專利名稱：具有多孔陶瓷芯的陶瓷熱管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱管，其將熱從生熱物體傳導開，該生熱物體例如發(fā)光二極管(LED)。
背景技術：
LED產(chǎn)生熱和光，并且理想地是熱被傳導離開LED，因為LED接合部操作溫度升高 (例如高于大約115°C)會不利地影響光輸出?？梢酝ㄟ^將LED安裝在具有足夠導熱性的基底(熱沉)上以及耗散掉熱的適當表面區(qū)域上從而將熱從LED傳導開。不過，常規(guī)金屬和陶瓷基底通常不具有足夠的導熱性，特別是當許多LED被放置在小區(qū)域內(nèi)時。因而，需要適用于LED的具有改良導熱性的支撐基底。熱管是傳熱裝置，其能夠從熱管上的一個導熱部位向熱管上的另一個導熱部位傳輸大量的熱，顯著多于常規(guī)金屬和陶瓷熱沉。熱管是中空且密封閉合的，并且容納芯和工作流體。在熱管內(nèi)部，工作流體在較熱部位蒸發(fā)并且工作流體蒸汽在較冷部位冷凝。冷凝的工作流體由于芯的毛細作用從較冷部位被推回到較熱部位。熱管能夠采用各種形狀，如美國專利申請公開2007/0295494 (Celsia Technologies Korea)中所公開的扁平熱管。這種熱管包括兩個分隔開的平板，其間具有在兩個多孔流體通道之間的中空蒸汽通道，所述兩個多孔流體通道在兩個導熱部位之間延伸。板由具有能夠保護內(nèi)部結構的足夠剛性的板材構成，例如鋁、鈦、塑料、金屬化塑料、石墨或其他金屬材料和塑料的組合；優(yōu)選地，可以使用具有高導熱性的銅板。使用平面板式結構來形成毛細管芯，該結構可以是具有多孔結構的合成纖維或者通過編織線而制成的編織體。這種扁平熱管已經(jīng)被用于從LED燈中的LED傳輸熱。理想的是，提供與現(xiàn)有技術金屬熱管相比較不易受到內(nèi)部和外部腐蝕且LED能夠直接安裝在其上的熱管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標是提供完全由抗腐蝕的陶瓷制成且諸如LED的電元件能夠直接安裝在其上的新穎熱管。本發(fā)明的另一目標是提供具有非多孔陶瓷制成的主體的新穎熱管，所述主體被密封并且具有陶瓷芯、蒸汽傳輸通道和工作流體，其中該陶瓷芯在主體內(nèi)部且在所述主體的外表面上分隔開的兩個導熱部位之間延伸，所述蒸汽傳輸通道在主體內(nèi)部在所述兩個導熱部位之間延伸，所述工作流體部分地填充所述蒸汽傳輸通道。本發(fā)明的又一目標是提供主體和芯一同是由相同陶瓷材料制成的無縫單體結構的熱管。本發(fā)明的另一目標是提供制造這種熱管的新穎方法，其包括提供非多孔陶瓷的主體；在所述主體內(nèi)部提供陶瓷芯和蒸汽傳輸通道，所述芯和蒸汽傳輸通道在兩個導熱部位之間延伸，所述兩個導熱部位在所述主體的外表面上分隔開；排空所述主體；在所述主體內(nèi)部提供部分地填充所述蒸汽傳輸通道的工作流體；以及，密封所述主體使其閉合。
本發(fā)明的又一目標是提供制造這種熱管的新穎方法，其中所述主體和芯由相同陶瓷材料提供并且一起形成為由相同陶瓷材料制成的無縫單體結構。在考慮了下述優(yōu)選實施例的附圖和描述之后，本發(fā)明領域的技術人員將顯而易見到本發(fā)明的這些和其他目標和優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明熱管的一種實施例的圖示，其示出了可放置LED的位置。圖2是沿圖1實施例的線II-II截取的橫截面。圖3是本發(fā)明熱管的可替代實施例的相應橫截面。
具體實施例方式現(xiàn)在參考圖1和圖2，本發(fā)明熱管10的一種實施例包括由非多孔陶瓷制成的中空密封主體12 ；在兩個導熱部位16、16’之間延伸的中心蒸汽傳輸通道14，其中所述兩個導熱部位16、16’在所述主體12的外表面上分隔開；在所述主體12的內(nèi)壁7上且圍繞所述蒸汽傳輸通道14的陶瓷芯18，所述陶瓷芯也在所述兩個導熱部位16、16’之間延伸；以及在所述主體12內(nèi)部部分地填充所述蒸汽傳輸通道14的工作流體20。包括諸如LED 22的發(fā)熱體的熱負載可以在導熱部位16’之一處被直接安裝在陶瓷主體上，并且另一個導熱部位16 可以暴露于較冷溫度，以便熱管的操作是常規(guī)操作。