(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸発を伴う熱交換における最大放熱量を向上させることができる伝熱材及びその製造方法の提供。【解決手段】銅を含む金属部材１４を有している伝熱材１００であって、銅を含む金属部材が針状の酸化第二銅で構成される針状構造体１０の表面層を有しており、表面層の厚みが２μｍ超かつ７μｍ以下である伝熱材、及びその製造方法。銅を含む金属部材を酸化処理して、厚みが２μｍ超かつ７μｍ以下である針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有している伝熱材を得るための伝熱材の製造方法。【選択図】図１
2020105581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を含む金属部材を有している伝熱材であって、
前記銅を含む金属部材が、針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有しており、
前記表面層の厚みが、２μｍ超かつ７μｍ以下である、
伝熱材。
【請求項２】
銅を含む金属部材を提供すること、及び
前記銅を含む金属部材を酸化処理して、厚みが２μｍ超かつ７μｍ以下である針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有している伝熱材を得ること
を含む、伝熱材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、伝熱材、特には、蒸発を伴う熱交換のための伝熱材、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の産業分野において、熱交換器によって対象物の冷却が行われている。熱交換器としては、熱媒体が蒸発する時の潜熱を利用して冷却を行うものなどがある。
【０００３】
例えばヒートパイプでは、熱媒体が、発熱部において伝熱体と熱交換することによって吸熱して蒸気となり、凝縮部に送られる。そして、凝縮部において、熱媒体が、伝熱体と熱交換することによって放熱し、凝縮して液体となる。液体となった熱媒体は、例えばウィックの毛管作用によって、発熱部に還流する。このようにして、発熱部から凝縮部へと、熱が輸送される。
【０００４】
上記のような熱交換器に関して、小型化及び高性能化などを目的として、伝熱体を構成する伝熱材の性能を向上させるための開発が行われてきた。
【０００５】
特許文献１は、熱交換のための伝熱部材及びその製造方法を開示しており、当該文献には、銅金属多孔質体又は銅を含む銅合金金属多孔質体を部材本体に一体被着した伝熱部材についての記載がある。
【０００６】
特許文献２は、沸騰を伴う熱交換器のための伝熱部材及びその製造方法を開示しており、当該文献には、連続気孔の金属焼結体を厚み方向に圧縮した金属多孔質体を部材表面に有している沸騰伝熱部材についての記載がある。
【０００７】
特許文献３においては、銅を含む金属の連続気孔金属多孔質体に酸化処理を施すことによって得られる伝熱材、及び伝熱材の製造方法が記載されている。当該文献に係る伝熱材は、毛細管力が大きく、ヒートパイプとして使用する場合に安定して作動させることができる、との記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１９０６６４号公報
【特許文献２】特開平１０−１２１１１０号公報
【特許文献３】特開２０００−０５４１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、熱交換のための伝熱材の性能向上を目的とした開発が行われてきた。特に、伝熱材と熱媒体の間での伝熱効率を高めるために、金属多孔質体又は酸化処理の採用などを通じて、伝熱材表面における濡れ性などの向上が図られてきた。しかしながら、熱交換器の発熱部における放熱量、特には最大放熱量の向上に関して、改善の余地があった。
【００１０】
本開示は上記の問題に鑑みてなされたものであり、蒸発を伴う熱交換における最大放熱量を向上させることができる伝熱材を提供することが、目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示は、以下の手段によって上記の目的を達成するものである。
【００１２】
〈態様１〉
銅を含む金属部材を有している伝熱材であって、
前記銅を含む金属部材が、針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有しており、
前記表面層の厚みが、２μｍ超かつ７μｍ以下である、
伝熱材。
〈態様２〉
