JP2008199039A

JP2008199039A - 放熱構造体および伝熱シートの使用方法

Info

Publication number: JP2008199039A
Application number: JP2008062247A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirose; 芳明広瀬
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】発熱体と放熱体との間に挟んだときにおいて、発熱体と放熱体との間の温度差を一定にすることができる伝熱シートの使用方法、およびかかる伝熱シートを備えた放熱構造体を提供する。
【解決手段】膨張黒鉛を素材とする伝熱シート１の使用方法であって、伝熱シート１を発熱体Ｈと放熱体２との間に配設し、厚さ方向から加わる加圧力が2.0ＭＰａ以上の条件で使用する。加圧前のかさ密度にかかわらず、発熱体Ｈと放熱体２との間の温度差を一定にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱構造体および伝熱シートの使用方法に関する。発熱体の冷却には放熱体が使用されるが、発熱体と放熱体との密着性が悪い場合には、両者間でも熱伝導が悪くなり、冷却性能の低下につながる。かかる冷却性能の低下を防ぐために、熱伝導性を有しかつ発熱体と放熱体との間の密着性を高めることができるシートが配設される。
本発明は、かかる発熱体と放熱体との間に挟んで使用される伝熱シートの使用方法、およびかかる伝熱シートを備えた放熱構造体に関する。

発熱体とヒートシンクとの間に挟んで使用するシートとして、グラファイトシートが使用されている。このグラファイトシートは、発熱体とヒートシンクとの間に配設され、発熱体とヒートシンクによって挟んで加圧された状態で取り付けられる。すると、発熱体やヒートシンクの表面に存在する凹凸がグラファイトシートに食い込み、発熱体とグラファイトシートの間、および、グラファイトシートとヒートシンクの間に隙間ができないようにすることができるから、接触部分の熱抵抗を小さくすることができ、冷却効率を向上させることができる。

しかし、発熱体およびヒートシンクとグラファイトシートの間に空隙が多数残された状態で取り付けられてしまうと、熱抵抗が大きくなり、冷却効率が低下するという問題が生じる。

かかる問題を解決するために、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質と、グラファイトシートを備えた熱伝導性シートが開発されている（特許文献１）。この熱伝導性シートでは、グラファイトシート中に存在する液体が自由に移動できるため、微細な凹凸にはグラファイトシートを配置させることができ、５〜100μｍといった比較的大きな窪み部分には加圧力で移動した液体を溜めることができるとの記載がある。そして、熱伝導性シートと発熱体およびヒートシンクとの間に空隙が形成されることを防ぐことができるから、熱抵抗を最小限に抑えることにより良好な熱伝達が得られるという効果を奏すると記載されている。

しかるに、上記熱伝導性シートでは、グラファイトシート中に液体物質が存在することにより、発熱体とヒートシンクとの間に挟み込んだときにおけるシートの圧縮性、言い換えれば、グラファイトシートと発熱体等との密着性の向上が妨げられるため、熱伝導性シートの熱抵抗をそれほど小さくできない。
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。

特開２００４−３６３４３２号

本発明は上記事情に鑑み、発熱体と放熱体との間に挟んだときにおいて、発熱体と放熱体との間の温度差を一定にすることができる伝熱シートの使用方法、およびかかる伝熱シートを備えた放熱構造体を提供することを目的とする。

