CN101026946A - 环路导热装置 - Google Patents
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Abstract
一种环路导热装置，其包括蒸发器和冷凝器，两者之间通过环管连接，构成流体工质的循环回路；其中，该蒸发器内部具有毛细组织芯体，在该毛细组织芯体上形成有多个隧道，且其一端汇集在蒸气室，并与该环管的一端连接形成气态工质的输出端，该环管的另一端通过冷凝器后形成液态工质的输入端，连接于该蒸发器，且该环管的管道末端伸入并接触该毛细组织芯体内部，并在该毛细组织芯体上方形成液态工质的补偿室。这样，采用气液分离的循环回路，以达到最佳的散热效率，且构造简单化、容易量产。
Description
技术领域
本发明涉及导热装置，特别地涉及一种环路导热装置，其蒸发器与冷凝器之间通过环管连接构成流体工质的循环回路，该蒸发器内设有蒸气室和补偿室，采用气液分离，以达到最佳的散热效率。
背景技术
随着科技发展日新月异，电子产品迅速发展，在轻、薄、短、小及精致化的趋势下，加上对性能的要求越来越高，相应使用的功率必定也越来越高。这样，随着体积变小、功率变大的要求，电子组件表面的发热密度将迅速增加，相应的热处理问题就变得十分棘手，这可以从如计算机的CPU、VGA卡、南北桥芯片组或通讯组件等高功率芯片中的聚热效应得到验证。因此，如何在有限空间内解决这类散热问题，确保电子产品的正常操作成为了当今亟待解决的关键技术问题和商业化需求。传统式热管因其热传导性好，现在已被广泛应用于电子热传导领域，如计算机内部中央处理器的散热等。但是，由于其毛细结构必须贴附于整根热管内部的管壁，虽然提供了工质液体回流的毛细力，但其在毛细结构内部的流动阻力也成为流动压降的主要来源。因此，造成其性能在某些操作情形下会有大幅度递减的问题。
为了提高传统热管的导热效率，环路热管(Loop Heat Pipe，LHP)成为一种较新的导热概念，例如图10和图11所示为公知的环路热管操作原理，其由蒸发器1’、蒸气段2a’、冷凝器3’、回流段2b’、补偿室1a’五个部分组成。该蒸发器1’内部有一组毛细结构1b’(wick structure)。在蒸发器1’壁上或毛细结构1b’上有许多槽道-蒸气通道10’(如图11所示)。其基本的工作原理是，毛细结构1b’本身可以吸收液体使得毛细结构1b’充满工质液体，而当蒸发器1’被加热时，毛细结构1b’同时也被加热，该毛细结构1b’中的液体便会蒸发成气体并带走了热量；当气体沿着蒸气段2a’来到冷凝器3’的时候，气体被冷凝成了液体，毛细结构1b’的毛细力再使液体沿着回流段2b’回流到补偿室1a’，并到达毛细结构1b’。如此形成了一个循环回路。该环路热管内的工质循环的驱动力，主要来自于毛细结构1b’所产生的毛细力，因此毛细力必须大于工质在系统各组件之间流动所造成的压降，才可确保系统可以稳定地操作，这就是所谓的毛细极限。如果输入热量造成的流动超过了毛细极限时，补偿室1a’无法适时提供工质液体回流，环路热管将出现干涸(dry out)的现象，内部工质的循环便失效。
发明内容
鉴于传统导热管效率的开发几乎已达到瓶颈，而公知的环路热管(LHP)受限于小型化的量产技术及价格因素，尚未普及应用于电子产业，因此本发明的主要目的在于提供一种构造简单化、容易量产及成本低并能达到最佳散热效率的环路导热装置。
