热交换器用构件、热交换器、冷却系统

摘要

通过导热性尤其且与冷媒的润湿性优异的被膜对在冷却部或散热部中使用的热交换器的与冷媒接触的金属的表面赋予金属自身没有的特性，实现高效率的热交换器用构件、热交换器、冷却系统。在热交换器运转时，热交换器用构件由金属构成，具有与冷媒接触的面，在所述面上具有金属氧化膜，所述金属氧化膜含有结晶碳并设置有突起，所述突起部的顶点的平均间隔为20nm以上且80nm以下，相邻的突起部的顶点的高度的平均值为10nm以上且70nm以下，且作为所述平均高度除以平均间隔的值的纵横比小于1。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对金属表面赋予该金属的固有特性以外的特性且使用冷却效果比水好的冷媒的热交换器用构件以及具有该构件的设备。

背景技术

使用冷媒的冷却系统在运转时，冷媒在系统内循环，在冷却部，对象物通过在热交换器内流动的冷媒的气化而被冷却，在散热部的热交换器中，冷媒通过外部空气等而被冷却并液化。在上述冷却系统中，通过在散热部的热交换器中向外部放出热量并使冷媒液化的效率(以下称为液化效率)、在冷却部的热交换器内使冷媒气化并带走热量的效率(以下称为气化效率)以及在管内流动的冷媒的压力损失，决定产生设置限制的系统的大小、使冷媒循环的泵的能源消耗。

另一方面，近年来，半导体器件处理的信息量和速度进一步提高，作为其对策的高集成化产生对应的冷却系统的设置限制和耗电量的增大。

因此，为了冷却系统设置的自由度和减少能源消耗，正在研究关于液化效率、气化效率以及降低压力损失的技术。例如在专利文献1中公开了这样的技术。

在专利文献1中，记载有以下方法：通过在冷却系统中追加气液分离部，提高冷却部的气化效率和散热部的液化效率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-190928公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，在专利文献1的技术中，需要在冷却系统中额外增设气液分离部，存在冷却系统的设置受到限制且成本大幅增加的问题。

本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的为，通过导热性优异且与冷媒的润湿性优异的被膜，对在冷却部或散热部中使用的热交换器的与冷媒接触的金属的表面赋予金属自身没有的特性，实现高效率的热交换器用构件、热交换器、冷却系统。

用于解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明的热交换器用构件，由金属构成，在利用所述热交换器用构件制作而成的热交换器运转时，具有与冷媒接触的面，在所述面上具有金属氧化膜，所述金属氧化膜含有结晶碳并设置有突起，所述突起部的顶点的平均间隔为20nm以上且80nm以下，相邻的突起部的顶点的高度的平均值为10nm以上且70nm以下，并且作为所述平均高度除以平均间隔的值的纵横比小于1。

发明的效果

根据本发明，可实现对热交换器用构件附加使热交换器的液化以及气化效率提高的功能的效果。

附图说明

图1是示出使用了本发明的第一实施方式的热交换器用构件的半导体冷却系统的示意图。

图2是示出本发明的第一实施方式的热交换器用构件的图。

图3是示出沿图2的箭头a-a观察的剖面的示意图。

图4是本发明的第一实施方式的热交换器用构件的冷媒接触面的AFM观察结果。

图5是示出用于制作本发明的第一实施方式的设备的图。

图6是示出用于制作本发明的第一实施方式的负载电解密度的时间图表的图。

图7是示出本发明的第一实施方式的液化试验的图。

图8是本发明的第一实施方式的SEM立体图。

图9是针对本发明的第一实施方式的比较例的SEM立体图。

图10是示出本发明的第二实施方式的热交换器用构件的图。

图11是示出沿图10的箭头a-a观察的剖面的示意图。

图12是本发明的第二实施方式的热交换器用构件的冷媒接触面的AFM观察结果。

图13是示出用于制作本发明的第二实施方式的设备的图。

图14是示出用于制作本发明的第二实施方式的负载电解密度的时间图表的图。

图15是示出本发明的第二实施方式的冷却试验的图。

图16是本发明的第二实施方式的SEM立体图。

图17是针对本发明的第二实施方式的比较例的SEM立体图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，基于图1～图9说明本发明的实施方式。

