CN101010551A - 具有楔形毛细管的微型热管 - Google Patents

Abstract

公开了一种热管，其包含具有凝结端和蒸发端的细长空心壳体。在所述壳体内具有褶状毛细芯。所述毛细芯包含多个从所述凝结端延伸至所述蒸发端的楔形毛细管。液体与所述褶状毛细芯形成流体连通。

Description

具有楔形毛细管的微型热管

技术领域

本发明大致涉及被动冷却方案，更具体地讲，涉及用于冷却自动测试设备中所用的电子组件的热管。

背景技术

根据持续增长的IC元件的功率水平和功率密度，热管理是电子业所要面对的突出问题。热管提供了一种重要的装置该装置被动地且低成本地将热量从电子元件传输至更易到达较高容量的冷却系统的区域。

现有热管通常包括容纳流体和毛细结构的细长封闭管。管的称为蒸发端的一端与发热元件相接触。在所述发热元件和所述管之间的导热性引起所述蒸发端中的流体汽化并由压力驱动到所述热管的相对的一端(称为凝结端)。

在所述凝结端中，汽化的流体凝结并释放其汽化潜热。所述毛细结构用来将所述流体从所述凝结端吸回至所述蒸发端。因此，所述热管的热传输性能经常依赖于所述毛细结构性能。

用于热管中的传统的毛细芯(wicks)一般可以具有各种样式，诸如三角形或者槽形，以将流体吸回到所述蒸发端。所述槽的相邻边缘之间的夹角通常设置为相对宽的角度，大约六十度左右或者更大角度，以便于将任何蒸汽流阻力最小化。对于指定应用来讲，虽然所述传统的细芯结构能够获得良好效果，但需要具有改进毛细作用的热管以将热传输最大化。以下所述热管即能满足该要求。

发明内容

在此所述热管能够提供低成本的具有增强热传输能力的被动冷却。通过其可以将低成本被动冷却技术应用于高功率和高密度电子组件。

为实现上述优点，一种形式的所述热管包含：具有凝结端和蒸发端的细长空心壳体。在该壳体内安置褶状毛细芯。所述毛细芯包含多条从所述凝结端延伸至所述蒸发端的楔形毛细管(wedge-shapedcapillaries)。液体与所述褶状毛细芯形成流体连通。

在另一种样式中，所述热管包含多芯片模块组件。该组件包括多芯片模块和热管组件，其中所述多芯片模块包含衬底和位于该衬底上的多个集成电路。所述热管组件包含热沉和与所述集成电路热接触的多条热管。每条热管包含具有凝结端和蒸发端的细长空心壳体。在所述壳体内安置褶状毛细芯。所述毛细芯包含多条从所述凝结端延伸至所述蒸发端的楔形毛细管。液体与所述褶状毛细芯形成流体连通。

在又一种样式中，所述热管根据将液体从所述热管的凝结端引导至蒸发端的方法来进行工作。该方法包含以下步骤：利用毛细作用，通过具有相应的毛细角度的多条折叠翅片将流体从所述凝结端移至所述蒸发端，其中所述折叠翅片的相应的毛细角度在10至15度的范围内。

当结合附图阅读以下详细说明后，本发明的其它特征和优点更加明显。

附图说明

通过以下更详细的说明以及附图将更好地理解所述热管，其中所述附图包括：

图1是根据所述说明的热管的局部透视图；

图2a和图2b是可选褶状毛细结构的局部透视图；

图3是图1所示热管的制造方法的流程图；以及

图4是采用了多条如图1所示热管的多芯片模块组件的分解图。

具体实施方式

通过采用根据“楔形毛细管”理论工作的毛细结构，这里描述的热管提供增强的冷却性能。这允许热管用在高功率密度的冷却应用中从而最小化冷却成本。

现在参考图1，总体标识为10的热管包括具有矩形截面的细长空心壳体12。该壳体的相对尺寸通常取决于所涉及的具体应用，但是可以在1至12英寸长，0.25至0.5英寸宽，0.1至0.25英寸高的范围内变动。优选地，该壳体由诸如铜的导热金属制成。

