JP2006511782A - フレキシブルグラファイト熱管理装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、フレキシブルグラファイトから構築された熱管理装置に関する。一実施態様では、熱管理装置は、シェルの内側に芯構造を包含する。特定の好ましい実施態様では、芯構造は膨脹グラファイトの集合体から構成される。別の実施態様では、装置のシェルはフレキシブルグラファイトおよび所望により使用する芯構造を包含する。特定の好ましい実施態様では、フレキシブルグラファイトシェルは流体不透過性である。本発明は、上記の熱管理装置の製造方法もさらに包含する。

Description

発明の分野

本発明は、熱管理装置に関し、より詳細には、フレキシブルグラファイトを含んでなる熱管理装置、および当該装置の製造方法に関する。

熱管理装置、例えばヒートパイプは、熱移動の分野で公知の装置である。ヒートパイプは、実質的に熱移動の閉鎖系であり、その中で少量の液体が、密封され、排気されたエンクロージャの中で蒸発および凝縮サイクルを通して循環している。ケーシング上のある位置でエンクロージャに入る熱が液体をその位置で蒸発させ、蒸気を発生させ、この蒸気がケーシング上のより低温の位置に移動し、そこで凝縮する。蒸気の移動は、蒸発部の位置と凝縮部位置の間の小さな蒸気差圧により引き起こされる。熱移動は、蒸気を発生させる蒸発熱が蒸気と共に凝縮部の位置に実質的に移動し、そこで凝縮熱として放棄される時に完了する。

熱移動を続けるには、凝縮した液体が凝縮部位置から蒸発部位置に戻り、そこで再び蒸発しなければならない。この戻りは、重力のような簡単なものによっても達成されるが、ヒートパイプが重力それ程影響しないように、毛管芯が一般的に使用されている。そのような芯は、液体が生じる凝縮部に近い位置から蒸発に必要な蒸発部位置まで伸びている。

構築材料に関して、ケーシングは伝統的に銅または他の金属から製造され、ヒートパイプ中の蒸気圧に構造的に十分に耐え、発生した蒸気またはヒートパイプケーシングの外側にある非凝縮性ガスに対して多孔質にならないだけの十分な厚さの壁を形成する。

熱伝導性であると共に、芯のための毛管構造としても作用する材料の開発にあたり、多大な努力が費やされている。当該材料として最も一般的なものとして、多層で使用される金属スクリーンおよびケーシングに取り付ける構造に焼結させた金属粉末が挙げられる。ヒートパイプに入る熱が芯の中に導かれ、蒸発部にある芯を通り、芯中の液体を蒸発させるのに、そのような芯の熱伝導特性が重要であると考えられている。また、ヒートパイプ構造では、入って来る熱が芯中の液体に直接到達するように、芯が蒸発部におけるケーシング壁に取り付けてあるのが一般的に好ましい。

しかし、従来のヒートパイプ構造では不十分である用途がある。金属ケーシングおよび金属芯は、重量、剛性、および導電性をヒートパイプに加えるが、これは状況によっては使用できない場合がある。携帯用コンピュータ、いわゆる「ラップトップ」コンピュータ、は、伝統的なヒートパイプを使用し難い用途の一つである。そのような用途には、重量および空間が極めて重要なファクターである。さらに、金属ケーシングおよび焼結させた芯のコストも、競争の激しい携帯用コンピュータ市場では不利である。その上、従来材料製の芯部品は、耐食性ではない。従って、ヒートパイプ用の新しい構築材料を見出す必要性が有る。

本発明の一実施態様では、流体に対して実質的に不透過性のシェル、およびシェルの内側にある芯構造を含んでなる熱管理装置を提供する。特定の好ましい実施態様では、芯は膨脹グラファイトの集合体を含んでなる。

本発明の別の実施態様では、膨脹グラファイトの集合体から形成された芯構造を有する熱管理装置の製造方法を提供する。

本発明の別の実施態様では、フレキシブルグラファイトから構築されたシェルを有する熱管理装置を提供する。

本明細書を読むことにより当業者には明らかになる本発明の別の実施態様では、フレキシブルグラファイトから構築されたシェルを有する熱管理装置の製造方法を提供する。

本発明の熱管理装置には、従来の装置と比較して、優れた重量、妥当な剛性、および十分な熱伝導性を含む多くの利点がある。その上、本発明の装置の芯構造は、従来の芯材料と比較して、耐食性が改善されている。

本発明の他の特徴および優位性は、下記の詳細な説明中に記載してあり、当業者には、その説明から部分的に明らかであるか、または本発明を、下記の詳細な説明、請求項、ならびに付随する図面を包含する本明細書に記載されているように実行することにより、理解される。

上記の一般的な説明および下記の詳細説明の両方とも、本発明の実施態様に関するものであり、特許権請求する本発明の性質および性格を理解するための全体像または骨格を与えるものである。添付の図面は、本発明をより深く理解するために与えられ、明細書の一部を構成する。これらの図面は、本発明の様々な実施態様を例示し、説明と共に、本発明の原理および操作を説明するのに役立つ。

グラファイトは、炭素の層状構造、すなわち、弱いファンデルワールス力により互いに接合した炭素原子の層または薄層が重なった構造を有することが特徴である。グラファイト構造を考える際、通常、２つの軸（又は方向）、すなわち、ｃ軸（又は方向）及びａ軸（又は方向）により説明できる。単純化するために、ｃ軸（又は方向）は、炭素層に垂直な方向と考えることができる。ａ軸（又は方向）は、炭素層に平行な方向、又はｃ軸方向に垂直な方向と考えることができる。フレキシブルグラファイトシート製造用のグラファイトは、相当高い配向性を有していることが好ましい。

上記したように、炭素原子からなる平行な各層は、弱いファンデルワールス力によってのみ結合を保っている。天然グラファイトの処理により、炭素の層または薄層が重なり合った間隔が広くなり、層と垂直な方向、すなわちｃ軸方向に著しく広がるため、炭素層の重なりが実質的に保たれたまま、伸張ないし膨張したグラファイト構造が形成される。

