专利名称：热管型传热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热管型传热装置，特别是适用于个人计算机等 小型且轻量、并需要有效的传热装置的领域中的热管型传热装 置。
背景技术：
图l表示通常的热管型传热装置。l表示密闭容器(例如，
铜制)、2a表示容纳到密闭容器中的工作流体(水、氨等)的 移动方向(箭头方向)、3表示管芯、4表示热流(加热、散热)， (A) 、 (B) 、 (C)表示热管型传热装置的蒸发部、绝热部、 冷凝部。该现有的热管型传热装置的传热原理如下将由蒸发 部(A)蒸发后得到的工作流体在冷凝部(C)冷凝后，通过设 置在密闭容器l表面的多孔体、网眼或沟等结构的管芯3，将热 从冷凝部(C)向蒸发部(A)循环而导热，是能够以很少的温 度差迅速且高效率地传热的装置。
构成热管型传热装置的三要素、即密闭容器、管芯以及工 作流体中，考虑用途、使用温度、热输送量、允许热阻以及经 济性而选定工作流体。为了满足所要求的热输送量，确认后述 工作流体的工作值。对于允许热阻，在实用上的热管中，热的 流入以及流出的热阻成为支配因素。在以孩￡小的温度差进行热 输送的情况中，需要选定蒸发与冷凝传热系数大的工作流体。 现有的工作流体仅由液体构成，混合有颗粒的工作流体未被实 用化。
作为热管型传热装置的活用高效率的传热性能的用途之 一，在个人计算机(PC)、特别是笔记本型PC中采用。笔记本型PC中，为了小型化且轻量化的同时实现高性能化，中央演算
装置MPU的时钟频率增加、MPU高集成化。伴随与此，笔记本 型PC的热密度增加。特别是作为高放热元件的MPU的热密度为 100W/cm2，这达到接近于原子反应堆的水平。因此，热管型传 热装置还要求进一 步的小型且轻量化以及高传热性。
然而，为了热管型传热装置的小型化而采用直径小的导管 时，由于传热面积的降低以及与器壁的相互作用效果增大导致 工作流体的移动受阻，传热性能大幅降低。特别是由于蒸发以 及冷凝热导率降低，因而产生无法实现有效传热的情况。其成
为要求低热导率的热输送量中的主要限制。
已知向工作流体中添加能充分悬浮的小金属或其氧化物、
或碳的纳米颗粒，这实质上提高了流体的热导率，因此实质上
提高了传热。
例如，在非专利文献1中公开了使金和铜等的金属纳米颗粒 分散在介质中的情况下提高传热系数。在专利文献1中公开了使 碳纳米颗粒悬浮在其中的传热流体复合物。作为碳纳米颗粒， 例示出使传热流体的热导率上升的纳米管以及金刚石等。在专 利文献2中公开了作为提高热介质的热导率和热扩散率的传热 促进方法，使超微粒固体如漂浮般在热介质的流体内混合存在。 作为超微粒，公开了优选石墨聚晶金刚石(graphite cluster diamond )、 聚晶金刚石 (cluster diamond ) 、 二徵米钻石 (microdiamond)、石墨、钼、陶资、碳化珪、氧化镁以及氧化 铝。
在任一个现有文献中都公开了 所使用的微粒的颗粒大小 越小、此外纳米颗粒的热导率越高，则提高工作流体的热导率 的效果越大。特别重要的是热导率高，公开了热导率相比于热 介质至少高2位数、优选高3位数以上的微粒。例如，在用水(热
4导率0.6W/m.K)作为热介质流体的情况下，流体中的纳米铜 颗粒提供比氧化铝高的热导率。这是由于金属铜的热导率为 400W/m K,比氧化铝的热导率20W/m K更高。
然而，当为了提高热导率使纳米颗粒悬浮时，热管型传热 装置由于伴随有工作流体的蒸发而纳米颗粒浓度局部变高，存 在引起纳米颗粒之间的集合或附着和沉淀在容器内壁、传热性 能随时间降低这样的问题。
如以上那样，尽管伴随使用用途的高性能化以及高集成化， 要求热管型传热装置的小型且轻量化以及高传热化，但是要兼 顾小型化与高传热化是很困难的，实际上的情况是重视传热性 能而将热管的直径加大为4mm 6mm。
