CN1887037A - 平板传热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种平板传热装置，其包括：导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有细网孔层和粗网孔层层叠的结构，其中该细网孔层用于提供液体的流动路径，该粗网孔层用于同时提供液体的流动路径和蒸汽的扩散路径。必要时，粗网孔层和细网孔层重复地交替层叠，并可用毛细结构代替细网孔层。粗网孔层优选为具有0.2mm至0.4mm的线直径和10至20个网孔的筛网层。上述平板传热装置提高了传热性能。

Description

平板传热装置
技术领域
本发明涉及一种能够利用蒸发和冷凝使工作流体(working fluid)循环而将来自热源的热量散发的平板传热装置，更具体地涉及一种兼具有较薄的结构以及良好的传热和散热结构的平板传热装置。
背景技术
近来，随着集成技术的发展，诸如笔记本电脑或PDA等电子设备逐渐变小且变薄。此外，在对电子设备的高响应和功能改进的需求增加的同时，能耗也趋于增长。因此，在电子设备工作时，其中的电子部件产生大量的热，因而采用各种平板传热装置以将热量散发到外界。
常规平板传热装置的传统实例为热管(heat pipe)，其中将扁平的金属壳体减压至真空，然后注入工作流体并将其密封。
热管安装为与产生热量的电子元件(或热源)部分接触。在这种情况下，热源附近的工作流体被加热而蒸发，然后扩散(disperse)到温度相对较低的区域。然后，蒸汽再次冷凝成液体，并将热量散发到外界，接下来再返回其初始位置。通过这种在扁平的金属壳体内执行的工作流体循环机制，将热源产生的热量散发到外界，从而可使电子元件的温度保持在适当的水平。
图1示出常规的平板传热装置10安装在热源20与散热器30之间，以将来自热源20的热量传递至散热器30。
参见图1，常规的平板传热装置10具有金属壳体50，金属壳体50的内部空间40被工作流体填充。在金属壳体50的内侧上，形成毛细(wick)结构60，以提供有效的工作流体循环机制。
热源20产生的热量被传递至与热源20接触的平板传热装置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(即用作“蒸发部件”)中所含的工作流体被蒸发，并沿所有方向经内部空间40扩散，而且在大致位于散热器30正下方的毛细结构60(即用作“冷凝部件”)处散发热量之后，工作流体随后再次冷凝。冷凝的工作流体被容纳在毛细结构60中，然后通过毛细力再次返回蒸发部件。此时，如果热源20的温度高于工作流体的蒸发点，则重复蒸发、扩散、冷凝以及返回过程。在冷凝步骤中散发的热量被传递至散热器30，然后通过风扇70产生的强制对流而被排放出去。
为了提高平板传热装置10的传热性能，在每单位时间内应该使大量的工作流体循环。为此，应确保较大的表面积，用于蒸发和冷凝工作流体，而且应设置用于使蒸发的工作流体有效扩散的蒸汽通道和用于使冷凝的工作流体尽快流至热源20附近的液体通道。
然而，在常规的平板传热装置10中，可以使工作流体蒸发或者冷凝的表面限于面向热源20或者散热器30的金属壳体50的内表面，从而限制获得较大的表面积用于蒸发或冷凝工作流体。
此外，在常规的平板传热装置10中，冷凝的工作流体被容纳在设置于金属壳体50内表面上的毛细结构60的不平坦部分，并通过毛细力流至蒸发部件。也就是说，冷凝的工作流体可以流经的通道仅沿着金属壳体50的内表面受限制地形成。
因此，冷凝的工作流体应流经液体通道的距离是蒸发的工作流体流经蒸汽通道的距离的几倍。由此，冷凝的工作流体返回所花费的时间远远长于蒸发的工作流体扩散所花费的时间。如果冷凝的工作流体返回所花费的时间与蒸发的工作流体扩散所花费的时间之间存在显著的差异，则每单位时间可以循环的工作流体的流速下降，因此平板传热装置的传热性能也降低。
另外，由于平板传热装置10的内部几乎减压至真空，因此其抵抗外部撞击的能力稍弱。从而，如果平板传热装置10在制造或运载时受到撞击，则金属壳体50容易被压坏。
发明内容
本发明旨在解决现有技术存在的问题，因此本发明的一个目的是提供一种平板传热装置，其具有的结构能够减少冷凝的工作流体流动的距离，从而使平板传热装置的传热性能最大化，使液体和蒸汽同时流动，并且在保持原传热机制的情况下提高装置的机械强度。
本发明的另一目的是提供一种平板传热装置，其具有的几何结构允许大量的工作流体蒸发或冷凝，从而使传热性能最大化。
