微細押し込み加工を用いたディンプルテクスチャによる沸騰熱伝達向上に関する研究
長崎大学 大学院・工学研究科助教 大坪 樹
（平成 29 年度 奨励研究助成 B（萌芽的研究） AF-2017043）
キーワード：塑性加工，機能表面，沸騰伝熱

１．研究の目的と背景

２．ディンプルテクスチャ加工手法

電子機器の高性能化や小型化に伴う消費電力の増加に

2・1

運動誤差吸収ユニット

より，熱交換器の性能向上が求められている．特に，優れ位置決め制御によって圧子を押し込む塑性加工では，加た伝熱特性を有する沸騰伝熱は，高効率な冷却技術として工物を保持しているステージの運動誤差や，被加工物表面注目されているが，相変化を生じるため，その現象は複雑の微細なうねり等で，押し込み深さにばらつきが生じる．

である．現在，伝熱面の微細なキズや凹凸が，沸騰を促進

そこで，板バネを用いて押し込み部分を低剛性化し，運動し，熱伝達率を向上させることが確認されている

１）

が，誤差を吸収するユニットを作製した．図 1 に，装置概略図

そのメカニズムは未だ解明されておらず，微細凹凸の最適を示す．リン青銅で作製した 2 枚の板バネで圧子を保持し，形状パラメータは不明である．近年，伝熱面に様々な微細板バネに設置した歪ゲージによって，接触点が検知可能で凹凸（以下ディンプルテクスチャと呼ぶ）を，エッチングある．本ユニットを汎用工作機械に取り付け，ディンプル加工等にて付与し，その伝熱特性を評価する試みがなされテクスチャ加工を行う．図 2 に本ユニットで加工した 2ている２）が，実用的なディンプルテクスチャへの展開は種類のディンプルテクスチャを示す．開口径 100μm から容易ではない．そこで，ディンプルテクスチャの作製方法250μm 程度の均一なディンプルが作製可能であった．

として，所望の形状に成形した圧子を金属表面に押し込み，2・2荷重制御加工ユニット圧子の先端形状を転写する塑性加工を提案する．塑性加工

ミクロンオーダの，より微細で均一なディンプルを作製

は，任意の形状を得やすく，転造等に応用することで高速するためには，ディンプルの深さをサブミクロンの精度で化にも対応可能な手法であり，実用性に優れている．また，制御する必要がある．そこで，加工の際に被加工物に生じ飽和沸騰において，沸騰促進に効果があるキャビティの開る荷重を検出し，フィードバックして押し込み深さを制御

口径は，1μm～500μm 程度であるとされているが，従来するシステムを考案した．の押し込み加工では，様々な誤差の影響で，ミクロンオーダからサブミリオーダの均一なディンプルテクスチャを高精度に作製することは難しい．そこで，これらの誤差をキャンセルするために，板バネを用いたユニットに圧子を取り付けて加工する手法（運動誤差吸収加工）３）や，押し込み時の加工力をフィードバックする手法（荷重制御加工）４）を提案した．これらにより，押し込み加工においてもサブミクロンレベルでの加工が実現し，所望の形状・開口径・パターンのディンプルテクスチャを容易に作製す

図1

運動誤差吸収ユニットることが可能である．さらに，作製した多様なディンプルテクスチャの伝熱特性を評価するため，飽和沸騰における伝熱特性評価装置を開発した．
本研究では，多様なディンプルテクスチャを作製し，伝熱特性を評価することで，ディンプルテクスチャの形状，開口径，パターン等のパラメータによる沸騰伝熱への影響を明らかにし，伝熱メカニズムを解明することを目的とする．本報では，高精度かつパラメータの変更が容易なディンプルテクスチャ加工装置と，それらの伝熱特性を評価する装置，および作製したディンプルテクスチャの伝熱特性評価結果について報告する．

図 2 ディンプルテクスチャ

３．伝熱特性評価装置
3・1

1 号機の装置概要

ディンプルテクスチャの伝熱特性を評価するために，伝熱面を通過する熱流束 q と，伝熱面温度と飽和温度の差である過熱度Tsat を計測し，沸騰曲線を取得する必要がある．図 6 に，伝熱特性評価装置の概略図を示す．上面を伝熱面としてディンプルテクスチャを施したアルミブロッ
クを水槽内に設置し，ブロック内部に埋設したカートリッジヒーターで加熱する．ブロック上端部から 1.5mm，15.0mm の位置に埋め込んだ K 型熱電対でブロック内部温度を測定し，熱流束を算出する．また，伝熱面温度は上端部から 1.5mm の位置にある熱電対から取得した温度と
図 3 荷重制御加工ユニットする．沸騰様相は装置前方の窓から観察可能で，水槽内の温度も熱電対にて取得できる．
3・2

