JP2020041727A - 蒸発器及びその製造方法、並びに蒸発器を有するループ型ヒートパイプ - Google Patents

蒸発器及びその製造方法、並びに蒸発器を有するループ型ヒートパイプ Download PDF

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Abstract

【課題】熱交換性能を向上することができる蒸発器を提供する。【解決手段】金属壁、及び金属壁と直接接合されている多孔質金属膜を有し、かつ多孔質金属膜は、平均孔径８μｍ以下の連通孔を有し、かつ空隙率が５０％以上である、蒸発器。【選択図】図２

Description

本開示は、蒸発器及びその製造方法、並びに蒸発器を有するループ型ヒートパイプに関する。
ヒートパイプは、作動流体の相変化を利用して熱を輸送するデバイスとして知られている。ヒートパイプの一例として、蒸発器、蒸気管、凝縮器、及び液管が接続されてループを形成しているループ型ヒートパイプが挙げられる。ここで、「パイプ」との文言は、単に円筒管状のものを指すだけではなく、その少なくとも一部が平板型又はボックス型になっているものも指している。
蒸発器は、通常、その内壁に多孔質金属膜が設けられている。作動流体が、この多孔質金属膜内に運搬され、そして蒸発器の外部に存在する発熱源等によって加熱されて、沸騰し、気化する。したがって、蒸発器の熱交換性能は、蒸発器の内壁に設けられている多孔質金属膜の熱伝達率によって大きく影響される。
これまでに、多孔質金属膜に関する開発は、以下のように多数報告されている。
例えば、特許文献１では、有孔金属焼結体を備える沸騰冷却装置が開示されている。この有孔金属焼結体は、空孔率が５０％以上であり、空孔径が１０〜１００μｍの範囲である。また、この有孔金属焼結体は、ろう付け又はハンダ付けによって沸騰冷却装置の受熱壁に接合されている。
特許文献２では、超微粒子材料をガスデポジション法で成膜して成る多孔質酸化膜が開示されている。原料の超微粒子材料は、粒径が１０ｎｍ〜３μｍであり、粒径分布がメジアン粒径Ｍに対して０．２Ｍ〜３Ｍの範囲内である。
特許文献３では、（１）メカニカルアロイングにより、バルブ金属と該バルブ金属と相溶性を持たない異相成分からなる合金粉を作製し、（２）衝撃固化法により、バルブ金属箔集電体の少なくとも一方の面に、該合金粉を吹き付けて、（３）前記バルブ金属と前記異相成分からなる混合膜を形成し、（４）得られた混合膜を熱処理し、（５）該混合膜中の異相成分を除去することにより、バルブ金属箔集電体の上にバルブ金属多孔質層を形成する、多孔質バルブ金属膜の製造方法が開示されている。
特許文献４では、熱伝達率の高い材料からなる放熱板と、一方の面側に半導体素子が載置され他方の面側の所定の深さまで前記放熱板に含浸されてなる絶縁基板と、を備える半導体モジュールが開示されている。絶縁基板に多孔質材料からなる多孔質層を備えている。また、この多孔質層は、１１００℃に加熱し１ｔ／ｃｍ２の圧力を加え溶解した銅を鋳込むことにより、放熱板に含浸されている。
特開２０００−０４９２６６号公報 特開２００３−２０８９０１号公報 特開２０１１−０４４６５３号公報 特開２００２−１１８１９５号公報
蒸発器の高い熱交換性能を実現するために、蒸発器の内部に設けられている多孔質金属膜の熱伝達率を上げる必要がある。このため、例えば多孔質金属膜の伝熱面積を増やすことが考えられる。また、多孔質金属膜の伝熱面積を増やすためには、多孔質金属膜に存在する連通孔の孔径を小さくし、かつ空隙率を大きくすることは考えられる。
しかしながら、これらの先行技術文献に開示されている方法では、連通孔の孔径を十分に小さくすることができなかったり、空隙率を十分に大きくすることができなかったりすることが多い。
また、例えば、ろう付け又はハンダ付けによって多孔質金属膜を蒸発器の内壁に接合させる方法では、ろう又はハンダが多孔質金属膜の孔に侵入する可能性がある。多孔質金属膜の連通孔にろう又はハンダ等の異相が存在すると、空隙率が下がってしまうだけではなく、多孔質金属膜のフォノン散乱が大きくなり、それによって熱伝達率が下がってしまう問題がある。
また、圧着によって多孔質金属膜を蒸発器の内壁に接合させる方法では、多孔質金属膜の空隙率が大きければ大きいほど、圧着によって多孔質金属膜の空隙が潰されやすくなり、その結果、熱伝達率が下がってしまう問題がある。なお、多孔質金属膜を蒸発器の内壁に接合させない方法も考えられるが、この場合、多孔質金属膜と蒸発器の内壁との間の界面熱抵抗が大きくなり、多孔質金属膜の温度が低下してしまう。その結果、流体が沸騰又は気化しにくくなり、低熱流束域の放熱しかできない問題がある。
