多孔質体内での気泡微細化沸騰を用いた大伝熱面冷却手法の開発

 

本研究では、電気自動車用インバーターや次世代ＣＰＵ等の高発熱密度機器への適用を見据えて、限られた放熱面から大量の熱を除去でき、安定に冷却でき、加えて、大伝熱面の冷却に適用可能な冷却技術を開発することを目的としている。高熱流束除熱を達成するため、冷却手法としては、冷却液の相変化を伴う「沸騰冷却方式」を検討対象とした。ここで、既存の沸騰冷却方式で高熱流束除熱を行う場合、気泡の生成・凝縮に伴う圧力変動に起因して不安定流動が生じやすい、流路の下流に行くにつれて温度境界層が発達するため、大伝熱面では除熱性能が低下する、等の課題がある。以上の課題を解決するため、本研究では、冷却材流路として、「多孔質金属を充填した小口径流路（ポーラスマイクロチャンネル、以下ではＰＭＣと略記）」を採用した。実験に用いた試験部の概要を図１，２に示す。ＰＭＣ内における沸騰熱伝達では、流体混合が促進により温度境界層の発達が抑制されるため、大気泡が生成されにくく、この結果、流動不安定や伝熱面サイズの増加に伴う除熱性能の低下を緩和できると期待される。このため、本研究では、伝熱面サイズ、冷却材流量、冷却材温度を変更しながら伝熱実験と気泡挙動の可視化観察を実施し、ＰＭＣ内沸騰熱伝達による冷却性能を系統的に検討した。実験中における流路内での気泡生成状況を図３に示す。これより、ＰＭＣでは、大気泡の生成が生成されておらず、この結果、最大除熱可能量を増大できるとともに、圧力変動に起因する流動不安定を緩和できることを示した。

本研究はオートレースの補助（28-152）を受けて実施しました．

 

図１　多孔質金属を用いた試験片の概略図

 

図２　多孔質金属を用いた流路の構成図

 

(a) 通常流路

(b) ポーラスマイクロチャンネル（ＰＭＣ）

図３　熱流束2.5MW/m²における気泡生成状況（流動方向は左から右）

 

 

 

【成果物一覧】

 

1.      平田涼「ポーラスマイクロチャンネル内における熱流束と騒音低減及び圧力変動の関係性」電気通信大学卒業論文 (2017).

2.      熊取弘祐「ポーラスマイクロチャンネル内沸騰熱伝達に及ぼす伝熱面サイズの影響」電気通信大学卒業論文 (2018).

3.      大箸淳記、平田涼、榎木光治、大川富雄「ポーラスマイクロチャンネル内沸騰流における圧力変動および発生音の計測」日本機械学会熱工学コンファレンス2016, I112 (2016).

4.      平田涼、大箸淳記、榎木光治、大川富雄「ポーラスマイクロチャンネル内における熱流束と騒音低減及び圧力変動の関係性」日本機械学会関東学生会第56回学生員研究発表講演会, No. 410 (2017).

5.      大川富雄、大箸淳記、平田涼、榎木光治「ポーラスマイクロチャンネルを用いた高熱流束伝熱面の安定冷却」自動車技術会(SAE)2017年春季大会, No.439 (2017).

6.      大箸淳記、SANTIAGO Edgar、榎木光治、大川富雄「ポーラスマイクロチャンネル内沸騰流における流動安定性」混相流シンポジウム2017, F311 (2017).

7.      熊取弘祐、大箸淳記、榎木光治、大川富雄「ポーラスマイクロチャンネル内沸騰熱伝達に及ぼす伝熱面サイズの影響」日本機械学会関東学生会第57回学生員卒業研究発表講演会, No. 315 (2018).

8.      Tomio Okawa, Junki Ohashi, Ryo Hirata, Koji Enoki, Stabel, calm, and high-heat-flux heat removal using a porous-micro-channel, 4th International Workshop on Heat Transfer, TFEC-IWHT2017-18154 (2017).

9.      多孔質金属にかかわる企業・団体の取組同行〜国立大学法人電気通信大学, Yano E plus, Vol. 104, pp. 59-61 (2016).