JP2016207993A

JP2016207993A - 熱移送テープ。

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Publication number: JP2016207993A
Application number: JP2015096060A
Authority: JP
Inventors: 友美恵山口; Yumie Yamaguchi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2016-12-08

Abstract

【課題】
物質界面においては、熱移動を向上させるため熱源と熱伝導体を密着させ、熱移動を妨げる要因である空気層を排除することが必要である。本発明の熱移送テープは、樹脂系粘着剤や接着剤を使用するが、通常であるとその熱伝導率は、１〜２Ｗ／ｍｋと低い値である。この樹脂系粘着剤や接着剤の熱伝導率を、陽極酸化技術を使用して、現存する技術では実現出来ていない２０Ｗ／ｍｋ以上の数値に向上させ、熱移動を促進させる事を課題とし、熱移送機能の高い熱移送テープを作成する。
【解決手段】アルミ合金に樹脂系粘着剤や接着剤層を形成し、陽極酸化加工を施す事により、樹脂系粘着剤や接着剤に連続した金属イオンを含浸し、樹脂系粘着剤や接着剤の熱伝導率を向上させる。
発熱体や放熱部品に接着して空気層を排除し部品間の熱の移動を促進させる。
【選択図】図８

Description

発明の詳細な説明

本発明は、熱源部分の温度を低下させる事や、熱源より移送した熱を利用する事を目的として、他空間へ効率良く熱を移送するためのものである。

放熱性とは、概念であり、その重要要素として、物体の熱伝導率と表面の熱放射率が重きを占める。
自然界には、高熱伝導率で低熱放射率の金属の類と、高熱放射率で低熱伝導率の樹脂の類が存在し、その両機能を高率で共に有する物質は存在しない。そこで、双方を併用することで高熱伝導率と高熱放射率を具有する部品を製作しようとする試みがなされているが、金属と樹脂が接する界面は、金属の表面熱放射率が０．０３０ε前後と極端に低く、加えて、樹脂の表面熱放射率が０．８０ε前後と高率であるが、あまりにも双方の数値がかけ離れているために界面は熱の移動を妨げる強固な熱障壁として存在する事となる。即ち、薄膜化して積層しても、金属粉末を樹脂に混合しても依然として金属と樹脂の界面は存在し、熱の移動は妨げられる。

特開２０１３−１２０８１４号公報特開２０１４−１９３９６５号公報上記２件の特許は、樹脂に金属粉を混入させて薄膜化することにより金属の持つ１５０Ｗ／ｍｋを超える高い熱伝導率と樹脂の持つ０．８εを上回る熱放射率を利用してその複合物の放熱性を向上させる試みであるが、確かに、従来の樹脂薄膜の１〜２Ｗ／ｍｋの熱伝導率を超えて９Ｗ／ｍｋを下回ることの無い熱伝導率を示すわけであるが、部品の使用現場での将来的要求には充分な数値とは言い難く、可能な限りの熱伝導率を求められているのが現状である。

物質界面においては、熱移動を向上させるため熱源と熱伝導体を密着させ、熱移動を妨げる要因である空気層を排除することが必要である。本発明の熱移送テープは、樹脂系粘着剤や接着剤を使用するが、通常であるとその熱伝導率は、１〜２Ｗ／ｍｋと低い値である。この樹脂系粘着剤や接着剤の熱伝導率を、現存する技術では実現出来ていない２０Ｗ／ｍｋ以上の数値に向上させ、熱移動を促進させる事を課題とする。

