專利名稱：具有粒子網(wǎng)的燒結(jié)槽狀吸液芯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及電子系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能的控制，特別涉及一種與熱管相關(guān)的裝置和方法，用于有效和低成本地按指定路線發(fā)送和控制由一電子系統(tǒng)各部件產(chǎn)生的熱能。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體的尺寸是持續(xù)地不斷縮小的。相對該尺寸的縮小，半導(dǎo)體的功率密度則增大。這反過來造成熱增殖問題，而由于過多的熱量將降低半導(dǎo)體的性能，該問題必須加以解決。熱管是公知的用于將電子裝置所產(chǎn)生的熱量傳送和散發(fā)出去的方式。
熱管利用一工作流體的持續(xù)蒸發(fā)和冷凝將熱能從一熱源傳送至一散熱片。由于多數(shù)的工作流體具有高汽化熱，熱管能夠傳送汽化工作流體中的大量熱能。進(jìn)一步，熱能能夠在熱源和散熱片間以相對小的溫差傳送。熱管通常利用由一多孔滲水吸液芯所產(chǎn)生的毛細(xì)力來將冷凝的工作流體從一熱管冷凝器部分(傳送的熱能在散熱片中散發(fā)的地方)返至一蒸發(fā)器部分(將被傳送的熱能從熱源被吸收的地方)。傳熱片熱管能夠改善從集成電路排熱的情況。傳熱片是一薄的基片，吸收自如一半導(dǎo)體裝置產(chǎn)生的熱能，并將該能傳至散熱片的一大大的面上。
圓柱熱管的熱管吸液芯典型地是由將粘結(jié)金屬的金屬濾網(wǎng)圍一圓柱狀心軸的纏繞所制成，將該心軸和所纏繞的吸液芯插進(jìn)熱管容器內(nèi)，然后將心軸撤走。吸液芯也可由將一金屬粉沉積在熱管內(nèi)表面上所形成，熱管或是平的或是圓柱的，然后燒結(jié)該粉塊以形成大量的間隙毛細(xì)管。典型的熱管吸液芯對發(fā)展中的熱點(diǎn)特別敏感，在這里，被毛細(xì)作用傳送回蒸發(fā)器部分的冷凝液汽化并阻止液體運(yùn)動。在許多現(xiàn)有的熱管中，通過將吸液芯的平均厚度保持在相對嚴(yán)格的容限內(nèi)而使該熱點(diǎn)效應(yīng)基本最小化。
有文獻(xiàn)證明現(xiàn)有熱管的粉末金屬吸液芯結(jié)構(gòu)與其他熱管吸液芯結(jié)構(gòu)相比，具有數(shù)多優(yōu)點(diǎn)。那些吸液芯的一個(gè)缺陷是，與它們的基底金屬，在本領(lǐng)域被稱為它們的“delta-T”相比，其熱傳導(dǎo)效率相對較低。傳統(tǒng)的燒結(jié)粉末金屬吸液芯的熱傳導(dǎo)性具有比制造吸液芯的基底金屬小一個(gè)數(shù)量級的特點(diǎn)吸液芯。在一傳統(tǒng)的平滑的吸液芯熱管中，根據(jù)蒸發(fā)器熱流量區(qū)分有兩種操作模式。第一種模式產(chǎn)生于低熱流量時(shí)，在這種模式下，吸液芯通過工作流體在吸液芯表面蒸發(fā)而吸液芯傳導(dǎo)熱量。第二種模式產(chǎn)生于高熱流量時(shí)，在這種模式下，通過相對低傳導(dǎo)率的吸液芯進(jìn)行熱傳導(dǎo)所需要的溫度梯度變得足夠大以使靠近熱管圍壁的吸液芯中的液體變得足夠過熱從而在吸液芯自身內(nèi)開始沸騰。在該第二種模式中，氣泡在壁/吸液芯界面處或附近形成，并隨后通過該吸液芯結(jié)構(gòu)行至熱管的汽化空間。該第二種熱傳輸模式可以非常有效，并且與第一種傳導(dǎo)模式相比整體吸液芯delta-T更低。不幸的是，吸液芯出來的氣泡取代液體返回蒸發(fā)器區(qū)域，導(dǎo)致吸液芯的蒸發(fā)器部分的外圍提前干燥。
