JP7191923B2 - 加熱放熱システム - Google Patents

Description

本発明は、加熱放熱シート及び加熱放熱システムに関する。

リチウムイオン電池、モーター等の電気装置は、ジュール熱により発熱するが、氷点下等の寒冷地では電池反応性の低下や凍結等により、動作に支障が出るおそれがある。このため、電池に加熱用のヒーターを設けることが提案されている（特許文献１～５参照）。

特開２０１１－１６５３９０号公報 特開２０１１－１６５３９１号公報 特許第４９２５６８０号公報 特許第５１０５８０９号公報 特許第４９４８１８７号公報

例えばリチウムイオン電池は、１０～４５℃の温度領域で充放電が効率的になされ、それより低温でも高温でも性能が悪化する。電気装置自体が発熱体であるため、従来、高温での動作を改善するためには、送風ファンなどの大きい設備が必要とされている。しかし、低温で電気装置を使用する場合、動作中は電気装置自体の発熱により温度が維持されても、動作を開始する際には、電気装置を加熱して、効率よく動作を開始させる必要がある。そのため、低温から高温まで広範囲の温度で電気装置を使用するためには、小型で、加熱（発熱）と放熱（放冷）という、相反する機能を併せ持つ材料の開発が望まれる。

なお、特許文献３の段落００３５には、ダイオード等の発熱部品を、アウターケースの内面に設けられた金属シャーシーに固定して、発熱部品の放熱板に併用することが記載されている。しかし、特許文献３の一実施例として記載された発明では、シートヒーターはインナーケースの上下面（リード板設置面）に配設されており、インナーケースの両側面に配設される金属シャーシーとは位置が異なっている。

また、特許文献３には、他の実施例として、金属シャーシーがインナーケースの側面及び上下面を覆う構成も開示されている。その場合、ヒーターから金属シャーシーへの熱伝導を防ぐため、ヒーターが直接に金属シャーシーに接触しないように構成することが記載されている（特許文献３の段落００４８～００４９）。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、加熱と放熱の機能を併せ持ち、発熱体の温度を所定の範囲内に維持するために好適に利用することが可能な加熱放熱シート及び加熱放熱システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、グラファイトシートを有する放熱層と、前記放熱層上に形成された電極と、前記放熱層に積層された粘着剤層とを有する加熱放熱シートが、前記粘着剤層により、発熱体に貼着された加熱放熱システムであって、前記電極が、前記放熱層を通電により加熱することが可能であり、前記発熱体の前記加熱放熱シートが貼着された部分とは異なる部分に、電極を有しない第２のグラファイトシートを有する第２の放熱層が、第２の粘着剤層を介して貼着されており、前記発熱体が電池であり、少なくとも樹脂基材層とバリア層とシーラント層とを含む積層体からなる外装体により包装されていることを特徴とする加熱放熱システムを提供する。
前記粘着剤層の厚さが１～１５μｍであることが好ましい。
前記粘着剤層がシリコーン粘着剤からなることが好ましい。

前記加熱放熱システムが、前記発熱体の発熱を、前記加熱放熱シートの前記放熱層から放熱することが好ましい。
前記発熱体が扁平であり、その両面のうち少なくとも１つの面に前記加熱放熱シートが貼着されていることが好ましい。
前記発熱体が円柱形であり、その曲面部分を覆うように前記加熱放熱シートが貼着されていることが好ましい。

前記発熱体が電池であることが好ましい。
前記電池が、少なくとも樹脂基材層とバリア層とシーラント層とを含む積層体からなる外装体により包装されていることが好ましい。
前記発熱体がモーターであることが好ましい。

本発明によれば、適度な熱伝導性と電気伝導性を有するグラファイトシートを放熱材として使用することにより、外部からグラファイトシートに通電することで加熱体としても機能させることができる。

