JP7377536B2 - 熱伝導性ガスケット - Google Patents
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Description
本開示は、熱伝導性ガスケットに関するものである。
特許文献1には、長尺芯材の内部に、断面形状が1つの孔である中空部を設けた電磁波シールドガスケットが記載されている。
しかし、特許文献1に記載のガスケットでは、長尺芯材の内部に設けられた中空部は1つの孔により形成されているので、ガスケットを2つの導体で挟み込み、圧縮して使用した場合、圧縮力によっては中空部が塞がらないことがあり、中空部のないガスケットと比べ、ガスケットを介した導体間の熱伝導効果が悪化することがあった。
本開示は、小さな圧縮力によっても、中空部のないガスケットと同等の、ガスケットを介した導体間の熱伝導効果を得ることが可能となる熱伝導性ガスケットを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本開示の熱伝導性ガスケットは、第1導体と第2導体との間に挟み込まれ、第1導体と第2導体との間の電気的導通を確保する熱伝導性ガスケットであって、熱伝導性弾性部材と、導電性フィルムと、を備え、熱伝導性弾性部材は、第1導体に相対する第1面と、第1面に対向する第2面と、第1面と第2面とをつなぐ第1側面と、第1側面に対向する第2側面とによって構成される外周面を有する棒状体であり、導電性フィルムは、少なくとも一方の面に導電性薄膜が積層されており、導電性薄膜を外側に向けるように、熱伝導性弾性部材の外周面を当接しつつ覆い、熱伝導性弾性部材の内部には、長手方向の軸に沿って貫通孔が2つ以上形成され、貫通孔は、第1面と第2面とが近づく方向である圧縮方向に積み重なるように配置され、熱伝導性弾性部材の軸と直交する断面において、圧縮方向と直交する貫通孔の幅方向の寸法をaとし、圧縮方向に沿った貫通孔の高さ方向の寸法をbとし、熱伝導性ガスケットを圧縮方向に圧縮する前の全高をH1とし、熱伝導性ガスケットを圧縮方向に圧縮した後の全高をH2とし、さらに貫通孔のそれぞれについての高さ方向の寸法の合計をH1から減算した結果をH3とした場合、a>bかつH2≦H3である。
本開示によれば、小さな圧縮力によっても、中空部のないガスケットと同等の、ガスケットを介した導体間の熱伝導効果を得ることが可能となる。
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1Aは、本開示の一実施形態に係る熱伝導性ガスケット1の断面を示している。なお、図面において方向に言及する場合には、図中に示される矢印の方向を用いるものとする。また、上下方向及び左右方向に直交する方向を前後方向という。但し、これらの方向は、熱伝導性ガスケット1を構成する各部の相対的な位置関係を説明するために規定したに過ぎない。したがって、熱伝導性ガスケット1を実際に使用する際に、熱伝導性ガスケット1を向ける方向は、図示例の方向に限らない。例えば、図中に示す上下方向が重力の方向とは一致しない状態で熱伝導性ガスケット1を使用してもかまわない。
熱伝導性ガスケット1は、棒状体をなしている。熱伝導性ガスケット1の長手方向、つまり、図1Aにおける前後方向を軸とすると、図1Aの断面図は、熱伝導性ガスケット1を軸と直交する面で切断したときの切断面を示している。なお、図1Aにおいて、熱伝導性ガスケット1は、導電性基板100上に載せられている。
熱伝導性ガスケット1は、長尺芯材として熱伝導性弾性体10を有する。そして、導電性フィルム12が、熱伝導性弾性体10の外周面10aを当接しつつ、覆っている。導電性フィルム12は、少なくとも一方の面12a、つまり、外周面10aと当接している面と反対側の面に導電性薄膜を積層している。
熱伝導性弾性体10の内部には軸に沿って、複数個の貫通孔11が形成されている。図1Aでは、6個の貫通孔11が形成されている。そして、3個の貫通孔11が上下方向に積み重なるように配置され、その3個の貫通孔11が左右方向に並んで2列配置されている。