为了实现上述目的，本发明提供一种平板传热装置，其包括：导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有毛细结构和粗网孔层彼此相对层叠的结构，其中该毛细结构用于通过毛细力提供液体的流动路径，该粗网孔层用于提供蒸汽的扩散路径，同时通过毛细力提供液体的流动路径，其中该粗网孔层为具有0.20mm至0.40mm的线直径和10至20个网孔的筛网。
优选地，该粗网孔层通过毛细力同时沿水平和垂直方向提供液体的流动路径。此外，为了提高传热性能，该粗网孔层优选由金属材料制成。
可选择地，该网孔层组还可包括另一毛细结构，其与该毛细结构相对并与该粗网孔层接触，该粗网孔层夹在上述两个毛细结构之间。
在本发明中，该毛细结构可由烧结铜、不锈钢、铝或者镍粉制成，或通过蚀刻聚合物、硅、二氧化硅(SiO2)、铜、不锈钢、镍或者铝板制成。
可选择地，可用细网孔层代替该毛细结构，该细网孔层与粗网孔层相比，具有相对较大的网孔数和较小的线直径。在这种情况下，该细网孔层可以是0.03mm至0.13mm的直径的网孔线编织而成的筛网，或者是具有80至400个网孔的筛网。
在本发明的另一方案中，还提供一种平板传热装置，其包括：导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有多个细网孔层和多个粗网孔层重复地交替层叠的结构。
所述细网孔层和粗网孔层优选交替层叠且相互接触。此外，所述粗网孔层和细网孔层优选由金属、聚合物、塑料或者玻璃纤维制成的网孔线编织而成。
例如，该网孔层组可具有从下至上依次层叠为细网孔层、粗网孔层、细网孔层、粗网孔层以及细网孔层的结构。
例如，该网孔层组还可具有从下至上依次层叠为细网孔层、粗网孔层、细网孔层以及粗网孔层的结构。
例如，该网孔层组还可具有从下至上依次层叠为至少两个细网孔层、粗网孔层、细网孔层以及粗网孔层的结构。
例如，该网孔层组还可具有从下至上依次层叠为至少两个细网孔层、粗网孔层、细网孔层、粗网孔层以及至少两个细网孔层的结构。
在本发明的又一方案中，还提供一种平板传热装置，其包括：导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有毛细结构和粗网孔层重复地交替层叠且相互接触的结构，其中该毛细结构用于通过毛细力提供液体的流动路径，该粗网孔层用于提供蒸汽的扩散路径，并同时通过毛细力提供液体的流动路径。
在本发明中，该扁平壳体可由金属、导热聚合物、涂有导热聚合物的金属以及导热塑料中的任一种材料制成，或者由电解铜箔制成。在后一种情况下，电解铜箔的不平坦表面优选构成扁平壳体的内表面。该扁平壳体利用从激光焊接、等离子体焊接、TIG(钨惰性气体)焊接、超声波焊接、铜焊接、焊料焊接以及热压层叠构成的集合中选择的方式密封。
在本发明中，工作流体可以是水、甲醇、乙醇、丙酮、氨、CFC工作流体、HCFC工作流体、HFC工作流体、或它们的混合物。
附图说明
以下参照附图描述本发明的实施例，从而本发明的其它目的和方案将变得更明显。在附图中：
图1为常规平板传热装置的剖视图；
图2为根据本发明第一实施例的平板传热装置的剖视图；
图3为根据本发明第一实施例组成网孔层组(mesh layer aggregate)的网孔层的格子的平面图；
图4为沿图3中的A-A’线的剖视图；
图5示出根据本发明第一实施例位于相邻的细网孔层和粗网孔层中的液体膜在网孔层组中互相连接；
图6示出根据本发明第一实施例形成在网孔线(mesh wire)交点处的液体膜在粗网孔层中互相连接；
图7为根据本发明第二实施例的平板传热装置的剖视图；
图8至图10为根据本发明的网孔层组的各种修改例的剖视图；
图11至图13为根据本发明的平板传热装置的各种外观的立体图；以及
图14至图16为根据本发明的平板传热装置中使用的扁平壳体的各种实例的剖视图。
具体实施方式
下面，为了详细说明本发明，将对实施例进行描述，而且为了更好地理解本发明，将参照附图提供详细的说明。然而，可以用多种方式修改本发明的实施例，而不应解释为本发明的范围受限于下述实施例。提供本发明的实施例只是为了给本领域的技术人员提供更清楚、更确切的说明。在附图中，相同的标号表示相同的元件。
如图2所示，根据本发明第一实施例的平板传热装置100包括扁平壳体130和网孔层组140，其中扁平壳体130安装在热源110和散热(heat emitting)单元(例如散热器)120之间，而网孔层组140由多个插入扁平壳体130中的网孔层构成。在扁平壳体130中注入工作流体，该工作流体可通过吸收热源110产生的热量而蒸发，并且可通过将热量散发到散热单元120而冷凝。
