專利名稱：柔性石墨熱管理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱管理裝置，以及更詳細(xì)地涉及含有柔性石墨的這種裝置和這種裝置的制備方法。
背景技術(shù)：
熱管理裝置例如熱導(dǎo)管，是在熱傳遞領(lǐng)域熟知的裝置。熱導(dǎo)管基本上是一個(gè)傳熱封閉體系，其中在密封和抽空的腔內(nèi)的少量液體通過蒸發(fā)和冷凝循環(huán)進(jìn)行循環(huán)。在外殼上某一位置進(jìn)入腔內(nèi)的熱量在所述位置蒸發(fā)液體，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽移動(dòng)到外殼上較冷的位置并在該處冷凝。蒸汽的移動(dòng)由在蒸發(fā)器和冷凝器位置間的微小蒸汽壓力差推動(dòng)。在產(chǎn)生蒸汽的蒸發(fā)熱基本上隨蒸汽移動(dòng)到冷凝器位置并在此處作為冷凝熱釋放，傳熱得以實(shí)現(xiàn)。
為使得傳熱得以連續(xù)，冷凝的液體必須由冷凝器回到蒸發(fā)器，在此處其將再次被蒸發(fā)。盡管這種回歸可以通過像重力那樣簡單的條件來完成，通常采用毛細(xì)管芯體來使得熱導(dǎo)管可以相對不依賴于重力的作用。這種毛細(xì)管芯體從產(chǎn)生液體的冷凝器附近的位置延伸到其需要被蒸發(fā)的蒸發(fā)器的位置。
關(guān)于結(jié)構(gòu)材料，外殼通常由銅或其他金屬制成，并且制備成足夠厚度的壁，以確保其在結(jié)構(gòu)上能承受熱導(dǎo)管中的蒸汽壓力，并且確保其對于濃縮蒸汽或熱導(dǎo)管外殼外的不能冷凝的氣體是不能滲透的。
在研究既是熱傳導(dǎo)的又能用作芯體毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的材料已經(jīng)投入了可觀的努力。這些材料的最常見的是在多層中采用金屬屏罩和燒結(jié)到連接在外殼的結(jié)構(gòu)中的金屬粉末。這些芯體的熱傳導(dǎo)性能被認(rèn)為很重要，所以進(jìn)入熱導(dǎo)管的熱量將被導(dǎo)入并通過在蒸發(fā)器的芯體，并蒸發(fā)芯體內(nèi)的液體。同樣通常優(yōu)選在熱導(dǎo)管結(jié)構(gòu)中芯體在蒸發(fā)器連接到外殼壁上，使得輸入的熱量可以直接進(jìn)入芯體內(nèi)的液體。
然而，傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)在某些用途中不能令人滿意。金屬外殼和金屬芯體增加了熱導(dǎo)管的重量、剛性和導(dǎo)電性，但是這使得它們在某些條件下不適用。便攜式電腦，所謂“筆記本電腦”，是傳統(tǒng)熱導(dǎo)管難于用于其中的用途之一。在這些用途中，重量和空間是特別關(guān)鍵的因素。此外，金屬外殼和燒結(jié)的芯體的費(fèi)用在便攜式電腦的高度競爭性的市場是不利的。此外，來自傳統(tǒng)材料的芯體組件不耐腐蝕。因此存在發(fā)現(xiàn)對構(gòu)造熱導(dǎo)管的新材料的需要。
發(fā)明公開內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式提供了包括基本上流體不可滲透的罩殼和罩殼內(nèi)的芯體結(jié)構(gòu)的熱管理裝置。在某些優(yōu)選實(shí)施方式中，該芯體包含膨脹石墨塊。
本發(fā)明的另一實(shí)施方式提供了制備具有由膨脹石墨塊形成的芯體結(jié)構(gòu)的熱管理裝置的方法。
本發(fā)明的另一實(shí)施方式提供了具有由柔性石墨構(gòu)成的罩殼的熱管理裝置。
本發(fā)明的附加的實(shí)施方式，包括制備具有由柔性石墨構(gòu)成的罩殼的熱管理裝置的方法，在閱讀了本說明書后該實(shí)施方式對于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。
本發(fā)明的熱管理裝置相對于它們的傳統(tǒng)對應(yīng)裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中一些優(yōu)點(diǎn)包括優(yōu)異的重量、可接受的剛性和令人滿意的導(dǎo)熱性。此外，本發(fā)明裝置的芯體結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的芯體材料還改善了抗腐蝕性。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在如下的詳細(xì)說明中列舉，而且部分地從說明書對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的或者通過實(shí)施在此描述的本發(fā)明得以認(rèn)識，包括下面詳細(xì)的描述、權(quán)利要求以及所附的附圖。
需要理解的是，前面進(jìn)行的概括性描述和下面的詳細(xì)描述兩者闡述了本發(fā)明的實(shí)施方式，并且目的在于提供用于理解所要求保護(hù)的發(fā)明的性質(zhì)和特性的概貌和框架。包含在內(nèi)的所附附圖提供了對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且融入到本說明書而構(gòu)成本說明書的一部分。附圖闡述了本發(fā)明的不同的實(shí)施方式，并與描述一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。