問題を解決するための手段

陽極酸化加工は、図１に概略的に示されたような基本的構成の電解槽とその周辺機器により為される。陰極（Ｃ）が内壁に取り付けられた電解槽（Ａ）の電解液（Ｂ）に、加工材（Ｆ）を電極冶具（Ｅ）にて陽極（Ｄ）に取り付け浸漬し、直流電源（Ｇ）にて通電して直流電流を印加することにより、人為的に酸化を加速させ陽極酸化膜を得る。その時、加工材にジュール熱が発生するので、冷却機（Ｈ）にて電解液（Ｂ）を冷却し、ブロアー（Ｉ）によるエアー撹拌によりジュール熱による発熱を拡散させ加工材へのダメージを防ぐ。
金属の表面処理技術である陽極酸化技術は、酸性液に、ワークと呼ばれる加工材の金属製部品を浸漬し、通電して強制的にワーク表面を酸化させて酸化膜層を形成し表面硬度や耐食性を向上させる技術である。この時、ワークは、陽極に接続されているために一部溶解して電解液中にワークの金属イオンが溶出される。その時に、ワーク内に酸素が取り込まれて酸化浸透が起こり酸化膜が形成される。

酸化膜が形成されると電気抵抗値が上昇し、電流が流れ難くなるのであるが、電流は、抵抗値の少ない部分を目指し偏って流れ続ける。
この現象を利用して、金属ワークの一部に樹脂系粘着剤や接着剤層を形成し、酸性液に浸漬して通電すると、元々電気抵抗値の高い樹脂系粘着剤や接着剤層には電流は流れず、露出した金属面のみに酸化現象は進行する。酸化が進行してくると酸化膜が生じ、電気抵抗値は上昇して来る。電気抵抗値が、樹脂系粘着剤や接着剤層の電気抵抗値を上回った時に、樹脂系粘着剤や接着剤層を介して基材ワークの金属に電流が流れるようになる。この時、金属面からは、金属原子がイオン化して樹脂系粘着剤や接着剤層を通過して電解液中に溶出していく。
通電を終了した時、樹脂系粘着剤や接着剤層には、取り残された金属イオンが存在する。
ここにおいて、電流の流れに沿って、樹脂系粘着剤や接着剤層の中に連続した金属イオンが、カビの如く連結し存在する事となる。

図２は、アルミ合金の一部に約２５μｍのテフロン膜を形成して陽極酸化加工を行なった物の断面のＸ線線分析による成分分析である。
当然に、テフロン膜のＦ（フッ素）が高い強度で析出している。Ａｌ（アルミ）は、断面を切り出すときに断面全体に広がってしまっているが、洗浄しているので微量が全体的に強度低く析出している。ここには示されていないが、テフロン膜を構成するＣ（炭素）も強度が高く析出している。

図３は、図２の物を、陽極酸化加工したものである。
同じく、Ｘ線線分析を行ったところ、全体に、ＦよりもＡｌが高い強度で析出している。
ここで、双方強度が低いように見えるが、示されていないその他成分として、Ｃ、Ｏ、Ｈ、Ｓとアルミ合金の組成物質であった原子が存在するためである。
この比較結果から、電流を印加して製造されるので、テフロン膜中にＡｌ原子が連結して含浸されていることが窺える。

この様にして生じたＡｌイオンは、特許文献１や２に記載のように、樹脂層の中に熱伝導率の良い金属粉やカーボンが混入されていた時、個々に独立していた電気抵抗値の低い粉末をつなぎ合わし、直連結させていく事となる。また、一次の電解処理後に、二次的に金属の中でも高い熱伝導率を持つ銀が存在する電解液中にて交流電流を通電した時には、樹脂層の既存の金属イオンの直連結した道を通り基材金属の酸化膜に交流波形にて打ち込むが如く含浸していく。
通電を終了すると、樹脂層の金属イオンの直連結ラインに一部銀が存在する事となりその熱伝導率をなお向上させる事となる。
但し、目的とする商品においてのコスト対効果により、このプロセスを適用するかどうかは検討されるべきである。

熱伝導率が２１０Ｗ／ｍｋと高く、コストの低いアルミ合金を熱伝導体とした本発明品の構造を説明する。図４には、立体概略図を示す。図５には断面概略図を示す。図５に記載した如く、片面のみに接着剤が塗布されている（イ）のアルミ熱伝導体の吸熱部と放熱部のみに陽極酸化加工を施す。この時、吸熱部と放熱部には、（ハ）の陽極酸化膜と金属イオンが含浸された（ニ）の接着剤層が形成される。（ハ）の陽極酸化膜は熱放射率が０．９５εと熱吸収・放射機能が格段に向上している。また、（ニ）の接着剤層は、３０Ｗ／ｍｋを超える熱伝導率と、０．８０εを超える熱放射率とを有する。

