CN100580362C - 改良型热导管散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种散热系统，其包括蒸发器和冷凝装置，该冷凝装置包括蒸汽通道、凝结区域与环绕于该蒸汽通道的冷凝物通道。该蒸汽通道有一端与该蒸发器相连，用以传送来自该蒸发器的蒸汽；该凝结区域则与该蒸汽通道的另一端相连，用以凝结该蒸汽为冷凝物；该冷凝物通道则环绕于该蒸汽通道并连接该凝结区域与该蒸发器。该冷凝物是通过该冷凝物通道而返回到该蒸发器，并在该蒸发器中通过外部热源而再次转化为蒸汽，由此气体与液体双相的循环而达到散热或热能传输的效果。本发明的散热系统实用可行，并具有提高散热效能与增加空间利用效率的优点。

Description

改良型热导管散热系统

技术领域

本发明涉及一种散热系统，特别是涉及一种包含改良型热导管与平板式蒸发器的散热系统。

背景技术

热管理在各领域中都是一个必需面对而且具有挑战性的课题，如冻土的稳定、电子设备冷却与太空飞行器等等。如何有效地将热从热源移除，或供热给热沉(Heat Sink)如散热片等，已经成为最近各领域技术发展的主要障碍之一。

在众多热管理的方法中，热导管(Heat Pipe)是一种常被应用的手段。热导管是一种双相热传导装置，可以高效率且有效地传导热能。见图1，它是一种常用的热导管装置示意图。在图1中，该热导管1主要是由管壳11、毛细结构(Wick Structure)12和端盖13组成，其内部维持在一定的低压状态，并加入适量的低沸点液体181，这种液体因其低沸点故容易蒸发。毛细结构由毛细多孔材料构成，并依附在内管壁。热导管一端为蒸发端151，另外一端为冷凝端152，当热导管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发成为高压蒸气182，该蒸气182在压力差的趋势下流向另外一端，并且释放出热量并重新凝结成液体181，液体再沿该毛细多孔材料依靠毛细力的作用流回蒸发端，如此循环不断，热量即可由热导管的一端被传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导出来。

过去几十年来，热导管已经成功地解决许多工程上的问题。然而近年来电子封装芯片尺寸越来越小，并且所消耗的功率变大，使得现在电子构件散热的问题日益严重，造成现阶段热导管理技术，已无法再适用于下一代微处理器的散热与热通量的需求，因此发展高热传量热导管是刻不容缓的。

传统的热导管构造中，其毛细结构分布于整个热导管内缘，其孔隙大小有一定的限制，其孔隙若是太小，虽然可以增加毛细力，但同时也增加了液体流动的阻力，这个矛盾造成了传统热导管在性能提升上的一个障碍，同时毛细力的限制也造成热导管长度的限制。另外，由于传统热导管的毛细结构配置在整个热导管内缘，当在热导管上加热时，蒸发发生于内侧，当热负荷过大时，毛细结构内容易产生气泡而造成干化(Dry out)，进而导致热传导的中断。

为了克服上述传统热导管的缺陷，近年来产业界开发出一种改良的环路型热导管，它是将蒸汽与冷凝物通道设计为一环路。见图2，它是一种常用的环路型热导管装置示意图。在图2中，该热导管2包括蒸发器21、冷凝区23、补偿室25、蒸汽通道231和冷凝物通道233；其中该蒸发器21为一圆管，其内部包括管壁210、主毛细结构211、次毛细结构212、和冷凝物引道214，而其管壁210向内为一锯齿状，在与该主毛细结构211相接处形成一组轴向的蒸汽引道213；该冷凝物通道233延伸插入蒸发器内部的该主毛细结构211，并有一开口与包覆其周围的冷凝物引道214相通，该冷凝区23则与一例如散热片的热沉93接触或靠近。

当该蒸发器21和外部热源91接触或靠近时，其会吸收其热能，而导致其内部储存的冷凝物262蒸发为蒸汽261，并由于压力差而延着该蒸汽通道231流出，到达该冷凝区232时，受到该热沉93的影响而放出热能，再度凝结成冷凝物262，而在该蒸发器21内部的主毛细结构211中，原有的冷凝物262蒸发后形成的孔洞空间，会产生毛细力而吸引该冷凝区232凝结的冷凝物262，通过该冷凝物通道233回到蒸发器21，并通过间隔排列的该次毛细结构212与冷凝物引道214，均匀并且有效率地散布到该主毛细结构211中，再次受到该外部热源91的影响而蒸发，从而形成循环。而该补偿室25则用来储存多余的冷凝物262，以调节整个环路系统中在不同的外部热源91的强度下所需的工作流体量的多少。

