平成28年度マイクロ・ナノ階層構造をもつ高性能沸騰伝熱面の開発補助事業

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もえりひろもり
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1 平成 28 年度マイクロナノ階層構造をもつ高性能沸騰伝熱面の開発補助事業研究報告書九州工業大学熱デバイス研究室矢吹智英

2 1. 研究の概要日常でもよく見かける沸騰熱伝達は小さな温度差で大きな熱エネルギーを輸送できる性質を持っているため,CPUや電気自動車の電力制御などに使われるパワー半導体等の発熱量が増加している電子機器の冷却に用いられようとしている. キッチンなどで見ることができ, 多数の気泡が壁面から発生して離脱する沸騰は核沸騰と呼ばれ, 高い熱伝達率をもつ. 一方, 熱流束を増加させ, 限界熱流束を迎えると壁面が蒸気に覆われる膜沸騰という形態に沸騰状態が遷移する. この膜沸騰では蒸発が大きな熱抵抗を持つ蒸気膜を介して生じるため, 熱伝達率が急激に低下してしまう. そのため, 工業的には限界熱流束を大きくする技術が重要となる. ここ10 年で,MEMS 加工技術等の微細加工技術を用いて微細構造を表面に加工して超親水化することで限界熱流束が大きく促進することがわかってきた. 一方, 微細加工技術は大面積加工に不向きで比較的高コストとなってしまうため, 微細加工技術を用いずに超親水性を発現する技術の開発が必要となる. 本研究では, 大面積加工, コストの面で優れた溶射法によりマイクロ構造を作製し, その表面を化学酸化してナノ構造を成長させることで超親水性を発現させる手法を開発した. また, 作製した超親水面を用いた沸騰実験により, 限界熱流束を銅の粗面と比較して1.8 倍に向上させることに成功した. 2. 溶射皮膜の化学酸化による超親水性マイクロナノ構造の製作まずは, 銅溶射皮膜表面にナノ構造を成長させてマイクロナノ超親水構造を製作する手法を確立した. アーク溶射, プラズマ溶射, コールドスプレー法の三種類の方法でマイクロ構造を持つ溶射皮膜を作製し, 溶射皮膜表面にナノ構造を付与することで超親水性マイクロナノ階層構造を作製した ( 図 1). 厚さ1mmの銅基板表面に, プラズマ溶射, コールドスプレー法では0.1mm, アーク溶射では0.3mmの溶射皮膜を成膜する. その後, 蒸留水 100 ml にNaClO 2 を3.75g,NaOHを5g,Na 3 PO 4 12H 2 Oを10g 溶かした液温 95 o Cの水溶液に10 分間浸漬し, ナノ構造を作製した.

図 1 溶射膜の化学酸化で作製した超親水マイクロナノ構造 3. 沸騰試験装置方法本プロジェクトの支援を受けて作製した沸騰実験装置の概略を図 2 に示す. 実験装置はポリカーボネート製の水槽と最大加熱量 200 W のカートリッジヒータを 5 本挿入した銅ブロック, 液体温度制御用のシースヒータから構成されている. 伝熱面はサイズが 1 cm 1 cm であり, 銅ブロックの上端にはんだ付けした.

