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Querverweis auf verwandte
Anmeldungen
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Diese
Anmeldung ist eine Teilfortsetzungs-Anmeldung ("continuation-in-part")
der US-Anmeldung 10/607,337, eingereicht am 26. Juni 2003.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Vorrichtungen für
den Wärmetransport, die auf Kapillarwirkung als Transportmechanismus
beruhen, und insbesondere auf Dochtmaterialien für solche Vorrichtungen.
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Hintergrund der Erfindung
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Man
hat den Vorschlag gemacht, dass ein Computer eine thermodynamische
Maschine ist, die Entropie aus Daten aufnimmt, diese Entropie in
Wärme verwandelt und die Wärme in die Umgebung
entlässt. Die Möglichkeiten der Wärmeprozessierungstechnologie
des Standes der Technik, diese Abwärme zu vernünftigen
Kosten aus Halbleiterschaltkreisen und in die Umgebung zu führen,
begrenzt die Dichte und die Taktrate elektronischer Systeme.
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Eine
typische Eigenschaft von Vorrichtungen für den Wärmetransport
für elektronische Systeme liegt darin, dass die Atmosphäre
die letztendliche Kühlfläche (das Wärmeaufnahme-System)
der Wahl ist. Luftkühlung gibt den Herstellern Zugang zu
dem breitesten Anwendungsmarkt. Eine andere typische Eigenschaft
von Vorrichtungen für den Wärmetransport bei heutigen
elektronischen Artikeln liegt darin, dass der Halbleiterchip mit
einem passiven Verteiler oder einem solchen Expansionsring oder
mit einer aktiven Wärmetransport-Einrichtung thermisch
in Kontakt steht, welch letzterer) die Wärme von dem Chip
zu einer Rippe oder einem Grat führt, von denen es verschiedene
Arten gibt. Diese Rippen oder Grate leiten Wärme über
natürliche oder erzwungene Konvektion in die Atmosphäre.
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Da
die von Halbleitereinrichtungen abzuführende Leistung bzw.
Energie mit der Zeit zunimmt, entsteht ein Problem: Über
die Zeit hinweg wird die thermische Leitfähigkeit (der
thermische Leitwert) der verfügbaren Materialien zu gering,
um die Wärme von der Halbleitereinrichtung mit annehmbar
niedrigem Temperaturabfall zu den Rippen oder Graten zu führen.
Die thermische Leistungsdichte, die aus den Halbleitereinrichtungen
austritt, wird so hoch, dass eine Verteilertechnologie, die auf
Kupfer, Silber oder sogar Gold basiert, ungeeignet ist.
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Eine
Technologie, die sich bei diesen Bemühungen als segensreich
erwiesen hat, ist der Wärmehohlleiter oder das Wärmerohr.
Ein Wärmehohlleiter (nachstehend in der Regel als Wärmerohr
bezeichnet) umfasst eine abgedichtete Hülle, die eine Innenkammer
umgrenzt, welche einen Kapillardocht und ein Arbeitsfluid aufweist.
Letzteres ist in der Lage, innerhalb eines gewünschten
Betriebstemperatur-Bereichs sowohl einen flüssigen Zustand
als auch einen Dampfzustand anzunehmen. Wenn ein Teil der Kammer
relativ hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wirkt dieser als Verdampfungs-Abschnitt.
Das Arbeitsfluid wird in dem Verdampfer-Abschnitt verdampft, was
einen geringen Druckanstieg verursacht, und dies erzwingt seinerseits,
dass der Dampf sich in Richtung eines Kammerabschnitts mit relativ
geringerer Temperatur bewegt, der als Kondensator-Abschnitt wirkt. Der
Dampf wird in dem Kondensator-Abschnitt kondensiert und kehrt durch
eine kapilläre Pumpwirkung durch den Kapillardocht hindurch
in den Verdampfungs-Abschnitt zurück. Da der Betrieb eines
Wärmerohrs auf dem Prinzip von Phasenänderungen
und nicht auf den Prinzipien von Leitung oder Konvektion beruht,
ist ein Wärmerohr (ein Wärmehohlleiter) theoretisch
in der Lage, Wärme in einem wesentlich höheren
Ausmaß zu übertragen als gängige Wärmeübertragungssysteme.
Demzufolge sind Wärmerohre dafür eingesetzt worden,
verschiedene Arten von stark wärmeerzeugenden Vorrichtungen
zu kühlen, beispielsweise elektronische Ausrüstungsgegenstände
(siehe beispielsweise die
U.S.-Patente 3,613,778 ;
4,046,190 ;
4,058,299 ;
4,109,709 ;
4,116,266 ;
4,118,756 ;
4,186,796 ;
4,231,423 ;
4,274,479 ;
4,366,526 ;
4,503,483 ;
4,697,205 ;
4,777,561 ;
4,880,052 ;
4,912,548 ;
4,921,041 ;
4,931,905 ;
4,982,274 ;
5,219,020 ;
5,253,702 ;
5,268,812 ;
5,283,729 ;
5,331,510 ;
5,333,470 ;
5,349,237 ;
5,409,055 ;
5,880,524 ;
5,884,693 ;
5,890,371 ;
6,055,297 ;
6,076,595 ; und
6,148,906 ). Das Strömen des
Dampfes und der Kapillarstrom der Flüssigkeit innerhalb
des Systems werden beide durch Druckgradienten erzeugt, die durch
die Wechselwirkung zwischen natürlich auftretenden Druckdifferenzen
innerhalb des Wärmerohrs hervorgerufen werden. Diese Druckdifferenzen
beseitigen die Notwendigkeit, die Systemflüssigkeit von
außen umzupumpen. Darüber hinaus führt
das Vorhandensein von Flüssigkeit und Dampf im Gleichwicht
unter Vakuumbedingungen zu höheren thermischen Wirkungsgraden.
Um die Wirksamkeit von Wärmehohlleitern (Wärmerohren)
zu steigern, sind in der Vergangenheit verschiedene Dochtstrukturen
entwickelt worden, um den Transfer von Flüssigkeit zwischen den
Kondensator- und Verdampfungs-Abschnitten zu beschleunigen und außerdem
die Leistung der thermischen Übertragung zwischen dem Docht
und seiner Umgebung zu vergrößern. Darunter befinden sich
längs erstreckende parallele Vertiefungen und das nach
dem Zufallsprinzip erfolgende Einkerben oder Einritzen der inneren
Rohroberfläche. Außerdem offenbart der Stand der
Technik die Verwendung einer Dochtstruktur, die an der inneren Rohrwand
unbeweglich befestigt ist. Die Zusammensetzungen und Geometrien
dieser Dochte schlossen ein gleichmäßiges, feinmaschiges
Netz und gesinterte Metalle ein. Dochte aus gesinterten Metallen
umfassen im Allgemeinen eine Mischung aus Metallteilchen, die auf
eine ausreichende Temperatur erhitzt wurden, um das Zusammenschmelzen
oder Verschweißen benachbarter Teilchen an ihren entsprechenden
Kontaktpunkten zu bewirken. Das gesinterte Metallpulver bildet dann
eine poröse Struktur mit Kapillareigenschaften. Obwohl
gezeigt werden konnte, dass gesinterte Dochte des Standes der Technik
ausreichende Wärmeübertragungseigenschaften besitzen,
führen die (nur) winzigen Grenzflächen zwischen
den Teilchen, an denen Metall mit Metall verschmolzen ist, dazu,
dass die Leitung der thermischen Energie durch den Docht beschränkt
ist. Das hat die Brauchbarkeit gesinterter Dochte in der Vergangenheit
eingeschränkt.
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Vorrichtungen
des Standes der Technik leiden unter dem allgemeinen Fehler, dass
sie das optimale ihnen innewohnende Wärmetransport-Potential,
das auf Basis eines gegebenen Wärmerohrs verfügbar
wäre, nicht vollständig umsetzen, auch wenn sie
den vorgesehenen Zweck einigermaßen erfüllen können.
