专利名称：柔性石墨热管理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热管理装置，以及更详细地涉及含有柔性石墨的这种装置和这种装置的制备方法。
背景技术：
热管理装置例如热导管，是在热传递领域熟知的装置。热导管基本上是一个传热封闭体系，其中在密封和抽空的腔内的少量液体通过蒸发和冷凝循环进行循环。在外壳上某一位置进入腔内的热量在所述位置蒸发液体，产生蒸汽，蒸汽移动到外壳上较冷的位置并在该处冷凝。蒸汽的移动由在蒸发器和冷凝器位置间的微小蒸汽压力差推动。在产生蒸汽的蒸发热基本上随蒸汽移动到冷凝器位置并在此处作为冷凝热释放，传热得以实现。
为使得传热得以连续，冷凝的液体必须由冷凝器回到蒸发器，在此处其将再次被蒸发。尽管这种回归可以通过像重力那样简单的条件来完成，通常采用毛细管芯体来使得热导管可以相对不依赖于重力的作用。这种毛细管芯体从产生液体的冷凝器附近的位置延伸到其需要被蒸发的蒸发器的位置。
关于结构材料，外壳通常由铜或其他金属制成，并且制备成足够厚度的壁，以确保其在结构上能承受热导管中的蒸汽压力，并且确保其对于浓缩蒸汽或热导管外壳外的不能冷凝的气体是不能渗透的。
在研究既是热传导的又能用作芯体毛细管结构的材料已经投入了可观的努力。这些材料的最常见的是在多层中采用金属屏罩和烧结到连接在外壳的结构中的金属粉末。这些芯体的热传导性能被认为很重要，所以进入热导管的热量将被导入并通过在蒸发器的芯体，并蒸发芯体内的液体。同样通常优选在热导管结构中芯体在蒸发器连接到外壳壁上，使得输入的热量可以直接进入芯体内的液体。
然而，传统的热传导结构在某些用途中不能令人满意。金属外壳和金属芯体增加了热导管的重量、刚性和导电性，但是这使得它们在某些条件下不适用。便携式电脑，所谓“笔记本电脑”，是传统热导管难于用于其中的用途之一。在这些用途中，重量和空间是特别关键的因素。此外，金属外壳和烧结的芯体的费用在便携式电脑的高度竞争性的市场是不利的。此外，来自传统材料的芯体组件不耐腐蚀。因此存在发现对构造热导管的新材料的需要。
发明公开内容本发明的一个实施方式提供了包括基本上流体不可渗透的罩壳和罩壳内的芯体结构的热管理装置。在某些优选实施方式中，该芯体包含膨胀石墨块。
本发明的另一实施方式提供了制备具有由膨胀石墨块形成的芯体结构的热管理装置的方法。
本发明的另一实施方式提供了具有由柔性石墨构成的罩壳的热管理装置。
本发明的附加的实施方式，包括制备具有由柔性石墨构成的罩壳的热管理装置的方法，在阅读了本说明书后该实施方式对于那些本领域技术人员是显而易见的。
本发明的热管理装置相对于它们的传统对应装置具有许多优点，其中一些优点包括优异的重量、可接受的刚性和令人满意的导热性。此外，本发明装置的芯体结构相对于传统的芯体材料还改善了抗腐蚀性。
本发明的其他特征和优点将在如下的详细说明中列举，而且部分地从说明书对于本领域技术人员将是显而易见的或者通过实施在此描述的本发明得以认识，包括下面详细的描述、权利要求以及所附的附图。
需要理解的是，前面进行的概括性描述和下面的详细描述两者阐述了本发明的实施方式，并且目的在于提供用于理解所要求保护的发明的性质和特性的概貌和框架。包含在内的所附附图提供了对本发明的进一步理解，并且融入到本说明书而构成本说明书的一部分。附图阐述了本发明的不同的实施方式，并与描述一起用于解释本发明的原理和操作。
图1是圆筒热导管的内部状态的平面图。
图2是垂向的热导管的组件的分解图。
图3是在热传播装置中的创造性的热导管的一个特定实施方式的平面图。
图4是具有鳍板的热管理装置的一个特定实施方式的横截面图。
本发明的最佳实施方法石墨的特征可以是碳的层叠结构，也就是，结构由碳原子的重叠层或者叠层通过弱范得华力结合在一起构成。考虑到石墨的结构，通常用两个轴或者方向来标志，即，“c”轴或方向和“a”轴或方向。为了简单起见，“c”轴或者方向可以理解为与碳层垂直的方向、“a”轴或者方向可以理解为与碳层平行的方向或者与“c”方向垂直的方向。适用于生产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，将碳原子的平行层结合在一起的结合力仅为弱范得华力。天然石墨可以被处理，使得在重叠的碳层或叠层间的空间可以适当的张开，以提供在垂直于层的方向上，即，在“c”方向中，显著的膨胀，并因此形成膨胀的或扩大的石墨结构，其中碳层的叠层特性基本得以保持。
