とめどもないことをつらつらと

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引用OKす。

多孔質金属×ヒートシンク×材料×数学 とにかくアイデアをごった煮に

2016-12-28 09:47:04 | IT・ビッグデータ
もうアイデアがここに出てしまったので、私なりに私の考えを記載します。


多孔質金属がヒートシンクの常識を変える?
~実用化に向け進展
2016年12月26日 16:54
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/yajiuma/1036941.html

 ヒートパイプの導入によって著しく性能が向上したPC用のヒートシンクだが、次のステップに入りそうである。それが多孔質金属を用いた放熱だ。

 多孔質金属は伝熱面積が広いため、ヒートシンクのフィンとして採用すれば高い熱伝達率を実現できる。近年は実用的な観点からヒートシンクの小型軽量化のニーズがいっそう高まっており、多孔質金属を用いたヒートシンクも考えられているが、実用化には至っていない。多孔質金属フィンは複雑な形状であるゆえに、伝熱に関する設計を行ないにくい。また、圧力損失が高い(つまり風通しがあまり良くなく、後部は冷えにくい)ため、実用化のためには冷却ファンなどの実装を考慮しなければならない。

 しかし2016年は多孔質金属を用いたヒートシンクの実用化に向けて進化があった1年でもあったと言える。

 日立製作所 研究開発グループ 機械イノベーションセンタの近藤義広氏、および日立化成 筑波総合研究所 社会インフラ関連材料センタの越田博之氏らは、多孔質金属フィンの熱交換関数である圧力損失と熱伝達率について実験的に検証を行ない、日本機械学会にその結果を報告した(2016年4月14日)。

 実験に使われた多孔質金属は3次元形状の樹脂製フォームを基体とし、表面にアルミニウム粉末を付着させた後、窒素、アルゴン、水素などの非酸化ガス雰囲気中で、アルミニウム粉末の融点以上に加熱する過程で樹脂製フォームの基体を消失除去し、アルミニウム粉末を溶融することで多孔質金属を生成した。この手法では多孔質金属フィンを安価に製造できるという。

 研究グループはこの多孔質金属フィンを、自動車で使われる水冷ラジエータのように伝熱管(多穴管)にロウ付けし、大きさや管の多寡などさまざまな組み合わせで4つ制作し、性能評価を行なった。

 具体的な実験手法などについては論文を参照されたいが、結論から言うと、多孔質金属フィンの性能は芳しいものではなかった。伝熱管へのロウ付けが不十分で、フィン効率も低く、多孔質金属フィンでの伝熱も小さかった。さらに、上記の製法では基体の樹脂製フォームが分解消失し、フィン内部が中空になるため、フィン効率を低下させる原因となっていた。

 本論文はあくまでも多孔質金属フィンによる熱交換関数を予測できる実用性重視の予測モデルを提唱するものであって、多孔質金属ヒートシンクの実用化に向けた検証を行なったものではないが、製品化を検討する上で重要なレポートだと言えるだろう。

 もう1つは、レンコンのような1方向性の気孔を有する多孔質金属を製造するロータスアロイ株式会社が今年(2016年)5月に、放熱ソリューションを専門とする企業、株式会社ロータス・サーマル・ソリューションを立ち上げたことだ。

 先述の通り、単なる多孔質金属(ポーラス金属:同社はロータス金属と呼んでいる)は3次元構造のため、圧力損失が大きい課題があるが、1方向性の気孔が並ぶロータス金属では圧力損失を減少させられるため、熱伝導率の増大と圧力損失の低減を同時に得られるメリットがある。ロータスアロイ株式会社のホームページでは、水冷システムにおいてマイクロチャンネルのヒートシンクに代わってロータス金属を採用することで2倍の熱伝達率を実現していることが紹介されている。

 ロータス・サーマル・ソリューションは阪大発のベンチャープロジェクトであり、8月に平成28年度戦略的基盤技術高度化支援事業に採択されており、事業化の早期実現が期待される。


Exactly.その通り。

私が「金属に穴が空いていたら放熱が進むんじゃね? 」と思ったのは丁度2年前であった。


熱の伝達、蓄積、放散における社会的インフラ利用 - とめどもないことをつらつらと
http://blog.goo.ne.jp/booter/e/e02ad9b12584b764d8ac0acace804fc3

先日気づいたことだが、金属で出来た家庭用調理器具の「おたま」があるだろう。
この取っ手が全部金属で出来ている場合は、煮込んだ鍋におたまを入れっぱなしの時にはその取っ手も熱くなるのだが、不思議なことに、S字フックなどの引っかけ用に、穿孔された穴があるが、そこからおたまとは反対側の部分を沢っても熱くはない。穴がある部分までは熱いのだが、穴の部分以降は熱くないのである。これはどうして? 
ブローニング M1917やMG08重機関銃など機関銃に穿孔加工がなされているあたり、金属の穴や切断面というのは放熱する効果があるのか? 
あるいは金属が特有に持つ自由電子がこうしているのか? 
金属の熱伝導率が高いのと、特有の光沢を放つのは自由電子が関係しているかららしい。それはともかくとして。

加工方法によって放熱の多寡が決まるのか? そしてそれはどうして? 

とにかくこの放熱機構をどこかなにかで使えないか。
夏のビルでエアコンの補助で放熱機構が使えれば電力量が少なくて済む。
あるいは常に冷やし続け泣ければならない冷凍倉庫やデータセンターなどは、空調だけでも相当な電力消費をするが、これを補助的に使用できればそれにこしたことはない。


ということであったが、ここではもう一段階先の放熱を考えたい。

放熱は2パターンある。

一つは金属に接触している空気に熱伝導で熱量を渡すやり方。
もう一つは熱放射(電磁波によるエネルギー放出)である。

つまりは前者でやるのであれば、熱を奪いに来る空気と金属の接触面を増やせばいい。
多孔形式では上手く行かなかったというから、ここで数学を遣えばいい。

同じ形を平面で埋める時、同じ面積で周の長さがより短くなるものは何か? →答えは六角形。1999年トーマス・ヘイルズがハニカム定理を確立した。六角形が最適であると言う蜂の巣は最適であるということを証明した。
これを二次元ではなく、三次元に展開する。

ある空間を同じ形状で隙間なく埋めたい場合どうするか? 通常は直方体。
それでは同じ体積で面積がより小さくなるものは何か? 工業的な応えは切頂八面体になる。
もっと言えば、数学理論上はウィア・フェラン構造が現在最大効率を求められる。

空気接触における熱伝導で放熱をするのであればこれを使うべきだ。

あるいは熱放射を利用するのであれば、その増幅を考えればいい。
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1 コメント

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Unknown (booter)
2017-01-03 22:24:03
すみません、勢いで書いていたのを放置していましたが、よくよく考えると、ここの放熱で求められるのは「同一空間内で効率の良いより多い面積」であるのに対し、ウィア・フェラン構造はその真逆で「同一空間内で、より少ない面積」になります。ここに訂正します。

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