TW202120037A - 熱管理裝置及系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種熱管理系統，其包含一兩相流動傳熱組件及一熱電組件。

Description

熱管理裝置及系統
本發明係關於一種用於冷卻及加熱一目標材料(諸如組織、一熱源或另一類型之基板)之裝置。
諸多電子裝置、醫療及美容裝置及高熱通量系統使用熱管理裝置在可接受溫度範圍內操作及/或達成所要療效。在諸多應用中，熱管理系統吸取及耗散熱通量以使溫度維持在目標材料之可接受範圍內。
一類型之熱管理系統係其中一工作流體自液相轉變成汽相以自目標材料吸取熱之一兩相傳熱裝置。在此等兩相傳熱裝置中，可由於工作流體蒸發之潛熱而獲得高傳熱率。已揭示用於冷卻半導體裝置(例如控制器、記憶體裝置等等)、電腦系統(例如伺服器)、用於組織、毛髮、脂肪及疼痛管理治療中之醫療裝置及穿戴式冷卻裝置中之兩相傳熱裝置。
半導體裝置(諸如控制器、記憶體裝置及發光二極體)通常需要散熱以維持可接受操作溫度。隨著此等裝置之速度及容量增大，熱通量增加以需要耗散更多熱來維持可接受操作溫度。然而，在諸多應用中，高效能半導體裝置及運算系統之熱通量對傳熱系統而言過高，因此，系統之速度及容量受到限制。此問題只會隨行動電話、平板電腦及膝上型電腦具有更小大小及/或更高效能而加劇。類似地，其中諸多伺服器收容於一共同位置(例如資料儲存器、網頁系統及運算中心)中之大型伺服器應用具有大量散熱要求。儘管兩相傳熱系統具有高傳熱率，但其對與半導體裝置及高效能運算系統一起使用而言通常過大及繁複。
若干醫療及美容手術加熱及/或冷卻組織以減少疼痛、管理腫脹、減少脂肪組織來塑身、脫毛、收緊皮膚(例如祛除皺紋)、清除病灶、更改皮脂腺及其他熱處理。可使用射頻能、雷射能、超音波能、X射線輻射束及其他能量模態來加熱組織。例如，熱療法使用熱來損壞癌細胞以治療癌症(參閱(例如)美國專利第9,802,063號)。其他醫療應用藉由冷卻組織(諸如低溫組織重塑)來治病(參閱(例如)美國專利第10,363,080號)。
加熱及/或冷卻組織之一挑戰係準確控制目標組織之溫度，因為不同類型之組織對熱及冷卻有不同反應，且組織內之不同深度會有不同反應，因為血液流動會顯著影響目標部位之溫度。另一挑戰係相鄰組織(諸如神經或表皮組織)之非想要加熱及冷卻。儘管兩相傳熱系統已用於醫療及美容應用中之目標組織之熱管理，但習知系統通常具有緩慢回應時間且因此無法提供一目標組織之精確熱調變。另外，諸多醫療及美容應用使用大體積傳熱裝置，其令患者不舒適且不適合家用或治療特定身體部分(例如臉、膝蓋、肩膀、腳踝、手腕等等)。
已知用於冷卻一目標材料或基板之裝置。參閱(例如)美國專利第10,217,692號。亦已知用於冷卻皮膚及皮膚治療之方法。參閱Nelson JS、Majaron B、Kelly KM之「Active skin cooling in conjunction with laser dermatologic surgery」，Semin Cutan Med Surg. 2000;19:253-66及Das等人、J. Cutan. Aesthet. Surg. 2016; 9(4): 215-219。
本發明之態樣係針對用於調節一目標材料(例如基板)之溫度之系統，諸如人體組織及電子裝置。應瞭解，根據本發明之裝置可控制基板之表面之溫度及/或調節基板內一深度處之溫度。根據一態樣，用於調節一基板之溫度之系統包含可操作地連接至用於加熱或冷卻一基板表面之一熱電組件之一傳熱單元。
本發明可用於諸如以下之高熱通量應用中：人體組織之治療、一電腦晶片、半導體裝置、積體電路裝置、一雷射系統(諸如具有需要耗散以產生一所要輸出射束波長及/或功率之高熱通量之一高功率雷射系統)、一極音速飛行物體之一外皮、一拋物面太陽能收集器、高效能運算系統、射頻(RF)系統、太陽能或聚光型太陽能操作、極音速航空電子應用、渦輪機葉片或任何其他表面或體積散熱裝置或系統。本發明之熱管理系統特別有效地用於將使用(例如)雷射光或針來治療之一患者之皮膚冷卻至其中在使用(例如)雷射光或一針來治療組織時減少患者之疼痛之一溫度。應瞭解，本發明裝置之各種實施例可視情況、需要或要求應用於各種應用及/或與各種應用一起利用。
圖1A至圖1C係根據本發明之實施例之用於冷卻及/或加熱一目標材料101之一熱管理系統100之等角視圖。熱管理系統100可準確及快速控制目標材料101之表面處及/或目標材料101內一深度處之溫度。如下文將更詳細描述，目標材料101可為人體組織(例如皮膚、脂肪組織、毛髮、病灶、癌細胞等等)、半導體裝置(例如控制器、記憶體裝置、發光二極體、伺服器、高效能電腦等等)及具有熱通量之其他應用(例如雷射)。
同時參考圖1A及圖1B，熱管理系統100可包含一選用接觸部件110、熱耦合至接觸部件110之至少一熱電組件(TEC) 120a (圖1B)及熱耦合至熱電組件120a之一兩相傳熱單元140。圖1A展示經完全組裝之熱管理系統100，且圖1B展示無傳熱單元140之熱管理系統100。熱管理系統100可具有若干TEC，例如分別為第一TEC 120a、第二TEC 120b及第三TEC 120c (本文中統稱為TEC 120)。熱管理系統100可具有任何數目個TEC 120，而不限於具有三個TEC 120。熱管理系統100亦可包含可操作地耦合至傳熱單元140以形成一封閉系統之一冷凝器180及可操作地耦合至TEC 120、傳熱單元140及/或冷凝器180之一控制器190。在操作中，容納於傳熱單元140及冷凝器180中之一工作流體在傳熱單元140中自一液相變成一汽相以冷卻TEC 120之一側，且控制器190調整通過TEC 120之一電流以管理接觸部件110及因此目標材料101之溫度。
在圖1A所展示之組裝狀態中，接觸部件110、TEC 120及傳熱單元140可藉由螺栓199來保持在一起。TEC 120可進一步藉由一第一熱介面材料來附接至接觸部件110且藉由一第二熱介面材料來附接至傳熱單元140之下側。熱管理系統100可具有任何適合長度L及寬度W以覆蓋目標材料101之一所要面積。熱管理系統100可具有一低輪廓，其具有5 mm至25 mm之一高度H，包含5 mm、10 mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm、15 mm、16 mm、17 mm、18 mm、19 mm、20 mm、21 mm、22 mm、23 mm、24 mm及25 mm。傳熱單元140本身可具有3 mm至20 mm之一厚度T，其包含4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm、11 mm、12 mm、13 mm、14 mm、15 mm、16 mm、17 mm、18 mm及19 mm。高度H及厚度T可沿通過TEC 120之熱流之一方向(圖1B中之箭頭HF)量測。
TEC 120各具有一第一部分122a及一第二部分122b。第一部分122a及第二部分122b被理解為相對於目標材料101之表面相對定位，其中第一部分122a熱耦合至目標材料101且第二部分122b與第一部分122a對置。TEC 120之第一部分122a可包含TEC 120之一第一外表面124a (即，圖1B中之下表面)且可包含自第一外表面124a向內延伸一距離之TEC 120之一部分。TEC 120之第二部分124b可包含TEC 120之一第二外表面124b (即，圖1B中之上表面)且可包含自第二外表面124b向內延伸一距離而至TEC 120之內部中之TEC 120之一部分。應瞭解，TEC 120可具有在TEC 120之內部內等距介於第一外表面124-a與第二外表面124-b之間的一中點。TEC 120之第一部分122a及第二部分122b電連接至一電源。例如，TEC 120可各包含一電流可沿任一方向流動通過之第一部分122a處之一第一電接點126a (以虛線展示)及第二部分122b處之一第二電接點126b。
TEC 120之第一部分122a意欲直接或間接熱耦合至目標材料101之一表面。例如，TEC 120之第一部分122a可經由接觸部件110 (其可為由具有一高導熱性之一材料(例如鋁板或面板)製成之一板、面板、膜或織物)來間接熱耦合至目標材料101。熱管理系統100可視情況包含彼此接觸之兩個或更多個此等板或面板或膜。TEC 120之第二部分122b直接或間接熱耦合至傳熱單元140。例如，TEC 120之第二部分122b藉由具有一高導熱性之一熱介面材料來直接耦合至傳熱單元140。傳熱單元140可移除來自目標材料101之熱及由於電流動通過TEC 120而由TEC 120產生之熱。
在不希望受科學理論約束之情況下，由電流在TEC 120中誘發沿一特定方向之熱流。根據一非限制性態樣，當啟動用於調節目標材料101之溫度之裝置且電沿自TEC 120之第二部分122b至TEC 120之第一部分122a之一方向流動時，第一部分122a相對於其周圍或起始溫度冷卻，即，第一部分122a之溫度降低以藉此自目標材料101移除熱。第二部分122b因此相對於其周圍或起始溫度加熱或產生熱。應瞭解，可考量其中熱流之方向可沿相同於電流流動之方向或沿相反於電流流動之方向的實施例。
傳熱單元140可固定至TEC 120之第二部分122b或其可使用壓電驅動器、電動馬達或其他機電裝置來自TEC 120之第二部分122b選擇性拆離以打破與TEC 120之熱接觸。類似地，TEC 120可使用壓電驅動器、電動馬達或其他機電驅動器來自目標材料101及/或接觸部件110選擇性拆離(即，分離)以打破與其之熱接觸。此等裝置可被稱為熱開關，只要熱用於引起開關更改形狀以產生兩個表面(諸如兩相傳熱單元140與TEC 120或TEC 120與接觸部件110)之間的實體分離(例如一氣隙)。根據一態樣，可期望在一給定時段內使傳熱單元140與TEC 120斷接或使TEC 120與接觸部件110斷接。
參考圖1A及圖1B，傳熱單元140覆蓋TEC 120之第二部分122b。傳熱單元140具有一進口142、一出口144及一蓋146。在操作中，一工作流體以一液態自冷凝器180流動至進口142，且工作流體之至少一部分以一汽態自出口144回流至冷凝器180。蓋146使工作流體保持於傳熱單元140內且與其他組件一起界定通過傳熱單元140之工作流體之流動特性。
圖1C繪示其中已移除蓋146 (圖1B)之傳熱單元140之內部結構之實施例。傳熱單元140可包含與蓋146連接之一基底148、至少一相變室150 (個別展示及識別之三個相變室150a至150c)及流體地耦合至進口142、出口144及相變室150a至150c之一管道系統160。相變室150a至150c至少大體上分別與TEC 120a至120c之一對應者對準。例如，相變室150a至150c之各者可分別直接疊加於TEC 120a至120c之一對應者上方。
相變室150a至150c包含微特徵152、一進口區域154及一出口區域156。圖1C中所展示之微特徵152係配置成一柵格型陣列之銷或柱，但在其他實施例中，微特徵可為細長壁。微特徵152界定工作流體透過其來流動通過相變室150a至150c之微通道。微特徵152 (不管是銷還是細長壁)可具有不同於配置成筆直均勻列之配置，如下文將參考圖18A、圖18C及圖18D描述。微特徵152可彼此間隔開一均勻距離，或微特徵152之間的距離可相對於進口區域154及出口區域156之位置及流動特性來變動。例如，微特徵152可在進口區域154中彼此間隔開一第一距離且在出口區域156中彼此間隔開一第二距離。第二距離可大於第一距離以適應蒸汽通過出口區域156之流動，或第二距離可小於第一距離以適應施加於流動通過相變室150a至150c之工作流體之液相之毛細管力。另外，相變室150之一者中之微特徵152之間的間距可相同或不同於其他相變室150a至150c之一或多者中之微特徵152之間的間距。