继续参考图1，布置在该壳体内的是褶状毛细芯20。该毛细芯由厚度约为0.005至0.008英寸的折叠薄铜片形成，以限定多条楔形毛细管。所述毛细管沿着所述壳体12的全长纵向延伸并包括折叠的翅片22，这些翅片在邻近的边缘24处连接在一起以形成窄的顶角，该顶角限定在5至15度的范围内的角度φ。优选地，所述翅片边缘的交点形成不超过0.005英寸左右的半径。

图2a显示了毛细结构的一个实施例，其中折叠的翅片22形成轮廓尖锐的槽，从而在组装时易于插入所述壳体12内。在如图2b所示-可选实施例中，折叠的翅片22限定直的V形槽。很多其它变型也是可能的。

再次参考图1，所述热管10还包括沿着所述折叠的翅片22在槽中流动的诸如水、甲醇、氨、丙酮或乙醇的工作流体26。布置在所述壳体的每端的焊缝或者快速拆卸件(quick-disconnects)防止该流体从所述组件泄漏。所述流体被真空密封在所述壳体内。

现在参考图3，通过限定独特低成本工艺的总体标识为300的简单步骤可以完成所述热管10的制造。首先，在步骤302，选择一段合适的薄铜箔片并予以清洁，以去除可能影响流体流动的表面杂质。接下来在步骤304，冲压该箔片，以形成相对宽的90度的槽。然后，在步骤306，进一步改进该槽，以形成具有约为10至15度角度的窄的顶角。该铜箔片一旦被适当打皱，就在步骤308被插入所述空心壳体12。随后，在步骤310，流体被引入所述壳体，并在步骤312，通过封盖壳体的端部而被密封在壳体中。可以通过在凝结端和蒸发端上焊接或者安置快速拆卸件来完成该密封工艺。

在工作中，在此描述的热管由于褶状毛细芯20而提供增强的导热性。直接原因是由于狭窄地限定的顶角24，这些顶角使毛细结构能够以符合楔形毛细管理论的改进的方式传输所述流体26。一般而言，楔形毛细管理论断言，基于流体的湿润角，两个板片可以形成以某个小的临界角度相交，该角度将输送逐渐趋向无限高度的一段流体。基于这个理论，我已经发现，通过使用具有限定出10到15度的角度的顶角的折叠的翅片，可以最大化对液体的毛细作用，同时保留充分宽的穿过热管10的通路用于蒸汽流动。

所述热管的增强性能使其成功地实现自动化测试设备(ATE)应用，其中，所述蒸发端通常位于所述凝结端上方。在这种情况下，需要充足地芯的毛细作用以将流体克服重力从所述凝结端吸至所述蒸发端，并仍然保持足以提供令人满意的热传递的周期时间。

现在参考图4，在一种应用中，热管12的一个实施例被用在多芯片模块(MCM)400中。所述MCM包括安装了多个集成电路(ICs)404的衬底402。热管组件406热接触所述ICs以提供低成本冷却机构。

进一步参考图4，该热管组件包含矩形热沉板408，该热沉板的一端形成有多个热管指状物410。每个热管指状物和上述包含了楔形毛细管的构造一致地形成。所述热管的远侧的蒸发端形成适当的轮廓以允许直接热耦合到的IC裸片。保护盖412覆盖所述MCM组件，同时露出热沉板用于耦合至液体冷却的冷板(未示出)。

在工作中，当所述ICs由于功率耗散而变热时，所述热管指状物的蒸发端也变热，引起该端的工作流体汽化。在热管内形成的压力梯度驱使所述蒸汽通过折叠的翅片通道，离开蒸发端到达凝结端。然后，随着其热量通过传导而传输至所述热沉板，该汽化的液体凝结。所述冷板模块(未示出)进一步从所述散热板把热吸至高容量液体冷却系统，以完成该冷却过程。

本领域技术人员将认识到，本发明提供了的许多优点和好处。很重要的是褶状细毛细芯的使用，该毛细芯根据楔形毛细管理论工作以提供凝结流体的增强的毛细作用。此外，所述毛细结构的构造可以提供低成本制造技术以进一步降低冷却成本。