吸熱部の接着剤にて熱源と接着させ、空気層を排除し、放熱部の接着剤にて放熱フィンと接着して空気層を排除し、放熱面積を増大させて放熱機能を享受する。これは、熱源温度の上昇を抑える事となる。加えて、廃熱を利用した暖房器具として、また、放熱フィンの替わりに放熱板を接着すれば省エネ保温用ホットプレートとしても機能する。この時の放熱フィンや放熱板は、アルミ合金に陽極酸化加工を施した物が好ましい。

断熱部は、放熱部への無駄の無い熱移動を促進する為に、０．０３５εと低いアルミ金属の熱放射率と、１Ｗ／ｍｋと低い接着剤の熱伝導率を利用して、積層する事により効率の良い断熱効果を生み出す。

では、熱障壁としての界面はどのようになっているのか。（イ）のアルミ合金に陽極酸化膜を生成させた時、アルミ合金と陽極酸化膜とはその界面において複合し（イ）と（ハ）の界面は、希薄となる。また、陽極酸化膜と金属イオンが含浸した接着剤層は、金属イオンで連結し界面は存在しない事となる。また、（ニ）の接着剤層とアルミ合金を陽極酸化加工した部品とを接着した時に、その表面熱放射率が、０．８０εと０．９５εで近似値となり、密着させて空気層を排除すれば、界面の存在は、限りなく希薄となる。
したがって、熱の移動を阻害する熱障壁も存在が希薄となる。

図６の断面概略図にて、熱伝導率が１６００Ｗ／ｍｋと非常に高いが、コストの高いグラファイトシートを熱伝導体とした本発明品の構造を説明する。（ｆ）のグラファイトシートの吸熱部と放熱部の各片面のみに（ｆ）のＺ軸方向の放熱効果を高める為に陽極酸化加工を施されたアルミ合金（ｃ）が陽極酸化加工を施されて金属イオンが含浸された接着剤（ｂ）にて（ｆ）のグラファイトシートに接着されている。
また、（ｃ）の接着された反対面には、断熱部の両面と同じくアルミ合金の生材（ａ）が接着剤（ｇ）にて接着されている。

（ｆ）のグラファイトシートは、厚さが２５μｍで柔軟性を持ち、平面のＸＹ軸の熱伝導率が１６００Ｗ／ｍｋで物体内での熱伝導機能は格段に高い。
但し、立体方向のＺ軸の熱伝導率は、炭素の結晶構造に垂直であるために１８Ｗ／ｍｋと平面に比べて極端に低い数値である。（ｃ）の陽極酸化加工を施されたアルミ合金表面の熱放射率は、０．９５εと比重に高い数値である。そして、（ｆ）と（ｃ）とを密着させている（ｂ）の接着剤は、連結した金属イオンの作用にて、高い熱伝導率を有し、（ｆ）との界面は、密着して空気層を排除し、各々の表面熱放射率は、０．８５εと近似値で界面熱障壁は希薄である。また、（ｃ）との界面は、連結した金属イオンで繋がり、界面熱障壁は存在しない。即ち、熱源からの熱エネルギーを効率よくグラファイトシートに伝え、その非常に高い熱伝導率でもって放熱部に瞬時に移送し、高い表面熱放射率を有する陽極酸化膜に伝え効率良く移送してきた熱エネルギーを空間に放射する。

図７は、吸熱部と放熱部に、（ｃ）の陽極酸化加工を施されたアルミ合金を貼付しているが、（ｆ）のグラファイトシートとの密着に熱伝導率に劣る、陽極酸化加工が施されていない（ｇ）の通常の接着剤を使用した部分で異なる、その他の部分は、図６と同様の構造であるテープの断面概略図である。

