KR20200028843A

KR20200028843A - 증발기 및 그 제조 방법, 그리고 증발기를 갖는 루프형 히트 파이프

Info

Publication number: KR20200028843A
Application number: KR1020190107058A
Authority: KR
Inventors: 신스케 히로노; 유 호시노; 마사오 와타나베; 세이지 야마시타; 요헤이 기노시타
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2020-03-17
Also published as: CN110887390A; JP7206716B2; JP2020041727A; US20200080792A1; US20210310746A1; CN110887390B; KR102351282B1; EP3620246B1; EP3620246A1

Abstract

열교환 성능을 향상시킬 수 있는 증발기를 제공한다.
금속벽 및 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막을 갖고, 또한 다공질 금속막은 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍을 갖고, 또한 공극률이 50％ 이상인, 증발기이다.

Description

증발기 및 그 제조 방법, 그리고 증발기를 갖는 루프형 히트 파이프 {EVAPORATOR, PRODUCTION METHOD THEREFOR, AND LOOP-TYPE HEAT PIPE INCLUDING EVAPORATOR}

본 개시는, 증발기 및 그 제조 방법, 그리고 증발기를 갖는 루프형 히트 파이프에 관한 것이다.

히트 파이프는 작동유체의 상변화를 이용하여 열을 수송하는 디바이스로서 알려져 있다. 히트 파이프의 일례로서, 증발기, 증기관, 응축기 및 액관이 접속되어 루프를 형성하고 있는 루프형 히트 파이프를 들 수 있다. 여기서, 「파이프」라는 문언은, 단순히 원통관상의 것을 가리킬뿐만 아니라, 그 적어도 일부가 평판형 또는 박스형으로 되어 있는 것도 가리키고 있다.

증발기는, 통상, 그 내벽에 다공질 금속막이 마련되어 있다. 작동유체가, 이 다공질 금속막 내에 운반되고, 그리고 증발기의 외부에 존재하는 발열원 등에 의해 가열되어, 비등되고, 기화된다. 따라서, 증발기의 열교환 성능은 증발기의 내벽에 마련되어 있는 다공질 금속막의 열전달률에 따라 크게 영향을 받는다.

지금까지, 다공질 금속막에 관한 개발은 이하와 같이 다수 보고되어 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에서는, 유공 구멍 금속 소결체를 구비하는 비등 냉각 장치가 개시되어 있다. 이 유공 금속 소결체는, 공공률이 50％ 이상이고, 공공 직경이 10 내지 100㎛의 범위이다. 또한, 이 유공 금속 소결체는 경납땜 또는 납땜에 의해 비등 냉각 장치의 수열벽에 접합되어 있다.

특허문헌 2에서는, 초미립자 재료를 가스 디포지션법으로 성막하여 이루어지는 다공질 산화막이 개시되어 있다. 원료의 초미립자 재료는 입경이 10㎚ 내지 3㎛이고, 입경 분포가 메디안 입경 M에 대하여 0.2M 내지 3M의 범위 내이다.

특허문헌 3에서는, (1) 기계적 합금에 의해, 밸브 금속과 해당 밸브 금속과 상용성을 갖지 않는 이상 성분으로 이루어지는 합금분을 제작하고, (2) 충격 고화법에 의해, 밸브 금속박 집전체의 적어도 한쪽의 면에, 해당 합금분을 분사하고, (3) 상기 밸브 금속과 상기 이상 성분으로 이루어지는 혼합막을 형성하고, (4) 얻어진 혼합막을 열처리하고, (5) 해당 혼합막 중의 이상 성분을 제거함으로써, 밸브 금속박 집전체 상에 밸브 금속 다공질층을 형성하는, 다공질 밸브 금속막의 제조 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 4에서는, 열전달률이 높은 재료로 이루어지는 방열판과, 한쪽의 면측에 반도체 소자가 적재되고 다른 쪽의 면측의 소정의 깊이까지 상기 방열판에 함침되어 이루어지는 절연 기판을 구비하는 반도체 모듈이 개시되어 있다. 절연 기판에 다공질 재료로 이루어지는 다공질층을 구비하고 있다. 또한, 이 다공질층은 1100℃로 가열하고 1t/㎠의 압력을 가하여 용해한 구리를 주입함으로써, 방열판에 함침되어 있다.

일본 특허 공개 제2000-049266호 공보 일본 특허 공개 제2003-208901호 공보 일본 특허 공개 제2011-044653호 공보 일본 특허 공개 제2002-118195호 공보

증발기의 높은 열교환 성능을 실현하기 위해, 증발기의 내부에 마련되어 있는 다공질 금속막의 열전달률을 높일 필요가 있다. 이 때문에, 예를 들어 다공질 금속막의 전열 면적을 증가시키는 것이 고려된다. 또한, 다공질 금속막의 전열 면적을 증가시키기 위해서는, 다공질 금속막에 존재하는 연통 구멍의 구멍 직경을 작게 하고, 또한 공극률을 크게 하는 것이 고려된다.

그러나, 이들 선행 기술문헌에 개시되어 있는 방법에서는, 연통 구멍의 구멍 직경을 충분히 작게 할 수 없거나, 공극률을 충분히 크게 할 수 없거나 하는 경우가 많다.

