KR20050085880A - Flexible graphite thermal management devices - Google Patents

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다니엘 더블유. 크라소우스키
게리 지. 첸
토마스 더블유. 버켓트
브라이언 에이치. 포드
진-웬 트젱
줄리안 노레이
마틴 디. 스말크
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Abstract

The invention provides to thermal management devices constructed from flexible graphite. In one embodiment, the thermal management device includes a wick structure inside a shell. In certain preferred embodiments, the wick structure is composed of a mass of expanded graphite. In another embodiment, the shell of the device includes flexible graphite and an optional wick structure. In certain preferred embodiments, the flexible graphite shell is fluid impermeable. The invention further includes methods of making the aforementioned thermal management devices.

Description

가요성 흑연의 열 관리 장치 {FLEXIBLE GRAPHITE THERMAL MANAGEMENT DEVICES}Thermal Management Device for Flexible Graphite {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.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to thermal management devices, and more particularly, to devices comprising flexible graphite and methods of making such devices.

열 파이프와 같은 열 관리 장치는 열 전달 분야에 공지된 장치이다. 열 파이프는 필수적으로 폐쇄된 열 전달 시스템이고, 이 때 밀봉의 진공 엔클로저 내의 소량의 액체는 증발 및 응축 주기를 통해 순환된다. 케이스 상의 하나의 위치에서 엔클로저로 들어오는 열은 그 위치에서 액체를 증발시키는데, 이는 상기 케이스 상의 냉각기 위치로 이동하는 증기를 생성하고, 상기 냉각기 위치에서 사기 증기는 응축된다. 증기의 이동은 증발기 위치 및 응축기 위치 상이의 작은 증기압 차이를 유발시킨다. 증기를 생성하는 증발열이 증기에 의해 상기 응축기 위치로 필수적으로 이동될 때 열 전달이 달성되는데, 상기 장소에서의 열은 응축열로써 제공된다.Thermal management devices such as heat pipes are devices known in the field of heat transfer. The heat pipe is essentially a closed heat transfer system, where a small amount of liquid in the sealed vacuum enclosure is circulated through the evaporation and condensation cycle. Heat entering the enclosure at one location on the case evaporates the liquid at that location, which produces vapor that travels to the cooler location on the case where condensed vapor condenses. The movement of the steam causes a small vapor pressure difference between the evaporator position and the condenser position. Heat transfer is achieved when the heat of vaporization that produces steam is essentially transferred by the steam to the condenser position, where heat at that location is provided as heat of condensation.

열 전달을 계속하기 위해, 응축액은 상기 응축기에서 증발기로 복귀되어야만 하는데, 상기 증발기에서는 다시 증발이 일어난다. 이러한 복귀가 중력과 같이 단순한 것에 의해 달성될 수 있을지라도, 열 파이프들이 중력 효과에 상대적으로 무관하도록 하기 위해 모세관 심지들이 일반적으로 이용되어 왔다. 그러한 심지는 물이 생기기 시작하는 응축기 부근의 위치로부터 증발에 필요한 증발기에서의 위치로 연장한다.In order to continue the heat transfer, the condensate must be returned from the condenser to the evaporator, where evaporation takes place again. Although this return can be achieved by something as simple as gravity, capillary wicks have generally been used to make heat pipes relatively insensitive to gravity effects. Such a wick extends from a position near the condenser where water begins to form to a position in the evaporator necessary for evaporation.

구성 물질과 관련하여, 케이스들은 전통적으로 구리 또는 다른 금속으로 제조되고, 상기 케이스들이 열 파이프 내에서 증기압을 구조적으로 충분히 견디고 열 파이프 테이프 외부의 감소된 증기 또는 응축될 수 없는 기체를 흡기하지 않는 것을 보장하기에 충분한 두께의 벽들로 구성된다.With regard to the constituent material, the cases are traditionally made of copper or other metals, and the cases are structurally sufficient to withstand the vapor pressure in the heat pipes and to avoid inhaling reduced steam or non-condensable gases outside the heat pipe tape. It consists of walls of sufficient thickness to ensure.

열 전도성이 있으면서 심지들에 대해 모세관 구조로써 작용하는 물질을 개발하는데 상당한 노력들을 기울여 왔다. 그러한 가장 보편적 물질은 다중 층들로 사용되는 금속 스크린들, 및 케이스에 부착되는 구조로 소결되는(sintered) 금속 파우더이다. 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 파이브 구성이 일반적으로 선호되는데, 이는 입력 열이 심지 내의 액체에 바로 접근할 수 있도록 하기 위함이다.Considerable efforts have been made to develop materials that are thermally conductive and act as capillary structures for wicks. Such most common materials are metal screens used in multiple layers, and metal powder sintered into a structure attached to a case. The thermal conduction properties of such wicks have been considered important to allow heat entering the heat pipe to be directed through the wick in the evaporator and to allow the liquid to evaporate within the wick. A thermal five configuration in which the wick is attached to the case wall at the evaporator is generally preferred to allow the input heat to directly access the liquid in the wick.

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 극기 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.However, there are applications that are not satisfactory with existing heat pipe structures. Metal cases and metal wicks add weight, strength and electrical conductivity to heat pipes, but such metal cases and metal wicks are not available in some situations. Portable computers, so-called "laptops", are one application where traditional thermal pies are difficult to use. In such applications, weight and space are extremely important factors. Moreover, the price of metal cases and sintered wicks is a disadvantage in terms of the highly competitive market of portable computers. Moreover, the wick components from existing materials do not withstand corrosion. Therefore, there is a need to find new construction materials for heat pipes.

도 1은 원통형 열 파이프의 내부 형태의 정면도.1 is a front view of the inner form of a cylindrical heat pipe;

도 2는 수직형 열 파이프의 엘리먼트들의 분해도.2 is an exploded view of the elements of a vertical heat pipe.

도 3은 열 확산기 어셈블리에서 본 발명의 열 파이프의 일 특정 실시예의 정면도.3 is a front view of one particular embodiment of a heat pipe of the present invention in a heat spreader assembly.

도 4는 핀들을 갖는 열 관리 장치의 일 특정 실시예의 횡단면도.4 is a cross-sectional view of one particular embodiment of a thermal management device having fins.

본 발명의 일실시예에서는 실질적인 유동성의 투과 가능한 쉘 및 상기 쉘 내부의 심지 구조를 포함하는 열 관리 장치를 제공한다. 특정 바람직한 실시예들에서, 심지는 다량의 팽창된 흑연을 포함한다.One embodiment of the present invention provides a thermal management device that includes a substantially fluid permeable shell and a wick structure within the shell. In certain preferred embodiments, the wick comprises a large amount of expanded graphite.

본 발명의 다른 실시예에서는 다량의 팽창된 흑연으로부터 형성된 심지 구조를 구비하는 열 관리 장치의 제조 방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a thermal management apparatus having a wick structure formed from a large amount of expanded graphite.

본 발명의 다른 실시예에서는 가요성의 흑연으로부터 구성되는 쉘을 구비하는 열 관리 장치를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a thermal management device having a shell constructed from flexible graphite.

본 발명의 추가 실시예에서는, 가요성의 흑연으로부터 구성되는 쉘을 구비하는 열 관리 장치를 제조하는 방법을 제공하는데, 이는 본 명세서를 읽은 후에 당업자라면 자명하게 이해될 것이다.In a further embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thermal management apparatus having a shell constructed from flexible graphite, which will be apparent to those skilled in the art after reading this specification.

본 발명의 열 관리 장치들은 기존의 장치들과 비교할 때 다수의 장점들을 갖는데, 우수한 무게, 수용 가능한 강도, 및 만족할만한 열 전도성에 면에 있어 그러하다. 더욱이, 본 발명의 장치의 심지 구조는 또한 기존의 심지 물질과 비교하여 개선된 부식 저항성을 갖는다.The thermal management devices of the present invention have a number of advantages over conventional devices in terms of good weight, acceptable strength, and satisfactory thermal conductivity. Moreover, the wick structure of the device of the present invention also has improved corrosion resistance compared to existing wick materials.

