熱輸送装置、電子機器及び熱輸送装置の製造方法
【課題】効率よく熱輸送を行うことのできる熱輸送装置を提供すること。
【解決手段】熱輸送装置は、作動流体と、蒸発部と、凝縮部と、流路部とを具備する。熱輸送装置は、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域をさらに具備する。作動流体は、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる。蒸発部は、前記作動流体を液相から気相に蒸発させる。凝縮部は、前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる。流路部は、前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる。
【解決手段】熱輸送装置は、作動流体と、蒸発部と、凝縮部と、流路部とを具備する。熱輸送装置は、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域をさらに具備する。作動流体は、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる。蒸発部は、前記作動流体を液相から気相に蒸発させる。凝縮部は、前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる。流路部は、前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器の熱源に熱的に接続される熱輸送装置、この熱輸送装置を備えた電子機器及び熱輸送装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の熱源、例えばＰＣ（Personal Computer）のＣＰＵ（Central Processing Unit）に熱的に接続され、熱源の熱を吸収して輸送する装置として、ヒートスプレッダ、ヒートパイプ及びＣＰＬ（Capillary Pumped Loop）等の熱輸送装置が使われている。これら熱輸送装置は、例えば銅板等からなるソリッド型の金属からなる熱輸送装置や最近では作動流体が封入されたものが提案されている。
【０００３】
ところで、カーボン系材料例えばカーボンナノチューブは熱伝導性が高く、蒸発現象の促進に寄与することが知られている。このようなカーボンナノチューブを利用した熱輸送装置の一つとしてのヒートパイプが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７２１３６３７号（第３欄６６行目〜第４欄１２行目、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カーボンナノチューブは高い熱伝導性を有し、純水に対して安定である一方、純水に対して超撥水性を有する。一方、熱輸送装置に用いられる作動流体としては、大きい潜熱を有する純水を使うことが一般的である。従って、特許文献１に記載されたカーボンナノチューブ層を有する熱輸送装置に作動流体として純水を使用する場合、上記超撥水性のため、カーボンナノチューブ層に毛細管力がほとんど働かず、作動流体の循環が滞るおそれがある。また、カーボンナノチューブ層と作動流体との接触面積が小さいため、蒸発効率及び凝縮効率が低減するおそれがある。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、大型化することなく効率良く熱輸送を行うことのできる熱輸送装置及びこの熱輸送装置を備えた電子機器を提供することにある。本発明の別の目的は、製造が容易で信頼性の高い熱輸送装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る熱輸送装置は、作動流体と、蒸発部と、凝縮部と、流路部とを具備する。熱輸送装置は、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域をさらに具備する。
作動流体は、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる。
蒸発部は、前記作動流体を液相から気相に蒸発させる。
凝縮部は、前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる。
流路部は、前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる。
【０００８】
本発明によれば、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる溶液を作動流体として使用することで、作動流体に対するカーボン系材料の親水性を向上させることができる。このように親水性を向上させることで、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、熱輸送装置が効率良く熱輸送を行うことができる。
【０００９】
本発明において、前記ヒドロキシル基を有する有機化合物は、アルコール類である。
【００１０】
本発明において、前記アルコール類はブタノールであり、前記ブタノールの含有量は、２重量％より大きく１０重量％以下である。
より望ましくは、ブタノールの含有量は、２．１重量％以上１０重量％以下である。さらに望ましくは、ブタノールの含有量は、３重量％以上１０重量％以下である。
【００１１】
本発明によれば、親水性及び毛細管力を向上させ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させるために純水にアルコール類を添加した作動流体を使用する場合、アルコール類をブタノールとしたとき、添加は少量で足りる。
【００１２】
本発明において、前記カーボン系材料は、カーボンナノチューブである。
【００１３】
本発明によれば、カーボンナノチューブは表面にナノ構造を有するので、表面積の大きな領域を、蒸発部、凝縮部及び流路部の少なくとも一つに設けることができる。これにより、熱輸送装置を大型化することなく作動流体の蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、熱輸送装置が効率良く熱輸送を行うことができる。
【００１４】
本発明において、前記領域は、紫外線処理された前記カーボンナノチューブからなる。
【００１５】
本発明によれば、カーボンナノチューブからなる領域に紫外線処理を行うことで、作動流体に対するカーボンナノチューブの親水性をさらに向上させることができる。これにより、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通をさらに促進させることができる。その結果、熱輸送装置がさらに効率良く熱輸送を行うことができる。
【００１６】
本発明において、前記領域は、表面に溝を有する。
【００１７】
本発明によれば、表面に溝を設けることで、上記領域における作動流体の毛細管力を向上させることができるので、作動流体の流通をさらに促進させることができる。また、表面に溝を設けることで、表面積の大きな領域を蒸発部、凝縮部及び流路部の少なくとも一つに設けることができる。これにより、熱輸送装置を大型化することなく、作動流体の蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、熱輸送装置がさらに効率良く熱輸送を行うことができる。
【００１８】
本発明において、前記アルコール類はエタノールであり、前記エタノールの含有量は、１５重量％以上４０重量％以下である。
【００１９】
本発明に係る電子機器は、熱源と、熱輸送装置とを具備する。
前記熱輸送装置は、作動流体と、蒸発部と、凝縮部と、流路部とを具備する。熱輸送装置は、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域をさらに具備する。
作動流体は、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる。
蒸発部は、前記作動流体を液相から気相に蒸発させる。
凝縮部は、前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる。
流路部は、前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる。
【００２０】
本発明によれば、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加した溶液を作動流体として使用する。これにより、作動流体に対するカーボン系材料の親水性を向上させることができる。このように親水性を向上させることで、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、熱輸送装置が効率良く熱輸送を行うことができる。
【００２１】
本発明に係る熱輸送装置の製造方法は、作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部、及び液相の前記作動流体を前記蒸発部に流通させるための流路部を有する熱輸送装置の製造方法である。
前記熱輸送装置の製造方法は、第１の基材にカーボン系材料からなる領域を形成して、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つを構成する第２の基材を作製する。
少なくとも前記第２の基材を用いてコンテナを形成する。
前記コンテナ内に、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる作動流体を封入する。
【００２２】
本発明によれば、作動流体として純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加した溶液を作動流体として使用すれば、作動流体に対するカーボン系材料からなる領域の親水性を向上させることができるので、製造が容易で信頼性を向上させることができる。
また、このように親水性を向上させることで、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、上記製造方法により製造された熱輸送装置が、効率良く熱輸送を行うことができる。
【００２３】
本発明において、さらに、前記カーボン系材料がカーボンナノチューブであり、このカーボンナノチューブを紫外線処理する。
【００２４】
本発明によれば、紫外線処理を行うことで、作動流体に対する上記領域の親水性をさらに向上させることができる。このように親水性を向上させることで、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、上記製造方法により製造された熱輸送装置が、効率良く熱輸送を行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明の熱輸送装置によれば、作動流体に対するカーボン系材料の親水性を向上させることで作動流体の蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。これにより、熱輸送装置を大型化することなく、熱輸送装置が効率良く熱輸送を行うことができる。また、本発明の熱輸送装置の製造方法によれば、製造が容易で信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒートスプレッダに熱源が接続された状態を示す側面図である。
