專利名稱：用于傳熱設(shè)備的釬焊吸液芯及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及傳熱設(shè)備，該設(shè)備以毛細(xì)作用作為傳遞機(jī)制，以及特別是用于該設(shè)備的吸液芯材料。
背景技術(shù)：
眾所周知，計(jì)算機(jī)是一熱力器械，從數(shù)據(jù)中提取熵，并將熵轉(zhuǎn)換成熱，再將熱散發(fā)到環(huán)境中。成本合理的情況下，現(xiàn)有的熱處理技術(shù)將半導(dǎo)體電路產(chǎn)生的廢熱散發(fā)到環(huán)境中，這種技術(shù)的能力限制了電子系統(tǒng)的密度和時(shí)鐘速度。
電子系統(tǒng)的傳熱設(shè)備的典型特點(diǎn)是大氣作為選擇的最終熱量接收器?？諝饫鋮s給了制造商最廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。當(dāng)前，用于電子儀器的傳熱設(shè)備的另一典型特點(diǎn)是半導(dǎo)體發(fā)熱芯片與一被動(dòng)散熱器或主動(dòng)傳熱設(shè)備熱接觸，其將熱量從芯片傳輸?shù)綆追N類型鰭形物中的一種。這些鰭形物通過(guò)自然或被動(dòng)對(duì)流將熱傳遞到大氣中。
由于半導(dǎo)體設(shè)備的需要散發(fā)的能量隨時(shí)間增加，一個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了隨時(shí)間的過(guò)去，可用材料的導(dǎo)熱性變得太低，以至于無(wú)法在可接受的低溫降情況下將半導(dǎo)體設(shè)備的熱輸送到鰭形物。半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)生的熱功率密度會(huì)非常高，以至于基于銅，銀，或甚至金的散熱技術(shù)都不足以勝任。
現(xiàn)有一種技術(shù)已證實(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)散熱的效果有益，就是熱管技術(shù)。一熱管包括一密封套和一工作液體，該密封套確定了包括毛細(xì)吸液芯的內(nèi)腔，工作液體在期望的操作溫度范圍內(nèi)具有液氣二相。當(dāng)一部分腔處于相對(duì)高溫時(shí)，它就作為蒸發(fā)器部分。工作液體在蒸發(fā)器部分蒸發(fā)引起輕微壓力增加，迫使蒸汽向腔內(nèi)相對(duì)低溫部分移動(dòng)，該低溫部分作為冷凝器部分。蒸汽在冷凝器部分中冷凝，并通過(guò)毛細(xì)泵作用經(jīng)過(guò)毛細(xì)吸液芯回到蒸發(fā)器部分。由于熱管是以相變?cè)矶莻鲗?dǎo)或?qū)α髟聿僮?，熱管在理論上傳熱速率?yīng)比傳統(tǒng)的傳熱設(shè)備高得多。結(jié)果，熱管被應(yīng)用于冷卻不同類型的高產(chǎn)熱裝置，如電子設(shè)備(見(jiàn)美國(guó)專利號(hào)3,613,778；4,046,190；4,058,299；4,109,709；4,116,266；4,118,756；4,186,796；4,231,423；4,274,479；4,366,526；4,503,483；4,697,205；4,777,561；4,880,052；4,912,548；4,921,041；4,931,905；4,982,274；5,219,020；5,253,702；5,268,812；5,283,729；5,331,510；5,333,470；5,349,237；5,409,055；5,880,524；5,884,693；5,890,371；6,055,297；6,076,595和6,148,906)。
由于熱管內(nèi)自然出現(xiàn)的壓力差的相互作用而產(chǎn)生的壓力梯度導(dǎo)致了系統(tǒng)中的蒸汽流動(dòng)和液體的毛細(xì)流動(dòng)。該壓力梯度使系統(tǒng)液體不再需要外部泵。另外，在真空條件下，平衡時(shí)液相與氣相的存在導(dǎo)致更高的熱效率。為提高熱管效率，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了不同吸液芯結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)冷凝器和蒸發(fā)器部分之間液體轉(zhuǎn)移，以及加強(qiáng)吸液芯與其環(huán)境之間的傳熱性能。它們包括在內(nèi)管表面縱向平行設(shè)置的槽和任意劃痕。另外，現(xiàn)有技術(shù)也揭示了固定于管內(nèi)壁的吸液芯結(jié)構(gòu)。這些吸液芯的組成和幾何結(jié)構(gòu)包括均勻的細(xì)金屬絲網(wǎng)和燒結(jié)的金屬。燒結(jié)的吸液芯通常包括金屬顆粒混合物，該金屬顆粒混合物已經(jīng)被加熱到能夠引起鄰近顆粒各自接觸點(diǎn)熔融或焊接。然后，燒結(jié)的金屬粉末形成具有毛細(xì)特征的多孔結(jié)構(gòu)。盡管現(xiàn)有技術(shù)中已證實(shí)燒結(jié)的吸液芯具有足夠的傳熱特性，但顆粒間的金屬和金屬熔融物之間的間隙減小了通過(guò)吸液芯的熱量傳輸，這限制了燒結(jié)吸液芯在本領(lǐng)域的應(yīng)用。