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 실싱하여 인식될 것이다.Additional features and advantages of the invention will be set forth in the description which follows, and one of ordinary skill in the art will readily understand in part from the description, or may practice the invention described herein, including the following description and claims and drawings. Will be recognized.

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.It is to be understood that the foregoing general description and the following detailed description represent embodiments of the invention and are intended to provide a schematic perspective or framework for understanding the nature and properties of the invention as they claim. The accompanying drawings are included to provide a further understanding of the invention, and are incorporated and constituted as part of this specification. The drawings illustrate various embodiments of the invention, and together with the description serve to explain the principles and operations of the invention.

흑연은 카본 적층판 구조, 즉 약한 반데발스(van der Waals)의 힘과 결합되는 카본 원자들의 겹쳐진 층들 또는 적층판으로 구성된 구조를 특징으로 한다. 흑연 구조를 고려할 때, 대개 두개의 축들 또는 방향들이 언급되는데, 즉 "c" 축 또는 방향, 및 "a" 축 또는 방향이 그것들이다. 간략화를 위해, "c" 축 또는 방향은 카본 층들에 대해 수직 방향으로써 고려될 수 있다. "a"축 또는 방향은 카본 층들에 대해 평행한 방향 또는 "c" 방향에 대해 수직 방향으로써 고려될 수 있다. 가요성의 흑연 시트를 제조하기에 적합한 흑연은 고도의 배향성을 갖는다.Graphite is characterized by a carbon laminate structure, that is, a structure consisting of laminated layers or layers of carbon atoms that are coupled with weak van der Waals forces. When considering the graphite structure, two axes or directions are usually mentioned, namely the "c" axis or direction, and the "a" axis or direction. For simplicity, the "c" axis or direction may be considered as perpendicular to the carbon layers. The "a" axis or direction may be considered as the direction parallel to the carbon layers or the direction perpendicular to the "c" direction. Graphite suitable for producing flexible graphite sheets has a high degree of orientation.

위에서 언급한 바와 같이, 평행한 카본 원자들의 층들을 함께 홀딩하는 결합력은 단지 약한 반데발스의 힘이다. 천연 흑연은, 층들에 수직인 방향("c"방향)으로 뚜렷한 확장을 제공하여 카본 층들의 적층판 특성이 실질적으로 유지되는 확장된 또는 부푼(intumesced) 흑연 구조를 형성하기 위해 겹쳐진 카본 층들 또는 적층판들 사이의 공간이 적절하게 개방될 수 있도록 처리될 수 있다.As mentioned above, the bonding force holding the layers of parallel carbon atoms together is only a weak Van de Waals force. Natural graphite overlaps the carbon layers or laminates to provide an expanded extension in the direction perpendicular to the layers (the “c” direction) to form an expanded or inflated graphite structure in which the laminate properties of the carbon layers are substantially maintained. It can be processed so that the space between them can be properly opened.

상당히 확장되어온 더욱 상세하게는 원래의 "c" 방향 치수의 80 배 또는 그 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 치수를 갖도록 하기 위해 확장된 흑연 조각은 확장된 흑연의 접착 또는 통합 시트(예를 들어, 즉 웹, 페이퍼, 스트립, 호일, 매트등, 일반적으로 "가요성 흑연"으로써 지칭됨)로의 바인더의 사용 없이 형성될 수 있다. 임의의 바인딩 물질의 사용 없이, 압착에 의해 원래 "c"방향 치수의 80배 또는 그 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 치수를 갖도록 통합된 가요성 흑연으로 확장되는 흑연 입자들의 형성은 부피적으로 확장된 흑연 입자들 사이에서 달성되는 기계적 인터락킹 또는 결합으로 인해 가능하다고 인식된다.More specifically, the expanded graphite pieces can be expanded to have a final thickness or " c " dimension of 80 times or more of the original " c " direction dimension, or a sheet of adhesive or integrated sheet of expanded graphite (e.g., That is, without the use of a binder as a web, paper, strip, foil, mat, etc., generally referred to as "flexible graphite". Without the use of any binding material, the formation of graphite particles that expands into flexible graphite integrated to have a final thickness or “c” direction dimension of 80 times or more of the original “c” direction dimension by compression It is recognized that this is possible due to the mechanical interlocking or bonding achieved between the graphite particles.

가요성에 추가하여, 위에서 언급한 시트 물질은 롤 압축과 같은 상당한 고압착으로부터 기인하는 맞보는 시트면들에 실질적으로 평행한 팽창된 흑연 입자들 및 흑연 층들로 인해서 천연 흑연과 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.In addition to the flexibility, the above-mentioned sheet material has thermal conductivity and thermal conductivity in comparison with natural graphite due to expanded graphite particles and graphite layers substantially parallel to the mating sheet surfaces resulting from significant high compression such as roll compaction. It has been known to have a high degree of anisotropy and fluid diffusion for electrical conductivity. The resulting sheet material therefore has good flexibility, good strength and high orientation.

요약하면, 웹, 페이퍼, 스트립, 테이프, 호일, 매트등과 같은 가요성의 바인더 없는 이방성 흑연 시트 물질을 생성하는 과정은 실질적으로 평평한 가요성의 통합된 흑연 시트를 생성하기 위해 사전 결정된 로드하에서 바인더 없이, 원래 입자보다 80배 또는 그 이상의 "c" 방향 치수를 갖는 팽창된 흑연 입자들을 압착 또는 압축하는 단계를 포함한다. 일단 압착된 일반적으로 그 모양이 연충 형태인 팽창된 흑연 입자들은 압착 형태 및 마주보는 주요 시트 표면을 갖는 배열을 유지할 것이다. 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 시트 물질의 롤 압축을 증가된 밀도로 증가시키는 이방성 정도에 의해, 마주보는 평행한 주요 시트 표면들에 평행한 흑연 입자들의 배열로 인한 적당한 이방성 정도를 나타낸다. 롤 압축의 이방성 물질에서, 두께, 즉 마주보는 평행한 시트 표면들에 수직인 방향은 "c" 방향을 포함하고, 길이 및 두께를 따른 범위의 방향들, 즉 마주보는 주요 표면들에 평행한 방향들은 "a" 방향들을 포함하며, 시트의 열적 및 전기적 특성은 상기 "c" 및 "a" 방향들에 대해 크기만큼 매우 다르다.In summary, the process of producing flexible, binderless anisotropic graphite sheet materials such as webs, papers, strips, tapes, foils, mats, etc. can be performed without binders under predetermined loads to produce substantially flat flexible integrated graphite sheets, Compressing or compressing expanded graphite particles having a " c " direction dimension of 80 times or more than the original particles. Expanded graphite particles, once compressed, generally in the form of a worm, will maintain an arrangement with the pressed form and the opposite major sheet surface. The density and thickness of the sheet material can be varied by controlling the degree of compaction. The density of the sheet material may be in the range of about 0.04 g / cc to about 2.0 g / cc. Flexible graphite sheet material exhibits a moderate degree of anisotropy due to the arrangement of graphite particles parallel to the opposing parallel major sheet surfaces by the degree of anisotropy which increases the roll compression of the sheet material to increased density. In the anisotropic material of roll compression, the thickness, ie, the direction perpendicular to the opposing parallel sheet surfaces, includes the "c" direction, and the directions along the length and thickness, ie, the directions parallel to the opposing major surfaces. Include the "a" directions, and the thermal and electrical properties of the sheet are very different in size for the "c" and "a" directions.

흑연 입자들로부터 제품을 제조하는 방법이 제안되어 왔다. 예를 들어, Hayward에게 특허허여된 미국 특허(5,882,570)는 가요성의 도포되지 않은 흑연 호일을 작은 입자 크기들로 그린딩하는 단계, 상기 입자들을 팽창시키기 위해 상기 입자들을 열적으로 열적 충격을 가하는 단계, 상기 팽창된 흑연을 열경화성 페놀 수지와 혼합하는 단계, 저 밀도 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 가마(furnace)등에서 물질을 절연시키는 것으로써 이용될 수도 있다.A method for producing a product from graphite particles has been proposed. For example, U.S. Patent No. 5,882,570 to Hayward, describes the steps of: drawing a flexible, uncoated graphite foil to small particle sizes, thermally thermally impacting the particles to swell the particles, Mixing the expanded graphite with a thermosetting phenolic resin, molding injection of the mixture to form low density blocks or other forms, and heat treating the blocks to thermoset the material. . The final blocks may be used as insulating materials in a furnace or the like.

