(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側円筒チューブと、
前記外側円筒チューブに熱的に結合されて、前記外側円筒チューブ内に配置された異方性熱材料であり、積層された複数の平面状の層を有する異方性熱材料と、
を有する異方性熱導管。
【請求項２】
前記異方性熱材料は、前記外側円筒チューブの縦軸に沿って、前記縦軸に垂直な方向に沿った前記異方性熱材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持つ、請求項１に記載の異方性熱導管。
【請求項３】
前記異方性熱材料は、前記外側円筒チューブの縦軸に沿って、前記縦軸に垂直な方向に沿った前記異方性熱材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を持つ、請求項１に記載の異方性熱導管。
【請求項４】
外側円筒チューブと、
前記外側円筒チューブに熱的に結合されて、前記外側円筒チューブ内に配置された異方性熱材料であり、各々が前記外側円筒チューブの縦軸から半径方向外向きに延在する複数の層を有する異方性熱材料と、
を有する異方性熱導管。
【請求項５】
前記異方性熱材料は、前記外側円筒チューブ内の円周方向に沿って、前記縦軸に沿う方向に沿った前記異方性熱材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を持つ、請求項４に記載の異方性熱導管。
【請求項６】
前記外側円筒チューブは熱伝導性金属である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の異方性熱導管。
【請求項７】
前記外側円筒チューブは金属、セラミック、又はプラスチックである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の異方性熱導管。
【請求項８】
前記外側円筒チューブは、ＭｏＣｕ、ＷＣｕ、Ｗ、Ｍｏ、又はＣｕである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の異方性熱導管。
【請求項９】
前記外側円筒チューブは円形断面を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の異方性熱導管。
【請求項１０】
当該異方性熱導管は内側チューブ又はロッドを含み、前記異方性熱材料は、前記内側チューブ又はロッドと前記外側円筒チューブとの間に配置されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の異方性熱導管。
【請求項１１】
前記内側チューブ又はロッドは円形断面を有する、請求項１０に記載の異方性熱導管。
【請求項１２】
前記内側チューブ又はロッドは、金属、セラミック、ガラス、又はプラスチックである、請求項１０又は１１に記載の異方性熱導管。
【請求項１３】
前記異方性熱材料の熱伝導性が、前記外側円筒チューブの縦軸から半径方向外向きに熱を伝導する、請求項１又は２に記載の異方性熱導管。
【請求項１４】
前記異方性熱材料は、前記外側円筒チューブの縦軸に垂直な基底面を持つ、請求項１に記載の異方性熱導管。
【請求項１５】
前記異方性熱材料は、前記外側円筒チューブの縦軸に平行な基底面を持つ、請求項１に記載の異方性熱導管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、概して熱導管（サーマルコンジット）に関し、より具体的には異方性の熱導管に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術的に知られているように、数多くの用途で熱導管が使用されている。１つの用途は、ヒートスプレッダにあり、これは時々、熱源から熱を抜き出し、そして、運び出す熱をヒートシンクまで輸送することにおける、熱伝達インタフェースとしても参照される。また、堅牢で高信頼性のヒートスプレッダを作製するためには、ヒートスプレッダと熱源との間で熱膨張係数（ＣＴＥ）を近く一致させるべきであるとともに、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間でＣＴＥを近く一致させるべきである。例えば、電気的な用途において、これら追加のインタフェースは、熱性能の低下及び電気的寄生成分の増加をもたらし得るものであり、それにより、電気損失を増大させ、効率を低下させ、且つ／或いはシステム設計にコスト及び複雑さを加えてしまい得る。
