CN102171819A - 具有多孔陶瓷芯的陶瓷热管 - Google Patents
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Abstract
用于传递来自发光元件的热的热管包括由非多孔陶瓷制成的密封主体、在所述主体内在两个导热部位之间延伸的蒸汽通道、在所述主体内在所述两个导热部位之间延伸的陶瓷芯以及部分填充蒸汽传输通道的工作流体，其中所述两个导热部位在所述主体的外表面上间隔开。在制造这种热管的方法中，理想地，主体和芯一同形成为由相同陶瓷材料制成的无缝单体结构。使用陶瓷使得热管抗腐蚀并且由于陶瓷是电介质所以允许例如LED的电元件被直接安装在主体上。
Description
技术领域
本发明涉及热管，其将热从生热物体传导开，该生热物体例如发光二极管（LED）。
背景技术
LED产生热和光，并且理想地是热被传导离开LED，因为LED接合部操作温度升高（例如高于大约115℃）会不利地影响光输出。可以通过将LED安装在具有足够导热性的基底（热沉）上以及耗散掉热的适当表面区域上从而将热从LED传导开。不过，常规金属和陶瓷基底通常不具有足够的导热性，特别是当许多LED被放置在小区域内时。因而，需要适用于LED的具有改良导热性的支撑基底。
热管是传热装置，其能够从热管上的一个导热部位向热管上的另一个导热部位传输大量的热，显著多于常规金属和陶瓷热沉。热管是中空且密封闭合的，并且容纳芯和工作流体。在热管内部，工作流体在较热部位蒸发并且工作流体蒸汽在较冷部位冷凝。冷凝的工作流体由于芯的毛细作用从较冷部位被推回到较热部位。
热管能够采用各种形状，如美国专利申请公开2007/0295494 (Celsia Technologies Korea)中所公开的扁平热管。这种热管包括两个分隔开的平板，其间具有在两个多孔流体通道之间的中空蒸汽通道，所述两个多孔流体通道在两个导热部位之间延伸。板由具有能够保护内部结构的足够刚性的板材构成，例如铝、钛、塑料、金属化塑料、石墨或其他金属材料和塑料的组合；优选地，可以使用具有高导热性的铜板。使用平面板式结构来形成毛细管芯，该结构可以是具有多孔结构的合成纤维或者通过编织线而制成的编织体。这种扁平热管已经被用于从LED灯中的LED传输热。
理想的是，提供与现有技术金属热管相比较不易受到内部和外部腐蚀且LED能够直接安装在其上的热管。
发明内容
本发明的目标是提供完全由抗腐蚀的陶瓷制成且诸如LED的电元件能够直接安装在其上的新颖热管。
本发明的另一目标是提供具有非多孔陶瓷制成的主体的新颖热管，所述主体被密封并且具有陶瓷芯、蒸汽传输通道和工作流体，其中该陶瓷芯在主体内部且在所述主体的外表面上分隔开的两个导热部位之间延伸，所述蒸汽传输通道在主体内部在所述两个导热部位之间延伸，所述工作流体部分地填充所述蒸汽传输通道。
本发明的又一目标是提供主体和芯一同是由相同陶瓷材料制成的无缝单体结构的热管。
本发明的另一目标是提供制造这种热管的新颖方法，其包括：提供非多孔陶瓷的主体；在所述主体内部提供陶瓷芯和蒸汽传输通道，所述芯和蒸汽传输通道在两个导热部位之间延伸，所述两个导热部位在所述主体的外表面上分隔开；排空所述主体；在所述主体内部提供部分地填充所述蒸汽传输通道的工作流体；以及，密封所述主体使其闭合。
本发明的又一目标是提供制造这种热管的新颖方法，其中所述主体和芯由相同陶瓷材料提供并且一起形成为由相同陶瓷材料制成的无缝单体结构。
在考虑了下述优选实施例的附图和描述之后，本发明领域的技术人员将显而易见到本发明的这些和其他目标和优点。
附图说明
图1是本发明热管的一种实施例的图示，其示出了可放置LED的位置。
