KR20180058786A - 이방성 열 도관 - Google Patents

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KR20180058786A
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수잔 씨. 트룰리
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레이던 컴퍼니
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Abstract

이방성 열 도관은 외부 원통형 튜브 및 외부 원통형 튜브에 배치 된 이방성 열 재료를 포함한다.

Description

이방성 열 도관
본 발명은 일반적으로 열 도관에 관한 것으로, 특히 이방성 열 도관에 관한 것이다.
당 업계에서 공지 된 바와 같이, 열 도관(thermal conduit)은 많은 응용 분야에서 사용된다. 하나의 응용은 히트 스프레더(spreaders)이며, 히트 소스에서 열을 추출하고 내보낸 열을 히트 싱크로 운반하는 열 전달 인터페이스(heat transfer interface)라고도 한다. 또한 견고하고 높은 신뢰성의 히트 스프레더를 만들기 위해서는 히트 스프레더와 히트 소스 사이의 열 팽창 계수(CTE, coefficient of thermal expansion)가 근접하게 일치해야 하고 히트 스프레더와 히트 싱크 사이의 열 팽창 계수(CTE)가 근접하게 일치해야 한다. 예를 들어, 전기적 응용에서 이러한 추가적인 인터페이스는 열 성능을 저하시키고 전기 와류(electrical parasitic)를 증가시켜 전기 손실을 증가시키고 효율을 감소 시키며 시스템 설계에 비용과 복잡성을 추가 할 수 있다.
히트 스프레더 설계에 대한 현재의 방법은 중간 히트 스프레더 전이(intermediate heat spreader transition)를 낮은 CTE, 일반적으로 열전도율이 낮은 재료 및 일반적으로 구리와 같은 높은 열 팽창 물질에 부가하는 것이다. 높은 열전도성 금속 및 낮은 열전도도 물질 반도체 사이의 CTE의 불일치 인터페이스는 많은 응용 분야에서 신뢰성 있게 직접 전이를 하기에는 너무 크다. 이 접근법은 추가적인 열 및 전기 인터페이스로 인해 설계 복잡성, 비용 및 성능 손실을 야기한다.
당 업계에 공지 된 바와 같이, 열 분해 흑연(Thermal Pyrolytic Graphite, TPG) 물질은 기저 평면(basal plane) 내에서 열전도도가 ~ 1600 W/m-K (구리의 4 배)이고 기저 평면에 수직하게는 ~ 10 W/m-°K (구리의 1/40)이다. 보다 구체적으로, 흑연은 이방성 구조를 가지며 따라서 방향성이 강한 많은 특성(예를 들어, 열 및 전기 전도도 및 유체 확산도)을 보유한다. 특히, 흑연은 육각형 배열의 레이어 평면 또는 탄소 원자의 네트워크로 구성된다.
6 각형으로 배열 된 탄소 원자의 이들 레이어 평면은 실질적으로 평평하고 서로 실질적으로 평행하고 서로 동일한 거리가되도록 배향되거나 정렬된다. 일반적으로 그래핀 레이어들(graphene layers) 또는 기저 평면으로 지칭되는 탄소 원자의 평평하고 평행한 등거리(equidistant) 시트 또는 레이어 서로 연결되거나 결합되고 그 그룹은 미결정(crystallites)으로 배열된다. 열 분해 흑연의 시트는 3 개의 방향성 축들을 갖는 것으로 기술될 수 있다; 기저 평면의 증착(deposition) 표면에 평행하고 서로 직교하는 a 축과 b 축 그리고 a 축, b 축 및 기저 평면들에 수직한 c 축. 열 분해 흑연의 열적 특성은 구조적 이방성(structural anisotropy)에 크게 영향을 받는다. 열 분해 흑연은 c 축 방향(흑연의 증착 방향을 따르고, 흑연이 증착되는 표면의 평면에 수직인)으로 우수한 열 절연체(heat insulator)로서 작용하며, a 축 및 b 축을 포함하는 평면에서 비교적 우수한 열 전도체(heat conductor)로서 사용된다.
사용되는 용어 "열 분해 흑연"("TPG")은 "고 배향성 열 분해 흑연"("HOPG", highly oriented pyrolytic graphite) 또는 압축 어닐링 열 분해 흑연("CAPG", compression annealed pyrolytic graphite)과 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.
