(57)【要約】【課題】熱媒体との接触面積の大きい三次元網目状構造を有する金属多孔質体において、沸騰冷却の効率が高く、かつ軽量で比較的熱伝導率の高い多孔質金属を提供する。【解決手段】三次元状に連結する骨格１を有するとともに骨格１により三次元状に連通する気孔が形成されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる三次元網目構造を有する。骨格１の組織は緻密であり、その骨格１の表面に凹凸４を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元状に連結する骨格を有するとともに前記骨格により三次元状に連通する気孔が形成されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる三次元網目構造を有し、
前記骨格の組織は緻密であり、その骨格の表面に凹凸を有することを特徴とする金属多孔質体。
【請求項２】
前記骨格の密度が９０％以上である請求項１に記載の金属多孔質体。
【請求項３】
前記凹凸は粒径０．１〜２００μｍのアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末から形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属多孔質体。
【請求項４】
前記骨格は内部に空隙を有しており、その骨格の厚さが５０〜１５０μｍの範囲である請求項１〜３のいずれかに記載の金属多孔質体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元状に連結する骨格を有し、該骨格により三次元状に連通する連通孔が形成された三次元網目状構造を有する金属多孔質体に関し、特に、沸騰冷却装置に用いて好適な金属多孔質体に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰冷却装置とは、発熱体から生じる熱により液体を沸騰させ、その際に生じる潜熱により発熱体を冷却する装置である。このような沸騰冷却装置は、主にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の電子機器の冷却装置として用いられているが、近年、発熱体となる素子の高密度化高集積化に伴い、より高効率な冷却装置が要望されている。
【０００３】
このような沸騰冷却装置において、沸騰伝熱面に、三次元網目状構造を有する金属多孔質体を適用することが検討されている。三次元網目状構造を有する金属多孔質体は、図４に示すように、三次元状に連結する金属製の骨格を有し、この骨格により三次元状に連通する連通孔が形成された構造となっており、三次元状に連結する金属製の骨格の比表面積が大きいことから、熱媒体との接触面積が大きく、かつ骨格が金属製であるため、発熱体からの熱を効率よく熱媒体へ伝達して、熱媒体の沸騰を促すことが期待されている。
【０００４】
しかしながら、沸騰冷却の効率を向上させるためには、液体を沸騰させる沸騰伝熱面への熱伝達を向上させ、発泡を促進させることが重要である。そのためには伝熱面表面に気泡核が生成しやすい構造を有することが好適であり、入口が内部よりも小さい形状の窪み（キャビティ）を多数有する構造が有効であると考えられてきた。
【０００５】
また、伝熱面表面の表面粗さが粗いほど比表面積が向上することで伝熱面積が向上すると考えられてきた。そこで、粉末冶金法をはじめとする種々の方法により作製される金属多孔質体を沸騰伝熱面として用いることが検討されてきており、以下の技術が開示されている。
【０００６】
特許文献１には、放熱体の放熱面に微小量の塗料を塗布後にメッキを行ない、ついで塗料を除去することによって放熱面に微細孔を形成する技術が開示されている。特許文献２には、伝熱面に金属粒子を積み上げた後に金属被膜を形成して多孔質層を形成する技術が開示されている。特許文献３には、磁性鉄粉を積層し、メッキによってデンドライト層（ブラシ状の構造）を形成する技術が開示され、特許文献４には銅管の内表面および外表面のいずれか一方に、長さ０．０５〜２．０μｍの酸化銅の針状体を多数形成する技術が開示されている。加えて、特許文献５には基板上に微細なアルミニウム粒子とアルミニウム系ろう材粒子の混合物の層を形成し、ろう材を溶融させてアルミニウム粉末同士をアルミニウム合金で接合し、多孔質層を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５６−０１６６９３号公報
【特許文献２】特開昭５５−０６３３９７号公報
【特許文献３】米国特許第３，７０６，１２７号公報
【特許文献４】特開平１１−２１１３７６号公報