3 図 1 溶射膜の化学酸化で作製した超親水マイクロナノ構造 3. 沸騰試験装置方法本プロジェクトの支援を受けて作製した沸騰実験装置の概略を図 2 に示す. 実験装置はポリカーボネート製の水槽と最大加熱量 200 W のカートリッジヒータを 5 本挿入した銅ブロック, 液体温度制御用のシースヒータから構成されている. 伝熱面はサイズが 1 cm 1 cm であり, 銅ブロックの上端にはんだ付けした. 伝熱面側面には低熱伝導率のエポキシ樹脂系接着剤を塗り, 伝熱量の過大評価につながるサンプル側面からの沸騰気泡発生を防止している. 銅ブロックに 4mm の間隔で挿入した直径 0.5 mm の 4 本の K 型シース熱電対によって計測した温度から, 熱流束と伝熱表面温度を計算する. 熱流束は T 1 -T 2 と T 2 -T 3,T 3 -T 4 の平均値を使用してフーリエの法則により計算した. 本研究では, マイクロ構造の熱伝導率が評価することができなかったため, 表面温度を厚さ 1mm の銅基板上面の温度と定義し, 伝熱表面温度は温度 T 1 と求めた熱流束を用いた外挿により計算した. 実験前にシースヒータの沸騰を利用して沸騰媒体である蒸留水を約 2 時間程度脱気し, 実験は大気圧, 飽和条件下で行った. 沸騰実験中, 蒸発した水は凝縮器によりチャンバー内に戻しており, 液温は容器内に取り付けた液温測定用シース熱電対とシースヒータを用いて飽和温度に維持した. 加熱には直流電源を用いており, 供給電力を段階的に増加させる過程で沸騰曲線を取得した. また, 急激な温度上昇が観察されたとき, 膜沸騰への遷移を判断し, 実験を終了した. 実験前にシースヒータの沸騰を利用して沸騰媒体である蒸留水を約 2 時間程度脱気し, 実験は大気圧, 飽和条件下で行った. 沸騰実験中, 蒸発した水は凝縮器によりチャンバー内

に戻しており, 液温は容器内に取り付けた液温測定用シース熱電対とシースヒータを用いて飽和温度に維持した. 沸騰実験は直流電源を用いており, 供給電力を段階的に増加させる過程で沸騰曲線を取得した. また, 急激な温度上昇が観察されたとき, 膜沸騰への遷移を判断し, 実験を終了した. 図 2 製作した沸騰実験装置 4. 沸騰実験の結果 4.

4 に戻しており, 液温は容器内に取り付けた液温測定用シース熱電対とシースヒータを用いて飽和温度に維持した. 沸騰実験は直流電源を用いており, 供給電力を段階的に増加させる過程で沸騰曲線を取得した. また, 急激な温度上昇が観察されたとき, 膜沸騰への遷移を判断し, 実験を終了した. 図 2 製作した沸騰実験装置 4. 沸騰実験の結果 4.1 沸騰曲線図 3 にそれぞれの溶射方法で作製した溶射皮膜表面と, それらに化学酸化を施し作製した階層構造表面, および銅の粗面と平滑面, ナノ構造のみの表面に対する水の飽和プール沸騰実験で得られた沸騰曲線を示す. 図 3 中の数値はそれぞれの表面の限界熱流束である. コールドスプレー皮膜を化学酸化して作製した階層構造伝熱面が最も高い限界熱流束 CHF=1.8MW/m 2 を示し, 銅の粗面における CHF と比較して約 1.8 倍に相当する CHF の促進が得られた. また, アーク溶射皮膜およびプラズマ溶射皮膜の化学酸化で作製したマイクロナノ階層構造表面においても CHF 促進が得られ, 銅の金属溶射と化学酸化法を用いて作

5 製したマイクロナノ階層構造表面の利用が,CHF の促進に有効であることが分かった. また, 沸騰曲線には示していないが, 直径約 50 ミクロンの銅微粒子の焼結体に化学酸化を施し超親水化した表面では 2.1MW/m2 の CHF を得ることができた. 除熱限界促進図 3 沸騰曲線 4.2 液体浸透性と限界熱流束超親水表面ではいずれの表面でも静的接触角がほぼゼロのため, 濡れの良し悪しの指標に静的接触角を用いることができない. そこで, 水を含ませたガラス細管の先端をサンプルに接触させ, 表面上に毛細管力で染み出る水の流量を測定し, 限界熱流束との関係を観察した. 本試験では, 図 4 内の写真のように, 水を保持させた内径 500 m のキャピラリ管をサンプル表面に接触させ, 微細構造内への液体の浸透により低下していく管内の液位を撮影速度 1000fps で高速撮影し, 構造内への水の浸透性を評価した. 図 4 は液面高さと管内径から計算した伝熱面に染み出した水の体浸透開始直後から 5ms までの五点のデータの近似で得られた直線の傾きに対応する造内への液体浸透速度である. 作製した階層構造表面は, ナノ構造のみの表面と比較して, 最大で約 4.7 倍に相当する液体浸透速度を有しており, 階層構造化により液体浸透性を向上できることが確かめられた.

