专利名称：传热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及传热装置，尤其涉及由聚合材料或非聚合材料形成的 蒸汽加强散热器装置。
背景技术：
随着电子元件和装置尺寸的减小以及运转速度的增加，产生的热 量成为提高电子装置和系统性能的主要障碍。高性能传热装置的开发 成为工业的主要焦点。传热装置常用于将系统的热量移除至周围环境。散热器(通过热接 触(直接接触或辐射接触)从另一物体吸收热量的环境或物体)尤其普遍 用于电子装置或电子系统的热量控制。较高热性能的散热器能提供较 低的总热阻(其代表传热/冷却装置的性能)。总热阻取决于两个变量 散热器内的传导阻抗和散热器与周围环境之间的对流阻抗。当涉及传 导元件时，存在传导阻抗。因此，传导性更好的材料(例如铜或铝)常 用于制作散热器。由于高冷却要求的需要，固相扩散仅能勉强满足冷 却要求。开发并评估了更有效率的装置。蒸汽室已成为通常考虑的装 置之一。通过降低传导阻抗，蒸汽室(即热管室)已被用于加强传热装置， 如散热器的传热/冷却能力。蒸汽室利用由蒸发的工作流体携带热量并 通过蒸汽流传播热量的热管原理。蒸汽最终凝结在冷的表面上，结果 是热量从蒸发表面(与热源的界面)被分布到凝结表面(冷却表面)。即在
热管内部，"热的"蒸汽向一个方向流动、凝结成液相、并向另一个 方向流回，以再次蒸发而完成循环。如果冷却表面设置得比蒸发表面 高，则几乎可以无温度差地达到热的传播，因其为在等温条件下发生 的相变(液体-蒸汽-液体)坤凡理。虽然蒸汽室可被用于创造具有较高冷却效率的冷却系统，但是其 建造可能太贵而不适应商品市场如桌面PC市场。对于这种市场，原始设备制造商(OEM)常常愿意牺牲性能以节省成本，因为大体积有助 于大幅节省现金。因此对于这种商品市场，需要不同类型的蒸汽室， 以解决性价比问题。为达到此目的，要求不同类型的蒸汽室。为了使 热阻最小化，蒸汽室通常由金属制成，但是以这种方式，材料和相关 方法的成本太昂贵了。发明内容传热装置包括容纳相变材料如水的蒸汽室。传热装置可选择性地 由聚合和非聚合材料的组合而形成。在一个实施方案中，蒸汽室由围绕密封层的聚合物层形成，该密封层由非聚合物层形成。传热装置还 包括一个或多个鳍片部件，该鳍片部件可操作地将热从蒸汽室扩散至 周围/外部环境。鳍片可以是实心结构，或每一鳍片可界定与蒸汽室相 连通的鳍片室。在一个实施方案中，鳍片部件由非聚合材料形成。在 操作中，由物体产生的热量被传递至相变材料，如水。相变材料蒸发 并在室内传播蒸汽。蒸汽最终凝结在室的冷表面上，从而将热量从蒸 发表面(与热源的界面)分布至凝结表面(冷却表面)。因此，蒸汽向一个 方向流动，凝结成液相，并向另一个方向流回，以再次蒸发并完成循 环。
图1举例说明本发明的一个实施方案中折叠的平板蒸汽室的分解 图，显示本体和端盖；图2是图1中蒸汽室的本体的剖面视图；图3举例说明本发明另一个实施方案中蒸汽室的透视图，显示交 错的鳍片部件；图4是图3中蒸汽室的剖面视图；图5是本发明另一个实施方案中蒸汽室的剖面视图，显示包括槽 毛细的热分散鳍片；图6是本发明另一个实施方案中蒸汽室的剖面视图，显示与密封 层耦合的鳍片；图7举例说明本发明一个实施方案中传热装置的透视图，显示折 叠的蒸汽散热器；图8举例说明图7中传热装置的剖面视图；图9举例说明本发明另一个实施方案中传热装置的剖视图，显示 具有毛细结构的蒸汽室；图IO举例说明本发明另一个实施方案中传热装置的剖视图，显示 包括具有锅炉板的蒸汽室；以及图11和12举例说明蒸汽室的局部剖面视图，显示将聚合物材料 层粘附在由无机材料制成的层上的技术。在整个发明中相同的参考号码用于确定相同的元件。发明的详细描述图1是本发明实施方案的传热装置100。如图所示，传热装置100 可为由折叠板室所形成的散热器，所述折叠板室包括大致中空的本体 110和两个端盖120。