JP7231121B2 - 多孔質体、放熱構造体及び電子機器 - Google Patents
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Description
このような多孔質体としては、織メッシュ、電鋳メッシュ、エッチングメッシュ、不織布、焼結金属、焼結セラミック、逆オパール(ハニカム)構造体、レーザー加工により製造された多孔質体、陽極酸化により製造された多孔質体等が知られている。
また、ウィックとして、微粒子(一例として粒径が25~100μmの銅粒子)を素材とした多孔質焼結体や網状体(一例として#200メッシュ)が記載されている。これらは多孔質体である。
つまり、特許文献1では、多孔質体をベーパーチャンバーのウィックとして用いている。
高強度スポンジ状焼成金属複合板は多孔質体である。
また、特許文献2では、当該高強度スポンジ状焼成金属複合板をアルカリ二次電池の電極基板として用いることが記載されている。
また、特許文献3では、当該多孔質金属体をヒートシンクとして用いることが記載されている。
特許文献1~3には、多孔質体が記載されているものの、液体が一方の面から他方の面に移動しやすく、また、液体を保持及び貯蔵しやすい細孔の形状に関しては記載されておらず改良の余地があった。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の個々の望ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
図1Aは、本発明の第1実施形態に係る多孔質体の一例を模式的に示す多孔質体の厚さ方向に平行な断面図である。
図1Bは、図1AのA-A線断面図である。
少なくとも一部の細孔20は、第1主面11と第2主面12とを連通する連通孔21である。
そのため、細孔20内に流体が流れてきた場合、流体は、連通孔21を通じて第1主面11から第2主面12に移動することができる。
第1主面を上向きに多孔質体を静置し、第1主面に多孔質体の体積1mm3当たり0.01mLの水を、第1主面からこぼれないように時間をかけて浸透させる。
多孔質体の第1主面から第2主面までの距離1mm当たり100秒以内に、浸透させた水が第2主面に到達した場合、その多孔質体には連通孔が形成されていると判断する。
そのため、多孔質体10では、内部に多くの流体を保持及び貯蔵することができる。
まず、第1主面、第1断面及び第2主面の各面の任意の5個の領域(縦×横=20μm×20μm)を走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影する。得られた画像を画像処理により、基材部と空隙部を2値化して、空隙が形成されている領域の面積の割合を算出する。各面において、空隙が形成されている領域の面積の割合の平均値が、第1主面の空隙率、第1断面の空隙率及び第2主面の空隙率である。
第1主面の空隙率が30%未満であると、細孔が小さすぎ、流体が多孔質体に流入、流出しにくくなる。
第1主面の空隙率が50%を超えると、多孔質体の強度が低下し破損しやすくなる。また、毛細管力が低くなり、液体の輸送能力が低下しやすくなる。
第2主面の空隙率が30%未満であると、細孔が小さすぎ、流体が多孔質体に流入、流出しにくくなる。
第2主面の空隙率が50%を超えると、多孔質体の強度が低下し破損しやすくなる。
第1断面CS1の空隙率が40%未満であると、流体を多孔質体内部に保持及び貯蔵しにくくなる。
第1断面CS1の空隙率が80%を超えると、多孔質体の強度が低下し破損しやすくなる。
第1断面CS1の空隙率の値と第1主面の空隙率の値との差が10%未満であると、流体を多孔質体に保持及び貯蔵する効果が得られにくくなる。
第1断面CS1の空隙率の値と第2主面の空隙率の値との差が10%未満であると、流体を多孔質体に保持及び貯蔵する効果が得られにくくなる。
第1主面から第2主面の方向に多孔質体を10等分し断面を作製する。
第1主面、第2主面及び10等分した9つの各断面の任意の10個の領域(縦×横=20μm×20μm)をSEMにより撮影する。得られた画像を画像処理により2値化して、空隙が形成されている領域の面積の割合を算出する。各画像の空隙率の平均値を多孔質体の全体の空隙率とする。10等分した断面の撮影は表面から、順に研磨しながら撮影してもよい。
細孔20の平均孔径が上記範囲内であると、高い毛細管力を発現することができる。
第1主面、第1断面及び第2主面の各面をSEMにより撮影する。得られた各画像から任意の10個の細孔の長径を算出する。
算出された値の平均値を多孔質体の細孔の平均孔径とする。