已经极大膨胀的石墨薄片和更特别地膨胀到具有最终厚度或者可以形成原来“c”方向上尺寸约80倍或更高倍数的“c”方向尺寸，而无需在膨胀石墨的内聚片材或整体片材使用粘合剂，例如网、纸张、条、卷带、薄片、垫片等(一般称为“柔性石墨”)。已经膨胀为具有最终密度或者相当于原来“c”方向尺寸的约80倍或者更高倍数的“c”尺寸的石墨颗粒的组成物，无需使用任何粘结材料，通过压缩得到整体柔性片材，被认为是可能的，这是因为由体积膨胀的石墨颗粒间获得的机械互锁或内聚力，。
上述片材材料，除了柔性，还已经发现具有对于热和电传导和流体扩散高度的各向异性，相比于天然石墨起始原料，由于经受高度压缩(例如碾压)，膨胀石墨颗粒的取向性和石墨片材基本上平行于的片材的相对面。这样制备的片材材料具有优异的柔性、良好的强度和非常高度的取向性。
简而言之，制备柔性、无粘合剂的各向异性的石墨片材(例如网、纸张、条、卷带、薄片、垫片等)的工艺，包括在预先确定的荷载下和不存在粘合剂的条件下压缩或压实，具有在“c”方向尺寸具有原来颗粒的约80倍或更高倍数的膨胀石墨颗粒，以形成基本上平整、柔性的整体石墨片材。膨胀石墨颗粒通常是像蠕虫或蠕虫状的外观，一旦经过压缩，将保持压缩模具设定并且片材相对主表面对齐。片材材料的密度和厚度可以通过控制压缩的程度来变化。片材材料的密度可以在约0.04g/cc-约2.0g/cc的范围内。柔性石墨片材材料表现出显著程度的各向异性，这是因为石墨颗粒的排列平行于片材的主要面向的、平行表面，各向异性的程度的增加依赖于导致密度增加的辊筒轧压的程度。在辊筒轧压的各向异性片材材料中，其厚度，即垂直于面向、平行于片材表面的方向包括“c”方向和在沿着长和宽范围内的方向，即，沿着或平行于面向，主表面包括“a”方向和片材的热学和电学性质是非常不同的，在“c”和“a”方向有数量级的差别。
由石墨颗粒生产制品的方法已有提出。例如，授予Hayward的美国专利5882570公开了一种方法，其中研磨柔性的未浸渍的石墨箔片到微小粒径，热冲击这些颗粒使其膨胀，将这些膨胀石墨和热固化酚醛树脂混合，注塑熔融混合物以形成低密度的块状和其他形状，然后热处理这些块状物以热固化所述材料。所得的块状物可以用于炉等的绝缘材料。
都是授予Hayward的WO 00/54953和美国专利6217800进一步描述了美国专利5882570的工艺。所述Hayward工艺仅限于他们所使用的原材料的范围，和他们所能生产的最终产物的类型。Hayward仅使用未浸渍的石墨起始材料，和其最终产物仅通过石墨颗粒和大比率的树脂混合和注塑熔融混合物以形成制品，其随后被热固化。
谈到石墨，已知石墨是由碳原子六边形排列或者网络的层状平面构成。这些六边形排列的碳原子的层状平面是基本上平面的和取向或排列为使得基本上相互平行和等距。碳原子的基本平面、平行等距的片材或层，通常称为石墨层(graphene layer)或基本面(basal plane)，连接或键连在一起而它们的点集以晶粒排列。由一定大小的晶粒构成高度有序的石墨。所述晶粒是相互高度排列或取向的并具有高度有序的碳层。换句话说，高度有序的石墨具有很高程度的优选晶粒取向度。应注意，石墨具有各向异性结构并因此表现出或具有许多高度方向性的例如传热和导电性和流体扩散性的性质。
本发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，碳原子的晶体形态包括在平面层状平面上原子以共价键连而在平面之间以较弱的键相连。为获得例如上述的石墨柔性片材的起始材料，石墨颗粒，例如天然石墨薄片，通常用例如硫酸和硝酸的溶液的插入剂处理，石墨的晶体结构反应形成石墨和插入剂的化合物。经处理的石墨颗粒在下文中称为“经插入的石墨颗粒”。通过经受高温，石墨中的插入剂分解和挥发，导致经插入的石墨颗粒以类似皱褶的方式在“c”方向上，即，在垂直于石墨的晶体平面的方向上，膨胀到其原来体积大小的约80倍或更大倍数的尺寸，。剥落的石墨颗粒外观为蠕虫状，并因此通常称为蠕虫。这些蠕虫被压缩在一起形成柔性片材，与原来的石墨薄片不同，其可以形成和被切成不同形状并通过导致变形的机械冲击配备小的横向开口。
