CN1485905A - 传热装置和制造这种装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传热装置，该传热装置能够容易地形成可使工作流体在该传热装置中稳定循环的芯子，并达到高效率的热传输，本发明还提供一种制造该传热装置的方法。流向蒸发器芯子连通孔的液体工作流体流过液相流路，渗透到蒸发器芯子连通孔中颗粒物之间形成的微空隙中，流入蒸发器的芯子。在蒸发器中蒸发的工作流体的蒸汽流过汽相流路，经冷凝器芯子连通孔流入冷凝器。在该冷凝器中工作流体重新液化。该液化的工作流体从冷凝器经液相流路流入蒸发器芯子连通孔。在充填颗粒物的蒸发器芯子连通孔中，产生毛细作用力，从而使工作流体稳定地在该传热装置中循环。

Description

传热装置和制造这种装置的方法

技术领域

本发明涉及具有蒸发部分和冷凝部分的传热装置。本发明具体涉及一种用在流体微电子机械系统方面的传热装置，例如毛细抽吸回路、环形传热管等，本发明具体还涉及制造这种传热装置的方法。

背景技术

图11是分解透视图，示出本发明人提出的传热装置100的例子。图11用箭头示出工作流体的流动方向。在这种传热装置100中，热量传输通过以下系统进行。

液体工作流体从冷凝器101流过液相路径102，流到蒸发器103，并在蒸发器103中由外部热量蒸发。然后，工作流体的蒸汽以高速度流过汽相路径104，流到冷凝器101，并将热量放到冷凝器101的外面，然后又形成为液体。在这种传热装置100中，连续不断地进行一系列的传热步骤。在这种传热装置100中，驱动工作流体的主要驱动力是芯子105中的毛细作用力，该芯子分别装在蒸发器103和冷凝器101中。

在传热装置100的一系列传热步骤中，在冷凝器101中变成液体的工作流体流过液相路径102，并通过形成在第二基片106上的蒸发器芯子连通孔107流入蒸发器103的芯子105。

然而，当蒸发器芯子连通孔107的流路面积大于液相流路102的截面时，在工作流体从液相路径102流入蒸发芯连通孔107中时，毛细作用力降低，造成难于使工作流体连续流动的问题。另外，当将基片粘合在一起形成小的薄的传热装置100时，还产生这样的困难，即难于将多孔烧结金属或者玻璃纤维装入到蒸发器芯子连通孔107的问题，这种多孔烧结金属和玻璃纤维用于例如产生毛细作用力，从而在蒸发器芯子连通孔107中保持毛细作用力。

另外，当芯子105具有复杂形状时，还产生用多孔烧结金属或者玻璃纤维形成芯子105的困难。

发明内容

本发明已解决上述问题，本发明的目的是提供一种传热装置，这种装置可以容易地在工作流体的流路和芯子中形成毛细作用力产生部分，从而可以使工作流体在传热装置中循环流动，达到很高的传热效率，本发明的这一目的还提供制造这种传热装置的方法。

为了达到上述目的，本发明的传热装置包括具有液相工作流体流路和汽相工作流体流路的底衬、配置在底衬至少一个主表面上的芯子部件、形成在基片上用于使基片液相工作流体流路连接于芯子部件的连通孔以及充填在连通孔中的颗粒物。

在本发明中，工作流体的连通孔充满这种颗粒物，由此形成许多工作流体的微流路，产生使工作流体稳定循环的毛细作用力。由于连通孔充满颗粒物，从而降低了连通孔的通导性，可以防止工作流体回流。另外，由于采用颗粒物，所以可以用颗粒物充满形状复杂的部分，从而可以在充满的部分中产生毛细作用力。

在本发明中，基片包含两个基片层，使得液相工作流体的流路和汽相工作流体的流路形成在这两个基片层之间。

在本发明的传热装置中，用许多粒径不同的颗粒混合物充满该连通孔，可以选择该粒径，使得具有第二粒径的颗粒配置在具有第一粒径颗粒之间的空间中。

这样，当具有第二粒径的颗粒配置在具有第一粒径颗粒之间的空间中时，在粒子之间的空间将变细，从而增加毛细作用力。另外，通过改变具有第二粒径粒子的粒径可以容易控制颗粒之间的空隙，从而达到最佳的毛细作用力。

