熱交換器の表面設計により効率が向上

米国: MIT の研究者らは、熱交換器材料に特別に調整された表面処理を使用してシステムの効率を向上させる方法を発見したと主張しています。

この研究は現在も実験室規模で行われており、異なるサイズスケールでの 3 種類の表面改質の組み合わせが含まれています。 しかし、研究者らは、実用的な工業規模のプロセスを開発するにはさらなる研究が必要であることを認めている。

この新たな発見は、マサチューセッツ工科大学を卒業したばかりのヨンサップ・ソング氏、フォード工学部教授エブリン・ワン氏、およびMITの他の4名による論文の中で、学術誌「アドバンスト・マテリアルズ」に記載されている。

沸騰プロセスは一般に、熱伝達係数 (HTC) と臨界熱流束 (CHF) の間のトレードオフです。

どちらのパラメータも重要ですが、本質的にトレードオフがあるため、両方のパラメータを同時に強化することは困難です。 ソン氏は、その理由として、沸騰表面に多くの気泡があれば沸騰は非常に効率的ですが、表面に気泡が多すぎると気泡が合体して、表面に蒸気膜が形成される可能性があるためであると説明しています。沸騰した表面。 この膜により、高温の表面からの熱伝達に抵抗が生じ、CHF 値が低下します。

現在、チームは長年の研究を経て、材料の表面に追加された異なるテクスチャーの組み合わせによって、両方の特性を同時に大幅に改善する方法を達成したと言われています。

現在、ローレンス・バークレー国立研究所の博士研究員であるソング氏は、研究の多くを MIT での博士論文研究の一環として実施しました。 彼が開発した新しい表面処理のさまざまな構成要素は以前に研究されていたが、研究者らは、この研究はこれらの方法を組み合わせて、2つの競合するパラメータ間のトレードオフを克服できることを示した最初のものであると述べている。

一連のマイクロスケールの空洞、またはへこみを表面に追加することは、その表面での気泡の形成方法を制御し、気泡をくぼみの位置に効果的に固定し、耐熱フィルム中に気泡が広がるのを防ぐ方法です。

研究者らは、膜の形成を防ぐために、約2mmの間隔で幅10μmのくぼみの配列を作成した。 ただし、その分離によって表面の気泡の濃度も低下し、沸騰効率が低下する可能性があります。 それを補うために、チームははるかに小規模な表面処理を導入し、ナノメートルスケールで小さな隆起や隆起を作成しました。これにより、表面積が増加し、気泡の下での蒸発速度が促進されます。

これらの実験では、材料表面の一連の柱の中心に空洞が作成されました。 これらの柱はナノ構造と組み合わされて、底部から上部への液体のウィッキングを促進し、これにより水にさらされる表面積が増えることで沸騰プロセスが強化されます。 表面テクスチャーの 3 つの「層」（キャビティの分離、ポスト、ナノスケールのテクスチャリング）を組み合わせることで、沸騰プロセスの効率が大幅に向上するとソン氏は言います。

彼らの研究では、これらの種類の表面処理を組み合わせることで効果が得られ、望ましい効果が得られることが確認されていますが、この研究は小規模な実験室条件下で行われたため、実際の装置に簡単にスケールアップすることはできませんでした。

「この方法で表面を制御して強化できることを示すのが最初のステップです」とエブリン・ワン氏は言う。 「次のステップは、よりスケーラブルなアプローチを考えることです。」

たとえば、これらの実験における表面の柱は、半導体チップの製造に一般的に使用されるクリーンルーム法を使用して作成されましたが、そのような構造を作成するには、電着などの他の、それほど要求の少ない方法があると言われています。 表面ナノ構造テクスチャーを生成するにはさまざまな方法があり、その中にはより簡単に拡張できるものもあります。

チームには、カルロス ディアス マーティン、レナン チャン、ヒョンユン チャ、ヤジン チャオも含まれており、全員が MIT に在籍していました。 この研究は、エネルギー高等研究計画庁 (ARPA-E)、空軍科学研究局、およびシンガポールとマサチューセッツ工科大学の研究技術同盟の支援を受け、MIT.nano 施設を利用しました。