(57)【要約】【課題】磁場を印加したとき、一層高い熱伝導性を有する磁性流体を提供する。【解決手段】溶媒中に磁性粒子を含有し、前記磁性粒子がコア−シェル構造を有し、前記コアがニッケル又は鉄であり、かつ、前記シェルが銅である、磁性流体。この磁性流体に磁場を印加して、磁性流体中の磁性粒子同士が接触すると、ニッケル又は鉄粒子に被覆された高熱伝導の銅によって、これらの磁性粒子間で充分に熱伝導経路が確保される。その結果、磁性流体が一層高い熱伝導率を有することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒中に磁性粒子を含有し、
前記磁性粒子がコア−シェル構造を有し、
前記コアがニッケル又は鉄であり、かつ、前記シェルが銅である、
磁性流体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁性流体に関する。本開示は、特に、熱伝導性に優れる磁性流体に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱伝導性が変化する材料の開発が進められている。例えば、特許文献１には、熱伝導性が変化ずる材料を利用した半導体装置が開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示された半導体装置は、パッケージに収納された半導体基板と、パッケージの一方の面に配置された熱伝導層と、熱伝導層のパッケージとは反対側に配置された冷却器とを有する。半導体基板は、パッケージに、半田等で接続されている。
【０００４】
特許文献１に開示された半導体装置において、その使用中に、半導体基板は発熱する。パッケージと熱伝導層は、冷却器と接しているため、半導体基板は、パッケージと熱伝導層を介して冷却される。熱伝導層は、磁性流体層と磁場発生層を有しており、磁場発生層によって生じる磁場によって、磁性流体層の熱伝導性を変化させる。これにより、熱伝導層の熱伝導性を変化させて、半導体基板の冷却を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１８３０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にされた半導体装置の磁性流体層は、層状の容器と、その容器に充填される磁性流体を備える。磁性流体は、磁場の印加によって、熱伝導性が高まる。半導体素子の動作速度の向上により、半導体基板の発熱量は増加しているため、一層高い熱伝導性を有する磁性流体が望まれている。また、半導体基板以外の物品を冷却する場合にも、一層高い熱伝導性を有する磁性流体が望まれている。
【０００７】
すなわち、磁場を印加したとき、一層高い熱伝導性を有する磁性流体が望まれている、という課題を、本発明者らは見出した。
【０００８】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、本開示は、磁場を印加したとき、一層高い熱伝導性を有する磁性流体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】
【０００９】
本発明者は、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本開示の磁性流体を完成させた。その要旨は、次のとおりである。
〈１〉溶媒中に磁性粒子を含有し、
前記磁性粒子がコア−シェル構造を有し、
前記コアがニッケル又は鉄であり、かつ、前記シェルが銅である、
磁性流体。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、強磁性を示すニッケル又は鉄をコアに、高熱伝導率を有する銅をシェルとするコア−シェル構造の磁性粒子を、溶媒中に含有することによって、一層高い熱伝導性を有する磁性流体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、磁性流体に磁場を印加したとき、磁性流体中の磁性粒子の状態を示す模式図である。
【図２】図２は、磁性流体に磁場を印加していないとき、磁性流体中の磁性粒子の状態を示す模式図である。
