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JP7231121B2 - 多孔質体、放熱構造体及び電子機器 - Google Patents

多孔質体、放熱構造体及び電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、多孔質体、放熱構造体及び電子機器に関する。
多孔質体は、フィルタとしての機能や、毛細管力により液体を移動させることができる機能や、吸着体としての機能等の種々の機能を有する構造体として知られている。
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。
このように種々の機能を有する多孔質体は種々の用途で用いられている。
特許文献1には、入熱および放熱の状態に応じて蒸発および凝縮する凝縮性流体が作動流体として中空平板状の密閉容器内に封入されるとともに、その作動流体が湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウィックが前記密閉容器の内部に配置されたベーパーチャンバーにおいて、外部から入熱のある蒸発部側に前記作動流体が湿潤することにより大きい毛細管圧力を生じさせるウィックが配置され、かつ外部に対して熱を放散させる凝縮部側に湿潤した作動流体に対する流動抵抗の小さいウィックが配置されていることを特徴とするベーパーチャンバーが記載されている。
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。
特許文献2には、表面に開口し内部の空孔に連続している連続空孔を有する高気孔率のスポンジ状焼成金属層に、スポンジ状焼成金属層の気孔率よりも小さい気孔率:0~55(0も含む)容量%を有する高強度の焼成金属緻密補強層を積層してなる高強度スポンジ状焼成金属複合板であって、前記焼成金属緻密補強層の厚さは高強度スポンジ状焼成金属複合板全体の厚さの0.5~30%の厚さを有することを特徴とする高強度スポンジ状焼成金属複合板が記載されている。
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。
特許文献3には、低融点金属を1種として含む、融点の異なる2種以上の金属粉末、ロジンおよび活性剤を含有する混合物を前記低融点金属の融点以上で加熱することで液相拡散反応を生じさせることを特徴とする多孔質金属体の製造方法が記載されている。
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。
特開2005-180871号公報 特開2004-43976号公報 特開2015-147989号公報
細孔を有する多孔質体においては、毛細管力により液体をその内部に吸収し、一時的に保持及び貯蔵することができる。さらに多孔質体の一方の面から他方の面に細孔が連通していると、吸収した液体を一方の面から他方の面に移動させることができる。
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。
本発明が解決しようとする課題は、液体等の流体が一方の面から他方の面に移動可能であり、多くの流体を保持及び貯蔵することができる多孔質体を提供することである。
本発明の多孔質体は、第1主面と、上記第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、少なくとも一部の上記細孔は、上記第1主面と上記第2主面とを連通する連通孔であり、上記第1主面から上記第2主面の方向に対し垂直に、上記多孔質体を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、上記第1主面の空隙率は、上記第1断面の空隙率よりも小さく、かつ、上記第2主面の空隙率は、上記第1断面の空隙率よりも小さい。
本発明の多孔質体は、第1主面と、上記第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、少なくとも一部の上記細孔は、上記第1主面と上記第2主面とを連通する連通孔であり、上記第1主面に対し垂直に、上記多孔質体を切断した断面を多孔質体の第2断面とし、上記第2断面の上記第1主面側の端部を第1端部とし、上記第2断面の上記第2主面側の端部を第2端部とし、上記第2断面において、上記第1端部側と、上記第2端部側とを2等分するように上記多孔質体を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、上記第1端部の空隙率は、上記中央部の空隙率よりも小さく、かつ、上記第2端部の空隙率は、上記中央部の空隙率よりも小さい。
本発明の放熱構造体は、内部空間を有する筐体と、上記内部空間に封入された作動媒体と、上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、上記ウィックは、上記本発明の多孔質体を含む。
本発明の電子機器は、上記本発明の放熱構造体を備える。
本発明によれば、液体等の流体が一方の面から他方の面に移動可能であり、多くの流体を保持及び貯蔵することができる多孔質体を提供することができる。
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。 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。 図3は、本発明の第3実施形態に係る放熱構造体の一例を模式的に示す断面図である。 図4は、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体の一例を模式的に示す斜視図である。 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。 図7は、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体の内部構造の別の一例を模式的に示す放熱構造体のZ軸方向に垂直な断面図である。 図8は、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体の内部構造のさらに別の一例を模式的に示す放熱構造体のZ軸方向に垂直な断面図である。 図9は、本発明の第5実施形態に係る放熱構造体のY軸方向に垂直な断面図である。 図10は、図9の破線部の拡大図である。
