山形大学大学院理工学研究科

SP301 静電圧力効果と接触角変化による沸騰熱伝達の促進
第52回 日本伝熱学会シンポジウム
山形大学大学院理工学研究科：岡本 直樹 佐藤 貴仁
背景目的

電子機器の小型化・高性能化により発熱密度が上昇→沸騰熱伝達を利用した冷却装置を開発

沸騰促進モデルの検証
沸騰促進モデルを６つのパラメータで考慮(接触角,静電圧力,電極高さ, 表面張力,スリット長,スリット幅)

・電子機器の発熱温度で沸騰(55.5℃)
・電気絶縁性液体
・耐腐食コーティング不要

Heat flux [W/cm2]

10060
40Analysis: φ＝11.0deg.H=400μm
Analysis: φ＝14.5deg.H=400μm
00-1-260

原理

Smooth surface
with electric field

Micro structured surface-3-4-5-6-7-8

Electric field[kV/mm]

Junction temperature

Micro structured surfacewith electric field

408020・接触角が熱流束に与える影響
・静電圧力が熱流束に与える影響
・電極高さ(表面張力)が熱流束に与える影響

Laser diode80100

CHF [W/cm2]

電気的な力で加熱面への液体の供給及び気泡を排除

120

沸騰熱伝達を利用することで不活性液体でも高い熱伝達率を得る

これまでの研究で、伝熱面にダイヤモンド粒子を電着し微細構造を設け、静電圧力の利用とフッ素系絶縁性液体AE-3000の使用で沸騰熱伝達を促進

鹿野 一郎

薄液膜理論 Luttich et al (2004)

電界印加におけるCHF理論式 Kano et al (2014)

20ElectrodeCPU
Smooth surface

0304050607080 85 90100Surface temperature [℃]
様々な条件での沸騰熱伝達

110120λd130Lsλ

次の内容を仮定・電界印加により周期的に薄液膜を生成
・周期的な薄液膜を連続的に蒸発→気液表面がX 0=± WE / 2で存在・乱れた表面の波長λ
幾何学的にHの長さの2倍に近い→λ=2Hと仮定

実験装置

Hλ/4
λd = λElectrostatic pressure

X0Ls   v   l  2 2X 0 2q Kano L v
 E  l   v  tanh  
48A  l v  λ λ実験の詳細な観察と結果から沸騰促進モデルを作成
実験後の沸騰面の様子と電極スリットからの気泡挙動 Kano I., (2014)

Heatingsurface・・・(3)

A : 伝熱面面積[m2]E : 電界 [V/m]g : 重力加速度[m/s2]
H : 電極設置高さ[m]
L : 蒸発潜熱[J/kg]
LS : スリットの長さ[m]εl : 真空の誘電率 [F/m]εv : 液体の誘電率 [F/m]λH : Helmholts不安定波長λd : Taylor不安定波長
ρl : 液体密度[kg/m]
ρv : 蒸気密度[kg/m]
σ : 表面張力[N/m]
12・・・(4)・・・(5)LiquidVapor

CA=-0.00766 , CB=0.283:蒸気柱体積に対する界面の面密度:単一蒸気中に対する伝熱面の面密度:伝熱面から蒸気柱中心までの高さ:界面に垂直な単位ベクトル:位置ベクトル:界面:方位角:界面の関数行列:接触角:伝熱面半径・・・(1)

但し電界印加を行わない(E=0)の場合
1 g  l   v   4   l   v qZuber L v  224lv
 

12・・・(2) 但し

Interfacial area

伝熱面性状

実験装置図
Working fluid：AE-3000(AGC Co. Ltd)

Inflow

0.6mm

Vapor

Heating surface

Contact angle〔deg.〕

Ra〔μm〕

Diamond(5 and 1.5µm)

11.00.26

Sn

12.10.08

Cr

12.40.13

NiB

12.8

0.10

Cu

14.50.05

Inflow

Electrode

Reference (Cu)

・ 熱流束 (フーリエの式)
dTq  λdX
λ : 熱伝導率
T : 温度
X : 位置・ 過熱度

Diamond particles(Particle diameter = 5 and 1.5μm)

φ15mmHeatedsurface

各値の導出式Cu block

Diamond (5 and 1.5µm)

Electrode(SUS304)

Tsat : 飽和温度
Twall : 伝熱面温度①NiB (0.5μm)②Ni (0.5μm)③Cu ( 1 μm)④Ni (1.5μm)⑤Cu ( 1 μm)

0.80.30.7TTsat  Twall  Tsat・ 電界
電界＝投入電圧/電極高さ
投入電圧：0~3000V

実験結果
接触角が熱流束に与える影響30

静電圧力が熱流束に与える影響
HTC=8400 W/(m2・K)

HTC=9900 W/(m2・K)

HTC=7200 W/(m2・K)

25

Cu (H=600μm)の場合

120

100

15Sn (12.1deg.)
10

Ni+B (12.8deg.)
Cr (12.4deg.)

5

Heat flux [W/cm2]

Heat flux [W/cm2]

20

HTC=6400 W/(m2・K)

HTC=29600 W/(m2・K)
E=-5kV/mm

HTC=12300 W/(m2・K)
E=-5kV/mm

HTC=6500 W/(m2・K)
Dia. (11.0deg.)

Dia. (H=600μm)の場合

80

Analysis
HTC=24900 W/(m2・K)
E=-3kV/mm

HTC=9900 W/(m2・K)
Analysis

E=-3kV/mm

60

Analysis
HTC=6500 W/(m2・K)

40

Analysis

Without electrode

HTC=12400 W/(m2・K)
Without electrode

20Cu (14.5deg.)

Analysis
0Analysis00102030

40500102030

4050607001020

Wall superheat [K]Wall superheat [K]

沸騰促進モデルの検証

3040506070

Wall superheat [K]

結言2.01.8

Normalized CHF [-]1.6

沸騰促進モデルの検証

Analysis +20%
AnalysisAnalysis -20%

1.4
1.2

・接触角が熱流束に与える影響

1.0

接触角の減少Without electrodeCu at -3kV/mm, H=600µm
Cu at -5kV/mm, H=600µm
Dia. at -3kV/mm, H=600µm
Dia. at -5kV/mm, H=600µm
Without Electrode(Kano, inprint)
E=-5kV/mm, H=400µm(Kano, inprint)

0.8
0.6
0.40.20.005

沸騰促進モデルを６つのパラメータで考慮(接触角,静電圧力,電極高さ, 表面張力,スリット長,スリット幅)

・静電圧力が熱流束に与える影響
電界の増加
1015

熱伝達率上昇12000 W/(m2・K)

CHFが上昇過熱度が減少熱流束の増加＞過熱度の増加

CHF上昇(99 W/cm2)
過熱度上昇

理論式でCHFを±20%の精度で予測

熱伝達率上昇30000 W/(m2・K)

20

Contact angle [deg.]

連絡先：山形大学大学院理工学研究科 鹿野一郎 TEL ＆FAX: 0238-26-3226 Email: kano@yz.yamagata-u.ac.jp

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