1 号機による伝熱特性評価

運動誤差吸収ユニットと荷重制御加工ユニットにて，開口径が d =147.3μm と d =10.0μm の 2 種類のディンプルテクスチャを伝熱面に付与し，伝熱特性の評価を行った，
なお，ディンプル個数は同一の 3136 個とする．表 1 に各ディンプルテクスチャの加工条件と顕微鏡写真を示す．また，図 7 に伝熱特性評価装置で取得した，各ディンプルテクスチャの沸騰曲線を示す．沸騰曲線には，目視で確認した沸騰開始点を示している．いずれも沸騰開始点付近で傾きが変化し，熱流束が指数関数的に増加している．沸騰後の傾きは，Rohsenow の相関式とよく一致しており，一般
図 4 システム制御系的な伝熱特性を評価できていると考えられる．また，開口径 d =10.0μm のディンプルテクスチャについては，伝熱特性におけるばらつきを確認するために，同条件で再び伝熱ブロックを作製し，評価を行った．図 7 に示す同条件の2 つの沸騰曲線は，沸騰開始温度や，沸騰後の傾きが異なることから，伝熱特性の再現性は低い．その原因として，伝熱面以外の箇所での沸騰が考えられる．図 7 中に示した沸騰様相では，伝熱面周囲からの活発な沸騰が観察される

図 5 加工精度検証

が，これはディンプルテクスチャを付与したブロックのエッジからの沸騰，ブロックと断熱材のテフロンのすき間か

図 3 に荷重制御加工ユニットの装置写真および概要，図 4らの沸騰，およびテフロン表面からの沸騰が生じている可にシステム制御系を示す．PZT アクチュエータによって能性がある．また，これらの沸騰はブロックの取り付け誤稼働する圧子が被加工物に押し付けられる際，ワークピー差やテフロンの劣化等により不安定である．すなわち伝熱ス下部に固定しているフォースゲージにて加工力をサン面の沸騰よりも，周囲の沸騰が支配的になり，再現性低下プリングする．加工力が設定された目標値に達すると，圧子は一定時間その場に保持され，圧子先端の形状が転写される．その後，PZT アクチュエータが縮み，移動ステー
ジにて被加工物がピッチ分移動し，再度加工を行う．このサイクルを繰り返し，均一なディンプルテクスチャの加工を行う．
図 5 に荷重制御加工ユニットによる加工精度検証結果を示す．押込み力 0.11N，X・Y-Pitch 25µm として総数50 点実施し，加工後，顕微鏡写真より各ディンプルの押し込み深さを算出した．その結果，標準偏差 0.13μm，最大誤差 0.51μm と，サブミクロンの加工精度を実現した．

図 6 伝熱特性評価装置（1 号機）

表１

ディンプルテクスチャ加工条件

図 8 フィン型伝熱ブロック

図 9 伝熱特性評価装置（2 号機）
また，130mm×90mm の観察窓を 4 か所配置し, ディンプルテクスチャから発生する気泡の観察を可能にした．
図 7 １号機によるディンプルテクスチャの沸騰曲線

3・4

2 号機による伝熱特性評価

伝熱面性状の違いによって，伝熱特性に差が生じるかをの要因になったと考えられる．したがって，開口径の異な確認するために，2 号機を用いて，切削面と粗面の 2 種類

る 2 種類のディンプルテクスチャについても，ディンプルの伝熱面を評価した．表 2 に切削面であるサンプル 1 と，の条件による差を評価することはできなかった．

粗面であるサンプル 2 の写真，および表面粗さを示す．ま3・3

2 号機の装置概要

た，サンプル 1 については，再現性を確認するため，同条伝熱面周囲での活発な沸騰を抑制するために，伝熱ブロ件で伝熱面を作製し，サンプル 1-1，サンプル 1-2 とした．

ックの形状を図 8 に示すフィン型に変更した．フィン厚さ

図 10 に各サンプルの沸騰曲線を示す．いずれも，沸騰開を 0.3 mm とすることで，エッジ部への熱伝導を抑え，さ始付近で傾きが変化し，熱流束は指数関数的に増加していらに伝熱面以外の周囲を断熱し，評価サンプルの下部かること，自然対流領域における上向水平板自然対流熱伝達

