專利名稱：接近等溫的熱管散熱器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)或電子系統(tǒng)的散熱元件，更確切地說，涉及一種接近等溫的平板型熱管散熱器及其制造方法。
背景技術(shù)：
熱管是一個(gè)非常有效的熱傳導(dǎo)元件，其內(nèi)壁具有毛細(xì)/吸芯結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空腔包含少量的工作流體。當(dāng)熱源接觸到熱管的蒸發(fā)端時(shí)，工作流體蒸發(fā)而使蒸汽在空腔內(nèi)迅速傳播。在由蒸汽運(yùn)載的潛熱在熱管的冷凝端外面通過傳導(dǎo)或?qū)α鞫鴶U(kuò)散后，蒸汽冷凝為液體，通過熱管內(nèi)壁上的毛細(xì)/吸芯結(jié)構(gòu)，液體流回到蒸發(fā)端。在不消耗任何能量條件下，這個(gè)汽液兩相熱傳導(dǎo)機(jī)制得以周而復(fù)始的完成。
熱管通常由高導(dǎo)熱性金屬材料如不銹鋼，銅和鋁等制作。根據(jù)熱管工作的溫度范圍，工作流體是與這些熱管材料相容的液體包括水、水銀和其他化學(xué)制劑。作為最通用的組合，銅和純凈的水常用于制作計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)的熱管。為使熱管的蒸發(fā)端和冷凝端能以任何方向工作，熱管內(nèi)壁上的毛細(xì)/吸芯結(jié)構(gòu)用以克服重力使工作流體回到蒸發(fā)端部分。典型的毛細(xì)/吸芯結(jié)構(gòu)包括溝槽，燒結(jié)的金屬粉末或纖維。
不同于一根典型的圓形或?qū)⑵鋲罕獾臒峁?，一個(gè)平板型熱管通常由金屬板或金屬薄片制成。平板型熱管有含工作流體的蒸汽腔，蒸汽腔的內(nèi)部表面有毛細(xì)/吸芯結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)端是與一個(gè)或多個(gè)熱源(即電子元件)接觸的局部區(qū)域，而上下板面的其他區(qū)域?yàn)槔淠瞬糠帧?br> 平板型熱管的工作原理相似于前面提到的典型熱管。當(dāng)一個(gè)平板型熱管被用作散熱器的基板時(shí)，在下板面的墊座從電子元件上吸收熱使工作流體蒸發(fā)。蒸汽非常迅速地傳播并且充滿蒸汽腔，使平板型熱管的外部表面的任何地方達(dá)到和維持在同一個(gè)溫度。從而熱量均勻傳導(dǎo)到與平板型熱管的外表面連接的鰭片，然后通過自然或強(qiáng)廹對(duì)流把潛熱排出系統(tǒng)，使得蒸汽冷凝為液體而回到蒸發(fā)端部分。顯而易見，一個(gè)以平板型熱管為基板的散熱器比與平板型熱管相同尺寸的金屬實(shí)體為基板的散熱器更有效。
制作平板型熱管為基板的散熱器需要三項(xiàng)核心技術(shù)第一個(gè)技術(shù)是制作有毛細(xì)/吸芯結(jié)構(gòu)的金屬板或片以及設(shè)計(jì)平板型熱管的結(jié)構(gòu)；第二個(gè)技術(shù)是制作密封的平板型熱管形狀所需的焊接工藝；第三個(gè)技術(shù)是設(shè)計(jì)使用平板型熱管的散熱器。
在平板型熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，國外已有很多有關(guān)的專利，但是可以制作并可實(shí)用的產(chǎn)品卻很少。使用平板型熱管制作的散熱器于電子系統(tǒng)的冷卻已有數(shù)年，用在銅板上燒結(jié)銅粉末的細(xì)小空隙結(jié)構(gòu)為吸芯的平板型熱管，是美國的Thermacore International，Inc，日本的Fujikura和臺(tái)灣的超眾科技股份有限公司的產(chǎn)品所采用的方式，其平板型熱管用TIG，亞弧或高溫壓力镕焊的單元焊接而成。雖然平板型熱管散熱器的高效率為眾所周知，但由于其性能價(jià)格比不能被市場(chǎng)所接受，平板型熱管為基板的散熱器僅僅很少地用于高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，還沒有用于低端市場(chǎng)如個(gè)人記算機(jī)(PC)。因此，市場(chǎng)所需要的是低價(jià)格又非常有效的平板型熱管散熱器，這就需要一種高效率的加工工藝來降低成本。
攪拌摩擦焊(FSW)技術(shù)是英國焊接研究所1991年發(fā)明的一項(xiàng)專利技術(shù)，其焊接工具是一個(gè)圓柱體，其頂端有一根短而細(xì)小的攪拌頭(也稱為“探針”)。攪拌摩擦焊的原理是在旋轉(zhuǎn)的攪拌頭緩緩進(jìn)入工件后，并在沿軸向的壓力作用下，旋轉(zhuǎn)的圓柱體的下軸肩端面與工件表面在高壓下接觸的摩擦產(chǎn)生巨熱，使得該局部金屬熔化，隨著焊接工具沿焊接方向移動(dòng)而形成橫向焊縫。攪拌摩擦焊接方法是無需填充材料的固態(tài)焊接方法。
1964年，為了在低電流范圍內(nèi)更好的控制電弧焊，出現(xiàn)了等離子束焊接方法，其焊接過程利用等離子束將電弧傳遞到工件，被焊接工件由于弧的劇熱而被溶化達(dá)到連接的結(jié)果。等離子束焊接方法也是無需填充材料的固態(tài)焊接方法。
