CN101970967A - 具有可插入式毛细结构系统的鼓形均热板 - Google Patents

Abstract

一种设有可插入式毛细结构系统的均热板，包括两个盖层和一个框架。所述盖层和框架结合以形成一鼓状封闭腔。类似于鼓上的膜，所述盖层主要通过沿着盖层平面的张力抵抗变形，这样可以采用更薄的材料。所述框架与鼓的柱状体类似，提供必要的抗弯性，在盖层受到外力时，以将其保持在一个相对紧绷的状态。这种设置的最终结果是每一组件将主要负责仅一种力(如张力或弯折)，如此可获得一种最高效的状态。最终，盖层的强度(抵抗塌陷)更少地依赖其厚度，从而可获得一个最小厚度的状态。

Description

具有可插入式毛细结构系统的鼓形均热板

【相关申请的交叉引证】

本申请要求于2007年10月10日申请的美国专利申请第60/978,763号的优先权，并且将该申请的内容作为参考并入。

【技术领域】

本申请有关冷却装置，尤其是有关均热板(vapor chambers)。

【技术背景】

随着电子元件性能的不断增强，电子工业对更高性能冷却装置的需求更大。利用热管(heat-pipe)原理的均热板越来越被认为是传统散热器(heatsinks)的有前景的替代者。然而，有几个问题阻碍了均热板的广泛应用。其中之一是为潜在客户定制开发解决方案所需的时间和精力。

通常，均热板供应商采用一种终端用户产品与均热板同时设计完成的(design-in)方法为潜在终端用户定制产品。除了耗时及昂贵，这种同时设计完成(design-in)方法的主要问题是，在电子元件/系统设计周期和开发相关均热板样品的时间之间的时间滞后。减小该时间滞后对一电子系统/元件的成功设计非常关键，但现在的均热板通常采用毛细结构(wicking structure)，这要求对每一设计进行大量的耗时的再加工。因此，该成本构成无法有效放大。而在用户的角度，对电子元件/系统，通常要求被设计成无需特定的冷却方案。

总地来说，现有均热板的缺点可被归纳成以下几点：

1.架桥毛细结构(bridging wick)形成过程：蒸发区和冷凝区的毛细结构必须是腔表面的一部分(例如，把所述毛细结构直接蚀刻在所述表面上，或采用冶金焊接(metallurgicalbonding)工艺把所述毛细结构附着在所述表面)，以减小接触阻力(contact resistances)并保证操作一贯性/可靠性。“架桥”毛细结构通常被用于把冷凝液从冷凝区带至蒸发区。在热管中，该“架桥”路径通常沿着该管表面(即绝热区)的轴向延伸。但在均热板设置中，该架桥路径是更复杂的三维路径，并与冷凝区和蒸发区的毛细结构一起形成。由于这些架桥毛细结构通常通过定制的工艺，比如扩散焊接(diffusion bonding)或烧结，沿着侧壁形成。这造成对各尺寸和形状的腔的特定加工的需求。

2.材料选择：毛细结构形成工艺通常要求烧结和扩散焊接，这些工艺很难在铝上实施。可用于铝的槽状毛细结构(groove wicks)通常无法产生均热板正常工作所需的毛细管压力。因此，大部分均热板采用铜，其价格在过去5年上涨了很多倍。

3.腔的形式：为增加材料利用率，现有的腔通常是通过把一块板放置于已被冲压形成凹处(cavity)的另一块板上而形成。然而，其结果是每一腔的尺寸或厚度都要求再加工，这意味着该腔需要被“定制”。也就是说，腔的生产成了一个定制过程，结果，很难获得必要的成本降低以进入大众市场。而且，冲压形成的腔的转角处的抗弯性能较弱，为防止腔在真空条件下坍塌，需要较厚的材料和较大数量的内部支撑栏。因此，看似有效的形式(从充分利用材料的角度来说)实际上可能是低效的。

