CN111414056A - 带有结构化芯吸部的超薄两相热交换器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于热交换器的方法和系统。在一个示例中，一种系统包括移动电子设备，移动电子设备包括前盖和后盖，热交换器布置在前盖与后盖之间，热交换器包括流体室和芯吸材料，流体室布置在第一板的内表面与第二板的内表面之间，并且芯吸材料布置在流体室内，芯吸材料包括被构造成允许多个流体通道延伸穿过其中的烧结材料。

Description

带有结构化芯吸部的超薄两相热交换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年1月8日提交的美国临时申请第62/789,778号，题为“具有结构化芯吸部的超薄两相热交换器”的优先权。以上列出的申请的全部内容为了所有目的以参见的方式纳入本文
技术领域
本公开总体上涉及诸如智能电话、平板电脑和计算机之类的个人电子设备中的发热电子部件(诸如计算机芯片)的热管理，并且具体地涉及用于个人电子设备的超薄传热设备及其制造方法。
发明内容
由个人电子设备中的计算机芯片和/或其它发热部件产生的热量可以被发散，以维持较高的处理速度并且避免可能导致设备性能下降或使用户不适的高温。例如，将43℃指定为手持设备的最高皮肤接触温度，而对于计算机芯片，高于约75-85℃的温度可能会显著影响使用寿命和性能。随着芯片尺寸的不断减小和处理速度的提高，导致功率密度增加和在单位面积上有更高热量产生，因此散热受到更大的关注。
一些个人电子设备包括薄的散热设备，诸如石墨和/或铜的平面的片材、和/或安装在平面的片材上的热管，用以将计算机芯片产生的热量在设备的整个区域上分散和发散。可以相信的是，这些现有技术的有效性可能不足以应对下一代计算机芯片的增加的功率密度。
已知有紧凑的冷却设备，其中计算机芯片的热量作为蒸发的潜热而从芯片被带走。这些设备被称为“蒸气室”，可具有扁平的、平面的、面板状的结构，并且内部腔室包含工作流体。蒸气室将在局部区域处接收到的热能尽可能均匀地分散到整个区域，由此就像用于将能量或从计算机芯片中传导或转移出来的延伸的散热片表面一样。
与计算机芯片和/或其它发热部件接触的蒸气室的局部区域包含液态的工作流体。来自计算机芯片的热量被传递到工作流体，该工作流体被蒸发并通过内部气体流动通道循环到蒸气室的较冷区域，在该区域，工作流体温度下降并且使用较大的散热片区域来冷凝，在远离芯片的区域释放冷凝热。然后，通过毛细管流将冷凝的工作流体芯吸回到芯片区域以重复该循环。
范德威斯(Vanderwees)等人的共同转让的美国专利申请第16/047,484号中公开了一种蒸气室的示例，其内容通过引用整体纳入本文。根据范德威斯等人提出的结构，蒸气室包括封围在一对片材之间的芯吸元件(wicking element)，其中芯吸元件包括一层或多层金属丝网。每个芯吸元件由较大的材料片材切割而成，并且包括限定气体流动通道的第一多个切口，并且还可以包括限定其中设置有加强肋的空间的第二多个切口，其中，所述加强肋横跨流体室的高度，以便为蒸气室的片材提供结构支承。芯吸元件的修整和其中切口的形成会产生大量的加工废料，最多占丝网材料的50％到80％，并且加强肋也可以占据大量的空间。
需要有足够刚性的、薄的、耐用的、且低成本制造的改进的热交换器以及实现这些目的制造方法。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于发热部件的热管理的热交换器。该热交换器具有适于与发热部件热接触的第一表面、相对的第二表面、以及限定了容纳工作流体的流体室的内部。热交换器包括第一板、第二板和芯吸材料。
热交换器的第一板具有内表面、外表面以及外周向密封表面，内表面面向流体室的内部，外表面限定热交换器的第一表面或第二表面，外周向密封表面在第一板的内表面上。
热交换器的第二板具有内表面、外表面以及外周向密封表面，内表面面向流体室的内部，外表面限定热交换器的上表面或下表面，外周向密封表面在第二板的内表面上，其中第一板和第二板的外周向密封表面密封地结合在一起。
热交换器的芯吸材料被接收在第一板的内表面与第二板的内表面之间的流体室内，芯吸材料片具有相对的第一外表面和第二外表面的。芯吸材料的第一外表面与第一板的内表面接触，并且芯吸材料的第二外表面与第二板的内表面接触。
根据一个方面，芯吸材料包括烧结颗粒，烧结颗粒可包括铜或镍。
根据一个方面，芯吸材料的第一外表面冶金地粘接到第一板的内表面，和/或芯吸材料的第二外表面冶金地粘接到第二板的内表面。
根据一个方面，热交换器还包括用于使液态的工作流体循环的多个液体流动通道。每个液体流动通道由芯吸材料的亲水区域限定，在该亲水区域中提供了烧结的金属颗粒；并且每个液体流动通道包括由烧结金属颗粒之间的空间限定的多个孔。
根据一个方面，芯吸材料具有在多个液体流动通道中的约25-75％的孔隙率。
根据一个方面，热交换器还包括用于使气态的工作流体循环的多个主气体流动通道。主气体流动通道可以通过多个液体流动通道彼此间隔开。
根据一个方面，每个主气体流动通道至少部分地由芯吸材料中的空隙区域限定，或者至少部分地由芯吸材料中的高度减小区域限定。
根据一个方面，热交换器还包括用于使气态的工作流体循环的至少一个副气体流动通道。每个副气体流动通道将两个或多个主气体流动通道互连。
