KR20100134780A - 다공성의 구조화된 열전달 물품 - Google Patents

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KR20100134780A
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필립 이 투마
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

복수의 전구체 금속체와, 복수의 전구체 금속체 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시키는 복수의 간극 요소와, 간극 요소 내에 적어도 부분적으로 매립된 복수의 금속 입자를 포함하는 다공성의 구조화된 열전달 물품이 제공된다. 전구체 금속체는 제1 금속을 포함하는 내측 부분, 및 제1 금속과 제2 금속을 포함하는 합금을 포함하는 외측 부분을 포함한다. 간극 요소는 외측 부분의 합금을 포함한다.

Description

다공성의 구조화된 열전달 물품{POROUS STRUCTURED THERMAL TRANSFER ARTICLE}
본 발명은 일반적으로 다공성의 구조화된 열전달 물품에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 형상화된 다공성 금속 물품 및 이를 제조하고 사용하는 방법에 관한 것이다.
방열(heat-dissipating) 구성요소를 위한 하나의 냉각 시스템은 증발 또는 비등하는 유체를 포함한다. 생성된 증기는 이어서 외부 수단을 사용하여 응축되고 비등장치(boiler)로 다시 복귀된다. 비등장치에서의 유체의 열전달을 개선하기 위해, 다공성의 구조화된 열전달 물품이 사용될 수 있다.
예를 들어 화염 또는 플라즈마 분사에 의해 제조되는 코팅을 포함하는, 다양한 다공성 열전달 물품이 이용가능하다. 이러한 코팅은 일반적으로 금속성이며, 다양한 공정에 의해 금속 기판에 도포된다. 이러한 공정에서, 다공도를 제어하고 3차원 기판을 균일하게 코팅하는 것은 어려울 수 있다. 다른 공지된 코팅은 유기 결합제로 접합된 전도성 입자를 포함한다. 이러한 코팅은 일반적으로 벌크 열전도성(bulk thermal conductivity)이 좋지 않고, 그러므로 3차원 표면을 가진 기판 상에서 어려운 정밀한 두께 제어를 필요로 한다.
수동형 2상 또는 비등 열사이펀(passive two phase or boiling thermosyphon)이 마이크로프로세서와 같은 감열(heat-sensitive) 구성요소를 냉각시키는 데 사용하도록 설계되었다. 열사이펀은 자연 대류에 기반하여 액체를 순환시키는 수동형 열전달 장치이다. 이는 종래의 열교환기 내의 액체 펌프의 비용 및 복잡성을 방지할 수 있다.
집적 회로 및 다른 방열 전자 장치가 더욱 강력해지고 소형화됨에 따라, 이러한 방열 구성요소로부터의 열전달률이 증가될 필요가 있다. 열사이펀은 그러한 구성요소를 냉각시키는 비용 효과적인 방법을 제공할 수 있다. 따라서, 열사이펀 및 다른 열교환기를 저렴하고 더욱 효율적으로 만들 수 있는 높은 열전달 계수를 갖는 다공성의 구조화된 열전달 물품을 개발하기 위한 지속적인 필요성이 존재한다. 또한, 제조 공정에서 쉽게 적용될 수 있는 저렴한 다공성 열전달 물품에 대한 지속적인 필요성이 존재한다.
다공성의 구조화된 열전달 물품이 제공된다. 특히, 다공성 금속 물품 및 이를 제조하고 사용하는 방법이 제공된다. 물품은 냉장 시스템 및 전자 냉각 시스템과 같은 냉각 장치를 위한 증발기로서 사용될 수 있다. 다공성의 구조화된 열전달 물품은 단상(single phase) 또는 2상 열전달 시스템 둘 모두에서 사용될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 물품은, 예를 들어 마이크로프로세서와 같은 집적 회로를 냉각시키기 위해 사용되는 열사이펀 내의 비등장치 판(boiler plate)으로서 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 물품은 침지 냉각되는 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT)와 같은 장치에 부착될 수 있다.
일 태양에서, 알루미늄, 구리, 은, 및 이들의 합금으로부터 선택된 제1 금속을 포함하는 내측 부분, 및 합금을 포함하는 외측 부분을 포함하는 복수의 전구체 금속체 - 상기 합금은 구리, 은, 규소, 및 마그네슘으로부터 선택된 제2 금속과 제1 금속을 포함하며, 상기 제1 금속과 제2 금속은 상이함 - ; 복수의 전구체 금속체 중 적어도 2개 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시키는 복수의 간극 요소 - 상기 간극 요소는 외측 부분의 합금을 포함함 - ; 및 외측 부분의 합금 내에 적어도 부분적으로 매립된 복수의 금속 입자를 포함하는 다공성의 구조화된 열전달 물품이 제공된다.
다른 태양에서, 결합제 및 복수의 전구체 금속체를 포함하는 열전달 코팅을 제공하는 단계 - 상기 전구체 금속체는 융점 Tmp1을 갖는 제1 금속을 포함하는 내측 부분, 및 융점 Tmp2를 갖는 제2 금속을 포함하는 외측 부분을 포함함 - , 코팅에 복수의 금속 입자를 도포하는 단계, 및 복수의 전구체 금속체를 서로 결합시키는 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 합금을 형성하도록 조성물을 Tmp1 및 Tmp2 미만의 온도로 가열하는 단계 - 상기 결합은 다공성 매트릭스를 형성하며, 상기 복수의 금속 입자는 매트릭스의 적어도 일부분 내에 적어도 부분적으로 매립됨 - 를 포함하는, 구조화된 열전달 물품을 형성하는 방법이 제공된다.
본 명세서에 사용된 모든 과학 및 기술 용어는 달리 특정되지 않는 한 당업계에서 통상적으로 사용되는 의미를 갖는다. 본 명세서에 제공된 정의는 본 명세서에 자주 사용되는 소정 용어의 이해를 쉽게 하기 위한 것이며, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이:
단수 형태(""a", "an", 및 "the")는 문맥이 명확하게 달리 기술하지 않는 한, 복수의 대상을 갖는 실시 형태를 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"이라는 용어는 일반적으로 문맥이 명확하게 달리 기술하지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 그의 의미로 채용된다.
"종횡비(aspect ratio)"는 3차원 몸체의 최장 치수(즉, "전체 길이")와 전체 길이 치수에 직교하는 최장 치수(즉, "전체 폭")의 비를 말한다.
