同心円状マイクロチャネル内での液単相強制対流熱伝達特性に関する実験的研究
メタデータ

言語: ja
出版者: 国立研究開発法人

水産研究・教育機構

公開日: 2023-03-01
キーワード (Ja):
キーワード (En):作成者: 大原, 順一, 石田, 雅照
メールアドレス:
所属: 水産研究・教育機構, 水産研究・教育機構
URL

https://doi.org/10.57348/00000004

Journal of National Fisheries University 70（3）91-100（2022）

本 論 文

同心円状マイクロチャネル内での液単相強制対流熱伝達特性に関する実験的研究
大原順一1†，石田雅照1

Experimental study on liquid single-phase forced convection
heat transfer characteristics in concentric circular
microchannels
Junichi Ohara and Masateru Ishida
Abstract : In this research, aiming at efficient cooling of the locally concentrated heating part of the electronicelement, a new concentric circular microchannel plate that can efficiently cool the CPU is designed inconsideration of the heat generation characteristics of the CPU. Then, we conducted an experiment on heattransfer when water was used as the refrigerant for this new microchannel plate, and grasped the basic heattransfer characteristics. Furthermore, by comparing the results with the straight microchannel plate having asimple structure, the heat transfer promotion of the concentric microchannel plate was examined. By using a
concentric microchannel plate, the temperature at the center of the heater can be maintained at about 25℃,
and even when compared with a straight microchannel plate, the temperature rise can be suppressed by about
8 to 23℃. The heat transfer coefficient of the concentric circular microchannel plate is 6 to 8 kW/m2K, which isalmost constant, and about four times higher than the heat transfer coefficient of the straight microchannel
plate at the same heat quantity and the same flow rate. In addition, the research results were compared withthe previously proposed experimental correlation equation for single phase forced convection laminar heattransfer of straight microchannels.
Key words : Microchannel, Heat transfer, Concentric circular, Water cooling

はじめにンジスタの数は2300個程度であったのに対して，2002年に発売されたIntel社のPentium IVに使用されたトランジス

近年，パーソナルコンピュータやスマートフォンなどのタ の 数 は5,500万 個 に も 達 し た1)。 さ ら に、 最 新 のApple

情報通信機器からデジタル家電までの幅広い分野に用いら社のM1 Proではトランジスタ数が337億と驚異的な増加をれている電子機器は，高性能化及び小型化が進んでいる。

見せている2)。しかし，トランジスタ数の増加はCPUの性中でも，プロセッサの研究開発におけるナノテクノロジー

能向上に貢献する半面，発熱量が増加してしまうという問の寄与は大きい。プロセッサは汎用の情報通信機器だけで題点がある。発熱量は使用するトランジスタの数に伴ってなく，船舶の計測機器，制御機器，監視機器等の電子機器増加し，この発熱量の増加はCPUの温度上昇を招き自身にも数多く使用されており，水産業・海運業で使用する機の処理能力を低下させ，最悪の場合システムダウンに陥る器の高性能化や効率化に大きく関与している。今日までの要因となる。そのため，CPUの冷却は必須の技術であるが，コンピュータに使用されているCPUの進化は目まぐるし小型化することによって冷却面積が減少するなどの問題にいものがある。世界初のCPUとされる1970年代に発売さより，これまで主流であった空冷技術では適温を維持するれたIntel社のマイクロプロセッサ4004に使用されたトラ

ことが困難となっている現状がある。そこで，空冷方式と2021年9月9日受付、2021年11月2日受理
1 水産大学校海洋機械工学科（Department of Ocean Mechanical Engineering, National Fisheries University）†別刷り請求先（corresponding author）：ohara@fish-u.ac.jp

92

大原順一，石田雅照

比較して冷却効率の高い、浸漬式水冷方式や強制対流水冷化しないことを示した。また，テストセクションの製作に方式を用いてCPUの冷却を行なうなど，CPUの冷却方法

はIBM者の協力を得ており，マイクロチャネルのCPUへに関してさまざまな研究が行なわれている。この一連の電の本格的実装を見据えた研究を行なっている。さらに子デバイス冷却の問題については，流路断面形状が円形以Steinke M. E.ら7) は，伝熱性能の向上のため流路内に角柱外の流路において円形流路に換算した場合の流路直径であや円柱を置くことや流路を波状にするなどの流路形状につる水力相当直径が1 µm以上1 mm以下と極小さい流路（以いて調査する計画を立てている。

