CN101261096B - 热管及其内壁毛细结构制作方法 - Google Patents

Abstract

一种热管及其内壁毛细结构的制作方法，其包括如下步骤：提供一中空管，中空管具有一开放端与一封闭端；由开放端置入一模具于中空管内，模具包括可相互配合的一中心棒与一造型组件，且造型组件对外具有一造型表面；由开放端填充一粉体于中空管与模具之间；烧结粉体，使粉体与中空管内壁结合形成一毛细结构，且毛细结构具有对应于造型表面的外型；自中空管内依序取出中心棒与造型组件；注入一工作液体于中空管内，并在注入工作液体之前或之后，抽出中空管内的空气；封闭中空管的开放端。

Description

热管及其内壁毛细结构制作方法

技术领域

本发明有关一种散热器的制作方法，且特别是有关一种热管及其内壁毛细结构的制作方法。

背景技术

随着科技的发展，电子产品已成为生活中不可或缺的必需品。对一项电子产品来说，电子产品必须要在适当的温度下才能正常地运作且维持其正常的寿命。但是，电子产品中的电子元件又会不断地发出热量，因此这些产生高热的电子元件需通过良好的散热来维持其稳定的工作温度，例如利用散热器来进行散热。以信息装置为例，为了提高散热的效率与兼顾风扇所产生的噪音问题，电脑主机中已出现使用热管来达到散热功效的技术。

热管的工作原理是利用流体的蒸发与冷凝来传递热量。首先，在负压状态的热管中会注入适当的工作流体，而其管壁具有由多孔材质所构成的毛细结构。接着，工作流体会在蒸发端(evaporator)蒸发，以吸收蒸发端周边元件所发出的热量。蒸气在受到微小的压力差之下会流向冷凝端(condenser)冷凝而放出热量。最后，在冷凝端冷凝的工作流体再通过毛细作用流经毛细结构而回到蒸发端。因此，工作流体就不断地循环蒸发与冷凝的过程，以将蒸发端周边元件所发出的热量带出。

由于热管中的毛细结构在传递工作流体时扮演相当重要的角色，因此毛细结构的设计也格外重要，无论是形状、体积以及厚度都有影响散热效率的可能。

图1为现有的一种热管的示意图。请参考图1，热管100包括铜管壁110以及毛细结构120。现有的热管100制作大多搭配一中心圆柱棒作为模具来形成热管110内的毛细结构120。因此，现有的毛细结构120其表面多为平面或简单的构形，相对限制了热管的结构设计与散热效率。更详细而言，虽然理论上毛细结构120越薄，工作流体在热管100内的循环效果会越好，可得到较佳的散热效率，但实际上毛细结构120所能吸收的工作流体体积也随着毛细结构120的厚度变薄而相对减少，而限制了工作流体所能携带的总热量。另一方面，考量工艺与使毛细现象正常作用等因素，毛细结构120的厚度无法无限制地缩小。总结上述原因，使用既有中心圆柱棒所形成的毛细结构120并无法达到最佳化的设计，也相对影响热管100的散热性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种热管及其内壁毛细结构的制作方法，可制作出具有多样化构形的毛细结构，借以提高热管的散热效果。

本发明提出一种热管的制作方法，首先提供一中空管，其具有一开放端与一封闭端。接着，由开放端置入一模具于中空管内。此模具包括可相互配合的一中心棒与一造型组件，且造型组件对外具有一造型表面。然后，由开放端填充一粉体于中空管与模具之间。接着，烧结粉体，使粉体与中空管内壁结合形成一毛细结构，且毛细结构具有对应于造型表面的外型。之后，自中空管内依序取出中心棒与造型组件，接着注入一工作液体于中空管内，并在注入工作液体之前或之后，抽出中空管内的空气。然后，封闭中空管的开放端，以大致形成本发明的热管。