专利文献l:日本特表2004 - 538349号/>才艮 专利文献2:日本特开2004 - 085108号/>才艮 非专利文献1: Choi， U.S,，"Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles，，Developments and Applications of Non-Newtonian Flows,eds.D.A.Siginer and H.P.Wang, The American Society of Mechanical Engineers, New-York, FED画Vo1.66， pp.99-105 ( 1995 )
发明内容
发明所要解决的问题
本发明是鉴于以上现状而完成的技术方案，其目的在于提 供一种传热装置，其通过使工作流体中含有有机微粒，并将其 大小、混合率、组成以及表面特性等最优化，由此可以兼顾小 型且轻量化以及高传热性能。
用于解决问题的方法
技术领域：
本发明人为了完成上述问题进行了深入研究，结果发现
5通过在工作流体中混合有机微粒，会产生如下现象有机微粒 会阻碍伴随工作流体的蒸发而在容器内壁生成的气泡的生长， 顺利地进行从容器内壁向工作流体的热移动，结果产生提高蒸 发部热导率的效果，从而完成本发明。
即，本发明如下所述。
(1 ) 一种热管型传热装置，其中，含有O.OOl ~ 5wt。/。平均 粒径为1 ~ 1000nm的有机微粒的工作流体被容纳到密闭容器 中。
(2)根据上述(1)所述的热管型传热装置，其中，工作 流体为水系、有机微粒为表面亲水性。
发明效果
通过使用本发明的热管型传热装置，可以进行同时要求小 型且轻量化以及高性能化的笔记本型PC以及便携电话等移动 型机器的高效率传热。
图l是表示通常的管芯 热管型传热装置的一个例子的图。
符号说明
1:密闭容器
2a:工作流体的移动方向 3:管芯
4:热流(力口热、散热) (A):热管的蒸发部 (B ): 热管的绝热部 (C):热管的冷凝部
具体实施方式
重要的是本发明所用的微粒为有机物。有机物的真比重通
常为2以下，比目前使用的金属、氧化物或炭的比重小，与在常 温附近用作工作流体的水、氨、乙醇等醇类、庚烷等烃类或氟 利昂-ll等氟碳类等的比重相近。因此，由有机物形成的微粒不 易因重力而沉淀，长期稳定性优异。进而，由于有机物为柔软 的，因此，通过减小乃至消除对容器内壁或管芯的磨损，从而 可以期待抑制传热性能随时间降低。
有机樣i粒的真比重为0.5 ~ 2、优选为0.7~ 1.6的范围。与工 作流体的比重差越小则分散性越良好，故优选。
有机物的种类没有特别限定，可以适宜使用现有公知的有 机物。若举出一个例子，则可列举出例如，聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯酸酯、苯乙烯-丁二烯、苯乙烯-丙烯酸类、聚乙烯、聚甲 基丙烯酸曱酯、聚丙烯酸、聚二乙烯基苯、聚乙烯甲苯、聚乳 酸、聚乙醇酸、聚谷氨酸以及聚乙烯醇等均聚物和/或共聚物、 酚醛树脂、曱醛树脂以及蜜胺树脂等热固化性树脂，以及天然 高分子(壳多糖、壳聚糖、纤维素以及淀粉等)等通常使用的 高分子化合物。
本发明中，有机微粒的平均粒径为1 ~ 1000nm、优选为10 ~ 500nm、进一 步优选为20 ~ 200nm。通过制成这样的大小，即使 以重量基准计为少量，其颗粒个数也变多，在有效提高蒸发部 的热导率的同时，不会成为颗粒级别(scale)，提高分散性， 故优选。通过有机微粒，提高蒸发部的热导率的机理虽然不明 确，但-4侏定为如下所述。
