专利名称：微型冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于排放不必要热量的微型冷却装置，尤其是涉及一种产生不必要热量的电子产品用的微型冷却装置，尽管这种电子产品的尺寸很小，如集成电路装置。
解决上述问题的一种典型传统方法是使用风扇强制冷却所述装置。然而，上述方法自身存在问题，如冷却效率低，额外热发生源的引入，如风扇用电源及由风扇自身产生的额外热量。
具有较高冷却效果的另一种方法是通过改变液体材料(“冷却剂”)的相来排放热量，换句话说，用作冷却剂的液体材料通过热发生源并转变为气体，以便利用其汽化能排放热量，该方法已经广泛应用于冰箱和空调。上述方法也存在问题，即为了冷凝汽化(或气体)的冷却剂，必须额外安装多种设备，从而造成整个系统的体积和能耗增加。
最近，通过应用液体材料的相变和自然对流现象研制出来一种尺寸非常小的微型冷却装置，称为热管。尽管有许多型式的热管，但是具有内外管的双管型热管仍被作为一种有效的冷却装置。在该双管型热管中，冷却剂填充在外管内，而内管壁上具有多个细小的孔，从而形成从内管内部通向外管的通道。当热量从热源传到外管时，外管中的冷却剂吸收热量而转变为气体，汽化的冷却剂通过内管上的孔注入内管的内部。内管中的气体通过浮力和气压的差值进一步移动到内管的相对端。在内管的相对端，冷却剂冷凝为液态。液体经内管上的孔移动到外管，并且最终返回到冷却剂的初始位置。
根据上述原理制造的热管体积小且具有良好的冷却效果。然而，由于管内气态冷却剂的运动取决于浮力和气压的差值，液态冷却剂的运动取决于重力，所以热管的安装位置或场地就受到限制。还有，由于热管应制成这样的结构，即冷却剂在热发生源的相对端被冷凝，因此随着热管的尺寸变得更小，其冷却效果降低，性能变坏。
另外，本发明的另一目的是提供一种具有高冷却性能的冷却装置，它不受安装位置和场地的限制并不受重力的影响。
为了实现本发明的上述目的，提供一种排放热发生源产生的热量的冷却装置，所述装置包括用于储存液态冷却剂的冷却剂储存部分；包括至少一个微型通道的吸热部分，该部分位于靠近所述热发生源的位置并且与所述冷却剂储存部分相连接，所述液态冷却剂通过表面张力部分填充在微型通道内，并且当从所述热发生源吸收热量时，其在所述微型通道内汽化成气态冷却剂；与所述吸热部分相邻的绝热部分，其用于防止所述吸热部分吸收的热量传导到其他区域；用于冷凝气态冷却剂并和所述吸热部分分开设置的冷凝部分；与所述吸热部分和所述冷凝部分紧靠的气体移动部分，其为一通道，通过该通道所述气态冷却剂从所述吸热部分移动到所述冷凝部分；至少包括所述吸热部分的壳体。
图3是
图1所示冷却装置吸热部分中的一个微型通道的放大示意图；图4是根据本发明另一实施例的冷却装置100’在XZ平面内的剖面图。
图1是根据本发明实施例的冷却装置在XZ平面内的剖面示意图。本发明冷却装置100包括冷却剂储存部分102和吸热部分106，储存部分用于储存液态冷却剂(在图中用波浪线表示)，吸热部分靠近冷却剂储存部分102且与热发生源(未示出)相邻。吸热部分106包括多个微型通道114(在图中用斜线表示)，根据毛细现象，储存在冷却剂储存部分102中的冷却剂通过每个微型通道的表面张力部分填充到微型通道114中。
本发明冷却装置100还包括气体移动部分104，其位于冷却剂储存部分102的对面且由吸热部分106隔开。冷却装置100还包括绝热部分108，其与吸热部分106相邻设置，用来防止热传导到其他部分，冷却装置还包括冷凝部分110，其位于吸热部分106的对面且由绝热部分108沿Z轴方向隔开。
优选的是，冷却剂储存部分102、吸热部分106、气体移动部分104、绝热部分108和冷凝部分110形成在壳体112内，由此构成本发明冷却装置100的一个实施例。
为了更清楚地描述本发明实施例的几何结构，图2是图1所示冷却装置100沿线a-a’的剖视图。冷却装置100包括冷却剂储存部分102，其在X轴上通过插入期间的吸热部分106与气体移动部分104隔开。如前所述，多个微型通道114形成在吸热部分106中。
