热控制材料、装置和方法

专利名称：热控制材料、装置和方法
技术领域：
本发明总地涉及用来传递和/或控制两个物体或位置之间的热的材料、装置和方法。具体来说，本发明涉及从各种物体上耗散的热量。本发明具体涉及用于从电子部件、零件和设备上耗散热量的热沉器件、材料和方法。
背景技术：
在上一世纪人类发明和进步最显著的领域之一是电子工业的发展，尤其是应用于通讯和数据处理。电子处理的部件的进步从真空管到半导体，再到大规模集成电路等。这种演变已导致电子设备功能更强大和结构更紧凑。伴随电子设备使用而来的是由这些设备产生的热量。在这些设备中由电能产生的热量起到对其实施能力的一种限制。这种情况特别存在于数字电路中。
由于产生热量，所以，变得需要将热量耗散到外部环境中去。的确，在大功率设备中，使用水冷套和制冷装置来从电子设备中排出多余的热量。然而，这种大容量冷却系统不适用于便携式设备。因此，随着技术研制出越来越小和越来越强大的电子线路，致使在小空间内产生更多的热量，分派给用于热量控制的结构的体积和重量在整个系统的体积和重量中成为一重要的因素。热量控制的要求可因此影响到性能、可靠性、成本和系统的配套附件。
现存的热量耗散装置通常呈热沉(heat sinks)的形式。这些装置包括一与产生热的电气部件传热连通的基板。一系列散热片从基板延伸，这样，由部件产生的热量可被金属传递到整个结构上。使用翅散热片是为了增加表面面积，这样，多余的热量可耗散到周围的空气中去。然而，由于空气基本上是一绝热体，因此，金属热沉的散热片的间距存在一定的限制以及尺寸和体积的限制。
因此，需要有用于热量耗散的新颖的和改进的材料、装置和方法，尤其是从电子部件中耗散热量。还要求热沉具有较高的导热和耗散热效率。对于热沉要求它在较小的体积内提高散热能力。还要求热沉具有降低的生产成本和使用成本。本发明的目的是满足上述这些需要。
发明概要本发明的一个目的是提供新颖和有效的材料，诸如热沉的热管理的装置，以及生产这种装置的方法。
本发明的另一目的是提供用来在两个部位之间传递热能的新颖和有效的材料、装置以及方法。
本发明的还有一个目的是提供材料和具有耗散热的提高了热效率的热沉。
本发明的另一目的是提供材料、热沉，以及生产这种装置的方法，其中，热沉可在一给定的热耗散能力的体积内做得较小。
本发明的还有一目的是提供材料和由该材料制成的热沉，热沉可以降低成本地生产。
本发明的还有一目的是提供材料和由该材料制成的热沉，热沉可以去除金属部件而采用复合材料。
然后，根据本发明提供一热装置，它包括一具有第一和第二端部的热传导体，其中，热传导体包括一热各向异性材料，其沿纵向比沿横向传导更多的热能，而且，其中第一和第二端部中的至少一个包括一具有倾斜于纵向方向定向的表面区域的突出部。该热装置可包括多个突出部，它们可以是同样的形状，并通常沿纵向延伸。各个突出部可包括一表面，它在倾斜于纵向的某个角度定向的平面内延伸，该角度例如约为40°至88°。突出部通常可以是三角形棱柱形、大致的棱锥形、大致的圆锥形或大致的半球形。这种热的各向异性材料可包括一组纵向导热的纤维，它们可包含在一支承的基体内。
本发明还涉及一种用来从一热源传导热的热装置，它包括一热传导体，热传导体包括一从第一端延伸到第二端的纵向导热纤维的系综，其中，第一端包括一适于放置在与热源传热连通的热收集器结构，第二端包括一适于从其中耗散热量的热耗散器结构，而且，热收集器结构和热耗散器结构中的至少一个包括倾斜于纤维的纵向定向的纤维的暴露的端表面区域。纵向导热纤维可以是诸如从聚丙烯腈石油沥青、煤焦沥青、合成沥青等衍生的碳纤维。导热体可由一种材料形成，其中，所述的纵向传热纤维的系综嵌入在支承基体中，基体可以是导热的或绝热的，例如，聚合物，其包括环氧树脂、橡胶和塑料、粘结沥青、铝和铜，还可包括一添加剂，例如嵌入在其中的石墨、铝或铜。该材料可以至少是60％的碳。
本发明还提供一种用来从一热源传导热的热装置，它包括一热传导体，该热传导体包括一从第一端延伸到第二端的纵向导热纤维的系综，其中，第一端和第二端中的至少一个包括至少一个由一第一截面的基部形成的突出部、一比第一截面小的第二截面的峰部分以及在基部和峰部之间延伸的至少一个侧壁。第一截面和第二截面各可选自圆形、椭圆形和多边形几何形，并可以是不同的几何形或几何全等形(congruent)。第一端或第二端可包括多个突出部，它们可按一规则的阵列对齐。侧壁可在一与所述纤维的纵向方向交成某一角度的平面内延伸，该角度大于零度小于90°，即“倾斜于”纵向，并可包括倾斜于纤维的纵向定向的纤维的暴露端表面区域。
