CN1864043A - 平板式传热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平板式传热装置，其包括：导热的扁平盒体，其安装于热源与散热装置之间并含有工作流体，该工作流体通过吸收该热源的热量而蒸发，并通过向该散热装置发散热量而冷凝；以及一层网状物，其安装在该扁平盒体中，并构造为使网线交替地上下交叉编织。从靠近该热源的网状物的交叉点、沿着所述网线的表面形成有蒸汽发散通道，并且从靠近该散热装置的网格到靠近该热源的网格、沿着所述网线的长度方向通过毛细现象形成有液体流动通道。

Description

平板式传热装置
技术领域
本发明涉及一种平板式传热装置，该平板式传热装置能够在不使用单独的机械能的情况下，通过使用蒸发和冷凝的工作流体循环机制来传递热量；尤其是涉及一种结构能更薄、并能防止由外部冲击导致变形的改进的平板式传热装置。
背景技术
近来，随着集成技术的发展，诸如笔记本或PDA之类的电子设备变得更小、更薄。此外，由于对电子设备的高灵敏度以及功能改进的要求增加，能量消耗也趋于随之增加。从而，在电子设备运行时从电子设备中的电子部件产生出大量的热，因此使用了各种平板式传热装置以将这些热量发散到外部。
传统平板式传热装置的惯用例子为热管，该热管的扁平金属盒体被减压至真空，然后将工作流体注入并密封在该金属盒体内。
热管安装成与产生热量的电子部件(或热源)部分地接触。在这种情况下，位于热源附近的工作流体被加热并蒸发，然后发散到温度相对较低的区域。之后，蒸汽又冷凝为液体并向外部发散热量，随后返回其初始位置。通过在扁平金属盒体内进行这种工作流体循环机制，可将热源中产生的热发散到外部，从而将电子部件的温度保持在适当水平。
图1示出了传统平板式传热装置10，其安装在热源20与散热器30之间以将热量从热源20传递至散热器30。
参考图1，传统平板式传热装置10具有金属盒体50，该金属盒体50的内部空间40填充有工作流体。在金属盒体50的内侧面上形成有毛细结构(wick structure)60，该毛细结构用于提供有效的工作流体循环机制。
热源20中产生的热量传递至与该热源20相接触的平板式传热装置10中的毛细结构60。然后，大致位于热源20正上方的毛细结构60(其作为“蒸发部分”)内含有的工作流体蒸发并穿过内部空间40沿各个方向发散，然后在大致位于散热器30正下方的毛细结构60(其作为“冷凝部分”)处散热后该工作流体又被冷凝。冷凝阶段释放的热量传递至散热器30，然后通过风扇70的强制对流而排出。
为了在平板式传热装置10中实现上述传热机制，液体应当吸收位于热源20正上方的蒸发部分中的热量以蒸发，然后再运动到冷凝部分。因此，平板式传热装置10内本质上应该具有充足的空间使蒸汽可以发散到冷凝部分。如果没有能使工作流体从蒸发部分发散到冷凝部分的充足空间，就不能适当地实现使用工作流体的蒸发和冷凝的传热机制，从而使传热装置的性能变差。
同时，由于近年来电子设备的厚度变得越来越薄，因此平板式传热装置的厚度也需要变薄。但是由于传统平板式传热装置10需要保持其内部为真空(或减压)，而且不能采用可以承受外部冲击的机械结构，因此当制造或操作该装置时，金属盒体50容易被微小的冲击挤压，这将导致蒸汽发散通道变形，从而使产品的传热特性变差。因此，传统平板式传热装置10在满足目前对于更薄结构的需求上具有局限性。
发明内容
本发明被设计用于解决现有技术的问题，因此本发明的目的是提供一种具有改进的内部结构的平板式传热装置，该平板式传热装置能够在保持原有使用工作流体的蒸发和冷凝的传热机制的情况下使装置变得更薄，并且能够避免在制造或操作时由于可能受到的冲击而导致的变形。
为了实现上述的目的，本发明提供一种平板式传热装置，该平板式传热装置包括：导热的扁平盒体，其安装于热源与散热装置之间并包含有工作流体，该工作流体通过吸收该热源的热量而蒸发，并通过向该散热装置发散热量而冷凝；以及一层网状物，其安装在该扁平盒体中，并构造为网线交替地上下交叉编织，其中，从该网状物靠近该热源的交叉点、沿着所述网线的表面形成有蒸汽发散通道，并且从靠近该散热装置的网格到靠近该热源的网格、沿着所述网线的长度方向通过毛细现象形成有液体流动通道。
优选地，该网状物是目数(mesh number)为10到60的筛网。
同样优选地，该网状物由直径为0.12mm到0.4mm的网线编织而成。
另外，该导热的扁平盒体的高度优选为0.3mm到1.0mm。
在该网状物为筛网的情况下，优选地，所述网线中的纵向网线的长度方向与进行热传递的方向相同。