【図２】ヒートスプレッダを示す平面図である。
【図３】図２に示したＡ−Ａ線断面から見たヒートスプレッダを示す断面図である。
【図４】蒸発部を示す斜視図である。
【図５】カーボンナノチューブの撥水性発現を示す模式図である。
【図６】カーボンナノチューブ表面とアルコール水溶液の濡れ角を示す説明図である。
【図７】紫外線処理後のカーボンナノチューブと冷媒との濡れ角を示す表である。
【図８】ヒートスプレッダの動作を説明するための模式図である。
【図９】ヒートスプレッダの製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】コンテナ内への冷媒の注入方法を順に示した模式図である。
【図１１】ヒートパイプを示す断面図である。
【図１２】ヒートパイプの動作を説明するための模式図である。
【図１３】ヒートスプレッダを備えた電子機器として、デスクトップ型のＰＣを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の一実施形態では、熱輸送装置としてヒートスプレッダを一例に挙げて説明する。
【００２８】
［ヒートスプレッダの構造］
図１は、本発明の一実施形態に係るヒートスプレッダに熱源が接続された状態を示す側面図であり、図２は、このヒートスプレッダを示す平面図である。
【００２９】
同図に示すように、ヒートスプレッダ１は、コンテナ２を有する。コンテナ２は、受熱板４と、受熱板４と対向して設けられた放熱板３と、受熱板４と放熱板３とを気密に接合する側壁板５とからなる。
【００３０】
放熱板３、受熱板４及び側壁板５は、ろう付け、すなわち溶着により接合されてもよいし、材料によっては接着剤を用いて接合されてもよい。放熱板３、受熱板４及び側壁板５は、例えば金属材料からなる。その金属材料としては、例えば高い熱伝導性を有する銅などが挙げられる。そのほかにも金属材料としては、ステンレスやアルミニウムが挙げられるが、これらに限られない。金属の他に、カーボン等の高熱伝導性の材料でもよい。放熱板３、受熱板４及び側壁板５の全てが異なる材料で構成されていてもよいし、これらのうち２つが同じ材料で構成されていてもよいし、全てが同じ材料で構成されていてもよい。
【００３１】
コンテナ２には、図示しない冷媒（作動流体）が封入されている。この冷媒については後で詳細に説明する。
【００３２】
図３は、図２に示したＡ−Ａ線断面から見たヒートスプレッダを示す断面図である。
【００３３】
受熱板４は、コンテナ２の外壁面に相当する受熱面４１と、放熱板３に対向し、受熱面４１に表裏対向する蒸発面４２（蒸発部）とを有する。
受熱面４１には熱源５０が熱的に接続されている。熱的に接続とは、直接接続される場合の他に、例えば熱伝導体を介して接続される場合なども含まれる。熱源５０としては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、抵抗、その他の発熱電子部品、ディスプレイ等の電子機器が挙げられる。
蒸発面４２には、下地層８を介して蒸発部７が設けられている。蒸発部７は、図示しない液相の冷媒（以下、液冷媒という。）を蒸発させる。
【００３４】
コンテナ２の内部空間は、主に流路６を構成する。この流路６は、液冷媒及び気相の冷媒（以下、蒸気冷媒という。）の流路である。すなわち、流路６は、液冷媒を放熱板３側から受熱板４側へと重力により流通させるとともに、蒸気冷媒を受熱板４側から放熱板３側へと流通させる。
【００３５】
放熱板３は、コンテナ２の外壁面に相当する放熱面３１と、受熱板４に対向し、放熱面３１に表裏対向する凝縮面３２（凝縮部）とを有する。
凝縮面３２は、蒸発部７にて蒸発した蒸気冷媒を凝縮させる。
放熱面３１には、ヒートシンク５５等の放熱のための部材が熱的に接続されている。ヒートシンク５５には、ヒートスプレッダ１から熱が伝達され、この熱がヒートシンク５５から放熱される。
【００３６】
側壁板５の内面は、液相流路５１（流路部）を構成する。この液相流路５１は、放熱板３の凝縮面３２にて凝縮した液冷媒の流路である。すなわち、液相流路５１は、液冷媒を放熱板３側から受熱板４側へと毛細管力と重力とにより流通させる。
【００３７】
蒸発部７は、例えば、ダイヤモンド、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー及びダイヤモンドライクカーボン等のカーボン系材料からなる。本実施形態において、蒸発部７はカーボンナノチューブよりなるものとして説明する。カーボンナノチューブは例えば金属ヒートスプレッダに用いられる典型的な金属材料である銅のおよそ１０倍の高熱伝導特性を持つ。
従って、カーボンナノチューブにより蒸発部７を構成することで、主に金属材料から構成されるヒートスプレッダと比較して、極めて高い熱伝達効率が得られる。
また、カーボンナノチューブはナノ構造を有するので、大きな比表面積を有する。このため、蒸発部７と同様のサイズの蒸発部を金属材料で構成する場合と比較して、高い熱伝達効率が得られる。
【００３８】
なお、同図では、説明を分かりやすくするため、コンテナ２に対する蒸発部７のスケール比を大きくするなど、実際の形状から変更して描いている。また、図示の例では蒸発部７を受熱面４１の一部に設けているが、全面に設けてもよい。
【００３９】
下地層８は、蒸発部７を形成するための触媒層であり、例えば金属材料等からなる。その金属材料としては、アルミニウムやチタンが挙げられるが、これらに限られない。また、放熱板３を構成する材料が触媒となり得る場合等には、下地層８は設けなくてもよい。
【００４０】
本実施形態のヒートスプレッダ１は平面略正方形状を有する。しかし、これに限定されず、任意の形状でよい。ヒートスプレッダ１の一辺の長さｅは、例えば３０〜５０ｍｍ程度である。ヒートスプレッダ１は、例えば側面略長方形状を有する。ヒートスプレッダ１の高さｈは、例えば２〜５ｍｍ程度である。上述したヒートスプレッダ１のサイズは、ヒートスプレッダ１に熱的に接続される熱源５０がＰＣ（Personal Computer）のＣＰＵであることを想定したものである。ヒートスプレッダ１のサイズは熱源５０に応じて適宜決めればよい。例えばヒートスプレッダ１に熱的に接続される熱源５０が大型ディスプレイ等の大容量熱源である場合、ｅはさらに大きくする必要があり、例えば２６００ｍｍ程度とすればよい。ヒートスプレッダ１のサイズは、冷媒が流通して適切に凝縮できるようなコンテナ２内を流通する冷媒の蒸発と凝縮のサイクルが滞りなく繰り返されるような値に設定される。ヒートスプレッダ１の動作温度範囲は、およそ−４０℃〜＋２００℃が想定されている。ヒートスプレッダ１の吸熱密度は、例えば８Ｗ／ｍｍ２以下である。
【００４１】
［蒸発部の構造］
図４は、蒸発部７を示す斜視図である。
【００４２】
同図に示すように、蒸発部７は例えば平面略円形を有する。蒸発部７は、表面に設けられた蒸発面７２と、蒸発面７２に表裏対向する受熱面７１とを備える。蒸発面７２には溝７４が設けられる。
【００４３】
溝７４には、周方向溝７５と径方向溝７６とがある。周方向溝７５は、蒸発面７２に設定された中心点からの同心円状に複数、所定の距離を隔てて形成されている。径方向溝７６は、蒸発部７に設定された中心点を通過するように放射状に複数形成されている。
【００４４】
溝７４の形状は上記した例に限定されず、冷媒が溝７４の全域に亘って流通できる任意の形状であればよい。例えば、周方向溝７５は同心多角形状、同心楕円状及び螺旋状等に形成されてもよい。あるいは、溝７４を周方向及び径方向に形成するのではなく、例えば複数の直線状の溝を互いに平行、或いは格子状に形成してもよい。
【００４５】
上記した溝７４の形状により、液冷媒が蒸発部７の蒸発面７２の全域に亘って流通可能となる。従って、毛細管力による液冷媒の流通を効率良く行うことができる。
【００４６】
溝７４の断面形状としては、例えばＶ字形、Ｕ字形等が挙げられる。中でも、Ｖ字形状に溝７４を形成することには、以下の利点がある。すなわち、液冷媒が溝７４内を流通するとき、メニスカス周辺部の液膜が薄くなる。Ｖ字形状の溝７４は、例えばＵ字形断面の溝と比べて、メニスカス周辺部の薄液膜領域を大きく確保することができる。蒸発部７からの熱は、薄液膜領域において、薄液膜領域以外の領域より高い熱伝達率で液冷媒を伝達される。このため液冷媒は、他の領域に比較して薄液膜領域において効率良く蒸発される。従って、薄液膜領域を大きく確保できるＶ字形状の溝７４は、Ｕ字形状の溝と比べて熱伝達率が高く、蒸発効率も高い。
【００４７】
蒸発部７は平面略円形を有し、受熱板４の蒸発面４２の略中央に位置する。蒸発部７の平面形状は任意であり、略楕円形、略多角形などでもよい。蒸発部７の直径は、例えば３０ｍｍ程度であるが、これに限られない。蒸発部７の厚さは、例えば１０〜５０μｍ、より具体的には２０μｍ程度である。蒸発部７のサイズは、熱源５０から発せられる熱量に応じて適宜変更可能である。受熱板４の蒸発面４２に対する蒸発部７の設置位置も略中央に限定されず、任意の位置でよい。受熱板４の蒸発面４２に対する蒸発部７の大きさの比は図示したものに限定されず、任意でよい。なお、同図に示す例では、図を分かりやすくするため、蒸発部７に対する溝７４のスケール比を変更するなど、実際の形状から変更して描いている。
【００４８】
［冷媒の組成］
次に、ヒートスプレッダ１のコンテナ２に封入される冷媒について説明する。
【００４９】
図５は、カーボンナノチューブの撥水性発現を示す模式図である。
【００５０】
同図に示すように、蒸発部７を構成するカーボンナノチューブ等のカーボン系材料は、純水に対して安定であるとともに高い熱伝導性を有し、純水に対して超撥水性を有し濡れ角は１８０°に近い。一方、ヒートスプレッダに用いられる冷媒として、純水を使うことが一般的である。ただし、カーボンナノチューブからなる蒸発部７を有するヒートスプレッダ１に冷媒として純水を使用する場合、上記超撥水性のため、ヒートスプレッダ１の蒸発効率及び凝縮効率が低減するおそれがある。
【００５１】
さらに、上記超撥水性のため、蒸発部７に毛細管力がほとんど働かず、冷媒の循環が滞るおそれがある。なお、毛細管力は、下記の式（１）により求められる。
【００５２】
ΔＰ＝２δｃｏｓθ／ｒ ・・・（１）
【００５３】
ここで、ΔPは毛細管力、δは作動液の表面張力、θは接触角（濡れ角）、ｒは代表長さである。代表長さｒは毛細管の管径に相当する。
【００５４】
上記式（１）によれば、毛細管力ΔＰを向上させるためには、表面張力δを大きく、濡れ角θを小さく、代表長さｒを小さくすればよい。
【００５５】
そこで、純水にヒドロキシル基（ＯＨ基）を有する有機化合物を少量添加したものを冷媒として使用する。これにより、カーボンナノチューブ等のカーボン系材料に対する冷媒の上記濡れ角θが小さくなり、すなわち親水性を向上させることができ、十分な毛細管力ΔＰを得ることができる。
【００５６】
具体的には、純水に添加されるヒドロキシル基を有する有機化合物として、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール等のアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール等のジオール類、グリセリン等のポリオール類、及びフェノール、アルキルフェノール等のフェノール類などが挙げられる。
【００５７】