【０００３】
ヒートスプレッダ設計に関する現行手法は、低ＣＴＥで典型的に低めの熱伝導率の材料と、例えば銅などの高熱伝導率で典型的に高熱膨張の材料との間に、中間ヒートスプレッダによる移行を付加してきた。というのは、多くの用途において、高熱伝導率の金属と低熱伝導率の半導体との間のＣＴＥミスマッチインタフェースが大きすぎて、直接的な移行を信頼性高く作製することができないからである。このアプローチは、追加の熱的及び電気的なインタフェースに起因して、設計の複雑さ、コスト、及び性能損失を付け加えてしまう。
【０００４】
技術的に知られているように、熱分解グラファイト（Thermal  Pyrolytic  Graphite；ＴＰＧ）材料は、熱伝導率が基底面内では〜１６００Ｗ／ｍ・Ｋ（銅の４倍）であり、基底面に垂直では〜１０Ｗ／ｍ・Ｋ（銅の１／４０）であるというような、非常に異方性の熱伝導率を示す。より具体的には、グラファイトは、異方性構造を有し、故に、例えば、高度に方向性のある熱伝導率及び電気伝導率並びに流体拡散を示し又は有する。よりいっそう具体的には、グラファイトは、六角形の配列又はネットワークをなす炭素原子の複数の層面から成る。六角形に配列された炭素原子のこれら層面は、実質的に平坦であり、互いに対して実質的に平行且つ等距離であるように配向され又は順序付けられる。これら実質的に平坦で平行且つ等距離の炭素原子のシート又は層（通常、グラフェン層又は基底面として参照される）は、共に結び付けられ又は結合され、そして、これらが集まったもの（群）が結晶子にて配列される。熱分解グラファイトのシートは、基底面の堆積表面に平行であり且つ互いに垂直であるａ軸及びｂ軸と、ａ軸及びｂ軸の双方に対して並びに基底面に対して垂直であるｃ軸との、３つの方向軸を持つとして記述され得る。熱分解グラファイトの熱特性は、その構造的な異方性によって強く影響を受ける。熱分解グラファイトは、ｃ軸方向（グラファイトの堆積方向に沿ったものであり、グラファイトが上に堆積される表面の面に対して垂直である）において、優れた断熱材として作用するとともに、ａ軸及びｂ軸を包含する面内で、比較的良好な熱伝導体として作用する。
【０００５】
理解されるべきことには、用語“熱分解グラファイト”（“ＴＰＧ”）は、“高配向性熱分解グラファイト”（highly  oriented  pyrolytic  graphite；“ＨＯＰＧ”）、又は圧縮アニール熱分解グラファイト（compression  annealed  pyrolytic  graphite；“ＣＡＰＧ”）と交換可能に使用されることがある。
【０００６】
これまた技術的に知られているように、ＴＰＧ材料は、図１（基底面を点線で表している）に示すような平面状のヒートスプレッダにおける異方性熱導管として使用されてきた。
【発明の概要】
【０００７】
本開示によれば、外側円筒チューブと、該外側円筒チューブとともに配置された異方性熱材料と、を有する異方性熱導管が提供される。
【０００８】
一実施形態において、異方性熱材料は熱分解グラファイト（ＴＰＧ）である。
【０００９】
一実施形態において、異方性熱材料は、チューブの縦中心軸に沿って、チューブの縦軸に垂直な方向に沿った異方性熱材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持つ。
【００１０】
一実施形態において、異方性熱材料は、チューブの縦軸に沿って、チューブの縦軸に垂直な方向に沿った異方性熱材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を持つ。
【００１１】
一実施形態において、異方性熱材料の熱伝導性が、チューブの縦軸から半径方向外向きに熱を伝導する。
【００１２】
一実施形態において、異方性熱材料は、チューブの縦軸に垂直な基底面を持つ。
【００１３】
一実施形態において、異方性熱材料は、チューブの縦軸に平行な基底面を持つ。
【００１４】
一実施形態において、異方性熱材料は、チューブの縦軸から半径方向外向きに垂直に延在する基底面を持つ。
【００１５】
一実施形態において、異方性熱材料は、チューブ内の円周方向に沿って、チューブの縦軸に沿う方向に沿った異方性熱材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を持つ。
【００１６】
一実施形態において、異方性熱材料は、チューブに埋め込まれている。
【００１７】
