(57)【要約】【課題】  毛細管力及び圧力損失の特性に優れるとともに簡便な構造の吸水材、熱伝導部材、及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係る吸水材は、金属基体１と、金属基体１の表面を機械的加工及び化学的加工の少なくとも一方によって粗化した表面層４と、表面層４に形成されたウイスカー５とを備える。ウイスカー５は金属基体１を構成する金属元素の酸化物であり、表面層を熱処理することによって生成する。このように、吸水材１０は、ウイスカー５を備えるため高い毛細管力を有する。そのウイスカー５は金属基体１の表面に直接形成されるため、吸水材１０を基材に取付ける必要がなく構造が簡便である。また、金属基体１とウイスカー５とが一体の構造であるため、圧力損失が低い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基体と、当該金属基体の表面を機械的加工及び化学的加工の少なくとも一方によって粗化した表面層と、
前記表面層に形成されたウイスカーとを備え、
前記ウイスカーは前記金属基体を構成する金属元素の酸化物であり、前記表面層を熱処理することによって生成することを特徴とする吸水材。
【請求項２】
前記化学的加工が、化学的エッチング処理又は電気化学的メッキ処理であることを特徴とする請求項１に記載の吸水材。
【請求項３】
前記金属元素が、アルミニウ及びクロムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吸水材。
【請求項４】
前記金属基体が、遷移金属を母材とする合金であることを特徴とする請求項３に記載の吸水材。
【請求項５】
容器本体と、当該容器本体の内面に形成された請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の吸水材と、前記容器本体の内部に封入された作動液とを備え、
前記容器本体と前記吸水材とが一体に形成されることを特徴とする熱伝導部材。
【請求項６】
金属基体の表面を機械的加工及び化学的加工の少なくとも一方によって粗化する工程と、
前記粗化した金属基体の表面を熱処理することによって当該表面に前記金属基体を構成する金属元素の酸化物ウイスカーを形成する工程とを備えることを特徴とする吸水材の製造方法。
【請求項７】
容器本体と、当該容器本体の内部に形成された吸水材と、前記容器本体の内部に封入された作動液とを備える熱伝導部材の製造方法であって、
容器本体の内面を機械的加工及び化学的加工の少なくとも一方によって粗化する工程と、
前記粗化した容器本体の内面を熱処理することによって当該内面に前記容器本体を構成する金属元素の酸化物ウイスカーを形成し、前記容器本体の内面に直接吸水材を形成する工程とを備えることを特徴とする熱伝導部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属よりなる吸水材、熱伝導部材、及びその製造方法に関し、特には、酸化物からなるウイスカーを備える吸水材、熱伝導部材、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高熱伝導部材としてヒートパイプが知られている。ヒートパイプ内部に設けられる吸水部であるウイックには、放熱部で凝縮した液体を吸熱部に戻すために高い毛細管力、及び低圧力損失等の特性が要求される。
【０００３】
ヒートパイプ内部にウイックを設ける従来の方法としては、管内に機械加工を施し微細な溝を形成する方法や、金属細線よりなるメッシュ状素材を管内に挿入する方法がある。しかし、管内に機械加工を施す場合には、微細な溝を得るには限界があり、高い毛細管力を得ることはできない。また、メッシュ状素材を管内に挿入する場合にも、細径の金属線材を得るには限界があり、高い毛細管力を得ることはできない。さらに、メッシュ状素材をメッシュ状素材と管との間に隙間が生じないように、かつ均一に管内に取付けることは困難であるため、圧力損失を低くすることは難しく、かつヒートパイプの製造には大変な労力を要していた。
【０００４】
特許文献１には、アルミニウム合金の多孔質体基材にアルミナウイスカーを設けたウイックに関する発明が開示されている。この発明では、ウイックにウイスカーを適用しているため、従来のウイックと比較して高い毛細管力を得ることができる。しかし、この場合でも、ヒートパイプを製造する場合には、ウイックを管内に取付ける工程が必要であり、圧力損失を低くすることは難しく、かつヒートパイプの製造には大変な労力を要する。また、ウイックの基材は、多孔質体基材であるため圧力損失が大きくなるという問題もある。
