JP6432295B2

JP6432295B2 - 排熱デバイス

Info

Publication number: JP6432295B2
Application number: JP2014228986A
Authority: JP
Inventors: 豪二宮; 明秀小林; 明彦三木; 弘和大貫
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2034-11-11
Also published as: JP2016092357A

Description

本発明は排熱デバイスに関し、特に発熱する電子部品に実装される排熱デバイスに関する。

電子部品の中には使用中に発熱し、排熱が必要となるものがある。例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)に用いられる排熱デバイスとして、アルミ等の金属製のシートを積層して熱伝導させて排熱デバイスを構成したものが知られている。しかし、排熱デバイスに可撓性を持たせたい場合に積層された金属製のシートは柔軟性が無いという課題がある。特許文献１は、ＭＰＵ（Micro-processing unit）等の発熱する電子部品に用いられる、可撓性を有する放熱装置が開示されている。

この放熱装置は、発熱体に接触して集熱するコレクタと、コレクタから導出され外部に熱を伝えるフレキシブル熱伝導体と、当該フレキシブル熱伝導体に接続される放熱体を有している。このフレキシブル熱伝導体は、グラファイトシートをプラスチックフィルムで被覆している。そして、フレキシブル熱伝導体は、面方向に複数個に分割されたグラファイトシートがプラスチックフィルムで被覆されており、各グラファイトシート間は、可撓性を持たせるために銅やアルミニウム等の熱伝導体により接続されている。この放熱装置によると、フレキシブル熱伝導体が可撓性を有しているため、小型の電子機器の筐体内であっても自由に配置できる。

特開平11-87959号公報

特許文献１に記載された放熱装置のフレキシブル熱伝導体は、複数個に分割されたグラファイトシート間が銅やアルミニウム等の熱伝導体により接続されているため、排熱経路（断面積）が小さくなるという課題がある。特に、小さな発熱体にこの放熱装置を適用した場合、フレキシブル熱伝導体の厚み方向の大きさを大きく取ることが困難となるため、フレキシブル熱伝導体の排熱経路の小ささにより発熱体の発熱を十分に排熱することができない。

また、この放熱装置においては、フレキシブル熱伝導体と発熱体とを接着剤を用いて接合する場合、フレキシブル熱伝導体と発熱体との間の接触による熱伝導性が悪くなる。さらに、この放熱装置は、フレキシブル熱伝導体と発熱体を接合するために、フレキシブル熱伝導体の外部にフレキシブル熱伝導体を接合させるための機構が必要となり、装置の小型化および高密度化が難しくなるという課題がある。さらにまた、可動部分を有する電子機器の可動部分にこのフレキシブル熱伝導体を用いる場合、可撓性が十分でないという課題がある。

本発明は、発熱体の熱を放熱するための放熱特性および可撓性に優れ、さらに発熱体の小型化および高密度化に対応する排熱デバイスを提供することを目的とする。

本発明にかかる排熱デバイスは、帯状のグラファイトシートと、前記グラファイトシートを被覆するフィルムとからなる帯状体が複数積載された熱伝導体を有し、
前記帯状体の各層間は密着しないように積載され、前記帯状体の一端及び他端の接合部は各層間が密着するように発熱体及び放熱体にそれぞれ接続されている。

