JP2019094375A

JP2019094375A - 蓄熱放熱材とその製造方法

Info

Publication number: JP2019094375A
Application number: JP2017222381A
Authority: JP
Inventors: 享和田; Susumu Wada; 隆信佐藤; Takanobu Sato
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-06-20

Abstract

【課題】高温高湿およびヒートショックの長期間の信頼性試験においても相変化材料の染み出し等がない相変化材料を用いた蓄熱放熱材を提供することを目的とする。【解決手段】相変化材料と第１の硬化性樹脂を含む第１の層と、上記第１の層の一方面に位置する第２の硬化性樹脂を含む第２の層と、を有する蓄熱放熱材を用いる。また、相変化材料と第１の硬化性樹脂とを混合し、第１の層を作成する工程と、上記第１の層の表面に存在する上記相変化材料を水洗し、上記第１の層の表面に凹凸を作成する工程と、上記凹凸に、第２の硬化性樹脂をコーティングし、第２の層を作成する工程と、を含む蓄熱放熱材の製造方法を用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱放熱材とその製造方法に関する。特に、相変化材料を用いた蓄熱放熱材とその製造方法に関する。

昨今のモータは小型化や軽量化、高出力化が図られており、これに起因して高密度電流によるコイル発熱時の温度の上昇が大きな問題となっている。この熱を如何に効果的に放熱するか、もしくは温度上昇自体を如何に抑制するかが当該技術分野における重要な解決課題の一つとなっている。

これらの問題を解決するため、ステータコアとコイルを固定するワニスに相変化材料が配合されており、モータ駆動時のコイルで発熱した熱を相変化材料の融解潜熱で吸収することが開示されている。

この相変化材料とは、物質の融解等の相変化を利用したものであり、顕熱蓄熱を用いる材料に比べて、蓄熱密度が高く、相変化温度が一定であるため、熱の取り出し温度が安定であるという利点があり、実用化されてきている。

特に、糖アルコールは、融解潜熱量が大きいことから、少ない容量で効率的に熱を蓄えることができる物質として知られている。また、他の相変化材料である無機水和塩や脂肪酸などの有機物に比べて、毒性がなく安全な物質で、耐腐食性も良好である。これらの理由から、糖アルコールの蓄熱材としての利用が期待されている。例えば、糖アルコールを用いた相変化材料として、特許文献１には、ポリエチレングリコール、糖アルコール、及び糖類からなる蓄熱材組成物が記載されている。

この糖アルコールを用いた相変化材料に関して、例えば特許文献２にて放熱性を向上させ、また温度上昇を遅延させることができる蓄熱性熱伝導性硬化性組成物及び硬化物が開示されている。

特開２０１３−１１５８６８号公報特開２０１６−７９２３０号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２では、単に硬化性液状樹脂に混ぜることが記載されているだけであり、これでは、長期間使用に対する相変化材料の染み出し等の信頼性劣化が懸念される。例えば、硬化性液状樹脂としてシリコーンを用いた場合、シリコーンは透湿性があり、高温高湿（８５℃、８５％）の長期間の信頼性試験にて表面に相変化材料が析出してしまう。また、硬化性液状樹脂としてエポキシを使用した場合では、高温および低温を繰り返すヒートショックの長期間の信頼性試験にて相変化材料がブリードアウトしてしまう。これら相変化材料の染み出しは、蓄熱性能の劣化だけでなく、他の部品に対する電気的ショートの原因となるため、発生させてはいけない信頼性項目のひとつである。

そこで、本発明は、高温高湿およびヒートショックの長期間の信頼性試験においても相変化材料の染み出し等がない蓄熱放熱材とその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、相変化材料と第１の硬化性樹脂を含む第１の層と、上記第１の層の一方面に位置する第２の硬化性樹脂を含む第２の層と、を有する蓄熱放熱材を用いる。

また、相変化材料と第１の硬化性樹脂とを混合し、第１の層を作成する工程と、上記第１の層の表面に存在する上記相変化材料を水洗し、上記第１の層の表面に凹凸を作成する工程と、上記凹凸に、第２の硬化性樹脂をコーティングし、第２の層を作成する工程と、を含む蓄熱放熱材の製造方法を用いる。

本発明によれば、相変化材料とシリコーンなどの熱伝導性硬化樹脂とを混ぜ、さらに表面上の相変化材料を除去する。

このことにより、放熱性を向上させ、さらに、ヒートショックの長期間の信頼性試験においてもブリードアウトが発生しない。また、信頼性を保持することが可能となる。さらに、表面をエポキシなどの疎水性硬化性樹脂にて覆うことにより、湿度を遮断し、相変化材料の析出もなく信頼性を保持することが可能となる。

