(57)【要約】【課題】  小型、大容量化した、空調機や温水器、あるいは、半導体装置や熱機器などに用いることができる、熱伝達性能が大幅に向上する熱交換システムを得ることである。【解決手段】  固体と、この固体表面に設けられた直径が１００ｎｍ以下の孔部を有する多孔層とを備えた熱交換システムであって、上記多孔層を、親水性の異なる複数の微粒子を用いて形成すること、あるいは、熱伝導率の異なる複数の微粒子を用いて形成することである。【選択図】図１
2006220326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体と、固体表面に設けられた直径が１００ｎｍ以下の孔部を有する多孔層とを備えた熱交換システムであって、上記多孔層が親水性の異なる複数の微粒子で形成されたことを特徴とする熱交換システム。
【請求項２】
多孔層の孔部の表面に、親水性の異なる複数の微粒子が露出していることを特徴とする請求項１記載の熱交換システム。
【請求項３】
親水性が小さい第１の微粒子の室温から１２０℃までの昇温時の脱着水分量が、第１の微粒子より親水性が大きい第２の微粒子の室温から１２０℃までの昇温時の脱着水分量の５０％以下であることを特徴とする請求項１記載の熱交換システム。
【請求項４】
固体と、固体表面に設けられた直径が１００ｎｍ以下の孔部を有する多孔層とを備えた熱交換システムであって、上記多孔層が熱伝導率の異なる複数の微粒子で形成されたことを特徴とする熱交換システム。
【請求項５】
多孔層の孔部の表面に、熱伝導率の異なる複数の微粒子が露出していることを特徴とする請求項４記載の熱交換システム。
【請求項６】
熱伝導率の大きい第１の微粒子の熱伝導率が、第１の微粒子の熱伝導率より小さい第２の微粒子の熱伝導率の１．５倍以上であることを特徴とする請求項４記載の熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
熱交換器、ヒートシンク等に用いる熱交換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器やヒートシンクでは、接する気体の流れや機器の形状を工夫して、熱伝達性能の向上を図っている。しかし、機器の形状や大きさなどに制約があり、このようにして得られる熱交換器やヒートシンクでは、熱伝達性能の向上には限界があった。
しかし、最近、対流熱伝達に関して、低コストで画期的に高い効率を示す熱交換システムが提案されている。それは、流体と接する固体表面に、多数のナノサイズの気孔を有する多孔層を設けた熱交換システムである。この熱交換システムの多孔層は、金属等の固体表面に、直径１００ｎｍ以下の酸化銅、アルミナ、炭素などの粒子、あるいは直径が１００ｎｍ以下のカーボンナノチューブを塗布処理して得られる。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０３３９８０号パンフレット（第１頁〜第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記、多数のナノサイズの気孔を有する多孔層を設けた熱交換システムは、この多孔層を設けない金属などの固体表面が流体と接する熱交換システムに比べ、熱伝達性能が向上している。しかし、熱交換器が用いられる空調機や温水器、あるいはヒートシンクが用いられる半導体装置や熱機器などの、小型、大容量化に伴い、上記熱交換システムでも、熱伝達性能が不十分との問題があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、小型・大容量の、空調機や温水器に用いる熱交換器、あるいは、半導体機器や熱機器に用いるヒートシンク、の熱伝達性能を大幅に向上できる熱交換システムを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の熱交換システムは、固体と、固体表面に設けられた直径が１００ｎｍ以下の孔部を有する多孔層とを備えた熱交換システムであって、上記多孔層が親水性の異なる複数の微粒子で形成されたものである。
