(57)【要約】【課題】放熱面と向かい合う位置に、これよりも高温度の発熱体が存在したとしても、放熱性が損なわれることのない伝熱装置を提供すること。【解決手段】金属製部材の放熱表面に、赤外線吸収特性によって低温域では高温域よりも高い放射特性を示し、光学的性質によって高温域では低温域よりも高い反射特性を示す伝熱特性可変物質を設ける。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温域では、赤外線吸収特性によって高温域よりも高い高放射特性を示し、高温域では、光学的性質によって低温域よりも高い高反射特性を示す伝熱特性可変物質を金属表面に備えたことを特徴とする伝熱装置。
【請求項２】
上記赤外線吸収特性が伝熱特性可変物質に含まれる成分による原子間の伸縮振動特性に起因したものであることを特徴とする請求項１に記載の伝熱装置。
【請求項３】
上記放熱特性可変物質がＳＯ基を含んでいることを特徴とする請求項２に記載の伝熱装置。
【請求項４】
上記ＳＯ基を含む伝熱特性可変物質が硫酸アルマイトであることを特徴とする請求項３に記載の伝熱装置。
【請求項５】
上記硫酸アルマイトのＡｌ含有量が５ｍｏｌ％以上、硫酸アルマイトの皮膜厚さが０．５〜３０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の伝熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温域では、高温域よりも高い放射特性を示し、高温域では、低温域よりも高い反射特性を示す伝熱特性可変物質を備え、放熱性に優れた伝熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放熱を必要とする部品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対策としては、コーティングよって放熱特性の向上を図る方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１２４７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、実際に、コーティングによって放射特性を向上した部品を発熱部品の近傍位置に組み込んだ場合、向かい合う発熱部品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。
【０００５】
本発明は、コーティング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、放熱面と向かい合う位置に、これよりも温度が高い高温体が存在したとしても、放熱性を高めることができる伝熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、低温においては高温時よりも放射特性が高く、高温においては低温時よりも反射特性が高くなる特性を備えた伝熱特性可変物質を金属部材の放熱表面に形成することによって、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００７】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の伝熱装置は、低温域においてはその赤外線吸収特性に基づいて高温域よりも高い高放射特性を示し、高温域においては、その光学的性質に基づいて低温域よりも高い高反射特性を示す伝熱特性可変物質を金属表面に備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低温域と高温域とでその放射特性と反射特性が変化する伝熱特性可変物質を金属表面に備えたものとしたため、このような伝熱特性可変物質を備えた表面が発熱部品のような高温体と向かい合ったとしても、当該表面からの放熱性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
本発明の伝熱装置は、上記したように、低温域では、その赤外線吸収特性によって高温域よりも高い放射特性を示す一方、高温域では、その光学的性質によって低温域よりも高い反射特性を示す伝熱特性可変物質を金属表面に備えたものである。