本体110界定蒸汽室130，即在真空压力下的封 闭区。蒸汽室130可容纳至少一种相变材料。该材料可为固态、液态 或气态，且可为混合物或纯物质。作为实例，相变材料可为制冷剂、 水、酒精、氨等。在操作中，传热装置IOO吸收来自热源IO(图2)， 例如电子装置的热量。来自热源10的热量使液体相变材料蒸发并产生 蒸汽，该蒸汽被输送到装置100的内表面。当蒸汽离开蒸发区(即紧邻 热源的区域)时，蒸汽凝结并将热量释放入室壁。通过对流，热量净皮传 递至周围环境。已凝结的液体返回蒸发区(即向热源10)。此蒸发-凝 结过程可继续，来自热源10的热量从装置的上表面被扩散。 通常希望使用聚合材料成形为散热器装置，因为该材料不贵且容易制 造。但是只由聚合材料成形的蒸汽室，结构上不坚固。为了使蒸汽室 正确地工作，室的内部必须在真空压力下操作。聚合物相对地多孑L， 且在低压时倾向排气，并且能够发生升华。这导致蒸汽室的泄漏(事实 上和实质上)，影响所要求的真空水平。因此，难以维持只由聚合材料 成形的蒸汽室内的真空。因为密封剂可能没有所要求的粘性、可靠性 和排气行为，所以也难以密封蒸汽室。诸如金属的非聚合材料可避免 与聚合物有关的缺点，但是制造时昂贵且成本高。为了解决这些问题，本发明的散热器装置ioo的组件，可由聚合材料和非聚合材料的组合而单独或整体地成形。图2是举例说明于图 1的折叠板室的剖面视图。在所示的实施方案中，本体110包凌舌第一 或聚合物层150和第二或密封层160。聚合物层可包含聚合材料。聚 合材料包括聚合物(具有构造单元和重复单元的分子)，例如热塑性塑 料(如聚对苯二曱酸乙二酯、聚苯乙烯、尼龙等)、热固性聚合物、弹 性体(如聚丁二烯)和配位聚合物。聚合材料包括有机聚合物和无机聚合物(如硅氧烷聚合物)。该材料可包含单一聚合物或聚合物的混合物。 聚合物层150提供传热装置100的机械强度。密封层160可操作地在传热装置100的蒸汽室内产生流体不可渗 透的屏障(如在相变材料和外部/周围环境之间)。密封层160可由非聚 合材料形成。非聚合材料包括可操作地保持真空条件、提供流体不可 渗透的屏障和允许能量(热能)传递经过的任何材料。因此，密封层不 仅防止流体泄漏至周围环境，而且也防止流体进入室130(如通过聚合 物层升华而释放的气体)。作为实例，非聚合材料可包括，但不限于， 基本上非多孔性的热传导材料，例如金属(铜、银、铝、铁等)、钻石、 陶瓷、金属陶瓷以及它们的混合物。密封层160的厚度，包括可才喿作 地提供前述流体屏障性质的任何厚度。作为特定的实例，密封层160 可包括具有约1/xm至约3/mi厚度的金属箔层。不特别限定形成密封 层160的方式。作为实例，可通过涂敷、无电敷镀、蒸汽沉积、层压 成形、粘着、化学键合、扩散结合、焊接等形成密封层。形成传热装置的方式并不特别受限制。作为实例，聚合物层150可通过挤压、模塑(传递模塑、注射模塑、吹模法等)而形成。应用前述任一技术，可将密封层160(依序或同时)形成在聚合物层150上。如 上所述，聚合材料为结构提供机械强度。此外，因为聚合材料比非聚 合材料的处理成本较低，所以其降低生产传热装置的总成本。非聚合 材料保护室130的整体性，防止聚合材料和真空条件相互作用。非聚 合材料还用于将室130内的传导阻抗最小化，尤其是在室的底部4^触 热源10的高热通量区域。图3是按照本发明另一实施方案的传热装置。如图所示，传热装 置300包括与如上所述类似的构造，即包括具有聚合物150的本体 110、密封层160、和端盖(未示出)。此外，传热装置300还包括一个 或多个鳍片部件170，其可操作地扩散来自蒸汽室130的热量。鳍片 部件170(也称鳍片)可以包括，但不限于，室鳍片(其中这些鳍片是蒸 汽室130的延伸(如图8所示))、实心鳍片、穿孔的鳍片等。鳍片170 的数目、方向、尺寸、形状和位置，并不特别受限制。