또한, 예를 들어 경납땜 또는 납땜에 의해 다공질 금속막을 증발기의 내벽에 접합시키는 방법에서는, 납 또는 땜납이 다공질 금속막의 구멍에 침입할 가능성이 있다. 다공질 금속막의 연통 구멍에 납 또는 땜납 등의 이상이 존재하면, 공극률이 낮아져 버릴 뿐만 아니라, 다공질 금속막의 포논 산란이 커지고, 그것에 의해 열전달률이 낮아져 버리는 문제가 있다.

또한, 압착에 의해 다공질 금속막을 증발기의 내벽에 접합시키는 방법에서는, 다공질 금속막의 공극률이 크면 클수록, 압착에 의해 다공질 금속막의 공극이 찌부러 뜨려지기 쉬워지고, 그 결과, 열전달률이 낮아져 버리는 문제가 있다. 또한, 다공질 금속막을 증발기의 내벽에 접합시키지 않는 방법도 고려되지만, 이 경우, 다공질 금속막과 증발기의 내벽 사이의 계면 열저항이 커지고, 다공질 금속막의 온도가 저하되어 버린다. 그 결과, 유체가 비등 또는 기화되기 어려워져, 저열류속 영역의 방열밖에 할 수 없는 문제가 있다.

이와 같이, 지금까지 보고되어 있는 다공질 금속막의 열전달률이 불충분한 것이 많기 때문에, 증발기의 열교환 성능은 여전히 개선될 여지가 있다.

따라서, 본 개시는, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 열교환 성능이 향상된 증발기 및 그 제조 방법, 그리고 증발기를 갖는 루프형 히트 파이프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시의 본 발명자들은 이하의 수단에 의해, 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 알아냈다.

<양태 1>

금속벽 및 상기 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막을 갖고, 또한

상기 다공질 금속막은 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍을 갖고, 또한 공극률이 50％ 이상인, 증발기.

<양태 2>

상기 연통 구멍의 평균 구멍 직경이 2㎛ 이상인, 양태 1에 기재된 증발기.

<양태 3>

상기 공극률이 90％ 이하인, 양태 1 또는 2에 기재된 증발기.

<양태 4>

상기 다공질 금속막이 구리를 포함하는 다공질 금속막인, 양태 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 증발기.

<양태 5>

상기 다공질 금속막의 골격이 요철 구조를 갖는 양태 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 증발기.

<양태 6>

양태 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 증발기, 증기관, 응축기 및 액관이, 이 순서로 접속되어 루프를 형성하고 있는, 루프형 히트 파이프.

<양태 7>

하기 공정을 포함하는, 금속벽 및 상기 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막을 갖는 증발기의 제조 방법:

(a) 하나의 노즐로부터 금속 입자를 포함하는 에어로졸 및 다른 하나의 노즐로부터 조공재 입자를 포함하는 에어로졸을, 금속 기판에 대하여 동시에 분사하여, 상기 금속 기판 상에 복합막을 형성하는 것; 및

(b) 상기 복합막의 소성을 행하여, 상기 다공질 금속막을 형성하는 것.

<양태 8>

상기 조공재 입자가 대전성을 갖는 유전체 입자인, 양태 7에 기재된 방법.

<양태 9>

상기 금속 입자가 구리 입자인, 양태 7 또는 8에 기재된 방법.

<양태 10>

상기 조공재 입자가 폴리메타크릴산 입자인, 양태 7 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 방법.

본 개시에 의하면, 증발기의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 개시의 증발기의 일 형태를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 개시에 관한 다공질 금속막의 일 형태를 도시하는 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 촬영한 화상이다.
도 3은 본 개시에 관한 공정 (a)의 일 형태를 도시하는 모식도이다.
도 4는 본 개시에 관한 복합막의 형성 기구를 도시하는 이미지도이다.
도 5는 본 개시의 루프형 히트 파이프의 일 형태를 도시하는 개략도이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 평가 모델을 도시하는 이미지도이다.
도 7은 실시예 1의 다공질 금속막 및 금속벽의 단면을, 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 촬영한 화상이다.
도 8은 실시예 1의 다공질 금속막의 표면을, 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 촬영한 화상이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대하여, 상세하게 설명한다. 또한, 설명의 편의상, 각 도면에 있어서, 동일하거나 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙여, 중복 설명은 생략한다. 실시 형태의 각 구성 요소는 모두가 필수적인 것이라고는 한정되지 않고, 일부의 구성 요소를 생략 가능한 경우도 있다. 단, 이하의 도면에 도시하는 형태는 본 개시의 예시이고, 본 개시를 한정하는 것은 아니다.

《증발기》

본 개시의 증발기는,

금속벽 및 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막을 갖고, 또한

다공질 금속막은 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍을 갖고, 또한 공극률이 50％ 이상이다.

도 1은 본 개시의 증발기의 일 형태를 도시하는 단면도이다. 본 개시의 증발기(50)는 금속벽(10) 및 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막(20)을 갖고 있다. 또한, 다공질 금속막(20)은 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍을 갖고, 또한 공극률이 50％ 이상이다.

<다공질 금속막>

본 개시의 다공질 금속막은, 증발기의 금속벽과 직접 접합되어 있고, 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍을 갖고, 또한 공극률이 50％ 이상이다.

다공질 금속막이 금속벽과 직접 접합되어 있기 때문에, 금속벽과 다공질 금속막의 계면에는 접합재 등의 이상 재료가 존재하고 있지 않다. 그것에 의해, 다공질 금속막의 포논 산란을 방지할 수 있고, 열저항을 저하시킬 수 있다.