在该导热扁平盒体由电解铜片制成的情况下，优选地，该电解铜片的不平坦的表面作为该扁平盒体的内侧面。
该网状物由金属、聚合物、塑料以及玻璃纤维中之一制成。在此该金属选自由铜、铝、不锈钢、钼以及它们的合金组成的群。
该扁平盒体由金属、导热聚合物、涂布有导热聚合物的金属以及导热塑料中之一制成。在此，该金属选自由铜、铝、不锈钢、钼以及它们的合金组成的群。
该扁平盒体使用激光焊接、等离子焊接、TIG(钨极氩弧)焊、超声波焊接、铜焊、钎焊以及热压层叠结合中的一种方式进行密封。
该工作流体选自由水、甲醇、乙醇、丙酮、氨水、CFC工作流体、HCFC工作流体以及HFC工作流体或它们的混合物组成的群。
附图说明
从以下参考附图对实施例的描述中，本发明的其它目的和方案将变得更为清晰，其中：
图1是示出传统平板式传热装置的剖视图；
图2是示出根据本发明实施例的平板式传热装置的剖视图；
图3是示出安装于根据本发明实施例的平板式传热装置的扁平盒体内的编织网(woven mesh)的网格(lattice)的俯视图；
图4是示出网格沿图3的线A-A’所得剖视图；
图5和图6分别是该平板式传热装置的部分剖视图和部分平面图，其示出了当本发明的平板式传热装置运行时在网状物上形成液膜的情形；
图7至图9是示出根据本发明的平板式传热装置的各种外观的立体图；以及
图10至图12是示出根据本发明的平板式传热装置所用盒体的各种实例的剖视图。
具体实施方式
下文将对实施例进行描述以具体说明本发明，并且为了更好地理解本发明，将参考附图进行详细的说明。但是本发明的实施例可以以各种方式进行修改，因此不应理解为本发明的范围受限于下述实施例。提供本发明的实施例的目的仅是为了向本领域的技术人员进行更清楚、更明确的说明。在附图中，相同的附图标记表示相同的构件。
如图2所示，根据本发明优选实施例的平板式传热装置100包括：扁平盒体130，其安装于热源110与诸如散热片的散热装置120之间；一个网状物140，其插在该盒体130中；以及注入盒体130内的工作流体，其作为将热量从热源110传递至散热装置120的介质。
在平板式传热装置100中，位于热源110正上方位置附近(以下简称为“蒸发部分”)的工作流体蒸发为蒸汽，然后穿过由网状物140提供的将在下文中描述的蒸汽发散通道而发散。之后，蒸汽在温度比热源110的温度相对较低的位置处(以下简称为“冷凝部分”)例如在散热装置120的正下方位置附近冷凝为液体。随后，冷凝的液体经由液体流动通道流向位于热源110正上方的位置，实现一个完整的循环，其中该液体流动通道由网状物140产生的毛细现象形成，这将在下文中描述。在这个过程中，工作流体从热源110带走热量，然后将该热量传递至散热装置120。另外，传递至散热装置120的热量通过由风扇150产生的强制对流而向外排出，从而将热源110的温度保持在适当水平内。理想状况下，使用蒸发和冷凝的工作流体传热机制将持续到热源110的温度变为与散热装置120的温度基本相同。
扁平盒体130的内部空间减压至真空，并且扁平盒体130由具有优良导热性的金属、导热聚合物、涂布有导热聚合物的金属，或者导热塑料制成，这样可以容易地吸收热源110的热量，并容易再将热量发散到散热装置120。优选地，所述金属为铜、铝、不锈钢和钼中的一种或它们的合金。特别地，若扁平盒体130由一面不平坦的电解铜片制成，则优选地该不平坦面朝向扁平盒体130的内表面。在这种情况下，工作流体可以通过毛细现象而更平稳地返回，从而可提高平板式传热装置100的效率。考虑到扁平盒体130的导热特性和机械强度，扁平盒体130的厚度优选为0.01mm到1.0mm。
网状物140设于扁平盒体130的上板与下板之间，并构造为网线(wire)140a和140b交替地上下交叉编织。网状物140可以由金属、聚合物、玻璃纤维和塑料中的任一种制成。优选地，该金属为铜、铝、不锈钢和钼中的一种或它们的合金。网状物140可以制造成具有与平板式传热装置100的扁平盒体130的形状相对应的各种形状。
如图3和图4所示，网状物140为由横向网线140a和纵向网线140b交替地交叉编织的编织网。网状物140的单元格中的开口宽度(a)通常由下述公式1表示。
公式1
a＝(1-Nd)/N
在此，d为网线的直径(英寸)，而N为网状物140在一英寸范围内的网格数目。例如，如果在一正方形网状物140中N为100，则在一英寸长度中存在有100个网格。
