DE112018003831T5

DE112018003831T5 - Ultradünne wärmetauscher für das wärmemanagement

Info

Publication number: DE112018003831T5
Application number: DE112018003831.9T
Authority: DE
Inventors: Doug Vanderwees; Shuding Lin; Mike St.Pierre
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-04-09
Also published as: WO2019018943A1; US11209216B2; US20190033006A1; CN111094888B; CN111094888A

Abstract

Ein Wärmetauscher zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Bauteils umfasst eine erste und zweite Platte, die jeweils eine Kernschicht, die ein erstes Metall umfasst, und eine innere Verkleidungsschicht, die ein zweites Metall einer niedrigeren Schmelztemperatur umfasst, das gegenüber dem in einer Fluidkammer des Wärmetauschers enthaltenen Arbeitsfluid inert ist, umfassen. Die äußeren peripheren Dichtoberflächen der ersten und zweiten Platte sind durch Schweißen aneinandergefügt, wobei die Schweißnaht durch eine Schicht aus dem zweiten Metall in einem an die Schweißnaht angrenzenden Bereich von der Fluidkammer fluidisch isoliert ist. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Wärmetauscher Flüssigkeitsstrompassagen sowie primäre und sekundäre Gasstrompassagen, wobei jede sekundäre Passage eine Verbindung zwischen den primären Gasstrompassagen bereitstellt. Die Gas- und Flüssigkeitsstrompassagen können durch ein Dochtwirkungsmaterial mit hydrophilen Bereichen und Nichtdochtwirkungsbereichen reduzierter Dicke definiert sein. Ein Verfahren zur Herstellung wird ebenfalls offenbart.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf das Wärmemanagement wärmeerzeugender elektronischer Bauteile, beispielsweise Computerchips, in persönlichen elektronischen Geräten, beispielsweise Smartphones, Tablets und Computern, und insbesondere auf ultradünne Wärmeübertragungsgeräte für persönliche elektronische Geräte und auf Verfahren zu ihrer Herstellung.
HINTERGRUND
Die von Computerchips und/oder anderen wärmeerzeugenden Bauteilen in persönlichen elektronischen Geräten erzeugte Wärme muss abgeleitet werden, um hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten und um hohe Temperaturen zu vermeiden, die Schäden an dem Gerät oder Unannehmlichkeiten für den Benutzer bewirken können. Als maximale Hautkontakttemperatur für ein Handgerät ist zum Beispiel 43 °C festgelegt, und für Computerchips können Temperaturen oberhalb von etwa 75-85 °C signifikante Auswirkungen auf Lebensdauer und Leistung haben. Die Wärmeableitung ist von größerem Belang, da Chipgrößen weiterhin abnehmen und Verarbeitungsgeschwindigkeiten zunehmen, was zu erhöhten Leistungsdichten und einer größeren Wärmeerzeugung pro Einheitsfläche führt.
Manche persönlichen elektronischen Geräte beinhalten dünne Wärmeverteilungsgeräte, beispielsweise planare Bleche aus Graphit und/oder Kupfer und/oder auf planaren Blechen montierte Wärmerohre, um die von dem Computerchip erzeugte Wärme über den Bereich des Geräts zu verteilen und abzugeben. Es wird vermutet, dass die Effektivität dieser bestehenden Technologien möglicherweise nicht ausreichend ist, um mit den erhöhten Leistungsdichten zukünftiger Generationen von Computerchips umzugehen.
Es sind kompakte Kühlgeräte bekannt, in denen die Wärme des Computerchips als latente Verdampfungswärme von dem Chip weg transportiert wird. Diese Kühlgeräte sind als „Dampfkammern“ bekannt und weisen eine flache, planare, tafelartige Struktur mit einer ein Arbeitsfluid enthaltenden inneren Kammer auf. Die Dampfkammer verteilt in einem lokalen Bereich aufgenommene Wärmeenergie möglichst gleichmäßig in ihrem gesamten Bereich, wodurch sie wie eine ausgedehnte Lamellenoberfläche fungiert, um die Energie von dem Computerchip weg zu leiten oder zu konvektieren.
Der lokale Bereich der Dampfkammer, der mit dem Computerchip und/oder anderen wärmeerzeugenden Bauteilen in Kontakt steht, enthält Arbeitsfluid im flüssigen Zustand. Die Wärme aus dem Computerchip wird auf das Arbeitsfluid übertragen, das verdampft und durch innere Gasstrompassagen in kühlere Bereiche der Dampfkammer zirkuliert wird, wo seine Temperatur fällt und es die größere Lamellenfläche verwendet, um zu kondensieren, wobei es die Kondensationswärme in von dem Chip entfernten Bereichen abgibt. Das kondensierte Arbeitsfluid wird dann mittels Kapillarströmung zurück in den Bereich des Chips transportiert, um den Zyklus zu wiederholen. Ein Beispiel für eine Dampfkammer ist in der Veröffentlichung Nr. US 2016/0290739 A1 von Mochizuki et al. offenbart.
Dampfkammern sind für gewöhnlich aus einem Paar Kupferblechen, die ein Dochtwirkungselement umschließen, konstruiert, wobei die Bleche mittels Diffusionsschweißen aneinandergefügt werden. Kupfer ist biegsam und teuer, was eine wirtschaftliche Produktion von Teilen, die ausreichend biegesteif sind und industrielle Dickeanforderungen erfüllen, erschwert. Diffusionsschweißen ist zudem ein langsamer Chargenprozess, und die Produktion jedes Teils kann mehrere Stunden dauern. Daher ist die Verwendung des Diffusionsschweißens für die Massenproduktion von Dampfkammern unwirtschaftlich.
Es besteht weiterhin ein Bedarf an verbesserten Wärmetauschern, die ausreichend biegesteif, dünn, strapazierfähig und in der Herstellung kostengünstig sind, sowie an Herstellungsverfahren zum Erreichen dieser Ziele.
ABRISS
In einem Aspekt wird ein Wärmetauscher zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Bauteils bereitgestellt. Der Wärmetauscher weist eine obere Oberfläche, die für den Wärmekontakt mit dem wärmeerzeugenden Bauteil angepasst ist, eine gegenüberliegende untere Oberfläche und ein Inneres, das eine ein Arbeitsfluid enthaltene Fluidkammer definiert, auf.
Der Wärmetauscher umfasst Folgendes: (a) eine erste Platte mit einer Innenfläche, die zum Inneren der Fluidkammer zeigt, einer Außenfläche, die entweder die obere oder die untere Oberfläche des Wärmetauschers definiert, und einer äußeren peripheren Dichtoberfläche auf der Innenfläche der ersten Platte; und (b) eine zweite Platte mit einer Innenfläche, die zum Inneren der Fluidkammer zeigt, einer Außenfläche, die entweder die obere oder die untere Oberfläche des Wärmetauschers definiert, und einer äußeren peripheren Dichtoberfläche auf der Innenfläche der zweiten Platte.
Jede der ersten Platte und der zweiten Platte umfasst eine ein erstes Metall umfassende Kernschicht und eine ein zweites Metall umfassende innere Verkleidungsschicht, wobei die innere Verkleidungsschicht entlang der Innenfläche jeder ersten und zweiten Platte bereitgestellt ist. Eine Schmelztemperatur des zweiten Metalls ist niedriger als die des ersten Metalls, und das zweite Metall ist gegenüber dem Arbeitsfluid inert. Die äußeren peripheren Dichtoberflächen der ersten und zweiten Platte sind dichtend aneinandergefügt, wobei durch die äußeren peripheren Dichtoberflächen der ersten und zweiten Platte eine Schweißnaht gebildet ist, wobei die Schweißnaht eine Legierung aus dem ersten Metall und dem zweiten Metall umfasst.
Unmittelbar angrenzend an die Schweißnaht, an der die peripheren Dichtoberflächen der ersten und zweiten Platte durch eine Schicht aus dem zweiten Metall dichtend aneinandergefügt sind, befinden sich schmale Bereiche, wobei die schmalen Bereiche eine wärmebeeinflusste Zone umfassen. Die Schweißnaht ist von einem äußeren peripheren Rand der Fluidkammer durch die Schicht aus dem zweiten Metall in der wärmebeeinflussten Zone fluidisch isoliert.
In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers wie hierin beschrieben bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Folgendes: (a) Bilden einer Plattenanordnung, umfassend die erste Platte und die zweite Platte, wobei die erste und die zweite Platte so positioniert sind, dass ihre Innenflächen zueinander zeigen und die periphere Dichtoberfläche der ersten Platte mit der peripheren Dichtoberfläche der zweiten Platte in direktem Kontakt steht; (b) Richten eines Laserstrahls auf einen Bereich der Plattenanordnung entlang der Dichtoberflächen zwischen einem äußeren peripheren Rand der Plattenanordnung und einem äußeren Rand der Fluidkammer, wobei der Laserstrahl eine schmale Verschmelzungszone in dem Bereich, in dem er auf die Dichtoberflächen der Platten trifft, produziert, wobei sich die Verschmelzungszone durch eine der ersten und zweiten Platte und mindestens teilweise durch die nebenstehende der ersten und zweiten Platte erstreckt, wobei die Verschmelzungszone eine Mischung von geschmolzenem Metall enthält, die das erste Metall und das zweite Metall umfasst; und (c) Erlauben, dass die Verschmelzungszone abkühlt und erstarrt, um eine Schweißnaht zwischen der ersten und zweiten Platte zu bilden.
Während Schritt (b) schmilzt die Wärme des Laserstrahls das zweite Metall der inneren Verkleidungsschichten der ersten und zweiten Platte in einer wärmebeeinflussten Zone, die sich unmittelbar angrenzend an die Schweißnaht befindet, mindestens teilweise und verschmilzt sie miteinander.
Während Schritt (c) erstarrt das geschmolzene zweite Metall in der wärmebeeinflussten Zone, um eine feste Schicht aus dem zweiten Metall in der wärmebeeinflussten Zone zu bilden, wobei die Schicht aus dem zweiten Metall die Schweißnaht von dem Kontakt mit dem Arbeitsfluid in der Fluidkammer fluidisch isoliert.
In einem anderen Aspekt wird ein Wärmetauscher zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Bauteils bereitgestellt, wobei der Wärmetauscher eine obere Oberfläche, die für den Wärmekontakt mit dem wärmeerzeugenden Bauteil angepasst ist, eine gegenüberliegende untere Oberfläche und ein Inneres, das eine ein Arbeitsfluid enthaltende Fluidkammer definiert, aufweist. Der Wärmetauscher umfasst Folgendes: (a) eine erste Platte mit einer Innenfläche, die zum Inneren der Fluidkammer zeigt, einer Außenfläche, die entweder die obere oder die untere Oberfläche des Wärmetauschers definiert, und einer äußeren peripheren Dichtoberfläche auf der Innenfläche der ersten Platte; (b) eine zweite Platte mit einer Innenfläche, die zum Inneren der Fluidkammer zeigt, einer Außenfläche, die entweder die obere oder die untere Oberfläche des Wärmetauschers definiert, und einer äußeren peripheren Dichtoberfläche auf der Innenfläche der zweiten Platte, wobei eine Verdampfungszone im Inneren der Fluidkammer zwischen der ersten und zweiten Platte definiert ist, wobei die Verdampfungszone einem Bereich der oberen Oberfläche, die mit dem wärmeerzeugenden Bauteil in Kontakt steht, direkt gegenüberliegt; (c) eine Vielzahl von primären Gasstrompassagen zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem gasförmigen Zustand, wobei jede der primären Gasstrompassagen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei sich die ersten Enden der Vielzahl von primären Gasstrompassagen in offener Strömungsverbindung miteinander in der Verdampfungszone befinden und sich das zweite Ende jeder primären Gasstrompassage distal des ersten Endes befindet; (d) eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrompassagen zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem flüssigen Zustand; und (e) mindestens eine sekundäre Gasstrompassage, wobei jede davon eine Strömungsverbindung zwischen dem zweiten Ende einer der primären Gasstrompassagen und mindestens einem der anderen primären Gasstrompassagen bereitstellt.
