CN101660880B - 传导率可变热管 - Google Patents

Abstract

本发明不论保存、输送、安装时的状况如何，都能够提供传导率可变热管的稳定起动和稳定动作。该传导率可变热管在沿轴向延伸的密闭容器(1)内封入有工作流体和不冷凝气体，将该密闭容器(1)的一方安装在发热源(9)上，将另一方安装在冷热源(10)上；其中，在上述密闭容器(1)的与轴垂直的截面的一部分上设置导水性比其它部分好的部分(15)，该导水性好的部分在上述轴向延伸。

Description

传导率可变热管

技术领域

本发明涉及一种控制电子设备等的温度的冷却设备，特别是涉及使用传导率可变热管的冷却设备。

背景技术

在以往的电子设备用冷却器中，为了稳定地获得所期望的功能，重视将电子设备的温度冷却到容许温度以下。作为冷却器，具有辐射式、自然空冷式、强制空冷式、液冷式及沸腾冷却式等，但近年来，在密闭容器中封闭了适量的工作流体的热管等也使用得较多。这些冷却器具有设备特有的热阻，在实际使用时，随着电子设备的发热量的增加，另外，随着周围环境温度的增加，电子设备温度增大，另一方面，随着在散热部流过的冷却介质(空气、水等)的流量增加，电子设备温度下降。因此，这些动作因素或环境因素的变动使电子设备温度可能发生变化，实用上必然发生热循环。该热循环产生由构成电子设备的各材料的线膨胀系数的差引起的内部应力，成为电子设备的破坏、即电子设备寿命缩短的主要原因。

在这样的背景下，为了电子设备的高寿命化，需要用于抑制上述热循环的冷却设备，作为其一个冷却器件，提出有在热管内部装入了不冷凝气体(氦、氩、氮等)的传导率可变热管(例如，专利文献1)。

[专利文献1]日本特开平10-122775号公报(第2页，图1)

在这样的传导率可变热管中，采用在由受热部、绝热部(输送部)、散热部、气体储存部构成的密闭容器内部封入了工作流体(液体和蒸气)和不冷凝气体的结构，但在制造时、保管时、输送时、设置时形成各种姿势，所以，工作液体流入气体储存部内，另外，急剧的温度变化使工作液体流入气体储存部内，如此等等，液体未必时常处于受热部，传导率可变热管的稳定起动和稳定动作存在问题。此外，传导率可变热管难以批量生产。

发明内容

本发明的传导率可变热管，在沿轴向延伸的密闭容器内封入工作流体和不冷凝气体，将该密闭容器的一方安装在发热源上，将另一方安装在冷热源上；其特征在于：偏心地将插入物插入在上述密闭容器内，在上述密闭容器的内壁与上述插入物之间的空间中形成导水性良好的部分。

按照本发明，不论保存、输送、安装时的状况如何，都能够提供传导率可变热管的稳定起动和稳定动作。

附图说明

图1为表示本发明实施方式1的传导率可变热管的主要部分的概略截面图。图2为表示以往的传导率可变热管的主要部分的概略截面图。图3为用于说明本发明实施方式1的传导率可变热管的动作的概略截面图。图4为表示本发明实施方式1的传导率可变热管的变形例的截面图。图5为表示本发明实施方式2的传导率可变热管的主要部分的概略截面图。图6为表示本发明实施方式2的插入物的变形例的概略截面图。图7为表示本发明实施方式2的传导率可变热管的变形例的主要部分的概略截面图。图8为表示本发明实施方式2的插入物的一例的图。图9为表示本发明实施方式2的传导率可变热管的另一变形例的主要部分的概略截面图。图10为表示本发明实施方式3的插入物的概略截面图。

