KR101012195B1

KR101012195B1 - 가요성 흑연의 열 관리 장치

Info

Publication number: KR101012195B1
Application number: KR1020057011849A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 더블유. 크라소우스키; 게리 지. 첸; 토마스 더블유. 버켓트; 브라이언 에이치. 포드; 진-웬 트젱; 줄리안 노레이; 마틴 디. 스말크
Original assignee: 그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2011-02-08
Also published as: AU2003297158A1; CN1754079A; CN100575853C; JP2006511782A; US20040118553A1; WO2004059696A3; AU2003297158A8; KR20050085880A; MXPA05006827A; CA2511504A1; JP4652818B2; US20090032227A1; EP1576656A2; WO2004059696A2

Abstract

본 발명은 가요성 흑연으로 구성되는 열 관리 장치를 제공한다. 일실시예에서, 열 관리 장치는 쉘 내부의 심지 구조를 포함한다. 특정 바람직한 실시예에서, 심지 구조는 대량의 팽창된 흑연으로 구성된다. 다른 실시예에서, 상기 장치의 쉘은 가요성 흑연 및 선택적으로는 심지 구조를 포함한다. 특정 바람직한 실시예에서, 가요성 흑연 쉘은 유체 투과 가능하다. 본 발명은 앞서 언급한 열 관리 장치들을 제조하는 방법을 더 포함한다.

Description

가요성 흑연의 열 관리 장치{FLEXIBLE GRAPHITE THERMAL MANAGEMENT DEVICES}

본 발명은 열 관리 장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 가요성 흑연을 포함하는 장치 및 그러한 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.

열 파이프와 같은 열 관리 장치는 열 전달 분야에 공지된 장치이다. 열 파이프는 필수적으로 폐쇄된 열 전달 시스템으로, 밀봉 및 배기된 엔클로저 내에서 소량의 액체는 증발 및 응축 주기를 통해 순환된다. 케이스 상의 하나의 위치에서 엔클로저로 들어오는 열은 그 위치에서 액체를 증발시켜, 상기 케이스 상의 냉각기 위치로 이동하는 증기를 생성하고, 상기 냉각기 위치에서 증기는 응축된다. 증기의 이동은 증발기 위치와 응축기 위치 간의 작은 증기압 차이를 유발시킨다. 열 전달은 증기를 생성하는 증발열은 응축 위치를 향해 증기와 함께 본질적으로 이동될 때 달성되며, 응축 위치에서 열은 응축열로서 제공된다.

열 전달을 지속하기 위해, 응축액은 상기 응축기에서 증발기로 복귀되어야만 하는데, 상기 증발기에서는 다시 증발이 일어난다. 이러한 복귀는 중력과 같이 단순한 것에 의해 달성될 수 있을지만, 열 파이프들이 중력 효과에 상대적으로 무관하도록 하기 위해 모세관 심지들(wicks)이 일반적으로 이용되어 왔다. 그러한 심지는 액체가 생기기 시작하는 응축기 부근의 위치로부터 증발을 위해 필요한 증발기의 위치로 연장한다.

구성 물질과 관련하여, 케이스들은 전통적으로 구리 또는 다른 금속으로 제조되고, 상기 케이스들이 열 파이프 내에서 증기압을 구조적으로 충분히 견디고 열 파이프 테이프 케이스 외부의 감소된 증기 또는 응축될 수 없는 기체가 투과되지 않도록 충분한 두께의 벽들로 구성된다.

열 전도성이 있으면서 심지들에 대한 모세관 구조로써 작용하는 물질을 개발하는데 상당한 노력들을 기울여 왔다. 그러한 가장 보편적 물질로는 다중 층들에 사용되는 금속 스크린들 및 케이스에 부착되는 구조물에 소결되는 금속 파우더들이 있다. 그러한 심지들의 열 전도 특성은 중요하게 고려되어 왔는데, 이는 열 파이프로 입력되는 열이 증발기에서 심지를 통해 유도되고 심지 내에서 액체가 증발하도록 하기 위함이다. 심지가 증발기에서 케이스 벽에 부착되는 열 파이프 구성이 일반적으로 선호되는데, 이는 입력 열이 심지 내의 액체에 바로 접근할 수 있도록 하기 위함이다.

그러나, 기존의 열 파이프 구조로는 만족스럽지 않은 응용예들이 존재한다. 금속 케이스 및 금속 심지는 열 파이프들에 무게, 강도 및 전기적 전도성을 더하지만, 그러한 금속 케이스 및 금속 심지는 몇몇 상황에서는 이용 가능하지 못하게 한다. 휴대용 컴퓨터 소위 "랩탑"은 기존의 열 파이가 사용되기 어려운 하나의 응용예이다. 그러한 응용예들에서, 무게 및 공간은 극히 중요한 요소들이다. 더욱이, 금속 케이스 및 소결된 심지의 가격은 휴대용 컴퓨터의 고도의 경쟁 시장이라는 관점에서는 단점이라 할 수 있다. 더욱이, 기존의 물질로부터의 심지 컴포넌트들은 부식에 견디지 못한다. 그러므로, 열 파이프를 위한 새로운 구성 물질을 찾을 필요가 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 실질적으로 유체 불투과성 쉘 및 상기 쉘 내부의 심지 구조를 포함하는 열 관리 장치를 제공한다. 특정 바람직한 실시예들에서, 심지는 대량의 팽창된 흑연을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서는 대량의 팽창된 흑연으로부터 형성된 심지 구조를 갖춘 열 관리 장치의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에서는 가요성의 흑연으로부터 구성되는 쉘을 구비하는 열 관리 장치를 제공한다.

본 발명의 추가 실시예에서는, 가요성의 흑연으로부터 구성되는 쉘을 구비하는 열 관리 장치를 제조하는 방법을 제공하는데, 이는 본 명세서를 읽은 후에 당업자라면 자명하게 이해될 것이다.

본 발명의 열 관리 장치들은 기존의 장치들과 비교할 때 다수의 장점들을 갖는데, 우수한 무게, 허용가능한 강도, 및 만족할만한 열 전도성에 면에 있어 그러하다. 더욱이, 본 발명의 장치의 심지 구조는 또한 기존의 심지 물질과 비교하여 개선된 부식 저항성을 갖는다.

본 발명의 추가적 특성 및 장점은 이후의 상세한 설명에서 설명될 것이고, 당업자들은 상세한 설명으로부터 부분적으로는 자명하게 이해할 것이고 또는 이후의 상세한 설명 및 청구항과 도면을 포함하여 본 명세서에서 설명된 본 발명을 실시하여 인식될 것이다.

앞서 말한 일반적 설명 및 이후의 자세한 설명은 본 발명의 실시예를 나타내고, 그것들이 청구하는 바와 같은 본 발명의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개략적 관점 또는 프레임 워크를 제공하고자 한다는 것을 이해할 것이다. 첨부된 도면은 본 발명을 더욱 이해시키고자 포함된 것이고, 본 명세서의 일부로써 병합되고 구성된다. 도면들은 본 발명의 다양한 실시예들을 도시하는 한편, 그에 대한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.