适合用于本发明的用于柔性片材的石墨起始材料包括能够插入有机或无机酸以及卤素的高石墨化的碳质材料并然后经受加热膨胀。这些高石墨化的碳质材料最优选具有约1.0的石墨化程度。如在本公开内容中使用的术语“石墨化程度”参照依据下式的值gg=3.45-d(002)0.095]]>其中d(002)是在晶体结构中以埃单位量度的碳的石墨层间的距离。在石墨层间的距离“d”用标准X射线衍射技术测量。测定了对应于(002)、(004)和(006)米勒指数的衍射峰的位置，并采用标准最小二乘法来推导出距离，这将所有这些峰的总误差最小化。高石墨化的碳质材料的实例包括来自各种来源的天然石墨，以及其他含碳材料如由化学蒸汽沉积等制备的碳。在许多例子中，天然石墨是优选的。
在本发明中使用的用于柔性片材的石墨起始材料可以含有非碳组分，只要起始材料的晶体结构保持所需的石墨化的程度并且它们能够剥落。通常，任何含碳材料，只要其晶体结构具有所需的石墨化程度和其能够剥落，就是适合本发明的应用的。这种石墨优选具有低于20重量百分含量的灰份。在某些情况下，采用的石墨将具有至少约94％的纯度。在其他优选情况下，采用的石墨将具有至少约99％的纯度。
一种用于制备石墨片材的普通方法记载于Shane等人在U.S.Patent 3404061中，其公开内容引入作为参考。在Shane等人的方法的典型实践中，天然石墨薄片通过将薄片分散在包含例如硝酸和硫酸的混合物的溶液，有利地约20-约300重量份的插入溶液每100重量份的石墨薄片(pph)的水平来进行插入。插入溶液含有氧化剂和其他现有技术中已知的插入剂。实例包括那些含有氧化剂和氧化性混合物，例如含硝酸、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾、高氯酸等的溶液，或混合物如浓硝酸和氯酸盐、铬酸和磷酸、硫酸和硝酸，或强有机酸(例如三氟乙酸)和可溶于有机酸的强氧化剂的混合物。或者，可以施加电势来使石墨发生氧化。可以采用电解质氧化引入到石墨晶体中的化学物质包括硫酸和其他酸。
在一优选实施方式中，插入剂是硫酸、或硫酸和磷酸，和氧化剂，即硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等的混合物溶液。插入溶液有时甚至可以含有金属卤化物例如氯化铁，和与硫酸混合的氯化铁，或卤素例如作为溴和硫酸的溶液或者溴在有机溶剂中的溶液形式的溴。
插入溶液的量可以在约20-约150pph的范围、并通常在约50-约120pph范围。在薄片被插入后，通常将任何过量的溶于从薄片吸干并对薄片进行水洗。或者，插入溶液的量可以限制为约10-约50pph，这使冲洗步骤得以免除，并在美国专利4895713中教导和描述，其公开内容引入作为参考。
经过插入溶液处理的石墨薄层颗粒可以、任选地，被接触，例如与选自醇、糖、醛和酯的还原剂掺杂，这些还原剂在25℃-125℃温度范围内和氧化插入溶液的表面膜反应。合适的特定有机试剂包括十六烷醇、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、马铃薯淀粉、乙二醇单硬脂酸酯、二甘醇二苯甲酸酯、丙二醇单硬脂酸酯、丙三醇单硬脂酸酯、草酸二甲酯、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸和木质素衍生化合物例如木素磺化钠。有机还原剂的用量通常为石墨薄片颗粒的约0.1％-5重量％。
