JP4666203B2 - 放熱フィンおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インバータやサーボモータ用コントローラなどにおけるヒートシンクなどの冷却部品で使用される放熱フィンに関する。

インバータやサーボモータ用コントローラ等の電気機器からの発熱を放熱するヒートシンクには、小型で安価であることが要求される。
従来のヒートシンクに用いられる放熱フィンは、アルミニウムの平板を平行に配列し、その平板間を冷却風が通過して、熱を冷却風に放出する構造である。その冷却風への放熱効果を高めるため、放熱フィンの形状や配置に変化を持たせていた（例えば特許文献１参照）。図３は、従来のヒートシンクの冷却装置を示す図である。図３（ａ）は冷却ファンを除いた斜視図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は下面図である。図において、１０１は発熱体、１０２は冷却板、１０３は放熱フィン、１０４は冷却ファン、１０５は冷却風である。
このように、従来の放熱フィンは、アルミニウムの平板を平行に配列し、放熱フィンの形状や配置に変化を持たせているものである。
特開２００４−１１９６６９号公報（第３項、第１図）

ところが、従来のヒートシンクに設置された放熱フィンは、アルミニウム平板を平行に配列した放熱フィンを使用していた。平板のフィンは放熱面積が小さく、また冷却風を遮るため、放熱フィンに温度分布が生じ、冷却効率が低下し、ヒートシンクが大型化すると言う問題があった。そこで、冷却風の流れを制御して放熱フィン温度を均一にするため、放熱フィンの形状を段階的に変えたり、剣山状に加工したり、冷却板にヒートパイプを埋め込んだりしており、製造コストがかると言う問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、放熱面積が大きく、放熱フィンが冷却風を遮らないことで、ヒートシンクの構造が小型で簡素になる放熱フィンを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたものである。
請求項１に記載の発明は、直径が２００ナノメートル以下の互いに絡み合う複数の炭素繊維と、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の少なくともいずれか一方の樹脂により形成される複数のバインダからなる放熱フィンであって、前記複数の炭素繊維の接触部分は、前記バインダにより固着され、前記複数の炭素繊維の非接触部分は、空隙が形成されるものである。
請求項２に記載の発明は、前記炭素繊維は、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーの少なくともいずれか一方を用いたものである。
請求項３に記載の発明は、前記熱可塑性樹脂は、アクリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミドの少なくともいずれか一種を用いたものである。
請求項４に記載の発明は、前記熱硬化性樹脂は、エポキシ、シリコン、不飽和ポリエステル、アルキッド、ウレタンの少なくともいずれか一種を用いたものである。
請求項５に記載の発明は、直径が２００ナノメートル以下の互いに絡み合う複数の炭素繊維と、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の少なくともいずれか一方の樹脂により形成される複数のバインダからなり、前記複数の炭素繊維の接触部分は、前記バインダにより固着され、前記複数の炭素繊維の非接触部分は、空隙が形成された放熱フィンの製造方法であって、前記樹脂及び有機溶剤を混合して、混合液の粘度を調整する工程と、予め前記炭素繊維の設置された、放熱フィンを成型する金型の内部に、前記混合液を注入する工程と、前記炭素繊維と接触しない前記混合液を除去する工程と、前記樹脂を硬化させる工程と、を有するものである。
請求項６に記載の発明は、前記混合液の粘度を２Ｐａ・ｓｅｃ以下としたものである。

請求項１に記載の発明によると、熱伝導率と比表面積を大きくすることができ、熱のフィン内の移動と冷却風への放出を速やかにすることができる。
請求項２に記載の発明によると、炭素繊維と冷却風との接触面積を大きくすることができ、冷却風への熱の移動を速やかにすることができる。
請求項３に記載の発明によると、様々な熱可塑性樹脂をバインダとして用いることができる。
請求項４に記載の発明によると、様々な熱硬化性樹脂をバインダとして用いることができる。
請求項５に記載の発明によると、熱伝導率及び比表面積を大きくすることができ、熱を速やかに放出できる放熱フィンを容易に製造することができるようになる。
請求項６ に記載の発明によると、バインダを低粘度化することで、炭素繊維どうしの接触部以外に付着したバインダを流失させることができ、炭素繊維同士の接触部のみにバインダを残留させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の放熱フィンを用いたヒートシンクの斜視図である。図１において、１は発熱体、２は冷却板、３は放熱フィン、４は冷却ファンである。図２は、図１の放熱フィン３の詳細を示す模式図である。６は炭素繊維、７はバインダである。
本発明が特許文献１と異なる部分は、アルミニウム板製の放熱フィン１０３の代わりに、ナノメートルサイズの直径をもつ炭素繊維６をバインダ７で成形した放熱フィン３に置き換えた部分である。
炭素繊維６は直径がナノメートルサイズでであり比表面積が平板の１０^５倍以上ときわめて大きく、しかも炭素繊維６どうしが交差したバインダ７以外の部分は、炭素繊維６の表面は露出しているため、冷却風５との接触面積をきわめて大きくすることができる。また、炭素繊維６は熱伝導率がアルミニウムの２０倍と大きく、小さい断面積で同等の熱を移動させることができるため、放熱フィン３内に隙間が多く存在しても熱の移動量は低下しない。また、炭素繊維６の間は隙間が空いているため、冷却風５が透過し、放熱フィン３内部まで冷却風５に熱を放出することができるとともに、透過した冷却風５は隣の放熱フィン３を冷却することができる。

表１に本発明の放熱フィンを用いたヒートシンクについて、冷却能力を評価した結果を示す。また、表２に比較例として本発明と同じ原料を用いて、バインダの粘度を高めて作製した放熱フィンを用いたヒートシンクついて、冷却能力を評価した結果を示す。なお、従来例は、同形状のアルミニウム板の放熱フィンを用いたものとした。