もとのｃ軸方向寸法の約８０倍以上の最終厚さ（またはｃ軸方向寸法）を有する程度に大きく膨張したグラファイトフレークは、バインダーを使用せずに、例えば、ウエブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マット等（一般に「フレキシブルグラファイト」と呼ばれる）の膨張グラファイトの凝集又は一体化したシートに形成される。もとのｃ軸方向寸法の約８０倍以上の最終厚さ（またはｃ軸寸法）を有する程度にまで大容積化した膨張グラファイト粒子は、グラファイト粒子間での機械的な絡み合いや凝集力有するために、バインダー材料を用いなくとも圧縮して一体化したフレキシブルシートに形成することができると考えられる。

ロールプレス加工等の高圧縮から生じるシートの対向面は、実質的に平行な膨張グラファイト粒子やグラファイト層が配向しているため、上記のシート材料はフレキシブルであるとともに、熱伝導率や電気導電率の異方性および流体拡散性の異方性が、出発材料であるグラファイトと同程度に高いことも判明した。このように製造されたシート材料は、優れた可撓性を有し、良好な強度及び高度の配向を有する。

簡単に述べると、フレキシブルでバインダーを必要としない異方性グラファイトシート材料（例えば、ウエブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マット等）の製造方法は、もとの粒子寸法の約８０倍以上のｃ軸方向寸法を有する膨張グラファイト粒子を、バインダーを用いずに所定負荷で圧縮又は圧密化して、実質的に平坦でフレキシブルな一体化したグラファイトシートを形成する工程を含む。一度圧縮すると、その外観が一般的にコイル構造すなわち虫様になる膨張グラファイト粒子は、圧縮ひずみが残り、シート主面と対向した配置が維持される。シート材料の密度及び厚さは、圧縮の度合いを制御することにより変更できる。シート材料の密度は、約０．０４ｇ／ｃｃ〜約２．０ｇ／ｃｃの範囲とし得る。フレキシブルグラファイトシート材料は、グラファイト粒子がシートの主対向平行表面と平行して整列しているので高い異方性を示し、シートのロールプレス加工により異方性の程度が増加して配向性も増加する。ロールプレス加工した異方性シート材料においては、厚さ、すなわち、対向した平行シート表面に垂直な方向はｃ軸方向を含み、長さおよび幅に沿って広がる方向、すなわち、対向主面に沿った又は平行な方向はａ軸方向を含む。また、シートの熱的、電気的性質および流体拡散性は、ｃ軸方向とａ軸方向とでは、大きさが何桁も異なる。

グラファイト粒子から物体を製造する方法が提案されている。例えば、Haywardの米国特許第５，８８２，５７０号には、フレキシブルな未含浸グラファイトホイルを小粒子径に粉砕し、粒子に熱衝撃を与えて膨脹させ、膨脹したグラファイトを熱硬化性フェノール系樹脂と混合し、混合物を射出成形して低密度ブロックまたは他の形状を形成し、次いでブロックを熱処理して材料を熱硬化させる方法が開示されている。得られたブロックは、炉などの断熱材として使用できる。

Haywardの国際特許第ＷＯ００／５４９５３号および米国特許第６，２１７，８００号には、米国特許第５，８８２，５７０号の方法に関連する方法が記載されている。Haywardの方法は、使用する原材料の範囲や製造可能な最終製品の種類が非常に限られている。Haywardは、未含浸グラファイト原材料だけを使用し、その完成した製品は、グラファイト粒子を大量の樹脂と混合し、混合物を射出成形して物体を形成し、次いでこれを熱硬化させることによってのみ、形成されるものである。

グラファイトに関して、グラファイトは、炭素原子の六角形配列又は網目構造の層面から構成されている。これらの六角形に配列された炭素原子の層面は、実質的に平坦であり、かつ実質的に平行で等距離となるように互いの層面が配向又は配列されている。炭素原子からなる実質的に平坦で平行な等距離の、通常「グラフェーン層」又は「基底面」と称されるシート又は層は、互いに連結又は結合され、それらの群はクリスタリット形態で配列されている。高度に配列したグラファイトは、相当大きいクリスタリットからなり、そのクリスタリットは、互いに高度に整列もしくは配向し、よく整列した炭素層を有する。換言すれば、高度に配列したグラファイトは、高いクリスタリット配向を有する。ここで、グラファイトは、異方性構造を有するため、熱伝導性や導電率ならびに流体拡散等に高い方向性を有する多数の特徴を示したりあるいは有している。

本発明は、原料、例えばグラファイト材料のフレキシブルシートを用意することを含んでなる。この原料は、典型的にはグラファイト、すなわち、原子が平坦層状に共有結合した面どうしが、より弱く結合した結晶形態の炭素を含んでなる。上記グラファイトのフレキシブルシート等の原材料を得る際に、天然グラファイトフレーク等のグラファイト粒子を、典型的には、例えば、硫酸及び硝酸の溶液からなる挿入物質（インターカラント）で処理することにより、グラファイトの結晶構造が反応してグラファイトとインターカラントとの化合物が形成される。処理したグラファイト粒子を、以下「インターカラントグラファイト粒子」と称する。高温暴露すると、グラファイト内のインターカラントが分解・揮発して、インターカラントグラファイトの粒子が、ｃ軸方向、すなわち、グラファイトの結晶面に垂直な方向に、もとの容積の約８０倍以上の寸法に蛇腹状に膨張する。膨張（剥離とも称される）グラファイト粒子は、外観がねじ状であり、したがって、一般的にウォームと称されている。ウォームは、ともに圧縮してフレキシブルシートとすることができる。フレキシブルシートは、処理前のグラファイトフレークとは異なり、種々の形状に形成及び切断でき、また変形により機械的影響を受けて小さな横軸開口を備えることができる。