因此，在平板型熱管的焊接工藝方面，攪拌摩擦焊(FSW)方法和等離子束焊接方法可以提供更為有效的手段。

發(fā)明內(nèi)容
為了提供非常高效率的對(duì)流冷卻，散熱器的表面溫度應(yīng)盡可能的高并且表面面積應(yīng)可能的大。因此，為了在自然或強(qiáng)制對(duì)流下以更有效的方式散熱，高效率的散熱器應(yīng)該是理想地等溫。然而，制造等溫散熱器通常非常昂貴。本發(fā)明揭示一種低造價(jià)高效率的接近等溫的平板型熱管散熱器以及制造方法。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種傳熱裝置，包括一頂層板；一底層板；以及一間隔框架，其開孔空間內(nèi)含有至少一個(gè)從間隔框架邊緣延伸進(jìn)的支承結(jié)構(gòu)；所述的間隔框架夾在所述的頂層板和底層板之間，在所述的頂層板和間隔框架，以及間隔框架和底層板之間，沿框架和支承結(jié)構(gòu)連接而形成一空腔結(jié)構(gòu)。這種連接方式可以由焊接工藝完成。其過程為所述的頂層板和底層板兩者中至少一個(gè)的外表面上，沿所述的間隔框架和支承結(jié)構(gòu)所定義的軌跡，有沿夾層結(jié)構(gòu)厚度方向的焊接而使頂層板和間隔框架，以及間隔框架和底層板之間連接，從而形成空腔結(jié)構(gòu)。如果所述的頂層板和底層板的內(nèi)表面上具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)，該傳熱裝置可以制作成平板型熱管。否則為平板型蒸汽腔。
本發(fā)明還提供一種平板型熱管散熱器，包括一個(gè)平板型熱管、一組或一組以上的鰭片，以及至少一個(gè)用于與發(fā)熱元件接觸的墊座。所述的鰭片分別地固定在所述的平板型熱管的上表面和下表面的各部分區(qū)域上；所述的墊座設(shè)置在底層板下表面上與熱源接觸。
本發(fā)明又提供一種接近等溫的平板型熱管散熱器，包括一平板型熱管，一個(gè)或一個(gè)以上平板型蒸汽腔；一組以上鰭片；以及一個(gè)導(dǎo)管。所述的導(dǎo)管側(cè)面有扁口與平板型熱管和平板型蒸汽腔的空腔對(duì)接串聯(lián)而形成一個(gè)連通的蒸汽域，其內(nèi)含有工作液體，且被真空密封；所述的鰭片可以用多種方法如錫焊過程分別地固定在所述的平板型熱管和平板型蒸汽腔之間及外表面。所述的接近等溫的熱管散熱器，更進(jìn)一步的包括一個(gè)熱管，其側(cè)面有扁口與平板型熱管和平板型蒸汽腔的空腔對(duì)接串聯(lián)，使工作液體從平板型蒸汽腔被抽吸回到平板型熱管。這樣該接近等溫的熱管散熱器可以在水平方位，同樣地有效工作。
本發(fā)明也提供一種用于制作多個(gè)元件的平板型熱管和平板型蒸汽腔的加工方法。所要焊接的夾層結(jié)構(gòu)為一個(gè)頂層板、一個(gè)底層板和夾在頂層板和底層板之間的一個(gè)間隔層板。所述的間隔層板由多個(gè)元件的平板型熱管或平板型蒸汽腔的間隔框架構(gòu)成。然后應(yīng)用一個(gè)整板焊接過程連接所述的夾層結(jié)構(gòu)，其焊接軌跡由間隔層板內(nèi)的各單元的間隔框架定義；所述的整板焊接過程為，控制焊接工具沿所述的焊接跡線，在頂層板或底層板的外表面上一次行程，或分別在頂層板或底層板的外表面上兩次行程，使每一個(gè)單元形成一個(gè)密封的空腔；焊接工藝可以是摩擦攪拌焊接(FSW)方法或等離子束焊接方法。最后應(yīng)用一個(gè)單元分割過程如沖壓或切割把每一個(gè)單元的平板型熱管或平板型蒸汽腔從焊接好的夾層結(jié)構(gòu)板中分割出來。在用于制作多個(gè)元件的平板型熱管時(shí)，所述的夾層結(jié)構(gòu)的頂層板和底層板的內(nèi)表面上的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層為下述結(jié)構(gòu)之一(1)燒結(jié)的金屬粉末層；(2)燒結(jié)的金屬纖維層；(3)V形凹槽的蜂窩圖案；(4)V形凹槽的交叉圖案；和(5)V形凹槽的交叉圖案上面再覆蓋金屬絲網(wǎng)。所述的夾層結(jié)構(gòu)的頂層板和底層板的內(nèi)表面上的V形凹槽的交叉圖案由冷軋金屬帶，或金屬板，或金屬片形成。
本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)(1)散熱能力好；(2)生產(chǎn)成本低；(3)生產(chǎn)效率高。