또한, 다공질 금속막은 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍을 갖고, 또한 공극률이 50％ 이상인 점에서, 다공질 금속막의 전열 면적을 유의미하게 향상시킬 수 있고, 따라서 다공질 금속막에 높은 열전달률을 부여할 수 있다.

이와 같은 다공질 금속막을 갖는 본 개시의 증발기는 높은 열교환 성능을 실현할 수 있다.

또한, 본 개시에 있어서, 「직접 접합」이란, 접합되는 금속벽과 다공질 금속막이 직접 접합되어 있는 것을 의미하고, 금속벽과 다공질 금속막의 계면에 땜납 등의 접합 재료가 존재하고 있지 않은 상태이다.

도 2는 본 개시에 관한 다공질 금속막의 일 형태를 도시하는 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 촬영한 화상이다. 여기서는, 금속벽(11)에 다공질 금속막(21)이 직접 접합되어 있다. 다공질 금속막(21)은 복수의 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍, 예를 들어 연통 구멍(21a)을 갖고 있다. 또한, 다공질 금속막(21)의 공극률이 50％ 이상이다.

(연통 구멍)

본 개시에 있어서, 「연통 구멍」이란, 다공질 금속막의 표면에 연통되어 있는 공공이다.

본 개시에 관한 연통 구멍의 평균 구멍 직경은, 8㎛ 이하라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 연통 구멍의 평균 구멍 직경은 7㎛ 이하, 6㎛ 이하, 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 또는 1㎛ 이하여도 되고, 또한 0.5㎛ 이상, 1㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 또는 5㎛ 이상이어도 된다.

연통 구멍의 평균 구멍 직경은, 후술하는 공정 (a)에서 사용하는 조공재 입자의 평균 입경 및／또는 공정 (b)의 소성 조건 등을 적절하게 조정함으로써, 본 개시의 범위 내로 제어할 수 있다.

또한, 평균 구멍 직경은 실시예에서 나타나 있는 포로시미터법에 의해 구할 수 있다.

보다 구체적으로는, 포로시미터를 사용하여, 다공질 금속막의 연통 구멍의 기공에 물을 압입하고, 물에 가해진 압력과, 각각의 압력에 의해 기공 내에 침입한 물의 중량을 측정한다.

기공 내에 침입한 물의 중량으로부터 물의 체적을 구한다. 이와 같이 하여 구하는 물의 체적은 연통 구멍의 체적과 동등하다. 물에 가해진 압력과, 연통 구멍의 구멍 직경에는, 이하의 식 (1)(Washburn의 관계식)이 성립된다.

단, D는 연통 구멍의 구멍 직경(직경)을 나타내고, σ는 물의 표면 장력을 나타내고, θ는 물과 연통 구멍의 표면과의 접촉각을 나타내고, 또한 P는 물에 가해진 압력을 나타낸다.

각 압력 p1, p2, …, 및 pi로 연통 구멍에 침입한 물의 체적을 구한다. 또한, 식 (1)로부터, 각 압력에 대한 각 구멍 직경을 구한다. 각 압력 p1, p2, …, 및 pi에 대하여, 구한 물의 체적 v1, v2, …, 및 vi, 그리고 구한 구멍 직경 d1, d2, …, 및 di를 사용하여, 연통 구멍의 체적 평균 구멍 직경 mv를 하기 식 (2)에 의해 구한다. 이 연통 구멍의 체적 평균 구멍 직경 mv의 값은, 본 개시에서 말하는 「연통 구멍의 평균 구멍 직경」이다.

(공극률)

다공질 금속막의 공극률은 50％ 이상이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 공극률은 55％ 이상, 60％ 이상, 65％ 이상, 70％ 이상, 75％ 이상, 또는 80％ 이상이어도 된다. 또한, 공극률의 상한은 특별히 한정되지 않고, 다공질 금속막의 강도를 유지시키는 관점에서, 90％ 이하, 85％ 이하, 80％ 이하, 75％ 이하, 또는 70％ 이하여도 된다.

다공질 금속막의 공극률은, 후술하는 공정 (a)에서 사용하는 금속 입자와 조공재 입자의 중량비(또는 질량비), 조공재 입자의 평균 입경 및／또는 공정 (b)의 소성 조건 등을 적절하게 조정함으로써, 본 개시의 범위 내로 제어할 수 있다.

또한, 공극률은 실시예에서 나타나 있는 방법에 의해 구할 수 있다.

보다 구체적으로는, 다공질 금속막의 벌크 체적을 측정하고, 연결 구멍에 압입된 물의 용적과 합하여, 하기 식 (3)에 의해, 다공질 금속막의 공극률을 구한다.

단, Po는 다공질 금속막의 공극률을 나타내고, Vtot는 압입된 물의 용적을 나타내고, 또한 Vb는 다공질 금속막의 벌크 체적을 나타낸다. 또한, Vb＝Vp－Vm－Vs이고, Vp는 셀 용적을 나타내고, Vm은 압력을 가하고 있지 않을 때에, 다공질 금속막을 수용하고 있는 셀에 넣는 물의 용적을 나타내고, 또한 Vs는 금속 기판(금속벽)의 체적을 나타낸다.

(다공질 금속막의 재료)

다공질 금속막의 재료로서는, 예를 들어 구리, 알루미늄, 또는 은 등의 금속 입자를 들 수 있지만, 이것들에 한정되지 않는다. 이것들 중, 열전달률을 향상시키는 관점에서, 구리 입자가 바람직하게 사용된다. 즉, 다공질 금속막은 구리를 포함하는 다공질 금속막인 것이 바람직하다.

