マイクロスケール多孔体内相変化素過程の解明とループヒートパイプ高熱流束化への応用

微尺度多孔体相变基本过程的阐明及其在环路热管高热通量中的应用

基本信息

批准号：
17J11419
负责人：
小田切公秀
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究はループヒートパイプ(Loop Heat Pipe,以降LHP)の蒸発器多孔体内相変化素過程の解明および、基礎学理の理解に基づく高熱流束LHP設計理論の確立を目的とする。昨年度までにマイクロスケール赤外・可視観察によって多孔体熱流動に3種の動作状態が存在することを明らかにした。今年度は(1)高熱伝達多孔体構造の提案および実証、(2)三相界線領域最適化による高性能化のLHPシステムレベル実証に取り組んだ。(1)について、昨年度に理論的に明らかにした、蒸発器と作動流体の濡れ性向上による高熱伝達性能化を要素レベルで実験的に検証した。具体的には(a)表面化学修飾の一つであるSAM膜付加試料、(b)サンドブラスト処理試料、(c)マイクロ溝加工試料を用いて熱伝達性能を評価した。それぞれ高熱流束条件における性能向上が明らかとなった。また各試料の性能向上メカニズムは蒸発器と作動流体間の接触角減少に因る液架橋熱抵抗低減であることを明らかにした。本手法はLHPシステムに適用することで飛躍的性能向上が期待できる。(2)について、昨年度に要素レベルで実証した三相界線増大による高性能化をLHPシステムに適用し、実証試験に取り組んだ。三相界線長さとLHP性能はトレードオフの関係にあるためLHPシステム設計モデルを構築し、三相界線長の最適化を行った。構築したLHPシステムの熱輸送性能評価の結果、熱輸送距離550 mm級で世界最高熱流束の18.2 W/cm2を達成した。基礎学理の理解に基づいたLHP高熱流束化を試みた本研究ならではの成果であるといえる。以上のようにマイクロスケール赤外・可視観察および理論モデル構築によって明らかにした多孔体相変化素過程の現象理解を高熱流束LHPに応用し、システムレベルで動作実証することに成功した。今後は新構造適用によるLHPシステムの飛躍的性能向上が期待できる。

这项研究旨在阐明蒸发器多孔循环热管体（以下称为LHP）中的相变元素过程，并基于对基本理论的理解来建立高热量LHP设计理论。直到去年，微观红外线和可见的观察结果表明，多孔体热流中有三种类型的工作状态。今年，我们研究（1）通过优化三相界面区域来提出和演示高热转移的多孔身体结构，（2）以优化高性能LHP系统级别的演示。关于（1），我们在元素级别对较高的传热性能进行了实验验证，通过改善蒸发剂和工作流体的润湿性，从理论上揭示了去年。具体而言，使用（a）SAM膜增添样品（是表面化学修饰之一，（b）砂粉样品，以及（c）微胶根处理的样品，对传热性能进行了评估。已经揭示了在高热通量条件下的性能改善。还发现，改善每个样品性能的机制是，由于蒸发器和工作流体之间的接触角降低，液体交联的热阻力。可以通过将这种方法应用于LHP系统，可以大大提高性能。关于（2），我们通过增加了去年在元素级别的三相界面的增加来应用性能的改善，并进行了LHP系统，并进行了示范测试。由于三相接口长度和LHP性能之间存在权衡关系，因此构建了LHP系统设计模型，并优化了三相界面长度。通过评估构造的LHP系统的热传输性能，世界上最高的热通量为18.2 W/cm2，热传输距离为550 mm。这是这项研究的独特结果，该研究试图根据对基本理论的理解来增加LHP热通量。如上所述，我们已经成功地应用了对通过微观红外和可见的观测值和理论模型构建揭示的多孔身体相变元件过程的理解，并在系统级别证明了运行。将来，我们可以通过应用新结构来期望LHP系统的性能会有所改善。