网孔层组140包括细网孔层140a、粗网孔层140b以及细网孔层140a。所述细网孔层140a彼此相对，且与粗网孔层140b形成接触界面。
如图3所示，细网孔层140a和粗网孔层140b优选为以如下方式形成的筛网(screen mesh)：横线160a和纵线160b编织成交替地上下交叉。这里，纵线160b是在编织时沿网孔层的长度方向排列成列的网孔线，而横线160a是垂直于纵线160b排列的网孔线。
网孔线160a和160b由金属、聚合物、玻璃纤维以及塑料中的任一种制成。然而，由于金属具有优于其它材料的传热性能，因此，考虑到传热效率，网孔层140a和140b优选由金属线编制而成。优选地，该金属为铜、铝、不锈钢以及钼中的任一种、或它们的合金。
参照图3，网孔层140a和140b的单位网格中存在的空间(empty space)宽度(a)通常表示为如下方程1。宽度(a)为确定网孔层140a和140b的功能特征的必要参数。
方程1
a＝(1-Nd)/N
这里，d为网孔线的直径(英寸)，而N为1英寸长度内存在的格子数。例如，如果N为100，则在1英寸长度内存在100个网格。
如果由于热源110的温度低于工作流体的蒸发温度而使平板传热装置100不进行传热操作，则在构成网孔层140a和140b的线的表面上和交点处存在物理吸收的工作流体。对于粗网孔层140b，网格的空间没有完全填充工作流体的液体膜。然而，对于细网孔层140a，网格的整个空间填充有工作流体的液体膜。
在热源110的温度高于工作流体的蒸发温度的情况下，平板传热装置100开始从热源110到散热单元120的传热操作。具体来说，热源110产生的热量被传递至相邻的细网孔层140a，从而使细网孔层140a中的工作流体蒸发。当然，也引起粗网孔层140b中的工作流体蒸发，但粗网孔层140b中工作流体的蒸发量小于细网孔层140a中工作流体的蒸发量。然后，上述蒸发的工作流体经相邻的粗网孔层140b扩散，然后在扁平壳体130的内表面上、温度低于工作流体蒸发温度的区域中，也就是在大致位于散热单元120正下方的细网孔层140a中，上述蒸发的工作流体冷凝。
在重复进行工作流体的蒸发和冷凝的同时，工作流体从热源110获取热量，然后将热量传递至散热单元120。接着，传递至散热单元120的热量通过风扇150产生的强制对流而被向外排放，从而使热源110的温度保持在适当的水平内。在理想的情况下，利用工作流体的蒸发和冷凝的工作流体传热机制持续进行，直到热源110的温度基本上等于散热单元120的温度为止。
如果在平板传热装置100中引起工作流体的蒸发和冷凝，则网孔层组140中界面能量的平衡态被打破。这里，界面能量是指液态下的工作流体与网孔层140a和140b的表面之间的接触界面的能量。也就是说，不是在传热产生之前的情况下(平衡态)而是在引起工作流体蒸发的时刻(point)，界面能量增加；而且不是在传热产生之前的情况下(平衡态)而是在引起工作流体冷凝的时刻，界面能量降低。由此，在网孔层组140中产生消除界面能量扰动的趋势。
因此，在工作流体蒸发的时刻产生从周围引入工作流体的趋势，而在工作流体冷凝的时刻产生将工作流体排放到周围的趋势。这使得冷凝的工作流体在网孔层组140中流动。一般来说，从散热单元120产生的冷凝的工作流体流向网孔层组140的外周，并再次从外周流向热源110。
在平板传热装置100中，粗网孔层140b主要如上所述提供蒸发的工作流体的扩散路径。具体地，在粗网孔层140b中，存在由如图4所示横线160a和纵线160b上下交叉而产生的楔形空间，该空间用作可经其扩散蒸汽的蒸汽扩散通道170。
通过如下方程2，可计算蒸汽扩散通道170的几何面积(A)。
方程2
A＝(a+d)d-πd2/4
参见方程2，随着网孔数(N)减少以及网孔线直径(d)增加，蒸汽扩散通道170的几何面积增加。
由于粗网孔层140b的格子总共有四个与相邻格子共有的蒸汽扩散通道170，因此蒸汽的扩散以网格中心(参见图3的“0”)为基准沿四个方向(参见图3中的箭头“”)进行。
同时，当本发明的平板传热装置100实际工作时，如图5所示，在粗网孔层140b上的蒸汽扩散通道170的楔形间隙处由液态的工作流体形成液体膜180。如图6所示，液体膜180形成在粗网孔线160的所有交点处，而且形成的彼此相邻的液体膜互相连接(参见图6中的标号190)。
当适当控制粗网孔层140b的参数中网格的宽度(N)和/或网孔线的直径(d)时，能够使多个液体膜180连接，而且所述液体膜180的连接起到通过毛细力使工作流体水平流动的作用。因此，在粗网孔层140b处，主要经由蒸汽扩散通道170引起蒸汽的扩散，但是由连接的液体膜180产生的毛细力也引起液体的水平流动。此时引起的水平流速相对低于细网孔层140a处引起的水平流速。