現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)它們的目的，但具有共同的缺陷，原因在于它們沒(méi)有充分實(shí)現(xiàn)給定熱管的最大傳熱潛力。到目前為止，沒(méi)有人能夠設(shè)計(jì)出一種足夠簡(jiǎn)單地生產(chǎn)的用于熱管的吸液芯結(jié)構(gòu)，以及提供所使用熱管的最適宜的熱傳遞特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于傳熱設(shè)備的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其包括通過(guò)釬焊混合物連接在一起的數(shù)個(gè)顆粒，以致這些釬焊混合物的焊腳形成于數(shù)個(gè)顆粒的鄰近顆粒之間。用該方法，顆粒之間形成的毛細(xì)通路網(wǎng)通過(guò)毛細(xì)作用幫助工作液體轉(zhuǎn)移，而數(shù)個(gè)焊腳提供了加強(qiáng)的數(shù)個(gè)顆粒之間的熱傳導(dǎo)特性，從而大大促進(jìn)設(shè)備總的傳熱效率。
在一個(gè)具體實(shí)例中，提到的熱管包括一密封的并且部分抽空的殼體，其中殼體具有內(nèi)表面，并且至少一部分中被兩相可蒸發(fā)的液體浸濕。吸液芯置于殼體內(nèi)至少一個(gè)內(nèi)表面上。吸液芯的優(yōu)勢(shì)在于包括通過(guò)釬焊混合物連接在一起的數(shù)個(gè)顆粒，以便這些釬焊化合物焊腳形成于鄰近數(shù)個(gè)顆粒之間，從而在顆粒之間形成的網(wǎng)狀毛細(xì)通路。
在本發(fā)明的另一具體實(shí)例中，提到的熱管包括密封的并且部分抽空的具有內(nèi)表面的殼體，并且工作流體置于一部分殼體內(nèi)。有槽釬焊吸液芯被設(shè)置在熱管的內(nèi)表面上，該有槽釬焊吸液芯包括數(shù)個(gè)單獨(dú)顆粒和釬焊混合物，所述數(shù)個(gè)單獨(dú)顆粒合起來(lái)得到一平均顆粒直徑，以致這些釬焊化合物焊腳形成于鄰近數(shù)個(gè)顆粒之間。至少提供兩個(gè)槽脊，流體通過(guò)置于至少兩個(gè)槽脊之間的顆粒層相互傳遞，其中顆粒層包括至少一個(gè)維度，該維度不大于6個(gè)平均顆粒直徑，其中熱量所述顆粒層中的所述顆粒通過(guò)數(shù)個(gè)所述焊腳互相熱接合。
本發(fā)明還提供了一種用于制造熱管容器中內(nèi)表面熱管吸液芯的方法，包括以下步驟提供一種與釬焊混合物混合的金屬顆粒漿；金屬顆粒具有第一熔點(diǎn)溫度，釬焊混合物具有低于第一熔點(diǎn)溫度的第二熔點(diǎn)溫度；以一方式在至少一部分容器內(nèi)表面覆蓋金屬漿，然后干燥形成未加工的吸液芯；未加工的吸液芯加熱到不低于第二熔點(diǎn)溫度而低于第一熔點(diǎn)溫度，致使釬焊混合物由于毛細(xì)作用引向鄰近的金屬顆粒，以便在鄰近金屬顆粒間形成熱分布焊腳，從而得到一釬焊吸液芯。
在本發(fā)明的方法的一可選具體實(shí)施例中，一具有凹槽輪廓和數(shù)個(gè)凹槽的心軸置于一部分熱管容器內(nèi)。一平均顆粒直徑的金屬漿與釬焊混合物混合并導(dǎo)入容器；金屬顆粒構(gòu)成第一熔點(diǎn)溫度，釬焊混合物構(gòu)成第二熔點(diǎn)溫度并低于第一熔點(diǎn)溫度；至少一部分容器內(nèi)表面覆蓋金屬漿，以致金屬漿依照心軸凹槽的輪廓，在鄰近的凹槽間形成金屬漿層，并且厚度不大于6個(gè)平均顆粒直徑；金屬漿干燥形成未加工的吸液芯；然后未加工的吸液芯被加熱到不低于第二熔點(diǎn)溫度，而低于第一熔點(diǎn)溫度的溫度，以致釬焊混合物由于毛細(xì)作用吸向鄰近的金屬顆粒之間，在鄰近金屬顆粒間形成熱分布焊腳，因此得到釬焊吸液芯。


本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)以下對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例具體說(shuō)明，連同附圖得到更全面的揭示和詳盡的描述，附圖中同一標(biāo)號(hào)指的是同一部件，此外其中圖1是本發(fā)明使用的類型中的典型熱管殼體的分解透視圖；圖2是圖1所示熱管殼體的透視圖；圖3是圖2所示熱管的橫截面示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例形成的一部分釬焊吸液芯斷面放大的橫截面示意圖；圖5是構(gòu)成本發(fā)明一實(shí)施例的金屬顆粒和焊腳斷面透視圖，其高度放大以便清楚顯示；圖6與圖5類似，是根據(jù)本發(fā)明形成的釬焊吸液芯可選實(shí)施例的高度放大圖；
圖7是具有本發(fā)明可選實(shí)施例釬焊吸液芯的熱管殼體的分解透視圖；圖8是圖7中沿8-8線的截面圖；圖9是本發(fā)明形成的另一可選實(shí)施例的熱管殼體；圖10是圖9所示管式熱管殼體沿10-10線的截面圖；圖11是置于圖10所示熱管壁的部分釬焊吸液芯的高度放大圖；圖12是具有根據(jù)本發(fā)明形成的釬焊吸液芯的塔式熱管截面透視圖；圖13是覆蓋圖12所示塔式熱管前表面的釬焊吸液芯的高度放大表面圖；圖14是具有根據(jù)本發(fā)明形成的槽式底部吸液芯的塔式熱管的可選實(shí)施例；圖15是根據(jù)本發(fā)明形成的吸液芯的高度放大表面圖；圖16是圖7，8，13所示槽式吸液芯的破裂截面圖；圖17是圖7，8，13和15所示槽式釬焊吸液芯部分高度放大的截面圖；圖18是用于制造本發(fā)明槽式釬焊吸液芯心軸的端視圖。