도 1은 원통형 열 파이프의 내부 형태의 정면도.

도 2는 수직형 열 파이프의 엘리먼트들의 분해도.

도 3은 열 확산기 어셈블리에서 본 발명의 열 파이프의 일 특정 실시예의 정면도.

도 4는 핀들을 갖는 열 관리 장치의 일 특정 실시예의 횡단면도.

흑연은 탄소 적층판 구조, 즉 약한 반데발스(van der Waals)의 힘에 의해 서로 결합되는 탄소 원자들이 중첩된 층들 또는 적층판으로 구성된 구조를 특징으로 한다. 흑연 구조를 고려할 때, 통상 2개의 축 또는 방향들이 언급되는데, 즉 "c" 축 또는 방향, 및 "a" 축 또는 방향이 그것들이다. 간략화를 위해, "c" 축 또는 방향은 탄소층들과 직교하는 방향으로써 고려될 수 있다. "a"축 또는 방향은 탄소층들과 평행한 방향 또는 "c" 방향과 직교하는 방향으로 고려될 수 있다. 가요성의 흑연 시트를 제조하기에 적합한 흑연은 고도의 배향을 갖는다.

위에서 언급한 바와 같이, 평행한 탄소 원자들의 층들을 함께 홀딩하는 결합력은 단지 약한 반데발스의 힘이다. 천연 흑연은, 층들과 직교하는 방향(즉, "c"방향)으로 표시된 확장을 제공하여 탄소층들의 적층판 특성이 실질적으로 유지되는 확장된 또는 부푼(intumesced) 흑연 구조를 형성하도록 중첩된 탄소층들 또는 적층판들 사이의 공간이 적절하게 개방될 수 있도록 처리될 수 있다.

상당히 확장된, 보다 상세하게는 원래의 "c" 방향 치수의 약 80 배 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 치수를 갖도록 하기 위해 확장된 흑연 플레이크(flake)는 확장된 흑연의 접착성 또는 통합 시트 예를 들어, 즉 웹, 페이퍼, 스트립, 호일, 매트 등(일반적으로 "가요성 흑연"으로써 지칭됨)에 바인더를 사용하지 않고 형성될 수 있다. 임의의 바인딩 물질의 사용 없이, 압착에 의해 원래 "c"방향 치수의 약 80배 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 치수를 갖도록 통합된 가요성 흑연으로 확장되는 흑연 입자들의 형성은 부피적으로 확장된 흑연 입자들 사이에서 달성되는 기계적 잠금 또는 결합으로 인해 가능하다고 인식된다.

가요성에 부가하여, 위에서 언급한 시트 물질은 예를 들면, 롤 압축과 같은 상당한 고압착으로부터 산출되는 시트의 대향면들에 실질적으로 평행한 팽창된 흑연 입자들 및 흑연층들로 인해 천연 흑연 개시 물질과 비교하여, 열적 전도성과 전기적 전도성에 대해 고도의 이방성 및 유체 확산을 갖는다고 알려져 왔다. 그러므로 생성되는 시트 물질은 우수한 가요성, 양호한 강도 및 고도의 배향성을 갖는다.

요약하면, 예를 들어 웹, 페이퍼, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등과 같은 가요성의 바인더가 없는(binderless) 이방성 흑연 시트 물질을 생성하는 과정은 실질적으로 평평한 가요성의 통합된 흑연 시트를 생성하기 위해 예정된 로드하에서 바인더 없이, 원래 입자보다 약 80배 이상의 "c" 방향 치수를 갖는 팽창된 흑연 입자들을 압착 또는 압축하는 단계를 포함한다. 일단 압착되면, 벌레형(worm-like) 또는 연충부양인 팽창된 흑연 입자들은 시트의 대향된 주 표면들을 갖는 배열 및 압착 세트를 유지한다. 시트 물질의 밀도 및 두께는 압착의 정도를 제어함으로써 변화될 수 있다. 시트 물질의 밀도는 약 0.04g/cc 내지 약 2.0g/cc의 범위 내일 수 있다. 가요성의 흑연 시트 물질은 증가된 밀도로의 시트 물질의 롤 압축에 따른 이방성 증가도로, 시트의 대향된 평행한 주 표면들에 평행한 흑연 입자들의 정렬로 인해 적절한 이방성 정도를 나타낸다. 롤 압축의 이방성 시트 물질에서, 두께, 즉 대향된 평행한 시트 표면들과 직교하는 방향은 "c" 방향을 포함하고, 길이 및 두께를 따른 범위의 방향들, 즉 대향된 주요 표면들에 평행한 방향들은 "a" 방향들을 포함하며, 시트의 열적 및 전기적 특성은 상기 "c" 및 "a" 방향들에 대한 크기 정도로 매우 다르다.

흑연 입자들로부터 제품을 제조하는 방법이 제안되어 왔다. 예를 들어, Hayward에게 특허허여 된 미국 특허(5,882,570)는 가요성의 비함침 흑연 포일을 작은 입자 크기들로 그라인딩하는 단계, 상기 입자들을 팽창시키기 위해 상기 입자들을 열적으로 열적 충격을 가하는 단계, 상기 팽창된 흑연을 열경화성 페놀 수지와 혼합하는 단계, 저밀도 블록들 또는 다른 형태들을 형성하기 위해 상기 혼합물을 몰딩 주입하는 단계, 및 상기 물질을 열경화시키기 위해 상기 블록들을 열 처리 하는 단계를 개시한다. 최종 블록들은 퍼니드(furnace) 등에서 절연 물질로 이용될 수도 있다.

Hayward에게 특허 허여된 WO 00/54953 및 미국 특허 6,217,800은 미국 특허 5,882,570의 내용과 관련된 과정들을 추가로 개시한다. Hayward 과정은 사용하는 원료 물질에 있어서 상당히 제한적이고, 생산할 수 있는 최종 생성물의 유형 또한 제한적이다. Hayward는 비함침 원료 물질만을 이용하고, 그 최종 생성물은 흑연 입자들을 큰 비율의 수지들과 혼합하고, 열 경화성인 제품을 생성하기 위해 상기 혼합물을 주입 몰딩함으로써만 형성될 수 있다.

흑연에 대해서, 흑연은 탄소 원자들의 육방 어레이들 또는 네트워크들 층 구조 평면으로 구성된다는 것이 공지된다. 육방으로 배열된 탄소 원자들의 이러한 층 구조의 평면들은 실질적으로 평평하고, 서로 실질적으로 평행하여 등거리를 갖도록 배향된다. 대개 그라핀 층들 또는 바탕 면들로써 언급되는 실질적으로 평평하고 평행한 탄소 원자들의 등거리 시트들 또는 층들은 서로 연결되거나 본딩되고, 상기 시트들 또는 층들의 그룹은 결정형으로 배열된다. 고도로 배열된(highly ordered) 흑연은 상당한 크기의 결정들로 구성된다. 상기 결정들은 서로에 대해 고도로 정렬되거나 배향되어 잘 배열된 탄소층들을 갖는다. 즉, 고도로 배열된 흑연은 고도의 바람직한 결정형 배향성을 갖는다. 흑연은 이방성 구조를 갖기 때문에 고도의 방향성 특성들, 즉 열적 특성과 전기적 특성, 및 유체 확산을 보인다는 것을 인지해야만 한다.