微特徵152之間的間距可經選擇以：(a)產生驅動工作流體自相變室之進口區域154至出口區域156之工作流體之毛細管力；(b)適應通過相變室150a至150c之進口區域154及出口區域156之蒸汽之流動；及/或(c)形成相鄰微特徵152之間的一所要彎月面以增強沿各微特徵152之蒸發區以增強傳熱。例如，微特徵152之間的間距可為具有50 nm、100 nm、200 nm、500 nm、1 µm、2 µm、5 µm 或10 µm之一下限及25 µm、50 µm、100 µm、150 µm、200 µm、250 µm、300 µm、350 µm、400 µm、450 µm、500 µm、600 µm、700 µm、800 µm、900 µm或1,000 µm之一上限之一範圍。在特定實例中，微特徵之間的間距可為100 nm至1,000 µm、100 nm至500 µm、100 nm至400 µm、100 nm至300 µm、100 nm至250 µm、100 nm至200 µm、50 nm至150 µm、50 nm至100 µm、50 nm至50 µm、50 nm至25 µm或50 nm至10 µm。
管道系統160包含一主管道162，其具有流體地耦合至進口140之一第一通道163a及自第一通道163a沿相變室150a至150c延伸之一第二通道163b。管道系統160進一步包含歧管管道164a至164c (統稱為歧管管道164)及一出口管道166。歧管管道164a至164c在接面165處流體地耦合至主管道162之第二通道路163b，且出口管道166流體地耦合至出口144。相變室150a至150c可進一步包含進口埠167及出口埠168。進口埠將各自歧管管道164a至164c分別流體地耦合至相變室150a至150c之進口區域154，且出口埠168將相變室150a至150c之出口區域流體地耦合至出口管道166。進口埠167可為具有沿各自歧管管道164a至164c (為了方便，僅展示沿歧管管道164a，但亦存在沿歧管管道164b及164c)之一均勻配置之小通路。出口埠168可為自相變室150a至150c之出口區域156至出口管道166之較大通路。出口埠168可針對不同相變室150a至150c不同配置以提供蒸汽沿出口管道166之所要流動。例如，在所繪示之實施例中，第一相變室150a之出口埠168可位於相對於第一相變室150a之出口管道166之一上游部分處，第二相變室150b之出口埠168可位於相對於第二相變室150b之出口管道166之一中游部分處，且第三相變室150c之出口埠168可位於相對於第三相變室150c之出口管道166之一下游部分處。
在操作中，工作流體以液相自冷凝器180 (圖1A)流動至進口140，接著，工作流體流動通過主管道162及歧管管道164a至164c而至進口埠167。歧管管道164a至164c及接面165可經組態以沿相變室150a至150c提供工作流體至進口埠167之一均勻分佈(例如均勻流動)。接著，工作流體沿流動F1 、F2 及F3 流動通過進口埠167、個別相變室150a至150c之微通道153及出口埠168。隨著工作流體流動通過相變室150a至150c，其在沿微特徵152之蒸發區域中自液相轉變成汽相。
傳熱單元140之基底148可由鋁、銅、矽或具有高導熱性之其他材料製成。可藉由遮罩及蝕刻基底(如半導體製造中已知)、水刀切割、雷射燒蝕或藉由三維印刷來形成相變室150a至150c、微特徵152及管道系統160。
傳熱單元140自TEC 120之第二部分122b移除熱，無論由流動通過TEC 120之電產生或自目標材料本身產生(例如當目標材料係一主動熱源(諸如一控制器、記憶體裝置、雷射等等)時)。因為TEC 120可產生一高熱通量，所以傳熱單元140應移除(例如耗散)高熱通量之至少一部分。依此方式，TEC 120可連續冷卻目標材料，即，自目標材料連續移除熱。傳熱單元140可防止或否則限制TEC 120在使用期間過熱。若不使用傳熱單元140，則TEC 120之第二部分122b處所產生之熱會逐漸增加以藉此降低TEC 120冷卻目標材料之能力。傳熱單元140經選擇使得其能夠移除TEC 120之第二部分122b處所產生之足夠熱以允許TEC 120之第一部分122a視情況冷卻目標材料。
TEC 120可使目標材料101維持一恆定溫度或可根據一所要溫度分佈來降低及/或升高目標材料101之溫度。除TEC 120之外，一或多個輔助加熱或冷卻元件亦可定位成相鄰於目標材料101以提供目標材料102之輔助加熱或冷卻。例如，TEC 120可用於冷卻目標材料表面且一單獨電阻加熱元件可用於加熱目標材料表面。例如，TEC 120可用於加熱目標材料表面且一輔助冷卻元件可用於冷卻目標材料表面。
根據一態樣，TEC 120可用於加熱或否則升高目標材料101之溫度，例如當啟動熱管理系統100且電流動通過TEC 120使得TEC 120之第一部分122a相對於其周圍或起始溫度加熱或產生熱(即，TEC之第一部分122a之溫度升高，而TEC 120之第二部分122b相對於其周圍或起始溫度冷卻)時。依此方式，目標材料之溫度可相對於其周圍溫度升高。應瞭解，TEC 120之半導體材料之實施例或半導體材料之配置可經組態使得熱流之方向可沿相同於電流流動之方向或沿相反於電流流動之方向。當依此操作模式用於加熱一目標材料時，傳熱單元140可經撤銷啟動使得傳熱單元140不自TEC 120之冷側移除熱。然而，傳熱單元140及TEC 120兩者可操作以達成目標材料之一所要溫度分佈(即使TEC 120之第一部分122a暖於第二部分122b)，其包含自一周圍或起始溫度降低溫度且接著升高溫度。
TEC 120可根據一所要溫度分佈來降低或升高目標材料之溫度，其取決於電流流動通過TEC 120之方向。根據本發明之一態樣，TEC可用於使用電通過TEC之定向流動且視情況結合傳熱單元140自TEC 120移除熱來根據一所要溫度分佈降低及/或升高TEC 120之第一部分122a及因此目標材料之溫度。藉由改變電流動之方向，TEC 120之第一部分122a可在一所要時段內根據一所要溫度分佈來快速且精確冷卻或加熱且藉此快速且精確冷卻或加熱目標材料101。
當處於一冷卻模式中時，傳熱單元140移除由TEC 120產生之熱，否則其會干擾TEC 120依一所要方式冷卻目標材料之能力。例如，使用一第一定向電流，TEC 120與傳熱單元140之組合可在一時段Time1 (其可在0.1秒至5秒或10秒或20秒之範圍內)內將目標材料101自一初始周圍溫度Temp1 (其可為一患者之組織之溫度，即，35°C至37°C)冷卻至一較低溫度Temp2 (其可為9°C至-4°C或-10°C或-15°C或-20°C)。接著，使用相反於第一定向電流之一第二定向電流，TEC 120可在一時段Time2 (其可在0.1秒至5秒之範圍內)內將目標材料自Temp2 (其可為9°C至-4°C或-10°C或-15°C或-20°C)加熱至一較高溫度Temp3 (其可為室溫或一患者之組織之正常溫度)。此等範圍係實例且不限制本文中所描述之實施例之範疇及效用。例如，額外溫度範圍係15°C至-10°C、10°C至-6°C、10°C至0°C、15°C至-15°C、10°C至-10°C或其類似者。例如，時間範圍可介於0.05秒至20秒、0.05秒至10秒或0.1秒至7秒及其類似者之間。
定向電流可自一方向變成另一方向以反復冷卻或加熱目標材料，或反之亦然，其取決於所要應用或使用。因為TEC 120之加熱及冷卻由電流流動之方向驅動，所以可快速(即，1秒之一分率至數秒之數量級)且以高精度(即，0.1°C至0.5°C、1.0°C、1.5°C或2.0°C之數量級)更改TEC 120之第一部分122a之溫度及因此更改熱耦合至TEC 120之目標材料101之溫度。傳熱單元140之低熱慣性(例如低熱容量或低體積熱容量)允許在0.1秒至5秒之一範圍內精確切換於冷卻模式與加熱模式之間。儘管具有5 mm至25 mm或5 mm至15 mm之一低輪廓，但傳熱單元140能夠在0.1秒至5秒(諸如2秒至3秒)之一時段內移除由TEC 120產生之高熱通量以使目標材料自其周圍溫度冷卻至一較低溫度，例如介於9°C至-4°C或-10°C或-15°C或-20°C之間。
TEC 120可一起用於加熱或冷卻具有一給定表面積或體積之目標材料。當各TEC 120在一給定表面區域內產生熱時，傳熱單元140能夠移除自TEC 120之群組產生之熱。各TEC 120自身可具有傳熱單元140，或圖1A至圖1C中所展示之一單一整體傳熱單元140可自所有TEC 120或TEC 120之一子集移除熱。例如，傳熱單元140可具有大於複數個TEC 120之組合表面積的一表面積。根據一態樣，傳熱單元140及TEC 120可相對於彼此及目標材料101表面配置，使得可冷卻目標材料表面(諸如表皮)，同時允許光或輻射能或一機械治療裝置透過傳熱單元及TEC或在傳熱單元與TEC之間操作以將較深組織加熱至一所要治療溫度，否則其會產生疼痛或損壞表皮。
TEC 120可配置成列及行之一陣列或任何所要圖案以達成一所要目的。例如，本文中所描述之一裝置可包含配置於一導熱接觸部件(例如一板或膜或支撐件)之表面積內之自2個至200個TEC 120。取決於TEC 120之數目，TEC 120可相對於一導熱接觸部件配置成一正方形圖案或一矩形圖案或圓形圖案或其他圖案，其取決於目標材料101之表面積及/或目標材料101之輪廓。根據一態樣，TEC 120可在相同平面內相對於彼此水平定位。根據一態樣，TEC 120可相對於彼此垂直定位，諸如藉由使TEC 120彼此上下堆疊。
各TEC 120可經獨立操作以達成目標材料101之不同位置之不同加熱或冷卻，或所有TEC 120可經同時操作以達成目標材料101之均勻加熱或冷卻。TEC 120之子集可經獨立操作以達成目標材料101上之不同位置之不同加熱或冷卻。
包含一傳熱單元140及TEC 120之本文中所描述之用於調節一目標材料表面之溫度之裝置亦可包含一或多個溫度感測器、熱通量感測器及/或一或多個壓力感測器(由元件符號170共同識別)，其等可操作地連接至裝置以感測或偵測沿裝置或裝置內之一或多個位置處之溫度或熱通量或壓力。此等溫度及壓力感測器提供關於裝置之操作的回饋來調節一目標材料表面之溫度且可有助於調節裝置之操作以提供目標材料之一所要溫度或溫度分佈。因此，本文中所描述之用於調節一目標材料表面之溫度之裝置將一目標材料(諸如組織)非侵入地冷卻至一預定溫度。應瞭解，目標材料具有一厚度，且使用本文中所描述之裝置來冷卻或加熱目標材料可產生隨目標材料之深度而變化之一溫度分佈。例如，熱耦合至TEC 120之目標材料之外表面可具有比目標材料內之一治療部位(例如自外表面向內進入目標材料一距離之目標材料之一部分)之溫度低之一溫度。此導致目標材料之一溫度分佈。在達成目標材料之外表面之一所要溫度或達成隨目標材料之深度而變化之目標材料內之一所要溫度分佈之後，目標材料可經受預定溫度或溫度分佈之處理或治療。在一些實施例中，產生隨時間而變化及/或隨目標材料上之位置而變化及/或隨目標材料之深度而變化之一溫度分佈。溫度分佈可隨時間、位置及深度之任何者或所有而變化。
接觸部件110可為使傳熱單元140熱互連至TEC 120及/或使TEC 120熱互連至目標材料101之一或多個導熱板或表面或膜。為進一步討論，將參考一導熱板，因此，熟習技術者應瞭解，可以一導熱表面或膜代替。傳熱單元140自身可具有導熱板。TEC 120自身可具有導熱板。傳熱單元140之導熱板可貼附或附接至TEC 120。一單一導熱板可位於傳熱單元140與TEC 120之間。一導熱板可定位於TEC 120之底部處或可為TEC 120之底部之部分以提供TEC 120與目標材料101之間的一導熱接觸。導熱板可具有0.01 mm至5 mm之間的一厚度。
