JP5115029B2 - 高熱伝導絶縁材と絶縁紙、コイルボビンおよび電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電気部品、電子部品、およびそれら装置等の発熱源からの放熱を促進するとともに絶縁性を確保するための高熱伝導絶縁材と、該高熱伝導絶縁材から成形される絶縁紙とコイルボビン、さらに該絶縁紙またはコイルボビンを有する電動機に関するものである。

近時、電気部品、電子部品やそれらの部品からなる装置の高密度化、小型化、高出力化の進展に伴って、これらの部品、装置内に内蔵されるコイルや半導体からの発熱量も大きくなっており、この熱の放散を如何におこなうかが大きな課題の一つとなっている。

従来は、シリコンゴムやＥＰＤＭ等のポリマー母材内に炭化ケイ素等の熱伝導性を有するフィラーを分散させた熱伝導材を製作し、これを上記する部品や装置等の発熱源に接触配置させたり、上記部品等が収容されたヒートシンクと該部品等との間に介在させることで発熱源からの放熱性を高めていた。

しかし、上記するポリマー母材内にフィラーが分散された熱伝導材では、その製造過程においてフィラーを多充填し難いこと、および、多充填した場合でも成形性が悪くなり、成形品の機械的強度が低いことが課題であった。図３ａにおいて、ポリマーａ内に大径のフィラーｂ、…が多充填された熱伝導絶縁材を示している。

また、特許文献１〜３に開示のように、ポリマー母材内に粒径の異なる２種類のフィラーを分散させることで熱伝導率が高められた熱伝導材が得られるといった技術もあるが、この熱伝導材ではその溶融時の粘度が大きくなってしまい、成形性が著しく低下する。これを図３ｂにて模式的に示しており、ポリマーａ内に大径のフィラーｂ、…と小径のフィラーｃ、…が分散された熱伝導絶縁材となっている。

さらには、図３ｃに示すように、ポリマー母材ａ内にフィラーｂ、…を分散させ、フィラーｂ、ｂ同士を低溶融合金ｄ（たとえばすず合金）にて繋ぐことで熱伝導パスを形成し、熱伝導率を高めるといった技術もあるが、この場合には、熱伝導材自体が電気を流すこととなり、したがって絶縁用途には適用できない。

特開２００１−１３９７３３号公報 特開２００１−３３９０１９号公報 特開２００３−１９７８３３号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、絶縁性を確保しながら、放熱性能も高く、成形性にも優れた高熱伝導絶縁材を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による高熱伝導絶縁材は、相対的に大寸法のフィラーのまわりに相対的に小寸法のフィラーが凝集してなる凝集体が、ポリマー母材内に分散していることを特徴とするものである。

ここで、フィラーは球状やその他多様な形状を呈しており、その形状に限定はない。また、相対的に大寸法のフィラー（粗大なフィラー）と相対的に小寸法のフィラー（微小なフィラー）からなる凝集体とは、大きさが異なる２種類のフィラー凝集体のほか、大きさが異なる３種類以上のフィラー凝集体であってもよい。たとえば、最も大きな寸法のフィラー外周側に２番目に大寸法のフィラーが複数凝集し、さらに最小寸法のフィラーが同様に最大寸法のフィラー外周側に複数凝集して凝集体が形成される形態である。なお、相対的に大寸法のフィラーが球状または略球状の場合に、その粒子径は１〜１００μｍ程度に生成でき、小寸法のフィラーの粒子径は０．１〜１０μｍ程度に生成することができる。

寸法の異なるフィラーの生成方法は、一つには予め大きな寸法のフィラーを生成し、この一部を破砕して小寸法のフィラーを生成し、双方を分級する方法があり、他の方法として、核となる小寸法のフィラーをまず生成し、化学的に制御しながら大寸法のフィラーを生成する方法もある。

相対的に大寸法、小寸法のフィラーを生成後、これらを混ぜ合わせることで上記する凝集体を生成することができる。

ここで、ポリマー母材はシリコン、ナイロン（登録商標）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）のいずれか一種から選定でき、フィラーは炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、シリカ、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムのいずれか一種またはそれらの混合物から選定できる。これらの材料は比較的安価で入手が容易であることから本発明の高熱伝導絶縁材には好適である。

本発明の高熱伝導絶縁材によれば、相対的に大寸法のフィラーのまわりに相対的に小寸法のフィラーが凝集してなる凝集体がポリマー母材内に分散していることで、次のような効果が得られる。

一つ目の効果は、フィラーの充填量を多くしたり、フィラーの大きさを大きくすることなく、ポリマーとフィラー間の伝熱効率を高めることができることである。これは本発明者等による解析の結果特定されたものであり、従来の一様な粗大フィラーがポリマー内に分散された絶縁材と比較した場合に、等しい伝熱量を得るために必要なフィラー間距離を長くすることができ、これはフィラー充填量を低減できることを意味するものである。フィラー充填量を低減できることから、その成形性を高めることができ、多充填によって凝集体がポリマー内に偏在し易くなり、この偏在箇所が部材強度の弱部となるといった課題も同時に解消することができる。

二つ目の効果は、凝集体が大寸法のフィラー外周から小寸法のフィラーがランダムに突出した粒構造を呈していることで、伝熱方向が任意の一方向（異方性）を有することなく多様な方向となる（等方性）。従来の繊維状フィラーを有する絶縁材では、その配向方向と伝熱方向が異なった場合に所望の熱伝導率が得られ難かった。

