JP2005514491A - 冷却デバイス内のポリマー複合材料における相変化物質（ｐｃｍ）としてのパラフィン含有粉末の使用 - Google Patents

冷却デバイス内のポリマー複合材料における相変化物質（ｐｃｍ）としてのパラフィン含有粉末の使用 Download PDF

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Abstract

本発明は、相変化物質を含むポリマー複合材料に関し、冷却用のデバイス、特に電気および電子コンポーネントにおけるその使用に関する。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、相変化物質を含むポリマー複合材料およびその冷却デバイスとしての使用に関し、特に電気および電子コンポーネントに関する。
産業上の工程において、熱のピークまたは欠損を避けなければならず、すなわち温度制御が提供されなければならない。これは、通常熱交換を用いて達成される。最も単純な場合において、これらは単に熱を散逸させて周囲の空気に放出する熱伝導板からなり、またはその代わりに熱伝達媒体を含み、これは最初に熱を１つの場所または媒体から別のところに移動させる。
例えばマイクロプロセッサ（中央処理装置＝CPU）などの電子コンポーネントを冷却するための最先端の技術は、成形したアルミニウムから作られるヒートシンクであり、これは、支持部に取り付けられた電子コンポーネントからの熱を吸収し、冷却フィンを介して周囲に熱を放出する。一般に、冷却フィンにおける対流は、ファンによって増大する。
このタイプのヒートシンクは、コンポーネントの使用寿命および信頼性を減少させる、過熱状態を避けるために、高い外部温度およびコンポーネントの全負荷時の最も不都合な場合を対象にして、常に設計されなければならない。CPUにとっての最大稼働温度は、６０℃から９０℃の間であり、設計仕様に依存する。
CPUのクロックスピードはさらに速くなり、その発する熱量は、各新しい世代毎に急激に増えている。今のところ、最大３０ワットのピークの出力レベルを散逸する必要があり、８〜１２ヶ月後には、９０ワットまでの冷却容量が必要になると予測されている。これらの出力レベルは、従来の冷却システムではもはや散逸することができない。
例えば誘導ミサイル内などで起こるような極端な周囲条件において、電子コンポーネントにより発する熱を、例えば融解熱として相変化物質に吸収するヒートシンクが記載されている（US4673030A、EP116503A、US4446916A）。これらのPCMヒートシンクは、エネルギーの周囲への散逸の短時間での置換に役立ち、再使用できない（してはならない）。
公知の蓄熱媒体は、例えば、顕熱を蓄えるための水もしくは石／コンクリート、または塩、塩水和物またはその混合物などの相変化物質（PCM）、あるいは融解熱（潜熱）の形で蓄熱するための有機化合物（例えばパラフィン）である。
物質が融解するとき、つまり固相から液相に変化するときに、熱は消費され、つまり吸収されて、この物質が液体の状態である間は潜熱として蓄えられ、凝固するとすぐに、つまり液相から固相に変化するとすぐに、この潜熱は再び解放されることは公知である。
熱の移動または流れには温度差が必要なので、蓄熱システムの蓄熱は、基本的に放熱する間に得られる温度よりも高い温度が必要になる。熱の質は、再び利用可能となる際の温度に依存し、この温度が高ければ、熱をより良好に散逸させることができる。この理由で、蓄熱の際の温度レベルの減少は、可能な限り小さいことが望まれる。
潜熱は、PCMの相変化温度において蓄えられ、放出されるだけなのに対して、顕熱を蓄熱する場合において（例えば水を熱することによる）、熱の入力は、蓄熱媒体の一定の熱に関連する（放熱の間は反対）。したがって、潜熱の蓄熱は、温度損失が制限される蓄熱システムからの、および蓄熱システムへの熱の移動の際の損失に限定され、顕熱の蓄熱よりも有利である。
