(57)【要約】【課題】  吸熱部及び排熱部をそれぞれ柔軟に配置して高い熱伝導率となるように設置することが可能な中熱伝導デバイスを提供する。【解決手段】  伝熱ストラップ１００は、熱輸送部１１０と、その両端部に設けられた吸排熱部１２０と、熱輸送部１１０の外周を被覆して熱輸送部１１０の折断等の機械的な損傷を防止するための保護層１３０とを備える。２つの吸排熱部１２０は、その一方を発熱源に接続して熱を吸収する吸熱部として用い、他方をヒートシンク等の放熱先に接続して熱を外部に排熱する排熱部として用いることができる。熱輸送部１１０は、カーボン系伝熱材料であるカーボンファイバ１１１を複数束ねて形成されている。伝熱ストラップ１００は、長手方向に高い熱伝導率を有しており、柔軟性を有して屈曲させることが可能である。【選択図】図１
2012141093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源に接続されて熱を吸収する吸熱部と、
熱輸送方向に高い熱伝導率を有するカーボン系伝熱材料を複数集合させて前記吸熱部で吸収した熱を輸送する熱輸送部と、
前記熱輸送部を経由して輸送された熱を外部に排熱する排熱部と、
前記熱輸送部の外周を被覆して機械的な損傷を防止する、または所定の機械的機能を有する保護層と、を備え、
前記熱輸送部は、前記吸熱部と前記排熱部との相対位置に対応させて前記熱輸送方向を３次元的に自在に変更可能な構造を有している
ことを特徴とする中熱伝導デバイス。
【請求項２】
前記カーボン系伝熱材料としてカーボンファイバが用いられ、
前記熱輸送部は、該カーボンファイバを複数束ねて形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項３】
前記カーボン系伝熱材料として熱伝導率異方性を有するグラファイト結晶が用いられ、
前記熱輸送部は、該グラファイト結晶の高い熱伝導方向の連続性を保ちながら複数束ねて形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項４】
前記吸熱部及び前記排熱部は、前記カーボンファイバの端部を拘束するフランジ状の拘束部と、前記カーボンファイバの端部熱接触面を平行に保ちかつ取付段階での接触面でのずれを防ぐ機能を有するガイド部と、前記端部熱接触面をメッキして形成されたメッキ部と、を有し、
前記メッキ部が前記拘束部より所定長さだけ突出している
ことを特徴とする請求項２に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項５】
前記保護層は、高弾性率樹脂または機械的機能性保護材を用いて前記熱輸送部を被覆するように形成されており、その厚さが前記カーボンファイバの柔軟性または復元性を確保するように決められている
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項６】
前記カーボン系伝熱材料として長尺状のグラファイトが用いられ、
前記熱輸送部は、前記長尺状のグラファイトのみを複数積層して形成されており、
前記積層された長尺状のグラファイトが前記保護層で固定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項７】
前記吸熱部及び前記排熱部は、前記熱輸送部の端面を垂直または所定の角度で切断した端面、または前記熱輸送部の長手方向の所定の位置に三角形状または円錐形状に形成された窪み部のいずれかである
ことを特徴とする請求項６に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項８】
１つの前記熱輸送部と１つの前記吸熱部と１つの前記排熱部とを１組としてこれを２組以上備え、前記排熱部を別の組の前記吸熱部に異方性熱伝導材料に対して高い熱伝導方向を連続的に保持して接続することにより前記２組以上の前記熱輸送部が２次元方向または３次元方向に接続されていることを特徴とする請求項６または７に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項９】
前記保護層は、機械的衝撃吸収材からなる層または機械的機能を有する層からなり、前記層を内層とし、アルミ合金からなる外層の２層を備えている
ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項１０】
前記機械的衝撃吸収材は、エラストマである
ことを特徴とする請求項９に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項１１】
前記カーボン系伝熱材料として平板状のグラファイトが用いられ、
前記熱輸送部は、前記平板状のグラファイトを複数積層して形成されており、
前記保護層は、前記平板状のグラファイトをその柔軟性を確保するように被覆している
ことを特徴とする請求項１に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項１２】
前記吸熱部及び前記排熱部は、前記平板状のグラファイトの端面にアルミ合金で形成されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項１３】
前記吸熱部及び前記排熱部は、前記積層した平板状のグラファイトの端面から溶融アルミ合金を浸透させるように充填して形成されている
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項１４】
前記吸熱部及び前記排熱部は、前記熱輸送部の熱輸送方向に対し垂直となる方向に断面が三角形状または円錐形状の窪み部として前記グラファイトに対して高い熱伝導方向を連続的に保持して形成されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の中熱伝導デバイス。
