JP4711956B2 - 冷却される機能素子によって形成された少なくとも1つの熱源、少なくとも1つの吸熱源、および熱源と吸熱源の間に置かれて熱伝導材料から作られた少なくとも1つの中間層を備えるデバイス、および特にそのようなデバイスで使用される熱伝導材料 - Google Patents
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Description
本発明に従った「熱伝導集合体」とは、特に液体、半液体/粘性、または固体状態の材料を意味する。この材料は、熱源と吸熱源の間の中間層として、熱源と吸熱源の間の熱移送に提供された対応面(熱移送面)が、例えば製造上の理由のため完全には平坦でないか、および/または、かなりの凹凸を有する場合に、可能な最大面区域への熱の最適移送を確実にする。
例えば製造に起因して、避けることのできない凸凹または非平坦区域があっても、面1.1および2.1の全体を最大に使用して最適の熱移送を得るため、即ち熱伝導の抵抗を最小にするため、高い熱伝導率を有する材料から作られた中間プライまたは層3が熱源1と吸熱源2との間に設けられる。熱を生成するコンポーネントの少なくとも動作中に、低い抵抗との熱伝導接続が、熱源1と吸熱源2との間で、熱移送面の非平坦区域にも作り出されるように、中間層3または該中間層を形成する材料が選択される。更に、中間層3の厚さは可能な限り小さくされ、例えば面1.1および2.1の非平坦区域が、前記中間層3によって平らにされる。
中間層3に使用される材料は、最も単純な場合、少なくともマトリックスとしての有機成分、およびこの有機成分に埋め込まれたカーボンナノファイバ、例えばシングルウォールドナノチューブ、ダブルウォールドまたはマルチウォールドナノチューブ、または他の形態では、例えば有機マトリックスへの最適集積を可能にする魚骨面構造を有するものから構成される。
中間層3の本質的利点は、ナノファイバの使用が、中間層について安定構造を生じることである。即ち、有機マトリックスが、少なくとも熱源1の動作中に液体または粘性状態にあっても、中間層3を形成する集合体は安定に維持される。即ち、特に熱源で温度が変化する場合、既知の熱伝導ペーストで看取されるように、ナノファイバが、例えば面1.1および2.1の中心から端部区域まで分離または変位することはない。これは、明らかに、有機マトリックスへ加えられた他の添加剤または成分に加えて、ナノファイバがマトリックス内で相互に保持または固定される事実に起因する。
カーボンから作られたナノファイバを有機マトリックス内で使用すると、特徴として、中間層3の熱伝導率が高くなる利点がある。ナノファイバの対応するパーセンテージ、例えば10重量パーセントの高さを使用すると、中間層3として使用される材料は、熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率にほぼ対応するにも拘わらず、更に電気伝導特性を示す。
図3は、赤外線カメラ7で測定された温度の時間勾配を示す。曲線aは、2つの板5.1および5.2の間に150μmの空気ギャップ6が存在する場合を示し、曲線bは、ギャップ6が純粋のアルミニウムで充填された場合を示し、曲線cは、ギャップ6が中間層3の材料、即ち10重量パーセントのカーボンナノファイバと共にシリコーン油の有機マトリックスから構成されるペーストによってブリッジされる場合を示す。
ナノファイバの適切な処理によって、即ち約2700〜3100℃の間の温度でグラファイト化するステップによって、ナノファイバの熱伝導率、したがって前記ナノファイバを含む集合体の熱伝導率を更に改善することができる。
図4は、再び、他の添加剤または成分に加えて、有機マトリックスおよびこのマトリックス内に埋め込まれたナノファイバ8から構成される中間層3の部分拡大図である。図4の8で示されたナノファイバは、絡むかねじれた形態でマトリックス内に埋め込まれているように示される。
図4〜図6から逸脱して、有機マトリックス内に埋め込まれたナノファイバは、少なくとも大部分が相互に接続され、例えば、一種の織物または不織材料(羊毛)または3次元多孔性構造体または3次元網状組織または網として、2次元または3次元構造体を形成することができる。
1.1 熱源の熱移送面または熱移送面側
2 吸熱源
2.1 吸熱源の熱移送面または熱移送面側
3 中間プライまたは層
4 測定またはテストのセットアップ
5.1、5.2 アルミニウム板
5.3 板5.1上の電気加熱デバイス
6 クリアランス
7 非接触で温度を測定する赤外線カメラ
8 ナノファイバ
9 電圧源
10 受動冷却素子
11 ブロワ
12 能動クーラ
13 循環ポンプ
14 リクーラ
15 ブロワ
16 補償タンク
17 ヒートパイプ
18 冷却素子
19 ブロワ
20 熱スプレッダとしてのヒートパイプ
21 クーラ
22 金属セラミック基板
22.1 セラミック層
22.2、22.3 メタライゼーション
23 電気または電子回路
24 電気または電子パワーコンポーネント
a、b、c 時間温度勾配
Claims (44)
- 少なくとも1つの電気または電子コンポーネントから形成されるか1つのそのようなコンポーネントを備える熱源(1)と、吸熱源(2)と、前記熱源と前記吸熱源の間に設けられた熱伝導材料から作られた中間層とを有する装置であって、
