(57)【要約】  複数個の金属体、並びに複数個の金属体の間に配置され及び複数個の金属体を互いに接続する複数個の隙間要素を含む、構造化熱伝達物品。金属体は、第１金属を含む内側部分、及び第１金属と第２金属との含有合金から成る外側部分を含む。隙間要素は、外側部分の合金を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造化熱伝達物品であって、
アルミニウム、銅、銀、及びそれらの合金から成る群から選択される第１金属を含む内側部分、及び前記第１金属と、銅、銀、及びマグネシウムから成る群から選択される第２金属含有の合金を含む外側部分から成り、前記第１金属及び前記第２金属が異なる、複数個の金属体と、
前記複数個の金属体の間に配置され、前記複数個の金属体を互いに接続して、前記外側部分の前記合金を含む複数個の隙間要素と、
を含む構造化熱伝達物品。
【請求項２】
前記第１金属が銅を含み、前記第２金属が銀を含む、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項３】
前記第１金属が銅であり、前記隙間要素が銀と銅の合金を含む、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項４】
前記第１金属がアルミニウムを含み、前記第２金属がマグネシウムを含む、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項５】
前記第１金属がアルミニウムであり、前記隙間要素がアルミニウムとマグネシウムの合金を含む、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項６】
前記内側部分が、ダイヤモンドを更に含む、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項７】
前記ダイヤモンドが、クロム、コバルト、マンガン、モリブデン、ニッケル、シリコン、タンタル、チタン、タングステン、バナジウム、ジルコニウム、及びそれらの合金から成る群から選択されるカーバイド形成物を含む中間コーティングを含み、前記第１金属が前記中間コーティングに取り付けられる、請求項６に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項８】
前記複数個の金属体が、１立方センチメートル当たり１０７〜１０９金属体の範囲の単位密度を有する、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項９】
前記金属体が、実質的に球形である、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１０】
前記金属体が、５〜５０マイクロメートルの範囲の平均直径を成す、請求項９に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１１】
前記金属体が、１〜２の範囲の縦横比を成す、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１２】
２０〜５００ミリメートルの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１３】
前記構造化熱伝達物品が、少なくとも１０パーセントの有効間隙率を有する、請求項１に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１４】
構造化熱伝達物品であって、
ダイヤモンド、並びにアルミニウム、銅、銀、及びそれらの合金から成る群から選択される第１金属を含む内側部分、及び前記第１金属と、銅、銀、及びマグネシウムから成る群から選択される第２金属含有の合金を含む外側部分から成り、前記第１金属及び前記第２金属が異なる、複数個の複合体と、
前記複数個の金属体の間に配置され、前記複数個の金属体を互いに接続して、前記外側部分の前記合金を含む複数個の隙間要素と、
を含む構造化熱伝達物品。
【請求項１５】
前記第１金属が銅を含み、前記第２金属が銀を含む、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１６】
前記第１金属が銅であり、前記隙間要素が銀と銅の合金を含む、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１７】
前記第１金属がアルミニウムを含み、前記第２金属がマグネシウムを含む、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１８】
前記第１金属がアルミニウムであり、前記隙間要素がアルミニウムとマグネシウムの合金を含む、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項１９】
クロム、コバルト、マンガン、モリブデン、ニッケル、シリコン、タンタル、チタン、タングステン、バナジウム、ジルコニウム、及びそれらの合金から成る群から選択されるカーバイド形成物を含む前記ダイヤモンドに取り付けられた中間コーティングを更に含み、前記第１金属が前記中間コーティングに取り付けられる、請求項１４に記載の熱伝達コーティング。