【請求項１５】
前記保護層は、アルミ合金で形成されており、
その厚さが前記積層した平板状のグラファイトの柔軟性を確保するように決められている
ことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の中熱伝導デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸熱部で吸熱した熱を高い熱伝達率で輸送して排熱部で外部に放熱する熱伝導体に関し、特に吸熱部から排熱部までの熱輸送部を３次元的に自在に配置することが可能な中熱伝導デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発熱源から熱を効率よく吸収して外部に排熱するための熱伝導体として、ヒートパイプが知られている（特許文献１）。ヒートパイプは、内部が毛細管力を利用できる構造に形成されて所定量の作動液が封入されており、作動液により熱が吸収／輸送／放出される。このように、ヒートパイプでは作動液が内部に密封されて蒸発や凝縮を繰り返しており、内部の圧力が所定値に管理された圧力容器となっている。そのため、発熱源または吸熱源そして配置位置に合わせた曲げは容易でなく、熱輸送効率が重力に対する配置に大きく依存することから、自在な３次元的曲げでの熱輸送は困難であった。また、使用年数を重ねるにつれ、ヒートパイプの内部に非凝縮ガスが増え、ヒートパイプ内部での蒸発または凝縮の妨げとなり効率の劣化をきたす。
【０００３】
ヒートパイプの別の課題として、ヒートパイプを曲げるのがきわめて難しいため、実装段階においての寸法違いなどによりヒートパイプを適切に設置できないとこれを取り外して加工し直す必要があった。例えば、ヒートパイプの吸熱部を発熱部位に接続する際、あるいは排熱部をヒートシンク等の冷却部に接続する際に、接触面を押圧するため、まえもって適度な吸排熱面の突出を構造的に作って接続面を密着させることが必要であった。これらがたとえ微妙なズレであってもヒートパイプを取り外して加工し直す必要が生じる、といった問題があった。
【０００４】
これに対しある程度の柔軟性を有する熱伝導体として、例えば特許文献２に記載されているようなグラファイトシートも知られている。特許文献２では、厚さ２００μｍ以下のグラファイトフィルムを適当な高分子と組み合わせて積層構造としたシート状のグラファイト高分子複合熱伝導体（グラファイトシート）が開示されている。グラファイトフィルムと高分子とを積層構造とすることで、強度を高めるとともに柔軟性のある熱伝導体とすることができる。
【０００５】
図１２に従来の積層グラファイトシートの例を示す。グラファイトシート９００は、グラファイトフィルム９０１と高分子層９０２とを積層させた構造となっている。従来のグラファイトシート９００は数十ミクロンと薄く、多量の熱を輸送するときには、図１２に示すような積層構造として使用していた。積層構造のグラファイトシート９００では、各層の断面からの熱の流入が最も効率が良い。
【０００６】
また、温度差の観点からは、流体を利用した従来の流体ヒートパイプ単体での吸排熱面間での温度差は無視できるが、発熱源と流体ヒートパイプの間の接触熱伝達による温度差とヒートパイプと排熱部の間の温度差を無視することはできない。流体ヒートパイプの場合、発熱源から排熱部までの全体の温度差を占めるのは、接触による温度差である。一般に流体ヒートパイプを含む熱輸送デバイスで発生する温度差は、観点を変えれば、吸排熱部で生じる接触熱抵抗による温度差まで熱輸送デバイス単体の温度差は大きくなって良い。言葉を変えれば、熱輸送デバイスの熱伝達率は、そんなに良くなくてもいい。接触熱伝達と同等であれば良い。
【０００７】
従来のグラファイト積層の熱伝導デバイスでは、接触熱伝達の管理をおろそかにしていると、せっかく高価なグラファイトシートも、アルミと同じ結果になってしまう。他の材料に接触させて熱を伝達させる場合には、接触圧が０.５ＭＰa程度となる面圧を必要とし、接触面の熱抵抗を的確なトルク管理によって低減させる必要がある。発熱源から熱を効率よく吸収して外部の放熱部に排熱する場合、熱伝導体と発熱源及び放熱部との間の接触熱抵抗が全体の熱抵抗の中で大きなウエイトを占めている。そのため、グラファイトのように熱伝導率の高い材料を用いても、上記の接触熱抵抗が大きいとグラファイトシートの高い熱伝導率を生かすことができない。そこで、接触面の熱抵抗を適切に管理することが重要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２１６７１２号公報
【特許文献２】特許第３３４５９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の積層構造のグラファイトシートでは、金属層を含み柔軟性が低いため全体の柔軟性も十分ではなかった。従来開発された高い熱伝導性を有するデバイスは、良好な熱伝導を有する金属、主にアルミまたは銅を、より高い熱伝導性を有するものにすることに主な開発視点があった。あくまで熱伝導性の良い“金属”の開発であって、自在な熱伝導性デバイスの開発は２の次であった。金属により良い熱伝導性物質（カーボン）を混ぜることに主眼があった。そのため、発熱源等との接触面の位置調整の範囲も限られてしまうといった問題があった。また、グラファイトシートの積層面の表裏面方向から熱を供給しようとすると、積層断面方向の熱伝導率が数Ｗ／（ｍ・Ｋ）レベルと極めて低く、各層のグラファイトフィルムの熱伝導方向に効率的に熱を伝えることができず、これを効率的に行う手段もなかった。
【００１０】
さらに、従来のグラファイトシート単体では剛性が低いため、他の材料に熱を効率的に伝えるために必要な接触圧を得るのが難しく、必要な接触圧を得るために締め付けを行うとグラファイトシートが面方向にずれて接触面に垂直な方向への必要な接触圧を得ることができないおそれがあった。そのため、熱伝導体としてグラファイトシートを用いる場合には、取付時のトルク管理が難しいといった問題があった。
