(57)【要約】【課題】毛細管力を利用して液体を効率的に輸送する液体輸送装置及びそれを用いたヒートパイプを提供する。【解決手段】中空容器１１内に封入した液体を、毛細管力によって、凝縮部１２から蒸発部１３に移動させるヒートパイプ１０において、中空容器１１の内側面１９には、凝縮部１２から蒸発部１３まで達する複数の微細溝２０が設けられ、微細溝２０の幅は、凝縮部１２の領域から蒸発部１３の領域に向かって狭くなるように形成され、微細溝２０の毛細管力により、液体を効率的に移動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細溝内の液体を毛細管力によって移動させる液体輸送装置において、
前記微細溝の幅は、下流側に向かって狭くなることを特徴とする液体輸送装置。
【請求項２】
請求項１記載の液体輸送装置において、前記微細溝の濡れ性は、下流側が上流側に比べて高いことを特徴とする液体輸送装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の液体輸送装置において、前記微細溝は、下流側で枝分かれしていることを特徴とする液体輸送装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の液体輸送装置において、前記微細溝は複数あって、それぞれ平行に形成されていることを特徴とする液体輸送装置。
【請求項５】
中空容器内に封入した液体を、微細溝の毛細管力によって、凝縮部から蒸発部に移動させるヒートパイプにおいて、
前記中空容器の内側面には、前記凝縮部から前記蒸発部まで延在する複数の前記微細溝が設けられ、該微細溝の幅は、前記凝縮部の領域から前記蒸発部の領域に向かって狭くなることを特徴とするヒートパイプ。
【請求項６】
請求項５記載のヒートパイプにおいて、前記微細溝の濡れ性は、前記蒸発部の領域が前記凝縮部の領域に比べて高いことを特徴とするヒートパイプ。
【請求項７】
請求項５又は６記載のヒートパイプにおいて、前記微細溝は、前記蒸発部の領域で枝分かれしていることを特徴とするヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、毛細管力を利用して液体を輸送する液体輸送装置及びそれを用いたヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型の電子機器を冷却するためのヒートパイプや、液体のサンプルを送液、分離、混合するマイクロデバイスや、燃料電池が発電中に生成される水を外部に排出する排水機構には、省エネルギーの観点等から、毛細管力を利用して液体を移動させる装置の採用が望ましい。毛細管力を液体を移動させる駆動力とすることで、ポンプやモータ等、外部の駆動源を要さないためである。毛細管力を利用して液体を輸送する具体例については、例えば、特許文献１〜３に記載されている。
【０００３】
ところで、毛細管力によって液体を輸送する際には、毛細管（毛細管現象により液体を移動可能な溝も含む）が細くなるほど、毛細管力が大きくなる半面、流動抵抗による圧力損失も大きくなることが知られている。そのため、所定の大きさの液体の輸送力を確保するには、毛細管力に加えて圧力損失も考慮する必要がある。
液体の輸送力が不足すると、例えば、ヒートパイプにおいては、蒸発部でドライアウトが生じて、必要な冷却能力を得られなくなるという問題が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９６０９３号公報
【特許文献２】特開２００３−０９０６８８号公報
【特許文献３】特開２０１３−０３２９０４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、かかる事情に鑑みてなされるもので、毛細管力を利用して液体を効率的に輸送する液体輸送装置及びそれを用いたヒートパイプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る液体輸送装置は、微細溝内の液体を毛細管力によって移動させる液体輸送装置において、前記微細溝の幅は、下流側に向かって狭くなる。