本発明にかかる排熱デバイスによると、発熱体の熱を放熱するための放熱特性および可撓性に優れ、さらに発熱体の小型化および高密度化に対応することができる。

第１実施形態にかかる排熱デバイスを示した斜視図である。排熱デバイスの熱伝導体の接続部を示した正面断面図である。排熱デバイスの熱伝導体の接続部を示した側面断面図である。第２実施形態にかかる排熱デバイスを示した斜視図である。排熱デバイスの熱伝導体の接続部を示した正面断面図である。排熱デバイスの熱伝導体の接続部を示した側面断面図である。第３実施形態にかかる排熱デバイスを示した斜視図である。第４実施形態にかかる排熱デバイスを示した斜視図である。排熱デバイスの熱伝導体の接続部を示した側面断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の排熱デバイスの実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１に示されるように、排熱デバイス１００は、ＣＣＤ等の電子部品（不図示）に接触する発熱体２０と、熱を放熱するための放熱体３０とが発熱体２０から熱を導出して排熱する帯状のフレキシブル熱伝導体１０によって架橋するように接続されている。発熱体２０は、方形の金属板等で形成され、電子部品（不図示）に接合されている。放熱体３０も発熱体２０と同様に方形の金属板等で形成され、基板等（不図示）に接合されている。発熱体２０にはフレキシブル熱伝導体１０の一端１０ａが接続されている。一端１０ａは、発熱体２０と方形の金属板で形成された接続部材１４で挟み込まれるようにネジ（締結部材）１５で加圧されて接続されている。

放熱体３０にはフレキシブル熱伝導体１０の他端１０ｂが接続されている。他端１０ｂも一端１０ａと同様に、放熱体３０と方形の金属板で形成された接続部材１４で挟み込まれるようにネジ１５で加圧されて接続されている。フレキシブル熱伝導体１０の一端１０ａと他端１０ｂとの間は上方に湾曲した湾曲部１０ｃが形成されている。

図２に示されるように、フレキシブル熱伝導体１０は、熱を伝導する帯状体４０が複数の層になるように積載されている。フレキシブル熱伝導体１０の一端１０ａおよび他端１０ｂの接合部Ｓは、複数の帯状体４０の各層間が密着している。フレキシブル熱伝導体１０の湾曲部１０ｃは、複数の帯状体４０の各層間に隙間Ｐが設けられている。

帯状体４０は、帯状に切り出された熱伝導率が高いグラファイトシート１１がフィルム１２で被覆（ラミネート）されて形成されている。フィルム１２は、例えば薄いＰＥＴフィルムである。帯状体４０は、グラファイトシート１１よりやや大きく切り出された２枚のフィルム１２でグラファイトシート１１を挟み、２枚のフィルム１２の端面を溶着することで形成される。２枚のフィルム１２は、接着により貼りあわせても良い。これにより、グラファイトシート１１から出るグラファイトの粉塵等が外部に排出されること（コンタミネーション）が防止される。

帯状体４０は、上層に載置されるほど長手方向の全長が長くなるように形成される。これにより、複数の帯状体４０を積載する際に、一端１０ａおよび他端１０ｂの端面を揃えると一端１０ａおよび他端１０ｂとの間に上方に湾曲した湾曲部１０ｃが形成される。湾曲部１０ｃの各層間には各層間が接触しないように隙間Ｐが形成される。隙間Ｐにより、湾曲部１０ｃの各層間の少なくとも一部が接触せず、発熱体２０と放熱体３０とが相対的に６軸方向に変位した場合でも（図１参照）、湾曲部１０ｃが柔軟に撓み、各方向の変位に追従して変形することができる。

図３に示されるように、フレキシブル熱伝導体１０の一端１０ａおよび他端１０ｂは、接続部材１４,１６で発熱体２０および放熱体３０に挟み込まれるようにそれぞれ接続されている。一端１０ａおよび他端１０ｂの構成は同じであるため、以下、一端１０ａを代表として説明する。図３は一端１０ａのＡ−Ａ断面（図１参照）が示されている。一端１０ａは、発熱体２０の上面に載置されている。一端１０ａの上面には接続部材１４が載置されている。接続部材１４の中央にはネジ穴１４ａが形成されている。一端１０ａの中央には帯状体４０の各層を貫通するように貫通穴Ｈが形成されている。発熱体２０には、ネジ１５を螺入させるための雌ネジ２０ａが形成されている。