圖1為本發(fā)明一種用于冷卻單個(gè)發(fā)熱元件的平板型熱管結(jié)構(gòu)的分解圖；圖2為本發(fā)明一種用于冷卻單個(gè)發(fā)熱元件的平板型熱管的組裝圖；圖3為本發(fā)明的一種用于冷卻多個(gè)發(fā)熱元件的平板型熱管的結(jié)構(gòu)分解圖；圖4為本發(fā)明的一種用于冷卻多個(gè)發(fā)熱元件的平板型熱管的組裝圖；圖5為一具有燒結(jié)金屬粉末或纖維層的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的板結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為又一具有蜂窩狀V型凹槽的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的板結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為另一具有交叉狀V型凹槽的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的板結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為再一具有交叉狀V型凹槽再覆蓋絲網(wǎng)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的板結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為將一平板加工成V型凹槽的冷軋方法的示意圖；圖10為一種焊接平板型熱管或平板型蒸汽腔夾層結(jié)構(gòu)的FSW方法示意圖；圖11為FSW的一次過程焊接平板型熱管或平板型蒸汽腔夾層結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖；圖12為FSW的兩次過程焊接平板型熱管或平板型蒸汽腔夾層結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖；圖13為等離子束焊接平板型熱管或平板型蒸汽腔夾層結(jié)構(gòu)的方法示意圖；圖14為等離子束焊接平板型熱管或平板型蒸汽腔夾層結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖；圖15為一焊接整板夾層結(jié)構(gòu)的示意圖；圖16為使用FSW方法來焊接一頂層板和一底層板的示意圖；圖17為本發(fā)明平板型熱管散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖18為本發(fā)明接近等溫的平板型熱管散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖19為圖18中導(dǎo)管開口示意圖；圖20為圖18中熱管開口示意圖；圖21為本發(fā)明接近等溫的平板型熱管散熱器在水平位置時(shí)的工作原理示意圖；圖22為本發(fā)明應(yīng)用于便攜式計(jì)算機(jī)的平板型熱管散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖23為本發(fā)明接近等溫的平板型散熱器的制造過程的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)介紹，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
一、平板型熱管實(shí)施例一參考圖1和圖2，一種平板型熱管的結(jié)構(gòu)，包括一頂層板101(如一矩形板)，一底層板102(如一矩形板)，和夾在一頂層板101和一底層板102之間的一間隔框架103。在頂層板101的內(nèi)表面上有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105，在底層板102的內(nèi)表面上有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層106。間隔框架103定義了一個(gè)空間120和一個(gè)從間隔框架103的邊緣延伸到空間120中的支承半島104。安裝孔107用來把平板型熱管固定在一結(jié)構(gòu)上(例如一系統(tǒng)母板PCB)，其可以在夾層結(jié)構(gòu)被焊接后再鉆通。一導(dǎo)管110由一焊縫111相連到頂層板101，導(dǎo)管110用來將殼體空間抽成真空，灌入工作流體并且密封。支承半島104的位置對(duì)應(yīng)于底層板102下面與一電子元件等熱源接觸的相應(yīng)位置，支承半島104具有如下功能(1)提高平板型熱管的機(jī)械剛度；(2)保持固體基板散熱器的優(yōu)越性，即提供從熱源到頂層板101的熱傳導(dǎo)通路。間隔框架103可以通過金屬?zèng)_床沖孔加工來制作。
平板型熱管工作原理如下所述因?yàn)楣ぷ髁黧w介質(zhì)飽和在毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105和106內(nèi)，頂層板101和底層板102起到蒸發(fā)和冷凝的雙重作用。經(jīng)平板型熱管100的外表面上和表面上的鰭片而散去蒸汽所攜帶的潛熱后，工作流體由毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105和106抽吸回向蒸發(fā)區(qū)域，即支承半島104附近。
如果在平板型熱管的頂層板101內(nèi)表面上沒有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105、底層板102內(nèi)表面上沒有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層106，上述的結(jié)構(gòu)即為平板型蒸汽腔。