理想的是，一吸液芯結(jié)構(gòu)應(yīng)足夠薄以使傳導(dǎo)delta-T足夠小以防止沸騰的開始。然而，薄的吸液芯并不被認(rèn)為具有足夠的橫斷面面積來傳送消除任何大量能量必須的大量液體。例如，G.Y.Eastman的美國專利4,274,479涉及一熱管毛細(xì)吸液芯結(jié)構(gòu)，該吸液芯結(jié)構(gòu)是由燒結(jié)金屬制成的，且在其內(nèi)表面上形成有縱向凹槽。當(dāng)燒結(jié)吸液芯提供一高毛細(xì)壓力時(shí)，該Eastman吸液芯凹槽提供縱向毛細(xì)抽送以填充凹槽并保證熱傳輸液體的有效圓周分布。Eastman一般將凹槽結(jié)構(gòu)描述為具有“槽脊”和“凹槽或溝”。該槽脊是凹槽或溝之間的材料。槽脊的側(cè)面限定凹槽的寬度。由此，該槽脊的高度也是凹槽的深度。Eastman還聲稱，現(xiàn)有技術(shù)中有槽脊是固體材料，與殼壁形成一體的凹槽結(jié)構(gòu)，，且該凹槽由多種機(jī)械、化學(xué)蝕刻或擠壓工藝制成。重要的是，Eastman建議為了優(yōu)化熱管性能，其槽脊和凹槽必須有足夠的尺寸，以將流體的接續(xù)層保持在連接該槽脊和凹槽的燒結(jié)粉末的一相對厚的槽脊，從而使各凹槽底部存在一工作流體儲藏庫。由此，Eastman要求凹槽在其各端部被阻斷以確保凹槽內(nèi)的毛細(xì)抽送壓力是被汽體液體界面處最窄的寬度所決定的。也就是說，Eastman暗示這些吸液芯不具有足夠的橫斷面面積來傳送消除大量熱能所要求的相對大量的工作流體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于熱管的槽狀燒結(jié)吸液芯，包括共同產(chǎn)生一平均粒子直徑的多個(gè)個(gè)體粒子。該槽狀燒結(jié)吸液芯還包括至少兩個(gè)槽脊，所述至少兩個(gè)槽脊通過一設(shè)置在所述至少兩個(gè)槽脊之間的粒子層彼此流體溝通，其中所述粒子層包括至少一個(gè)不超過約六個(gè)平均粒子直徑的維度。通過這種方式，氣泡不在壁/吸液芯界面處形成以穿過吸液芯結(jié)構(gòu)然后行進(jìn)到熱管的汽化空間。這種熱傳輸方式非常有效并且導(dǎo)致一較低的整體吸液芯delta-T。
本發(fā)明還提供了一種熱管，包括一具有一內(nèi)表面的外殼和一置于所述外殼內(nèi)的工作流體。一槽狀吸液芯置于所述內(nèi)表面的至少一部分上，其包括有一平均直徑的多個(gè)個(gè)體粒子。所述槽狀吸液芯包含至少兩個(gè)槽脊，所述至少兩個(gè)槽脊通過一設(shè)置在所述至少兩個(gè)槽脊之間的粒子層彼此流體溝通，所述粒子層包括小于大約六個(gè)平均粒子直徑。
本發(fā)明還提供了一種在熱管容器的一內(nèi)側(cè)面上制造熱管吸液芯的方法，其中一具有一槽狀輪廓的心軸被置于所述熱管容器的一部分內(nèi)。提供一具有平均粒子直徑的金屬粒子漿，并且金屬粒子懸浮于一粘性的粘合劑中。然后用所述的漿覆蓋至少部分所述容器內(nèi)側(cè)面，從而使所述漿與所述心軸的所述槽狀輪廓相配，并在相鄰凹槽間形成一漿層，所述漿層包括不超過約六個(gè)平均粒子直徑。干燥所述的漿以形成未淬火吸液芯，然后熱處理所述未淬火吸液芯以產(chǎn)生該熱管吸液芯的一最終合成物。


本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將通過以下對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的具體說明，連同附圖得到更全面的揭示和詳盡的描述，附圖中同一標(biāo)號指的是同一部件，此外其中圖1是根據(jù)本發(fā)明形成的一熱管傳熱片的示意圖；圖2是圖1所示熱管傳熱片的沿2-2線的截面圖；圖3是用于形成圖1和圖2所示熱管傳熱片的容器的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明用于形成槽狀吸液芯的心軸的示意圖；圖5是圖4所示心軸一端的示意圖；圖6是圖1和圖2所示容器底壁一部分的放大示意圖；圖7是置于圖1和圖2中熱管傳熱片底部的槽狀吸液芯一部分的特別放大示意圖，示出一設(shè)在所述吸液芯個(gè)體槽脊間的極薄的吸液芯結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
