專利名稱：傳熱方法及傳熱用的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開一種用于將熱量從熱源區(qū)域傳遞至散熱區(qū)域的傳熱裝 置。該傳熱裝置特別適用于電子部件的熱管理，包括微處理器、液晶顯
示器(LCD)、微機電系統(tǒng)(MEMS)、照明或輻射等裝置，其中這些部件的 運行會產(chǎn)生需要傳遞出去的過多熱量，或者該傳熱裝置作為快速和可控 加熱器用的加熱元件。
背景技術(shù)：
許多裝置由于它們的運行和通量而產(chǎn)生熱量，熱量積聚起來，并且 如果不將熱量導出并散去就會對裝置的持續(xù)性能產(chǎn)生不利影響。對于半 導體器件，如處理器(處理不斷增大的VLSI、處理速度和數(shù)據(jù)字節(jié)量)、 液晶顯示器(LCD)、照明裝置(如發(fā)光二級管(LED))等，情況尤其如此， 在這些裝置中目前采用各種傳熱裝置進行熱管理。
顯著進步之一是關(guān)于可用在例如美國專利No. 6,446,706 (Thermal Corp.)中公開的包括多個疊層的可變形結(jié)構(gòu)中的熱管，如圖la和圖lb所 示(現(xiàn)有技術(shù))?？勺冃螣峁馨芊馔庹?6和使用可變形的多孔材料形 成的毛細層24，外罩26包括聚丙烯層28、通過第一粘合層30與聚丙烯 層28連接的第一金屬箔層32、通過第二粘合層34與第一金屬箔層32 連接的第二金屬箔層12。
該熱管還包括支承毛細層24使得毛細層24與外罩26保持緊密接觸 并允許蒸汽在外罩內(nèi)沿多個方向流動的隔層18。隔層18通過由聚丙烯制 成的網(wǎng)篩來實現(xiàn)。毛細層24由銅氈材料制成。銅氈包括直徑為20微英 寸且長度為0.2英寸的微纖維和按照毛細結(jié)構(gòu)總體積計以20%~60%的量 填入毛細結(jié)構(gòu)內(nèi)的銅粉。
雖然疊層的可變形性允許其貼附并整合到將要冷卻的裝置上，但是各疊層和可變形熱管之間的接觸面會受到可變形材料和結(jié)構(gòu)的影響，從 而影響有效的熱傳導。
圖2 (現(xiàn)有技術(shù))示出根據(jù)韓國專利未經(jīng)審査公開No. 10-2004-18107 的板式傳熱裝置。該傳熱裝置包括上板200和置于上板200下方的下板 100，上板200和下板100之間具有間隙，其中下板100的下表面對應于 蒸發(fā)部Pl并與熱源接觸。該傳熱裝置還包括被設(shè)置成因液體冷卻劑的表 面張力而與下板100的上表面緊密接觸的毛細板120，以及用于維持下板 100與毛細板120之間距離的隔板110。
液體冷卻劑在蒸發(fā)部P1和冷凝部P2之間循環(huán)。也就是說，液相冷 卻劑依靠在它和下板之間產(chǎn)生的毛細作用力不斷流向蒸發(fā)部P1，在蒸發(fā) 部P1處變成汽相，在汽相狀態(tài)下流向冷凝部P2，并且在冷凝部P2處冷 凝。隔板110用于利用下板100和毛細板120之間產(chǎn)生的表面張力來維 持它們的間距。
圖3示出在韓國未經(jīng)審查的專利申請No. 10-2004-91617中公開的平 板式傳熱裝置的第三現(xiàn)有技術(shù)。圖3所示的傳熱裝置包括上金屬板300、 下金屬板350、加壓支承結(jié)構(gòu)310以及多個薄板320和322，加壓張緊結(jié) 構(gòu)310和薄板320和322被置于上板300與下板350之間。每一個薄板 都具有通過微加工方法形成的相互平行的直通圖案。加壓張緊結(jié)構(gòu)310 由具有足夠密度通孔的多孔材料如網(wǎng)篩制成，使得因熱源與下板350的
下表面接觸使冷卻劑蒸發(fā)而產(chǎn)生的蒸汽可以沿垂直方向移動。
加壓張緊結(jié)構(gòu)310在組裝時對薄板320和322的至少一部分平行圖 案加壓。由于來自加壓支承板310的壓力，因此薄板320和322的平行 圖案與下板350的上表面緊密接觸，從而形成比初始狀態(tài)下的圖案的間 隙更小的微小間隙。微小間隙形成了通過諸如蝕刻或機械加工等加工方 法難以實現(xiàn)的幾微米的細小冷卻劑通道。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
第一現(xiàn)有技術(shù)(美國專利No.6,446,706)存在一些局限性。首先，難以制造出具有復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱管。由于毛細層24由銅氈制成，所以極難
維持外罩的內(nèi)表面與毛細層24之間一致且緊密的接觸。這樣，毛細層24
內(nèi)形成的微小通路是不一致的，從而導致驅(qū)動流體的毛細作用力不一致。 這會產(chǎn)生削弱毛細作用力的強流阻。因此，當冷卻劑在熱源周圍劇烈蒸 發(fā)時，汽相冷卻劑的流動會被阻斷。此外，不同點的熱傳導率是不同的。 因此，該傳熱裝置的再現(xiàn)性很差。另一個局限性是銅氈的厚度。由于難 以制造薄的銅氈，因此熱管的總厚度受到銅氈厚度的限制。
第二現(xiàn)有技術(shù)(韓國專利未經(jīng)審查公開No. 10-2004-18107)也存在局
限性。需要微機械加工來制造插在上板和下板之間的薄且復雜的結(jié)構(gòu)， 因而限制了批量生產(chǎn)。因此，可以將裝置的外殼厚度加工成不薄于幾個 毫米。根據(jù)液體冷卻劑在設(shè)置于毛細板120內(nèi)的平面吸液芯之間形成的間 隙內(nèi)或者毛細板120與下板之間形成的間隙內(nèi)的流動來設(shè)計該裝置的結(jié) 構(gòu)。由于該裝置包括用于連接下板和上板上形成的突起或連接平面吸液 芯的微型結(jié)構(gòu)，如橋，因此為了形成一致間隙并安裝到裝置限定的外殼 內(nèi)，微型結(jié)構(gòu)是復雜的且為幾毫米厚，所以難以精確地機械加工出這樣 的微型結(jié)構(gòu)。此外，不一致的間隙會導致液相冷卻劑在蒸發(fā)部干涸，從 而導致該傳熱裝置的致命性故障。特別地，因為這種微型結(jié)構(gòu)如此復雜 并且會出現(xiàn)機械加工誤差，因而這種微型結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)變得更加困難。