【００１１】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、吸熱部及び排熱部をそれぞれ柔軟に配置して高い熱伝導率となるように設置することが可能な中熱伝導デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の中熱伝導デバイスの第１の態様は、発熱源に接続されて熱を吸収する吸熱部と、熱輸送方向に高い熱伝導率を有するカーボン系伝熱材料を複数集合させて前記吸熱部で吸収した熱を輸送する熱輸送部と、前記熱輸送部を経由して輸送された熱を外部に排熱する排熱部と、前記熱輸送部の外周を被覆して機械的な損傷を防止する保護層、または適用先の部位の機構または構造に合わせて積極的に機械的特性を持たせた機能を有する保護層と、を備え、前記熱輸送部は、前記吸熱部と前記排熱部との相対位置に対応させて前記熱輸送方向を３次元的に自在に変更可能な構造を有していることを特徴とする。
【００１３】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記カーボン系伝熱材料としてカーボンファイバが用いられ、前記熱輸送部は、該カーボンファイバを複数束ねて形成されていることを特徴とする。また、他の態様として、前記カーボン系伝熱材料として熱伝導率異方性を有するグラファイト結晶を用い、結晶の高い熱伝導方向の連続性を保ちながら３次元的に自在に接合していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記吸熱部及び前記排熱部は、前記カーボンファイバの端部を拘束するフランジ状の拘束部と、前記カーボンファイバの端部熱接触面を平行に保ちかつ取付段階での接触面でのずれを防ぐ機能を有するガイド部と、前記端部熱接触面をメッキして形成されたメッキ部と、を有し、前記メッキ部が前記拘束部より所定長さだけ突出していることを特徴とする。一例として拘束部は円環であっても良いし、長方体でも良い。
【００１５】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記保護層は、高弾性率樹脂または機械的機能性保護材を用いて前記熱輸送部を被覆するように形成されており、その厚さが前記カーボンファイバの柔軟性または復元性を確保するように決められていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記カーボン系伝熱材料として長尺状のグラファイトが用いられ、前記熱輸送部は、前記長尺状のグラファイトのみを複数積層して形成されており、前記積層された長尺状のグラファイトが前記保護層で固定されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記吸熱部及び前記排熱部は、前記熱輸送部の端面を垂直または所定の角度で切断した端面、または前記熱輸送部の長手方向の所定の位置に三角形状または円錐形状に形成された窪み部のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、１つの前記熱輸送部と１つの前記吸熱部と１つの前記排熱部とを１組としてこれを２組以上備え、前記排熱部を別の組の前記吸熱部に異方性熱伝導材料に対して高い熱伝導方向を連続的に保持して接続することにより前記２組以上の前記熱輸送部が２次元方向または３次元方向に接続されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記保護層は、機械的衝撃吸収材からなる層または機械的機能を有する層からなり、前記層を内層とし、アルミ合金からなる外層の２層を備えていることを特徴とする。機械的機能の一例として、スプリングを鶴巻状に巻く保護層を形成する。本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記機械的衝撃吸収材は、エラストマであることを特徴とする。
【００２０】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記カーボン系伝熱材料として平板状のグラファイトが用いられ、前記熱輸送部は、前記平板状のグラファイトを複数積層して形成されており、前記保護層は、前記平板状のグラファイトをその柔軟性を確保するように被覆していることを特徴とする。
【００２１】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記吸熱部及び前記排熱部は、前記平板状のグラファイトの端面にアルミ合金で形成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記吸熱部及び前記排熱部は、前記積層した平板状のグラファイトの端面から溶融アルミ合金を浸透させるように充填して形成されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記吸熱部及び前記排熱部は、前記熱輸送部の熱輸送方向に対し垂直となる方向に断面が三角形状または円錐形状の窪み部として前記グラファイトに対して高い熱伝導方向を連続的に保持して形成されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明の中熱伝導デバイスの他の態様は、前記保護層は、アルミ合金で形成されており、その厚さが前記積層した平板状の前記グラファイトの柔軟性を確保するように決められていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、吸熱部及び排熱部をそれぞれ柔軟に配置して高い熱伝導率となるように設置することが可能な中熱伝導デバイスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態の中熱伝導デバイスである伝熱ストラップの構成を示す断面図側面図、及び斜視図である。