優(yōu)選實(shí)施方式的說明應(yīng)配合附圖閱讀，附圖也被認(rèn)為是本發(fā)明整個(gè)書面的說明書的一部分。附圖并不必要成比例，而且本發(fā)明中的一些特征可能在比例上或一些示意形式上出于清楚和簡要的目的而有些夸大。在本說明書中，相關(guān)詞匯如“水平的”，“垂直的”，“上”，“下”，“頂”和“底”及其派生詞匯(如“水平地”，“向下地”，“向上地”等等)應(yīng)參照隨后的說明和進(jìn)行討論的附圖所示的方向而解釋。這些相關(guān)詞匯是為了方便說明，通常并不一定要求精確的方向。包括“內(nèi)部地”對應(yīng)“外部地”，“縱向的”對應(yīng)“橫向的”，以及類似的表達(dá)，在被適當(dāng)?shù)亟忉尀橄鄬τ诒舜?，或相對于一延長軸，或旋轉(zhuǎn)中心或軸。有關(guān)附設(shè)、接合和類似關(guān)系，諸如“連接”和“互相連接”，除非用其它方式表達(dá)，否則所指為一種關(guān)系其中的結(jié)構(gòu)是彼此之間直接或通過中間結(jié)構(gòu)間接緊固或附設(shè)的，以及兩個(gè)可移動或剛性的附設(shè)或關(guān)系。詞匯“有效地連接”是如此一種附設(shè)、接合或連接，允許相關(guān)結(jié)構(gòu)依靠這種關(guān)系而如所預(yù)期的那樣運(yùn)轉(zhuǎn)。在權(quán)利要求書中，裝置+功能從句用于涵蓋書面說明書或附圖所說明、建議或明確顯示的結(jié)構(gòu)以實(shí)施書面所陳述的功能，不僅包括結(jié)構(gòu)等同物，還包括等同結(jié)構(gòu)。
參見圖1和圖2，本發(fā)明包括一熱管傳熱片2，其被制成可將產(chǎn)生自至少一個(gè)熱能來源，如一半導(dǎo)體裝置(未示出)的熱能進(jìn)行傳輸和擴(kuò)散的尺寸和形狀，該熱能來源與熱管傳熱片2的一部分熱接合。熱管傳熱片2包括一蒸發(fā)器部分5，一冷凝器部分7和一燒結(jié)槽狀吸液芯9。雖然熱管傳熱片2可形成為一平面矩形結(jié)構(gòu)，熱管傳熱片2包括一圓形或矩形管狀結(jié)構(gòu)也將很方便。在一平面直矩形的熱管傳熱片2中，一蒸汽室被限定于一底壁15和一頂壁(未示出)之間，且橫向和縱向地延伸，貫穿熱管傳熱片2。所包含的柱子18用于維持結(jié)構(gòu)的整體性。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，底壁15和一頂壁包括一厚度基本均勻的熱傳導(dǎo)材料薄片，如銅，鋼，鋁或任何其各自的合金，并且相距約2.0mm至4.0mm以在熱管傳熱片2內(nèi)形成空隙空間，定義該空隙空間為一蒸汽室。熱管傳熱片2的頂壁通常是基本平直的，在形狀上與底壁15互補(bǔ)。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的下述說明中，蒸發(fā)器部分5與底壁15相聯(lián)系，冷凝器部分7與熱管傳熱片2不包括槽狀吸液芯，如一頂壁或側(cè)壁的部分相聯(lián)系。但是應(yīng)當(dāng)知道，這種關(guān)于限定了熱管傳熱片2金屬封套的設(shè)置是完全武斷的，即在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以是相反的或有變化的。
底壁15優(yōu)選包括一基本平直的外表面20，一內(nèi)表面22和一外圍緣壁23。外圍緣壁23在內(nèi)表面22的外圍邊緣向外突出從而限定內(nèi)表面22。通過底壁15和頂壁的連接，沿在其連接界面40處密封的公有邊緣，在熱管傳熱片2內(nèi)形成一蒸汽室。在蒸汽室內(nèi)有一兩相可蒸發(fā)液體(如水，氨或氟里昂，未示出)，作為熱管傳熱片2的工作流體。最終密封底壁15和頂壁的公有邊緣之前，注入工作流體，然后將蒸汽室抽成部分真空，從而完成熱管傳熱片2。例如，熱管傳熱片2可由銅或碳化硅銅以及選擇作為兩相可蒸發(fā)液體的水，氨或氟里昂制成。
參見圖1和圖2，圖6和圖7，燒結(jié)槽狀吸液芯9設(shè)置在底壁15的內(nèi)表面22上，金屬粉30燒結(jié)在一成形心軸32(圖4)周圍，以形成燒結(jié)槽狀吸液芯9。心軸32的槽脊35形成完成的吸液芯9的凹槽37，心軸32的凹槽40形成吸液芯9的槽脊42。各槽脊42形成為一基本倒“V”形或金字塔形的凸起，具有斜側(cè)壁44a，44b，且與附近的槽脊相隔設(shè)置。凹槽37將槽脊42隔開并排列成基本平行的縱向(或橫向)走向的，至少貫穿蒸發(fā)器部分5延伸的數(shù)排。通過更進(jìn)一步的多孔滲水結(jié)構(gòu)，鄰近外圍緣壁23的凹槽37的終端部分可以沒有邊界。