【０００７】
第１の発明に係る液体輸送装置において、前記微細溝の濡れ性は、下流側が上流側に比べて高いのが好ましい。
【０００８】
第１の発明に係る液体輸送装置において、前記微細溝は、下流側で枝分かれしているのが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係る液体輸送装置において、前記微細溝は複数あって、それぞれ平行に形成されているのが好ましい。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係るヒートパイプは、中空容器内に封入した液体を、微細溝の毛細管力によって、凝縮部から蒸発部に移動させるヒートパイプにおいて、前記中空容器の内側面には、前記凝縮部から前記蒸発部まで延在する複数の前記微細溝が設けられ、該微細溝の幅は、前記凝縮部の領域から前記蒸発部の領域に向かって狭くなる。
【００１１】
第２の発明に係るヒートパイプにおいて、前記微細溝の濡れ性は、前記蒸発部の領域が前記凝縮部の領域に比べて高いのが好ましい。
【００１２】
第２の発明に係るヒートパイプにおいて、前記微細溝は、前記蒸発部の領域で枝分かれしているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係る液体輸送装置及び第２の発明に係るヒートパイプは、微細溝の幅が、下流側（蒸発部の領域）に向かって狭くなっているので、効率的に液体を輸送することが可能である。この効果は、種々の検証の結果、確認されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施の形態に係るヒートパイプの縦断面図、及び、同ヒートパイプで用いられるベース板の平面図である。
【図２】同ヒートパイプに設けられた微細溝の説明図である。
【図３】微細溝の拡大平面図である。
【図４】微細溝の拡大斜視図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、溝幅一定の場合、及び、溝幅増減の場合の微細溝の幅と液体の輸送力の関係を示すグラフである。
【図６】実施例及び比較例それぞれの液体の輸送力を示すグラフである。
【図７】実施例及び比較例それぞれについて、熱流束と有効熱伝導率の計測結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係るヒートパイプ１０は、中空容器１１内に封入した液体を、微細溝２０の毛細管力によって、凝縮部１２から蒸発部１３に移動させるものである。以下、詳細に説明する。
【００１６】
中空容器１１は、図１（Ａ）、（Ｂ）、図２に示すように、矩形状の耐熱ガラス板１４及び耐熱ガラス板１４の下側に設けられた矩形状のベース板１５が、隙間（本実施の形態では、１〜５ｍｍ）を有して対向配置されている。耐熱ガラス板１４とベース板１５の間には、矩形状の枠体１６が設けられている。本実施の形態では、枠体１６の主成分がシリコンであるが、これに限定されないのは言うまでもない。
上下を耐熱ガラス板１４及びベース板１５によってそれぞれ覆われ、枠体１６によって囲まれた密閉空間１７には、液体の一例である純水が封入されている。
【００１７】
耐熱ガラス板１４には、密閉空間１７に純水を注入する際に使用された導入部１８が設けられている。導入部１８は、開口していた挿通部位が、挿通部位を介して、密閉空間１７へ純水の注入及び真空ポンプによる密閉空間１７の減圧がなされた後に閉じられている。
凝縮部１２及び蒸発部１３は、前後に長い箱状の中空容器１１の密閉空間１７内の前側（一側）及び後側（他側）にあり、蒸発部１３は外部から熱を吸収する部分として機能し、凝縮部１２は外部に放熱する部分として機能する。
【００１８】
ベース板１５の上面（中空容器１１の内側面の一例）１９には、枠体１６で囲まれた矩形領域に、それぞれベース板１５の長手方向（前後方向）に沿った複数の微細溝２０が平行（複数の微細溝２０の中心線が平行）に形成されている。各微細溝２０は、凝縮部１２から蒸発部１３まで延在している。
