利用液体沸腾的低成本沸腾冷却器的制作方法

专利名称：利用液体沸腾的低成本沸腾冷却器的制作方法
利用液体沸腾的低成本淬腾冷却器
背景信息发明领域
本发明涉及用于多种冷却应用的利用泡核沸腾传热(nucleate boilingheat transfer)的低成本沸腾冷却器(boiling cooler)的设计和制造。
背景技术：
来自电子器件的不断增加的热通量已经促使人们寻求更有效且便宜的冷却技术。液体沸腾，而不是单相传热或基于蒸发的两相冷却(例如热管中的热虹吸)，正成为有吸引力的选择，因为其能产生非常高的传热系数，且可以获得穿过器件和/或器件阵列表面的更均匀的温度分布。另外，发展了许多沸腾增强方案，以克服用于冷却电子器件的某些最适当的绝缘冷却液(dielectric liquid coolant)的差的性能，例如强润湿性、低接触角以及低比热。 一种有前景的沸腾增强方法是使用微孔涂层(microporouscoating),所述微孔涂层提供显著增强的泡核沸腾传热和临界热通量，同时减少初期的滞后现象。利用这些技术的冷却模件(cooling module )使得液体的沸腾至蒸发成为散热的主要方式，而不是常规散热装置中使用的传导或对流。这可导致至少部分地替代或甚至完全消除必需使用金属材料作为冷却器主体框架，或者简化模件设计，而没有复杂的散热器(radiator),从而极大地减少其制造成本。
一种目前的电子冷却装置利用空气调节集合管(air-conditioningmanifold )，以通过该装置外壳内的多个孔口或涡流管将冷空气分布到加热电子组件。然而，动力消库毛空气循环系统(power consuming air circulatingsystem)及其复杂的结构使得这种装置昂贵、笨重且不易适应各种各样的电子系统设计。另一种用于电子装置的冷却装置利用了液体冷却和对流的结合。但是液体冷却局限于使用非常低效的泵传动液体循环(pump-drivenliquid circulating )，且可能需要电扇的帮助来强制空气对流以满足热负荷的需要。本发明描述的沸腾冷却器在零功率消耗、高传热效率、低成本、物理形状适应性和小型化能力方面克服了那些常规电子冷却装置的许多缺点，使其非常适合于包括电子部件/系统冷却的多种冷却应用。
发明概述
依照本发明的利用沸腾两相冷却的淬腾冷却器提供了用于多种冷却应用的具有非常好的结构和材料适应性的低成本解决方案。在本发明的一个方面中，沸腾冷却器包括部分地填充有冷却液并由主体壳(body-shell)封闭的容器，主体壳主要由非金属材料制成，其中在容器内具有用于液体蒸汽向周围扩散热的额外的开放空间以及用于通过自然对流或者，如果必要，通过强制空气对流额外冷却的延伸的表面区域。主体壳的一部分是导热的，并用来连接发热部件，以便将热通量传递到液体，且在应用多种沸腾增强处理(例如机械糙化(mechanical roughening)或微孔涂层)的表面上诱发泡核沸腾。该导热面可以是发热器件部件的主体表面本身的一部分，从而构成集成的器件冷却器。在本发明另一个实施方案中，容器的塑料主体壳可以容易地被才莫压，以形成多种希望的复杂或不对称形状，相反地，这对于用金属制造将是不可能的或太昂贵的。在本发明又一个实施方案中，对于具有较大热负荷的某些器件/系统，冷却器可具有由烘烤的铜粉才莫压的才莫压容器，具有挤压形状或翅片(fin)，这提供了比使用全塑材料的那些模件好得多的导热率，但还比使用全加工金属的那些模件花费少。冷却器的可选择结构可具有用于具有金属机体外壳的容器的塑料端盖或顶部/底部。在本发明的另一个实施方案中，可使用例如水的低成本冷却液。
附图简述


图1A说明了作为本发明优选实施方案的连接到沸腾冷却器容器内的导热面的上表面的微孔淬腾增强涂层的剖视图。
5图IB是包括尺寸为30-50pm的颗粒的涂层结构的SEM图像。
图2说明了作为封闭容器的淬腾冷却器的剖视图，所述封闭容器包括 底部室(base chamber)以及具有延伸板和4齐压翅片的一个(或多个)上部 室(upper chamber),并在底部室的底部处结合有沸腾增强涂层，且冷却液 部分地填充该室。
