JP3958120B2 - 高熱伝導複合材料及びこれを表皮材として用いたハニカムサンドイッチパネル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば人工衛星搭載用機器のパネルとして適用する高熱伝導複合材料及びこれを表皮材として用いたハニカムサンドイッチパネルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は例えば特開昭６３−１０２９２７号公報に開示された従来の熱伝導性積層体を示す分解斜視図である。
同図において、１１は複数の金属層、１２は複数の高分子母材複合材料層、１３はその高分子母材複合材料層１２に設けられた補強材、１４は接着剤層であり、前記金属層１１と、前記補強剤１３を有する高分子母材複合材料層１２とを、接着剤１４で接着して積層することにより、ヒートシンクとして有用な熱伝導性積層体（高熱伝導複合材料）１０としたものである。なお、前記高分子母材複合材料層１２は、繊維、ホイスカ等からなる補強材１３を同一方向またはランダム方向に樹脂中に配置して該樹脂で包埋したものである。
【０００３】
図６は例えば特開２０００−８５６９７公報に記載されたハニカムサンドイッチパネルを示す斜視図である。
同図において、２１はアルミ製のハニカムコア、２２は炭素繊維を強化材とする複合材料製の表皮材、２３は前記ハニカムコア２１と前記表皮材２２とを接着している接着剤であり、これらによってハニカムサンドイッチパネル２０が構成されている。２４は前記表皮材２２上に接着されたヒートシンクであり、このヒートシンク２４は、高熱伝導性炭素繊維を強化材とし有機材を母材とする複合材料製の積層板からなっている。２５は前記ヒートシンク２４上に搭載された高発熱機器である。
【０００４】
次に動作について説明する。
高発熱機器２５で発生した熱は、ヒートシンク２４を介して炭素繊維強化複合材料製の表皮材２２およびアルミ製のハニカムコア２１に伝達されることにより、ハニカムサンドイッチパネル２０から放熱される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高熱伝導複合材料及びこれを表皮材としたハニカムサンドイッチパネルは以上のように構成されているので、図６の従来例において、ヒートシンク２４として用いる熱伝導性（炭素繊維を強化材とする）積層板や、高熱伝導性の繊維を一層ずつ積層して作製され表皮材２２として用いる炭素繊維強化複合材料は、いずれも繊維方向には繊維を通して熱が良く伝わるため、積層板の主に面内方向には熱伝導が高くなるが、他方、積層板の面外方向では繊維間の熱伝導がよくない樹脂を介して熱が伝わるので、面外方向の熱伝導率が低いという課題があった。また、図６のハニカムサンドイッチパネル２０においては、高熱伝導性炭素繊維を強化材とする複合材料からなる積層板をヒートシンク２４として表皮材２２上に接着することにより、ハニカムサンドイッチパネル２０の放熱性が高められているが、前記ヒートシンク２４として用いられた複合材料からなる積層板では、上述のように面内方向の熱伝導性は優れるが、面外方向の熱伝導は劣るため、ハニカムサンドイッチパネル２０における放熱性を向上する効果は小さいという課題があった。
【０００６】
一方、図５の従来例においては、熱伝導のよい金属層１１を高分子母材複合材料層１２と重ねて積層板を構成しているが、金属層１１にあっても面内方向の熱伝導を高める効果は大きいが、面外方向の熱伝導を高めることにはあまり寄与しないという課題があった。また、前記金属層１１と高分子母材複合材料層１２を接着剤１４で接合しているため、一般的に熱伝導のよくない接着剤１４層の存在によって面外方向の熱伝導がいっそう低くなるという課題があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構成で面外方向の熱伝導性を高めることができる高熱伝導複合材料及びこれを表皮材として用いたハニカムサンドイッチパネルを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る高熱伝導複合材料は、高熱伝導繊維からなる織物を強化材とし、これを母材に埋め込んだ高熱伝導複合材料において、織物の一部を母材の表面に露出させ、母材に存在する空孔を高熱伝導性のフィラーを添加した樹脂で封孔したものである。