"유효 다공도"는 매트릭스 내에서의 유체 유동 또는 투과성에 기여하는 몸체 내의 상호연결된 기공(pore) 체적 또는 공극(void) 공간을 말한다. 유효 다공도는 매트릭스 내에 존재할 수도 있는 격리된 기공은 배제한다. 본 발명의 구조화된 열전달 물품의 유효 다공도는 구조화된 열전달 물품의 일부를 형성할 수 있는 비다공성 기판 또는 다른 비다공성 층을 배제하고 측정된다.
"정밀하게 형상화된 열전달 복합체"는 성형된 형상을 형성하기 위해 사용되는 주형 공동의 대체로 역상인 성형된 형상을 갖는 열전달 복합체를 말한다.
"구조화된 열전달 물품"은 복수의 3차원으로 형상화된 열전달 복합체를 포함하는 열전달 물품을 말한다.
"실질적인 구형"은 약 1 내지 1.5 사이의 종횡비 및 대체로 구형인 형상을 갖는 3차원 몸체를 말한다.
"실질적인 수직"은 수평 평면으로부터 90도에 가까운 배향을 말한다.
"단위 밀도"는 규정된 체적당 지정된 단위의 양을 말한다. 예를 들어, 본 발명에서 설명되는 바와 같은 다공성 매트릭스가 100개의 전구체 금속체를 포함하고 1 입방 센티미터의 체적을 점유하면, 전구체 금속체의 단위 밀도는 입방 센티미터당 100개 전구체 금속체일 것이다.
상기 개요는 본 발명의 모든 구현예의 각각의 개시된 실시 형태를 설명하고자 하는 것은 아니다. 도면의 간단한 설명 및 후속하는 상세한 설명은 예시적인 실시 형태를 더욱 구체적으로 예시한다.
<도 1a 및 도 1b>
도 1a 및 도 1b는 제공되는 열전달 물품의 실시 형태를 제조하기 위해 사용될 수 있는 2개의 코팅된 기판의 사시도.
<도 2a>
도 2a는 제공되는 구조화된 열전달 물품을 제조하기 위해 사용되는 2개의 예시적인 전구체 금속체의 측면도.
<도 2b>
도 2b는 도 2a에 도시된 2개의 예시적인 전구체 금속체의 단면도.
<도 2c>
도 2c는 간극 요소가 제공되는 방법을 사용하여 2개의 금속체를 함께 부착시키도록 형성된 후의, 도 2a에 도시된 2개의 예시적인 전구체 금속체의 측면도.
<도 3>
도 3은 제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품의 일 실시 형태의 일부분의 예시적인 사시도.
<도 4>
도 4는 예시적인 구조화된 열전달 물품의 일 실시 형태의 일부분의 예시적인 측단면도.
<도 5>
도 5는 코팅된 다이아몬드를 포함하는 예시적인 전구체 복합체의 단면도.
<도 6a 및 도 6b>
도 6a 및 도 6b는 제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품의 일 실시 형태의 상이한 배율에서의 사진.
<도 7>
도 7은 제공되는 물품의 실시 형태를 제조하는 데 유용한 기판을 제조하기 위한 예시적인 장치의 개략도.
<도 8>
도 8은 예시적인 실시 형태의 열 저항의 실험 결과를 도시하는 그래프.
이상화된 이들 도면은 축척대로 도시된 것은 아니며, 단지 본 발명의 구조화된 열전달 물품을 예시하고자 하는 것이고 제한하려는 것은 아니다.
하기 설명에서, 본 명세서의 설명의 일부를 형성하고 여러 특정한 실시 형태를 예로서 도시하는 첨부된 도면 세트를 참조한다. 다른 실시 형태가 고려되며 본 발명의 사상 또는 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 하기 상세한 설명은 제한적인 의미로 취해져서는 안 된다.
달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 특징부 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기술된 수치적 파라미터는 근사치이며, 이 근사치는 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있다. 종점에 의한 수치 범위의 사용은 그 범위 내 모든 수(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함), 및 그 범위 내 임의의 범위를 포함한다.
냉장 시스템 및 전자 냉각 시스템과 같은 냉각 장치용 증발기로서 사용될 수 있는 구조화된 열전달 물품이 설명되었다. 열전달 용품은 단상 또는 2상 열전달 시스템 둘 모두에서 사용될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 이는 예를 들어 마이크로프로세서와 같은 집적 회로를 냉각시키기 위해 사용되는 열사이펀 내의 비등판(boiling plate)으로서 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 이는 2상 침지에 의해 냉각되는 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(IGBT)와 같은 발열(heat generating) 장치에 부착된다. 구조화된 열전달 물품은 일반적으로 실질적으로 수평인 배향으로 사용될 때보다 어느 정도 수직인 배향(실질적으로 수직)으로 배향될 때 2상 열전달에 대해 덜 효율적이다. 발열 구성요소를 포함하는 데스크탑 컴퓨터 상의 회로 보드가 비-수평 배향(즉, 실질적으로 수직)으로 설치되고, 열사이펀과 같은 냉각 장치가 그러한 배향으로 그 구성요소에 부착되는 것이 점점 더 일반적이 되었다. 또한, 냉각 효율을 증가시키기 위해, 판의 표면에 핀(fin) 또는 돌출부를 추가함으로써 비등판 또는 구조화된 열전달 물품의 표면적을 증가시키는 것이 일반적이다. 이는 그러한 판 또는 물품을 제조하는 비용을 추가시킬 수 있다. 배향에 관계 없이 열을 전달하는 데 있어서 효율적이며 낮은 비용으로 제조될 수 있는 구조화된 열전달 물품에 대한 필요성이 존재한다.
