CN100480611C - 热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热管，包括一密封的金属管壳，其内装入适量工作流体，该管壳内设有沿管壳中心轴向延伸并与管壳内壁面具一定间隙的毛细结构，使该管壳内部形成毛细结构部及位于毛细结构与管壳内壁面之间的空腔部。该热管沿管壳内壁面具空腔部，从而提高流动于该空腔部的蒸汽流体与管壳直接换热而提高热量散出速度。该蒸汽流体通道与毛细结构间还设置有汽－液两相分流隔板，以有效避免蒸汽与冷凝液体的剪力作用及绝热区域对冷凝液体的再加热效应，而提高热管性能并提升制程良率。

Description

热管
【技术领域】
本发明涉及一种热管。
【背景技术】
随着电子产业不断发展，电子元件(特别是中央处理器)运行速度和整体性能在不断提升。然而，随之产生的高瓦特数的废热问题必须克服。而热管由于具有可利用潜热快速输送大量热能、温度分布均匀、构造简单、重量轻、无需外加作用力、寿命长、低热阻及可远距离传热等特点，被广泛用来解决散热问题。
热管是主要由真空密封的管形壳体、其内壁上设置的毛细结构(如粉体烧结物、沟槽结构、丝网结构等)及其内装入的适量工作液体(如水、乙醇、丙酮等)组成。
图1所示为一种现有技术中常用于计算机散热模组的热管，该散热模组利用热管内的工作流体的相变作用，将热源的热量快速传导至散热鳍片上，再利用风扇将散热鳍片上的热能快速有效的排出计算机机壳外部。该热管管壳10内表面设置有毛细结构20，管壳10内密封有适量工作液体。该热管包含蒸发段40、绝热段50及冷凝段60三部分，当工作流体在蒸发段40受热汽化，该蒸汽流体因相变产生潜热而能带走大量热能并沿热管中心的蒸汽流体通道70作高速运动，蒸汽流体在冷凝段60因放热作用而冷凝成液体，通过重力或管壳10的毛细力作用下通过液态流体通道80回到加热端40，如此连续循环。
上述结构中，由于毛细结构设置于沿管壳内壁面，使蒸气流体流动至冷凝段时其热量必需通过毛细结构部及其内的冷却液体与管壳壁面进行换热进而传导至散热鳍片上，蒸汽流体与管壳壁面换热阻力大。
图2及图3所示为上述热管的蒸汽液体与冷凝液体在管壳10内部逆向流动。由于冷凝液体与蒸汽液体透过毛细结构20的间隙互相接触，可能发生夹带限制(entrainment limit)造成剪切力作用而冷凝液体与蒸汽液体的循环流动受阻并产生对冷凝液体传导至蒸发段之前再加热情形，导致热传输效能的遽降，且随着功率的增加此限制更加严重，从而严重影响传统热管的传热性能。
为解决上述传统单一热管的问题，业界开发出回路热管(Loop Heat Pipe，LHP)，如图4所示。该回路式热管也包含蒸发段40’、绝热段50’及冷凝段60’三部分，其蒸发段40’及冷凝段50’设有毛细结构20’，该回路式热管的最基本制作原理是将原先传统热管合一的蒸汽流体通道70与液态流体通道80，以串联方式展开而区分为蒸汽流体通道70’及液态流体通道80’予以重新组合连接而构成一循环回路式超热传导体，即所谓的回路式热管以取代原来的传统的单管式热管。虽然回路式热管比传统热管具有更优越的性能，但由于无法突破技术的瓶颈，例如：加热中心须偏离中心位置、充填工作流体不易、密封技术层面高等原因使其制程复杂、成本高并且冷凝段位置的散热鳍片不易固定、组装空间大等原因使其不易运用，最后导致无法大量生产。因此，如果能以现行热管的量产制造技术再辅以结构的创新设计而能达到类似回路式热管的性能，则不但具备量产性同时也提供解决目前高功率热量问题及降低其生产成本，是业界汲汲努力的目标。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种蒸汽流体与管壳壁面换热快进而具高效热导性能的热管。