ネジ１５をネジ穴１４ａと貫通穴Ｈに挿通して雌ネジ２０ａに締め込むことで帯状体４０の一端１０ａは、接続部材１４と発熱体２０に挟み込まれて圧着して接続（締結）される。即ち、接続部材１４は、加圧板として機能する。これにより、発熱体２０と各帯状体４０と接続部材１４との各層間は接触圧が高まり、密着するように接続される。貫通穴Ｈと接続部材１４と発熱体２０とネジ１５によって閉空間Ｒが形成される。閉空間Ｒでは、一端１０ａに形成された貫通穴Ｈの断面にグラファイトシート１１の端面が露出している。閉空間Ｒは外部と遮断されているため、グラファイトシート１１から出るグラファイトの粉塵等が外部に排出されることはない。

ここで、コンタミネーションを防止するために、貫通穴Ｈもフィルム１２の間を接合させ、グラファイトシート１１が外部に露出しないようにすると、フィルム１２間を接合させる領域が必要となる。そして、この領域の分、グラファイトシート１１と発熱体２０および放熱体３０との接合面積が小さくなり、排熱効率が低下する。一方、排熱デバイス１００の上記構成によれば、グラファイトシート１１と発熱体２０および放熱体３０との接合面積を大きく設けることが可能となる。

次に、発熱体２０からの熱の伝わり方について説明する。発熱体２０から発生した熱は、発熱体２０に接触している一端１０ａの最下層の帯状体４０に伝導される。最下層の帯状体４０のフィルム１２の厚さは非常に薄いため（例えば４０ミクロン）、グラファイトシート１１に熱が伝導される。この熱は、更に上層のフィルム１２を伝導して上層の帯状体４０のグラファイトシート１１に伝導される。同様に上層の帯状体４０に接合部Ｓから熱が伝導され、順次上層の帯状体４０にも熱が伝導されていく。

また、発熱体２０から発生した熱は、ネジ１５からも伝導され接続部材１４に伝導される。そして接続部材１４から最上層の帯状体４０に熱が伝導される。最上層の帯状体４０に伝導された熱は、上記と同様に順次下層の帯状体４０に伝導される。このように、フィルム１２は薄いため、接合部Ｓで複数の帯状体４０が接触して積載されると各層のグラファイトシート１１に熱を伝導することができる。

複数のグラファイトシート１１に伝導された熱は、湾曲部１０ｃを伝導して他端１０ｂに伝導される。他端１０ｂに伝導された熱は上記の熱伝導経路と反対に伝わるようにして帯状体４０の各層間を移動して放熱体３０に伝導される。即ち、放熱体３０に最上層の帯状体４０を通じて熱が伝導される経路と最上層の帯状体４０から接続部材１４およびネジ１５を通じて放熱体３０に熱が伝導される経路によって放熱体３０に熱が伝導される。上述した排熱パスの他、湾曲部１０ｃ（図１参照）で外部空間に放射される放射熱も存在する。

上述したように排熱デバイス１００によると、複数のグラファイトシート１１が積層されているため、フレキシブル熱伝導体１０の排熱パスとなる断面積を増加させると共に、可撓性を向上することができる。これにより、排熱デバイス１００の小型化を容易にすることができる。そして、排熱デバイス１００は、グラファイトシート１１をフィルム１２で被覆することでコンタミネーションを防止することができる。さらに、排熱デバイス１００は、接続部材１４と発熱体２０および放熱体３０とをネジ１５で接続することでフレキシブル熱伝導体１０と発熱体２０および放熱体３０との間の接触による熱伝導を高くすることができ排熱性能を向上することができる。

排熱デバイス１００は、以下の各実施形態で説明するような変形をすることができる。以下、第１実施形態と同一の部分は同一の符号を用い、重複する説明は適宜省略する。

［第２実施形態］
図４に示されるように、排熱デバイス１０１は、第１実施形態にかかる排熱デバイス１００と基本的な構成は同様である。排熱デバイス１０１は第１実施形態にかかる排熱デバイス１００と異なる一端５０および他端５１を有している。図５に示されるように、一端５０および他端５１は、帯状体４０の各層間の接合部Ｔの部分がフィルム１２で被覆されていない。一端５０および他端５１における帯状体４０の各層間の分岐部Ｑではフィルム１２が接着剤等で接着されている。

