CN117716195A - 脉动散热设备及制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种热源(1)的散热设备，包括具有嵌入的脉动热管(6)的平面基板(2)，所述脉动热管(6)至少部分地填充有两相工作流体(12)，所述两相工作流体(12)用于当蒸发器部分(3)从所述热源(1)接收热量时以脉动方式在所述蒸发器部分(3)与冷凝器部分(4)之间移动。所述脉动热管(6)以蛇形图案布置为闭环，所述闭环具有多个平行布置的线形段(7)，其中至少一些平行布置的线形段(7)相对于所述热源(1)的垂直轴线(101)成一定角度布置。所述设备可以包括多个基板(2)，所述多个基板(2)由中间环路段(10)互连，以形成一个连续的闭环脉动热管。

Description

脉动散热设备及制造方法

技术领域

本发明涉及电子设备的冷却，尤其涉及两相液冷散热设备，以及制造两相液冷散热设备的方法。

背景技术

使用两相液冷散热设备(heat spreading device，HSD)来冷却电子设备是众所周知的，并在电信业等许多领域使用。最常见的HSD是蒸汽室(vapour chamber，VC)和热管(heat pipe，HP)，通常由铜(Cu)或铜钼(CuMo)制成，具有插入的芯结构，并填充有水作为工作流体。将水作为工作流体工作，根据成本和冷却能力要求，用于冷却电子设备的应用方案可以包括作为独立设备或插入HS的VC和/或HP。铜具有高导热系数，在一些冷却应用中是一种非常好的材料。另一种常见的材料是铝(Al)，导热系数较低，但其成本、重量和力学特性都优于铜。但是，由于铝的腐蚀特性差，因此它不是使用水作为工作流体的两相HSD的常用材料。通常，VC和/或HP广泛用于不同的散热器(heat sink，HS)的组合。在一些情况下，使用石墨HS，但它们非常昂贵，强度和稳定性的机械特性也不是电信设备的最佳选择。VC和HP众所周知且开发完善，因为它们被广泛用于电子冷却领域。它们的主要优点是良好的冷却能力和对应的导热系数(thermal conductivity coefficient，TCC)。虽然VC可以在2D结构中工作，但HP仅限于1D应用。这些方案中的重力依赖性并不关键，因为它们甚至可以克服重力。

另一种两相HSD方案是热虹吸管(Thermosiphon，TS)。TS不需要任何WS，因为它使用重力在设备周围使液体蒸汽移动，并将热量分散在2D和3D结构的表面上。TS可以在2D和3D应用中工作，但只能在重力辅助下工作。

另一种两相HSD称为脉动热管(pulsating heat pipe，PHP)或振荡热管(oscillating heat pipe，OHP)，旨在改善传热，可用于将热量从热点分布到更方便将热量释放到周围的地方。PHP由布置成曲折型弯管中的许多管道组成，这些弯管连接成一个闭环，或布置在开环配置中。为了获得最佳性能，通常热负载施加在PHP的底部(这也称为重力场景)，冷却发生在PHP的顶部区域，也称为冷凝器区域。对于无重力场景，在哪一端施加PHP热量没有影响。这种PHP的“质量”或表征数通常是从热负载区域到冷凝器区域的导热系数，该系数可以表明热量可以沿着PHP分布的程度和/或速度。这些特性可以使PHP用作具有经济效益的HSD，因为它无需使用芯结构。但是，PHP仍然是一种相对较新的HSD类型，尚未广泛用于电子冷却，也不是适合大规模生产的常见产品。

PHP布置的另一个问题是，为了适当和高效的热分布，需要大量的曲折部分，因为通过PHP内部的液体脉动，更多的弯管会提供更好和更稳定的操作。还已知，PHP中的散热沿着通道效果最好，而跨通道的散热效率较低。在一些应用中，横向导热系数与相反或垂直方向的导热系数的差异可达10倍。

此外，迄今为止，大多数两相HSD和PHP应用针对单热源和对称热负荷应用，以获得稳定的运行。但是，在电子冷却实践中，在多个热源和非对称温度条件下经常会发生多源场景。例如，如果多个热源放置在一个印刷电路板(printed circuit board，PCB)上，例如专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)或其它要冷却的电子元件，则从机械公差和多源处理的角度来看，由于不同组件的高度和机械特性不同，使用覆盖所有热负载的公共PHP变得困难。在这种情况下，在使用VC或PHP时，为了获得最佳的冷却方法，需要拆分VC或PHP，并在每个组件的顶部为一个HSD制定单独的方案。这种方案增加了成本和复杂性。

还已知，特定HSD(如PHP)可以在零重力情况下(例如在空间中)工作。但是，在大量应用中，重要的是能够在与重力方向相反的方向上分散热量，或者HSD可以独立于重力或方向工作。这是现有技术尚未解决的重要技术问题。

所有上述技术问题都限制了两相HSD在电子冷却领域的更广泛使用，尤其是PHP的更广泛使用。

发明内容

因此，现有技术的特征在于本发明所解决的几个缺点。本发明通过利用本文描述的方法和结构特征，最小化并在一些方面消除了上述故障和其它问题。

上述和其它目的通过独立权利要求的特征实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

根据第一方面，提供了一种散热设备，所述散热设备包括热源和平面基板，所述平面基板具有至少部分填充两相工作流体的嵌入的脉动热管。所述平面基板包括：蒸发器部分，与热源热连接；至少一个冷凝器部分，布置成与一些散热装置热连接；所述工作流体，用于当所述蒸发器部分从所述热源接收热量时以脉动方式在所述蒸发器部分与所述冷凝器部分之间移动。所述脉动热管以蛇形图案布置为闭环，所述闭环具有多个平行布置的线形段，所述多个平行布置的线形段由至少一个弯曲段和至少一个环路段连接。所述线形段的至少一部分相对于所述热源的所述垂直轴线成大于零的角度布置，所述垂直轴线平行于局部重力方向。