如图3所示， 鳍片170可以交错的方式设置，以使鳍片170周围的气流最大化。形 成鳍片170的材料可包括，但不限于，如上所述的非聚合材料(例如金 属)。(与聚合材料相比)由非聚合材料所形成的鳍片170,提供降低的 传导阻抗，其提供更有效率的热扩散。鳍片170的外表面通常暴露于周围环境，构造为突出于传热装置 300的密封层160。鳍片170可成形为密封层160的整体部分，或成形 为分离的组件(如下文详细描述)。图4是图3所示的传热装置300的 剖面视图。如所举例说明的，每一鳍片170成形为密封层160的一部 分，并在所希望的位置突出穿过聚合物层150(即密封层以下冰雹状 (sleeted)的间隔延伸穿过聚合物层150)。鳍片170的构造不限于实施方 案所举例说明的。作为进一步的实例，且如图5所举例说明的，传热 装置300可包括一系列折叠的，通常是三角形的鳍片170。每一鳍片 170的底部(三角形的底部)包括能作为容纳冷凝物的毛细结构的槽 180。当蒸汽凝结时，热量被释放，并通过鳍片170扩散至周围环境。或者，鳍片170可成形为与密封层160耦合的分离的组件。图6 是本发明另一个实施方案的传热装置600的局部剖面视图，其显示密
封层160、聚合物层150及一系列可选地连接在密封层160上的组件 鳍片690。尤其是多个鳍片690沿着传热装置600的顶表面设置。鳍 片6卯可由上述非聚合物材料形成。另外，每一鳍片690可具有与密 封层160相同或不同的成分。每一鳍片690延伸通过聚合物层150， 并与密封层160接触。鳍片690可通过例如烧结、模制、焊接、扩散 结合、化学键合等方式功能性地结合在密封层160上。图7和8显示本发明另一个实施方案的传热装置。参考图7,传 热装置700可包括本体120和界定蒸汽室130的端盖120。另外，散 热器装置700可包括一个或多个以流体方式与蒸汽室130连通的室鳍 片710。该构造形成具有热管构造700的传热装置700，其中冷凝物收 集在鳍片室710内，且^C向下抽回热源10。在该实施方案中，聚合物 层150可完全围绕密封层(如所举例说明)，或者在另一实施方案中， 聚合物层150可从围绕鳍片710的区域省略(使密封层160的外表面暴 露于周围环境中)。本发明的传热装置还包括一个或多个毛细结构，其可操作地使凝 结液体通过毛细作用流回蒸汽室130，尤其是流回蒸发区(热源10附近 的区域)。图9举例说明本发明一个实施方案的传热装置900的剖面视 图，其显示中央毛细结构910和二个侧面毛细结构920。毛细结构910、 920可包括，但不限于，筛(screen)结构、槽结构、多孔结构、毛细管 结构、通道结构等。此外，该室可包括具有至少一个毛细类型的多毛细结构，其在空 间方面改变毛细作用能力和/或提供三维冷凝物流。作为特定的例子， 多毛细结构可包括多个互连的毛细结构，其中多毛细结构具有毛细作 用能力因子，该因子随着与蒸发区距离的增加而变小，使得当液体向 蒸发区会聚时，毛细作用能力增加。此空间改变的毛细作用能力可由 具有不同量和类型的材料的多种不同毛细结构来提供。另外，多毛细 结构可包括毛细结构桥，其连接不同的毛细结构并提供返回至蒸发区 的额外路径，优选为至蒸发区的更直接路径，或"捷径"。因此，多毛细结构提供返回蒸发区的流动路径。当冷凝物流向蒸 发区时，随着至蒸发区的距离减小，液体的体积和流速增加，在最远 点的局部流速较小，而蒸发区附近的流速最大。多毛细结构的毛细作 用能力的增加对应流动要求的增加，而且通过增加毛细材料的量(例如 较大的层厚度)和/或使用提供向蒸发区方向流动阻抗整体降低的毛细 材料组合(如槽和网的组合)可增加毛细作用。美国公开专利申请第2004/0011509号(Siu)提供了关于毛细结构的另外的信息，在此将其全 部公开并入做为参考。可选地将毛细结构应用于蒸汽室130的内表面(如密封层160)。