CN100529639C - 热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热管，包括一密封的输热腔体，其内表面设有毛细结构，并在输热腔体内封入有适量工作流体，该输热腔体沿腔体长度方向分为蒸发段、冷凝段及位于两者之间的绝热段，该热管还包括二密封的储热腔体，其分别设置于该输热腔体的对应蒸发段及冷凝段的壁外部，每一储热腔体的内表面设有毛细结构，在该储热腔体中封入适量工作流体。上述热管通过储热腔体外部的较大吸热与散热面积以及较大潜热，达到提升热管最大散热能力及缩小蒸发段、冷凝段的温度差的功效。

Description

热管
【技术领域】
本发明涉及一种热传导装置，特别是指一种热管。
【背景技术】
热管具有超静音、快速传热、高热传导率、重量轻、尺寸小、无可动件、结构简单及多用途等特性，且热管可在温度几乎保持不变的状况下扮演快速传输大量热能的超导体角色而被广泛的应用；其基本构造是在密闭管材内壁衬以易吸收作动流体的毛细结构层，而其中央的空间则为空洞状态，并在抽真空的密闭管材内注入相当于毛细结构层孔隙总容积的作动流体，依吸收与散出热量的相关位置可分为蒸发段、冷凝段以及其间的绝热段；其工作原理是通过工作流体的液、汽两相变化的潜热来传递热量：包括在蒸发段借蒸发潜热自热源带走大量热量，使工作流体蒸发并使蒸汽快速通过管内空间，到达冷凝段冷却凝结成液体且释放出热能，上述工作流体则通过贴于管内壁的毛细结构层所提供的毛细力回流至蒸发段，达到持续相变化的热能循环来传输热量。
目前应用于计算机微处理器(CPU)的散热领域中，已有许多使用热管于不同结构与型式的散热装置被揭示于专利文献中，最典型的例子是利用发热元件与配有风扇的散热鳍片底座之间的热接触，并搭配热管使用以增加传热效果的装置，但受制于高发热元件的可用传热面积小，使可搭配的热管数量(总传热量)受到限制；另外，为因应较高热通量(heat flux)的解热需求，在发热元件与散热鳍片底座之间常需加装一具有良好热传导性的均热板(spreader)，该均热板通常较发热元件的热传面积大，以便将热量传到散热鳍片底座之前先均匀降低高发热元件热通量的负荷，再由较大的散热鳍片搭配的热管来将高发热电子元件的热量散出；为达上述目的，均热板通常采用铜、铝等较高热传导系数的金属板材制成，但上述金属板仍受制于材料本身有限的热传导性，当使用于高热通量的发热元件时需要较大的均热板面积来分散热量，如此会产生明显的侧向分布热阻(spreading thermal resistance)而使均热分布的效果大打折扣，导致整体散热效率的降低；为提升上述均热板的效果，已有蒸汽式散热腔(vapor chamber)的提出，其是由平板状中空腔室内的毛细结构中所含少量的工作流体在贴近外部热源的吸热端汽化，并以产生的蒸汽将热量快速传递到散热端冷凝，再通过毛细力将冷凝液回流到吸热端进行下一次汽化/冷凝的热传循环机制达到散热的功能，但由于毛细结构的量产制程(例如烧结或新微结构制程)无法于同一批次的产品中维持相近的高热传性能，直接影响产品的可靠度；且由于平板状的均热板或蒸汽式散热腔无法满足不同形状的热源与散热器外形，以及与热管的蒸发段与冷凝段作良好的配，使其应用缺乏弹性。
由于热管的性能测试主要着重在最大热传量(Qmax)以及由蒸发段至冷凝段的温度差(ΔT)两项参数，因此在一给定的热量传输状况下可以通过该温度差而获知其热阻值，进而评估热管的性能；当给定的热量超过热管的最大热传量时，由于原正常热量传输机制遭到破坏而使热阻值骤增，以致蒸发段的温度也随之骤升。