後，マイクロチャネル）を用いてより効率的に冷却を促進

Harirchaian T.ら8) は，チャネルの幅が100µmから5850µm,する研究が進んでいる。マイクロチャネルは，熱源と液相チャネル深さが400µmのシリコン製のテストセクションを使の熱媒体の接触面積を増大させることで熱の伝達量を高め用して，集積回路によって作られた局所温度の測定ができるる機構である。マイクロチャネルに関して近年では，米国

ヒーターを用いて実験的研究を行い，局所ごとの熱伝達係

機械学会（ASME）の主催で“International Conference数は質量流量によらずに独立しているという結果を得た。

on Nanochannels, Microchannels and Minichannels

Downing R.ら9) は，水力相当直径が238µmから881µmと3)（ICNMM）”
が開催される等，マイクロチャネルに関する曲率が異なる8種類の小型な螺旋状の円管を用いて圧力損

研究成果が数多く報告されている。報告されているマイク失の関係を求めるために気液二相での強制対流実験を行っ

ロチャネルに関する研究の中には，流路の形状を複雑にした。実験結果より，発熱量の増加に伴い圧力損失も上昇し，たマイクロチャネルを用いた研究や，実際の熱源の冷却方相変化が起こった場合，層流のみの場合よりも圧力損失が法についての研究など幅広い研究が行なわれている。

少ないことを示した。

マイクロチャネルの研究は，伝熱工学的，または流体力

都築ら10) は高い熱伝達性能と圧力損失の低減性能を実学的な特性に着目したものから微小流路の製造法，実際の現できる熱交換器としてS字型フィンを備えた高度なマイ応用に着目したものまで多岐にわたる。

クロチャネル熱交換器に着目し，二酸化炭素を熱媒体とし

4)Peng とPeterson は，ステンレス製のマイクロチャネて亜臨界状態から超臨界状態の場合の多変数解析を行い，ルの全長が45mm，マイクロチャネルの全幅が1mm，水力

ヌセルト数の相関式を得た。実験結果との比較では2.5％相当直径が133～367µmの12パターンの矩形チャネルにつの偏差と良好な一致を示し，熱交換器の設計指針を示した

いて水を作動流体として単相強制対流層流熱伝達に関してといえる。

実験行った。対数平均温度差によって平均熱伝達係数を定

Nishimura Y.ら11) は層状平行マイクロチャネルの構成

義し，無次元化した後レイノルズ数と無次元熱伝達係数でを使用して，熱伝達性能に対する冷媒の質量流量の影響にあるヌセルト数の関係を求め，層流，乱流時の相関式を提

焦点を当て熱伝達性能を実験的に評価している。実験結果

案した。

は，同じ 加熱下で冷媒の質量流量が増加すると，熱伝達
5)Qu W.ら は，水力相当直径が62～169µmのシリコン製
台形チャネルを用いて，単相強制対流熱伝達に関して実験係数が増加したが，最大熱伝達係数は質量流量が増加しても一定の値に達したことを示した。

を行い，平均的な熱伝達係数を算出し，その後，無次元化

以上のようにマイクロチャネルの研究においては，単純してヌセルト数Nuとレイノルズ数Reの関係を示した。結な構造である直線状のチャネルの伝熱特性についての基礎

果ヌセルト数は，レイノルズ数の変動によらずにほぼ一定的な研究から，流路形状や構造の違いによる伝熱特性につ値を示し，その値は理論で得られた値よりも小さかった。

いての研究が数多くある。さらに，電子デバイス，特にこの結果を受けて，チャネルの表面粗さの影響に着目して，CPUの冷却などを目的とした実用的な装置を用いた冷却チャネルの表面粗さを考慮した理論を提案し，実験データ

方法についての研究も行われている。しかし，CPUの発のヌセルト数とよく一致することを示した。

熱による温度分布に着目して，CPUの効果的な冷却方法

6)