【特許文献１】特開２０００−２４１０９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、毛細管力及び圧力損失の特性に優れるとともに簡便な構造の吸水材、熱伝導部材、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る吸水材は、金属基体と、金属基体の表面を機械的加工及び化学的加工の少なくとも一方によって粗化した表面層と、表面層に形成されたウイスカーとを備える。ウイスカーは金属基体を構成する１種の金属元素の酸化物であり、表面層を熱処理することによって生成する。
【０００７】
また、本発明に係る吸水材の製造方法は、金属基体の表面を機械的加工及び化学的加工の少なくとも一方によって粗化する工程と、この粗化した金属基体の表面を熱処理することによって表面に金属基体を構成する金属元素の酸化物ウイスカーを形成する工程とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る吸水材は、ウイスカーを備えるため高い毛細管力を有する。そのウイスカーは金属基体の表面に直接形成されるため、吸水材を基材に取付ける必要がなく構造が簡便である。また、金属基体とウイスカーとが一体の構造であるため、圧力損失が低い。
【０００９】
また、本発明に係る吸水材の製造方法によれば、金属基体の表面に直接ウイスカーを形成させることができるため、毛細管力及び圧力損失の特性に優れるとともに、簡便な構造を有する吸水材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るヒートパイプ１００を示す模式図であり、図２は、ヒートパイプ１００の内部のウイック１０の一部を示す拡大模式図である。なお、本実施の形態では、吸水材をヒートパイプのウイックとして用いる場合について示すが、吸水材の用途はヒートパイプのウイックに限られるものではない。
【００１１】
ヒートパイプ１００は、熱伝導部材であり、容器本体としての管部材１と、管部材１の内面に形成された吸水材としてのウイック１０とを備え、管部材１の内部には作動液が封入されている。ヒートパイプの一端の吸熱部２を加熱し他端の放熱部３を冷却すると、管部材１の内部で作動液が還流し吸熱部２から放熱部３へと熱が移動する。
【００１２】
管部材１は、母材である遷移金属と、アルミニウム及びクロムの少なくとも一方とを含む合金で構成される。ここで遷移金属は必ずしもウイスカーを構成するものではなく、ウイスカー発生時に触媒的機能を与えるものである。また、アルミニウム、クロムは蒸気圧が高くウイスカーを生成し易いとともに、アルミニウムの場合はアルミナ、クロムの場合はクロム酸化物のウイスカーが得られる。これらの酸化物は熱的に安定であり、かつ親水性の酸化物であるため、本発明の吸水材として好適に使用できるものである。
【００１３】
ウイック１０は、金属基体としての管部材１と、管部材１の内面を機械的加工によって粗化した表面層４と、表面層４に形成されたウイスカー５とを備える。機械的加工は、旋盤等の加工機によって行われる。旋盤等によって管部材１の内面には溝６が形成され、粗化された表面層４が形成される。
【００１４】
ウイスカー５は、粗化された表面層４を、微量の酸素を含んだ不活性ガス雰囲気中で熱処理することによって表面層４に生成し、管部材１を構成する金属元素であるアルミニウム又はクロムの酸化物である。
【００１５】
このように、管部材１の内面に機械的加工を行い、その機械的加工を行った部位に熱処理を施すことによって、管部材１の内面に外径が５〜１００ｎｍ、長さが５０〜１０００μｍ程度の微細な酸化物ウイスカーを直接生成させることができる。
【００１６】
管部材１の内面の加工は、機械的加工に限られるものではなく、化学的エッチング処理又は電気化学的メッキ処理等の化学的加工であってもよい。図３は、図２と同様にウイック１０の一部を示す拡大模式図であり、図３（ａ）は、化学的エッチング処理によって粗化された場合の図であり、図３（ｂ）は、電気化学的メッキ処理によって粗化された場合の図である。化学的エッチング処理を管部材１の内面に施した場合には、管部材１の内面には微細な孔部が形成され、電気化学的メッキ処理を管部材１の内面に施した場合には、管部材１の内面には多孔質メッキ７によって微細な孔部が形成される。このように、化学的加工を管部材１の内面に施すことによって、管部材１の内面には微細な孔部が形成され、粗化された表面層４が形成される。そして、その表面層４に熱処理を施すことによって孔部表面に酸化物ウイスカー５が形成される。