本発明に使用するのに好適な剥離されたグラファイトシートまたはフレキシブルグラファイトシート用のグラファイト出発材料としては、熱に暴露したときに有機酸や無機酸だけでなくハロゲンを挿入して膨張させた、高度に黒鉛化した炭素質材料などがある。これらの黒鉛化度の高い炭素質材料は、最も好ましくは黒鉛化度が約１．０である。この開示で使用される用語「黒鉛化度」とは、下式による値（ｇ）を意味する：

（式中、ｄ（００２）は、結晶構造におけるグラファイトの炭素層間の間隔（単位：オングストローム）である）。グラファイトの層間の間隔ｄは、標準Ｘ線回折法により測定される。（００２）、（００４）及び（００６）ミラー指数に対応する回折ピークの位置を測定し、標準最小二乗法を用いてこれらのピークの全てについて全誤差を最小にする間隔を導く。黒鉛化度が高い炭素質材料の例として、種々の原料から得られる天然グラファイトだけでなく、他の炭素質材料、例えば、化学蒸着、ポリマーの高温熱分解、または溶融金属液からの結晶化等により調製したグラファイトなどが挙げられるが、天然グラファイトが最も好ましい。

本発明に使用されるフレキシブルシート用のグラファイト出発材料は、原料の結晶構造に必要とされる黒鉛化度を保ち、かつこれらが剥離し得る限り、非グラファイト成分を含有しても良い。一般的に、結晶構造に必要とされる黒鉛化度を有し、かつ剥離し得るいずれの炭素含有原料も、本発明に好適に使用できる。このようなグラファイトの灰分は、好ましくは２０重量％未満である。より好ましくは、本発明に用いられるグラファイトは、少なくとも約９４％の純度を有する。最も好ましい実施態様によれば、用いられるグラファイトは、少なくとも約９９％の純度を有する。

グラファイトシートの一般的な製造方法は、Shaneらの米国特許第３，４０４，０６１号（この開示は本明細書に包含される）に記載されている。Shaneらの方法の典型的な実施に際して、天然グラファイトフレークを、例えば、硝酸と硫酸の混合物溶液に分散する、好ましくは、グラファイトフレーク１００重量部当たりインターカラント溶液約２０〜約３００重量部（ｐｐｈ）程度含む溶液に分散することによりグラファイトに物質挿入を行う。インターカレーション溶液は、当該技術分野において公知の酸化剤等のインターカレーション剤を含有する。それらの例として、酸化剤及び酸化性混合物を含有するもの、例えば、硝酸、塩素酸カリウム、クロム酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸カリウム、二クロム酸カリウム、過塩素酸等を含有する溶液、又は混合物、例えば、濃硝酸と塩素酸塩の混合物、クロム酸とリン酸の混合物、硫酸と硝酸の混合物、もしくは強有機酸（例えば、トリフルオロ酢酸）とこの有機酸に溶解する強酸化剤との混合物を含有する溶液などが挙げられる。別の方法として、電位を使用してグラファイトの酸化を生じさせることができる。電解酸化を用いたグラファイト結晶に導入できる化学種には、硫酸だけでなく他の酸も挙げられる。

好ましい実施態様によれば、インターカレーション剤は、硫酸又は硫酸とリン酸と、酸化剤、すなわち、硝酸、過塩素酸、クロム酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、ヨウ素酸若しくは過ヨウ素酸との混合物の溶液等である。これらの溶液よりは好ましくないが、塩化第二鉄等のハロゲン化金属、及び塩化第二鉄と硫酸との混合物、又はハロゲン化物、例えば、臭素を臭素と硫酸の溶液としてか、あるいは臭素を有機溶媒に溶解した溶液として含有できる。

インターカレーション溶液の量は、約２０〜約１５０ｐｐｈの範囲でよく、より典型的には約５０〜約１２０ｐｐｈの範囲でよい。グラファイトフレークに物質挿入した後、過剰の溶液をグラファイトフレークから取り除いて、グラファイトフレークを水洗する。あるいは、インターカレーション溶液の量は、約１０〜約５０ｐｐｈとしてよい。この量では、米国特許第４，８９５，７１３号に開示ないし示唆されているように洗浄工程を省略してもよい。上記文献に開示されている内容も、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。

インターカレーション溶液で処理したグラファイトフレークの粒子は、必要に応じて、例えば、２５℃〜１２５℃の範囲で酸化性インターカレーション液の表面膜と反応するアルコール類、糖類、アルデヒド類及びエステル類から選択された還元性有機剤と混合して、これら還元性有機剤と接触させてもよい。好ましい具体的有機剤としては、ヘキサデカノール、オクタデカノール、１−オクタノール、２−オクタノール、デシルアルコール、１，１０−デカンジオール、デシルアルデヒド、１−プロパノール、１，３−プロパンジオール、エチレングリコール、ポリプロピレングリコール、デキストロース、フルクトース、ラクトース、スクロース、ジャガイモデンプン、エチレングリコールモノステアレート、ジエチレングリコールジベンゾエート、プロピレングリコールモノステアレート、グリセロールモノステアレート、ジメチルオキシレート、ジエチルオキシレート、メチルホルメート、エチルホルメート、アスコルビン酸、及びリグニン由来化合物、例えば、リグノ硫酸ナトリウムなどが挙げられる。有機還元剤の量は、グラファイトフレークの粒子の約０．１〜５重量％の範囲であることが好ましい。