【０００９】
この発明に係る高熱伝導複合材料は、これの表面側を平坦状に削り込んで織物の一部を露出させたものである。
【００１０】
この発明に係る高熱伝導複合材料は、ピッチ系炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維のいずれかよりなる織物を強化材とし、樹脂または炭素を母材としたものである。
【００１１】
この発明に係る高熱伝導複合材料は、織物がピッチ系炭素繊維からなり、母材が炭素からなるものである。
【００１３】
この発明に係るハニカムサンドイッチパネルは、熱伝導性のハニカムコアと、このハニカムコアを一体的に挟み込んだ熱伝導性の表皮材とからなるハニカムサンドイッチパネルにおいて、高熱伝導繊維からなる織物を強化材とし、この織物強化材の一部を母材表面に露出させ、母材に存在する空孔を高熱伝導性のフィラーを添加した樹脂で封孔して、板状に形成された高熱伝導複合材料を表皮材としたものである。
【００１４】
この発明に係るハニカムサンドイッチパネルは、ハニカムコアを挟む表皮材の相互間にヒートパイプを配置したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による高熱伝導複合材料を示す平面図、図２は図１の断面図である。
図において、１は高熱伝導繊維からなる織物、２は母材、３は前記織物１を強化材として前記母材２に埋め込むことにより形成された高熱伝導複合材料である。さらに詳しく述べると、前記高熱伝導複合材料３は、上下両面を平坦に削り加工することによって、その上下両面の全面にわたって前記織物１の一部（高熱伝導繊維）を露出させた平板状に形成されているもので、１ａは前記織物１の露出面を示す。
【００１６】
以上説明した実施の形態１によれば、高熱伝導繊維からなる織物１を母材２に埋め込んで形成された高熱伝導複合材料３の上下両面部分を前記織物１の一部の高熱伝導繊維ともども削って、前記織物１の一部を前記高熱伝導複合材料３の上下両面に露出させるように構成したので、前記高熱伝導複合材料３上に発熱機器を実装すると、母材２で覆われていない前記織物１の露出面１ａに発熱機器が直接接合されることにより、その発熱機器と前記織物１の高熱伝導繊維との接触面積が大きくなる。しかも、その高熱伝導繊維は織構造を有しているため、発熱機器で発生した熱は、前記高熱伝導複合材料３の発熱機器実装面から反対側の面に速やかに伝達される。したがって、高熱伝導複合材料３の特に面外方向の熱伝導率が高くなるという放熱効果がある。
【００１７】
次に、上記実施の形態１による高熱伝導複合材料を実施した結果について説明する。
高熱伝導のピッチ系炭素繊維（熱伝導率：４００〜１２００Ｗ／ｍ・Ｋ）で織物１を形成し、エポキシ樹脂を母材２とした高熱伝導複合材料３を作製（面外方向の熱伝導率：３〜５Ｗ／ｍ・Ｋ）し、この高熱伝導複合材料３の上下両面を、図２に示すように、織物１の一部が露出するまで平坦面状に削り込んだ。これによって得られた高熱伝導複合材料３の面外方向の熱伝導率を測定した結果、１１〜１３Ｗ／ｍ・Ｋという高い熱伝導率値が得られた。
【００１８】
実施の形態２．
この実施の形態２では、ピッチ系炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維のいずれかよりなる高熱伝導繊維で織物１を形成し、この織物１を強化材とし樹脂を母材２とした高熱伝導複合材料３の上下両面を、前記織物１の一部が露出するまで削り込んで上下両面が平坦な板状の高熱伝導複合材料３を形成したものである。
【００１９】
