導入、流通・サービス等の機械化・ロボット化、産業のデジタルトランスフォーメーションなどの技術革新やカーボンニュートラルへの取り組みなどが進みつつあり、我が国の技術及び経済社会は大きな変革期を迎えています。本研究会では、最新の機械システムの技術トレンドやデジタル活用の動向、注目すべき内外の動きなどについて共有し、意見交換を行うことを目的として、有識者の参画のもとにテーマごとに各分野の専門家を招いて講演いただいた後に議論を行います。Things)技術の広がりと共に電子デバイスの自己発熱問題が深刻化しています。一助となりうるサーマルマネージメント技術が必要とされています。本講演では、熱輸送デバイスに関する概論的説明と講演者が発明・開発した高い熱輸送性能を有する新型ヒートパイプについて紹介します。耕二様に帰属いたします。サーマルマネージメントについてサーマルマネージメントとは、熱制御あるいは熱管理とも呼ばれ、広義では熱力学と伝熱工学に基づく各種テクノロジーによって対象システムの温度を制御する機能・機構を意味します。サーマルマネージメントのためには対象システムの温度または温度分布、あるいはその両方をコントロールするための熱伝導、対流や相変化を含む熱伝達、およびふく射などのあらゆる手段とプロセスを複合的に活用する必要があります。サーマルマネージメントを必要とするシステムは、多くのコンポーネントと様々な材料で構成されており、さらに固体・液体・気体の組み合わせが想定されるだけでなく、時間的な変化(非定常状態)を含み、外部(周囲)の条件に大きく左右されることになります。エネルギー、健康医療、インフラなど、多岐にわたります。昨今の社会情勢として環境負荷低減および産業競争力強化の両面からサーマルマネージメント技術の高度化に対する社会的要請には大きいものがあります。対応する未利用熱エネルギー分野など、異なる利用環境および温度帯に対応可能なサーマルマネージメント技術が必要とされています。ための「蓄熱系技術」、さらに熱電変換材料を利用した「熱電デバイス系技術」などに大別できます。忘れてはならないのがサーマルマネージメント技術に基づく熱制御特性を正確に評価するための評価技術および熱測定技術がです。」の重要性を示しています。中心とする「熱を変換して利用する技術(Recycle)」を意味しています。これらの技術に横断的に取り組むことにより、膨大な未利用熱を効果的に削減・回収して再利用し、さらに変換利用することで省エネ化を目指すと示されています。(Remove)」を加えた「熱の4R」とすることで熱負荷をコントロールし、機器やシステムの機能を最大限に活かすサーマルマネージメントの実現が可能になると考えています(図1)。ヒートパイプについて電子機器等に対する放熱・熱輸送用デバイスの代表格としてヒートパイプがあります。ヒートパイプとは、1964年G.M.Groverが名付けた熱伝達素子です。ヒートパイプは密閉された容器の中を予め真空状態にした筐体内に作動流体を封入した簡単な構造で、内部で起こる作動流体の蒸発・凝縮による潜熱輸送により小さな温度差で大量の熱を輸送可能な熱輸送デバイスです。図2に示すように、ヒートパイプの一端を加熱することで、その部分の作動流体が蒸発し、その蒸気は他端で凝縮します。ポンプ等の駆動装置を必要としない熱制御デバイスとして注目されています。Pipe)を含む蒸気圧利用ヒートパイプ、気泡ポンプ利用ヒートパイプ、および自励振動型ヒートパイプに関する研究開発が進められています。各種ヒートパイプの特徴を表1に示します。ウィックやグルーヴといった内部構造による毛細管作用を利用して液還流をするヒートパイプ。重力場において、冷却部を加熱部よりも上に設置することで重力を用いて凝縮液を還流する。従来型ヒートパイプと比較すると大きな熱輸送量を得ることができるが、時には複雑な不安定現象が発生するという問題がある。蒸発器に取り付けられたウィック内で発生する毛細管力により、作動流体が一方向に循環し熱を輸送する。