在插入之前、期间或插入后立即施用膨胀助剂也可以提供改善效果。在这些改善效果中可以降低剥落温度和增加膨胀体积(也称为“蠕虫体积”)。在上下文中膨胀助剂可以有利地是一种能充分溶于插入溶液以获得膨胀改善的有机材料。更狭义地，可以优选排他性地采用含有碳、氢和氧的类型的有机材料。已经发现羧酸是特别有效的。合适的用于膨胀助剂的羧酸可以选自芳族、脂族和环酯族、直链或支链的、饱和和不饱和的单羧酸、二羧酸和多羧酸，其具有至少一个碳原子，并通常不超过15个碳原子，其以能提供剥落的一个或多个方面的可测得的改善效果的用量可溶于插入溶液中。可以采用合适的有机溶剂来提高有机膨胀助剂在插入溶液中的溶解性。
饱和脂肪羧酸的代表性实例是例如具有式H(CH2)nCOOH的那些酸，其中“n”是0-约5的数，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应性羧酸衍生物例如烷基酯。烷基酯的代表性实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剂能够分解甲酸，最终分解为水和二氧化碳。由于这一原因，甲酸和其他敏感的膨胀助剂有利地在薄片在水性插入剂中浸渍之前与石墨薄片接触。二羧酸的代表性实例是含2-12个碳原子的脂族二羧酸，特别是草酸、富马酸、丙二酸、马来酸、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、环己烷-1，4-二羧酸和芳族二羧酸例如邻苯二甲酸和对苯二甲酸。烷基酯的代表性实例是草酸二甲酯和草酸二乙酯。环脂族酸的代表性实例是环己烷羧酸和芳族羧酸的代表性实例是苯甲酸、萘甲酸、邻氨基苯甲酸、对氨基苯甲酸、水杨酸、邻、间、对苯二甲酸，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。羟基芳族酸的代表性实例是羟基苯甲酸、3-羟基-1-萘甲酸、3-羟基-2-萘甲酸、4-羟基-2-萘甲酸、5-羟基-1-萘甲酸、5-羟基-2-萘甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和7-羟基-2-萘甲酸。多羧酸中突出的是柠檬酸。
插入溶液通常是水性的和可以含有约1-10％的用量的膨胀助剂，此用量作用以加强剥落。在一个实施方式中膨胀助剂在石墨薄片用水性插入溶液浸渍之前或之后与石墨薄片接触，膨胀助剂可以与石墨以合适的方式例如用V型搅拌机混合，一般以石墨薄层的约0.1重量％-约10重量％的用量相混合。
在插入石墨薄片后，和接着将以插入剂涂覆的经插入的石墨薄片和有机还原剂相掺混，掺混物经受25℃-125℃范围的温度以促进还原剂和插入涂层的反应。加热时段不超过约20小时，其中较短的加热时段(例如至少约10分钟)在高于上述范围的温度内进行。
这样处理的石墨颗粒有时称为“经插入的石墨颗粒”。在经受高温例如至少约160℃的高温和很多情况下约700℃-1200℃和更高，经插入的石墨颗粒以摺状方式在c方向上，即，在垂直于石墨颗粒构成的晶体平面的方向上膨胀到相当于它们原来体积80-1000倍或更高倍数。经膨胀的、即，经剥落的，石墨颗粒是蠕虫状外观，并因此通常称为蠕虫。所述蠕虫可以被一起压缩成柔性片材，不同于初始的石墨薄片，其可以形成和切成不同形状并通过下文描述的导致变形的机械冲击配备微小的横向开口。
柔性石墨片材和箔是内聚的，具有良好的加工强度，并可以适当地压缩(例如通过辊筒轧压)成厚度为约0.05mm-4.00mm和通常密度为约0.1-1.5克每立方厘米(g/cc)。如在美国专利5 902 762中描述(通过引用将其在此处引入)，可以向经插入的石墨薄片掺混约1.5-30重量％的陶瓷添加剂以提供在最终柔性石墨产物中的强化的树脂浸渍。添加剂包括具有长度约0.1-1.5毫米的陶瓷纤维颗粒。颗粒的宽度合适的为约0.05-0.001mm。陶瓷纤维颗粒不与石墨反应和不附着于石墨，并在高达约1100℃、优选约1400℃或更高的温度下是稳定的。合适的陶瓷纤维颗粒是浸渍的石英玻璃纤维、碳纤维和石墨纤维、氧化锆、氮化硼、碳化硅和氧化镁纤维，天然存在的矿物纤维例如偏硅酸钙纤维、硅酸铝钙纤维、氧化铝纤维等加工成型的。
