JP2018070702A - 加熱装置と被加熱物間への介在用熱伝導ペースト及び該熱伝導ペーストを用いた熱伝導方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、効果的な熱伝導を実現し加熱装置たるヒーターの寿命を大幅に延ばすことができると共にヒーターの交換使用や繰り返し使用にも配慮した熱伝導ペーストを提供する。
【解決手段】 本発明に係る熱伝導ペーストは、熱伝導剤たる炭化ケイ素又は窒化ホウ素と、沈殿防止剤たるスメクタイト又はベントナイトと、水とを主剤として配合して成り、上記熱伝導剤、沈殿防止剤及び水の合計１００質量部に対して、該熱伝導剤を３０〜６０質量部含み、上記沈殿防止剤を１〜４質量部含むと共に上記水を３６〜６９質量部含む水性の熱伝導ペーストであり、当該熱伝導ペーストによれば、加熱面と被加熱面間の微細な隙間や空隙を有効に埋めて高効率の熱伝導を実現できる一方、乾燥後に加熱面と被加熱面とを容易に離間することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ヒーター等の加熱装置（発熱装置）と被加熱物間に介在し、加熱装置から発せられる熱を被加熱物へ効率良く伝導する熱伝導ペースト及び該熱伝導ペーストを用いた熱伝導方法に関する。

工業用のヒーター、例えばカートリッジヒーター、シーズヒーター、バンドヒーター、プレートヒーター等においては、射出成型機やシール機等の金属部分（被加熱物）に挿入したり、嵌合したり、固定したりして当該部分を加熱する。

これらヒーターは、自身の加熱面と被加熱物の被加熱面間に隙間や空隙（空気層、空間）があると、被加熱物に対する熱伝導にロスが発生するのみならず、ヒーター内部に熱が篭って抵抗加熱体たるニクロム線が切れてしまう等、ヒーターが破損するおそれを有している。

特にヒーター形状が円柱形であり被加熱物の丸孔に挿入して加熱する、カートリッジヒーターやシーズヒーターは、構造上、ヒーターの外径が丸孔の内径よりも小さくなければならず、ヒーター外周面（加熱面）と丸孔内周面（被加熱面）間に隙間が発生しやすい。

また、ヒーター形状が円筒形状であり円柱形状又は円筒形状の被加熱物の外周面に嵌合して加熱する、バンドヒーターは、構造上、ヒーターの内径が被加熱物の外径よりも大きくなければならず、ヒーター内周面（加熱面）と被加熱物外周面（被加熱面）間に隙間が発生しやすい。

また、そもそも加熱面や被加熱面に研磨等の表面処理を施したとしても僅かな凹凸は残存してしまい、この凹凸に起因して加熱面と被加熱面間に隙間や空隙が発生する。

そこで、下記特許文献１には、加熱面と被加熱面間の隙間や空隙を熱伝導率の高い材料を含むペースト（熱伝導ペースト）で埋めて、効率の良い熱伝導を促すという技術思想が開示されている。

特許第５２２３２２６号公報

しかしながら、上記特許文献１の熱伝導ペーストは、「硬化性樹脂」を主剤としており、したがって乾燥後には接着剤のように強固に硬化することを前提としている。

よって、例えば上記特許文献１の熱伝導ペーストを被加熱物に嵌合するヒーターに塗布すると、乾燥し硬化した後に当該ヒーターが被加熱物に接着されて取り外しが困難となる。ヒーター、特に工業用ヒーターは交換して使用する場合や繰り返して使用する場合が多々あり、取り外しは容易でなければならない。

本発明は効果的な熱伝導を実現しヒーターの寿命を大幅に延ばすことができると共に、ヒーターの交換使用や繰り返し使用にも配慮した熱伝導ペースト及び熱伝導方法を提供する。

要述すると、本発明に係る熱伝導ペーストは、熱伝導剤たる炭化ケイ素又は窒化ホウ素と、沈殿防止剤たるスメクタイト又はベントナイトと、水とを主剤として配合して成り、上記熱伝導剤、沈殿防止剤及び水の合計１００質量部に対して、該熱伝導剤を３０〜６０質量部含み、上記沈殿防止剤を１〜４質量部含むと共に上記水を３６〜６９質量部含む水性熱伝導ペーストであり、加熱面（発熱面）と被加熱面間の微細な隙間や空隙に均等且つ高密度に入り込んで効率の良い熱伝導を促すことができると共に、乾燥しても接着効果を発揮するほど硬化しないので、これによりヒーター等の加熱装置を使用後に簡単に被加熱物から取り外すことができる。