中でも、上記アルコール類として炭素数が４以上の高級アルコールを用いた場合、温度上昇とともに冷媒の表面張力が向上することが知られている。この現象は、高温部において作動流体の蒸発を補うように作用するため、セルフリウェッティング（Self-rewetting）と呼ばれ、ドライアウトを防ぎ、ヒートスプレッダ１の特性を向上させる。従って、カーボンナノチューブを蒸発部７に用い、さらに上記アルコール類を添加した純水を冷媒として用いることで、濡れ性の向上とセルフリウェッティングとが相乗的に発揮され、高い毛細管力が得られる。
【００５８】
［エタノール又はブタノールの純水への添加］
次に、純水に添加されるヒドロキシル基を有する有機化合物の具体例としてエタノール及びブタノールをそれぞれ純水に添加したアルコール水溶液を用いた場合の濡れ角計測実験について説明する。
【００５９】
垂直配向カーボンナノチューブアレイ上に冷媒としてのアルコール水溶液を滴下し、このアルコール水溶液とカーボンナノチューブの濡れ角を測定した。アルコールとしては、エタノールとブタノールを用いた。テフロン（登録商標）加工したニードルＮの先端にアルコール水溶液を球状に形成し、それをカーボンナノチューブ表面に接触させ、ニードルＮを上昇させることで液滴をカーボンナノチューブ表面に残し、その濡れ角を測定した。
【００６０】
エタノールの純水に添加量は、１０重量％、２０重量％、３０重量％とした。一方、ブタノールの場合の添加量は、１重量％、２重量％、３重量％、５重量％とした。
【００６１】
図６は、カーボンナノチューブ表面とアルコール水溶液との濡れ角を測定した結果を示す図である。
【００６２】
同図に示すように、純水にエタノールを１０重量％添加したときカーボンナノチューブ表面に液滴を残すことができ、２０重量％添加したとき濡れ角が著しく低下した。３０重量％添加したとき完全に濡れ広がって濡れ角測定が不可能となり、十分な濡れ性を得ることができた。
【００６３】
一方、純水にブタノールを１重量％添加したときカーボンナノチューブ表面に液滴を残すことができ、３重量％添加したとき濡れ角が大きく低下し、５重量％添加したとき完全に濡れ広がった。より詳細には、純水にブタノールを１重量％添加したとき濡れ角θが１４０．６°となり、２重量％添加したとき濡れ角θが１２１．６°となり、３重量％添加したとき濡れ角θが２１．２°となった。５重量％添加したときは測定不能となり、十分な濡れ性を得ることができた。このように、ブタノールを用いた場合には、エタノールに比較して極めて少量の添加で、カーボンナノチューブに対する濡れ性を大きく改善することができる。
【００６４】
毛細管力で作動液を還流させうる最低限の条件は、上記式（１）においてΔＰ＞０が成立すること、すなわちθ≦９０°が成立することである。濡れ角θ≦９０°を成立させて毛細管力で作動液を還流させうるには、同図に示すグラフから分かるように、ブタノールの含有量は、２重量％より大きくすればよい。より望ましくは、ブタノールの含有量は、２．１重量％以上である。さらに望ましくは、ブタノールの含有量は、３重量％以上である。
また、濡れ角θ≦９０°を成立させて毛細管力で作動液を還流させうるには、エタノールの含有量は、およそ１５重量％以上とすればよい。
なお、ブタノール又はエタノールの重量％が大きくなると、それに伴う表面張力低下分が増大し、毛細管力に悪影響を及ぼすおそれがある。この点を考慮して、ブタノールの添加量はおよそ１０重量％以下とし、エタノールの添加量はおよそ４０重量％以下とすればよい。
【００６５】
このように冷媒のカーボンナノチューブに対する濡れ角を小さくすることで、上述のように毛細管力を向上させることができるとともに、液冷媒の蒸発効率も上昇させることができる。
【００６６】
［蒸発部の表面改質］
純水にブタノール又はエタノールを添加した冷媒を使用するとともに、毛細管力の向上のために蒸発部７に表面改質を行ってもよい。表面改質とは、例えば紫外線処理によるカルボキシル基（ＣＯＯＨ）等の親水基の導入である。
【００６７】
例えば、紫外線処理は次のように行えばよい。すなわち、波長１７２ｎｍのエキシマランプ（ランプ管面の光強度は例えば５０ｍＷ／ｃｍ２）を、管面から２ｍｍ下の位置に垂直配向カーボンナノチューブアレイを配置し、大気雰囲気で蒸発部７の表面に紫外線を照射することで表面改質を行う。照射時間は例えば１分間程度である。このように紫外線処理を行うことで、大気中の酸素が活性酸素やオゾンになり、カーボンナノチューブを酸化する。これにより、親水性を有するカルボキシル基（ＣＯＯＨ）等の親水基が蒸発部７の表面に形成される。
【００６８】
この表面改質が施されたカーボンナノチューブに、上記ニードルＮを用いて、例えば１重量％のブタノール水溶液を滴下し、濡れ角を測定した。
【００６９】
図７は、紫外線処理後のカーボンナノチューブと冷媒との濡れ角を示す表である。
【００７０】
紫外線処理を施していないカーボンナノチューブに対する１重量％のブタノール水溶液の濡れ角θは、１４０．６°であるが、紫外線を１分間程度照射するだけで濡れ角を５°未満と著しく小さくすることができ、紫外線処理前に比して良好な毛細管力が得られる。また、冷媒をの組成をこの表に示すように種々に変更した場合であっても、カーボン系材料に紫外線を１分間程度照射するだけで、冷媒の組成に係らず濡れ角を小さくさせ、すなわち親水性を向上させ、良好な毛細管力を得ることが可能となる。
【００７１】
なお、本実施形態では純水にブタノール又はエタノールを添加した冷媒を使用したが、冷媒として純水を使用する場合でも、カーボンナノチューブに紫外線処理を行えば、濡れ角を小さくさせ良好な毛細管力を得ることができる。
【００７２】
［ヒートスプレッダの動作］
次に、以上のように構成されたヒートスプレッダ１の動作について説明する。
【００７３】
図８は、ヒートスプレッダ１の動作を説明するための模式図である。
【００７４】
同図に示すように、熱源５０が熱を発生すると、この熱を受熱板４の受熱面４１が受ける。そうすると、受熱面４１に表裏対向する蒸発面４２に設けられた蒸発部７の溝７４において毛細管力により液冷媒が流通する（矢印Ａ）。この液冷媒は主に蒸発部７の蒸発面７２で蒸発し、蒸気冷媒となる。蒸気冷媒の一部は蒸発部７の溝７４内で流通するが、蒸気冷媒のほとんどは放熱板３側に向かうように流路６を流通する（矢印Ｂ）。蒸気冷媒が流路６を流通することで熱が拡散し、放熱板３の凝縮面３２において蒸気冷媒が凝縮し、液相に戻る（矢印Ｃ）。これによりヒートスプレッダ１により拡散させられた熱が、凝縮面３２に表裏対向する放熱面３１からヒートシンク５５に伝達され、ヒートシンク５５から放熱される（矢印Ｄ）。液冷媒は液相流路５１を毛細管力により流通して、あるいは流路６を重力により流通して受熱側に戻る（矢印Ｅ）。このような動作が繰り返されることにより、熱源５０の熱がヒートスプレッダ１により移動する。
【００７５】
矢印Ａ〜Ｅで示した各動作の領域は、ある程度の目安あるいは基準を示すものである。熱源５０の熱量等によりそれらの各動作領域が多少シフトする場合があるので、各動作が領域ごとに明確に分けられるわけではない。
【００７６】
［ヒートスプレッダの製造方法］
次に、ヒートスプレッダ１の製造方法の一実施形態について説明する。
【００７７】
図９は、ヒートスプレッダ１の製造方法を示すフローチャートである。
【００７８】
受熱板４の蒸発面４２に下地層８を形成する（ステップＳＴ１０１）。下地層８はカーボンナノチューブを生成するための触媒層である。
【００７９】
次に、下地層８にカーボンナノチューブを密集して生成することで、カーボンナノチューブ層を形成する（ステップＳＴ１０２）。カーボンナノチューブはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相蒸着）や熱ＣＶＤにより触媒層上に生成することができるが、この方法に限られない。蒸発面４２には上記紫外線処理による表面改質を施してもよい。放熱板３の凝縮面３２にも同様に紫外線処理による表面改質を施してもよい。
【００８０】
次に、カーボンナノチューブ層の表面に、加工工具（バイト）でＶ字形状を有する溝を形成する（ステップＳＴ１０３）。これにより、蒸発面７２に溝７４を有する蒸発部７が形成される。一般に、ミクロンオーダーの形状を有するカーボンナノチューブを機械加工して微細な構造体を作成することは難しく、通常はエッヂングにより表面加工を行う。それに対し、本発明者の見地によれば、密集して生成しているカーボンナノチューブを１つの材料（カーボンナノチューブ層）とみなし、カーボンナノチューブを少しずつ倒すようにすることで、ミクロンオーダーの形状を形成することができる。この加工方法は、金属等の基材を切削するよりも容易であり、またエッヂングよりも安価にできる上、良好な微細加工性が得られる。バイトは下地層８を構成する金属よりも硬度が低い素材で構成されてもよい。それにより、加工時に下地層８、受熱板４及びバイト自体を傷つけることがなく、下地層８と溝７４の底部７７との距離を例えば１μｍ以上に保つことが可能となる。これにより、傷や剥がれのない蒸発部７を実現することができる。破れた下地層を通って受熱板４と下地層８との間に冷媒が侵入することがないため、下地層８全体が剥離するおそれがない。金型によるプレス成型などで溝７４を形成してもよい。この場合も同様の趣旨により、金型が下地層８を構成する金属よりも硬度が低い素材で構成されてもよい。
【００８１】
所望のＶ字形状の溝が精密加工された型と触媒層としての下地層８を設けた受熱板４の蒸発面４２との間に反応気相を流すことで、表面に溝７４を有する蒸発部７を形成してもよい。この方法によれば、切削等を行う必要がないため、下地層８及び受熱板４を傷つけるおそれがさらに低減する。なお、この方法は熱ＣＶＤに限られる。
【００８２】
受熱板４の蒸発面４２にＶ字形状の溝を形成し、受熱板４上に対応するＶ字形状の溝を有する触媒層としての下地層８を形成し、下地層８上に対応するＶ字形状の溝を有するカーボンナノチューブ層を形成してもよい。ここでも切削等を行う必要が無いため、下地層８及び受熱板４を傷つけるおそれがさらに低減する。
【００８３】
必要に応じて、蒸発部７の蒸発面７２に上述の紫外線処理による表面改質を施す（ステップＳＴ１０４）。
【００８４】
次に、受熱板４に側壁板５を介して放熱板３を接合し、コンテナ２を形成する（ステップＳＴ１０５）。接合時には、各部材の精密な位置合わせが行われる。
【００８５】
次に、コンテナ２内に冷媒を注入し、封止する（ステップＳＴ１０６）。この冷媒は、上述のように純水に所望の量のヒドロキシル基（ＯＨ基）を有する有機化合物を添加したものである。
【００８６】
図１０は、コンテナ２内への冷媒の注入方法を順に示した模式図である。
【００８７】
受熱板４は、注入口４５及び注入路４６を備えている。
【００８８】
図１０（Ａ）に示すように、例えば注入口４５及び注入路４６を介して流路６内が減圧され、注入口４５及び注入路４６を介して図示しないディスペンサにより冷媒が内部流路に注入される。
【００８９】
図１０（Ｂ）に示すように、押圧領域４７が押圧されて注入路４６が塞がれる（仮封止）。別の注入路４６及び注入口４５を介して流路６内が減圧され、その流路６内が目標圧になった時点で押圧領域４７が押圧されて注入路４６が塞がれる（仮封止）。
【００９０】
図１０（Ｃ）に示すように、押圧領域４７よりも注入口４５に近い側において、注入路４６が例えばレーザ溶接により塞がれる（本封止）。これにより、ヒートスプレッダ１の内部が密閉される。このように、コンテナ２内に冷媒を注入し、封止することで、ヒートスプレッダ１が完成する。