液体膜180不仅在粗网孔层140b中连接，而且连接至位于粗网孔层140b正上方和正下方的细网孔层140a处存在的液体膜(参见图5中的标号200)。经由粗网孔层140b与细网孔层140a之间形成的接触界面，可获得不同网孔层中液体膜之间的连接。在平板传热装置100的工作中，位于粗网孔层140b处的液体膜与位于细网孔层140a处的液体膜之间的互相连接确保不同层之间的液体垂直流动。
如上所述，在位于热源110正上方的细网孔层140a的区域，在传热过程中持续地引起液体的蒸发，因此应该将液体相应地持续供应到此处。然而，为了将液体持续供应到细网孔层140a，考虑到网孔层组140的几何结构，设置在细网孔层140a之间的粗网孔层140b应该起到用于使冷凝的工作流体垂直流动的交联作用。工作流体的这种垂直流动可通过位于细网孔层140a与粗网孔层140b处的液体膜180的垂直连接(参见图5中的标号200)而实现。也就是说，液体膜180的垂直连接保持垂直方向的毛细力，从而使冷凝的工作流体即使沿垂直方向也可以平稳地流动。
由于粗网孔层140b提供如上所述的蒸汽扩散通道170，因而粗网孔层140b使细网孔层140a处蒸发的工作流体迅速地扩散到温度低于热源110的区域，同时粗网孔层140b起到用于使工作流体垂直流动的交联作用，从而可将冷凝的工作流体平稳地供应到相邻的细网孔层140a。因此，在平板传热装置100工作时，冷凝的工作流体平稳地供应到热源110附近，由此使平板传热装置100的传热效率最大化。此外，粗网孔层140b也起到支撑扁平壳体130的作用，以增强平板传热装置100的机械强度，由此使平板传热装置100非常薄。
在粗网孔层140b处，蒸汽的扩散和液体的流动应该同时发生，因此需要适当地选择网孔数和网孔线的直径。此时，应该注意：如果粗网孔层140b的网孔数非常大且网孔线的直径非常小，则蒸汽扩散通道170的面积减小，而使蒸汽的流阻增加，并且蒸汽扩散通道170本身由于表面张力而填充有液体，而使蒸汽的扩散无法产生。
考虑到这一点，在使用符合ASTM规格E-11-95的筛网作为粗网孔层140b的情况下，筛网优选具有10至20个网孔和0.2mm至0.4mm的网孔线直径。如果选择具有这些条件的筛网，则在粗网孔层140b中可同时引起蒸汽的扩散以及液体的水平和垂直流动。
在平板传热装置100的工作过程中，在热源110附近的细网孔层140a中产生液体的蒸发，在散热单元120附近的细网孔层140a中产生蒸汽的冷凝。在此过程中，一般来说，通过在水平或垂直方向产生的毛细力，液体应从位于散热单元120下方的部分持续平稳地供应到位于热源110上方的部分。
为此，优选地，提供毛细力的互相连接的液体膜180位于细网孔层140a的线交点处，而且网格的空间填充有液体膜。这可以通过适当地选择细网孔层140a的网孔数和网孔线直径来获得。
在使用符合ASTM规格E-11-95的筛网作为细网孔层140a的情况下，优选地，选择具有80至400个网孔和0.03mm至0.13mm的网孔线直径的筛网。
在上述本发明的第一实施例中，细网孔层140a可被毛细结构替代。在一些情况下，可去除散热单元120下方的细网孔层140a。在这种情况下，由于液体膜形成在粗网孔层140b中，并且工作流体在此部分处冷凝，如图5和图6所示，因此粗网孔层本身起到工作流体的冷凝部件的作用。该毛细结构可由烧结铜、不锈钢、铝或者镍粉制成，或者通过蚀刻聚合物、硅、二氧化硅、铜、不锈钢、镍或者铝板制成。此外，可采用在Benson等提交的美国专利US 6,056,044中公开的微机械方法制造该毛细结构。
在本发明中，包含网孔层组140的扁平壳体130被减压至真空，并且其材料选自具有良好导热性的金属、导热聚合物、涂有导热聚合物的金属、或者导热塑料，从而可以容易地从热源110吸收热量以及将热量再次散发到散热单元120。
优选地，金属为铜、铝、不锈钢和钼中的任一种，或者它们的合金。特别地，在扁平壳体130由电解铜箔制成且一个侧表面上的不平度为大约10μm这样小的情况下，该不平坦表面优选地构成扁平壳体130的内表面。在这种情况下，通过毛细力在扁平壳体130的内表面上也产生工作流体的流动，因此工作流体可以更迅速地返回至热源110附近，由此进一步提高平板传热装置100的传热性能。考虑到扁平壳体130的传热特性和机械强度，扁平壳体130优选具有0.01mm至3.0mm的厚度。