【特許文献５】特開昭６１−２７３２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１、３、４に開示された技術では、表面に沸騰起点となる凹凸を有するが、使用できる金属が限られており、特に軽量で熱伝導率の比較的高い純アルミニウムでの作製は困難である。また、特許文献２、５のように粒子間に金属皮膜や合金成分等の熱伝導率の悪い物質が存在すると、金属間の熱伝達効率が低下するという問題がある。さらに、これら特許文献１〜５に記載の技術は、気孔率が低く熱媒体との接触面積が小さいことから、沸騰冷却の効率が低い。
【０００９】
よって、本発明は、熱媒体との接触面積の大きい三次元網目状構造を有する金属多孔質体において、沸騰冷却の効率が高く、かつ軽量で比較的熱伝導率の高い多孔質金属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】
【００１０】
本発明の金属多孔質体は、三次元状に連結する骨格を有するとともに骨格により三次元状に連通する気孔が形成されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる三次元網目構造を有し、骨格の組織は緻密であり、その骨格の表面に凹凸を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の金属多孔質体は、三次元網目構造を有するため元々骨格の比表面積が大きいことに加えて、骨格表面に凹凸を有することから比表面積がさらに大きい。したがって、本発明では、熱伝達を効率よく行うことができる。さらに、骨格は、緻密で強度が高いとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されるため軽量かつ熱伝導率が高い。なお、本発明におけるアルミニウムは、Ａｌ：９５質量％以上で残部がＣ、Ｎ、Ｏ等の不純物からなり、他の金属元素を含まないものである。
【００１２】
上記の金属多孔質体においては、骨格の強度の観点から、骨格内部の気孔率は５％以下（密度が９０％以上）であることが好ましい。この気孔率の測定については、骨格断面における面積率を測定することで評価できる。たとえば、画像分析ソフトウエア（三谷産業製WinRoof等）を用いて、骨格断面の画像を自動二値化処理したり、該画像をグレースケールに変換して適当な閾値を設定したりすることにより、測定を行なうことができる。
【００１３】
また表面の凹凸は、沸騰を促進するために、入口が内部よりも小さい形状の窪みを有することが好ましいため、表面の凹凸は粒径が０．１〜２００μｍの粉末から形成されたものであることが好ましい。なおここでの粒径とは最大粒径と最少粒径のことである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の金属多孔質体は、表面に凹凸を有することから比表面積が大きいため、高い熱交換率が得られる。また、骨格がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることから軽量かつ高い熱伝導率が得られる。加えて、本発明の金属多孔質体を沸騰冷却装置の沸騰伝熱面として用いた場合、表面の凹凸が沸騰起点となり、沸騰を促進させて冷却効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の金属多孔質体の構造を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態の金属多孔質体の骨格の断面を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態の金属多孔質体の一例を示すＳＥＭ写真である。
【図４】従来の金属多孔質体の構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
１．金属多孔質体の構成
本発明の金属多孔質体はアルミニウムからなる。金属多孔質体の骨格は図１に示すように、三次元状に連結した網目状の構造を有しており、その骨格の表面には凹凸が形成されている。
【００１７】
図２は実施形態の金属多孔質体の骨格１の断面を示す図である。骨格１は、図２に示すように、中心に基体である樹脂製骨格が焼失したことにより生じた略三角形の空隙２を有する中空構造をなす。これにより一般的な多孔質体よりも軽量化が期待できる。
【００１８】
空隙２の周囲に第一層となる緻密な壁部３が存在する。熱伝導の観点から壁部３の密度は９０％以上であることが好ましく、壁部３の厚みは５０μｍ以上であることが好ましい。また、熱は、金属多孔質体の壁部から液体へ熱交換されることで液体を沸騰させ、その潜熱により壁部の冷却を行うが、沸騰時に発生した気泡がそのまま壁部に接触して留まると液体と壁部の間の熱交換ができなくなるため、発生した気泡は直ちに三次元状に連通する気孔を通じて金属多孔質体外部に排出されることが好ましい。このような発生した気泡の泡抜け性の観点から壁部３の厚みは１５０μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