本发明的实施例克服了均热板的这些或其它限制。

【发明内容概述】

通过以下手段，本发明的实施例克服了现有均热板的限制：

1.提供鼓形，使得能够有更高效的材料利用率并降低对特定形式加工(format-specifictoolings)的需求。

2.提供可插入式“架桥”毛细结构系统，使得无需特定形式加工就能使冷凝液沿着侧壁回流。

3.应用以上技术中的任一项可以利用替代材料来制造均热板。特别的，相比于铜，这使得能够利用铝和/或聚合物以获得显著的材料成本降低。

在本发明中，蒸汽鼓包括两盖层(coverskin)及一框架，其可以由金属(包括铝，其可以是未经处理的，经阳极氧化的，镀层的，和/或层合的)、弹性体、聚合物、复合材料、陶瓷和/或他们的一些组合制成，并且其可被组装形成不同尺寸的腔。所述盖层被连接(通过软钎焊(soldering)、硬钎焊(brazing)、焊接(welding)、扩散焊接或其他业界已知的类似方法)至所述框架以形成一“鼓形”封闭腔。类似于鼓上的膜，所述盖层主要靠沿其平面的张力防止变形，因此，更薄的材料，如铜箔，可被采用。为实现这个条件，在提供必要的抗弯性时，所述框架应与鼓的柱形体产生相似的作用，以在所述盖层受到外力时将其保持在一个相对紧绷的状态。这种设置的最终结果是每一组件将主要负责仅一种力(如张力或弯折)，如此可获得一种最高效的状态。最终，盖层的强度(抵抗塌陷)更少地依赖其厚度，从而可获得一个最小厚度的状态。

所述框架可包括一个或更多由批量生产工艺获得的支架，比如轧制、拉拔、锻造、成型、挤压或业界已知的其他类似方法。这些支架可以通过扩散焊接、软钎焊、硬钎焊、焊接或业界已知的其他方法被连接在一起。顶盖层(冷凝侧)可以具有一体成型的鳍片结构(通过成型、挤压、切削、刮削、旋锻或其他业界已知的方法形成)，或具有分布于其上的鳍片结构。由于盖层和支架可以从更大的工件切割而获得，这使得各种腔(具有不同尺寸和长宽比)的生产没有再加工延迟。

为进一步增加蒸汽鼓承受由真空或内部蒸汽压力所产生的较大的力的能力，所述盖层与框架之间的接触面可以部分延伸进内腔(通过支撑条)，以增加接触面积并减小所述盖层支撑结构之间的间隔距离。再者，由于所述支撑条可以是所述框架整体的一部分，其可以通过磨削、抛光、切削或业界已知的其他方法被平整化，以保证恰当的共面性(co-planarity)。

为将所述蒸汽腔用作均热板，至少一个抽真空/充液管需要被连接于所述盖层和/或框架。先抽真空，接着注入恰当的工作液(如水、丙酮、氨或业界所知的其他工作液)。毛细结构分布于所述腔的内表面，以使冷凝液从冷凝区恰当地流动至蒸发区。

在顶盖层(冷凝侧)，所述毛细结构可包括烧结的粉末、槽(通过锯切、机械加工、化学蚀刻或业界已知的其他方法形成)和/或通过焊接、软钎焊、烧结、扩散焊接或其他业界已知的方法连接的丝网(wire mesh)。为实现快速周转，这些毛细结构可在装配时形成(比如通过锯切或机械加工)或可被预先形成于一个大的工件(比如通过化学蚀刻或烧结)，而所述盖层是从该工件切割获得。类似地，在装配过程或在更大工件的制作过程，至少底盖层的一部分(比如在蒸发区)上可以形成毛细结构(烧结粉末、槽和/或网)。