這里使用的術語“非多孔陶瓷”意味著形成熱管主體的陶瓷是足夠致密的從而其相對于熱管內(nèi)部含有的工作流體和蒸汽是不可滲透的。這不必須意味著陶瓷是100%致密的，即不意味著陶瓷是無孔的。優(yōu)選地，芯18是多孔的并且與主體12是一體的且在現(xiàn)場成形。也就是說，主體12 和芯18 —起是無縫單體結構，其由相同陶瓷材料制成且在形成主體時在主體內(nèi)部形成芯。 可替代地，芯可以在主體之外被形成并且在主體被密封閉合之前被插入到主體內(nèi)的中空內(nèi)部空間內(nèi)。理想的是，芯全部由多孔陶瓷制成且具有多個互連孔，所述互連孔在芯內(nèi)部產(chǎn)生毛細作用。蒸汽傳輸通道14在兩個導熱部位16、16’之間延伸，以便在操作時蒸發(fā)的工作流體(通過來自導熱部位16’處的LED 22的熱被蒸發(fā))運動通過蒸汽通道到達導熱部位16， 在此蒸汽冷凝。實質(zhì)上，連續(xù)蒸汽傳輸通道被保持成通過熱負載和一個(多個)冷凝區(qū)之間的熱管，以便允許蒸汽在兩個區(qū)域之間自由運動。熱管內(nèi)的壓力梯度將蒸汽從“熱點”推向會在稍低溫度發(fā)生冷凝的其他部位。開放空間的形成不限于任意特定幾何形狀。優(yōu)選的蒸汽傳輸通道構造包括如圖2所示的單個中心通道14或者如圖3所示的遍布多孔芯間隔開的一系列較小通道25。雖然圖2和圖3中示出的實施例中的蒸汽傳輸通道線性延伸通過主體， 不過它們不必沿直線延伸。只要保持了蒸汽傳輸功能，也允許彎曲或蜿蜒的通道。芯18通過毛細作用將冷凝物運回到導熱部位16’，并且重復該循環(huán)。工作流體 20僅部分地填充熱管內(nèi)部的一個(多個)蒸汽傳輸通道，從而對于導熱部位之間的蒸汽傳輸而言具有開放空間。熱管的內(nèi)部優(yōu)選地在引入工作流體之前被排空以便最大化導熱效率， 因為熱管內(nèi)部的殘余氣體會干涉裝置內(nèi)的蒸汽傳輸。優(yōu)選的工作流體包括水、醇(例如，甲醇)、氨水和氟利昂。工作流體的選擇將取決于有用的溫度范圍、環(huán)境相容性以及成本。
在圖2示出的實施例中，芯18整個由多孔陶瓷制成，其直接位于主體12的內(nèi)壁7 上并且圍繞單個中心蒸汽傳輸通道14。多孔陶瓷具有多個互連孔，這些互連孔在所述兩個導熱部位之間連續(xù)地延伸以便提供芯吸作用從而使工作流體在導熱部位之間運動。可替代地，如圖3所示，芯18’填充熱管的內(nèi)部，并且一系列開放蒸汽傳輸通道25遍布陶瓷芯間隔開并且在導熱部位之間延伸。術語“互連孔”也包括在形成芯之后形成的細長毛細管以及形成芯期間存在于芯材料內(nèi)的孔。互連孔的尺寸必須被制成且充分互連成使得可以通過毛細作用(即“芯吸”)將工作流體從一個(多個)冷凝區(qū)傳遞到存在熱負載的區(qū)域。毛細作用與蒸汽傳輸?shù)慕Y合完成了熱管的工作循環(huán)，即通過使工作流體蒸發(fā)而從熱負載移除熱，之后通過在遠離熱負載的部位冷凝從而從蒸汽移除熱，并且通過芯的毛細作用將被冷凝的工作流體再次供應到熱負載區(qū)域。在這里陶瓷被定義為具有結晶或部分結晶結構的或者玻璃的上釉或未上釉主體的物品，該主體由基本無機、非金屬物質(zhì)制成，并且或者由冷卻時凝固的熔融體形成或者在形成的同時或相繼地通過施加于材料的熱作用來處理，其中該材料例如氧化鋁、氮化鋁和二氧化硅。優(yōu)選地，陶瓷是氧化鋁(礬土)。因為陶瓷是電介質(zhì)，所以主體12的表面不導電，以便LED和其他電元件可以在導熱部位處被直接安裝在主體上并且保持電絕緣。此外，因為主體和芯是陶瓷的并且因為不存在金屬部件，所以熱管抵抗腐蝕以及與相異金屬相關聯(lián)的電鏈應?？梢酝ㄟ^由適當陶瓷(例如玻璃或礬土)制成的中空電路板來制造主體從而制造本發(fā)明的陶瓷熱管?？梢允褂贸Ｒ?guī)陶瓷技術由生陶瓷(green ceramic)來實現(xiàn)主體，所述常規(guī)陶瓷技術例如注塑、擠壓、干壓或粉漿澆鑄。主體12也可以由使用適當粘結劑(例如玻璃粉)被聯(lián)結在一起的陶瓷部件形成，如圖3所示。多孔芯可以在主體內(nèi)部原地形成或者通過將多孔芯插入到主體的中空內(nèi)部內(nèi)而形成。