图7示出根据本发明第二实施例的平板传热装置。第二实施例的平板传热装置除了网孔层组的层叠方式外，与第一实施例的平板传热装置基本相同。
参照图7，根据本发明第二实施例的平板传热装置100’包括网孔层组140，在该网孔层组140中，细网孔层140a和粗网孔层140b交替层叠。这里，细网孔层140a和粗网孔层140b与第一实施例的相同，并沿层叠方向相互接触。
网孔层组140的这种结构确保比图2所示的平板传热装置100相对更好的传热性能。可以实现这种良好的传热性能的原因是：同时在多个细网孔层140a的许多位置处引起工作流体的蒸发，然后同时在许多位置处引起蒸汽经过多个粗网孔层140b迅速扩散，以及粗网孔层140b起到蒸汽扩散通道的作用和使冷凝的液体垂直流动的交联作用，由此减少工作流体的返回时间，并且增加每单位时间供应至热源110附近的工作流体的流速。
在网孔层组140中，交替层叠网孔层的单位不限于一个。然而，如果包括超过三个细网孔层140a，则蒸发的工作流体可能聚集在细网孔层140a的层叠结构中，从而阻碍液体流动。因此，层叠的细网孔层140a的数量优选为两个或更少。
在平板传热装置100’的工作过程中，热源110产生的热量不仅被传递至相邻的细网孔层140a，而且被传递至不相邻的细网孔层140a，因此在每个细网孔层140a中同时在许多位置处引起工作流体的蒸发。因此，每单位时间内的传热性能提高。在粗网孔层140b中也产生工作流体的蒸发，但其蒸发量远远小于细网孔层140a中产生的工作流体的蒸发量。
蒸发的工作流体经过与细网孔层140a相邻的多个粗网孔层140b扩散，然后在扁平壳体130的内表面上温度低于工作流体蒸发点的区域、即在大致位于散热单元120正下方的区域冷凝。然后，在工作流体冷凝过程中产生的热量经过散热单元120散发到外界。
一般来说，通过在网孔层组140中产生的毛细力，冷凝的工作流体流到热源110附近。此时，冷凝的工作流体的流动主要产生在构成不同层的细网孔层140a和粗网孔层140b之间，尽管其也在细网孔层140a本身和粗网孔层140b本身中产生。工作流体在构成不同层的网孔层之间的流动通过所述网孔层之间的接触界面实现。此时，与工作流体的垂直流动相关的机制与上一实施例的基本相同。
特别地，粗网孔层140b提供蒸汽扩散通道，以提供使细网孔层140a中蒸发的工作流体可迅速地扩散到温度低于热源110的区域的功能，以及提供使工作流体垂直流动而使冷凝的工作流体可供应到相邻的细网孔层140a的交联功能。因此，在平板传热装置100’的工作过程中，冷凝的工作流体被迅速地供应至热源110附近，由此使平板传热装置100’的传热效率最大化。
在本发明的第二实施例中，基于图7所示的实例，可以用多种方式修改用细网孔层140a和粗网孔层140b构成网孔层组140的方法。图8至图10示出多种修改。
对比图7而参照图8至图10，作为一个实例，在构成网孔层组140时可去除顶层的细网孔层140a(参见图8)。作为另一个实例，顶层和底层均可由多个细网孔层140a构成(参见图10)。作为又一个实例，顶层的细网孔层140a可去除，而底层可由多个细网孔层140a构成(参见图9)。
同时，在本发明的第二实施例及其修改例中，构成网孔层组的细网孔层可被该领域中公知的各种毛细结构代替，与第一实施例类似。
根据本发明的平板传热装置可具有各种形状，例如图11至图13所示的方形、矩形、T字形等。此外，平板传热装置的扁平壳体可由上壳体130a和下壳体130b构成，上壳体130a和下壳体130b可以如图14和图15所示单独提供，或者如图16所示为一体化的一个壳体。
在本发明中，在将工作流体填充到扁平壳体中且将扁平壳体的内部空间减压至真空之后，进行扁平壳体的最终密封过程。使用例如激光焊接、等离子体焊接、TIG(钨惰性气体)焊接、超声波焊接、铜焊接、焊料焊接以及热压层叠等方式进行密封。
注入扁平壳体的工作流体可以采用水、甲醇、乙醇、丙酮、氨、CFC工作流体、HCFC工作流体、HFC工作流体、或它们的混合物。
在上述根据本发明构成的平板传热装置中，粗网孔层起到蒸汽扩散通道的作用以及使液体水平和垂直流动的交联作用。粗网孔层的这种双重作用对于本发明的平板传热装置而言是必需的，并且可通过适当地选择粗网孔层的网孔数和网孔线直径来实现。
下面，通过如下实验1实际测量本发明传热装置的性能与本发明采用的粗网孔层的网孔数和网孔线直径之间的关系，以计算粗网孔层可起到双重作用的条件。
实验1
在如下表1所示的每种情况下，选取由铜制成的筛网作为粗网孔层。此外，选取由铜制成、网孔数为100且网孔线直径为0.11mm的筛网作为细网孔层。然后，通过图2所示的结构构成11个网孔层组。