在本发明的传热装置中，可以用许多粒径不同的颗粒充满连通孔，方式是，使具有相同粒径的各组颗粒形成一层，并且层的粒径在越靠近芯子部件的方向上逐渐减少。

在这种结构中，可以用许多粒径不同的颗粒充满该连通孔，使得在接近芯部件的方向颗粒之间空间的数目降低，因此，沿此方向的通导性降低，从而促使工作流体沿此方向的流动。另外，在该连通孔的出口处通导性很低，所以可以制止工作流体回流。

在本发明的传热装置中，芯子部件包括包含一群颗粒物的芯子部分和支承构成该芯子部分的这群颗粒物的支承部分。

在这种结构中，芯子部分包含颗粒物，因此可以容易控制颗粒物之间的空间，增加毛细作用力。另外，在这种结构中，可以容易地按照形状复杂的蒸发器形成芯子，因此降低了生产成本。

制造本发明传热装置的方法包括以下步骤：在基片上形成液相工作流体流路和汽相工作流体流路的流路形成步骤；连通孔形成步骤，形成许多连通孔，以便使液相工作流体流路和汽相工作流体流路与基片的主表面连通；颗粒充填步骤，充满连通孔，以便通过颗粒物使液相工作流体流路与基片的主表面连通；粘接步骤，将许多芯子部件粘接在基片的主表面上，使得芯子部件与相应的连通孔连通；输送步骤，将工作流体输送到液相工作流体的流路中。

在本发明中，可以容易地用颗粒物充满形状复杂的部分，从而在充满部分中产生毛细作用力。

制造本发明传热装置的方法还包括在颗粒物充填步骤和粘接步骤之间的焊接步骤，此步骤加热充填在各个连通孔中的颗粒物，加热到比颗粒物软化温度高的温度，从而部分地焊接相邻颗粒物的表面。

因此加热在各个连通孔中充入的颗粒物，加热的温度高于颗粒物的软化温度，从而局部焊接相邻颗粒物，由此可以防止颗粒物流出该连通孔。

附图说明

图1是分解透视图，示出本发明第一实施例的传热装置；

图2是透视图，示出本发明第一实施例传热装置的组装状态；

图3A是平面图，示出在第一基片上形成的流路图，图3B是沿图3A中IIIB-IIIB线截取的第一基片的截面图，而图3C是沿图3A所示的IIIC-IIIC线截取的第一基片的截面图；

图4A是蒸发器芯子连通孔的平面图，而图4B是蒸发器芯子连通孔的截面图，是沿平行于图3A所示IIIB-IIIB线的一条直线截取的截面图；

图5是图4B所示蒸发器芯子连通孔的另一例子的截面图，是沿平行于图3A所示IIIB-IIIB线的一条直线截取的截面图；

图6A是平面图，示出本发明第二实施例传热装置的蒸发器芯子连通孔，而图6B是沿平行于图3A所示IIIB-IIIB线的一条直线截取的截面图，示出蒸发器芯子连通孔；

图7A是平面图，示出本发明第三实施例传热装置的蒸发器芯子连通孔，而图7B是沿平行于图3A所示IIIB-IIIB线的一条直线截取的截面图，示出蒸发器芯子连通孔；

图8是截面图，示出其中相邻颗粒物利用加热而局部焊接的蒸发器芯子连通孔；

图9是分解透视图，示出本发明第四实施例的传热装置；

图10A是平面图，示出蒸发器，而图10B是沿图10A的线XB-XB线截取的蒸发器的截面图；

图11是分解透视图，示出传热装置的例子。

具体实施方式

下面参考附图说明本发明的实施例。

第一实施例

图1是分解透视图，示出本发明第一实施例的传热装置1，图2是透视图，示出传热装置1的组装状态。图3A是平面图，示出在第一基片2上形成的流路图，图3B是沿图3A的IIIB-IIIB线截取的第一基片2的截面图，而图3C是沿图3A的IIIC-IIIC线截取的第一基片2的截面图。在各个附图中用箭头表示工作流体的流动方向。