根据一个方面，多个主气体流动通道中的每个和/或至少一个副气体流动通道中的每个由芯吸材料中的空隙区域至少部分地限定，或者由芯吸材料中的高度减小区域至少部分地限定。
根据一个方面，多个主气体流动通道中的每个由芯吸材料中的空隙区域限定。至少一个副气体流动通道中的每个可以由芯吸材料中的高度减小区域限定。
根据一个方面，每个高度减小区域包括其中芯吸材料相对于液体流动通道的厚度减小的区域，从而允许气体在高度减小区域的上方和/或下方流动。
根据一个方面，每个高度减小区域可包括烧结的金属颗粒或金属的无孔条带。
根据一个方面，热交换器包括蒸气室，并且发热部件是选自由智能电话、平板电脑和计算机组成的组的个人电子设备的发热部件。
根据一个方面，在流体室的内部中、在第一板与第二板之间限定了蒸发区，其中蒸发区直接与上表面的与发热部件接触的区域相对(相反)。热交换器还可包括用于使气态的工作流体循环的多个间隔开的主气体流动通道，每个主气体流动通道具有第一端和第二端，多个主气体流动通道的第一端在蒸发区中彼此为开放流动连通，并且每个主气体流动通道的第二端远离第一端。热交换器还可包括用于使液态的工作流体循环的多个间隔开的液体流动通道；以及至少一个副气体流动通道，每个副气体流动通道在主气体流动通道中的一个的第二端与其它主气体流动通道中的至少一个之间提供流动连通。每个主气体流动通道的第二端可以通过至少一个副气体流动通道与其它主气体流动通道中的至少一个流体连通。而且，多个主气体流动通道中的一些或全部主气体流动通道可以通过至少一个副气体流动通道、可选地通过一个或多个主气体流动通道而相互连接。
根据一个方面，蒸发区位于热交换器的第一端处或附近，并且主气体流动通道中的至少一些的第二端位于热交换器的第二端附近，与蒸发区纵向间隔开。横向气体分布区可以在热交换器的第二端附近横向延伸跨越热交换器，该横向气体分布区与所有主气体流动通道的第二端开放流动连通，使主气体流动通道的第二端位于热交换器的第二端附近。
根据一个方面，芯吸材料还包括具有第一表面的导电贴片，第一表面冶金地粘接到第一板的内表面，其中导电贴片占据蒸发区的至少一部分。
根据一个方面，导电贴片可具有实心无孔结构或烧结结构。
在另一方面中，提供了一种用于制造如本文所述的热交换器的方法，该热交换器具有用于使液态的工作流体循环的多个液体流动通道和用于使气态的工作流体循环的多个主气体流动通道。该方法包括提供具有多个凹陷和多个凸起区域的模具，其中，多个凹陷限定了多个液体流动通道，并且多个凸起区域限定了芯吸材料的外周和多个主气体流动通道。
该方法还包括提供多个金属颗粒。该方法还可包括用多个金属颗粒填充多个凹陷。可以通过施加热量和/或压力来烧结在凹陷中的多个金属颗粒，以形成芯吸材料片，其中，芯吸材料片放置在第一板与第二板之间，其中，第一板和第二板定位成使它们的内表面面朝彼此，并且第一板的周向密封表面与第二板的周向密封表面直接接触。该方法还包括将第一板的周向密封表面密封地结合到第二板的周向密封表面。
根据一个方面，芯吸材料包括至少一个高度减小区域，每个高度减小区域通过为第一模具部分提供对应的高度减小部分来形成，高度减小部分所具有的上表面在模具的凹陷上方和凸起区域下方间隔开。
根据一个方面，至少一个高度减小区域由与形成芯吸材料的其余部分相同的颗粒形成，使得至少一个高度减小区域具有与构成液体流动通道的芯吸材料相同的成分和孔隙率。
根据一个方面，至少一个高度减小区域由具有与包括芯吸材料的其余部分的颗粒不同的成分和/或直径的颗粒形成，使得至少一个高度减小区域具有与包括液体流动通道的芯吸材料不同的成分和/或孔隙率。
根据一个方面，至少一个高度减小区域由被放置在高度减小区域的顶部上的模制腔体中的金属材料的无孔条带形成。
根据一个方面，该方法还包括在模制操作期间或之后的压缩步骤，以压缩芯吸材料的至少一部分，由此调节其厚度和/或其孔隙率。
根据一个方面，芯吸材料设置有较厚部分，芯吸部分的较厚部分所具有的厚度高达其余部分的厚度的三倍，其中，较厚部分通过压缩步骤被压缩至与芯吸部分的其余部分的厚度相同，使得被压缩的较厚部分所具有的孔隙率低于芯吸材料的其余部分。
根据一个方面，芯吸材料包括至少一个高度减小区域，每个高度减小区域均通过压缩步骤形成。
根据一个方面，该方法还包括将芯吸材料冶金地粘接到第一板的内表面和/或第二板的内表面。
根据一个方面，方法还包括：在将芯吸材料片放置在第一板与第二板之间的步骤之前，将导电金属贴片冶金地粘接到第一板的内表面，其中，导电贴片至少部分地位于蒸发区中。
根据一个方面，该方法还包括用工作流体填充流体室的步骤，其中填充步骤是在部分真空下进行的。
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍在详细描述中进一步描述的概念的选择。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由所附权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决以上或在本公开的任何部分中指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例描述特定实施例，附图中：
