相変化材料の熱伝導率向上における積層造形の応用

出典: Nexperia Asia Pacific 著者: Li Quanshu、工学修士、流体シミュレーションエンジニア、DfAM Enablement Business Unit、Nexperia Asia Pacific

近年、我が国の航空宇宙分野の急速な発展に伴い、高速、超音速などの航空機における電子機器の熱保護問題がますます顕著になってきています。航空機自体の制約により、自然対流、強制空冷・水冷など地上環境での従来の放熱方法をそのまま適用することはできません。

これは主に、このような航空機の作業環境が超高高度や宇宙などの真空、真空に近い状態、または高速空力高温環境にあるためです。航空機の厳しい容積と重量の要件により、熱制御装置の選択スペースも制限されます。また、このような熱負荷環境は、瞬間的な高ピーク熱負荷や周期的に変動する熱負荷など、不規則な熱負荷である場合がほとんどです。現在、安全のために、熱保護は熱保護装置の熱容量の増加、表面アブレーションなどの方法で頻繁に行われていますが、明らかに、これにより熱保護装置の重量が大幅に増加し、航空機のコストが増加し、一定の安全性と安定性が損なわれます。したがって、小型、軽量で安定性の高い熱保護ソリューションは、緊急に解決する必要がある重要な課題です。

相変化材料、特にパラフィンは、高い融解潜熱、熱サイクル安定性、および非毒性のため、熱エネルギー貯蔵システム (TES) および熱管理システム (TMS) で広く使用されています。しかし、相変化材料の熱伝導率は非常に低く、一般的な金属材料よりも 2 ～ 3 桁低くなります。その結果、純粋な相変化材料を温度制御やエネルギー貯蔵に使用すると、加熱面の温度によってその近くの相変化材料は急速に溶けますが、熱伝導率が低いため、加熱面から遠い相変化材料は溶けるのが遅くなったり、固体のままになったりします。相変化材料内部に大きな温度勾配が生じ、PCM の性能が著しく制限され、機器の故障や損傷を引き起こす可能性もあります。そのため、相変化材料の等価熱伝導率をどのように向上させるかが、早急に解決すべき重要な課題となっている。

金属フォームは、相変化材料の熱伝導率を向上させるために広く使用されており、蓄熱システム (TES) と熱管理システム (TMS) の両方に応用されています。従来の金属フォーム構造はケルビン単位に置き換えられ、多孔度、細孔サイズ、比表面積などの幾何学的およびマクロ的パラメータが金属フォーム-PCM複合材料の特性に与える影響が広く研究されてきました。

積層造形技術の登場により、どんなに複雑な構造でも簡単に製造できるようになり、TES および TMS システムで三周期極小表面構造を使用できるようになりました。代表的な 3 周期極小表面は、ジャイロイド、IWP、プリミティブフォーム材料です。これらをフィンメタルフォーム PCM (FMF-PCM) システムに適用すると、熱伝達性能が大幅に向上します。したがって、TPMS をベースにした金属フォーム材料は、TES システムや TMS に大きな応用の見込みがあります。

金属フォーム構造

金属フォームの構造は一般的にケルビン単位で置き換えられ、理想的な金属フォーム単位は14面体単位です。ケルビンセルは、6 つの正方形と 8 つの六角形の面で構成される規則的な幾何学構造で、空間を最小の表面で等しい体積単位に分割します。発泡金属のマクロ的および幾何学的パラメータ（多孔度、細孔サイズ、多孔度勾配、比表面積密度、柱形状や異方性などの形態特性など）については、多くの研究が行われてきました。既存の研究では、発泡金属の基本構成要素（つまり、ケルビン単位自体）は常に変更されていません。明らかな理由の 1 つは、非常に複雑な形状を製造できない従来の製造技術を使用して複雑なアーキテクチャを製造することは現実的ではないことです。

FMF-PCM構造と積層造形アプリケーション

PCM の熱伝達特性を高めるために金属フォームに PCM を含浸させる方法に加えて、「フィン付き金属フォーム」(FMF) と呼ばれる改良構造によっても熱伝導率を高めることができます。これは、比較的単純な金属フォーム PCM (MF-PCM) やフィン付き PCM (F-PCM) と比較して、FMF は TES システムや TMS での熱伝達性能が優れているためです。 MF-PCM 構造では、フィンなしで PCM が金属フォームに含浸されています。 F-PCM では金属フォームは使用されず、フィン間に PCM が充填されます。 FMF-PCM の主な原理は、最初の 2 つの構造を組み合わせ、フィンの間に金属フォームを挟み込み、フォーム金属材料に PCM を含浸させることです。

等温条件下での数値計算により、FMF-PCM、FPCM、MF-PCM の 3 つの構成が見つかりました。溶解プロセス全体を通じて、FMF-PCM 構成の平均熱伝達係数 (HTC) は、F-PCM 構成と比較して 24% 増加し、MF-PCM 構成と比較して約 7 倍増加しました。