图2是沿图1实施例的线II-II截取的横截面。
图3是本发明热管的可替代实施例的相应横截面。
具体实施方式
现在参考图1和图2，本发明热管10的一种实施例包括：由非多孔陶瓷制成的中空密封主体12；在两个导热部位16、16’之间延伸的中心蒸汽传输通道14，其中所述两个导热部位16、16’在所述主体12的外表面上分隔开；在所述主体12的内壁7上且围绕所述蒸汽传输通道14的陶瓷芯18，所述陶瓷芯也在所述两个导热部位16、16’之间延伸；以及在所述主体12内部部分地填充所述蒸汽传输通道14的工作流体20。包括诸如LED 22的发热体的热负载可以在导热部位16’之一处被直接安装在陶瓷主体上，并且另一个导热部位16可以暴露于较冷温度，以便热管的操作是常规操作。这里使用的术语“非多孔陶瓷”意味着形成热管主体的陶瓷是足够致密的从而其相对于热管内部含有的工作流体和蒸汽是不可渗透的。这不必须意味着陶瓷是100%致密的，即不意味着陶瓷是无孔的。
优选地，芯18是多孔的并且与主体12是一体的且在现场成形。也就是说，主体12和芯18一起是无缝单体结构，其由相同陶瓷材料制成且在形成主体时在主体内部形成芯。可替代地，芯可以在主体之外被形成并且在主体被密封闭合之前被插入到主体内的中空内部空间内。理想的是，芯全部由多孔陶瓷制成且具有多个互连孔，所述互连孔在芯内部产生毛细作用。
蒸汽传输通道14在两个导热部位16、16’之间延伸，以便在操作时蒸发的工作流体（通过来自导热部位16’处的LED 22的热被蒸发）运动通过蒸汽通道到达导热部位16，在此蒸汽冷凝。
实质上，连续蒸汽传输通道被保持成通过热负载和一个（多个）冷凝区之间的热管，以便允许蒸汽在两个区域之间自由运动。热管内的压力梯度将蒸汽从“热点”推向会在稍低温度发生冷凝的其他部位。开放空间的形成不限于任意特定几何形状。优选的蒸汽传输通道构造包括如图2所示的单个中心通道14或者如图3所示的遍布多孔芯间隔开的一系列较小通道25。虽然图2和图3中示出的实施例中的蒸汽传输通道线性延伸通过主体，不过它们不必沿直线延伸。只要保持了蒸汽传输功能，也允许弯曲或蜿蜒的通道。
芯18通过毛细作用将冷凝物运回到导热部位16’，并且重复该循环。工作流体20仅部分地填充热管内部的一个（多个）蒸汽传输通道，从而对于导热部位之间的蒸汽传输而言具有开放空间。热管的内部优选地在引入工作流体之前被排空以便最大化导热效率，因为热管内部的残余气体会干涉装置内的蒸汽传输。优选的工作流体包括水、醇（例如，甲醇）、氨水和氟利昂。工作流体的选择将取决于有用的温度范围、环境相容性以及成本。
在图2示出的实施例中，芯18整个由多孔陶瓷制成，其直接位于主体12的内壁7上并且围绕单个中心蒸汽传输通道14。多孔陶瓷具有多个互连孔，这些互连孔在所述两个导热部位之间连续地延伸以便提供芯吸作用从而使工作流体在导热部位之间运动。可替代地，如图3所示，芯18’填充热管的内部，并且一系列开放蒸汽传输通道25遍布陶瓷芯间隔开并且在导热部位之间延伸。
术语“互连孔”也包括在形成芯之后形成的细长毛细管以及形成芯期间存在于芯材料内的孔。互连孔的尺寸必须被制成且充分互连成使得可以通过毛细作用（即“芯吸”）将工作流体从一个（多个）冷凝区传递到存在热负载的区域。毛细作用与蒸汽传输的结合完成了热管的工作循环，即通过使工作流体蒸发而从热负载移除热，之后通过在远离热负载的部位冷凝从而从蒸汽移除热，并且通过芯的毛细作用将被冷凝的工作流体再次供应到热负载区域。