ベース板１５の上面１９には、図１（Ｂ）、図２に示すように、前後に長い複数の突出片２１が平行に形成され、隣り合う突出片２１の間に、１つの微細溝２０が設けられている。
【００１９】
微細溝２０及び突出片２１は、エッチング加工によって形成されたものであり、突出片２１の上部には、図２、図３に示すように、エッチング加工の際にマスクとして機能した窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）２２が配されている。ベース板１５は、窒化膜２２を除き、シリコン（Ｓｉ）を素材として形成され、水酸化カリウム（ＫＯＨ）をエッチング液としたエッチング加工によって、上面１９に複数の突出片２１及び複数の微細溝２０が形成されている。
水酸化カリウムの異方性により、微細溝２０の断面は、図２に示すように、等脚台形を上下逆にした逆等脚台形状である。
【００２０】
本実施の形態では、微細溝２０の深さＨが、５０〜２００μｍの範囲の大きさであり、前後方向で一定（実質的に一定）の大きさである。そして、微細溝２０の底面に対する突出片２１の傾斜角γは５４．７°であり、微細溝２０の配置ピッチＤは１００〜８００μｍであり、微細溝２０の幅（本実施の形態では代表長さ）は、１〜５００μｍである。なお、傾斜角γは、エッチング液や、ベース材の素材等によって、決定されるため、５４．７°には限定されない。
【００２１】
また、各微細溝２０は、図３に示すように、後方（下流側）に向かって（即ち、蒸発部１３に向かって）、幅が狭くなっている。本実施の形態では、微細溝２０の単位長さ当たりの幅の減少率は一定であるが、前後方向で、減少率が異なっていても良い。
このように、微細溝２０の深さを、前後方向で一定にし、かつ、微細溝２０を、凝縮部１２の領域から蒸発部１３の領域に向かって狭くする加工は、例えば、上述したエッチング加工により安定的に行うことができる。
【００２２】
微細溝２０の幅を、凝縮部１２の領域から蒸発部１３の領域に向かって狭くしているのは、凝縮部の領域から蒸発部の領域に向かって幅が一定である微細溝に比べ、効率的に液体を移動可能であることが、種々の検証から明らかになったためである。
微細溝２０の幅が減少する角度φは、５度以下、好ましくは１度以下、より好ましくは０．３度以下である。これは、減少角φが大きくなると、微細溝２０の配置ピッチＤを大きくする必要があり、単位面積あたりに設けられる微細溝２０の数が減少するため等による。
【００２３】
以下、微細溝２０の幅と液体の移動量の関係について説明する。
σを液体の表面張力、θを液体の接触角（微細溝の水平面部に滴下された液体の接線とその水平面部のなす角）、Ｗを微細溝の幅、ｈを微細溝の深さとして（図４参照）、微細溝の毛細管力△ｐｃａは、以下の式（１）で示すことができる。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
なお、式中の添字ｅ及び添字ｃは、それぞれ蒸発部及び凝縮部を意味し、図４に示すように、Ｗｃは微細溝の一端（凝縮部の領域で蒸発部の領域から最も離れた部分）の幅を意味し、Ｗｅは微細溝の他端（蒸発部の領域で凝縮部の領域から最も離れた部分）の幅を意味する。
式（１）によれば、微細溝の蒸発部の幅が狭いほど、毛細管力が大きくなることが解る。
一方、液体が微細溝を移動するに際して生じる圧力損失は、ほとんどが流動抵抗であると言える。そこで、圧力損失を流動抵抗とみなすと、圧力損失△ｐｌは、以下の式（２）で示すことができる。
【００２６】
【数２】
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【００２７】
式（２）において、μは液体の粘性係数であり、ｕは液体の平均流速であり、Ｌは微細溝の長さである。なお、式（２）は、微細溝の幅が、微細溝の長手方向に沿って一定であるとしている。式（２）より、Ｌが一定であれば、Ｗが小さい（微細溝の幅が狭い）ほど、液体の圧力損失△ｐｌが大きくなると言える。