【００９１】
次に、受熱板４の受熱面４１に熱源５０を実装する（ステップＳＴ１０７）。熱源５０がＣＰＵの場合、この工程は、例えばはんだ付け等のリフロー工程により行われる。
【００９２】
リフロー工程と、ヒートスプレッダ１の製造工程とは、別の場所（例えば別の工場など）で行われる場合もある。したがって、リフロー後に作動流体が注入される場合、例えばヒートスプレッダ１を工場間を往復させる必要があり、それによるコスト、作業者の労力、時間、あるいは工場間往復の際に発生するパーティクルの問題等がある。本製造方法によれば、ヒートスプレッダ１が完成された後にリフローすることが可能となり、上記問題を解決することができる。
【００９３】
次に、本発明の他の実施形態に係る熱輸送装置を説明する。
【００９４】
［凝縮部の他の実施形態］
上記実施形態では、受熱板４の蒸発面４２にカーボンナノチューブ等のカーボン系材料からなる蒸発部７を設けた。しかしながら、これに限定されず、放熱板３の凝縮面３２の一部又は全面にカーボン系材料からなる凝縮部を設けてもよい。この凝縮部の表面には溝を設けてもよい。カーボン系材料としては、例えばカーボンナノチューブが挙げられる。
【００９５】
カーボンナノチューブは高い熱伝導性を有し、表面にナノ構造を有するので、凝縮面３２を金属材料等からなる放熱板３だけで構成する場合に比べて、凝縮及び放熱を促進させることができる。また、このナノ構造及び凝縮部に設けられた溝により毛細管力を向上させることができるので、凝縮面における液冷媒の流通、凝縮及び放熱をさらに促進させることができる。
【００９６】
凝縮部を形成するカーボンナノチューブは、先端が下方に向かうように生成されればよい。液冷媒は先端が下方に向かうカーボンナノチューブを伝いつつ重力により受熱板４の蒸発面４２へと向かう。この構造により、液冷媒の流通を促進させることができるとともに、新たに凝縮層に到達する蒸気冷媒の凝縮の妨げになることもない。これにより、凝縮面３２への液冷媒の供給量が減少するおそれが低減し、冷媒の循環に障害をきたすことなく、動作の安定性を実現できる。
【００９７】
あるいは、受熱板４の蒸発面４２にカーボン系材料からなる蒸発部７を設けず、放熱板３の凝縮面３２にのみカーボン系材料からなる凝縮層を設けることも本実施形態の一態様である。
【００９８】
［熱輸送装置の他の実施形態］
図１１は、本発明の他の実施形態に係る熱輸送装置としてのヒートパイプを示す断面図である。
【００９９】
同図に示すように、ヒートパイプ１００は、一端部に設けられた受熱側端部４００と、受熱側端部４００と対向して他端部に設けられた放熱側端部３００と、受熱側端部４００と放熱側端部３００とを連結する壁部５００とを有するパイプ型のコンテナ２００よりなる。
【０１００】
コンテナ２００の内部空間は、主に冷媒（作動流体）の流路６００を構成する。コンテナ２００には、上記純水に所望の量のヒドロキシル基（ＯＨ基）を有する有機化合物を添加した冷媒が封入されている。
【０１０１】
壁部５００の内面（流路部）には、受熱側端部４００と放熱側端部３００とを連結するようにカーボンナノチューブ等のカーボン系材料からなる液相流路５１０（領域）が設けられる。この液相流路５１０には、受熱側端部４００と放熱側端部３００とを連結する方向に長尺状の溝を設けてもよい。
【０１０２】
受熱側端部４００は、コンテナ２００の外壁面に相当する受熱面４１０と、放熱側端部３００に対向する蒸発面４２０（蒸発部）とを有する。蒸発面４２０には、カーボンナノチューブ等のカーボン系材料からなり表面に溝を有する蒸発部７００（領域）が設けられる。蒸発部７００は、蒸発面４２０の全面に設けてもよく、一部に設けてもよい。
【０１０３】
放熱側端部３００は、コンテナ２００の外壁面に相当する放熱面３１０と、受熱側端部４００に対向する凝縮面３２０（凝縮部）とを有する。凝縮面３２０には、カーボンナノチューブ等のカーボン系材料からなり表面に溝を有する凝縮層７５０（領域）が設けられる。凝縮層７５０は、凝縮面３２０の全面に設けてもよく、一部に設けてもよい。
【０１０４】
液相流路５１０、蒸発面４２０、蒸発部７００、凝縮面３２０及び凝縮層７５０の表面に紫外線処理を行って表面改質をしてもよい。蒸発部７００及び凝縮層７５０は、液相流路５１０と一体的に設けられてもよいし、断続的に設けられてもよい。液相流路５１０、蒸発部７００及び凝縮層７５０の全てを設けなくてもよく、これら各部材のうち少なくとも１つのみ設けてもよい。
【０１０５】
コンテナ２００の受熱側端部４００の受熱面４１０には熱源５０が熱的に接続され、放熱側端部３００の放熱面３１０にはヒートシンク５５が熱的に接続される。
【０１０６】
図１２は、ヒートパイプ１００の動作を説明するための模式図である。
【０１０７】
同図に示すように、熱源５０が熱を発生すると、この熱を受熱側端部４００の受熱面４１０が受ける。そうすると、受熱側端部４００の蒸発面４２０に設けられた蒸発部７００の溝において毛細管力により液冷媒が流通する（矢印Ａ１）。この液冷媒は受熱側端部４００に設けられた蒸発部７００の蒸発面で蒸発し、蒸気冷媒となる。蒸気冷媒の一部は、蒸発部７００の溝内で流通するが、蒸気冷媒のほとんどは、わずかな圧力差によって放熱側端部３００側に向かうように流路６００を流通する（矢印Ｂ１）。蒸気冷媒が流路６００を流通することで熱が拡散し、放熱側端部３００の凝縮面３２０に設けられた凝縮層７５０において蒸気冷媒が凝縮し、液相に戻る（矢印Ｃ１）。これによりヒートパイプ１００により拡散させられた熱が、放熱側端部３００の放熱面３１０からヒートシンク５５に伝達され、ヒートシンク５５から放熱される（矢印Ｄ１）。液冷媒は液相流路５１０を毛管現象により流通して受熱側端部４００に戻る（矢印Ｅ１）。このような動作が繰り返されることにより、熱源５０の熱がヒートパイプ１００により移動する。
【０１０８】
上記ヒートパイプ１００によれば、純水に所望の量のヒドロキシル基（ＯＨ基）を有する有機化合物を添加した冷媒カーボン系材料からなり溝が設けられた液相流路５１０を流通するので、良好な毛細管力を得ることができ、冷媒の還流を促進することができる。
【０１０９】
［電子機器］
図１３は、ヒートスプレッダ１を備えた電子機器として、デスクトップ型のＰＣを示す斜視図である。
【０１１０】
ＰＣ２０の筐体２１内には、回路基板２２が配置され、例えば回路基板２２には熱源としてのＣＰＵ２３が搭載されている。このＣＰＵ２３にヒートスプレッダ１が熱的に接続され、ヒートスプレッダ１にはヒートシンクが熱的に接続される。
【０１１１】
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。
【０１１２】
例えば、受熱板４の一部の領域に蒸発部７を設けたが、これに限定されず、受熱板４の全面に蒸発部７としてカーボン系材料からなる蒸発層を設けてもよい。
【０１１３】
熱輸送装置としてヒートスプレッダ及びヒートパイプを例に説明したが、これに限定されず、ＣＰＬ等の熱輸送装置でもよい。
【０１１４】
ヒートスプレッダ１の平面形状は四角形あるいは正方形とした。しかし、その平面形状は、円形、楕円形、多角形、あるいは他の任意の形状であってもよい。
【０１１５】
電子機器としてデスクトップ型のＰＣを例に挙げた。しかし、これに限定されず、電子機器としては、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子辞書、カメラ、ディスプレイ装置、オーディオ／ビジュアル機器、プロジェクタ、携帯電話、ゲーム機器、カーナビゲーション機器、ロボット機器、レーザ発生装置、その他の電化製品等が挙げられる。
【符号の説明】
【０１１６】
１…ヒートスプレッダ
２、２００…コンテナ
３…放熱板
４…受熱板
５…側壁板
６、６００…流路
７、７００…蒸発部
５０…熱源
５１、５１０…液相流路
５５…ヒートシンク
１００…ヒートパイプ
３００…放熱側端部
４００…受熱側端部
５００…壁部
７５０…凝縮層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器の熱源に熱的に接続される熱輸送装置、この熱輸送装置を備えた電子機器及び熱輸送装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の熱源、例えばＰＣ（Personal Computer）のＣＰＵ（Central Processing Unit）に熱的に接続され、熱源の熱を吸収して輸送する装置として、ヒートスプレッダ、ヒートパイプ及びＣＰＬ（Capillary Pumped Loop）等の熱輸送装置が使われている。これら熱輸送装置は、例えば銅板等からなるソリッド型の金属からなる熱輸送装置や最近では作動流体が封入されたものが提案されている。
【０００３】
ところで、カーボン系材料例えばカーボンナノチューブは熱伝導性が高く、蒸発現象の促進に寄与することが知られている。このようなカーボンナノチューブを利用した熱輸送装置の一つとしてのヒートパイプが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７２１３６３７号（第３欄６６行目〜第４欄１２行目、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カーボンナノチューブは高い熱伝導性を有し、純水に対して安定である一方、純水に対して超撥水性を有する。一方、熱輸送装置に用いられる作動流体としては、大きい潜熱を有する純水を使うことが一般的である。従って、特許文献１に記載されたカーボンナノチューブ層を有する熱輸送装置に作動流体として純水を使用する場合、上記超撥水性のため、カーボンナノチューブ層に毛細管力がほとんど働かず、作動流体の循環が滞るおそれがある。また、カーボンナノチューブ層と作動流体との接触面積が小さいため、蒸発効率及び凝縮効率が低減するおそれがある。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、大型化することなく効率良く熱輸送を行うことのできる熱輸送装置及びこの熱輸送装置を備えた電子機器を提供することにある。本発明の別の目的は、製造が容易で信頼性の高い熱輸送装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る熱輸送装置は、作動流体と、蒸発部と、凝縮部と、流路部とを具備する。熱輸送装置は、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域をさらに具備する。
作動流体は、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる。
蒸発部は、前記作動流体を液相から気相に蒸発させる。
凝縮部は、前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる。
流路部は、前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる。
【０００８】
本発明によれば、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる溶液を作動流体として使用することで、作動流体に対するカーボン系材料の親水性を向上させることができる。このように親水性を向上させることで、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、熱輸送装置が効率良く熱輸送を行うことができる。