前記中間層(3)がナノファイバを埋め込まれた有機マトリックスから構成されかつその厚さが0.01mm〜0.5mmの間であり、前記有機マトリックスが10〜30℃の間の温度で粘性または液体状態を有しかつ40〜80℃の間の温度で粘性または液体状態を有し、前記有機マトリックス中に埋め込まれたナノファイバの長さが1〜100μmの間であり、前記熱源(1)および前記吸熱源(2)が熱移送面(1.1、2.1)によって0.1〜100バールの間の表面圧力で前記中間層(3)を圧しており、前記有機マトリックス中のナノファイバのパーセンテージが中間層(3)の全集合体に対して5〜20質量%の間であり、前記ナノファイバが1.3nm〜300nmの間の厚さを有し、前記ナノファイバの長さ/厚さの比が10よりも大きいことを特徴とする装置。 - 前記有機マトリックスが、シリコーン油を含有する、請求項1に記載の装置。
- 前記有機マトリックスが、エラストマーを含有する、請求項1または2に記載の装置。
- 前記有機マトリックスが、部分的にポリマーである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ナノファイバの一部分が、カーボンから作られる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ナノファイバの一部分が、チッ化ホウ素および/または炭化タングステンから作られる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
- 前記有機マトリックス中のナノファイバ(8)がランダムおよび/または絡み合った構成で配向される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の装置。
- 前記有機マトリックス中のナノファイバ(8)が、大部分について、長手方向の同じ方向に配向される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の装置。
- 前記有機マトリックス中でナノファイバを配向し、その配向を維持する手段(9)を備える、請求項8に記載の装置。
- 前記有機マトリックス中に埋め込まれたナノファイバの一部分が、2次元または3次元構造を形成し、前記構造の中で、ナノファイバが、織物または織物類似構造、不織材料構造、および/または網または網類似構造の形態で相互にリンクされる、請求項1〜9のいずれか一項に記載の装置。
- 前記有機マトリックスが、前記ナノファイバのパーセンテージよりも低いパーセンテージで、更なる成分または添加剤を含有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の装置。
- 前記有機マトリックスが、微細な粒子または粉末形態をしたAl2O3、AIN、BN、Si3N4、SiC、BeO、ZrOのいちの少なくとも1種を添加剤として含有する、請求項11に記載の装置。
- 前記有機マトリックスが、微細な粒子または粉末の形態をした銀、銅、または金を添加剤として含む、請求項11または12に記載の装置。
- 前記マトリックスが、熱伝導性であって50℃を超える温度で溶融状態へ変化する少なくとも1つの材料および/または材料化合物および/または合金を、微細な粒子または粉末の形態で添加剤として含有する、請求項11〜13のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ナノファイバの一部分がナノチューブである、請求項1〜14のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ナノファイバの一部分が少なくとも1つの金属でコーティングされる、請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ナノファイバがカーボンからなり、前記有機マトリックス中に埋め込まれる前に、2700〜3100℃の温度で熱処理ステップまたはグラファイト化ステップにさらされたナノファイバである、請求項1〜16のいずれか一項に記載の装置。
- 前記熱源(1)が少なくとも1つの電子コンポーネントによって形成される、請求項1〜17のいずれか一項に記載の装置。
- 前記熱源(1)が、少なくとも1つの電気または電子コンポーネント(24)を有する少なくとも1つの回路またはモジュールによって形成され、前記少なくとも1つの電気または電子コンポーネント(24)が、DCBプロセスまたは能動はんだ付けプロセスを使用して製造された金属セラミック基板(22)の上に置かれ、前記中間層(3)が、基板の1つのメタライゼーション(22.3)と該メタライゼーションに隣接した1つの熱移送面(2.1)の間に置かれる、請求項1〜18のいずれか一項に記載の装置。
- 前記熱源(1)がマイクロプロセッサによって形成される、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記熱源(1)が少なくとも1つのレーザダイオードまたは1つのレーザダイオードバーである、請求項1〜20のいずれか一項に記載の装置。
- 前記吸熱源(2)が、冷却フィン、冷却ピン、または類似の構造体を有する受動クーラ(10)によって形成される、請求項1〜21のいずれか一項に記載の装置。