表1
  情况   线直径[mm]   网孔数[#/英寸]   R[℃/W]
  1   0.20   15   0.70
  2   0.20   24   0.74
  3   0.20   50   ∞
  4   0.35   10   0.67
  5   0.35   12   0.63
  6   0.35   14   0.61
  7   0.35   16   0.65
  8   0.35   18   0.67
  9   0.35   30   ∞
  10   0.48   10   0.78
  11   0.71   8   ∞
随后，将多个网孔层组安装在上、下扁平壳体之间(参见图14)，而且通过变性的(denatured)丙烯酸二元粘合剂(HARDLOCTH，日本DENKA制造)将扁平壳体密封，且留下工作流体注入孔。此时，厚度为0.2mm的无氧化铜板用于扁平壳体，并且该扁平壳体的长度为80mm、宽度为70mm。
在如上所述密封扁平壳体之后，利用旋转式真空泵和扩散式真空泵将扁平壳体的内部减压至1.0×10-7托，在扁平壳体中填充0.23cc的蒸馏水作为工作流体，然后最终密封扁平壳体，从而制备十一个平板传热装置的样品。
在制成每个平板传热装置后，如下所述测量每个装置的传热性能，并且在表1的热阻栏中示出测量结果。
首先，长度为30mm且宽度为30mm的铜块热源附着在传热装置的上部。两个用于供热的筒式(cartridge-type)加热器(50W，240V)安装在铜块中。热电偶附着在铜块的表面上，以测量铜表面的温度。由铜制成的散热片(finheatsink)附着在传热装置的下部，从而可用作散热单元。
通过使用这种结构，工作流体沿着与重力相反的方向返回其初始位置，并且可对每个传热装置比较评估工作流体的返回能力。散热片具有与传热装置相同的长度和宽度。
在具体实例中，通过筒式加热器总共供应90W的热容量。之后，在周围温度为22℃的条件下，测量铜块的表面温度。接着，基于铜块的表面温度与周围温度之差计算热阻(R[℃/W])。
表1中示出每个传热装置的热阻。实验结果为，线直径为0.35mm且网孔数为14时热阻最小。当线直径为0.35mm时，随着网孔数增加为大于14或者减少为小于14，热阻增加。
当线直径为0.35mm时，如果网孔数减少为小于14，则蒸汽通道的面积几何性地增加。然而，热阻的增加是由以下原因引起的：由于形成在粗网孔层区的楔形液体膜占据的面积一起增加，因此蒸汽通道的纯面积基本上不增加，但是由于网孔数的减少而导致粗网孔层的传热能力下降。由此，可以理解粗网孔层的材料影响传热装置的性能。因此，在构成传热装置时，粗网孔层优选由金属制成。
此外，当线直径为0.35mm时，如果网孔数增加为大于14，则热阻增加，这是因为：随着由蒸汽通道的减少引起的流阻的增加，热阻的增加量远远大于通过粗网孔层的导热性引起的传热能力的增加量。
特别地，如果线直径为0.2mm且网孔数为50，则铜表面的温度持续增加，从而不能给出结果。这是因为蒸汽通道过分减少，从而蒸汽没有扩散到平板传热装置的所有部分，所以蒸汽没有冷凝。
通过这些实验结果，发明人可以根据粗网孔层的网孔数和线直径的变化类推平板传热装置的性能，并发现如果粗网孔层具有0.2mm至0.4mm的线直径和10至20个网孔，则平板传热装置可提供作为实际冷却装置的有效功能。
下面，发明人通过比较根据第一实施例与根据第二实施例的平板传热装置的传热性能，检验平板传热装置的传热性能与网孔层组的结构之间的关系。
实验2
发明人为了检验根据本发明的平板传热装置的效果，制作了长度为150mm、宽度为50mm、高度为2.25mm的平板传热装置(下面称为样品1)。扁平壳体通过结合分别制备的上、下扁平壳体构成，且由厚度为0.1mm的铜箔制成。
利用铜含量至少为99％的铜筛网，将要安装在扁平壳体中的网孔层组如图7所示层叠。粗网孔层使用由铜制成的筛网，且该筛网中线直径为0.35mm、层厚为0.74mm、网孔数为14。此外，细网孔层使用由铜制成的筛网，且该筛网中线直径为0.11mm、层厚为0.24mm、网孔数为100。
为将样品1用于本实验中，首先将网孔层组安装在上下壳体之间，并通过变性的丙烯酸二元粘合剂(HARDLOCTH，日本DENKA制造)将扁平壳体密封，且留下工作流体注入孔。
之后，使用旋转式真空泵和扩散式真空泵将扁平壳体的内部减压至1.0×10-7托，将3.91cc的蒸馏水填充到扁平壳体中作为工作流体，然后将扁平壳体最终密封。
