專利名稱：利用液體沸騰的低成本沸騰冷卻器的制作方法
利用液體沸騰的低成本淬騰冷卻器
背景信息發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及用于多種冷卻應(yīng)用的利用泡核沸騰傳熱(nucleate boilingheat transfer)的低成本沸騰冷卻器(boiling cooler)的設(shè)計(jì)和制造。
背景技術(shù)：
來自電子器件的不斷增加的熱通量已經(jīng)促使人們尋求更有效且便宜的冷卻技術(shù)。液體沸騰，而不是單相傳熱或基于蒸發(fā)的兩相冷卻(例如熱管中的熱虹吸)，正成為有吸引力的選擇，因?yàn)槠淠墚a(chǎn)生非常高的傳熱系數(shù)，且可以獲得穿過器件和/或器件陣列表面的更均勻的溫度分布。另外，發(fā)展了許多沸騰增強(qiáng)方案，以克服用于冷卻電子器件的某些最適當(dāng)?shù)慕^緣冷卻液(dielectric liquid coolant)的差的性能，例如強(qiáng)潤(rùn)濕性、低接觸角以及低比熱。 一種有前景的沸騰增強(qiáng)方法是使用微孔涂層(microporouscoating),所述微孔涂層提供顯著增強(qiáng)的泡核沸騰傳熱和臨界熱通量，同時(shí)減少初期的滯后現(xiàn)象。利用這些技術(shù)的冷卻模件(cooling module )使得液體的沸騰至蒸發(fā)成為散熱的主要方式，而不是常規(guī)散熱裝置中使用的傳導(dǎo)或?qū)α鳌＿@可導(dǎo)致至少部分地替代或甚至完全消除必需使用金屬材料作為冷卻器主體框架，或者簡(jiǎn)化模件設(shè)計(jì)，而沒有復(fù)雜的散熱器(radiator),從而極大地減少其制造成本。
一種目前的電子冷卻裝置利用空氣調(diào)節(jié)集合管(air-conditioningmanifold )，以通過該裝置外殼內(nèi)的多個(gè)孔口或渦流管將冷空氣分布到加熱電子組件。然而，動(dòng)力消庫(kù)毛空氣循環(huán)系統(tǒng)(power consuming air circulatingsystem)及其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得這種裝置昂貴、笨重且不易適應(yīng)各種各樣的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。另一種用于電子裝置的冷卻裝置利用了液體冷卻和對(duì)流的結(jié)合。但是液體冷卻局限于使用非常低效的泵傳動(dòng)液體循環(huán)(pump-drivenliquid circulating )，且可能需要電扇的幫助來強(qiáng)制空氣對(duì)流以滿足熱負(fù)荷的需要。本發(fā)明描述的沸騰冷卻器在零功率消耗、高傳熱效率、低成本、物理形狀適應(yīng)性和小型化能力方面克服了那些常規(guī)電子冷卻裝置的許多缺點(diǎn)，使其非常適合于包括電子部件/系統(tǒng)冷卻的多種冷卻應(yīng)用。
發(fā)明概述
依照本發(fā)明的利用沸騰兩相冷卻的淬騰冷卻器提供了用于多種冷卻應(yīng)用的具有非常好的結(jié)構(gòu)和材料適應(yīng)性的低成本解決方案。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，沸騰冷卻器包括部分地填充有冷卻液并由主體殼(body-shell)封閉的容器，主體殼主要由非金屬材料制成，其中在容器內(nèi)具有用于液體蒸汽向周圍擴(kuò)散熱的額外的開放空間以及用于通過自然對(duì)流或者，如果必要，通過強(qiáng)制空氣對(duì)流額外冷卻的延伸的表面區(qū)域。