【請求項２０】
前記複数個の金属体が、１立方センチメートル当たり１０７〜１０９金属体の範囲の単位密度を有する、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項２１】
前記金属体が、実質的に球形である、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項２２】
前記金属体が、１〜２の範囲の縦横比を成す、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項２３】
前記金属体が、５〜５０マイクロメートルの範囲の平均直径を成す、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項２４】
前記コーティングが、２０〜１，０００マイクロメートルの範囲の厚さを成す、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項２５】
前記構造化熱伝達物品が、少なくとも２０パーセントの有効間隙率を有する、請求項１４に記載の構造化熱伝達物品。
【請求項２６】
請求項１に記載の構造化熱伝達物品を含む、冷却システム。
【請求項２７】
請求項１４に記載の構造化熱伝達物品を含む、冷却システム。
【請求項２８】
構造化熱伝達物品形成方法であって、
モールドキャビティの所定の配列を有する生産ツールを提供する工程と、
結合剤及び、融解温度Ｔｍｐ１を有する第１金属を含む内側部分と、融解温度Ｔｍｐ２を有する第２金属を含む外側部分とを含む、複数個の金属体から成る組成物を前記生産ツールの上に置く工程と、
前記組成物を、Ｔｍｐ１及びＴｍｐ２未満の温度に加熱して、前記複数個の金属体を互いに固着する前記第１金属及び前記第２金属を含む合金を形成し、前記固着が多孔質マトリックスを形成する工程、
とを含む、構造化熱伝達物品を形成する方法。
【請求項２９】
前記第１金属が、アルミニウム、銅、銀、及びそれらの合金から成る群から選択される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２金属が、銅、銀、マグネシウム、及びそれらの合金から成る群である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１金属が銅を含み、前記第２金属が銀を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記結合剤が、鉱油、シリコーンオイル、灯油、及びポリビニルブチラールから成る群から選択される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記金属体が、ダイヤモンドを更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１金属及び前記第２金属を含む前記合金が共に固着を形成する裏材を導入することを更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
外面を有する熱放散基材を提供する工程と、
請求項１に記載の構造化熱伝達物品を前記外面に取り付ける工程と、
前記構造化熱伝達物品を冷却流体と接触させる工程、
とを含む、熱放散装置冷却方法。
【請求項３６】
前記方法が単相熱伝達を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記方法が二相熱伝達を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記冷却流体が熱サイホン内に含有される、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記熱放散基材を熱発生装置に取り付けることを更に含む、請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造化熱伝達物品に一般に関する。より特には、本発明は、成形された多孔質金属物品、並びに同じものを製造する及び使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱放散構成要素のための１つの冷却システムは、蒸発又は沸騰する流体を含む。生成された蒸気は次に外側部分手段を使用して凝縮され及びボイラーに戻される。ボイラーでの流体の熱伝達を改善するために、多孔質沸騰面が使用され得る。
【０００３】
例えばフレーム溶射又はプラズマ溶射により製造されたコーティングを包含する多様な多孔質沸騰面が入手可能である。これらのプロセスでは、間隙率を制御すること及び三次元基材を均一にコーティングすることが困難である可能性がある。他の既知のコーティングは、有機結合剤により接合された導電性粒子を含む。これらのコーティングは一般に、貧弱なバルク熱伝導度を有し、そのため三次元表面を有する基材上では困難である正確な厚さ制御を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
