JP5637020B2 - 熱伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝達の対象となるデバイスから熱を受け取る、もしくは、デバイスに熱を伝える熱伝達装置に関する。

燃料を燃やして高温を得る工業用燃焼炉や発電装置、ゴミ焼却施設、自動車や船の内燃機関等、熱を利用する設備が様々な場面において用いられている。これらの装置においては、目的に応じて熱の一部が利用されるものの、残りの大部分の熱は廃熱として捨てられている。例えば自動車においては、走行動力として使われるのは燃料エネルギーの２割程度のみであり、残りの２割は走行損失として失われ、半分以上にあたる６割は廃熱として捨てられている。昨今の世界的な重要課題であるＣＯ_２排出低減、省エネルギーという観点より、上記のように無駄に捨てられている熱を再利用してエネルギー効率を高めることが強く望まれている。熱の再利用としては、例えば、熱機関や熱電デバイスによって熱を電気に変換して用いる熱発電、水のような熱容量の大きな物質を温めて一旦蓄えて用いる蓄熱などが挙げられる。効率の高い熱の再利用を図るため、熱発電であれば熱機関や熱電デバイスの変換効率を高めること、蓄熱であれば蓄熱材の能力を高めることが求められるが、さらに熱源から熱利用箇所まで熱を効率的に伝えることも極めて重要となる。

例えば、工業用燃焼炉の排気管に熱電デバイスを取り付けて廃熱発電を行う場合においては、高温の排気ガスが通過する排気管内にアルミニウム素材等の金属製熱交換フィンを設置し、排気管外に設けられた金属平面部まで金属伝熱によって熱を導く。この金属平面部に熱電デバイスを接触させて設置し、もう一方の熱電デバイスの面には、水冷もしくは空冷された金属面を接触させて設置する。こうすることで排気管側に接触している熱電デバイス面は高温となり、水冷もしくは空冷された金属面に接触している熱電デバイス面は低温となり、熱電デバイスの両端に温度差が発生して電気を発生する。ここで発生する電気量は、熱電デバイスを通過する熱量Ｑに、熱電デバイスの変換効率ηを乗じたものとなる。

熱電デバイスを通過する熱量Ｑを決める大きな要因は、熱源の熱量、取熱側および放熱側の熱交換器の性能、ならびに熱電デバイスと金属平面部の接触界面の熱抵抗である。熱源の熱量は廃熱源によって決まっている。また熱交換器の性能は大きさや通気抵抗の制約を受けるものの、熱設計を行うことである程度自由に望む特性を得ることができる。ここで、接触界面の熱抵抗は、高温という制約要因があるために、要求を満たす方式が無いと言っていいのが現状であり、熱電デバイスによる熱発電の実用化を阻んでいる大きな要因の一つとなっている。

一方、現時点において実用化されている熱電デバイスとして、ペルチェ冷却システムが挙げられる。例えば、ホテルに設置されている静音冷蔵庫、振動を嫌うワインを適温に保持するワインセラー、半導体レーザ素子を一定温度に制御するモジュール等が挙げられる。これらにおいても接触界面の熱抵抗は重要な要因であるが、熱抵抗を低減する方法として界面にグリスを挿む方法が通常用いられる（例えば、非特許文献１参照）。これによって界面の凹凸をグリスが埋め、熱抵抗の増大要因となる空隙を除去することで、界面熱抵抗を低減できる。ペルチェ冷却システムは室温領域で動作するためグリスの適用が可能であるが、伝熱界面が２００℃以上の高温となる熱発電ではグリスの変質や気化が発生するため適用できないのが現状である。

梶川武信，佐野精二郎，守本純編集，「新版熱電変換システム技術総覧」，リアライズ理工センター，平成１６年７月３１日，ｐ．１８

熱発電においては前述の通り、伝熱界面が２００℃以上の高温となるため変質や気化が発生するグリスを適用できない。そこで、熱的に安定なグラファイトシートを挿むことで、界面熱抵抗を抑制することが実験段階において行なわれている。

しかし、グリスに較べて界面凹凸を埋める能力が低いために界面熱抵抗の低減が充分にできない、という問題を有する。また、グラファイトシートを用いた場合の界面熱抵抗は加圧力に大きく依存し、熱抵抗を下げるには１０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の荷重を掛ける必要がある。これによって熱電デバイスと熱源側金属平面部が頑丈に固定されるため、両者の温度差による熱応力の影響で破損する恐れが生ずる。