一実施形態において、チューブは熱伝導性金属である。
【００１８】
一実施形態において、内側チューブ又はロッドが含められ、異方性熱材料は、内側チューブ又はロッドと外側チューブとの間に配置されている。
【００１９】
一実施形態において、外側チューブは円形断面を有する。
【００２０】
一実施形態において、内側チューブ又はロッドは円形断面を有する。
【００２１】
一実施形態において、外側チューブは金属、セラミック、又はプラスチックとし得る。
である、請求項１に記載の異方性熱導管。
【００２２】
一実施形態において、外側チューブは、例えば、ＭｏＣｕ、ＷＣｕ、Ｗ、Ｍｏ、又はＣｕとし得る。
【００２３】
一実施形態において、熱導管は屈曲可能である。
【００２４】
このような熱導管では、異方性熱材料を金属チューブ壁の内側に埋め込むことが、所望の構成における高熱伝導率及び低熱伝導率の双方を同時に達成する。このような熱導管は、熱源からヒートシンクへの密接な移行を提供する。異方性熱材料が２方向での高い熱伝導を可能にしながら、外部篏合材料として低熱膨張材料を使用することができる。この管状構造は、熱を導く新たなパッケージング概念を可能にするとともに、低ＣＴＥ金属を外部に維持しながら液体冷却を統合する機会を可能にし、ＣＴＥマネジメントのためにマイクロエレクトロニクスパッケージングを含む冷却システム又はサブシステムの内部での移行を排除する。
【００２５】
また、このような異方性熱導管では、銅の重さの１／４である２．２５ｇ／ｃｍ３という密度をＴＰＧが有するので、ＴＰＧを組み込んだヒートスプレッダはまた、ヒートスプレッダの重量を有意に低減することができる。ＴＰＧが、方向性のある熱伝導性を提供し、内側チューブ又はロッドと外側チューブとが、ヒートスプレッダに保護及び機械的強度を提供する。内側チューブは、流体冷却されるシステムの一部として更に使用されることができる。
【００２６】
本開示の１つ以上の実施形態の細部が、添付の図面及び以下の記載にて説明される。本開示のその他の特徴、目的及び利点が、これらの記載及び図面並びに請求項から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術に従った異方性熱材料ヒートスプレッダの斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａ−２Ｄは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を、その製造における様々なステップにて示す一連の略図である。
【図２Ｂ】図２Ａ−２Ｄは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を、その製造における様々なステップにて示す一連の略図である。
【図２Ｃ】図２Ａ−２Ｄは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を、その製造における様々なステップにて示す一連の略図である。
【図２Ｄ】図２Ａ−２Ｄは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を、その製造における様々なステップにて示す一連の略図であり、図２Ｄは、本開示に従った完成した異方性熱導管の斜視図を示している。
【図３Ａ】図３Ａ−３Ｆは、本開示の他の一実施形態に従った、図２Ｄの異方性熱導管にて使用される異方性熱部材の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図３Ｂ】図３Ａ−３Ｆは、本開示の他の一実施形態に従った、図２Ｄの異方性熱導管にて使用される異方性熱部材の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図３Ｃ】図３Ａ−３Ｆは、本開示の他の一実施形態に従った、図２Ｄの異方性熱導管にて使用される異方性熱部材の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図３Ｄ】図３Ａ−３Ｆは、本開示の他の一実施形態に従った、図２Ｄの異方性熱導管にて使用される異方性熱部材の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図３Ｅ】図３Ａ−３Ｆは、本開示の他の一実施形態に従った、図２Ｄの異方性熱導管にて使用される異方性熱部材の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図３Ｆ】図３Ａ−３Ｆは、本開示の他の一実施形態に従った、図２Ｄの異方性熱導管にて使用される異方性熱部材の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図４Ａ】図４Ａ及び４Ｂは、図２Ｄに示された異方性熱導管の例示的な２つの応用を示しており、図４Ａは、熱源及びヒートシンクの表面に対して縦軸を垂直にした、熱源とヒートシンクとの間の導管を示している。