下面，参考图1到图3描述冷却装置100的工作过程。如图1所示，块状箭头120和122所示为热传导方向。由外部热发生源(未示出)产生的热量传给冷却装置100的吸热部分106，优选的是在外部热发生源和与吸热部分106相邻的冷却装置100壳体112的外壁之间保持热接触。
壳体112可以由多种材料制成，包括半导体材料如硅Si或镓Ga，分层材料如自组装单层，金属如铜Cu或铝Al或二者的合金，陶瓷或晶体材料如金刚石。特别地，如果外部热发生源是半导体装置，本发明冷却装置100可由与半导体装置用材料相同的半导体材料制成。如下所述，本发明冷却装置100也可通过下述制作方法中的一种方法整体制造。因此冷却装置100可以制成和外部热发生源相同的尺寸(例如，在XY平面内具有几平方厘米或几十平方厘米的面积)，从而使本发明冷却装置100的热阻降到最小。
如图2所示，从外部热发生源传来的热量在吸热部分106被吸收。吸热部分106具有多个微型通道114，储存在冷却剂储存部分102的冷却剂根据毛细现象填满管道114的预定部分，这在图3中有详细表明。如图3所示，其为吸热部分106的一个微型通道114的放大示意图，冷却剂从冷却剂储存部分102一直填满到微型通道中标为“A”的位置。
冷却剂填充到的位置“A”取决于冷却剂的类型和微型通道的尺寸。尤其是，冷却剂的类型可以根据壳体112的材料而有所不同，因为冷却剂可以和微型通道114或壳体112的表面进行化学反应。考虑到环境污染，非氟氯化碳(CFC)型的新型冷却剂是优选的。对于符合壳体112材料的冷却剂，例如在电子产品如集成电路中，可以优先选择水H2O或酒精，如甲醇或乙醇。上述冷却剂的大热容和其对于半导体装置小的表面张力角导致冷却剂的大流速从而传导大量的热量。此外，也不存在有关环境污染的问题。甚至当壳体112内有缺陷(比如在壳体表面有细的裂纹)时，也不存在冷却剂流出壳体112的可能。
一般说来，尽管在宏观系统中有表面张力，但是，重力的影响更大。因此，在宏观系统中很难有效地利用表面张力的益处。为了使重力的影响可以忽略，系统的尺寸要变得更小。这样适用于本发明冷却装置100的每个微型通道114的宽度最好是在1nm-1000μm的范围内，管道114的长度大约在0.5cm-5cm之间。另外，每个微型通道114的横截面可以是圆形、椭圆形、长方形或多边形等。如下所述，横截面积可以在预定方向上大一些或小一些，以便控制管道114内壁和冷却剂之间的表面张力的大小。
如上所述，如果热量由外部热发生源供给到充满冷却剂的吸热部分106的微型通道114，由于填充在微型通道114内的某些冷却剂的蒸发，就会产生小气泡，这样会在冷却剂中形成紊流。冷却剂中的小气泡和紊流在微型通道114中产生更小的气泡(未示出)。这些小气泡移动到没有储存冷却剂的气体移动部分104。由于小气泡仅仅移动几毫米的距离，重力的影响可以忽略。因此，即使冷却剂储存部分102和气体移动部分104分别位于高处和低处，由于吸热部分106中的压力差，气泡可以从冷却剂储存部分102移动到气体移动部分104，气泡的这种移动在后面将作详细的描述。
通过在吸热部分106内的微型通道114的内表面形成的节点可以产生上述具有预定方向的气泡运动。换句话说，如图3所示，多个节点116形成在微型通道114的内表面上靠近冷却剂储存部分102区域内。微型通道114的横截面积朝着气体移动部分104(即沿着X轴的增加方向)的方向变小，其中表面张力在该方向变大。上述表面张力的增加使得冷却剂具有势能，该势能引起冷却剂在从冷却剂储存部分102到气体移动部分104的方向上移动。总之，根据冷却剂的定向势能，在冷却剂中产生的大多数气泡趋向于沿着X轴的增加方向移动。
如图1所示，气体移动部分104首先形成为空的空间。从吸热部分102移动到气体移动部分104的气泡破裂形成气体(气态冷却剂)，当气态冷却剂从吸热部分106喷出时，由于在与吸热部分106和冷凝部分110相邻的区域存在压差，因此气态冷却剂移动到冷凝部分110。