图1是根据本文所述的实施例的热交换器的俯视立体图；
图2是示出图1的热交换器的内部的平面图，其中第二板被去除；
图3是图1的热交换器的第二板的平面图。
图4是沿图1的4-4’线截取的剖视图。
图5是沿图2的5-5’线截取的剖视图。
图6A是在63倍放大率下的丝网的芯吸材料的显微照片；
图6B是在500倍放大率下的100微米的烧结的树枝状铜的芯吸材料的显微照片；
图6B是在500倍放大率下的10-30微米的烧结的铜球的芯吸材料的显微照片；
图7是用于模制烧结芯吸材料的模具的示意图；
图8是在图7的模具中生产的烧结芯吸材料的俯视图；
图9是图8中所示的烧结的芯吸材料的仰视图；
图10是图7的模具的改进样式的放大的局部放大图；
图11是在图10的模具中生产的烧结的芯吸材料的局部剖视图；以及
图12是沿着图2的线12-12′截取的剖视图，该热交换器还包括根据另一个实施例的导电贴片(conductive patch)。
图1-12是按比例显示的，但是，如果需要的话，可以使用其它相对尺寸。
具体实施方式
在下面的说明中，描述了热交换器的多个实施例，以及用于制造热交换器的方法的描述。本文具体公开的实施例是用于冷却电子设备的蒸气室，然而，本文公开的结构细节和制造方法也可以适用于其它类型的热交换器。
附图示出了根据第一实施例的两相热交换器10，其中热交换器10是包括第一板12、第二板14和芯吸材料16的蒸气室。
热交换器10具有一定的周向尺寸和形状，使得其将装配(配合)在个人电子设备18的壳体内，壳体包括具有前盖4和后盖6的主体2，其中后盖6装配在前盖4的后方敞开面上。也就是说，前盖4的后方敞开面可面向后盖6并接纳后盖6。个人电子设备18可包括智能电话、平板电脑、笔记本电脑或其它个人计算和/或通信设备。热交换器10通常是扁平的且平面的，具有上表面20和下表面22，并且所具有的厚度在大约100-2000微米的范围内，这可以取决于个人电子设备18的特定特性而在该范围内进行调节。例如，在个人电子设备18是诸如智能电话之类的相对较小的设备的情况下，热交换器10的厚度可以为大约100-400微米，例如100-300微米。诸如平板电脑和笔记本电脑之类的较大设备的热交换器10可以比智能电话的那些热交换器更厚。热交换器10可包括一个或多个切口24，以容纳个人电子设备18的元件，诸如摄像机镜头8，其设置在图1中所示的后盖6中。以此方式，热交换器的切口可以被构造成接纳相机镜头8。
尽管在附图中将热交换器10示出为薄的并且大致是扁平的、平面的和矩形的，但是本文中公开和要求保护的热交换器不要求一定要具有这种构造。热交换器10的构造可以根据其打算使用的特定应用而变化。例如，如上已经讨论的，热交换器10的厚度取决于个人电子设备18的特性和尺寸。热交换器10可以是非矩形、非扁平的和/或厚度不均匀的，这至少部分地取决于待冷却的发热部件的形状及尺寸和/或个人电子设备18的尺寸和特性。
在使用中，至少一个发热部件26直接被接纳在热交换器10的上表面20上，或经由将发热部件26安装在其上的基板而被接纳在热交换器10的上表面20上。所示的个人电子设备18具有一个这样的发热部件26。该发热部件26可以包括电子设备18的中央处理单元(CPU)，该CPU具有一个或多个处理器，每个处理器包括计算机芯片。电子设备18可包括一个或多个处理器，并且可包括其它发热部件，诸如可再充电的锂离子电池。在本实施例中，由热交换器10冷却的发热部件26是包括计算机芯片的单个处理器(CPU)，并且因此，发热部件26在本文中有时被称为“计算机芯片”。发热部件26在图1中被示出为具有约100-225mm2的表面积，即具有约10×10mm2至15×15mm2的尺寸的扁平矩形棱柱，其被直接接纳在热交换器10的上表面20上。在图2中用虚线示出了在其上接纳发热部件26的热交换器10的局部区域。
第一板12具有内表面28和外表面30，内表面28面朝热交换器10的内部，外表面30限定热交换器10的上表面20或下表面22。外表面30可覆盖内表面28，其中外表面30可以与前盖4的后方敞开面和与后盖6形成共享面(face-sharing)接触。更具体地，下表面22与前盖4的后方敞开面形成共享面接触，而上表面20与后盖6形成共享面接触。如图所示，上表面20和下表面22沿着外表面30彼此相对。第一板12的外周边缘设置有周向密封表面32，该周向密封表面32形成在凸起的周向凸缘33上，其中，周向密封表面32是扁平的且平面的，并且凸缘33相对于内表面28的其它区域是升高的，其中，凸缘33的高度与流体室34的高度基本相同，使得由密封凸缘32包围的内表面28的区域部分地限定了封围在第一板12与第二板14之间的流体室34。尽管该说明适用于本实施例，但是应当理解，流体室34的高度可以不必与凸缘33的高度相同。例如，可能不是这种情况，即其中第一板12是非平面的或高度不均匀。
如图2中所示，图2包括被省略外表面30之处，第一板12包括允许密封凸缘32延伸到其中的延伸部分36，并且延伸部分36部分地限定了与流体室34流体流动连通的流体填充通道38。流体填充通道38延伸到个人电子设备18的轮廓外部，并且仅用于在制造期间将工作流体填充到流体室34中的目的而存在。一旦流体室34被填充，延伸部分36就沿着密封线40被切除，并且流体室34被密封以防止工作流体从流体室34逸出。密封线40在图2中由虚线表示。工作流体可以是水，但是，也可以使用其它流体而不脱离本公开的范围。