【図２】第１実施形態の伝熱ストラップ及び従来の伝熱ストラップの適用例を示す側面図である。
【図３】第１実施形態の伝熱ストラップの適用例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態の中熱伝導デバイスである伝熱線の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態の伝熱線の別の構成を示す斜視図である。
【図６】第２実施形態の伝熱線の適用例を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態中熱伝導デバイスである積層ヒートシートの構成を示す斜視図及び断面図である。
【図８】第３実施形態の積層ヒートシートの別の構成を示す斜視図である。
【図９】第３実施形態の積層ヒートシートの適用例を示す断面図及び上面図である。
【図１０】第３実施形態の積層ヒートシートの別の適用例を示す斜視図である。
【図１１】第３実施形態の積層ヒートシートの熱特性を示す表及びグラフである。
【図１２】従来の積層グラファイトシートの一例を示す斜視図である。
【図１３】第２実施形態の伝熱線と流体ヒートパイプとの熱抵抗の比較を示すグラフ及び表である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の好ましい実施の形態における中熱伝導デバイスの構成について、図面を参照して以下に詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００２８】
本発明の中熱伝導デバイスは、発熱源に接続されて熱を吸収する吸熱部と、熱輸送方向に高い熱伝導率を有するカーボン系伝熱材料を複数集合させて吸熱部で吸収した熱を輸送する熱輸送部と、熱輸送部を経由して輸送された熱を外部に排熱する排熱部と、熱輸送部の外周を被覆して機械的な損傷を防止する保護層とを備えるのを基本的な構成としている。そして、熱輸送部を屈曲させて３次元的に自在に配置することができ、これにより、吸熱部や排熱部を３次元的に自在に配置できることを特徴としている。なお、発熱源やヒートシンク等の放熱先を、以下では吸排熱対象物という。
【００２９】
（第１実施形態）
本発明の好ましい第１の実施形態の中熱伝導デバイスを図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の中熱伝導デバイスの構成を示す断面図、側面図及び斜視図である。本実施形態では、中熱伝導デバイスとして、熱輸送部１１０と、その両端部に設けられた吸排熱部１２０と、熱輸送部１１０の外周を被覆して熱輸送部１１０の折断等の機械的な損傷を防止するまたは機械的機能を有する保護増１３０を備えた伝熱ストラップ１００を提供する。２つの吸排熱部１２０は、その一方を発熱源に接続して熱を吸収する吸熱部として用い、他方をヒートシンク等の放熱先に接続して熱を外部に排熱する排熱部として用いることができる。
【００３０】
熱輸送部１１０は、カーボン系伝熱材料であるカーボンファイバ１１１を複数本束ねて形成されている。カーボンファイバ１１１は、長手方向に高い熱伝導率を有しており、長手方向に柔軟性を有して屈曲させることが可能である。複数のカーボンファイバ１１１の束は、フッ素樹脂等の高弾性率樹脂からなる、または機械的機能を有する保護層１３０で被覆されており、保護層１３０がカーボンファイバ１１１の束を拘束している。保護層１３０の厚さは、熱輸送部１１０に要求される柔軟性または機械的に要求される機能に応じて決定されており、例えば高い柔軟性が要求されるときは保護層１３０の厚さを小さくしている。また、高い弾性率を有する樹脂を用いた場合には、保護層１３０の厚さを大きくすることができる。
【００３１】
同様に、機械的要求として、復元力が求めらるときはスプリングを鶴巻状に巻きつけたり、形状記憶繊維を利用した保護層１３０とすることができる。保護層１３０については、フッ素樹脂に限るものではなく、金属メッシュ、形状記憶繊維、スプリング等の復元力を利用して被発熱体または被熱吸収体の機械的特性または動作特性を向上させた機能性をもった保護層でも可能とする。また保護層の厚さは、カーボンファイバーの枝状の微繊維がコーティング可能な数十ミクロン以上必要であり、また柔軟性についても、使用環境によって、棒状のバネのような復元力をもつ形状記憶繊維、形状記憶被覆、鶴巻状のスプリングでも可能である。
【００３２】
熱輸送部１１０の両端部に設けられた吸排熱部１２０は、カーボンファイバ１１１の端部を束ねてこれを拘束するとともに、吸排熱対象物との間で高い熱伝達が行えるように形成されている。カーボンファイバ１１１の端部を拘束して引き抜けたりするのを防止するものとして、吸排熱部１２０はフランジ状の拘束部１２１を有し、カーボンファイバ繊維それぞれには、摩擦力向上を目的とした表面処理を実施している。摩擦力向上策としては、Ｆｉｎｉｈ  Ｌｉｎｅ社から発売されているＦｉｂｅｒ  Ｇｒｉｐ(R)をカーボンファイバに塗布する方法がある。また、拘束部１２１はカーボンファイバ１１１の端部を吸排熱対象物に接触させた状態でこれを固定するのにも用いることができ、例えば拘束部１２１にネジ穴１２３等を設けることができる。さらに、引抜きを防止するため、拘束部内径を入出口に向って数％小さくしており、拘束部外側のネジを締めることで、内部のカーボンファイバの径が締まって抜けない構造に工夫している。拘束部１２１の一例として、円環状のＳＫＩＮＴＯＰ(R)(ＬＡＰＰ社)がある。
【００３３】