图3是依据本发明另一个实施方案的示意地显示具有包括相对复杂的 不对称的壳形状和延伸表面区域的容器的淬腾冷却器的剖视图。
图4是示意地显示了具有部分地包裹在加热电子部件周围的容器的沸 腾冷却器的剖视图，加热电子部件的导热主体壳的一部分也是冷却器容器 的主体壳的一部分。微孔涂层被应用到所述导热面上，其至少部分地浸在 容器内的液体中，以增强泡核沸腾传热。
优选实施方案的详细描述
本发明提供了具有筒化设计的容器的沸腾冷却器，其使用便宜的非金 属材料或低成本冷却液，并结合了包括机械糙化、烧结和/或微孔涂层的沸 腾土曾《虽容器表面处理(boiling enhancement vessel surface treatment )。本发 明的优选实施方案使用了在由You和Kim ( 2005 )开发的共同未决的美国 专利申请第11/272,332号中描述的导热微孔涂层(thermally-conductive microporous coating)(TCMC )。该涂层技术结合了混合物批料类型(mixture batch type)和导热微孔结构的优势。使用各种尺寸的颗粒与导热粘合剂 (thermally conductive binder)相结合来产生微孔表面，上述颗粒包括可通 过焊接工艺结合的任何金属，包括镍、铜、铝、银、铁、黄铜和各种合金。 当与溶剂混合时，涂层40被应用到基底30的表面上。在此应用之后，在 充分加热该表面以熔化粘合剂来粘合颗粒之前蒸发溶剂。图1A示出充满 形成在基板顶部上的孔和颗粒的涂层结构的剖视图。
混合物批料类型应用是便宜的和筒单的工艺，不需要非常高的操作温 度。由于粘合剂的高导热率，通过此工艺产生的涂层表面是不受其厚度影 响的。因此，可以在微孔结构中构造大尺寸的孔，用于例如水的某些低润湿性但潜在的低成本的流体，而不会引起沸腾增强的严重降低。这使得沸 腾冷却器简单地通过调整金属颗粒的尺寸以允许所形成的多孔尺寸范围 很好地适合所选择液体的表面张力而使沸腾传热性能最优来对各种类型
的冷却液保持其高的冷却效率。图IB示出包含使用-100+325目镍粉与焊 膏混合的约30-50pm尺寸的镍颗粒的涂层表面的SEM照片。清楚地看到 焊膏作为镍颗粒之间的粘合剂，且作为结果其产生众多的微孔。带有 30-50pm这一尺寸范围的颗粒的涂层已经被示出，以提供水作为冷却液的 优良的沸腾传热性能。
依据本发明优选实施方案的浙腾冷却器在图2中作为封闭容器示出， 所述封闭容器包括具有导热面130的底部室120以及依据本发明一个实施 方案的一个或多个上部室110。导热微孔涂层(TCMC) 140被应用到底部 室120内的导热面130的表面，加热电子部件IOO从底部室120外部与底 部室120连接。冷却液150部分地填充底部室120，从而至少部分地覆盖 TCMC 140的表面区域，佳_得从加热元件/器件100传导的热通量可以在 TCMC 140的微孔表面处诱发液体150的泡核彿腾。在此沸腾冷却器中， 泡核沸腾传热通过TCMC 140显著地增加，且成为将热扩散到液体150中 的主要方式。在此情况下，传导变得不太重要，以至于除了导热面130以 外，冷却容器的整个主体壳可由例如塑料材料的非金属制造。液体沸腾产 生的蒸汽保持在上部室110的开放空间160内，上部室110具有一个/或多 个延伸板180和相连的多个挤压翅片170，用于通过自然对流或强制空气 对流获得最大热交换。
本发明的液体沸腾冷却器的优势包括其不需要在该装置内部的散热 器或其它复杂的热交换器，从而使得其非常适合于被小型化，以用于电子 冷却应用。如图2中所示出的，沸腾冷却器可具有小于或等于300mm的 高度/i和/或4黄向尺寸丄。不同于圆形，图2中的冷却器还可以^皮伸长(垂 直于图中所示出的截面)，这需要两个端盖来密封容器。作为对完全使用 塑料材料的比较评定(trade-off), —个实施方案可以仍然将例如铝或铜的 常用金属用于容器的主要部分，以利用其高导热率，所述容器的主要部分 包括接触发热器件的面和用于对流热交换的所有才齐压翅片结构，但端盖可 由塑料制造，以减少制造成本。与TCMC 140结合的滞腾冷却器的优势是冷却容器的主体壳的主要 部分可由非金属材料制造，以节约成本。