【０００９】
本発明において、前記ヒドロキシル基を有する有機化合物は、アルコール類である。
【００１０】
本発明において、前記アルコール類はブタノールであり、前記ブタノールの含有量は、２重量％より大きく１０重量％以下である。
より望ましくは、ブタノールの含有量は、２．１重量％以上１０重量％以下である。さらに望ましくは、ブタノールの含有量は、３重量％以上１０重量％以下である。
【００１１】
本発明によれば、親水性及び毛細管力を向上させ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させるために純水にアルコール類を添加した作動流体を使用する場合、アルコール類をブタノールとしたとき、添加は少量で足りる。
【００１２】
本発明において、前記カーボン系材料は、カーボンナノチューブである。
【００１３】
本発明によれば、カーボンナノチューブは表面にナノ構造を有するので、表面積の大きな領域を、蒸発部、凝縮部及び流路部の少なくとも一つに設けることができる。これにより、熱輸送装置を大型化することなく作動流体の蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、熱輸送装置が効率良く熱輸送を行うことができる。
【００１４】
本発明において、前記領域は、紫外線処理された前記カーボンナノチューブからなる。
【００１５】
本発明によれば、カーボンナノチューブからなる領域に紫外線処理を行うことで、作動流体に対するカーボンナノチューブの親水性をさらに向上させることができる。これにより、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通をさらに促進させることができる。その結果、熱輸送装置がさらに効率良く熱輸送を行うことができる。
【００１６】
本発明において、前記領域は、表面に溝を有する。
【００１７】
本発明によれば、表面に溝を設けることで、上記領域における作動流体の毛細管力を向上させることができるので、作動流体の流通をさらに促進させることができる。また、表面に溝を設けることで、表面積の大きな領域を蒸発部、凝縮部及び流路部の少なくとも一つに設けることができる。これにより、熱輸送装置を大型化することなく、作動流体の蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、熱輸送装置がさらに効率良く熱輸送を行うことができる。
【００１８】
本発明において、前記アルコール類はエタノールであり、前記エタノールの含有量は、１５重量％以上４０重量％以下である。
【００１９】
本発明に係る電子機器は、熱源と、熱輸送装置とを具備する。
前記熱輸送装置は、作動流体と、蒸発部と、凝縮部と、流路部とを具備する。熱輸送装置は、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域をさらに具備する。
作動流体は、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる。
蒸発部は、前記作動流体を液相から気相に蒸発させる。
凝縮部は、前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる。
流路部は、前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる。
【００２０】
本発明によれば、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加した溶液を作動流体として使用する。これにより、作動流体に対するカーボン系材料の親水性を向上させることができる。このように親水性を向上させることで、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、熱輸送装置が効率良く熱輸送を行うことができる。
【００２１】
本発明に係る熱輸送装置の製造方法は、作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部、及び液相の前記作動流体を前記蒸発部に流通させるための流路部を有する熱輸送装置の製造方法である。
前記熱輸送装置の製造方法は、第１の基材にカーボン系材料からなる領域を形成して、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つを構成する第２の基材を作製する。
少なくとも前記第２の基材を用いてコンテナを形成する。
前記コンテナ内に、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる作動流体を封入する。
【００２２】
本発明によれば、作動流体として純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加した溶液を作動流体として使用すれば、作動流体に対するカーボン系材料からなる領域の親水性を向上させることができるので、製造が容易で信頼性を向上させることができる。
また、このように親水性を向上させることで、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、上記製造方法により製造された熱輸送装置が、効率良く熱輸送を行うことができる。
【００２３】
本発明において、さらに、前記カーボン系材料がカーボンナノチューブであり、このカーボンナノチューブを紫外線処理する。
【００２４】
本発明によれば、紫外線処理を行うことで、作動流体に対する上記領域の親水性をさらに向上させることができる。このように親水性を向上させることで、カーボン系材料の毛細管力を向上させることができ、作動流体のカーボン系材料からなる領域での蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。その結果、上記製造方法により製造された熱輸送装置が、効率良く熱輸送を行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明の熱輸送装置によれば、作動流体に対するカーボン系材料の親水性を向上させることで作動流体の蒸発、凝縮及び流通を促進させることができる。これにより、熱輸送装置を大型化することなく、熱輸送装置が効率良く熱輸送を行うことができる。また、本発明の熱輸送装置の製造方法によれば、製造が容易で信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒートスプレッダに熱源が接続された状態を示す側面図である。
【図２】ヒートスプレッダを示す平面図である。
【図３】図２に示したＡ−Ａ線断面から見たヒートスプレッダを示す断面図である。
【図４】蒸発部を示す斜視図である。
【図５】カーボンナノチューブの撥水性発現を示す模式図である。
【図６】カーボンナノチューブ表面とアルコール水溶液の濡れ角を示す説明図である。
【図７】紫外線処理後のカーボンナノチューブと冷媒との濡れ角を示す表である。
【図８】ヒートスプレッダの動作を説明するための模式図である。
【図９】ヒートスプレッダの製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】コンテナ内への冷媒の注入方法を順に示した模式図である。
【図１１】ヒートパイプを示す断面図である。
【図１２】ヒートパイプの動作を説明するための模式図である。
【図１３】ヒートスプレッダを備えた電子機器として、デスクトップ型のＰＣを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の一実施形態では、熱輸送装置としてヒートスプレッダを一例に挙げて説明する。
【００２８】
［ヒートスプレッダの構造］
図１は、本発明の一実施形態に係るヒートスプレッダに熱源が接続された状態を示す側面図であり、図２は、このヒートスプレッダを示す平面図である。
【００２９】
同図に示すように、ヒートスプレッダ１は、コンテナ２を有する。コンテナ２は、受熱板４と、受熱板４と対向して設けられた放熱板３と、受熱板４と放熱板３とを気密に接合する側壁板５とからなる。
【００３０】
放熱板３、受熱板４及び側壁板５は、ろう付け、すなわち溶着により接合されてもよいし、材料によっては接着剤を用いて接合されてもよい。放熱板３、受熱板４及び側壁板５は、例えば金属材料からなる。その金属材料としては、例えば高い熱伝導性を有する銅などが挙げられる。そのほかにも金属材料としては、ステンレスやアルミニウムが挙げられるが、これらに限られない。金属の他に、カーボン等の高熱伝導性の材料でもよい。放熱板３、受熱板４及び側壁板５の全てが異なる材料で構成されていてもよいし、これらのうち２つが同じ材料で構成されていてもよいし、全てが同じ材料で構成されていてもよい。
【００３１】
コンテナ２には、図示しない冷媒（作動流体）が封入されている。この冷媒については後で詳細に説明する。
【００３２】
図３は、図２に示したＡ−Ａ線断面から見たヒートスプレッダを示す断面図である。
【００３３】
受熱板４は、コンテナ２の外壁面に相当する受熱面４１と、放熱板３に対向し、受熱面４１に表裏対向する蒸発面４２（蒸発部）とを有する。
受熱面４１には熱源５０が熱的に接続されている。熱的に接続とは、直接接続される場合の他に、例えば熱伝導体を介して接続される場合なども含まれる。熱源５０としては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、抵抗、その他の発熱電子部品、ディスプレイ等の電子機器が挙げられる。
蒸発面４２には、下地層８を介して蒸発部７が設けられている。蒸発部７は、図示しない液相の冷媒（以下、液冷媒という。）を蒸発させる。
【００３４】
コンテナ２の内部空間は、主に流路６を構成する。この流路６は、液冷媒及び気相の冷媒（以下、蒸気冷媒という。）の流路である。すなわち、流路６は、液冷媒を放熱板３側から受熱板４側へと重力により流通させるとともに、蒸気冷媒を受熱板４側から放熱板３側へと流通させる。
【００３５】
放熱板３は、コンテナ２の外壁面に相当する放熱面３１と、受熱板４に対向し、放熱面３１に表裏対向する凝縮面３２（凝縮部）とを有する。
凝縮面３２は、蒸発部７にて蒸発した蒸気冷媒を凝縮させる。
放熱面３１には、ヒートシンク５５等の放熱のための部材が熱的に接続されている。ヒートシンク５５には、ヒートスプレッダ１から熱が伝達され、この熱がヒートシンク５５から放熱される。
【００３６】
側壁板５の内面は、液相流路５１（流路部）を構成する。この液相流路５１は、放熱板３の凝縮面３２にて凝縮した液冷媒の流路である。すなわち、液相流路５１は、液冷媒を放熱板３側から受熱板４側へと毛細管力と重力とにより流通させる。
【００３７】
蒸発部７は、例えば、ダイヤモンド、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー及びダイヤモンドライクカーボン等のカーボン系材料からなる。本実施形態において、蒸発部７はカーボンナノチューブよりなるものとして説明する。カーボンナノチューブは例えば金属ヒートスプレッダに用いられる典型的な金属材料である銅のおよそ１０倍の高熱伝導特性を持つ。
