CN101055154A - 热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热管，包括一管状壳体，其内具有一密封腔室，该密封腔室内封入适量工作流体，该密封腔室内设有至少一毛细结构层，该毛细结构层包括至少一横截面呈波浪状的薄片，该薄片对应管状壳体两端的部位分别设有多数透孔，从而形成蜂巢状毛细结构。由于上述热管毛细结构是由金属薄片形成并呈蜂巢状，在量产制程中对毛细结构的一致性可实现有效的控制，并且通过金属薄片的结构可有效控制毛细结构的孔隙率，有利于提升热管性能及品质稳定性。

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。热管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：包括在蒸发段由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，上述工作液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。
但是，现有热管技术仍有许多待克服的缺点，包括：
(1)蒸汽与回流液体于同一管中以相反方向流动，阻碍液体由毛细力的回流，进而发生干化导致急速升温，限制其最大散热能力。
(2)冷凝段中凝结液体回流通道是利用与蒸发段相同的毛细结构，虽然毛细力可随其中的孔隙直径减少而增加，但流体的磨擦阻力也随的增加，不利于工作液体的回流而易发生干化，限制其最大散热能力。
(3)采用烧结金属粉末、金属网、金属丝或微小沟槽的热管毛细结构不易在量产制程中获得一致性的结构特性与品质，因此无法有效控制主导传热性能的孔隙率，造成热管产品在传热性能的变异性增加。
(4)采用烧结金属粉末、金属网、金属丝或微小沟槽的热管毛细结构其孔隙率局限于一小范围，难以作大幅度的提升，使热阻值偏高且使最大散热能力受限。
为避免上述第(1)(2)项缺点，乃有回路式热管(loop heat pipe)的开发，其构造包括一具有毛细结构的蒸发部、使汽、液分流的蒸汽导管及回流导管、以及设于上述两导管之间使蒸汽冷凝成液体的冷凝部。其工作原理也是通过工作流体的液、汽两相变化的潜热来传递热量，工作流体的作动也全靠内部毛细结构提供的毛细力，但优于传统热管的处主要在于工作流体的液、汽两相分别以不同的流道进出蒸发部，使两相的流动不互相干扰而将热量传至冷凝部散出，且蒸发部与冷凝部可以采用不同的结构作适当的搭配；唯在实务上仍无法解决第(3)(4)项缺点。
因此，业界需要综合传统热管与回路式热管的优点并有效克服上述现有技术的缺点，提出一种热管，其具有传统热管外形及具有汽、液分流的回路式热管优点，以及在制程中可有效控制孔隙率的大小，并使孔隙率大幅提升的蜂巢式热管，达到方便应用、大幅降低热阻、及提升热管最大散热能力的功效。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种可有效控制其毛细结构一致性及孔隙率的具有高效热导性能的热管。
一种热管，包括一管状壳体，其内具有一密封腔室，该密封腔室内封入适量工作流体，该密封腔室内设有至少一毛细结构层，该毛细结构层包括至少一横截面呈波浪状的薄片，该薄片对应管状壳体两端的部位分别设有多数透孔，从而形成蜂巢状毛细结构。
与现有技术相比，上述热管毛细结构是由金属薄片形成并呈蜂巢状，在量产制程中对毛细结构的一致性可实现有效的控制，并且通过金属薄片的结构可有效控制毛细结构的孔隙率，有利于提升热管性能及品质稳定性。
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是本发明一较佳实施例的热管纵向截面图。
图2A是图1中A-A截面放大图，图2B是图1中B-B截面放大图。