また、ハンダで伝熱界面を接合することも考えられるが、ハンダが固体の状態では熱電デバイスと熱源側金属平面部が頑丈に固定されるため、両者の温度差による熱応力で破損の恐れが生ずる。

さらに高温となってハンダが溶ける温度まで昇温すると、使用途中においてハンダが液化と凝固を繰り返すことになる。この際にハンダの体積変化が発生するため、やはり破損の恐れがある。

なお、上記では熱電デバイスを例に説明したが、熱電デバイスに限らず熱を伝達するデバイス（部品）に対して上記と同様の問題が生じる。

本発明は、上記点に鑑み、金属伝熱面とデバイスとの界面において、従来グリスは適用できなかったような高温条件においてもグリスと同程度もしくはそれより優れる界面熱抵抗を実現し、また、熱応力の影響による破損の発生を防ぐ効果も有する熱伝達装置を提供することを目的とする。

上記の問題点に対して発明者らは以下の検討を行った。まず、優れた熱伝達特性を持つ界面を得るための要件としては、前述のように、（１）界面に存在する凹凸を埋めることで界面の空隙を無くす、（２）界面の凹凸を埋める物質の熱伝導率を高くする、ことが重要となる。前述の伝熱グリスは流動性があって凹凸を埋める能力が高く、また液体である水や油を界面に挿んだ場合も同様の効果を期待できる。水や油のような液体の場合は、界面との濡れ性が高い方が凹凸に入り込みやすくなるため、濡れ性も重要となる。しかし、グリス、水、油ともに２００℃以上の高温で用いることはできない。

一方、金属の中には、室温もしくは比較的低温で液化する液体金属がある。例えば、水銀は代表的な液体金属であるが、毒性があるために現在では殆ど用いられていない。水銀を含まない液体金属としてガリウム系の合金が挙げられる。ガリウム単体の融点は２９．８℃であるが、ガリウム７５．５％＋インジウム２４．５％合金の融点は１５．７℃、ガリンスタンと呼ばれるガリウム６８．５％＋インジウム２１．５％＋スズ１０％合金の融点は−１９℃である。液体金属は金属であるが故に、グリスや水に比べて１桁以上も高い熱伝導率を有し、流動性もあるために界面の凹凸を埋める効果も期待できる。最も重要となる高温における安定性や蒸気圧も、グリスや水より大きく優れるため、高温下で用いる界面伝熱材として有望と言える。しかしながらガリウム系の液体金属は、伝熱金属媒体として一般的に用いられるアルミニウム素材に対する濡れ性が低く、またアルミニウム素材を侵食する特性があるために用いることができなかった。

そこで、上記課題に鑑みて検討を行った結果、アルミニウム素材の表面へのグラファイト層形成が、液体金属の濡れ性の改善に有効であることが分かった。図１３には、アルミニウム素材により形成された板（以下、アルミ板という）の素材表面、およびアルミ板表面にグラファイトを擦り付けてグラファイト被膜を形成した表面に、液体金属（ガリウム７５．５％＋インジウム２４．５％合金）をヘラで塗りつけた場合の接触角を接触角計で測定した結果を示す。アルミ板表面に液体金属を直接塗りつけた場合（図１３の「素材表面」）には液体金属は玉状になり、図１３に示されるように接触角は９０°より大きな値となったが、グラファイト被膜を形成した場合（図１３の「グラファイト被膜形成」）は緩やかな接触角度を示した。また、アルミ板表面に液体金属を直接塗りつけた場合は、塗りつけている最中にアルミ板が黒くなって液体金属の侵食が進んだのに対し、グラファイト被膜がある場合にはアルミ板に侵食が発生しなかった。さらに、熱電デバイスの伝熱板として一般的に用いられるアルミナセラミック板についても同様の評価を行ったところ、アルミ板の場合と同様に、グラファイト被膜の形成によって接触角が劇的に小さくなった。この結果より、グラファイト被膜の形成が、接触角の低減つまり濡れ性の改善に有効であり、またアルミ板侵食の防止にも効果があることが確認できた。なお、上記では金属板の素材としてアルミニウム素材を例に説明したが、他の金属素材についても同様のことが言える。