さらに、吸排熱対象物との間の熱伝達を高くするために、吸排熱部１２０はカーボンファイバ１１１の端部をメッキして形成されたメッキ部１２２を有している。吸排熱対象物である発熱源と放熱先との間の温度差は、各吸排熱対象物と吸排熱部１２０との温度差と、カーボンファイバの吸排熱部１２０間の温度差の和となる。カーボンファイバの熱特性を有効に使用するためには、カーボンファイバの吸排熱部１２０間の温度差を吸排対象物と吸排熱部１２０との温度差以下または最低でも同じ程度の温度差に保たなければならず、接触面の機械的特性は、重要なファクターとなる。そこで、カーボンファイバ１１１の端部に比較的柔らかく熱伝導度の高い銀、銅、金等でメッキ部１２２を形成するとともに、メッキ部１２２を拘束部１２１の面より所定長さだけ突出させている。メッキ部１２２の突出長さは、１［ＭＰａ］程度の面圧を受けたときに突出部の先端が拘束部１２１の面に一致する長さとするのがよい。これにより、吸排熱対象物との間で高い熱伝達率を実現することができる。
【００３４】
吸排熱部１２０の別の形態の斜視図を図１（ｃ）に示す。同図に示す吸排熱部１２０は、拘束部１２１がガイド部１２１ａと端部を押しつけるための鍔１２１ｂとを有している。吸排熱対象物の吸排熱面には、鍔１２１ｂと平行に接触するように内周円柱の軸方向に掘られたガイド溝を有する取付部が取り付けられ、さらに鍔１２１ｂを押圧するメスネジを備えている。該メスネジのトルクを管理して接触面を水平に、かつ接触面がねじられることで周動しないようにする。
【００３５】
本実施形態の伝熱ストラップ１００は、まず略等しい長さの複数本のカーボンファイバ１１１を、端部がそろうように束ねて熱輸送部１１０が形成されている。そして、カーボンファイバ１１１の両端部に抜け防止用の滑り止め等を塗布した後圧着等で束ねている。この圧着では、カーボンファイバ１１１が折断しないようにトルクが適切に管理されている。その後、拘束された端面が均一面となるように研磨され、研磨された端面に銀等をメッキすることでメッキ部１２２が形成される。
【００３６】
メッキ部１２２が形成されると、カーボンファイバ１１１の両端部に拘束部１２１が装着される。これにより、吸排熱部１２０が形成される。吸排熱部１２０の吸排熱対象物との熱伝達率を高めるために、メッキ部１２２を拘束部１２１から若干突出させて吸排熱対象物に密着するように形成するのがよい。メッキ部１２２の突出長さは、吸排熱対象物に圧接させる圧力の大きさに応じて決定することができ、例えば圧接させる圧力を１［ＭＰａ］程度とするとき、メッキ部１２２の突出長さを数百ミクロン以上とするのがよい。
【００３７】
カーボンファイバ１１１の両端に吸排熱部１２０が形成されると、その間の熱輸送部１１０の外周面にフッ素樹脂等の高弾性率樹脂または、機械的機能を有する機能性材料を被覆して保護層１３０を形成する。このようにして形成された本実施形態の伝熱ストラップ１００は、一方の吸排熱部１２０を所定の発熱源に圧接させ、他方の吸排熱部１２０をヒートシンク等に圧接させて用いられる。一方の吸排熱部１２０のメッキ部１２２と発熱源との間の密着性及び熱伝達性をさらに高めるために、その間に例えば厚さ０．５ｍｍ程度のインジウム箔を挟むのがよい。機械的機能性を有する機能性材料の一例として、熱輸送部１１０に図３（ｂ）に示すスプリング１３０ａ等を鶴巻状に巻いた例がある。
【００３８】
上記のように、２つの吸排熱部１２０を高い熱伝達性が得られるように吸排熱対象物に圧接させて用いられる本実施形態の伝熱ストラップ１００は、熱輸送部１１０を柔軟に変形して用いることができることから、２つの吸排熱部１２０のそれぞれを柔軟に配置することができる。従来のヒートパイプでは十分な柔軟性を有していなかったことから、熱輸送部を直線状あるいは予め決定された形状に固定した状態で用いる必要があり、そのため両端部の吸排熱部の相対的な配置関係も固定されていた。これに対し本実施形態の伝熱ストラップ１００では、たとえば一方の吸排熱部１２０を発熱源に固定し、他方の吸排熱部１２０を吸熱源に固定し、発熱源と吸熱源の位置が移動または反復移動または変位することも可能である。例えば、図３（ｃ）に示すような２次元ジンバル１６に固定された光学センサに伝熱ストラップ１００を直接熱的接触させることで、センサを冷やすことができる。他の例では、振動に弱いセンサを機械的に独立させた場合においてもセンサに伝熱ストラップを直接熱的に接触させることで、センサを冷やすことができる。また、吸熱側の吸排熱部１２０、あるいは吸熱側と排熱側の両方の吸排熱部１２０を移動可能に配置してもよい。
【００３９】
また、従来の伝熱ストラップでは、発熱源からヒートシンクまでの熱輸送部が基板等の面上に配索されていた。一例として、図２（ｂ）に示す従来例では、発熱源である電子素子１０からヒートシンクである放熱板１２まで従来の伝熱ストラップ９０が配索されている。従来の伝熱ストラップ９０は、十分な柔軟性を有していないため基板１１の面上に配索されて放熱板１２に接続されている。これに対し本実施形態の伝熱ストラップ１００では、たとえば図２（ａ）に示すように、熱輸送部１１０を基板１１から離して（浮き上がらせて）放熱板１２まで配置することができる。これにより、伝熱ストラップ１００と基板１１との接触部分をできるだけ小さくすることができ、伝熱ストラップ１００から基板１１への熱伝達をできるだけ低減させることが可能となる。その結果、実装密度の高い機器等においても、熱輸送を効率的に行うことが可能になる。
【００４０】
本実施形態の伝熱ストラップ１００に用いるカーボンファイバ１１１として、例えば下記の表１に示すものを用いることができる。ここでは、断面積及び長さの異なる２種類のカーボンファイバを用いて作成した伝熱ストラップ１００の熱特性を求めた結果を示している。
【表１】
2012141093.tif 000003
【００４１】