優(yōu)點(diǎn)是，燒結(jié)粉末30的一相對薄的層被置于底壁15的內(nèi)表面22上，以在各凹槽37的底部和相隔的槽脊42之間形成一槽狀吸液芯45。燒結(jié)粉末30可從任何具有高熱傳導(dǎo)性和適合形成多孔滲水結(jié)構(gòu)的材料中選擇，如碳，鎢，銅，鋁，鎂，鎳，金，銀，氧化鋁，氧化鈹或類似材料，并且可包括基本球形的，任意或規(guī)則的多邊形的，或多種橫截面形狀的燈絲狀的粒子。例如，當(dāng)燒結(jié)銅粉30主要在底壁15所有內(nèi)表面22及槽脊42的斜側(cè)壁44a，44b之間設(shè)置時(shí)，燒結(jié)銅粉30被置于槽脊42之間以便槽狀吸液芯45包括大約一個(gè)到六個(gè)平均銅粒子直徑的一平均厚度(大致0.005mm至0.5mm，最好在大約0.05mm到0.25mm之間)。當(dāng)然，可使用其它吸液芯材料諸如碳化硅鋁或碳化硅銅也可起到類似的作用。
重要的是，形成了槽狀吸液芯45以使其足夠薄以至于傳導(dǎo)delta-T小到足以防止在底壁15內(nèi)表面22與燒結(jié)粉末形成的吸液芯之間的界面開始沸騰。凹槽45是一極薄的吸液芯結(jié)構(gòu)，通過相隔的槽脊42飼料，相隔的槽脊42提供所要求的橫斷面面積以維持工作流體流動的有效性。在橫斷面上，當(dāng)槽狀吸液芯45包括槽脊42之間最大可能(受毛細(xì)作用限制)的平的區(qū)域時(shí)，其包括一最佳設(shè)計(jì)。這個(gè)區(qū)域有一定的厚度，如只有一到六個(gè)銅粉末粒子。只要內(nèi)表面22的表面區(qū)域有至少一個(gè)銅粒子層，槽狀吸液芯45越薄，在現(xiàn)實(shí)制造的限制下，性能就越好。通過將槽狀吸液芯45的厚度限制在不超過幾個(gè)粉末粒子的范圍內(nèi)，該薄吸液芯區(qū)域利用了槽狀吸液芯層的增強(qiáng)了的蒸發(fā)表面區(qū)域。已發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)超越了與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的熱傳導(dǎo)限制。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不僅僅限于在此揭示和在附圖中所示的具體構(gòu)造，而且還包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)的任何改變和等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于熱管的槽狀燒結(jié)吸液芯，包括共同產(chǎn)生一平均粒子直徑的多個(gè)個(gè)體粒子，并包括至少兩個(gè)鄰近槽脊，所述至少兩個(gè)鄰近槽脊通過一設(shè)置在所述至少兩個(gè)鄰近槽脊之間的粒子層彼此流體溝通，其中所述粒子層包括至少一個(gè)維度，所述維度不超過約六個(gè)平均粒子直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱管的槽狀燒結(jié)吸液芯，其中所述的層包括一約為三個(gè)平均粒子直徑的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱管的槽狀燒結(jié)吸液芯，其中所述的粒子主要由銅構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱管的槽狀燒結(jié)吸液芯，其中所述的六個(gè)平均粒子直徑是在從約0.05毫米至約0.25毫米的范圍內(nèi)。
5.一種熱管，包括一外殼，其具有一內(nèi)表面；一工作流體，置于所述外殼內(nèi)；以及一槽狀吸液芯，置于所述內(nèi)表面的至少一部分上，并且包含有一平均直徑的多個(gè)個(gè)體粒子，所述槽狀吸液芯包含至少兩個(gè)鄰近槽脊，所述至少兩個(gè)鄰近槽脊通過一設(shè)置在所述至少兩個(gè)鄰近槽脊之間的粒子層彼此流體溝通，所述粒子層包括小于大約六個(gè)平均粒子直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱管，其中所述的粒子層包括一小于大約三個(gè)平均粒子直徑的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱管，其中所述的粒子主要由銅構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱管，其中六個(gè)平均粒子直徑是在約0.005毫米至約0.5毫米的范圍內(nèi)。