为了达到上述目的及其它目的，本发明的环路导热装置包括蒸发器和冷凝器，两者之间通过环管连接，构成流体工质的循环回路；其中，该蒸发器内部具有毛细组织芯体，在该毛细组织芯体上形成有多个隧道，且其一端汇集在蒸气室，并与该环管的一端连接形成气态工质的输出端，该环管的另一端通过冷凝器后形成液态工质的输入端，连接于该蒸发器，且该环管的管道末端伸入并接触该毛细组织芯体内部，并在该毛细组织芯体上方形成液态工质的补偿室。
根据本发明的导热装置，该毛细组织芯体只存在于蒸发器内，该蒸发器内设有蒸气室和补偿室，采用气液分离的循环原理，且其传输路径采取平滑的管路，与传统毛细管芯几乎占据整个管路相比，本发明的液体工质在毛细组织芯体内的流动仅占其中一小部分。这样，可以有效地提高毛细力，同时不会增加液体工质在毛细组织芯体内的流动阻力，因此能有效地克服逆重力操作及长距离热传输的流动阻力等问题。并且与传统热管最大不同的是，环路导热装置是基于气液通道分离的设计，使得蒸气流动方向与冷凝后的液态工质平行，从而没有传统热管负载限度的问题，因此能承受比热管更高的瓦特数，达到最佳的散热效率，且由于其管路的形状没有绝对性，所以可根据不同的情况进行不同的设计，相当具有弹性，能符合现今电子产品高效率及轻薄短小的趋势。这是本发明的另一目的。
根据本发明，该毛细组织芯体能分别烧结，该导热装置可在非高温环境中制造完成，不仅能确保该导热装置的结构强度、平坦度、稳定性及可靠性等，且其构造简单化、容易量产且生产成本低。这是本发明的再一个目的。
附图说明
图1为本发明环路导热装置实施例的平面示意图。
图2为显示图1中的蒸发器的分解状态立体图。
图3为图2中的第一种毛细组织芯体的放大立体图。
图4为自图1的4-4方向的剖面图，其中显示第一种毛细组织芯体实施例的实施状态。
图5为自图1的5-5方向的剖面图，其中显示第一种毛细组织芯体实施例的实施状态。
图6为本发明毛细组织芯体的第二实施例的立体图。
图7为显示图6第二种毛细组织芯体实施例的实施状态剖面图。
图8为本发明毛细组织芯体的第三实施例的分解状态立体图。
图9为显示图8第三种毛细组织芯体实施例的实施状态剖面图。
图10为现有技术，为一种典型的环路热管的平面示意图。
图11为自图10的11-11方向的剖面示意图。
具体实施方式
以下将配合实施例对本发明技术特点作进一步说明，该实施例仅为优选代表的实例，并非用来限定本发明的实施范围，通过参考附图结合下列详细说明而获得对本发明最好的理解。
首先，参考图1至图5，为本发明环路导热装置1的实施例，如图1所示，其基本上包括一个蒸发器10和一个冷凝器30，两者之间通过一个环管20连接，构成流体工质的一个循环回路。图2为本发明蒸发器10的分解状态立体图。图3为本发明毛细组织芯体13的第一实施例立体图。图4和图5为该毛细组织芯体13应用在本发明环路导热装置1上的剖面图。
如图2至图5所示，根据本发明，该蒸发器10为平板式均热板，由矩形壳体11和盖部12等组成，该壳体11和盖部12以导热性材料例如铜、镍、钛或其混合物等材料冲制而成，两者紧密接合构成一负压的密闭空间。毛细组织芯体13以导热性材料例如铜、镍、钛或其混合物等材料的粉末烧结成多孔性气隙组织，设于该密闭空间内部并与底部和侧壁之间形成紧密接合。该毛细组织芯体13沿底部内侧形成有多个平行的隧道131。另外，该毛细组织芯体13一侧的下端，沿该隧道131的垂直方向形成截角132，该截角132与该空间底部和侧壁之间构成与该隧道131连通的蒸气室15(参考图4和图5)。