(골격)

다공질 금속막의 골격이란, 다공질 금속막의 연통 구멍을 제외한 부분을 가리킨다. 다공질 금속막의 골격은 다공질 금속막의 재료인 금속 입자를 소성함으로써 구성될 수 있다.

또한, 다공질 금속막의 골격은 요철 구조를 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 「요철 구조」란, 금속 입자가 서로 연결되어 형성되어 있는 요철 구조여도 된다. 이와 같은 요철 구조를 가지면, 작동유체가 다공질 금속막 내에 있어서 비등될 때의 비등핵을 증가시킬 수 있다. 이것에 의하면, 다공질 금속막에 더 높은 열전달률을 부여할 수 있다.

요철 구조 중에 있어서도, 나노 사이즈의 연통 구멍이 존재하고 있어도 된다. 나노 사이즈의 연통 구멍의 평균 구멍 직경은, 예를 들어 500㎚ 이하, 400㎚ 이하, 300㎚ 이하, 200㎚ 이하, 또는 100㎚ 이하여도 된다.

또한, 다공질 금속막의 골격에 있어서의 요철 구조의 유무는, 예를 들어 후술하는 공정 (b)의 소성의 온도 등을 조정함으로써, 제어할 수 있다.

(막 두께)

다공질 금속막의 막 두께는 특별히 한정되지 않는다. 다공질 금속막의 두께에 대한 열의 압력 손실(마찰 손실)을 예방하는 관점에서, 막 두께는 500㎛ 이하, 450㎛ 이하, 400㎛ 이하, 350㎛ 이하, 300㎛ 이하, 250㎛ 이하, 200㎛ 이하, 150㎛ 이하, 120㎛ 이하, 또는 100㎛ 이하이면 된다. 또한, 다공질 금속막의 전열 면적을 확보하는 관점에서, 막 두께는 20㎛ 이상, 35㎛ 이상, 50㎛ 이상, 75㎛ 이상, 또는 100㎛ 이상이면 된다.

또한, 본 개시에 있어서, 막 두께(또는 두께)는 접촉식의 막 두께 측정기를 사용하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 동일 막의 표면에 있어서 임의의 5점에서 막 두께를 계측하고, 그 상가 평균값을 막 두께로서 얻을 수 있다. 또한, 다공질 금속막의 막 두께는 금속벽 및 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막의 총 막 두께로부터, 금속벽의 두께를 뺀 값으로서 구할 수 있다.

<금속벽>

금속벽은 금속의 판으로 형성되어 있어도 된다. 또한, 표면에 코팅 또는 도금을 갖는 금속의 판으로 형성되어 있어도 된다. 단, 열전도의 관점에서는, 이와 같은 코팅 또는 도금을 갖지 않는 것이 바람직하다.

또한, 금속벽에 사용할 수 있는 금속은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 구리, 알루미늄, 또는 철 등이어도 되고, 또는 이것들의 혼합물 혹은 합금이어도 된다.

또한, 본 개시의 증발기는, 다공질 금속막과 직접 접합되어 있는 금속벽을 적어도 하나의 면에 갖고 있으면 되고, 증발기의 내벽의 모든 면이 금속벽일 필요는 없다.

또한, 본 개시의 증발기에서는, 다공질 금속막의 금속벽과 반대측의 면에는 또 다른 다공질 금속막이 배치되어 있어도 된다.

《증발기의 제조 방법》

본 개시는 또한, 금속벽 및 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막을 갖는 증발기의 제조 방법을 제공한다.

본 개시의 방법은 하기 공정을 포함한다:

(a) 하나의 노즐로부터 금속 입자를 포함하는 에어로졸 및 다른 하나의 노즐로부터 조공재 입자를 포함하는 에어로졸을, 금속 기판에 대하여 동시에 분사하여, 금속 기판 상에 복합막을 형성하는 것; 및

(b) 복합막의 소성을 행하여, 다공질 금속막을 형성하는 것.

본 개시의 방법에 의해 제조되는 증발기는, 금속벽 및 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막을 갖고, 또한 다공질 금속막은 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍을 갖고, 또한 공극률이 50％ 이상이어도 된다. 또한, 증발기의 상세에 대하여, 상술한 《증발기》란의 설명을 참조할 수 있으므로, 여기서는 설명을 생략한다.

이 본 개시의 방법에 의하면, 가열 용융하지 않고, 다공질 금속막을 금속 기판 상에 직접 접합시킬 수 있으므로, 작은 세공 직경과 큰 공극률을 양립할 수 있다.

<공정 (a)>

공정 (a)에서는, 하나의 노즐로부터 금속 입자를 포함하는 제1 에어로졸 및 다른 하나의 노즐로부터 조공재 입자를 포함하는 제2 에어로졸을, 금속 기판에 대하여 동시에 분사하여, 금속 기판 상에 복합막을 형성한다.

도 3은 본 개시에 관한 공정 (a)의 일 형태를 도시하는 모식도이다. 보다 구체적으로는, 도 3에서는, 노즐(1a)로부터 금속 입자(2)를 포함하는 제1 에어로졸(2a) 및 노즐(1b)로부터 조공재 입자(3)를 포함하는 제2 에어로졸(3a)을, 금속 기판(12)에 대하여 동시에 분사하여, 금속 기판(12) 상에 복합막(22a)을 형성하고 있는 양태가 도시되어 있다.