如图1所示传热装置1主要包括第一基片2、第二基片9、蒸发工作流体的蒸发器14和冷凝工作流体的冷凝器16。

如图3所示，在第一基片2的表面上形成汽相流路3、与该汽相流路3连通的蒸发部分4、液相流路5和与该液相流路5连通的冷凝部分6。另外，在第一基片2的中心部分形成汽相-液相分隔孔7，以便使汽相流路3与液相流路5分开，从而抑制这两个流路之间的热传导。另外，在第一基片2的另一表面上形成工作流体输送孔8，该孔与蒸发部分4连通。该工作流体输送孔8在所有时间是盖子密封的，但在输送工作流体时打开。

第二基片9具有蒸发器芯子连通孔10、蒸发部分连通孔11、冷凝器芯子连通孔12、冷凝部分连通孔13和汽相-液相分隔孔7。该蒸发器芯子连通孔10是一个连通孔，当液相流路5中的液体工作流体流入蒸发器14的芯子15时流过该孔。蒸发器部分连通孔11是一个连通孔，在蒸发器14芯子15中工作流体蒸发的蒸汽流入蒸发部分4时流过该通孔。冷凝器芯子连通孔12是一个连通孔，在汽相流路3中的工作流体蒸汽流入冷凝器16的芯子15时流过该通孔。冷凝部分连通孔13是一个连通孔，在冷凝器芯子15中液化的工作流体流入冷凝部分6时流过该连通孔。汽相-液相分隔孔7所形成的位置对应于第一基片2的汽相-液相分隔孔7的位置，用于使汽相流路3与液相流路5分隔开，从而抑制这两个流路之间的热传导。

第一和第二基片2和9中的各个基片用例如玻璃、合成树脂如聚酰亚胺、Teflon(注册商品名称)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等制作，因为在过高的热传导率时，各个基片的热传播负面影响传热装置1的热传导效率。形成在第一基片2上的汽相流路3、蒸发部分4、液相流路5和冷凝部分6各个部分的沟槽采用例如喷沙法、RIE(干刻蚀)法、湿刻蚀法、紫外光刻蚀法、激光刻蚀法、质子光刻蚀法、电子束平板印刷刻蚀法、微模制法等形成。

在用阳极粘接法将第一和第二基片2和9粘接在一起时，在第一基片2的粘接表面上形成一层50nm厚的非晶硅的氢化物(a-Si：H)膜，然而粘接方法不限于这些方法，例如，可以用树脂作粘接剂进行粘合，用例如热压粘合剂进行压力粘接，用例如激光焊接进行焊接等。

如图4A和4B所示，在第二基片9上形成的蒸发器芯子连通孔10用许多颗粒物20充满。如图4A是蒸发器芯子连通孔10的平面图，而图4B是沿平行于图3A的IIIB-IIIB线的一条直线截取的蒸发器芯连通孔10的截面图。该蒸发器芯子连通孔10采用粒径大体相同的颗粒物20充填。图4B示出一个例子，在此例子中，用颗粒物20规则地充填该孔10，充填层的厚度等于颗粒物20的粒径。然而充填方式不限于此种方式，可以采用错开排列的方式将颗粒物20充填在孔10中，如图5所示，该充填颗粒20可以采用例如憎水玻璃、合成树脂、金属、陶瓷等制作，虽然颗粒物20最好是球形的，但是颗粒物20的形状不限于球形，颗粒物20可以为任何形状，只要充填后在颗粒20之间形成空间即可。

蒸发器14最好用密度小导热性高的材料制作，例如用硅等材料制作。但制作材料不限于硅，还可以采用金属例如铜、铝、镍、金、银、铂等，或者采用热导率与金属相当的材料例如导热的聚合物或者陶瓷等材料。在蒸发器14的表面上形成不规则的芯子15。芯子15的不规则性形成沟槽，该沟槽的宽度小于装在蒸发器芯子连通孔10中的颗粒物20的粒径。在蒸发器芯子连通孔10充满颗粒物20后，利用阳极粘合法将蒸发器14粘接在第二基片9上，从而盖住蒸发器芯子连通孔10和蒸发部分连通孔11，使得其上形成芯子15的表面对着第二基片9。因为芯子15的沟槽其宽度小于颗粒物20的粒径，所以颗粒物20不会流到芯子15上。如图2所示，然后将产生热量的电子装置21例如CPU、制图芯片、驱动器IC等连接于蒸发器14的另一表面，以便冷却该电子装置21。