由此得到的设备具有高冷却能力和轻重量，可以低成本制造，并且可以完全或至少部分地克服重力工作，与设备的取向无关，用于通过散热装置将热量从热源扩散到冷凝器部分并进一步远离设备。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述线形段的至少一部分相对于所述热源的所述垂直轴线成锐角(即小于直角)布置，从而使所述工作流体能够沿着倾斜轴线进行脉动运动。这使得设备能够沿着所有主轴线更均匀地扩散热量，与重力或取向无关，从而减少不同轴线之间的导热系数差异，并减少或克服各向异性传导率的问题。这种改进对于由Al制成的基板特别必要，因为纯Al具有低导热系数(限制为最大210W/mk)。因此，为了能够更接近由CuMo制成并配备芯结构的VC设备，需要更均匀的散热。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述线形段的至少一部分相对于所述热源的所述垂直轴线成直角布置，以使所述工作流体能够沿着水平轴线进行脉动运动，从而增加设备在横向方向上的导热系数。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述线形段的至少一部分平行于所述热源的所述垂直轴线布置，以使所述工作流体能够沿着所述水平轴线和所述垂直轴线和/或所述倾斜轴线进行脉动运动，从而减小所述垂直轴线与所述水平轴线之间的导热系数差异。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述平面基板是矩形形状的，所述蒸发器部分布置在中心部分中，所述冷凝器部分中的每个冷凝器部分布置在所述平面基板的周边。这进一步增强了设备表面的导热系数的均匀分布。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个弯曲段布置在平面基板的冷凝器部分处，从而实现高效的散热设备布局。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述弯曲段的至少一部分布置在所述平面基板的所述蒸发器部分处，所述蒸发器部分与所述热源热连接，从而改善所述脉动热管内的振荡。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述线形段包括平行于第一轴线布置的第一线形段和平行于第二轴线布置的第二线形段，所述第一轴线和所述第二轴线布置成在同一平面中围成一定的角度，优选地围成直角，从而形成L形、V形，或T形拓扑(也可以有其它形状)。所述弯曲段包括分别布置在第一线形段之间或第二线形段之间的全180度弯管，以及布置在第一线形段与第二线形段之间的小于180度的部分弯管。这实现更高效的散热设备布局。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述全弯管的至少一部分布置为所述平面基板的蒸发器部分，从而改善所述脉动热管内的振荡。

根据第二方面，提供了一种用于散热的设备，所述设备包括热源和多个基板，每个基板包括嵌入在蛇形图案中并以蛇形图案布置的脉动热管，所述基板由中间环路段互连，以形成一个连续的闭环脉动热管。每个基板包括至少一个冷凝器部分，并且所述基板中的至少一个是蒸发器基板，所述蒸发器基板包括具有至少一个热源的蒸发器部分，所述至少一个热源布置成与所述蒸发器部分热连接。

由此得到的设备解决了在具有多个热负载的冷却场景中提供高效散热的问题，具体是在热负载分布不均匀的情况下，例如在电信行业中，其中，散热非常重要，并且最大限度地利用所有可用的总散热能力至关重要。由此得到设备还具有以下潜力：比传统的散热设备更薄(能够在PHP上文为HS翅片提供更多空间)、比VC方案更轻、具有更好的处理例如无盖组件的机械特性(重量轻使得对敏感组件的压力较小，在操作期间的振动风险较小)以及具有比现有技术更具成本效益的方案(由Al制成的PHP预计比由CuMo制成的VC等同等产品便宜50％)。此外，每个基板可以以同一回路覆盖所有热负载的方式相互连接，使得最热的组件可以利用来自具有较小热负载的其它组件的一些冷却潜力。

在一个可能的实施例中，多个基板中的每个基板是蒸发器基板，所述蒸发器基板能够最大限度地提高来自尽可能多的热源的传热能力。

在第二方面的一种可能的实现方式中，至少一个基板是根据第一方面的任一种可能的实现方式所述的平面基板。这使得能够组合本发明的第一方面和第二方面的先前描述的优点。

在第二方面的一种可能的实现方式中，至少一个基板布置为冷凝器基板，所述冷凝器基板没有蒸发器部分，也不与任何热源直接热连接。这增加了散热效率，因为这样能够将冷凝器基板远离一个或多个蒸发器基板和任何热源定位，从而也利用了设备内的额外可用空间。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述冷凝器基板远离任何热源布置在距离任何热源的最小预定义距离处。这样的最小预定义距离能够调整散热效率，同时也考虑到脉动热管的总长度。

在第二方面的一种可能的实现方式中，至少一个热源和热连接到相应热源的至少一个蒸发器基板布置在面板的第一侧，至少一个另一基板布置在所述面板的与所述第一侧相对的第二侧上。这种布置能够实现在面板(例如电子设备中的PCB)的两侧上高效地散热，从而节省空间并最大限度地提高可用的散热表面。

在一个实施例中，布置在所述面板的第二侧上的另一基板是没有蒸发器部分且不与任何热源直接热连接的冷凝器基板，由于面板两侧的基板之间的温差较大，这进一步增加了散热能力。

在第二方面的一种可能的实现方式中，布置在所述面板的第二侧上的至少所述基板由铝或不锈钢等金属制成，从而可以机械地支撑所述面板，无需对面板的额外支撑结构，并节省了设备内的宝贵空间，同时还能够冷却布置在所述面板上的电子设备的其它组件。