したがって、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、熱伝達の対象となるデバイス（３０、３５）から熱を受け取る、もしくは、デバイス（３０、３５）に熱を伝える熱伝達装置であって、第１熱伝達面（２６）を有する金属部材（２１）と、デバイス（３０、３５）のうち金属部材（２１）の第１熱伝達面（２６）に対向する面である第２熱伝達面（３４）と第１熱伝達面（２６）との間に配置された液体金属（２３）と、を備えて構成されている。さらに、金属部材（２１）の第１熱伝達面（２６）には液体金属（２３）に接触する第１炭素素材層（２２）が金属部材（２１）の第１熱伝達面（２６）の凹凸（２７）を埋めるように形成されていることを特徴とする。

これによると、第１炭素素材層（２２）によって金属部材（２１）への液体金属（２３）の金属侵食を防止することができ、耐久性の向上を図ることができる。また、流動性のある液体金属（２３）で第１熱伝達面（２６）と第２熱伝達面（３４）とを熱的に接続していることから、金属部材（２１）側とデバイス（３０、３５）側との温度差に起因する熱応力による破損も防止できる。この場合、熱は第１熱伝達面（２６）と第２熱伝達面（３４）との間の液体金属（２３）を介して伝達されるため、高温条件においてもグリス（４０）と同程度もしくはそれより優れる熱抵抗を実現できる。これらの相乗効果によって、高温条件においても良好な熱伝達特性を有し、かつ、長期的に使用できる熱伝達装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明では、第１炭素素材層（２２）は、グラファイト層であることを特徴とする。これにより、グラファイト層によって液体金属（２３）の濡れ性を向上でき、金属部材（２１）の第１熱伝達面（２６）の凹凸（２７）を埋める能力が向上することで熱伝達特性を向上できる熱伝達装置を提供できる。

請求項３に記載の発明では、金属部材（２１）は、アルミ材で構成されることを特徴とする。このように、金属部材（２１）の第１熱伝達面（２６）をアルミ材で構成でき、アルミ材による安価かつ良熱伝導な熱伝達装置を提供できる。また、金属部材（２１）に熱交換フィン（２５）を一体化することで金属部材（２１）の熱伝導をさらに良くすることができる。

請求項４に記載の発明では、液体金属（２３）は、成分としてガリウムを含んでいる液体金属であることを特徴とする。これによると、第１炭素素材層（２２）との濡れ性が良く、かつ、低毒性の熱伝達装置を提供できる。

請求項５に記載の発明では、第１炭素素材層（２２）は、金属部材（２１）の第１熱伝達面（２６）の凹凸（２７）の凹部を埋めると共に凸部の上部を完全に覆う厚さで形成されていることを特徴とする。これによると、金属部材（２１）の第１熱伝達面（２６）と液体金属（２３）とを第１炭素素材層（２２）で確実に分離することができ、金属部材（２１）への液体金属（２３）の侵食を防いで長期的に使用できる熱伝達装置を提供できる。

請求項６に記載の発明では、液体金属（２３）と第２熱伝達面（３４）との間に、液体金属（２３）に接触する第２炭素素材層（２４）が形成されていることを特徴とする。これにより、液体金属（２３）とデバイス（３０、３５）間の濡れ性を良くでき、良好な熱伝達特性を得ることができる。

請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の発明において、第２炭素素材層（２４）は、グラファイト層であることを特徴とする。これにより、グラファイト層によって液体金属（２３）の濡れ性を向上できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る熱伝達装置を含んだ熱発電構造を示す図である。 熱伝達特性の評価ベンチの概略図を示す図である。 界面伝熱媒体が液体金属の場合の伝熱特性を示した図である。 界面伝熱媒体がグリスの場合の伝熱特性を示した図である。 界面伝熱媒体が水の場合の伝熱特性を示した図である。 界面伝熱媒体が水＋洗剤の場合の伝熱特性を示した図である。 界面伝熱媒体がイオン液体の場合の伝熱特性を示した図である。 界面伝熱媒体を用いない場合の伝熱特性を示した図である。 グラファイト無しにおける、各種界面伝熱媒体の伝熱特性比較を示した図である。 グラファイト有りにおける、各種界面伝熱媒体の伝熱特性比較を示した図である。 アルミ材と液体金属の接触状態を推定した図である。 本発明の第２実施形態に係る熱伝達装置を含む放熱構造を示した図である。 液体金属の接触角のグラファイト層依存性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る熱伝達装置を含んだ熱発電構造を示す図である。この図に示されるように、熱発電構造は、高温排気管１０と、熱伝達装置２０と、熱電デバイス３０と、グリス４０と、冷却水管５０と、を含んで構成されている。このうち、高温排気管１０は例えば４００℃程度の高温排気ガスを通す配管である。また、冷却水管５０は高温排気ガスよりも低温である水が流れる配管である。