6 図 5 は構造内への液体浸透特性を持つ超親水性表面で得られた CHF( 縦軸 ) と液体浸透速度 ( 横軸 ) の関係を示している. 液体浸透性を持つ超親水性表面では図 4 に示した液体浸透性と CHF に相関が得られ,CHF は液体浸透速度に比例して増加している. このことから, 超親水性表面においては構造内の液体浸透が伝熱表面上のドライアウトを防ぎ,CHF を向上させているという CHF 促進機構が考察された. 図 4. 毛細管力でガラス細管内から超親水表面に浸透する水の流量図 5. 限界熱流束と液体浸透性の関係

7 5. まとめと将来展望大面積加工が比較的容易に実現できる溶射法で作製した皮膜を化学酸化して超親水性マイクロナノ階層構造を作製し, 最大で銅の粗面の CHF の 1.8 倍に相当する CHF が得られた. 当初予定していなかった追加実験の成果ではあるが, 銅微粒子焼結体表面にナノ構造を成長させた超親水表面では 2.1MW/m 2 の限界熱流束が得られた. また,CHF は液体浸透性に比例していることから, 毛細管力による気泡底部への液体供給が CHF の増加に重要な働きを持つことが確かめられた. このたび, 公益財団法人 JKA から多大なる支援をお受けして, 沸騰試験装置を作製してプール沸騰限界熱流束を促進する自身の中では新たな研究課題に取り組むことが出来, 研究の幅を増すことができた. 得られた成果をもとに企業との共同研究を開始することが出来たことも大きな成果と言える. 今後, 実用化に向けた活動も行っていけたらと思う. 6. 学会, 講演会での発表 [1] 田中孝典, 坂本寛幸, 矢吹智英, 宮崎康次, マイクロナノ構造表面の液体浸透性とプール沸騰限界熱流束, 第 37 回日本熱物性シンポジウム,(Flash memory) 3 Pages,2016 年 11 月 [2] Takanori Tanaka, Tomohide Yabuki, Koji Miyazaki, Pool Boiling CHF Enhanced with Superhydrohilic Micro/Nano Structures Fabricated by Thermal Spray and Chemical Oxidation, Proceedings of International Forum on Heat Transfer 2016, (Flash memory) 6 Pages, 2016 年 11 月 [3] 矢吹智英, マイクロナノテクを用いた沸騰熱伝達のメカニズム解明と促進, 日本伝熱学会中国四国伝熱セミナー, 招待講演,2016 年 9 月 [4] 矢吹智英, マイクロナノテクを用いた沸騰熱伝達の計測と制御, 日本冷凍空調学会調査研究プロジェクト環境変化に対応するための先進熱交換技術に関する調査研究第 7 回委員会, 招待講演,2017 年 9 月謝辞使用した金属溶射皮膜は富士岐工産より提供を受けた. ここに記し感謝の意を表す.

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テーマ名：テーマ名ポーラスマイクロチャンネルを用いた高効率相変化冷却組織名国立大学法人電気通信大学大学院情報理工学研究科大川富雄教授技術分野ものづくり概要電子機器の小型化高性能化に伴う発熱密度の増大により従来のフィンを用いた空冷に代わる高効率冷却技術が求められています対策の一つとしてマイクロチャンネル ( 小口径流路 ) を用いた相変化冷却が提案されていますが安定な冷却を達成するには至っていません