具有储存器功能的平板热管的制作方法

本发明涉及热管，更普遍而言，涉及具有工作流体的两相传热系统。更具体地说，本发明涉及用于传递由电子设备或者任何其它热源产生的热能的平板热管，所述电子设备比如为处理器、功率晶体管或者释放热能的任何其它电子元件。

背景技术：

在这种热管中，工作流体在被称为蒸发器的区域汽化，而在被称为冷凝器的区域使工作流体冷凝。所讨论的热管是由气密套膜构成的，所述气密套膜封闭一定量的工作流体，所述工作流体由于毛细管结构产生的毛细管作用在蒸发器区域与冷凝器区域之间的闭合环路中循环，所述毛细管结构插入在蒸发器区域与冷凝器区域之间。

尤其是，本发明涉及到具有两个相对面的平板热管，所述两个相对面即为接收来自待冷却元件的热量的第一“热”面以及用于把热能传递到片式散热器或普通液体热交换器的第二“冷”面。这类型的热管也被本领域技术人员称为“散热器”。例如，从专利us3,613,778、us5,642,776、us7,392,836或者us20100326632中可知这种散热器型热管。

我们看到，电子元件待要传递的表面热通量密度增加，因此需要增加散热器热管的效率和进行优化。

现有技术的配置未提供管理由于工作温度改变而引起的液体体积变化的最优方案。

液相占据的体积随着工作温度升高而增加，多余液体可降低热管性能，尤其是冷凝器处的热交换，所述冷凝器可能被该多余液体部分或完全覆盖。.

因此需要提高对多余液体的管理，以便保持热管性能在工作温度的较宽范围内处于最佳水平。

技术实现要素：

为此目的，本发明的一个目的是一种具有两相液汽工作流体的平板热管，包括：

-第一块板，用于容纳来自热源的热能，

-第二块板，用于把热能传递到冷源，与第一块板相对并且大体上与其平行地设置所述第二块板，

-边缘，密封地连接第一块板和第二块板，以形成封闭两相工作流体的闭合内部空间，

-毛细管结构，插入在第一块板和第二块板之间，

-邻近第一块板的汽化通道，

-邻近第二块板的冷凝通道，

-至少一个传递通道，使汽化通道与冷凝通道连通，以便输送蒸汽，

-至少一个采集通道，构成储存器，其与每个冷凝通道流体连通，所述采集通道邻近第二块板，所以采集通道可以通过毛细管现象吸引多余液相，并将其保存。

换言之，采集通道由于捕获多余液体而用作膨胀箱，从而保持冷凝通道的最佳运行。

在本发明的各个实施例中，还可以利用以下设置中的一项或多项设置：

汽化通道和/或冷凝通道可以形成为设置在毛细管结构中或分别设置在第一块板和第二块板内表面上的凹槽，这代表可以通过机械加工、冲压、成型等标准制造方法得到简单的几何构型；

-有利的是，采集通道通过狭窄/受限通道与每个冷凝通道流体连通；因此通过构成弯液面并由于毛细管现象实现吸入效应；

-狭窄通道最好设置在每个冷凝凹槽连接到存储器的末端；结果证明，与蒸汽到达的微暖末端相比，这样是有利的设置；

-狭窄通道的水力直径最好严格小于冷凝通道的水力直径；这样有助于在狭窄通道处形成弯液面；

-最好根据所选择的工作流体而不管相对于重力场的定向如何，选择狭窄通道的尺寸，以便在其中形成弯液面，并将其保持在其中，所以该弯液面产生的毛细管压力补偿重力场在任何方向产生的液体静压；

-有利的是，选择工作流体的质量，以至于储存器在热管的最低工作温度下完全充满汽相；因此这样优化了在指定温度范围内运行所需的流体量；

-由第一块板、第二块板和边缘形成的套膜最好是由陶瓷材料制成的，所述材料的热膨胀系数与电子元件的热膨胀系统一致；这样能够避免机械应力的风险；

-毛细管结构最好由陶瓷材料制成；毛细管结构的热膨胀因此与套膜的热膨胀一致，进一步降低了机械应力的风险。

附图说明

从以下对借助于非限制性实例列出的本发明的实施例的说明，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见。参考附图，还将更好地理解本发明，在附图中：

