JP2013147542A

JP2013147542A - 放熱塗料及びこれを利用した放熱部材、発熱電子部品、発熱機械部品

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Publication number: JP2013147542A
Application number: JP2012007530A
Authority: JP
Inventors: Hirohide Imai; 寛秀今井
Original assignee: AZ TEC KK; SYOKEN CO Ltd
Current assignee: AZ TEC KK; SYOKEN CO Ltd
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】改善された放熱性塗料の提供。
【解決手段】遠赤外線を放射する材料から構成される粉末である遠赤外線放射粉末と、金属粉末と、を含む放熱塗料を提供する。特に、前記遠赤外線放射粉末は、3Al2O3・2SiO2（ムライト）、2MgO・2Al2O3・5SiO2（コージェライト）、ZrO2・SiO2（ジルコン）、MgO、ZrO2、ブラックシリカのいずれか一又は二以上の組み合わせ材料からなる粉末である。
【選択図】なし

Description

本発明は、電子部品、機械部品などの放熱を目的として塗布される放熱塗料に関する。

従来、電子部品や機械部品の発熱対策として冷却水を用いた冷却機構を備えたり、放熱フィンを用いるなど機械構造によって熱の低減が図られていた。一方、近年はLEDに代表されるように微細な構造体での発熱が問題となり、機械構造に頼っての放熱対策は難しくなりつつある。そこで、特許文献１では、人工鉱石粉末及び酸化アルミニウムを塗料の形態を有して硬化させることにより、例えばモータや発電機等の外壁面等に担持させることができる放熱塗料及びその製造方法が開示されている。特許文献１の技術は、酸化アルミニウムと液状エポキシ樹脂との混合溶液からなる主剤と、珪素化合物、トルマリン、セラミックのいずれかを溶融させた後に、鉄、アルミニウム、カルシウムを添加し、その後に冷却し、さらに高温で再度溶融した後に冷却して得た鉱石塊を粉砕して得られる人工鉱石粉末と、上記主剤と上記人工鉱石粉末とに混合させてこれらを硬化させる硬化剤と、を有し、モータ等の発熱しやすいケース外壁面に担持させる放熱塗料とした技術が公開されている。

特開2011-236344

しかし、電子部品の消費電力はますます大きくなり、従来の放熱塗料でも十分な放熱を得られなくなりつつあるという課題がある。

以上の課題を解決するために、第一の技術として、遠赤外線を放射する材料から構成される粉末である遠赤外線放射粉末と、金属粉末と、を含む放熱塗料を提供する。このとき、前記遠赤外線放射粉末は、MgO、ZrO2、3Al2O3・2SiO2（ムライト）、ZrO2・SiO2（ジルコン）、2MgO・2Al2O3・5SiO2（コージェライト）、ブラックシリカのいずれか一又は二以上の組み合わせ材料からなる粉末であり、又は前記遠赤外線放射粉末は、3CaO・SiO2（ケイ酸三カルシウム）、2CaO・SiO2（ケイ酸二カルシウム）、3CaO・Al2O3（カルシウムアルミネート）、4CaO・Al2O3・Fe2O3（カルシウムアルミノフェライト）、CaSO4・2H2O（硫酸カルシウム）のいずれか一又は二以上の混合物であり、たとえば、3CaO・SiO2（ケイ酸三カルシウム）：2CaO・SiO2（ケイ酸二カルシウム）：3CaO・Al2O3（カルシウムアルミネート）：4CaO・Al2O3・Fe2O3（カルシウムアルミノフェライト）：その他の比が重量比で、50:26:9:9:6であったり、67:9:8:8:8であったり、48:30:5:11:6であったり、27:58:2:8:5であったり、57:23:2:13:5であったりする。これらの成分組成は±１０％程度の誤差があってもよい。