インターカレーション前、インターカレーション中、もしくはインターカレーション直後に膨張助剤を使用して改善することもできる。これらの改善には、剥離温度の減少及び膨張体積（「ウォーム体積」とも称される）の増加などがある。このための膨張助剤は、インターカレーション溶液に充分溶解して膨張を改善できる有機材料であるのが有利である。より詳細には、この種の有機材料としては、炭素、水素、及び酸素含有物を用いてもよく、このような有機材料のみを用いることが好ましい。上記有機材料としてカルボン酸がとりわけ有効であることが判明した。膨張助剤として有用である好適なカルボン酸は、炭素数が少なくとも１個、好ましくは炭素数が最大約１５個である、芳香族、脂肪族又はシクロ脂肪族、直鎖又は分岐鎖、飽和及び不飽和のモノカルボン酸類、ジカルボン酸類並びに多カルボン酸類から選択できるが、これらのカルボン酸は、一つ以上の剥離面で適度な改善をするのに有効な量のインターカレーション溶液に可溶であることが必要である。好適な有機溶媒を用いて、インターカレーション溶液への有機膨張剤の溶解度を改善することができる。

飽和脂肪族カルボン酸類の代表例としては、Ｈ（ＣＨ_２）_ｎＣＯＯＨ（式中、ｎは０〜約５の数である）等で表される酸類、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸等が挙げられる。カルボン酸類の代わりに、無水物又は反応性カルボン酸誘導体、例えば、アルキルエステルを用いてもよい。アルキルエステル類の代表例は、ギ酸メチル及びギ酸エチルである。硫酸、硝酸及び他の公知の水性インターカラントは、ギ酸を分解して最終的に水と二酸化炭素とすることができる。このため、ギ酸及び他の効果的な膨張助剤を、グラファイトフレークを水性のインターカラントに浸漬する前にグラファイトフレークと接触させるのが有利である。代表的なジカルボン酸として、炭素数が２〜１２個である脂肪族ジカルボン酸、特にシュウ酸、フマル酸、マロン酸、マレイン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、１，５−ペンタンジカルボン酸、１，６−ヘキサンジカルボン酸、１，１０−デカンジカルボン酸、シクロヘキサン−１，４−ジカルボン酸及び芳香族ジカルボン酸、例えば、フタル酸又はテレフタル酸が挙げられる。代表的なアルキルエステルとして、ジメチルオキシレート及びジエチルオキシレートが挙げられる。代表的なシクロ脂肪族酸として、シクロヘキサンカルボン酸が挙げられ、代表的な芳香族カルボン酸として、安息香酸、ナフトエ酸、アンスラニル酸、ｐ−アミノ安息香酸、サリチル酸、ｏ−、ｍ−及びｐ−トリル酸、メトキシ及びエトキシ安息香酸、アセトアセタミド安息香酸類及びアセタミド安息香酸類、フェニル酢酸並びにナフトエ酸類が挙げられる。代表的なヒドロキシ芳香族酸としては、ヒドロキシ安息香酸、３−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、３−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、４−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸及び７−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸が挙げられる。多カルボン酸中で代表的なものとしては、クエン酸が挙げられる。

インターカレーション溶液は水性であり、剥離を高めるのに有効な量として、好ましくは膨張助剤を約１〜１０％含有する。膨張助剤を、インターカレーション水溶液に浸漬する前又は後にグラファイトフレークと接触させる実施態様では、膨張助剤とグラファイトとを混合するに際して、典型的には膨張助剤と約０．１重量％〜約１０重量％の量のグラファイトフレークとを、好適な手段、例えば、Ｖブレンダーにより混合できる。

グラファイトフレークに物質挿入した後及びインターカラントグラファイトフレークと有機還元剤との混合に続いて、混合物を、２５℃〜１２５℃の範囲の温度に暴露して還元剤とインターカラントグラファイトフレークとの反応を促進することができる。加熱期間は、約２０時間以内であり、例えば、上記範囲において温度が高い場合には、加熱時間はもっと短かくてもよく、少なくとも約１０分間である。

この様に処理したグラファイトの粒子は、「インターカレーション処理したグラファイトの粒子」と呼ばれることがある。高温、例えば少なくとも約１６０℃、特に約７００℃〜１２００℃以上の温度に暴露することにより、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子は、ｃ軸方向、すなわち構成するグラファイト粒子の結晶面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０〜１０００倍以上にも膨張する。膨脹した、すなわち剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、フレキシブルシートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および裁断し、以下に説明する様に、機械的衝撃を加えて変形させることにより、小さな横方向開口部を形成することができる。

フレキシブルグラファイトシートおよびホイルは、凝集性であり、良好な取扱強度を有し、例えばロールプレス加工により、厚さ約０．０５ｍｍ〜４．００ｍｍ、典型的な密度約０．１〜１．５グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｃ）に適宜圧縮される。米国特許第５，９０２，７６２号（本明細書の一部として包含される）に開示されている様に、約１．５〜３０重量％のセラミック添加剤をインターカレーション加工したグラファイトフレークと混合し、最終的なフレキシブルグラファイト製品の樹脂含浸性を高めることができる。これらの添加剤は、長さ約０．１５〜１．５ミリメートルのセラミック繊維粒子を含む。粒子の幅は約０．０５〜０．００１ｍｍが好適である。セラミック繊維粒子は、グラファイトに対して非反応性で非粘着性であり、約１１００℃までの、好ましくは約１４００℃以上の温度で安定している。好適なセラミック繊維粒子は、細断した石英ガラス繊維、炭素およびグラファイト繊維、ジルコニア、窒化ホウ素、炭化ケイ素およびマグネシア繊維、天然鉱物繊維、例えばメタケイ酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウムアルミニウム繊維、酸化アルミニウム繊維等から形成される。