柔性石墨片材在某些情况下还可以有利地用树脂和吸收树脂处理，在固化后，加强柔性石墨片材的防水性和加工强度(即，刚性)，以及“固定”片材的外形。合适的树脂含量优选为至少约5重量％，更优选约10-35重量％和合适地高达约60重量％。在本发明的实践中发现特别有用的树脂包括丙烯酸树脂、环氧树脂和酚醛基树脂体系，或它们的混合物。合适的环氧树脂体系包括基于二环氧甘油醚或双酚A(DGEBA)的那些和其他的多官能树脂体系；可以采用的酚醛树脂包括甲阶酚醛树脂和酚醛清漆树脂。在某一优选实施方式中，树脂的玻璃转化温度能与热学热量管理装置的使用温度堪相比较。虽然如此，如上制备的石墨片材可以被切割和修饰成所需的制品。用树脂处理的柔性石墨还被称为“树脂浸渍的柔性石墨”或“浸渍的柔性石墨”。
本发明现在参照前述附图对热导管进行描述，但是本发明不限于热导管，并且可以用于其他类型的热管理装置，例如蒸汽腔。只要可能，采用相似或相同的标记来描述附图中相似或相同的组件。
图1是圆筒热导管的内部状态的平面图，概括地标明为10。图1中描述的是安装在相对于工作流体流动的通常路线的水平方向的圆筒热导管12。热导管12包括罩壳14和芯体结构16。任选的，热导管12包括至少一个在芯体结构16之外的流体通道18，还用箭头E表示。热导管12还可以包括在芯体结构16之内的至少一个流体通道20，还用箭头I表示。芯体结构16还可以包括大量的近似辐射状流体通道，其允许工作流体至少从通道18经芯体结构16流入到通道20。任选地，热导管12在热导管12相对的两端还包括蒸发器22和冷凝器26。
热导管12可以包括热源30的配套元件28。任选地，配套元件28位于热导管的和蒸发器22相同的一端。在某一优选实施例中，配套元件28具有与热源30的表面相接触的表面，并且配套元件28的所述表面任选地具有与热源30与配套元件28相接触的表面的镜面图案。在另外的优选实施方式中，配套元件28还与热导管12的外部部分相接触。配套元件28和热导管12的接触能够促进从热源30到热导管12中热量传输。合适的配套元件28的构造材料至少包括柔性石墨、铜、铝、和它们的组合。对于配套元件28合适的材料的实例包括来自Graftech公司的eGRAFTMHS 400。热源30的一个实例是计算机芯片。
如在图1中说明，热导管12还可以包括位于罩壳14的至少一部分的大量的鳍板32。任选地，鳍板32至少位于罩壳12中冷凝器26所在的一端。关于包括鳍板32的热导管12的一个实施方式，优选鳍板32用柔性石墨构造。鳍板32的其他的合适的材料可能包括铜、铝、和上述定义材料的任何组合。鳍板32不限于描绘于图1的实施方式。任何合适的鳍板32的构造都可以作为本发明的部分使用。例如鳍板32可以包括基座元件和沿热导管12垂直方向延伸出来的大量间隔的鳍板的组合。本发明的一个实施方式可以包括风扇，使得空气鳍板32上方移动以保持通过鳍板32吸收的热量的散发。
如在图1中示出，热量在热源30中产生。在热源30中产生的热量被传播到热导管12并至少在蒸发器22中蒸发工作流体。工作流体的蒸汽相如箭头I所示流经通道20到冷凝器26中。工作流体蒸汽在冷凝器26中冷凝为液体形式和由冷凝导致的从工作流体中脱除的热量传播到鳍板32上并散发到周围环境中。工作流体的液体形式沿箭头E所示的方向沿通道18流回蒸发器22中。用于将液态工作流体从冷凝器26传输到蒸发器22的典型的流动机理至少包括重力、毛细管作用或它们的组合。
任选地，热导管12可以在低于大气压的压力下操作。通过调节热导管12内的压力，热导管12内工作流体蒸发的温度会被调节到与热源30产生的热量相关的特定温度变化范围。例如，如果工作流体是水并且热导管12在降低的压力下操作，水将在低于约100℃下蒸发。
热导管的第二个实施方式在图2中图示，并概括性地标明为40。任选地，热导管40被安装在相对于工作流体的流动路线的垂直方向。但是热导管40可以以任何构造安装。热导管40含有罩壳，该罩壳包括44u和44l两个材料片材。片材44u和44l位于热导管40相对的两端。片材44l可以称为蒸发器和片材44u可以称为冷凝器。