现有热管受限于蒸发段的吸热面积过小，以致热源的热量不易由蒸发段充分吸收而产生过热，另一方面，也由于冷凝段的散热面积过小，同样使热管的最大移热量受到限制，如果无法使蒸发段与热源以及冷凝段与散热装置维持密合热接触，则情况将更为严重，导致阻碍冷凝液体通过毛细力的回流，进而提早发生干化而急速升温，限制其最大传热量；且由于热管过高的长度/直径比，导致通过蒸汽传输热量的过程中造成热量的散失，而使部分流过热管中央的蒸汽提前冷凝为液滴而混合于蒸汽流中，以致由蒸发段吸热汽化的蒸汽沿蒸汽流道传输到冷凝段的速度降低甚或阻塞而限制蒸汽的热量传递，使热管的热阻增加而造成蒸发段与冷凝段之间的温度差加大，并降低热管的最大传热量，对于使用热管进行长距离的热量传输尤为不利。
现有热管技术对于提升最大传热量的方法是加大整支热管毛细结构层的厚度使其中的含水量增加，但相对地，却也使热管对温度的响应时间变慢及温度差加大；反之，对于缩小温度差的方法是薄化整支热管毛细结构层的厚度使其中的含水量降低，但相对地，却也使热管的最大传热量降低，可见现有热管技术无法兼顾提升最大传热量及缩小温度差，如此形成了较难克服的矛盾。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种提升最大传热量及缩小温度差的热管。
一种热管，包括一密封的输热腔体，其内表面设有毛细结构，并在输热腔体内封入有适量工作流体，该输热腔体沿腔体长度方向分为蒸发段、冷凝段及位于两者之间的绝热段，该热管还包括二密封的储热腔体，其分别设置于该输热腔体的对应蒸发段及冷凝段的壁外部，每一储热腔体的内表面设有毛细结构，在该储热腔体中封入适量工作流体。
与现有技术相比，上述热管通过在热管的蒸发段及冷凝段上分别设置一密封储热腔体，以提供较大吸热及散热面积并通过储热腔体在输热腔体内、外管壁所设置的毛细结构及工作液体发生相变的吸收与释出蒸发潜热的大幅增大，增强热量传输能力，达到提升热管的最大传热量及缩小温度差的功效。
下面参照附图，结合实施例对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
图1是本发明第一较佳实施例的热管纵向截面图。
图2至图6分别是本发明热管不同外形的输热腔体与储热腔体组合的各实施方式的横向截面图。
图7是本发明第二较佳实施例的热管纵向截面图。
图8是本发明第三较佳实施例的热管纵向截面图。
图9是本发明第四较佳实施例的热管纵向截面图。
【具体实施方式】
请参阅图1，是为本发明热管的第一实施例的纵向截面图；所示热管包括一密封输热腔体10，该输热腔体10内表面设有供冷凝液回流的毛细结构12，而在毛细结构12内侧中央的空间则为蒸汽通道14，并输热腔体10内部封入有适量工作液体且可适度抽至一定的真空度；该输热腔体10沿腔体长度方向依据其各段的使用功能可分为冷凝段A、蒸发段C及位于二者之间的绝热段B；该输热腔体10的对应冷凝段A及蒸发段C的外壁上分别密封套设一储热腔体20。其中，该输热腔体10及储热腔体20分别是由导热性能较好的铝、铜或其合金制成的金属管体及金属壳体。
该储热腔体20包括一直径大于输热腔体10直径的筒状第一侧壁211(或者相对输热腔体10的壁面具一定间距)及该筒状第一侧壁211两端缘分别与输热腔体10外壁连接设置的二环形第二侧壁221(该第二侧壁221的内边缘也称为内环)；该第一侧壁211(也称为外环)、第二侧壁221(也可以与该第一侧壁组合称为外壁，如纵向截面形状为“ㄇ”状的外壁)及相应的输热腔体10外壁组合形成一密封的储热腔，该储热腔的内壁，即该第一侧壁211及第二侧壁221的内表面及对应的输热腔体10冷凝段A外壁面也设有供冷凝液回流的毛细结构22，而在毛细结构22内侧中央的空洞储热腔则为蒸汽通道24，并储热腔体20内部封入有适量工作液体且可适度抽至一定的真空度。