본 발명은 가요성의 흑연 물질 시트와 같은 원료 물질을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 원료 물질은 전형적으로 평평한 층형 평면들에서 상기 평면들 사이에서 약한 결합으로 공유 결합된 원자들을 포함하는 결정형의 탄소 형태의 흑연을 포함한다. 위에서 언급한 가요성의 흑연 시트들과 같은 원료 물질을 얻을 때, 천연 흑연 플레이크와 같은 흑연 입자들은 전형적으로 황 및 질소 용액과 같은 인터칼레이팅제에 의해 처리되고, 흑연의 결정 구조는 흑연 및 인터칼레이팅제의 화합물을 형성하기 위해 반응한다. 본 명세서의 이후부터는 처리된 흑연 입자들을 "인터칼레이팅된 흑연 입자들(particales of intercalated graphite)"로써 언급된다. 고온에 노출시킬 때, 흑연 내의 인터칼레이팅제는 분해되어 휘발되는데, 이는 인터칼레이팅된 흑연 입자들이 흑연의 결정 평면에 수직인 방향, 즉 "c" 방향으로 원래 부피보다 약 80 배 이상으로 치수로 확장되도록 한다. 박리된 흑연 입자들은 그 모양에 있어 연충형이므로, 대개 벌레로서 언급된다. 벌레들은 원래의 흑연 플레이크들과는 달리 다양한 형태들로 형성되어 절단되고 기계적 충돌을 변형시켜 작은 가로 개구들이 제공될 수 있는 가요성의 시트들로 함께 압착될 수도 있다.

본 발명에서 사용하기에 적합하나 가요성의 시트들을 위한 흑연 개시 물질(starting material)은 할로겐뿐만 아니라 유기산 및 무기산을 인터칼레이팅할 수 있고 그 후 열에 노출시킬 때 팽창시킬 수 있는 고도의 흑연 탄소질 물질을 포함한다. 이러한 고도의 흑연 탄소질 물질들은 가장 바람직하게는 약 1.0의 흑연화 정도를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "흑연화 정도"라는 용어는 다음의 공식에 따른 값으로 언급된다:

여기서 d(002)는 Å단위로 측정되는, 결정 구조의 탄소 흑연 층들 사이의 간격이다. 흑연 층들 사이의 간격 "d"는 표준 X-선 회절 기술에 의해 측정된다. (002),(004) 및 (006) 밀러 인덱스들(Miller Indice)에 대응하는 회절 피크치들의 위치들이 측정되고, 표준 최소 제곱 기술들이 이러한 모든 피크치들에 대한 총 에러를 최소화하는 간격을 유도하기 위해 채용된다. 고도의 흑연 탄소질 물질들의 예들은 다양한 원료들로부터의 천연 흑연들뿐만 아니라 화학적 증착법 등과 같은 방법에 의한 탄소들과 같은 다른 탄소질 물질들을 포함한다. 다수의 예들에 있어서, 천연 흑연이 선호된다.

본 발명에서 이용되는 가요성의 시트들에 대한 흑연 개시 물질들은, 개시 물질들의 결정 구조가 요구되는 흑연화 정도를 유지하고 박리될 수 있는 한은, 비-탄소 컴포넌트들을 함유할 수도 있다. 일반적으로, 요구되는 흑연화 정도를 가지면서 박리 가능한 결정 구조를 갖는 임의의 탄소-함유 물질은 본 발명에서 사용하기에 적합하다. 그러한 흑연은 바람직하게 20 중량% 미만의 애쉬(ash) 함량을 갖는다. 특정 환경에서는, 이용되는 흑연은 적어도 약 94%의 순도를 가질 것이다. 다른 바람직한 환경에서는, 이용되는 흑연은 적어도 약 99%의 순도를 가질 것이다.

흑연 시트를 제조하기 위한 공통 방법은 Shane등에 의한 미국 특허(3,404,061)에서 설명되고, 상기 특허는 본 명세서에서 참조로써 병합된다. Shane 등에 의한 방법의 전형적 실시에서, 천연 흑연 플레이크들은 질소산 및 황산의 혼합물과 같은 혼합물을 포함하는 용액에 상기 플레이크를 분산시킴으로써 인터칼레이팅되는데, 상기 혼합물은 흑연 플레이크 100중량부(pph)당 약 20 내지 약 300중량부의 인터컬런트 용액의 레벨에서 바람직하다. 인터칼레이팅 용액은 해당 분야에 공지된 산화제 또는 다른 인터칼레이팅제를 포함한다. 일례로는 산화제 및 산화 혼합물을 함유할 수 있는데, 상기 혼합물은 질소산, 염소산 칼륨, 크롬산, 과망간산칼륨, 크롬산칼륨, 중크롬산칼륨, 과염소산등을 함유하는 용액들과 같은 혼합물, 농축된 질소산 및 염소산염, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물, 또는 트리플루오르아세테이트와 같은 강한 유기산, 및 유기산에 용해될 수 있는 강한 산화제의 혼합물들이다. 대안으로써, 흑연을 산화시키기 위해 전위가 이용될 수 있다. 전해질 산화를 이용하여 흑연 결정으로 유도될 수 있는 화학 종들은 황산뿐만 아니라 다른 산들을 포함한다.

바람직한 일 실시예에서, 인터칼레이팅제는 황산, 또는 황산 및 인산의 혼합물, 및 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과요오드산 등과 같은 산화제 용액이다. 인터칼레이팅 용액은 때때로 염화 제2철 및 황산과 혼합된 염화 제2철과 같은 금속 할라이드, 또는 브롬 및 황산 용액 또는 유기용매 내의 브롬 용액과 같은 할라이드를 함유할 수 있다.

인터칼레이팅 용액의 양은 약 20 내지 약 150pph일 수 있고, 전형적으로는 약 50 내지 약 120pph이다. 흑연 플레이크들이 인터칼레이팅된 이후에, 임의의 초과 용액은 전형적으로 플레이크들에서 버려지고 상기 플레이크들은 물세척 된다. 대안으로써, 인터칼레이팅 용액의 양은 약 10 내지 약 50pph 사이로 제한될 수 있고, 이는 본 명세서에서 참조로써 병합된 미국 특허(4,895,713)에서 개시된 바와 같이 세척 단계가 제거되도록 하여준다.