フレキシブルグラファイトシートは、場合により、樹脂で処理するのが有利であり、吸収された樹脂は、硬化後、フレキシブルグラファイトシートの耐湿性および取扱強度、すなわち剛性を高めると共に、シートの形状を「固定する」。好適な樹脂含有量は、好ましくは少なくとも５重量％、より好ましくは約１０〜３５重量％であり、約６０重量％まで好適である。本発明の実施に特に有用であることが分かっている樹脂としては、アクリル、エポキシおよびフェノールを基剤とする樹脂系、またはそれらの混合物がある。好適なエポキシ樹脂系には、ジグリシジルエーテルまたはビスフェノールＡ（ＤＧＥＢＡ）を基剤とする系、および他の多官能性樹脂系があり、使用できるフェノール系樹脂としては、レゾールおよびノボラックフェノール系が挙げられる。特定の好ましい実施態様では、樹脂のガラス転移温度が熱管理装置の使用温度と関連する。上記のように製造されたグラファイトシートは、所望の製品に切断およびトリミングすることができる。樹脂で処理したフレキシブルグラファイトは、「樹脂含浸されたフレキシブルグラファイト」または「含浸フレキシブルグラファイト」とも呼ばれる。

ここで本発明について、図面を参照しながらヒートパイプに関して説明するが、本発明は、ヒートパイプに限定されるものではなく、他の種類の熱管理装置、例えば蒸気チャンバーにも応用できる。可能な場合、図面で同等または類似の部品は同等または類似の番号で表示する。

図１は、全体的に１０で示す円筒形ヒートパイプの内部の様子を示す図である。図１には、作動流体の全体的な流路に対して水平な向きに配置した円筒形ヒートパイプを示す。ヒートパイプ１２は、シェル１４および芯構造１６を含む。所望により、ヒートパイプ１２は、芯構造１６の外側に、少なくとも一個の流体通路１８を含み、矢印Ｅで示す。ヒートパイプ１２は、芯構造１６の内側に、少なくとも一個の流体通路２０も含み、矢印Ｉで示す。芯構造１６は、複数の、大体半径方向の流体通路も含んでなることができ、これによって作動流体が少なくとも通路１８から、芯構造１６を通り、通路２０に移動することができる。所望により、ヒートパイプ１２は、ヒートパイプ１２の対向する末端に蒸発部２２および凝縮部２６を含む。

ヒートパイプ１２は、熱源３０に対する係合部品２８を含むことができる。所望により、係合部品２８は、ヒートパイプ１２の、蒸発部２２と同じ末端に位置する。特定の好ましい実施態様では、係合部品２８は、熱源３０の表面と接触する表面を有し、係合部品２８の表面は、所望により、係合部品２８と接触する熱源３０の表面と鏡像の関係にある。別の好ましい実施態様では、係合部品２８は、ヒートパイプ１２の外側部分とも接触する。係合部品２８とヒートパイプ１２との間の接触により、熱源３０からヒートパイプ１２への熱移動が強化される。係合部品２８の好適な構築材料は、少なくともフレキシブルグラファイト、銅、アルミニウム、およびそれらの組合せを含んでなる。係合部品２８に好適な材料の例は、グラフテック社から市販されているeGRAF（商品名）HS400を含んでなる。熱源３０の一例は、コンピュータチップである。

図１に示すように、ヒートパイプ１２は、シェル１４の少なくとも一部に配置された複数のフィン３２を含むこともできる。所望により、フィン３２は、少なくともパイプ１２の、凝縮部２６が位置する末端に配置される。フィン３２を包含するヒートパイプ１２の実施態様に関して、好ましくはフィン３２は、フレキシブルグラファイトから構築される。フィン３２の他の好適な材料は、銅、アルミニウム、および上に挙げた材料のいずれかの組合せでよい。フィン３２は、図１に示す実施態様に限定されない。フィン３２のどのような好適な形状でも本発明の一部として使用できる。例えば、フィン３２は、基礎部品と、間隔を置いて配置された、ヒートパイプ１２から離れるように垂直に伸びる複数のフィンの組合せを含むことができる。本発明の一実施態様は、フィン３２を横切って空気を移動させ、フィン３２により吸収される熱の放散を支援するファンを含んでいても良い。

図１に示すように、熱は熱源３０で発生する。熱源３０で発生した熱は、ヒートパイプ１２に伝達され、少なくとも蒸発部２２にある作動流体を蒸発させる。作動流体の蒸気相は、矢印Ｉにより示すように、通路２０に沿って凝縮部２６に流れる。作動流体の蒸気は凝縮部２６で液体形態に凝縮し、凝縮により作動流体から除去された熱はフィン３２に伝達され、周囲環境中に放散する。液体形態の作動流体は、通路１８に沿って、矢印Ｅにより示される方向で蒸発部２２に流れて戻る。凝縮部２６から蒸発部２２に液体作動流体を移動させる典型的な流動機構は、少なくとも重力、毛管作用、またはそれらの組合せを包含する。

所望により、ヒートパイプ１２は、大気圧未満の圧力で操作することができる。ヒートパイプ１２の内部圧力を調節することにより、ヒートパイプ１２内側の作動流体が蒸発する温度を、熱源３０により発生する熱と関連する温度の特定の変化に合わせることができる。例えば、作動流体が水であり、ヒートパイプ１２を減圧下で操作する場合、水は約１００℃未満の温度で蒸発する。

ヒートパイプの第二の実施態様を図２に、全体的に番号４０で示す。所望により、ヒートパイプ４０は、作動流体の移動経路に対して垂直方向に配置することができる。しかし、ヒートパイプ４０は、どのような位置関係にでも配置することができる。ヒートパイプ４０は、材料４４ｕおよび４４ｌの２枚のシートを含んでなるシェルを包含する。シート４４ｕおよび４４ｌは、ヒートパイプ４０の対向する末端に配置される。シート４４ｌは蒸発部と呼び、シート４４ｕは凝縮部と呼ぶことができる。

