(57)【要約】【課題】作動流体中に有機微粒子を含有せしめ、その大きさ、混合率、内容を最適化することで、小型・軽量化と高伝熱性能を両立させた伝熱装置を提供する。【解決手段】平均粒径１〜１０００ｎｍの有機微粒子を０．００１〜５ｗｔ％含有した作動流体を、密閉容器に収容するヒートパイプ型伝熱装置。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径１〜１０００ｎｍの有機微粒子を０．００１〜５ｗｔ％含有した作動流体を、密閉容器に収容することを特徴とするヒートパイプ型伝熱装置。
【請求項２】
前記作動流体が水系であり、前記有機微粒子が表面親水性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型伝熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプ型伝熱装置に関し、特にパーソナルコンピューター等小型、かつ軽量でありながら、効率的な伝熱装置を必要とする分野に利用するのに適したヒートパイプ型伝熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来のヒートパイプ型伝熱装置を示している。１は密閉容器（例えば、銅製）、２ａは密閉容器に収納された作動流体（水、アンモニア等）の移動方向（矢印方向）３はウィック、４は熱流（加熱、放熱）を表し、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はヒートパイプ型伝熱装置の蒸発部、断熱部、凝縮部を表している。この従来のヒートパイプ型伝熱装置の熱伝導原理は、蒸発部（Ａ）で蒸発した作動流体を凝縮部（Ｃ）で凝縮後、密閉容器１の面に設けた多孔体、メッシュ、溝等の構造のウィック３により、凝縮部（Ｃ）から蒸発部（Ａ）へ循環させて熱を伝導させるものであり、少ない温度差で、迅速、かつ高効率で伝熱が可能な装置である。
ヒートパイプ型伝熱装置を構成する三要素のうち、作動流体は、用途、使用温度、熱輸送量、許容熱抵抗、経済性を考慮して選定される。要求熱輸送量を満足させるためには、後述する作動流体のメリット数を確認する。許容熱抵抗は、実用上のヒートパイプにおいては、熱の流入・流出における熱抵抗が支配要因となる。微小な温度差で熱輸送を行う場合は、蒸発と凝縮熱伝達率の大きい作動流体を選定する必要がある。従来の作動流体は液体のみで構成されており、粒子を混合した作動流体は実用化されていない。
【０００３】
ヒートパイプ型伝熱装置の高効率な伝熱性能を生かした用途の一つとして、パーソナルコンピューター（ＰＣ）、とくにノート型ＰＣへの採用が行われている。ノート型ＰＣは、小型化、軽量化しつつ、高性能化を図るため、中央演算装置ＭＰＵのクロック周波数は増加し、高集積化しており、それに伴い、熱密度が増加している。特に、高発熱素子の熱密度は１００Ｗ／ｃｍ2 と核反応炉に逼迫するレベルに達している。そのため、ヒートパイプ型伝熱装置も一層の小型・軽量化、高熱伝導性が要求されている。
しかしながら、ヒートパイプ型伝熱装置の小型化のため、直径の小さなパイプを採用すると、伝熱面積の低下、器壁との相互作用効果増大による作動流体の移動阻害により、伝熱性能が大幅に低下する。殊に蒸発・凝縮熱伝導率が低下するために、有効な伝熱が達成できない場合が生じる。低い熱伝導率が要求される熱輸送量における主要な制限となる。
【０００４】
作動流体中において懸濁されるのに十分に小さな金属およびその酸化物、カーボンのナノ粒子の添加が、流体の熱伝導率を実質的に向上させ、したがって実質的に熱伝導を向上させることが知られている。
例えば、非特許文献１には、金、銅等の金属ナノ粒子を媒体中に分散した場合、熱伝達率が向上することが開示されている。特許文献１には、カーボンナノ粒子を懸濁させた伝熱流体複合物が開示されている。カーボンナノ粒子として、伝熱流体の熱伝導率を上昇させるナノチューブ、ダイヤモンド等が例示されている。特許文献２には、熱媒の熱伝導率と熱拡散率とを高める熱伝導促進方法として、熱媒の流体内に超微粒子固体を浮遊するが如く混在させることが開示されている。超微粒子として、好ましくは、グラファイトクラスターダイヤモンド、クラスタダイヤモンド、ミクロダイヤ、グラファイト、モリブデン、セラミック、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムが開示されている。
【０００５】