当单位体积内的气泡数量增加时，本发明冷却装置的冷却效率增加。因此，最好增加产生这种气泡的可能性。例如，在吸热部分106管道114的内表面上形成多个微型槽(未示出)。另外，也可以使用微波发生器(未示出)来给冷却装置100提供微波能量，用来细微地振动冷却装置，从而增加气泡产生的可能性。
然后，气态冷却剂在冷凝部分110内失去汽化能而变为液态冷却剂。为了更有效地完成冷却剂的冷凝，在靠近冷凝部分110的壳体112的外表面上可以安装多个散热片(未示出)。上述散热片以微尺寸制成。此外，例如，如果微型致动器和微型散热片一起制造，从冷凝器110排放的热量能够再循环以循环周围的空气。或者，如果散热片由热电装置制成，从冷凝部分110排放的热量能够转变为用于其他电子装置的电能。另外，根据本发明的另一实施例，冷凝器110可以制造的比吸热部分106大(例如，大约10倍)，从而周围大气的对流也有助于气态冷却剂的冷凝。还有，微型散热片也可形成在冷凝部分110的内表面，从而可以增加冷却剂的冷凝效率。
气态冷却剂在冷凝部分110中被冷凝并聚集成液态冷却剂。当聚集了足够的液态冷却剂时，液态冷却剂通过形成在冷凝部分110内的微型通道移动到冷却剂储存部分102。冷凝的冷却剂根据上述相同的原理移动到冷却剂储存部分102。和吸热部分106的结构相似，在气体移动部分104的相邻区域内，冷凝部分110的管道在内表面上可以包括多个节点118。同时，节点118在与吸热部分106内形成节点116相对的方向上形成。冷凝为液态的冷却剂返回到冷却剂储存部分102，从而完成冷却剂在冷却装置100内的循环。
如上所述，冷却剂在本发明冷却装置100内的循环在没有外部驱动力的情况下自行完成，尤其是借助液态冷却剂的表面张力通过毛细现象来进行，并且没有重力的任何影响。由于在吸热部分106内包括多个微型通道114，所以在此情况下，表面张力要比重力大。
由于在本发明中应用了微观动力学，因此有许多方法可以制造本发明冷却装置100。例如，可以采用MENS(微型电动机械系统)或SAM(自组装单层)方法，或者是使用激光或等离子气体的超精确结构加工方法。
现在参考图4描述本发明的另一实施例，图4是本发明另一实施例的冷却装置100’在XZ平面内的剖面图。如图所示，冷却装置100’可以利用冷却装置100的单层结构的扩展而形成为多层结构。
下面描述冷却装置100’的冷却循环。冷却剂在吸热部分100’内通过吸收热量转变为气体，气态冷却剂通过冷却装置100的单层结构中所描述相同的机理开始移动。然后，与流出冷却剂储存部分102’的冷却剂一样多的冷却剂根据连续性原理重新从冷凝部分110’填充到冷却剂储存部分102’，通过气体移动部分104’，气态冷却剂在冷凝部分110’又转变为液态冷却剂，这样从冷凝部分110’流进冷却剂储存部分102’的冷却剂的量得以补偿，由此完成冷却装置100’内的冷却循环。
如图所示，冷却装置100’与冷却装置100的不同在于在冷凝部分110’的多层结构，但是所有的基本原理，比如冷却剂的循环、相变或热量的产生，冷却装置100和100’都是一样的。冷凝部分110’的多层结构包括多个微型通道(斜线区域)并且被绝热部分108’分开。形成的多个节点118’用来在微型通道内引起冷却剂的方向特性。当然，这样的节点也可以形成在冷凝部分110’所有微型通道的内表面上以便有力地保持预定的方向特性。与冷却装置100的单层结构内相似，节点116’也可以形成在吸热部分106’内以便引起冷却剂的方向特性。
如上所述，冷凝部分110’多层的形成用以改善冷却剂的冷凝效果，从而改善了冷却装置100’的冷却效果。
根据本发明，提供一种具有高效热冷却性能的微型冷却装置，其改善了带有本发明冷却装置的产品的性能和可靠性。
上面描述了本发明特定的优选实施例，需要理解的是本发明并不限于这些公开的实施例，对本领域技术人员来说，在不脱离本发明宗旨和范围的情况下可以对本发明作出许多修改和变型。