在一个实施例中，布置在所述面板的第二侧上的所述基板和/或远离任何热源布置在距离任何热源的最小预定义距离处的所述基板的表面基本上大于所述蒸发器基板中的至少一个蒸发器基板的表面或大于所述蒸发器基板的总表面。这使得脉动热管的布局和布置通过增加蒸发器基板与冷凝器基板之间的温差来进一步提升散热能力。

在第二方面的一种可能的实现方式中，连接所述多个基板的中间环路段的至少一部分布置为柔性连接，从而使得散热设备能够承受弯曲(例如180度弯曲)力、扭转力和/或拉伸力，而不会泄漏任何工作流体。

在一个实施例中，所述柔性连接是弹性连接，优选地还用于当弯曲超过弹性极限时充当塑料连接，以能够保持变形状态，从而能够在不同的3D配置中使用。

在第二方面的一种可能的实现方式中，至少两个基板以至少部分垂直重叠的布置布置在不同水平面上，并且至少两个中间环路段布置在弯管中，以连接布置在不同水平面上的两个基板。根据优化的拓扑和机械要求，弯管的数量可以是变化的，至少为两个。这使得设备能够在不同水平面上以其它可能的3D配置使用。

在一个实施例中，所述设备还包括布置在不同水平面上的基板之间的弹性装置，从而确保基板与任何热源之间的足够间隔和可调压力，同时也为所述设备提供弹性。

在一个实施例中，至少一个热源是无盖倒装芯片，并且至少一个基板使用基板与无盖倒装芯片之间的可调整压力连接与无盖倒装芯片热连接，例如在开放式ASIC布置中，从而可以使用用于无盖倒装芯片的散热设备，其中，可以平滑地调整压力以及基板与无盖倒装芯片之间的接触面。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述多个基板的至少一部分是柔性的，并用于承受弯曲力、扭转力和/或拉伸力。这使得该设备能够用于不同的、非常规布局和不同的热源(垂直)位置，以及用于空间和/或体积受限的应用，如消费产品、智能手机和笔记本电脑。

在一个实施例中，基板的至少一部分是弹性的，优选地还用于当弯曲超过弹性极限时充当塑料基板，以能够保持变形状态。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述脉动热管布置成根据来自所述至少一个热源的热负荷在至少两个状态之间具有可变导热系数。这使得能够以灵活的方式在不同的操作模式下工作，使得例如当热负荷增加时，设备可以在低热阻和更高的可用冷却能力下工作，并且当设备被推到热负荷低得多的“空闲”或“节能”模式时，热阻可以更高，以最小化组件的最高温度与最低温度之间的差异。

在一个实施例中，通过提供在脉动热管内的工作流体上施加的可变压力，例如在PHP内作为工作流体的水上施加0.8Atm来实现可变导热系数。这导致工作流体的沸腾温度可调整到选定的温度水平，从而确保当温度低于该选定水平时，不会产生或产生很少的气泡，并且PHP不工作，从而产生高导热系数。相反，当温度高于选定水平时，气泡开始产生，PHP开始正常运行，热量被高效地传输到冷凝器部分。

在另一个实施例中，可变导热系数是通过在蒸发器部分与冷凝器部分之间提供具有预定义导热系数的材料实现的。具有预定义导热系数的材料可以是布置在蒸发器基板与冷凝器基板之间的各种厚度的气隙，或者适合应用于敏感热源(例如无盖芯片)的各种厚度的软凝胶(热凝胶或热垫)。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述设备还包括散热器，所述散热器布置成与至少一个基板的至少一个冷凝器部分热连接，以增强冷却效果。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述设备还包括用于在至少一个基板的至少一个冷凝器部分的方向上提供强制空气流的装置，以增强冷却效果。

在一个实施例中，脉动热管的线形段的至少一部分与强制气流的方向对齐，以提供用于最佳强制对流冷却的布局。

在一个实施例中，脉动热管的线形段的至少一部分与强制气流的方向成角度布置，优选成直角布置，这为调整不同组件的强制对流冷却效果提供了进一步的可能性。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述设备包括热连接到不同热负荷的热源的多个基板，并且连接到更高热负荷的热源的基板布置得更靠近用于提供强制气流的装置，从而优化不同组件的强制对流冷却的分布。

根据第三方面，提供了一种制造用于散热的设备的方法。所述方法首先提供第一片材和第二片材，随后在所述第一片材中形成第一蛇形图案和基本上与所述第二片材中的所述第一蛇形图案匹配的第二蛇形图案。此后，所述第二片材和所述第一片材被接合以形成平面基板，所述平面基板具有形成在其中的蛇形通道，所述蛇形通道包括多个平行布置的线形段，所述线形段由至少一个弯曲段和至少一个环路段连接。此后，工作流体被引入所述蛇形通道中，并且所述平面基板内的所述蛇形通道以密封方式闭合，以形成连续的闭环。

由此得到的方法能够简单和高效地制造散热设备，所述设备可以完全或至少部分地克服重力工作，并且与设备的取向无关。根据应用和边界条件，片材可以用任何方法(如焊接、锻造或钎焊)接合在一起。工作流体的量可以根据不同的应用体积比进行调整和优化。

在第三方面的一种可能的实现方式中，所述工作流体通过所述蛇形通道的开口端引入所述蛇形通道；所述平面基板是使用至少一个中间环路段通过所述开口端连接到至少一个另一平面基板，以形成连续的闭环。这使得可以制造具有连接在闭环中的多个基板的设备，其中，由此得到的设备可以解决在具有多个热负载的冷却场景中提供高效散热的问题，具体是在热负载分布不均匀的情况下，例如在电信行业的应用中，其中，散热非常重要，并且最大限度地利用所有可用的总散热能力至关重要。