また、上記熱伝導剤、沈殿防止剤及び水の合計１００質量部に対して、更に３０〜１００質量部のグラフェン５％分散液又はグラファイト５％分散液を加えることにより、低粘度化を図ると共に当該熱伝導ペーストが塗布された面の滑性を良好にする。好ましくは、上記グラフェン５％分散液及び上記グラファイト５％分散液の溶媒として水を用いる。

また、本発明に係る熱伝導方法は、ヒーターの加熱面と被加熱物の被加熱面間に請求項１記載の熱伝導ペーストを未乾燥のまま、すなわち水分を富含有したまま介在させることにより、流動性を確保したまま介在させることができると共に上記加熱面と上記被加熱面とを密着させることができる。

本発明に係る熱伝導ペーストによれば、加熱面と被加熱面間の微細な隙間や空隙を有効に埋めて高効率の熱伝導を実現できる一方、乾燥後（ヒーター使用後）に加熱面と被加熱面とを容易に離間することができる。また、水性であるので、水で洗い流したり、濡れた布等で拭き取ったりして簡単に除去することができる。

また、本発明に係る熱伝導方法によれば、水分により加熱面と被加熱面とを密着させると共に熱伝導ペーストに流動性を持たせたまま加熱面と被加熱面間に介在させることができる。したがって加熱面と被加熱面間の隙間や空隙を効果的に埋めて効率の良い熱伝導を実現できる。

カートリッジヒーターの斜視図。 （Ａ）はカートリッジヒーターの被加熱物の丸孔内への挿入を説明する斜視図、（Ｂ）は被加熱物にカートリッジヒーターを挿入した状態を示す縦断面図。 ヒーターの加熱面と被加熱物の被加熱面とを拡大して示す断面図。 被加熱物にカートリッジヒーター又はシーズヒーターを挿入した状態を示す拡大横断面図。 （Ａ）はシーズヒーターを被加熱物に挿入した状態を示す斜視図、（Ｂ）は同縦断面図。 （Ａ）はバンドヒーターを被加熱物の外周面に嵌合した状態を示す斜視図、（Ｂ）は同縦断面図。 被加熱物にバンドヒーターを嵌合した状態を示す拡大横断面図。 （Ａ）はプレートヒーターを被加熱物に固定した状態を示す斜視図、（Ｂ）は同縦断面図。

以下、本発明に係る熱伝導ペーストについて詳述すると共に、当該熱伝導ペーストを用いた熱伝導方法について、図１乃至図８に基づき、説明する。

＜熱伝導ペースト＞
本発明に係る熱伝導ペーストは、熱伝導性を有する粉体である熱伝導剤と、該熱伝導剤の沈殿を防止する沈殿防止剤と、溶媒たる水とを主剤として配合して成る水性の熱伝導ペーストである。

熱伝導剤としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ホウ素（ＢＮ）の粉体を用いる。この内、炭化ケイ素の方が熱伝導性の他に耐熱性や硬度に優れており、より好ましい。

沈殿防止剤としては、スメクタイト又はベントナイトを用いる。これらの沈殿防止剤は水を吸収して膨潤し、高い粘性を有するゾルを形成し、上記熱伝導剤の沈殿を有効に防止する。

配合例として、熱伝導剤たる炭化ケイ素又は窒化ホウ素と、沈殿防止剤たるスメクタイト又はベントナイトと、水の合計１００質量部に対して、熱伝導剤を３０〜６０質量部含み、沈殿防止剤を１〜４質量部含むと共に水を３６〜６９質量部含む配合とする。この配合例に示す範囲で各剤を配合することにより熱伝導剤を適正に分散することができる。

また、本発明に係る熱伝導ペーストにあっては、上記熱伝導剤、沈殿防止剤及び水の合計１００質量部に対して、更に３０〜１００質量部のグラフェン５％分散液又はグラファイト５％分散液を加えることができる。これにより、低粘度化を図ると共に当該熱伝導ペーストが塗布された面の滑性を良好にする。好ましくは、上記グラフェン５％分散液及び上記グラファイト５％分散液の溶媒として水を用いる。

上記した熱伝導剤、沈殿防止剤及び水を主剤とする本発明に係る熱伝導ペーストを製造するときには、まず沈殿防止剤と水とを撹拌溶解しペースト状にした後に、熱伝導剤を混入し撹拌して当該熱伝導剤を分散させる。そして、粘度は２３〜２５Ｐａ・ｓ（２５℃）程度に調整する。

また、グラフェン５％分散液及び上記グラファイト５％分散液を追加する場合には当該分散液を加えてさらに撹拌し、粘度を１０〜１１Ｐａ・ｓ（２５℃）程度に調整する。

本発明に係る熱伝導ペーストによれば、加熱面と被加熱面間の微細な隙間や空隙を有効に埋めて高効率の熱伝導を実現できる一方、使用後に加熱面と被加熱面とを容易に離間することができる。