第三現(xiàn)有技術(shù)(韓國未經(jīng)審査的專利申請No. 10-2004-91617)存在以 下局限性。如圖4a和圖4b所示，薄金屬板或網(wǎng)篩因材料的性質(zhì)和其設(shè)計 而不具有可濕性或吸液性。這樣會排斥冷卻劑，從而會發(fā)生干涸現(xiàn)象。 此外，由于制造困難使得維持細小通道非常困難，從而增加了制造成本。 減小金屬板或網(wǎng)篩的厚度對于減小該裝置和應用該裝置的電子器件的厚 度是至關(guān)重要的，但是這種加工過程很難并且會引發(fā)額外費用。
技術(shù)方案
因此希望有一種克服上述局限性和缺點的傳熱裝置，為此，作為一 般實施例，本發(fā)明提出一種傳熱裝置，包括帶有能夠從熱源區(qū)域向散熱 區(qū)域和從散熱區(qū)域向熱源區(qū)域毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體 或纖維片中的至少一種；供應的足量的冷卻劑流體，被所述帶有能夠毛 細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片吸收或吸附；加壓張緊件，包括置于限定空間內(nèi)的堅固的彈性結(jié)構(gòu)，并對所述帶有能夠毛細輸送液體 的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體或纖維片施加壓力，將其壓在所述熱源區(qū)域 和/或散熱區(qū)域上，其中多個波狀件被設(shè)置在所述加壓張緊件上；以及外 罩，用于將上述各部件密封地封在限定空間內(nèi)。
在本發(fā)明的第一方面中，所述波狀件被設(shè)置在所述熱源區(qū)域和散熱 區(qū)域中的至少一個區(qū)域處?？蛇x擇地，所述波狀件被設(shè)置在所述熱源區(qū) 域和散熱區(qū)域之間的區(qū)域處。上述波狀件優(yōu)選被設(shè)置用于增強施加的壓 力。
在本發(fā)明的具體實施例中，所述波狀件被設(shè)置成側(cè)向延伸的突出件。 優(yōu)選地，所述側(cè)向延伸的突出件是H形狀的突出件。
在另一個具體實施例中，所述波狀件可優(yōu)選被設(shè)置成沿垂直于至少
一個封閉件的內(nèi)表面的方向延伸的突起，其中所述突起被設(shè)置成通過機 械加工、鑄造、模壓等方法或其組合而制成的基本為鉤狀、多邊形形狀，
包括圓柱形形狀。所述突起的高度小于5 mm，并且等距間隔約0.2~約 20mm，突起之間的距離與突起直徑的比率至少為7: 3。
在本發(fā)明的第二方面中，所述加壓張緊件由金屬、聚合物、陶瓷、 硅、有機或無機材料制成，這些材料是穩(wěn)定的，在工作溫度范圍內(nèi)不會 釋放出任何形式的氣體或蒸汽，不會剝離并且不與冷卻劑發(fā)生反應，并 且所述加壓張緊件被設(shè)置用于維持內(nèi)部空間。被所述加壓張緊件限定的 內(nèi)部空間可優(yōu)選地包括形成蒸汽傳導用的三維空間的連接通路。
所述加壓張緊件的具體實施例被設(shè)置成所述帶有能夠毛細輸送液體 的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體或纖維片被編織在所述加壓張緊件或所述加 壓張緊件的至少一部分上，使得所述加壓張緊件壓在已交織成結(jié)構(gòu)層的 帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片上。優(yōu)選地，所述 加壓張緊件被設(shè)置成其結(jié)構(gòu)占用不超過30%的最小體積，從而使所述限 定空間內(nèi)的蒸發(fā)空間最大，至少為70%。
本發(fā)明的另一個方面涉及冷卻劑，所述冷卻劑是取決于所述加壓張 緊件的至少一個波狀件施加的壓力在-40。C至200。C之間液汽相變的流
體。還優(yōu)選的是，當所述冷卻劑在毛細作用下，通過所述帶有能夠毛細 輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片和/或由所述加壓張緊件限定的 連接通路形成的三維空間，從熱源區(qū)域向散熱區(qū)域和從散熱區(qū)域向熱源區(qū)域?qū)α鲿r所述冷卻劑經(jīng)歷相變。
本發(fā)明的另一個方面涉及所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔 的纖維或纖維片，所述纖維或纖維片優(yōu)選地由非金屬的、合成的、無機 和有機材料如碳納米管制成，這些材料是穩(wěn)定的并且不與所述裝置的其 他部件發(fā)生反應，纖維束的直徑與長度的平均比率為小于0.05，并且優(yōu)
選的是能吸收高達其體積的90%。
所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片的優(yōu)選實 施例包括具有用于使冷卻劑在纖維內(nèi)毛細流動的微米或納米級的至少一 個中空槽管狀通道的管狀結(jié)構(gòu)，所述管狀通道的直徑小于l.O mm或至少 為所述纖維體積的10%，纖維的壁厚小于1.0mm，管狀通道的橫截面面積 小于0.79mm2。優(yōu)選的縱橫比為約0.01 2.0，所述纖維直徑為約50(im 5.0 mm。
根據(jù)下面實施例，所述纖維被設(shè)置成向所述熱源區(qū)域會聚并向所述 散熱區(qū)域發(fā)散，其中所述纖維被交織形成纖維束間隔小于50(Him的結(jié)構(gòu) 形狀。
