JP4443014B2 - 熱伝導部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱伝導部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱源（例えば、発熱する電子部品など）と放熱手段（例えば、冷却フィン、ペルチェ素子など）との間に介在させる熱伝導部材としては、熱伝導率の高い金属（例えば、アルミニウムなど）でできたもの、あるいは、マトリクスとなる樹脂材料中に熱伝導率の高いフィラーを分散させたものなどが利用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の熱伝導部材は、熱源からの熱が不特定な方向へ伝わるものであったため、熱源と放熱手段の位置関係や熱伝導部材の形態によっては、放熱手段以外の部分へ熱が伝わってしまうなど、必ずしも効率よく放熱手段へ熱を伝導することができなかった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱源から放熱手段へ効率よく熱を伝導でき、特に、熱を伝導する方向を自在に設定可能な熱伝導部材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段、および発明の効果】
上述の目的を達成するために構成された本発明の熱伝導部材は、請求項１に記載の通り、
熱伝導率について異方性を示す素材で形成された複数の熱伝導体を接合してなり、該複数の熱伝導体の内、相互に接合された関係にある熱伝導体が、熱伝導率の高い方向を異なる方向に向けられて該異なる方向の両方に交差する接合面で接合されている熱伝導部材であって、
全体が板状体になっていて、該板状体が、第１の熱伝導体と、該第１の熱伝導体に接合された第２の熱伝導体と、該第２の熱伝導体に接合された第３の熱伝導体とで構成され、前記第１，第３の熱伝導体は、熱伝導率の高い方向が前記板状体の表面または裏面と交差する方向に向けられていて、前記第２の熱伝導体は、熱伝導率の高い方向が前記板状体の表裏面と平行な方向に向けられている
ことを特徴とする。
【０００６】
この熱伝導部材において、複数の熱伝導体は、熱伝導率について異方性を示す素材で形成されたもの、すなわち、ある方向についての熱伝導率と別の方向についての熱伝導率が異なる素材で形成されたものである。
このような素材の具体的な例としては、例えば請求項２に記載したように、配向したグラファイトを挙げることができる。
【０００７】
この種のグラファイトは、層状構造になっており、層に平行な方向への熱伝導率が比較的高く、層に垂直な方向への熱伝導率が比較的低いものとなる。このようなグラファイトは、例えば、炭化水素系ガスを用いＣＶＤ法によって炭素原子を基板上に積層させてからアニーリングする、特定の高分子化合物のフィルムを焼成してグラファイト化する、といった方法で得ることができる。中でも、高分子化合物のフィルムをグラファイト化したものは熱伝導性がよいので好ましい。
【０００８】
グラファイト化する高分子化合物のフィルムとしては、一般に耐熱性フィルムと呼ばれるものが適当であり、特に、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサチアゾール、ポリベンゾ（ビス）チアゾール、ポリフェニレンオキサジアゾール、ポリパラフェニレンビニレン等からなるフィルムが好適である。
【０００９】
高分子化合物のフィルムをグラファイト化する際の焼成条件は、特に限定されないが、２０００℃以上、好ましくは３０００℃近辺の温度域に達するように焼成すると、より配向性の高いものが得られるので好ましい。焼成は、普通、不活性ガス中で行われる。焼成の際、処理雰囲気を加圧雰囲気にしてグラファイト化の過程で発生するガスの影響を抑えるためには、高分子化合物のフィルム厚みが５μｍ以上であるのが好ましい。焼成時の圧力は、フィルムの厚みにより異なるが、通常、０．１〜５０ｋｇ／ｃｍ² の圧力が好ましい。最高温度が２０００℃未満で焼成する場合は、得られたグラファイトは硬くて脆くなる傾向がある。焼成後、さらに必要に応じて圧延処理するようにしてもよい。高分子化合物のフィルムのグラファイト化は、たとえば、高分子化合物のフィルムを適当な大きさに切断し、切断されたフィルムを約１０００枚程度積層してから焼成炉に入れ、３０００℃に昇温してグラファイト化するプロセスで製造される。焼成後、さらに必要に応じて圧延処理される。
【００１０】