多孔質体10に流体が流入した場合、流体は、分岐孔22も通ることができる。そのため、多孔質体10では流体の透過率が高くなる。
また、ある連通孔21に目詰まり等が生じたとしても、流体は、第1主面11から第2主面12に移動することができる。
分岐孔22が多孔質体10の側面にも連通していると、流体が、第1主面11から多孔質体10の側面に移動することができ、また、流体が第2主面から多孔質体10の側面に移動することができる。さらに、流体が、多孔質体10の側面から第1主面11及び/又は第2主面12に移動することができる。
そのため、細孔20内に流体が流れてきても、流体は先端22aより先に行くことができず、先端22aに留まることになる。その結果、流体の保持及び貯蔵力が向上する。
これらの中では金属焼結体が好ましい。
これらの中では銅が好ましい。銅は、延性があり機械的な強度に優れ、電気伝導性、熱伝導性にも優れる。また、銅は安価であり扱いやすい。
本工程では、基材となる焼結用基材と、発泡剤を混合し、所望の形状に成型して成型体を作製する。
焼結用基材としては、金属粉が好ましい。金属粉としては、銅粉、ステンレス鋼粉、チタン粉、アルミニウム粉等が挙げられる。これらの中では銅粉が好ましい。
また、金属粉は、直径が1μm以上、10μm以下の粒子状であることが好ましい。
発泡剤は、直径が100nm以上、10μm以下の粒子状であることが好ましい。
上記重量比が10未満であると、基材となる銅の割合が少なくなり、多孔質体の強度が低下しやすくなる。
上記重量比が50を超えると、発泡剤の割合が少ないので、得られる多孔質体に連通孔が形成されにくくなる。
作製した成型体を、加熱することにより多孔質の焼結体を形成する。
焼結基材として銅粉を用いている場合、加熱の条件は、雰囲気:水素、温度:600℃以上、900℃以下、時間:1時間以上、5時間以下であることが好ましい。
その結果、多孔質体表面の空隙率は、第1断面の空隙率よりも小さくなる。
また、焼成基材が銅粉である場合、焼結体表面が溶融しやすいので、焼結体表面近傍に形成された気孔は、表面張力の影響により埋まりやすい、これも多孔質体表面の空隙率が、第1断面の空隙率よりも小さくなる原因となる。
以下、本発明の第1実施形態に係る多孔質体の実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
銅粉(製品名:1300YM、製造元:三井金属鉱業株式会社)を80gと、発泡剤(製品名:MX-80H3WT、製造元:綜研化学株式会社)を3.5gと、セルロース系有機ビヒクルを16.5gとを混合し、混合物を成形して長さ×幅×高さ=100mm×50mm×0.05mmの直方体の成型体を作製した。
次に、作製した成型体を雰囲気:水素、温度700℃、時間:2時間の条件で加熱し、銅粉を焼結させ、実施例1に係る多孔質体を製造した。
なお、毛細管力の測定は、Porous Materials Inc.(PMI)のPerm Porometerによるバブルバースト試験により行った。
なお、保持力の測定方法は、Porous Materials Inc.(PMI)のPerm Porometerによる気体流量測定により行った。
次に、本発明の第2実施形態に係る多孔質体について説明する。
図2は、本発明の第2実施形態に係る多孔質体の一例を模式的に示す多孔質体の厚さ方向に平行な断面図である。
少なくとも一部の細孔20は、第1主面11と第2主面12とを連通する連通孔21である。
そのため、細孔20内に流体が流れてきた場合、流体は、連通孔21を通じて第1主面11から第2主面12に移動することができる。
そのため、多孔質体10aでは、内部に多くの流体を保持及び貯蔵することができる。
まず、多孔質体の第1主面に対し垂直に多孔質体を切断し第2断面とする。
次に、第2断面をSEMにより撮影する。
得られた画像において、第1主面側の端部を第1端部(図3中、符号「11a」で示す線の部分)とし、第2主面側の端部を第2端部(図3中、符号「12a」で示す線の部分)とする。
さらに、得られた画像において、第1端部側と、第2端部側とを2等分するように多孔質体を2等分する線を引く。その部分を、多孔質体の中央部(図3中、符号「13」で示す線の部分)とする
得られた画像を画像処理により、基材部と空隙部を2値化して、選択した領域における空隙部の距離(図2中、破線で示す距離)を測定し、選択した領域の全長(100μm)に対する空隙部の距離の割合を算出し、その値を第1端部の空隙率とする。
中央部の空隙率及び第2端部の空隙率も同じ方法で算出する。
第1端部の空隙率が30%未満であると、細孔が小さすぎ、流体が多孔質体に流入、流出しにくくなる。