图3A是图2中的第一薄片的结构示意图。
图3B是图2中的第二薄片的结构示意图。
图3C是本发明热管毛细结构的第一薄片的另一结构示意图。
图3D是本发明热管毛细结构的第二薄片的另一结构示意图。
图4A是本发明热管毛细结构的第一薄片的再一结构右视图。
图4B是本发明热管毛细结构的第一薄片的又一结构右视图。
图5是本发明热管毛细结构的第一薄片的再另一结构右视图。
【具体实施方式】
请参阅图1，该热管包括一密封腔体10、腔体10内设置的毛细结构20、腔体10内封入的适量工作流体(图未示)。其中，该密封腔体10由内壁为平滑的金属管状壳体或内壁有微小沟槽的管状壳体构成。
本实施例中的热管还可以包括一汽液隔离层30，其是由金属薄片或薄管构成，主要设置于对应热管绝热段50的毛细结构20表面，使该部位的毛细结构20界面与蒸汽流道70隔绝，以便解决现有技术的蒸汽与回流液体于共同连通接口的通道中以相反方向流动，阻碍液体借毛细力的回流，进而发生干化导致急速升温。该汽液隔离层30也可以分别向热管蒸发段40及冷凝段60方向适当延伸设置。
请参阅图2，该毛细结构20包括贴设于腔体10内壁的三角型波浪状第一薄片210及该第一薄片210内侧(本实施例中由热管内壁面至热管中心轴线的方向称为内方向，反则称为外方向)贴设的平板状第二薄片220。
如图3A及图3B所示，该第一薄片210及该第二薄片220上分别设有多数透孔212及222，从而该第一薄片210与第二薄片220组合形成供冷凝液回流的多微流通道蜂巢式毛细结构层，而沿热管中心轴线形成供蒸汽流动的空洞蒸汽通道。如图2所示，本发明的毛细结构20可以在热管内方向上紧叠置形成两层或两层以上的毛细结构层，本实施例中的毛细结构20为多层毛细结构为例。
可以理解地，本实施例中的多层毛细结构20通过多数波浪状第一薄片210叠置而成，其中相邻第一薄片210的波峰与波谷相应接触。
当工作流体受热蒸发时，通过低流阻汽液隔离层30将来自蒸发段40的蒸汽快速输送至冷凝段60散热后冷凝成液体，并通过低流阻高孔隙率的蜂巢状毛细结构20所提供的毛细力使冷凝液顺利回流至蒸发段40吸热并再度蒸发汽化，使本发明蜂巢式热管达到持续相变化的热能循环来传递热量。由于毛细结构20由整体薄片构成，在量产制程中对热管内部的毛细结构易得到控制，可获得各部位毛细结构一致性较高的热管，可进一步有效控制热管各部位的孔隙率，且能够解决现有技术的孔隙直径小而堵塞或流体摩擦阻力大的问题，从而提高热管性能及品质良率。
另，本实施例热管的第一薄片210及第二薄片220上的透孔形状及尺寸可根据需求适当的改变，而进一部控制孔隙率等。
如图3C所示，本发明热管毛细结构的第一薄片210’也可以对应热管蒸发段40与冷凝段60的两端部位设有若干小透孔212’，而对应绝热段50部位上无需设置透孔。如图3D所示，本发明热管毛细结构的最外层的第二薄片220’也可与第一薄片210’相同设置，此时无需设置上述实施例中的汽液隔离层30。
请参阅图4A及图4B，本发明的热管的第一薄片210”还可为其侧向(相当于热管的轴线方向)投影呈弧形波浪状或梯形波浪状并编织成六边型的网格状构造。
请参阅图5，本发明热管的毛细结构的第一薄片230上的透孔边缘设有向一侧翻出的折边而形成凸孔232。
上述各实施例中皆以圆管为例进行说明，然而本发明的热管也可以根据需求经弯折或打扁过程形成U型、S型等各种形状并蒸发段为扁平状或整体皆为扁平状的热管。由于本发明热管毛细结构由薄片状金属整体方式紧叠置构成，其强度高，在上述弯折或打扁过程中受损度相对现有技术小，最终获得的热管与原圆管型热管相比依然能保持较好性能。