导热管40还包括芯体结构46。如图所示，芯体结构46包括四(4)个不同的平板结构46a-46d。应注意，热导管40不限于任何特定的平板数。涉及平板结构46a-46d的结构时，优选工作流体的流动路线从一个平板到相邻平板间发生改变。关于平板46a和46b，已经表明平板46a的流动路线大致刚好与工作流体通过平板46b的流动方向的相反。例如平板46a具有中心小孔和从中心小孔向外放射性延伸的辐条状流动路线。相反地，平板46b包括一个中心毂和从中心毂向外放射性延伸的辐条状支撑组件。此外，优选地平板46c提供了与平板46b互补的流动路径。在相关联的平板46c和46d同样如此。芯体结构46的构造方式使得热导管40中的工作流体至少通过毛细管作用传输。
关于本发明的一个实施方式，热导管12优选包括基本上流体不可渗透的罩壳14，优选地罩壳14是真空密封的腔体，而芯体结构16在罩壳14之内。任选地，热导管12的罩壳14可以用柔性石墨构造。任选地，由柔性石墨构造的罩壳14具有至少约1.6g/cc、典型的至少约1.7g/cc、更典型的至少约1.9g/cc、最典型的约至少2.0g/cc的密度。
用于形成罩壳14的柔性石墨可以是或不是被树脂浸渍的柔性石墨。此外，罩壳14可以含有多于1层的柔性石墨。在罩壳14的其他实施方式中，罩壳14的内表面可以含有至少一个管道，优选多个管道。在此使用的真空密封是指采用真空来排出罩壳14内的至少部分、优选基本上全部的非工作流体。非工作流体在此定义为至少在罩壳14中存在的不是工作流体的流体，例如空气。
在罩壳14由柔性石墨构造的情况下，可以采用不同的工艺来形成所需形状的罩壳。例如可以采用压缩使柔性石墨片材形成罩壳14的所需形状。用于压缩柔性石墨的一般压力包括约4bar或更低的压力，一般为约2bar或更低。在第二种工艺中，可以采用粘合剂使柔性石墨形成罩壳14的所需形状。在某些优选条件下，粘合剂不溶于工作流体或反之亦然。在第三种工艺中，柔性石墨被压缩成圆筒形状和热导管12的纵向接缝通过采用压缩或粘合剂形成和在每一个圆筒的轴向开口采用插销以形成罩壳14。
在其他工艺中，一个或多个柔性石墨片材可以被压缩成管状并在管的一端可以插入插销形成罩壳14。任选地，所述片材可以被压上纹路以在罩壳14的内表面形成管道。在另一个替代方案中柔性石墨片材可以被起皱。在其他的工艺中，柔性石墨片材可以包围心轴以形成罩壳14。在包覆片材时，片材可以以任何构造包覆，例如但不限于螺旋型包覆片材。在上述工艺中，柔性石墨片材可以是树脂浸渍的或者不是树脂浸渍的。涉及树脂浸渍的片材时，树脂在形成罩壳14之前或之后可以被固化。
在其他的实施方式中，罩壳14由柔性石墨的三维零件构成。在片材中加工了通道。优选的通道不扩展到完全通过片材。通道的开口端可以用上面提及的粘合剂、压缩或插销工艺的任何一种进行封口。
在某些优选实施方式中，芯体结构16含有一种多孔材料，更优选地是膨胀石墨块，再进一步优选具有密度不超过约1.5g/cc的柔性石墨。在此使用的柔性石墨描述为已经形成片材的膨胀石墨块。更优选地，芯体结构16的柔性石墨具有不超过约1.1g/cc的密度，更优选不超过约1.0g/cc的密度，和最优选不超过约0.5g/cc的密度。更进一步优选所述柔性石墨具有至少约0.25g/cc的密度。这种柔性石墨的一个实例是从Lakewood，OH的Graftech公司可获得的GRAFOIL。
可以测量柔性石墨的密度的一个方法是通过浸没密度试验。在这种试验中称量了柔性石墨样品的重量并记录该重量。然后样品浸没到预先确定体积的水中。记录通过样品的浸没而排开的水的体积。密度通过样品的重量除以被排开的水的体积来确定。如何测定密度不限于上述浸没密度试验。
芯体结构16的柔性石墨可以是树脂浸渍的柔性石墨或者非浸渍的柔性石墨。在结构16是树脂浸渍的情况下。在某一优选实施方式中，结构16以向结构16引入多孔性的方式浸渍。在这种条件下，更为优选地是树脂浸渍来加强毛细管流动和/或工作流体的分散。
任选地，柔性石墨芯体结构16还可以包括引入到芯体结构16的至少一部分的金属线。适用的金属线的实例包括铜、铝、不锈钢、钛，和它们的组合。金属线可以以不同方法引入到芯体结构16中。
一种方法是可以将金属线缠绕在芯体结构16的外部的至少一部分周围。第二种方法，金属线粘附地结合到芯体结构16的内部或外部的至少一部分。第三种方法，形成了柔性石墨和金属线的叠层。叠层的至少一部分含有金属线。