【図３】図３は、磁性粒子が、強磁性金属をコアに、高熱伝導金属をシェルとするコア−シェル構造を備え、磁場の印加中に磁性粒子同士が接触したときの熱伝導経路を示す模式図である。
【図４】図４は、磁性粒子が、高熱伝導金属をコアに、強磁性金属をシェルとするコア−シェル構造を備え、磁場の印加中に磁性粒子同士が接触したときの熱伝導経路を示す模式図である。
【図５】図５は、磁性粒子に対する銅の体積比と磁場印加中の磁性流体の熱伝導率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示に係る磁性流体の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本開示に係る磁性流体を限定するものではない。
【００１３】
図１は、磁性流体に磁場を印加したとき、磁性流体中の磁性粒子の状態を示す模式図である。図２は、磁性流体に磁場を印加していないとき、磁性流体中の磁性粒子の状態を示す模式図である。
【００１４】
磁性流体１０は、熱源２０と受熱物３０との間に配置される。磁性流体１０は、溶媒４０中に磁性粒子５０を含有する。磁性流体１０に磁場６０を印加したとき、図１に示したように、磁性粒子５０同士が接触して、熱源２０から受熱物３０への熱伝導経路７０が形成される。一方、磁性流体１０に磁場６０を印加していないとき、図２に示したように、磁性粒子５０同士は非接触であり、熱伝導経路７０は形成されない。
【００１５】
図１及び図２に示したように、本発明者は、溶媒４０中に磁性粒子５０を含有すると、磁場６０の印加時には、磁性粒子５０同士が接触状態になり、磁場６０の非印加時には、磁性粒子５０同士が非接触状態になることを知見した。そして、本発明者は、磁性粒子５０同士の接触及び非接触を利用して、熱伝導経路７０を形成及び切断することによって、磁性流体１０の熱伝導性を制御することができることを知見した。
【００１６】
図３は、磁性粒子５０が、強磁性金属５２をコアに、高熱伝導金属５４をシェルとするコア−シェル構造を備え、磁場の印加中に磁性粒子５０同士が接触したときの熱伝導経路７０を示す模式図である。図４は、磁性粒子５０が、高熱伝導金属５４をコアに、強磁性金属５２をシェルとするコア−シェル構造を備え、磁場の印加中に磁性粒子５０同士が接触したときの熱伝導経路７０を示す模式図である。
【００１７】
図３に示したように、本発明者は、強磁性金属５２をコアに、高熱伝導金属５４をシェルにしたとき、充分な熱伝導経路７０が得られること知見した。また、図４に示したように、本発明者は、高熱伝導金属５４をコアに、強磁性金属５２をシェルにしたとき、充分な熱伝導経路７０が得られないことを知見した。これらのことから、本発明者は、磁性流体１０中の磁性粒子５０をコア−シェル構造にし、かつ、シェルを銅などの高熱伝導金属にすることによって、熱伝導量を増加させることができることを知見した。
【００１８】
これらの知見に基づく、本開示の磁性流体１０の構成を、次に説明する。
【００１９】
（磁性粒子）
本開示の磁性流体１０は、溶媒４０中に磁性粒子５０を含有する。磁性粒子５０は、コア−シェル構造を有する。
【００２０】
コアは、強磁性金属５２である。強磁性金属５２としては、ニッケル又は鉄が挙げられる。図１及び図３に示したように、磁性粒子５０のコアが強磁性金属５２であるため、磁性流体１０に磁場６０が印加されたとき、磁性粒子５０同士が接触する。
【００２１】
強磁性金属５２（コア）の粒径は、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以上、又は１０００ｎｍ以上であってよく、１００μｍ以下、５０μｍ以下、又は１０μｍ以下であってよい。
【００２２】
本明細書において、特に断りがない限り、粒径は円相当径を意味する。また、円相当径は投影面積円相当径（ヘイウッド径）を意味する。
【００２３】
シェルは、高熱伝導金属５４である。高熱伝導金属５４としては、銅が挙げられる。
図１及び図３に示したように、磁性流体１０に磁場６０が印加されて、磁性粒子５０同士が接触したとき、シェルが高熱伝導金属５４であることにより、充分な熱伝導経路７０を確保することができる。