在这里陶瓷被定义为具有结晶或部分结晶结构的或者玻璃的上釉或未上釉主体的物品，该主体由基本无机、非金属物质制成，并且或者由冷却时凝固的熔融体形成或者在形成的同时或相继地通过施加于材料的热作用来处理，其中该材料例如氧化铝、氮化铝和二氧化硅。优选地，陶瓷是氧化铝（矾土）。
因为陶瓷是电介质，所以主体12的表面不导电，以便LED和其他电元件可以在导热部位处被直接安装在主体上并且保持电绝缘。此外，因为主体和芯是陶瓷的并且因为不存在金属部件，所以热管抵抗腐蚀以及与相异金属相关联的电链应。
可以通过由适当陶瓷（例如玻璃或矾土）制成的中空电路板来制造主体从而制造本发明的陶瓷热管。可以使用常规陶瓷技术由生陶瓷（green ceramic）来实现主体，所述常规陶瓷技术例如注塑、挤压、干压或粉浆浇铸。主体12也可以由使用适当粘结剂（例如玻璃粉）被联结在一起的陶瓷部件形成，如图3所示。多孔芯可以在主体内部原地形成或者通过将多孔芯插入到主体的中空内部内而形成。在排空热管主体的内部且引入工作流体之后，主体被常规地密封闭合。
形成多孔芯的优选方法是原地溶胶-凝胶过程。溶胶-凝胶过程使用有机前体，该有机前体首先被形成为凝胶并且之后在高温下裂解或分解从而形成多孔陶瓷材料。在本发明中，主体的中空内部的内壁涂覆有有机凝胶前体，该有机凝胶前体被裂解从而形成多孔芯结构。整个部件之后被烘制从而形成单体结构，该单体结构由致密且不可渗透的外陶瓷主体以及多孔的内陶瓷芯构成（这在图2中被示出）且具有在两个导热部位之间延伸的互连孔。
另一种方法是将多个陶瓷球体插入到陶瓷主体的中空内部内从而产生填充床。之后通过加热来诱发粘性烧结从而将球体一起熔融到主体的中空内部的内壁。球体之间的间隙相连接从而产生在两个导热部位之间延伸通过芯的互连孔。
又一方法是由一种陶瓷材料挤压出整个容器，以便最终的部件包含如图3所示在两个导热部位之间延伸的开放通道的内部阵列。这种技术已经被用于产生自动催化剂支撑结构（由Corning介绍的）。进一步的步骤在陶瓷芯内产生互连孔。
也可以通过将消失性材料引入到将要形成芯的生陶瓷中来制备互连孔。聚合物（例如，具有受控尺寸的乳胶或聚苯乙烯球体）、石墨或其他消失性材料可以以颗粒、纤维或连续泡沫结构的形式被装埋在生陶瓷内。主体和芯可以由相同生陶瓷材料形成且消失性材料被插入到芯部件内。在陶瓷颗粒颈缩之前，消失性材料在烧结循环的早期分解，因而生产气体并且留下了在两个导热部位之间延伸通过芯的互连孔。在最终烧结步骤期间，孔过大且过于稳定从而不会被消除。这就是在高温或侵蚀性过滤的情况下产生多孔陶瓷结构的已知技术。
又一种可能更简单的方法是不完全烧结。由或者具有第一密度或者具有第一颗粒尺寸分布的第一生陶瓷部件来形成主体，并且通过将第二生陶瓷部件插入到第一生陶瓷部件的中空内部内来形成芯，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颗粒尺寸分布大的第二颗粒尺寸分布。组件被烧结以便第一生陶瓷部件完全烧结并且第二生陶瓷部件不完全烧结。这将在第二生陶瓷部件中提供在两个导热部位之间延伸通过芯的互连孔。
虽然在上述说明和附图中已经描述了本发明的实施例，不过应该理解当阅读说明书和附图时本发明由所附权利要求来限定。
Claims (18)
1.一种热管，包括：
由非多孔陶瓷制成的主体，所述主体被密封并且在所述主体内部具有在两个导热部位之间延伸的陶瓷芯，所述两个导热部位在所述主体的外表面上分隔开；
在所述主体内部在所述两个导热部位之间延伸的蒸汽传输通道；以及
部分地填充所述蒸汽传输通道的工作流体。
2.根据权利要求1所述的热管，其中所述芯由多孔陶瓷制成且具有在所述两个导热部位之间连续延伸的多个互连孔。
3.根据权利要求2所述的热管，其中所述主体和所述芯一同是由相同陶瓷材料制成的无缝单体结构。