对于侧壁，分布有可插入式毛细结构系统，包括“保持器”和可选的“填充”(fill-in)毛细结构，该“保持器”实质上是类似机械弹簧的结构，比如夹子、粗丝网、形成有槽的折叠板或业界已知的其他类似结构。除了提供毛细结构的目的，该“保持器”还可以将所述可选的“填充”毛细结构保持在位，所述可选的“填充”毛细结构可包括丝网、泡沫材料(foams)、未烧结的粉末或业界已知的其他类似的毛细结构。由于所述“保持器”与所述顶盖层和底盖层接触(所述可选的“填充”毛细结构与侧壁接触)，所述可插入式毛细结构系统实现了提供从顶盖层经侧壁并最终到达底盖层的蒸发区的冷凝液流道的关键功能。此处的关键点是所述“架桥”功能可以由可插入式毛细结构系统实现，其可适用于任何腔厚和尺寸而不会涉及再加工延迟。对于本发明的目的，可插入式毛细结构是一个能够将冷凝液引向均热板外缘的组件，并且至少一个组件与腔的表面有操作上的接触而不与所述腔表面形成冶金连接(metallurgicalbond)。

为进一步改良所述蒸汽鼓的功能，上述毛细结构可进一步实现为具备或不具备沸腾强化的多毛细结构(multi-wick structure)的一部分，如我们更早的美国专利申请第11/272,145号以及第11/164,429号所披露的，这些专利在此被作为参考并入。本发明一个或更多实施例的细节将被呈现于以下附图和详细描述。从以下详细描述、附图以及权利要求，本发明的其他特征和优势尽显无遗。

【发明内容附图描述】

图1a-一蒸汽鼓的截面等距图，展示了主要组件。

图1b-简单展示了只包括一个支架的框架。

图1c-简单展示了与底盖层一体化的框架。

图2-顶盖层的平面视图，展示了毛细结构。

图3a-保持器的等距图。

图3b-保持器的截面图。

图3c-简单展示了包括一线框的保持器。

图4a-一复合蒸汽鼓的截面等距图。

图4b-一复合蒸汽鼓的侧视图，其与一热源和鳍片有效接触。

【详细描述】

图1a展示了一个实施例中的蒸汽鼓100的截面图。蒸汽鼓100包括顶盖层110、框架120、充液管130、底盖层140、可插入式毛细结构系统150以及沸腾强化结构160。所述沸腾强化结构160与一发热装置170热接触。所述框架120可包括一个或更多支架(bracket)121，其可以是由122连接形成。每一支架121可以包括一个额外的支撑条123，其可被连接于盖层以提供额外的加强。图1b展示了仅包括一个支架的框架120，而图1c则展示了与底盖层140成一体的框架120。所述充液管130用于连接一真空泵和液体源，在抽真空和工作液注入完成后，通过压接、软钎焊、焊接或业界已知的其他方法进行密封。

鳍片111可以一体成型于顶盖层110(冷凝侧)。图2展示了形成于表面的包括槽212和/或丝网213的毛细结构150。这些毛细结构(212和213)将与可插入式毛细结构系统150的保持器151接触(如图1a所示)。如图3a和图3b所示，该保持器350可以由金属制成，并且可以是包括槽结构351(通过切削、蚀刻或业界已知的其他方法形成)的折叠板。如图1a所示，这些槽结构351将冷凝液从冷凝表面110引向可插入式毛细结构系统150的丝网毛细结构152或未烧结粉末组件153，并最终将冷凝液引至位于蒸发区的沸腾强化结构160。作为选择之一，如图3c所示，保持器350也可以包括一折叠的线框(wire frame)。

以上所披露的毛细结构还可以是如美国专利申请第11/272,145号所披露的多毛细结构。其中，冷凝表面毛细结构(213和212)的芯吸力(wicking power)小于侧壁毛细结构(比如可插入式毛细结构系统150)和/或蒸发区160毛细结构的芯吸力。另外，沸腾加强结构可有选择的被应用于蒸发区160，从而产生沸腾强化多毛细结构，如美国专利申请第11/164,429号所披露的，其可采用鳍片、钉、槽、发泡、孔结构(包括丝网)，或它们的任意组合。图1展示了鳍片结构形式的沸腾加强结构160，其可通过选择性机械加工(或其他业界已知的方法)底盖层140而获得。