일 태양에서, 알루미늄, 구리, 은, 및 이들의 합금으로부터 선택된 제1 금속을 포함하는 내측 부분, 및 구리, 은, 규소, 및 마그네슘으로부터 선택된 제2 금속과 제1 금속을 포함하는 합금을 포함하는 외측 부분을 포함하는 복수의 전구체 금속체 - 상기 제1 금속과 제2 금속은 상이함 - ; 복수의 전구체 금속체 중 적어도 2개 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시키는 복수의 간극 요소 - 상기 간극 요소는 외측 부분의 합금을 포함함 - ; 및 외측 부분의 합금 내에 적어도 부분적으로 매립된 복수의 금속 입자를 포함하는 다공성의 구조화된 열전달 물품이 제공된다. 매립은 합금의 적어도 일부와 금속 입자 사이에 물리적 결합이 존재하는 것을 의미한다. 이러한 결합은 용접, 경납땜, 연납땜, 또는 당업자에게 공지된 임의의 다른 유형의 야금학적 결합일 수 있다. 이러한 결합은 금속 입자를 제위치에 유지하고, 또한 이들을 제공되는 물품의 접합된 부분으로 만든다. 유용할 수 있는 전구체 금속체는 전형적으로 적어도 1 마이크로미터(㎛)의 평균 직경을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 전구체 금속체는 적어도 5 ㎛의 평균 직경을 갖는다. 또 다른 실시 형태에서, 전구체 금속체는 적어도 10 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. 제공되는 물품을 제조하는 데 유용한 전구체 금속체는 100 ㎛ 이하의 평균 직경을 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 전구체 금속체는 50 ㎛ 이하의 평균 직경을 갖는다. 또 다른 실시 형태에서, 전구체 금속체는 30 ㎛ 이하의 평균 직경을 갖는다. 제공되는 전구체 금속체는 1 내지 2의 범위 내의 종횡비를 가질 수 있다. 다른 실시 형태에서, 전구체 금속체는 타원 형상일 수 있으며, 1.5 초과의 종횡비를 가질 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 전구체 금속체는 다면체(예컨대, 입방-팔면체(cubo-octohedral)) 또는 예를 들어 박편(flake), 칩(chip), 입자, 판, 원통, 및 바늘형 몸체를 포함하는 다른 무작위적으로 형상화된 몸체일 수 있다. 전구체 금속체가 비-구형인 경우, 금속체의 "직경"은 각각의 금속체의 최소 축의 치수를 지칭하고, "평균 직경"은 모집단 내의 개별 금속체 직경(즉, 각각의 금속체의 최소 축의 치수)의 평균을 지칭한다.
전구체 금속체는 알루미늄, 구리, 은, 및 이들의 합금으로부터 선택된 제1 금속을 포함하는 내측 부분, 및 구리, 은, 규소, 및 마그네슘으로부터 선택된 제2 금속과 제1 금속을 포함하는 합금을 포함하는 외측 부분을 포함할 수 있다. 제1 금속과 제2 금속은 상이하다. 몇몇 실시 형태에서, 외측 부분은 외측 부분이 균일한 두께를 갖도록 내측 부분에 균일하게 도포된다. 다른 실시 형태에서, 외측 코팅의 두께는 변할 수 있다. 몇몇 바람직한 실시 형태에서, 외측 부분은 내측 부분의 외측 표면의 대부분을 덮는다. 몇몇 실시 형태에서, 외측 부분은 내측 부분의 외측 표면의 90% 초과를 덮는다. 또 다른 실시 형태에서, 외측 부분은 내측 부분의 외측 표면을 완전히 덮는다. 제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품은 3차원 다공성 매트릭스로 함께 접합되는 다수의 전구체 금속체로부터 형성될 수 있다. 각각의 전구체 금속체는 1, 2, 3, 4, 5개 또는 그 이상의 다른 금속 전구체 금속체와 접합되어 3차원 다공성 매트릭스를 형성할 수 있다.
외측 부분을 형성하기 위해 사용되는 재료의 양은 상대 중량 또는 두께로 표현될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시 형태에서, 외측 부분은 금속체 전구체의 약 10 중량%(wt%)를 구성한다. 외측 부분은 전형적으로 금속체 전구체의 약 0.05 wt% 내지 약 30 wt%를 구성한다. 다른 실시 형태에서, 외측 부분은 약 0.001 ㎛ 내지 약 0.5 ㎛의 범위 내의 평균 두께를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 외측 부분은 약 0.01 ㎛ 내지 약 0.05 ㎛의 범위 내의 평균 두께를 갖는다. 구리 내측 부분 및 은 외측 부분을 갖는 예시적인 유용한 전구체 금속체는 페로 코포레이션(Ferro Corp.)(미국 뉴저지주 플레인필드)으로부터 "실버 코티드 카퍼 파우더(SILVER COATED COPPER POWDER) #107"로서 입수가능하다. 다른 유용한 전구체 금속체는, 예를 들어 마그네슘으로 코팅된 알루미늄 입자를 포함한다. 전구체 금속체는, 예를 들어 물리 증착(예컨대, 미국 특허 공개 제2005/0095189호(브레이(Brey) 등)), 플라즈마 침착, 무전해 도금, 전해 도금, 또는 침지 도금을 포함하는, 당업자에게 공지된 임의의 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
복수의 간극 요소가 복수의 전구체 금속체 중 적어도 2개 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시킬 수 있다. 간극 요소는 외측 부분의 합금을 포함할 수 있다. 간극 요소는 전구체 금속체의 내측 및 외측 부분의 금속이 금속체들을 함께 결합시키는 합금을 형성하도록 전구체 금속체를 승온을 겪게 함으로써 형성될 수 있다. 이러한 공정은 등온 재응고(isothermal re-solidification)로서 공지되어 있다. 몇몇 실시 형태에서, 합금을 형성하는 개별 금속들보다 낮은 융점을 갖는 공융 혼합물(eutectic)이 형성될 수 있다. 공융 혼합물의 형성은, 등온 재응고 공정 중의 확산이 다양한 금속들의 계면의 조성의 연속적인 변화를 일으킬 수 있으므로 일시적일 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 등온 재응고 공정은, 예를 들어 미국 로드아일랜드주 크랜스턴 소재의 헤이즈(Hayes)로부터 입수가능한 VCT 모델 진공로(vacuum furnace)와 같은 진공로 또는 환원로 내에서 일어난다.
열전달 다공성 금속 코팅 및 이를 제조하고 사용하는 방법이, 예를 들어 미국 특허 공개 제2007/0102070호(투마(Tuma) 등)에 개시되었다. 이러한 코팅은 내측 합금 및 외측 합금을 형성하도록 가열되기 전에 제공되는 물품 및 방법에 대한 전구체로서 유용한 실시 형태일 수 있다. 제공되는 물품의 실시 형태를 제조하기 위해 사용될 수 있는 구조화된 열전달 물품 및 방법이, 예를 들어 미국 특허 제7,360,581호(투마 등)에 개시되어 있다.
