JP2020031141A

JP2020031141A - 熱移動型放熱材

Info

Publication number: JP2020031141A
Application number: JP2018155819A
Authority: JP
Inventors: 孝太郎中西; Kotaro Nakanishi
Original assignee: OZONESAVE CORP
Current assignee: OZONESAVE CORP
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2020-02-27
Also published as: JP2023063307A

Abstract

【課題】比較的小さな電子機器などの装置の発熱部位に貼り付けて、熱に対して弱い素子などの部品を保護することができる、熱移動型放熱材を提供すること。【解決手段】発熱部位と、放熱許容部位とを有する装置のための熱移動型放熱材であって、前記熱移動型放熱材は、シート状基材と、前記シート状基材の一面側に設けられた電気絶縁層と、前記電気絶縁層の内部に設けられた熱移動層と、を有する熱移動型放熱材であって、前記熱移動層は、カーボン系材料、非鉄金属およびこれらの組み合わせからなる群より選択される材料から形成されている、熱移動型放熱材。【選択図】図１

Description

本発明は、熱移動型放熱材に関する。

携帯電話、スマートフォン、タブレット、デジタルカメラ、ゲーム機器、ラジオ、ＩＣレコーダなど、二次電池や乾電池などの低電流の電源によって駆動する比較的小さな電子機器などの装置では、装置内の集積回路（ＩＣ）や中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの部位が発熱し、その熱によって電子部品や電子機器の性能が低下することがある、または熱暴走を引き起こすことがある。

デスクトップパソコンなどの比較的大きな電子機器であれば、冷却ファンやヒートシンクなどの放熱・冷却部材によって発熱部位から生じた熱を拡散して冷却することができるが、上記のような比較的小さな電子機器では、このような冷却部材を設置することが困難である。

そこで、本発明は、比較的小さな電子機器などの装置の発熱部位に貼り付けて、熱に対して弱い素子などの部品を保護することができる、熱移動型放熱材を提供することを目的とする。

本発明に係る熱移動型放熱材は、
発熱部位と、放熱許容部位とを有する装置のための熱移動型放熱材であって、
前記熱移動型放熱材は、
シート状基材と、
前記シート状基材の一面側に設けられた電気絶縁層と、
前記電気絶縁層の内部に設けられた熱移動層と、
を有する熱移動型放熱材であって、
前記熱移動層は、カーボン系材料、非鉄金属およびこれらの組み合わせからなる群より選択される材料から形成されていることを特徴とする。
本発明に係る熱移動型放熱材によれば、比較的小さな電子機器などの装置の発熱部位に貼り付けて、熱に対して弱い素子などの部品を保護することができる。

本発明に係る熱移動型放熱材の一実施形態では、前記シート状基材が、断熱積層体である。

本発明に係る熱移動型放熱材の一実施形態では、前記熱移動層が、カーボンシートから形成されている。

本発明によれば、比較的小さな電子機器などの装置の発熱部位に貼り付けて、熱に対して弱い素子などの部品を保護することができる、熱移動型放熱材を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱移動型放熱材の構成を示した断面模式図である。図２は、図１の熱移動型放熱材の使用態様の一例を示した断面模式図である。図３は、本発明の一実施形態に係る熱移動型放熱材に使用し得る、シート状基材としての断熱積層体の一例の構成を示した模式図である。図４は、本発明の一実施形態に係る熱移動型放熱材に使用し得る、シート状基材としての断熱積層体の他の例の構成を示した模式図である。図５は、本発明の一実施形態に係る熱移動型放熱材の形状を示した平面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。これらの記載は、本発明の例示を目的とするものであり、本発明を何ら限定するものではない。

（熱移動型放熱材）
本発明に係る熱移動型放熱材は、
発熱部位と、放熱許容部位とを有する装置のための熱移動型放熱材であって、
前記熱移動型放熱材は、
シート状基材と、
前記シート状基材の一面側に設けられた電気絶縁層と、
前記電気絶縁層の内部に設けられた熱移動層と、
を有する熱移動型放熱材であって、
前記熱移動層は、カーボン系材料、非鉄金属およびこれらの組み合わせからなる群より選択される材料から形成されていることを特徴とする。
本発明に係る熱移動型放熱材によれば、比較的小さな電子機器などの装置の発熱部位に貼り付けて、熱に対して弱い素子などの部品を保護することができる、熱移動型放熱材を提供することができる。

本発明において、「放熱許容部位」とは、放熱されることを許容する部位を意味する。すなわち、放熱許容部位は、発熱部位からの熱を受け取っても装置の性能に影響がない部位である。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱移動型放熱材の構成を示した断面模式図であり、例えば、後述する図５の（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。図１の熱移動型放熱材１は、シート状基材１０と、電気絶縁層としてのポリビニルアルコール層２０と、ポリビニルアルコール層２０内の熱移動層３０とを有する。