第1端部の空隙率が50%を超えると、多孔質体の強度が低下し破損しやすくなる。また、毛細管力が低くなり、液体の輸送能力が低下しやすくなる。
第2端部の空隙率が30%未満であると、細孔が小さすぎ、流体が多孔質体に流入、流出しにくくなる。
第2端部の空隙率が50%を超えると、多孔質体の強度が低下し破損しやすくなる。
中央部の空隙率が40%未満であると、流体を多孔質体内部に保持及び貯蔵しにくくなる。
中央部の空隙率が80%を超えると、多孔質体の強度が低下し破損しやすくなる。
中央部の空隙率の値と第1端部の空隙率の値との差が10%未満であると、流体を多孔質体に保持及び貯蔵する効果が得られにくくなる。
中央部の空隙率の値と第2端部の空隙率の値との差が10%未満であると、流体を多孔質体に保持及び貯蔵する効果が得られにくくなる。
特に、多孔質体10aは、第1主面11から第2主面12の方向に対し垂直に、多孔質体10を2等分するように切断した断面を多孔質体10の第1断面CS1とした際に、第1主面11の空隙率は、第1断面CS1の空隙率よりも小さく、かつ、第2主面12の空隙率は、第1断面CS1の空隙率よりも小さいことが好ましい。
次に、本発明の第3実施形態に係る放熱構造体について説明する。
本発明の第3実施形態に係る放熱構造体は、内部空間を有する筐体と、内部空間に封入された作動媒体と、内部空間に封入されたウィックとを備える気液交換型の放熱構造体であって、ウィックは、上記本発明の多孔質体を含む。
以下、本発明の第3実施形態に係る放熱構造体について図面を用いながら説明する。
図3に示す放熱構造体100は、筐体130と、内部空間140に封入された作動媒体150と、内部空間140に封入された多孔質体110とを備える気液交換型の放熱構造体である。多孔質体110は、ウィックとして機能する。
また、第2シート132の内壁面には凸部132aが形成されていることが好ましい。
なお、本明細書において「凸部」とは、周囲よりも相対的に高さが高い部分をいい、内壁面から突出した部分に加え、内壁面に形成された凹部、例えば溝などにより相対的に高さが高くなっている部分も含む。
また、一部の細孔120は、第1主面111と第2主面112とを連通する連通孔121であり、第1主面111の空隙率は、多孔質体110の第1断面の空隙率よりも小さく、かつ、第2主面112の空隙率は、多孔質体110の第1断面の空隙率よりも小さい。
つまり、多孔質体110は、上記本発明の第1実施形態に係る多孔質体である。
なお、多孔質体110は、上記本発明の第2実施形態に係る多孔質体であってもよい。
放熱構造体100では、例えば、第2シート132が受熱部であり、第1シート131が放熱部となる。
この場合、放熱構造体100が、第2シート132に熱を受けると、液相の作動媒体150が、気相になり、第1シート131の内壁面まで移動する。
その後、気相の作動媒体150は熱を放出して液相に戻る。そして、毛細管現象により、多孔質体110の連通孔121を通じて、受熱部である第2シート132の内壁面まで到達する。第2シート132の内壁面に到達した液体の作動媒体150は、熱を受け再び気相になる。
このように、放熱構造体100では、外部動力を用いずに、自立して熱を作動媒体の潜熱の形で移動させることができる。
そのため、放熱構造体100では、受熱部においてドライアウトが生じにくい。
また、多孔質体110は、第1主面111及び第2主面112の空隙率は、多孔質体110の第1断面の空隙率よりも小さいので、高い毛細管力で液体を輸送することができる。
凸部132aは、第2シート132の内壁面に柱状の構造物を接着して形成してもよい。また、第2シート132が金属である場合には、プレス加工により形成してもよい。
このように、本発明の放熱構造体が用いられた電子機器は、本発明の電子機器でもある。
次に、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体について説明する。
本発明の第4実施形態に係る放熱構造体は、内部空間を有する筐体と、内部空間に封入された作動媒体と、内部空間に封入されたウィックとを備える気液交換型の放熱構造体であって、ウィックは、上記本発明の多孔質体を含む。
以下、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体について図面を用いながら説明する。
図5は、図4に示す放熱構造体のIV-IV線に沿った断面図である。図6は、図4に示す放熱構造体のV-V線に沿った断面図である。
多孔質体210が配置されていることにより、筐体230の機械的強度を確保しつつ、筐体230外部からの衝撃を吸収することができる。