第二板14可具有与第一板12相同的尺寸和形状，具有内表面42和外表面44，内表面42面向热交换器10的内部，外表面44限定热交换器10的上表面20或下表面22。第二板14的外周边缘是扁平且平面的，以在内表面42上提供周向密封表面46，该周向密封表面46适于被密封至第一板12的密封表面32。在本实施例中，周向密封表面46可以与内表面42的其余部分共面，其中内表面42的被密封表面46围绕的区域部分地限定了流体室34。
一些附图示出，发热部件26被接纳在第一板12的外表面30上，由此限定了热交换器10的上表面20。然而，由于在本实施例中板12、14两者总体上是扁平的且平面的，因此发热部件26替代地可以直接地或者经由安装其的基板而被接纳在第二板14的外表面44上，在这种情况下，第二板14的外表面44将限定在其上支承发热部件26的热交换器10的上表面20。
本文所述的实施例包括被结合到板12的一个基本平面的板14，该板12具有从外表面30的平面部分延伸的凸起的周向密封凸缘33。在一些实施例中，附加地或可替代地，本文所示的布置可包括其中第一板12和第二板14两者可以形成有彼此成镜像的、凸起的周向密封凸缘33，并且第一板12和第二板14的凸缘33的结合高度与流体室34的高度基本上相同。
第二板14包括延伸部分48，该延伸部分48具有与第一板12的延伸部分36相同的外部尺寸。第二板14的延伸部分48可以是扁平的，并且适于密封至第一板12的延伸部分36，且部分地限定流体填充通道38。第二板14的延伸部分48具有孔50，通过孔50将流体注入到通道38中，孔50与流体填充通道38的端部对准，该孔可以可选地具有扩大的球形式样。
第一板12和第二板14可以由不锈钢构成，该不锈钢比诸如铜之类的常规材料(例如，在先前示例中使用的材料)更刚硬并且更便宜。如上述美国专利申请第16/047,484号中更详细所述的，第一板12和第二板14各自包括不锈钢芯层，并且沿其内表面28、42以及可选地沿其外表面30、44具有连续的其它金属的内、外覆层。内覆层包括熔点低于不锈钢芯层的熔点、并且对工作流体呈惰性的金属，诸如铜或镍。内覆层可以非常薄，为第一板12和第二板14中的每一个的厚度的约2-10％，通常为厚度的约3-4％。例如，每个覆层的厚度可以在约1-10微米的数量级上。可选的外覆层的成分可以与内覆层的成分不同，并且可以选自诸如铜或镍之类的耐腐蚀金属。外覆层可具有与内覆层相同或相似的厚度，即第一板12和第二板14中的每一个的厚度的约2-10％，通常为厚度的约3-4％。
芯吸材料16被接纳在流体室34内部，流体室34在第一板12的内表面28与第二板14的内表面42之间。在本实施例中，芯吸材料16包括由对工作流体呈惰性的金属(诸如铜或镍)构成的烧结的结构化芯吸材料。芯吸材料16可以具有约100-300微米的厚度，并且期望的是尽可能薄从而使热交换器10的厚度最小。如下文进一步所述，芯吸材料16的至少一些区域与第一板12和第二板14的内表面28、42接触。
热交换器10和芯吸材料16包括多个液体流动通道72，其中芯吸材料16是亲水的，并且包括大量的小孔，在小孔中产生毛细作用力以使液体工作流体循环经过芯吸材料16。例如，芯吸材料16在液体流动通道72中可以是约25-75％孔隙的，例如约60-75％。液体流动通道72在热交换器10的整个区域上间隔开，并且在热交换器10的区域68(在图2中用虚线表示)内横跨或终止，在区域68上支承有发热部件26，并且区域68通过第一板12的传导直接从发热部件26接收热能，本文称为“蒸发区68”。液体流动通道72将冷凝的工作流体从热交换器10的其它区域递送到蒸发区68。在一个示例中，一轴线直接延伸穿过阀热部件26和蒸发区68中的每一个。
至少在液体流动通道72中，芯吸材料16的厚度使得其在流体室34的整个高度上延伸，并且芯吸材料16的顶表面和底表面与第一板12和第二板14的内表面28、42接触，由此为第一板12和第二板14提供结构支承，并且消除了对支承肋和/或支承柱的需求，如下文进一步所述。另外，通过在液体流动通道72中的芯吸材料16与第一板12的内表面28的接触，增强了热量从发热部件26通过第一板12进入到芯吸材料16中的传导。
热交换器10和芯吸材料16还包括用于气态工作流体的循环的多个主气体流动通道66和副气体流动通道70。主气体流动通道66在热交换器10的整个区域上间隔开，并且在蒸发区68内横跨或终止，并且构造成允许气态工作流体从蒸发区68流向热交换器10的外周，以在设备18的整个表面区域上有效地分散和发散由发热部件26产生的热量。在本示例中，热交换器10包括五个主气体流动通道66，每个主气体通道具有开口的第一端，开口的第一端与蒸发区68以及与其它主气体流动通道66的开口的第一端流体连通。
每个副气体流动通道70将两个或多个主气体流动通道66互连，由此在热交换器10的整个表面区域上提供了改善的气态工作流体的流动分布。