このように、これまでに報告されている多孔質金属膜の熱伝達率が不十分なものことが多いため、蒸発器の熱交換性能は、依然として改善する余地がある。
したがって、本開示は、上記事情を鑑みてなされたものであり、熱交換性能が向上された蒸発器、及びその製造方法、並びに蒸発器を有するループ型ヒートパイプを提供することを目的とする。
本開示の本発明者らは、以下の手段により、上記課題を解決できることを見出した。
〈態様１〉
金属壁、及び前記金属壁と直接接合されている多孔質金属膜を有し、かつ
前記多孔質金属膜は、平均孔径８μｍ以下の連通孔を有し、かつ空隙率が５０％以上である、
蒸発器。
〈態様２〉
前記連通孔の平均孔径が２μｍ以上である、態様１に記載の蒸発器。
〈態様３〉
前記空隙率が９０％以下である、態様１又は２に記載の蒸発器。
〈態様４〉
前記多孔質金属膜が、銅を含む多孔質金属膜である、態様１〜３のいずれか一項に記載の蒸発器。
〈態様５〉
前記多孔質金属膜の骨格が、凹凸構造を有する、態様１〜４のいずれか一項に記載の蒸発器。
〈態様６〉
態様１〜５のいずれか一項に記載の蒸発器、蒸気管、凝縮器、及び液管が、この順に接続されてループを形成している、ループ型ヒートパイプ。
〈態様７〉
下記工程を含む、金属壁及び前記金属壁と直接接合されている多孔質金属膜を有する蒸発器の製造方法：
（ａ）１つのノズルから金属粒子を含むエアロゾル、及びもう１つのノズルから造孔材粒子を含むエアロゾルを、金属基板に対して同時に噴射して、前記金属基板上に複合膜を形成すること；並びに
（ｂ）前記複合膜の焼成を行って、前記多孔質金属膜を形成すること。
〈態様８〉
前記造孔材粒子が帯電性を有する誘電体粒子である、態様７に記載の方法。
〈態様９〉
前記前記金属粒子が、銅粒子である、態様７又は８に記載の方法。
〈態様１０〉
前記造孔材粒子が、ポリメタクリル酸粒子である、態様７〜９のいずれか一項に記載の方法。
本開示によれば、蒸発器の熱交換性能を向上することができる。
図１は、本開示の蒸発器の一形態を示す断面図である。 図２は、本開示にかかる多孔質金属膜の一形態を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影した画像である。 図３は、本開示にかかる工程（ａ）の一形態を示す模式図である。 図４は、本開示にかかる複合膜の形成機構を示すイメージ図である。 図５は、本開示のループ型ヒートパイプの一形態を示す概略図である。 図６は、実施例及び比較例の評価モデルを示すイメージ図である。 図７は、実施例１の多孔質金属膜及び金属壁の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影した画像である。 図８は、実施例１の多孔質金属膜の表面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影した画像である。
以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図において、同一又は相当する部分には同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。実施の形態の各構成要素は、全てが必須のものであるとは限らず、一部の構成要素を省略可能な場合もある。ただし、以下の図に示される形態は本開示の例示であり、本開示を限定するものではない。
《蒸発器》
本開示の蒸発器は、
金属壁、及び金属壁と直接接合されている多孔質金属膜を有し、かつ
多孔質金属膜は、平均孔径８μｍ以下の連通孔を有し、かつ空隙率が５０％以上である。
図１は、本開示の蒸発器の一形態を示す断面図である。本開示の蒸発器５０は、金属壁１０、及び金属壁と直接接合されている多孔質金属膜２０を有している。なお、多孔質金属膜２０は、平均孔径８μｍ以下の連通孔を有し、かつ空隙率が５０％以上である。
〈多孔質金属膜〉
本開示の多孔質金属膜は、蒸発器の金属壁と直接接合されており、平均孔径８μｍ以下の連通孔を有し、かつ空隙率が５０％以上である。
多孔質金属膜が金属壁と直接接合されているため、金属壁と多孔質金属膜との界面には接合材等の異相材料が存在していない。それによって、多孔質金属膜のフォノン散乱を防止することができて、熱抵抗を低下させることができる。
また、多孔質金属膜は、平均孔径８μｍ以下の連通孔を有し、かつ空隙率が５０％以上であることから、多孔質金属膜の伝熱面積を有意に向上することができて、よって、多孔質金属膜に高い熱伝達率を付与することができる。
