JP7377536B2 - 熱伝導性ガスケット - Google Patents

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。

特開２０１０－２８３００８号公報

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。

図１Ａは、本開示の一実施形態に係る熱伝導性ガスケットを基板上に載せた状態を示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａの熱伝導性ガスケットを２枚の基板により挟み込んで圧縮した状態を示す断面図である。 図２Ａは、図１Ａの熱伝導性ガスケットの内部に形成された貫通孔の断面形状を説明するための断面図である。図２Ｂは、図２Ａの熱伝導性ガスケットを圧縮した状態を示す断面図である。 図３Ａは、熱伝導性ガスケットの熱伝導効果を測定するための測定器の概略構成を示す図である。図３Ｂは、熱伝導性ガスケットのサンプルＡの断面図である。図３Ｃは、熱伝導性ガスケットのサンプルＢの断面図である。 図３Ａの測定器を用いて、サンプルＡとサンプルＢの熱伝導性ガスケットの熱伝導効果を測定した測定結果を示す図である。 図５Ａは、図３Ａとは測定方向を変えて熱伝導性ガスケットの熱伝導効果を測定するための測定器の概略構成を示す図である。図５Ｂは、図５Ａの測定器を用いて、サンプルＡとサンプルＢの熱伝導性ガスケットの熱伝導効果を測定した測定結果を示す図である。 図６Ａ～図６Ｃは、図２Ａの熱伝導性ガスケットと貫通孔の断面形状が異なる熱伝導性ガスケットの断面図である。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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