JP5114255B2 - 放熱構造体 - Google Patents
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Description
本発明は、かかる発熱体とヒートシンク等の放熱体との間に挟んで使用される伝熱シートを備えた放熱構造体に関する。
また、グラファイトシートに液体物質を含浸させるための工程が余分にかかってしまうため、生産性が悪くコストが高くなるし、また液体物質の劣化や、液体物質がグラファイトシートから放出されることにより、周辺装置の汚染の問題も生じる。
第2発明の放熱構造体は、発熱体に取り付けられ、該発熱体の熱を放熱する放熱構造体であって、放熱体と、該放熱体と前記発熱体との間に配設される、液体に浸漬させた黒鉛を熱処理して膨張させてなる膨張黒鉛を素材とする伝熱シートと、該伝熱シートと前記発熱体との間、もしくは該伝熱シートと前記放熱体との間の、すくなくとも一方に配設される樹脂フィルムとからなり、前記伝熱シートは、厚さ方向から34.3MPaの加圧力で加圧圧縮したときにおいて、圧縮率が50%以上であり、かつ復元率が5%以上であることを特徴とする。
第3発明の放熱構造体は、第1または第2発明において、前記樹脂フィルムは、ポリエチレンテレフタラートであることを特徴とする。
第4発明の放熱構造体は、第1、第2または第3発明において、前記樹脂フィルムが、前記伝熱シートに取り付けられていることを特徴とする。
第2発明によれば、液体に浸漬させた黒鉛を熱処理して膨張させてなる膨張黒鉛を素材とする伝熱シートを採用しているので、発熱体から放熱体までの熱抵抗を小さくすることができ、発熱体を冷却する効果を高くすることができる。しかも、樹脂フィルムによって伝熱シートから離脱した膨張黒鉛等が伝熱シートの周囲に飛散したりすることを防ぐことができる。しかも、伝熱シートが高い圧縮復元性を有することから、複数回使用しても、かさ密度を所定の密度以下に保っておくことができ発熱体や放熱体との密着性を高く保っておくことができる。よって、複数回使用しても熱抵抗を小さく保っておくことができるから、伝熱シートの再利用性を向上させることができる。そして、伝熱シートを再利用することができるので、省資源化に寄与することができる。
第3発明によれば、厚さ方向の熱伝導率を伝熱シートと同程度とすることができる。
第4発明によれば、伝熱シートおよび樹脂フィルムを、発熱体と放熱体との間に配置することが容易になる。
本発明の放熱構造体は、コンピュータのCPUや携帯電話の基板、DVDレコーダーやサーバーなどの発熱体を冷却するために使用されるものであり、放熱体12と、放熱体12と発熱体Hとの間に配設される伝熱シート11および樹脂フィルム13とから構成されている。
放熱体12は、例えば、ヒートシンクなどであり、後述する伝熱シート11や樹脂フィルム13の熱を吸収し、輻射や対流、熱伝導等によって気体や液体、他の部材等に対して、供給された熱を放出するものである。
なお、この放熱体12は、上記のごとき供給された熱を放出する放熱機能を備えているものだけでなく、伝熱シート11や樹脂フィルム13の熱を吸収する吸熱機能も備えているもの、および、放熱機能と吸熱機能を両方備えているものでもよい。つまり、伝熱シート11や樹脂フィルム13の熱を外部に放出する機能を有しているものであればよい。
伝熱シート11は、天然黒鉛やキャッシュ黒鉛等を硫酸や硝酸等の液体に浸漬させた後、400℃以上で熱処理を行うことによって形成された膨張黒鉛をシート状に形成したものであり、その厚さが0.05〜5.0mm、かさ密度が1.0Mg/m3よりも小さくなるように形成されたものである。
膨張黒鉛は、芋虫状または繊維状をしたもの、つまり、その軸方向の長さが半径方向の長さよりも長いものであり、例えば、その軸方向の長さが1mm程度、かつ、半径方向の長さが300μm程度のものである。そして、伝熱シート内部では、上記のごとき膨張黒鉛同士が絡みあっているのである。
さらになお、上記のごとき膨張黒鉛から伝熱シート11を形成する方法は、とくに限定されない。
本発明の放熱構造体10に使用する伝熱シート11は、熱伝導性よりも柔軟性を重視して構成されたものであり、通常、断熱材や電磁波遮蔽材として使用される、1.0Mg/m3よりかさ密度の小さい膨張黒鉛シートであることに特徴がある。そして、かさ密度が1.0Mg/m3以上の膨張黒鉛シートは柔軟性が低下し発熱体と放熱体との密着性が悪くなるのであるが、かさ密度を1.0Mg/m3より小さくしたことによって、後述するように、発熱体や放熱体との密着性が向上するのである。とくに、かさ密度を0.9Mg/m3以下とすることが好ましいが、その理由は後述する。
