JP2012504339A - 多孔性セラミック芯を有するセラミックヒートパイプ - Google Patents

Abstract

発光素子から熱を移すためのヒートパイプであって、無孔セラミックから成る封止された本体と、本体の外側面において間隔があけられた二つの伝熱箇所間に延びる、本体の内部の蒸気チャネルと、前記二つの伝熱箇所間に延びる、本体の内部のセラミック芯と、蒸気移送チャネルを部分的に満たす作動流体とを含む。このヒートパイプを製造する方法において、前記本体及びセラミック芯は、望ましくは、同じセラミック材料から成るシームレスのモノリシック構造として共に形成される。セラミックの使用は、ヒートパイプを耐食性にし、また、セラミックが誘電体であるため、ＬＥＤ等の電気構成要素が本体に直接取り付けられることを可能にする。

Description

本発明は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等の熱発生体から熱を移すヒートパイプに向けられる。

ＬＥＤは、光のみならず熱も発生させる。該熱は、望ましくは該ＬＥＤから引き離されるように移される。その理由は、ＬＥＤ接続部の上昇した作動温度（例えば、約１１５℃以上）が、光出力に悪影響を及ぼすからである。熱は、十分な熱伝導率及び適切な表面積（該面から熱を放散させる）の基体（ヒートシンク）上にＬＥＤを取り付けることにより、ＬＥＤから離れるように移すことができる。しかしながら、従来の金属基体及びセラミック基体は、特に多数のＬＥＤが小領域に配置される場合、しばしば十分な熱伝導率を有さない。従って、ＬＥＤでの使用に適した改良された熱伝導率を有する支持基体が望まれている。

ヒートパイプは、熱伝達デバイスであり、ヒートパイプにおけるある伝熱位置から該ヒートパイプにおける別の伝熱位置へと、慣用の金属及びセラミックヒートシンクよりもかなり多量の熱を移動させることができる。ヒートパイプは、中空で密閉され、芯及び作動流体を収容する。ヒートパイプ内部において、作動流体はより高温の箇所で揮発（蒸発）し、作動流体蒸気がより低温の箇所で凝縮する。凝縮した作動流体は、芯の毛管作用により低温箇所から高温箇所に戻るように駆り立てられる。

ヒートパイプは種々の形状をとることができ、平坦なヒートパイプが米国特許出願公開２００７／０２９５４９４号（Celsia Technologies Korea）に開示されている。このヒートパイプは、間隔があけられた二つの平坦板を含み、該二つの板間に中空蒸気チャネルを有し、中空蒸気チャネルは、二つの伝熱箇所間に延びる二つの多孔性流体チャネル間にある。上記二つの板は、内側構造を保護することができる十分な剛性を有するボード材料から成り、例えば、アルミニウム、チタン、プラスチック、金属被覆されたプラスチック、黒鉛、又は他の金属材料とプラスチックの組合せ等である。好ましくは、高熱伝導率を有する銅ボードが使用可能である。毛管作用芯は平面シート型構造により形成され、多孔性構造を有する合成繊維、又はワイヤーを織ることによって製造された織物体であり得る。この平坦ヒートパイプは、ＬＥＤランプのＬＥＤから熱を移すために使用されている。

先行技術の金属ヒートパイプよりも内部及び外部が腐食され難く、ＬＥＤが直接配置可能なヒートパイプを提供することが望まれる。

本発明の目的は、耐食性がありかつＬＥＤ等の電気構成要素が直接取り付け可能なセラミックから完全に（全体が）構成される新規なヒートパイプを提供することである。

本発明の更なる目的は、無孔（非多孔性）セラミックから成る本体を有する新規なヒートパイプを提供することである。前記本体は封止され、また、本体の外側面における間隔があけられた二つの伝熱（熱伝導）箇所間に延びる本体内部のセラミック芯と、前記二つの伝熱箇所間に延びる本体内部の蒸気移送チャネルと、蒸気移送チャネルを部分的（不完全）に満たす作動流体とを有する。