这样，在此已经描述了热管的至少一个实施例的若干方面，应理解，本领域技术人员将容易地想到各种改变、修改和改进。

例如，虽然在此描述并示出了两个具体的折皱的毛细芯，应该理解，在符合在此描述的楔形毛细管原理的前提下，可以采用多种类型的材料和形状与热管配合使用，以获得改进的传热性能。此外，虽然在此作为示例给出了具体的热管的形状和尺寸，但是，根据应用可以存在很多种尺寸。

Claims (23)

1.一种热管，包含：

细长空心壳体，具有凝结端和蒸发端；

褶状毛细芯，位于所述壳体之内，所述褶状毛细芯包含从所述凝结端延伸至所述蒸发端的多条楔形毛细管，所述楔形毛细管包含折叠翅片，相邻的所述折叠翅片间的夹角在5至15度范围之内；以及液体，与所述褶状毛细芯形成流体连通。

2.根据权利要求1所述热管，其中：

所述褶状毛细芯包含折叠铜片。

3.根据权利要求1所述热管，其中：

所述壳体包含矩形管。

4.根据权利要求1所述热管，其中：

所述液体包括水。

5.根据权利要求1所述热管，其中：

所述折叠翅片形成V形槽。

6.根据权利要求1所述热管，其中：

所述折叠翅片形成具有特定截面形状的槽。

7.根据权利要求1所述热管，其中：

所述折叠翅片形成槽，该槽所形成的顶角半径不大于0.005英寸。

8.一种多芯片模块组件，包括：

多芯片模块，所述多芯片模块包含衬底和位于该衬底上的多个集成电路；

热管组件，所述热管组件包含

热沉，

多个热管，其与所述集成电路形成热接触，每个热管包含

细长空心壳体，其具有凝结端和蒸发端；

褶状毛细芯，位于所述壳体之内，所述褶状毛细芯包含多个从所述凝结端延伸至所述蒸发端的多条楔形毛细管；以及

液体，其与所述褶状毛细芯形成流体连通。

9.根据权利要求8所述多芯片模块组件，其中：

所述楔形毛细管包含折叠翅片，相邻的所述折叠翼片间的夹角在10至15度范围之内。

10.根据权利要求8所述多芯片模块组件，其中：

所述褶状毛细芯包含折叠铜片。

11.根据权利要求8所述多芯片模块组件，其中：

所述壳体包含矩形管。

12.根据权利要求8所述多芯片模块组件，其中：

所述液体包括水。

13.根据权利要求9所述多芯片模块组件，其中：

所述折叠翅片形成V形槽。

14.根据权利要求9所述多芯片模块组件，其中：

所述折叠翅片形成具有特定截面形状的槽。

15.一种将流体从热管的所述凝结端引到蒸发端的方法，该方法包括以下步骤：

利用毛细作用，通过具有相应的毛细角度的多条折叠翅片将所述流体从所述凝结端移至所述蒸发端，其中所述折叠翅片的相应的毛细角度在10至15度的范围内。

16.一种热管，包含：

细长空心壳体，其具有凝结端和蒸发端；

流体，位于所述壳体之内；以及

用于将所述流体利用毛细作用从所述凝结端移至所述蒸发端的装置。

17.根据权利要求16所述热管，其中所述用于毛细作用的装置包含：

位于所述壳体之内的褶状毛细芯，该褶状毛细芯包含多个从所述凝结端延伸至所述蒸发端的楔形毛细管。

18.根据权利要求17所述热管，其中：

所述楔形毛细管包含折叠翅片，相邻的所述折叠翅片间的夹角在10至15度范围之内。

19.根据权利要求17所述热管，其中：

所述褶状毛细芯包含折叠铜片。

20.根据权利要求16所述热管，其中：

所述壳体包含矩形管。

21.根据权利要求16所述热管，其中：

所述液体包括水。

22.根据权利要求18所述热管，其中：

所述折叠翼片形成V形槽。

23.根据权利要求18所述热管，其中：

所述折叠翼片形成具有特定截面形状的槽。

Images