【００１７】
このように、管部材１の内面に化学的加工を行った場合でも、その化学的加工を行った部位に熱処理を施すことによって、管部材１の内面に外径が５〜１００ｎｍ、長さが５０〜１０００μｍ程度の微細な酸化物ウイスカーを直接生成させることができる。
【００１８】
以上のように、本実施の形態に係るヒートパイプ１００は、微細な酸化物ウイスカー５からなる表面積の大きいウイック１０を備えるため高い毛細管力を有する。また、ウイック１０は、管部材１の内面に直接形成されるため、従来のウイックを管内に挿入する場合と比較して、ウイック１０を管部材１内に均一に設けることが可能となる。したがって、ヒートパイプ１００における圧力損失を低くすることができる。このように、ヒートパイプ１００は、高い毛細管力を有し、かつ低圧力損失という優れた特性を有するため、無重力環境下にて使用する場合や傾斜させて使用する場合等の高い毛細管力を必要とする環境下でも使用することができる。また、管部材１の内面に親水性処理を施すことなく、ヒートパイプ１００の性能が向上する。
【００１９】
また、ヒートパイプ１００とウイック１０とは一体に成形されるため、ヒートパイプ１００は簡便な構造となる。したがって、ヒートパイプ１００を軽量化することが可能であり、また、製造コストを低減することができる。
【００２０】
次に、ウイック１０及びヒートパイプ１００の製造方法について説明する。図４〜６は、ヒートパイプ１００の製造手順を示す図である。まず、図４を参照して管部材１の内面に機械的加工を施す場合について説明する。
（１）旋盤等の加工機によって管部材１の内面を切削し、管部材１の内面に溝６を成形する。
（２）管部材１の内部をエッチャントにてエッチングし、溝加工時に管部材１の内面に生成した酸化スケールを除去する。
（３）管部材１の内部に１０ｐｐｍ程度の酸素を含んだ不活性ガスを導入しながら、管部材１の内面に熱処理を施す。これにより、管部材１の内面の溝加工部から微細な酸化物ウイスカー５が生成し、管部材１の内面にウイック１０が形成される。
（４）管部材１の一端をかしめた後、窒素ガスによって管部材１内のガスを排気する。
（５）管部材１内に作動液を封入する。
（６）作動液が蒸発し易いように、管部材１の内部を１ｋＰａ程度減圧し、他端を封止する。
（７）最後に、管部材１の外面を機械研磨及び酸洗することによって外部スケールを除去し、ヒートパイプ１００を得る。
【００２１】
管部材１の内面に化学的加工を施す場合には、上記（１）及び（２）の工程に替え、管部材１の内部に化学的エッチング処理又は電気化学的メッキ処理を施すようにすればよい。化学的エッチング処理を施す場合には、図５に示すように、管部材１の内面に結晶粒が表出するまでエッチャントにてエッチングする。また、電気化学的メッキ処理を施す場合には、図６に示すように、管部材１の内部スケールをエッチングによって除去した後、管部材１をメッキ液に浸し管部材１の内面に多孔質メッキを施す。その他の工程は、上記（３）〜（７）の工程と同様である。
【００２２】
このように、本実施の形態に係るウイック１０及びヒートパイプ１００の製造方法は、管部材１の内面に機械的加工又は化学的加工を行った後、その加工を施した部位に熱処理を施すことによってウイスカーを生成させるものである。加工を行った後に熱処理を施すことによって、より均一なウイック１０を管部材１の内面に形成させることが可能となる。
【００２３】
なお、本実施の形態では、管部材１の内面に機械的加工、又は化学的加工のいずれかを施す場合について示したが、管部材１の内面に機械的加工及び化学的加工の双方を施すようにしてもよい。
【００２４】
以上のように、本実施の形態に係るウイック１０及びヒートパイプ１００の製造方法によれば、微細な酸化物ウイスカーを管部材１の内面に直接形成させることができ、毛細管力及び圧力損失の特性に優れたウイック１０及びヒートパイプ１００を簡便に製造することができる。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明の実施例を示すが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００２６】
（実施例１）
