(57)【要約】【課題】本発明は、軽量で、熱輸送量の大きなヒートパイプを提供することを目的とする。更に、当該ヒートパイプの簡便な製造方法を提供することによりヒートパイプの製造コストを低減することを目的とする。【解決手段】中空ガラスの外壁側を緻密なガラスによる緻密ガラス層２として形成し、中空ガラスの内壁側には細孔４が形成されており該中空ガラスの両端部分が細孔４で連通されている多孔質ガラス層３として形成したことを特徴とするヒートパイプ１である。特に前記中空ガラスを形成する材料が、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ系ガラスとしても良い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空ガラスの外壁側を緻密なガラスによる緻密ガラス層として形成し、中空ガラスの内壁側には細孔が形成されており該中空ガラスの両端部分を細孔で連通されている多孔質ガラス層として形成したことを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記中空ガラスの形状が、円筒状、平板状又は直方体状であ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】
前記中空ガラスを形成する材料が、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ系ガラスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記細孔の平均細孔径が、５〜５０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
前記多孔質ガラス層の厚さが３０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載のヒートパイプ。
【請求項６】
前記緻密ガラス層の厚さが１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載のヒートパイプ。
【請求項７】
前記中空ガラスの外径が１００〜２５０μｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一に記載のヒートパイプ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一に記載された液体が充填されたヒートパイプを複数本束ねられており、かつヒートパイプ挿入用穴を設けたホルダに装填されており、隣接する該ヒートパイプ間の隙間をフリットガラスで封止されていることを特徴とするヒートパイプモジュール。
【請求項９】
中空ガラスの内壁側に酸リーチング処理を施すことにより多孔質構造とし、該中空ガラスの両端部分が細孔により連通された多孔質ガラス層を形成することを特徴とするヒートパイプの製造方法。
【請求項１０】
酸リーチング処理により多孔質構造を生じる性質を持つ原料ガラスを溶融後に急冷して中空ガラスを作製する工程、熱処理によりガラス成分を相分離させる工程、中空ガラスの内壁側を酸に浸漬して細孔を形成する工程を含む請求項９に記載のヒートパイプの製造方法。
【請求項１１】
前記原料ガラスとしてＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ系ガラスを用いることにより、前記熱処理をする工程においてＳｉＯ２成分とＢ２Ｏ２−Ｎａ２Ｏ成分とを相分離することを特徴とする請求項１０に記載のヒートパイプの製造方法。
【請求項１２】
前記熱処理をする工程における熱処理温度が７００℃以上である請求項９〜１１のいずれか一に記載のヒートパイプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率よく熱を輸送できる軽量のヒートパイプ、ヒートパイプモジュール及びヒートパイプの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータの高機能化に伴い、ＣＰＵの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱デバイスの高性能化が求められている。放熱手法としてはヒートパイプを用いる方法が効果的である。