以下、本発明の多孔質体について説明する。
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。
以下に示す各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。第2実施形態以降では、第1実施形態と共通の事項についての記述は省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。
以下に示す図面は模式的なものであり、その寸法や縦横比の縮尺などは実際の製品とは異なる場合がある。
[第1実施形態]
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。
図1Aに示す多孔質体10は、第1主面11と、第1主面11と対向する第2主面12とを有し、複数の細孔20を有する多孔質体である。
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。
なお、多孔質体に連通孔が形成されているか否かは、以下の方法で判断することができる。
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1mm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。
多孔質体10では、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CS(すなわち、図1Bに示す断面)とした際に、第1主面11の空隙率は、第1断面CS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CSの空隙率よりも小さい。
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。
ここで、第1主面の空隙率、第1断面の空隙率及び第2主面の空隙率の算出方法について説明する。
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。
多孔質体10では、第1主面11の空隙率は、30%以上、50%以下であることが好ましい。
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。
多孔質体10では、第2主面12の空隙率は、30%以上、50%以下であることが好ましい。
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。
なお、多孔質体10では、第1主面11の空隙率と、第2主面12の空隙率とは同じであってもよく、異なっていてもよい。
多孔質体10では、第1断面CSの空隙率は、40%以上、80%以下であることが好ましい。
第1断面CS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CS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。
多孔質体10では、第1断面CSの空隙率の値と第1主面11の空隙率の値との差([第1断面CSの空隙率の値(%)]-[第1主面の空隙率の値(%)])は、10%以上であることが好ましく、20%以上、30%以下であることがより好ましい。
第1断面CS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。
多孔質体10では、第1断面CSの空隙率の値と第2主面12の空隙率の値との差([第1断面CSの空隙率の値(%)]-[第2主面の空隙率の値(%)])は、10%以上であることが好ましく、20%以上、30%以下であることがより好ましい。
第1断面CS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。
なお、多孔質体10では、第1断面CSの空隙率の値と第1主面11の空隙率の値との差が10%以上であり、かつ、第1断面CSの空隙率の値と第2主面12の空隙率の値との差が10%以上であることがさらに好ましい。
多孔質体10では、多孔質体10の全体の空隙率は30%以上、70%以下であることが好ましく、40%以上、60%以下であることがより好ましい。
なお、多孔質体の全体の空隙率とは以下の方法で測定された値のことを意味する。
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。
多孔質体10では、細孔20の平均孔径は、100nm以上、10μm以下であることが好ましく、500nm以上、5μm以下であることがより好ましい。
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。
なお、多孔質体の細孔の平均孔率は、以下の方法で算出した値のことを意味する。
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では、一部の連通孔21は分岐孔22を有する。
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。
多孔質体10では、分岐孔22は、多孔質体10の側面にも連通していてもよい。
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。
多孔質体10では、一部の分岐孔22の先端22aは多孔質体10内部に存在している。
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。
多孔質体10の材料は、特に限定されず、金属焼結体、セラミック焼結体、プラスチック焼結体等が挙げられる。
これらの中では金属焼結体が好ましい。
多孔質体が金属焼結体である場合、金属焼結体を構成する金属としては、銅、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム等が挙げられる。
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。