本发明还涉及一用来从热源耗散热量的热沉，它包括一热传导体，它包含一从第一端延伸到第二端的沿纵向热传导的纤维系综，且其中，第二端包括一具有端表面区域的热耗散结构，该端表面区域的至少某些纤维暴露和倾斜于纤维的纵向定向。
本发明此外还涉及一种用于从热源传导热的热装置，它包括一由柔性材料形成的支承基体以及一沿纵向延伸、由一各向异性材料形成的传导热的纤维的系综，该材料沿纵向比沿横向传导更多的热能，纤维可嵌入在支承基体中，它们可以是弹性的或热变形的，并可以是环氧树脂、粘结沥青、橡胶、塑料、铝或铜。
本发明还涉及一种用于从热源传导热的热装置，它包括一热传导体，该热传导体包含一沿纵向延伸、由一各向异性材料形成的热传导的纤维的系综，该材料沿纵向方向比沿横向方向传导更多的热能，纤维编织在一起。热传导体可设置在一绝热的护套内。
还设置一热控制装置，它包括一复合体，该复合体由嵌入在一第一材料的支承基体内的沿纵向热传导的纤维的系综形成，该复合材料具有一基底以及，至少一个从基底沿纵向延伸的突出部，至少有些纤维从基底沿纵向在突出部内延伸，以在端表面内终止，使至少某些端表面倾斜于纵向定位。
还提供一种形成热控制装置的方法，该方法包括将多个沿纵向热传导的纤维组装成具有一纵轴线的沿纵向延伸的系综；切割至少某些纤维，使至少某些纤维具有倾斜于纵轴线定向的端表面。
提供一种从热源耗散热的方法，该方法包括提供一具有热传导体的热传导装置，该热传导体由一沿纵向延伸到其第二端部分的第一端部分形成，其中，该热传导体由一热各向异性材料形成，该材料沿纵向比沿横向传导更多的热能，且其中，热传导体的第一端部分和第二端部分中的至少一个包括至少一个具有倾斜于纵向定向的表面区域的突出部；以及，用热装置的第一端部分和第二端部分中的一个接触该热源，由此，在第一端部分和第二端部分中的另一个处从热源耗散热量。
最后，本发明涉及一种电气组件，该电气组件包括至少一个在使用过程中产生热的电气部件；以及，一与该电气部件热连通的热沉，该热沉包括一热传导体，该热传导体包括一从第一端延伸到第二端的沿纵向热传导的系综，且其中，热传导体的第二端形成为一热耗散结构，该结构具有至少某些纤维暴露并倾斜于纤维的纵向定向的端表面区域。
如参照诸附图，从下面对本发明示范的实施例作的详细的描述中，可以更加容易地认识和理解本发明的上述的和其它的目的，在诸附图中附图的简要说明

图1是根据现有技术的一金属热沉的立体图；图2是图1的热沉的侧视的立面图，示出与其相关的一电子部件；图3是碳纤维合成物的一切片的侧视立面图；图4是碳纤维合成物的一切片的侧视立面图，示出一散热片的结构；图5是根据本发明的第一示范实施例的代表性的热沉的立体图；图6是沿图5的线″6-6″截取的截面图；图7是在图3所示的平板结构的热沉中的热传导纤维的概图；图8是在图5和6的热沉几何构造中的热传导纤维的概图；图9是一在现有技术中熟知的拉挤成形系统的概图；图10是根据本发明的一拉挤成形的复合的纤维块的概图，示出其上的切割而形成图5的热沉；
图11是根据本发明的另一实施例的热沉的变型的几何形的侧视立面图；图12是示出根据本发明的热沉的第二变型的实施例的立体图；图12(a)是图12的热沉的一单一的突出部的立体图；图13是拉挤成形块连同其切割图形以形成图12的热沉的立体图；图14是使用本发明的热沉材料的一热管的截面图；图15是用来容纳电子设备的外壳的截面图，说明本发明的热沉材料的使用；图16是示出根据本发明的热沉的第三变型的实施例的立体图；图17是示出根据本发明的热沉的第四变型的实施例的立体图；图17(a)是第四变化的实施例的又一变型的立体图，其具有一体地形成在其表面上的电气部件；图18是示出根据本发明的热沉的第五变型的实施例的立体图；图19是示出根据本发明的热沉的第六变型的实施例的立体图；图20是示出根据本发明的一编织的纤维热装置的一部分的俯视平面图；图21是示出根据本发明的一柔性热装置的侧视截面图；图22是示出一热连接和控制机构的侧视截面图；以及图23是示出处于分离状态的图22的热连接和控制机构的侧视截面图。
