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．

在该行业中，对半导体的需求继续增加和小型化，高效的冷却系统是热场的重要问题。使用相位变化的冷却设备（例如热刺）可以比空气冷却和冷却更好地获得更高的冷却能力。其中，通过重力循环工作流体循环的循环型热门人物不需要外部功率并实现大量的热传输，从而可以从高性能CPU中去除高密度的热量。因此，在这项研究中，我们在铝沸腾表面上进行了称为LISS（激光干扰表面结构）的激光处理，并试图使用HFO制冷剂R1234ZE（E），其具有低的全球变暖潜力，以在宽大的热量范围内实现高冷却性能。使用上面处理的测试沸腾表面，对沸腾的传热系数和临界热通量进行了实验评估，并获得了以下发现。（1）Liss加工表面的沸腾传热系数与Gorenflo等人的预测方程式很好地匹配，可达约750 kWm-2，但是到达核沸腾的核沸腾极限，并且达到的热通量高于预测方程。当在输入热通量750 kWm-2（这是成核沸腾的极限点）周围使用带有晶格的深槽的切割表面时，沸腾的传热系数约为未加工表面的沸腾热传递系数。（2）表面微观结构导致毛细作用发生在液体和铝表面之间。这被量化为WI的数量。（3）证实，由于表面微观结构，沸腾的传热系数和临界热通量都显着增加。将临界热通量的增加速率与预测方程进行了比较，发现效果小于预测方程。