본 개시에 있어서, 「에어로졸」이란, 반송 가스와 성막을 위한 원료 입자를 혼합한 것을 말한다. 예를 들어, 제1 에어로졸은 반송 가스와 금속 입자를 혼합한 것이고, 제2 에어로졸은 반송 가스와 조공재 입자를 혼합한 것이다.

또한, 반송 가스는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 질소 가스, 아르곤 가스, 또는 헬륨 등의 불활성 가스여도 된다. 또한, 제1 에어로졸에 포함되는 반송 가스와 제2 에어로졸에 포함되는 반송 가스는 동일해도 되고, 상이해도 된다.

공정 (a)에 있어서, 복합막은 예를 들어 도 4에 도시되어 있는 형성 기구의 이미지도와 같이 형성되어 있다고 추측된다. 즉, 분사된 제2 에어로졸에 포함되어 있는 조공재 입자(3)는 충돌에 의해 부의 전하를 대전할 수 있다. 그리고, 동시에 분사된 제1 에어로졸에 포함되어 있는 금속 입자(2)는 금속 기판(12) 위 또는 그 근방에 있어서, 부의 전하를 대전한 조공재 입자(3)와 접촉하면, 정의 전하를 대전할 수 있다. 따라서, 정의 전하를 대전한 금속 입자(2)와 부의 전하를 대전한 조공재 입자(3)가 복합화되어, 복합막을 형성할 수 있다. 또한, 한편으로, 금속 입자(2)는 금속 기판 상에 도착하면, 소성 변형되어, 복합막의 골격을 형성한다. 이와 같이 하여 형성된 복합막의 골격은 후술하는 소성에 의해, 다공질 금속막의 골격으로 된다. 또한, 이 복합막의 형성 기구는 어디까지나 일 추측이고, 본 개시를 한정하는 것은 아니다.

공정 (a)에 있어서, 동시 분사는 동시 분사할 수 있는 장치, 예를 들어 에어로졸 가스 디포지션(AGD) 장치를 사용할 수 있다.

또한, 동시에 분사할 때의 입자 속도는, 예를 들어 400m/s 이하로 할 수 있다. 통상, 상온 하에 있어서, 하나의 금속 입자를 포함하는 에어로졸 분사하여, 기판에 금속 입자를 확실하게 부착시키는 관점에서, 입자 속도를 500m/s 이상으로 하는 경우가 많다. 그러나, 입자 속도를 500m/s 이상으로 하면 기판 상에 금속 입자가 부착될 때의 변형이 커져, 균일한 다공질 금속막을 형성할 수 없을 가능성이 있다.

이에 비해, 공정 (a)에서는, 제1 에어로졸과 제2 에어로졸을 동시에 분사시키기 때문에, 제2 에어로졸에 포함되어 있는 조공재가, 제1 에어로졸에 포함되어 있는 금속 입자의 금속 기판에 대한 부착력을 높일 수 있다. 이에 의해, 입자 속도가 400m/s 이하라도, 균일한 다공질 금속막을 형성할 수 있다. 또한, 입자의 부착 효율을 향상시키는 관점에서, 동시에 분사할 때의 입자 속도는 100m/s 이상인 것이 바람직하다.

금속 입자는 상술한 다공질 금속막의 재료에 사용되는 금속 입자의 설명을 적절히 참조할 수 있다. 그 중에서는, 열전달률을 향상시키는 관점에서, 금속 입자는 구리 입자인 것이 바람직하다.

또한, 금속 입자의 평균 입경은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 금속 입자의 평균 입경은 0.05㎛ 이상, 0.10㎛ 이상, 0.15㎛ 이상, 또는 0.20㎛ 이상이어도 되고, 또한 1.00㎛ 이하, 0.80㎛ 이하, 0.50㎛ 이하, 또는 0.30㎛ 이하여도 된다.

또한, 본 개시에 있어서, 평균 입경이란, 레이저 회절식 입도 분포 측정 법으로 측정한 입도 분포의 적산％가 50％인 값(D50)을 의미한다. 예를 들어, 시마즈 세이사쿠쇼제 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치 「SALD2000」 등을 사용하여 평균 입경을 측정할 수 있다.

본 개시에 있어서, 조공재 입자란, 금속 입자와 조공재 입자로 이루어지는 복합막을 형성한 후, 조공재 입자를 제거하고, 나중에 형성되는 다공질 금속막에 관통 구멍을 도입하기 위한 물질이다.

조공재 입자는, 예를 들어 대전성을 갖는 유전체 입자여도 되고, 또는 절연물의 입자여도 된다. 상술한 복합막의 형성 기구를 고려하면, 조공재 입자는 대전성을 갖는 유전체 입자인 것이 바람직하고, 예를 들어 폴리메타크릴산메틸(PMMA) 입자, 또는 폴리스티렌 입자인 것이 바람직하다. 또한, 취급 용이의 관점에서, 조공재 입자는 폴리메타크릴산메틸 입자인 것이 보다 바람직하다.

조공재 입자의 평균 입경은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 조공재 입자의 평균 입경은 0.1㎛ 이상, 0.5㎛ 이상, 1㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상, 또는 8㎛ 이상이어도 되고, 또한 10㎛ 이하, 9㎛ 이하, 8㎛ 이하, 7㎛ 이하, 6㎛ 이하, 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 또는 1㎛ 이하여도 된다.