具體實(shí)施例方式
優(yōu)選實(shí)施方式的說(shuō)明應(yīng)配合附圖閱讀，附圖也被認(rèn)為是本發(fā)明整個(gè)書(shū)面的說(shuō)明書(shū)的一部分。附圖并不必要成比例，而且本發(fā)明中的一些特征可能在比例上或一些示意形式上出于清楚和簡(jiǎn)要的目的而有些夸大。在本說(shuō)明書(shū)中，相關(guān)詞匯如“水平的”，“垂直的”，“上”，“下”，“頂”和“底”及其派生詞匯(如“水平地”，“向下地”，“向上地”等等)應(yīng)參照隨后的說(shuō)明和進(jìn)行討論的附圖所示的方向而解釋。這些相關(guān)詞匯是為了方便說(shuō)明，通常并不一定要求精確的方向。包括“內(nèi)部地”對(duì)應(yīng)“外部地”，“縱向的”對(duì)應(yīng)“橫向的”，以及類似的表達(dá)，在被適當(dāng)?shù)亟忉尀橄鄬?duì)于彼此，或相對(duì)于一延長(zhǎng)軸，或旋轉(zhuǎn)中心或旋轉(zhuǎn)軸。有關(guān)附設(shè)、接合和類似關(guān)系，諸如“連接”和“互相連接”，除非用其它方式表達(dá)，否則所指為一種關(guān)系，該關(guān)系中的結(jié)構(gòu)是彼此之間直接或通過(guò)中間結(jié)構(gòu)間接緊固或附設(shè)的，以及兩個(gè)可移動(dòng)或剛性的附設(shè)或關(guān)系。詞匯“有效地連接”是如此一種附設(shè)、接合或連接，允許相關(guān)結(jié)構(gòu)依靠這種關(guān)系而如所預(yù)期的那樣運(yùn)轉(zhuǎn)。在權(quán)利要求書(shū)中，裝置+功能從句用于涵蓋書(shū)面說(shuō)明書(shū)或附圖所說(shuō)明、暗示或明確顯示的結(jié)構(gòu)以實(shí)施書(shū)面所陳述的功能，不僅包括結(jié)構(gòu)等同物，還包括等同結(jié)構(gòu)。
參見(jiàn)圖1-6，本發(fā)明包括一用于熱管或散熱器2的吸液芯結(jié)構(gòu)，熱管或散熱器2在下文簡(jiǎn)稱為熱管。這種熱管2常是一定尺寸和形狀的用于轉(zhuǎn)移和/或散發(fā)由至少一熱源如半導(dǎo)體(未表示出)產(chǎn)生的熱能，也就是熱接合在一部分熱管和散熱器(未表示出)之間。熱管2通常包括密封的殼體，例如平的中空板狀結(jié)構(gòu)(圖2)和管式結(jié)構(gòu)(圖9，12和14)。不考慮外部輪廓，每一個(gè)殼體結(jié)構(gòu)確定蒸發(fā)器部分5，冷凝器部分7，和一內(nèi)部空間或蒸汽腔10。例如平面矩形熱管2中，蒸發(fā)腔10被限制在底壁12和頂壁14之間。在一管式或塔式熱管2中，蒸發(fā)腔10從一端向另一端縱向延伸(圖9、12和14)。
在一個(gè)直線式殼體的優(yōu)選實(shí)例中，底壁12和頂壁14包括基本相同厚度層的熱傳導(dǎo)材料，如銅，鋼，鋁，或它們各自的合金之一，并且空間隔開(kāi)約2.0(mm)到約4.0(mm)以在熱管2內(nèi)形成蒸發(fā)腔10。熱管2的頂壁14通常大體是平的，并且形狀與底壁12是互補(bǔ)的。底壁12優(yōu)選包括基本平坦的內(nèi)表面18和周圍邊緣壁20。周圍邊緣壁20從內(nèi)表面18的周圍邊緣向外突出以圍住內(nèi)表面18。通過(guò)沿底壁12和頂壁14的共同邊緣進(jìn)行連接來(lái)在熱管2內(nèi)產(chǎn)生蒸發(fā)室10，該共同邊緣隨后在它們的接合面24密封?？烧舭l(fā)液體(如水、氨或氟里昂未表示出)置于蒸發(fā)腔10中，作為熱管2的工作液體。例如，熱管2可以由銅或銅碳化硅制成，并且通常選擇水、氨或氟里昂作為工作液體。在蒸發(fā)腔內(nèi)注入工作液體后，將要最后封閉底壁12和頂壁14共同邊緣之前，熱管2要被抽成部分真空。
通常，要形成本發(fā)明的釬焊吸液芯25，數(shù)個(gè)金屬顆粒27和釬焊混合物30一起加熱到釬焊溫度使釬焊混合物30熔融，但數(shù)個(gè)金屬顆粒27并不熔融。值得注意的是，在釬焊過(guò)程中，金屬顆粒27不會(huì)熔融被燒結(jié)在一起，而是由再固化釬焊混合物產(chǎn)生的焊腳(圖5和6中附圖標(biāo)記33指出)在釬焊混合物30和鄰近的金屬顆粒27表面間形成的冶金接合連接在一起)。有利的是，釬焊混合物30被吸引穿過(guò)多孔的金屬顆?；旌衔?7形成焊腳33的原理是“毛細(xì)作用”，即液體在多孔材料內(nèi)部空間移動(dòng)是由于液體表面分子的固有引力。因此，當(dāng)釬焊混合物30熔融，熔融的釬焊金屬分子互相吸引，作為在熔融釬焊和單個(gè)金屬顆粒27表面間的表面張力易于將熔融釬焊引到臨近金屬顆粒27的每一接觸位置。當(dāng)熔融釬焊金屬再凝固，焊腳33在每一這種位置處形成。
參見(jiàn)圖3-6，為了使熱管操作在熱管2的殼體內(nèi)開(kāi)始，必須在蒸發(fā)腔10中設(shè)置一毛細(xì)管，它將冷凝器部分7的冷凝液體泵回到蒸發(fā)器部分，基本不借助于重力作用。在本發(fā)明中，釬焊吸液芯25位于確定蒸發(fā)腔10邊界的內(nèi)表面18上。釬焊吸液芯25包括與填料金屬或金屬混合物結(jié)合的數(shù)個(gè)金屬顆粒27，該填料金屬或金屬混合物通常稱為“釬焊(braze)”或釬焊混合物30。可以理解的是，“釬焊(brazing)”是指用熱和填充金屬如釬焊混合物30連接金屬。釬焊混合物30極通常的是具有高于450℃-1000℃但低于將被連接形成釬焊吸液芯25的金屬顆粒27的熔點(diǎn)溫度。
