JP7477920B1 - Heat Transport Devices - Google Patents

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JP7477920B1 JP2023056971A JP2023056971A JP7477920B1 JP 7477920 B1 JP7477920 B1 JP 7477920B1 JP 2023056971 A JP2023056971 A JP 2023056971A JP 2023056971 A JP2023056971 A JP 2023056971A JP 7477920 B1 JP7477920 B1 JP 7477920B1
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龍彦 相澤
伸哉 海老名
広樹 中田
猛 那須
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Abstract

【課題】熱輻射伝熱、熱対流伝熱、沸騰伝熱により、高熱源からの熱を効率的に輸送可能なデバイスを提供する。【解決手段】高熱源18に密着配置される基材12と、基材12の表面に形成された第1のユニットセル14とを備え、第1のユニットセル14が、基板12上に金属製の複数の凸状セル16を規則的に配列させたものよりなり、各凸状セル16が、(1)高さH:0.35μm~50μm、(2)底部幅B:0.175~25μm、(3)凸状セル16間の間隔D: 0.49μm~50μm、の条件を満たしている第1の熱輸送デバイス10。【選択図】図1[Problem] To provide a device capable of efficiently transporting heat from a high-temperature heat source by thermal radiation heat transfer, thermal convection heat transfer, and boiling heat transfer. [Solution] A first heat transport device 10 comprising a substrate 12 placed in close contact with a high-temperature heat source 18, and a first unit cell 14 formed on the surface of the substrate 12, the first unit cell 14 being made of a plurality of metallic convex cells 16 regularly arranged on the substrate 12, each of the convex cells 16 satisfying the following conditions: (1) height H: 0.35 μm to 50 μm, (2) bottom width B: 0.175 to 25 μm, (3) spacing D between the convex cells 16: 0.49 μm to 50 μm. [Selected Figure] Figure 1

Description

この発明は熱輸送デバイスに係り、特に、発熱源に密着させることにより、抜熱・冷却機能を発揮する装置に関する。 This invention relates to a heat transport device, and in particular to a device that performs heat removal and cooling functions by being placed in close contact with a heat source.

すべての動力機関は、熱力学にしたがい、外部から供給したエネルギーの多くを熱として排出するため、それを熱輸送しなければ、機関を構成する材料の温度は上昇し、熱機関の機能は低下、あるいは劣化する。
パワー半導体、集積回路、CPUボード、レーザ発振器、中継局などは、発熱を抑制するために、種々の熱輸送ユニットが組み込まれている。
According to thermodynamics, all power engines expel much of the energy supplied from an external source as heat. If this heat is not transported, the temperature of the materials that make up the engine will rise and the function of the heat engine will decrease or deteriorate.
Power semiconductors, integrated circuits, CPU boards, laser oscillators, relay stations, etc. incorporate various heat transport units to suppress heat generation.

代表的な熱輸送ユニットが、ヒートシンクである。
高熱伝導率を有する銅あるいはアルミニウム板表面に突起状のフィンを作製し、片面を発熱する半導体基板、CPUボード、レーザ発振器等に接着・接合して使用する。
熱伝導してきた熱流束を、フィンを介して気体あるいは液体の冷媒に伝達することで、発熱を抑えている。
A typical heat transport unit is a heat sink.
Fins are formed on the surface of a copper or aluminum plate with high thermal conductivity, and one side is bonded or joined to a heat-generating semiconductor substrate, CPU board, laser oscillator, etc.
Heat generation is suppressed by transferring the conducted heat flux to a gas or liquid refrigerant via fins.

原子力発電所などでは、加熱した液体あるいは気体、さらには気相が混入した液相(2相)の流れを利用してタービンを回転させるため、高熱流束による抜熱を、冷却水の沸騰を利用した伝熱機構で行っている。
温暖化対策として、宇宙空間への放射冷却により、ヒートアップした住宅から窓素材を介した輻射伝熱も行われている。
この熱輸送方式には、以下の4つの機構(メカニズム)がある。
In nuclear power plants and other facilities, turbines are rotated using the flow of heated liquid or gas, or even a liquid phase (two-phase) mixed with gas, so the heat removal caused by the high heat flux is carried out using a heat transfer mechanism that utilizes the boiling of cooling water.
As a measure against global warming, radiative cooling into space also occurs, with heat being transferred from heated homes to radiant heat through window materials.
This heat transport method has the following four mechanisms:

(1) 熱伝導伝熱
熱伝導伝熱では、高熱源から固体を介して熱輸送されるため、その固体の熱伝導率および固体と高熱源との熱抵抗(ギャップコンダクタンス)が、その伝熱特性を決定する。
銀、銅あるいはアルミニウムなどの高伝導率を有する材料が使用され、例えば半導体基材などに利用される。さらにグラフェンやグラファイトなども、固体熱拡散素材として広く利用されはじめている。
(1) Thermal conduction heat transfer In thermal conduction heat transfer, heat is transported from a high-temperature heat source through a solid. The thermal conductivity of the solid and the thermal resistance (gap conductance) between the solid and the high-temperature heat source determine the heat transfer characteristics.
Materials with high conductivity, such as silver, copper, or aluminum, are used, for example, in semiconductor substrates, and graphene and graphite are also beginning to be widely used as solid heat spreaders.

(2) 熱輻射伝熱
熱輻射伝熱は、高熱源から電磁波として熱を放射する伝熱機構であり、空気などの気相への伝熱では対流伝熱を伴い、真空中では電磁波放射により熱輸送する。
例えば、自然界では太陽からの熱輻射伝熱により、宇宙空間を介して地球表面も加熱される。
(2) Thermal radiation heat transfer Thermal radiation heat transfer is a heat transfer mechanism in which heat is radiated from a high-temperature heat source as electromagnetic waves. When heat is transferred to a gas phase such as air, it is accompanied by convection heat transfer, and in a vacuum, heat is transported by electromagnetic radiation.
For example, in nature, the surface of the Earth is heated by thermal radiation from the Sun through space.

この熱輻射伝熱は、プランクの法則にしたがい、高熱源の温度に依存して放射されるエネルギーおよび電磁波の波長が決定される。
したがって、低温で赤色-赤外-遠赤外の周波数帯の電磁波放射を行うには、高熱源表面を特殊な構造にする必要がある。
非特許文献1のようにナノ・フォトニック構造を利用する方法、あるいは非特許文献2のようにメタマテリアルを利用する方法で、ともに電磁波の近接場効果を利用するものである。
赤外線の波長選択性に関しては、マイクロパターンを有したフォトニックスを利用した赤外線センサー・ヒーターの研究(非特許文献3)あるいは凹型マイクロキャビティを用いた波長選択性の研究などがあり(非特許文献4)、低温での波長選択した熱放射デバイスの可能性が示されている。
特に、非特許文献5に報告されているように、凹型マイクロキャビティでのエミッター温度の低下は、高熱源表面温度の10%程度にとどまっている。
This thermal radiation heat transfer follows Planck's law, and the radiated energy and electromagnetic wave wavelength are determined depending on the temperature of the high heat source.
Therefore, in order to radiate electromagnetic waves in the red-infrared-far-infrared frequency bands at low temperatures, the surface of the high-temperature source must have a special structure.
The method using a nanophotonic structure as in Non-Patent Document 1, and the method using a metamaterial as in Non-Patent Document 2, both utilize the near-field effect of electromagnetic waves.
Regarding infrared wavelength selectivity, there is research on infrared sensors and heaters that utilize photonics with micropatterns (Non-Patent Document 3) and wavelength selectivity using concave microcavities (Non-Patent Document 4), which have demonstrated the possibility of wavelength-selective thermal radiation devices at low temperatures.
In particular, as reported in Non-Patent Document 5, the reduction in emitter temperature in a recessed microcavity is only about 10% of the surface temperature of a high heat source.

(3) 熱対流伝熱
熱対流伝熱は、高熱源表面を介して、気体あるいは液体の流れによって熱輸送する機構であり、その伝熱挙動は、冷却に用いる気体あるいは液体のレイノルズ数、プラントル数で決定される。
冷却用の気体・液体の速度が同一で、冷媒特性も同一であれば、熱伝達係数も同一となるため、伝熱面形状設計が熱対流伝熱向上にとって重要となる。
(3) Thermal convection heat transfer Thermal convection heat transfer is a mechanism for transporting heat by the flow of gas or liquid through the surface of a high heat source. The heat transfer behavior is determined by the Reynolds number and Prandtl number of the gas or liquid used for cooling.
If the speed of the cooling gas or liquid is the same and the refrigerant properties are the same, the heat transfer coefficient will also be the same, so the design of the heat transfer surface shape is important for improving thermal convection heat transfer.

ヒートシンクは、表面に突起状のピラーを設け、冷媒との接触面積を増大させるとともに、ピラー間のクリアランスにおいて低圧損で冷却容量を増加させる設計が採用されている(特許文献1)。
ただし、狭い冷却空間での熱対流伝熱では、従来のmm級のピラーを持つヒートシンクでは、効率的に冷媒を流すことは難しく、最近ではマイクロチャネルを用いたヒートシンクなど、従来と異なるデバイスが提案されている。
なお、このヒートシンクは閉ループであるため、高熱源を直接冷媒で熱対流伝熱することはできない(特許文献2)。
この対流伝熱においても、新しい発想での熱輸送デバイスの必要性がある。
The heat sink is designed with protruding pillars on its surface to increase the contact area with the refrigerant and to increase the cooling capacity with low pressure loss in the clearance between the pillars (Patent Document 1).
However, when it comes to thermal convection heat transfer in a small cooling space, it is difficult to efficiently circulate refrigerant using conventional heat sinks with mm-class pillars, and recently, non-conventional devices such as heat sinks using microchannels have been proposed.
In addition, since this heat sink is a closed loop, it is not possible to directly transfer heat from the high heat source by convection using the refrigerant (Patent Document 2).
In this convective heat transfer as well, there is a need for heat transport devices based on new ideas.

(4) 沸騰伝熱
沸騰伝熱は、冷却材の液相から気相への相変態を伴う熱伝達であり、冷却水では、水から水蒸気への相変態を伴うことで、高い熱流束での伝熱機構を実現する。
その特性は、熱流束の過熱度に対する応答、すなわち沸騰曲線で記述されるため、この伝熱機構を狭小な空間で利用するには、ベイパーチャンバー(Vapor Chamber)のように、マイクロチャネル内で繰り返し相変態を生じさせながら対流伝熱をはかる必要がある(特許文献3)
ただし、1つ1つの相変態を伴う伝熱機構は、通常の沸騰伝熱で支配される(特許文献4)。
(4) Boiling heat transfer Boiling heat transfer is a heat transfer mechanism that involves a phase transformation of the coolant from liquid to gas phase. In the case of cooling water, it is accompanied by a phase transformation from water to steam, realizing a heat transfer mechanism at high heat flux.
Its characteristics are described by the response of the heat flux to the degree of superheat, i.e., the boiling curve. Therefore, in order to utilize this heat transfer mechanism in a small space, it is necessary to perform convective heat transfer while repeatedly causing phase transformations in a microchannel, such as in a vapor chamber (Patent Document 3).
However, the heat transfer mechanism accompanying each phase transformation is governed by normal boiling heat transfer (Patent Document 4).