ここで、微細溝の幅が、図４に示すように、凝縮部から蒸発部に向かって一定の割合で徐々に狭くなるとした場合、圧力損失△ｐｌは、以下の式（３）となる。
【００２８】
【数３】
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【００２９】
式（３）からも、Ｌが一定であれば、ＷｃとＷｅが小さい値であるほど（微細溝の幅が狭いほど）、圧力損失△ｐｌが大きくなることが解る。
微細溝による液体の輸送力は、毛細管力△ｐｃａから圧力損失△ｐｌを差し引いたものと言えるので、（液体の輸送力）＝（毛細管力△ｐｃａ）−（圧力損失△ｐｌ）の算出式によって求めることができる。
【００３０】
次に、液体が純水であるとして、微細溝の幅が長手方向に沿って不変である場合（以下、「溝幅一定の場合」とも言う）と、微細溝の幅が凝縮部から蒸発部に向かって同じ割合で徐々に変化する（広くなる、あるいは、狭くなる）場合（以下、「溝幅増減の場合」とも言う）とで、毛細管力△ｐｃａ、圧力損失△ｐｌ及び液体の輸送力（△ｐｃａ−△ｐｌ）をそれぞれ算出した。溝幅一定の場合、式（１）及び式（２）を用いて、毛細管力△ｐｃａ及び圧力損失△ｐｌをそれぞれ算出した。溝幅増減の場合、Ｗｅを１００μｍで固定し、Ｗｃを変化させ、式（１）及び式（３）を用いて、毛細管力△ｐｃａ及び圧力損失△ｐｌをそれぞれ算出した。
溝幅一定の場合及び溝幅増減の場合共に、θｃ＝８０°、θｅ＝０°としている。
【００３１】
図５（Ａ）のグラフより、溝幅一定の場合、微細溝の幅が５０μｍ以下で、圧力損失△ｐｌが毛細管力△ｐｃａ以上となって、液体の輸送力が零となり、毛細管限界となる。そして、溝幅一定の場合、液体の輸送力は、微細溝の幅が５０〜１００μｍで、微細溝の幅が広くなるのと共に上昇し、微細溝の幅が１００μｍで最大値となり、微細溝の幅が１００μｍより広くなるにつれて、緩やかに減少する。
【００３２】
一方、図５（Ｂ）のグラフより、溝幅増減の場合、Ｗｃが５０μｍ以下で、溝幅固定の場合と同様に毛細管限界となり、Ｗｃが５０μｍを超えると、Ｗｃが大きくなるのと共に、液体の輸送力が上昇する。Ｗｃが大きくなるのに従って液体の輸送力が上昇するのは、微細溝の蒸発部の幅が微細溝の凝縮部の幅より狭くなる、即ち、Ｗｃが１００μｍより大きい領域でも同様であり、この点が、図５（Ａ）、（Ｂ）のグラフにおいて異なっている。
従って、溝幅が凝縮部から蒸発部に向かって狭くなる微細溝は、溝幅が一定の微細溝に比べて、液体の輸送力が大きいことが解る。
【００３３】
また、本実施の形態では、図１（Ｂ）に示すように、各微細溝２０が途中で枝分かれすることなく形成されているが、微細溝２０の代わりに、蒸発部の領域で枝分かれした微細溝を採用してもよい。微細溝の枝分かれした部分においても、下流側に向かって、溝幅が狭くなっているのが好ましい。微細溝を蒸発部の領域で枝分かれさせることで、複数の輸送路を確保でき、１つの微細溝により輸送できる液体量を増加することが可能となる。なお、枝分かれした微細溝においては、枝分かれしていない領域が、他の微細溝の枝分かれしていない領域と平行である。
そして、式（１）より、ｃｏｓθｅ＞ｃｏｓθｃの場合は、ｃｏｓθｅ＜ｃｏｓθｃの場合に比べて、毛細管力が大きくなるため、微細溝２０の濡れ性は、蒸発部１３の領域が凝縮部１２の領域に比べて高いのが好ましい。
【００３４】
次に、本発明の一実施の形態に係る液体輸送装置について説明する。液体輸送装置は、図１（Ａ）、（Ｂ）及び図２に示すヒートパイプ１０における微細溝２０が形成されたベース板１５であり、微細溝２０内の液体を毛細管力によって移動させる装置である。凝縮部１２側を上流側、蒸発部１３側を下流側として、微細溝２０の幅は、上流側から下流側に向かって狭くなっている。
【００３５】
液体輸送装置であるベース板１５は、ヒートパイプ１０においてのみ利用されるものではなく、例えば、サンプル送液のためのデバイスにおいて利用することや、燃料電池で生成される水を排出する排出機構として利用することもできる。