在第三方面的一种可能的实现方式中，所述工作流体通过布置在所述基板中提供进入所述蛇形通道的入口的填充管或开口引入蛇形通道，并且基板中提供进入所述蛇形通道的入口的任何开口或填充管随后被密封，以形成连续的闭环。这使得可以制造单基板散热设备。

在第三方面的一种可能的实现方式中，所述脉动热管内的所述工作流体以可变压力提供，从而实现所述设备内的可变导热系数。在一个实施例中，工作流体在一定的真空下提供，以便在选定的温度水平下调整工作流体的沸腾温度，从而确保当温度低于该选定水平时，不会产生或产生很少的气泡，并且PHP不工作，从而产生高导热系数。相反，当温度高于选定水平时，气泡开始产生，PHP开始正常运行，热量被高效地传输到冷凝器部分。

在一个实施例中，片材由铜制成，通过柔性中间环路段连接。在另一个实施例中，片材由铝或不锈钢制成。

在第三方面的一种可能的实现方式中，片材上的蛇形迹线图案通过冲压或铣削形成，从而使具有圆形通道横截面的基板进行简单和高效的制造工艺。

在第三方面的一种可能的实现方式中，片材或基板通过压铸制成，从而为基板提供了替代的制造工艺。

在第三方面的一种可能的实现方式中，片材或基板由塑料或其它具有高导热系数和柔性的化合物，例如高密度聚乙烯，例如通过注塑制成，从而为基板提供了另外的、更便宜的替代制造工艺，并使设备本身具有更好的柔性。

在一个实施例中，工作流体包括水、CO2、氢氟烯烃、丙酮、丙烷、丁烷和/或醇(如乙醇)，用于根据不同的使用情况在PHP中获得最佳性能。在另一个实施例中，工作流体含有96％乙醇和4％水，用于在PHP内实现最佳性能并且在包括Al的广泛基板材料中具有可用性。在又一个可能的实施例中，片材由铜制成，工作流体包括水和防冻剂的混合物，例如丙二醇或乙二醇，从而扩大了设备在较低温度下的使用、储存和/或运输范围，并支持使用铜作为基板，从而具有高导热系数，并且在一些冷却应用中是非常好的材料。

这些和其它方面将从下面描述的一个或多个实施例中显而易见。

附图说明

在本发明的以下详细部分中，将参考附图中示出的示例性实施例更详细地解释各方面、实施例和实现方式，在附图中：

图1示出了本发明实施例的示例提供的散热设备的侧视图；

图2示出了本发明实施例的另一个示例提供的散热设备的侧视图；

图3示出了本发明实施例的另一个示例提供的散热设备的侧视图；

图4示出了本发明实施例的另一个示例提供的散热设备的侧视图；

图5示出了本发明实施例的示例提供的具有多个基板的散热设备的俯视图；

图6示出了本发明实施例的示例提供的具有蒸发器基板和冷凝器基板的散热设备的俯视图；

图7示出了本发明实施例的另一个示例提供的柔性散热设备的俯视图；

图8示出了电子设备的面板的俯视图，该电子设备具有本发明实施例的示例性布置提供的散热设备的布置在每侧上的两个互连基板；

图9和图10示出了本发明的另一示例性实施例提供的适合于3D布置的散热设备的等距侧视图；

图11示出了本发明实施例的示例性布置提供的包括布置在闭环中的多个基板的散热设备的等距俯视图；

图12和图13示出了本发明的示例性实施例提供的连接单个片材以形成设备的基板的制造工艺。

具体实施方式

在下面的详细描述中，通过示例的方式提出了许多具体细节，以便透彻地理解相关发明内容。但是，本领域的普通技术人员将清楚，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，众所周知的方法、过程、系统、组件和/或电路已经在相对较高层次上描述，但没有详细说明，以避免不必要地模糊本发明的方面。在所有下图中，为了简单起见，与本文先前描述或示出的对应特征相同或相似的特征用与先前使用的相同的附图标记表示。

图1示出了本发明提供的散热设备，其布置成通过至少部分地克服局部重力方向100从热源1进行散热来消除现有技术的问题，局部重力方向100在本示例中对应于热源1的垂直轴线101，而不依赖于设备的取向。

该设备包括平面的，即基本上二维的基板2和嵌入在平面基板2中的脉动热管(pulsating heat pipe，PHP)6。平面基板2包括布置成与热源1热连接的蒸发器部分3，以及与散热装置5热连接的至少一个冷凝器部分4(在本示例中，两个冷凝器部分4布置在蒸发器部分3的垂直下方和侧面)，所述散热装置5可以包括周围空气、散热器51(如图7所示)或适合从PHP 6获取热量的任何其它装置。PHP 6包括两相工作流体12，两相工作流体12具有交替的液体段和蒸汽段(示意性地用虚线示出)，至少部分填充PHP 6。在工作中，当蒸发器部分3从热源1接收热量时，工作流体12以脉动的方式在蒸发器部分3与冷凝器部分4之间移动。