より自由度があり、限界熱流束をこえる沸騰伝熱デバイスは、シリコンテクノロジーを用いて開発されている(非特許文献6)。
この手法は、規則的なマイクロ構造をシリコン上に作製できる点で優れているが、脆性なシリコンを利用するデバイスでは、実用上の十分な耐久性を確保できない。
この沸騰伝熱においても、実用上の耐久性をもつ金属によるマイクロ構造を備えた熱輸送デバイスの必要性がある。
Boiling heat transfer devices with greater flexibility and capable of exceeding the critical heat flux have been developed using silicon technology (Non-Patent Document 6).
This technique has the advantage of being able to fabricate regular microstructures on silicon, but in devices that use brittle silicon, it does not provide sufficient durability for practical use.
In this boiling heat transfer, there is a need for a heat transport device having a metal microstructure that has practical durability.

Nanophotonic control of thermal radiation for energy applications/Optics Express vol.26, Issue 12, pp. 15995-16021 (2018)/Wei Li and Shanhui FanNanophotonic control of thermal radiation for energy applications/Optics Express vol.26, Issue 12, pp. 15995-16021 (2018)/Wei Li and Shanhui Fan A Review of Tunable Wavelength Selectivity of Metamaterials in Near-Field and Far-Field Radiative Thermal Transport/Materials 2018, 11(5), 862 May 22 2018/Yanpei Tian, Alok Ghanekar, Matt Ricci, Mikhail Hyde, Otto Gregory, Yi ZhengA Review of Tunable Wavelength Selectivity of Metamaterials in Near-Field and Far-Field Radiative Thermal Transport/Materials 2018, 11(5), 862 May 22 2018/Yanpei Tian, Alok Ghanekar, Matt Ricci, Mikhail Hyde, Otto Gregory, Yi Zheng 中赤外プラズモン共鳴のスペクトル制御とその応用/光学 第44巻第2号(2015年2月)/長尾忠昭、DAO Duy Thang、CHEN Kai、石井智Spectral control of mid-infrared plasmon resonance and its applications / Optics Vol. 44 No. 2 (February 2015) / Tadaaki Nagao, Duy Thang DAO, Kai Chen, Satoshi Ishii Unidirectional radiative heat transfer with a spectrally selective planar absorber/emitter for high-efficiency solar thermophotovoltaic systems/Applied Physics Express 9, 112302(2016)/Asaka Kohiyama, Makoto Shimizu1, Hiroo YugamiUnidirectional radiative heat transfer with a spectrally selective planar absorber/emitter for high-efficiency solar thermophotovoltaic systems/Applied Physics Express 9, 112302(2016)/Asaka Kohiyama, Makoto Shimizu1, Hiroo Yugami 新規ヒートシンクタイプ放射材の開発/平成24年度戦略的基盤技術高度化支援事業報告書(2013)/オキツモ株式会社、国立大学法人東北大学Development of a new heat sink type radiation material / FY2012 Strategic Basic Technology Advancement Support Project Report (2013) / Okitsumo Co., Ltd., Tohoku University マイクロンピンフィンおよびサブミクロン粗さを有するシリコンチップ上のFC-72の沸騰熱伝達/日本機械学会論文集68巻656号(2002)p519-p526/本田博司、高松洋、魏進家Boiling heat transfer of FC-72 on silicon chips with micron pin fins and submicron roughness / Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 68, No. 656 (2002) p519-p526 / Hiroshi Honda, Hiroshi Takamatsu, Jinjia Wei 特許第6582114号Patent No. 6582114 特許第5778302号Patent No. 5778302 特開2021-014936号JP 2021-014936 A 特許第6623296号Patent No. 6623296

熱輸送デバイスには、各伝熱形態に共通する特性として、要求される放熱面の面積の大小、形状の相違に拘らず、加熱面に接着・接合できることが求められる。
また、熱輸送デバイスなしの無垢の金属面による抜熱能力を超える必要がある。熱輸送する空間が狭小であっても、抜熱する機能を保有する必要もある。
さらに、高熱源から冷媒などの低熱源への効率的な熱輸送が求められる。
A common characteristic of heat transport devices, regardless of the type of heat transfer, is that they must be able to be bonded or joined to a heating surface, regardless of the size or shape of the required heat dissipation surface.
In addition, the heat transfer device must exceed the heat transfer capacity of a solid metal surface without a heat transfer device. Even if the space for heat transfer is narrow, the device must have the function of transferring heat.
Furthermore, there is a need for efficient heat transport from a high-temperature heat source to a low-temperature heat source such as a refrigerant.

熱輻射伝熱では、熱輸送デバイス表面に、高熱源から伝達する熱を、赤外、遠赤外線として効率よく放射するマイクロ/ナノ構造を作製する。
また、比較的低温の高熱源(エミッター)からも気体・真空を介して、熱輻射伝熱により対面する対象物に熱輸送する。
この熱輻射により、高熱源に接着、接合した熱輸送デバイスの表面温度を低減する。
In thermal radiation heat transfer, micro/nano structures are created on the surface of a heat transport device that efficiently radiate heat transferred from a high-temperature heat source as infrared or far-infrared radiation.
Heat is also transported from a relatively low-temperature, high-heat source (emitter) through gas or vacuum to an opposing object by thermal radiation.
This thermal radiation reduces the surface temperature of the heat transport device that is bonded or joined to a high heat source.

熱対流伝熱では、自然空冷あるいは強制空冷条件下でも、熱輸送デバイスを介して、迅速に伝熱面の表面温度を低下させる。
銅、アルミニウムなどの高伝熱伝導率を有する金属面よりも抜熱速度を向上させる。
In thermal convection, the surface temperature of a heat transfer surface is rapidly reduced through a heat transport device, even under natural or forced air cooling conditions.
It improves the heat removal speed compared to metal surfaces with high thermal conductivity such as copper and aluminum.

沸騰伝熱では、沸騰開始過熱度を低下させ、早期から発泡を促進することで、より高い熱流束での抜熱を行う。
過熱度のわずかな増加でも熱流束を増大させ、熱輸送デバイスの表面温度を低下させ、高熱源からの熱伝達を効率化する。
さらに、限界熱流束をも高める。
In boiling heat transfer, the degree of superheat at the start of boiling is reduced and foaming is promoted from an early stage, allowing heat to be removed with a higher heat flux.
Even a small increase in superheat increases the heat flux, lowering the surface temperature of the heat transport device and making heat transfer from the hot heat source more efficient.
Furthermore, the critical heat flux is also increased.

上記課題を解決するため、この発明に係る第1の熱輸送デバイスは、熱源に密着配置される基材と、基材の表面に形成されたユニットセルとを備え、ユニットセルが、基板上に金属製の複数の凸状(凸型)セルを規則的に配列させたものよりなり、各凸状セルの高さHが、0.35μm~50μmの条件を満たすことを特徴としている。
この第1の熱輸送デバイスの凸状セルは、さらに以下の条件を満たすことが望ましい。
底部幅B:0.175μm~25μm
凸状セル間の間隔D:0.49μm~50μm
In order to solve the above problems, the first heat transport device of the present invention comprises a substrate placed in close contact with a heat source, and a unit cell formed on the surface of the substrate, the unit cell being composed of a plurality of metallic convex (protruding) cells regularly arranged on a substrate, and the height H of each convex cell satisfies the condition of 0.35 μm to 50 μm.
It is desirable that the convex cell of this first heat transport device further satisfies the following condition.
Bottom width B: 0.175μm to 25μm
Distance between convex cells D: 0.49 μm to 50 μm

また、この発明に係る第2の熱輸送デバイスは、熱源に密着配置される基材と、基材の表面に形成されたユニットセルとを備え、ユニットセルが、基板上に金属製の複数の凸状セルを準規則的に配列させたものよりなり、各凸状セルが以下の条件を満たすことを特徴としている。
平均高さHave:0.35μm~50μm
高さ偏差Hdev:平均高さHaveの50%以内
この第2の熱輸送デバイスの凸状セルは、さらに以下の条件を満たすことが望ましい。
平均底部幅Bave:0.175μm~25μm
底部幅偏差Bdev:平均底部幅Bの50%以内
凸状セル間の平均間隔Dave:0.49μm~50μm
凸状セル間の間隔偏差Ddev:平均間隔Daveの50%以内
A second heat transport device according to the present invention comprises a substrate placed in close contact with a heat source, and a unit cell formed on the surface of the substrate, the unit cell comprising a plurality of metallic convex cells arranged in a quasi-regular pattern on the substrate, and each of the convex cells satisfies the following condition:
Average height H ave : 0.35 μm to 50 μm
Height deviation H dev : Within 50% of average height H ave It is desirable that the convex cell of this second heat transport device further satisfies the following condition.
Average bottom width B ave : 0.175 μm to 25 μm
Bottom width deviation Bdev : Within 50% of average bottom width B Average spacing between convex cells Dave : 0.49μm to 50μm
Spacing deviation D dev between convex cells: within 50% of average spacing D ave

この発明に係る第3の熱輸送デバイスは、熱源に密着配置される基材と、基材の表面に密着配置された金属製のユニットセルとを備え、ユニットセルの表面には、複数の凹状(凹型)セルが規則的に配列されており、各凹状セルの高さHが、0.35μm~50μmの条件を満たすことを特徴としている。
この第3の熱輸送デバイスの凹状セルは、さらに以下の条件を満たすことが望ましい。
底部幅B:0.175μm~25μm
凹状セル間の間隔D:0.49μm~50μm
A third heat transport device according to the present invention comprises a substrate placed in close contact with a heat source, and a metallic unit cell placed in close contact with the surface of the substrate, wherein a plurality of concave (recessed) cells are regularly arranged on the surface of the unit cell, and the height H of each concave cell satisfies the condition of 0.35 μm to 50 μm.
It is desirable that the concave cell of this third heat transport device further satisfies the following conditions.
Bottom width B: 0.175μm to 25μm
Distance between concave cells D: 0.49 μm to 50 μm