上述的环路型热导管系将传统热导管的蒸汽通道和冷凝物通道分开，可减少工作流体的流阻，从而有效地提升热导管的导热效能与传输距离，但由于其必需设计成一回路，在空间的安排上较不方便，同时其蒸发器为圆柱型，对于如电子芯片等平面热源，仍然需要转接金属来连接传导，从而增加其热阻，影响热传导的效能。

为改进以上现有的热导管的缺点，同时进一步提升散热装置的效能，发明人本诸孜孜不倦和精勤研究的求学精神，并以累积多年的专业知识与制造设计经验相互辅助，经过多方面思考及试制后，而制成了本发明的“改良型热导管散热系统”。

发明内容

本发明提供了一种散热系统，用以增加传统的热导管效能，并进一步满足产业对于散热系统在空间安排上的需求。

根据本发明的构想，提供了一种散热系统，其包括蒸发器及冷凝装置，其中该冷凝装置还包括蒸汽通道、凝结区域和冷凝物通道；其中该蒸汽通道有一端与该蒸发器相连，用以传送来自该蒸发器的蒸汽，该凝结区域则与该蒸汽通道的另一端相连，用以凝结该蒸汽为冷凝物，该冷凝物通道则环绕于该蒸汽通道，并连接该凝结区域与该蒸发器；该冷凝物是通过该冷凝物通道而返回到该蒸发器，并在该蒸发器中通过外部热源而将该冷凝物转化为蒸汽。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸发器还包括毛细结构，该冷凝区域形成的该冷凝物可通过该毛细结构具有的毛细力而被带回该蒸发器。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸发器包括补偿室，其与该毛细结构相邻，用以储存部分该冷凝物。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸发器包括蒸汽引道，其与该毛细结构相邻并与该蒸汽通道相连，用以收集该毛细结构及其本身产生的蒸汽并传送至该蒸汽通道。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸发器为平板状壳室。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该毛细结构在该平板状壳室内部是分布在靠近该外部热源的一侧。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道在该平板状壳室内部是分布在靠近该外部热源之一侧，并延伸于该毛细结构之间。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该毛细结构在该平板状壳室内部是分布在该平板状壳室上下两侧。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道在该平板状壳室内部是分布在该毛细结构与壳室外缘之间，并延伸于该毛细结构之间。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道为一立体结构，其包括一组平行排列的纵向直线通路、横向连结通路和汇集通路，其中该横向连结通路横向穿过该组纵向直线通路而将其连通，而该汇集通路用来连通该横向连结通路与该蒸汽通道。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，其包括一组以同心圆状排列的环形通路、连结通路、和汇集通路；其中该连结通路穿过该组环形通路而将其连通；该汇集通路则用来连通该连结通路与该蒸汽通道。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽通道为圆管状。

根据本发明的构想，提供了一种散热系统，其包括冷凝装置与蒸发器；其中该冷凝装置为一管中管的结构，其包括内管、凝结区域和外管，该内管是用来传送蒸汽，该凝结区域与该内管连通，该蒸汽在其中凝结为冷凝物，该外管则环绕于该内管外围并与该凝结区域连通，用来传送该冷凝物；该蒸发器则用于接受外部热源，其包括毛细结构、补偿室和蒸汽引道，其中该毛细结构与该外管连通，通过其毛细力可吸收该冷凝物；该补偿室则与该毛细结构相邻，用以储存部分冷凝物；该蒸汽引道则与该内管相连，并延伸于该毛细结构之中，用来收集该毛细结构及其本身接受该外部热源而产生的蒸汽。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸发器为平板状壳室。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该毛细结构在该平板状壳室内部是分布于靠近该外部热源的一侧。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道在该平板状壳室内部是分布于靠近该外部热源的一侧，并延伸于该毛细结构之间。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该毛细结构在该平板状壳室内部是分布于该平板状壳室上下两侧。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道在该平板状壳室内部是分布于该毛细结构与壳室外缘之间，并延伸于该毛细结构之间。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，其包括一组放射状排列的向心通路和汇集通路，该汇集通路是用来连通该向心通路与该内管。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，其包括一组平行排列的纵向直线通路、横向连结通路和汇集通路，其中该横向连结通路横向穿过该组纵向直线通路而将其连通，该汇集通路则用来连通该横向连结通路与该内管。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，其包括一组以同心圆状排列的环形通路、连结通路和汇集通路，其中该连结通路穿过该组环形通路而将其连通，而该汇集通路则用来连通该连结通路与该内管。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该冷凝区域与外部冷凝装置相接。