銅を含む金属部材を提供すること、及び
銅を含む金属部材を酸化処理して、厚みが２μｍ超かつ７μｍ以下である針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有している伝熱材を得ること
を含む、伝熱材の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本開示に係る発明によれば、蒸発を伴う熱交換における最大放熱量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、従来技術に係る伝熱材における熱媒体の拡散について説明した概念図である。
【図２】図２は、本開示に係る伝熱材における熱媒体の拡散について説明した概念図である。
【図３】図３は、本開示に係る伝熱材の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図４は、熱媒体の供給速度の評価方法に関する概念図である。
【図５】図５は、異なる酸化処理を伴う方法によって作成された伝熱材における熱媒体供給速度の測定結果である。
【図６】図６は、放熱量の評価に使用した放熱量評価装置の概略図である。
【図７】図７は、伝熱材における表面層の厚みと最大放熱量との関係を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本開示の実施の形態について詳細に説明する。なお、具体的な構成は、この実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。
【００１６】
本開示の伝熱材は、
銅を含む金属部材を有しており、
銅を含む金属部材が、針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有しており、
表面層の厚みが、２μｍ超かつ７μｍ以下である。
【００１７】
熱交換器における伝熱効率を向上させるためには、伝熱材と熱媒体との間の伝熱表面を大きくすることなどが有効であり、これまでに、特に蒸発を伴う熱交換器において、伝熱材の濡れ性などを向上させるための技術開発が行われてきた。しかしながら、熱交換器の最大放熱量を向上させるという目的のためには、このような従来のアプローチでは不十分であった。すなわち、伝熱材の濡れ性が十分に確保されている場合に、熱交換器の最大放熱量をさらに向上するための解決策は、従来技術によっては得られなかった。
【００１８】
本開示に係る発明の発明者らは、上記の観点から検討を重ねた結果、伝熱材において、針状の酸化第二銅で構成されている表面層の厚みを比較的厚くすることによって、熱交換器の最大放熱量が向上しうることを見出した。
【００１９】
すなわち、従来技術では、一般に、対象物表面への濡れ性を高める方法として、酸化処理などによって表面に微細な凹凸を付与する方法があった。この方法によれば、比表面積が増加し、見かけの表面張力が低下し、濡れ性が向上しうる。一方で、対象物表面における液体の供給流量という観点からは、従来技術によって付与される微細な凹凸は、満足のいくものではなかった。
【００２０】
これに対して、本開示に係る伝熱材では、微細な凹凸を形成している酸化第二銅の針状構造体が比較的長尺化されている。そのため、凹凸間における空間が広がっており、結果として、液体の拡散性が向上していると考えられる。
【００２１】
上記のことについて、下記で図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は、従来技術に係る伝熱材における熱媒体の拡散について説明した概念図である。図２は、本開示に係る伝熱材における熱媒体の拡散について説明した概念図である。図１及び図２では、それぞれ、従来技術に係る伝熱材１００及び本開示に係る伝熱材２００が示されており、銅を含む金属部材１４及び２４の表面に、酸化第二銅でできている針状構造体１０及び２０が、それぞれ形成されている。これらの針状構造体１０及び２０によって形成されている層を、本開示に関して表面層と呼ぶ。表面層の厚みが大きい程、表面層に含まれる針状構造体が長い。図１及び図２では、それぞれ、これら針状構造体１０及び２０によって形成される間隙を液体状の熱媒体１２及び２２が拡散する様子が表現されている。表面層における熱媒体の拡散を、矢印Ａによって概念的に示している。
【００２２】
図２の本発明に係る針状構造体２０は、図１の従来技術に係る針状構造体１０と比較して、比較的長い。伝熱材における熱媒体の拡散は毛細管力によって駆動されるため、針状構造体の間の空間が大きくなることで、熱媒体を輸送する能力が大きくなる。本開示の伝熱材では、針状構造体が長尺化していることによって、万遍なく高密度に形成されている針状構造体の間の空間が広くなり、そこを拡散する熱媒体の供給流量が大きくなっていると考えられる。さらに、熱交換器における最大放熱量は伝熱体に供給される単位時間当たりの熱媒体の最大供給量で決まるため、熱媒体の供給流量が大きくなる結果として、最大放熱量が高くなる。