【０００７】
本発明の第２の熱交換システムは、固体と、固体表面に設けられた直径が１００ｎｍ以下の孔部を有する多孔層とを備えた熱交換システムであって、上記多孔層が熱伝導率の異なる複数の微粒子で形成されたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の第１の熱交換システムは、固体と、固体表面に設けられた直径が１００ｎｍ以下の孔部を有する多孔層とを備えた熱交換システムであって、上記多孔層が親水性の異なる複数の微粒子で形成されたものであり、気相への熱伝達性能を大幅に向上できる。
【０００９】
本発明の第２の熱交換システムは、固体と、固体表面に設けられた直径が１００ｎｍ以下の孔部を有する多孔層とを備えた熱交換システムであって、上記多孔層が熱伝導率の異なる複数の微粒子で形成されたものであり、気相への熱伝達性能を大幅に向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
固体から気相流体への熱伝達においては、境界面での熱伝達効率が支配的である。この境界面で熱伝達効率の向上には、境界面での水分子の挙動が重要な要因となっており、詳細なメカニズムは明確ではないが、多数のナノサイズの孔を有する多孔層を設けた熱交換システムでは、多孔層の孔部から脱着する水分子により、固体表面から熱エネルギーを効率よく持ち出せるようにすることが、熱交換システムの熱伝達性能を大幅に向上できることである。
【００１１】
図1は、本実施の形態の熱交換システムを示す模式図である。
図１に示すように、本実施の形態の熱交換システム１は、基材２の固体表面に、多孔層３が設けられており、多孔層３には、ナノサイズの孔部４が形成されている。
例えば、上記孔部４表面の親水性が大きすぎると、孔部４の水分吸着能が大きく、孔部からの脱着が不十分となり、孔部からの脱着分子による固体表面からの熱エネルギーの持ち出しが小さい。また、上記孔部４表面の親水性が小さすぎると、つまり、疎水性が大きすぎると、孔部４へ入る水分が少なくなり、脱着水分量が少なく、やはり、脱着分子による固体表面からの熱エネルギーの持ち出しが小さくなる。
それと、例えば、孔部４表面の温度が高すぎると、孔部４に吸着する水分量が少なくなり、結果として、脱着水分量が少なく、固体表面からの熱エネルギーの持ち出しが小さい。また、孔部４表面の温度が低くすぎると、吸着する水分量は多いが、脱着するエネルギーが十分ではなく、やはり、脱着水分量が少なく、固体表面からの熱エネルギーの持ち出しが小さくなる。
すなわち、多孔層３の孔部４からの水分子の吸着と脱着とのバランスが、熱伝達効率に影響しており、適正な水分子の吸着能と脱着能を有する孔部４が形成された多孔層３を設けた熱交換システム１が、気相への熱伝達性能を大幅に向上できることを見出した。
【００１２】
本実施の形態における、多孔層３の孔部４からの水分子の吸着と脱着とのバランスがとれた第１の熱交換システムは、表面の親水性が異なる複数のナノサイズ微粒子を混合して得られたナノサイズ微粒子で多孔層を形成したものである。
図２は第１の熱交換システムの多孔層の孔部のモデル図である。図２に示すように、親水性の微粒子１０と疎水性の微粒子１１とで、孔部表面が形成されており、水分子の吸着と脱着とのバランスのとれた多孔層３となっている。
この場合、親水性の小さい疎水性の微粒子としては、微粒子を水に入れた時に、水中で混合されない程度に疎水性を有するものが好ましい。親水性は表面に対する水分子の吸着しやすさで比較できる。具体的には、室温から１２０℃までの昇温時の脱着水分量を求める試験において、脱着水分量が少ないほど疎水性が大きいとなる。親水性の小さい疎水性の微粒子としては、上記試験において、親水性の大きい微粒子の脱着水分量と比較して、脱着水分量が５０％以下ものが好ましい。
