JP2018129433A

JP2018129433A - 磁性流体

Info

Publication number: JP2018129433A
Application number: JP2017022158A
Authority: JP
Inventors: 粟野　宏基; Hiromoto Awano; 宏基粟野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-08-16

Abstract

【課題】磁場を印加したときに、熱伝導性と電気絶縁性の両方に優れ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、前記シェルが窒化ホウ素（ＢＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である、磁性流体。この磁性流体に磁場を印加すると、磁性流体中の磁性粒子同士が接触して、熱伝導が確保されると同時に、窒化ホウ素（ＢＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）によって、個々のニッケル又は鉄の粒子が電気的に絶縁される。これによって、磁性流体に磁場を印加したときに、磁性流体は、熱伝導性と電気絶縁性の両方に優れる。
【選択図】図５

Description

本開示は、磁性流体に関する。本開示は、特に、磁場を印加したときに、熱伝導性と電気絶縁性の両方に優れる磁性流体に関する。

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。

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。

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、磁場発生層で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。

特開２０１４−１８３０８３号公報

特許文献１に記載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。しかし、特許文献１に記載された半導体装置の磁性流体層においては、電気絶縁性は考慮されていなかった。

このことから、磁場を印加したとき、高い熱伝導性を示すとともに、高い電気絶縁性も兼ね備え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。

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に、熱伝導性と電気絶縁性の両方に優れる磁性流体を提供することを目的とする。

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、前記シェルが窒化ホウ素（ＢＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である、
磁性流体。

本開示の磁性流体によれば、この磁性流体に磁場を印加すると、磁性流体中の磁性粒子同士が接触して、熱伝導が確保されると同時に、窒化ホウ素（ＢＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）によって、個々のニッケル又は鉄の粒子が電気的に絶縁される。その結果、磁場を印加したときに、熱伝導性と電気絶縁性の両方に優れる磁性流体を提供することができる。

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。図３は、磁性粒子が、強磁性金属をコアに、高熱伝導絶縁材料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状態を示す模式図である。図４は、磁性粒子が、高熱伝導絶縁材料をコアに、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状態を示す模式図である。図５は、磁性粒子に対する窒化ホウ素（ＢＮ）の体積比率と磁場印加中の磁性流体の電気抵抗との関係を示すグラフである。図６は、磁性粒子に対する窒化ホウ素（ＢＮ）の体積比率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。

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。

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。

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。

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。

図３は、磁性粒子５０が、強磁性金属５２をコアに、高熱伝導絶縁材料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状態を示す模式図である。図４は、磁性粒子５０が、高熱伝導絶縁材料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状態を示す模式図である。

強磁性金属５２と高熱伝導絶縁材料５４は、いずれも熱伝導性が良好なため、磁性流体１０に磁場が印加されて磁性粒子５０同士が接触すると、図３及び図４に示したいずれの場合にも、磁性流体１０は優れた熱伝導性を示すことを、本発明者は知見した。一方、図３に示したように、強磁性金属５２をコアに、高熱伝導絶縁材料５４をシェルにすると、個々の強磁性金属５２が高熱伝導絶縁材料５４によって電気的に絶縁されることを、本発明者は知見した。また、図４に示したように、高熱伝導絶縁材料５４をコアに、強磁性金属５２をシェルにすると、個々の磁性粒子５０の強磁性金属５２が互い接触することによって、個々の磁性粒子５０が電気的に導通してしまうことを、本発明者は知見した。

これまでに説明した知見は、表１のように纏められる。

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。

（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。

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。

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。

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。

シェルは、高熱伝導絶縁材料５４である。高熱伝導絶縁材料５４としては、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、及びシリカ（ＳｉＯ_２）等が挙げられる。熱伝導性と電気絶縁性の両立の観点からは、窒化ホウ素（ＢＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好ましい。これは、窒化ホウ素（ＢＮ）（熱伝導率：６０Ｗｍ^−１Ｋ^−１、電気抵抗：１０^１２Ωｍ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（熱伝導率：２８５Ｗｍ^−１Ｋ^−１、電気抵抗：１０^１２Ωｍ）については、これら自体の熱伝導率と電気抵抗の両方が高いためである。

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、シェルが高熱伝導絶縁材料５４であることにより、個々の強磁性金属５２は、互いに電気的に絶縁される。

例えば、コアがニッケル又は鉄、シェルが窒化ホウ素（ＢＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である場合について説明する。磁場６０の印加によって、磁性粒子５０同士が接触する。ニッケル及び鉄並びに窒化ホウ素（ＢＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、いずれも高い熱伝導性を有するため、磁性粒子５０同士の接触により、高い熱伝導性が確保される。一方、窒化ホウ層（ＢＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、いずれも、高い電気絶縁性を有する。このため、ニッケル又は鉄の粒子が、窒化ホウ層（ＢＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で被覆されることによって、個々のニッケル又は鉄粒子は、電気的に絶縁される。

高熱伝導絶縁材料５４（シェル）の粒径（外径）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、高熱伝導絶縁材料５４（シェル）の粒径（外径）は、強磁性金属５２（コア）の粒径よりも大きい。高熱伝導絶縁材料５４（シェル）の粒径（外径）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。