例如，本发明的主题可以包含在冷却装置中，该冷却装置包括独立的壳体，该壳体用于冷却剂储存部分或通过作为气体移动部分的管道与吸热部分内连的冷凝部分。在该特定实施例中，独立壳体的尺寸可以大于吸热部分的尺寸，以便增加冷凝效果。
另外，本发明冷却装置的上述部分可以形成在一平面上，这样可以减小冷却装置的厚度。在该特定实施例中，例如，吸热部分和冷凝部分形成在XY平面上并通过装在相同XY平面上的绝热部分彼此隔离，而且通过形成在相同XY平面上的冷却剂储存部分和气体移动部分彼此连接。
另外，吸热部分内的微型通道也可以是曲线而不是直线。
权利要求
1.一种排放由热发生源产生的热量的冷却装置，所述装置包括用于储存液态冷却剂的冷却剂储存部分；吸热部分，该吸热部分包括至少一个微型通道并位于靠近所述热发生源的位置且与所述冷却剂储存部分相连接，所述液态冷却剂通过表面张力部分填充到微型通道内，并且当从所述热发生源吸收热量时，其在所述微型通道内汽化成气态冷却剂；与所述吸热部分相邻的绝热部分，其用于防止所述吸热部分吸收的热量传导到其他区域；用于冷凝所述气态冷却剂并与所述吸热部分分开设置的冷凝部分；气体移动部分，其靠近所述吸热部分和所述冷凝部分并为一通道，通过该通道所述气态冷却剂从吸热部分移动到所述冷凝部分；及壳体，其中至少包括所述吸热部分。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述壳体由半导体材料、分层材料、金属、金属合金、陶瓷材料或晶体材料制成。
3.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述微型通道制成的宽度在大约10-9m到大约10-3m的范围内，长度在大约0.5cm到大约5cm的范围内。
4.如权利要求1所述冷却装置，其特征在于，所述至少一个微型通道在其内表面上至少具有一个节点，从而使所述微型通道的横截面面积从所述冷却剂储存部分朝着所述气体移动部分变小。
5.如权利要求1所述冷却装置，其特征在于，所述冷凝部分至少包括一个微型通道，所述至少一个微型通道在其内表面上至少包括一个节点，从而使所述微型通道的横截面面积从所述气体移动部分朝着所述冷却剂储存部分变小。
6.如权利要求1所述冷却装置，其特征在于，所述冷凝部分至少包括一个微型通道，所述微型通道在其内表面上至少包括一个倾斜部分，由此使所述微型通道的横截面面积从所述气体移动部分朝着所述冷却剂储存部分变小。
7.如权利要求1所述冷却装置，其特征在于，所述冷凝部分的体积大于所述吸热部分的体积。
8.如权利要求1所述冷却装置，其特征在于，散热片形成在邻近所述冷凝部分的所述壳体的外表面上用于增强热量的扩散。
9.如权利要求1所述冷却装置，其特征在于，散热片形成在所述冷凝部分的内表面上用于增强冷凝。
10.如权利要求1所述冷却装置，其特征在于，微型凹槽形成在所述吸热部分的内表面上，用于增强所述部分填充的冷却剂内的热量吸收。
11.如权利要求1-10中任一项所述冷却装置，其特征在于，所述冷凝部分包括多层所述微型通道；形成在多层所述微型通道之间的多个绝热层。
全文摘要
一种具有高冷却效果的微型冷却装置,其既不受重力的影响,也不受安装位置和/或场地的限制,因此该装置可以交换、传导和散发热源产生热量并包括:用于储存液态冷却剂的冷却剂储存部分;至少包括一个微型通道的吸热部分,其位于靠近所述热发生源的位置且与所述冷却剂储存部分相连接,所述液态冷却剂通过表面张力部分填充在微型通道内,并且当从所述热发生源吸收热量时,其在所述微型通道内汽化成气态冷却剂;和所述吸热部分相邻的绝热部分,用于防止所述吸热部分吸收的热量传导到其他区域;用于冷凝气态冷却剂并和所述吸热部分分开设置的冷凝部分;与所述吸热部分和所述冷凝部分靠近的气体移动部分,其为一通道,通过该通道所述气态冷却剂从吸热部分移动到所述冷凝部分;至少包括所述吸热部分的壳体。
文档编号H01L23/427GK1363057SQ00810704
公开日2002年8月7日 申请日期2000年5月30日 优先权日1999年6月4日
发明者李廷贤 申请人:埃柯里勒布株式会社