多孔質体10は、気液交換型の放熱構造体において作動媒体を輸送するためのウィックや、電池のセパレータとして用いることができる。
次に、本発明の第1実施形態に係る多孔質体の一例である焼結体の製造方法について説明する。
(成型工程)
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。
発泡剤としてはアクリル系樹脂、スチレン系樹脂、セルロース系樹脂、ポリビニル系樹脂、などの樹脂ビーズ等を用いることができる。
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。
なお、焼結用基材が銅粉である場合、銅粉と発泡剤との重量比は、銅粉(g)/発泡剤(g)=10以上、50以下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。
(焼結工程)
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。
本工程において、発泡剤は熱分解される。焼結体内部では、発泡剤が位置していた場所に気孔が形成される。また、焼結体表面近傍でも発泡剤が熱分解することにより気孔が形成されるが、焼結体表面近傍では、焼結が進みやすいので、小さな気孔は埋まりやすくなる。
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。
以上の工程を経て、本発明の第1実施形態に係る多孔質体の一例である焼結体を製造することができる。
(実施例1)
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。
(成型工程)
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。
(焼結工程)
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。
実施例1に係る多孔質体が連通孔を有しているかどうかについて上記方法で確認したところ、実施例1に係る多孔質体は連通孔を有していることが判明した。
実施例1に係る多孔質体では、第1主面の空隙率が30%であり、第1断面の空隙率が60%であり、第2主面の空隙率が30%であった。
実施例1に係る多孔質体の毛細管力を以下の方法で測定したところ、その値は80000Paであった。
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。
実施例1に係る多孔質体の液体の保持力を以下の方法で測定したところ、その値は20Darcyであった。
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。
[第2実施形態]
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。
図2に示す多孔質体10aは、第1主面11と、第1主面11と対向する第2主面12とを有し、複数の細孔20を有する多孔質体である。
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。
多孔質体10aでは、第1主面11に対し垂直に、多孔質体10aを切断した断面を多孔質体10aの第2断面CSとし、第2断面CSの第1主面11側の端部を第1端部11aとし、第2断面CSの第2主面12側の端部を第2端部12aとし、第2断面CSにおいて、第1端部11a側と、第2端部12aとを2等分する線が通る部分を多孔質体10の中央部13とした際に、第1端部11aの空隙率は、中央部13の空隙率よりも小さく、かつ、第2端部12aの空隙率は、中央部13の空隙率よりも小さい。
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。
ここで、第1端部の空隙率、中央部の空隙率及び第2端部の空隙率の算出方法について説明する。
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
その後、第1端部における任意の幅100μmの連続する領域を選択する。
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。
多孔質体10aでは、第1端部11aの空隙率は、30%以上、50%以下であることが好ましい。
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。
多孔質体10aでは、第2端部12aの空隙率は、30%以上、50%以下であることが好ましい。
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。
なお、多孔質体10aでは、第1端部11aの空隙率と、第2端部12aの空隙率とは同じであってもよく、異なっていてもよい。
多孔質体10aでは、中央部13の空隙率は、40%以上、80%以下であることが好ましい。
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。
多孔質体10aでは、中央部13の空隙率の値と第1端部11a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%以上であることが好ましく、20%以上、30%以下であることがより好ましい。
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。
多孔質体10aでは、中央部の空隙率の値と第2端部12a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%以上であることが好ましく、20%以上、30%以下であることがより好ましい。
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。
なお、多孔質体10aでは、中央部13の空隙率の値と第1端部11aの空隙率の値との差が10%以上であり、かつ、中央部13の空隙率の値と第2端部12aの空隙率の値との差が10%以上であることがさらに好ましい。
多孔質体10aは、上記特徴を有していれば、その他の構成は、上記本発明の多孔質体10と同じ構成を有することが好ましい。
