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電気通信大学博士（工学）2023doctoral thesi

WANG, MENGLEI

1 
 
 
 
ナノ粒子層をウィックとするヒートパイプの
伝熱性能に関する実験的研究 
 
Experimental Study on Thermal Performance of Heat Pipes Using Nanoparticle Layer as the 
Wick 
(要約) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
WANG MENGLEI 
 
 
 
電気通信大学大学院  
2024年 3月 
 
  
2 
 
論文の要約 
 
近年の電子機器では，小型化と熱負荷の急増に応じて，冷却装置の小型化と高性能化
が必要となる．ヒートパイプはこのような要件を満たすために最も有望な熱伝達装置の
1 つである．ヒートパイプは蒸発部，断熱部および凝縮部から構成される．蒸発部で熱
を吸収し，ウィックの毛管作用により，凝縮された作動流体は蒸発部に戻り，凝縮部で
熱が放出する．断熱部は蒸発部と凝縮部を連結する部分で，外界との熱のやり取りはな
い．作動流体は連続的に蒸発したり凝縮したり，熱を簡単に除去できる. ヒートパイプ
の熱輸送性能はウィックにより大きく異なるため，これまでに様々な構造が提案されて
きている．本研究では，ナノ粒子層をウィックとするヒートパイプの伝熱性能すなわち
熱抵抗 Rと最大熱輸送量 MHTR を実験的に調べる． 
実験装置の概略を図 1に示す．ニクロムワイヤヒーターを用いて，水平配置したヒー
トパイプの蒸発部(30mm)を加熱する．ヒートパイプを 0.5L の純水を満たしたタンクに
挿入して，飽和核沸騰熱伝達により凝縮部(30mm)を冷却する．このため，容器内に設置
したヒーターを用いて純水を加熱し，実験中は飽和沸騰を維持する．温度計測は銅管外
表面の上部，側部，下部にスポット溶接した計 18本の K型熱電対を用いて行う． 
 
Fig.1   Schematic diagram of the experimental apparatus. 
 
ヒートパイプに投入する電力 Qは，ボルトスライダーを用いて，5W から最大熱輸送
量 MHTR まで徐々に増加させた．次に，MHTR の 50%まで急低下させた後，5W まで
徐々に低下させて，熱抵抗 RとMHTR を実験的に調べた．なお，蒸発部の温度が継続的
に上昇し始めるときの Qを MHTR とした．ヒートパイプの熱抵抗 Rは，入力熱量 Q，
蒸発部温度 Te，凝縮部温度 Tcより，次式で計算した． 
 
3 
 
𝑅 =
Δ𝑇
𝑄
=
𝑇𝑒−𝑇𝑐
𝑄
                   （1） 
 
まず，コンテナとして銅管，ウィックとして真鍮製のメッシュ，作動流体として純水
を使用する典型的なヒートパイプは従来仕様である．R の計測結果が概ね 0.3～1.1K/W
の範囲にあり，4回繰り返して，ほぼ同じである．熱入力が 120W 程度でMHTR に至っ
た．熱輸送性能がMHTR を経験しても顕著な劣化は生じなかった．また，降温時の Rは
昇温時の Rよりやや大きく，ヒステリシスが存在することがわかる．作動流体をナノ流
体に変更したヒートパイプでは，R の計測結果が概ね 0.3～0.4K/W の範囲にあり，4 回
繰り返して，ほぼ同じである．熱入力が 170W 程度でMHTR に至った．従来仕様と比較
して，MHTR が 30%程度向上するとともに，すべての熱入力条件で Rが低減した．熱輸
送性能が MHTR を経験しても劣化しなかった．また，降温時の R は昇温時の R とほぼ
同じであり，ヒステリシスが無い．これより，過去の研究でも報告されているように，
作動流体としてナノ流体を使用することは，ヒートパイプの熱輸送性能の向上を図る上
で有効な方策と言える．  
次に，銅管内壁にナノ粒子層を形成したヒートパイプでは，ナノ粒子層の毛管力の向
上とともに R も MHTR も向上が認められた．最大付着量では，従来仕様よりも 63%程
度の Rは低減し，MHTR も従来仕様より 30%くらいしか低下しない．ただし，過大な熱
量を投入すると，ナノ粒子層が脱落して，熱輸送性能が大幅に低下した．次に，作動流
体を純水からナノ流体に変更して実験を行ったところ，Rの低減はほぼ同様だが，MHTR
が 78W から 100W に向上するとともに，MHTR を経験した後も良好な熱輸送性能が持
続した．これは，作動流体中のナノ粒子が伝熱面に付着することで，ナノ粒子層が修復
されるためと考えられる．また，ヒステリシス現象が無い．次に，作動流体の充填量が
15%から 5%に減少すれば，低熱入力条件での Rが 30％ぐらい改善し，高熱入力条件で
の R と MHTR があまり変わってなかった．本研究の手法を形成したナノ粒子層の厚さ
は約 10μm であるため，ウィック材が占有するスペースを節約できる．  
最後に，スクリーンメッシュにナノ粒子層を形成したヒートパイプでは，熱輸送性
能は，ナノ粒子層の毛管力の向上とともに向上した．ナノ粒子付着量が十分なら従来
仕様より 52%程度の Rの低下と約 1.5倍の MHTR の増加が認められた．また，MHTR
を経験しても熱輸送性能の顕著な劣化は生じなかった．ただし，0～15W の低熱入力域
における熱抵抗低減効果は限定的であり，今後の検討課題である．また，ヒステリシ
スが無い．次に，ナノ粒子層を形成したメッシュとナノ流体を併用すると，MHTR は
ほぼ同様だが，Rが 0.3 K/W から 0.23 K/Wに向上するとともに，MHTR を経験した後
も実験を繰り返しても良好な熱輸送性能が持続した．本実験における最高性能を示し
た．また，作動流体の充填量の減少とともに，Rが 1.3倍ぐらい増加し，MHTR が 80%
程度低減した．スクリーンメッシュへのナノ粒子層の形成は，安価かつ製作も容易な
ので，ノートパソコンやスマホなどの機器の冷却において，ヒートパイプの高性能化
にきわめて有効と考えられる． 


Japanese

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