Steinke M. E.ら は，マイクロチャネルの全長が10mm,についての検討を目的とした研究は行なわれていない。

全幅が8mm，チャネルの深さが250µm，チャネルの幅がそこで本研究では，CPUの局所集中的な発熱特性を考

200µmのシリコン製テストセクションを用いて実験的研究

慮し効率的に冷却できる新しいマイクロチャネルプレートを行い，冷媒の質量流束の変化に対する熱抵抗の関係を示を提案・設計し，この新規マイクロチャネルプレートに冷し，流量がある値以上になると熱流束によらず熱抵抗が変媒として水を用いた場合の，液単相強制対流熱伝達の基礎

同心円マイクロチャネルの熱伝達93

特性についての実験を行う。さらに，単純な構造をしたマ設置している。プレートの材質はアルミニウムを使用してイクロチャネルプレートとの結果を比較することで，新規いる。また，同心円状MCPは，冷媒が中心から外へと半マイクロチャネルプレートの伝熱促進について検討するこ

径方向へのパスhと同心円状の壁の間aを蛇行しながら流れとを目的とする。

る16本の流路を持つ。
図2に同心円状MCPに使用する冷媒の流入出コンポーネ

実験装置ならびに実験方法

ントを示す。同心円状MCPは図2の①の部分に流路面を下にした状態で固定する。また，流入出コンポーネントの材

新規マイクロチャネルプレート

質はポリカーボネートを使用する。ポリカーボネートは，

本研究では，新規マイクロチャネルプレートと，単純な低熱伝導率（熱伝導率：λ=0.19 W/mK）かつ，高い耐熱構造とされる直線状マイクロチャネルプレート（以後，直性（融点：525 K）を持つため，マイクロチャネルプレー

線状MCPまたはSMCP）の2種類をテストセクションに組ト内の作動流体以外への伝熱を抑制する働きがある。このみ込み実験を行った。

流入出コンポーネントは，冷媒が中央の流入孔から流入し新規マイクロチャネルプレートを設計するにあたり，左右の流出孔から流出するように設計され，図2にT字でCPUの発熱特性について調査したところ，CPUの放熱面示されている箇所に熱電対を設置し温度の計測を行なう。

では中心を頂点とした山なりの温度分布を取ることが判明

計測する温度の計測点は，冷媒が中央からテストセクショ

12)

した 。そこで，新規マイクロチャネルプレートは，プレーンに流入する前の温度を入口温度Tinとし，冷媒がマイクロ

ト中央の温度が極大となると仮定し，中央を効率よく冷却

チャネルプレートから流出した際の左右の出口の温度の平できるようにCPUに模したヒーターの中央部に冷媒を供

均を出口温度Toutとする。冷媒の流入出孔はシリコンチュー

給し流すことができる同心円状の流路（以後，同心円状

ブを流入出コンポーネントに被覆させて固定する。

MCPまたはCMCP）を設計した。

図3にテストセクションの断面概形図を示す。マイクロ

図1に同心円状MCPの概略図を示す。同心円状MCPの全

チャネルプレートを流入出コンポーネントに固定した後幅Wは36 mm，全長Lは34 mm，両側のチャネル壁の厚さに，CPUに模した山なりの温度分布を作るために，長さは1.0 mm，の正方形基盤に同心円の壁を24本互い違いに25 mmの正方形セラミックヒーターをマイクロチャネル

Fig. 1 Schematic view of concentric circular microchannels

Fig. 2 Detail view of the test section for concentric
circular microchannels

Fig. 3 Cross-sectional view of the test
section94

大原順一，石田雅照

プレート中央に設置する。このときに，ヒーターの表面温

図6に直線状MCPに使用する流入出コンポーネントの概度Theatを計測するために図中のT字の地点に熱電対を設置

形図を示す。
流入出コンポーネントにおいて，マイクロチャ

する。また，ヒーターの側面には熱伝導の高い銅版（熱伝ネルプレートは図6の①の部分に流路面を下にした状態で導率：λ=398 W/mK）を敷き，熱伝導ジェル（熱伝導率：

固定されている。また，流入出コンポーネントはポリカー

λ=9.0 W/mK）で隙間を埋める。さらに，ヒーターの上ボネートを使用している。流入出コンポーネントには図のには低熱伝導率かつ耐熱性に優れたテフロンブロックを設ように出入口温度の計測のための熱電対挿入口と冷媒の流置することでヒーター上部を断熱し，圧力が均等にかかる