母材が遷移金属である鉄であり、かつクロムを含むＳＵＳ３０４製のステンレス鋼管（外径：２０ｍｍ、肉厚：０．５ｍｍ）を使用した。この管の内面に機械的加工を施し、幅１ｍｍ、ピッチ１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を管長手方向に形成させる。管内部を０．１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液で４時間エッチングすることによって、溝加工時に生成した酸化スケールを除去する。管内部に１０ｐｐｍの酸素を含む窒素ガスを導入しながら管全体を１０００℃で１時間熱処理する。これにより、外径２０〜１００ｎｍ、長さ５０〜１０００μｍのクロム酸化物ウイスカーが管内面の溝表面に形成され、ウイスカーが複雑に絡み合ったウイックが管内面に直接形成される。このウイックの一端を水に漬け、ウイスカー形成前後でウイックの吸水性を比較したところ、ウイスカー形成前は水を弾いたのに対して、ウイスカー形成後は瞬時に水を吸い上げ水面は５ｍｍ以上上昇し、高い毛細管力を示した。
【００２７】
(実施例２)
Ｆｅ−１６Ｃｒ−３Ａｌ製の管（外径：２０ｍｍ、肉厚：０．５ｍｍ）を使用した。この管の内面に機械的加工を施し、幅１ｍｍ、ピッチ１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を管長手方向に形成させる。管内部を０．１Ｎの硝酸で４時間エッチングすることによって、溝加工時に生成した酸化スケールを除去する。管内部に１０ｐｐｍの酸素を含む窒素ガスを導入しながら管全体を９５０℃で１時間熱処理する。これにより、外径５〜１００ｎｍ、長さ５０〜１０００μｍのアルミニウム酸化物ウイスカーが管内面の溝表面に形成され、ウイスカーが複雑に絡み合ったウイックが管内面に直接形成される。このウイックの一端を水に漬け、ウイスカー形成前後でウイックの吸水性を比較したところ、ウイスカー形成前は水を弾いたのに対して、ウイスカー形成後は瞬時に水を吸い上げ水面は７ｍｍ以上上昇し、高い毛細管力を示した。
【００２８】
（実施例３）
母材が遷移金属である鉄であり、かつクロムを含むＳＵＳ３０４製のステンレス鋼管（外径：２０ｍｍ、肉厚：０．５ｍｍ）を使用した。この管の内面に結晶粒が表出するまで０．１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液にて４時間エッチングを施す。管内部に１０ｐｐｍの酸素を含む窒素ガスを導入しながら管全体を１０００℃で１時間熱処理する。これにより、外径１０〜１００ｎｍ、長さ５０〜１０００μｍのクロム酸化物ウイスカーが管内面の孔部表面に形成され、ウイスカーが複雑に絡み合ったウイックが管内面に直接形成される。このウイックの一端を水に漬け、ウイスカー形成前後でウイックの吸水性を比較したところ、ウイスカー形成前は水を弾いたのに対して、ウイスカー形成後は瞬時に水を吸い上げ水面は８ｍｍ以上上昇し、高い毛細管力を示した。
【００２９】
（実施例４）
Ｆｅ−１６Ｃｒ−３Ａｌ製の管（外径：２０ｍｍ、肉厚：０．５ｍｍ）を使用した。管の内部スケールを０．１Ｎの硝酸で４時間エッチングすることによって除去した後、管をＮｉ−Ｐメッキ液に浸し、管の内面に多孔質Ｎｉ−Ｐメッキを施す。管内部に１０ｐｐｍの酸素を含む窒素ガスを導入しながら管全体を９５０℃で１時間熱処理する。これにより、外径５〜１００ｎｍ、長さ５０〜１０００μｍのアルミニウム酸化物ウイスカーが管内面の孔部表面に形成され、ウイスカーが複雑に絡み合ったウイックが管内面に直接形成される。このウイックの一端を水に漬け、ウイスカー形成前後でウイックの吸水性を比較したところ、ウイスカー形成前は水を弾いたのに対して、ウイスカー形成後は瞬時に水を吸い上げ水面は７ｍｍ以上上昇し、高い毛細管力を示した。
【００３０】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る吸水材、及び熱伝導部材は、ヒートパイプに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係るヒートパイプ１００を示す模式図である。
【図２】ヒートパイプ１００の内部のウイック１０の一部を示す拡大模式図である。
【図３】ヒートパイプ１００の内部のウイック１０の一部を示す拡大模式図である。
【図４】ヒートパイプ１００の製造手順を示す図である。
【図５】ヒートパイプ１００の製造手順を示す図である。
【図６】ヒートパイプ１００の製造手順を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００  ヒートパイプ
１  管部材
２  吸熱部
３  放熱部
４  表面層
５  ウイスカー
６  溝
７  多孔質メッキ
１０  ウイック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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