一導熱板或表面或膜可具有期望接觸一給定表面(無論一傳熱單元、TEC或目標材料)之任何組態、形狀、設計、厚度等等。導熱板、表面或膜可為剛性或撓性的。導熱板可為平坦、彎曲、凸形、凹形、弓形、波浪形、凹痕、脊形、凹坑、粗糙、平滑或可具有足以用於一特定熱管理方法之任何其他表面幾何形狀。導熱板可為透明或不透明的。一導熱板或表面或膜可由熟習技術者已知之至少一或多個導熱材料塑造或包含熟習技術者已知之至少一或多個導熱材料，諸如導熱矽、金剛石、銅、碳化矽、石墨、銀、金、鉑、藍寶石、石墨烯或氧化矽及視情況、需要或要求之其他材料。
根據其中目標材料係人體組織之一態樣，提供一方法，其使用裝置在預定時間內將目標組織冷卻及加熱至預定溫度以提供目標組織之快速且精確冷卻及加熱以提供一有效治療方法。圖2及圖3係上文參考圖1A至圖1C所描述之熱管理系統100之各種實施例之溫度隨時間之曲線圖。圖2展示其中將接觸部件110放置成抵靠經選擇以模擬人體組織之溫度回應之膠質體之一方法之快速溫度回應。在此方法中，在起始點處，驅動TEC 120 (圖1B)使得第一部分122a較冷且第二部分122b較暖，且操作兩相傳熱單元140以自TEC 120之第二部分122b移除熱。接著，反轉TEC 120使得第一部分122a變暖且第二部分122b變冷以在數秒內引起自0°C至超過20°C之溫度之一快速尖峰。接著，可再次反轉TEC 120使得第一部分122a再次冷卻接觸部件110以引起溫度快速降低至起始位準。除快速升高及降低溫度之外，此測試亦展示可在不過衝或欠衝之情況下精確達成且可控地維持特定目標溫度。
圖3展示模擬人體組織之一目標材料中之2 mm、5 mm及10 mm之各種深度處之溫度之另一溫度/時間圖。如圖中所展示，上文參考圖1A至圖1C所描述之熱管理系統100之實施例能夠在2 mm之一深度處以9分鐘、在5 mm之一深度處以15分鐘及在10 mm之一深度處以20分鐘汲取足夠熱以將溫度自約25°C降低至約0°C。此對具有圖1A至圖1C中所展示之類型之小、低輪廓大小之熱管理單元而言係一驚人結果。此對醫療及美容治療特別有用，因為可使用小的較輕器具，其能夠冷卻身體之更複雜區域且使患者更舒適。
圖4展示根據本發明之使用一熱管理系統所冷卻及加熱之模擬組織之另一溫度及時間圖。目標材料101最初處於約35°C之一正常生理溫度TT1 (組織溫度)。如圖4中所展示，待治療之組織處於隨組織深度而變化之不同溫度，且圖4展示皮膚接觸點、0.1 mm、0.5 mm及1 mm深度處之初始溫度。TEC之溫度亦由線TE展示。亦展示其中冷卻提供一麻醉效應之約8°C及以下之溫度及其中組織淺層冷凍之約-2°C之溫度。熱冷卻及加熱裝置處於約20°C之室溫或周圍溫度之一初始溫度DT1 。根據一選用態樣，可使裝置變暖至約35°C之一預接觸溫度DT2 以減少一相對較冷裝置與一相對較暖患者之不舒適接觸。接著，使溫度DT1 處之裝置與皮膚表面接觸且啟動，其中電沿一方向流動通過裝置以在約2秒內將裝置自20°C冷卻至約-2°C且對皮膚提供冷卻。在約5秒之後，電沿一方向流動通過裝置以冷卻裝置且藉此在約3秒內將皮膚接觸點(皮膚接觸綠線)之溫度冷卻至約-2°C。在約8秒內將0.1 mm處之皮膚冷卻至約2°C之一溫度。0.5 mm及1.0 mm處之皮膚之溫度較高且高於其中冷卻可提供一麻醉效應之溫度。此時，可使用(例如)雷射光來治療皮膚，其中接觸表面及0.1 mm處之皮膚受益於來自冷卻之一麻醉效應。此時，電流之方向反向通過裝置且裝置接著開始在約2秒內將皮膚加熱至皮膚接觸點處之約30°C及表面下0.1 mm處之約27°C之一溫度。此時，電流之方向再次反向通過裝置且裝置開始在約3秒內將皮膚冷卻至約-2°C之一溫度，其中可使用(例如)雷射光來治療皮膚。
此循環可重複任何次數以治療目標組織及不同目標組織位置。例如，裝置可用於在約2秒內使一第一目標組織位置TL1 冷卻至其中在表面或表面下0.1 mm處達成一麻醉效應之約8°C之一溫度及在約3秒內將第一目標組織位置TL1 冷卻至其中發生淺層冷凍之約-2°C之一溫度。可使用(例如)雷射光來治療組織TL1 ，且接著可在約2秒內將組織TL1 加熱至約30°C之一溫度。接著，可將裝置移動至其中可在約2秒至約3秒內將組織冷卻至其中可使用(例如)雷射光來治療組織之一麻醉治療溫度之一第二組織位置TL2 。接著，可在約2秒內將第二組織位置加熱至約30°C且將裝置移動至其中實施冷卻、治療及加熱循環之一第三組織位置TL3 。此循環可針對任何數目個組織位置TLN 重複。可使用本文中所描述之熱管理系統來執行額外冷卻及/或加熱分佈。例如，冷卻或加熱分佈可為冷卻(溫度下降)或加熱(溫度升高)效應之脈衝或正弦脈衝。可由通過本文中所描述之可反轉之熱電單元之所要電脈衝或電流完成冷卻及/或加熱。根據一實施例，可藉由控制至傳熱單元之流體壓力或流速來完成冷卻及/或加熱，其中此流體壓力或流速用於自接觸傳熱單元之一熱源移除熱。
圖5係展示其中電流在8秒、10秒及13秒處反向之點處之跨TEC 120之熱通量的一曲線圖。如圖5中所展示，一高熱通量在1秒之一分率內改變，其反映TEC 120之快速冷卻及加熱及目標材料101之快速冷卻及加熱。根據一態樣，待冷卻及/或加熱之一目標材料係經歷一治療(諸如一基於能量之治療，諸如雷射治療，諸如用於脫毛或皮膚病治療或針注射)之一患者之一組織。本發明之範疇內之其他治療包含用於癌症治療之放射療法、熱療(諸如低溫療法或高溫療法)、組合熱療及免疫療法、粉刺治療(長脈衝)、藉由冷卻皮下脂肪組織之塑身、侵入式或非侵入式RF治療、HIFU、超音波治療、雷射紋身移除、燒蝕雷射皮膚再生、皮下脂肪團治療、褪色及皮膚再生。根據此等治療，在此治療之前、此治療期間或此治療之後冷卻組織以麻木組織以減少治療期間之疼痛。根據一態樣，在雷射或針治療之前、雷射或針治療期間或雷射或針治療之後冷卻組織以麻木組織以減少治療期間之疼痛。因此，熱冷卻或加熱裝置提供一麻醉效應。在冷卻之後，可加熱組織以使組織達到一較高溫度，諸如正常組織溫度。因為裝置意欲接觸組織，所以可將裝置加熱至正常組織溫度以對患者提供一舒適接觸且避免一不舒適接觸，諸如當將一冷裝置放置成抵靠患者之暖組織時。
根據一態樣，將本文中所描述之用於冷卻或加熱組織之裝置整合至一雷射系統或其他醫療裝置中以使用冷卻來保護表皮、減少疼痛及紅斑及熱損傷及減少或防止非目標組織(諸如目標皮膚組織周圍之皮膚)之熱損傷。裝置亦提供雷射治療及注射之暫時局部麻醉緩解且藉此提高雷射或其他醫療裝置之功效。關於雷射之照射或醫療裝置之操作之時序，冷卻可發生於治療之前、治療期間或治療之後，其包含預冷卻、並行冷卻及後冷卻。
針對具有特定皮膚病之患者之雷射療法之主要目的係最大化目標發色團之熱損壞，同時最小化正常皮膚之損傷。然而，在一些情況中，用於表皮損傷之入射雷射束之臨限劑量可非常接近用於移除發色團之臨限值。黑皮膚患者由於高表皮黑色素而更易受此等問題影響，表皮黑色素作為一重要發色團競爭雷射能以導致提高疼痛率、起泡、結疤及色素沉著異常。本文中所描述之用於加熱及冷卻組織之裝置可選擇性冷卻皮膚之最淺層以減少疼痛、起泡、結疤及色素沉著異常。目標係冷卻表皮以防止溫度升高超過臨限溫度而造成熱損傷。因為冷卻保護表皮，所以可將一高通量雷射束輸送至皮膚。此指稱冷卻之空間選擇性理論。為瞄準血管、幹細胞、毛囊等等內之發色團，應達到一治療溫度。然而，治療溫度通常會損壞表皮角質細胞及黑色素細胞。本文中所描述之用於冷卻及加熱皮膚之裝置可在表皮層處維持一較低溫度，但在組織之目標深度處達到所需較高治療溫度，其通常提供雷射手術之較佳療效。另外，冷卻將減少水腫量，其通常發展為雷射手術之一併發症。因此，提供使用本文中所描述之用於冷卻及加熱組織之裝置來保護皮膚之淺層免受附帶熱損傷之一方法。
根據本發明之熱管理系統之若干實施例與醫療裝置(諸如一雷射裝備或針注射裝備)一起使用，使得熱管理系統接觸組織，同時一雷射光、其他輻射束或針可在冷卻組織之前、冷卻組織期間或冷卻組織之後輸送至目標組織。根據一態樣，熱管理系統可為一手持醫療儀器(諸如一雷射發射裝置)之表面上之一整體組件，或熱管理系統可為可附接至醫療儀器之一單獨組件。來自組織之熱由TEC及傳熱單元移除，如本文中所描述。包含一手持雷射發射裝置之雷射可在市場上購得，諸如Candela GentleLASE Plus雷射，其係經專門設計以自所有身體部分消除不想要毛髮之一非侵入式光療裝置。Candela GentleLASE Plus產生一強烈集中光脈衝，其在將一小手持件應用於治療部位時導引通過小手持件。根據一態樣，熱管理系統可製造於市售雷射系統之手持件之尖端處或可結合市售雷射系統之手持件使用。在使用一熱管理系統來冷卻皮膚以保護皮膚且提供一麻醉效應之後，雷射能通過熱管理系統且通過皮膚而至毛囊，其中能量由毛髮及毛囊中之色素吸收。因此，在不損壞皮膚之細毛孔及結構的情況下選擇性損壞毛根。雷射僅在1秒之一分率內施以脈衝或「開啟」。脈衝之持續時間經仔細校準使得雷射能將由毛囊吸收且不將過量熱輸送至周圍皮膚。其後，熱管理系統使皮膚回溫且接著移動至其中重複程序之一第二目標皮膚位置。
根據一態樣，熱管理系統在接觸之後冷卻組織且可指稱一接觸冷卻法。熱管理系統可整合至醫療裝置手持件中。根據一態樣，熱管理系統可具有透明部分或材料以允許光在熱管理系統接觸組織時(諸如在冷卻或加熱組織時)穿過熱管理系統。根據一態樣，熱管理系統可具有穿過其之通道或孔以允許光或另一治療模態或實施在熱管理系統接觸組織時(諸如在熱管理系統冷卻或加熱組織時)穿過熱管理系統。熱管理系統可直接整合至手持件或可移除地附接至手持件。
根據本發明之特定態樣，熱管理系統提供接觸冷卻之益處，同時亦提供手動控制皮膚壓縮、減少淺層血管中之血流，因此減少氧化血紅素，其係一活性發色團。此外，皮膚壓縮使較深目標(如毛囊)更靠近皮膚表面以因此增強雷射能之吸收，因此更少通量可用於加熱目標及/或更多能量到達目標。
根據一態樣，本文中提供在治療之前、治療期間及治療之後用於組織治療(諸如一般皮膚學治療(其包含脫毛)、紋身移除、粉刺治療、燒蝕雷射治療、侵入式及非侵入式RF治療、放射療法(諸如用於治療癌組織(諸如腫瘤)之輻射束療法)之方法。根據一態樣，熱管理系統可用於誘發腫瘤組織之局部熱損壞，其完全在一所要表面積內或在一給定組織表面積內之個別位置或點處。例如，在一給定組織表面積內，組織可不具有或少有熱損壞且亦可具有熱損壞之位置。熱損壞之位置可為有序的或可為隨機的，其根據一治療而視情況而定。
圖6繪示用於結合一主療法來冷卻一目標材料101之一熱管理系統600之一實施例。熱管理系統600可類似於上述熱管理系統100，且相同元件符號係指類似或相同組件。熱管理系統600可包含一導熱接觸部件110及TEC 120，使得若干TEC 120熱耦合至接觸部件110。TEC 120具有第一部分122a處之電接觸墊610及第二部分122b處之接觸墊620，且電流可在接觸墊620與接觸墊610之間流動以冷卻TEC 120之第一部分122a，同時熱沿由目標中之箭頭及TEC 120中之箭頭指示之相反方向流動。
熱管理系統600包含熱耦合至TEC 120之一兩相傳熱單元640。傳熱單元640可類似於上述傳熱單元140。例如，傳熱單元640可具有一基底642、一頂部644及界定基底642與頂部644之間的空間中之一蒸汽空間之一相變室646。傳熱單元640可進一步包含界定微通道654之微特徵652，諸如銷或細長面板。微特徵652可與對應TEC 120疊加，如圖6中所展示。在操作中，微通道654中之一工作流體蒸發以冷卻TEC 120。
基底642及頂部644可由一透明材料製成或具有透明部分，諸如具有結晶氧化鋁之透明聚合物奈米複合物。因此，熱管理系統600非常適合於與雷射及其他皮膚治療裝置一起使用。在操作中，雷射束或其他輻射束可穿過TEC 120之間的區域中之透明頂部644及基底642以加熱組織中一深度處之目標組織(諸如毛囊或膠原基質)，同時TEC 120及傳熱單元640冷卻神經所在之表皮及真皮。因此，雷射治療可在較長時段內將目標組織加熱至較高溫度以增強療效，同時熱管理系統600冷卻皮膚表面以保護皮膚免受燒傷且緩解或甚至減輕疼痛。