現在のところ潜熱蓄熱システムにおいて利用されている蓄熱媒体は、使用上不可避な温度範囲において固相液相変化を起こす通常物質、つまり使用中に溶解する物質である。
したがって、当該文献は、潜熱蓄熱システムにおける蓄熱媒体としてのパラフィンの使用を開示する。国際特許出願WO93/15625には、PCM含有マイクロカプセルを含む靴底が記載されている。WO93/24241には、このタイプのマイクロカプセルおよび結合剤（binder）を含むコーティングを有する織布が記載されている。ここで利用されているPCMは、好ましくは１３から２８の炭素原子を有するパラフィン炭化水素である。欧州特許EP-B-306202には、蓄熱特性を有し、蓄熱媒体がパラフィン炭化水素または結晶プラスティックである、繊維が記載されており、この蓄熱物質は、マイクロカプセルとして基の繊維物質に組み入れられている。
WO96/39473には、疎水性シリカ内にパラフィンを含み、熱エネルギーを蓄える特性を有する建築材が記載されている。この疎水化は、例えばシリカをシランまたはシリコンでコーティングして行われる。サライヤー（Salyer）他は、多くの保護された権利の中で、パラフィンが融ける場合にほとんど流出しない、または全く流出しない、パラフィンが含浸した、疎水化されたシリカまたは珪藻土について述べている。
DE 100 27 803は、相変化物質（PCM）の補助により、電気または電子コンポーネントの出力ピークを緩和することを提案しており、ここで、不規則な出力曲線を有する熱発生の電気および電子コンポーネントの冷却デバイスは、熱伝導ユニットおよび相変化物質（PCM）を含む熱吸収ユニットからなる。このPCMは、ヒートシンクに多種の方法で据え付けられる。必須となるヒートシンクへの物理的な変更は、この製品を非常に高価なものにする。それに加えて、熱放出ユニットからPCMへの熱伝達は、満足のいくものではない。
本発明の目的は、熱放出ユニットからPCMへの熱伝達を最大限に利用すること、および高い利用性、低価格、毒物学的な許容および簡易な製造によって特徴づけられる、電子コンポーネントのための冷却システムを提供することである。
この目的は、ポリマーおよびPCMが組み込まれたシリカマトリックスを含むポリマー複合材料および不規則な出力曲線を有する熱発生コンポーネントの冷却用のデバイスによって達成され、該デバイスは、本質的に熱散逸ユニット（１）およびメインクレームに記載の少なくとも１つのポリマー複合材料を含む、熱吸収ユニット（４）からなる。 特に、シリカマトリックスに組み込まれたPCMが、ポリマーに組み入れられる場合に、熱散逸ユニット（１）から熱吸収ユニット（４）への良好な熱伝達が生じる。
このポリマーの使用は、温度が変化するにもかかわらず、弾性を有するままであるため、特に有利であることが分かっている。これは、熱放出および熱吸収ユニットとの間に良好で長時間の接触をもたらす。
このポリマーの良好な処理性能もまた有利である。非硬化状態において、このポリマーを、上記した形状に容易に変化させることができる。また、このポリマーは、良好な各表面に良好な湿りをもたらす。
本発明は、特に、例えばデスクトップまたはラップトップコンピュータにおいて、マザーボードおよびグラフィックカード上の両方のメモリチップまたはマイクロプロセッサ(MPU＝超小型演算処理装置）、電源および動作中に熱を発生するその他の電子コンポーネントなどの不規則な出力曲線を有する電気および電子コンポーネントを冷却するためのデバイスに関する。
しかしながら、熱のピークを平坦にするために、PCMの補助を受けて冷却するこれらのタイプは、コンピュータの使用に制限されない。本発明に従うこのシステムは、変化する出力電力を有し、過熱により故障が起こり得るために、熱のピークが平坦にされるべきである、全てのデバイスにおいて使用可能である。それらの例は、一般性を制限するわけではないが、モバイル通信のための電力回路および電力スイッチング回路、携帯電話および固定送信器のための送信回路、産業電子機器および自動車の電気機械的動作部のための制御回路、衛星通信およびレーダー応用のための高周波回路、要素を動作させるためのシングルボードコンピュータならびに家庭用器具および産業電子機器のための制御ユニットである。さらに、本発明に従う冷却デバイスは例えばエレベータのモーター、サブステーション（sub-station）または内燃エンジンなどにおいて使用されてもよい。