この実施の形態２による高熱伝導複合材料３にあっても、上記実施の形態１の場合と同様に面外方向の熱伝導率が高くなるという効果が得られる。
【００２０】
次に、上記実施の形態２による高熱伝導複合材料を実施した結果について説明する。
高熱伝導の銅繊維（熱伝導率：４００Ｗ／ｍ・Ｋ）で織物１を形成し、母材２をエポキシ樹脂とする高熱伝導複合材料３を作製（面外方向の熱伝導率：３Ｗ／ｍ・Ｋ）し、この高熱伝導複合材料３の上下両面を、図２に示すように、織物１の一部が露出するまで平坦面状に削り込んだ。これによって得られた高熱伝導複合材料３の面外方向の熱伝導率を測定した結果、１１Ｗ／ｍ・Ｋという高い熱伝導率値が得られた。
【００２１】
実施の形態３．
この実施の形態３では、ピッチ系炭素繊維からなる高熱伝導繊維で織物１を形成し、この織物１を強化材とし炭素を母材２とした高熱伝導複合材料３の上下両面を、前記織物１の一部が露出するまで削り込んで上下両面が平坦な板状の高熱伝導複合材料３を形成したものである。この実施の形態３による高熱伝導複合材料３にあっても、上記実施の形態１の場合と同様に面外方向の熱伝導率が高くなるという効果が得られる。
【００２２】
次に、上記実施の形態３による高熱伝導複合材料を実施した結果について説明する。
高熱伝導のピッチ系炭素繊維（熱伝導率：４００〜１２００Ｗ／ｍ・Ｋ）で織物１を形成し、母材２を炭素とした高熱伝導複合材料３を作製（面外方向の熱伝導率：３〜５Ｗ／ｍ・Ｋ）し、この高熱伝導複合材料３の上下両面を、図２に示すように、織物１の一部が露出するまで平坦面状に削り込んだ。これによって得られた高熱伝導複合材料３の面外方向の熱伝導率を測定した結果、１１〜１３Ｗ／ｍ・Ｋという高い熱伝導率値が得られた。
【００２３】
実施の形態４．
図１および図２に基づいて説明した実施の形態１から実施の形態３による高熱伝導複合材料３の母材２には熱伝導を妨げる空孔が存在することから、この実施の形態４では、その空孔は高熱伝導性のフィラー、例えば銀（熱伝導率：４２０Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅（熱伝導率：４００Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミニウム（熱伝導率：１２０Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミナ（熱伝導率：２１Ｗ／ｍ・Ｋ）、窒化アルミ（熱伝導率：１６０Ｗ／ｍ・Ｋ）、炭化珪素（熱伝導率：１５０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ）などの粉末を１種類以上添加して熱伝導率を高めた樹脂で充填封孔したものであり、これによって、高熱伝導複合材料３の熱伝導性をさらに高めることができるという効果がある。
【００２４】
次に、実施の形態４による高熱伝導複合材料の実施結果を説明する。
高熱伝導のピッチ系炭素繊維（熱伝導率：４００〜１２００Ｗ／ｍ・Ｋ）で織物１を形成し、母材２を炭素とした高熱伝導複合材料３を作製（面外方向の熱伝導率：３〜５Ｗ／ｍ・Ｋ）し、この高熱伝導複合材料３の前記母材２に存在する空孔を高熱伝導の銀（熱伝導率：４２０Ｗ／ｍ・Ｋ）のフィラーを含有させた樹脂で充填処理した後、高熱伝導複合材料３の上下両面を、図２に示すように、織物１の一部が露出するまで平坦面状に削り込んだ。これによって得られた高熱伝導複合材料３の面外方向の熱伝導率を測定した結果、１１〜１３Ｗ／ｍ・Ｋという高い熱伝導率値が得られた。
【００２５】
なお、高熱伝導性炭素繊維からなる織物１を強化材とし炭素を母材２とする高熱伝導複合材料３、所謂Ｃ／Ｃにおいては、製造工程でＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）を焼いてＣ／Ｃとするため、約１０％の多量の空孔が存在する。
したがって、実施の形態４による高熱伝導複合材料としてＣ／Ｃを用いる場合は、この実施の形態４による空孔の封孔処理を施すことにより、高熱伝導複合材料３の熱伝導性をいっそう効果的に向上させることができる。