TPG 물질이 도 1에 도시된 바와 같은 평면 히트 스프레더에서 이방성 열 도관으로 사용되었다는 것은 당 업계에 공지 되어있다; 기저 평면은 점선으로 표시된다.
일 실시 예의 목적은 이방성 열 도관을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 외부 원통형 튜브; 및 상기 외부 원통형 튜브와 함께 배치 된 이방성 열 재료를 포함한다.
일 실시 예에서, 이방성 열 재료는 열 분해 흑연(TPG)이다.
일 실시 예에서, 상기 이방성 열 재료는 상기 튜브의 종축에 수직인 방향에 따른 열전도도보다 상기 튜브의 종축에 따른 열전도도가 더 크다.
일 실시 예에서, 상기 이방성 열 재료는, 상기 튜브의 종축에 수직인 방향에 따른 열전도도보다 상기 튜브의 종축에 따른 열전도도가 더 작다
일 실시 예에서, 이방성 열 재료의 열전도성은 튜브의 종축으로부터 반경 방향 외측으로의 열 전도를 갖는다.
일 실시 예에서, 이방성 열 재료는 튜브의 종축에 수직인 기저 평면을 갖는다.
일 실시 예에서, 이방성 열 재료는 튜브의 종축에 평행한 기저 평면을 갖는다.
일 실시 예에서, 이방성 열 재료는 튜브의 종축으로부터 반경 방향 외측으로 수직하게 연장되는 기저 평면을 갖는다.
일 실시 예에서, 이방성 열 재료는, 상기 튜브의 종축에 따른 열전도도보다 상기 튜브 내의 원주 방향에 따른 열전도도가 더 작다.
일 실시 예에서, 이방성 열 재료는 상기 튜브에 내장된다.
일 실시 예에서, 외부 원통형 튜브는 열전도성 금속이다.
일 실시 예에서, 내부 튜브 또는 로드가 포함되고, 이방성 열 재료는 상기 내부 튜브 또는 로드와 상기 외부 튜브 사이에 배치된다.
일 실시 예에서, 외부 튜브는 원형 단면을 갖는다.
일 실시 예에서, 내부 로드 또는 튜브는 원형 단면을 갖는다.
일 실시 예에서, 외부 튜브는 금속, 세라믹 또는 플라스틱이다.
일 실시 예에서, 외부 튜브는 예를 들어, MoCu, WCu. W, Mo 또는 Cu이다. 일 실시 예에서, 열 도관은 구부러질 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시 예의 세부 사항은 첨부 된 도면 및 이하의 설명에서 설명된다. 본 개시의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명 및 도면 및 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
이러한 열 도관으로, 금속 튜브 벽 내부에 이방성 열 재료를 내장하는 것은 요구되는 구성에서 높은 열전도도 및 낮은 열전도도를 동시에 달성할 수 있다. 이러한 열 도관은 히트 소스에서 히트 싱크로의 밀접한 전이(intimate transitions)를 제공한다. 낮은 열 팽창 재료(thermal expansion materials)는 외부 결합 재료(external mating material)로 사용될 수 있으며 이방성 열 재료는 두 방향으로 높은 열전도를 허용한다. 이러한 튜브형 구조는 CTE 관리로 인한 마이크로 일렉트로닉 패키징을 포함하는 냉각 시스템 또는 서브 시스템 내에서 외부적으로 전이를 제거하는 낮은 CTE 금속을 유지하면서, 열을 유도하는 새로운 패키징 개념과 액체 냉각을 통합 할 수 있는 기회를 제공한다.
또한, 이러한 이방성 열 도관으로 TPG는 2.25g/cm3의 밀도를 갖기 때문에 TPG를 포함하는 히트 스프레더는 히트 스프레더의 중량을 상당히 감소시킬 수 있다. TPG는 방향성 열전도도와 내부 튜브 또는 로드를 제공하고 외부 튜브는 히트 싱크에 대한 보호 및 기계적 강도를 제공한다. 내부 튜브는 유체 냉각 시스템의 일부로 추가로 사용될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이방성 열 재료 히트 스프레더의 사시도이다. 도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 이방성 열 도관을 제조하는 다양한 단계에서 이방성 열 도관을 제조하는 방법을 도시 한 일련의 도면이다. 도 2d는 본 발명에 따른 완성 된 이방성 열 도관의 사시도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 도 2d의 이방성 열 도관에 사용되는 이방성 열 재료를 제조하는 방법을 나타내는 일련의 도면이다.