實(shí)施例二參考圖3和圖4，為一種用于冷卻多個(gè)發(fā)熱元件的平板型熱管，與實(shí)施例一相比較，除了在間隔框架103的空間120有多個(gè)支承半島104以外，其余完全相同。一般地，多個(gè)熱源分別與位于多個(gè)支承半島104下面的底層板102外表面接觸。
同樣地，如果頂層板101和底層板102沒有任何毛細(xì)結(jié)構(gòu)，即為一種平板型蒸汽腔。當(dāng)平板型蒸汽腔處于水平位置時(shí)，平板型蒸汽腔可以作為平板型熱管使用；與此對(duì)比，平板型熱管在任何方位工作時(shí)，其毛細(xì)結(jié)構(gòu)可以克服重力并將工作流體抽回到平板型熱管的蒸發(fā)局部。
在實(shí)施例一和實(shí)施例二中，若沒有導(dǎo)管110以及空腔中沒有液體，則該平板形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為一種傳熱裝置。
二、毛細(xì)結(jié)構(gòu)層在上述實(shí)施例一和實(shí)施例二中，所述的具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105的頂層板101和具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層106的底層板102可以為如下結(jié)構(gòu)和加工方式參考圖5所示，頂層板101或者底層板102的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105或106為燒結(jié)在板面上的金屬粉末或金屬纖維，例如可選用如下的材料頂層板101或者底層板102選用銅金屬片，而毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105或者106為銅粉末或銅纖維氈，該結(jié)構(gòu)是具有很高滲透率的多細(xì)孔結(jié)構(gòu)但成本較高，現(xiàn)有技術(shù)中的毛細(xì)結(jié)構(gòu)多為如此結(jié)構(gòu)。
參考圖6所示，頂層板101或者底層板102，其毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105或106為排列成六邊形格子圖案的V型凹槽，本結(jié)構(gòu)可按如下方法實(shí)現(xiàn)頂層板101或者底層板102經(jīng)過液壓或沖壓形成毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105或者106的銅金屬片。
參考圖7所示，為頂層板101或者底層板102，其上毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105或者106為排列成交叉圖案的V型凹槽，其可以如下方式實(shí)現(xiàn)頂層板101或者底層板102經(jīng)液壓，沖壓或冷軋形成的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105或者106的銅金屬片。
參考圖8，為圖7所示結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)型，即一金屬網(wǎng)112放在V型凹槽內(nèi)或覆蓋在V型凹槽之上。金屬網(wǎng)112可以是用金屬線編織或從金屬薄膜腐蝕而成。除提供細(xì)微毛細(xì)結(jié)構(gòu)作用之外，金屬網(wǎng)112也把蒸汽和工作液體分離而改善兩相熱交換效率。這個(gè)方案可達(dá)到低成本高效率之目的。
參考圖9，將一平板加工成V型凹槽的冷軋方法的示意圖。頂層板101或者底層板102可以為一金屬帶，一金屬板，或者金屬片，首先通過在一右旋性的多螺紋輥?zhàn)?52和一支承輥351之間形成沿一個(gè)方向平行的V型凹槽，然后，頂層板101或者底層板102通過在一左旋的多螺紋輥?zhàn)?53和一支承輥351之間沿著正交方向形成V型凹槽。這樣，交叉圖案的V型凹槽的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105或者106是用兩個(gè)連續(xù)的軋制過程形成，其中兩個(gè)不同的輥?zhàn)臃謩e地使用。V型凹槽是經(jīng)一次過程分別用左，右旋的多螺紋輥?zhàn)油瓿绍堉?。與傳統(tǒng)的機(jī)加工方法相比較，這兩個(gè)方法可以顯著地降低成本。
三、平板型熱管或平板型蒸汽腔夾層結(jié)構(gòu)的焊接方法參考圖10，一種焊接平板型熱管或平板型蒸汽腔夾層結(jié)構(gòu)的摩擦攪拌焊接(FSW)方法。焊接部分為一平板型熱管的局部結(jié)構(gòu)，包括頂層板101，間隔框架103，和底層板102。頂層板101具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105、底層板102具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層106，間隔框架103被夾在頂層板101和底層板102之間以形成空腔120。其焊接過程為FSW工具409有一圓柱體410，其頂端有一根短而細(xì)小的攪拌頭(也稱為“探針”)420，在圓柱體410和攪拌頭420之間為一肩端面430。在攪拌頭420被鉆進(jìn)三層重疊部分后，由于進(jìn)一步的軸向壓力作用，沉入到頂層板101頂面的焊接工具的肩端面430與下面的夾層結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生巨大的摩擦而導(dǎo)致基材開始溶化，隨著焊接工具409旋轉(zhuǎn)并沿三層重疊部分，即間隔框架103向前移動(dòng)時(shí)，攪拌焊接工具409可以沿著一軌跡完成此夾層結(jié)構(gòu)的橫向焊接。FSW方法留下一焊縫表面440，它可以通過研磨拋光為平滑表面。