通过这种构造，在蒸发区68中产生的气态工作流体将通过主、副气体流动通道66、70从蒸发区68流向热交换器10的外边缘。随着气态工作流体从发热部件26流到热交换器10的较冷区域中，其温度下降。一旦工作流体的温度下降至冷凝温度，则气态工作流体冷凝为液态，在热交换器10的整个表面上释放冷凝热。气体流动通道66、70中的冷凝的液体工作流体被吸入液体流动通道72中并朝着蒸发区68循环返回。在一个示例中。蒸发区68可以处于与发热部件26相似的位置。附加地或替代地，在不同的位置(location)处(见图12)，蒸发区68可以处于与发热部件26对准的位置(position)。
由于个人电子设备18的细长形状以及发热部件26在一端附近的位置，气体流动通道66、70和液体流动通道72主要在平行于热交换器10的长边的方向，即双箭头200所示的纵向方向上延伸。然而，气体流动通道66、70和液体流动通道72的一些部分横向于热交换器10的长边延伸，从而在热交换器10的整个宽度上分布气体流和液体流。例如，在热交换器10的远离蒸发区68的端部附近设置有一对横向的副气体流动通道70。横向的副气体流动通道70连接纵向延伸穿过热交换器10的主气体流动通道66的端部，从而在热交换器10的整个表面积上提供均匀的流体分布和热分布，从而在热交换器10的整个表面上提供均匀的流体分布和热量分布，有效地形成横向气体分布区90，该横向气体分布区90在热交换器10的远离蒸发区68的端部附近横跨热交换器10延伸。应当理解，气体流动通道66、70和液体流动通道72的图案(样式)取决于设备18的形状和设备18内的发热部件26的特定位置，并且因此是可变的。
主、副气体流动通道66、70可包括空隙区域，和/或可包括一个或多个区域64，在区域64中，芯吸材料16的高度或厚度小于流体室34的高度，使得芯吸材料16的顶表面与第一板12的内表面28之间和/或芯吸材料16的底表面与第二板14的内表面42之间存在间隙。这些区域64在本文中被称为“高度减小区域”。在每个高度减小区域64中，允许气流在高度减小区域64的上方和/或下方。例如，图5的横截面示出了被设置在副气体流动通道70中并且在一对液体流动通道72之间延伸的高度减小区域64中的一个。
在主、副气体流动通道66、70中设置高度减小区域64允许芯吸材料16以单片形式提供，这就简化了在制造期间芯吸材料16在板12、14之间的放置和正确定位。如将在下面进一步讨论的，高度减小区域64可以由各种元件例如通过模制、压缩、和/或通过将非多孔的金属材料条或片结合到芯吸材料16中而形成。
至少部分地由于发热部件26的位置和热交换器10的整体形状的缘故，主气体流动通道66可具有不同的长度和宽度。主气体流动通道66也可以具有不同的整体形状，其中一个或多个主气体流动通道66可以是直的，并且一个或多个主气体流动通道66可具有一个或多个成角度的或弯曲的弯曲部。在每个主气体流动通道66仅具有一个使它们彼此连通的开口端(即第一开口端)的实施例中，例如在蒸发区68中，由于主气体流动通道66的长度、宽度和尺寸的不同，流入主气体流动通道66的气体的量将不同。换句话说，进入每个主气体流动通道66的气体量将根据该通道特有的压降来计量(gauged)。在热交换器10的不同区域中的压降和流体流量的差异可能导致效率降低和在热交换器10整个表面上的温度均匀性降低。
副气体流动通道70将每个主气体流动通道66连接到一个或多个其它主气体流动通道66，使得所有的主气体流动通道66在远离蒸发区68的区域处互连。例如，在热交换器10中，每个主气体流动通道66具有相对的第一端和第二端，其中，第一端位于蒸发区68中，在该蒸发区中其与其它主气体流动通道66的第一端是开放流动连通的，并且第二端可以通过副气体流动通道70中的一个与至少一个其它主气体流动通道66开放流动连通，以平衡主气体流动通道66中的流量和压降。
液体流动通道72类似地具有第一端和第二端，并且每个液体流动通道72的第一端被定位在蒸发区68中。在本实施例中，至少一些液体流动通道72的第一端可以在蒸发区域68内或邻近蒸发区域68结合在一起，并且每个液体流动通道72的第二端与气体流动通道66中的至少一个和/或副气体流动通道70中的至少一个开放流动连通。
因此，与主气体流动通道66的第二端和液体流动通道72连通的副气体流动通道70的设置平衡了横跨热交换器10的气体和液体流量，并且还平衡了压降。这就减小了总压降并且允许更有效地使用热交换器10的整个区域，提供更高的效率和温度均匀性。此外，在具有两个或多个发热部件26的系统中，提供副气体流动通道70将有助于平衡主气体流动通道66和液体流动通道72中的流量，而与每个蒸发区68的热负荷无关。
如上所述的，由一层或多层金属丝网形成常规的芯吸元件涉及增加修整和切口的形成，产生大量的加工废料，这是低效率且耗时的。相反，本文所述的热交换器10包括芯吸材料16，芯吸材料16包括由诸如铜或镍之类的惰性金属构成的、烧结的、结构化的芯吸材料。芯吸材料16与第一板12和第二板14的内表面28、42接触，并且具有抗压缩性，以为第一板12和第二板14提供结构支承，并例如在填充和/或使用热交换器10期间维持板12、14之间的恒定间隔，在此期间，流体室34可以处于部分真空状态。
芯吸材料16可以在如图7中所示的型式或模具74中形成，模具74具有第一模具部分76和第二模具部分78，芯吸材料16在第一模具部分76和第二模具部分78之间被模制。第一模具部分76包括模具腔体80，模具腔体80包括与芯吸材料16的液体流动通道72和气体流动通道68、70的图案对应的凸起和凹陷区域的图案。这些凸起和凹陷的区域用芯吸材料16的对应部分的加撇数字来标记。第二模具部分78的内表面(在图7中不可见)可以是平坦的。由于在烧结过程期间会有一定程度的收缩，因此模具74将比最终的芯吸材料16大例如约10％，以解决收缩问题。