具体实施方式

实施方式1图1为表示本发明实施方式1的传导率可变热管的截面图。在图中，左边为包含构成传导率可变热管的密闭容器的轴的截面图，右边为表示与该轴垂直的截面、即A-A截面的放大图。从密闭容器1的端部开始，形成受热部2(蒸发部)、绝热部3(输送部)、散热部4(冷凝部)、不冷凝气体贮存部5，在密闭容器1内部封入工作流体(液体6和其蒸气7)和不冷凝气体8。如用A-A截面放大图所示那样，在密闭容器1的内壁的一部分上设置凹凸，该凹凸在密闭容器1的轴向延伸。受热部2与发热源9接触，散热部4与冷热源10接触，从而将热从更高温的发热源9传递到受热部2，再传递到受热部2内的液体6，液体6按潜热的形式吸热、蒸发或沸腾，生成蒸气7，蒸气7或蒸气7与液体6经过绝热部3流入到散热部4，蒸气7冷凝，并且将蒸气7保有的潜热放出到散热部4，该放出了的热从散热部散热到更低温的冷热源10。此时，蒸气7冷凝而生成的冷凝液(液体6)由重力或毛细管力从散热部4经过绝热部3再次回流到受热部2。通过这些蒸气7和液体6的循环，将在发热源9中产生的热连续地传递(排出)到冷热源10。另一方面，封入在密闭容器1内的不冷凝气体8随着蒸气7或蒸气7和液体6的移动，经过绝热部3和散热部4，朝不冷凝气体贮存部5或不冷凝气体贮存部5侧的散热部4移动，聚集、停滞。当不冷凝气体8停滞时，蒸气7难以进入不冷凝气体8内，形成蒸气7与不冷凝气体8的界面11。蒸气7一边连续地推挤不冷凝气体8一边使上述界面11移动，蒸气7与不冷凝气体8的压力达到平衡，从而使界面11的移动停止，其位置稳定。因此，当界面11处于不冷凝气体贮存部5时，蒸气7跨越散热部4整体而冷凝，所以，获得100％的散热能力，当处于散热部4内时，蒸气7的冷凝面积(散热面积)减少，所以，散热能力下降(在0＜散热能力＜100％的范围可变)，当处于绝热部3或受热部2时，能够绝热(散热能力0％)。但是，通过沿密闭容器1的壁的热传导，产生一部分的热移动，所以，实际上虽然很小但是存在散热的能力。到此为止的动作说明为传导率可变热管的动作原理。

传导率可变热管在结构方面在密闭容器1中封入了液体、蒸气、不冷凝气体这样三种流体。从原理上说，最好不冷凝气体在不冷凝气体贮存部5中停滞，但实际上分子扩散使蒸气与不冷凝气体混合存在。另外，用作不冷凝气体的氖的分子量为20，氮为28，氩为40，例如在使用水作为工作流体的场合，水的分子量为18、更轻，在重力的的影响下不冷凝气体8更容易停滞在通常设置在下方的受热部2，相反，蒸气7更容易停滞在通常设置在上方的不冷凝气体贮存部5。另外，有时不冷凝气体贮存部5内的蒸气冷凝，或液体经过散热部4进入到不冷凝气体贮存部5内，所以，实际上有时存在上述三种流体。这对传导率可变热管的保存、输送、安装等不特别产生问题，但实际上在作为散热元件的起动和动作中，在不冷凝气体贮存部5内存在液体，从而在受热部2内液体不足，引起受热部2内烧干，导致受热部2的温度发生热失控的问题。因此，必须形成为存在于不冷凝气体贮存部5内的液体在实际使用时必然回流到受热部2的结构。

然而，对于图2所示的以往结构(与本发明的结构不同之处在后面说明)的传导率可变热管，在密闭容器1细的场合，若在密闭容器1的端部存在液体，则作用在由蒸气和不冷凝气体构成的气体区域12与液体停滞的液体区域13的边界、即气液边界14上的毛细管力使得液体难以流下。另外，如图2所示，在密闭容器1端部充满了液体的场合，在通常的没有不冷凝气体的热管中，密闭容器1端部的液体变化成蒸气而膨胀，所以，液体容易移动，但在传导率可变热管的场合，在气体区域12中存在不冷凝气体，所以，密闭容器1端部的液体越变化为蒸气，则内部压力越不小，即使液体要往受热部2方向移动，气体(压缩性流体，即蒸气)也不在密闭容器1端部生成(真空将液体向密闭容器1端部吸引)，难以移动。另外，当液体要移动时，在通常的没有不冷凝气体的热管的场合，形成气体区域12内的蒸气冷凝、气体区域12内的压力不上升的状态，但在传导率可变热管的场合，存在不冷凝气体，所以，随着液体的移动，气体区域12内压力增大，所以，阻碍了液体的移动。此外，液体容易停滞在不冷凝气体贮存部5，结果受热部2内的液体不足，存在不能正常进行传导率可变热管的起动和动作的可能性。