Bis heute hat niemand eine Dochtstruktur für ein Wärmerohr
vorgeschlagen, die ausreichend einfach erzeugt werden kann und doch
optimale Wärmeübertragungseigenschaften für
das Wärmerohr zur Verfügung stellt, in welchem
es eingesetzt werden soll.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Kapillarstruktur für
eine Vorrichtung für den Wärmetransport bereit,
umfassend eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich einer
ersten Teilchenart und einer zweiten Teilchenart. Die vielen Teilchen
sind durch eine Lötverbindung so miteinander verbunden,
dass Stege der Lötverbindung zwischen benachbarten Teilchen der
Mehrzahl von Teilchen gebildet werden, wodurch ein Netzwerk von
kapillären Durchtrittskanälen zwischen den Teilchen
gebildet wird. Die erste Teilchenart und die zweite Teilchenart
sind innerhalb der Kapillarstruktur jeweils in homogenen Schichten
angeordnet.
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In
einer alternativen Ausführungsform wird eine Dochtstruktur
für ein Wärmerohr bereitgestellt, umfassend eine
Mehrzahl von Teilchen, die einen ersten Durchmesser und einen zweiten
Durchmesser aufweisen. Die vielen Teilchen sind beispielsweise durch
Sintern oder Löten miteinander verbunden, um ein Netzwerk
aus kapillären Durchtrittskanälen zwischen den
Teilchen zu bilden. Die Teilchen mit dem ersten Durchmesser sind
innerhalb einer ersten, homogenen Schicht angeordnet, und die Teilchen
mit dem zweiten Durchmesser sind innerhalb einer zweiten, homogenen
Schicht angeordnet, um die Wärmetransporteigenschaften
des Dochts zu steigern.
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In
einer anderen alternativen Ausführungsform wird ein Wärmerohr
bereitgestellt, umfassend ein abgedichtetes Gehäuse mit
einer inneren Oberfläche und einem Arbeitsfluid, das innerhalb
des Gehäuses angeordnet ist. Eine Dochtstruktur ist auf
der inneren Oberfläche angebracht und umfasst eine Mehrzahl
von Teilchen einschließlich einer ersten Teilchenart und
einer zweiten Teilchenart. Die vielen Teilchen sind mit Hilfe einer
Lötverbindung so miteinander verbunden, dass Stege der
Lötverbindung zwischen benachbarten Teilchen der Mehrzahl
von Teilchen gebildet werden, wodurch ein Netzwerk von kapillären
Durchtrittskanälen zwischen den Teilchen gebildet wird.
Die erste Teilchenart und die zweite Teilchenart sind jeweils in
homogenen Schichten innerhalb der Dochtstruktur angeordnet.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird eine kapilläre
Struktur für eine Wärmetransport-Vorrichtung bereitgestellt,
umfassend eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich einer
ersten Teilchenart und einer zweiten Teilchenart. Die vielen Teilchen
sind so miteinander verbunden, dass ein Netzwerk aus kapillären
Durchtrittskanälen zwischen den Teilchen gebildet wird.
Die erste Teilchenart und die zweite Teilchenart sind jeweils in
homogenen Schichten innerhalb der kapillären Struktur angeordnet,
und mehrere Dampfkanäle sind durch die kapilläre
Struktur hindurch ausgebildet bzw. werden von dieser begrenzt.
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In
einer anderen Ausführungsform wird eine kapilläre
Struktur für eine Wärmeübertragungs-Vorrichtung
bereitgestellt, umfassend eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich
einer ersten Teilchenart mit einem ersten Durchmesser und einer
zweiten Teilchenart mit einem zweiten Durchmesser. Die vielen Teilchen
sind mit Hilfe einer Lötverbindung miteinander verbunden,
derart, dass Stege der Lötverbindung zwischen benachbarten
Teilchen unter den vielen Teilchen gebildet werden, wodurch ein
Netzwerk von kapillären Durchtrittskanälen zwischen
den Teilchen entsteht. Eine Mehrzahl von geschlossenendigen Bohrungen
(Sacklöchern) sind durch die kapilläre Struktur
hindurch ausgebildet bzw. werden von dieser begrenzt, derart, dass
jedes Sackloch ein geschlossenes Ende besitzt, das durch eine Teilchenschicht
gebildet wird, die mindestens eine (Längen-)Abmessung besitzt,
die nicht größer als ungefähr sechs durchschnittliche
Teilchendurchmesser mindestens einer unter der ersten Teilchenart
und der zweiten Teilchenart ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird eine kapilläre
Struktur für eine Wärmeübertragungs-Vorrichtung
bereitgestellt, die eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich
einer ersten Teilchenart mit einem ersten Durchmesser und einer
zweiten Teilchenart mit einem zweiten Durchmesser umfasst. Die vielen
Teilchen sind so miteinander verbunden, dass ein Netzwerk von kapillären
Durchtrittskanälen zwischen den Teilchen gebildet wird.
Eine Mehrzahl von geschlossenendigen Bohrungen (Sacklöchern)
ist innerhalb der kapillären Struktur ausgebildet bzw.
wird von dieser begrenzt, derart, dass jedes Sackloch ein geschlossenes
Ende besitzt, das durch eine Teilchenschicht gebildet wird, die
mindestens eine (Längen-)Abmessung aufweist, die nicht
größer als etwa sechs durchschnittliche Teilchendurchmesser
mindestens einer unter der ersten Teilchenart und der zweiten Teilchenart
ist.
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In
einer nochmals anderen Ausführungsform wird ein Wärmehohlleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das aus einem hermetisch
abgedichteten und teilweise evakuierten Gehäuse gebildet
ist, welches innere Oberflächen aufweist. Eine Dochtstruktur
ist auf mindestens einer der inneren Oberflächen angeordnet
und umfasst eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich einer
ersten Teilchenart und einer zweiten Teilchenart. Die vielen Teilchen
sind so miteinander verbunden, dass ein Netzwerk aus kapillären
Durchtrittskanälen zwischen den Teilchen gebildet wird.
Die erste Teilchenart und die zweite Teilchenart sind jeweils in
homogenen Schichten innerhalb der Dochtstruktur angeordnet. Ein
zweiphasiges Fluid befindet sich zumindest teilweise innerhalb eines
Teils der Dochtstruktur.
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In
einer anderen Ausführungsform wird ein Wärmehohlleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das von einem hermetisch
verschlossenen und teilweise evakuierten Gehäuse mit inneren
Oberflächen gebildet wird. Eine Dochtstruktur ist auf mindestens
einer der inneren Oberflächen angeordnet und umfasst eine
Mehrzahl von Teilchen einschließlich einer ersten Teilchenart
mit einem ersten Durchmesser und einer zweiten Teilchenart mit einem
zweiten Durchmesser. Die vielen Teilchen sind so miteinander verbunden,
dass ein Netzwerk aus kapillären Durchtrittskanälen
zwischen den Teilchen gebildet wird. Die erste Teilchenart und die
zweite Teilchenart sind jeweils in homogenen Schichten innerhalb
der Dochtstruktur angeordnet, und eine Mehrzahl von geschlossenendigen
Bohrungen (Sacklöchern) ist innerhalb der kapillären
Struktur ausgebildet bzw. wird von dieser begrenzt, derart, dass
jedes Sackloch ein geschlossenes Ende besitzt, welches eine Teilchenschicht
aufweist, die mindestens eine Abmessung besitzt, die nicht größer
als etwa sechs durchschnittliche Teilchendurchmesser mindestens
einer der ersten und der zweiten Teilchenart ist. Ein zweiphasiges Fluid
befindet sich zumindest teilweise innerhalb eines Teils der Dochtstruktur.
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In
einer alternativen Ausführungsform wird ein Wärmehohlleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das durch ein hermetisch
abgedichtetes und teilweise evakuiertes Gehäuse mit inneren
Oberflächen gebildet wird. Eine Dochtstruktur befindet
sich auf mindestens einer der inneren Oberflächen und umfasst
eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich einer ersten
Teilchenart und einer zweiten Teilchenart. Die vielen Teilchen sind
derart untereinander verbunden, dass ein Netzwerk aus kapillären
Durchtrittskanälen zwischen den Teilchen gebildet wird.