圖1是圓筒熱導(dǎo)管的內(nèi)部狀態(tài)的平面圖。
圖2是垂向的熱導(dǎo)管的組件的分解圖。
圖3是在熱傳播裝置中的創(chuàng)造性的熱導(dǎo)管的一個(gè)特定實(shí)施方式的平面圖。
圖4是具有鰭板的熱管理裝置的一個(gè)特定實(shí)施方式的橫截面圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方法石墨的特征可以是碳的層疊結(jié)構(gòu)，也就是，結(jié)構(gòu)由碳原子的重疊層或者疊層通過弱范得華力結(jié)合在一起構(gòu)成?？紤]到石墨的結(jié)構(gòu)，通常用兩個(gè)軸或者方向來標(biāo)志，即，“c”軸或方向和“a”軸或方向。為了簡單起見，“c”軸或者方向可以理解為與碳層垂直的方向、“a”軸或者方向可以理解為與碳層平行的方向或者與“c”方向垂直的方向。適用于生產(chǎn)柔性石墨片材的石墨是具有非常高取向程度的石墨。
如上所述，將碳原子的平行層結(jié)合在一起的結(jié)合力僅為弱范得華力。天然石墨可以被處理，使得在重疊的碳層或疊層間的空間可以適當(dāng)?shù)膹堥_，以提供在垂直于層的方向上，即，在“c”方向中，顯著的膨脹，并因此形成膨脹的或擴(kuò)大的石墨結(jié)構(gòu)，其中碳層的疊層特性基本得以保持。
已經(jīng)極大膨脹的石墨薄片和更特別地膨脹到具有最終厚度或者可以形成原來“c”方向上尺寸約80倍或更高倍數(shù)的“c”方向尺寸，而無需在膨脹石墨的內(nèi)聚片材或整體片材使用粘合劑，例如網(wǎng)、紙張、條、卷帶、薄片、墊片等(一般稱為“柔性石墨”)。已經(jīng)膨脹為具有最終密度或者相當(dāng)于原來“c”方向尺寸的約80倍或者更高倍數(shù)的“c”尺寸的石墨顆粒的組成物，無需使用任何粘結(jié)材料，通過壓縮得到整體柔性片材，被認(rèn)為是可能的，這是因?yàn)橛审w積膨脹的石墨顆粒間獲得的機(jī)械互鎖或內(nèi)聚力，。
上述片材材料，除了柔性，還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有對于熱和電傳導(dǎo)和流體擴(kuò)散高度的各向異性，相比于天然石墨起始原料，由于經(jīng)受高度壓縮(例如碾壓)，膨脹石墨顆粒的取向性和石墨片材基本上平行于的片材的相對面。這樣制備的片材材料具有優(yōu)異的柔性、良好的強(qiáng)度和非常高度的取向性。
簡而言之，制備柔性、無粘合劑的各向異性的石墨片材(例如網(wǎng)、紙張、條、卷帶、薄片、墊片等)的工藝，包括在預(yù)先確定的荷載下和不存在粘合劑的條件下壓縮或壓實(shí)，具有在“c”方向尺寸具有原來顆粒的約80倍或更高倍數(shù)的膨脹石墨顆粒，以形成基本上平整、柔性的整體石墨片材。膨脹石墨顆粒通常是像蠕蟲或蠕蟲狀的外觀，一旦經(jīng)過壓縮，將保持壓縮模具設(shè)定并且片材相對主表面對齊。片材材料的密度和厚度可以通過控制壓縮的程度來變化。片材材料的密度可以在約0.04g/cc-約2.0g/cc的范圍內(nèi)。柔性石墨片材材料表現(xiàn)出顯著程度的各向異性，這是因?yàn)槭w粒的排列平行于片材的主要面向的、平行表面，各向異性的程度的增加依賴于導(dǎo)致密度增加的輥筒軋壓的程度。在輥筒軋壓的各向異性片材材料中，其厚度，即垂直于面向、平行于片材表面的方向包括“c”方向和在沿著長和寬范圍內(nèi)的方向，即，沿著或平行于面向，主表面包括“a”方向和片材的熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)是非常不同的，在“c”和“a”方向有數(shù)量級的差別。
由石墨顆粒生產(chǎn)制品的方法已有提出。例如，授予Hayward的美國專利5882570公開了一種方法，其中研磨柔性的未浸漬的石墨箔片到微小粒徑，熱沖擊這些顆粒使其膨脹，將這些膨脹石墨和熱固化酚醛樹脂混合，注塑熔融混合物以形成低密度的塊狀和其他形狀，然后熱處理這些塊狀物以熱固化所述材料。所得的塊狀物可以用于爐等的絕緣材料。
都是授予Hayward的WO 00/54953和美國專利6217800進(jìn)一步描述了美國專利5882570的工藝。所述Hayward工藝僅限于他們所使用的原材料的范圍，和他們所能生產(chǎn)的最終產(chǎn)物的類型。Hayward僅使用未浸漬的石墨起始材料，和其最終產(chǎn)物僅通過石墨顆粒和大比率的樹脂混合和注塑熔融混合物以形成制品，其隨后被熱固化。
談到石墨，已知石墨是由碳原子六邊形排列或者網(wǎng)絡(luò)的層狀平面構(gòu)成。這些六邊形排列的碳原子的層狀平面是基本上平面的和取向或排列為使得基本上相互平行和等距。碳原子的基本平面、平行等距的片材或?qū)?，通常稱為石墨層(graphene layer)或基本面(basal plane)，連接或鍵連在一起而它們的點(diǎn)集以晶粒排列。由一定大小的晶粒構(gòu)成高度有序的石墨。所述晶粒是相互高度排列或取向的并具有高度有序的碳層。換句話說，高度有序的石墨具有很高程度的優(yōu)選晶粒取向度。應(yīng)注意，石墨具有各向異性結(jié)構(gòu)并因此表現(xiàn)出或具有許多高度方向性的例如傳熱和導(dǎo)電性和流體擴(kuò)散性的性質(zhì)。