集積回路及び他の熱放散電子装置が、より強力及び小型になるにつれて、これらの熱放散構成要素からの熱伝達速度は増加される必要がある。それ故に、高い熱伝達率を有する多孔質ボイラーを開発への要求が引き続き存在する。更に、製造プロセス中に容易に適用され得る安価な多孔質ボイラーへの要求が引き続き存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、構造化熱伝達物品に一般に関する。より特に、本発明は、多孔質金属物品、及び同物品の製造方法及び使用方法に関する。物品は、冷房装置及び電子冷却システムのような冷却装置のための蒸発器として使用され得る。構造化熱伝達物品は、単相又は２相熱伝達システムの両方において使用され得る。幾つかの実施形態では、物品は、例えばマイクロプロセッサーのような集積回路を冷却するために使用される熱サイホン中のボイラーとして使用される。
【０００６】
１つの態様では、本開示は、複数個の金属体、並びに複数個の金属体の間に配置され及び複数個の金属体を互いに接続する複数個の隙間要素を含む、構造化熱伝達物品を提供する。金属体は、アルミニウム、銅、銀、及びそれらの合金から成る群から選択される第１金属を含む内側部分、及び前記第１金属と、銅、銀、及びマグネシウムから成る群から選択される第２金属含有の合金を含む外側部分を含む。隙間要素は、外側部分の合金を含む。
【０００７】
幾つかの実施形態では、第１金属は銅を含み、第２金属は銀を含み、及び隙間要素は銀と銅の合金を含む。他の実施形態では、第１金属がアルミニウムを含み、第２金属がマグネシウムを含み、及び隙間要素はアルミニウムとマグネシウムの合金を含む。
【０００８】
１つの態様では、本開示は、複数個の金属体、並びに複数個の金属体の間に配置され及び複数個の金属体を互いに接続する複数個の隙間要素を含む、構造化熱伝達物品を提供する。金属体は、アルミニウム、銅、銀、及びそれらの合金から成る群から選択される第１金属を含む内側部分、及び前記第１金属と、銅、銀、及びマグネシウムから成る群から選択される第２金属含有の合金を含む外側部分を含む金属体は、ダイヤモンドをそれらの内側部分に含む。第１金属に加えて、ダイヤモンドは、クロム、コバルト、マンガン、モリブデン、ニッケル、シリコン、タンタル、チタン、タングステン、バナジウム、ジルコニウム、及びそれらの合金から成る群から選択されるカーバイド形成物を含む中間コーティングによりコーティングされ得る。隙間要素は、外側部分の合金を含む。
【０００９】
別の態様では、本開示は構造化熱伝達物品を形成するための方法を提供する。方法は、モールドキャビティの所定の配列を有する生産ツールの提供工程、並びに結合剤及び複数個の金属体から成る組成物を生産ツールの上に置く工程、とを包含する。金属体は、融解温度Ｔｍｐ１を有する第１金属を含む内側部分、及び融解温度Ｔｍｐ２を有する第２金属を含む外側部分を含む。組成物は次に、Ｔｍｐ１及びＴｍｐ２未満の温度に加熱されて、前記複数個の金属体を互いに及び熱放散基材に固着する第１金属及び第２金属を含む合金を形成する。このプロセスは、等温再凝固と呼ばれる。
【００１０】
別の態様では、本開示の構造化熱伝達物品を使用する、熱放散装置を冷却するための方法が提供される。
【００１１】
本開示との関連において、
用語「有効間隙率」は、マトリックスの流量又は透過性に寄与する本体の相互に連結された間隙体積又は空隙を指す。有効間隙率は、マトリックスの中に存在することがある孤立した孔は除外する。本開示の構造化熱伝達物品の有効間隙率は、無孔の基材、又は構造化熱伝達物品の一部分を形成する可能性のある他の無孔層を除いて測定される。
【００１２】
用語「単位密度」は、指定体積当たりの指名単位の量を指す。例えば、本開示に記載されたように、多孔質マトリックスが１００の金属体を含み、及び１立方センチメートルの体積を占有する場合、金属体の単位密度は、１立方センチメートル当たり１００金属体である。
【００１３】
用語「縦横比」は、三次元体の最長寸法（即ち「全長」）と全長寸法に直交する最長寸法（即ち「全幅」）との比を指す。
【００１４】
用語「実質的に球形」は、約１〜１．５の縦横比、及びほぼ球形状を有する三次元体を指す。
【００１５】
用語「精密成形された熱伝達複合体」は、成形形状を形成するために使用されるモールドキャビティのほぼ逆である成形形状を有する熱伝達複合体を指す。
【００１６】
用語「構造化熱伝達物品」は、複数個の三次元形状の熱伝達複合体を含む熱伝達物品を指す。
【００１７】
本開示の上記の「課題を解決するための手段」は、本開示の構造化熱伝達物品のすべての実行の各開示された実施形態を記載することを目的としていない。次に続く図及び「発明を実施するための最良の形態」が、説明に役立つ実施形態を更に特別に例証する。端点によって数値範囲を列挙する場合、その範囲内に包括されるすべての数を包含する（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、４、４．８０、及び５を包含する）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本開示の構造化熱伝達物品１０の斜視図である。図１に示されたように、構造化熱伝達物品１０は、複数個の成形された熱伝達複合体９０を含む。熱伝達複合体は、隙間要素により互いに接続された複数個の金属体を含む。