공정 (a)에 있어서, 복합막을 형성하기 위해, 사용하는 금속 입자 및 조공재 입자의 양은 특별히 한정되지 않는다. 목적으로 하는 다공질 금속막의 공극률에 맞도록, 이것들의 양을 적절하게 조정할 수 있다.

예를 들어, 금속 입자와 조공재 입자의 중량비(금속 입자:조공재)는 50:50 내지 95:5, 60:40 내지 90:10, 또는 70:30 내지 85:15여도 된다.

또한, 금속 입자와 조공재 입자의 체적비(금속 입자:조공재)는 12:88 내지 72:28, 17:83 내지 55:45, 또는 24:76 내지 43:57이어도 된다.

<공정 (b)>

공정 (b)에서는, 상술한 복합막의 소성을 행하여, 다공질 금속막을 형성한다.

(복합막의 소성)

소성의 온도는, 사용하는 금속 입자의 종류에 따라 적절하게 조정할 수 있고, 예를 들어 300℃ 이상, 320℃ 이상, 340℃ 이상, 360℃ 이상, 380℃ 이상, 400℃ 이상, 500℃ 이상, 550℃ 이상, 600℃ 이상, 650℃ 이상, 680℃ 이상, 700℃ 이상, 720℃ 이상, 또는 750℃ 이상이어도 되고, 또한 1000℃ 이하, 900℃ 이하, 850℃ 이하, 800℃ 이하, 780℃ 이하, 또는 750℃ 이하여도 된다. 소성의 시간은, 수 시간 내지 십수시간 정도로, 사용하는 금속 입자의 종류에 따라 적절하게 조정할 수 있다. 또한, 소성은 불활성 가스 중에 있어서 행해도 되고, 또는 진공 중에 있어서 행해도 된다.

또한, 소성의 온도를 조정함으로써, 다공질 금속막의 골격에 있어서의 요철 구조의 유무를 제어할 수 있다. 예를 들어, 온도를 일정한 범위 내에서 소성을 행하면, 금속 입자가 부분적으로 소결되고, 이와 같은 금속 입자끼리가, 서로 연결되어 다공질 금속막의 골격에 있어서 요철 구조를 형성할 수 있다. 그리고, 이 일정한 범위를 초과할 때까지 온도를 높여 소성을 행하면, 금속 입자의 소결이 더 진행되어, 일단 생긴 요철 구조를 없앨 수 있다. 또한, 구체적인 온도 범위는, 사용하는 금속 입자의 종류에 맞추어 적절하게 설정할 수 있다.

또한, 본 개시의 방법은, 공정 (b)의 전 또는 후에 있어서도, 조공재 입자의 제거를 행하는 공정을 더 가질 수 있고, 또는 공정 (b)에 있어서, 복합막을 소성하면서, 조공재 입자를 제거할 수도 있다.

(조공재 입자의 제거)

조공재 입자를 제거하는 방법은, 사용하는 조공재의 종류에 따라, 하기의 방법 (i) 또는 (ii)를 적절하게 채용할 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다.

방법 (i): 조공재 입자를 열분해시켜 제거하는 방법

열분해의 온도는, 사용하는 조공재의 종류에 따라 적절하게 조정할 수 있고, 예를 들어 280℃ 이상, 300℃ 이상, 330℃ 이상, 또는 350℃ 이상이어도 되지만, 이들에 한정되지 않는다. 열분해의 시간은, 수시간 내지 십수시간 정도로, 사용하는 조공재의 종류에 따라 적절하게 조정할 수 있다. 또한, 열분해는, 불활성 가스 중에 있어서 행해도 되고, 또는 진공 중에 있어서 행해도 된다.

이 경우, 상술한 공정 (b)에 있어서, 복합막을 소성하면서, 소성의 열에 의해 조공재 입자를 분해시켜 제거할 수 있다.

방법 (ii): 조공재 입자를 유기 용매에 용해시켜 제거하는 방법

유기 용매로서는, 예를 들어 아세톤, 톨루엔, 클로로포름, 또는 알코올 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다.

《루프형 히트 파이프》

본 개시는 또한, 루프형 히트 파이프를 제공할 수 있다.

본 개시의 루프형 히트 파이프는 증발기, 증기관, 응축기 및 액관이, 이 순서로 접속되어 루프를 형성하고 있다.

도 5는 본 개시의 루프형 히트 파이프의 일 형태를 도시하는 개략도이다. 루프형 히트 파이프(100)는 증발기(60), 증기관(61), 응축기(62) 및 액관(63)이, 이 순서로 접속되어 루프를 형성하고 있다.

증발기는 작동유체를 기화시키는 기능을 갖고 있다.

또한, 증발기는 발열체 등의 열원의 근방에 설치되어 있는 것이 바람직하고, 특히 증발기의 내부의, 다공질 금속막과 직접 접합되어 있는 금속벽을 갖는 측이, 발열체 등의 열원의 근방에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 발열체(64)와, 증발기(60)의, 다공질 금속막(22)과 직접 접합되어 있는 금속벽(13)을 갖는 측의 외측과 인접하고 있다.

또한, 증발기의 내부의 구성에 관해서는, 전술한 바와 같고, 여기서는 설명을 생략한다.

증발기로부터 기화된 작동유체(즉, 증기)는 증기관을 통해, 응축기로 유도된다.

