。また、ギアモータ駆動型およびバイモルフ型ピエゾ素子駆動型COSMOS-HPを内蔵した熱拡散板を試作し、銅の熱伝導率の20倍に相当する実効熱伝導率を達成した。(2)流路断面深さ0.35mm、幅0.5mmで12ターンのSEMOS-HPを内蔵した幅20mm、長さ50mm、厚さ1.5mmの銅製熱拡散板を作成し、トップヒートでもボトムヒートとほぼ同様に作動することを実証するとともに、流路断面積あたりの熱輸送密度が銅に比べて10倍以上の熱輸送が実現できることを示した。(3)マイクロチャネルにおける発達した単相流熱伝達実験を水を用いて行い、従来の多くの報告とは異なり、少なくとも直径が0.1mm程度以上であれば熱伝達率は古典的理論によく一致することを示した。(4)最終放熱装置としてのマイクロチャネルヒートシンクの最適化解析を行い、これはヒートシンクとして高性能であるが、冷却空気を駆動するファン動力を軽減するには熱拡散板でつながれた複数代のマイクロチャネルヒートシンクに冷却空気を分岐することが有効であることを示した。(5)局所冷却装置として、マイクロミニチュアJT冷却器に注目し、単相流における流路の最適設計法を提案するとともに、10mm×50mm程度の大きさの2WクラスのマイクロミニチュアJT冷却器を作成し、熱交換器の高温側出口近くおよび低温側流路入口近くの流動を二相流化することにより単相流JT冷却器より性能向上が図れることを示した。

研究成果

• [文献書誌] S.Nishio, S.Nagata, S.Numata, R.Shirakashi: "Study of Thermal Characteristics of Bubble-driven Heat-Transport Device"Heat Transfer-Asian Research. 32・2. 167-177 (2003)
• [文献書誌] S.Nishio: "Micro Thermal Systems"Thermal Science and Engineering. 11・3. 1-7 (2003)
• [文献書誌] 西尾茂文, 岩上健, 白樫了, 三田信: "マイクロ・ミニチュアJTクーラーに関する研究"低温工学. 38・12. 680-685 (2003)
• [文献書誌] D.Lelea, S.Nishio, K.Takano: "The experimental research on microtube heat transfer and fluid flow of distilled water"Int.J.Heat & Mass Transfer. (in print). (2004)
• [文献書誌] Nishio: "Single-Phase Laminar-Flow Heat Transfer and Two-Phase Oscillating-Flow Heat Transport in Microchannels"Heat Transfer Engineering. (in print). (2004)