在本发明一实施例的热管的制作方法中，上述造型组件包括多个造型棒，分别设置于中心棒的外围。而中心棒具有沿着其长度方向的多个导槽，且这些造型棒分别通过这些导槽与中心棒相互配合。另外，上述自中空管内依序取出中心棒与造型组件的步骤例如是先沿中空管的轴向抽出中心棒，其中中心棒与这些造型棒相对位移。然后，分别使造型棒沿中空管的径向远离毛细结构，并沿中空管的轴向抽出造型棒。

此外，在本发明一实施例的热管的制作方法中，上述造型表而为一锯齿表面，以在毛细结构上对应形成多个凸起。而上述在密封中空管的开放端之前，还可加热中空管，以进一步去除中空管内的空气。另外，上述中空管的材质例如是铜，而模具的材质例如是不锈钢或铝。此外，粉体的材质例如是铜，而工作液体例如是水。

本发明另提出一种热管内壁毛细结构的制作方法，首先提供一中空管，其具有一开放端与一封闭端。接着，由开放端置入一模具于中空管内。此模具包括可相互配合的一中心棒与一造型组件，且造型组件对外具有一造型表面。然后，由开放端填充一粉体于中空管与模具之间。接着，烧结粉体，使粉体与中空管内壁结合形成一毛细结构，且毛细结构具有对应于造型表面的外型。

在本发明一实施例的热管内壁毛细结构的制作方法中，上述在烧结粉体的步骤之后还可包括自中空管内依序取出中心棒与造型组件。而上述造型组件包括多个造型棒，分别设置于中心棒的外围。另外，上述中心棒具有沿着其长度方向的多个导槽，而这些造型棒分别通过这些导槽与中心棒相互配合。

在本发明一实施例的热管内壁毛细结构的制作方法中，上述自中空管内依序取出中心棒与造型组件的步骤例如是先沿中空管的轴向抽出中心棒，其中中心棒与这些造型棒相对位移。然后，分别使造型棒沿中空管的径向远离毛细结构，并沿中空管的轴向抽出造型棒。另外，上述造型表面为一锯齿表面，以在毛细结构上对应形成多个凸起。而上述中空管的材质例如是铜，而模具的材质例如是不锈钢或铝。此外，粉体的材质例如是铜，而工作液体例如是水。

基于上述，本发明采用中心棒与造型组件配合的模具来制作热管的毛细结构，其中当毛细结构制作完成时，可顺利将中心棒与造型组件自热管中取出。如此，毛细结构不会受到模具的限制，而可具有多样化的构形。此外，本发明也可通过此种制作方式得到具有较佳构形设计的毛细结构，以进一步提升热管的散热效率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，现将特举较佳实施例，并配合附图进行详细说明如下。

附图说明

图1为现有的一种热管的示意图。

图2为本发明一实施例的热管的剖面示意图。

图3A为制作图2的热管的模具组合前的示意图。

图3B为制作图2的热管的模具组合后的示意图。

图4A为图3A的中心棒的剖面示意图。

图4B为图3A的造型棒的剖面示意图。

图5A～图5G为制作图2的热管的毛细结构的流程示意图。

具体实施方式

为了改善现有的热管的散热效率，以下先就热管的原理来进行探讨，热管中的毛细结构所产生的毛细力需要抵抗不同来源的压力才能让毛细作用产生效果，详细而言，请参考以下公式(1)：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{capillary}}=\frac{2\mathrm{\σ}}{r_c}\≥({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{vl}}+{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ll}}+{\mathrm{\ΔP}}_w+{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{phase}}+{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{groove}}+{\mathrm{\ΔP}}_g)---\left(1\right)$