本發(fā)明可以包括提供例如石墨材料的柔性片材的起始材料。所述起始材料通常包括石墨，碳原子的晶體形態(tài)包括在平面層狀平面上原子以共價(jià)鍵連而在平面之間以較弱的鍵相連。為獲得例如上述的石墨柔性片材的起始材料，石墨顆粒，例如天然石墨薄片，通常用例如硫酸和硝酸的溶液的插入劑處理，石墨的晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)形成石墨和插入劑的化合物。經(jīng)處理的石墨顆粒在下文中稱為“經(jīng)插入的石墨顆?！?。通過經(jīng)受高溫，石墨中的插入劑分解和揮發(fā)，導(dǎo)致經(jīng)插入的石墨顆粒以類似皺褶的方式在“c”方向上，即，在垂直于石墨的晶體平面的方向上，膨脹到其原來體積大小的約80倍或更大倍數(shù)的尺寸，。剝落的石墨顆粒外觀為蠕蟲狀，并因此通常稱為蠕蟲。這些蠕蟲被壓縮在一起形成柔性片材，與原來的石墨薄片不同，其可以形成和被切成不同形狀并通過導(dǎo)致變形的機(jī)械沖擊配備小的橫向開口。
適合用于本發(fā)明的用于柔性片材的石墨起始材料包括能夠插入有機(jī)或無機(jī)酸以及鹵素的高石墨化的碳質(zhì)材料并然后經(jīng)受加熱膨脹。這些高石墨化的碳質(zhì)材料最優(yōu)選具有約1.0的石墨化程度。如在本公開內(nèi)容中使用的術(shù)語“石墨化程度”參照依據(jù)下式的值gg=3.45-d(002)0.095]]>其中d(002)是在晶體結(jié)構(gòu)中以埃單位量度的碳的石墨層間的距離。在石墨層間的距離“d”用標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射技術(shù)測量。測定了對應(yīng)于(002)、(004)和(006)米勒指數(shù)的衍射峰的位置，并采用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法來推導(dǎo)出距離，這將所有這些峰的總誤差最小化。高石墨化的碳質(zhì)材料的實(shí)例包括來自各種來源的天然石墨，以及其他含碳材料如由化學(xué)蒸汽沉積等制備的碳。在許多例子中，天然石墨是優(yōu)選的。
在本發(fā)明中使用的用于柔性片材的石墨起始材料可以含有非碳組分，只要起始材料的晶體結(jié)構(gòu)保持所需的石墨化的程度并且它們能夠剝落。通常，任何含碳材料，只要其晶體結(jié)構(gòu)具有所需的石墨化程度和其能夠剝落，就是適合本發(fā)明的應(yīng)用的。這種石墨優(yōu)選具有低于20重量百分含量的灰份。在某些情況下，采用的石墨將具有至少約94％的純度。在其他優(yōu)選情況下，采用的石墨將具有至少約99％的純度。
一種用于制備石墨片材的普通方法記載于Shane等人在U.S.Patent 3404061中，其公開內(nèi)容引入作為參考。在Shane等人的方法的典型實(shí)踐中，天然石墨薄片通過將薄片分散在包含例如硝酸和硫酸的混合物的溶液，有利地約20-約300重量份的插入溶液每100重量份的石墨薄片(pph)的水平來進(jìn)行插入。插入溶液含有氧化劑和其他現(xiàn)有技術(shù)中已知的插入劑。實(shí)例包括那些含有氧化劑和氧化性混合物，例如含硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、高氯酸等的溶液，或混合物如濃硝酸和氯酸鹽、鉻酸和磷酸、硫酸和硝酸，或強(qiáng)有機(jī)酸(例如三氟乙酸)和可溶于有機(jī)酸的強(qiáng)氧化劑的混合物?；蛘?，可以施加電勢來使石墨發(fā)生氧化?？梢圆捎秒娊赓|(zhì)氧化引入到石墨晶體中的化學(xué)物質(zhì)包括硫酸和其他酸。
在一優(yōu)選實(shí)施方式中，插入劑是硫酸、或硫酸和磷酸，和氧化劑，即硝酸、高氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氫、碘酸或高碘酸等的混合物溶液。插入溶液有時(shí)甚至可以含有金屬鹵化物例如氯化鐵，和與硫酸混合的氯化鐵，或鹵素例如作為溴和硫酸的溶液或者溴在有機(jī)溶劑中的溶液形式的溴。
插入溶液的量可以在約20-約150pph的范圍、并通常在約50-約120pph范圍。在薄片被插入后，通常將任何過量的溶于從薄片吸干并對薄片進(jìn)行水洗?；蛘撸迦肴芤旱牧靠梢韵拗茷榧s10-約50pph，這使沖洗步驟得以免除，并在美國專利4895713中教導(dǎo)和描述，其公開內(nèi)容引入作為參考。
經(jīng)過插入溶液處理的石墨薄層顆粒可以、任選地，被接觸，例如與選自醇、糖、醛和酯的還原劑摻雜，這些還原劑在25℃-125℃溫度范圍內(nèi)和氧化插入溶液的表面膜反應(yīng)。合適的特定有機(jī)試劑包括十六烷醇、十八烷醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯淀粉、乙二醇單硬脂酸酯、二甘醇二苯甲酸酯、丙二醇單硬脂酸酯、丙三醇單硬脂酸酯、草酸二甲酯、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸和木質(zhì)素衍生化合物例如木素磺化鈉。有機(jī)還原劑的用量通常為石墨薄片顆粒的約0.1％-5重量％。