主體殼的一部分是導(dǎo)熱的，并用來連接發(fā)熱部件，以便將熱通量傳遞到液體，且在應(yīng)用多種沸騰增強(qiáng)處理(例如機(jī)械糙化(mechanical roughening)或微孔涂層)的表面上誘發(fā)泡核沸騰。該導(dǎo)熱面可以是發(fā)熱器件部件的主體表面本身的一部分，從而構(gòu)成集成的器件冷卻器。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案中，容器的塑料主體殼可以容易地被才莫壓，以形成多種希望的復(fù)雜或不對(duì)稱形狀，相反地，這對(duì)于用金屬制造將是不可能的或太昂貴的。在本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于具有較大熱負(fù)荷的某些器件/系統(tǒng)，冷卻器可具有由烘烤的銅粉才莫壓的才莫壓容器，具有擠壓形狀或翅片(fin)，這提供了比使用全塑材料的那些模件好得多的導(dǎo)熱率，但還比使用全加工金屬的那些模件花費(fèi)少。冷卻器的可選擇結(jié)構(gòu)可具有用于具有金屬機(jī)體外殼的容器的塑料端蓋或頂部/底部。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可使用例如水的低成本冷卻液。
附圖簡(jiǎn)述


圖1A說明了作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的連接到沸騰冷卻器容器內(nèi)的導(dǎo)熱面的上表面的微孔淬騰增強(qiáng)涂層的剖視圖。
5圖IB是包括尺寸為30-50pm的顆粒的涂層結(jié)構(gòu)的SEM圖像。
圖2說明了作為封閉容器的淬騰冷卻器的剖視圖，所述封閉容器包括 底部室(base chamber)以及具有延伸板和4齊壓翅片的一個(gè)(或多個(gè))上部 室(upper chamber),并在底部室的底部處結(jié)合有沸騰增強(qiáng)涂層，且冷卻液 部分地填充該室。
圖3是依據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的示意地顯示具有包括相對(duì)復(fù)雜的 不對(duì)稱的殼形狀和延伸表面區(qū)域的容器的淬騰冷卻器的剖視圖。
圖4是示意地顯示了具有部分地包裹在加熱電子部件周圍的容器的沸 騰冷卻器的剖視圖，加熱電子部件的導(dǎo)熱主體殼的一部分也是冷卻器容器 的主體殼的一部分。微孔涂層被應(yīng)用到所述導(dǎo)熱面上，其至少部分地浸在 容器內(nèi)的液體中，以增強(qiáng)泡核沸騰傳熱。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述
本發(fā)明提供了具有筒化設(shè)計(jì)的容器的沸騰冷卻器，其使用便宜的非金 屬材料或低成本冷卻液，并結(jié)合了包括機(jī)械糙化、燒結(jié)和/或微孔涂層的沸 騰土曾《雖容器表面處理(boiling enhancement vessel surface treatment )。本發(fā) 明的優(yōu)選實(shí)施方案使用了在由You和Kim ( 2005 )開發(fā)的共同未決的美國(guó) 專利申請(qǐng)第11/272,332號(hào)中描述的導(dǎo)熱微孔涂層(thermally-conductive microporous coating)(TCMC )。該涂層技術(shù)結(jié)合了混合物批料類型(mixture batch type)和導(dǎo)熱微孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。使用各種尺寸的顆粒與導(dǎo)熱粘合劑 (thermally conductive binder)相結(jié)合來產(chǎn)生微孔表面，上述顆粒包括可通 過焊接工藝結(jié)合的任何金屬，包括鎳、銅、鋁、銀、鐵、黃銅和各種合金。 當(dāng)與溶劑混合時(shí)，涂層40被應(yīng)用到基底30的表面上。在此應(yīng)用之后，在 充分加熱該表面以熔化粘合劑來粘合顆粒之前蒸發(fā)溶劑。圖1A示出充滿 形成在基板頂部上的孔和顆粒的涂層結(jié)構(gòu)的剖視圖。