表１のＮｏ．１に示す伝熱ストラップ１００では、断面積が９ｍｍ２（３ｍｍ×３ｍｍ相当）のカーボンファイバ１１１を５４本束ねて熱輸送部１１０を形成しており、その両端部を銀メッキしてメッキ部１２２を形成している。この場合、吸排熱部１２０における熱抵抗は２１Ｋ／Ｗとなった。また、表１のＮｏ．２に示す伝熱ストラップ１００では、断面積が２５ｍｍ２（５ｍｍ×５ｍｍ相当）のカーボンファイバ１１１を１５１本束ねて熱輸送部１１０を形成しており、その両端部を銀メッキしてメッキ部１２２を形成している。この場合には、吸排熱部１２０における熱抵抗は１８Ｋ／Ｗとなり、Ｎｏ．１の伝熱ストラップ１００よりやや小さい値となった。
【００４２】
これに対し、従来の流体ヒートパイプはそれ自身の熱伝達率が高いものの、吸排熱対象物との接触面における熱抵抗が大きく、吸熱部から排熱部までの熱抵抗は８Ｋ／Ｗ程度になる。表１に示す本実施形態の伝熱ストラップ１００は、いずれも従来の流体ヒートパイプよりも熱抵抗がやや大きくなるものの実用的には大きな差とはならず、従来の流体ヒートパイプに比べて取扱いが容易で吸排熱部１２０を柔軟に配置することができるといった大きな効果が得られる。
【００４３】
本実施形態の伝熱ストラップ１００をＬＥＤの除熱に用いた一例を図３（a）に示す。図３（a）に示す伝熱ストラップ１００は、断面積が５ｍｍ２（５ｍｍ×５ｍｍ相当）のカーボンファイバを用いている。本実施形態の伝熱ストラップ１００を用いることで、３Ｗ相当のＬＥＤ１５からの発熱を効率よく除熱することができる。一例として、排熱側の吸排熱部１２０の温度を２０℃としたとき、吸熱側の吸排熱部１２０とＬＥＤ１５との接触部の温度を５０℃程度とすることができる。また、本実施形態の伝熱ストラップ１００は柔軟性を有していることから、ＬＥＤ１５を左右前後等に周期的に移動させたり振動させたりまたは一方に偏移することも可能である。
【００４４】
ＬＥＤを集積した一例を図３（ｄ）に示す。従来のＬＥＤの実装では、ＬＥＤからの熱を基板上で拡散する必要があり、拡散間隔を要した。本実施形態の伝熱ストラップ１００を使用すれば、ＬＥＤから拡散間隔を設けない実装が可能である。図３（ｄ）に示すように、従来のＬＥＤで拡散されていた熱は、実装面に垂直な方向に伝熱ストラップ１００で移動し、放熱面で熱を放熱する。超高密度実装が可能である。本実施形態では、ＬＥＤに限らず、発熱部品であれば適用でき、さらにサイズも半導体レベルのミクロレベルまで適用できる。
【００４５】
本実施形態の伝熱ストラップ１００に用いるカーボンファイバ１１１の一例として、熱伝導率が銅の２倍程度の８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を有するダイアリード(R)Ｋ１３Ｄ２Ｕ（三菱樹脂（株）製）を用いることができる。本実施形態の伝熱ストラップ１００は、２つの吸排熱部１２０を柔軟に配置することが可能なことから、大きな熱輸送を必要とする機器のレイアウトをより自由に設計することができる。また、伝熱ストラップ１００の経年劣化が低く、高い信頼性を有する中熱伝導デバイスを提供することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
本発明の好ましい第２の実施形態の中熱伝導デバイスを図面に基づいて説明する。本実施形態では、中熱伝導デバイスとして図４に示すような基本構成を有する伝熱線を提供する。図４は、本実施形態の伝熱線２００の基本構成を示す斜視図であり、内部を透過させて示している。本実施形態の伝熱線２００は、熱輸送方向である長手方向に１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高い熱伝導率を有する熱輸送部２１０と、その両端部に設けられた吸排熱部２２０（２２１、２２２、２２３）と、熱輸送部２１０の外周を被覆して折断等の機械的な損傷を防止するための保護層２３０とを備えている。図４では、吸排熱部２２０として、同図（ａ）に示す吸排熱部２２１、２２２と、同図（ｂ）に示す吸排熱部２２３の３種類の形状のものを示している。
【００４７】
熱輸送部２１０は、平板状のグラファイト２１１を積層させたパイロイド(R)（（株）サーモグラフィティックス製）を用いて形成することができ、この場合には長手方向に銅の４倍の略１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）といった高い熱伝導率を実現することができる。パイロイドは、高い熱伝導率を有する熱輸送方向に直交する方向には、７Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度の熱伝導率しか有さない。保護層２３０は、エラストマからなる層２３１で構成することができる。また、この層を内層としアルミ合金からなる外層２３２の２層から構成することもできる。層２３１は、外部からの機械的衝撃を緩衝するための緩衝材の役割を有しており、外層２３２は、熱輸送部２１０と層２３１を保護するものである。
【００４８】
本実施形態の伝熱線２００では、３種類の形状の吸排熱部２２１、２２２、２２３を用いることができる。吸排熱部２２１は、高い熱伝導率を有する熱輸送方向の端面で形成されており、これを吸排熱対象物に圧接することで高い熱伝達性を実現することができる。また、吸排熱部２２２は、熱輸送部２１０の端面を斜めに切断した斜面で形成されている。さらに、吸排熱部２２３は端面が三角形状の窪み部として形成されている。吸排熱部２２１〜２２２はそれぞれ、熱輸送部２１０を形成するグラファイト２１１が露出した端面または斜面を有しており、この端面または斜面において高い熱伝達を実現することが可能となっている。
【００４９】