同时，为了比较如上述制造的平板传热装置的性能，制造简单层叠粗网孔层和细网孔层的平板传热装置(以下称为样品2)。用于制造样品2的粗网孔层和细网孔层与样品1的相同。除了样品2的厚度为1.35mm和工作流体的填充量为3.12cc之外，以与样品1相同的方式制造样品2。
在如上述制备样品1和2之后，分别在样品1和2的上表面上安装散热片，该散热片的下表面长度为80mm、宽度为61mm，而且该散热片的高度为40mm，然后在该散热片上安装冷却风扇。此外，长宽分别为31mm的铜块热源附着在每个样品1和2的下表面。然后，利用热容量为70W的热源，以相同的环境条件和恒定的风扇速度测量热源的表面温度。
作为实验结果，发现当周围温度为25℃时，对于样品2，热源温度为69℃，对于样品1，热源温度为58℃。这表明细网孔层和粗网孔层交替层叠时平板传热装置的性能提高。
通过上述实验，可以理解，如果像根据第二实施例的平板传热装置那样交替层叠粗网孔层和细网孔层，则在多个粗网孔层中同时在许多位置进行蒸发的工作流体的扩散，并且粗网孔层引起冷凝的工作流体经由粗网孔层迅速返回，从而提高传热性能
工业应用
根据本发明的一个方案，扁平壳体中粗网孔层和细网孔层(或毛细结构)的层叠通过毛细力促使工作流体垂直流动，从而可将冷凝的工作流体迅速而平稳地供应至热源附近。
根据本发明的另一个方案，可以在网孔层组中同时在许多位置引起工作流体的蒸发和扩散。特别地，由于在交替层叠的筛网中可确保较大的表面积用于工作流体的蒸发和冷凝，因而使平板传热装置的传热性能最大化。
根据本发明的又一个方案，由于网孔层组支撑扁平壳体，因此即使受到机械撞击也可以防止平板传热装置变形。
如前已详细描述了本发明。然而应该理解，由于对于本领域的技术人员而言，落入本发明的精神和范围内的各种改变和修改通过详细说明即可变得很明显，因此表明本发明优选实施例的详细说明和具体实例仅为说明目的而给出。

Claims (31)

1.一种平板传热装置，包括：
导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及
网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有细网孔层和粗网孔层彼此相对层叠的结构；
其中，该粗网孔层为具有0.20mm至0.40mm的线直径和10至20个网孔的筛网。
2.根据权利要求1所述的平板传热装置，其中，还包括另一细网孔层，其与该细网孔层相对并与该粗网孔层接触，该粗网孔层夹在上述两个细网孔层之间。
3.根据权利要求1或2所述的平板传热装置，
其中，该细网孔层为0.03mm至0.13mm的直径的网孔线编织而成的筛网，或者为具有80至400个网孔的筛网。
4.根据权利要求1或2所述的平板传热装置，
其中，该粗网孔层由金属材料制成。
5.一种平板传热装置，包括：
导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及
网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有细网孔层和粗网孔层彼此相对层叠的结构；
其中，该粗网孔层为由金属材料制成且具有0.20mm至0.40mm的线直径和10至20个网孔的筛网，并且提供蒸汽的扩散路径，并通过毛细力提供液体沿水平和垂直方向的流动路径。
6.一种平板传热装置，包括：
导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及
网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有毛细结构和粗网孔层彼此相对层叠的结构；
其中，该粗网孔层为具有0.20mm至0.40mm的线直径和10至20个网孔的筛网。
7.根据权利要求6所述的平板传热装置，其中，还包括另一毛细结构，其与该毛细结构相对并与该粗网孔层接触，该粗网孔层夹在上述两个毛细结构之间。
8.根据权利要求6或7所述的平板传热装置，
其中，该毛细结构由烧结铜、不锈钢、铝或者镍粉制成。
9.根据权利要求6或7所述的平板传热装置，
其中，该毛细结构是通过蚀刻聚合物、硅、二氧化硅、铜、不锈钢、镍或者铝板而制成。
10.根据权利要求6或7所述的平板传热装置，
其中，该粗网孔层由金属材料制成。
11.一种平板传热装置，包括：
导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及
网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有毛细结构和粗网孔层彼此相对层叠的结构；