优选的，本发明所提供的散热系统，其中该外部冷凝装置为散热片。

本发明提供的散热系统实用可行，同时具有提高散热效能与增加空间利用等诸多优点，并具有产业实用性，极具产业价值。

本发明的效果与目的，可通过下列实施例与图示说明，便于更深入地了解。

附图说明

图1常用的传统热导管装置的示意图，

图2常用的环路型热导管装置的示意图，

图3a、图3b散热系统实施例1的示意图，

图4散热系统实施例2的示意图，

图5散热系统实施例3的示意图，

图6散热系统实施例4的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1  传统热导管

2  常用的环路型热导管

3  实施例1的散热系统

4  实施例2的散热系统

5  实施例3的散热系统

6  实施例4的散热系统

11   管壳                13   端盖

151  蒸发端              152  冷凝端

181  低沸点液体          182  蒸汽

33   热导管

21、31、41、51、61       蒸发器

12、311、411、511、611   毛细结构

313、413、513、613       蒸汽引道

315、415、515、615       补偿室

331  内管                91  外部热源

333  外管                 93       外部热沉

335  凝结区域             310      平板状壳槽

261、361  蒸汽            262、362 冷凝物

211  主毛细结构           212      次毛细结构

4131、5131、6131、6132    第一蒸汽引道

4133、5133、6133、6134    第二蒸汽引道

4135、5135、6135          第三蒸汽引道

210  管壁                 23   冷凝区

213  蒸汽引道             231  蒸汽通道

214  冷凝物引道           232  冷凝区

25   补偿室               233  冷凝物通道

具体实施方式

本发明可通过以下的实施例说明而得到充分了解，使得熟悉本领域的技术人员可以实现，然而本发明的实施并不受下列实例的限制。

实施例1

见图3a、图3b，其为本发明散热系统的实施例1的示意图。图3a为本实施例的侧向视图，图3b为本实施例的俯视图。在图3a、图3b中，散热系统3包括蒸发器31和热导管33。其中该蒸发器31为平板状壳槽310，通常为导热良好的金属合金所制成，其是用来与外部热源91靠近或接触而接受其热能，其包括毛细结构(Wick Structure)311、蒸汽引道313和补偿室(CompensationChamber)315，并在抽真空后注入一种在低压下易蒸发的液体以作为冷凝物362；该蒸汽引道313为一组相通的管道，其分布在该毛细结构311和靠近该热源的壳槽壁之间，并延伸于该毛细结构311之间，通常被设计为立体管路结构，用来收集该冷凝物362受热后产生的蒸汽361。

该热导管33为管中管结构，与该蒸发器31相连，包括内管331、外管333及凝结区域335。该内管331的一端是与该蒸汽引道313相连通，以作为蒸汽通道来传送来自该蒸发器的蒸汽361；该凝结区域335是与该内管331的另一端相连，并靠近或接触例如散热片等的外部热沉93(Heat Sink)，可使来自于该内管的蒸汽361放出热能而凝结成液状的冷凝物362。该外管333则环绕该内管，并连通该凝结区域335与蒸发器31，并与该毛细结构311相接，其是作为冷凝物的通道，可让该凝结区域335所凝结的冷凝物362通过该外管33而回到该蒸发器31，而该冷凝物362又将在该蒸发器31中受热而蒸发为蒸汽361，从而形成循环，在该循环中通过液相与气相不停的相互转换，持续将该外部热源91的热能传导至该外部热沉93。该蒸发器31中的补偿室315则用来储存适量的冷凝物262，针对不同的外部热源91的热负荷来调节整个系统中的冷凝物数量与气体压力，达到最佳的热传导效能。

在上述的循环中，其是依靠该外部热源91所提供的热能与该毛细结构311本身所具有的毛细力来驱动整个系统，当附着在该毛细结构311上的冷凝物362受热蒸发后，该毛细结构311内所残留的孔隙将会因毛细力的作用而持续对该外管333的冷凝物362产生拉力，使其不断进入该毛细结构311，而由于该冷凝物362受热后在蒸汽引道313内产生蒸汽361，而导致该蒸汽引道313中的压力比另一侧的热导管33的内管331内部要高，使该蒸汽361由于气压差，通过该蒸汽引道313汇集而往该内管331移动，而在通过该内管331抵达该凝结区域335中后，受该外部热沉93影响而释放热能，进而再度凝结为冷凝物362，再由毛细结构311所产生的毛细力将冷凝物362导引回蒸发器31内的毛细结构311，形成循环。