即，认为在导管的直径变小时，容器内壁与工作流体的相 互作用相对变大，由工作流体蒸发产生的气泡难以从容器内壁 脱离。因此，气泡生长并阻碍了从容器内壁向工作流体的热移 动，热阻变大。有机微粒起到了破坏该气泡并使气泡在充分生长之前从容器内壁脱离的作用，因此，顺利地进行从容器内壁 向工作流体的热移动。由有机微粒引起的气泡的破坏是颗粒数 越多、概率上越容易引起，平均粒径越小则越有效。有机微粒
的平均粒径超过1000nm时，这些作用降低、效果降低。
在前述的日本特开2004 - 085108号公报中记载了由于通过 金属微粒等提高工作流体的热导率，从而提高传热装置的传热 性能。这样一来，可以推定即便使用通常热导率小、与工作流 体没有较大差异的有机微粒，也不会有提高传热性能的效果。 然而，令人惊讶的是在伴随蒸发和冷凝的热管型传热装置中， 即使是难以对提高工作流体的热导率有帮助的有机微粒，也体 现出显著的提高传热性能的效果。
有机微粒的形状没有特别限定，优选流动阻力被减弱的接 近球状的形状，另外，针状或小纤维状等长径比(长度/直径之 比)为5以上的形状由于其投影面积变大、阻碍在蒸发部的气泡 生长的效果大，也是优选的。
本发明中，以重量为基准计，有机微粒的含有率为O.OOl ~ 5wt%、优选为0.002 ~ lwt%、进一步优选为0.005 ~ 0.1wt%。若 为该范围的含有率，则充分提高传热性能的同时，即使工作流 体蒸发、局部为高含有率，有机微粒之间也难以聚集或沉淀， 故优选。特别是在抑制产生颗粒级别方面，优选使平均粒径减 小并将颗粒个数保持在一定数目以上的前提下，尽可能地降低 含有率。颗粒个数的优选范围为lx109 lxlO"个/cm3、特别是 优选为lxl01Q~ lxlO"个/cm3。
有机微粒的制造方法没有特别限定，使用现有公知的方法。 可以例示出干式粉碎法、湿式粉碎法、机械分散法、喷雾干燥 法、液中千燥法、球形晶析法、乳胶溶剂扩散法、低压升华法、 再沉淀法以及液中脉沖激光烧蚀法等。本发明中使用的工作流体可以使用通常被用于热管型传热 装置的流体。可以例示出水、氨、乙醇等醇类、庚烷等烃类以 及氟利昂-ll等氟碳类等，没有特别限定。另外，可以单独使用 流体，也可以混合使用流体，在混合的情况下优选为互相均匀 溶解的流体种类以及混合t匕例。
优选工作流体使用下述式(1 )所定义的工作值大的包含80 重量％以上水的水系流体。
工作值=(密度x表面张力x蒸发潜热)/粘度 (1)
工作值越大则最大热输送量越大，因此，工作流体量必然 变少的直径小的热管中，特别优选使工作值变大。代表性的流
体的工作值是氨(1.1xl011)、氟利昂-11 ( 1.2xl01())、氟利昂 -113( 7.3xl()9)、戊烷(1.5xl01。)、丙酮(3xl010)、曱醇(4.8x1010)、 乙醇(4.1xl01。)、庚烷(1.3xl010)、水(5.1 x1011 )以及萘 (3.4xl01Q)。水的工作值大、最大热输送量大，故优选。优 选单独使用水，但为了提高有机微粒的分散性，还可以在水中 混合丙酮等酮类、曱醇和乙醇等醇类以及表面活性剂。在此情 况下，为了确保大的工作值，优选包含80重量％以上的水。
使用水系流体作为工作流体的情况下，为了提高与水的亲 和性、不易引起有机微粒集合、聚集或沉淀，优选有机微粒为 表面亲水性。优选聚丙烯酸、聚乙醇酸、聚谷氨酸以及聚乙烯
醇等的均聚物和/或共聚物以及天然高分子(壳多糖、壳聚糖、 纤维素以及淀粉等)等、有机物自身为亲水性。在使用疏水性 有机物的情况下，可以使微粒的表面结合羧基、氨基、酰胺基、 羟基、磺酰基或磺酸基等亲水性官能团。另外，还可以使表面 活性剂吸附到有机微粒上，使其成为表面亲水性。可以使用非 离子脂肪酸系、非离子高级醇系以及烷基酚系等非离子表面活 性剂；氨基酸系、甜菜碱系以及氧化胺系等两性表面活性剂；阴离子脂肪酸系、直链烷基苯系、阴离子高级醇系、a烯烃系 以及正链烷系等阴离子表面活性剂以及季铵盐系等阳离子表面 活性剂。优选非离子表面活性剂，特别优选非离子高级醇系表 面活性剂。