通常，要形成本發(fā)明的釬焊吸液芯25，需要數(shù)個(gè)金屬顆粒27和釬焊混合物30一起加熱到釬焊溫度使釬焊混合物30熔融，但數(shù)個(gè)金屬顆粒27并不熔融。值得注意的是，在釬焊過(guò)程中，金屬顆粒27不會(huì)熔融被燒結(jié)在一起，而是由再固化釬焊混合物產(chǎn)生的焊腳(圖5和6中附圖標(biāo)記33指出)在釬焊混合物30和鄰近的金屬顆粒27表面間形成的冶金接合連接在一起。有利的是，釬焊混合物30被吸引穿過(guò)多孔的金屬顆?；旌衔?7形成焊腳33的原理是“毛細(xì)作用”，即液體在多孔材料內(nèi)部空間移動(dòng)是由于液體表面分子的固有引力。因此，當(dāng)釬焊混合物30熔融，熔融的釬焊金屬分子互相吸引，同時(shí)熔融釬焊和單個(gè)金屬顆粒27表面間的表面張力易于將熔融釬焊引到臨近金屬顆粒27的每一接觸位置。當(dāng)熔融釬焊金屬再凝固，焊腳33在每一這種位置處形成。
本發(fā)明中，相對(duì)于如燒結(jié)或熔融技術(shù)，釬焊混合物30和焊腳33產(chǎn)生了更高導(dǎo)熱性的吸液芯。這種更高導(dǎo)熱性的吸液芯直接改善其所構(gòu)成的傳熱設(shè)備如熱管、環(huán)形熱管等的導(dǎo)熱能力。依據(jù)蒸發(fā)器5所遵從的熱流原理，會(huì)發(fā)現(xiàn)釬焊吸液芯25的電導(dǎo)率的增加處于正比于熱導(dǎo)率增加和熱導(dǎo)率的平方根增加之間。重要的是，釬焊混合物30的組成成份必須是經(jīng)過(guò)選擇的，以免引起構(gòu)成熱管2的材料體系化學(xué)不相容。
金屬顆粒27可選擇任何高導(dǎo)熱性金屬，其適合于被制成釬焊多孔結(jié)構(gòu)，如碳，鎢，銅，鋁，鎂，鎳，金，銀，氧化鋁，氧化鈹，或類似物，也可以包括基本球狀，扁圓或長(zhǎng)圓的球狀體，橢圓體，或并非更適宜的任意的或規(guī)則的多邊形，或不同截面形狀的絲狀粒子。例如，當(dāng)金屬顆粒由熔點(diǎn)約1083℃的銅球體(圖5)或扁球體(圖6)構(gòu)成，熱管2中整體吸液芯釬焊溫度約為1000℃。通過(guò)改變金屬顆粒27混合物中釬焊混合物30的百分比，或釬焊混合物30使用更“惰性”的合金，就會(huì)在金屬顆粒27和焊腳33之間提供寬范圍的導(dǎo)熱特性。
例如，在銅/水熱管中，任意銅/金比率的釬焊都可使用，盡管具有更多金的釬焊更昂貴。作為釬焊混合物30令人滿意的組合被發(fā)現(xiàn)是約重量占6％的細(xì)粉(-325目)、65％/35％的銅/金微粒的釬焊混合物，與銅粉末(金屬顆粒27)充分混合。多一些或少一些釬焊是可能的，盡管釬焊過(guò)少會(huì)降低釬焊吸液芯25的導(dǎo)熱性，過(guò)多釬焊又會(huì)開(kāi)始用固化釬焊金屬填充吸液芯孔。所發(fā)現(xiàn)的最佳范圍是約2％和約10％之間的釬焊混合物，取決于釬焊的配方。當(dāng)采用銅粉作為金屬顆粒27時(shí)，優(yōu)選的顆粒形狀為球體或類球體。金屬顆粒27通常約比200目粗，但約比20目細(xì)。細(xì)吸液芯粉末經(jīng)常需要用細(xì)的釬焊粉末顆粒。釬焊混合物30的釬焊粉在尺寸上應(yīng)是金屬顆粒27的幾分之一，以便制成具有均一特性的均一釬焊吸液芯25。
其它釬焊也可以用于釬焊吸液芯，包括鎳基-鎳釬焊，銀/銅釬焊，錫/銀，鉛/錫，甚至聚合物。本發(fā)明也不僅限于銅/水熱管。例如，通過(guò)使用鋁/鎂金屬間合金作為釬焊來(lái)生產(chǎn)鋁和鎂多孔釬焊吸液芯。
釬焊混合物30通常應(yīng)該良好分布于每個(gè)金屬顆粒表面。釬焊混合物30的這種分布可通過(guò)將釬焊混合物30與有機(jī)液體粘合劑如乙基纖維素混合來(lái)實(shí)現(xiàn)，這在每一金屬顆粒27(即每一球體或扁球體金屬表面)表面產(chǎn)生了用于釬焊混合物30粘著的粘性。本發(fā)明一具體實(shí)施例中，1/10和2/10克重的銅粉(金屬顆粒27)與從滴管滴下的兩滴有機(jī)溶劑粘合劑如甲基丙烯酸異丁酯漆混合，以便在金屬顆粒27(即每一球體或扁球體金屬表面)表面產(chǎn)生粘性來(lái)使釬焊混合物30粘著。細(xì)粉的(如-325目)釬焊混合物30混合進(jìn)覆蓋有銅粉顆粒的液體粘合劑，空氣中徹底干燥。約0.072克，重量占約6％的銅/金比率為65％/35％的銅/金釬焊混合物，已經(jīng)達(dá)到令人滿意的結(jié)果。前述金屬顆粒2 7和釬焊混合物30的混合物涂于熱管2的內(nèi)表面，例如底壁12的內(nèi)表面18，均勻加熱金屬顆粒27以便釬焊混合物30熔融。由于毛細(xì)作用被吸引的熔融釬焊混合物30當(dāng)在金屬顆粒27混合物內(nèi)固化時(shí)形成焊腳33。例如，在約1020℃真空焊釬焊或氫釬焊2至8分鐘，優(yōu)選約5分鐘，發(fā)現(xiàn)在釬焊吸液芯內(nèi)提供有足夠的焊腳。至少為10-5torr或更低的真空度是足夠的，并且如果用氫熔爐則必須采用濕氫。在一實(shí)施例中，該組合在真空1020℃中加熱，5分鐘，真空度約5×10-5torr或更低。