【００１９】
図２Ａ〜２Ｃは、本開示の構造化熱伝達物品が形成される順序を図解する。図は、接合される２つの代表的な金属体前駆体を示す簡略化された表現である。本開示の構造化熱伝達物品は典型的には、三次元の多孔質マトリックスにおいて共に接合する多数の金属体前駆体から形成される。
【００２０】
図２Ａは、本開示の構造化熱伝達物品を製造するために使用された２つの代表的な金属体前駆体の側面図である。図２Ａに示されたように、金属体前駆体２００、２００’はおよそ同じ大きさであり得る。他の実施形態では、金属体前駆体は大きさが異なり得る。図２Ａに示されたように、金属体前駆体は実質的に球形であり得る。
【００２１】
本開示に従ってコーティングを製造するために有用な金属体前駆体は、典型的には少なくとも１マイクロメートルの平均直径を有する。幾つかの実施形態では、金属体前駆体は、少なくとも５マイクロメートルの平均直径を有する。尚、更なる実施形態では、金属体前駆体は、少なくとも１０マイクロメートルの平均直径を有する。
【００２２】
本開示に従ってコーティングを製造するために有用な金属体前駆体は、典型的には１００マイクロメートル以下の平均直径を有する。幾つかの実施形態では、金属体前駆体は、５０マイクロメートル以下の平均直径を有する。尚、更なる実施形態では、金属体前駆体は、３０マイクロメートル以下の平均直径を有する。
【００２３】
幾つかの実施形態は、１〜２の範囲の縦横比を有する金属体前駆体を使用する。他の実施形態では、金属体前駆体は楕円形状であり、及び１．５を超える縦横比を有する。なお更なる実施形態では、金属体前駆体は多面体（例えば、立方八面体（cubo-octohedral））又は例えば、フレーク、チップ、繊維、プレート、円筒、及び針状体が挙げられる、他のランダム成形体であることができる。金属体前駆体が球形でない場合、本体の「直径」は、各本体の最小軸の寸法を指し、及び「平均直径」は、集団内での個々の本体直径（即ち、各本体の最小軸の寸法）の平均を指す。
【００２４】
図２Ｂは、図２Ａに示された２つの代表的な金属体前駆体２００、２００’の横断面図である。図２Ｂに示されたように、各金属体前駆体は、内側部分２５０、２５０’、及び外側部分２４０、２４０’を含む。幾つかの実施形態では、内側部分２５０、２５０’は、アルミニウム、銅、銀、及びそれらの合金から成る群から選択される金属を含む。幾つかの実施形態では、外側部分２４０、２４０’は、銅、銀、マグネシウム、及びそれらの合金から成る群から選択される金属を含む。尚、更なる実施形態では、内側部分は融解温度Ｔｍｐ１を有する金属を有し、外側部分は融解温度Ｔｍｐ２を有する金属を有し、並びにＴｍｐ１又はＴｍｐ２未満の温度に加熱する際に、内側部分及び外側部分の金属を含む合金が形成される。幾つかの実施形態では、金属体前駆体の内側部分及び外側部分の金属は、それらの熱伝導度及び／又はそれらの合金形成特性に基づいて選択される。
【００２５】
幾つかの実施形態では、外側部分は、外側部分が均一な厚さを有するように内側部分に均一に適用される。他の実施形態では、外側部分コーティングの厚さは変化し得る。幾つかの好ましい実施形態では、外側部分は、内側部分の外面の大部分を被覆する。幾つかの実施形態では、外側部分は内側部分の外面の９０％を超えて被覆する。尚、更なる実施形態では、外側部分は内側部分の外面を完全に被覆する。
【００２６】
外側部分を形成するために使用された材料の量は、相対重量又は厚さの点から表現され得る。例えば、幾つかの実施形態では、外側部分は、金属体前駆体の約１０重量％を構成する。外側部分は典型的には、金属体前駆体の約０．０５〜３０重量％を構成する。他の実施形態では、外側部分は０．００１〜０．５マイクロメートルの範囲の平均厚さを有する。幾つかの実施形態では、外側部分は０．０１〜０．０５マイクロメートルの範囲の平均厚さを有する。
【００２７】
銅内側部分及び銀外側部分を有する代表的な有用な金属体前駆体は、フェロー社（Ferro Corp.）（ニュージャージー州プレーンフィールド（Plainfield））から「銀コーティング銅粉末＃１０７（SILVER COATED COPPER POWDER #107）」として入手可能である。他の有用な金属体前駆体には、例えばマグネシウムによりコーティングされたアルミニウム粒子が挙げられる。金属体前駆体は、例えば、物理気相成長法（例えば、米国特許出願公開（U.S. Pat. App. Pub.）２００５／００９５１８９Ａ１（ブレイ（Brey）ら）を参照のこと）、プラズマ蒸着、化学メッキ、電解メッキ、又は浸漬メッキが挙げられ、当業者に既知のいずれかの方法を使用して形成され得る。
【００２８】