本发明的详细描述本发明总的涉及用于热控制的材料和装置，以及生产这种材料和装置的方法。本发明具体涉及热沉，它具有从诸如计算机处理单元、微芯片等的电子部件上有效地耗散热量的能力。然而，应该理解的是本发明不只限制于用于上述应用的热沉。的确，根据本发明的热控制装置可用作用于变压器、扼流圈、线路板、罩壳部件和其它电子设备的热沉。此外，本发明的概念可用于其它的热沉或非电子工业中的热应用中。
概括地来说，根据本发明的热沉使用一拉挤的碳纤维群，其中，多个纵向碳纤维浸渍在或镶嵌在一树脂或其它基体内。合成复合材料然后切割出选定的几何形，它提高了高效热传导碳纤维细丝的热耗散容量。可使用目前已知的或此后研制出的其它材料显示出可比拟的热传导的特性。参照图1和2，图中示出一根据现有技术的热沉10。这里，该热沉10由金属形成，并包括一呈平矩形形式的基板12。多个散热片14垂直于基板12延伸，且与基板一体地形成。散热片14平行地定向，互相保持隔开的关系，这样，具有设置在其间的敞开区域16。如图2所示，仅为了说明的目的，一电子部件18固定在热沉10的基板12上并与它热力连通。然后，由电子部件18产生的热通过基板12和一体的散热片14传导，这样，它可耗散到周围环境中去，周围环境通常是空气。热沉10关键是依赖于由散热片14提供的扩大的表面以辐射和对流方式从电子部件18中耗散热量。这之所以成为可能是因为金属在其热传导特性上是各向同性的。
众所周知，所有热控制系统的目的是从诸如电子部件18的电子热源中有效地除去热量，传递到周围的或人造的冷却环境中。热控制可分离为三个主要阶段(1)在电子器件内的热传导过程；(2)从器件到热耗散器的热传导；(3)从热耗散器到周围的或人造的冷却环境的热传导。热流过一材料的流动率正比于垂直于热流的面积和沿流道的温度梯度。对于一维的稳态热流，该流动率可用富利埃定律表达为k＝(q/A)×(d/ΔT)式中k＝热导率q/A＝热通量(瓦特/单位面积)d＝热流道长度ΔT＝温度梯度热导率k是一均质材料的固有特性，它描述该材料传导热的能力。该值越大意味着该材料对于给定的温度梯度可传导更大的热通量。由电子器件产生的热量必须移到周围的环境中去，以确保器件可靠的操作，这需求一到耗散点的热传导的路径。
任何热控制系统的效率中的一个主要因素由用于热控制系统中的材料的热导率确定，以获得和传输由产生热的部件产生的无用的热能。假定耗散方法可有效地从获得的介质表面移去无用的热能，且移去的速率等于或快于其获得的速率的话，则用作为获得和传输无用的热能的材料的热导率越高，则系统变得越有效。
用于热控制的具有高热导率的传统的金属包括银、铜和铝。然而，如本发明所证实的，呈沥青纤维形式的纯碳对于热控制提供重要的改进。纯碳晶体结构理论上沿其晶体对齐的纵向可超过2000+W/m-k，并用来产生一沥青基的石墨纤维或细丝，它可用作高级工程材料制造中的高强度增强，以及高的热传导的介质。
金属是各向同性材料，在各个方向上具有相同的特性。各向同性材料的测得特性与测试的轴线无关，而高级纤维在本质上是各向异性的，因此，当沿不同方向的轴线测试时呈现出不同的特性。
对于复合材料的热导率可由下式求得Kx＝KLVfsin2fKy＝KLVfcos2fKz＝基体的热导率高热导率复合热沉的益处示于下列表中材料比较

当为沿给定的特定载荷设计各向同性的金属时，需要有足够的金属来支承沿给定的载荷，然而，过多的金属将存在于没有高度加载的方向，这导致一较重较大体积的结构。可设计一纤维加强的复合来支承该载荷；然而，纤维可定向在带有定向在没有高载荷的方向的最少过度纤维的载荷方向，其结果导致具有较高特定强度、热特性和较小的重量结构，因此要求较小的体积。
正因为一高强度的碳纤维可传导和支承沿纤维纵向轴线的载荷，所以，一高传导热的石墨纤维(1000+W/m-k)将沿纤维的轴线传导一热载荷，能使无用的热迅速地从热源移出并沿一高传导热的通道传输，该通道通过将纵向纤维轴线放置到一耗散点上、降低热阻而形成，这样，该结构在传热上变得更有效。
使用诸如高热传导碳纤维的各向异性材料的问题在于缺乏可供的耗散面积。参照图3，从图中可见，单一的平行六面体的热沉20由多个镶嵌在一树脂基体24内的纤维22组成。即使每个纤维22可以是高导热并大于金属的导热量级，但纤维的总的端部的表面面积显著地小于热沉10的基板12和散热片14组合的面积。这样，由于降低了表面积，所以，丧失了由纤维的热传导率所获得的有利之处。的确，表面面积的丧失支配热传导率的增加。