一般的なヒートパイプは、両端を封止した金属製の中空パイプで、内部に冷媒となる液体が予定の量含まれている。ヒートパイプの内壁には、通称、ウィックと呼ばれる多孔質層が形成されている。ヒートパイプの一端を高温部、もう一端を低温部に接触させると、高温部では液体が蒸発してガス化し、ガスは低温部に移動する。低温部では、ガスが凝縮して液体に変化し、この液体は毛細管力により多孔質層を移動して高温部に環流される。高温部で液体が蒸発する時に熱源から潜熱を奪い、低温部で凝縮する時に潜熱を奪われて冷却が進行する。
【０００３】
ヒートパイプによる熱輸送の効率を良くするためには、ウィックに付着して高温部へと還流された動作液が効率良く外部からの熱を吸収することが重要である。このため、動作液が付着したウィックとヒートパイプの内壁との間に隙間があると、この隙間が断熱層となって熱伝導率を下げることとなるため、ウィックはヒートパイプに密着している必要がある。したがって、このようなウィックを製造するためには、細い金属線を複数本束ねたファイバー状の物をパイプの内壁に強制的に挿入した後、例えば、特許文献１のようなウィック拡着器を用いて内壁に押しつけることにより固定するという方法が採られているが、かなりの時間と労力が必要とされている。
【０００４】
また、ヒートパイプの内壁を粗面化、あるいは螺旋状の溝を形成して毛細管現象を利用することにより内壁にウィックとしての機能を持たせたものも知られている（特許文献２及び３）。しかし、このようなタイプのヒートパイプを製造するためには、パイプ内に加工用の棒状物を挿入したり、ショットブラスト等により、内壁を加工する必要があるため、大変時間がかかり、ヒートパイプの製造コストを上げる一因になっている。
【０００５】
このように、従来のヒートパイプはウィックを簡便に作製することができず、製造コストが高くなるという問題があった。
さらに、外部からの熱を効率良くヒートパイプ内の動作液に伝えるために、熱伝導率の良い金属がパイプの素材として利用されている。このため、従来のヒートパイプは金属製であり、非常に重いものとなっていた。したがって、モバイル用電子機器、宇宙用機器等のように軽量であることが強く要求される用途には適さないという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】実開平０４−１００６６７号公報
【特許文献２】特開昭５９−０３５７８４号公報
【特許文献３】特開２００３−２２２４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、軽量で、熱輸送量の大きなヒートパイプを提供することを目的とする。更に、当該ヒートパイプの簡便な製造方法を提供することによりヒートパイプの製造コストを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意研究を重ねた結果、中空ガラスの内壁を両端部分が細孔により連通した多孔質ガラス層としてウィック機能を持たせることが有効であることを見出し、本発明をするに至った。すなわち、本発明は以下の構成を採用する。
（１）中空ガラスの外壁側を緻密なガラスによる緻密ガラス層として形成し、中空ガラスの内壁側には細孔が形成されており該中空ガラスの両端部分を細孔で連通されている多孔質ガラス層として形成したことを特徴とするヒートパイプである。
（２）前記中空ガラスの形状が、円筒状、平板状又は直方体状である上記（１）に記載のヒートパイプである。
（３）前記中空ガラスがＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ系ガラスからなることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のヒートパイプである。
（４）前記細孔の平均細孔径が５〜５０μｍである上記（１）〜（３）のいずれか一に記載のヒートパイプである。
（５）前記多孔質ガラス層の厚さが３０〜１００μｍである上記（１）〜（４）のいずれか一に記載のヒートパイプである。
（６）前記緻密ガラス層の厚さが１０〜５０μｍである上記（１）〜（５）のいずれか一に記載のヒートパイプである。
（７）前記中空ガラスの外径が１００〜２５０μｍである上記（１）〜（６）のいずれか一に記載のヒートパイプである。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一に記載された液体が充填されたヒートパイプを複数本束ねられており、かつヒートパイプ挿入用穴を設けたホルダに装填されており、隣接する該ヒートパイプ間の隙間をフリットガラスで封止されていることを特徴とするヒートパイプモジュールである。
【０００９】