図２Ｃは、図２Ａ及び２Ｂに示された、共に接合されて構造体２６０を形成する２つの代表的な金属体前駆体２００、２００’の側面図である。図２Ｃに示されたように、隙間要素２７０は、２つの本体を共に付着するために本開示の方法を使用して形成される。隙間要素２７０は、金属体前駆体の内側部分及び外側部分の金属が、本体を共に固着する合金を形成するように、金属体前駆体に高温を受けさせることにより形成される。このプロセスは、等温再凝固として既知である。幾つかの実施形態では、合金を形成する個々の金属より低い融点を有する共晶が形成される。等温再凝固プロセス中の拡散が様々な金属の境界面の組成に連続的変化を生じさせ得るため、共晶の形成は一時的であってもよい。幾つかの実施形態では、等温再凝固プロセスは、例えばロードアイランド州クランストン（Cranston）のヘイズ（Hayes）から入手可能である、ＶＣＴモデル真空炉のような減圧又は真空炉中で起こる。
【００２９】
図５は、内側部分にコーティングされたダイヤモンドを含む代表的な金属体前駆体の横断面図である。図５に示されたように、金属体前駆体の内側部分はダイヤモンド５５２、中間コーティング５５４、及び第１金属５５０を含む。外側部分５４０は第２金属を含む。ダイヤモンドをコーティングする中間コーティングは、例えば、クロム、コバルト、マンガン、モリブデン、ニッケル、シリコン、タンタル、チタン、タングステン、バナジウム、ジルコニウム、及びそれらの合金が挙げられるいずれかの既知のカーバイド形成物を含むことができる。中間コーティングは、ダイヤモンドに、例えば、物理気相成長法、化学気相成長法、溶融塩蒸着（例えば、ＥＰ０７８６５０６Ａ１（カラス（Karas）ら）を参照のこと）、溶融塩中の電解、及び機械的メッキが挙げられる当該技術分野において既知のいずれかの技術を使用して適用され得る。幾つかの実施形態では、ダイヤモンドをコーティングする中間コーティングは多層を含む。
【００３０】
いずれの理論にも束縛されることを望まないが、封入されたダイヤモンドの熱伝導度は、構造化熱伝達物品の性能を強化すると考えられている。幾つかの実施形態では、ダイヤモンド（コーティングされた又はコーティングされていない）は、複数個の金属体前駆体（内側部分ダイヤモンド有り又はなし）と組み合わされて、隙間要素により共に保持された金属体とダイヤモンドとの混合物を有する構造化熱伝達物品を形成することができる。例えば、多結晶ダイヤモンド、合成ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）、同位体的に純粋なダイヤモンド、及びこれらの組み合わせが挙げられる他の材料もまた、封入され得る、又は金属体と組み合わされ得る。
【００３１】
上記のように、図２Ａ〜２Ｃは、接合された２つの代表的な金属体前駆体を示す簡略化された表現である。本開示の構造化熱伝達物品は典型的には、三次元の多孔質マトリックスにおいて共に接合する多数の金属体前駆体から形成される。金属体金属前駆体（metal precursor metal bodies）の各々は、１、２、３、４、５以上の他の金属体金属前駆体（metal precursor metal bodies）と接合して三次元の多孔質マトリックスを形成することができる。
【００３２】
図３は、本開示の代表的な構造化熱伝達物品の一部分の代表的な斜視図である。図３に示されたように、構造化熱伝達物品３６０は、隙間要素３７０により互いに接続されて三次元の多孔質マトリックスを形成する複数個の金属体３００を含む。隙間要素３７０はまた、金属体３００を基材に固着することもできる。
【００３３】
幾つかの実施形態では、本開示の構造化熱伝達物品は、１立方センチメートル当たり約１０６〜１０１１金属体の範囲の金属体密度を有する。幾つかの実施形態では、本開示の構造化熱伝達物品は、１立方センチメートル当たり約１０７〜１０９金属体の範囲の金属体密度を有する。
【００３４】
本開示の構造化熱伝達物品の間隙率は、典型的には１０〜６０パーセントの範囲である。幾つかの実施形態では、構造化熱伝達物品の間隙率は、少なくとも２０パーセントである。尚、更なる実施形態では、構造化熱伝達物品の間隙率は、少なくとも３０パーセントである。
【００３５】
図４は、本開示の代表的な構造化熱伝達物品４６０の一部分の代表的な横断面図である。図４に示されたように、構造化熱伝達物品４６０は、複数個の精密成形された熱伝達複合体４９０、４９５を含み、各々が角錐形状を有し、任意の基材４８０に取り付けられている。複合体４９０の横断面図は、複合体４９０の背後に位置する複合体４９５の下部の眺めを部分的に遮っている。しかしながら、複合体４９０及び４９５は類似の形状及び寸法を有することが理解されるべきである。複合体は、隙間要素４７０により互いに接続された複数個の金属体４００を含む。
【００３６】
金属体前駆体は、本体を位置付けて三次元の多孔質マトリックスを作るために、例えば、重力、金型、及び結合剤（例えば、熱的に除去可能な結合剤）が挙げられるいずれかの既知の技術を使用して配置され得る。幾つかの実施形態では、金属体前駆体の薄層が実質的に水平な表面上に設置され及び加熱されて構造化熱伝達物品を形成する。他の実施形態では、周囲壁（即ち、金型）が使用されて、等温再凝固工程の前に及びその間に、金属体前駆体を保持することができる。尚、更なる実施形態では、一時的な結合剤が使用されて、等温再凝固工程の前に及びその間に、金属体前駆体を位置付ける。
【００３７】