도 4a 및 도 4b는도 2d에 도시된 이방성 열 도관에 대한 예시적인 한 쌍의 적용을 도시한다. 도 4a는 히트 소스와 히트 싱크 사이의 도관을 도시하며, 종축은 히트 소스 및 히트 싱크의 표면에 수직이다. 도 4b는 히트 소스와 히트 싱크 사이의 도관을 도시하며, 종축은 히트 소스 및 히트 싱크의 표면에 평행하다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 이방성 열 도관의 제조 방법을 도시하는 일련의 도면이다. 도 5b 내지 도 5e는 도관의 단면도이다. 도 5f는 본 발명에 따른 완성된 이방성 열 도관의 사시도이다.
도 6a 내지 도 6i는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이방성 열 도관의 제조 방법을 도시하는 일련의 도면이다. 도 6d 내지 도 6h는 단면도이다. 도 6i는 본 발명에 따른 완성된 이방성 열 도관의 사시이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 이방성 열 도관의 제조 방법을 도시하는 일련의 도면이다. 도 7a 내지도 7c는 도관의 단면도이다. 도 7d는 본 발명에 따른 완성 된 이방성 열 도관의 사시도이다.
도 8은도 2d, 5f, 6i 및 7d에 도시 된 실시 예의 열전도도를 계산하기위한 모델에 사용된 열전 도성 도관의 단면도이다.
다양한 도면에서 유사한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있다.
이제 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 도시 된 바와 같이 예를 들어 MoCu, WCu, W, Mo, Cu와 같은 외부 원통형 튜브(10, outer cylindrical tube)가 제공된다. 튜브(10)는 도시 된 바와 같이 중심의 종 방향(longitudinal)의 Z 축을 따라 연장되어 있음을 알 수 있다. 상기 튜브(10)는 그 직경보다 크거나 같거나 또는 그 직경보다 작은 길이를 가질 수 있다.
다음으로, 튜브(10)는 Z 축을 따라도 2a에 도시 된 바와 같이 각각 반-원형 단면을 갖는 두 개의 절반부(10a, 10b) (halves)로 절단된다.
다음으로, 도 2c에 도시 된 바와 같이, 튜브(10)의 각 절반부(10a, 10b)의 내부 표면들(11a, 11b)은 반응성 금속 브레이즈 합금(12a, 12b) (reactive metal braze alloy)으로 코팅되고, 이는 예를 들면 종래의 브레이징 또는 진공 브레이징 공정에서 인듐-구리-은과 같은 반응성 금속 브레이즈 합금을 사용하는 것이다.
티타늄 또는 바나듐과 같은 반응성 금속은 브레이즈 필러(braze filler)로 사용되거나 브레이즈될 표면에 증착될 수 있다.
다음으로, 도 2c에 도시 된 바와 같이 이방성 열 재료, 여기서 TPG 부재들(14a, 14b) (TPG members)가 반응성 금속 브레이즈 합금(12a, 12b) 상에 각각 배치된다. 하나의 구성에서 점선(15)으로 표시되는 기저 평면들(basal planes)은 종축(Z) (longitudinal axis)에 평행함을 알 수 있다. 특히, 도 3a-3f는 TPG 부재들(14a, 14b)를 형성하는데 사용되는 단계를 도시한다.
따라서, 도 3a를 참조하면, 예를 들어 TPG와 같이 예를 들어 임의의 종래의 증착 프로세스를 사용하여 형성 될 수 있는 것으로 이해되는 열 이방성 재료의 블록(17)은 예를 들어 임의의 통상적인 증착 프로세스를 사용하여 형성된다.