入出孔が左右に二つずつあり，熱電対は図中のTの地点にように2枚の金属板で上下から圧着をする。また，テスト

固定し，冷媒の流入出孔にシリコンチューブを取り付ける。

セクションは周囲をグラスウールで包むことによって外部

直線状MCPも同心円状MCPと同様に，図3のようにテストとの熱の授受を遮断し，テストセクション内を熱的に閉じセクションに設置する。

た空間とする。

表1に直線状と同心円状MCP各々の仕様を示す。流路の幅a=400 µm，流路の深さb=400 µm，チャネルの壁の厚さ

直線状マイクロチャネルプレート

s=200 µm，チャネルベースの厚さd=1.6 mmはどちらのマ

図4，図5に直線状MCPの立体図と流路断面形状を示す。

イクロチャネルプレートも同じ値である。これらは，水力

直線状MCPの全幅Wは34 mm，全長Lは36 mmで，両側の相当直径Dhを揃えるためである。また，流路の本数は50本

チャネル壁の厚さWsideは2.1 mmなので，チャネル部の幅と16本で直線状MCPの方が多いが，一本あたりの流路長

Wchは29.8mmとなる。また，材質はアルミニウムを使用しさでは4.5倍ほど同心円状MCPの方が長く，全流路の長さている。直線状MCPは，入口から出口へと向かう直線状で見ても同心円状MCPの方が長い。なお，Achは冷媒がの微小流路を50本並列に並べている。

MCP流路に接する総面積を表す。

Fig. 4 Diagram of the microchannel plate

Fig. 6 Detail view of the test section forstraight microchannels
Fig. 5 Cross-sectional diagram of the microchannel plate
Table 1 Specifications of microchannel plates同心円マイクロチャネルの熱伝達実験装置
図7に本研究で使用した実験装置全体の概略図を示す。
実験装置に使用されている冷媒供給タンク②，ギアポンプ

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流計⑥で目視により計測され，テストセクションに送液される冷媒の体積流量は容積流量計によって1秒ごとに計測される。

③，容積流量計④，テストセクション⑤は冷媒を循環させ実験条件および実験手順

るため，断熱チューブを用いて閉ループになるよう接続する。
冷媒である精製水は冷媒供給タンク②に貯蓄されてお実験条件

り，恒温器①によって設定温度15～16℃になるよう調整さ

本研究で行う実験では，冷媒である精製水の体積流量とれている。ギアポンプ③を作動させることにより冷媒の循

CPUに模しているヒーターの発熱量をパラメータとして環が開始され，容積流量計④を見ながら流量を調整し目標実験を行う。
各マイクロチャネルプレートを用いた実験は，値にあわせる。容積流量計を通過した冷媒は，テストセク

体積流量を200～450 ml/minの範囲で50 ml/min刻みで調ション⑤へと送液される。テストセクションでは，ヒーター

整し，ヒーターの発熱量Qを20～60 Wの範囲で10 W刻み⑦から発生した熱をマイクロチャネルプレート経由で熱交で調整し実験を行う。また，流量計の仕様のため体積流量

換して，再び冷媒供給タンクへと戻される。タンクへ戻さをパラメータとしているが，実験結果を考察する場合は質れた冷媒は，恒温器により設定温度に冷却された後，再び

̇ の対応
量流量を用いるため，表2に体積流量と質量流量m

送液される。また，テストセクション内においては，マイ関係を示す。なお、体積流量から質量流量の変換には冷媒

クロチャネルプレートに流入する際の冷媒温度を入口温度の密度が必要となるが、この密度はMCPの冷媒出入口温Tin，冷媒がマイクロチャネルプレートを流出した際の冷媒

度の算術平均温度とMCP流路内圧力より求めた。

温度を出口温度Tout，マイクロチャネルプレート基底部の温度を算出するために使用するヒーター中央の表面温度を実験手順

Theatとして，これらをK型熱電対を用いて計測する（図2，

本実験は以下のような手順で行った。

図3，図6参照）。テストセクションで得られた温度データ① まず，液単相で実験を行うために流路内を精製水で満とヒーターの発熱量を算出するために必要な電圧Vは，たし，テストセクションから空気が抜けているかを確認

