相変化材料ヒートシンクアセンブリの熱性能に関する実験的および計算論的研究

この論文の要約は、ASMEおよびApplied Thermal Engineeringで発表された論文「An Experimental and Computational Study on the Thermal Performance of Phase Change Material Heatsink Assemblies」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: 相変化材料ヒートシンクアセンブリの熱性能に関する実験的および計算論的研究 (An Experimental and Computational Study on the Thermal Performance of Phase Change Material Heatsink Assemblies)
• 著者: オースティン・ジョーンズ (Austin Jones)
• 出版年: 2024年5月 (学位論文), 2023年 (ASME), 2024年 (Applied Thermal Engineering)
• 出版ジャーナル/学会: 南イリノイ大学エドワーズビル校提出論文 (Thesis Submitted to Southern Illinois University Edwardsville), ASME Heat Transfer Summer Conference Proceedings (Proceedings of the ASME Heat Transfer Summer Conference), Applied Thermal Engineering
• キーワード: 相変化材料 (Phase Change Material), ヒートシンク (heatsink), 熱管理 (thermal management)

2. 研究背景:

• 研究トピックの社会的/学術的背景:
  より小型の電子デバイスフットプリントでより高いコンピューティングパワーに対する需要は着実に増加しています。この傾向は、通常のデューティサイクル中に動作温度制限を超える可能性のある、より高出力密度の電子機器につながっています。その結果、デバイスの信頼性と安全性を確保するために、許容可能な動作温度を維持するための効果的な熱管理ソリューションが不可欠となっています。相変化材料（PCM）ヒートシンクは、パラフィンワックスのような材料に固有の高い融解潜熱を利用して、相転移中の顕熱増加を緩和する、実行可能なパッシブ冷却ソリューションとして特定されています。
• 既存研究の限界:
  従来のPCMヒートシンクは、ほとんどの相変化材料の低い熱伝導率によって制約されています。この制限は、電子部品から熱を効率的に除去することを妨げ、PCMが融解しているにもかかわらず、温度オーバーシュートを引き起こす可能性があります。金属ナノ粒子や金属フォームの組み込みなど、熱伝導率を高めるための既存のアプローチは、多くの場合、コスト、複雑さ、および潜熱蓄積容量のトレードオフをもたらします。
• 研究の必要性:
  PCMヒートシンクの限界を克服するために、本研究ではPCMヒートシンクアセンブリの熱伝導率を向上させる必要性に取り組んでいます。この研究では、革新的な設計変更、具体的にはフィン形状と酸化銅ナノ粒子の統合に焦点を当て、過剰なコストをかけたり、PCMベースの冷却ソリューションの固有の利点を損なうことなく、熱性能を最適化することを目指しています。

3. 研究目的と研究課題:

• 研究目的:
  主な研究目的は、PCMヒートシンクアセンブリの熱性能を実験的および計算論的に調査および最適化することです。これには、修正されたフィン形状と酸化銅ナノ粒子の組み込みが、電子デバイスにおける放熱と温度管理を強化する効果を評価することが含まれます。この研究は、将来の電子電力システムの冷却需要を満たすために、PCMヒートシンクの設計を最適化するための貴重な洞察を提供することを目的としています。
• 主要な研究課題:
  本研究では、以下の主要な研究課題の解明を目指しています。
  • 改良されたフィン形状、特に新規な折りたたみフィン設計は、市販の押し出しフィンと比較して、PCMヒートシンクの熱的有効性にどのように影響するか？
  • フィンの向き、フィン厚さ、フィン間隔などのフィンパラメータの変動は、PCMヒートシンクアセンブリの全体的な熱性能にどのような影響を与えるか？
  • ナノ粒子を組み込むこと、フィンを統合する場合としない場合の両方で、PCMヒートシンクの熱伝導率と蓄熱能力にどのように影響するか？
  • フィン付きPCMヒートシンクを設計する際、熱伝導率の向上と潜熱蓄積の間にはどのようなトレードオフがあるか？
  • デバイスの動作温度と総動作時間の観点から、さまざまな熱負荷およびフィン構成下で、PCMヒートシンクの形状をどのように最適化できるか？
• 研究仮説:
  中心となる研究仮説は、フィン形状への戦略的な変更と酸化銅ナノ粒子の包含が、PCMヒートシンクアセンブリの熱伝導率を大幅に向上させ、それによって電子部品からの熱を管理する効果を高めることができるということです。また、フィン付きPCMヒートシンクを設計する際には、熱伝導率と潜熱蓄積の間に重大なトレードオフがあるという仮説も立てています。さらに、本研究では、折りたたみフィンなどの最適化されたフィン形状が、特定の動作条件下で従来のフィン設計よりも優れた熱性能を提供できるという仮説を探求しています。

