(57)【要約】【課題】小型で熱輸送性能に優れたヒートパイプおよびヒートパイプ製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】ヒートパイプＨＰは、作動流体が封入されたコンテナＣと、コンテナＣの内壁面側に設けられ、作動流体の液体流路を形成するウィックとを備える。ウィックは、液体流路を形成するためのナノ粒子層ＮＬで形成されている。【選択図】図１
2020067269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が封入されたコンテナと、
前記コンテナの内壁面側に設けられ、前記作動流体の液体流路を形成するウィックと
を備え、
前記ウィックは、前記液体流路を形成するためのナノ粒子層で形成されていることを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記ナノ粒子層は、前記コンテナの内壁面に付着していることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記ナノ粒子層を表面に有するナノ粒子層付きメッシュを前記コンテナの内壁面側に備えることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記作動流体が純水であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
前記コンテナが銅製であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のヒートパイプ。
【請求項６】
請求項２に記載のヒートパイプを製造するヒートパイプ製造方法であって、
前記コンテナを構成するパイプ部分の内側をシリカナノ流体に浸漬し、前記パイプ部分の内側で核沸騰させることで前記ナノ粒子層を形成することを特徴とするヒートパイプ製造方法。
【請求項７】
前記核沸騰させる際に前記パイプ部分を上下方向に向けておくことを特徴とする請求項６に記載のヒートパイプ製造方法。
【請求項８】
請求項３に記載のヒートパイプを製造するヒートパイプ製造方法であって、
メッシュを恒温槽に入れてシリカナノ流体に浸漬することで、前記ナノ粒子層付きメッシュを製造することを特徴とするヒートパイプ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動流体が封入されたヒートパイプおよびヒートパイプ製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器や医療機器の小型化・高性能化に伴って、高発熱電子部品の冷却は、電子デバイス設計において重要な技術の一つとなっている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
特に、スマートフォンやタブレットPCでは、冷却デバイス用のスペースが限られているため、高発熱密度の電子素子の使用が難しく、高性能化の障害となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５９６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、小型で熱輸送性能に優れたヒートパイプおよびヒートパイプ製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係るヒートパイプは、作動流体が封入されたコンテナと、前記コンテナの内壁面側に設けられ、前記作動流体の液体流路を形成するウィックとを備え、前記ウィックは、前記液体流路を形成するためのナノ粒子層で形成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るヒートパイプ製造方法は、作動流体が封入されたコンテナと、前記コンテナの内壁面側に設けられ、前記作動流体の液体流路を形成するウィックとを備え、前記ウィックは、前記液体流路を形成するためのナノ粒子層で形成されていて、前記ナノ粒子層は、前記コンテナの内壁面に付着しているヒートパイプを製造する方法であって、前記コンテナを構成するパイプ部分の内側をシリカナノ流体に浸漬し、前記パイプ部分の内側で核沸騰させることで前記ナノ粒子層を形成することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る別のヒートパイプ製造方法は、作動流体が封入されたコンテナと、前記コンテナの内壁面側に設けられ、前記作動流体の液体流路を形成するウィックとを備え、前記ウィックは、前記液体流路を形成するためのナノ粒子層で形成されていて、前記ナノ粒子層