在排空熱管主體的內(nèi)部且引入工作流體之后， 主體被常規(guī)地密封閉合。形成多孔芯的優(yōu)選方法是原地溶膠_凝膠過程。溶膠_凝膠過程使用有機前體， 該有機前體首先被形成為凝膠并且之后在高溫下裂解或分解從而形成多孔陶瓷材料。在本發(fā)明中，主體的中空內(nèi)部的內(nèi)壁涂覆有有機凝膠前體，該有機凝膠前體被裂解從而形成多孔芯結構。整個部件之后被烘制從而形成單體結構，該單體結構由致密且不可滲透的外陶瓷主體以及多孔的內(nèi)陶瓷芯構成(這在圖2中被示出)且具有在兩個導熱部位之間延伸的互連孔。另一種方法是將多個陶瓷球體插入到陶瓷主體的中空內(nèi)部內(nèi)從而產(chǎn)生填充床。之后通過加熱來誘發(fā)粘性燒結從而將球體一起熔融到主體的中空內(nèi)部的內(nèi)壁。球體之間的間隙相連接從而產(chǎn)生在兩個導熱部位之間延伸通過芯的互連孔。又一方法是由一種陶瓷材料擠壓出整個容器，以便最終的部件包含如圖3所示在兩個導熱部位之間延伸的開放通道的內(nèi)部陣列。這種技術已經(jīng)被用于產(chǎn)生自動催化劑支撐結構(由Corning介紹的)。進一步的步驟在陶瓷芯內(nèi)產(chǎn)生互連孔。也可以通過將消失性材料引入到將要形成芯的生陶瓷中來制備互連孔。聚合物 (例如，具有受控尺寸的乳膠或聚苯乙烯球體)、石墨或其他消失性材料可以以顆粒、纖維或連續(xù)泡沫結構的形式被裝埋在生陶瓷內(nèi)。主體和芯可以由相同生陶瓷材料形成且消失性材
6料被插入到芯部件內(nèi)。在陶瓷顆粒頸縮之前，消失性材料在燒結循環(huán)的早期分解，因而生產(chǎn)氣體并且留下了在兩個導熱部位之間延伸通過芯的互連孔。在最終燒結步驟期間，孔過大且過于穩(wěn)定從而不會被消除。這就是在高溫或侵蝕性過濾的情況下產(chǎn)生多孔陶瓷結構的已知技術。又一種可能更簡單的方法是不完全燒結。由或者具有第一密度或者具有第一顆粒尺寸分布的第一生陶瓷部件來形成主體，并且通過將第二生陶瓷部件插入到第一生陶瓷部件的中空內(nèi)部內(nèi)來形成芯，其中第二生陶瓷部件或者具有比第一密度小的第二密度或者具有比第一顆粒尺寸分布大的第二顆粒尺寸分布。組件被燒結以便第一生陶瓷部件完全燒結并且第二生陶瓷部件不完全燒結。這將在第二生陶瓷部件中提供在兩個導熱部位之間延伸通過芯的互連孔。雖然在上述說明和附圖中已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例，不過應該理解當閱讀說明書和附圖時本發(fā)明由所附權利要求來限定。
權利要求
1.一種熱管，包括由非多孔陶瓷制成的主體，所述主體被密封并且在所述主體內(nèi)部具有在兩個導熱部位之間延伸的陶瓷芯，所述兩個導熱部位在所述主體的外表面上分隔開； 在所述主體內(nèi)部在所述兩個導熱部位之間延伸的蒸汽傳輸通道；以及部分地填充所述蒸汽傳輸通道的工作流體。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱管，其中所述芯由多孔陶瓷制成且具有在所述兩個導熱部位之間連續(xù)延伸的多個互連孔。
3.根據(jù)權利要求2所述的熱管，其中所述主體和所述芯一同是由相同陶瓷材料制成的無縫單體結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的熱管，其中所述芯由多孔陶瓷制成，其直接位于所述主體的內(nèi)壁上且圍繞所述蒸汽傳輸通道，所述多孔陶瓷具有在所述兩個導熱部位之間連續(xù)延伸的多個互連孔。
5.根據(jù)權利要求4所述的熱管，其中所述主體和所述芯一同是由相同陶瓷材料制成的無縫單體結構。
6.根據(jù)權利要求1所述的熱管，與發(fā)光二極管相結合，該發(fā)光二極管在所述兩個導熱部位中的一個處被直接安裝在所述主體上。
7.根據(jù)權利要求1所述的熱管，其中所述主體包含多個蒸汽傳輸通道，所述多個蒸汽傳輸通道遍布所述芯分隔開并且在所述兩個導熱部位之間延伸。