熱伝達装置２０は、高温排気管１０から熱電デバイス３０に熱を伝達するための装置であり、アルミ製熱伝達板２１と、第１グラファイト層２２と、液体金属２３と、第２グラファイト層２４と、を備えて構成されている。

アルミ製熱伝達板２１には熱交換フィン２５が装着されており、この熱交換フィン２５は高温排気管１０の流路に設置される。アルミ製熱伝達板２１のうち熱交換フィン２５が装着された側の反対面に第１グラファイト層２２が形成されており、この第１グラファイト層２２の上に液体金属２３が設けられている。そして、液体金属２３の上に第２グラファイト層２４が設けられている。

各グラファイト層２２、２４の形成は、例えば固形のグラファイトを擦り付ける方法や、液体媒体に懸濁した微細粒子状のグラファイトを吹き付けた後に乾燥させる方法等によって行う。ここで、少なくとも、アルミ製熱伝達板２１の上に形成された第１グラファイト層２２は、アルミ製熱伝達板２１の表面の図示しない微細な凹凸を被覆するようにアルミ製熱伝達板２１の上に設けられている。より具体的には、第１グラファイト層２２は微細な凹凸の凹部を埋めると共に凸部の上部を完全に覆うようにアルミ製熱伝達板２１の上に設けられている。

液体金属２３はガリウム合金系の液体金属であり、第１グラファイト層２２と第２グラファイト層２４とに挟まれている。このガリウムを含む液体金属２３は、常温で液体となる。ここで、「常温」とは、液体金属２３が使用される土地における常温である。したがって、寒冷地であればもちろん常温にマイナス温度も含まれる。

また、液体金属２３はアルミ製熱伝達板２１を侵食する特性があるが、アルミ製熱伝達板２１と液体金属２３との間に第１グラファイト層２２が介在しているので、液体金属２３によってアルミ製熱伝達板２１が侵食されることはない。

熱電デバイス３０は、第１セラミック板３１と第２セラミック板３２との間に複数の熱電素子３３が配置された発電用のデバイスである。熱電素子３３にはＮ型とＰ型とがあり、それぞれが交互にマトリクス状に配置されている。Ｎ型の熱電素子３３は高温側が正極となるように電気が発生し、Ｐ型の熱電素子３３は低温側が正極となるように電気が発生する。したがって、Ｎ型の熱電素子３３とＰ型の熱電素子３３とが電気的に直列接続されるように、図示しない配線で各熱電素子３３が電気的に接続されている。なお、図示しない配線は各セラミック板３１、３２に形成されている。

熱電デバイス３０は、第２グラファイト層２４の上に配置されている。したがって、熱伝達装置２０のアルミ製熱伝達板２１はガリウム合金系の液体金属２３を介して熱電デバイス３０を構成する第１セラミック板３１に熱的に接続されている。また、熱電デバイス３０と液体金属２３との間に第２グラファイト層２４が介在しているので、熱電デバイス３０は液体金属２３によって良好な熱的接続が得られる。

グリス４０は、熱電デバイス３０の第２セラミック板３２と冷却水管５０とを接続する界面熱伝達媒体である。したがって、熱電デバイス３０の第２セラミック板３２は、グリス４０を介して冷却水管５０に接続されている。

上記の熱発電構造において、アルミ製熱伝達板２１のうち第１グラファイト層２２が設けられた面を第１熱伝達面２６とし、熱電デバイス３０のうち第２グラファイト層２４と接触する面（すなわち第１セラミック板３１が第２グラファイト層２４に接触する面）を第２熱伝達面３４とする。このように、各熱伝達面２６、３４を定義すると、第１熱伝達面２６と第２熱伝達面３４とは対向する面である。