すなわち、このような伝熱特性可変物質を表面に備えた金属部品は、当該部品と向かいあう面の一部に本部品よりも高温の部材が存在しても、光学的性質に基づいた高反射特性のため、受熱を抑制でき、かつ本部品温度域での赤外線吸収特性に基づいた高放射特性により、本部品表面面からの放熱性が高い部材を得ることができる。
【００１２】
なお、本発明において、高反射特性とは、０．２以上の反射率を言い、高放射特性とは、０．３以上の放射率を意味するものとする。
【００１３】
本発明に用いる伝熱特性可変物質の赤外線吸収特性は、これに含まれる成分による原子間の伸縮振動特性に起因したものであることが望ましい。
ここで、原子間の伸縮振動特性とは、分子の固有振動を決定するもので、例えば二原子分子の振動は二つの球体間にばねがあるものと仮定したときの伸縮振動数を指すものであり、赤外線吸収特性とは原子間結合の伸縮振動と変角振動などによって決定される特性である。本発明においては原子間の伸縮振動特性が、変角振動などの吸収波長範囲よりも広いため、適用部品の使用環境温度に応じて適用材料を選択できる自由度が広く、最も良好である。また硫酸、シュウ酸、リン酸などの汎用材料を利用できるので成形性や低コストで本特性を実現できるものである。
【００１４】
また、原子間の伸縮振動特性は、伝熱特性可変物質に含まれるＳＯ基（スルフィニル基）によるものであることが望ましい。
ＳＯ基は、Ｓ＝Ｏという結合を有しているため、その伸縮振動特性から１３５０〜１０３０ｃｍ−１の波長域に赤外線吸収特性の強いピークを有する。よって放射される赤外線のピーク波長と温度の関係を示すウィーン則のために１2０℃〜常温での温度域で高い赤外吸収特性を示す。すなわち前記温度領域を外れる領域では、外部からの赤外吸収特性は低くなる。よって、例えば家電、車載発熱部品において、本発明品の周辺部品の一部の温度が１２０℃以上になっても、周辺部品における高温部からの受熱を抑制できるという効果が得られることができ、好ましい。
【００１５】
本発明の伝熱装置に用いられる伝熱特性可変物質としては、その赤外線吸収特性や光学的性質によって、低温域と高温域で放射特性や反射特性が上記のように変化する特性を有している限り、特に限定されることはない。
このような伝熱特性可変物質としては、例えば、酸化マグネシウムや酸化アルミニウム、シュウ酸アルマイト、硫酸アルマイト、クロム酸アルマイト、りん酸アルマイト等を挙げることができる。これらのうち、低コストで実現するという観点からは、特にＳＯ基を含む硫酸アルマイトを用いることが望ましい。
【００１６】
そして、伝熱特性可変物質として、上記した硫酸アルマイトを適用した場合、その皮膜厚さを０．５〜３０μｍ、そのＡｌ含有量を５ｍｏｌ％以上とすることが望ましい。すなわち、硫酸アルマイトの皮膜厚さが０．５μｍに満たないと、放射率が低くなり、逆に３０μｍを超えると、皮膜自体の熱抵抗が大きくなることで放熱性が悪化するという不都合が生じる傾向がある。また、皮膜中におけるＡｌの含有量が５ｍｏｌ％に満たない場合には、反射率が低くなる傾向がある。
なお、皮膜厚さについては１０〜２０μｍの範囲内、Ａｌ含有量としては１５ｍｏｌ％以上とすることがより望ましい。
【００１７】
本発明において、上記した各種の「アルマイト」については、アルミニウム系材料に、それぞれの酸、すなわちシュウ酸、硫酸、クロム酸、りん酸などを含む電解液中で陽極酸化処理を施すことによって得られるアルミニウム酸化物を主体とする物質を意味する。
【００１８】
このようなアルマイト層は、部品の伝熱（放熱）面がアルミニウム合金から成る場合には、当該部材に、シュウ酸、硫酸、クロム酸、りん酸などの電解液中で直接陽極酸化処理を施すことによって形成することができる。
【００１９】
また、このようなアルマイト層を形成したアルミニウム合金部材を放熱を必要とする部品の表面に装着することもできる。この場合、アルマイト層を形成するアルミニウム基材としては、Ａｌ含有量が９９．９％以上の高純度アルミニウムを用いることが望ましい。
さらに、このようにして得られたアルマイト層のみを基材部分から引き剥がしたのち、粉砕して成るアルマイト粉末をバインダーと共に伝熱面に塗布することも可能であって、上記した装着方法と共に、放熱を要する部品がアルミニウム合金以外の金属から成る場合に有効な手段となる。
【００２０】
酸化マグネシウムから成る伝熱特性可変物質についても、マグネシウム合金基材に陽極酸化処理を施すことによって得ることができる。