＜安装有构件的半导体冷却系统的结构＞

图1为示出半导体冷却系统100的示意图。半导体冷却系统100由冷却部(热交换器)110、散热部(热交换器)120、压缩机130、膨胀阀140等构成。

散热部120由热交换器121和风扇122构成，在热交换器121的内部，在冷媒液化时放出的热量通过风扇122放出到系统外部。本发明的热交换器用构件是指构成热交换器121的构件。在以后的说明中，将热交换器用构件作为在内部使冷媒液化的管即构成热交换器121的构件进行说明。

＜构件的结构＞

图2以及图2的a-a剖面图即图3是示出本发明的热交换器用构件的具体示例即构成热交换器121的管的图。如图3所示，在由形成管的主要材料(铝、不锈钢、铜等)构成的金属基材121A上具有结晶含碳氧化膜121C，在结晶含碳氧化膜121C上设置有微小突起121B。具有该微小突起121B的结晶含碳氧化膜121C是含有结晶碳的金属氧化膜，赋予如下功能：在热交换器121中提高与构成为气体的冷媒接触的管内表面与冷媒的润湿性，且通过含有的结晶碳的高导热系数来提高使冷媒冷却的效率。

管由铝管、不锈钢管或者铜管等金属管构成。管的壁厚和长度不受特别限定，根据使用目的适当决定。

结晶含碳氧化膜121C是含有结晶碳且与金属基材材料相同或同样的金属的氧化物。该结晶含碳氧化膜121C的膜厚为10nm～300nm即可。而且，为了充分利用含有的结晶碳类的导热性，提高液化效率，优选该结晶含碳氧化膜121C的膜厚为100nm～300nm。在距表面(与金属基材121A接触的面的相反面)3nm～5nm的地方，该含碳氧化膜121C中含有的碳的含有比率为5at％～50at％即可。而且，为了具有通过含有结晶碳而被赋予的特性且维持皮膜的强度，优选在距表面3nm～5nm的地方，该含碳氧化膜121C中含有的结晶碳的含有比率为8at％～40at％。

为了提高导热，优选结晶含碳氧化膜121C中含有的结晶碳为碳纳米管、富勒烯、石墨烯等。

微小突起121B设置在结晶含碳氧化膜121C的表面(与金属基材121A接触的面的相反面)，微小突起121B的相邻的顶点的平均间隔为20nm以上且80nm以下，突起的顶点的高度的平均值为10nm以上且70nm以下，并且所述平均高度除以平均间隔的值即纵横比小于1即可。

而且，该微小突起121B为了赋予更高的与冷媒的润湿性，更优选微小突起121B的相邻的顶点的平均间隔为25nm以上且65nm以下，突起的顶点的高度的平均值为15nm以上且55nm以下，并且所述平均高度除以平均间隔的值即纵横比小于0.83。

以下，基于图5～图8说明第一实施方式的实施例。实施例中的热交换器121由外径8mm(内径6mm)×220mm的铝管制作而成。为了在该铝管(金属基材121A)的内表面设置具有微小突起121B的结晶含碳氧化膜121C，进行以下处理。

首先，使该铝管(金属基材121A)在乙醇中进行浸渍脱脂(浸渍时间：30分钟)。然后，如图5所示，将与电路400连接的铝管以及电极404以使电极404不与铝管的内表面接触的方式插入的状态浸渍在装有处理液301的浴槽300中，电极404位于铝管的内部，与电路400连接，由SUS304(304不锈钢)制造而成。关于浴槽300内的处理液301，将氢氧化钠以及通过分散剂而分散在纯化水(purified water)中的0.2％的单壁碳纳米管分散液以使其浓度分别到达0.85g/l、1.35ml/l的方式添加到纯化水中，以使液温达到30℃的方式调整温度。

然后，在将电流以沿图6所示的箭头的方向流动的情况作为+方向的电流的情况下，以图6所示的那样的模式，通过整流器401、整流器402和切换开关403，对铝管加载电压。

最后，进行水洗，在恒温槽内进行干燥(80℃、30分钟)。这样，在铝管(金属基材121A)的表面设置200nm的结晶含碳氧化膜121C的同时，在结晶含碳氧化膜121C的表面设置微小突起121B(图4)，相邻的微小突起121B的顶点的平均间隔为61nm，微小突起121B的高度的平均值为50nm，由此构成为热交换器121。

＜验证试验＞

在此，说明散热部中的热交换器所需的特性。散热部中的热交换器通过从在冷却部气化并用压缩机变为高温高压的气体状态的冷媒夺取热量并向外部散热，由此使冷媒液化。此时，需要以使冷媒能够在系统内循环的方式使全部冷媒液化。因此，若热交换器的冷媒接触的单位面积的液化效率变差，则当然热交换器的尺寸会变大，限制冷却系统的设置，且成本大幅增加。