このような多孔質金属膜を有する本開示の蒸発器は、高い熱交換性能を実現することができる。
なお、本開示において、「直接接合」とは、接合される金属壁と多孔質金属膜が、直接に接合していることを意味し、金属壁と多孔質金属膜との界面にハンダ等の接合材料が存在していない状態である。
図２は、本開示にかかる多孔質金属膜の一形態を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影した画像である。ここでは、金属壁１１に多孔質金属膜２１が直接接合されている。多孔質金属膜２１は、複数の平均孔径８μｍ以下の連通孔、例えば連通孔２１ａを有している。また、多孔質金属膜２１の空隙率が５０％以上である。
（連通孔）
本開示において、「連通孔」とは、多孔質金属膜の表面に連通している空孔である。
本開示にかかる連通孔の平均孔径は、８μｍ以下であれば特に限定されない。例えば連通孔の平均孔径は、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、２μｍ以下、又は１μｍ以下であってもよく、また０．５μｍ以上、１μｍ以上、２μｍ以上、３μｍ以上、４μｍ以上、又は５μｍ以上であってもよい。
連通孔の平均孔径は、後述する工程（ａ）で用いる造孔材粒子の平均粒径、及び／又は工程（ｂ）の焼成条件等を適宜に調整することによって、本開示の範囲内に制御することができる。
また、平均孔径は、実施例で示されているポロシメーター法によって、求めることができる。
より具体的には、ポロシメーターを用いて、多孔質金属膜の連通孔の気孔に水を圧入し、水に加えられた圧力と、それぞれの圧力によって気孔内に浸入した水の重量とを測定する。
気孔内に侵入した水の重量から水の体積を求める。このようにして求める水の体積は、連通孔の体積に等しい。水に加えられた圧力と、連通孔の孔径とには、以下の式（１）（Ｗａｓｈｂｕｒｎの関係式）が成り立つ。
Ｄ＝−４σｃｏｓθ／Ｐ （１）
ただし、Ｄは、連通孔の孔径（直径）を表し、σは、水の表面張力を表し、θは、水と連通孔の表面との接触角を表し、かつＰは、水に加えられた圧力を表す。
各圧力ｐ１、ｐ２、…、及びｐｉで連通孔に侵入した水の体積を求める。また、式（１）から、各圧力に対する各孔径を求める。各圧力ｐ１、ｐ２、…、及びｐｉについて、求めた水の体積ｖ１、ｖ２、…、及びｖｉ、並びに求めた孔径ｄ１、ｄ２、…、及びｄｉを用いて、連通孔の体積平均孔径ｍｖを下記式（２）によって求める。この連通孔の体積平均孔径ｍｖの値は、本開示でいう「連通孔の平均孔径」である。
ｍｖ＝（ｖ１・ｄ１＋ｖ２・ｄ２＋…＋ｖｉ・ｄｉ）／（ｖ１＋ｖ２＋…＋ｖｉ）
＝｛Σ（ｖｉ・ｄｉ）｝／｛Σ（ｖｉ）｝ （２）
（空隙率）
多孔質金属膜の空隙率は、５０％以上であれば特に限定されない。例えば空隙率は、５５％以上、６０％以上、６５％以上、７０％以上、７５％以上、又は８０％以上であってよい。また、空隙率の上限は特に限定されが、多孔質金属膜の強度を維持させる観点から、９０％以下、８５％以下、８０％以下、７５％以下、又は７０％以下であってよい。
多孔質金属膜の空隙率は、後述する工程（ａ）で用いる金属粒子と造孔材粒子との重量比（又は質量比）、造孔材粒子の平均粒径、及び／又は工程（ｂ）の焼成条件等を適宜に調整することによって、本開示の範囲内に制御することができる。
また、空隙率は、実施例で示されている方法によって求めることができる。
より具体的には、多孔質金属膜のかさ体積を測定して、連結孔に圧入された水の容積と合わせて、下記式（３）によって、多孔質金属膜の空隙率を求める。
Ｐｏ＝Ｖｔｏｔ／Ｖｂ （３）
ただし、Ｐｏは、多孔質金属膜の空隙率を表し、Ｖｔｏｔは、圧入された水の容積を表し、かつＶｂは、多孔質金属膜のかさ体積を表す。また、Ｖｂ＝Ｖｐ−Ｖｍ−Ｖｓであり、Ｖｐは、セル容積を表し、Ｖｍは、圧力を加えていないときに、多孔質金属膜を収容しているセルに入る水の容積を表し、かつＶｓは、金属基板（金属壁）の体積を表す。
（多孔質金属膜の材料）
多孔質金属膜の材料としては、例えば銅、アルミニウム、又は銀等の金属粒子が挙げられるが、これらに限定されない。これのうち、熱伝達率を向上させる観点から、銅粒子が好ましく用いられる。すなわち、多孔質金属膜は、銅を含む多孔質金属膜であることが好ましい。
（骨格）
多孔質金属膜の骨格とは、多孔質金属膜の連通孔を除いた部分を指す。多孔質金属膜の骨格は、多孔質金属膜の材料である金属粒子を焼成することによって構成されうる。