在插入之前、期間或插入后立即施用膨脹助劑也可以提供改善效果。在這些改善效果中可以降低剝落溫度和增加膨脹體積(也稱為“蠕蟲體積”)。在上下文中膨脹助劑可以有利地是一種能充分溶于插入溶液以獲得膨脹改善的有機(jī)材料。更狹義地，可以優(yōu)選排他性地采用含有碳、氫和氧的類型的有機(jī)材料。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)羧酸是特別有效的。合適的用于膨脹助劑的羧酸可以選自芳族、脂族和環(huán)酯族、直鏈或支鏈的、飽和和不飽和的單羧酸、二羧酸和多羧酸，其具有至少一個(gè)碳原子，并通常不超過15個(gè)碳原子，其以能提供剝落的一個(gè)或多個(gè)方面的可測得的改善效果的用量可溶于插入溶液中?？梢圆捎煤线m的有機(jī)溶劑來提高有機(jī)膨脹助劑在插入溶液中的溶解性。
飽和脂肪羧酸的代表性實(shí)例是例如具有式H(CH2)nCOOH的那些酸，其中“n”是0-約5的數(shù)，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。代替羧酸也可以采用醛和反應(yīng)性羧酸衍生物例如烷基酯。烷基酯的代表性實(shí)例是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其他已知的水性插入劑能夠分解甲酸，最終分解為水和二氧化碳。由于這一原因，甲酸和其他敏感的膨脹助劑有利地在薄片在水性插入劑中浸漬之前與石墨薄片接觸。二羧酸的代表性實(shí)例是含2-12個(gè)碳原子的脂族二羧酸，特別是草酸、富馬酸、丙二酸、馬來酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二羧酸、1，6-己二羧酸、1，10-癸二羧酸、環(huán)己烷-1，4-二羧酸和芳族二羧酸例如鄰苯二甲酸和對苯二甲酸。烷基酯的代表性實(shí)例是草酸二甲酯和草酸二乙酯。環(huán)脂族酸的代表性實(shí)例是環(huán)己烷羧酸和芳族羧酸的代表性實(shí)例是苯甲酸、萘甲酸、鄰氨基苯甲酸、對氨基苯甲酸、水楊酸、鄰、間、對苯二甲酸，甲氧基苯甲酸和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酰胺基苯甲酸和乙酰胺基苯甲酸、苯乙酸和萘甲酸。羥基芳族酸的代表性實(shí)例是羥基苯甲酸、3-羥基-1-萘甲酸、3-羥基-2-萘甲酸、4-羥基-2-萘甲酸、5-羥基-1-萘甲酸、5-羥基-2-萘甲酸、6-羥基-2-萘甲酸和7-羥基-2-萘甲酸。多羧酸中突出的是檸檬酸。
插入溶液通常是水性的和可以含有約1-10％的用量的膨脹助劑，此用量作用以加強(qiáng)剝落。在一個(gè)實(shí)施方式中膨脹助劑在石墨薄片用水性插入溶液浸漬之前或之后與石墨薄片接觸，膨脹助劑可以與石墨以合適的方式例如用V型攪拌機(jī)混合，一般以石墨薄層的約0.1重量％-約10重量％的用量相混合。
在插入石墨薄片后，和接著將以插入劑涂覆的經(jīng)插入的石墨薄片和有機(jī)還原劑相摻混，摻混物經(jīng)受25℃-125℃范圍的溫度以促進(jìn)還原劑和插入涂層的反應(yīng)。加熱時(shí)段不超過約20小時(shí)，其中較短的加熱時(shí)段(例如至少約10分鐘)在高于上述范圍的溫度內(nèi)進(jìn)行。
這樣處理的石墨顆粒有時(shí)稱為“經(jīng)插入的石墨顆?！?。在經(jīng)受高溫例如至少約160℃的高溫和很多情況下約700℃-1200℃和更高，經(jīng)插入的石墨顆粒以摺狀方式在c方向上，即，在垂直于石墨顆粒構(gòu)成的晶體平面的方向上膨脹到相當(dāng)于它們原來體積80-1000倍或更高倍數(shù)。經(jīng)膨脹的、即，經(jīng)剝落的，石墨顆粒是蠕蟲狀外觀，并因此通常稱為蠕蟲。所述蠕蟲可以被一起壓縮成柔性片材，不同于初始的石墨薄片，其可以形成和切成不同形狀并通過下文描述的導(dǎo)致變形的機(jī)械沖擊配備微小的橫向開口。
柔性石墨片材和箔是內(nèi)聚的，具有良好的加工強(qiáng)度，并可以適當(dāng)?shù)貕嚎s(例如通過輥筒軋壓)成厚度為約0.05mm-4.00mm和通常密度為約0.1-1.5克每立方厘米(g/cc)。如在美國專利5 902 762中描述(通過引用將其在此處引入)，可以向經(jīng)插入的石墨薄片摻混約1.5-30重量％的陶瓷添加劑以提供在最終柔性石墨產(chǎn)物中的強(qiáng)化的樹脂浸漬。添加劑包括具有長度約0.1-1.5毫米的陶瓷纖維顆粒。顆粒的寬度合適的為約0.05-0.001mm。陶瓷纖維顆粒不與石墨反應(yīng)和不附著于石墨，并在高達(dá)約1100℃、優(yōu)選約1400℃或更高的溫度下是穩(wěn)定的。合適的陶瓷纖維顆粒是浸漬的石英玻璃纖維、碳纖維和石墨纖維、氧化鋯、氮化硼、碳化硅和氧化鎂纖維，天然存在的礦物纖維例如偏硅酸鈣纖維、硅酸鋁鈣纖維、氧化鋁纖維等加工成型的。
柔性石墨片材在某些情況下還可以有利地用樹脂和吸收樹脂處理，在固化后，加強(qiáng)柔性石墨片材的防水性和加工強(qiáng)度(即，剛性)，以及“固定”片材的外形。合適的樹脂含量優(yōu)選為至少約5重量％，更優(yōu)選約10-35重量％和合適地高達(dá)約60重量％。在本發(fā)明的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)特別有用的樹脂包括丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂和酚醛基樹脂體系，或它們的混合物。合適的環(huán)氧樹脂體系包括基于二環(huán)氧甘油醚或雙酚A(DGEBA)的那些和其他的多官能樹脂體系；可以采用的酚醛樹脂包括甲階酚醛樹脂和酚醛清漆樹脂。在某一優(yōu)選實(shí)施方式中，樹脂的玻璃轉(zhuǎn)化溫度能與熱學(xué)熱量管理裝置的使用溫度堪相比較。雖然如此，如上制備的石墨片材可以被切割和修飾成所需的制品。用樹脂處理的柔性石墨還被稱為“樹脂浸漬的柔性石墨”或“浸漬的柔性石墨”。