いずれの先行文献においても、用いる微粒子は、粒子サイズが小さいほど、またナノ粒子の熱伝導率が高くなるほど、作動流体の熱伝導率の向上効果が大きくなると開示されている。特に、熱伝導率が高いことは重要であり、熱媒に対比して、少なくとも２桁、好ましくは３桁以上熱伝導率が高い微粒子が開示されている。例えば、水（熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋ）を熱媒流体とした場合、流体中のナノ銅粒子は、酸化アルミニウムよりも高い熱伝導率を提供する。なぜなら、金属銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋであり、酸化アルミニウムの熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋよりも高いからである
しかし、ナノ粒子を熱伝導率が向上するほどに懸濁させると、ヒートパイプ型伝熱装置は作動流体の蒸発を伴うため、局所的にナノ粒子濃度が高くなり、ナノ粒子同士の会合、器壁への付着・沈殿が起こり、経時的に伝熱性能が低下するという問題が生じる。
以上のように、使用用途の高性能化、高集積化に伴い、ヒートパイプ型伝熱装置の小型・軽量化、高熱伝導化が要求されているにも関わらず、小型化と高熱伝導化を両立することは困難であり、伝熱性能を重視して、ヒートパイプの直径を４ｍｍから６ｍｍと大きくしているのが実情である。
【０００６】
【非特許文献１】Choi,U.S.,“ Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles” Developments and Applications of Non-Newtonian Flows,  eds. D.A.Siginer and H.P.Wang, The American Society of Mechanical Engineers, New-York, FED-Vol. 66, pp. 99-105 (1995)
【特許文献１】特表２００４−５３８３４９号公報
【特許文献２】特開２００４−０８５１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされた発明であり、作動流体中に有機微粒子を含有せしめ、その大きさ、混合率、内容を最適化することで、小型・軽量化と高伝熱性能を両立させた伝熱装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記の課題を達成するために鋭意検討した結果、作動流体に有機微粒子を混合することで、器壁で生成する作動流体の蒸発に伴う気泡の成長を有機微粒子が阻害し、器壁から作動流体への熱移動を円滑にする現象が生じ、その結果、蒸発部熱伝導率が向上する効果が生じることを見出し、本発明を完成するに到った。
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（１）平均粒径１〜１０００ｎｍの有機微粒子を０．００１〜５ｗｔ％含有した作動流体を、密閉容器に収容することを特徴とするヒートパイプ型伝熱装置。
（２）前記作動流体が水系であり、前記有機微粒子が表面親水性であることを特徴とする上記（１）に記載のヒートパイプ型伝熱装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のヒートパイプ型伝熱装置を用いることにより、小型・軽量化と高性能化がともに要求されるノート型ＰＣ、携帯電話等のモバイル型機器の高効率な伝熱が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に用いる微粒子は、有機物であることが肝要である。有機物の真比重は２以下であり、従来、用いられていた金属、酸化物、カーボンより小さく、常温付近で作動流体として用いられる水、アンモニア、エタノール等のアルコール類、ヘプタン等の炭化水素類、フレオン−１１等のフルオロカーボン類等の比重に近く、重力により沈殿を起こし難く、長期安定性に優れる。さらに、有機物は柔軟であるために、器壁、ウィックの摩耗を低減ないし解消することで、伝熱性能の経時的な低下を抑制することが期待できる。
有機物の種類は特に限定されず、従来公知の有機物を適宜使用できる。一例を挙げれば、ポリスチレン、スチレン−アクリレート、スチレン−ブタジエン、スチレン−アクリル、ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリル酸、ポリジビニルベンゼン、ポリビニルトルエン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリグルタミン酸、ポリビニルアルコール等の単独および／または共重合体、フェノール樹脂、ホルマリン樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂等、天然高分子（キチン、キトサン、セルロース、デンプン等）等、一般的に用いられている高分子化合物である。