また、多孔質金属膜の骨格は、凹凸構造を有することが好ましい。ここで、「凹凸構造」とは、金属粒子が相互に連結して形成されている凹凸構造であってよい。このような凹凸構造を有すると、作動流体が多孔質金属膜内において沸騰する際の沸騰核を増加させることができる。これによれば、多孔質金属膜により高い熱伝達率を与えることができる。
凹凸構造の中においても、ナノサイズの連通孔が存在していてもよい。ナノサイズの連通孔の平均孔径は、例えば５００ｎｍ以下、４００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、又は１００ｎｍ以下であってもよい。
また、多孔質金属膜の骨格における凹凸構造の有無は、例えば後述する工程（ｂ）の焼成の温度等を調整することによって、制御することができる。
（膜厚）
多孔質金属膜の膜厚は、特に限定されない。多孔質金属膜の厚さに対する熱の圧力損失（摩擦損失）を予防する観点から、膜厚は、５００μｍ以下、４５０μｍ以下、４００μｍ以下、３５０μｍ以下、３００μｍ以下、２５０μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１２０μｍ以下、又は１００μｍ以下であってよい。また、多孔質金属膜の伝熱面積を確保する観点から、膜厚は、２０μｍ以上、３５μｍ以上、５０μｍ以上、７５μｍ以上、又は１００μｍ以上であってよい。
なお、本開示において、膜厚（又は厚み）は、接触式の膜厚計を使用して測定することができる。より具体的には、同一膜の表面において任意の５点で膜厚を計測し、その相加平均値を膜厚として得ることができる。また、多孔質金属膜の膜厚は、金属壁及び金属壁と直接接合されている多孔質金属膜の総膜厚から、金属壁の厚みを引いた値として求めることができる。
〈金属壁〉
金属壁は、金属の板から形成されていてよい。また、表面にコーティング又はメッキを有する金属の板から形成されていてもよい。ただし、熱伝導の観点からは、このようなコーティング又はメッキを有さないことが好ましい。
また、金属壁に使用できる金属は、特に限定されず、例えば銅、アルミニウム、又は鉄等であってもよく、又はこれらの混合物若しくは合金であってもよい。
なお、本開示の蒸発器は、多孔質金属膜と直接接合されている金属壁を少なくとも１つの面に有していればよく、蒸発器の内壁の全ての面が金属壁である必要はない。
また、本開示の蒸発器では、多孔質金属膜の金属壁と反対側の面には、さらに他の多孔質金属膜が配置されていてもよい。
《蒸発器の製造方法》
本開示はまた、金属壁及び金属壁と直接接合されている多孔質金属膜を有する蒸発器の製造方法を提供する。
本開示の方法は、下記工程を含む：
（ａ）１つのノズルから金属粒子を含むエアロゾル、及びもう１つのノズルから造孔材粒子を含むエアロゾルを、金属基板に対して同時に噴射して、金属基板上に複合膜を形成すること；並びに
（ｂ）複合膜の焼成を行って、多孔質金属膜を形成すること。
本開示の方法によって製造される蒸発器は、金属壁、及び金属壁と直接接合されている多孔質金属膜を有し、かつ多孔質金属膜は、平均孔径８μｍ以下の連通孔を有し、かつ空隙率が５０％以上であってよい。なお、蒸発器の詳細について、上述した《蒸発器》欄の説明を参照できるため、ここでは説明を省略する。
この本開示の方法によれば、加熱溶融しないで、多孔質金属膜を金属基板上に直接接合させることができるので、小さい細孔径と大きい空隙率とを両立することができる。
〈工程（ａ）〉
工程（ａ）では、１つのノズルから金属粒子を含む第１のエアロゾル、及びもう１つのノズルから造孔材粒子を含む第２のエアロゾルを、金属基板に対して同時に噴射して、金属基板上に複合膜を形成する。
図３は、本開示にかかる工程（ａ）の一形態を示す模式図である。より具体的には、図３では、ノズル１ａから金属粒子２を含む第１のエアロゾル２ａ、及びノズル１ｂから造孔材粒子３を含む第２のエアロゾル３ａを、金属基板１２に対して同時に噴射して、金属基板１２上に複合膜２２ａを形成している態様が示されている。
本開示において、「エアロゾル」とは、搬送ガスと成膜のための原料粒子とを混合したものをいう。例えば、第１のエアロゾルは、搬送ガスと金属粒子とを混合したものであり、第２のエアロゾルは、搬送ガスと造孔材粒子とを混合したものである。
また、搬送ガスは、特に限定されず、例えば窒素ガス、アルゴンガス、又はヘリウム等の不活性ガスであってよい。なお、第１のエアロゾルに含まれる搬送ガスと第２のエアロゾルに含まれる搬送ガスはとは同じであってもよく、異なっていてもよい。