圖7係操作中之圖6之熱管理系統600之一等角視圖。組織700之一體積經展示為沿X-Y-Z方向包含脂肪及皮膚。根據所展示之組織之深度，皮膚表面在位置0處。一導熱且透明接觸部件110接觸皮膚且本文中所描述之TEC 120熱耦合至接觸部件110。本文中所描述之兩相傳熱單元640熱耦合至TEC 120。在操作中，一雷射660或其他治療模態(例如體外放射裝置)導引一能量束662穿過TEC 120之間的空間中之透明組件。
圖8A繪示一熱管理系統800之一側視圖，且圖8B係熱管理系統800之一俯視圖。熱管理系統800包含一接觸部件110、熱耦合至接觸部件110之TEC 120及熱耦合至TEC 120之一兩相傳熱單元840。一液相工作流體流動通過一第一導管850而至傳熱單元840，且工作流體之一汽相自傳熱單元840流動通過一第二導管862。除傳熱單元840包含進出孔842且接觸部件110具有與進出孔842對準之開口844之外，傳熱單元840可類似於傳熱單元140。進出孔842及開口844至少大體上與TEC 120之間的空間對準。
在操作中，導引一針或一能量束860 (諸如雷射光、輻射束或另一類型之射束)穿過進出孔842及開口844。根據一態樣，進出孔842及開口844亦允許蒸汽及/或組織碎片在治療(諸如燒蝕雷射治療)期間自目標材料表面排出。依此方式，無需在目標材料之治療期間移除熱管理系統800。系統800亦可包含TEC 120處或TEC 120附近之溫度感測器870。根據一態樣，取決於應用，兩相傳熱單元840、TEC 120及高導熱性接觸部件101由透射部分電磁波光譜之特定材料製成。
根據一態樣，一真空系統可用於在治療期間將上述熱管理系統100、600、800之任何者固定至目標材料之表面。真空系統用於維持或改良與目標材料(諸如皮膚)之熱接觸。根據一態樣，相同真空系統或一單獨真空系統可用於抽空或容納可在基於燒蝕能之治療(諸如燒蝕二氧化碳治療)期間產生之任何組織碎片及蒸汽。根據一態樣，在治療期間將熱管理系統100、600、800固定至皮膚表面防止來自燒蝕雷射治療之碎片堵塞可存在於熱管理系統中之進出孔。真空系統亦容納任何蒸汽或碎片以藉此防止碎片、粒子及氣體由患者或系統之操作者吸入。真空系統亦有助於減少皮膚中之血流，其對用於減少皮下脂肪組織以塑身之雷射手術及治療兩者有用。
圖9係具有TEC 120及一傳熱單元940之熱管理系統900之一示意圖。傳熱單元940具有微通道962之一陣列，其經配置使得微通道962之離散群組與個別TEC 120對準。微通道962可由一共同管道964共同連接於進口或出口處。傳熱單元942進一步包含一選用進出孔942及溫度感測器970，溫度感測器970定位於整個系統中之不同位置及層中以提供回饋信號來控制裝置-目標介面處之熱通量及溫度。各熱管理系統900可為一個別單元。
圖10係若干熱管理系統900之一總成1000之一示意圖。總成1000可包含用於將工作流體之液相載送至個別熱管理系統900之流體輸送線1010。TEC及微通道之數目及配置可根據任何特定應用來改變。覆蓋通道之一蓋(圖中未展示)提供蒸汽離開系統所需之空間。在一些組態中，蒸汽被清除至周圍環境中，而在其他組態中，蒸汽在一封閉系統中冷凝回液相。熱管理系統與目標之間的介面可為平坦或彎曲以具有用於任何特定應用之特定表面輪廓。熱管理系統可由撓性材料製成以與目標之形狀相合。熱管理系統亦可包含用於根據需要快速升高目標-系統介面處之溫度之加熱元件。系統可以0.0001巴至20巴之間的壓力及-270°C至1000°C之間的溫度操作。
圖11係若干熱管理單元900之另一總成1100之一示意圖。在此實施例中，個別熱管理單元900不具有進出孔，而是具有一固體中心區域1110。中心區域1110可為一透明材料，因此雷射光可透射穿過中心區域而至下方目標材料。
圖12係具有一半導體裝置1201及上文參考圖1A至圖1C所描述之熱管理單元100之一半導體總成1200之一示意圖。替代地，熱管理系統可具有本文中相對於圖15A至圖20E所描述之傳熱單元。半導體裝置1201可為一處理器、記憶體裝置、發光二極體或其他產熱裝置。在此實施例中，接觸部件101附接至半導體裝置1201。
圖13係具有一半導體裝置1301及無接觸部件110之熱管理系統100之一版本之一半導體總成1300之一示意圖。替代地，熱管理系統可具有本文中相對於圖15A至圖20E所描述之傳熱單元。在此實施例中，半導體裝置具有一鈍化材料1302，且熱管理系統100之TEC 120附接至鈍化材料1302。
圖14係根據本發明之使用熱管理系統來冷卻之數個裝置1401a至1401n (統稱為裝置1401)(諸如伺服器)之一示意圖。各裝置1401可具有類似或相同於上述半導體總成1200及1300之一半導體總成，或除附接至半導體裝置之熱管理系統之外或代替附接至半導體裝置之熱管理系統，各裝置1401可具有附接至裝置1401之外殼之一單獨熱管理系統100、600、800。另外，熱管理系統可替代地具有本文中相對於圖15A至圖20E所描述之傳熱單元。總成1200及1300之各者可耦合至一共同冷凝器180。在操作中，可內部使用低輪廓熱管理系統100來冷卻總成1200及1300以減少或消除在裝置1401上方需要大冷氣流。此可比習知氣冷式伺服器節省冷卻諸多伺服器之大量能量。此亦可因此簡化較大伺服器場之建構及維護。
上述傳熱單元之任何者可包含美國專利第10,217,692號中所描述之蒸發式結構之態樣，該專利之全文以引用的方式併入本文中且特別針對其兩相蒸發式冷卻單元之設計之教示。例如，蒸發式結構可包含向下延伸至包含一蒸發性流體之一基底中之一系列突起。替代地，蒸發式結構可包含其間具有蒸發性流體之形成一系列通道之一系列壁。蒸發式結構可包含經組態以接收一蒸發性流體之一多孔目標材料。蒸發式結構可包含具有經組態以接收一蒸發性流體之一碎形構形之壁。蒸發式結構經設計以促進工作流體蒸發以冷卻TEC。蒸發式結構可操作地連接至一流入導管或進口埠及一流出導管或出口埠以可操作地提供通過蒸發式結構之一蒸發性流體流動路徑。根據一實施例，流入導管可操作地連接至一泵及蒸發性流體之一貯存器以泵抽蒸發性流體通過蒸發式結構。流入導管經組態以在蒸發性流體進入蒸發式結構時接收蒸發性流體。流出導管經組態以在蒸發性流體離開蒸發式結構時接收蒸發性流體。蒸發式結構亦可包含經設計以冷凝經蒸發之蒸發性流體以收集及/或重新分佈至蒸發式單元之一冷凝板或單元，如此項技術中所知。蒸發式結構可接觸複數個TEC，使得一單一蒸發式結構冷卻複數個TEC。
替代地，根據本發明之傳熱單元可包含其他兩相冷卻裝置，諸如焦耳-湯普森(Joule-Thompson)冷卻裝置、噴灑冷卻裝置及其類似者。此等傳熱單元包含使用(例如)無毒1,1,1,2-四氟乙烷(亦稱為R-134a (沸點：−26.2°C))或液氮或液態二氧化碳之致冷劑噴灑(動態)冷卻，諸如脈衝致冷劑噴灑。用於冷卻之其他材料包含HFO、HFC、氧化氮、乙醇、烴(諸如異丁烷、丙烷)、水、氨、粒子-流體混合物、材料(或流體)之二元(或二元以上)混合物及其類似者。一傳熱單元可呈使用一氣體或流體來加壓之一容器之形式，氣體或流體在釋放或噴灑至熱電單元之熱側之表面上時引起熱電單元冷卻。當容器或筒之內容物用完時，可丟棄容器或筒且一新滿容器或筒可作為一傳熱單元與系統一起使用。根據本發明之一傳熱單元傳遞由TEC產生之熱，其中熱自TEC耗散掉以藉此允許TEC在系統之冷卻模式中冷卻或否則調節目標材料之溫度。傳熱單元有利地防止TEC過熱，其中由TEC產生之熱超過TEC之冷卻能力。
美國專利第10,217,692中所描述之兩相傳熱單元根據蒸發式冷卻之原理操作。一實施例之一態樣係一兩相傳熱裝置，其包含：一貯存器，其經組態以容納一工作流體；一基底部件，其經組態以與一熱源連通且相鄰於熱源；細長部件，其等遠離基底部件向遠端延伸，經組態以形成細長部件之間的通路，細長部件包含一近端區域及一遠端區域；且其中細長部件之遠端區域至少部分插入或浸入至工作流體中。
根據一態樣，兩相傳熱單元包含：一貯存器，其經組態以容納一工作流體；一基底部件，其具有一第一表面及一第二表面，其中第一表面及第二表面大體上彼此對置；基底部件之第一表面經組態以與一熱源(諸如本文中所描述之TEC)熱連通且相鄰於熱源。細長部件遠離基底部件之第二表面向遠端延伸，經組態以形成細長部件之間的通路；細長部件包含一近端區域及一遠端區域，其中遠端區域經組態以至少部分插入至工作流體中；且通路經組態以容納可自工作流體產生之蒸汽以界定一蒸汽空間。細長部件可為一突起、一壁、一面板、一銷、一柱或一桿及其等之任何組合。基底部件及細長部件可由諸如以下各者之導熱無孔固體組成：矽、金剛石、銅、碳化矽、石墨、銀、金、鉑或氧化矽及視情況、需要或要求之其他材料。應瞭解，基底部件及細長部件(特定言之，遠端區域)可至少部分由多孔材料組成。工作流體可包括水、油、金屬、辛烷、烴、戊烷、R-245ca、R-245fa、異戊烷、鹵化烴、鹵化烷、HFO、HFC、酮、乙醇或鹼金屬及視情況、需要或要求之其他材料。
一實施例之一態樣提供(但不限於)一兩相傳熱裝置。裝置可包括：一貯存器，其經組態以裝載一工作流體；一基底部件，其具有一第一表面及一第二表面，其中第一表面及第二表面大體上彼此遠離，基底部件之第一表面經組態以自一熱源接收熱能；細長部件，其等遠離基底部件之第二表面向遠端延伸且經組態以界定相鄰細長部件之間的各自通路；細長部件包含一近端區域及一遠端區域，其中遠端區域經組態以至少部分插入至工作流體中；且通路經組態以容納自工作流體產生之蒸汽以界定一蒸汽空間。
根據一態樣，一兩相傳熱單元包含：一貯存器，其經組態以裝載一工作流體；一基底部件，基底部件經組態以自一熱源接收熱能；細長部件，其等遠離基底部件向遠端延伸且經組態以界定相鄰細長部件之間的各自通路；細長部件包含一近端區域及一遠端區域，其中遠端區域經組態以至少部分插入至工作流體中；且通路經組態以容納自工作流體產生之蒸汽以界定一蒸汽空間。
根據一態樣，一兩相傳熱單元包含：一貯存器，其經組態以裝載一工作流體；一基底部件，基底部件經組態以自一熱源接收熱能；細長部件，其等遠離基底部件向遠端延伸且經組態以界定相鄰細長部件之間的各自通路；且細長部件包含一近端區域及一遠端區域，其中遠端區域經組態以至少部分插入至貯存器中。
根據一態樣，一兩相傳熱單元包含：一貯存器，其經組態以裝載一工作流體；一基底部件，基底部件經組態以自一熱源接收熱能；細長部件，其等遠離基底部件向遠端延伸且經組態以界定相鄰細長部件之間的各自通路；且至少一些細長部件經組態以至少部分插入至貯存器中。
根據一態樣，一兩相傳熱單元包含：一貯存器，其經組態以裝載一工作流體；一基底部件，基底部件經組態以自一熱源接收熱能；細長部件，其等具有至少一壁，細長部件遠離基底部件向遠端延伸且經組態以界定相鄰細長部件之間的各自通路；其中細長部件包含一近端區域及一遠端區域，其中遠端區域經組態以至少部分插入至工作流體中；一凹槽構形，其安置於細長部件之至少一壁上，其中凹槽構形經組態以容納工作流體；且通路經組態以容納自工作流體產生之蒸汽以界定一蒸汽空間。
兩相傳熱裝置提供高蒸發及冷卻能力以在冷卻目標材料時與TEC一起使用。與此等兩相傳熱裝置相關聯之一優點包含每單位面積之增加冷卻能力、受控及最佳化蒸發、防止沸騰及防止蒸發器變乾。與一方法相關聯之一態樣可包含(但不限於)使用一凹槽拓撲來增大沿朝向熱源之方向之工作流體之吸力。與一方法相關聯之一態樣可包含(但不限於)使用一非潤濕塗層或結構來使工作流體保持遠離一蒸發器之細長部件之間的空間及使用一潤濕塗層或結構來形成圍繞細長部件之遠端區域之工作流體之薄膜。
兩相傳熱裝置可利用一潤濕塗層、一潤濕目標材料、一非潤濕塗層或一非潤濕目標材料之任何組合來將工作流體吸引至裝置之特定區域及排斥工作流體進入裝置之特定區域。例如，裝置可包括安置於細長部件之遠端區域上以吸引工作流體之一潤濕塗層，諸如一親水性塗層或一親液性塗層。替代地，細長部件之遠端區域可由一潤濕目標材料(即，材料)(諸如一親水性目標材料或親液性目標材料)組成。在另一實例中，裝置可包括安置於細長部件之遠端區域及定位於細長部件之間的基底部件之第二表面上以排斥液態工作流體之一非潤濕塗層，諸如一疏水性塗層或一疏液性塗層。替代地，細長部件之遠端區域及定位於細長部件之間的基底部件之第二表面可由一非潤濕目標材料(諸如一疏水性目標材料(材料)或一疏液性目標材料)組成。