図８に、図６と図７の熱移送機能の差をグラフにて示す。
図６の構造の物は、ＡｎｏＧｓと表示されている。図７の構造の物は、Ｇｓ＋Ａｎｏと表示されている。
一定の電力で過熱したラバーヒーターで、熱源の温度が６０℃に至るまでの経過秒数を比較する。目的は、図６の吸熱部と放熱部の接着剤部分に金属イオンが含浸されていることにより、接着剤部分の熱伝導率が向上している事の証明である。熱源部分は、熱放射による熱エネルギーの喪失を防ぐ為に、熱放射機能を妨げる熱反射率の高いアルミ合金の生材にて試験片を挟み込んで外気への曝露を防いでいる。
結果は、図７のＧｓ＋Ａｎｏは、１１１６秒で６０℃に達したが、図６のＡｎｏＧｓは、１１１６秒時点で５１℃であり、６０℃に達するのに２４７９秒を要した。この事は、図６の構造の物は、熱エネルギーの損失が激しく、放熱部で効率よく放熱が行われたと解される。
その原因は、（ｂ）の陽極酸化加工が施され金属イオンが含浸された接着剤層の熱伝導率が向上した事と、積層した各物質の界面熱障壁が希薄になった事に他ならない。

では、（ｂ）の陽極酸化加工が施され金属イオンが含浸された接着剤層の熱伝導率は、どのくらいの数値であるのか。
図９の断面概略図のような試験片と、図１０の断面概略図のような試験片を測定して、その比較をもって算出した。
熱伝導率を計測するために試験片表面に（ｈ）の黒色ＰＥＴテープ厚さ３０μｍを貼付し図９と図１０の試験片の表面放射率を一定とした。
一定電力でもって加熱して、熱源温度と表面温度の差を導き出し、次の計
した。
結果、図９の構造の物は、１９．４８で、図１０は、１１．００であった。この数値は、（ｈ）黒色ＰＥＴテープの熱抵抗も含んでいるので、今回使用しているパナソニック社グラファイトシートの熱伝導率のカタログ値は１８Ｗ／ｍｋであるので、比例にて図１０の数値１１．００が１８Ｗ／ｍｋであることにより、図９の１９．４８の数値より、熱伝導率３１．８７Ｗ／ｍｋを導き出した。

これにより、［００１７］で述べた、（ｂ）の陽極酸化加工が施され金属イオンが含浸された接着剤層の熱伝導率が、通常の同種の接着剤より向上した事を裏打ちする事となり、［０００４］で述べた、本発明の課題を達成した。

アルミ合金を熱伝導体として使用した本発明品は、コストの低減が見込める。グラファイトシートを熱伝導体として使用した本発明品は、コストは上昇するが、アルミ合金の熱伝導率２３０Ｗ／ｍｋを大きく上回る１６００Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有する為に、熱源から放熱部までの距離が大きい場合に使用されるべきである。

この結果を利用してアルミ合金箔や樹脂繊維を布状に織り上げた布、または、天然繊維を織り上げた布を芯材とした高熱伝導率の樹脂接着剤両面テープも作成できる。
加えて、表面熱放射率の劣る金属表面に［００１８］に記載されている陽極酸化アルミに陽極酸化接着剤を形成した物を貼付すれば、表面熱放射率を向上させ、その金属の放熱機能を向上させることは可能である。
主に、熱エネルギーを音速に近いスピードで移送する銅製のヒートパイプの吸熱、放熱機能の向上には有効である。

使用用語の説明

グラファイトシートとは、黒鉛をシート状に加工したものであり、ダイヤモンドに次いで熱伝導率が高い。
熱伝導率とは、運動エネルギーである熱エネルギーをその物体内で如何に速く全体に行き届かせるかの機能数値である。
熱放射率（熱吸収率）とは、その物体の熱エネルギーを電磁波として、他の固体、液体、気体に如何に速く伝えるかの機能数値である。
反射率とは、文字通り、電磁波としての熱エネルギーを反射して物体内に取り込まない機能数値であり、熱吸収機能も低い。
放熱性とは、その物体内の熱エネルギーを如何に物体内に留めないかの機能であるが概念であり、その重要要素の主たるものとして、熱伝導率と熱放射率が在り、その反する物として、反射率が在る。
以上、学術的な表現を極力避けて説明をした。

