JP3833421B2

JP3833421B2 - 放熱シート

Info

Publication number: JP3833421B2
Application number: JP24435799A
Authority: JP
Inventors: 茂機三木
Original assignee: Fujikura Rubber Ltd
Current assignee: Fujikura Composites Inc
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP2001073256A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は放熱シート、特に柔軟性、絶縁性があり、かつ放熱性の良好な柔軟な放熱シートに関する。
【０００２】
【従来技術および問題点】
たとえば、電子機器内で発生する熱は、電子部品の誤作動を招くことから、良好に放熱される必要がある。このような放熱手段として、放熱シートを使用する方法が知られている。柔軟性のある放熱シートとしては、シリコーンゲルに熱伝導フィラー、たとえばアルミナ、マグネシア、窒化ほう素などを所定量添加したものが知られている。このような放熱シートは、柔軟性があり、粘着性も有していることから、半導体装置を装着した回路基板など凹凸のある部分に被せて放熱させることができるという、設計自由度が大きいという利点がある反面、放熱性は優れているとはいえないという欠点がある。
【０００３】
一方、放熱性の良好な平面シート状の放熱シートとしては、アルミ板、ピッチ系炭素繊維を一方向に引き揃えた炭素繊維強化プラスチック等が知られている。これらの放熱シートは、熱伝導性が良好で、放熱性は優れている反面、剛性があり、伝熱方向の設計自由度が小さいという欠点がある。特にピッチ系炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチックの放熱シートは、放熱性は大きいものの、基本的に繊維の引き揃え方向（一方向）が径方向と比較して１０〜１００倍の伝熱性を有する性質があるため、設計自由度は大きく制限されるという欠点があった。さらに、ピッチ系炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチックの放熱シートは、前記ピッチ系炭素繊維が炭素繊維の軸方向に伝熱する性質があるため、放熱すべき熱を入力するあるいは放熱する箇所は前記炭素繊維の先端の端面に限定され、太さ方向より熱を入力あるいは出力できず（効率が先端からのものに比較して１／１０〜１／１００となる）、使用が制限されるという欠点があった。
【０００４】
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、放熱性が良好で、かつ柔軟性があり、設計自由度が大きいばかりでなく、炭素繊維の太さ方向より（面状に形成されている部分）より熱の入出力可能な放熱シートを提供することを目的とする。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による放熱シートは、ピッチ系炭素繊維からなる放熱シート本体の表面を研削して、前記炭素繊維の太さ方向より熱の入出力を可能にする面状の研削部からなる吸熱部を形成したことを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、伝熱性の良好なピッチ系炭素繊維をシート状とし、この放熱シート本体の表面を一部研削して吸熱部を形成したため、前記面状に形成された研削部である吸熱部より、多量の熱を入力可能になる。このため従来に比較して著しく放熱性が良好な放熱シートを提供できるという利点がある。
【０００７】
本発明をさらに詳しく説明すると、本発明による放熱シート本体は、図１に示すようにピッチ系炭素繊維をシート状としたものである。そして、上述のような放熱シート本体１の一方の端部の表面を研削して、吸熱部２を、他方の端部に放熱部３形成する（図１参照）。この実施例において、放熱シート本体１の他方の端部も研削を行って、放熱部３も形成してある。このように吸熱部２および放熱部３を研削することによって形成することにより、放熱シート本体１の端面ばかりでなく、表面よりも吸熱および放熱が可能になる。
【０００８】
前記ピッチ系炭素繊維は、図２に示すように平面内に炭素原子が正六角形状に等間隔に配置されたグラファイトの単結晶が繊維の軸方向に結合して伸長しており、一方太さ方向には前記単結晶層が積層された構造になっている。前記単結晶層間はファン・デル・ワールス力のみが働き、一方各単結晶間には強力な共有結合で結合された構造になっている。このため、炭素繊維は繊維の軸方向に大きな伝熱性を有しており、一方太さ方向は、数十分の一から数百分の一の伝熱性しか有していない性質がある（強度についても同様である）。
【０００９】