この発明に係る第4の熱輸送デバイスは、熱源に密着配置される基材と、基材の表面に密着配置された金属製のユニットセルとを備え、ユニットセルの表面には、複数の凹状セルが準規則的に配列されており、各凹状セルが以下の条件を満たすことを特徴としている。
平均高さHave:0.35μm~50μm
高さ偏差Hdev:平均高さHaveの50%以内
この第4の熱輸送デバイスの凹状セルは、さらに以下の条件を満たすことが望ましい。
平均底部幅Bave:0.175μm~25μm
底部幅偏差Bdev:平均底部幅Bの50%以内
凹状セル間の平均間隔Dave:0.49μm~50μm
凹状セル間の間隔偏差Ddev:平均間隔Daveの50%以内
A fourth heat transport device according to the present invention comprises a substrate placed in close contact with a heat source, and a metallic unit cell placed in close contact with the surface of the substrate, wherein a plurality of concave cells are quasi-regularly arranged on the surface of the unit cell, and each concave cell satisfies the following condition:
Average height H ave : 0.35 μm to 50 μm
Height deviation H dev : Within 50% of average height H ave It is desirable that the concave cell of this fourth heat transport device further satisfies the following condition.
Average bottom width B ave : 0.175 μm to 25 μm
Bottom width deviation Bdev : Within 50% of average bottom width B Average spacing between concave cells Dave : 0.49μm to 50μm
Spacing deviation between concave cells D dev : Within 50% of average spacing D ave

上記の各凸状セルまたは凹状セルの表面に、複数の微細な凸状セルまたは凹状セルを形成することもできる。
また、上記基材として管状体を採用し、上記ユニットセルを当該管状体の外周面または内周面に形成するように構成することもできる。
さらに、上記基材とユニットセルを、同一素材により一体的に形成することもできる。
A plurality of fine convex or concave cells can be formed on the surface of each of the above-mentioned convex or concave cells.
Alternatively, a tubular body may be used as the base material, and the unit cells may be formed on the outer or inner peripheral surface of the tubular body.
Furthermore, the substrate and the unit cells can be integrally formed from the same material.

この発明に係る熱輸送デバイスは上記の形状・寸法条件を満たすマイクロ構造の凸状セルあるいは凹状セルを表面に多数備えているため、熱源から伝導した熱を熱輻射伝熱、熱対流伝熱、沸騰伝熱を介して効率的に輸送することができる。
また、凸状セル及び凹状セルは金属材よりなるため、高い耐久性を実現できる。
The heat transport device of the present invention has a large number of microstructured convex or concave cells on its surface that satisfy the above-mentioned shape and size conditions, and therefore can efficiently transport heat conducted from a heat source via thermal radiation heat transfer, thermal convection heat transfer, and boiling heat transfer.
Furthermore, since the convex cells and the concave cells are made of metal, high durability can be achieved.

この発明に係る第1の熱輸送デバイスを示す斜視図及び側面図である。1A and 1B are a perspective view and a side view showing a first heat transport device according to the present invention; 基材の金属候補、ポリマー候補、セラミックス&無機物候補、及びセルの金属候補を例示する表である。1 is a table illustrating candidate metals, candidate polymers, candidate ceramics and inorganic materials for the substrate, and candidate metals for the cell. 第1の熱輸送デバイスを熱輻射伝熱に用いる例を示す模式図である。1A and 1B are schematic diagrams showing an example in which the first heat transport device is used for thermal radiation heat transfer. 第1の熱輸送デバイスを熱対流伝熱に用いる例を示す模式図である。1A and 1B are schematic diagrams showing an example in which the first heat transport device is used for thermal convection heat transfer. 第1の熱輸送デバイスを沸騰伝熱に用いる例を示す模式図である。1A and 1B are schematic diagrams showing an example in which the first heat transport device is used for boiling heat transfer. セル形状のバリエーションを例示する図である。1A to 1C are diagrams illustrating variations in cell shape. 円柱形状の凸状セルを銅シート材上に規則的に配列した例を示すSEM像である。This is an SEM image showing an example of cylindrical convex cells regularly arranged on a copper sheet material. この発明に係る第2の熱輸送デバイスを示す斜視図及び側面図である。1A and 1B are a perspective view and a side view showing a second heat transport device according to the present invention. 第2の熱輸送デバイスの凸状セルの高さ分布を示すSEM像である。13 is an SEM image showing the height distribution of convex cells of the second heat transport device. SEM像上で、第2の熱輸送デバイスの第2のユニットセルを、各凸状セルを囲繞する複数の領域に区画する様子を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing how the second unit cell of the second heat transport device is divided into a plurality of regions surrounding each convex cell on an SEM image. 各領域の近似楕円の中心座標をプロットすることにより、凸状セル間のピッチを算出する様子を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing how the pitch between convex cells is calculated by plotting the central coordinates of an approximation ellipse for each region. 各凸状セルの高さを算出する手順を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a procedure for calculating the height of each convex cell. 第2の熱輸送デバイスに含まれる凸状セルの底部幅、凸状セル間の間隔、高さの統計分布を示す図である。13A and 13B are diagrams showing statistical distributions of the bottom width, the spacing between the convex cells, and the height of the convex cells included in the second heat transport device. 基材として銅シート材を用い、その表面に複数の凸状セルを準規則配列させた第2の熱輸送デバイスを示す平面写真である。13 is a plan photograph showing a second heat transport device using a copper sheet as a substrate and having a plurality of protruding cells arranged in a quasi-regular array on the surface thereof. 第2の熱輸送デバイスの凸状セルを示すSEM像である。11 is an SEM image showing a convex cell of the second heat transport device. 基材としてステンレス鋼板を用い、その表面に複数の凸状セルを準規則配列させた第2の熱輸送デバイスを示す平面写真である。13 is a plan photograph showing a second heat transport device in which a stainless steel plate is used as a substrate and a plurality of protruding cells are quasi-regularly arranged on the surface of the substrate. 基材として銅パイプを用い、その内周面に複数の凸状セルを準規則配列させた第2の熱輸送デバイスの断面を示す写真である。13 is a photograph showing a cross section of a second heat transport device in which a copper pipe is used as a substrate and a plurality of protruding cells are quasi-regularly arranged on the inner circumferential surface of the copper pipe. 第2の熱輸送デバイスの赤外分光測定の実験装置を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an experimental setup for infrared spectroscopy measurement of the second heat transport device. 第2の熱輸送デバイスの赤外分光測定の結果を示すグラフである。13 is a graph showing the results of infrared spectroscopy measurement of the second heat transport device. 第2の熱輸送デバイスの熱輻射伝熱の実験装置を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an experimental setup for thermal radiation heat transfer of the second heat transport device. 第2の熱輸送デバイスの熱輻射伝熱の実験結果を示す図である。13A and 13B are diagrams showing experimental results of thermal radiation heat transfer of the second heat transport device. 第2の熱輸送デバイスの熱輻射伝熱の実験結果を示すグラフである。13 is a graph showing experimental results of thermal radiation heat transfer of the second heat transport device. 高熱源と熱伝導で連結した第2の熱輸送デバイスにおける表面温度の低下を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the reduction in surface temperature in a second heat transport device that is thermally conductively coupled to a high heat source. 第2の熱輸送デバイスにおける強制空冷下での対流伝熱による温度変化を測定するための実験装置を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an experimental setup for measuring a temperature change due to convective heat transfer under forced air cooling in the second heat transport device. 第2の熱輸送デバイスにおける強制空冷下での対流伝熱による温度変化の測定結果を示すグラフである。13 is a graph showing the measurement results of temperature change due to convection heat transfer under forced air cooling in the second heat transport device. 第2の熱輸送デバイスによる沸騰曲線を測定するための実験装置を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an experimental setup for measuring a boiling curve by a second heat transport device. 第2の熱輸送デバイスによる沸騰曲線の測定結果を示すグラフである。13 is a graph showing the measurement results of a boiling curve using a second heat transport device. この発明に係る第3の熱輸送デバイスを示す斜視図及び断面図である。13A and 13B are a perspective view and a cross-sectional view showing a third heat transport device according to the present invention. この発明に係る第4の熱輸送デバイスを示す斜視図及び断面図である。13A and 13B are a perspective view and a cross-sectional view showing a fourth heat transport device according to the present invention. この発明に係る第5の熱輸送デバイスを示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a fifth heat transport device according to the present invention. この発明に係る第6の熱輸送デバイスを示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a sixth heat transport device according to the present invention. この発明に係る熱輸送デバイスの表面特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the surface characteristics of the heat transport device according to the present invention.

図1に示すように、この発明に係る第1の熱輸送デバイス10は、平板状の基材12と、基材12の表面に形成された第1のユニットセル14よりなる。 As shown in FIG. 1, the first heat transport device 10 according to the present invention comprises a flat substrate 12 and a first unit cell 14 formed on the surface of the substrate 12.

基材12は、各種金属、ポリマー、セラミックス、無機物より構成される。
図2(a)に基材12の金属候補を、図2(b)にポリマー候補を、図2(c)にセラミックス&無機物候補を例示する。
この発明では、基材12の厚さが1mm未満の場合をシート材と、1mm以上の場合を板材と称する。
The substrate 12 is made of various metals, polymers, ceramics, and inorganic materials.
FIG. 2(a) shows examples of metal candidates for the substrate 12, FIG. 2(b) shows examples of polymer candidates, and FIG. 2(c) shows examples of ceramic and inorganic candidates.
In the present invention, when the thickness of the base material 12 is less than 1 mm, it is called a sheet material, and when it is 1 mm or more, it is called a plate material.

第1のユニットセル14は、複数の凸状セル16より構成され、各凸状セル16は相互に一定の間隔をおいて縦横に規則的に配列されている。各凸状セル16の形状及び寸法も同一に形成されている。
凸状セル16は、例えば図2(d)に例示する金属材よりなる。
また各凸状セル16は、例えばレーザ加工、プレス加工、エッチング加工、ブラスト加工、メッキ加工等によって作成される。
The first unit cell 14 is composed of a plurality of convex cells 16, which are regularly arranged in the vertical and horizontal directions at regular intervals. The convex cells 16 are formed to have the same shape and dimensions.
The convex cells 16 are made of, for example, a metal material as shown in FIG.
Each of the convex cells 16 is formed by, for example, laser processing, pressing, etching, blasting, plating, or the like.