本発明の放熱フィンに用いた材料は以下のとおりである。バインダ原料の混合比は、表１、表２に示す粘度となるようにフェニルグリシジルエーテルや有機溶剤を所定量添加した。硬化剤の配合比は、エポキシ樹脂１００重量部に対して３重量部添加した。放熱フィンの成形は以下のように行った。まず、所定温度に予熱した図示しない金型内にカーボンナノファイバーを挿入し、金型内に、所定温度に予熱した液状のバインダ原料を注入して満たした。次に、図示しない金型底部に設けた流出孔から、カーボンナノファイバーどうしの接触部以外の余分なバインダは、その流動しやすさを利用して、重力にて自然落下させ流出させた。このとき、カーボンナノファイバーどうしの接触部にあるバインダは、毛管現象により接触部に留まっている。また、適度なバインダ保持量を確保するため、低粘度で溶剤量が多く、熱硬化性樹脂の場合は硬化反応が遅いバインダほど、余熱温度を低く、流出時間を短く、高粘度、無溶剤、硬化反応が速いバインダほど、余熱温度を高く、流出時間を長くした。流出が終わった後、１５０℃で乾燥または硬化させた。なお、加熱中も流出孔は空けておき、流出したバインダは除去し続けた。
（イ）カーボンナノファイバー
多層カーボンナノファイバーが密集してテープ上に加工されたもの
（ロ）熱硬化性のバインダ原料
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ＢＰＡと記述、液状）
フェノールノボラック型エポキシ樹脂（ＰＮと記述、固形）
フェニルグリシジルエーテルエポキシ樹脂（ＰＧＥと記述、液状、きわめて低粘度）
イミダゾール硬化剤（Ｚと記述、液状）
（ハ）熱可塑性のバインダ原料
アクリル樹脂
（ニ）有機溶剤
トルエンとメチルエチルケトンを重量比１：１で混合したもの

ヒートシンクと発熱体は、実施例、従来例、比較例ともに図１に示した同型とした。フィンの寸法は、３０ｍｍ×７０ｍｍ×厚さ２ｍｍとし、３枚を平行に設置した。また、冷却風は、図１における右端の放熱フィンに遮られるように流した。冷却板２の内部には、図示しない熱電対を埋設し、その温度にて評価した。また、発熱体は実施例、従来例、比較例とも同型とし、同じ発熱量とした。温度の経時変化が無くなった時点での室温からの温度上昇幅で評価した。なお、評価基準は、○印を温度上昇が従来例の７０％以下のもの、△印を温度上昇が従来例と同等のもの、×印を温度上昇が従来例の１５０％以上のものとした。

表１より、本発明の実施例では、放熱板の温度上昇が従来例の７０％以下と放熱特性に優れていた。表２より、バインダ原料の粘度を高めた比較例では、放熱特性が従来例と同等となり、さらに高粘度の原料では従来例よりも放熱板の温度上昇が従来例よりも大きくなり、放熱特性は低下した。

なお、バインダの材質については、液状または有機溶剤にて希釈が可能であれば、例えば本実施例に用いた材質以外でも、熱可塑性樹脂の材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミドまたはそれらを併用したものでも良く、また、熱硬化性樹脂の材質は、シリコン、不飽和ポリエステル、アルキッド、ウレタンまたはそれらを併用したものなど何でも良い。

放熱フィンに、直径がナノメートルサイズの炭素繊維をバインドさせた板材を用いることによって、ヒートシンクの形状を簡素に、製造コストは増加させずに、放熱能力に優れ、小型化ができるので、小型・大出力のインバータやコントローラと言う用途にも適用できる。

本発明の実施例を示すヒートシンクの斜視図である。 放熱フィンの詳細を示す模式図である。 従来のヒートシンクを示す図で、（ａ）は斜視図（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図であるである。

符号の説明

１、１０１ 発熱体
２、１０２ 冷却板
３、１０３ 放熱フィン
４、１０４ 冷却ファン
５、１０５ 冷却風
６、 炭素繊維
７、 バインダ

Claims (6)

1. 直径が２００ナノメートル以下の互いに絡み合う複数の炭素繊維と、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の少なくともいずれか一方の樹脂により形成される複数のバインダからなる放熱フィンであって、
   前記複数の炭素繊維の接触部分は、前記バインダにより固着され、
   前記複数の炭素繊維の非接触部分は、空隙が形成されることを特徴とする放熱フィン。
2. 前記炭素繊維は、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーの少なくともいずれか一方を用いたことを特徴とする請求項１記載の放熱フィン。
3. 前記熱可塑性樹脂は、アクリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミドの少なくともいずれか一種を用いたことを特徴とする請求項１記載の放熱フィン。
4. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ、シリコン、不飽和ポリエステル、アルキッド、ウレタンの少なくともいずれか一種を用いたことを特徴とする請求項１記載の放熱フィン。
5. 直径が２００ナノメートル以下の互いに絡み合う複数の炭素繊維と、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の少なくともいずれか一方の樹脂により形成される複数のバインダからなり、前記複数の炭素繊維の接触部分は、前記バインダにより固着され、前記複数の炭素繊維の非接触部分は、空隙が形成された放熱フィンの製造方法であって、
   前記樹脂及び有機溶剤を混合して、混合液の粘度を調整する工程と、
   予め前記炭素繊維の設置された、放熱フィンを成型する金型の内部に、前記混合液を注入する工程と、
   前記炭素繊維と接触しない前記混合液を除去する工程と、
   前記樹脂を硬化させる工程と、
   を有することを特徴とする放熱フィンの製造方法。
6. 前記混合液の粘度を２Ｐａ・ｓｅｃ以下としたことを特徴とする請求項５記載の放熱フィンの製造方法。
   
   

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