4. 研究方法

• 研究デザイン:
  本研究では、PCMヒートシンクアセンブリの熱性能を評価するために、実験的研究と計算論的研究を組み合わせた混合法アプローチを採用しています。実験段階では、カスタムヒートシンクプロトタイプを製作してテストし、計算段階では、数値モデリングを利用して、これらのアセンブリ内の熱伝達現象をシミュレーションおよび分析します。
• データ収集方法:
  実験データは、PCMヒートシンクアセンブリ、熱源をシミュレートするフレキシブルシリコンヒーター、温度測定用熱電対、データ収集システム、および電源で構成されるカスタム構築装置を使用して収集されました。ヒートシンク内のさまざまなポイントでの温度データと、電圧および電流の測定値を実験中に記録しました。パラフィンワックス（純粋なものと酸化銅ナノ粒子を混合したもの）をPCMとして使用しました。さまざまな条件、つまり異なるフィン形状（市販の押し出しフィンと新規な折りたたみフィン）、熱負荷、およびナノ粒子濃度下でテストを実施しました。
• 分析方法:
  計算分析は、有限要素解析ソフトウェアであるANSYS Fluentを使用して実行されました。PCMの融解と凝固をシミュレーションするためにエンタルピー-ポーラス法を組み込んだヒートシンクアセンブリの3D数値モデルを作成しました。モデルは実験データに対して検証されました。数値結果の精度を保証するために、グリッド独立性調査を実施しました。次に、シミュレーションを使用して、フィン形状（ギャップと厚さ）、印加電力、ナノ粒子添加など、さまざまなパラメータがPCMヒートシンクの熱挙動に及ぼす影響を調べました。実験結果と計算結果の両方に、1次元熱抵抗解析やクラインとマクリントック法[11]に基づく不確かさ解析などのデータ削減手法を適用しました。
• 研究対象と範囲:
  研究対象は、電子部品の冷却用に設計されたPCMヒートシンクアセンブリです。研究の範囲は次のとおりです。
  • 2つのフィン形状の評価：市販の押し出しフィンと新規な折りたたみフィン。
  • PCMとして純粋なパラフィンワックスと1.5％酸化銅ナノ粒子混合パラフィンワックスを使用。
  • さまざまな熱負荷（16W〜64W）下でのヒートシンク性能の実験的および数値的調査。
  • フィン厚さ（0.8mm〜2.4mm）およびフィン間隔（2.32mm〜5.52mm）を含むフィンパラメータの変動の分析。
  • 対称性によりヒートシンクアセンブリの4分の1としてモデル化された計算領域。寸法は製作されたプロトタイプ（15.24cm×7.62cm×5.08cmのアルミニウムハウジング）に基づいています。
  • アルミニウムハウジング（AL6061）およびPCM（RT60パラフィンワックスおよびCuOナノ粒子）の材料特性は、ANSYS Fluentライブラリ、実験測定、および材料データシート[12]から取得。

5. 主な研究結果:

• 主要な研究結果:
  • 折りたたみフィン形状は、市販の押し出しフィンと比較して、PCMを完全に融解するのに必要な時間が11％増加しましたが、熱源インターフェース温度が6.5％高くなりました。これは、折りたたみフィンがわずかに高い部品温度での動作時間の延長を提供するというトレードオフを示しています。
  • 薄いフィン（壁厚0.8 mm）は、厚いフィン（2.4 mm）と比較して融解時間を17％増加させ、フィン厚さを減らすと潜熱蓄積時間を延長できることを示唆していますが、インターフェース温度はわずかに（4％）上昇します。
  • フィン間隔が大きいほど（5.52 mm）、融解時間が最も長くなりました（3093秒）が、3つの構成の中でインターフェース温度も最も高くなりました。これは、フィン間隔が蓄熱容量と放熱効率の両方に影響を与えることを示しています。
  • パラフィンワックスへの1.5％酸化銅ナノ粒子の添加は、熱源インターフェース温度を5℃低下させ、純粋なパラフィンワックス構成と比較して、最終動作温度を8.75％向上させ、ナノ粒子が熱伝導率を高める効果があることを強調しています。
  • 実験データによって検証された数値シミュレーションは、実験結果とほぼ一致し、PCMヒートシンクの性能を予測するための計算モデルの信頼性を確認しました。
• 統計的/定性的分析結果:
  • 実験データは、繰り返しテスト間で6％未満の差を示し、良好な再現性を示しています。
  • 不確かさ分析では、熱流束の相対不確かさを±0.8％と推定しました。
  • グリッド独立性調査により、350,000ノードを超えるメッシュは、メッシュサイズに依存しない結果を提供することが確認されました。
  • さまざまなフィン形状、厚さ、ギャップ、およびナノ粒子添加にわたる融解時間とインターフェース温度について定量的な比較を行い、熱性能における統計的に有意な傾向を示しました。
  • 温度および液相率コンタープロットからの定性的な観察は、PCM融解プロセスと、設計パラメータが熱分布に及ぼす影響に関する視覚的な洞察を提供しました。
• データ解釈:
  • 結果は、PCMヒートシンクの設計において、熱伝導率と潜熱蓄積の間に重大なトレードオフがあることを示しています。折りたたみフィンは、融解時間を延長する一方で、フィン体積の減少と、押し出しフィンと比較して潜在的に低い有効熱伝導率のために、動作温度が高くなる傾向があります。
  • 薄いフィンと広いフィン間隔は、融解時間を長くする一方で、インターフェース温度を上昇させる傾向もあり、蓄熱と放熱の両方を最適化するにはバランスが必要であることを示唆しています。
  • 酸化銅ナノ粒子は熱伝導率を効果的に高め、動作温度を下げ、全体的な熱管理を改善します。
  • 最適なフィン形状とPCM組成の選択は、特定のアプリケーション要件、特に許容可能な動作温度範囲と必要なデューティサイクル時間によって異なります。より長い動作時間を優先し、わずかに高い温度を許容できるアプリケーションには、折りたたみフィンと薄いフィン設計が適している場合があります。より低い動作温度が必要なアプリケーションには、ナノ粒子強化PCMと潜在的に押し出しフィンが好ましい場合があります。
• 図のリスト:
  • 図1 ヒートシンク形状の断面図 (Figure 1 Cross sectional drawing of heatsink geometry)
  • 図2 実験セットアップの概略図 (Figure 2 Schematic of the experimental setup)
  • 図3 計算領域の3D概略図 (Figure 3 A 3D schematic of the computational domain)
  • 図4 熱源インターフェースにおける実験結果とシミュレーション結果の比較 (Figure 4 Comparison of experimental and simulation results at the heat source interface)
  • 図5 入力電力32Wでの市販押し出しフィンのシミュレーションの温度コンター (Figure 5 Temperature contours for simulation of commercial extruded fins at an input power of 32 W)
  • 図6 入力電力32Wでの市販フィンのシミュレーションの液相率コンター (Figure 6 Liquid Fraction contours for simulation of commercial fins at an input power of 32 W)
  • 図7 押し出しフィンの3つの異なる入力電力値での熱源インターフェース温度 (Figure 7 Heat source interface temperature at 3 different input power values for extruded fins)
  • 図8 折りたたみフィンの3つの異なる入力電力値での熱源インターフェース温度 (Figure 8 Heat source interface temperature at 3 different input power values for folded fins)