一种热管，包括一密封的金属管壳，其内装入适量工作流体，该管壳内设有沿管壳中心轴向延伸并与管壳内壁面具一定间隙的毛细结构，使该管壳内部形成毛细结构部及位于毛细结构与管壳内壁面之间的空腔部。
所述热管与现有技术相比具有如下优点：由于该热管毛细结构设置于管壳中心，该毛细结构可预先制造后插入热管内，其制程简单，并且其沿管壳内壁面形成空腔部，而其内流动的蒸汽流体可直接与管壳壁面进行换热，其换热阻力小，有利于加快将热量传导出去。
本发明热管的进一步改进在于，该热管还包括至少一设置于该毛细结构朝向空腔部的表面之汽—液分流隔板，其至少使热管中心部之毛细结构部及空腔部相分隔。将原先并联式蒸汽流体通道与液态流体通道，中间以隔板方式区分为蒸汽流体通道及液态流体通道，从而使得高温蒸汽能快速传输至冷凝段，并避免绝热段之高温蒸汽对冷凝回流液体的再加热效应、进而改善汽—液两相之逆流冲击现象。另外，使用汽—液分流隔板可降低芯棒与毛细结构间的扩散反应或热膨胀残留应力问题所导致芯棒脱膜易黏着而造成不良率的增加。
下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
图1是现有热管的示意图。
图2是现有热管的一种汽液两相逆流作用示意图。
图3是现有热管的另一种汽液两相逆流作用示意图。
图4是现有回路式热管的示意图。
图5是本发明热管的一实施例示意图。
图6是本发明热管的另一实施例示意图。
图7是本发明热管的再一实施例示意图。
图8是本发明热管的又一实施例示意图。
【具体实施方式】
以下参照图5至图8，对本发明热管较佳实施例详加说明，俾利完全了解。
请参阅图5为本发明热管的一较佳实施例，其主要包含一金属管壳100、毛细结构200、汽—液分流隔板300及金属管壳100内填充的适量工作流体(图未示)。该热管将毛细结构200及隔板300设置于管壳100内并填充工作流体，然后予以抽真空并封闭管壳100。该毛细结构200由在热管管壳100两端处的内壁面上设置的端部毛细结构200及管壳100中心沿管壳100轴向延伸至端部毛细结构200的中心毛细结构200组成。该中心毛细结构200与管壳100内壁面具有一定间隙而形成空腔部，该中心毛细结构200朝向空腔部的表面上贴设汽—液分流隔板300，该中心毛细结构200内设计为液态流体通道800，而在汽—液分流隔板300的周围的空腔部设计为蒸汽流体通道700。由于该空腔部沿管壳100内壁面形成，其内流动的蒸汽流体可直接与管壳100壁面进行换热，相对于习知技术其换热阻力小，有利于加快将热量传导出去。另外，该中心毛细结构可直接制造完成后插入管壳即可，其制程简单。该热管也包含蒸发段400、绝热段500及冷凝段600三部分。该隔板300设置于对应绝热段500的中心毛细结构200朝向空腔部的表面上，其目的为防止隔板300两端延及蒸发段400与冷凝段600处而影响在蒸发段400与冷凝段600的蒸汽流体与冷凝液体的正常循环流动。
其工作流体的作动原理为：当热管蒸发段400受热后传导至热管内部工作流体，工作流体由液态转变成汽态的相变作用使得大量的热被带离蒸发段400，其经由绝热段500之蒸汽流体通道700而传输至冷凝段600，绝热段500区域因设置汽—液分流隔板300使得蒸汽流体通道700内只有单纯的蒸汽流通，而在冷凝段600的毛细结构200内被冷凝的液态流体通道800来输送至蒸发段400。而无汽—液两相逆流所产生的剪应力作用，因此，高温的蒸汽并不会对经冷凝作用后的工作流体施以再加热效应，可有效提升工作流体的吸放热效应，进而提高热管性能。
本发明热管由于使用汽—液分流隔板贴设于毛细结构表面上，改善芯棒的脱膜性能，可降低芯棒与毛细结构间的扩散反应或热膨胀残留应力问题所导致芯棒脱膜易黏着而造成不良率的增加。
请再参阅图6为本发明的另一实施例，其与图5主要差异在于毛细结构的设计不同，在蒸发端400沿金属管壳100壁面延伸设置有与中心毛细结构200相通之毛细结构200’，当热源作用于蒸发端400时其内的工作流体可以急速的产生相变作用而以蒸汽状态沿蒸汽通道700快速前进至冷却端600，而经放热冷凝后沿液态通道800藉毛细作用力回到蒸发端400，以完成一循环。