混合物批料類型應(yīng)用是便宜的和筒單的工藝，不需要非常高的操作溫 度。由于粘合劑的高導(dǎo)熱率，通過此工藝產(chǎn)生的涂層表面是不受其厚度影 響的。因此，可以在微孔結(jié)構(gòu)中構(gòu)造大尺寸的孔，用于例如水的某些低潤(rùn)濕性但潛在的低成本的流體，而不會(huì)引起沸騰增強(qiáng)的嚴(yán)重降低。這使得沸 騰冷卻器簡(jiǎn)單地通過調(diào)整金屬顆粒的尺寸以允許所形成的多孔尺寸范圍 很好地適合所選擇液體的表面張力而使沸騰傳熱性能最優(yōu)來對(duì)各種類型
的冷卻液保持其高的冷卻效率。圖IB示出包含使用-100+325目鎳粉與焊 膏混合的約30-50pm尺寸的鎳顆粒的涂層表面的SEM照片。清楚地看到 焊膏作為鎳顆粒之間的粘合劑，且作為結(jié)果其產(chǎn)生眾多的微孔。帶有 30-50pm這一尺寸范圍的顆粒的涂層已經(jīng)被示出，以提供水作為冷卻液的 優(yōu)良的沸騰傳熱性能。
依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的浙騰冷卻器在圖2中作為封閉容器示出， 所述封閉容器包括具有導(dǎo)熱面130的底部室120以及依據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施 方案的一個(gè)或多個(gè)上部室110。導(dǎo)熱微孔涂層(TCMC) 140被應(yīng)用到底部 室120內(nèi)的導(dǎo)熱面130的表面，加熱電子部件IOO從底部室120外部與底 部室120連接。冷卻液150部分地填充底部室120，從而至少部分地覆蓋 TCMC 140的表面區(qū)域，佳_得從加熱元件/器件100傳導(dǎo)的熱通量可以在 TCMC 140的微孔表面處誘發(fā)液體150的泡核彿騰。在此沸騰冷卻器中， 泡核沸騰傳熱通過TCMC 140顯著地增加，且成為將熱擴(kuò)散到液體150中 的主要方式。在此情況下，傳導(dǎo)變得不太重要，以至于除了導(dǎo)熱面130以 外，冷卻容器的整個(gè)主體殼可由例如塑料材料的非金屬制造。液體沸騰產(chǎn) 生的蒸汽保持在上部室110的開放空間160內(nèi)，上部室110具有一個(gè)/或多 個(gè)延伸板180和相連的多個(gè)擠壓翅片170，用于通過自然對(duì)流或強(qiáng)制空氣 對(duì)流獲得最大熱交換。
本發(fā)明的液體沸騰冷卻器的優(yōu)勢(shì)包括其不需要在該裝置內(nèi)部的散熱 器或其它復(fù)雜的熱交換器，從而使得其非常適合于被小型化，以用于電子 冷卻應(yīng)用。如圖2中所示出的，沸騰冷卻器可具有小于或等于300mm的 高度/i和/或4黃向尺寸丄。不同于圓形，圖2中的冷卻器還可以^皮伸長(zhǎng)(垂 直于圖中所示出的截面)，這需要兩個(gè)端蓋來密封容器。作為對(duì)完全使用 塑料材料的比較評(píng)定(trade-off), —個(gè)實(shí)施方案可以仍然將例如鋁或銅的 常用金屬用于容器的主要部分，以利用其高導(dǎo)熱率，所述容器的主要部分 包括接觸發(fā)熱器件的面和用于對(duì)流熱交換的所有才齊壓翅片結(jié)構(gòu)，但端蓋可 由塑料制造，以減少制造成本。與TCMC 140結(jié)合的滯騰冷卻器的優(yōu)勢(shì)是冷卻容器的主體殼的主要 部分可由非金屬材料制造，以節(jié)約成本。