冷凝器16最好用密度低而导热性高的材料制作，例如用硅等材料制作。但是不限于这些材料，例如还可以采用金属如铜、铝、镍、金、银、铂等，或者应用其热导率与金属相同的材料，例如应用导热聚合物或者陶瓷。可以在冷凝器16的表面上形成不规则的芯子15。另外，可以在冷凝器16的另一表面上形成散热片22，以便利用热传导将热量散到外面。用阳极粘合法将冷凝器16粘接在第二基片9上，以便盖住冷凝器芯子连通孔12和冷凝部分连通孔13，使得其上具有芯子15的表面对着第二基片9。

另外，可以在真空状态下将作为工作流体的水通过形成在第一基片2上的工作流体输送孔输送到传热装置1。作为工作流体除水而外，还可以采用其沸点和抗菌活性等满足制冷剂或者传热装置1设计的其它流体，例如乙醇、甲醇、丙醇(包括同分异构体)、乙醚、乙二醇、氟化物等。

下面说明传热装置1的操作。

流向蒸发器芯子连通孔10的液体工作流体流过液相路径5，通过毛细作用力渗透到装在蒸发器芯子连通孔10中颗粒物之间的微孔，然后流入蒸发器14的芯子15。流入芯子15的液体工作流体利用芯子15的毛细作用力扩散到蒸发器14的芯子15的整个区域上。扩散在芯子15整个区域上的液体工作流体由电子装置21产生的热量蒸发，该电子装置连接于蒸发器的与其中配置芯子15的表面分开的另一表面上。由电子装置21产生的热量通过热传导从蒸发器14传送到芯子15，然后再由热传导从芯子15的表面传送到工作流体上。工作流体的蒸汽穿过汽相流路3，通过形成在第二基片9上的冷凝器芯子连通孔12进入冷凝器16。在冷凝器16中，工作流体蒸汽的热量被部分吸收，又使工作流体变成液体。从工作流体吸收的热量通过热传导从形成在冷凝器16上的散热片22散到外面。液化的工作流体通过毛细作用力流向冷凝部分6，流过冷凝器16芯子15的微空间，再从冷凝部分6经液相流路5流到蒸发器芯子连通孔10。在传热装置1中连续不断进行一系列的热传输。

在第一实施例的传热装置1中，蒸发器芯子连通孔10充填颗粒物20，从而形成许多工作流体的微流路，由此产生毛细作用力。因此，工作流体可以稳定地从液相流路5流到蒸发器14的芯子15。另外，因为蒸发器芯子连通孔10充填颗粒物20，所以蒸发器芯子连通孔10的通导性降低，从而可以防止在蒸发器14中蒸发的工作流体从蒸发器芯子连通孔10回流到液相流路5。另外，由于应用颗粒物20，所以可以容易地用颗粒物20充填形状复杂的部分，并在充填部分产生毛细作用力，为了产生毛细作用力，这种复杂形状部分很难用多孔烧结金属或者玻璃丝进行充填。

因此在第一实施例的传热装置1中，可以通过充填颗粒物20形成产生毛细作用力的工作流体流路，因而达到高效热传输。

第二实施例

第二实施例的传热装置与第一实施例的传热装置1是相同的，只是装在蒸发器芯子连通孔10中的颗粒物20的结构有变化。下面说明第二实施例的装在蒸发器芯子连通孔10中的颗粒物20的结构。与第一实施例传热装置1部件相同的部件用相同的编号表示，并省去重复的说明。

图6A是第二实施例传热装置1的蒸发器芯子连通孔10的平面图，而图6B是沿平行于图3A的IIIB-IIIB线的一条直线截取的蒸发器芯子连通孔10的截面图。蒸发器芯子连通孔10充填第一颗粒物30和第二颗粒物31，第二颗粒物充填在第一颗粒物30的空间中，其直径小于第一颗粒物30的直径。在例如孔10中充填单一粒径颗粒的第一实施例中，当粒径较大时，在颗粒物之间的空间变大，从而在某些情况下，不能得到充分大的毛细作用力。然而如图6所示，当蒸发器芯子连通孔10混合充填第一颗粒物30和其直径小于该第一颗粒物30直径的第二颗粒物31时，在颗粒物之间的空间便可以变小，从而进一步增加毛细作用力。