従って、カーボンナノチューブにより蒸発部７を構成することで、主に金属材料から構成されるヒートスプレッダと比較して、極めて高い熱伝達効率が得られる。
また、カーボンナノチューブはナノ構造を有するので、大きな比表面積を有する。このため、蒸発部７と同様のサイズの蒸発部を金属材料で構成する場合と比較して、高い熱伝達効率が得られる。
【００３８】
なお、同図では、説明を分かりやすくするため、コンテナ２に対する蒸発部７のスケール比を大きくするなど、実際の形状から変更して描いている。また、図示の例では蒸発部７を受熱面４１の一部に設けているが、全面に設けてもよい。
【００３９】
下地層８は、蒸発部７を形成するための触媒層であり、例えば金属材料等からなる。その金属材料としては、アルミニウムやチタンが挙げられるが、これらに限られない。また、放熱板３を構成する材料が触媒となり得る場合等には、下地層８は設けなくてもよい。
【００４０】
本実施形態のヒートスプレッダ１は平面略正方形状を有する。しかし、これに限定されず、任意の形状でよい。ヒートスプレッダ１の一辺の長さｅは、例えば３０〜５０ｍｍ程度である。ヒートスプレッダ１は、例えば側面略長方形状を有する。ヒートスプレッダ１の高さｈは、例えば２〜５ｍｍ程度である。上述したヒートスプレッダ１のサイズは、ヒートスプレッダ１に熱的に接続される熱源５０がＰＣ（Personal Computer）のＣＰＵであることを想定したものである。ヒートスプレッダ１のサイズは熱源５０に応じて適宜決めればよい。例えばヒートスプレッダ１に熱的に接続される熱源５０が大型ディスプレイ等の大容量熱源である場合、ｅはさらに大きくする必要があり、例えば２６００ｍｍ程度とすればよい。ヒートスプレッダ１のサイズは、冷媒が流通して適切に凝縮できるようなコンテナ２内を流通する冷媒の蒸発と凝縮のサイクルが滞りなく繰り返されるような値に設定される。ヒートスプレッダ１の動作温度範囲は、およそ−４０℃〜＋２００℃が想定されている。ヒートスプレッダ１の吸熱密度は、例えば８Ｗ／ｍｍ２以下である。
【００４１】
［蒸発部の構造］
図４は、蒸発部７を示す斜視図である。
【００４２】
同図に示すように、蒸発部７は例えば平面略円形を有する。蒸発部７は、表面に設けられた蒸発面７２と、蒸発面７２に表裏対向する受熱面７１とを備える。蒸発面７２には溝７４が設けられる。
【００４３】
溝７４には、周方向溝７５と径方向溝７６とがある。周方向溝７５は、蒸発面７２に設定された中心点からの同心円状に複数、所定の距離を隔てて形成されている。径方向溝７６は、蒸発部７に設定された中心点を通過するように放射状に複数形成されている。
【００４４】
溝７４の形状は上記した例に限定されず、冷媒が溝７４の全域に亘って流通できる任意の形状であればよい。例えば、周方向溝７５は同心多角形状、同心楕円状及び螺旋状等に形成されてもよい。あるいは、溝７４を周方向及び径方向に形成するのではなく、例えば複数の直線状の溝を互いに平行、或いは格子状に形成してもよい。
【００４５】
上記した溝７４の形状により、液冷媒が蒸発部７の蒸発面７２の全域に亘って流通可能となる。従って、毛細管力による液冷媒の流通を効率良く行うことができる。
【００４６】
溝７４の断面形状としては、例えばＶ字形、Ｕ字形等が挙げられる。中でも、Ｖ字形状に溝７４を形成することには、以下の利点がある。すなわち、液冷媒が溝７４内を流通するとき、メニスカス周辺部の液膜が薄くなる。Ｖ字形状の溝７４は、例えばＵ字形断面の溝と比べて、メニスカス周辺部の薄液膜領域を大きく確保することができる。蒸発部７からの熱は、薄液膜領域において、薄液膜領域以外の領域より高い熱伝達率で液冷媒を伝達される。このため液冷媒は、他の領域に比較して薄液膜領域において効率良く蒸発される。従って、薄液膜領域を大きく確保できるＶ字形状の溝７４は、Ｕ字形状の溝と比べて熱伝達率が高く、蒸発効率も高い。
【００４７】
蒸発部７は平面略円形を有し、受熱板４の蒸発面４２の略中央に位置する。蒸発部７の平面形状は任意であり、略楕円形、略多角形などでもよい。蒸発部７の直径は、例えば３０ｍｍ程度であるが、これに限られない。蒸発部７の厚さは、例えば１０〜５０μｍ、より具体的には２０μｍ程度である。蒸発部７のサイズは、熱源５０から発せられる熱量に応じて適宜変更可能である。受熱板４の蒸発面４２に対する蒸発部７の設置位置も略中央に限定されず、任意の位置でよい。受熱板４の蒸発面４２に対する蒸発部７の大きさの比は図示したものに限定されず、任意でよい。なお、同図に示す例では、図を分かりやすくするため、蒸発部７に対する溝７４のスケール比を変更するなど、実際の形状から変更して描いている。
【００４８】
［冷媒の組成］
次に、ヒートスプレッダ１のコンテナ２に封入される冷媒について説明する。
【００４９】
図５は、カーボンナノチューブの撥水性発現を示す模式図である。
【００５０】
同図に示すように、蒸発部７を構成するカーボンナノチューブ等のカーボン系材料は、純水に対して安定であるとともに高い熱伝導性を有し、純水に対して超撥水性を有し濡れ角は１８０°に近い。一方、ヒートスプレッダに用いられる冷媒として、純水を使うことが一般的である。ただし、カーボンナノチューブからなる蒸発部７を有するヒートスプレッダ１に冷媒として純水を使用する場合、上記超撥水性のため、ヒートスプレッダ１の蒸発効率及び凝縮効率が低減するおそれがある。
【００５１】
さらに、上記超撥水性のため、蒸発部７に毛細管力がほとんど働かず、冷媒の循環が滞るおそれがある。なお、毛細管力は、下記の式（１）により求められる。
【００５２】
ΔＰ＝２δｃｏｓθ／ｒ ・・・（１）
【００５３】
ここで、ΔPは毛細管力、δは作動液の表面張力、θは接触角（濡れ角）、ｒは代表長さである。代表長さｒは毛細管の管径に相当する。
【００５４】
上記式（１）によれば、毛細管力ΔＰを向上させるためには、表面張力δを大きく、濡れ角θを小さく、代表長さｒを小さくすればよい。
【００５５】
そこで、純水にヒドロキシル基（ＯＨ基）を有する有機化合物を少量添加したものを冷媒として使用する。これにより、カーボンナノチューブ等のカーボン系材料に対する冷媒の上記濡れ角θが小さくなり、すなわち親水性を向上させることができ、十分な毛細管力ΔＰを得ることができる。
【００５６】
具体的には、純水に添加されるヒドロキシル基を有する有機化合物として、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール等のアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール等のジオール類、グリセリン等のポリオール類、及びフェノール、アルキルフェノール等のフェノール類などが挙げられる。
【００５７】
中でも、上記アルコール類として炭素数が４以上の高級アルコールを用いた場合、温度上昇とともに冷媒の表面張力が向上することが知られている。この現象は、高温部において作動流体の蒸発を補うように作用するため、セルフリウェッティング（Self-rewetting）と呼ばれ、ドライアウトを防ぎ、ヒートスプレッダ１の特性を向上させる。従って、カーボンナノチューブを蒸発部７に用い、さらに上記アルコール類を添加した純水を冷媒として用いることで、濡れ性の向上とセルフリウェッティングとが相乗的に発揮され、高い毛細管力が得られる。
【００５８】
［エタノール又はブタノールの純水への添加］
次に、純水に添加されるヒドロキシル基を有する有機化合物の具体例としてエタノール及びブタノールをそれぞれ純水に添加したアルコール水溶液を用いた場合の濡れ角計測実験について説明する。
【００５９】
垂直配向カーボンナノチューブアレイ上に冷媒としてのアルコール水溶液を滴下し、このアルコール水溶液とカーボンナノチューブの濡れ角を測定した。アルコールとしては、エタノールとブタノールを用いた。テフロン（登録商標）加工したニードルＮの先端にアルコール水溶液を球状に形成し、それをカーボンナノチューブ表面に接触させ、ニードルＮを上昇させることで液滴をカーボンナノチューブ表面に残し、その濡れ角を測定した。
【００６０】
エタノールの純水に添加量は、１０重量％、２０重量％、３０重量％とした。一方、ブタノールの場合の添加量は、１重量％、２重量％、３重量％、５重量％とした。
【００６１】
図６は、カーボンナノチューブ表面とアルコール水溶液との濡れ角を測定した結果を示す図である。
【００６２】
同図に示すように、純水にエタノールを１０重量％添加したときカーボンナノチューブ表面に液滴を残すことができ、２０重量％添加したとき濡れ角が著しく低下した。３０重量％添加したとき完全に濡れ広がって濡れ角測定が不可能となり、十分な濡れ性を得ることができた。
【００６３】
一方、純水にブタノールを１重量％添加したときカーボンナノチューブ表面に液滴を残すことができ、３重量％添加したとき濡れ角が大きく低下し、５重量％添加したとき完全に濡れ広がった。より詳細には、純水にブタノールを１重量％添加したとき濡れ角θが１４０．６°となり、２重量％添加したとき濡れ角θが１２１．６°となり、３重量％添加したとき濡れ角θが２１．２°となった。５重量％添加したときは測定不能となり、十分な濡れ性を得ることができた。このように、ブタノールを用いた場合には、エタノールに比較して極めて少量の添加で、カーボンナノチューブに対する濡れ性を大きく改善することができる。
【００６４】
毛細管力で作動液を還流させうる最低限の条件は、上記式（１）においてΔＰ＞０が成立すること、すなわちθ≦９０°が成立することである。濡れ角θ≦９０°を成立させて毛細管力で作動液を還流させうるには、同図に示すグラフから分かるように、ブタノールの含有量は、２重量％より大きくすればよい。より望ましくは、ブタノールの含有量は、２．１重量％以上である。さらに望ましくは、ブタノールの含有量は、３重量％以上である。
また、濡れ角θ≦９０°を成立させて毛細管力で作動液を還流させうるには、エタノールの含有量は、およそ１５重量％以上とすればよい。
なお、ブタノール又はエタノールの重量％が大きくなると、それに伴う表面張力低下分が増大し、毛細管力に悪影響を及ぼすおそれがある。この点を考慮して、ブタノールの添加量はおよそ１０重量％以下とし、エタノールの添加量はおよそ４０重量％以下とすればよい。
【００６５】
このように冷媒のカーボンナノチューブに対する濡れ角を小さくすることで、上述のように毛細管力を向上させることができるとともに、液冷媒の蒸発効率も上昇させることができる。
【００６６】
［蒸発部の表面改質］
純水にブタノール又はエタノールを添加した冷媒を使用するとともに、毛細管力の向上のために蒸発部７に表面改質を行ってもよい。表面改質とは、例えば紫外線処理によるカルボキシル基（ＣＯＯＨ）等の親水基の導入である。
【００６７】
例えば、紫外線処理は次のように行えばよい。すなわち、波長１７２ｎｍのエキシマランプ（ランプ管面の光強度は例えば５０ｍＷ／ｃｍ２）を、管面から２ｍｍ下の位置に垂直配向カーボンナノチューブアレイを配置し、大気雰囲気で蒸発部７の表面に紫外線を照射することで表面改質を行う。照射時間は例えば１分間程度である。このように紫外線処理を行うことで、大気中の酸素が活性酸素やオゾンになり、カーボンナノチューブを酸化する。これにより、親水性を有するカルボキシル基（ＣＯＯＨ）等の親水基が蒸発部７の表面に形成される。
【００６８】
この表面改質が施されたカーボンナノチューブに、上記ニードルＮを用いて、例えば１重量％のブタノール水溶液を滴下し、濡れ角を測定した。
【００６９】