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 주입되지 않은 원료 물질만을 이용하고, 그 최종 생성물은 흑연 입자들을 큰 비율의 수지들과 혼합하고, 제품을 생성하기 위해 상기 혼합물을 주입 몰딩함으로써만 형성될 수 있는데, 상기 제품은 이후에 열경화된다.WO 00/54953 and US Pat. No. 6,217,800 to Hayward further disclose processes related to the content of US Pat. No. 5,882,570. Hayward processes are quite limited in the raw materials used and the type of end product that can be produced. Hayward uses only raw material that has not been injected, and the final product can be formed only by mixing graphite particles with a large proportion of resins and by injection molding the mixture to produce a product, which product is then heated Cures.

흑연에 대해서, 흑연은 카본 원자들의 육방 어레이들 또는 망들의 층 구조 평면으로 구성된다는 것이 공지된다. 육방으로 배열된 카본 원자들의 이러한 층 구조의 평면들은 실질적으로 평평하고, 서로 실질적으로 평행하여 등거리를 갖도록 배향된다. 대개 그라핀 층들 또는 바탕 면들로써 언급되는 실질적으로 평평하고 평행한 카본 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 카본 층들을 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.For graphite, it is known that graphite consists of a layered plane of hexagonal arrays of carbon atoms or nets. The planes of this layered structure of hexagonally arranged carbon atoms are substantially flat and oriented so as to be equidistant substantially parallel to each other. Equivalent sheets or layers of substantially flat and parallel carbon atoms, often referred to as graphene layers or ground planes, are connected or bonded to one another, and the groups of sheets or layers are arranged in a crystalline form. Highly ordered graphite consists of crystals of considerable size. The crystals have well aligned or highly aligned carbon layers with respect to each other. In other words, highly ordered graphite has a highly desirable crystalline orientation. It should be noted that graphite has an anisotropic structure and thus exhibits high directional properties, ie thermal and electrical properties, and fluid diffusion.

본 발명은 가요성의 흑연 물질 시트와 같은 원료 물질을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 원료 물질은 전형적으로 평평한 층 구조의 평면들에서 평면들 사이에서 약한 본딩제들로 공유 결합된 원자들을 포함하는 결정형의 카본 형태의 흑연을 포함한다. 위에서 언급한 가요성의 흑연 시트들과 같은 원료 물질을 얻을 때, 천연 흑연 조각과 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"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 치수가 확장되도록 한다. 박리된 흑연 입자들은 그 모양에 있어 연충형이므로, 대개 벌레로서 언급된다. 벌레들은 원래의 흑연 조각들과는 달리 다양한 형태들로 형성되어 절단되고 기계적 충돌을 변형시켜 작은 가로 개부들이 제공될 수 있는 가요성의 시트들로 함께 압착될 수도 있다.The present invention may include providing a raw material, such as a sheet of flexible graphite material. The raw material typically comprises graphite in crystalline carbon form containing atoms covalently bonded with weak bonding agents between planes in flat layered structures. When obtaining raw materials such as the flexible graphite sheets mentioned above, graphite particles such as natural graphite pieces are typically treated by intercalating agents such as sulfur and nitrogen solutions, and the crystal structure of the graphite is graphite and intercal. Reacts to form a compound of rating agent. From now on, the treated graphite particles are referred to as "intercalated graphite particles". Upon exposure to high temperatures, the intercalating agent in the graphite decomposes and volatilizes, which intercalates the graphite particles in a direction perpendicular to the crystal plane of the graphite, i. To expand. The exfoliated graphite particles are worm-shaped in shape and are therefore commonly referred to as worms. The worms, unlike the original graphite pieces, may be formed into various shapes and cut together and squeezed together into flexible sheets, where small transverse openings can be provided by modifying mechanical collisions.

본 발명에서 사용하기에 적합하나 가요성의 시트들을 위한 흑연 시작 물질(starting material)은 할로겐 뿐만 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:Graphite starting materials suitable for use in the present invention but for flexible sheets are highly graphite carbonaceous materials that can intercalate halogen as well as organic and inorganic acids and then expand upon exposure to heat. It includes. These highly graphite carbonaceous materials most preferably have a degree of graphitization of about 1.0. As used herein, the term "degree of graphitization" is referred to as a value according to the following formula:

여기서 d(002)는 Å단위로 측정되는, 결정 구조의 카본 흑연 층들 사이의 간격이다. 흑연 층들 사이의 간격 "d"는 표준 X-선 회절 기술에 의해 측정된다. (002),(004) 및 (006) 밀러 인다이스(Miller Indice)들에 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 흑연들 뿐만 아니라 화학적 증착법 등과 같은 방법에 의한 카본들과 같은 다른 탄소질 물질들을 포함한다. 다수의 예들에 있어서, 천연 흑연이 선호된다.Where d (002) is the spacing between the carbon graphite layers of the crystalline structure, measured in kPa. The spacing “d” between the graphite layers is measured by standard X-ray diffraction techniques. Positions of diffraction peaks corresponding to (002), (004) and (006) Miller Indices are measured, and standard least square techniques to derive an interval that minimizes the total error for all these peaks. To be employed. Examples of highly graphite carbonaceous materials include natural graphites from various raw materials as well as other carbonaceous materials such as carbons by methods such as chemical vapor deposition and the like. In many examples, natural graphite is preferred.

본 발명에서 이용되는 가요성의 시트들에 대한 흑연 시작 물질들은, 시작 물질들의 결정 구조가 요구되는 흑연화 정도를 유지하고 박리될 수 있는 한은, 비-카본 컴포넌트들을 함유할 수도 있다. 일반적으로, 요구되는 흑연화 정도를 가지면서 박리 가능한 결정 구조를 갖는 임의의 카본-함유 물질은 본 발명에서 사용하기에 적합하다. 그러한 흑연은 바람직하게 20 중량 퍼센트 이하의 애쉬(ash) 내용물을 갖는다. 특정 환경에서는, 이용되는 흑연은 적어도 약 94%의 순도를 가질 것이다. 다른 바람직한 환경에서는, 이용되는 흑연은 적어도 약 99%의 순도를 가질 것이다.Graphite starting materials for the flexible sheets used in the present invention may contain non-carbon components, as long as the crystal structure of the starting materials can be peeled off to maintain the required degree of graphitization. In general, any carbon-containing material having a degree of graphitization and having a peelable crystal structure is suitable for use in the present invention. Such graphite preferably has an ash content of 20 weight percent or less. In certain circumstances, the graphite used will have a purity of at least about 94%. In other preferred circumstances, the graphite used will have a purity of at least about 99%.

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 조각들은 질소산 및 황산의 혼합물과 같은 혼합물을 포함하는 용액에 상기 조각을 분산시킴으로써 인터칼레이팅되는데, 상기 혼합물은 흑연 조각들의 중량의 100 조각당(pph) 인터칼레이팅제 용액 중량의 약 20 내지 30 조각들의 레벨만큼이 유리하다. 인터칼레이팅 용액은 해당 분야에 공지된 산화제 또는 다른 인터칼레이팅제를 포함한다. 그 예들은 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, 전위는 흑연을 산화시키기 위해 이용될 수 있다. 전해질 산화를 이용하여 흑연 결정으로 유도될 수 있는 화학적 미세성분들은 황산 뿐만 아니라 다른 산들을 포함한다.A common method for producing graphite sheets is described in US Pat. No. 3,404,061 to Shane et al., Which is incorporated herein by reference. In a typical implementation of the method by Shane et al., Natural graphite pieces are intercalated by dispersing the pieces in a solution comprising a mixture such as a mixture of nitric acid and sulfuric acid, the mixture being 100 pph of the weight of the graphite pieces (pph). ) Is advantageous by the level of about 20 to 30 pieces of intercalating agent solution weight. Intercalating solutions include oxidizing agents or other intercalating agents known in the art. Examples may include oxidants and oxidizing mixtures, mixtures such as solutions containing nitric acid, potassium chlorate, chromic acid, potassium permanganate, potassium chromate, potassium dichromate, perchloric acid, concentrated nitric acid and chlorate , Mixtures such as chromic acid and phosphoric acid, sulfuric acid and nitric acid, or strong organic acids such as trifluoroacetate, and mixtures of strong oxidants that can be dissolved in organic acids. Alternatively, the potential can be used to oxidize the graphite. Chemical microcomponents that can be induced into graphite crystals using electrolyte oxidation include sulfuric acid as well as other acids.

