放熱用シート材料およびその製造方法並びにそれを用いた放熱器

【課題】限定された放熱用空間に応じた寸法形状に作成でき、かつ、効果的に放熱を行うことができる放熱用シート材料およびその製造方法並びにそれを用いた放熱器を提供する。
【解決手段】放熱用シート材料は、接着材を介して複数枚の膨張黒鉛シートを相互に積層し、該積層された膨張黒鉛シートを加圧して高温加熱することにより接着材を炭化させることらより作成される。放熱器は、放熱用シート材料を切断または型抜きすることにより形成された放熱シート部により構成され、該放熱シート部は放熱すべき発熱体の寸法形状および／または放熱器用空間に対応した寸法形状を有する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器、より具体的にはコンピュータのＣＰＵやパワートランジスタ等における放熱を行うための放熱用シート材料、その製造方法、並びにそれを用いた放熱器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータの普及は著しく、特にラップトップ型パーソナルコンピュータはそのコンパクト性や可搬性等の利便性によってパーソナルコンピュータの主流になりつつある。このため、より高性能でかつ種々のユニットをより高い集積度で組み込まれたモデルが次々と開発され、販売されている。
【０００３】一方、電子機器において、放熱は電子素子の熱暴走を避けるために必須の要件である。これに対し、種々のユニットをより高い集積度で組み込んでいるために放熱器用の空間を確保することが困難になっており、外面に放熱フィンを備えた周知のアルミニウム合金製の放熱器では対応しきれなくなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、限定された放熱用空間に応じた寸法形状に作成でき、かつ、効果的に放熱を行うことができる放熱用シート材料およびその製造方法並びにそれを用いた放熱器を提供することにある。
【０００５】本発明の別の目的は、膨張黒鉛シートが有する良好な熱伝導特性を損なうことなく作成できる放熱用シート材料およびその製造方法並びにそれを用いた放熱器を提供することにある。
【０００６】本発明のまた別の目的は、発熱体からの熱の分散および／または熱の放出を効果的に行わせ、それにより電子機器の内部に蓄熱されてしまうのを回避できる放熱器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明において用いられる膨張黒鉛シートは、グラファイトシートやカーボンシートと称されている汎用のシート材料で、膨張黒鉛を加熱して高温加熱することによってシート状に成形されたものである。膨張黒鉛シートは層状結晶構造を有しており、面方向において、周知の放熱器に用いられるアルミニウム合金に匹敵する大きな熱伝導率を有する一方、厚さ方向における熱伝導率は面方向の約１／３０という熱伝導特性を有するものである。汎用製品としての膨張黒鉛シートは、その製造時における歩留まりのために、板厚０.５〜１.０mm程度の相対的に薄厚のものが主流となっておりかつ安価に販売されている。それ故、本発明で用いられる膨張黒鉛シートは容易にかつ安価に入手できるこのような厚さの膨張黒鉛シートである。
【０００８】本発明による放熱用シート材料は、複数枚の相互に積層された膨張黒鉛シートと、該積層された膨張黒鉛シート間に介在された接着剤を炭化処理することにより形成された炭化接着層とから構成される。本放熱用シート材料は、炭化接着層により、積層された膨張黒鉛シート間における良好な熱伝導を行わせることができ、そして、膨張黒鉛シートの積層体により構成されていることにより、コンピュータのＣＰＵやパワートランジスタ等のような発熱体からの熱を放熱するのに十分な能力を備えることができ、かつ、汎用の膨張黒鉛シートによって安価に作成することができる。
【０００９】本発明による放熱用シート材料はまた、積層された膨張黒鉛シート間に炭化接着層と共にカーボン繊維を介在させてもよい。本放熱用シート材料は、カーボン繊維が介在されていることにより、強度や面方向における寸法安定性等を向上させることができる。
【００１０】次に、本発明による放熱用シート材料の製造方法は、接着剤を介して複数枚の膨張黒鉛シートを相互に積層し、次いで、積層された膨張黒鉛シートを高温加熱することで接着剤を炭化させて炭化接着層を作成することにより遂行される。これにより、膨張黒鉛シートは炭化接着層により相互に結合されて一体化すると共に、膨張黒鉛シート間における熱伝導を良好に遂行させることができる。