Das zweite Ende jeder primären Gasstrompassage befindet sich durch die mindestens eine sekundäre Gasstrompassage in Strömungsverbindung mit mindestens einer anderen primären Gasstrompassage; und alle primären Gasstrompassagen in der Vielzahl von primären Gasstrompassagen sind durch die mindestens eine sekundäre Gasstrompassage, wahlweise durch eine oder mehrere der primären Gasstrompassagen, miteinander verbunden.
In einer Ausführungsform befindet sich die Verdampfungszone an oder benachbart zu dem ersten Ende des Wärmetauschers, und die zweiten Enden mindestens einiger der primären Gasstrompassagen befinden sich benachbart zu einem zweiten Ende des Wärmetauschers, in Längsrichtung von der Verdampfungszone beabstandet; und wobei die mindestens eine sekundäre Gasstrompassage einen Abschnitt beinhaltet, der sich allgemein quer durch den Wärmetauscher benachbart zu dem zweiten Ende erstreckt und die zweiten Enden aller der primären Gasstrompassagen, deren zweite Enden sich benachbart zu dem zweiten Ende des Wärmetauschers befinden, fluidisch verbindet.
In einer Ausführungsform sind die Flüssigkeitsstrompassagen durch ein Dochtwirkungsmaterial definiert, das im Inneren der Fluidkammer zwischen der Innenfläche der ersten Platte und der Innenfläche der zweiten Platte aufgenommen ist, wobei das Dochtwirkungsmaterial in den Flüssigkeitsstrompassagen eine erste Porosität und eine erste Höhe aufweist, wobei die erste Porosität ausreichend ist, um die Dochtwirkung und die Kapillarströmung des flüssigen Arbeitsfluids durch die Flüssigkeitsstrompassagen zu erlauben, und die erste Höhe dergestalt ist, dass das Dochtwirkungsmaterial mit den inneren Oberflächen der ersten und zweiten Platte entlang ihrer oberen und unteren Oberflächen in den Flüssigkeitsstrompassagen in Kontakt steht; und wobei die primären Gasstrompassagen durch Zwischenräume zwischen den Dochtwirkungsmaterialstreifen definiert sind.
In einer Ausführungsform sind die sekundären Gasstrompassagen durch Zwischenräume zwischen den Dochtwirkungsmaterialstreifen definiert. In einer anderen Ausführungsform umfassen die sekundären Gasstrompassagen Bereiche des Dochtwirkungsmaterials, in denen das Dochtwirkungsmaterial eine zweite Porosität, die geringer ist als die erste Porosität, und eine zweite Höhe, die geringer ist als die erste Höhe, aufweist, wobei die zweite Porosität nicht ausreichend ist, um die Dochtwirkung und die Kapillarströmung des flüssigen Arbeitsfluids bereitzustellen, und die zweite Höhe dergestalt ist, dass das Dochtwirkungsmaterial nur einen Teil der Höhe der Fluidkammer in den sekundären Gasstrompassagen einnimmt, wodurch erlaubt wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid über und/oder unter dem Dochtwirkungsmaterial in den sekundären Gasstrompassagen strömt.
Figurenliste
Nun werden nur anhand von Beispielen spezifische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine perspektivische Draufsicht eines Wärmetauschers nach einer hierin beschriebenen Ausführungsform ist;
2 ein Grundriss ist, der das Innere des Wärmetauschers von 1 darstellt, wobei die zweite Platte entfernt ist;
3 ein Grundriss der zweiten Platte des Wärmetauschers von 1 ist;
4 ein Querschnitt entlang einer Linie 4-4' von 1 ist;
5 ein vergrößerter Querschnitt entlang eines Randes des Wärmetauschers von 1 vor dem Schweißen ist;
6 ein vergrößerter Querschnitt ähnlich 5 nach dem Schweißen ist;
7 ein Grundriss ähnlich 2 ist, der das Innere eines Wärmetauschers nach einer zweiten Ausführungsform darstellt, wobei die zweite Platte entfernt ist;
8 ein Querschnitt entlang einer Linie 8-8' von 7 ist;
9 ein Grundriss ähnlich 2 ist, der das Innere des Wärmetauschers nach einer dritten Ausführungsform darstellt, wobei die zweite Platte entfernt ist;
10 ein Grundriss ähnlich 2 ist, der das Innere eines Wärmetauschers nach einer vierten Ausführungsform darstellt, wobei die zweite Platte entfernt ist;
11 ein Grundriss der zweiten Platte des Wärmetauschers von 10 ist;
12 ein Querschnitt entlang der Linie 12-12 der 10 und 11 ist;
13 eine Mikroaufnahme einer Schweißnaht in einem Wärmetauscher, umfassend erste und zweite Bleche aus kupferplattiertem rostfreiem Stahl, ist; und
14 eine Mikroaufnahme einer Schweißnaht in einem Wärmetauscher, umfassend erste und zweite Bleche aus nickelplattiertem rostfreiem Stahl, ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Reihe von Ausführungsformen von Wärmetauschern wird in der folgenden Beschreibung zusammen mit Beschreibungen von Verfahren zum Herstellen der Wärmetauscher beschrieben. Zwar sind die hierin speziell offenbarten Ausführungsformen Dampfkammern zum Kühlen von elektronischen Geräten, doch die hierin offenbarten Strukturdetails und Herstellungsverfahren können auch auf andere Arten von Wärmetauschern anwendbar sein.
Die Zeichnungen veranschaulichen einen Wärmetauscher 10 nach einer ersten Ausführungsform, wobei der Wärmetauscher 10 eine Dampfkammer ist, die eine erste Platte 12, eine zweite Platte 14 und ein Dochtwirkungsmaterial 16 umfasst.
Die Dampfkammer 10 weist eine derartige äußere periphere Größe und Form auf, dass sie in das Gehäuse eines persönlichen elektronischen Geräts 18 passt, wobei das Gehäuse einen Hauptkörper 2 mit einer vorderen Abdeckung 4 und einer hinteren Abdeckung 6, die über die offene Rückfläche der vorderen Abdeckung 4 passt, umfasst. Das persönliche elektronische Gerät 18 kann zum Beispiel ein Smartphone, ein Tablet, ein Laptop oder ein anderes persönliches Computer- und/oder Kommunikationsgerät sein. Die Dampfkammer 10 ist allgemein flach und planar, weist eine obere Oberfläche 20 und einer untere Oberfläche 22 auf und weist je nach der speziellen Beschaffenheit des persönlichen elektronischen Geräts 18 eine von etwa 200-2000 Mikrometer reichende Dicke auf. Ist das persönliche elektronische Gerät 18 zum Beispiel ein relativ kleines Gerät, beispielsweise ein Smartphone, kann die Dicke der Dampfkammer 10 von etwa 200-400 Mikrometer reichen. Die Dampfkammern 10 größerer Geräte, beispielsweise Tablets oder Laptops, können dicker sein als die eines Smartphones. Die Dampfkammer 10 kann einen oder mehrere Ausschnitte 24 beinhalten, um Elemente des persönlichen elektronischen Geräts 18, beispielsweise eine Kameralinse 8, die in der in 1 dargestellten hinteren Abdeckung 6 bereitgestellt ist, unterzubringen.
Zwar ist die Dampfkammer 10 in den Zeichnungen als dünn und allgemein flach, planar und rechtwinklig dargestellt, die hierin offenbarten und beanspruchten Dampfkammern müssen jedoch diese Konfiguration nicht aufweisen. Die Konfiguration der Dampfkammer 10 kann gemäß der speziellen Anwendung, für die sie verwendet werden soll, variieren. Wie bereits oben diskutiert, hängt die Dicke der Dampfkammer zum Beispiel von der Beschaffenheit und Größe des persönlichen elektronischen Geräts 18 ab. Die Dampfkammer 10 kann, mindestens teilweise abhängig von der Form und Größe des zu kühlenden wärmeerzeugenden Bauteils und/oder der Größe und Beschaffenheit des persönlichen elektronischen Geräts 18, nicht rechtwinklig, nicht planar und/oder von nicht gleichmäßiger Dicke sein.
Bei Verwendung wird mindestens eines der wärmeerzeugenden Bauteile 26 auf der oberen Oberfläche 20 der Dampfkammer 10 entweder direkt oder über ein Substrat, auf dem das wärmeerzeugende Bauteil 26 montiert ist, aufgenommen. Das veranschaulichte persönliche elektronische Gerät 18 weist ein solches wärmeerzeugendes Bauteil 26 auf. Das wärmeerzeugende Bauteil 26 kann die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) des elektronischen Geräts 18 umfassen, wobei die CPU einen oder mehrere Prozessoren aufweist, wobei jeder Prozessor einen Computerchip umfasst. Das elektronische Gerät 18 kann einen oder mehrere Prozessoren beinhalten und kann andere wärmeerzeugende Bauteile, beispielsweise eine wiederaufladbare Lithiumionenbatterie, beinhalten. Da das von der Dampfkammer 10 gekühlte wärmeerzeugende Bauteil 26 in der erfindungsgemäßen Ausführungsform ein einzelner Prozessor (CPU) ist, der einen Computerchip umfasst, wird das wärmeerzeugende Bauteil 26 in der folgenden Beschreibung als „Computerchip 26“ bezeichnet. Der Computerchip 26 ist in 1 als flaches, rechtwinkliges Prisma mit einer Fläche von etwa 100-225 mm2, d. h. mit Abmessungen von etwa 10x10 mm bis 15x15 mm, dargestellt, das direkt auf der oberen Oberfläche 20 der Dampfkammer 10 aufgenommen ist. Der lokale Bereich der Dampfkammer 10, in dem der Computerchip 26 aufgenommen wird, ist in 2 durch gestrichelte Linien dargestellt.
Die erste Platte 12 weist eine Innenfläche 28, die zum Inneren der Dampfkammer 10 zeigt, und eine Außenfläche 30, die entweder die obere oder die untere Oberfläche 20, 22 der Dampfkammer 10 definiert, auf. Ein äußerer peripherer Rand der ersten Platte 12 ist mit einer peripheren Dichtoberfläche 32 bereitgestellt, die auf einem erhabenen peripheren Flansch 33 gebildet ist, wobei die periphere Dichtoberfläche 32 flach und planar ist und der Flansch 33 relativ zu anderen Bereichen der Innenfläche 28 erhöht ist, wobei die Höhe des Flansches 33 im Wesentlichen die gleiche ist wie die Höhe der Fluidkammer 34, sodass der Bereich der Innenfläche 28, die von dem Dichtungsflansch 32 umschlossen ist, teilweise eine Fluidkammer 34 definiert, die von der ersten und zweiten Platte 12, 14 umgeben ist. Zwar ist diese Beschreibung auf die erfindungsgemäße Ausführungsform anwendbar, es ist jedoch davon auszugehen, dass die Höhe der Fluidkammer 34 nicht notwendigerweise die gleiche sein muss wie die Höhe des Flansches 33. Dies kann zum Beispiel nicht der Fall sein, wenn die erste Platte 12 nicht planar oder von nicht gleichmäßiger Höhe ist.
Wie in 2 dargestellt, beinhaltet die erste Platte 12 einen Erweiterungsabschnitt 36, in den sich der Dichtungsflansch 32 erstreckt und der teilweise einen Fluidfüllkanal 38 definiert, der sich in Fluidströmungsverbindung mit der Fluidkammer 34 befindet. Der Fluidfüllkanal 38 erstreckt sich außerhalb des Umrisses des persönlichen elektronischen Geräts 18 und liegt nur zum Zwecke des Füllens des Arbeitsfluids in die Fluidkammer 34 während der Herstellung vor. Sobald die Fluidkammer 34 gefüllt ist, wird der Erweiterungsabschnitt 36 entlang einer Dichtungslinie 40 abgeschnitten, wobei die Fluidkammer 34 abgedichtet wird, um ein Entweichen des Arbeitsfluids aus der Fluidkammer 34 zu verhindern. Die Dichtungslinie 40 ist durch eine gestrichelte Linie in 2 angegeben. Das Arbeitsfluid ist typischerweise Wasser.