在本發(fā)明的另一個方面中，所述外罩可優(yōu)選地包括上封閉件和下封 閉件，以及所述外罩以防流體方式相互配合關(guān)閉，從而封閉其內(nèi)的限定 空間；外罩包括具有彼此鉸接的上封閉部和下封閉部的單個元件，以及 所述外罩以防流體方式相互配合關(guān)閉，從而封閉其內(nèi)的限定空間。優(yōu)選 地，所述外罩由具有良好熱傳導性的金屬、無孔聚合物、陶瓷、晶體、 無機和有機材料制成，所述外罩的內(nèi)表面不以任何形式與內(nèi)部材料如所 述冷卻劑和/或所述加壓張緊結(jié)構(gòu)發(fā)生反應，通過設(shè)置多個細長槽來增加 所述外罩的內(nèi)表面積，所述多個細長槽通過濕式蝕刻、干式蝕刻、機械 加工、擠壓或鑄造或其組合而形成，并且所述外罩是彈性的，以增加內(nèi) 蒸汽壓力。
因此，限定所述裝置的外罩不超過10.0mm，所述外罩壁厚不超過5.0 mm，并且其內(nèi)的限定空間不小于5.0mm。優(yōu)選地，纖維與外罩內(nèi)表面接 觸使所述冷卻劑相變，并且所述纖維被置于所述加壓張緊結(jié)構(gòu)和外罩元 件內(nèi)表面之間。所述纖維位于所述加壓張緊件表面的上方和下方，且與所述熱源區(qū)域和散熱區(qū)域中的至少一個區(qū)域增壓接觸。
本發(fā)明還公開一種將熱量從所述裝置的熱源區(qū)域傳遞到散熱區(qū)域的 方法，所述方法包括以下步驟提供能夠使冷卻劑流體毛細對流的多個 液體吸收和保持機構(gòu)，其中所述對流機構(gòu)以在一端與熱源區(qū)域接觸并在 另一端與散熱區(qū)域接觸的形式被聚集；供應足量的冷卻劑流體，冷卻劑 流體被帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的導管機構(gòu)的纖維或纖維片 吸收和/或吸附；利用加壓張緊機構(gòu)對所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通 道和孔的導管機構(gòu)的纖維或纖維片施加壓力，包括在所述加壓張緊機構(gòu) 上設(shè)置波狀機構(gòu)；以及在密封的限定空間內(nèi)運行上述機構(gòu)和步驟。
該方法優(yōu)選地在傳熱裝置、與傳熱裝置熱接觸的包括半導體器件的 產(chǎn)生熱量的裝置、包括傳熱裝置的芯片集、電路板或電子部件和/或器具 或機器內(nèi)實施。


以下的詳細說明和附圖，作為具體或優(yōu)選實施例的非限制性和示例
性說明，可使本發(fā)明得到更好的和進一步的理解，在附圖中
圖l (現(xiàn)有技術(shù))包括圖la和圖lb，分別示出熱管結(jié)構(gòu)設(shè)置在可變形疊 層中的US 6，446，706的立體圖和剖視示意圖2 (現(xiàn)有技術(shù))示出根據(jù)KR-10-2004-0018107 (未經(jīng)審査公布)的板 式或平板式傳熱裝置的分解圖3 (現(xiàn)有技術(shù))示出根據(jù)KR-10-2004-91617 (未經(jīng)審査申請)的另一 種板式或平板式傳熱裝置的分解圖4 (現(xiàn)有技術(shù))包括圖4a和圖4b，分別示出圖3中現(xiàn)有技術(shù)裝置的層 320和層322之間的水吸附和吸收特性的對比照片；
圖5包括圖5a和圖5b，分別示出根據(jù)本發(fā)明的非金屬纖維片在一秒前 和后的可濕性狀態(tài)；
圖6包括圖6a和圖6b，示出本發(fā)明的第一和第二實施例的未組裝視
圖；圖7包括圖7a和圖7b，示出圖6a中第一實施例的剖視圖；圖8包括圖8a和圖8b，示出本發(fā)明的第三和第四實施例的各自未組裝 立體圖；圖9包括圖9a、圖9b、圖9c和圖9d，其中圖9a和圖9b示出圖8a中第三 實施例的剖視圖，圖9c和圖9d示出突起的其他實施例；圖10示出在內(nèi)表面上形成有細長槽的外罩元件的立體圖、放大圖和 剖視圖；圖ll示出根據(jù)本發(fā)明裝置的管狀實施例的敞開端部的立體圖；圖12示出圖11的管狀實施例呈打開的蛤殼結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖13包括圖13a和圖13b，示出本發(fā)明中使用的帶有能夠毛細輸送液 體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片的兩個實施例的部視端面圖，分別地在 示意圖中示出兩個管狀通道，在掃描電子顯微鏡照片中示出四個管狀通 道；圖14包括圖14a和圖14b，分別示出具有單個管狀通道的纖維束和纖 維聚集體的掃描電子顯微鏡照片。
具體實施方式
通過圖5a所示的干的非金屬纖維片和圖5b所示的與液體接觸經(jīng)過約 一秒之后的纖維片的可濕性狀態(tài)，可以證實用于本發(fā)明裝置中的可濕性 表面材料的效果。下面一起參照圖6a、圖6b、圖7a和圖7b。根據(jù)本發(fā)明裝置的典型 的一般實施例包括收容在大致限定該裝置外部尺寸的外罩50內(nèi)的以下3 個部分或部件。該外罩在其限定空間內(nèi)密封地封住這些部分或部件。第一部分或部件是帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚集 體或纖維片60。"聚集體"指包括可被聚集、編織、紡織等物理處理的纖 維的任何合適的結(jié)構(gòu)、形式、形狀或圖案。纖維具有使流體(包括冷卻劑流體)毛細對流的性能。纖維的這種毛 細性能對于冷卻劑流體從熱源區(qū)域到散熱區(qū)域以及從散熱區(qū)域到熱源區(qū)域的對流是必要的。應注意的是，熱源區(qū)域或散熱區(qū)域通常是裝置或外罩的相對部分或端部，如外罩50的頂面51和底面52，或外罩50的近端 54和遠端56，使得在熱源區(qū)域和散熱區(qū)域之間形成熱梯度。該裝置的第二部件是供應的足量的冷卻劑流體，冷卻劑流體被帶有 能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片吸收或吸附。這是通過 由纖維或纖維片內(nèi)的通道和孔形成的空腔實現(xiàn)的。該裝置的第三部件是基本上為堅固的彈性片結(jié)構(gòu)的加壓張緊件70。 它用于維持外罩的內(nèi)部空間，支承外罩以防由于外部壓力、外部力或由 于過多冷卻劑蒸發(fā)導致內(nèi)部壓力減小等而壓扁或壓破。