本発明の更なる目的は、本体及び芯が共に、同じセラミック材料から成るシームレスのモノリシック構造であるヒートパイプを提供することである。

本発明の別の目的は、このヒートパイプを製造する新規な方法を提供することである。該方法は、無孔セラミックの本体を準備する工程と、本体の内部にセラミック芯及び蒸気移送チャネルを設ける工程にして、セミック芯及び蒸気移送チャネルが本体の外側面における間隔があけられた二つの伝熱箇所間に延びる工程と、本体の内部を排気する（空にする）工程と、本体の内部に、蒸気移送チャネルを部分的に満たす作動流体を提供する工程と、本体を密封する工程とを含む。

本発明の更に別の目的は、このヒートパイプを製造する新規な方法を提供することである。該ヒートパイプにおいて、本体及び芯は、同じセラミック材料から設けられ、また、同じセラミック材料から成るシームレスなモノリシックとして共に形成される。

本発明のこれら及び他の目的及び利点は、図面及び好ましい実施形態の説明を考慮することにより、本発明の技術分野の当業者に明らかとなろう。

図１は、本発明のヒートパイプの実施形態の図形表示であり、ＬＥＤが配置され得る。 図２は、図１の線II-IIを通る断面である。 図３は、本発明のヒートパイプの別の実施形態の対応断面である。

まず図１及び２を参照して、本発明のヒートパイプ１０の一実施形態は、無孔セラミックから成る中空の封止された本体１２と、本体１２の外表面において離隔している二つの伝熱箇所１６、１６’間に延びる中央蒸気移送チャネル１４と、蒸気移送チャネル１４を包囲する、本体１２の内側壁７上のセラミック芯１８にして、セラミック芯も二つの伝熱箇所１６、１６’間に延びるセラミック芯１８と、蒸気移送チャネル１４を部分的に満たす、本体１２内部の作動流体２０とを含む。ＬＥＤ２２等の熱放出体から成る熱取り込み部は、一方の伝熱箇所１６’にてセラミック本体上に直接取付られ得、また、他方の伝熱箇所１６はより低い温度に曝され得、これにより、ヒートパイプの動作が通常となる。本明細書中で用いる用語「無孔（非多孔性）セラミック」は、ヒートパイプの本体を形成するセラミックがヒートパイプ内部に含まれる作動流体及び蒸気に対して不浸透性となる程度に十分に稠密であることを意味する。セラミックが１００％稠密であること、すなわち細孔を全く有さないことを必ずしも意味しない。

好ましくは、芯１８は、多孔性であり、本体１２と一体であり、更に、その場で（現場で、その部位に）形成される。すなわち、本体１２と芯１８は共に、同じセラミック材料から成るシームレスでモノリシック構造であり、芯は、本体が形成される時に本体内部に形成される。あるいは、芯は、本体外部で形成されて、本体が密封される前に本体内の中空内部空間に挿入することができる。芯は、望ましくは、芯内で毛管作用を生じさせる相互に連結（連通）した複数の細孔を有する多孔性セラミックから完全に形成され得る。

蒸気移送チャネル１４は、上記二つの伝熱箇所１６、１６’間に延び、これにより、作動中、気化された（伝熱箇所１６’でＬＥＤ２２からの熱により蒸発させられた）作動流体が、蒸気チャネルを通って伝熱箇所１６へと移動し、伝熱箇所１６で該蒸気が凝縮する。

連続的な蒸気移送チャネルが、熱取り込み域と凝縮域との間にヒートパイプを通って保たれることが、蒸気が自由にこれら二つの領域間を移動することを可能にするために、必須である。ヒートパイプ内の圧力勾配は、蒸気を「ホットスポット」から、わずかに低い温度にて凝縮が生じる得る他の箇所に向けて駆り立てる。空き空間の形成は、いずれかの特定の形態には限定されない。好ましい蒸気移送チャネルは、図２に示す単一の中央チャネル１４を含むか、又は、図３に示すように多孔性芯の全体にわたって間隔があけられた一連のより小さい複数チャネル２５を含む。図２及び３に示す実施形態において蒸気移送チャネルは、本体を通って直線的に延びるが、これらは直線に延びる必要はない。蒸気の移送機能が維持されるのであれば、湾曲した又は蛇行したチャネルが許容される。