本發(fā)明現(xiàn)在參照前述附圖對熱導(dǎo)管進(jìn)行描述，但是本發(fā)明不限于熱導(dǎo)管，并且可以用于其他類型的熱管理裝置，例如蒸汽腔。只要可能，采用相似或相同的標(biāo)記來描述附圖中相似或相同的組件。
圖1是圓筒熱導(dǎo)管的內(nèi)部狀態(tài)的平面圖，概括地標(biāo)明為10。圖1中描述的是安裝在相對于工作流體流動(dòng)的通常路線的水平方向的圓筒熱導(dǎo)管12。熱導(dǎo)管12包括罩殼14和芯體結(jié)構(gòu)16。任選的，熱導(dǎo)管12包括至少一個(gè)在芯體結(jié)構(gòu)16之外的流體通道18，還用箭頭E表示。熱導(dǎo)管12還可以包括在芯體結(jié)構(gòu)16之內(nèi)的至少一個(gè)流體通道20，還用箭頭I表示。芯體結(jié)構(gòu)16還可以包括大量的近似輻射狀流體通道，其允許工作流體至少從通道18經(jīng)芯體結(jié)構(gòu)16流入到通道20。任選地，熱導(dǎo)管12在熱導(dǎo)管12相對的兩端還包括蒸發(fā)器22和冷凝器26。
熱導(dǎo)管12可以包括熱源30的配套元件28。任選地，配套元件28位于熱導(dǎo)管的和蒸發(fā)器22相同的一端。在某一優(yōu)選實(shí)施例中，配套元件28具有與熱源30的表面相接觸的表面，并且配套元件28的所述表面任選地具有與熱源30與配套元件28相接觸的表面的鏡面圖案。在另外的優(yōu)選實(shí)施方式中，配套元件28還與熱導(dǎo)管12的外部部分相接觸。配套元件28和熱導(dǎo)管12的接觸能夠促進(jìn)從熱源30到熱導(dǎo)管12中熱量傳輸。合適的配套元件28的構(gòu)造材料至少包括柔性石墨、銅、鋁、和它們的組合。對于配套元件28合適的材料的實(shí)例包括來自Graftech公司的eGRAFTMHS 400。熱源30的一個(gè)實(shí)例是計(jì)算機(jī)芯片。
如在圖1中說明，熱導(dǎo)管12還可以包括位于罩殼14的至少一部分的大量的鰭板32。任選地，鰭板32至少位于罩殼12中冷凝器26所在的一端。關(guān)于包括鰭板32的熱導(dǎo)管12的一個(gè)實(shí)施方式，優(yōu)選鰭板32用柔性石墨構(gòu)造。鰭板32的其他的合適的材料可能包括銅、鋁、和上述定義材料的任何組合。鰭板32不限于描繪于圖1的實(shí)施方式。任何合適的鰭板32的構(gòu)造都可以作為本發(fā)明的部分使用。例如鰭板32可以包括基座元件和沿?zé)釋?dǎo)管12垂直方向延伸出來的大量間隔的鰭板的組合。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式可以包括風(fēng)扇，使得空氣鰭板32上方移動(dòng)以保持通過鰭板32吸收的熱量的散發(fā)。
如在圖1中示出，熱量在熱源30中產(chǎn)生。在熱源30中產(chǎn)生的熱量被傳播到熱導(dǎo)管12并至少在蒸發(fā)器22中蒸發(fā)工作流體。工作流體的蒸汽相如箭頭I所示流經(jīng)通道20到冷凝器26中。工作流體蒸汽在冷凝器26中冷凝為液體形式和由冷凝導(dǎo)致的從工作流體中脫除的熱量傳播到鰭板32上并散發(fā)到周圍環(huán)境中。工作流體的液體形式沿箭頭E所示的方向沿通道18流回蒸發(fā)器22中。用于將液態(tài)工作流體從冷凝器26傳輸?shù)秸舭l(fā)器22的典型的流動(dòng)機(jī)理至少包括重力、毛細(xì)管作用或它們的組合。
任選地，熱導(dǎo)管12可以在低于大氣壓的壓力下操作。通過調(diào)節(jié)熱導(dǎo)管12內(nèi)的壓力，熱導(dǎo)管12內(nèi)工作流體蒸發(fā)的溫度會(huì)被調(diào)節(jié)到與熱源30產(chǎn)生的熱量相關(guān)的特定溫度變化范圍。例如，如果工作流體是水并且熱導(dǎo)管12在降低的壓力下操作，水將在低于約100℃下蒸發(fā)。
熱導(dǎo)管的第二個(gè)實(shí)施方式在圖2中圖示，并概括性地標(biāo)明為40。任選地，熱導(dǎo)管40被安裝在相對于工作流體的流動(dòng)路線的垂直方向。但是熱導(dǎo)管40可以以任何構(gòu)造安裝。熱導(dǎo)管40含有罩殼，該罩殼包括44u和44l兩個(gè)材料片材。片材44u和44l位于熱導(dǎo)管40相對的兩端。片材44l可以稱為蒸發(fā)器和片材44u可以稱為冷凝器。
導(dǎo)熱管40還包括芯體結(jié)構(gòu)46。如圖所示，芯體結(jié)構(gòu)46包括四(4)個(gè)不同的平板結(jié)構(gòu)46a-46d。應(yīng)注意，熱導(dǎo)管40不限于任何特定的平板數(shù)。涉及平板結(jié)構(gòu)46a-46d的結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)選工作流體的流動(dòng)路線從一個(gè)平板到相鄰平板間發(fā)生改變。關(guān)于平板46a和46b，已經(jīng)表明平板46a的流動(dòng)路線大致剛好與工作流體通過平板46b的流動(dòng)方向的相反。例如平板46a具有中心小孔和從中心小孔向外放射性延伸的輻條狀流動(dòng)路線。相反地，平板46b包括一個(gè)中心轂和從中心轂向外放射性延伸的輻條狀支撐組件。此外，優(yōu)選地平板46c提供了與平板46b互補(bǔ)的流動(dòng)路徑。在相關(guān)聯(lián)的平板46c和46d同樣如此。芯體結(jié)構(gòu)46的構(gòu)造方式使得熱導(dǎo)管40中的工作流體至少通過毛細(xì)管作用傳輸。