【００２４】
例えば、コアがニッケル又は鉄、シェルが銅であり、磁場６０の印加によって磁性粒子５０同士が接触しているとき、ニッケル又は鉄粒子に被覆された高熱伝導の銅によって、これらの磁性粒子５０間で充分に熱伝導経路７０が確保される。その結果、磁性流体１０が一層高い熱伝導率を有することができる。
【００２５】
高熱伝導金属５４（シェル）の粒径は、コア−シェル構造を有する磁性粒子５０の粒径である。当然のことながら、高熱伝導金属５４（シェル）の粒径は、強磁性金属５２（コア）の粒径よりも大きい。高熱伝導金属５４（シェル）の粒径は、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以上、又は１０００ｎｍ以上であってよく、１００μｍ以下、５０μｍ以下、又は１０μｍ以下であってよい。
【００２６】
磁性粒子５０に対する高熱伝導金属５４（シェル）の体積比は、０．０５以上が好ましい。体積比が０．０５以上であれば、熱伝導経路７０を充分に確保することができ、その結果、磁場６０中での磁性流体１０の熱伝導率を高くすることができる。この観点からは、体積比は、０．２０以上がより好ましく、０．４０以上がより一層好ましい。一方、高熱伝導金属５４（シェル）の体積比は、０．８５以下が好ましい。体積比が０．８５以下であれば、磁場６０中で磁性粒子５０同士を接触させ易く、その結果、磁性粒子５０間の熱伝導をより確実にする。この観点からは、体積比は、０．８０以下がより好ましく、０．７５以下がより一層好ましい。
【００２７】
（溶媒）
溶媒４０は、磁性粒子５０を分散させることができる物質が好ましい。このような物質にすることで、磁性流体１０への磁場６０の印加が解除されたとき、相互に接触していた磁性粒子５０それぞれが、速やかに分散する。このような物質としては、界面活性剤が挙げられる。
【００２８】
さらに、溶媒４０は、金属を酸化させない有機溶剤であることが好ましい。このような有機溶剤としては、ポリアルファオレフィン、イソパラフィン、アルキルナフタレン、及びフッソオイル等が挙げられる。
【００２９】
溶媒４０の配合量は、質量で、磁性粒子５０を１に対して、２以上、３以上、又は４以上であってよく、７以下、６以下、又は５以下であってよい。
【００３０】
（磁性流体の製造方法）
磁性流体１０が、これまで説明してきた構成要件を満たせば、磁性流体１０の製造方法は、特に制限されないが、例えば、次のような製造方法が挙げられる。
【００３１】
磁性粒子５０は、上述したように、コア−シェル構造を有する。このような構造を有する磁性粒子５０は、周知の方法で得ることができる。
【００３２】
例えば、アルゴンガス雰囲気の容器を用いて、高速気流中に原料粉末を分散させながら、プレスヘッドと容器の内壁間で、原料粉末に圧縮及びせん断力を与え、乾式で複合化することが挙げられる。
【００３３】
原料粉末の粒径は、コアとなる原料粉末の平均粒径を、シェルとなる原料粉末の平均粒径の１０〜５００倍にすればよい。
【００３４】
例えば、コアをニッケル、シェルを銅にする場合、ニッケル粉末の平均粒径は、０．１μｍ以上又は０．５μｍ以上であってよく、５０．０μｍ以下又は１０．０μｍ以下であってよい。そして、銅粉末の平均粒径は、１０ｎｍ以上又は５０ｎｍ以上であってよく、１０００ｎｍ以下又は２００ｎｍ以下であってよい。なお、本明細書中で、特に断りがない限り、平均粒径は、メジアン径（ｄ５０）を意味する。
【００３５】
コアとなる原料粉末と、シェルとなる原料粉末を複合化して得た磁性粒子５０は、溶媒４０中に投入される。それに超音波を印加した後、さらに撹拌することによって、スラリー状の磁性流体１０を得ることができる。
【実施例】
【００３６】
以下、本開示の磁性流体１０を実施例により、さらに具体的に説明する。なお、本開示の磁性流体１０は、これらに限定されるものではない。
【００３７】
（実施例の磁性流体試料の作製）
コアとなる原料粉末として、福田金属箔粉工業（株）製のニッケル粉末（平均粒径５μｍ）を準備した。また、シェルとなる原料粉末として、シグマアルドリッチ社製の銅粉末（平均粒径１００ｎｍ）を準部した。さらに、溶媒として、シェプロンフィリップス社製のポリアルファオレフィンＳｙｎｆｌｕｉｄ（登録商標）を準備した。