結合剤は、等温再凝固プロセス前及びその間に金属体前駆体を共に十分に接着するいずれかの既知の結合剤であることができる。有用な結合剤には、鉱油、シリコーンオイル、灯油、及びポリビニルブチラールが挙げられる。幾つかの好ましい実施形態では、再凝固プロセスの間に結合剤は燃え尽き、及び結果として生じる構造化熱伝達物品から実質的に除去される。結合剤は、ペースト様の稠度を有するスラリーを形成するように選択されてもよい。幾つかの実施形態では、結合剤は、金属体前駆体が、例えば鉛直面を包含する、三次元表面の様々な平面上に位置付けられるように選択される。
【００３８】
幾つかの実施形態では、ダウ・コーニング社（Dow-Corning Corp.）（ミシガン州ミッドランド（Midland））から「ダウ・コーニング７０４拡散ポンプ流体（DOW CORNING 704 DIFFUSION PUMP FLUID）」として入手可能な油と３Ｍ社（3M Co.）（ミネソタ州セントポール（St. Paul））からの「ノベック・エンジニアド・フルーイドＨＦＥ−７２ＤＥ（NOVEC ENGINEERED FLUID HFE-72DE）」として入手可能な流体との混合物が、結合剤として使用される。混合物は、例えばアーティスト・エアーブラシを使用して一式上へ噴霧され得る。混合物を適用後、金属体前駆体が濡れた表面に導入され得る。プロセスは、所望の厚さが実現されるまで繰り返し得る。
【００３９】
上記のように、構造化熱伝達物品４６０は、精密に成形された熱伝達複合体４９０、４９５を有する代表的な実施形態を描写する。他の実施形態では、熱伝達複合体は、精密成形されず、単に三次元成形されている。三次元形状は、形状及び／若しくは大きさについてランダムであることもできるし、又は形状及び／若しくは大きさについて均一であることもできる幾つかの実施形態では、熱伝達複合体は、結合剤中の金属体前駆体の異なる大きさの「液滴」を金型の使用なしに表面上に滴下することにより形成されたランダムな形状及び大きさを含む。表面は、構造化熱伝達物品の一体部分（即ち、基材）になることもできるし、又は構造化熱伝達物品は形成後に表面から取り除かれ得る。
【００４０】
図４に描写された実施形態では、構造化熱伝達物品４６０は、基材４８０に取り付けられた複合体４９０、４９５を有する。基材４８０は任意である。幾つかの実施形態では、基材は、複合体４９０、４９５を形成するために使用された同じ金属体及び隙間要素から形成される。他の実施形態では、基材は、金属から形成される。隙間要素を形成するために使用された合金は、構造化熱伝達物品の基材への付着を容易にするように選択され得る。幾つかの実施形態では、基材は、隙間要素を形成する合金を形成するように使用された金属の少なくとも１つを含む金属表面を有する。幾つかの実施形態では、例えば基材は銅を含み、金属体前駆体の内側部分は銅を含み、金属体前駆体の外側部分は銀を含み、及び形成される隙間要素は銅と銀の合金を含み、その際金属体の幾つかを基材に固着する隙間要素の少なくとも一部分は基材から得られた銅を含む。
【００４１】
図６は、本開示の構造化熱伝達物品を製造するための代表的な装置の概略図である。図６に示されたように、金属体前駆体及び結合剤を含むスラリー６００は、圧力又は重力によって供給トラフ６０２から生産ツール６０４の上に流動し、その中のキャビティ（図示されず）を充填する。スラリー６００がキャビティを完全に充填しない場合には、結果として生じる構造化熱伝達物品は、熱伝達複合体の表面上及び／又は熱伝達複合体の内側部分の中に空洞又は小さな欠陥を有することになる。スラリーを生産ツールに導入する他の方法には、ダイコーティング及び真空滴下ダイコーティングが挙げられる。
【００４２】
スラリーの粘度は、幾つかの理由により好ましくは綿密に制御される。例えば、粘度が高過ぎる場合には、スラリーを生産ツールに適用することが困難になる。
【００４３】
生産ツール６０４は、ベルト、シート、コーティングロール、コーティングロール上に実装されたスリーブ、又はダイであり得る。幾つかの好ましい実施形態では、生産ツール６０４はコーティングロールである。典型的には、コーティングロールは、２５〜４５センチメートルの直径を有し、金属のような剛体材料から構築される。生産ツール６０４は、一旦コーティング機上に実装されると、動力枢動モーターにより動かすことができる。
【００４４】
生産ツール６０４は、その表面上に少なくとも１つの指定形状の所定の配列を有し、これは熱伝達複合体の所定の配列及び指定形状の逆である。このプロセスのための生産ツールは、プラスチック製ツールもまた使用され得るが、金属から調製され得る。金属製生産ツールは、彫刻、ホビング、所望の構成に機械加工された複数個の金属部品の一団として組み立てることができ、若しくは他の機械的手段により、又は電鋳法により組み立てることができる。これらの技術は、高分子工業科学百科辞典（Encyclopedia of Polymer Science and Technology）、８巻、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社（John Wiley & Sons, Inc.）（１９６８年）、６５１〜６６５ページ、及び米国特許第３，６８９，３４６号、第７欄３０〜５５行に更に記載されており、すべて本明細書に参考として組み込まれる。