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CSとした際に、第1主面11の空隙率は、第1断面CS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CSの空隙率よりも小さいことが好ましい。
[第3実施形態]
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は、本発明の第3実施形態に係る放熱構造体の一例を模式的に示す断面図である。
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。
筐体130は、例えば、外縁が接合された対向する第1シート131及び第2シート132から構成されている。筐体130では、第1シート131が上面を形成し、第2シート132が底面を形成している。
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。
多孔質体110は、上面となる第1主面111と、底面となる第2主面112とを有し、複数の細孔120を有する。
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、第1シート131の内壁面に多孔質体110の第1主面111が対面するように、かつ、第2主面112が第2シート132の内壁面に対向するように、多孔質体110が配置されている。
放熱構造体100では、第2シート132の内壁面と、第2主面112との間、具体的には凸部132aと凸部132aとの間に、液相の作動媒体150が保持されている。つまり、第2主面112は液体保持面である。また、液相の作動媒体150の一部は、第2主面112から多孔質体110内部に浸透している。
ここで、放熱構造体100を使用する際の放熱の原理について説明する。
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。
また、多孔質体110は、本発明の第1実施形態に係る多孔質体なので、その内部に多くの作動媒体150を保持及び貯蔵することができる。
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。
放熱構造体100において、筐体130の高さHは、0.2mm以上、0.5mm以下であることが好ましい。
放熱構造体100において、第1シート131及び第2シート132は、筐体として用いるのに適した特性、例えば熱伝導性、強度、柔軟性などを有するものであれば、特に限定されない。第1シート131及び第2シート132は、金属であることが好ましく、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄など、又は、それらを主成分とする合金などが挙げられる。
なお、第1シート131及び第2シート132は、異なる材料から構成されていてもよい。例えば、強度の高い材料を第1シート131に用いることにより、筐体130にかかる応力を分散させることができる。また、両者の材料を異なるものとすることにより、一方のシートで一の機能を得、他方のシートで他の機能を得ることができる。上記の機能としては、特に限定されないが、例えば、熱伝導機能、電磁波シールド機能等が挙げられる。
第1シート131及び第2シート132の厚さは特に限定されないが、第1シート131及び第2シート132が薄すぎると、筐体130の強度が低下して変形が起こりやすくなる。そのため、第1シート131及び第2シート132の厚さは、それぞれ20μm以上であることが好ましく、30μm以上であることがより好ましい。一方、第1シート131及び第2シート132が厚すぎると、放熱構造体100の薄型化が困難になる。そのため、第1シート131及び第2シート132の厚さは、それぞれ200μm以下であることが好ましく、150μm以下であることがより好ましく、100μm以下であることがさらに好ましい。第1シート131及び第2シート132の厚さは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
また、第1シート131の厚さは、一定であってもよいし、厚い部分と薄い部分が存在していてもよい。同様に、第2シート132の厚さは、一定であってもよいし、厚い部分と薄い部分が存在していてもよい。
第2シート132の内壁面に形成されている凸部132aは、柱状の形状であることが好ましく、円柱状であることがより好ましい。
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。
第1シート131及び第2シート132の接合方法は、特に限定されないが、レーザー溶接、抵抗溶接、拡散接合、ロウ接、TIG溶接(タングステン-不活性ガス溶接)、超音波接合、樹脂封止などが挙げられる。これらのなかでは、レーザー溶接、抵抗溶接又はロウ接が好ましい。
作動媒体150は、筐体130内の環境下において気-液の相変化を生じ得るものであれば特に限定されず、例えば、水、アルコール類、代替フロン等を用いることができる。作動媒体150は、水性化合物であることが好ましく、水であることがより好ましい。
多孔質体110の厚さHは、筐体130の高さ、作動媒体150の量により調整することが好ましく、例えば、0.01mm以上、0.1mm以下であることが好ましい。
本発明の第3実施形態に示すような放熱構造体は、放熱を目的として電子機器に搭載され得る。電子機器としては、例えばスマートフォン、タブレット端末、ノートパソコン、ゲーム機器、ウェアラブルデバイス等が挙げられる。放熱構造体100は上記のとおり、外部動力を必要とせず自立的に作動し、作動媒体の蒸発潜熱及び凝縮潜熱を利用して、二次元的に高速で熱を拡散することができる。そのため、放熱構造体100を備える電子機器により、電子機器内部の限られたスペースにおいて、放熱を効果的に実現することができる。
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。
[第4実施形態]
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4は、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体の一例を模式的に示す斜視図である。