兩相傳熱單元可包括沿蒸汽流之方向加寬之由通路界定之蒸汽空間。例如，通路可自一中心區域徑向延伸，其中路徑自中心區域輻射。在另一實例中，藉由沿蒸汽流之方向減少細長部件之數目(例如每單位長度/面積)來形成加寬蒸汽空間。替代地，通路可具有均勻或變窄之一寬度。替代地，通路可具有可提供加寬及變窄之一組合及保持均勻之一寬度。
圖15至圖15E展示具有接觸部件110、一TEC 120及用於冷卻及/或加熱一目標材料1501 (本文中亦指稱「熱源1501」)(其可為上文所揭示之目標材料之任何者)之一兩相傳熱單元1502之一熱管理系統1500。參考圖15A，兩相傳熱單元1502具有容納一工作流體1505之一相變室1504 (本文中亦指稱一貯存器1504)、接觸TEC 120之一基底1506及自基底1506突出以形成通路1522之微特徵1514 (本文中亦指稱細長部件1514)。圖15B係圖15A之一單一通路1520 (亦指稱一通道)之一局部放大圖，且圖15C展示圖15A及圖15B中所展示之彎月面1503之薄膜區域之一局部放大圖。彎月面1503之蒸發薄膜區域係歸因於非常低厚度及傳導阻力而發生大部分蒸發性傳熱之位置。非蒸發薄膜區域係液體分子與固體表面之間的黏附力極強且幾乎無分子可逃離液相變成汽相之位置。因此，蒸發薄膜區域表示最佳蒸發及傳熱之區域。細長部件1514沿相反於目標材料1501之方向遠離基底部件1506延伸。細長部件1514之遠端區域部分浸入或插入至容納於一相變室1504中之工作流體1505中。此設計之此(但不限於)及其他實施例之一優點係消除或減少沸騰。隨著熱行進通過基底部件1506之固體質量且沿微特徵1514向下行進，其直接傳導至其中發生大部分蒸發性傳熱之彎月面1503之蒸發薄膜區域。因而，沿微特徵1514之蒸發薄膜區域相對靠近基底部件1506及熱源1501。依此方式，消除在一通路1520內沸騰之風險且可連續維持有序及高效蒸發。依此方式，更易於將熱提供至蒸發薄膜區域。應瞭解，兩相冷卻裝置可經設計以鑑於待冷卻或加熱之目標材料之定向依任何定向操作。例如，兩相冷卻裝置可經設計以在銷之間的通道寬度或間距小於一特定大小時對重力不敏感。與諸如重力之體積力相比，表面力(毛細)係占主導的。為避免毛細管力將液體吸入至銷或通道之間的間距中以藉此減小或消除蒸汽空間，可使用一非潤濕塗層來排斥液體進入該空間。根據一額外實施例，諸如組織之目標材料可位於兩相冷卻裝置下方或其可位於兩相冷卻裝置上方。
仍大體上參考圖15A，兩相傳熱裝置之此(但不限於)及其他實施例之另一優點係將液體高效輸送至蒸發部位。因為將工作流體1505 (例如液體)輸送至其內安置或浸入有微特徵1514之複數個尖端之相變室1504且不透過無貯存器之益處之大量個別通道，所以無需克服流動通過大量通道所涉及之高剪切摩擦。因此，將液體工作流體1505輸送至相變室1504以補充蒸發質量涉及較小阻力，且顯著減少蒸乾問題。
如圖15D之方塊圖中所示意性反映，蒸汽區域1522 (即，發生大部分蒸發熱之位置)相鄰於熱源，且其中液體工作流體距熱源相對較遠或遠離熱源以避免或緩解裝置中之沸騰且增加工作流體之流動及其他益處。
圖15E示意性繪示行進於圖15A之兩相傳熱單元1540之一實施例內之熱流(HF)之一般迴路。熱源產生行進通過微特徵1514 (參閱圖15A至圖15C)之固體質量且超過蒸汽空間1522 (參閱圖15A及圖15B)而朝向薄液膜及固有液體彎月面之區域的熱。貯存器中之工作流體105之液相定位成最遠離熱源且藉此需要熱行進最大距離。因而，薄液膜及固有液體彎月面相對靠近熱源。圖15E中所示意性展示之對準使傳熱裝置能夠在不誘發固有液體彎月面及液體貯存器中之沸騰的情況下產生過熱蒸汽。因此，此特徵提高由傳熱裝置移除熱之品質及傳熱裝置之效率，其可併入於本文中所揭示之各種冷卻應用中。此外，歸因於此配置，微特徵1514 (參閱圖15A至圖15C)之固體質量之近端部分(即，「壁」)之溫度高於薄液膜及固有液體彎月面之飽和溫度。此防止液體冷凝物累積於蒸汽空間1522 (參閱圖15A及圖15B)中，其消除液體冷凝物阻塞蒸汽空間1522之風險。
圖16A至圖16E示意性繪示在操作中且利用連續有序蒸發之相變傳熱裝置之類似實施例。提供兩相熱管理系統1500來自一目標材料1501移除熱。例如，熱源可為一電腦晶片及本文中所揭示之任何其他散熱應用之表面或視情況、需要或要求。目標材料1501與一基底部件1506之一第一表面1508連通，且基底部件之一第二表面1510位於第一表面1508之對置側上。微特徵1514遠離第二表面1510向遠端延伸。例如，基底部件1506及微特徵1514 (或其部分)可由一導熱無孔固體(諸如(但不限於)矽、金剛石、銅、碳化矽、石墨、銀、金、鈦、鉑、石墨烯或金屬合金)構成。另外或組合地，基底部件1506及微特徵1514 (或其部分)可具有諸如(但不限於)金、鉑、銅、石墨烯或氧化矽之材料之一分層。
微特徵1514可具有一銷、柱、桿、壁或面板之形狀或類似結構或視情況、需要或要求。裝置2亦可具有由一工作流體1505填充之一相變室1504。例如，工作流體可為水、油、金屬、辛烷、烴、戊烷、R-245ca、R-245fa、異戊烷、鹵化烴、鹵化烷、HFO、HFC、烯烴、酮、乙醇或鹼金屬。應瞭解，工作流體1505應與組成裝置之其他材料相容，使得其等不會化學反應以產生不可凝氣體或引起其他有害效應。此外，作為一實例，工作流體可為任何液體或氣體。此外，工作流體可為熔融金屬或液體金屬，諸如鋰或其類似者。
仍參考圖16A，較靠近基底部件1506之微特徵1514之部分界定一近端區域1516，且較遠離基底部件1506之部分界定一遠端區域1518。遠端區域1518至少部分浸沒於工作流體1505中以產生圍繞遠端區域1518之工作流體1505之一薄膜(如代以繪示近端區域之圖15C中所類似展示)。熱流1513自目標材料1501行進(例如傳導)通過基底部件1506及近端區域1516而至遠端區域1518，且當圍繞遠端區域1518之薄膜區域(如代以繪示近端區域之圖15C中所類似展示)中發生工作流體之一受控及最佳化蒸發時，自近端區域1516及/或遠端區域1518移除熱。蒸發液體產生填充由微特徵1514之組態提供之一通路1520之一蒸汽。當蒸汽沿蒸汽路徑1521行進通過由微特徵1514界定之通路1520而朝向一冷凝器(圖中未展示)時，自裝置帶走熱。通路1520可為(例如(但不限於))諸如一微通道之一通道。如圖16A中所繪示，通路1520可視情況、需要或要求具有一指定長度L。通路1520可為(例如(但不限於))諸如一奈米通道之一通道。
圖16A展示其中微特徵1514大體上筆直之一實施例。在此一實施例中，至少一微特徵1514之近端區域1516具有實質上等於遠端區域1518之一橫截面。圖16B係圖16A中所展示之通路1520 (特定言之，通路1520之蒸汽空間1522及尺寸，諸如：一高度HE ，其係細長部件或通路之高度；一高度HV ，其係蒸汽空間之高度；及寬度W，其係通路(即，例如細長部件之間)之寬度；所有該等尺寸(及相關輪廓)可視情況、需要及要求調整)之一局部放大圖。應瞭解，儘管僅在極右通路1520中繪示表示蒸汽空間1522之點畫圖案，但蒸汽空間1522可應用於任何及所有通路1520 (諸如(但不限於)通道或微通道)。
圖16C提供其中至少一微特徵1514建構有比遠端區域1518寬之近端區域1516之另一實施例。應瞭解，微特徵1514可在不背離本發明之精神的情況下形成為各種形狀及輪廓。通路1520可為(例如(但不限於))諸如一微通道之一通道。如圖16C中所繪示，通路1520可視情況、需要或要求具有一指定長度L。圖16D係圖16C中所展示之通路1520 (特定言之，通路1520之蒸汽空間1522及尺寸，諸如：一高度HE ，其係細長部件或通路之高度；一高度HV ，其係蒸汽空間之高度；及寬度W，其係通路(即，例如細長部件之間)之寬度；所有該等尺寸(及相關輪廓)可視情況、需要及要求調整)之一局部放大圖。應瞭解，儘管僅在極右通路1520中繪示表示蒸汽空間1522之點畫圖案，但蒸汽空間1522可應用於任何及所有通路1520 (諸如(但不限於)通道或微通道)。在不希望受任何限制約束之情況下，各種實施例可包含具有以下尺寸之通路(例如通道)：寬度W，其可在自約100奈米至數百微米之範圍內；長度L，其可在自約1微米至約100厘米之範圍內；及高度H，其可在自約5微米至約5毫米之範圍內。應瞭解，尺寸可視情況、需要或要求增大或減小，且此等建議範圍僅供說明。例如，寬度W可在自約10奈米至約10毫米之範圍內。例如，長度L可在自100奈米至1,000厘米之範圍內，或可大於1,000厘米。例如，高度H可在自100奈米至數十厘米之範圍內。不管界定通路之細長部件之結構(形狀、角度、輪廓)如何，此等尺寸之任何者可應用於任何通路，因為通路(由細長部件界定)可呈各種組態，諸如突起、壁、面板、銷、柱或桿或其等之任何組合。尺寸可相對於彼此變動於各自通路之間。此外，尺寸可變動於一給定通路本身內。通路之區域可變動於任何傳熱裝置、蒸發器或冷凝器內。此外，此等尺寸僅供說明且可視情況或要求增大或減小。
蒸汽空間1522係由蒸汽填充之通路1520內之空間。蒸汽空間可界定為微特徵1514之表面、基底部件之第二表面1510之表面及工作流體1505之表面(例如工作流體1505之彎月面1503)之間的空間。可藉由使用一非潤濕塗層1528塗覆細長部件之近端區域1516及基底部件之第二表面1510以排斥工作流體1501進入通路1520來產生蒸汽空間1522。替代地，可藉由使細長部件之近端區域1516及基底部件之第二表面1510由一非潤濕目標材料1530 (即，例如結構本身或適用組件之材料)組成以排斥工作流體1501進入通路1520來產生蒸汽空間1522。蒸汽空間1522通常小於通路1520，因為工作流體可填充靠近細長部件之遠端區域1518之通路1520之部分。使用一潤濕塗層1524塗覆遠端區域1518之表面或使遠端區域1518由一潤濕目標材料1526組成將工作流體1505吸引至遠端區域1518以引起工作流體1505填充附近通路1520之部分。
在一些實施例中，用於傳熱裝置中之材料之潤濕及/或非潤濕性質確保工作流體之液相適當流動至其中期望工作流體呈液相之區域。應瞭解，潤濕/非潤濕塗層及/或結構本身之目標材料可包含視情況、需要或要求施加於裝置之指定位置(基底或細長部件)上之任何部分。該部分可視情況、需要或要求具有任何大小、面積、厚度或輪廓。另外，在一些實施例中，用於傳熱裝置中之材料之潤濕及/或非潤濕性質確保工作流體之汽相適當流動至其中期望工作流體呈汽相之區域。應瞭解，潤濕/非潤濕塗層及/或結構本身之目標材料可包含視情況、需要或要求施加於裝置之指定位置(基底或細長部件)上之任何部分。該部分可視情況、需要或要求具有任何大小、面積、厚度或輪廓。應瞭解，潤濕及非潤濕性質可由塗層材料或用於建構裝置之相關部分之目標材料之固有性質提供。亦應瞭解，工作流體1505應與基底部件1506及微特徵1514或所使用之任何塗層材料相容，使得其等不會化學反應以產生不可凝氣體或引起其他有害效應。
根據一態樣，一潤濕塗層可定位於微特徵1514之遠端區域1518之一部分(視情況、需要或要求)上。根據一態樣，一非潤濕塗層定位於微特徵1514之近端區域1516之一部分上。此外，潤濕/非潤濕塗層(或結構)之位置可相應變動。應瞭解，兩相冷卻系統可視情況包含潤濕塗層、非潤濕塗層或潤濕塗層及非潤濕塗層兩者。
適合作為潤濕塗層或潤濕目標材料之材料之實例包含(但不限於)：親水性材料，尤其當水用作工作流體1505時；及親液性材料，尤其當除水之外的一流體用作工作流體1505時。適合作為非潤濕塗層或非潤濕目標材料之材料之實例包含(但不限於)：疏水性材料，尤其當水用作工作流體1505時；及疏液性材料，尤其當除水之外的一流體用作工作流體1505時。適合用作親水性/潤濕材料之材料之實例可包含(但不限於)如下：用於工作流體之特定群組之金屬、玻璃、陶瓷、矽、碳化矽及金剛石。適合用作疏水性/非潤濕材料之材料之實例包含(但不限於)：特定聚合物、鹵化烴或金屬之化學更改表面。應注意，潤濕特性係針對一液體-固體對界定。在一方法中，應注意，一特定實施例之準確潤濕特性可由一選定工作流體1505與細長部件或基底部件之選定潤濕塗層及/或潤濕目標材料表面(材料)之間的特定相互作用判定。因此，例如，可根據液體-固體對之準確潤濕性質來共同選擇一工作流體1505及潤濕塗層。