环管20一端连接在该壳体11上的圆孔110，并与该蒸气室15连通以形成气态工质的输出端21；该环管20另一端通过冷凝器30例如水套式热交换器或气冷式热交换器(散热鳍片)等之后，形成液态工质的输入端22，并经该壳体11上的圆孔110’进入该蒸发器10内。补偿室16位于该毛细组织芯体13上方，并介于该毛细组织芯体13与该盖部12之间，以形成液态工质的一个缓冲贮槽；该补偿室16是通过一个缓冲垫14例如以硅胶材料成型，沿壳体11内侧周缘而设置，使该毛细组织芯体13与该盖部12之间维持一补偿室空间。另外，该盖部12周缘对应冲出有一个沿壳体11内侧突出的凸缘部121，抵压在该缓冲垫14上方，使该毛细组织芯体13与该壳体11之间形成紧密接合。另外，上述环管的输入端22的端部22a延伸设置在该毛细组织芯体13上方，或者可伸入该毛细组织芯体13内(图中未示出)。例如图2中所示，该毛细组织芯体13与缓冲垫14之间分别形成有一个与该环管20外径一致的凹部133、141，该环管的输入端22的端部22a通过此凹部133、141延伸设置在该毛细组织芯体13上方，使回流的液态工质能迅速被该毛细组织芯体13所吸收，并产生液体循环的毛细驱动力。
参考图5并对照图1，根据本发明，该蒸发器10内部经抽真空并注入具有气、液两相变化的流体工质，例如水、氨水、乙醇等。当蒸发器10吸收外界的热量时，毛细组织芯体13内的液体工质也被加热蒸发成蒸气，此时蒸气处于饱和温度，突然经气化膨胀过程使蒸气向压力较低的隧道131集中，但由于蒸气在隧道131中被持续加热成为过热蒸气，因此沿着隧道131流动汇集至蒸气室15，此过程因为毛细组织芯体13不断地加热而使过热蒸气逐渐变成饱和蒸气，同时过热蒸气借助环管20体积变大产生等温膨胀现象，而从输出端21输出。当饱和蒸气进入冷凝器30时，经热交换后，部分饱和蒸气冷凝转变成液体，但仍处于饱和状态，该饱和液体经持续的冷却，在通过冷凝器30时变成更低温度的过冷液体，并通过环管20向压力低的一端流动，而从输入端22回流到蒸发器10内。由于液体工质回流的过程存在阻力损失，该补偿室16为回路中压力的最低点，同时在毛细组织芯体13毛细力的作用下，液体工质不断地流向补偿室16并向毛细组织芯体13内渗透。同时，也由于毛细组织芯体13持续受热，使得热量被反向传输到补偿室16，最终达到稳态平衡温度，故液体工质自补偿室16向毛细组织芯体13内渗透时是处于降压加温的过程。熟知该项技术的人员可以理解的是，该补偿室16与高温的毛细组织芯体13相连，故其温度并非是最低的，该补偿室16内也是气液两相共存处在饱和点上，该毛细组织芯体13内的液体工质持续加热到蒸发温度时，所产生的气体便从毛细结构中脱离跑到隧道131中，构成气液相循环。
根据本发明，发明人考虑到，在理想的情况下该毛细组织芯体应该同时具备有较高的毛细力和较高的渗透率，然而较高的毛细力通常要求有较小的气隙孔径，相对地，较小的气隙孔径却意味较低的渗透率。为了有效达到最佳的毛细力与渗透率平衡的需求，图6为根据本发明毛细组织芯体13的第二实施例立体图，图7为该毛细组织芯体13应用在本发明环路导热装置1上的剖面图。本实施例基本上构造特征与前述实施例相同，不同的是，该毛细组织芯体13是以两种不同粗细的导热性材料例如铜、镍、钛或其混合物等材料的粉末一体烧结成气隙密度上下不同的多孔性组织。其中，位于下方的第一芯体13a是以较细的微粒粉末烧结成气隙较小且致密的毛细组织，使其具有最佳的毛细力；位于上方的第二芯体13b则以较粗的微粒粉末烧结成气隙较大略疏松的毛细组织，使其具有最佳的渗透力。另外，该第一芯体13a沿底部内侧形成有多个平行隧道131，且该第一芯体13a的一侧沿该隧道131垂直方向形成截角132，该截角132与该壳体11内侧空间底部和侧壁之间构成蒸气室15，并介于该隧道131与该环管的输出端21之间。