（磁性粒子に対する高熱伝導材料の体積比率）
磁性粒子５０に対する高熱伝導絶縁材料５４（シェル）の体積比率は、５．０％以上が好ましい。体積比率が５．０％以上であれば、電気絶縁性を確保することができる。この観点からは、体積比率は、１０．０％以上がより好ましく、１５．０％以上がより一層好ましい。高熱伝導絶縁材料５４（シェル）が窒化ホウ素（ＢＮ）の場合には、１２．０％以上が好ましい。一方、高熱伝導絶縁材料５４（シェル）の体積比率は、９５．０％以下が好ましい。体積比率が９５．０％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、高熱伝導絶縁材料５４（シェル）の体積比率は、９０．０％以下がより好ましく、８０．０％以下がより一層好ましい。

（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。

さらに、溶媒４０は、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。

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。

（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。

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。

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。

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。

例えば、コアをニッケル、シェルを窒化ホウ素（ＢＮ）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、窒化ホウ素（ＢＮ）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。

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。

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。

（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、シグマアルドリッチ社製のニッケル粉末（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窒化ホウ素（ＢＮ）粉末（平均粒径１００ｎｍ）を準備した。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。

磁性粒子に対して、窒化ホウ素の体積比率が所望の値になるように、ニッケル粉末及び窒化ホウ素（ＢＮ）粉末を秤量した。

ニッケル粉末と窒化ホウ素（ＢＮ）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。

このようして、ニッケル粉末の表面に窒化ホウ素（ＢＮ）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。

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。

（比較例の磁性流体試料の作製）
次のようにして、比較例の磁性流体１０の試料を作製した。コアとなる原料粉末として、シグマアルドリッチ社製の窒化ホウ素（ＢＮ）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試料を作製した。

実施例と、窒化ホウ素（ＢＮ）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、窒化ホウ素（ＢＮ）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。

（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。

（熱伝導率）
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ペット樹脂板に、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、同じ大きさの別のペット樹脂板を重ね合せ、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。

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、磁場印加中の磁性流体１０の熱拡散率を測定した。

磁場印加中の磁性流体１０の熱拡散率と、ペット樹脂板、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、磁場印加中の磁性流体１０の熱伝導率を算出した。

（電気抵抗）
先ず、インピーダンス測定用のセルを作製した。１０ｍｍ四方の端子付きのニッケル板２枚を、１ｍｍの間隔で平行に対向させて固定し、２枚のニッケル板の間にスラリー状の磁性流体１０を充填した。それぞれのニッケル板について、磁性流体１０を充填したのと反対側の面に磁石を配置し、各磁石のＮ極とＳ極を対向させた。磁石の大きさについては、底面が２０ｍｍ四方で、厚さが４０ｍｍであった。

このようにして得たセルを用いて、インピーダンス測定を行い、ナイキストプロットを作成した。インピーダンス測定の周波数は、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚであった。ナイキストプロット、ペット樹脂板の電気抵抗から、磁場印加中の磁性流体１０の電気抵抗を求めた。

結果を表２に示す。表２には、原料粉末の配合量（質量）を併記した。また、表２には、磁性粒子に対するニッケルの体積比率と窒化ホウ素（ＢＮ）の体積比率を併記した。これらの体積比率は、ニッケルの原子量さらに、図５に、磁性粒子に対する窒化ホウ素（ＢＮ）の体積比率と磁場印加中の磁性流体の電気抵抗値との関係を、図６に、磁性粒子に対する窒化ホウ素（ＢＮ）の体積比率と磁場印加中の磁性流体の熱伝導率との関係を纏めた。

表２並びに図５及び図６からわかるように、コアをニッケル（強磁性金属）、シェルを窒化ホウ素（ＢＮ、高熱伝導絶縁材料）にして、磁性流体１０に磁場を印加すると、熱伝導性と電気絶縁性の両方に優れることが確認できた。

また、詳細には、表２から、コアがニッケル、シェルが窒化ホウ素（ＢＮ）の場合における、磁性粒子に対する窒化ホウ素（ＢＮ）の体積比率（以下、単に「体積比率」という。）と電気抵抗の関係について、次のことが確認できた。体積比率が５．０％で電気抵抗の上昇が認められ、体積比率が１２．０％以上で、コアが窒化ホウ素（ＢＮ）、シェルがニッケルの場合の電気抵抗よりも大きくなる。

さらに、表２から、コアがニッケル、シェルが窒化ホウ素（ＢＮ）の場合における、体積比率と熱伝導率の関係について、次のことが確認できた。体積比率が１００％のとき、すなわち、粒子のすべてが窒化ホウ素（ＢＮ）の場合には、磁場の印加によって、粒子同士が接触しない。そのため、磁場印加中でも、熱伝導率は１２．６Ｗｍ^−１Ｋ^−１と低い。そして、この熱伝導率は、コアがニッケル、シェルが窒化ホウ素（ＢＮ）である磁性流体に、磁場が印加されていないとき（磁性粒子同士が接触していないとき）の熱伝導率に相当する。

体積比率が９５％のときの熱伝導率は１２．９Ｗｍ^−１Ｋ^−１であり、磁性粒子同士の接触による熱伝導率の上昇が認められる。そして、体積比率の上昇とともに熱伝導率がさらに上昇する。体積比率が８８％以下になると、熱伝導率は１３．０Ｗｍ^−１Ｋ^−１以上になり、体積比率が０％、すなわち、粒子のすべてがニッケルの場合の熱伝導率１３．３Ｗｍ^−１Ｋ^−１と実質的に同等となる。

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。

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高熱伝導絶縁材料（窒化ホウ素（ＢＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ））
６０磁場
７０熱伝導経路

Claims

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、前記シェルが窒化ホウ素（ＢＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である、
磁性流体。