各凸状セル16は、以下の寸法条件を満たすように作成されている。
(1) 高さH:0.35μm~50μm
(2) 底部幅B:0.175~25μm
(3) 凸状セル間の間隔(ピッチ)D:0.49μm~50μm
ここで「高さH」は凸状セル16の下端から先端までの縦寸法を、「底部幅」は凸状セルの付け根部分の横寸法を指している。
Each of the convex cells 16 is fabricated to satisfy the following dimensional conditions.
(1) Height H: 0.35 μm to 50 μm
(2) Bottom width B: 0.175 to 25 μm
(3) Distance (pitch) between convex cells D: 0.49 μm to 50 μm
Here, "height H" refers to the vertical dimension from the bottom end to the tip of the convex cell 16, and "bottom width" refers to the horizontal dimension of the base portion of the convex cell.

上記の寸法設定は、以下の考察から導かれている。
1)放射伝熱の視点から
赤外線も含め電磁波は、波長(λ)によって特性、挙動が変化する。その中で、λ>0.7μm以上が近赤外、λ>2μmが遠赤外となる。
放射伝熱では、近赤外、遠赤外が「熱輸送」に関与する。
赤外レンズも主として遠赤外線の光学特性が重要となる。
基材を伝導してきた熱が、マイクロテクスチュア(高さH)から電磁波として放射される条件は、λ>2Hであり、近赤外では、Hは0.35μm以上が必要であり、遠赤外では、Hは1μm以上が必要となる。
空気あるいは真空を伝搬してきた近赤外、遠赤外線に対して、デバイスの実効屈折率を変化させて、無反射特性(Anti-Reflection)を得るには、H>2λが第1条件として必要となる。特に遠赤外として対象とするλ=25μmまでを考慮すると、Hが50μm必要となる。
また、無反射特性獲得ではD<0.7 ×λが求められるため、近赤外線では、Dは0.49μm以下とならなければならない。
The above dimensions are derived from the following considerations.
1) From the viewpoint of radiative heat transfer The characteristics and behavior of electromagnetic waves, including infrared rays, change depending on the wavelength (λ). Among them, λ>0.7μm or more is near infrared, and λ>2μm is far infrared.
In radiative heat transfer, near infrared and far infrared rays are involved in "heat transport."
For infrared lenses, the optical properties of far-infrared rays are also important.
The condition for the heat conducted through the substrate to be radiated as electromagnetic waves from the microtexture (height H) is λ>2H, where H must be 0.35 μm or more for near infrared and 1 μm or more for far infrared.
In order to obtain anti-reflection characteristics (anti-reflection) by changing the effective refractive index of the device against near-infrared and far-infrared rays propagating through air or vacuum, the first condition is required to be H>2λ. In particular, considering the far-infrared wavelength range of up to λ=25μm, H needs to be 50μm.
In addition, to obtain non-reflective characteristics, D<0.7 × λ is required, so in the near infrared, D must be 0.49 μm or less.

2)対流伝熱の視点から
対流伝熱では、冷媒(空気、水ほか)の速度によって、デバイス表面に形成される粘性層の厚さ(y)が変化する。
対象としている対流伝熱では、レイノルズ数で10000以下の乱流対流伝熱までであるので、粘性層厚は最大10μmとなる。
H<yでは、デバイスのテクスチュアは、冷媒の流れには影響しない。
しかし抜熱量を制御するには、H>yを利用し、テクスチュアを伝導してきた熱と冷媒流れと干渉する領域を利用する必要があり、H=50μmは必要となる。
テクスチュアでは、H/B、D/B比も重要で、H/B>2、D/B>2が低圧損で熱伝達向上に必要となる。Hが0.35μm以上、50μm以下とすると、Bは0.175μmから25μm、Dも0.49μmから50μmとなる。
2) From the viewpoint of convection heat transfer In convection heat transfer, the thickness (y) of the viscous layer formed on the device surface changes depending on the speed of the refrigerant (air, water, etc.).
The convective heat transfer considered here is limited to turbulent convective heat transfer with a Reynolds number of 10,000 or less, so the viscous layer thickness is a maximum of 10 μm.
For H<y, the texture of the device does not affect the flow of the coolant.
However, in order to control the amount of heat removal, it is necessary to utilize H>y and to utilize the region where the heat conducted through the texture interferes with the flow of the refrigerant, and therefore H=50 μm is necessary.
In terms of texture, the H/B and D/B ratios are also important, with H/B>2 and D/B>2 being necessary for low pressure loss and improved heat transfer. If H is 0.35μm or more and 50μm or less, B is 0.175μm to 25μm and D is 0.49μm to 50μm.

図3に示すように、第1の熱輸送デバイス10は熱輻射伝熱に用いることができる。
すなわち、高熱源18上に第1の熱輸送デバイス10を接合、接着し、気体あるいは真空を介して熱放射伝熱し、輻射対象物を加熱することで、長距離の熱輸送を行う。
特に、第1の熱輸送デバイス10の凸状セル16の形状、寸法および配列を変化させて吸収・放射する赤外・遠赤外線波長領域を制御することで、用途に適した熱輻射機構を具現化する。
この熱輻射に伴い、高熱源18の温度が一定の場合、第1の熱輸送デバイス10の温度を低減させる。
As shown in FIG. 3, the first heat transport device 10 can be used for thermal radiation heat transfer.
That is, the first heat transport device 10 is joined or bonded onto a high-temperature heat source 18, and heat is radiated and transferred via gas or vacuum to heat the object to be radiated, thereby transporting heat over a long distance.
In particular, by changing the shape, dimensions and arrangement of the convex cells 16 of the first heat transport device 10 to control the infrared and far-infrared wavelength ranges to be absorbed and radiated, a heat radiation mechanism suited to the application can be realized.
With this heat radiation, when the temperature of the high-temperature heat source 18 is constant, the temperature of the first heat transport device 10 is reduced.

図4に示すように、第1の熱輸送デバイス10を熱対流伝熱に用いることもできる。
高熱源18上あるいは高熱源18と熱伝導状態にある面に第1の熱輸送デバイス10を接合、接着し、冷媒として作用する液体あるいは気体に熱対流伝熱することで、第1の熱輸送デバイス10のない場合と比較して、より急速により大きな温度低下を伴う抜熱挙動を実現する。
特に、第1の熱輸送デバイス10を介しての熱透過率(K)および圧損(p)を、凸状セル16の形状・寸法および配列を変化させることにより、それぞれを増加または減少させることができる。
As shown in FIG. 4, the first heat transport device 10 can also be used for heat convection transfer.
By joining or adhering the first heat transport device 10 to a high-temperature heat source 18 or to a surface that is in thermal conductivity with the high-temperature heat source 18, and transferring heat by convection to a liquid or gas that acts as a refrigerant, a heat removal behavior is achieved that involves a more rapid and greater temperature drop compared to the case where the first heat transport device 10 is not provided.
In particular, the heat transmission (K) and pressure drop (p) through the first heat transport device 10 can be increased or decreased, respectively, by varying the shape, size, and arrangement of the convex cells 16 .

図5に示すように、第1の熱輸送デバイス10を沸騰伝熱に用いることもできる。
高熱源18上あるいは高熱源18と熱伝導状態にある面に第1の熱輸送デバイス10を接合、接着し、冷媒として作用する液体に沸騰伝熱することで、液体の相変化に伴う発泡を活性化させ、より低い過熱度での沸騰伝熱開始、急峻な熱流束増大および限界熱流束を超える抜熱状態を発現する。
特に、発泡開始過熱度(ΔTi)、過熱度に対する熱流束増加率(q/ΔT)および限界熱流束(qc)を、第1の熱輸送デバイス10のユニットセル形状、寸法および配列を変化させて、それぞれ減少または増加・増大させる。
As shown in FIG. 5, the first heat transport device 10 can also be used for boiling heat transfer.
The first heat transport device 10 is joined or adhered to the high-temperature heat source 18 or to a surface that is in a thermally conductive state with the high-temperature heat source 18, and boiling heat is transferred to a liquid that acts as a refrigerant, thereby activating bubbling that accompanies a phase change of the liquid, and boiling heat transfer begins at a lower degree of superheat, and a steep increase in heat flux and a heat removal state that exceeds the critical heat flux are realized.
In particular, the foaming initiation superheat (ΔT i ), the rate of heat flux increase with respect to superheat (q/ΔT) and the critical heat flux (q c ) are decreased or increased, respectively, by changing the unit cell shape, dimensions and arrangement of the first heat transport device 10.

図1、及び図3~図5においては円錐台形状の凸状セル16が示されているが、凸状セル16の形状に限定はなく、図6に示すように、角柱形状、円柱形状、円錐形状、先丸円錐形状、角錐形状、多角錐形状、角錐台形状、多角錐台形状、方尖塔形状、円尖塔形状など様々な形状を採り得る。
図7(a)は、円柱形状の凸状セル16を銅シート材よりなる基材12上に規則的に配列した例を示すSEM像であり、同図(b)は一つの凸状セル16を拡大したものである。
Although Figure 1 and Figures 3 to 5 show convex cells 16 in a truncated cone shape, the shape of the convex cells 16 is not limited, and as shown in Figure 6, various shapes such as a prism shape, a cylinder shape, a cone shape, a rounded cone shape, a pyramid shape, a polygonal pyramid shape, a truncated pyramid shape, a rectangular spire shape, and a circular spire shape are possible.
FIG. 7(a) is an SEM image showing an example of cylindrical convex cells 16 regularly arranged on a substrate 12 made of a copper sheet, and FIG. 7(b) is an enlarged view of one of the convex cells 16.

上記においては、形状・寸法の揃った凸状セル16を等間隔で規則的に配列させる例を示したが、この発明はこれに限定されるものではなく、所定の範囲内で形状・寸法や間隔を変化させた凸状セル16を備えたユニットセルを用いることもできる。
すなわち、図8に示すように、この発明に係る第2の熱輸送デバイス20は、平板状の基材12と、基材12の表面に形成された第2のユニットセル24よりなり、第2のユニットセル24は形状・寸法の異なる円錐台形状の凸状セル16を複数備えている。各凸状セル16間の間隔も一定ではない。
凸状セル16は、例えば図2(d)に例示する金属材よりなる。
また各凸状セル16は、例えばレーザ加工、プレス加工、エッチング加工、ブラスト加工、メッキ加工等によって作成される。
In the above, an example has been shown in which convex cells 16 of uniform shape and size are regularly arranged at equal intervals, but the present invention is not limited to this, and it is also possible to use a unit cell having convex cells 16 whose shapes, sizes, or intervals vary within a specified range.
8, the second heat transport device 20 according to the present invention comprises a flat substrate 12 and a second unit cell 24 formed on the surface of the substrate 12, and the second unit cell 24 comprises a plurality of truncated cone-shaped convex cells 16 of different shapes and dimensions. The intervals between the convex cells 16 are not uniform.
The convex cells 16 are made of, for example, a metal material as shown in FIG.
Each of the convex cells 16 is formed by, for example, laser processing, pressing, etching, blasting, plating, or the like.