通过TCMC增强的液体彿腾和贯 穿冷却容器的开放空间160的附加的蒸汽热扩散，此沸腾冷却器中的传热 基本上在冷却器的容器内部发生。因此，对于淬腾冷却器来说，像在用于 各种加热电子元件/器件的包括散热装置的许多常规冷却器中那样具有高 传导的金属主体壳并不是必需的。高导热材料，通常例如铜或铝的金属， 必须被用于那些常规冷却器的主体壳，因为通过壳将热传导到表面，然后 通过使用强制空气对流来冷却，是它们冷却的主要方式。在如图2中所示 出的一个实施方案中，容器室110和120的主体壳的主要部分，包括那些 挤压翅片170和延伸板180可由包括塑料、乙烯基树脂(vinyl)或纸的非 金属材料制造，这比任何金属要便宜得多。不仅材料成本较低，与加工金 属相比，用于那些挤压翅片结构的塑料成型的能力也减少制造成本。另外， 这些非金属主体壳还可以是电绝缘的，这提供了优于具有用于某些电子冷 却应用的导电金属壳的常规冷却器的重要优势。
使用TCMC的沸腾冷却器的附加优势是可以通过使用简单的工艺修 改生成孔的颗粒(cavity-generating particle)的尺寸来优化TCMC沸腾增 强涂层，以便对于广泛的冷却液类型来说，TCMC沸腾增强涂层可以确保 不会减低泡核传热速率和临界热通量规格。如果可以使用例如水的便宜的 液体来代替专门开发的冷冻剂或化学流体，这自然地转变为低成本的沸腾 冷却器。如前所述，已经示出包含使用-100+325目镍粉与焊膏混合的尺寸 约30-50pm的镍颗粒的TCMC表面，以提供对于水作为冷却液的优良的沸 腾传热性能。
虽然TCMC沸腾增强表面处理是本发明的优选实施方案，但应该利用 多种其它的沛腾增强技术，例如机械糙化、烧结和/或常规微孔涂层，以使 其集成在依据本发明的沸腾冷却器中。
在与泡核沸腾结合的此冷却器的又一个实施方案中，包括翅片的室的 壳可以通过利用才莫压的和烘烤的铜粉来构造，这提供比使用全塑材料的那 些模件更好的导热率，但仍比那些使用全金属加工的模件花费少。类似地，
8选材料。对于冷却具有相对大的热负荷的某些器件/系统，除了冷却容器内 部的泡核沸腾传热之外，传导的主体壳是必需的，以与冷却器的环境更有 凌文i也热交才灸。
在本发明的另一个实施方案中，由塑料制成的主体壳可以被模压成具 有不对称形状或小的详细特征的相对复杂的结构，如果可能，使用金属制
造通常要昂贵得多。图3说明了具有被主体壳271封闭的容器220的这一 沸腾冷却器的实施例，所述容器220包括具有不规则形状和不同高度的多 个上部室221和222，上述高度例如在具有尺寸的常见底部室之上的& 和/22 (沿着垂直方向的尺寸未示出)。沸腾冷却器还包括在导热面壳231 (主体壳271的一部分)上的沸腾增强表面241、部分填充的冷却液251。 由于淬腾而产生的蒸汽有助于在增加用于通过对流来冷却的额外路径的 所有延伸空间261上散热。在某些情况下，其上密封许多电或光部件/器件 的电路模板和/或系统线路卡(system line card)在用于关联的或集成的冷 却器的机械设计方面有非常严格的要求。对冷却器容器的主体壳使用塑料 材料可以容易地将冷却器制作成复杂的形状或专门的尺寸，而不用担心将 成本变高。在其它的系统应用中，可能不能获得强制空气冷却，从而使得 传统的散热装置不可能处理从那些电子系统出来的不断增加的热通量。利 用依据本发明的沸腾增强表面的冷却器能在容器内部获得有效的冷却，使 得强制空气对流对于系统不是必需的。另外，自然对流或强制空气对流仍 可以通过此沸腾冷却器的容器的延伸的外部表面提供额外的热交换。
在本发明的又一个实施方案中，沸腾冷却器容器被转变为发热部件的 嵌入部分(built-in part )。换句话说，将冷却器和发热部件作为相结合单元 或集成单元构造在一起。图4示出这一沸腾冷却器的实施例，其导热面330 实质上是发热部件300的主体壳(至少覆盖部分表面)。表面沸腾增强处 理340在容器内部的表面处被至少部分地应用到面330上。主体壳320的 其它部分可由包括塑料、乙烯基树脂、纸或者模压的和烘烤的铜粉的较便 宜的材料制成，其用面330密封，以形成保持部分填充的冷却液350的封 闭容器。如图4中所示出的，为了对流冷却的额外的好处，主体壳320的 形状#1有意地制成具有延伸的表面区域。虽然主体壳320的形状是相对不规则的，但由于例如塑料的材料选择，它可以被容易地和便宜地制成。在 此情况下，/23和丄3的尺寸基本上取决于发热部件300本身的尺寸。