そして、アルミ製熱伝達板２１の熱は、第１熱伝達面２６から、第１グラファイト層２２、液体金属２３、第２グラファイト層２４、第２熱伝達面３４を経て熱電デバイス３０に伝達される。したがって、本実施形態では、第１熱伝達面２６はアルミ製熱伝達板２１から第１グラファイト層２２に熱を放出する熱伝達界面として機能し、第２熱伝達面３４は第２グラファイト層２４から熱を受け取る熱伝達界面として機能する。このように、第１熱伝達面２６および第２熱伝達面３４は外部からの熱の受け取りもしくは外部への熱の放出を担う面である。以上が、本実施形態に係る熱発電構造の構成である。

次に、本実施形態に係る熱伝達装置２０の動作を説明する。熱交換フィン２５は高温排気ガスと接触して熱を取り込み、アルミ製熱伝達板２１に伝達する。このときのアルミ製熱伝達板２１の温度は、排気ガスの温度や種類、流速、また熱交換フィン２５の特性に大きく依存するが、ここでは概ね４００℃程度の場合を想定する。

４００℃のアルミ製熱伝達板２１が有する熱エネルギーは、第１グラファイト層２２、液体金属２３、第２グラファイト層２４、熱電デバイス３０、グリス４０を介して冷却水管５０を流れる水に伝えられる。したがって、熱電デバイス３０は、高温排気管１０から熱伝達装置２０を介して受けた熱と冷却水管５０からグリス４０を介して受けた熱との温度差によって発電する。熱電デバイス３０の高温側は４００℃に近い高温となるため、界面伝熱材として上述の液体金属２３を用いているが、熱電デバイス３０のうちの低温側は冷却水で冷却されて数十℃程度の温度となるため、より安価なグリス４０を用いている。

ここで、熱電デバイス３０を通過する熱量Ｑに熱電デバイス３０の変換効率ηを乗じた量の電気が発生することになる。電気の発生量をできるだけ大きくするためには、熱電デバイス３０を通過する熱量Ｑをできるだけ大きくすることが必要である。そのためにはアルミ製熱伝達板２１と熱電デバイス３０との間の界面熱抵抗を小さく、すなわち熱伝達特性を高くすることが重要である。そこで、液体金属２３と他の界面伝熱媒体について、アルミ製熱伝達板２１の上に第１グラファイト層２２が設けられている場合と設けられていない場合とについて伝熱特性を比較した。

液体金属２３の正確な熱伝導率は不明であるが、主成分であるガリウム（７５．５％）の熱伝導率が４０．６Ｗ／ｍＫ、インジウム（２４．５％）が８１．６Ｗ／ｍＫであるため、合金散乱因子を考慮したとしても３０Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有すると考えられる。一方、比較評価した界面伝熱媒体は、グリス（熱伝導率；１Ｗ／ｍＫ）、水（熱伝導率；０．６６Ｗ／ｍＫ）、水＋洗剤（熱伝導率は水とほぼ同じ）、イオン液体（熱伝導率；０．１２５Ｗ／ｍＫ）、介在物なし（窒素を仮定した熱伝導率；０．００２９Ｗ／ｍＫ）であり、それぞれについて評価を行った。

評価に用いた評価装置の概略を図２に示す。図２に示されるように、ヒートシンク６０の上に界面伝熱媒体６１を介してペルチェデバイス６２を設置し、ペルチェデバイス６２には直流電源６３を接続した。そして、ペルチェデバイス６２のうち界面伝熱媒体６１側とは反対側（図２上部側）が低温に、ペルチェデバイス６２のうち界面伝熱媒体６１側が高温になる方向に電流を流して駆動した。駆動系統には電圧計６４と電流計６５を設置し、これらで測定された値に基づいてペルチェデバイス６２の駆動電力を求めた。ペルチェデバイス６２の上部およびヒートシンク６０上のペルチェデバイス６２脇の２ヶ所にそれぞれ設置した熱電対６６を用いて温度計６７で温度をそれぞれ測定した。また、ヒートシンク６０が界面伝熱媒体６１と接触する部分をアルミ材で構成した。なお、ヒートシンク６０のうち界面伝熱媒体６１が設けられた面とは反対側の面にフィン６８が接続されている。

このような評価装置において、ペルチェデバイス６２を駆動するとペルチェデバイス６２からヒートシンク６０の方向に熱が輸送されるため、ペルチェデバイス６２のうちの上部が冷却されて界面伝熱媒体６１側の下部が暖められる。以下では、ペルチェデバイス６２のうちの界面伝熱媒体６１側をペルチェデバイス６２の下部といい、ペルチェデバイス６２のうちの界面伝熱媒体６１側とは反対側をペルチェデバイス６２の上部という。

