JP2012124391A - 伝熱制御部材 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体と周辺環境との間の伝熱制御を簡単な構成で可能にした伝熱制御部材を提供する。
【解決手段】連続した骨格により形成される空孔が連通した三次元網目状構造を有する多孔質金属層２と、多孔質金属層２の片面に接合された緻密金属層３とを備えるとともに、多孔質金属層２は、３０％〜９８％の気孔率を有し、厚さが０．０５ｍｍ〜５０ｍｍであり、緻密金属層３は、厚さが０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍで多孔質金属層２より薄く形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度変動を伴う環境下に配置した発熱体温度の安定化あるいは発熱体から周辺環境への熱影響の緩和等のために、発熱体と周辺環境との間の伝熱を制御する伝熱制御部材に関する。

半導体回路を用いた電子部品等においては、通電に伴って発熱するため、放熱部材等により熱を外部に放散させるようにしている。この種の発熱を伴う電子部品等の機器において、負荷変動等に起因して発熱量が変化する場合、その放熱を適切に制御することが求められる場合がある。
例えば、電子部品（発熱体）の温度変動よりも周辺環境の温度変動が大きい場合等に、電子部品の動作特性の安定等のために、周辺環境からの温度変動による電子部品への影響を緩和して、電子部品の温度を周辺環境温度に拘わらずにほぼ一定に維持するように制御する。また逆に、電子部品が温度変動する場合に、その温度変動の周辺環境温度への影響を低減するために、電子部品の温度変動に応じた放熱制御が必要になる。

このような発熱量が変動する機器の伝熱制御機構として、例えば特許文献１には、移動体通信衛星のアンテナ給電ユニットに密集して実装された電力増幅器からの発熱を効果的に放熱する技術として、機器の発熱部からの放熱部に至る熱伝導経路内に、対向する一対の伝熱ブロックを設け、これら伝熱ブロックの対向状態の輻射面の少なくとも何れかの面を輻射率が温度の上昇に伴って増加する温度特性を有する部材により構成するか、又は少なくとも何れかの面に輻射率が温度の上昇に伴って増加する温度特性表面処理を施した伝熱制御機構が開示されている。輻射率が温度の上昇に伴って増加する温度特性を有する部材としては、黒色ラッカー、アルミニウム蒸着高分子フィルムが例示されている。この伝熱制御機構により、電力増幅器の発熱量変動に対する温度変動を圧縮することが可能になるとされる。
また、代替案として、両伝熱ブロックの間に、複数の開口を有する輻射熱遮蔽板を移動可能に設けることも開示されている。

特開２００２−２６２１１号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術は、輻射率が温度の上昇に伴って増加する温度特性を有する特殊な部材が必要であり、また、輻射熱遮蔽板を移動する構成とする場合もその移動機構が必要になり、コスト増となり易い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、発熱体と周辺環境との間の伝熱制御を簡単な構成で可能にした伝熱制御部材を提供することを目的とする。

本発明の伝熱制御部材は、連続した骨格により形成される気孔が連通した三次元網目状構造を有する多孔質金属層と、該多孔質金属層の片面に接合された緻密金属層とを備えるとともに、前記多孔質金属層は、３０％〜９８％の気孔率を有し、厚さが０．０５ｍｍ〜５０ｍｍであり、前記緻密金属層は、厚さが０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍで前記多孔質金属層より薄いことを特徴とする。

この伝熱制御部材は、多孔質金属層を発熱体側に配置して用いられ、その多孔質金属層を緻密金属層により覆うようにしているので、多孔質金属層の気孔内に空気が閉じ込められた状態となる。このため、一方の面から他方の面への熱伝達を緩和する作用を有しており、周辺環境の温度変動が大きい場合には、周辺環境から発熱体への温度変動の影響を緩和して、発熱体の温度をほぼ一定に維持することができ、また、発熱体の温度変動が大きい場合には、発熱体から周辺環境への温度変動の影響を緩和することができる。この場合、多孔質金属層の金属からなる骨格を経由する熱伝導を主体とする熱伝達作用と、多孔質金属層内に閉じ込められた気孔内の空気による伝熱抑制作用とのバランスにより、適切な伝熱特性を発揮することができる。