図３は炭素繊維１の構造を模式的に示した図であるが、正六角形状のグラファイト単結晶は炭素繊維１の軸方向に広がっており、熱は前記軸方向に良好に伝導する。すなわち、炭素繊維１の端面１１より、熱を入力すると、他方の端面より熱が放出されて、放熱性が良好になる。本発明においては、前記ピッチ系炭素繊維よりなる放熱シート本体１の表面を研削することによって、炭素繊維の太さ方向に、炭素繊維の軸方向の端面１１を露出せしめる。研削はミクロにみれば、均一に行われることはないので、この研削によって、前記研削部（吸熱部および放熱部）２、３には無数の端面１１を生じることになるため、炭素繊維１の太さ方向からの熱の入力が大幅に改善される。すなわち放熱シートの表面方向より吸熱（熱の入力）および放熱（熱の出力）が可能になり、効率良く放熱が可能になるという利点を生じる。
【００１０】
このような炭素繊維は、繊維軸方向の熱伝導率が６００〜１６００Ｗ／ｍ・Ｋを有しているのが好ましい。６００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、十分な放熱性が発揮できない恐れがあり、一方１６００Ｗ／ｍ・Ｋを越えた炭素繊維を製造するのが困難であるからである。炭素繊維の熱伝導率は、炭素繊維を構成するグラファイト結晶の大きさのみに支配されていることが判明しており、炭素繊維は、その原料や製法によらず、グラファイト結晶が大きい程、格子欠陥による電気および熱のキャリアーの散乱が小さくなり、熱伝導率が大きくなる。このような炭素繊維としては、たとえば特開平０７−３３１５３６号公報に記載されたピッチ系炭素繊維を用いることができる。
【００１１】
上述のピッチ系炭素繊維は太さが１０μｍ前後であり、このような炭素繊維を好ましくは１０００〜３０００（１Ｋ〜３Ｋ）本、束ねて糸として使用する。１Ｋ未満であると強度が不足する恐れがあり、一方３Ｋを越えると、放熱シートの柔軟性を損なう恐れがある。
【００１２】
このような本発明による放熱シート本体の厚さは１００μｍ〜２ｍｍであるのがよい。１００μｍ未満であると、強度が不足し、また放熱性が十分でない恐れがあり、一方２ｍｍを超えた場合、放熱性は向上せず、取り扱いが不便になるという欠点を生じる。特に好ましくは０．５〜１ｍｍである。このような放熱シートを積層して使用してもよいのは明らかである。
【００１３】
放熱シート本体１は、たとえば図４に示すように、４軸織物であることができる。すなわち、ピッチ系炭素繊維よりなる経糸４および緯糸５およびこれらの糸に斜め方向に交わる２本の斜行糸６、７とを有し、前記斜行糸６、７は相互に交差しており、前記経糸１及び緯糸２および２本の斜行糸６、７は相互に織られている織物である。図５に示すように、斜行糸６、７の交差角度は、前記経糸３方向を０°としたときに、±３０〜６０°の角度で交差しているのがよい。±３０°未満または±６０°を超える場合は、４方向への伸びの規制が著しく低下してしまうという問題を生じる恐れがある。特に、４５°（直行方向）であることが望ましい。
【００１４】
このような４軸織物を放熱シート本体１とした放熱シートは、たとえば、図６に示すように、放熱シート本体の中心部を研削して吸熱部２を形成し、この吸熱部２に熱源８を設置するように配置する場合、熱源８よりの熱は放熱シートの糸の方向（矢印で示す）、すなわち８方向に伝熱する。このため効率良く放熱可能となる。
【００１５】
また、図７に示すように、放射状にピッチ系炭素繊維９を配置した放熱シート本体１の中心に吸熱部２を形成したものであることもできる。この場合も、放熱シートの吸熱部に熱源を設けることによって、放射方向に熱を逃がすことが可能になり、極めて効率良く放熱できるという利点を生じる。
【００１６】
このような放熱シート本体１に難燃性シリコーンポリマーなどの高分子膜を形成することも可能である。この場合、放熱シートに絶縁性あるいは保形性等を付加することが可能である。特にピッチ系炭素繊維９が放射状に敷設されている場合、上記４軸織物と相違して、織られたものではないので上記形状をバインダー等で保持する必要があるが、高分子膜が形成されているときには、この放射状の炭素繊維を保持する作用も行うため、バインダー作用を兼用できるという利点も生じる。
【００１７】
本発明による放熱シートは、吸熱部２と放熱部３が障害物１０で遮られている場合、柔軟であるので、図８に示すように放熱シートＳを折り曲げたり、湾曲させて、熱源８より熱を放熱部３に導くことが可能になる。このため、放熱シートＳを使用する機器の設計自由度を著しく大きくすることができる。
【００１８】
以下本発明による実施例を説明する。
【００１９】
【実施例１】
１１μｍのピッチ系炭素繊維（Ｋ１３Ｄ２Ｕ；商標名；三菱化学株式会社）を１Ｋとした糸を使用して４軸織物を作製した。この炭素繊維の熱伝導率は８００Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、この放熱シート本体の厚さは０．３５ｍｍであった。