界面伝熱媒体６１の熱伝達特性が低い場合には、ペルチェデバイス６２の上部から輸送された熱はヒートシンク６０へ逃げ難く、ペルチェデバイス６２の下部に蓄積する。そのため、ペルチェデバイス６２の下部の温度が上昇し、上部の温度は下がり難くなる。一方、ペルチェデバイス６２の上部からヒートシンク６０への熱の流入は小さいためヒートシンク６０の温度は上昇しない。すなわち、界面伝熱媒体６１の熱伝達特性が低い場合には２ヶ所の温度差は小さくなる。

逆に、界面伝熱媒体６１の熱伝達特性が高い場合には、ペルチェデバイス６２の上部から輸送された熱はヒートシンク６０へ効率的に伝えられるため、ペルチェデバイス６２の下部の温度は上昇し難く、上部の温度は下がり易くなる。一方、ヒートシンク６０への熱の流入が大きいため、ヒートシンク６０の温度上昇が発生する。すなわち、界面伝熱媒体６１の熱伝達特性が高い場合には２ヶ所の温度差は大きくなる。

液体金属２３におけるグラファイト層の有無の比較を図３に、グリス４０におけるグラファイト層の有無の比較を図４に、水におけるグラファイト層の有無の比較を図５に、水＋洗剤（水に洗剤を混ぜたもの）におけるグラファイト層の有無の比較を図６に、イオン液体におけるグラファイト層の有無の比較を図７に、界面伝熱媒体６１を用いない場合（伝熱材なし）におけるグラファイト層の有無の比較を図８に示す。図３〜図８では、横軸はペルチェデバイス６２に投入した投入電力（Ｗ）を示し、縦軸は２ヶ所の熱電対６６の温度差を示している。また、これら図３〜図８におけるグラファイト層は、図１で示された熱伝達装置２０においてアルミ製熱伝達板２１と液体金属２３とに挟まれた第１グラファイト層２２、および熱電デバイス３０の第１セラミック板３１と液体金属２３とに挟まれた第２グラファイト層２４に対応する。

そして、これら図３〜図８の結果に基づいて、グラファイト層無しの条件で界面伝熱媒体６１の比較を行なった結果を図９に、グラファイト層有りの条件で界面伝熱媒体６１の比較を行なった結果を図１０に示す。なお、グリス４０として「Ｇ７４７」を用いた。

図９に示されるように、グラファイト層無しの条件では、熱伝達特性が優れる方から、（１）水＋洗剤、（２）水、（３）グリス４０、（４）イオン液体、（５）液体金属２３、（６）界面伝熱媒体６１無し、であるのに対し、図１０に示されるように、グラファイト層有りの条件では、熱伝達特性が優れる方から、（１）液体金属２３、（２）水＋洗剤、（３）グリス４０、（４）水、（５）イオン液体、（６）界面伝熱媒体６１無し、となり、液体金属２３が最も高い熱伝達特性を示した。

液体金属２３において、界面伝熱媒体６１としてのグラファイト層の有無によって大きな差が生じた原因は図１１のように推定される。なお、図１１の「アルミ材」とは、図１におけるアルミ製熱伝達板２１に対応している。

図１１（ａ）に示されるように、ヒートシンク６０のうち少なくとも界面伝熱媒体６１と接触する部分であるアルミ材と液体金属２３とが直接接触する場合は、アルミ材との濡れ性の低さとアルミ材表面に存在する微細な凹凸２７とよって、アルミ材と液体金属２３との接触面積が小さくなる。これによって熱伝達特性は小さくなる。言い換えると、微細な凹凸２７の凹部分に液体金属２３が入り込めない空隙２８が存在し、この空隙２８が熱伝達特性の向上を妨げている。

一方、図１１（ｂ）に示されるように、アルミ材と液体金属２３との間に界面伝熱媒体６１としてグラファイト層を形成した場合は、グラファイト層の存在が液体金属２３との濡れ性を改善すると共に、グラファイト層が凹凸２７を埋める効果と相まって熱伝達特性が大きくなる。この場合、グラファイト層自身も高い熱伝導性を有するため、グラファイト層の存在が熱抵抗となることはほとんどない。これはグラファイト層の有無に関わらず高い濡れ性を示すグリス４０や水＋洗剤において、グラファイト層の有無とも同一の結果を示していることからもわかる。