三つ目の効果として、上記する構造の凝集体であることで、小寸法のフィラーがポリマー内に埋め込まれてアンカー効果を発揮でき、その結果としてポリマーとフィラー凝集体との界面強度が高められることで絶縁材の機械的強度を高めることができる。

上記する本発明の高熱伝導絶縁材は、高絶縁性、高放熱性に加えて高い成形性を有するものである。その用途としては、電動機のステータコアにおけるスロット絶縁紙や相間絶縁紙、またはコイルを巻装した姿勢でステータのティースに装着されるコイルボビンなどに好適であり、近時その量産が盛んで搭載される電動機の高性能化が叫ばれているハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用電動機に特に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明によれば、高絶縁性、高放熱性を有し、高い機械的強度と優れた成形性を有する熱伝導絶縁材が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の高熱伝導絶縁材の内部構造を拡大した模式図であり、図２はフィラー間の最小離間を算定する解析で用いた簡易伝熱モデルであって、図３ａは実施例モデルであり、図３ｂ、ｃはそれぞれ比較例モデルである。

図１は高熱伝導絶縁材の内部構造を模式的に示した図である。高熱伝導絶縁材は、ポリマー母材１の内部に多数の凝集体４，…が分散された構造を呈しており、この凝集体４は任意形状の粗大フィラー２の外周面に複数の任意形状の微小フィラー３，…が凝集して生成されている。

ここで、ポリマー母材１は、シリコン、ナイロン、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）のいずれか一種から形成され、凝集体４を構成する粗大フィラー２および微小フィラー３は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、シリカ、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムのいずれか一種またはそれらの混合物から生成される。

粗大フィラー２と微小フィラー３は、まず、粗大フィラー２を生成後、その一部を粉砕して細分化し、分級するなどして所定寸法の微小フィラー３を生成する。これら粗大フィラー２と微小フィラー３を混連することにより凝集体４を生成することができる。

[フィラー間の最小離間を算定するための解析とその結果]
本発明者等は、図１で示す構造を呈する本発明の熱伝導絶縁材と、図３ｂで示す従来の熱伝導絶縁材、および図３ｃで示す従来の熱伝導絶縁材をそれぞれ簡易的にモデル化し（順に実施例、比較例１、比較例２）、等しい伝熱量を得るために必要となる最小離間を解析にて求めた。最小離間が長くなれば、必要な充填フィラー量が少なくて済むこととなり、その成形性を高めることができることとなる。また、充填フィラー量が少ないことで、より高い放熱性が要求される場合により多くのフィラーを充填できる余裕があることをも意味する。解析は、定常伝熱状態で一次元方向の簡易伝熱モデルとし、粗大フィラー、微小フィラーともに球状として実行した。さらに、熱源側を１５０℃、放熱側を５０℃に設定している。

実施例、比較例１，２の各解析モデルを図２ａ，ｂ，ｃに、その解析条件と結果の一覧を以下の表１にそれぞれ示す。

表中、Ｘはフィラー間の離間であり、Ｌは粗大フィラー間の離間であり、Ｑ（＝ΔＴ／ΣＲ）は伝熱量であり、ΔＴは熱源側と放熱側の温度差であり、Ｒは伝熱距離／（熱伝導率×伝熱面積）である。さらに、ポリマーの熱伝導率を０．３（Ｗ／ｍＫ）、電熱面積を１（μｍ^２）、ΔＴを１００（Ｋ）（１５０−５０（Ｋ））と設定している。

表１より、等しい伝熱量を得るための粗大フィラーの最小離間は実施例が最も長くなり（Ｌ＝６０μｍ）、したがって、比較例１，２に比して充填フィラー量を少なくできることが特定された。

また、この解析結果より、実施例における粗大フィラーの最小離間が最も長くなることから、フィラー充填の際の立体障害の可能性が最も低く、粘度障害に起因する成形不良の可能性が最も低いことが特定された。また、ポリマー内に埋設された微小フィラーによるアンカー効果が期待でき、比較例に比して機械的強度に優れた熱伝導絶縁材が得られることは明らかである。

上記する本発明の高熱伝導絶縁材は、絶縁性、放熱性と機械的強度に優れ、さらには成形性に優れた熱伝導絶縁材を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の高熱伝導絶縁材の内部構造を拡大した模式図である。 フィラー間の最小離間を算定する解析で用いた簡易伝熱モデルであり、（ａ）は実施例モデルであり、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ比較例モデルである。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はともに、従来の熱伝導絶縁材の内部構造を拡大した模式図である。

符号の説明

１…ポリマー母材、２…粗大フィラー（相対的に大寸法のフィラー）、３…微小フィラー（相対的に小寸法のフィラー）、４…凝集体

Claims (6)

1. 相対的に大寸法のフィラーのまわりに相対的に小寸法のフィラーが凝集してなる凝集体が、ポリマー母材内に分散していることを特徴とする高熱伝導絶縁材。
2. 前記ポリマー母材はシリコン、ナイロン（登録商標）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）のいずれか一種からなり、前記フィラーは炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、シリカ、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムのいずれか一種またはそれらの混合物からなる、請求項１に記載の高熱伝導絶縁材。
3. 請求項１または２に記載の高熱伝導絶縁材で成形されてなる絶縁紙。
4. 請求項１または２に記載の高熱伝導絶縁材で成形されてなるコイルボビン。
5. 請求項３に記載の絶縁紙がスロット絶縁紙または相間絶縁紙として適用されてなる電動機。
6. 請求項４に記載のコイルボビンにコイルが巻装され、これがステータのティースに装着されてなる電動機。

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