- 前記吸熱源(2)が少なくとも1つの能動クーラ(12)を含み、冷媒が前記能動クーラを介して循環する、請求項1〜22のいずれか一項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのクーラ(12)が冷媒循環システムの一部分である、請求項23に記載の装置。
- 前記吸熱源が少なくとも1つのヒートパイプ(17、20)を備え、前記中間層(3)が、少なくとも、前記熱源(1)とヒートパイプによって形成された1つの冷却面の間に設けられる、請求項1〜24のいずれか一項に記載の装置。
- 前記1つのクーラまたは熱交換器(18、21)がヒートパイプの上に設けられ、少なくとも1つの中間層が、ヒートパイプとこの熱交換器またはクーラの間に設けられる、請求項25に記載の装置。
- 前記ヒートパイプ(17)がヒートポンプとして機能する、請求項25または26に記載の装置。
- 前記ヒートパイプ(20)が熱スプレッダとして機能する、請求項25〜27のいずれか一項に記載の装置。
- 熱源(1)と吸熱源(2)の間の中間層(3)を形成する熱伝導集合体または熱移送化合物であって、前記中間層がナノファイバを埋め込まれた有機マトリックスから構成されかつその厚さが0.01mm〜0.5mmの間であり、前記有機マトリックスが10〜30℃の間の温度で粘性または液体状態を有しかつ40〜80℃の間の温度で粘性または液体状態を有し、前記有機マトリックス中に埋め込まれたナノファイバの長さが1〜100μmの間であり、前記有機マトリックス中のナノファイバのパーセンテージが中間層(3)の全集合体に対して5〜20質量%の間であり、前記ナノファイバが1.3nm〜300nmの間の厚さを有し、前記ナノファイバの長さ/厚さの比が10よりも大きいことを特徴とする熱伝導集合体または熱移送化合物。
- 前記有機マトリックスが、シリコーン油から構成される、請求項29に記載の熱伝導集合体。
- 前記有機マトリックスがエラストマーを含有する、請求項29または30に記載の熱伝導集合体。
- 前記有機マトリックスが、部分的にポリマーである、請求項29〜31のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記ナノファイバの少なくとも一部分がカーボンから作られる、請求項29〜32のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記ナノファイバの一部分がチッ化ホウ素および/または炭化タングステンから作られる、請求項29〜33のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記有機マトリックス中のナノファイバ(8)がランダムおよび/または絡み合った構成で配向される、請求項29〜34のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記有機マトリックス中のナノファイバ(8)が、大部分について、長手方向の同じ方向に配向される、請求項29〜35のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記有機マトリックス中に埋め込まれたナノファイバの一部分が2次元または3次元の構造を形成し、前記構造の中で、ナノファイバが、織物または織物類似構造、不織材料構造、および/または網または網類似構造の形態で相互にリンクされる、請求項29〜36のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記有機マトリックスが、前記ナノファイバのパーセンテージよりも低いパーセンテージで、更なる成分または添加剤を含有する、請求項29〜37のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記有機マトリックスが、微細な粒子または粉末の形態をしたAl2O3、AIN、BN、Si3N4、SiC、BeO、ZrOのうちの少なくとも1種を添加剤として含有する、請求項38に記載の熱伝導集合体。
- 前記有機マトリックスが、微細な粒子または粉末の形態をした銀、銅、または金を添加剤として含有する、請求項38または39に記載の熱伝導集合体。
- 前記マトリックスが、熱伝導性であって50℃より上の温度で溶融状態へ変化する少なくとも1つの材料および/または材料化合物および/または合金を微細な粒子または粉末の形態で添加剤として含有する、請求項38〜40のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記ナノファイバの一部分がナノチューブである、請求項29〜41のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記ナノファイバの一部分が少なくとも1つの金属でコーティングされる、請求項29〜42のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
- 前記ナノファイバがカーボンからなり、前記有機マトリックス中に埋め込まれる前に、2700〜3100℃の間の温度で熱処理またはグラファイト化ステップにさらされたナノファイバである、請求項29〜43のいずれか一項に記載の熱伝導集合体。
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