请参阅图7为本发明再一实施例，其与图5的主要差异在于金属管壳100内壁面与汽—液分流隔版300间设置四个加强肋310，以利于热管的折弯打扁制程。
请再参阅图8为本发明的又一实施例，其与图5主要差异在于金属管壳100内部沿管壳轴向延伸设置五个平行的柱状毛细结构200，每一毛细结构200表面上设置有汽—液分流隔版300，而毛细结构200形成液态通道800，其余之空腔部形成蒸汽流体通道800，其具有多重回路热管的功能。
可以理解地，本发明热管的汽—液分流隔板的两端可分别往蒸发段与冷凝段适当延伸；汽—液分流隔板沿毛细结构部与空腔部的界面延伸而形成管状体，其横截面形状可以是圆形、椭圆形、多边形等多种形状的壳体；汽—液分流隔板的厚度可以是薄膜(<1μm)、厚膜(>1μm)、薄管或厚管；汽—液分流隔板的形态可以是薄膜状、细网格状。汽—液分流隔板的材料可以是铜、铝等金属或合成树脂等非金属材料。
还可以理解地，本发明热管的毛细结构可以是沟槽状、网格状、纤维状、烧结粉体、多孔连通、波浪状薄板及其复合毛细结构。
是以，本发明的热管可改善现有技术的关键在于；
1.管壳中心的毛细结构设计：将毛细结构设置于管壳中心而沿管壳内壁面形成蒸汽流体通道，以提高蒸汽流体与管壳壁面的换热效果。
2.汽—液分流隔板的设计：在热管的绝热区域介于毛细结构及蒸汽流体通道间设计一汽—液分流隔板，以避免蒸汽流与冷凝液态的剪力作用。
3.汽—液分流隔板的设计：在热管的绝热区域介于毛细结构及蒸汽流体通道间设计一汽—液分流隔板，以避免绝热段的热量对于凝结液体再行加热作用，而影响其冷凝液的回流效应。
4.汽—液分流隔板的设计：由于使用汽—液分流隔板贴设于毛细结构表面上，可降低芯棒与毛细结构间的扩散反应或热膨胀残留应力问题所导致芯棒脱膜易黏着而造成不良率的增加。
5.多重管式热管设计：经由多个汽—液分流隔版的使用可以设计多重管回路热管的设计，有效降低成本增加热管效能。

Claims (9)

1.一种热管，包括一密封的金属管壳，其内装入适量工作流体，该管壳内设有沿管壳中心轴向延伸并与管壳内壁面具一定间隙的毛细结构，使该管壳内部形成毛细结构部及位于毛细结构与管壳内壁面之间的空腔部，该管壳两端的内壁面设有与管壳中部的毛细结构连接的毛细结构，其特征在于：设于管壳两端的毛细结构的横截面积大于设于管壳中部的毛细结构的横截面积。
2.如权利要求1所述的热管，其特征在于：所述热管还包括至少一设置于该毛细结构朝向空腔部的表面的汽—液分流隔板，使热管中部的毛细结构部及空腔部相分隔。
3.如权利要求2所述的热管，其特征在于：所述管壳内壁面与汽—液分流隔版间设置至少一加强肋。
4.如权利要求2所述的热管，其特征在于：所述管壳内沿管壳轴向延伸设置数个平行的柱状毛细结构，每一毛细结构表面设置有汽—液分流隔版，且该毛细结构形成液态流体通道，其余之空腔部形成蒸汽流体通道，使热管形成多重回路。
5.如权利要求2至4中任一项所述的热管，其特征在于：所述热管具有蒸发段、绝热段及冷凝段，该隔板设置于对应绝热段的部分。
6.如权利要求5所述的热管，其特征在于：所述隔板两端可分别向蒸发段与冷凝段适当延伸。
7.如权利要求2至4中任一项所述的热管，其特征在于：所述隔板沿毛细结构部与空腔部的界面延伸而形成管状体，其横截面形状可以是圆形、椭圆形或多边形。
8.如权利要求2至4中任一项所述的热管，其特征在于：所述隔板呈薄膜状或细网格状。
9.如权利要求1至4中任一项所述的热管，其特征在于：所述毛细结构可以是沟槽状、网格状、纤维状、烧结粉体、波浪状薄板及其复合毛细结构。
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