通過TCMC增強(qiáng)的液體彿騰和貫 穿冷卻容器的開放空間160的附加的蒸汽熱擴(kuò)散，此沸騰冷卻器中的傳熱 基本上在冷卻器的容器內(nèi)部發(fā)生。因此，對(duì)于淬騰冷卻器來說，像在用于 各種加熱電子元件/器件的包括散熱裝置的許多常規(guī)冷卻器中那樣具有高 傳導(dǎo)的金屬主體殼并不是必需的。高導(dǎo)熱材料，通常例如銅或鋁的金屬， 必須被用于那些常規(guī)冷卻器的主體殼，因?yàn)橥ㄟ^殼將熱傳導(dǎo)到表面，然后 通過使用強(qiáng)制空氣對(duì)流來冷卻，是它們冷卻的主要方式。在如圖2中所示 出的一個(gè)實(shí)施方案中，容器室110和120的主體殼的主要部分，包括那些 擠壓翅片170和延伸板180可由包括塑料、乙烯基樹脂(vinyl)或紙的非 金屬材料制造，這比任何金屬要便宜得多。不僅材料成本較低，與加工金 屬相比，用于那些擠壓翅片結(jié)構(gòu)的塑料成型的能力也減少制造成本。另外， 這些非金屬主體殼還可以是電絕緣的，這提供了優(yōu)于具有用于某些電子冷 卻應(yīng)用的導(dǎo)電金屬殼的常規(guī)冷卻器的重要優(yōu)勢(shì)。
使用TCMC的沸騰冷卻器的附加優(yōu)勢(shì)是可以通過使用簡(jiǎn)單的工藝修 改生成孔的顆粒(cavity-generating particle)的尺寸來優(yōu)化TCMC沸騰增 強(qiáng)涂層，以便對(duì)于廣泛的冷卻液類型來說，TCMC沸騰增強(qiáng)涂層可以確保 不會(huì)減低泡核傳熱速率和臨界熱通量規(guī)格。如果可以使用例如水的便宜的 液體來代替專門開發(fā)的冷凍劑或化學(xué)流體，這自然地轉(zhuǎn)變?yōu)榈统杀镜姆序v 冷卻器。如前所述，已經(jīng)示出包含使用-100+325目鎳粉與焊膏混合的尺寸 約30-50pm的鎳顆粒的TCMC表面，以提供對(duì)于水作為冷卻液的優(yōu)良的沸 騰傳熱性能。
雖然TCMC沸騰增強(qiáng)表面處理是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但應(yīng)該利用 多種其它的沛騰增強(qiáng)技術(shù)，例如機(jī)械糙化、燒結(jié)和/或常規(guī)微孔涂層，以使 其集成在依據(jù)本發(fā)明的沸騰冷卻器中。
在與泡核沸騰結(jié)合的此冷卻器的又一個(gè)實(shí)施方案中，包括翅片的室的 殼可以通過利用才莫壓的和烘烤的銅粉來構(gòu)造，這提供比使用全塑材料的那 些模件更好的導(dǎo)熱率，但仍比那些使用全金屬加工的模件花費(fèi)少。類似地，
8選材料。對(duì)于冷卻具有相對(duì)大的熱負(fù)荷的某些器件/系統(tǒng)，除了冷卻容器內(nèi) 部的泡核沸騰傳熱之外，傳導(dǎo)的主體殼是必需的，以與冷卻器的環(huán)境更有 凌文i也熱交才灸。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，由塑料制成的主體殼可以被模壓成具 有不對(duì)稱形狀或小的詳細(xì)特征的相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如果可能，使用金屬制