这样，在第二实施例的传热装置中，粒径小于第一颗粒物30的第二颗粒物31配置在由许多第一颗粒物30之间形成的空隙中，这样可以减小颗粒之间的空间，增加毛细作用力。另外，通过改变第二颗粒物31的粒径可以容易控制颗粒之间的空间，从而达到最佳的毛细作用力。

第三实施例。

第三实施例的传热装置与第一实施例的传热装置1相同，只是充填在蒸发器芯子连通孔10中的颗粒物20的结构不同。下面说明第三实施例的装在蒸发器芯子连通孔10中的颗粒物结构。与第一实施例传热装置1中部件相同的部件用相同的编号表示，并省去其重复的说明。

图7A是第三实施例传热装置的蒸发器芯子连通孔10的平面图，而图7B是沿平行于图3A的IIIB-IIIB线的一条直线截取的蒸发器芯子连通孔10的横截面图。如图1和图7B所示，蒸发器芯子连通孔10中充填具有许多粒径的颗粒物40，使得在液相流路5到蒸发器14芯子15的方向(在图中是向下方向)粒径逐渐减小。

当芯子15的沟槽其宽度小于颗粒物40的粒径时，在蒸发器芯子连通孔10中的颗粒物40不会流到芯子15上。然而，为了增加毛细作用力，采用其粒径小于芯子15沟槽宽度的颗粒物40时，该颗粒物40可能会流出到芯子15上。因此，在采用其粒径小于芯子15沟槽宽度的颗粒物40时，采用以下方法将颗粒物充填在蒸发器芯子连通孔10中。

如图7所示，将具有许多粒径的颗粒物充填到蒸发器芯子连通孔10中，使得在从液相流路5到蒸发器14芯子15的方向上该粒径逐渐降低，然后加热到比颗粒物40软化温度高的温度，加热短时间。虽然在图中未示出，但是在往蒸发器芯子连通孔充填颗粒物40时，在其底部配置一块石英板，从而在加热期间可以制止该颗粒物从蒸发器芯子连通孔10中流到外面。短时间将温度加热到高于颗粒物40软化温度可以形成焊接部分41，局部焊接相邻颗粒物40的表面，如图8所示，图8是蒸发器芯子连通孔10的截面图。在加热而局部焊接相邻颗粒物的方法中，例如第二基片9可以用耐热玻璃制作，而在其蒸发器芯子连通孔10中充填用碱石灰玻璃作的颗粒物40，然后在一个炉子中加热该第二基片9和颗粒物40，焊接其中相邻的颗粒物。

在第三实施例的传热装置中，蒸发器芯子连通孔10中充填粒径不同的颗粒物40，使得沿液相流路5到蒸发器14芯子15的方向，颗粒物之间的空间逐渐减小，从而降低此方向的通导性，由此加速工作流体在此方向的流动。蒸发器芯子连通孔10靠近蒸发器14的部分具有低的通导性，因此可以防止在蒸发器14中蒸发的工作流体从蒸发器芯子连通孔10回流到液相流路5。另外，短时间加热蒸发器芯子连通孔10中的颗粒物40，加热到高于颗粒物40软化温度的温度，这样可使相邻颗粒物40局部焊接在一起，由此可以防止颗粒物40从蒸发器芯子连通孔10中流出。

在第三实施例的传热装置中，可以加速工作流体在蒸发器芯子连通孔10中的流动，并可以防止工作流体回流，所以提高了热传输的效率。另外，由于焊接相邻颗粒物40，所以可以防止颗粒物40从蒸发器芯子连通孔10中流出。

第四实施例

图9是本发明第四实施例传热装置50的分解透视图，图10A是蒸发器14的平面图，而图10B是沿图10A的XB-XB线截取的蒸发器14的截面图。在这些图中，用箭头表示工作流体的流动方向。

第四实施例的传热装置50与第一实施例的传热装置1相同，只是蒸发器14的芯子包括颗粒物51。与第一实施例传热装置1部件相同的部件用相同的编号表示，并省去其重复说明。

