散热构件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供具有优良的散热特性、适合在油环境下使用的散热构件。本发明为一种散热构件，包含含有含氟树脂和导热填料的多孔母材以及包含在所述多孔母材的孔内的油，其中，所述含氟树脂含有聚四氟乙烯。该散热构件可以通过例如如下方法来制造，所述方法包括：将包含含有聚四氟乙烯的含氟树脂、导热填料和成形助剂的多个片状成形体重叠并进行压延而得到压延层叠片的工序(1)、从所得到的压延层叠片中除去所述成形助剂而得到多孔母材的工序(2)和使油浸渗到所得到的多孔母材中的工序(3)。
【专利说明】散热构件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及散热构件，特别是涉及适合在油环境下使用的散热构件。本发明还涉及该散热构件的制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，从应对环境的观点出发，正在推进混合动力汽车和电动汽车的开发。这些车辆的驱动系统使用电动机，要求提高该电动机的输出功率。为了提高电动机的输出功率，用于应对输出功率提高所伴随的发热量增加的冷却性能的提高成为课题。
[0003]车辆用的电动机由转子、定子和壳体构成，在电动机的下部封入有自动传动液(ATF)作为润滑油。作为提高这种电动机的冷却性能的方法，例如，非专利文献I中提出了向定子与壳体之间供给用于润滑电动机轴承的ATF而使电动机冷却的方法。
[0004]现有技术文献
[0005]非专利文献
[0006]非专利文献1:第13卷、N0.1,2008
【发明内容】
[0007]发明所要解决的问题
[0008]但是，非专利文献I中记载的方法中，冷却性能尚不充分。与此相对，如果是能够在车辆用电动机这样的油环境下使用的、具有优良的散热特性的散热构件，则能够成为用于提高车辆用电动机的冷却性能的有力手段。
[0009]因此，本发明的目的在于提供具有优良的散热特性、适合在油环境下使用的散热构件。
[0010]用于解决问题的手段
[0011]本发明为一种散热构件，包含含有含氟树脂和导热填料的多孔母材以及包含在上述多孔母材的孔内的油，其中，
[0012]上述含氟树脂含有聚四氟乙烯。
[0013]上述含氟树脂优选还含有选自由全氟烷氧基含氟树脂和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物组成的组中的至少一种。
[0014]本发明的散热构件优选含有I质量％以上的上述油。上述油优选为选自由自动传动液、发动机油、通用油、齿轮油、液压传动油和硅油组成的组中的至少一种。
[0015]本发明的散热构件的一个优选实施方式中，上述导热填料为选自由氮化硼、氮化铝、氧化铝、氮化硅和氧化镁组成的组中的至少一种绝缘性填料。本发明的散热构件的另一优选实施方式中，上述导热填料为选自由石墨、炭黑、碳纤维、金属纤维和金属粒子组成的组中的至少一种导电性填料。
[0016]本发明的散热构件优选在其保存时和流通时由阻氧薄膜包成一个包装。
[0017]另外，本发明为一种车辆用电动机的冷却方法，其特征在于，使用上述散热构件。[0018]另外，本发明为一种散热构件的制造方法，其包括:
[0019]将包含含有聚四氟乙烯的含氟树脂、导热填料和成形助剂的多个片状成形体重叠并进行压延而得到压延层叠片的工序(1)，
[0020]从所得到的压延层叠片中除去上述成形助剂而得到多孔母材的工序(2)，和
[0021]使油浸渗到所得到的多孔母材中的工序(3)。
[0022]本发明的制造方法中，可以在上述工序(2)与上述工序(3)之间还包括对多孔母材进行加压成形的工序(4)。
[0023]优选在将上述多孔母材的孔内的空气除去之后，将上述多孔母材浸溃到油中并对该油进行加压，由此进行上述工序(3)。
[0024]发明效果