Die zweite Platte 14 kann die gleiche Größe und Form wie die erste Platte 12 aufweisen, aufweisend eine Innenfläche 42, die zum Inneren der Dampfkammer 10 zeigt, und eine Außenfläche 44, die entweder die obere oder die untere Oberfläche 20, 22 der Dampfkammer 10 definiert. Ein äußerer peripherer Rand der ersten Platte 12 ist flach und planar, um eine periphere Dichtoberfläche 46 auf der Innenfläche 42 bereitzustellen, die angepasst ist, um mit der Dichtoberfläche 32 der ersten Platte 12 abgedichtet zu werden. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die periphere Dichtoberfläche 46 co-planar zu der restlichen Innenfläche 42, außer wie nachfolgend angegeben, wobei die Bereiche der Innenfläche 42, die von der Dichtoberfläche 46 umschlossen sind, teilweise die Fluidkammer 34 definieren.
Einige der Zeichnungen stellen dar, dass der Computerchip 26 auf der Außenfläche 30 der ersten Platte 12 aufgenommen wird, die daher die obere Oberfläche 20 der Dampfkammer 10 definiert. Da jedoch beide Platten 12, 14 in der erfindungsgemäßen Ausführungsform allgemein flach und planar sind, kann der Computerchip 26 stattdessen auf der Außenfläche 44 der zweiten Platte 14 entweder direkt oder über ein Substrat, auf dem sie montiert ist, aufgenommen werden; in diesem Fall definiert die Außenfläche 44 der zweiten Platte 14 die obere Oberfläche 20 der Dampfkammer 10, auf der der Chip 26 gelagert ist.
Die hierin beschriebene Ausführungsform beinhaltet eine vorwiegend planare Platte 14, die mit einer Platte 12 zusammengefügt ist, die einen erhabenen peripheren Dichtungsflansch 33 aufweist. Diese Ausgestaltung ist nicht unbedingt erforderlich. Es ist davon auszugehen, dass anstelle der hierin dargestellten Ausgestaltung sowohl die erste als auch die zweite Platte 12, 14 beide mit erhabenen peripheren Dichtungsflanschen 33, die Spiegelbilder voneinander sind, gebildet sein können, wobei die kombinierten Höhen der Flansche 33 der ersten und zweiten Platte 12, 14 im Wesentlichen die gleichen sind wie die Höhe der Fluidkammer 34.
Die zweite Platte 14 beinhaltet einen Erweiterungsabschnitt 48, der die gleichen äußeren Abmessungen wie der Erweiterungsabschnitt 36 der Platte 12 aufweist. Der Erweiterungsabschnitt 48 der zweiten Platte 14 kann flach sein und ist angepasst, um den Erweiterungsabschnitt 36 der ersten Platte 12 zu versiegeln, und definiert teilweise den Fluidfüllkanal 38. Der Erweiterungsabschnitt 48 der zweiten Platte 14 weist ein Loch 50 auf, durch das das Fluid in den Kanal 38 injiziert wird, wobei das Loch 50 am Ende des Fluidfüllkanals 38 ausgerichtet ist, der wahlweise eine vergrößerte bauchige Form aufweisen kann.
Die Dampfkammer 10 kann wahlweise mit einer Vielzahl von Verstärkungsrippen 52 bereitgestellt sein, um ihre strukturelle Steifigkeit zu verstärken, um eine strukturelle Lagerung für die Fluidkammer 34 bereitzustellen und um wahlweise dabei zu helfen, den Fluidstrom innerhalb der Fluidkammer 34 zu lenken. Die Verstärkungsrippen 52 sind über den Bereich der Dampfkammer 10 beabstandet. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform beinhaltet die Dampfkammer 10 eine Vielzahl von Verstärkungsrippen 52, die sich parallel zu ihren längeren Seiten erstrecken (hierin als Längsrippen bezeichnet), und eine Vielzahl von Verstärkungsrippen 52, die sich parallel zu ihren kürzeren Seiten erstrecken (hierin als Querrippen bezeichnet). Die Verstärkungsrippen 52 können je nach der speziellen Konfiguration der Dampfkammer 10 bezüglich Länge und Anzahl variieren. Es ist davon auszugehen, dass der periphere Dichtungsflansch 33 auch die Steifigkeit der Dampfkammer 10 verstärkt. Es kann möglich sein, den Bedarf an Verstärkungsrippen 52 zu reduzieren oder zu eliminieren, wobei die Steifigkeit des Metalls, das die erste und zweite Platte 12, 14 umfasst, ausreichend ist, um Festigkeitsanforderungen zu erfüllen.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform erstrecken sich die Verstärkungsrippen 52 von der Innenfläche 42 der zweiten Platte 14 nach oben in die Fluidkammer 34, aufweisend eine Höhe relativ zu der Innenfläche 42, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Höhe des peripheren Dichtungsflansches 33 und der Dichtoberfläche 32 relativ zu der Innenfläche 28 der ersten Platte 12, und die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Höhe der Fluidkammer 34. Jede Verstärkungsrippe 52 weist eine obere Dichtoberfläche 54 auf, die flach und planar sein kann, entlang derer die Verstärkungsrippe 52 mit der Innenfläche 28 der ersten Platte 12 aneinandergefügt ist.
In alternativen Ausführungsformen können mindestens einige der Verstärkungsrippen 52 stattdessen auf der ersten Platte 12 bereitgestellt sein oder beide Platten 12, 14 können mit Spiegelbild-Verstärkungsrippen 52, die aneinander befestigt sind, versehen sein.
Die erste und zweite Platte 12, 14 bestehen aus einem relativ steifen wärmeleitenden Material. In einer Ausführungsform bestehen die erste und zweite Platte 12, 14 aus rostfreiem Stahl, mindestens teilweise aufgrund seiner Steifigkeit, die größer ist als die herkömmlicher Materialien wie Kupfer. Die Verwendung eines steiferen Metalls, beispielsweise rostfreien Stahls, bedeutet, dass die erste und zweite Platte 12, 14 dünneres Material als Kupferplatten vergleichbarer Steifigkeit umfassen können, wodurch Gewicht, Kosten und Dicke reduziert werden. Die Verwendung eines steiferen Metalls, beispielsweise rostfreien Stahls, kann zudem den Bedarf an Verstärkungsrippen 52 in einigen Anwendungen reduzieren oder eliminieren.
Typischerweise umfassen die erste und zweite Platte 12, 14 jeweils eine Kernschicht 56 aus rostfreiem Stahl und eine durchgängige innere Verkleidungsschicht 58 aus einem anderen Metall entlang ihrer Innenfläche 28, 42. Das Metall der inneren Verkleidungsschicht 58 umfasst ein Metall mit einer Schmelztemperatur, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der Kernschicht 56 aus rostfreiem Stahl und die gegenüber dem Arbeitsfluid inert ist. Die innere Verkleidungsschicht 58 kann zum Beispiel Kupfer oder Nickel umfassen. Die innere Verkleidungsschicht58 ist typischerweise sehr dünn, etwa 2-10 Dickeprozent, typischerweise etwa 3-4 Dickeprozent, jeder der ersten und zweiten Platte 12, 14. Die Dicke jeder Verkleidungsschicht kann zum Beispiel in der Größenordnung von etwa 1-10 Mikrometer liegen.
Jede der ersten und zweiten Platte 12, 14 kann weiter eine durchgängige äußere Verkleidungsschicht 60 entlang ihrer Außenfläche 30, 44 umfassen, die sich bezüglich der Zusammensetzung von der Kernschicht 56 unterscheiden und sich wahlweise bezüglich der Zusammensetzung von der inneren Verkleidungsschicht 58 unterscheidet. Die äußere Verkleidungsschicht 60 kann für eine gewünschte Eigenschaft, beispielsweise Korrosionsbeständigkeit, ausgewählt sein und Kupfer oder Nickel umfassen. Die äußere Verkleidungsschicht 60 kann die gleiche oder eine ähnliche Dicke wie die innere Verkleidungsschicht, d. h. etwa 2-10 Dickeprozent, typischerweise etwa 3-4 Dickeprozent, jeder der ersten und zweiten Platte 12, 14 aufweisen.
das Dochtwirkungsmaterial 16 wird im Inneren der Fluidkammer 34 zwischen der Innenfläche 28 der ersten Platte 12 und der Innenfläche 42 der zweiten Platte 14 aufgenommen. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform kann das Dochtwirkungsmaterial 16 aus mindestens einer Schicht aus einem feinen Gitter eines Materials, das mit dem Arbeitsfluid kompatibel ist, bestehen. In den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann das Gitter zum Beispiel aus Metalldraht bestehen, wobei das das Gitter umfassende Metall gegenüber dem Arbeitsfluid inert ist und Kupfer oder Nickel sein kann. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Dochtwirkungsmaterial 16 eine einzelne Schicht aus einem Metalldrahtgittermaterial in Form eines Blechs. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform kann das Dochtwirkungsmaterial 16 eine Dicke von etwa 100-300 Mikrometern aufweisen und ist wünschenswerterweise möglichst dünn, um die Dicke der Dampfkammer 10 zu minimieren. In mindestens einigen Bereichen des Dochtwirkungsmaterials 16 kann das Dochtwirkungsmaterial 16 mit den inneren Oberflächen 28, 42 der ersten und zweiten Platte 12, 14 in Kontakt stehen, wie nachstehend weiter diskutiert.
das Dochtwirkungsmaterial 16 ist hydrophil, wobei das Drahtgitter eine große Anzahl von kleinen Hohlräumen enthält, in denen Kapillarkräfte erzeugt werden, um das Zirkulieren des Arbeitsfluids durch das Dochtwirkungsmaterial 16 zu bewirken.
das Dochtwirkungsmaterial 16 ist mit einer Vielzahl von Ausschnitten 62 gebildet, die eine Vielzahl von primären Gasstrompassagen 66 zum Zirkulieren des gasförmigen Arbeitsfluids, das durch Verdampfen des Arbeitsfluid mittels von dem Computerchip 26 produzierter Wärme erzeugt wird, definiert. Soweit Verstärkungsrippen 52 bereitgestellt sind, weist das Dochtwirkungsmaterial 16 zudem eine zweite Vielzahl von Ausschnitten 64 auf, die Zwischenräume definieren, in denen die Verstärkungsrippen 52 bereitgestellt sind, und die Höhe der Fluidkammer 34 überspannen können. Es ist davon auszugehen, dass die Rippen 52 und Ausschnitte 64 einer Positionierungsfunktion dienen können, um sicherzustellen, dass das Dochtwirkungsmaterial 16 ordnungsgemäß positioniert und zwischen den Platten 12, 14 orientiert ist. Diese Funktion kann von besonderer Bedeutung sein, wenn das Dochtwirkungsmaterial 16 eine Vielzahl von Streifen umfasst.
Die primären Gasstrompassagen 66 sind über den Bereich der Dampfkammer 10 beabstandet und konfiguriert, um zu erlauben, dass das gasförmige Arbeitsfluid von dem Computerchip 26 weg zu dem äußeren Umfang der Dampfkammer 10 strömt, um die von dem Computerchip 26 erzeugte Wärme auf die Fläche des Geräts 18 effektiv zu verteilen und abzuleiten. Es lässt sich erkennen, dass die Vielzahl von innerhalb der Fluidkammer 34 bereitgestellten primären Gasstrompassagen 66 den Bereich 68 der Dampfkammer 10 (durch die gestrichelten Linien in 2 angegeben), auf dem der Computerchip 26 gelagert ist und der Wärmeenergie von dem Chip 26 mittels Leitung durch die erste Platte 12 direkt aufnimmt, hierin als die „Verdampfungszone 68“ bezeichnet, entweder durchquert oder darin endet. Dies erlaubt dem verdampften Arbeitsfluid, von der Verdampfungszone 68 weg nach außen in kühlere Bereiche der Dampfkammer 10 zu strömen.