熱流1513傳導至微特徵1514之遠端區域1518且自遠端區域1518傳導至工作流體1505。潤濕塗層之潤濕性質引起工作流體1505之液體部分潤濕微特徵1514之遠端區域1518以產生工作流體1505之液相之一彎月面。如同本發明之其他實施例，一蒸發薄膜區域將存在於與微特徵1514之遠端區域1518接觸之工作流體1505之一部分中(且取決於塗層之狀態(例如塗層之部分、位置及類型)，工作流體1505接著可與微特徵1514之近端區域1516接觸)。藉由連續活性薄膜蒸發部位(如圖15C中所展示及相對於圖16A至圖16D所討論)能夠完全利用工作流體1505之蒸發之潛熱來達成高傳熱。另外，在此特定實施例中，非潤濕塗層抑制工作流體1505覆蓋或填充(或入侵)由微特徵1514之近端區域1516包圍之空間以藉此允許該空間充當由於蒸發而產生之蒸汽之一蒸汽通路(例如通道或類似結構)及其各自蒸汽路徑中之流動。另外，非潤濕塗層允許蒸汽以最小化阻力流動至冷凝器。
在通路中產生一蒸汽空間減少沸騰及冒泡。蒸發透過受控及薄膜蒸發來發生於細長部件之遠端區域處。此外，在一些實施例(例如可利用一水平組態之實施例)中，液體之流動減少受限，因為其不行進通過窄通路。液體至少部分流動於相變室1504中之一開放區域中以導致較低壓降。此蓄集可易於應用，其中實施一水平組態或其中通路及/或貯存器中之流體之重力基本上可忽略。在其他定向上，例如，可實施吸芯之審慎放置或通路之塑形以誘發及促進液體流動。在不希望受科學理論約束之情況下，期望允許液體(自由)流動於蓄池中且允許蒸汽流動於通道壁之間或銷之間的空間或一多孔目標材料等等中。蒸汽具有比液體小得多之一黏度。本文中所描述之配置減小使流體循環/流動通過用於開放或封閉兩種系統之系統所需之總壓降。根據一態樣，彎月面之活性蒸發部分在特定組態中可更靠近熱源。根據一態樣，液體彎月面之薄膜部分最靠近熱源且暴露於最高溫度。此態樣消除/降低通路中蓄池沸騰之概率，因為大部分液體可保持低於沸騰溫度(過冷)，而強烈蒸發發生於薄膜所在之頂部部分中。
應瞭解，儘管圖15A至圖16D中所繪示之基底部件1506展示為呈筆直或平面形，但應瞭解，基底部件(及其他組件)之形狀可視情況、需要或要求而為各種形狀、輪廓及大小(及各種材料)。例如，一蒸發器及冷凝器經設計以順應環境或應用及必要系統之幾何對準且與環境或應用及必要系統之幾何對準介接。應瞭解，本文中所揭示之傳熱裝置組件可呈現沿x、y及z平面之操縱之整個連續幾何譜之所有形狀以提供及滿足環境、應用及結構需求及操作及系統要求及系統、環境及組件介面。例如，基底部件1506及其他組件(諸如任何對應組件、支撐組件、介面組件等等)可具有各種對準、形狀、角度及輪廓。一些實例可包含一或多個彎曲、一或多個角度、一或多個曲線及各種輪廓及其等之任何組合。例如，基底部件(及所得組件)可彎曲或轉彎。此外，本發明裝置或系統之各種實施例之任何組件可視情況或要求與根據可用方法之系統、組件及裝置附接、介接、安置、連接、耦合、纏繞、插入、黏附或整合以實施本文中所揭示之各種實施例之態樣。一些非限制性實例亦可包含焊接、熔接、銅焊或其類似者。此外，本發明裝置或系統之各種實施例之任何組件可視情況或要求一體成形或連接在一起及單獨附接(及可拆離)或其等之一些組合以實施本文中所揭示之各種實施例之態樣。
圖17A示意性繪示與工作流體接觸之裝置之一細長部件之一實施例且繪示實施例之相關聯潤濕及非潤濕塗層。圖17B示意性繪示與工作流體接觸之裝置之一細長部件之一實施例且繪示利用一吸芯之一實施例。
現大體上參考圖17A及圖17B，另一實施例可包含傳熱裝置中之潤濕及/或非潤濕材料。在一些實施例中，潤濕及/或非潤濕材料確保工作流體之液相適當流動至其中期望工作流體呈液相之區域。應瞭解，潤濕/非潤濕塗層及/或結構本身之目標材料可包含視情況、需要或要求施加於裝置(基底或細長部件)之指定位置上之任何部分。該部分可視情況、需要或要求具有任何大小、面積、厚度或輪廓。
另外，在一些實施例中，用於傳熱裝置中之材料之潤濕及/或非潤濕性質確保工作流體之汽相適當流動至其中期望工作流體呈汽相之區域。應瞭解，潤濕/非潤濕塗層及/或結構本身之目標材料可包含視情況、需要或要求施加於裝置(基底或細長部件)之指定位置上之任何部分。該部分可視情況、需要或要求具有任何大小、面積、厚度或輪廓。
應瞭解，潤濕及非潤濕性質可由圖17A及圖17B中所繪示之塗層材料或用於建構裝置之相關部分之目標材料之固有性質提供。亦應瞭解，工作流體1505應與基底部件1506及微特徵1514或所使用之任何塗層材料相容，使得其等不會化學反應以產生不可凝氣體或引起其他有害效應。
圖17A展示具有一潤濕塗層1524及一非潤濕塗層1528之一實施例。潤濕塗層1524可定位於微特徵1514之遠端區域1518之一部分(視情況、需要或要求)上。在此實施例中，一非潤濕塗層1528定位於微特徵1514之近端區域1516之一部分上。此外，潤濕/非潤濕塗層(或結構)之位置可相應變動。
適合作為潤濕塗層1524或潤濕目標材料之材料之實例包含(但不限於)：親水性材料，尤其當水用作工作流體1505時；及親液性材料，尤其當除水之外的一流體用作工作流體1505時。適合作為非潤濕塗層1528或非潤濕目標材料之材料之實例包含(但不限於)：疏水性材料，尤其當水用作工作流體1505時；及疏液性材料，尤其當除水之外的一流體用作工作流體1505時。適合用作親水性/潤濕材料之材料之實例可包含(但不限於)如下：用於工作流體之一群組之金屬、玻璃、陶瓷、矽、碳化矽及金剛石。適合用作疏水性/非潤濕材料之材料之實例包含(但不限於)：特定聚合物、鹵化烴或金屬之化學更改表面。應注意，潤濕特性係針對一液體-固體對界定。在一方法中，應注意，一實施例之準確潤濕特性可由一選定工作流體1505與細長部件或基底部件之選定潤濕塗層1524及/或潤濕目標材料表面(材料)之間的特定相互作用判定。因此，例如，可根據液體-固體對之準確潤濕性質來共同選擇一工作流體1505及潤濕塗層1524。
熱流1513傳導至微特徵1514之遠端區域1518且自遠端區域1518傳導至工作流體1505。潤濕塗層1524之潤濕性質引起工作流體1505之液體部分潤濕微特徵1514之遠端區域1518以產生工作流體1505之液相之一彎月面1503。如同本發明之其他實施例，一蒸發薄膜區域將存在於與微特徵1514之遠端區域1518接觸之工作流體1505之一部分中(且取決於塗層之狀態(例如塗層之部分、位置及類型)，工作流體1505接著可與微特徵1514之近端區域1516接觸)。藉由連續活性薄膜蒸發部位(如圖15C中所展示及相對於圖16A至圖16D所討論)能夠完全利用工作流體1505之蒸發之潛熱來達成高傳熱。
另外，在此實施例中，非潤濕塗層1528抑制工作流體1505覆蓋或填充(或入侵)由微特徵1514之近端區域1516包圍之空間以藉此允許該空間充當由於蒸發而產生之蒸汽之一蒸汽通路(例如通道或類似結構)及其各自蒸汽路徑中之流動。另外，非潤濕塗層1528允許蒸汽以最小化阻力流動至冷凝器。
現參考圖17B，本發明之一些實施例亦可利用一吸芯1538 (或類似結構)來確保微特徵1514之遠端區域1518保持與工作流體1505之液相恆定接觸。其亦可被提供用於增加工作流體在細長部件及通路內之流動之目的。在此一實施例中，吸芯1538可提供毛細管吸取以使工作流體1505之液體部分自裝置之冷凝器部分移動至蒸發器部分。應瞭解，可利用其他方法，諸如類似於芯吸或泵抽系統之系統。此等泵抽方法可包含可用於促進朝向薄膜流動之電滲透泵抽。
吸芯1538可確保沿微特徵1514之整個長度之微特徵1514之遠端區域1518與工作流體1505之液體部分之間的接觸之連續性。依此方式，不損及工作流體1505之液體部分沿微特徵1514至蒸發部位之毛細管吸取且減少或避免與蒸乾相關聯之問題。
在其他實施例中，可藉由依靠重力且允許工作流體1505蓄集回蒸發器中之貯存器來使工作流體1505之液體部分自冷凝器移動至蒸發器。接著，可透過微特徵1514之相關部分之潤濕及/或非潤濕治療之一組合來達成微特徵1514之遠端區域1518與工作流體1505之液體部分之間的連續接觸。
現參考圖18A，在一些實施例中，微特徵1514可經建構以形成大體上沿累積蒸汽流動於其中之路徑1521加寬之蒸汽通路1520。因此，由微特徵1514判定及組態之通路1520容納大量蒸汽路徑1521中之蒸汽流。在此實施例中，通路1520大體上加寬以容納行進於其各種蒸汽路徑1521中之增加蒸汽量。在依此方式組態之一裝置之中心附近，蒸汽流速將小於邊緣附近，累積蒸汽流在退出蒸發器朝向一冷凝器之前通過邊緣。可調整影響所產生之通路之組態之與細長部件相關之諸多特徵，諸如(但不限於)大小、形狀、面積、輪廓、定位或位置、所提供之數目及所提供之群體之密度。依一相關方式，應瞭解，各種蒸汽路徑可經組態為規則或不規則的，如由所選擇之細長部件之特定組態判定。
通路1520可為(例如(但不限於))諸如一微通道之一通道。通路1520可視情況、需要或要求具有一指定長度L及寬度W。儘管未明確繪示，但通路1530可視情況、需要或要求具有一指定寬度W及面積A。任何上述尺寸可增大至高於或低於微米級大小。另外，任何通路可視需要、要求或情況包含各種形狀及輪廓。其等可具有各種角度或節距。通路1520可為(例如(但不限於))諸如一奈米通道之一通道。
在圖18A中，透過使用併入經徑向對準且藉此界定容納蒸汽之路徑1521之徑向通路1520之微特徵1514之一實施例來達成通路1521之此大體加寬。在諸如此之一實施例中，中心附近之緊密組態微特徵1514達成高效傳熱之益處，且緊密組態不阻礙蒸汽流動，因為累積於中心附近之通路1520之部分中之蒸汽量相對較少。隨著微特徵1514沿路徑1521之方向彼此遠離延伸，通路1520加寬以適應沿路徑1521之長度之蒸汽之累積。
圖18A中所展示之實施例僅為一此特定實施例。應瞭解，可透過各種實施例來完成沿蒸汽流之路徑1521加寬通路1520或增加通路1520之數目。例如，通路1520可呈不規則形狀，且界定通路1520之微特徵1514可經建構以具有沿容納蒸汽將行進於其上之路徑1521之通路1520之間斷而非連續定位。
現參考圖18B，本發明之其他實施例可經建構使得微特徵1514形成實質上平行之通路1520。在此類型之配置中，通路1520不沿容納累積蒸汽行進於其中之路徑1521之通路1520加寬，而是維持一實質上不變橫截面。
圖18C表示其中微特徵1514依自一中心點1542輻射之一方式定位之本發明之另一實施例。在諸如此之一實施例中，界定通路1520之微特徵1514經建構以具有沿容納蒸汽流之路徑1521之通路1520之間斷而非連續定位。此可(例如)藉由利用依銷、柱、桿(或類似結構)或此等之組合之形式塑造之微特徵1514來完成。此亦可(例如)藉由利用依間斷長度之面板或壁而非沿裝置之蒸發器部分之長度運行之面板或壁之形式塑造之微特徵1514來完成。
在圖18C所表示之實施例中，依一間斷輻射方式放置微特徵1514，使得可用通路1520之數目大體上沿累積蒸汽行進於其上之路徑1521增加。依此方式，由通路1520界定之總蒸汽空間可大體上沿累積蒸汽行進於其上之輻射路徑1521加寬及增大。儘管圖中已繪示，但通路之寬度保持大致相同。然而，應瞭解，隨著路徑向外徑向延伸，細長部件(例如桿或銷)之群體密度可減小，使得通路之寬度可增大。
圖18D表示利用自一中心點1542之微特徵1514之一輻射定位之又一實施例。如同其他實施例，由圖18D表示之實施例形成大體上沿用於容納蒸汽流之路徑1521之通路1520增大大小及/或數目以因此增大能夠容納累積蒸汽之總蒸汽空間之通路1520。例如，呈銷、柱或桿(或類似結構)之形式之細長部件可朝向裝置之中心而非裝置之外或圓周部分更密集集群。