芯体结构16还可以含有一个或多个柔性石墨片材。此外，每个柔性石墨片材可以包括两层或更多柔性石墨层。
在一个特定实施方式中，芯体结构16含有起皱的柔性石墨片材。优选地，所述皱褶包括微细皱褶。更优选地，所述微细皱褶具有约1mm或更小的幅度。起皱褶的装置可以用于形成这些皱褶。芯体结构16的实施方式可以含有柔性石墨的第二片材。在有些环境下，柔性石墨的第二片材是没有起皱的。
在另一个实施方式中，芯体结构16含有至少一个通道。所述通道可以包括大小适合促进蒸汽流动的第一部分，和大小适合促进液体流动的第二部分。芯体结构16可以压上纹路以在结构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适合促进蒸汽流动和另外一些大小适合促进液体流动。对于结构16，在一个实施方式中，芯体结构16连接在热导管12的蒸发器22上。
或者，芯体结构可以由膨胀石墨以外的材料构造。合适的替换材料包括金属例如铝、铜、铁、镍、钛，和它们的组合。所述替换材料可以用于代替膨胀石墨或与膨胀石墨组合使用。
热导管12还可以在罩壳14内包括工作流体循环。工作流体的优选实例包括甲醇、乙醇、其他醇类、水、和碳氟化合物(例如Freon)中的至少一种。在一个实施方式中，热导管的结构包括抽空热导管的罩壳-芯体结构装置和然后用至少足够填充芯体结构16的空隙的流体回填热导管。
在某一优选实施方式中，热导管中的工作流体的含量足够饱和芯体结构16。更优选地，装料到罩壳14中的工作流体的含量较饱和芯体结构16所需的的量多约10个百分点(10％)。
含有工作流体的量任选地高达比饱和芯体结构16所需的的量多约20个百分点(20％)。在其他实施方式中，热导管12中工作流体的量包括冷凝器26的体积，更优选的较冷凝器26的体积多约10％。用于抽空罩壳14的一项工艺是在罩壳14的内部抽真空。抽空罩壳14的功能是尽可能移除罩壳14内的残余空气或者其他非工作流体。
在一优选实施方式中，热导管内的环境达到液体和蒸汽平衡。当热量进入蒸发器中，所述平衡转移到蒸汽一侧和增加了热导管内部的气压。在增加气压的条件下，蒸汽会扩散到冷凝器，在冷凝器中稍低的温度导致蒸汽冷凝并释放出其蒸发潜热。冷凝的流体然后优选通过在芯体结构16中存在的毛细管力、扩散、或重力传输回到蒸发器。
工作流体的连续循环以低的热梯度传输了大量的热量。优选地，热导管的操作是无源的，仅通过被传输的热量来驱动。无源操作的益处包括优异的可靠性和优良的使用寿命。
如图3所示，所述创造性的热导管可以包含于热传播组件中，概括性地标明为50。组件50包括热导管52。在某一优选实施方式中，热导管52包括至少一个由上述柔性石墨构成的罩壳或芯体结构。
如图3所示，组件50还可以任选地包括基座单元54。优选地基座单元54位于组件50的一端，其中包括冷凝器(未示出)。基座单元54的结构的合适材料包括柔性石墨、铜、铝、和它们的组合。基座单元54含有表面56，表面56可以用于将多个鳍板(未示出)连接到组件50。此外，组件50可以包括配套元件58。优选地，配套元件58位于热导管52有蒸发器的一端并与热源接触。配套元件58合适的构造材料包括上述配套元件28相同的材料。
在组件50的一个实施方式中，热导管52、基座54和配套元件58的所有三个罩壳用柔性石墨构造，即，来自Graftech公司的eGrafTM。在某一优选实施方式中，热导管52、基座54和元件58的至少一个的柔性石墨包括叠层。所述叠层可以由高密度(在某一实施方式中，优选至少约1.6g/cc，更优选至少约1.7g/cc，和最优选至少约1.9g/cc)的柔性石墨片材粘结在一起构造。或者，所述柔性石墨叠层可以由多个树脂浸渍的柔性石墨片材构造，所述柔性石墨片材是经过热压和固化以形成基本上整体的结构。
图4中示出的是热管理装置60和热源70的一个实施方式的横截面图。装置60包括由下部的基座62形成并与热源70相接触的罩壳。优选地，基座62由传导性材料构造，例如，铜、铝、或它们的合金。所述罩壳还进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可以通过任何合适的工艺例如采用例如环氧树脂的粘合剂在界面64接合。在某一优选实施方式中，装置60包括从元件66的上端表面延伸出来的多个鳍板32。