【００３８】
磁性粒子５０に対して、銅の体積比が所望の値になるように、ニッケル粉末及び銅粉末を秤量した。
【００３９】
ニッケル粉末と銅粉末を複合化装置の容器内に装入し、容器内をアルゴンガス雰囲気にした。複合化装置は、高速気流中に原料粉末を分散させながら、プレスヘッドと容器の内壁間で、原料粉末に圧縮及びせん断力を与えて、乾式で複合化する装置である。
【００４０】
このようして、ニッケル粉末の表面に銅を被覆してコア−シェル構造とした粒子を室温まで冷却し、その粒子を採取した。
【００４１】
コア−シェル構造とした粒子を１０ｇ、ポリアルファオレフィンＳｙｎｆｌｕｉｄ（登録商標）を４０ｇ、それぞれ秤量した。そして、ポリアルファオレフィンＳｙｎｆｌｕｉｄ（登録商標）にコア−シェル構造とした粒子を投入し、これに超音波を印加して、ポリアルファオレフィンＳｙｎｆｌｕｉｄ（登録商標）にコア−シェル構造とした粒子を分散させた。さらに、それを撹拌してスラリー状の磁性流体１０を得た。
【００４２】
（比較例の磁性流体試料の作製）
コアとなる原料粉末として、福田金属箔粉工業（株）製の銅粉末（平均粒径５μｍ）を、シェルとなる原料粉末として、シグマアルドリッチ社製のニッケル粉末（平均粒径１００ｎｍ）を準備したこと以外、実施例と同様にして、磁性流体１０の試料を作製した。
【００４３】
実施例と、銅粉末及びニッケル粉末の粒径を入れ替えることによって、実施例の試料とは逆の構造を有する磁性粒子５０を得ることができた。すなわち、銅粉末の表面にニッケルを被覆してコア−シェル構造とした磁性粒子５０を得ることができ、この磁性粒子５０を用いて、比較例の磁性流体１０の試料を作製した。
【００４４】
（試料の評価）
このようにして得られた試料を、次のような方法で評価した。
【００４５】
先ず、熱拡散率測定用のセルを作製した。厚さが０．１ｍｍであり、かつ３０ｍｍ四方の形状を有する銅版に、直径２０ｍｍの穴を有し、厚さが０．３ｍｍの両面テープを貼り付けた。その穴に、スラリー状の磁性流体１０を充填した。そして、その上に、同じ大きさの別の銅板を重ね合せ、両面テープで接合した。次いで、これを、グラファイトスプレーで黒化し、熱拡散率測定用セルを得た。
【００４６】
このセルの上下に、直径１０ｍｍの穴を有する磁石を貼り合せた。この際、磁石の穴の位置は、スラリー状の磁性流体１０の充填部に合せた。そして、各磁石のＮ極とＳ極を対向させた。この状態で、セルを熱拡散率測定装置にセットし、磁性流体１０の熱拡散率を測定した。
【００４７】
磁性流体１０の熱拡散率と、銅板、コア−シェル構造を有する磁性粒子５０、及びポリアルファオレフィンＳｙｎｆｌｕｉｄ（登録商標）それぞれの熱伝導率とから、磁性流体１０の熱伝導率を算出した。
【００４８】
結果を表１に示す。表１には、磁性粒子５０に対するニッケルの体積比と銅の体積比を併記した。また、図５に、磁性粒子５０に対する銅の体積比と磁場印加中の磁性流体１０の熱伝導率との関係を纏めた。
【００４９】
【表１】
2018120933.tif 000003
【００５０】
表１及び図５から分かるように、コアが銅、シェルがニッケルである比較例の磁性流体１０と比べて、コアがニッケル、シェルが銅である実施例の磁性流体１０は、熱伝導率が高く、熱伝導性に優れることが確認できた。
【００５１】
これらの結果から、本開示の磁性流体１０の効果を確認できた。
【符号の説明】
【００５２】
１０    磁性流体
２０    熱源
３０    受熱物
４０    溶媒
５０    磁性粒子
５２    強磁性金属（ニッケル又は鉄）
５４    高熱伝導金属（銅）
６０    磁場
７０    熱伝導経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018120933.tif 000006
【図４】
2018120933.tif 000007
【図５】
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