【図４Ｂ】図４Ａ及び４Ｂは、図２Ｄに示された異方性熱導管の例示的な２つの応用を示しており、図４Ｂは、熱源及びヒートシンクの表面に対して縦軸を平行にした、熱源とヒートシンクとの間の導管を示している。
【図５Ａ】図５Ａ−５Ｆは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図５Ｂ】図５Ａ−５Ｆは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図５Ｂは導管の端面図である。
【図５Ｃ】図５Ａ−５Ｆは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図５Ｃは導管の端面図である。
【図５Ｄ】図５Ａ−５Ｆは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図５Ｄは導管の端面図である。
【図５Ｅ】図５Ａ−５Ｆは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図５Ｅは導管の端面図である。
【図５Ｆ】図５Ａ−５Ｆは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図５Ｆは、本開示に従った完成した異方性熱導管の斜視図を示している。
【図６Ａ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図６Ｂ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図６Ｃ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図である。
【図６Ｄ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図６Ｄは端面図である。
【図６Ｅ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図６Ｅは端面図である。
【図６Ｆ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図６Ｆは端面図である。
【図６Ｇ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図６Ｇは端面図である。
【図６Ｈ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図６Ｈは端面図である。
【図６Ｉ】図６Ａ−６Ｉは、本開示の他の一実施形態に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図６Ｉは、本開示に従った完成した異方性熱導管の斜視図を示している。
【図７Ａ】図７Ａ−７Ｄは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図７Ａは導管の端面図である。
【図７Ｂ】図７Ａ−７Ｄは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図７Ｂは導管の端面図である。
【図７Ｃ】図７Ａ−７Ｄは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図７Ｃは導管の端面図である。
【図７Ｄ】図７Ａ−７Ｄは、本開示に従った異方性熱導管の製造のための方法を示す一連の略図であり、図７Ｄは、本開示に従った完成した異方性熱導管の斜視図を示している。
【図８】図２Ｄ、５Ｆ、６Ｉ、及び７Ｄに示された実施形態の熱伝導率を計算するためのモデルにて使用した熱伝導性導管の端面図である。  様々な図中の似通った参照符号は同様の要素を指し示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次いで図２Ａ−２Ｄを参照するに、図示のように、ここでは例えばＭｏＣｕ、ＷＣｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕである外側円筒チューブ１０が設けられる。なお、チューブ１０は、図示のように、ここではＺ軸である中心の縦軸に沿って細長いものであり、理解されるように、チューブ１０は、その直径よりも大きい長さを有していてもよいし、それに等しい長さを有していてもよいし、又はそれよりも小さい長さを有していてもよい。