を表面に有するナノ粒子層付きメッシュを前記コンテナの内壁面側に備えるヒートパイプを製造する方法であって、メッシュを恒温槽に入れてシリカナノ流体に浸漬することで、前記ナノ粒子層付きメッシュを製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型で熱輸送性能に優れたヒートパイプおよびヒートパイプ製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は、第１実施形態に係るヒートパイプの構成を示す部分側面断面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ部の部分拡大図である。
【図２】実験例で用いたメッシュ（ナノ粒子を形成しないもの）を示す写真図である。
【図３】実験例で用いたメッシュ（ナノ粒子を形成したもの）を示す写真図である。
【図４】実験例で、銅管内壁にナノ粒子層を形成することを説明する模式図である。
【図５】実験例で、内壁面にナノ粒子層を形成したヒートパイプをパイプ長手方向に沿って切断し、パイプ内壁面側から撮影した写真図である。
【図６】実験例で、ヒートパイプを用いて性能を測定することを説明する模式図である。
【図７】実験例１における熱輸送量と蒸発部−凝縮部の温度差との関係を示すグラフ図である。
【図８】実験例１における熱輸送量と熱抵抗との関係を示すグラフ図である。
【図９】実験例２における熱輸送量と蒸発部−凝縮部の温度差との関係を示すグラフ図である。
【図１０】実験例２における熱輸送量と熱抵抗との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のもののみに限定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
【００１２】
［第１実施形態］
図１で、（ａ）は、第１実施形態に係るヒートパイプの部分側面断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【００１３】
第１実施形態に係るヒートパイプＨＰは、作動流体（図示せず）が封入された銅製のコンテナＣと、コンテナＣの内壁面側に設けられ、作動流体の液体流路（図示せず）を形成するウィック（毛細管構造。図示せず）とを備える。ウィックは、液体流路を形成するためのナノ粒子層ＮＬで形成されている。本実施形態では、ナノ粒子層ＮＬは、コンテナＣの内壁面に全面にわたって付着している。
【００１４】
本実施形態では、ヒートパイプＨＰを製造する際、銅管Ｐの内側をシリカナノ流体（図示せず）に浸漬し、銅管Ｐの内側で核沸騰させることで、銅管Ｐの内壁面に付着したナノ粒子層ＮＬを形成する。このように、高温に熱した固体をナノ流体に浸漬すると、固体の表面にナノ粒子層ＮＬが形成される。なお、核沸騰させる際には銅管Ｐを上下方向に向けておくとナノ粒子層ＮＬを効率良く形成することができる。また、シリカナノ流体以外のナノ流体を用いてシリカ以外のナノ粒子層（例えば、アルミナのナノ粒子層）を形成することも可能である。
【００１５】
そして、作動流体（例えば純水）を銅管Ｐに入れて銅管Ｐの両端を塞ぐことで第１実施形態に係るヒートパイプＨＰを製造する。
【００１６】
本実施形態では、コンテナＣの内壁面側に、作動流体の液体流路を形成するウィックが設けられている。そしてこのウィックは、液体流路を形成するためのナノ粒子層ＮＬで形成されている。すなわち、本実施形態に係るヒートパイプＨＰは、ナノ粒子層付ヒートパイプ（Nanoparticle-layer Pre-coated Heat Pipe）である。
【００１７】
ナノ粒子層ＮＬはきわめて薄く、強力な毛管力を有する。従って、ナノ粒子層ＮＬのウィックによって、作動流体が液体のときには、作動流体がウィックで移動する速度（凝縮部から蒸発部へ移動する速度）は従来に比べて格段に速くなる。従って、小型で熱輸送性能に優れたヒートパイプＨＰが実現される。
【００１８】
また、作動流体を純水にすることで、ナノ流体にする場合に比べ、安価で取扱いが極めて簡易なもの（純水）を作動流体とすることができる。
【００１９】
また、ナノ粒子層ＮＬを安価に形成できるため、本実施形態のようにナノ粒子層ＮＬをヒートパイプＨＰのウィックとして使用することで、冷却デバイスの小型化・高性能化・低価格化を通して、特に、スマートフォン等のモバイル機器の高性能化も達成可能である。
【００２０】
［第２実施形態］
第２実施形態に係るヒートパイプは、ナノ粒子層ＮＬを表面に有するナノ粒子層付きメッシュＬＭ（図３参照）を備える。
【００２１】
本実施形態では、メッシュ（例えば、真鍮製のメッシュＢＭ（図２参照。裸のメッシュ）を恒温槽に入れてシリカナノ流体に浸漬することでナノ粒子層付きメッシュＬＭを製造する。