Die erste Teilchenart und zweite Teilchenart sind jeweils in homogenen
Schichten innerhalb der Dochtstruktur angeordnet, und mindestens
ein Dampfkanal erstreckt sich durch die Dochtstruktur hindurch.
Ein zweiphasiges Fluid befindet sich zumindest teilweise innerhalb eines
Teils der Dochtstruktur.
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In
einer wiederum anderen Ausführungsform wird ein Wärmehohlleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das in einem abgedichteten
und teilweise evakuierten rohrförmigen Gehäuse
mit einer inneren Oberfläche ausgebildet ist, die von einer
gelöteten Dochtstruktur bedeckt ist. Die gelötete
Dochtstruktur umfasst eine Mehrzahl von Kupferteilchen einschließlich
einer ersten Teilchenart mit einem ersten Durchmesser und einer
zweiten Teilchenart mit einem zweiten Durchmesser. Die Teilchen
sind mit Hilfe einer Lötverbindung untereinander verbunden,
die aus etwa fünfundsechzig Gewichtsprozent Kupfer und
fünfunddreißig Gewichtsprozent Gold besteht, derart,
dass Stege der Lötverbindung zwischen benachbarten Teilchen
unter den vielen Teilchen ausgebildet sind, wodurch ein Netzwerk
kapillärer Durchtrittskanäle zwischen den Teilchen
entsteht. Die erste Teilchenart und die zweite Teilchenart sind
jeweils in homogenen Schichten innerhalb der Dochtstruktur angeordnet.
Ein Arbeitsfluid befindet sich innerhalb des rohrförmigen
Gehäuses, damit das Wärmerohr arbeiten kann.
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In
einer anderen Ausführungsform wird ein Wärmehohlleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das in einem abgedichteten
und teilweise evakuierten rohrförmigen Gehäuse
mit einer inneren Oberfläche ausgebildet ist, die von einer
gelöteten Dochtstruktur bedeckt ist. Die gelötete
Dochtstruktur umfasst eine Mehrzahl von Kupferteilchen einschließlich
einer ersten Teilchenart mit einem ersten Durchmesser und einer
zweiten Teilchenart mit einem zweiten Durchmesser. Die Teilchen
sind mit Hilfe einer Lötverbindung untereinander verbunden,
die aus ungefähr fünfundsechzig Gewichtsprozent
Kupfer und fünfunddreißig Gewichtsprozent Gold
besteht, derart, dass Stege der Lötverbindung zwischen benachbarten
Teilchen unter der Mehrzahl von Teilchen ausgebildet sind, wodurch
ein Netzwerk von kapillären Durchtrittskanälen
zwischen den Teilchen entsteht. Die erste Teilchenart und die zweite
Teilchenart sind jeweils in homogenen Schichten innerhalb der Dochtstruktur
angeordnet, und eine Mehrzahl von Dampfkanälen ist durch
die Dochtstruktur hindurch ausgebildet bzw. wird von dieser begrenzt. Ein
Arbeitsfluid befindet sich innerhalb des rohrförmigen Gehäuses,
damit das Wärmerohr arbeiten kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird ein Wärmehohlleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das in einem abgedichteten
und teilweise evakuierten Gehäuse mit einer inneren Oberfläche
ausgebildet ist. Eine Dochtstruktur befindet sich auf der inneren
Oberfläche und umfasst eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich
einer ersten Teilchenart, einer zweiten Teilchenart und einer dritten
Teilchenart. Die erste Teilchenart, die zweite Teilchenart und die
dritte Teilchenart sind jeweils in homogenen Schichten innerhalb
der Dochtstruktur angeordnet, und ein Arbeitsfluid befindet sich
innerhalb des Gehäuses, damit das Wärmerohr arbeiten
kann.
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In
einer wiederum alternativen Ausführungsform wird ein Wärmehohlleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das in einem abgedichteten
und teilweise evakuierten Gehäuse mit einer inneren Oberfläche
ausgebildet ist. Eine Dochtstruktur befindet sich auf der inneren
Oberfläche und umfasst eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich
einer ersten Teilchenart, einer zweiten Teilchenart und einer dritten
Teilchenart. Die erste Teilchenart, die zweite Teilchenart und die
dritte Teilchenart sind jeweils in homogenen Schichten innerhalb
der Dochtstruktur angeordnet. Mindestens ein Dampfkanal ist innerhalb eines
Teils der Dochtstruktur ausgebildet bzw. wird von dieser begrenzt,
und ein Arbeitsfluid befindet sich innerhalb des Gehäuses,
damit das Wärmerohr arbeiten kann.
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In
einer zusätzlichen Ausführungsform wird ein Wärmeholleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das in einem abgedichteten
und teilweise evakuierten rohrförmigen Gehäuse
mit einer inneren Oberfläche ausgebildet ist, die von einer
gelöteten Dochtstruktur bedeckt ist. Die gelötete
Dochtstruktur umfasst eine Mehrzahl von Teilchen einschließlich
einer ersten Teilchenart mit einem ersten Durchmesser und einer
zweiten Teilchenart mit einem zweiten Durchmesser. Die erste Teilchenart
und die zweite Teilchenart sind mit Hilfe einer Lötverbindung
untereinander verbunden, derart, dass Stege der Lötverbindung
zwischen benachbarten Teilchen unter diesen Teilchen ausgebildet
sind, wodurch ein Netzwerk von kapillären Durchtrittskanälen
zwischen den Teilchen gebildet wird. Das Gehäuse ist an
einem ersten Ende abgedichtet. Ein Bodenteil ist dichtend mit einem zweiten
Ende des Gehäuses verbunden, so dass eine innere Oberfläche
innerhalb des Gehäuses gebildet wird. Die Dochtstruktur
ist auf dem Bodenteil ausgebildet und umfasst die Teilchen der ersten
Art und die Teilchen der zweiten Art, die jeweils in homogenen Schichten
innerhalb der Dochtstruktur angeordnet sind. Ein Arbeitsfluid befindet
sich innerhalb des Gehäuses, und mindestens eine Rippe
oder ein Grat erstreckt sich von einer äußeren
Oberfläche des rohrförmigen Gehäuses
ausgehend radial nach außen.