In dem erfindungsgemäßen Beispiel beinhaltet die Dampfkammer 10 fünf primäre Gasstrompassagen 66, von denen jede an der Verdampfungszone 68 endet und ein offenes erstes Ende aufweist, das sich in offener Strömungsverbindung mit der Verdampfungszone 68 und mit den offenen ersten Enden der anderen primären Gasstrompassagen 66 befindet.
Neben den Ausschnitten 62, 64 beinhaltet das Dochtwirkungsmaterial 16 einen hydrophilen Abschnitt, in dem das Dochtwirkungsmaterial 16 im Wesentlichen unkomprimiert ist, sodass es die oben erwähnte Gitterstruktur mit einer großen Anzahl von kleinen Hohlräumen, in denen Kapillarkräfte erzeugt werden, um das Zirkulieren des verflüssigten Arbeitsfluids zu bewirken, aufweist. Der hydrophile Abschnitt ist in 2 als der Bereich des Dochtwirkungsmaterials 16 mit weiter Kreuzschraffierung veranschaulicht. Der hydrophile Abschnitt definiert eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrompassagen 72, die über den Bereich der Dampfkammer 10 beabstandet sind und die die Verdampfungszone 68 entweder durchqueren oder darin enden. Diese Flüssigkeitsstrompassagen 72 lenkt das kondensierte Arbeitsfluid von anderen Bereichen der Dampfkammer 10 in die Verdampfungszone 68.
In dem hydrophilen Abschnitt, der die Flüssigkeitsstrompassagen 72 definiert, kann sich das Dochtwirkungsmaterial 16 durch die vollständige Höhe der Fluidkammer 34 erstrecken und kann mit der Innenfläche 28 der ersten Platte 12 und der Innenfläche 42 der zweiten Platte 14 entlang der oberen und unteren Oberfläche des hydrophilen Abschnitts in Kontakt stehen. Der Kontakt zwischen dem Dochtwirkungsmaterial 16 und den inneren Oberflächen 28, 42 der Platten 12, 14 ist insofern günstig, da er die Kapillarströmung in den Hohlräumen, die an den Grenzflächen zwischen dem Dochtwirkungsmaterial 16 und den Platten 12, 14 existieren, erlaubt. Darüber hinaus kann mindestens in der Verdampfungszone 68 eine signifikante Wärmeleitung von dem Chip 26 durch die erste Platte 12 in das Dochtwirkungsmaterial 16 erfolgen, wobei die Leitung durch Kontakt zwischen dem Dochtwirkungsmaterial 16 und der Innenfläche 28 der ersten Platte 12 verstärkt wird.
Neben den Ausschnittbereichen 62, 64 und dem hydrophilen Abschnitt, der die Flüssigkeitsstrompassagen 72 umfasst, kann das Dochtwirkungsmaterial 16 einen oder mehrere Nichtdochtwirkungsbereiche beinhalten, in denen wenig oder kein Zirkulieren des verflüssigten Arbeitsfluids durch Kapillarkräfte erfolgt und in denen das Strömen des gasförmigen Arbeitsfluids erlaubt ist. Diese Nichtdochtwirkungsbereiche sind in 2 als die Abschnitte des Dochtwirkungsmaterials 16 mit enger Kreuzschraffierung veranschaulicht. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Nichtdochtwirkungsbereiche Bereiche, in denen das Dochtwirkungsmaterial 16 bezüglich seiner Dicke relativ zu dem hydrophilen Abschnitt reduziert wird, zum Beispiel durch Plätten, um eine oder mehrere sekundäre Gasstrompassagen 70 zu bilden. Jede der sekundären Gasstrompassagen 70 verbinden zwei oder mehr primäre Gasstrompassagen 66 miteinander, wodurch eine verbesserte Strömungsverteilung des gasförmigen Arbeitsfluids über die Fläche der Dampfkammer 10 bereitgestellt wird.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Konfiguration der Dampfkammer 10 lässt sich erkennen, dass das in der Verdampfungszone 68 erzeugte gasförmige Arbeitsfluid durch die primären und sekundären Gasstrompassagen 66, 70 weg von der Verdampfungszone 68 zu den äußeren Rändern der Dampfkammer 10 strömt. Wenn das gasförmige Arbeitsfluid von dem Computerchip 26 weg in kühlere Bereiche der Dampfkammer 10 strömt, fällt seine Temperatur. Sobald die Temperatur des Arbeitsfluids auf die Kondensationstemperatur fällt, kondensiert das gasförmige Arbeitsfluid in den flüssigen Zustand und setzt die Kondensationswärme über die Oberfläche der Dampfkammer 10 frei. Das kondensierte flüssige Arbeitsfluid in den Gasstrompassagen 66, 70 wird in das hydrophile Dochtwirkungsmaterial 16 gezogen und zirkuliert durch das Dochtwirkungsmaterial 16 zurück zu der Verdampfungszone 68 durch die Flüssigkeitsstrompassagen 72.
Aufgrund der länglichen Form des persönlichen elektronischen Geräts 18 und der Position des Computerchips 26 nahe einem Ende erstrecken sich die Gasstrompassagen 66, 70 und die Flüssigkeitsstrompassagen 72 vorwiegend in eine Richtung, die parallel zu den langen Seiten der Dampfkammer 10, d. h. in die Längsrichtung, verläuft. Einige Abschnitte der Gasstrompassagen 66, 70 und der Flüssigkeitsstrompassagen 72 erstrecken sich jedoch quer zu den langen Seiten der Dampfkammer 10, um den Gasstrom und den Flüssigkeitsstrom über die Breite der Dampfkammer 10 zu verteilen. Zum Beispiel ist ein Paar quer verlaufender sekundärer Gasstrompassagen 70 nahe dem Ende der Dampfkammer 10 entfernt von der Verdampfungszone 68 bereitgestellt. In Kombination mit Abschnitten eines oder mehrerer Ausschnitte 62, die primäre Gasstrompassagen 66 bilden, verbinden diese quer verlaufenden sekundären Gasstrompassagen 70 die Enden der primären Gasstrompassagen 66, die sich längs durch die Dampfkammer 10 erstrecken, um eine gleichmäßige Fluidverteilung und Wärmeverteilung in der gesamten Fläche der Dampfkammer 10 bereitzustellen, und bilden effektiv eine quer verlaufende Gasverteilungszone 90, die sich quer durch die Dampfkammer 10 benachbart zu dem Ende der Dampfkammer 10, das sich distal der Verdampfungszone 68 befindet, erstreckt. Es ist davon auszugehen, dass die Muster der Gasstrompassagen 66, 70 und der Flüssigkeitsstrompassagen 72 von der Form des Geräts 18 und der speziellen Position des Chips 26 innerhalb des Geräts 18 abhängen und daher variabel sind.
In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst das Dochtwirkungsmaterial 16 ein Blech aus einem Metallgittermaterial, in dem durch Stanzen des Blechs mit einer Stanze Ausschnitte 62, 64 gebildet werden können und in dem die Nichtdochtwirkungsbereiche, die sekundäre Gasstrompassagen 70 umfassen, durch Verformen (d. h. Plätten) des Metallgittermaterials durch Kompression gebildet werden können.
Es ist davon auszugehen, dass einer oder mehrere der Nichtdochtwirkungsbereiche, die sekundäre Gasstrompassagen 70 umfassen, einfach durch Ausschnitte und eher nicht durch geplättete Bereiche gebildet werden. In solchen Ausführungsformen würden mindestens einige der Bereiche der engen Kreuzschraffierung in 2 leere Bereiche umfassen, in denen das Metallgittermaterial entfernt ist, wie in den Ausschnitten 62, 64. Zwar liegen solche Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung, die Bereitstellung einer oder mehrerer der sekundären Gasstrompassagen 70 in Form von Ausschnitten würde jedoch in der Auftrennung des Dochtwirkungsmaterials 16 in eine Vielzahl von Streifen resultieren. Dies kann den Herstellungsprozess verkomplizieren, da die Vielzahl von Streifen ordnungsgemäß zwischen den Platten 12, 14 positioniert und angeordnet werden müsste und während der Herstellung an Ort und Stelle gehalten werden müsste. Weiterhin ist es, da das Dochtwirkungsmaterial 16 nicht mit den Innenflächen 28, 42 der Platten 12, 14 zusammengefügt ist, mindestens dort, wo die Platten 12, 14 durch Laserschweißen aneinandergefügt sind (nachstehend weiter diskutiert), möglich, dass die Streifen des Metallgittermaterials oder Abschnitte davon innerhalb der Kammer 34 während der Verwendung der Dampfkammer 10 verrutschen können, was möglicherweise zu nicht idealen Gas- oder Flüssigkeitsstrommustern führt und negative Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der Dampfkammer 10 hat.
Andererseits erlaubt die Bildung von Nichtdochtwirkungsbereichen durch lokales Verformen des Metallgittermaterials, dass das Dochtwirkungsmaterial 16 in Form eines Blechs bereitgestellt wird, das einfach in den erhabenen peripheren Flansch 33 passt. Es lässt sich erkennen, dass das Bereitstellen des Dochtwirkungsmaterials 16 als einzelnes Blech die Platzierung und ordnungsgemäße Position des Dochtwirkungsmaterials 16 zwischen den Platten 12, 14 während der Herstellung vereinfacht. Es ist davon auszugehen, dass das Dochtwirkungsmaterial 16 eine einzelne Schicht aus dem Gittermaterial umfassen kann, wie in 4 dargestellt, oder multiple Schichten aus dem Gittermaterial umfassen kann. Das Metallgitter des Dochtwirkungsmaterials 16 kann Kupfer umfassen.
Mindestens teilweise aufgrund der Position des Chips 26 und der Gesamtform der Dampfkammer 10 können die primären Gasstrompassagen 66 unterschiedliche Längen und Breiten aufweisen. Die primären Gasstrompassagen 66 können auch unterschiedliche Gesamtformen aufweisen, wobei eine oder mehrere der primären Gasstrompassagen 66 gerade sein können und eine oder mehrere der primären Gasstrompassagen 66 eine oder mehrere gewinkelte oder gekrümmte Biegungen aufweisen können. In Ausführungsformen, in denen jede primäre Gasstrompassage 66 nur ein offenes Ende (d. h. das erste offene Ende) aufweist, an dem sie miteinander kommunizieren, zum Beispiel in der Verdampfungszone 68, unterscheiden sich die Mengen des in die primären Gasstrompassagen 66 strömenden Gases aufgrund der unterschiedlichen Längen, Breiten und Abmessungen der primären Gasstrompassagen 66. Anders ausgedrückt wird die Menge des Gases, das in jede primäre Gasstrompassage 66 eintritt, gemäß dem für diese Passage spezifischen Druckabfall gemessen. Unterschiede bezüglich des Druckabfalls und Fluidstroms in unterschiedlichen Bereichen der Dampfkammer 10 können zu einer verringerten Leistungsfähigkeit und einer verringerten Temperaturgleichmäßigkeit über die Oberfläche der Dampfkammer 10 führen.
In den sekundären Gasstromkanälen 70 ist das Dochtwirkungsmaterial bezüglich der Höhe relativ zu den Flüssigkeitsstrompassagen 72 reduziert, sodass es nur einen Teil der Höhe der Fluidkammer 34 einnimmt, wodurch er dem Gas erlaubt, darüber und/oder darunter zu strömen. Eine Reduktion der Höhe des Dochtwirkungsmaterials 16 durch Kompression verringert auch seine Porosität, was seine Fähigkeit, das kondensierte Arbeitsfluid abzutransportieren, unterbindet oder reduziert. Das Dochtwirkungsmaterial 16 kann zum Beispiel im hydrophilen Abschnitt, der die Flüssigkeitsstrompassagen 72 umfasst, zu etwa 30-60 % porös sein und kann eine feste, im Wesentlichen nicht poröse Masse sein, die einen Anteil der unkomprimierten Dicke des Dochtwirkungsmaterials in den Nichtdochtwirkungsbereichen, die die sekundären Gasstrompassagen 70 umfassen, aufweist.