本发明与传统热导管结构的差别在于：其毛细结构只存在于该蒸发器31内，而不是分布在整个热导管结构中，由于该冷凝物362在主要输送阶段无需面对毛细结构所产生的流动阻力，所以可以用孔隙非常小的结构，以增加系统的驱动力，即毛细力，并通过平滑的管中管结构，来分开该热导管33中蒸汽与液体的流动，这种结构可以有效地降低流阻，并增加热管最大热传量与传输距离。更进一步的，由于只有在蒸发器内有毛细结构，从而不必担心其过小的孔隙影响冷凝物362回流的流阻，因此可用金属烧结成孔隙非常小的结构，此孔隙半径愈小愈好，可有效增加系统的毛细驱动力。

另外，传统的热导管为管状结构，当热源为一种如CPU等的平面时，其往往需要借助金属块转接，将热能传导至热导管，再传至热沉以将热移除，而本发明中该蒸发器31则可直接设计为平板状以直接接触平面热源，减少中间金属传导的热阻。同时，传统热导管的毛细结构是分布在整个热导管内缘，当外部热源加热该蒸发器31时，蒸发是发生在内侧，当热负荷过大时，毛细结构内产生的气泡非常容易造成干化现象，影响热传导的效率，甚至导致热传导的中止，而本发明在该蒸发器31内分布有蒸汽引道313延伸于毛细结构311之间，热能可以不需通过毛细结构即可将该毛细结构311边缘的该冷凝物362转换为蒸汽361。

另外对于该热导管33而言，由于其为管中管结构，在空间上的安排上比常用的环路型热管更有效，并且该冷凝物通道是设计成环绕于该蒸汽通道(即内管331)外围，不论在任何方向均便于冷凝物362依靠其本身的重量而汇集流出，降低该冷凝物362回堵蒸汽通道的可能性，从而确保了热导管的正常运作与效能发挥。

另外，本发明的蒸发器31内设置有延伸散布的蒸汽引道313，热能不需要通过毛细结构，就能产生蒸汽361，可有效地降低传统热管在热负荷过大的情形下，其毛细结构产生过多的气泡而导致的干化(Dry Out)现象。而蒸发器31设计为平板状，则可直接接触如电子芯片等平面热源，不需要转接金属来连接，减少传统热管应用时整体散热模块的热阻。

实施例2

见图4，其为本发明散热系统的实施例2的示意图。在图4中，散热系统4包括蒸发器41与热导管33，该蒸发器41包括毛细结构411、蒸汽引道413与补偿室415，该热导管33则包括作为蒸汽通道的内管331、环绕该内管331而作为冷凝物通道的外管333及凝结区域335。

本实施例与实施例1的主要差别在于该蒸汽引道413的结构，其热导管33的结构和通过蒸汽与冷凝物双相导热的运作方式则均与散热系统3相同。在本实施例中，该蒸汽引道413包括一组平行直线排列的第一蒸汽引道4131、连通该组第一蒸汽引道4131的第二蒸汽引道4133、以及连接该第二蒸汽引道4133与该内管331的第三蒸汽引道4135，其中该第二蒸汽引道4133可由该毛细结构与蒸发器41外壳间的弧状槽室构成。

通过这种巧妙的排列，可有效地汇集并导出该毛细结构411边缘的冷凝物受到外部热源所产生的蒸汽。

实施例3

见图5，其为本发明散热系统的实施例3的示意图。在图5中，散热系统5包括蒸发器51与热导管33，该蒸发器51包括毛细结构511、蒸汽引道513和补偿室515，该热导管33则包括作为蒸汽通道的内管331、环绕该内管331而作为冷凝物通道的外管333和凝结区域335。

本实施例与实施例1的主要差别在于该蒸汽引道513的结构，其热导管33的结构和通过蒸汽与冷凝物双相导热的运作方式则均与散热系统3相同。在本实施例中，该蒸汽引道513包括一组环型排列的第一蒸汽引道5131、垂直穿过并连通该组第一蒸汽引道5131的第二蒸汽引道5133、以及连接该第二蒸汽引道5133与该内管331的第三蒸汽引道5135，其中该第一蒸汽引道5131可由该蒸发器51外壳内缘的凹槽所形成，通过这种巧妙的排列，可有效地汇集并导出该毛细结构511边缘的冷凝物受到外部热源所产生的蒸汽。