また、水性であるので、安心・安全に使用できると共に、乾燥後は水で洗い流したり、濡れた布等で拭き取ったりするだけで簡単に除去できる。

＜熱伝導方法＞
まず、代表的な工業用ヒーターであるカートリッジヒーター、シーズヒーター、バンドヒーター及びプレートヒーター（別名：フラットヒーター又はスペースヒーター）と被加熱物との関係について説明する。

図１，２はカートリッジヒーター１と小型金型等の被加熱物２との関係を示しており、同様に図５はシーズヒーター１と小型金型等の被加熱物２との関係を、図６はバンドヒーター１とパイプやノズル等の円柱又は円筒形状の被加熱物２との関係を、図７はプレートヒーターと平面形状の被加熱面２ａを有する被加熱物２との関係を示している。

カートリッジヒーター１は、図１に示すように全体として円柱形状であり、図２に示すように被加熱物２の丸孔５内に挿入して使用する。また、シーズヒーター１も、図５に示すように円柱形状であり、被加熱物２の丸孔５内に挿入して使用する。そのため、カートリッジヒーターやシーズヒーターは、構造上、ヒーター１の外径が丸孔５の内径よりも小さくなければならず、図４に示すように、ヒーター外周面、つまり加熱面１ａと丸孔内周面、つまり被加熱面２ａ間に隙間３Ａが発生しやすい。また、図３に示すように、加熱面１ａ又は／及び被加熱面２ａの凹凸形状により空隙３Ｂが発生する場合もある。本発明にあっては、後記するように、当該隙間３Ａや空隙３Ｂを熱伝導ペースト４で満たして効果的な熱伝導を行うことができる。

また、図６に示すように、バンドヒーター１はヒーター形状が円筒形状であり、円柱形状又は円筒形状の被加熱物２の外周面に嵌合して使用する。そのため、構造上、ヒーター１の内径が被加熱物２の外径よりも大きくなければならず、図７に示すように、ヒーター内周面、つまり加熱面１ａと被加熱物外周面、つまり被加熱面２ａ間に隙間３Ａが発生しやすい。また、図３に示すように、加熱面１ａ又は／及び被加熱面２ａの凹凸形状により空隙３Ｂが発生する場合もある。本発明にあっては、後記するように、当該隙間３Ａや空隙３Ｂに有効に熱伝導ペースト４を充填し加熱面１ａから被加熱面２ａにロスなく熱を伝導することができる。

また、図８に示すように、プレートヒーター１は、その加熱面１ａが平面であり、同じく平面の被加熱面２ａを加熱する。よって平面同士の面接触であり、この場合も少なくとも一方の面に凹凸があると、図３に示すように、空隙３Ｂが生ずるおそれがあり、この空隙３Ｂも熱伝導ペースト４で確実に埋めて熱伝導を行うことができる。

本発明に係る熱伝導方法は、上記説明した熱伝導ペースト４（熱伝導剤たる炭化ケイ素又は窒化ホウ素と、沈殿防止剤たるスメクタイト又はベントナイトと、水とを主剤として配合して成り、上記熱伝導剤、沈殿防止剤及び水の合計１００質量部に対して、該熱伝導剤を３０〜６０質量部含み、上記沈殿防止剤を１〜４質量部含むと共に上記水を３６〜６９質量部含む水性熱伝導ペースト４又はこれに３０〜１００質量部のグラフェン５％分散液又はグラファイト５％分散液を加えた水性熱伝導ペースト４）をヒーター１の加熱面１ａと被加熱物２の被加熱面２ａ間に未乾燥状態で介在させることを特徴とする。

具体的には、まず未乾燥状態の水性熱伝導ペースト４を加熱面１ａ又は／及び被加熱面２ａに塗布する。塗布方法はハケ塗り、ローラー塗り、スプレー塗り等の既知の塗布方法で良い。

特にグラフェン５％分散液又はグラファイト５％分散液を加えた水性熱伝導ペースト４は未乾燥状態で塗布面（加熱面１ａ又は／及び被加熱面２ａ）の滑性を良好にする。よって使用するヒーター１がカートリッジヒーターやシーズヒーターの場合には被加熱物２の丸孔５内への挿入がスムーズとなる。