具体地，当热量从热源1施加到PHP 6的蒸发器部分3时，局部蒸发或沸腾过程开始并在PHP 6中产生气体馏分气泡。这些不断增长的气泡在PHP 6的通道中来回推动工作流体，以在PHP 6中引起脉动或振荡运动。当气泡通过冷凝器部分4(它是PHP 6的较冷区域)时，混合冷凝发生，部分直接在PHP 6的通道壁上，部分在工作流体12中，因为它的温度低于饱和蒸汽/气体。当新冷凝的液体通过蒸发器部分3时，热通道壁再次加热工作流体12以产生气泡，以再次开始两相过程。该方法的效率取决于许多因素，例如弯管的数量、通道的几何形状、所施加的工作液体12的特性和PHP 6的通道壁，以及冷凝器部分4的散热效果。

脉动热管6以蛇形图案布置为闭环，所述闭环包括多个平行布置的线形段7，所述多个平行布置的线形段7由至少一个弯曲段8和至少一个环路段9连接。从这个意义上讲，蛇形图案表示覆盖以一种方式或另一种方式缠绕或转动和/或具有中心曲线为凸形的复合曲线的任何图案。

本发明的PHP 6拓扑的关键是，多个平行布置的线形段7的至少一部分相对于热源1的垂直轴线101成大于零的角度布置，从而使设备能够完全或至少部分地克服重力工作，与设备的取向无关，用于通过散热装置5将热量从热源1扩散到冷凝器部分4，并进一步远离设备。

在图1和图2中所示的示例性布置中，相对于热源1的垂直轴线101成精确直角的部分以及线形段7的另一部分平行于热源1的垂直轴线101布置，从而使工作流体12能够沿着水平轴线102和垂直轴线101进行脉动运动。

图3示出了散热设备的示例性布置，其中，平行布置的线形段7相对于热源1的垂直轴线101(如图1和图2所示)成锐角(即小于直角的角度)布置，从而使工作流体12能够沿着倾斜轴线103在蒸发器部分3与冷凝器部分4之间进行脉动运动。

在图3的示例性布置中，该设备包括矩形形状的平面基板2，蒸发器部分3布置在平面基板2的中心部分中，并且至少一个冷凝器部分4中的每一个布置在平面基板2的周边。但是，根据来自待冷却的热源1的热量，蒸发器部分3不仅可以布置在中间，而且还可以布置在更靠近左侧或右侧，如图2所示，其中，蒸发器部分3横向地布置在更靠近基板2的右侧，从而进一步抵消PHP 6内振荡运动的平衡，并为振荡的开始提供更好的条件。

其中，图1和图3示出了每个弯曲段8布置在平面基板2的冷凝器部分4处的示例性布置，图2示出了增加基板内线形段7的密度并且也增加弯曲段8的数量以提高传热能力的布置。此外，弯曲段8的一部分(具体是下文将描述的全弯管81的一部分)也布置在与热源1热连接的平面基板2的蒸发器部分3处，从而改善脉动热管6本身内的振荡。

如图4的示例性布置中所示，线形段7可以包括平行于第一轴线104布置的多个第一线形段71和平行于第二轴线105布置的多个第二线形段72，第一轴线104和第二轴线105布置成在同一平面中围成一定的角度，优选地直角，从而产生L形拓扑。但是，任何大于零的其它角度和包括多于两个角度的线形段7的拓扑都是可能的，从而可以产生V形、或T形、E形或其它配置。弯曲段包括分别布置在平行延伸的第一线形段71之间或第二线形段71之间的全180度弯管81，以及布置在第一线形段71与第二线形段72之间的小于180度的部分弯管82。在一些示例中，所有全弯管81布置在平面衬底2的冷凝器部分4处(例如图1、图3和图4)，而在其它示例中，例如图2所示的示例中，全弯管81的一部分可以布置在平面衬底2的蒸发器部分3处。

图5至图11示出了示例性布置，其中，散热设备包括多个基板2，每个基板2包括嵌入在蛇形图案中并以蛇形图案布置的脉动热管6。多个基板2由中间环路段10互连，以形成一个连续的闭环脉动热管6。由此得到的多基板散热设备解决了在具有多个热负载1的冷却场景中提供高效散热的问题，具体是在热负载1分布不均匀的情况下。所示设备的任何基板2可以是如图1至图4中所示的平面基板2，从而能够实现本发明的先前描述的优点的任何可能的组合。

如图5和图6，每个基板2包括至少一个冷凝器部分4，并且多个基板2中的至少一个是蒸发器基板23，蒸发器基板23包括具有至少一个热源1的蒸发器部分3，所述至少一个热源1布置成与蒸发器部分3热连接。

在图5的示例性布置中，两个基板2都是蒸发器基板23，因为它们都具有蒸发器部分3和布置成与蒸发器部分3热连接的热源1。在这种示例性布置中，每个基板2的线形段7彼此平行布置，但是它们也可以正交布置或以任何其它角度布置。两个基板2通过两个中间环路段10互连，但是，在其它可能的布置中，也可以添加另外的中间环路段10。这使得设备能够提供更好的冷却分配(例如，在右侧的组件比左侧的组件需要更多的冷却的情况下，并且左侧的组件可以获得更冷的冷却空气或用于提供强制气流的装置)。

在图6的示例性布置中，只有一个基板2是蒸发器基板23，而另一个基板2布置为冷凝器基板24，只有冷凝器部分4而没有蒸发器部分3，并且不与任何热源1直接热连接。在该示例性布置中，冷凝器基板24远离热源1布置(布置在例如最小预定义距离处)，从而利用设备内的额外可用空间，其中，最小预定义距离使得能够调整散热效率，同时也考虑到脉动热管6的总长度。两个基板23和24由两个中间环路段10连接，但是，在其它可能的布置中，也可以添加另外的中间环路段10。

