超音速マイクロチャネルによる電子デバイスの高熱流束冷却技術の確立

利用超声速微通道建立电子设备高热流密度冷却技术

基本信息

批准号：
14J07353
负责人：
髙橋佑弥
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，気体の断熱膨張を利用した超音速マイクロチャネルによる流による省エネルギー型超高熱流束冷却システムの確立を目的としている．冷却対象は，近年，冷却能力の不足に伴う電力コスト増加が深刻な問題となっているデータセンターにおける集積回路などの小型電子デバイスである．本研究では，10MW/m2を超える超高熱流束冷却システムの実現を目指す．この目的の達成のために今年度は，より工業的に実現が容易なマイクロ超音速ノズル形状を目指し，圧延などによっても製作が可能な片バンプノズルを提案した．数値解析によるマイクロ超音速ノズル流の温度場の評価から，本研究で新たに提案した片バンプノズルは，昨年度提案したバンプノズルと比較して流動様相に相違あるものの，断熱膨張後の温度場は概ね同程度であり，マイクロチャネルヒートシンクとして有用であることを示した．また数値解析によってノズル下流のマイクロチャネル形状，及び最適なノズル幅の検討を行い，本研究で提案するマイクロチャネルヒートシンクにおいては，ノズル幅200μm程度で緩やかな拡がり勾配を有するマイクロチャネルが最適であることが明らかとなっている．さらに本年度は，これまでに得た数値解析，及び位相シフト光干渉計を用いたマイクロチャネル内超音速流に関する知見に基づき，10mm角及び高さ15mmの銅製のマイクロチャネルヒートシンクを作製し，冷却性能試験を実施した．また冷却性能試験に先立ち，OpenFOAMを用いた冷却性能評価手法を提案している．また実験条件は，これまでの数値解析と同様に上流0.7MPa，下流は大気開放とした．本冷却性能試験の結果，本研究で提案するマイクロチャネルヒートシンクは，空冷ながら1MW/m2を超える冷却性能を有することが明らかとなっている．

这项研究旨在使用使用绝热气体膨胀的超音速微通道流量来建立节能的超高热通量冷却系统。冷却目标是小型电子设备，例如数据中心中的集成电路，这些设备最近已成为一个严重的问题，在该问题中，由于缺乏冷却能力，电力成本增加已成为一个严重的问题。这项研究旨在实现超过10MW/m2的超高热通量冷却系统。为了实现这一目标，今年，我们旨在创建一个微型苏珀式喷嘴形状，更容易在工业上实现，并提出了一个可以通过滚动和其他方式制造的颠簸喷嘴。基于使用数值分析对微苏普朗喷嘴流的温度场的评估，本研究中新提出的单个凹凸喷嘴与去年提出的凸起喷嘴相比，流量特性有所不同，但是绝热膨胀后的温度场通常相似，表明它可用作微型渠道散热器。此外，数值分析研究了喷嘴下游的微通道形状和最佳喷嘴宽度，并且已经发现这项研究中提出的微通道散热器是一个微通道，其喷嘴宽度约为200μm，并且是一个柔和的膨胀梯度。此外，今年，基于到目前为止获得的数值分析以及使用相移的光学干涉仪对微通道中的超音速流量的了解，我们制造了铜微通道散热器，其高度为10mm，高度为15mm，并进行了冷却性能测试。此外，在冷却性能测试之前，我们提出了一种使用OpenFOAM评估冷却性能的方法。实验条件为0.7 MPa上游，如先前的数值分析，打开了下游空气。这项冷却性能测试的结果表明，尽管空气冷却，但在这项研究中提出的微通道散热器的冷却性能超过1MW/m2。

项目成果

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Preliminary experiment of supersonic micro-channel gas flow visualization by using Interferometer

干涉仪超声速微通道气流可视化初步实验

DOI：
10.1299/jfst.2014jfst0069
发表时间：
2014
期刊：
Journal of Fluid Science and Technology
影响因子：
0.8
作者：
Yuya Takahashi;Junnosuke Okajima;Yuka Iga;Atsuki Komiya;and Shigenao Maruyama
通讯作者：
and Shigenao Maruyama

Density Measurement of Supersonic Air Flow inside a Bumped Micro-channel Using Interferometer

使用干涉仪测量凹凸微通道内的超音速气流密度