JP6983406B2 - 熱交換器、その製造方法、および冷却装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る熱交換器の概略構成を示す図である。図1を参照するに、本実施形態に係る熱交換器10は、熱伝導体11と、熱伝導体11の第1の面に設けられた第1焼結体12と、第1の面に対向する第2の面に設けられた第2焼結体13と、筐体14とを有する。熱交換器10は、熱伝導体11、第1焼結体12および筐体14に囲まれた第1領域HE1に高温側の液体ヘリウム(例えば、3Heの濃厚相の液体ヘリウム)が流通し、熱伝導体11、第2焼結体13および筐体14に囲まれた第2領域HE2に低温側の液体ヘリウム(例えば、超流動4Heに3Heが溶解した希薄相の液体ヘリウム)が流通するようになっている。第1焼結体12は第1領域HE1を流通する高温側の液体ヘリウムに接触し可能であり、第2焼結体13は第2領域HE2を流通する低温側の液体ヘリウムに接触可能である。これにより、熱交換器10は、高温側である第1領域HE1の液体ヘリウムの熱が、第1焼結体12、熱伝導体11および第2焼結体13を介して第2領域HE2の液体ヘリウムに流れることによって、第1領域HE1の液体ヘリウムを冷却する。
図3は、本発明の一実施形態に係る熱交換器の製造方法のフローチャートである。図3を図1とともに参照しつつ、熱交換器の製造方法を説明する。
平均粒径130nmの銀粉末(徳力本店社製、製品名C−34)を17g用意して、2つのダイス(横幅53mm×奥行き15mm)を2つのフランジで挟み、熱伝導体11の両面に、片側8.5gずつ銀粉末をプレス装置(受圧面積14.52cm2)により18.3MPa〜31.0MPaの範囲から選択した圧力を印加して、充填し、フランジをボルトで固定して充填圧を保持させ、電気炉にてヘリウムガス雰囲気中で、230℃または250℃に加熱し、20分〜60分間焼結処理を行った。また、平均粒径10600nmの銀粉末(田中貴金属社製、製品名AY−6010)を17g用意して、同様の装置で、圧力を34.7MPa、250℃に加熱し、60分間焼結処理を行った。
実施例1と同じ銀粉末を用いて、予備焼結を行って予備焼結粉末を形成し、さらに本焼結を行って焼結体を形成した。予備焼結は、電気炉にてヘリウムガス雰囲気中で温度250℃、60分の条件で行い、予備焼結粉末を得た。本焼結は、実施例1と同様に、18.3MPa〜34.7MPaの範囲から選択した圧力を予備焼結粉末に印加して、ヘリウムガス雰囲気中、温度250℃、60分の条件で行った。
平均粒径70nmの銀粉末(ULVAC社製、製品名Agナノ粒子(70nm))を17g用意して、予備焼結は、電気炉を用いてヘリウムガス雰囲気中で、加熱温度240℃、60分の条件で行い予備焼結粉末を得て、本焼結は、圧力24.5MPaを予備焼結粉末に印加して、200℃、30分間の条件で焼結処理を行った。
実施例1、実施例2および比較例の焼結体サンプルを真空中で温度150℃、1時間の前処理を行った。前処理温度は、焼結体サンプルの高温圧縮焼結処理での焼結温度よりも低い温度に設定した。
レーザフラッシュ法による熱拡散率は、実施例1、実施例2および比較例の焼結体の平板サンプル(厚さd)の片面に、室温下、真空中で光パルスレーザを照射して加熱し、加熱による過渡的な温度変化から熱損失を考慮してハーフタイム法により熱拡散率αを測定した。最大温度上昇の半分の温度に達する時間をt1/2とした。熱拡散率は以下の式から求めた。
α=(0.1388×d2)/t1/2