各凸状セル16は、以下の寸法条件を満たすように作成されている。
(1) 平均高さHave:0.35μm~50μm
(2) 高さ偏差Hdev:平均高さHaveの50%以内
(3) 平均底部幅Bave:0.175μm~25μm
(4) 底部幅偏差Bdev:平均底部幅Baveの50%以内
(5) 隣接する凸状セル間の平均間隔Dave:0.49μm~50μm
(6) 隣接する凸状セル間の間隔偏差Ddev:平均間隔Daveの50%以内
このように各凸状セル16の形状・寸法や間隔が同一ではないが、変化の幅が所定の範囲内に収まっていることを「準規則配列」と定義する。
上記H、B、Dの偏差をそれぞれの平均値に対して50%以内とすることにより、全体頻度の66%が入る「標準偏差」をばらつきの許容範囲としている。
Each of the convex cells 16 is fabricated to satisfy the following dimensional conditions.
(1) Average height H ave : 0.35 μm to 50 μm
(2) Height deviation H dev : Within 50% of the average height H ave
(3) Average bottom width B ave : 0.175 μm to 25 μm
(4) Bottom width deviation Bdev : within 50% of average bottom width Bave
(5) Average spacing between adjacent convex cells D ave : 0.49 μm to 50 μm
(6) Spacing deviation Ddev between adjacent convex cells: Within 50% of the average spacing Dave . Although the shape, dimensions, and spacing of each convex cell 16 are not identical, the range of variation is within a specified range, which is defined as a "quasi-regular arrangement."
By setting the deviations of H, B, and D above to within 50% of their respective average values, the "standard deviation" that contains 66% of the total frequency is set as the acceptable range of variation.

図9は、銅シート材よりなる基材12上に、略円錐形状の凸状セル16をメッキ加工によって複数形成した第2の熱輸送デバイス20の一部領域のSEM像であり、多数の凸状セル16が準規則的に配列されている様子が示されている。 Figure 9 is an SEM image of a partial area of a second heat transport device 20 in which multiple cone-shaped convex cells 16 are formed by plating on a substrate 12 made of copper sheet material, and shows that the multiple convex cells 16 are arranged in a quasi-regular pattern.

図10に示すように、上記SEM像は所定の画像処理プログラム(例えば「ImageJ」)によって各凸状セル16を囲む複数の領域26に区画され、各領域26に連番が割り振られる。この後、画像処理プログラムによって各領域26に最もフィットする近似楕円が生成され、各楕円の寸法に基づいて凸状セル16の底部幅が算出される。
また図11に示すように、上記画像プログラム上で各領域の近似楕円の中心座標をプロットすることにより、凸状セル16間のピッチが算出される。
10, the SEM image is divided into a plurality of regions 26 surrounding each convex cell 16 by a predetermined image processing program (e.g., "ImageJ"), and a consecutive number is assigned to each region 26. After that, an approximation ellipse that best fits each region 26 is generated by the image processing program, and the base width of the convex cell 16 is calculated based on the dimensions of each ellipse.
Moreover, as shown in FIG. 11, the pitch between the convex cells 16 is calculated by plotting the central coordinates of the approximation ellipse of each region on the image program.

各凸状セル16の高さについては、以下の手順により求められる。
まず、図12 (a)に示すように、SEMで0°(真上から見た)の画像を取得した後、図12(b)に示すように、同じ領域をSEMで30°傾けて各凸状セル16をSEM上で測長する。
つぎに、測長した高さと同図(a)の画像の凸状セル16の頂点位置のグレースケール(8ビットの値)の値から明るさに応じた高さの値を換算して、SEM画像の全領域内の針の高さ分布を算出する。
The height of each convex cell 16 is determined by the following procedure.
First, as shown in FIG. 12(a), an image is obtained using an SEM at 0° (viewed from directly above), and then, as shown in FIG. 12(b), the same area is tilted by 30° using the SEM and the length of each convex cell 16 is measured on the SEM.
Next, the measured height and the grayscale (8-bit value) value of the vertex position of the convex cell 16 in the image in Figure 1(a) are converted into a height value corresponding to the brightness, and the needle height distribution within the entire area of the SEM image is calculated.

図13(a)は、この第2のユニットセル24に含まれる各凸状セル16の底部幅の統計分布を示すものであり、図13(b)は各凸状セル16間の間隔の統計分布を、図13(c)は各凸状セル16の高さの統計分布を示すものである。
この第2の熱輸送デバイス20のテクスチュア寸法は以下の通りであり、上記に定義した準規則配列の条件を満たしている。
平均高さHave=3.0 μm
高さ偏差Hdev=+0.8μm, -0.9μm
平均底部幅Bave=2μm
底部幅偏差Bdev=+2.5μm, -1.5μm
平均ピッチDave=2.25μm
ピッチ偏差Ddev=+1.5μm, -1.5μm
FIG. 13(a) shows the statistical distribution of the bottom width of each convex cell 16 included in this second unit cell 24, FIG. 13(b) shows the statistical distribution of the spacing between each convex cell 16, and FIG. 13(c) shows the statistical distribution of the height of each convex cell 16.
The texture dimensions of this second heat transport device 20 are as follows, and satisfy the above-defined condition of quasi-ordered arrangement.
Average height H ave = 3.0 μm
Height deviation H dev = +0.8 μm, -0.9 μm
Average bottom width B ave = 2 μm
Bottom width deviation B dev = +2.5 μm, -1.5 μm
Average pitch D ave = 2.25 μm
Pitch deviation D dev = +1.5 μm, -1.5 μm

基材12の熱伝導性を活用するには、銅シート材・板材あるいはアルミニウムシート材・板材を基材12として利用した熱輸送デバイスが適している。
図14に、基材12として銅シート材を用い、その表面に複数の凸状セル16をメッキにより準規則配列させた第2の熱輸送デバイス20を示す。図示の通り、肉眼では一面黒色に見える。
In order to utilize the thermal conductivity of the base material 12, a heat transport device using a copper sheet or plate material or an aluminum sheet or plate material as the base material 12 is suitable.
14 shows a second heat transport device 20, which uses a copper sheet material as the substrate 12 and has a plurality of protruding cells 16 arranged in a quasi-regular manner on its surface by plating. As shown in the figure, the entire surface appears black to the naked eye.

図15(a)は、この第2の熱輸送デバイス20の表面SEM像を示しており、複数の凸状セル16が以下に示す平均寸法を備えている。
平均高さHave=3.8 μm
平均底部幅Bave=2μm
平均ピッチDave=3μm
FIG. 15(a) shows a surface SEM image of this second heat transport device 20, in which the multiple convex cells 16 have the following average dimensions:
Average height H ave = 3.8 μm
Average bottom width B ave = 2 μm
Average pitch D ave = 3 μm

また、図15(b)はより小さな寸法の凸状セル16が準規則的に配列された第2の熱輸送デバイス20の表面SEM像を示しており、複数の凸状セル16が以下に示す平均寸法を備えている。
平均高さHave=1.2 μm
平均底部幅Bave=0.8μm
平均ピッチDave=0.9μm
FIG. 15(b) shows a surface SEM image of a second heat transport device 20 in which smaller sized convex cells 16 are arranged in a quasi-regular manner, with the multiple convex cells 16 having the following average dimensions:
Average height H ave = 1.2 μm
Average bottom width B ave = 0.8 μm
Average pitch D ave = 0.9 μm

このように、第2のユニットセル24を構成する凸状セル16の高さ、底部幅、間隔を設計、制御することで、伝熱機構に応じた表面テクスチュアをもつ第2の熱輸送デバイス20を製作できる。
熱伝導率と板厚で決まる熱ギャップコンダクタンスを介して、製品表面に第2の熱輸送デバイス20を接着・接合することで、熱対流伝熱、熱輻射伝熱及び沸騰伝熱に供することができる。
In this manner, by designing and controlling the height, bottom width, and spacing of the convex cells 16 that make up the second unit cell 24, a second heat transport device 20 having a surface texture according to the heat transfer mechanism can be fabricated.
By bonding or joining the second heat transport device 20 to the surface of the product via a thermal gap conductance determined by the thermal conductivity and plate thickness, it is possible to provide heat convection, radiation, and boiling heat transfer.

この発明に係る熱輸送デバイスの特徴は、実験室規模の小面積シート・板材からメートル級の大面積シート・板材まで、抜熱・冷却に要する面積に応じたデバイスを供給できることにある。
図16には、A4版大のステンレス鋼板よりなる基材12上に、凸状セル16を準規則的に創成した第2の熱輸送デバイス20の事例が示されている。
ステンレス鋼よりなる基材12の表面に形成する凸状セル16の配列を設計、制御することで、伝熱機構に適った第2の熱輸送デバイス20を設計できる。
A feature of the heat transport device according to the present invention is that it can supply devices according to the area required for heat extraction and cooling, from small-area sheets and plates on a laboratory scale to large-area sheets and plates on the meter scale.
FIG. 16 shows an example of a second heat transport device 20 in which convex cells 16 are quasi-regularly created on a substrate 12 made of an A4-sized stainless steel plate.
By designing and controlling the arrangement of the protruding cells 16 formed on the surface of the substrate 12 made of stainless steel, the second heat transport device 20 can be designed to suit the heat transfer mechanism.

図17に示すように、高熱伝導性を有する銅、アルミのパイプを基材12として用い、その内面に凸状セル16を規則的あるいは準規則的に形成することにより、パイプ型の熱輸送デバイスとすることもできる。
この場合も、熱輸送デバイスのテクスチュアは、用途に応じたユニットセル形状、寸法および配列を設計、製作できる。
基材12としての銅やアルミ製パイプの外面に、凸状セルを規則的あるいは準規則的に形成し、パイプ型の熱輸送デバイスとすることもできる。
As shown in FIG. 17, a pipe-type heat transport device can be made by using a copper or aluminum pipe having high thermal conductivity as the substrate 12 and forming convex cells 16 regularly or quasi-regularly on its inner surface.
Again, the texture of the heat transport device can be designed and fabricated with unit cell shapes, dimensions and arrangements tailored to the application.
It is also possible to form protruding cells regularly or quasi-regularly on the outer surface of a copper or aluminum pipe serving as the substrate 12, thereby forming a pipe-type heat transport device.

