マイクロ熱交換器

マイクロ熱交換器、 マイクロスケール熱交換器、 またはマイクロ構造熱交換器は、 （少なくとも1つの）流体が、典型的には1 mm未満の寸法の横方向の閉じ込め部内を流れる熱交換器である。最も一般的な閉じ込め部はマイクロチャネルであり、これは水力直径が1 mm未満のチャネルである。マイクロチャネル熱交換器は、金属またはセラミックで作ることができる。^[1]

マイクロチャネル熱交換器は、次のような多くの用途に使用できます。

• 高性能航空機ガスタービンエンジン^[2]
• ヒートポンプ^[3]
• マイクロプロセッサとマイクロチップの 冷却^[4]
• エアコン^[5]

マイクロスケール熱デバイスの研究は、対流熱伝達における単相内部流の相関関係に基づいています。

${\displaystyle h={\mathit {Nu}}_{c}{\frac {k}{d}}}$

ここで、は熱伝達係数、はヌッセルト数、は流体の熱伝導率、 はチャネルまたはダクトの水力直径です。内部層流では、ヌッセルト数は定数になります。これは解析的に導くことができる結果です。壁温度が一定の場合、および円形チューブの熱流束が一定の場合。 ^[6]最後の値は、平行平板の場合は 140/17 = 8.23 に増加します。[2] レイノルズ数は水力直径に比例するため、水力直径の小さいチャネル内の流体の流れは主に層流になります。したがって、この相関関係は、チャネル直径が減少するにつれて熱伝達係数が増加することを示しています。強制対流の水力直径が数十または数百マイクロメートルのオーダーであれば、極めて高い熱伝達係数が得られるはずです。 ${\displaystyle h}$${\displaystyle {\mathit {Nu}}_{c}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle d}$${\displaystyle {\mathit {Nu}}_{c}=3.657}$ ${\displaystyle {\mathit {Nu}}_{c}=4.364}$

この仮説は、タッカーマンとピーズによって最初に研究されました。^[7]彼らの肯定的な結果は、単一チャネル熱伝達の古典的な研究^{[8]から、並列マイクロチャネルとマイクロスケール}プレートフィン熱交換器のより応用的な研究に至るまで、さらなる研究につながりました。この分野における最近の研究は、マイクロスケールでの二相流の可能性に焦点を当てています。^{[9] [10] [11]}

「従来型」または「マクロスケール」の熱交換器と同様に、マイクロ熱交換器には 1 つ、2 つ、または 3 つの^[12]流体フローがあります。流体フローが 1 つの場合、熱は電気で駆動されるヒーター カートリッジから流体 (各流体はガス、液体、または多相流)に伝達されるか、ペルチェチラーなどの電気で駆動される要素によって流体から除去されます。流体フローが 2 つの場合、マイクロ熱交換器は通常、流体フローの向きによって「クロス フロー」または「カウンター フロー」デバイスに分類されます。マイクロ熱交換器内で化学反応が行われる場合、後者はマイクロリアクターとも呼ばれます。

• マイクロプロセスエンジニアリング