本発明に従う冷却デバイスは、例えばヒートシンクである。過剰の熱ピークは、散逸される必要はなく、その代わりに緩和されるので、本発明に従う様式でのPCMの使用によって、冷却効率が低い従来の冷却デバイスの使用が可能になる。
熱発生コンポーネントからヒートシンクへの熱の流れは、妨害されるべきではなく、つまり、この熱は、まず熱散逸ユニット、例えばヒートシンクを通じて流れるべきであって、かつ、PCMに向かって流れるべきではない。ヒートシンクの設計によるが、熱が冷却フィンを介して散逸し得る前に、まずPCMが熱を吸収しなければならない場合に、この意味での妨害物は存在し、この設計のヒートシンクの性能は悪化する。
PCMが出力のピークを吸収するのみであることを保証するために、PCMは、好適に冷却デバイスの中に、もしくは接して配置され、熱散逸ユニットの古典的な効率が可能な限り悪化せず、かつ、熱散逸ユニットが、それぞれのPCMの相変化温度ＴＰＣを超過した場合にのみ、PCMへの顕著な熱の流れが生じる。この前において、PCMへの周囲の流れの通常の温度上昇の間には、少量の熱のみが吸収される。しかしながら、ＴＰＣに達すると、熱散逸ユニットを介して、さらなる冷却（つまり、熱の散逸）が起き、かつ、加えてPCMへの熱の流れが増大する。
熱散逸ユニットから熱吸収ユニットへの熱移動の改善は、当該ポリマーの金属に対する良好な接着によって達成される。
熱発生コンポーネントにより決定される臨界最大温度に依存して、公知のPCMの全てが適する。多種のPCMが本発明に従うデバイスに利用可能である。相変化温度が−１００℃から１５０℃の間であるPCMを使用することが理論的に可能である。電気および電子コンポーネントにおける使用のために、周辺温度から９５℃の範囲のPCMが好ましい。ここでいう物質は、パラフィン（Ｃ２０−Ｃ４５）、無機塩、塩水和物およびその混合物、カルボン酸または糖アルコールからなる群から選択され得る。非制限的な選択を表１に示す。
Figure 2005514491
パラフィンは特に好適である。固体／液体のPCMの場合、これらの物質の漏れを防ぐ必要がある。このPCM用のマトリックスとして適切なものは、特にポリマー、グラファイト、例えば膨張黒鉛、または例えばシリカなどの多孔性無機物である。疎水化されたシリカの使用が好適である。５０〜５５℃で融解するパラフィンを含む、Rubithermの“ＸＩ５０”の類の疎水化されたシリカを使用して実験が行われた。この物質の粒子は、約１００μｍの直径を有し、実質的に球状である。この形状は、体積／表面積の比が大きく、湿らすのに必要なポリマーの量が小さくなるため、ポリマーマトリックスへの組み入れにとって特に好ましい。
好適な態様において、ポリマー複合材料は、実際の蓄熱物質に加えて、補助物を任意に含む。この蓄熱物質および補助物は、混合され、好適には緊密な混合である。
この補助物は、好適には良好な熱伝導を有する物質または調整物（preparation）、特に金属粉末もしくは金属微粒子（例えばアルミニウムまたは銅）である。
本発明に従って、シリカマトリックス内の相変化物質は、ポリマーに導入される。使用中は、ポリマーは蓄熱媒体と熱散逸ユニットの表面との間に緊密な接触、つまり、良好な湿りをもたらす。例えば、潜熱蓄熱システムは、電子コンポーネントを冷却するために、正確に適合するように据え付けることができる。ポリマーは空気を接触面の空気を排出し、したがって、蓄熱物質と熱散逸ユニットとの間に近接な接触を保証する。しがたって、このタイプの媒体は、電子コンポーネントを冷却するためのデバイスにおいて、好適に使用される。
