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

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．

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．