응축기는 증기를 냉각하여 액화시키는 기능을 갖고 있다. 또한, 냉각 효과를 높이기 위해 자유롭게 응축기의 근방에 팬을 마련해도 된다. 예를 들어, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 응축기(62)의 근방에 팬(65)이 설치되어 있다.

그리고, 응축기에 의해 액화된 작동유체는 액관을 통해, 다시 증발기로 유도된다.

이와 같이, 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 본 개시에 관한 증발기를 사용함으로써, 루프형 히트 파이프의 성능을 유의미하게 향상시킬 수 있다.

[실시예]

이하에 나타내는 실시예를 참조하여 본 개시를 더 상세하게 설명한다. 단, 본 개시의 범위는 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1 내지 6)

각 실시예에 있어서, 구리 입자(Cu)를 포함하는 에어로졸 및 폴리메타크릴산메틸(PMMA) 입자를 포함하는 에어로졸을, 구리 기판에 대하여 동시에 분사하여, 복합막을 형성했다. 또한, 각 실시예에서 사용한 구리 입자의 평균 입경 및 폴리메타크릴산메틸 입자의 평균 입경은 표 1에 나타나 있다.

그리고, 형성된 복합막의 소성 및 폴리메타크릴산메틸의 제거를 행하여, 구리 기판 상에 다공질 금속막을 형성했다. 복합막의 소성 및 폴리메타크릴산메틸 입자의 제거는, 진공 중에서 약 400℃에서, 3시간 정도의 열처리에 의해 행해졌다. 또한, 각 실시예에서, 열처리의 온도 및 시간을 적절하게 변경하여, 다공질 금속막의 골격에 요철 구조의 유무를 제어했다. 예를 들어, 400℃ 정도에서 소성을 행함으로써, 다공질 금속막의 골격에 요철 구조를 부여할 수 있었다. 이에 비해, 700℃ 정도의 고온에서 소성을 행함으로써, 다공질 금속막의 골격에 요철 구조를 없앨 수 있었다.

도 6에 도시되어 있는 실시예 및 비교예의 평가 모델에 기초하여, 상기에서 사용한 구리 기판(금속벽에 상당함) 및 구리 기판 상에 형성된 다공질 금속막을, 실시예 1 내지 6 및 후술하는 비교예 1 내지 9의 샘플로서 제작하고, 하기에 나타내는 측정 및 평가를 행하였다.

평가 모델에 있어서, 작동유체는, 물을 사용하고, 또한 각 실시예 및 비교예의 다공질 금속막이 형성된 경우의 막 두께는, 모두 동일하게(100㎛) 하여 제작했다.

<주사형 전자 현미경(SEM)으로의 촬영>

실시예 1 내지 6의 다공질 금속막 및 금속벽의 단면, 그리고 각각의 다공질 금속막의 표면을, 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 촬영하여, 관찰했다.

도 7은 실시예 1의 다공질 금속막 및 금속벽의 단면을, SEM을 사용하여 촬영한 화상이다. 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 다공질 금속막(상부)과 금속벽(하부)은 계면에 제2 상(다공질 금속막 및 금속벽 이외의 상)을 갖지 않고, 직접 접합되어 있는 것이 명백하다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 실시예 2 내지 6의 다공질 금속막 및 금속벽의 단면 SEM 화상에서는, 실시예 1의 경우와 마찬가지이고, 모두 다공질 금속막과 금속벽과는 직접 접합되어 있다.

또한, 도 8은 실시예 1의 다공질 금속막의 표면을, SEM을 사용하여 촬영한 화상이다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 다공질 금속막의 표면에 연통 구멍이 복수 존재하고 있다. 또한, 다공질 금속막의 골격은 금속 입자가 서로 결합된 요철 구조를 갖고 있는 것이 관찰되었다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 실시예 2 내지 6의 다공질 금속막의 표면 SEM 화상에서는, 실시예 1의 경우와 마찬가지이고, 어느 것이나 모두 연통 구멍이 복수 존재하고 있다. 또한, 각각의 실시예의 다공질 금속막의 골격에 요철 구조의 유무의 관찰 결과는 표 1에 나타낸다.

<연통 구멍의 평균 구멍 직경의 측정>

하기의 포로시미터법을 사용하여, 각 실시예에 관한 다공질 금속막의 연통 구멍의 평균 구멍 직경을 측정했다. 각각의 결과는 표 1에 나타낸다.

보다 구체적으로는, 포로시미터(주입법형, POROUS MATERIALS사제)를 사용하여, 다공질 금속막의 연통 구멍의 기공에 물을 압입하고, 물에 가해진 압력과, 각각의 압력에 의해 기공 내에 침입한 물의 중량을 측정했다.

기공 내에 침입한 물의 중량으로부터 물의 체적을 구했다. 이와 같이 하여 구한 물의 체적은 연통 구멍의 체적과 다름없다. 물에 가해진 압력과, 연통 구멍의 구멍 직경에는, 이하의 식 (1)(Washburn의 관계식)이 성립된다.

각 압력 p1, p2, …, 및 pi로 연통 구멍에 침입한 물의 체적을 구했다. 또한, 식 (1)로부터, 각 압력에 대한 각 구멍 직경을 구했다. 각 압력 p1, p2, …, 및 pi에 대하여, 구한 물의 체적 v1, v2, …, 및 vi, 그리고 구한 구멍 직경 d1, d2, …, 및 di를 사용하여, 연통 구멍의 체적 평균 구멍 직경 mv를 하기 식 (2)에 의해 구했다. 이 연통 구멍의 체적 평균 구멍 직경 mv의 값은 본 개시에서 말하는 「연통 구멍의 평균 구멍 직경」이다.