図７は、紫外線処理後のカーボンナノチューブと冷媒との濡れ角を示す表である。
【００７０】
紫外線処理を施していないカーボンナノチューブに対する１重量％のブタノール水溶液の濡れ角θは、１４０．６°であるが、紫外線を１分間程度照射するだけで濡れ角を５°未満と著しく小さくすることができ、紫外線処理前に比して良好な毛細管力が得られる。また、冷媒をの組成をこの表に示すように種々に変更した場合であっても、カーボン系材料に紫外線を１分間程度照射するだけで、冷媒の組成に係らず濡れ角を小さくさせ、すなわち親水性を向上させ、良好な毛細管力を得ることが可能となる。
【００７１】
なお、本実施形態では純水にブタノール又はエタノールを添加した冷媒を使用したが、冷媒として純水を使用する場合でも、カーボンナノチューブに紫外線処理を行えば、濡れ角を小さくさせ良好な毛細管力を得ることができる。
【００７２】
［ヒートスプレッダの動作］
次に、以上のように構成されたヒートスプレッダ１の動作について説明する。
【００７３】
図８は、ヒートスプレッダ１の動作を説明するための模式図である。
【００７４】
同図に示すように、熱源５０が熱を発生すると、この熱を受熱板４の受熱面４１が受ける。そうすると、受熱面４１に表裏対向する蒸発面４２に設けられた蒸発部７の溝７４において毛細管力により液冷媒が流通する（矢印Ａ）。この液冷媒は主に蒸発部７の蒸発面７２で蒸発し、蒸気冷媒となる。蒸気冷媒の一部は蒸発部７の溝７４内で流通するが、蒸気冷媒のほとんどは放熱板３側に向かうように流路６を流通する（矢印Ｂ）。蒸気冷媒が流路６を流通することで熱が拡散し、放熱板３の凝縮面３２において蒸気冷媒が凝縮し、液相に戻る（矢印Ｃ）。これによりヒートスプレッダ１により拡散させられた熱が、凝縮面３２に表裏対向する放熱面３１からヒートシンク５５に伝達され、ヒートシンク５５から放熱される（矢印Ｄ）。液冷媒は液相流路５１を毛細管力により流通して、あるいは流路６を重力により流通して受熱側に戻る（矢印Ｅ）。このような動作が繰り返されることにより、熱源５０の熱がヒートスプレッダ１により移動する。
【００７５】
矢印Ａ〜Ｅで示した各動作の領域は、ある程度の目安あるいは基準を示すものである。熱源５０の熱量等によりそれらの各動作領域が多少シフトする場合があるので、各動作が領域ごとに明確に分けられるわけではない。
【００７６】
［ヒートスプレッダの製造方法］
次に、ヒートスプレッダ１の製造方法の一実施形態について説明する。
【００７７】
図９は、ヒートスプレッダ１の製造方法を示すフローチャートである。
【００７８】
受熱板４の蒸発面４２に下地層８を形成する（ステップＳＴ１０１）。下地層８はカーボンナノチューブを生成するための触媒層である。
【００７９】
次に、下地層８にカーボンナノチューブを密集して生成することで、カーボンナノチューブ層を形成する（ステップＳＴ１０２）。カーボンナノチューブはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相蒸着）や熱ＣＶＤにより触媒層上に生成することができるが、この方法に限られない。蒸発面４２には上記紫外線処理による表面改質を施してもよい。放熱板３の凝縮面３２にも同様に紫外線処理による表面改質を施してもよい。
【００８０】
次に、カーボンナノチューブ層の表面に、加工工具（バイト）でＶ字形状を有する溝を形成する（ステップＳＴ１０３）。これにより、蒸発面７２に溝７４を有する蒸発部７が形成される。一般に、ミクロンオーダーの形状を有するカーボンナノチューブを機械加工して微細な構造体を作成することは難しく、通常はエッヂングにより表面加工を行う。それに対し、本発明者の見地によれば、密集して生成しているカーボンナノチューブを１つの材料（カーボンナノチューブ層）とみなし、カーボンナノチューブを少しずつ倒すようにすることで、ミクロンオーダーの形状を形成することができる。この加工方法は、金属等の基材を切削するよりも容易であり、またエッヂングよりも安価にできる上、良好な微細加工性が得られる。バイトは下地層８を構成する金属よりも硬度が低い素材で構成されてもよい。それにより、加工時に下地層８、受熱板４及びバイト自体を傷つけることがなく、下地層８と溝７４の底部７７との距離を例えば１μｍ以上に保つことが可能となる。これにより、傷や剥がれのない蒸発部７を実現することができる。破れた下地層を通って受熱板４と下地層８との間に冷媒が侵入することがないため、下地層８全体が剥離するおそれがない。金型によるプレス成型などで溝７４を形成してもよい。この場合も同様の趣旨により、金型が下地層８を構成する金属よりも硬度が低い素材で構成されてもよい。
【００８１】
所望のＶ字形状の溝が精密加工された型と触媒層としての下地層８を設けた受熱板４の蒸発面４２との間に反応気相を流すことで、表面に溝７４を有する蒸発部７を形成してもよい。この方法によれば、切削等を行う必要がないため、下地層８及び受熱板４を傷つけるおそれがさらに低減する。なお、この方法は熱ＣＶＤに限られる。
【００８２】
受熱板４の蒸発面４２にＶ字形状の溝を形成し、受熱板４上に対応するＶ字形状の溝を有する触媒層としての下地層８を形成し、下地層８上に対応するＶ字形状の溝を有するカーボンナノチューブ層を形成してもよい。ここでも切削等を行う必要が無いため、下地層８及び受熱板４を傷つけるおそれがさらに低減する。
【００８３】
必要に応じて、蒸発部７の蒸発面７２に上述の紫外線処理による表面改質を施す（ステップＳＴ１０４）。
【００８４】
次に、受熱板４に側壁板５を介して放熱板３を接合し、コンテナ２を形成する（ステップＳＴ１０５）。接合時には、各部材の精密な位置合わせが行われる。
【００８５】
次に、コンテナ２内に冷媒を注入し、封止する（ステップＳＴ１０６）。この冷媒は、上述のように純水に所望の量のヒドロキシル基（ＯＨ基）を有する有機化合物を添加したものである。
【００８６】
図１０は、コンテナ２内への冷媒の注入方法を順に示した模式図である。
【００８７】
受熱板４は、注入口４５及び注入路４６を備えている。
【００８８】
図１０（Ａ）に示すように、例えば注入口４５及び注入路４６を介して流路６内が減圧され、注入口４５及び注入路４６を介して図示しないディスペンサにより冷媒が内部流路に注入される。
【００８９】
図１０（Ｂ）に示すように、押圧領域４７が押圧されて注入路４６が塞がれる（仮封止）。別の注入路４６及び注入口４５を介して流路６内が減圧され、その流路６内が目標圧になった時点で押圧領域４７が押圧されて注入路４６が塞がれる（仮封止）。
【００９０】
図１０（Ｃ）に示すように、押圧領域４７よりも注入口４５に近い側において、注入路４６が例えばレーザ溶接により塞がれる（本封止）。これにより、ヒートスプレッダ１の内部が密閉される。このように、コンテナ２内に冷媒を注入し、封止することで、ヒートスプレッダ１が完成する。
【００９１】
次に、受熱板４の受熱面４１に熱源５０を実装する（ステップＳＴ１０７）。熱源５０がＣＰＵの場合、この工程は、例えばはんだ付け等のリフロー工程により行われる。
【００９２】
リフロー工程と、ヒートスプレッダ１の製造工程とは、別の場所（例えば別の工場など）で行われる場合もある。したがって、リフロー後に作動流体が注入される場合、例えばヒートスプレッダ１を工場間を往復させる必要があり、それによるコスト、作業者の労力、時間、あるいは工場間往復の際に発生するパーティクルの問題等がある。本製造方法によれば、ヒートスプレッダ１が完成された後にリフローすることが可能となり、上記問題を解決することができる。
【００９３】
次に、本発明の他の実施形態に係る熱輸送装置を説明する。
【００９４】
［凝縮部の他の実施形態］
上記実施形態では、受熱板４の蒸発面４２にカーボンナノチューブ等のカーボン系材料からなる蒸発部７を設けた。しかしながら、これに限定されず、放熱板３の凝縮面３２の一部又は全面にカーボン系材料からなる凝縮部を設けてもよい。この凝縮部の表面には溝を設けてもよい。カーボン系材料としては、例えばカーボンナノチューブが挙げられる。
【００９５】
カーボンナノチューブは高い熱伝導性を有し、表面にナノ構造を有するので、凝縮面３２を金属材料等からなる放熱板３だけで構成する場合に比べて、凝縮及び放熱を促進させることができる。また、このナノ構造及び凝縮部に設けられた溝により毛細管力を向上させることができるので、凝縮面における液冷媒の流通、凝縮及び放熱をさらに促進させることができる。
【００９６】
凝縮部を形成するカーボンナノチューブは、先端が下方に向かうように生成されればよい。液冷媒は先端が下方に向かうカーボンナノチューブを伝いつつ重力により受熱板４の蒸発面４２へと向かう。この構造により、液冷媒の流通を促進させることができるとともに、新たに凝縮層に到達する蒸気冷媒の凝縮の妨げになることもない。これにより、凝縮面３２への液冷媒の供給量が減少するおそれが低減し、冷媒の循環に障害をきたすことなく、動作の安定性を実現できる。
【００９７】
あるいは、受熱板４の蒸発面４２にカーボン系材料からなる蒸発部７を設けず、放熱板３の凝縮面３２にのみカーボン系材料からなる凝縮層を設けることも本実施形態の一態様である。
【００９８】
［熱輸送装置の他の実施形態］
図１１は、本発明の他の実施形態に係る熱輸送装置としてのヒートパイプを示す断面図である。
【００９９】
同図に示すように、ヒートパイプ１００は、一端部に設けられた受熱側端部４００と、受熱側端部４００と対向して他端部に設けられた放熱側端部３００と、受熱側端部４００と放熱側端部３００とを連結する壁部５００とを有するパイプ型のコンテナ２００よりなる。
【０１００】
コンテナ２００の内部空間は、主に冷媒（作動流体）の流路６００を構成する。コンテナ２００には、上記純水に所望の量のヒドロキシル基（ＯＨ基）を有する有機化合物を添加した冷媒が封入されている。
【０１０１】
壁部５００の内面（流路部）には、受熱側端部４００と放熱側端部３００とを連結するようにカーボンナノチューブ等のカーボン系材料からなる液相流路５１０（領域）が設けられる。この液相流路５１０には、受熱側端部４００と放熱側端部３００とを連結する方向に長尺状の溝を設けてもよい。
【０１０２】
受熱側端部４００は、コンテナ２００の外壁面に相当する受熱面４１０と、放熱側端部３００に対向する蒸発面４２０（蒸発部）とを有する。蒸発面４２０には、カーボンナノチューブ等のカーボン系材料からなり表面に溝を有する蒸発部７００（領域）が設けられる。蒸発部７００は、蒸発面４２０の全面に設けてもよく、一部に設けてもよい。
【０１０３】
放熱側端部３００は、コンテナ２００の外壁面に相当する放熱面３１０と、受熱側端部４００に対向する凝縮面３２０（凝縮部）とを有する。凝縮面３２０には、カーボンナノチューブ等のカーボン系材料からなり表面に溝を有する凝縮層７５０（領域）が設けられる。凝縮層７５０は、凝縮面３２０の全面に設けてもよく、一部に設けてもよい。
【０１０４】
液相流路５１０、蒸発面４２０、蒸発部７００、凝縮面３２０及び凝縮層７５０の表面に紫外線処理を行って表面改質をしてもよい。蒸発部７００及び凝縮層７５０は、液相流路５１０と一体的に設けられてもよいし、断続的に設けられてもよい。液相流路５１０、蒸発部７００及び凝縮層７５０の全てを設けなくてもよく、これら各部材のうち少なくとも１つのみ設けてもよい。
【０１０５】
コンテナ２００の受熱側端部４００の受熱面４１０には熱源５０が熱的に接続され、放熱側端部３００の放熱面３１０にはヒートシンク５５が熱的に接続される。