바람직한 일실시예에서, 인터칼레이팅제는 황산, 또는 황산 및 인산의 혼합물, 및 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과옥소산 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. In a preferred embodiment, the intercalating agent is sulfuric acid, or a mixture of sulfuric acid and phosphoric acid, and an oxidizing agent solution such as nitric acid, perchloric acid, chromic acid, potassium permanganate, hydrogen peroxide, iodic acid or peroxic acid, and the like. Intercalating solutions may sometimes contain metal halides such as ferric chloride and ferric chloride mixed with sulfuric acid, or halides such as bromine and sulfuric acid solutions or bromine solutions in organic solvents.

인터칼레이팅 용액의 양은 약 20 내지 약 150pph일 수 있고, 전형적으로는 약 50 내지 약 120pph이다. 흑연 조각들이 인터칼레이팅된 이후에, 임의의 초과 용액은 전형적으로 조각들에서 버려지고 상기 조각들은 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.The amount of intercalating solution may be about 20 to about 150 pph, and typically about 50 to about 120 pph. After the graphite pieces are intercalated, any excess solution is typically discarded from the pieces and the pieces are washed with water. Alternatively, the amount of intercalating solution may be limited between about 10 and about 50 pph, which allows the washing step to be eliminated as disclosed in US Pat. No. 4,895,713, which is incorporated herein by reference.

인터칼레이팅 용액 처리된 흑연 조각 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, 글리세롤 모노스테아르산, 디메틸 옥실레이트, 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 아스코르빈 산 및 소듐 리그노슐페이트와 같은 리그닌-유도 화합물을 포함한다. 유기 감소 제의 양은 전형적으로 약 0.1 내지 5%의 흑연 조각 입자들 중량이다.The intercalating solution treated graphite flake particles may be contacted with a reducing organic agent, optionally selected from alcohols, sugars, aldehydes and esters, for example by blending, which may be intercalated at temperatures ranging from 25 ° C. to 125 ° C. Reacts with the surface film to oxidize the calcifying solution. Specific organic agents suitable are hexadecanol, octadecanol, 1-octanol, 2-octanol, dekilk alcohol, 1, 10 decanediol, dealkylaldehyde, 1-propanol, 1,3 propanediol, ethylene glycol, Polypropylene glycol, dextrose, fructose, lactose, sucrose, potato starch, ethylene glycol monostearic acid, glycerol monostearic acid, dimethyl oxylate, diethyl oxylate, methyl formate, ethyl formate, ascorbic acid And lignin-derived compounds such as sodium lignosulphate. The amount of organic reducing agent is typically about 0.1-5% by weight of graphite flake particles.

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, 카본, 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 미 불포화 모노카르복실기산, 디카르복실기 산 및 폴리카르복실기 산 중에서 선택될 수 있는데, 상기 폴리 카르복실기 산은 적어도 하나의 카본 원자를 가지며, 상기 카르복실기 산들은 때때로 약 15개의 카본 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.The use of swelling agents applied immediately before, during or after intercalating may also provide improvements. These improvements may be reduced peel temperature and increased expansion volume (referred to as "worm volume"). The swelling agent in this respect will be an organic material that is sufficiently soluble in the intercalating solution to achieve an improvement in expansion. More particularly, organic materials of this type containing carbon, hydrogen and oxygen may preferably be used exclusively. Carboxylic acid has been known to be particularly effective. Suitable carboxylic acid acids useful as swelling agents can be selected from aromatic, aliphatic or cycloaromatic, straight chain or branched chains, saturated unsaturated monocarboxylic acids, dicarboxylic acid and polycarboxylic acid, wherein the polycarboxylic acid has at least one carbon atom The carboxylic acid acids are sometimes soluble in an intercalating solution in an amount effective to adjust up to about 15 carbon atoms and provide a measurable improvement of one or more stripping forms. Suitable organic solvents can be used to improve the solubility of the organic expanding agent in the intercalating solution.

포화 지방족 카르복실기 산들의 대표적 예들은 포름, 아세트, 프로핀, 부틴, 펜타논, 헥사논등을 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 포름 및 에틸 포름이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수성 인터칼레이팅제는 포름 산을 궁극적으로 물 및 카본 다이옥사이드로 분해하는 능력을 갖는다. 이러한 능력으로 인해, 포름 산 및 다른 민감성 팽창제들은 수성 인터칼레이팅제 내의 흑연 조각의 침지 이전에 유리하게 상기 흑연 조각과 접촉한다. 디카르복실기 산들의 대표적 예들은 2-12 카본 원자들을 갖는 지방족 디카르복실기 산이고, 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.Representative examples of saturated aliphatic carboxylic acid acids are represented by the formula H (CH 2 ) N COOH, wherein n is an integer from 0 to about 5, including form, acet, propyne, butyne, pentanone, hexanon, and the like. Mountains. Instead of carboxylic acid, anhydrides, or reactive carboxylic acid derivatives such as alkyl esters may also be used. Representative examples of alkyl esters are methyl form and ethyl form. Sulfuric acid, nitric acid and other known aqueous intercalating agents have the ability to ultimately break down formic acid into water and carbon dioxide. Because of this ability, formic acid and other sensitive swelling agents are advantageously contacted with the graphite pieces prior to the immersion of the graphite pieces in the aqueous intercalating agent. Representative examples of dicarboxylic acid acids are aliphatic dicarboxylic acid having 2-12 carbon atoms, more specifically oxalic acid, fumaric acid, malonic acid, maleic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, 1,5- Pentanedicarboxylic acid, 1-6-hexanedicarboxylic acid, 1,10-decanecarboxylic acid, cyclohexane-1, 4-dicarboxylic acid, and aromatic carboxylic acid such as phthalic acid or lerephthalic acid. Representative examples of alkyl esters are dimethyl oscillate and diethyl oxylate. Representative examples of cycloaliphatic acids are cyclohexane carboxylic acid acids, and representative examples of aromatic carboxylic acid acids are benzoic acid, naphthaic acid, anthranilic acid, p-aminobenzone acid, salicylic acid, o-, m- and p-tolyl Acids, methoxy and ethoxybenzone acids, acetoacetamidobenzone acids, and acetamidobenzone acids, phenylacetate acids and naphtanic acids. Representative examples of hydroxy aromatic acids include hydroxybenzone acid, 3-hydroxy-1-naphthaic acid, 3-hydroxy-2-naphthaic acid, 4-hydroxy-2 naphthaic acid, 5-hydroxy- 1-naphthaic acid, 5-hydroxy-2-naphthaic acid, 6-hydroxy-2-naphthaic acid, 7-hydroxy-2-naphthaic acid. Representative of the polycarboxylic acid acids is citric acid.

인터칼레이팅 용액은 전형적으로 수성이고, 약 1 내지 10%의 팽창제 양을 함유할 수 있고, 상기 양은 박리를 향상시키는데 효과적이다. 수성의 인터칼레이팅 용액에 침지시키기 전 또는 이후의 흑연 조각에 팽창제를 접촉시키는 실시예에 있어서, 상기 팽창제는 V-블렌더와 같은 적합한 수단에 의해 흑연과 혼합되는데, 상기 팽창제는 전형적으로 흑연 조각들의 중량의 약 0.1% 내지 약 10%의 양이다.Intercalating solutions are typically aqueous and may contain about 1 to 10% swelling agent amount, which amount is effective to enhance exfoliation. In embodiments in which the expanding agent is contacted with graphite pieces before or after immersion in an aqueous intercalating solution, the expanding agent is mixed with the graphite by a suitable means such as a V-blender, the expanding agent typically being Amount from about 0.1% to about 10% by weight.

