CN100426494C - 热管散热装置 - Google Patents

Abstract

一种热管散热装置，包括热管、散热器。热管具有蒸发段、冷凝段及连接蒸发段与冷凝段的绝热段，蒸发段与绝热段之间以渐缩形状过渡连接，该连接处的曲率半径与绝热段的断面宽度的比值大于0.2小于等于1，蒸发段与发热元件表面相贴合，冷凝段与散热器相连接。

Description

热管散热装置

【技术领域】

本发明涉及一种散热装置，特别是一种采用热管的散热装置。

【背景技术】

随着电子、网络通讯产品的发展，产品中的电子元件如芯片等运算速度愈来愈快，产生的热量也愈来愈多，而过高的温度会导致电气故障，因此必须散除热量以减少故障率。现有解决办法所采用的方式主要为应用热管、散热片与风扇的组合以力求提高散热效能。

如图1所示，其为一种现有热管散热装置8，包括散热鳍片2、风扇3、热管4及集热块5。热管4具有蒸发段40、绝热段42及冷凝段44。蒸发段40嵌入集热块5上的槽50内，冷凝段44则穿设于散热鳍片2的贯穿孔20内，风扇3安装于散热鳍片2的一侧。使用时，集热块5与热源如电子元件等直接接触，热管4的蒸发段40吸热后其内部充填的液态工作介质汽化，汽化的工作介质由蒸发段40经绝热段42向冷凝段44扩散，冷凝段44将热量传递至与之相连的散热鳍片2，随后由风扇3将热量吹走，此时处于冷凝段44内的工作介质被冷凝液化，液化的工作介质藉由附着于热管4内壁上的毛细结构的毛细力作用回流至蒸发段40，如此循环往复实现对热源的散热。然而，由于热管4的蒸发段40为经由集热块5与热源间接相连，存在热源至集热块5的热阻，降低散热效能。

如图2所示，针对上述不足，业界提出另一改进的热管散热装置9。该热管散热装置9具有集热块6及热管7。集热块6设计成中空壳体并在其内部充填与热管7内相同的工作介质60。热管7仅具有绝热段72及冷凝段74。集热块6上开设一孔以与热管7的绝热段72连通，从而该集热块6实施热管7的蒸发段的功能。由于集热块6具有较大的接触面积，因而其可以使用散热胶等方式直接连接于热源表面上，从而消除使用前述集热块5所存在的热阻较大的不足，在一定程度上改善了散热效果。然而，由于集热块6与热管7的绝热段72相连通时，两者之间的连接处62存在断面突变的情况，连接处62位置流阻变大，工作介质60的能量损失也增加。此外，自冷凝段74回流的工作介质60需要经过热管7内壁上的毛细结构回流，断面突变使得回流的距离较长，难以及时补充至集热块6内，易造成集热块6干透而不能正常使用。

【发明内容】

依据上述情况，有必要提供一种低流阻的热管散热装置。

一种热管散热装置，包括热管、散热器。热管具有蒸发段、冷凝段及连接蒸发段与冷凝段的圆柱状绝热段，蒸发段与绝热段之间以渐缩形状过渡连接，蒸发段与绝热段的连接处的曲率半径与绝热段的断面的直径的比值大于0.2小于等于1，蒸发段与发热元件表面相贴合，冷凝段与散热器相连接。

与现有技术相比，所述热管散热装置由于蒸发段与绝热段之间以渐缩形状过渡连接，使得热管中无急速收缩或扩张断面，流阻得以降低，能量损失大幅度减小，从而使工作介质保持相当快的流速。

【附图说明】

图1是一现有热管散热装置的结构示意图。

图2是另一现有热管散热装置的结构示意图。

图3是本发明热管散热装置的结构示意图。

图4是图3的热管工作原理图。

图5是现有热管断面突变设计的流体能量损失分析图。

图6是图3的热管流体能量损失分析图。

图7是图3的热管中的流体能量损失系数曲线图。

【具体实施方式】

请参阅图3，其为本发明一实施方式的热管散热装置100。该热管散热装置100包括热管1、散热器2及风扇3。热管1的一端与发热电子元件(图未示)相连接。散热器2具有若干鳍片，该若干鳍片中间部位开设有安装孔以供热管1穿设。风扇3安装于鳍片顶端或侧面以增强热交换的速度。