【００１１】また、本発明による放熱用シート材料の製造方法は、接着剤の炭化処理を加圧状態で行い、そして、炭化処理された膨張黒鉛シートを冷却させたのちにこの加圧状態を取り除いてもよい。これにより、接着剤の炭化処理時に発生するガスや膨張黒鉛シート中の空気の熱膨張等によって膨張黒鉛シートの寸法形状に歪みが発生するのを防止することができる。
【００１２】更に、本発明による放熱用シート材料の製造方法は、接着剤の炭化処理を非加圧状態で行うこともできる。積層された膨張黒鉛シートに圧力を加えていない状態での炭化処理は、加圧状態に比べてその処理時間を相対的に短縮でき、かつ、膨張黒鉛シートを押圧するための冶具等を必要としないため、冷却時間も短縮できる利点を有する。その反面、接着剤の炭化処理時の発生ガスや膨張黒鉛シート中の空気の熱膨張等によって膨張黒鉛シートの寸法形状に歪みが発生する虞を完全になくすことはできない。そのため、炭化処理後に、膨張黒鉛シートをプレス機やローラープレス等で圧縮することにより膨張黒鉛シートの寸法形状の歪みを整形している。
【００１３】本発明による放熱器は、上述の如く構成または製造される放熱用シート材料を切断または型抜きすることにより形成された放熱シート部により構成される。放熱シート部は放熱すべき発熱体の寸法形状および／または放熱器用空間に対応した寸法形状を有している。本発明の放熱器は、膨張黒鉛シートの積層体を切断または型抜きすることにより作成されるため、ＣＰＵやパワートランジスタ等の発熱体の放熱に十分な放熱能力を備えることができ、更に、汎用の膨張黒鉛シートを用いることによって安価に作成できるだけでなく、発熱体の寸法形状および／または放熱器用空間に応じた寸法形状に適宜に形成することができる。
【００１４】また、本発明による放熱器は、放熱シート部に、熱伝導性の良好な金属材料により形成された少なくとも１本の柱状または管状の放熱柱状部を備え、そして、少なくとも積層された膨張黒鉛シートの各々に接合するように放熱柱状部を埋設させてもよい。これにより、面方向に対して相対的に熱伝導率の低い厚さ方向における膨張黒鉛シートの熱伝導を放熱柱状部を介して行うことができ、より効果的な放熱を行うことができる。
【００１５】更に、本発明による放熱器は、放熱柱状部の少なくとも一端を放熱シート部から外方に突出するように放熱柱状部を立柱させてもよく、これにより、放熱フィンとしての機能を遂行させることができる。また、この放熱柱状部はその表面をローレット加工、腐食処理またはその他の適当な手段によって粗面化し、そして、この粗面化された表面に黒鉛またはカーボンの粉末或いは膨張黒鉛シートからなる熱伝導層を付着してもよく、これにより、放熱柱状部と各膨張黒鉛シートの間の熱伝導を確実に遂行させることができる。
【００１６】更に、本発明による放熱器は、放熱されるべき発熱体の発熱中心位置に対応した位置および／または外部への放熱位置の近傍に放熱柱状部を配設することもできる。発熱体からの熱はその発熱中心位置でただちに各膨張黒鉛シートへ伝導される一方、外部への放熱位置で各膨張黒鉛シートへ伝導されることにより、より効率の良い放熱を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の実施例による放熱用シート材料は、図１に示すように、複数枚の相互に積層された膨張黒鉛シート１と、積層された膨張黒鉛シート１間に介在される炭化接着層２とから構成される。
【００１８】膨張黒鉛シート１には、前述した安価な汎用製品としての薄厚の膨張黒鉛シートを用いている。積層する膨張黒鉛シート１の枚数は、コンピュータのＣＰＵやパワートランジスタ等のような発熱体Ｍ（図６〜７参照）からの熱を放熱するのに十分な能力を備えるように適宜に選定される。
【００１９】膨張黒鉛シート１間に設けられる炭化接着層２は接着剤を炭化処理することにより形成される。より具体的には、炭化接着層２は、エポキシ系、ポリエステル系、アクリル系またはゴム系接着剤を膨張黒鉛シート１に塗布し、高温加熱処理して接着剤を炭化させることによって形成される。この接着剤の塗布は、炭化処理後の厚さが均一となるように、膨張黒鉛シート１の表面に均等に塗布するのが好ましい。
【００２０】本実施例の放熱用シート材料は、炭化接着層２が接着剤を炭化処理したものであることにより、膨張黒鉛シート１間が機械的にも熱的にも連続され、熱伝導を効率良く行うことができる。また、膨張黒鉛シート１に汎用の安価な膨張黒鉛シートの積層体により構成されているため、放熱用シート材料の製造コストを低減することができ、かつ、要求される放熱能力に応じていかなる厚さをも有する放熱用シート材料に作成することができる。