図２は、図１の熱移動型放熱材の使用態様の一例を示した断面模式図である。図２では、装置の基板１００が発熱部位１１０と放熱許容部位１２０を有している。そして、図１の熱移動型放熱材１の電気絶縁層であるポリビニルアルコール層２０がこれら両方の部位に接するように、ポリビニルアルコール層２０が貼りつけられている。図２中の矢印は熱の移動方向を表しており、発熱部位１１０からの熱が、ポリビニルアルコール層２０内の熱移動層３０を伝わって熱移動層３０内を移動し、放熱許容部位１２０に接しているポリビニルアルコール層２０から放熱許容部位１２０に放熱されている。

上述したように、電池などの低電流の電源によって駆動する比較的小さな電子機器などの装置では、発生する熱量は、それほど大きくないが、発熱部位の近傍に位置する素子などの電子部品にとっては悪影響を及ぼし得る。これに対して、本発明の熱移動型放熱材を用いると、発熱部位からの熱を発熱部位の近傍、すなわち保護対象の電子部品周辺に放熱させずに、保護対象の電子部品から離れた放熱許容部位に放熱させることができる。このような比較的小さな装置では、発生する熱量が小さいため、保護対象の電子部品から離れた放熱許容部位に放熱するだけで、発熱部位近傍に位置する電子部品を熱から保護することができる。

本発明に係る熱移動型放熱材の厚みは、適宜調節すればよく、例えば、０．３〜２．０ｍｍとすることができる。

以下、本発明に係る熱移動型放熱材の各部材について例示説明する。

＜シート状基材＞
シート状基材は、電気絶縁層の基材となる部材である。シート状基材としては、公知のシート状基材を適宜選択して用いることができ、例えば、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂シート、板紙、熱収縮シート、後述する断熱積層体などが挙げられる。これらの中でも断熱積層体が好ましい。

シート状基材の厚み、寸法および形状は特に限定されず、適宜選択または調節することができる。

本発明に係る熱移動型放熱材の一実施形態では、前記シート状基材が、断熱積層体であることが好ましい。これにより熱移動型放熱材の厚み方向（絶縁層側からシート状基材側への）の断熱性をより高めることができる。以下、当該断熱積層体につき、例示説明する。

［断熱積層体］
上記断熱積層体は、
第１の基材と、
断熱接着材層と、
第２の基材または機能層と、
がこの順序で積層されてなり、
前記断熱接着材層は、水溶性ポリマーと、当該水溶性ポリマー中に分散したシリカエアロゲルとを含むことが好ましい。

図３は、本発明の一実施形態に係る熱移動型放熱材に使用し得る、シート状基材としての断熱積層体の一例の構成を示した模式図である。図３の断熱積層体２００は、第１の基材２１０と、断熱接着材層２２０と、第２の基材２３０とがこの順序で積層されてなる３層構成の断熱積層体である。

図４は、本発明の一実施形態に係る熱移動型放熱材に使用し得る、シート状基材としての断熱積層体の他の例の構成を示した模式図である。図４の断熱積層体２００は、第１の基材２１０と、断熱接着材層２２０と、機能層２４０とがこの順序で積層されてなる３層構成の断熱積層体である。

［［第１の基材］］
上記第１の基材は、従来公知の板紙、フィルム、カーボンシートなどを適宜選択して用いることができる。

板紙は、例えば、ＪＩＳＰ０００１に規定の板紙を用いることができる。板紙としては、例えば、白板紙、チップボール、黄色板紙、色板紙などが挙げられる。

第１の基材の厚みは、例えば、０．０５〜２．０ｍｍであればよく、嵩を低くしながら、基材として機能させるために０．１〜２．０ｍｍが好ましい。

［［断熱接着材層］］
上記断熱接着材層は、水溶性ポリマーと、当該水溶性ポリマー中に分散したシリカエアロゲルとを含み、断熱性と接着性を有する層である。

水溶性ポリマーは、断熱接着材層のバインダーとして機能する成分である。水溶性ポリマーとしては、公知の水溶性ポリマーを用いることができる。水溶性ポリマーとしては、例えば、デンプン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ酢酸ビニル、水性ウレタンなどをカチオン化処理および／または両性化処理したものが挙げられるが、特に、ＰＶＡが好ましい。水溶性ポリマーは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

カチオン化デンプンと両性デンプンは、例えば、特開２００３−６４１０１号公報（カチオン化デンプン）、特開２００１−１９７０１号公報（両性デンプン）などに記載の方法を用いることで得られる。また、カチオン化デンプンは、市販されているものを使用してもよい。例えば、日本食品化工社製のネオタック（登録商標）シリーズなどを使用してもよい。