現參考圖18E，一些實施例可利用實質上彼此平行以界定亦實質上彼此平行之通路1520之微特徵1514之區段。在此特定實施例中，任何通路1520內之微特徵1514之數目大體上沿累積蒸汽行進於其上之路徑1521之方向減少。此可(例如)藉由將數個微特徵1514定位於中心附近且使其等延伸至不同長度使得一些不一直延伸至裝置之邊緣以因此允許通路1520加寬且適應各種及大量路徑1521中之蒸汽之累積來完成。依此方式，由通路界定之總蒸汽空間大體上沿通路1520及蒸汽流之路徑1521之方向加寬及增大。
現參考圖19A至圖19D，一些實施例可利用依壁或面板之形式塑造之一或多個微特徵1514。在一些實施例中，壁或面板可彎曲或呈波狀外形。一些形狀可包含多個輪廓(圖19A)、多個角度(圖19B)、單一曲線(圖19C)及筆直對準(圖19D)。應瞭解，本文中所表示之微特徵1514之不同實施例可彼此組合或與其他形式組合使用。另外，用於任何實施例中之微特徵1514之形式可為均勻或實質上均勻的。一曲線設計之一實例可由一螺旋圖案反映。
圖20A至圖20E表示可經塑造之微特徵1514之額外形式。此等特定實施例可用於形成呈桿、銷或柱(或類似者)之形式之一或多個細長部件。微特徵1514可具有以下一或多個不同橫截面：圓形、橢圓形、矩形(或正方形)、六邊形及三角形及其等之任何組合。換言之，橫截面可為任何多邊形橫截面或任何可能幾何形狀。例如，細長部件可為以下之至少一者：三角形、三稜柱、角錐、圓錐及圓柱。
根據一態樣，由本發明之半導體裝置產生之熱通量由傳熱單元耗散。此熱通量可近似計算如下。假定待冷卻之目標係具有1 cm寬×1 cm長×1 mm厚之尺寸之一組織立方體，接觸冷卻系統將此體積中所圍封之質量之溫度自35°C降低至5°C，且假定生物組織近似為液態水。必須自目標吸取以使其溫度自其初始溫度
Figure 02_image001
降低至目標溫度
Figure 02_image003
之熱能係：
Figure 02_image005
其中，
Figure 02_image007
係材料密度，
Figure 02_image009
係體積，且
Figure 02_image011
係比熱容。 針對上述情況，變數係如下：
Figure 02_image013
Figure 02_image015
Figure 02_image017
Figure 02_image019
Figure 02_image021
因此，總熱能
Figure 02_image023
將為：
Figure 02_image025
將跨具有以下一表面積
Figure 02_image027
之目標之頂面吸取熱能：
Figure 02_image029
針對包含皮膚病基於能量治療之疼痛管理之一些應用，期望在數秒(例如2秒至3秒)內將目標溫度自35°C降低至5°C。
熱流量
Figure 02_image031
及熱通量
Figure 02_image033
可計算為：
Figure 02_image035
Figure 02_image037
在本文所描述之熱管理系統中，
Figure 02_image033
係至熱電(帕耳帖(Peltier))模組之冷側中之平均熱通量。來自熱電模組之熱側之熱通量由熱電模組之特性及熱電模組之熱側及冷側處之溫度判定。針對一例示性熱電模組(來自TE Tech模組之密封版本TE-65-0.6-0.8)且分別針對-10°C及-20°C之熱側及冷側溫度，模組之冷側及熱側上之熱流量係：
Figure 02_image039
Figure 02_image041
因為
Figure 02_image043
，所以熱電模組能夠足夠快地自目標移除熱能以滿足在2秒內將目標自35°C冷卻至5°C之要求。
帕耳帖模組之熱側上之熱通量
Figure 02_image045
係：
Figure 02_image047
安裝於熱電帕耳帖模組之熱側上之兩相冷卻系統必須依上文所指定之一速率移除熱以使混合系統依指定所要速率冷卻目標(在2秒內降溫30°C)。冷卻系統經設計以提供熱源(帕耳帖模組)與工作流體之間的小溫差(小於5°C)處之高達
Figure 02_image049
之冷卻能力。應由兩相冷卻系統在其冷卻模式中在系統之
Figure 02_image051
秒操作內移除之總熱能係：
Figure 02_image053
必須自液體轉變成蒸汽以移除此熱能量
Figure 02_image055
之工作流體之質量係：
Figure 02_image057
其中
Figure 02_image059
係工作流體之汽化之潛熱。使用HFO-1234ze作為工作流體：
Figure 02_image061
因此，使工作流體完成冷卻循環所需之質量係：
Figure 02_image063
蒸發之質量通量係：
Figure 02_image065
此係蒸發之一大質量通量。可使用美國專利第10,217,692號中所描述之方程式來計算用於依此速率誘發液體蒸發之液體與固體之間的接觸表面積。液體與固體之間的大接觸表面積需要諸多通道或固體通道與封裝於一1 cm×1 cm面積中之流體之間的高接觸表面積且將大壓降施加於液體上。用於誘發此流速之壓力梯度係非常大的。用於本發明中之一例示性通道設計係使流體能夠依非常低壓力梯度流動通過系統之相變組件(或在一些情況中，被動(即，自驅動)流動)之一分形拓撲。上述冷卻系統將具有一縮小底面積(小於5 mm)且可整合至各種基於能量之組織治療系統及其他應用中。由透明或不透明材料製成之整個系統提供一非常小型封裝中之超快冷卻及極高可控性。
2:裝置 100:熱管理系統 101:目標材料 110:接觸部件 120:熱電組件(TEC) 120a至120c:TEC 122a:第一部分 122b:第二部分 124a:第一外表面 124b:第二外表面 126a:第一電接點 126b:第二電接點 140:傳熱單元 142:進口 144:出口 146:蓋 148:基底 150:相變室 150a至150c:相變室 152:微特徵 153:微通道 154:進口區域 156:出口區域 160:管道系統 162:主管道 163a:第一通道 163b:第二通道 164:歧管管道 164a至164c:歧管管道 165:接面 166:出口管道 167:進口埠 168:出口埠 170:壓力感測器 180:冷凝器 190:控制器 199:螺栓 600:熱管理系統 610:接觸墊 620:接觸墊 640:傳熱單元 642:基底 644:頂部 646:相變室 652:微特徵 654:微通道 660:雷射 662:能量束 700:組織 800:熱管理系統 840:傳熱單元 842:進出孔 844:開口 850:第一導管 860:能量束 862:第二導管 870:溫度感測器 900:熱管理系統/熱管理單元 940:傳熱單元 942:進出孔 962:微通道 964:共同管道 970:溫度感測器 1000:總成 1010:流體輸送線 1100:總成 1110:中心區域 1200:半導體總成 1201:半導體裝置 1300:半導體總成 1301:半導體裝置 1302:鈍化材料 1401:裝置 1401a至1401n:裝置 1500:熱管理系統 1501:目標材料/熱源 1502:兩相傳熱單元 1503:彎月面 1504:相變室/貯存器 1505:工作流體 1506:基底/基底部件 1508:第一表面 1510:第二表面 1513:熱流 1514:微特徵/細長部件 1516:近端區域 1518:遠端區域 1520:通路 1521:路徑 1522:蒸汽空間/蒸汽區域/路徑 1524:潤濕塗層 1528:非潤濕塗層 1530:非潤濕目標材料 1538:吸芯 1542:中心點 A:面積 DT1 :初始溫度 DT2 :預接觸溫度 F1 :流動 F2 :流動 F3 :流動 H:高度 HE :高度 HF:熱流 HV :高度 L:長度 T:厚度 TE:線 TT1 :正常生理溫度 W:寬度
圖1A至圖1C係根據本發明之實施例之用於冷卻及/或加熱一目標材料之一熱管理系統之等角視圖。
圖2係使用根據本發明之一熱管理系統之模擬人體組織之一目標材料之一表面之時間及溫度之一曲線圖。
圖3係使用根據本發明之一熱管理系統之模擬人體組織之一目標材料之一表面及各種深度內之時間及溫度之一曲線圖。
圖4係使用根據本發明之一熱管理系統之另一應用之時間及溫度之一曲線圖。
圖5係與根據本發明之一熱管理系統相關聯之一熱通量之時間及能量之一曲線圖。
圖6係根據本發明之一熱管理系統之一示意性橫截面圖。
圖7係使用根據本發明之圖6之熱管理系統之一等角視圖。
圖8A係根據本發明之一熱管理系統之一示意性側視圖且圖8B係其之一示意性俯視圖。
圖9係根據本發明之一熱管理系統之一示意性俯視圖。
圖10係根據本發明之具有一熱管理系統之一裝置之一示意圖俯視圖。
圖11係根據本發明之具有一熱管理系統之一裝置之一示意性俯視圖。
圖12係根據本發明之具有一熱管理系統之一半導體裝置之一示意性橫截面圖。
圖13係根據本發明之具有一熱管理系統之一半導體裝置之一示意性橫截面圖。
圖14係根據本發明之具有熱管理系統之電子裝置(諸如伺服器)之一總成之一示意圖。
圖15A示意性繪示本發明之一實施例。圖15B係圖15A之裝置中之一單一通路之一局部放大圖。圖15C係其中發生大部分蒸發及傳熱之作為圖15B中所展示之彎月面之部分之薄膜區域之一局部放大圖。圖15D係圖15A之裝置之一般配置之一方塊圖。圖15E示意性繪示在傳熱裝置之一實施例內行進之熱流之一般迴路。
圖16A示意性繪示在操作中且利用不因沸騰及/或蒸乾而中斷之連續有序蒸發之相變傳熱裝置之一實施例。圖16B係展示蒸汽空間及通路尺寸之圖16A中所展示之通路之一局部放大圖。圖16C示意性繪示在操作中且利用不因沸騰及/或蒸乾而中斷之連續有序蒸發之一相變傳熱裝置之另一實施例。圖16D係展示蒸汽空間及通路尺寸之圖16C中所展示之通路之一局部放大圖。
圖17A示意性繪示與工作流體接觸之裝置之一微特徵之一實施例且繪示實施例之相關聯潤濕及非潤濕塗層。圖17B示意性繪示與工作流體接觸之裝置之一微特徵之一實施例且繪示利用一吸芯之一實施例。
圖18A示意性繪示微特徵及用於容納蒸汽路徑之對應加寬通路之一徑向配置。圖18B示意性繪示微特徵及用於容納蒸汽路徑之對應通路之一實施例之一平行配置。圖18C示意性繪示具有用於界定用於容納蒸汽路徑之各種通路之不連續壁或面板形微特徵(面板、壁、銷、柱或桿或類似形狀結構)之徑向配置之另一實施例。圖18D示意性繪示利用桿、銷或柱形細長部件(或類似結構或不連續壁或面板或類似形狀結構)之徑向配置之另一實施例。圖18E示意性繪示利用經放置以允許通路(例如通道或其他結構)加寬蒸汽流之路徑之不同長度之細長部件之一平行配置。
圖19A至圖19D示意性繪示呈具有各種輪廓或形狀之一壁或面板之形式且可具有多個曲線或角度之微特徵之各種實施例。一些形狀可包含多個輪廓(圖19A)、多個角度(圖19B)、單一曲線(圖19C)及筆直對準(圖19D)。
圖20A至圖20E分別示意性繪示呈具有以下不同橫截面之一桿、銷或柱之形狀之微特徵之各種實施例：圓形、橢圓形、矩形(或正方形)、六邊形及三角形。橫截面可為任何多邊形橫截面。
附圖應被理解為呈現本發明及/或涉及原理之實施例之繪示。瞭解本發明之熟習技術者應明白，用於傳熱裝置、溫度感測器、微特徵及/或熱電組件中之其他裝置、方法及尤其是設備將具有部分取決於其特定使用之組態及組件。相同元件符號係指圖式之所有若干視圖中之對應部分。
100:熱管理系統
101:目標材料
110:接觸部件
140:傳熱單元
142:進口
144:出口
146:蓋
180:冷凝器
190:控制器
199:螺栓
H:高度
L:長度
T:厚度
W:寬度

Claims (53)