将粉末颗粒倒入模具腔体80中，并通过在模具74中对粉末颗粒施加热量和/或压力来进行烧结。例如，可以通过在受控气氛中在模具74中加热粉末颗粒直至粉末颗粒粘接在一起来烧结颗粒，从而形成芯吸材料16的片材。孔的孔隙率和形状取决于构成芯吸材料16的颗粒的大小和形状，并且还取决于烧结时间、温度和压力。例如，芯吸材料16的孔由烧结颗粒之间的间隙构成。因此，小孔尺寸至少部分地由粉末颗粒的尺寸(直径)来确定，并且随着粒径的增加而增加。在粉末颗粒为球形的实例中，它们所具有的直径可以为约10-100微米，而树枝状粉末颗粒所具有的直径可以为约60-200微米。
金属颗粒的烧结可有效地将它们相对于彼此锁定在适当的位置，为芯吸材料16提供足够的刚度，使得当将一块烧结的芯吸材料16放置在热交换器10的第一板12和第二板14之间时，在芯吸材料16的顶表面和底表面与板12、14的内表面28、42接触的情况下，芯吸材料16可抵抗热交换器10的压缩。芯吸材料16的抗压强度向热交换器10提供足够的结构刚度，以减少或消除对结构支承肋和/或支承柱的需求。
在图8和图9中示出了在模具74中形成的烧结结构的芯吸材料16的俯视图和仰视图。通过模制和烧结形成芯吸材料16的优点是，芯吸材料16的空隙区域是通过使位于空隙区域中的材料不存在而不是通过从这些区域去除材料来产生的。这些空隙区域对应于芯吸材料16的主气体流动通道66，以及图7中所示的第一模具部分76的凸起区域66’。另外，芯吸材料16的外边缘是通过模制而不是通过将芯吸材料16从较大的片材修整而形成的，因为它们是由模具腔体80的外周限定的。因此，本文所述的烧结芯吸材料16的成形几乎没有或没有修整或材料去除，从而大大减少了浪费和材料成本。
热交换器10和芯吸材料16包括至少一个高度减小区域，并且在本实施例中包括多个高度减小区域64，它们在图2和图5中示出，并且它们在本实施例中至少部分地限定多个副气体流动通道70。
为了形成对应于副气体流动通道70的高度减小区域64，第一模具部分76包括对应的高度减小部分70’，每个高度减小部分70’均具有位于凹陷区域72’上方和凸起区域66’下方的上表面。在一些实施例中，芯吸材料16的高度减小区域64可以由与芯吸材料16的其余部分相同的金属粉末形成，并且与芯吸材料16的其余部分同时一起模制。在这样的实施例中，例如，如图5中所示，高度减小部分64可以具有与液体流动通道72相同的成分和孔隙率，并且因此，当气态工作流体在高度减小部分64的上方和/或下方流动时，液体工作流体可以通过高度减小部分64输送。
应当理解的是，例如通过在模具腔体80的一个或多个凸起区域66’内提供高度减小区域(诸如图10中示出的高度减小区域66”)，高度减小部分64可以替代地或附加地形成在主气体流动通道66的整个区域中。这样的高度减小区域66”可以设置在一个或多个凸起区域66’中，一个或多个凸起区域66’汇聚在对应于蒸发区68的区域68’中，以将多个液体流动通道72的第一端结合在一起。通过模制形成芯吸材料16的这些高度减小区域可以避免用随后的压缩步骤来形成高度减小区域。
在一些实施例中，芯吸材料16的高度减小区域可以形成为无孔的。例如，如图10中所示的，可以将金属材料的无孔条带84放置到模具腔体80中，位于高度减小区域70’的顶部上，如图10和图11中所示的，使得由无孔条带84限定的高度减小区域64是无孔且无芯吸的。替代地，与形成液体流动通道72的金属粉末相比，高度减小区域64可以由具有不同(即更小)直径的颗粒的金属粉末形成。如上说明的，更小直径的颗粒将导致更小的孔径尺寸和更低的孔隙率。
在又一其它实施例中，可以在模制操作期间或之后通过压缩步骤来调节芯吸材料16的任何部分的厚度和/或孔隙率，从而将烧结芯吸材料16的至少一部分压缩而减小其厚度。例如，如图11中所示，无孔条带84可以用烧结金属粉末86的较厚部分(例如比芯吸材料16的其余部分厚三倍，并且比区域72’的深度大三倍)代替。烧结金属粉末86的较厚部分可以具有或可以不具有与构成芯吸材料16的其余部分的烧结金属粉末相同的成分。相对于未压缩或压缩程度较小的芯吸材料16的部分，较厚部分86的后续压缩(例如压缩至与区域66’相同的高度)将降低其孔隙率。
例如当热交换器10的流体室34在其整个区域内有高度变化的情况下，在模制期间或之后的压缩还可用于产生具有减小的厚度的芯吸材料16的区域。
在通过模制形成芯吸材料16之后，不论有或没有后续压缩操作，芯吸材料16被放置在第一板12与第二板14之间。然后如下所述，第一板12和第二板14被密封地结合在一起，并且至少在芯吸区域中，芯吸材料16的顶表面和底表面与第一板12和第二板14的内表面28、42接触。
在结合过程期间或之后，芯吸材料16可以冶金地粘接到第一板12的内表面28和/或第二板14的内表面42。例如，在一个实施例中，在板12和14结合到一起之前，芯吸材料16可以被烧结到板12或14之一的内表面28或42上。例如，芯吸材料16可以以这种方式冶金地粘接到第一板12的内表面28，以改善位于蒸发区68中的发热部件26与芯吸材料16的部分之间的热传递。冶金粘接还可以有助于热交换器10抵抗由于在高温下工作流体的蒸发产生的加压而引起的垂直膨胀或“气球般地膨胀(ballooning)”。