さらには、前記遠赤外線放射粉末は、酸化カルシウム (CaO)、酸化アルミニウム (Al2O3)、酸化鉄 (Fe2O3) いずれか一又は二以上の混合物である放熱塗料を提供する。さらに、第一の技術を基本とした第二の技術として、その金属粉末を構成する金属材料は、銅、銀、金のいずれか一又はこれらの組み合わせである放熱塗料を提供する。さらに前二者の技術を基本とした第三の技術として、シリコーンを含有した放熱塗料を提供する。さらにこれら第一から第三の技術を基本とした第四の技術として、さらにカーボン材料からなる粉末を含有した放熱塗料を提供する。さらに第四の技術を基本とした第五の技術として、前記カーボン材料からなる粉末は、カーボンナノチューブである放熱塗料を提供する。さらに第四の技術を基本として第六の技術として前記カーボン材料からなる粉末は、カーボンナノファイバーである放熱塗料を提供する。さらに第一の技術から第六の技術を基本とした第七の技術として、さらに酸化シリコン粉末を含有した放熱塗料を提供する。さらに第一の技術から第七の技術の放熱塗料を塗布して構成される放熱部材を第八の技術として提供する。また、第一の技術から第七の技術の放熱塗料を塗布して構成される発熱電子部品を第九の技術として提供する。さらに、第一の技術から第七の技術の放熱塗料を塗布して構成される発熱機械部品を第十の技術として提供する。

以上のような構成をとる本発明によって、従来の放熱塗料よりもさらに放熱性を高めることができる。

実施例１などの放熱塗料を製造するプロセスを表す図実施例１などの放熱塗料の組成を表す図実施例１などの放熱塗料の他の組成を表す図

以下に、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施しうる。なお、実施例１は、主に請求項１から請求項５について説明する。また、実施例２は、主に請求項６について説明する。また、実施例３は、主に請求項７から請求項１０について説明する。また、実施例４は、主に請求項１１から請求項１３について説明する。

≪実施例１≫

<概要>

本実施例の放熱塗料は、遠赤外線を放射する材料から構成される粉末である遠赤外線放射粉末と、金属粉末と、を含む放熱塗料である。

<実施例１の説明>

本実施例の放熱塗料は、主に二つの機能要素を含む点に特徴がある。一つは、放熱機能要素、もう一つは熱伝導をよくする機能要素である。前者について検討すると、放熱機能要素は、熱伝達の効率の高さが求められる。熱伝達の効率の高さを高めるために発明者は、対流熱伝達ではなく、放射熱伝達に注目した。対流熱伝達は周囲環境依存が大きいため電子部品や機械部品への応用が比較的難しい反面、放射熱伝達は、このような心配なく一定の放熱効果が期待できるからである。

そこで種々検討した結果、放射熱伝達を高めるために遠赤外線放射能力が高いとされる材料がこれに適しているとの結論を得た。遠赤外線放射能力が高いとされる材料は、比較的高い放射率を有するからである。

その値は一般に約0.7〜0.9程度であり、特に0.8以上の放射率、できれば、0.9以上の放射率を有する材料が好ましい。

発明者らは、種々検討の結果、高い遠赤外線放射特性を有する材料として、粉末であって、MgO、ZrO2、3Al2O3・2SiO2（ムライト）、ZrO2・SiO2（ジルコン）、2MgO・2Al2O3・5SiO2（コージェライト）、ブラックシリカの中のいずれか一又は二以上の組み合わせ材料からなる粉末又は、この粉末を含む粉末を開発した。
図２は、これらの組成を例示したものである。MgO：ZrO2：3Al2O3・2SiO2（ムライト）：ZrO2・SiO2（ジルコン）：2MgO・2Al2O3・5SiO2（コージェライト）：ブラックシリカの重量比を示すが、これらの組成は±１０％程度ばらついていてもよい。又さらに、3CaO・SiO2（ケイ酸三カルシウム）、2CaO・SiO2（ケイ酸二カルシウム）、3CaO・Al2O3（カルシウムアルミネート）、4CaO・Al2O3・Fe2O3（カルシウムアルミノフェライト）、CaSO4・2H2O（硫酸カルシウム）のいずれか一又は二以上の混合物からなる粉末またはこれを含む粉末が適していることを突き止めた。

たとえば、図３に示すように3CaO・SiO2（ケイ酸三カルシウム）：2CaO・SiO2（ケイ酸二カルシウム）：3CaO・Al2O3（カルシウムアルミネート）：4CaO・Al2O3・Fe2O3（カルシウムアルミノフェライト）：その他の比が重量比で、（D）50:26:9:9:6であったり、（E）67:9:8:8:8であったり、（F）48:30:5:11:6であったり、（G）27:58:2:8:5であったり、（H）57:23:2:13:5である。これらの成分組成は±１０％程度の誤差があってもよい。

また、この粉末は、酸化カルシウム (CaO)、酸化アルミニウム (Al2O3)、酸化鉄 (Fe2O3) の中のいずれか一又は二以上の混合物からなる粉末であってもよいことも判明した。