關(guān)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，熱導(dǎo)管12優(yōu)選包括基本上流體不可滲透的罩殼14，優(yōu)選地罩殼14是真空密封的腔體，而芯體結(jié)構(gòu)16在罩殼14之內(nèi)。任選地，熱導(dǎo)管12的罩殼14可以用柔性石墨構(gòu)造。任選地，由柔性石墨構(gòu)造的罩殼14具有至少約1.6g/cc、典型的至少約1.7g/cc、更典型的至少約1.9g/cc、最典型的約至少2.0g/cc的密度。
用于形成罩殼14的柔性石墨可以是或不是被樹脂浸漬的柔性石墨。此外，罩殼14可以含有多于1層的柔性石墨。在罩殼14的其他實(shí)施方式中，罩殼14的內(nèi)表面可以含有至少一個(gè)管道，優(yōu)選多個(gè)管道。在此使用的真空密封是指采用真空來排出罩殼14內(nèi)的至少部分、優(yōu)選基本上全部的非工作流體。非工作流體在此定義為至少在罩殼14中存在的不是工作流體的流體，例如空氣。
在罩殼14由柔性石墨構(gòu)造的情況下，可以采用不同的工藝來形成所需形狀的罩殼。例如可以采用壓縮使柔性石墨片材形成罩殼14的所需形狀。用于壓縮柔性石墨的一般壓力包括約4bar或更低的壓力，一般為約2bar或更低。在第二種工藝中，可以采用粘合劑使柔性石墨形成罩殼14的所需形狀。在某些優(yōu)選條件下，粘合劑不溶于工作流體或反之亦然。在第三種工藝中，柔性石墨被壓縮成圓筒形狀和熱導(dǎo)管12的縱向接縫通過采用壓縮或粘合劑形成和在每一個(gè)圓筒的軸向開口采用插銷以形成罩殼14。
在其他工藝中，一個(gè)或多個(gè)柔性石墨片材可以被壓縮成管狀并在管的一端可以插入插銷形成罩殼14。任選地，所述片材可以被壓上紋路以在罩殼14的內(nèi)表面形成管道。在另一個(gè)替代方案中柔性石墨片材可以被起皺。在其他的工藝中，柔性石墨片材可以包圍心軸以形成罩殼14。在包覆片材時(shí)，片材可以以任何構(gòu)造包覆，例如但不限于螺旋型包覆片材。在上述工藝中，柔性石墨片材可以是樹脂浸漬的或者不是樹脂浸漬的。涉及樹脂浸漬的片材時(shí)，樹脂在形成罩殼14之前或之后可以被固化。
在其他的實(shí)施方式中，罩殼14由柔性石墨的三維零件構(gòu)成。在片材中加工了通道。優(yōu)選的通道不擴(kuò)展到完全通過片材。通道的開口端可以用上面提及的粘合劑、壓縮或插銷工藝的任何一種進(jìn)行封口。
在某些優(yōu)選實(shí)施方式中，芯體結(jié)構(gòu)16含有一種多孔材料，更優(yōu)選地是膨脹石墨塊，再進(jìn)一步優(yōu)選具有密度不超過約1.5g/cc的柔性石墨。在此使用的柔性石墨描述為已經(jīng)形成片材的膨脹石墨塊。更優(yōu)選地，芯體結(jié)構(gòu)16的柔性石墨具有不超過約1.1g/cc的密度，更優(yōu)選不超過約1.0g/cc的密度，和最優(yōu)選不超過約0.5g/cc的密度。更進(jìn)一步優(yōu)選所述柔性石墨具有至少約0.25g/cc的密度。這種柔性石墨的一個(gè)實(shí)例是從Lakewood，OH的Graftech公司可獲得的GRAFOIL。
可以測量柔性石墨的密度的一個(gè)方法是通過浸沒密度試驗(yàn)。在這種試驗(yàn)中稱量了柔性石墨樣品的重量并記錄該重量。然后樣品浸沒到預(yù)先確定體積的水中。記錄通過樣品的浸沒而排開的水的體積。密度通過樣品的重量除以被排開的水的體積來確定。如何測定密度不限于上述浸沒密度試驗(yàn)。
芯體結(jié)構(gòu)16的柔性石墨可以是樹脂浸漬的柔性石墨或者非浸漬的柔性石墨。在結(jié)構(gòu)16是樹脂浸漬的情況下。在某一優(yōu)選實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)16以向結(jié)構(gòu)16引入多孔性的方式浸漬。在這種條件下，更為優(yōu)選地是樹脂浸漬來加強(qiáng)毛細(xì)管流動(dòng)和/或工作流體的分散。
任選地，柔性石墨芯體結(jié)構(gòu)16還可以包括引入到芯體結(jié)構(gòu)16的至少一部分的金屬線。適用的金屬線的實(shí)例包括銅、鋁、不銹鋼、鈦，和它們的組合。金屬線可以以不同方法引入到芯體結(jié)構(gòu)16中。
一種方法是可以將金屬線纏繞在芯體結(jié)構(gòu)16的外部的至少一部分周圍。第二種方法，金屬線粘附地結(jié)合到芯體結(jié)構(gòu)16的內(nèi)部或外部的至少一部分。第三種方法，形成了柔性石墨和金屬線的疊層。疊層的至少一部分含有金屬線。
芯體結(jié)構(gòu)16還可以含有一個(gè)或多個(gè)柔性石墨片材。此外，每個(gè)柔性石墨片材可以包括兩層或更多柔性石墨層。