參見(jiàn)圖7，8，14和16-17，由金屬顆粒27與釬焊混合物30結(jié)合形成的槽式釬焊吸液芯結(jié)構(gòu)38也是有優(yōu)勢(shì)的。特別是，將心軸40(圖18)用于制造槽式吸液芯結(jié)構(gòu)38，該心軸包括數(shù)個(gè)由平行的凹槽47在空間上分開(kāi)的平行槽脊45。心軸40的槽脊45形成完成的釬焊槽式吸液芯結(jié)構(gòu)38的凹槽50，并且心軸40的凹槽47形成完成的釬焊槽式吸液芯結(jié)構(gòu)38的槽脊52。每一槽脊52都是一有斜側(cè)壁54a，54b的倒置基本呈“V”字形或突出金字塔形，并與相鄰的脊在空間上隔開(kāi)。凹槽50將槽脊52分開(kāi)，并且成基本平行的縱向(或橫向)排列，至少延伸通過(guò)蒸發(fā)器部分5。凹槽50末端部分，接近如周圍邊緣壁20，可以不被進(jìn)一步的多孔結(jié)構(gòu)限制。在一實(shí)施例中，相對(duì)薄的釬焊金屬顆粒沉積在底壁12的內(nèi)表面18上，以便在每一凹槽50的底部和空間隔開(kāi)的槽脊52之間形成槽式吸液芯55。例如，釬焊銅粉顆粒27沉積在槽脊52之間，當(dāng)在底壁12的所有內(nèi)表面18和槽脊52的傾斜側(cè)壁54a，54b之間基本沉積時(shí)，槽式吸液芯55包括約為一個(gè)到六個(gè)平均銅顆粒直徑的平均厚度(約0.005mm至0.5mm，優(yōu)選范圍從約0.05mm至約0.25mm)。其好處是，在槽式吸液芯55中的金屬顆粒27是通過(guò)數(shù)個(gè)焊腳33以熱和機(jī)械方式進(jìn)行連接的(圖17)。當(dāng)形成槽式釬焊吸液芯結(jié)構(gòu)38時(shí)，底壁12的內(nèi)表面18(通常為銅表面)覆蓋少量有機(jī)粘合劑甲基丙烯酸異丁酯漆，并在其表面“噴灑涂覆”銅/金比率為65％/35％的釬焊混合物，并將多余部分抖落。1.250和1.300克(通常約1.272克)的釬焊覆蓋的銅粉末27置于釬焊覆蓋的銅表面，心軸40放在頂部以形成槽式釬焊吸液芯結(jié)構(gòu)38。
值得注意地是，形成的槽式吸液芯55應(yīng)是足夠薄的，以致導(dǎo)熱率delta-T足夠小以防止在底壁12的內(nèi)表面18和形成吸液芯的釬焊粉末間開(kāi)始沸騰。焊腳33的形成更進(jìn)一步增強(qiáng)了槽式吸液芯55的導(dǎo)熱性。槽式吸液芯55是非常薄的吸液芯結(jié)構(gòu)，在提供必需的橫截面積以維持有效地工作液流的槽脊52之間裝入液體。槽式吸液芯55的橫截面最優(yōu)設(shè)計(jì)是其在槽脊52之間有最大可能的平面區(qū)域。該區(qū)域應(yīng)具有一個(gè)厚度值，如僅1至6個(gè)銅粉顆粒。薄的槽式吸液芯55通過(guò)限制現(xiàn)實(shí)制作方法就會(huì)獲得良好的性能，只要內(nèi)表面18的表面上至少有一層銅顆粒并通過(guò)數(shù)個(gè)焊腳33經(jīng)熱力和機(jī)械力進(jìn)行結(jié)合。該薄吸液芯區(qū)域利用槽式吸液芯層增強(qiáng)的蒸發(fā)表面區(qū)域，通過(guò)限制槽式吸液芯55的厚度，不僅是減少粉末顆粒的用量，同時(shí)顯著增強(qiáng)了焊腳33連接的金屬顆粒27所顯示出的導(dǎo)熱性，已發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)超越相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)熱局限。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不僅僅限于在此揭示和在附圖中所示的具體構(gòu)造，而且還包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)的任何改變和等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于傳熱設(shè)備的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，包括通過(guò)一釬焊混合物連接在一起的數(shù)個(gè)顆粒，以致所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的相鄰顆粒之間，從而在所述顆粒間形成一毛細(xì)通路網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的數(shù)個(gè)顆粒具有第一熔點(diǎn)溫度，所述的釬焊混合物具有低于所述第一熔點(diǎn)溫度的第二熔點(diǎn)溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的釬焊混合物含有重量約占65％的銅和35％的金顆粒，以致所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的相鄰顆粒之間，從而在所述顆粒間產(chǎn)生一毛細(xì)通路網(wǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的焊腳由處于熔融態(tài)時(shí)的所述釬焊混合物的毛細(xì)作用形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的金屬顆粒從由碳、鎢、銅、鋁、鎂、鎳、金、銀、氧化鋁和氧化鈹組成的組中選出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的金屬顆粒具有從由球體、扁球體、扁長(zhǎng)球體、橢圓體、多邊形和絲狀體組成的組中選出的形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的金屬顆粒包括熔點(diǎn)約1083℃的銅球體和扁銅球體至少其中之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的釬焊混合物含有重量占6％的銅/金微粒的釬焊混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的釬焊混合物的范圍為約2％至約10％。