在图12的横截面中所示的另一个实施例中，提供了具有第一表面和第二表面的导电贴片88，第一表面冶金地粘接到第一板12的内表面28，且发热部件26支承在第一板12的外表面30上，并且第二表面与烧结的芯吸材料16接触。导电贴片88可以至少部分地位于与发热部件26直接相对的位置，并且可以位于流体室34的蒸发区68中。在一个示例中，导电贴片88布置成直接在发热元件26和蒸发区68之间。导电贴片88与第一板12的内表面28之间的冶金粘接可以通过将导电贴片88钎焊到内表面28而形成，该内表面28可以如上所述的设置有内覆层。
在一些实施例中，导电贴片88可以占据蒸发区68的部分或全部的区域，并且可以基本上占据蒸发区68的整个区域。在两个板12、14结合到一起之前，以及在芯吸材料16的其余部分(例如，通过模制形成的芯吸材料16的一部分)被放置到流体中之前，可以将导电贴片88冶金地粘接到第一板12。
尽管导电贴片88的厚度可以大于图12中所示的，但是导电贴片88被图示为比芯吸材料16的其余部分更薄。如上所述，取决于导电贴片88的厚度，可以通过模制和/或压缩来减小与导电贴片88接触的烧结芯吸材料16的厚度。导电贴片88由诸如铜或镍之类的对工作流体呈惰性的金属构成，并且可以具有实心无孔结构，或者具有烧结结构，诸如芯吸材料16的其余部分。发明人发现，为芯吸材料16提供如本文所述的冶金粘接的导电贴片88可在发热部件26与芯吸材料16之间提供改善的热传递。
图6A、6B和6C是显微照片，示出了与在500倍放大率下的烧结材料(图6B和6C)相比的在63倍放大率下的丝网样品(图6A)。烧结的材料是100微米的烧结树枝状铜(图6B)和10-30微米的烧结铜球(图6C)。图6A的丝网包括五层0.0045铜丝，每层包括压缩到850微米的每英寸100根丝。
如上述美国专利申请第16/047,484号中所述的，热交换器10的第一板12和第二板14可以通过激光束焊接(LBW)密封地结合在一起，产生较小的热影响区、较高的加热及冷却速率，并使LBW适合大批量应用，在该焊接技术中，通过使用具有高功率密度(高达约3MW/cm2，通常大于约0.7MW/cm2)的激光将第一板12和第二板14结合在一起。激光的光斑尺寸或光束宽度很小(例如约20-80微米)，以产生窄的焊接接头82，并且可以改变脉冲的功率、速度和长度，以焊接不同厚度的材料，可采用较低功率和较高速度来焊接薄的材料。焊接速度可以在从100mm/sec至1000mm/sec的范围内，并且因此具有700mm的总焊接长度的热交换器10可以在不到2秒的时间内被焊接。
热交换器10在本文中被描述为是扁平的和平面的。然而，应当理解，取决于使用热交换器10的具体应用，热交换器10可以替代地是非平面的和/或厚度可变的。在一个示例中，热交换器10以第一厚度模制，其中热交换器10被冲压(例如，压缩)以便将其厚度调节为小于第一厚度的第二厚度。第二厚度可对应于热交换器10的期望的最终厚度，而第一厚度可以对应于大于在热交换器10的各种用途上的多个期望的最终厚度的厚度。以这种方式，热交换器10的厚度是可调节的，以便匹配各种条件。
尽管在以上实施例中描述的发热部件26包括单个计算机芯片，但是应当理解，本文所述的热交换器10可以用于冷却各种各样的发热电子部件，并且可以用于冷却单个个人电子设备18中的一个以上的发热部件。例如，本文描述的热交换器10可以为个人电子设备18的电池提供散热和冷却，对于该个人电子设备18，电池50℃大约是电池在膨胀发生之前可以承受的最高温度。因此，特别是在快速充电期间，热交换器10也可以用于提供个人电子设备18的电池温度的改善的均匀性。
应当理解，本公开中对铜和镍的参考包括纯的铜和镍，以及它们的合金。另外，应当理解，所涉及的作为包含在热交换器10的任何部件中的金属的铜包括无氧铜。
尽管本文已经描述了热交换器的某些实施例，但是应当理解，可以对所描述的实施例进行某些改造和修改。因此，以上讨论的实施例被认为是说明性的而非限制性的。
以此方式，用于移动电子设备的热交换器可以提供期望的散热量和/或吸热量，由此增进用户体验并提高移动电子设备的寿命。该热交换器包括布置在第一板与第二板的内表面之间的流体室，其中，流体室包括至少一种芯吸材料，该芯吸材料包括烧结的结构化的铜或镍。这样，芯吸材料不是金属丝网或其它类似装置。流体室可进一步包括多个流体通道，这些流体通道与一个或多个替代器件一起延伸穿过芯吸材料的一部分，以增强热量管理。在一个示例中，替代器件可包括导电贴片或无孔条带，其中，每个器件可以是无孔且无毛细作用的。在流体室中布置烧结的结构化芯吸材料的技术效果是能增强热管理，同时降低制造成本并提高效率。

Claims (20)

1.一种热交换器，所述热交换器包括：
流体室，所述流体室布置在第一板的内表面和第二板的内表面之间，所述第一板的外表面限定所述热交换器的第一表面，所述第一板的外周向密封表面在所述第一板的内表面上，其中，所述第二板的外表面限定所述热交换器的第二表面，其中，所述第二板的外周向密封表面与所述第一板的外周向表面密封联接；以及