【００２９】
次に、図２Ｂに示すように、チューブ１０が、Ｚ軸に沿って、各々が半円形の断面を持つ２つの半分部分１０ａ、１０ｂへと切断される。
【００３０】
次に、図２Ｃに示すように、チューブ１０の各半分部分１０ａ、１０ｂそれぞれの内表面１１ａ、１１ｂが、それぞれ、反応性金属ろう付け合金１２ａ、１２ｂで被覆される。ここでは、例えば、インジウム−銅−銀などの反応性金属ろう付け合金を、従来からのろう付けプロセス又は真空ろう付けプロセスにて使用する。例えばチタン又はバナジウムなどの反応性金属が、ろう付けフィラーとして使用され、又はろう付けすべき表面に堆積され得る。
【００３１】
次に、図２Ｃに示すように、反応性金属ろう付け合金１２ａ、１２ｂ上に、それぞれ、ここではＴＰＧ部材である異方性熱材料１４ａ、１４ｂが置かれる。なお、一構成において、（点線１５によって表される）基底面は、縦軸Ｚに平行である。
【００３２】
より具体的に、図３Ａ−３Ｆは、ＴＰＧ部材１４ａ、１４ｂを形成するために使用されるステップを示している。故に、図３Ａを参照するに、ここでは例えばＴＰＧである（理解されることには、他の熱的に異方性の材料が使用されてもよい）熱異方性材料のブロック１７が、例えば従来からの堆積プロセスを用いて形成される。ＴＰＧブロック１７のａ軸及びｂ軸の双方を有する基底面１５は、（ＴＰＧブロック１７のｃ軸に沿う）堆積方向に対して垂直に形成される。堆積方向は、図３Ａに矢印で示されている。上述のように、基底面は点線１５で表されている。
【００３３】
次に、ブロック１７が、図３Ｂに指し示すＴＰＧ材料１７のａ軸及びｃ軸を含む切断平面ＣＰに沿って切断され、それにより、ブロック１７が２つのセクション１９ａ、１９ｂへと分離される。ここではセクション１９ａであるセクション１９ａ、１９ｂのうちの例示的な一方が、図３Ｃに示されており、基底面１５を図示のように向けて位置付けられている。次に、チューブ１０上に反応性金属ろう付け合金を被覆したセクション１０ａ、１０ｂのうちの対応する一方の内表面１３ａ、１３ｂ（図２Ｂ）の内側に嵌る形状の断面を持った、図３Ｄに示すＴＰＧ部材２１を形成するように、図３Ｃ及び３Ｄに示すように、曲面ＣＳ１に沿って、セクション１９ａがＴＰＧ部材２１へと切断される。故に、ここでチューブ１０（図２Ａ）とともに、ＴＰＧ部材１４ａ、１４ｂ（図２Ｃ）は、ｃ軸−ｂ軸の平面内で円形断面を有し、ＴＰＧ部材２１は、図３Ｃ及び３Ｄに示すようにａ軸に沿って延在する。従って、ＴＰＧ材料のａ軸及びｂ軸（基底面１５）は、図３Ｃ及び３Ｄに示す空間Ｘ−Ｙ平面内にある。理解されるべきことには、チューブ１０の内表面１１ａ、１１ｂ（図２Ｂ）は、ここでは円形断面を有するように示されているが、チューブ１０は、楕円形断面、正方形断面、長方形断面、又は何らかの規則的若しくは不規則な多角形断面、又は好ましくは連続した閉ループに沿った断面（この場合、部材２１はその閉ループに沿って切断されることになる）を有していてもよい。
【００３４】
次に、部材２１の内側領域が曲面ＣＳ２に沿って切断されて、図３Ｆに示すようにａ軸に平行な方向に沿って部材２１の中心を通る半円形の穴２５を持つＴＰＧ部材１４ｂ（図２Ｃ）が形成される。理解されるべきことには、ＴＰＧの第２のセクション１９ｂ（図３Ｂ）が、ＴＰＧセクション１４ｂに関して説明したようにして処理されて、一対の整形されたＴＧＰ部材１４ａ、１４ｂ（図２Ｃ）が作り出される。
【００３５】
次に、再び図２Ｃを参照するに、図２Ｃに示すような上側構造２９ａ及び下側構造２９ｂを提供するよう、図２Ｃに示すよう、整形されたＴＰＧ部材１４ａ、１４ｂの各々の露出した表面に、それぞれ、反応性金属ろう付け合金１６ａ、１６ｂが設けられる。
【００３６】
図２Ｃに示すように、上側構造２９ａの底面３０ａ及び／又は下側構造２９ｂの上面３０ｂ（ここでは、例えば、上側構造２９ａの底面３０ａのみ）が、例えばインジウム−銅−銀などの反応性金属ろう付け合金３２で被覆される。
【００３７】