在本发明中，网状物140用作提供蒸汽发散通道(I)的装置，由热源110蒸发的蒸汽可以在该蒸汽发散通道(I)中流动。具体地，如图4所示，在网状物140中，通过横向网线140a和纵向网线140b的交叉而产生空间160，而该空间160用作蒸汽发散通道(I)，蒸汽可以在该蒸汽发散通道(I)发散。在此，将纵向网线140b定义为沿编织时的长度方向成行排列的网线，并将横向网线140a定义为垂直于该纵向网线140b排列的网线。
根据下述公式2计算蒸汽发散通道(I)的几何面积(A)。
公式2
A＝(a+d)d-πd2/4
参考公式2，蒸汽发散通道(I)的几何面积随着目数(N)的减少以及网线的直径(d)的增加而增加。
在网状物140的一个网格中具有四个蒸汽发散通道(I)，所述的蒸汽发散通道(I)与相邻的网格共有，这样工作流体可以基于网格的中心(O)向四个方向平稳地发散，(见箭头)，如图3所示。
在网状物140为筛网(screen mesh)的情况下，沿横向网线140a的长度方向看过去、垂直于横向网线140a设置的纵向网线140b的倾斜度(未示出)比沿纵向网线140b的长度方向看过去、垂直于纵向网线140b设置的横向网线140a的倾斜度(见图4)要更为倾斜。因此，蒸汽沿着网状物140的纵向网线140b的长度方向流动要比沿着横向网线140a的长度方向流动得更为流畅，从而在纵向网线140b的长度方向上可以提供更好的传热效率。因此，在网状物140为筛网的情况下，优选地，当安装和操作平板式传热装置100时，传热方向与纵向网线140b的长度方向一致。
同时，如图5所示，当根据本发明的平板式传热装置100实际操作时，与扁平盒体130的上板和下板交界的液体和网状物140发生接触。因此，在网状物140中的蒸汽发散通道(I)的楔形间隙170处由液体形成液膜180。
如图6所示，在所有的网线交叉点处均形成有液膜180。如果适当地控制网状物140的参数中的网格宽度(a)和/或网线直径(d)，则在网线交叉点处形成的液膜180可以彼此相连，从而产生毛细现象。因此，如果以液膜180的形态容置于蒸发部分网格内的工作流体蒸发，则容置于相邻网格中的工作流体通过毛细现象沿着网线的长度方向流向该蒸发部分网格中，其量与蒸发量相同。
也就是说，在根据本发明的平板式传热装置100中，蒸发部分由于工作流体的不断蒸发和发散因而缺少液体，而冷凝部分由于工作流体不断在此冷凝因而具有过量的液体。但是，在网格中形成的液膜180的表面张力产生的毛细现象将促使液体从冷凝部分流向蒸发部分，这样工作流体能沿着网线的长度持续地供应到蒸发部分，从而保持这种使用工作流体的蒸发和冷凝的传热机制。也就是说，液体流动通道沿着网线的长度形成。
但是，如果网状物140的目数(mesh number)(N)增加过多或网线的直径(d)减小过多，则蒸汽发散通道(I)将由于表面张力而被液体完全地阻塞。在这种情况下，在蒸发部分蒸发的工作流体不能经由蒸汽发散通道(I)发散到冷凝部分，从而将扰乱流畅的热传递。因此，应当在考虑网状物140不仅要提供蒸汽发散通道(I)，还要通过毛细现象提供液体流动通道的情况下适当地选择网状物140的参数，即目数(N)和网线的直径(d)。优选地，网状物140的目数为10到60，网线的直径在0.12mm到0.4mm的范围内。
根据本发明，由于使用了能够同时提供蒸汽发散通道和液体流动通道的网状物，因此扁平盒体130的内表面上不必具有传统的毛细结构。从而，与省却毛细结构相对应，平板式传热装置100的厚度可以薄至0.3mm到1mm。另外，由于包含在平板式传热装置100中的网状物140甚至能起到支撑扁平盒体130的作用，因此该平板式传热装置100的机械强度比传统的传热装置的机械强度更大。
如图7到图9所示，根据本发明的平板式传热装置100可以具有各种形状，例如方形、矩形或T形。另外，平板式传热装置100的扁平盒体130可以如图10和图11所示构造为上盒体130a与下盒体130b的结合，也可以如图12所示构造为仅具有一个盒体。
当将扁平盒体130的内部空间减压至真空水平并填充工作流体后，密封该扁平盒体130。密封可以使用激光焊接、等离子焊接、TIG(钨极氩弧)焊、超声波焊接、铜焊、钎焊以及热压层叠结合(thermo-compressionlamination)中的任一种进行。
工作流体可以为水、甲醇、乙醇、丙酮、氨水、CFC工作流体、HCFC工作流体以及HFC工作流体中的一种或它们的混合物。
实验实例
为了评估根据本发明的平板式传热装置的效果，发明人制造了长40mm、宽70mm、高0.65mm的平板式传热装置。扁平盒体如图10所示由独立的上盒体和下盒体构成，所述上盒体和下盒体由0.1mm厚的轧制的铜片(rolledcopper foil)制成。包含在扁平盒体中的网状物是目数为15的铜筛网，网线的直径为0.2mm，铜的含量大于等于99％。