また、一部の細孔220は、第1主面211と第2主面212とを連通する連通孔221であり、第1主面211の空隙率は、多孔質体210の第1断面の空隙率よりも小さく、かつ、第2主面212の空隙率は、多孔質体210の第1断面の空隙率よりも小さい。
つまり、多孔質体210は、上記本発明の第1実施形態に係る多孔質体である。
なお、多孔質体210は、上記本発明の第2実施形態に係る多孔質体であってもよい。
液体流路C1と蒸気流路C2との間には、多孔質体210が位置しており、液体流路C1は、第1主面211により形成されており、蒸気流路C2は第2主面212により形成されている。
また、図6に示すように、筐体230では、凝縮部CPにおいて液体流路C1は、1本の流路であるが、凝縮部CPから蒸発部EPに向かう途中で複数の支流に分かれている。このように、液体流路C1を複数の支流に分けることで、効率よく液相の作動媒体250を蒸発部EPに移動させることができる。
また、細孔220の一部は、液相の作動媒体250が、多孔質体210内部を通って、凝縮部CPから蒸発部EPに移動できるように、多孔質体210を連通していることが好ましい。
なお、液体流路C1及び蒸気流路C2が、厚さ方向Zで幅が異なる場合には、最も広い部分の幅を、それぞれ幅W1及び幅W2とする。
蒸発部EPでは、液体流路C1に位置する液相の作動媒体250は、筐体230の内壁面を介して加熱されて気相に変化する。作動媒体250が気相になることで、蒸発部EP近傍における蒸気流路C2内の気体の圧力が高まる。これにより、気相の作動媒体250が、蒸気流路C2内を凝縮部CP側に向かって移動する。
このように、放熱構造体200では、蒸発部EPから凝縮部CPまでを、外部動力を用いずに、作動媒体250を循環させることができる。
つまり、放熱構造体200では、自立して熱を作動媒体の潜熱の形で移動させることができる。
なお、図6に示すように、蒸発部EP内に液体流路C1が到達していることが好ましい。蒸発部EP内には、液体流路C1及び多孔質体210が含まれてもよいし、液体流路C1が含まれずに多孔質体210のみが含まれてもよいし、液体流路C1及び多孔質体210が含まれなくてもよい。
そのため、放熱構造体200では、蒸発部EPにおいてドライアウトが生じにくい。
しかし、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体では、多孔質体210の断面の形状は、正方形、台形等の四角形であってもよく、凹レンズ状に中央部が凹んだ形状や、凸レンズ状に中央部が膨らんだ形状であってもよい。
しかし、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体では、作動媒体を、蒸発部EPから凝縮部CPまで循環させることができれば、液体流路C1及び蒸気流路C2の形状及び本数は特に限定されず、放熱構造体の形状等に応じ、適宜設定することが好ましい。
しかし、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体では、液体流路C1は1本であってもよく、複数本であってもよい。
また、液体流路C1は複数本が途中で分岐及び/又は合流していてもよく、複数本がそれぞれ独立していてもよい。
また、蒸気流路C2は複数本が途中で分岐及び/又は合流していてもよく、複数本がそれぞれ独立していてもよい。
図7に示す放熱構造体200aでは、図6に示す放熱構造体200と異なり、液体流路C1及び蒸気流路C2が筐体230の内部空間の外周部のみに形成されるように多孔質体210が配置されている。
図8に示す放熱構造体200bでは、図6に示す放熱構造体200と異なり、液体流路C1及び蒸気流路C2が筐体230の内部空間の中央部のみに形成されるように多孔質体210が配置されている。
次に、本発明の第5実施形態に係る放熱構造体について説明する。
本発明の第5実施形態に係る放熱構造体は、液体流路の周囲の構造が以下のように置換された以外は、図4~図6に示す放熱構造体200と同じ構造である。
図10は、図9の破線部の拡大図である。
さらに、放熱構造体200cでは、液体流路C1は、第2シート232、一対の支持体80及び多孔質体210´に囲まれた空間に形成されている。
また、放熱構造体200cでは、多孔質体210´の第1主面211が、第1シート231と接し、第2主面212が支持体80と接するように配置されている。
つまり、多孔質体210´は、側面にも連通する連通孔を有する上記本発明の第1実施形態に係る多孔質体である。
なお、多孔質体210´は、側面にも連通する連通孔を有する上記本発明の第2実施形態に係る多孔質体であってもよい。