実施の形態１の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の断面構造図実施の形態１の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の水洗前の表面観察写真を示す図実施の形態１の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の水洗後の表面観察写真を示す図実施の形態１の相変化材料を用いた蓄熱放熱材のヒートショック試験後の断面写真を示す図実施の形態２の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の断面構造図比較例１の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の断面構造図比較例２の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の断面構造図

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
＜蓄熱放熱材１００の構成＞
図１は、実施の形態１の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の断面図である。蓄熱放熱材１００は、２層構造である。表１に各層の含有物を示す。第１の層１０１は、第１の硬化性樹脂１０４と相変化材料１０５を含む。第２の層１０２は、第２の硬化性樹脂１０６を含む。

第１の層１０１が、蓄熱放熱材１００の本体（中心）であり、第１の層１０１は、放熱性を向上させ、さらに、ヒートショックの長期間の信頼性試験においてもブリードアウトが発生せず、蓄熱性能を保持する層であり、第２の層１０２は湿度を遮断し、相変化材料１０５の析出もなく信頼性を保持する層である。

＜第１の層１０１＞
第１の層１０１は、蓄熱放熱材１００の本体であり、シリコーンなど熱伝導性硬化性樹脂で構成される第１の硬化性樹脂１０４と相変化材料１０５とで形成する。また、第１の層１０１の厚みは、相変化材料１０５にて必要とする蓄熱量により決定する。また、相変化材料１０５の添加割合が多ければ、厚みは薄くなるが、熱伝導率の値は小さくなり、熱を通しにくくなるため、蓄熱量と蓄熱速度に依存して厚みは決定する。

また、第１の層１０１は、第１の硬化性樹脂１０４にて凹凸状の表面を形成する。この厚みは、相変化材料１０５をコートするために形成するため、１００μｍ以上あればよい。また、凹凸の形状は、相変化材料１０５の形状に依存する。すなわち、その凹凸の大きさの平均は、相変化材料１０５の粒子径の平均と同じとなる。

＜第２の層１０２＞
第２の層１０２は、第２の硬化性樹脂１０６にて形成される。第２の硬化性樹脂１０６の厚みは、湿度を遮断すればよいため、１００μｍ以上あればよい。

＜第１の硬化性樹脂１０４＞
第１の硬化性樹脂１０４の形態としては、シリコーンなど熱伝導性硬化性樹脂を用いる。この熱伝導性硬化性樹脂は、放熱、伝熱の目的に使用され、例えばシリコーンゴム等のベースゴムに熱伝導性フィラーを高充填し硬化させた、軟質放熱シートなどが好ましい。

＜相変化材料１０５＞
相変化材料１０５の形態としては、糖アルコールを用いる。特に、糖アルコール類として、ポリエチレングリコール、キシリトール、トレイトール、エリスリトール、ガラクチトール、イジトール、ダルシトール、マンニトール、イノシトール、ガラクチトール、及びペンタエリスリトール等またこれらの誘導体が挙げられる。

相変化材料１０５の粒子径は、１０〜１００μｍとすることにより、より効率的に蓄熱することが可能である。

相変化材料１０５の融解熱量としては示差走査型熱量計（ＤＳＣ）で測定された融解熱量が１００［Ｊ／ｇ］以上であることが好ましい。相変化材料１０５の融点は、１００〜１８０℃が好ましく、より好ましくは１２０℃付近であることが好ましい。

＜第２の硬化性樹脂１０６＞
第２の硬化性樹脂１０６の形態としては、エポキシなど疎水性硬化性樹脂を用いる。この疎水性硬化性樹脂は、高温において表面をコートする目的に使用されるため、耐熱性のあるものを使用する。

＜全体として＞
第１の層１０１での第１の硬化性樹脂１０４に混合する相変化材料１０５の重量濃度は、５〜４０重量％の範囲にあることが望ましく、より望ましくは、１５〜２０重量％である。相変化材料１０５の濃度をあげればあげるほど蓄熱量は高くなるが、熱伝導率が悪くなるためである。

（蓄熱放熱材１００の製造方法）
蓄熱放熱材１００の製造方法は、（１）〜（３）の３工程からなる。
（１）混合工程
（２）水洗浄工程
（３）コーティング工程
の３つの工程である。以下にそれぞれを説明する。

（１）混合工程
混合工程では、相変化材料１０５と第１の硬化性樹脂１０４とを混合し、第１の層１０１を作成する工程である。第１の硬化性樹脂１０４に対して、相変化材料１０５を５〜４０重量％の範囲に、より望ましくは、１５〜２０重量％となるように添加し、成形した後、硬化させる。相変化材料を均一に分散させるため、よく混ぜ合わせる。成形後の表面には、まだ相変化材料１０５が存在した状態である。

