JP6956565B2 - 熱伝導成形体 - Google Patents

Description

この発明は、複数の膨張黒鉛シートで構成した熱伝導成形体に関する。

従来より、例えば、モバイル機器やインバータ制御部品における冷却部等には、放熱性の高い熱伝導成形体が放熱体として用いられる。
一方、熱伝導性に優れている膨張黒鉛は、例えば、電子部品からの発熱を拡散するための放熱シートの材料としても利用される（特許文献１参照）。

しかしながら、このようなシート状の膨張黒鉛は、厚み方向の熱伝導性が主面方向の熱伝導性に比べておよそ１／２５程度しかない異方性を有するため、例えば、所定の高さを有する熱伝導成形体を、膨張黒鉛シートを厚み方向に積層して構成すると、高さ方向に交差する方向の熱伝導性は確保できるものの、高さ方向はシート状の膨張黒鉛の厚み方向となるため、高さ方向の熱伝導性を確保できず、熱伝導成形体の要求を満足することができなかった。

これに対し、帯状の膨張黒鉛シートを渦巻状に巻き回して、所定の高さを有する熱伝導成形体を構成すると、熱伝導成形体を構成する膨張黒鉛シートの主面が高さ方向に向くため、高さ方向の熱伝導性は確保できるものの、高さ方向に交差する径方向がシート状の膨張黒鉛の厚み方向となるため、径方向の熱伝導性を確保できず、熱伝導成形体の要求を満足することができなかった。

特開２００５−２２９１００号公報

そこで本発明では、厚み方向の熱伝導性に比べて主面方向の熱伝導性が高い膨張黒鉛シートを用い、高さ方向及び高さ方向に交差する方向の両方向に優れた熱伝導性を有する熱伝導成形体を提供することを目的とする。

この熱伝導成形体は、厚み方向の熱伝導性に比べて主面方向の熱伝導性が高いシート状である複数の膨張黒鉛シートを、主面が重なるように積層するとともに、前記主面に交差する方向に圧縮成形され、圧縮方向を高さ方向とする所定の高さを有することを特徴とする。
この熱伝導成形体により、高さ方向及び高さ方向に交差する方向の両方向において優れた熱伝導性を発揮することができる。

詳述すると、厚み方向の熱伝導性に比べて主面方向の熱伝導性が高いシート状である複数の膨張黒鉛シートを主面が重なるように積層するとともに、前記主面に交差する方向に圧縮成形して圧縮方向を高さ方向とする所定の高さを有する熱伝導成形体を構成するため、前記膨張黒鉛シートの前記主面は熱伝導成形体の高さ方向及び高さ方向に交差する方向に向くこととなり、高さ方向及び高さ方向に交差する方向の両方向において優れた熱伝導性を発揮することができる。

なお、熱伝導成形体は、膨張黒鉛シートの積層方向が高さ方向でなければ、所定の高さを有する様々な形状とすることができる。
また、熱伝導成形体は、熱を伝達して放熱するための放熱体、あるいは吸熱体や熱を積極的に伝達するための熱伝達体など、用途に応じた熱伝導性を利用可能な成形体としてもよい。

この熱伝導成形体の態様として、所定の高さを有するとともに、高さ方向に交差する形状が環状であり、前記膨張黒鉛シートを前記環状における径方向に向けて配置してもよい。
上記環状は、円環状、角形環状、あるいは適宜の環状としてもよく、上記径方向は、例えば半径方向など、環状の内側と外側とを結ぶ方向である。

この熱伝導成形体により、所定の高さを有する環状の熱伝導成形体において、高さ方向及び高さ方向に交差する径方向の両方向において優れた熱伝導性を発揮することができる。
詳しくは、所定の高さを有するとともに高さ方向に交差する環状における径方向に向けて前記膨張黒鉛シートが配置されるため、つまり、前記膨張黒鉛シートの積層方向が環状に沿う方向となり、前記主面が径方向及び高さ方向に沿うため、高さ方向及び径方向の両方向において優れた熱伝導性を発揮することができる。

またこの熱伝導成形体の態様として、前記膨張黒鉛シートが、前記高さ方向に対して湾曲してもよい。
この熱伝導成形体により、積層する前記膨張黒鉛シート同士の高さ方向の結合強度が向上し、耐久性を高くすることができる。