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In
einer anderen Ausführungsform wird ein Wärmerohrleiter
(ein Wärmerohr) bereitgestellt, der/das in einem abgedichteten
und teilweise evakuierten, rohrförmigen Gehäuse
mit einer inneren Oberfläche ausgebildet ist, die von einer
Dochtstruktur bedeckt ist. Die Dochtstruktur umfasst eine Mehrzahl von
Teilchen einschließlich einer ersten Teilchenart und einer
zweiten Teilchenart. Die erste und die zweite Teilchenart sind so
miteinander verbunden, dass sich ein Netzwerk aus kapillären
Durchtrittskanälen zwischen den Teilchen bildet. Das Gehäuse
ist an einem ersten Ende verschlossen, und ein Bodenteil ist dichtend
an einem zweiten Teil des Gehäuses befestigt, derart, dass
eine Innenoberfläche innerhalb des Gehäuses gebildet
wird. Die Dochtstruktur ist auf dem Bodenteil ausgebildet und umfasst
die Teilchen der ersten Art und die Teilchen der zweiten Art, jeweils
in homogenen Schichten innerhalb der Dochtstruktur angeordnet, wobei
mindestens ein Dampfkanal durch einen Teil der Dochtstruktur hindurchgehend
ausgebildet ist bzw. von diesem begrenzt wird. Ein Arbeitsfluid
befindet sich innerhalb des Gehäuses, und mindestens eine
Rippe oder ein Grat erstreckt sich ausgehend von einer äußeren Oberfläche
des rohrförmigen Gehäuses radial nach außen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen
in der nachfolgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung detaillierter offenbart werden oder dadurch offensichtlich
werden, wobei diese bevorzugten Ausführungsformen zusammen
mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten sind, worin gleiche
Bezugszeichen auf gleiche Teile hinweisen und worin weiterhin:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines typischen Wärmerohr-Gehäuses
von der Art ist, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird;
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2 eine
perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten
Wärmerohr-Gehäuses ist;
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3 eine
Ansicht im Querschnitt des in 2 gezeigten
Wärmerohrs ist;
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4 eine
stark vergrößerte Ansicht eines Teils einer gelöteten
Dochtstruktur im Querschnitt ist, die gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet
ist;
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5 eine
weggebrochene perspektivische Ansicht ist, die in hohem Ausmaß vergrößert
wurde, um deutlich Metallteilchen und Stege darzustellen, die eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
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6 eine
stark vergrößerte, der 5 ähnliche
Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer gelöteten
Dochtstruktur ist, die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist;
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7 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines Wärmerohr-Gehäuses
mit einer alternativen Ausführungsform der gelöteten
Dochtstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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8 eine
Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 8-8 in 7 ist;
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9 eine
nochmals alternative Ausführungsform eines Wärmerohr-Gehäuses
ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet
ist;
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10 eine
Querschnitts-Ansicht des in 9 gezeigten
Wärmerohr-Gehäuses ist, und zwar entlang der Linie
10-10 in 9;
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11 eine
stark vergrößerte Ansicht eines Teils einer gelöteten
Dochtstruktur ist, die auf der Wand des in 10 gezeigten
Wärmerohrs angeordnet ist;
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12 eine
perspektivische Querschnittsdarstellung eines turmförmigen
Wärmerohrs mit einer gelöteten Dochtstruktur ist,
die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet
ist;
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13 eine
stark vergrößerte Oberflächenansicht
einer gelöteten Dochtstruktur ist, mit der die vorderen
Oberflächen des in 12 gezeigten
turmförmigen Wärmerohrs bedeckt sind;
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14 eine
alternative Ausführungsform eines turmförmigen
Wärmerohrs mit einer Nuten oder Vertiefungen aufweisenden,
bodenseitigen Dochtstruktur ist, die gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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15 eine
stark vergrößerte Oberflächenansicht
einer gelöteten Dochtstruktur ist, die gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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16 eine
weggebrochene Querschnittsansicht der die Nuten oder Vertiefungen
aufweisenden Dochtstruktur ist, die in den 7, 8 und 14 gezeigt
ist;
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17 eine
stark vergrößerte Ansicht eines Teils der die
Vertiefungen oder Nuten aufweisenden, gelöteten Dochtstruktur
im Querschnitt ist, die in den 7, 8, 14 und 16 gezeigt
ist;
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18 die
endseitige Ansicht eines Formkerns ist, der bei der Herstellung
einer Vertiefungen oder Nuten aufweisenden, gelöteten Dochtstruktur gemäß der
vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt;
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19 eine
weitere alternative Ausführungsform eines turmförmigen
Wärmerohrs mit Dampfkanälen ist, die in einer
Dochtstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet sind;
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die 20 bis 30 eine
Gruppe von Ansichten von oben und von perspektivischen Schnittansichten
einer Anzahl möglicher Dochtstrukturen mit Dampfkanälen
ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet
sind;
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31 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines Wärmerohr-Wärmeverteilers
ist, der eine Dochtstruktur mit Dampfkanälen aufweist,
ausgebildet gemäß der vorliegenden Erfindung;
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32 eine
perspektivische Ansicht des in 31 gezeigten
Wärmerohr-Wärmeverteilers in zusammengebautem
Zustand ist;
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die 33 bis 35 Ansichten
einer weiteren Anzahl von Mustern für Dampfkanäle
sind, und zwar gezeigt von oben, die in Verbindung mit gemäß der
vorliegenden Erfindung gebildeten Dochtstrukturen verwendet werden
können;
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36 eine
weggebrochene Ansicht einer alternativen Ausführungsform
einer Dochtstruktur im Querschnitt ist, die eine gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgebildete, abgestufte, gelötete Dochtstruktur
aufweist;
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37 eine
weggebrochene, im Querschnitt gezeigte, der 36 ähnliche,
perspektivische Ansicht ist, die eine abgestufte gesinterte Dochtstruktur zeigt;
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38 eine
weggebrochene Ansicht einer alternativen abgestuften Dochtstruktur
ist, gezeigt im Querschnitt;
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39 eine
weggebrochene perspektivische Ansicht einer Dochtstruktur ist, die
im Querschnitt dargestellt ist und eine Vielzahl von zylindrischen
Teilchen aufweist;
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40 eine
weggebrochene Ansicht einer nochmals alternativen Ausführungsform
einer Dochtstruktur ist, die im Querschnitt gezeigt ist und eine
in Querrichtung abgestufte Dochtstruktur aufweist;
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41 eine
weggebrochene perspektivische Ansicht einer wiederum anderen Ausführungsform
einer abgestuften Dochtstruktur im Querschnitt ist;
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die 42 bis 43 weggebrochene
Ansichten eines Teils eines Wärmerohr-Wärmeverteilers
mit einer abgestuften Mehrschicht-Dochtstruktur sind, gezeigt im
Querschnitt;
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die 44 bis 51 eine
Gruppe von Darstellungen von oben und von perspektivischen Querschnittsdarstellungen
einer Anzahl möglicher Dochtstrukturen umfassen, die gemäß der
vorliegenden Erfindung gebildete Dampfkanäle aufweisen.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Diese
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen ist dafür
vorgesehen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen und verstanden zu werden, die als Teil der gesamten schriftlichen
Beschreibung der Erfindung anzusehen sind. Die Zeichnungsfiguren
sind nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt,
und bestimmte Merkmale der Erfindung können im Interesse
von Klarheit und Genauigkeit maßstäblich hervorgehoben
oder vergrößert oder in einer in gewissem Ausmaß schematischen
Gestalt dargestellt sein. In der Beschreibung sollten relative Ausdrücke
wie "horizontal", "vertikal", "nach oben", "nach unten", "oben"
bzw. "Oberteil" und "Bodenteil" sowie davon abgeleitete Begriffe (beispielsweise
"horizontal gerichtet", "nach unten gerichtet", "nach oben gerichtet"
usw.) so verstanden werden, dass sie sich auf die Ausrichtung beziehen, wie
sie dann beschrieben wird oder wie sie in den diskutierten Zeichnungsfiguren
gezeigt ist. Diese relativen Ausdrücke sollen die Beschreibung
erleichtern und sollen normalerweise keine bestimmte Ausrichtung
notwendig machen. Ausdrücke wie "nach innen" gegenüber
"nach außen", "längs" gegenüber "seitlich"
oder "quer" und dergleichen sollen als relativ zueinander oder relativ
zu einer Längsachse oder zu einer Drehachse oder einem
Drehzentrum zu verstehen sein, und zwar nach dem jeweiligen Zusammenhang.
Ausdrücke, die Befestigungen, Verknüpfungen und
dergleichen betreffen, wie beispielsweise "verbunden" und "miteinander
verbunden", beziehen sich auf ein Verhältnis, in welchem
Strukturen entweder direkt oder indirekt durch zwischenliegende
Strukturen aneinander gesichert oder befestigt sind, wie auch auf
sowohl bewegliche als auch starre Befestigungen oder Verhältnisse,
sofern nicht explizit anders beschrieben. Der Ausdruck "operativ
verbunden" ist eine solche Befestigung, Verknüpfung oder Verbindung,
die es den entsprechend ausgebildeten Strukturen ermöglicht,
kraft ihres Verhältnisses zueinander wie vorgesehen betrieben
zu werden. In den Ansprüchen sind Merkmalskombinationen
aus Mittel und Funktion dazu vorgesehen, die in der schriftlichen
Beschreibung oder in den Zeichnungen zum Ausführen der
angegebenen Funktion beschriebenen, vorgeschlagenen oder ersichtlichen
Strukturen abzudecken, einschließlich nicht nur struktureller Äquivalente,
sondern auch äquivalenter Strukturen.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 6 umfasst
die vorliegende Erfindung eine Dochtstruktur für einen
Wärmehohlleiter oder einen Wärmeverteiler 2,
der nachstehend der Einfachheit halber als Wärmerohr bezeichnet
wird. Solche Wärmerohre 2 sind häufig
in ihrer Größe und Form so gestaltet, dass sie die
von mindestens einer thermischen Energiequelle, beispielsweise einer
Halbleitervorrichtung (nicht gezeigt) erzeugte thermische Energie übertragen
bzw. weiterleiten und/oder verteilen können. Dabei ist
die Halbleitervorrichtung thermisch zwischen einem Teil des Wärmerohrs
und einem Wärmeabfluss (nicht gezeigt) eingebunden. Wärmehohlleiter
bzw. Wärmerohre 2 weisen im Allgemeinen ein hermetisch
abgedichtetes Gehäuse auf, beispielsweise eine flache, hohle,
plattenartige Struktur (2) oder eine röhrenförmige
Struktur (9, 12, 14 und 19).