本発明の加熱放熱シートの実施例１を示す斜視図である。 本発明の加熱放熱シートの実施例２を示す断面図である。 本発明の加熱放熱システムの実施例１を示す断面図である。 本発明の加熱放熱システムの実施例２を示す断面図である。 本発明の加熱放熱システムの実施例３を示す断面図である。 本発明の加熱放熱シートの実施例３を示す断面図である。 本発明の加熱放熱システムの実施例４を示す断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。

図１に、本発明の加熱放熱シートの実施例１を示す。この加熱放熱シート１０は、グラファイトシートを有する放熱層１１と、この放熱層１１上に形成された電極１２と、放熱層１１に積層された粘着剤層１３とを有する。

放熱層１１は、電気伝導性を有するとともに、適度な熱伝導性を有する材料として、グラファイトシートまたはこれを含む材料（積層体等）から構成されている。グラファイトシートとしては、天然グラファイトまたは合成グラファイトのいずれも使用できる。グラファイトシートの厚さは、例えば単層当たり１０～１０００μｍ程度が好ましい。２層以上又は２種以上のグラファイトシートを接着剤等によりラミネートしてもよい。天然グラファイトは安価であり、合成グラファイトは不純物が少なく物性に優れるので、それぞれ用途や性能等を考慮して選択することが好ましい。

グラファイトシートの特性としては、例えば、平面方向の電気伝導度が５０００～２５０００Ｓ／ｃｍ（比抵抗が４×１０^－５～２×１０^－４Ω・ｃｍ）、平面方向の熱伝導率が１００～３０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ方向の熱伝導率が１～３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）等が挙げられる。グラファイトシートはシート全体が層状構造を有する結晶質であり、厚さ方向に単原子層が積層された結晶軸（ｃ軸）を有するため、その物性は、厚さ方向と平面方向に対して大きな異方性を示す。

電極１２は、外部から給電を受けることにより、放熱層１１に通電して放熱層１１を発熱させ、加熱することができる。電極１２の設置箇所は特に限定されないが、放熱層１１の面上の複数箇所であればよい。例えば対向する各辺に対をなして電極１２を設けることが好ましい。電極１２の形成材料及び方法は特に限定されないが、金属箔片の接着、導電ペーストの印刷等が挙げられる。

粘着剤層１３は、加熱放熱シート１０を発熱体等の被着体に貼着するために用いられる。粘着剤層１３を構成する粘着剤としては、シリコーン粘着剤、アクリル粘着剤、ゴム系粘着剤、ウレタン粘着剤等が挙げられるが、使用可能温度の広さ（耐寒性及び耐熱性）、耐薬品性、耐水性等の観点から、シリコーン粘着剤が好ましい。粘着剤層の厚さとしては、例えば１～１５μｍが挙げられる。粘着剤層１３が薄すぎると接着力が低くなり、粘着剤層１３が厚すぎると熱伝導性が低下するおそれがある。

グラファイトシートは、適度な熱伝導性と電気伝導性を有することから、放熱層と電気抵抗による発熱層を兼ねることができる。平面方向に比べて厚さ方向の熱伝導性が低いことから、通電による発熱時においても、外側に漏れる熱量が少なく、効率的な加熱が可能である。放熱が必要な場合は、平面方向の熱伝導性に優れることから、発熱体の熱を面内に分散させ、効率的に放熱（放冷）することが可能である。

図２に、本発明の加熱放熱シートの実施例２を示す。本実施例では、実施例１の加熱放熱シート１０上に、放熱層１１及び電極１２を保護するための保護シート１６が積層されている。保護シート１６としては、接着層１４を介して保護層１５を放熱層１１及び電極１２上に貼着可能な積層体が挙げられる。加熱放熱シート１０の放熱層１１及び電極１２上に保護シート１６を積層することにより、グラファイトシート及び電極の破損や、グラファイトの破片、粉末等による汚れを抑制することができる。