このように、本発明の放熱構造体が用いられた電子機器は、本発明の電子機器でもある。
11、111、211 第1主面
11a 第1端部
12、112、212 第2主面
12a 第2端部
13 中央部
20、120、220 細孔
21、121、221 連通孔
22 分岐孔
22a 分岐孔の先端
80 支持体
100、200 放熱構造体
130、230 筐体
131、231 第1シート
132、232 第2シート
132a 凸部
140、240 内部空間
150、250 作動媒体
210s 多孔質体の側面
CS1 第1断面
CS2 第2断面
C1 液体流路
C2 蒸気流路
HS 熱源
EP 蒸発部
CP 凝縮部
Claims (11)
- 第1主面と、前記第1主面と対向する第2主面とを有し、複数の細孔を有する多孔質体であって、
少なくとも一部の前記細孔は、前記第1主面と前記第2主面とを連通する連通孔であり、
前記第1主面から前記第2主面の方向に対し垂直に、前記多孔質体を2等分するように切断した断面を多孔質体の第1断面とした際に、
前記第1主面の空隙率は、前記第1断面の空隙率よりも小さく、かつ、
前記第2主面の空隙率は、前記第1断面の空隙率よりも小さい多孔質体。 - 前記第1断面の空隙率の値と前記第1主面の空隙率の値との差([第1断面の空隙率の値(%)]-[第1主面の空隙率の値(%)])は、10%以上であり、かつ、
前記第1断面の空隙率の値と前記第2主面の空隙率の値との差([第1断面の空隙率の値(%)]-[第2主面の空隙率の値(%)])は、10%以上である請求項1に記載の多孔質体。 - 第1主面と、前記第1主面と対向する第2主面とを有し、複数の細孔を有する多孔質体であって、
少なくとも一部の前記細孔は、前記第1主面と前記第2主面とを連通する連通孔であり、
前記第1主面に対し垂直に、前記多孔質体を切断した断面を多孔質体の第2断面とし、
前記第2断面の前記第1主面側の端部を第1端部とし、
前記第2断面の前記第2主面側の端部を第2端部とし、
前記第2断面において、前記第1端部側と、前記第2端部側とを2等分するように前記多孔質体を2等分する線が通る部分を多孔質体の中央部とした際に、
前記第1端部の空隙率は、前記中央部の空隙率よりも小さく、かつ、
前記第2端部の空隙率は、前記中央部の空隙率よりも小さい多孔質体。 - 前記第1端部の空隙率の値と前記中央部の空隙率の値との差([中央部の空隙率の値(%)]-[第1端部の空隙率の値(%)])は、10%以上であり、かつ、
前記中央部の空隙率の値と前記第2端部の空隙率の値との差([中央部の空隙率の値(%)]-[第2端部の空隙率の値(%)])は、10%以上である請求項3に記載の多孔質体。 - 少なくとも一部の前記連通孔は分岐孔を有し、少なくとも一部の前記分岐孔の先端は前記多孔質体内部に存在している請求項1~4のいずれか1項に記載の多孔質体。
- 前記細孔の平均孔径は、100nm以上、10μm以下である請求項1~5のいずれか1項に記載の多孔質体。
- 前記多孔質体の全体の空隙率は30%以上、70%以下である請求項1~6のいずれか1項に記載の多孔質体。
- 内部空間を有する筐体と、前記内部空間に封入された作動媒体と、前記内部空間に封入されたウィックとを備える気液交換型の放熱構造体であって、
前記ウィックは、請求項1~7のいずれか1項に記載の多孔質体を含む放熱構造体。 - 前記筐体は、外縁が接合された対向する第1シート及び第2シートから構成され、
前記第1シート及び前記第2シートのうち、少なくとも一方のシートの内壁面に前記多孔質体の第1主面が対面するように前記多孔質体が配置されている請求項8に記載の放熱構造体。 - 前記筐体は、外縁が接合された対向する第1シート及び第2シートから構成され、
前記多孔質体は、第1主面及び前記第1主面と対向する第2主面以外の側面で、前記第1シート及び前記第2シートのそれぞれに接触して内側から支持しており、
前記筐体は、前記作動媒体を蒸発させて気相とする蒸発部を含み、
前記筐体内には、液相の前記作動媒体を、前記蒸発部に移動させるための液体流路と、気相の前記作動媒体を前記蒸発部から移動させるための蒸気流路とが形成されており、
前記液体流路と前記蒸気流路との間には、前記多孔質体が位置しており、
前記液体流路の一部又は全部は、前記第1主面により形成されており、前記蒸気流路の一部又は全部は前記第2主面により形成されている請求項8に記載の放熱構造体。 - 請求項8~10のいずれか1項に記載の放熱構造体を備える電子機器。
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