Ungeachtet der äußeren Silhouette bildet bzw.
begrenzt jede Behälterstruktur einen Verdampfungs-Abschnitt 5,
einen Kondensations-Abschnitt 7 und einen inneren Leerraum
oder Dampfraum 10 (3). Beispielsweise
wird der Dampfraum 10 in einem planaren, rechtwinkligen
Wärmerohr oder Wärmehohlleiter 2 von
einer Bodenwand 12 und einer Deckenwand 14 begrenzt,
zwischen denen er ausgebildet ist. In einem rohrförmigen
oder turmförmigen Wärmerohr 2 erstreckt
sich der Dampfraum 10 in Längsrichtung von einem
Ende des Rohrs zu dem anderen (9, 12, 14 und 19).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform eines geradlinigen Gehäuses
werden die Bodenwand 12 und eine Decken- oder Deckelwand 14 durch
Bleche oder Platten von im Wesentlichen gleichmäßiger
Dicke aus einem thermisch leitenden Material gebildet, beispielsweise
aus Kupfer, Stahl, Aluminium oder einer der entsprechenden Legierungen
daraus, und diese besitzen einen Abstand von etwa 2,0 mm bis etwa
4,0 mm zueinander, so dass ein Dampfraum 10 innerhalb des
Wärmerohrs 2 gebildet wird. Die Decken- oder Deckelwand 14 des
Wärmerohrs 2 ist häufig im Wesentlichen
planar und hat eine zu der Bodenwand 12 komplementäre
Gestalt. Die Bodenwand 12 umfasst vorzugsweise eine im
Wesentlichen planare innere Oberfläche 18 und
eine umlaufende Seitenwand 20. Die umlaufende Seitenwand 20 erstreckt
sich vom Außenrand der inneren Oberfläche 18 nach
außen, so dass sie die innere Oberfläche 18 ringsum
umgibt. Der Dampfraum 10 wird innerhalb des Wärmerohrs 2 durch
die Befestigung der Bodenwand 12 an einer Decken- oder
Deckelwand 14 erzeugt, wobei die Befestigung entlang ihrer
gemeinsamen Kanten erfolgt, die dann an ihrer Verbindungsfläche 24 hermetisch
abgedichtet werden. Ein verdampfbares Fluid (beispielsweise Wasser,
Ammoniak oder Freon, nicht dargestellt) befindet sich innerhalb
des Dampfraums 10 und dient als Arbeitsfluid für das
Wärmerohr 2. Beispielsweise kann das Wärmerohr 2 aus
Kupfer oder Kupfersiciliumcarbid hergestellt sein, wobei im Allgemeinen
Wasser, Ammoniak oder Freon als Arbeitsfluid gewählt werden.
Das Wärmerohr 2 wird dadurch vervollständigt,
dass durch Abziehen ein Teilvakuum innerhalb der Dampfkammer erzeugt
wird, nachdem das Arbeitsfluid direkt vor dem abschließenden
hermetischen Abdichten des Füllrohrs injiziert wurde, durch
welches es eingebracht wurde (das Füllrohr ist nicht gezeigt).
-
Nun
sei Bezug auf die 3 bis 6 genommen.
Damit der Betrieb des Wärmerohrs innerhalb des Gehäuses
des Wärmerohrs 2 aufgenommen werden kann, muss
eine kapilläre Struktur innerhalb des Dampfraums 10 vorhanden
sein, die kondensierte Flüssigkeit aus dem Kondensations-Abschnitt 7 zurück
zu dem Verdampfungs-Abschnitt pumpt, und zwar im Wesentlichen ohne
Zuhilfenahme der Schwerkraft. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine gelötete Dochtstruktur 25 auf
einer inneren Oberfläche 18 angeordnet, die die
Grenzen des Dampfraums 10 darstellt.
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Die
gelötete Dochtstruktur 25 umfasst eine Vielzahl
von Metallteilchen 27, die durch ein Füllmaterial
aus Metall oder einer Kombination von Metallen, das häufig
als "Lötmaterial" oder Lötverbindung 30 bezeichnet
wird, vereinigt sind. Es sollte klar sein, dass "Löten"
das Verbinden von Metallen unter Verwendung von Wärme und
einem Füllmetall, das heißt der Lötverbindung 30,
ist. Die Lötverbindung 30 besitzt sehr häufig
eine Schmelztemperatur, die oberhalb von 450°C bis 1000°C,
aber unterhalb des Schmelzpunktes der Metallteilchen 27 liegt,
die verbunden werden sollen, um die gelötete Dochtstruktur 25 zu
ergeben.
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Im
Allgemeinen werden viele Metallteilchen 27 und die Lötverbindung 30 miteinander
auf eine Löttemperatur erhitzt, bei der die Lötverbindung schmilzt,
bei der aber die vielen Metallteilchen 27 nicht schmelzen,
um die gelötete Dochtstruktur 25 gemäß der
vorliegenden Erfindung zu erzeugen. In signifikanter Weise werden
die Metallteilchen 27 beim Löten nicht verschmolzen,
wie es beim Sintern der Fall ist, sondern sie werden stattdessen
dadurch miteinander verbunden, dass durch die Ausbildung von Stegen
aus wieder verfestigter Lötverbindung (bezeichnet mit den
Bezugsziffern 33 in den 5 und 6)
eine metallurgische Bindung zwischen der Lötverbindung 30 und
den Oberflächen benachbarter Metallteilchen 27 erzeugt
wird. In vorteilhafter Weise ist das Prinzip, durch das die Lötverbindung 30 so
durch die poröse Mischung der Metallteilchen 27 gesaugt
oder gezogen wird, dass sich Stege 33 bilden, die sog.
"Kapillarwirkung", das heißt die Bewegung einer Flüssigkeit
innerhalb der Räume eines porösen Materials auf
Grund der inhärenten Anziehungskraft, die Moleküle
auf einer Flüssigkeitsoberfläche füreinander
haben. Wenn sich also die Lötverbindung 30 verflüssigt, üben
die Moleküle des geschmolzenen Lötmetalls eine
Anziehungskraft aufeinander aus, während die Oberflächenspannung zwischen
der geschmolzenen Lötverbindung und den Oberflächen
einzelner Metallteilchen 27 dazu führt, dass die
geschmolzene Lötverbindung in Richtung eines jedes Ortes
gezogen wird, an der benachbarte Metallteilchen 27 miteinander
in Kontakt stehen. An jedem solchen Ort werden Stege 33 gebildet, wenn
sich die geschmolzenen Lötmetalle wieder verfestigen.
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In
der vorliegenden Erfindung bilden die Lötverbindungen 30 und
die Stege 33 einen Docht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
als es beispielsweise mit Sinter- oder Schmelztechniken der Fall
wäre. Diese Dochtstruktur mit höherer thermischer
Leitfähigkeit verbessert direkt die Wärmeleitung
der Vorrichtung für den Wärmetransport, in welcher
sie ausgebildet ist, beispielsweise eines Wärmerohrs, eines
schlaufenförmigen Wärmerohrs und dergleichen.
Es hat sich herausgestellt, dass in Abhängigkeit von dem Betriebszustand
des Wärmeflusses, dem der Verdampfer 5 unterworfen
ist, der Wärmeleitwert der gelöteten Dochtstruktur 25 zwischen
direkt proportional zu der thermischen Leitfähigkeit des
Dochtmaterials und deren Quadratwurzel ansteigt. Es ist wichtig, dass
die Materialbestandteile der Lötverbindung 30 so
ausgewählt werden, dass sie keine chemischen Inkompatibilitäten
in das Materialsystem einbringen, das im Wärmerohr 2 enthalten
ist.