连接多个基板2的中间环路段10的一部分或全部可以布置为柔性连接，适合于承受弯曲(具体是180度弯曲)力、扭转力和拉伸力中的至少一种，而不会泄漏任何工作流体12。这些柔性连接可以是弹性连接，从而能够包括许多变体和变化，和/或在拉伸或压缩后能够自发地恢复它们的正常形状。柔性连接还可以用于在弯曲超过弹性极限时充当塑料连接，以能够保持变形状态，从而能够在不同的3D配置中使用(如图8至图10所示)。

在另外可能的配置中，如图7的示例性布置中所示，多个基板23和/或24中的至少一部分或全部也可以是柔性的，并用于承受弯曲力、扭转力和拉伸力中的至少一种。这使得该设备能够用于不同的、非常规布局和不同的热源(垂直)位置，以及用于空间和/或体积受限的应用，如消费产品、智能手机和笔记本电脑。这种柔性配置在实践中的限制因素是使工作液体12振荡的通道所需的最小尺寸，以及对于支持振荡的最优化条件，每个蒸发器部分3与冷凝器部分4之间的连接管或中间环路段10的数量。

如图7中所示(但可以应用于任何其它布置)，该设备还可以包括散热器51，该散热器51布置成与至少一个基板2(例如冷凝器基板2)的至少一个冷凝器部分4热连接，以增强冷却效果。

如图8的示例性布置中所示，至少一个热源1可以布置在面板15(例如电子设备中的PCB)上，并且至少一个蒸发器基板23可以在面板15的第一侧上热连接到热源1，至少一个另外的基板24布置在面板15的与第一侧相反的第二侧上。这种布置能够实现在面板15的两侧上高效地散热，从而节省空间并最大限度地提高可用的散热表面。如图所示，设置在面板15的第二侧的另一个基板2可以是冷凝器基板24，该冷凝器基板24没有蒸发器部分3，也不与任何热源1直接热连接，由于面板15两侧的基板23和24之间的温差较大，这进一步增加了散热能力。

在示例性布置中，布置在面板15的第二侧上的“下”基板2(例如上述布置的冷凝器基板24)可以由铝或不锈钢等金属制成，从而可以机械地支撑面板15，无需对面板的额外支撑结构，并节省了设备内的宝贵空间，同时还能够冷却布置在面板15上的电子设备的其它组件。布置在面板15的第二侧上的“下”基板2的表面也可以大于布置在面板15的第一侧上的蒸发器基板23中的至少一个蒸发器基板的表面或大于蒸发器基板23的总表面，从而通过增加蒸发器基板23与冷凝器基板24之间的温差，进一步提升散热能力。

如在图9和图10的示例性布置中所示，设备的两个或两个以上基板2可以以至少部分垂直重叠的布置布置在不同水平面上，并且至少两个中间环路段10布置在弯管中，以连接布置在不同水平面上的这样的两个或两个以上基板2。根据优化的拓扑和机械要求，弯管的数量可以是变化的，至少为两个。这使得设备能够在不同水平面上以另外可能的3D配置使用，其中，具有一个热源1(如图9所示)或多个热源1(如图10所示)，这些热源1甚至可以全部布置在不同的水平面上。在这些配置中的任一种中，设备还可以包括布置在不同水平面上的基板2之间的弹性装置，从而确保基板2与任何热源1之间的足够间隔和可调压力，同时也为设备提供弹性。

图9的示例性布置可以在以下配置中实现，其中，热源1是无盖倒装芯片(FCBGA)，并且至少一个基板2使用基板2与无盖倒装芯片之间的可调压力连接与无盖倒装芯片热连接，例如在开放式ASIC布置中，从而可以使用用于无盖倒装芯片的散热设备，其中，可以平滑地调整压力以及基板2与无盖倒装芯片之间的接触面。

这种具有布置在不同水平面上的多个基板2的布置(例如图9和图10的示例性布置)还可以用于根据来自至少一个热源1的热负荷，在至少两个状态之间具有可变导热系数。这使得能够以灵活的方式在不同的操作模式下工作，使得例如当热负荷增加时，设备可以在低热阻和更高的可用冷却能力下工作，并且当设备被推到热负荷低得多的“空闲”或“节能”模式时，热阻可以更高，以最小化组件的最高温度与最低温度之间的差异。

这种可变导热系数可以例如通过在脉动热管6内的工作流体12上施加的可变压力来实现，从而将工作流体12的可调整沸腾温度设置为选定的温度水平(例如约80至90摄氏度)，以确保当温度低于该选定水平时，不产生或产生很少的气泡，并且PHP 6不工作，从而产生高导热系数。相反，当温度高于选定水平时，气泡开始产生，PHP 6开始正常运行，热量被高效地传输到冷凝器部分4。

通过在蒸发器部分3与冷凝器部分4之间，或在蒸发器基板23和冷凝器基板24中的某些或所有之间提供具有预定义导热系数的材料，也可以实现可变导热系数。具有预定义导热系数的材料可以是布置在蒸发器基板23与冷凝器基板24之间的各种厚度的气隙，或者适合应用于敏感热源1(例如无盖芯片)上的各种厚度的软凝胶(热凝胶或热垫)。

如图11的示例性布置中所示，该设备可以包括用于在至少一个基板23的至少一个冷凝器部分4的方向上提供强制空气流16的装置，以增强冷却效果。

任何或所有基板23的脉动热管6的线形段7可以与强制空气流的方向对准，但线形段7的一部分也可以与强制空气流的方向成角度，例如直角，如图11所示，为调整不同组件的强制对流冷却效果提供另外的可能性。

如图11的示例性布置中所示，该设备可以包括多个基板23，这些基板23热连接到不同热负荷的热源1，通过中间环路段10互连，连接到更高热负荷的热源1的这些基板布置得更靠近用于提供强制空气流16的装置，甚至布置有与强制气流方向对齐的线形段7，从而优化了不同组件的强制对流冷却的分布。