【００４５】
場合によっては、プラスチック製生産ツールは、原型ツールから複製され得る。金属製ツールと比較されたとき、プラスチック製ツールの利点は価格である。ポリプロピレンのような熱可塑性樹脂は、金属製ツール上に、その融解温度でエンボス加工されることができ、次いで急冷されて金属製ツールの熱可塑性レプリカを与えることができる。このプラスチック製レプリカは、次に生産ツールとして使用され得る。
【００４６】
基材６０６は、巻き戻しステーション１０８から出発し、次にアイドラーロール６１０及びニップロール６１２を通り過ぎて適切な張りを得る。ニップロール６１２はまた、裏材６０６をスラリー６００に押し付け、それによってスラリーが裏材６０６を濡らして中間体物品を形成する。
【００４７】
スラリーは、エネルギー源６１４を使用して、中間体物品が生産ツール６０４を離れる前に乾燥される。乾燥後、熱伝達複合体の指定形状は、構造化熱伝達物品が生産ツール６０４から離れた後で実質的に変化しない。従って、構造化熱伝達物品は、生産ツール６０４の逆レプリカである。構造化熱伝達物品６１６は、生産ツール６０４から離れ、そして等温再凝固オーブン６１８を通過する。
【００４８】
構造化熱伝達物品はまた、次の方法に従って製造され得る。第１に、金属体前駆体及び結合剤の混合物を含有するスラリーが、表側及び裏側を有する裏材に導入される。スラリーは、裏材の表側を濡らして、中間体物品を形成する。第２に、中間体物品は生産ツールに導入される。第３に、スラリーは、中間体物品が生産ツールの外面から離れる前に、少なくとも部分的に乾燥される。第４に、中間体物品は、等温再凝固が起こる温度に加熱されて、構造化熱伝達物品が形成される。この４工程は、連続方式で行われることができ、それによって構造化熱伝達物品を調製するために効率のよい方法を提供する。第２の方法では、スラリーが初めに、生産ツールではなく裏材に適用されることを除いて、第２の方法は第１の方法に類似している。
【００４９】
熱伝達複合体は、例えば、立方体、円筒形、プリズム形、矩形、角錐形、切頭角錐形、円錐形、切頭円錐形、十字形、平らな上面を有する柱状、半球形、及びこれらの組み合わせが挙げられる多様な形状を有することができる。熱伝達複合体は異なることができ、また大きさが異なることもできる。熱伝達複合体は典型的には、２０〜１，０００マイクロメートルの範囲の平均高さを有する。幾つかの実施形態では、熱伝達複合体は、５０〜５００マイクロメートルの範囲の平均高さを有する。幾つかの実施形態では、多様な形状及び／又は大きさが熱伝達複合体を形成するために使用される。
【００５０】
幾つかの好ましい実施形態では、構造化熱伝達物品は、所定の模様形態に配置された複数個の熱伝達複合体を含む。複合体の少なくとも幾つかは、精密成形された研磨複合体であってもよい。幾つかの実施形態では、複合体は実質的に同じ高さを有する。構造化熱伝達物品は典型的には、表面積１平方センチメートル当たり少なくとも約１，２００の複合体を包含する。
【００５１】
本開示の構造化熱伝達物品は、典型的には、２０〜１，０００マイクロメートルの範囲の平均厚さを有する。幾つかの実施形態では、構造化熱伝達物品は、５０〜５００マイクロメートルの範囲の平均厚さを有する。
【００５２】
本開示の構造化熱伝達物品は、例えば熱サイホンのような冷却システムの中で使用され得る。構造化熱伝達物品は、熱発生装置又は熱発生装置と熱伝達する熱放散装置に直接適用され得る。
【００５３】
本開示の構造化熱伝達物品は典型的には、１平方センチメートル当たり少なくとも１０ワットの熱流束において、１平方センチメートル／℃当たり少なくとも３ワットの熱伝達率を有する。幾つかの実施形態では、本開示の構造化熱伝達物品は、１平方センチメートル当たり少なくとも１０ワットの熱流束において、１平方センチメートル／℃当たり少なくとも６ワットの熱伝達率を有する。
【００５４】
本開示の構造化熱伝達物品の利点及び他の実施形態は次の実施例により更に説明されるが、これらの実施例の中に列挙された特定の材料及びそれらの量、並びに他の条件及び詳細は、本開示の構造化熱伝達物品を過度に制限すると解釈されるべきではない。例えば、金属体前駆体を形成するために使用された金属は異なり得る。割合及びパーセンテージはすべて、特に明記しない限り、重量による。
【実施例】
【００５５】
【表１】
2009515362.tif 000003
【００５６】
構造化熱伝達物品が調製され、沸騰実験が以下に記載された方法を使用して行われた。
【００５７】
試験方法
プール沸騰
構造化熱伝達物品のための基材が、直径５．８ｃｍの機械加工された厚さ０．３１７ｃｍの銅円盤から製造された。これらの円盤の１つの表面は、約２ミリメートルの深さに機械加工され及び円盤中心線のところで終了する１ミリメートルの熱電対溝を含有した。対向する表面の中央の２．５４ｃｍの直径は、多孔質構造が適用された表面であった。金属体前駆体は、拡散ポンプオイルと最初に混合されて粘土様の混合物を作り出し、これは次に試験円盤のマスクされた表面に適用された。混合物は次に、約１ミリメートル長の側壁を有する立方体角部の配列を有するポリカーボネートのモールドを用いて型打ちされて、構造化されたコーティングを作り出した。