前面描述的本发明实施方案作为说明和描述被提供。它们并不是用来 将本发明限制为所描述的确切形式。特别地，预期这里描述的发明的功能 实现可以在硬件、软件、固件和/或其它可获得的功能部件或组件块中被等 价地实现。按照上面的教导，其它的变化和实施方案是可能的，且因此期 望本发明的范围不被此详述所限制，而是被所附权利要求所限制。
权利要求
1.一种沸腾冷却器，其包括容器，其用包含导热面的主体壳封闭；冷却液，其至少部分地填充所述容器；以及沸腾增强表面，其在所述容器内的表面处连接到所述导热面。
2. 如权利要求1所述的沸腾冷却器，其进一步包括冷却发热部件的装置，所述发热部件在所述容器外的表面处连接到所述导热面，所述冷却发热部件的装置通过经由所述容器内的沸腾增强涂层增强的液体沸腾传热，以及通过蒸发将热扩散到所述容器内的开放空间来冷却所述发热部件。
3. 如权利要求1所述的沸腾冷却器，其中所述容器的主体壳包括从10mm至2000mm范围的尺寸，以用于多种冷却应用。
4. 如权利要求3所述的';弗腾冷却器，其中所述容器的主体壳包括一个或多个延伸板和一个或多个挤压翅片。
5. 如权利要求3所述的沸腾冷却器，其中所述容器的主体壳至少部分地包括塑料、乙烯基树脂、纸或者才莫压的和烘烤的铜粉。
6. 如权利要求3所述的沸腾冷却器，其中所述容器的主体壳进一步包括电绝缘和/或导热塑料。
7. 如权利要求1所述的滞腾冷却器，其中在所述容器内的表面处连接到所述导热面的所述沸腾增强表面至少部分地浸在所述冷却液中。
8. 如权利要求7所述的沸腾冷却器，其中所述沸腾增强表面包括通过机械糙化、或烧结、或微孔涂层、或导热微孔涂层处理的结构。
9. 如权利要求8所述的沸腾冷却器，其中所述导热微孔涂层通过使混合的生成孔的颗粒批料与导热粘合剂相结合而形成。
10. 如权利要求8所述的沸腾冷却器，其中所述导热微孔涂层进一步包括用于多种低成本冷却液类型的最优尺寸范围在8pm-20(Him之内的生成孑L的颗并立。
11. 如权利要求10所述的沸腾冷却器，其中所述低成本冷却液包括水。
12. —种集成的冷却装置，其包括容器，其由非金属的电绝缘壳和导热面封闭，其中所述导热面是发热部件的主体表面的一部分；冷却液，其至少部分地填充所述容器；以及沸腾增强涂层，其在所述容器内部，连接到所述发热部件的表面。
13. 如权利要求12所述的冷却装置，其中所述非金属的电绝缘壳包括从1 Omm至2000mm范围的尺寸和自适应形状，以用于多种冷却应用。
14. 如权利要求13所述的冷却装置，其中所述非金属的电绝缘壳进一步包括用于通过对流将热扩散到环境的一个或多个延伸板和多个挤压翅片。
15. 如权利要求13所述的冷却装置，其中所述非金属的电绝缘壳至少部分地包括塑料、乙烯基树脂或纸。
16. 如权利要求13所述的冷却装置，其中所述非金属的电绝缘壳可以导热。
17. 如权利要求12所述的冷却装置，其中连接到所述发热部件的表面的所述沸腾增强涂层至少部分地浸在所述冷却液中。
18. 如权利要求17所述的冷却装置，其中所述沸腾增强涂层包括通过使混合的生成孔的颗粒批料和导热粘合剂相结合而形成的微孔表面结构。
19. 如权利要求17所述的冷却装置，其中所述沸腾增强涂层进一步包括用于多种低成本冷却液类型的最优尺寸范围在8nm-200|im之内的生成孔的颗粒。
20. 如权利要求19所述的冷却装置，其中所述低成本冷却液包括水。
全文摘要
提供了一种利用沸腾两相冷却的低成本沸腾冷却器。当沸腾蒸发成为利用沸腾增强表面在包含冷却液的容器内部显著地增加泡核沸腾传热的沸腾冷却器散热的主要方式时，容器的主体壳至少部分地可由减少制造成本的便宜材料制成。主体壳还可以是不导电的，以满足某些电子设备冷却应用的需要。冷却液可以使用例如水的低成本介质。
文档编号F28D15/02GK101568791SQ200780019193
公开日2009年10月28日 申请日期2007年3月31日 优先权日2006年3月31日
发明者耶西·金 申请人:维普罗有限公司