さらに、K2O、Na2O、CaO、Al2O3、SiO2から構成される材料も遠赤外線放射特性が優れることが判明している。さらにこれらに、MgO、P2O5、Fe2O3を加えても良い。

二つ目の機能要素として熱伝導の良い材料である点について説明する。熱伝達が良くても、熱伝導が不十分であれば放熱材料としては不十分である。そこで、従来は熱伝達が良いセラミックなどが注目されていたところ、発明者は金属材料を採用するべきであるとの結論に至った。一般に金属材料は、熱伝導が良く、特に、金や銅は熱伝導が良いとされる。しかし、従来放熱材料として十分に検討されてこなかった理由として、電気伝導性が良くなり所望の絶縁を保てないという問題があった。この問題は特に電子部品、電気製品の放熱材料にとってもっとも重要な課題の一つであった。しかし、発明者らは、実際に実験を行ったところ、危惧したほど絶縁性が大きくは損なわれることはない、と結論づけた。これは、一つ目の機能要素である遠赤外線放射能力が高い材料が実は高い絶縁特性を有する材料であることによって、導電性の高い金属を混ぜても絶縁性が落ちにくくなったものと考えられる。こうして、遠赤外線放射能力が高い材料の粉末と、絶縁性は悪いが熱伝導性が高い金属材料、特に金、銀、銅のいずれか一又はこれらの組み合わせからなる粉末とを混合した粉末を含む塗料が放熱塗料として最適であることを見いだした。

粉末の粒度であるが、粒度分布のσが粒径１ミクロン程度から粒径１００ミクロン程度が好ましく、さらに好ましくは粒径５ミクロン程度から粒径３０ミクロン程度である。さらに好ましくは粒径１０ミクロン程度である。粒度分布の２σが粒径１０ミクロン（±２０％）、さらにこのましくは、粒度分布の２σが粒径１０ミクロン（±１０％）であることが好ましい。

以上の材料からなる粉末を溶媒に溶かして塗料とする。溶媒は有機溶媒でも水性溶媒でも良い。また溶媒の粘度を制御することで塗料の厚みの制御が可能となる。十分な放熱のためには、厚さを１０ミクロン以上にすることが好ましい。また厚くなりすぎると場合によって亀裂などを生じる原因となるので厚さの最大値は０．５ミリ程度が好ましい。厚さの範囲としてさらに好ましいのは５０ミクロンから３００ミクロン程度である。熱衝撃に対する脆弱性もなく、かつ十分な放熱効果を得られるからである。

図１は、本実施例の放熱性塗料を製造する方法の一つの例を示すものである。まず、STEP -A1（０１０１）で金属部材例えば金、銀、銅をミルでひける程度の大きさに断片化する。さらにSTEP-A2（０１０２）で断片化された金属部材を有機溶剤に浸す。さらにSTEP-3（０１０３）にて有機溶剤中でミルなどで断片化された金属を粉末にする。有機溶剤中で粉末とするので金属の酸化を防止できる。一方、STEP-B1（０１０４）にて遠赤外線放射能力が高い部材を断片化し、さらにSTEP-B2（０１０５）にて断片化された遠赤外線放射能力が高い部材をミルなどで粉末化する。そして、STEP-C1（０１０６）にて粉末にされた金属と粉末にされた遠赤外線放射能力が高い部材とを混合し、STEP-C2（０１０７）にて混合された粉末にさらに塗料として必要な粘性などを持たせるための有機溶剤などを添加し、最終的な放熱塗料とする。

５ＷのLEDのLED素子配置基板の裏面に本件放熱塗料を塗布したものと、本件放熱塗料の金属粉末を含まないものと、の比較実験を行ったところ、本件発明の放熱塗料を塗布したものは摂氏７０℃程度にしか温度が上昇しないのに対して、前記金属粉を含まないものは摂氏９０℃程度にまで温度が上昇した。