工程（ａ）において、複合膜は、例えば図４に示されている形成機構のイメージ図のように、形成されていると推測される。すなわち、噴射された第２のエアロゾルに含まれている造孔材粒子３は、衝突により負の電荷を帯電することができる。そして、同時に噴射された第２のエアロゾルに含まれている金属粒子２は、金属基板１２の上又はその近傍において、負の電荷を帯電した造孔材粒子３と接触すると、正の電荷を帯電することができる。したがって、正の電荷を帯電した金属粒子２と負の電荷を帯電した造孔材粒子３とが複合化されて、複合膜を形成することができる。また、その一方で、金属粒子３は、金属基板上に到着すると、塑性変形して、複合膜の骨格を形成する。このようにして形成された複合膜の骨格は、後述する焼成によって、多孔質金属膜の骨格となる。なお、この複合膜の形成機構は、あくまで一推測であり、本開示を限定するものではない。
工程（ａ）において、同時噴射は、同時噴射できる装置、例えばエアロゾルガスデポジション（ＡＧＤ）装置を用いることができる。
また、同時に噴射する際の粒子速度は、例えば４００ｍ／ｓ以下にすることができる。通常、常温下において、１つの金属粒子を含むエアロゾル噴射して、基板に金属粒子を確実に付着させる観点から、粒子速度を５００ｍ／ｓ以上にすることが多い。しかしながら、粒子速度を５００ｍ／ｓ以上にすると基板上に金属粒子が付着する際の変形が大きくなり、均一な多孔質金属膜を形成できない可能性がある。
これに対して、工程（ａ）では、第１のエアロゾルと第２のエアロゾルとを同時に噴射させるため、第２のエアロゾルに含まれている造孔材が、第１のエアロゾルに含まれている金属粒子の金属基板に対する付着力を高めることができる。これによって、粒子速度が４００ｍ／ｓ以下であっても、均一な多孔質金属膜を形成することができる。また、粒子の付着効率を向上させる観点から、同時に噴射する際の粒子速度は、１００ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
金属粒子は、上述した多孔質金属膜の材料に使用される金属粒子の説明を適宜参照することができる。中では、熱伝達率を向上させる観点から、金属粒子は銅粒子であることが好ましい。
また、金属粒子の平均粒径は、特に限定されない。例えば金属粒子の平均粒径は、０．０５μｍ以上、０．１０μｍ以上、０．１５μｍ以上、又は０．２０μｍ以上であってもよく、また、１．００μｍ以下、０．８０μｍ以下、０．５０μｍ以下、又は０．３０μｍ以下であってもよい。
なお、本開示において、平均粒径とは、レーザー回折式粒度分布測定法で測定した粒度分布の積算％が５０％の値（Ｄ５０）を意味する。例えば島津製作所製レーザー回折式粒度分布測定装置「ＳＡＬＤ２０００」等を用いて平均粒径を測定することができる。
本開示において、造孔材粒子とは、金属粒子と造孔材粒子からなる複合膜を形成した後、造孔材粒子を除去して、後に形成される多孔質金属膜に貫通孔を導入するための物質である。
造孔材粒子は、例えば帯電性を有する誘電体粒子であってもよく、又は絶縁物の粒子であってもよい。上述した複合膜の形成機構を考慮すると、造孔材粒子は、帯電性を有する誘電体粒子であることが好ましく、例えばポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）粒子、又はポリスチレン粒子であることが好ましい。また、取り扱い易さの観点から、造孔材粒子は、ポリメタクリル酸メチル粒子であることがより好ましい。
造孔材粒子の平均粒径は、特に限定されない。例えば造孔材粒子の平均粒径は、０．１μｍ以上、０．５μｍ以上、１μｍ以上、２μｍ以上、３μｍ以上、４μｍ以上、５μｍ以上、６μｍ以上、７μｍ以上、又は８μｍ以上であってもよく、また１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、２μｍ以下、又は１μｍ以下であってもよい。
工程（ａ）において、複合膜を形成するために、使用する金属粒子及び造孔材粒子の量は、特に限定されない。目的とする多孔質金属膜の空隙率に合わせて、これらの量を適宜に調整することができる。
例えば、金属粒子と造孔材粒子との重量比（金属粒子：造孔材）は、５０：５０〜９５：５、６０：４０〜９０：１０、又は７０：３０〜８５：１５であってよい。
また、金属粒子と造孔材粒子との体積比（金属粒子：造孔材）は、１２：８８〜７２：２８、１７：８３〜５５：４５、又は２４：７６〜４３：５７であってよい。
〈工程（ｂ）〉
工程（ｂ）では、上述した複合膜の焼成を行って、多孔質金属膜を形成する。