【００２０】
このような放熱シートを打ち抜いて、１５０×１５０ｍｍの試料とした後、中心部を研削してφ３０ｍｍの吸熱部２を形成した（図６参照）。この吸熱部２にアルミブロックを置き、このアルミブロックをヒータによって１３０℃に加熱した。その後、ヒータを止めてアルミブロックを自然冷却させ、２５℃に冷却されるまでの時間を測定した。本発明による放熱シートを接触させた場合、他方の端部より放熱するため、２５℃に冷却されるまでに約１２分かかった。放熱シートを設けない場合、約４０分であった。また室温２５℃の雰囲気中で同じ寸法のアルミニウム板の一方の短端部に接触してアルミブロックをおき、このアルミブロックをヒータによって１３０℃に加熱した。その後、ヒータを止めてアルミブロックを自然冷却させ、２５℃に冷却されるまでの時間を測定した結果、約２７分であった。さらに、アルミニウム板の放熱シートのかわりに、ピッチ系炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチックの放熱シートを使用した場合、約１５分であった。
【００２１】
この実施例による放熱シートによればアルミニウムあるいはピッチ系炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチックの放熱シートよりも著しく良好な放熱性を示すことが明らかになった。
【００２２】
また剛軟度を一般織物試験法であるＪＩＳＬ１０９６Ａ法（４５°カンチレバー法）で測定した結果、最大２０ｍｍであり、十分な柔軟性を有していることがわかった。
【００２３】
【実施例２】
１１μｍのピッチ系炭素繊維（Ｋ１３Ｄ２Ｕ；商標名；三菱化学株式会社）を１Ｋとした糸を使用して放射状に前記炭素繊維を敷設したを製造した。この放熱シート本体の本数は１Ｋであった。この炭素繊維の熱伝導率は８００Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００２４】
このような放熱シートを打ち抜いて、５０×２００ｍｍの片とした後、炭素繊維が放射状に敷設された中心部を研削してφ３０ｍｍの吸熱部２を形成し（図７参照）、その吸熱部２アルミブロックを置き、このアルミブロックをヒータによって１３０℃に加熱した。その後、ヒータを止めてアルミブロックを自然冷却させ、２５℃に冷却されるまでの時間を測定した。本発明による放熱シートを接触させた場合、放射状に放熱するため、２５℃に冷却されるまでに約１０分かかった。
【００２５】
また剛軟度を一般織物試験法であるＪＩＳＬ１０９６Ａ法（４５°カンチレバー法）で測定した結果、最大２０ｍｍであり、十分な柔軟性を有していることがわかった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による放熱シートによれば、伝熱性の良好なピッチ系炭素繊維をシート状とし、この放熱シート本体の表面を一部研削して吸熱部を形成したため、前記面状に形成された研削部である吸熱部より、多量の熱を入力可能になる。このため従来に比較して著しく放熱性が良好な放熱シートを提供できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による放熱シートの平面図。
【図２】炭素繊維の構造を示す説明図。
【図３】研削された炭素繊維の構造を示す説明図。
【図４】放熱シート本体の一例の平面図。
【図５】放熱シート本体の斜交糸の状態を示す説明図。
【図６】本発明による放熱シートの使用状態の一例を示す説明図。
【図７】放熱シート本体の他の例を示す模式的平面図。
【図８】本発明による放熱シートの使用状態の一例を示す説明図。
【符号の説明】
１放熱シート本体
２吸熱部
３放熱部
４経糸
５緯糸
６斜交糸
７斜交糸
８熱源
９炭素繊維
１０障害物

Claims

ピッチ系炭素繊維からなる放熱シート本体の表面を研削して、前記炭素繊維の太さ方向より熱の入出力を可能にする面状の研削部からなる吸熱部を形成したことを特徴とする放熱シート。
前記放熱シート本体は相互に直行する経糸、緯糸、これらの糸に斜め方向に交わる２本の斜行糸とを有し、前記斜行糸は相互に交差しており、前記経糸及び緯糸および２本の斜行糸は相互に織られている４軸織物であることを特徴とする請求項１記載の放熱シート。
前記放熱シート本体はピッチ系炭素繊維を所定中心から放射状にバインダーで保持したものであることを特徴とする請求項１記載の放熱シート。
前記ピッチ系炭素繊維は、繊維軸方向の熱伝導率が６００〜１６００Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項１から３記載のいずれかの放熱シート。
前記放熱シート本体の厚さは１００μｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１から４記載のいずれかの放熱シート。