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。
図4及び図5に示す放熱構造体200は、筐体230と、内部空間240に封入された作動媒体250と、内部空間240に封入された多孔質体210とを備える気液交換型の放熱構造体である。多孔質体210はウィックとして機能する。
筐体230には、図6に示すように、封入した作動媒体250を蒸発させる蒸発部(evaporation portion)EPが設定されている。筐体230には、さらに、蒸発した作動媒体250を凝縮させる凝縮部(condensation portion)CPとが設定されていてもよい。図4に示すように、筐体230の外壁面には、熱源(heat source)HSが配置される。熱源HSとしては、電子機器の電子部品、例えば中央処理装置(CPU)等が挙げられる。筐体230の内部空間240のうち、熱源HSの近傍であって熱源HSによって加熱される部分が、蒸発部EPに相当する。一方、蒸発部EPから離れた部分が、凝縮部CPに相当する。また、蒸発した作動媒体50は、凝縮部CP以外でも凝縮され得る。本実施形態では、蒸発した作動媒体250を特に凝縮させやすい部分を凝縮部CPとして表現する。
放熱構造体200は、全体として面状である。すなわち、筐体230は、全体として面状である。ここで、「面状」とは、板状及びシート状を包含し、幅方向Xの寸法(以下、幅という)及び長さ方向Yの寸法(以下、長さという)が厚さ方向Zの寸法(以下、厚さ又は高さという)に対して相当に大きい形状、例えば幅及び長さが、厚さの10倍以上、好ましくは100倍以上である形状を意味する。
筐体230は、例えば、外縁が接合された対向する第1シート231及び第2シート232から構成されている。図5において、筐体230では、第1シート231が上面を形成し、第2シート232が底面を形成している。
図5に示すように、多孔質体210は第1主面211及び第2主面212以外の側面213で、第1シート231及び第2シート232のそれぞれに接触して内側から支持している。
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。
上記の通り、多孔質体210は、第1主面211と、第2主面212とを有し、複数の細孔220を有する多孔質体である。
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。
放熱構造体200において、筐体230の高さHは、0.2mm以上、0.5mm以下であることが好ましい。
図5及び図6に示すように、筐体230内には、液相の作動媒体250を、凝縮部CPから蒸発部EPに移動させるための液体流路Cと、気相の作動媒体250を蒸発部EPから凝縮部CPに移動させるための蒸気流路Cとが形成されている。
液体流路Cと蒸気流路Cとの間には、多孔質体210が位置しており、液体流路Cは、第1主面211により形成されており、蒸気流路C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C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C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。
上記の通り、多孔質体210は、細孔220を有し、細孔220の一部は、第1主面211と第2主面212とを連通する連通孔221である。そのため、液相の作動媒体250は、連通孔221を通って第1主面211から第2主面212まで移動することができる。
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。
作動媒体250の液体流路Cの幅Wは、蒸気流路Cの幅Wよりも狭い。また、幅Wは50μm以上、500μm以下、幅Wは1000μm以上、3000μm以下であることが好ましい。
なお、液体流路C及び蒸気流路C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W及び幅Wとする。
このように、多孔質体を挟んで液体流路と蒸気流路とを交互に配置することにより、気相の作動媒体250の蒸発が促進されるため、放熱効率を向上させることができる。
ここで、放熱構造体200を使用する際の放熱の原理について説明する。
蒸発部EPでは、液体流路C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C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C内を凝縮部CP側に向かって移動する。
凝縮部CPに到達した気相の作動媒体250は、筐体230の内壁面を介して熱を奪われて凝縮し、液相になる。上述の通り、気相の作動媒体250は凝縮部CP以外でも凝縮され得る。液相の作動媒体250は、毛細管力によって多孔質体210の細孔220内に浸み込む。また、多孔質体210の細孔220内に浸み込んだ液相の作動媒体250の一部は、液体流路C内に流入する。
多孔質体210の細孔内と液体流路C内との液相の作動媒体250は、毛細管力によって蒸発部EP側に移動する。そして、多孔質体210の細孔と液体流路Cとから蒸発部EPへと、液相の作動媒体250が供給される。蒸発部EPに到達した液相の作動媒体250は、再び蒸発部EPにおいて蒸発する。
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C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C及び多孔質体210が含まれてもよいし、液体流路C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C及び多孔質体210が含まれなくてもよい。
多孔質体210は、本発明の第1実施形態に係る多孔質体なので、その内部に多くの作動媒体250を保持及び貯蔵することができる。
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。
筐体230、第1シート231、第2シート232及び作動媒体250の好ましい材料及び好ましい形状は、上記筐体130、第1シート131、第2シート132及び作動媒体150の好ましい材料及び形状と同じである。