シリカエアロゲルは、シリカ（疎水化などの修飾または変性がされていないシリカ）からなるエアロゲルであり、断熱接着材層に断熱性を付与する成分である。上記断熱積層体では、シリカエアロゲルを用いることによって、シリカエアロゲル以外のエアロゲル、例えば、メチルシリケートからなるエアロゲルやシリカ・アルミナからなるエアロゲルを用いた場合に比べて、優れた断熱性が得られる。シリカエアロゲルとしては、公知のシリカエアロゲルを用いることができる。シリカエアロゲルは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

シリカエアロゲルの密度は、適宜調節すればよいが、例えば、０．５ｇ／ｃｍ³未満がよく、１０〜１５０ｍｇ／ｃｍ³が好ましい。

シリカエアロゲルの熱伝導率は、例えば、０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下がよく、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が好ましく、０．０１８〜０．０６Ｗ／（ｍ・Ｋ）がより好ましい。

シリカエアロゲルの多孔率は、適宜調節すればよいが、例えば、粒子強度と断熱性の観点から、５０．０〜９９．８％であればよく、７０〜９９．８％が好ましく、８６〜９９．８％がより好ましい。

シリカエアロゲルの平均粒径は、適宜調節すればよいが、例えば、断熱積層体の嵩を低くしながら、十分な断熱性を得る観点から、２〜１４０μｍであればよい。

シリカエアロゲルの比表面積は、適宜調節すればよいが、例えば、十分な断熱性を得る観点から、４００ｍ²／ｇ以上であればよく、断熱積層体の嵩を低くしながら、十分な断熱性を得る観点から、５００〜１０００ｍ²／ｇが好ましく、６００〜１０００ｍ²／ｇがより好ましい。

シリカエアロゲルの市販品としては、例えば、キャボットコーポレーション社製の商品名Ｐ２００からＭＴ１１００などが挙げられる。

断熱接着材層における水溶性ポリマーとシリカエアロゲルの量は、適宜調節すればよいが、例えば、シリカエアロゲルの質量に対して、水溶性ポリマーの質量を０．１〜４０質量％とすることができる。断熱接着材層の断熱性を高めながら水溶性ポリマーのバインダーとしての機能を確保する観点から、シリカエアロゲルの質量に対して、水溶性ポリマーの質量が２〜３０質量％であることが好ましい。

断熱接着材層の厚みは、適宜調節すればよいが、例えば、０．０５〜２．０ｍｍとすればよく、薄さと断熱性の観点から、０．１〜１ｍｍが好ましい。

断熱接着材層の調製方法は、上述したように、水溶性ポリマーと、当該水溶性ポリマー中に分散したシリカエアロゲルとを含む層を形成できる方法であれば特に限定されない。例えば、水に水溶性ポリマーを添加して撹拌し、次いでその水溶液にシリカエアロゲルを添加して撹拌してスラリーを得て、そのスラリーを第１の基材、第２の基材、機能層などの基材に塗布して乾燥させることで形成することができる。

［［第２の基材］］
上記第２の基材の種類と厚みは、第１の基材と同様である。第１の基材と第２の基材は、種類と厚みが同じであってもよいし、異なっていてもよい。

［［機能層］］
上記機能層は、上記断熱接着材層とは異なる機能を有する層である。機能層は、それ自体が接着性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

上記断熱積層体は、第１の基材と、断熱接着材層と、第２の基材または機能層とがこの順序で積層されていればよく、第１の基材の断熱接着材層側とは反対側の面、第１の基材と断熱接着材層との間、第２の基材もしくは機能層と断熱接着材層との間、または第２の基材もしくは機能層の断熱接着材層側とは反対側の面に、直接または第２の断熱接着材層やその他の従来公知の接着剤層を介して、第３の基材または第２の機能層などの追加の層が積層されていてもよい。第２の断熱接着材層や第３の基材、第２の機能層などは、それぞれ、上述した断熱接着材層、第１の基材、機能層と材料および厚みが同じであってもよいし、異なっていてもよい。断熱積層体を構成する層数は、少なくとも上記３層（第１の基材、断熱接着材層、第２の基材または機能層）を含めばよく、３層、４層、５層、６層、７層またはこれ以上の層数のいずれであってもよい。

断熱積層体の寸法および形状は特に限定されず、適宜調節することができる。

［断熱積層体の調製方法］
断熱積層体の調製方法は、第１の基材と、断熱接着材層と、第２の基材または機能層とをこの順序で積層できれば特に限定されない。その他の層を有する場合も、その他の層が適当な位置に積層できればよく、調製方法は特に限定されない。また、断熱積層体の調製方法は、枚葉式でもよいし、連続式でもよい。