【００１１】
本発明において、有機微粒子の平均粒径は１〜１０００ｎｍ、好ましくは１０〜５００ｎｍ、さらに好ましくは２０〜２００ｎｍである。このサイズにすることにより、重量ベースでは少量でも、粒子個数が多くなり、蒸発部における熱伝導率を効果的に向上させるとともに、粒子スケールとならず、分散性が向上するために好ましい。有機微粒子によって、蒸発部における熱伝導率が向上するメカニズムは明確ではないが、以下の通りと推定される。
すなわち、パイプの直径が小さくなると、器壁と作動流体との相互作用が相対的に大きくなり、作動流体の蒸発で発生した気泡が器壁から離れ難くなる。そのため、気泡が成長し、器壁から作動流体への熱移動を妨げ、熱抵抗が大きくなると考えられている。有機微粒子はこの気泡を破壊し、充分成長する前に、器壁から引き離す作用を果たし、それによって、器壁から作動流体への熱移動が円滑に行われる。有機微粒子による気泡の破壊は粒子数が多いほど、確率的に起こりやすくなり、平均粒径が小さいほど、効果的である。有機微粒子の平均粒径が、１０００ｎｍを超えると、これらの作用が低下し、効果は低下する。
【００１２】
特許文献２には、金属微粒子等により、作動流体の熱伝導率が向上するために、伝熱装置の伝熱性能が向上すると記載されている。そうであれば、一般的に熱伝導率が小さく、作動流体と大差ない有機微粒子を用いても、伝熱性能の向上には効果がないと推定される。しかしながら、驚くべきことに、蒸発・凝縮を伴うヒートパイプ型伝熱装置では、作動流体の熱伝導率向上に寄与しがたい有機微粒子であっても顕著な伝熱性能向上効果が発現する。
有機微粒子の真比重は０．５〜２、好ましくは０．７〜１．６の範囲である。作動流体との比重差が小さい程、分散性が良好であるので好ましい。
有機微粒子の形状は特に限定されないが、流動抵抗が低減される真球に近い形状が好ましいが、針状、フィブリル状等アスペクト比（長さ／直径の比）が５以上の形状も投影面積が大きくなり、蒸発部での気泡成長阻害効果が大きく、好ましい。
【００１３】
本発明において、有機微粒子の含有率は、重量を基準にして、０．００１〜５ｗｔ％、好ましくは、０．００２〜１ｗｔ％、さらに好ましくは０．００５〜０．１ｗｔ％である。この範囲の含有率であれば、伝熱性能が充分向上するとともに、作動流体が蒸発して、局所的に高含有率になっても、有機微粒子同士が凝集、沈殿し難く、好ましい。特に平均粒径を小さくし、粒子個数を一定以上に保ちながら、出来る限り、含有率を下げることが、粒子スケール発生を抑制する上で好ましい。粒子個数の好ましい範囲は１×１０9 〜１×１０17個／ｃｃ、特に好ましくは１×１０10〜１×１０15個／ｃｃである。
有機微粒子の製造方法は特に限定されず、従来公知の方法が用いられる。乾式粉砕法、湿式粉砕法、機械分散法、噴霧乾燥法、液中乾燥法、球形晶析法、エマルジョン溶媒拡散法、低圧昇華法、再沈法、液中パルスレーザーアブレーション法等が例示される。
【００１４】
本発明で用いる作動流体はヒートパイプ型伝熱装置に一般に用いられている流体を用いることが出来る。水、アンモニア、エタノール等のアルコール類、ヘプタン等の炭化水素類、フレオン−１１等のフルオロカーボン類等が例示されるが、特に限定されない。また、流体を単独で用いても、混合して用いても構わないが、混合する場合は均一に互いに溶解する流体種、混合割合とすることが好ましい。
好ましくは、作動流体は下記の式（１）で定義されるメリット数が大きな水を８０重量％以上含む水系流体を用いる。
メリット数＝（密度×表面張力×蒸発潜熱）／粘度          （１）
メリット数が大きいほど、最大熱輸送量が大きくなるため、作動流体量が必然的に少なくなる直径の小さなヒートパイプでは、特にメリット数を大きくすることが好ましい。代表的な流体のメリット数は、アンモニア（１．１×１０11）、フレオン−１１（１．２×１０10）、フレオン−１１３（７．３×１０9 ）、ペンタン（１．５×１０10）、アセトン（３×１０10）、メタノール（４．８×１０10）、エタノール（４．１×１０10）、ヘプタン（１．３×１０10）、水（５．１×１０11）、ナフタリン（３．４×１０10）である。水は、メリット数が大きく、最大熱輸送量が大きくなり、好ましい。水を単独で用いることが好ましいが、有機微粒子の分散性を向上させるために、アセトン等のケトン類、メタノール、エタノール等のアルコール類、界面活性剤を水に混合しても良い。その場合、大きなメリット数を保つため、水を８０重量％以上含むことが好ましい。