吸排熱部２２２は、別の伝熱線２００の吸排熱部２２２とそれぞれの斜面を密着させることで高い熱伝導方向を連続して維持して接続することができ、２つの伝熱線２００を用いて熱輸送方向が変換された熱輸送経路を形成することができる。また、吸排熱部２２２は、別の伝熱線２００の吸排熱部２２３に挿入して両者の斜面を密着させることで、２つの伝熱線２００を用いて熱輸送方向が変換された熱輸送経路を形成することが可能となる。２つの伝熱線２００は、吸排熱部２２２、２２３の斜面の角度を調整することで、両者を直交させて高い熱伝導率を連続して維持して接続することも、あるいは両者を斜めに高い熱伝導方向を連続して維持して接続することも可能である。
【００５０】
本実施形態の伝熱線２００では、吸排熱部２２０として２２１〜２２３のいずれを用いても、それぞれの接続面で高い熱伝達を実現することができる。その結果、２つの伝熱線２００を所定の角度で伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接続して効率よく伝熱させることが可能となる。また、本実施形態の伝熱線２００は、いずれの形状の吸排熱部２２０であっても、１つの熱輸送部２１０に対して２以上設けることが可能であり、２以上の伝熱線２００を所定の角度範囲で伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接続して用いることにより、１次元方向だけでなく２次元方向または３次元方向に熱輸送経路を形成することができる。その結果、発熱源及びヒートシンク等の吸排熱対象物の配置等に対応して、熱輸送経路を３次元的の自在に形成することが可能となる。特に、実装密度の高い機器においても高い効率で熱輸送を行うが可能となり、熱制御を効率良く行うことが可能となる。
【００５１】
本実施形態の伝熱線２００を２以上高い熱伝導方向を連続的に保持して接続した一例を図５に示す。図５（ａ）は、吸排熱部２２１を有する伝熱線２００を３つ(それぞれ２０１、２０２、２０３とする) 伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接続したものであり、２０１と２０２、及び２０２と２０３を、伝熱線２０２に対し伝熱線２０１、２０３を９０度回転させて伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接続している。それぞれの接続面では、グラファイト２１１の端面も直交して伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接続されている。吸排熱対象物に圧接される吸排熱部２２１は、伝熱線２０１、２０３の上面に配置されている。
【００５２】
図５（ｂ）は、吸排熱部２２２を有する伝熱線２００を３つ(それぞれ２０４、２０５、２０６とする)接続したものであり、それぞれの吸排熱部２２２が４５度の斜面で形成されており、伝熱線２０４、２０６が伝熱線２０４に対し９０度屈曲させて伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接続されている。ここでは、それぞれの接続面でグラファイト２１１の端面がほぼ重なるように伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接続されている。これにより、図５（ａ）に示した伝熱線２０１、２０２、２０３よりも高い効率で熱輸送を行うことが可能となっている。また、図５（ｂ）に示す伝熱線２０４、２０６でも、吸排熱対象物に圧接される吸排熱部２２１は、伝熱線２０４、２０６の上面に配置されている。
【００５３】
図５（ａ）に示した伝熱線２０１〜２０３、または図５（ｂ）に示した伝熱線２０４〜２０６を用いて放熱を行う一例を図６に示す。図６では、発熱源の機器２１と放熱板２２との間を伝熱線２０１〜２０３で伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接続されている。伝熱線２０１〜２０３に代えて伝熱線２０４〜２０６を用いてもよい。機器２１で発熱した熱は、吸排熱部２２１から伝熱線２０１または２０４に吸収されて各熱輸送部２１０を伝導し、伝熱線２０３または２０６の吸排熱部２２１から放熱板２２に放熱される。なお、吸排熱部２２１と機器２１及び放熱板２２との間の接続面は、熱伝導性接着を塗布してヒートステック伝熱線の高い熱伝導方向を連続的に保持して接着させるのがよい。
【００５４】
本実施形態の伝熱線２００の一実施例として、図１３（ｂ）に示すものを用いることができる。ここでは、伝熱線の長さＬをパラメータに、伝熱線の熱伝導率を変えたときの本実施形態の伝熱線２００と流体ヒートパイプとの熱抵抗の差を、グラフ（同図（ａ））及び表（同図（ｂ））で示している。図１３に示す結果より、伝熱線の熱伝導率が１６００Ｗ/(Ｋｍ)のときには、長さ１ｍの伝熱線と流体ヒートパイプとの１Ｗ当たりの温度差は６．１℃と低いことがわかる。
【００５５】
本実施形態の伝熱線２００は、経年劣化が極めて低く、液体窒素の極低温領域から金属がアブレーションする高温領域まで広範囲な使用が可能で、信頼性の高い中熱伝導デバイスを提供することが可能となる。
【００５６】
（第３実施形態）  
本発明の好ましい第３の実施形態の中熱伝導デバイスを図面に基づいて説明する。本実施形態では、中熱伝導デバイスとして図７に示すような構成の積層ヒートシートを提供する。図７は、本実施形態の積層ヒートシート３００の構成を示す斜視図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ）、（ｃ））である。同図（ｂ）はＡ−Ａ断面を示し、同図（ｃ）はＢ−Ｂ断面を示している。本実施形態の積層ヒートシート３００は、２次元の熱輸送方向に高い熱伝導率を有する熱輸送部３１０と、その両端部に設けられた吸排熱部３２０と、熱輸送部３１０の外周を被覆して折断等の機械的な損傷を防止するための保護層３３０とを備えている。
【００５７】