제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품은 외측 부분의 합금 내에 적어도 부분적으로 매립된 복수의 금속 입자를 포함한다. 이러한 입자는 구리 또는 다른 금속을 포함할 수 있고, 많은 크기 및 형상의 것일 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 입자는 몇몇을 언급하자면, 금속 발포체(foam), 박편 또는 섬유, 또는 금속 섬유의 번들(bundle) 또는 브레이드(braid)로부터 유래될 수 있다. 입자는 물품의 표면 상에 약 0.002 g/㎠ 내지 약 0.10 g/㎠, 약 0.02 g/㎠ 내지 약 0.08 g/㎠, 또는 심지어 약 0.02 g/㎠ 내지 약 0.06 g/㎠로 로딩되어 존재할 수 있다. 입자는 약 0.5 ㎜ 내지 약 40 ㎜ 길이, 약 1 ㎜ 내지 약 20 ㎜ 길이, 또는 심지어 약 1 ㎜ 내지 약 10 ㎜ 길이의 평균 치수를 가질 수 있다. 입자는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 직경, 약 15 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 직경, 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 직경, 또는 약 25 ㎛ 내지 약 150 ㎛ 직경의 평균 치수를 가질 수 있다. 입자는 실질적으로 구형이거나, 실질적으로 회전 타원체이거나, 규칙적 또는 불규칙적 중실 다면체의 일반적 형상일 수 있다. 입자는 또한, 예를 들어 섬유, 박편, 칩, 판, 원통, 및 바늘형 몸체를 포함하는, 다른 무작위적으로 형상화된 몸체의 형상을 취할 수 있다. 입자는 약 1, 약 2, 약 5, 약 10, 약 20, 약 50, 약 100, 약 200, 약 300, 또는 심지어 더 높은 종횡비를 가질 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 본 발명의 다공성의 구조화된 열전달 물품은 입방 센티미터당 약 106 내지 1011개 전구체 금속체의 범위 내의 금속체 밀도를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 본 발명의 다공성의 구조화된 열전달 물품은 입방 센티미터당 약 107 내지 109개 전구체 금속체의 범위 내의 금속체 밀도를 갖는다. 본 발명의 구조화된 열전달 물품의 유효 다공도는 전형적으로 10 내지 60%의 범위 내일 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 구조화된 열전달 물품의 유효 다공도는 적어도 20%일 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 구조화된 열전달 물품의 유효 다공도는 적어도 30%일 수 있다.
다른 태양에서, 알루미늄, 구리, 은, 및 이들의 합금으로부터 선택된 제1 금속과 다이아몬드를 포함하는 내측 부분, 및 구리, 은, 규소, 및 마그네슘으로부터 선택된 제2 금속과 제1 금속을 포함하는 합금을 포함하는 외측 부분을 포함하는 복수의 복합체 - 상기 제1 금속과 제2 금속은 상이함 - ; 복수의 전구체 금속체 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시키는 복수의 간극 요소 - 상기 간극 요소는 외측 부분의 합금을 포함함 - ; 및 외측 부분의 합금 내에 적어도 부분적으로 매립된 복수의 금속 입자를 포함하는 다공성의 구조화된 열전달 물품이 제공된다. 임의의 이론에 의해 구애되고자 하지 않지만, 캡슐화된 다이아몬드의 열전도성은 구조화된 열전달 물품의 성능을 향상시키는 것으로 여겨진다. 몇몇 실시 형태에서, 다이아몬드(코팅되거나 코팅되지 않음)는 (내부 다이아몬드가 있거나 없는) 복수의 전구체 금속체와 조합되어, 간극 요소와 함께 유지되는 전구체 금속체 및 다이아몬드의 혼합물을 갖는 구조화된 열전달 물품을 형성할 수 있다. 예를 들어 다결정질 다이아몬드, 합성 다이아몬드, 다결정질 다이아몬드 콤팩트(PDC), 순수 다이아몬드, 및 이들의 조합을 포함하는 다른 재료들이 또한 전구체 금속체와 캡슐화되거나 조합될 수 있다. 다이아몬드를 코팅하는 중간 코팅은, 예를 들어 크롬, 코발트, 망간, 몰리브덴, 니켈, 규소, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄, 및 이들의 합금을 포함하는, 임의의 공지된 탄화물 형성제(carbide former)를 포함할 수 있다. 중간 코팅은, 예를 들어 물리 증착, 화학 증착, 용융 염 침착(예를 들어, 유럽 특허 EP 0 786 506 A1호(카라스(Karas) 등) 참조), 용융 염 내에서의 전해, 및 기계적 도금을 포함하는, 당업계에 공지된 임의의 기술을 사용하여 다이아몬드에 도포될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 다이아몬드를 코팅하는 중간 코팅은 다수의 층을 포함한다.
도면을 참조하면, 도 1a 및 도 1b는, 열전달 코팅을 가지며 제공되는 물품의 실시 형태를 제조하는 데 유용할 수 있는 기판의 사시도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 열전달 코팅은 3차원 표면을 갖는 기판(10)에 도포될 수 있다. 3차원 표면은 핀(20)과 같은 돌출부 또는 비등장치의 표면적을 증가시키는 다른 특징부의 어레이를 포함할 수 있다. 도 1b는 제공되는 물품의 실시 형태를 제조하기 위해 사용될 수 있는 기판(40)의 사시도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 기판(40)은 복수의 형상화된 열전달 복합체(90)를 포함한다. 열전달 복합체는 복수의 전구체 금속체를 포함한다. 이러한 기판은 제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품의 실시 형태를 제조하는 데 유용하도록 하기 위해 가열되거나 등온 재응고를 겪지 않았다.
도 2a 내지 도 2c는 제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품을 형성하는 데 유용한 기판이 형성될 수 있는 순서를 도시한다. 이 도면들은 접합되는 2개의 예시적인 전구체 금속체를 도시하는 단순화된 도면이다. 제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품의 실시 형태를 제조하는 데 유용한 기판은 전형적으로 3차원 다공성 매트릭스로 함께 접합되는 다수의 전구체 금속체로부터 형성된다.
도 2a는 제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품의 제조에 유용할 수 있는 기판을 제조하기 위해 사용되는 2개의 예시적인 전구체 금속체의 측면도이다. 도 2a에 도시된 바와 같은 실시 형태에서, 전구체 금속체(200, 200')들은 대체로 동일한 크기일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 전구체 금속체들은 크기가 다를 수 있다. 전구체 금속체는 도 2a에 도시된 바와 같이 실질적으로 구형일 수 있다.
도 2b는 도 2a에 도시된 2개의 예시적인 전구체 금속체(200, 200')의 단면도이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 각각의 전구체 금속체는 내측 부분(250, 250'), 및 외측 부분(240, 240')을 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 내측 부분(250, 250')은 알루미늄, 구리, 은, 및 이들의 합금으로부터 선택된 금속을 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 외측 부분(240, 240')은 구리, 은, 마그네슘, 및 이들의 합금으로부터 선택된 금속을 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 내측 부분은 융점 Tmp1을 갖는 금속을 갖고, 외측 부분은 융점 Tmp2를 갖는 금속을 가지며, Tmp1 또는 Tmp2 미만의 온도로 가열 시에, 내측 및 외측 부분의 금속들을 포함하는 합금이 형성된다. 몇몇 실시 형태에서, 전구체 금속체의 내측 및 외측 부분 내의 금속들은 그들의 열전도성 및/또는 그들의 합금 형성 특성에 기초하여 선택된다.
