金属フォームの熱伝達特性の探究とHVAC産業への応用

世界のエネルギー需要は年間約1.3％の割合で増加しており、省エネと排出削減は国の重要な発展戦略の一つであるため、エネルギー応用分野（熱変換、蓄熱、熱利用）における省エネ機器は大きな注目を集めています。

金属フォーム1948年にアメリカの科学者ソスニックによって提案された材料加工技術であり、金属靭帯型の骨格と気孔ユニットが連続したオープンセルで構成し、各オープンセル（気孔）には12～14個の五角形または六角形の表面が含まれており、アルミニウム連続相金属の優れた特性と離散相細孔の特性の両方を兼ね備えた鋼、ニッケル、銅、セラミック、金属合金などの材料に適しています。
金属フォームは、次の主要なパラメータによって特徴付けられます。
1. 孔径は開口部の平均直径であり、0.1～10 mmの範囲です。
2. スケルトン径は金属スケルトンの平均直径です。
3. 気孔密度は 1 インチあたりの気孔の数であり、セル サイズ、気孔サイズ、リブ サイズに関連します。
4. 多孔度εは、サンプルの質量と体積の測定から得られる細孔の体積分率であり、80％から99％の範囲であり、細孔が透過するかどうかに応じて開細孔と閉細孔に分類できます。
流体流動と熱交換の特性により、エネルギー分野での応用は主にオープンポア型で、内部に連続した遮るもののない三次元細孔構造を持ち、固体骨格の間に細孔があり、流体が細孔内を流動できます。多孔度ε>80%、比表面積が大きい（1000～5000 m2/m3）、熱伝導率が大きく、熱交換性能が優れているため、主に熱交換器、電子冷却、燃料電池などに使用されています。エネルギー施設では、発泡金属を内蔵した熱交換器、太陽熱集熱器、太陽熱受熱器、蓄熱器などに使用されています。
金属フォームの構造的特徴と物理的特徴に基づいて、HVAC 分野における金属フォームの機能化された応用をそれぞれ熱伝達、熱収集、熱貯蔵の 3 つの側面から調査し、その主な用途と特性を研究した結果、主な知見は次のとおりです。
（１）金属発泡体に埋め込まれた熱交換器は、対流熱伝達係数を３～９倍に高めることができる高効率のコンパクト熱交換器である。異なる材料（銅、アルミニウム、ニッケル）は、熱伝達能力を大幅に向上させることができますが、異なる材料は、熱伝達係数を異ならせる可能性があります。 発泡金属の熱伝達理論では、気孔率、気孔密度、および透過性が、気孔スケールの熱伝達の有効性を決定する主要なパラメータです。 熱伝達率、圧力損失、流れの結合におけるパラメータは、熱伝達係数の主要なパラメータです。 熱伝達率、圧力損失、流れの結合におけるパラメータは、固体熱伝達係数の主要なパラメータを決定する必要があり、熱交換器の設計における主要な指標パラメータです。
（2）金属フォームは太陽熱集熱器設備に使用されています。金属フォームは高温状況で使用されるため、放熱効果が明らかで支配的です。伝熱過程における高温での熱伝導と放射伝熱の結合効果、および金属フォームの構造の特殊性により、金属フォームの有効熱伝導率と伝熱モードに影響を与える要因が多様で複雑になります。一般的に使用されているのは直接吸収型太陽熱集熱器と体積型太陽熱集熱器で、吸収型集熱器では金属フォームが太陽エネルギーの吸収に及ぼす影響が支配的で、金属、フォーム、流体間の伝熱が間接的に太陽エネルギー受熱器の性能に影響を与えます。体積型集熱器は空気流と太陽エネルギーを装置に流入させる方法であり、金属フォームの形状と材料構成が主な要因を占めます。
（3）金属フォーム構造の連続性と高熱伝導率の効率により、蓄熱装置に使用され、その高熱伝導率、高多孔度と高比表面積、および蓄熱容量が大きい相変化材料、簡単な構造、追加エネルギーの消費が不要などの利点があり、複合相変化材料の重ね合わせ構成の利点、パラフィンの熱伝達の向上、相変化材料の熱伝導性の強化、相変化材料における発泡金属の改良に関する研究、相変化材料における発泡金属の配置の改良、多孔度と気孔スケールの変更、材料の選択など、複合システムの相変化応答時間、温度分布、蓄熱時間、熱伝達は、その後の機器設計の最適化に重要な影響を与え、一定の理論的根拠を提供します。