芯１８は、毛管作用により凝縮液を伝熱箇所１６’に戻し、このサイクルが繰り返される。作動流体２０は、ヒートパイプ内の蒸気移送チャネルを部分的にのみ満たすので、伝熱箇所間において蒸気移送のための空き空間が存在する。ヒートパイプの内部は、好ましくは、熱伝達の効率を最大にするため、作動流体が導入される前に排気（空に）される。これは、ヒートパイプ内の残留気体が該装置内の蒸気移動と干渉するためである。好ましい作動流体は、水、アルコール（例えばメタノール）、アンモニア、及びフレコン（登録商標）を含む。作動流体の選択は、有用な温度範囲、環境適合性、及びコストに基づく。

図２に示す実施形態において、芯１８は、本体１２の内側壁７上に直接存在する多孔性セラミックから完全に形成され、単一の中央蒸気移送チャネル１４を包囲する。多孔性セラミックは、二つの伝熱箇所間に作動流体を移動させるために毛管作用を与えるため、該二つの伝熱箇所間に連続的に延びる相互に連結された複数の細孔を有する。あるいは、図３に示すように、芯１８’はヒートパイプの内部を満たし、また、一連の開放した蒸気移送複数チャネル２５が該セラミック芯の全体にわたって間隔があけられ、伝熱位置間に延びる。

用語「相互に連結（連通）した細孔」はまた、芯の形成中に生じる芯材料における細孔のみならず、芯の形成後の細長い毛細管を含む。相互に連結した細孔は、作動流体が毛管作用、すなわち凝縮液域から熱取り込み部存在する領域への「吸い上げ」により移動可能となるように大きさが設定されかつ十分に相互連通されなければならない。蒸気移送と組み合わされた毛管作用は、ヒートパイプの作動サイクルを完成させる。すなわち、熱は、作動流体を蒸発させることにより、熱取り込み部から除去され、該熱は、次いで、熱取り込み部から離隔した位置での凝縮により蒸気から除去され、凝縮した作動流体は、芯の毛管作用により熱取り込み域へと再供給される。

セラミックは、本明細書中、結晶構造もしくは部分的結晶構造又はガラスの施釉した又は素焼きの本体を有する物と定義される。該本体は、本質的に無機質で非金属の基体から作り出され、また、冷却により固化する溶融物質から形成されるか、又は、形成と同時に又は後に、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び二酸化ケイ素等の材料に熱作用を適用することにより処理される。好ましくは、セラミックは酸化アルミニウム（アルミナ）である。

セラミックは誘電体であるので、本体１２の表面は導電性ではない。そのため、ＬＥＤ及び他の電気的構成部品は、伝熱箇所にて本体に直接取り付けることができ、電気的に絶縁されたままである。更に、本体及び芯がセラミックであり、また、金属部品が存在しないので、ヒートパイプは、異種金属に関連する腐食及びガルヴァーニ電気（直流電気）反応に対し耐性を有する。

本発明のセラミックヒートパイプは、適切なセラミック（例えばガラス又はアルミナ）から成る中空回路基板から本体を形成することにより製造可能である。本体は、射出成形、押し出し成形、乾式プレス又は鋳込み成形等の慣用のセラミック技術を用いて未加工（未焼結）のセラミックから事前に形成（予備形成）され得る。本体１２はまた、図３に示すように、ガラスフリット等の適切な接着剤により共に結合されるセラミック部品から形成され得る。多孔性芯は、本体内部にその場で、又は本体の中空内部に多孔性芯を挿入することにより、形成され得る。ヒートパイプ本体の内部を排気（空に）して作動流体を導入後、本体は慣用的に封止される。

多孔性芯を形成する好ましい方法は、その場のゾルゲル法である。ゾルゲル法は、有機前駆体を用いる。有機前駆体は、まず、ゲルに形成され、次いで、高温で熱分解もしくは分解されて、多孔性セラミック材料を形成する。本発明において、本体の中空内部の内側壁は、有機ゲル前駆体でコーティングされ、該有機ゲル前駆体が多熱分解されて孔性芯構造を形成する。全体部分は、次いで、モノリシック構造を形成するために焼かれる。該モノリシック構造は、稠密で不浸透性の外側セラミック体と、二つの伝熱箇所間に延びる相互に連結する細孔を有する多孔性の内側セラミック芯（これは図２に示される）とから構成される。