  1. 一種熱管理系統，其包括： 一熱電組件，其具有經組態以熱耦合至一目標材料之一第一側及與該第一側對置之一第二側； 一兩相傳熱單元，其熱耦合至該熱電組件之該第二側，該兩相傳熱單元具有：1)一相變室，其具有一進口區域及一出口區域；2)數個微特徵，其等位於該相變室中，該等微特徵經彼此間隔開使得該等微特徵誘發對一工作流體之毛細管力以將該工作流體自該相變室之該進口區域驅動至該相變室之該出口；3)一進口，該工作流體以一液相流動通過該進口而進入該兩相傳熱單元；及4)一出口，該工作流體之至少一部分以一汽相流動通過該出口而離開該兩相傳熱單元；及 一控制器，其經組態以操作該熱電組件及該兩相傳熱單元，使得在0.5秒至20秒內，該兩相傳熱單元將該熱電組件之該第二側冷卻至一第一溫度且該熱電組件將該目標材料之溫度改變至一第二溫度，且其中該第二溫度係該第一溫度+/-60°C。
  2. 如請求項1之系統，其中接觸部件、該熱電組件及該兩相傳熱單元一起具有5 mm至25 mm之沿自該接觸部件通過該熱電組件之熱流之方向量測之一高度。
  3. 如請求項2之系統，其中該控制器經組態以將該兩相傳熱單元設定為該熱電單元之該第二側處之5°C至-20°C之一第一溫度，且該控制器經組態以操作該熱電單元在1秒至10秒內將該接觸部件加熱至20°C至40°C之一第二溫度。
  4. 如請求項2之系統，其中該兩相傳熱單元具有3 mm至8 mm之沿來自該熱電組件之該熱流之方向量測之一厚度。
  5. 如請求項2之系統，其中該等微特徵彼此間隔開10微米至1,000微米。
  6. 如請求項5之系統，其中該等微特徵係由自該相變室之該進口區域延伸至該出口區域之壁界定之通道。
  7. 如請求項5之系統，其中該等微特徵係該相變室中之銷。
  8. 如請求項2之系統，其中該等微特徵彼此間隔開10微米至250微米。
  9. 如請求項1之系統，其中： 該熱電組件包括一第一帕耳帖(Peltier)模組； 該系統進一步包括橫向於該第一帕耳帖模組定位之一第二帕耳帖模組； 該兩相傳熱單元之該相變室包括一第一相變室；且 該兩相傳熱單元進一步包括橫向於該第一相變室定位之一第二相變室，且該第一相變室與該第一帕耳帖模組對準，且該第二相變室與該第二帕耳帖模組對準。
  10. 如請求項9之系統，其中該控制器經組態以將該兩相傳熱單元設定為該熱電單元之該第二側處之5°C至-20°C之一第一溫度，且該控制器經組態以操作該熱電單元在1秒至10秒內將該接觸部件加熱至20°C至40°C之一第二溫度。
  11. 如請求項10之系統，其中該兩相傳熱單元具有3 mm至8 mm之沿來自該熱電組件之該熱流之方向量測之一厚度。
  12. 如請求項10之系統，其中該等微特徵彼此間隔開10微米至1,000微米。
  13. 如請求項12之系統，其中該等微特徵係由自該相變室之該進口區域延伸至該出口區域之壁界定之通道。
  14. 如請求項12之系統，其中該等微特徵係該相變室中之銷。
  15. 如請求項10之系統，其中該等微特徵彼此間隔開10微米至250微米。
  16. 如請求項1之系統，其中該熱電組件具有一第一體積熱容量且該兩相傳熱單元具有一第二體積熱容量，使得第二體積熱容量不超過該第一體積熱容量之50%、100%、150%、200%、250%、300%、400%或500之一者。
  17. 如請求項1之系統，其進一步包括流體地耦合至該兩相傳熱單元之該進口及該出口之一冷凝器，其中該工作流體容納於該冷凝器及該兩相傳熱單元內。
  18. 一種熱管理一目標材料之方法，其包括： 將一熱電組件之一第一側定位成熱耦合至一目標材料； 使用熱耦合至該熱電組件之一第二側之一兩相傳熱單元來將該熱電組件之該第二側冷卻至一第一溫度；及 調整通過該熱電組件之電流，使得目標材料在0.5秒至20秒內達到第二溫度，且其中該第二溫度係該第一溫度+/-60°C。
  19. 如請求項18之方法，其中該熱電組件及該兩相傳熱單元一起具有5 mm至25 mm之沿通過該熱電組件之熱流之方向量測之一高度。
  20. 如請求項19之系統，其中該熱電單元之該第二側處之該第一溫度係5°C至-20°C，該第二溫度係20°C至40°C，且自該第一溫度變成該第二溫度之時間係1秒至10秒。
  21. 如請求項20之系統，其中該兩相傳熱單元具有3 mm至8 mm之沿來自該熱電組件之該熱流之方向量測之一厚度。
  22. 如請求項20之系統，其中微特徵彼此間隔開10微米至1,000微米。
  23. 如請求項22之系統，其中該等微特徵係由自相變室之進口區域延伸至出口區域之壁界定之通道。
  24. 如請求項22之系統，其中該等微特徵係該相變室中之銷。
  25. 一種用於治療一個人之組織之裝置，其包括： 一組織加熱模組，其經組態以將目標組織加熱至一治療溫度；及 一熱管理系統，其包含： (a)一接觸板，其具有一高導熱性； (b)一熱電組件，其具有經組態以熱耦合至該接觸板之一第一側及與該第一側對置之一第二側； (c)一兩相傳熱單元，其熱耦合至該熱電組件之該第二側，該兩相傳熱單元具有：1)一相變室，其具有一進口區域及一出口區域；2)數個微特徵，其等位於該相變室中，該等微特徵經彼此間隔開使得該等微特徵誘發對一工作流體之毛細管力以將該工作流體自該相變室之該進口區域驅動至該相變室之該出口；3)一進口，該工作流體以一液相流動通過該進口而進入該兩相傳熱單元；及4)一出口，該工作流體之至少一部分以一汽相流動通過該出口而離開該兩相傳熱單元；及 (d)一控制器，其經組態以操作該熱電組件及該兩相傳熱單元，使得在0.5秒至20秒內，該兩相傳熱單元將該熱電組件之該第二側冷卻至一第一溫度且該熱電組件將該接觸板之溫度改變至一第二溫度，且其中該第二溫度係該第一溫度+/-60°C。
  26. 如請求項25之裝置，其中該組織加熱模組包括經組態以在該接觸板冷卻相鄰組織時將該目標組織加熱至該治療溫度之一雷射。
  27. 一種用於冷卻一個人之組織之裝置，其包括： 一接觸板，其具有一高導熱性； 一熱電組件，其具有經組態以熱耦合至該接觸板之一第一側及與該第一側對置之一第二側； 一兩相傳熱單元，其熱耦合至該熱電組件之該第二側，該兩相傳熱單元具有：1)一相變室，其具有一進口區域及一出口區域；2)數個微特徵，其等位於該相變室中，該等微特徵經彼此間隔開使得該等微特徵誘發對一工作流體之毛細管力以將該工作流體自該相變室之該進口區域驅動至該相變室之該出口；3)一進口，該工作流體以一液相流動通過該進口而進入該兩相傳熱單元；及4)一出口，該工作流體之至少一部分以一汽相流動通過該出口而離開該兩相傳熱單元；及 一控制器，其經組態以操作該熱電組件及該兩相傳熱單元，使得在0.5秒至20秒內，該兩相傳熱單元將該熱電組件之該第二側冷卻至一第一溫度且該熱電組件將該接觸板之溫度改變至一第二溫度，且其中該第二溫度係該第一溫度+/-60°C。
  28. 一種半導體裝置，其包括： 一半導體組件，其具有積體電路；及 一熱管理系統，其包含： (a)一熱電組件，其具有經組態以熱耦合至該半導體組件之一第一側及與該第一側對置之一第二側； (b)一兩相傳熱單元，其熱耦合至該熱電組件之該第二側，該兩相傳熱單元具有：1)一相變室，其具有一進口區域及一出口區域；2)數個微特徵，其等位於該相變室中，該等微特徵經彼此間隔開使得該等微特徵誘發對一工作流體之毛細管力以將該工作流體自該相變室之該進口區域驅動至該相變室之該出口；3)一進口，該工作流體以一液相流動通過該進口而進入該兩相傳熱單元；及4)一出口，該工作流體之至少一部分以一汽相流動通過該出口而離開該兩相傳熱單元；及 (c)一控制器，其經組態以操作該熱電組件及該兩相傳熱單元，使得該兩相傳熱單元將該熱電組件之該第二側冷卻至一第一溫度且該熱電組件將該半導體組件之溫度改變至第二溫度。
  29. 如請求項28之半導體裝置，其中該半導體組件係一控制器。
  30. 如請求項28之半導體裝置，其中該半導體組件係一記憶體裝置。
  31. 如請求項28之半導體裝置，其中半導體組件係在一伺服器中。
  32. 一種用於更改一患者之組織之溫度之方法，其包括： (a)使包括一熱電組件之一裝置與一第一溫度T1 處之一第一組織目標之外表面熱接觸，其中一傳熱單元熱接觸該熱電組件； (b)啟動電流沿一第一方向通過該熱電組件以引起在約2秒至約4秒內將該第一組織目標之該外表面自該第一溫度T1 冷卻至約8°C至約-2°C之間，其中一傳熱單元移除由該熱電組件產生之熱通量以使該熱電組件維持至少低於50°C之一操作溫度； (c)啟動電流沿相反於該第一方向之一第二方向通過該熱電組件以引起在約1秒至約3秒內將該第一組織目標之該外表面自約8°C至約-2°C之間加熱至至少約20°C。
  33. 如請求項32之方法，其中在步驟(b)之後且在步驟(c)之前使用雷射光照射或使用一針影響該第一組織目標。
  34. 如請求項32之方法，其中在步驟(b)之後且在步驟(c)之前使用雷射光照射該第一組織目標，同時該裝置維持與該第一組織目標接觸。
  35. 如請求項32之方法，其中在步驟(b)之後且在步驟(c)之前使用一針影響該第一組織目標，同時該裝置保持與該第一組織目標接觸。
  36. 如請求項32之方法，其中該傳熱單元係一兩相蒸發式傳熱裝置。
  37. 如請求項32之方法，其中該傳熱單元係包含一蒸發式系統之一兩相蒸發式傳熱裝置，該蒸發式系統包括自一基底向下延伸至蒸發性流體之一貯存器中之複數個壁。
  38. 如請求項32之方法，其中該傳熱單元係一兩相蒸發式傳熱裝置，該兩相蒸發式傳熱裝置具有可操作地連接至其以自該兩相蒸發式傳熱裝置接收蒸汽且將該蒸汽冷凝成蒸發性流體之一冷凝器單元。
  39. 如請求項32之方法，其中該傳熱單元係連接至流入及流出導管使蒸發性流體通過其之一兩相蒸發式傳熱裝置。
  40. 如請求項32之方法，其中在步驟(b)中啟動電流沿一第一方向通過該熱電組件引起在約3秒內將該第一組織目標之該外表面自該第一溫度T1 冷卻至約8°C至約-2°C之間。
  41. 如請求項32之方法，其中在步驟(b)中啟動電流沿一第一方向通過該熱電組件引起在約2秒至約4秒內將該第一組織目標之該外表面自該第一溫度T1 冷卻至約4°C至約-2°C之間。
  42. 如請求項32之方法，其中在步驟(b)中啟動電流沿一第一方向通過該熱電組件引起在約3秒內將該第一組織目標之該外表面自該第一溫度T1 冷卻至約4°C至約-2°C之間。
  43. 如請求項32之方法，其中在步驟(c)中啟動電流沿相反於該第一方向之一第二方向通過該熱電組件引起在約2秒內將該第一組織目標之該外表面自約8°C至約-2°C之間加熱至至少約20°C。
  44. 如請求項32之方法，其中該裝置包含一透明材料且雷射光透射穿過該透明材料而至該第一組織目標表面以治療該第一組織目標。
  45. 如請求項32之方法，其中該裝置包含穿過該裝置之一或多個通道，雷射光透射穿過該一或多個通道而至該第一組織目標表面以治療該第一組織目標。
  46. 如請求項32之方法，其中該裝置包含穿過該裝置之一或多個通道，一或多個針傳輸穿過該一或多個通道以影響該第一組織目標表面以治療該第一組織目標。
  47. 如請求項32之方法，其中該裝置依一方式附接至一手持雷射發射裝置以接收來自該手持雷射發射裝置之雷射光。
  48. 如請求項32之方法，其進一步包括使該裝置與一第二組織目標之外表面熱接觸及重複步驟(a)至(c)。
  49. 如請求項32之方法，其進一步包括連續對複數個目標組織重複步驟(a)至(c)。
  50. 如請求項32之方法，其中該裝置包含串聯電連接且並聯熱連接之複數個熱電組件。
  51. 如請求項32之方法，其中該裝置包含串聯電連接且並聯熱連接之複數個熱電組件且其中各熱電組件具有相鄰於其定位以自該熱電組件移除熱之一相關聯微通道蒸發式結構。
  52. 如請求項32之方法，其中該熱電組件電連接至一可程式化電源。
  53. 如請求項32之方法，其中該裝置包含串聯電連接且並聯熱連接之複數個熱電組件且其中該複數個熱電組件電連接至一可程式化電源。
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