[熱輸送デバイスによる赤外・遠赤外放射]
熱輻射伝熱における熱輸送デバイスでは、赤色-赤外-遠赤外の電磁波の波長が熱輸送デバイス表面のマイクロ・ナノテクスチュアと同等の寸法になると、その空間周波数(以下、λで表す)あるいはその波数(周波数の逆数:以下、Λで表す)帯に対応する赤色-赤外-遠赤外線を吸収、放射する。
そこで、図9に示した第2の熱輸送デバイス20の赤外分光測定(FT-IR:Fast Transform-Infrared)を行い、赤色-赤外-遠赤外線の周波数領域での電磁波透過率を求めた。
図18(a)は測定法の模式図であり、図18(b)は実際の測定装置の外観を、また図18(c)は測定装置の要部を示している。
[Infrared and far-infrared radiation from heat transport devices]
In a heat transport device using thermal radiation heat transfer, when the wavelength of red-infrared-far-infrared electromagnetic waves is equivalent to the dimensions of the micro- or nano-texture on the surface of the heat transport device, the device absorbs and radiates red-infrared-far-infrared radiation corresponding to the spatial frequency (hereinafter represented as λ) or wave number (the inverse of the frequency: hereinafter represented as Λ) band.
Therefore, infrared spectroscopy (FT-IR: Fast Transform-Infrared) was performed on the second heat transport device 20 shown in FIG. 9 to determine the electromagnetic wave transmittance in the red-infrared-far infrared frequency range.
FIG. 18(a) is a schematic diagram of the measurement method, FIG. 18(b) shows the appearance of an actual measurement device, and FIG. 18(c) shows the main parts of the measurement device.

図19に、第2の熱輸送デバイス20の透過率分布を示す。
顕著な透過率低下、言い換えれば、顕著な吸収ピークが2つ、Λ=1500 cm-1と1700 cm-1あるいはλ= 6.67μmと5.90μmを中心に観察される。
この赤外吸収は、第2の熱輸送デバイス20の低部を節に、その表面を腹とする共鳴によって生じることから、凸状セル16の高さの倍の波長と対応する。
平均ユニットセル高さがHave= 3.7μmであることから、熱輸送デバイスによる赤外吸収ピーク波長は、7.2μmとなり実測値と同等であることが示された。
なお、図19で吸収ピークがブロードとなるのは、第2のユニットセル24に含まれる凸状セル16の高さの分散(Hdev)ならびに準規則配列による分散性に起因する。
FIG. 19 shows the transmittance distribution of the second heat transport device 20. As shown in FIG.
A significant drop in transmittance, in other words, two significant absorption peaks are observed, centered at Λ=1500 cm −1 and 1700 cm −1 or λ=6.67 μm and 5.90 μm.
This infrared absorption occurs due to resonance with the bottom of the second heat transport device 20 as a node and its surface as an antinode, and therefore corresponds to a wavelength twice the height of the convex cell 16 .
Since the average unit cell height is H ave = 3.7 μm, the infrared absorption peak wavelength of the heat transport device is 7.2 μm, which is equivalent to the measured value.
The broadening of the absorption peak in FIG. 19 is due to the dispersion (H dev ) of the heights of the convex cells 16 contained in the second unit cell 24 and the dispersion due to the quasi-ordered arrangement.

[熱輸送デバイスによる空気を介した熱輻射伝熱]
熱輻射伝熱は、気体の対流なしに対象物への熱輸送を可能とする。
ここでは、一定温度に加熱した高熱源上に熱輸送デバイスを設置し、空気対流影響を最小限とした環境での熱輻射伝熱実験を行った。
図20(a)は測定法の模式図であり、図20(b)は実際の測定装置の外観を示している。
この実験では、図20(a)に示すように、100℃に一定加熱したホットプレートの表面に第2の熱輸送デバイス20を設置し、加熱面から150mm離れた位置に厚さ2mmの黒色のポリカーボネート板(PC-板)を置き、サーモグラフィーによりポリカーボネート板の上面の温度変化を測定した。
[Heat radiation transfer through air using a heat transport device]
Thermal radiation heat transfer allows heat to be transported to an object without gas convection.
Here, a heat transport device was placed on a high-temperature heat source heated to a constant temperature, and a thermal radiation heat transfer experiment was conducted in an environment where the effects of air convection were minimized.
FIG. 20(a) is a schematic diagram of the measurement method, and FIG. 20(b) shows the appearance of the actual measurement device.
In this experiment, as shown in FIG. 20(a), the second heat transport device 20 was placed on the surface of a hot plate constantly heated to 100° C., and a 2 mm-thick black polycarbonate plate (PC plate) was placed 150 mm away from the heated surface, and the temperature change on the top surface of the polycarbonate plate was measured by thermography.

まず銅シート材のみからなる試料を設置し、黒色の遮蔽布によるノイズの除去、遮蔽布に沿った空気強制流入により対流伝熱で加熱された空気を除去し、600s経過後もポリカーボネート板上面の温度上昇が生じないことを確認した。
次に十分な冷却後、100℃に一定加熱したホットプレート表面に第2の熱輸送デバイス20を設置し、ポリカーボネート板の上面における温度変化を測定した。
図21に示すように、ポリカーボネート板の上面温度は、中心部分から同心状に拡散し、次第に上表面全体が一定温度まで上昇することを確認した。
図22に示すように、温度は時間とともに単調に上昇し、この実験条件では、約4℃の温度上昇を確認した。
First, a sample consisting only of copper sheet material was placed, and noise was removed using black shielding cloth. Air was forced to flow along the shielding cloth to remove air heated by convection heat transfer, and it was confirmed that there was no temperature rise on the top surface of the polycarbonate plate even after 600 seconds had passed.
Next, after sufficient cooling, the second heat transport device 20 was placed on the surface of a hot plate constantly heated to 100° C., and the temperature change on the upper surface of the polycarbonate plate was measured.
As shown in FIG. 21, it was confirmed that the temperature of the upper surface of the polycarbonate plate diffuses concentrically from the center, and gradually increases to a constant temperature over the entire upper surface.
As shown in FIG. 22, the temperature increased monotonically with time, and a temperature increase of about 4° C. was confirmed under these experimental conditions.

[高熱源と熱伝導で連結した熱輸送デバイスにおける表面温度の低下]
高熱源にシート材の熱伝導を介して連結した第2の熱輸送デバイス20では、その表面からの輻射伝熱、対流伝熱により、表面温度は高熱源温度よりも低下する。
ここでは、図23に示すように、100℃に保持したホットプレート上に第2の熱輸送デバイス20を置き、その表面に焦点を合わせてサーモグラフィーで温度分布を実測した。
なお、サーモグラフィーでホットプレート温度を測定し、別途熱電対でも温度を実測し、100℃を事前に確認している。
図示の通り、ホットプレートの表面温度は100℃であるのに対して、第2の熱輸送デバイス20は熱輻射と熱対流により空気中に熱拡散しているため、その表面温度は50℃まで低減している。
[Reduction of surface temperature in a heat transport device connected to a high heat source by thermal conduction]
In the second heat transport device 20 connected to the high heat source via the thermal conduction of the sheet material, the surface temperature is lowered below the temperature of the high heat source due to the radiative heat transfer and the convective heat transfer from the surface.
Here, as shown in FIG. 23, the second heat transport device 20 was placed on a hot plate kept at 100° C., and the temperature distribution was measured by thermography with the focus on the surface.
The hot plate temperature was measured using a thermograph and also measured separately using a thermocouple to confirm that the temperature was 100°C in advance.
As shown in the figure, the surface temperature of the hot plate is 100°C, whereas the surface temperature of the second heat transport device 20 is reduced to 50°C because heat is diffused into the air by thermal radiation and thermal convection.

[熱輸送デバイスによる強制空冷下における対流伝熱]
高熱源から空気などの気体あるいは水などの液体を介して、対流により熱伝達することで、その表面温度は低下する。
ここでは、図24に示すように、50℃に保持したホットプレート上に第2の熱輸送デバイス20を置き、その表面に焦点を合わせ、エアノズルからの空気送出による強制空冷条件下において、サーモグラフィーで表面温度の時間変化を測定した。
[Convection heat transfer under forced air cooling using a heat transport device]
The surface temperature is reduced by heat transfer through convection from a high heat source to a gas such as air or a liquid such as water.
Here, as shown in FIG. 24, the second heat transport device 20 was placed on a hot plate kept at 50° C., and the focus was set on its surface. Under forced air cooling conditions by blowing air from an air nozzle, the change in surface temperature over time was measured by thermography.

図25において、同一条件で実験、測定した対流伝熱による冷却応答を、銅シート材のみの場合と比較した。
対流伝熱による冷却速度は、第2の熱輸送デバイス20により加速し、10秒後の表面温度は、銅シート材のみでは42.3℃で7.7℃の低下に留まるのに対して、熱輸送デバイスでは10秒後に40.8℃となり、9.2℃も低下している。
In FIG. 25, the cooling response due to convection heat transfer measured under the same conditions is compared with that of the copper sheet material alone.
The cooling rate due to convection heat transfer is accelerated by the second heat transport device 20, and the surface temperature after 10 seconds is 42.3°C with the copper sheet material alone, a decrease of only 7.7°C, whereas with the heat transport device it is 40.8°C after 10 seconds, a decrease of 9.2°C.

[熱輸送デバイスによる沸騰曲線制御]
沸騰伝熱は、冷却水などの液相から、蒸気などの気相への相変態を伴う伝熱であり、高い熱流束を達成する伝熱機構として広く利用されている。
その際の熱工学指針となるのが、熱流束の過熱度にともなう線図、すなわち沸騰曲線である。
脱気した純水に対して過熱度を上昇させると、純水単相で自然対流(あるいは強制対流)伝熱していた状態が、加熱面上に発生する気泡(相変態した水蒸気)を伴う2相状態に変化し、熱対流による熱流束は過熱度に対して急峻に上昇する。
さらに過熱度を増加させると発泡密度は増大、合体し、膜状に水蒸気が加熱面を覆う過熱度で熱流束が最大となる(この時の熱流速が限界熱流束となる)。
これ以上の過熱度拡大は、加熱面を構成する材料温度の急速な上昇(バーンアウト)を伴うため、この過熱度と限界熱流束が、沸騰伝熱機構の限界を規定する。
[Boiling curve control using heat transport devices]
Boiling heat transfer is a heat transfer mechanism that involves a phase transformation from a liquid phase, such as cooling water, to a gas phase, such as steam, and is widely used as a heat transfer mechanism to achieve high heat flux.
The thermal engineering guideline in this case is the boiling curve, which is a diagram of the heat flux versus the degree of superheat.
When the degree of superheat of degassed pure water is increased, the state in which heat is transferred by natural convection (or forced convection) in a single phase of pure water changes to a two-phase state with bubbles (phase-transformed water vapor) generated on the heating surface, and the heat flux due to thermal convection increases sharply with the degree of superheat.
If the degree of superheat is further increased, the bubble density increases and coalesces, and the heat flux reaches a maximum at the degree of superheat where the water vapor covers the heating surface in a film-like shape (the heat flux at this time is the critical heat flux).
Any further increase in the degree of superheat would be accompanied by a rapid increase in the temperature of the material that constitutes the heating surface (burnout), so this degree of superheat and the critical heat flux determine the limits of the boiling heat transfer mechanism.