參考圖11和圖12，分別為用FSW的一次和兩次過程來焊接平板型熱管的橫截面示意圖。由圖11可以看出，攪拌頭420長到足夠能穿透頂層板101、間隔框架103和底層板102之間的界面，此夾層結(jié)構(gòu)可以通過一次過程而完成焊接，從而形成在三層重疊部分的焊接影響區(qū)510。如果此夾層結(jié)構(gòu)很厚，其焊接可以通過兩次過程而完成焊接，如圖12所示，F(xiàn)SW的第一次過程中，攪拌頭420穿透底層板102和間隔框架103之間的界面而焊接底層板102和間隔層框架103，第二次過程焊接中，攪拌頭420穿透頂層板101和間隔層框架103之間的界面而焊接頂層板101和間隔層框架103。通過兩次過程的摩擦攪拌焊接而形成在三層重疊部分的焊接影響區(qū)510。雙行程方法可以提供更為堅(jiān)固的焊接并且適用于較厚的結(jié)構(gòu)。
如果焊接軌跡跡線是一閉環(huán)，一全密封空間或殼體由此焊接過程形成，而且沒有使用任何消耗材料，且FSW的焊接強(qiáng)度很接近甚至超過基礎(chǔ)材料的強(qiáng)度。
如果頂層板101和底層板102沒有任何毛細(xì)結(jié)構(gòu)105或者106，一平板型蒸汽腔也可以用完全相同的方式焊接。
平板型熱管或平板型蒸汽腔夾層結(jié)構(gòu)也可以用其他的方法焊接，比如，采用等離子束焊接方法，一等離子束以一傾角穿透夾層結(jié)構(gòu)。如果適當(dāng)?shù)乜刂颇芰克?，等離子束不會(huì)穿過夾層結(jié)構(gòu)。如圖13所示，基礎(chǔ)材料被翻過來并在重新凝固以后而形成焊接軌跡跡線611。在焊接以后，殘留一深孔610并被稱為“小孔”。用等離子束焊接的焊接影響區(qū)620的形狀如圖14所示，焊縫表面611可以被磨光為一平滑的表面。如果焊接軌跡跡線是一閉環(huán)，一全密封空間或殼體也可以不使用任何消耗材料，且等離子束焊接方法的強(qiáng)度非常接近于基礎(chǔ)材料的強(qiáng)度。
應(yīng)用FSW或等離子束焊接技術(shù)，焊接平板型熱管或平板型蒸汽腔的效率可以通過對(duì)整板塊的夾層結(jié)構(gòu)焊接過程而顯著地提高。圖15所示的實(shí)施例說明了本發(fā)明的具體實(shí)施過程。在一頂板710和一底板730的內(nèi)表面是否有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層取決于是用來制作平板型熱管還是平板型蒸汽腔。一間隔層板720上有多個(gè)空孔120(圖中只標(biāo)識(shí)了一個(gè))；每一個(gè)空孔120形成一個(gè)平板型熱管或平板型蒸汽腔的殼體空間的間隔框架103(圖中只標(biāo)識(shí)了一個(gè))，包括支承半島104。間隔層板720可通過金屬?zèng)_壓加工制作。在整板的焊接以前，把間隔層板720夾在頂板710和底板730之間，然后用點(diǎn)焊在分布的位置702(為清楚起見只標(biāo)注了兩個(gè))將疊合板連接以防止各板在焊接的過程中錯(cuò)位。一些分布的孔701(為清楚起見只標(biāo)注了兩個(gè))用來把疊合板固定到一工作臺(tái)上。在頂層板101上的連接線711和712為焊接軌跡，用來焊接每一個(gè)單元的間隔層框架103和支撐半島104，從而形成了每一個(gè)平板型熱管或平板型蒸汽腔單元的密封空間或殼體。一電腦數(shù)字控制(CNC)的焊機(jī)可以被編程沿著連接線711和712焊接頂板710，間隔板層720和底層板730。在此疊合板被焊接和焊縫表面被研磨平滑之后，可用超聲波掃描作無損監(jiān)測(cè)以控制焊接質(zhì)量。必要時(shí)，有缺陷焊縫可以通過重新焊接修理缺陷部分。然后，通過線切割，沖孔，或其他的類似的方法分割出每個(gè)單元的平板型熱管或平板型蒸汽腔。在單元分離以后，如圖2和圖4所示，在各個(gè)單元四面的界面線會(huì)消失。如果所有的三層板是同樣的材料，將不會(huì)觀察到焊接的跡象。
參考圖16，使用FSW方法來焊接一頂層板101和一底層板102，其中頂層板101和底板102被沖壓形成凹坑，其焊接軌跡則沿著周圍的階梯形凸緣而形成橫向連接。焊接后，對(duì)合的凹坑就形成了密封的空間或殼體。如果制造一平板型熱管，頂層板101和底層板102的內(nèi)表面上要分別具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)層105和106。否則，為一平板型蒸汽腔。