（複合膜の焼成）
焼成の温度は、用いる金属粒子の種類に応じて適宜に調整することができ、例えば３００℃以上、３２０℃以上、３４０℃以上、３６０℃以上、３８０℃以上、４００℃以上、５００℃以上、５５０℃以上、６００℃以上、６５０℃以上、６８０℃以上、７００℃以上、７２０℃以上、又は７５０℃以上であってもよく、また１０００℃以下、９００℃以下、８５０℃以下、８００℃以下、７８０℃以下、又は７５０℃以下であってもよい。焼成の時間は、数時間から十数時間程度で、用いる金属粒子の種類に応じて適宜に調整することができる。また、焼成は、不活性ガス中において行ってもよく、又は真空中において行ってもよい。
また、焼成の温度を調整することによって、多孔質金属膜の骨格における凹凸構造の有無を制御することができる。例えば、温度を一定の範囲内で焼成を行うと、金属粒子が部分的に焼結して、このような金属粒子同士が、相互に連結して多孔質金属膜の骨格において凹凸構造を形成することができる。そして、この一定の範囲を超えるまで温度を上げて焼成を行うと、金属粒子の焼結が更に進行して、一旦できた凹凸構造をなくすことができる。なお、具体的な温度範囲は、用いる金属粒子の種類に合わせて適宜に設定することができる。
また、本開示の方法は、工程（ｂ）の前又は後においても、造孔材粒子の除去を行う工程を更に有することができ、又は工程（ｂ）において、複合膜を焼成しながら、造孔材粒子を除去することもできる。
（造孔材粒子の除去）
造孔材粒子を除去する方法は、用いる造孔材の種類に応じて、下記の方法（ｉ）又は（ｉｉ）を適宜に採用することができるが、これらに限定されない。
方法（ｉ）：造孔材粒子を熱分解させて除去する方法
熱分解の温度は、用いる造孔材の種類に応じて適宜に調整することができ、例えば２８０℃以上、３００℃以上、３３０℃以上、又は３５０℃以上であってもよいが、これらに限定されない。熱分解の時間は、数時間から十数時間程度で、用いる造孔材の種類に応じて適宜に調整することができる。また、熱分解は、不活性ガス中において行ってもよく、又は真空中において行ってもよい。
この場合、上述した工程（ｂ）において、複合膜を焼成しながら、焼成の熱によって造孔材粒子を分解させて除去することができる。
方法（ｉｉ）：造孔材粒子を有機溶媒に溶解させて除去する方法
有機溶媒としては、例えば、アセトン、トルエン、クロロホルム、又はアルコール等が挙げられるが、これらに限定されない。
《ループ型ヒートパイプ》
本開示はまた、ループ型ヒートパイプを提供することができる。
本開示のループ型ヒートパイプは、蒸発器、蒸気管、凝縮器、及び液管が、この順に接続されてループを形成している。
図５は、本開示のループ型ヒートパイプの一形態を示す概略図である。ループ型ヒートパイプ１００は、蒸発器６０、蒸気管６１、凝縮器６２、及び液管６３が、この順に接続されてループを形成している。
蒸発器は、作動流体を気化させる機能を有している。
また、蒸発器は、発熱体等の熱源の近傍に設置されていることが好ましく、特に蒸発器の内部の、多孔質金属膜と直接接合している金属壁を有する側が、発熱体等の熱源の近傍に設置されていることが好ましい。例えば、図５に示されているように、発熱体６４と、蒸発器６０の、多孔質金属膜２２と直接接合している金属壁１３を有する側の外側と隣接している。
なお、蒸発器の内部の構成に関しては、上述したとおりであり、ここでは説明を省略する。
蒸発器から気化された作動流体（すなわち、蒸気）は、蒸気管を介して、凝縮器へと導かれる。
凝縮器は、蒸気を冷却して液化させる機能を有している。また、冷却効果を高めるために随意に凝縮器の近傍にファンを設けてもよい。例えば、図５に示されているように、凝縮器６２の近傍にファン６５が設置されている。
そして、凝縮器によって液化された作動流体は、液管を介しいて、再び蒸発器へと導かれる。
このように、熱交換性能を向上することができる本開示にかかる蒸発器を用いることで、ループ型ヒートパイプの性能を有意に向上することができる。
以下に示す実施例を参照して本開示をさらに詳しく説明する。ただし、本開示の範囲は、実施例によって限定されるものではない。
（実施例１〜６）
各実施例において、銅粒子（Ｃｕ）を含むエアロゾル、及びポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）粒子を含むエアロゾルを、銅基板に対して同時に噴射して、複合膜を形成した。なお、各実施例で使用した銅粒子の平均粒径及びポリメタクリル酸メチル粒子の平均粒径は、表１に示されている。