可以想到，提供带有矩形散热片的复合的热沉可克服这种减少的面积。然而，参照图4，可见事实并不是那么简单，这里，热沉30由带有多个矩形散热片34的一基底32形成。再者，导热纤维32镶嵌在一树脂基体38内。从图3和4的比较中可以看出，热沉30的总的辐射表面面积等同于热沉20。尽管如果树脂基体是热传导的，可获得某些优点，但这样的热传导的树脂不会最大程度地提高热耗散的能力。因此，尽管图4的热沉30可以说是对热沉20的一种改进，但改进本发明的其它几何形的设计是较佳的。
这样的一种设计示于图5中。这里，热沉40构成具有一基底42和多个散热片44，它们各呈三角形截面或呈三棱柱形。如图6所示，热沉40还是由镶嵌在树脂基体48内的多个导热纤维46组成的。现可参照图7和8来认识热沉40的优点，图7和8分别代表图3或4和图5和6的热沉的单个纤维的截面图。在对应于热沉20或热沉30的图7中，为说明起见，假定各导热纤维22(或36)的横截面为具有宽度“d1”的正方形。因此，可供每个纤维耗散热的的表面面积是d12。由此，耗散热的面积是nd12，其中，“n”等于可供的热传导纤维的数量。
然而，利用图5和6的热沉的结构可以看到由于形成三角形的散热片44，所以，面积显著地增加。现参照图8可以看到对每个正方形纤维，纤维的长度“d2”等于“d1/cosa”，其中，“a”是一角度，是散热片44的边50相对于垂直于纤维方向的平面“P”而形成的角。因此，各个导热纤维的耗散面积将等于“d12/cosa”。对于相同数量的纤维，它对应于类似尺寸的基底，耗散面积等于“nd12/cosa”，其中，“n”是如上的纤维的总数。因此，本技术领域内的普通技术人员将会理解到热耗散面积可随着锐角“a”的增加而显著地增加。自然地，散热片的高度将随正弦而增加并受到特定应用的约束的限制。具有尽可能接近90°的锐角“a”的散热片将最大程度地提高耗散面积；然而，实际的考虑会将角度“a”限制在40°至约88°的范围内。总之，耗散表面将倾斜于纵向纤维的方向。“倾斜”是指角度大于0度小于90度。在当前的或将来的材料和制造约束内，最大的耗散面积将发生在尽可能靠近90°的地方。
应该认识到本发明构思的热沉由各种热的各向异性材料形成，这种材料沿一个方向比横向于该方向的其它方向更有效地传导热能。例如，尽管有经济上的限制，但金刚钻沿分子对齐的方向具有高的热传导性。特别考虑用于本发明的材料包括各种用于本技术领域内的碳纤维复合物，例如，由BP Amoco(现为Cytec EngineeredMaterials)和Mitsubishi生产的碳纤维复合物。这种碳纤维复合物通常包括热的各向异性的纤维，它们由各种先质(precursor)形成，例如聚丙烯腈、石油沥青、煤焦沥青、合成沥青等，它们经受各种处理步骤，包括在惰性气氛中渗碳/石墨化，并进行熔体纺丝产出纵向热传导碳纤维细丝。例如，Cytec的ThermalGraph6000XPanels完全由定向的沥青基的石墨纤维制成，最小的石墨体积含量为60％，并可渗透到金属或诸如氰酸盐酯树脂的聚合物，以优化导热和机械特性。它们的热导率达到550W/mk至800W/mk的范围内。Mitsubishi也以牌号DIALEAD的煤焦沥青碳纤维热传导纤维提供这样的碳纤维复合物。例如，Mitsubishi纤维K13C1U、K13C2U和K13D2U包括直径为10μm和11μm和热导率为620W/mk和800W/mk的细丝，它们镶嵌在Cytecfiberite 934(350°F环氧树脂)树脂内。
碳纤维细丝本身可单独地获得，并用来通过利用一要求的支承基体形成一理想的复合物，这样的聚合物包括环氧树脂或其它树脂，橡胶火塑料、粘结沥青或诸如铜或铝的金属，它们还可镶嵌在诸如石墨、铜或铝的其它材料内。例如，可使用Cytec的ThornelK-1100连续沥青基纤维的碳纤维，它们具有10微米的直径和900-1000W/mk的纵向热导率。可使用Shell 828或826环氧树脂用作支承基体，可选择地镶嵌诸如金属或石墨的导热填料。或者，可使用诸如各种聚合物的绝热基体，以使热传导沿着纤维纵向地而不侧向地传导。