造通常要昂貴得多。圖3說明了具有被主體殼271封閉的容器220的這一 沸騰冷卻器的實(shí)施例，所述容器220包括具有不規(guī)則形狀和不同高度的多 個(gè)上部室221和222，上述高度例如在具有尺寸的常見底部室之上的& 和/22 (沿著垂直方向的尺寸未示出)。沸騰冷卻器還包括在導(dǎo)熱面殼231 (主體殼271的一部分)上的沸騰增強(qiáng)表面241、部分填充的冷卻液251。 由于淬騰而產(chǎn)生的蒸汽有助于在增加用于通過對(duì)流來冷卻的額外路徑的 所有延伸空間261上散熱。在某些情況下，其上密封許多電或光部件/器件 的電路模板和/或系統(tǒng)線路卡(system line card)在用于關(guān)聯(lián)的或集成的冷 卻器的機(jī)械設(shè)計(jì)方面有非常嚴(yán)格的要求。對(duì)冷卻器容器的主體殼使用塑料 材料可以容易地將冷卻器制作成復(fù)雜的形狀或?qū)ｉT的尺寸，而不用擔(dān)心將 成本變高。在其它的系統(tǒng)應(yīng)用中，可能不能獲得強(qiáng)制空氣冷卻，從而使得 傳統(tǒng)的散熱裝置不可能處理從那些電子系統(tǒng)出來的不斷增加的熱通量。利 用依據(jù)本發(fā)明的沸騰增強(qiáng)表面的冷卻器能在容器內(nèi)部獲得有效的冷卻，使 得強(qiáng)制空氣對(duì)流對(duì)于系統(tǒng)不是必需的。另外，自然對(duì)流或強(qiáng)制空氣對(duì)流仍 可以通過此沸騰冷卻器的容器的延伸的外部表面提供額外的熱交換。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，沸騰冷卻器容器被轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)熱部件的 嵌入部分(built-in part )。換句話說，將冷卻器和發(fā)熱部件作為相結(jié)合單元 或集成單元構(gòu)造在一起。圖4示出這一沸騰冷卻器的實(shí)施例，其導(dǎo)熱面330 實(shí)質(zhì)上是發(fā)熱部件300的主體殼(至少覆蓋部分表面)。表面沸騰增強(qiáng)處 理340在容器內(nèi)部的表面處被至少部分地應(yīng)用到面330上。主體殼320的 其它部分可由包括塑料、乙烯基樹脂、紙或者模壓的和烘烤的銅粉的較便 宜的材料制成，其用面330密封，以形成保持部分填充的冷卻液350的封 閉容器。如圖4中所示出的，為了對(duì)流冷卻的額外的好處，主體殼320的 形狀#1有意地制成具有延伸的表面區(qū)域。雖然主體殼320的形狀是相對(duì)不規(guī)則的，但由于例如塑料的材料選擇，它可以被容易地和便宜地制成。在 此情況下，/23和丄3的尺寸基本上取決于發(fā)熱部件300本身的尺寸。
前面描述的本發(fā)明實(shí)施方案作為說明和描述被提供。它們并不是用來 將本發(fā)明限制為所描述的確切形式。特別地，預(yù)期這里描述的發(fā)明的功能 實(shí)現(xiàn)可以在硬件、軟件、固件和/或其它可獲得的功能部件或組件塊中被等 價(jià)地實(shí)現(xiàn)。按照上面的教導(dǎo)，其它的變化和實(shí)施方案是可能的，且因此期 望本發(fā)明的范圍不被此詳述所限制，而是被所附權(quán)利要求所限制。
權(quán)利要求
1.一種沸騰冷卻器，其包括容器，其用包含導(dǎo)熱面的主體殼封閉；冷卻液，其至少部分地填充所述容器；以及沸騰增強(qiáng)表面，其在所述容器內(nèi)的表面處連接到所述導(dǎo)熱面。
2. 如權(quán)利要求1所述的沸騰冷卻器，其進(jìn)一步包括冷卻發(fā)熱部件的裝置，所述發(fā)熱部件在所述容器外的表面處連接到所述導(dǎo)熱面，所述冷卻發(fā)熱部件的裝置通過經(jīng)由所述容器內(nèi)的沸騰增強(qiáng)涂層增強(qiáng)的液體沸騰傳熱，以及通過蒸發(fā)將熱擴(kuò)散到所述容器內(nèi)的開放空間來冷卻所述發(fā)熱部件。
3. 如權(quán)利要求1所述的沸騰冷卻器，其中所述容器的主體殼包括從10mm至2000mm范圍的尺寸，以用于多種冷卻應(yīng)用。
4. 如權(quán)利要求3所述的';弗騰冷卻器，其中所述容器的主體殼包括一個(gè)或多個(gè)延伸板和一個(gè)或多個(gè)擠壓翅片。
