過熱し易い産業機器やデバイスには、一般的に放熱フィンやヒートシンク、伝熱性の高い放熱材料など様々な放熱機構が施されている。機械工学科のJonathan Boreyko准教授が指導する研究チームは、気化熱冷却に活用した水蒸気を、凝結後に再循環することにより、一方向にだけ熱を伝達する熱整流ダイオードの研究を進めている。

今回開発した熱整流ダイオードは、ミクロンサイズの空隙により分離され、密封シールされた2枚の銅プレートにより構成される。1枚目のプレートは親水性で、水を保持できる細管構造を内蔵し、2枚目のプレートには疎水性の層が被覆されて撥水性を有する。熱源が細管構造を持つプレート側にある場合、細管に保持された水が熱を受取り、蒸発して気化熱冷却を生じる。水蒸気がプレート間の空隙を移動すると、疎水性プレートによって冷却されて水滴に凝結する。この水滴が空隙を“ブリッジ”するまで成長して細管構造プレートに達すると、毛細管現象によって細管に吸い込まれる。このプロセスを繰り返すことにより、蒸発と凝結の循環システムが実現し、細管構造プレート側から疎水性プレート側に熱が移動する。

一方、熱源が疎水性プレート側にある場合、細管構造を持つプレート側に保持される水は加熱されることがなく、細管構造にトラップされたままなので蒸気は発生しない。このようなメカニズムにより、熱は一方向だけにしか伝導しない。測定の結果、細管構造プレート側からの熱伝導は、逆方向と比較して約100倍大きいことが分かった。従来の熱整流ダイオードが数倍程度であるのに対して、極めて大きい。しかも水滴の“ブリッジ”効果および毛細管現象は、重力を必要としないので、縦向き、横向き、更には倒立しても用いることができ、宇宙でも作動するだろう。

「我々の水滴ブリッジ熱整流ダイオードの一方向性は、サーバーファームや航空機、宇宙船、産業機器など多様な目的に応用できる」と、Boreyko准教授は期待する。研究チームは特許を申請するとともに、開発を進めるにあたり産業界のパートナーを探している。

（fabcross for エンジニアより転載）