用来拉挤复合材料的、根据现有技术的一成形相同的概图示于图9中。这里，从图中可见拉挤系统60起始于多个线轴62，各线轴馈送纤维线64进入导丝器66，这样，诸线的平行的系综68被校准前进到浸渍槽70。应该理解的是系综68将具有的密度范围在纤维体积的50％至80％。拉力组件72用来拉系综68通过浸渍槽，其中，纤维64嵌入在树脂基体或如上所述的其它支承基体内，以使它们保持在粘着的质量中。镶嵌的纤维被拉力组件72张拉通过加热模74内，其中，树脂被固化成复合杆76。然后，杆76前进到切割锯78中，其中，它被切割出要求的长度。通常地，切割锯78可以是工业界已知的水喷注刀、金刚钻刀片或诸如此类的切割工具。切割锯78可如本行业内熟知的方式用计算机进行控制。应该认识到杆76可具有任何截面几何形，例如，圆形、多边形或其它已知的或该技术研制的几何形。
为了形成图5的热沉，切割锯78必须合适地切割复合杆。因此，如图10所示，杆76交替地经受呈锯齿形切割80和横向切割82形式的切割。因此，对每个横向切割82，凭借居间的锯齿形切割80形成一对热沉40。
参照图11，图中示出根据本发明热沉的一第一变型的几何形。这里，热沉140形成为具有一基底142和多个散热片144。从上面的讨论中可认识到各散热片144横截面呈三角形，且具有一边150，它与横向于纤维方向的平面“P”形成一夹角“b”。各散热片144的边152垂直于平面“P”。然而，由于诸散热片144的诸边中的至少一个形成为锐角“b”，所以，普通的技术人员从基本几何形的理解中将会认识到由热沉140提供热耗散的表面面积基本上等同于热沉40的耗散面积。一单一的散热片可在本发明的范围内操作，然而，采用多个散热片，根据容易理解的三角学原理，由阵列的散热片形成并沿纵向测得的热传导结构的总高度被减小了。
甚至还可进一步增加热沉的表面面积。现参照图12，图中示出一第二变型的热沉240形式的实施例，它包括一基底242，从基底上突出多个呈角锥244形式的截头锥。这里，简单的几何计算又可证明相比于热沉40和140的结构，通过角锥244可增加可供使用的耗散面积。参照图12(a)，这样的突出可由下列几何元素形成第一截面292的基底部分290、小于第一截面292的第二截面296的峰部分294以及在基底部分290和峰部分294之间延伸的至少一个侧壁298。第一截面292和第二截面296如图所示呈正方形或圆形、椭圆形、多边形或其它几何形，可以是不同的几何形或几何全等形。还应理解的是为了增加暴露的纤维面积，在现有的或发展的技术状态内可使用诸如锥形、穹顶形或半球形或任何几何形的基底的任何形状的销。包含这种突起的热沉的诸实例示于图17(角锥)、图18(圆锥)和图19(拱顶/半球形)。
参照图13，可以认识到热沉240是如何形成的。这里，假定复合杆76沿“Z”方向前进，交替的横向切割282与X平面的切割280和Y平面的切割281交替地进行，其中，各切口280和281呈锯齿形切口。
现转到图14，图中示出使用本发明的热沉材料的一热管的截面图，显示热沉的一变型结构的应用。在图14中，热管310包括一圆柱形管312，其适于承载不同于环境温度的流体或其它材料。应该理解的是该材料可以是较低或较高的温度，要求从材料和内部314到外部进行热交换。因此，热沉320形成为一具有一圆柱形基底部分322的材料的套筒，该基底适于面对与管312的密切接触。多个径向散热片324沿径向向外突出。由于必须使纤维沿径向延伸，所以，热沉320由平的材料片形成，例如，如图5和12所示的材料。然后，该材料构造成围绕管道312的处于固化或预固化状态的圆柱形状。可选择地是管道312可被抽出而离开形成的热装置。
在图15中，图中示出本发明的热沉材料的另一变化的实施例。这里，用于设备的一外壳410由一护罩412形成，该护罩可由玻璃纤维加强塑料制成。护罩412的各侧具有侧壁414，它们与外壳416接触并被其支承，在图15中，为了图示起见，外壳416形成为正方形截面。外壳416可以是与护罩412粘结或互相固化的塑料材料。然而，应该理解的是护罩412和外壳416可由不同材料形成。护罩412还具有各自垂直于其对应的壁414的边缘壁418，并使相邻的壁418连接于角420。然后，热沉430安装在诸角420之间。各个热沉430具有一基底432和多个散热片434，它们向外突出进入到凹腔436内。凹腔436形成为在基底432与对应的侧壁414之间的空间。