データロガーによって1秒ごとに計測され記録される。まする。

た，電流Iは，ヒーターと直列に接続された直動式指示電② 単相になったことが確認できたらポンプで微調節を行いながら，目標の流量に近づける。
③ 目標の流量であることを確認し，データロガーによって観測されモニタに表示されている電圧と電流計によって計測されている電流を確認しながら，電圧源の調節をし，ヒーター発熱量を目標値に近づける。
④ 冷媒の出口温度，冷媒の入口温度およびヒーターの表
面温度の変動推移をモニタで観察し，定常であることを確認した後に，実験データの記録を開始する。
本研究では，データロガーを見て，定常となってから約
200秒分のデータを実験データとした。本研究における定常とは，テストセクション内の各温度の観測値の変動が±Fig. 7 Schematic view of test loop

0.1度の範囲に収束した状態である。
Table 2 Mass flow rate and volume flowrate

96

大原順一，石田雅照

実験データの整理との差Tch-Tinであり，同様に∆Toutは，チャネルの底面温度
Tchと作動流体の出口温度Toutとの差Tch-Toutである。チャネル

熱伝達係数の算出の底面温度Tchは，面状ヒーターの表面からチャネルの基底

作動流体の入口温度Tin，作動流体の出口温度Tout，ヒー

面までの熱伝導によって算出され，次式で表される。

ターの表面温度Theat，電圧V，電流Iについて得られたデー
タ群を平均し，得られた値を実験条件における代表値とする。同様に，流量についてもデータロガーに記録されてい(4)

る時間と照合しながら，200秒分200個のデータ群を抜き出̇ を算出する。これらのデータをした後平均し，質量流量m用いて，平均熱伝達係数αを算出する。平均熱伝達係数αここで，dはチャネルベースの厚さ，λalはアルミニウムの算出には，対数平均温度差∆Tmを代表温度差として適用の熱伝導率を表している。アルミニウムの熱伝導率は，約する。

300～350 K の温度範囲において237～240W/mK程度の変動で大域的に見てほぼ一定であると考えた。よって本研究

平均熱伝達係数αは次式で定義される。

では，アルミニウムの熱伝導率λalを240W/mKとした。
(1)

また，作動流体の物性値は，作動流体の入口温度Tinと作動
流体の出口温度Toutの算術平均によって算出された値を代ここで熱流束qは，ヒーターでの電圧降下Vと電流Iの積

表温度とし，物性値計算のパッケージであるREFPROP13)で求められる発熱量Qと代表面積である面状ヒーターの投によって算出した。なお，熱伝達係数等の算出には330行

影面積Aheatを用いて，次のように算出される。

規模のプログラムソースコードでVisual Fortranを用いてデータ整理を行った。
(2)

実験データの精度
また，対数平均温度差は次式で表される。

表3に実験で使用したセンサと測定器の仕様と誤差の一覧を示す。本実験で使用した熱電対はすべてクラス1を使(3)

用し，データロガーによって計測を行なっている。電圧，
電流，体積流量についても各測定器にて計測を行なっている。

∆Tinは，チャネルの底面温度Tchと作動流体の入口温度Tin

今回行った実験では条件ごとに200秒間の実験データをTable 3 Error of sensors and measurement tools

同心円マイクロチャネルの熱伝達97取得した。実験範囲における平均偏差の範囲は，冷媒の入口 温 度Tinが ±0.001～ ±0.07 ℃， 冷 媒 の 出 口 温 度Toutが ±0.006～±0.09 ℃，ヒーターの表面温度Theatが±0.01～±0.15℃， 電 圧Vが0～ ±0.005 V， 体 積 流 量 が0～ ±0.0008 ml/
minとなった。以上のことを踏まえ，熱伝達係数αの誤差を算出すると，最大で6.8％の誤差が生じることが分かった。

実験結果および考察
同心円状マイクロチャネルプレートの伝熱特性
図8にヒーター中央の表面温度Theatと発熱量Qの関係を示す。図中において白抜きは直線状MCP（SMPC）を黒塗
りは同心円状MCP（CMPC）を用いた実験結果を示している。なお，シンボルの形状により質量流量を表現していFig. 8 Relation between surface temperature of heater center andheat quantity