接着層１４としては、シリコーン粘着剤等の粘着剤のほか、フェノール樹脂等の硬化型接着剤が挙げられる。保護層１５としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ナイロン（ポリアミド樹脂）、ポリイミド等の樹脂フィルムが挙げられる。

加熱放熱シート１０の粘着剤層１３の粘着面には、剥離シート１７を設けることができる。剥離シート１７を粘着面に貼着した状態では、加熱放熱シート１０の運搬、保管等の間、粘着剤層１３を保護することができる。加熱放熱シート１０を発熱体に貼着する際は、粘着剤層１３から剥離シート１７を軽い力で容易に剥離することができる。剥離シート１７の構成は特に限定されないが、樹脂フィルム、紙等の基材の表面に、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の剥離剤を有する積層体が挙げられる。

粘着剤層１３を用いて加熱放熱シート１０を発熱体に貼着することにより加熱放熱システムを構成することができる。発熱体としては、リチウムイオン電池、燃料電池、二次電池、モーター、表示装置等の電気装置が挙げられる。発熱体が扁平である場合、発熱体の両面のうち少なくとも１つの面に加熱放熱シート１０が貼着することが可能である。

発熱体が、リチウムイオン電池等の電池である場合には、少なくとも樹脂基材層とバリア層とシーラント層とを含む積層体からなる外装体により包装されていることが好ましい。これにより、軽量で、広い温度にわたり耐久性を確保し、かつ粘着剤層１３による貼着が容易になる。

樹脂基材層としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ナイロン（ポリアミド樹脂）、ポリイミド等の樹脂フィルムが挙げられる。ガスバリア層としては、ステンレス、アルミ箔等の金属箔が挙げられる。シーラント層としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、特に無水マレイン酸等の酸変性ポリオレフィン樹脂が挙げられる。

図３に、本発明の加熱放熱システムの実施例１を示す。この加熱放熱システムは、電池等の発熱体２１の片面に、実施例１の加熱放熱シート１０を貼着し、発熱体２１の反対側の面に、放熱シート２０を貼着した構成である。放熱シート２０としては、加熱放熱シート１０から電極１２を省略して、放熱層１１の片面又は両面に粘着剤層１３を設けた構成が挙げられる。

さらに、加熱放熱シート１０が貼着された面とは異なる面に放熱シート２０を貼着した場合、グラファイトシートを有する放熱層１１が粘着剤層１３を介して発熱体２１に積層される。これにより、放熱シート２０を省略した場合に比べて、放熱量（放熱時の熱移動量）を増大させることができる。

図４に、本発明の加熱放熱システムの実施例２を示す。発熱体２１の片面に貼着された加熱放熱シート１０は、実施例１の加熱放熱システムと同様である。実施例２の加熱放熱システムでは、発熱体２１に貼着される放熱シート２０が粘着剤層１３よりも長い放熱層１１を有し、放熱層１１のうち粘着剤層１３が積層された部分の外側には、冷却装置２３に熱を伝導するための連絡部２２が設けられている。冷却装置２３としては、空冷ボックス、熱交換器、金属製の放熱器等が挙げられる。

本実施例によれば、実施例１の加熱放熱システムによる効果に加えて、連絡部２２が、放熱層１１から連続したグラファイトシートを含むので、平面方向の熱伝導性に優れている。このため、発熱体２１からの発熱が多い場合であっても、過剰な熱を冷却装置２３に伝導して、放熱能力を向上することができる。

図５に、本発明の加熱放熱システムの実施例３を示す。本実施例では、発熱体２１の片面に貼着される加熱放熱部３１と、発熱体２１の反対面に貼着される放熱部３２と、冷却装置２３に熱を伝導するための連絡部２２とが一体の加熱放熱シート３０を構成している。

加熱放熱部３１は、図４の加熱放熱シート１０と同様の構成であり、放熱部３２は、図４の放熱シート２０と同様の構成である。粘着剤層１３は、加熱放熱部３１から放熱部３２にまたがって一体に形成することができる。また、放熱層１１は、加熱放熱部３１から放熱部３２を経て連絡部２２まで連続したグラファイトシートを含むことができる。