また、液体輸送装置であるベース板１５において、微細溝２０の濡れ性は、蒸発部１３の領域（下流側）が凝縮部１２の領域（上流側）に比べて高い。そして、微細溝２０の代わりに、蒸発部の領域で枝分かれした微細溝を採用することもできる。
なお、ベース板１５では、複数の微細溝２０が設けられているが、液体輸送装置が利用される対象によっては、微細溝が１つであってもよい。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明の作用効果を確認するために、ヒートパイプを対象に行った実験について説明する。
実験においては、上面の幅１５ｍｍ、長さ７０ｍｍの領域に、深さ１００±４μｍの３３本の微細溝が平行に形成されたベース板を備える第１、第２のヒートパイプを用いて、純水の輸送を行った。
【００３７】
第１のヒートパイプ（実施例）は、各微細溝の幅が、凝縮部から蒸発部に向かって一定の割合で狭くなっており、Ｗｅ＝２００μｍ、Ｗｃ＝４００μｍであり、第２のヒートパイプ（比較例）は、微細溝の幅が、微細溝に沿って３００μｍで一定である。
第１、第２のヒートパイプは、凝縮部の領域と蒸発部の領域の表面処理が異なり、純水の接触角は、第１のヒートパイプがθｅ＝１０°、θｃ＝９２°であり、第２のヒートパイプが、θｅ＝０°、θｃ＝８０°である。なお、第１、第２のヒートパイプにおける純水の接触角は、室温２５℃、湿度４０ＲＨ％の条件下で計測している。
【００３８】
第１、第２のヒートパイプそれぞれについて、毛細管力△ｐｃａ、圧力損失△ｐｌ及び液体の輸送力（△ｐｃａ−△ｐｌ）をシミュレーション計測した結果を図６のグラフに示す。図６のグラフでは、第１、第２のヒートパイプを、それぞれＣａｓｅ１、２として示している。θｃとθｅの差異は、第１、第２のヒートパイプで２°と小さい（即ち、濡れ性の差は小さい）が、液体の輸送力は、第１のヒートパイプが第２のヒートパイプに比べて約１．７倍と差が大きかった。
【００３９】
また、第１、第２のヒートパイプに対し、凝縮部を、ベース板の下側に取り付けたペルティエ素子で冷却し、蒸発部を、ベース板の下側に取り付けたヒータによって加熱して、中空容器内で熱の移動が生じる状態にした上で、耐熱ガラス板に埋め込んだ１１本の熱電対と、蒸発部及び凝縮部に設けた熱流束センサによって、熱量の計測を行い、熱流束と有効熱伝導率の関係を求めた。
求められた熱流束と有効熱伝導率の関係を図７のグラフに示す。図７のグラフにおいて、横軸が熱流束であり、縦軸が有効熱伝導率であり、第１、第２のヒートパイプは、それぞれＣａｓｅ１、２として示されている。
【００４０】
濡れ性の差が小さい第１、第２のヒートパイプを比較すると、有効熱伝導率の最大値は、第１のヒートパイプが、第２のヒートパイプの約１．５倍となり、第１のヒートパイプが、第２のヒートパイプより、熱伝導率が優れていることが確認された。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、ヒートパイプは、中空容器内の内側面全体に微細溝が形成されていてもよい。
また、ヒートパイプの中空容器は、箱状である必要はなく、例えば、縦長のカプセル状であってもよい。
そして、ヒートパイプ及び液体輸送装置において、複数の微細溝は、平行である必要はなく、直線状に形成されている必要もない。
更に、液体輸送装置によって輸送される液体は、純水に限らず、例えば、不凍液であってもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０：ヒートパイプ、１１：中空容器、１２：凝縮部、１３：蒸発部、１４：耐熱ガラス板、１５：ベース板、１６：枠体、１７：密閉空間、１８：導入部、１９：上面、２０：微細溝、２１：突出片、２２：窒化膜
【図１】
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【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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