（２）水洗浄工程
次に、（１）で作成した成形物の表面に存在する相変化材料１０５を水洗し、第１の層１０１の凹凸を作成する工程である。相変化材料１０５の糖アルコールは水に溶けるため、純水にて水洗し、表面より相変化材料１０５を除去する。図２に水洗前の第１の層１０１の表面観察写真を示す。表面の白いものが相変化材料１０５である。図３に水洗後の表面観察写真を示す。表面にあった相変化材料１０５が水洗され、その後が残っていることが確認できる。

（３）コーティング工程
最後に、（２）にて作成したものを第２の硬化性樹脂１０６にてコーティングし、第２の層１０２を作成する工程である。コーティング方法は、そのまま第２の硬化性樹脂１０６に漬ける方法や、金属内部に（２）で作成したものを配置し、疎水性硬化性樹脂を注型する方法など、最終使用用途により選択する。

＜実施の形態１の効果＞
高温高湿の信頼性試験やヒートショック試験の信頼性試験にて、相変化材料１０５の析出がない。このため、蓄熱性能の劣化がなく、他の部品に対する電気的ショートの原因とならない相変化材料１０５を用いた蓄熱放熱材を提供することが可能である。
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の断面図である。蓄熱放熱材２００は、３層構造である。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。

表２に各層の含有物を示す。第１の層２０１は、第１の硬化性樹脂１０４と相変化材料１０５を含む。第２の層２０２は、第２の硬化性樹脂１０６を含む。第３の層２０３は、接着材２０７を含む。さらに、半導体やＩＣなどの発熱体２０８を有する。

第１の層２０１が、蓄熱放熱材２００の機能の本体（中心）であり、第１の層２０１は、放熱性を向上させ、さらに、ヒートショックの長期間の信頼性試験においてもブリードアウトが発生せず、蓄熱性能を保持する層である。また、第１の層２０１は、第２の層２０２は湿度を遮断し、相変化材料１０５の析出もなく信頼性を保持する層である。

＜第１の層２０１＞
第１の層２０１は、蓄熱放熱材２００の本体である。第１の層２０１は、シリコーンなど熱伝導性硬化性樹脂の第１の硬化性樹脂１０４と、相変化材料１０５とで形成する。

また、第１の層２０１の厚みは、相変化材料１０５にて必要とする蓄熱量により決定される。

また、相変化材料１０５の添加割合が多ければ、第１の層２０１の厚みは薄くなるが、熱伝導率の値は小さくなり、熱を通しにくくなる。このため、蓄熱量と蓄熱速度に依存して、第１の層２０１の厚みは決定される。

また、第１の層２０１は、第１の硬化性樹脂１０４にて凹凸状の表面を形成する。第１の硬化性樹脂１０４の厚みは、相変化材料１０５をコートするために、１００μｍ以上あればよい。また、凹凸の形状は、相変化材料１０５の形状に依存する。すなわち、その凹凸の大きさの平均は、相変化材料１０５の粒子径の平均と同じ１０〜１００μｍである。

この凹凸の大きさを１０〜１００μｍとすることにより、第１の硬化性樹脂１０４の厚みを薄くすることが可能となり、より効率的に相変化材料１０５に伝熱することが可能となる。また、凹凸とすることで接着材２０７との接触面積を大きくすることができ、発熱体２０８の熱をより効果的に蓄熱することが可能となる。

＜第２の層２０２＞
第２の層２０２は、第２の硬化性樹脂１０６にて形成される。第２の硬化性樹脂１０６の厚みは、湿度を遮断すればよいため、１００μｍ以上あればよい。

＜第３の層２０３＞
第３の層２０３は、接着材２０７にて形成される。発熱体２０８との接合に使用するため、厚みは１００μｍ以上あればよい。

＜接着材２０７＞
接着材２０７の形態としては、シリコーンなど熱伝導性接着剤を用いる。この熱伝導性接着剤は、放熱、伝熱性を持ち、発熱体２０８との接着に用いられる。

＜発熱体２０８＞
発熱体２０８は、半導体やＩＣなど熱を発する部品であり、蓄熱放熱材２００はこの部品から発生する熱量を蓄熱し、熱拡散させないように機能する。

＜実施の形態２の効果＞
高温高湿の信頼性試験やヒートショック試験の信頼性試験にて、相変化材料１０５の析出がないため、蓄熱性能の劣化がなく、他の部品に対する電気的ショートの原因とならない相変化材料１０５を用いた蓄熱放熱材を提供することが可能である。さらに、第１の層２０１と第３の層２０３の接触面積が大きいことにより発熱体２０８の熱を効率的に相変化材料１０５に吸収することが可能となる。

以下に実施例１、比較例１、２を示す。条件、結果は、表３に示す。

＜実施例１＞
第１の硬化性樹脂１０４である熱伝導性硬化性樹脂は、ポリマテック社ＣＧＷ−３を用いた。第２の硬化性樹脂１０６である疎水性硬化性樹脂は、パナソニック社ＣＶ５０３２を用いた。図１の構造を作製した。相変化材料１０５は、三菱ケミカルフーズ社エリスリトールを用いた。