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的金屬顆粒包括顆粒尺寸范圍從約20目到約200目的銅粉末。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的釬焊混合物顆粒具有約負(fù)325目。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中作為所述釬焊混合物的組成部分的所述金屬顆粒比所述金屬顆粒的尺寸小。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的釬焊混合物從由鎳為基質(zhì)的鎳釬焊、銀/銅釬焊、錫/銀、鉛/錫和聚合物組成的組中選出。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的數(shù)個(gè)金屬顆粒包括鋁和鎂；并且所述釬焊混合物包括鋁/鎂金屬間合金。
15.一種熱管，包括一密封的和部分抽空的殼體，所述殼體包括內(nèi)表面；一吸液芯，置于至少一個(gè)所述內(nèi)表面上，并且包括通過(guò)釬焊混合物連接在一起的數(shù)個(gè)顆粒，以致所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的相鄰顆粒之間，從而在所述顆粒間形成一毛細(xì)通路網(wǎng)；以及一兩相液體，其至少部分地置于一部分所述吸液芯內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱管，其中所述的數(shù)個(gè)顆粒具有第一熔點(diǎn)溫度，所述的釬焊混合物具有低于所述第一熔點(diǎn)溫度的第二熔點(diǎn)溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱管，其中所述的釬焊混合物含有重量占約65％的銅和35％的金，以致所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的相鄰顆粒之間，從而在所述顆粒間產(chǎn)生一毛細(xì)通路網(wǎng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱管，其中所述的焊腳由處于熔融態(tài)時(shí)的所述釬焊混合物的毛細(xì)作用形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱管，其中所述的金屬顆粒從由碳、鎢、銅、鋁、鎂、鎳、金、銀、氧化鋁和氧化鈹組成的組中選出。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱管，其中所述的金屬顆粒具有從由球體、扁球體、扁長(zhǎng)球體、多邊形和絲狀體組成的組中選出的形狀。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱管，其中所述的金屬顆粒包括熔點(diǎn)約1083℃的銅球體和扁銅球體至少其中之一。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱管，其中所述的釬焊混合物含有重量占6％的銅/金微粒的釬焊混合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱管，其中所述的釬焊混合物的范圍為約2％至約10％。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱管，其中所述的金屬顆粒含有顆粒尺寸范圍從約20目到約200目的銅粉。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的釬焊混合物顆粒具有約負(fù)325目。
26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱管，其中作為所述釬焊混合物的一組成部分的所述金屬顆粒比所述金屬顆粒的尺寸小。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱管，其中所述的釬焊混合物從由鎳為基質(zhì)的鎳釬焊、銀/銅釬焊、錫/銀、鉛/錫和聚合物組成的組中選出。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱管，其中所述的數(shù)個(gè)金屬顆粒包括鋁和鎂；并且所述釬焊混合物包括鋁/鎂金屬間合金。
29.一種熱管，包括一密封的并且部分抽空的管狀殼體，該管狀殼體具有被釬焊吸液芯覆蓋的內(nèi)表面，所述釬焊吸液芯包括通過(guò)由釬焊混合物連接在一起的數(shù)個(gè)銅顆粒，所述釬焊混合物含有重量約占65％的銅和35％的金，以致所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的相鄰顆粒之間，從而在所述顆粒間形成一毛細(xì)通路網(wǎng)；以及一置于所述管狀殼體內(nèi)的工作液體。