5. 如權(quán)利要求3所述的沸騰冷卻器，其中所述容器的主體殼至少部分地包括塑料、乙烯基樹脂、紙或者才莫壓的和烘烤的銅粉。
6. 如權(quán)利要求3所述的沸騰冷卻器，其中所述容器的主體殼進(jìn)一步包括電絕緣和/或?qū)崴芰稀?br> 7. 如權(quán)利要求1所述的滯騰冷卻器，其中在所述容器內(nèi)的表面處連接到所述導(dǎo)熱面的所述沸騰增強(qiáng)表面至少部分地浸在所述冷卻液中。
8. 如權(quán)利要求7所述的沸騰冷卻器，其中所述沸騰增強(qiáng)表面包括通過機(jī)械糙化、或燒結(jié)、或微孔涂層、或?qū)嵛⒖淄繉犹幚淼慕Y(jié)構(gòu)。
9. 如權(quán)利要求8所述的沸騰冷卻器，其中所述導(dǎo)熱微孔涂層通過使混合的生成孔的顆粒批料與導(dǎo)熱粘合劑相結(jié)合而形成。
10. 如權(quán)利要求8所述的沸騰冷卻器，其中所述導(dǎo)熱微孔涂層進(jìn)一步包括用于多種低成本冷卻液類型的最優(yōu)尺寸范圍在8pm-20(Him之內(nèi)的生成孑L的顆并立。
11. 如權(quán)利要求10所述的沸騰冷卻器，其中所述低成本冷卻液包括水。
12. —種集成的冷卻裝置，其包括容器，其由非金屬的電絕緣殼和導(dǎo)熱面封閉，其中所述導(dǎo)熱面是發(fā)熱部件的主體表面的一部分；冷卻液，其至少部分地填充所述容器；以及沸騰增強(qiáng)涂層，其在所述容器內(nèi)部，連接到所述發(fā)熱部件的表面。
13. 如權(quán)利要求12所述的冷卻裝置，其中所述非金屬的電絕緣殼包括從1 Omm至2000mm范圍的尺寸和自適應(yīng)形狀，以用于多種冷卻應(yīng)用。
14. 如權(quán)利要求13所述的冷卻裝置，其中所述非金屬的電絕緣殼進(jìn)一步包括用于通過對(duì)流將熱擴(kuò)散到環(huán)境的一個(gè)或多個(gè)延伸板和多個(gè)擠壓翅片。
15. 如權(quán)利要求13所述的冷卻裝置，其中所述非金屬的電絕緣殼至少部分地包括塑料、乙烯基樹脂或紙。
16. 如權(quán)利要求13所述的冷卻裝置，其中所述非金屬的電絕緣殼可以導(dǎo)熱。
17. 如權(quán)利要求12所述的冷卻裝置，其中連接到所述發(fā)熱部件的表面的所述沸騰增強(qiáng)涂層至少部分地浸在所述冷卻液中。
18. 如權(quán)利要求17所述的冷卻裝置，其中所述沸騰增強(qiáng)涂層包括通過使混合的生成孔的顆粒批料和導(dǎo)熱粘合劑相結(jié)合而形成的微孔表面結(jié)構(gòu)。
19. 如權(quán)利要求17所述的冷卻裝置，其中所述沸騰增強(qiáng)涂層進(jìn)一步包括用于多種低成本冷卻液類型的最優(yōu)尺寸范圍在8nm-200|im之內(nèi)的生成孔的顆粒。
20. 如權(quán)利要求19所述的冷卻裝置，其中所述低成本冷卻液包括水。
全文摘要
提供了一種利用沸騰兩相冷卻的低成本沸騰冷卻器。當(dāng)沸騰蒸發(fā)成為利用沸騰增強(qiáng)表面在包含冷卻液的容器內(nèi)部顯著地增加泡核沸騰傳熱的沸騰冷卻器散熱的主要方式時(shí)，容器的主體殼至少部分地可由減少制造成本的便宜材料制成。主體殼還可以是不導(dǎo)電的，以滿足某些電子設(shè)備冷卻應(yīng)用的需要。冷卻液可以使用例如水的低成本介質(zhì)。
文檔編號(hào)F28D15/02GK101568791SQ200780019193
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2007年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
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