ここでは、図26(a)の実験系を用い、チャネルを流れる冷却水の速度(以下、レイノルズ数:Reと呼ぶ)をパラメータとして、過熱度増加に伴う熱流束をビデオ観測を通じて測定し、各レイノルズ数での沸騰曲線を求めた。
図26(b)に示すように、銅ブロックの先端の表面に第2の熱輸送デバイス20を直接、接着接合した。
Here, using the experimental system shown in Figure 26(a), the speed of the cooling water flowing through the channel (hereinafter referred to as the Reynolds number: Re) was used as a parameter, and the heat flux accompanying the increase in superheat was measured through video observation to determine the boiling curves at each Reynolds number.
As shown in FIG. 26(b), a second heat transport device 20 was directly adhesively bonded to the surface of the tip of the copper block.

図27において、銅ブロックのみの沸騰曲線と第2の熱輸送デバイス20の沸騰曲線と比較する。
銅ブロックのみでは、レイノルズ数に拘らず、ほぼ一定の沸騰曲線となる。これは、沸騰伝熱現象と冷却水流れとは独立した事象であるという従前の熱工学の定説に合致する。
一方、第2の熱輸送デバイス20を用いた場合、冷却水のレイノルズ数増加に伴い、沸騰曲線はより低い過熱度で急峻に立ち上がり、高い熱流束増加を実現している。
In FIG. 27, the boiling curve of only the copper block is compared with the boiling curve of the second heat transport device 20.
With only the copper block, the boiling curve is almost constant regardless of the Reynolds number. This is consistent with the conventional theory in thermal engineering that the boiling heat transfer phenomenon and the cooling water flow are independent phenomena.
On the other hand, when the second heat transport device 20 is used, as the Reynolds number of the cooling water increases, the boiling curve rises steeply at a lower degree of superheat, achieving a high increase in heat flux.

すなわち、レイノルズ数増加により、自然対流(あるいは強制対流)による伝熱機構は、より低い過熱度で沸騰伝熱に遷移し、数℃の過熱度増加で発泡が活性化した沸騰伝熱状態となり、限界熱流束も銅ブロックのみのそれよりも大きくなる。
このことは、第2の熱輸送デバイス20の形状効果により、デバイス表面での伝熱機構と冷却水の流れとが連成し、低い過熱度での沸騰伝熱機構が実現することを示している。
In other words, as the Reynolds number increases, the heat transfer mechanism by natural convection (or forced convection) transitions to boiling heat transfer at a lower degree of superheat, and with an increase in superheat of a few degrees Celsius, the state becomes one of boiling heat transfer with activated bubbling, and the critical heat flux also becomes greater than that of the copper block alone.
This indicates that the shape effect of the second heat transport device 20 couples the heat transfer mechanism on the device surface with the flow of cooling water, realizing a boiling heat transfer mechanism at a low degree of superheat.

上記においては、基材12の表面に複数の凸状セル16を規則的または準規則的に立設・配置した熱輸送デバイスについて説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。
すなわち、図28に示すように、この発明に係る第3の熱輸送デバイス30は、基材12の表面に、同一の形状・寸法を備えた複数の凹状セル32を縦横に等間隔で規則的に配列した平板状の第3のユニットセル34を形成している。
In the above, a heat transport device has been described in which a plurality of protruding cells 16 are erected and arranged regularly or quasi-regularly on the surface of the substrate 12, but the present invention is not limited to this.
That is, as shown in FIG. 28, the third heat transport device 30 according to the present invention has a flat third unit cell 34 formed on the surface of a substrate 12, in which a plurality of concave cells 32 having the same shape and dimensions are regularly arranged at equal intervals vertically and horizontally.

基材12の素材としては、図2(a)~図2(c)の表に記載した物質が適用できる。
また、第3のユニットセル34の素材としては、図2(d)の表に記載した金属材が適用できる。
基材12と第3のユニットセル34を同一の素材(例えば銅)より構成する場合には、両者を別体とする必要はなく、基材及びユニットセル兼用の板材に複数の凹状セル32を形成することにより、第3の熱輸送デバイス30となすこともできる。
あるいは第3のユニットセル34を管状に形成し、その内周面あるいは外周面に凹状セル32を規則的に複数形成することにより、第3の熱輸送デバイス30となすこともできる。
The materials for the substrate 12 may be any of the substances shown in the tables of FIG. 2(a) to FIG. 2(c).
As the material for the third unit cell 34, the metal materials shown in the table of FIG.
When the substrate 12 and the third unit cell 34 are made of the same material (e.g., copper), there is no need to make them separate. The third heat transport device 30 can be made by forming multiple concave cells 32 in a plate material that serves as both the substrate and the unit cell.
Alternatively, the third unit cell 34 may be formed in a tubular shape, and a plurality of recessed cells 32 may be regularly formed on the inner or outer circumferential surface thereof to form the third heat transport device 30 .

凹状セル32の形状としても、図28(b)に示した逆円錐台形状に限定されるものではなく、図6に示した各種形状を採用できる。
また、各凹状セル32は、以下の寸法条件を満たすように作成されている。
(1) 高さ(深さ)H:0.35μm~50μm
(2) 底部幅(開口径)B:0.175μm~25μm
(3) 凹状セル間の間隔D:0.49μm~50μm
各凹状セル32は、例えばレーザ加工、プレス加工、エッチング加工、ブラスト加工、メッキ加工等によって作成される。
The shape of the concave cells 32 is not limited to the inverted truncated cone shape shown in FIG. 28(b), and various shapes shown in FIG. 6 can be used.
Moreover, each concave cell 32 is fabricated so as to satisfy the following dimensional conditions.
(1) Height (depth): 0.35 μm to 50 μm
(2) Bottom width (opening diameter) B: 0.175 μm to 25 μm
(3) Distance between concave cells D: 0.49 μm to 50 μm
Each concave cell 32 is formed by, for example, laser processing, pressing, etching, blasting, plating, or the like.

上記においては、形状・寸法の揃った凹状セル32を等間隔で規則的に配列させる例を示したが、この発明はこれに限定されるものではなく、所定の範囲内で形状・寸法や間隔を変化させた凹状セル32を備えたユニットセルを用いることもできる。
すなわち、図29に示すように、この発明に係る第4の熱輸送デバイス40は、平板状の基材12と、基材12の表面に形成された第4のユニットセル42よりなり、第4のユニットセル42は形状・寸法の異なる逆円錐台形状の凹状セル32を複数備えている。各凹状セル32間の間隔も一定ではない。
In the above, an example has been shown in which concave cells 32 of uniform shape and dimensions are regularly arranged at equal intervals, but the present invention is not limited to this, and it is also possible to use a unit cell having concave cells 32 whose shapes, dimensions, or intervals vary within a specified range.
29, a fourth heat transport device 40 according to the present invention comprises a flat substrate 12 and a fourth unit cell 42 formed on the surface of the substrate 12, and the fourth unit cell 42 comprises a plurality of inverted truncated cone-shaped concave cells 32 of different shapes and dimensions. The intervals between the respective concave cells 32 are not uniform.

基材12の素材としては、図2(a)~図2(c)の表に記載した物質が適用できる。
また、第4のユニットセル42の素材としては、図2(d)の表に記載した金属材が適用できる。
基材12と第4のユニットセル42を同一の素材(例えば銅)より構成する場合には、両者を別体とする必要はなく、基材及びユニットセル兼用の板材に複数の凹状セル32を形成することにより、第4の熱輸送デバイス40となすこともできる。
あるいは第4のユニットセル42を管状に形成し、その内周面あるいは外周面に凹状セル32を準規則的に複数形成することにより、第4の熱輸送デバイス40となすこともできる。
The materials for the substrate 12 may be any of the substances shown in the tables of FIG. 2(a) to FIG. 2(c).
As the material for the fourth unit cell 42, the metal materials shown in the table of FIG.
When the substrate 12 and the fourth unit cell 42 are made of the same material (e.g., copper), there is no need to make them separate. The fourth heat transport device 40 can be made by forming multiple concave cells 32 in a plate material that serves as both the substrate and the unit cell.
Alternatively, the fourth unit cell 42 may be formed in a tubular shape, and a plurality of concave cells 32 may be formed quasi-regularly on the inner or outer circumferential surface thereof to form the fourth heat transport device 40 .

凹状セル32の形状としても、図29(b)に示した逆円錐台形状に限定されるものではなく、図6に示した各種形状を採用できる。
また、各凹状セル32は、以下の寸法条件を満たすように作成されている。
(1) 平均高さ(深さ)Have:0.35μm~50μm
(2) 高さ偏差Hdev:平均高さHaveの50%以内
(3) 平均底部幅(開口径)Bave:0.175μm~25μm
(4) 底部幅偏差Bdev:平均底部幅Baveの50%以内
(5) 隣接する凹状セル間の平均間隔Dave:0.49μm~50μm
(6) 隣接する凹状セル間の間隔偏差Ddev:平均間隔Daveの50%以内
上記凹状セル32は、例えばレーザ加工、プレス加工、エッチング加工、ブラスト加工、メッキ加工等によって作成される。
The shape of the concave cells 32 is not limited to the inverted truncated cone shape shown in FIG. 29(b), and various shapes shown in FIG. 6 can be used.
Moreover, each concave cell 32 is fabricated so as to satisfy the following dimensional conditions.
(1) Average height (depth) H ave : 0.35 μm to 50 μm
(2) Height deviation H dev : Within 50% of the average height H ave
(3) Average bottom width (opening diameter) B ave : 0.175 μm to 25 μm
(4) Bottom width deviation Bdev : within 50% of average bottom width Bave
(5) Average spacing between adjacent concave cells D ave : 0.49 μm to 50 μm
(6) Distance deviation D dev between adjacent concave cells: within 50% of average distance D ave . The concave cells 32 are produced by, for example, laser processing, pressing, etching, blasting, plating, or the like.