TPG 블록(17)의 a 축 및 b 축을 모두 갖는 기저 평면(15)은 증착 방향(TPG 블록(17)의 c 축에 따른 방향)에 수직으로 형성된다; 증착의 방향은 도 3a에서 화살표로 표시된다. 위에서 언급한 바와 같이, 기저 평면은 점선(15)으로 표시된다. 다음으로, 블록(17)은도 3b에 나타낸 바와 같이 TPG 재료(17)의 절단 평면(CP, cutting plane) a 축 및 c 축을 따라 절단되어 블록(17)을 2 개의 섹션(19a, 19b)으로 분리한다. 섹션(19a, 19b)들 중 예를 들어, 섹션(19a)이 도 3c에 도시되어 있고 도시 된 바와 같이 배향된 기저 평면(15)과 함께 위치된다. 다음에, 섹션(19a)은도 3c 및 3d에 도시 된 바와 같이 만곡된 절단 표면들(CS1, curved cutting surface)을 따라 TGP 부재(21)로 절단되어, 튜브(10)상의 코팅 된 반응성 금속 브레이즈 합금으로 섹션(10a, 10b) 중 대응하는 하나의 내부 표면(13a, 13b)(도 2b) 내에 끼워 맞춰지는 단면을 갖는 도 3d에 도시 된 TPG 부재(21)를 형성한다. 따라서, 튜브(10)(도 2A)에서, TPG 부재(14a, 14b)(도 2c)는 c 축, b 축 평면에서 원형 단면을 가지며, TPG 부재(21)는 도 3c 및 도 3d에 도시 되는 바와 같이 a 축을 따라 연장한다. 따라서, TPG 재료(기저 평면(15))의 a 축 및 b 축은 도 3c 및 도 3d에 도시 된 공간 X-Y 평면 내에 있다. 튜브(10)의 내부 표면(11a, 11b)(도 2b)은 원형 단면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 튜브(10)는 타원형 단면, 정사각형 단면, 직사각형 단면, 임의의 규칙적 또는 불규칙한 다각형 단면 또는 임의의 바람직하게는 연속적인 폐 루프를 따르는 단면을 가질 수 있고, 이 경우, 부재(21)는 폐 루프를 따라 절단 될 것이다.
다음으로, 도 3f에 도시되는 바와 같이 부재(21)의 내부 영역(inner region)을 만곡된 평면(CS2, curved surface)을 따라 절단함으로써 a 축에 평행 한 방향을 따라 부재(21)의 중심을 통과하는 반-원형 구멍(25, semi-circular hole)을 갖는 TPG 부재(14b)(도 2c)가 형성된다. TPG(도 3b)의 제 2 섹션(19b)은 한 쌍의 성형된 TPG 부재(14a, 14b) (도 2c)를 생성하는 TPG 섹션(14b)에 대해 설명 된 바와 같이 처리된다는 것을 이해해야한다.
다음으로, 도 2c를 다시 참조하면, 반응성 금속 브레이즈 합금(16a, 16b)이 도 2c에 도시 된 바와 같이 각각 성형된 부재 TGP 부재(14a, 14b)의 노출된 표면에 적용되고, 도 2c에 도시 된 바와 같이 상부 구조체(29a, upper structure) 및 하부 구조체(29b, lower structure)가 제공된다.
상부 구조체(29a)의 바닥 표면(30a, bottom surface) 및/또는 하부 구조체(29b)의 상부 표면(30b) 중, 예를 들어, 도 2c에 도시 되는 바와 같이 상부 구조체(29b)의 바닥 표면(30b)은 예를 들어 인듐-구리-은(Indium-Copper-Silver)과 같은 반응성 금속 브레이즈 합금(32, reactive metal braze alloy)으로 코팅된다.
다음에, 도 2c에 도시 된 바와 같이, 내부 로드 또는 튜브(20) (inner rod or tube), 여기서는 로드가 종축(Z)을 따라 TPG 부재(14a, 14b)의 반-원형 구멍(25) 내에 배치된다. 종축(Z)은 도 3f에 도시 된 a 축에 평행하다. 내부 튜브 또는 로드(20)는 고체 또는 중공(hollow), 금속 또는 세라믹, 예를 들어 BeO 일 수 있거나 또는 열을 제거 할 필요가 있는 불활성 유리 세라믹(inert glass ceramic) 일 수 있다. 여기서, 내부 튜브 또는 로드(20)는 튜브(10)와 동일한 원형 단면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 내부 튜브 로드(20)의 단면은 튜브(10)의 단면과 다를 수 있으며, 예를 들어, 타원형 단면, 정사각형 단면, 직사각형 단면 또는 임의의 규칙적 또는 불규칙한 다각형 단면 또는 임의의 바람직하게는 연속적인 폐 루프를 따른 단면을 가질 수 있다. 다음으로, 상부 구조체(29a)와 하부 구조체(29b)는 접합 구조(bonded structure) 내의 상부 및 하부 구조체(29a, 29b) 사이의 중심에 위치 된 내부 로드 또는 튜브(20)와 함께 브레이징(braze)되어 도 2d에 도시된 완성된 이방성 열 도관(24, completed anisotropic thermal conduit)을 생성한다. 반응성 금속 브레이즈 합금은 브레이징의 각 적용 후에 순차적으로 수행 될 수 있거나 더 적은 브레이징 단계로 결합 될 수 있음에 유의해야한다. 예를 들어, 외부 튜브(10)는 각각의 절반부(10a, 10b)에 대해 브레이징될 수 있고, 그 다음 또 다른 브레이징이 내부 튜브 또는 로드(20)를 부착하고 절반부(10a, 10b)를 결합 할 수 있거나, 브레이징 전체가 하나의 브레이즈 작업(braze operation)으로 수행 될 수 있다.
