(57)【要約】      （修正有）【課題】高温体と相対向する面に放熱面を設置したとしても、放熱性が損なわれない伝熱システムを提供すること。【解決手段】複数の高温体を備えたシステムにおける相対向する高温体の表面の少なくとも一方に、平面上に多数の凹部を有し、該凹部によって拡大された実表面積の投影面積に対する拡大率が５倍以上であって、赤外線の反射率が０．５以上である表面を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の高温体の相対向する面の少なくとも一方が、平面上に多数の凹部を有し、該凹部によって拡大された実表面積の投影面積に対する拡大率が５倍以上であって、赤外線の反射率が０．５以上である表面を備えていることを特徴とする伝熱システム。
【請求項２】
上記凹部の開口径が等面積の円換算で０．１〜５μｍであって、当該凹部の深さが上記開口径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の伝熱システム。
【請求項３】
上記凹部が直流電解エッチングによって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の伝熱システム。
【請求項４】
上記凹部を有する表面の素材が高純度アルミニウムから成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の伝熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高反射で、放熱性に優れ、近くに高温体が配置されていたとしても、放熱性が損なわれることのない放熱面を備えた伝熱システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
伝熱部材の放熱特性向上に関する技術は、部品の動作寿命に係わる信頼性確保の観点だけでなく、発熱量増大を伴う部品の高密度化といった性能向上、使用温度域の低下に伴う低廉材料化といった原価低減などの観点で必須の技術となっている。
これまでの放熱性向上策としては、コーティングよって放熱特性を向上させる方法（例えば、特許文献１参照）や、表面の粗面化によって放熱特性を向上させる手法（例えば、特許文献２，３参照）が用いられてきた。
【特許文献１】特開２００６−１２４７４７号公報
【特許文献２】特開２００２−２２１０８０号公報
【特許文献３】特開平０８−３０３９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、コーティングによって放射特性を向上した部品を実際に装置に組み込むと、相対向する高温体からの放射エネルギーを受けてしまうため、十分な放熱特性が得られないという課題がある。
一方、粗面化によって放熱特性を向上させた部品を組み込んでも、粗面化時に反射率が低下してしまうと、相対向する高温体から放射エネルギーを受けてしまい、十分な放熱特性が得られないことがあるといった課題がある。
【０００４】
本発明は、コーティングや粗面化による従来の放熱特性向上技術における上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、高温体と相対向する面に放熱面を設置したとしても、放熱性が損なわれない伝熱システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、粗面化方法の１つである従来の塩酸などによるケミカルエッチング処理などでは、投影面積に対する実表面積は拡大されるが、それに伴って最表面の平滑性が損なわれる結果、高温体と相対向する面から放射される赤外線が乱反射し、反射率が低下してしまうことに着目した。