【００２３】
すなわち、本発明に係る伝熱材は、比較的長い針状構造体を有している表面層を有しており、そのため、熱媒体の最大供給流量を増加させることができ、その結果として、この伝熱材を有する熱交換器の最大放熱量を向上させることができると考えられる。
【００２４】
さらに、本開示に係る伝熱材では、表面層の厚みが２μｍ超かつ７μｍ以下である。理論に限定されるものではないが、表面層における針状構造体が過度に長い場合には、熱媒体の拡散が阻害されるおそれがある。特には伝熱材が金属多孔質体である場合には、金属多孔質体における細孔が閉塞してしまうことによって、これが顕著になるおそれがある。これに対して、本開示に係る伝熱材では、表面層の厚みの上限が７μｍとなっている。
【００２５】
以上のように、本開示に係る伝熱材によれば、蒸発を伴う熱交換における最大放熱量を向上させることができる。
【００２６】
以下、本開示の伝熱材及びその製造方法を詳細に説明する。
【００２７】
≪伝熱材≫
〈銅を含む金属部材〉
本開示に係る伝熱材は、銅を含む金属部材を有している。本開示に係る伝熱材は、本開示に係る製造方法によって製造された伝熱材であってよい。
【００２８】
銅を含む金属部材としては、銅又は銅合金を使用してよい。銅合金としては、例えば、銅及び亜鉛の合金である黄銅、銅、ニッケル、鉄、及びマンガンの合金である白銅が挙げられる。銅合金における銅の含有量は、好ましくは７０重量％であり、特には９０重量％である。
【００２９】
（金属多孔質体）
本開示に係る１つの実施態様においては、銅を含む金属部材が、金属多孔質体であってよく、又は、金属多孔質体をその一部に含むものであってよい。
【００３０】
銅を含む金属部材が金属多孔質体を含む場合には、その空隙率は、特に限定されないが、４０％〜９５％であってよく、好ましくは７５％〜９５％であってよく、特には９０％〜９５％であってよい。伝熱材が金属多孔質体である場合に、その厚みは、特に限定されないが、圧縮を伴う方法によって製造される場合には０．３ｍｍ〜０．７ｍｍであってよい。
【００３１】
金属多孔質体は、公知の方法によって製造してよい。例えば、三次元網目状の空隙を有しておりかつ加熱によって消失しうる保持材に粘着性を付与し、この保持材に銅を含む金属の粉体を被着させ、次いで、加熱によって保持材を焼失させることによって、金属多孔質体を製造してよい。このような保持材としては、有機質発泡体が好ましく、有機質材料としては、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、フェノール樹脂、及び尿素樹脂を挙げることができる。
【００３２】
金属多孔質体からなる伝熱材又は金属多孔質体を含んでいる伝熱材を、厚さ方向に圧縮して、厚さ及び孔径を調節してもよい。
【００３３】
〈表面層〉
本開示に係る伝熱材では、銅を含む金属部材が、針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有している。
【００３４】
針状の酸化第二銅で構成されている表面層は、例えば、銅を含む金属部材を酸化処理することによって作成してよい。銅を含む金属部材の酸化処理は、例えば、酢酸銅／硫酸銅／硫化バリウム／塩化アンモニウム系の酸化処理液又は亜塩素酸ナトリウム／水酸化ナトリウム系の酸化処理液に、銅を含む金属部材を浸漬することによって行ってよい。酸化処理は、好ましくは、亜塩素酸ナトリウム及び水酸化ナトリウムを含有している酸化処理液によって行われる。
【００３５】
ここで、銅の酸化状態のうち、酸化第一銅は赤色又は赤褐色を呈し、一方で、酸化第二銅は、黒色を呈する。
【００３６】
〈表面層の厚み〉
本開示に係る伝熱材では、針状の酸化第二銅で構成されている表面層の厚みが、２μｍ超かつ７μｍ以下である。
【００３７】
本開示に係る１つの実施態様においては、後述する本開示の製造方法に係る酸化処理液で銅を含む金属部材を酸化処理することによって、上記の厚みを有している針状の酸化第二銅で構成されている表面層を生成することができる。
【００３８】
本開示に関して、表面層の厚みは、銅を含む金属部材における表面層とその下層との間の境界を底部としたときに、任意の複数の場所において計測した当該底部から針状構造の先端までの垂直方向における長さの平均値として、定義される。
【００３９】