下面，使用图3详细说明本发明的结构、动作。本发明的特征如图3的A-A截面放大图(在图1的A-A截面放大图中也相同)所示那样，在密闭容器1的同一截面内设置了与其它部分16相比导水性更好的部分15。具体地说，导水性良好的部分15在密闭容器1的内壁截面周向的一部分设置有凹凸，该凹部和凸部在密闭容器的轴向(液体、蒸气移动的方向)延伸，从而形成导水性良好的部分。基于该周向上的导水性的非均匀性，在由于某种原因而使得未形成图1那样的圆顶状气液界面11，而是如图3所示那样，在不冷凝气体贮存部5附近存在液体6即液体区域13的场合，形成导水性良好的部分15滴下了一部分液体的不均匀的形状(不为轴对称的形状)。该液体滴下部分优先地进行液体6的移动，不引起气体区域12内的压力上升，气体区域12与液体区域13交换，液体6向受热部2移动，传导率可变热管正常地动作。

另一方面，在受热部2中也具有同样的效果，不对图2所示那样的以往的结构的即密闭容器1的内壁进行任何处理、加工，对于在周向具有均匀的导水性的传导率可变热管，结构上不一定限于液体充满受热部2的结构，作为最坏的条件，存在由不冷凝气体充满的可能性。在由不冷凝气体充满了的场合，即使液体要从散热部4流入，也如图2所示那样，形成不冷凝气体与液体的气液界面17，在截面内产生均匀的毛细管压力，由液体形成了盖。若受热部2受到加热，则受热部2内的不冷凝气体膨胀，上述气液界面17在绝热部3的方向移动。此时，若液体存在于受热部2内，则不能进行上述正常的热输送，受热部2的温度上升。结果，液体不流入到受热部2内，所以，不能进行正常的传导率可变热管的动作。另一方面，在本发明的图3(图1也同样)的结构的传导率可变热管中，与图2所示的以往的结构不同，在受热部2内截面内的周向的一部分存在导水性良好的部分15，所以，与在上述不冷凝气体贮存部5存在液体的场合同样，由于该周向的导水性的非均匀性的原因，不形成图2那样的圆顶状的气液界面17，导水性良好的部分15形成滴下了一部分液体的不均匀的形状(不为轴对称的形状)。该液体滴下部分优先地进行液体的移动，液体往受热部2前端移动。流入到了该受热部2前端的液体通过施加来自发热源9的热，蒸发或沸腾，从而生成蒸气，将停滞在受热部2内的不冷凝气体向绝热部3送出，通过传导率可变热管自身的动作，能够使分散在密闭容器1内的不冷凝气体、特别是存在于受热部2内的不冷凝气体移动·聚集到不冷凝气体贮存部5，连续地向受热部2供给液体，并连续地从受热部2送出蒸气，能够使作为传导率可变热管的动作稳定化。

上述导水性良好的部分15除了图1、图3所示的情形外，使截面中的内壁的一部分变形，形成为不光滑的形状(在截面中存在弯曲点的形状，存在180度以上或180度以下的点的形状)、例如图4(a)所示的泪滴形状、图4(b)所示的葫芦形状、图4(c)所示的存在多个楔形流路的形状，也能够实现。另外，使密闭容器1截面的内壁的周向一部分的亲水性不同，例如使一部分的表面粗糙度较粗、对一部分进行UV处理(表面活化)、氧化处理或臭氧处理，使防水膜附着在一部分上等，对内壁的一部分实施使导水性变得良好的处理，也能够实现。

本发明的发热源9只要能将热施加到受热部2即可，尺寸、形状等没有特别的制约，可为电子设备的发热部、加热器、热输送器件、热泵、热交换器的散热部等固体、高温液体及高温气体等流体。另外也可为太阳、高温物体等通过辐射施加热的发热源。

另一方面，冷热源10只要能从散热部4接受热即可，尺寸、形状等没有特别的制约，可为水及空气等流体、热输送器件、热泵、热交换器的受热部、土壤、结构物等固体。也可为利用了辐射的远方的物质。

密闭容器1为收容液体、蒸气、不冷凝气体的气密容器，最好为在液体、蒸气与密闭容器1内壁之间基本上没有化学反应的金属。例如，在液体为水的场合，密闭容器1的材料最好为铜，在氨的场合，最好为铝、不锈钢等不由化学反应产生不冷凝气体的材料。

受热部2被从发热源9施加热，具有将该热传递到液体的作用。也可在其内面设置促进沸腾的结构体(多孔质物质或设于表面的捕捉蒸气的结构)。

绝热部3为液体、蒸气、不冷凝气体移动的通道。绝热部3周围曝露于空气等流体，另外，也可与结构体接触而散热，相反，也可设置绝热材料进行绝热。另外，散热部4具有使蒸气冷凝液化、将此时排出的潜热排出到冷热源10的作用。如图1、图3所示，为了促进向冷热源10的散热也可在散热部4外周面设置增大传热面积的翅片。绝热部3和散热部4有时如上述那样导水性良好的部分15位于其内部，其一部分起到收容不冷凝气体的通道或容器的作用。