【００２１】図２は、本発明の別の実施例による放熱用シート材料を示す図で、前述した積層された膨張黒鉛シート１間に炭化処理された炭化接着層２と共にカーボン繊維３が介在されている点を除き、前記実施例と同様に構成される。カーボン繊維３は良好な熱伝導手段として機能すると共に、放熱用シート材料の面方向における強度および寸法安定性を向上させている。
【００２２】次に、本発明の実施例による放熱用シート材料の製造方法について以下説明する。
【００２３】図３に示すように、複数枚の汎用の膨張黒鉛シート１を、その相互に対面することになる面の少なくとも一方に接着剤２ａを塗布したのち、相互に積層する。このとき、図２に示す実施例の放熱用シート材料を製造する場合、接着剤２ａを塗布したのちおよび／または塗布する前にカーボン繊維３を配置し、膨張黒鉛シート１を相互に積層する。接着剤２ａにはエポキシ系、ポリエステル系、アクリル系またはゴム系接着剤が使用される。
【００２４】次いで、図４に示すように、積層された膨張黒鉛シート１の面方向に所定の圧力を加え、所定の温度で所定時間だけ加熱することにより、接着剤２ａを炭化させて炭化接着層２を作成する。この炭化のための処理条件は、主として接着剤２ａの材質および塗布量によって決定される。
【００２５】炭化処理が行われたのち、積層された膨張黒鉛シート１に加えられている圧力は、積層された膨張黒鉛シート１が冷却するまで保持されるのが好ましい。この冷却は、炭化処理中に生じる接着剤２ａからのガスおよび／または膨張黒鉛シート１の層状結晶構造中にある空気の熱膨張によって膨張黒鉛シート１および／または炭化接着層２が変形するのを防止できる。
【００２６】ここにおいて、接着剤２ａの炭化処理は、膨張黒鉛シート１を加圧することなしに加熱処理することにより行うこともできる。非加圧状態で炭化処理を行うことは、膨張黒鉛シート１および／または炭化接着層２の変形を防止することができない反面、炭化処理時間を相対的に短縮でき、加圧装置と加熱装置を併設することによる装置の複雑化およびそれによる装置価格の高騰を回避できる。このため、膨張黒鉛シート１および／または炭化接着層２の変形は、工程の増加を伴うが、炭化処理後に、積層された膨張黒鉛シートをプレス機やローラープレス等で圧縮することにより整形される。
【００２７】図５は、本発明の実施例による放熱器を示す図で、本放熱器は、図１または図２の実施例で述べた放熱用シート材料（図示の場合、図１の実施例の放熱用シート材料）を切断または型抜きすることにより形成された放熱シート部４により構成される。放熱シート部４は放熱すべき発熱体Ｍの寸法形状および／または放熱器用空間（図示なし）に対応した寸法形状を有している。放熱シート部４が放熱用シート材料を切断または型抜きすることによって形成されるため、要求されるいかなる寸法形状、例えば、発熱体Ｍの寸法形状や放熱器用空間の寸法形状に随意に対応することができる。
【００２８】図６は、本発明の別の実施例による放熱器を示す図で、本実施例の放熱器は、少なくとも１本の柱状または管状の放熱柱状部５が放熱シート部４に設けられている点を除き、図５の実施例と同様に構成されている。放熱柱状部５は熱伝導性の良好な金属材料により形成されており、少なくとも積層された膨張黒鉛シート１の各々に接合するように埋設されている。
【００２９】埋設された放熱柱状部５は、各膨張黒鉛シート１に厚さ方向へ連続する熱伝導経路を付与することになり、これにより、面方向に対して相対的に熱伝導率の低い厚さ方向における膨張黒鉛シート１の熱伝導を放熱柱状部５を介して行うことができ、より効果的な放熱が可能となる。
【００３０】好ましくは、放熱柱状部５は、図６に１点鎖線で示すように、各膨張黒鉛シート１を貫通する孔にその一端を埋設され、他端を放熱シート部４から外方へ適当な高さまで突出するよう設けられる。放熱シート部４から立柱した放熱柱状部５の部分は、外部へ放熱するための放熱フィンとして機能し、より効果的な放熱を行うことができる。
【００３１】放熱シート部４上における放熱柱状部５の配設位置は、均等に分布するように配置してもよいが、放熱されるべき発熱体Ｍの発熱中心位置に対応した位置および／または外部への放熱位置の近傍に配置するのが好ましい。これにより、発熱体Ｍからの熱はその発熱中心位置でただちに各膨張黒鉛シート１へ伝導され、膨張黒鉛シート１の良好な面方向の熱伝導性によって発熱中心から拡散される一方、外部への放熱位置で各膨張黒鉛シート１へ伝導されることにより、より効率の良い放熱を行うことができる。