また、本発明に係る熱伝導方法によれば、水性熱伝導ペースト４を未乾燥のまま、つまり水分を富含有する状態で加熱面１ａと被加熱面２ａ間に介在させることになる。よって水分の表面張力により加熱面１ａと被加熱面２ａとを密着させると共に熱伝導ペーストに流動性を持たせたまま加熱面１ａと被加熱面２ａ間に介在させることができる。したがって加熱面１ａと被加熱面２ａ間の隙間３Ａや空隙３Ｂを効果的に埋めて効率の良い熱伝導を実現することができる。

一方、本発明に係る水性熱伝導ペースト４は、乾燥しても接着効果を発揮するほど硬化しないのでヒーター１を使用後に簡単に塗膜を破壊することができる。よってヒーター１を被加熱物２から簡単に取り外すことができる。しかもヒーター１や被加熱物２に残存した塗膜も水で洗い流すか、濡れた布で拭き取る等により簡単に除去できる。

＜実証実験＞
次に本発明に係る熱伝導ペースト及び熱伝導方法の効果を実証するために行った実験について説明する。

使用した熱伝導ペーストは以下の配合により製造したものである。
≪熱伝導ペースト≫
熱伝導剤…炭化ケイ素の粉末 ４５質量部
沈殿防止剤…スメクタイト ３質量部
水 ５２質量部
合計 １００質量部

使用したヒーターのスペック及び寸法並びに被加熱物の材質及び寸法は以下のとおりである。
≪ヒーター（カートリッジヒーター）≫
使用電圧 １００Ｖ
容量 ３００Ｗ
外径 １５ｍｍ（＋０・−０．１）
全長 ９５ｍｍ
≪被加熱物（小型金型）≫
材質…鉄
奥行 ９５ｍｍ
幅 ２５ｍｍ
高さ ３５ｍｍ
丸孔…金型の奥行方向に沿って中央部を貫通。よって全長は９５ｍｍ
丸孔内径 １５ｍｍ（＋０・−０）

外周面に熱伝導ペーストを塗布しないヒーターと、外周面に熱伝導ペーストを塗布したヒーターとを用意し、それぞれを小型金型（被加熱物）に挿入した後、各ヒーターに通電し、小型金型の表面温度とヒーターの内部温度とを既知の熱電対により時系列で測定した。なお、室温は２３℃である。

その結果が下記表１に示すとおりであり、通電１５分後には、熱伝導ペーストを塗布したヒーターは塗布しないヒーターに比して内部温度が低いにも関わらず、その被加熱物たる小型金型の表面温度は塗布しないヒーターで加熱された小型金型の表面温度よりも高くなっていることが分かる。

上記の結果は、熱伝導ペーストを塗布したヒーターにおいては、加熱面と被加熱面間に熱伝導ペーストが介在し、加熱面から発せられた熱が有効に被加熱面に伝導されていることの証左に他ならない。

また、ヒーターの内部温度においては、通電１５分後では熱伝導ペーストを塗布したものは塗布しないものよりも実に６３℃も低くなり、これを「アレニウスの１０℃２倍則」（使用環境の温度が１０℃下がると寿命は２倍に延びるという法則）に当てはめれば、熱伝導ペーストを塗布して使用するヒーターは塗布しないで使用するヒーターと比べて約６４（２の６乗）倍も長持ちすることとなる。

１…ヒーター、１ａ…加熱面
２…被加熱物、２ａ…被加熱面
３Ａ…隙間、３Ｂ…空隙
４…熱伝導ペースト
５…丸孔

また、上記熱伝導剤、沈殿防止剤及び水の合計１００質量部に対して、更に３０〜１００質量部のグラフェン５％分散液を加えることにより、低粘度化を図ると共に当該熱伝導ペーストが塗布された面の滑性を良好にする。好ましくは、上記グラフェン５％分散液の溶媒として水を用いる。

Claims (4)

1. 熱伝導剤たる炭化ケイ素又は窒化ホウ素と、沈殿防止剤たるスメクタイト又はベントナイトと、水とを主剤として配合して成り、上記熱伝導剤、沈殿防止剤及び水の合計１００質量部に対して、上記熱伝導剤を３０〜６０質量部含み、上記沈殿防止剤を１〜４質量部含むと共に上記水を３６〜６９質量部含むことを特徴とする水性熱伝導ペースト。
2. 上記熱伝導剤、沈殿防止剤及び水の合計１００質量部に対して、更に３０〜１００質量部のグラフェン５％分散液又はグラファイト５％分散液を加えたことを特徴とする請求項１記載の水性熱伝導ペースト。
3. 上記グラフェン５％分散液及び上記グラファイト５％分散液の溶媒は水であることを特徴とする請求項２記載の水性熱伝導ペースト。
4. ヒーターの加熱面と被加熱物の被加熱面間に請求項１記載の熱伝導ペーストを未乾燥のまま介在させたことを特徴とする熱伝導方法。