【００１３】
多孔層３の孔部４からの水分子の吸着と脱着とのバランスがとれた第２の熱交換システムは、熱伝導率が異なる複数のナノサイズ微粒子を混合して得られたナノサイズ微粒子で多孔層を形成したものである。
図３は第２の熱交換システムの多孔層の孔部のモデル図である。図３に示すように、熱伝導率が大きい微粒子１２と熱伝導率が小さい微粒子１３とで、孔部表面が形成されており、水分子の吸着と脱着とのバランスのとれた多孔層３となっている。
この場合、熱伝導率が小さい微粒子の熱伝導率に対する熱伝導率が大きい微粒子の熱伝導率が、１．５倍以上であることが好ましく、５倍以上であることがさらに好ましい。
【００１４】
本実施の形態で用いられる微粒子としては、金属、金属の酸化物、窒化物、ホウ化物、炭化物等、グラファイト等の炭素化合物、炭化水素等の各種有機物が挙げられる。そして、微粒子の平均粒径は１０ｎｍ〜２５０ｎｍが好ましい。
本実施の形態で用いられる多孔層を設ける固体、すなわち基材２には、アルミニウムや銅などの金属、アルミナなどの金属酸化物、カーボン、プラスチックが挙げられるが、熱伝導率が高いものが好ましい。
多孔層３の厚さは、２０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５０μｍであることがさらに好ましい。２０ｎｍ未満では微粒子が基材表面を覆うことが困難で有効な多孔層を形成できない。１００μｍより大きいと、多孔層自身による断熱により熱伝達性能が低下する。
【００１５】
本実施の形態の熱交換システムは、以下のようにして作製する。
まず、複数の微粒子を水等の液体に混合させた混合液を準備する。この混合液には、バインダー成分、各種分散剤、凝集剤、界面活性剤などを添加しても良い。
次に、この混合液を、基材２の表面に塗布し、乾燥して、多孔層３を形成して、熱交換システム１とする。上記混合液の塗布方法としては、スピンコート法、スプレー法、ブラシ法、ローラーコート法、浸漬法などが挙げられる。
【００１６】
親水性の小さい、すなわち、疎水性の大きい微粒子は、例えば、無機の微粒子を有機物を溶かした溶液で処理し、無機微粒子の表面に有機物のコーティングを設けることにより得ることができる。
また、親水性を変える方法としては、上記方法のほか、各種の酸、アルカリ、酸化剤、還元剤などの処理、光、プラズマ、電子線などで処理が、挙げられる。
【実施例】
【００１７】
実施例１．
平均粒径１０ｎｍのチタニア微粒子と平均粒径４０ｎｍのシリカ微粒子との混合割合を変えた（シリカ微粒子が０重量％〜１００重量％）混合微粒子を調製する。
次に、上記混合微粒子を２重量パーセント含み、上記混合微粒子に対して２０重量％のペルオキソチタン酸を含む、水の混合液を調整する。この混合液をアルミニウム板上にスピンコートして、厚さ約１μｍの多孔層を形成し、熱交換システムサンプルを作製する。多孔層の厚さ調整は、乾燥とスピンコートとを数回繰り返して行う。
【００１８】
次に、上記、チタニア微粒子とシリカ微粒子との混合割合が異なる多孔層を備えた各熱交換システムサンプルのアルミニウム板を６０℃に保持し、上記各熱交換システムサンプルの多孔層を設けた面から、２０℃、相対湿度２０％、レイノルズ数２００００の空気気流への、熱伝達効率（ヌッセルト数）を求めて比較した。
図４に、シリカ微粒子含有率とヌッセルト数との関係を示した。ヌッセルト数は、チタニア微粒子含有率が１００重量％（１００ｗｔ％）、すなわち、シリカ微粒子含有率が０重量％（０ｗｔ％）のサンプルの値と各サンプルの値との比で示した。
図４から、特に、シリカ微粒子含有率が１０〜５０重量％（１０〜５０ｗｔ％）の場合、熱伝達効率が高くなった。すなわち、表面の性状が異なり親水性が異なる微粒子で孔部表面を形成した多孔層を有する熱交換システムが、単一の微粒子で孔部表面を形成した多孔層を有する熱交換システムより、熱伝達性能が優れていることを示している。
【００１９】
実施例２.