またこの熱伝導成形体の態様として、前記膨張黒鉛シートが、前記径方向に対して湾曲してもよい。
この熱伝導成形体により、積層する前記膨張黒鉛シート同士の径方向の結合強度が向上し、耐久性を高くすることができる。

またこの熱伝導成形体の態様として、前記膨張黒鉛シートが、前記径方向に対して交差する方向に向いてもよい。
この熱伝導成形体により、径方向の熱伝導性を調整することができる。

詳述すると、前記膨張黒鉛シートが前記径方向に対して交差する方向に向くことで、半径方向、つまり放射方向に配置された場合に比べて、膨張黒鉛シートの径方向の長さを長く形成することができる。つまり、径方向に交差する向きに応じて膨張黒鉛シートの径方向の長さを調整でき、膨張黒鉛シートの長さによって、熱伝導成形体の径方向の熱伝導性を調整することができる。

本発明により、高さ方向及び高さ方向に交差する方向の両方向に優れた熱伝導性を有する熱伝導成形体を提供することができる。

膨張黒鉛シート及び放熱成形体についての説明図。 放熱成形体の平面図及び正面図。 放熱成形体の製造方法についての説明図。 放熱成形体の製造方法についての説明図。 放熱成形体の製造方法についての説明図。 放熱成形体の正面図。 放熱成形体の平面図。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
図１は放熱成形体１についての説明図を示し、図２は放熱成形体１の平面図及び正面図を示し、図３乃至図５は放熱成形体１の製造方法についての説明図を示し、図６は高さ方向Ｈにおける膨張黒鉛シート１０の圧縮形状が異なる放熱成形体１の正面図を示し、図７は膨張黒鉛シート１０が径方向Ｒに対して交差する向きとなる放熱成形体１の平面図を示している。

詳述すると、図１（ａ）は放熱成形体１を構成する膨張黒鉛シート１０の斜視図を示し、図１（ｂ）は放熱成形体１の斜視図を示している。図３（ａ）放熱成形体１を構成する複数の膨張黒鉛シート１０を配置した状態の斜視図を示し、図３（ｂ）は放熱成形体１を構成する圧縮下型１１０の斜視図を示している。

また、図４（ａ）は圧縮下型１１０に複数の膨張黒鉛シート１０を配置した状態の斜視図を示し、図４（ｂ）は同状態の断面図を示し、図５（ａ）は圧縮上型１２０で膨張黒鉛シート１０を圧縮した状態の斜視図を示し、図５（ｂ）は同状態の断面図を示している。なお、図４（ａ），図５（ｂ）において、理解を容易にするため、圧縮上型１２０の手前側半部の図示を省略し、奥側半分のみを図示している。

図６（ａ）は高さ方向Ｈに対して膨張黒鉛シート１０が屈曲する放熱成形体１の正面図を示し、図６（ｂ）は高さ方向Ｈに対して膨張黒鉛シート１０が交差する向きとなる放熱成形体１の正面図を示している。

なお、図１、並びに図３乃至図７において、説明の便宜上、放熱成形体１を構成する膨張黒鉛シート１０の境界を明確に図示するとともに、膨張黒鉛シート１０の向き等について説明しているが、実際には、放熱成形体１は圧縮成形によって膨張黒鉛シート１０が一体化されることから、膨張黒鉛シート１０の境界が不明確な場合もあり得る。

放熱成形体１は、例えば、インジェクター装置における冷却部に用いられ、高さ方向Ｈ及び径方向Ｒの放熱性が高い熱伝放熱体であり、所定の高さを有する平面視円環状に形成されている。
本実施形態において、図１（ｂ），図２（ｂ）等に図示するように、放熱成形体１の高さに沿う方向を高さ方向Ｈとし、放熱成形体１の平面視において円環状の中心から外側に向く方向を径方向Ｒとしている。また、本実施形態において、放熱成形体１は、高さ方向Ｈが２０ｍｍ、径方向Ｒの内径が２４ｍｍ、外径が３７ｍｍの円環状で形成している。なお、径方向Ｒについては、各図面において略９０度間隔で４方向のみを例示として図示しているが、平面視円環状の中心から外方に向かって放射状に延びる方向であればいずれの方向であってもよい。

