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Challenge to enhancements of nucleate boiling and critical heat flux using LISS-microfabricated metallic surfaces

使用 LISS 微加工金属表面增强核沸腾和临界热通量的挑战

基本信息

批准号：
21K20409
负责人：
劉宇飛
金额：
$ 1.83万
依托单位：
Nagasaki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-08-30 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K20409/
关键词：
沸騰冷却排熱回収レーザ加工超親媒性低GWP冷媒

项目摘要

産業界において，半導体の需要は増え続け小型化が進む傾向にあり，高効率な冷却システムが熱分野で重要な課題となっている．サーモサイフォンのような相変化を利用した冷却機器は，空冷・水冷に比べ優れた冷却能力を実現し得る．このうち重力で作動流体を循環させるループ型サーモサイフォンは，外部動力が不要かつ大きな搬送熱量を達成するため，高性能 CPU の高密度な除熱が可能であると期待されている．そこで，本研究ではアルミ沸騰面表面にLISS（Laser Interference Surface Structuring)と呼ばれるレーザーによる加工を行い，地球温暖化係数の低いHFO系冷媒R1234ze(E)を使用して，より広い熱流束範囲で高い冷却性能を可能とすることを試みた．上記の加工を行った試験沸騰面を用いて，沸騰熱伝達率および限界熱流束を実験的に評価して，以下の知見を得た．(1) LISS加工面の沸騰熱伝達率は，Gorenfloら等の予測式と投入熱流束約750 kWm-2まで良い一致を示したが，核沸騰限界を迎え，それ以上の熱流束では予測式よりも低い値を示した．核沸騰限界点とされる投入熱流束750 kWm-2付近では格子状深溝加工を有した加工面を用いた場合，沸騰熱伝達率は非加工面の約2.9倍から約3.5倍であった．(2) 表面微細構造により，液体とアルミ表面との間に毛管力が生じた。このれをWi数として定量化することが出来た．(3) 表面微細構造により，沸騰熱伝達率と限界熱流束の双方が顕著に増加することが確認できた．限界熱流束の増加率を予測式と比較したが，その効果は予測式よりも小さいことが分かった．

In the industrial world, the demand for semiconductors is increasing, miniaturization is advancing, and high efficiency is an important issue in the field of cooling. Air cooling and water cooling can be used to optimize cooling capacity. The gravity of the actuating fluid circulates in the air. The external power does not transfer heat. The high-density heat removal of high-performance CPU is possible. In this study, LISS (Laser Interference Surface Structuring) and other processing methods were used to study the possibility of high cooling performance due to the low global warming coefficient and high HFO freon R1234ze (E). The above mentioned processing method is used to test the boiling surface, and the boiling heat transfer rate and the limit heat flux are evaluated. The following knowledge is obtained. (1)The boiling heat transfer rate of LISS machining surface is about 750 kWm-2. The prediction formula of Gorenflo and other parameters is consistent with that of the input heat flux. The boiling limit point is 750 kWm-2 and the boiling heat transfer rate is about 2.9 times higher than that of the non-machined surface. (2)Surface fine structure, liquid, surface and capillary force This is a quantitative analysis. (3)Surface microstructure, boiling heat transfer rate, limit heat flux and both sides of the increase in heat transfer rate. The increase rate of the bound heat flux is compared with the prediction equation, and the prediction equation is divided into two parts.