[0025]根据本发明，提供具有优良的散热特性、适合在油环境下使用的散热构件。因此，作为车辆用电动机用的散热构件等极其有用。 【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是用于说明使用真空高压浸渗装置的浸渗操作的概略截面图。
[0027]图2是表示实施例中使用的热特性评价装置的图，(a)为主视图，(b)为侧视图。
【具体实施方式】
[0028]本发明的散热构件包含含有含氟树脂和导热填料的多孔母材以及包含在该多孔母材的孔内的油。
[0029]本发明的散热构件通过使用含有含氟树脂的多孔母材而赋予了高耐油性。
[0030]含氟树脂含有聚四氟乙烯(PTFE)。通过使含氟树脂含有PTFE，容易制作以高含有率含有导热填料的多孔母材。含氟树脂可以在不阻碍本发明效果的范围内含有PTFE以外的含氟树脂。作为PFTE以外的含氟树脂，可以列举熔融性含氟树脂。在含氟树脂含有熔融性含氟树脂的情况下，更容易制作以高含有率含有导热填料的多孔母材，例如，容易使含有含氟树脂和导热填料的材料形成片。作为该熔融性含氟树脂，优选使用选自由全氟烷氧基含氟树脂(PFA)和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)组成的组中的至少一种。另外，PFA和FEP存在熔点不同的各种产品，根据对多孔母材的加工方法及其加工条件适当选择即可。
[0031]关于熔融性含氟树脂在含氟树脂中所占的比例，对于下限而言，优选为5质量％以上，更优选为10质量％以上，对于上限而言，优选为70质量％以下，更优选为50质量％以下，进一步优选为30质量％以下。
[0032]本发明的散热构件利用导热填料赋予高导热性。在此，导热填料是指热导率为IW/HiK以上、优选为100W/mK以上的填料。导热填料根据散热构件的用途适当选择其种类即可。例如，在要对散热构件赋予高绝缘性的情况下，使用体积电阻率为1014Ω._以上的绝缘性填料即可，优选使用选自由氮化硼、氮化铝、氧化铝、氮化硅和氧化镁组成的组中的至少一种绝缘性填料。混合动力车用电动机、发电机内等存在电压高而产生大的瞬态电流这样的部位，使用绝缘性填料赋予了高绝缘性的散热构件有利于在这样的部位使用。
[0033]另一方面，在要对散热构件赋予高导电性的情况下，使用体积电阻率为106Ω.cm以下的导电性填料即可，优选使用选自由石墨、炭黑、碳纤维、金属纤维(例如铝纤维、铜纤维等)和金属粒子(例如金、银、铜、钯、钼等的粒子)组成的组中的至少一种导电性填料。
[0034]导热填料的形状没有特别限定，可以使用球形和非球形的填料，优选平板状和鳞片状，原因在于能够通过压延在面内方向整齐排列从而赋予导热各向异性。另外，基于同样的理由，优选导热填料自身具有导热各向异性。另外，在使厚度方向的热导率提高的情况下，可以使用由各公司销售的聚集形状的导热填料。
[0035]导热填料只要能够负载在含氟树脂基质上而不脱落且对所得到的散热构件赋予充分的导热性即可，因此，其粒径没有特别限定，优选例如粒径为0.2~500i!m的导热填料，更优选粒径为0.2~50 ii m的导热填料。但是，在高导热化时，优选粒径大的导热填料。这是因为，即使导热填料的含量相同，粒径大的导热填料的界面数减少，能够降低热阻。另外，在此所说的粒径是指利用激光衍射散射式粒径粒度分布测定装置(例如日机装株式会社制造的4夕口卜9 测定的值。
[0036]导热填料的含量相对于多孔母材的总质量优选在50~95质量％的范围，更优选在70~90质量％的范围，进一步优选在80~90质量％的范围。含氟树脂的含有率相对于多孔母材的总质量优选在5~5 0质量％的范围，更优选在10~30质量％的范围，进一步优选在10~20质量％的范围。
[0037]多孔母材可以含有含氟树脂和导热填料以外的成分。作为这样的成分，可以列举含氟树脂以外的树脂等，作为该树脂，可以使用例如一般使用的热塑性树脂和热固性树脂。该成分的含量相对于多孔母材的总质量优选为10质量％以下。