四、平板型熱管散熱器參考圖17，為一平板型熱管散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。平板型熱管散熱器包括一矩形的平板型熱管100帶有固定在它的頂面上的鰭片902。鰭片902可以通過錫焊固定，其方法為，把焊膏903印刷在平板型熱管901上頂面，然后把鰭片902放在焊膏903，通過自動(dòng)重熔爐固定。在一般應(yīng)用中，由于平板型熱管100內(nèi)表面上的毛細(xì)結(jié)構(gòu)可以克服重力把工作液體抽吸回到平板型熱管的蒸發(fā)區(qū)域，平板型熱管散熱器能夠以任何方位固定在一電子元件之上方。鰭片可以用任何的方式制作，例如，沖壓成型的鰭片902卡扣在一起。平板型熱管100有安裝孔107用于固定散熱器在系統(tǒng)板上。平板型熱管100也有一導(dǎo)管110用于填入熱管901工作液體并在真空處理后封閉。例如，平板型熱管100用銅制成，鰭片902用銅，鋁，石墨，或很高的導(dǎo)熱聚合物制成。
五、接近等溫的散熱器參考圖18，以下敘述為接近等溫的散熱器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。接近等溫的散熱器包括一個(gè)用作蒸發(fā)端和一冷凝端的平板型熱管100，一用作另一個(gè)冷凝端的第一平板型蒸汽腔1110和一用作另一個(gè)冷凝端的第二平板型蒸汽腔1120。一導(dǎo)管1010用來串連平板型熱管1100，平板型蒸汽腔1110和1120，使平板型熱管100中的工作蒸汽擴(kuò)充流向平板型蒸汽腔1110和1120并可能使工作液體流回平板型熱管100。特別地，導(dǎo)管1010有與平板型熱管100，平板型蒸汽腔1110和平板型蒸汽腔1120的空腔分別對(duì)應(yīng)的橫向開口1002，1003和1004，如圖19所示。導(dǎo)管1010被插入平板型熱管100，平板型蒸汽腔1110和平板型蒸汽腔1120的圓孔再通過焊接封閉導(dǎo)管周圍的空隙(焊縫不可見)。
參見圖18和圖20，一熱管1020有與平板型熱管100，平板型蒸汽腔1110和平板型蒸汽腔1120的空腔分別對(duì)應(yīng)的橫向開口1012，1013和1014。熱管1020的內(nèi)部可以塞滿毛細(xì)結(jié)構(gòu)材料如纖維或金屬絲1030以幫助工作液體回流到平板型熱管100。其上端密封。熱管1020被插入平板型熱管100，平板型蒸汽腔1110和平板型蒸汽腔1120的圓孔再通過焊接封閉熱管周圍的空隙以其焊縫或焊道1105(為清楚起見。僅標(biāo)注一個(gè))示意。當(dāng)導(dǎo)管1010和熱管1020連通了平板型熱管100、平板型蒸汽腔1110和平板型蒸汽腔1120的時(shí)候，就形成了連通的蒸汽域。在導(dǎo)管1010的封閉端上的小孔1005(詳見圖19)被用來把共通的蒸汽域抽成真空并注入工作液體，然后將小孔1005密封。第一組鰭片1102利用錫焊等方法固定在平板型熱管100的上表面和平板型蒸汽腔1110的下表面之間。第二組鰭片1103固定平板型蒸汽腔1110底面并在第一組鰭片1102的兩個(gè)側(cè)邊上。平板型熱管100小于平板型蒸汽腔1110和1120，并且第二組鰭片1103比第一組鰭片1102更短。這是為了適應(yīng)可能位于熱源及平板型熱管100兩邊的較高的元件。第三組鰭片1112固定在平板型蒸汽腔1110的上表面和平板型蒸汽腔1120的底面之間。第四組鰭片1122固定在平板型蒸汽腔1120的上表面。安裝孔107通常在平板型熱管100焊合后鉆通，用來把散熱器固定在外部結(jié)構(gòu)上。因?yàn)榻?jīng)由導(dǎo)管110和熱管1020的連通，平板型熱管100，平板型蒸汽腔1110和平板型蒸汽腔1120能夠全部保持幾乎相同的溫度，即是接近等溫的裝置。合理地設(shè)計(jì)第一組鰭片1102，第二組鰭片1103，第三組鰭片1112和第四組鰭片1122的長度，可使平板型散熱器接近等溫。因此，第一組鰭片1102，第二組鰭片1103，第三組鰭片1112和第四組鰭片1122提供較大的等溫面積從而大大地改善散熱的效率。
當(dāng)散熱器垂直地安裝，如圖18所示時(shí)，在平板型蒸汽腔1110和1120中蒸汽冷凝后的工作液體靠重力作用通過導(dǎo)管1010和熱管1020向下流回到平板型熱管100。然而，散熱器一般是固定到系統(tǒng)板上，而此板垂直地固定在一機(jī)架或一機(jī)箱中，在這情況中，散熱器處于水平方向。圖21示意說明散熱器在水平位置時(shí)的工作原理。由圖21可見，平板型熱管100和平板型蒸汽腔1110和1120現(xiàn)處于垂直狀態(tài)。導(dǎo)管1010位于上方而熱管1020位于連通蒸汽域的下方。平板型熱管100還包括一與熱源接觸的吸熱墊座1107。平板型熱管100底部的墊座1107的對(duì)面是一支撐半島104用于將底座1107所吸的熱傳導(dǎo)到毛細(xì)結(jié)構(gòu)105和106使工作液體蒸發(fā)。工作液體蒸發(fā)為汽體而通過導(dǎo)管1010充滿平板型蒸汽腔1110和1120。蒸汽攜帶的潛熱經(jīng)由第一組鰭片1102，第二組鰭片1103，第三組鰭片1112和第四組鰭片1122在自然的或強(qiáng)制對(duì)流下擴(kuò)散，蒸汽快速的冷凝為液體而充滿熱管1020中毛細(xì)結(jié)構(gòu)1030，在平板型蒸汽腔1110和1120中的高壓蒸汽壓迫工作液體。這樣，在蒸汽壓力和毛細(xì)結(jié)構(gòu)作用的作用下，工作液體回到平板型熱管100。一旦工作液體到達(dá)平板型熱管100，它在毛細(xì)結(jié)構(gòu)105和106中又被蒸發(fā)。雖然倒置的散熱器仍然工作，但不推薦倒置使用，因?yàn)椴粫?huì)象兩個(gè)前述的所描述的方位那樣有效率。