Die sekundären Gasstrompassagen 70 verbinden jede der primären Gasstrompassagen 66 mit einer oder mehreren anderen primären Gasstrompassagen 66, sodass alle der primären Gasstrompassagen 66 in Bereichen, die sich distal der Verdampfungszone 68 befinden, miteinander verbunden sind. Zum Beispiel weist in der Dampfkammer 10 jede der primären Gasstrompassagen 66 ein erstes und ein zweites gegenüberliegendes Ende auf, wobei sich das erste Ende in der Verdampfungszone 68 befindet, wo es sich in offener Strömungsverbindung mit den ersten Enden der anderen primären Gasstrompassagen 66 befindet. In der Tat fungiert die Verdampfungszone 68 als Gaseinlass-Sammelrohr, um den Gasstrom zu den ersten Enden aller primären Gasstrompassagen 66 zu verteilen. Aus diesem Grund wird die Verdampfungszone 68 zuweilen auch als der „Gaseinlass-Sammelrohr-Bereich“ oder der „erste Sammelrohrbereich“ bezeichnet.
Das zweite Ende der primären Gasstrompassage 66 der Dampfkammer 10 befindet sich durch eine der sekundären Gasstrompassagen 70 in offener Strömungsverbindung mit mindesten einer anderen primären Gasstrompassage 66. Daher fungiert/fungieren die sekundäre(n) Gasstrompassage(n) 70 gemeinsam in gewisser Weise als Gasauslass-Sammelrohr, um den Gasstrom von den zweiten Enden der primären Gasstrompassagen 66 zu sammeln und ihn über die Dampfkammer 10 zu verteilen, um die Strömung und den Druckabfall des aus den primären Gasstrompassagen 66 abgelassenen Gasstroms auszugleichen. Aus diesem Grund ist/sind der Bereich/die Bereiche, der/die von (einer) sekundären Gasstrompassage(n) 70 eingenommen wird/werden, zuweilen hierin als der/die „Gasauslass-Sammelrohr-Bereich(e)“ oder der/die „zweite(n) Sammelrohrbereich(e)“ bezeichnet.
Daher sind bei der Bereitstellung sekundärer Gasstrompassagen 70 die primären Gasstrompassagen 66 an ihren ersten und zweiten offenen Enden zu den ersten und zweiten Sammelrohrbereichen offen.
Die Flüssigkeitsstrompassagen 72 weisen in ähnlicher Weise erste und zweite Enden auf, wobei sich das erste Ende jeder Flüssigkeitsstrompassage 72 in der Verdampfungszone 68 befindet. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform können die ersten Enden mindestens einiger der Flüssigkeitsstrompassagen 72 innerhalb oder angrenzend an die Verdampfungszone 68 miteinander kombiniert werden. Daher kann der erste Sammelrohrbereich (Verdampfungszone 68) auch als Flüssigkeitsauslass-Sammelrohr-Bereich gelten, in den Flüssigkeit aus den ersten Enden der Flüssigkeitsstrompassagen 72 abgelassen wird.
Das zweite Ende jeder Flüssigkeitsstrompassage 72 befindet sich in offener Strömungsverbindung mit mindestens einer der Flüssigkeitsstrompassagen 66 und/oder mindestens einer der sekundären Gasstrompassagen 70. Da die sekundären Gasstrompassagen 70 den Strom des Arbeitsfluids, wenn es von der Gasform in die Flüssigkeitsform kondensiert, verteilten, fungiert/fungieren die sekundäre(n) Gasstrompassage(n) 70 kollektiv als Flüssigkeitseinlass-Sammelrohr, um das kondensierte Arbeitsfluid auf die zweiten Enden der Flüssigkeitsstrompassagen 72 zu verteilen. Daher kann/können der/die zweite(n) Sammelrohrbereich(e), der/die (eine) sekundäre(n) Flüssigkeitsstrompassage(n) 70 umfasst/umfassen, als Flüssigkeitseinlass-Sammelrohr gelten.
Daher gleicht die Bereitstellung sekundärer Gasstromkanäle 70, die mit den zweiten Enden der primären Gasstrompassagen 66 und der Flüssigkeitsstrompassagen 72 kommunizieren, den Gas- und Flüssigkeitsstrom durch die Dampfkammer aus und gleicht auch den Druckabfall aus. Das reduziert den Gesamtdruckabfall und erlaubt die effektivere Verwendung des gesamten Bereichs der Dampfkammer 10, wobei eine bessere Leistungsfähigkeit und Temperaturgleichmäßigkeit bereitgestellt werden. Weiterhin hilft die Bereitstellung sekundärer Gasstromkanäle 70 in einem System mit zwei oder mehr wärmeerzeugenden Bauteilen, den Strom in den Gasstrompassagen 66 und den Flüssigkeitsstrompassagen 72 unabhängig von den Wärmebelastungen jeder der Verdampfungszonen 68 auszugleichen.
Es ist davon auszugehen, dass die erste und zweite Platte 12, 14, statt das Dochtwirkungsmaterial 16 zu umfassen, eine Vielzahl hydrophiler und hydrophober Bereiche beinhalten kann, wie in der oben erwähnten Veröffentlichung Nr. US 2016/0290739 A1 von Mochizuki et al. beschrieben.
Wie oben erwähnt, umfasst der Prozess zur Herstellung herkömmlicher Dampfkammern typischerweise einen Diffusionsschweißprozess zum Aneinanderfügen der ersten und zweiten Platte. Das Diffusionsschweißen von Dampfkammern ist jedoch für die hochvolumige Herstellung relativ zeitaufwändig und teuer. Um dieses Problem anzugehen, können die erste und zweite Platte 12, 14 der Dampfkammer 10 durch Laserstrahlschweißen (laser beam welding, LBW), einer Schweißtechnik, bei der die erste und zweite Platte 12, 14 durch Verwendung eines Lasers aneinandergefügt werden, dichtend aneinandergefügt werden. LBW stellt eine konzentrierte Wärmequelle bereit, was schmale Schweißnähte und hohe Schweißraten erlaubt, und ist daher für die kommerzielle Produktion der Dampfkammer 10 besonders gut geeignet.
LBW weist eine hohe Leistungsdichte (bis zu etwa 3 MW/cm2, typischerweise mehr als etwa 0,7 MW/cm2), auf, was zu kleinen wärmebeeinflussten Zonen, hohen Erwärmungs- und Kühlraten führt und bewirkt, dass sich LBW für hochvolumige Anwendungen eignet. Die Fleckgröße oder Strahlbreite des Lasers ist klein (zum Beispiel etwa 20-80 Mikrometer), um eine schmale Schweißnaht zu produzieren, und die Leistung, Geschwindigkeit und Länge der Impulse können variiert werden, um Materialien unterschiedlicher Dicken zu schweißen, wobei zum Schweißen dünner Materialien niedrigere Leistungen und höhere Geschwindigkeiten verwendet werden Die Schweißgeschwindigkeiten können von 100 bis 1000 mm/s reichen, und daher kann eine Dampfkammer, die eine Gesamtschweißlänge von 700 mm aufweist, in weniger als 2 Sekunden geschweißt werden.
LBW ist zudem ein vielseitiger Prozess, der eine Vielzahl von Metallen, beinhaltend plattierten oder nicht plattierten rostfreien Stahl, schweißen kann.
5 ist eine vergrößerte Ansicht des Randes einer Anordnung, die die erste Platte 12, die zweite Platte 14 und das Dochtwirkungsmaterial 16 umfasst, bevor die Platten 12, 14 durch Schweißen aneinandergefügt werden. Die Platten 12, 14 sind wie dargestellt positioniert, wobei ihre Innenflächen 28, 42 zueinander zeigen und wobei die periphere Dichtoberfläche 32 der ersten Platte 12 in direktem Kontakt mit der peripheren Dichtoberfläche 46 der zweiten Platte 14 steht.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform beinhaltet jede der ersten und zweiten Platte 12, 14 eine Kernschicht 56 aus rostfreiem Stahl und eine innere Verkleidungsschicht 58 aus Kupfer oder Nickel. Jede der ersten und zweiten Platte kann auch eine äußere Verkleidungsschicht 60 umfassen, die ebenfalls Kupfer oder Nickel umfassen kann. Die in 5 dargestellte Anordnung kann anfänglich durch eine Montagevorrichtung oder Haltevorrichtung zusammengehalten werden.
Während des Laserstrahlschweißens wird ein schmaler Laserstrahl 80 auf einen Fleck gerichtet, der sich zwischen dem äußeren peripheren Rand 76 der Plattenanordnung (definiert als äußerer peripherer Rand mindestens einer der zusammengehörigen Dichtoberflächen 32, 46 der Platten 12, 14) und dem äußeren peripheren Rand 74 der Fluidkammer 34 befindet. 5 stellt den Laserstrahl 80 dar, der auf einen Bereich gerichtet ist, der sich etwa in der Mitte zwischen dem äußeren peripheren Rand 76 der Plattenanordnung und dem äußeren peripheren Rand 74 der Fluidkammer 34 befindet. Es ist jedoch davon auszugehen, dass dies nicht in allen Ausführungsform wesentlich ist und dass der Laserstrahl 80 stattdessen auf einen Bereich gerichtet werden kann, der sich sehr nahe dem äußeren peripheren Rand 76 der Plattenanordnung befindet.
Die Laserstrahlschweißparameter sind so ausgewählt, dass der Laserstrahl 80 die Platten 12, 14 lokal erwärmt, um eine schmale Verschmelzungszone 78 in dem Bereich, in dem er auf die Platten 12, 14 trifft, zu produzieren, wobei sich die Verschmelzungszone 78 durch eine der Platten 12, 14 und mindestens teilweise durch die nebenstehende Platte 12, 14 erstreckt. Wahlweise kann sich die Verschmelzungszone 78 durch die kombinierte Dicke der ersten und zweiten Platte 12, 14 erstrecken. Innerhalb der Verschmelzungszone 78 werden die erste und zweite Platte 12, 14 rasch auf ihre Schmelztemperatur erwärmt, was bewirkt, dass das Metall der Platten 12, 14 innerhalb der Verschmelzungszone 78 schmilzt und verschmilzt. Beim Kühlen erstarrt das geschmolzene Metall innerhalb der Verschmelzungszone 78, um eine Schweißnaht oder Schweißlinse 82 zu bilden, an der die Platten 12, 14 miteinander versiegelt werden. Diese Schweißnaht 82 umfasst eine Legierung aus der Kernschicht 56 und den Verkleidungsschichten 58, 60 und fügt die erste und zweite Platte 12, 14 entlang des gesamten äußeren peripheren Randes 76 der Plattenanordnung dichtend aneinander. In der veranschaulichten Ausführungsform erstrecken sich die Verschmelzungszone 78 und die resultierende Schweißnaht 82 durch die Kernschicht 56 und die Verkleidungsschichten 58, 60 der ersten Platte 12, durch die innere Verkleidungsschicht 58 der zweiten Platte 14 und teilweise durch die Dicke der Kernschicht 56 der zweiten Platte 14.
Während des Schweißens wird die Wärme des Laserstrahls 80 durch die Platten 12, 14 über die Verschmelzungszone 78 hinaus und in die angrenzenden Bereiche der Platten 12, 14 nach außen geleitet. Die Schweißparameter werden so ausgewählt, dass der Laserstrahl 80 diese Bereiche nicht auf ausreichend hohe Temperaturen erwärmt, um die Kernschicht 56 der ersten und zweiten Platte 12, 14 innerhalb dieser Bereiche zu schmelzen. Aufgrund ihrer niedrigeren Schmelztemperatur werden die inneren Verkleidungsschichten 58 der beiden Platten 12, 14 innerhalb schmaler Bereiche, die sich unmittelbar angrenzend an die Schweißnaht 82 befinden, mindestens teilweise geschmolzen und verschmolzen, wobei diese schmalen Bereiche hierin als die wärmebeeinflusste Zone 84 definiert sind.