【０１０６】
図１２は、ヒートパイプ１００の動作を説明するための模式図である。
【０１０７】
同図に示すように、熱源５０が熱を発生すると、この熱を受熱側端部４００の受熱面４１０が受ける。そうすると、受熱側端部４００の蒸発面４２０に設けられた蒸発部７００の溝において毛細管力により液冷媒が流通する（矢印Ａ１）。この液冷媒は受熱側端部４００に設けられた蒸発部７００の蒸発面で蒸発し、蒸気冷媒となる。蒸気冷媒の一部は、蒸発部７００の溝内で流通するが、蒸気冷媒のほとんどは、わずかな圧力差によって放熱側端部３００側に向かうように流路６００を流通する（矢印Ｂ１）。蒸気冷媒が流路６００を流通することで熱が拡散し、放熱側端部３００の凝縮面３２０に設けられた凝縮層７５０において蒸気冷媒が凝縮し、液相に戻る（矢印Ｃ１）。これによりヒートパイプ１００により拡散させられた熱が、放熱側端部３００の放熱面３１０からヒートシンク５５に伝達され、ヒートシンク５５から放熱される（矢印Ｄ１）。液冷媒は液相流路５１０を毛管現象により流通して受熱側端部４００に戻る（矢印Ｅ１）。このような動作が繰り返されることにより、熱源５０の熱がヒートパイプ１００により移動する。
【０１０８】
上記ヒートパイプ１００によれば、純水に所望の量のヒドロキシル基（ＯＨ基）を有する有機化合物を添加した冷媒カーボン系材料からなり溝が設けられた液相流路５１０を流通するので、良好な毛細管力を得ることができ、冷媒の還流を促進することができる。
【０１０９】
［電子機器］
図１３は、ヒートスプレッダ１を備えた電子機器として、デスクトップ型のＰＣを示す斜視図である。
【０１１０】
ＰＣ２０の筐体２１内には、回路基板２２が配置され、例えば回路基板２２には熱源としてのＣＰＵ２３が搭載されている。このＣＰＵ２３にヒートスプレッダ１が熱的に接続され、ヒートスプレッダ１にはヒートシンクが熱的に接続される。
【０１１１】
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。
【０１１２】
例えば、受熱板４の一部の領域に蒸発部７を設けたが、これに限定されず、受熱板４の全面に蒸発部７としてカーボン系材料からなる蒸発層を設けてもよい。
【０１１３】
熱輸送装置としてヒートスプレッダ及びヒートパイプを例に説明したが、これに限定されず、ＣＰＬ等の熱輸送装置でもよい。
【０１１４】
ヒートスプレッダ１の平面形状は四角形あるいは正方形とした。しかし、その平面形状は、円形、楕円形、多角形、あるいは他の任意の形状であってもよい。
【０１１５】
電子機器としてデスクトップ型のＰＣを例に挙げた。しかし、これに限定されず、電子機器としては、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子辞書、カメラ、ディスプレイ装置、オーディオ／ビジュアル機器、プロジェクタ、携帯電話、ゲーム機器、カーナビゲーション機器、ロボット機器、レーザ発生装置、その他の電化製品等が挙げられる。
【符号の説明】
【０１１６】
１…ヒートスプレッダ
２、２００…コンテナ
３…放熱板
４…受熱板
５…側壁板
６、６００…流路
７、７００…蒸発部
５０…熱源
５１、５１０…液相流路
５５…ヒートシンク
１００…ヒートパイプ
３００…放熱側端部
４００…受熱側端部
５００…壁部
７５０…凝縮層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる作動流体と、
前記作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部と、
前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、
前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる流路部と、
前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域と
を具備する熱輸送装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱輸送装置であって、
前記ヒドロキシル基を有する有機化合物は、アルコール類である
熱輸送装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱輸送装置であって、
前記アルコール類はブタノールであり、前記ブタノールの含有量は、２重量％より大きく１０重量％以下である
熱輸送装置。
【請求項４】
請求項３に記載の熱輸送装置であって、
前記カーボン系材料は、カーボンナノチューブである
熱輸送装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱輸送装置であって、
前記領域は、紫外線処理された前記カーボンナノチューブからなる
熱輸送装置。
【請求項６】
請求項５に記載の熱輸送装置であって、
前記領域は、表面に溝を有する
熱輸送装置。
【請求項７】
請求項２に記載の熱輸送装置であって、
前記アルコール類はエタノールであり、前記エタノールの含有量は、１５重量％以上４０重量％以下である
熱輸送装置。
【請求項８】
熱源と、
熱輸送装置とを具備し、
前記熱輸送装置は、
純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる作動流体と、
前記作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部と、
前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、
前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる流路部と、
前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域とを有する
電子機器。
【請求項９】
作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部、及び液相の前記作動流体を前記蒸発部に流通させるための流路部を有する熱輸送装置の製造方法であって、
第１の基材にカーボン系材料からなる領域を形成して、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つを構成する第２の基材を作製し、
少なくとも前記第２の基材を用いてコンテナを形成し、
前記コンテナ内に、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる作動流体を封入する
熱輸送装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の熱輸送装置の製造方法であって、さらに、
前記カーボン系材料がカーボンナノチューブであり、このカーボンナノチューブを紫外線処理する
熱輸送装置の製造方法。
【請求項１】
純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる作動流体と、
前記作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部と、
前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、
前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる流路部と、
前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域と
を具備する熱輸送装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱輸送装置であって、
前記ヒドロキシル基を有する有機化合物は、アルコール類である
熱輸送装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱輸送装置であって、
前記アルコール類はブタノールであり、前記ブタノールの含有量は、２重量％より大きく１０重量％以下である
熱輸送装置。
【請求項４】
請求項３に記載の熱輸送装置であって、
前記カーボン系材料は、カーボンナノチューブである
熱輸送装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱輸送装置であって、
前記領域は、紫外線処理された前記カーボンナノチューブからなる
熱輸送装置。
【請求項６】
請求項５に記載の熱輸送装置であって、
前記領域は、表面に溝を有する
熱輸送装置。
【請求項７】
請求項２に記載の熱輸送装置であって、
前記アルコール類はエタノールであり、前記エタノールの含有量は、１５重量％以上４０重量％以下である
熱輸送装置。
【請求項８】
熱源と、
熱輸送装置とを具備し、
前記熱輸送装置は、
純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる作動流体と、
前記作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部と、
前記蒸発部と連通し、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、
前記凝縮部で液相に凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に流通させる流路部と、
前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つに設けられ、カーボン系材料からなる領域とを有する
電子機器。
【請求項９】
作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部、前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部、及び液相の前記作動流体を前記蒸発部に流通させるための流路部を有する熱輸送装置の製造方法であって、
第１の基材にカーボン系材料からなる領域を形成して、前記蒸発部、前記凝縮部及び前記流路部の少なくとも一つを構成する第２の基材を作製し、
少なくとも前記第２の基材を用いてコンテナを形成し、
前記コンテナ内に、純水にヒドロキシル基を有する有機化合物を添加してなる作動流体を封入する
熱輸送装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の熱輸送装置の製造方法であって、さらに、
前記カーボン系材料がカーボンナノチューブであり、このカーボンナノチューブを紫外線処理する
熱輸送装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２４３０３６（Ｐ２０１０−２４３０３６Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９１２１６（Ｐ２００９−９１２１６）
【出願日】平成２１年４月３日（２００９．４．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３日（２００９．４．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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