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Die
Metallteilchen 27 können unter beliebigen Materialien
mit hoher thermischer Leitfähigkeit ausgewählt
werden, sofern sie sich zur Verarbeitung in gelötete poröse
Strukturen eignen, beispielsweise Kohlenstoff, Wolfram, Kupfer,
Aluminium, Magnesium, Nickel, Gold, Silber, Aluminiumoxid, Berylliumoxid
oder dergleichen, und sie können entweder aus im Wesentlichen
sphärischen, abgeplatteten oder gestreckten Sphäroiden,
Ellipsoiden oder, weniger bevorzugt, aus unregelmäßig
oder regelmäßig vieleckigen oder fadenförmigen
Teilchen mit verschiedenen Querschnittsformen bestehen oder diese
umfassen. Beispielsweise wird dann, wenn Metallteilchen 27 aus
Kupferkügelchen (5) oder
abgeplatteten Kupferkügelchen (6) gebildet
sind, deren Schmelzpunkt bei etwa 1083°C liegt, die insgesamt anzuwendende
Docht-Löttemperatur für das Wärmerohr 2 bei
etwa 1000°C liegen. Durch das Variieren des Prozentsatzes
an Lötverbindung 30 innerhalb der Mischung von
Metallteilchen 27 oder durch Verwenden einer "zäheren"
oder "trägeren" Legierung für die Lötverbindung 30 kann
ein weiter Bereich an Wärmeleiteigenschaften zwischen den
Metallteilchen 27 und den Stegen 33 bereitgestellt
werden.
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Beispielsweise
kann in einem Kupfer/Wasser-Wärmerohr ein beliebiges Verhältnis
von Kupfer/Gold-Lötmaterial eingesetzt werden, obwohl Lötmaterialien
mit einem höheren Goldanteil teurer sind. Es hat sich herausgestellt,
dass eine zufriedenstellende Kombination für eine Lötverbindung 30 aus etwa
sechs (6) Gewichtsprozent (%) einer fein verteilten (–325
mesh, US-Siebzahl) Lötverbindung aus 65%/35% Kupfer/Gold besteht,
die gut mit dem Kupferpulver (den Metallteilchen 27) vermischt
wurde. Mehr oder weniger Lötverbindung ist ebenfalls möglich,
obwohl zu wenig Lötverbindung einen nur sehr geringen Einfluss
auf die thermische Leitfähigkeit der gelöteten
Dochtstruktur 25 hat, während zuviel Lötverbindung
dazu führt, dass sich die Poren der Dochtstruktur mit verfestigtem
Lötmetall füllen. Als ein optimaler Bereich hat
sich zwischen etwa 2% und etwa 10% Lötverbindung erwiesen,
in Abhängigkeit von der eingesetzten Rezeptur für
das Lot. Wenn Kupferpulver für die Metallteilchen 27 verwendet wird,
ist eine bevorzugte Gestalt der Teilchen die Kugelform oder eine
sphäroidale Form. Metallteilchen 27 sollten häufig
gröber als etwa 200 mesh (US-Siebzahl), jedoch feiner als
etwa 20 mesh (US-Siebzahl) sein. Feinere Dochtstruktur-Pulverteilchen
erfordern häufig die Verwendung von Lötpulver
mit feineren Teilchen. Das Lötpulver der Lötverbindung 30 sollte hinsichtlich
seiner Größe häufig um ein Mehrfaches kleiner
als die Metallteilchen 27 sein, damit eine gleichförmig
verlötete Dochtstruktur 25 mit gleichmäßigen
Eigenschaften gebildet werden kann.
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Für
verlötete Dochtstrukturen aus Kupfer können auch
andere Lötmaterialien verwendet werden, einschließlich
nickelbasierte Nicro-Lote, Lötmaterialien aus Silber/Kupfer,
Zinn/Silber, Blei/Zinn und sogar Polymere. Die Erfindung ist außerdem
nicht auf Kupfer/Wasser-Wärmerohre beschränkt.
Beispielsweise können poröse gelötete
Dochtstrukturen aus oder mit Aluminium und Magnesium erzeugt werden,
indem ein Lotmaterial verwendet wird, bei dem es sich um eine intermetallische
Aluminium/Magnesium-Legierung handelt.
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Die
Lötverbindung 30 sollte häufig gut über jede
metallische Teilchenoberfläche verteilt sein. Diese Verteilung
der Lötverbindung 30 kann durch Vermischen der
Lötverbindung 30 mit einem organischen flüssigen
Bindemittel, beispielsweise Ethylcellulose, erreicht werden, was
eine die Haftung verbessernder Beschaffenheit auf der Oberfläche
eines jeden Metallteilchens 27 (das heißt der
Oberfläche eines jeden Kügelchens oder Sphäroids
aus Metall) für die Anhaftung von Lötverbindung 30 daran
erzeugt. In einer Ausführungsform der Erfindung werden
ein oder zwei Zehntel Gramm (Gewicht) Kupferpulver (Metallteilchen 27)
mit zwei Tropfen eines organischen, flüssigen Bindemittel,
beispielsweise METHACRYLSÄURE-ISOBUTYLESTER-LACK aus einer
Augen-Tropfpipette vermischt, um eine Adhäsionskraft auf
der Oberfläche eines jeden Metallteilchens 27 (d.
h. der Oberfläche eines jeden Metall-Kügelchens
oder -Sphäriods) für das Anhaften der Lötverbindung 30 daran
zu erzeugen. Eine fein zerteilte (beispielsweise 325-mesh, US-Siebgröße)
Lötverbindung 30 wird in die Pulverteilchen 27 aus
Kupfer, die mit dem flüssigen Binder bedeckt sind, eingemischt und
ausgiebig luftgetrocknet. Ungefähr 0,072 Gramm, etwa 6
Gewichts-% Kupfer/Gold in einem Verhältnis von 65%/35%
Kupfer/Gold-Lötverbindung, hat sich als geeignete Ergebnisse
liefernd erwiesen. Die voranstehend genannte Mischung von Metallteilchen 27 und
Lötverbindung 30 wird auf die inneren Oberflächen
des Wärmerohrs 2 aufgebracht, beispielsweise auf
die innere Oberfläche 18 der Bodenwand 12,
und gleichmäßig erhitzt, so dass die Lötverbindung 30 durch
das Erhitzen der Metallteilchen 27 schmilzt. Die aufgeschmolzene
Lötverbindung 30 wird dann durch Kapillarwirkung
angesaugt bzw. verteilt und bildet Stege 33, wenn sie sich
innerhalb der Mischung aus Metallteilchen 27 verfestigt.
Beispielsweise hat sich herausgestellt, dass man mit zwischen zwei
und acht Minuten und vorzugsweise etwa fünf Minuten dauerndem
Vakuumtöten oder Wasserstofflöten bei ungefähr
1020°C zu einer geeigneten Stegbildung innerhalb einer
gelöteten Dochtstruktur gelangt. Ein Vakuum von mindestens
10–5 Torr oder darunter hat sich
als ausreichend erwiesen, und wenn Wasserstofföfen eingesetzt
werden sollen, sollte der Wasserstoffofen feuchten Wasserstoff verwenden.
In einer Ausführungsform wird die Anordnung im Vakuum bei
1020°C 5 Minuten lang in einem Vakuum von 5 × 10–5 Torr oder darunter vakuumgebrannt.
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Unter
Verweis auf die 7, 8, 14 und 16 bis 17 können
gelötete Dochtstrukturen 38 mit Rillen oder Nuten
ebenfalls in vorteilhafter Weise aus Metallteilchen 27 in
Kombination mit Lötverbindung 30 gebildet werden.
Insbesondere wird ein Formkern 40 (18) eingesetzt,
um eine genutete oder gerillte Dochtstruktur 38 zu erzeugen, die
eine Mehrzahl von parallelen, erhabenen Partien 45 aufweist,
die durch parallele Rillen oder Vertiefungen 47 voneinander
beabstandet sind. Hervorstehende Partien 45 des Formkerns 40 erzeugen
die Vertiefungen 50 der fertigen, mit Nuten versehenen, gelöteten
Dochtstruktur 38, und Nuten oder Vertiefungen 47 des
Formkerns 40 bilden hervorstehende Partien 52 der
fertigen, mit Nuten versehenen, gelöteten Dochtstruktur 38.