このような酸化マグネシウムは、上記したアルマイトの場合と同様の手段によって、金属部品の表面に形成することができる。
【００２１】
本発明の伝熱装置は、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。
【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）
基材として、９０ｍｍ×１５０ｍｍ×２ｍｍのサイズのアルミニウム合金展伸材を用い、この基材に対して、２５℃の１．５％シュウ酸水溶液中、ＤＣ８０Ｖで３０分間陽極酸化処理を施すことによって、基材表面にシュウ酸アルマイト層を形成し、本実施例の伝熱試験片とした。
そして、下記方法によって当該試験片に形成されたシュウ酸アルマイト層の赤外線の放射率、反射率、及び放熱特性をそれぞれ測定し、これらの結果を表１に示す
【００２４】
（実施例２）
電解液として、無水クロム酸（２５ｇ／Ｌ）：水酸化アンモニウム（２３３ｍＬ／Ｌ）：フッ化水素酸（２８ｍＬ／Ｌ）：リン酸（８５％）（２８ｍＬ／Ｌ）の１：１０：１：１の溶液を用意した。一方、基材として９０ｍｍ×１５０ｍｍ×２ｍｍのサイズのマグネシウム合金展伸材を用い、この基材に、９０℃に保持した上記電解液中において、ＡＣ３００Ｖで１５分間の陽極酸化処理を施して、基材表面に酸化マグネシウム層を形成して、本実施例の伝熱試験片とした。
そして、上記実施例と同様の方法によって、当該試験片に形成された酸化マグネシウム層の放射率、反射率、及び放熱特性をそれぞれ測定し、これらの結果を表１に併せて示す。
【００２５】
（比較例１）
基材として、上記実施例１と同一のアルミニウム合金展伸材を用い、この基材に何らの処理も施すことなく、そのまま当該比較例の伝熱試験片とした。
そして、上記各実施例と同様の方法によって、当該試験片の放射率、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。
【００２６】
（比較例２）
基材として、上記各実施例１と同一のアルミニウム合金展伸材を用い、この基材の一方の面に、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、当該比較例の伝熱試験片とした。
そして、上記各実施例と同様の方法によって、当該試験片の放射率、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】
〔放射率の測定〕
下記の反射率を測定し、透過率＝０として、放射率＝１−反射率より算出した。
【００２８】
〔反射率の測定〕
上記実施例及び比較例により得られた各伝熱試験片について、低温時（８０℃）及び高温時（２００℃）における赤外線反射率をそれぞれ測定した。
具体的には、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、各試料につきそれぞれ２回測定し、その平均値を求めた。
【００２９】
〔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試験片Ｐを処理面Ｆを外面側にしてそれぞれ組み付けた。
そして、上記伝熱試験片Ｐの放熱面（処理面）Ｆに対峙する位置に、ラバーヒータＨによって２００℃に加熱した高温体Ｂを設置すると共に、上記水槽Ｔの内部に約８０℃の熱湯４００ｍｌを入れて放置した。
【００３０】
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。
【００３１】
【数１】
2010162776.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。
【００３２】
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。
【００３３】
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」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。このとき、得られた特性値は、未処理品を用いた比較例１の結果を「１」とする相対値でもって表記した。
【００３４】
【表１】
2010162776.tif 000003
【００３５】
（実施例３）