參考圖22，一個(gè)平板型熱管散熱器適用于一便攜式計(jì)算機(jī)(例如，一膝上計(jì)算機(jī)或一平板計(jì)算機(jī))。平板型熱管100為L形狀，一部分鰭片被固定在在熱源的上面，另一部分鰭片位于遠(yuǎn)離熱源的另一段，且接近于計(jì)算機(jī)盒一側(cè)的出口，這樣風(fēng)扇可以把從外面吸進(jìn)的冷空氣吹到鰭片上。圖22所示的卡扣在一起的幾組鰭片被分別利用錫焊等方式固定到平板型熱管100上下兩面的局部。平板型熱管100有安裝孔107用于固定平板型熱管100到一系統(tǒng)板上。平板型熱管100也有一導(dǎo)管110用于注入平板型熱管100的工作液體和抽成真空及密封。
六、接近等溫的散熱器的制造過程參考圖23，接近等溫的散熱器的制造過程大致有下述流程工序1401散熱器的設(shè)計(jì)，包括散熱器的形狀設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)；工序1402選擇并加工有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的板用做平板型熱管的頂層板和底層板；工序1403加工用于制作平板型熱管或平板型蒸汽腔的間隔層框架的板；工序1404將頂層板、底層板和間隔層的框架板焊接為整塊夾層結(jié)構(gòu)板；工序1405進(jìn)行無損檢測(cè)評(píng)估焊接結(jié)果；若合格則進(jìn)行工序1406，如不合格則進(jìn)行工序1409；工序1406將焊接后的板分割為單個(gè)的平板型熱管或平板型蒸汽腔；工序1407把鰭片固定在單個(gè)的平板型熱管或平板型蒸汽腔上；工序1408注入工作液體，抽成真空再密封，以及測(cè)試個(gè)別的散熱器以保證質(zhì)量；工序1409重新焊接修理，完成后進(jìn)行工序1406。
權(quán)利要求
1.一種傳熱裝置，其特征在于該裝置包括一頂層板、一底層板、以及一間隔框架，其開孔空間內(nèi)含有至少一個(gè)從間隔框架邊緣延伸進(jìn)的支承結(jié)構(gòu)；所述的間隔框架夾在所述的頂層板和底層板之間；所述的頂層板和間隔框架，以及間隔框架和底層板之間隙，由沿框架和支承結(jié)構(gòu)的橫向連接而形成一空腔結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種傳熱裝置，其特征在于在所述的頂層板和底層板兩者中至少一個(gè)的外表面上有焊接縫；所述的焊接縫沿著由所述的間隔框架和支承結(jié)構(gòu)定義的軌跡，形成夾層結(jié)構(gòu)厚度方向的焊接，使頂層板和間隔框架，以及間隔框架和底層板之間連接而構(gòu)成空腔結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種傳熱裝置，其特征在于所述的頂層板和底層板的內(nèi)表面上具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種傳熱裝置，其特征在于所述的底層板的下表面上還設(shè)置有至少一個(gè)墊座。
5.一種平板型熱管散熱器，包括一個(gè)平板型熱管、一組或一組以上鰭片、以及至少一個(gè)用于與發(fā)熱元件接觸的墊座，其特征在于所述的鰭片分別地固定在所述的平板型熱管的上表面和下表面的區(qū)域上；所述的墊座設(shè)置在平板型熱管的下表面上；所述的平板型熱管包括在其內(nèi)表面有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的一頂層板和一底層板、以及夾在頂層板和底層板之間的一層間隔框架；所述的間隔框架的開孔空間內(nèi)含有至少一個(gè)且位于所述的墊座位置的支承結(jié)構(gòu)；所述的頂層板和間隔框架，以及間隔框架和底層板之間隙，由沿框架和支承結(jié)構(gòu)的橫向連接而形成一空腔結(jié)構(gòu)，其內(nèi)含有工作液體且被真空密封。
6.一種接近等溫的熱管散熱器，包括一個(gè)平板型熱管、一個(gè)或一個(gè)以上平板型蒸汽腔、或一組以上鰭片、以及一個(gè)導(dǎo)管，其特征在于所述的導(dǎo)管側(cè)面有扁口與平板型熱管和平板型蒸汽腔的空腔對(duì)接串聯(lián)而形成一個(gè)連通的蒸汽域，其內(nèi)含有工作液體，且被真空密封；所述的鰭片固定在所述的平板型熱管和平板型蒸汽腔之間及外表面。