-图1是处于使用环境中的根据本发明的热管的整体透视图，

-图2是沿着图3中可见的剖面ii-ii的根据本发明的热管的横截面图，

-图3是沿着图2中可见的剖面iii-iii的图2的热管的水平截面图，

-图4显示了图2的热管的冷凝侧上的板与毛细管结构的分解透视图，

-图5显示了沿着图3中可见的剖面v-v的图2的热管的分解侧视截面图，

-图6更详细地显示了形成在构成储存器的采集通道与冷凝通道之间的受限通道，

-图7是与图5相似的视图，显示了组装结构的一个变体实施例。

具体实施方式

在各图中，相同的标号指代相同或相似的元件。

图1显示了包括平板热管1的系统，所述平板热管1使之能够向元件7传递由耗散元件6(“热源”)产生的热能，所述元件7能够接收在此称为“冷源”7的该热能。在所阐释的实例中，界定了参考面xy。耗散元件6与热管1之间的物理界面平行于该参考面以及平板热管1与作为冷源7一部分的板之间的物理界面。在热管内流动的工作流体使得热能的通量分散在各个方向x、y和h，以便消散在冷凝器板22与冷源7之间的连接处，换言之，在垂直于参考面的横向h，但是也在参考面的方向x和方向y。这种类型的平板热管也称为散热器，因为用于传递冷源7上的热能的表面积大于来自热源6的热能入口的表面积。

在平板热管1内部是两相工作流体5(意味着它包括液相5l的一部分以及汽相5v的一部分)，用于吸引来自热源6的热能并将其传递到冷源7。

参照图2至图5，热管1包括用于接收来自热源的热能的第一块板21以及用于把热能传递到冷源7的第二块板22。将第二块板22设置为面对第一块板21，并平行于第一块板21，按照方向h相隔一定距离。

在此可以注意到，如有重力场，则方向h不一定与重力场的竖向一致，同样，参考面xy不一定与水平面一致。

有利的是，热管1沿着方向h的厚度(第一块板和第二块板21、22的外表面之间)例如，小于20毫米，或者小于15毫米，乃至小于10毫米。热管因此很容易集成到电路板或电子控制单元内。然而，应注意，本发明的原理可适用于任何维度。

此外，边缘23以密封的方式连接第一块板和第二块板21、22；因此，具有所述边缘的第一块板和第二块板的实心壁形成封闭两相工作流体5的封闭的内部空间(气密外壳)。一旦密封外壳，封闭的内部与外部之间则没有材料交换；因此，即便温度和压力条件随着时间改变，工作流体的量仍保持不变。

毛细管结构3插入在第一块板和第二块板21、22之间，其功能是抽出液相流体并形成压力激增，所述压力激增能够使回路中的所有水头损失平衡。因此，通过热管中的该毛细管泵调动流体。毛细管结构3可由多孔物质(例如，以烧结金属为基础)或者由晶格或钢丝棉型结构构成。也可以通过多孔陶瓷材料或多孔塑性材料来获得毛细管结构3。根据液相的工作流体尤其是其表面张力(自然形成的弯液面的半径)选择孔的尺寸。孔的尺寸通常介于1微米(μm)至100微米之间，乃至介于1μm至20μm之间，最好介于2μm至5μm之间。为了便于阅读各图，通过间隔较宽的剖面线展示毛细管结构3，图3中没有剖面线。

毛细管结构3充满液体。通过耗散元件6应用的热通量导致液体在毛细管材料表面汽化，所述液体因此在该位置变干，因此吸引在热管中调动的液相工作流体。然而，如果热管的工作温度因为针对冷却系统的外部条件开始上升，则液相所占据的体积超出毛细管结构内部可容纳的体积。然后在毛细管结构3外发现多余液相5l。

实际上，当温度上升时，液相的密度l下降，同时相反，汽相的密度v增加。因此，由于热管中流体的总质量保持不变，所以液相5l在热管闭合外壳内占据的相对液体体积随着温度上升而增加，导致产生多余液体。