≪実施例２≫

<概要>

実施例２は、実施例１の放熱塗料に、さらにシリコーンを含有した放熱塗料である。

<実施例２の説明>
シリコーン（「シリコン」ではない。）は、各種のシラン類を加水分解し、生成したシラノール (R3Si-OH)を脱水縮合したオリゴマー、ポリマーをいう。シリコーンは、耐熱性を有し、200℃を超える（構造と条件次第では400℃）高温に耐えるため、塗布後の放熱塗料の機械的強度を保つのに都合がよい。さらに、電気絶縁性が比較的高い点も好ましい。さらに、撥水性や、ガス透過性が高い点も好ましい。通常電子部品や、機械部品の表面は腐食などを防止するために保護が必要であり、撥水性が高いことはさびの防止に有効であり、特に本件発明の塗料に含有する金属材料からなる粉末が酸化して機能を失うのを有効に防止することができる。ガス透過性が高い点は塗料として乾燥工程が有利になる点で有効である。
シリコーンは、ケイ素上に有機性の置換基を多数備えていることから、置換基を導入することにより各種の機能強化が可能である。置換基を選択し、さらに骨格を環状や分枝構造とすることで、耐熱性や耐化学性、親水性や疎水性など、さまざまな機能が強化または付与される。たとえば、フッ素を含むフルオロアルキル基を導入すると、耐油性や疎水性が向上する。アミノ基を少量導入すると、塗料のエマルション特性が大きく改善される。さらに、ポリエーテル基を導入することで、潤滑性の改善に効果がある。これらは、本件発明の放熱塗料を用いる電子部品や、機械部品の性質に応じて選択することができる。

以上のように本件発明は実施例１の放熱塗料にさらにシリコーンを加えることで、放熱塗料の本来有すべき機能を損なうことなく、耐熱性、耐寒性、耐水性を向上させたり、絶縁性を向上させたり、塗布される部品によっては、離型性、はっ水性、潤滑性などの特性も兼ね備えることができるなど、幅広い機能を追加できる。また非腐食性であるので含有される他の粉末材料へ悪影響を与えることがほとんどない。また、塗料の引火点が高くなり、塗料としての保管性を向上させることも可能である。

≪実施例３≫

<概要>

実施例３は、実施例１、２の放熱塗料に、さらにカーボン材料からなる粉末を含有した放熱塗料である。

<実施例３の説明>

カーボン材料、即ち炭素又は炭素化合物は、良い熱伝導性を有する。そこで、実施例１又は実施例２の発明に係る放熱塗料にさらにカーボン材料からなる粉末、特にカーボンナノチューブ又は／及びカーボンナノファイバーを含有させたものはさらに放熱性を向上することができる。ちなみに、グラファイトでは、熱伝導性は(300 K) 119-165程度、ダイヤモンドでは900-2300程度、カーボンナノチューブでは 3000〜5500程度である。金属材料としては熱伝導率が高い銀が420程度であるので、その大きさがわかる。

さらに、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーを材料として用いることで、乾燥後の塗料の機械的強度をさらに高めることができる。なぜならこれらによって、不織布のような網の目構造が作り出され、機械的強度に優れるからである。従って振動の激しい機械部品などに応用する場合に適する。

さらにこれらに酸化シリコンを付加してもよい。酸化シリコンは比較的良い熱放射特性を有するからである。
≪実施例４≫

<概要>

実施例４は、実施例１、２、３の放熱塗料を塗布して構成される放熱部材、発熱電子部品、発熱機械部品である。

<実施例４の説明>

本実施例の放熱部材としては、板状部材、ブロック状部材、薄板状部材、紙状部材、ビーズ状部材、チューブ状部材、球状部材、線状部材、布状部材、毛状部材、柱状部材、など各種の形状がある。これらの形状は、放熱部材として利用する対象物に合わせて適宜選択できる。

たとえば板状部材は、発熱対象物を配置する基板などに利用できる。ブロック状部材は、発熱対象物を包囲する壁材などに利用できる。薄板状部材は、たとえば湾曲可能な材料であれば局面形状を有する発熱対象物に貼り付けて利用できる。紙状部材は、微細な隙間しか放熱部材を挿入できないときなどに利用できる。ビーズ部材は、放熱部材を配置すべきスペースが複雑で入り組んだ構造である際に、その構造部分に流し入れるようにして利用できる。チューブ状部材は、発熱対象物がコード状の形状である場合に利用できる。球状部材は、発熱対象物が流れたり転がったりする場合に、一緒に流し、転がすことで利用できる。線状部材は発熱対象物自体が線状であるような場合に周囲に巻き巡らしたり、あるいは一緒に布状に構成して利用できる。布状部材は、発熱対象物が局面を有する場合にその面に沿ったかたちに配置するように利用できる。毛状部材は、発熱対象物に植え付けるように配置することで放熱フィン機能をももたせることができる。柱状部材は、発熱対象物が管状であるような場合に挿入して利用できる。