本実施形態の積層ヒートシート３００では、平面状の２次元方向に高い熱伝導率を有するグラファイト３１１を複数加圧積層して熱輸送部３１０を形成しており、熱輸送部３１０の外周を保護層３３０で被覆することにより、複数のグラファイト３１１を加圧積層した状態で保持している。保護層３３０は、アルミ合金で形成されており、グラファイト３１１が備える柔軟性を損なわないように、保護層３３０の厚さを小さくしている。
【００５８】
グラファイト３１１の一例として、グラフィニティ(R)４０μｍ（（株）カネカ製）を用いることができる。グラフィニティ４０μｍは、熱輸送経路方向(面方向)に１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、面に垂直な方向に５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する材料である。
【００５９】
吸排熱部３２０は、アルミ合金で形成されている。吸排熱部３２０のアルミ合金は、溶融アルミ合金を積層されたグラファイト３１１の端面から浸透するように充填させて形成されたものであり、グラファイト３１１に直接接触している。これにより、吸排熱部３２０で外部から吸収した熱を、アルミ合金からグラファイト３１１に高い熱伝達率で伝達することができる。グラファイト３１１に伝達された熱は、グラファイト３１１の熱輸送方向、すなわちグラファイト３１１の面方向に高い熱伝達率で伝導され、別の吸排熱部３２０から外部に放熱される。
【００６０】
別の形態の吸排熱部３２１を有する積層ヒートシート３０１の一例を図８に示す。本実施形態の吸排熱部３２１は、積層ヒートシート３０１の面上に熱伝導率の低い垂直方向に断面が三角形状または円錐形状の窪み部として形成されている。この吸排熱部３２１に、図９（ａ）に例示するように、端部が三角形状または円錐形状の突出部として形成された吸排熱部２２７を有する伝熱線２０７を高い熱伝導方向を連続的に保持して接続することができる。そして、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、伝熱線２０７の上部には発熱源３１を載置することで、発熱源３１で発熱した熱が伝熱線２０７に吸収され、さらに伝熱線２０７から積層ヒートシート３０１に輸送される。このように、積層ヒートシート３０１の面上に吸排熱部３２１を形成することで、熱伝導率の低い垂直方向から積層ヒートシート３０１に高い熱伝導率で熱を伝導させることが可能となっている。
【００６１】
本実施形態の積層ヒートシート３００は、グラファイト３１１が備える柔軟性をできるだけ損なわないように形成されていることから、図１０（a）に例示するように、熱輸送部３１０の面を屈曲させて用いることができる。これにより、積層ヒートシート３００の両端部にある吸排熱部３２０が吸排熱対象物と好適に圧接されるように屈曲させて調整することができる。
【００６２】
他の例では、積層ヒートシート３００を短冊状に長方形に切断した後に、端部のグラファイトシートとの接触部を残したアルミの接触部の吸排熱部を形成し、吸排熱部のアルミを取り除くことで、接触部の吸排熱部のグラファイトシート間の空隙率を極小に抑えるとともに、高い信頼性を有した吸排熱部３２０と１５００Ｗ／（ｋｍ）のグラファイトシートで形成した高い熱伝導率のヒートワイヤを形成することができる例を図１０（ｂ）に示す。さらにこの例では、端部を機械加工によりヒートワイヤのガイドを容易に形成するこができるとともに、接触面のメッキ処理も容易である。
【００６３】
本実施形態の積層ヒートシート３００の熱特性を計算した結果の一例を図１１に示す。同図（ａ）は、積層ヒートシート３００の熱特性の計算結果を示す表であり、同図（ｂ）は、熱特性の計算結果をグラフで示したものである。同図では、比較対象として従来の流体ヒートパイプの熱特性の計算結果を同時に示している。本実施形態の積層ヒートシート３００及び従来の流体ヒートパイプの寸法を同じとし、それぞれの幅、長さ、厚さをそれぞれ図１１（ａ）に示す値としている。同図（ｂ）では、本実施形態の積層ヒートシート３００の熱抵抗を符号Ｃ１で示し、従来の流体ヒートパイプの熱抵抗を符号Ｃ２で示している。図１１より、本実施形態の積層ヒートシート３００は従来の流体ヒートパイプと同程度の熱抵抗となっており、特に厚さを大きくするほど熱抵抗の値が流体ヒートパイプの値に漸近することが示されている。
【００６４】
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る中熱伝導デバイスの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における中熱伝導デバイスの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１００    伝熱ストラップ（中熱伝導デバイス）
１１０、２１０、３１０    熱輸送部
１１１    カーボンファイバ
１２０、２２０、３２０    吸排熱部
１２１    円環部
１２２    メッキ部
１２３    ネジ穴
１３０、２３０、３３０    保護層
２００、２０１〜２０５、２０７    伝熱線（中熱伝導デバイス）
２３１    内層
２３２    外層
３００、３０１    積層ヒートシート（中熱伝導デバイス）
３１１    グラファイト
【図１】
2012141093.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012141093.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2012141093.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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