このように形成される放熱成形体１は、図１（ａ）に図示する膨張黒鉛シート１０を、図２（ａ）に示すように、放熱成形体１の平面視中心に対して周方向に沿って複数積層するとともに、図２（ｂ）に示すように、膨張黒鉛シート１０が高さ方向Ｈに対して略Ｓ字状に湾曲するように圧縮され、一体化されている。

膨張黒鉛シート１０は、主面１０ａに対して適宜の厚みｔを有し、後述する主面方向ｘ，ｙに所定の長さを有する矩形状のシート状である。なお、本実施形態において、図１（ａ）に図示するように、膨張黒鉛シート１０の厚みに沿う方向を厚み方向ｚとし、厚み方向ｚに直交するとともに、互いに直交する二方向を主面方向ｘ，ｙとしている。なお、厚みｔは、主面方向ｘ，ｙの長さに拘らず、任意に設定可能である。

このような膨張黒鉛シート１０は、厚み方向ｚの熱伝導性が主面方向ｘ，ｙの熱伝導性に比べておよそ１／２５程度しかない異方性を有している。
なお、図１（ａ），図３（ａ）において膨張黒鉛シート１０は、理解を容易にするため厚みｔを厚く図示しているが、本実施形態では、厚みｔが０．７５ｍｍの膨張黒鉛シート１０を用いている。このような厚みｔの膨張黒鉛シート１０では、２１℃の環境において、主面方向ｘ，ｙの熱伝導性が１３８Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、厚み方向ｚの熱伝導性は５Ｗ／ｍ・Ｋであり、およそ１／２５程度である。

次に、このように主面方向ｘ，ｙの熱伝導性に比べて厚み方向ｚの熱伝導性が低い膨張黒鉛シート１０を用いて構成された、高さ方向Ｈ及び径方向Ｒの放熱性が高い放熱成形体１の製造方法について図３乃至図５とともに説明する。

まず、図３，図４に示すように、複数枚の膨張黒鉛シート１０を、主面１０ａが高さ方向Ｈ及び径方向Ｒに沿うように向けるとともに、主面１０ａ同士が重なり合うように、平面視周方向に沿って配置し、膨張黒鉛シート１０を圧縮成形する圧縮下型１１０の圧縮空間Ｘにセットする。ここで、本実施形態では、主面１０ａの主面方向ｘ，ｙのうちｘ方向が高さ方向Ｈを向き、ｙ方向が径方向Ｒを向くように膨張黒鉛シート１０をセットすることとする。

なお、膨張黒鉛シート１０を圧縮して放熱成形体１を構成する圧縮装置は、圧縮下型１１０と圧縮上型１２０とで構成されている。圧縮下型１１０は、図３（ｂ）に示すように、円筒状凹部１１１と、円筒状凹部１１１の平面視中央に配置された円柱部１１２とで、円筒状の圧縮空間Ｘが形成されている。
圧縮空間Ｘは、放熱成形体１と平面視形状は同一の円環状に形成され、放熱成形体１の高さ方向Ｈより深く形成されている。

圧縮上型１２０は、上型本体１２１と、上型本体１２１の底面から下方に突出する円筒状凸部１２２とで一体に構成されている。円筒状凸部１２２は、上述の圧縮下型１１０の円筒状凹部１１１に嵌合可能な外形と、円柱部１１２が嵌合可能な内形とで形成されている。

圧縮空間Ｘに配置される膨張黒鉛シート１０は、ｙ方向の長さが圧縮空間Ｘの径方向Ｒの長さに比べてわずかに短く、ｘ方向の長さが放熱成形体１の高さ方向Ｈより長く形成されている。なお、本実施形態において、１２０枚の膨張黒鉛シート１０を上述したように周方向に並べて圧縮空間Ｘにセットするが、便宜上枚数を減らして図示している。また、膨張黒鉛シート１０の使用枚数は、放熱成形体１の目的、用途、使用条件等によって任意に変更可能である。