도 2c는 구조물(260)을 형성하도록 함께 접합된, 도 2a 및 도 2b에 도시된 2개의 예시적인 전구체 금속체(200, 200')의 측면도이다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 간극 요소(270)가 본 발명의 방법을 사용하여 2개의 금속체를 함께 부착하도록 형성된다.
도 3은 등온 재응고를 겪은 후의 열전달 복합체(기판이 제거됨)의 일부분의 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열전달 복합체(360)의 부분은 3차원 다공성 매트릭스를 형성하도록 간극 요소(370)에 의해 서로 연결된 복수의 금속체(300)를 포함한다.
도 4는 제공되는 물품의 실시 형태를 제조하기 위해 사용될 수 있는 기판의 일 실시 형태의 일부분(460)의 예시적인 측단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기판의 일 실시 형태의 부분(460)은 선택적인 기판(480)에 부착된, 피라미드 형상을 각각 갖는, 복수의 정밀하게 형상화된 열전달 복합체(490, 495)를 포함한다. 복합체(490)의 단면도는 복합체(490) 후방에 위치된 복합체(495)의 하부의 도면을 부분적으로 가린다. 그러나, 복합체(490, 495)들은 유사한 형상 및 치수를 갖는다는 것을 이해하여야 한다. 복합체는 등온 재응고를 겪은 후에 간극 요소(470)에 의해 서로 연결된 복수의 전구체 금속체(400)를 포함할 수 있다. 금속 입자가 제공되는 물품을 제조하기 위해 등온 재응고 이전에 복합체에 첨가될 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 부분(460)은 정밀하게 형상화된 열전달 복합체(490, 495)를 갖는 제공되는 물품을 제조하기 위해 사용될 수 있는 기판의 예시적인 실시 형태를 도시한다. 다른 실시 형태에서, 열전달 복합체는 정밀하게 형상화되지 않고, 단순히 3차원으로 형상화된다. 3차원 형상은 형상 및/또는 크기가 무작위적일 수 있거나, 형상 및/또는 크기가 균일할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 열전달 복합체는 주형을 사용하지 않고서 결합제 내의 전구체 금속체의 여러 크기의 "소적(droplet)"을 표면 상으로 적하시킴으로써 형성된 무작위적인 형상 및 크기를 포함한다. 표면은 구조화된 열전달 물품의 일체형 부분(즉, 기판)이 될 수 있거나, 구조화된 열전달 물품은 형성 후에 표면으로부터 제거될 수 있다.
도 5는 코팅된 다이아몬드를 내측 부분 내에 포함하는 예시적인 전구체 금속체의 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전구체 금속체의 내측 부분은 다이아몬드(552), 중간 코팅(554), 및 제1 금속(550)을 포함한다. 외측 부분(540)은 제2 금속을 포함한다. 다이아몬드를 코팅하는 중간 코팅은, 예를 들어 크롬, 코발트, 망간, 몰리브덴, 니켈, 규소, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄, 및 이들의 합금을 포함하는, 임의의 공지된 탄화물 형성제를 포함할 수 있다. 중간 코팅은, 예를 들어 물리 증착, 화학 증착, 용융 염 침착(예를 들어, 유럽 특허 EP 0 786 506 A1호(카라스 등) 참조), 용융 염 내에서의 전해, 및 기계적 도금을 포함하는, 당업계에 공지된 임의의 기술을 사용하여 다이아몬드에 도포될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 다이아몬드를 코팅하는 중간 코팅은 다수의 층을 포함한다.
도 6a 및 도 6b는 제공되는 장치의 일 실시 형태의 상이한 배율에서의 현미경 사진이다. 도 6a는 미세한 구리 입자로 매립된 다공성 열전달 복합체를 갖는 판 형태의 다공성의 구조화된 열전달 물품을 도시한다. 도 6b는 물품의 확대도이며, 물품의 외측 부분의 합금 내에 적어도 부분적으로 매립된 금속 구리 입자를 더 명확하게 도시한다. 이러한 입자는 약 2 ㎜ 길이 및 75 ㎛ 직경이고, 약 26의 종횡비를 갖는다.
또한, 결합제 및 복수의 전구체 금속체를 포함하는 열전달 코팅을 제공하는 단계 - 상기 전구체 금속체는 융점 Tmp1을 갖는 제1 금속을 포함하는 내측 부분, 및 융점 Tmp2를 갖는 제2 금속을 포함하는 외측 부분을 포함함 - , 코팅에 복수의 금속 입자를 도포하는 단계, 및 복수의 전구체 금속체를 서로 결합시키는 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 합금을 형성하도록 조성물을 Tmp1 및 Tmp2 미만의 온도로 가열하는 단계 - 상기 결합은 다공성 매트릭스를 형성하며, 상기 복수의 금속 입자는 매트릭스의 적어도 일부분 내에 적어도 부분적으로 매립됨 - 를 포함하는, 구조화된 열전달 물품을 형성하는 방법이 제공된다.
도 7은 결합제 및 복수의 전구체 금속체를 포함하는 열전달 코팅을 제공하는 것을 포함하는, 구조화된 열전달 물품을 형성하기 위한 예시적인 장치의 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전구체 금속체 및 결합제를 포함하는 슬러리(700)가 압력 또는 중력에 의해 공급 홈통(702)으로부터 제조 공구(704) 상으로 유동하여, 내부의 공동(도시 안됨)을 충전한다. 슬러리(700)가 공동을 완전히 충전하지 않으면, 생성된 구조화된 열전달 물품은 열전달 복합체의 표면 상에서 그리고/또는 열전달 복합체의 내부에서 공극 또는 작은 결함을 가질 것이다. 슬러리를 제조 공구로 도입하는 다른 방법은 다이 코팅 및 진공 적하 다이 코팅을 포함한다. 슬러리의 점도는 바람직하게는 여러 이유로 엄밀하게 제어된다. 예를 들어, 점도가 너무 높으면, 슬러리를 제조 공구에 도포하는 것이 어려울 것이다.