芯吸材料，所述芯吸材料布置在所述第一板的内表面与所述第二板的内表面之间的流体室内，所述芯吸材料的片具有相对的第一外表面和第二外表面，并且其中，所述芯吸材料的第一外表面与所述第一板的内表面接触，并且所述芯吸材料的第二外表面与所述第二板的内表面接触。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，发热设备与所述第一板的外表面形成共享面接触。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在所述流体室内布置有蒸发区。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述芯吸材料片包括一个或多个高度减小区域。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，在所述一个或多个高度减小区域内布置有金属。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在所述流体室内布置有蒸发区。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在所述流体室内布置有导电贴片。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，所述导电贴片与所述第一板的内表面形成共享面接触。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述导电贴片包括铜或镍。
10.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第一板和所述第二板包括不锈钢。
11.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述芯吸材料包括烧结材料，所述烧结材料包括铜或镍，并且其中，非芯吸材料包括金属的无孔条带。
12.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，多个流体通道延伸穿过所述芯吸材料的烧结部分，其中，所述多个流体通道构造成将流体输送通过所述流体室。
13.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器被布置在移动电子设备内，所述移动电子设备包括笔记本电脑、智能电话、手机、平板电脑、寻呼机和掌上电脑。
14.一种用于制造用于设备的热交换器的方法，所述热交换器还包括多个液体流动通道以及多个主气体流动通道，所述多个液体流动通道用于使液态的工作流体循环，所述多个主气体流动通道用于使气态的工作流体循环，其中，所述方法包括：
提供具有多个凹陷和多个凸起区域的模具，其中，所述多个凹陷限定了所述多个液体流动通道，并且所述多个凸起区域限定了芯吸材料的外周和所述多个主气体流动通道；
提供多个金属颗粒；
用所述多个金属颗粒填充所述多个凹陷；
施加热量和/或压力来烧结所述凹陷中的所述多个金属颗粒，以形成所述芯吸材料片；
在所述第一板和所述第二板之间布置所述芯吸材料片，其中，所述第一板和所述第二板定位成使它们的内表面面朝彼此，并且所述第一板的周向密封表面与所述第二板的周向密封表面直接接触；以及
将所述第一板的周向密封表面密封地结合到所述第二板的周向密封表面。
15.一种系统，所述系统包括：
一种移动电子设备，所述移动电子设备包括前盖和后盖；
热交换器，所述热交换器布置在所述前盖与所述后盖之间，所述热交换器包括布置在第一板的内表面与第二板的内表面之间的流体室；以及
芯吸材料，所述芯吸材料布置在所述流体室内，所述芯吸材料包括构造成允许多个流体通道延伸穿过其中的烧结材料。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第二板是完全平面的，并且其中，所述第一板在外周向密封表面处包括弯曲部，其中，所述外周向密封表面物理地联接至所述第二板。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，发热设备与所述第一板的外表面形成共享面接触，并且其中，在所述流体室中沿着延伸穿过所述发热设备和所述蒸发区的轴线布置有蒸发区。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括布置在所述流体室内的导电贴片，其中，所述导电贴片的第一表面与所述第一板的内表面形成共享面接触，并且所述导电贴片的第二表面与所述芯吸材料形成共享面接触并且与所述第二板的内表面间隔开。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述芯吸材料包括一个或多个高度方向凹入区域，所述高度方向凹入区域包括与所述第一板的内表面形成共享面接触并且与所述第二板的内表面间隔开的烧结材料。
20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述芯吸材料包括烧结的结构化芯吸材料，所述烧结的结构化芯吸材料包括铜或镍或金属的无孔条带。
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