[0038]本发明中使用的母材中，在含氟树脂基质内分散有导热填料，该母材具有多孔结构。母材所具有的多孔结构没有特别限制。多孔结构例如如后所述可以通过制作含有含氟树脂、导热填料和挥发性材料(成形助剂)的成形体并将挥发性材料除去而得到。
[0039]本发明的散热构件被设想在油环境下使用，利用环境中存在油的事实，油会进入到本发明的散热构件的多孔母材的孔内。多孔母材的孔内的空气被油置换，由此得到比单一的多孔母材更高的散热特性。
[0040]对于油而言，只要是热导率比空气的热导率高的油则可以没有特别限制地使用，优选使用与使用环境中的油相同或类似的油。例如，在车辆用电动机用途中，可以优选使用能够作为润滑油使用的油。具体而言，优选使用选自由ATF、发动机油、通用油、齿轮油、液压传动油和硅油组成的组中的至少一种。在使用含有这样的油的透气构件的情况下，在车辆用的电动机内使用时，能够使车辆用电动机的润滑不会因透气构件中含有的油而受到阻碍。另外，上述油中，特别优选ATF、发动机油，原因在于油自身的冷却性能高。
[0041]油相对于散热构件的总质量优选含有I质量％以上，更优选含有1~80质量％，进一步优选含有5~80质量％。
[0042]本发明的散热构件的形状没有特别限制，从操作性高的观点出发，优选为片状。此时，本发明的散热构件的厚度例如为0.05mm~3mm的范围，优选为0.1mm~1mm的范围。
[0043]接着，对本发明的散热构件的制造方法进行说明。本发明的散热构件优选通过如下方法制造，所述方法包括:将包含含有PTFE的含氟树脂、导热填料和成形助剂的多个片状成形体重叠并进行压延而得到压延层叠片的工序(I)、从所得到的压延层叠片中除去上述成形助剂而得到多孔母材的工序(2)和使油浸渗到所得到的多孔母材中的工序(3)。
[0044]工序⑴中使用的包含含有PTFE的含氟树脂、导热填料和成形助剂的多个片状成形体可以通过将含有PTFE的含氟树脂、导热填料和成形助剂混合先制作糊状的混合物、再将其成形为片状而得到。
[0045]含有PTFE的含氟树脂、导热填料和成形助剂的混合优选在尽量抑制PTFE的纤维化的条件下进行。具体而言，优选以不对PTFE施加剪切的方式减小混合装置的转速并且缩短混合时间从而进行混合而不进行混炼。如果在混合材料的阶段PTFE发生纤维化，则进行压延时，已经形成的PTFE的纤维可能被切断而破坏PTFE的网状结构，有时难以保持片形状。
[0046]成形助剂可以使用例如十二烷、癸烷等饱和烃。成形助剂以相对于混合物的总质量为20-55质量％的方式添加即可。
[0047]将它们的混合物通过挤出成形、辊轧成形等进行成形，由此能够得到片状成形体。片状成形体的厚度为例如0.5-5mm。准备多片这样的片状成形体。
[0048]接着，将上述多个片状成形体重叠(层叠)并进行压延而得到压延层叠片。使用的片状成形体的片数只要为2片以上则没有特别限定，考虑构成作为多孔母材的最终的压延层叠片的片状成形 体的层数来适当决定即可，例如为约2片-约10片。这样，该制造方法包括层叠体的压延，通过该层叠和压延，能够提高片强度，并且能够将导热填料牢固地固定在含氟树脂基质上，能够制作导热填料的配合率高且具有挠性的片。
[0049]该制造方法中，优选在该工序(I)之后进一步进行下述工序0- ):将片状成形体的压延层叠片多片重叠并进行压延，或者将片状成形体的至少一片压延层叠片与含有含氟树脂、导热填料和成形助剂的至少一片片状成形体重叠并进行压延。该工序优选反复进行。在压延初期(所含的片状成形体的层数少的阶段)，片的强度低而难以耐受高倍率的压延，随着反复进行层叠和压延，压延倍率提高，片强度变得更高，并且，导热填料更牢固地固定在含氟树脂基质上。为了实现高强度，优选对片状成形体和片状成形体的压延层叠片各2片进行压延。