为降低重量，所述蒸汽鼓可以复合材料制作。图4a展示了一个复合蒸汽鼓400的切开截面图。其包括复合盖层410和设有充液管430的复合框架420。框架420具有以聚合物或金属(比如铝)制成的内芯421，其与非聚合物422结合，该非聚合物可以是陶瓷或金属(镀、层压或沉积于上)。框架420与复合盖层410结合，盖层410包括外层(以金属，比如铝，或聚合物制成)411和非聚合物的内层412。图4b展示了盖层上不被覆盖的选中位置，以与热产生表面436和/或金属鳍片437接触。

Claims (18)

1.一种均热板包括两个盖层和一个框架；其中，所述框架包括至少一个支架；以及，所述盖层和框架中的至少一个是由金属、层压金属、金属-聚合物复合材料或它们的一种组合制成。

2.如权利要求1所述的均热板，其中，所述盖层的至少一个包括至少一个一体的鳍片或钉。

3.一种均热板包括一个框架、至少一个盖层以及一可插入式毛细结构系统，该毛细结构系统提供了至少一部分自一冷凝表面至一蒸发区的冷凝液流道。

4.如权利要求3所述的均热板，其中，所述毛细结构系统包括一保持器和一填充毛细结构；其中，所述保持器包括一线框或一折叠板，所述填充毛细结构包括多层丝网、未烧结金属粉末或其组合。

5.如权利要求4所述的均热板，其中，所述折叠板上至少设有一槽。

6.如权利要求1所述的均热板，其中，所述毛细结构进一步构成多毛细结构，其中，蒸发区的芯吸力高于冷凝区的芯吸力。

7.如权利要求6所述的均热板，其中，所述多毛细结构进一步构成一沸腾加强多毛细结构。

8.如权利要求7所述的均热板，其中，所述冷凝表面分布有槽、网或其组合；鳍片、钉、鳍片-钉、烧结粉末、网状结构或其组合被用作沸腾加强结构；包括以下至少之一的层叠结构：板、网及槽表面被用于和沸腾加强结构接触的区域。

9.一导热装置，包括：

一框架；

一顶盖层和一底盖层分别与所述框架的顶部和底部连接，从而形成一接收一毛细结构的区域。

10.如权利要求9所述的导热装置，其中，所述底盖层包括一区域供所述毛细结构与一发热装置接触。

11.如权利要求9所述的导热装置，其还包括与所述顶盖层连接的鳍片。

12.如权利要求11所述的导热装置，其中，所述鳍片设置于与被插入的所述可插入式毛细结构接触的位置。

13.如权利要求9所述的导热装置，其中，所述毛细结构包括槽或网。

14.如权利要求9所述的导热装置，其中，所述框架包括一个或更多支架以加强所述框架。

15.如权利要求9所述的导热装置，其中，所述框架还包括一充液管，其可与真空泵及液体源连接。

16.如权利要求9所述的导热装置，其中，所述框架包括一保持器以保持所述可插入式毛细结构，所述保持器具有一设有槽结构的折叠板以将冷凝液自所述顶盖层引流至所述可插入式毛细结构的一蒸发区。

17.如权利要求9所述的导热装置，其中，所述可插入式毛细结构包括一多毛细结构，其中，所述多毛细结构上的冷凝表面的芯吸力小于所述可插入式毛细结构侧壁的芯吸力。

18.一种构造一均热板的方法，其中，一可插入式毛细结构被用于桥接位于冷凝表面和蒸发表面的毛细结构；其中，所述冷凝表面或蒸发表面的毛细结构包括网、槽、鳍片、钉、鳍片-钉、烧结粉末或其一种组合；其中，所述可插入式毛细结构的至少一个组件与所述均热板的至少一个表面只有机械接触；其中，所述均热板包括毛细结构和挥发性液体。

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