そして、平面部に複数の凹部を形成することによって、最表層の平滑性を維持したままで表面積を拡大することができ、反射率の低下を抑え、外部からの放射エネルギーの受熱を最小限とし、実表面積の拡大による放熱性向上を図ることができることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００６】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の伝熱システムは、複数の高温体の相対向する面の少なくとも一方が、平面上に多数の凹部を有し、該凹部によって拡大された実表面積の投影面積に対する拡大率が５倍以上であって、赤外線の反射率が０．５以上である表面を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、平面上に多数の凹部を有し、これによって拡大される実表面積の投影面積に対する拡大率が５倍以上で、赤外線の反射率が０．５以上であるような表面を備えたものとしたことから、このような表面が高温体と相対向した場合においても、当該表面からの放熱性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について、詳細かつ具体的に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。
【０００９】
本発明の伝熱システムは、上記したように、微視的な凹部を平面上に多数有し、この凹部によってその表面積が、投影面積、すなわち凹部がないとした平面の面積に対して５倍以上に拡大され、かつ赤外線の反射率が０．５以上である表面を高温体の相対向する面に備えたものである。
【００１０】
ここで、凹部による表面積の拡大率や赤外線反射率を上記値としたのは、表面積の拡大率が５倍に満たない場合には、対流による本部品からの放熱性向上効果が小さくなる一方、赤外線の反射率が０．５に満たない場合には、高温体からの放射エネルギーの受熱量が多くなる不都合が生じることによる。
なお、本発明の伝熱システムの性能をさらに良好なものとし、より確実な作用効果を得る観点から、上記表面積の拡大率については１５倍以上、赤外線の反射率については０．８以上であることが望ましい。
【００１１】
本発明の伝熱システムにおいて、高温体の表面に形成する凹部の大きさについては、凹部の開口形状を等面積の円と見なしたときの開口径が０．１〜５μｍであって、しかも凹部の深さがこれよりも大きいことが望ましい。
すなわち、上記開口径が０．１μｍに満たない場合は、孔の中の流体の交換が低くなるため放熱性が低くなり、５μｍを超えた場合には、反射率が低下する傾向が認められることによる。また、凹部深さが上記開口径以下である場合には、反射率を保持したままで十分な表面積拡大率がえられず、放熱性が向上しないという不都合が生じる可能性があることによる。
【００１２】
ここで、上記開口径Ｄは、次式によって求めることができる。なお、Ｓは凹部の開口面積、πは円周率である。
Ｄ＝２（Ｓ／π）１／２
【００１３】
なお、この凹部の形状としては、角柱状や円柱状など、開口径よりも深さが大きいものだけでなく、開口相当直径方向よりも深さ方向が小さいくぼみ形状の孔や、固体が割れた際に形成される隙間部のような溝も含む。
【００１４】
本発明の伝熱システムにおいて、上記のような凹部を備えた表面構造は、高温体の表面に直接形成することもできるが、このような凹部を有する表面を別部材に形成して伝熱部材となし、このような伝熱部材を高温体の表面に取り付けるようにすることも可能である。
【００１５】
本発明の伝熱システムにおける表面構造は、例えば、パソコン等に設置されているヒートシンクなどのようなマクロ構造による表面積拡大ではなく、部材表面の微視的な孔や窪みなどの凹部によって拡大した表面積を有している。
【００１６】
本発明の伝熱システムにおいて、上記のような表面構造を形成するための素材としては、軽量で、熱伝導性に優れると共に、エッチングによって凹部の形成が可能であることから、アルミニウムやアルミニウム合金材を使用することができる。このとき、柱状の細孔を最表層の平面部に対して垂直に形成させるという観点からは、特に高純度アルミニウムを用いることが望ましい。
なお、本発明において高純度アルミニウムとは、９９．９％以上の純度のものを意味する。
【００１７】
本発明の伝熱システムにおいて、上記表面構造を形成するに際しては、上記のようなアルミニウム系材料から成る素材に、エッチングを施すことによって凹部を形成することができるが、特に直流電解エッチングを適用することが望ましい。