제조 공구(704)는 벨트, 시트, 코팅 롤, 코팅 롤 상에 장착된 슬리브, 또는 다이일 수 있다. 몇몇 바람직한 실시 형태에서, 제조 공구(704)는 코팅 롤이다. 전형적으로, 코팅 롤은 25 내지 45 센티미터의 직경을 갖고, 금속과 같은 강성 재료로 구성된다. 일단 코팅기 상으로 장착된 제조 공구(704)는 전동 모터에 의해 동력을 받을 수 있다.
제조 공구(704)는 그의 표면 상에서, 열전달 복합체의 미리설정된 어레이 및 규정된 형상의 역상인, 적어도 하나의 규정된 형상의 미리설정된 어레이를 갖는다. 공정을 위한 제조 공구는 금속으로부터 제조될 수 있지만, 플라스틱 공구가 또한 사용될 수 있다. 제조 공구는 금속으로 제조될 수 있고, 조각(engraving), 호빙(hobbing), 원하는 구성으로 기계가공된 복수의 금속 부품의 번들로서의 조립, 또는 다른 기계적 수단에 의해, 또는 전기성형(electroforming)에 의해 제조될 수 있다. 이러한 기술은 문헌[Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Vol. 8, John Wiley & Sons, Inc. (1968), p. 651-665] 및 미국 특허 제3,689,346호(로우랜드(Rowland))에 추가로 설명되어 있다. 몇몇 경우에, 플라스틱 제조 공구가 원래의 공구로부터 복제될 수 있다. 금속 공구와 비교했을 때 플라스틱 공구의 이점은 비용이다. 폴리프로필렌과 같은 열가소성 수지가 그의 융점에서 금속 공구 상으로 엠보싱되고 나서 켄칭되어 금속 공구의 열가소성 복제품을 제공할 수 있다. 그리고 나서, 이러한 플라스틱 복제품은 제조 공구로서 이용될 수 있다.
기판(706)이 풀림 스테이션(708)으로부터 벗어나고, 그리고 나서 적절한 장력을 얻도록 아이들러 롤(710) 및 닙 롤(712) 위로 통과한다. 닙 롤(712)은 또한 슬러리(700)에 대해 배킹(backing)(706)을 가압하여, 슬러리가 배킹(706)을 습윤시켜서 중간 물품을 형성하게 한다. 슬러리는 중간 물품이 제조 공구(704)로부터 벗어나기 전에 에너지원(714)을 사용하여 건조된다. 건조 후에, 열전달 복합체의 규정된 형상은 구조화된 열전달 물품이 제조 공구(704)로부터 벗어난 후에 실질적으로 변화하지 않는다. 따라서, 구조화된 열전달 물품은 제조 공구(704)의 역상 복제품이다. 구조화된 열전달 물품(716)은 제조 공구(604)로부터 벗어나고, 금속 입자로 처리되고, 등온 재응고 오븐(718)을 통과한다.
제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품은 또한 하기의 방법에 따라 제조될 수 있다. 첫째로, 전구체 금속체 및 결합제의 혼합물을 함유하는 슬러리를 전면 및 후면을 갖는 배킹으로 도입할 수 있다. 슬러리는 배킹의 전면을 습윤시켜서 중간 물품을 형성할 수 있다. 둘째로, 중간 물품을 제조 공구로 도입할 수 있다. 셋째로, 슬러리를 중간 물품이 제조 공구의 외측 표면으로부터 벗어나기 전에 적어도 부분적으로 건조시킨다. 넷째로, 금속 입자를 중간 물품에 도포한다. 마지막으로, 중간 물품을 등온 재응고가 일어나는 온도로 가열하여, 구조화된 열전달 물품을 형성한다. 단계들은 연속적인 방식으로 수행될 수 있어서, 구조화된 열전달 물품을 제조하기 위한 효율적인 방법을 제공한다. 제2 방법은, 제2 방법에서 슬러리가 초기에 제조 공구가 아닌 배킹에 도포되는 점을 제외하고는, 제1 방법과 유사하다.
몇몇 바람직한 실시 형태에서, 제공되는 다공성의 구조화된 열전달 물품을 제조하는 데 유용한 구조는 미리설정된 패턴의 형태로 배열된 복수의 열전달 복합체를 포함한다. 복합체들 중 적어도 일부는 정밀하게 형상화된 연마 복합체일 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 복합체들은 실질적으로 동일한 높이를 갖는다. 유용한 구조는 전형적으로 표면적의 평방 센티미터당 적어도 약 1,200개의 복합체를 포함한다. 유용한 구조는 전형적으로 약 20 내지 약 1,000 ㎛의 범위 내의 평균 두께를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 유용한 구조는 약 50 내지 약 500 ㎛의 범위 내의 평균 두께를 갖는다.
열전달 복합체는, 예를 들어 입방형, 원통형, 프리즘형, 직사각형, 피라미드형, 절두 피라미드형, 원추형, 절두 원추형, 십자형, 평평한 상부 표면을 가진 기둥형, 반구형, 및 이들의 조합을 포함하는 다양한 형상을 가질 수 있다. 열전달 복합체는 또한 크기가 변할 수 있다. 열전달 복합체는 전형적으로 약 20 내지 약 1,000 ㎛의 범위 내의 평균 높이를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 열전달 복합체는 약 50 내지 약 500 ㎛의 범위 내의 평균 높이를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 다양한 형상 및/또는 크기가 열전달 복합체를 형성하기 위해 사용된다.
금속 입자는 원하는 밀도 및 배향을 달성하기 위해 필요한 대로 수동으로 또는 기계식으로 앞서 도포된 복합체 위에 또는 그들 사이에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 입자는 원하는 양을 달성하도록 칭량된 다음 앞서 도포된 복합체 위에 무작위적인 방식으로 손으로 도포될 수 있다. 대안적으로, 입자는 미리정해진 위치에서 기계적 수단에 의해 앞서 도포된 복합체 내로 삽입될 수 있다. 제공되는 구조화된 열전달 물품은, 예를 들어 열사이펀과 같은 수동형 냉각 시스템과 같은 냉각 시스템에 사용될 수 있다. 구조화된 열전달 물품은 발열 장치 또는 발열 장치와 열적으로 연통하는 방열 장치에 직접 적용될 수 있다. 제공되는 구조화된 열전달 물품은 적어도 10 W/㎠의 열속(heat flux)에서 적어도 3 와트/평방 센티미터/℃(W/㎠/℃)의 열전달 계수를 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 제공되는 구조화된 열전달 물품은 적어도 10 W/㎠의 열속에서 적어도 6 W/㎠/℃의 열전달 계수를 갖는다. 투명하고 무색인 하이드로플루오로에테르와 같은 유체가 우수한 독성학적 특성을 가지며, 열전달을 용이하게 하기 위해 환경 친화적으로 사용될 수 있다. 미국 미네소타주 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한 HFE-7000, HFE-7100, HFE-7200 및 HFE-711PA와 같은 노벡 엔지니어드 플루이드(NOVEC Engineered Fluid)가 제공되는 구조화된 열전달 물품을 갖는 시스템에서 유용할 수 있는 유체이다. 하이드로플루오로카본 냉매, 예를 들어 HFC-134a, 또는 HFC-245fa와 같은 더 일반적이지만 덜 환경 친화적인 유체가 또한 사용될 수 있다. HFO-1234yf와 같은 하이드로플루오로올레핀 냉매가 또한 사용될 수 있다. 또한, 프로판 또는 부탄과 같은 탄화수소 냉매가 열전달 유체로서 유용할 수 있는 것으로 고려된다.