如图10所示，在蒸发器14的表面上形成凹部52，并在该凹部中充填颗粒物51。虽然图10示出凹槽52充填具有相同粒径的颗粒物51，但凹槽52不限于充填这种颗粒物。例如如第二实施例所述，凹部52可以充填第一颗粒物和第二颗粒物，该第二颗粒物充填在第一颗粒物之间的空间中，其直径小于第一颗粒物的直径。或者如第三实施例所述，该凹部52可以充填具有许多粒径的颗粒物，使得在工作流体的流动方向，即从靠近蒸发器芯子连通孔10的一侧到靠近蒸发部分11一侧的方向(在示出蒸发器14的图9中用箭头表示此方向)，上述颗粒物的直径逐渐减小。另外，如第三实施例所述，为了防止颗粒物从蒸发器中流出，可以采用耐热蒸发器作充填颗粒物的蒸发器14，并将其加热到高于该颗粒物51软化温度的温度，从而局部焊接相邻颗粒物51的表面。该颗粒物51最好采用热导率高的材料制作，例如用硅、铜、铝等制作，以便有效地将外部热量传输到工作流体。然而也可以采用玻璃、合成树脂、陶瓷等制作。

虽然在附图中未示出，但和蒸发器14一样，冷凝器16的芯子15也可以包括颗粒物51。

在第四实施例的传热装置50中，蒸发器14的芯子15包括颗粒物51，从而有利于控制颗粒物之间的空间，由此增加毛细作用力，达到高效率的热传输。另外也可以容易地按照形状复杂的蒸发器形成不规则的芯子，由此降低了生产成本。

其它实施例

本发明不限于上述实施例，可以在本发明的技术原理范围内扩展和改变其结构和材料等。本发明的技术领域包括这些扩展的改型实施例。

除蒸发器芯子连通孔、蒸发器和冷凝器外，可以用本发明所用的颗粒物充填或者装在其它的连通孔或者流路上。

如上所述，在本发明中，工作流体的流路可以充填多种颗粒物，由此容易产生毛细作用力，从而增加并且稳定地使工作流体在传热装置中的循环，达到高效率的热传输。另外，可以容易地用颗粒物充填形状复杂的部分，产生毛细作用力。

Claims (7)

1.一种传热装置，包括：

基片，具有液相工作流体流路和汽相工作流体流路；

芯子部件，配置在基片的至少一个主表面上；

连通孔，配置在基片上，用于使基片的液相工作流体流路与芯子部件连通；

颗粒物，充填在连通孔中。

2.如权利要求1所述的传热装置，其特征在于，该基片包括两个基片层，使得液相工作流体的流路和汽相工作流体的流路形成在这两层之间。

3.如权利要求1所述的传热装置，其特征在于，连通孔中充填具有不同粒径的许多颗粒物的混合颗粒，这样选择粒径，使得具有第二粒径的颗粒物配置在具有第一粒径的颗粒物之间的空间中。

4.如权利要求1所述的传热装置，其特征在于，该连通孔中充填许多具有不同粒径的颗粒物，使得具有相同粒径的颗粒物的各个颗粒组形成一个层，并且在接近芯子部件的方向上，层的粒径逐渐减小。

5.如权利要求1所述的传热装置，其特征在于，该芯子部件包括包含一组颗粒物的芯部分和用于支承构成该芯部分的该组颗粒物的底部件。

6.一种用于制造传热装置的方法，包括以下步骤：

流路形成步骤，在基片上形成液相工作流体的流路和汽相工作流体的流路；

连通孔形成步骤，形成第一连通孔和第二连通孔，前者使液相工作流体的流路与基片的主表面连通，后者用于使汽相工作流体的流路与基片的主表面连通；

颗粒物充填步骤，充填第一连通孔；

粘接步骤，将许多芯部件粘合在基片的主表面上，使得芯部件与相应的连通孔连通；

输送步骤，将工作流体输送到液相工作流体的流路中。

7.如权利要求6所述的制造传热装置的方法，其特征在于，该方法还包括焊接步骤，将充填第一连通孔中的相邻颗粒物表面局部焊接起来。

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