針状の酸化第二銅で構成されている表面層の厚みは、２μｍ超、２．５μｍ以上、若しくは３μｍ以上であってよく、かつ／又は、７μｍ以下、６μｍ以下、若しくは５μｍ以下であってよい。
【００４０】
本開示に係る伝熱材は、熱交換器における伝熱体として使用することができる。伝熱体を、ステンレス又は銅でできている基体の片面又は両面に本開示に係る伝熱材を被着させることによって形成してもよく、特に本開示に係る伝熱材が金属多孔質体を含んでいる場合には、そのようにして伝熱体を形成してもよい。伝熱体の形状は、一般的な熱交換器に用いられるものであれば特に限定されず、例えば、板形状及び管形状が挙げられる。また、伝熱体は、フィン付きのものであってもよく、メッシュ構造であってもよく、又はグルーブを有するものであってもよい。
【００４１】
≪伝熱材の製造方法≫
本開示は伝熱材の製造方法を含んでおり、この製造方法は、
銅を含む金属部材を提供する、提供工程、
銅を含む金属部材を酸化処理して、厚みが２μｍ超かつ７μｍ以下である針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有している伝熱材を得る、酸化処理工程
を含んでいる。
【００４２】
本開示に係る製造方法によって製造される伝熱材は、比較的厚い表面層を有しており、その厚みに比例して、比較的長い酸化第二銅の針状構造体を有している。そのため、熱媒体を輸送する能力が向上し、熱媒体の供給流量が増加すると考えられる。熱交換器における最大放熱量は伝熱体に供給される単位時間当たりの熱媒体の供給量で決まるため、結果として、本開示に係る製造方法によって製造される伝熱材は、熱交換器の最大放熱量を向上させることができると考えられる。
【００４３】
したがって、本開示に係る製造方法によれば、蒸発を伴う熱交換における最大放熱量を向上させることができる。
【００４４】
〈提供工程〉
本開示に係る製造方法の提供工程では、銅を含む金属部材を提供する。銅を含む金属部材は、上述の銅又は銅合金であってよい。
【００４５】
〈酸化処理工程〉
本開示の製造方法の酸化処理工程では、提供工程において提供された銅を含む金属部材を酸化処理して、厚みが２μｍ超かつ７μｍ以下である針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有している伝熱材を得る。
【００４６】
本開示の製造方法に係る１つの実施態様では、酸化処理工程において、まず、酸化処理の対象となる銅を含む金属部材に対して、アセトンによる有機汚染物の除去、及び塩酸による自然酸化膜の除去を行う。次いで、当該洗浄後の金属を、９０℃以上に加熱した酸化処理液に浸漬する。そして、酸化処理後の金属を洗浄及び乾燥して、厚みが２μｍ超かつ７μｍ以下である針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有している伝熱材を得る。
【００４７】
本開示の製造方法に係る１つの実施態様では、酸化処理工程において使用する酸化処理液の調整を、水酸化ナトリウム７．５ｇ以上、亜塩素酸ナトリウム１０．０ｇ以上、及びリン酸ナトリウム水和物１５．０ｇ以上を１００ｍＬの蒸留水に溶解させることによって、行う。酸化処理液における水酸化ナトリウムは、蒸留水１００ｍｌに対して、７．５ｇ以上、若しくは８．０ｇ以上であってよく、かつ／又は１４．０ｇ以下、若しくは１２．０ｇ以下であってよい。酸化処理液における亜塩素酸ナトリウムは、蒸留水１００ｍｌに対して、１０．０ｇ以上、若しくは１２．０ｇ以上であってよく、かつ／又は１９．０ｇ以下、若しくは１７．０ｇ以下であってよい。酸化処理液におけるリン酸ナトリウム水和物は、蒸留水１００ｍｌに対して、１０．０ｇ以上、若しくは１５．０ｇ以上であってよく、かつ／又は２０．０ｇ以下、若しくは１８．０ｇ以下であってよい。
【００４８】
本開示に係る１つの実施態様では、酸化処理液は、溶媒である蒸留水１００部に対して、７．５部以上の水酸化ナトリウム、１０．０部以上の亜塩素酸ナトリウム、及び１５．０部以上のリン酸ナトリウム水和物を含有している。
【００４９】
本開示に係る製造方法の１つの実施態様では、表面層の厚みは、ＳＥＭ，ＴＥＭ等の画像に基づき、上述の表面層の厚みの定義に従って、決定してよい。
【実施例】
【００５０】
以下に実施例を示して、本開示に係る発明をさらに具体的に説明する。
【００５１】
≪ＳＥＭ観察≫
異なる酸化処理を伴う方法によって製造された伝熱材について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行った。実施例１〜２及び比較例１〜２は、酸化処理液の組成が異なること以外は同様の方法で処理された。なお、比較例３は、酸化処理工程を経ておらず、それ以外は上記実施例等と同様である。具体的な手順を、以下に記載する。