본 발명의 구조화된 열전달 물품의 이점 및 다른 실시 형태는 하기의 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이러한 실시예에서 인용되는 특정 재료 및 그의 양뿐만 아니라 다른 조건 및 상세 사항은 본 발명의 구조화된 열전달 물품을 부당하게 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 예를 들어, 전구체 금속체를 형성하기 위해 사용되는 금속은 변할 수 있다. 모든 부 및 비율은 달리 지시되지 않는 한 중량 기준이다.
[실시예]
재료
전구체 금속체는 미국 특허 공개 제2005/0095189 A1호에 설명된 공정을 사용하여 은으로 스퍼터 코팅된 325 메시 이하의 구리 입자를 포함한다. 생성된 입자는 0.4 내지 0.9 wt%의 은을 함유하였다. 이러한 구리 입자에 대한 공급처는 미국 일리노이주 디어필드 소재의 아메리칸 케멧 코포레이션(American Chemet Corporation)의 켐 코프(Chem Copp) 구리 분말 1700 FPM이었다.
구조화된 열전달 물품을 제조하였고, 후술하는 방법을 사용하여 비등 실험을 수행하였다.
열전달 물품의 제조
비교예
열전달 물품을 위한 기판을 0.3 ㎝ 두께인 5.0 ㎝ 직경의 기계가공된 구리 디스크로 제조하였다. 이러한 디스크의 하나의 표면은 약 2 ㎜의 깊이로 기계가공되어 디스크 중심선에서 종결되는 1 ㎜ 열전쌍 홈을 포함하였다. 이러한 표면을 또한 평평하게 래핑하고(lapped) 연마하였다. 전구체 금속체를 13 wt% 확산 펌프 오일(미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼(Dow Chemical)에 의해 제조되는 다우(Dow) 704)과 혼합하였다. 이러한 슬러리를 통상의 핸드 스크린 인쇄 기술 및 중합체 메시 스크린(스위스 탈(Thal) 소재의 세파(Sefar)에 의해 제조되는 45-180W IM E11F 0.5 30d STD)을 사용하여 구리 디스크의 노출 면 상에서 중앙의 25 ㎜ 직경에 도포하였다. 생성된 코팅은 평방 센티미터당 0.052 g의 전구체 금속체를 함유하였다.
실시예 1
전구체 금속체를 포함하는 열전달 코팅을 전술한 바와 같이 제조하였다. 75 ㎛의 직경 및 2 ㎜의 길이를 갖는 미세한 구리 입자를 구리 울(copper wool)(미국 오하이오주 스프링필드 소재의 팔머 엔지니어드 프로덕츠(Palmer Engineered Products)에 의해 제조되는 #706)의 조각을 절단함으로써 제조하였다. 이러한 구리 섬유를 전구체 금속체를 포함하는 열전달 코팅의 원형 영역 위에서, 약 0.025 g/㎠의 밀도로 손으로 도포하였다.
비교예 및 실시예 1 둘 모두를 진공로 내로 넣었다. 오일을 제거하기 위해 진공로 온도를 약 14℃/min으로 300℃까지 상승시키고 300℃에서 15분 동안 유지하면서 압력을 0.001 ㎜Hg 미만으로 감소시켰다. 그리고 나서, 진공로를 약 14℃/min으로 850℃까지 가열하고, 그 온도에서 1시간 동안 유지하고 나서, 진공이 해제되고 부품이 제거되기 전에 거의 실온까지 냉각되게 하였다.
풀 비등(pool boiling)
많은 구조화된 열전달 물품의 신속한 시험을 가능하게 하도록 장치를 구성하였다. 장치는 25 ㎜ 직경으로 감소된 10 ㎜ 높이의 40 ㎜ 직경의 기부를 구비한 탑 햇(top hat) 형상의 구리 받침대를 포함하였다. 전체 높이는 20 ㎜였다. 25 ㎜ 직경의 표면을 평평하게 래핑하고 연마하였다. 운모 히터(민코(Minco) HM6807R3.9L12T1)를 40 ㎜ 직경 표면에 볼트 결합하였다.
장치는 연마된 표면이 위로 향한 채로 절연 표면 위에 전술한 구리 받침대 히터 조립체를 유지하는 조립체 프레임을 추가로 포함하였다. 프레임은 또한 스테인레스강으로 덮인 열전쌍을 연마된 표면에 대해 평행하며 약 2 ㎜ 위에서, 표면의 중심선에서 종결되도록 유지하였다. 열전달 물품을 계면에서 다이아몬드계 열 계면 그리스(grease)(쓰리엠 디벨로프멘탈(3M developmental) TIM AHS-1055M)를 구비하여 연마된 표면 위에 설치하였다. 이는 열전쌍의 팁에서 우수한 열 접촉을 보장하기 위해 열전쌍이 축방향 응력에 의해 열전달 물품 내의 열전쌍 홈 내로 삽입되는 방식으로 적용되었다. 이는 싱크 온도(Tsink)를 제공하였다. 캠 로크 메커니즘(cam lock mechanism)이 이러한 조립체를 구리 디스크에 밀봉된 25 ㎜ 내경의 개스킷이 설치된 유리 튜브에 대해 가압하고, 우수한 열 계면을 달성하기 위해 필요한 압력을 인가하였다. 유리 튜브를 상부에서 주위 압력에 개방된 공기 냉각식 응축기에 연결하였다.