图12和图13示出了本发明的示例提供的连接单个片材以形成设备的基板2的制造工艺。

如图12所示，该方法首先提供第一片材21和第二片材22，并在第一片材21中形成第一蛇形图案62和基本上与第二片材22中的第一蛇形图案61匹配的第二蛇形图案62。此后，第二片材22和第一片材21被接合以形成平面基板2，该平面基板2具有形成在其中的蛇形通道，所述蛇形通道包括多个平行布置的线形段7，该线形段7由至少一个弯曲段8和至少一个环路段9连接，如前面结合图1至图4的示例性实施例所述。此后，工作流体12被引入蛇形通道中，并且平面基板2内的蛇形通道以密封方式闭合，以形成连续的闭环。

根据应用和边界条件，片材21和22可以用任何方法(如焊接、锻造或钎焊)接合在一起。工作流体12的量可以针对不同的应用体积比进行调整和优化。

根据设备配置和布局，工作流体12可以以不同的方式引入蛇形通道。在设备(例如图9中所示的设备)包括多个基板2的一个示例中，工作流体12可以向基板2的一侧开口的蛇形通道的开口端11引入蛇形通道；然后，使用至少一个中间环路段10通过开口端11将平面基板2连接到至少一个另外的平面基板2，以形成连续的闭环。

在如图13所示的另一个可能的示例中，工作流体12可以通过填充管12或直接通过布置在基板2中提供进入蛇形通道的入口的开口14引入蛇形通道，并且基板2中提供进入蛇形通道的入口的任何开口14或填充管12随后被密封，以形成连续的闭环。

工作流体12本身可以包括水、CO2、氢氟烯烃(HFO)(如R1233Zde或R1234Zez)、丙酮、丙烷、丁烷和/或醇(如乙醇)，用于根据不同的使用情况在PHP 6中获得最佳性能。在适合于轻重量和低成本应用的示例中，工作流体12可以含有96％的乙醇和4％的水，并且片材21和22可以由Al制成。在适用于高冷却要求的又一个可能的示例中，片材21和22可以由铜或铜钼(CuMo)制成，并且工作流体12可以包括水和防冻剂的混合物，例如丙二醇或乙二醇，从而扩大了设备在较低温度下的使用、储存和/或运输范围，以及支持使用铜作为基板2的材料，从而实现更高的导热系数。

脉动热管6内的工作流体12也可以如上所述以可变压力提供，从而实现设备内的可变导热系数。在一个示例中，工作流体12在一定的真空下提供，以便在选定的温度水平下调整工作流体的沸腾温度，从而确保当温度低于该选定水平时，不产生或产生很少的气泡，并且PHP 6不工作，从而产生高导热系数。相反，当温度高于选定水平时，气泡开始产生，PHP6开始正常运行。

片材21和22上的蛇形迹线图案可以通过冲压或铣削形成，这是具有圆形通道横截面的基板2的简单且高效的制造工艺。片材21/22或基板2也可以通过压铸制造，作为替代的制造工艺。

根据另一个示例，片材21/22和/或基板2可以由塑料或其它高导热系数和柔性的化合物(例如高密度聚乙烯)通过注射成型等制成，从而为基板2提供了另外的、更便宜的替代制造工艺，并使设备本身具有更好柔性。

本文已经结合各种实施例描述了各个方面和实现方式。但是，本领域技术人员在实践所请求保护的主题时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，能够理解和实现所公开实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

还将理解，当单元、模块或发动机被称为“打开”、“连接到”或“耦合到”另一个单元、模块或发动机时，它可以直接打开、连接或耦合到另一个单元、模块或发动机，或与另一个单元、模块或发动机通信，或者，除非上下文清楚地表明另有说明，否则可以存在中间单元、模块或发动机。如本文中所使用，术语“和/或”包括一个或多个关联列出的项目的任何和所有组合。

权利要求书中使用的附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (26)

1.一种用于散热的设备，其特征在于，所述设备包括：

热源(1)，具有平行于局部重力方向(100)的垂直轴线(101)；

平面基板(2)；

脉动热管(6)，嵌入在所述平面基板(2)中，所述平面基板(2)包括：

蒸发器部分(3)，布置成与所述热源(1)热连接，

至少一个冷凝器部分(4)，布置成与散热装置(5)热连接，

两相工作流体(12)，至少部分地填充所述脉动热管(6)，所述工作流体(12)的至少一部分用于当所述蒸发器部分(3)从所述热源(1)接收热量时以脉动方式在所述蒸发器部分(3)与所述至少一个冷凝器部分(4)之间移动；

其中，所述脉动热管(6)以蛇形图案布置为闭环，所述闭环包括多个平行布置的线形段(7)，所述多个平行布置的线形段(7)由至少一个弯曲段(8)和至少一个环路段(9)连接；

