研究課題/領域番号 |
16K18022
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研究機関 | 金沢工業大学 |
研究代表者 |
福江 高志 金沢工業大学, 基礎教育部, 講師 (80647058)
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研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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キーワード | 脈動流 / ファン空冷 / 物体周りの伝熱 / 伝熱促進 / 流れのはく離 / 省エネルギー / 高密度実装 / 数値シミュレーション |
研究実績の概要 |
2018年度は,脈動流を応用するアプリケーションに近い流路構造および冷却対象において,脈動流による伝熱促進効果が広く期待できるかどうかを,主に数値シミュレーションにより評価した。 とりわけ空冷での脈動流に焦点を絞り,ファン空冷を行う電子機器を想定した幅 60 mmの流路を検証対象とした。流路内部に断面寸法 30 mm × 30 mm の角柱を,距離を変えながら3本直列に設置した場合に起こる,流れの脈動化による伝熱促進効果を検証した。角柱は発熱部品や伝熱促進体を想定している。脈動時の伝熱促進効果は,時間平均流量が同じ定常流の結果と比較することで検証を行った。時間平均の流速は,ファン空冷を行う小型電子機器で見られる,幅 60 mm,高さ 40 mmの筐体にファンで空気を供給した場合を想定したReynolds数が1000に相当する値とした。 検証した範囲において,次の結論が得られた。まず,脈動しない通常の定常流において,流れがはく離し,高温の空気が淀んでしまう角柱の隙間で,流れの脈動化による高い伝熱促進効果を確認できた。脈動による効果は最上流の1本目より,下流側の2本目,3本目の角柱のほうが高かった。定常流において一般的に見られる流れの下流側における伝熱性能の低下を,流れの脈動化により抑制できる良好な効果を確認できた。これは既報の部品単体の場合と同様,減速周期で部品の隙間や背後のはく離領域に流れを誘起することで,隙間における空気の滞留を防ぐことでより伝熱されることによる。以上から,構造が複雑な冷却対象においても,脈動による伝熱促進の効果が得られる結果を得ることが出来た。とりわけ,冷却空気の流れが複雑化する高密度実装電子機器や,より高い伝熱を得るために複雑な構造になる傾向がある冷却デバイスの内部において,脈動流の適用による冷却の効率化が実現できる感触を得ることが出来た。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初計画では,2017年度の成果を踏まえ,複雑な電子機器における空冷やホットスポット直冷用水冷デバイスなどの,実際の応用対象を模擬したモデルを用い,脈動流の有用性および実機応用の可能性を検証することを予定していた。特に実験と数値シミュレーションの双方による評価を計画していた。複雑な電子機器を想定した複数の発熱部品が実装されたケースにおける,空冷における脈動流の伝熱促進への有効性については,数値シミュレーションを通じて一定の評価を行うことができた。一方,2018年4月に研究代表者が異動したこともあり,計画していた脈動水流実験系の調整が遅れた。そのため,実験による評価と,脈動流によるホットスポットの温度制御を実現する一連の冷却機構の設計指針を整理し提案するまでには至らなかった。以上の進捗状況から,研究目的の達成度について「やや遅れている」と評価した。遅れたステップについては,補助事業期間の延長により,2019年度に完了することを目指す予定である。
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今後の研究の推進方策 |
2018年度の成果も踏まえ,改めて実際に脈動流を応用する冷却システムを想定した評価系の設計製作を行う。実験と数値シミュレーションの双方から,脈動流の実機応用に向けた検討を実施する。冷媒は空気と水の双方を検討するが,とりわけ2018年度に検証が不足した水を重点的に評価する。評価系は複数の伝熱促進体を設置したものとし,2017年度に検証を行った脈動波形の設計情報も参考に,伝熱効率を最適化する脈動流の制御を行う。冷却システム全体の流れの可視化や,温度場の過渡応答の評価を実施し,冷却システム内部の脈動流による伝熱効率を最大化させるための流れの設計情報を体系的に整理する。2019年度の研究により,改めて流れの脈動によるホットスポットの温度制御を実現するための,冷却機構の設計指針について提案していく予定である。
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次年度使用額が生じた理由 |
2018年4月に研究代表者が異動し,新規に担当する授業の準備と運営に想定以上の時間を要した。そのため,2018年度に計画していた実験系の準備や成果発表に遅延が生じた結果,計画していた物品費や旅費等の経費が予定通りに運用できなかった。したがって,次年度使用額については,2019年度に改めて実施する実験系の構築および成果発表のために運用する予定である。
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