인터칼레이팅 용액 처리된 흑연 플레이크 입자들은 예를 들어 블랜딩에 의해 선택적으로 알콜, 슈가, 알데히드 및 에스테르 중 선택된 감소 유기제와 접촉될 수 있는데, 상기 유기제들은 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에서 인터칼레이팅 용액을 산화시키는 표면 막과 반응한다. 적합한 특정 유기제들은 헥사데카놀, 옥타데카놀, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 데킬알콜, 1, 10 데카네디올, 데킬알데히드, 1-프로판올, 1,3프로파네디올, 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 덱스트로스, 프록토스, 락토스, 수크로스, 감자 녹말, 에틸렌 글리콜 모노스테아르산, 디에틸렌 글리콜 디벤조산, 프로필렌 글리세롤 모노스테아르산, 글리세롤 모노스테레이트, 디메틸 옥실레이트, 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 아스코르빈산 및 소듐 리그노슐페이트와 같은 리그닌-유도 화합물을 포함한다. 유기 감소 제의 양은 통상적으로 흑연 플레이크 입자들의 약 0.1 내지 5 중량%이다.

인터칼레이팅 이전, 도중 또는 이후에 즉시 가해진 팽창제의 사용 역시 개선점을 제공할 수 있다. 이러한 개선점들은 감소된 박리 온도 및 증가된 팽창 부피("벌레 부피"로서 언급됨)일 수 있다. 이러한 관점에서의 팽창제는 팽창에 있어서 개선을 달성하기 위해 인터칼레이팅 용액에 충분히 용해 가능한 유기 물질일 것이다. 더욱 한정하면, 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 이러한 유형의 유기 물질들은 바람직하게는 배타적으로 사용될 수도 있다. 카르복실기 산은 특히 효과적인 것으로 알려져 왔다. 팽창제로 유용한 적합한 카르복실기 산은 방향족, 지방족 또는 사이클로방향족, 직선 체인 또는 브랜치 체인, 포화 및 불포화 모노카르복실기산, 디카르복실기 산 및 폴리카르복실기 산 중에서 선택될 수 있는데, 상기 폴리 카르복실기 산은 적어도 하나의 탄소 원자를 가지며, 상기 카르복실기 산들은 때때로 약 15개의 탄소 원자들까지 조정되고 하나 이상의 박리 형태들의 측정 가능한 개선점을 제공하기에 효과적인 양의 인터칼레이팅 용액에 용해가능하다. 적합한 유기 용매들은 인터칼레이팅 용액 내의 유기 팽창제의 용해도를 개선하도록 이용될 수 있다.

포화 지방족 카르복실기 산들의 대표적 예들은 포름, 아세트, 프로핀, 부틴, 펜타논, 헥사논 등을 포함하는 H(CH₂)_NCOOH 식(여기서, n은 0에서 약 5까지의 정수)으로 표현되는 산들이다. 카르복실기 산 대신에, 무수물, 또는 알킬 에스테르와 같은 반응형 카르복실기 산 유도제 또한 이용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표적 예들은 메틸 포름산염 및 에틸 포름산염이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수성 인터칼레이팅제는 포름 산을 궁극적으로는 물 및 이산화탄소로 분해하는 능력을 갖는다. 이러한 능력으로 인해, 포름 산 및 다른 민감성 팽창제들은 수성 인터칼레이팅제 내의 흑연 플레이크의 침지 이전에 유리하게 상기 흑연 플레이크와 접촉한다. 디카르복실기 산들의 대표적 예들로는 2-12 탄소 원자들을 갖는 지방족 디카르복실기 산이 있고, 더욱 특정하게는 옥살산, 푸마릭산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타릭 산, 아디픽 산, 1,5-펜타네디카르복실기 산, 1-6-헥사네디카르복실기 산, 1,10-데카네카르복실기 산, 사이클로헥산-1, 4-디카르복실기 산, 및 프탈릭 산 또는 레레프탈릭 산과 같은 방향족 카르복실기 산들이다. 알킬 에스테르들의 대표적 예는 디메틸 오실레이트 및 디에틸 옥실레이트이다. 사이클로지방족 산들의 대표적 예는 사이클로헥산 카르복실기 산이고, 방향족 카르복실기 산의 대표적 예는 벤존 산, 나프탄 산, 안트라닐 산, p-아미노벤존 산, 살리키 산, o-, m- 및 p-토릴 산, 메톡시 및 에톡시벤존 산, 아세토아세타미도벤존 산, 및 아세타미도벤존 산, 페닐아세테이트 산 및 나프탄 산이다. 하이드록시 방향족 산의 대표적 예들은 하이드록시벤존 산, 3-하이드록시-1-나프탄 산, 3-하이드록시-2-나프탄 산, 4-하이드록시-2 나프탄 산, 5-하이드록시-1-나프탄 산, 5-하이드록시-2-나프탄 산, 6-하이드록시-2-나프탄 산, 7-하이드록시-2-나프탄 산이다. 폴리카르복실기 산들 중 대표적인 것은 시트릭 산이다.

인터칼레이팅 용액은 전형적으로 수성이고, 약 1 내지 10% 양의 팽창제를 함유할 수 있고, 상기 양은 박리를 향상시키는데 효과적이다. 수성의 인터칼레이팅 용액에 침지시키기 전 또는 이후의 흑연 플레이크에 팽창제를 접촉시키는 실시예에 있어서, 상기 팽창제는 V-블렌더와 같은 적합한 수단에 의해 흑연과 혼합되는데, 상기 팽창제의 양은 통상적으로 흑연 플레이크들의 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%이다.

흑연 플레이크를 인터칼레이팅 시킨 이후에, 인터칼레이팅제로 코팅된 인터칼레이팅된 흑연 플레이크를 유기 환원제로 블렌딩시키게 되는데, 상기 블렌드는 상기 환원제와 상기 인터칼레이팅 코딩의 반응을 가속화시키기 위해 25℃ 내지 125℃의 범위의 온도에 노출된다. 가열 주기는 약 20시간까지인데, 위에서 언급된 범위보다 더 높은 온도에 대해서는 더 짧은 가열 주기, 예를 들어 적어도 약 10분이 된다.

그러므로, 처리된 흑연 입자들은 때로는 "인터칼레이팅 된 흑연 입자들"로써 언급된다. 고온, 예를 들어 적어도 약 160℃, 때로는 약 700℃ 내지 1200℃ 또는 그 이상의 온도에 노출시킬 때, 인터칼레이팅 된 흑연 입자들은 c-방향, 즉 구성 흑연 입자들의 결정 평면에 수직인 방향으로 원래 부피보다 약 80 내지 1000배 이상 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 흑연 입자들은 모양이 연충형이므로, 대개 벌레로써 언급된다. 벌레들은 원래의 흑연 플레이크들과는 달리 다양한 형태들로 형성되어 절단되고 기계적 충돌을 변형시켜 작은 가로 개구들이 제공될 수 있는 가요성의 시트들로 함께 압착될 수도 있다.