当蒸发段C的储热腔体20将吸收外部热源的热量传给其内的工作液体使其蒸发并吸收相变潜热，并经由蒸发段C管壁将热量快速传输到输热腔体10内的另一工作液体，使其蒸发并吸收相应的蒸发潜热，该吸收潜热的蒸汽经由蒸汽通道14传输至冷凝段A，通过冷凝段A管壁将热量传输至冷凝段A上的储热腔体20内的工作液体，使其蒸发并吸收相变的蒸发潜热并通过其壁面将该潜热释放出去，而输热腔体10冷凝段A的蒸汽冷凝成液体，再通过毛细力回流至蒸发段C。该二储热腔体20具有较大吸热/散热面积，从而使热管快速大量地吸收/散发热量；另，输热腔体10及储热腔体20的工作液体结合而增加热管整体所能吸收/散的潜热量，可提升热管最大传热能力及降低热管热阻，也可缩小蒸发段C及冷凝段A之间的温度差。
上述实施例中，该储热腔体20贴近输热腔体10的内边缘未设壁面，而与输热腔体10的壁面组合形成闭合环状的密封腔体，其制造时套设于输热腔体10上之后进行密封或焊接等工作。
可以理解地，本实施例的储热腔体还可以为独立的闭合环状密封腔体，即，除了上述实施例的第一侧壁211及第二侧壁221外，还设有直径小于第一侧壁211并连接该二第二侧壁221内环缘的筒状内壁，该独立的储热腔体可直接套设于输热腔体10上使该内壁与输热腔体10壁面热导性连接(如通过过盈配合、锡焊或导热胶等进行固定连接)即可。还可以理解地，本发明上述实施例中的储热腔体20可环绕于输热腔体10的冷凝段A整个周壁面而形成闭合的环形体；也可环绕于输热腔体10的冷凝段A部分周壁面而形成半环形腔体，如横截面为“C”字状。又可以理解地，上述实施例中的储热腔体外壁面于热管纵向截面(热管轴向上的截面)形状也可为弧形面(此时上述实施例的储热腔体第一侧壁与第二侧壁组合呈弧形，如半圆形)。
上述输热腔体10及储热腔体20内的毛细结构可以为烧结粉末式、沟槽式、丝网式、蜂巢式等以及上述不同单一型式毛细结构的组合。
上述输热腔体10及储热腔体20内的工作液体可以为水、酒精、液态氨等，或者是上述不同单一工作液体的组合。
图2至图6是分别为本发明热管的不同外形的输热腔体与储热腔体组合的各实施方式的横向截面图：其中图2所示为上述实施例的圆形输热腔体10与圆形储热腔体20的组合，即该储热腔体20的第二侧壁221内环为圆形，第一侧壁211横截面也为圆形；图3所示为圆形输热腔体101与矩形储热腔体201的组合，即该储热腔体201的第二侧壁内环为圆形，第一侧壁212横截面为矩形；图4所示为矩形输热腔体102与圆形储热腔体202的组合，即该储热腔体202的第二侧壁内环为矩形，第一侧壁213横截面为圆形；图5为圆形输热腔体103与三角形储热腔体203的组合，即该储热腔体203的第二侧壁内环为圆形，第一侧壁214横截面为三角形；图6为矩形输热腔体104与矩形储热腔体204的组合，即该储热腔体204的第二侧壁内环为矩形，第一侧壁215横截面为矩形。由上述截面的示意图可知，本发明热管的输热腔体的外型可为各种形状，而储热腔体的内轮廓形状与输热腔体外型匹配，其外轮廓形状可为各种形状；在本发明热管结构中输热腔体的内表面及储热腔体的内表面及对应的输热腔体外壁面均设有毛细结构。
请参阅图7，是为本发明热管的第二实施例的纵向截面图。其与上述图1所示的实施例的区别在于，本实施例通过套设于输热腔体10’冷凝段A外壁的储热腔体20’外壁面上向外延伸设置若干散热鳍片26，以进一部增加散热面积。