4.根据权利要求1所述的热管，其中所述芯由多孔陶瓷制成，其直接位于所述主体的内壁上且围绕所述蒸汽传输通道，所述多孔陶瓷具有在所述两个导热部位之间连续延伸的多个互连孔。
5.根据权利要求4所述的热管，其中所述主体和所述芯一同是由相同陶瓷材料制成的无缝单体结构。
6.根据权利要求1所述的热管，与发光二极管相结合，该发光二极管在所述两个导热部位中的一个处被直接安装在所述主体上。
7.根据权利要求1所述的热管，其中所述主体包含多个蒸汽传输通道，所述多个蒸汽传输通道遍布所述芯分隔开并且在所述两个导热部位之间延伸。
8.一种热管，包括：
由非多孔氧化铝陶瓷制成的主体，所述主体被密封并且在所述主体内部具有在两个导热部位之间延伸的陶瓷芯，所述两个导热部位在所述主体的外表面上分隔开，所述陶瓷芯由多孔氧化铝陶瓷制成且具有在所述两个导热部位之间连续延伸的互连孔；
在所述主体内部在所述两个导热部位之间延伸的蒸汽传输通道；以及
部分地填充所述蒸汽传输通道的工作流体。
9.根据权利要求8所述的热管，其中所述主体和芯被一体成形。
10.根据权利要求8所述的热管，其中所述主体包含多个蒸汽传输通道，所述多个蒸汽传输通道遍布所述芯分隔开并且在所述两个导热部位之间延伸。
11.根据权利要求8所述的热管，其中所述芯围绕所述蒸汽传输通道。
12.一种制造热管的方法，包括如下步骤：
提供由非多孔陶瓷制成的主体；
在所述主体内部提供陶瓷芯和蒸汽传输通道，所述芯和蒸汽传输通道在两个导热部位之间延伸，所述两个导热部位在所述主体的外表面上分隔开；
排空所述主体；
在所述主体内部提供部分地填充所述蒸汽传输通道的工作流体；以及
密封所述主体使其闭合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述主体和所述芯由相同陶瓷材料提供并且一同形成为由相同陶瓷材料制成的无缝单体结构。
14.根据权利要求12所述的方法，其中通过将多个陶瓷球体插入到所述中空内部并且加热所述球体从而诱发粘性烧结来提供所述陶瓷芯，所述粘性烧结产生在所述两个导热部位之间延伸通过所述芯的互连孔。
15.根据权利要求12所述的方法，其中通过由相同陶瓷材料一同挤压出所述主体和所述芯来提供所述主体和所述芯，并且所述方法还包括产生在所述两个导热部位之间延伸通过所述芯的互连孔的步骤。
16.根据权利要求12所述的方法，其中通过如下方式来提供所述主体和所述芯：由相同生陶瓷材料一同形成所述主体和所述芯、将消失性材料插入到所述芯内、使得所述消失性材料分解从而提供在所述两个导热部位之间延伸通过所述芯的互连孔、以及烧结所述生陶瓷材料。
17.根据权利要求12所述的方法，其中通过预成形生陶瓷主体来提供所述主体，通过使得所述主体的内壁涂覆有机凝胶前体且使得所述前体裂解来形成多孔结构来提供所述芯，并且所述方法还包括烘制所述生陶瓷主体和前体来形成所述主体和所述芯的单体结构的步骤，所述芯具有在所述两个导热部位之间延伸的互连孔。
18.根据权利要求12所述的方法，其中通过提供具有第一密度和第一颗粒尺寸分布之一的第一生陶瓷部件来提供所述主体，并且通过将第二生陶瓷部件插入到所述主体中来提供所述芯，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颗粒尺寸分布的第二颗粒尺寸分布中的一者，并且所述方法还包括完全烧结所述第一生陶瓷部件且不完全烧结所述第二生陶瓷部件的步骤以便所述第二生陶瓷部件具有在所述两个导热部位之间延伸通过所述芯的互连孔。
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