第１発明の伝熱シートの使用方法は、膨張黒鉛を素材とする伝熱シートの使用方法であって、該伝熱シートを発熱体と放熱体との間に配設し、厚さ方向から加わる加圧力が2.0ＭＰａ以上の条件で使用することを特徴とする。
第２発明の伝熱シートの使用方法は、第１発明において、前記厚さ方向の加圧力は、2.0〜5.0ＭＰａであることを特徴とする。
第３発明の伝熱シートの使用方法は、第１または第２発明において、前記伝熱シートは、かさ密度が、0.8Ｍｇ／ｍ ^３以上であることを特徴とする。
第４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膨張黒鉛を素材とする伝熱シートとからなり、該伝熱シートに対して、厚さ方向から2.0ＭＰａ以上の加圧力が加わる条件で使用するものであることを特徴とする。
第５発明の放熱構造体は、第４発明において、前記伝熱シートに対して、厚さ方向から2.0〜5.0ＭＰａの加圧力が加わる条件で使用するものであることを特徴とする。
第６発明の放熱構造体は、第４または第５発明において、前記伝熱シートは、かさ密度が、0.8Ｍｇ／ｍ ^３以上であることを特徴とする。
第７発明の放熱構造体は、第４、第５または第６発明において、前記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を備えていることを特徴とする。
第８発明の放熱構造体は、第４、第５、第６または第７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１発明によれば、加圧前のかさ密度にかかわらず、発熱体と放熱体との間の温度差を一定にすることができる。
第２発明によれば、加圧前のかさ密度にかかわらず、発熱体と放熱体との間の温度差を一定にすることができる。
第３発明によれば、厚さ方向から加わる加圧力が2.0ＭＰａ以上の条件において、発熱体と放熱体との間の温度差を確実に一定にすることができる。
第４発明によれば、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、伝熱シートに対して厚さ方向から加わる加圧力が2.0ＭＰａ以上の条件で使用するものであるから、加圧前のかさ密度にかかわらず、発熱体と放熱体との間の温度差を一定にすることができる。
第５発明によれば、加圧前のかさ密度にかかわらず、発熱体と放熱体との間の温度差を一定にすることができる。
第６発明によれば、伝熱シートに対して厚さ方向から加わる加圧力が2.0ＭＰａ以上の条件において、発熱体と放熱体との間の温度差を確実に一定にすることができる。
第７発明によれば、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。
第８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。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明は、伝熱シートの使用方法に係わる発明であって、発熱体を冷却するために使用される伝熱シートを、発熱体と放熱体との間に配置し、かつ、発熱体と放熱体によって挟んだ状態で加圧したときに、熱抵抗を一定にすることができる方法である。
なお、熱抵抗とは、発熱体から熱の供給を受ける部材において、離間した２点の温度差を発熱体の発熱量で除した値であり、図１（Ｂ）であれば、Ｂ点の温度からＡ点の温度を引いた値、つまり、Ａ点とＢ点の温度差を、発熱体の発熱量で除した値が該当する。

まず、本発明に使用する伝熱シートを説明する。
本発明に使用する伝熱シートは、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/ｍ^３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、本発明の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。

なお、本発明の伝熱シートは、上記のごとき膨張黒鉛だけで形成してもよいが、フェノール樹脂やゴム成分等のバインダーが若干（例えば５％程度）の混合されていてもよい。
さらになお、上記のごとき膨張黒鉛から本発明の伝熱シートを形成する方法は、とくに限定されない。

つぎに、本発明に係わる伝熱シートの使用方法を説明する。
図１（Ａ）は伝熱シート１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は発熱体を示しており、符号２は放熱体を示しており、符号Ｆは放熱体２に取り付けられた放熱ファンを示している。

図１に示すように、伝熱シート１は、発熱体Ｈと放熱体２との間に挟まれた状態で配置される。すると、固定部材Ｓによって放熱体２を発熱体Ｈに固定すれば、伝熱シート１は発熱体Ｈと放熱体２に挟まれた状態で加圧される。

伝熱シート１は、発熱体Ｈと放熱体２に挟まれた状態で加圧されることによって圧縮される。すると、伝熱シート１はその厚さが薄くなるが、厚さが薄くなるにつれ、伝熱シート１と発熱体Ｈおよび放熱体２との密着性が向上する。伝熱シート１は該伝熱シート１を構成する膨張黒鉛同士の間に空間を有しているため、圧縮される過程において、伝熱シート１の表面に位置する膨張黒鉛が、発熱体Ｈの表面や放熱体２の表面に存在する凹凸内に侵入する。
すると、発熱体Ｈと伝熱シート１との間の熱抵抗、および、伝熱シート１と放熱体２との間の熱抵抗がいずれも小さくなるから、発熱体Ｈからヒートシンク２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、伝熱シート１と放熱体２によって発熱体Ｈを冷却する効率を高くすることができる。

また、伝熱シート１は膨張黒鉛を素材としており、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも大きくなっているから、伝熱シート１の面方向における温度分布をほぼ均一に保つことができる。よって、伝熱シート１や発熱体Ｈ、放熱体２にヒートスポットが形成されることも防ぐことが可能となる。

しかも、伝熱シート１は、その厚さ方向から加わる加圧力が2.0ＭＰａ以上となるように、放熱体２が発熱体Ｈに固定されるから、加圧前のかさ密度にかかわらず、発熱体Ｈと放熱体２との間の温度差を一定にすることができる。
なお、放熱体２を発熱体Ｈに固定したときに、伝熱シート１の厚さ方向から加わる加圧力は2.0ＭＰａ以上であればよいが、2.0〜5.0ＭＰａとすれば、発熱体Ｈと放熱体２との間の温度差を確実に一定にすることができるので、好ましい。
そして、伝熱シート１のかさ密度が、0.8Ｍｇ／ｍ ^３以上であれば、発熱体Ｈと放熱体２との間の温度差を確実に一定にすることができるので、好適である。