次に、図２Ｃに示すように、縦軸Ｚに沿った一対のＴＰＧ部材１４ａ、１４ｂの半円形の穴２５の中に、ここではロッドである内側ロッド又はチューブ２０が位置付けられる。縦軸Ｚは、図３Ｆに示したようにａ軸に平行である。内側チューブ又はロッド２０は、中実又は中空の金属又はセラミック、例えばＢｅＯとすることができ、又は熱を除去する必要がある不活性なガラスセラミックであってもよい。なお、ここでは、内側チューブ又はロッド２０は、チューブ１０の同じ円形断面を有するように示されているが、内側チューブロッド２０の断面は、チューブ１０の断面と異なっていてもよく、楕円形断面、正方形断面、長方形断面、又は何らかの規則的若しくは不規則な多角形断面、又は好ましくは連続した閉ループに沿った断面を有していてもよい。
【００３８】
次に、上側構造及び下側構造２９ａ、２９ｂが、接合構造内で上側構造及び下側構造２９ａ、２９ｂの間の中央に位置する内側ロッド又はチューブ２０と共にろう付けされて、図２Ｄに示される完成した異方性熱導管２４が生み出される。なお、反応性金属ろう付け合金は、ろう付けの各適用の後に順次行われてもよいし、より少ないろう付け工程へと組み合わされてもよい。例えば、外側チューブ１０が各半分部分１０ａ、１０ｂについてろう付けされた後に、別のろう付けが内側チューブ又はロッド２０を取り付けて半分部分１０ａ、１０ｂを結合してもよいし、ろう付け全体が１つのろう付け処理にて行われてもよい。
【００３９】
次いで図４Ａ及び４Ｂ参照するに、異方性熱導管２４に関する数多くの適用のうちの例示的な２つが示されている。ここでは、異方性熱導管２４のアレイが、熱源３３からヒートシンク３４に熱を伝えるヒートスプレッダとして用いられている。図４Ａは、熱源３３及びヒートシンク３４の表面に対して導管２４の縦軸を垂直にした、熱源３３とヒートシンク３４との間の導管２４を示しており、図４Ｂは、熱源３３及びヒートシンク３４の表面に対して導管２４の縦軸を平行にした、熱源３３とヒートシンク３４との間の導管２４を示している。理解されるべきことには、導管は、図４Ａ及び４Ｂに示されたものとは異なる構成で、熱源及びヒートシンクに対して方向付けられてもよい。
【００４０】
次いで図５Ａ−５Ｆを参照するに、ここでは異方性熱導管２４’とする異方性熱導管を形成することの他の一実施形態が示されている。ここでは、図５Ａに示すように、ＴＰＧ材料の薄いフレキシブルシート４０（ここでは、例えば０．０１５インチ（０．３８ｍｍ）の厚さを有する）が用意される。上面４２ａ及び下面４２ｂは、再び点線１５によって示す基底面（ａ軸−ｂ軸平面）内にある。図５Ｂに示すように、反応性金属ろう付け合金の層４３ａが、内側チューブ又はロッド２０の外壁上に堆積される。図５Ｂに示すように、ＴＰＧ材料の薄いフレキシブルシート４０が、反応性金属ろう付け合金の層４３ａの周りに巻き付けられる。図５Ｃに示すように、ＴＰＧ層４０の外壁上に、反応性金属ろう付け合金の第２の層４３ｂが堆積される。このプロセスが、第２の反応性金属ろう付け合金４３ｂに巻き付けられるＴＰＧ材料の薄いフレキシブルシート４０の第２の層（ここでは４０ａとして指し示す）で繰り返される。このプロセスは、所定の厚さのＴＰＧ材料を有する構造体４５が作り出されるまで繰り返される。図５Ｄに示すように、例えば図２Ｃに関して上述したものなどの反応性金属ろう付け合金１２ａ、１２ｂが、円筒チューブ１０（図２Ａ）の２つの半分部分１０ａ、１０ｂの各々（ここでは半分部分１０ａ）上に置かれる。次に、図５Ｄに示すように、所定の厚さのＴＰＧ材料を有する構造体４５が、金属ろう付け合金１２ａ上に置かれる。次に、図５Ｅ及び５Ｆに示すアセンブリ（組立体）を形成するために、例えば図２Ｃに関して上述したものなどの反応性金属ろう付け合金３２が、円筒チューブ１０（図２Ａ）の２つの半分部分１０ａ、１０ｂのうちの一方（ここでは半分部分１０ａ）上に置かれ、そして、他方の半分部分１０ｂが、所定の厚さのＴＰＧ材料を有する構造体４５を覆って配置される。次に、このアセンブリが、図２Ｃ及び２Ｄに関して上述したように、ろう付けによって処理されて、図５Ｅ及び５Ｆに示すような熱異方性導管２４’が形成される。なお、異方性熱導管２４’は、導管２４’の縦Ｚ軸すなわちＴＰＧのａ軸の周囲に同心円状に配置された、点線１５で表された同心の基底面を有する。
【００４１】