这 些毛细结构可由聚合材料和/或非聚合材料(如上述)形成。作为特定的 例子，在图9的实施方案中，中央毛细结构910包括由非聚合材料形 成的三维毛细结构。中央结构910包括功能性地设置在密封层160上 的底部930和从底部930向上延伸至鳍片170的毛细桥940。另外， 侧面毛细结构920可包括功能性地设置在密封层160上的金属网层 950以及位于网层950上方的金属板层960。金属板960通过网层950 对密封层160施加向下的力，使网层与蒸汽室130的底表面(即密封层 160)保持接触。这通过增加冷凝物可接触的表面积，而增加了网-室 组合体的毛细作用能力。传热装置还包括锅炉板。所述锅炉板可操作地控制在蒸发区产生 的任何过热。图IO是本发明另一实施方案的传热装置1000的剖面朝L 图。如图所示，锅炉板1010可设置在密封层160上，且接近热源10。 锅炉板1010可由聚合材料或非聚合材料(如上述)形成。锅炉板1010 也可包括突出的毛细结构(也如上述)。另外，可提供毛细桥1040。与 锅炉板1010关联的毛细结构增加毛细作用能力，并为冷凝物流提供额 外的毛细作用路径。该额外的冷凝物流有助于使能到达蒸发区中央部 分的液体量最大化。如上所述的毛细结构，锅炉板1010的毛细结构可 包括例如筛(screen)型、槽型、多孔型、毛细管型、通道型等结构。可使用各种技术改善非聚合材料层(密封层160)与聚合材料层(聚 合物层150)的粘着。图11举例说明传热装置的局部剖面视图，其显示 聚合物层150和密封层160的放大视图。如所举例说明的，聚合物层 150包括沿其表面形成的一系列凹部1110。这些凹部1110提供额外的 表面积供密封层160啮合，产生机械互锁，改善密封层160与聚合物 层150的粘着。当密封层160的应用保持在恒定厚度时，形成一系列 类似上述参考图5的槽180,其提供能捕获蒸汽(如上所述)的毛细作用 区。取代性地或附加地，可使用粘着促进层以改善聚合物层150与密 封层160的粘着。图12举例说明传热装置1200的局部剖面视图，其 显示聚合物层150和密封层160的放大视图。如图所示，粘着促进层 1210可i殳置在聚合物层150和密封层160之间。粘着层1210可由诮-如氧化铜(黑色氧化物)的金属氧化物形成。也可使用其它能提供结合 的材料。另外，当密封层包含金属时，其可经历黑色氧化物转换过程， 其中腐蚀性的溶液与金属中的铁反应以形成整体保护表面。为了对蒸汽室130提供额外的刚性，可在蒸汽室130的各壁之间 设置支撑物(未举例说明)。还构造这些支撑物以提供毛细作用，且这 些支撑物可包括例如筛(screen)型、槽型、多孔型、毛细管型、通道型 等结构。传热装置还包括泵(未举例说明)，该泵可操作地帮助室内流体的 运动。泵可包括，但不限于，常规泵、微型泵(例如电动力学泵)等。 泵可被置于蒸汽室130之内或之外，且可连接蒸发区和凝结区。在另 一实施方案中，泵可移动流体通过从蒸汽室130延伸至外部装置以提 供额外冷却的管。虽然本发明已参考特定实施方案进行了详细描述，但是对本领域 技术人员来说，很显然可作出各种变化和修饰而不会脱离本发明的精 神和范围。例如，为所述目的，传热装置可包括任何适当的构造、可 具有任何适当的形状和具有任何适当的尺寸。类似地，蒸汽室130的 结构不受限制，且可包括任何能够维持真空条件的结构。另外，可改 变蒸汽室的构造以适合各种应用要求。例如，最筒单的形式是平坦的 热散播器形式，使得来自热源的热量从具有功能性附加的鳍片的蒸汽 室的一侧传递到另一侧。另一形式是矩形或圆筒型散热器形式。蒸汽 室130还以壳体、框架和/或箱体的形式实施。为了改善热源(例如电 子装置)和蒸汽室之间的功能性接触，可使用热性连接。该热性连接可 为传导性固态元件、常规的热管和/或其它蒸汽室。作为进一步的实例， 传热装置可以夹子的方式夹在印刷电路板(特别是子插件)上。