また、上記のようなグラファイト以外にも、例えば周知の薄膜形成法（例えば、イオンプレーティング、スパッタリング、蒸着など）を利用して、熱伝導率の高い薄膜と低い薄膜とを交互に積層することにより、層に平行な方向への熱伝導率が比較的高く、層に垂直な方向への熱伝導率が比較的低い素材を得ることができる。
【００１１】
さらに、層状構造以外には、熱伝導率の高い複数の線状体を平行に並べるとともに、線状体間に熱伝導率の低い物質を充填することにより、線状体に平行な方向への熱伝導率が比較的高く、線状体に垂直な方向への熱伝導率が比較的低い素材を得ることもできる。
【００１２】
これらの熱伝導体を形成するための素材は、フィルム状、シート状、板状、ブロック状など様々な形態のものを、熱伝導体の形態に応じて任意に選んで利用すればよい。厚みのある熱伝導体を形成する場合には、フィルム状またはシート状のものを多数積層して板状またはブロック状にしてもよい。
【００１３】
そして、このような素材で形成された複数の熱伝導体を接合することにより、本発明の熱伝導部材が形成されるが、その接合に当たっては、熱伝導体が、熱伝導率の高い方向を異なる方向に向けられて、その異なる方向の両方に交差する接合面で接合される。接合するための手段については特に限定されないが、少なくとも接合された熱伝導体間における熱伝導を妨げないように接合すべきであり、熱伝導体間における熱伝導がより良好であるほど望ましい。接合手段の具体例としては、例えば、接合面で熱伝導体同士を直接密着させておいてその周囲で接合する、熱伝導率の高い接着材料を接合面に介在させて接合する、といった手段を考え得る。
【００１４】
このように構成された熱伝導部材によれば、複数の熱伝導体が、それぞれ特定方向へ効率よく熱を伝導し、しかも、熱伝導体の接合面に達する毎に熱の伝導方向を変化させることができるので、接合する熱伝導体の数と各熱伝導体の熱伝導率の高い方向とを調節することにより、最も効率よく熱が伝導する経路を自由に設定することができる。したがって、熱源と放熱手段の位置関係を考慮して、熱源から放熱手段に至る経路がすべて熱伝導率の高い方向となるように複数の熱伝導体を接合することができ、これにより、熱源から放熱手段へ効率よく熱を伝導することができる。
【００１５】
熱伝導部材の全体の形状については、熱源となる部分の形状、放熱手段側の形状、熱源と放熱手段の位置関係などに応じて決まるものであるが、本発明においては、汎用性のある板状の熱伝導部材を構成するため、請求項１に記載した通り、
全体が板状体になっていて、該板状体が、第１の熱伝導体と、該第１の熱伝導体に接合された第２の熱伝導体と、該第２の熱伝導体に接合された第３の熱伝導体とで構成され、前記第１，第３の熱伝導体は、熱伝導率の高い方向が前記板状体の表面または裏面と交差する方向に向けられていて、前記第２の熱伝導体は、熱伝導率の高い方向が前記板状体の表裏面と平行な方向に向けられている、といった構造を採用している。
【００１６】
このような熱伝導部材の場合、第１，第３の熱伝導体は、熱伝導率の高い方向が板状体の表面または裏面と交差する方向に向けられているので、比較的面積が広い板状体の表面または裏面を利用して、熱源側から熱を受け取ったり、放熱手段側へ熱を放出したりすることができる。また、第２の熱伝導体は、熱伝導率の高い方向が板状体の表裏面と平行な方向に向けられているので、第２の熱伝導体によって伝導される熱が板状体の表面ないし裏面から逃げにくくなり、第１の熱伝導体から第３の熱伝導体へ効率よく熱を伝えることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
図１（ａ）および同図（ｂ）に示すように、熱伝導部材１は、全体が板状体になっていて、その板状体が、中央にある第１の熱伝導体３と、第１の熱伝導体３の両側でそれぞれ第１の熱伝導体３に接合された第２の熱伝導体５，５と、２つある第２の熱伝導体５，５にそれぞれ接合された第３の熱伝導体７，７とで構成されている。そして、発熱源である電子部品Ｐ１が、第１の熱伝導体３との間に熱伝導パッドＱを挟み込むように配置され、放熱手段であるアルミニウム製の放熱フィン（放熱手段）Ｐ２，Ｐ２が、それぞれ第３の熱伝導体７，７に密接するように配置されている。熱伝導パッドＱは、ゴム状樹脂材料（例えばシリコーンゴムなど）のマトリクス中に高熱伝導率のフィラー（例えばアルミナ粉末）を分散させた組成物からなるもので、このような熱伝導パッドＱを第１の熱伝導体３と電子部品Ｐ１との間に挟み込むことにより、第１の熱伝導体３と電子部品Ｐ１との間に熱伝導の妨げとなるような空隙が生じるのを防止してある。
【００１８】
