2019年5月14日

世界最小の熱輸送デバイスの開発に向けて
電気通信大学 情報理工学研究科
機械知能システム学専攻
教授 大川富雄

The University of Electro-Communications1

背景
電子機器の高性能化では、発熱密度の増加がしばしば必要。
特に、スマホやタブレットPC等では、冷却システム用のスペースが限られている。
多くの電子機器の設計で、冷却性能がボトルネックとなる。

ヒートパイプは、シンプルかつ高効率の熱輸送機器であり、小型電子機器の冷却に広く使用されている。
Heat pipes in smartphone: http://www.fujikura.co.jp/products/electronics/thermal/01/2044118_12671.html

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ヒートパイプの原理
金属チューブウィック（メッシュ）

作動流体

蒸気通路

蒸発部

断熱部

凝縮部

蒸発部：発熱部の熱を吸収して、作動液が蒸発。
蒸発部から凝縮部に、蒸気が移動

凝縮部：外部冷却により蒸気が凝縮
ウィックの毛管力によって、凝縮部から蒸発部に作動液が移動

凝縮液を蒸発部に「速やかに」移動させる技術が必要
The University of Electro-Communications3色々なウィック
代表的なウィックと課題
溝, 金網, ファイバー, 焼結金属 ・・ 場所をとる。毛管力が小さい。

作動流体としてナノ流体を使用
熱伝導率の向上？ナノ粒子層がウィックとして機能？

The thermal resistance of the heat pipes
Ghanbarpour et al., 2015. Thermal performance ofscreen mesh heat pipe with Al2O3 nanoﬂuid, ETFS.

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ナノ粒子層
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が形成される．(Umehara et al., 2017. Effect of surface properties on
quenching characteristics of high-temperature body, 10th International Symposium
on Measurement Techniques for Multiphase Flow)

ナノ粒子層はきわめて薄く，強力な毛管力を有し，かつ，安価に形成できるナノ粒子層をウィックに使えないか？
・普通銅管の毛管力・ナノ粒子層の毛管力

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5ナノ粒子層の形成（金網）
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，これを3回程度繰り返した．ナノ粒子層を形成した. ナノ粒子の付着量は1.9～2.8 g/m2 （酸化物の質量11g/m2 ）であった．
(a)普通のメッシュ：

実験方法：(粗さ120目，長さ100mm，幅30mm)(b)ナノ粒子層付けのメッシュ：
ステップ1：加熱

ステップ2：冷却The University of Electro-Communications

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ナノ粒子層の形成（銅管の内壁）
銅管の外部にニクロムワイヤヒーターを巻き，耐熱ポリミドテープとフッ素テープにより電気絶縁と断熱を行った．粒子濃度0.4kg/m3のシリカナノ流体に浸漬した後，ボルトスライダーを用いて，ニクロムワイヤヒーターに投入する交流電力を180 kW/m2に調節し，銅管の内面で核沸騰を生じさせ，ナノ粒子層を形成した．
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．
ナノ粒子層付けの銅チューブ：

実験方法：

Ｖ

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実験装置
④ファン
①ボルトスライダー③断熱材
導熱グリース
導熱グリースＶ⑤冷却フィン②加熱ヒーターワイヤ⑥パソコン

加熱ヒーターワイヤ詳細
絶縁耐熱タープ
ヒーターワイヤ
絶縁耐熱タープ

ヒートパイプ⑦データロガー

銅ブロック
導熱グリース

図3、試験装置概略図

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伝熱実験
実験方法：

実験回路

・ヒートパイプの左側は蒸発部であり，ニクロムワイヤヒー
ターを用いて加熱する．
・ヒートパイプの右側は凝縮部であり，銅製のフィンを設置するとともに，ファンを用いて冷却する．
・フィンとヒートパイプの間には，高熱伝導性のグリースを充填する．
・温度計測は，ヒートパイプの図中左端より5，15，25，40，50，60，75，85，95 mmの9ヶ所にスポット溶接したK型熱電対で行う．
Fig. 4 Schematic diagram of experimental apparatus.