另外，图8为本发明毛细组织芯体13的第三实施例立体图，图9为该毛细组织芯体13应用在本发明环路导热装置1上的剖面图。本实施例同样由两种具有不同气隙密度的多孔性组织构成，本实施例与第二实施例不同的是该毛细组织芯体13是由位于下方的第一芯体13a和位于上方的第二芯体13b两者层叠连接构成，以提供液体循环的毛细驱动力以及液体流动的通道。根据本发明，该第一芯体13a和第二芯体13b分别以不同粗细的导热性材料例如铜、镍、钛或其混合物等材料的粉末烧结成具有不同气隙密度的多孔性组织。其中，该第一芯体13a是以界较细的微粒粉末烧结成气隙较小且致密的毛细组织，使其具有最佳的毛细力；该第二芯体13b则以较粗的微粒粉末烧结成气隙较大略疏松的毛细组织，使其具有最佳的渗透力。该第一芯体13a沿底部内侧设有多个平行隧道131，且该第一芯体13a的一侧沿该隧道131垂直方向形成截角132，该截角132与该壳体11内侧空间底部和侧壁之间构成蒸气室15，并介于该隧道131与该环管的输出端21之间。
如图7和图9所示，该环管的输入端22的管道末端22a伸入该第一芯体13a和第二芯体13b内部之间，或者可延伸设置在该第二芯体13b上方(图中未示出)。例如，图中该第一芯体13a和第二芯体13b之间分别形成有一个与该环管20外径一致的凹部133、134，该环管的输入端22的端部22a延伸设置在该凹部133、134中。上述第二及第三实施例的构造基本上与第一实施例相同，操作原理也与前述实施例相同，故省略不重复赘述。值得一提的是，在图7和图9的实施例中，该环路导热装置1中，该蒸发器10内采用复合式烧结芯体，该第二芯体13b较大的气隙孔径蓄积的水分高，除了可降低其导热系数之外，同时水分含量高的气隙组织造成蒸气向补偿室16上升的阻力，能确保蒸气向隧道131聚集。另外，该隧道131设置在第一芯体13a的底部的设计，其目的在于使蒸发器10接触热源时，蒸气能迅速聚集至蒸气隧道131并且迅速汇集至环管的输出端21。在较低负荷下，该环路导热装置的补偿室16与冷凝器30之间有着液体重新分布的交互作用，该作用造成了环路导热装置的自动调节(auto regulation)特性，在此特性之下，环路导热装置为可变热阻。在实用中，适当的设计参数可决定此自动调节的行为并可借助控制回流液体的温度达到主动调节温度的目的。
综上所述，本发明的环路导热装置采用气液分离的设计，能达到最佳的散热效率，且可在非高温环境中制造完成，因此其平坦度、稳定性及可靠性能获得保证，不仅构造简单化、量产容易，而且能降低生产成本，新颖、进步且具产业利用性。
以上仅为本发明代表性的优选实施方式，并不局限本发明的实施范围。不偏离本发明权利要求所作的等同变化与修改，应仍属本发明的保护范围。
Claims (20)
1.一种环路导热装置(1)，包括蒸发器(10)和冷凝器(30)，两者之间通过环管(20)连接，构成流体工质的循环回路；其特征在于：
该蒸发器(10)内部具有毛细组织芯体(13)，在该毛细组织芯体(13)上形成有多个隧道(131)，且其一端汇集在蒸气室(15)，并与该环管(20)的一端连接形成气态工质的输出端(21)，该环管(20)的另一端通过冷凝器(30)后形成液态工质的输入端(22)，连接于该蒸发器(10)，且该环管的管道末端(22a)伸入并接触该毛细组织芯体(13)，并在该毛细组织芯体(13)上方形成液态工质的补偿室(16)。