微粒子として、実施例１の平均粒径１０ｎｍのチタニア微粒子に替えて、疎水化処理した平均粒径４０ｎｍのシリカ微粒子を用いる。
シリカ微粒子の疎水化処理は、シリカ微粒子にヘキサメチルジシラザン中をバブリングした窒素を接触させて行う。疎水化処理したシリカ微粒子は、室温から１２０℃まで昇温時の脱水量が、疎水化処理をしていないシリカ微粒子の約４分の１であった。
多孔層の形成は、上記混合微粒子を２重量％含有するアルコールの処理液を、アルミニウム板上にスプレーコートする。得られる多孔層の厚さは約３μｍである。
【００２０】
疎水化シリカ微粒子の含有率（重量％）を変えた熱交換システムサンプルを作製し、実施例１と同様にして、熱伝達効率（ヌッセルト数）を求めて比較した。
図５に、疎水化シリカ微粒子含有率とヌッセルト数との関係を示した。ヌッセルト数は、疎水化シリカ微粒子含有率が０重量％のサンプルの値と各サンプルの値との比で示した。
図５から、特に、疎水化シリカ微粒子含有率が５〜５０重量％（５〜５０ｗｔ％）の場合、熱伝達効率が高くなった。すなわち、表面の性状が異なり親水性が異なる粒子で孔部表面を形成した多孔層を有する熱交換システムが、単一の粒子で孔部表面を形成した多孔層を有する熱交換システムより、熱伝達性能が優れていることを示している。
【００２１】
実施例３.
微粒子として、実施例１の平均粒径１０ｎｍのチタニア微粒子に替えて、平均粒径２０ｎｍのパラジウム微粒子を用いる。
多孔層の形成は、上記混合微粒子を２重量％含有し、上記混合微粒子に対して２０重量％のエチルシリケートを添加した、水の処理液を、銅板上にスプレーコートする。得られる多孔層の厚さは約０．５μｍである。
【００２２】
パラジウム微粒子の含有率（重量％）を変えた熱交換システムサンプルを作製し、銅板を６０℃に保持し、上記各熱交換システムサンプルの多孔層を設けた面から、２０℃、相対湿度２０％、レイノルズ数２００００の空気気流への、熱伝達効率（ヌッセルト数）を求めて比較した。
図６に、パラジウム微粒子含有率とヌッセルト数との関係を示した。ヌッセルト数は、パラジウム微粒子含有率が０重量％のサンプルの値と各サンプルの値との比で示した。
図６から、特に、パラジウム微粒子含有率が１０〜６０重量％（０〜６０ｗｔ％）の場合、熱伝達効率が高くなった。すなわち、熱伝導率が異なる微粒子で孔部表面を形成した多孔層を有する熱交換システムが、単一の微粒子で孔部表面を形成した多孔層を有する熱交換システムより、熱伝達性能が優れていることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態１の熱交換システムを示す模式図である。
【図２】実施の形態１における第１の熱交換システムの多孔層孔部のモデル図である。
【図３】実施の形態１における第２の熱交換システムの多孔層孔部のモデル図である。
【図４】チタニア微粒子とシリカ微粒子との混合割合が異なる多孔層を備えた熱交換システムサンプルのシリカ微粒子含有率とヌッセルト数との関係を示す図である。
【図５】疎水化シリカ微粒子とシリカ微粒子との混合割合が異なる多孔層を備えた熱交換システムサンプルの疎水化シリカ微粒子含有率とヌッセルト数との関係を示す図である。
【図６】パラジウム微粒子とシリカ微粒子との混合割合が異なる多孔層を備えた熱交換システムサンプルのパラジウム微粒子含有率とヌッセルト数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  熱交換システム、２  基材、３  多孔層、４  孔部、１０  親水性の微粒子、１１  疎水性の微粒子、１２  熱伝導率が大きい微粒子、１３  微粒子１２より熱伝導率が小さい微粒子。
【図１】
2006220326.tif 000003
【図２】
2006220326.tif 000004
【図３】
2006220326.tif 000005
【図４】
2006220326.tif 000006
【図５】
2006220326.tif 000007
【図６】
2006220326.tif 000008