本発明の伝熱制御部材において、前記多孔質金属層は金属粉末と発泡剤を含有する発泡性スラリーを成形して発泡及び焼結させてなる発泡金属であるとよい。
発泡金属は、連続した骨格と気孔による三次元網目状構造を容易に形成することができるとともに、発泡剤の発泡によって気孔率を広い範囲で調整することができ、要求される伝熱特性に合わせて好適な制御部材を提供することができる。

本発明の伝熱制御部材において、前記多孔質金属層は、その気孔率が厚さ方向に変化しているものとしてもよい。
多孔質金属層の気孔率が厚さ方向に変化している状態とすることにより、気孔率が大きい部分では伝熱抑制作用が大きく、気孔率が小さい部分では伝熱抑制作用が小さくなり、これらを適宜に設計することにより、種々の伝熱特性のものを提供することができる。

本発明の伝熱制御部材において、前記多孔質金属層は複数積層状態に接合されているものとしてもよい。
多孔質金属層どうしを積層状態とすると、その接合部においては、金属からなる骨格の連続性が途切れるので、伝熱抑制効果を大きくしたい場合に有効である。

本発明の伝熱制御部材によれば、緻密金属層により覆われて多孔質金属層の気孔内に空気が閉じ込められるので、厚さ方向の熱伝達を緩和することができ、多孔質金属層の金属からなる骨格による熱伝達作用と、気孔内に閉じ込められた空気による伝熱抑制作用とを適切にバランスさせることにより、所望の伝熱特性を発揮することができ、しかも、多孔質金属層を緻密金属層によって覆うだけの構成であり、発熱体と周辺環境との間の伝熱制御を簡単な構成で安価に可能にすることができる。

本発明に係る伝熱制御部材の一実施形態を示す断面図である。 多孔質金属層を製造するための成形装置を示す概略構成図である。 本発明に係る伝熱制御部材の他の実施形態を示す断面図である。 実施例の温度上昇率を測定するための温度センサ等の配置例を示す模式図である。

以下、本発明に係る伝熱制御部材の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の伝熱制御部材１は、多孔質金属層２と、その片面を覆う緻密金属層３との二層構造からなっている。

多孔質金属層２は、連続した骨格４により形成される複数の気孔５が連通した三次元網目状構造を有する発泡金属から構成され、３０％〜９８％の気孔率を有し、厚さが０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとされている。発泡金属は、後述するように、金属粉末と発泡剤等を含有する発泡性スラリーをシート状に成形して発泡させることにより形成したものであり、気孔５が表裏面及び側面に開口し、また、厚さ方向の中心部に対して表裏面近傍が密に形成され、かつ、表裏面のうちの一方の面が他方の面よりもさらに密に形成されている。

緻密金属層３は、金属箔、薄肉の金属板等の溶製材、又は実質的に通気性を有しない気孔率が３０％未満の緻密焼結材から構成され、多孔質金属層２より薄く、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの厚さに形成されている。

これら多孔質金属層２と緻密金属層３とは、多孔質金属層２の片面に緻密金属層３が拡散接合等によって接合されている。これらの材料としては、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、銀等を用いることができ、接合を容易にするために多孔質金属層２と緻密金属層３とは同種材とするのが好ましい。

次に、この伝熱制御部材１を製造する方法について説明する。
多孔質金属層２はスラリー発泡法を用いて製造される。
金属粉末、バインダ（結着剤）、可塑剤、界面活性剤、発泡剤を溶媒の水とともに混練してスラリーを作製し、そのスラリーをドクターブレード法等により板状に成形し、脱脂、焼結することにより、多孔質金属体を作製する。

金属粉末としては、平均粒径０．５μｍ以上１５０μｍ以下が好ましい。このような粉末は、水アトマイズ法，プラズマアトマイズ法などのアトマイズ法、酸化物還元法，湿式還元法，カルボニル反応法などの化学プロセス法によって製造することができる。