図６に示されるように、排熱デバイス１０１は、接合部Ｔでグラファイトシート１１同士が直接接触しているため、接合部Ｔでのグラファイトシート１１間の接触による熱伝導性が向上し、排熱性能が高くなる。また、排熱デバイス１０１は、接合部Ｔの外周はフィルム１２で被覆されているので、コンタミネーションを防止することができる。

上述したように、排熱デバイス１０１は、可撓性を有しかつ、コンタミネーションを防止しながら、更に排熱性能をも向上させることができる。

[第３実施形態]
グラファイトシート１１を構成するグラファイトは、炭素の原子配列を広範囲に渡り規則正しく、単結晶に近い規則性を有している。これにより、グラファイトシートの面方向に関しては共有結合となり、純銅以上の優れた熱伝導率を示す。その一方、グラファイトシート１１は、厚み方向に伝導される熱の熱伝導率は劣るという、熱伝導率の異方性を有している。フレキシブル熱伝導体１０の排熱性能を上げるために、グラファイトシート１１の積層枚数を大きく増加させても、この熱伝導率の異方性の影響により、排熱性能の向上が得られなくなる傾向がある。

図７に示されるように、排熱デバイス１０２が有する発熱体２１および放熱体３１は、フレキシブル熱伝導体１０を挟み込むためのコの字形の切欠き部２２，３２をそれぞれ有している。これにより、フレキシブル熱伝導体１０の一端１０ａおよび他端１０ｂの端面と切欠き部２２，３２の壁面２２ａ,３２ａとを接触させて、グラファイトシート１１の側面からグラファイトシート１１の面方向に通じる排熱パスを形成することができる。即ち、排熱デバイス１０２は、発熱体２１および放熱体３１をフレキシブル熱伝導体１０の一端１０ａおよび他端１０ｂを両側面から熱的および機械的に接合できるように構成されている。

上記の排熱デバイス１０２によると、フレキシブル熱伝導体１０の長手方向の端縁に発熱体２１および放熱体３１が接合されているため、積層されたグラファイトシート１１の面方向に熱が伝わり易くなり、排熱性能を向上させることができる。

[第４実施形態]
図８に示されるように、排熱デバイス１０３は、第１実施形態にかかる排熱デバイス１００と同様の構成を有している。図９に示されるように、排熱デバイス１０３では、閉空間Ｒに熱伝導率が高い高熱伝導剤１７が充填されている。第３実施形態でも記載したように、グラファイトシート１１の熱伝導率は異方性があり、グラファイトシート１１の面方向の熱伝導率は高いが、厚み方向の熱伝導率は低い性能がある。閉空間Ｒに高熱伝導剤１７を充填すると、発熱体２０および放熱体３０に高熱伝導剤１７を介してグラファイトシート１１の面方向の排熱パスＣを形成することができる。

上述したように排熱デバイス１０３によると、発熱体２０および放熱体３０に高熱伝導剤１７を介してグラファイトシート１１の面方向の排熱パスＣを形成し、排熱性能を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、第２実施形態にかかる排熱デバイス１０１の閉空間Ｕに第４実施形態にかかる高熱伝導剤１７を充填してもよい。また、第３実施形態にかかる排熱デバイス１０２の一端１０ａおよび他端１０ｂの側面をグラファイトシート１１の端面が露出するように形成し、切欠き部２２，３２の壁面２２ａ,３２ａに接触させるようにしてもよい。そして、この場合においてグラファイトシート１１の端面と切欠き部２２，３２の壁面２２ａ,３２ａに高熱伝導剤１７を充填してもよい。さらにまた、発熱体２０および放熱体３０は、相対的に角度を持って配置されていてもよい。