因此，形成一内部440，诸如变压器、扼流圈、线路板以及实际上任何类型和种类的其它的电子设备可安装在该内部440。然后，热沉430工作，从而将热从内部440耗散到凹腔436。如果需要的话，凹腔436可连接到合适的空气流、液体冷却介质中，以便从散热片434上移去热量。此外，应该理解的是在其它应用中，可需要形成在壳体416和护罩412上的诸端口，例如端口450。这些端口450允许空气循环进入区域436。应该理解的是可以使用任何类型的与热沉430热交换介质技术，且没有任何限制。
图16示出根据本发明的一热沉340的另一实施例，它包括一从第一端342到第二端346传导热的细长结构，它包括多个凸起344，该凸起具有倾斜于纵向L定向的表面345。热沉345由一各向异性材料形成，例如，如上所述的复合碳纤维基体，它有效地沿纵向L传导热能，并如上所述从凸起344耗散热。
如以上简明地所述，图17-19示出包含各种变化的凸起的热沉。热沉700、800和900各自分别地包括一基底702、802和902以及多个凸起704、804和904。凸起704呈大致的角锥形，凸起804呈大致的圆锥形，而凸起904呈大致的穹顶或半球形。从以上所述可以认识到可构思出对这种凸起的数量、尺寸、间隔和几何形的其它各种的改型，以及对基底和热沉本身的尺寸和形状的各种变体。
参照图17(a)，本发明构思包括集成在其上的电气部件的热控制装置。例如，电子线路板750包括一大致对应于图17中所示热沉700的热沉760以及一设置在其表面上的电气部件770。具体来说，电气部件770可设置在热沉760的基底790的底表面780上。电气部件770可用任何已知方法形成在热沉760上，包括如在本技术领域内熟知的蒸发沉淀和蚀刻技术。在操作过程中由电气部件770产生的热，如上所述，被热沉760耗散。
参照图20，图中示出一编织的碳纤维导热装置440。这里，各包含多个碳纤维细丝的诸股444以本技术领域内任何熟知的编织形式编织在一起。在第一端442处收集的热可沿股线444的长度传输到第二端446。这样一编织的结构可设置成任何要求的尺寸，例如按要求的长度和横截面，并可用来沿相当的距离沿纵向传输热量。这样一编织的结构可以是相当柔软的，因此，允许在要求的热收集部位与热耗散部位之间按要求定位热传导装置440。应该认识的是热传导装置440还可设置有一包围的护套，它由诸如橡胶等材料形成，以便保护股线444免遭磨蚀或磨损。
参照图21，图中示出根据本发明热传导装置540的另一实施例。这里，该热传导装置540由诸如弹性的或热变形的柔软材料形成，这样，热传导装置540的本体550可按要求弯曲一角度。支承基体本身可由柔软的或热变形材料形成，例如塑料、橡胶或诸如铝或铜的金属，或者，通过有选择地溶解掉支承基体材料，从而仅留下柔软的镶嵌的碳纤维，热传导装置540的本体550可在选定的部位做成柔软的。可从第一端542处的收集结构560将热传输到第二端546处的耗散器结构570。然而，应该认识到的是如上所述的热传导装置和热沉还可反向于上述方向定向。例如，结构570可设置在待耗散热的区域，例如邻近电气部件，且结构560放置在一冷却器环境中，从而，热被收集在第二端546并传输到待耗散的第一端542。这样，这里所用的热收集器结构和热耗散器结构应理解为包括对于根据本发明的热沉所讨论的任何的各种形状和几何形。
图22和23涉及一连接机构和热调节器，它们使用这里对于上述热沉所讨论的几何形。这里，连接器650由多个纵向延伸的凸起644形成，它们的尺寸适于与一结构接合，例如如图21中所述的耗散器结构570接合。当在连接器650中对齐的诸碳纤维的端部与在耗散器结构570中对齐的碳纤维的端部接合时，热可从其间传导。然而，如图23所示，连接器650可离耗散器结构570移动，以便调节其间热能的流动。应该认识到的是根据连接器650移离耗散器结构570的程度，可形成绝缘的空气或各种尺寸的其它的热调节流体囊660，由此，可变化能量传输率。
因此，除了生产由本提议构思的基本的热沉，本技术已扩展应用来生产电子线路板，外壳和其它复杂结构。它们将集成的热控制系统包含在一大型结构中，以提供空间和/或重量的优化，并提高结构和环境特性。用高传导的石墨纤维生产的热部件可具有捕获和传输比金属更多的每单位面积的热载荷；该热载荷可从捕获点(acquisition point)被引导到耗散点，耗散点可以是在结构内、在结构上或远离结构的任何地方的冷却通道或大气点。对于热控制/结构系统，可由结构与高热传导纤维的混成，并结合绝缘的、结构的和EMI/RFI屏蔽材料来获得。