例えば、第１の基材の一面に上述したシリカエアロゲルと水溶性ポリマーとを含む水溶液を塗布し、乾燥させて、断熱接着材層を形成し、その断熱接着材層上に第２の基材または機能層を貼り付けて圧縮することで、断熱積層体を得ることができる。

＜電気絶縁層＞
電気絶縁層は、後述する熱移動層をコーティングして電気絶縁する層である。このような電気絶縁層の材料としては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などが挙げられる。ＰＶＡは、わずかではあるが蓄熱性を有し、ＰＶＡを電気絶縁層の材料として使用すると、熱移動層の許容量を超える発熱部位からの熱をＰＶＡで一時的に蓄熱する。そのため、ＰＶＡ以外の材料を用いた場合に比べて、ＰＶＡを用いた電気絶縁層は、放熱許容部位への経時的な熱の移動を平均化する機能も有する。

電気絶縁層の厚みは、特に限定されず、適宜調節することができる。

＜熱移動層＞
熱移動層は、電気絶縁層中に位置する層であり、発熱部位からの熱をその層内で移動させる機能を有する。本発明に係る熱移動型放熱材の熱移動層は、カーボン系材料、非鉄金属およびこれらの組み合わせからなる群より選択される材料から形成されている。

熱移動層を形成するカーボン系材料としては、例えば、カーボンシートが挙げられる。

熱移動層を形成する非鉄金属としては、例えば、銅が挙げられる。これらの材料は、線状の形態で用いてもよいし、粉状の形態で用いてもよい。粉状の形態で用いる場合は、熱の移動性を十分にするため、粉状体どうしが接触して線状または面状になるように形成するのが好ましい。

本発明に係る熱移動型放熱材の一実施形態では、前記熱移動層が、カーボンシートから形成されていることが、取り扱いと熱移動層の製造が容易であることから好ましい。

熱移動層の形状および寸法は、特に限定されない。例えば、熱移動層の形状は、二次元的な面状でもよいし、一次元的な線状でもよいし、これらの組み合わせでもよい。例えば、線状の材料が間隔を開けて並行にまたは格子状に配列された熱移動層または格子状の熱移動層であってもよい。

熱移動層の厚みは、上記電気絶縁層内に配置される厚みであれば特に限定されず、適宜調節することができる。

熱移動型放熱材の寸法および形状は特に限定されず、適宜選択または調節することができる。図５は、本発明の一実施形態に係る熱移動型放熱材の形状を示した平面図である。熱移動型放熱材の平面形状は、例えば、方形（線状を含む）（図５の（ａ））、角の丸い四角形（図５の（ｂ））、円形（図５の（ｃ））、フレーム型（図５の（ｄ））、ドーナツ型（図５の（ｅ））、アーチ型（図５の（ｆ））、Ｌ字型（図５の（ｇ））、十字型（図５の（ｈ））、およびパイ（円形の一部切り欠き）型（図５の（ｉ））などが挙げられる。

＜熱移動型放熱材の製造方法＞
熱移動型放熱材の製造方法は、シート状基材の一面側に電気絶縁層が位置し、その電気絶縁層内に熱移動層が位置することができる方法であれば特に限定されない。例えば、シート状基材の一面側に、想定厚みの半分の量の電気絶縁層の材料を塗布または配置し、その電気絶縁層上にカーボンシートなどの熱移動層の材料を配置し、そのカーボンシートを挟み込むように残りの電気絶縁層の材料を塗布または配置して、適宜乾燥させることにより、熱移動型放熱材を製造することができる。熱移動型放熱材の製造方法は、枚葉式でもよいし、連続式でもよい。

１：熱移動型放熱材
１０：シート状基材
２０：ポリビニルアルコール層（電気絶縁層）
３０：熱移動層
１００：装置の基板
１１０：発熱部位
１２０：放熱許容部位
２００：断熱積層体
２１０：第１の基材
２２０：断熱接着材層
２３０：第２の基材
２４０：機能層

Claims

発熱部位と、放熱許容部位とを有する装置のための熱移動型放熱材であって、
前記熱移動型放熱材は、
シート状基材と、
前記シート状基材の一面側に設けられた電気絶縁層と、
前記電気絶縁層の内部に設けられた熱移動層と、
を有する熱移動型放熱材であって、
前記熱移動層は、カーボン系材料、非鉄金属およびこれらの組み合わせからなる群より選択される材料から形成されている、熱移動型放熱材。
前記シート状基材が、断熱積層体である、請求項１に記載の熱移動型放熱材。
前記熱移動層が、カーボンシートから形成されている、請求項１または２に記載の熱移動型放熱材。