2.根据权利要求1所述的环路导热装置(1)，其中该蒸发器(10)由壳体(11)和盖部(12)构成负压的密闭空间，该毛细组织芯体(13)与该空间底部和侧壁之间形成紧密接合，且该补偿室(16)形成于该毛细组织芯体(13)上方并介于该毛细组织芯体(13)与盖部(12)之间。
3.根据权利要求2所述的环路导热装置(1)，其中该壳体(11)和盖部(12)的材料为选自铜、镍、钛及其混合物材料中的一种。
4.根据权利要求2所述的环路导热装置(1)，其中该毛细组织芯体(13)与该盖部(12)之间具有沿壳体(11)内侧周缘而设的缓冲垫(14)，且该盖部(12)周缘冲出一个沿壳体(11)内侧突出的凸缘部(121)，抵压在该缓冲垫(14)上方。
5.根据权利要求2所述的环路导热装置(1)，其中该毛细组织芯体(13)沿底部内侧形成有多个平行的隧道(131)。
6.根据权利要求5所述的环路导热装置(1)，其中该毛细组织芯体(13)是由选自铜、镍、钛及其混合物材料中的一种粉末烧结而成。
7.根据权利要求5所述的环路导热装置(1)，其中该毛细组织芯体(13)一侧的下端形成截角(132)，该截角(132)与该空间底部和侧壁之间构成蒸气室(15)，且该蒸气室(15)介于隧道(131)与该环管的输出端(21)之间。
8.根据权利要求5所述的环路导热装置(1)，其中该环管的输入端(22)的管道末端(22a)伸入该毛细组织芯体(13)内部。
9.根据权利要求5所述的环路导热装置(1)，其中该环管的输入端(22)的管道末端(22a)延伸设置在该毛细组织芯体(13)上方。
10.根据权利要求5所述的环路导热装置(1)，其中该毛细组织芯体(13)包含气隙密度上下不同的两种多孔性组织。
11.根据权利要求10所述的环路导热装置(1)，其中位于下方的第一芯体(13a)其毛细组织的气隙小且致密，位于上方的第二芯体(13b)其毛细组织的气隙大且疏松。
12.根据权利要求11所述的环路导热装置(1)，其中该第一芯体(13a)及第二芯体(13b)由两种不同粗细的导热性材料粉末一体烧结而成。
13.根据权利要求11所述的环路导热装置(1)，其中该第一芯体(13a)及第二芯体(13b)由两种不同粗细的导热性材料粉末分别烧结、两者上下层叠连接构成。
14.根据权利要求11所述的环路导热装置(1)，其中该环管的输入端(22)的管道末端(22a)伸入该第一芯体(13a)及第二芯体(13b)内部之间。
15.根据权利要求11所述的环路导热装置(1)，其中该环管的输入端(22)的管道末端(22a)延伸设置在该第二芯体(13b)上方。
16.根据权利要求11所述的环路导热装置(1)，其中该第一芯体(13a)沿底部内侧形成有多个平行的隧道(131)。
17.根据权利要求16所述的环路导热装置(1)，其中该第一芯体(13a)的一侧形成截角(132)，该截角(132)与该空间底部和侧壁之间构成蒸气室(15)，并介于该隧道(131)与该环管的输出端(21)之间。
18.根据权利要求1所述的环路导热装置(1)，其中该流体工质为选自水、氨水、乙醇中的一种。
19.根据权利要求1所述的环路导热装置(1)，其中该冷凝器(30)为水套式热交换器。
20.根据权利要求1所述的环路导热装置(1)，其中该冷凝器为(30)气冷式热交换器。
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