가요성의 흑연 시트 및 호일은 양호한 처리 강도 갖으면서 접착성이 있고, 롤링 압축에 의해 약 0.05 mm 내지 4.00 mm의 두께 및 g/cc 당 0.1 내지 1.5 그램의 밀도로 적절히 압착된다. 약 1.5 중량% 내지 30 중량%의 세라믹 첨가제가 최종 가요성 흑연 생성물에 강화된 수지 함침을 제공하기 위해 미국 특허(5,902,762)에서 설명된 바와 같은 인터칼레이팅된 흑연 플레이크들로 블렌딩될 수 있다(상기 특허는 본 명세서에서 참조로써 병합됨). 상기 첨가제는 약 0.1 mm 내지 1.5 mm의 길이를 갖는 세라믹 섬유 입자들을 포함한다. 상기 입자의 너비는 적합하게 약 0.05 내지 0.001 mm이다. 세라믹 섬유 입자들은 흑연에 대해 비-반응형이고 비-접착성을 갖으며, 약 1100℃, 바람직하게는 약 1400℃ 또는 그 이상의 온도에서 적합하다. 적합한 세라믹 섬유 입자들은 침연(macerated) 석영 유리 섬유, 탄소 및 흑연 섬유, 지르코니아, 붕소 질화물, 실리콘 탄화물 및 마그네슘 섬유, 칼슘 메타실리케이트 섬유, 칼슘 알루미늄 실리케이트 섬유, 알루미늄 산화물 섬유와 같은 천연 발생 광물 섬유들 등으로 형성된다.

또한 가요성의 흑연 시트는 때때로 수지로 바람직하게 처리될 수 있고, 경화 이후의 흡수된 수지는 방수, 및 가요성 흑연 시트의 처리 강도(즉, 견고성) 뿐만 아니라 시트의 모폴로지 "고정성(fixing)"을 개선시킨다. 적합한 수지 함량은 바람직하게 약 5 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 35 중량%, 적절하게는 약 60 중량%까지이다. 본 발명의 실시에서 특히 유용한 수지들은 아크릴-, 에폭시- 및 페놀릭-기질의 수지계, 또는 이들의 혼합물이다. 적합한 에폭시 수지계는 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A(DGEBA) 및 다른 다기능성 수지계들을 기반으로 하는 것들을 포함하는데, 사용될 수 있는 페놀 수지들은 레졸 및 노보락 페놀을 포함한다. 특정한 바람직한 실시예들에서, 수지의 유리 전이 온도는 열적 가열 관리 장치의 사용 온도와 호환가능하다. 그럼에도 불구하고, 위에서 준비된 흑연 시트는 원하는 제품을 형성하기 위해 절삭되거나 다듬어질 수 있다. 수지 처리된 가요성의 흑연은 또한 "수지 함침 가요성 흑연" 또는 "함침 가요성 흑연"으로써 언급된다.

본 발명은 열 파이프의 앞서 언급한 도면들을 중심으로 설명할 것이지만, 본 발명은 열 파이프로만 제한되지 않으며 예를 들어 증기 챔버와 같은 다른 유형의 열 관리 장치에도 적용 가능하다. 가능한 유사하거나 비슷한 참조 문자들은 도면에서 유사하거나 비슷한 요소들을 설명하는데 사용될 것이다.

도 1은 일반적으로 10으로 표시되는, 원통형의 열 파이프의 내부의 정면도이다. 도 1에는 작용 유체 흐름의 일반적 경로에 대해 수직 배향성으로 배열된 원통형 열 파이프(12)가 도시된다. 열 파이프(12)는 쉘(14) 및 심지 구조(16)를 포함한다. 선택적으로, 열 파이프(12)는 심지 구조(16)의 외부로 적어도 하나의 유체 통로(18)를 포함할 수 있는데, 이는 또한 화살표 E로써 표시된다. 열 파이프(12)는 또한 심지 구조(16)의 내부로의 적어도 하나의 유체 통로(20)를 포함할 수 있는데, 이는 또한 화살표 I로써 표시된다. 심지 구조(16)는 또한 대략적으로 방사상인 다수의 유체 통로들을 포함할 수 있는데, 이는 상기 작용 유체로 하여금 적어도 통로(18)로부터 심지 구조(16)를 통해 통로(20)로 이동하도록 허용한다. 선택적으로, 열 파이프(12)는 또한 상기 열 파이프(12)의 대향된 단부들에 증발기(22) 및 응축기(26)를 포함한다.

열 파이프(12)는 열원(30)에 대한 상보 부재(mating element)(28)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상보 부재(28)는 증발기(22)에서와 동일한 열 파이프(12) 단부에 위치된다. 특정 바람직한 실시예들에서, 상보 부재(28)는 열원(30)의 표면과 접촉하는 표면을 가지고, 상기 상보 부재(28)의 표면은 선택적으로 상기 상보 부재(28)와 접촉하는 열원(30)의 표면의 거울상(mirror image)이다. 다른 바람직한 실시예들에서, 상보 부재(28)는 또한 열 파이프(12)의 외부 부분과 접촉한다. 상보 부재(28)와 열 파이프(12) 사이의 접촉은 열원(30)에서 열 파이프(12)로의 열 전달을 향상시킬 수 있다. 상보 부재(28)의 적합한 구성 물질은 적어도 가요성 흑연, 구리, 알루미늄, 및 그것들의 결합을 포함한다. 상보 부재(28)의 적합한 물질의 예는 Graftech Inc사의 eGRAF^TM HS 400을 포함한다. 열원(30)의 일예는 컴퓨터 칩이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 열 파이프(12)는 또한 쉘(14)의 적어도 부분 상에 위치된 다수의 핀들(32)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 핀들(32)은 응축기(26)가 위치되는 적어도 파이프(12)의 단부 상에 위치된다. 핀들(32)을 포함하는 열 파이프(12)의 실시예에 있어서, 바람직하게 핀들(32)은 가요성 흑연으로 구성된다. 핀들(32)의 다른 적합한 물질들은 구리, 알루미늄, 및 이전에 명명한 물질들의 임의의 결합을 포함할 수 있다. 핀들(32)은 도 1에 도시된 실시예에 제한되지 않는다. 핀들(32)의 임의의 적합한 구성은 본 발명의 일부로써 이용될 수도 있다. 예를 들어, 핀들(32)은 베이스, 및 열 파이프(12)로부터 수직으로 떨어져 연장하는 다수의 떨어져 있는 핀들의 엘리먼트들의 결합을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예는 또한 핀들(32)에 의해 흡수된 열의 손실과 함께 보조하기 위해 상기 핀들(32)을 통해 공기를 이동시키기 위한 팬을 포함할 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 열은 열원(30)에서 생성된다. 열원(30)에서 생성된 열은 열 파이프(12)로 전달되고, 적어도 증발기(22)에서 상기 작용 유체를 증발시킨다. 작용 유체의 증기상은 화살표 I로 표시되는 것처럼 통로(20)를 통해 응축기(26)로 흐른다. 증기 작용 유체는 응축기(26)에서 액체 형태로 응축되고, 응축의 결과로써 상기 작용 유체로부터 제거된 열은 핀들(32)로 전달되어 주변 환경으로 손실된다. 작용 유체의 액체 형태는 화살표 E로 표시되는 방향으로 통로(18)를 따라 증발기(22)로 다시 흐른다. 액체 작용 유체를 응축기(26)에서 증발기(22)로 전달하기 위한 전형적 흐름 메커니즘은 적어도 중력, 모세관 작용, 또는 그것들의 결합을 포함한다.