（９）中空ガラスの内壁のみに酸リーチング処理を施すことにより、該中空ガラスの両端部分が連通した多孔質ガラス層を形成することを特徴とするヒートパイプの製造方法である。
（１０）原料ガラスを溶融後に急冷して中空ガラスを作製する工程、熱処理によりガラス成分を相分離させる工程、中空ガラスの内壁のみを酸に浸漬して細孔を形成する工程を含む上記（９）に記載のヒートパイプの製造方法である。
（１１）前記原料ガラスとしてＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ系ガラスを用いることにより、前記熱処理をする工程においてＳｉＯ２成分とＢ２Ｏ２−Ｎａ２Ｏ成分とを相分離することを特徴とする上記（１０）に記載のヒートパイプの製造方法である。
（１２）前記熱処理をする工程の熱処理温度が７００℃以上である上記（９）〜（１１）のいずれか一に記載のヒートパイプの製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、熱輸送量が大きくかつ軽量なヒートパイプを提供することが可能となる。さらに、本発明の方法により熱輸送量が大きく軽量なヒートパイプを簡便に作製することが可能となり、製造コストを低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を用いると、軽量ヒートパイプを安価で製造できる。以下、本発明に係る軽量ヒートパイプの一例を説明する。
本発明においては、ヒートパイプ材質としてガラスを用いることによってヒートパイプの軽量化を可能とする。さらに、該ガラスを中空状にし、その外壁を緻密なガラス、内壁を多孔質なガラスとする。多孔質ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ系ガラスが知られている。該ガラス系は分相ガラスとしてよく知られており、これは以下のプロセスで作製される。該ガラス粉末を高温で溶融させてガラスを作製後、４００〜８００℃の温度で熱処理すると、ガラスは主としてＳｉＯ２に富む成分と主としてＢ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏに富む成分に相分離する（分相）。これを塩酸などの酸に８０℃位の温度で浸漬させるとＢ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏに富む成分が酸に溶出し、この部分が開気孔となって多孔質ガラスとなり、ＳｉＯ２に富む成分は酸により浸漬されず緻密なガラスとして残る。この原理を応用し、中空ガラス管の内壁のみを選択的に酸に浸漬することによって、内壁の両端部分が細孔により連通し、通常のヒートパイプと同じウィック構造を持つヒートパイプが作製できるのである。尚、本発明において、緻密なガラスからなる緻密ガラス層とは、細孔により連通して液体を通す多孔質ガラス層に対して、液体を通さないガラスによりなる層のことをいう。
【００１２】
中空ガラスの形状としては、円筒状でもいいし、平板状でもいいし、直方体状であってもいい。要するに内部が中空になった構造であればいい。
ガラス成分は特に限定されない。熱処理により分相現象が起こる材料系であればかまわない。よく知られている分相ガラスはＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ系ガラスである。Ｎａの代わりに、ＣａやＭｇなどのアルカリ金属、アルカリ土類金属で代替したガラスでもかまわないし、その他の材料系でもかまわない。
本技術において、溶融温度は該ガラス系の融点以上であればよいが、エネルギーコストの点から１５００℃程度までが好ましい。融点はガラスの組成により変化するが、通常１０００℃位までである。
【００１３】
ガラスを円筒形状にする手法としては、金属製金型に溶融ガラスを挿入後、冷却する方法等、通常のガラス成型法を用いればよいが、円筒形状作製に好ましいのは、通常光ファイバーの製造に用いられる線引き方である。作製されたガラスを熱処理することにより分相が生じるので、これを塩酸や硝酸、硫酸等の強酸に浸漬することにより細孔が形成される。
形成される細孔の細孔径は、熱処理温度に関係し、温度が高いほど大きな細孔が生成される。ヒートパイプでは、低温部の液体は毛細管力により多孔質層を通って高温部に環流されるので、基本的には、細孔径が小さいほど毛細管力が大きくなるが、一方で、細孔径が小さくなるほど流体の移動時に抵抗が大きくなり好ましくないので、細孔径は適度に大きい必要がある。熱処理温度を７００℃以上にすると、細孔径は５μｍ以上になりウィックとしての機能が発現する。７００℃未満だと細孔径が小さく、ヒートパイプの熱輸送性能が低下する。熱処理温度の上限は母材ガラスの融点直下である。通常は１０００℃程度である。熱処置温度が高くなるにつれ、最高で５０μｍ程度の細孔径が得られる。