9.一種在熱管容器的一內(nèi)側(cè)面上制造熱管吸液芯的方法，包括步驟(a)將一具有一槽狀輪廓的心軸放置于所述容器的一部分內(nèi)；(b)提供一具有平均粒子直徑的金屬粒子漿，并且金屬粒子懸浮于一粘性的粘合劑中；(c)用所述的漿覆蓋至少部分所述容器內(nèi)側(cè)面，從而使所述的漿與所述心軸的所述槽狀輪廓相配，并形成相鄰凹槽間的一漿層，所述漿層包括不超過大約六個(gè)平均粒子直徑；(d)干燥所述的漿以形成未淬火吸液芯；以及，(e)熱處理所述未淬火吸液芯以產(chǎn)生該熱管吸液芯的一最終合成物。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求9的方法所形成的熱管吸液芯。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求9的方法所形成的熱管吸液芯，其中所述的漿層包括一小于大約三個(gè)平均粒子直徑的厚度。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求9的方法所形成的熱管吸液芯，其中所述的漿層包括主要由銅構(gòu)成的粒子。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求9的方法所形成的熱管吸液芯，其中六個(gè)所述平均粒子直徑是在從約0.05毫米至約0.25毫米的范圍內(nèi)。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求9的方法所形成的熱管吸液芯形成于一具有一工作流體的容器內(nèi)以形成一熱管。
15.一種用于熱管的槽狀燒結(jié)吸液芯，包括共同產(chǎn)生一平均粒子直徑的多個(gè)個(gè)體粒子，并包含至少兩個(gè)相隔槽脊，所述至少兩個(gè)相隔槽脊通過一設(shè)置在所述至少兩個(gè)相隔槽脊之間的粒子層彼此流體溝通，其中所述粒子層包括至少一個(gè)維度，所述緯度不超過大約六個(gè)平均粒子直徑。
16.一種熱管，包括一外殼，其具有一內(nèi)表面；一工作流體，置于所述外殼內(nèi)；以及一槽狀吸液芯，置于所述內(nèi)表面的至少一部分上，并且包含有一平均直徑的多個(gè)個(gè)體粒子，所述槽狀吸液芯包含至少兩個(gè)相隔槽脊，所述至少兩個(gè)相隔槽脊通過一設(shè)置在所述至少兩個(gè)相隔槽脊之間的粒子層彼此流體溝通，所述粒子層包括小于大約六個(gè)平均粒子直徑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于熱管的槽狀燒結(jié)吸液芯，包括共同產(chǎn)生一平均粒子直徑的多個(gè)個(gè)體粒子。所述槽狀燒結(jié)吸液芯還包含至少兩個(gè)鄰近槽脊，通過一設(shè)置在所述至少兩個(gè)鄰近槽脊之間的粒子層彼此流體溝通，其中所述粒子層包括至少一個(gè)不超過約六個(gè)平均粒子直徑的維度。本發(fā)明還提供了一種熱管，包括一槽狀吸液芯，包括多個(gè)有一平均直徑的個(gè)體粒子。所述槽狀吸液芯包括至少兩個(gè)鄰近槽脊，通過一設(shè)置在所述至少兩個(gè)鄰近槽脊之間的粒子層彼此流體溝通，所述粒子層包括小于大約六個(gè)平均粒子直徑。本發(fā)明還提供了一種根據(jù)前述結(jié)構(gòu)的制造熱管吸液芯的方法。
文檔編號F28D15/02GK1798949SQ200480015179
公開日2006年7月5日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月24日
發(fā)明者斯科特·D·加納, 詹姆斯·E·林德穆斯, 熱羅姆·E·托特, 約翰·H·羅森菲爾德, 肯尼思·G·明納利 申請人:熱力公司