バインダ（結着剤）としては、メチルセルロース，ヒドロキシプロピルメチルセルロース，ヒドロキシエチルメチルセルロース，カルボキシメチルセルロースアンモニウム，エチルセルロース，ポリビニルアルコールなどを使用することができる。

発泡剤は、ガスを発生してスラリーに気泡を形成できるものであればよく、揮発性有機溶剤、例えば、ペンタン，ネオペンタン，ヘキサン，イソヘキサン，イソペプタン，ベンゼン，オクタン，トルエンなどの炭素数５〜８の非水溶性炭化水素系有機溶剤を使用することができる。この発泡剤の含有量としては、発泡性スラリーに対して０．１〜５重量％とすることが好ましい。

界面活性剤としては、アルキルベンゼンスルホン酸塩，α‐オレフィンスルホン酸塩，アルキル硫酸エステル塩，アルキルエーテル硫酸エステル塩，アルカンスルホン酸塩等のアニオン界面活性剤，ポリエチレングリコール誘導体，多価アルコール誘導体などの非イオン性界面活性剤および両性界面活性剤などを使用することができる。

可塑剤は、スラリーを成形して得られる成形体に可塑性を付与するために添加され、例えばエチレングリコール，ポリエチレングリコール，グリセリンなどの多価アルコール、鰯油，菜種油，オリーブ油などの油脂、石油エーテルなどのエーテル類、フタル酸ジエチル，フタル酸ジＮブチル，フタル酸ジエチルヘキシル，フタル酸ジオクチル，ソルビタンモノオレート，ソルビタントリオレート，ソルビタンパルミテート，ソルビタンステアレートなどのエステル等を使用することができる。

さらに、スラリーの特性や成形性を向上させるために任意の添加成分を加えてもよい。例えば、防腐剤を添加してスラリーの保存性を向上させたり、結合助材としてポリマー系化合物を加えて成形体の強度を向上させたりすることができる。

このように作成した発泡性スラリーＳから、図２に示す成形装置２０を用いてグリーンシート（焼結前駆体）を形成する。
成形装置２０は、ドクターブレード法を用いてシートを形成する装置であり、発泡性スラリーＳが貯留されるホッパ２１、ホッパ２１から供給された発泡性スラリーＳを移送するキャリヤシート２２、キャリヤシート２２を支持するローラ２３、キャリヤシート２２上の発泡性スラリーＳを所定厚さに成形するブレード（ドクターブレード）２４、発泡性スラリーＳを発泡させる恒温・高湿度槽２５、および発泡したスラリーを乾燥させる乾燥槽２６を備えている。なお、キャリヤシート２２の下面は、支持プレート２７によって支えられている。

〈グリーンシート成形工程〉
成形装置２０においては、まず、発泡性スラリーＳをホッパ２１に投入しておき、このホッパ２１から発泡性スラリーＳをキャリヤシート２２上に供給する。キャリヤシート２２は図の右方向へ回転するローラ２３および支持プレート２７によって支持されており、その上面が図の右方向へと移動している。キャリヤシート２２上に供給された発泡性スラリーＳは、キャリヤシート２２とともに移動しながらブレード２４によって薄板状に成形される。

次いで、薄板状の発泡性スラリーＳは、所定条件（例えば温度３０℃〜４０°、湿度７５％〜９５％）の恒温・高湿度槽２５内を例えば１０分〜２０分かけて移動しながら発泡する。続いて、この恒温・高湿度槽２５内で発泡したスラリーＳは、所定条件（例えば温度５０℃〜１２０℃）の乾燥槽２６内を例えば１０分〜２０分かけて移動し、乾燥される。これにより、スポンジ状のグリーンシート（焼結前駆体）Ｇが得られる。