そして、形成された複合膜の焼成及びポリメタクリル酸メチルの除去を行い、銅基板上に多孔質金属膜を形成した。複合膜の焼成及びポリメタクリル酸メチル粒子の除去は、真空中にて約４００℃で、３時間程度の熱処理によって行われた。なお、各実施例にて、熱処理の温度及び時間を適宜に変更して、多孔質金属膜の骨格に凹凸構造の有無を制御した。例えば、４００℃程度で焼成を行うことによって、多孔質金属膜の骨格に凹凸構造を与えることができた。これに対して、７００℃程度の高温で焼成を行うことによって、多孔質金属膜の骨格に凹凸構造を無くすことができた。
図６に示されている実施例及び比較例の評価モデルに基づき、上記で用いた銅基板（金属壁に相当する）及び銅基板上に形成された多孔質金属膜を、実施例１〜６及び後述する比較例１〜９のサンプルとして作製し、下記に示す測定及び評価を行った。
評価モデルにおいて、作動流体は、水を用いて。また、各実施例及び比較例の多孔質金属膜が形成された場合の膜厚は、全て同様（１００μｍ）にして作製した。
〈走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）での撮影〉
実施例１〜６の多孔質金属膜及び金属壁の断面、並びにそれぞれの多孔質金属膜の表面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影して、観察した。
図７は、実施例１の多孔質金属膜及び金属壁の断面を、ＳＥＭを用いて撮影した画像である。図７に示されているように、多孔質金属膜（上部）と金属壁（下部）とは、界面に第２相（多孔質金属膜及び金属壁以外の相）を有さずに、直接接合されていることが明らかである。なお、図示していないが、実施例２〜６の多孔質金属膜及び金属壁の断面のＳＥＭ画像では、実施例１の場合と同様であり、いずれも多孔質金属膜と金属壁とは直接接合されている。
また、図８は、実施例１の多孔質金属膜の表面を、ＳＥＭを用いて撮影した画像である。図８に示されているように、多孔質金属膜の表面に連通孔が複数存在している。また、多孔質金属膜の骨格は、金属粒子が相互に結合した凹凸構造を有していることが観察された。なお、図示していないが、実施例２〜６の多孔質金属膜の表面のＳＥＭ画像では、実施例１の場合と同様であり、いずれも連通孔が複数存在している。また、それぞれの実施例の多孔質金属膜の骨格に凹凸構造の有無の観察結果は、表１に示す。
〈連通孔の平均孔径の測定〉
下記のポロシメーター法を用いて、各実施例にかかる多孔質金属膜の連通孔の平均孔径を測定した。それぞれの結果は、表１に示す。
より具体的には、ポロシメーター（厚入法型、ＰＯＲＯＵＳ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ社製）を用いて、多孔質金属膜の連通孔の気孔に水を圧入し、水に加えられた圧力と、それぞれの圧力によって気孔内に浸入した水の重量とを測定した。
気孔内に侵入した水の重量から水の体積を求めた。このようにして求めた水の体積は連通孔の体積に等しい。水に加えられた圧力と、連通孔の孔径とには、以下の式（１）（Ｗａｓｈｂｕｒｎの関係式）が成り立つ。
Ｄ＝−４σｃｏｓθ／Ｐ （１）
ただし、Ｄは、連通孔の孔径（直径）を表し、σは、水の表面張力を表し、θは、水と連通孔の表面との接触角を表し、かつＰは、水に加えられた圧力を表す。
各圧力ｐ１、ｐ２、…、及びｐｉで連通孔に侵入した水の体積を求めた。また、式（１）から、各圧力に対する各孔径を求めた。各圧力ｐ１、ｐ２、…、及びｐｉについて、求めた水の体積ｖ１、ｖ２、…、及びｖｉ、並びに求めた孔径ｄ１、ｄ２、…、及びｄｉを用いて、連通孔の体積平均孔径ｍｖを下記式（２）によって求めた。この連通孔の体積平均孔径ｍｖの値は、本開示でいう「連通孔の平均孔径」である。
ｍｖ＝（ｖ１・ｄ１＋ｖ２・ｄ２＋…＋ｖｉ・ｄｉ）／（ｖ１＋ｖ２＋…＋ｖｉ）
＝｛Σ（ｖｉ・ｄｉ）｝／｛Σ（ｖｉ）｝ （２）
〈多孔質金属膜の空隙率の測定〉
下記の方法を用いて、各実施例にかかる多孔質金属膜の空隙率を測定した。それぞれの結果は、表１に示す。
より具体的には、多孔質金属膜のかさ体積を測定して、連結孔に圧入された水の容積と合わせて、下記式（３）によって、多孔質金属膜の空隙率を求めた。
Ｐｏ＝Ｖｔｏｔ／Ｖｂ （３）
ただし、Ｐｏは、多孔質金属膜の空隙率を表し、Ｖｔｏｔは、圧入された水の容積を表し、かつＶｂは、多孔質金属膜のかさ体積を表す。また、Ｖｂ＝Ｖｐ−Ｖｍ−Ｖｓであり、Ｖｐは、セル容積を表し、Ｖｍは、圧力を加えていないときに、多孔質金属膜を収容しているセルに入る水の容積を表し、かつＶｓは、金属基板（金属壁）の体積を表す。