其中ΔP_capillary为毛细力；σ为工作流体的表面张力；ΔP_vl为蒸汽(vapor)段压降；ΔP_ll为液体段压降；ΔP_w为毛细结构的径向压降；ΔP_phase为相变化的压降；ΔP_groove为蒸汽沟槽压降；ΔP_g为重力压降。由此公式可以得知毛细力ΔP_capillary必须抵抗蒸汽段压降ΔP_vl、液体段压降ΔP_ll、毛细结构的径向压降ΔP_w、相变化的压降ΔP_phase、蒸汽沟槽压降ΔP_groove以及重力压降ΔP_g才能产生毛细作用。在这些不同来源的压力中，又以毛细结构的径向压降ΔP_w的影响较大。因此，本发明的重点之一便是能够降低毛细结构的径向压降ΔP_w，请再接着参考公式(2)：

${\mathrm{\ΔP}}_w=\ln \left(\frac{D_0}{D_i}\right)\frac{m{\mathrm{\μ}}_l}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_l{K}_w{L}_w}---\left(2\right)$

其中ΔP_w为通过毛细结构的径向压降；D₀为毛细结构的外径；D_i为毛细结构的内径；m为工作流体的质量流率；μ_l为工作流体黏滞系数；ρ_l为工作流体的密度；K_w为毛细结构的流动度(permeability)；L_w为毛细结构长度。由公式(2)可以得知，毛细结构径向上的宽度会影响毛细结构的压降ΔP_w，当毛细结构的外径D₀与毛细结构的内径D_i的差值(毛细结构径向上宽度大小)越小时，两者的比值也会越接近1。在对两者的比值取完自然对数后的结果就会越接近0，也即是说毛细力ΔP_capillary所需抵抗的毛细结构的压降ΔP_w的数值大小也会跟着降低，而能得到更佳效果的毛细作用。

图2为本发明一实施例的热管的剖面示意图。请参考图2，热管200包括一中空管210以及一毛细结构220。中空管210内壁的宽度为W1，而其材质包括铜。毛细结构220的形状为岛状，其包括多个凹部222以及多个凸起224，其中凹部222的高度与宽度分别为L1与W2，而凸起224的高度与宽度分别L2与W3。但在另一未绘示的实施例中，毛细结构220的形状可为锥状、岛状或其他适当的形状。在毛细结构220中，由于蒸汽在径向的路径上行走，而且会从路径较短的凹部222蒸发出来，因此当现有的毛细结构120的宽度W0(请参考图1)与毛细结构220的凹部222的宽度W2(请参考图2)一样时，在相同长度的情况之下，毛细结构120的W0区域与毛细结构220的W2区域的径向压降会一样(请参考公式二)，也就是说两者在相同的热源之下所产生的蒸汽所需抵抗的压降是相同。但是，就整体而言，毛细结构220的凸起224能够吸收更大体积的工作流体，也就是有更多的工作流体能从液态转换成气态而吸收更多的热量，且由于蒸发的蒸汽会由较小的压降区域(W2)先走，因此毛细结构220能带走更多的热量。在此情形下，本实施例的热管200的散热效果会优于现有的热管100的散热效果。

从另一个角度来说，假设热管100与热管200在同样单位长度之下且毛细结构120又与毛细结构220的体积相同，则毛细结构220的凹部222的宽度W2会小于现有毛细结构120的宽度W0。在此情形下，本实施例的毛细结构220的毛细力所需抵抗的径向压降会小于毛细结构120所需抵抗的径向压降，因此毛细结构220的毛细作用的效果会优于毛细结构120的毛细作用的效果，而能加快工作流体的循环，以让热管200具有较佳的散热效果。

图3A为制作图2的热管的模具组合前的示意图，图3B为制作图2的热管的模具组合后的示意图，图4A为图3A的中心棒的剖面示意图，图4B为图3A的造型棒的剖面示意图。请参照图3A，中心棒310具有沿着其长度方向的多个导槽312(图3A中显示四个)，其外径D1例如为3mm，而其内径D2例如为2mm(请参照图4A)，但不以此为限。造型棒320对外具有造型表面320a，以在毛细结构220上对应形成多个凸起224。