〈焼結工程〉
このようにして得られたグリーンシートＧを例えば真空中、温度３５０℃〜６５０℃、２５分〜３５分の条件下で脱脂してグリーンシートＧ中のバインダを除去（脱脂）する。
そして、別に作製しておいた緻密金属層（金属箔）３をグリーンシートに重ねた状態とし、大気あるいは真空、不活性ガス、還元性ガス等の雰囲気下において、温度６００℃〜１３００℃、５分〜１２０分の条件下で焼結する。
焼結によりグリーンシートは、図２に示すように、連続した骨格４により形成される気孔５が連通した三次元網目状構造を有する多孔質金属層２となり、気孔率が７０％〜９８％とされる。この場合、グリーンシートにおいてキャリヤシートに接していた側とは反対側の表面に緻密金属層３が重ねられ、焼結により形成される多孔質金属層２は、緻密金属層３との接合面側から反対面にかけて厚さ方向に漸次気孔率が大きく（言い換えれば金属密度が小さく）なっている。

（圧縮工程）
焼結工程後の多孔質金属層２は気孔率が７０％以上であるが、７０％以下の多孔質金属層２とする場合には、全体を圧延して厚さ方向に圧縮する。この圧縮により、気孔率を必要に応じて３０％まで低下させる。

このようにして得られる多孔質金属層２と緻密金属層３との接合体は、多孔質金属層２を発熱体に向けて、発熱体の所望箇所を覆うように配置することにより、多孔質金属層２の気孔５内に空気が閉じ込められ、厚さ方向の熱伝達を緩和することができる。したがって、周辺環境の温度変動が大きい場合には、周辺環境から発熱体への温度変動の影響を緩和して、発熱体の温度をほぼ一定に維持することができ、また、発熱体の温度変動が大きい場合には、発熱体から周辺環境への温度変動の影響を緩和することができる。
そして、多孔質金属層２の金属からなる骨格４による熱伝達作用と、緻密金属層３により覆われて気孔５内に閉じ込められた空気による伝熱抑制作用との両機能を適宜にバランスさせることにより、所望の伝熱特性を発揮することができる。
しかも、多孔質金属層２を緻密金属層３によって覆うだけの簡単な構成であり、安価な伝熱制御部材１とすることができる。

前述したように、図１に示す伝熱制御部材１においては、多孔質金属層２は、緻密金属層３との接合面側よりも反対側の方が、金属密度が小さく形成されている。そして、この金属密度が小さい表面が発熱体に向けられるので、発熱体の熱が多孔質金属層２に伝わりにくくされ、伝熱抑制機能の方が重視された設計とされている。
この図１に示す構造とは逆に、金属密度が小さい側を緻密金属層に接合し、金属密度が大きい側を発熱体に向けた仕様とすると、大きい金属密度により発熱体の熱を吸収し易くなり、放熱機能の方が重視された設計となる。
このように多孔質金属層２の全体の気孔率とともに、その気孔率（又は金属密度）が厚さ方向に差を有する構成とすることにより、幅広い伝熱特性のものを得ることができる。多孔質金属層２の気孔率を厚さ方向に段階的にあるいは漸次連続的に変化させる方法としては、例えば、グリーンシート成形時のキャリヤシートに離型剤を塗布するなどにより濡れ性を高めておくと、キャリヤシートに接していた側の気孔率を反対面側よりも大きく（金属密度を小さく）することができる。

図３は、本発明の他の実施形態を示している。この実施形態の伝熱制御部材１１は、１枚の緻密金属層３に多孔質金属層２Ａ，２Ｂが順に２層積層されている。具体的には、図１に示す構造の多孔質金属層２Ａと緻密金属層３とからなる接合体の多孔質金属層２Ａに、さらに多孔質金属層２Ｂを接合した構成とされている。この場合、緻密金属層３と接合されている第１の多孔質金属層２Ａは、緻密金属層３側から厚さ方向に金属密度が漸次小さくなるように形成されており、また、第２の多孔質金属層２Ｂは、第１の多孔質金属層２Ａとの接合面側から厚さ方向に金属密度が漸次小さくなるように形成されている。両多孔質金属層２Ａ，２Ｂは、これらのグリーンシートを重ね合わせて同時に焼結することにより接合することができる。