壁部３の表面には凹凸４が形成されている。この凹凸４は粒径が０．１〜２００μｍの粉末粒子から形成されている。ここで、粉末粒子が０．１μｍ未満であると、粉じん爆発の危険性から操作性が低下する。また、粉末粒子が２００μｍを超えると壁部３や粉末粒子間での接点が少ないため、アルミニウムの溶融が進行しにくくなるため好ましくない。この凹凸４を形成する粉末粒子は壁部３と金属結合していることが望ましい。
【００２０】
また、壁部３と凹凸４を形成する粉末粒子もしくは粉末粒子間には、窪み５が形成されている。この窪み５により、沸騰に必要なエネルギーを少なくし、沸騰を促進させることが可能である。
【００２１】
２．金属多孔質体の製造工程
［基体］
基体は、三次元状に連結する骨格を有し、その骨格により三次元状に連通する気孔が形成された三次元網目状構造体である。この基体は骨格表面にアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を付着させて担持するものであり、加熱されて分解、消失すべきものであることから、樹脂により構成される。具体的には、基体としてポリウレタンフォームが最も一般的に用いられるが、他にシリコーン樹脂、ポリエステル樹脂のフォームなどを用いることができる。また基体は３Ｄプリンタで作製されたものでもよい。
【００２２】
［アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末］
基体の樹脂骨格に付着させる粉末は、上記のとおり、熱伝導率および比重のバランスよりアルミニウム粉末を用いるが、アルミニウム粉末に替えて、アルミニウムを強化する成分を予め合金化したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。たとえば、ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を予合金化したアルミニウム合金粉末を用いた場合は、アルミニウム系多孔質体の骨格がアルミニウム合金で形成され、アルミニウム系多孔質体の強度を向上させることができる。ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を添加することにより、熱伝導率はＡｌ単体の場合よりも低下するが、ベース金属がＡｌであるため、充分に高い熱伝導率を維持することができる。アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末は、一般的なもの、すなわち表面に１０Å程度の酸化被膜（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）を有するものを用いる。
【００２３】
基体の樹脂骨格に付着させるアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、細い基体の樹脂骨格表面に密に付着できることから微細なものが好ましい。粉末が大きくなると基体の樹脂骨格表面に密に付着させることが難しくなるとともに、粉末の質量が増加することにより、基体の樹脂骨格表面に付着し難くなったり、脱落し易くなったりする。この観点からアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、平均粒径が５０μｍ以下のものを用いることが好ましい。さらに、平均粒径が５０μｍ以下であるとともに、粒径が１００μｍを超える粉末を含まないものであることが好ましい。ただし、Ａｌは活性な金属であるため、あまりに微細な粉末は取扱いが難しくなる。この観点からアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、平均粒径が１μｍ以上のものを用いることが好ましい。
【００２４】
［付着工程］
付着工程は、得られる構造が壁部（第一層）と凹凸部（第二層）に分かれているため、まず基体の樹脂骨格へ第一層となるアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を湿式法により付着させた後に、第二層となる凹凸部を湿式法もしくは乾式法にて形成する。図２の破線は第一層と第二層との境界である。
【００２５】
第一層の形成では、アルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を分散媒中に分散させた分散液を作製し、この分散液中に基体を浸漬した後、基体を乾燥させる。分散媒としては、アルコール等の揮発性を有する液体や水を溶媒とし、これに結着剤を溶解した液を用いることができる。この場合、粉末が沈降しないよう分散媒に分散剤を添加してもよい。また、分散媒としては、フェノール樹脂等の高分子有機物の溶液を用いてもよい。
【００２６】
次に、第二層の形成方法については乾式法と湿式法がある。図２に示すように、粒子がアルミニウムの場合には、粒子の表面の酸化被膜が破れ、粒子どうしが接合される。この状態では窪み５が形成されず、比表面積が低下する。粒子どうしの接触は下記の方法により防止することができる。