次いで図６Ａ−６Ｉを参照するに、異方性熱導管２４”を製造するための他の一実施形態が示されている。故に、図６Ａを参照するに、ＴＰＧ材料のブロック１７が用意される。次に、図６Ｂに示す構造体６２を作り出すよう、ＴＰＧ材料のｃ軸（ブロック１７の上面及び下面に垂直である；すなわち、点線１５によって表された基底面に垂直である（基底面、ａ軸及びｂ軸を有するＴＰＧ材料の平面に対応するＸ−Ｙ平面内にある））に対応する空間Ｚ軸に沿って、穴６０が機械加工される。次に、図６Ｃ及び６Ｄに示すような丸いドーナツ状の構造体６４を形成するよう、図６Ｂに示した構造体６２が、その外表面を機械加工される。次に、図６Ｅに示すように、構造体６４が半分に切断されて、上側セクション６４ａ及び下側セクション６４ｂが生み出される。反応性ろう付け材１６が、内側チューブ又はロッド２０に設けられ、次いで、上側セクションと下側セクションとの間に形成された穴６０内に配置されて、構造体６６（図６Ｆ）が提供される。図６Ｇに示すように、例えば図２Ｃに関して上述したものなどの反応性金属ろう付け合金１２ｂが、円筒チューブ１０（図２Ａ）の２つの半分部分１０ａ、１０ｂの一方（ここでは半分部分１０ｂ）上に置かれる。次に、図６Ｇに示すように、内側チューブ又はロッド２０とドーナツ状ＴＰＧとを有する構造体６６が、反応性金属ろう付け合金１２ｂ上に置かれる。次に、例えば図２Ｃに関して上述したものなどの反応性金属ろう付け合金１２ａが、円筒チューブ１０（図２Ａ）の２つの半分部分１０ａ、１０ｂのうちの他方（ここでは半分部分１０ａ）上に置かれる。他方の半分部分１０ａが、反応性金属ろう付け合金被覆されたドーナツ状ＴＰＧを有する構造体６６を覆って配置されて、図６Ｈ及び６Ｉに示すアセンブリが形成される。次に、図６Ｈに示したアセンブリが、図２Ｃ及び２Ｄに関して上述したように、ろう付けによって処理されて、熱異方性導管２４”が形成される。なお、異方性熱導管６６は、導管２４”の縦Ｚ軸に垂直な基底面を有する。
【００４２】
次いで図７Ａ−７Ｄを参照するに、構造体７０ａを提供するよう、複数の異方性熱伝導シート４０（ここでは、例えば、図５Ａに関して上述したようなＴＰＧ材料）が、図示のように、規則的に離間されて、切り取られた半円形の構成にて、沿層方向に配置され、反応性金属ろう付け合金１２ａとともに接合されている。故に、複数のシート４０の基底面１５は、示されるように、空間Ｚ軸から半径方向外向きに延在している。シート４０のうち例示的な１つについて、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸が示されており、ａ軸は紙面の中へと向いている。シート４０の内側エッジ７３は、図示のように、半円領域７２ａを形成している。
【００４３】
次いで図７Ｂを参照するに、構造体７０ａに似た第２の構造体７０ｂが形成され、同様に半円領域７２ｂを形成する。図７Ｄに示すような構造体７４を形成するようにして、内側チューブ又はロッド２０が、図示のように、半円領域７２ａ、７２ｂによって形成された穴とアライメントされ、アライメントされた内側チューブ又はロッド２０と構造体７０ａ、７０ｂとが、反応性金属ろう付け合金３２を用いてともに接合される。
【００４４】
次いで図７Ｃを参照するに、形成された構造体７４が、図５Ｄ及び５Ｅに関して説明したようにして、チューブセクション１０ａ、１０ｂそれぞれの内壁１１ａ、１１ｂ（図２Ｂ）に接合されて、図７Ｄに示す異方性熱導管２４’’’が形成される。ここでは、異方性熱材料の熱伝導性は、チューブの縦軸から半径方向外向きに熱を伝導する。
【００４５】
４つの熱異方性導管２４，２４’、２４”、及び２４’’’の、ワット毎メートルケルビン（Ｗ／ｍ・Ｋ）単位で測定される熱伝導率を計算し、結果を以下の表に提示する。理解されるべきことには、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、相互に垂直な軸であって、チューブ１０について言及するものであり、Ｚ軸はチューブの縦軸Ｚに揃えられている。その一方で、ａ軸、ｂ軸、及びｃ軸は、図３Ａに関して上述したように、異方性材料１７について言及するものである。熱伝導率計算に使用したモデルを、４つの構成（すなわち、チューブ２４，２４’、２４”、及び２４’’’）を代表する図８に示す。以下の仮定を行った。すなわち、内側チューブ又はロッド２０は、ここではチューブ２０’であり、それ及び外側チューブ１０は銅からなり、チューブ２０’の内径は、図示のように５ｍｍであり、外側チューブ１０の外径は１０ｍｍであり、内側チューブ２０’及び外側チューブ１０の各々の厚さは０．５ｍｍであり、完成チューブ（２４，２４’、２４”、又は２４’’’）全体で使用されるＴＰＧ層１７の半径方向厚さは、図８に示されるように１．５ｍｍであると仮定した。内側チューブ２０’及び外側チューブ１０の銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋであるとした。ＴＰＧの熱伝導率は、基底面内で１５００Ｗ／ｍ・Ｋ、基底面に垂直には１０Ｗ／ｍ・Ｋであるとした。計算された熱伝導率の値は、薄い反応性金属ろう付け合金層を無視している。