る。同心円状MCPの場合は発熱量が増加した場合においても表面温度は17～25 ℃に収まっており，ヒーターの温度上昇を抑えることができたといえる。また，直線状
MCPの場合は表面温度が25～48 ℃と温度の上昇する割合が高いことが分かる。二つのマイクロチャネルプレートの結果を比較すると，同心円状MCPは直線状MCPよりもヒーター中央の表面温度を8～23℃抑えることができたといえる。
̇ の関係を示す。図中に
図9に熱伝達係数αと質量流量m
おいて白抜きは直線状MCPを黒塗りは同心円状MCPを用いた実験結果を示している。同心円状MCPの場合は，熱伝達係数が 6～8 kW/m2Kの範囲で分布していることが分かる。また，熱伝達係数は一定の範囲で分布しており，質量流量の変化による熱伝達係数の変化は見出すことができ

Fig. 9 Relation between heat transfer coefficient and mass flow rateなかった。つまり，本実験結果においては，熱伝達係数は質量流量に依存していないことが分かった。
直線状MCPは，熱伝達係数が1.5～2 kW/m2Kの範囲で一定の値をとっている。二つのマイクロチャネルプレートの熱伝達係数を比較してみると，同心円状MCPは直線状
MCPよりも4倍ほど高い値をとっていることが分かる。
図10に熱伝達係数αと熱流束qの関係を示す。図中において，白抜きは直線状MCPを黒塗りは同心円状MCPを用いた実験結果を示している。同心円状MCPを用いた場合
は，熱流束の増加によって熱伝達係数がわずかであるが増加していることが分かる。また，直線状MCPの場合は，熱流束の変化に伴う熱伝達係数の変化は見られなかった。

Fig. 10 Relation between heat transfer coefficient and heat flux

98

大原順一，石田雅照

データの無次元化

次式のように提案した。

次に，本研究で得られたデータを無次元化することにより，流路形状の違いによる伝熱場，流れ場の差をなくし，(7)それぞれの特性を見ると同時に，強制対流熱伝達の一般的な判断基準となる相関式との比較を行なう。図11に無次元化を行なったヌセルト数Nuとレイノルズ数Reの関係を示す。図中の実線は，マイクロチャネルに関する研究におい[5]

ただし，Wcは相互流路の中心間距離で，流路幅aとチャてPeng & Petersonが提案した実験相関式 である。また，

ンネル壁厚sとの和Wc=a+sで表される。また，プラントル

レイノルズ数とヌセルト数は次のように定義される。

数Prは次式で示される。
(5)

(8)

ここで，Uは代表速度，ρは水の密度，μは水の粘性係数，

図中において，白抜きが直線状MCPを黒塗りが同心円状

Dhは水力相当直径，λwaterは精製水の熱伝導率，αは熱伝

MCPの実験結果を示している。同心円状MCPはヌセルト

達係数を表す。また，代表速度Uと水力相当直径Dhは次式

数4～6のあたりにデータが一様に分布していることが分かで定義される。

る。また，レイノルズ数の変化に伴うヌセルト数の変化は見られなかった。次に実験相関式と比較をすると，同心円(6)状MCPの実験結果はPeng & Petersonに近い値をとることがわかった。しかし，相関式はレイノルズ数の上昇と共に

ただし，aは流路幅，bは流路深さ，nは流路の本数を表

ヌセルト数が上昇しているが，本研究ではその傾向は表れ
ず定性的に異なるものであった。これは，本研究において

している。
[5]

また，実験相関式Peng & Peterson は，マイクロチャ

熱伝達係数と質量流量が依存関係ではなかったため，これネルプレートの全長が45 mm，マイクロチャネルプレー

ら値と密接な関係を持つヌセルト数とレイノルズ数にも依トの全幅が18 mm，長方形チャネルの水力相当直径が133

存関係が現れなかったことが考えられる。また，直線状～367 µmの12パターンの矩形チャネルについて水を作動

MCPはヌセルト数が1.2程度で分布していることが分かる。

流体として単相強制対流層流熱伝達に関する実験相関式をそれぞれ分布するレイノルズ数の範囲が異なるため，二つFig. 11 Relation between Nu and Re

同心円マイクロチャネルの熱伝達

99のプレートの実験結果を正しく比較することはできない◦熱伝達係数，質量流量，熱流束の関係を見た場合に，同が，明らかに同心円状MCPの伝熱特性がよいことが分か

心円状マイクロチャネルプレートでは，熱伝達係数は質る。実験パラメータが同じ条件の時に同心円状MCPと直量流量の上昇によらずに一定の範囲で分布したが，熱伝線状MCPのレイノルズ数の範囲が異なるのは，レイノル