从以上所述，还应理解到的是任何这些热沉可由各种不同的材料构造。尽管目前认为较佳的材料是诸如石墨的碳基的细丝，但纤维可以是硼材料或其它现在已知的或以后开发出的具有超过普通铝、银或铜的热传导率的材料。然后，这些纤维可粘结在其中的基体(matrix)可以是诸如环氧树脂、聚酯、尼龙等的塑料，或它们可以是金属的基体。该基体可以是那些目前已知的或以后开发出的任何的一种。总之，在大多数的应用中，要求基体本身是热传导的。
最后，应该理解的是本发明构思一种生产上述类型热沉材料的方法。该方法自然伴有在拉挤和切割过程中所述的在加工过程中固有的任何步骤。此外，热沉可形成在固化状态中或与固化前形成为要求的结构的非固化的热固性基体热材料一起形成。
因此，本发明已针对本发明示范的实施例描述了一定程度的细节。然而，应该认识到的是本发明由依据于现有技术的附后的权利要求书加以定义，所以，在不脱离本发明所包含的发明理念的前提下，可对本发明的示范的实施例作出各种改型或变化。
权利要求
1.一种热装置包括(A)一具有第一和第二端部的热传导体，(1)其中，所述热传导体包括一热各向异性材料，其沿纵向比沿横向传导更多的热能，(2)其中，第一和第二端部中的至少一个包括一具有倾斜于所述纵向定向的表面区域的突出部。
2.如权利要求1所述的热装置，其特征在于，所述第一和第二端部中的至少一个包括多个从中延伸出的突出部。
3.如权利要求2所述的热装置，其特征在于，所述突出部呈同样的形状。
4.如权利要求2所述的热装置，其特征在于，所述突出部通常沿所述纵向延伸。
5.如权利要求2所述的热装置，其特征在于，各个所述突出部包括一表面，它在倾斜于纵向的某个角度定向的平面内延伸，这种热的各向异性材料可包括一纵向导热的纤维的系综，它们可包含在一支承的基体内。
6.如权利要求5所述的热装置，其特征在于，所述角度约为40°至88°。
7.如权利要求2所述的热装置，其特征在于，所述突出部选自下面的形状大致的三角形棱柱形，大致的棱锥形，大致的圆锥形或大致的半球形。
8.如权利要求1所述的热装置，其特征在于，所述热的各向异性材料包括一纵向导热的纤维的系综。
9.如权利要求8所述的热装置，其特征在于，所述纤维包含在一支承的基体内。
10.一种用来从一热源传导热的热装置包括(A)一热传导体，该热传导体包括一从第一端延伸到第二端的纵向热传导纤维的系综，(1)其中，所述热传导体的所述第一端包括一适于放置在与热源传热连通的热收集器结构，(2)其中，所述热传导体的所述第二端包括一适于从其中耗散热量的热耗散器结构，以及(3)其中，所述热收集器结构和所述热耗散器结构中的至少一个包括倾斜于所述纤维的纵向定向的所述纤维的暴露的端表面区域。
11.如权利要求10所述的热装置，其特征在于，所述纵向导热纤维是碳纤维。
12.如权利要求11所述的热装置，其特征在于，所述碳纤维是从一先质中衍生，该先质选自下列物质聚丙烯腈、石油沥青、煤焦沥青和合成沥青。
13.如权利要求10所述的热装置，其特征在于，所述热传导体由一种材料形成，其中，所述的纵向传热纤维的系综嵌入在支承基体中。
14.如权利要求13所述的热装置，其特征在于，所述支承基体是导热的。
15.如权利要求13所述的热装置，其特征在于，所述支承基体是绝热的。
16.如权利要求13所述的热装置，其特征在于，所述支承基体选自环氧树脂、粘结沥青、橡胶、塑料、铝和铜。
17.如权利要求13所述的热装置，其特征在于，所述材料还包括一镶嵌在所述支承基体中的添加剂，所述添加剂选自包括石墨、铝和铜的一组群。
18.如权利要求13所述的热装置，其特征在于，所述材料是至少60％的碳。
19.一种用来从一热源传导热的热装置包括(A)一热传导体，该热传导体包括一从第一端延伸到第二端的纵向热传导纤维的系综，(1)其中，所述第一端和所述第二端中的至少一个包括一由下列部分限定的至少一个突出部(a)一第一横截面的基底部分，(b)一小于所述第一横截面的第二横截面的峰部分，以及(c)在所述基底部分与所述峰部分之间延伸的至少一个侧壁。