従来型ヒートパイプに比べ長距離輸送が可能である。動流を発生させることで拡散促進効果を利用し熱を輸送するヒートパイプ。加熱部と冷却部の間に細い流路を複数回往復させた構造で、内部に封入した作動流体が加熱により自励的に振動し、熱を輸送する。1-127895、1989年5月)。一般的なPHPは図3に示すような流路直径が数ミリの1本の蛇行流路で形成されています。この細い流路を加熱部と冷却部の間に複数回往復させ、作動流体を流路体積の半分程度封入したもので、表面張力により形成された液スラグの自励振動によりパッシブで高い熱輸送を実現します。従来型ヒートパイプのように毛管力限界やフラッディング限界による液還流制限がないことから高い熱輸送性能を有すると考えられており、これまで様々な研究が行われています。目的とした応用的研究、およびそれらの研究から得られた結果を考慮した数値シミュレーションが行われています。残念ながら、実用化には至っていないのが現状です。新型ヒートパイプについて講演者は、2007年より、前記の自励振動型ヒートパイプの研究に従事してきましたが、その中で2022年に新たなヒートパイプ技術の開発に成功しました。新型ヒートパイプは、ヒートパイプに封入する作動流体が極めて少ない量とすることで、これまで得られなかった極めて高効率な熱輸送を実現しました。Pipe、以下SHC-HP)と称しています。アルミ製扁平多穴管が用いられています(図4)。次に、結果の一部を紹介します。図5に400mmのSHC-HPの一部を加熱した時の各部における温度履歴を示します。作動流体の封入量は10vol%であり各温度は加熱部(Te2)、断熱部(Tad)、凝縮部(Tc2)を示しています。図より加熱量(W)を増加させると、15.2W以降に全ての温度がほぼ同一となり、400mmのヒートパイプが均温化されているのがわかります。図6に400mmのSHC-HPの熱抵抗の結果を示します。横軸は供給熱量であり、作動流体の封入量は10vol%です。熱抵抗は、ヒートパイプ等の性能評価方法として一般に使われる指標であり、加熱部と凝縮部の温度差を供給熱量で除した値です。一般的に自励振動型ヒートパイプ(PHP)の熱抵抗は0.2K/W程度であるのに対して、SHCーHPは、その1/10である熱抵抗0.021K/Wを示す事がわかります。この熱抵抗が極めて低い状態を踏まえて、本ヒートパイプは「超熱伝導ヒートパイプ」と称しています。講演では、上記の他に長さや形状の異なるSHC-HPの実験結果を複数紹介しました。SHC-HPの熱輸送メカニズムを明らかにするために実施している中性子ライジオグラフィーを用いた可視化結果の一部を紹介しました。講演で紹介しました内容の一部は論文等により外部公表しているので、以下の文献を参考にしてください。SHC-HPの実用化および実装に向けた動きについて事例を挙げて紹介しました。具体的には、自動車業界によるEV用熱輸送デバイス、特にバッテリーの急速充電に対応可能な温調でデバイスとしての可能性について述べました。SHC-HPを熱交換用放熱フィンとして使用した場合の有用性について説明を行いました。図7にSHC-HPを放熱フィンとして使用した時の赤外線画像を示します。図の左側は長さ200mm、幅48mmのSHC-HP、右側は同形状の銅板です。共に下部にヒータが取り付けてあり、同じ熱量で加熱しています。図より、加熱部の温度を比較すると、SHC-HPのヒーター部温度が銅板のヒーター部温度に比べて低く、ヒータ部(加熱部)より上部へ効果的に熱輸送している事がわかります。上部を比較すると、銅板には温度分布が生じているのに対し、SHC-HPはほぼ赤色を示しており、高い均温状態となっている事がわかります。このことからSHC-HPを用いた場合、高いフィン効率を実現でき、結果的に熱交換器を小型化・高性能化できる事が示唆されました。あらゆる半導体デバイスのための電子機器冷却方法の中核を担う可能性があることについて、紹介させていただきました。USCONTACTホーム検索トップサイドバ。