加壓張緊件70被置于外罩50的限定空間內(nèi)，并且被設(shè)置成對帶有 能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體或纖維片60施加壓力，將 纖維聚集體或纖維片60壓在所述熱源區(qū)域和/或散熱區(qū)域上，為便于說 明，熱源區(qū)域被表示為外罩的近端54，散熱區(qū)域被表示為外罩的遠端56。加壓張緊件70的獨特特征在于多個波狀件80設(shè)置在加壓張緊件70 上。波狀件80可優(yōu)選地設(shè)置在熱源區(qū)域54和散熱區(qū)域56中的一個或兩 個區(qū)域處，請記住，這兩個區(qū)域也可以是外罩50的相對兩側(cè)51、 52。波狀件也可以設(shè)置在熱源區(qū)域74、 54和散熱區(qū)域76、 56之間，如 圖6b所示的連接兩個區(qū)域的一排等距突起82。所述波狀件被設(shè)置成根據(jù)波狀件圖案基本上能增強施加在帶有能夠 毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片上的壓力(與現(xiàn)有技術(shù)所施 加的一致壓力相比)，下面進一步說明兩種具體類型的波狀件，然而可以 從這兩種類型衍生出許多其他類型的波狀件。第一種類型可被描述為側(cè)向延伸的突出件84，在圖6b中示出為從 加壓張緊件70的兩側(cè)對稱排列的多個側(cè)肋延伸件。根據(jù)傳熱裝置的結(jié)構(gòu)， 波狀件分布和加壓張緊件70的設(shè)計可以是對稱的或不對稱的。在圖中肋 延伸件可被視為H形突出件84。肋延伸件也可被設(shè)置成從加壓張緊件70 除了所示的帶有突出件84的長度方向兩側(cè)之外的端部延伸(圖未示)。由 于H形突出件84被設(shè)置在帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚 集體或?qū)踊蚶w維片的上方或下方，因此可以沿波狀件在纖維上產(chǎn)生波動壓力。第二種類型的波狀件可被描述為設(shè)置成從加壓張緊件70的頂面或底面沿垂直方向延伸的突起82。對于呈長方體或板形的外罩而言，突起 82可被設(shè)置成從加壓張緊件的表面垂直延伸。對于各部件被設(shè)置成符合 外罩的內(nèi)表面曲率的管狀、多邊形或圓柱形外罩而言，突起可被設(shè)置成 沿垂直于外罩內(nèi)表面的方向延伸。如圖所示，突起82的優(yōu)選實施例基本為鉤狀。突起的其他可選形狀 包括多邊形，多邊形突起包括柱形突起。所有這些突起可優(yōu)選通過機械 加工、鑄造、模壓等方法或這些方法的組合來形成。鉤狀突起例如可以 通過模壓加壓張緊件的適當部分制成。突起的高度優(yōu)選小于5 mm，突起優(yōu)選以約0.2~約20 mm彼此等距 放置。突起之間的距離與突起直徑的比率優(yōu)選為7: 3。加壓張緊件70優(yōu)選可以由金屬、聚合物、陶瓷、硅、有機或無機材 料制成，這些材料是穩(wěn)定的，使得在給定的工作溫度范圍內(nèi)不會釋放任 何形式的氣體或蒸汽或者剝離，并且不與冷卻劑發(fā)生反應。雖然這里所有的附圖均示出了帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔 的纖維或纖維片被集合、編織或紡織成與加壓張緊件70或外罩整合的隔 層60，使得加壓張緊件70的至少一部分壓在已交織成結(jié)構(gòu)層60的帶有 能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片上，然而如圖8a、圖9b、 圖ll和圖12的各結(jié)構(gòu)所示，纖維還可以編織到具有覆蓋波狀件(即，突 出件84或突起82)的一定厚度的纖維的加壓張緊件上，使得增強的壓力 仍可以施加在纖維上。加壓張緊件70可優(yōu)選地設(shè)置成其結(jié)構(gòu)的總體積在外罩內(nèi)占據(jù)最小 體積，這樣使外罩的限定空間內(nèi)的蒸發(fā)空間最大。因此，為了使加壓張 緊件的加壓張緊部分最大，可以在壓力應該增強的區(qū)域使肋延伸件的配 置最大，如加壓張緊件或外罩在熱源區(qū)域74、 54上的部分或在散熱區(qū)域 76、 56上的相應部分。因此，如圖6a和圖6b所示，加壓張緊件在區(qū)域 78內(nèi)的結(jié)構(gòu)優(yōu)選最小化。加壓張緊件所占空間應優(yōu)選限制在不超過限定 空間總體積的30%，從而獲得更多空隙或空的空間用于冷卻劑蒸發(fā)。該空隙有利于形成為用于熱區(qū)域的蒸汽傳導、冷凝或冷卻劑液體蒸發(fā)的三 維連接通路。該裝置用的理想冷卻劑是在-40。C 200。C內(nèi)發(fā)生液汽相變的流體。正如大多數(shù)流體那樣，蒸發(fā)點和冷凝點會受到壓力影響。本發(fā)明裝置可 以提供兩種壓力，即波狀件施加的增強的壓力，以及由于加壓張緊件的 波狀件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的三維空隙通路網(wǎng)絡(luò)而在限定空間內(nèi)蒸發(fā)的冷卻劑量所 產(chǎn)生的蒸汽壓力。根據(jù)汽相冷卻劑的量、空隙內(nèi)的溫度和通路的類型， 即盲端通道或連接通道，在熱源區(qū)域和散熱區(qū)域之間會出現(xiàn)蒸汽壓梯度。 這可能會有助于提供合適的溫度和壓力范圍，以產(chǎn)生有效熱傳導所需的 冷卻劑相變。對裝置內(nèi)冷卻劑相變的整個循環(huán)說明如下。熱源區(qū)域64處的冷卻劑 流體吸收熱量，直到足夠熵能使流體相變并蒸發(fā)。冷卻劑蒸汽通過外罩 內(nèi)由加壓張緊件的突起82和突出件84的結(jié)構(gòu)限定的空隙擴散。蒸汽距 熱源區(qū)域越遠，根據(jù)熱梯度溫度越低。在散熱區(qū)域溫度最低，由于熵較小，因此蒸汽趨于更密集，從而導 致蒸汽壓力增大，因而有助于冷卻劑蒸汽冷凝成液相。