Jede hervorstehende Partie 52 ist als umgekehrte, im wesentlichen
"V"-förmige oder pyramidale Auskragung oder als ein solcher Vorsprung
mit geneigten Seitenwänden 54a, 54b ausgebildet
und besitzt einen Abstand zu benachbarten erhabenen Partien. Die
Vertiefungen 50 trennen die erhabenen Partien 52 und
sind in im Wesentlichen parallelen, in Längsrichtung (oder
in Querrichtung) ausgerichteten Reihen angeordnet, die sich mindestens
durch den Verdampfungs-Abschnitt 5 erstrecken. Die randständigen
Teile der Vertiefungen 50, die sich beispielsweise in Nachbarschaft
zu einer randständigen Umfangswand 20 befinden,
können frei von weiteren porösen Strukturen sein.
In einer Ausführungsform wird eine relativ dünne
Schicht an verlöteten Metallteilchen auf der inneren Oberfläche 18 der
Bodenwand 12 aufgebracht, derart, dass sich eine Grundierungs-Dochtstruktur 55 am
Boden einer jeden Vertiefung 50 und zwischen voneinander
beabstandeten hervorstehenden Partien 52 bildet. Beispielsweise
werden verlötete Pulverteilchen 27 aus Kupfer
zwischen hervorstehenden Strukturen 52 aufgebracht, derart,
dass die Grundierungs-Dochtstruktur 55 eine mittlere Dicke
von etwa ein bis sechs durchschnittlichen Durchmessern der Kupferteilchen (ungefähr
0,005 Millimeter bis 0,5 Millimeter, vorzugsweise im Bereich von
etwa 0,05 Millimeter bis etwa 0,25 Millimeter) aufweist, wenn sie über
im Wesentlichen die gesamte innere Oberfläche 18 der
Bodenwand 12 und zwischen den geneigten Seitenwänden 54a, 54b der
erhabenen Partien 52 aufgebracht wurde. In vorteilhafter
Weise sind die Metallteilchen 27 in der Grundierungs-Dochtstruktur 55 über
eine Vielzahl von Stegen 33 (17) thermisch und
mechanisch in Anlage oder Eingriff miteinander. Beim Bilden der
gelöteten Dochtstruktur 38 mit Vertiefungen wird
die innere Oberfläche 18 der Bodenwand 12 (häufig
eine Kupfer-Oberfläche) leicht mit dem organischen Bindemittel
METHACRYLSÄURE-ISOBUTYLESTER-LACK bedeckt, und die Oberfläche
wird mit Lötverbindung aus Kupfer/Gold in einem Verhältnis
von 65%/35% "bestäubt", wobei der Überschuss abgeschüttelt
wird. Zwischen 1,250 und 1,300 Gramm (häufig etwa 1,272
Gramm) von mit Lötverbindung bedecktem oder beschichtetem
Kupferpulver 27 wird dann auf die mit Lötverbindung
bedeckte Kupferoberfläche gegeben, wobei zuvor ein Formkern 40 darüber
angebracht wird, damit letztendlich eine gelötete Dochtstruktur 38 mit
Vertiefungen gebildet wird.
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Eine
ausgeprägt gerillte Dochtstruktur 55 wird ausgebildet,
die dünn genug sein soll, damit der Leitungs-Delta-T-Wert
klein genug ist, damit ein Sieden an der Grenzfläche zwischen
der inneren Oberfläche 18 der Bodenwand 12 und
dem die Dochtstruktur bildenden verlöteten Pulver gar nicht erst
auftreten kann. Die Bildung von Stegen 33 steigert den
Wärmeleitwert der Dochtstruktur in den Vertiefungen 55 weiter.
In den Rillen oder Nuten ist die Dochtstruktur 55 eine
extrem dünne Dochtstruktur, die durch die beabstandeten
erhabenen Partien 52, die die erforderliche Querschnittsfläche
zum Aufrechterhalten eines effektiven Arbeitsfluidflusses bereitstellen,
mit Flüssigkeit versorgt wird. Im Querschnitt weist die
mit Vertiefungen 55 versehene Dochtstruktur dann eine optimale
Gestaltung auf, wenn sie den größtmöglichen
(durch kapilläre Beschränkungen begrenzten) flachen
Bereich zwischen erhabenen Strukturen 52 besitzt. Dieser
Bereich sollte eine Dicke von beispielsweise nur ein bis sechs Teilchen
aus Kupferpulver besitzen. Je dünner die Dochtstruktur
in den Vertiefungen 55 ist, desto besser ist die Leistung
innerhalb der realistischen Fabrikationsbeschränkungen,
solange der Oberflächenbereich der inneren Oberfläche 18 mindestens
eine Schicht aus Kupferteilchen aufweist, die thermisch und mechanisch
durch eine Mehrzahl von Stegen 33 miteinander verbunden
sind. Dieser dünne Dochtbereich ist wegen des vergrößerten
Verdampfungsoberflächen-Bereichs der mit Nuten versehenen Dochtschicht
von Vorteil, und zwar deshalb, weil die Dicke der Vertiefungen in
der Dochtstruktur 55 auf nicht mehr als einige wenige Pulverteilchen
begrenzt ist, während die Schicht gleichzeitig auf Grund
des Vorhandenseins von Stegen 33, die die Metallteilchen 27 miteinander
verbinden, einen signifikant gesteigerten thermischen Leitwert besitzt.
Es hat sich gezeigt, dass diese Struktur nicht den Wärmeleitungs-Beschränkungen
unterworfen ist, die mit dem Stand der Technik verbunden sind.
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In
einer wiederum anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann an Stelle einer Dochtstruktur, die Vertiefungen 55 aufweist,
eine Dochtstruktur vorhanden sein, die eine Mehrzahl von Dampfkanälen 60 besitzt,
die als geschlossenendige Bohrungen oder Sacklöcher durch
die Dochtstruktur des Verdampfers hindurchreichend ausgebildet bzw. von
dieser umgeben sind (19 bis 38). Dampfkanäle 60 erstrecken
sich durch eine Dochtstruktur 62, die entweder eine gleichförmige verlötete
Dochtstruktur mit einer Vielzahl von Teilchen aufweist, die mit Hilfe
einer Lötverbindung so untereinander verbunden sind, dass
Stege der Lötverbindungen zwischen benachbarten unter den
vielen Teilchen gebildet werden. Stattdessen kann auch eine Vielzahl
gesinterter Teilchen verwendet werden, um die Dochtstruktur 62 zu
bilden. In einer Ausführungsform erstrecken sich Dampfkanäle 60 so
durch die Dochtstruktur 62, dass ein Teil der darunter
liegenden Basisstruktur, beispielsweise der inneren Oberfläche 18 der
Bodenwand 12, auf die die Dochtstruktur aufgelötet
oder aufgesintert ist, freiliegt. Die Dochtstruktur 62 kann
entweder in einem kreisförmig oder elliptisch geformten
Teil eines turmförmigen Wärmerohrs (19)
oder in einem rechtwinklig oder vieleckig geformten Wärmeverteiler-Aufbau
(39) eingesetzt werden. Die tatsächliche Form
wird natürlich normalerweise von der Gestalt bestimmt,
die die Wärmequelle und der Verdampfer besitzen.
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Das
Profil der Dampfkanäle 60 im Querschnitt und ihre
Gruppierung und Anordnung in der Dochtstruktur 62 kann
von Vorrichtung zu Vorrichtung oder sogar innerhalb ein und derselben
Vorrichtung signifikant schwanken (20 bis 38).