第１の熱伝導体３、第２の熱伝導体５，５、第３の熱伝導体７，７は、いずれも配向性の高いグラファイトによって形成されたものである。これらの内、第１の熱伝導体３と第３の熱伝導体７，７は、いずれも熱伝導率の高い方向（図１（ｂ）において破線矢印で示す方向）が板状体の表面または裏面に対して直交する方向に向けられている。また、第２の熱伝導体５，５は、熱伝導率の高い方向（図１（ｂ）において破線矢印で示す方向）が板状体の表裏面と平行な方向に向けられている。さらに、第１の熱伝導体３と第２の熱伝導体５との接合面は、第１の熱伝導体３の熱伝導率の高い方向と第２の熱伝導体５の熱伝導率の高い方向の両方に交差する傾きを持った面となっており、また、第２の熱伝導体５と第３の熱伝導体７との接合面も、第２の熱伝導体５の熱伝導率の高い方向と第３の熱伝導体７の熱伝導率の高い方向の両方に交差する傾きを持った面になっている。
【００１９】
以上のように構成された熱伝導部材１は、電子部品Ｐ１で発生した熱（熱伝導パッドＱから伝わる熱）を、図１（ｂ）に破線矢印で示すように伝導する。すなわち、電子部品Ｐ１で発生した熱（熱伝導パッドＱから伝わる熱）は、まず第１の熱伝導体３によって板状体の表面に対して垂直な方向へと伝導されて第２の熱伝導体５との接合面に達し、第２の熱伝導体５によって板状体の表面に平行な方向へと伝導されて第３の熱伝導体７との接合面に達し、第３の熱伝導体７によって板状体の表面に対して垂直な方向へと伝導されて放熱フィンＰ２に達する。
【００２０】
このような熱伝導部材１によれば、例えば金属製のものとは異なり、電子部品Ｐ１で発生した熱を効率よく放熱フィンＰ２に伝えることができる。したがって、電子部品Ｐ１の両脇や２つの放熱フィンＰ２，Ｐ２間において板状体の表裏面から大量に熱を放出することはなく、例えばそのような箇所に配設された電子部品を加熱してしまう、といった問題を招くことがない。
【００２１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、電子部品Ｐ１で発生した熱を中央部で受けて、その熱を両側二方向に分けて伝導する熱伝導部材１を例示したが、熱の伝導方向については特に限定されない。具体例を挙げれば、図２および図３に示す熱伝導部材１１のように、中央にある電子部品Ｐ１で発生した熱を、第１の熱伝導体１３によって鉛直方向へ伝導し、その熱を第２の熱伝導体１５によって水平方向に伝導し、その熱を第３の熱伝導体１７によって鉛直方向に伝導して放熱フィンＰ３へと伝えるように構成してもよい。
【００２２】
また、上記実施形態では、熱伝導率について異方性がある素材として、配向したグラファイトを利用していたが、特定方向への熱伝導率が高い素材であれば、グラファイト以外の素材を利用しても、本発明の熱伝導部材を構成することができる。
【００２３】
さらに、上記実施形態では、電子部品を対象とする比較的小さな熱伝導部材を想定して説明を行ったが、より大型の熱伝導部材を構成することもでき、そのようなものは、各種熱交換器や放熱器の類において採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態として説明した熱伝導部材を示し、（ａ）その斜視図、（ｂ）は熱の伝導方向を併記した正面図である。
【図２】 上記とは別の実施形態として説明した熱伝導部材を示す斜視図である。
【図３】 図２に示した熱伝導部材の分解斜視図である。
【符号の説明】
１，１１・・・熱伝導部材、３，１３・・・第１の熱伝導体、５，１５・・・第２の熱伝導体、７，１７・・・第３の熱伝導体。

Claims (2)

1. 熱伝導率について異方性を示す素材で形成された複数の熱伝導体を接合してなり、該複数の熱伝導体の内、相互に接合された関係にある熱伝導体が、熱伝導率の高い方向を異なる方向に向けられて該異なる方向の両方に交差する接合面で接合されている熱伝導部材であって、
   全体が板状体になっていて、該板状体が、第１の熱伝導体と、該第１の熱伝導体に接合された第２の熱伝導体と、該第２の熱伝導体に接合された第３の熱伝導体とで構成され、前記第１，第３の熱伝導体は、熱伝導率の高い方向が前記板状体の表面または裏面と交差する方向に向けられていて、前記第２の熱伝導体は、熱伝導率の高い方向が前記板状体の表裏面と平行な方向に向けられている
   ことを特徴とする熱伝導部材。
2. 前記熱伝導率について異方性を示す素材が、配向したグラファイトである
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導部材。

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