らヒータで加熱することで，伝熱面からのみ沸騰させる．の式，及び Rohsenow の相関式とよく一致していること

伝熱ブロックには，伝熱面から 3mm，8mm，13mm の位から，沸騰前後の伝熱特性を評価できている．また，サン置に K 型熱電対が埋め込まれ，これらから伝熱面の温度，プル 1-1，1-2 に関しても，沸騰開始点および沸騰後の傾および熱流束を推測する．また，アルミは沸騰水と反応しきが一致していることから再現性も確認することができてアルミ表面に水和酸化物層を形成する可能性があるた

た．面性状の違いに着目すると，沸騰開始点はサンプルめ，伝熱ブロック材料をアルミから銅に変更した．

2(粗面)の方がサンプル 1(切削面)より 2.7K 低い．一般に伝熱ブロックの形状変更に伴い，評価装置の再設計を行

表面粗さが大きいほど，沸騰の核になるキャビティが存在った．これを 2 号機とし，図 9 に模式図を示す．装置のするため，沸騰開始は低過熱度で生じるが，本実験でも同水槽部の大きさは 350mm×350mm×210mm で，この水槽様の結果を示した．さらに，表 3 にサンプル 2（粗面）の内部の水をヒータで加熱し，飽和状態を維持できる構造に最大過熱度である 17.4K 付近の，各サンプルの熱流束とした．ヒータの加熱で発生する気泡の影響を抑えるため，沸騰の様子を示す．同過熱度での熱流束は，サンプル 2（粗加熱用ヒータと評価サンプルの間には仕切りを設置した．

面）の方がサンプル 1（切削面）より約 3.1 倍高く，沸騰の表 2 面性状の異なる伝熱面図 11 ディンプルテクスチャ
開始過熱度 7.8 K と非常に近い値になっている．また，沸騰開始後においては，ディンプルテクスチャの傾きは，表面粗さが同等であるサンプル 1（切削面）の傾きとほぼ一致している．これらのことから，ディンプルは粗面と同様に，気泡発生のキャビティになり得たが，沸騰促進には至らず，沸騰開始後における伝熱特性は，ディンプルの有無にかかわらず，表面粗さの影響が大きいと考えられる．
すなわち，今回加工したディンプルテクスチャにおいては，沸騰開始後の熱伝達率の向上といった伝熱特性に影響せず，伝熱促進に有効なキャビティとしては作用しないが，沸騰開始における気泡発生には寄与することが確認できた．

４．結言
本研究では，沸騰伝熱メカニズムの解明を目的として，多様なディンプルテクスチャを作製する装置の開発，および伝熱特性を評価するシステムを構築した．その結果，高精度，かつ広範囲の開口径を有するディンプルテクスチャ
図 10 伝熱特性の評価の作製が可能であることを確認した．また，それらの伝熱特性を評価した結果，信頼性のある沸騰曲線が取得でき，

表 3 熱流束と沸騰様相

ディンプルテクスチャと粗面との伝熱特性の違いを評価することができた．

謝辞

本研究は，公益財団法人天田財団の奨励研究助成 B（萌芽的研究）のご支援を受けて実施いたしました．深く感謝いたします．

参考文献
1) 藤 田 恭 伸 : 沸 騰 熱 伝 達 の 促 進 と 機 構 ， Jour. HTSJ,Vol.36, No.141 (1997), 27-39.
2)高松
様子も活発であることが確認できる．これらより，本装置は，面性状の違いによる伝熱特性を評価できる装置として信頼性が高いと考えられる．

洋・久保秀雄・本田博司:リエントラント型人工くぼみを有する模擬チップの浸潤沸騰冷却， 日本機械学会論文集(B 編), 64 巻, 621 号 (1998-5).
3)倉成健司・中出口真治・矢澤孝哲・桃木悟・松尾寧彦・

さらに，ディンプルテクスチャの伝熱特性を評価するた

山田玲子:微細凹凸による機能表面創製の研究, 精密工

め，サンプル 1 と同様に作製した，切削面 ( Ra=0.082µm)

学会全国大会講演論文集, Vol.2016S, (2016)， 275-276．に荷重制御加工ユニットにて，X・Y-Pitch 200µm で，開4)Matsuo yoshihiko, Shinji Nakadeguchi, Satoru Momoki,

口径 d =55.2µm，のディンプルを 5041 点加工した．図Takanori Yazawa, Kenji Kuranari, Reiko Yamada,

11 にディンプルテクスチャの写真を示す．図 10 に示した

Hideshiro Moritaka:Study on Functional Surface

ディンプルテクスチャの沸騰曲線より，沸騰開始点に着目

Creation by Micro Unevennes, Proc. of the 4th

すると，過熱度は 8.0 K であり，サンプル 2（粗面）の沸騰

IFHT2016, Sendai, Japan, (2016), 1926.