请参阅图4，从纵向剖析：热管1具有蒸发段10、绝热段12及冷凝段14三个工作段。蒸发段10呈平板状或其它与电子元件表面相适配的形状，宽度大于绝热段12的管径d。绝热段12及冷凝段14呈圆柱状。蒸发段10与绝热段12之间以具曲率半径R的弧线过渡连接，形成从蒸发段10向绝热段12的渐缩形状。请参阅图6、图7，其分别为热管1中流体能量损失分析图及该热管1中的流体能量损失系数CL与R/d关系曲线图。该曲线为一指数函数，函数式为C_L≈0.5×e^{-13(R/d)}，当曲率半径R与管径d满足0.2≤R/d≤1时，与之对应的能量损失系数C_L较小且处于区间0＜C_L≤0.0038内，从而能量损失 $h_L=C_L\frac{{(V_1-V_2)}^2}{2g}$ 也较小。而当R/d＜0.2时，能量损失系数C_L则呈指数急剧增大，最大可至0.8，而当R/d＞1时，能量损失系数C_L也不会在有明显的下降。而依据Gibson实验结论，断面渐扩或者渐缩时的能量损失h_L为：

其中，0＜C_L≤0.0038，V₁、V₂为流体在断面S₁、S₁与S₂连接处以及S₂处的流速。

与此相对地，请参阅图5，现有热管散热装置的热管断面突变而造成的流体能量损失可由下述方程式推导出来：

一、连续方程式：Q＝V₁A₁＝VeA₁＝V₂A₂..................(2)

其中，Q为流量，V₁、Ve、V₂为流体在断面S₁、S₁与S₂连接处以及S₂处的流速，A₁、A₂为管道S₁、S₂处的断面面积。

二、动量方程式：(Pe-P₂)A₂＝ρQ(V₂-Ve)................(3)

其中，P₁、Pe、P₂为流体在断面S₁、S₁与S₂连接处以及S₂处的压力，ρ为流体密度，设Ve≈V1、Pe≈P1则(3)可改成为：

$\frac{P_1-P_2}{\mathrm{\γ}}=\frac{\mathrm{\ρQ}}{{\mathrm{\ρgA}}_2}(V_2-V_1)=\frac{Q}{{\mathrm{gA}}_2}(V_2-V_1)..............................\left(4\right)$

其中，γ＝ρg    γ为比重。

三、能量方程式： $P_1/\mathrm{\γ}+Z_1+V_1^2/2g=P_2/\mathrm{\γ}+Z_2+V_2^2/2g+h_L............\left(5\right)$

即 $h_L=\frac{P_1-P_2}{\mathrm{\γ}}+(Z_1-Z_2)+\frac{V_1^2-V_2^2}{2g}....................................\left(6\right)$

其中，Z₁、Z₂为高度，h_L为于管路中流体的能量损失，因Z₁＝Z₂将(4)代入(6)可得断面突变所造成的流体能量损失h_L为：

$h_L=\frac{Q}{{\mathrm{gA}}_2}(V_2-V_1)+\frac{V_1^2-V_2^2}{2g}=\frac{V_2(V_2-V_1)}{g}+\frac{V_1^2-V_2^2}{2g}=\frac{{(V_1-V_2)}^2}{2g}................\left(7\right)$

比较(1)与(7)，因0＜C_L≤0.0038可知断面渐扩或者渐缩时的能量损失远小于断面突变所造成的流体能量损失。此外，对压降而言，流体阻抗愈大(能量损失愈多)，压降就愈大。由压降公式 $\mathrm{\ΔP}=C_L\×\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}^2$ 来看，当损失系数愈大时压降也就愈大了，因此只要0＜C_L≤0.0038即可确保流体流经此处，具有较小的压降，也就是仅有少量的能量损失。