흑연 조각을 인터칼레이팅 시킨 이후에, 인터칼레이팅제로 코팅된 인터칼레이팅된 흑연 조각을 유기 감소제로 블렌딩시키게 되는데, 상기 블렌드는 상기 감소제와 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.After intercalating the graphite pieces, the intercalated graphite pieces coated with the intercalating agent are blended with an organic reducing agent, the blend being 25 ° C. to accelerate the reaction of the reducing agent with the intercalating coding. Exposure to temperatures in the range of from 125 ° C. The heating cycle is up to about 20 hours, for shorter heating cycles, for example at least about 10 minutes, for temperatures higher than the above mentioned range.

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 80 내지 1000배만큼 팽창한다. 팽창된 즉 박리된 흑연 입자들은 그 모양상 연충형이므로, 대개 벌레로써 언급된다. 벌레들은 원래의 흑연 조각들과는 달리 다양한 형태들로 형성되어 절단되고 기계적 충돌을 변형시켜 작은 가로 개부들이 제공될 수 있는 가요성의 시트들로 함께 압착될 수도 있다.Therefore, treated graphite particles are sometimes referred to as "intercalated graphite particles". When exposed to high temperatures, for example at least about 160 ° C., sometimes from about 700 ° C. to 1200 ° C. or higher, the intercalated graphite particles are inherently c-direction, ie perpendicular to the crystal plane of the constituent graphite particles. Expands by 80 to 1000 times its volume. Expanded ie exfoliated graphite particles are often referred to as worms because they are worm-shaped in shape. The worms, unlike the original graphite pieces, may be formed into various shapes and cut together and squeezed together into flexible sheets, where small transverse openings can be provided by modifying mechanical collisions.

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 % 내지 30% 중량의 세라믹 첨가제는 최종 가요성 흑연 생성물에 수지 주입을 제공하기 위해 미국 특허(5,902,762)에서 설명된 바와 같은 인터칼레이팅된 흑연 조각들로 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 부드러워진 석영 유리 섬유, 카본 및 흑연 섬유, 지르코니아, 보론 질소, 실리콘 카바이드 및 마그네슘 섬유, 캄슘 메타규산 섬유, 칼슘 알류미튬 규산 섬유, 알루미늄 옥사이드 섬유 등으로 형성된다.Flexible graphite sheets and foils are adhesive with good processing strength and are suitably pressed by a rolling compression to a thickness of about 0.05 mm to 4.00 mm and a density of 0.1 to 1.5 grams per g / cc. About 1.5% to 30% by weight of the ceramic additive may be blended into intercalated graphite pieces as described in US Pat. No. 5,902,762 to provide resin injection into the final flexible graphite product (the patent is Merged by reference in the specification). The additive comprises ceramic fiber particles having a length of about 0.1 mm to 1.5 mm. The width of the particles is suitably about 0.05 to 0.001 mm. Ceramic fiber particles are non-responsive and non-adhesive to graphite and are suitable at temperatures of about 1100 ° C., preferably about 1400 ° C. or higher. Suitable ceramic fiber particles are formed of softened quartz glass fibers, carbon and graphite fibers, zirconia, boron nitrogen, silicon carbide and magnesium fibers, calcium metasilicate fibers, calcium aluminium silicate fibers, aluminum oxide fibers and the like.

가요성의 흑연 시트는 또한 때때로 수지 처리될 수 있고, 처리 이후의 흡수된 수지는 방수, 및 가요성 흑연 시트의 처리 강도(즉, 견고성) 뿐만 아니라 시트의 형태 "고정성"을 개선시킨다. 적합한 수지 내용물은 바람직하게 적어도 약 5% 중량, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 35% 중량, 적절하게는 약 60% 중량까지이다. 본 발명의 실시에서 특히 유용한 수지들은 아크릴-, 에폭시- 및 페놀릭-기질의 수지계, 또는 그것들의 혼합물이다. 적합한 에폭시 수지계는 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A(EGEBA) 및 다른 다기능성 수지계들의 수지계들을 포함하는데, 사용될 수 있는 페놀 수지들은 레졸 및 노보락 페놀을 포함한다. 특정한 바람직한 실시예들에서, 수지의 유리 전이 온도는 열적 가열 관리 장치의 사용 온도와 혼환가능하다. 그럼에도 불구하고, 위에서 준비된 흑연 시트는 원하는 제품을 형성하기 위해 절삭되거나 다듬어질 수 있다. 수지 처리된 가요성의 흑연은 또한 "수지 주입된 가요성 흑연" 또는 "주입된 가요성 흑연"으로써 언급된다.Flexible graphite sheets may also sometimes be resin treated, and the absorbed resin after the treatment improves the waterproofing and processing strength (ie, firmness) of the flexible graphite sheet as well as the form "fixation" of the sheet. Suitable resin contents are preferably at least about 5% by weight, more preferably about 10 to 35% by weight, suitably up to about 60% by weight. Particularly useful resins in the practice of the present invention are acrylic-, epoxy- and phenolic-based resin-based, or mixtures thereof. Suitable epoxy resin systems include resin systems of diglycidyl ether or bisphenol A (EGEBA) and other multifunctional resin systems, phenolic resins that may be used include resol and novolak phenol. In certain preferred embodiments, the glass transition temperature of the resin is compatible with the temperature of use of the thermal heat management device. Nevertheless, the graphite sheet prepared above can be cut or trimmed to form the desired product. Resin treated flexible graphite is also referred to as "resin infused flexible graphite" or "injected flexible graphite".

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.The present invention will be described centering on the aforementioned figures of heat pipes, but the invention is not limited to heat pipes only and is applicable to other types of thermal management devices such as, for example, steam chambers. Possible similar or similar reference characters will be used to describe similar or similar elements in the figures.

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 다수의 거의 방사 유체 통로들을 포함할 수 있는데, 이는 상기 작용 유체로 하여금 통로(18)로부터 심지 구조(16)를 통해 통로(20)로 이동하도록 허용한다. 선택적으로, 열 파이프(12)는 또한 상기 열 파이프(12)의 마주보는 단부들에서 증발기(22) 및 응축기(26)를 포함한다.1 is a front view of the interior of a cylindrical heat pipe, generally indicated at 10. 1 shows a cylindrical heat pipe 12 arranged in a vertical orientation with respect to the general path of the working fluid flow. The heat pipe 12 includes a shell 14 and a wick structure 16. Optionally, the heat pipe 12 may include at least one fluid passageway 18 outside of the wick structure 16, which is also indicated by arrow E. The heat pipe 12 may also include at least one fluid passage 20 into the interior of the wick structure 16, which is also indicated by arrow I. The wick structure 16 may also include a number of nearly radiant fluid passages, which allow the working fluid to move from the passage 18 through the wick structure 16 to the passage 20. Optionally, the heat pipe 12 also includes an evaporator 22 and a condenser 26 at opposite ends of the heat pipe 12.

