極微量溶存液によるFCの限界熱流束増大現象の機構解明

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LSIチップ用の自然循環沸騰冷却システムの伝熱特性解明を目的として,試験ループ内に非導電性の冷却液FC-72を充填し,蒸発器の上流側の液配管内に表面積10 x 10mm^2の模擬シリコンチップを設置して,沸騰熱伝達特性におよぼす液の過冷度および循環液流量の影響を調べた.この実験において,試験ループを構成する要素機器の接続に使用した軟質塩化ビニール管から可塑剤であるヂオクチルフタレート(沸点386℃)が溶出し,伝熱面に付着することによって核沸騰熱伝達および限界熱流束が大幅に上昇する現象を見出した.清浄面と比較した限界熱流束の上昇は70%に達した.この現象を定量的に把握するために,プール沸騰実験装置を用い,FC-72中に一定量のヂオクチルフタレートを混入して同様の実験を行った.ヂオクチルフタレートがシリコンチップに付着している状況ではループ系の場合と同様な伝熱促進が見られたが、ヂオクチルフタレート自体はシリコンチップを濡らさない性質を持っており,時間の経過につれてチップ表面から取れてしまう傾向があった.次いで、FC-72に可溶性の有機液を微量混入することによる伝熱促進効果について検討した。混入する液体としては、FC-72より沸点の高いクロロフォルム(沸点61.8℃)と、沸点の低いR123(沸点27.7℃)を使用し、質量濃度を2%と5%、液温を56℃,31℃および11℃に変化させて実験を行った。実験結果によると、質量濃度が2%と5%の場合ともに、で液温が31℃の場合には低熱流束域の核沸騰熱伝達率は低下し、高熱流束域の核沸騰曲線には差が見られなかった。一方液温11℃では核沸騰熱伝達特性にあまり差が見られなかった。限界熱流束についてみると、クロロフォルム添加の場合には純FC-72に比べて限界熱流束は低下し、液温31℃で質量濃度が2%と5%のときにそれぞれ純FC-72の90.0%と93.6%であった。一方R123の場合には限界熱流束は上昇し、液温31℃と11℃で質量濃度が2%と5%のときにそれぞれ純FC-72の104.3%と113.8%および122.2%と131.3%になった