【００４６】
【表１】
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異方性熱管状導管２４（図２Ｄ）の作製により、熱源からヒートシンクまで移行数を減少させる機会（図４）によって性能を高めることができる。ＴＰＧの異方的性質に起因して、以上の例に示したような色々なやり方で熱流を制御することができる。熱は、導管２４”及び２４’’’においてのように、縦軸（Ｚ軸）に垂直な面に沿って放射状に導かれることができ、あるいは、導管２４及び２４’においてのように、主としてＺ軸に平行な面に沿って導かれることができ、設計の柔軟性と、更なるシステム利益の機会とが提供される。
【００４７】
もはや理解されるはずのことには、本開示に従った異方性熱導管は、外側円筒チューブと、該外側円筒チューブとともに配置された異方性熱材料とを含む。この異方性熱導管は、以下の特徴のうちの１つ以上を、独立に、又は他の特徴と組み合わせて含み得る：前記異方性熱材料は、前記チューブの縦軸に沿って、前記チューブの前記縦軸に垂直な方向に沿った前記異方性熱材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持つ；前記異方性熱材料は、前記チューブの縦軸に沿って、前記チューブの前記縦軸に垂直な方向に沿った前記異方性熱材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を持つ；前記異方性熱材料は、前記チューブ内の円周方向に沿って、前記チューブの縦軸に沿う方向に沿った前記異方性熱材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を持つ；前記異方性熱材料は、前記チューブに埋め込まれている；前記外側円筒チューブは熱伝導性金属である；内側チューブ又はロッドを含み、前記異方性熱材料は、前記内側チューブ又はロッドと前記外側チューブとの間に配置されている；前記外側チューブは円形断面を有する；前記内側チューブ又はロッドは円形断面を有する；前記外側チューブは金属、セラミック、又はプラスチックである；前記外側チューブは、ＭｏＣｕ、ＷＣｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕである；前記内側チューブ又はロッドは、金属、セラミック、ガラス、又はプラスチックである；前記異方性熱材料の熱伝導性が、前記チューブの縦軸から半径方向外向きに熱を伝導する；前記異方性熱材料は、前記チューブの縦軸に垂直な基底面を持つ；前記異方性熱材料は、前記チューブの縦軸に平行な基底面を持つ；又は、前記異方性熱材料は、前記チューブの縦軸から半径方向外向きに垂直に延在する基底面を持つ。
【００４８】
本開示の多数の実施形態を説明してきた。そうとはいえ、理解されるように、本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、様々な変更が為され得る。例えば、ロッド２０を中空チューブとすると、そのような中空チューブに冷却剤を通し得る。さらに、ここでは、チューブ１０及びロッド２０が、ここではＺ軸として指定した共通の中心軸を有するが、ロッド２０の中心軸がチューブ２０の中心軸から横方向にオフセットされてもよい。さらには、導管の様々な実施形態を形成するのに使用される材料は、屈曲可能な導管を提供するために可撓性であってもよい。また、チューブ１０は、湾曲した縦軸Ｚを有してもよい。さらに言及しておくべきことには、例えばチタン又はバナジウムなどの反応性金属は、反応性ろう付けフィラーとして混合されてもよく、あるいは、ろう付けすべき表面に堆積されてもよい。これらに代わる接合材料が使用されてもよい。従って、その他の実施形態も以下の請求項の範囲内にある。
【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２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図６Ｉ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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