【００５８】
構造化熱伝達物品は、真空炉の中に入れられた。圧力が水銀の０．００１ミリメートル未満に低減され、一方炉温度は、１分当たり約１４℃で３００℃まで上昇され、及び３００℃で１５分間保持されてオイルを除去した。炉は次に、１分当たり約１４℃で８５０℃まで加熱され、次いで真空が中断され及び部品が取り除かれる前に室温近くまで冷却された。
【００５９】
装置は、多くの試験用構造化熱伝達物品の迅速な試験を可能にするように構築された。装置は、３１．８ミリメートル×３１．８ミリメートル及び高さ３ミリメートルの正方形の銅の基盤、及び正方形の基盤の１つの表面から３ミリメートル突き出した直径２８．５ミリメートルの丸い隆起領域を有する銅台座の加熱器を含んだ。丸い突起の平らな表面は、平らに粗研磨されて、研磨された。２５．４×２５．４ミリメートルのカプトン加熱器（Kapton Heater）（ミンコ（Minco）ＨＫ５３１８Ｒ７．６Ｌ２４Ｅ）が、正方形のケースの露出面に、熱伝導エポキシ（３Ｍスコッチ−ウェルド（3M Scotch-Weld）ＤＰ４６０−ＥＧＡｌ１、ミネソタ州セントポール（St. Paul）、３Ｍ社（3M Company）から入手可能）を使用して付着された。
【００６０】
加熱器がシリコーンゴム化合物の中に投入され、これは直径５５ミリメートル及び高さ１３ミリメートルの円盤を形成した。シリコーンの上面は、加熱器の平らに粗研磨された表面とぴったり重なった。銅加熱器の外径から２ミリメートルのシリコーンの上に定置された小さい熱電対が、試験円盤又は壁温度Ｔｗを測定するために使用された。
【００６１】
試験物品を実装するために、少量の銀グリースが最初に加熱器表面に適用された。試験用構造化熱伝達物品が次に、円盤が熱電対を押下するようにシリコーン及びグリースを付けられた加熱器表面の上に定置された。ＰＴＦＥガスケットを有する内径２８ミリメートルのガラス管が、試験用円盤の上に固定されてその周囲を封止した。３Ｍノベック・エンジニアド・フルーイドＨＦＥ−７０００（3M Novec Engineered Fluid HFE-7000）（ミネソタ州セントポール（St. Paul）３Ｍ社（3M Company）から入手可能）の約２０ミリリットルが次に管の開放上部を通じて添加された。水冷コンデンサコイルが管の上部に挿入された。銅コイルの底部と流体のメニスカスの上部との間の領域にある熱電対が、流体飽和温度、Ｔｓａｔを測定するために使用された。
【００６２】
自動データ収集システムが、ＤＣ電圧、Ｖを加熱器に適用した。電圧は４ＶＤＣで始まり、３分ごとに２ＶＤＣの増加分で、電圧が前もって設定された限界を超えるまで増加した。次に進む前に、１００の温度測定を平均することにより、各データ点が記録された。平均電圧が二乗され、その最大温度での加熱器抵抗、Ｒにより割られ、試験用円盤のコーティング表面の面積により割られた、加熱器への熱流束、Ｑ”が記録された。
【００６３】
【数１】
2009515362.tif 000004
【００６４】
熱伝達率、Ｈは、次に以下のように計算される。
【００６５】
【数２】
2009515362.tif 000005
【００６６】
本発明の実施例が、金属体前駆体Ａを使用して、上記のように調製され及び試験された。実施例１についての熱伝達率対熱流束が、図７に作業流体が示されるように、３ＭノベックＨＦＥ−７０００（3M NOVEC HFE-7000）を用いて測定された。
【００６７】
構造化熱伝達物品の構造及び機能の詳細と共に、上記説明及び実施例の中で説明された本開示の構造化熱伝達物品の数々の特徴及び利点においてさえも、その開示は一例に過ぎないことは理解されるべきである。特に本開示の原理の範囲内での金属体の形状と大きさ及び使用方法に関して、並びにそれらの構造及び方法の等価物に関して、添付の「特許請求の範囲」を表現する言葉の意味が示す十分な範囲まで、詳細に変更を行うことができる。
【００６８】
これらの図は、理想化されており、縮尺に合っておらず、本開示の構造化熱伝達物品を単に例証することを目的としており、限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本開示の構造化熱伝達物品の斜視図。
【図２Ａ】本開示の構造化熱伝達物品を製造するために使用された２つの代表的な金属体前駆体の側面図。
【図２Ｂ】図２Ａに示された２つの代表的な金属体前駆体の横断面図。
【図２Ｃ】本開示の構造化熱伝達物品の方法を使用して２つの本体を共に付着するために隙間要素が形成された後の、図２Ａに示された２つの代表的な金属体の側面図。
【図３】本開示の代表的な構造化熱伝達物品の一部分の代表的な斜視図。
【図４】本開示の代表的な構造化熱伝達物品の一部分の代表的な断面図。
【図５】コーティングされたダイヤモンドを含む代表的な複合体前駆体断面図。
【図６】本開示の構造化熱伝達物品を製造するための代表的な装置の概略図。
【図７】代表的な実施形態の実験結果を示すグラフ。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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