선택적으로, 열 파이프(12)는 대기압보다 낮은 압력에서 동작될 수 있다. 열 파이프(12) 내부의 압력을 조정함으로써, 열 파이프(12) 내부를 작용 유체가 증발할 온도는 열원(30)에 의해 생성되는 열과 조합되는 온도의 특정한 변화로 조정될 수도 있다. 예를 들어, 만일 작용 유체가 물이고 열 파이프(12)가 감소된 압력으로 동작한다면, 물은 약 100℃보다 낮은 온도에서 증발할 것이다.

열 파이프의 제 1 실시예는 도 2에 도시되고, 일반적으로 40으로 표시된다. 선택적으로, 열 파이프(40)는 작용 유체의 이동 경로에 대해 수직 배향으로 배열될 수도 있다. 그러나, 열 파이프(40)는 임의의 구성으로 배열될 수도 있다. 열 파이프(40)는 쉘을 포함하는데, 상기 쉘은 두 개의 시트 물질들(44u 및 44l)을 포함한다. 시트들(44u 및 44l)은 열 파이프(40)의 대향된 단부들 상에 위치된다. 시트(44l)는 증발기로서 언급될 수 있고, 시트(44u)는 응축기로써 언급될 수 있다.

열 파이프(40)는 또한 심지 구조(46)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 심지 구조(46)는 네 개의 서로 다른 플레이트 구조(46a 내지 46d)를 포함한다. 열 파이프(40)는 임의의 특정 개수의 플레이트들로 제한되지 않음을 인식해야만 한다. 플레이트 구조들(46a 내지 46d)의 구조에 있어서, 작용 유체의 흐름 경로는 하나의 플레이트에서 인접한 플레이트로 변경되는 것이 바람직하다. 플레이트(46a 내지 46d)에 대해서, 플레이트(46a)의 흐름 경로는 플레이트(46b)를 통해 작용 유체의 흐름 경로의 대략 정확히 반대편이라는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 플레이트(46a)가 중심 개구부, 및 상기 중심 개구부로부터 바깥쪽으로 방사형으로 연장하는 흐름 경로들과 같은 스포크를 갖는다. 반대로, 플레이트(46b)는 중심 허브, 및 사익 중심 허브로부터 바깥쪽으로 방사형으로 연장하는 지지 부재와 같은 스포크를 포함한다. 더욱이, 바람직하게 플레이트(46c)는 플레이트(46b)의 흐름 경로를 보 충하는 흐름 경로를 제공한다. 플레이트들(46c 및 46d)에서도 동일한 관계가 성립된다. 심지 구조(46)는, 작용 유체가 적어도 모세관 작용을 통해 열 파이프(40) 내부로 전달되는 방식으로 구성된다.

본 발명의 실시예에 있어서, 바람직하게 열 파이프(12)는 실질적으로 유체 불투과성 쉘(14)을 포함하고, 바람직하게 상기 쉘(14)은 기밀의(vacuum tight) 엔클로저이며, 상기 심지 구조(16)는 상기 쉘(14)의 내부에 있다. 선택적으로, 열 파이프(12)의 쉘(14)은 가요성의 흑연으로부터 구성될 수도 있다. 선택적으로, 상기 쉘(14)은 적어도 1.6 g/cc의 밀도, 전형적으로는 적어도 약 1.7 g/cc, 더욱 전형적으로는 적어도 약 1.9 g/cc, 더욱 전형적으로는 적어도 약 2.0 g/cc의 밀도를 갖는 가요성 흑연으로 구성된다.

쉘(14)을 형성하기 위해 이용되는 가요성 흑연은 수지가 함침된 가요성 흑연일 수 있거나 아닐 수 있다. 더욱이, 쉘(14)은 하나의 가요성 흑연 시트 이상의 시트를 포함할 수도 있다. 쉘(14)의 다른 실시예에서, 쉘(14)의 내부 표면은 적어도 하나의 채널, 바람직하게는 다수의 채널들을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 기밀이라는 것은 쉘(14)로부터 이동하지 않은 유체의 적어도 일부, 바람직하게는 실질적으로 전부를 제거하는데 이용되는 진공을 의미한다. 이동하지 않는 유체는 본 명세서에서는 작용 유체가 아닌 쉘(14) 에 존재하는 적어도 유체, 예를 들어 공기를 의미한다.

쉘(14)이 가요성 흑연으로 구성되는 경우에 있어서, 다양한 기술들이 원하는 형태의 쉘을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 압착은 가요성 흑연 시트를 쉘(14)에 대한 원하는 형상으로 형성하기 위해 이용될 수 있다. 가요성 흑연을 압착하기 위해 이용되는 전형적 압력은 약 4 바(bars) 이하, 전형적으로는 약 2 바 이하일 수 있다. 제 2 기술에서, 접착제는 가요성 흑연을 쉘(14)에 대해 원하는 형상으로 형성하기 위해 이용될 수 있다. 특정 바람직한 실시예에서, 접착제는 작용 유체에서 용해되지 않거나 그 역 또한 가능하지 않다. 제 3 기술에서, 가요성 흑연은 원통형 형태로 롤링되고, 열 파이프(12)의 길이방향 시임(seam)은 압착 또는 접착을 통해 형성되고, 플러그는 쉘(14)을 형성하기 위해 원통의 축 개구부들의 각각에 이용될 수 있다.

다른 기술에서, 하나 이상의 가요성 흑연 시트들은 관 형상으로 롤링될 수 있고, 상기 관의 단부들은 쉘(14)을 형성하기 위해 플러깅될 수 있다. 선택적으로, 시트들은 쉘(14)의 내부 표면상에 채널들을 형성하기 위해 융기될 수 있다. 다른 대안예에 있어서, 가요성 흑연 시트들에 주름이 생길 수 있다. 다른 기술에서, 가요성 흑연 시트들은 쉘(14)을 형성하기 위해 맨드릴 주위에 랩핑될 수 있다. 시트들을 랩핑할 때, 상기 시트들은 임의의 구성, 예를 들어 시트들을 나선형으로 랩핑하는 것과 같은 구성으로 랩핑될 수 있으나, 그것으로 제한되지는 않는다. 위에서 언급한 기술들에서, 가요성 흑연 시트들은 수지가 함침되거나 또는 비수지(nonresin)가 함침될 수 있다. 수지 함침 시트들에 있어서, 수지는 쉘(14) 형성 이전 또는 이후에 처리될 수 있다.

다른 실시예에서, 쉘(14)은 가요성 흑연의 삼-차원적 부품으로 구성된다. 통로는 상기 부품으로 가공된다. 바람직하게 상기 통로는 부품을 통해 완전히 연장하지 않는다. 상기 통로의 개방 단부는 앞서 언급된 접착제, 압축 또는 플러그의 앞서 언급한 기술들 중 하나에 의해 밀봉될 수 있다.