不冷凝气体贮存部5具有收容不冷凝气体的作用。在非动作时，有时也收容液体、蒸气、不冷凝气体。传导率可变热管的流通道设置在从受热部2离开最远的端部，最好设在构成部位的最上部，流入了的液体向散热部4流下的结构较好。

液体为沸腾和蒸发、冷凝的液体，可为水、氨等单一成分流体，也可为防冻液等多成分流体。蒸气为液体或液体的一部分气化了的气体。不冷凝气体为在使用环境下不冷凝的气体，在通常环境下，为氦、氩、氖、氮等。最好为不与密闭容器1的材料、液体、蒸气进行化学反应的气体，若为惰性气体则更理想。在封入初期，也可为密闭容器1与液体进行化学反应而产生的不冷凝气体。

实施方式2图5为表示本发明实施方式2的传导率可变热管的概略的截面图。在图2所示的以往结构的传导率可变热管内插入有插入物19。由该插入物19将密闭容器1内分成大截面积的流路20和小截面积的流路21，在各个流路中形成气液界面。另外，大截面积的流路20和小截面积的流路21具有开口18，该开口18在轴向上连续(即使存在一部分不连续的部分，即插入物19与密闭容器1的内壁接触的部分，也没有问题)，所以，开口18作为不冷凝气体排出通道和周向液体吸引口起作用。在大截面积的流路20的气液界面上产生更小的毛细管力，在小截面积的流路21的气液界面上产生更大的毛细管力，在同一截面的流路内产生毛细管力的非平衡状态。因此，停滞在上述密闭容器1端部的液体向毛细管力大的流路21移动(流路21内的气液界面14向受热部2方向移动)，毛细管力小的流路20的气液界面向密闭容器1端部方向移动。即，小截面积的流路21部分成为导水性比大截面积的流路20部分好的部分，成为液体的通道。这样，在传导率可变热管动作时，成为与在实施方式1中说明的场合相同的动作状态，在受热部2内存在适量的液体，能够确立稳定的起动和动作。

另一方面，在受热部2内也具有同样的效果，与图2的以往结构的传导率可变热管不同，在受热部2内安装有插入物19，分成大截面积的流路20和小截面积的流路21，所以，在同一截面的流路内发生毛细管力的非平衡状态。因此，毛细管力大的流路21由液体6充满(受热部2的前端与液体6接触)，另一方面，在毛细管力小的流路20中停滞不冷凝气体。在传导率可变热管动作之际，若在受热部2上施加热，则液体接触在受热部2的前端，从受热部2端部生成蒸气，在该蒸气经过绝热部3向散热部4移动时，使上述停滞了的不冷凝气体向不冷凝气体贮存部5方向移动。这样，由传导率可变热管自身的动作使分散在密闭容器1内的不冷凝气体、特别是存在于受热部2内的不冷凝气体移动·聚集到不冷凝气体贮存部5，能够连续地向受热部2供给液体，另外，可从受热部2连续地送出蒸气，能够使作为传导率可变热管的动作稳定化。

插入物19在密闭容器1的同一截面内形成毛细管力的非平衡状态，沿密闭容器1内壁设置液体6的专用通道，该插入物19在该专用通道的整个轴向或一部分上以具有兼作不冷凝气体排出通道和周向液体吸引口的开口18的方式插入在密闭容器1内即可，也可偏心地插入板。在密闭容器1的截面中在完全地分隔截面地设置了没有开口18的专用通道的场合，不冷凝气体混入、停滞在专用通道内，在专用通道内作用在液体和其不冷凝气体的界面上的毛细管力使得液体6不能流过专用通道，变得不能动作。

在图5中，作为插入物19的形状，表示出凹面的板状，但也可为平面的板状，或冲孔金属、金属网那样的形状。另外，作为截面形状，也可为图6所示的V形或W形那样的形状，这些V形、W形的截面形状，具有固定插入的插入物19、使其不能移动的效果。这样，作为插入物19的截面形状，只要为将密闭容器1内分成具有开口18的大截面积流路20和小截面积流路21的形状，则也可为任何的形状。