열 파이프(12)는 열원(30)에 대한 짝 엘리먼트(28)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 짝 엘리먼트(28)는 증발기(22)에서와 동일한 열 파이프(12) 단부에 위치된다. 특정 바람직한 실시예들에서, 짝 엘리먼트(28)는 열원(30)의 표면과 접촉하는 표면을 가지고, 상기 짝 엘리먼트(28)의 그 표면은 선택적으로 상기 짝 엘리먼트(28)와 접촉하는 열원(30)의 표면의 미러 영상이다. 다른 바람직한 실시예들에서, 짝 엘리먼트(28)는 또한 열 파이프(12)의 외부 부분과 접촉한다. 짝 엘리먼트(28)와 열 파이프(12) 사이의 접촉은 열원(30)에서 열 파이프(12)로의 열 전달을 향상시킬 수 있다. 짝 엘리먼트(28)의 적합한 구성 물질은 적어도 가요성 흑연, 구리, 알루미늄, 및 그것들의 결합을 포함한다. 짝 엘리먼트(28)의 적합한 물질의 예는 Graftech Inc사의 eGRAFTM HS 400을 포함한다. 열원(30)의 일예는 컴퓨터 칩이다.Heat pipe 12 may include mating element 28 for heat source 30. Optionally, the mating element 28 is located at the same heat pipe 12 end as in the evaporator 22. In certain preferred embodiments, the mating element 28 has a surface in contact with the surface of the heat source 30, the surface of the mating element 28 optionally being in contact with the mating element 28. ) Is a mirror image of the surface. In other preferred embodiments, the mating element 28 also contacts the outer portion of the heat pipe 12. Contact between mating element 28 and heat pipe 12 may improve heat transfer from heat source 30 to heat pipe 12. Suitable constituent materials of mating element 28 include at least flexible graphite, copper, aluminum, and combinations thereof. Examples of suitable materials for mating element 28 include eGRAF HS 400 from Graftech Inc. One example of the heat source 30 is a computer chip.

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 실시예로써 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.As shown in FIG. 1, the heat pipe 12 may also include a number of fins 32 located on at least a portion of the shell 14. Optionally, the fins 32 are located on at least the end of the pipe 12 where the condenser 26 is located. In the embodiment of the heat pipe 12 comprising fins 32, the fins 32 are preferably composed of flexible graphite. Other suitable materials of the fins 32 may include copper, aluminum, and any combination of the previously named materials. The pins 32 are not limited to the embodiment shown in FIG. 1. Any suitable configuration of the pins 32 may be used as part of the present invention. For example, the fins 32 can include a base and a combination of elements of a plurality of distant fins extending vertically away from the heat pipe 12. Embodiments of the invention may also include a fan for moving air through the fins 32 to assist with the loss of heat absorbed by the fins 32.

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 증기 단계는 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.As shown in FIG. 1, heat is generated in the heat source 30. Heat generated in the heat source 30 is transferred to the heat pipe 12 and evaporates the working fluid at least in the evaporator 22. The vapor phase of the working fluid flows through the passage 20 to the condenser 26 as indicated by arrow I. The vapor working fluid condenses in liquid form in the condenser 26 and the heat removed from the working fluid as a result of the condensation is transferred to the fins 32 and lost to the surrounding environment. The liquid form of the working fluid flows back to the evaporator 22 along the passage 18 in the direction indicated by arrow E. FIG. Typical flow mechanisms for delivering liquid working fluid from condenser 26 to evaporator 22 include at least gravity, capillary action, or a combination thereof.

선택적으로, 열 파이프(12)는 대기압보다 작은 압력으로 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 가소된 압력으로 동작한다면, 물은 약 100℃ 이하의 온도에서 증발할 것이다.Optionally, the heat pipe 12 may be operated at a pressure less than atmospheric pressure. By adjusting the pressure inside the heat pipe 12, the temperature at which the working fluid will evaporate inside the heat pipe 12 may be adjusted to a specific change in temperature combined with the heat generated by the heat source 30. For example, if the working fluid is water and the heat pipe 12 operates at a plasticized pressure, the water will evaporate at a temperature of about 100 ° C. or less.

열 파이프의 제 1 실시예는 도2에 도시되고, 일반적으로 40으로 표시된다. 선택적으로, 열 파이프(40)는 작용 유체의 이동 경로에 대해 수직 배향성으로 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 마주보는 단부들 상에 위치된다. 시트(44l)는 증발기로서 언급될 수 있고, 시트(44u)는 응축기로써 언급될 수 있다.A first embodiment of a heat pipe is shown in FIG. 2 and is generally indicated at 40. Optionally, the heat pipes 40 may be arranged in a vertical orientation with respect to the path of movement of the working fluid. However, the heat pipes 40 may be arranged in any configuration. Heat pipe 40 includes a shell, which includes two sheet materials 44u and 44l. Sheets 44u and 44l are located on opposite ends of heat pipe 40. Sheet 44l may be referred to as an evaporator, and sheet 44u may be referred to as a condenser.

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 보충하는 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.The heat pipe 40 also includes a wick structure 46. As shown, the wick structure 46 includes four different plate structures 46a-46d. It should be appreciated that the heat pipe 40 is not limited to any particular number of plates. In the structure of the plate structures 46a to 46d, the flow path of the working fluid is preferably changed from one plate to an adjacent plate. For plates 46a-46d, it can be seen that the flow path of plate 46a is approximately exactly opposite of the flow path of the working fluid through plate 46b. For example, plate 46a has a central opening and spokes such as flow paths extending radially outward from the central opening. In contrast, plate 46b includes a center hub and spokes such as support members that extend radially outward from the wing center hub. Moreover, plate 46c preferably provides a flow path that supplements the flow path of plate 46b. The same relationship holds for the plates 46c and 46d. The wick structure 46 is configured in such a way that the working fluid is delivered into the heat pipe 40 at least through capillary action.

본 발명의 실시예에 있어서, 바람직하게 열 파이프(12)는 실질적으로 유체 투과 가능한 쉘(14)을 포함하고, 바람직하게 상기 쉘(14)은 기밀의 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.In an embodiment of the invention, the heat pipe 12 preferably comprises a shell 14 which is substantially fluid permeable, preferably the shell 14 is an airtight enclosure and the wick structure 16 is It is inside the shell 14. Optionally, the shell 14 of the heat pipe 12 may be constructed from flexible graphite. Optionally, the shell 14 has a density of at least 1.6 g / cc, typically at least about 1.7 g / cc, more typically at least about 1.9 g / cc, more typically at least about 2.0 g / cc It is composed of flexible graphite having a.

쉘(14)을 형성하기 위해 이용되는 가요성 흑연은 수지 주입된 가요성 흑연일 수 있거나 아닐수 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.The flexible graphite used to form the shell 14 may or may not be resin infused flexible graphite. Moreover, the shell 14 may comprise a sheet of one or more flexible graphite sheets. In another embodiment of the shell 14, the inner surface of the shell 14 may comprise at least one channel, preferably a plurality of channels. By airtight herein is meant a vacuum used to remove at least some, preferably substantially all, of the fluid that has not moved from the shell 14. Fluid that does not move herein means at least a fluid, such as air, present in the shell 14 that is not a working fluid.

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) 또는 그 이하, 전형적으로는 약 2 바 또는 그 이하 일 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 길이 이음새는 압착 또는 접착을 통해 형성되고, 플러그는 쉘(14)을 형성하기 위해 원통의 축 개구부들의 각각에 이용될 수 있다.In the case where the shell 14 is composed of flexible graphite, various techniques may be used to form a shell of a desired shape. For example, pressing may be used to form the flexible graphite sheet into the desired shape for the shell 14. Typical pressures used to compress flexible graphite may be about 4 bars or less, typically about 2 bars or less. In the second technique, an adhesive may be used to form flexible graphite into the desired shape for the shell 14. In certain preferred embodiments, the adhesive does not dissolve in the working fluid or vice versa. In a third technique, the flexible graphite is rolled into a cylindrical shape, the length seam of the heat pipe 12 is formed through compression or adhesion, and a plug is used in each of the axial openings of the cylinder to form the shell 14. Can be.

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 표면 상에 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 수지 주입되거나 수지 주입되지 않을 수 있다. 수지 주입된 시트들에 있어서, 수지는 쉘(14) 형성 이전 또는 이후에 처리될 수 있다.In another technique, one or more flexible graphite sheets may be rolled into a tubular shape, and the ends of the tube may be plugged to form a shell 14. Optionally, the sheets may be raised to form channels on the inner surface of the shell 14. In another alternative, the flexible graphite sheets may be wrinkled. In another technique, flexible graphite sheets may be wrapped around the mandrel to form the shell 14. When wrapping sheets, the sheets can be wrapped in any configuration, such as but not limited to wrapping the sheets in a spiral manner. In the techniques mentioned above, flexible graphite sheets may or may not be resin injected. In the resin-infused sheets, the resin can be processed before or after the shell 14 formation.