任选地，装置60还可以包括一个或多个内部支撑元件68。所述内部支撑元件不限于任何特定的形状或者用任何特定的结构材料。支撑元件68可以由例如铜、铝、膨胀石墨、或它们的组合的传导性材料构造。在一可供选择的实施方式中，支撑元件68可以包括由上部元件66延伸下来的一个或多个鳍板。
本发明还应用于其他类型的热管理装置如蒸汽腔。蒸汽腔与热导管在许多方面是相似的。类似热导管，蒸汽腔使用工作流体的蒸发的潜热以从热源到温度较热源低的位置传输热量。在操作中，蒸汽腔内的工作流体在蒸发腔内的某些位置被蒸发和移动到蒸发腔内较冷的位置并在这种较冷的位置被冷凝。
在某一优选实施方式中，蒸汽腔含有至少一个类似于热导管的罩壳的罩壳。在这些条件下，蒸汽腔的罩壳含有柔性石墨。典型地，蒸汽腔也会含有工作流体。蒸汽腔的工作流体可以与上述热导管的工作流体相同。任选地，蒸汽腔可以包括一个或多个内部支撑。优选地，所述内部支撑由一些类型的热传导材料例如柔性石墨、铜、铝、或它们的组合来制备。任选地，蒸汽腔外表面的至少一部分可以包括如关于热导管所述的大量的鳍板。
权利要求
1.一种热管理装置，其包括a.基本上流体不可渗透的罩壳；b.所述罩壳内的芯体结构，所述芯体结构包括膨胀石墨块；和c.在所述罩壳内循环的工作流体。
2.权利要求1的热管理装置，其中所述芯体结构还包括插入所述芯体结构至少一部分的金属线。
3.权利要求1的热管理装置，其中所述石墨包括树脂浸渍的石墨。
4.权利要求1的热管理装置，其中所述膨胀石墨块包括一个或多个柔性石墨的片材并且至少一个所述片材具有不超过约1.5g/cc的密度。
5.权利要求1的热管理装置，其中所述罩壳的结构材料包括柔性石墨。
6.权利要求5的热管理装置，其中所述罩壳还包括外表面，所述外表面的至少一部分具有从所述外表面延伸出来的多个鳍板。
7.权利要求1的热管理装置，其中所述工作流体包括醇、水和氟碳化合物的至少一种。
8.权利要求1的热管理装置，其中所述芯体结构还包括多个通道。
9.权利要求8的热管理装置，其中所述多个通道包括大小适合促进蒸汽流动的第一部分，和大小适合促进液体流动的第二部分。
10.一种制备热管理装置的方法，包括a.将膨胀石墨块形成芯体结构；和b.将所述芯体结构插入所述热管理装置的罩壳的内部。
11.权利要求10的方法，还包括将所述膨胀石墨块形成一个或多个柔性石墨片材。
12.一种热管理装置，包括a.基本上流体不可渗透的罩壳，其中所述罩壳的结构材料包括柔性石墨；和b.所述罩壳中循环的工作流体。
13.权利要求12的热管理装置，还包括所述罩壳内的芯体结构。
14.权利要求12的热管理装置，其中所述罩壳包括基本上真空密封的腔。
15.权利要求12的热管理装置，其中所述罩壳的所述柔性石墨的密度包括至少约1.6g/cc。
16.权利要求12的热管理装置，其中所述罩壳包括多个柔性石墨层。
17.权利要求12的热管理装置，其中所述罩壳的所述柔性石墨还包括树脂。
18.权利要求12的热管理装置，其中所述罩壳还包括外表面，所述外表面的至少一部分具有从所述外表面延伸出来的多个鳍板。
19.权利要求12的热管理装置，其中所述罩壳含有包括多个通道的内表面。
20.权利要求12的热管理装置，还包括在所述罩壳内的多个内部轨迹图案元件。
全文摘要
发明提供用柔性石墨构造的热管理装置。在一种实施方案中，该热管理装置包括位于罩壳内的芯体结构。在某些优选实施方案中，芯体结构包括膨胀石墨块。在另一实施方案中，该装置的罩壳包括柔性石墨和任选的芯体结构。在某些优选实施方案中，该柔性石墨罩壳是流体不可渗透的。本发明还包括制备上述热管理装置的方法。
文档编号H05K7/20GK1754079SQ200380109925
公开日2006年3月29日 申请日期2003年12月17日 优先权日2002年12月23日
发明者D·W·克拉索夫斯基, G·G·陈, T·W·伯克特, B·H·福德, J·-W·曾, J·诺尔利, M·D·斯马尔克 申请人:先进能源科技公司