8.一種熱管，包括由非多孔氧化鋁陶瓷制成的主體，所述主體被密封并且在所述主體內(nèi)部具有在兩個導熱部位之間延伸的陶瓷芯，所述兩個導熱部位在所述主體的外表面上分隔開，所述陶瓷芯由多孔氧化鋁陶瓷制成且具有在所述兩個導熱部位之間連續(xù)延伸的互連孔； 在所述主體內(nèi)部在所述兩個導熱部位之間延伸的蒸汽傳輸通道；以及部分地填充所述蒸汽傳輸通道的工作流體。
9.根據(jù)權利要求8所述的熱管，其中所述主體和芯被一體成形。
10.根據(jù)權利要求8所述的熱管，其中所述主體包含多個蒸汽傳輸通道，所述多個蒸汽傳輸通道遍布所述芯分隔開并且在所述兩個導熱部位之間延伸。
11.根據(jù)權利要求8所述的熱管，其中所述芯圍繞所述蒸汽傳輸通道。
12.一種制造熱管的方法，包括如下步驟 提供由非多孔陶瓷制成的主體；在所述主體內(nèi)部提供陶瓷芯和蒸汽傳輸通道，所述芯和蒸汽傳輸通道在兩個導熱部位之間延伸，所述兩個導熱部位在所述主體的外表面上分隔開； 排空所述主體；在所述主體內(nèi)部提供部分地填充所述蒸汽傳輸通道的工作流體；以及密封所述主體使其閉合。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述主體和所述芯由相同陶瓷材料提供并且一同形成為由相同陶瓷材料制成的無縫單體結構。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中通過將多個陶瓷球體插入到所述中空內(nèi)部并且加熱所述球體從而誘發(fā)粘性燒結來提供所述陶瓷芯，所述粘性燒結產(chǎn)生在所述兩個導熱部位之間延伸通過所述芯的互連孔。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中通過由相同陶瓷材料一同擠壓出所述主體和所述芯來提供所述主體和所述芯，并且所述方法還包括產(chǎn)生在所述兩個導熱部位之間延伸通過所述芯的互連孔的步驟。
16.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中通過如下方式來提供所述主體和所述芯由相同生陶瓷材料一同形成所述主體和所述芯、將消失性材料插入到所述芯內(nèi)、使得所述消失性材料分解從而提供在所述兩個導熱部位之間延伸通過所述芯的互連孔、以及燒結所述生陶瓷材料。
17.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中通過預成形生陶瓷主體來提供所述主體，通過使得所述主體的內(nèi)壁涂覆有機凝膠前體且使得所述前體裂解來形成多孔結構來提供所述芯，并且所述方法還包括烘制所述生陶瓷主體和前體來形成所述主體和所述芯的單體結構的步驟，所述芯具有在所述兩個導熱部位之間延伸的互連孔。
18.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中通過提供具有第一密度和第一顆粒尺寸分布之一的第一生陶瓷部件來提供所述主體，并且通過將第二生陶瓷部件插入到所述主體中來提供所述芯，所述第二生陶瓷部件具有小于所述第一密度的第二密度和大于所述第一顆粒尺寸分布的第二顆粒尺寸分布中的一者，并且所述方法還包括完全燒結所述第一生陶瓷部件且不完全燒結所述第二生陶瓷部件的步驟以便所述第二生陶瓷部件具有在所述兩個導熱部位之間延伸通過所述芯的互連孔。
全文摘要
用于傳遞來自發(fā)光元件的熱的熱管包括由非多孔陶瓷制成的密封主體、在所述主體內(nèi)在兩個導熱部位之間延伸的蒸汽通道、在所述主體內(nèi)在所述兩個導熱部位之間延伸的陶瓷芯以及部分填充蒸汽傳輸通道的工作流體，其中所述兩個導熱部位在所述主體的外表面上間隔開。在制造這種熱管的方法中，理想地，主體和芯一同形成為由相同陶瓷材料制成的無縫單體結構。使用陶瓷使得熱管抗腐蝕并且由于陶瓷是電介質(zhì)所以允許例如LED的電元件被直接安裝在主體上。
文檔編號H01L33/64GK102171819SQ200980138465
公開日2011年8月31日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權日2008年9月30日
發(fā)明者M. 斯科奇 A., W. 漢比 D., 溫策爾 D., H. 塞爾弗里安 J., D. 克尼希斯伯格 W. 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司