在一個(gè)特定實(shí)施方式中，芯體結(jié)構(gòu)16含有起皺的柔性石墨片材。優(yōu)選地，所述皺褶包括微細(xì)皺褶。更優(yōu)選地，所述微細(xì)皺褶具有約1mm或更小的幅度。起皺褶的裝置可以用于形成這些皺褶。芯體結(jié)構(gòu)16的實(shí)施方式可以含有柔性石墨的第二片材。在有些環(huán)境下，柔性石墨的第二片材是沒有起皺的。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，芯體結(jié)構(gòu)16含有至少一個(gè)通道。所述通道可以包括大小適合促進(jìn)蒸汽流動(dòng)的第一部分，和大小適合促進(jìn)液體流動(dòng)的第二部分。芯體結(jié)構(gòu)16可以壓上紋路以在結(jié)構(gòu)16中形成通道。通道的大小可以是相同的或不同的。如果通道的大小是不同的，有些通道可以是大小適合促進(jìn)蒸汽流動(dòng)和另外一些大小適合促進(jìn)液體流動(dòng)。對于結(jié)構(gòu)16，在一個(gè)實(shí)施方式中，芯體結(jié)構(gòu)16連接在熱導(dǎo)管12的蒸發(fā)器22上。
或者，芯體結(jié)構(gòu)可以由膨脹石墨以外的材料構(gòu)造。合適的替換材料包括金屬例如鋁、銅、鐵、鎳、鈦，和它們的組合。所述替換材料可以用于代替膨脹石墨或與膨脹石墨組合使用。
熱導(dǎo)管12還可以在罩殼14內(nèi)包括工作流體循環(huán)。工作流體的優(yōu)選實(shí)例包括甲醇、乙醇、其他醇類、水、和碳氟化合物(例如Freon)中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施方式中，熱導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)包括抽空熱導(dǎo)管的罩殼-芯體結(jié)構(gòu)裝置和然后用至少足夠填充芯體結(jié)構(gòu)16的空隙的流體回填熱導(dǎo)管。
在某一優(yōu)選實(shí)施方式中，熱導(dǎo)管中的工作流體的含量足夠飽和芯體結(jié)構(gòu)16。更優(yōu)選地，裝料到罩殼14中的工作流體的含量較飽和芯體結(jié)構(gòu)16所需的的量多約10個(gè)百分點(diǎn)(10％)。
含有工作流體的量任選地高達(dá)比飽和芯體結(jié)構(gòu)16所需的的量多約20個(gè)百分點(diǎn)(20％)。在其他實(shí)施方式中，熱導(dǎo)管12中工作流體的量包括冷凝器26的體積，更優(yōu)選的較冷凝器26的體積多約10％。用于抽空罩殼14的一項(xiàng)工藝是在罩殼14的內(nèi)部抽真空。抽空罩殼14的功能是盡可能移除罩殼14內(nèi)的殘余空氣或者其他非工作流體。
在一優(yōu)選實(shí)施方式中，熱導(dǎo)管內(nèi)的環(huán)境達(dá)到液體和蒸汽平衡。當(dāng)熱量進(jìn)入蒸發(fā)器中，所述平衡轉(zhuǎn)移到蒸汽一側(cè)和增加了熱導(dǎo)管內(nèi)部的氣壓。在增加氣壓的條件下，蒸汽會(huì)擴(kuò)散到冷凝器，在冷凝器中稍低的溫度導(dǎo)致蒸汽冷凝并釋放出其蒸發(fā)潛熱。冷凝的流體然后優(yōu)選通過在芯體結(jié)構(gòu)16中存在的毛細(xì)管力、擴(kuò)散、或重力傳輸回到蒸發(fā)器。
工作流體的連續(xù)循環(huán)以低的熱梯度傳輸了大量的熱量。優(yōu)選地，熱導(dǎo)管的操作是無源的，僅通過被傳輸?shù)臒崃縼眚?qū)動(dòng)。無源操作的益處包括優(yōu)異的可靠性和優(yōu)良的使用壽命。
如圖3所示，所述創(chuàng)造性的熱導(dǎo)管可以包含于熱傳播組件中，概括性地標(biāo)明為50。組件50包括熱導(dǎo)管52。在某一優(yōu)選實(shí)施方式中，熱導(dǎo)管52包括至少一個(gè)由上述柔性石墨構(gòu)成的罩殼或芯體結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，組件50還可以任選地包括基座單元54。優(yōu)選地基座單元54位于組件50的一端，其中包括冷凝器(未示出)?；鶈卧?4的結(jié)構(gòu)的合適材料包括柔性石墨、銅、鋁、和它們的組合?；鶈卧?4含有表面56，表面56可以用于將多個(gè)鰭板(未示出)連接到組件50。此外，組件50可以包括配套元件58。優(yōu)選地，配套元件58位于熱導(dǎo)管52有蒸發(fā)器的一端并與熱源接觸。配套元件58合適的構(gòu)造材料包括上述配套元件28相同的材料。
在組件50的一個(gè)實(shí)施方式中，熱導(dǎo)管52、基座54和配套元件58的所有三個(gè)罩殼用柔性石墨構(gòu)造，即，來自Graftech公司的eGrafTM。在某一優(yōu)選實(shí)施方式中，熱導(dǎo)管52、基座54和元件58的至少一個(gè)的柔性石墨包括疊層。所述疊層可以由高密度(在某一實(shí)施方式中，優(yōu)選至少約1.6g/cc，更優(yōu)選至少約1.7g/cc，和最優(yōu)選至少約1.9g/cc)的柔性石墨片材粘結(jié)在一起構(gòu)造?；蛘撸鋈嵝允B層可以由多個(gè)樹脂浸漬的柔性石墨片材構(gòu)造，所述柔性石墨片材是經(jīng)過熱壓和固化以形成基本上整體的結(jié)構(gòu)。
圖4中示出的是熱管理裝置60和熱源70的一個(gè)實(shí)施方式的橫截面圖。裝置60包括由下部的基座62形成并與熱源70相接觸的罩殼。優(yōu)選地，基座62由傳導(dǎo)性材料構(gòu)造，例如，銅、鋁、或它們的合金。所述罩殼還進(jìn)一步包括上部的元件66，其含有柔性石墨。上部元件66和下部基座62可以通過任何合適的工藝?yán)绮捎美绛h(huán)氧樹脂的粘合劑在界面64接合。在某一優(yōu)選實(shí)施方式中，裝置60包括從元件66的上端表面延伸出來的多個(gè)鰭板32。
