銅とアルミニウムは長年、コンピューターなどの冷却システムに使用されてきました。しかし、これらの元素の特性上、冷却システムの性能が不十分な場合があります。スウェーデンのチャルマース工科大学の研究者たちは、その解決策を見つけるかもしれません。彼らは最近の研究論文で、グラフェンとカーボンファイバーを使用することで、性能を大幅に向上させたヒートパイプを製造することを提案しました。
ヒートパイプは非常にシンプルな装置です。銅またはアルミニウム製のチューブに、水またはアンモニアベースの化合物を部分的に充填します。次に、チューブ内の空気を抜き、密閉します。パイプの一方の端を高温部に当て、もう一方の端をそれより低い温度部に置きます。高温部の作動液の温度が上昇しすぎると、作動液は気体となり、チューブ内のより低温部（いわゆるコンデンサー部）へと急速に移動して熱を輸送します。作動液が冷えると、再び凝縮して液体となり、高温部に戻ります。このサイクルは事実上無限に繰り返されます。
PCでは、コンデンサー部には通常ヒートシンクが装備されているため、ヒートパイプの性能と効率はラジエーターの性能と効率に大きく依存します。しかし、ヒートシンクを使用できないアプリケーションもあり、その性能はパイプ自体の熱伝導率に依存します。そのため、ヒートパイプ材料の熱伝導率は非常に重要です。
銅の熱伝導率は、大気圧、20℃（華氏68度）で約400W/mKですが、温度によって変化します。一方、グラフェンの熱伝導率は室温で3,000～5,000W/mKの範囲です。
チャルマース工科大学の研究者たちは、中国とイタリアの科学者らと共同で、グラフェンフィルムがヒートパイプの熱伝導率を高め、限られたスペースに設置される冷却ソリューションの性能を向上させる手段となることを指摘している。このチューブは、内面に炭素繊維の籐を織り込むことで、その性能向上が期待される。
明らかに、グラフェン製のヒートパイプは銅製のヒートパイプよりもはるかに効率が高いでしょう。研究者たちは、外径6mm、長さ150mmのパイプを試作し、その熱伝達係数が同様の銅製ヒートパイプの約3.5倍であることを発見しました。
しかし、その効率には代償が伴います。推計によると、グラフェンは1グラムあたり約100ドルのコストがかかります。一方、銅は2020年12月時点で1グラムあたり0.0079ドルです。グラフェンは非常に軽量で、ヒートパイプに必要な量はそれほど多くありません（もちろん寸法にもよりますが）。しかし、グラフェンチューブは多くの用途において依然として非常に高価です。
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実際、大型の銅製ラジエーターと複数のファンを搭載できる、既に効率の高いデスクトップPCでは、グラフェンヒートパイプはあまり意味がありません。しかし、航空電子機器、自動車、宇宙電子機器など、スペースと重量に制約のある環境では、このようなヒートパイプはまさにうってつけかもしれません。
興味深いことに、研究者らは、グラフェン ヒート パイプはファン付きの従来のヒートシンクでも使用できると述べています。
「グラフェン強化ヒートパイプの冷却部分であるコンデンサーセクションは、ヒートシンクやファンに置き換えることができ、実際のケースに適用すると、冷却効率がさらに高まります」と、チャルマース大学電子材料・システム研究所の博士課程学生であるヤ・リウ氏は述べた。
アントン・シロフはTom's Hardwareの寄稿ライターです。過去数十年にわたり、CPUやGPUからスーパーコンピュータ、最新のプロセス技術や最新の製造ツールからハイテク業界のトレンドまで、あらゆる分野をカバーしてきました。