다른 실시예에서, 쉘(14)는 가요성 흑연의 삼-차원적 조각으로 구성된다. 통로는 상기 조각으로 가공된다. 바람직하게 상기 통로는 상기 조각을 통해 완전하게 연장하지 않는다. 상기 통로의 개구 단부는 접착제, 압축 또는 플러그의 앞서 언급한 기술들 중 임의의 하나에 의해 밀봉될 수 있다.In another embodiment, the shell 14 consists of three-dimensional pieces of flexible graphite. A passage is processed into the pieces. Preferably the passage does not extend completely through the piece. The opening end of the passage can be sealed by any one of the aforementioned techniques of adhesive, compression or plug.

특정 바람직한 실시예들에서, 심지 구조(16)는 투과성 물질, 더욱 바람직하게는 다량의 팽창된 흑연, 더욱 바람직하게는 단지 약 1.5g/cc 의 밀도를 갖는 가요성 흑연을 포함한다. 가요성 흑연은 본 명세서에서는 시트로 형성되어 온 다량의 팽창된 흑연을 설명하기 위해 사용된다. 더욱 바람직하게는, 심지 구조(16)의 가요성 흑연은 단지 약 1.1g/cc 의 밀도를 갖고, 더욱 바람직하게는 1.0g/cc 이하이며, 가장 바람직하게는 단지 약 0.5g/cc 의 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 GRAFOIL이다.In certain preferred embodiments, the wick structure 16 comprises a permeable material, more preferably a large amount of expanded graphite, more preferably a flexible graphite having a density of only about 1.5 g / cc. Flexible graphite is used herein to describe the large amounts of expanded graphite that have been formed into sheets. More preferably, the flexible graphite of the wick structure 16 has a density of only about 1.1 g / cc, more preferably 1.0 g / cc or less, and most preferably only a density of about 0.5 g / cc. Have It is more preferred that the flexible graphite has a density of at least about 0.25 g / cc. An example of such flexible graphite is Graftech Inc.'s GRAFOIL residing in Lakewood, Ohio.

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 물 속에 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.One way in which the density of flexible graphite can be measured is the immersion density test. In this test, the flexible graphite sample is weighted and recorded. The sample is then immersed in a predetermined volume of water. The volume of water dispersed by immersion of the sample is recorded. Density is determined by dividing the weight of the sample by the volume of water dispersed. The density calculation method is not limited to the immersion density test mentioned above.

심지 구조(16)의 가요성 흑연은 수지 주입된 또는 수지 주입되지 않은 가요성 흑연일 수 있다. 구조(16)가 수지 주입된 경우이다. 특정 바람직한 실시예들에서, 구조(16)는 구조(16)에 공극을 유도하는 식으로 주입된다. 그러한 환경 하에서, 수지주입은 작용 유체의 모세관 흐름 및/또는 확산을 향상시키는 것이 좀 더 바람직하다.The flexible graphite of the wick structure 16 may be resin injected or non resin injected flexible graphite. This is the case when the structure 16 is resin injected. In certain preferred embodiments, structure 16 is injected in a manner that induces voids in structure 16. Under such circumstances, resin injection is more desirable to enhance capillary flow and / or diffusion of the working fluid.

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.Optionally, the flexible graphite wick structure 16 may further include metal wires that are integrated at least into segments of the wick structure 16. Examples of suitable metal wires include copper, aluminum, stainless steel, titanium, and combinations thereof. The metal wire can be integrated into the wick structure 16 in a variety of ways.

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.One way is that the metal wire is wrapped around at least a portion of the exterior of the wick structure 16. In a second manner, the metal wire is adhesively bonded to at least a portion inside or outside the wick structure 16. In a third scheme, a laminate of flexible graphite and metal wire is formed. At least a portion of the laminate includes a metal wire.

심지 구조(16)는 또한 하나 또는 그 이상의 가요성 흑연 시트들을 포함할 수 있다. 더욱이, 각각의 가요성 흑연 시트는 약 두개 또는 그 이상의 가요성 흑연 층들을 포함할 수 있다.The wick structure 16 may also include one or more flexible graphite sheets. Moreover, each flexible graphite sheet may include about two or more flexible graphite layers.

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 이하의 크기를 가진다. 크링클링 기어가 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.In one particular embodiment, the wick structure 16 comprises a pleated flexible graphite sheet. Preferably, the wrinkles include fine wrinkles. More preferably, the fine wrinkles have a size of about 1 mm or less. Crinkle gears may be used for pleat formation. This embodiment of the wick structure 16 may include a second flexible graphite sheet. In some circumstances, the second flexible graphite sheet is free of wrinkles.

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.In another embodiment, the wick structure 16 includes at least one channel. The channel (channels) may comprise a first portion of a size that facilitates vapor flow, and a second portion of a size that facilitates liquid flow. The wick structure 16 may be raised to form channels in the structure 16. The size of the channels may be uniform or vary. If the channels vary in size, some channels may be sized to facilitate vapor flow and others may be sized to facilitate liquid flow. For structure 16, in one embodiment, wick structure 16 is attached to evaporator 22 of heat pipe 12.

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.As an alternative, the wick structure may be constructed from a material other than expanded graphite. Suitable alternative materials include metals such as aluminum, copper, iron, nickel, titanium, and combinations thereof. Alternative materials may be used instead of expanded graphite or in combination with expanded graphite.

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 진공시키는 단계, 및 심지 구조(16)에 보이드들을 채우기에 적어도 충분한 유체로 상기 열 파이프를 다시 채우는 단계를 포함한다.The heat pipe 12 may also include a moving liquid that circulates inside the shell 14. Preferred examples of the working fluid include at least one of methanol, ethanol, other alcohols, water, and fluorocarbons (e.g., Freon ⓡ). In one embodiment, the construction of the heat pipe includes evacuating the shell-wick structure assembly of the heat pipe, and refilling the heat pipe with at least enough fluid to fill the wick structure 16 with voids.

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 많이 포함한다. In certain preferred embodiments, the amount of working fluid in the heat pipe 12 is sufficient to saturate the wick structure 16. More preferably, the amount of working fluid filled in the shell 14 comprises about 10% more than the amount needed to saturate the wick structure 16.

작용 유체의 양은 선택적으로 심지 구조(16)를 포화시키는데 필요한 양보다 약 20% 더 많이 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 진공시키는 한가지 기술은 쉘(14)의 내부 상에서 공간을 당기는 것이다. 쉘(14)을 진공시키는 기능은 쉘(14)로부터 많은 양의 잔존하는 공기 또는 다른 이동하지 않는 유체를 제거하는데 있다.The amount of working fluid may optionally comprise about 20% more than the amount needed to saturate the wick structure 16. In another embodiment, the amount of working fluid in the heat pipe 12 includes the volume of the condenser 26, more preferably about 10% more than the volume of the condenser 26. One technique for evacuating the shell 14 is to draw space on the interior of the shell 14. The function of vacuuming the shell 14 is to remove large amounts of remaining air or other non-moving fluid from the shell 14.

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.In one preferred embodiment, the air inside the heat pipe reaches an equilibrium state of liquid and vapor. As heat enters the evaporator, this equilibrium moves to the steam side and increases the internal pressure of the heat pipe. Under increased pressure, steam can diffuse into the condenser, with slightly lower temperatures causing the steam to condense the latent heat of evaporation. The condensed fluid is then transferred back to the evaporator, preferably by capillary force or diffusion or gravity developed in the wick structure 16.

작용 유체의 연속적인 사이클링은 낮은 열적 변화도를 갖는 다량의 열을 전달한다. 바람직하게, 열 파이프의 동작은 전달되는 열에 의해서는 구동되는 수동형이다. 수동형 동작의 장점은 우수한 신뢰도 및 양질의 유용한 수명을 포함한다.Continuous cycling of the working fluid transfers large amounts of heat with low thermal gradients. Preferably, the operation of the heat pipe is passive driven by the heat transferred. Advantages of passive operation include good reliability and good useful life.

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.The heat pipe of the present invention may be included in a heat spreader assembly, indicated generally at 50 in FIG. 3. The assembly 50 includes a heat pipe 52. In certain preferred embodiments, the heat pipe 52 comprises at least one of a shell or wick structure composed of flexible graphite as described above.

