多孔体内熱流動観察・解析

背景および目的

ループヒートパイプ(Loop Heat Pipe, LHP)の性能を決定する最も重要な要素は蒸発器である。蒸発器内の多孔体では相変化を伴った気液二相熱流動現象が生じているが、そのメカニズムおよび現象に影響を及ぼす因子は未だ十分に解明されていない。特に高熱流束負荷時に多孔体内部で発生する蒸気相領域は蒸発器熱抵抗を急増させ、LHP性能を大きく低下させる。このため蒸発器多孔体内の二相熱流動現象の解明がLHPのさらなる性能向上のための課題となっている。しかし、現状ではマイクロスケールでの可視化実験データが不足している上、多くの物理モデルが理想的な仮定条件に基づくものであるため、多孔体内の蒸気相領域生成メカニズム、多孔体特性(熱伝導率,浸透率,空孔半径)が熱流動現象に及ぼす影響、多孔体に加工される蒸気溝形状が熱流動現象に及ぼす影響など不明な点が多い。そこで本研究では多孔体内気液熱流動現象のマイクロスケール可視・赤外観察、ポアネットワーク法を用いた3次元熱流動モデルによる気液相変化挙動、温度圧力分布等の予測に取り組んでいる。先行研究例の少ないマイクロスケールでの現象可視化および詳細な3次元熱流動モデルに基づく多孔体気液二相熱流動機構の解明および基礎学理の理解に基づいた革新的な蒸発器構造の創出、LHP最適設計理論の確立を目標とする。

方法

図1に示すマイクロスケール可視・赤外観察装置は多孔体表面で生じる気液熱流動現象および多孔体の熱伝達性能を把握することが可能である。これまでにPTFE多孔体、ステンレス多孔体の観察を行い熱流動特性を明らかにしてきた(図2)。本観察装置は容易な試料セットアップが可能であるため、多孔体特性(熱伝導率、浸透率、空孔半径)および蒸気溝形状に関するパラメトリックな評価を実施しやすいという特長を有する。本手法により新蒸発器多孔体構造の製作・評価・再設計のサイクルを促進し、革新的な蒸発器構造の創出を目指す。

主な成果

図1 多孔体気液熱流動のマイクロスケール可視・赤外観察装置
図1 多孔体気液熱流動のマイクロスケール可視・赤外観察装置
図2PTFE多孔体、ステンレス多孔体の顕微赤外・可視観察結果
図2PTFE多孔体、ステンレス多孔体の顕微赤外・可視観察結果

(小田切公秀)