〈熱伝達率の測定〉
図６に示されている評価モデルにおいて、金属基板（金属壁）と作動流体としての水の蒸発温度との温度差（過熱度）を１２Ｋとして、各実施例及び比較例の熱伝達率を測定した。
（比較例１）
表１に示されている金属粒子及び造孔材粒子を比較例１の行のとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様に行い、比較例１のサンプルを作製した。そして、実施例と同様な測定及び評価を行った。結果は表１に示す。
（比較例２及び３）
表１に示されている金属粒子及び造孔材粒子を、比較例２及び３の行のとおりに変更したこと以外は、実施例２と同様に行い、比較例２及び３のサンプルを作製した。そして、比較例２及び３のサンプルに対して、実施例と同様な測定及び評価を行った。結果は表１に示す。
（比較例４〜７）
銅基板上に、銅粒子を基板と一体焼結をさせて、比較例４〜７のサンプルをそれぞれ作製した。なお、各比較例で使用した銅粒子の平均粒径は、表１に示されている。そして、比較例４〜７のサンプルに対して、実施例と同様な測定及び評価を行った。結果は表１に示す。
（比較例８）
多孔質金属膜を形成せず、銅基板（金属壁）のみを用いて、比較例８のサンプルを作製した。そして、比較例８のサンプルに対して、実施例と同様な測定及び評価を行った。結果は表１に示す。
（比較例９）
銅基板上に銅の発泡メッキをして、比較例９のサンプルを作製した。そして、比較例９のサンプルに対して、実施例と同様な測定及び評価を行った。結果は表１に示す。
〈評価結果〉
表１に示されているように、本開示にかかる多孔質金属膜（実施例１〜６）は、いずれも高い熱伝達率を有することが分かった。
本開示に対して、比較例１、及び比較例４〜６はいずれも低い熱伝達率を示し、これらは、多孔質金属膜が形成されていない比較例８の熱伝達率と同程度であることが分かった。また、比較例２、３及び７では、基板上で多孔質金属膜を形成することができなかった。また、比較例９では、多孔質金属膜は、形成されたものの、強度が弱く、熱伝達率の測定はできなかった。
１ａ、１ｂ ノズル
２ａ 第１のエアロゾル
３ａ 第２のエアロゾル
１０、１１、１３ 金属壁
１２ 金属基板
２０、２１、２２ 多孔質金属膜
２２ａ 複合膜
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ 連通孔
２１ｈ、２１ｉ、２１ｊ、２１ｋ 連通孔
５０、６０ 蒸発器
６１ 蒸気管
６２ 凝縮器
６３ 液管
６４ 発熱体
６５ ファン
１００ ループ型ヒートパイプ

Claims (10)

  1. 金属壁、及び前記金属壁と直接接合されている多孔質金属膜を有し、かつ
    前記多孔質金属膜は、平均孔径８μｍ以下の連通孔を有し、かつ空隙率が５０％以上である、
    蒸発器。
  2. 前記連通孔の平均孔径が２μｍ以上である、請求項１に記載の蒸発器。
  3. 前記空隙率が９０％以下である、請求項１又は２に記載の蒸発器。
  4. 前記多孔質金属膜が、銅を含む多孔質金属膜である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸発器。
  5. 前記多孔質金属膜の骨格が、凹凸構造を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸発器。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸発器、蒸気管、凝縮器、及び液管が、この順に接続されてループを形成している、ループ型ヒートパイプ。
  7. 下記工程を含む、金属壁及び前記金属壁と直接接合されている多孔質金属膜を有する蒸発器の製造方法：
    （ａ）１つのノズルから金属粒子を含むエアロゾル、及びもう１つのノズルから造孔材粒子を含むエアロゾルを、金属基板に対して同時に噴射して、前記金属基板上に複合膜を形成すること；並びに
    （ｂ）前記複合膜の焼成を行って、前記多孔質金属膜を形成すること。
  8. 前記造孔材粒子が帯電性を有する誘電体粒子である、請求項７に記載の方法。
  9. 前記前記金属粒子が、銅粒子である、請求項７又は８に記載の方法。
  10. 前記造孔材粒子が、ポリメタクリル酸粒子である、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
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