实施例4

见图6，其为本发明散热系统的实施例4的示意图。在图6中，散热系统6包括平板式蒸发器61与热导管33，该蒸发器61包括毛细结构611、蒸汽引道613与补偿615，该热导管33则包括作为蒸汽通道的内管331、环绕该内管331而作为冷凝物通道的外管333和凝结区域335。。

本实施例与实施例3的主要差别在于该平板式蒸发器61的结构，其热导管33的结构和通过蒸汽与冷凝物双向导热的运作方式则均与散热系统5相同。在本实施例中，该蒸汽引道613包括两组第一蒸汽引道6131和6132，其分别分布于该平板式蒸发器61的上下两侧，并有两组第二蒸汽引道6133及6134分别穿过并连通平板上部的第一蒸汽引道6131及平板下部的第一蒸汽引道6132，并有第三蒸汽引道6135，用来连通该第二蒸汽引道6133和6134以及该内管331，通过该蒸汽引道613的巧妙安排，该蒸发器61的上下两侧可以同时接受来自两侧的外部热源，在有限的装置空间下达到更有效的散热与传导效果。

本发明可由熟练技术人员任意进行构思而形成诸多修改，然而均不脱离本发明所附的权利要求范围。

Claims (11)

1、一种散热系统，其包括：

蒸发器，包括：

毛细结构，具有毛细力；

补偿室，与该毛细结构相邻，用以储存一部分的冷凝物；及

蒸汽引道，与该毛细结构相邻，用以收集该毛细结构及其本身产生的蒸汽；

蒸汽通道，其有一端与该蒸发器的该蒸汽引道相连，用以传送来自该蒸汽引道的蒸汽；

凝结区域，与该蒸汽通道的另一端相连，用以凝结该蒸汽为冷凝物；及

冷凝物通道，环绕于该蒸汽通道，并连接该凝结区域与该蒸发器，该冷凝物是通过该冷凝物通道及该毛细结构的毛细力而返回到该蒸发器，并在该蒸发器中通过外部热源将该冷凝物转化为蒸汽。

2、如权利要求1所述的散热系统，其中该蒸发器为平板状壳室，该毛细结构：

在该平板状壳室内部是分布于靠近该外部热源的一侧，并且该蒸汽引道在该平板状壳室内部是分布于靠近该外部热源的一侧，并延伸于该毛细结构之间；或

在该平板状壳室内部是分布于该平板状壳室上下两侧，并且该蒸汽引道在该平板状壳室内部是分布于该毛细结构与壳室外缘之间，并延伸于该毛细结构之间。

3、如权利要求2所述的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，该蒸汽引道包括：

一组平行排列的纵向直线通路；

横向连结通路，横向穿过该组纵向直线通路而将该组纵向直线通路连通；及

汇集通路，用以连通该横向连结通路与该蒸汽通道。

4、如权利要求2所述的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，该蒸汽引道包括：

一组以同心圆状排列的环形通路；

连结通路，穿过该组环形通路而将该组环形通路连通；及

汇集通路，用以连通该连结通路与该蒸汽通道。

5、如权利要求1所述的散热系统，其中该蒸汽通道为圆管状。

6、一种散热系统，包括：

冷凝装置，为管中管结构，该冷凝装置包括：

内管，用于传送蒸汽；

凝结区域，与该内管连通，该蒸汽在该凝结区域内凝结为冷凝物；及

外管，环绕于该内管的外围并与该凝结区域连通，用以传送该冷凝物；及

蒸发器，用于接受外部热源，该蒸发器包括：

毛细结构，与该外管连通，并通过该毛细结构的毛细力吸收该冷凝物；

补偿室，与该毛细结构相邻，用以储存部分该冷凝物；及

蒸汽引道，与该内管相连，并延伸于该毛细结构之中，用以收集该毛细结构及其本身接受该外部热源而产生的蒸汽。

7、如权利要求6所述的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，该蒸汽引道包括：

一组放射状排列的向心通路；及

汇集通路，用以连通该向心通路与该内管。

8、如权利要求6所述的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，该蒸汽引道包括：

一组平行排列的纵向直线通路；

横向连结通路，横向穿过该组纵向直线通路而将该组纵向直线通路连通；及

汇集通路，用以连通该横向连结通路与该内管。

9、如权利要求6所述的散热系统，其中该蒸汽引道为立体结构，该蒸汽引道包括：

一组以同心圆状排列的环形通路；

连结通路，穿过该组环形通路而将该组环形通路连通；及

汇集通路，用以连通该连结通路与该内管。

10、如权利要求1或6所述的散热系统，其中该凝结区域与外部冷凝装置相接。

11、如权利要求10所述的散热系统，其中该外部冷凝装置为散热片。

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