以上の実験から明らかなように、第１グラファイト層２２（図１１のグラファイト層）と液体金属２３を併用した熱伝達装置２０は、従来室温領域で最も優れた熱伝達特性を示すグリス４０、水、水＋洗剤と同等以上の熱伝達特性を発揮することが確認できた。

また、液体金属２３を構成する金属の蒸気圧について述べる。蒸発による問題が発生し始めると考えられる１Ｐａの蒸気圧となる温度は、ガリウムにおいて１０９３℃、インジウムにおいて９５２℃、また前述のガリンスタンに含まれるスズにおいては１１８９℃である。したがって、これらから構成される液体金属２３では、従来のグリス４０の変質が始まる約２００℃は言うに及ばず、９００℃に近い高温まで適用できることがわかる。もちろん、水や水＋洗剤では２００℃を超える環境ではまったく使用できない。

なお、ここでは、ガリウム７５．５％、インジウム２４．４％の液体金属２３の場合について述べたが、この組成に限らず、常温で液体となるガリウム系の液体金属２３であればよい。また、図１の熱伝達装置２０では、低温側の熱伝達界面にグリス４０を用いているが、これも液体金属２３であっても良い。また、図１では熱電デバイス３０の第１セラミック板３１側にも第２グラファイト層２４を形成しているが、第１セラミック板３１は液体金属２３に侵食されないため、第２グラファイト層２４を省略しても良い。

上記のように、アルミ製熱伝達板２１の第１熱伝達面２６に形成した第１グラファイト層２２の上に液体金属２３を配置しているので、第１グラファイト層２２によってアルミ製熱伝達板２１への液体金属２３の侵食を防止することができる。このため、アルミ製熱伝達板２１の耐久性の向上を図ることができる。

また、温度差がある第１熱伝達面２６と第２熱伝達面３４との間に流動性のある液体金属２３が配置され、第１熱伝達面２６と第２熱伝達面３４とが液体金属２３を経由して熱的に接続されているので、アルミ製熱伝達板２１側と熱電デバイス３０側との温度差に起因する熱応力が液体金属２３の流動性によって緩和されるので、熱伝達装置２０や熱電デバイス３０の破損を防止することができる。

そして、熱伝達装置２０においては、熱はアルミ製熱伝達板２１の第１熱伝達面２６と熱電デバイス３０の第２熱伝達面３４との間の液体金属２３を介して伝達される。特に、液体金属２３はガリウムを含む液体金属であるので、濡れ性が良く、高温条件においてもグリス４０と同程度もしくはそれより優れる熱抵抗を実現することができる。

以上の相乗効果によって、高温条件においても良好な熱伝達特性を有し、かつ、長期的に使用できる熱伝達装置２０を実現することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、熱電デバイス３０が特許請求の範囲の「デバイス」に対応し、アルミ製熱伝達板２１が特許請求の範囲の「金属部材」に対応する。また、第１グラファイト層２２が特許請求の範囲の「第１炭素素材層」に対応し、第２グラファイト層２４が特許請求の範囲の「第２炭素素材層」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。上記第１実施形態では、熱電デバイス３０に熱を伝達させるために熱伝達装置２０を用いていたが、本実施形態ではデバイスから熱を放熱するために熱伝達装置２０を用いる。

図１２は、本発明の第２実施形態に係る熱伝達装置２０を含む放熱構造を示した図である。この図に示されるように、放熱構造は、パワーデバイス３５が第１実施形態で示された熱伝達装置２０に挟まれた構造になっている。パワーデバイス３５の両面には熱伝達装置２０の第２グラファイト層２４が接触している。なお、パワーデバイス３５は半導体素子等が形成された半導体チップがパッケージ化されたものである。そして、２つのアルミ製熱伝達板２１とパワーデバイス３５とは、図示しない締め込みネジ等によって一体化されている。

もちろん、熱伝達装置２０は、第１実施形態と同様に、アルミ製熱伝達板２１のうち熱交換フィン２５が設けられた側とは反対側に第１グラファイト層２２が形成されている。２つのアルミ製熱伝達板２１とパワーデバイス３５とは、ガリウム合金系の液体金属２３を介して熱的に接続されている。