このように構成した伝熱制御部材１１は、両多孔質金属層２Ａ，２Ｂどうしの接合部（図３に矢印Ｆで示す）が、それぞれ気孔５が開口している面どうしの接合となるので、金属からなる骨格４どうしの接合部は極めて小さい断面となり、その接合部において熱伝達経路の連続性が途切れて、大きな伝熱抑制作用が発揮される。多孔質金属層２Ａ，２Ｂの伝熱特性は、伝熱方向（厚さ方向）に直交する方向における骨格４の断面積によって支配されるが、この実施形態のように複数の多孔質金属層２Ａ，２Ｂを接合すると、その接合界面における骨格（金属部分）４の接合部の断面積が各多孔質金属層２Ａ，２Ｂ内部の骨格４自身の断面積よりも著しく小さくなり、伝熱抑制効果が高められる。

多孔質金属層を二層以上接合することも可能であり、また、異なる気孔率の多孔質金属層を接合するようにしてもよい。求められる伝熱特性に応じて適宜の形態を採用することができる。
なお、上記実施形態では、多孔質金属層として発泡金属を用いたが、これに限るものではなく、例えば、樹脂製スポンジの表面に金属めっきを施した後、樹脂製スポンジを焼失させることにより作製したり、樹脂製ビーズと金属粉末とを含むスラリーを板状に成形し、金属粉末を焼結するとともに樹脂製ビーズを焼失させることにより作製したりしてもよい。
また、多孔質金属層と緻密金属層とは、多孔質金属層の焼結時に両者を拡散接合することとしたが、これらの接合方法としては、多孔質金属層の焼結時に拡散接合する方法の他、多孔質金属層を焼結により作製した後に緻密金属層を拡散接合する方法、はんだ付け方法、ろう付け方法等の各種接合方法も適用可能である。

以下、本発明の実施例について比較例と比較しながら詳細に説明する。
実施例１
まず、スラリー発泡法により多孔質金属層として多孔質ステンレスシートを作製した。
スラリー発泡法による多孔質ステンレスシートの具体的作製方法は、平均粒径２０μｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼の組成を持つ合金粉末を水アトマイズ法により作製し、結着剤としてポリビニルアルコールと、可塑剤としてグリセリンと、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩と、発泡剤としてヘプタンとを、溶媒の水とともに混練することにより、スラリーを作製した。そのスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、さらに１００℃で２０分乾燥することで溶媒を取り除きグリーンシート（焼結前駆体）を得た。これを真空脱気環境下において４００℃で２０分の脱脂、その後１０００℃で１時間の焼成処理を施すことにより、多孔質ステンレスシート（多孔質金属層）を得た。得られた多孔質ステンレスシートの厚みは０．０５ｍｍ、気孔率は３０％、平均気孔径は５０μｍであった。
次に得られた多孔質ステンレスシートをＳＵＳ３０４ステンレス鋼の組成を持つ厚さ０．０１ｍｍのステンレス箔（緻密金属層）にはり合わせ、これを真空中、１０００℃で１時間にて拡散接合し、図１に示す形状の、ステンレス箔（緻密金属層）と多孔質ステンレスシート（多孔質金属層）が一体化された実施例１の伝熱制御部材を得た。

実施例２
まず、スラリー発泡法により多孔質金属層として多孔質アルミニウムシートを作製した。
スラリー発泡法による多孔質アルミニウムシートの具体的作製方法は、市販の平均粒径１５μｍのアルミニウム粉末（純度９９%以上）と平均粒径１０μｍのチタン粉末（純度９９％以上）を９５：５の割合で乾式混合し、結着剤としてポリビニルアルコールと、可塑剤としてグリセリンと、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩と、発泡剤としてヘプタンとを加え、溶媒の水とともに混練することにより、スラリーを作製した。そのスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、さらに乾燥することで溶媒を取り除きグリーンシート（焼結前駆体）を得た。これをアルゴンガスフロー環境下において４００℃で２０分の脱脂、その後６５０℃で１時間の焼成処理を施すことにより、多孔質アルミニウムシート（多孔質金属層）を得た。得られた多孔質アルミニウムシートの厚みは５０ｍｍ、気孔率は９８％、平均気孔径は１０００μmであった。
次に、緻密金属層として厚さ０．１ｍｍのアルミニウム板（純度９９％以上）を用意し、これに空気アトマイズ法により作製したＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉ合金粉末と、カリウムとアルミニウム、フッ素を主成分とする市販のアルミニウムはんだ付け用フラックスとを９５：５の割合で混合し、溶媒としてエタノールを用いペースト状としたろう材を塗布した。これに得られた多孔質アルミニウムシートをはり合わせ、アルゴンガスフロー環境中、６００℃で２０分にてろう付けし、実施例１と同様な形状の、アルミニウム板（緻密金属層）と多孔質アルミニウムシート（多孔質金属層）が一体化された実施例２の伝熱制御部材を得た。

