JP4803515B2 - 面間伝熱プレート - Google Patents
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また発熱量が増加するにつれて熱拡散倍率も増加しつつある。過去のその熱拡散倍率は10倍前後であり、現在は60倍前後に進展し、近い将来には100倍にも達することが想定されている。
(1) この面間伝熱プレート1は熱量の授受に際して、発熱素子5の放熱面5−1または放熱手段6の受熱面6−1に大きな加圧力を加えることなく使用することが出来る。
グラファイトシートを面間伝熱プレートとして適用する場合、発熱素子5の放熱面5−1、及び放熱手段6の受熱面6−1との接着性が悪く、またその表面は接着に際して空気を抱き込み易く、熱量授受性能が極めて悪化する。従ってそのままでは適用が困難であり、そのままで適用する場合は対策として、高い加圧力を加えながら使用する必要がある。多くの場合この加圧力は発熱素子5や放熱手段6を破損せしめる恐れがあり、通常は使用不可能であった。これはグラファイトシートの優れた熱拡散性能を利用する上で大きな障害になっていた。本発明に係る面間伝熱プレート1は中心層1−1、第2層2−1、2−2、第3層3−1、3−2は予め高い圧力で加圧積層されてあるから、中心層1−1のグラファイトシートはすでに加圧を完了して抱き込み空気は排出されてあり、面間伝熱プレート1としては何等の加圧力を必要とすることなく使用することが出来る。これは本発明の重要な着眼点であり大きな作用効果である。
中心層1−1のグラファイトシートは密度1.0g/cm3と極めて軽量であるから複合構造の面間伝熱プレート1は平均密度を極めて低密度に構成することが出来る。例えば中心層1−1を厚さ0.2mmのグラファイトシート、第3層3−1、3−2を厚さ0.1mmのアルミニゥム薄板、第2層2−1、2−2を無視し得る程度の厚さの接着剤、で構成した厚さ0.4mmの面間伝熱プレート1の平均密度は1.86g/cm3となり、アルミニゥムの密度2.7g/cm3に比較して33%軽量化される。これは従来の面間伝熱プレート(一般には純銅プレート、アルミプレートが使用される。)に比較して画期的な軽量化となり、宇宙用機器、航空用機器等に利用する場合極めて有効である。
グラファイトシートは純銅の2倍以上という優れた熱拡散性能を有するにも拘らず、平面に垂直な方向の貫流熱伝導率は純銅の1/80に過ぎず、これに起因して小さな放熱面積の発熱体から十分な熱量を受熱することが不可能であり、優れた熱拡散性能を活用することが不可能であった。それに対して本発明の面間熱伝導プレート1においては小型発熱体5の小さな放熱面5−1から供給された熱量は、まず第3層3−1により熱拡散され実効受熱面積が拡大せしめられ、然る後に中心層1の、グラファイトシートに到達し、更にグラファイトシートにより十分に熱拡散せしめられ然る後に反対側の第3層3−2に到達し、第3層3−2により更に熱拡散せしめられて放熱手段6の受熱面6−1に到達する。このようにグラファイトシートの熱量授受面積が十分に拡大されるので、グラファイトシートにおける熱量の貫流熱伝導率は小さくても十分な熱量を受熱しこれを十分に拡散して放熱手段6の広い受熱面6−1に有効に伝導せしめることが出来る。
その温度均一化性能はプレート面積が極めて大きい場合はプレートヒートパイプの方が遥かに優れているが、100mm×100mmの如く限定された小面積の場合は本発明の面間伝熱プレート1はプレートヒートパイプに劣らぬ均一化性能を発揮する。この温度均一化性能はグラファイトシート内ににおける熱量の平面方向の熱移動速度が純銅プレート内における移動速度の2倍以上という高速度性と、グラファイト内における平面に垂直な方向の移動速度が純銅プレート内における平面に垂直な方向の移動速度の1/80という低速度性の相互作用と更に第3層3−1、3−2の高熱伝導率金属の熱量移動速度の高速性とグラファイト内熱量の移動速度の高速性の相互補完作用により齎される。