이제 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이방성 열 도관(24)을 위한 다수의 많은 응용 예가 도시 되어있다. 여기서, 이방성 열 도관(24)의 배열은 히트 소스(33, heat source)로부터 히트 싱크(34, heat sink)로 열을 전달하기위한 히트 스프레더(heat spreader)로서 사용된다. 도 4a는 히트 소스(33)와 히트 싱크(34) 사이의 도관들(24)을 도시하되, 그들의 종축은 히트 소스 (33) 및 히트 싱크(34)의 표면에 수직하다. 도 4b는 히트 소스(33)와 히트 싱크(34) 사이의 도관들(24)을 도시하되, 그들의 종축은 히트 소스 (33) 및 히트 싱크(34)의 표면에 평행하다. 도관은 도 4a 및 도 4b에 도시 된 것과 상이한 구성으로 히트 소스 및 히트 싱크에 대해 배향될 수 있음을 이해해야한다.
이제도 5a-5f를 참조하면, 이방성 열 도관, 여기서는 이방성 열 도관(24')을 형성하는 다른 실시 예가 도시된다. 여기서, 도 5a에 도시 된 바와 같이, 예를 들어 0.015 인치의 두께를 갖는 TPG 재료의 얇은 가요성 시트(40, flexible sheet)가 제공된다. 상부 및 하부 표면(42a, 42b)은 점선(15)으로 표시되는 기저 평면(a 축, b 축 평면)에 있다. 반응성 금속 브레이즈 합금의 레이어(43a)는 도 5b에 도시 된 바와 같이 내부 튜브 또는 로드(20)의 외벽에 증착된다. TPG 재료의 얇은 가요성 시트(40)는 도 5b에 도시 된 바와 같이 반응성 금속 브레이즈 합금(43a)의 레이어 주위에 감겨있다. 도 5c에 도시 된 바와 같이, 반응성 금속 브레이즈 합금(43b)의 제 2 레이어가 TPG 레이어(40)의 외벽에 증착된다. 이 공정은 제 2 반응성 금속 브레이즈 합금(43b)에 감겨진 TPG 재료의 얇은 가요성 시트(40), 여기서는 40a로 표시됨, 의 제 2 레이어에 반복된다. 소정의 두께의 TPG 재료를 갖는 구조체(45)가 제조 될 때까지 공정이 반복된다. 도 2c와 관련하여 전술 한 바와 같은 반응성 브레이즈 금속 합금(12a, 12b)은 원통형 튜브(10)(도 2a)의 두 개의 절반부(10a, 10b)에 각각 배치되고, 여기서는 도 5d와 같이 원통형 튜브(10)의 절반부(10a)에 배치된다. 다음으로, 도 5d에 도시 된 바와 같이, 소정 두께의 TPG 재료를 갖는 구조체(45)가 금속 브레이즈 합금(12a) 상에 배치된다. 다음으로, 도 2c와 관련하여 전술한 바와 같은 반응성 금속 브레이즈 금속 합금(32)이 원통형 튜브(10)의 두 개의 절반부(10a, 10b) 중 하나(여기서는 10a) 상에 배치된다(도 2a).
다른 절반부(10b)는 도 5e 및 도 5f에 도시된 어셈블리를 형성하기 위해 TPG 재료의 소정 두께를 갖는 구조(45) 상에 배치된다. 다음으로, 어셈블리는 도 5c 및 도 5f에 도시 된 바와 같이 열 이방성 도관(24', thermally anisotropic conduit)을 형성하도록 브레이징에 의해 도 2c 및 도 2d와 관련하여 전술 한 바와 같이 처리된다. 이방성 열 도관(24')은 도관(24')의 종 방향, Z 축 또는 TPG a 축에 대해 원주 방향으로 동심원(concentric circle)으로 배치되고 점선(15)으로 표시되는 동심원의 기저 표면들(concentric basal planes)을 갖는다.
