3次元マイクロ流路ネットワークの構築による集積熱制御デバイスの研究

构建三维微通道网络的集成热控装置研究

基本信息

批准号：
21K03905
负责人：
馬場宗明
金额：
$ 2.58万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03905/
关键词：
熱交換伝熱促進微細加工濡れ性制御凝縮

项目摘要

本研究では、マイクロ流路とナノ・マイクロ微細形状を有した3次元マイクロ流路ネットワーク構造による集積熱制御デバイスに関する研究開発を行った。(1) 反応性イオンエッチングを利用してナノ・マイクロ階層構造表面を作製し、滴状凝縮の観察を行い、凝縮液滴挙動に及ぼすマイクロ構造の影響について調べた。実験より、構造の違いによりマイクロピラー間の液滴に働くラプラス圧力勾配によりCassie状態に移行し、液滴径20μm以下のjumping dropletが高頻度で発生することを明らかにした。f-DLCによる優れた耐食性、耐摩耗性を持つ安定な低表面エネルギーコーティング手法を検討し、凝縮実験に用いる目途を立てた。また、混相流体のCFDシミュレーションも併用して、ピラー形状や表面エネルギー、過冷度条件などの物理的な意味を理解し、伝熱促進の指針を明らかにする準備を行った。(2)感温性蛍光粒子（Temperature Sensitive Paint、以下TSP）を用いた伝熱面温度および熱伝達率分布の可視化を行った。前年度に作成したTSP塗膜付の多層構造伝熱面を用いることで、ドライパッチの膨張によって引き起こされる熱伝達の低下により、伝熱面上の核形成された蒸気泡の下に高温領域が観察され、液体層内の対流熱伝達により蒸気泡の周囲に低温領域が存在することが観察された。気泡の底部の温度分布が気泡の成長と移動に追従していることが分かった。さらに、大きなスラグ気泡の底部にドライゾーンを形成した場合の非定常熱伝達率分布を定量的に評価できることを実証した。(3)マイクロ沸騰直冷デバイスの基礎構造の設計・試作を行った。薄液膜蒸発面の拡大による面全体での熱伝達率の向上とリエントラント構造形成を利用した給液流路の設計により、沸騰冷却デバイスの性能向上のための見立てを得た。

在这项研究中，我们使用带有微通道和纳米 - 微晶状体形状的3D微通道网络结构对集成的热控制设备进行了研发。（1）使用反应性离子蚀刻来制造纳米微层次表面，并观察到液滴凝结，并研究了微观结构对冷凝液滴行为的影响。实验表明，由于结构的差异，拉普拉斯压力梯度作用于微柱之间的液滴上，并且产生了液滴的高频跳跃液滴的高频。我们研究了一种稳定的低表面能涂层技术，具有出色的耐腐蚀性和使用F-DLC的耐磨性，并设定了一个计划将其用于冷凝实验。此外，还使用了多相流体的CFD模拟来了解柱状，表面能和超冷条件的物理含义，并阐明促进传热的准则。（2）使用温度敏感的荧光颗粒（TSP）可视化传热表面温度和传热系数分布。通过将多层传热表面与上一年中产生的TSP涂层一起使用，在热传递表面上的核蒸气气泡下方观察到高温区域，这是由于干燥斑块膨胀引起的热传递的降低，并且观察到由于液体液体的液体传热而在蒸发液周围由于液体传热而存在。发现气泡底部的温度分布遵循气泡的生长和运动。此外，已经证明，当在大炉渣气泡的底部形成干燥区时，可以对不稳定的传热系数分布进行定量评估。（3）设计并原型制定了微型沸腾直接冷却装置的基本结构。由于薄液膜蒸发表面的扩大，通过增加了整个表面的传热速率，并利用了重新入学结构的形成来设计液体供应流动路径，我们已经达到了提高沸腾冷却装置的性能。