冷卻劑液體被帶 有內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片吸附和吸收，并通過毛細作用被引導穿過 纖維返回至熱源區(qū)域。為完成這樣的任務(wù)，帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或 纖維片優(yōu)選地由非金屬的、合成的、無機和有機材料制成，這些材料是 穩(wěn)定的，在給定的工作溫度范圍內(nèi)不會釋放任何形式的氣體或蒸汽或剝 離，并且不與裝置的其他部件如外罩內(nèi)表面和加壓張緊件發(fā)生反應。一 種特別優(yōu)選的材料是碳納米管。對于這種材料，纖維的管狀結(jié)構(gòu)在工業(yè) 上可以制造成其內(nèi)具有微米或納米級的一個以上的中空管狀通道，從而 使液相冷卻劑在纖維內(nèi)部有效地毛細流動。關(guān)于帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片的物理尺 寸，每一束纖維的直徑與長度的平均比率優(yōu)選小于0.05。帶有內(nèi)通道和 孔的理想纖維或纖維片應該能吸收或含有高達其體積卯％的液體。優(yōu)選 的管狀通道直徑小于l.Omm，且橫截面面積小于0.79mm2。管狀通道理想地應占據(jù)至少10%的纖維體積，纖維的壁厚應小于1.0 mm?？偟膩碚f， 帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片的理想直徑為約 50(im~5.0 mm。槽的深度必須小于500微米，橫截面面積必須小于2.5mm2，縱橫比 小于2.0且大于0.01。帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片可以以任何合 適的方式集合，以形成密度范圍可以是從松散到密集形式的結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^適當?shù)奶幚砣缇幙棥⒓徔?、鋪疊、水平排列或簡單植入等使纖維束 從熱源區(qū)域縱向設(shè)置到散熱區(qū)域來獲得聚集。例如，可以交織纖維，以 形成纖維束間隔至少為500pm的結(jié)構(gòu)形狀。由于纖維束這樣近距離地設(shè) 置在一起，當冷卻劑流體被吸收或含在纖維內(nèi)時，除了通過每根纖維內(nèi) 的中空管狀通道的纖維束內(nèi)毛細作用之外，纖維束外表面對冷卻劑流體 的吸附和容納也可以促進密集設(shè)置的相鄰纖維的纖維間或纖維束間的毛 細作用，這是因為纖維表面對冷卻劑流體的吸附或親合性。優(yōu)選的是，以向熱源區(qū)域會聚并向散熱區(qū)域發(fā)散的方式來設(shè)置纖維。圖6a所示未組裝的具體實施例包括一層帶有能夠毛細輸送液體的 內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片60，如圖7a和圖7b的剖視圖所示，當組裝 該傳熱裝置時，加壓張緊件70被置于帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和 孔的纖維或纖維片60的層的上方，突起82的下表面壓在纖維60上。突 起82是除了側(cè)肋或突出件84之外另設(shè)置的。具體而言，突起被設(shè)置在 突出件84的側(cè)面上。因此，突起82形成壓在帶有能夠毛細輸送液體的 內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片60的層上的壓力點。如圖7a和圖7b的剖視圖所示，突起82還可以被設(shè)置成從加壓張緊 件70的底面突出。由于一層帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維 或纖維片60被置于加壓張緊件70的下面，因而下突起82形成壓在帶有 能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片60上的壓力點。突起82的分布還可以按照最有利于熱傳導的方式設(shè)置。在圖6a中， 示出的突起82以集中方式設(shè)置于兩個區(qū)域內(nèi)，即熱源區(qū)域74和散熱區(qū) 域76。在這種分布形式中，在熱源區(qū)域?qū)в袃?nèi)通道和孔的纖維或纖維片加壓，使接觸表面積最大，從而最大化地將熱量從熱源傳導到纖維并 導出。在散熱區(qū)域，壓在突起82上的帶有內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片將 使接觸表面積最大化，并最大化地將熱量從纖維傳導到散熱區(qū)域。圖6b示出突起82分布的另一個例子，其中突起82呈直線設(shè)置并連 接熱源區(qū)域74和散熱區(qū)域76，使得在兩個區(qū)域之間或連接兩個區(qū)域的帶 有內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片在加壓張緊件的壓力點上被加壓，從而具 有更大的接觸表面積，因此在兩個區(qū)域之間進行更有效的熱傳導。在該裝置的另一實施例中，如圖8a、圖8b、圖9a和圖9b共同示出 的，可以設(shè)置多層帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片 60a、 60b，即在加壓張緊件70的頂面和底面各有一層。在加壓張緊件70 的上面和下面設(shè)置的突起82分別對上層60a和下層60b加壓?？深A期到， 這樣的結(jié)構(gòu)對于被配置成熱源和散熱區(qū)域在外罩50a、 50b的相對兩側(cè)的 傳熱裝置是有利的。圖9c和圖9d示出制造加壓張緊結(jié)構(gòu)的不同方式。加壓張緊結(jié)構(gòu)是 由與輸送液體用的帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片 60相同的材料制成，通過或者將獨立的纖維片彼此疊置，或者按壓纖維 或纖維片使之形成該結(jié)構(gòu)，或者從厚的纖維片機械加工成該結(jié)構(gòu)，或者 將上述方式組合起來。