【００１５】
作動流体として水系流体を用いた場合は、水との親和性が高く、有機微粒子が会合、凝集、沈殿を起こしにくいよう、有機微粒子は表面親水性であることが好ましい。ポリアクリル酸、ポリグリコール酸、ポリグルタミン酸、ポリビニルアルコール等の単独および／または共重合体、天然高分子（キチン、キトサン、セルロース、デンプン等）等、有機物自身が親水性であることが好ましい。疎水性有機物を用いる場合は、微粒子の表面にカルボキシル基、アミノ基、アミド基、水酸基、スルフォニル基、スルホン酸基等の親水性の官能基を結合させてもよい。また、界面活性剤を有機微粒子に吸着させて、表面親水性にしてもよい。非イオン脂肪酸系、非イオン高級アルコール系、アルキルフェノール系等の非イオン界面活性剤、アミノ酸系、ベタイン系、アミンオキシド系等の両性界面活性剤、陰イオン脂肪酸系、直鎖アルキルベンゼン系、陰イオン高級アルコール系、アルファオレフィン系、ノルマルパラフィン系等の陰イオン界面活性剤、第四級アンモニウム塩系等の陽イオン界面活性剤が用いられるが、好ましくは非イオン界面活性剤、特に非イオン高級アルコール系界面活性剤が好ましい。
【実施例】
【００１６】
次に、本発明の具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
＜平均粒径測定方法＞
有機微粒子の平均粒径は、マイクロトラック粒度分布測定装置（リーズ社製）を用いてレーザー干渉法により測定した。ここで、平均粒径は５０％粒径を表す。
＜熱抵抗測定方法＞
外径２ｍｍ、長さ２５０ｍｍの銅製パイプに、コンポジットウィックを装着したヒートパイプに、所定の作動流体を真空排気後に０．１ｃｃ充填して供試した。水平に配置したヒートパイプの片端５５ｍｍをカートリッジヒーターを挿入した銅ブロックヒーターで出力２５Ｗで加熱し、他端７０ｍｍを一定温度一定流量の水冷ジャケットによって冷却する。加熱部、冷却部それぞれ６ヶ所をＫ型シース熱電対で温度測定を行い、加熱部平均温度、冷却部平均温度を求めた。加熱部平均温度と冷却部平均温度の差をヒーター出力２５Ｗで除し、熱抵抗を算出した。熱抵抗が小さいほど、伝熱性能が優れることを表す。
【００１７】
［実施例１〜３］
ヘプタンに平均粒径６５ｎｍのポリスチレン粒子（商品名エスタポール、モリテックス社製）を０．００５ｗｔ％（実施例１）、０．０３ｗｔ％（実施例２）、０．５ｗｔ％（実施例３）混合して作動流体とした。熱抵抗値は、０．００５ｗｔ％：０．６Ｋ／Ｗ、０．０３ｗｔ％：０．３Ｋ／Ｗ、０．５ｗｔ％：０．４Ｋ／Ｗであった。比較例１に対して、いずれの実施例も、熱抵抗値が小さく、伝熱性能が優れている。特に，実施例２の０．０３ｗｔ％では、熱抵抗値が０．３Ｋ／Ｗであり、良好な伝熱性能を得た。
【００１８】
［実施例４〜６］
平均粒径を４２０ｎｍに変更した以外は、実施例１〜３と同様にして、作動流体とした。熱抵抗値は、それぞれ０．００５ｗｔ％（実施例４）：０．８Ｋ／Ｗ、０．０３ｗｔ％（実施例５）：０．５Ｋ／Ｗ、０．５ｗｔ％（実施例６）：０．７Ｋ／Ｗであった。比較例１に対して、いずれの実施例も、熱抵抗値が小さく、伝熱性能が優れている。特に，実施例５の０．０３ｗｔ％では熱抵抗値が０．５Ｋ／Ｗであり、良好な伝熱性能を得た。
【００１９】
［比較例１］
ヘプタン単独で作動流体とした以外は実施例１と同様にして、熱抵抗を算出した結果、１．１Ｋ／Ｗであった。
［実施例７および比較例２］
水（比較例２）、および水に平均粒径６５ｎｍのカルボキシル基表面変性スチレン・アクリレート粒子（商品名エスタポール、モリテックス社製）を０．０３ｗｔ％（実施例７）混合した作動流体にして熱抵抗を算出した結果、水（比較例２）：０．９Ｋ／Ｗ、０．０３ｗｔ％（実施例７）：０．１Ｋ／Ｗであった。
特に，実施例７の０．０３ｗｔ％では、０．１Ｋ／Ｗであり、非常に良好な伝熱性能を得た。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明のヒートパイプ型伝熱装置は、特にパーソナルコンピューター等小型、かつ軽量でありながら、効率的な伝熱装置を必要とする分野で好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のウィック・ヒートパイプ例を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１        密閉容器
２ａ      作動流体の移動方向
３        ウィック
４        熱流（加熱、放熱）
（Ａ）    ヒートパイプの蒸発部
（Ｂ）    同断熱部
（Ｃ）    同冷却部
【図１】
2008051389.tif 000002