为了在本实验中使用该平板式传热装置，将筛网如图10所示设于上盒体与下盒体之间并且使每个盒体面对筛网，然后使用由日本的DENKA公司制造的变性丙烯酸二元粘结剂(denatured acrylic binary bond)(商标：HARDLOC)来密封上盒体和下盒体，并留有工作流体注入孔。
然后，在注入工作流体之前，通过使用旋转真空泵和扩散真空泵将扁平盒体的内部减压至1.0×10-7托，然后将0.23cc的蒸馏水注入该扁平盒体的内部作为工作流体。之后，密封该盒体。
在与如上制得的平板式传热装置的一端间隔10mm的区域的中央连接长度和宽度分别为12mm的热源，并在与该平板式传热装置的另一端距离10mm的区域的中央连接长度和宽度分别为25mm且具有风扇的散热器。同时，将热源和散热器连接至同一侧。然后，从1W到5W增大热源的功率，同时测量热源表面的温度。
根据实验结果，即使施加最大为5W的功率，热源的温度也未超过47℃。因此，可以理解，根据本发明的平板式传热装置可作为相对小型的并且厚度较薄、热量较低的电子设备的冷却传热装置。
工业应用
根据本发明，通过在扁平盒体中插入可以同时提供蒸汽发散通道和液体流动通道的网状物，可以摒弃传统的毛细结构，从而能使平板式传热装置变得极薄。另外，由于网状物牢固地支撑扁平盒体，因此该平板式传热装置不会因为在制造或操作平板式传热装置时的冲击作用而变形。
现已详细描述了本发明。但应理解的是，所给出的详细描述及具体实例仅用于解释说明的目的，其仅示出了本发明的优选实施例，因为对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的精神及范围的情况下显而易见可以有各种变化和修改。

Claims (13)

1.一种平板式传热装置，包括：
导热的扁平盒体，其安装于热源与散热装置之间并包含有工作流体，该工作流体通过吸收该热源的热量而蒸发，并通过向该散热装置发散热量而冷凝；以及
一层网状物，其安装在该扁平盒体中，并构造为网线交替地上下交叉编织，
其中，从该网状物靠近该热源的交叉点、沿着所述网线的表面形成有蒸汽发散通道，并且从靠近该散热装置的网格到靠近该热源的网格、沿着所述网线的长度方向通过毛细现象形成有液体流动通道。
2.如权利要求1所述的平板式传热装置，
其中该网状物是目数为10至60的筛网。
3.如权利要求1所述的平板式传热装置，
其中该网状物由直径为0.12mm至0.4mm的网线编织而成。
4.如权利要求1所述的平板式传热装置，
其中该导热的扁平盒体的高度为0.3mm至1.0mm。
5.如权利要求1所述的平板式传热装置，
其中该扁平盒体由上盒体和下盒体结合构造而成。
6.如权利要求1所述的平板式传热装置，
其中该网状物为筛网，并且
所述网线中的纵向网线的长度方向与进行热传递的方向相同。
7.如权利要求1所述的平板式传热装置，
其中该导热扁平盒体由电解铜片制成，并且
该电解铜片的不平坦的表面作为该扁平盒体的内侧。
8.如权利要求1至7中任一项所述的平板式传热装置，
其中该网状物由金属、聚合物、塑料以及玻璃纤维中的一种制成。
9.如权利要求8所述的平板式传热装置，
其中该金属选自由铜、铝、不锈钢、钼以及它们的合金组成的群。
10.如权利要求1至7中任一项所述的平板式传热装置，
其中该扁平盒体由金属、导热聚合物、涂布有导热聚合物的金属，以及导热塑料中的一种制成。
11.如权利要求10所述的平板式传热装置，
其中该金属选自由铜、铝、不锈钢、钼以及它们的合金组成的群。
12.如权利要求1至7中任一项所述的平板式传热装置，
其中该扁平盒体使用激光焊接、等离子焊接、TIG(钨极氩弧)焊、超声波焊接、铜焊、钎焊以及热压层叠结合中的一种方式进行密封。
13.如权利要求1至7中任一项所述的平板式传热装置，
其中该工作流体选自由水、甲醇、乙醇、丙酮、氨水、CFC工作流体、HCFC工作流体以及HFC工作流体或它们的混合物组成的群。
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PB01 Publication
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Volume: 22

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