【００５２】
〈伝熱材の製造〉
まず、銅を含む金属部材として、１０ｍｍ２の銅板を準備した。そして、この銅板に対してアセトンによる２０分間にわたる洗浄を行い、有機汚染物の除去を行った。次いで、アセトン洗浄後の銅板を１Ｍの塩酸に３０秒間にわたって浸漬して、自然酸化膜の除去を行った。
【００５３】
上記洗浄処理後の銅板を、９０℃以上に加熱されている酸化処理液中で１０分間にわたって浸漬した。ここで、上記酸化処理液の調整は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ２）、及びリン酸ナトリウム水和物（Ｎａ３ＰＯ４・１２Ｈ２Ｏ）を、１００ｍＬの蒸留水に溶解させることによって行った。酸化処理液の組成は、実施例１〜２及び比較例１〜２について、下記の表１に示すものであった。
【００５４】
〈ＳＥＭ観察〉
上記工程によって製造された伝熱材について、伝熱材断面におけるＳＥＭ観察を行った。
【００５５】
結果を、表１及び図３に示す。
【００５６】
図３は、本開示に係る伝熱材の走査型電子顕微鏡写真である。図３から、針状の酸化第二銅で構成されている表面層３０を確認することができる。
【００５７】
表１において、ＳＥＭ観察の結果がまとめられている。実施例１及び実施例２に係る伝熱材は、本開示に係る厚みを有しており、針状の酸化第二銅で構成されている表面層を有していた。
【００５８】
≪熱媒体の供給速度の評価≫
異なる酸化処理によって製造された伝熱材（実施例１及び比較例１）について、熱媒体の供給速度を評価した。具体的な手順を、以下に記載する。
【００５９】
まず、銅板の寸法が異なること以外はＳＥＭ観察で既述したのと同様にして、実施例１及び比較例１に係る伝熱材を作成した。銅板の寸法は、長さ４０ｍｍ×幅５ｍｍ×厚さ２ｍｍであった。このような伝熱材を２つ用意し、図４に示すようにして、これら伝熱材４６を１ｍｍの間隔で並置した。そして、これら伝熱材４６によって形成される空間を持ち上がる熱媒体４２の様子をハイスピードカメラで測定し、１０ｍｓ後における持ち上がりの高さｈを評価した。熱媒体としては、水を使用した。
【００６０】
結果を、表１及び図５に示す。
【００６１】
図５は、異なる酸化処理を伴う方法によって作成された伝熱材における熱媒体供給速度の測定結果である。図５に示されている１０ｍｓ後における持ち上がりの高さｈを、表１にまとめた。
【００６２】
表１で示すように、実施例１に係る伝熱材は、比較例１と比較して、より高い熱媒体の供給速度を有していた。
【００６３】
≪放熱量の評価≫
異なる酸化処理を伴う方法によって作成された伝熱材について、最大放熱量の評価を行った。
【００６４】
具体的には、まず、銅を有する金属部材が銅の焼結多孔質体であること以外は上記のＳＥＭ観察で記載したのと同様にして、実施例１〜２及び比較例１〜３に係る伝熱材を作成した。当該焼結多孔質体は、空隙率が４０％であり、厚みが０．５ｍｍであり、かつ直径が５ｍｍであった。このような伝熱材について、図６に示すような放熱量評価装置６９を用いて放熱量の測定を行い、各サンプルの最大放熱量を評価した。図６の放熱量評価装置６９は、ヒーター６８及び伝熱材６６を有している。図６におけるＱは、熱量を表している。
【００６５】
結果を、表１及び図７に示す。
【００６６】
図７は、伝熱材における表面層の厚みと最大放熱量との関係を表したグラフである。図７の各点に対応する最大放熱量が、表１にまとめられている。表１で示すように、実施例１及び実施例２に係る伝熱材を使用した場合には、比較例１に係る伝熱材を使用した場合と比較して、最大放熱量が向上していた。
【００６７】
なお、表１で示すように、比較例２に係る伝熱材では、比較例１の場合と比較して、最大放熱量が減少していた。
【００６８】
【表１】
2020105581.tif 000003
【符号の説明】
【００６９】
４６、６６、１００，２００    伝熱材
１０、２０    針状構造体
１２、２２、４２    熱媒体
１４，２４    銅を含む金属部材
３０    表面層
６８    ヒーター
６９    放熱量評価装置
Ａ    熱媒体の拡散
ｈ    １０ｍｓ後における持ち上がりの高さ
Ｑ    熱量
【図１】
2020105581.tif 000004
【図２】
2020105581.tif 000005
【図３】
2020105581.tif 000006
【図４】
2020105581.tif 000007
【図５】
2020105581.tif 000008
【図６】
2020105581.tif 000009
【図７】
2020105581.tif 000010