ヒートパイプ４０は、芯構造４６も包含する。図に示す様に、芯構造４６は、４枚の異なったプレート構造４６ａ〜４６ｄを包含する。無論、ヒートパイプ４０は、特定数のプレートに限定されるものではない。プレート構造４６ａ〜４６ｄの構築に関して、作動流体の流動経路は、隣接するプレート毎に変化する。プレート４６ａおよび４６ｂに関して、プレート４６ａの流動経路は、プレート４６ｂを通る作動流体の流動経路のほぼ正反対であることが分かる。例えば、プレート４６ａは、中央開口部およびその中央開口部から外に向かって放射状に伸びるスポーク状の流動経路を有する。対照的に、プレート４６ｂは、中央ハブおよびそのハブから外に向かって放射状に伸びるスポーク状の支持部材を有する。さらに、好ましくはプレート４６ｃは、プレート４６ｂの流動経路と相補的な流動経路を与える。プレート４６ｃと４６ｄの関係にも同じことが当てはまる。芯構造４６は、作動流体がヒートパイプ４０中を少なくとも毛管作用により運ばれるように構築されている。

本発明の一実施態様では、好ましくはヒートパイプ１２は流体に対して実質的に不透過性のシェル１４を含んでなり、好ましくはシェル１４は真空気密のエンクロージャであり、芯構造１６がシェル１４の内側にある。所望により、ヒートパイプ１２のシェル１４は、フレキシブルグラファイトから構築することができる。所望により、シェル１４は、密度が少なくとも約１．６ｇ／ｃｃ、典型的には少なくとも約１．７ｇ／ｃｃ、より典型的には少なくとも約１．９ｇ／ｃｃ、さらに典型的には少なくとも約２．０ｇ／ｃｃであるフレキシブルグラファイトから構築する。

シェル１４の形成に使用するフレキシブルグラファイトは、樹脂含浸したフレキシブルグラファイトであってもよく、また、樹脂含浸されていなくても良い。さらに、シェル１４は、２枚以上のフレキシブルグラファイトシートを含んでなることができる。シェル１４の別の実施態様では、シェル１４の内側表面が少なくとも一個の通路、好ましくは複数の通路を含む。真空気密とは、本明細書では、シェル１４から非作動流体の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部を除去するのに真空が使用されることを意味する。非作動流体とは、本明細書では、シェル１４の中に存在する、少なくとも作動流体ではない流体、例えば空気、を意味する。

シェル１４がフレキシブルグラファイトシートから構築される場合、望ましい形状のシェルを形成するのに様々な技術を使用することができる。例えば、圧縮を使用し、フレキシブルグラファイトシートをシェル１４に望ましい形状に形成することができる。フレキシブルグラファイトの圧縮に使用する典型的な圧力は、約４バール以下、典型的には約２バール以下である。第二の技術では、接着剤を使用し、フレキシブルグラファイトをシェル１４の所望の形状に形成することができる。特定の好ましい状況では、接着剤は作動流体に不溶であるか、またはその逆である。第三の技術では、フレキシブルグラファイトを円筒形状に巻き、圧縮または接着剤を使用してヒートパイプ１２の長さ方向にシームを形成し、円筒の軸方向開口部それぞれにプラグを使用し、シェル１４を形成する。

別の技術では、１枚以上のフレキシブルグラファイトシートをチューブ形状に巻き、チューブの末端を塞いでシェル１４を形成することができる。所望により、シートをエンボス加工し、シェル１４の内側表面上に通路を形成することができる。別の方法としては、フレキシブルグラファイトシートを波形にすることができる。別の技術としては、フレキシブルグラファイトシートをマンドレルの周りに巻き付け、シェル１４を形成することができる。シートを巻き付ける際、シートはどのような形状にでも、例えばシートをらせん状に（ただし、これに限定するものではない）巻き付けることができる。上記の技術では、フレキシブルグラファイトシートに樹脂を含浸させても、させなくてもよい。樹脂含浸したシートに関して、シェル１４を形成する前または後に、樹脂を硬化させることができる。

別の実施態様では、フレキシブルグラファイトの立体的な断片からシェル１４を構築することができる。この断片中に通路を機械加工する。通路は、断片全体を通して伸びていないのが好ましい。通路の開放末端は、上記の接着剤、プレス加工、またはプラグの技術のいずれかにより密封することができる。

特定の好ましい実施態様では、芯構造１６は、多孔質材料、より好ましくは膨脹グラファイトの集合体、さらに好ましくは密度が約１．５ｇ／ｃｃ以下のフレキシブルグラファイトを含んでなる。フレキシブルグラファイトは、ここではシートに形成した膨脹グラファイトの集合体を説明するのに使用される。より好ましくは、芯構造１６のフレキシブルグラファイトは密度が約１．１ｇ／ｃｃ以下、さらに好ましくは約１．０ｇ／ｃｃ未満、最も好ましくは約０．５ｇ／ｃｃ以下である。さらに好ましくは、フレキシブルグラファイトの密度は少なくとも約０．２５ｇ／ｃｃである。そのようなフレキシブルグラファイトの一例は、レイクウッド、オークランドのグラフテック社から市販されているGRAFOIL（登録商標）が挙げられる。

フレキシブルグラファイトの密度を測定する一方法としては浸漬密度試験がある。この試験では、フレキシブルグラファイトの試料を秤量し、重量を記録する。次に、試料を予め決められた体積の水に浸漬する。試料の浸漬により分散した水の体積を記録する。密度は、試料の重量を分散した水の体積で割ることにより求められる。密度の測定方法は、上記の浸漬密度試験に限定するものではない。

芯構造１６のフレキシブルグラファイトは、樹脂を含浸した、または含浸していないフレキシブルグラファイトでよい。構造１６が樹脂含浸されている場合。特定の好ましい実施態様では、構造１６は、構造１６中に多孔性を導入するように含浸する。そのような状況下では、樹脂含浸により、作動流体の毛管流動および／または拡散が強化されるのがより好ましい。

所望により、フレキシブルグラファイト芯構造１６は、芯構造１６の少なくとも一部に取り入れた金属ワイヤをさらに包含することができる。好適な金属ワイヤの例としては、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、およびそれらの組合せがある。金属ワイヤは、様々な方法により芯構造１６の中に取り入れることができる。