如图3A与3B所示，造型棒320分别通过中心棒310上的导槽312与中心棒310相互配合。更具体说，这些造型棒320例如分别依图3A箭头方向进入导槽312，而被固定于中心棒310上。

在本实施例中，造型棒320可包含多个凸部322与多个凹部324，以让造型表面320a形成一锯齿表面，其中凸部322的宽度W4例如为0.4mm且长度L3例如为0.3mm，而凹部324的长度L4例如为0.7mm，但皆不以此为限。在另一未绘示的实施例中，中心棒310的导槽312数量可适当地增减，且造型棒320亦不限于分别通过导槽312与中心棒310相互配合，且造型表面320a亦不限于为锯齿表面。

图5A～图5G为制作图2的热管的毛细结构的流程示意图。请参考图5A，进行将模具置入中空管的步骤。首先，提供中空管210，而中空管210具有一开放端210a与一封闭端210b，其中中空管210内壁的宽度W1例如为0.3mm(请参考图2)，但并不以此为限。接着，由开放端210a置入模具300于中空管210内，模具300包括中心棒310与造型组件(可参考图3A以及图3B)，其中造型组件可包含多个分别设置于中心棒310的外围的造型棒320，而模具的材质可包括不锈钢或铝。

请接着参考图5B，进行填粉的步骤。将容器70内的粉体60由开放端210a倒入中空管210中，并填充于中空管210与模具300之间，其中粉体60的材质包括铜。然后，如图5C所示，进行烧结热管200的步骤。将热管200置入烧结炉50，以烧结粉体60，使粉体60与中空管210内壁结合形成一毛细结构220，且毛细结构220具有对应于造型表面320a的外型。接着，如图5D所示，进行取出热管200的步骤。将热管200自烧结炉50取出而完成烧结的过程。

在烧结的过程之后，自中空管210内依序取出中心棒310与造型组件。更详细来说，请先参考图5E，进行取出中心棒310的步骤。沿中空管210的轴向抽出中心棒310，其中中心棒310与这些造型棒320相对位移。接着请参考图5F，进行取出这些造型棒320的步骤。分别使这些造型棒320沿中空管210的径向远离毛细结构220，并沿中空管210的轴向抽出这些造型棒320。在本实施例中，所制作出的毛细结构220的凹部222的宽度W2例如为0.4mm而其长度L1例如为0.5mm，而凸起224的宽度W3例如为1.0mm而其长度L2例如为0.5mm，但皆不以此为限。

接着，请参考图5G，毛细结构220制作完成。在完成毛细结构220的制作后，注入一工作液体于中空管210内，并在注入工作液体之前或之后，抽出中空管210内的空气，其中工作液体可包括水。更进一步来说，虽然理论上在注入工作液体之前将中空管210的空气抽出的效果较佳，但是考量实际的生产成本以及其他生产条件之后，通常会采取在注入工作液体之后将中空管210的空气抽出的方式，在抽出空气的效果可接受的程度下还可兼顾成本。此外，在密封中空管210的开放端210a之前，更可再加热中空管210，以进一步去除中空管210内的空气。最后，则是封闭中空管210的开放端210a，而完成本实施例的热管200的制作。

综上所述，本发明的热管的制作方法所制造的毛细结构相较于现有的毛细结构来说，可吸收较多的工作流体来进行热量交换的工作，或是其毛细力所需抵抗的径向压力ΔPw较低而能较快速地运送工作流体来进行热交换，因此，本发明的热管的制作方法所制造的热管可产生较佳的散热效果。此外，本发明的热管的制作方法采用中心棒与造型组件配合的模具，当制作较为复杂的毛细结构的热管时，中心棒与造型组件仍可依序取出，使毛细结构不易受到模具的限制，而便于毛细结构的改良，以制作出散热效果较佳的热管。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作出种种等同的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (19)