本実施例の発熱対象物である電子部品としては、LEDなどの発光素子、LEDなどの発光素子を配置した構造体、LEDなどの発光素子ないしはLED構造体の放熱部品、CPUやMPU、GPUなどの演算回路、これらを配置した構造体、これらの放熱部品、DRAM、SRAMなどの記憶部品、これらの構造体、これらの放熱部品、ハイブリッドICなどの電子部品制御回路、電子部品制御回路構造体、これらの放熱部品、コンバータ、インバータなどの電流制御回路、並びに構造体、さらにこれらの放熱部品、コンデンサや二次電池（たとえばリチウムイオン二次電池など）などの蓄電部品、この構造体、これらの放熱部品、電流制御回路、この構造体、これらの放熱部品、ハードディスクドライブ、この構造体、これらの放熱部品、ルーターやハブなどの信号スイッチング回路、この構造体、これらの放熱部品、マイクロ波発生装置、電子ビーム発生装置、スピーカー振動板駆動部品、プロジェクターディスプレイの発光部品、プロジェクターディスプレイの反射部品、各種熱センサー、などが該当する。

本実施例の発熱機械部品としては、モーター、エンジン、ポンプ、電子機器（テレビ、レコーダ、パソコン、サーバ装置、記憶装置、電送装置、伝送装置、ファクシミリ、コピー、携帯電話、スマートフォン、カメラ、ラジオ、カーナビゲーション、時計、など）の筐体、電気機器の筐体、給湯器、発電機、配電盤、ボイラー、加熱炉、乾燥炉、ヒートシンクなどが該当する。

また、発熱はしないが、本件発明に係る放熱塗料を体温計の感温部分に塗布すると効率のよい体温計がえられる。また、本件発明に係る放熱塗料を繊維にしみこませて被服などを構成すると、夏に放熱性の良い服を得られる。さらに本件発明に係る放熱塗料を靴の中敷きや靴底の部材に塗布すると放熱性の良い靴をえることができる。

０１０１：金属部材を断片化するステップ
０１０２：断片化された金属部材を有機溶剤に浸すステップ
０１０３：有機溶剤中で断片化された金属を粉末化するステップ
０１０４：遠赤外線放射部材を断片化するステップ
０１０５：断片化された遠赤外線放射部材を粉末化するステップ
０１０６：粉末化された金属と遠赤外線放射材料とを混合するステップ
０１０７：混合粉末にさらに必要な溶剤などを添加するステップ

Claims

遠赤外線を放射する材料から構成される粉末である遠赤外線放射粉末と、
金属粉末と、
を含む放熱塗料。
前記遠赤外線放射粉末は、3Al2O3・2SiO2（ムライト）、2MgO・2Al2O3・5SiO2（コージェライト）、ZrO2・SiO2（ジルコン）、MgO、ZrO2、ブラックシリカのいずれか一又は二以上の組み合わせ材料からなる粉末である請求項１に記載の放熱塗料。
前記遠赤外線放射粉末は、2CaO・SiO2（ケイ酸二カルシウム）、3CaO・SiO2（ケイ酸三カルシウム）、3CaO・Al2O3（カルシウムアルミネート）、4CaO・Al2O3・Fe2O3（カルシウムアルミノフェライト）、CaSO4・2H2O（硫酸カルシウム）の中のいずれか一又は二以上の混合物である請求項１に記載の放熱塗料。
前記遠赤外線放射粉末は、酸化鉄 (Fe2O3)、酸化アルミニウム (Al2O3)、酸化カルシウム (CaO)、の中のいずれか一又は二以上の混合物である請求項１に記載の放熱塗料。
金属粉末を構成する金属材料は、銅、金、銀のいずれか一又はこれらの組み合わせである請求項１から４のいずれか一に記載の放熱塗料。
さらにシリコーンを含有した請求項１から５のいずれか一に記載の放熱塗料。
さらにカーボン材料からなる粉末を含有した請求項１から６のいずれか一に記載の放熱塗料。
前記カーボン材料からなる粉末は、カーボンナノチューブである請求項７に記載の放熱塗料。
前記カーボン材料からなる粉末は、カーボンナノファイバーである請求項７に記載の放熱塗料。
さらに酸化シリコン粉末を含有した請求項１から９のいずれか一に記載の放熱塗料。
請求項１から１０のいずれか一に記載の放熱塗料を塗布して構成される放熱部材。
請求項１から１０のいずれか一に記載の放熱塗料を塗布して構成される発熱電子部品。
請求項１から１０のいずれか一に記載の放熱塗料を塗布して構成される発熱機械部品。