一方法では、芯構造１６の外側の少なくとも一部の周りに金属ワイヤを巻き付ける。第二の方法では、金属ワイヤを、芯構造１６の内側または外側の少なくとも一部に接着剤で付ける。第三の方法では、フレキシブルグラファイトおよび金属ワイヤのラミネートを形成する。ラミネートの少なくとも一部が金属ワイヤを含む。

芯構造１６は、１枚以上のフレキシブルグラファイトシートを包含することもできる。さらに、各フレキシブルグラファイトシートは、フレキシブルグラファイトの約２個以上の層を含んでなることができる。

特定の一実施態様では、芯構造１６は、捲縮したフレキシブルグラファイトのシートを包含する。好ましくは、この捲縮は、微小縮れ(microcrinkles)を含んでなる。より好ましくは、微小縮れは振幅が約１ｍｍ以下である。捲縮形成歯車を使用して捲縮を形成することができる。芯構造１６のこの実施態様においては、フレキシブルグラファイトの第二シートを含でもよい。状況によっては、フレキシブルグラファイトの第二シートは捲縮を形成しない場合もある。

別の実施態様では、芯構造１６は、少なくとも一個の通路を含む。通路は、蒸気を流動させ易くする大きさの第一部分、および液体を流動させ易くする大きさの第二部分を含んでなることができる。芯構造１６をエンボス加工し、構造１６中に通路を形成することができる。通路の大きさは、一様でも、変動してもよい。通路の大きさが変動する場合、蒸気を流動させ易くする大きさを有する通路も、液体を流動させ易くする大きさを有する通路もあってよい。構造１６に関して、一実施態様では、芯構造１６をヒートパイプ１２の蒸発部２２に取り付ける。

あるいは、芯構造は、膨脹グラファイト以外の他の材料から構築することができる。他の好適な材料としては、金属、例えばアルミニウム、銅、鉄、ニッケル、チタン、およびそれらの組合せがある。これらの他の材料は、膨脹グラファイトの代わりに、または膨脹グラファイトと組み合わせて使用することができる。

ヒートパイプ１２は、シェル１４の内側を循環する作動流体も含むことができる。作動流体の好ましい例としては、メタノール、エタノール、他のアルコール、水、および過フッ化炭化水素（例えばFreon（登録商標））がある。一実施態様では、ヒートパイプの構築は、シェル−芯構造組立構造を排気し、次いでヒートパイプに、芯構造１６中の空隙を満たすのに少なくとも十分な流体を充填することを含んでなる。

特定の好ましい実施態様では、ヒートパイプ１２中の作動流体の量は、芯構造１６を飽和するのに十分な量である。より好ましくは、シェル１４中に装填される作動流体の量は、芯構造１６を飽和させるのに必要な量より約１０％多い量である。

作動流体の量は、所望により、芯構造１６を飽和させるのに必要な量より約２０％多い量までである。別の実施態様では、ヒートパイプ１２中の作動流体の量は、凝縮部２６の容積を占め、より好ましくは凝縮部２６の容積より約１０％多い量を占める。シェル１４を排気する一つの技術は、シェル１４の内側で真空吸引することである。シェル１４を排気することの機能は、シェル１４から残留空気または他の非作動流体をできるだけ多く除去することである。

好ましい実施態様では、ヒートパイプ内側の雰囲気が液体および蒸気の平衡に達する。熱が蒸発部で進入すると、この平衡が蒸気側に移行し、ヒートパイプ内側の圧力が増加する。増加した圧力の下で、蒸気は凝縮部に拡散することができ、そこで僅かに低い温度により蒸気が凝縮し、その蒸発潜熱が放棄される。次いで、凝縮した流体は、好ましくは芯構造１６中で起こる毛管作用、拡散、または重力により蒸発部に戻される。

作動流体の連続的な循環により、大量の熱が低い熱勾配で移動する。好ましくは、ヒートパイプの操作は受動的であり、移動する熱によってのみ駆動される。受動的操作の利点は、優れた信頼性および優れた耐用寿命である。

本発明のヒートパイプは、図３に全体的に５０で示すような放熱組立構造に取り入れることができる。組立構造５０は、ヒートパイプ５２を含んでなる。特定の好ましい実施態様では、ヒートパイプ５２は、上に記載したようなフレキシブルグラファイトを含んでなるシェルまたは芯構造の少なくとも一つを含む。

図３に示すように、組立構造５０は、所望によりベースユニット５４も含むことができる。好ましくはベースユニット５４は、組立構造５０の、図には示していない凝縮部を包含する末端に位置する。ベースユニット５４の好ましい構築材料は、フレキシブルグラファイト、銅、アルミニウム、およびそれらの組合せを含んでなる。ベースユニット５４は、複数のフィン（図には示していない）を組立構造５０に取り付けるのに使用することができる。さらに、組立構造５０は、係合部品５８を包含することができる。好ましくは、係合部品５８は、ヒートパイプ５２の、蒸発部を含む末端に位置し、熱源と接触する。係合部品５８の好適な構築材料は、上記の係合部品５８と同じ材料を含んでなる。

組立構造５０の一実施態様では、ヒートパイプ５２のシェル、ベース５４，および係合部品５８の３点のすべてがフレキシブルグラファイト、例えばグラフテック社から市販されているeGRAF（商品名）から構築される。特定の好ましい実施態様では、パイプ５２、ベース５４、および部品５８の少なくとも一つ用のフレキシブルグラファイトはラミネートを含んでなる。ラミネートは、一つに接着したフレキシブルグラファイトの高密度（特定の実施態様では、好ましくは少なくとも約１．６ｇ／ｃｃ、より好ましくは少なくとも約１．７ｇ／ｃｃ、さらに好ましくは少なくとも約１．９ｇ／ｃｃ）シートから構築することができる。あるいは、フレキシブルグラファイトラミネートは、熱プレス加工され、硬化させて実質的にモノリス構造を形成している複数の樹脂含浸したフレキシブルグラファイトシートから構築することができる。