作为密闭容器，已知很多各种材质以及结构的容器用作热 管型传热装置用的密闭容器，在本发明中可以没有任何限制地 使用这些公知的密闭容器。
实施例
接着，列举本发明的具体实施例进行说明，但本发明并不 限定于这些实施例。测定方法如下所示。 <平均粒径测定方法>
(i;一x公司制造)的激光干涉法测定。这里，平均粒径表示
50%粒径。
<热阻测定方法〉
向在外径2mm和长250mm的铜制导管内装有组合管芯的热 管中真空排气后填充0.1cmS规定的工作流体，用于试验。使用 插入有筒式加热器的铜干浴器(block heater )，以输出功率25W 对水平配置的热管的一个端55mm进行加热，通过一定温度、一 定流量的水冷套对另 一端70mm进行冷却。通过K型鞘套热电偶 对加热部以及冷却部各6处进行温度测定，求出加热部平均温度 以及冷却部平均温度。以加热部平均温度与冷却部平均温度之 差除以加热器输出功率25W,算出热阻。热阻越小、表示传热 性能越优异。
向庚烷中混合0.005wt0/0(实施例l )、 0.03wt%(实施例2)、 0.5wt。/。(实施例3)平均粒径65nm的聚苯乙烯颗粒(商品名工X夕水一/1^、乇卩f少夕只公司制造)，得到工作流体。热阻
^f直为0.005wt。/o: 0.6K/W、 0.03wt%: 0.3K/W、 0.5wt%: 0.4K/W。
相对于后述的比较例1 ，任 一 个实施例的热阻值都小、传热性能 优异。特别是，实施例2的0.03wt。/。，其热阻值为0.3K/W,得到 良好的传热性能。
除了使平均粒径变成420nm以外，与实施例l ~ 3同样地得 到工作流体。热阻值分别是0.005wt。/。(实施例4 ) : 0.8K/W、 0.03wt% (实施例5) : 0.5K/W、 0.5wt% (实施例6) : 0.7K/W。 相对于比较例l,任一个实施例的热阻值都小、传热性能优异。 特别是实施例5的0.03wt。/。，其热阻值为0.5K/W,得到良好的传 热性能。
除了单独使用庚烷作为工作流体以外，与实施例l同样，算 出热阻，结果为1.1K/W。
对于单独使用水(比较例2)以及向水中混合0.03wt。/。平均 粒径65nm的羧基表面改性苯乙烯 丙烯酸酯颗粒(商品名工义 夕求一/"、乇卩亍少夕义公司制造)(实施例7)的工作流体， 算出热阻，结果是单独为水(比较例2): 0.9K/W、 0.03wt。/。(实 施例7) : 0.1K/W。
特别是实施例7的0.03wt。/。，其热阻为0.1K/W,得到非常良 好的传热性能。
产业上的可利用性
本发明的热管型传热装置适合用于特别是个人计算机等小 型且轻量、并需要有效的传热装置的领域中。
ii
权利要求
1. 一种热管型传热装置，其中，含有0.001～5wt％平均粒径为1～1000nm的有机微粒的工作流体被容纳到密闭容器中。
2. 根据权利要求l所述的热管型传热装置，其中，工作流 体为水系、有机《效粒为表面亲水性。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种传热装置，其通过使工作流体中含有有机微粒，将其大小、混合率、组成以及表面特性等最优化，从而兼顾小型、轻量化与高传热性能。本发明的传热装置是含有0.001～5wt％平均粒径为1～1000nm的有机微粒的工作流体被容纳到密闭容器中的热管型传热装置。
文档编号F28D15/02GK101506610SQ20078003145
公开日2009年8月12日 申请日期2007年8月21日 优先权日2006年8月24日
发明者小原和幸 申请人:旭化成纤维株式会社