実施例３
まず、実施例２と同じ方法で多孔質アルミニウムシート焼結前駆体を２枚用意した。これらを重ね合わせ、実施例２と同じ方法で脱脂および焼成し、厚み方向の中間に多孔質アルミニウムシートどうしの接合面を持つ厚み２．０ｍｍ、気孔率７０％、平均気孔径約３００μmの多孔質アルミニウムシート（多孔質金属層）を作製した。
次に、緻密金属層として厚さ０．１ｍｍのアルミニウム板（純度９９％以上）を用意し、これに得られた多孔質アルミニウムシートを実施例２と同じ方法でろう付けし、図３に示す形状の、アルミニウム板と多孔質アルミニウムシートが一体化された実施例３の伝熱制御部材を得た。

比較例１
比較例１として多孔質金属層を有しない緻密金属層のみとし、その緻密金属層として、厚さ０．０６ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼の組成を持つステンレス板を用いた。
比較例２
比較例２として比較例１同様、多孔質金属層を有しない緻密金属層のみとし、その緻密金属層として、厚さ２．１ｍｍのアルミニウム板（純度９９％以上）を用いた。

評価方法
まず、実施例１〜３の伝熱制御部材および比較例１〜２の部材を被試験体Ｘとして、図４に示すように断熱材３１、制御熱源（発熱体）３２、温度センサ３３Ａ、被試験体Ｘの順に積層した。また、被試験体Ｘから上方１０ｍｍの位置に温度センサ３３Ｂを配置した。図４には被試験体Ｘとして実施例１の伝熱制御部材を用いたものを例示しており、図１と同様の符号を付した。なお、各被試験体Ｘおよび制御熱源３２のサイズは４０ｍｍ×４０ｍｍとした。
次に、制御熱源３２を室温の２０℃から一定の温度上昇率３０℃／ｍｉｎで６分間昇温し、２００℃まで加熱した。そのときの制御熱源３２の温度と被試験体Ｘの上方の温度を測定した。測定温度から、制御熱源３２と被試験体Ｘ上における温度上昇率を導いた。
実施例１〜３に示す伝熱制御部材および比較例１、２の部材を用いて評価した結果を表１に示す。なお伝熱制御部材上の温度上昇率は６分間の平均値とした。

この表１に示す評価結果から、伝熱制御部材における緻密金属層の材質および厚さ、さらには多孔質金属層の材質および厚さ、気孔率、気孔径により幅広く温度上昇率を制御可能であることがわかった。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１ 伝熱制御部材
２ 多孔質金属層
３ 緻密金属層
４ 骨格
５ 気孔
１１ 伝熱制御部材
２Ａ，２Ｂ 多孔質金属層

Claims (4)

1. 連続した骨格により形成される気孔が連通した三次元網目状構造を有する多孔質金属層と、該多孔質金属層の片面に接合された緻密金属層とを備えるとともに、前記多孔質金属層は、３０％〜９８％の気孔率を有し、厚さが０．０５ｍｍ〜５０ｍｍであり、前記緻密金属層は、厚さが０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍで前記多孔質金属層より薄いことを特徴とする伝熱制御部材。
2. 前記多孔質金属層は金属粉末と発泡剤を含有する発泡性スラリーを成形して発泡及び焼結させてなる発泡金属であることを特徴とする請求項１記載の伝熱制御部材。
3. 前記多孔質金属層は、その気孔率が厚さ方向に変化していることを特徴とする請求項１又は２記載の伝熱制御部材。
4. 前記多孔質金属層は複数積層状態に接合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の伝熱制御部材。

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