[0050]以下对工序⑴和工序0-)的实施方式的例子进行说明。首先，准备多个(例如2-10片)片状成形体。接着，将该多个片状成形体层叠，对该层叠体进行压延而得到压延层叠片(第一压延层叠片)(工序(I))。进而准备多个(例如2-10片)这样得到的第一压延层叠片并将其层叠，对该层叠体进行压延而得到压延层叠片(第二压延层叠片)(工序0-))。进而准备多个(例如2-10片)这样得到的第二压延层叠片并将其层叠，对该层叠体进行压延而得到压延层叠片(第三压延层叠片)(重复工序0-))。进而，准备多个第三压延层叠片，同样进行层叠和压延，重复工序0- )直到达到作为目标多孔母材的压延层叠片所含的片状成形体的构成层数。该实施方式中，将片状成形体的层叠数相同的压延层叠片之间(第一压延层叠片之间、第二压延层叠片之间等)重叠并进行压延。在另一实施方式中，工序(I’ )中，将片状成形体的层叠数相互不同的压延层叠片之间重叠并进行压延。在又一实施方式中，工序0- )中，将片状成形体重叠到压延层叠片上并进行压延。
[0051]进行工序0- )时，优选改变压延方向。此时，优选使工序(I)的压延方向与工序0- )的压延方向正交。此外，优选在重复工序0- )时也改变压延方向(特别优选改变90° )。通过以这种方式在改变方向的同时进行压延，使PTFE的网状结构纵横延伸，能够进一步提高片强度并且将导热填料更牢固地固定在含氟树脂基质上。
[0052]将作为多孔母材的最终的压延层叠片的构成层数用该压延层叠片所含的片状成形体的层数来表示时，构成层数可以设定为例如2-5000层。为了提高片强度，优选构成层数为200层以上。另一方面，为了实现薄膜化(例如制成Imm以下的片)，优选构成层数为1500层以下。另外，构成层数越多，所得到的片的强度越高，但界面剥离的可能性也越高。
[0053]以上述方式操作,最终得到厚度优选为约0.05mm-约3mm的压延层叠片。
[0054]工序(2)可以根据使用的成形助剂按照公知方法来实施。例如，对压延后得到的片进行加热，将成形助剂干燥除去即可。由此，得到多孔母材。
[0055]工序(3)可以通过例如将多孔母材浸溃到油中来进行。从容易使油在短时间内以高浸渗率浸渗到多孔母材中的观点出发，工序(3)优选通过如下方法来进行:除去多孔母材的孔内的空气后，将多孔母材浸溃到油中，并对油进行加压。这样的操作可以使用真空高压浸渗装置进行。
[0056]将使用真空高压浸渗装置进行浸渗的情况的一例示于图1中。真空高压浸渗装置I具有耐压腔2、试样笼4、容器6和升降单元7 (图1 (a))。首先，将多孔母材3放入试样笼4中，并将油5装入容器6中，对真空高压浸渗装置I进行减压。通过减压将耐压腔2内的空气除去，从而将多孔母材3的孔内的空气除去。接着，使升降单元7下降，由此将试样笼4投入容器6内，从而将多孔母材3浸溃到油5中(图1 (b))。浸溃后，向真空高压浸渗装置I中送入压缩空气，对耐压腔2内进行加压。由此使油加压，从而促进油5向多孔母材3中的浸渗。然后，使升降单元7上升，将浸渗有油5的多孔母材3从试样笼4中取出。
[0057]在工序⑵与工序(3)之间，可以还实施对多孔母材 进行加压成形的工序⑷。实施工序(2)后的多孔母材的孔隙率通常为约50%-约80%，但通过实施工序(4)，使多孔母材的孔隙率减小至40%以下，并且使导热填料之间更密实地存在，从而能够进一步减小散热构件的热阻。
[0058]加压成形可以通过例如在温度320-400°C、压力0.05-50MPa的条件下压制I-15分钟来进行。
[0059]以上述方式能够得到本发明的散热构件，但本发明的散热构件的制造方法不限于上述方法。
[0060]本发明的散热构件具有优良的散热特性。例如，能够达到25cm2 ? K/W以下的热阻值，通过调节导热填料的种类和含量，还能够达到5cm2 ? K/W以下的热阻值，进一步达到Icm2 ? K/W以下的热阻值。