而从径向剖析：热管1具有由金属一体成型的管壳16，于该管壳16内壁上设有毛细结构18，如丝网结构、沟槽结构、金属粉末烧结结构等以提供毛细作用力。管壳16内还填充有工作介质19如水、丙酮等流体。工作介质19在毛细结构18的毛细力作用下从冷凝段14经绝热段12向蒸发段10回流时，由于曲率半径R与管径d满足0.2≤R/d≤1，足够大的曲率使得工作介质19需要流过的路径较断面突变时的情况变短，因而热管1的效能相对较高。

当热管散热装置100装设在发热电子元件上时，平板状的蒸发段10的底面102利用导热胶或者扣具等方式直接贴设于电子元件表面，电子元件产生的热量传递至热管1的蒸发段10，使该处的液态工作介质19受热蒸发，蒸发的气体通过绝热段12流动至冷凝段14，并将热量传递至散热组件2，散热组件2的若干鳍片将气体带来的热量散发到空气中去，使之放热后冷凝为液体，在毛细结构18的毛细力作用下回流至平板状的蒸发段10，如此往复循环使得电子元件能在恒定温度下正常运行。由于蒸发段10与绝热段12之间以渐缩形状过渡连接(连接处曲率半径R与管径d满足0.2≤R/d≤1)，使得热管1中无急速收缩或扩张断面，流阻得以降低，能量损失大幅度减小，从而使工作介质19保持相当快的流速。此外，当工作介质19由冷凝段14(断面积小)汇流至蒸发段10(断面积大)时，其可以顺利补充至蒸发段10，防止由于工作介质19无法及时补充至蒸发段10而发生热管1干透的不利状况。

本实施方式中热管1所使用的管壳16与其内充填的工作介质18可为惯常应用的铜-水组合或者铝-丙酮组合，也可为其它材料的组合。此外，本实施方式中热管1的冷凝段14也可制成平板状，利用导热胶贴设于散热器2的底端从而可增大与散热器2的接触面积，加快冷凝速度。蒸发段10与冷凝段14利用导热胶贴设于散热器2的底端从而可增大与散热器2的接触面积，加快冷凝速度。蒸发段10与冷凝段14仅要求具有与发热电子元件较大的接触表面即可，而不限定于方形、圆形或者其它形状。绝热段12可为圆管，也可为棱柱形状的方管。散热器2、风扇3的结构并不限于本实施方式所揭示的结构，其也可为其它业界现有的散热器结构，在满足散热需求的情况下也可省略风扇3的使用。

对于本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案做出其它等同替换或应用于相近领域，而所有这些替换或应用都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种热管散热装置，包括一热管、一散热器，该热管具有蒸发段、冷凝段及连接蒸发段与冷凝段的圆柱状绝热段，该蒸发段与发热元件表面相贴合，冷凝段与散热器相连接，其特征在于：该蒸发段与绝热段之间以渐缩形状过渡连接，该蒸发段与绝热段的连接处的曲率半径与绝热段断面直径的比值大于0.2小于等于1。

2. 根据权利要求1所述之热管散热装置，其特征在于：该蒸发段具有与发热元件的表面相适配的贴合面。

3. 根据权利要求1所述之热管散热装置，其特征在于：该冷凝段呈扁平形状。

4. 根据权利要求1所述之热管散热装置，其特征在于：该热管散热装置还具有一风扇，该风扇安装于散热器一侧。

5. 根据权利要求1所述之热管散热装置，其特征在于：该热管具有一管壳，组成该管壳的蒸发段、冷凝段及绝热段为一体成型的。

6. 根据权利要求5所述之热管散热装置，其特征在于：该管壳材质为铜。

7. 根据权利要求6所述之热管散热装置，其特征在于：该管壳内壁面上形成有毛细结构。

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