本実施例によれば、実施例１及び２の加熱放熱システムによる効果に加えて、加熱放熱シート３０が可撓性を有するので、発熱体２１の周囲を包むように曲げることができる。加熱放熱シートと放熱シートを１枚にまとめることができるのみにならず、加熱放熱部３１により発熱体２１を加熱する際には、熱を加熱放熱部３１の側から放熱部３２の側にも分散させて、発熱体２１を両面から加熱することができる。

図６に、本発明の加熱放熱シートの実施例３を示す。この加熱放熱シートは、片面に電極１２が設けられた放熱層１１の片面に、図２と同様な保護シート１６を貼着するとともに、放熱層１１の反対面に、両面粘着シート４０を貼着した構成である。両面粘着シート４０は、基材シート４１の両面に粘着剤層４２，４３を有する。基材シート４１としては、樹脂フィルムでもよいが、熱伝導性に優れる金属箔等でもよい。

図７に、本発明の加熱放熱システムの実施例４を示す。本実施例は、円柱形の発熱体２４の曲面部分（周方向の側面部）を覆うように加熱放熱シート１０を貼着し、電極１２が円柱の底面の円と垂直になるように位置する構成である。電極１２の位置は特に限定されないが、円柱形の発熱体２４の周方向に沿った加熱放熱シート１０の長さ方向において、一端部、中間部、他端部などから選択される２箇所以上が好ましい。図７では、電極１２を加熱放熱シート１０の２箇所（一端部及び中間部）に設けた例を示した。
発熱体２４は、形状が異なるほかは、扁平の発熱体２１と同様であり、電池、モーター等に適用することができる。発熱体２４の形状は、円柱形のほか、多角柱などの柱状体、円筒などの筒状体などであってもよい。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

本発明の加熱放熱システムにおいては、発熱体の温度を測定する温度センサや、測定温度に基づき、加熱放熱シートの電極に対する通電状態と未通電状態とを切り替える制御器を備えてもよい。

１０…加熱放熱シート、１１…放熱層、１２…電極、１３…粘着剤層、２０…放熱シート、２１，２４…発熱体、３０…加熱放熱シート、３１…加熱放熱部、３２…放熱部。

Claims (4)

1. グラファイトシートを有する放熱層と、前記放熱層上に形成された電極と、前記放熱層に積層された粘着剤層とを有する加熱放熱シートが、前記粘着剤層により、扁平の発熱体の両面のうち１つの面に貼着された加熱放熱システムであって、
   前記電極が、前記放熱層を通電により加熱することが可能であり、前記発熱体の前記加熱放熱シートが貼着された面とは反対側の面に、電極を有しないグラファイトシートを有する第２の放熱層が、第２の粘着剤層を介して貼着されており、
   前記グラファイトシートはシート全体が層状構造を有する結晶質であり、厚さ方向に単原子層が積層された結晶軸（ｃ軸）を有し、
   前記第２の放熱層の外側には、冷却装置に熱を伝導するための連絡部が設けられ、前記連絡部が、前記加熱放熱シートの前記放熱層から前記第２の放熱層を経て前記連絡部まで連続したグラファイトシートを含み、前記グラファイトシートには、前記加熱放熱シートの前記粘着剤層から前記第２の粘着剤層にまたがって一体に形成された粘着剤層が積層され、
   前記発熱体が電池であり、少なくとも樹脂基材層とバリア層とシーラント層とを含む積層体からなる外装体により包装されていることを特徴とする加熱放熱システム。
2. 前記粘着剤層の厚さが１～１５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の加熱放熱システム。
3. 前記粘着剤層がシリコーン粘着剤からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱放熱システム。
4. 前記加熱放熱システムが、前記発熱体の発熱を、前記加熱放熱シートの前記放熱層から放熱することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の加熱放熱システム。

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