蒸汽室 可由 一 个整体的组件形成或由结合在 一起的多个组件形成。形成传热 组件的各组件和/或各层的耦合顺序不受限制。不特别限制端盖120的构造。端盖可与传热装置的本体110整合； 或者端盖可与本体110耦合以形成流体密封的单独组件。端盖可由与 主体相同的材料组成，该主体例如包括密封层和聚合物层。可在端盖 上形成毛细结构以提供额外的冷凝物流动路径。传热装置和其组件(如蒸汽室和/或鳍片)可全部由聚合材料形成， 或全部由非聚合材料形成，或可包括其混合物。另外，组件的各部分 可选地由聚合和/或非聚合材料形成。作为实例，在要求蒸汽室130和 鳍片170具有高效能的应用中，690可由非聚合材料形成。因此，如果对本发明的修饰和变化落在所附权利要求和其等同的 范围内，则意欲使本发明涵盖这些修饰和变化。例如，应了解此处所 用的例如"左"、"右"、"顶"、"底"、"前"、"后"、"侧"、"高度"、"长度"、 "宽度"、"上"、"下"、"内部"、"外部"、"内"、"外"和类似的术语，仅 描述参考点，并非将本发明限制于任何特殊的方位或构造。
权利要求
1. 一种传热装置，其包括 真空室，其包括包含聚合材料的第一层，和包含非聚合材料的第二层，其中所述第二层可操作地提供在 真空条件下的流体屏障；以及 被容纳在所述真空室内的相变材料；其中所述传热装置可操作地将热量从热源传递至周围环境。
2. 如权利要求1所述的传热装置，其还包括至少一个鳍片部件， 所述至少 一 个鳍片部件可操作地将热量从所述真空室对流至周围环境。
3. 如权利要求2所述的传热装置，其中所述至少一个鳍片部件包 含非聚合材料。
4. 如权利要求2所述的传热装置，其中所述至少一个鳍片部件包 含以交错形式设置的多个鳍片部件。
5. 如权利要求2所述的传热装置，其中所述至少一个鳍片部件包 含密封层的一部分。
6. 如权利要求2所述的传热装置，其中所述至少一个鳍片部件是 与密封层耦合的组件。
7. 如权利要求1所述的传热装置，其中所述聚合材料选自有机聚 合物、无机聚合物、热塑性塑料、热固性聚合物和弹性体。
8. 如权利要求1所述的传热装置，其中所述非聚合材料选自金属、 陶瓷、金属陶瓷以及它们的混合物。
9. 如权利要求1所述的传热装置，其还包括与所述真空室连通的鳍片室。
10. 如权利要求1所述的传热装置，其还包括临近所述热源设置 的锅炉板。
11. 如权利要求IO所述的传热装置，其中由选自聚合材料和非聚 合材料的材料形成所述锅炉板。
12. 如权利要求1所述的传热装置，其还包括毛细結构，以在冷 凝物向所述室内的蒸发区累积和会聚时，容纳增加流速的所述冷凝物。
13. 如权利要求12所述的传热装置，其中由选自聚合材料和非聚 合材料的材料形成所述毛细结构。
14. 如权利要求1所述的传热装置，其还包括在所述第一层和所 述第二层之间形成的粘着促进层。
15. 如权利要求1所述的传热装置，其中所述第一层的表面包含 凹部，所述凹部可操作地增加所述第二层对所述第一层的粘着。
全文摘要
传热装置(100)，包括容纳相变材料如水的蒸汽室(130)。所述传热装置(100)可选地由聚合和非聚合材料的组合而形成。在一个实施方案中，蒸汽室是由围绕密封层(160)的聚合物层(150)形成，该密封层(160)是由非聚合物层形成。传热装置(100)还包括一个或多个鳍片部件(170)，该鳍片部件(170)可操作地将热量从蒸汽室(130)扩散至周围/外部环境。鳍片(170)可为固态结构，或每一鳍片(170)可界定与蒸汽室(130)相连通的鳍片室(710)。在一个实施方案中，鳍片部件(170)由非聚合材料形成。
文档编号F28D15/02GK101147038SQ200680009070
公开日2008年3月19日 申请日期2006年6月26日 优先权日2005年6月24日
发明者萧永铭 申请人:嘉合科技有限公司