電解エッチングは、酸水溶液などの電解液中で陽極とした素材に通電処理するものであって、化学的エッチングに較べてエッチング速度が速く、深いエッチピットを形成することができ、本発明に好適に用いることができる。
【００１８】
なお、エッチング条件については、例えば、浸漬溶液中の硫酸濃度を高くしたり、電解エッチング時の電解液の硫酸濃度を高くしたり、電流密度を小さくしたりすることによって凹部の数を減らすことができ、これによって反射率が高くなるように調整することができる。
【００１９】
また、電解エッチング時の温度を高くすることによって、凹部の深さを大きくすることができ、電解エッチング後に行う塩酸水溶液中への浸漬時間を長くしたり、溶液濃度を高くしたり、温度を高めたりすることによって凹部の開口径を大きくすることができ、実表面積の拡大率を高めることができる。
逆に、塩酸水溶液中への浸漬時間を短くしたり、溶液濃度を薄くしたり、浸漬温度を低くしたりすることによって凹部の開口径を小さくすることができる。
【００２０】
本発明の伝熱システムは、例えば熱交換器、ウォータジャケット、ラジエータ等のような流体との伝熱を主に行う部品に適用することができる。また、これらに加えて、エンジン本体、バルブ、ピストン、エンジンカバー、ロッカーカバー、配管、配管継ぎ手、インテークマニホールド、オイルパン、ポンプ、ミッションケース、ＣＴＶケース、エキゾーストマニホールド、マフラー、ボンネット、ブレーキ、電装部品内の基板、ＩＮＶケース、ローターコア、ステータコア、電池ケース、燃料電池ケース、高圧水素タンク等の発熱部品や放熱部品、またトランクや自動車天井内部など熱がこもる部位、さらにはこれら部品への経路にある部品に適用することができる。
【００２１】
そして、本発明の伝熱システムにおいては、上記のような凹部を備えた表面を他の高温体に対向させて配置することにより、高温体からの放射エネルギー（赤外線）の受熱を抑えながら、凹部により拡大された大面積表面からの放熱性を確保することができる。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２３】
（実施例１）
素材として、９０ｍｍ×１５０ｍｍ×２ｍｍのサイズのアルミニウム合金展伸材を用い、この素材を５０℃に保持した１０％塩酸−５％硫酸水溶液中に５分間浸漬することにより素材表面に拡面処理を施し、本例の伝熱部材試料とした。
そして、走査型電子顕微鏡によって処理表面に形成された凹部の寸法や形状を調査した。また、（株）島津製作所製ＡＳＡＰ２０１０を用いたガス吸着法（ＢＥＴ法）によって処理面の表面積を測定して、その投影面積に対する拡大率を算出すると共に、下記方法によって当該試料の赤外線の反射率、及び放熱特性を測定した。これらの結果を表１に示す
【００２４】
（実施例２）
上記実施例と同一素材を用い、５０℃に保持した５％塩酸−２０％硫酸水溶液中に５分間浸漬することによって、素材表面に拡面処理を施し、本例の伝熱部材試料を作製した。
そして、上記実施例と同様の方法によって、処理表面に形成された凹部の寸法や形状を調査すると共に、表面積の拡大率、当該試料の赤外線の反射率及び放熱特性を測定した。これらの結果を表１に併せて示す。
【００２５】
（実施例３）
上記実施例と同一の素材を用い、５０℃に保持した５％塩酸−２０％硫酸水溶液中において、０．１Ａ／ｃｍ２の電流密度による直流電解エッチングを５分間行ったのち、さらに７０℃に保持した５％塩酸水溶液中に５分間浸漬することによって、素材表面に拡面処理を施し、本例の伝熱部材試料とした。
そして、上記同様の方法によって、処理表面に形成された凹部の寸法や形状を調査すると共に、表面積の拡大率、当該試料の赤外線の反射率及び放熱特性を測定し、これらの結果を表１に併せて示す。
【００２６】
（実施例４）
素材として、同一サイズの高純度アルミニウムを用いたこと以外は、上記実施例３と同様の操作を繰り返すことによって、本例の伝熱部材試料を得た。
そして、上記同様の方法によって、処理表面に形成された凹部の寸法や形状を調査すると共に、表面積の拡大率、当該試料の赤外線の反射率及び放熱特性を測定し、これらの結果を表１に併せて示す。
【００２７】
