2015 Fiscal Year Research-status Report
機能・知能性流体を用いた次世代エネルギー輸送デバイスの研究開発
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26420126
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
山口 博司 同志社大学, 理工学部, 教授 (80191237)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
須知 成光 秋田県立大学, システム科学技術学部, 准教授 (00347204)
岩本 悠宏 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30707162)
桑原 拓也 日本工業大学, 工学部, 助教 (70602407)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 機能・知能性流体 / 混相流 / 感温性磁性流体 / 熱伝達特性 / MEMS / 自然対流 / 格子ボルツマン法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1.MEMS磁気駆動熱輸送装置 流路内の非共沸混合磁性流体の流動伝熱特性の基礎的な知見を得るために，磁場印加流路内を閉ループで循環する装置を用いて，入熱する加熱量を変化させて実験を行った．その結果，加熱量の増加に伴い熱伝達の向上を確認することができた．これは，非加熱部と加熱部との温度差が増加することにより磁気体積力が増加し駆動力が増加するためであることがわかった．また，CPUの冷却を想定して下面から入熱を行った際のマイクロチャンネル内の流動の数値計算を行った．その結果，磁気体積力の影響により，非加熱壁面である上面壁付近では流速は小さく，加熱壁面である下面付近では流速が大きくなることがわかった．また，最大磁場強度の増加に伴い流速が増加し熱伝達が向上するため加熱壁面の温度が減少することがわかった．
2.非磁性粒子混入系熱磁気自然対流 非磁性粒子混入系の自然対流の熱伝達特性の基礎的知見を得るため，一様磁場印加可能な3次元矩形容器内で実験を行った．粒子密度の違いによる対流への影響を調査するために，同じ熱伝導率を有する非磁性粒子のアルミナ及びジルコニアを磁性流体に5vol%加え，自然対流実験を行った．その結果，磁性流体のみ場合でのヌセルト数よりも低密度のアルミナ粒子を混入した場合ではヌセルト数が上昇し，高密度粒子のジルコニア粒子を混入した場合ではヌセルト数が減少した．これは，アルミナ粒子が磁性流体の流動に追随するため熱伝達が上昇し，ジルコニア粒子は磁性流体中に沈降し，対流を抑制したことが原因であると考えられる．また，磁性流体中の粒子運動の可視化を行うため磁性流体のみの場合，流体と共に粒子が動く場合，粒子が動かない場合の3条件で数値解析を行った．その結果，流体と共に粒子が動く場合は粒子による撹拌効果でヌセルト数が上昇し、粒子が動かない場合は対流を抑制しヌセルト数が減少することがわかった．
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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
・現在までの達成度
1.MEMS磁気駆動熱輸送装置：磁場印加流路内を閉ループで循環する装置を作成し，外部磁場分布，加熱量を変化させ自己循環実験を行った．その結果，最大磁場強度の増加，加熱量の増加に伴い，非共沸混合磁性流体の駆動力が増加し，熱伝達率の向上を確認することができた．また，MEMS磁気駆動熱輸送装置の確立へ向けて，数値計算より，下面のみの加熱時の流動特性を確認することができ，最終目的に向けておおむね順調に進展している．
2.非磁性粒子混入系熱磁気自然対流：一様磁場印加可能な3次元矩形容器を作成し，上下部加熱冷却可能な実験装置を試作し，下部加熱上部冷却のもと磁性流体単相および，非磁性粒子混入系での熱伝達特性の調査が終わり，最終目的に向けておおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
1.MEMS磁気駆動熱輸送装置：非共沸混合磁性流体が磁場印加矩形流路内を閉ループで循環するMEMS磁気駆動輸送装置を試作することで，伝熱面積の拡大による本熱輸送装置の流動熱伝達特性の違いを明らかにする．また，CPUの冷却を模擬した下面のみ加熱の実験を行い，加熱面の違いによる流動熱伝達特性の違いを明らかにする．さらに，数値解析的に非共沸混合磁性流体のマイクロチャンネル内の二相流熱流動の可視化を行い，熱輸送装置内の熱流動特性の解明を行う．これにより，最終的に，CPUの除熱要求である発熱体表面温度100℃以下かつ発熱密度1000kW/m2以上の熱輸送能力を有する新しい磁性流体を用いた蓄積型MEMS磁気駆動熱輸送装置を構築する．
2.非磁性粒子混入系熱磁気自然対流：昨年度の結果を基に，矩形容器内に混入する非磁性粒子の粒子径及び，粒子数を変更し実験を行う．そして，高熱伝導率となる非磁性粒子の粒子径及び粒子数の条件を選定する．また，数値解析手法を用いて，容器内での単粒子の状態を変化したときに生じる磁性流体と非磁性粒子間の相互作用を調査する．そして，最終的に磁性流体内に非磁性粒子を混入させた場合の自然対流熱流動メカニズムの解明を行う．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額に差が生じた要因は，今年度当初において前年度購入分の磁性流体および熱電対が引き続き使用可能であり購入を見送ったためである．今年度においても磁性流体および熱電対を購入したが，年度初めに見送った分わずかながら予定よりも少ない購入となった．以上の理由から次年度使用額に差が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度ではMEMS磁気駆動熱輸送装置の研究において，よりCPU冷却装置の実機を模擬した実験を行うため，磁気駆動熱輸送装置の加熱面積を拡大する予定である．そのため，マイクロチャンネル内の磁性流体の使用量が増加する．また，非磁性粒子混入系熱磁気自然対流の研究において粒子径および粒子数を変更して実験を行う．そのため実験条件が多くなり，前年度よりも多くの磁性流体が必要となる．以上の理由から，次年度の研究計画を実施するために磁性流体の購入に使用することを予定している．
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[Presentation] 銀ナノワイヤ分散系磁性流体の熱伝導異方性2015
Author(s)
岩本悠宏, 吉岡篤志, バラチャンドラン ジャヤデワン, 井門康司, 山口博司
Organizer
第27回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム
Place of Presentation
ハウステンボス タワーシティ３階
Year and Date
2015-05-14 – 2015-05-15
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