而且，一般来说，在半导体的冷却系统中，散热部比冷却部大，因此所述液化效率影响单元整体的大小和成本。因此，对于散热部的热交换器，需要提高液化效率。

对于构成本发明的热交换的管而言，表示与冷媒(氟碳等所谓的氟利昂类或甲基九氟丁基醚与甲基九氟异丁基醚的混合物等)的润湿性的接触角能够非常小。例如，在铝的情况下，通过构成为本发明的结构，能够使接触角从未处理的4.18°变为0.67°，因此冷媒容易流动并回收。另外，在本发明的结构中，含有碳纳米管等导热性优异的结晶碳，因此热交换性优异。因此，本发明的热交换器的液化效率优异。

如图7所示，在恒温槽510的外部，将图2～图4、图8所示的本发明的热交换器121(与冷媒的接触角为0.67°结晶碳的含有率为10％(距表面5nm的地方))以及用于比较的由内表面为图9那样且形状与本发明相同的未处理的铝管构成的热交换器522(与冷媒的接触角为4.18°结晶碳的含有率为0％(距表面5nm的地方))一同与硅胶管541、542连接设置，硅胶管541、542与冷媒容器531、532连接，冷媒容器531、532设置在图7所示的液化特性评价器500的恒温槽510内且内封有冷媒。

然后，通过运转至恒温槽510内达到70℃，使冷媒容器531、532内的冷媒蒸发，将在各热交换器121、522内气化的冷媒导入，通过回收容器551、552将在室温(15℃)下冷却并液化的冷媒回收，测定液化的重量，分别除以进入冷媒容器531、532的冷媒的重量，由此导出液化效率。

其结果是，确认到本发明的热交换器121的液化效率为71.1％，比用于比较的未处理热交换器522的液化效率59.8高。

此外，在本实施例中，为了形成表面具有微小突起121B的结晶含碳氧化膜121C，使用了上述条件下的湿法电解处理，但不限于此，也可以通过其他条件或其他处理方法(使用了含有碳纳米管的金属氧化物靶的溅射或溶胶-凝胶法等)形成。但是，湿法电解处理在成本方面比其他处理方法优异。

这样，与以往的追加气液分离部等机构的机构相比，本发明的热交换器121(也可以是热交换器用构件)可实现以下效果：能够减小冷却系统整体的尺寸，放宽设置限制，且不伴随大的变更，因此与冷却系统关联的部位不需要变更，从而能够抑制成本增加。

另外，本发明的第一实施方式不限于构成热交换器121那样的管形状的构件，也可以是构成设置在热交换器内部且用于冷却冷媒的隔壁的构件或内部翅片等构件，在任何情况下，都可实现与构成热交换器121的构件同样的效果。

另外，通过构成上述热交换器121的构件、构成设置在上述热交换器内部且用于冷却冷媒的隔壁的构件、内部翅片等构件构成的热交换器，当然可实现与热交换器121同样的效果。

而且，设置有由本发明的实施方式的构件构成的热交换器的冷却系统明显也可实现与上述热交换器121同样的效果，因此能够实现以下效果：能够使冷却系统整体的尺寸变小，放宽设置限制，且不伴随大的变更，因此与冷却系统关联的部位不需要变更，从而能够抑制成本增加。

(第二实施方式)

以下，基于图10～图17说明本发明的实施方式。

＜安装有构件的半导体冷却系统的结构＞

图1是示出半导体冷却系统100的示意图。半导体冷却系统100由冷却部110、散热部120、压缩机130、膨胀阀140等构成。

冷却部110由热交换器111和半导体150构成，在热交换器111的内部，在冷媒气化时，在半导体150产生的热量被夺走，半导体150被冷却。本发明的热交换器用构件是指构成热交换器111的构件。在以后的说明中，将热交换器用构件作为在内部使冷媒气化的管即构成热交换器111的构件进行说明。

＜构件的结构＞

图10以及图10的a-a剖面图即图11是示出本发明的热交换器用构件的具体示例即构成热交换器111的管的图。如图11所示，在由形成管的主要材料(铜、铝、不锈钢等)构成的金属基材111A上具有结晶含碳氧化膜111C，在结晶含碳氧化膜111C上设置有微小突起111B。具有该微小突起111B的结晶含碳氧化膜111C为含有结晶碳的金属氧化膜，在热交换器111中，赋予以下功能：提高与成为液体的冷媒接触的管内表面与冷媒的润湿性，即使在冷却时冷媒开始气化，也会增加与冷媒的接触面积，进一步含有的具有高导热系数的结晶碳使导热系数提高，因此提高了从半导体150经由热交换器111对冷媒传递的热量的传递效率(气化效率)。