このように、ｙ方向の長さが圧縮空間Ｘの径方向Ｒの長さに比べてわずかに短く、ｘ方向の長さが放熱成形体１の高さ方向Ｈより長い膨張黒鉛シート１０を圧縮空間Ｘに配置した後、圧縮空間Ｘにおける膨張黒鉛シート１０の上部に対して圧縮上型１２０の円筒状凸部１２２を圧縮下型１１０の上方から挿入し、図５に示すように、圧縮下型１１０の上面１１０ａと、圧縮上型１２０の上型本体１２１の底面とが対面するまで圧入する。

このように、圧縮下型１１０の上面１１０ａと、圧縮上型１２０の上型本体１２１の底面とが対面するまで圧入することで、圧縮空間Ｘに配置された膨張黒鉛シート１０は、上述したように、高さ方向Ｈに対して略Ｓ字状に湾曲するように圧縮され一体化される。これにより、複数の膨張黒鉛シート１０から放熱成形体１を構成することができる。

なお、膨張黒鉛シート１０の圧縮空間Ｘにおける配置や、ｘ方向の長さに対する高さ方向Ｈの圧縮量によっては、膨張黒鉛シート１０が高さ方向Ｈに対して略Ｓ字状に湾曲せず、膨張黒鉛シート１０が高さ方向Ｈに直線状となる場合もあり、図６（ａ）に示すように、例えば、膨張黒鉛シート１０が高さ方向Ｈに対して屈曲するように圧縮される場合もある。さらには、図６（ｂ）に示すように、膨張黒鉛シート１０が高さ方向Ｈに対して交差する方向に向く場合もある。

このように、所定の高さを有する放熱成形体１は、厚み方向ｚの熱伝導性に比べて主面方向ｘ，ｙの熱伝導性が高いシート状である複数の膨張黒鉛シート１０を、主面１０ａが重なるように積層するとともに、主面方向ｘ，ｙに圧縮成形され、圧縮方向を高さ方向Ｈとしたため、高さ方向Ｈ及び径方向Ｒの両方向において優れた熱伝導性を発揮することができる。

詳述すると、厚み方向ｚの熱伝導性に比べて主面方向ｘ，ｙの熱伝導性が高いシート状である複数の膨張黒鉛シート１０を主面１０ａが重なるように積層するとともに、主面方向ｘ，ｙに圧縮成形して圧縮方向を高さ方向Ｈとする所定の高さを有する放熱成形体１を構成するため、膨張黒鉛シート１０の主面１０ａが放熱成形体１の高さ方向Ｈ及び径方向Ｒに向き、高さ方向Ｈ及び径方向Ｒの両方向において優れた熱伝導性を発揮することができる。

また、放熱成形体１は、高さ方向Ｈに交差する平面視形状が円環状であり、膨張黒鉛シート１０が、環状における径方向Ｒに向けて配置されているため、所定の高さを有する環状の放熱成形体１において、高さ方向Ｈ及び高さ方向Ｈに交差する径方向Ｒの両方向において優れた熱伝導性を発揮することができる。

詳しくは、所定の高さを有するとともに、平面視円環状における径方向Ｒに向けて膨張黒鉛シート１０が配置されているため、つまり、膨張黒鉛シート１０の積層方向が環状に沿う方向となり、主面１０ａが径方向Ｒ及び高さ方向Ｈに沿うため、高さ方向Ｈ及び径方向Ｒの両方向において優れた熱伝導性を発揮することができる。

なお、円環状の放熱成形体１は、膨張黒鉛シート１０の厚み方向ｚが平面視円環状の周方向に向くため、周方向の熱伝導性は低くなるものの、高さ方向Ｈ及び径方向Ｒの優れた熱伝導性によって、放熱成形体１の上面及び底面、並びに内周面及び外周面のいずれ面に対しても優れた熱伝導性を発揮するため、放熱体として優れた放熱性能を発揮することができる。

また、膨張黒鉛シート１０が高さ方向Ｈに対して略Ｓ字状に湾曲している場合や図６（ａ）に図示するように膨張黒鉛シート１０が高さ方向Ｈに対して屈曲する場合は、積層する膨張黒鉛シート１０同士の高さ方向Ｈの結合強度が向上するとともに、密度が向上し、放熱成形体１の耐久性を向上することができる。