이제 도 6a-6i를 참조하면, 이방성 열 도관(24")을 제조하기 위한 다른 실시 예가 도시되어 있다. 따라서, 도 6a를 참조하면, TPG 재료(17)의 블록이 제공된다. 다음에 구멍(60)은 TPG 재료의 c 축에 대응하는 공간의 Z 축(블록(17)의 상부 및 하부 표면에 수직)을 따라 기계 가공된다.
즉, 도 6b에 도시 된 구조체(62)를 생성하기 위해 점선(15)으로 나타낸 기저 평면(a 축 및 b 축을 갖는 TPG 물질의 평면에 대응하는 공간 X-Y 평면에 존재하는)에 수직인 방향으로 연장된다. 다음으로, 도 6b에 도시 된 구조체(62)는 6c및 6d에 도시 된 바와 같이 둥근 도넛 형상의(rounded, donut shaped) 구조체(64)를 형성하도록 기계 가공된 외부 표면을 갖는다. 다음, 구조체(64)는 도 6e에 도시 된 바와 같이, 상부 섹션(64a)과 하부 섹션(64b)을 생성하기 위해 반으로 절단된다. 반응성 브레이즈 재료(16)는 내부 튜브 또는 로드(20)에 도포된 다음, 구조체(66)(도 6f)를 제공하기 위해, 상부 및 하부 섹션 사이에 형성된 구멍(60) 내에 배치된다. 도 2c와 관련하여 전술한 바와 같은 반응성 금속 브레이즈 합금(12b)은 도 6g에 도시 된 바와 같이 원통형 튜브(10)의 2 개의 절반부(10a, 10b) 중 하나의 절반 부(여기서는, 10b)상에 배치된다(도 2a). 다음으로, 내부 튜브 또는 로드(20) 및 도넛 형상의 TPG를 갖는 구조체(66)가 도 6g에 도시 된 바와 같이 반응성 브레이즈 금속 합금(12b) 상에 배치된다. 다음으로, 도 2c와 관련하여 상술한 바와 같은 반응성 금속 브레이즈 합금(12a)은 원통형 튜브(10)의 두 개의 절반부(10a, 10b) 중 하나의 절반부(여기서는, 10a)에 배치된다(도 2a). 나머지 절반부(10a)는 도 6h 및 도 6i에 도시된 어셈블리를 형성하기 위해 반응성 금속 브레이즈 합금으로 코팅된 도넛 형상의 TPG를 갖는 구조체(66) 사에 배치된다. 다음으로, 도 6h에 도시 된 어셈블리는 열 이방성 도관(24")을 형성하기 위해, 브레이징에 의해 도 2c 및 도 2d와 관련하여 전술 한 바와 같이 처리된다. 이방성 열 도관(66)은 도관(24")의 길이 방향의 Z 축에 수직인 기저 평면을 갖는다.
이제 도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 다수의 이방성 열 전도성 시트들(40)(예를 들어 여기서는 도 5a와 관련하여 전술 한 바와 같은 TPG 재료)은 도시 된 바와 같이 규칙적으로 이격된 절단된 반-원형(truncated semi-circular) 배치의 에지와이즈(edgewise)로 배치되고, 반응성 금속 브레이즈 합금(12a)과 함께 구조체(70a)를 제공한다. 따라서, 복수의 시트들(40)의 기저 평면(15)은 도시 된 바와 같이 공간 Z 축으로부터 반경 방향 외측(radially outward)으로 연장된다. 시트들(40)의 예시적인 하나에 대한 a 축, b축 및 c 축이 도시되어 있다. a 축은 도면의 평면 상에 있다. 시트들(40)의 내부 에지들(73, inner edges)은 도시 된 바와 같이 반-원형 영역(72a, semi-circular region)을 형성한다.