  • 図5 グリッド独立性調査 (Figure 5. Grid Independence Study.)
  • 図6 PCMありとなしのヒートシンク設計間の熱源インターフェース温度の比較 (Fig. 6. Comparison of heat source interface temperature between heatsink design with and without PCM.)
  • 図7 シミュレーション結果と実験結果の比較 (Fig. 7. Comparison of simulation and experimental results.)
  • 図8 液相率と温度のコンター (Fig. 8. Contours of liquid fraction and temperature.)
  • 図9 フィン間隔3.92mm、フィン壁厚1.6mmでの液相率に対する印加電力の変化の影響 (Fig. 9. Effect of varying applied power on liquid fraction at a fin gap of 3.92 mm and a fin wall thickness of 1.6 mm.)
  • 図10 フィン間隔3.92mm、フィン壁厚1.6mmでのインターフェース温度に対する印加電力の変化の影響 (Fig. 10. Effect of varying applied power on interface temperature at a fin gap of 3.92 mm and a fin wall thickness of 1.6 mm.)
  • 図11 フィン間隔3.92mm、印加電力32Wでの液相率に対するフィン厚さの変化の影響 (Fig. 11. Effect of varying fin thickness on liquid fraction at a fin gap of 3.92 mm and an applied power of 32 W.)
  • 図12 フィン間隔3.92mm、印加電力32Wでのインターフェース温度に対するフィン厚さの変化の影響 (Fig. 12. Effects of varying fin thickness on interface temperature at a fin gap of 3.92 mm and an applied power of 32 W.)
  • 図13 フィン壁厚1.6mm、印加電力32Wでの液相率に対するフィン間隔の変化の影響 (Fig. 13. Effect of varying fin gap on liquid fraction at a fin wall thickness of 1.6 mm and an applied power of 32 W.)
  • 図14 フィン壁厚1.6mm、印加電力32Wでのインターフェース温度に対するフィン間隔の変化の影響 (Fig. 14. Effects of varying fin gap on interface temperature at a fin wall thickness of 1.6 mm and an applied power of 32 W.)
  • 図2 実験アセンブリの概略図 (Figure 2 Schematic of the experiment assembly)
  • 図3 計算領域の3D概略図 (Figure 3 A 3D schematic of the computational domain)
  • 図4 実験とシミュレーションの熱源インターフェース温度の比較 (Figure 4 Comparison of heat source interface temperature for experiment and simulation)
  • 図5 さまざまなフィン形状の実験結果の比較 (Figure 5 Comparison of experimental results for different fin geometries)
  • 図6 フィンなしおよび折りたたみフィンケース、酸化銅ナノ粒子ありとなしの実験結果 (Figure 6 Experimental results for no fin and folded fin cases, with and without copper oxide nanoparticles)
  • 図7 入力電力16Wでの折りたたみフィンのシミュレーションの温度コンター (Figure 7 Temperature contours for simulation of folded fins at an input power of 16 W)
  • 図8 入力電力16Wでの折りたたみフィンのシミュレーションの液相率コンター (Figure 8 Liquid Fraction contours for simulation of folded fins at an input power of 16 W)
  • 図9 RT50、RT60、RT70HCを使用した折りたたみフィンヒートシンクアセンブリの比較 (Figure 9 Comparison of Folded Fin Heatsink Assembly with RT50, RT60, RT70HC)