【００２６】
実施の形態５．
図３はこの発明の実施の形態５によるハニカムサンドイッチパネルを示す断面図である。
同図において、４はアルミニウム等の熱伝導部材からなるハニカムコア、５，６はそのハニカムコア４を一体結合状態に挟み込んだ表皮材であり、この表皮材５，６は、上記実施の形態１から実施の形態４による高熱伝導複合材料３からなるものである。すなわち、この実施の形態５では、ハニカムサンドイッチパネルの表皮材５，６として、上記実施の形態１から実施の形態４による高熱伝導複合材料３を用いたものである。７は表皮材５上に搭載した発熱機器である。
【００２７】
このように、ハニカムサンドイッチパネルの表皮材５，６として高熱伝導複合材料３を用いることにより、片側の表皮材５上に発熱機器７を実装した場合、その発熱機器７で発生した熱は、発熱機器７が実装された表皮材５から熱伝導性のハニカムコア４を介して反対側の表皮材６に速やかに伝達されるので、ハニカムサンドイッチパネルの面外方向の熱伝導率が高くなるという効果が得られる。
【００２８】
次に、上記実施の形態５によるハニカムサンドイッチパネルの実施結果について説明する。
高熱伝導のピッチ系炭素繊維（熱伝導率：４００〜１２００Ｗ／ｍ・Ｋ）で織物１を形成し、母材２を炭素とした高熱伝導複合材料３を作製し、この高熱伝導複合材料３の上下両面を、織物１の一部が露出するまで平坦面状に削り込んだ後、その高熱伝導複合材料３をハニカムサンドイッチパネルの表皮材５，６としてハニカムコア４に接合させた。これにより得られたハニカムサンドイッチパネルに発熱機器７を実装して放熱特性を調べた結果、ハニカムサンドイッチパネルの面外方向の放熱性が向上した。
【００２９】
実施の形態６．
図４はこの発明の実施の形態６によるハニカムサンドイッチパネルを示す断面図である。
同図において、８はハニカムサンドイッチパネルに埋め込んだヒートパイプである。すなわち、この実施の形態６では、上記実施の形態５によるハニカムサンドイッチパネルにヒートパイプ８を埋め込んだものである。したがって、この実施の形態６によるハニカムサンドイッチパネルの表皮材５，６は、上記実施の形態５の場合と同様の高熱伝導複合材料からなっている。
【００３０】
このように、高熱伝導複合材料を表皮材５，６とし且つヒートパイプ８を埋め込んだハニカムサンドイッチパネルでは、この上に発熱機器７を実装した場合、高熱伝導複合材料の面外方向に優れた熱伝導性が得られることに加え、前記ヒートパイプ８による熱伝導によって、ハニカムサンドイッチパネル全体の面外方向の熱伝導率がさらに高くなるという効果がある。
【００３１】
次に、上記実施の形態６によるハニカムサンドイッチパネルの実施結果について説明する。
高熱伝導のピッチ系炭素繊維（熱伝導率：４００〜１２００Ｗ／ｍ・Ｋ）で織物１を形成し、母材２を炭素とした高熱伝導複合材料３を作製し、この高熱伝導複合材料３の上下両面を、前記織物１の一部が露出するまで平坦面状に削り込んだ後、その高熱伝導複合材料３をハニカムサンドイッチパネルの表皮材５，６としてハニカムコア４およびハニカムコア４の相互間に配置したヒートパイプ８に接合させた。このようにしてヒートパイプ８が埋め込まれたハニカムサンドイッチパネルに発熱機器７を実装して放熱特性を調べた結果、ハニカムサンドイッチパネルの面外方向の放熱性は、上記実施の形態５の場合よりもさらに向上した。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、高熱伝導繊維からなる織物を強化材とする高熱伝導複合材料の表面に織物の一部を露出させ、母材に存在する空孔を高熱伝導性のフィラーを添加した樹脂で封孔するように構成したので、高熱伝導複合材料の面外方向の熱伝導率が顕著に高くなるという効果がある。
【００３３】