ヒートパイプのパラメータ：
サイズ

直径8mm,厚さ0.5mm,長さ100mm

形状

円筒状

充填率

10％～25 ％・ヒートパイプに投入する電力Qは，ボルトスライダーを用いて，3～25Wの範囲で実験を行う．
・ヒートパイプの熱抵抗Rはヒートパイプの熱輸送量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．

The University of Electro-Communications(1)
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実験結果（作動流体の影響）
4BBW
BBNR (K/W)

32100102030
Q (W)

4050

記号の説明
BBW : Bare tube / Bare mesh / Water
BBN : Bare tube / Bare mesh / Nanofluid

水とナノ流体では、ナノ流体の方が少し良い
既存研究と同様
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10実験結果（ナノ粒子層の影響）
4BBW
BNW
NBW

R (K/W)

32100

記号の説明

102030Q (W)4050

BBW : Bare tube / Bare mesh / Water
BNW : Bare tube / Nano-coated mesh / Water
NBW : Nano-coated tube / Bare mesh / Water

ウィックであるメッシュをナノ粒子コートすると格段に性能向上!!
管の内壁をナノコートしてもあまり変わらない…
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実験結果（ウィックを削除できるか？）

R (K/W)

15BBW
BXW
BXN
NXW

105

記号説明00102030Q (W)4050

BXW : Bare tube / No mesh / Water
BXN : Bare tube / No mesh / Nanofluid
NXW : Nano-coated tube / No mesh / Water

金網を取り除くと、著しく性能低下
水をナノ流体に代えてもほぼ変わらない。
内壁をナノコートしておくと、むしろ性能向上!!
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12従来技術とその問題点
従来のヒートパイプでは、ウィックとして、溝、金網、ファイバー、焼結金属などを使用。
ウィックの毛管力は、ポアサイズの減少とともに強力になる。従
来技術におけるポアサイズはサブミリメートルのオーダー。
ヒートパイプの小型化のためには、薄いウィックが必要。従来技術におけるウィックの厚さはやはりサブミリメートルのオーダー。

The University of Electro-Communications13新技術の特徴・従来技術との比較
従来技術に比較して、より小さいポアサイズと薄いウィックの作成に成功した。
ナノ粒子層
ポアサイズの計測は実施していないが、原理的には、サブミクロンのポアを容易に製作可能。
現段階では、極薄のナノ粒子層の製作を意図しておらず、達成された厚さは0.1mm程度。ただし、粒子サイズは100nm以下なので、原理的に、サブミクロンの極薄ウィックを製作可能。

実験結果のまとめウィックにナノ粒子層を形成することで、熱抵抗を約半分にできた。（熱輸送性能の向上）
管の内壁にナノ粒子層を形成すれば、ウィックを削除できる。（省スペース）The University of Electro-Communications

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実用化に向けた課題「熱輸送性能」と「省スペース性」の飛躍的向上を確認。
実験条件がまだ限られている。
ヒートパイプの姿勢（トップヒートなど）の影響や熱輸送可能距離（ヒートパイプ長さ）について、実験的に検討する。

理論検討を行うための実験情報が不足
ポアサイズの計測製作可能なナノ粒子層厚さの検討

工業製品に実装していない。
実装した状態で、性能確認を行い、課題を抽出したい。

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企業への期待
本技術の実装性について検討するため、工業機器で、ヒートパイプを用いた熱輸送を実際に手掛けている企
業との共同研究を希望「熱輸送性能の向上」 and/or 「ヒートパイプの小型化」を必要としている企業への本技術の導入（技術移転）
を希望

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本技術に関する知的財産権
発明の名称： ヒートパイプおよびヒートパイプ
製造方法

出願番号

： 特願2018-197126

出願人： 電気通信大学

発明者： 大川富雄、王萌蕾

The University of Electro-Communications17産学連携の経歴
2018年～2019年 JKA機械振興補助事業採択
謝辞
この事業は，競輪の補助を受けて実施しました．

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その他の研究テーマ
サブクール沸騰（原子炉安全解析）
噴流（ナトリウム冷却高速炉、化学プラント）
ナノ流体（機器冷却、焼入れ、ヒートパイプ）
液滴衝突（ミルククラウン）
高温物体の冷却メカニズム（原子炉事故）
溶融塩フリーズバルブ（新型原子炉、蓄熱）
液面からの液滴発生（新型原子炉）

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お問い合わせ先
電気通信大学
産学連携コーディネーター 今田 智勝ＴＥＬ

０４２－４４３－５７２４

ＦＡＸ

０４２－４４３－５７２６e-mailimada＠sangaku.uec.ac.jp

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