其中，所述多个平行布置的线形段(7)的至少一部分相对于所述热源(1)的所述垂直轴线(101)成一定角度布置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个平行布置的线形段(7)中的至少一部分相对于所述热源(1)的所述垂直轴线(101)成锐角布置，从而使所述工作流体(12)能够沿着倾斜轴线(103)进行脉动运动。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述多个平行布置的线形段(7)中的至少一部分相对于所述热源(1)的所述垂直轴线(101)成直角布置，从而使所述工作流体(12)能够沿着水平轴线(102)进行脉动运动。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述多个平行布置的线形段(7)中的至少一部分平行于所述热源(1)的所述垂直轴线(101)布置，从而使所述工作流体(12)能够沿着所述水平轴线(102)和所述垂直轴线(101)和/或所述倾斜轴线(103)进行脉动运动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括矩形形状的平面基板(2)，所述蒸发器部分(3)布置在所述平面基板(2)的中心部分中，所述至少一个冷凝器部分(4)中的每个冷凝器部分布置在所述平面基板(2)的周边。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个弯曲段(8)中的每个弯曲段布置在所述平面基板(2)的冷凝器部分(4)处。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个弯曲段(8)的至少一部分布置在所述平面基板(2)的所述蒸发器部分(3)处，所述蒸发器部分(3)与所述热源(1)热连接。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述多个平行布置的线形段(7)包括平行于第一轴线(104)布置的多个第一线形段(71)和平行于第二轴线(105)布置的多个第二线形段(72)，所述第一轴线(104)和所述第二轴线(105)布置成在同一平面中围成一定的角度，优选地围成直角；

其中，所述至少一个弯曲段(8)包括分别布置在第一线形段(71)之间或第二线形段(72)之间的全弯管(81)和布置在所述第一线形段(71)与所述第二线形段(72)之间的部分弯管(82)。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述全弯管(81)的至少一部分布置为所述平面基板(2)的所述蒸发器部分(3)。

10.一种用于散热的设备，其特征在于，所述设备包括：

至少一个热源(1)；

多个基板(2)，每个基板(2)包括嵌入在蛇形图案中并以蛇形图案布置的脉动热管(6)，每个基板(2)至少包括冷凝器部分(4)；其中，

所述多个基板(2)由中间环路段(10)互连，以形成一个连续的闭环脉动热管(6)；并且其中，

所述多个基板(2)中的至少一个是蒸发器基板(23)，所述蒸发器基板(23)包括具有至少一个热源(1)的蒸发器部分(3)，所述至少一个热源(1)布置成与所述蒸发器部分(3)热连接。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述多个基板(2)中的至少一个是根据权利要求1至9中任一项所述的平面基板(2)。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述多个基板(2)中的至少一个布置为冷凝器基板(24)，所述冷凝器基板(24)没有蒸发器部分(3)，也不与任何热源(1)直接热连接。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述冷凝器基板(24)远离任何热源(1)布置在距离任何热源(1)的最小预定义距离处。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其特征在于，至少一个热源(1)和热连接到相应热源(1)的至少一个蒸发器基板(23)布置在面板(15)的第一侧，至少一个另一基板(2)布置在所述面板(15)的与所述第一侧相对的第二侧上。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，布置在所述面板(15)的第二侧上的至少所述基板(2)由铝或不锈钢等金属制成，并布置成机械支撑所述面板(15)。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的设备，其特征在于，连接所述多个基板(2)的所述中间环路段(10)的至少一部分布置为柔性连接，所述柔性连接适于承受弯曲力、扭转力和拉伸力中的至少一种，而不会泄漏任何工作流体(12)。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的设备，其特征在于，至少两个基板(2)以至少部分垂直重叠的布置布置在不同水平面上，并且至少两个中间环路段(10)布置在弯管中，以连接布置在不同水平面上的两个基板(2)。

18.根据权利要求10至17中任一项所述的设备，其特征在于，所述多个基板(2)的至少一部分是柔性的，并用于承受弯曲力、扭转力和拉伸力中的至少一种。

19.根据权利要求1至9或10至18中任一项所述的设备，其特征在于，所述脉动热管(6)布置成根据来自所述至少一个热源(1)的热负荷在至少两个状态之间具有可变导热系数。

20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，可变导热系数是通过提供在所述脉动热管(6)内的所述工作流体(12)上施加的可变压力实现的。

21.根据权利要求19或20所述的设备，其特征在于，可变导热系数是通过在蒸发器部分(3)与冷凝器部分(4)之间提供具有预定义导热系数的材料实现的。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括至少一个散热器(51)，所述至少一个散热器(51)布置成与至少一个基板(2)的至少一个冷凝器部分(4)热连接，以增强冷却效果。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于在至少一个基板(2)的至少一个冷凝器部分(4)的方向上提供强制气流(16)的装置，以增强冷却效果。

24.一种制造用于散热的设备的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供第一片材(21)和第二片材(22)；

在所述第一片材(21)中形成第一蛇形图案(61)；

在所述第二片材(22)中形成第二蛇形图案(62)，所述第二蛇形图案(62)基本上与所述第一蛇形图案匹配；

将所述第二片材(22)与所述第一片材(21)接合，以形成平面基板(2)，所述平面基板(2)具有由所述第一蛇形图案(61)和所述第二蛇形图案(62)形成的蛇形通道，所述蛇形通道包括多个平行布置的线形段(7)，所述多个平行布置的线形段(7)由至少一个弯曲段(8)和至少一个环路段(9)连接；

将工作流体(12)引入所述蛇形通道；

以密封方式闭合所述平面基板(2)内的所述蛇形通道，以形成连续的闭环。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，

所述工作流体(12)通过向所述基板(2)的一侧开口的所述蛇形通道的开口端(11)引入到所述蛇形通道中；所述方法包括：

使用至少一个中间环路段(10)通过所述开口端(11)将所述平面基板(2)连接到至少一个另一平面基板(2)，以形成所述连续的闭环。

26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，

所述工作流体(12)通过布置在所述基板(2)中提供进入所述蛇形通道的入口的填充管(13)或开口(14)引入所述蛇形通道；所述方法包括：

密封所述基板(2)中提供进入所述蛇形通道的入口的任何开口(14)或填充管(13)，以形成连续的闭环。