図４に、熱管理装置６０および熱源７０の一実施態様の断面図を示す。装置６０は、熱源７０と接触している下側ベース６２から形成されたシェルを含む。このましくは、ベース６２は、伝導性材料、例えば銅、アルミニウム、またはそれらの合金から構築される。シェルは、フレキシブルグラファイトを含んでなる上側部品６６をさらに包含する。上側部品６６および下側ベース６２は、界面６４で、いずれかの好適な技術、例えばエポキシのような接着剤の使用、により接合することができる。特定の好ましい実施態様では、装置６０は、部品６６の上表面から伸びる複数のフィン３２を包含する。

装置６０は、所望により、一個以上の内側支持部品６８も含むことができる。内側支持部品は、特定の形状または特定の構築材料に限定されるものではない。支持部品６８は、伝導性材料、例えば銅、アルミニウム、膨脹グラファイト、またはそれらの組合せから構築することができる。別の実施態様では、支持部品６８は、上側部品６６から下方に伸びる一個以上のフィンを含んでなることができる。

本発明は、他の型の熱管理装置、例えば蒸気チャンバー、にも適用される。蒸気チャンバーは、多くの点でヒートパイプに類似している。蒸気チャンバーは、ヒートパイプと同様に、作動流体の蒸発潜熱を利用し、熱を熱源から、熱源より低温位置に移動させる。作動の際、蒸気チャンバー中の作動流体は、蒸気チャンバー内側のある位置で蒸発し、蒸気チャンバー中のより低温の位置に移動し、そのようなより低温の位置で凝縮する。

特定の好ましい実施態様では、蒸気チャンバーは、少なくともヒートパイプのシェルに類似したシェルを含んでなる。これらの状況下で、蒸気チャンバーのシェルは、フレキシブルグラファイトを含んでなる。典型的には、蒸気チャンバーは、作動流体も含んでなる。蒸気チャンバーの作動流体は、上記ヒートパイプの作動流体と同じものでよい。所望により、蒸気チャンバーは、一個以上の内側支持体を含むことができる。好ましくは、内側支持体は、同じ型の熱伝導性材料、例えばフレキシブルグラファイト、銅、アルミニウム、またはそれらの組合せから製造される。所望により、蒸気チャンバーの外側表面の少なくとも一部は、ヒートパイプに関して説明したような複数のフィンを含むことができる。

円筒形ヒートパイプの内部の様子を示す図である。 垂直ヒートパイプの部品を示す分解組立図である。 熱放散組立構造における本発明の特別な実施態様を示す図である。 フィンを備えた熱管理装置の特別な実施態様を示す断面図である。

Claims (20)

1. ａ．実質的に流体不透過性のシェル、
   ｂ．前記シェルの内側にある芯構造、および
   ｃ．前記シェルの内側を循環している作動流体、
   を含んでなり、
   前記芯構造が、膨脹グラファイトの集合体を含んでなる、熱管理装置。
2. 前記芯構造が、その芯構造の少なくとも一部に実装された金属ワイヤをさらに含んでなる、請求項１に記載の熱管理装置。
3. 前記グラファイトが樹脂含浸させたグラファイトを含んでなる、請求項１に記載の熱管理装置。
4. 前記膨脹グラファイトの集合体が、一個以上のフレキシブルグラファイトシートを含んでなり、そのシートの少なくとも一個の密度が約１．５ｇ／ｃｃ以下である、請求項１に記載の熱管理装置。
5. 前記シェルを構築する材料が、フレキシブルグラファイトを含んでなる、請求項１に記載の熱管理装置。
6. 前記シェルが外側表面をさらに含んでなり、その外側表面の少なくとも一部は、外側表面から伸びる複数のフィンを有する、請求項５に記載の熱管理装置。
7. 前記作動流体が、アルコール、水、および過フッ化炭化水素の少なくとも一種を含んでなる、請求項１に記載の熱管理装置。
8. 前記芯構造が複数の通路をさらに含んでなる、請求項１に記載の熱管理装置。
9. 前記複数の通路が、蒸気の流動し易くするような大きさの通路第一部分と、液体の流動をし易くするような大きさの通路第二部分とを含んでなる、請求項８に記載の熱管理装置。
10. 熱管理装置の製造方法であって、
    ａ．膨脹グラファイトの集合体を芯構造に形成する工程、および
    ｂ．前記芯構造を前記熱管理装置のシェルの内側に挿入する工程
    を含んでなる、方法。
11. 前記膨脹グラファイトの集合体をフレキシブルグラファイトの一個以上のシートに形成する工程をさらに含んでなる、請求項１０に記載の方法。
12. ａ．実質的に流体不透過性のシェル、および
    ｂ．前記シェルの内側を循環している作動流体
    を含んでなり、
    前記シェルを構築する材料が、フレキシブルグラファイトを含んでなる、熱管理装置。
13. 前記シェルの内側に芯構造をさらに含んでなる、請求項１２に記載の熱管理装置。
14. 前記シェルが、実質的に真空気密のエンクロージャを含んでなる、請求項１２に記載の熱管理装置。
15. 前記シェルのフレキシブルグラファイトの密度が少なくとも約１．６ｇ／ｃｃである、請求項１２に記載の熱管理装置。
16. 前記シェルが複数のフレキシブルグラファイトの層を含んでなる、請求項１２に記載の熱管理装置。
17. 前記シェルのフレキシブルグラファイトが樹脂をさらに含んでなる、請求項１２に記載の熱管理装置。
18. 前記シェルが外側表面をさらに含んでなり、その外側表面の少なくとも一部は、外側表面から伸びる複数のフィンを有する、請求項１２に記載の熱管理装置。
19. 前記シェルが、複数の通路を含んでなる内側表面を有する、請求項１２に記載の熱管理装置。
20. 前記シェルの内側に、複数の内部トラックパターン素子をさらに含んでなる、請求項１２に記載の熱管理装置。

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