關(guān)于外罩的內(nèi)表面，優(yōu)選的是下外罩元件的內(nèi)部設(shè)有如圖6a、圖6b、 圖8a、圖8b所示的縱向肋55。可選擇地，如圖10所示，設(shè)有多個細長 槽57?？梢酝ㄟ^濕式蝕刻、干式蝕刻、機械加工、擠壓或鑄造或其組合 來形成這些細長槽57?？v向肋55按照與加壓張緊件的波狀件相同的方式提供壓力點，同時 增加了熱傳導的表面。細長槽57也增加了熱傳導的表面積，同時增強了 毛細作用。雖然通常認為，傳熱裝置的外罩50可以包括以防流體方式或密封方 式相互配合關(guān)閉以封閉其內(nèi)的限定空間的上封閉件50a和下封閉件50b， 然而也可以提供包括具有通過沿外罩縱向設(shè)置的鉸鏈部58彼此鉸接的上 封閉部53a和下封閉部53b的單個元件的外罩。上封閉部53a和下封閉部53b以防流體方式相互關(guān)閉以封閉其內(nèi)的限定空間，圖ll示出封閉的 管狀外罩，而圖12示出呈蛤殼狀鉸接結(jié)構(gòu)打開的管狀外罩。
外罩可以由具有良好熱傳導性的金屬、無孔聚合物、陶瓷、晶體、 無機或有機材料或它們的復合物制成。優(yōu)選地，所選材料可制成有彈性 以增加內(nèi)蒸汽壓力的外罩。裝置的尺寸主要由外罩尺寸限定，由于可實
現(xiàn)的原因，外罩的尺寸不應超過10.0mm。外罩的壁厚不應超過5.0mm， 而封閉在外罩內(nèi)的限定空間小于5.0 mm。
帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片的物理特征都 顯示在圖13a、圖13b、圖14a和圖14b中。圖14b示出帶有內(nèi)通道和孔 的纖維聚集體或纖維片的掃描電子顯微鏡照片，圖14a示出一束纖維的 敞開端部的SEM照片。顯示了帶有一個中空管狀通道的纖維。圖13a和 13b示出了具有多個管狀通道的纖維，其中分別以示意圖和SEM照片的 形式示出兩個和四個管狀通道。
簡而言之，該傳熱裝置通過實施按照以下步驟將熱量從裝置上的熱 源區(qū)域傳遞到散熱區(qū)域的方法來工作，該步驟包括
-提供帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的多個纖維或纖維片的 能夠使冷卻劑流體毛細對流的機構(gòu)，其中所述對流機構(gòu)以在一端與熱源 區(qū)域接觸并在另一端與散熱區(qū)域接觸的形式被聚集；
-供應足量的冷卻劑流體，冷卻劑流體被所述帶有內(nèi)通道和孔的導 管機構(gòu)的纖維或纖維片吸收和/或吸附和/或容納；
-利用加壓張緊機構(gòu)對所述帶有內(nèi)通道和導管機構(gòu)的纖維或纖維片 施加壓力，包括
-在所述加壓張緊機構(gòu)上設(shè)置波狀機構(gòu)；以及
-在密封的限定空間內(nèi)運行上述機構(gòu)和步驟。
工業(yè)實用性
該裝置的上述結(jié)構(gòu)和方法可以用在將要與另一個裝置或物件(特別 是半導體器件、芯片集、電路板或電子部件)熱接觸的設(shè)備內(nèi)，用于傳熱，該設(shè)備內(nèi)必須要除去所產(chǎn)生的過多熱量以獲得最佳性能或需要快速和可 控的加熱。
因此，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，在不背離該傳熱裝 置的上述方法或基本特征的前提下，可以對許多的上述部件進行改進、 修改或用等同部件或零件來替換。這些替換、選擇或改變將被認為落入 所附權(quán)利要求書的范圍和字面含義內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種傳熱裝置，包括帶有能夠從熱源區(qū)域(54，74)向散熱區(qū)域(56，76)和從散熱區(qū)域(56，76)向熱源區(qū)域(54，74)毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體或纖維片(60)中的至少一種；供應的足量的冷卻劑流體，被所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片吸收或容納；加壓張緊件(70)，包括置于限定空間內(nèi)的堅固的彈性結(jié)構(gòu)，并對所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體或纖維片施加壓力，將其壓在所述熱源區(qū)域(54，74)和/或散熱區(qū)域(56，76)上，其中多個波狀件(80)被設(shè)置在所述加壓張緊件(70)上；以及外罩，用于將上述各部件密封地封在限定空間內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述波狀件(80)被設(shè)置在所述熱源區(qū)域(54， 74)和散熱區(qū)域(56， 76)中的至少一個區(qū)域處。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述波狀件(80)被設(shè)置在所述熱源區(qū)域(54， 74)和散熱區(qū)域(56， 76)之間的區(qū)域(78)處。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的傳熱裝置，其中多個所述波狀件(80)被設(shè)置用于增強施加的壓力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的傳熱裝置，其中所述波狀件是側(cè)向延伸的突出件(84)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳熱裝置，其中所述側(cè)向延伸的突出件是H形狀的突出件(84)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的傳熱裝置，其中所述波狀件是沿垂直于至少一個封閉件(50， 52)的內(nèi)表面的方向延伸的突起(82)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳熱裝置，其中所述突起(82)被設(shè)置成基本為鉤狀。