本発明に従うポリマー複合材料は、各表面に良好な湿りを容易にもたらす、どのようなポリマーを含み得る。ここでいうポリマーは、好適には硬化性ポリマー（curable polymer）またはポリマー前駆物質（polymer precursor）であり、特に、ポリウレタン、ポリエステル、ニトリルゴム、クロロプレン、ポリ塩化ビニル、シリコン、エチレン酢酸ビニル共重合体およびポリアクリレートからなる群から選択される。使用されるポリマーは、シリコンが特に好適である。蓄熱物質をこれらのポリマーに組み入れる適切な方法は、当業者にとって公知である。このタイプの混合物を安定化させるために適切で、必要な添加物を見出すのは当業者にとって容易である。
本発明に従うポリマー複合材料は、少なくとも１のポリマー、シリカマトリックス内のPCMおよび任意に添加物および／または補助物を含む。
さらに本発明は、本質的に熱散逸ユニット（１）および熱吸収ユニット（４）からなるデバイスに関する。熱散逸ユニット（１）および熱吸収ユニット（４）の各々、ならびに熱発生ユニット（２）は、熱発生ユニット（２）と熱散逸ユニット（１）との間の熱の流れが直接的な接触において生じるように、互いに関連して配置される。
熱散逸ユニット（１）がその表面積を増大させる構造を有する、本発明に従う冷却デバイスがさらに好適である。熱散逸ユニット（１）は、特に好適に冷却フィンを有する。このタイプの構造は、従来の冷却効率に好ましい効果を有し、本発明に従うデバイス全体の冷却効率を向上させる。さらに熱散逸ユニット（１）は、冷却効率を補助するために、好適に熱発生ユニット（２）の反対側にファンを有する。
熱発生ユニット（２）は、好適には電気または電子コンポーネントであり、特に好適にはMPU（超小型演算処理装置）であり、特にコンピュータのCPU（中央処理装置）またはメモリチップである。
本発明の一般的な例が、以下により詳細に説明される。
本発明に従うポリマー複合材料は、適切なポリマーをマトリックスとして含む。多数のポリマーが適切である。適切なポリマーは、弾性で表面の良好な湿りを容易にもたらすもので、通常アルミニウムまたは銅などの金属である。特に適切な物質は、その場で硬化し得るものである。シリコン、ポリウレタンおよびポリエステルが特に適切であることがわかっている。
使用されるPCMは、好適にはシリカマトリックス、好適には疎水化されたシリカマトリックスに組み込まれるパラフィンである。適切な補助物がポリマー複合材料に加えられる。良好な熱伝導を有する物質の添加が好適である。金属粉末、金属微粒子またはグラファイトが特に好適である。
複合材料中のPCMの割合は、５重量％から９５重量％の間が可能である。熱伝導性を向上させるために補助物が加えられる場合には、所望の混合比が設定され得る。適切な組成は、ポリマーを５重量％から９５重量％、PCMを５重量％から９５重量％、および補助物を５重量％から９５重量％含み、その合計は常に１００％である。特に適切な組成は、ポリマーを２０重量％から４０重量％、（シリカマトリックス内の）PCMを４０重量％から６０重量％、および熱伝導性を向上させるための補助物を１０重量％から３０重量％含む。
この組成のポリマー複合材料は、本発明に従うデバイス（図１）に用いられる。この物質は、ポリマー複合材料（熱吸収ユニット）とヒートシンク（熱散逸ユニット）との間に良好な接触がもたらされるようにデバイスに適用される。熱の流れが、まずヒートシンクを通じて生じ、後にポリマー複合材料またはPCMを通じて生じるように、すなわち、支持部（３）上のCPU（２）からポリマー複合材料（４）のPCMへの顕著な熱の流れが、ヒートシンクの対応する領域がこのPCMの相変化温度ＴＰＣを超過したときにのみ生じるように、ポリマー複合材料（４）がヒートシンクに配置される。したがって、ポリマー複合材料のPCMは、出力ピークのみを吸収するように保証されている。特定の状況下では、このポリマーは、開始剤（initiator）の追加によりその箇所で硬化する。
