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

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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。