【００２２】
そして、このナノ粒子層付きメッシュＬＭ（図３参照）および作動流体（例えば純水）を銅管Ｐ（図１参照）に入れて銅管Ｐの両端を塞ぐことで、第２実施形態に係るヒートパイプを製造する。
【００２３】
本実施形態では、第１実施形態に比べ、ナノ粒子層付きメッシュＬＭを予め製造しておき、これをコンテナ（銅管）の内壁面側に配置することができる。従って、第１実施形態のように銅管内側で核沸騰させる必要がない。よって、製造時の作業工程を単純化することができる。
【００２４】
また、メッシュにナノ粒子層ＮＬを形成することで、毛管力が向上するので、熱輸送性能に優れたヒートパイプＨＰを実現できる。
【００２５】
＜実験例＞
本発明者は、種々のヒートパイプの性能を調べる実験を行った。
【００２６】
（実験例１）
（１）スクリーンメッシュへのナノ粒子層の形成
粗さ120目、長さ100mm、幅30mmの円筒状の真鍮製スクリーンメッシュを恒温槽に入れ、800℃雰囲気で5分間加熱した後、粒子濃度0.4kg/m3のシリカ（AEROXOIDE 90 G）ナノ流体に浸漬した。メッシュ全体にナノ粒子層を形成するために、この作業を3回にわたって繰り返した。
【００２７】
そして、このようにしてナノ粒子層を形成したスクリーンメッシュ（ナノ粒子層付きメッシュＬＭの一例。図３参照）を、外径8mm、厚さ0.5mm、長さ100mmの銅管に挿入し、さらに作動流体（純水あるいはシリカナノ流体）を封入するとともに両端を塞ぐことで、ヒートパイプを製作した。ナノ粒子の付着量（酸化物の質量を含む）は12〜14 g/m2であった。ナノ粒子層形成前におけるスクリーンメッシュ（第２実施形態で説明したメッシュＢＭの一例）を図２に、ナノ粒子層形成後におけるスクリーンメッシュを図３に、それぞれ写真図で示す。
【００２８】
（２）銅管内壁へのナノ粒子層の形成
図４は、実験例で、銅管内壁にナノ粒子層を形成することを説明する模式図である。
【００２９】
銅管Ｐの外部にニクロムワイヤヒーター３０を巻き、耐熱ポリミドテープ３２とフッ素テープ３４とにより電気絶縁と断熱とを行う構造にした。
【００３０】
そして、粒子濃度0.4 kg/m3のシリカナノ流体に浸漬した後、ボルトスライダー（図示せず）を用いて、ニクロムワイヤヒーター３０に投入する交流電力を180 kW/m2に調節し、銅管Ｐの内面で核沸騰を生じさせ、ナノ粒子層ＮＬ（図５参照）をコンテナ内壁面に全面にわたって形成した。本手法で生成されるナノ粒子の付着量は1.5〜2.0 g/m2であった。
【００３１】
図５に、ナノ粒子層ＮＬを生成した銅管Ｐの内面を示す。なお、図５で部分的に白く見える部分は光の反射によるものである。
【００３２】
（３）伝熱特性実験
ヒートパイプＨＰの伝熱特性実験を行う実験装置の概略を図６に示す。なお、ヒートパイプＨＰの製作は、外径8mm、厚さ0.5mm、長さ100mmの銅製円管を用いて製作した。
【００３３】
ヒートパイプＨＰの図６紙面左側の部分は蒸発部４０であり、ニクロムワイヤヒーター４２を用いて加熱する。ヒートパイプＨＰの図６紙面右側の部分は凝縮部４４であり、銅製のフィン４６を設置するとともに、ファン４８を用いて冷却する。フィン４６とヒートパイプＨＰとの間には、高熱伝導性のグリースを充填する。温度計測は、図６に示すヒートパイプＨＰの左端から5，15，25，40，50，60，75，85，95 mmの9ヶ所（図６で、Ｔ１〜Ｔ９で示す位置）にそれぞれスポット溶接したK型熱電対で行う。ヒートパイプＨＰへの投入電力Qは、ボルトスライダー５０を用いて、3〜25Wの範囲で実験を行う。定常状態におけるヒートパイプＨＰの熱抵抗Rは、ヒートパイプＨＰの熱輸送量（すなわち投入電力）Qと蒸発部温度Te、凝縮部温度Tcを用いて、次式で定義した。
【００３４】
Ｒ＝(Te-Tc)/Q        （式１）
（４）実験結果
（４−１）熱輸送量
（ａ）ナノ粒子層なしの銅管（Bare）、ナノ粒子層なしのメッシュ（Bare）、純水（Water）で製作したヒートパイプをBBW
（ｂ）ナノ粒子層なしの銅管（Bare）、ナノ粒子層なしのメッシュ（Bare）、シリカナノ流体（粒子濃度0.2 kg/m3）（Nano）で製作したヒートパイプをBBN
（ｃ）ナノ粒子層なしの銅管（Bare）、ナノ粒子層を形成したメッシュ（Nano）、純水（Water）で製作したヒートパイプをBNW
（ｄ）ナノ粒子層を形成した銅管（Nano）、メッシュ無し(X)、純水（Water）で製作したヒートパイプをNXW
（ｅ）ナノ粒子層を形成した銅管（Nano）、 ナノ粒子層なしのメッシュ（Bare）、純水（Water）で製作したヒートパイプをNBW