30.一種熱管、包括一密封并且部分抽空的殼體，該殼體具有一內(nèi)表面；一有槽釬焊吸液芯，置于所述內(nèi)表面上，所述吸液芯包括數(shù)個(gè)單獨(dú)顆粒和一釬焊混合物，所述數(shù)個(gè)單獨(dú)顆粒合起來(lái)得到平均顆粒直徑釬焊，以便所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的鄰近顆粒之間，并且還包括至少兩個(gè)槽脊，所述槽脊通過(guò)所述至少兩個(gè)槽脊之間設(shè)置的顆粒層以液體相互聯(lián)系，其中所述顆粒層包括至少一個(gè)不大于6個(gè)平均顆粒直徑的維度，其中所述顆粒層中的所述顆粒通過(guò)數(shù)個(gè)所述焊腳互相熱接合；以及一置于所述殼體內(nèi)的工作液體。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的數(shù)個(gè)金屬顆粒具有第一熔點(diǎn)，所述釬焊混合物具有低于第一熔點(diǎn)溫度的第二熔點(diǎn)溫度。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的釬焊混合物包括重量約占65％的銅和35％的金，以致所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒鄰近顆粒之間，從而在所述顆粒之間形成一毛細(xì)通路網(wǎng)。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的焊腳由所述釬焊混合物處于熔融態(tài)時(shí)的毛細(xì)作用形成。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的金屬顆粒從由碳、鎢、銅、鋁、鎂、鎳、金、銀、氧化鋁和氧化鈹組成的組中選出。
35.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的金屬顆粒具有從由球體、扁球體、扁長(zhǎng)球體、多邊形和絲狀體組成的組中選出的形狀。
36.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的金屬顆粒包括熔點(diǎn)約1083℃的銅球體和扁銅球體至少其中之一。
37.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的釬焊混合物含有重量占6％的銅/金微粒的釬焊混合物。
38.根據(jù)權(quán)利要求31所述的熱管，其中所述的釬焊混合物的范圍為約2％至約10％。
39.根據(jù)權(quán)利要求31所述的熱管，其中所述的金屬顆粒含有顆粒尺寸范圍從約20目到約200目的銅粉。
40.根據(jù)權(quán)利要求31所述的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，其中所述的釬焊混合物顆粒不超過(guò)負(fù)325目。
41.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中作為所述釬焊混合物的組成部分的所述金屬顆粒比所述金屬顆粒的尺寸小。
42.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的釬焊混合物從由鎳為基質(zhì)的鎳釬焊、銀/銅釬焊、錫/銀、鉛/錫和聚合物組成的組中選出。
43.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱管，其中所述的數(shù)個(gè)金屬顆粒包括鋁和鎂；并且所述釬焊混合物包括鋁/鎂金屬間合金。
44.一種熱管，包括一密封并且部分抽空的具有一內(nèi)表面的殼體；一位于所述內(nèi)表面的有槽釬焊吸液芯，所述吸液芯包括數(shù)個(gè)單獨(dú)顆粒和釬焊混合物，以便所述釬焊化合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的相鄰顆粒之間，并且進(jìn)一步包括至少兩個(gè)槽脊，所述至少兩個(gè)槽脊以液體相互聯(lián)系，其中所述顆粒層中的所述焊腳互相熱接合；以及一置于所述殼體內(nèi)的工作液體。
45.一種熱管，包括一密封和部分抽空的管狀殼體，所述管狀殼體具有被釬焊吸液芯覆蓋的內(nèi)表面，所述釬焊吸液芯包括通過(guò)釬焊混合物連接在一起的數(shù)個(gè)顆粒，以致所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的相鄰顆粒之間，從而在所述顆粒之間形成一毛細(xì)通路網(wǎng)，并且密封殼體的第一末端；一底部，密封固定于所述殼體的第二末端，以便在所述殼體內(nèi)形成一內(nèi)表面；一置于所述殼體內(nèi)的工作液體；至少一鰭狀物，其從所述管狀殼體外表面徑向向外伸出；以及一位于所述內(nèi)表面的有槽釬焊吸液芯，所述吸液芯包括數(shù)個(gè)單獨(dú)顆粒和一釬焊混合物，所述數(shù)個(gè)單獨(dú)顆粒合起來(lái)得到一平均顆粒直徑，以便所述釬焊混合物的焊腳形成于所述數(shù)個(gè)顆粒的相鄰顆粒之間，并且進(jìn)一步包括至少兩個(gè)槽脊，所述槽脊通過(guò)所述至少兩個(gè)槽脊之間設(shè)置的顆粒層以液體相互聯(lián)系，其中所述顆粒層包括至少一個(gè)不大于6個(gè)平均顆粒直徑的維度，其中所述顆粒層中的所述顆粒通過(guò)數(shù)個(gè)所述焊腳互相熱接合。