전술한 것과 유사한 장치를 구조화된 열전달 물품을 이들이 수직 평면 내에 배향된 상태에서 시험하기 위해 사용하였다. 이러한 장치는 전술한 유리 튜브 대신에 아크릴 하우징을 사용하였다. 이는 비등 표면에 인접하여 대략 15 ㎤의 원통형 챔버를 생성하였고, 챔버로부터 통로가 방사상 상방으로 공기 냉각식 응축기까지 이어졌다.
약 15 ㎖의 쓰리엠 노벡 엔지니어드 플루이드 HFE-7000(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능함)을 그 다음 전술한 조립체의 상부를 통해 첨가하여 열전달 물품 위에서 풀(pool)을 형성하였다. 액체 위에서 그리고 응축기 아래에서 유리 튜브 내에 삽입된 열전쌍을 유체 포화 온도(Tsat)를 측정하기 위해 사용하였다.
자동화된 데이터 획득 시스템이 DC 전압(V)을 가열기에 인가하였다. 전압은 대략 Q = 80 W의 전력을 달성하도록 초기에 설정하였다. 그 다음 Tsink가 임계 또는 건조 열속이 도달된 것을 표시하는 사전설정된 한계를 초과할 때까지 전력을 10 W 증분으로 증가시켰다. 다음 증분으로 증가시키기 전에, 히터 전압(V) 및 전류(I)를 기록하였다. 이들은 이어서 시험 디스크의 코팅된 표면의 면적(πD2/4)에 기초하여, 히터로의 열속(Q")을 계산하는 데 사용하였다:
Figure pct00001
그리고 나서, 열전달 계수(H)를 하기와 같이 계산한다:
Figure pct00002
비교예 및 실시예 1에 대한 열전달 계수 대 열속을 작동 유체로서 쓰리엠 노벡 HFE-7000을 이용하여 측정하였고, 도 8에 도시되어 있으며 위에서 설명하였다.
비교예 표면은 수평 평면 내에 배향될 때 약 37 W/㎠의 열속을 지속할 수 있었다(도 8의 비교예 수평). 이러한 동일한 표면은 수직 평면 내에 배향될 때 단지 30 W/㎠을 지속할 수 있었다(도 8의 비교예 수직). 실시예 1 표면은 수평 평면 내에 배향될 때 약 47 W/㎠의 열속을 지속할 수 있었다(도 8의 실시예 1 수평). 이러한 동일한 표면은 수직 평면 내에 배향될 때 42 W/㎠을 지속할 수 있었다(도 8의 실시예 1 수직).
구조화된 열전달 물품의 구조 및 기능의 상세 사항과 함께, 상기 설명 및 실시예에서 기재된 본 발명의 구조화된 열전달 물품의 많은 특징 및 이점에서도, 개시 내용은 단지 예시적이라는 것을 이해하여야 한다. 특히, 본 발명의 원리 내에서의 전구체 금속체의 형상 및 크기와 사용 방법에 관해서, 첨부된 특허청구범위가 표현되는 용어의 의미 그리고 그러한 구조 및 방법의 등가물에 의해 나타내어지는 완전한 범위까지 상세하게 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (16)

  1. 다공성의 구조화된 열전달 물품으로서,
    알루미늄, 구리, 은, 및 이들의 합금으로부터 선택된 제1 금속을 포함하는 내측 부분, 및 구리, 은, 규소, 및 마그네슘으로부터 선택된 제2 금속과 제1 금속을 포함하는 합금을 포함하는 외측 부분을 포함하는 복수의 전구체 금속체(precursor metal body) - 상기 제1 금속과 제2 금속은 상이함 - ;
    복수의 전구체 금속체 중 적어도 2개 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시키는 복수의 간극 요소(interstitial element) - 상기 간극 요소는 외측 부분의 합금을 포함함 - ; 및
    외측 부분의 합금 내에 적어도 부분적으로 매립된 복수의 금속 입자를 포함하는 물품.
  2. 제1항에 있어서, 제1 금속은 구리 또는 알루미늄을 포함하는 물품.
  3. 제1항에 있어서, 간극 요소는 은과 구리의 합금 또는 알루미늄과 마그네슘의 합금을 포함하는 물품.
  4. 제1항에 있어서, 내측 부분은 다이아몬드를 추가로 포함하는 물품.
  5. 제4항에 있어서, 다이아몬드는 크롬, 코발트, 망간, 몰리브덴, 니켈, 규소, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 탄화물 형성제(carbide former)를 포함하는 중간 코팅을 포함하며, 제1 금속은 중간 코팅에 부착되는 물품.
  6. 제1항에 있어서, 전구체 금속체는 5 내지 50 마이크로미터의 범위 내의 평균 직경을 포함하는 물품.
  7. 제1항에 있어서, 입자는 구리를 포함하는 물품.
  8. 제1항에 있어서, 입자는 물품의 표면 상에 약 0.02 내지 0.06 g/㎠으로 로딩되어 존재하는 물품.
  9. 제1항에 있어서, 입자는 약 1 ㎜ 내지 약 10 ㎜ 길이 및 약 25 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 직경의 평균 치수를 갖는 물품.
  10. 제1항에 있어서, 입자는 20 초과의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 물품.
  11. 제1항에 따른 구조화된 열전달 물품을 포함하는 냉각 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 열사이펀(thermosyphon)을 포함하는 냉각 시스템.
  13. 제1항에 따른 구조화된 열전달 물품을 포함한 냉각 시스템을 포함하는 전자 장치.
  14. 제13항에 있어서, 마이크로프로세서, 절연 게이트 쌍극 트랜지스터, 또는 이들의 조합인 전자 장치.
  15. 제13항에 있어서, 구조화된 열전달 물품은 수평 평면에 대해 실질적으로 수직인 배향을 갖는 전자 장치.
  16. 구조화된 열전달 물품을 형성하는 방법으로서,
    결합제 및 복수의 전구체 금속체를 포함하는 열전달 코팅을 제공하는 단계 - 상기 전구체 금속체는,
    융점 Tmp1을 갖는 제1 금속을 포함하는 내측 부분, 및
    융점 Tmp2를 갖는 제2 금속을 포함하는 외측 부분을 포함함 - ;
    코팅에 복수의 금속 입자를 도포하는 단계; 및
    복수의 전구체 금속체를 서로 결합시키는 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 합금을 형성하도록 조성물을 Tmp1 및 Tmp2 미만의 온도로 가열하는 단계 - 상기 결합은 다공성 매트릭스를 형성하며, 상기 복수의 금속 입자는 매트릭스의 적어도 일부분 내에 적어도 부분적으로 매립됨 - 를 포함하는 방법.
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