（比較例１）
上記各実施例と同一サイズのアルミニウム合金展伸材に何らの処理も施すことなく、そのまま比較例の伝熱部材試料とした。
そして、上記各実施例と同様の方法によって、当該試料の赤外線の反射率及び放熱特性を測定した。これらの結果を表１に併せて示す。
【００２８】
（比較例２）
上記各実施例と同一サイズのアルミニウム合金展伸材の一方の面に、高輻射放熱用コーティング剤として、オキツモ株式会社製「オキツモクールテック」を塗布し、比較例の伝熱部材試料とした。
そして、上記各実施例と同様の方法によって、当該試料の赤外線の反射率及び放熱特性を測定し、これらの結果を表１に併せて示す。
【００２９】
（比較例３）
アルミニウム合金展伸材から成る素材を５０℃に保持した２０％塩酸水溶液中に５分間浸漬したこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、比較例の伝熱部材試料を得た。
そして、上記同様の方法によって、処理表面に形成された凹部の寸法や形状を調査すると共に、表面積の拡大率、当該試料の赤外線の反射率及び放熱特性を測定し、これらの結果を表１に併せて示す。
【００３０】
（比較例４）
アルミニウム合金展伸材から成る素材を３０℃に保持した１０％塩酸水溶液中に２分間浸漬したこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、比較例の伝熱部材試料を得た。
そして、上記同様の方法によって、処理表面に形成された凹部の寸法や形状を調査すると共に、表面積の拡大率、当該試料の赤外線の反射率及び放熱特性を測定し、これらの結果を表１に併せて示す。
【００３１】
〔反射率の測定〕
サーモフィッシャーサイエンティフィック（株）製ＡＶＡＴＡＲ３６０型装置を使用し、リファレンスとして金ミラー、反射アクセサリとしてファンデーションを使用した反射法によって、分解能４ｃｍ−１、積算回数３０回として、各伝熱部材試料の赤外線反射率を測定した。なお、各試料につきそれぞれ２回測定し、その平均値を求めた。
【００３２】
〔放熱特性の評価〕
図１に示すように、樹脂系断熱材（（株）ダイハン製Ｓ４０００、１５ｍｍ厚さ）により形成した水槽Ｔの底部に、上記実施例及び比較例で得られた伝熱部材試料Ｓを処理面Ｆを外面側にしてそれぞれ組み付け、水槽Ｔの内部に約８０℃の熱湯４００ｍｌを入れて放置した。
【００３３】
そして、熱湯の温度Ｔ１（温度測定部１の温度）、試料Ｓの放熱面から４５ｍｍ離れた伝熱空間の空気温度Ｔ２（温度測定部２の温度）、熱湯の冷える速度ｄＴ１／ｄｔ、さらに熱湯の熱量を定圧比熱Ｃｐ及び熱湯量Ｇ（４００ｍｌ、４００ｇ）より求め、各時間における「放熱特性−実験値」を次式（１）に基づいて算出した。
【００３４】
【数１】
2010107107.tif 000002
なお、式中の熱湯量Ｇは４００ｇ、熱湯の比熱Ｃｐは４．１８ｋＪ／ｋｇ・Ｋの値を用いた。
【００３５】
また、試験に際しては、安定状態での比較を行うため、お湯を保持槽内入れて１５分保持する操作を２回実施する予備試験を行い、３回目から本試験とした。
本試験においては、熱湯を入れてから３００秒〜６００秒の間における放熱特性−実験値を式（１）により求め、平均値を算出した。
【００３６】
さらに、各実験毎の水槽Ｔへの伝熱量を補正するため、水槽Ｔの内面側温度Ｔ３（温度測定部３の温度）及び外面側温度Ｔ４（温度測定部４の温度）を測定し、前記実験期間中における（Ｔ３−Ｔ４）の平均値を求め、各実験での「水槽への伝熱量指標」とした。    そして、各実験において得られた「放熱特性−実験値」を縦軸に、上記「水槽への伝熱量指標」を横軸として、それぞれプロットし、各点より外挿して横軸が「０」の点、すなわち水槽への伝熱がないと見なしたときの縦軸の値をその表面の「放熱特性１」とした。このとき、上記のような外挿を行うために５点以上のデータ取って、プロットした。
【００３７】
次に、高温体と相対向する面に放熱面を設置したときの放熱特性を同様に算出した。
すなわち、上記電熱部材試料Ｓの放熱面（処理面）Ｆに対峙する位置に、図１に示すように、ラバーヒータＨによって１２０℃に加熱した高温体Ｂを設置し、上記と同様の要領で放熱特性を求め、これを「放熱特性２」とした。