특정 바람직한 실시예들에서, 심지 구조(16)는 다공성 물질, 더욱 바람직하게는 대량의 팽창된 흑연, 더욱 바람직하게는 약 1.5g/cc 이하의 밀도를 갖는 가요성 흑연을 포함한다. 가요성 흑연은 본 명세서에서는 시트로 형성되어 온 대량의 팽창된 흑연을 설명하기 위해 사용된다. 더욱 바람직하게는, 심지 구조(16)의 가요성 흑연은 약 1.1g/cc 이하의 밀도를 갖고, 더욱 바람직하게는 약 1.0g/cc 미만이며, 가장 바람직하게는 약 0.5g/cc 이하의 밀도를 갖는다. 가요성 흑연이 적어도 약 0.25g/cc의 밀도를 갖는 것은 더 바람직하다. 그러한 가요성 흑연의 일례는 오하이오 주의 레이크우드에 소재하는 Graftech Inc.사의 GRAFOIL^ⓡ이다.

가요성 흑연의 밀도가 측정될 수 있는 한가지 방법은 침지 밀도 테스트이다. 이러한 테스트에서, 가요성 흑연 샘플은 중량 계산되어 그것이 기록된다. 그 다음 상기 샘플은 사전 결정된 부피의 물속에 침지된다. 샘플의 침지에 의해 분산된 물의 부피가 기록된다. 밀도는 샘플의 중량을 분산된 물 부피로 나눔으로써 결정된다. 밀도 계산법은 위에서 언급한 침지 밀도 테스트로만 제한되지 않는다.

심지 구조(16)의 가요성 흑연은 수지가 함침된 또는 함침되지 않은 가요성 흑연일 수 있다. 구조(16)는 수지가 함침된 경우이다. 특정 바람직한 실시예들에서, 구조(16)는 구조(16)에 공극을 유도하는 식으로 함침된다. 그러한 환경하에서, 수지 함침은 작용 유체의 모세관 흐름 및/또는 확산을 향상시키는 것이 좀 더 바람직하다.

선택적으로, 가요성의 흑연 심지 구조(16)는 적어도 심지 구조(16)의 세그먼트에 통합되는 금속 와이어를 추가로 포함할 수도 있다. 적합한 금속 와이어의 예들은 구리, 알루미늄, 스테인리스 철강, 티타늄, 및 그것들의 결합을 포함한다. 금속 와이어는 다양한 방식에 의해 심지 구조(16)로 통합될 수 있다.

하나의 방식은, 금속 와이어가 심지 구조(16)의 외부의 적어도 부분 주위에 랩핑되는 것이다. 제 2 방식은, 금속 와이어는 심지 구조(16)의 내부 또는 외부의 적어도 부분에 접착 본딩되는 것이다. 제 3 방식에서, 가요성 흑연 및 금속 와이어의 적층판이 형성된다. 상기 적층판의 적어도 부분은 금속 와이어를 포함한다.

심지 구조(16)는 또한 하나 또는 그 이상의 가요성 흑연 시트들을 포함할 수 있다. 더욱이, 각각의 가요성 흑연 시트는 약 2개 이상의 가요성 흑연 층들을 포함할 수 있다.

하나의 특정 실시예에서, 심지 구조(16)는 주름 모양의 가요성 흑연 시트를 포함한다. 바람직하게, 주름은 미세 주름을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 미세 주름들은 약 1mm 또는 그 미만의 크기를 가진다. 크링클링 기어(crinkling gear)가 주름 형성을 위해 이용될 수도 있다. 심지 구조(16)의 이러한 실시예는 제 2 가요성 흑연 시트를 포함할 수 있다. 몇몇 환경에서는, 제 2 가요성 흑연 시트에는 주름이 없다.

다른 실시예에서, 심지 구조(16)는 적어도 하나의 채널을 포함한다. 채널(채널들)은 증기 흐름을 용이하게 하여주는 크기의 제 1 부분, 및 액체 흐름을 용이하게 하여주는 크기의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 심지 구조(16)는 구조(16)에 채널들을 형성하기 위해 융기될 수 있다. 채널들의 크기는 균일하거나 다양할 수 있다. 채널들의 크기가 다양하다면, 몇몇 채널들은 증기 흐름을 용이하게 하는 크기이고 나머지 채널들은 액체 흐름을 용이하게 하기 위한 크기일 수 있다. 구조(16)에 대해, 일실시예에서, 심지 구조(16)는 열 파이프(12)의 증발기(22)에 부착된다.

대안으로써, 심지 구조는 팽창된 흑연과는 다른 물질로부터 구성될 수 있다. 적합한 대안적 물질은 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 티타늄, 및 그것들의 결합물 같은 금속을 포함한다. 대체 물질은 팽창된 흑연 대신에 또는 팽창된 흑연과 결합하여 이용될 수 있다.

열 파이프(12)는 또한 쉘(14) 내부에서 순환하는 이동하는 액체를 포함할 수 있다. 작용 유체의 바람직한 예들은 메탄올, 에탄올, 다른 알콜, 물, 및 탄화 불소(예를 들어, Freon^ⓡ) 중 적어도 하나를 포함한다. 일실시예에서, 열 파이프의 구성은 열 파이프의 쉘-심지 구조 어셈블리를 배기시키는 단계, 및 심지 구조(16)에 보이드들을 채우기에 적어도 충분한 유체로 상기 열 파이프를 다시 채우는 단계를 포함한다.

특정 바람직한 실시예에서, 열 파이프(12)에서 작용 유체의 양은 심지 구조(16)를 포화시키기에 충분하다. 더욱 바람직하게는, 쉘(14)에 충전된 작용 유체의 양은 심지 구조(16)를 포화시키는데 필요한 양보다 약 10% 더 많은 양을 포함한다.

작용 유체의 양은 선택적으로 심지 구조(16)를 포화시키는데 필요한 양보다 약 20% 까지 더 많은 양을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 열 파이프(12)에서 작용 유체의 양은 응축기(26)의 부피를 포함하고, 더욱 바람직하게는 응축기(26)의 부피보다 약 10% 더 많이 포함한다. 쉘(14)을 배기시키는 한가지 기술은 쉘(14)의 내부 상에서 공간을 당기는 것이다. 쉘(14)을 배기시키는 기능은 쉘(14)로부터 많은 양의 잔존하는 공기 또는 다른 이동하지 않는 유체를 제거하는데 있다.

하나의 바람직한 실시예에서, 열 파이프 내부의 공기는 액체 및 증기의 평형 상태에 도달한다. 열이 증발기에서 들어감에 따라, 이러한 평형 상태는 증기 측으로 이동하고 열 파이프의 내부 압력을 증가시킨다. 증가된 압력 하에서, 증기는 응축기로 확산할 수 있고, 이때 약간 낮은 온도는 증기들로 하여금 잠재하는 증발열을 응축시키도록 한다. 그 후, 응축된 유체는 바람직하게는 심지 구조(16)에서 전개된 모세관 힘 또는 확산 또는 중력에 의해 다시 증발기로 전달된다.