図1Bは、熱伝導性ガスケット1を上下方向に圧縮した様子を示している。具体的には、熱伝導性ガスケット1を導電性基板100ともう1枚の導電性基板200とで挟み込み、上の導電性基板200を下方向に移動させることで、つまり、上の導電性基板200を下の導電性基板100に近づけることで、熱伝導性ガスケット1を上下方向に圧縮している。このように熱伝導性ガスケット1を上下方向に圧縮すると、図1Bに示すように、各貫通孔11は閉じられる。
次に、貫通孔11の断面形状として採用する条件及びその根拠と、熱伝導性ガスケット1を実際に使用するときの圧縮率について、図2A及び図2Bを参照して説明する。
図2Aに示すように、各貫通孔11は、その断面形状として四角形を採用している。但し、図6A~図6Cを用いて後述するように、貫通孔の断面形状は四角形に限らない。貫通孔11の断面形状は、幅方向、つまり図2Aにおける左右方向の寸法を“a”とし、高さ方向、つまり図2Aにおける上下方向の寸法を“b”とすると、 a>b の関係が成り立つように、形成されている。換言すると、圧縮方向と垂直な幅方向、つまり、図2Aにおける上下方向と垂直な左右方向の辺111が、上下方向の辺112より長くなるように形成されている。
このように、貫通孔11の断面形状の条件として、圧縮方向と垂直な幅方向の辺111を圧縮方向の辺112より長くするという条件を採用したのは、小さな圧縮力によっても、貫通孔11が潰れ易いからである。
図2Bは、図2Aの熱伝導性ガスケット1を圧縮方向に圧縮させた状態を示している。図2Bの熱伝導性ガスケット1′は、上記図1Bの熱伝導性ガスケット1′と同様に、各貫通孔11′が全て、閉じた状態になっている。
図2Aに示すように圧縮前の熱伝導性ガスケット1全体の高さを“H1”とし、図2Bに示すように圧縮後の熱伝導性ガスケット1′全体の高さを“H2”とする。さらに、圧縮前の熱伝導性ガスケット1全体の高さ“H1”から、圧縮方向に重なった貫通孔11の短手側の辺112の長さ“b”を合計したものを減算した結果を“H3”とすると、
H3=H1-(b+b+b)
が算出される。
H3=H1-(b+b+b)
が算出される。
そして、H2≦H3の関係が成り立つように圧縮する。H2=H3は、積み重なった貫通孔11の短手側の辺112の長さが“0”の状態、つまり、積み重なった貫通孔11が完全に閉じた状態である。したがって、この関係は、積み重なった貫通孔11が完全に閉じた状態にならなくても、熱伝導性ガスケット1について意図する熱伝導効果が得られるということを意味する。
また、熱伝導性ガスケット1は、圧縮率が(H1-H2)/H1=0.1~0.5の範囲内で使用される。つまり、熱伝導性ガスケット1は、圧縮率が10%~50%の範囲内で使用される。したがって、この圧縮率の範囲内で、意図する熱伝導効果が得られればよい。
さらに、熱伝導性ガスケット1を長手方向の軸と直交する面で切断したときの切断面は、図2Aに示すように、圧縮方向に沿った直線Lを対称軸として線対称になっている。このように、熱伝導性ガスケット1をその切断面が圧縮方向に沿った直線Lに対して線対称になるように形成したのは、熱伝導性ガスケット1を圧縮したときに均一に圧縮されるようにするためである。
図3Aは、圧縮率に対する熱伝導効果を測定する測定器300の一例を示している。測定器300は、測定対象のサンプルを載せる下基板302と、下基板302を載せる台座304と、基板302上のサンプルを挟み込む上基板306と、上基板306を保持しつつ、上下方向に移動させる保持部308とにより、主として構成されている。例えば、下基板302は、ガラスエポキシ基板からなり、上基板306は、アルミプレートからなる。そして、下基板302の裏面には、マイクロセラミックヒータ310が設置され、マイクロセラミックヒータ310により下基板302に熱が加えられる。
図3Bは、サンプルAの断面図を示し、図3Cは、サンプルBの断面図を示している。サンプルAは、図1Aの熱伝導性ガスケット1から導電性フィルム12を除去したもの、つまり熱伝導性弾性体10そのものである。サンプルBは、圧縮方向に貫通孔を1個のみ形成したものである。但し、サンプルAもサンプルBも、貫通孔の断面積の合計値は同じである。