冷凝通道12中的多余液体会导致由于冷凝现象和较高的温度梯度而使热交换强度降低，这样是不利的。

可以注意到，热管1可在具有重力场的地面上应用，但是也可以用于重力非常弱乃至可以忽略的空间环境中。

由于第一块板21处(蒸发器侧)的热能入口，在该位置存在的液相工作流体5l因为吸收该热能而汽化。有利的是，汽化通道11设置在第一块板旁边，从而有助于引导因此产生的蒸汽，并允许其他液相流体连续进入。汽化通道11可以形成为毛细管结构中的凹槽，如图所示，但是也可以在第一块板21内表面上形成所述汽化通道11。

在蒸发器侧上产生的蒸汽5v按照位于第二块板22的冷凝区域的方向流过传递通道13。在该位置，由于冷源温度较低，蒸汽再浓缩为液体形式。在所阐释的实例中，这发生在邻近第二块板22的冷凝通道12中。在所阐释的实例中，冷凝通道12设置在第二块板内表面上。在一个替换实施例中，所述冷凝通道12可以形成为毛细管结构3内的凹槽。

在由psat、tsat平衡(饱和条件)所确定的指定温度下，发生液汽与汽液的相变，因此这种具有发生液汽相变的流体的热管，一方面使第一块板与第二块板之间的温度差很小乃至可以忽略，另一方面使得热管内以及因此在形成冷源7界面的整个表面27上的流体的温度稍微完全均匀。

人们将会注意到，理想的是，蒸汽不穿过装有液体的毛细管结构；装有液体的毛细管结构因此形成蒸汽的屏障，这被称为“毛细管密封”。

为了容纳工作温度上升时形成的多余液体，有利的是，在本发明中使采集通道9形成储存器，其与每个冷凝通道12流体连通。

该储存器9的功能是捕获所有多余液体，多余液体(如有的话)自然系统地聚集在冷凝器中；本发明的储存器吸引并捕获多余液体，如下文详细所述，而且，该多余液体因此不聚集在冷凝通道12中。

在所阐释的实例中，冷凝通道12按照彼此平行的方向y延伸；储存器采集通道9垂直于冷凝通道延伸，换言之，按照方向x延伸。在所阐释的结构中，热管大体呈平行六面体形，当然，不排除其他几何形状的设置，例如，圆盘形或饼形结构，其中通道设置为星形或者能够在热源与冷源之间形成链接的任何其它形状。

每个冷凝通道12都在第一端12a与第二端12b之间延伸，所述第一端12a通向传递通道13，而在所述第二端12b，形成与构成储存器9的采集通道的流体连通8。

有利的是，采集通道9与每个冷凝通道之间的连接8是通过狭窄通道(受限通道)8实现的；更具体地说，狭窄通道8的水力直径严格小于冷凝通道12的水力直径。

在该位置形成弯液面84(图6)，其占据狭窄通道8的体积。

该弯液面84产生毛细管压，所述毛细管压补偿重力场在存储器凹槽9中在可相对于垂直线取方向x的任何角度产生的液体静压。

根据所选择的工作流体，可以选择狭窄通道8宽度，使其小于冷凝凹槽宽度的四分之三，或者小于冷凝凹槽宽度的二分之一，乃至小于三分之一。

储存器9的上表面交界毛细管结构3。因此，液相可以仅通过前述狭窄通道8和/或通过毛细管结构的吸力进入或者离开储存器。

此外，因为采集通道9中没有进入的蒸汽，所以其温度稍低于冷凝通道中的主导温度。正因如此，所以凝通道与储存器9内部之间有微小压力差，将液态流体吸入存储器中。

根据一项有利的设置，水力直径以及发生的压差足以补偿重力场的作用，无论热管定向如何都是如此。此外，如果热管在运输工具(火车、飞机等)上或者嵌入移动设备(笔记本电脑、平板电脑等)中，定向则可以随着时间变化。