7.如權(quán)利要求6所述的接近等溫的熱管散熱器，其特征在于所述的平板型熱管包括在其內(nèi)表面有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的一頂層板和一底層板，以及夾在頂層板和底層板之間的一層間隔框架；所述的間隔框架的開孔空間內(nèi)含有至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)；所述的頂層板和間隔框架，以及間隔框架和底層板之間隙，由沿框架和支承結(jié)構(gòu)的橫向連接而形成一空腔結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求6所述的接近等溫的熱管散熱器，其特征在于所述的平板型蒸汽腔包括一頂層板和一底層板，以及夾在頂層板和底層板之間的一層間隔框架；所述的頂層板和間隔框架，以及間隔框架和底層板之間隙，由沿框架和支承結(jié)構(gòu)的橫向連接而形成一空腔結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求6所述的接近等溫的熱管散熱器，其特征在于更進(jìn)一步的包括一個(gè)熱管，所述的熱管側(cè)面有扁口與平板型熱管和平板型蒸汽腔的空腔對(duì)接串聯(lián)，使工作液體從平板型蒸汽腔被抽吸回到平板型熱管。
10.如權(quán)利要求6所述的接近等溫的熱管散熱器，其特征在于所述的鰭片由錫焊過程固定到平板型熱管和平板型蒸汽腔的外表面。
11.如權(quán)利要求6所述的接近等溫的熱管散熱器，其特征在于至少在所述的平板型熱管和平板型蒸汽腔兩者中之一，包括一頂層凹形板和一底層凹形板，沿著對(duì)合的凹坑周圍的階梯形凸緣連接，而形成密封的空間。
12.如權(quán)利要求7所述的接近等溫的熱管散熱器，其特征在于在相對(duì)于所述的平板型熱管的空腔內(nèi)的至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)的位置，且在所述的平板型熱管的下表面，設(shè)置有至少一個(gè)墊座。
13.一種用于制作多個(gè)元件的平板型熱管和平板型蒸汽腔的加工方法，其特征在于提供一個(gè)頂層板、一個(gè)底層板和一個(gè)間隔層板，所述的間隔層板由多個(gè)元件的平板型熱管或平板型蒸汽腔的間隔框架構(gòu)成，并夾在所述的頂層板和底層板之間；應(yīng)用一個(gè)整板焊接過程連接所述的夾層結(jié)構(gòu)，其焊接軌跡由間隔層板內(nèi)的各單元的間隔框架定義；所述的整板焊接過程為，控制焊接工具沿所述的焊接跡線，在頂層板或底層板的外表面上一次行程，或分別在頂層板或底層板的外表面上兩次行程，使每一個(gè)單元形成一個(gè)密封的空腔；應(yīng)用一個(gè)單元分割過程把每一個(gè)單元的平板型熱管或平板型蒸汽腔從焊接好的夾層結(jié)構(gòu)板中分割出來。
14.如權(quán)利要求13所述的加工方法，其特征在于在所述的焊接之前，應(yīng)用多點(diǎn)的穿透點(diǎn)焊來固定頂層板，間隔層板和底層板在焊接過程中保持彼此的相關(guān)位置。
15.如權(quán)利要求13所述的的加工方法，其特征在于所述的整板焊接過程為摩擦攪拌焊接方法。
16.如權(quán)利要求13所述的的加工方法，其特征在于所述的整板焊接過程為等離子束焊接方法。
17.如權(quán)利要求13所述的的加工方法，其特征在于在用于制作多個(gè)元件的平板型熱管時(shí)，所述的夾層結(jié)構(gòu)的頂層板和底層板的內(nèi)表面上的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層為下述結(jié)構(gòu)之一(1)燒結(jié)的金屬粉末層；(2)燒結(jié)的金屬纖維層；(3)V形凹槽的蜂窩圖案；(4)V形凹槽的交叉圖案；和(5)V形凹槽的交叉圖案上面再覆蓋金屬絲網(wǎng)。
18.如權(quán)利要求17所述的的加工方法，其特征在于所述的夾層結(jié)構(gòu)的頂層板和底層板的內(nèi)表面上的V形凹槽的交叉圖案由冷軋金屬帶，或金屬板，或金屬片之一形成。
19.如權(quán)利要求13所述的的加工方法，其特征在于在所述的焊接之后和在所述的分割之前，更進(jìn)一步的包括用超聲波無損探傷的手段掃描檢測(cè)焊接質(zhì)量，并重新焊接任何可能的焊接缺陷。
20.如權(quán)利要求13所述的的加工方法，其特征在于所述的分割方法可以為沖壓或者切割之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種接近等溫的平板型熱管散熱器，包括一平板型熱管，一個(gè)或一個(gè)以上的平板型蒸氣腔，一導(dǎo)管和一熱管用于把平板型熱管和平板型蒸氣腔串連而形成一個(gè)共同的連通域，和在平板型熱管和平板型蒸氣腔外部表面上固定的散熱鰭片。此平板型熱管散熱器的優(yōu)勢(shì)為高效的散熱能力。本發(fā)明還公開了此平板型熱管散熱器的制作方法，包括應(yīng)用一種焊接方法于整板的夾層結(jié)構(gòu)的焊接過程，如摩擦攪拌焊接方法或等離子束焊接方法。該焊接過程所形成的橫向連接構(gòu)成了封閉的各個(gè)單元，從而可以一次焊接多個(gè)平板型熱管或平板型蒸汽腔。此工藝的優(yōu)勢(shì)為低成本和高效生產(chǎn)率。
文檔編號(hào)G06F1/20GK1920464SQ200510093008
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月24日
發(fā)明者鄭文春 申請(qǐng)人:鄭文春