別の方法は、複数のセラミック球をセラミック本体の中空内部に挿入して、ぎっしり詰まった床を作り出すことである。これらの球は、粘性焼結を引き起こすように加熱することにより、本体の中空内部の内側壁に対して共に融合される。球間の空隙はつながって、二つの伝熱箇所間に芯を通って延びる相互に連結された細孔を作り出す。

更なる方法は、最終部品が二つの伝熱箇所間に延びる図３に示す空き（複数）チャネルの内側アレイ（配列）を包含するように、一つのセラミック材料から全容器を押し出し成形することである。この技術は、（コーニング社が投入する）自己触媒担体構造を形成するために使用されている。更なるステップがセラミック芯において相互に連結された細孔を生じさせる。

相互に連結された細孔はまた、芯を形成する未加工セラミックに不安定（一過性）材料を導入することにより、準備可能である。ポリマー（例えば、管理された大きさのラテックス球もしくはポリスチレン球）、黒鉛、又は他の不安定材料が、粒子、繊維、又は連続するフォーム（発泡体）構造の形態で未加工セラミックに埋め込まれ得る。本体及び芯は、不安定材料が芯部分に挿入された同じ未加工セラミック材料から成り得る。不安定材料は、セラミック粒子のネッキング（結合）前に焼結サイクルの早期部分で分解し、その結果としてガスを発生し、次いで、二つの伝熱箇所間に芯を通って延びる相互に連結した細孔を残す。細孔は、最終焼結ステップ中に除去されない程度に大きくかつ安定している。これは、高温もしくは腐食性濾過用の多孔性セラミック構造体の形成に対して知られている技術である。

ことによるとより簡易な更なる方法は、不完全焼結である。本体は、第１密度又は第１粒径分布を有する第１未加工セラミック部分から形成され、また、芯は、第２未加工セラミック部分を第１未加工セラミック部分の中空内部に挿入することにより形成される。ここで、第２未加工セラミック部分は、前記第１密度よりも低い第２密度又は前記第１粒径分布よりも大きい第２粒径分布のいずれかを有する。該組立体は、第１未加工セラミック部分が完全に焼結されると共に第２未加工セラミック部分が不完全に焼結されるように焼結される。これは、第２未加工セラミック部分に、二つの伝熱箇所間に芯を通って延びる相互に連結した細孔を与える。

本発明の実施形態は、上述した明細書及び図面に記述されたが、本発明は、解釈される場合、明細書及び図面を考慮に入れて、特許請求の範囲により定義されることが理解されるべきである。

１０ ヒートパイプ
１２ 本体
１４、２５ 蒸気移送チャネル
１６、１６’ 伝熱箇所
１８ セラミック芯
２０ 作動流体
２２ ＬＥＤ

Claims (18)