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳熱裝置，其中所述突起(82)被設(shè)置成基本為多邊形形狀，包括圓柱形形狀。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項所述的傳熱裝置，其中所述突起(82)通過機械加工、鑄造、模壓等方法或其組合而制成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7-10中任一項所述的傳熱裝置，其中所述突起的高度小于5 mm。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的傳熱裝置，其中所述各突起等距間隔約0.2~約20 mm。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11-12中任一項所述的傳熱裝置，其中突起之間的距離與突起的平均直徑的比率為7: 3。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述加壓張緊件由下列材料中的任一種或其組合制成金屬、聚合物、陶瓷、硅、有機或無機材料，這些材料不吸收流體、是穩(wěn)定的并且不與冷卻劑發(fā)生反應。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳熱裝置，其中所制成的加壓張緊件被設(shè)置用于維持內(nèi)部空間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項所述的傳熱裝置，其中所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體或纖維片被編織在所述加壓張緊件上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的傳熱裝置，其中所述加壓張緊件的至少一部分壓在已交織成結(jié)構(gòu)層的帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片上。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14-17中任一項所述的傳熱裝置，其中所述加壓張緊件被設(shè)置成其結(jié)構(gòu)占用最小體積，從而使所述限定空間內(nèi)的蒸發(fā)空間最大。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的傳熱裝置，其中所述加壓張緊件占用體積不超過30%。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的傳熱裝置，其中被所述加壓張緊件限定的內(nèi)部空間包括形成蒸汽傳導用的三維空間的連接通路。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述冷卻劑是取決于所施加的壓力在-40。C至200°C之間液汽相變的流體。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中當所述冷卻劑在毛細作用下，通過所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片和/或根據(jù)權(quán)利要求20所述的由所述加壓張緊件限定的連接通路形成的三維空間，從熱源區(qū)域(30)向散熱區(qū)域(40)和從散熱區(qū)域(40)向熱源區(qū)域(30)對流時所述冷卻劑經(jīng)歷相變。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片由非金屬的、合成的、無機和有機材料制成，這些材料是穩(wěn)定的、不會釋放任何形式的氣體或蒸汽、不會剝離并且不與所述裝置的其他部件發(fā)生反應。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的傳熱裝置，其中纖維束的直徑與長度的平均比率為<0.05。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片能吸收高達其體積的90%。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片包括具有用于使冷卻劑在纖維內(nèi)毛細流動的微米或納米級的至少一個中空管狀通道的管狀結(jié)構(gòu)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的傳熱裝置，其中所述管狀通道的平均直徑小于1.0 mm，且橫截面面積小于0.79 mm2。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的傳熱裝置，其中所述管狀通道至少為所述纖維體積的10%,所述纖維的壁厚小于1.0 mm。
29. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳熱裝置，其中縱橫比為約0.01 2.0。
30. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述纖維直徑為約50p_m~5.0 mm。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述纖維被設(shè)置成向所述熱源區(qū)域會聚并向所述散熱區(qū)域發(fā)散。
32. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述纖維被交織形成纖維束間隔為500pm的結(jié)構(gòu)形狀。
33. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述外罩包括至少一個上封閉件(12a)，和至少一個下封閉件(12b)，以及所述外罩以防流體方式相互配合關(guān)閉，從而封閉其內(nèi)的限定空間。
34. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述外罩包括具有彼此鉸接的上封閉部和下封閉部的單個元件，以及所述外罩以防流體方式相互配合關(guān)閉，從而封閉其內(nèi)的限定空間。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33和34中任一項所述的傳熱裝置，其中所述外 罩由下列任一種材料制成具有良好熱傳導性的金屬、無孔聚合物、陶瓷、晶體、無機或有機 材料或者它們的復合物。
36. 根據(jù)權(quán)利要求33和34中任一項所述的傳熱裝置，其中通過設(shè) 置多個細長槽來增加所述外罩的內(nèi)表面積。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的傳熱裝置，其中所述多個細長槽通過濕 式蝕刻、干式蝕刻、機械加工、擠壓或鑄造或其組合而形成。
38. 根據(jù)權(quán)利要求33和34中任一項所述的傳熱裝置，其中所述外 罩是彈性的，以增加內(nèi)蒸汽壓力。
39. 根據(jù)權(quán)利要求33和34中任一項所述的傳熱裝置，其中限定所 述裝置的外罩不超過10.0mm，所述外罩壁厚不超過5.0 mm，并且其內(nèi) 的限定空間不小于5.0 mm。
40. 根據(jù)權(quán)利要求32-34中任一項所述的傳熱裝置，其中所述纖維與 外罩內(nèi)表面的至少一部分接觸，在那里進行熱交換，使所述冷卻劑相變。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的傳熱裝置，其中所述纖維被置于所述加 壓張緊結(jié)構(gòu)的至少一部分和外罩內(nèi)表面的至少一部分之間，在那里進行熱交換。
42. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的傳熱裝置，其中所述纖維位于所述加壓 張緊件的表面的上方和下方，且與所述熱源區(qū)域和散熱區(qū)域中的至少一 個區(qū)域增壓接觸。
43. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體或纖維片(60)被一體編織或制作成加壓 張緊件(70)的形狀。
44. 一種將熱量從傳熱裝置的熱源區(qū)域傳遞到散熱區(qū)域的方法，包 括以下步驟提供帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的多個纖維或纖維片的能 夠使冷卻劑流體毛細對流的對流機構(gòu)，其中所述對流機構(gòu)以在一端與熱 源區(qū)域接觸并在另一端與散熱區(qū)域接觸的形式被聚集；供應足量的冷卻劑流體，冷卻劑流體被帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi) 通道和孔的導管機構(gòu)的纖維或纖維片吸收和/或容納；利用加壓張緊機構(gòu)對所述帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的導 管機構(gòu)的纖維或纖維片施加壓力，包括在所述加壓張緊機構(gòu)上設(shè)置波狀機構(gòu)；以及在密封的限定空間內(nèi)運行上述機構(gòu)和步驟。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的傳熱方法，在傳熱裝置內(nèi)實施。
46. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的傳熱方法，在根據(jù)權(quán)利要求1-43中任一 項所述的傳熱裝置內(nèi)實施。
47. —種產(chǎn)生熱量的裝置，包括半導體器件，與根據(jù)權(quán)利要求1-43 中任一項所述的傳熱裝置熱接觸，并任選地與另一個散熱裝置如散熱風 扇一起運行。
48. —種帶有根據(jù)權(quán)利要求1-43中任一項所述的傳熱裝置的芯片 集、電路板或電子部件。
49. 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1-43中任一項所述的傳熱裝置的器具或 機器。
50. —種加熱裝置，用于根據(jù)權(quán)利要求1-43中任一項所述在諸如燙 發(fā)器等中快速和可控地加熱。
全文摘要
一種傳熱裝置，包括帶有能夠從熱源區(qū)域(54)向散熱區(qū)域(56)和從散熱區(qū)域(56)向熱源區(qū)域(54)毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔且能夠使冷卻劑流體毛細對流的纖維聚集體或纖維片(60)中的至少一種；供應的足量的冷卻劑流體，被帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維或纖維片(60)吸收或容納；加壓張緊件(70)，包括置于限定空間內(nèi)的堅固的彈性結(jié)構(gòu)，并對帶有能夠毛細輸送液體的內(nèi)通道和孔的纖維聚集體或纖維片(60)施加壓力，將其壓在熱源區(qū)域(54)和/或散熱區(qū)域(56)上，其中多個波狀件被設(shè)置在該加壓張緊件上，其包括側(cè)向延伸的肋或突出件(84)和突起(82)，以增強該加壓張緊件所施加的壓力；以及外罩，用于密封地封住上述各部件。
文檔編號F28D15/00GK101542226SQ200780040269
公開日2009年9月23日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月11日
發(fā)明者李廷賢 申請人:李廷賢