[0061]本发明的散热构件使用耐油性高的含氟树脂和油，因此，适合在油环境下使用。因此，最适合车辆(例如混合动力汽车、电动汽车等)用电动机用的散热构件，通过使用该散热构件，能够长期以高效率对车辆用电动机进行冷却。在作为车辆用电动机用的散热构件使用的情况下，用本发明的散热构件替换车辆用电动机内的空气层即可。例如，在定子与壳体之间、定子与线圈之间、壳体与线圈之间、定子与定子之间等存在空气层的情况下，在它们之间夹持本发明的散热构件即可，在车辆用电动机内的使用方式不限于此。另外，本发明的散热构件当然也可以用于车辆用电动机以外(例如发电机、电子设备等)。
[0062]另外，本发明的散热构件含有油，因此，在其保存时和流通时，优选采用由阻氧薄膜包成一个包装的形态。作为阻氧薄膜，可以使用公知的阻氧薄膜，适当选择对散热构件中所含的油具有耐性的阻氧薄膜即可。
[0063]实施例[0064]以下，列举实施例和比较例对本发明进行详细说明，但本发明不限定于这些实施例。
[0065]实施例1
[0066]将氮化硼粉末(水岛合金铁株式会社制造，产品编号“HP-40” ) ,PTFE粉末(大金工业公司制造，产品编号“F104U”)和PFA粉末(三井杜邦氟化学株式会社制造，产品编号“MP-10”)以质量比为80:10:10的比例混合。相对于100质量份该混合物进一步添加60质量份的癸烷并进行混炼，由此得到糊状混合物。材料的混合使用V型混合器，在转速lOrpm、温度约25°C的条件下进行I分钟的混合。
[0067]利用压延辊对这样得到的糊状混合物进行压延，由此形成2片厚度为3mm的片状成形体。接着，将2片该片状成形体重叠并进行压延，由此形成层叠数为2的第一层叠片。接着，将第一层叠片切断而分成2片，将它们重叠并进行压延，由此形成层叠数为4的第二层叠片。在每次以90°改变压延方向的同时重复5次上述的切断、重叠和压延这一系列工序。对该层叠片进行多次压延，由此制成厚度为约0.5mm的压延层叠片。
[0068]接着，将所得到的压延层叠片在150°C下加热20分钟，除去成形助剂而得到片状多孔母材。
[0069]向图1所示类型的真空高压浸渗装置(米卡多科技株式会社制造)的容器内加入ATF (丰田纯正自动传动液WS08886-02305)，将50mm见方的片状多孔母材设置到试样笼中。将真空高压装置内减压到约0.0073MPa并保持5分钟，然后，将片状多孔母材浸溃到ATF中。向真空高压装置内送入压缩空气，加压到2.9MPa并保持5分钟，由此使ATF浸渗到片状多孔母材中而得到散热构件。散热构件的厚度为0.5mm，油的含量相对于散热构件的总质量为42质量％。
[0070]实施例2
[0071]除了将与实施例 1同样地得到的片状多孔母材在温度380°C、压力5MPa的条件下压制5分钟后进行浸渗操作以外，与实施例1同样地得到实施例2的散热构件。实施例2的散热构件的厚度为0.25mm，油的含量相对于散热构件的总质量为16质量％。
[0072]实施例3
[0073]除了将氮化硼粉末变更为炭黑粉末(东海碳株式会社制造，产品编号“#4500”)以外，与实施例1同样地得到实施例3的散热构件。实施例3的散热构件的厚度为0.75mm,油的含量相对于散热构件的总质量为56质量％。
[0074]比较例I
[0075]除了不进行油的浸渗操作以外，与实施例1同样地得到比较例I的散热构件。比较例I的散热构件的厚度为0.5mm。
[0076]比较例2
[0077]除了不进行油的浸渗操作以外，与实施例2同样地得到比较例2的散热构件。比较例2的散热构件的厚度为0.25mm。
[0078]比较例3
[0079]除了不进行油的浸渗操作以外，与实施例3同样地得到比较例3的散热构件。比较例3的散热构件的厚度为0.75mm。
[0080]对于以上述方式制作的实施例和比较例的散热构件，通过以下的方法测定热阻和绝缘击穿电压。将测定结果示于表I中。
[0081](热阻)