管由铜管、铝管或不锈钢管等金属管构成。管的壁厚和长度不受特别限定，根据使用目的适当决定。

结晶含碳氧化膜111C是含有结晶碳且与金属基材材料相同或同样的金属的氧化物。该结晶含碳氧化膜111C的膜厚为10nm～300nm即可。而且，为了充分利用含有的结晶碳类的导热性，提高气化效率(＝向冷媒传递来自半导体的热量的效率)，优选该结晶含碳氧化膜111C的膜厚为100nm～300nm。在距表面(与金属基材121A接触的面的相反面)3nm～5nm的地方，该含碳氧化膜121C中含有的碳的含有比率为5at％～50at％即可。而且，为了具有通过含有结晶碳而被赋予的特性且维持皮膜的强度，优选在距表面3nm～5nm的地方，该含碳氧化膜121C中含有的结晶碳的含有比率为8at％～40at％。

为了提高导热，优选结晶含碳氧化膜111C中含有的结晶碳为碳纳米管、富勒烯、石墨烯等。

微小突起111B设置在结晶含碳氧化膜111C的表面(与金属基材111A接触的面的相反面)，微小突起111B的相邻的顶点的平均间隔为20nm以上且80nm以下，突起的顶点的高度的平均值为10nm以上且70nm以下，并且所述平均高度除以平均间隔的值即纵横比小于1即可。

而且，该微小突起111B为了赋予更高的与冷媒的润湿性，更优选微小突起111B的相邻的顶点的平均间隔为25nm以上且65nm以下，突起的顶点的高度的平均值为15nm以上且55nm以下，并且所述平均高度除以平均间隔的值即纵横比小于0.83。

以下，基于图13～图16说明第二实施方式的实施例。实施例中的热交换器111根据图15所示那样的在中央开有

首先，将该方铜棒(金属基材111A)在乙醇中进行浸渍脱脂(浸渍时间：30分钟)。然后，如图13所示，将与电路600连接的方铜棒以及电极604在以使电极604不与方铜棒上开设的孔的内表面接触的方式插入的状态下，浸渍在装有处理液701的浴槽700中，电极604位于方铜棒的内部，与电路600连接，由SUS304(304不锈钢)制造而成。关于浴槽700内的处理液701，将氢氧化钠以及通过分散剂而分散在纯化水中的0.2％的单壁碳纳米管分散液以使其浓度分别到达0.85g/l、1.35ml/l的方式添加到纯化水中，以使液温达到30℃的方式调整温度。

然后，在将电流沿图14所示的箭头的方向流动的情况作为+方向的电流的情况下，以图14所示的那样的模式，通过整流器601、整流器602和切换开关603，对铝管加载电压。

最后，进行水洗，在恒温槽内进行干燥(80℃、30分钟)。这样，在方铜棒(金属基材111A)的表面设置150nm的结晶含碳氧化膜111C的同时，在结晶含碳氧化膜111C的表面设置微小突起111B(图12)，相邻的微小突起111B的顶点的平均间隔为30.0nm，微小突起111B的高度的平均值为16.4nm，由此构成为热交换器111。

＜验证试验＞

在此，说明冷却部中的热交换器所需的特性。在冷却部中的热交换器中，在散热部液化并穿过膨胀阀而变为低温低压的液体状态的冷媒接受由冷却对象的半导体产生的热量而气化，由此进行冷却。此时，若不能有效地夺取在半导体产生的热量，则半导体的温度上升，最终被破坏。另一方面，近年来，半导体集成度越来越高，因此，运作时产生的热量也逐渐增加。因此，需要以使冷媒能够在使冷媒气化并带走热量的效率(此后称为气化效率)得到提高的系统内循环的方式使全部冷媒液化。因此，若热交换器的冷媒接触的单位面积的液化效率变差，则当然热交换器的尺寸会变大，会限制冷却系统的设置，且成本大幅增加。