Figure 2005514491
以下の例は、これらに限定されることなく、本発明をより詳細に説明することを意図している。
例
例１
最大出力９０Ｗのプロセッサ用に、図１に示されるようなヒートシンクが設計される。５０〜５５℃で融解するパラフィンを含むシリカマトリックス（Rubitherm（ルビサーム）の“ＸＩ５０”）内のパラフィンが使用される。ポリマー複合材料は、７０重量％のＸＩ５０および３０重量％のシリコンから生成される。このポリマー複合材料は、ヒートシンクに加えられる。この方法で生成されるヒートシンクの冷却効率は十分である。
例２
最大出力９０Ｗのプロセッサ用に、図１に示されるようなヒートシンクが設計される。５０〜５５℃で融解するパラフィンを含むシリカマトリックス（Rubithermの“ＸＩ５０”）内のパラフィンが使用される。ヒートシンクのダイナミックスを改善するために、熱伝導する添加物が加えられる。ポリマー複合材料は、５０重量％のＸＩ５０、３０重量％のシリコンおよび２０重量％のアルミニウム粉末から生成される。このポリマー複合材料は、ヒートシンクに加えられる。改善された熱吸収および熱放出が見られ、これは特にPCMが再生するとすぐにはっきりと認められる。
いずれの実験においても、PCMとシリコンマトリックスとの間に有害な相互作用は見られなかった。さらに、ヒートシンク表面に良好な湿りが見られた。
本発明に従うヒートシンクを示す。

Claims (12)

  1. 蓄熱のための相変化物質（PCM）のマトリックスとして適するポリマー複合材料であって、ポリマー、前記PCMが組み込まれたシリカマトリックスおよび任意に添加物および／または補助物を含む、前記ポリマー複合材料。
  2. PCMとしてパラフィンがシリカマトリックスに組み込まれることを特徴とする、請求項１に記載のポリマー複合材料。
  3. PCMが疎水化されたシリカに組み込まれることを特徴とする、請求項１または２に記載のポリマー複合材料。
  4. シリカマトリックスのPCMが、シリコン、ポリウレタンおよびポリエステルからなる群から選択されるポリマーに組み入れられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のポリマー複合材料。
  5. 補助物がポリマーに加えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のポリマー複合材料。
  6. 補助物が良好な熱伝導性を有する物質、特に金属粉末、金属微粒子またはグラファイトであることを特徴とする、請求項５に記載のポリマー複合材料。
  7. 熱を発生するコンポーネントを冷却するためのデバイスであって、熱散逸ユニットおよび請求項１〜６に記載のポリマー複合材料の少なくともいずれか１つを含む熱吸収ユニットから本質的になる、前記デバイス。
  8. 熱散逸ユニットが、表面積が増大する構造、特に冷却フィンを有することを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
  9. 熱散逸ユニットが、付加的な冷却のためにファンを有することを特徴とする、請求項７または８に記載のデバイス。
  10. 請求項１〜６のいずれかに記載のポリマー複合材料を含むコンピュータ。
  11. コンピュータおよび電子データ処理システムにおける、請求項１〜６のいずれかに記載のポリマー複合材料の使用。
  12. モバイル通信のための電力回路および電力スイッチング回路、携帯電話および固定送信器のための送信回路、産業電子機器および自動車の電気機械的動作部のための制御回路、衛星通信およびレーダー応用のための高周波回路、要素を動作させるためのシングルボードコンピュータならびに家庭用器具および産業電子機器のための制御ユニットにおける、請求項１〜６のいずれかに記載のポリマー複合材料の使用。
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