AI時代の熱を制御する

― チップ冷却からデータセンター、熱エネルギー利用まで ―

スマートサーマルシステム研究室では、気液二相流と相変化伝熱を基礎として、AI・データセンターの熱管理を中心に研究しています。

高発熱のCPU・GPUをどう冷やすかという問題から、気泡や薄液膜の基礎現象、ヒートポンプ、着霜・除霜、さらに回収した熱の利用まで、互いにつながるテーマとして研究しています。

AIやHPCの普及により、CPU・GPUだけでなく、ラック全体の発熱量も急速に増えています。現在は空冷から直接液冷への移行が進んでいますが、さらに高い発熱密度になると、流量を増やすだけではポンプ動力や温度むらが大きくなります。

当研究室では、沸騰の潜熱を利用する二相冷却を研究しています。特に、流れ方向に流路断面を広げる放射状拡張流路型コールドプレートを用い、蒸気を排出しやすくするとともに、圧力損失や逆流、流動不安定を抑える方法を調べています。

研究は単一のコールドプレートだけでなく、複数のCPU・GPUを想定した直列・並列接続、入口にすでに蒸気を含む場合の安定性、液浸冷却、3D実装内部の局所冷却へ広がっています。

Keywords: Data Center Cooling / Flow Boiling / Cold Plate / Immersion Cooling / 3D Packaging

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高熱流束の沸騰では、加熱面で発生した蒸気を速やかに排出すると同時に、新しい液体を供給し続ける必要があります。

当研究室では、気泡の成長・膨張によって生じる圧力変化を利用し、多孔質層から加熱面へ液体を供給する自己吸引沸騰を研究しています。

蒸気は拡張流路から排出し、液体は多孔質層から供給することで、蒸気と液体の移動経路をできるだけ分離します。気泡を単なる流動抵抗としてではなく、液体を動かすための力として利用することが、この研究の特徴です。

現在は、高熱流束域での液供給限界、下向き加熱、低圧条件、3D実装半導体への応用などを検討しています。

Keywords: Self-Pumping Boiling / Porous Media / Thin Liquid Film / CHF / Passive Cooling

沸騰や凝縮の性能は、平均温度や平均流量だけでは決まりません。壁面近くで気泡がどこから発生し、どのように成長するか、また液膜がどの程度残るかによって、熱伝達や圧力損失が大きく変わります。

当研究室では、マイクロ・ミニ流路内の流動沸騰、プール沸騰、スラグ流、薄液膜、凝縮などを、高速可視化と温度・圧力計測によって調べています。

また、表面の濡れ性、微細溝、マイクロ構造、金属フォーム、メッシュなどを利用し、液体を供給しやすく、蒸気を排出しやすい伝熱面を設計しています。

低GWP冷媒、混合冷媒、誘電性流体、冷媒と潤滑油の混合物など、作動流体の違いも重要な研究対象です。

Keywords: Two-Phase Flow / Flow Boiling / Thin Film / Wettability / Microstructure / Refrigerant

ヒートポンプは、空調、給湯、EV、産業熱利用など幅広い分野で使われています。当研究室では、低GWP冷媒、自然冷媒、混合冷媒を用いたヒートポンプの高効率化を研究しています。

特に、冷媒の沸騰・凝縮熱伝達や冷凍機油の影響を調べ、熱交換器とサイクルの両面から性能を考えています。

もう一つの重要なテーマが、空気熱源ヒートポンプの着霜と除霜です。霜が成長すると、空気が流れにくくなり、熱伝達性能も低下します。

そこで、表面濡れ性や微細構造を変えることで霜の成長を抑える方法や、除霜後の融解水を速やかに排出する方法を研究しています。EV用ヒートポンプや寒冷地空調への応用も進めています。

Keywords: Heat Pump / Low-GWP Refrigerant / Frosting / Defrosting / EV Thermal Management

データセンターでは、大量の電力が最終的に熱として排出されます。従来はその熱を外部へ捨てることが一般的でしたが、液冷では空冷より高い温度で熱を回収できる可能性があります。

当研究室では、データセンターから回収した熱をヒートポンプで昇温し、給湯、暖房、産業用熱源として利用する方法を研究しています。

また、熱が発生する時間と、熱を必要とする時間は必ずしも一致しません。そのため、蓄熱、吸着・デシカント材料、熱応答性材料などを組み合わせ、回収した熱を必要なときに使う方法も検討しています。

「冷やして捨てる」から、「冷却して利用する」へ。
冷却と熱利用を一つのシステムとして考えることが、この研究の狙いです。

Keywords: Waste Heat Recovery / Heat Pump / Thermal Storage / Adsorption / Data Center

Recent Research

 Shaobo Yang, Sihui Hong, Chaobin Dang, Self-pumping boiling mechanism bridging passive and active cooling performance, International Journal of Heat and Mass Transfer,, 129566 (2026). [ https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129566] 

Beiran Hou, Minxia Li, Ce Zhang, Zijing Qin, Guiyang Dong, Chaobin Dang, Multi-objective optimal design of a Carnot battery system based on entropy weight–TOPSIS, Energy Conversion and Management,, 370, 122120 (2026). [ https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.122120]

Jiacheng HE， Huichang WANG; Zhengkai XU; Jianyong CHEN; Chaobin DANG; Ying CHEN， Microencapsulated PCM Porous Coatings as an Additional Heat Source for HFE-7100 Pool Boiling,International Journal of Heat and Mass Transfer,, (2026). [ https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.128940]

Ce Zhang,Minxia Li,Zongwei Han,Xiuming Li,Chaobin Dang,Zhenbo Liu, Physics-guided low-quality data set enhancement method for machine learning of vapor compression heat pump system, Energy, , 141128 (2026). [ https://doi.org/10.1016/j.energy.2026.141128]

Yuan Hao, Haikun Zheng, Chen Ma, Dongyu Fu, Wei Sheng, Xiaozhuan Chen, Mengjie Song, Chaobin Dang, Experimental study on frosting and defrosting characteristics of inclined cold surfaces considering surface wettability, International Journal of Heat and Mass Transfer, 256, 2, 128091 (2026). [ https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.128]

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