樹脂フィルム13は、伝熱シート11と発熱体Hとの間、または、伝熱シート11と放熱体12との間に配置されるものである。この樹脂フィルム13は、厚さ方向の熱伝導率が伝熱シート11と同程度であり、100℃程度の耐熱性を有している素材からなるフィルム、例えば、ポリエチレンテレフタラート等を素材をするフィルムである。
この樹脂フィルム13を設ければ、伝熱シート11から離脱した膨張黒鉛等が伝熱シート11の周囲に飛散したりすることを防ぐことができる。
なお、図1では樹脂フィルム13は、伝熱シート11と発熱体Hとの間に設けられているが、伝熱シート11と放熱体12との間に設けてもよいし、伝熱シート11と発熱体Hとの間および伝熱シート11と放熱体12との間の両方の間に設けてもよい。
図1(A)は本発明の放熱構造体10の使用状態の一例を示した図であり、(B)は実施例において本発明の放熱構造体に使用する伝熱シートの温度測定を行った位置を示した図である。図1において、符号HはコンピュータのCPU等の発熱体を示しており、符号Fは放熱構造体10の放熱体12に取り付けられた放熱ファンを示している。
また、図1に示すように、本発明の放熱構造体10は、発熱体Hが設置されている部材、例えば、CPUであれば基盤に対して、クランプ等の固定部材Sによって固定される。すると、伝熱シート11および樹脂フィルム13は、発熱体Hと放熱体12に挟まれた状態で加圧される。
すると、発熱体Hと伝熱シート11との間の熱抵抗や、伝熱シート1とヒートシンク2との間の熱抵抗が小さくなる。そして、伝熱シート11は、かさ密度が1.0Mg/m3よりも小さく、しかも、厚さ方向の熱伝導率が5W/(m・K)程度は確保できている。そして、樹脂フィルム13も厚さ方向の熱伝導率が伝熱シート1と同程度であるから、発熱体Hから放熱体12までの熱抵抗を小さくすることができ、伝熱性が向上する。
よって、放熱構造体10による、発熱体Hを冷却する効率を高くすることができる。
なお、伝熱シート11を発熱体Hと放熱体12との間に挟まれた状態で配置できるのであれば、伝熱シート11と放熱体12が別体になっていなくてもよく、例えば、接着剤等によって伝熱シート11を放熱体12に貼り付けておいてもよい。
また、伝熱シート11と樹脂フィルム13とを予め取り付けておけば、伝熱シート11および樹脂フィルム13を発熱体Hと放熱体12との間に容易に配置することができるので、より好ましい。
まず、発熱体Hの上に伝熱シート1を載せてから、この伝熱シート11の上に樹脂フィルム13を載せて、その上に放熱体12を載せる。そして、発熱体Hが設置されている部材、例えば、CPUであれば基盤と固定部材Sによって、発熱体H、伝熱シート11、樹脂フィルム13、放熱体12を挟んで固定すれば、放熱構造体10を発熱体Hに取り付けることができる。
また、放熱構造体10の放熱性能を高めたい場合には、放熱体12の上面にファンFを取り付ければよく、伝熱シート11、樹脂フィルム13、放熱体12およびファンFによって放熱構造体を構成してもよい。
さらに、放熱構造体10の放熱体12として、放熱機能と吸熱機能の両方を備えたものに代えて、ファンF等のように放熱機能しか有しないもの、また、冷水ジャケットなどのように吸熱機能しか有しないものとしてもよい。
とくに、厚さ方向から34.3MPaの加圧力で初めて加圧圧縮したときにおける圧縮率が55%以上であり、かつ、復元率が6%以上となるように調整しておけば、より確実に圧力が除去されたあとにおけるかさ密度を1.0Mg/m3より小さい状態、例えば、0.9Mg/m3より小さい状態に保つことができ、再利用性をより一層向上させることができる。
したがって、伝熱シート11に加わる圧力が2.0MPa以下、好ましくは1.5MPa以下となるように放熱構造体10を発熱体Hに固定するようにすれば、圧力が除去されたあとにおける伝熱シート11のかさ密度を1.0Mg/m3よりも小さいままで保っておくことができるので、伝熱シート11の再利用性を向上させることができ、発熱体Hの損傷を抑えることができる。
とくに、かさ密度が0.8Mg/m3以下の伝熱シート11を使用し、かつ、伝熱シート11に加わる圧力が1.0MPa以下となるように固定部材Sによって放熱構造体10を発熱体Hに固定するようにすれば、圧力が除去されたあとにおけるかさ密度を0.8Mg/m3以下に状態に保つことができ、伝熱シート11と発熱体Hおよび放熱体12との密着性をさらに向上することができ、かつ、復元性も維持することができる。
測定は、厚さ0.5mmの伝熱シートにおいて、かさ密度を0.1,0.5,0.8,1.0,1.2,1.5,1.8Mg/m3としたときにおける、かさ密度と圧縮率、復元率の関係を確認した。圧縮率は、加圧圧縮前の厚さに対する加圧圧縮中における厚さの割合で評価し、復元率は、加圧圧縮前の厚さに対する、加圧圧縮後加圧力が除去されたときにおける厚さの割合で評価した。