この発明によれば、高熱伝導複合材料の表面側を平坦状に削り込んで織物の一部を露出させるように構成したので、高熱伝導複合材料を削り込むだけで、その表面に織物の一部を容易に露出させることができるという効果がある。
【００３４】
この発明によれば、ピッチ系炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維のいずれかよりなる織物を強化材とし、樹脂または炭素を母材とした高熱伝導複合材料を形成するように構成したので、高熱伝導複合材料の面外方向の熱伝導率が顕著に高くなるという効果がある。
【００３５】
この発明によれば、ピッチ系炭素繊維からなる織物を強化材とし、炭素を母材とする高熱伝導複合材料を形成するように構成したので、高熱伝導複合材料の面外方向の熱伝導率が顕著に高くなるという効果がある。
【００３７】
この発明によれば、熱伝導性のハニカムコアと、このハニカムコアを一体的に挟み込んだ熱伝導性の表皮材とからなるハニカムサンドイッチパネルにおいて、高熱伝導繊維からなる織物を強化材とし、この織物強化材の一部を母材表面に露出させ、母材に存在する空孔を高熱伝導性のフィラーを添加した樹脂で封孔して、板状に形成された高熱伝導複合材料を表皮材とするように構成したので、ハニカムサンドイッチパネルの面外方向の放熱性が向上するという効果がある。
【００３８】
この発明によれば、高熱伝導複合材料をハニカムサンドイッチパネルの表皮材とし、そのハニカムコアを挟む表皮材の相互間にヒートパイプを配置するように構成したので、ハニカムサンドイッチパネルの面外方向の放熱性がいっそう向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による高熱伝導複合材料を示す平面図である。
【図２】 図１の断面図である。
【図３】 この発明の実施の形態５によるハニカムサンドイッチパネルを示す断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態６によるハニカムサンドイッチパネルを示す断面図である。
【図５】 従来の高熱伝導複合材料を示す分解斜視図である。
【図６】 従来のハニカムサンドイッチパネルを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 織物、１ａ 露出面、２ 母材、３ 高熱伝導複合材料、４ ハニカムコア、５，６ 表皮材、７ 発熱機器、８ ヒートパイプ。

Claims (6)

1. 高熱伝導繊維からなる織物を強化材とし、これを母材に埋め込んだ高熱伝導複合材料において、前記織物の一部を表面に露出させ、母材に存在する空孔を高熱伝導性のフィラーを添加した樹脂で封孔したことを特徴とする高熱伝導複合材料。
2. 高熱伝導繊維の織物を強化材とする複合材料の表面側を平坦状に削り込んで前記織物の一部を露出させたことを特徴とする請求項１記載の高熱伝導複合材料。
3. 織物は、ピッチ系炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維のいずれかよりなり、母材は樹脂または炭素からなっていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高熱伝導複合材料。
4. 織物はピッチ系炭素繊維からなり、母材が炭素からなることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の高熱伝導複合材料。
5. 熱伝導性のハニカムコアと、このハニカムコアを一体的に挟み込んだ熱伝導性の表皮材とからなるハニカムサンドイッチパネルにおいて、高熱伝導繊維からなる織物を強化材とし、この織物強化材の一部を母材表面に露出させ、母材に存在する空孔を高熱伝導性のフィラーを添加した樹脂で封孔して、板状に形成された高熱伝導複合材料を前記表皮材としたことを特徴とするハニカムサンドイッチパネル。
6. ハニカムコアを挟む表皮材の相互間にヒートパイプを配置したことを特徴とする請求項５記載のハニカムサンドイッチパネル。

Images