【００３８】
これらの結果を、各試料の処理方法及び表面形状の測定結果と共に表１に示す。なお、表中において、各放熱特性の値は、比較例１（処理無し）の放熱特性を「１」とした時の相対値として示した。
【００３９】
【表１】
2010107107.tif 000003
【００４０】
表１に示すように、本発明の実施例１においては、表面積の拡大率が７倍、赤外線の反射率が０．５７であることから、相対する面に高温体Ｂがないとき（放熱特性１）は比較例２及び３の放熱性能に及ばなかった。しかし、高温体Ｂに相対するとき（放熱特性２）には、未処理品である比較例１と比較して１５％、表面積拡大率が３倍に過ぎない比較例４や、赤外線の反射率が０．４の比較例３と比較して、放熱性能が１０％以上向上することが確認できた。
【００４１】
また、実施例２においては、表面積拡大率が２０倍、赤外線反射率が０．８５となったことから、高温体に相対するとき（放熱特性２）の放熱性能が、未処理品である比較例１と比較して３０％、上記比較例３及び４と比較して２５％以上向上することが確認できた。
【００４２】
実施例３においては、直流電解エッチング（０．１Ａ／ｃｍ２−５０℃×５分）を施したのち、さらに塩酸水溶液への浸漬処理を施したため、表面積拡大率が３０倍、赤外線反射率が０．８３、凹部の平均開口径（等面積円換算径）が３μｍ、深さが１５μmとなった。
これによって、高温体Ｂに相対するとき（放熱特性２）の放熱性能が、未処理品である比較例１と比較して４０％、赤外線反射率や表面積拡大率がそれぞれ規定値に満たない比較例３及び４と比較して３５％以上向上することが確認できた。
【００４３】
そして、高純度アルミニウムに同様の直流電解エッチングを施した実施例４においては、表面積拡大率が５０倍、赤外線反射率が０．９、凹部の平均開口径が２．４μｍであることに加えて、凹部が表面に対して垂直に形成されていた。
このため、高温体に相対するとき（放熱特性２）の放熱性能が、未処理品である比較例１と比較して５０％、赤外線反射率や表面積拡大率がそれぞれ規定値に満たない比較例３及び４と比較しては４５％以上向上することが確認された。
【００４４】
これらに対し、高輻射コーティング剤を塗布しただけの比較例２においては、相対する面に高温体がないとき（放熱特性１）の放熱性能は未処理品である比較例１と比較して、１．９倍となったが、高温体に相対するとき（放熱特性２）は、未処理品である比較例１と比較して、５０％低下することが確認できた。
【００４５】
また、高濃度の塩酸浸漬処理によって粗面化を図った比較例３においては、表面積拡大率が３０倍、赤外線反射率が０．４であって、相対する面に高温体がないとき（放熱特性１）は未処理品である比較例１と比較して、放熱性能が１．７倍となった。一方、高温体に相対するとき（放熱特性２）の放熱性能は、未処理品である比較例１と比較して、同等レベルであることが確認できた。
【００４６】
低濃度の塩酸浸漬処理によって粗面化を図った比較例４においては、表面積拡大率が３倍、赤外線反射率が０．６５であって、相対する面に高温体がないとき（放熱特性１）は未処理品である比較例１と比較して、１．３倍の放熱性能となった。一方、高温体に相対するとき（放熱特性２）は、未処理品である比較例１と比較して、同等レベルの放熱性能であることが確認された。
【００４７】
図２は、上記実施例４によって得られた処理面における凹部のレプリカ像を示す走査型電子顕微鏡写真であって、柱状の細孔（白色部）が垂直に多数形成されていることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例において放熱特性の評価に用いた装置の概略構造を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図２】本発明の実施例４によって得られた処理面における凹部のレプリカ像を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図１】
2010107107.tif 000004
【図２】
2010107107.tif 000005