そして、本発明に係わる伝熱シート１の使用方法は、伝熱シート１を発熱体Ｈと放熱体２との間に挟まれた状態で配置しているだけであるから、伝熱シート１の交換が必要となった場合、伝熱シート１を容易に交換することができ、作業性も向上する。
なお、伝熱シート１を発熱体Ｈと放熱体２との間に挟んだ状態で配置できるのであれば、伝熱シート１と放熱体２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１を放熱体２に貼り付けておいてもよい。

上記の伝熱シート１と放熱体２が、特許請求の範囲に言う放熱構造体である。
この放熱構造体を発熱体Ｈに取り付ける具体的な手順は、以下のようになる。
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１の上に放熱体２を載せる。そして、発熱体Ｈが設置されている部材と固定部材Ｓとによって、発熱体Ｈ、伝熱シート１、放熱体２を挟めば、放熱構造体を発熱体Ｈに取り付けることができる。

なお、放熱構造体の放熱性能を高めたい場合には、放熱体２の上面にファンＦを取り付ければよく、伝熱シート１、放熱体２およびファンＦによって放熱構造体を構成してもよい。
また、放熱体２等の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伝熱シート１を組み合わせて放熱構造体としてもよい。

なお、伝熱シート１を、含有する硫黄や鉄分等の不純物の総量が１０ppm以下、とくに、硫黄が１ppm以下となるように処理しておけば、伝熱シート１を取り付けた部材や装置の劣化を防ぐことができる。

また、伝熱シート１を、発熱体Ｈとの間や、放熱体２との間、または、発熱体Ｈおよび放熱体２の両方の間に、ポリエチレンテレフタラート等の樹脂フィルムを間に挟んだ状態で取り付けてもよい。すると、伝熱シート１から離脱した膨張黒鉛等が伝熱シート１の周囲に飛散したりすることを防ぐことができる。この場合、使用する樹脂フィルムは、厚さ方向の熱伝導率が伝熱シート１と同程度であり、100℃程度の耐熱性を有しているものであればよく、特に限定はない。
そして、伝熱シート１と樹脂フィルムとを予め取り付けておけば、伝熱シート１および樹脂フィルムを発熱体Ｈと放熱体２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。

伝熱シートの伝熱性と加圧力との関係を確認するために、本発明の伝熱シートを、ＣＰＵ（Intel社製CeleronProssessor ２GHｚ）とヒートシンク（Intel社製Celeron用純正品、アルミニウム製）との間に挟んだ状態において、ＣＰＵによって情報処理量（発熱量）を一定とし運転させた場合におけるＣＰＵ内部温度とヒートシンクの温度の温度差を測定した。
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/ｍ^３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。

図２に示すように、どのかさ密度においても、加圧力が大きくなるほど温度差が小さくなる傾向を有しており、また、ある一定の加圧力以上になると温度差がほぼ一定になることが確認でき、加圧力が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。

本発明の伝熱シートの使用方法は、膨張黒鉛を素材とする伝熱シートを、発熱体から発生する熱を放熱体まで移動させる部材として使用する場合に適している。

（Ａ）は伝熱シート１の使用状態の一例を示した図であり、（Ｂ）は実施例において温度測定を行った位置を示した図である。伝熱シートの伝熱性と加圧力との関係を、かさ密度ごとに示した図である。

符号の説明

１伝熱シート
２放熱体
Ｈ発熱体

Claims

膨張黒鉛を素材とする伝熱シートの使用方法であって、
該伝熱シートを発熱体と放熱体との間に配設し、厚さ方向から加わる加圧力が2.0ＭＰａ以上の条件で使用する
ことを特徴とする伝熱シートの使用方法。
前記厚さ方向の加圧力は、2.0〜5.0ＭＰａである
ことを特徴とする請求項１記載の伝熱シートの使用方法。
前記伝熱シートは、かさ密度が、0.8Ｍｇ／ｍ ^３以上である
ことを特徴とする請求項１または２記載の伝熱シートの使用方法。
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膨張黒鉛を素材とする伝熱シートとからなり、
該伝熱シートに対して、厚さ方向から2.0ＭＰａ以上の加圧力が加わる条件で使用するものである
ことを特徴とする放熱構造体。
前記伝熱シートに対して、厚さ方向から2.0〜5.0ＭＰａの加圧力が加わる条件で使用するものである
ことを特徴とする請求項４記載の放熱構造体。
前記伝熱シートは、かさ密度が、0.8Ｍｇ／ｍ ^３以上である
ことを特徴とする請求項４または５記載の放熱構造体。
前記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を備えている
ことを特徴とする請求項４、５または６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４、５、６または７記載の放熱構造体。