46.一種用于在容器內(nèi)表面制造毛細(xì)結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟(a)提供與釬焊混合物混合的金屬顆粒漿，其中所述金屬顆粒具有第一熔點(diǎn)溫度，所述釬焊混合物具有低于第一熔點(diǎn)溫度的第二熔點(diǎn)溫度；(b)用所述漿覆蓋所述容器的至少部分內(nèi)表面；(c)干燥所述漿以形成未加工的吸液芯；以及(d)加熱所述未加工的吸液芯至不低于所述第二熔點(diǎn)溫度而低于所述第一熔點(diǎn)溫度的溫度，以便所述釬焊混合物通過(guò)毛細(xì)作用被引向相鄰的金屬顆粒，從而在所述的相鄰的金屬顆粒之間形成熱分布焊腳，因此得到釬焊吸液芯。
47.一種根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法形成的毛細(xì)結(jié)構(gòu)。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中包括將兩滴有機(jī)液體粘合劑與所述金屬顆粒漿混合以在金屬顆粒表面產(chǎn)生粘性的步驟。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中所述有機(jī)液體粘合劑包括甲基丙烯酸異丁酯漆。
50.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中步驟(a)包括將重量占6％的銅/金以65％/35％的比例磨碎成負(fù)325目的細(xì)粉與具有有機(jī)液體粘合劑涂層的銅粉末混合，并且讓所述混合物在空氣中徹底干燥。
51.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中步驟(b)包括用有機(jī)粘合劑涂覆銅表面；用釬焊混合物零星地涂覆所述銅表面，該釬焊混合物包括重量占6％的銅/金以65％/35％的比例磨碎成負(fù)325目的細(xì)粉；以及從所述銅表面去除過(guò)量的釬焊混合物。
52.根據(jù)權(quán)利要求46所述方法，其中步驟(b)進(jìn)一步包括放置一心軸于所述金屬漿頂部，以便在所述未加工的吸液芯中形成數(shù)個(gè)槽。
53.根據(jù)權(quán)利要求46所述方法，其中步驟(d)包括在1020℃真空烘烤所述未加工的吸液芯5分鐘，其中所述真空度不大于5×10-5托。
54.一種用于在熱管容器內(nèi)表面上制造熱管吸液芯的方法，包括步驟(a)在所述容器的一部分內(nèi)放置具有槽式輪廓和數(shù)個(gè)凹槽的心軸；(b)提供具有一平均顆粒直徑的金屬顆粒漿，并與釬焊混合物混合，其中所述金屬顆粒具有第一熔點(diǎn)溫度，所述釬焊混合物具有低于第一熔點(diǎn)溫度的第二熔點(diǎn)溫度；(c)用所述金屬漿覆蓋至少部分所述容器內(nèi)表面，以便所述漿依照所述心軸的槽式輪廓在鄰近槽間形成不超過(guò)約6個(gè)平均顆粒直徑的漿層；(d)干燥所述漿以形成未加工的吸液芯；(e)加熱所述未加工的吸液芯至不低于所述第二熔點(diǎn)溫度而低于所述第一熔點(diǎn)溫度的溫度，以便所述釬焊混合物通過(guò)毛細(xì)作用被吸向相鄰金屬顆粒，從而在相鄰的金屬顆粒之間形成熱分布焊腳，因此得到一釬焊吸液芯。
55.一種根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法形成的熱管吸液芯。
56.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法形成的熱管吸液芯，其中所述的漿層具有小于約3個(gè)平均顆粒直徑的厚度。
57.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法形成的熱管吸液芯，其中所述的漿層所包括的顆粒主要由銅形成。
58.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法形成的熱管吸液芯，其中所述的6個(gè)平均顆粒直徑在從約0.05mm至約0.25mm范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于傳熱設(shè)備如熱管(2)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)(25)，其具有通過(guò)釬焊混合物(30)連接在一起的數(shù)個(gè)顆粒(27)，以致所述釬焊混合物(30)的焊腳(33)形成于所述數(shù)個(gè)顆粒(27)的相鄰顆粒之間。這樣，在所述顆粒(27)間形成一毛細(xì)通路網(wǎng)以便協(xié)助通過(guò)毛細(xì)作用的工作液體轉(zhuǎn)移，而所述多個(gè)焊腳(33)提供所述多個(gè)顆粒(27)間增強(qiáng)的傳熱性質(zhì)以致大大改善所述設(shè)備(2)的整體傳熱效率。本發(fā)明也提供了一種制造所述毛細(xì)結(jié)構(gòu)(25)的方法。
文檔編號(hào)B22F7/00GK1836145SQ200480023420
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者約翰·H·羅森菲爾德, 肯尼思·G·明納利 申請(qǐng)人:熱力公司