【００１４】
多孔質ガラス層（以下ウィック層とも記す）の厚さは３０〜１００μｍであることが好ましい。３０μｍ未満ではウィックとしての性能が低下しヒートパイプの性能が低下する。１００μｍを越えるとウィック層での熱伝導の低下が生じるため好ましくない。
中空ガラスの緻密ガラス層の厚さは１０〜５０μｍが好ましい。１０μｍ未満では、ヒートパイプの耐圧性が低下する。５０μｍを越えると、緻密ガラス層での熱伝導の低下が生じるため好ましくない。
中空ガラスの外径が２５０μｍ以下になると、ヒートパイプがフレキシブルになり、曲げることができるので、形状自由度が高くなり好ましい。但し、１００μｍ未満になると、ヒートパイプとしての機能及び剛性が低下する。
図１は、本発明に係るヒートパイプの一実施態様を示す断面図である。図１に示す如く本発明に係るヒートパイプ１は、中空ガラスの外壁側を緻密なガラスによる緻密ガラス層２として形成されている。中空ガラスの内壁側（緻密ガラスの内側）には多孔質ガラス層３が形成されている。かかる多孔質ガラス層３には細孔４が形成され、中空ガラスの両端は細孔４により連通されている。
【実施例】
【００１５】
（１）ヒートパイプの作製
７０ｗｔ％ＳｉＯ２−２２ｗｔ％Ｂ２Ｏ３−８ｗｔ％Ｎａ２Ｏ系ガラスを作製、ボールミルにより粉砕し、平均粒径１２μｍの粉末を作製した。これを温度１５００℃の空気雰囲気で１時間加熱溶融させた後、外径が０．５ｍｍの円筒形状になるように線引きしながら室温まで急冷した。
その後、各種温度（表１参照）で熱処理した後、パイプ内部に８０℃、１Ｎの塩酸を各種時間（表１参照）循環させた。その後充分な水で洗浄後乾燥処理した。パイプ内壁の細孔径評価はガス吸着式細孔分布測定装置を用いて行った。
ヒートパイプ内に、純水を所定量装填した後、両端部をフリットガラスを用いて封止した。
図２及び３に示すように、作製したヒートパイプを複数本束ねて、５００個のヒートパイプ挿入用穴（直径０．５１ｍｍ）を設けたダイヤモンド製のホルダに装填し、隙間をフリットガラスで封止した。なお、このホルダはダイヤモンド製だけでなく、Ｃｕ等の高い熱伝導率を有する材料でも良い。
【００１６】
（２）ヒートパイプの熱輸送性能評価
ダイヤモンドホルダの周囲にテープヒーターを巻いた。冷却部は、同様のダイヤモンドホルダを用い、水冷ジャケットで水冷した。中間部は、ヒートパイプの周囲を断熱材で覆って断熱した。ダイヤモンドホルダを加工して溝を作製し、熱電対を挿入してダイヤモンドホルダの温度（ＴＥ：加熱部温度、ＴＣ：冷却部温度）を測定した。断熱部の温度（ＴＡ）は、断熱材内部に熱電対を挿入して測定した。
ヒーターで発熱量（Ｑ）を徐々に増加させながら、断熱部温度が一定になるように冷却水量を調整した。
ＴＥが急激に上昇した時の温度を、ドライアウト温度と規定し、その時の熱輸送量Ｑを最大熱輸送量とした。
【００１７】
比較として、直径３ｍｍ、長さ３００ｍｍの市販のＣｕ製ヒートパイプを用い、同様の実験を行った。このとき、ダイヤモンドホルダには、直径３ｍｍの穴を１個のみ持つダイヤモンドホルダを用いた。
結果を表１にまとめた。
本発明品は、単位重量当たりの熱輸送量が大きいことが分かる。
【００１８】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明を用いると、軽量のヒートパイプを安価に製造することができるので、宇宙用機器などの特殊機器用ヒートパイプとしてはもちろん、ノートパソコンや携帯電話などのモバイル電子機器用ヒートパイプとしても優れる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るヒートパイプの一例を示す断面図である。
【図２】ヒートパイプの熱輸送性能評価装置の横断面図である。
【図３】ヒートパイプの熱輸送性能評価装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  ヒートパイプ
２  緻密ガラス層
３  多孔質ガラス層
４  細孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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