図30は、この発明に係る第5の熱輸送デバイス50を示すものであり、基材12と、その表面に形成された第5のユニットセル52からなり、第5のユニットセル52は、比較的大きなサイズ(例えば高さH:10μm)の複数の第1の凸状セル16と、第1の凸状セル16の表面及び基材12の表面に形成された、より微細なサイズ(例えば高さH: 1μm)の複数の第2の凸状セル54を備えている。
第1の凸状セル16は、例えばレーザ加工、プレス加工、エッチング加工により形成され、第2の凸状セル54は、例えばめっき加工やエッチング加工によって形成される。
FIG. 30 shows a fifth heat transport device 50 according to the present invention, which comprises a substrate 12 and a fifth unit cell 52 formed on the surface thereof. The fifth unit cell 52 comprises a plurality of first convex cells 16 having a relatively large size (e.g., height H: 10 μm) and a plurality of second convex cells 54 having a finer size (e.g., height H: 1 μm) formed on the surface of the first convex cells 16 and the surface of the substrate 12.
The first convex cells 16 are formed by, for example, laser processing, pressing, or etching, and the second convex cells 54 are formed by, for example, plating or etching.

第1の凸状セル16及び第2の凸状セル54は、規則的配列及び準規則的配列の何れであってもよい。また、少なくとも第1の凸状セル16については、その高さH、底部幅B、ピッチDに係る上記の各条件がそれぞれ適用される。 The first convex cells 16 and the second convex cells 54 may be arranged in either a regular or quasi-regular arrangement. Furthermore, the above conditions regarding the height H, bottom width B, and pitch D of at least the first convex cells 16 are applied.

図31は、この発明に係る第6の熱輸送デバイス60を示すものであり、基材12及びその表面に配置された第6のユニットセル62を備えている。
第6のユニットセル62には、比較的大きなサイズ(例えば高さH:10μm)の第1の凹状セル32が複数形成されると共に、各第1の凹状セル32の内面には、より微細なサイズ(例えば高さH:1μm)の第2の凹状セル64が複数形成されている。
第1の凹状セル32は、例えばレーザ加工、プレス加工、エッチング加工により形成され、第2の凹状セル64は、例えばめっき加工やエッチング加工によって形成される。
FIG. 31 shows a sixth heat transport device 60 according to the present invention, which includes a substrate 12 and a sixth unit cell 62 disposed on the surface thereof.
In the sixth unit cell 62, a plurality of first concave cells 32 having a relatively large size (e.g., height H: 10 μm) are formed, and a plurality of second concave cells 64 having a finer size (e.g., height H: 1 μm) are formed on the inner surface of each of the first concave cells 32.
The first concave cells 32 are formed by, for example, laser processing, pressing, or etching, and the second concave cells 64 are formed by, for example, plating or etching.

第1の凹状セル32及び第2の凹状セル64は、規則的配列及び準規則的配列の何れであってもよい。また、少なくとも第1の凹状セル32については、その高さH、底部幅B、ピッチDに係る上記の各条件がそれぞれ適用される。 The first concave cells 32 and the second concave cells 64 may be arranged in either a regular or quasi-regular arrangement. Furthermore, the above conditions regarding the height H, bottom width B, and pitch D of at least the first concave cells 32 are applied.

図示は省略したが、第1の凸状セル16及び基材12の表面に、より微細な複数の第2の凹状セル64を複数形成することにより、熱輸送デバイスを構成することもできる。
あるいは、第1の凹状セル16の内面に、より微細な複数の第2の凸状セル54を複数形成することにより、熱輸送デバイスを構成することもできる。
Although not shown in the drawings, a heat transport device can also be constructed by forming a plurality of finer second concave cells 64 on the surfaces of the first convex cells 16 and the substrate 12 .
Alternatively, a heat transport device can be constructed by forming a plurality of finer second convex cells 54 on the inner surface of the first concave cell 16.

[熱輸送デバイスの表面特性]
シート材・板材・パイプ材よりなる基材12の表面に、上記の凸状セル16あるいは凹状セル32を備えたユニットセルを形成することで、それらの表面特性を変化させることができる。
[Surface characteristics of heat transport devices]
By forming unit cells having the above-mentioned convex cells 16 or concave cells 32 on the surface of the substrate 12 made of a sheet material, plate material, or pipe material, the surface properties can be changed.

例えば、銅材のみの場合、純水への接触角度は40~60度程度であるに対して、凸状セル16を備えた第2のユニットセル24を銅よりなる基材12に接着接合した場合、図32(a)のように、接触角度は10~20度あるいはそれ以下に低下する。
すなわち、凸状セル16を備えた熱輸送デバイスは、親水性を助長する機能を発揮する。
For example, in the case of copper material alone, the contact angle with pure water is about 40 to 60 degrees, whereas in the case of adhesively bonding a second unit cell 24 having a convex cell 16 to a substrate 12 made of copper, the contact angle decreases to 10 to 20 degrees or even less, as shown in Figure 32(a).
That is, the heat transport device having the convex cells 16 exhibits the function of promoting hydrophilicity.

一方、凹状セル32を備えた第4のユニットセル42をアルミニウムよりなる基材12材に接着接合した場合、図32(b)のように、接触角度は90度以上となる。
すなわち、凹状セル32を備えた熱輸送デバイスは、元々親水性を備えた素材の表面を撥水化させる機能を発揮する。
On the other hand, when the fourth unit cell 42 having the concave cells 32 is adhesively joined to the base material 12 made of aluminum, the contact angle is 90 degrees or more, as shown in FIG. 32(b).
In other words, the heat transport device having the concave cells 32 exerts the function of making the surface of a material that is originally hydrophilic water-repellent.

これらのことは、純水を含む液体あるいは溶融体に対しても、当該熱輸送デバイスの表面プロファイルの設計により、その表面特性を制御できることを示している。 These findings indicate that the surface characteristics of liquids or melts, including pure water, can be controlled by designing the surface profile of the heat transport device.

10 第1の熱輸送デバイス
12 基材
14 第1のユニットセル
16 凸状セル(第1の凸状セル)
18 高熱源
20 第2の熱輸送デバイス
24 第2のユニットセル
26 領域
30 第3の熱輸送デバイス
32 凹状セル(第1の凹状セル)
34 第3のユニットセル
40 第4の熱輸送デバイス
42 第4のユニットセル
50 第5の熱輸送デバイス
52 第5のユニットセル
54 第2の凸状セル
60 第6の熱輸送デバイス
62 第6のユニットセル
64 第2の凹状セル
10. First heat transport device
12 Substrate
14 First unit cell
16 Convex cell (first convex cell)
18 High heat source
20 Second heat transport device
24 Second unit cell
26 Regions
30 The third heat transport device
32 concave cell (first concave cell)
34 Third unit cell
40 The fourth heat transport device
42 Fourth unit cell
50 The fifth heat transport device
52 5th unit cell
54 Second convex cell
60 The 6th Heat Transport Device
62 6th unit cell
64 Second concave cell

Claims (8)

熱源に密着配置される基材と、
基材の表面に形成されたユニットセルとを備え、
ユニットセルが、基材上に金属製の複数の凸状セルを準規則的に配列させたものよりなり、
各凸状セルが、以下の条件を満たすことを特徴とする熱輸送デバイス。
平均高さHave:0.35μm~50μm
高さ偏差Hdev:平均高さHaveの50%以内
A substrate placed in close contact with a heat source;
A unit cell formed on a surface of a substrate,
The unit cell is composed of a plurality of metallic convex cells arranged quasi-regularly on a substrate,
A heat transport device, characterized in that each convex cell satisfies the following conditions:
Average height H ave : 0.35 μm to 50 μm
Height deviation H dev : Within 50% of average height H ave
上記凸状セルが、さらに以下の条件を満たすことを特徴とする請求項に記載の熱輸送デバイス。
平均底部幅Bave:0.175μm~25μm
底部幅偏差Bdev:平均底部幅Baveの50%以内
凸状セル間の平均間隔Dave:0.49μm~50μm
凸状セル間の間隔偏差Ddev:平均間隔Daveの50%以内
2. The heat transport device according to claim 1 , wherein the convex cells further satisfy the following condition:
Average bottom width B ave : 0.175 μm to 25 μm
Bottom width deviation Bdev : Within 50% of average bottom width Bave Average spacing between convex cells Dave : 0.49 μm to 50 μm
Spacing deviation D dev between convex cells: within 50% of average spacing D ave
熱源に密着配置される基材と、
基材の表面に密着配置された金属製のユニットセルとを備え、
ユニットセルの表面には、複数の凹状セルが準規則的に配列されており、
各凹状セルが以下の条件を満たすことを特徴とする熱輸送デバイス。
平均高さHave:0.35μm~50μm
高さ偏差Hdev:平均高さHaveの50%以内
A substrate placed in close contact with a heat source;
A metal unit cell disposed in close contact with the surface of the substrate,
A number of concave cells are arranged quasi-regularly on the surface of the unit cell.
A heat transport device, characterized in that each concave cell satisfies the following conditions:
Average height H ave : 0.35 μm to 50 μm
Height deviation H dev : Within 50% of average height H ave
上記凹状セルが、さらに以下の条件を満たすことを特徴とする請求項に記載の熱輸送デバイス。
平均底部幅Bave:0.175μm~25μm
底部幅偏差Bdev:平均底部幅Baveの50%以内
凹状セル間の平均間隔Dave:0.49μm~50μm
凹状セル間の間隔偏差Ddev:平均間隔Daveの50%以内
4. The heat transport device according to claim 3 , wherein the concave cells further satisfy the following condition:
Average bottom width B ave : 0.175 μm to 25 μm
Bottom width deviation Bdev : Within 50% of average bottom width Bave Average spacing between concave cells Dave : 0.49 μm to 50 μm
Spacing deviation between concave cells D dev : Within 50% of average spacing D ave
各凸状セルの表面に、複数の微細な凸状セルまたは凹状セルが形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱輸送デバイス。 3. The heat transport device according to claim 1 , wherein a plurality of fine convex or concave cells are formed on the surface of each of the convex cells. 各凹状セルの表面に複数の微細な凸状セルまたは凹状セルが形成されていることを特徴とする請求項3または4に記載の熱輸送デバイス。 5. The heat transport device according to claim 3 , wherein a plurality of fine convex or concave cells are formed on the surface of each concave cell. 基材が管状体よりなり、
ユニットセルが上記管状体の外周面または内周面に形成されることを特徴とする請求項1~の何れかに記載の熱輸送デバイス。
The substrate is a tubular body,
5. The heat transport device according to claim 1 , wherein the unit cells are formed on the outer circumferential surface or the inner circumferential surface of the tubular body.
上記基材とユニットセルが同一素材により一体的に形成されていることを特徴とする請求項1~の何れかに記載の熱輸送デバイス。 5. The heat transport device according to claim 1 , wherein the base material and the unit cells are integrally formed from the same material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2020072344A (en) 2018-10-30 2020-05-07 有限会社カナメ商会 Portable information terminal cooling protection case, cooling protection method, cooling device, and cover member
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