図9は、本発明の一実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す図である。図9を参照するに、本発明の一実施形態に係る冷却装置100は、冷却装置100の冷却対象であるナノ電子デバイス200に接続可能な配線101、102と、配線101、102の表面に設けられた焼結体103、104と、冷凍機の低温出力部210に接触する熱伝導体105と、熱伝導体105上に設けられた焼結体106とを有する。冷却装置100は、冷凍機の低温出力部210により、熱伝導体105および焼結体106を介して、筐体108と熱伝導体105によって画成された領域HE3にある液体ヘリウムを冷却し、その液体ヘリウムが焼結体103、104を介して配線101、102を冷却する。配線101、102は、ナノ電子デバイス200の端子(不図示)に接続され、ナノ電子デバイス200を構成する素子を冷却する。
(付記1)熱伝導体と、
前記熱伝導体上に設けられ、流体に接触する焼結体と、を備え、
前記焼結体は、貴金属元素を含む金属材料からなり、ガス吸着法による平均細孔直径が14nm以上である、熱交換器。
(付記2)前記焼結体は、ガス吸着法による比表面積が1.0m2/g以上である、請求項1記載の熱交換器。
(付記3)前記焼結体は、前記熱伝導体の第1の面および該第1の面に対向する第2の面に設けられ、
前記第1の面の焼結体は、第1の温度の流体と接触可能に配置され、前記第2の面の焼結体は該第1の温度よりも低い温度の第2の流体と接触可能に配置される、付記1または2記載の熱交換器。
(付記4)前記焼結体は、レーザフラッシュ法による熱拡散率が、室温における真空中で6.4×10-5 m2/s以上である、付記1〜3のうちいずれか一項記載の熱交換器。
(付記5)前記焼結体は充填率が45%以上55%以下である、付記1〜4のうちいずれか一項記載の熱交換器。
(付記6)前記焼結体と前記熱伝導体との間に、前記貴金属元素を含む金属材料からなる他の焼結体の下地層をさらに備え、
前記下地層は、前記焼結体よりも充填率が高い、付記1〜5のうちいずれか一項記載の熱交換器。
(付記7)前記貴金属元素を含む金属材料が、銀または銀を主成分とする銀合金である、付記1〜6のうちいずれか一項記載の熱交換器。
(付記8)熱交換器の製造方法であって、
平均粒径が100nm以上の貴金属元素を含む金属粉末に圧力を印加し加熱して焼結体を形成するとともに該焼結体を熱伝導体に焼結するステップを含む、前記製造方法。
(付記9)前記焼結体を形成するステップにおいて、該焼結体は充填率が45%以上55%以下になるように形成する、付記8記載の製造方法。
(付記10)前記焼結体を形成するステップの前に、前記熱伝導体の表面に前記貴金族元素を含む金属粉末に圧力を印加して焼結体からなる下地層を形成するステップをさらに含み、
前記焼結体を形成するステップにおいて、前記下地層上に前記焼結体を形成する、付記8または9記載の製造方法。
(付記11)前記焼結体を形成するステップにおいて、前記圧力は6MPa以上24MPa以下に設定する、付記8〜10のうちいずれか一項記載の製造方法。
(付記12)前記焼結体を形成するステップの前に、予め前記貴金属元素を含む金属粉末を加熱して焼結粉末を形成するステップをさらに含み、
前記焼結体を形成するステップにおいて、前記焼結粉末に圧力を印加して加熱して前記焼結体を形成するとともに該焼結体を前記熱伝導体に焼結する、付記8〜10のうちいずれか一項記載の製造方法。
(付記13)前記焼結体を形成するステップにおいて、前記圧力は20MPa以上34MPa以下に設定する、付記12記載の製造方法。
(付記14)前記貴金属元素を含む金属粉末が、銀または銀を主成分とする銀合金である、付記8〜13のうちいずれか一項記載の製造方法。
(付記15)前記焼結体を形成するステップにおいて、加熱温度を230℃以上250℃以下に設定する、付記8〜14のうちいずれか一項記載の製造方法。
(付記16)電子デバイスを冷却するための冷却装置であって、
前記電子デバイスに接続される配線と、
前記配線の表面に設けられ、流体に接触する第1の焼結体と、
冷凍機の低温出力部に接触する熱伝導体と、
前記熱伝導体上に設けられ、前記流体に接触する第2の焼結体と、を備え、