任選地，裝置60還可以包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部支撐元件68。所述內(nèi)部支撐元件不限于任何特定的形狀或者用任何特定的結(jié)構(gòu)材料。支撐元件68可以由例如銅、鋁、膨脹石墨、或它們的組合的傳導(dǎo)性材料構(gòu)造。在一可供選擇的實(shí)施方式中，支撐元件68可以包括由上部元件66延伸下來的一個(gè)或多個(gè)鰭板。
本發(fā)明還應(yīng)用于其他類型的熱管理裝置如蒸汽腔。蒸汽腔與熱導(dǎo)管在許多方面是相似的。類似熱導(dǎo)管，蒸汽腔使用工作流體的蒸發(fā)的潛熱以從熱源到溫度較熱源低的位置傳輸熱量。在操作中，蒸汽腔內(nèi)的工作流體在蒸發(fā)腔內(nèi)的某些位置被蒸發(fā)和移動(dòng)到蒸發(fā)腔內(nèi)較冷的位置并在這種較冷的位置被冷凝。
在某一優(yōu)選實(shí)施方式中，蒸汽腔含有至少一個(gè)類似于熱導(dǎo)管的罩殼的罩殼。在這些條件下，蒸汽腔的罩殼含有柔性石墨。典型地，蒸汽腔也會(huì)含有工作流體。蒸汽腔的工作流體可以與上述熱導(dǎo)管的工作流體相同。任選地，蒸汽腔可以包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部支撐。優(yōu)選地，所述內(nèi)部支撐由一些類型的熱傳導(dǎo)材料例如柔性石墨、銅、鋁、或它們的組合來制備。任選地，蒸汽腔外表面的至少一部分可以包括如關(guān)于熱導(dǎo)管所述的大量的鰭板。
權(quán)利要求
1.一種熱管理裝置，其包括a.基本上流體不可滲透的罩殼；b.所述罩殼內(nèi)的芯體結(jié)構(gòu)，所述芯體結(jié)構(gòu)包括膨脹石墨塊；和c.在所述罩殼內(nèi)循環(huán)的工作流體。
2.權(quán)利要求1的熱管理裝置，其中所述芯體結(jié)構(gòu)還包括插入所述芯體結(jié)構(gòu)至少一部分的金屬線。
3.權(quán)利要求1的熱管理裝置，其中所述石墨包括樹脂浸漬的石墨。
4.權(quán)利要求1的熱管理裝置，其中所述膨脹石墨塊包括一個(gè)或多個(gè)柔性石墨的片材并且至少一個(gè)所述片材具有不超過約1.5g/cc的密度。
5.權(quán)利要求1的熱管理裝置，其中所述罩殼的結(jié)構(gòu)材料包括柔性石墨。
6.權(quán)利要求5的熱管理裝置，其中所述罩殼還包括外表面，所述外表面的至少一部分具有從所述外表面延伸出來的多個(gè)鰭板。
7.權(quán)利要求1的熱管理裝置，其中所述工作流體包括醇、水和氟碳化合物的至少一種。
8.權(quán)利要求1的熱管理裝置，其中所述芯體結(jié)構(gòu)還包括多個(gè)通道。
9.權(quán)利要求8的熱管理裝置，其中所述多個(gè)通道包括大小適合促進(jìn)蒸汽流動(dòng)的第一部分，和大小適合促進(jìn)液體流動(dòng)的第二部分。
10.一種制備熱管理裝置的方法，包括a.將膨脹石墨塊形成芯體結(jié)構(gòu)；和b.將所述芯體結(jié)構(gòu)插入所述熱管理裝置的罩殼的內(nèi)部。
11.權(quán)利要求10的方法，還包括將所述膨脹石墨塊形成一個(gè)或多個(gè)柔性石墨片材。
12.一種熱管理裝置，包括a.基本上流體不可滲透的罩殼，其中所述罩殼的結(jié)構(gòu)材料包括柔性石墨；和b.所述罩殼中循環(huán)的工作流體。
13.權(quán)利要求12的熱管理裝置，還包括所述罩殼內(nèi)的芯體結(jié)構(gòu)。
14.權(quán)利要求12的熱管理裝置，其中所述罩殼包括基本上真空密封的腔。
15.權(quán)利要求12的熱管理裝置，其中所述罩殼的所述柔性石墨的密度包括至少約1.6g/cc。
16.權(quán)利要求12的熱管理裝置，其中所述罩殼包括多個(gè)柔性石墨層。
17.權(quán)利要求12的熱管理裝置，其中所述罩殼的所述柔性石墨還包括樹脂。
18.權(quán)利要求12的熱管理裝置，其中所述罩殼還包括外表面，所述外表面的至少一部分具有從所述外表面延伸出來的多個(gè)鰭板。
19.權(quán)利要求12的熱管理裝置，其中所述罩殼含有包括多個(gè)通道的內(nèi)表面。
20.權(quán)利要求12的熱管理裝置，還包括在所述罩殼內(nèi)的多個(gè)內(nèi)部軌跡圖案元件。
全文摘要
發(fā)明提供用柔性石墨構(gòu)造的熱管理裝置。在一種實(shí)施方案中，該熱管理裝置包括位于罩殼內(nèi)的芯體結(jié)構(gòu)。在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，芯體結(jié)構(gòu)包括膨脹石墨塊。在另一實(shí)施方案中，該裝置的罩殼包括柔性石墨和任選的芯體結(jié)構(gòu)。在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，該柔性石墨罩殼是流體不可滲透的。本發(fā)明還包括制備上述熱管理裝置的方法。
文檔編號H05K7/20GK1754079SQ200380109925
公開日2006年3月29日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月23日
發(fā)明者D·W·克拉索夫斯基, G·G·陳, T·W·伯克特, B·H·福德, J·-W·曾, J·諾爾利, M·D·斯馬爾克 申請人:先進(jìn)能源科技公司