図5に示すように、放熱構造体200のIV-IV線に沿った断面図において多孔質体210の形状は長方形であった。
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。
図6に示す放熱構造体200では、液体流路C及び蒸気流路Cは直線状に形成されている。
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C及び蒸気流路C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。
また、図6に示す放熱構造体200では、液体流路C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た。
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C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C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。
さらに、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体では、蒸気流路Cは1本であってもよく、複数本であってもよい。
また、蒸気流路C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。
このように液体流路C及び蒸気流路Cの形状及び本数が異なる放熱構造体の態様について以下に図面を用いて例示する。
図7は、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体の内部構造の別の一例を模式的に示す放熱構造体のZ軸方向に垂直な断面図である。
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C及び蒸気流路C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は、本発明の第4実施形態に係る放熱構造体の内部構造のさらに別の一例を模式的に示す放熱構造体のZ軸方向に垂直な断面図である。
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C及び蒸気流路C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。
[第5実施形態]
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9は、本発明の第5実施形態に係る放熱構造体のY軸方向に垂直な断面図である。
図10は、図9の破線部の拡大図である。
図9に示す放熱構造体200cでは、一対の支持体80が、第2シート232に接するように配置されている。また、放熱構造体200cでは、多孔質体210´が、一対の支持体80に蓋をするように、かつ、第1シート231に接するように配置されている。
さらに、放熱構造体200cでは、液体流路C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。
図10に示すように、多孔質体210´は、複数の細孔220を有しており、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である。さらに、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。加えて、連通孔221は、多孔質体210´の側面210sにも連通している。
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。
なお、本発明の第5実施形態に係る放熱構造体では、多孔質体210´の向きは特に限定されず、多孔質体210´の第1主面211が、支持体80と接するように配置されていてもよく、多孔質体210´の第1主面211が蒸気流路Cと接するように配置されていてもよい。
支持体80を形成する材料は、特に限定されないが、例えば、樹脂、金属、セラミックス、またはそれらの混合物、積層物等が挙げられる。また、支持体80は、筐体230と一体であってもよく、例えば、第1シート231または第2シート232の内壁面をエッチング加工すること等により形成されていてもよい。
支持体80の形状は、特に限定されず、例えば、多孔質体210´が延びる方向に沿って配置されるレール状の支柱から構成されていてもよく、多孔質体210´が延びる方向に沿って間隔を空けて配置される複数の支柱から構成されていてもよい。
本発明の第4実施形態及び第5実施形態に示すような放熱構造体は、放熱を目的として電子機器に搭載され得る。電子機器としては、例えばスマートフォン、タブレット端末、ノートパソコン、ゲーム機器、ウェアラブルデバイス等が挙げられる。放熱構造体200は上記のとおり、外部動力を必要とせず自立的に作動し、作動媒体の蒸発潜熱及び凝縮潜熱を利用して、二次元的に高速で熱を拡散することができる。そのため、放熱構造体200を備える電子機器により、電子機器内部の限られたスペースにおいて、放熱を効果的に実現することができる。
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。
本発明の多孔質体は、放熱構造体のウィックや、電池のセパレータ等、多孔質内に液体を保持することが必要な装置に使用することができる。
10、10a、110、210、210´ 多孔質体
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
CS 第1断面
CS 第2断面
液体流路
蒸気流路
HS 熱源
EP 蒸発部
CP 凝縮部

Claims (11)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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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