请参阅图8，是为本发明热管的第三实施例的一示意图；其与第一实施例的区别在于：本实施例通过在绝热段B外壁套设一直径大于输热腔体10直径的抽真空的密封壳体30，达到真空绝热效果，有效克服热管长距离传热时由于过高的长度/直径比，导致蒸汽传输过程中热量的散失，而使部分流过热管中央的蒸汽提前冷凝为液滴并混合于蒸汽流中，从而阻塞或限制蒸汽的传递，从而使热管的温度差加大，热阻增加并降低热管的最大传热量；因此，本实施例具有进一步提升热管最大传热量及缩小温度差的功效。
请参阅图9，是为本发明热管的第四实施例的一示意图；其与第二实施例的区别在于：本实施例通过在绝热段B外壁套设一直径大于输热腔体10’直径的抽真空的密封壳体30’，达到真空绝热效果。
从上述可知，具有上述特征的本发明热管，通过在热管的冷凝段与蒸发段上套设一密封于管壁外的储热腔体，提供远大于传统热管的吸热与散热面积，达到有效降低热管传热的热通量负荷及有效降低蒸发段与冷凝段的接触热阻；并通过储热腔体在冷凝段与蒸发段的内、外管壁所设置的毛细结构，使其内的工作液体经由汽化与冷凝的相变化来进行吸收与释放蒸发潜热的高效率热传循环，达到大幅提升热管最大传热量及有效降低热管蒸发段与冷凝段的分布热阻；以及通过在绝热段外部设置一抽真空的密封空腔，提供热管长距离传热优质的绝热保护；因此，本发明的热管可同时大幅提升热管的最大传热量并大幅缩小蒸发段与冷凝段之间的温度差。

Claims (11)

1.一种热管，包括一密封的输热腔体，其内表面设有毛细结构，并在输热腔体内封入有适量工作流体，该输热腔体沿腔体长度方向分为蒸发段、冷凝段及位于两者之间的绝热段，该热管还包括二密封的储热腔体，其分别设置于该输热腔体的对应蒸发段及冷凝段的壁外部，其特征在于：每一储热腔体的内表面设有毛细结构，在该储热腔体中封入适量工作流体。
2.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述二储热腔体为分别套设于该输热腔体的对应蒸发段及冷凝段外壁上。
3.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述储热腔体为独立的环状密封腔体，其包括一外壁，该外壁包括与输热腔体壁面具一定间距的第一侧壁及分别与第一侧壁两端缘连接的二第二侧壁，该储热腔体还包括连接该二第二侧壁、与输热腔体壁面贴合的内壁。
4.如权利要求3所述的热管，其特征在于：上述储热腔体内表面均设有毛细结构，并其中封入有适量工作液体。
5.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述储热腔体包括一外壁与输热腔体壁面组合形成环状密封腔，该腔内表面均设有毛细结构，并其中封入有适量工作液体。
6.如权利要求3或5所述的热管，其特征在于：上述储热腔体外壁于纵向截面形状为“ㄇ”状或半圆形。
7.如权利要求3或5所述的热管，其特征在于：上述储热腔体环绕于输热腔体的整个周壁面而形成闭合的环形体。
8.如权利要求3或5所述的热管，其特征在于：上述储热腔体环绕于输热腔体的部分周壁面而形成半环形体。
9.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述对应冷凝段的储热腔体外壁面向外延伸设有若干散热鳍片。
10.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述输热腔体对应绝热段外壁面环绕设有密封壳体而形成真空的环形腔室。
11.如权利要求1至5项中任一项所述的热管，其特征在于：上述输热腔体的壁横截面形状为圆形、椭圆形、多边形或其复合形之一，该储热腔体的横截面内环与输热腔体的壁横截面形状相对应，其外壁横截面为圆形、椭圆形、多边形或其复合形之一。
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