本发明蜂巢式热管的制造方法之一是首先将一定长度的汽液隔离层套设于芯棒外并予以轴向定位，再将蜂巢毛细结构密贴于其外，然后将其由一端插入热管壳体内，并以经过缩口及缩管的蒸发段尾端予以同心定位；然后，将上述插入热管壳体内的芯棒组合件送入高温炉中使蜂巢毛细结构、热管壳体及汽液隔离层烧结成为一体，然后抽出芯棒并将底部熔焊密封；最后，由缩口及缩管的蒸发段尾端充入适量的工作流体并抽真空，再经热管的定长、将缩管切断、熔焊封口等制程而完成一蜂巢式热管的制作。
热管毛细结构的孔隙率是主导热管传热性能的关键参数，由于本发明蜂巢式热管结构是通过若干金属薄片经紧实堆叠成形，其呈蜂巢状排列的多微流通道毛细结构所形成的孔隙率大小可通过选用成型薄片的不同形式及层数在制程中获得精确的控制，达到有效克服目前现有热管量产制程技术不易获得一致性好的结构特性与一致的热传品质的缺点，进而大幅缩小热管产品在传热性能的变异性及大幅提升热管产品的良率。
另，依照热管最大热传量的理论计算，直径6mm的热管每升高1％的孔隙率可使最大热传量增加约10W，以目前现有的量产技术所生产的热管毛细结构：例如粉末烧结式、丝网式、沟槽式、以及将上述单一毛细结构组合的复合式(hybrid)毛细结构，其孔隙率很难超过40％，但本发明蜂巢式热管的毛细结构不但易于制造，且可很容易将孔隙率大幅提升并超过80％以上，达到降低热阻及提升最大散热能力的功效。
又，本发明通过若干金属薄片成形且紧实堆叠的蜂巢状毛细结构的排列，以及在成形薄片上的若干细孔，使蜂巢状毛细结构中回流的冷凝液互通，毛细结构中毛细孔之间难有堵塞情况，达到进一步提升孔隙率及降低流体摩擦阻力及热阻的功效。
再，原本在传统热管的毛细界面呈反向流动而彼此干扰且相互牵制的蒸汽流与回流冷凝液，造成热管的最大散热能力受到限制；由于本发明蜂巢式热管的毛细结构中已包含汽液隔离层，使状况转变为在同一热管中的蒸汽流通过该汽液隔离层内的流道，以及与的完全隔离的回流冷凝液则通过蜂巢状毛细结构，因此本发明已将汽、液流道分离的回路式热管优异特性融入传统式热管中，达到进一步降低热阻及大幅提升热管最大散热能力的功效。

Claims (10)

1.一种热管，包括一管状壳体，其内具有一密封腔室，该密封腔室内封入适量工作流体，该密封腔室内设有至少一毛细结构层，其特征在于：该毛细结构层包括至少一横截面呈波浪状的薄片，该薄片对应管状壳体两端的部位分别设有多数透孔，从而形成蜂巢状毛细结构。
2.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述管状壳体两端分别形成蒸发段与冷凝段及位于蒸发段与冷凝段之间的位置形成绝热段，该薄片对应于热管绝热段的位置也设有多数透孔。
3.如权利要求2所述的热管，其特征在于：上述热管对应绝热段的毛细结构层朝向腔室的内表面设有一汽液隔离层。
4.如权利要求3所述的热管，其特征在于：上述汽液隔离层两端分别向蒸发段与冷凝段适当延伸。
5.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述管状壳体为其内壁平滑或设有若干沟槽的金属管件。
6.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述毛细结构层还包括一贴设于波浪状薄片朝向腔室一侧的平板状薄片，该平板状薄片对应管状壳体两端的部位分别设有多数透孔。
7.如权利要求6所述的热管，其特征在于：上述毛细结构层包括多数交替叠置的波浪状薄片与平板状薄片。
8.如权利要求1或6所述的热管，其特征在于：上述透孔边缘设有向一侧翻出的折边。
9.如权利要求1所述的热管，其特征在于：该热管包括多数该毛细结构层而多数波浪状薄片其波峰与波谷对应接触的叠置。
10.如权利要求1所述的热管，其特征在于：上述波浪状薄片的横截面形状为三角形、弧形或梯形的波浪状。
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