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 짝 엘리먼트(58)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 짝 엘리먼트(58)는 증발기를 갖는 열 파이프(52)의 단부에 위치되고 열원과 접촉한다. 짝 엘리먼트(58)를 구성하는 적합한 물질은 위에서 언급한 짝 엘리먼트(28)의 구성 물질과 동일할 물질을 포함한다.As shown in FIG. 3, the assembly 50 also optionally includes a base unit 54. Base unit 54 is preferably located at the end of the assembly, which assembly includes a condenser although not shown. Suitable materials that make up the base unit 54 include flexible graphite, copper, aluminum, and combinations thereof. Base unit 54 includes a surface 56 that may be used to attach to a plurality of pins of assembly 50, although not shown. Moreover, assembly 50 may include mating element 58. Preferably, the mating element 58 is located at the end of the heat pipe 52 with the evaporator and in contact with the heat source. Suitable materials that make up the mating element 58 include materials that will be the same as the materials of the mating element 28 mentioned above.

어셈블리(50)의 일실시예에서, 열 파이프(52), 베이스(54) 및 짝 엘리먼트(58)의 세 개의 모든 쉘들은 Graftech Inc.사의 eFrafTM 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 수지 주입된 다수의 가요성 흑연 시트들로 구성될 수 있다.In one embodiment of assembly 50, all three shells of heat pipe 52, base 54 and mating element 58 are comprised of flexible graphite, such as eFraf from Graftech Inc. In certain preferred embodiments, the flexible graphite for at least one of the pipe 52, the base 54, and the element 58 includes a laminate. The laminate is flexible graphite sheets of high density (in certain embodiments, at least about 1.6 g / cc, more preferably at least about 1.7 g / cc, more preferably at least about 1.9 g / cc) bonded together with cement It can be configured as. Alternatively, the flexible graphite laminate can be composed of a plurality of resin infused flexible graphite sheets that are thermally compressed and processed to form a substantially single structure.

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 전도성 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.4 shows a cross-sectional view of an embodiment of thermal management apparatus 60 and heat source 70. The device 60 includes a shell formed from the lower base 62 in contact with the heat source 70. Preferably, base 62 is made of a conductive material such as copper, aluminum, or an alloy thereof. The shell further includes an upper element 66 comprising flexible graphite. Upper element 66 and lower element 62 may be coupled at interface 64 by any suitable technique, such as using an adhesive such as epoxy. In certain preferred embodiments, the device 60 includes a number of pins 32 extending from the top surface of the element 66.

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.Optionally, the device 60 also includes one or more inner support elements 68. The inner support elements are not limited to any particular form or any particular material in construction. The support elements 68 may be composed of a conductive material such as copper, aluminum, expanded graphite, or a combination thereof. In alternative embodiments, the support elements 68 may include one or more pins extending downward from the upper element 66.

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.The invention also applies to other types of thermal management devices such as steam chambers. Vapor chambers are similar to heat pipes in many respects. Vapor chambers, such as heat pipes, utilize the latent heat of evaporation of the working fluid to transfer heat from the heat source to a cooler location than the heat source. In operation, the working fluid in the vapor chamber evaporates at several locations inside the vapor chamber, moves together to a cooler position within the vapor chamber, and condenses at such a cooling position.

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 하나 더 많은 내부 지지대를 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.In certain preferred embodiments, the vapor chamber comprises at least one shell similar to the shell of the heat pipe. Under these circumstances, the shell of the vapor chamber contains flexible graphite. Typically, the vapor chamber also contains a working fluid. The working fluid of the vapor chamber may be the same as the working fluid of the heat pipe as described above. Optionally, the vapor chamber may include one or more inner supports. Preferably, the inner supports are composed of some type of heat conducting material such as flexible graphite, copper, aluminum, or combinations thereof. Optionally, at least a portion of the outer surface of the vapor chamber may include a number of fins as described for the heat pipes.

Claims (20)

실질적으로 유체 투과 가능한 쉘;A substantially fluid permeable shell; 다량의 팽창된 흑연을 포함하는, 상기 쉘 내부의 심지 구조(wick structure); 및A wick structure inside the shell, comprising a large amount of expanded graphite; And 상기 쉘 내부에서 순환하는 작용 유체(working fluid)Working fluid circulating inside the shell 를 포함하는 열 관리 장치.Thermal management device comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 심지 구조는 상기 심지 구조의 적어도 하나의 세그먼트로 통합되는 금속 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And wherein the wick structure further comprises a metal wire integrated into at least one segment of the wick structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 흑연은 수지 주입된 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And the graphite comprises graphite infused with resin. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 다량의 팽창된 흑연은 하나 이상의 가요성 흑연 시트들을 포함하고, 상기 시트들 중 적어도 하나는 단지 약 1.5 g/cc의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.The mass of expanded graphite comprises one or more flexible graphite sheets, at least one of the sheets having a density of only about 1.5 g / cc. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 쉘의 구성 물질은 가요성 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And the constituent material of the shell comprises flexible graphite. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 쉘은 외부 표면을 더 포함하고, 상기 외부 표면의 적어도 일부분은 상기 외부 표면으로부터 연장하는 다수의 핀들을 구비하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.The shell further comprising an outer surface, at least a portion of the outer surface having a plurality of fins extending from the outer surface. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작용 유체는 알콜, 물, 및 탄화 불소 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And the working fluid comprises at least one of alcohol, water, and fluorine carbide. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 심지 구조는 다수의 채널들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And wherein the wick structure further comprises a plurality of channels. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 다수의 채널들은 증기 흐름을 용이하게 하는 크기의 상기 채널의 제 1 부분, 및 액체 흐름을 용이하게 하는 크기의 제 2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.Wherein the plurality of channels comprises a first portion of the channel sized to facilitate vapor flow, and a second portion sized to facilitate liquid flow. 열 관리 장치의 제조 방법으로서,As a manufacturing method of a thermal management apparatus, 다량의 팽창된 흑연을 심지 구조로 형성하는 단계; 및Forming a large amount of expanded graphite into a wick structure; And 상기 심지 구조를 상기 열 관리 장치의 쉘의 내부로 삽입하는 단계Inserting the wick structure into the shell of the thermal management apparatus 를 포함하는 열 관리 장치의 제조 방법.Method of manufacturing a thermal management device comprising a. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 다량의 팽창된 상기 흑연을 하나 이상의 가요성 흑연 시트들로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치의 제조 방법.Forming a large amount of the expanded graphite into one or more flexible graphite sheets. 실질적으로 유체 투과 가능한 쉘 - 상기 쉘의 구성 물질은 가요성 흑연을 포함함 -;및A substantially fluid permeable shell, the constituent material of the shell comprising flexible graphite; and 상기 쉘 내부에서 순환하는 작용 유체Working fluid circulating inside the shell 를 포함하는 열 관리 장치.Thermal management device comprising a. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 쉘 내부의 심지 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And a wick structure inside the shell. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 쉘은 실질적으로 기밀(vacuum tight) 엔클로저를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And the shell comprises a substantially tight enclosure. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 쉘의 상기 가요성 흑연의 밀도는 적어도 약 1.6g/cc를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And wherein the density of the flexible graphite of the shell comprises at least about 1.6 g / cc. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 쉘은 다수의 가요성 흑연 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And the shell comprises a plurality of flexible graphite layers. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 쉘의 상기 가요성 흑연은 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And said flexible graphite of said shell further comprises a resin. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 쉘은 외부 표면을 더 포함하고, 상기 외부 표면의 적어도 부분은 상기 외부 표면으로부터 연장하는 다수의 핀들을 구비하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.The shell further comprising an outer surface, at least a portion of the outer surface having a plurality of fins extending from the outer surface. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 쉘은 다수의 채널들을 포함하는 내부 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And the shell has an inner surface comprising a plurality of channels. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 쉘 내부에 다수의 내부 트랙 패턴 엘리먼트들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 장치.And a plurality of internal track pattern elements inside the shell.
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