20.如权利要求19所述的热装置，其特征在于，所述第一截面和所述第二截面各可选自圆形、椭圆形和多边形的几何形。
21.如权利要求19所述的热装置，其特征在于，所述第一横截面和所述第二横截面是不同的几何形。
22.如权利要求19所述的热装置，其特征在于，所述第一横截面和所述第二横截面是几何全等形。
23.如权利要求19所述的热装置，其特征在于，所述第一端和所述第二端中的至少一个包括多个所述突出部。
24.如权利要求23所述的热装置，其特征在于，所述突出部是按规则的阵列对齐。
25.如权利要求19所述的热装置，其特征在于，所述侧壁在一倾斜于所述纤维的纵向成某一角度的平面内延伸。
26.如权利要求25所述的热装置，其特征在于，所述角度约从40°至88°。
27.如权利要求19所述的热装置，其特征在于，所述侧壁包括倾斜于所述纤维的纵向定向的所述纤维的暴露端表面区域。
28.一用来从热源耗散热量的热沉，它包括一热传导体，该热传导体包含一从第一端延伸到第二端的沿纵向热传导纤维系综，其中，所述热传导体的所述第二端包括一具有端表面区域的热耗散器结构，端表面区域的至少某些所述纤维暴露并倾斜于所述纤维的纵向定向。
29.一种用于从热源传导热的热装置包括(A)一由柔性材料形成的支承基体；以及(B)一沿纵向延伸、由一各向异性材料形成的热传导纤维的系综，该材料沿所述纵向比沿横向传导更多的热能，所述纤维可嵌入在所述支承基体中。
30.如权利要求29所述的热装置，其特征在于，所述支承基体是弹性的。
31.如权利要求29所述的热装置，其特征在于，所述支承基体是热变形的。
32.如权利要求29所述的热装置，其特征在于，所述支承基体是选自环氧树脂、粘结沥青、橡胶、塑料、铝和铜。
33.一种用于从热源传导热的热装置包括(A)一热传导体，它包含一沿纵向延伸、由一各向异性材料形成的热传导纤维的系综，该材料沿所述纵向比沿横向传导更多的热能，所述纤维编织在一起，至少某些所述纤维具有以倾斜于纵向的角度构成的端表面。
34.如权利要求33所述的热装置，其特征在于，所述热传导体可设置在一绝热的护套内。
35.一种热控制装置包括(A)一复合体，其由嵌入在一第一材料的支承基体内的沿纵向热传导纤维的系综形成，所述复合体具有(1)一基底，以及(2)至少一个从所述基底沿纵向延伸的突出部(a)至少有些所述纤维从所述基底沿纵向在所述突出部内延伸以在端表面内终止，使至少某些端表面倾斜于纵向定位。
36.一种形成热控制装置的方法包括(A)将多个沿纵向热传导的纤维组装成具有一纵向轴线的沿纵向延伸的系综；以及(B)切割至少某些所述纤维，使至少某些所述纤维具有倾斜于纵向轴线定向的端表面。
37.一种从热源耗散热的方法包括(A)提供一具有热传导体的热传导装置，该热传导体由一沿纵向延伸到其第二端部分的第一端部分形成，(1)其中，所述热传导体由一热各向异性材料形成，该材料沿所述纵向比沿横向传导更多的热能，(2)其中，所述第一端部分和所述第二端部分中的至少一个包括一个具有倾斜于所述纵向定向的表面区域的突出部；以及(B)用所述热装置的所述第一端部分和所述第二端部分中的一个接触热源，由此，在所述第一端部分和所述第二端部分中的另一个处从热源耗散热量。
38.一种电气组件包括(A)至少一个在使用过程中产生热的电气部件；以及一与所述电气部件热连通的热沉，所述热沉包括一热传导体，该热传导体包括一从第一端延伸到第二端的沿纵向热传导的系综，其中，所述热传导体的所述第二端形成为一热耗散器结构，该结构具有至少某些所述纤维暴露并倾斜于所述纤维的纵向定向的端表面区域。
全文摘要
本发明涉及用来从热源传导热的热装置、材料和方法。一实施例包括一热传导体，该热传导体具有第一和第二端部分并包括一热各向异性材料，他沿纵向比沿横向传导更多的热能，其中，第一和第二端部分中的至少一个包括一具有倾斜于纵向定向的表面区域的突出部。多个突出部可设置为各种几何形，例如，角锥、圆锥、三角形棱柱和穹顶。热各向异性材料可包括沿纵向热传导纤维的系综，例如，从诸如从石油或煤焦沥青的先质衍生出的碳纤维，它们可镶嵌在各种材料的支承基体中。
文档编号B32B27/04GK1513068SQ02811111
公开日2004年7月14日 申请日期2002年4月30日 优先权日2001年4月30日
发明者B·L·沃特利, B L 沃特利 申请人:热合成物有限公司