작용 유체의 연속적인 사이클링은 낮은 열적 변화도를 갖는 대량의 열을 전달한다. 바람직하게, 열 파이프의 동작은 전달되는 열에 의해서는 구동되는 수동형이다. 수동형 동작의 장점은 우수한 신뢰도 및 양질의 유용한 수명을 포함한다.

본 발명의 열 파이프는 도 3에서 일반적으로 50으로 표시되는 열 확산기 어셈블리에 포함될 수 있다. 어셈블리(50)는 열 파이프(52)를 포함한다. 특정 바람직한 실시예에서, 열 파이프(52)는 위에서 설명한 것과 같은 가요성 흑연으로 구성되는 쉘 또는 심지 구조 중 적어도 하나를 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 어셈블리(50)는 또한 선택적으로 베이스 유닛(54)을 포함한다. 바람직하게 베이스 유닛(54)은 어셈블리의 단부에 위치되고, 상기 어셈블리는 도시되지는 않았으나 응축기를 포함한다. 베이스 유닛(54)을 구성하는 적합한 물질은 가요성 흑연, 구리, 알루미늄, 및 그것들의 결합을 포함한다. 베이스 유닛(54)은 도시되지는 않았지만 어셈블리(50)의 다수의 핀들에 부착하기 위해 이용될 수 있는 표면(56)을 포함한다. 더욱이, 어셈블리(50)는 상보 부재(58)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 상보 부재(58)는 증발기를 갖는 열 파이프(52)의 단부에 위치되고 열원과 접촉한다. 상보 부재(58)를 구성하는 적합한 물질은 위에서 언급한 상보 부재(28)의 구성 물질과 동일할 물질을 포함한다.

어셈블리(50)의 일실시예에서, 열 파이프(52), 베이스(54) 및 상보 부재(58)의 세 개의 모든 쉘들은 Graftech Inc.사의 eFraf^TM 과 같은 가요성 흑연으로 구성된다. 특정 바람직한 실시예들에서, 파이프(52), 베이스(54) 및 엘리먼트(58) 중 적어도 하나에 대한 가요성 흑연은 적층판을 포함한다. 상기 적층판은 시멘트로 함께 접합된 고밀도(특정 실시예에서는, 적어도 약 1.6g/cc, 더욱 바람직하게는 적어도 약 1.7g/cc, 더욱 바람직하게는 적어도 약 1.9g/cc)의 가요성 흑연 시트들로 구성될 수 있다. 대안으로써, 가요성 흑연 적층판은 실질적으로 단일 구조를 형성하기 위해 열 압축되어 처리되는 수지가 함침된 다수의 가요성 흑연 시트들로 구성될 수 있다.

도 4에는 열 관리 장치(60) 및 열원(70)의 실시예의 횡단면도가 도시된다. 상기 장치(60)는 열원(70)과 접촉하는 하부 베이스(62)로부터 형성되는 쉘을 포함한다. 바람직하게, 베이스(62)는 구리, 알루미늄, 또는 그것들의 합금과 같은 전 도성 물질로 구성된다. 쉘은 가요성 흑연을 포함하는 상부 엘리먼트(66)를 더 포함한다. 상부 엘리먼트(66) 및 하부 엘리먼트(62)는 에폭시 같은 접착제를 사용하는 것과 같은 임의의 적합한 기술에 의해 인터페이스(64)에서 결합될 수 있다. 특정 바람직한 실시예에서, 장치(60)는 엘리먼트(66)의 상부 표면으로부터 연장하는 다수의 핀들(32)을 포함한다.

선택적으로 장치(60)는 또한 하나 이상의 내부 지지 엘리먼트들(68)을 포함한다. 내부 지지 엘리먼트들은 구성에 있어 임의의 특정한 형태 또는 임의의 특정한 물질로 제한되지 않는다. 지지 엘리먼트들(68)은 구리, 알루미늄, 팽창된 흑연 또는 그것들의 결합과 같은 전도성 물질로 구성될 수 있다. 대안적 실시예에서, 지지 엘리먼트들(68)은 상부 엘리먼트(66)로부터 하향 연장하는 하나 이상의 핀들을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 증기 챔버와 같은 다른 유형의 열 관리 장치들에 적용된다. 증기 챔버는 여러 면에 있어서 열 파이프와 유사하다. 열 파이프와 같은 증기 챔버는 열원에서 열원보다 더 차가운 위치로 열을 전달하기 위해서, 작용 유체의 잠재 증발열을 이용한다. 동작시에, 증기 챔버에서 작용 유체는 상기 증기 챔버 내부의 몇몇 위치들에서 증발되고, 증기 챔버 내에서 냉각기 위치로 함께 이동하며, 그거란 냉각 위치에서 응축한다.

특정 바람직한 실시예들에서, 증기 챔버는 열 파이프의 쉘과 유사한 적어도 하나의 쉘을 포함한다. 이러한 환경 하에서, 증기 챔버의 쉘은 가요성 흑연을 포함한다. 전형적으로, 증기 챔버는 또한 작용 유체를 포함한다. 증기 챔버의 작용 유체는 위에서 설명한 것과 같은 열 파이프의 작용 유체와 동일할 수 있다. 선택적으로, 증기 챔버는 많은 내부 지지대 중 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게, 내부 지지대들은 가요성 흑연, 구리, 알루미늄, 또는 그것들의 결합물과 같은 몇몇 유형의 열 전도 물질로 구성된다. 선택적으로, 증기 챔버의 외부 표면의 적어도 부분은 열 파이프에 대해 설명한 바와 같은 다수의 핀들을 포함할 수 있다.

Claims

증발기 부분과 응축기 부분을 가지는 실질적으로 유체 불투과성 쉘;

상기 쉘 내부의 심지 구조(wick structure); 및

상기 쉘 내부에서 순환하는 작용 유체(working fluid);

를 포함하며, 상기 실질적으로 유체 불투과성 쉘은 증발기 부분에 배치되는 상보 부재를 가지며, 상기 상보 부재는 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 시트를 포함하는, 열 관리 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 상보 부재를 형성하는 상기 박리된 흑연의 압착 입자들의 시트는 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 수지 함침 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 상보 부재는 1.1g/cc 이상의 밀도를 가지는 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 상보 부재는 1.6 g/cc 이상의 밀도를 가지는 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.
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제 2 항에 있어서,

상기 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 시트는 5 중량%의 수지로 함침되는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.
증발기 부분과 응축기 부분을 가지는 실질적으로 유체 불투과성 쉘;

상기 쉘 내부의 심지 구조(wick structure); 및

상기 쉘 내부에서 순환하는 작용 유체(working fluid);

를 포함하며, 상기 실질적으로 유체 불투과성 쉘은 상기 응축기 부분에 배치되는 다수의 핀을 가지며, 상기 다수의 핀은 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 시트를 포함하는, 열 관리 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 다수의 핀을 형성하는 상기 박리된 흑연의 압착 입자들의 시트는 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 수지 함침 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 시트는 5 중량%의 수지로 함침되는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 시트는 1.1g/cc 이상의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 박리된 흑연의 압착 입자들의 하나 이상의 시트는 1.6g/cc 이상의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.
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