Das Schmelzen und Verschmelzen der inneren Verkleidungsschichten einer niedrigeren Schmelztemperatur 58 der ersten und zweiten Platte 12, 14 in der wärmebeeinflussten Zone 84 ähnelt der Bildung einer Lötverbindung zwischen zwei Lötblechen, die eine Kernschicht einer höheren Schmelztemperatur, die mit einer Lötlegierung einer niedrigeren Schmelztemperatur verkleidet ist, die bei Erwärmung auf ihre Schmelztemperatur ein Füllmetall bildet, umfasst. Innerhalb der wärmebeeinflussten Zone 84 bilden die inneren Verkleidungsschichten 58 der ersten und zweiten Platte 12, 14 in ähnlicher Weise ein Füllmetall, das eine durchgängige Dichtung zwischen den Platten 12, 14 auf beiden Seiten der Schweißnaht bildet und das mittels Kapillarkräften durch mindestens einen Abschnitt des Bereichs, in dem die periphere Dichtoberfläche 32 der Platte 12 mit der peripheren Dichtoberfläche 46 der zweiten Platte 14 in Kontakt steht, strömen kann.
Zum Beispiel wird, wie in 6 dargestellt, die Energie des Laserstrahls 80 so ausgewählt, dass die wärmebeeinflusste Zone 84 relativ schmal ist und sich nicht nach außen zu dem peripheren Rand 74 der Kammer 34 und/oder dem äußeren peripheren Rand 76 der Dichtoberflächen 32, 46 erstreckt, um ein Schmelzen und Unterbrechen der Verkleidungsschicht 58 in Bereichen, die mit dem Arbeitsfluid, d. h. den inneren Oberflächen der Flüssigkeitskammer 34, in Kontakt stehen, zu vermeiden.
Wie aus 6 erkennbar ist, wird die Schweißnaht 82 durch die wärmebeeinflusste Zone 84, in der die inneren Verkleidungsschichten 58 der ersten und zweiten Platte 12, 14 miteinander verschmolzen sind, vom Kontakt isoliert. Daher bestehen alle der inneren Oberflächen der Flüssigkeitskammer 34 aus dem Metall der inneren Verkleidungsschicht 58, das gegenüber dem Arbeitsfluid inert ist. Zum Beispiel reagiert, wenn das Arbeitsfluid Wasser ist und die Oberflächen der Kammer 34 nur aus Kupfer oder Nickel bestehen, das Arbeitsfluid nicht mit den Wänden der Kammer, um Verunreinigungen oder andere unerwünschte Spezies in der Kammer zu produzieren, die den Betrieb der Dampfkammer beeinträchtigen könnten.
Eine solche unerwünschte Spezies ist Eisenoxid, d. h. Rost, der aus dem direkten Kontakt zwischen dem Arbeitsfluid (z. B. Wasser) mit der die Schweißnaht umfassenden Metalllegierung, die vorwiegend aus Eisen besteht, resultieren kann. Die Oxidation der Eisenlegierung resultiert in der Bildung nicht kondensierbarer Spezies in dem Arbeitsfluid, was eine Veränderung des Dampfdrucks im Inneren der Dampfkammer 10 und daher eine Leistungsreduktion bewirkt.
Die Anwendung des Laserstrahlschweißens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform stellt nicht nur ein schnelles Aneinanderfügen der Platten 12, 14 bereit, sondern vermeidet auch das obige Problem der Bildung einer Schweißnaht 82, die durch eine Schicht aus verschmolzenem Verkleidungsmaterial 58, die gegenüber dem Arbeitsfluid inert ist, von dem Arbeitsfluid um den peripheren Rand der Kammer 34 herum fluidisch isoliert wird.
Die Parameter des Schweißbetriebs sind steuerbar, um eine Schweißnaht mit den obigen Merkmalen zu erzielen. Diese Parameter, die die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen, beinhalten die Energie des Laserstrahls 80, die Breite des Strahls 80, die Länge der Impulse, die Art und Dicke der Verkleidungsschicht 58, die Breite der Dichtoberfläche 32 und der Dichtoberfläche 46, den Abstand von der Schweißnaht 82 zu dem äußeren peripheren Rand der Fluidkammer 34, den auf die Dichtoberflächen 32, 46 der Platten 12, 14 während des Schweißens ausgeübten Kontaktdruck der Haltevorrichtung, die Reinheit und die Schweißgeschwindigkeit.
Die Dichtoberflächen 54 der wahlweise in der zweiten Platte 14 bereitgestellten Verstärkungsrippen 52 werden in der gleichen Weise an die Innenfläche 28 der ersten Platte 12 laserstrahlgeschweißt, sodass eine entlang der Dichtoberfläche 54 gebildete Schweißnaht 82 durch eine Schicht aus verschmolzenem Verkleidungsmaterial 58 in einer wärmebeeinflussten Zone 82 von dem Arbeitsfluid um die peripheren Ränder der Verstärkungsrippen 52 herum isoliert wird, wobei die Schicht aus dem verschmolzenen Verkleidungsmaterial 58 gegenüber dem Arbeitsfluid inert ist.
Gemäß dem oben beschriebenen Prozess hergestellte Muster der Dampfkammern 10 wurden unter extremen Bedingungen ohne eine signifikante Leistungsverschlechterung getestet, was auf eine angemessene Isolierung der Schweißnähte vom Kontakt mit dem Arbeitsfluid hindeutet. Diese Tests beinhalten Temperaturwechseltests zwischen 70 °C und -30 °C und bei 125 °C durchgeführte Langzeiterwärmungstests.
Die Dampfkammer 10 wird hierin als flach und planar beschrieben. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Dampfkammer 10 stattdessen je nach der speziellen Anwendung, bei der sie verwendet wird, nicht planar und/oder von variabler Dicke sein kann.
Zwar umfasst das in der obigen Ausführungsform beschriebene wärmeerzeugende Bauteil einen einzelnen Computerchip 26, es ist jedoch davon auszugehen, dass die hierin beschriebene Dampfkammer 10 zum Kühlen einer breiten Palette wärmeerzeugender elektronischer Bauteile verwendet werden kann und zum Kühlen von mehr als einem wärmeerzeugenden Bauteil in einem einzelnen persönlichen elektronischen Gerät 18 verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die hierin beschriebene Dampfkammer 10 eine Wärmeableitung und Kühlung für Batterien persönlicher elektronischer Geräte 18 bereitstellen, wobei 50 °C etwa die maximale Temperatur ist, der eine Batterie standhalten kann, bevor sie anschwillt. Daher kann die Dampfkammer 10 auch verwendet werden, um eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Batterietemperaturen persönlicher elektronischer Geräte 18, insbesondere während eines schnellen Aufladens, bereitzustellen.
Es ist davon auszugehen, dass Bezugnahmen auf Kupfer und Nickel in der vorliegenden Offenbarung reines Kupfer und Nickel sowie Legierungen davon beinhalten. Es ist zudem davon auszugehen, dass Bezugnahmen auf Kupfer als ein in beliebigen Bauteilen der Dampfkammer 10 enthaltenes Metall sauerstofffreies Kupfer beinhalten.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 7 und 8 ein Wärmetauscher 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Der Wärmetauscher 100 umfasst eine Dampfkammer, die eine Reihe von Elementen beinhaltet, die ähnlich zu oder identisch mit entsprechenden Elementen der oben beschriebenen Dampfkammer 10 sind. Gleiche Elemente der Dampfkammer 100 sind mit gleichen Bezugsnummern in den 7 und 8 und in der nachfolgenden Beschreibung bezeichnet, und es ist davon auszugehen, dass die obige Beschreibung dieser Elemente unter Bezugnahme auf die Dampfkammer 10 gleichermaßen für die Dampfkammer 100 gilt, sofern nicht anders angegeben.
Die 7 und 8 veranschaulichen die zweite Platte 14 und das Dochtwirkungsmaterial 16 der Dampfkammer 100. Die zweite Platte 14 der Dampfkammer 100 ist mit der zweiten Platte 14 der Dampfkammer 10 identisch, die Rippen 52 beinhaltet, die ähnlich denen der ersten Platte 12 in der Dampfkammer 10 sind. Darüber hinaus ist das Rippenmuster in gewisser Weise dahingehen unterschiedlich, dass die Dampfkammer 100 drei gerade parallele Rippen 52 beinhaltet, die sich längs entlang der Innenfläche 28 der ersten Platte 12 erstrecken.
Die Dampfkammer 100 beinhaltet zudem eine in 8 dargestellte zweite Platte 14, die mit der zweiten Platte 14 der Dampfkammer 10 identisch ist, mit der Ausnahme, dass sie keine Rippen 52 aufweist.
das Dochtwirkungsmaterial 16 der Dampfkammer 100 ist das gleiche wie das der Dampfkammer 10, mit Ausnahme der Formen und Positionen der ersten und zweiten Ausschnitte 62, 64 und der Formen und Positionen der Nichtdochtwirkungsbereiche, die die sekundären Gasstrompassagen 70 umfassen. Die Ausschnitte 62, 64 und die sekundären Gasstrompassagen 70 der Dampfkammer 100 sind aufgrund der Position der Verdampfungszone 68 in der ungefähren Mitte der Dampfkammer100 statt in der Nähe eines der Ränder vielmehr angeordnet, um ein in gewisser Weise anderes Strömungsmuster als in der Dampfkammer 10 bereitzustellen. Trotz der unterschiedlichen Anordnung der Flüssigkeitsstrompassagen 72 und der primären und sekundären Gasstrompassagen 66, 70 gelten die obigen Anmerkungen zum Betrieb der Dampfkammer 10 jedoch gleichermaßen für die Dampfkammer 100.
Wie in der Dampfkammer 10 beinhaltet die Dampfkammer 100 eine quer verlaufende Gasverteilungszone 90, die die sekundären Gasstrompassagen 70 benachbart zu dem Ende der Dampfkammer 100 umfasst, das sich distal der Verdampfungszone 68 befindet.
Neben einem oder mehreren Nichtdochtwirkungsbereichen, die eine oder mehrere sekundäre Gasstrompassagen 70 benachbart zu den zweiten Enden der primären Gasstrompassagen 66 umfassen, beinhaltet die Dampfkammer 100 einen Nichtdochtwirkungsbereich in Form eines Verbindungsstücks 102, das sich mindestens teilweise innerhalb der Verdampfungszone 68 befindet und das sich in offener Strömungsverbindung mit den ersten offenen Enden aller der primären Gasstrompassagen 66 befindet. Das Verbindungsstück 102 kann in der gleichen Weise gebildet werden wie die sekundären Gasstrompassagen 70, zum Beispiel durch Plätten des Dochtwirkungsmaterials 16.
Das Verbindungsstück 102 stellt eine physische Verbindung zwischen den freien Enden der Flüssigkeitsstrompassagen 72, die an der oder angrenzend an die Verdampfungszone 68 zusammentreffen, bereit. Ohne das Verbindungsstück 102 könnten sich die zusammentreffenden Enden der Flüssigkeitsstrompassagen 72 während der Herstellung oder während der Verwendung relativ zueinander bewegen, ähnlich dem Fall, bei dem das Dochtwirkungsmaterial eine Vielzahl von Streifen umfasst, wie zuvor erläutert.
Das Verbindungsstück 102 kann so gebildet sein, dass es mit der inneren Oberfläche 28 oder 42 der Platte 12 oder 14 in Kontakt steht, die mit dem wärmeerzeugenden Bauteil 26 in Kontakt steht, sodass das Verbindungsstück 102 dabei hilft, Wärme von dem wärmeerzeugenden Bauteil 26 weg zu leiten. Zum Beispiel steht das Verbindungsstück 102, wie in dem zentralen Längsschnitt von 8 dargestellt, mit der Innenfläche 28 der ersten Platte 12 gegenüber dem wärmeerzeugenden Bauteil 26 in Kontakt.