近年の積層造形技術の進歩により、どんな複雑な構造でも印刷することが可能になりました。金属 3D プリントの分野では、レーザー焼結、レーザー溶融、電子ビーム溶融などの粉末床溶融技術が最も一般的に使用されている技術です。 3D プリントは複雑な形状を生成できるだけでなく、材料の無駄も削減できます。さらに、製造される部品のサイズは、大型オブジェクトの印刷からナノスケールのオブジェクトの印刷まで、あらゆるスケール範囲をカバーします。したがって、製造技術の変化により、複雑なトポロジを製造する際の物理的な障壁が完全に取り除かれ、あらゆる構造を完全に自由に設計および構築できるようになりました。その結果、三周期極小曲面など、これまで加工不可能だった金属フォーム構造が再び注目を集めるようになりました。

FMF-PCM の場合、使用時に対処しなければならない非常に難しい問題があり、それはフィンと FMF 金属フォーム間の接触熱抵抗を排除する必要があることです。積層造形は、FMF モジュール全体を単一の部品として印刷できるため、この問題に対する完璧な解決策です。

積層造形 - TPMSセル構造

積層造形技術の出現により、周期的な細胞構造、特に三周期極小表面 (TPMS) が広範な研究の関心を集めています。 TPMS は本質的に、すべての点で平均曲率がゼロである最小限の表面です。 TPMS 構造は数学的にモデル化でき、3 方向に繰り返すことができます。このパターンにより、TPMS セルは 3 つの相互に垂直な方向に成長し、TPMS セルの 3D アレイを形成できます。ここで言及する価値があるのは、「最小表面積」という用語は、特定のセルサイズの構造の総表面積が最小化されることを意味するものではないということです。実際、TPMS 構造の表面積は、ケルビンセルの表面積よりも大幅に高くなっています。この表面積の拡大により、TES システムの PCM 充電および放電性能が向上します。

いくつかの古典的な TPMS 構造は、Schwarz によって最初に提案されました (Schwarz Primitive および Schwarz Diamond)。その後、Schoen はいくつかの他の TPMS 構造を提案しましたが、その中で最も有名なのは Schoen Gyroid、Schoen I-graph、および wrapped package-graph (IWP) です。従来のサポート構造ベースのトポロジと比較して、TPMS 構造は優れたパフォーマンスを示します。 TPMS 構造の機械的特性は、テストされたすべての構造よりも優れています。 TPMS は、足場や組織工学の用途に使用されてきました。

TPMSセル構造は相変化材料の熱伝導性を高めます

熱伝導率を評価する指標の 1 つは、同じ加熱時間内での PCM 液相分率の大きさです。液体分率の範囲は 0 から 1 です。0 は PCM が完全に固体であることを意味し、1 は PCM が完全に液体/溶融していることを意味します。すべての金属フォーム構造において、溶融プロセスが強化されます。熱は金型の底部から急速に伝達され、PCM と金属フォーム構造の界面で溶融します。さらに、フィンは溶融プロセスにも役立ちます。これは、フィンと PCM の界面に溶融 PCM 層が形成されることからも明らかです。

熱伝導率を評価する指標の一つに平均HTCがあり、熱伝導と自然対流の両方における4種類のフォーム材料の平均HTC値を比較します。純粋な熱伝導の場合、TPMS 金属フォーム構造のパフォーマンスは大幅に向上し、IWP の平均 HTC はケルビン単位よりも 50% 高く、続いてジャイロイド (46%)、プリミティブ (32%) となっています。自然対流条件下では、TPMS 金属フォーム構造はケルビン単位よりも優れた熱伝達性能を発揮します。

従来の金属フォーム構造と比較して、積層造形法で生成されたTPMS金属フォーム構造は、PCM溶融時間と溶融プロセス全体における平均HTC値を判断基準として使用して、熱伝導（浮力なし）とFMF-PCMシステムの自然対流に基づくシミュレーションの点で、従来の金属フォーム構造よりも優れています。

3 つの TPMS セル構造とケルビン単位を比較します。純粋な熱伝導の場合、IWP 金属フォーム構造が最高の性能を発揮します。自然対流条件下では、プリミティブ金属フォーム構造が最高のパフォーマンスを発揮しました。純粋な伝導条件下では、TPMS 金属フォーム構造の性能は、自然対流条件下でのケルビンセルの性能よりも優れています。 FMF-PCM ユニット全体については、すべての TPMS 金属フォーム構造の補強効果は、ケルビンユニットよりも優れています。

積層造形法で生成されるTPMS金属構造は、PCM材料の熱伝導率が低いという欠点を大幅に改善することができます。航空宇宙分野では、TESシステムとTMSシステムは非常に優れた応用見通しを持っています。
記事内の画像出典: 三重周期極小表面 (TPMS) を組み込んだフィン付き金属フォーム相変化材料 (FMF-PCM) システムの熱伝達性能

著者の Li Quanshu は工学修士号を取得しており、Ansem Asia Pacific の DfAM Enablement Business Unit で流体シミュレーションエンジニアとして働いています。 1次元流体システムと3次元熱流体シミュレーションの専門家。現在は熱交換器の熱流体シミュレーション設計に従事。

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