図4は、マイクロセラミックヒータ310に20Vの電圧を印加してから30分経過した後の下基板302と上基板306の各表面の温度差を間隙量毎に測定した結果を示している。図4において、縦軸は、温度差を示し、横軸は、間隙量を示している。間隙量とは、下基板302の表面と、この表面に対向する上基板306の面との間の距離dを意味する。そして、間隙量の最大値、つまり13mmは、圧縮量が“0”の場合を示している。したがって、サンプルA及びサンプルBの圧縮前の高さは、13mmである。なお、温度差が低いほど、熱伝導効果が優れていることを示している。また、間隙量の最小値、つまり10mmは、各貫通孔11が完全に閉じられた状態を示している。
図4から分かるように、熱伝導効果は、圧縮量が“0”の場合、サンプルAよりサンプルBの方が優れているが、圧縮量が0.5mmを超える辺りから逆転し、1~2.5mm程では、サンプルAの方が明確に優れるようになっている。なお、圧縮量が1~2.5mmとは、7.7~19%の圧縮率を示している。
これは、サンプルAの貫通孔11の方が、サンプルBの貫通孔より潰れ易く、さらに貫通孔11が完全に閉じられた状態になっていなくても、貫通孔11を構成する上辺と下辺との間は、サンプルAと比較してより狭まっているので、熱伝導効果がより優れるようになったと考えられる。なお、間隙量が10mmである場合、つまり、各貫通孔11が完全に閉じられた状態である場合、貫通孔11に相当する中空部がないサンプルとサンプルAとで、熱伝導効果に差がないことは、測定により検証済みである。
図5Aは、サンプルA及びサンプルBを90°回転させ、左右方向への熱伝導効果を測定するための測定器400の一例を示している。なお、図5A中、図3Aと同様の構成には同一符号を付して、その説明は省略する。
図5Aに示すように、測定器400は、下基板302上に立設された位置決め壁402と、上基板306に相当する横基板306′との間にサンプルを挿入し、位置決め壁402と横基板306′をクランプ404で挟み込んで、サンプルを圧縮する。
図5Bは、図4と同様の条件で、測定器を測定器400に変更して行った測定結果を示している。図5Bの測定結果も、図4の測定結果と同様に、熱伝導効果は、圧縮量が“0”の場合、サンプルAよりサンプルBの方が優れているが、圧縮量が0.5mmを超える辺りから逆転し、1mmを超えると、サンプルAの方が明確に優れるようになっている。
図6A~図6Cは、貫通孔11とは異なる断面形状の貫通孔を有する熱伝導性ガスケットの一例を示している。図6Aに示す貫通孔の断面形状は、楕円である。図6Bに示す貫通孔の断面形状は、長手側の辺がそれぞれ直線であればよく、短手側の辺の形状は特に考慮しないような形状であることを示している。図6Cに示す貫通孔の断面形状は、長手側の辺はそれぞれ直線でなくても、1つの円弧であってもよく、短手側の辺の形状は特に考慮しないような形状であることを示している。このような図6A~図6Cに示す断面形状の貫通孔を有する熱伝導性ガスケットであれば、熱伝導性ガスケット1と同様の熱伝導効果が得られることは、測定により検証済みである。
以上説明したように、本実施形態の熱伝導性ガスケット1は、導電性基板100と導電性基板200との間に挟み込まれ、導電性基板100と導電性基板200との間の電気的導通を確保する熱伝導性ガスケット1であり、熱伝導性弾性体10と、導電性フィルム12と、を備えている。熱伝導性弾性体10は、導電性基板100に相対する第1面と、第1面に対向する第2面と、第1面と第2面とをつなぐ第1側面と、第1側面に対向する第2側面とによって構成される外周面10aを有する棒状体である。導電性フィルム12は、少なくとも一方の面に導電性薄膜が積層されており、導電性薄膜を外側に向けるように、熱伝導性弾性体10の外周面10aを当接しつつ覆っている。熱伝導性弾性体10の内部には、長手方向の軸に沿って貫通孔が2つ以上形成され、貫通孔11は、第1面と第2面とが近づく方向である圧縮方向に積み重なるように配置されている。
熱伝導性弾性体10の軸と直交する断面において、圧縮方向と直交する貫通孔11の幅方向の寸法をaとし、圧縮方向に沿った貫通孔11の高さ方向の寸法をbとし、熱伝導性ガスケット1を圧縮方向に圧縮する前の全高をH1とし、熱伝導性ガスケット1を圧縮方向に圧縮した後の全高をH2とし、さらに貫通孔11のそれぞれについての高さ方向の寸法の合計をH1から減算した結果をH3とした場合、a>bかつH2≦H3である。