另外，在图5中，表示出密闭容器1为直管的情形，但也可如图7所示那样折曲端部，即在绝热部3附近设置弯曲部，在该场合，通过具有弯曲部，具有插入在密闭容器1内的插入物19被固定、不能移动的效果。另外，作为插入物19，如图8所示那样使用在中间具有宽度扩大了的部分的板状的插入物，若在弯曲部附近设置宽度扩大了的部分，则具有插入物19被进一步固定的效果。该中间扩大了的形状的插入物19不仅在图7那样的具有弯曲部的密闭容器1中具有效果，而且在图3那样的直管中当然也有效果。另外，将中间具有扩大了的部分的插入物19的扩大的部分折曲或弯曲，从而特别是在插入直管中的场合，具有能够切实地使插入物19偏心进行固定的效果。此外，如图9所示，折曲插入物19的端部将其插入，或另行配置间隔构件等，作为使插入物19偏心进行固定的结构，可以是通常采用的各种结构。

实施方式3图10为表示本发明实施方式3的传导率可变热管的与轴垂直的截面的放大截面图。也可偏心地插入图10所示那样的截面稠密的杆19。在该场合，在杆与密闭容器1之间变窄了的空间成为导水性良好的部分。也可使用绞线代替图7的杆，在绞线中线股间的狭窄空间也成为导水性良好的部分。另外，也可不为直线状的杆，而是使用使细线形成为螺旋状的构件，以使其沿着密闭容器1的内壁的方式插入，在该场合，导水性良好的部分形成为螺旋状。

作为在实施方式2、3中所示的插入物19的材料，无氧铜较适合，为了除去表面的附着物，用丙酮等进行清洗，然后，在高温下进行氧化处理，由此可将小截面积的流路21形成为导水性更好的结构。

另外，在实施方式2、3中，也可在密闭容器1的内壁沿轴向设置槽、使内壁为凹凸面。槽可在周向均匀地设置，也可不均匀地设置，另外，也可设置成螺旋状。

如以上说明的那样，本发明的导水性良好的部分如实施方式1那样可通过如下方式实现，即，在密闭容器内壁的一部分上设置凹凸，或使其变形、在内壁表面的一部分上形成与其它内壁表面部分相比液体更良好地在轴向扩展的部分。另外，在内壁表面的一部分上实施亲水性良好的处理也能够实现。另外，如在实施方式2、3中说明的那样，通过将插入物插入、在与内壁之间形成狭小的空间，也能够实现。对于导水性的好坏，当液体在要确认导水性的好坏的部分滴下了时，能够判断出液体在轴向较长地扩展的部分为导水性比其它部分良好的部分。

利用实施方式1～3说明了的本发明，特别是对于因工作流体的表面张力的原因而使工作流体难以流动的细小密闭容器很有效。例如在工作流体为水的场合，在密闭容器的直径为10mm左右以下时具有效果，特别是对于直径为6mm左右以下的小直径的密闭容器效果很好。因此，适合于能够由一个传导率可变热管输送的热量小的用途，例如适合于输出为数W左右的半导体激光器等的冷却。半导体激光器的动作时的温度变化对激光器的振荡波长、输出产生大的影响，所以，能够有效地利用在发热源动作时受热部的温度变化小的传导率可变热管的特性，从这一方面考虑也可以说为适合于本发明的用途。

Claims (7)

1.一种传导率可变热管，在沿轴向延伸的密闭容器内封入工作流体和不冷凝气体，该密闭容器具有受热部、绝热部、散热部以及不冷凝气体贮存部，将上述受热部安装在发热源上，将上述散热部安装在冷热源上；其特征在于：偏心地将插入物插入在上述密闭容器内，而且在上述受热部、上述绝热部、上述散热部以及上述不冷凝气体贮存部内安装上述插入物，在上述密闭容器的内壁与上述插入物之间的空间中形成导水性良好的部分。

2.根据权利要求1所述的传导率可变热管，其特征在于：偏心地将插入物插入，使得在密闭容器的整个轴向在与上述密闭容器的内壁之间形成截面积大的流路和截面积小的流路，而且，上述截面积大的流路与上述截面积小的流路至少在一部分上连通。

3.根据权利要求2所述的传导率可变热管，其特征在于：插入物为板或金属网。

4.根据权利要求2或3所述的传导率可变热管，其特征在于：设置使插入物不紧贴密闭容器的内壁的间隔构件。

5.根据权利要求1～3中任何一项所述的传导率可变热管，其特征在于：插入物在一部分上具有截面积大的部分。

6.根据权利要求1所述的传导率可变热管，其特征在于：在密闭容器内偏心地插入杆。

7.根据权利要求1所述的传导率可变热管，其特征在于：发热源为半导体激光器。

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