而且，一般来说，在半导体的冷却系统中，散热部比冷却部大，因此所述气化效率影响单元整体的大小和成本。

因此，对于冷却部的热交换器而言，需要提高使冷媒气化并带走热量的效率(气化效率)即向冷媒的传热系数。

另外，随着更高集成化的进行，由于在半导体中产生的热量而使冷媒在半导体的跟前气化，会产生不管流过多少冷媒都无法冷却的烧毁(burnout)，因此，成为限制半导体的集成化的主要原因。因此，需要将传热系数以及发生烧毁的临界热通量一同提高。

在构成本发明的热交换器111的方棒中的孔的内表面，表示与冷媒(氟碳等所谓的氟利昂类或甲基九氟丁基醚与甲基九氟异丁基醚的混合物等)的润湿性的接触角能够非常小。例如，在铜的情况下，通过构成为本发明的结构，能够使接触角从未处理的5.72°变为1.77°，因此即使冷媒开始气化，因为冷媒与孔内表面能够以更大的面积接触，所以有效地传递热量。另外，在本发明的结构中，含有碳纳米管等导热性优异的结晶碳，因此进一步提高热交换性。因此，本发明的热交换器的气化效率(传热系数)优异。

将图10～图12、图16所示的本发明的热交换器111(与冷媒的接触角为1.77°、结晶碳的含有率为12％(距表面5nm的地方))以及用于比较的由内表面如图17那样且形状与本发明相同的未处理的方铜棒构成的热交换器911(与冷媒的接触角为5.72°、结晶碳的含有率为0％(距表面5nm的地方))交替地设置在图15所示的气化特性评价器800的测量部，在设置的热交换器111、911的上表面放置看起来像半导体的陶瓷加热器151或152。

然后，使气化特性评价器800的泵运转，使冷媒在气化特性评价器内循环，在此基础上，提高上述陶瓷加热器的输出，测定各部分的温度，由此导出本发明的热交换器111以及用于比较的未处理热交换器911相对于冷媒的传热系数和临界热通量。

其结果是，确认到本发明的热交换器111的传热系数为6.72W/(m

此外，在本实施例中，为了形成表面具有微小突起111B的结晶含碳氧化膜111C，使用了上述条件下的湿法电解处理，但不限于此，也可以通过其他条件或其他处理方法(使用了含有碳纳米管的金属氧化物靶的溅射或溶胶-凝胶法等)形成。但是，湿法电解处理在成本方面比其他处理方法优异。

这样，与以往的未对与冷媒接触的接触面进行处理的热交换器911相比，本发明的热交换器111(也是热交换器用构件)的传热系数(气化效率)优异，所以可实现以下效果：能够减小冷却系统整体的尺寸，放宽设置限制，且临界热通量也得到提高，从而能够更新半导体的集成化极限。

另外，本发明的第二实施方式不限于构成热交换器111那样的开孔方棒状的构件，也可以是构成设置在热交换器内部且用于使冷媒气化的隔壁的构件或内部翅片等构件，无论哪种情况下，都可实现与构成热交换器111的构件同样的效果。

另外，由构成上述热交换器111的构件、构成设置在上述热交换器内部且用于使冷媒气化的隔壁的构件或内部翅片等构件构成的热交换器当然可实现与热交换器111同样的效果。

而且，设置有由本发明的实施方式的构件构成的热交换器的冷却系统明显也可实现与上述热交换器111同样的效果，因此能够实现以下效果：能够使冷却系统整体的尺寸变小，放宽设置限制，且不伴随大的变更，因此与冷却系统关联的部位不需要变更，从而能够抑制成本增加，而且还可以更新半导体的集成化极限。

此外，确认到作为本发明的实施方式的构件(管)的内表面能够降低在冷却系统内的液体和气体混合的状态下冷媒循环时的压力损失，例如与未处理压力损失的情况相比，通过对不锈钢管的内表面进行在实施例1、2中进行的处理，在气体与液体的体积混合比为30％时能够使压力损失降低37％。

因此，实现能够降低用于使冷媒循环的泵的能量消耗的效果。

本发明不限于上述各实施方式，能够在权利要求所示的范围内进行各种变更，通过将各种实施方式中分别公开的技术手段适当组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。而且，通过将各实施方式中分别公开的技术手段进行组合，能够形成新的技术特征。

工业上的可利用性

本发明能够用于需要提高液化特性及/或气化特性的热交换器用构件。

附图标记说明

100：半导体冷却系统、

121：热交换器(散热部)、

121A：金属基材、

121B：微小突起、

121C：结晶含碳氧化膜(金属氧化膜)、

300：浴槽、

400：电路。