이제 도 7b를 참조하면, 구조체(70a)와 같은 제 2 구조체(70b)가 형성되고; 유사하게 반-원형 영역(72b)을 형성한다. 내부 튜브 또는 로드(20)는 도시된 바와 같이 반-원형 영역들(72a, 72b)에 의해 형성된 구멍과 정렬되고, 정렬된 내부 튜브 또는 로드(20) 및 구조체들(70a, 70b)은 함께 결합되고, 그리고 도 7d에 도시 된 바와 같이 구조체(74)를 형성하는 방식으로 도시 된 바와 같이 반응성 금속 브레이즈 합금(32)으로 내부 튜브 또는 로드(20)에 연결된다. 이제 도 7c를 참조하면, 형성된 구조체(74)는 도 5d 및 도 5e와 관련하여 기술된 방식으로 튜브 섹션들(10a, 10b)의 내벽들(11a, 11b)에 각각 결합되어 도 7d에 도시되는 바와 같이, 이방성 열 도관 (24')을 형성한다. 여기서, 이방성 열 재료의 열전도도는 튜브의 종축으로부터 반경 방향 외측으로 열을 전도한다.
4 개의 열 이방성 도관(24, 24', 24" 및 24"')의 미터/켈빈 당 와트(W / m- °K) 단위로 측정된 열전도도를 하기 표 1에 제공된 결과와 함께 계산된다. X 축, Y 축 및 Z 축은 상호 수직인 축이고 튜브(10)를 기준으로 하며, Z 축은 튜브의 길이 방향 축(Z)과 정렬됨을 이해해야한다. a 축, b 축 및 c 축은 도 3a와 관련하여 전술한 바와 같이 이방성 재료(17)를 기준으로 한다. 도 8에 열전도도 계산에 사용된 모델이 4 개의 구성(즉, 튜브 (24, 24', 24" 및 24"')을 예시한다.
열전도도, K 열 이방성 도관(24) 열 이방성 도관(24') 열 이방성 도관(24'') 열 이방성 도관(24''')
Kx (W/m-°K)
(튜브(10)의 외부 에지로부터 X 축에 따른 튜브(20')의 내부 에지를 향해)
(도 8)		 714 16 714 714
Ky (W/m-°K)
(튜브(10)의 외부 에지로부터 Y 축에 따른 튜브(20')의 내부 에지를 향해)
(도 8)		 16 16 714 714
Kz (W/m-°K)
(도관(24)의 전면 평면(X-Y 평면에서 도관(24)의 평면)으로부터 도관(24)의 길이 방향, 즉 Z 축에 따른 도관(24)의 대향 평면(X-Y 평면에서 도관(24)의 면)을 향해)
(도 8)		 1060 1060 166 1060
열 전도 방향 X 축 및 Z 축
(TPG의 기저 평면은 튜브(20)의 X-Z 평면에 존재)		 Z 축 X 축 및
Y 축		 X 축, Y 축 및 Z 축
(종축(Z)으로부터 반경 방향)
열 절연 방향 Y 축 X 축 및
Y 축		 Z 축 해당 없음
이방성 열 관상 도관(24) 의 생성(도 2d)에 의해, 히트 소스로부터 히트 싱크로의 전이 횟수(number of transitions)를 감소시킬 수 있는 가능성으로 인해 성능이 향상 될 수 있다(도 4). TPG의 이방성 특성(anisotropic nature)으로 인해 열 흐름은 상기한 예시와 같이 여러 가지 방법으로 제어 할 수 있다. 도관 (24'', 24''')에서와 같이 열은 종축 (Z-axis)에 수직인 평면을 따라 반경 방향으로 안내 될 수 있거나, 도관(24 및 24')에서와 같이 주로, Z 축에 평행한 평면을 따라 반경 방향으로 열이 안내될 수 있으므로 설계상의 유연성과 추가적인 시스템 이점을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 이방성 열 도관은 외부 원통형 튜브 및 외부 원통형 튜브와 함께 배치되는 이방성 열 재료를 포함한다.