在所阐释的实例中，用于运送蒸汽的传递通道13是由始终沿着毛细管结构周长延伸的自由空间构成的，换言之，在其四面上，即两个侧面空腔13c、13d、位置接近储存器的一个后空腔13b以及位置与采集通道相对的一个前空腔13a，该前空腔13a直接通入每个冷凝通道的第一端12a。

每个汽化通道11的第一端11a通向前空腔13a，每个汽化通道的第二端11b通向后空腔13b。在图3中把经过传递通道的蒸汽流标为标号fa、fb、fc和fd。

必须包含在热管1密封外壳中的工作流体是通过热管的最低工作温度确定的，所述最低工作温度标为t_min_op。

因此，理想的是，选择流体5的质量，液相5l针对所述流体质量占据毛细管结构的整个体积，但是不超过所述体积；换言之，选择流体5的质量，使得在热管最低工作温度t_min_op下储存器9中完全充满汽相5v。

当热管的工作温度从t_min_op上升时，产生多余液体，然后填充储存器9。

如果热管的工作温度低于t_min_op，毛细管结构中则不完全充满液体，而储存器中完全充满蒸汽。在这种情况下，热管的传热性能可能次佳，但是热管可以在降级模式下运行(流体流速和/或工作温度变动，乃至再次超出工作温度再次上升直到t_min_op)。

可以确定储存器9的体积，以便使多余液体5l的量与最高工作温度t_max_op相对应。

第一块板和第二块板21、22以及边缘23可由金属材料(ni、cu、不锈钢等)或陶瓷材料(al2o3、alsic、aln等)或塑性材料制成。应注意，边缘23可以构成单独部分，或者可以作为具有其中一块板的单独一部分得到所述边缘，例如，所述板为图5中阐释的第一块板，标为4的部分包括第一块板和边缘。通过钎焊、激光焊、结构胶等来密封所述边缘。

在一个实施例中，第二块板、冷凝凹槽和采集通道一起构成标为2的基底部分。

边缘还可以用作参考面xy中的耦合区域，使每块板的边结合在一起，第一块板具有偏置的凹陷边缘，如图7所示。

所采用的工作流体5最好是限制热管套膜上的机械应力的所谓“低压”流体，例如，水、甲醇、丙酮、乙醇或任何制冷液。

在所阐释的实例中，毛细管结构3大体呈平行六面体形，宽度为lx3，长度为ly3，高度为h3。第一块板21的长度ly1大体上相当于ly3加上前、后通道12a、12b的宽度加上边缘的厚度之和。第二块板22的宽度为lx2，长度为ly2，高度为h2。

冷凝凹槽的高度h7可等于构成储存器的采集通道的高度h9，当然后者可以较大(h9>h7)；还可以选择h9<h7，这取决于预期用途的需求和限制条件。

汽化凹槽的高度标为h6，并且可以接近高度h7。

应注意到，凹槽的横截面(汽化侧和/或冷凝侧)可以是方形，如图所示，但是也可以是矩形、三角形、半圆形等。

关于热管本身的组装或者热管在其机械环境中组装，可以将孔(可能为通孔，可能有螺纹)设置在第一块板和第二块板中和毛细管结构中。

将会注意到，储存器可以在指定温度条件下储存冻结液体；储存器还可以储存不凝性气体。

或者通过组装直接形成与冷源的连接，或者在与作为冷源的外部流体对流交换的情况下通过添加翅片进行与冷源连接。

将会注意到，在不脱离本发明范围的情况下，第一块板和第二块板21、22可能不是彼此平行的。

有利的是，系统是完全无源的，它不包含有源元件，不需要维护，而且最好在空间中以任何定向运行。

关于热管的初次填充，提供填充孔和软管(图中未显示)，通过阀门或盖封闭填充孔，或者在引入指定量的工作流体之后将其永久密封。

将会注意到，构成储存器的空腔可以是任何形状；除了各图中所示的采集通道的结构外，还有可能使凹槽的圆柱形腔以星形延伸并与之相连。

同样，将会注意到，构成储存器的空腔可由多个部分构成，所述多个部分或者彼此隔绝，或者通过受限通道相互连通，所述受限通道限定了表观静液总高度。