1.一种热管的制作方法，包括：

提供一中空管，该中空管具有一开放端与一封闭端；

由该开放端置入一模具于该中空管内，该模具包括可相互配合的一中心棒与一造型组件，且该造型组件对外具有一造型表面；

由该开放端填充一粉体于该中空管与该模具之间；

烧结该粉体，使该粉体与该中空管内壁结合形成一毛细结构，且该毛细结构具有对应于该造型表面的外型；

自该中空管内依序取出该中心棒与该造型组件；

注入一工作液体于该中空管内，并在注入该工作液体之前或之后，抽出该中空管内的空气；以及

封闭该中空管的该开放端。

2.根据权利要求1所述的热管的制作方法，其特征在于该造型组件包括多个造型棒，分别设置于该中心棒的外围。

3.根据权利要求2所述的热管的制作方法，其特征在于该中心棒具有沿着其长度方向的多个导槽，而这些造型棒分别通过这些导槽与该中心棒相互配合。

4.根据权利要求2所述的热管的制作方法，其特征在于自该中空管内依序取出该中心棒与该造型组件的步骤包括：

沿该中空管的轴向抽出该中心棒，其中该中心棒与这些造型棒相对位移；

以及

分别使这些造型棒沿该中空管的径向远离该毛细结构，并沿该中空管的轴向抽出这些造型棒。

5.根据权利要求1所述的热管的制作方法，其特征在于该造型表面为一锯齿表面，以在该毛细结构上对应形成多个凸起。

6.根据权利要求1所述的热管的制作方法，其特征在于还包括在密封该中空管的该开放端之前，加热该中空管，以进一步去除该中空管内的空气。

7.根据权利要求1所述的热管的制作方法，其特征在于该中空管的材质包括铜。

8.根据权利要求1所述的热管的制作方法，其特征在于该模具的材质包括不锈钢或铝。

9.根据权利要求1所述的热管的制作方法，其特征在于该粉体的材质包括铜。

10.根据权利要求1所述的热管的制作方法，其特征在于该工作液体包括水。

11.一种热管内壁毛细结构的制作方法，包括：

提供一中空管，该中空管具有一开放端与一封闭端；

由该开放端置入一模具于该中空管内，该模具包括可相互配合的一中心棒与一造型组件，且该造型组件对外具有一造型表面；

由该开放端填充一粉体于该中空管与该模具之间；以及

烧结该粉体，使该粉体与该中空管内壁结合形成一毛细结构，且该毛细结构具有对应于该造型表面的外型。

12.根据权利要求11所述的热管内壁毛细结构的制作方法，其特征在于烧结该粉体的步骤之后还包括下列步骤：

自该中空管内依序取出该中心棒与该造型组件。

13.根据权利要求12所述的热管内壁毛细结构的制作方法，其特征在于该造型组件包括多个造型棒，分别设置于该中心棒的外围。

14.根据权利要求13所述的热管内壁毛细结构的制作方法，其特征在于该中心棒具有沿着其长度方向的多个导槽，而这些造型棒分别通过这些导槽与该中心棒相互配合。

15.根据权利要求13所述的热管内壁毛细结构的制作方法，其特征在于自该中空管内依序取出该中心棒与该造型组件的步骤包括：

沿该中空管的轴向抽出该中心棒，其中该中心棒与这些造型棒相对位移；以及

分别使这些造型棒沿该中空管的径向远离该毛细结构，并沿该中空管的轴向抽出这些造型棒。

16.根据权利要求11所述的热管内壁毛细结构的制作方法，其特征在于该造型表面为一锯齿表面，以在该毛细结构上对应形成多个凸起。

17.根据权利要求11所述的热管的制作方法，其特征在于该中空管的材质包括铜。

18.根据权利要求11所述的热管内壁毛细结构的制作方法，其特征在于该模具的材质包括不锈钢或铝。

19.根据权利要求11所述的热管内壁毛细结构的制作方法，其特征在于该粉体的材质包括铜。

Images