１０フレキシブル熱伝導体
１０ａ一端
１０ｂ他端
１０ｃ湾曲部
１１グラファイトシート
１２フィルム
１４接続部材
１４ａネジ穴
１５ネジ
１７高熱伝導剤
２０発熱体
２０ａ雌ネジ
２１発熱体
２２切欠き部
２２ａ壁面
３０放熱体
３１放熱体
３２切欠き部
３２ａ壁面
４０帯状体
５０一端
５１他端
１００排熱デバイス
１０１排熱デバイス
１０２排熱デバイス
１０３排熱デバイス
Ｃ排熱パス
Ｈ貫通穴
Ｐ隙間
Ｑ分岐部
Ｒ閉空間
Ｓ接合部
Ｔ接合部
Ｕ閉空間

Claims

帯状のグラファイトシートと、前記グラファイトシートを被覆するフィルムとからなる帯状体が複数積載された熱伝導体を有し、
前記帯状体の一端及び他端は各層間が密着するように積載されて発熱体及び放熱体にそれぞれ接続され、前記帯状体の前記一端及び前記他端以外の少なくとも一部の各層間は密着しないように積載されており、
前記一端および前記他端を貫通する貫通穴が設けられており、前記一端および前記他端のそれぞれは、前記貫通穴を塞ぐように載置される接続部材と、前記発熱体および前記放熱体のそれぞれとに挟まれて、前記接続部材を介して前記貫通穴に挿通される締結部材によって前記発熱体および前記放熱体のそれぞれに接続され、
前記接続部材と、前記締結部材と、前記発熱体によって形成される第１の閉空間と、前記接続部材と、前記締結部材と、前記放熱体によって形成される第２の閉空間のそれぞれに面する前記貫通穴の端面は前記グラファイトシートの端面が露出しており、
前記第１の閉空間と前記第２の閉空間のうち少なくとも１つの閉空間は熱伝導剤で充填されている、
排熱デバイス。
前記帯状体の前記一端と前記他端のうち少なくとも一方の各層間は前記フィルムによって被覆されていない、
請求項１に記載の排熱デバイス。
前記接続部材は、前記熱伝導体の長手方向の端縁に接触するように形成され、前記グラファイトシートの前記端縁が前記接続部材に接触している、
請求項１または請求項２に記載の排熱デバイス。
帯状のグラファイトシートと、前記グラファイトシートを被覆するフィルムとからなる帯状体が複数積載された熱伝導体を有し、
前記帯状体の一端及び他端は各層間が密着するように積載されて発熱体及び放熱体にそれぞれ接続され、前記帯状体の前記一端及び前記他端以外の少なくとも一部の各層間は密着しないように積載されており、
前記帯状体の前記一端と前記他端のうち少なくとも一方の各層間は前記フィルムによって被覆されていない、
排熱デバイス。
帯状のグラファイトシートと、前記グラファイトシートを被覆するフィルムとからなる帯状体が複数積載された熱伝導体を有し、
前記帯状体の一端及び他端は各層間が密着するように積載されて発熱体及び放熱体にそれぞれ接続され、前記帯状体の前記一端及び前記他端以外の少なくとも一部の各層間は密着しないように積載されており、
前記一端および前記他端を貫通する貫通穴が設けられており、前記一端および前記他端のそれぞれは、前記貫通穴を塞ぐように載置される接続部材と、前記発熱体および前記放熱体のそれぞれとに挟まれて、前記接続部材を介して前記貫通穴に挿通される締結部材によって前記発熱体および前記放熱体のそれぞれに接続され、
前記接続部材と、前記締結部材と、前記発熱体によって形成される第１の閉空間と、前記接続部材と、前記締結部材と、前記放熱体によって形成される第２の閉空間のそれぞれに面する前記貫通穴の端面は前記グラファイトシートの端面が露出し、
その一方で、前記接続部材と、前記発熱体および前記放熱体の間にある前記グラファイトシートの外側端面では、２枚のフィルムの端面が接合されることにより前記グラファイトシートが外部に露出しない、
排熱デバイス。