と呼称する。ここで，BBWは市販品であり、BBNは既存研究で以前に使用したものである。これ以外のBNW、 NXW、 NBWは、今までにないものであり、熱輸送性能を初めて検討するものである。
【００３５】
上記5種類のヒートパイプを用いて、投入電力Qを徐々に変化させ、定常状態に至ったときの蒸発部−凝縮部間の温度差ΔTを実験的に調べた。得られたQとΔTとの関係を図７に示す。ここでΔTとは、(Te-Tc)の値である。
【００３６】
まず、BBWとBBNを比較すると、全体的にBBNの方でΔTが小さくなっており、ヒートパイプの作動流体としてナノ流体を使用することの有効性が確認できる。次に、スクリーンメッシュにナノ粒子層を形成したBNWでは，入力熱量が3〜9Wでは温度差ΔTはBBNとほぼ同じだが、入力熱量9〜25WではΔTがむしろ大きい値となっている。これは、メッシュの目詰まりにより、作動流体の搬送性能が劣化したことが主な原因として考えられる。
【００３７】
次に、NXWとNBWでは、BBWやBBNと比較して、ΔTが15〜40％程度低下しており、熱輸送性能の向上が認められる。すなわち、コンテナＣの内壁面に全面にわたって、つまりヒートパイプ内面の全面にわたってナノ粒子層ＮＬを形成しておくことで、単に作動流体としてナノ流体を用いる場合と比較しても、数十％程度、伝熱性能が向上することが認められる。したがって、管内壁にナノ粒子層を形成することで、熱輸送性能の向上が期待できるといえる。特に、メッシュを設置していないNXWでも、BBWやBBNを凌ぐ性能を呈していることは興味深い。
【００３８】
（４−２）熱抵抗
（式１)より、各ヒートパイプについて入力熱量（すなわち投入電力）Qと熱抵抗Rの関係に換算した結果を図８に示す。NXWとNBWに着目すると、Q = 3〜9Wの低熱輸送量条件では、BBWやBBN等の既存仕様と比較してRが高い値を示しているが、Q = 9〜25 Wの高熱輸送量条件では13〜32％程度の熱抵抗の低減効果が得られている。
【００３９】
（５）まとめ
入力熱量3〜25Wの条件において、ナノ粒子層を形成したスクリーンメッシュ及び内壁にナノ粒子層を形成した銅管を用いて製作したヒートパイプの熱輸送性能を調べ、既存仕様のヒートパイプと比較した。得られた主な結論を以下に要約する。
【００４０】
（５−１）スクリーンメッシュにナノ粒子層を形成したヒートパイプでは、入力熱量3〜9Wで2〜8%程度の熱抵抗の低下が生じた。
【００４１】
なお、9〜25Wの条件では、熱抵抗がむしろ増大した。ナノ粒子層あるいは高温に熱した際に形成される酸化層により、作動流体の輸送が阻害されたことが、熱抵抗増大の一因と考えられる。
【００４２】
（５−２）銅管内壁にナノ粒子層を形成したヒートパイプでは、入力熱量3〜9Wでは熱抵抗が増大するものの、9〜25Wでは13〜32％程度の熱抵抗の低減が認められた。特に、メッシュを設置しない場合でも、既存仕様より良好な伝熱性能を得られたことは、小型の熱輸送デバイスを開発する上で有用と考えられる。
【００４３】
（実験例２）
実験例２では、作動流体（純水）の充填率をいずれも約15％（15±1％）としたBBW、BNW、およびNBWに対し、図６の実験装置を用いた実験例１と同様の伝熱特性実験を行った。ここで、BNWおよびNBWは、実験例１と同様の製造方法により製造したものである。
【００４４】
実験例２で得られたQとΔTとの関係を図９に示す。また、QとΔTとの関係をQとRとの関係に換算した結果を図１０に示す。
【００４５】
図１０に示すように、BNWではBBWに対し、Rの値が大幅に小さくなっている（平均的に約50％）。すなわち、メッシュにナノ粒子層を形成することで、毛管力が向上し、熱輸送性能が向上することが認められる。
【００４６】
なお、NBWではBBWに対して、Rの値は大きくは変わらないが、Q が大きい条件ではRの値の低下が認められる。
【符号の説明】
【００４７】
ＢＭ  メッシュ
Ｃ  コンテナ
ＨＰ  ヒートパイプ
ＬＭ  ナノ粒子層付きメッシュ
ＮＬ  ナノ粒子層
Ｐ  銅管
３０  ニクロムワイヤヒーター
３２  耐熱ポリミドテープ
３４  フッ素テープ
４０  蒸発部
４２  ニクロムワイヤヒーター
４４  凝縮部
４６  フィン
４８  ファン
５０  ボルトスライダー
【図１】
2020067269.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020067269.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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