[論文レビュー] A light-weight and high thermal performance graphene heat pipe

Ya Liu, Shujing Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2020

Graphene research and applications参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、グラフェン膜とナノ構造化銅表面を強化した軽量で高効率のヒートパイプを提案し、6100 W m⁻² K⁻¹ g⁻¹の熱性能を達成した。これは商業用銅ベースのヒートパイプの約3倍高く、航空電子機器、電気自動車、ポータブルエレクトロニクスにおける高度な熱管理に最適である。

ABSTRACT

Heat pipe is one of the most efficient tools for heat dissipation in electronics and power systems. Currently, heat pipes are usually made of copper, aluminum or stainless steel. Due to their relatively high density and limited heat transmission capacity, heat pipes are facing urgent challenges in power electronics and power modules. In this paper, we report a new class of graphene enhanced heat pipes that can cope with these issues. The graphene enhanced heat pipes are made of high thermal conductivity graphene assembled film and graphene laminated copper films with nanostructure enhanced inner surfaces. The study shows that the dramatically improved heat dissipation capacity, 6100 W m-2 K-1 g-1, about 3 times higher than that of copper based commercial heat pipes can be achieved. This paves the way for using graphene enhanced heat pipes in light-weight and large capacity cooling applications, as required in many systems such as avionics, automotive electronics, laptop computers, handsets and space electronics.

研究の動機と目的

• 銅、アルミ、ステンレス鋼で作られた従来のヒートパイプが、高密度と熱伝達容量の制限を抱えることへの対処。
• 軽量で高容量の冷却が不可欠なパワーエレクトロニクスおよびパワーモジュール分野における課題の克服。
• グラフェンベースの膜とナノ構造化銅表面を用いた新しいヒートパイプ設計を開発し、熱伝導性および毛細管吸引性能を向上。
• 航空電子機器、電気自動車、宇宙エレクトロニクスなどの過酷な環境用途を可能にするために、軽量性と優れた熱性能を統合。

提案手法

• 高熱伝導性を有するグラフェン膜を、主たる熱伝達層として作製した。
• ナノ構造化された内面を持つグラフェンラミネート銅構造を統合し、毛細管吸引および熱拡散を向上させた。
• 高伝導性グラフェン膜とマイクロ／ナノ構造化銅表面を組み合わせてヒートパイプを設計し、熱輸送および液体還流の両方を改善した。
• 高温度条件下での運用整合性を維持するため、シールドされ、真空シールドの効いたハウジングを採用した。
• 制御された条件下で熱性能を測定するためのテストを実施し、有効熱伝導率および熱伝達容量を測定した。
• 従来の銅ベースヒートパイプと比較可能な指標として、W m⁻² K⁻¹ g⁻¹を用いて性能を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンベースの膜は、従来の銅ベース設計を上回るヒートパイプの熱性能を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 ヒートパイプの内面にナノ構造を施すことで、毛細管吸引および全体的な熱伝達効率はどの程度向上するか？
• RQ3 高伝導性グラフェン膜の統合は、ヒートパイプの比熱性能（W m⁻² K⁻¹ g⁻¹）にどのように影響を与えるか？
• RQ4 得られたヒートパイプは、軽量特性と高効率の熱性能を両立させ、高度なエレクトロニクス用途に適しているか？
• RQ5 グラフェン強化ヒートパイプの最大達成可能な熱性能は、商業用銅ベースの代替品と比較してどの程度か？

主な発見

• グラフェン強化ヒートパイプは、6100 W m⁻² K⁻¹ g⁻¹の熱性能を達成し、商業用銅ベースヒートパイプの約3倍に相当する。
• グラフェン膜とナノ構造化銅表面の使用により、熱伝導性および毛細管吸引性能が顕著に向上し、効率的な熱伝達と液体還流が可能になった。
• 低密度のグラフェンと最適化された銅構造のおかげで、軽量設計が実現され、航空宇宙分野やポータブルエレクトロニクスなど質量を最小限に抑えたい用途に適している。
• ヒートパイプは標準的な運用条件下で高い熱安定性と一貫性のある性能を示し、実運用における信頼性を示している。
• 結果から、グラフェンベースの強化は、高出力エレクトロニクスシステムにおける従来のヒートパイプ材料の性能および重量の制限を克服できることが確認された。