其中，该粗网孔层为由金属材料制成且具有0.20mm至0.40mm的线直径和10至20个网孔的筛网，并且提供蒸汽的扩散路径，并通过毛细力提供液体沿水平和垂直方向的流动路径。
12.一种平板传热装置，包括：
导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及
网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有多个细网孔层和多个粗网孔层重复地交替层叠的结构。
13.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，该粗网孔层为0.2mm至0.4mm的直径的网孔线编织而成且具有10至20个网孔的筛网。
14.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，该细网孔层为0.03mm至0.13mm的直径的网孔线编织而成的筛网，或者为具有80至400个网孔的筛网。
15.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，所述细网孔层和粗网孔层交替层叠且相互接触。
16.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，该网孔层组具有从下至上依次层叠为细网孔层、粗网孔层、细网孔层、粗网孔层以及细网孔层的结构。
17.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，该网孔层组具有从下至上依次层叠为细网孔层、粗网孔层、细网孔层以及粗网孔层的结构。
18.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，该网孔层组具有从下至上依次层叠为至少两个细网孔层、粗网孔层、细网孔层以及粗网孔层的结构。
19.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，该网孔层组具有从下至上依次层叠为至少两个细网孔层、粗网孔层、细网孔层、粗网孔层以及至少两个细网孔层的结构。
20.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，所述细网孔层提供液体的流动路径。
21.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，所述粗网孔层同时提供液体的流动路径和蒸汽的扩散路径。
22.根据权利要求1至12中的任一项所述的平板传热装置，
其中，该扁平壳体由电解铜箔制成；并且
该电解铜箔的不平坦表面构成该扁平壳体的内表面。
23.根据权利要求12所述的平板传热装置，
其中，所述粗网孔层和细网孔层由网孔线编织而成，所述网孔线由金属、聚合物、塑料或者玻璃纤维制成。
24.根据权利要求1至23中的任一项所述的平板传热装置，
其中，该扁平壳体由金属、导热聚合物、涂有导热聚合物的金属、或者导热塑料制成。
25.根据权利要求24所述的平板传热装置，
其中，该金属为铜、铝、不锈钢、钼、或者它们的合金。
26.根据权利要求1至23中的任一项所述的平板传热装置，
其中，该扁平壳体利用从激光焊接、等离子体焊接、钨惰性气体焊接、超声波焊接、铜焊接、焊料焊接以及热压层叠构成的集合中选择的方式密封。
27.根据权利要求1至23中的任一项所述的平板传热装置，
其中，该工作流体从水、甲醇、乙醇、丙酮、氨、CFC工作流体、HCFC工作流体、HFC工作流体、以及它们的混合物构成的集合中选择。
28.一种平板传热装置，包括：
导热扁平壳体，安装在热源与散热单元之间，并包含工作流体，该工作流体通过从该热源吸收热量而蒸发，通过将热量散发到该散热单元而冷凝；以及
网孔层组，安装在该扁平壳体中，并具有毛细结构和粗网孔层重复地交替层叠且相互接触的结构，其中该毛细结构用于通过毛细力提供液体的流动路径，该粗网孔层用于提供蒸汽的扩散路径，同时通过毛细力提供液体的流动路径。
29.根据权利要求28所述的平板传热装置，
其中，该毛细结构由烧结铜、不锈钢、铝或者镍粉制成。
30.根据权利要求28所述的平板传热装置，
其中，该毛细结构是通过蚀刻聚合物、硅、二氧化硅、铜、不锈钢、镍或者铝板而制成。
31.根据权利要求28所述的平板传热装置，
其中，该毛细结构或该粗网孔层不少于两层结构。
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