Zwar stellt das Verbindungsstück 102 die oben diskutierten Vorteile bereit, es ist jedoch davon auszugehen, dass die vorliegende Offenbarung Ausführungsformen beinhaltet, in denen das Verbindungsstück 102 eliminiert ist, sodass die freien Enden der Flüssigkeitsstrompassagen 72 voneinander getrennt sind.
9 veranschaulicht einen Wärmetauscher 110 gemäß einer dritten Ausführungsform, der eine Dampfkammer 110 umfasst, die zum Kühlen multipler wärmeerzeugender Bauteile angepasst ist. Die multiplen wärmeerzeugenden Bauteile können gleich oder verschieden sein und können jeweils einen Prozessor (Computerchip), eine wiederaufladbare Batterie usw. umfassen. Gleiche Elemente der in 9 dargestellten Dampfkammer sind mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet.
Die Dampfkammer 110 beinhaltet zwei Verdampfungszonen 68, die sich an zwei direkt gegenüberliegenden Ecken der Dampfkammer 110 benachbart zu einem ersten Ende 112 davon befinden. Die Dampfkammer 110 beinhaltet eine Vielzahl von primären Gasstrompassagen 66, die sich parallel zueinander entlang der Längsabmessung der Dampfkammer 110 erstrecken, wobei jede der primären Gasstrompassagen 66 ein offenes erstes Ende, das sich in Strömungsverbindung mit einer der Verdampfungszonen 68 befindet, und ein zweites Ende, das sich benachbart zu einem zweiten Ende 114 der Dampfkammer 110 befindet, aufweist.
das Dochtwirkungsmaterial 16 der Dampfkammer 110 beinhaltet einen hydrophilen Abschnitt, der eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrompassagen 72 definiert, die sich längs und parallel zueinander erstrecken, wobei jede ein erstes Ende in Strömungsverbindung mit einer der Verdampfungszonen 68 und ein zweites Ende benachbart zu dem zweiten Ende 114 der Dampfkammer 110 aufweist. Der hydrophile Abschnitt des Dochtwirkungsmaterials 16 beinhaltet einen durchgehenden Umfangsabschnitt 116, der zwei längs verlaufende Seitenabschnitte 118, 120 und zwei quer verlaufende Endabschnitte 122, 124 umfasst. Das zweite Ende jeder Flüssigkeitsstrompassage 72 ist von dem quer verlaufenden Endabschnitt 118 benachbart zu dem zweiten Ende 114 der Dampfkammer durch eine quer verlaufende Gasverteilungszone 90 (in 9 durch gestrichelte Linien veranschaulicht), die sich quer zwischen den Seitenabschnitten 118, 120 erstreckt und sich in offener Strömungsverbindung mit den zweiten Ende der primären Gasstrompassagen 66 befindet, beabstandet. Die quer verlaufende Gasverteilungszone 90 beinhaltet Abschnitte eines oder mehrerer der Ausschnittbereiche 62, die die primären Gasstrompassagen 66 und/oder eine oder mehrere sekundäre Gasstrompassagen 70 bilden, umfassend Nichtdochtwirkungsbereiche des Dochtwirkungsmaterials 16 mit reduzierter Höhe, wie oben definiert. Daher ist wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen das zweite Ende jeder der primären Gasstrompassagen 66 mit den anderen primären Gasstrompassagen 66 durch die quer verlaufende Gasverteilungszone 90 verbunden, und die sekundären Gasstrompassagen 70, die aus Nichtdochtwirkungsabschnitten mit reduzierter Höhe bestehen, erlauben die Verwendung eines einzelnen Stücks Dochtwirkungsmaterial 16.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 10 bis 12 ein Wärmetauscher 130 gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben. Der Wärmetauscher 130 umfasst eine Dampfkammer, die eine Anzahl von Elementen beinhaltet, die ähnlich zu oder identisch mit entsprechenden Elementen der oben beschriebenen Dampfkammern10, 100 und 110 sind. Gleiche Elemente der Dampfkammer 130 sind in den Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet.
10 ist ein Grundriss der ersten Platte 12 und des Dochtwirkungsmaterials 16 der Dampfkammer 130. Die erste Platte 12 der Dampfkammer 130 ist die gleiche wie die erste Platte 12 der Dampfkammer 10, mit der Ausnahme, dass die Rippen 52 in der ersten Kammer 12 anstelle der zweiten Kammer 14 bereitgestellt sind. Die Rippen 52 erstrecken sich von der Innenfläche 28 der ersten Platte 12 nach oben und sind in der Vielzahl von zweiten Ausschnitten 64, die in dem Dochtwirkungsmaterial 16 bereitgestellt sind, aufgenommen.
das Dochtwirkungsmaterial 16 der Dampfkammer 130 ist das gleiche wie das Dochtwirkungsmaterial 16 der Dampfkammer 10, mit der Ausnahme, dass dem Dochtwirkungsmaterial 16 der Dampfkammer 130 die Nichtdochtwirkungsabschnitte mit reduzierter Höhe, die die sekundären Gasstrompassagen 70 umfassen, fehlen. Stattdessen sind die sekundären Gasstrompassagen in der zweiten Platte 14 in Form einer länglichen Längsrippe 132 und einer länglichen Querrippe 134, die von der Außenfläche 44 der zweiten Platte 14 nach oben, d. h. weg von der Fluidkammer 34 und dem Dochtwirkungsmaterial 16, ragen, bereitgestellt.
Die Rippen 132, 134 schaffen sekundäre Gasstrompassagen 70, die zwei oder mehr primäre Gasstrompassagen 66 miteinander verbinden, wodurch eine verbesserte Strömungsverteilung des gasförmigen Arbeitsfluids über die Fläche der Dampfkammer 10 bereitgestellt wird. Insbesondere bildet die Längsrippe 132 eine längs verlaufende sekundäre Gasstrompassage, die das zweite Ende der obersten primären Gasstrompassage 66 in 10 mit der angrenzenden primären Gasstrompassage 66 verbindet. Die Querrippe 134 stellt eine quer verlaufende Gasverteilungszone 90 bereit, die sich quer durch die Dampfkammer 130 benachbart zu dem Ende der Dampfkammer 10, das sich distal der Verdampfungszone 68 befindet, erstreckt, bildend eine quer verlaufende Gasverteilungszone 90, die sich quer durch die Dampfkammer 10 benachbart zu dem Ende der Dampfkammer 10, das sich distal der Verdampfungszone 68 befindet, erstreckt.
Die 13 und 14 sind vergrößerte Fotografien, die gemäß dem oben beschriebenen Prozess präparierte Schweißnähte 82 darstellen. In 13 umfassen das erste und zweite Blech 12, 14 rostfreien Stahl mit einer inneren Verkleidungsschicht 58 aus Kupfer, und in 14 umfassen das erste und zweite Blech 12, 14 rostfreien Stahl mit einer inneren Verkleidungsschicht aus Nickel.
Während bestimmte Ausführungsform der Wärmetauscher hierin beschrieben wurden, ist davon auszugehen, dass bestimmte Anpassungen oder Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können. Daher sind die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele als illustrativ und nicht als einschränkend anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0290739 A1 [0005, 0059]

Claims

Wärmetauscher zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Bauteils, wobei der Wärmetauscher eine obere Oberfläche, die für den Wärmekontakt mit dem wärmeerzeugenden Bauteil angepasst ist, eine gegenüberliegende untere Oberfläche und ein Inneres, das eine ein Arbeitsfluid enthaltende Fluidkammer definiert, aufweist, wobei der Wärmetauscher Folgendes umfasst: eine erste Platte, die eine Innenfläche, die zum Inneren der Fluidkammer zeigt, eine Außenfläche, die entweder die obere oder die untere Oberfläche des Wärmetauschers definiert, und eine äußere periphere Dichtoberfläche auf der Innenfläche der ersten Platte aufweist; und eine zweite Platte, die eine Innenfläche, die zum Inneren der Fluidkammer zeigt, eine Außenfläche, die entweder die obere oder die untere Oberfläche des Wärmetauschers definiert, und eine äußere periphere Dichtoberfläche auf der Innenfläche der zweiten Platte aufweist; wobei jede der ersten Platte und der zweiten Platte eine ein erstes Metall umfassende Kernschicht und eine ein zweites Metall umfassende innere Verkleidungsschicht umfasst, wobei die innere Verkleidungsschicht entlang der Innenfläche jeder der ersten und zweiten Platte bereitgestellt ist; wobei eine Schmelztemperatur des zweiten Metalls niedriger ist als die des ersten Metalls und das zweite Metall gegenüber dem Arbeitsfluid inert ist; wobei die äußeren peripheren Dichtoberflächen der ersten und zweiten Platte dichtend aneinandergefügt sind, wobei eine Schweißnaht durch die äußeren peripheren Dichtoberflächen der ersten und zweiten Platte gebildet ist, wobei die Schweißnaht eine Legierung aus dem ersten Metall und dem zweiten Metall umfasst; wobei sich unmittelbar angrenzend an die Schweißnaht schmale Bereiche befinden, in denen die peripheren Dichtoberflächen der ersten und zweiten Platte durch eine Schicht aus dem zweiten Metall dichtend aneinandergefügt sind, wobei die schmalen Bereiche eine wärmebeeinflusste Zone umfassen; und wobei die Schweißnaht durch die Schicht aus dem zweiten Metall in der wärmebeeinflussten Zone von einem äußeren peripheren Rand der Fluidkammer fluidisch isoliert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die äußere periphere Dichtoberfläche einer der ersten Platte und der zweiten Platte auf einem erhabenen peripheren Flansch davon gebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Metall rostfreier Stahl ist und das zweite Metall Kupfer oder Nickel ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Platte weiter eine durchgehende äußere Verkleidungsschicht entlang ihrer Außenfläche umfasst, wobei die äußere Verkleidungsschicht aus einem dritten Metall besteht; wobei das erste Metall rostfreier Stahl ist, das zweite Metall Kupfer oder Nickel ist und das dritte Metall Kupfer oder Nickel ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend ein Blech aus Dochtwirkungsmaterial, aufgenommen im Inneren der Fluidkammer zwischen der Innenfläche der ersten Platte und der Innenfläche der zweiten Platte, wobei das Dochtwirkungsmaterial einen hydrophilen Abschnitt beinhaltet, in dem das Dochtwirkungsmaterial im Wesentlichen unkomprimiert ist und mit den inneren Oberflächen der ersten und zweiten Platte entlang ihrer oberen und unteren Oberfläche in Kontakt steht.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei das Dochtwirkungsmaterial ein feines Gitter aus einem Material, das mit dem Arbeitsfluid kompatibel ist, umfasst.
Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Dochtwirkungsmaterial eine erste Vielzahl von Ausschnitten umfasst, die eine Vielzahl von primären Gasstrompassagen zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem gasförmigen Zustand definieren, und wobei Abschnitte des Dochtwirkungsmaterials zwischen den Ausschnitten eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrompassagen zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem flüssigen Zustand definieren.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, weiter umfassend eine Vielzahl von Verstärkungsrippen, die sich von der Innenfläche der ersten oder zweiten Platte nach oben in die Fluidkammer erstrecken; wobei jede der Verstärkungsrippen eine obere Dichtoberfläche aufweist, entlang derer die Verstärkungsrippe mit der Innenfläche der gegenüberliegenden ersten oder zweiten Platte aneinandergefügt ist; wobei das Dochtwirkungsmaterial eine zweite Vielzahl von Ausschnitten umfasst; und wobei jede der Rippen in einem der Ausschnitte der zweiten Vielzahl von Ausschnitten aufgenommen ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Dochtwirkungsmaterial weiter einen oder mehrere Nichtdochtwirkungsbereiche umfasst, in denen das Dochtwirkungsmaterial eine reduzierte Dicke relativ zu einer Dicke des hydrophilen Abschnitts aufweist, wobei der eine oder die mehreren Nichtdochtwirkungsbereiche eine oder mehrere sekundäre Gasstrompassagen definieren, die eine Strömungsverbindung zwischen zwei oder mehr der primären Gasstrompassagen bereitstellen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Verdampfungszone im Inneren der Fluidkammer zwischen der ersten und zweiten Platte definiert ist, wobei die Verdampfungszone einem Bereich der oberen Oberfläche, die mit dem wärmeerzeugenden Bauteil in Kontakt steht, direkt gegenüberliegt; wobei der Wärmetauscher weiter Folgendes umfasst: eine Vielzahl von beabstandeten primären Gasstrompassagen zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem gasförmigen Zustand, wobei jede der primären Gasstrompassagen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei sich die ersten Enden der Vielzahl von primären Gasstrompassagen in offener Strömungsverbindung miteinander in der Verdampfungszone befinden und sich das zweite Ende jeder der primären Gasstrompassagen distal des ersten Endes befindet; eine Vielzahl beabstandeter Flüssigkeitsstrompassagen zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem flüssigen Zustand; und mindestens eine sekundäre Gasstrompassage, wobei jede davon eine Strömungsverbindung zwischen dem zweiten Ende einer der primären Gasstrompassagen und mindestens einer anderen der primären Gasstrompassagen bereitstellt, sodass sich das zweite Ende jeder der primären Gasstrompassagen durch die mindestens eine sekundäre Gasstrompassage in Strömungsverbindung mit mindestens einer anderen der primären Gasstrompassagen befindet; und sodass alle der primären Gasstrompassagen in der Vielzahl von primären Gasstrompassagen durch die mindestens eine sekundäre Gasstrompassage, wahlweise durch eine oder mehrere der primären Gasstrompassagen, miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei sich die Verdampfungszone an oder benachbart zu einem ersten Ende des Wärmetauschers befindet und sich die zweiten Enden mindestens einiger der primären Gasstrompassagen benachbart zu einem zweiten Ende des Wärmetauschers, von der Verdampfungszone längs beabstandet, befinden; und wobei sich eine quer verlaufende Gasverteilungszone quer durch den Wärmetauscher benachbart zu dem zweiten Ende davon erstreckt, wobei sich die quer verlaufende Gasverteilungszone in offener Strömungsverbindung mit den zweiten Enden aller primären Gasstrompassagen befindet, deren zweite Enden sich benachbart zu dem zweiten Ende des Wärmetauschers befinden.
Wärmetauscher nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Flüssigkeitsstrompassagen durch ein Dochtwirkungsmaterial, aufgenommen im Inneren der Fluidkammer zwischen der Innenfläche der ersten Platte und der Innenfläche der zweiten Platte, definiert sind, wobei das Dochtwirkungsmaterial einen hydrophilen Abschnitt mit einer ersten Dicke und einer ersten Porosität, die ausreicht, um die Dochtwirkung und die Kapillarströmung des flüssigen Arbeitsfluids durch die Flüssigkeitsstrompassagen zu erlauben, aufweist, und die erste Dicke dergestalt ist, dass der hydrophile Abschnitt des Dochtwirkungsmaterials mit den inneren Oberflächen der ersten und zweiten Platte entlang ihrer oberen und unteren Oberfläche in den Flüssigkeitsstrompassagen in Kontakt steht; und wobei die primären Gasstrompassagen durch Zwischenräume zwischen den Flüssigkeitsstrompassagen definiert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, wobei die sekundären Gasstrompassagen durch Zwischenräume zwischen den Flüssigkeitsstrompassagen definiert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Dochtwirkungsmaterial mindestens einen Nichtdochtwirkungsbereich beinhaltet, in dem das Dochtwirkungsmaterial eine zweite Porosität, die geringer ist als die erste Porosität, und eine zweite Höhe, die geringer ist als die erste Höhe, aufweist, wobei die zweite Porosität nicht ausreichend ist, um die Dochtwirkung und die Kapillarströmung des flüssigen Arbeitsfluids bereitzustellen, und die zweite Höhe dergestalt ist, dass das Dochtwirkungsmaterial nur einen Abschnitt der Höhe der Fluidkammer in dem mindestens einen Nichtdochtwirkungsbereich einnimmt, wodurch er dem gasförmigen Arbeitsfluid erlaubt, über und/oder unter dem Dochtwirkungsmaterial in den mindestens einen Nichtdochtwirkungsbereich zu strömen.
Wärmetauscher nach Anspruch 14, wobei mindestens eine der sekundären Gasstrompassagen durch einen der Nichtdochtwirkungsbereiche des Dochtwirkungsmaterials definiert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 14 oder 15, wobei einer des mindestens einen Nichtdochtwirkungsbereichs ein Verbindungsstück umfasst, das sich mindestens teilweise innerhalb der Verdampfungszone befindet und sich in offener Strömungsverbindung mit den ersten offenen Enden der primären Gasstrompassagen befindet.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10-16, umfassend zwei der Verdampfungszonen, die voneinander beabstandet sind, und wobei sich beide benachbart zu dem ersten Ende des Wärmetauschers befinden.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10-17, wobei jede der sekundären Gasstrompassagen eine erhabene Rippe umfasst, die in einer der ersten Platte oder der zweiten Platte gebildet ist.
Wärmetauscher zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Bauteils in einem elektronischen Gerät, wobei der Wärmetauscher eine obere Oberfläche, die für den Wärmekontakt mit dem wärmeerzeugenden Bauteil angepasst ist, eine gegenüberliegende untere Oberfläche und ein Inneres, das eine ein Arbeitsfluid enthaltende Fluidkammer definiert, aufweist, wobei der Wärmetauscher Folgendes umfasst: eine erste Platte, die eine Innenfläche, die zum Inneren der Fluidkammer zeigt, eine Außenfläche, die entweder die obere oder die untere Oberfläche des Wärmetauschers definiert, und eine äußere periphere Dichtoberfläche auf der Innenfläche der ersten Platte aufweist; und eine zweite Platte, die eine Innenfläche, die zum Inneren der Fluidkammer zeigt, eine Außenfläche, die entweder die obere oder die untere Oberfläche der Fluidkammer definiert, und eine äußere periphere Dichtoberfläche auf der Innenfläche der zweiten Platte aufweist, wobei eine Verdampfungszone im Inneren der Fluidkammer zwischen der ersten und zweiten Platte definiert ist, wobei die Verdampfungszone einem Bereich der oberen Oberfläche, die mit dem wärmeerzeugenden Bauteil in Kontakt steht, direkt gegenüberliegt; eine Vielzahl von primären Gasstrompassagen zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem gasförmigen Zustand, wobei jede der primären Gasstrompassagen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei sich die ersten Enden der Vielzahl von primären Gasstrompassagen in offener Strömungsverbindung miteinander in der Verdampfungszone befinden und sich das zweite Ende jeder der primären Gasstrompassagen distal des ersten Endes befindet; eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrompassagen zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem flüssigen Zustand; und mindestens eine sekundäre Gasstrompassage, wobei jede davon eine Strömungsverbindung zwischen dem zweiten Ende einer der primären Gasstrompassagen und mindestens einer anderen der primären Gasstrompassagen bereitstellt, sodass sich das zweite Ende jeder der primären Gasstrompassagen durch die mindestens eine sekundäre Gasstrompassage in Strömungsverbindung mit mindestens einer anderen der primären Gasstrompassagen befindet; und sodass alle der primären Gasstrompassagen in der Vielzahl von primären Gasstrompassagen durch die mindestens eine sekundäre Gasstrompassage, wahlweise durch eine oder mehrere der primären Gasstrompassagen, miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 19, wobei sich die Verdampfungszone an oder benachbart zu einem ersten Ende des Wärmetauschers befindet und sich die zweiten Enden mindestens einiger der primären Gasstrompassagen benachbart zu einem zweiten Ende des Wärmetauschers, von der Verdampfungszone längs beabstandet, befinden; und wobei die mindestens eine sekundäre Gasstrompassage einen Abschnitt beinhaltet, der sich allgemein quer durch den Wärmetauscher benachbart zu dem zweiten Ende erstreckt und die zweiten Enden aller primären Gasstrompassagen, deren zweite Enden sich benachbart zu dem zweiten Ende des Wärmetauschers befinden, fluidisch verbindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Flüssigkeitsstrompassagen durch ein Dochtwirkungsmaterial, aufgenommen im Inneren der Fluidkammer zwischen der Innenfläche der ersten Platte und der Innenfläche der zweiten Platte, definiert sind, wobei das Dochtwirkungsmaterial in den Flüssigkeitsstrompassagen eine erste Porosität und eine erste Höhe aufweist, wobei die erste Porosität ausreichend ist, um die Dochtwirkung und die Kapillarströmung des flüssigen Arbeitsfluids durch die Flüssigkeitsstrompassagen zu erlauben, und die erste Höhe dergestalt ist, dass das Dochtwirkungsmaterial mit den inneren Oberflächen der ersten und zweiten Platte entlang ihrer oberen und unteren Oberfläche in den Flüssigkeitsstrompassagen in Kontakt steht; und wobei die primären Gasstrompassagen durch Zwischenräume zwischen den Dochtwirkungsmaterialstreifen definiert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 21, wobei die sekundären Gasstrompassagen durch Zwischenräume zwischen den Dochtwirkungsmaterialstreifen definiert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 21 oder 22, wobei die sekundären Gasstrompassagen Bereiche des Dochtwirkungsmaterials umfassen, in denen das Dochtwirkungsmaterial eine zweite Porosität, die geringer ist als die erste Porosität, und eine zweite Höhe, die geringer ist als die erste Höhe, aufweist, wobei die zweite Porosität nicht ausreichend ist, um die Dochtwirkung und die Kapillarströmung des flüssigen Arbeitsfluids bereitzustellen, und die zweite Höhe dergestalt ist, dass das Dochtwirkungsmaterial nur einen Abschnitt der Höhe der Fluidkammer in den sekundären Gasstrompassagen einnimmt, wodurch er dem gasförmigen Arbeitsfluid erlaubt, über und/oder unter dem Dochtwirkungsmaterial in den sekundären Gasstrompassagen zu strömen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Wärmetauscher eine Dampfkammer umfasst und das wärmeerzeugende Bauteil ein wärmeerzeugendes Bauteil eines persönlichen elektronischen Geräts ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Smartphone, einem Tablet und einem Computer.
Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 24, umfassend: Bilden einer Plattenanordnung, die die erste Platte und die zweite Platte umfasst, wobei die erste und zweite Platte so positioniert sind, dass ihre Innenflächen zueinander zeigen und die periphere Dichtoberfläche der ersten Platte mit der peripheren Dichtoberfläche der zweiten Platte in direktem Kontakt steht; Richten eines Laserstrahls auf einen Bereich der Plattenanordnung entlang der Dichtoberflächen zwischen einem äußeren peripheren Rand der Plattenanordnung und einem äußeren Rand der Fluidkammer, wobei der Laserstrahl eine schmale Verschmelzungszone in dem Bereich, wo er auf die Dichtoberflächen der Platten trifft, produziert, wobei sich die Verschmelzungszone durch eine der ersten und zweiten Platte und mindestens teilweise durch die nebenstehende der ersten und zweiten Platte erstreckt, wobei die Verschmelzungszone eine Mischung aus geschmolzenem Metall enthält, die das erste Metall und das zweite Metall umfasst; Erlauben, dass die Verschmelzungszone abkühlt und erstarrt, um eine Schweißnaht zwischen der ersten und zweiten Platte zu bilden; wobei in Schritt (b) die Wärme des Laserstrahls das zweite Metall der inneren Verkleidungsschichten der ersten und zweiten Platte in einer wärmebeeinflussten Zone, die sich unmittelbar angrenzend an die Schweißnaht befindet, mindestens teilweise schmilzt und verschmilzt; und wobei in Schritt (c) das geschmolzene zweite Metall in der wärmebeeinflussten Zone erstarrt, um eine feste Schicht aus dem zweiten Metall in der wärmebeeinflussten Zone zu bilden, wobei die Schicht aus dem zweiten Metall die Schweißnaht von dem Kontakt mit dem Arbeitsfluid in der Fluidkammer fluidisch isoliert.