オープンセル金属フォームの熱伝達特性

金属発泡体は、金属マトリックス中に一定数、一定の大きさ、一定量の気孔を含む多機能複合金属材料の一種です。発泡金属は、比表面積が大きく、気孔率が高く、密度が低いなどの独自の構造特性を持ち、放熱性（連続気泡）、断熱性（独立気泡）、吸音・制振性、軽量性、高比強度、電磁波遮蔽性などの多機能複合特性を有し、熱物性と熱伝導性を融合した構造機能材料です。シック機械工学、音響学、電気学などです。
のためにオープンセル金属フォーム高い多孔性と複雑な三次元メッシュ構造により、優れた放熱性と高い熱伝達効率を実現し、小型熱交換器、マイクロエレクトロニクスデバイスの冷却など、幅広い応用分野への展開が期待されています。オープンセル発泡金属の熱伝達特性については、小型熱交換器の応用分野から研究状況が調査・分析されています。
金属フォーム小型熱交換器用
金属フォームの優れた伝熱性能は広く認められています。気体または液体が孔を通過する際、連続気泡構造の金属フォームと流体との間で強制対流の形で熱が伝達・交換されます。一方で、金属フォームの複雑な3次元メッシュ構造は流体の非線形効果を生み出し、乱流度も強化されるため、固体表面から流体への局所的な熱伝達が促進されます。また、フォーム金属の大きな比表面積も、金属が優れた伝熱性能を発揮する重要な理由です。現在、小型熱交換器用金属フォームの伝熱性能に関する研究は、主に空気側伝熱強化と冷媒側伝熱強化に焦点を当てています。
金属フォームの空気側伝熱特性向上のため、従来のフィンが使用される用途（電子部品の冷却、プレート式熱交換器、フィン付き熱交換器など）において、フィンの代わりに金属フォームが放熱に使用されます。小型熱交換器においては、現在、主に気孔密度が40%未満で気孔率が70%以上の銅およびアルミニウムの発泡金属について、流動伝熱特性が研究されています。
特定の細孔径では、熱伝達率は気孔率の増加とともに増加し、支配的になります。一方、特定の気孔率では、気孔密度が高くなるほど熱伝達効率は低下します。これは、気孔径が大きすぎることが原因である可能性があります。気孔率、気孔密度、気孔径といった気孔構造パラメータは、熱伝達性能に影響を与える主な要因です。金属フォーム電子部品の冷却における金属発泡体の応用について、金属発泡体の多孔度と気孔径が放熱効果に及ぼす影響を直交実験により調査した。その結果、強制対流下における金属発泡体の放熱性能は気孔構造と関連しており、その中でも気孔径が最も大きな影響を与えることが示された。
いくつかの研究結果によると、発泡金属は熱伝達を向上させる上で大きな役割を果たしているものの、熱交換器の性能向上に伴う抵抗の増加は無視できないことが示されています。発泡金属の熱伝達効率は、圧力損失が小さいほど大幅に向上し、気孔密度の増加に伴って圧力損失が増加します。この研究結果は、軽量コンパクトな高効率熱交換器の設計と製造に有益です。発泡金属熱交換器と同サイズのフィン付き熱交換器の実験研究が行われ、同じ試験条件下では、発泡金属熱交換器はフィン付き熱交換器よりも効率が低く、圧力損失と摩擦係数はフィン付き熱交換器よりも高いことがわかりました。多孔質発泡金属は対流熱伝達に対して明らかな強化効果があり、レイノルズ数の増加に伴って強化効果は減少します。多孔質発泡金属は流体の流動抵抗を明らかに増加させますが、レイノルズ数の増加に伴って抵抗増加の乗数は減少します。対流熱伝達の総合的な強化と流れの圧力損失の増加が2つの側面から見られる。多孔質発泡金属低流量の流体に適しています。発泡金属は空気側伝熱性能を向上させる役割を果たしますが、伝熱性能が向上すると同時に抵抗も増加し、全体的な性能は従来のフィンよりも劣ります。研究によると、発泡金属は低流量の稀な用途に適しています。したがって、発泡金属による空気側伝熱性能向上は適用場面を考慮する必要があり、従来のフィン放熱代替研究を盲目的に行うことはできません。

金属フォームは、相変化によって冷媒の熱伝達を高める役割も果たします。 結果は、多孔度が一定の場合、細孔密度が20PPIから40PPIに低下し、細孔サイズが小さくなるにつれて、より微細なセル構造とより大きな表面積とより強い摂動により、熱伝達性能が2倍になることを示しています。 高流量では、沸騰熱伝達率は乾燥度の増加とともに着実かつ緩やかな増加を維持します。 動作圧力が徐々に増加すると、低乾燥度での沸騰熱伝達現象は地面沸騰に似ており、つまり、圧力の上昇に伴って熱伝達が強くなりますが、ある程度の圧力上昇は沸騰熱伝達に悪影響を及ぼします。 銅フォームチューブの熱伝達率は、軽量チューブの約3倍です。 純粋な冷媒の場合、発泡金属の存在により沸騰熱伝達の流れが向上し、熱伝達率は最大185％増加します。油を含む条件の場合、金属フォームの熱伝達を強化する効果が弱まります。同じ条件下では、5PPIフォーム金属と比較して、10PPIフォーム金属は熱伝達係数を最大0.6倍に高めることができ、気孔サイズが小さいほど流動沸騰熱伝達係数を向上させることができます。
質量流量と二相流体の乾燥度が流動凝縮圧力損失と熱伝達係数に及ぼす影響を総合的に分析した結果、内壁充填環状金属発泡管の圧力損失は軽量管よりもはるかに大きく、質量流量と乾燥度の増加とともに圧力損失は急激かつ非線形に増加することがわかりました。内壁充填環状金属発泡管の凝縮熱伝達率は軽量管よりも大きく、質量流量と乾燥度の増加とともに熱伝達率が増加し、このタイプの強化管の流動凝縮熱伝達率は軽量管の約2倍です。その毛細管効果が明らかであるため、130PPI強化管の細孔密度が最も効果的で、軽量管の3.06倍であり、40PPI管は主に低リブ管の構造と同様の強化手段です。
コンパクト熱交換器では、金属フォーム熱伝達機能の強化に最大限活用できるものの、本研究では発泡金属の耐成長特性も非常に重要であり、小型熱交換器における発泡金属の適用を評価するには総合的な性能評価が必要であることが示されました。さらに、油性潤滑剤の存在下では、発泡金属は熱伝達の低下を招く可能性があるため、相変化冷媒伝熱における金属発泡体の熱伝達向上は、潤滑剤の影響を考慮して検討する必要があります。