이방성 열 도관은 독립적으로 또는 다른 특징과 조합하여 다음 특징 중 하나 이상을 포함 할 수 있다: 이방성 열 재료는 튜브의 종축에 수직인 방향을 따른 열전도도보다 튜브의 종축을 따라 더 큰 열전도도를 가지며; 이방성 열 재료는 튜브의 종축에 수직 인 방향을 따른 열전도도보다 튜브의 길이 방향 축을 따라 더 작은 열전도도를 가지며, 이방성 열 재료는 튜브의 종축을 따르는 방향을 따른 열전도도보다 튜브 내의 원주 방향으로 더 작은 열전도도를 가지며; 이방성 열 재료는 튜브로 내장되어 있고; 외부 원통형 튜브는 열 전도성 금속이고; 내부 튜브 또는 로드를 더 포함하고, 이방성 열 재료가 내부 튜브 또는 로드와 외측 튜브 사이에 배치되고; 외부 튜브는 원형 단면을 가지고; 내부 로드 또는 튜브는 원형 단면을 가지고; 외부 튜브는 금속, 세라믹 또는 플라스틱이고; 외부 튜브는 MoCu, WCu, W, Mo, Cu 이고, 내부 튜브 또는 로드는 금속, 세라믹, 유리 또는 플라스틱이고, 이방성 열 재료의 열전도도는 튜브의 종축으로부터 반경 방향 외측으로 전도성을 띠는 것을 특징으로 하고, 이방성 열 재료는 튜브의 종축에 수직인 기저 평면을 갖고; 이방성 열 재료는 튜브의 종축과 평행한 기저 평면을 갖고; 또는 이방성 열 재료는 튜브의 종축으로부터 반경 방향 외측으로 수직하게 연장하는 기저 평면을 갖는다.
본 발명의 다수의 실시 예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 로드(20)가 중공 튜브(hollow tube)인 경우, 냉각제(coolant)가 이러한 중공 튜브를 통과 할 수 있다. 또한, 여기에서 튜브(10)와 로드(20)는 공통의 중심 축(여기서는 Z 축으로 지정됨)을 가지지만, 로드(20)의 중심 축은 튜브(20)의 중심 축으로부터 측 방향으로 오프셋 될 수 있다. 또한, 도관의 다양한 실시 예를 형성하는데 사용되는 재료는 구부러짐 가능한 도관을 제공하기 위해 가요성일 수 있다. 또한, 튜브(10)는 만곡된 종축(Z)을 가질 수 있다. 또한, 티타늄 또는 바나듐과 같은 반응성 금속은 반응성 브레이즈 필러로서 혼합되거나 브레이징될 표면 상에 증착 될 수 있음에 주목해야한다. 대안적인 접합 재료들(bonding materials)이 사용될 수 있다. 따라서, 다른 실시 예들은 다음의 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (16)

  1. 외부 원통형 튜브; 및
    상기 외부 원통형 튜브에 배치되는 이방성 열 재료를 포함하는 이방성 열 도관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 열 재료는 상기 튜브의 종축에 수직인 방향에 따른 열전도도보다 상기 튜브의 종축에 따른 열전도도가 더 큰 이방성 열 도관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 열 재료는, 상기 튜브의 종축에 수직인 방향에 따른 열전도도보다 상기 튜브의 종축에 따른 열전도도가 더 작은 이방성 열 도관.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 열 재료는, 상기 튜브의 종축에 따른 열전도도보다 상기 튜브 내의 원주 방향에 따른 열전도도가 더 작은 이방성 열 도관.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 열 재료는 상기 튜브에 내장되는 이방성 열 도관.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 원통형 튜브는 열전도성 금속인 이방성 열 도관.
  7. 제 1 항에 있어서,
    내부 튜브 또는 로드를 포함하고,
    상기 이방성 열 재료는 상기 내부 튜브 또는 로드와 상기 외부 튜브 사이에 배치되는 이방성 열 도관.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 튜브는 원형 단면을 갖는 이방성 열 도관.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 로드 또는 튜브는 원형 단면을 갖는 이방성 열 도관.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 튜브는 금속, 세라믹 또는 플라스틱인 이방성 열 도관.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 튜브는 MoCu, WCu. W, Mo 또는 Cu인 이방성 열 도관.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 튜브 또는 로드는 금속, 세라믹, 유리 또는 플라스틱인 이방성 열 도관.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 열 재료의 열전도도는 상기 튜브의 종축으로부터 반경 방향 외측으로 열이 전도되는 것을 특징으로 하는 이방성 열 도관.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 열 재료는, 상기 튜브의 종축에 수직인 기저 평면을 갖는 이방성 열 도관.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 열 재료는, 상기 튜브의 종축에 평행한 기저 평면을 갖는 이방성 열 도관.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 열 재료는, 상기 튜브의 종축으로부터 반경 방향 외측으로 수직하게 연장하는 기저 평면을 갖는 이방성 열 도관.
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