【００２７】
（１）乾式法
先に形成した第一層の表面が乾燥する前に、粒径が０．１〜２００μｍの粒子を均一にふりかけ、前記分散液を粘着剤として使用し、第二層を形成する。
【００２８】
（２）湿式法
第一層の表面にアクリル系、ゴム系等の粘着剤溶液またはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂等接着性の樹脂溶液を塗布することにより粘着性を付与し、粉体中で基体を揺動させるか、あるいは基体に粉体をスプレーする等の方法により、骨格表面に粒径が０．１〜２００μｍの粒子を付着させる。
【００２９】
第二層を構成する粒子としては、アルミニウム粉末およびアルミニウム合金粉末が好ましいが、チタン粉末、マグネシウム粉末、銅粉末、鉄粉末などの他の金属粉末を用いることができる。アルミニウムまたはアルミニウム合金よりも融点の高い金属の粉末を用いる場合には、金属粉末が第一層に拡散接合されるように加熱条件を設定する。
【００３０】
［加熱工程］
表面にアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末を付着させた基体は、非酸化性雰囲気中で、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末の融点以上に加熱される。この融点までの昇温過程で樹脂製の基体は分解し除去されて消失する。
【００３１】
なお、加熱温度は基体に付着させたアルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の融点を超える温度であれば粉末を溶融できるが、融点を大きく超える温度で加熱するとその分余分なエネルギーが必要となるとともに、溶融したアルミニウムもしくはアルミニウム合金の粘度が低下して型崩れが生じ易くなることから、加熱温度は融点＋１００℃までとすることが好ましい。
【００３２】
加熱では、第一層の粉末が優先的に溶融し、第二層の粒子は溶融するが、粒子がアルミニウムの場合には、表面の酸化被膜によって固体の形状を維持するように条件を設定する。たとえば、第一層の粉末の粒径を第二層の粒子の粒径よりも小さくすることにより、第一層の粉末の比表面積を第二層の粒子の比表面積よりも大きくする。これにより、第一層の粉末はより大きな熱量を受け、優先的に溶融する。
【実施例】
【００３３】
基体となる多孔性樹脂として、平均セル中心径３．４ｍｍ、厚み１０ｍｍのポリウレタンフォーム（商品名エバーライトＳＦ、（株）ブリヂストン製）を使用した。
【００３４】
第一層を形成するために粒径が１０μｍ以下の純アルミ粉末（商品名＃６００Ｆ、（株）ミナルコ製）と樹脂分１質量％のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）水溶液を質量比５：３で混合し、Ａｌスラリーを得た。このときＰＶＡ水溶液は日本合成化学社製、商品名ゴーセノールＧＨ−２３をイオン交換水に溶解して作製した。得られたスラリーを上記基体へ均一にコーティングした。その後第二層となる凹凸を形成するため、上記スラリーが乾燥する前に粒径７５〜１２５μｍの純アルミニウム粉末（商品名＃２４５、（株）ミナルコ製）を振りかけ、第一層が形成された骨格周囲へコーティングした。その後、８０℃の恒温槽中で６０分乾燥し。乾燥後、非酸化性雰囲気で脱脂したのち、圧力が１０−３Ｐａの減圧雰囲気（真空雰囲気）の下、６６５℃にてアルミニウムを溶融した。
【００３５】
得られた金属多孔質体をＳＥＭ観察した結果を図３に示す。図３より、上記により作製された金属多孔質体は、三次元状に連結する骨格を有すると共に骨格により三次元状に連通する気孔を有する三次元網目構造体となっていることが確認された。また、骨格表面には純アルミニウム粉末により形成された凹凸が形成されていることも確認された。
【００３６】
また、得られた金属多孔質体について、圧縮降伏試験を行って圧縮荷重を増加させたときのひずみ量と応力を測定したところ、ひずみ量が増加しても応力が増加しない領域、いわゆるプラトー領域が存在するとともに、プラトー領域の応力は約０．１ＭＰａであった。このことから、上記により作成された金属多孔質体は、骨格が緻密に形成されていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の金属多孔質体は熱伝導率の高いアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成され、その表面に沸騰起点となる凹凸を有しいていることから、沸騰冷却器用の沸騰伝熱面として好適である。
【符号の説明】
【００３８】
１  骨格
２  空隙
３  壁部（骨格）
４  凹凸
５  窪み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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