基材として、上記実施例１と同一のアルミニウム合金展伸材素材を用い、この基材に対して、２５℃の１５％硫酸水溶液中、ＤＣ２５Ｖで３０分間の陽極酸化処理を施すことによって、基材表面に硫酸アルマイト層を形成し、本実施例の伝熱試験片とした。
そして、上記実施例と同様の方法によって、当該試験片に形成された硫酸アルマイト層の放射率、反射率、及び放熱特性をそれぞれ測定し、これらの結果を表２に示す。なお、当該表中には、比較のため上記比較例１，２の結果をも併記した。
【００３６】
（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、本実施例の伝熱試験片を得た。
そして、上記同様の方法によって、当該試験片に形成された硫酸アルマイト層の放射率、反射率、及び放熱特性をそれぞれ測定し、これらの結果を表２に併せて示す。
【００３７】
（実施例５）
電解液として、２０％の硫酸水溶液を用い、３０℃に保持した当該電解液中において、ＤＣ４０Ｖで陽極酸化処理を施したこと以外は、上記実施例４と同様の操作を繰り返すことによって、本実施例の伝熱試験片を得た。
そして、上記同様の方法によって、当該試験片に形成された硫酸アルマイト層の放射率、反射率、及び放熱特性をそれぞれ測定し、これらの結果を表２に併せて示す。
【００３８】
【表２】
2010162776.tif 000004
【００３９】
これらの結果、アルミニウム基材にシュウ酸アルマイト処理を施した本発明の実施例１においては、低温（８０℃）における放射率が０．６５、高温（２００℃）における反射率が０．４０となっており、このため放熱性能が未処理品である比較例１と比較して、約２０％向上することが確認された。
【００４０】
また、マグネシウム基材に交流陽極酸化処理を施した本発明の実施例２においては、低温（８０℃）における放射率が０．８５、高温（２００℃）での反射率が０．３５となっており、この結果、放熱性能が未処理品である比較例１と較べて、約３０％向上することが判明した。
【００４１】
さらに、アルミニウム基材に硫酸酸アルマイト処理を施した本発明の実施例３によれば、皮膜材質が硫酸アルマイトであり、当該皮膜中のＡｌ含有量が２．８ｍｏｌ％、硫酸アルマイト皮膜の厚さが３２μｍであった。そして、低温での放射率が０．９８、高温での反射率が０．３０となっていることから、放熱性能が未処理品と比較して、約４５％向上することが確認できた。
なお、低温域で放射率が向上したのは伝熱特性可変物質に硫酸アルマイトを使用したためであり、硫酸アルマイトはＳＯ基を有するので上述した理由により８０℃での放射率が向上したものである。
【００４２】
高純度アルミニウム基材に同様の硫酸酸アルマイト処理を施した実施例４によれば、硫酸アルマイト皮膜中のＡｌ含有量が５．５ｍｏｌ％、当該皮膜の厚みが２３μｍとなっており、低温での放射率が０．９７、高温での反射率が０．４９となった。その結果、放熱性能が未処理品と較べて、約７０％向上することが確認された。
なお、高温域で反射率が向上したのは、基材のＡｌ純度が高くなったことで皮膜処理中のＡｌ溶解性が高くなったためと推定される。皮膜処理中のＡｌ濃度が高いと皮膜中のＡｌ濃度が高くなり、高温時に発せられる短波長域の拡散特性が向上し、反射特性が向上したものと推定される。また、同時に皮膜が薄膜化したため、反射特性が向上したものと推定される。
【００４３】
そして、高純度アルミニウム基材への硫酸酸アルマイト処理に際して、電解液の硫酸濃度と共に、処理電圧を高めた実施例５においては、形成された硫酸アルマイト皮膜中のＡｌ含有量が１７．３ｍｏｌ％、皮膜厚さが１４μｍであって、低温での放射率が０．９８、高温での反射率が０．８６となっていた。このため、当該実施例においては、放熱性能が未処理品と比較して、約１００％向上することが確認できた。
実施例５においても、上述した実施例４と同様の理由から反射特性が向上したものと推定される。
【００４４】
一方、市販の高輻射放熱用コーティング剤を塗布した比較例２においては、低温時の放射率が０．９７であるものの、高温時の反射率が０．０８であって０．２に満たないことから、向かい合ったB 高温体からの受熱が大きいため、未処理品である比較例１に較べて、放熱性能が約２０％低下することが判明した。
【符号の説明】
【００４５】
Ｐ  伝熱試験片
Ｂ  高温体
【図１】
2010162776.tif 000005