図2(A)に示すように、かさ密度が大きくなるにつれ、圧縮率が低下し、復元率が高くなることが確認できる。
圧縮率と復元率との関係を確認すると、全体として、圧縮率が大きくなるほど復元率が低下していることが確認できるが、圧縮率が50%以上となると復元率の変化割合が小さくなり、とくに、圧縮率が55〜75%までの間では、圧縮率の変化にかかわらず、復元率がほぼ一定に保たれている。
したがって、伝熱シートを、圧縮率が50%以下、とくに55〜75%までの間となるかさ密度、つまり、伝熱シートのかさ密度1.0Mg/m3より小さくすれば(図2(A)参照)、圧縮率を高くしつつ、復元率はある一定の範囲に保つことができる考えられる。
図1(B)に示すように、CPU内部温度と、ヒートシンクにおける温度は20mm離れた位置において測定した。
測定に使用した伝熱シートは、かさ密度が、0.1,0.5,0.8,1.0Mg/m3厚さ0.5mmのものであり、各かさ密度の伝熱シートにおいて、加わる加圧力(CPUにヒートシンクを取り付ける圧力)を、0.1,0.5,1.0,2.0,5.0MPaと変化させて、温度差の変化を調べた。
なお、温度差が小さいほど伝熱シートの伝熱性が良い、言い換えれば、熱抵抗が小さいことを意味しており、温度差が大きいほど伝熱シートの伝熱性が悪い、言い換えれば、熱抵抗が大きいことを意味している。
そして、温度差がほぼ一定となる加圧力は、かさ密度が小さくなるほど低くなっており、2.0MPa以上であれば、すべてのかさ密度において温度差がほぼ一定となることが確認できる。
そして、かさ密度が0.8Mg/m3以下の場合、加圧力1.0MPa以上、とくに、1.5MPa以上とすれば、すべて温度差がほぼ一定とすることができると考えられる。
測定は、厚さ0.5mmの伝熱シートをCPUとヒートシンクとの間に挟み、伝熱シートに対して1.0MPaの加圧力が加わるように取り付けた場合において、伝熱シートのかさ密度を、0.1,0.5,0.8,1.0,1.2,1.8,2.0Mg/m3としときにおける温度差を測定した。
なお、実施例2の結果と比較すれば、加圧力が1.0MPaから小さくなれば、上記の熱効率が急激に変化するかさ密度も小さくなることが予想できる一方、加圧力が1.0MPaより大きくなっても熱効率が急激に変化するかさ密度はそれほど変化しないと考えらえれる。
測定は、厚さ0.5mm、かさ密度0.1,0.5,0.8,1.0Mg/m3の伝熱シートを、CPUとヒートシンクとの間に挟んだのち取り外すことを4回繰り返し、各回ににおける温度差を測定した。
図4(B)に示すように、かさ密度にかかわらず、温度差は毎回ほぼ同じ値を示していることが確認できる。つまり、伝熱シートの伝熱性は、最初にCPUとヒートシンクとの間に取り付ける前のかさ密度、および、CPUとヒートシンクとの間に取り付けたときにおける加圧力によって影響されることが確認できる。
11 伝熱シート
12 放熱体
13 樹脂フィルム
H 発熱体
Claims (4)
- 発熱体に取り付けられ、該発熱体の熱を放熱する放熱構造体であって、
放熱体と、
該放熱体と前記発熱体との間に配設される、液体に浸漬させた黒鉛を熱処理して膨張させてなる膨張黒鉛を素材とする伝熱シートと、
該伝熱シートと前記発熱体との間、もしくは該伝熱シートと前記放熱体との間の、すくなくとも一方に配設される樹脂フィルムとからなり、
前記伝熱シートは、かさ密度が、0.1〜0.8Mg/m3である
ことを特徴とする放熱構造体。 - 発熱体に取り付けられ、該発熱体の熱を放熱する放熱構造体であって、
放熱体と、
該放熱体と前記発熱体との間に配設される、液体に浸漬させた黒鉛を熱処理して膨張させてなる膨張黒鉛を素材とする伝熱シートと、
該伝熱シートと前記発熱体との間、もしくは該伝熱シートと前記放熱体との間の、すくなくとも一方に配設される樹脂フィルムとからなり、
前記伝熱シートは、
厚さ方向から34.3MPaの加圧力で加圧圧縮したときにおいて、
圧縮率が50%以上であり、かつ復元率が5%以上である
ことを特徴とする放熱構造体。 - 前記樹脂フィルムは、ポリエチレンテレフタラートである
ことを特徴とする請求項1または2記載の放熱構造体。 - 前記樹脂フィルムが、前記伝熱シートに取り付けられている
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の放熱構造体。
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