第１の層１０１の作成のため、相変化材料１０５と第１の硬化性樹脂１０４の重量比率を１７：８３にて混ぜ、室温にて放置することにより硬化させた。

次に、第１の層１０１の凹凸作成のため、この硬化させた混合物を純水にて洗い流し、表面より相変化材料１０５を除去した。

最後に、第２の層１０２の作成のため、この混合物と第１の硬化性樹脂１０４の重量比率を１２：８８とし、蓄熱放熱材１００を作成した。各層の厚みはおおよそ以下のとおりである。第１の層１０１は２．５ｍｍである。第２の層１０２は、１．５ｍｍである。

＜比較例１＞
第１の硬化性樹脂１０４である熱伝導性硬化性樹脂は、ポリマテック社ＣＧＷ−３を用いた。相変化材料１０５は、三菱ケミカルフーズ社エリスリトールを用いた。相変化材料１０５と第１の硬化性樹脂１０４の重量比率を１７：８３として、図６の蓄熱放熱材料を作成した。

図６は、比較例１の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の断面図である。蓄熱放熱材１１００は、１層構造である。第１の層１１０１は、第１の硬化性樹脂１０４と相変化材料１０５を含む。

＜比較例２＞
第２の硬化性樹脂１０６である疎水性硬化性樹脂は、パナソニック社ＣＶ５０３２を用いた。相変化材料１０５は、三菱ケミカルフーズ社エリスリトールを用いた。

相変化材料１０５と第２の硬化性樹脂１０６の重量比率を２：９８とし、図７の蓄熱放熱材料を作成した。

図７は、比較例２の相変化材料を用いた蓄熱放熱材の断面図である。蓄熱放熱材１２００は、１層構造である。第１の層１２０１は、第２の硬化性樹脂１０６と相変化材料１０５を含む。

＜試験＞
蓄熱放熱材１００の効果を確認するため、実施例１と比較例１を高温高湿（８５℃、８５％）の信頼性試験を１００時間実施した。比較例１では表面に相変化材料の析出が確認できたが、実施例１では相変化材料の析出が見られなかった。

また、実施例１と比較例２を−４０℃〜１５０℃、各３０分、５０サイクルのヒートショック試験を実施した。比較例２では表面に相変化材料の析出が確認できたが、実施例１では相変化材料の析出が見られなかった。

図４にヒートショック試験後の実施例１の断面図を示す。こちらでも相変化材料の析出がないことがわかる。

＜考察＞
比較例１では高温高湿の信頼性試験にて、比較例２ではヒートショック試験の信頼性試験にて、相変化材料の析出があった。実施例１では両試験において析出が見られなかった。すなわち、実施例１の組成および構造を持つことにより、蓄熱性能の劣化がなく、他の部品に対する電気的ショートの原因とならない相変化材料を用いた蓄熱放熱材を提供することが可能である。

本発明の蓄熱放熱材は、蓄熱放熱材材料として広く利用される。特に、１２０℃あるいはそれ以上の、温度域にて利用される。あらゆる機器の蓄熱放熱用途に利用される。

１００蓄熱放熱材
１０１第１の層
１０２第２の層
１０４第１の硬化性樹脂
１０５相変化材料
１０６第２の硬化性樹脂
２００蓄熱放熱材
２０１第１の層
２０２第２の層
２０３第３の層
２０７接着材
２０８発熱体
１１００蓄熱放熱材
１１０１第１の層
１２００蓄熱放熱材
１２０１第１の層

Claims

相変化材料と第１の硬化性樹脂を含む第１の層と、
前記第１の層の一方面に位置する第２の硬化性樹脂を含む第２の層と、
を有する蓄熱放熱材。
前記第１の層と前記第２の層との界面は、球形の凹凸がある請求項１記載の蓄熱放熱材。
前記球形の凹凸の形状は、前記相変化材料の粒子の形状と同等である請求項２記載の蓄熱放熱材。
前記第１の層の他方面に第３の硬化性樹脂を含む第３の層を、さらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱放熱材。
前記第１の層と前記第３の層との界面は、球形の凹凸がある請求項４記載の蓄熱放熱材。
前記相変化材料は、糖アルコールである請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄熱放熱材。
前記相変化材料は、粒子径１０μｍ以上、１００μｍ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄熱放熱材。
相変化材料と第１の硬化性樹脂とを混合し、第１の層を作成する工程と、
前記第１の層の表面に存在する前記相変化材料を水洗し、前記第１の層の表面に凹凸を作成する工程と、
前記凹凸に、第２の硬化性樹脂をコーティングし、第２の層を作成する工程と、を含む蓄熱放熱材の製造方法。