[0082]热阻的测定使用图2所示的热特性评价装置10进行。该热特性评价装置中，在上部具有发热体(加热块)11，在下部具有散热体(以使冷却水在内部循环的方式构成的冷却基板)12，发热体11和散热体12各自具有以边长为20mm的立方体的方式形成的铝制(A5052，热导率:140W/m ?!()的杆13。在一对杆13的侧部具备贯通发热体11和散热体12的一对压力调节用螺钉14。在压力调节用螺钉14与发热体11之间具备测压元件15，利用该测压元件15测定旋紧压力调节用螺钉14时的压力。在散热体12侧的杆13的内部设置有接触式位移计17的3根探针16 (直径Imm)。试样(散热构件)未配置到杆13之间时，探针16的上端部处于与上侧(发热体11侧)的杆13的下表面接触的状态，以能够测定上下的杆13之间的间隔(试样的厚度)的方式构成。发热体11和上下的杆13的背面侧安装有温度计19的温度传感器18。具体而言，在发热体11的I个部位处和各杆13的上下方向的等间隔的5个部位处安装有温度传感器18。
[0083]测定中，首先，使用一对杆13从上下夹持各实施例和比较例的散热构件20 (20mmX 20mm)。将压力调节用螺钉14旋紧，对散热构件20施加压力，将发热体11的温度设定为150°C，并且使20°C的冷却水在散热体12中循环。然后，在发热体11和上下的杆13的温度稳定后，使用各温度传感器18测定上下的杆13的温度，由上下的杆13的热导率(W/m -K)和温度梯度算出通过散热构件20的热通量，并且算出上下的杆13与散热构件20的界面的温度。然后，使用这些值利用热导率方程式(傅立叶定律)算出该压力下的热阻(cm2 ? K/W)。另外，在对散热构件20施加125kPa、250kPa和500kPa的压力的情况下，求出热阻。
[0084]Q=-入 gradT
[0085]R=L/ 入
[0086]Q:每单位面积的热通量
[0087]gradT:温度梯度
[0088]L:试样(散热构件)的厚度
[0089]A:热导率
[0090]R:热阻
[0091](绝缘击穿电压:B.D.V)
[0092]依据JIS K6245 求出。
[0093]表1......厚度:
【权利要求】
1.一种散热构件，包含含有含氟树脂和导热填料的多孔母材以及包含在所述多孔母材的孔内的油，其中， 所述含氟树脂含有聚四氟乙烯。
2.如权利要求1所述的散热构件，其中，所述含氟树脂还含有选自由全氟烷氧基含氟树脂和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物组成的组中的至少一种。
3.如权利要求1所述的散热构件，其中，含有I质量％以上的所述油。
4.如权利要求1所述的散热构件，其中，所述油为选自由自动传动液、发动机油、通用油、齿轮油、液压传动油和硅油组成的组中的至少一种。
5.如权利要求1所述的散热构件，其中，所述导热填料为选自由氮化硼、氮化铝、氧化铝、氮化硅和氧化镁组成的组中的至少一种绝缘性填料。
6.如权利要求1所述的散热构件，其中，所述导热填料为选自由石墨、炭黑、碳纤维、金属纤维和金属粒子组成的组中的至少一种导电性填料。
7.如权利要求1所述的散热构件，其由阻氧薄膜包成一个包装。
8.—种车辆用电动机的冷却方法，其特征在于，使用权利要求1所述的散热构件。
9.一种散热构件的制造方法，其包括: 将包含含有聚四氟乙烯的含氟树脂、导热填料和成形助剂的多个片状成形体重叠并进行压延而得到压延层叠片的工序(1)， 从所得到的压延层叠片中除去所述成形助剂而得到多孔母材的工序(2)，和 使油浸渗到所得到的多孔母材中的工序(3)。
10.如权利要求9所述的散热构件的制造方法，其中，在所述工序(2)和所述工序(3)之间还包括对多孔母材进行加压成形的工序(4)。
11.如权利要求9所述的散热构件的制造方法，其中，在将所述多孔母材的孔内的空气除去之后，将所述多孔母材浸溃到油中并对该油进行加压，由此进行所述工序(3)。
【文档编号】H02K9/19GK103459489SQ201180069498
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年10月20日 优先权日:2011年3月23日
【发明者】北川大辅, 高山嘉也, 鱼田敏男 申请人:日东电工株式会社