このように、本実施形態の熱伝導性ガスケット1では、貫通孔11の形状の条件として、a>bかつH2≦H3という条件を採用したので、小さな圧縮力によっても、貫通孔11が潰れ易くなり、中空部のないガスケットと同等の、ガスケットを介した導体間の熱伝導効果を得ることが可能となる。
ちなみに、本実施形態において、導電性基板100は、「第1導体」の一例である。導電性基板200は、「第2導体」の一例である。熱伝導性弾性体10は、「熱伝導性弾性部材」の一例である。
また、H1とH2との関係が、(H1-H2)/H1=0.1~0.5である。これにより、貫通孔を設けていない従来の熱伝導性ガスケットと比較して、より熱伝導性ガスケットに対する圧縮力を低下させつつ熱伝導性を両立させることができる。
また、熱伝導性弾性体10の軸と直交する断面において、貫通孔11の形状は、四角形若しくは楕円形、又は、貫通孔11の上辺及び下辺の両辺が直線若しくは1つの円弧から構成される。これにより、熱伝導性ガスケットを圧縮方向に圧縮した際に、貫通孔の上面と下面との接合面に空気が含まれなくなるので、熱伝導性を低下させることなく、熱伝導ガスケットの圧縮力を低下させることができる。
また、貫通孔11が設けられている熱伝導性弾性体10の軸と直交する断面形状は、圧縮方向を軸とした軸対称となっている。これにより、断面の変形が圧縮方向の軸とズレが生じずに同一方向となり、熱伝導ガスケットが圧縮方向の軸に沿って潰れることで貫通孔の隙間が最小となる。その結果、熱伝導ガスケットの熱伝導率が高くなる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
上記実施形態では、圧縮方向に積み重なった貫通孔の個数が2個と3個の熱伝導性ガスケットを例に挙げて説明したが、貫通孔の個数は、4個以上であってもよい。また、圧縮方向と直行する方向に並んだ貫通孔の列数として、2列を例に挙げて説明したが、1列であっても、3列以上であってもよい。
1…熱伝導性ガスケット、10…熱伝導性弾性体、11…貫通孔、12…導電性フィルム、100,200…導電性基板。
Claims (4)
- 第1導体と第2導体との間に挟み込まれ、前記第1導体と前記第2導体との間の電気的導通を確保する熱伝導性ガスケットであって、
熱伝導性弾性部材と、導電性フィルムと、を備え、
前記熱伝導性弾性部材は、前記第1導体に相対する第1面と、前記第1面に対向する第2面と、前記第1面と前記第2面とをつなぐ第1側面と、前記第1側面に対向する第2側面とによって構成される外周面を有する棒状体であり、
前記導電性フィルムは、少なくとも一方の面に導電性薄膜が積層されており、前記導電性薄膜を外側に向けるように、前記熱伝導性弾性部材の前記外周面を当接しつつ覆い、
前記熱伝導性弾性部材の内部には、長手方向の軸に沿って貫通孔が2つ以上形成され、前記貫通孔は、前記第1面と前記第2面とが近づく方向である圧縮方向に積み重なるように配置され、
前記熱伝導性弾性部材の前記軸と直交する断面において、前記圧縮方向と直交する前記貫通孔の幅方向の寸法をaとし、前記圧縮方向に沿った前記貫通孔の高さ方向の寸法をbとし、前記熱伝導性ガスケットを前記圧縮方向に圧縮する前の全高をH1とし、前記熱伝導性ガスケットを前記圧縮方向に圧縮した後の全高をH2とし、さらに前記貫通孔のそれぞれについての前記高さ方向の寸法の合計を前記H1から減算した結果をH3とした場合、
a>b かつ H2≦H3
である、
熱伝導性ガスケット。 - 前記H1と前記H2との関係が、(H1-H2)/H1=0.1~0.5である、
請求項1に記載の熱伝導性ガスケット。 - 前記熱伝導性弾性部材の前記軸と直交する断面において、前記貫通孔の形状は、四角形若しくは楕円形、又は、前記貫通孔の上辺及び下辺の両辺が直線若しくは1つの円弧から構成される、
請求項1又は2に記載の熱伝導性ガスケット。 - 前記貫通孔が設けられている前記熱伝導性弾性部材の軸と直交する断面形状は、前記圧縮方向を軸とした軸対称となっている、
請求項1~3のいずれか1項に記載の熱伝導性ガスケット。
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