【００３２】図７は、本発明の更に別の実施例による放熱器を示す図で、本実施例の放熱器は、放熱柱状部５に黒鉛またはカーボンの粉末或いは膨張黒鉛シートの熱伝導層６が設けられている点を除き、図６の実施例と同様に構成されている。
【００３３】熱伝導層６は、ローレット加工、腐食処理またはその他の適当な手段によって粗面化された放熱柱状部５の表面に付着される。放熱柱状部５の粗面化された表面は熱伝導層６との接触面積を大きくすることにより、熱伝導層６との間の機械的な付着力を大きくできると同時に、両者間をより大きな熱容量で伝導させることができる。この熱伝導層６の付着は、粗面化された放熱柱状部５の表面との間の機械的な結合以外に、炭化接着層２による膨張黒鉛シート１の結合と同様に、放熱柱状部５の表面（必ずしも粗面化する必要はない。）に接着剤を塗布し、その上にカーボンの粉末或いは膨張黒鉛シートを接着させたのち、接着剤を炭化させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による放熱用シート材料を示す部分断面斜視図である。
【図２】本発明の別の実施例による放熱用シート材料を示す部分断面斜視図である。
【図３】本発明の実施例による放熱用シート材料の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施例による放熱用シート材料の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図５】本発明の実施例による放熱器を示す部分断面斜視図である。
【図６】本発明の別の実施例による放熱器を示す断面図である。
【図７】本発明の更に別の実施例による放熱器を示す断面図である。
【符号の説明】
１膨張黒鉛シート
２炭化接着層
３カーボン繊維
４放熱シート部
５放熱柱状部
６熱伝導層
Ｍ発熱体

【特許請求の範囲】
【請求項１】複数枚の相互に積層された膨張黒鉛シートと、該積層された膨張黒鉛シート間に介在された接着剤を炭化処理することにより形成された炭化接着層とから構成されることを特徴とする放熱用シート材料。
【請求項２】前記膨張黒鉛シート間には炭化接着層と共にカーボン繊維が介在されていることを特徴とする請求項１記載の放熱用シート材料。
【請求項３】接着剤を介して複数枚の膨張黒鉛シートを相互に積層し、該積層された膨張黒鉛シートを高温加熱することにより前記接着剤を炭化させて炭化接着層を作成することを特徴とする放熱用シート材料の製造方法。
【請求項４】前記接着剤の炭化処理は積層された膨張黒鉛シートを所定の圧力で加圧した状態で行われ、該加圧圧力は炭化処理の行われた膨張黒鉛シートが冷却したのちに取り除かれることを特徴とする請求項３記載の放熱用シート材料の製造方法。
【請求項５】前記接着剤の炭化処理は非加圧状態で行われ、炭化処理の行われた膨張黒鉛シートは所定の圧力で加圧して所定の寸法形状に整形されることを特徴とする請求項３記載の放熱用シート材料の製造方法。
【請求項６】前記膨張黒鉛シートは接着剤と共にカーボン繊維を介在させて相互に積層されることを特徴とする請求項３、４または５記載の放熱用シート材料の製造方法。
【請求項７】請求項１または２記載の放熱用シート材料或いは請求項３〜６のいずれか一項に記載の方法により製造された放熱用シート材料を切断または型抜きすることにより形成された放熱シート部により構成され、該放熱シート部は放熱すべき発熱体の寸法形状および／または放熱器用空間に対応した寸法形状を有することを特徴とする放熱器。
【請求項８】前記放熱シート部は熱伝導性の良好な金属材料により形成された少なくとも１本の柱状または管状の放熱柱状部を備えており、該放熱柱状部は少なくとも積層された膨張黒鉛シートの各々に接合するように埋設されていることを特徴とする請求項７記載の放熱器。
【請求項９】前記放熱柱状部はその少なくとも一端が放熱シート部から外方に突出するように立柱されていることを特徴とする請求項８記載の放熱器。
【請求項１０】前記放熱柱状部の表面はローレット加工、腐食処理またはその他の適当な手段によって粗面化されており、該粗面化された表面には黒鉛またはカーボンの粉末或いは膨張黒鉛シートからなる熱伝導層が付着されていることを特徴とする請求項８または９記載の放熱器。
【請求項１１】前記放熱柱状部は放熱されるべき発熱体の発熱中心位置に対応した位置および／または外部への放熱位置の近傍に配設されていることを特徴とする請求項８、９または１０記載の放熱器。

【図１】