前記第1および第2の焼結体は、貴金属元素を含む金属材料からなり、ガス吸着法による平均細孔直径が14nm以上である、冷却装置。
(付記17)前記焼結体は、レーザフラッシュ法による熱拡散率が、室温における真空中で6.8×10-5m2s-1以上である、付記16記載の冷却装置。
(付記18)前記焼結体は充填率が45%以上55%以下である、付記16または17記載の冷却装置。
11、105 熱伝導体
12 第1焼結体
13 第2焼結体
14 筐体
25 第1下地層
26 第2下地層
100 冷却装置
101、102 配線
103、104、106 焼結体
Claims (12)
- 液体ヘリウムを媒体とした極低温冷凍用の熱交換器であって、
熱伝導体と、
前記熱伝導体上に設けられ、前記液体ヘリウムに接触する焼結体と、
前記焼結体と前記熱伝導体との間に、貴金属元素を含む金属材料からなる他の焼結体の下地層と、を備え、
前記焼結体は、前記貴金属元素を含む金属材料からなり、ガス吸着法による平均細孔直径が14nm以上であり、前記下地層は、前記焼結体よりも充填率が高い、前記熱交換器。 - 前記焼結体は、ガス吸着法による比表面積が1.0m2/g以上である、請求項1記載の熱交換器。
- 前記焼結体は、前記熱伝導体の第1の面側および該第1の面に対向する第2の面側に設けられ、
前記第1の面側の焼結体は、第1の温度の液体ヘリウムと接触可能に配置され、前記第2の面側の焼結体は該第1の温度よりも低い温度の第2の液体ヘリウムと接触可能に配置される、請求項1または2記載の熱交換器。 - 前記焼結体は、レーザフラッシュ法による熱拡散率が、室温における真空中で6.4×10-5m2/s以上である、請求項1〜3のうちいずれか一項記載の熱交換器。
- 前記焼結体は充填率が45%以上55%以下である、請求項1〜4のうちいずれか一項記載の熱交換器。
- 前記貴金属元素を含む金属材料が、銀または銀を主成分とする銀合金である、請求項1〜5のうちいずれか一項記載の熱交換器。
- 液体ヘリウムを媒体とした極低温冷凍用の熱交換器の製造方法であって、
熱伝導体の表面に貴金族元素を含む金属粉末に圧力を印加して焼結体からなる下地層を形成するステップと、
平均粒径が100nm以上の前記貴金属元素を含む金属粉末に圧力を印加し加熱して焼結体を形成するとともに該焼結体を前記下地層上に焼結するステップを含む、前記製造方法。 - 前記焼結体を形成するステップにおいて、該焼結体は充填率が45%以上55%以下になるように形成する、請求項7記載の製造方法。
- 前記下地層を形成するステップにおいて、予め前記貴金属元素を含む金属粉末を加熱して焼結粉末を形成するステップをさらに含み、前記焼結粉末に圧力を印加して前記熱伝導体の表面に焼結体からなる前記下地層を形成する、請求項7または8記載の製造方法。
- 前記貴金属元素を含む金属粉末が、銀または銀を主成分とする銀合金である、請求項7〜9のうちいずれか一項記載の製造方法。
- 前記焼結体を形成するステップにおいて、加熱温度を230℃以上250℃以下に設定する、請求項7〜10のうちいずれか一項記載の製造方法。
- 液体ヘリウムを媒体とし、電子デバイスを極低温に冷却するための冷却装置であって、
前記電子デバイスに接続可能な配線と、
前記配線の表面に設けられ、液体ヘリウムに接触する第1の焼結体と、冷凍機の低温出力部に接触可能な熱伝導体と、前記熱伝導体上に設けられ、液体ヘリウムに接触する第2の焼結体と、前記第1の焼結体と前記配線との間、および第2焼結体と前記熱伝導体との間に、貴金属元素を含む金属材料からなる他の焼結体の下地層と、
を備え、
前記第1および第2の焼結体は、貴金属元素を含む金属材料からなり、ガス吸着法による平均細孔直径が14nm以上であり、前記下地層は、前記第1および第2の焼結体よりも充填率が高い、前記冷却装置。
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