パワーデバイス３５の動作部温度は、場合によっては３００℃を超える場合もあるため、放熱が重要になると共に、温度差によって発生する応力の緩和が必要になる。本実施形態においても熱伝達装置２０として液体金属２３と第１グラファイト層２２との積層構造を用いることで、第１実施形態と同様に高い熱伝達性能と熱応力緩和を両立でき、パワーデバイス３５の良好な放熱実装が可能になる。

なお、本実施形態ではパワーデバイス３５の両面にそれぞれ熱伝達装置２０が設けられているので、パワーデバイス３５のうち第２グラファイト層２４と接触する両面がそれぞれ第２熱伝達面３４に相当する。

以上のように、熱を放出するパワーデバイス３５に対して熱を伝達させる際に本発明に係る熱伝達装置２０を用いることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された熱伝達装置２０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の熱伝達装置２０を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態では、液体金属２３の上に第２グラファイト層２４が設けられているが、この第２グラファイト層２４は必須ではなく、熱伝達装置２０に設けられていなくても良い。

また、熱伝達装置２０では熱伝達面の表面に各グラファイト層２２、２４を設けているが、グラファイト層２２、２４に限らず、他の炭素素材層を用いても良い。他の炭素素材層の材料としては、ダイヤモンド、黒鉛、カーボンナノチューブ等を採用できる。

アルミ製熱伝達板２１についても同様に、当該熱伝達板としてはアルミ材に限らず、銅やステンレス（ＳＵＳ）等の金属材料を用いても良い。ここで、上記各実施形態では、第１熱伝達面２６を有する金属部材を１つのアルミ製熱伝達板２１としたが、これは一例であり、当該金属部材は複数の積層体であっても良い。この場合、第１熱伝達面２６を有する層が少なくとも金属材料になっていれば良い。

第１実施形態では、高温側を高温排気管１０とし、低温側を冷却水管５０としたが、これは温度差があるものの一例である。したがって、高温側と低温側は他のものを採用しても良い。

そして、第１実施形態では熱伝達装置２０から熱を受け取るものとして熱電デバイス３０を例に説明し、第２実施形態では熱伝達装置２０に熱を放出するものとしてパワーデバイス３５を例に説明したが、これらは熱伝達の対象となるデバイスの一例である。したがって、熱伝達装置２０を適用するデバイスとして他のものを用いても良い。

２０ 熱伝達装置
２１ アルミ製熱伝達板
２２ 第１グラファイト層
２３ 液体金属
２４ 第２グラファイト層
２６ 第１熱伝達面
２７ 凹凸
３０ 熱電デバイス
３４ 第２熱伝達面
３５ パワーデバイス

Claims (7)

1. 熱伝達の対象となるデバイス（３０、３５）から熱を受け取る、もしくは、前記デバイス（３０、３５）に熱を伝える熱伝達装置であって、
   第１熱伝達面（２６）を有する金属部材（２１）と、
   前記デバイス（３０、３５）のうち前記金属部材（２１）の第１熱伝達面（２６）に対向する面である第２熱伝達面（３４）と前記第１熱伝達面（２６）との間に配置された液体金属（２３）と、を備えて構成されており、
   さらに、前記金属部材（２１）の前記第１熱伝達面（２６）には前記液体金属（２３）に接触する第１炭素素材層（２２）が前記金属部材（２１）の前記第１熱伝達面（２６）の凹凸（２７）を埋めるように形成されていることを特徴とする熱伝達装置。
2. 前記第１炭素素材層（２２）は、グラファイト層であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
3. 前記金属部材（２１）は、アルミ材で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝達装置。
4. 前記液体金属（２３）は、成分としてガリウムを含んでいる液体金属であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱伝達装置。
5. 前記第１炭素素材層（２２）は、前記金属部材（２１）の前記第１熱伝達面（２６）の凹凸（２７）の凹部を埋めると共に凸部の上部を完全に覆う厚さで形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱伝達装置。
6. 前記液体金属（２３）と前記第２熱伝達面（３４）との間に、前記液体金属（２３）に接触する第２炭素素材層（２４）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱伝達装置。
7. 前記第２炭素素材層（２４）は、グラファイト層であることを特徴とする請求項６に記載の熱伝達装置。

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