1. ヒートパイプであって、
   無孔セラミックから成る本体にして、封止され、かつ、該本体の外側面における間隔があいた二つの伝熱箇所間に延びるセラミック芯を内部に有する本体と、
   前記二つの伝熱箇所間に延びる、前記本体内部の蒸気移送チャネルと、
   前記蒸気移送チャネルを部分的に満たす作動流体とを備えるヒートパイプ。
2. 前記セラミック芯は、前記二つの伝熱箇所間に連続的に延びる複数の相互に連結した細孔を有する多孔性セラミックから成る請求項１のヒートパイプ。
3. 前記本体及びセラミック芯は共に、同じセラミック材料から成るシームレスなモノリシック構造である請求項２のヒートパイプ。
4. 前記セラミック芯は、前記本体の内側壁上に直に存在しかつ前記蒸気移送チャネルを囲む多孔性セラミックから成り、該多孔性セラミックは、前記二つの伝熱箇所間に連続的に延びる複数の相互に連結した細孔を有する請求項１のヒートパイプ。
5. 前記本体及びセラミック芯は共に、同じセラミック材料から成るシームレスなモノリシック構造である請求項４のヒートパイプ。
6. 前記二つの伝熱箇所の一方において前記本体に直接取り付けられた発光ダイオードと組み合わされた請求項１のヒートパイプ。
7. 前記本体は、複数の蒸気移送チャネルを含み、該複数の蒸気移送チャネルは、前記セラミック芯じゅうにわたって間隔があけられかつ前記二つの伝熱箇所間に延びる請求項１のヒートパイプ。
8. ヒートパイプであって、
   無孔アルミナセラミックから成る本体にして、封止され、かつ、該本体の外側面における間隔があいた二つの伝熱箇所間に延びるセラミック芯を内部に有する本体と、
   前記二つの伝熱箇所間に延びる、前記本体内部の蒸気移送チャネルと、
   前記蒸気移送チャネルを部分的に満たす作動流体とを備えるヒートパイプ。
9. 前記本体及びセラミック芯は一体に形成される請求項８のヒートパイプ。
10. 前記本体は、複数の蒸気移送チャネルを含み、該複数の蒸気移送チャネルは、前記セラミック芯じゅうにわたって間隔があけられかつ前記二つの伝熱箇所間に延びる請求項８のヒートパイプ。
11. 前記セラミック芯は前記蒸気移送チャネルを囲む請求項８のヒートパイプ。
12. ヒートパイプを製造する方法であって、
    無孔セラミックから成る本体を準備する工程と、
    前記本体の内部にセラミック芯及び蒸気移送チャネルを設ける工程にして、該セラミック芯及び蒸気移送チャネルが該本体の外側面における間隔があいた二つの伝熱箇所間に延びる工程と、
    前記本体の内部を排気する工程と、
    前記本体の内部に、前記蒸気移送チャネルを部分的に満たす作動流体を供給する工程と、
    前記本体を密閉する工程とを含む方法。
13. 前記本体及びセラミック芯は同じセラミック材料から設けられ、該同じセラミック材料から成るシームレスなモノリシック構造として共に形成される請求項１２の方法。
14. 前記セラミック芯は、複数のセラミック球を前記本体の中空内部に挿入し、かつ二つの伝熱箇所間にセラミック芯を通って延びる互いに連結した細孔を作り出す粘性焼結を引き起こすように該セラミック球を加熱することによって設けられる請求項１２の方法。
15. 前記本体及びセラミック芯は、同じセラミック材料から該本体及びセラミック芯を共に押し出し成形することによって設けられ、
    前記二つの伝熱箇所間に延びる前記セラミック芯を通る互いに連結した細孔を作り出す工程を更に含む請求項１２の方法。
16. 前記本体及びセラミック芯は、同じ未加工ラミック材料から該本体及びセラミック芯を共に形成し、セラミック芯に不安定材料を挿入し、該不安定材料を分解させて、前記二つの伝熱箇所間にセラミック芯を通って延びる互いに連結した細孔を設け、かつ、前記未加工のセラミック材料を焼結することによって設けられる請求項１２の方法。
17. 前記本体は、未加工のセラミック本体を事前に形成することによって設けられ、前記セラミック芯は、前記本体の内側壁に有機ゲル前駆体をコーティングし、該有機ゲル前駆体を熱分解して多孔性構造を形成することによって設けられ、
    前記未加工のセラミック本体及び前記有機ゲル前駆体を焼く工程を更に含み、
    前記セラミック芯が前記二つの伝熱箇所間に延びる互いに連結した細孔を有する請求項１２の方法。
18. 前記本体は、第１密度及び第１粒径分布の一方を有する第１未加工セラミック部分を準備することによって設けられ、前記セラミック芯は、第２未加工セラミック部分を前記本体内に挿入することによって設けられ、前記第２未加工セラミック部分は、前記第１密度よりも低い第２密度及び前記第１粒径分布よりも大きい第２粒径分布の一方を有し、
    前記第２未加工セラミック部分が前記二つの伝熱箇所間に前記セラミック芯を通って延びる互いに連結した細孔を有するように、前記第１未加工セラミック部分を完全に焼結すると共に、前記第２未加工セラミック部分を不完全に焼結する工程を更に含む請求項１２の方法。

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