なお、図７に示すように、放熱成形体１の膨張黒鉛シート１０が、径方向Ｒに対して交差する方向に向くとともに、径方向Ｒに対して湾曲してもよい。
この場合も、積層する膨張黒鉛シート１０同士の径方向Ｒの結合強度が向上し、放熱成形体１の耐久性を向上することができる。

特に、径方向Ｒに対して交差する方向に膨張黒鉛シート１０を向けることで、放熱成形体１における径方向Ｒの熱伝導性を調整することができる。
詳述すると、膨張黒鉛シート１０が径方向Ｒに対して交差する方向に向くことで、図１（ａ）に示すように、平面視円環状の中心から放射方向に膨張黒鉛シート１０を配置した場合に比べて、同じ平面視円環状であっても、ｙ方向の長さが長い膨張黒鉛シート１０を用いることができる。

ここで放熱成形体１を構成する膨張黒鉛シート１０は、上述したように厚み方向ｚの熱伝導性が低いため、主面１０ａ同士が対面して積層する膨張黒鉛シート１０同士の間で熱伝導されず、膨張黒鉛シート１０の主面方向ｘ，ｙに熱伝導するため、放熱成形体１における径方向Ｒの熱伝導性は、膨張黒鉛シート１０のｙ方向の長さに寄与することとなる。

このように、径方向Ｒに対して交差する方向に膨張黒鉛シート１０を向けることや、膨張黒鉛シート１０を径方向Ｒに対して湾曲させることで、膨張黒鉛シート１０のｙ方向の長さを調整でき、膨張黒鉛シート１０のｙ方向の長さを調整することで放熱成形体１の径方向Ｒの熱伝導性を調整することができる。

もちろん、図６に図示するように、高さ方向Ｈに対して膨張黒鉛シート１０を湾曲させたり、交差する方向に向けることで放熱成形体１の高さ方向Ｈの熱伝導性も調整することはできるものの、径方向Ｒに交差する方向に向ける場合に比べて膨張黒鉛シート１０のｘ方向の長さを調整する調整量は少ない。

以上、本発明の構成と、前述の実施態様との対応において、本実施形態の厚み方向は厚み方向ｚに対応し、
以下同様に、
面方向は主面方向ｘ，ｙに対応し、
膨張黒鉛シートは膨張黒鉛シート１０に対応し、
面に交差する方向及び径方向は径方向Ｒに対応し、
高さ方向は高さ方向Ｈに対応し、
熱伝導成形体は放熱成形体１に対応するも、上記実施形態に限定するものではない。

上述の説明においては、平面視円環状の放熱成形体１を構成したが、角形環状、あるいは適宜の環状としてもよく、さらに膨張黒鉛シート１０の積層方向が高さ方向Ｈでなければ、所定の高さを有する様々な形状とすることができる。

また、放熱成形体１は、熱を伝達して放熱するための放熱体であったが、吸熱体や熱を積極的に伝達するための熱伝達体など、用途に応じた熱伝導性を利用可能な成形体として用いてもよい。

１…放熱成形体
１０…膨張黒鉛シート
Ｈ…高さ方向
Ｒ…径方向
ｘ，ｙ…主面方向
ｚ…厚み方向

Claims (4)

1. 厚み方向の熱伝導性に比べて主面方向の熱伝導性が高いシート状である複数の膨張黒鉛シートを、主面が重なるように積層するとともに、前記主面に交差する方向に圧縮成形され、圧縮方向を高さ方向とする所定の高さを有し、
   前記高さ方向に交差する形状が環状であり、
   前記膨張黒鉛シートが、前記環状における径方向に向けて配置された
   熱伝導成形体。
2. 前記膨張黒鉛シートが、前記高さ方向に対して湾曲している
   請求項１に記載の熱伝導成形体。
3. 前記膨張黒鉛シートが、前記径方向に対して湾曲している
   請求項１または２に記載の熱伝導成形体。
4. 前記膨張黒鉛シートが、前記径方向に対して交差する方向に向いている
   請求項１または２に記載の熱伝導成形体。

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