グラファイトシートは平面に垂直な方向の貫流熱伝導率は5W/m℃であり極めて遅い熱移動速度であるのに対し、平面方向熱伝導率は800W/m℃であり、垂直方向の160倍の熱移動速度であるから、100mm×100mmの如く限定されたプレート面積では導入された熱量は殆ど瞬時に全面積に拡散して、グラファイトシート全面の温度を上昇せしめる。熱伝導率が極めて大きいからシート内での温度降下は極めて少なく全面が殆ど等温度になる。また何らかの理由でシート面の一部で温度が降下した場合はシート内に蓄積されてある熱量がその温度降下部の熱量を瞬時に補充するからシート面の温度は常に均一に保たれる。この作用はヒートパイプ内壁面に低温部が発生しても作動液蒸気の高速補充により瞬時に温度が回復せしめられ常に均一温度に保たれる作用に酷似している。この様にして均一な温度に上昇せしめられた第1層1−1の熱量は、拡大された広い熱量授受面積の作用により極めて低い熱抵抗で第2層2−2を貫通して第3層3−2に伝導される。第3層2−2も熱伝導性が良好であるからこの層の温度均一化性能もグラファイトシートの温度均一化性能を補完するから、面間伝熱プレート1の温度均一化性能は益々バラツキの少ないものとなる。
これらの場合第3層3−1、3−2の金属材料によっては第1層1−1との膨張係数が著しく異なることにより第2層2−1、2−2には著しいストレスが係ることになる。第一実施例は上述のごとき場合に第2層2−1、2−2において層間剥離が発生したり、第2層2−1、2−2が切断したりすることによる性能低下を防止する為の実施例である。本実施例においては第2層2−1、2−2には展延性に富むゴム状弾性接着剤の薄膜層が適用され、第3層3−1、3−2には展延性と可撓性に富む高熱伝導率の金属薄肉層が適用されて実施される。
1−1 中心層
2−1 第2層
2−2 第2層
3−1 第3層
3−2 第3層
4−1 第4層
4−2 第4層
5 小型発熱素子
5−1 小型発熱素子の放熱部
6 放熱手段
6−1 放熱手段の受熱部
Claims (2)
- 小面積の受熱面から入力される熱量を均一に拡散せしめて大面積の放熱面に熱量を伝熱せしめる面間伝熱プレートであって、面方向熱伝導率が極めて高く、面を貫く垂直方向の熱伝導率が低い種類のグラファイト薄肉シート層を中心層とし、熱抵抗を無視し得る厚さの接着剤の薄膜層であり中心層を挟持する第2層と、高熱伝導率の金属薄肉層であり中心層と第2層の全てを挟持する第3層とからなり、第2層は展延性に富むゴム状弾性接着剤の薄膜層であり、第3層は展延性と可撓性に富む高熱伝導率の金属薄肉層であり、第3層の外側表面には薄膜層である第4層が被覆されてあることを特徴とし、且つ中心層、第2層、第3層は所定の温度、所定の加圧力にて相互に接着され積層化されてあり、前記中心層のグラファイトシートは密度1.0g/cm3と極めて軽量であり、平面に垂直な方向の貫流熱伝導率は5W/m℃であり、平面方向熱伝導率は800W/m℃であり、垂直方向の160倍の熱移動速度であり、純銅の2倍以上という優れた平面方向熱伝導率及び純銅の1/80の平面に垂直な方向の貫流熱伝導率であり、前記中心層を厚さ0.2mmのグラファイトシート、第3層を厚さ0.1mmの純銅薄板もしくはアルミニウム薄板、第2層を無視し得る程度の厚さのシリコン系熱伝導性接着剤、で構成したことを特徴とする面間伝熱プレート。
- 第4層は所定の温度で熔融または軟化し、発熱素子の放熱面または放熱手段の受熱面に対する加熱接着機能と加熱剥離機能を併有する低融点金属の薄膜層であることを特徴とする請求項1に記載の面間伝熱プレート。
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