<다공질 금속막의 공극률의 측정>

하기의 방법을 사용하여, 각 실시예에 따른 다공질 금속막의 공극률을 측정했다. 각각의 결과는 표 1에 나타낸다.

보다 구체적으로는, 다공질 금속막의 벌크 체적을 측정하고, 연결 구멍에 압입된 물의 용적과 합하여, 하기 식 (3)에 의해, 다공질 금속막의 공극률을 구했다.

<열전달률의 측정>

도 6에 도시되어 있는 평가 모델에 있어서, 금속 기판(금속벽)과 작동유체로서의 물의 증발 온도의 온도차(과열도)를 12K로 하여, 각 실시예 및 비교예의 열전달률을 측정했다.

(비교예 1)

표 1에 나타나 있는 금속 입자 및 조공재 입자를 비교예 1의 행과 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 행하여, 비교예 1의 샘플을 제작했다. 그리고, 실시예와 동일한 측정 및 평가를 행하였다. 결과는 표 1에 나타낸다.

(비교예 2 및 3)

표 1에 나타나 있는 금속 입자 및 조공재 입자를, 비교예 2 및 3의 행과 같이 변경한 것 이외는, 실시예 2와 마찬가지로 행하여, 비교예 2 및 3의 샘플을 제작했다. 그리고, 비교예 2 및 3의 샘플에 대하여, 실시예와 동일한 측정 및 평가를 행하였다. 결과는 표 1에 나타낸다.

(비교예 4 내지 7)

구리 기판 상에, 구리 입자를 기판과 일체 소결시켜, 비교예 4 내지 7의 샘플을 각각 제작했다. 또한, 각 비교예에서 사용한 구리 입자의 평균 입경은 표 1에 나타나 있다. 그리고, 비교예 4 내지 7의 샘플에 대하여, 실시예와 동일한 측정 및 평가를 행하였다. 결과는 표 1에 나타낸다.

(비교예 8)

다공질 금속막을 형성하지 않고, 구리 기판(금속벽)만을 사용하여, 비교예 8의 샘플을 제작했다. 그리고, 비교예 8의 샘플에 대하여, 실시예와 동일한 측정 및 평가를 행하였다. 결과는 표 1에 나타낸다.

(비교예 9)

구리 기판 상에 구리의 발포 도금을 하여, 비교예 9의 샘플을 제작했다. 그리고, 비교예 9의 샘플에 대하여, 실시예와 동일한 측정 및 평가를 행하였다. 결과는 표 1에 나타낸다.

<평가 결과>

표 1에 나타나 있는 바와 같이, 본 개시에 관한 다공질 금속막(실시예 1 내지 6)은 모두 높은 열전달률을 갖는 것을 알 수 있었다.

본 개시에 비해, 비교예 1 및 비교예 4 내지 6은 모두 낮은 열전달률을 나타내고, 이들은 다공질 금속막이 형성되어 있지 않은 비교예 8의 열전달률과 동 정도인 것을 알 수 있었다. 또한, 비교예 2, 3 및 7에서는, 기판 상에서 다공질 금속막을 형성할 수 없었다. 또한, 비교예 9에서는, 다공질 금속막은 형성되었긴 하지만, 강도가 약해, 열전달률의 측정은 할 수 없었다.

1a, 1b : 노즐
2a : 제1 에어로졸
3a : 제2 에어로졸
10, 11, 13 : 금속벽
12 : 금속 기판
20, 21, 22 : 다공질 금속막
22a : 복합막
21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f, 21g : 연통 구멍
21h, 21i, 21j, 21k : 연통 구멍
50, 60 : 증발기
61 : 증기관
62 : 응축기
63 : 액관
64 : 발열체
65 : 팬
100 : 루프형 히트 파이프

Claims

금속벽 및 상기 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막을 갖고, 또한
상기 다공질 금속막은 평균 구멍 직경 8㎛ 이하의 연통 구멍을 갖고, 또한 공극률이 50％ 이상인, 증발기.
제1항에 있어서, 상기 연통 구멍의 평균 구멍 직경이 2㎛ 이상인, 증발기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공극률이 90％ 이하인, 증발기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 금속막이 구리를 포함하는 다공질 금속막인, 증발기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 금속막의 골격이 요철 구조를 갖는, 증발기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 증발기, 증기관, 응축기 및 액관이, 이 순서로 접속되어 루프를 형성하고 있는, 루프형 히트 파이프.
하기 공정을 포함하는, 금속벽 및 상기 금속벽과 직접 접합되어 있는 다공질 금속막을 갖는 증발기의 제조 방법:
(a) 하나의 노즐로부터 금속 입자를 포함하는 에어로졸 및 다른 하나의 노즐로부터 조공재 입자를 포함하는 에어로졸을, 금속 기판에 대하여 동시에 분사하여, 상기 금속 기판 상에 복합막을 형성하는 것; 및
(b) 상기 복합막의 소성을 행하여, 상기 다공질 금속막을 형성하는 것.
제7항에 있어서, 상기 조공재 입자가 대전성을 갖는 유전체 입자인, 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 금속 입자가 구리 입자인, 방법.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조공재 입자가 폴리메타크릴산 입자인, 방법.