陽極酸化加工電解槽概略図（Ａ）電解槽（Ｂ）電解液（Ｃ）陰極板（Ｄ）陽極導体棒（Ｅ）電極冶具（Ｆ）加工材（Ｇ）電源（Ｈ）冷却機（Ｉ）ブロアー散気管Ａ５０５２アルミ合金基盤にテフロン膜２５μｍを形成した試験片断面のＸ線による成分線分析グラフ。Ａｌ：アルミ、Ｆ：フッ素Ａ５０５２アルミ合金基盤にテフロン膜２５μｍを形成後、陽極酸化加工を施した試験片断面のＸ線による成分線分析グラフ。Ａｌ：アルミ、Ｆ：フッ素アルミ合金を熱伝導体として使用した、熱移送テープの立体概略図（イ）アルミ合金（ロ）接着剤（ハ）陽極酸化膜（二）陽極酸化加工を施した接着剤アルミ合金を熱伝導体として使用した、熱移送テープの断面概略図（イ）アルミ合金（ロ）接着剤（ハ）陽極酸化膜（二）陽極酸化加工を施した接着剤グラファイトシートを熱伝導体として使用した熱移送テープの断面概略図（ａ−１）熱伝導率の計測の為に、試験片の熱放射機能を抑制する目的で設置したアルミ合金（ａ）アルミ合金（ｂ）陽極酸化加工を施した接着剤（ｃ）陽極酸化加工を施したアルミ合金（ｄ）一定電力を印加して過熱したラバーヒーター（ｅ）計測用熱電対（ｆ）厚さ２５μｍのグラファイトシート（ｇ）接着剤グラファイトシートを熱伝導体として使用した熱移送テープの熱機能比較用の試験片の断面概略図（ａ−１）熱伝導率の計測の為に、試験片の熱放射機能を抑制する目的で設置したアルミ合金（ａ）アルミ合金（ｃ）陽極酸化加工を施したアルミ合金（ｄ）一定電力を印加して過熱したラバーヒーター（ｅ）計測用熱電対（ｆ）厚さ２５μｍのグラファイトシート（ｇ）接着剤図６と図７の試験片での、熱源温度が６０℃に至るまでの経過秒数の比較グラフ（ＡｎｏＧｓ）吸熱部と放熱部に陽極酸化加工が施された接着剤を使用した図６の試験片（Ｇｓ＋Ａｎｏ）通常の接着剤を使用した図７の試験片陽極酸化加工を施した接着剤層の熱伝導率を計測する為の試験片の断面概略図（ｈ）試験片表面の熱放射率を比較試験片と同じにする為の、厚さ３０μｍ黒色ＰＥＴテープ（ｉ）陽極酸化加工を施した厚さ１００μｍのアルミ合金（ｊ）陽極酸化加工を施した厚さ２５μｍの接着剤（ｋ）厚さ２５μｍのグラファイトシート（ｌ）熱計測用熱電対陽極酸化加工を施した接着剤層の熱伝導率を計測する為の比較用試験片の断面概略図（ｈ）試験片表面の熱放射率を比較試験片と同じにする為の厚さ３０μｍ黒色ＰＥＴテープ（ｋ）厚さ２５μｍのグラファイトシート（ｌ）熱計測用熱電対

Claims

アルミ合金の陽極酸化技術を使用して製造された、連結した金属イオンが含浸された樹脂系粘着剤や接着剤の部分を有する事を特徴として、アルミ合金を熱伝導体として使用した、熱源部分から他空間の低温度環境へ熱を移送させる事を目的としたテープ状の部品。
アルミ合金の陽極酸化技術を使用して製造された、連結した金属イオンが含浸された樹脂系粘着剤や接着剤の部分を有する事を特徴として、グラファイトシートを熱伝導体として使用した、熱源部分から他空間の低温度環境へ熱を移送させる事を目的としたテープ状の部品。