Das Querschnittsprofil von Dampfkanälen kann zylindrische,
konische, kegelstumpfförmige, dreieckige, pyramidale, rechtwinklige,
rhomboide, pentagonale, hexagonale, octagonale oder andere weniger
häufig vorkommende polygonale oder mit Rundungen versehene
Formen aufweisen. Jeder Dampfkanal 60 bildet eine Öffnung 65 in
der oberen Außenfläche der Dochtstruktur 62 sowie
ein Sackloch (eine geschlossenendige Bohrung) 67, die sich
nach unten in Richtung beispielsweise der inneren Oberfläche 18 der Bodenwand 12 oder ähnlicher
Strukturen in einem turmförmigen Wärmerohr erstrecken
kann. Die Öffnungen 65 und Sacklöcher 67 sind
relativ zu einem Verdampfungsteil des Wärmerohrs 2 in
Abhängigkeit von lokalem Wärmefluss, Dochtstruktur-Dicke,
Porenradius und Durchlässigkeit der Dochtstruktur so in ihrer
Größe gewählt, geformt und angeordnet,
dass der Druckabfall, der erforderlich ist, um den Dampf aus dem
Verdampfungsteil zu entfernen (abzusaugen), minimiert ist, mit der
Folge, dass ΔT minimiert werden kann.
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Zusätzlich
zu den verschiedenen Formen, Größen und Positionen
der Dampfkanäle 60 kann auch das pulverförmige
Material, das die Dochtstruktur 62 bildet, in Größe
und Form variieren. Beispielsweise kann die Dochtstruktur 62 aus
pulverförmigen Metallteilchen 27 mit kugeliger,
sphäroidaler, polygonaler Form oder sogar aus zerkleinerten
Teilchen aus feinem Draht bestehen bzw. gebildet sein. Darüber hinaus
kann die Dochtstruktur 62 aus metallischen Pulverteilchen 27 bestehen,
die eine Mischung aus Teilchen mit zwei oder mehr unterschiedlichen
Teilchenarten ist oder enthält, beispielsweise einer ersten
Teilchenart 71 mit einem ersten Durchmesser, einer zweiten
Teilchenart 73 mit einem zweiten Durchmesser oder sogar
einer dritten Teilchenart 76 mit einem Durchmesser, der
sich von dem der Teilchen 71 und 73 unterscheidet.
Andere den Teilchen innewohnende Eigenschaften können ebenfalls
dafür benutzt werden, unterschiedliche Teilchenarten zu
definieren, beispielsweise die Länge, die Breite, die chemische
Zusammensetzung, die Anzahl der Seitenflächen und dergleichen.
Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Teilchenarten aus Draht(stückchen) mit
unterschiedlichen Durchmessern 80 und unterschiedlichen
Längen gebildet werden. Alle Teilchenarten werden in homogenen
Schichten voneinander getrennt gehalten. Beispielsweise können
Teilchen mit relativ großem Durchmesser in Bereichen der Dochtstruktur 62 mit
niedrigerem Wärmefluss angeordnet sein, während
sich Teilchen mit geringerem Durchmesser in Bereichen der Dochtstruktur 62 mit höherem
Wärmefluss befinden können (35, 38, 40 und 41).
Auf diese Weise können verschiedene Porengrößen
innerhalb jeder einzelnen Dochtstruktur 62 erzeugt werden.
Typischerweise kann die Schwankungsbreite der Teilchen- oder Drahtdurchmesser
von einigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern reichen. In dem
Fall, in dem der Teilchendurchmesser die unterscheidende Eigenschaft
einer Teilchenart ist, macht es die geeignete Einstellung der Teilchengrößen
und damit der Porengrößen möglich, dass
Dampf durch größere Poren hindurchtreten kann,
während Flüssigkeit innerhalb kleinerer Poren
verbleibt, was die kritische Wärmefluss-Schranke anhebt.
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Zusätzlich
dazu, dass eine Mischung aus Pulverteilchen zwei oder mehreren Größen
vorhanden sein kann, kann eine abgestufte Dochtstruktur 90 in
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden (siehe 36, 37, 42 und 43).
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine abgestufte Dochtstruktur 90 dadurch
gebildet, dass Teilchen 71 so abgelagert oder geschichtet
werden, dass grobe (das heißt relativ große) Teilchen
in einer homogenen ersten Schicht 92 nahe der Oberfläche
der Dochtstruktur 90 angeordnet sind, während
sich feine (das heißt relativ kleine) Teilchen 73 in
einer zweiten homogenen Schicht 94 befinden, die so abgelagert
ist, dass sie sich unterhalb der ersten Schicht 92 befindet.
Es sollte klar sein, dass auch eine Mehrzahl oder sogar Vielzahl
homogener Schichten aus unterschiedlichen Teilchenarten in der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann, so dass die Abstufung mit der
jeweils benötigten Anzahl von Schichten erfolgt, wobei
die Teilchen- und Porengrößen über die Dochtstruktur 62 hinweg
um bis zu zwei (absolute) Größenordnungen variieren
bzw. schwanken können (42 und 43).
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Unter
Bezugnahme auf die 38, 40 und 41 sei
erwähnt, dass die Pulverteilchen 27 auch in Querrichtung
abgestuft angeordnet sein können, so dass eine Teilchenart
seitlich benachbart zu einer anderen Teilchenart angeordnet ist.
Alternativ kann die Dochtstruktur 62 eine abgestufte Graduierung
aufweisen, in der die Pulverteilchen 27 in unterschiedlichen
Dicken angeordnet sind.
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Wie
voranstehend offenbart, können die die Dochtstrukturen 62 oder 90 bildenden
Pulverteilchen 27 gemäß den hier offenbarten
Verfahren und gemäß der vorliegenden Erfindung
entweder untereinander und mit der Verdampferplatte verlötet
oder zusammengesintert sein. Sintertemperaturen sind für
die verschiedenen Metallpulver unterschiedlich und sind auch eine
Funktion der Größe und Verteilung der Pulverteilchen 27 innerhalb
der Dochtstruktur 62. Auch sollte beim Sintern eine geeignete
Schutzatmosphäre wie Wasserstoff, Formiergas, Vakuum oder
ein Inertgas wie Helium, Stickstoff oder Argon eingesetzt werden,
um geeignete Ergebnisse zu erhalten.
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Alternativ
kann eine relativ dünne Schicht aus entweder verlöteten
oder zusammengesinterten Metallteilchen 27 auf der inneren
Oberfläche 18 der Bodenwand 12 derart
abgelagert werden, dass eine Dampfkanal-Dochtstruktur 80 am
Boden eines jeden Dampfkanals 60 gebildet wird (44 bis 51). Beispielsweise
werden verlötete oder zusammengesinterte Teilchen 27 aus
Kupferpulver auf der inneren Oberfläche 18 (nicht
gezeigt in den 44 bis 51, aber
erkennbar in den 20 bis 27) am
Sacklochende eines jeden Dampfkanals 60 derart abgelagert,
dass die Dampfkanal-Dochtstruktur 80 eine durchschnittliche
Dicke im Bereich von etwa ein bis sechs durchschnittlichen Kupferteilchen-Durchmessern
(ungefähr 0,005 Millimetern bis 0,5 Millimeter, vorzugsweise
im Bereich von etwa 0,05 Millimeter bis etwa 0,25 Millimeter) aufweist, wenn
sie über die im Wesentlichen gesamte innere Oberfläche 18 der
Bodenwand 12 hinweg aufgebracht wurde. Häufig
besitzt die Dampfkanal-Dochtstruktur 80 eine durchschnittliche
Dicke im Bereich von etwa ein bis drei durchschnittlichen Kupferteilchen-Durchmessern.
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Es
sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise
nur auf die hier offenbarten und in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungen beschränkt sein soll, sondern beliebige
Abwandlungen und Äquivalente umfasst, soweit diese in den Umfang
der Ansprüche fallen.
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Zusammenfassung
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Ein
von Kapillaren durchzogener Aufbau für eine Wärmetransport-Vorrichtung,
beispielsweise einen Wärmehohlleiter, wird bereitgestellt,
der eine Mehrzahl von Teilchen aufweist, umfassend eine erste Teilchenart
mit einem ersten Durchmesser und eine zweite Teilchenart mit einem
zweiten Durchmesser, die so miteinander verbunden sind, dass ein
von Kapillaren durchzogener Aufbau mit homogenen Teilchenschichten
gebildet wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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