6. 結論と考察:

• 主な結果の要約:
  本研究では、新規な折りたたみフィンを備えたPCMヒートシンクアセンブリを実験的および数値的に調査し、その性能を市販の押し出しフィンおよびフィンなしのベースラインと比較しました。折りたたみフィン設計は、特に酸化銅ナノ粒子と組み合わせた場合、融解時間の延長と管理可能なインターフェース温度のバランスを示しました。パラメータースタディでは、薄いフィンと広いフィン間隔が融解時間を延長できる一方、ナノ粒子添加は動作温度を効果的に低下させることが明らかになりました。最適な構成は、冷却される電子デバイスの特定の熱要件によって異なります。
• 研究の学術的意義:
  本研究は、さまざまなフィン形状とPCM強化の詳細な比較分析を提供することにより、PCMヒートシンク設計の学術的理解に貢献しています。検証済みの計算モデルは、将来のヒートシンク設計および最適化研究のための貴重なツールを提供します。調査結果は、フィン形状、PCM特性、および熱性能間の複雑な相互作用を強調し、単純な熱伝導率の向上を超えたニュアンスのある洞察を提供します。
• 実用的な意味合い:
  本研究の実用的な意味合いは、特に周期的な電力需要があるシナリオにおける電子デバイスのパッシブ冷却ソリューションの設計にとって重要です。結果は、折りたたみフィンPCMヒートシンク、特にナノ粒子で強化されたものが、高出力密度電子機器の熱管理を改善できることを示唆しています。この研究は、エンジニアが特定のアプリケーションニーズと熱的制約に基づいてヒートシンク性能を最適化するために、適切なフィン形状、PCM材料、およびナノ粒子添加剤を選択するためのガイダンスを提供します。調査結果は、周期的な電力需要があるデバイスの熱冷却システムの有効性を高めることを目的として、同様のサイズと電力需要のデバイスに直接適用できます。
• 研究の限界:
  研究は、テストされた特定のフィン形状（押し出しおよび折りたたみ）およびPCM材料（パラフィンワックスおよび酸化銅ナノ粒子）に限定されています。より広範囲なフィン設計、PCM組成、および動作条件を調査するには、さらなる研究が必要です。この研究は主に一定の熱流束シナリオに焦点を当てていました。実際の電子デバイスは、より複雑で過渡的な発熱プロファイルを示す可能性があります。ナノ粒子強化PCMヒートシンクの長期的な性能と信頼性（ナノ粒子の沈降や凝集の可能性を含む）は、本研究では評価されていません。

7. 今後のフォローアップ研究:

• フォローアップ研究の方向性:
  今後の研究では、熱性能を最大化するために、フィン形状、間隔、および向きのバリエーションを調査し、折りたたみフィン形状のさらなる最適化に焦点を当てる必要があります。最適化されたフィン形状とさまざまな種類および濃度のナノ粒子を組み合わせることによる相乗効果を調査することも、有望な方向性です。より高い熱伝導率と融解潜熱、およびより低い融点を持つ代替PCM材料を探索することも、ヒートシンクの性能を向上させる可能性があります。
• さらなる探求が必要な分野:
  さらなる探求が必要な分野には、以下が含まれます。
  • 実世界の電子デバイスの動作をより適切にシミュレーションするために、過渡的および可変熱負荷条件下での最適化されたPCMヒートシンクの性能の調査。
  • 強化されたPCMヒートシンクにおける熱サイクル安定性とナノ粒子分散安定性を評価するための長期信頼性研究の実施。
  • 折りたたみフィンヒートシンクとナノ粒子強化PCMの費用対効果の高い製造方法の探求。実用的な実装を促進するため。
  • PCM内の自然対流やヒートシンク表面からの放射熱伝達など、より複雑な熱伝達現象を組み込むための計算モデルの拡張。
  • 極端な熱管理の課題に対するハイブリッド冷却ソリューションを作成するために、マイクロファンや熱電冷却器などのアクティブ冷却要素を最適化されたPCMヒートシンクと統合する可能性の調査。

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9. 著作権:

• この資料は、"Austin Jones"氏の論文「相変化材料ヒートシンクアセンブリの熱性能に関する実験的および計算論的研究 (An Experimental and Computational Study on the Thermal Performance of Phase Change Material Heatsink Assemblies)」に基づいています。
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