達係数と熱流束を比べた場合は，熱流束の上昇に伴ってズ数の導出に必要な式(6)において流路の本数nが異なるた

熱伝達係数がわずかではあるが上昇する傾向があることめである。

が分かった。

以上の結果をまとめると，同心円状MCPを用いた場合，◦熱伝達係数は，同心円状マイクロチャネルプレートでは直線状MCPよりもCPUに模したヒーター中央の温度を低6～8 kW/m2Kとほぼ一定の値をとり，同発熱量･同流量くすることが可能であることが分かった。熱伝達係数にお時の直線状マイクロチャネルプレートの熱伝達係数と比いても同心円状MCPを用いたほうが直線状MCPよりも4

較すると4倍ほど値が高いことが分かった。

倍ほど高いという結果が得られた。これは，熱伝達係数の◦ヌセルト数は，同心円状マイクロチャネルプレートでは導出に使用した対数平均温度差はプレート全体を通しての4～6の範囲に分布することが分かった。また，Peng &平均温度差を求める式であるため，同心円状MCPはプレー

Petersonの実験相関式とは値としては近かったがヌセル

ト全体を通しての伝熱特性も良かったことを意味する。こト数とレイノルズ数に依存関係は無く定性的に異なるこの理由としては，半径方向へのパスと同心円流路を交互にとがわかった。

通過することによって，その度に速度･温度境界層が更新以上より，設計した同心円状マイクロチャネルがCPUされることによって伝熱が促進されたと考えられる。よっに模した温度分布を持つヒーターを効率的に冷却できるこて，同心円状MCPは，CPUのように中央の温度が高い山とを確認し，基礎的な伝熱特性を把握できた。今後は，なりの温度分布を持つ熱源を冷却する場合においては，中CPUの発熱量は増大の方向にあるため，発熱量の実験範央の温度をより効率的に下げることができ，プレート全体囲を拡大して実験を行う必要がある。また，体積流量の実を通しても効率よく冷却することが可能であると考えられ

験範囲も拡大することで同心円状マイクロチャネルプレーる。

トのより広域的な伝熱特性について調査する必要がある。
さらに同心円状マイクロチャネルプレート内の局所温度をおわりに測定するなど，同心円状マイクロチャネルプレートの局所的な熱伝達特性についてのより詳細な調査が望まれる。

本研究では，CPUの発熱特性を考慮し，CPUを効率的文に冷却できる同心円状マイクロチャネルプレートを設計，

献

この同心円状マイクロチャネルプレートに冷媒として水を用いた熱伝達についての実験を行い，基礎的な伝熱特性を1 ) Hiremane R：ムーアの法則からインテルのイノベー把握した。さらに，単純な構造である直線状マイクロチャ

シ ョ ン へ, 予 測 を 現 実 に（ 日 本 語 訳 ）. Technology

ネルプレートの同条件の実験結果を比較することで，同心

＠Intelマガジン，(2005)

円状マイクロチャネルプレートの伝熱促進について検討し

2) M
 1 ProとM1 Maxが登場：Apple史上最もパワフルなチッた。そのために，同心円状と直線状のアルミニウム製のマ

プ , URL: https://www.apple.com/jp/

イクロチャネルプレートに冷媒として精製水を適用した場

newsroom/2021/10/introducing-m1-pro-and-m1-max-

合の液単相強制対流熱伝達に関して，体積流量を200～450

the-most-powerful-chips-apple-has-ever-built/ , (2021)

ml/minの範囲で50 ml/min刻みで，発熱量を20～60 Wの3 ) Proceedings of the Seventh International Conference

範囲で10 W刻みで実験を実施し，次のような結論を得た。

on Nanochannels, Microchannels and Minichannels,◦同 心円状マイクロチャネルプレートを使用することにASME 2019 17th ICNMM, June 23–26, 2019, St. Johns

よってヒーター中央の温度を25 ℃程度に維持すること

Convention Centre, St. John's (2019) Newfoundland,ができ，直線状マイクロチャネルプレートと比較した場

Canada (2009)

合においても8～23 ℃ほど温度上昇を抑えることができ，効率的な冷却を行なえた。

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